エンジニアが知っておくべき一般的なTIM試験規格

エンジニアが知っておくべき、TIM テストに関する最も重要な基準は ASTM D5470, これは、グリース、ペースト、相転移材料、ゲル、ゴム、硬質固体など、熱伝導性の電気絶縁材の熱インピーダンスおよび実質的な熱伝導率を測定するために一般的に使用されるためです。より広範な熱特性試験を行うには、エンジニアはまた、以下のことを理解する必要があるでしょう。 ISO 22007-2 瞬時的な平面熱源の試験用, ASTM E1461 レーザーフラッシュ拡散度について, ASTM C177 監視付きホットプレート試験用、および ASTM C518 熱流計のテスト用。.

しかし、単一の標準規格がすべてのサーマル インターフェイス材料に適合するわけではありません。フラットなサーマル パッドに有効なテスト方法では、不均一な隙間にはサーマル パッチとして機能しない場合があります。硬化したポッティング コンパウンドに有効な方法では、チップとヒートシンクの間に薄いグリース層として機能しない場合もあります。.

TIMの選択において、重要なのは単に「W/mKの値は何ですか？」という質問ではなく、より良い質問は次のとおりです。 どの試験方法が材料形態、圧力、厚さ、接触面、および最終的な適用を最もよく表すか？

TIM テスト基準が重要な理由

熱インターフェース材料（通称TIM）は、発熱部品と冷却面との間に使用されます。この材料は、微細な空隙を埋め込み、チップ、電源モジュール、LED、電池、通信機器、または産業用電子機器から熱を伝導し、ヒートシンク、ハウジング、シャーシ、または冷たいプレートへと伝導します。.

TIM の例としては、以下が含まれます。

• 熱伝導グリス
• 熱伝導グリス
• サーマルパッド
• 相変化材料
• サーマルパティ
• つなぎ言葉
• サーマルゲル
• 熱伝導性接着剤
• 熱伝導性ポッティング化合物

テスト基準は重要である。なぜなら、TIMの性能はテスト条件に大きく依存するからだ。同じ材料でも、異なる圧力、厚さ、温度、表面粗さ、またはサンプル処理条件下では異なる結果を示すことがある。.

明確な試験方法がない場合、データシート上の値の比較が困難になる可能性があります。あるサプライヤーはバルク熱伝導率を報告するかもしれない一方で、別のサプライヤーは顕著な熱伝導率を報告するかもしれません。また、別のサプライヤーは特定の圧力での熱インピーダンスを報告するかもしれません。これらの数値は関連していますが、互換性はありません。.

一般的なテストワークフローについて、HakTakには関連するガイドがあります： サーマルインターフェイス材料（TIM）の熱伝導率のテスト方法.

主な違い：導電性、抵抗、インピーダンス

標準について議論する前に、エンジニアは3つの一般的な用語を区別すべきである。.

熱伝導率 材料がどれだけ熱を伝導するかを表す指標です。通常、W/mKで測定されます。.

熱抵抗 熱伝達経路がどれだけ熱の流出を抑制するかを表す数値です。通常、K/Wまたは°C/Wで表されます。.

熱インピーダンス これは、定義された面積、厚さ、圧力条件下でのインターフェースによる熱流に対する抵抗を記述するために、TIMで一般的に用いられる用語です。.

この違いは重要である。高温伝導率が高いというものは、必ずしも優れた冷却性能を意味するわけではない。W/mKが高すぎる場合、材質が厚すぎたり、硬すぎたり、圧縮が不十分だったり、接点面の潤滑ができないと、性能が低下する可能性がある。.

詳しい背景については、HakTakの記事をご参照ください： 高W/mKが常に優れた冷却性能を意味するとは限らない理由.

ASTM D5470:主要なTIM規格

TIMを扱うエンジニアにとって、ASTM D5470は通常最初に理解すべき標準です。ASTMはD5470を熱伝導性電気絶縁材の熱伝導特性の試験方法として記述しています。この標準は、定常状態の熱インピーダンスの測定および顕微熱伝導率の計算に有用です。.

