エンジニアが知っておくべき最も重要なTIM試験規格は、 ASTM D5470, 、これは、グリース、ペースト、相変化材料、ゲル、ゴム、硬質固体など、熱伝導性を持つ電気絶縁材料の熱インピーダンスや見かけの熱伝導率を測定するために一般的に使用されているためです。より広範な熱特性試験を行うためには、技術者は以下の点についても理解しておく必要があります。 ISO 22007-2 過渡平面熱源試験については、, ASTM E1461 レーザーフラッシュ拡散率については、, ASTM C177 ガード付きホットプレート試験用、および ASTM C518 熱流量計の試験用。.
しかし、あらゆる熱伝導材料に通用する単一の基準は存在しません。平らな熱伝導パッドに適した試験方法は、凹凸のある隙間に充填された熱伝導パテの特性を適切に反映できない可能性があります。また、硬化したポッティングコンパウンドに適した試験方法は、チップとヒートシンクの間に塗布された薄いグリース層の特性を適切に反映できない可能性があります。.
TIMの選定において、重要なのは単に「W/mKの値はいくらか？」と尋ねるだけではありません。より適切な質問は次の通りです： 材料の形状、圧力、厚さ、接触面、および最終的な用途を最も適切に反映している試験方法はどれですか？
TIMテスト基準が重要な理由
TIM（サーマル・インターフェース・マテリアル）と呼ばれる熱伝導材は、発熱部品と冷却面の間に使用されます。これらは微細な空隙を埋め、チップ、パワーモジュール、LED、バッテリー、通信機器、あるいは産業用電子機器から、ヒートシンク、筐体、シャーシ、あるいはコールドプレートへの熱伝達を向上させます。.
TIMsには以下が含まれます：
- 熱伝導グリス
- 熱伝導グリス
- 熱伝導パッド
- 相変化材料
- サーマルパテ
- ギャップフィラー
- サーマルジェル
- 熱伝導性接着剤
- 熱伝導性ポッティング材
試験基準が重要なのは、TIMの性能が試験条件に大きく左右されるためです。同じ材料であっても、圧力、厚さ、温度、表面粗さ、あるいは試料の調製方法が異なれば、異なる結果が得られることがあります。.
明確な試験方法が定まっていないと、データシートに記載された数値の比較は困難になる場合があります。あるサプライヤーは体積熱伝導率を記載しているかもしれません。別のサプライヤーは見かけの熱伝導率を記載しているかもしれません。また別のサプライヤーは、特定の圧力下での熱インピーダンスを記載しているかもしれません。これらの数値は関連していますが、互いに置き換え可能というわけではありません。.
一般的なテストのワークフローについては、HakTakに関連するガイドがあります： 熱界面材料の熱伝導率を測定する方法.
根本的な違い：導電率、抵抗、インピーダンス
規格について議論する前に、エンジニアは3つのよく使われる用語を区別しておくべきである。.
熱伝導率 物質の熱伝導性を表す指標です。通常、W/mKで表されます。.
熱抵抗 熱経路が熱の流れに対してどれほどの抵抗を示すかを表す。多くの場合、K/W または °C/W で表される。.
熱インピーダンス TIM（熱界面材料）において、所定の面積、厚さ、および圧力条件下での熱流に対する界面抵抗を表すために一般的に用いられる。.
この区別が重要なのは、熱伝導率が高いからといって、必ずしも冷却性能が優れているとは限らないからです。W/mK値の高い材料であっても、厚すぎたり、硬すぎたり、圧縮が不十分だったり、接触面に十分に濡れなかったりすると、期待通りの性能を発揮できない場合があります。.
詳細については、HakTakの記事をご覧ください： W/mKの値が高いからといって、必ずしも冷却性能が優れているとは限らない理由.
ASTM D5470：TIMの主要規格
TIM（熱伝導性絶縁材料）を扱うエンジニアにとって、ASTM D5470は通常、最初に理解すべき規格です。ASTMは、D5470を「熱伝導性電気絶縁材料の熱伝達特性に関する試験方法」と定義しています。この規格は、定常状態の熱インピーダンスの測定や、見かけの熱伝導率の算出に役立ちます。.
この手法は、電子機器の熱管理において特に重要である。なぜなら、以下を含む多くのTIM形態に適用できるからである：
- グリース
- ペースト
- 相変化材料
- ジェル
- 軟質ゴム
- 硬質ゴム
- 陶芸
- 金属
- 一部のプラスチック
ASTM規格D5470の記載によれば、この試験方法は、液体化合物から硬質固体に至るまでの材料について、熱インピーダンスの測定および見かけの導電率の算出を対象としている。また、測定結果は理想化された熱流パターンに基づくものであるため、エンジニアは実際の組立品にこの結果を適用する際には注意を払う必要があると強調されている。.
