熱インターフェース材料は、すべての熱管理ソリューションにとって非常に重要です。さまざまなサーマルインターフェイス材料タイプの特性を知ることは、アプリケーションに適した選択を行うための十分な設備を整えることが重要です。
適切な熱材料の選択
アプリケーションによっては、パフォーマンスを向上させるために、あるタイプの TIM を別のタイプの TIM よりも優先して使用することもできます。硬いものもあれば、柔軟なものもあります。一部の TIM はソリッドであり、他の TIM はフェーズ間で変更できます。サーフェス間の熱伝達を改善するために利用できる熱伝導材料タイプは多岐にわたりますが、適切なタイプに仕様することが重要です。
それでは、それらに取り掛かりましょう!
サーマル インターフェイス材料タイプ リスト:
サーマルグリース
独自のPCを構築した人にとって、サーマルグリースはおそらく最初に頭に浮かぶサーマルインターフェイスマテリアルタイプです。サーマルグリースは、ご想像のとおり、高い熱伝導率を持つように特別に設計されたグリースです。ほとんどのサーマルグリースは、混合物の全体的な導電性を高める小さな熱伝導性フィラー粒子を含むシリコーンベースです。シリコーンに敏感な用途向けに、シリコンフリーのグリースが市場に出回っています。サーマルグリースと接触する可能性のある表面の濡れ性と接着性に関係するアプリケーションでは、シリコーンフリーのコンパウンドを使用することでメリットが得られます。
広く利用可能で一般的なアプリケーションの選択肢
サーマルグリースは入手が容易で、DIYプロジェクトや少量のプロトタイプや生産工程で人気があります。ある製品から次の製品への一貫性を必要とするアプリケーションの場合、サーマルグリースをスクリーニングするためのテンプレートを作成するのは比較的簡単です。これにより、アプリケーション固有のグリースパターンがシンプルで費用対効果の高いものになります。他のサーマルインターフェイスマテリアルでは、カスタム形状を生成するためにダイカットが必要であり、通常はグリーススクリーンよりも高価です。
界面抵抗が低く、平坦な表面に最適
グリースは擬似流体であるため、2つの表面間のサーマルグリースに圧力を加えると、グリースがせん断され、それらの表面間で薄く広がります。これは、熱管理において有利に働きます。熱を伝達しようとしている表面間の材料が薄いほど、界面材料が熱伝達に課す抵抗は少なくなります。これにより、サーマルグリースは平らで滑らかな表面に最適です。高さの異なる粗い表面やより詳細な表面には、グリースが完全に充填できない小さなポケットがあるため、ギャップフィラーなどの他の熱界面材料が設計されました。
プレッシャーの下で
サーマルグリースには、バネ仕掛けの取り付け力が必要です。サーマルグリースが熱くなると、少し流れて薄くなる可能性があります。両方の表面が一貫して接触し、グリースを圧縮していることを確認するには、弾力性のある力を使用してグリースを塗った表面を取り付けるのが最善です。
グリース、なんてめちゃくちゃ
テストラボでは、サーマルグリースがどこにでもどこにでも到達する不思議な能力について冗談を言っています。それを間違って見ると、それはあなたのシャツに付着します。他のグリースと同様に、サーマルグリースはクリーンアップしてしっかりと封じ込めるのが難しい場合があります。少量では、グリースはチューブやシリンジに保持されるため、塗布をより細かく制御できます。大量のサーマルグリースは大きな蓋付きの大きな容器に入っており、開いた浴槽からグリースを塗布すると混乱する可能性があります。
グリースは再利用できません
サーマルグリースには柔軟性と塗布の容易さを備えた多くの優れた点がありますが、再利用できないという欠点があります。グリースが圧縮されて薄くなった後、熱界面材料の全体的なポイントを無効にするエアポケットを導入せずに、グリースを塗布した元の厚さに戻す確実な方法はありません。これがBoydのようなメーカーがヒートシンクにサーマルグリースを事前にスクリーニングしたサーマルソリューションを提供し、グリースカバーとともに一定量のグリースを提供し、設置の準備ができるまでグリースを保護する理由です。
