サーマルインターフェース

はじめに

サーマルインターフェースの概要

サーマルインターフェース(thermal interface; 熱界面)は、温度差がある二つの物質の間の境界領域で、高温の物質から低温の物質に熱が伝達される部分を指します。電子機器でサーマルインターフェースは、マイクロプロセッサ、放熱板、サーマルインターフェース材料(TIM; thermal interface material)のような構成要素の間に存在します。サーマルインターフェース材料の選択は、電子機器の熱性能に大きな影響を与える可能性があります。

電子機器におけるサーマルインターフェースの重要性

電子機器で発生する熱を効率的に管理することは、機器の損傷を防止し、性能を維持して寿命を延ばす為に必須的であります。熱管理が適切に行われないと部品の故障、ディバイスの性能低下、消費電力の増加につながる可能性があります。サーマルインターフェース材料は構成要素の間の“熱伝達を改善”し、電子機器の熱管理に対する効率性を高めるのに非常に重要となります。

背景情報

熱管理の概要

熱管理とは、最適な性能、信頼性、安全性を確保するために電子機器の温度を調整するプロセスを言います。熱管理の目標は、ディバイスの構成要素で発生した熱を除去し、周辺環境に効率的に放出することです。熱を効果的に管理しないとディバイスの寿命が短くなり、性能が低下し、致命的な故障が発生する可能性があります。

熱管理技術は大きくするとパッシブ方式とアクティブ方式に分類することが出来ます。パッシブ方式は、材料の自然的な熱伝導性を利用し、ディバイスから周辺環境へ熱を伝える方式です。例えば、金属ピンを使用し表面積を広げて熱放出を促進する“放熱板”と、個体状態から液体状態に変化する際に熱を吸収して放出する“相変化物質”などがあります。アクティブ方式は外部エネルギー源を使って熱伝達を向上させます。

例としては、放熱板の上か装置を通じて空気を吹き付けて対流熱の伝達を増加させる“ファン” と一連のチューブを通じて冷却水循環させてディバイスから熱を除去する“液体冷却システム”などがあります。

熱管理は電子機器設計の重要な側面であり、特にCPU、GPU、パワーエレクトロニクスのように電力密度が高い機器の場合、もっと重要となります。効果的な熱管理のためには、ディバイスのレイアウト、素材の選択、熱伝達のメカニズムを真剣に検討する必要があり、熱性能、ディバイスの大きさ、コストの検討が必要になります。

熱伝達のメカニズム

熱伝達のメカニズムは熱管理の原理を理解するのに基本となります。熱伝達には伝導、対流、放射の3つの主要なモードがあります。

• 伝導(conduction):
  伝導(conduction)とは、物質自体の動きなしに物質を通じて熱が伝達されることを言います。熱はもっと熱い領域からもっと冷たい領域に流れていて、熱伝達の速度は領域内での温度差、材料の熱伝導率(thermal conductivity)、熱が移動する距離によって異なります。金属は熱伝導率が高くて熱伝導に効果的ですが、断熱材は熱伝導率が低くて熱伝達に弱いです。


• 対流(convection):
  対流(convection)とは、流体(液体や気体)を通じて流体自体の動きによって熱が伝達されることを言います。流体が加熱されると膨張して密度が低下され、流体が上昇して流れを生成します。すると、加熱された流体はより冷たい表面に熱を伝達して下降して熱伝達の循環を生み出します。対流は流体の流れが自然浮力によって駆動されるか、もしくはファンやポンプのような外部ソースによって駆動されるかによって自然または強制的なものになります。


• 放射(radiation):
  放射(radiation)とは、赤外線のような電磁波を通じて熱が伝達されることを言います。すべての物体は輻射熱を放出し、輻射の量は温度と物質の放射率によって異なります。輻射熱の伝達は真空状態や非接触表面の間でも発生することが出来るので、電子機器の熱管理に重要となります。

