熱伝導シート選びの基準は「熱伝導率と接触圧力」

硬さによる性能の違い

熱伝導シート選びの基本視点

電子機器の冷却設計において，熱伝導シート（TIM：Thermal Interface Material）は発熱部品と放熱板をつなぐ重要な要素です．熱伝導率の数値が大きければ性能がよいと考えがちですが，実際には接触熱抵抗の影響が無視できません．接触面の凹凸や圧力条件によって実効的な熱伝導性能が変化するためです．シートの硬さと使用時の接触圧力を理解することで，最適な材料を選定できます．

低硬度・低熱伝導シートの特徴

柔らかいシートは表面の凹凸に追従しやすく，接触熱抵抗が小さいです．そのため，材料固有の熱伝導率が低くても，実際の熱伝達性能は高くなることがあります．例えば，アスカ-C硬度10で熱伝導率1.8W/mKのシートは，非常に柔らかいために接触抵抗がほとんど生じず，結果的に優れた熱特性を示します．このようなシートは低圧条件での使用に適しています．

高硬度・高熱伝導シートの特徴

一方で硬いシートは，熱伝導率そのものは高くても，表面との密着性が悪いと接触熱抵抗が大きくなります．例えば，アスカ-C硬度90で熱伝導率3.1W/mKのシートは，接触圧力を十分に加えなければ性能を発揮しにくいです．圧力が高まると界面の熱抵抗が低下し，材料本来の性能が効いてきますが，低圧環境では十分な効果が得られないことがあります．

選定の基準

実際の使用条件に応じて，以下のような観点で熱伝導シートを選ぶことが重要です．

1. 使用時の接触圧力を想定する
2. 低圧条件では低硬度シートを優先する
3. 高圧条件では高硬度かつ高熱伝導率シートが有効
4. 表面の凹凸を吸収できる柔軟性を確認する
5. 単純に熱伝導率の数値だけで判断しない

熱伝導シートの実効性能は「熱伝導率」と「接触圧力」の両方に依存します．柔らかい材料は界面抵抗を抑えやすく，硬い材料は加圧によって初めて高い性能を発揮します．用途ごとの条件を理解し，適切に選定することが信頼性の高い放熱設計につながります．

〈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．