この方法は電子熱管理に特に適しており、以下のような多くのTIM形式に適用できます：

• グリース
• ペースト
• 相変化材料
• ジェル
• ソフトゴム
• 硬質ゴム
• セラミック
• 金属
• プラスチック製品

ASTMのD5470リストには、この方法が液体化合物から硬質な固体に至る範囲の材料の熱インピーダンス測定と表観導電率計算をカバーしていることが記されている。また、測定結果は理想的な熱流路パターンに基づいているため、エンジニアはその結果を実用的な構成物に適用する際には注意すべきであるとも強調されている。.

この警告は重要です。ASTM D5470は非常に有用ですが、依然として制御試験です。この試験では実際の製品の形状をすべて自動的に表すことはできません。.

ASTM D5470を使用する場合：

• TIMに特化した定常状態手法が必要です
• この素材は2つの表面の間で使用されます。
• 圧力と厚みの制御が重要
• 熱抵抗データが必要です
• 定義された条件下でグリース、パッド、ジェル、または相変化材料を比較したい

以下の場合に注意してください：

• 本当の格差は不均一だ
• この素材は非常に圧縮性が高いです。
• アセンブリの圧力が限られている
• 表面仕上げは試験器具とは異なります
• 最終製品には複雑な熱伝達機構が組み込まれています。

特にサーマルグリースについては、HakTakのガイド サーマルグリスの選び方と熱伝導率の測定方法 テスト条件と実際のアプリケーションの動作の両方が重要である理由を説明します。.

ISO 22007-2:一時的な平面加熱源法

ISO 22007-2は熱特性測定のためのもう一つの重要な標準規格です。現在の2022版では、熱伝導率および熱拡散率を決定するために用いられる一時的な平面熱源であるホットディスク法についても取り上げられています。ISOの概要書には、この方法を異なる試料サイズに合わせて設計し、さまざまな温度および圧力下で使用できると記載されています。.

この方法は、ポリマー、充填プラスチック、硬化化合物、および特定の均質材料などの材料について熱伝導率および拡散率のデータを必要とする場合に有用です。.

TIMのエンジニアにとって、ISO 22007-2は知っておくべき項目です。多くのTIMはポリマー系で充填剤が配合されているからです。しかし、これらをインターフェース試験の代替として通用すると考えるべきではありません。.

ISO 22007-2 を使用する場合：

• 一時的な熱特性測定が必要
• この材料は塊状の試料のように振る舞う。
• ポリマー系材料を検討しています
• 熱伝導率も有用です
• 異なる温度や環境におけるデータが必要

以下の場合に注意してください：

• TIM は非常に薄いインターフェース層です。
• 接点抵抗が性能に影響を及ぼす
• 実際の応用は圧力に大きく依存する。
• 素材は非常に異質です
• サンプルは方法の仮定と一致しない

TIMの選択には、ISO 22007-2のデータが有用ですが、エンジニアは実際のインターフェース条件下での熱抵抗やインピーダンスの検証を継続する必要があります。.

ASTM E1461:レーザーフラッシュ拡散度

ASTM E1461は一般的に、熱伝導率のレーザーフラッシュ法に関連付けられています。レーザーフラッシュ試験では、短いエネルギーパルスで試料の一方の側を加熱し、反対側の温度上昇を測定します。その後、熱伝導率を計算し、密度と比熱が知られている場合、熱伝導率を導出することができます。.

この方法は、固体材料や硬化したサンプルに適用できます。特に温度範囲を跨いだ測定には便利です。.

TIM の用途では、ASTM E1461 がより適切です。

• 製剤化された土壌培地
• 固体ポリマー複合材
• セラミック
• 金属
• 硬質熱可塑性材料
• 硬化後の充填型エラストマー

以下のような場合、それほど直接的な代表性はない：

• 薄いグリースの層
• 圧縮下でのソフトジェル
• 活性化時の相転移材料
• 不均一な隙間への熱硬化型接着剤
• コンタクト抵抗が優位なインターフェース

レーザーフラッシュデータは貴重な情報を提供できますが、通常はチップとヒートシンクの間の界面の挙動を記述するもので、大量物質の挙動を記述するものではありません。つまり、チップとヒートシンク間のTIMでは、バルク拡散性のより重要な要因が界面抵抗になる可能性があります。.

