熱界面材料：パッド、グリース、ギャップフィラーの比較
熱性能ではサーマルグリース、製造性ではパッドが優れており、ギャップフィラーはその間の厄介な隙間を埋めるために存在します。良好なグリースは薄いボンドラインで0.1〜0.5 K·cm²/Wの熱抵抗を達成します。一般的な1 mmパッドはその5〜20倍悪くなりますが、塗布や清掃は不要です。ギャップフィラーは、隙間が1〜5 mmで不規則な場合にのみ合理的な選択肢です。熱抵抗目標、生産量、部品の分解方法の順に選択してください。
2つの固体表面が完全に接触することはありません。顕微鏡下では、機械加工された面でさえ山と谷があり、それらの間に閉じ込められた空気は優れた断熱材です。熱界面材料（TIM）はこれらの空隙を埋め、熱が停滞した空気の中を這う代わりに接合部を横切って伝導するようにします。このガイドでは、3つのタイプのTIMを実際の数値で比較し、機械設計を修正することと比較して、最も賢い材料が誤った答えになる場合を説明します。
まず、重要な指標：熱抵抗
データシートはバルク熱伝導率をW/m·Kで強調しますが、接合部が実際に感じるのは熱抵抗、つまり熱伝導率を材料の厚さで割り、面積を掛けたものです。厚さ2 mmの5 W/m·Kパッドは、0.05 mmに圧縮された1 W/m·Kグリースよりも悪い場合があります。正直な仕様は、指定された圧力と厚さでのK·cm²/W単位の熱抵抗です。
| TIMタイプ | バルク熱伝導率 | 実用的な厚さ | 標準的な熱抵抗 |
|---|---|---|---|
| シリコーングリース（セラミック充填） | 0.8〜4 W/m·K | 0.025〜0.1 mm | 0.1〜0.5 K·cm²/W |
| 相変化材料 | 3〜8 W/m·K | 0.03〜0.1 mm（溶融後） | 0.1〜0.3 K·cm²/W |
| ソフトサーマルパッド | 1〜6 W/m·K | 0.5〜3 mm | 1.0〜6.0 K·cm²/W |
| ギャップフィラー | 1〜5 W/m·K | 1〜10 mmを充填 | 3〜15 K·cm²/W |
| グラファイトシート | 5〜20 W/m·K（面内） | 0.05〜0.5 mm | 0.2〜1.0 K·cm²/W |
重要なポイント：TIMは実際のクランプ圧での熱抵抗で評価し、熱伝導率だけで評価しないでください。派手なW/m·K数値を持つ2 mmパッドは通常、薄いグリースに負けます。熱抵抗の仕様だけがそれを明らかにします。
サーマルグリース：最高の性能、最も面倒なプロセス
グリースは、シリコーンまたは合成オイル中の熱伝導性フィラーからなるポンプ可能なペーストです。平らな面の間で薄く押しつぶされると、はんだ付け以外のTIMの中で最も低い熱抵抗を実現するため、CPU、GPU、パワーモジュールの組み立てで今も主流です。代償はプロセスです。制御された量を塗布し、適切なボンドラインに広げるかクランプする必要があり、長年の熱サイクル後にポンプアウトしたり乾燥したりする可能性があります。
グリースが適しているのは、単一の平らな界面、中〜高電力密度、リワーク可能な接合部が重要なアプリケーションです。自動化されたクリーンな組み立て、部品の頻繁な取り外し、または大きく不均一な界面では機能しません。そしてベンチからの警告：グリースは多ければ多いほど良いわけではありません。過剰な厚さは抵抗を増加させるため、両方の表面を覆う最も薄い均一な層が目標です。
サーマルパッド：製造に優しいが、熱抵抗のコストがかかる
パッドは、充填シリコーンまたはアクリルの予備成形シートで、剥がして置き、クランプするだけです。塗布、硬化、清掃は不要で、ある程度の表面の不規則性や部品の高さの違いに耐えます。その利便性は熱性能のコストで支払われます。パッドはグリースよりも数倍の厚さが必要で、表面に変形するために実際のクランプ圧力が必要です。一般的な推奨は10〜50 psiの取り付け圧力であり、パッド取り付けヒートシンクには重力ではなくスプリングクリップやネジが必要な理由です。
| パッド硬度 | Shore 00 / Shore A | 最適な用途 |
|---|---|---|
| 非常に柔らかい（Shore 00 約20〜40） | 低圧で密着 | 壊れやすい部品、低クランプ圧 |
| 中程度（Shore 00 約50〜70） | 接触と取り扱いのバランス | 一般的なPCBから筐体への充填 |
| 硬め（Shore A 約30〜50） | 取り扱いやすいが、より高い圧力が必要 | 精密な平らな接合部 |
重要なポイント：取り扱いと予算が許す限り最も柔らかいパッドを選択してください。利用可能なクランプ力で密着できないパッドは、データシートの熱伝導率では修正できない空気のポケットを残します。パッドはスタンピングヒートシンクや、自動化がシンクとパッドを一緒に配置するクリップオンアセンブリで威力を発揮します。