各熱伝達モードの効果は、特定のディバイスや環境によって異なります。ほとんどの電子機器には3つの熱伝達モードが全て多様に存在します。

サーマルインターフェース材料の種類

電子ディバイスで部品と放熱板の間で熱を伝達させるために一般的に使われるいくつかの類型のサーマルインターフェース材料(TIM)があります。TIMの選択はアプリケーション、ディバイスの設計、作動条件など多様な要因で異なります。一般的に使われているTIMの類型は次の通りです。

• サーマルグリース(thermal grease):
  サーマルグリースは部品と放熱板(heatsink)の間で塗布され、隙間と表面の凹凸を埋められるソフトで粘性もあるペースト(paste)です。一般的にシリコンまたは炭化水素ベースで作られて、金属酸化物のような熱伝導性フィラー(thermally conductive filler)が含まれており、比較的に安価で適用しやすいですが、時間が経つと乾燥したり、流れたりすることもあり、固まった後に放熱板を分離すると既存のサーマルグリースを除去して再度塗布しないといけないです。薄く塗布されるので熱が伝達される距離がとっても短くて、熱伝導率が低い素材でも一定レベルの熱伝導効果を期待することが出来ます。


• サーマルテープ(thermal tape):
  サーマルテープは、部品に放熱板を付着する際に使われる薄い粘着テープとなります。一般的に熱伝導性の粘着層がある柔軟なポリマー材質で作られています。サーマルテープは取り付けが簡単で、スペースが限られている場合や放熱板を取り外す必要がある場合に便利です。


• サーマルパッド(thermal pad):
  サーマルパッドは、熱源(heat source)と放熱板の間に配置されるソフトなパッドとなります。一般的に熱伝導性フィラーが内蔵されたシリコンやポリマー材質で作られております。サーマルパッドは取り付けが簡単で、サーマルグリースやサーマルテープより安定的なインターフェースを提供することが出来、圧縮するのにもっと多い力が必要になる場合があります。


• 相変化物質 (PCM; phase change material):
  相変化物質は、個体状態から液体状態への変化する際に、大量の熱を吸収して放出する物質となります。一般的に形態用電子機器のように迅速な熱反応が必要なアプリケーションで使われております。PCMは熱伝導率が高い反面、寿命が制限的で、適用が難しい場合があります。


• 金属基盤のインターフェース材料:
  金属基盤のインターフェース材料は、一般的に表面の凹凸に適合し、高い熱伝導性が提供できる金属合金で作られています。一般的にCPU及びパワーエレクトロニクスのような高性能アプリケーションに使われております。しかし、価格が高くて適用に難しい場合があります。

TIMの選択は熱性能、適用の容易性、コストなど様々な要因によって異なります。ディバイス材料との互換性が良くて、作動条件を耐えられて、長期間安定的な性能が提供できるTIMを選択することが重要となります。

サーマルインターフェース材料の選択基準

サーマルインターフェース材料(TIM)を選択する際には、最適の熱性能とディバイス信頼性を保証するために、いくつかの基準を顧慮することが重要です。TIMの主な選択基準は以下の通りです。

• 熱伝導率:
  TIMの熱伝導率は、熱伝達効果を決定するのに重要な要素となります。熱伝導率が高いTIMほど熱伝達が良くなり、作動温度低くなり、ディバイスの性能が向上します。TIMの熱伝導率はサーマルグリースの場合、約0.5W/mKから金属ベースTIMの場合 10W/mK以上まで、非常に多様となります。熱伝導率は物質の固有特性となり、大きさとは関係ありません。同じ熱伝導率の物質でも、熱が伝導される距離が遠くなるほど熱抵抗が大きくなります。


• 熱抵抗(thermal resistance):
  TIMの熱抵抗はインターフェースを通過する熱の流れに対する抵抗を測定したものとなり、TIMの厚みに比例し、面積や熱伝導率に反比例します。熱抵抗が低いTIMほど熱伝達が良くなり、作動温度が低くなって、ディバイスの性能が向上します。


