ペルチェ冷却における熱伝導グリスの設計論：結合線厚（BLT）が結果を決める

半導体冷却素子（ペルチェ素子）は、電子機器の中で10W/cm2という熱流束が日常的に発生する数少ない部位です。40×40mmのモジュールが60Wを吸熱するとき、消費電力はおよそ100W。合計160Wが16cm2のセラミック面を通過して冷却プレートへ向かいます。この熱流束では界面は誤差ではなく主設計項目です。0.5mmのギャップフィラーで6Kを失うのは、パワーモジュールなら許容できても、ペルチェでは許容できません。失われるのはモジュールが使える温度差そのものだからです。ここで熱伝導グリスが選ばれる理由は便利さではなく物理であり、指定すべきは容器に印刷された熱伝導率ではなく結合線厚（BLT）です。

ペルチェにグリスが合い、シートが合わない理由

熱界面材料をグリスにするか固体シートにするかは二つの条件で決まり、ペルチェの高温側はその両方を満たすことが多い。セラミック面は研磨されていて埋めるべきギャップがなく、締結圧は低いが熱流束は高いため、界面の厚さ1µmごとにコストが発生します。

効く数字は「熱抵抗×熱流束」

熱界面材料による界面の温度上昇は、その熱抵抗に熱流束を掛けた値です。10W/cm2において、0.03℃・cm2/Wのグリスは0.3K、0.05℃・cm2/Wは0.5K、0.201℃・cm2/Wは2.0Kを加えます。これに対し8W/m・Kの0.5mmシートは約6Kを占める。どちらを選ぶかは好みではなく算術で決まります。

実際の冷却スタックで界面はどこにあるか

ペルチェ素子の放熱設計では三つの界面を区別します。低温側は吸熱量のみを扱い、小型プレートや直接接合センサが相手。高温側は吸熱量と投入電力の合計を扱うため薄く印刷する必要があります。ドライバ基板は従来型の低熱流束問題で、選択の影響は小さい領域です。

ペルチェでグリスが失敗する5つの型

ポンプアウト。電源サイクルにより、温度差で動く二部材が界面中央の熱界面材料を外側へ押し出します。非硬化型チキソトロピック材はこれを遅らせますが、確実な確認は1,000サイクル後の実装状態での熱抵抗再測定だけです。

乾燥とオイル分離。充填剤ネットワークから油が抜けると、接合中央に乾いた高抵抗膜が残ります。「安定」という表現ではなく、150℃・24時間のオイル分離量を仕様に書いてください。

塗りすぎ。厚い印刷層は何も守らず、ケルビンだけを失います。0.1mmステンシルで面積率80〜90%が標準的な目標です。締結時に端面からはみ出したグリスは、品質の証拠ではなく過剰の証拠です。

汚染。シリコーン系グリスの低分子シロキサンは、同一筐体内のレーザ窓やセンサカバーを曇らせます。光学部品がある製品では揮発性が選定条件になります。

絶縁への誤解。熱伝導グリスは熱を運ぶ材料であり、絶縁隔壁ではありません。30µmの膜に安全規格の耐圧を持たせることはできず、通電モジュールと接地冷却プレートの絶縁が必要な設計は、厚さの増加を受け入れて絶縁シートを選ぶべきです。

グレード選定と印刷の作法

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。ペルチェ素子の放熱設計において熱伝導グリスは、扱う熱流束と工程が維持できる結合線厚で選び、入手できる最高グレードで選ぶものではありません。

ステンシルと面積率

0.1mmのステンレスステンシルで、ドットまたはグリッド状に面積率80〜90%を印刷します。ドットは加圧時に空気を巻き込まずに流動し、ベタ印刷は端面から空気を押し込みます。40×40mm面に0.2mmステンシルを使うと必要量の約2倍を載せ、0.1K台後半の損失を追加します。

結合線厚の検証

印刷した試験片の組立前後の質量を測り、単位面積当たりの質量を比重で割ります。比重2.7g/cm3では1mg/cm2が約3.7µmの結合線に相当します。天秤一台で済むこの確認は、熱試験よりはるかに早くステンシルの摩耗を検出します。

それでもシートが正解になる位置

筐体が鋳造品である場合、ギャップが公差で変動する場合、絶縁が安全機能である場合、シリコーンシートが正しい部品であり、熱伝導グリスをその位置に押し込むべきではありません。現場サービス性だけではグリスを選ぶ理由になりません。

印刷界面の評価計画

ペルチェ素子の放熱設計では、熱界面材料の熱抵抗をASTM D5470に基づき10、20、30psiの三水準で測定します。公表値の30psiは、低加圧のペルチェスタックが実際に加える圧力ではないからです。1,000回の電源サイクル後、85℃／85%RHで1,000時間後にも実装状態で再測定し、犠牲サンプルの断面で充填状態を確認します。オイル分離は150℃の重量法、光学部品やセンサが同居する製品ではアウトガスも測定します。耐圧試験がある製品では、絶縁をグリス膜ではなくシートが担っていることを図面で確認してください。保管期限は12か月なので、前回ロットの残品は黙って再利用せず再評価します。

組立と保守の注意点

• 両面をイソプロピルアルコールで清掃し、乾燥させます。指紋は測定可能な熱抵抗になります。
• 容器は密閉し、室温で直射と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。
• 一度圧縮したグリスを再塗布しません。充填剤ネットワークが崩れ、二度目の印刷は空気を運びます。
• 保守時は古い膜をプラスチックスクレーパと溶剤で完全に除去します。新旧混在層は、新規一層より悪い値を示します。
• 対角順に2段階で締結し、各ロットの初号機で接合状態を確認します。

まとめ

ペルチェ冷却が界面で破綻するのは、熱流束が高く許容差が小さいからです。平面セラミックと低締結圧には熱伝導グリスが適合し、指定すべきは実測熱抵抗と工程が維持できる結合線厚です。その厚さは目視ではなく質量で検証し、公差や絶縁が要件となる位置にはシートを残します。30µmをきちんと印刷した層と、余裕を持たせた100µmの層の間には数Kの差があり、それは顧客が指定した冷却能力の数%に相当します。ペルチェ素子の放熱設計とは、この数Kを工程で守る仕事です。

本稿で述べた熱伝導グリスの全熱抵抗データ、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印刷評価用サンプルもご用意できます。