サーマルインターフェイスマテリアル（TIM）の熱伝導率は、定常法、非定常法、または用途別のTIM試験システムを用いて測定することができます。ほとんどのエンジニアリング上の決定において、この試験では材料のW/m·K値だけでなく、接着層の厚さ（BLT）、圧力、温度、接触面積、試料作製、および実際の界面を跨ぐ熱抵抗も制御する必要があります。.
分かりやすく言うと、熱伝導率のテストは、テスト条件がTIMの使用方法と一致している場合にのみ役立ちます。.
サーマルグリース、サーマルパッド、PCMサーマルパッド、サーマルパティ、ギャップフィラー、および熱伝導性ポッティングコンパウンドの場合、最適な試験方法は、材料の形状、厚さ、硬度、流動挙動、硬化挙動、および最終的な用途によって異なります。エンジニアはデータシートの熱伝導率を出発点として捉え、実際の組み立て条件下での熱抵抗または熱インピーダンス試験を通じて性能を検証すべきです。.
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熱伝導率試験が重要な理由
サーマルインターフェースマテリアル（通常、TIMと呼ばれる）は、発熱コンポーネントと冷却面の間に使用されます。熱源は、CPU、GPU、LEDモジュール、パワー半導体、EVインバーター部品、バッテリーセル、通信用チップ、または産業用制御機器である場合があります。冷却面は、ヒートシンク、コールドプレート、アルミニウム製ハウジング、シャーシ、またはエンクロージャーである場合があります。.
TIMの役割は、空気層をより熱伝導性の高い経路に置き換えることです。空気は熱伝導率が非常に低いため、固体の表面間にある微細な隙間であっても温度上昇の原因となります。TIMはその隙間を埋め、コンポーネントから熱を逃がす手助けをします。.
熱伝導率のテストが重要なのは、エンジニアが材料最終製品の熱負荷を支えられるかどうかを知る必要があるからです。しかし、文脈なしで行われるテストは誤解を招く可能性があります。高いW/m·K値が、最終的な組み立てにおいて自動的に優れた冷却性能を意味するわけではありません。.
実際のパフォーマンスは以下の要素にも左右されます：
- 結合線の太さ
- 接触圧
- 表面粗さ
- 接触面
- 濡れ性
- ボイドと気泡
- 材料の硬さまたは粘度
- ヒートサイクル安定性
- ポンプアウト耐性
- 乾燥耐性
- 電気絶縁
- 加工および硬化条件
HakTakはこのより広い問題について議論した サーマルグリスの選び方と熱伝導率の測定方法, 特にサーマルグリスの選定において。.
熱伝導率は何を測定するものですか？
熱伝導率は、材料の中を熱がどれくらい効率よく移動するかを示す尺度です。通常は記号 k で表され、W/m·K で測定されます。.
熱伝導率の数値が高いほど、テスト条件下において熱がその材料をより容易に通過できることを意味します。例えば、6 W/m·KのTIMは、両方が同等の条件で測定された場合、2 W/m·KのTIMよりも熱伝導性が優れています。.
しかし、熱伝導率はバルク材料の物性値であり、チップとヒートシンクの間の完全な接触面を自動的に記述するものではありません。.
TIMについて、エンジニアは以下の点も考慮する必要があります：
- 熱抵抗：界面が熱の流れにどれだけ抵抗するか
- 熱インピーダンス：界面における面積正規化された抵抗
- ボンドラインの厚さ：TIM層の厚さ
- 接触抵抗：不完全な表面接触によって生じる抵抗
- 組み付け圧力：TIMを圧縮または拡散させる力
この区別は、同じ導電率を持つ2つの材料であっても実際のデバイスではまったく異なる性能を示す可能性があるため、重要です。.
テストにおける熱伝導率と熱抵抗
熱伝導率と熱抵抗は関連していますが、同じではありません。.
熱伝導率は材料の特性を表し、熱抵抗は熱の経路を表します。.
