接触熱抵抗
接触熱抵抗の理論基礎
接触熱抵抗とは
先生、二つの金属をくっつけても界面で温度がジャンプするって本当ですか？
本当だ。実際の固体表面はミクロに見ると凹凸だらけで、真の接触面積は見かけの面積のわずか1〜5%程度しかない。残りの隙間には空気やグリスが入り込んでいる。この不完全な接触が温度の不連続を生む。これが接触熱抵抗だ。
たった数%しか触れてないんですか。
そう。だから接触熱抵抗 $R_c$ は界面の温度ジャンプ $\Delta T$ と熱流束 $q''$ の比で定義される。
単位は [m$^2$ K/W] だ。逆数が接触コンダクタンス $h_c = 1/R_c$ [W/(m$^2$ K)] になる。
支配因子
接触熱抵抗の大きさは何で決まるんですか？
主要因子は4つある。
| 因子 | 影響 | 典型値 |
|---|---|---|
| 表面粗さ $\sigma_s$ | 粗いほど $R_c$ 増大 | Ra 0.1〜10 μm |
| 接触圧力 $P$ | 高いほど $R_c$ 減少 | 0.1〜100 MPa |
| 介在物質 | グリスで $R_c$ を1/10に低減可能 | — |
| 材料の硬さ $H$ | 軟らかいほど真の接触面積が増大 | — |
Cooper-Mikic-Yovanovichモデルが広く使われている。
ここで $k_s$ は調和平均熱伝導率 $k_s = 2k_1 k_2/(k_1+k_2)$、$m$ は表面勾配、$\sigma$ は合成粗さ $\sigma = \sqrt{\sigma_1^2 + \sigma_2^2}$、$H$ はマイクロ硬さだ。
接触圧力の0.95乗にほぼ比例するってことですね。ボルト締結力が効くわけだ。
その通り。電子機器のヒートシンク取り付けでは、ボルトのトルク管理が温度に直結する。締め付けトルクを2倍にすると接触コンダクタンスが約2倍になるケースもある。
マイクロ接触モデルの三世代
接触熱抵抗の理論モデルは(1)GreenWood-Williamson（1966年：弾性接触）→(2)Majumdar-Bhushan（1991年：フラクタル面）→(3)Persson（2001年：全スケール弾性）と三世代に進化した。Perssonモデルは車のタイヤ摩擦の文脈から生まれたが、熱接触への適用で注目を集め、2010年代に精密機器設計で採用が広がった。
接触熱抵抗の数値計算手法
FEMでの接触熱抵抗モデリング
接触熱抵抗をFEMでどう扱うんですか？
界面に薄い仮想層を設けるか、接触要素にコンダクタンス値を直接指定する。基本的な離散化は界面ノード間の熱コンダクタンス行列で表現される。
これを要素レベルで組み立てると、界面の熱伝達マトリクスが得られる。
対流境界条件のRobin条件と数学的に同じ形ですね。
いい着眼点だ。実装上もRobin条件と同じ処理で済む。ただし接触面のペアリング（master/slave面の対応付け）が追加で必要になる。
ギャップコンダクタンスの設定
実務では接触状態に応じて可変のコンダクタンスを使うことが多い。
| 接触状態 | コンダクタンス $h_c$ [W/(m$^2$ K)] | 適用場面 |
|---|---|---|
| 完全接触 | $10^5$〜$10^6$ | 溶接部、焼きばめ |
| グリス充填 | $10^3$〜$10^4$ | ヒートシンク取付 |
| 金属間直接接触 | $10^2$〜$10^4$ | ボルト締結面 |
| 空気間隙あり | $10^0$〜$10^2$ | ルーズフィット |
4桁以上の差がありますね。ここの見積もりを間違えると結果が全然変わりそうです。
まさにそう。感度分析で $h_c$ を半分と2倍にして温度差を確認するのが定石だ。結果が $h_c$ に強く依存する場合、実測値の取得を検討すべきだ。
非線形接触熱抵抗
圧力依存や温度依存の接触熱抵抗は非線形問題になる。構造解析と連成して接触圧力を求め、その圧力からCMYモデルで $h_c$ を計算し、熱解析にフィードバックする。この反復を収束まで繰り返す。
構造と熱の連成解析が必要になるんですね。
Ansys MechanicalやAbaqusではこの連成が自動化されている。Ansysなら接触要素CONTA174/TARGE170にTCC(Thermal Contact Conductance)を設定するだけだ。
レーザーフラッシュ法で実測
熱接触抵抗の精密測定にはASME D5470規格のレーザーフラッシュ法が使われる。試料を積層してプレス圧力を変えながら接触面のTCRを逆算する手法で、Netzsch LFA 467（2020年発売）は±2%精度で0.5〜50 mm²·K/Wの範囲を測定できる。パワー半導体パッケージの評価に広く採用されている。
接触熱抵抗の実務適用
解析フロー
接触熱抵抗を含む解析の手順を教えてください。
標準的なフローはこうだ。
1. 接触面の特定: CAD上で接触する面ペアを明確にする
2. コンダクタンス値の決定: 実測値、文献値、またはCMYモデルから算出
