サーマルインターフェースマテリアル（TIM）
理論：すき間を埋める材料の熱抵抗
概要
CPUとヒートシンクは平らな金属どうしなのに、どうしてグリースを塗る必要があるんですか？
平らに見えても、表面には細かな凹凸がある。重ねても実際に触れているのは面積のほんの一部で、残りは空気のすき間なんだ。空気の熱伝導率は0.026 W/(m·K)ほどで、金属の数千分の1。このすき間を空気より何十倍も熱を通す材料で埋めるのが熱界面材料（TIM）だよ。グリース自体は金属よりずっと熱を通しにくいから、目的は『埋めること』で、厚く塗るほど逆効果になる。
熱抵抗の式
$R''$ は単位面積あたりの熱抵抗（mm²·K/W）、BLT は塗った層の厚さ（ボンドライン厚さ）、$k_{TIM}$ は熱伝導率、$R''_c$ は材料と表面の間の接触抵抗、$Q$ は発熱量、$A$ は面積。厚さを熱伝導率で割った部分と接触抵抗の部分の和で、薄い層ほど接触抵抗の割合が大きくなる。
主な種類
| 種類 | 特徴 | 主な用途 |
|---|---|---|
| グリース | 薄く塗れる。長期間でにじみ出しや乾燥が起きる | CPU・GPU |
| 相変化材 | 常温では固体、動作温度で軟らかくなって薄く広がる | パワーモジュール |
| ギャップパッド | 厚いすき間や高さのばらつきを吸収。取り扱いが簡単 | 基板上の複数部品 |
| はんだ・金属 | 熱抵抗が非常に小さいが、熱膨張差で割れやすい | 高発熱チップ |
熱の世界の「すき間」の発見
2つの金属を押し付けた面で温度が階段状に跳ぶ現象は、20世紀半ばに航空機やロケットの構造、原子炉の燃料棒の研究で本格的に調べられた。燃料と被覆管のあいだのわずかなすき間が温度を大きく左右したからだ。やがて表面の凹凸、押し付ける力、材料の硬さから接触熱抵抗を見積もる式が作られた。電子機器の発熱が増えた1990年代以降、同じ問題がCPUの上で起き、TIMの開発が一気に進んだ。
計算例
例1：材料による温度差の違い
100 W・1 cm²（10 mm角）の発熱で、各材料の熱抵抗と温度差を求めた。接触抵抗は片側で、グリース・相変化材1、パッド5、はんだ0.5 mm²·K/Wと仮定した。
| 材料 | 熱伝導率 | 厚さ | 熱抵抗 | 温度差 |
|---|---|---|---|---|
| グリース | 3 W/(m·K) | 25 μm | 10.3 mm²·K/W | 10.3 K |
| 相変化材 | 5 W/(m·K) | 25 μm | 7.0 mm²·K/W | 7.0 K |
| ギャップパッド | 6 W/(m·K) | 0.5 mm | 93.3 mm²·K/W | 93.3 K |
| インジウムはんだ | 86 W/(m·K) | 50 μm | 1.6 mm²·K/W | 1.6 K |
熱伝導率はパッドのほうがグリースの2倍なのに、温度差は9倍もあるんですね。
厚さが20倍だからね。熱抵抗は厚さ÷熱伝導率だから、熱伝導率の数字だけを比べても意味がない。パッドは高さの違う部品をまとめて冷やすときには便利だけど、100 W級のチップには向かない。カタログの熱伝導率より、実際の厚さと接触抵抗を含めた熱抵抗で比べよう。
例2：グリースの厚さ
| 厚さ | 熱抵抗 | 温度差（100 W・1 cm²） |
|---|---|---|
| 10 μm | 5.3 mm²·K/W | 5.3 K |
| 25 μm | 10.3 mm²·K/W | 10.3 K |
| 50 μm | 18.7 mm²·K/W | 18.7 K |
| 100 μm | 35.3 mm²·K/W | 35.3 K |
熱伝導率3 W/(m·K)のグリースで、厚さだけを変えた。25 μmから100 μmになると温度差は約3.4倍。押し付ける力が弱い、面が反っている、グリースの粒子が大きいといった理由で厚くなる。ジャンクションから周囲までの熱抵抗の予算が0.65 K/W（100 W、許容温度上昇65 K）なら、25 μmのグリースは約16%、100 μmでは約54%を占める。
例3：何も塗らない場合
金属どうしを直接押し付けたときの接触熱伝達係数は、表面の粗さと圧力によるが、2,000〜10,000 W/(m²·K)程度のことが多い。熱抵抗にすると100〜500 mm²·K/Wで、100 W・1 cm²では100〜500 Kの温度差になり、使えない。TIMを塗ると1桁以上小さくなる。
解析と設計の進め方
CAEでのモデル化
- 熱抵抗として与える：数十μmの層を要素で分けると要素数が大きく増える。2つの面の間の接触熱伝達係数 $h_c = 1/R''$ として与えるのが一般的。
- 厚さを実測する：組み立てた状態の厚さは、塗った量と押し付け力で変わる。断面や厚さゲージで確認する。
- 面内の広がりに注意：発熱部が小さいと、TIMの抵抗だけでなくヒートスプレッダ内の広がり抵抗も大きくなる。
劣化への備え
- 温度の上下でチップと放熱板が伸び縮みし、グリースが押し出される（ポンプアウト）。温度サイクル試験後の熱抵抗を評価する。
- 高温で長く使うと油分が抜けて乾き、熱抵抗が上がる。寿命末期の値で余裕を確認する。
- はんだは熱膨張差で割れやボイドが進む。断面観察や超音波検査で確認する。
「塗りすぎたほうが冷える気がする」
パソコンの自作でよく議論になるのが、グリースの塗る量だ。多めに塗れば安心に思えるが、ヒートシンクを締め付ければ余分はほとんど押し出されるので、適量の範囲なら差は小さい。問題になるのは逆に、押し付け力が弱くて層が厚いまま残る場合や、塗る量が少なすぎて空気のすき間が残る場合だ。量産品では塗る量を機械で管理し、組み立て後にX線などですき間がないかを確認していることもある。
よくある間違い
間違いと対策
| 間違い | 起きること | 対策 |
|---|---|---|
| 熱伝導率だけで選ぶ | 厚い材料で温度が上がる | 厚さを含めた熱抵抗で比較 |
| 接触抵抗を無視 | 薄い層で抵抗を過小評価 | 実測の熱抵抗を使う |
| カタログ値をそのまま入力 | 実機より低い温度を予測 | 組立状態で測定して校正 |
| 初期値だけで設計 | 数年後に温度が上がる | 劣化後の値で余裕を確認 |
| 発熱部の大きさを無視 | 広がり抵抗を見落とす | 実際の発熱分布で解析 |
熱抵抗の計算を自分でも試したいです。
ヒートシンク設計ツールとフィン付きヒートシンク計算でヒートシンク側、接触力学シミュレーターで面の接触を試せるよ。全体の熱の流れは熱抵抗、ジャンクション温度、パワーモジュールの冷却の記事にまとめてある。
関連トピック
なった
詳しく
報告