高性能スマートフォンにおける熱伝導グリースの重要性

5G通信、オンデバイスAI、高性能SoC、高リフレッシュレートディスプレイ、急速充電などの技術がスマートフォンに普及するにつれ、端末内部で発生する熱量と熱流束は増加しています。一方、スマートフォンには薄型化・軽量化・高機能化が同時に求められており、内部スペースを大幅に拡張して放熱部品を大型化することは容易ではありません。

このような背景から、スマートフォンの熱設計では、発熱部品からヒートスプレッダーや放熱構造へ効率よく熱を移動させるための熱伝導材料が重要になっています。特に、半導体パッケージと放熱部品の間に使用される熱伝導グリースやサーマルペーストは、熱抵抗を低減するための重要な界面材料の一つです。

高性能スマートフォンで熱マネジメントが重要になる理由

現在の高性能スマートフォンでは、発熱源が一つとは限りません。アプリケーションプロセッサやGPUは、3Dゲーム、AI処理、高解像度動画処理などの高負荷動作時に大きな発熱を伴います。また、5G通信を長時間使用する場合には、モデムやRF関連部品などでも局所的な発熱が発生します。

さらに、急速充電では電源管理IC、充電制御回路などにも熱負荷が加わります。これらの熱源が限られた内部空間に集中することで、局所的なホットスポットが形成される可能性があります。

ノートPCやサーバーなどと比較すると、スマートフォンでは大型ヒートシンクを追加する余地が限られています。そのため、熱源から放熱構造までの各熱伝導経路における熱抵抗を可能な限り低減し、発生した熱を広い面積へ効率的に拡散させることが重要です。

ここで熱伝導グリースが重要な役割を果たします。半導体パッケージや放熱部品の表面は、肉眼では平滑に見えても微細な凹凸を持っています。2つの部品を直接接触させるだけでは、微細な空隙に空気が残る場合があります。

熱伝導性を持つサーマルペーストをこの界面に適切に充填することで、微細な空隙を埋め、熱源から放熱部品への熱移動を改善できます。

サーマルペーストと熱伝導グリースの役割

電子機器分野では、「サーマルペースト」「熱伝導グリース」などの名称が、ペースト状の熱伝導性界面材料を指して使用されることがあります。メーカーや用途によって呼称は異なるため、材料を選定する際には名称だけで判断せず、熱特性、粘度、施工性、信頼性などを総合的に評価する必要があります。

高性能スマートフォンでは、限られた厚さの中で熱源と放熱構造を接続する必要があります。そのため、熱伝導グリースには、微細な表面凹凸への追従性だけでなく、適切な塗布量と均一な界面形成が求められます。

一方で、単純に熱伝導率の高いサーマルペーストを選択すればよいというわけではありません。実際の熱性能は、材料の熱伝導率だけでなく、界面厚さ、接触圧力、塗布状態、濡れ性、流動特性などにも左右されます。

熱伝導グリースの選定で確認すべきポイント

1. 熱伝導率と界面熱抵抗

熱伝導率は熱伝導材料を評価するうえで重要な指標です。しかし、スマートフォンの実装環境では、材料そのものの熱伝導率だけではなく、実際の界面熱抵抗を確認することが重要です。

例えば、高熱伝導の熱伝導グリースであっても、必要以上に厚く塗布すると熱の移動距離が長くなり、期待した性能が得られない場合があります。そのため、目標とするBond Line Thickness（BLT）を設定し、実際の実装条件で評価することが重要です。

2. 粘度と施工性

量産工程では、材料の施工性も重要な評価項目です。スマートフォンの熱設計では、ディスペンス、スクリーン印刷、ステンシルなど、製品構造や生産設備に応じたさまざまな塗布方法が検討されます。

サーマルペーストの粘度やレオロジー特性は、塗布量や塗布形状の安定性に影響します。研究開発段階で良好な結果が得られた材料でも、量産工程に導入する際には、塗布精度、再現性、設備との適合性を確認する必要があります。

3. 長期信頼性

スマートフォンは、待機状態からゲーム、AI処理、動画撮影、5G通信、急速充電などへ短時間で動作状態が変化します。このような温度変化が繰り返される環境では、熱伝導グリースの長期安定性が重要になります。

