間違いだらけの熱伝導シート選び

熱抵抗と熱伝導率の違い

熱抵抗と熱伝導率の違い

電子機器の放熱設計において，熱伝導シートを代表とするTIM（Thermal Interface Materials）は不可欠です．熱伝導率が高ければよいと単純に判断しがちですが，実際の性能は熱抵抗や圧力特性によって大きく左右されます．誤った選定を行うと期待した放熱性能が得られず，部品の信頼性低下を招くことがあります．ここでは熱抵抗と圧力特性の関係を整理し，適切なシート選びの考え方を解説します．

熱抵抗と熱伝導率の違い

熱伝導シートの性能を評価する際，熱抵抗は重要な指標です．熱抵抗はおおまかに次のように表されます．

熱抵抗∝厚み/（熱伝導率×断面積）

この関係から厚みが薄く，熱伝導率が高いほど性能がよいように見えます．しかし実際にはシートと部品表面の間に生じる接触熱抵抗が加わります．接触熱抵抗は材料の硬さや接触圧力に依存し，単純な計算値とは異なる結果をもたらします．柔らかいシートは微細な凹凸に追従しやすいため接触抵抗が低く，見かけ上の性能が高くなることがあります．

圧力特性と材料硬度の影響

熱伝導シートには高硬度品と低硬度品があります．高硬度品はフィラー含有量が多く熱伝導率が高い一方で，十分に性能を発揮するには数百kPa以上の圧力が必要です．圧力が不足すると界面の隙間が埋まらず，接触熱抵抗が支配的になります．逆に低硬度品は熱伝導率そのものは低くても，少ない圧力で表面に密着しやすく，総合的な熱抵抗はむしろ低くなることがあります．

熱設計で重要なのは，使用環境における実際の圧力条件を考慮することです．特に基板上の小型デバイスや樹脂ケースとの間では大きな圧力をかけられない場合が多く，その際には低硬度品のほうが適しています．

選定時の実務上の注意点

熱伝導シートを選ぶ際に確認すべきポイントを以下に整理します．

1. シートの熱伝導率と厚みを確認し計算値の熱抵抗を把握する．
2. 想定される圧力条件を確認し，高硬度品か低硬度品かを判断する．
3. 接触熱抵抗の影響を見積もり，単純な熱伝導率比較に頼らない．
4. 長期使用時の経年変化やポンプアウトなどの安定性を考慮する．
5. 基板設計や部品配置と合わせて実装条件を検討する．

熱伝導率が高いシートであっても，圧力不足や硬度の影響で熱抵抗が下がらないケースがあります．逆に柔らかい低熱伝導シートが優れた結果を示すこともあります．熱設計ではシート単体のカタログ値ではなく，実際の接触条件を考慮したうえで最適なTIMを選択することが重要です．

〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 1977年 早稲田大学理工学部 機械工学科卒
• 1977年 沖電気工業に入社．電子交換機やミニコン，パソコン，プリンタ，FDDなどの冷却方式開発や熱設計に従事．その後，電子機器用熱解析ソフトの開発，CAD／CAM／CAEおよび統合PDMの構築などを担務
• 2007年　サーマル・デザインラボを設立．上流熱設計と熱解析の両輪による「熱問題の撲滅」を目指し，製品の熱設計，熱対策支援，プロセス改革コンサルティング，研修などを手がける．

著書

1. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. 高密度実装時代の熱設計教科書，トランジスタ技術2020年8月号，CQ出版社．

参考文献

1. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］ Before After！ ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［KIT］ミリ波5G対応アップ：ダウン・コンバータ，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【差動信号とその周辺回路設計技術】，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【A-D/D-Aコンバータの使い方】，ZEPエンジニアリング株式会社．
8. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
9. ［VOD］Gbps超 高速伝送基板の設計ノウハウ＆評価技術，ZEPエンジニアリング株式会社．