サーマルインターフェースマテリアル — CAE用語解説

グリスなしだとCPU表面とヒートシンクの間に微細な空気層が残って、熱がほとんど伝わらなくなる。空気の熱伝導率は0.026W/(m・K)しかないから、接触熱抵抗が跳ね上がってCPU温度が20〜30℃も上がることがある。あのグリスこそがサーマルインターフェースマテリアル（TIM）だよ。

大きく3つ。サーマルグリース（k≈1〜10W/(m・K)）は最も一般的で塗布が簡単。サーマルパッド（k≈3〜15W/(m・K)）はシート状で取り扱いが楽だけど厚みがある分抵抗は増える。最高性能ははんだ接合で、k≈50W/(m・K)だけどリワークが難しい。最近はインジウムやグラファイトシートも使われるようになってきた。

2つのアプローチがある。1つはTIM層を実際の厚さ（通常50〜200μm）でソリッドメッシュにする方法。もう1つは界面にコンダクタンス$h = k_{TIM}/t_{TIM}$を設定する方法。

例えばk=5W/(m・K)で厚さ100μmなら、$h = 5/0.0001 = 50{,}000$ W/(m2・K)だ。薄い層を詳細メッシュで切るとメッシュ品質が悪化するから、実務ではコンダクタンスで入力することが多いよ。

そう、$R_{TIM} = t/k$だから厚くなると熱抵抗が増える。サーマルパッドは元の厚みが0.5〜3mmあるから、グリスの数倍の抵抗になることもある。ただしヒートシンクの表面が粗い場合はパッドのほうが密着性がよくて結果的に有利なこともある。

データシートの$k$値は参考になるけど、実際の塗布厚さやポンプアウト（経年でグリスが流出する現象）も考慮する必要がある。信頼性試験後のTIMの劣化分を見込んだ設計マージンを取るのが実務の定石だよ。