放熱グリス・熱伝導シートの選び方——熱伝導率より、組み付けた状態の熱抵抗で比べる

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この記事のポイント（結論先出し）

放熱グリスや熱伝導シート（まとめて TIM と呼ぶ）は、カタログの熱伝導率の数字だけで選ぶと外れる。効いてくるのは、組み付けたあとの厚さと、部品の面との接触のしかたと、使っているうちの変化である。グリースの熱抵抗をカタログの厚さと熱伝導率から見積もった値と、実測した値とに無視できない差があった、という報告がある^[2]。2 種類のシートを比べた研究では、凹凸のある面に低い圧力で当てたときは柔らかいシートのほうが面になじみやすく有利で^[3]、グリースは熱の繰り返しで隙間から押し出されて空隙ができる「ポンプアウト」を起こすことがある^[1]。選ぶときは、実際の部品・締付け・温度の繰り返しの条件で熱抵抗を比べる。社内で測れないときは、試作した組立品で熱抵抗の測定と、温度の繰り返しのあとの内部の観察を専門の会社に頼む。

熱伝導率の高い材料が、温度を下げるとは限らない

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部品と放熱器のあいだには、面の粗さやうねりで隙間ができる。小西らの論文は、パワーモジュールの底板と放熱器のあいだの隙間に空気が入ると、空気の熱伝導率が放熱器に使うアルミのおよそ 1 万分の 1 しかないため接触部の熱抵抗が大きくなり、それを下げるために熱伝導材（TIM）が広く使われていると説明している。代表的な熱伝導グリースは、油と熱伝導率の高い粒子（フィラー）でできたペーストで、熱伝導率は一般に 1〜5 W/(m・K) 程度だとしている^[1]。

温度を決めるのは熱伝導率そのものではなく、熱の通り道の熱抵抗（温度差を流れる熱量で割った値）である。斎藤らの研究は、熱抵抗が電気抵抗に相当するもので、直列・並列の考え方で熱回路として扱えること、そして素子と放熱器のあいだの測定値には、TIM そのものの熱抵抗と、TIM と相手の面とのあいだの接触熱抵抗が直列に含まれることを説明している^[3]。TIM の熱抵抗は TIM 自身の特性だけでなく、材料どうしの密着のぐあいでも変わる^[3]。

TIM 自身の熱抵抗は、厚さを熱伝導率と面積で割った値になる。面積 10 cm² の部品で、熱伝導率 1 W/(m・K) と 3 W/(m・K) の材料を比べると、次のようになる（30 W の発熱のときの温度差も示した）。

組み付けたあとの厚さ	1 W/(m・K) の熱抵抗	30 W での温度差	3 W/(m・K) の熱抵抗	30 W での温度差
0.05 mm	0.05 K/W	1.5 K	約 0.017 K/W	約 0.5 K
0.1 mm	0.1 K/W	3 K	約 0.033 K/W	約 1 K
0.2 mm	0.2 K/W	6 K	約 0.067 K/W	約 2 K
1.0 mm	1.0 K/W	30 K	約 0.33 K/W	約 10 K

表は厚さ÷（熱伝導率×面積）で計算した例で、接触熱抵抗は入っていない。それでも、熱伝導率が 3 倍の材料でも厚さが 10 倍になれば、熱伝導率の低い薄いグリースより温度差が大きくなることが分かる。シートとグリースを熱伝導率の数字だけで比べると、この厚さの差を見落とす。

実際の値は、この表よりさらに大きくなる。富村らの研究は、粗さとうねりのある面のあいだにグリースを塗った実験を重ねるうちに、グリースの厚さとカタログの熱伝導率から推定した熱抵抗と、実測した値とのあいだに無視できない差が見られたことから、グリースの厚さを 3 段階に変えて測り、グリース層そのものの熱伝導率と、金属の面での温度の落ち込み（接触の熱抵抗）を分けて求める方法を試している^[2]。カタログ値で見積もった熱抵抗は、組み付けた状態の値の目安にはならない。

グリース・シート・硬化型の違いを、使い方から選ぶ

種類	向いているところ	気を付けること
グリース（硬化しない）	薄く塗れて熱抵抗を小さくできる	塗る作業のばらつき、油の分離や固化、熱の繰り返しでのポンプアウト
硬化型のグリース・ペースト	塗ったあとに固まり、流れ出しにくい	熱の繰り返しで広がりながら割れが入ることがある
熱伝導シート	厚さがそろい作業が安定する。電気絶縁を兼ねるものがある	硬さと締付けの圧力で接触が変わる。厚い

