CPU、GPU、AIアクセラレータ、パワーモジュール、高速通信機器などの高性能化に伴い、電子機器内部の発熱密度は年々高くなっています。特にAIサーバーやデータセンター向け機器では、限られた筐体スペースの中で効率的に熱を放散することが求められており、ヒートシンクや冷却ファンだけでなく、発熱源と放熱部品の間に配置される熱インターフェース材料の性能も重要になっています。

従来から使用されているサーマルパッドは、一定の厚みを確保しやすく、取り扱いや組み立てが容易であることから、電子機器の熱対策に広く採用されています。一方、半導体デバイスとヒートシンクの間隔が小さくなり、より低い界面熱抵抗が求められる用途では、一般的なサーマルパッドだけでは熱伝導性能と界面追従性を十分に両立できないケースがあります。

また、サーマルグリースは微細な凹凸への濡れ性に優れる一方、塗布量や塗布厚の管理、作業時の汚染、ポンプアウト、長期信頼性など、量産工程で考慮すべき事項があります。こうした背景から、近年では相変化サーマルパッドが新しい熱インターフェース材料の選択肢として注目されています。

相変化サーマルパッドとは

相変化サーマルパッドは、使用温度に応じて材料の状態が変化するよう設計された熱伝導材料です。常温では基本的に固体として扱うことができるため、一般的なサーマルパッドと同様に、搬送、位置決め、組み立て、打ち抜き加工などを行いやすいという特徴があります。

一方、機器が動作して所定の温度に達すると材料が軟化し、発熱部品とヒートシンクの微細な表面凹凸に追従しやすくなります。その結果、界面に残る空気層を低減し、実際の接触面積を高めることが期待できます。

金属製の半導体パッケージやヒートシンクは、外観上は平滑に見えても、ミクロレベルでは凹凸が存在します。これらの微小な隙間に空気が残ると、熱伝導経路に大きな界面熱抵抗が発生する可能性があります。

一般的なサーマルパッドでは、材料の柔軟性や圧縮性によってこの隙間を埋めます。一方、相変化サーマルパッドでは、動作温度による軟化特性を利用することで、実使用時の界面密着性をさらに高めることができます。

一般的なサーマルパッドと相変化サーマルパッドの違い

一般的なサーマルパッドは、比較的大きな隙間を埋める必要がある電子機器や、機械的な緩衝性が求められる用途に適しています。特に部品間の公差が大きい場合や、一定の圧縮量を確保したい場合には、サーマルパッドの柔軟性が有効です。

しかし、CPUやGPU、AIアクセラレータなど、発熱密度の高いデバイスでは、熱源とヒートシンクの間に存在する界面熱抵抗をできるだけ抑えることが重要になります。

相変化サーマルパッドの大きな特徴は、動作温度に達した際に材料が軟化し、接触面の微細な凹凸によりよく追従できる点です。これにより、界面に残る空隙を低減し、熱伝導経路をより安定させることが期待できます。

また、一般的なサーマルパッドでは、構造上の隙間を確実に埋めるために、ある程度の厚みが必要になる場合があります。構造的に薄い熱インターフェースが可能な設計であれば、相変化材料を使用することで、組み立て時の取り扱いやすさを維持しながら、動作時の界面追従性を高めることができます。

サーマルグリースと比較した相変化材料のメリット

サーマルグリースは優れた濡れ性を持ち、微細な表面凹凸を埋める用途で長く使用されています。しかし量産工程では、塗布量、塗布面積、膜厚、塗布位置などを安定して管理する必要があります。

特に自動化された生産ラインでは、グリースの吐出量や塗布条件が製品ごとの熱性能に影響する可能性があります。また、過剰塗布による周辺部品への付着や、長期間の使用に伴うポンプアウトなども、用途によっては検討が必要です。

これに対して相変化サーマルパッドは、常温では固体として取り扱えるため、シート材、ロール材、精密打ち抜き品などの形態で供給することができます。製品形状に合わせてあらかじめ加工することで、組立工程への組み込みを標準化しやすくなります。

