サーマルグリス：熱伝導率とポンプアウト

著者 BQUQ Engineering Team 査読 BQUQ Quality Engineering 2025年8月27日ビュー ISO 9001:2015 認証工場

サーマルグリスの選定：熱伝導率とポンプアウトの比較

短い答え：サーマルグリスは、見出しのW/m·K値だけでなく、バルク熱伝導率と機械的安定性のバランスで選定します。界面温度が60 °C以下で動作するほとんどの押出しまたはCNC加工ヒートシンクには、3～6 W/m·Kのシリコーンまたはシリコーンフリーのペーストを0.05～0.10 mmのボンドライン厚（BLT）で塗布すれば十分です。ジャンクション温度が約80 °Cを超え、電力サイクルが繰り返される場合、8 W/m·Kを超える高充填ペーストは、油相が移動するため、しばしばより速くポンプアウトします。熱伝導率は低いがより凝集性の高いペーストの方が、それらより長持ちすることがあります。BQUQはヒートシンクベースを±0.005 mmの平坦度目標に加工しており、これにより充填に必要なBLTが減少し、どのグリスが勝つかが変わります。

W/m·K値が話の半分に過ぎない理由

すべての熱界面材料（TIM）は、ダイまたはパッケージケース、TIM、ヒートシンクベース、そしてバルク金属という積層構造の中にあります。TIMの役割は、約0.026 W/m·Kで熱伝導する空気を、完全に平坦ではない2つの表面間の微視的な隙間から排除することです。TIM層は薄く（通常0.03～0.15 mm）、その熱抵抗は熱伝導率よりも重要です。

熱抵抗は熱伝導率を厚さで割った値です。12 W/m·Kのペーストを0.20 mmのBLTで塗布すると、5 W/m·Kのペーストを0.05 mmで塗布するよりも性能が悪くなります。だからこそ、表面仕上げ、平坦度、ヒートシンクへの実装圧力は二次的な問題ではなく、プレミアムペーストがその役割を果たせるかどうかを決定します。

実際の性能を左右する3つの変数：

バルク熱伝導率（W/m·K）— マーケティング上の数値。
ボンドライン厚 — ペーストの粘度、実装圧力、ヒートシンクの平坦度によって決まります。
経時的な機械的安定性 — ペーストが塗布した場所にとどまるかどうか。

3番目の変数にポンプアウトが潜んでいます。

ポンプアウトとは何か、なぜ高熱伝導率グリスを殺すのか？

ポンプアウトは、熱サイクルによって引き起こされる界面からのTIMの漸進的な移動です。アセンブリが加熱されると、ダイとヒートシンクが異なる速度で膨張し（CTEミスマッチ）、それらの間のギャップが開閉します。各サイクルは小さなポンプのように作用します。ペーストは界面の中心から端に向かって押し出され、サイクルの冷える半分では完全には戻りません。

高充填ペースト — 重量で80～90 %の金属またはセラミックフィラーを含むもの — は、最も問題が大きい傾向があります。構造を保持するシリコーンまたは合成油相が少なく、残った油も優先的に移動します。フィラーネットワークがキャリアから分離すると、乾燥が続き、熱抵抗が上昇します。

故障の兆候

ポンプアウトが即座に故障を引き起こすことはまれです。それはゆっくりとしたドリフトとして現れます。ジャンクション温度は500～2,000サイクルで3～8 °C上昇し、その後加速します。現場のユニットが熱限界に達する頃には、界面は40 %枯渇している可能性があります。

悪化させる要因

大きなCTEミスマッチ（銅ヒートシンクとプラスチックパッケージデバイス）。
大きなΔT変動を伴う高頻度の電力サイクル。
低い実装圧力。ギャップが呼吸できる。
厚い初期BLT。ペーストが移動する余地が増える。

改善する要因

より高い実装圧力とより平坦なヒートシンクベース。
油保持性が高く、フィラー充填量が低いペースト。
相変化材料や予備硬化サーマルパッド。寸法的に安定だが、一般に抵抗は高い。

