白熱電球、電線、半導体接合部など、抵抗要素に電流が流れると熱が発生します。過度の熱によりパフォーマンスが低下し、永久的な損傷やデバイスの故障を引き起こす可能性があります。熱管理 そして廃棄は、高出力半導体を扱う設計者にとって懸念事項である。 MOSFET 高速デジタルデバイスへの電源ドライバ、例えば グラフィック処理装置 (GPU) または マイクロプロセッサ（MPU）。
サーマルペーストは熱管理の重要な要素です。半導体の温度を制御する標準的な手段は、熱を伝導によって熱源から半導体に移すことである。 ヒートシンク 周囲の環境に安全に放散します。 ヒートシンクは通常、熱源（GPU、MPU、または電源デバイス）の表面に直接取り付けられ、熱伝導率の高い材料で構成されています。材料の熱伝導率は λ で表され、 ワット/メートルケルビン (W/m·K) で測定されます。 これは、材料の熱伝導能力の尺度です。ヒートシンクの機械設計には通常、所定の容積内で最も効率的な熱放散を実現するために多数のフィンが含まれています。ヒートシンクの一般的な材料には、それぞれ166 W/m Kと201 W/m Kという高い λ·値を持つアルミニウム合金6060と6063があります。
サーマルペーストはどのように機能しますか?
熱管理設計では、熱源とシンク間の熱伝達を最大化するために、伝導経路の各段階で可能な限り熱効率を高めることが重要です。
これら2つのアセンブリの接合面は肉眼では滑らかに見えますが、製造公差により、拡大するとはっきりと確認できる小さな欠陥が生じます。 シンクとソースを機械的に接続するとエアギャップが残りますが、空気は熱伝導率が低く、 λ 値は約0.025 W/m·Kです。 熱伝導経路にエアギャップや空間があると、熱効率と熱放散が低下します。
サーマルペーストは、熱源とシンクの間に塗布して空気の隙間をなくす熱伝導性化合物です。サーマルペーストは、ヒートシンクコンパウンド、熱転写コンパウンド、サーマルジェル、サーマルグリースなど、さまざまな名前で呼ばれています。 標準的なサーマルペーストのほとんどは電気絶縁体です。
サーマルペーストは何でできていますか?
サーマルペーストは、ベースマトリックスと熱伝導性フィラー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、ウレタン、アクリレートです。充填剤には、炭素微粒子、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化亜鉛、窒化アルミニウムなどがあります。フィラー含有量は質量比で最大70～80% であり、配合に応じてベースマトリックスの熱伝導率が0.17～0.3 W/m·Kから約4 W/m·Kまで上昇します。金属フィラーは熱伝導率が高くなる傾向があります。
各配合は特定の使用例向けに設計されていますが、最終的な結果は、塗布が容易で、隙間を効果的に埋め、熱伝導性が高く、乾燥したり剥がれたりすることなく何千時間も安定している必要があります。
Ｍ．Ｇ．Chemicalsのタイプ860 は、シリコンベースのシリコン熱伝達化合物の良い例です。充填材として酸化亜鉛を使用し、熱伝導率0.66 W/m·Kを実現しています。この製品は電気絶縁性があり、非腐食性で、動作温度範囲は -40 ～ 200 °Cです。
より高い性能が求められる場合、銀ベースの化合物は3 ～ 8 W/m·K以上の熱伝導率を持つことができます。これらは、シリコン媒体に懸濁した微粒子銀粒子で構成されています。ただし、金属ベースのサーマルペーストは導電性と容量性があり、電気回路に流れ込むと故障や損傷を引き起こす可能性があります。
最も高性能 (かつ最もコストが高い) の熱配合は、ほぼ完全に液体金属で構成されており、通常はガリウム、インジウム、スズの混合物であるガリンスタン合金™ のバリエーションです。金属ペーストは13 W/m·Kを超える熱伝導率を達成できますが、均一に塗布するのが難しく、こぼれによる故障を引き起こすリスクが最も高くなります。また、ガリウムは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。
サーマルペーストを選ぶ際に注意すべき点
サーマルペーストを選択するための一般的なガイドラインは次のとおりです。
- 必要な用途におけるコストと熱伝導率のバランス。
- ディスペンシング、ステンシル印刷、スクリーン印刷など、推奨される製造方法を使用した塗布中の粘度が低い。
- 安定した均質混合物により一貫した熱性能を実現します。
- RoHSやREACHなどの業界標準に準拠。
一部の処方には使用上の制限があります。たとえば、酸化亜鉛は国際海事機関によって海洋汚染物質に分類されており、大量の物質の輸送には制限が課せられます。酸化亜鉛を含まない処方もご用意しております。シリコン化合物は化学的、熱的に高い安定性と優れた潤滑特性を備えていますが、用途によっては結合面の汚染を引き起こす可能性があります。多くの配合はシリコンフリーです。たとえば、 Aavidの Sil-Free 1020 はシリコンフリーの合成グリースを使用しており、MG Chemicalsの 8627-85ML Super Thermal Grease IIIは酸化亜鉛とシリコンの両方を含みません。
サーマルペーストはいくつかのパッケージで入手できます。注射器は、生産と現場の要件に同じ製品パッケージを利用できるため、最も柔軟性に優れています。カートリッジは、手動、自動、シルクスクリーン印刷機のいずれにも対応できます。供給システムにより、未使用部分の完全性と露出レベルを保護しながら、材料を分配することができます。大規模生産施設の場合、一括購入は単価が最も低くなります。
多くの製品には幅広いオプションが用意されています。上記のタイプ860ペーストは、1.7mLから470mLまでのサイズでポーチ、ジャー、チューブで入手できます。
サーマルペーストの塗布に関するヒント
熱伝導性としては、放熱グリスは空気よりは優れていますが、金属ほど優れていません。そのため、空気の隙間を埋めるために必要な最小限の量を使用することが重要です。過剰に使用すると、サーマルペーストの熱性能が接続先の金属の熱性能よりも劣るため、絶縁体のように機能します。
導電性ペーストの性能は表面処理に大きく依存します。接触面が不適切に準備されると、ペーストの安定性、導電性、潤滑特性が低下する可能性があります。ペーストを塗布する前に、2つの表面をイソプロピル アルコールなどの非油性クリーナーで清掃し、ペーストを薄い層に塗布する必要があります。
塗布パターンは通常、過剰な使用を最小限に抑えながら、熱的に接続される両方の表面を良好にカバーするように経験的に決定されます。人気のある選択肢としては、ドット、円、および「X」パターンなどがあります。
サーマルペーストの代替品
サーマルペーストはすべてのアプリケーションに最適なソリューションではない可能性があり、他のオプションも利用できます。再利用可能なソリューションの場合、サーマルパッドは、熱伝導性の酸化アルミニウムまたは窒化ホウ素を充填したシリコンまたはシリコンフリーのベース材料のいずれかで構成されます。 熱伝導性粘着テープは、熱伝導性と機械的接着性を兼ね備えています。また、熱伝導性ポリイミドフィルムは、流動および圧縮応力に対する耐性が高くなります。サーマルフォームとセラミックインサートも他のオプションであり、それぞれに好ましい用途があります。
結論
サーマルペーストは、半導体からの余分な熱を管理および廃棄する上で重要な役割を果たします。設計者は、さまざまな価格とパフォーマンスのオプションを選択できます。各処方の特性に注意を払い、適切な適用方法に従うことが成功の鍵となります。
