■熱伝導率は「材料そのもの」の性能である
熱伝導率とは、その材料がどれくらい熱を伝えやすいかを示す物性値である。
これは材料を比較するうえで非常に重要な数字であり、決して無意味ではない。
問題は、その数字だけで実際の熱性能まで判断してしまうことである。
実際の製品では、熱は材料単体の中だけを流れるわけではない。
例えば、
発熱部品
↓
TIM
↓
ヒートシンク
という構造なら、熱は少なくとも、発熱部品とTIMの界面、TIM内部、TIMとヒートシンクの界面を通る。
つまり実際の熱経路には、材料そのもの以外の要素が存在する。
■重要なのは「熱伝導率」だけではなく「熱抵抗」
材料の熱伝導率が高くても、厚ければ熱は通りにくくなる。
逆に、熱伝導率がそれほど高くなくても、非常に薄ければ熱抵抗を小さくできる場合がある。
単純化すると、材料の熱抵抗は、
厚み ÷ 熱伝導率
で考えることができる。
例えば、熱伝導率が高い材料を採用しても、段差吸収のために厚い材料を使えば、そのメリットの一部が失われる。
反対に、比較的熱伝導率の低い材料でも、非常に薄く、かつ良好に密着できれば、実機では優れた結果になることがある。
したがって材料比較では、「何W/m・Kか？」だけではなく、
「実際に何mmの厚みで使うのか？」まで見る必要がある。
■さらに重要なのが「接触熱抵抗」
実際の表面を拡大すると、完全な平面ではない。
半導体パッケージ、金属筐体、ヒートシンク、冷却プレート。
これらには微細な凹凸が存在する。
二つの部材を重ねても、全面が完全に接触しているわけではない。
その隙間に空気が残れば、熱が流れにくくなる。
そこでTIMには、単に熱を伝えるだけではなく、
表面の微細な凹凸を埋め、実際の接触面積を増やすという重要な役割がある。
材料の熱伝導率が非常に高くても、硬すぎて表面へ追従できなければ、界面に隙間が残る。
その結果、カタログスペックほどの性能が出ないことがある。
この「界面」の問題については、次の9-2でさらに詳しく扱う。
■柔らかければ良いわけでもない
では、柔らかいTIMを使えばよいのか。
これも単純ではない。
柔らかい材料は、
● 凹凸へ追従しやすい
● 段差を吸収しやすい
● 接触面積を確保しやすい
というメリットがある。
一方で、
● 圧縮によって形状が変わる
● はみ出す
● 長期間の荷重で厚みが変わる
● 組立時に扱いにくい
といった問題が起こる場合がある。
つまりTIMには、熱性能だけでなく、
硬さ、圧縮性、復元性、形状安定性も求められる。
■「高性能材料ほど良い」とは限らない
高熱伝導TIMには、
熱伝導性を高めるために多くのフィラーが入っている場合がある。
フィラー量を増やせば熱伝導率を高められる可能性がある.
一方、材料が硬くなることもある。
すると、カタログ上では3W/m・Kから8W/m・Kへ大きく性能が向上していても、
実際には8W/m・Kの材料の方が硬く、対象物への追従性が悪いということも起こり得る。
その場合、材料内部の性能は高くても、界面で熱を止めてしまう。
だから材料選定では、「最も熱伝導率が高い材料」ではなく、
「実際の構造で最も熱抵抗を小さくできる材料」を選ぶ必要がある。
■圧力によっても性能は変わる
TIMは、どの程度の圧力で挟まれるかによって接触状態が変わる。
圧力が高くなれば、TIMが圧縮され、接触面積が増え、隙間が減ることで熱抵抗が小さくなる場合がある。
しかし実際の製品では、無制限に圧力を上げることはできない。
基板が反る。
部品へ応力がかかる。
筐体が変形する。
そのため、実際の製品で掛けられる圧力の範囲で性能が出るかを確認する必要がある。
カタログ測定時の条件と、実際の組立条件が違えば、同じ材料でも結果は変わる。
■平坦度や反りも材料性能を変えてしまう
例えば、100mm角の冷却プレートが完全な平面ではなく、
中央部にわずかな反りがあるとする。
TIMを挟んでも、中央は強く接触し、
外周は弱く接触するという状態になる可能性がある。
するとTIMの厚みや接触圧力が場所によって変わる。
材料メーカーのカタログでは均一な試験片で優れた性能が出ていても、
実際の製品では同じ状態になるとは限らない。
ここでも、材料性能より先に、実装状態を見る必要がある。
■粘着層を追加すると熱性能も変わる
実際の量産では、TIMを固定するために粘着層を追加することがある。
材料単体では高い熱性能があっても、
TIM
＋
粘着層
＋
保護フィルム
という構造になれば、熱はそれらすべてを通過する。
