サーマルインターフェースマテリアルの総合的研究

著者: CHACE /Tousen Thermal Management Engineering Team

2025-10-31

抽象的な

サーマルペーストは、電子デバイスの熱管理システムに不可欠なサーマルインターフェイスマテリアル (TIM) として、チップの放熱効率と動作信頼性に直接影響します。この文書は、サーマルグリースの中心となる性能パラメータである熱抵抗を詳細に調査することを目的としています。まず、サーマルグリースの基本概念と応用シナリオを説明し、その後、その開発の歴史を振り返ります。次に、ダウと信越化学工業などの主要な国際ブランドと、過去 20 年間にわたる中国国内ブランドの急速な進歩との間で比較分析が行われます。この論文は、熱伝導率に対する熱抵抗の物理的重要性を分解することに焦点を当て、性能評価における熱抵抗の決定的な役割を強調し、関連する計算モデルを提示します。公開されているデータをもとに、世界の主要ブランドの低熱抵抗製品の比較表を作成しました。最後に、サーマルグリースの将来の技術的方向性について説明します。この文書は、業界が TIM 部門の健全な発展を促進するために、熱抵抗測定と報告の標準化にさらに重点を置くべきであると主張しています。

キーワード

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1. サーマルペーストの定義と主な用途

サーマルグリースは、正確にはサーマルシリコーングリースまたはサーマルコンパウンドと呼ばれ、ベース流体としてシリコーンオイルで構成され、熱伝導性粒子 (アルミナ、酸化亜鉛、窒化ホウ素、窒化アルミニウムなど) が充填されたペースト状の TIM です。

その主な機能は、熱源 (CPU、GPU、パワー半導体など) とヒートシンクの間の微細な空隙を埋めることです。伝導率が約 0.026 W/(m・K) の低熱伝導体である空気を置き換えることにより、熱伝導の効率的な経路が確立されます。高性能サーマルグリースは、1 ～ 10 W/(m・K) 以上の範囲の熱伝導率値を持ち、全体の界面熱抵抗を大幅に低減します。

主なアプリケーションシナリオには次のものがあります。

家庭用電化製品:パソコンの CPU/GPU およびスマートフォンの主要チップの冷却。
通信機器:サーバー、基地局、ルーターのコアチップの放熱。
新エネルギー車: e-ドライブコントロールユニット (IGBT)、車載充電器 (OBC)、およびバッテリー管理システム (BMS) のパワーデバイスの冷却。
産業およびパワーエレクトロニクス:可変周波数ドライブ、インバーター、および高電源モジュールの熱放散。

2. サーマルグリースの発展の歴史

サーマルグリースの進化は、半導体産業の進歩と本質的に結びついています。 1960 年代から 1970 年代にかけて、集積回路の出現によりチップの電力密度が増加し始め、単純な機械的接触では熱放散が不十分になりました。初期の TIM は、グリースまたはパッドの原始的な形式でした。

1970 年代～1990 年代: 基礎研究と商品化

この期間には、複合材料の熱特性に対するさまざまなフィラー (金属粉末、酸化物など) の影響に関する体系的な研究が含まれていました。シリコンベースのグリースにミクロンサイズのアルミナや酸化亜鉛を充填したものが主流となりました。 Dow Corning (後に Dow Inc. に統合) や信越化学工業株式会社などの企業は、シリコーン化学における深い専門知識を活用して、標準化された信頼性の高い商用製品 (Dow Corning 340 など) の開発を先駆的に行い、業界の基盤を確立しました [1]。これらの初期の製品は通常、熱伝導率が 1 W/(m・K) 未満でしたが、初期の冷却ニーズに効果的に対処しました。

1990 年代後半から 2000 年代前半: パフォーマンスの画期的な進歩と標準化

PC およびサーバー業界の爆発的な成長と CPU 能力の急速な向上により、より高性能な TIM が求められました。業界は、窒化ホウ素 (BN) や窒化アルミニウム (AlN) など、固有の導電率が高いセラミックフィラーの採用を開始しました。同時に、テスト方法の標準化も注目を集めました。 ASTM D5470 規格「熱伝導性電気絶縁材料の熱伝達特性の標準試験方法」は広く受け入れられ、製品を比較するための統一ベンチマークを提供します [2]。

2000年代～現在：多様化と高性能化競争

今世紀に入ってから、特に中国で TIM 産業は急速な成長を遂げました。政策支援と市場の需要に後押しされて、いくつかの中国企業が急速に台頭した。彼らは中低層で大きな市場シェアを獲得しただけでなく、持続的な研究開発投資を通じて高性能セグメントでも継続的な進歩を達成しました。研究は、より高い導電性、より低い熱抵抗、および優れた長期安定性を目指して、フィラーのナノサイズ化とハイブリッド化、および基油の改質に焦点を当ててきました。

