ファンレスタブレットの放熱設計：0.1mmの熱伝導グリスが6Wの予算に何をするか

タブレットは、熱設計を寛容にしてきた部品を一つ取り除いています。ファンです。ダイ面積70mm2の6W SoCは約8.5W/cm2を発します。ノートPCと比べれば小さい数字ですが、その熱を運び出す気流も、吸収するヒートシンクの体積もありません。経路は、ダイ→シールド缶→ミッドフレーム→グラファイトシート→背面カバー→ユーザーの手、という一本道です。この連鎖の中で界面は絶対値としては1K未満ですが、ジャンクションから外気までの予算が全負荷で約55Kしかないため、誰も測定しない一層が熱余裕の3〜4%を消費し得ます。タブレットの放熱設計は、ここで実際に決まります。

スタックは4つの境界、グリスの接合はそのうち1つ

薄型機器で最も多い誤解は、ダイの接触だけを熱問題と見なすことです。実際には熱は外気に至るまで4つの境界を越え、それぞれ性質が異なります。熱界面材料をグリス相当の薄さで必要とするのは最初の境界だけで、残りは熱拡散と機械的接触の問題です。

熱がダイを離れた後、支配的なのは拡散抵抗です。100×150mmの背面カバーに6Wを広げても自然対流の問題であり、界面材料では解決できません。熱伝導グリスが守れるのは最初の2境界だけで、そこに限定して仕様を書くべきです。

0.5mmシートではなくグリスを使う理由

厚さの予算と予圧が決めます。タブレットのミッドフレームは通常0.4〜0.8mmで、その直上に表示スタックがあるため、0.5mmの圧縮シートを入れる余地はありません。無理に入れればガラスに予圧がかかり、次の設計変更でクラックになります。性能面でもシートは不利です。

データシートに書かれない5つの制約

低く、均一でない締結圧。タブレットの放熱設計は筐体の閉じ方に縛られます。ミッドフレーム周囲のビスと表示部の粘着で閉じるため、ダイ面圧は10psiを下回ることが多く、面内でも分布します。実験室で30psiにおける結合層は楽観値であり、実機の圧力で評価しなければ意味がありません。

小型パッケージの反り。70mm2のパッケージは単位面積当たりの反りが大きく、20µmの接合層では40µmの反りを吸収できません。シールド缶をダイ形状に追従させるか、接合層を厚くして損失を受け入れるかの判断が必要です。

長く浅い電源サイクル。ゲーミングノートと違い、タブレットは1〜3Wで大半を使い、時折ブーストします。ポンプアウトは遅い代わりに、3〜5年かけてクリープとオイル分離が進み、新品時より早くスロットリングする個体になります。

光学部品・アンテナへの移行。6mm厚の筐体では、カメラモジュール、マイクポート、アンテナ窓が同じ空間を共有します。シリコーン系グリスの低分子シロキサンはレンズを曇らせ、アンテナキャリアに付着し得るため、揮発性は細部ではなく設計制約です。

サービスの露出。バッテリー交換や画面修理で接合部は開閉にさらされます。非硬化型の熱伝導グリスは1回の再作業に耐えますが、硬化型接着接合は耐えず、2度圧縮したシートは新規印刷より悪い値を示します。

境界ごとにグレードを選ぶ

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。タブレットの放熱設計では厚さがどの方向にも足りないため、熱界面材料を境界ごとに、その接合の熱流束と組立が維持できる結合層厚で選び、カタログ最大値で選ぶことはしません。

点ではなくミリグラムで管理する

タブレットの放熱設計では塗布は作業ではなく工程です。結合層厚を質量に換算すれば勘が消えます。比重2.7g/cm3で30µmの層には1cm2当たり約8mgが必要で、70mm2のダイなら約5.5mg、100mm2のシールド接触部なら約8mgです。これだけ小さい対象では、1mgの過剰が測定可能な結合層の増加になり、天秤の方が不良ロットより安価です。

平面形状は印刷、ダイはディスペンス

シールド缶やミッドフレーム接触部のように形状が定義された面は、0.1mmステンシルで面積率80〜90%の印刷が数秒で再現性のある接合を作り、作業者依存の点塗りを避けられます。面積が小さくダイ輪郭に沿わせる必要があるベアダイでは、ディスペンスが適切です。

シート・ギャップフィラーが正解の場所

ミッドフレームの上、バッテリーと背面カバーの間、カメラモジュール周りでは、薄いシートやギャップフィラーが正しい部品です。これらの接合は公差吸収と拡散のために存在し、高熱流束を伝えるためではありません。そこにグリスを使うと移行の可能性だけを得て、機械的な利点は失います。

ファンレス機の使われ方に合わせた評価

製品の持続電力で30分の定常負荷をかけ、ジャンクション温度と筐体表面温度の両方を記録します。ユーザーが体感するのは後者です。続いてアイドルとブーストの間で1,000回の浅い電源サイクルを掛け、犠牲品で熱抵抗を再測定します。さらに60℃／90%RHで500時間、各面の落下、150℃でのオイル分離重量法を加えます。カメラやアンテナが同一空間にある機種ではアウトガスも測定します。保管期限は12か月なので、前回ロットの残品は継ぎ足さず再評価します。

組立と保守の注意点

• ダイとシールドをイソプロピルアルコールで清掃します。30µmの接合層の下の残留物は、拡散部材でも隠せないホットスポットになります。
• ミッドフレームのビスは図面値で対角順に締めます。過剰トルクはガラスに負荷をかけ、不足は結合層を厚くします。
• 印刷範囲はダイ輪郭の内側に収めます。ダイ外のグリスは熱伝導に寄与せず、移行経路を作るだけです。
• 保守時は古い膜を完全に除去してから熱界面材料を再印刷します。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

タブレットの放熱設計はパッシブな課題です。6Wはミッドフレームと背面カバーを通って外へ出るしかなく、ダイから1Kを削ることはユーザーにとって持続クロックの獲得です。熱伝導グリスは筐体の拡散抵抗を改善できませんが、工業デザインが固まった後に組立工程がまだ制御できる唯一の層です。境界ごとに熱流束と実加圧が作る結合層厚で指定し、塗布量をミリグラムで管理し、実機の圧力で組立品として評価してください。8.5W/cm2では30µmと100µmの差が0.5K以上あり、ファンレス機ではその0.5Kがフレームレートを維持できる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。お客様のミッドフレームでの印刷評価用サンプルもご用意できます。