特に薄型製品では、数十μmの粘着層でも無視できない場合がある。
つまり、「TIM本体は何W/m・Kか」だけではなく、
最終的な積層構造全体で熱性能を見る必要がある。
■絶縁フィルムを追加すれば、さらに条件は変わる
パワー半導体などでは、放熱と同時に絶縁が必要になる。
そのため、
発熱部品
↓
TIM
↓
絶縁フィルム
↓
冷却プレート
という構造になる場合がある。
このとき、絶縁フィルムも熱経路の一部になる。
熱性能だけを考えれば薄くしたい。
しかし絶縁性能を考えれば、一定の厚みが必要になる。
つまり実際の製品では、熱だけで材料を選ぶことができない。
絶縁、耐電圧、強度、加工性、信頼性。これらとのバランスが必要になる。
■材料の方向性も確認する
材料によっては、熱の伝わり方に方向性がある。
代表例がグラファイトである。
グラファイトシートは一般に、面方向へ非常によく熱を広げる材料として利用される。
しかし、面方向へ熱を広げたいのか、厚み方向へ熱を逃がしたいのかによって、
求められる材料特性は異なる。
例えば、「ICの熱を筐体の離れた場所まで運びたい」という用途なら、
面方向への熱拡散性能が重要になる。
一方、「ICの真上にあるヒートシンクへ熱を移したい」という用途なら、
厚み方向の熱抵抗が重要になる。
「熱伝導率が高い」という一つの数字だけでは判断できない。
■試験方法が違えば、数字を単純比較できないこともある
材料メーカーのカタログを見ると、同じ「熱伝導率」という項目でも、
測定方法や試験条件が異なる場合がある。
そのため、
A社 5W/m・K。
B社 7W/m・K。
だからB社の方が必ず優れている、とは単純には言えない場合がある。
比較するなら、
● 測定方法
● 試験温度
● 試料厚み
● 圧力条件
なども確認したい。
特に異なるメーカーの材料を比較する場合には重要である。
■初期性能だけで判断すると失敗する
試作直後はよく冷えた。
しかし半年後、性能が落ちた。
こうしたことも考える必要がある。
TIMや粘着材は、
● 高温
● 温度サイクル
● 湿度
● 振動
● 長期間の圧縮
などによって状態が変化する場合がある。
硬化する。軟化する。ずれる。剥がれる。ポンプアウトする。
すると接触状態が変わり、熱性能も変化する。
したがって、初期の熱性能だけでなく、使用期間を通じた熱性能を見る必要がある。
■加工すると、カタログにない条件が加わる
材料メーカーから購入したシートは、そのまま製品へ入るとは限らない。
実際には、打ち抜く、切る、穴を開ける、粘着材を貼る、絶縁材と積層する、リール化するといった加工を行う。
すると、
● 寸法公差
● バリ
● 変形
● 圧縮
● 異物
● 積層ズレ
といった新しい条件が加わる。
つまり顧客が実際に使うのは、**材料メーカーのカタログに掲載された「材料」ではなく、加工された「部品」**なのである。
■材料Aと材料B、どちらが良いかという質問だけでは足りない
熱対策の相談では、「AとBでは、どちらの材料が良いですか？」という質問が出る。
しかし本来は、その前に確認したいことがある。
● 何を冷やしたいのか
● 発熱量はいくらか
● どこへ熱を逃がすのか
● 接触面積はいくらか
● 許容できる厚みはいくらか
● どの程度の圧力を掛けられるか
● 絶縁は必要か
● 防水は必要か
● 量産ではどう貼るのか
● 使用温度はどの程度か
これらによって、最適な材料は変わる。
したがって熱対策では、材料選定の前に、**「どのような状態で使うのか」**を定義することが重要になる。
■失敗例：熱伝導率だけを2倍にする
例えば現在、3W/m・KのTIMを使用している。
部品温度が高いため、6W/m・Kへ変更する。
数字だけを見れば、熱伝導性能は2倍になったように見える。
しかし新しい材料が硬く、表面へ十分追従しない。
さらに必要な厚みが増え、接触熱抵抗も大きくなる。
その結果、実機温度はほとんど変わらない。
材料費だけが上がる。
これは十分に起こり得る失敗である。
問題は6W/m・Kという数字ではない。
その材料を使った状態で、熱経路全体の抵抗が本当に小さくなったかなのである。
■失敗例：高性能材料を選んだが量産できない
試作では高性能TIMを手で貼った。
熱性能も良かった。
そこで量産採用を決める。
しかし量産設備へ入れると、柔らかすぎて剥離できない。吸着すると変形する。位置が安定しない。材料が伸びる。
結果として自動貼付できない。
熱性能としては正しい材料でも、量産部品としては正しくないということがある。