• 圧縮性:
  TIMの圧縮性は表面に微細な凹凸がある熱源と放熱板の間の間隔を埋める能力を測定する尺度となります。圧縮性が高いTIMはもっといい接触(凹凸によるエアギャップ air gap減少)を提供し、熱伝達性能を向上させることが出来ます。しかし、圧縮性があまりにも高いと時間経過によって TIM自体(サーマルグリースの場合)もしくはシリコンオイル(サーマルパッドの場合)が流出され、効率が低下する可能性があります。


• 寿命:
  TIMの寿命は、時間の経過でも熱性能を維持する能力を測定する尺度となります。一部のTIMは時間の経過によって乾燥、流出、破損等で熱伝達の効率が低下する可能性があります。


• 化学的適合性:
  TIMは、ディバイスの材料や環境と化学的に適合される必要があります。一部のTIMは、特定の金属やプラスチックと反応し、ディバイスの腐食または性能低下を起こす可能性もあります。(サーマルパッドの場合、低分子シロキサンの接点腐食の問題など)


• 適用の容易性:
  TIMの適用容易性は、特に大量採算において重要な要素となります。一部のTIMは、特殊装備や技術が必要になる可能性がありますが(form-in-placeタイプのサーマルコンパウンド)、簡単に適用できるものもあります。


• 費用:
  TIMの費用も顧慮すべきの重要な要素となります。費用効率的(cost effective)な熱管理のため、熱性能、寿命、適用容易性とTIMの費用のバランスが必要になります。

最適な熱性能とディバイス信頼性を保証するため、熱伝導性、圧縮性、寿命、科学的な適合性、適用容易性、費用など、様様な基準のバランスを取って適切なTIMを選択する必要があります。

用語の整理

サーマルインターフェース材料を選定する際、熱伝導率、熱抵抗、熱インピーダンス、熱貫流率などの用語を理解することが役に立ちます。

• 熱伝導率(thermal conductivity):
  
  単位は W/mKであり、物質が熱を伝達する能力を示す物理的な性質となります。熱伝導率は以下のような公式で導出されます。
  
  
  ∆Q

  ∆t

   = kA

  ∆T

  ∆L
  
  
  

  ∆Q:伝導される熱量(watt), ∆t:単位時間(sec), k:比例定数(熱伝導率), A:熱が伝導される断面積(m²), ∆L:熱が伝導される距離(m), ∆T:両側の温度差(kelvin)

  
  

  単位時間中に熱が移動することと家庭すると、kは以下のようとなります。

  
  
  k =  

  Q∙∆L

  A∙∆T
  
  
  
  

  ここで単位を整理すると、W/mK(Watt per meter-Kelvin)となり、熱伝導率が高い物質は熱をよく伝達し、熱伝導率が低い物質は熱をよく伝達しないです。従って、断熱材として使われる物質は一般的に熱伝導率が低いです。




• 熱抵抗(thermal resistance):
  
  単位は K/W(Kelvin per Watt)となります。熱抵抗は伝導される距離に比例し、熱伝導率や断面積に反比例するので、以下のような公式で導出されます。
  
  
  R = 

  ∆L

  Ak
  
  
  

  R:熱抵抗, ∆L:熱が伝導される距離(m), A:熱が伝導される断面積(m²), k:熱伝導率(W/mK)

  
  

  参考までに、熱抵抗率(thermal resistivity)は材料定数であり、熱伝導率の逆数です。(単位: mK/W)

  
  
  R_λ = 

  1

  k
  
  
  

  R_λ:熱抵抗率, k:熱伝導率(W/mK)




• 熱インピーダンス(thermal impedance):
  
  単位は m²K/W(square meters-Kelvin per Watt)となります。熱インピーダンスは材質の厚み(熱が伝導される距離)を熱伝導率で割った値であり、以下のように表現されます。熱インピーダンスは熱抵抗と接触抵抗を全て含めている概念だとすることが出来、複雑材料の総体的熱抵抗を計算する際に便利に使用することが出来ます。
  
  
  Z = 

  ∆L

  k
  
  
  

  Z:熱インピーダンス, ∆L:熱が伝導される距離(m), k:熱伝導率(W/mK)