そのため、サーマルグリースの塗布工程を簡素化したいメーカーや、熱インターフェース材料の組み付け精度を高めたいメーカーにとって、相変化サーマルパッドは検討する価値のある選択肢となります。

TOUSEN PCM8500 相変化サーマルパッド

高性能電子機器における熱抵抗低減と組立性の両立を目的として、TOUSENではPCM8500 相変化サーマルパッドを提供しています。

公開されている製品仕様によると、PCM8500の熱伝導率は約8.5 W/m·K、熱抵抗は最小0.04 ℃·cm²/W、相変化温度は約45℃です。常温では固体状態を維持し、機器の動作温度が上昇すると材料が軟化することで、発熱源と放熱部品との界面への追従性を高める設計となっています。

厚みについては、0.2 mm、0.25 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mmなどの仕様に対応しています。また、シート、ロール、精密打ち抜き加工品など、用途や生産方式に応じた供給形態を検討できます。

想定される用途としては、CPU、GPU、AIサーバー、データセンター機器、パワーモジュール、通信機器、高出力LEDなどが挙げられます。

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相変化サーマルパッドが適している用途

すべての電子機器に相変化サーマルパッドが適しているわけではありません。熱インターフェース材料を選定する際には、発熱量だけでなく、部品間ギャップ、必要な厚み、締結圧力、表面粗さ、使用温度、組立公差、長期信頼性などを総合的に評価する必要があります。

例えば、部品間に比較的大きな段差や隙間がある場合には、厚みの選択肢が多く、圧縮性に優れた一般的なサーマルパッドが適している場合があります。

一方、CPU、GPU、AIサーバー、高性能コンピューティング機器、各種パワーエレクトロニクスなど、比較的小さな界面ギャップに対して低い熱抵抗が要求される用途では、相変化サーマルパッドを評価するメリットがあります。

また、現在サーマルグリースを使用しているものの、塗布工程の自動化や作業性の改善、材料の位置精度向上を求めているメーカーにとっても、相変化タイプは代替候補の一つとなります。

熱伝導率だけでサーマルパッドを選定しない

サーマルパッドや相変化サーマルパッドを選定する際、熱伝導率は重要な指標ですが、それだけで材料の優劣を判断することはできません。

実際の電子機器における熱性能は、材料の熱伝導率だけでなく、材料厚み、界面熱抵抗、接触面の平面度、締結圧力、発熱源温度、ヒートシンクの構造、実装条件などによって大きく変化します。

そのため、材料を量産製品へ採用する前には、実際の部品構成に近い条件で温度上昇試験や熱抵抗評価を実施することが重要です。

特にPCM8500のような相変化材料では、実際の機器動作温度が材料の相変化温度と適合しているかを確認する必要があります。さらに、部品間の実測ギャップ、締結圧力、表面状態、組立公差を考慮して適切な厚みを選定することが重要です。

まとめ

電子機器の高性能化と高発熱密度化が進む中、熱設計における熱インターフェース材料の重要性はますます高まっています。一般的なサーマルパッドは、隙間充填性や機械的な追従性に優れており、現在も幅広い用途で有効な選択肢です。一方、サーマルグリースは高い濡れ性を活かして微細な界面への充填に適しています。

これに対して相変化サーマルパッドは、常温では固体として取り扱いやすく、動作温度では軟化して界面への追従性を高めるという特徴があります。これにより、組立性と熱インターフェース性能のバランスを求める電子機器に適した選択肢となります。

TOUSEN PCM8500は、約8.5 W/m·Kの熱伝導率、最小0.04 ℃·cm²/Wの熱抵抗、約45℃の相変化温度を備え、複数の厚みおよび加工形態に対応しています。CPU、GPU、AIサーバー、データセンター、パワーモジュール、通信機器など、高性能電子機器の熱対策における評価材料として検討できます。

最適な熱インターフェース材料を選ぶためには、カタログ上の熱伝導率だけではなく、実際の発熱量、界面ギャップ、締結条件、使用温度、製造工程、長期信頼性まで含めて総合的に評価することが重要です。従来のサーマルパッドやサーマルグリースからの性能改善、あるいは製造工程の最適化を検討している場合、相変化サーマルパッドは有力な評価候補の一つといえるでしょう。