斎藤らの研究は、グリースは熱抵抗を小さく抑えられて性能が良い反面、組立のときに塗る作業が必要で作業者によるばらつきが出やすく、油成分の分離や固化などの経年変化も考える必要がある、としている。そのうえで、複数の素子を一つの放熱器で冷やしながら電気絶縁を確保する場面では、熱伝導性と電気絶縁性を兼ねたシートを使う例を扱っている^[3]。表の内容は、こうした論文の記述を使い方の観点でまとめたものである^[1]^[3]。

グリースのポンプアウト

小西らは、パワーモジュールの熱変形をまねた装置でグリースのポンプアウトを再現し、超音波で中を見て観察している。ポンプアウトは、隙間に充填したグリースがモジュールの熱変形で外に流れ出し、グリースの中に空隙ができて熱抵抗が上がる現象である。実験では、温度の繰り返しに伴う繰返しの圧縮によって、硬化しないグリースでは内部に空隙が生じたのに対し、硬化型のグリースでは徐々に広がると同時に割れが生じた。影響する因子の感度を調べると、グリースが硬化するかどうかの感度が高く、底板の反りの量と温度の繰り返しの周期の感度は同じくらいだった^[1]。

この結果から言えるのは、組み付けた直後の温度が良くても、それは長く使ったあとの温度を保証しないということである。反りやすい部品、温度の上がり下がりが激しい使い方の部品では、温度の繰り返しを加えたあとにもう一度熱抵抗を測る。温度サイクル試験の指定の仕方は温度サイクル試験・熱衝撃試験の指定で扱っている。

シートは硬さと圧力で効き方が変わる

斎藤らは、放熱器の面の粗さをまねて溝を彫ったアルミ板に TIM を載せ、加える圧力を変えて熱抵抗を測っている。柔らかい（アスカー C 硬度 C10 の）シートは圧力 15,000 Pa 付近で溝によく密着して熱抵抗が安定したのに対し、硬い（C60 の）シートは 5,000 Pa 以下の低い圧力で接触熱抵抗が大きく、熱抵抗が落ち着くのもより高い圧力だったと推測している^[3]。カタログ上は硬いシートのほうが熱伝導率が高かったが、低い圧力では柔らかいシートより不利になりうる、ということである。一方で同じ研究は、平らな面では熱伝導率の高い硬いシートのほうが熱抵抗が小さかったとしている^[3]。どちらが有利かは、相手の面の状態と締付けの圧力で変わる。

富川・島田の論文も、樹脂とフィラーでできた熱伝導シートと銅やアルミとのあいだの界面の熱抵抗が、シートの弾性率とフィラーの分散で決まり、弾性率が低く分散の良いシートほど界面の熱抵抗が小さかったと報告している。フィラーを大きくするとシート自体の熱伝導率は上がるが、界面の熱抵抗も大きくなったとしている^[4]。シートを選ぶときは、熱伝導率と一緒に、硬さと、自社の部品で締められる圧力の範囲を確かめる。

シリコーン系を使うときに確かめること

放熱材にはシリコーンを使ったものが多い。日本ゴム協会誌の解説（角村）は、シリコーンゴムの原料に由来する環状のシロキサンが、接点障害や汚染の原因と考えられるトラブル事例があるとし、密閉した状態で使ったモーターが動かなくなった例、ガスケットに使ったシリコーンゴムがガラスのくもりの原因になった例、塗装の工程での斑点の例を挙げている。対策としては成形物の二次加硫が有効だが、成形物の厚みや温度などで影響を受けることがあると注意している^[5]。

この解説はシリコーンゴムについてのものなので、放熱材にそのまま当てはまるとは限らない。それでも、リレーやスイッチの接点、光学部品、塗装や接着をする面の近くで、密閉した筐体の中にシリコーン系の放熱材を使う場合は、仕入先に低分子のシロキサンへの配慮の有無と、その確かめ方を問い合わせておく。

社内で確かめるときの段取り

候補を比べるときは、材料の試験片ではなく、実際の部品と放熱器を、実際の締付けで組んだもので比べる。発熱する部品の温度と放熱器の温度を同じ位置で測り、発熱量で割って熱抵抗を出す。同じ材料で 3 個以上組んで、ばらつきも見る。組み付けたあとの厚さは、分解して測るか、塗布量から見積もって記録する。グリースなら、温度の繰り返しを加えたあとにもう一度測り、初期の値と比べる^[1]。

発熱の原因と放熱の手の打ち方全体は発熱の原因と放熱の手で、部品の温度を計算で予測する方法は伝熱解析で部品の温度を予測するでまとめている。TIM の選び方は、その中の一つの部品の選び方にあたる。