この注意点は重要です。ASTM D5470は非常に有用ですが、あくまで制御された試験条件下でのものです。実際の製品のあらゆる形状を自動的に反映できるわけではありません。.
以下の場合には、ASTM D5470を適用してください：
- TIMに焦点を当てた定常状態法が必要です
- この材料は、2つの表面の間に使用されます
- 圧力と厚みの制御が重要
- 熱インピーダンスデータが必要です
- 特定の条件下で、グリース、パッド、ジェル、または相変化材料を比較したい
次のような場合は注意してください：
- 真の格差は不均一である
- この材料は圧縮率が非常に高い
- このアセンブリの耐圧には限界があります
- 表面仕上げが試験治具とは異なります
- 完成品には複雑な放熱構造が採用されている
特にサーマルグリースに関しては、HakTakのガイド サーマルグリー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挙動の双方が重要である理由を説明しています。.
ISO 22007-2：過渡平面熱源法
ISO 22007-2は、熱特性測定に関するもう一つの重要な規格です。 2022年版の現行版では、プラスチックの熱伝導率および熱拡散率を測定するための「過渡平面熱源法」（ホットディスク法とも呼ばれる）が規定されています。ISOの要約によると、この方法はさまざまな試験片サイズに合わせて設計可能であり、幅広い温度および圧力範囲で使用できるとされています。.
この方法は、エンジニアがポリマー、充填プラスチック、硬化コンパウンド、および特定の均質材料などの熱伝導率や熱拡散率のデータを必要とする場合に有用です。.
TIMエンジニアにとって、ISO 22007-2は知っておく価値があります。なぜなら、多くのTIMはポリマー系であり、充填剤が配合されているからです。ただし、この規格を界面試験の万能な代替手段として扱うべきではありません。.
以下の場合には、ISO 22007-2 を使用してください：
- 過渡的な熱特性の測定が必要です
- この材料はバルク試料と同様の挙動を示す
- 現在、ポリマー系材料の評価を行っています
- 熱拡散率も有用です
- さまざまな温度や環境におけるデータが必要です
次のような場合は注意してください：
- TIMは、非常に薄い界面層です
- 接触抵抗が性能を左右する
- 実際の用途は、圧力に大きく左右されます
- この材料は不均一性が極めて高い
- このサンプルは、本手法の前提条件を満たしていません。
TIMの選定にあたっては、ISO 22007-2のデータが材料のスクリーニングに役立つ場合がありますが、エンジニアは実際の界面条件下での熱抵抗またはインピーダンスを検証する必要があります。.
ASTM E1461：レーザーフラッシュ拡散率
ASTM E1461は、一般に熱拡散率の測定における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によって試料の片面を加熱し、反対側の温度上昇を測定します。これにより熱拡散率を算出することができ、密度と比熱が分かっている場合には、熱伝導率を導き出すことができます。.
この方法は、固体材料や硬化した試料の測定に有用であり、特に温度範囲にわたる測定を行う場合に有効です。.
TIM用途において、ASTM E1461は以下の用途により関連性が高い：
- 硬化したポッティング材
- 固体高分子複合材料
- 陶芸
- 金属
- 硬質断熱材
- 硬化後の充填エラストマー
以下の点については、直接的な代表性は低い：
- 薄いグリース層
- 圧縮下にあるソフトジェル
- 活性化中の相変化材料
- 凹凸のある隙間に充填するサーマルパテ
- 接触抵抗が支配的な界面
レーザーフラッシュデータは有用な場合もありますが、通常は界面の挙動ではなく、材料の体積挙動を表しています。チップとヒートシンク間の熱界面材料（TIM）の場合、体積拡散率よりも界面抵抗の方が重要となる可能性があります。.
HakTakの 電子機器用熱伝導性ポッティングコンパウンドのガイド これは、エンジニアが薄い界面層ではなく、硬化した封止材を評価する際の、有用な内部参考資料となります。.
ASTM C177：防護付きホットプレート
ASTM C177は、ガード付きホットプレート装置を用いた定常状態の熱流束測定について規定している。これは、制御された一次元熱流下における熱伝達特性を測定するための基礎的な方法である。.
この手法は、断熱材、スラブ、および大型の試験片に関連してよく用いられます。薄い熱伝導膜（TIM）層の主要な測定手法としてはあまり一般的ではありませんが、多くの定常状態熱測定の概念の基礎となっているため、技術者はこの手法について理解しておく必要があります。.