3. 接触ペア設定: master/slave面を定義し $h_c$ を割り当て
4. メッシュ整合: 接触面でノードが対向するようにメッシュを調整
5. 求解・検証: 界面の温度ジャンプが物理的に妥当か確認
メッシュの整合って必須なんですか？
非整合メッシュでも解ける（Mortar法やGGI接続）が、接触面では整合メッシュの方が精度が出やすい。特に温度ジャンプが小さい場合、メッシュ不整合のアーティファクトが見えてしまう。
代表的な接触熱抵抗値
| 界面 | $R_c$ [m$^2$ K/W] | 条件 |
|---|---|---|
| Al-Al（研磨面、グリスなし） | $2 \times 10^{-4}$ | P=1 MPa |
| Al-Al（サーマルグリス付） | $5 \times 10^{-6}$ | k=5 W/(m K) グリス |
| Cu-Cu（研磨面） | $1 \times 10^{-4}$ | P=1 MPa |
| Si-ヒートスプレッダ（TIM付） | $1 \times 10^{-5}$ | TIM厚50μm |
| ボルト締結フランジ | $10^{-4}$〜$10^{-3}$ | ボルト近傍vs遠方で変動 |
サーマルグリスで2桁も改善するんですね。
グリスが空気（k=0.026 W/(m K)）の代わりにギャップを埋めるからだ。ただしグリスの経年劣化（ポンプアウト、乾燥）も考慮すべきで、長期信頼性評価では劣化後の値を使う必要がある。
結果の検証
接触熱抵抗解析の検証ポイントはこうだ。
- 温度ジャンプの確認: 接触面の両側でノード温度をプロットし、$\Delta T = q'' \cdot R_c$ と一致するか
- エネルギー保存: 接触面を通過する熱量が上流・下流で一致するか
- 感度分析: $h_c$ を$\pm$50%変動させて結果への影響を定量化
感度分析はどの程度やれば十分ですか？
最低限、$h_c$ の上下限で最高温度がどう変わるかを確認する。変動が仕様内なら問題ない。仕様を超える場合は実測を推奨する。
EVインバータの接合熱抵抗管理
テスラModel 3（2017年）のSiCインバータでは、IGBTモジュール底面とヒートシンクの接触熱抵抗を0.05 K/W以下に管理するため、位相変化TIMシートを採用した。組立ラインでトルク管理されたボルト締結と表面粗さRa<0.8 µm以下の仕上げを組み合わせることで量産品質を確保している。
接触熱抵抗のソフトウェア比較
商用ツールでの実装
接触熱抵抗を扱うには、各ソフトでどう設定するんですか？
主要ツールの設定方法を比較しよう。
| ツール | 設定方法 | キーワード/GUI操作 |
|---|---|---|
| Ansys Mechanical | Contact要素にTCC値を指定 | KEYOPT(1)=1でThermal Contact, TCC値をrealConstantで定義 |
| Abaqus | *GAP CONDUCTANCE | 圧力依存テーブルを*SURFACEINTERACTIONで定義 |
| COMSOL | Thermal Contactノード | Heat Transfer > Thermal Contact, $h_c$ を式で入力可能 |
| Ansys Icepak | Interface Resistance | コンポーネント間の接触抵抗をGUIで直接入力 |
AnsysのAPDLだとどう書くんですか？
接触ペアの設定例はこうだ。
```
! 接触ペア定義（熱解析用）
ET,2,TARGE170
ET,3,CONTA174
KEYOPT,3,1,1 ! Thermal contact
R,2,,,,,TCC,5000 ! h_c = 5000 W/(m2K)
```
Abaqusでは圧力依存のギャップコンダクタンスをテーブル入力できる。
```
*GAP CONDUCTANCE
5000., 0.0, 1.0E6 ! h_c=5000 at clearance=0, P=1MPa
100., 0.001, 0.0 ! h_c=100 at clearance=1mm, P=0
```
圧力依存テーブルが使えるのは便利ですね。
COMSOLではGUI上で $h_c(P,T)$ を数式で直接入力できるので、CMYモデルをそのまま実装できる柔軟性がある。
ツール選定
| 用途 | 推奨ツール |
|---|---|
| 構造-熱連成で圧力依存接触抵抗 | Ansys Mechanical, Abaqus |
| 電子機器の界面抵抗 | Ansys Icepak, FloTHERM |
| カスタムモデル実装 | COMSOL |
電子機器系だとIcepakやFloTHERMの方が手軽なんですね。
IcepakはTIM（サーマルインタフェースマテリアル）のライブラリが充実しているので、個々の接触抵抗を細かく設定する必要がないケースが多い。
ANSYS Icepakの接触抵抗自動計算