ギャップフィラー：隙間用であり、平らな接合部用ではない
ギャップフィラーは、ボードと筐体またはヒートシンクの間の約0.5 mmから5〜10 mmの空間を埋めるように設計された、柔らかく高度に適合する材料（シート、パテ、または塗布可能な液体）です。コンポーネントが異なる高さにあり、単一の平らな接合部が存在しない場合に使用します。フィラーは背の高いコンデンサと短いインダクタの両方の周りで押しつぶされ、それぞれから金属壁に熱を伝えます。熱抵抗はグリースと比較して高いですが、代替手段（まったく接触しないこと）ははるかに悪いです。
よくある間違いは、グリースやパッドが適切な場所でギャップフィラーを使用することです。表面が平らで近接している場合、3 mmのフィラーシートは純粋な熱的ペナルティです。代わりに接合部を平らで薄く設計してください。フィラーは封じ込めも必要です。柔らかいため、組み立てやリワーク中にフィラーが配置された場所に留まるように、ダムやポケットを設計してください。
電気的絶縁とその他の選択軸
TIMに電気的絶縁が必要ですか？セラミックまたはアルミナ充填のパッドとグリースは、熱を伝導しながら絶縁します。グラファイトは電気を通すため、通電中のトレースを橋渡ししてはなりません。金属バックパッドは接地とシールド用です。電圧絶縁は別の仕様です。モジュールのベースプレートが高電圧を運ぶ場合、その電圧に定格されたTIMを選択し、実際のクランプ圧力で検証してください。薄いほど絶縁マージンが少なくなるためです。
| 要件 | グリース | パッド | ギャップフィラー |
|---|---|---|---|
| 最低熱抵抗 | 最良 | 普通 | 弱い |
| 自動組み立て | ディスペンサーが必要 | 最良 | 良好 |
| リワーク/取り外し | 面倒 | 容易 | 中程度 |
| 電気的絶縁 | 充填タイプは絶縁 | ほとんどが絶縁 | ほとんどが絶縁 |
| 不規則な隙間の充填 | 不可 | 限定的 | 最良 |
重要なポイント：実際の3つの制約（熱抵抗予算、組み立て方法、絶縁）をこの表にマッピングすると、候補はすぐに絞り込まれます。2つの材料が同等の場合、生産ラインが再現性よく適用できる方を選択してください。一貫して適用されるわずかに劣る材料は、不十分に適用される優れた材料よりも優れています。
あらゆるTIMに勝る機械的修正
最良の熱界面は、必要としないものです。より平らな表面、より高いクランプ圧力、より短い熱経路は、あらゆる材料の選択に勝ります。CNC機械加工ヒートシンクのフライス加工された平らなベースにより、薄いグリース層がその役割を果たせます。粗いまたは反ったベースは、どの材料でも救済できない厚いパッドを強制します。接合部が反りを埋めるために3 mmのパッドを必要とする場合、代わりに平面度を修正してください。熱抵抗ガイドは、界面抵抗が熱予算をいかに急速に消費するかを示しています。ヒートシンクの問い合わせを工場に送る際は、界面計画（どのTIM、どの厚さ、どのクランプ圧力か）を含めてください。これにより、シンクに必要なベースの平面度と表面仕上げが変わります。
よくある質問
Q: 熱伝導率と熱抵抗の違いは何ですか？
A: 熱伝導率（W/m·K）は材料を表し、熱抵抗（K·cm²/W）は厚さと接触を含む設置された接合部を表します。厚い高熱伝導率パッドは、薄い低熱伝導率グリースよりも性能が悪い場合があるため、実際のボンドラインと圧力で熱抵抗を比較してください。
Q: サーマルグリースは常にサーマルパッドより優れていますか？
A: 熱的には、はい。薄いグリース層は通常、どのパッドよりも優れています。しかし、パッドは組み立て速度、清浄度、リワーク性で勝ります。性能が優先され量が少ない場合はグリースを選択し、自動化、サービス性、または部品の高さのばらつきが支配的な場合はパッドを選択してください。
Q: サーマルパッドにはどのくらいの圧力が必要ですか？
A: ほとんどのソフトパッドは、表面に完全に密着するために約10〜50 psiのクランプ圧力が必要です。それ以下では空気の隙間が残ります。そのため、パッド取り付けヒートシンクには、緩い配置ではなく、制御された力のクリップやネジが必要です。
Q: パッドの代わりにギャップフィラーを使用するのはいつですか？
A: 隙間が不規則または約1 mmより高い場合です。例えば、部品が実装されたPCBと筐体壁の間の空間を埋める場合です。平らで近接した接合部では、ギャップフィラーは純粋な熱的ペナルティです。代わりに接合部を薄く平らに設計してください。
Q: サーマルパッドは電気的絶縁を提供できますか？
A: ほとんどの充填パッドとグリースは絶縁しますが、実際の厚さと圧力で電圧定格を確認してください。グラファイトシートと金属バックパッドは電気を通すため、通電中の回路を橋渡ししてはなりません。
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