長期間使用すると、サーマルグリースは混合物中の揮発性の高い化学物質がガスを放出して乾燥する傾向があります。ガスを放出する化学物質は、粘度を低下させ、塗布プロセスを簡素化するため、何年も先の製品にとって問題にはなりません。手直しに関しては問題です。グリースは砕けやすい混乱として残され、再塗布することはできません。以前と同じ性能を得る唯一の方法は、新しいサーマルグリースを再塗布することです。
ギャップフィラー
ギャップフィラーは、別の一般的な界面材料タイプです。 ギャップフィラーは、通常はシリコーンで作られたエラストマーシートであり、材料の全体的な熱伝導率を高めるために特殊な熱フィラー材料が含まれています。これらの材料には幅広いオプションが付属しているため、特定の用途に適したギャップフィラーを見つけるのはかなり簡単です。ギャップフィラーは通常、標準のデバイスサイズまたは特定のアプリケーション用にカスタマイズされた形状に切断されます。
幅広いギャップフィラー材料オプション
ギャップフィラーは、おそらく最も多様な主要な熱界面材料タイプです。すべてのギャップフィラーには、ベースエラストマーとサーマルフィラーが混合されており、シリコーンおよびシリコーンフリーの材料が含まれています。これらは、ギャップフィラーを選択するときに利用できるオプションのほんの一部です。同じエラストマーとフィラーの混合物内で、複数のシートの厚さ、シートの両側の粘着性または接着剤のオプション、グラスファイバーなどの補強材料、および塗布前に材料を保護するためのキャリアオプションがあります。一部の材料は、高温のデバイスを電気的に絶縁できます。他のギャップフィラーは、電磁干渉(EMI)を吸収する能力を持っています。これらすべてのオプションの間に、1つの材料タイプで100のオプションを含めることができます。この範囲のオプションが、熱界面材料に関してギャップフィラーを人気のある選択肢にするものです。
許容誤差スタックアップとギャップフィラーを備えた複数のデバイスに対応
ギャップフィラーはエラストマー基材から作られているため、弾力性のある品質を備えています。これは、圧縮することができ、それを押す表面に対するたわみに比例した圧力を加えることができることを意味します。しかし、軸方向のばねの代わりに、それはその表面全体にわたってさまざまな量で圧縮できる弾性表面です。これが、ギャップフィラーが公差スタックアップや複数のデバイスに対応するのに非常に効果的である理由です。ギャップフィラーはさまざまな高さに降伏するため、公差が積み重なって少しばらつきがある特定のデバイスがある場合でも、ギャップフィラーはデバイスをヒートシンクに効果的に接続できます。また、1つのデバイスだけでなく、1つのヒートシンクに接続する必要がある複数のデバイスでもかまいません。ギャップフィラーを使用すると、それが可能です。
ある程度再利用可能なサーマルインターフェイスマテリアル
ギャップフィラーには、ある程度の再利用性があります。エラストマーであるため、これらの熱界面材料は元の位置に戻る能力があります。押しすぎると、ギャップフィラーに塑性変形が生じ、元の厚さを完全に回復できなくなります。したがって、その範囲内にとどまると、ギャップフィラーを再び使用できます。ギャップフィラーに接着面があると、うまく剥がれない可能性があり、再利用能力も制限されます。粘着性または粘着性のある表面には、周りに浮かぶあらゆる粒子を見つける不思議な能力もあるため、ギャップフィラーの取り外しと再取り付けが清潔で制御された環境でない場合、表面が汚れる可能性があります。
絶縁ハードウェア
ハードウェアの形の熱インターフェース材料は、通常、高い熱伝導率と電気絶縁特性のために使用されます。一部のハードウェアは、ブッシングまたはベアリング面としても使用されます。 サーマルインターフェース絶縁ハードウェアは、他のTIMと比較して機械的安定性と高い耐熱性で知られています。
絶縁ハードウェア材料
酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ベリリウムなどの熱伝導性セラミックは、手頃な価格でディスクリートハードウェアコンポーネントに比較的簡単に製造できるため、一般的に使用されています。天然鉱物であるマイカは、シートの面を通して優れた導電性を持つシート状の構造をしています。マイカは広く入手可能で加工が容易なため、電気絶縁性でありながら熱伝導性のハードウェアコンポーネントに関しても人気のある材料の選択肢です。ハードウェアは、ナイロン、PTFE充填アセタール、フタル酸ジアリルなどのプラスチックから製造することもできます。絶縁ハードウェアに使用されるプラスチックには、高い絶縁耐力と優れた熱的および化学的安定性が必要です。
変更とカスタマイズに柔軟性がない
ハードウェア、特にセラミックTIMハードウェアは、使用する形状で製造する必要があります。ほとんどのハードウェアはデバイス固有であるか、非常に特殊な寸法に合わせて作成されています。
セラミックは、使用するデバイスに合わせて成形し、焼成する前に適切なリード穴と取り付け穴を含める必要があります。そうしないと、後加工が必要になります。セラミックの機械加工は困難であり、潜在的に危険な場合があります。セラミックは脆く、機械加工時には繊細な取り扱いが必要であり、酸化ベリリウムの場合は、微粒子の吸入から保護するために特別な注意を払う必要があります。酸化ベリリウムの小さな粒子は、肺に吸入すると有毒です。したがって、全体として、セラミックを最初から必要な形状にするのではなく、最初から必要な形状にする方がはるかに簡単です。
プラスチックは、機械加工に関してはセラミックよりも少し寛容です。これらの部品のほとんどは射出成形または押し出しされ、長さに切断されるため、通常、後処理は必要ありません。しかし、あなたは少し違うものを必要とするアプリケーションを持っているかもしれません。このような場合、プラスチックの機械加工には独自の複雑さが伴う可能性があるため、必要な最終的な形状のプラスチック絶縁ハードウェアを製造する方が簡単になる傾向があります。ほとんどの機械加工プロセスはプラスチックを加熱し、不要な変形や反りを引き起こします。一部のプラスチックは発火する可能性があります。他の人はもろすぎてスナップしているかもしれません。一般に、プラスチック絶縁ハードウェアを購入するときに、必要な形状を正しく取得するのが最善です。
他の人とうまく遊ぶ
ほとんどのハードウェアは弾性や圧縮性がほとんどないため、他のサーマルインターフェイスマテリアルと組み合わせて使用 されます。表面が極端に滑らかでない場合は、より準拠した材料を絶縁ハードウェアとともに使用して、表面間のエアギャップを取り除くことができます。サーマルグリースは、特定のアプリケーションに必要なレベルの電気的絶縁を備えていない可能性があり、エアギャップを最小限に抑えるためにハードウェアの両側に配置されます。これにより、アプリケーションに高い熱伝導率と表面間の高い電気的絶縁の両方が提供されます。場合によっては、特にアプリケーションに衝撃や振動の懸念がある場合は、ギャップパッドやギャップフィラーなどの材料をハードウェアで使用する必要があります。このような状況では、絶縁ハードウェアのサーマル インターフェイス マテリアルは、別のサーマル インターフェイス マテリアル タイプと共に使用するのが最適です。
再利用可能なハードウェア
ハードウェアは、壊れていない限り、他のハードウェアと同じように再利用できます。1つのアプリケーションから慎重に取り外し、ハードウェアを新しいアセンブリに取り付けるだけです。 Though if you're using hardware in conjunction with another thermal interface material like grease, the grease would need to be cleaned off and replaced for the new application of the hardware.