外に頼むときに渡すもの・受け取るもの

社内の測定で候補の差がはっきりしない、組み付けた状態の熱抵抗を正確に知りたい、温度の繰り返しのあとに中で何が起きているかを見たい、という段階になったら、専門の会社に測定を頼む。斎藤らの研究では、温度が一定になってから測る方法（定常法）のほかに、半導体の接合部の電圧と温度の関係を使って過渡的な温度の変化から熱抵抗を求める方法も扱っている^[3]。小西らは、25 MHz の超音波の画像でグリース層の空隙や割れを壊さずに観察している^[1]。どちらが合うかは部品と目的で変わるので、依頼の前に相談して決める。

渡すもの	注意すること
発熱する部品と放熱器（実物か試作品）	面の粗さ・反り・締付けの構造が実物と同じであること
候補の放熱材	ロットと使用期限、塗布量や厚さの指定
使い方の条件	発熱量、周囲の温度、温度が上下する回数と幅、締付けのトルク
許容できる温度	部品の上限温度と、確保したい余裕

受け取るもの	何に使うか
組み付けた状態の熱抵抗（候補ごと・個数ごと）	候補の比較と、ばらつきの確認
温度の繰り返しのあとの熱抵抗の変化	長く使ったあとの温度の見込み
内部の観察画像	空隙・割れ・はみ出しの有無の確認

部品と候補の放熱材がそろっていれば → 比べ方の段取りから相談する

よくある質問

熱伝導率の高いシートに替えたのに、温度が下がりません

シートの厚さがグリースより厚い、シートが硬くて締付けの圧力で面になじんでいない、のどちらかが多い^[3]^[4]。厚さと硬さと締付けの圧力を確かめ、組み付けた状態の熱抵抗で比べる。

出荷前は問題なかったのに、使っているうちに温度が上がりました

グリースが温度の繰り返しで押し出されて空隙ができた可能性がある^[1]。反りやすい部品と温度変化の大きい使い方で起きやすい。温度の繰り返しのあとに熱抵抗を測り、内部を観察して確かめる。

カタログの熱抵抗の値で比べてよいですか

カタログの値は、そのメーカーが決めた試験の条件での値である。実際の厚さ・面・圧力では違う値になりうる^[2]。候補は、自社の部品で組んで同じ条件で比べる。

まとめ

放熱グリスと熱伝導シートは、熱伝導率の数字ではなく、組み付けた状態の熱抵抗で選ぶ。厚さが効き、接触のしかたが効き、シートは硬さと圧力、グリースは温度の繰り返しでの変化が効く。シリコーン系を密閉した筐体に使うなら、低分子のシロキサンへの配慮を仕入先に確かめる。社内で差が見えないときは、実際の部品で組んだ試作品で、熱抵抗の測定と温度の繰り返しのあとの観察を専門の会社に頼む。

同じく不具合の原因を扱う記事として、はんだクラックの原因の見分け方、筐体内の結露、接着はがれの原因の切り分け方も参照してほしい。

出典・参考資料

熱サイクルにともなう熱伝導グリースのポンプアウト現象に関する可視化実験（小西祐一郎・堀内敬介・西原淳夫／日本機械学会論文集 83 巻 845 号・日本機械学会／2017 年）
シリコーングリースの熱伝導率の簡易測定に関する基礎研究（富村寿夫ほか／日本機械学会熱工学コンファレンス 2006 講演論文集／2006 年）
TIM の密着具合に関する研究（斎藤靖弘・鈴木悟・小室貴紀／神奈川工科大学研究報告 B-39／2015 年・JAXA リポジトリ掲載）
Extreme Low Interfacial Thermal Resistance Heat Conductive Sheet Design（Masao Tomikawa・Akira Shimada／Transactions of The Japan Institute of Electronics Packaging 12 巻・エレクトロニクス実装学会／2019 年）
シリコーンゴムにおけるトラブル事例とその対策（角村真一／日本ゴム協会誌 73 巻 10 号・日本ゴム協会／2000 年）

放熱材を替えても温度が下がらない——どこで熱が詰まっているかから一緒に整理します

newji の「技術課題の解決」では、発熱する部品と組立の構造、使い方の条件を伺い、どこから調べるかを整理します。組み付けた状態の熱抵抗の測定や、温度の繰り返しのあとの内部の観察、伝熱の解析のように設備や専門の技術が要る作業は、引き受けてくれる専門の会社を探して一緒に進め、段取りと進行は newji が受け持ちます。測定や試作の前に、費用は書面でお出しし、ご了承をいただいてから発生します。結果や効果を前もってお約束するものではありません。

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