サーマルグリースとサーマルパッドの違いとは？どちらを使うべきか
ほとんどの高性能エレクトロニクス用途では、サーマルグリースの方が優れた選択肢です。同等の厚さのパッドと比較して、5〜10倍低い熱抵抗を達成できるためです。サーマルパッドが好まれるのは、振動減衰が必要な場合、リワークが容易な場合、またはコンポーネント間のギャップが0.5mmを超える場合に限られます。どちらを選ぶかは、圧力に対する許容度、組立速度、そしてデバイスの熱予算によって決まります。
グリースとパッドの核となる機能差は何か？
サーマルグリースは、熱伝導コンパウンドまたはペーストとも呼ばれ、粘性のある液体または半固体材料で、熱源とヒートシンクの間に薄膜（通常25〜100マイクロメートル）として塗布されます。機械加工されたアルミニウム表面に通常10〜50マイクロメートルの深さで存在する微細な表面凹凸を埋め、熱を閉じ込める空気層を排除します。サーマルパッドは、セラミックまたは窒化ホウ素粒子を充填したシリコーンまたはポリウレタン製の、通常0.5mm〜3.0mmの厚さを持つ、あらかじめ成形された固体シートです。形状にカットしてコンポーネント間に配置し、圧力によって圧縮されて表面に馴染みます。
重要な違いは、グリースは超薄型ボンドライン（BLT）によって性能を発揮するのに対し、パッドはバルク熱伝導率と圧縮に依存するという点です。信越X-23-7783Dのような代表的な高性能グリースは、熱伝導率6.0 W/mKを持ちますが、塗布層がわずか0.05mmであるため、熱抵抗は極めて低くなります。熱伝導率5 W/mK、厚さ1.0mmのサーマルパッドは、接触抵抗を考慮する前でも、熱抵抗がおよそ20倍高くなります。
熱抵抗と厚さは熱伝達にどの程度影響するか？
界面材料の熱抵抗は、厚さを熱伝導率で割って計算されます（R = t / k）。0.05mmのグリース層で6 W/mKの場合、抵抗は0.0083 K·cm²/Wです。1.0mmのパッドで5 W/mKの場合、抵抗は0.20 K·cm²/Wとなり、24倍高くなります。これは、100WのCPUの場合、グリース界面での温度上昇は約0.8°Cであるのに対し、パッドでは20°Cになることを意味します。
しかし、パッドには製造上の実用的な利点があります。精密な塗布装置や洗浄プロセスを必要としないからです。量産において、ステンシルやディスペンサーでグリースを塗布するには1ユニットあたり3〜5秒かかりますが、パッドの配置は1秒未満です。トレードオフとして、パッドは定格性能を達成するために10%〜30%の圧縮が必要で、10〜20 psiの取付圧力を要します。グリースは最適なBLTを達成するために5〜10 psiの圧力しか必要としないため、低圧のクリップやスプリングでの使用が容易です。
グリースとパッドの量産時の一般的な価格帯は？
10,000個以上の生産数量の場合、サーマルグリースは粘度と充填材含有量に応じて、1回の塗布あたり0.02〜0.10米ドルかかります。中級グリースの1グラムシリンジは1回の塗布で約0.05米ドル、高性能の液体金属コンパウンドは1回の塗布で0.30米ドルです。サーマルパッドは、厚さ、面積、熱伝導率に応じて、1枚あたり0.15〜0.80米ドルかかります。
価格差は大きいですが、総所有コストには組立工数を含める必要があります。グリースは塗布工程が必要で、設備償却費として0.01〜0.03米ドルと2秒のサイクルタイムが追加されます。パッドはピックアンドプレース工程が必要で、多くの場合より高速ですが、剥離ライナーが廃棄物として発生します。50mm×50mmの界面の場合、5 W/mKの1.0mmパッドは約0.35米ドルかかるのに対し、0.05mm BLTのグリースは0.04米ドルで、約9倍の差があります。
どのような用途シナリオでグリースがパッドより有利か？