サーマルパッド&フィルム
サーマルパッドとフィルムは、ある表面から別の表面に熱を伝導するために使用される薄い材料です。これらの界面材料は、ホットスポットからの熱放散にも最適です。いくつかのサーマルパッドとフィルムを除いて、すべて柔軟な材料です。ギャップフィラーと同様に、サーマルパッド、フィルム、およびフォイルは通常、標準のデバイスサイズまたは特定のアプリケーション用にカスタマイズされた形状にカットされます。
サーマルパッドは通常、ギャップフィラーよりも高硬度のシリコーンベースの材料で作られています。ギャップフィラーと同様に、シリコーンパッドにも酸化アルミニウムや窒化ホウ素などのより導電性の高い材料がドープされています。さらに、サーマルパッドは、材料の引き裂き抵抗を高めるために、グラスファイバーまたは他の材料で補強されています。これにより、サーマルパッドはサーマルインターフェイスハードウェアの堅牢で準拠した代替品になります。
熱フィルムは通常、優れた電気的絶縁特性を備えた透明な熱硬化性ポリマーであるポリイミドでできています。また、ブランド名Kaptonと呼ばれることもあります。フィルムはグラファイトのような他の材料から作ることができますが、これについては後で説明します。
電気的絶縁
すべてのサーマルパッドとフィルムが電気的に絶縁性であると見なされるわけではありません。電気的に絶縁されているものの場合、柔軟性、軽量、非常に薄い特性により、絶縁ハードウェアよりも人気のあるオプションになりつつあります。これは、より薄いデバイスにより多くの電力とコンポーネントを詰め込み続ける民生用電子機器にとって特に有利です。高出力アプリケーションがあり、ある程度の柔軟性またはサーマルインターフェイス材料への準拠が必要な場合は、サーマルパッドまたはサーマルフィルムをお勧めします。
グラファイトパッド&フィルム
グラファイトフィルムは、サーマルパッドまたはフィルムの一般的な規則の例外です。グラファイトパッドは、グラフェンシートを重ねて作られているため、熱と電気はシート内で結合した炭素原子間を簡単に移動できます。グラフェンシートは、炭素結合がすでにグラフェン平面で作られており、その平面に沿って熱を分散させることに関しては優れているため、互いに強く結合しませんが、グラファイトフィルムは他のフィルムやパッドと比較して比較的繊細で脆いです。また、電子はグラファイト構造を容易に通過できるため、非電気的に絶縁性です。
そうは言っても、グラファイト界面材料はサーマルペーストやグリースを効果的に置き換えることができます。相変化材料については後で説明しますが、グラファイト材料は、アプリケーションが相変化材料の溶融温度に達しない場合に有用な材料です。グラファイト材料は耐熱性が高いため、200°Cを超える温度の用途に使用できます。 200°Cを超える極端な温度では、グラファイトフィルムを真空環境に置くことを検討する必要があります。これにより、グラファイトフィルム内の炭素の酸化が防止されます。GHz範囲までのEMIシールドに使用されるグラファイトフィルムで、優れた減衰を備えています。
これらのフィルムは、圧力によってグラファイトが接触する各表面に付着する可能性があるため、再利用できません。グラファイトパッドによって接続された表面が互いに除去されると、グラファイトパッドは表面に付着するが、パッドのグラフェンの個々の層に沿って剥離する。
サーマルパッドとフィルムの再利用性
一部のパッドにはシリコーンが含まれているため、ギャップフィラーのサーマルインターフェイスマテリアルに似ており、特定のポイントを超えて圧縮すると、わずかに圧縮されたままになります。幸いなことに、ほとんどのサーマルパッドは高いデュロメータを備えており、パッドの形状と厚さを変形させるために大きな力を必要とします。これにより、サーマルパッドは理想的な再利用可能なサーマルインターフェイス材料になります。
フィルムは、再利用性を考えるとハードウェアのようなものです。一般に、サーマルフィルムが無傷で折り目が付いていない場合は、サーマルハードウェアと同じように再利用できます。フィルムに折り目が付いていると、不要なエアポケットが発生する可能性があります。
サーマルテープ