グリスの粘度をヒートシンクベースにどう合わせるか？

粘度は、与えられた実装力の下でペーストをどれだけ薄く押し出せるかを決定します。また、輸送や振動の間にペーストが所定の位置にとどまるかどうかも決定します。

グリスクラス	典型的な粘度	典型的な熱伝導率	最適なヒートシンク	ポンプアウトリスク
低粘度シリコーン	50～150 Pa·s	1～3 W/m·K	プレス加工または薄い押出し、低圧	低
中粘度シリコーン	150～400 Pa·s	3～6 W/m·K	押出しアルミニウム、スプリングクリップ実装	低～中
高充填シリコーン	400～900 Pa·s	6～10 W/m·K	CNC加工銅ベース、高圧	中～高
シリコーンフリー／炭化水素	100～500 Pa·s	2～8 W/m·K	敏感な光学部品、シリコーンを避けるアセンブリ	中
液体金属／金属系	非常に低い	20～70 W/m·K	密閉、非アルミニウム、専門家による組立のみ	非常に高い（合金化リスク）

液体金属は汎用グリスではないことに注意してください。アルミニウムと合金化し、時間の経過とともに押出しアルミニウムヒートシンクを破壊します。その熱伝導率レベルが必要な場合、ベースは銅またはニッケルメッキでなければなりません。

LED照明、電源、産業用電子機器のほとんどの押出しヒートシンクでは、中粘度帯が実用的なスイートスポットです。機械加工またはフライス加工された表面をよく濡らし、20～50 psiの実装圧力に耐え、通常のデューティサイクルではポンプアウトしません。

熱伝導率とポンプアウト：実用的な判断表

これを一次スクリーニングとして使用してください。抵抗値は、中程度の圧力での0.06 mm BLTに対する目安です。

アプリケーションプロファイル	界面温度	サイクル厳しさ	推奨方向	目安TIM抵抗
LED街路灯、押出しシンク	45～65 °C	低、遅い日周	2～4 W/m·K、中粘度	0.15～0.30 °C·cm²/W
産業用PSU、強制空冷	60～85 °C	中	4～6 W/m·K、中高粘度	0.10～0.20 °C·cm²/W
IGBTモジュール、黒色アルマイトシンク	80～110 °C	高、PWM	6～8 W/m·K、高油保持	0.08～0.15 °C·cm²/W
高密度サーバーCPU、銅ベース	70～95 °C	高、頻繁	8～12 W/m·Kまたは相変化	0.05～0.12 °C·cm²/W
屋外通信、広いΔT	−40～+85 °C	過酷	相変化またはパッド、グリスではない	0.15～0.35 °C·cm²/W

パターン：サイクル厳しさが増すにつれて、最適な熱伝導率は上昇しなくなります。ある点を超えると、初日だけ成立する数値のために長期安定性を犠牲にすることになります。

ヒートシンクの平坦度は必要なグリスをどう変えるか？

これはほとんどのTIM選定ガイドが飛ばす部分であり、メーカーが実際に制御できる部分です。接触領域全体で0.02 mmの平坦度のヒートシンクベースは、0.10 mmの平坦度のものよりも、ギャップを埋めるのに必要なペーストが少なくなります。ペーストが少ないほどBLTが薄くなり、抵抗が低くなり、ポンプアウトできる材料も少なくなります。

BQUQは重要な特徴で±0.005 mmを保持するCNC設備でヒートシンクベースを加工し、図面に平坦度と表面粗さ（Ra）を指定できます。界面が0.12 mmではなく0.05 mmのBLTであれば、多くの場合、熱伝導率を1ランク下げても同じジャンクション温度を達成でき、ポンプアウト余裕が得られます。

重要な3つの製造レバー：

1. ベース平坦度 — BLTを直接制御します。

2. 表面粗さ — 少しテクスチャのある表面（Ra 0.4～0.8 µm）は、鏡面仕上げよりもペーストをよく保持します。鏡面は界面を飢えさせることがあります。

3. 実装穴位置とスプリング圧力 — 均一な圧力分布が、一隅でギャップが呼吸するのを防ぎます。

ベースの厚さをまだ決めかねている場合は、ヒートシンクベース厚ガイドで、広がり抵抗と熱質量のトレードオフを説明しています。

塗布方法：ポンプアウトが実際に生まれる場所

「悪いグリス」に起因する現場故障は、しばしば塗布の失敗です。最も一般的な間違い：

ペーストが多すぎる。 圧力で広がる線または小さな点が正しいです。手で厚く広げた層は0.15 mm以上のBLTを保証します。
圧力が不均一。 手締めのネジは界面全体で不均一なBLTを生みます。
汚染された表面。 油や酸化層は、ペーストを塗布する前から接触抵抗を上げます。
バーンインなし。 ほとんどのペーストは定常状態のBLTに達するまでに1～2回の熱サイクルが必要です。テストはバーンイン後に行い、前に行わないでください。