シンプルなフラットインターフェースの場合：
R = t / (k × A)
どこ：
- Rは熱抵抗です
- tは板厚です
- kは熱伝導率です
- Aは接触面積です
この数式は、W/m·Kのテストだけでは不十分な理由を示しています。材料の熱伝導率が高くても、接着層が厚くなると、最終的な熱抵抗は高くなる可能性があります。一方、熱伝導率が低くても、より薄く濡れ性に優れた界面を形成する材料であれば、冷却性能が高くなることがあります。.
これが、技術者が導電率（熱伝導率）だけでなく、熱インピーダンスやアプリケーションレベルの性能をますます評価する理由の一つである。.
一般的なTIMテスト方法
すべてのサーマルインターフェースマテリアルに適合する単一の試験方法というものは存在しません。適切な方法は、材料の種類とエンジニアリング上の課題によって異なります。.
一般的なテストアプローチには、次のようなものがあります：
- 定常ガード付き熱流試験
- ASTM D5470準拠のTIM試験
- 過渡平面熱源法試験
- レーザーフラッシュ法
- ホットディスク法またはホットプレート法
- 用途別熱抵抗試験
- デバイスレベルの温度試験
それぞれの方法には長所と限界があります。硬化型のポッティングコンパウンドでうまく機能する方法が、柔らかいサーマルグリースにとって最適とは限らない場合があります。平らなパッドで機能する方法は、不均一な隙間でのサーマルパテの挙動を正しく表していない可能性があります。.
目的は単なる数値を算出することではない。目的は、材料選定の指針となる数値を算出することである。.
定常状態テスト
定常状態試験では、サンプルが熱平衡に達した後の熱流を測定します。片側に既知の熱負荷を加え、サンプル全体の温度差を測定します。.
基本的な考え方は単純明快です。
- 材料の片面に熱を加える。.
- 制御された冷却ブロックを介して反対側から熱を除去する。.
- 温度が安定するまでお待ちください。.
- 熱流と温度差を測定する。.
- 熱伝導率または熱抵抗を計算する。.
定常法は、制御された条件下で平坦なサンプルに対して信頼性の高い結果を生成できるため、広く使用されている。これらは、サーマルパッド、グリス、相変化材料、および2つの金属ブロックの間に配置されるその他のTIM（サーマルインターフェースマテリアル）に特に有用である。.
制限となるのは時間です。定常法はシステムが平衡状態に達する必要があるため、より時間がかかることがあります。また、熱損失、圧力、試料の厚さ、および接触面の慎重な制御も必要です。.
ASTM D5470規格準拠TIMテスト
ASTM D5470は、薄い熱伝導性材料の熱伝導特性を試験するため最も一般的に参照される方法の一つである。実際には、多くのTIM試験機が同様のガード付き熱流の概念を使用している。すなわち、材料を2本のメーターバーの間に挟み、熱をスタックに通して流し、温度を測定して熱抵抗を決定する。.
TIM選定において、この種のエテストは、規定された圧力および厚さの条件下で材料を評価できるため有用です。.
一般的に以下の用途で使用されます：
- 熱伝導グリス
- 熱伝導グリス
- サーマルパッド
- 相変化材料
- 隙間埋めパッド
- 薄い熱伝導性フィルム
主な変数には以下が含まれます：
- サンプル厚さ
- 型締力
- 接触面仕上げ
- 試験温度
- 熱流束
- サンプルエリア
- 測定前のコンディショニング
柔らかいTIMの場合、圧力制御が特に重要です。サーマルグリスは圧力を受けるとより薄く広がる可能性があります。サーマルパッドは圧縮されます。PCMパッドは相転移温度に達した後に柔らかくなることがあります。テストが実際の適用圧力を反映していない場合、その結果は製品の性能を予測できない可能性があります。.
過渡試験法
過渡法は、材料中を熱が時間とともにどれほど速く伝わるかを測定します。定常状態に完全に達するまで待つ代わりに、熱パルスや熱信号を加えて温度応答を測定します。.
一般的な一過性の方法には以下が含まれます：
- 非定常平面熱源法
- ホットディスク法
- 非定常線熱源
- レーザーフラッシュ法
これらの方法は定常法よりも高速であり、多くの固体、液体、ペースト、硬化材料に有用です。.