  
  

  例えば、並んでいる(直列接続)A物質(熱伝導率 k_A, 厚み L_A)とB物質(熱伝導率 k_B, 厚み L_B)の総体的な熱インピーダンスZは以下のように計算することが出来ます。

  
  
  Z = Z_A + Z_B = 

  L_A

  k_A

    +  

  L_B

  k_B
  
  



• 熱貫流率(thermal transmittance):
  
  単位は W/m²K(Watt per square meters-Kelvin)となります。熱貫流率は、熱インピーダンスの逆数となり、以下のように表現されます。熱インピーダンスが複合材質の総熱抵抗を示すように、熱貫流率は複合材質の総熱伝導値を示します。
  
  
  U = 

  1

  Z
  
  
  

  U: 熱貫流率, Z: 熱インピーダンス(m²K/W)

サーマルインターフェース材料の特性分析

熱伝導率測定技術

熱伝導率は、サーマルインターフェース材料(TIM)の重要なパラメータであり、一般的にいくつかの技術の一つを使用して測定します。このような技法は、使用される時間と温度勾配(temperature gradient)によって大きく正常状態技法と過度技法などに分類することが出来ます。

• 正常状態技法:
  正常状態技法は、性状状態条件で知られた厚みと面積のサンプルから温度勾配を測定して熱伝導率を測定します。最も一般的に使われる正常状態技法は、異なる温度の二つのプレートの間にサンプルを置いて、熱の流れと温度勾配を測定する保護熱板法(guarded hot plate method)です。その他の技法として、準備されたサンプルを既に熱伝導率が知られた基準物質と比較する方法となります。


• 過度技法:
  過度技法は、短時間で知られた熱入力に対するサンプルの温度反応を測定し、熱伝導率を測定します。最も一般的に使われる方法は、薄いワイヤーまたはストリップを短時間で加熱し、サンプルの温度上昇及び冷却曲線を測定する熱線法(hot wire method)です。他の技法としては、短いパルスのレーザー光線でサンプルを加熱し、温度上昇か減少を測定するレーザーフラッシュ法(LFA; laser flash analysis)です。


• 示差走査熱量測定法(DSC; differential scanning calorimetry):
  示差走査熱量測定法は、溶融や結晶化のような熱転移中の熱流れを測定し、物質の熱的特性を測定する技術です。DSCは、熱転移中の熱流を分析してTIMの熱伝導率を測定するのに使用することが出来ます。

測定技術の選択は必要な材料の特性、温度範囲、正確度など特定溶融分野と要求事項によって異なります。性格で信頼できる熱伝導率を測定するため、適切な技術を選択し、測定の不確実性と潜在的なエラーの原因を慎重に顧慮することが重要となります。

熱抵抗測定技術

熱抵抗は、サーマルインターフェース材料(TIM)を特性化するのに重要なパラメータとなります。一般的に熱伝導率の測定方法と同じ(正常状態技法、過度技法)であり、電気抵抗を利用することもあります。

• 電気抵抗: 電気抵抗は一部の場合、特に電気伝導性物質の場合、熱抵抗の代用として使用することが出来ます。サンプルの電気抵抗は、標準電気測定技術を使用して測定し、熱抵抗は材料の特性に伴って変わってくる変換係数を使用して計算します。

サーマルインターフェース材料の応用分野

電磁気機の概要と熱管理の課題

電子機器は作動時不産物として熱が発生し、機器の損傷を防止し性能を維持するためには、この熱を放出しないといけないです。効果的な熱管理は電子機器の信頼性と寿命を保証するのに必須的であり、これは多いアプリケーションに重要な課題となります。

電子機器の熱管理問題は機器の類型、作動環境、電力要求事項によって異なりますが、いくつかの一般的な課題は次の通りです:

• 小型化:
  電子機器の小型化が進むにつれて、機器の部品で発生する熱を放出することがもっと難しくなります。ディバイスた小さくなるにつれて、熱が放出できる表面積も減少し、部品のパッキングがもっと密集しているため、部品の温度が高くなる可能性があります。半導体のような部品は、仕様によって特定の温度以内で使用できることが規定されていて、この温度を超えると作動が停止されたり、誤作動を引き起こす可能性があります。