3. 世界の主要サーマルグリースブランドの概要

3.1 主要な国際ブランド

ダウ株式会社

シリコーンおよび化学材料の世界的リーダーとして、ダウはダウコーニングの買収を通じて深い技術遺産を保有しています。同社のサーマルグリースのポートフォリオは広範囲にわたり、高い信頼性と長期安定性で知られており、自動車および産業分野の要求の厳しい用途に適しています。代表的な製品であるダウ TC-5625 は、ポンプアウト耐性と電気絶縁性に優れていることで知られています。ダウの製品は、単一の極端なパラメーターを追求するのではなく、バランスの取れた全体的なパフォーマンスを重視することがよくあります。

信越化学工業（日本）

シリコンウェーハとシリコーンの世界的リーダー。 TIM 分野では、信越化学工業は、特にハイエンド CPU 冷却市場において、最先端のテクノロジーと優れた製品パフォーマンスで高い評価を得ています。 Shin-Etsu X-23-7762などの定番商品は長年にわたり高い評価を得ています。最新のShin-Etsu 7921は、非常に低い変動性と優れた耐久性により、多くのブランドのコンピュータやサーバーに好まれています。信越化学工業は、熱伝導率と抵抗に関して業界のベンチマークを設定することがよくあります。

3.2 中国ブランドの急速な発展

過去 20 年にわたり、中国の TIM 企業は追随者から参加者、そして一部の分野ではリーダーへと移行してきました。当初は模倣と低コストで競争していましたが、現在は独立した研究開発とイノベーションに焦点が移っています。

技術の進歩：中国企業は、高導電性フィラーの表面処理および配合技術において大幅な進歩を遂げた。製品の熱伝導率は 1 ～ 2 W/(m・K) から、場合によっては 10 W/(m・K) 以上に増加し、世界の上位層に達しています。
市場への応用:地元のサプライチェーンの利点と迅速なサービスを活用して、中国ブランドはファーウェイ、ZTE、BYD、レノボなどの国内トップ企業のサプライチェーンへの参入に成功し、徐々に国際的な存在感を拡大しています。

4. 熱抵抗の重要性: 熱伝導率との関係および計算

4.1 熱伝導率の限界と熱抵抗の優位性

よくある誤解は、「熱伝導率」を唯一の性能指標と考えることです。熱伝導率 (λ) は材料固有の特性であり、単位温度勾配下の単位面積あたりの熱流束として定義され、単位は W/(m・K) です。これは、材料の固有の熱伝導能力のみを表します。

ただし、実際には、サーマルグリースは 2 つの表面の間に薄い層として存在します。その最終的な冷却効率は、(λ) だけでなく、接着線の厚さ (d)と界面接触の質にも大きく依存します。熱抵抗 (R) は、材料特性と幾何学的形状の両方を包括的に組み込んだパラメータであり、界面を通る熱流に対する全体の「抵抗」を直接反映します。熱抵抗が低いほど、冷却性能が優れていることを意味します。

熱抵抗 (R) は、熱流路全体の温度差 (ΔT) を熱流量 (P、電力) で割ったものとして定義され、単位は °C/W または K/W です。式は次のとおりです。

R = ΔT / P

どこ：

R: 総熱抵抗 (K/W)
ΔT: TIM 層全体の温度差 (K)
P:熱流電力(W)

サーマルグリース層自体の固有熱抵抗 (R_TIM) は、その厚さと導電率に基づいて計算できます。

R_TIM = d / (λ × A)

どこ：

R_TIM: TIM層の熱抵抗(K/W)
d：TIM層の平均厚さ（μm）
λ：グリースの熱伝導率（W/(m・K)）
A：グリースの塗布面積（m²）

4.2 関係の解釈

式R_TIM = d / (λ × A)から、次のことが明らかです。

熱抵抗 (R) は厚さ (d) に正比例します。他のすべてが同じであれば、塗布層が薄いほど熱抵抗は低くなります。
熱抵抗 (R) は熱伝導率 (λ) に反比例します。 (λ) が高くなると、(R) は低くなります。
したがって、熱伝導率が高い製品は、極薄で安定した層を形成する伝導率がわずかに低い製品と比較して、その粘度や塗布方法により接着ラインが太くなる場合に、より高い実効熱抵抗を示す可能性があります。

結論:熱抵抗は、サーマル グリースの実際の冷却性能を評価するための究極かつ最も直接的なパラメータです。エンジニアは、公表されている熱伝導率の値だけよりも、標準試験条件 (ASTM D5470 など) で測定した界面熱抵抗または総熱抵抗を優先する必要があります。

5. グローバルブランドの低熱抵抗製品比較表

次の表は、ダウ社と信越化学工業が低い熱抵抗を有すると宣伝している製品のデータをまとめたものです。テスト条件 (圧力、温度、機器など) はメーカーによって異なる可能性があるため、これらの値を直接比較するには注意が必要であることに注意することが重要です。すべてのデータは企業の公式技術データシートから取得されており、参照目的のみに提供されています。