ハクタックの 電子機器における高熱伝導性ポッティング材（封止材）ガイド これは、エンジニアが薄い界面層ではなく硬化したカプセル化材料を評価する際に役立つ内部参照基準です。.

ASTM C177:防護式ホットプレート

ASTM C177は、監視式熱板装置を用いて定常熱流量を測定する手法を規定しています。これは、1次元の熱流下条件下での熱伝達特性の測定を行うための基礎的な手法です。.

この方法は、絶縁材、平板、およびより大きな試料とよく関連付けられます。薄いTIM層の主な方法としてはあまり使用されませんが、多くの定常状態熱測定概念を支えるため、エンジニアはこれを知っておくべきです。.

ASTM C177を使用する際は、以下の場合に適用されます：

• フラットスラブ試験片を試験しています
• 材質は高温プレートの測定に十分な厚さがあります。
• 安定した状態での基準法が必要
• この標本は、薄いTIMよりも断熱材や大径材に近いものです。

以下の場合に注意してください：

• この材料は薄いペースト状の層です。
• サンプルは安定した形状を維持できない
• 接点抵抗が結果を左右する
• 最終的な適用は圧力による挙動に関わるものです。

TIMのエンジニアにとって、ASTM C177は標準的な手法ではなく、むしろバックグラウンド標準として役立つものです。この標準は定常熱伝達試験の仕組みを説明するのに役立ちますが、ASTM D5470は電子TIMにとってより適切です。.

ASTM C518:熱流計

ASTM C518は、熱流量計装置を用いて定常状態での熱伝達試験を対象としています。ASTMのリストでは、この方法が平坦な平板試料の試験方法として記載されており、その際には既知の材料を用いて校正を行い、プレート間の一次元的な熱流動を測定します。.

この方法は、絶縁材やその他の材料の製造に広く用いられます。この場合、平坦な試料をプレートの間に配置できます。材料の形状が機器の要件に適合する場合、熱伝達特性の比較に役立つ場合があります。.

ASTM C518を使用する際は、以下の場合に適用されます。

• サンプルは平たい板です。
• この方法を適切な基準物質を用いて校正しました。
• この材料の熱抵抗は機器に適しています。
• 目標は安定した伝送データです

以下の場合に注意してください：

• この材料は薄いTIM層です。
• このサンプルは非常に圧縮可能
• この材料には熱間接が起こります
• 最終的な適用はインターフェースの圧強と接触抵抗に依存します。

TIM用では、材料の形状や厚さが装置にとって適切である場合を除き、ASTM C518が通常は最初に使用される選択肢ではありません。.

ASTM E1225:監視された比較的長手方向熱流量

ASTM E1225は、監視対象の比較縦方向熱流方式です。この方式は、未知の試料を対象として熱流を測定し、その結果を基準材料と比較することで固体中の熱伝導率を測定するためによく用いられます。.

この方法は、固体試料、剛性ポリマー、セラミック、金属、複合材料に有効です。しかし、軟らかく薄い、圧力に敏感なTIM層には、一般的にこの方法が最適ではありません。.

ASTM E1225を使用する際は、以下の場合に適用されます：

• サンプルは固体試料です
• 幾何学を制御できる
• コンタクト条件を管理できます
• 比較的な熱流の測定は適切である

以下の場合に注意してください：

• 材料はグリース、ジェル、またはパテです
• 最終的なアプリケーションは、薄く圧縮されたインターフェースです。
• 接点抵抗は結果の重要な要素です

TIMの選択において、E1225は大量の固体材料の特性評価に役立つかもしれませんが、材料をTIMとして使用する場合、界面試験と併用する必要があります。.

IPC、JEDEC、およびデバイスレベルのテスト

有用なTIMテストのすべてが実質的な標準ではありません。電子工学では、エンジニアはTIMが実際に部品の温度を下げるかどうかを確認するために、デバイスレベルでの検証を行うことがよくあります。.