以下の場合には、ASTM C177を適用してください：
- フラットスラブの試験片を試験しています
- この材料は、ガード付きホットプレートによる測定を行うのに十分な厚さがあります。
- 定常状態の参照法が必要です
- この試料は、薄いTIMというよりは、絶縁材やバルク材料に近い。
次のような場合は注意してください：
- この材料は薄いペースト状の層である
- サンプルは安定した形状を維持できない
- 結果には接触抵抗が大きな影響を与えている
- 最終的な応用例は、感圧特性に関するものです。
TIMエンジニアにとって、ASTM C177は「定番の手法」というよりは、あくまで背景知識としての規格です。この規格は定常状態熱伝達試験の仕組みを説明する上で役立ちますが、電子用TIMに関しては通常、ASTM D5470の方がより関連性が高いと言えます。.
ASTM C518：熱流計
ASTM C518は、熱流計装置を用いた定常状態の熱伝達試験について規定している。ASTMの規格説明では、この試験法を、既知の材料を用いた校正を行い、板間の一次元熱流を用いる平板試験体向けの方法であると記載している。.
この方法は、平板状の試験片を2枚のプレートの間に挟み込むことができる断熱材やその他の材料に対して広く用いられています。材料の形状が装置の要件に合致する場合、熱伝達特性の比較に有用です。.
以下の場合には、ASTM C518を適用してください：
- この試料は平らなスラブである
- この方法は、適切な標準物質を用いて校正されている。
- この材料の熱抵抗は、当該機器に適しています。
- 目標は定常状態の伝送データである
次のような場合は注意してください：
- この材料は、薄いTIM層です
- この試料は圧縮性が非常に高い
- この材料には熱橋がある
- 最終的な用途は、界面圧力と接触抵抗によって決まります。
TIMsの場合、材料の形状や厚さが試験装置に適している場合を除き、通常、ASTM C518は第一の選択肢とはなりません。.
ASTM E1225：防護条件下の比較縦方向熱流試験
ASTM E1225は、遮蔽比較式縦方向熱流法である。この方法は、未知の試験片と参照材料を通る熱流を比較することにより、固体の熱伝導率を測定するためによく用いられる。.
この方法は、固体試料、硬質のポリマー、セラミックス、金属、および複合材料に有用です。一方、柔らかく、薄く、圧力に敏感なTIM層に対しては、一般的に最適な方法とは言えません。.
以下の場合には、ASTM E1225を適用してください：
- このサンプルは固体試料です
- 幾何学的形状は制御可能です
- 接点の状態を管理できます
- 熱流束の比較測定が適切である
次のような場合は注意してください：
- その素材は、グリース、ジェル、またはパテです。
- 最終的な実装は、薄く圧縮されたインターフェースである
- 接触抵抗が結果の主な要因となっている
TIMの選定において、E1225はバルク固体材料の特性評価に役立つ可能性がありますが、その材料をTIMとして使用する場合、界面試験と併せて実施する必要があります。.
IPC、JEDEC、およびデバイスレベル試験
有用なTIM試験のすべてが材料規格に準拠しているわけではありません。エレクトロニクス分野では、TIMが実際に部品の温度を低下させるかどうかを確認するために、エンジニアはデバイスレベルの検証を行う必要があることがよくあります。.
材料レベルの試験により、以下の点が明らかになります：
- 見かけの導電率とは何ですか？
- 所定の圧力下でのインピーダンスはどれくらいですか？
- 厚さは性能にどのような影響を与えるのでしょうか？
- 温度によって結果はどのように変わるのでしょうか？
デバイスレベルのテストの回答：
- 実際のチップ温度はどれくらいですか？
- この製品にはスロットリング機能はありますか？
- ヒートシンクは目標範囲内に収まっていますか？
- TIMはサイクル処理に耐えられるか？
- アセンブリのばらつきは性能に影響を与えますか？
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おいては、デバイスレベルの試験が最終的な判断基準となる場合が多い。材料規格は必要だが、それだけでは不十分である。.
エンジニアはどの規格を選ぶべきか？
適切な基準は、素材や下すべき判断によって異なります。.
| 題材または状況 | 検討すべき有用な方法 | 主な理由 |
| 熱伝導グリースまたはペースト | ASTM D5470 | TIMに焦点を当てたインピーダンス試験 |
| 熱伝導パッド | ASTM D5470 | 圧力と厚みを調整できます |
| PCM熱伝導パッド | ASTM D5470 および活性化試験 | 相変化の挙動は重要である |
| サーマルジェル | ASTM D5470 | ソフトインターフェースの挙動を評価することができる |
| サーマルパテ | ASTM D5470 および用途別試験 | 順応性と隙間充填が重要 |
| 硬化したポッティング材 | ASTM E1461 または ISO 22007-2 | バルク材料の物性は重要である |
| 平板状の断熱材のような材料 | ASTM C177 または ASTM C518 | 定常状態におけるスラブの伝達 |
| 電子機器の最終組立 | デバイスレベルの熱試験 | 実際の冷却性能を実証 |
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サーマルパッドの解説 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？
- どの温度が使用されましたか？
- 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？
- エージング処理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？
こうした詳細情報が欠けていても、その結果はスクリーニングとして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、体系性と再現性を確保する上で不可欠です。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、不均一な隙間では良好に機能しても、平坦なバルク試験では期待外れの結果となることがあります。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
- 用途別治具試験
- 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よくある間違い
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つ目の間違いは、材料の形態を無視することです。液体グリース、ソフトジェル、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、圧力を見落とすことです。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、データシートの測定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、許容圧力に制限があったり、振動や熱サイクルが発生したりする場合があります。.