TIMの選択が機械設計と相互作用するアセンブリについては、熱界面選定の記事で、グリス、パッド、相変化材料の間のより広い決定を説明しています。

グリスを完全に放棄すべきなのはいつか？

グリスが常に答えとは限りません。次の場合は離れてください：

アセンブリが広いΔTで5,000回以上の電力サイクルに耐える必要がある。
表面間のギャップが0.3 mmを超える — ギャップフィラーまたはパッドの方が良い。
現場サービスが不可能で、手直しコストが高い。
製品が、粘性流体を移動させる振動にさらされる。

そのような場合、予備硬化サーマルパッド、相変化材料、または適切に指定されたギャップフィラーは、初日の抵抗が高くても、ライフタイムコストでプレミアムグリスさえも上回ります。

TIM仕様書に何を記載すべきか？

グリスの有用な仕様書はW/m·Kで終わりません。以下を求めてください：

バルク熱伝導率と試験方法。
粘度と油ブリードデータ。
ベーク後の揮発分含有量。
推奨BLT範囲。
熱サイクルデータ（Nサイクル後の抵抗変化）。

熱仕様書ガイドでは、調達とエンジニアリングが同じ文書を読むようにこれを構成する方法を示しています。

よくある質問

Q: サーマルグリスは熱伝導率が高いほど常に良いですか？

A: いいえ。高い熱伝導率は通常、高いフィラー充填量を意味し、ペーストをまとめる油相が減少します。熱サイクル下では、これらのペーストはポンプアウトして速く乾燥します。約80 °Cを超える界面で頻繁なサイクルがある場合、良好な油保持性を持つ4～6 W/m·Kのペーストが、製品寿命を通じて8～12 W/m·Kのペーストをしばしば上回ります。

Q: サーマルグリスのボンドライン厚はどのくらいを目標にすべきですか？

A: ほとんどの電子機器では0.05～0.10 mmを目標にしてください。0.03 mm未満では不完全な充填と乾燥接触スポットのリスクがあります。0.15 mmを超えるとペースト自体の抵抗が支配的になります。薄いBLTの達成は、ペースト自体と同様にヒートシンクの平坦度と実装圧力に依存します。

Q: アルミニウムヒートシンクにサーマルグリスを使用できますか？

A: はい、シリコーンまたは炭化水素ベースのグリスで可能です。アルミニウムには液体金属およびガリウムベースのTIMを避けてください — アルミニウムと合金化し、界面を劣化させます。液体金属レベルの熱伝導率が必要な場合、ヒートシンクベースは銅またはニッケルメッキにしてください。

Q: 製品を出荷する前にポンプアウトをテストするにはどうすればよいですか？

A: 現場のΔTとサイクル数を再現する電力サイクル試験を実行し、定期的にジャンクション-シンク間抵抗を測定します。バーンイン後のベースラインから10 %を超える上昇はポンプアウトを示します。より高いΔTでの加速試験は、数か月の現場寿命を数週間に圧縮できます。

Q: BQUQはTIM用途向けに指定された平坦度のヒートシンクを供給していますか？

A: はい。BQUQは重要な特徴でヒートシンクベースを±0.005 mmに加工し、図面に平坦度と表面粗さの指示を保持できます。より厳しい平坦度により、より薄いボンドラインを使用でき、多くの場合、低コストのグリスでも熱目標を満たします。見積もりは12営業時間以内。

サーマルグリスの選定：熱伝導率とポンプアウトの比較

サーマルグリスの選定：熱伝導率とポンプアウトの比較

W/m·K値が話の半分に過ぎない理由