材料レベルのテストは以下のような回答を出すことができます：

• 伝導率は何ですか？
• 定義された圧力下でのインピーダンスとは何ですか？
• 厚さの大きさは性能にどのように影響しますか？
• 温度は結果にどのように影響するのでしょうか？

デバイスレベルでのテストの回答：

• 実際のチップ温度はどのくらいですか？
• 製品はスロットル機能がありますか？
• ヒートシンクは目標値内に収まっていますか？
• TIMはサイクリングを生き残れるのか？
• 組み立てのばらつきは性能に影響するのでしょうか？

CPU、GPU、LEDモジュール、電源モジュール、および自動車用電子機器については、デバイスレベルでのテストが最終的な決定点であることが多い。材料基準は必要不可欠だが、それ自体では十分ではない。.

どの標準をエンジニアが選択すべきか

適切な基準は材料や必要な決定次第です。.

相変化材料については、エンジニアは特に注意を払う必要があります。活性化温度以下で試験されたPCMは、実際の運用時の性能を正確に反映していない可能性があります。HakTakの PCMサーマルパッドとは何か：徹底解説 これらの材料が、使用温度においてどのように軟化し、濡れ性を向上させるかについて、より詳しく説明しています。.

試験報告書を確認する際に尋ねるべきこと

有用なTIMテストレポートには、1つ以上の数値が記載されているべきです。.

エンジニアは次のように自問すべきです：

• どの規格が採用されましたか？
• どのバージョンの規格が採用されましたか？
• その材料は、納入時の状態で試験されたのでしょうか、それとも硬化後に試験されたのでしょうか？
• サンプルの厚さはどれくらいでしたか？
• 最終的なボンドラインの厚さはどれくらいでしたか？
• どのような圧力が加えられたのでしょうか？
• 接触面積はどれくらいでしたか？
• どの温度を使ったのですか？
• その結果は、熱伝導率、見かけの導電率、抵抗、それともインピーダンスのどれでしたか？
• 検査対象となった検体の数はいくつですか？
• サンプル間のばらつきはどの程度でしたか？
• 表面は洗浄または処理されましたか？
• エージングや熱サイクル試験は実施されましたか？
• その結果は、最終組み立ての段階で検証されましたか？

これらの詳細情報が欠けていても、その結果はスクリーニングには有用である可能性がありますが、製品の性能に関する決定的な証拠として扱うべきではありません。.

規格は技術的な判断を排除するものではない

テスト基準は、体系性と再現性をもたらすという点で不可欠です。しかし、それだけではエンジニアの判断が必要なくなるわけではありません。.

TIMは、使用条件に対して非常に敏感です。グリースは、粘度が低いときは良好な性能を発揮しても、粘度が高いときは性能が低下することがあります。パッドは、ある圧縮レベルでは良好な性能を発揮しても、別の圧縮レベルでは性能が低下することがあります。パテは、凹凸のある隙間では良好に機能しても、平坦なバルク試験ではあまり良い結果が出ないことがあります。PCMは、相変化の活性化前後で性能が異なる場合があります。.

だからこそ、エンジニアは以下の要素を組み合わせるべきです：

• 標準化された材料試験
• 用途別フィクスチャ試験
• デバイスレベルの検証
• 信頼性試験
• 製造プロセスの制御

この規格は、試験がどのように実施されたかを示すものです。その材料が貴社の製品に適しているかどうかは、必ずしも自動的に示されるわけではありません。.

エンジニアが避けるべき一般的な間違い

最初の誤りは、異なる規格の値をあたかも同等であるかのように比較してしまうことです。ASTM D5470、ISO 22007-2、ASTM E1461、ASTM C177、およびASTM C518は、それぞれ異なる前提条件の下で異なる項目を測定しています。.

2つ目の間違いは、W/mKのみに注目してしまうことです。TIMの選定にあたっては、熱インピーダンス、圧力、厚さ、接触抵抗、および信頼性も考慮する必要があります。.

3つ目の過ちは、材料の形態を無視することです。液体グリース、軟質ゲル、圧縮可能なパッド、相変化フィルム、および硬化したポッティングコンパウンドは、同じ試験対象として扱うべきではありません。.

4つ目の間違いは、圧力を軽視することです。多くのTIMは、圧縮レベルによって性能が異なります。.