ブランド	製品型式	熱伝導率	熱抵抗	試験条件・規格	データソース
信越化学工業（日本）	X-23-7921-5	4.5W/(m・K)	0.03 K·in²/W (約 0.019 K/W)	特に指定なし（代表的なもの）	信越化学工業のデータシート
ダウ（米国）	TC-5625	2.5W/(m・K)	0.07 K·in²/W (約 0.045 K/W)	特に指定なし（代表的なもの）	ダウ社のデータシート

注: Shin-Etsu や Dow などのブランドは、熱インピーダンスをインペリアル単位 (K·in²/W) で報告することがよくあります。比較のみを目的として、これは、標準接触面積 1 in² (6.45 cm²) を仮定した熱抵抗 (K/W) に近似できます: R (K/W) ≈ R (K·in²/W)。実際の R は面積に反比例します。 1 K·インチ平方/W = 0.00064516 K·平方メートル/W。

重要な考慮事項:テスト基準と方法論の違いにより、さまざまなブランドから公開されているデータは大幅に異なる場合があります。この比較は、試験条件と規格に注意を払い、重要なパラメータとして熱抵抗に焦点を当てることの重要性を強調することを目的としています。最も信頼性の高いアプローチは、サンプルを入手し、同じプラットフォームで同じ条件下で比較テストを実施することです。

6. サーマルグリースの今後の開発方向

サーマルグリース技術の将来の開発は、次の方向に進むと考えられます。

1. より高い熱伝導率とより低い熱抵抗の追求

研究開発は引き続きグラフェンやカーボンナノチューブなどの新規フィラーに焦点を当てていきます。課題は、シリコーンマトリックス内の分散安定性とコスト削減にあります。より低い熱抵抗を達成するには、フィラーの形態制御 (球状化) と粒子サイズの混合 (マイクロ + ナノ) を通じて、より効率的な熱経路を構築するかどうかが決まります。

2. 総合的な信頼性の向上

初期熱抵抗が低いだけでなく、長期安定性が最も重要です。これには以下が含まれます。

低ブリード/非ポンプアウト:長時間の加熱下でシリコーンオイルが分離したり、熱サイクル中に界面からポンプアウトされるのを防ぎます。
長期的な熱安定性:高温での硬化や乾燥による性能低下を防ぎます。
耐老化性:製品の動作寿命全体にわたって、予測可能なパフォーマンスの低下を保証します。

3. アプリケーションプロセスの最適化

大量の自動塗布プロセス (ステンシル印刷、ジェッティングなど) に適した配合の開発。これには、粘度、チクソトロピー、および展延性を調整したグリースが必要です。相変化材料 (PCM) は、取り扱う際には室温では固体ですが、操作温度では隙間を埋めるために液化するため、別の方向性を示します。

4. 持続可能性と安全性

環境規制（REACH、RoHS など）がますます厳しくなるにつれ、シリコーンフリー配合、バイオベースのオイル、揮発性有機化合物（VOC）含有量の低いグリースなど、より環境に優しい代替品の開発が長期的な傾向となっています。

TOUSEN (広東東森志創科技有限公司)

プロフェッショナルな熱管理ソリューションプロバイダー

会社概要

Guangdong Dongsen Zhichuang Technology Co., Ltd.は中国広東省に拠点を置き、登録資本金500万人民元で2019年に設立されました。当社は、高品質の製品の提供と迅速かつ柔軟なサービスの提供により顧客のニーズに応え、顧客価値を最大化することに尽力しています。当社の献身的な取り組みにより、世界中の大手新エネルギー車メーカー、通信会社、大手スマートフォンブランド、専門機器メーカーと強力なパートナーシップを築くことができ、世界中の顧客にサービスを提供できるようになりました。

当社は中国と日本に 2 つの研究開発センターを運営し、中国広東省に 2 つの生産拠点を運営しています。 200 名を超える従業員からなる当社のチームは、研究、開発、生産において 14 年間の業界経験を持っています。当社は、熱伝導性シリコーンパッド、サーマルグリース、サーマル両面接着テープ、サーマルポッティングコンパウンド、サーマルジェル、サーマル銅箔、銅箔テープ、グラファイトシート、サーマルセラミックシートなどの熱伝導材料の製造・販売を専門としています。さらに、さまざまな製品のカスタマイズされた型抜きサービスも提供しています。

当社の豊富な経験には、主要な世界的な熱材料ブランドへの OEM カスタマイズサービスの提供が含まれます。当社の顧客は、新エネルギー車、コンピュータ、電源、LED 照明、3C エレクトロニクス、ネットワーク通信、電気機械機器、計測器、家庭用電化製品など、さまざまな業界に及びます。

当社の工場は ISO9001、ISO14001、IATF16949 システムに基づいて認証されており、当社の製品は UL や SGS などの第三者試験機関から権威ある認証を取得しており、REACH および ROHS 要件への準拠を保証しています。当社は熱管理ソリューションの大手プロバイダーとして世界的に認められています。