ノートPCの放熱設計における熱伝導グリス：30µmの結合層が35W/cm2を左右する

ノートPCの冷却系は、民生電子機器の中で最も余裕のない熱設計です。ダイ面積100mm2の28Wプロセッサなら熱流束は28W/cm2、150mm2の45W GPUでも同水準に迫ります。デスクトップのようにヒートシンクを大きくして温度を買い戻す余地はなく、経路は1.2mmのベイパーチャンバー、2本のヒートパイプ、フィンスタック、1基のブロワで構成され、全体は4本のスプリングビスで数百Nの範囲に締結されます。この構造でノートPCの放熱設計の良否を決めるのは、組立後には誰も見ない20〜50µmの層です。そこが熱伝導グリスの存在価値を決める場所です。

界面が熱予算の3割を占める理由

ノートPCの熱抵抗は非常に短い経路に分散しているため、界面は小さな総量の中で大きな比率を持ちます。ジャンクションから外気までが1W当たり約0.9Kだとすると、1W当たり0.03〜0.05Kを占める界面は誤差ではなく、局所熱流束35W/cm2の条件では0.3mmのギャップフィラーだけで17Kを消費します。筐体やSSDにシートを使い、ベアダイには使わない理由はこの数字にあります。

熱流束は一様ではない：グリスが実際に働く場所

ノートPCの放熱設計には4つの界面状況があり、全箇所に同じ材料を使うと良い設計が平均的な設計になります。ダイと冷却プレートには達成可能な最小の熱界面材料の層が、VRMとメモリには広い面積での追従性が、ヒートパイプと筐体の接合には低熱流束の機械的課題が求められます。

実際に市場で起きている故障

薄ダイのポンプアウト。ダイは冷却プレートより大きく膨張し、35W/cm2では数百回の電源サイクルで界面中央のグリスが外側へ押し出されます。低ダレ性の非硬化型チキソトロピック材はこれを抑えますが、無くすことはできません。設計は一定値を前提にせず、緩やかな上昇を許容する必要があります。

2〜3年後の乾燥。油が充填剤ネットワークから抜け、接合部は乾いた高抵抗膜になります。「2回夏を越すと遅くなった」という典型的な症状の正体がこれで、ユーザーの使い方ではなく材料特性として仕様に書くべき項目です。

作業者による塗布ばらつき。100mm2のダイに手作業で点塗りすると質量が2倍振れ、結合層も2倍、結果は最大2K変わります。体積ディスペンスやステンシル印刷はコストではなく工程の判断です。

締結圧の不均一。薄い冷却プレートを4本のビスで締めると、圧力は単一値ではなく分布になります。一角が10psi、別の角が30psiならグリス厚もそれに従い、ダイのホットスポットは圧力の最も低い位置に現れます。

行くべきでない場所への移行。シリコーン系グリスの低分子シロキサンは、同一筐体内で年単位の使用によりカメラ窓を曇らせたり、ディスプレイのバックライト側に付着したりします。薄型機ではこの揮発性を仕様項目に入れるべきです。

ブランドではなくグレードで選ぶ

TOUSENのTSADシリーズは無溶剤・非硬化型・チキソトロピックの灰色グリスで、1.2〜6.5W/m・K、30psiでの実測熱抵抗0.201〜0.03℃・cm2/W、比重2.5〜2.9g/cm3、保管期限12か月を揃えています。ノートPCの組立では、熱界面材料を部位ごとの熱流束と、塗布工程が再現できる結合層厚で選び、データシートの最大値で選ぶものではありません。

塗布量をミリグラムで決める

熱界面材料としての目標結合層厚を質量に換算すれば、勘は不要になります。比重2.7g/cm3では30µmの層にダイ面積1cm2当たり約8mgが必要で、100mm2のダイなら約8mg、150mm2のGPUなら約12mgです。塗布した点を天秤で量る1分の確認が、グリス枯渇と溢れの双方を防ぎ、目視判定よりはるかに再現性が高くなります。

熱伝導率より平面度と圧力

グレードを決める前に、冷却プレートの平面度とダイの反りを測定します。0.08mm凹んだプレートは、どんな高性能グリスでも救えません。追従性のある熱界面材料、より厚い結合層、あるいは補強板の再設計が必要です。同様に、ダイ四隅の圧力が10psiを下回る分布なら、データシートの値に関係なく実効的な結合層は図面の想定より厚くなります。

ベアダイとIHSで条件が違う

同じ「CPU」でも、裸のダイと金属製のIHSでは界面の性格が異なります。IHSは厚み方向に熱を広げる一方で反りを持ち込み、中央が凹む個体では結合層が外周で厚くなります。ベアダイは面積が小さく熱流束が高いため、薄い層の価値は上がりますが、圧力集中とダイ割れのリスクを同時に管理する必要があります。どちらの場合も、狙う結合層厚を先に決め、その厚さを再現できる塗布方法を選ぶ順序が正しく、材料から入る順序ではありません。

シートが正解になる場所

SSD、メインボード裏面、ヒンジ、筐体接触部ではシリコーンシートが正しい部品です。公差を吸収し、振動を減衰し、ポンプアウトしません。これらの位置にグリスを押し込むことは、堅牢な接合をぎりぎりの接合に置き換える行為です。

ノートPCの使われ方に合わせた評価

評価は試験片ではなく組立品で行います。ノートPCの放熱設計は組立後の圧力分布で決まるからです。アイドルと持続ブーストの間で1,000回の電源サイクルを掛けながらジャンクション温度を記録し、犠牲品で熱抵抗を再測定します。さらに60℃／90%RHで500時間、筐体規格に沿った落下・振動、150℃でのオイル分離重量法を加えます。カメラやディスプレイが同一筐体にある機種ではアウトガスも確認します。保管期限は12か月なので、終盤のロットは上位機種に使う前に再評価します。

組立と保守のルール

• ダイと冷却プレートをイソプロピルアルコールで清掃します。30µmの接合層の下の指紋は、測定可能なホットスポットになります。
• 体積ディスペンスまたはステンシル印刷で熱伝導グリスを塗布し、各シフトの初号機で質量を確認します。
• 4本のビスを対角順に2段階で締め、圧力分布を対称に保ちます。これがノートPCの放熱設計における組立側の要点です。
• 保守時に既存の接合部へ継ぎ足さないこと。古い膜を完全に除去します。二層は新しい一層より悪い値を示します。
• カートリッジは密閉し、室温で裸火を避けて保管します。無害材ですが無限に安定ではありません。

まとめ

ノートPCの放熱設計は非常に短い熱抵抗の連鎖であり、ヒートシンク設計後に組立工程がまだ誤りうる唯一のリンクが界面です。部位ごとの熱流束と、工程が再現できる結合層厚で熱伝導グリスを指定し、塗布量を「豆粒大」ではなくミリグラムで管理し、結果は試験片ではなく組立品で確認してください。35W/cm2において30µmの層と100µmの層の間には2K以上の差があり、それはファンが静かなままか否かの差になります。

本稿で述べた熱伝導グリスの熱抵抗データ、熱伝導率グレード、梱包仕様はTSADシリーズ 熱伝導グリスの製品ページに掲載しています。お客様の冷却プレートでの塗布評価用サンプルもご用意できます。