5つ目の間違いは、データシート上の結果を複雑なアセンブリにそのまま適用してしまうことです。実際の製品では、隙間が不均一だったり、表面が平行でなかったり、加えることのできる圧力に制限があったり、振動や熱サイクルが生じたりすることがあります。.

6つ目の間違いは、経年劣化試験や環境試験を省略することです。ポンプアウト、乾燥、アウトガス、硬化、あるいはフィラーの沈降により、時間の経過とともに熱性能が変化する可能性があります。真空に敏感な用途については、HakTakの記事をご覧ください。 サーマルグリースは真空中で揮発するか？低圧環境におけるアウトガスと性能の理解.

ハクタック・パースペクティブ

HakTakでは、TIM試験の基準は「近道」としてではなく、「ツール」として活用されています。ASTM D5470および関連する試験方法は、貴重な比較データを提供してくれますが、最終的な材料の選定は、実際の製品設計を反映したものでなければなりません。.

熱伝導グリースの場合、重要な変数としては、塗布厚さ、表面濡れ性、ポンプアウト抵抗、保存安定性、および圧力が挙げられます。熱伝導パッドの場合、厚さ、硬度、圧縮性、および絶縁性が重要です。PCM熱伝導パッドの場合、活性化温度および活性化後の接触挙動が重要です。 パテやギャップフィラーについては、追従性とギャップ許容度が重要である。熱伝導性ポッティングコンパウンドについては、硬化品質と空隙制御が重要である。.

TIM評価の適切なプロセスには、通常、以下の要素が含まれます：

• 標準試験データによる材料のスクリーニング
• 実使用条件下の圧力下における熱インピーダンスまたは抵抗試験
• アプリケーションレベルの熱的検証
• Thermal cycling and aging
• Process repeatability checks
• Electrical insulation verification when required

The best material is not always the one with the highest conductivity number. It is the one that delivers stable thermal performance in the actual assembly.

結論

Engineers working with thermal interface materials should know several common testing standards, but they should also understand their limits.

ASTM D5470 is the most directly relevant standard for many TIM applications because it focuses on thermal transmission properties, impedance, and apparent conductivity of materials used in electronic heat transfer. ISO 22007-2 is useful for transient plane heat source testing of polymer-based materials. ASTM E1461 is useful for laser flash diffusivity of solids and cured compounds. ASTM C177 and ASTM C518 are important steady-state methods for slab-type materials and thermal transmission concepts.

No standard can fully replace application testing. TIM performance depends on thickness, pressure, surface contact, temperature, geometry, and aging. The best testing approach combines standardized data with real assembly validation.

For engineers, the goal is not just to report a thermal conductivity value. The goal is to choose a TIM that keeps the final product cool, reliable, and manufacturable.

よくある質問

What is the most common TIM testing standard?

ASTM D5470 is one of the most important and commonly referenced standards for TIM testing because it measures thermal impedance and apparent thermal conductivity of thermally conductive electrical insulation materials.

Is ASTM D5470 only for thermal pads?

No. ASTM D5470 can be used for a range of material types, including greases, pastes, phase change materials, gels, soft rubbers, hard rubbers, and rigid solids.

What is ISO 22007-2 used for?

ISO 22007-2 covers the transient plane heat source method for determining thermal conductivity and thermal diffusivity of plastics. It is useful for polymer-based and bulk material testing.

Is laser flash testing good for TIMs?

Laser flash testing is useful for solid materials and cured compounds, but it may not represent thin, pressure-sensitive TIM interfaces where contact resistance is important.

Can ASTM C177 or C518 be used for TIMs?

They are more commonly associated with slab-type materials and insulation-style thermal transmission testing. They are useful background methods but are not usually the first choice for thin electronic TIM layers.

Why do TIM test results differ between suppliers?

Results can differ because of test method, sample thickness, pressure, surface finish, temperature, preparation method, and whether the result is conductivity, apparent conductivity, impedance, or resistance.

Should engineers rely only on standard test data?

No. Standard test data is useful for screening, but final TIM selection should include application-level thermal testing and reliability validation.

What should be included in a TIM test report?

A TIM test report should include the standard used, test temperature, pressure, sample thickness, bond line thickness, contact area, number of samples, result type, and any aging or conditioning history.