Ansys Icepak（電子機器熱設計専用ツール）は2016年のバージョン18.0で、部品-PCB間の接触熱抵抗をJEDEC JESD51-14に基づいて自動算出する機能を追加した。それ以前はユーザーがデータシートから手入力する煩雑な作業が必要で、特に100点以上の部品を実装するボードでは入力工数が問題視されていた。
接触熱抵抗の先端研究
マルチスケール接触モデル
最近の研究ではどういうアプローチが使われてるんですか？
表面粗さのフラクタル性に着目したマルチスケールモデルが注目されている。Majumdar-Bhushan（MB）モデルはフラクタル次元 $D$ と表面パラメータ $G$ で接触熱抵抗を記述する。
ここで $a_L$ は最大接触スポットの面積、$A_n$ は見かけの接触面積、$a_s$ は最小スポット面積だ。
フラクタルで表面を記述するのは面白いですね。
従来のGaussian粗さモデルより広い条件範囲で精度が出る。ただし $D$ と $G$ の実測が必要で、白色干渉計やAFMによる表面形状測定が前提になる。
方向性接触熱抵抗
非対称な表面ペア（例：研磨面とブラスト面）では、熱流の方向によって接触熱抵抗が変わる整流効果（Thermal Rectification）が生じる。温度差が大きい場合、材料の熱膨張差による真の接触面積の変化も方向依存性の原因になる。
ダイオードみたいに一方向に熱が流れやすいってことですか？
まさにそう。サーマルダイオードは宇宙機の熱制御で研究が進んでいる。放熱時は低抵抗、入熱時は高抵抗にすることで一方向にだけ熱を逃がす。
ナノスケール接触
接触スポットがナノスケールになると、フォノンの弾道輸送が支配的になりフーリエの法則が破綻する。半導体デバイスのダイ-パッケージ界面などでは、Acoustic Mismatch Model（AMM）やDiffuse Mismatch Model（DMM）が使われる。
ここで $c_j$ は比熱容量、$v_j$ はフォノン群速度、$\alpha_{1\to 2}$ は透過率だ。
フォノンレベルまで考えないといけないのは大変ですね。
実務上はDMMで概算し、NEMD（非平衡分子動力学）シミュレーションで検証するアプローチが取られている。
真空中の放射による並列熱伝達
宇宙機の接触熱抵抗は固体伝導のみでなく、接触面間の微小空隙でのふく射を並列経路として考慮しなければならない。ISSの太陽電池パドルアームでは接触部のふく射成分が全熱伝達の最大15%を占めることをNASA JPLが2005年に報告し、低温・低圧環境の設計基準改訂につながった。
接触熱抵抗のトラブル対応
よくあるトラブルと対策
接触熱抵抗の解析で困ったとき、何を疑えばいいですか？
頻出トラブルを整理しよう。
1. 界面で温度が連続している（ジャンプが出ない）
原因: 接触要素のコンダクタンスが大きすぎる、またはノードがマージされている。$h_c = 10^{10}$ のような値は実質的に完全接触と同じだ。
対策: 物理的に妥当な $h_c$ 値に修正する。ノードマージの有無を確認する。
2. 界面の温度差が実測と大きくずれる
解析では $\Delta T = 2$ ℃なのに実測だと10℃あったりする場合ですね。
チェックリストはこうだ。
| チェック項目 | よくある原因 |
|---|---|
| $h_c$ の値 | 文献値と実際の表面状態の乖離 |
| TIMの塗布ムラ | 局所的に空気層が残っている |
| ボルト締結力 | トルク不足で接触圧力が低い |
| 放射の寄与 | 高温部では放射を介した熱伝達も存在 |
| 経年劣化 | グリスのポンプアウトや乾燥 |
3. 収束しない
原因: 圧力依存の $h_c$ テーブルで、ゼロ圧力時のコンダクタンスがゼロ。接触が離れた瞬間に断熱になりスパイク温度が発生する。
対策: ゼロ圧力でも最小コンダクタンス（例：$h_c = 10$ W/(m$^2$ K)）を設定する。物理的にも放射や空気層を通じた微小な熱伝達は存在する。
4. 接触ペアの設定ミス
master/slaveの割り当てって影響ありますか？
大きい。原則として粗いメッシュ側をmaster、細かいメッシュ側をslaveにする。逆にするとペネトレーションが生じ、温度の精度が落ちる。Ansysでは剛体側をTARGE170、変形体側をCONTA174にするのが基本だ。
接触熱抵抗って見えにくい現象だからこそ、検証を丁寧にやる必要がありますね。
実測との比較が最も信頼性の高い検証だ。サーモグラフィで界面近傍の温度分布を撮影し、解析結果と重ねて確認するのが工業的には一般的な手法だ。
ボルトの再締め付けでTCRが改善
半導体製造装置のウエハステージで温度ムラが発生した事例では、ステージ裏面のボルトが熱サイクルで緩んでいたことが原因だった。締め直し後にTCRが約40%低下し、面内温度差が±5℃から±1.5℃に改善した。定期メンテナンスのチェックリストに締結トルク確認を追加することで再発を防止した。
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