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サーマルペースト（サーマルコンパウンド、サーマルグリース、熱伝導性インターフェース材料（TIM）、サーマルジェル、ヒートペースト、ヒートシンクコンパウンド、ヒートシンクペースト、 CPUグリースとも呼ばれる）は、熱伝導性（通常は電気伝導性ではない）の化合物で、ヒートシンクと高出力半導体デバイスなどの熱源との間のインターフェースとしてよく使用されます。サーマルペーストの主な役割は、熱伝達と放散を最大化するために、インターフェース領域から空気の隙間や空間（断熱材として機能する）を排除することです。サーマルペーストは、熱伝導性インターフェース材料の一例です。
熱伝導性接着剤とは異なり、熱伝導ペーストは熱源とヒートシンク間の結合に機械的強度を追加しません。ヒートシンクを所定の位置に保持し、圧力をかけて熱伝導ペーストを広げて薄くするために、ネジなどの留め具と組み合わせる必要があります。
構成
サーマルペーストは、重合可能な液体マトリックスと、電気絶縁性でありながら熱伝導性がある充填剤の大きな割合で構成されています。一般的なマトリックス材料は、エポキシ、シリコーン（シリコーングリース）、ウレタン、アクリレートです。溶剤ベースのシステム、ホットメルト接着剤、感圧接着テープも利用できます。これらのタイプの接着剤の充填剤としては、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化亜鉛、ダイヤモンド、そして最近では窒化アルミニウムが使用されています。充填剤は質量の70～80％にも達し、2008年の論文によると、ベースマトリックスの熱伝導率を0.17～0.3 W/(m·K)（ワット/メートルケルビン） [1]から約4 W/(m·K)まで上げることができます。[2]
銀熱伝導コンパウンドは、3 ～ 8 W/(m·K) 以上の伝導率を持ち、シリコン/セラミック媒体に分散された微粒子銀粒子で構成されています。ただし、金属ベースの熱伝導ペーストは導電性と容量性があるため、回路に流れ込むと、誤動作や損傷につながる可能性があります。
最も効果的（かつ最も高価）なペーストは、ほとんどが液体金属（通常はガリンスタン合金の変種）で構成されており、熱伝導率は 13 W/(m·K) を超えます。これらは均一に塗布するのが難しく、こぼれによる故障のリスクが最も高くなります。これらのペーストにはガリウムが含まれており、アルミニウムに対して非常に腐食性が高いため、アルミニウム製ヒートシンクには使用できません。
用途
サーマルペーストは、異なるコンポーネント間の熱結合を改善するために使用されます。一般的な用途は、パワートランジスタ、CPU、GPU、LED COBなどの半導体デバイスの電気抵抗によって発生する廃熱を排出することです。これらのデバイスの冷却は不可欠です。過剰な熱によりパフォーマンスが急速に低下し、半導体の負の温度係数特性によりデバイスの 暴走から壊滅的な故障を引き起こす可能性があるためです。
工場出荷時のPCやラップトップ (タブレットやスマートフォンではまれ) では、冷却のために CPU ケースの上部とヒートシンクの間にサーマルペーストが組み込まれているのが一般的です。CPUダイと統合ヒートスプレッダーの間にもサーマルペーストが使用されることがありますが、はんだが使用されることもあります。
CPU ヒートスプレッダがサーマルペーストを介してダイに結合されている場合、オーバークロッカーなどのパフォーマンス愛好家は、「デリディング」と呼ばれるプロセスで[3]、ヒートスプレッダ、または CPU の「蓋」をダイからこじ開けることができます。これにより、通常は低品質のサーマルペーストを、より熱伝導性の高いサーマルペーストに交換できます。通常、このような場合には液体金属サーマルペーストが使用されます。
課題
サーマルペーストの粘稠性により、他の熱伝導材料とは異なる故障メカニズムの影響を受けやすくなります。一般的な故障メカニズムはポンプアウトです。これは、ダイとヒートシンクの熱膨張率と収縮率の違いにより、ダイとヒートシンクの間からサーマルペーストが失われる現象です。多数のパワーサイクルを繰り返すと、ダイとヒートシンクの間からサーマルペーストがポンプアウトされ、最終的に熱性能が低下します。[4]
いくつかの化合物のもう一つの問題は、高温下でポリマーとフィラーマトリックス成分の分離が起こることです。ポリマー材料の損失により濡れ性が低下し、熱抵抗が増加する可能性があります。[4]
健康被害
酸化亜鉛は吸入してはならない有毒ガスを放出し、いかなる使用にも微粒子防護マスクが必要である。この化学物質は水生生物に対しても非常に有毒であり、水生環境に長期的な悪影響を及ぼす可能性がある。[5]
参照
参考文献
- ^ Werner Haller 他 (2007)、「接着剤」、Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (第 7 版)、Wiley、pp. 58–59。
- ^ Narumanchi, Sreekant; Mihalic, Mark; Kelly, Kenneth; Eesley, Gary (2008). 「パワーエレクトロニクス用途向け熱界面材料」(PDF) .第 11 回電子システムにおける熱および熱機械現象に関する学会間会議、2008 年: ITHERM 2008: 2008 年 5 月 28 ～ 31 日. IEEE. 表 2. doi :10.1109/ITHERM.2008.4544297.。
- ^ 「デリッディングとは何か？ - ekwb.com」。ekwb.com。2016年8月25日。 2018年10月18日閲覧。
- ^ ab Viswanath, Ram; Wakharkar, Vijay; Watwe, Abhay; Lebonheur, Vassou (2000). 「シリコンからシステムまでの熱性能の課題」(PDF)。Intel Technology Journal 。 2017年8月8日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2020年3月8日閲覧。
- ^ 「ICSC 0208 - 酸化亜鉛」www.ilo.org . ILO.
外部リンク
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