GPUの高性能化やAIコンピューティング、サーバーの高密度化に伴い、電子機器における熱設計の重要性は年々高まっています。高発熱部品からヒートシンクや筐体側の放熱構造へ効率よく熱を移動させるためには、単に熱伝導率の高い材料を選ぶだけでは十分ではありません。部品間のクリアランス、表面粗さ、圧縮特性、電気絶縁性、組立工程、長期信頼性まで総合的に評価する必要があります。

そのため、電子機器の熱対策では熱伝導シートが重要な熱インターフェース材料（TIM）の一つとして広く採用されています。特にGPUのメモリ、VRM、MOSFET、インダクタなど、部品高さにばらつきがある箇所では、柔軟性と圧縮性を備えたシリコーン系熱伝導シートが有効です。

GPUの放熱設計で熱伝導シートが重要な理由

最新のグラフィックスカードには、GPUコアだけでなく、GDDRメモリ、VRM、MOSFET、インダクタなど複数の発熱部品が搭載されています。GPUコアは通常、ヒートシンクやベーパーチャンバーと比較的直接的に接続されますが、周辺部品はパッケージ高さが異なるため、冷却構造との間に一定の隙間が生じる場合があります。

空気は熱伝導率が非常に低いため、この隙間が残ったままでは界面熱抵抗が増加し、部品から冷却部への熱移動を妨げる可能性があります。ここでGPU用熱伝導シートが重要な役割を果たします。

シリコーン系熱伝導シートは、適切な圧縮状態で部品と放熱部品の間に存在する空隙や高さのばらつきに追従し、安定した熱伝導経路を形成します。そのため、GPUメモリやVRM周辺など、一定のギャップを有する部位に適しています。

ただし、GPU向け熱伝導シートを選定する際には、熱伝導率だけを比較するべきではありません。実際の設計では、厚み、厚み公差、硬度、圧縮率、圧縮応力、絶縁耐力、体積抵抗率、使用温度範囲、圧縮永久ひずみ、長期信頼性などを総合的に確認することが重要です。

熱伝導シートと熱伝導グリースの比較

電子機器の熱設計では、熱伝導シートと熱伝導グリースのどちらを採用するかが重要な選定ポイントになります。両者は熱源と放熱部品の間の熱抵抗を低減するという目的は共通していますが、得意とする用途や施工方法は異なります。

熱伝導グリースは流動性を持つため、非常に薄い界面や比較的平坦な接触面に適しています。微細な表面凹凸を埋めることができるため、CPUやGPUコアなど、界面層をできるだけ薄くすることが重要な用途では有効な選択肢です。

一方、熱伝導グリースは塗布量や塗布範囲を適切に管理する必要があります。塗布量が多すぎる場合には周辺部へのはみ出しや汚染が発生する可能性があり、少なすぎる場合には局所的な熱抵抗の増加につながることがあります。また、長期使用ではポンプアウト、乾燥、移動などの挙動を考慮する必要があります。

これに対して熱伝導シートは、あらかじめ設定された厚みで供給でき、用途に応じて打ち抜き加工やカスタム形状への対応が可能です。特に部品間のギャップが比較的大きい場合や、量産工程における組立の再現性を重視する場合にメリットがあります。

このように、熱伝導シートと熱伝導グリースは単純な優劣で比較するものではありません。実際の製品設計では、熱流密度、接触面の形状、ギャップ寸法、必要な圧縮量、組立工程、電気絶縁要件、信頼性要求などを総合的に判断することが適切です。

電子機器におけるシリコーン系熱伝導シートのメリット

1. 部品間のギャップを安定して充填

シリコーン系熱伝導シートは柔軟性と圧縮性を備えているため、部品の高さばらつきや表面の微細な凹凸に追従できます。GPU、サーバー、電源装置、通信機器、産業用電子機器など、複数の部品が近接して配置される製品で特に有効です。

2. 熱伝導と電気絶縁を両立

絶縁性を備えた熱伝導シートを使用することで、発熱部品から放熱構造へ熱を移動させながら、電気的な絶縁を確保できます。MOSFET、VRM、電源モジュール、インダクタなど、熱対策と電気絶縁を同時に求められる部位に適しています。

3. 厚みを管理しやすく量産工程に適する

液状材料とは異なり、熱伝導シートは規定された厚みで加工・供給できるため、量産時の材料管理と組立工程を標準化しやすいという特徴があります。製品ごとに必要な寸法へ加工することで、作業性と組立再現性の向上も期待できます。

4. 用途に応じた材料設計が可能

熱伝導率、厚み、硬度、圧縮特性などを用途に合わせて選択できるため、単純に高熱伝導率の材料を選ぶのではなく、実際の構造に適した熱インターフェースを設計できます。

GPU向け熱伝導シートの選定で確認すべきポイント

GPU用熱伝導シートを選定する場合、まず確認すべきなのは実際の部品間ギャップです。熱伝導率が最も高い製品を選べば必ず優れた冷却性能が得られるとは限りません。

例えば、シートが硬すぎる場合、必要以上の圧縮荷重がPCBや電子部品、ヒートシンクに加わる可能性があります。一方、柔らかすぎる材料では、過度な変形や長期圧縮による厚み変化を考慮する必要があります。

また、高発熱GPUやサーバー用途では、材料単体の熱伝導率ではなく、実際の界面熱抵抗を評価することが重要です。シートの厚み、接触状態、圧縮率、表面状態などによって、実際の熱性能は変化します。

長期間使用される電子機器では、温度サイクル、高温高湿、圧縮永久ひずみ、材料劣化、寸法安定性なども確認することが望まれます。初期の熱伝導性能だけでなく、使用環境下での長期安定性を含めて材料を評価することが重要です。

TOUSENシリコーン熱伝導シート

TOUSENでは、電子機器の熱マネジメント用途に向けて、ギャップ充填性、熱伝導性、電気絶縁性、組立性などを考慮したシリコーン熱伝導シートを提供しています。

GPUメモリ、VRM、MOSFET、インダクタ、サーバー、電源機器、通信機器など、発熱部品と冷却構造の間に一定のギャップが存在する用途に適用を検討できます。

製品仕様や用途については、以下の製品ページをご確認ください。 TOUSEN シリコーン熱伝導シート

GPU用途では、実際の部品高さ、ギャップ寸法、必要な圧縮量、冷却構造などを確認したうえで、適切な厚みと性能グレードを選定することが重要です。サーバーや産業機器についても、熱性能だけでなく、圧縮特性、電気絶縁性、加工性、長期信頼性を総合的に評価することが推奨されます。

まとめ

エンジニアリングの観点から見ると、熱伝導シートと熱伝導グリースにはそれぞれ適した用途があります。熱伝導グリースは、薄い界面層と高い接触性が求められる用途で有効です。一方、シリコーン系熱伝導シートは、比較的大きなギャップ、部品高さのばらつき、電気絶縁性、厚み管理、量産時の組立再現性などが求められる用途で優れた実用性を発揮します。

GPU、AIサーバー、パワーエレクトロニクスなどの高発熱・高密度化が進む電子機器では、熱インターフェース材料の選定が製品の熱性能と信頼性に大きく影響します。適切なGPU用熱伝導シートを選定し、熱・機械・電気・信頼性の各要件を総合的に評価することが、安定した放熱設計につながります。

最終的な材料選定では、カタログ上の熱伝導率だけで判断するのではなく、実際のギャップ、圧縮状態、接触面、発熱量、使用環境、期待寿命を含めて評価することが重要です。こうした総合的なアプローチにより、電子機器に適した、再現性と長期信頼性を備えた熱設計を実現できます。