材料選定では、熱サイクル後の性能変化だけでなく、ポンプアウト、オイル分離、揮発、移動、界面状態の変化などについても確認することが望まれます。

4. 放熱システム全体との適合性

スマートフォンの放熱システムは、単一の材料だけで構成されているわけではありません。ベイパーチャンバー、グラファイトシート、金属製ヒートスプレッダー、筐体フレームなど複数の部材が連携して熱を拡散します。

したがって、熱伝導材料は単体性能ではなく、システム全体の熱経路の中で評価する必要があります。

スマートフォンでは熱伝導グリースと熱伝導ゲルをどう使い分けるか

すべての熱インターフェースに同じ材料が適しているわけではありません。比較的狭い界面に薄い熱伝導層を形成する場合には、熱伝導グリースのようなペースト状材料が候補になります。

一方、部品間のギャップが大きい場合や、部品高さのばらつきへの追従性が必要な場合には、熱伝導ゲルが選択肢となる場合があります。熱伝導ゲルは柔軟性を活かして、特定の構造条件に対応できる可能性があります。

つまり、熱伝導ゲルは単純に熱伝導グリースの代替材料として考えるのではなく、界面形状、ギャップ、公差、必要な圧縮性などを踏まえて使い分けることが重要です。

TOUSEN TSAS50による高性能電子機器の熱対策

ペースト状の熱伝導材料が必要な電子機器では、TOUSEN TSAS50を技術評価の候補として検討できます。メーカー公開仕様によると、TSAS50の熱伝導率は7.0 W/m·K、60 psi条件における熱抵抗係数は約0.025 ℃·cm²/Wです。

また、22℃における粘度は約120 Pa·sで、1液型・非硬化タイプの処方が採用されています。追加の硬化工程を必要としない構成を検討している場合には、製造工程との適合性を評価する際のポイントになります。

TSAS50はスクリーン印刷にも対応しているため、一定の塗布量や塗布パターンを管理したい工程では、実際の生産条件に合わせた工程評価が可能です。スマートフォンのような小型・高密度実装製品では、材料の熱特性だけでなく、安定した施工性も重要な要素になります。

ただし、TSAS50を実際のスマートフォン用途へ採用する場合には、SoCの発熱量、接触圧力、目標BLT、基材表面、使用温度範囲、熱サイクル条件などを考慮した評価が必要です。

製品の詳細情報については、TOUSEN TSAS50 熱伝導ペースト製品ページをご確認ください。

顧客の熱問題から考える材料選定

エンジニアリングの観点から見ると、スマートフォン用のサーマルペーストを選ぶ際には、まず実際に発生している熱問題を明確にすることが重要です。

例えば、高負荷時のSoC温度上昇が課題であれば、発熱源、熱流束、界面熱抵抗、ヒートスプレッダーへの熱移動経路を分析したうえで、熱伝導グリースの改善効果を評価する必要があります。

製造工程のばらつきが課題であれば、材料の粘度、レオロジー特性、塗布方法、塗布量の再現性、設備との適合性などを確認する必要があります。つまり、サーマルペーストの性能は材料単体ではなく、施工工程との組み合わせで評価することが重要です。

また、比較的大きなギャップや部品高さのばらつきが存在する場合には、熱伝導ゲルなど別の界面材料を検討することも合理的です。

まとめ

5G、モバイルAI、高性能SoC、高リフレッシュレートディスプレイ、急速充電などの普及により、高性能スマートフォンでは熱設計の重要性がさらに高まっています。特に小型・薄型化が進む製品では、発熱部品と放熱構造の間に形成される熱インターフェースを適切に設計することが重要です。

サーマルペーストや熱伝導グリースは、微細な表面凹凸を埋めることで界面熱抵抗の低減に貢献できます。一方、より大きなギャップや柔軟な追従性が必要な用途では、熱伝導ゲルが適した選択肢となる場合があります。

重要なのは、材料のカタログ値だけで判断するのではなく、熱伝導率、界面厚さ、粘度、施工方法、接触条件、熱サイクル、長期信頼性を含めて総合的に評価することです。

7.0 W/m·Kの熱伝導率、1液型・非硬化タイプ、約120 Pa·s（22℃）の粘度、スクリーン印刷への対応という特徴を持つTOUSEN TSAS50は、ペースト状の熱伝導材料を必要とする高性能電子機器において、技術評価の候補となる製品です。最終的な採用判断については、実際の製品構造と使用条件を再現した熱性能試験および信頼性評価を行ったうえで決定することが推奨されます。