ヒートシンク用熱界面材料とは？TIM選定ガイド
熱界面材料（TIM）とは、CPU、IGBT、LEDなどの発熱部品とヒートシンクの間に配置され、空気層を排除して熱伝達を向上させる、熱伝導性のコンパウンド、パッド、接着剤、またははんだの総称です。最適なTIMは、動作温度、取付圧力、リワーク要件、予算によって異なり、一般的な熱伝導率は、単純なグリースの0.5 W/m·Kから、はんだの40 W/m·K以上まで幅広く存在します。本ガイドでは、CNC加工またはプレス加工されたヒートシンクに適した材料を選定できるよう、TIMの種類をデータに基づいて比較します。
熱界面材料の5つの主要タイプとは？
主要なTIMカテゴリは、熱グリース（ペースト）、相変化材料、エラストマーパッド、熱伝導性接着剤、金属はんだの5つです。熱グリースは低コストで塗布が容易なため最も一般的であり、はんだは高電力電子機器向けに最高の熱伝導率を提供します。各タイプには明確な熱抵抗範囲があり、グリースは通常0.05～0.15 °C·cm²/W、相変化材料は0.02～0.08 °C·cm²/W、はんだは理想的な条件下で0.01 °C·cm²/Wまで低減可能です。選択は、熱性能、リワーク性、機械的コンプライアンスのトレードオフになります。
TIMの熱伝導率と性能はどのように測定するのか？
熱伝導率（k、W/m·K）は材料特性ですが、工学的に重要な指標は熱インピーダンス（Rth、°C·cm²/W）です。これは界面の厚さと接触抵抗を考慮するためです。例えば、100 mm²のダイ上に3.0 W/m·Kのグリースを25 µmの厚さで塗布した場合、Rthは厚さを熱伝導率で割った値として、約0.083 °C·cm²/Wとなります。業界の試験規格には、定常状態の熱伝達に関するASTM D5470や、ガード付き熱流に関するASTM E1530があります。熱伝導率1.5 W/m·Kの1 mm厚エラストマーパッドのRthは約6.7 °C·cm²/Wとなり、適切に塗布された薄いグリース層よりも80倍以上悪く、クランプ力とボンドライン厚さの重要性が浮き彫りになります。
100Wを超える高電力ヒートシンクに最適なTIMは？
コンポーネントあたり100W以上の放熱（IGBTモジュールや高出力レーザーダイオードなど）には、金属はんだTIMまたは高性能相変化材料が推奨されます。はんだTIM（例：インジウム、SAC305）は熱伝導率が20～80 W/m·Kで、標準的なグリースと比較してジャンクション・ケース間熱抵抗を30～50%低減できます。ただし、はんだは150～260°Cでのリフロー工程が必要であり、シリコン（2.6 ppm/°C）と銅ヒートシンク（17 ppm/°C）の熱膨張係数（CTE）ミスマッチによる熱応力が生じる可能性があります。150W未満で動作するCPUやGPUの空冷ヒートシンクには、クランプ圧力が10 psiを超えていれば、Honeywell PTM7950などの高品質な相変化材料や5.0 W/m·Kのグリースで十分です。
表面粗さと平面度がTIM選定に影響する理由は？
CNC加工されたヒートシンクベースは、通常、平面度0.05 mm～0.10 mm、平均粗さ（Ra）0.8 µm～3.2 µmですが、ダイカストやプレス加工のヒートシンクではRaが6.3 µmに達する場合があります。表面が粗いほど、空隙を埋めるために厚いTIM層が必要となり、熱抵抗が増加します。グリースはRa 6.3 µmの表面にも追加の熱ペナルティを最小限に抑えて追従できますが、剛性のある相変化パッドやはんだは、定格性能を達成するためにRa 0.4 µm以下のラップ仕上げベースが必要です。プレス加工されたアルミニウムヒートシンク（BQUQの得意分野）には、プレス加工により微細なリッジやバリが残り、薄膜を突き破る可能性があるため、圧縮可能なパッドまたは厚いグリース（ボンドライン厚さ100 µm超）を推奨します。
TIMの1回あたりの適用コストは？
