熱伝導材料の重要性について

熱管理の分野では、ファンやヒートシンク、ペルチェ素子などが注目され、これらの部品がどのように組み立てられているのかが忘れられがちです。このような熱管理技術の最適な性能を発揮させるためには、熱伝導材料（TIM）が最も重要です。TIMの目的は、不均一な2つの面の間に存在する微小な空隙を、空気よりも優れた熱伝導率の物質で埋めることです。TIMは、パワートランジスタのような発熱素子からヒートシンク、熱電クーラー、またはその両方に効率よく熱を伝えるために、熱伝導率を高めるさまざまな材料で構成されています。この記事では、熱伝導率と熱インピーダンスの定義をより詳しく説明するとともに、設計技術者が利用できるさまざまなタイプのTIMについて、ハイレベルな入門内容を提供します。

図1：不均一な2つの面の間の空隙を埋めるTIMの基本説明。（画像提供： Same Sky）

熱伝導率の概要

この微細な空隙を埋めることで熱伝導が向上することを十分に理解するためには、熱伝導率を正しく理解することが重要です。熱伝導率は、材料が熱を伝える能力を示す指標であり、部品の大きさには依存しません。このパラメータは、一般にW/m°CやW/m*Kのように、電力÷面積×温度という単位で数値化されます。なお、ケルビンスケールの1単位はセ氏1度に相当するため、計算の際には絶対値ではなく、相対的な温度変化のみが関係するということが重要になります。

放熱のことを考えると、熱伝導率が高い方が望ましいのは当然です。熱伝導率の低い材料は熱伝導の速度が遅く、熱伝導率の高い材料は熱伝導の速度が速くなります。ちなみに、空気の熱伝導率は0.0263W/m*Kにすぎず、熱伝導材料の熱伝導率より2桁ほど低くなっています。部品とヒートシンクの間に空隙があると、放熱が妨げられます。この空隙に、空気よりもはるかに高い熱伝導率を持つTIMを充填することで、より効率的な熱伝導を実現しました。

熱抵抗の概要

一方、熱インピーダンスや熱抵抗は、部品特有の形状に大きく依存し、温度を電力で割った単位、すなわちワットあたりのセ氏温度で表されます。熱抵抗については、Same Skyのブログ 熱管理の概要 や ヒートシンクの選択方法 で詳しく解説していますが、ここでは簡単におさらいしておきましょう。熱抵抗はC/Wという単位で表され、1ワットの電力が消費されるごとに、接合部が何°C高くなるかを決定します。たとえば、4ワットの電力を消費する接合部の抵抗値が10C/Wの場合、周囲温度に対して40°C近く温度が上昇します。多くの場合、熱抵抗値は、ヒートシンクなしでTO-220パッケージから空気中へというように、特定の媒体や領域について引用されます。

複数のデバイスを統合した場合、熱抵抗値が新しい値に変わります。しかし、この熱抵抗値は、2つの面が完全に密着接続されることを前提としていますが、必ずしもそのようになるとは限りません。このような場合、可能な限り理想に近い状態を作り出すために、熱伝導材料が用いられます。これによって熱伝導は向上しますが、TIMの熱抵抗も含めて計算する必要があるため、複雑さの度合が増します。熱伝導材料は、2つの物体間の熱抵抗を低減する一方で、それ自体も熱抵抗を持っているというのは皮肉な話かもしれません。この値は決して小さくはありませんが、それでも2つの物体の間の熱抵抗は、熱伝導材料自体の熱抵抗を加えても大幅に減少します。用いるTIMのタイプに依存するため、この熱抵抗は、TIMの厚みや適用される表面積に応じて提供される場合と計算する必要がある場合があります。

図2：アプリケーションで考慮される標準的な熱インピーダンス経路の例。（画像提供：Same Sky）

一般的な熱伝導材料のタイプ

ゲル、グリース、ペースト、パッドなどの形態を持つ熱伝導材料は、熱管理の課題に対処するための多様なソリューションを提供します。中でも、ゲルやグリースなどの熱伝導ペーストは、熱伝導率が高く、柔軟性があり、大きな隙間を埋めることができることが知られています。しかし、ペーストの塗布は複雑で、特に凹凸のある表面では、必ずしも安定した結果が得られるとは限りません。塗布しすぎると全体的な効果が低下し、塗布が不十分だと熱伝導の性能が損なわれることがあります。また、熱伝導性に優れた金属系ペーストは、プリント基板上にこぼれると電気的障害を発生します。セラミックやカーボン系のペーストは、より安全な代替品となり得ますが、熱効率は金属系選択肢ほど良くないかもしれません。

これに対して熱パッドは、シリコーンやノンシリコーンエラストマーでできた固体のTIMで、他にもさまざまな材料があります。たとえば、Same Skyの 熱パッドは、自然な粘着性があり、電気的に絶縁されており、1.0～6.0W/m*Kのさまざまな熱伝導率があります。ペーストではなく、熱伝導パッドを使用する主な利点のひとつは、その貼りやすさです。Same Skyの熱パッドは、 ペルチェデバイスの外形に合わせてあらかじめカットされているため、大きなシート状のパッド材を購入してサイズに合わせてカットする場合に比べて、組み立て時の時間の節約と利便性が向上します。また、熱パッドは、熱ペーストに比べ、安定性が高く、汚れも少なく、再利用が可能です。

しかし、多様なデバイスやサイズに対応するためには、汎用性の高い熱ペーストが適しています。また、熱ペーストは小さなチューブに入っているため、安価で入手しやすく、正確な寸法を測る必要がなく、ホビーユーザーの間でも人気があります。そのため、小規模なプロジェクトや単発のアプリケーションにとっては便利な選択肢となっています。ここでは、さまざまなTIMの選択肢について、以下に簡単にまとめてみました。

表1：熱伝導材料選択肢のまとめ。（画像提供：Same Sky）

まとめ

効率的な 熱管理は、さまざまな戦略やソリューションを必要とする複雑な問題です。システム全体を構成する重要な要素である熱伝導材料の重要性を見落とさないことが大切です。試作の段階でも、生産に移行する段階でも、あるいはDIYで熱伝導材料を使う場合でも、その必要性の理由と機能性のメカニズムを理解することで、設計の熱性能に大きな違いが生まれます。