サーマルテープは一般的な界面材料です。 サーマルテープは片面または両面が粘着性があるため、片面だけに貼り付けるか、2つの面を結合することができます。これは通常、感圧接着剤を使用して行われ、サーマルテープが提供できる機械的結合を得るために表面間を圧縮する必要があります。サーマルテープと日常のありふれた両面テープの最大の違いは、高熱伝導率のフィラーとポリマーを使用して特別に配合されていることです。
単なる接着剤であるサーマルテープがあります。それらはライナーまたはキャリアに配置され、アプリケーションに到達する前にシートまたはロールに保持します。これらの根拠のないサーマルテープは、適切に切断および処理しないと、操作して正しく適用するのが難しい場合があります。サーマルテープのいずれかの部分が何かにくっつき始めた場合、接着剤を伸ばさずにテープを取り除くのは難しい場合があります。これが、サーマルテープのかなりの部分が基材を持っている理由です。これらの担体は、通常、片面または両面に接着剤を塗布した熱伝導性フィルムである。
ネジを失うことを心配しないでください
サーマルテープを使用すると、通常は一緒に取り付ける小型デバイスやヒートシンクの取り付けハードウェアの必要性を減らすことができます。これは、ボードを設計して回転させた後に、ボード上の小さなデバイスに熱管理が必要な場合に特に役立ちます。ハードウェアを取り付ける余地がない場合でも、ヒートシンクをサーマルテープでデバイスに貼り付けることができます。
世界の重さ
表面に塗布しようとしている頑丈なアプリケーションまたはヒートシンクがある場合は、アプリケーションのサーマルテープを再検討することをお勧めします。大型のヒートシンクの重量は、サーマルテープの機械的強度を圧倒する可能性があります。高レベルの振動や衝撃も、サーマルテープの接着力を圧倒する可能性があります。サーマルテープにはある程度の機械的強度があり、ピンチには適していますが、通常、大まかな用途に最適なサーマルインターフェイスの選択肢ではありません。サーマルテープでより小さな用途に固執します。
私はあなたに固執しています
サーマルテープは、その仕事をしている場合、再利用できません。彼らはあなたが彼らに固執するものに固執し、彼らを手放さないことを望んでいます。接着剤を加熱してから、表面を引き離してサーマルテープでアセンブリを分解しようとするなどのトリックがあります。または、一部の接着剤は、表面から残留物を取り除くのに役立つある種の溶剤または洗浄剤を必要とし、テープの接着力を台無しにします。サーマルテープを塗布面から剥がすと、通常、サーマルテープが不均一になり、将来の用途のサーマルインターフェイスマテリアルとして効果がなくなります。表面をきれいにし、新しいテープを貼る必要があります。しかし、サーマルテープはかなり簡単に塗布できるため、手直しやメンテナンスが必要な用途では必ずしもサーマルテープを除外するわけではありません。
相変化材料
Phase change material is an interesting thermal interface material type. これは、特定の溶融温度(通常は50〜65°C)のワックス物質で構成されています。 材料が固体から液体に移行している間、材料の温度は熱を吸収するため、溶融温度に一貫して保たれます。これにより、表面間の優れた温度制御が可能になります。相変化材料が融解潜熱、つまり固体を完全に溶融するのに必要なエネルギーを吸収すると、相変化材料は液体状態にある間に温度が上昇し始めます。
多くの相変化材料は、アプリケーションにも設置されている熱伝導性の高い基材上に堆積されます。サーマルフィルムまたはアルミホイルを使用して、設置前および設置中に材料を保持するものもあります。他の相変化材料は両面に膜を持っているので、ワックス状の材料を取り付けると、両側の膜が取り除かれ、表面の間に相変化材料だけが残ります。
隅々まで潜入
相変化材料が特定の温度を超えて加熱されると、それは溶けて、その間にある表面間の既存の隅々に流れ込みます。相変化サーマルインターフェース材料は、最も小さなエアポケットも除去し、表面間の界面抵抗を非常に低くします。したがって、相変化が初めて溶けた後、熱を伝達する表面間の熱抵抗が一貫して低いことを期待できます。
この大まかなパッチを乗り越えます