材料コストは種類と量によって異なります。熱グリースはバルクで1グラムあたり0.01～0.10米ドルで、一般的なCPU用途では0.5～1.0グラムを使用します。相変化材料はフィルム構造のため、1回の適用あたり0.05～0.30米ドル、シリコーンパッドは面積と厚さに応じて1枚あたり0.20～2.00米ドルです。はんだプリフォームはインジウム含有のため最も高価で、1回の適用あたり1.50～5.00米ドルです。以下の表は、20 mm x 20 mmの界面面積における代表的な特性とコストをまとめたものです：
| TIMタイプ | 熱伝導率 (W/m·K) | 代表的なRth (°C·cm²/W) | 最高動作温度 (°C) | 1回あたりのコスト (USD) | リワーク可否 |
| 熱グリース（シリコーン） | 0.8 - 2.5 | 0.10 - 0.20 | 200 | $0.02 - $0.08 | 可 |
| 熱グリース（セラミック） | 3.0 - 6.0 | 0.05 - 0.10 | 250 | $0.05 - $0.15 | 可 |
| 相変化材料 | 3.5 - 8.0 | 0.02 - 0.06 | 120 - 150 | $0.10 - $0.30 | 可 |
| シリコーンパッド（1mm） | 1.0 - 3.0 | 3.0 - 8.0 | 200 | $0.20 - $1.00 | 可 |
| グラファイトシート | 10 - 25 | 0.10 - 0.25 | 400 | $0.50 - $1.50 | 可 |
| インジウムはんだ | 80 | 0.01 - 0.03 | 200 | $1.50 - $5.00 | 不可 |
TIMの故障モードにはどのようなものがあるか？
ポンプアウトはグリースの最も一般的な故障モードであり、熱サイクルによりシリコーンオイルがダイから移動し、1,000時間でRthが30～50%増加します。相変化材料は、融点以上で長時間動作するとドライアウトが発生する可能性があり、パッドは永久圧縮歪みが生じて接触圧力が低下することがあります。はんだTIMは、ボイド形成（通常2～5%のボイド率が許容範囲）や、10,000～50,000回の熱サイクル後の疲労クラックによって故障します。10年以上の使用寿命が必要な用途では、長期的な信頼性を確保するために、ブリード率が0.1%未満の低ブリードグリースまたは相変化材料を推奨します。
CNC加工ヒートシンクとプレス加工ヒートシンクではTIMをどう選ぶか？
精密研磨されたベース（Ra 0.4 µm）を持つCNC加工ヒートシンクには、高性能を最大化するために高熱伝導率グリースの薄層またははんだTIMを使用します。表面が粗く平面度が低いプレス加工やダイカストのヒートシンクには、表面の凹凸に対応できる圧縮性エラストマーパッドまたは厚いグリース（粘度200 Pa·s以上）を選択します。原則として、ヒートシンクベースの平面度が0.1 mmより悪い場合は、剛性のある相変化材料やグラファイトシートを使用しないでください。これらの材料は0.05 mm以下の平面度が必要です。BQUQでは、TIM適合性のためにコイニング加工またはラップ仕上げを施した界面表面を持つプレス加工ヒートシンクを供給可能で、二次加工費として1個あたり0.10～0.30米ドルが追加されます。
TIMを機械的ファスナーやスプリングと組み合わせることは可能か？
可能ですが、クランプシステムは均一な圧力を提供する必要があります。圧縮スプリング（BQUQの主要製品）を使用してヒートシンクを取り付ける場合、スプリング力はTIMの推奨クランプ圧力を超える必要があります：グリースは10～30 psi、相変化材料は20～50 psi、はんだは50 psi以上です。例えば、40 mm x 40 mmのIHSを持つCPUには最低10 psiが必要で、これは総力10.3 kg（101 N）に相当します。各25 Nを提供する4本のスプリングでは、グリースや相変化材料のTIMを安全に保持できますが、はんだ接合には不十分です。コンポーネントを潰さないよう、必ずメーカーのデータシートで許容最大圧力を確認してください。