サーマルグリースは、CPU、GPU、パワー半導体、レーザーダイオードなどの高熱密度アプリケーションで明らかに優位です。これらのコンポーネントは50 W/cm²を超える熱流束を発生させ、0.1mmを超えるギャップはジャンクション温度限界を超えてしまいます。グリースはまた、ノートPCのヒートパイプや自動車用LEDヘッドライトなど、熱界面を可能な限り薄くする必要がある場合にも好まれます。例えば、電気自動車のインバーター内のIGBTモジュールは175°Cのジャンクション温度で動作します。0.05mmのグリース層では5°Cのマージンが得られますが、1.0mmのパッドでは30°Cの温度上昇を引き起こし、早期故障につながります。
グリースはまた、2つの表面を0.3mm未満に分離する必要がある場合の唯一の選択肢です。ほとんどのパッドは、取り扱い時の破れリスクのため、0.5mm未満では製造できません。グリースはメタルステンシルを使用して0.02mmという薄い層で塗布でき、寄生容量と熱経路長が重要となる高周波RFモジュールにとって重要です。
グリースではなくサーマルパッドを選ぶべき場合は？
サーマルパッドは、熱源とヒートシンクの間のギャップが0.5mmより大きく、かつ制御されていない場合に適切な選択肢です。電源、LED電球ベース、積層コンポーネントの高さが異なる自動車用ECUなどが該当します。パッドは、カスタム加工やシムを必要とせずにギャップを確実に埋めます。また、振動や熱サイクルを受ける用途でも好まれます。柔らかいシリコーン材料が機械的応力を吸収し、はんだ接合部のクラックを防ぐからです。ショア00 40の硬度を持つパッドは、ポンプアウトすることなく20%の歪みまで圧縮できますが、グリースは1,000回の熱サイクルで界面から移動してしまう可能性があります。
パッドはまた、リワーク性が重要な場合にも選ばれます。サーバーマザーボードでは、技術者がパッドを剥がして数秒で交換できますが、グリースは溶剤洗浄と再塗布が必要です。2〜3年の使用寿命の民生用電子機器では、電圧レギュレータやメモリモジュールなど10W未満の低電力チップにパッドがよく使用されます。温度上昇がわずか10°C〜15°Cであり、グリース塗布のコストが正当化されないためです。
比較表における主要な性能指標は？
以下の表は、25°Cの周囲温度で100Wの熱源を使用した場合に、エンジニアがグリースとパッドを選択する際の重要なパラメータをまとめたものです。
| パラメータ | サーマルグリース（高性能） | サーマルパッド（標準） |
| 熱伝導率 | 6.0 W/mK | 5.0 W/mK |
| 代表的な厚さ | 0.05 mm | 1.0 mm |
| 熱抵抗 | 0.008 K·cm²/W | 0.20 K·cm²/W |
| 100W時の温度上昇 | 0.8°C | 20°C |
| 必要な取付圧力 | 5〜10 psi | 10〜20 psi |
| 1ユニットあたりの塗布時間 | 3〜5秒 | 1〜2秒 |
| 1回の塗布あたりのコスト（10k数量） | 0.04米ドル | 0.35米ドル |
| 振動減衰 | 不良 | 優れている |
| リワーク性 | 洗浄が必要 | 剥がして交換 |
| 最大ギャップ許容度 | 最大0.1mm | 0.5〜3.0mm |
| 動作温度範囲 | -50°C〜200°C | -40°C〜180°C |
パッドの性能は圧縮に大きく依存することに注意してください。取付圧力が10psi未満の場合、熱抵抗は2倍になる可能性があるため、機械設計にはスプリング式ファスナーまたは5〜8 kgf·cmのトルク仕様のネジを含める必要があります。
信頼性と長期経年劣化は選択にどのように影響するか？
