同一厚みの熱伝導シリコーンパッドで放熱性能が異なる理由

本稿は、電子機器の熱設計に携わるエンジニアの間で頻繁に議論される、 「厚みが同じにもかかわらず、熱伝導シリコーンパッドの放熱性能が異なる理由」 について、工学的視点から解説する技術FAQです。

熱伝導シリコーンパッドは単なる放熱材料ではなく、 熱界面材料（Thermal Interface Material：TIM）として 実装条件を含めた総合性能で評価されるべき材料です。

1. 厚みは性能を決定する指標ではない

熱伝導シリコーンパッドの厚みは、ギャップを埋めるための 幾何学的条件に過ぎず、放熱性能そのものを直接規定するものではありません。

実際の放熱性能は、実装状態における 等価熱抵抗（Rth）によって決定されます。

等価熱抵抗は以下のように表されます：

Rth = R_接触(上) + R_TIM + R_接触(下)

• R_TIM：材料自体が持つバルク熱抵抗
• R_接触：上下界面で発生する接触熱抵抗

多くの実装ケースにおいて、界面接触熱抵抗は 全体Rthの40〜70％を占めます。 このため、同一厚みであっても実際の放熱性能に 顕著な差が生じます。

2. 等価熱抵抗（Rth）が実性能を左右する要因

等価熱抵抗（Rth）は、材料の熱伝導率に加え、 圧縮時の追従性や空隙の除去能力を含めた 実使用条件下での放熱効率を反映します。

同じ厚みの熱伝導シリコーンパッドであっても、 以下の要因によりRthは大きく変化します。

• 同一締結力に対する圧縮率の違い
• 圧縮後に形成される実接触面積の差
• 応力緩和特性および復元挙動の違い

低いRthを得るためには、 単に薄くするのではなく、 安定して接触面積を確保できる材料設計が重要です。

3. 公称熱伝導率と実効性能の乖離

カタログに記載される熱伝導率は、 一定条件下で測定された材料特性値であり、 実装状態を完全に反映するものではありません。

実機における実効熱伝導率（k_eff）は、 以下の要因によって左右されます。

• 実装面圧および締結構造
• 放熱面・発熱面の平坦度と表面粗さ
• シリコーン内部のフィラー熱伝導ネットワーク

このため、厚みや公称値が同じ製品であっても、 システムレベルでは大きな温度差が生じる場合があります。

4. フィラー設計が性能差を生む本質的要因

熱伝導シリコーンパッドの性能差は、 内部に分散されるフィラー設計によって決定づけられます。

• 粒径分布および多段階粒子設計
• フィラー充填率と分散均一性
• 粒子表面処理とシリコーンとの界面親和性
• 連続的な熱伝導経路の形成度

熱は単一粒子を通じてではなく、 連続した熱伝導ネットワークを通じて伝達されます。 ネットワークが不十分な場合、 同一厚みでも熱抵抗は増大します。

5. 圧縮率・接触面積・Rth曲線の関係

エンジニアリング上、Rthと圧縮条件の関係は Rth–面圧（または圧縮率）曲線として評価されます。

圧縮が進むにつれて、

• 微細な空気層が除去される
• 実接触面積が拡大する
• 界面接触熱抵抗が急激に低下する

一方、最適圧縮点を超えると改善効果は飽和し、 材料ごとにRth曲線の傾きが異なります。 これが、同一締結条件下でブランド差が顕在化する主因です。

6. まとめ：厚みではなくRthで評価する

同一厚みの熱伝導シリコーンパッドで性能差が生じる理由は、 以下の点に集約されます。

• 厚みは界面挙動を反映しない
• 実性能は等価熱抵抗（Rth）で決定される
• 圧縮特性および応力緩和挙動の違い
• フィラー熱伝導ネットワーク設計の差

信頼性の高い熱設計を行うためには、 厚みや公称熱伝導率ではなく、 規定面圧下でのRth特性および 長期安定性を重視した材料選定が不可欠です。

この評価指針により、試作から量産まで一貫した 放熱性能と設計再現性を確保することが可能となります。