FAQ
熱伝導率と熱インピーダンスの違いは何ですか？
熱伝導率はバルク材料内の熱の流れやすさを表す材料特性ですが、熱インピーダンスは界面での接触抵抗を含みます。材料の熱伝導率が高くても（例：5 W/m·K）、厚く塗布したり粗い表面に使用したりすると、インピーダンスは悪化します。実際のボンドライン厚さにおける熱インピーダンスを必ず指定してください。
熱グリースはヒートシンク上でどのくらい持ちますか？
高品質のグリースは、動作温度が100°C未満に保たれている場合、一般的なPCや産業用途で8～15年持続します。150°Cを超える温度では、ポンプアウトやオイル分離により6～12ヶ月以内に性能が低下する可能性があります。長寿命用途には、揮発性成分が少なく、ブリード率が0.1%未満のグリースを選択してください。
CNCヒートシンクにグリースの代わりに熱パッドを使用できますか？
可能ですが、性能低下を想定してください。1 mmのシリコーンパッドのRthは約5 °C·cm²/Wであり、グリースの0.1 °C·cm²/Wと比較して、同じ電力ではジャンクション温度が30～50°C高くなります。パッドは低電力コンポーネント（10W未満）や、リワーク性や清潔な組み立てが優先される場合にのみ使用してください。
アルミニウムプレス加工ヒートシンクに最適なTIMは何ですか？
プレス加工アルミニウムには、硬度が40 Shore 00未満の相変化材料または圧縮可能なパッドを使用してください。プレス加工面のRaは1.6～6.3 µmであるため、剛性のあるグラファイトシートやはんだは適切に接触しません。相変化材料は動作温度で軟化して表面に追従するため、ラップ加工なしで良好な性能を発揮します。
はんだをTIMとして使用すべきでない場合は？
コンポーネントが大きい場合（一辺25 mm超）は、CTEミスマッチにより熱サイクル中にダイやはんだ接合部にクラックが生じる可能性があるため、はんだを避けてください。また、現場でのサービス交換が必要なユニットにも、脱はんだには専用設備が必要でコンポーネントを損傷するリスクがあるため、はんだは避けてください。ほとんどの低コスト民生電子機器では、高品質のグリースまたは相変化材料の方が実用的です。
最大性能を得るために熱グリースを正しく塗布するには？
エンドウ豆大（約0.05～0.1 ml）のグリースをCPUまたはコンポーネントの中央に塗布し、ヒートシンクをひねるように取り付けてグリースを均一に広げます。最適なボンドライン厚さは25～50 µmで、表面の80～90%をカバーします。グリースを過剰に塗布すると、バルク材料の熱伝導率が薄膜よりも低いため、Rthが増加します。
銀ベースの熱グリースは追加コストに見合う価値がありますか？
銀グリース（熱伝導率6～10 W/m·K）は、実際の用途では高品質のセラミックや窒化ホウ素グリース（3～6 W/m·K）よりもわずか20～30%しか優れていません。主な抵抗は材料内部ではなく界面にあるためです。オーバークロックや極端な電力密度で動作させる場合を除き、4 W/m·Kのグリースは半額でほぼ同等の性能を発揮します。コスト重視の生産では、ブリード率が低いことを確認したセラミック充填グリースを指定してください。
BQUQ精密製造は、20年以上にわたりヒートシンクおよび熱ソリューション部品を生産してきました。実際の部品を使用したプロトタイプTIMテストを5営業日以内に提供可能です。熱界面設計の無料エンジニアリングレビューをご希望の場合は、図面をsc@bquq.comまでお送りいただくか、WhatsApp +86 13713157787までメッセージをお願いします。www.bquq.comから見積もりをリクエストしてください。12時間以内に価格と材料推奨事項でご返答いたします。