サーマルグリースは時間の経過とともにポンプアウトとドライアウトが発生します。一般的なPC CPUでは、シリコーンオイルの分離と蒸発により、グリースは3年後に性能の10%〜20%を失います。450 Pa·sなどの高粘度の高性能グリースはポンプアウトに強いですが、塗布が困難です。パッドは乾燥しませんが、150°C以上の熱サイクル後に硬化し、コンフォーマビリティが低下して、5,000サイクル後に接触抵抗が15%増加する可能性があります。
10年の寿命要件がある自動車用または産業用アプリケーションでは、相変化材料（PCM）がより良い妥協策となることがよくあります。PCMは室温では固体で、45°C〜50°Cで溶融し、加熱されるとグリースのように動作します。グリースと同様の0.01 K·cm²/Wの熱抵抗を提供しますが、パッドのような取り扱いの利便性があります。コストは1回の塗布あたり0.10〜0.20米ドルで、グリースとパッドの中間です。
サーマルグリースとサーマルパッドに関する最も一般的な質問は？
高性能CPUでサーマルパッドはサーマルグリースの代わりになりますか？
いいえ、標準的なサーマルパッドでは100W CPUでジャンクション温度が15°C〜20°C高くなり、サーマルスロットリングを引き起こします。15 W/mK、厚さ0.2mmの高性能グラファイトパッドのみがグリースに近づけますが、1枚あたり1.00米ドル以上のコストがかかります。
自分のアプリケーションがグリースとパッドのどちらを必要とするか、どうやって判断すればよいですか？
電力（ワット）をダイ面積（cm²）で割って熱流束を計算してください。熱流束が30 W/cm²を超える場合は、グリースまたは相変化材料を使用してください。熱流束が10 W/cm²未満でギャップが0.5mmを超える場合は、パッドで問題ありません。
サーマルグリースは電気を通しますか？
標準的なセラミックベースのグリースは絶縁性で、絶縁破壊強度は10 kV/mm以上ですが、銀ベースまたは液体金属グリースは導電性があり、短絡を引き起こします。露出した配線の近くに塗布する前に、必ずデータシートで充填材を確認してください。
サーマルグリースとサーマルパッドの保存期間は？
未開封のサーマルグリースは25°Cで24〜36ヶ月の保存期間がありますが、サーマルパッドは36〜48ヶ月です。開封後は、充填粒子の酸化を防ぐためにグリースは6ヶ月以内に使用する必要があります。
量産時の自動化はどちらが容易ですか？
パッドは真空ノズルでピックアンドプレースできるため自動化が容易ですが、グリースはギャップを制御したディスペンスニードルと硬化工程が必要です。ただし、グリースはより薄いボンドラインを可能にするため、ほとんどのスマートフォンメーカーがアプリケーションプロセッサにグリースを使用しています。
同じアセンブリ内でグリースとパッドを混在できますか？
できますが、別々のコンポーネントに使用する場合に限ります。同じヒートシンク上で混在させることは推奨されません。パッドがグリースと異なる高さに圧縮され、不均一な圧力が生じてダイが割れる可能性があるためです。
古いサーマルグリースを除去する最良の方法は？
純度90%以上のイソプロピルアルコールと糸くずの出ない布を使用してください。硬化したグリースの場合は、アルコールを塗布してから5分間待って材料を柔らかくしてください。金属スクレーパーはヒートシンクの鏡面仕上げを傷つけるため、絶対に使用しないでください。
生産に関する決定では、実際のヒートシンクとダイで両方の材料をテストすることをお勧めします。最大ジャンクション温度85°Cを目標とし、熱流束が30 W/cm²を超える場合は、グリースを選択してください。組立速度と振動耐性を優先する場合は、ショア00 40の硬度と最低20%の圧縮率を持つパッドを選択してください。BQUQは熱管理用精密部品の製造において20年の経験を持ち、熱試験リグ用の無料サンプルを提供できます。
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