相変化材料は液体に変わるため、他の熱界面材料では到達できない狭いスペースに入る可能性があります。これはまた、粗い表面を簡単に処理できることを意味します。欠陥のある表面、粗い斑点、または完全ではない表面は、熱伝達に相変化材料を使用することで恩恵を受ける可能性があります。ただし、ギャップフィラーは、大きな身長差には依然として最良の選択です。ギャップフィラーと同じ体積を占めるには、大量の相変化材料を追加する必要があります。
マスト・ラブ・スプリングス
サーマルグリースと同様に、相変化材料は、最初に表面間に塗布した後に薄くなります。ワックスが溶けて利用可能な空隙を埋めると、その材料は表面の欠陥になり、材料の厚さを増すことはなくなります。これが、相変化材料をバネ仕掛けの取り付け方法で使用する必要がある理由です。ばね力は、相変化材料が液体状態にある間に圧縮します。この力は材料を薄くするのに役立ち、界面抵抗も減少します。これらすべてが、表面間の熱伝達を改善するのに役立ちます。
相変化材料を交換する際の簡単なクリーンアップ
サーマルグリースと同様に、相変化材料は再利用できませんが、グリースのようにきれいにするのに混乱することもありません。グリースとは異なり、相変化材料は冷却するとより固体の形に戻り、表面をこすり落としやすくなります。イソプロピルアルコールのような典型的な洗浄液は、表面を他の方法で処理することなく、相変化材料のようなワックスを除去するためにも使用できます。
サーマルエポキシ
サーマルエポキシは、最も堅牢なサーマルインターフェイス材料です。サーマルエポキシが他のエポキシと一線を画すのは、樹脂に混合された熱伝導性フィラーです。エポキシには、熱伝導性セラミック粒子を使用するものもあれば、小さな金属粒子を使用するものもあります。他のエポキシと同様に、1つの部分と2つの部分の樹脂を混合して適用し、表面を結合することができます。使用されるエポキシの種類は、通常、接合される材料によって異なります。
多くの材料の強度で
エポキシは、他のほとんどの熱界面材料にはないことを行います。熱エポキシは、硬化する表面間に強力な機械的結合を作成します。これにより、サーマルエポキシをサーマルインターフェース材料と実装方法の両方に使用できます。場合によっては、これにより、製品またはアプリケーションで使用される取り付けハードウェアの量を減らすことができます。これが、エポキシ結合ヒートシンクと呼ばれるエポキシでヒートシンクを製造できる理由です。
潜在的な配送制限
サーマルエポキシは再利用できません。他のエポキシと同様に、熱エポキシを設定すると、表面に形成されて付着するポリマー結合は簡単には切断されません。これが、サーマルエポキシが自分に適していると判断する前に、製品に対して行う必要のある手直しの量を検討する必要がある理由です。エポキシ化された表面を持つデバイスのメンテナンスを行う必要がある場合は、ヒートシンクを回避するのに苦労し、ヒートシンクを取り外すのにさらに苦労します。
特定の硬化樹脂を除去できる溶剤が市場に出回っていますが、それらは通常、ラボやワークショップでは手に入らない特殊な製品です。時々、あなたはただあなたのエポキシボンドをショーに持っていくだけで、あなたが一緒にエポキシ化したものを見たり、フライスで削ったりする必要があります。そのエポキシ結合の片側に繊細な回路基板がある場合、それは確かに望ましくありません。
エポキシが硬化する前に、エポキシ接着面の向きを変えて再取り付けするための余裕があります。この時間は、使用しているエポキシの温度、湿度、硬化時間によって異なります。通常、何かをやり直す必要がある場合は、未硬化のエポキシをクリーンアップする方が簡単なので、エポキシを混合する前に何をしているのかを確認し、エポキシが硬化し始めるまでに確認する必要があります。
多くの材料の強度で
サーマルエポキシを構成する樹脂と硬化剤には、かなり揮発性の化学物質が含まれている可能性があります。そのため、未硬化エポキシの出荷に関しては、いくつかの出荷制限がある可能性があります。航空輸送は航空貨物会社が管理したくないリスクを伴う可能性があるため、未硬化のサーマルエポキシは地上で輸送する必要があるかもしれません。
サーマル インターフェイスのまとめ
ふう！これは、サーマルインターフェイスマテリアルに関する多くの情報です。したがって、各素材のすべてのオプションとニュアンスに圧倒されないでください。Boydには、サーマルインターフェイス材料の選択とアプリケーションに精通したエンジニアがたくさんいます。