この問題は9-3、9-4で詳しく扱う。
■研究者視点 ： 材料ではなく「熱経路全体」で評価する
熱問題を考えるとき、材料一つを取り出して評価するだけでは十分ではない。
発熱源から最終的な放熱先まで、どこを熱が通るのか。その途中に何があるのか。
どこが最大の抵抗になっているのかを見る。
例えば、
チップ
↓
TIM
↓
絶縁層
↓
金属プレート
↓
冷却水
という構造なら、このすべてが熱性能を決める。
TIMだけを高性能化しても、別の場所がボトルネックなら効果は限定的である。
■現場視点 ： 材料変更の前に、現物を見る
「もっと高性能なTIMへ変更したい」という相談が来たとき、
すぐに材料を探す前に、現在のTIMを剥がしてみる。
圧縮跡を見る。
気泡を見る。
接触面を見る。
位置ズレを見る。
反りを見る。
こうした確認によって、材料そのものではなく、
貼り方や接触状態が原因だったと分かることもある。
材料変更は重要な選択肢である。
しかし、材料を変える前に現在の熱経路を確認することも同じくらい重要である。
■OTIS視点 ： 材料メーカーと加工メーカーの役割は違う
材料メーカーは、より高い熱伝導率、より高い絶縁性、より柔らかいTIM、より薄いグラファイトといった材料そのものを開発する。
これは非常に重要である。
一方、OTISが担うべき役割は少し違う。
その材料を必要な形状へ加工する。
必要な厚みで使えるようにする。
必要な材料と積層する。
必要な位置へ貼れる状態にする。
そして量産工程で安定して扱える供給形態へする。
材料性能を、実際の部品性能へ変える。
ここが加工会社の役割である。
■OTISが材料選定段階から関わる意味
図面が完成してから、
「この材料を、この形に打ち抜いてください」という依頼を受けることもできる。
しかし熱対策では、もっと前から加工会社が関わる価値がある。
例えば、
この材料は薄すぎて自動貼付が難しい。
この形状では細部が破れやすい。
この粘着構成では剥離しにくい。
この積層では厚み公差が大きくなる。
こうした量産上の問題を設計段階で確認できれば、試作後の手戻りを減らせる。
つまり、材料選定と加工設計を別々に考えないことが重要になる。
■OTISでできること
OTISでは、
● TIM加工
● グラファイト加工
● 絶縁フィルム加工
● 銅箔・アルミ箔加工
● 粘着材加工
● 高精度打ち抜き
● 薄膜加工
● 微細加工
● 高精度ラミネート
● 異種材料積層
● 部分ラミネート
● ハーフカット
● リール・ツー・リール加工
● 自動貼付向け供給形態
などを通じて、熱対策材料を実際の量産工程で使える部品へ加工することができる。
材料そのものを開発するのではなく、
材料の性能をできるだけ損なわず、実際の製品へ組み込める状態にする。
そこにOTISの役割がある。
■OTISの専門外
OTISは、
● TIM材料そのものの開発
● グラファイト材料そのものの開発
● 半導体チップ設計
● 冷却装置全体の設計
● CFD専業解析
を専門とする会社ではない。
必要に応じて、材料メーカー、冷却装置メーカー、解析会社、顧客設計部門と連携する。
重要なのは、「どの材料が世界で一番優れているか」を決めることではない。
「この製品、この構造、この工程では、どの材料をどの状態で使えば成立するのか」を考えることである。
■まとめ：熱対策は材料カタログの比較では終わらない
熱伝導率は重要である。
しかし、それだけでは熱対策材料を選べない。
厚み、硬さ、圧縮性、接触状態、表面粗さ、圧力、絶縁、粘着層、積層構造、経年変化、そして量産工程。
これらが組み合わさって、実際の熱性能が決まる。
だから、「5W/m・Kだから3W/m・Kより良い」とは単純には言えない。
重要なのは、材料単体の最高性能ではない。
実際の製品に組み込んだ状態で、熱経路全体として最も安定して機能すること。
熱対策材料は、選んだ時点ではまだ完成していない。
切る。積層する。貼る。圧縮する。固定する。そして量産する。
そのすべてを経て、初めて熱対策部品になる。
9章で扱う「熱対策の失敗」の多くは、
この材料性能と実装性能の違いを見落とすところから始まるのである。
コラム監修：角本 康司 (オーティス株式会社)
語学留学や商社での企画開発を経て2011年にオーティス株式会社入社。経営企画部を中心に製造・技術部門も兼任し、2018年より代表取締役として事業成長と組織強化に努めている。
※本記事は教育・啓発を目的とした一般的な技術解説であり、特定企業・製品・技術を示すものではありません