• 電力密度:
  電子機器はますます協力になっており、これによって電力密度(power density; 単位体積または単位面積あたり生成または伝送できる電力の量; W/m³, W/m²)が高めっていて、発熱量も多くなる可能性があります。電力密度が高くなるとディバイス内にホットスポットが発生し、性能低下され、故障の危険性が高くなる可能性があります。


• 環境条件:
  運営環境は、電子機器の熱管理要求事項に大きな影響を与える可能性があります。周辺温度、湿度が高くて、ホコリや他の汚染物質に露出されると、ディバイスの熱負荷が増加し、熱性能が低下する可能性があります。


• 材料選択:
  電子機器に使用される素材は、熱性能に影響を与える可能性があります。例えば、サーマルインターフェース材料の選択は、構成要素と放熱板の間の熱伝達に大きな影響を与える可能性があります。ケース及びその他の構成要素の材料選択もディバイスの熱性能に影響を与える可能性があります。


• 熱抵抗:
  サーマルインターフェースの熱抵抗は、全般的な熱性能に影響を与える可能性があります。熱抵抗が高くなると熱伝達が非効率的であり、構成要素の温度が高くなる可能性があります。

効果的な熱管理は電子機器の安定的で長期的な作動を保証するのにとっても重要となります。熱管理問題を解決するのには、ディバイスの作動環境、電力の要求事項に使用される素材の熱的特性を慎重に顧慮しないといけないです。

サーマルインターフェース材料の新しい応用分野

サーマルインターフェース材料(TIM)は、熱管理を改善し、性能を向上させるため、電子機器や電力機器に幅広く使われております。しかし、現在の研究者と業界の専門家が研究している新しいTIM応用分野があります。以下は、TIMの新たな応用分野となります。

• LED照明:
  発光ダイオード(LED)は、エネルギー効率と長い寿命により、ますます人気が高まっています。しかし、LEDは熱を発生させ、性能と寿命に影響を与える可能性があります。TIMを使うとLEDの熱管理を改善し、熱をもっとうまく放出し、機器の寿命を延ばすことが出来ます。


• 電気モーター:
  電気モーターは、作動中に熱を発生させ、効率と寿命を減少させることが出来ます。TIMを使うと電気モーターの熱管理を改善して熱放出を改善し、効率と寿命を延ばすことが出来ます。


• 太陽光パネル:
  太陽光パネルは、日光を電気エネルギーに変換しますが、作動中熱を発生する可能性もあります。高い温度は、パネルの性能と寿命に影響を与える可能性もあります。TIMを使うとパネルの熱管理を改善して熱放出を改善し、効率と寿命を延ばすことが出来ます。


• 医療機器:
  医療機器は、作動中に熱が発生し性能と安全に影響を与える可能性があります。TIMは医療機器の熱管理を改善して熱放出を改善し、患者が危険な状況になる可能性がある加熱を防止するのに使えます。


• 航空宇宙及び防衛産業:
  航空宇宙及び防衛産業は、極限の条件を耐えられる高性能電子機器が必要になります。TIMはこの分野で使用される電子機器の熱管理を改善して熱放出を改善し、過酷な環境でも安定的な性能を保証するのに使うことが出来ます。

結論として、TIMの新しい応用分野は、多様であり、複数産業にまたがっています。研究者がTIMの潜在力を続けて探求することに伴って多様な電子機器やシステムの性能、効率性、信頼性を改善するためにもっと必須的な要素となる可能性があります。

挑戦課題と今後の方向性

サーマルインターフェース技術の当面課題

サーマルインターフェース技術(TIT)は、電子機器やシステムの熱管理を改善するのに大きいな進歩を遂げましたが、まだ解決すべき課題がいくつか残っています。現在TITの課題は以下の通りです:

• 表面粗さ:
  TITの重要課題の一つは表面粗さとなります。放熱板と部品の表面粗さはTIMの接触面積と熱伝導率に影響を与える可能性があります。結果的にTIMの効率性が低下され、熱性能が低下される可能性もあります。


• インターフェースの厚み:
  TIMの厚みは熱伝導性に影響を与えるもう一つの重要なパラメータとなります。TIMが厚すぎると熱伝達を低下させる熱障壁を作る可能性があります。一方、TIMが薄すぎると部品と放熱板の間の隙間を埋めなくて、熱接触が適切に行われない可能性があります。


• 熱安定性:
  TITのもう一つの課題はTIMの安定性です。一部のTIMは、熱循環や高温漏出で、時間の経過とともに性能が低下する場合もあります。このような性能低下で、熱性能が低下される場合もありますが、TIMが故障となる場合もあります。


• 互換性:
  TIMと構成要素や放熱板の互換性も重要な顧慮事項となります。一部のTIMは、構成要素や放熱板と反応し、腐食、性能低下、またはその他の問題を起こす可能性もあります。


• 製造及び費用:
  最後に、TIMの製造工程と費用も問題になる可能性があります。一部のTIMは、製造が難しいので、生産費用が高いです。また、TIMの費用は電子機器やシステムの全体費用に影響を与える可能性もあります。

結論として、TITは電子機器の熱管理を改善するのに相当進歩を遂げましたが、まだ解決すべき課題がいくつかあります。研究者と業界の専門家はこれらの問題を解決し、電子機器やシステムの熱性能を改善する新しいTIMを開発ため、努力をしています。

サーマルインターフェース材料の新しいトレンド

サーマルインターフェース材料(TIM)は、電子機器やシステムの増大する需要を満たすため、絶えず進化しています。以下は、TIMの新しいトレンドです:

• グラフェンベースのTIM:
  炭素原子となった2次元物質であるグラフェンは、熱伝導性が優れていて、サーマルインターフェース材料として使用することが出来ます。研究者は電子機器の熱管理を改善するため、グラフェンベースのTIMを使用する方法を模索しています。グラフェンベースのTIMは、より良い熱放出を提供し、電子機器の全般的な性能と効率性を改善することが出来ます。


• 相変化材料:
  相変化物質(PCM)は、相変化中に熱エネルギーを吸収または放出できる物質となります。研究者は電子機器の熱管理を改善するため、PCMをTIMとして使用する方法を模索しています。PCMは、作動中に熱を吸収し、遊休時間(アイドルタイム)の間熱を放出して、機器の全般的な効率と寿命を向上させることが出来ます。


• 3Dプリント:
  3Dプリンティング技術は、電子機器の特定形状に合わせてカスタマイズされたTIMを作るのに使用しています。このアプローチは、部品と放熱板の間の接触面積を最大化して電子機器の熱性能を向上させることが出来ます。また、3Dプリンティングを使ってTIMの熱伝導性を向上させる複雑な構造を作る事もできます。


• ナノ粒子ベースのTIM:
  既存のTIMにナノ粒子を追加し、熱伝導性を向上させることが出来ます。研究者は、銀、銅、酸化アルミニウムなど、様様な種類のナノ粒子を使ってTIMの熱伝導性を向上させる方法を模索しています。このようなナノ粒子ベースのTIMは、より良い熱放出を提供し、電子機器の全般的な熱性能を改善することが出来ます。


• ハイブリッドTIM:
  ハイブリッドTIMは、最適な熱伝導性と安全性を実現するため、異なる材料を組み合わせたTIMとなります。例えば、研究者は液体金属と従来のサーマルペーストを組み合わせたハイブリッドTIMの使用を模索しています。液体金属は、優れた熱伝導性を提供しますが、サーマルペーストは安定性を提供し、腐食を防止します。

結論として、TIMの新しいトレンドは様々な材料と製造方法において多様化しています。研究者はTIMの潜在力を探求し続けることにつれて、電子機器やシステムの熱管理を改善するのにより効果的かつ効果的になる可能性があります。