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。 熱伝導グリスは真空中で揮発するのか？ 低圧環境におけるアウトガスと性能について.
HakTakの視点
HakTakでは、TIM試験基準は「近道」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ますが、最終的な材料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、重要な変数には、塗布厚さ、表面濡れ性、ポンプアウト抵抗、保存安定性、および圧力が含まれます。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となります。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となります。 パテや隙間充填材については、追従性と隙間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、硬化品質とボイド制御が重要である。.
TIMの評価プロセスには、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スクリーニング
- 実用的な圧力条件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
- 熱サイクル試験および経年劣化試験
- プロセスの再現性確認
- 必要に応じて電気絶縁の確認を行う
最適な材料とは、必ずしも熱伝導率が最も高いものとは限りません。実際の組み立てにおいて、安定した熱性能を発揮する材料こそが最適なのです。.
結論
熱伝導材料を扱うエンジニアは、いくつかの一般的な試験規格を把握しておくべきですが、それらの限界についても理解しておく必要があります。.
ASTM D5470は、電子機器の熱伝達に使用される材料の熱伝達特性、インピーダンス、および見かけの導電率に焦点を当てているため、多くのTIM用途において最も直接的に関連する規格です。 ISO 22007-2は、ポリマー系材料の過渡平面熱源試験に有用です。ASTM E1461は、固体および硬化コンパウンドのレーザーフラッシュ拡散率測定に有用です。ASTM C177およびASTM C518は、スラブ型材料および熱伝達概念に関する重要な定常状態試験法です。.
いかなる規格も、アプリケーションテストを完全に置き換えることはできません。TIMの性能は、厚さ、圧力、表面接触、温度、形状、および経年変化によって左右されます。最適なテスト手法とは、標準化されたデータと実際の組立検証を組み合わせたものです。.
エンジニアにとって、目標は単に熱伝導率の値を報告することだけではありません。目標は、最終製品を冷却し、信頼性を確保し、かつ製造可能な状態を維持できるTIMを選定することです。.
よくある質問
TIM試験において最も一般的な規格は何ですか？
ASTM D5470は、熱伝導性電気絶縁材料の熱インピーダンスおよび見かけの熱伝導率を測定する規格であるため、TIM試験において最も重要かつ頻繁に参照される規格の一つです。.
ASTM D5470は、熱伝導パッド専用なのでしょうか？
いいえ。ASTM D5470は、グリース、ペースト、相変化材料、ゲル、軟質ゴム、硬質ゴム、および硬質固体など、幅広い種類の材料に適用可能です。.
ISO 22007-2 はどのような目的で使用されるのでしょうか？
ISO 22007-2は、プラスチックの熱伝導率および熱拡散率を測定するための過渡平面熱源法について規定している。この規格は、ポリマー系材料やバルク材料の試験に有用である。.
レーザーフラッシュ試験はTIMに適しているのでしょうか？
レーザーフラッシュ試験は、固体材料や硬化済み化合物には有用ですが、接触抵抗が重要な薄い感圧性TIM界面については、その特性を適切に反映できない可能性があります。.
TIMにはASTM C177またはC518を使用できますか？
これらは、スラブ型材料や断熱材を用いた熱伝達試験と関連付けられることが一般的です。有用な比較対象となる手法ではありますが、薄い電子用熱伝導材料（TIM）層の試験においては、通常、第一の選択肢とはなりません。.
TIMのテスト結果がサプライヤーごとに異なるのはなぜですか？
測定方法、試料の厚さ、圧力、表面仕上げ、温度、前処理方法、および測定結果が導電率、見かけの導電率、インピーダンス、あるいは抵抗のいずれであるかによって、結果が異なる場合があります。.
エンジニアは標準的なテストデータのみに頼るべきだろうか？
いいえ。標準的な試験データはスクリーニングには有用ですが、TIMの最終選定にあたっては、アプリケーションレベルの熱試験および信頼性検証を行う必要があります。.
TIMテスト報告書にはどのような内容を盛り込むべきでしょうか？
TIM試験報告書には、適用した規格、試験温度、圧力、試料の厚さ、接着層の厚さ、接触面積、試料数、結果の種類、および経年変化やコンディショニングの履歴を記載する必要があります。.