しかし、過渡法は、試料作製、接触品質、センサー配置、材料構造の影響を受けやすい場合がある。軟質または圧縮性のTIMの場合、圧力と厚さが制御されていなければ、測定値が最終的な界面を代表しない可能性がある。.
レーザーフラッシュ法は、固体材料や硬化済み化合物によく使用されます。これは熱拡散率を測定するものであり、密度および比熱と組み合わせることで熱伝導率を算出することができます。これは硬化後の高熱伝導性ポッティングコンパウンドには有効ですが、グリースやシートの界面挙動を正確に表していない場合があります。.
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 硬化型封止材が薄いTIM層とは異なる試験上の懸念事項を持つ理由を説明します。.
サーマルグリースとサーマルペーストのテスト
サーマルグリースは、塗布方法によって性能が大きく左右されるTIM（サーマルインターフェイスマテリアル）の一つです。薄く均一な層状に塗布すれば非常に高い性能を発揮しますが、塗布方法にわずかな変化があるだけで結果が変わってしまいます。.
サーマルグリースをテストする際、エンジニアは以下を制御する必要があります：
- 適用額
- 拡散方法
- 結合線の太さ
- プレッシャー
- 表面の清浄度
- 試験温度
- 気泡の形成
- 材料の保管条件
- エージングまたはプレコンディショニング
グリスが多すぎると、厚みが増し、熱抵抗が高くなります。グリスが少なすぎると、空隙が残ります。均一に塗布しないと、ホットスポットが発生します。.
実践的な応用の手引きについては、HakTakのこの記事をご覧ください： サーマルグリスの塗り方のコツと仕組み.
保管状態もテスト結果に影響を与える可能性があります。ペーストが分離していたり、乾燥していたり、不適切な保管状態にさらされていたりする場合、通常の製品性能を反映していない可能性があります。ハックタク（HakTak）はこの点について 未使用のサーマルグリスの正しい保管方法.
サーマルパッドのテスト
サーマルパッドはグリスよりも扱いやすいですが、それでも慎重なテストが必要です。その性能は、厚さ、硬さ、圧縮率、および接触品質に依存します。.
サーマルパッドをテストする際、エンジニアは以下を定義する必要があります：
- 公称厚さ
- 圧縮率
- ショア硬さ
- 表面タック
- 接触圧
- 型抜き形状
- 電気絶縁
- 熱サイクル挙動
熱伝導率が高いパッドであっても、利用可能な圧力に対して厚すぎたり硬すぎたりすると、十分な性能を発揮できない場合があります。より柔らかく熱伝導率の低いパッドの方が、密着性が高まり、実際の熱インピーダンスを低下させることができます。.
サーマルパッドは、最終製品で想定されるのと同じ圧縮範囲でテストされるべきです。高圧下でのテストは、繊細な電子アセンブリでは実現できない印象的な結果を生み出す可能性があります。.
PCMサーマルパッドのテスト
相変化材料は温度によって挙動が変化するため、特別な注意が必要です。.
PCMサーマルパッドは、室温では固形または半固形です。活性化温度に達すると軟化し、より効果的に界面を濡らします。これにより、接触抵抗を低減し、熱性能を向上させることができます。.
PCM材料をテストする際、エンジニアは以下を考慮する必要があります。
- 相転移温度
- 予熱または活性化手順
- アクティベーション中の圧力
- 作動後の冷却挙動
- ヒートサイクル後の手直し
- 相変化後の厚さ
- 表面互換性
PCMが活性化温度未満で試験された場合、その結果は実際の動作性能を反映しない可能性がある。活性化後であっても現実的な圧力なしで試験された場合、結果は依然として誤解を招くおそれがある。.
Haktakは作動原理を説明しています PCMサーマルパッドの解説：相変化材料が熱管理を向上させる仕組み.
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サーマルパティとギャップフィラーのテスト
サーマルパテやギャップフィラーは、凹凸のある表面、大きな隙間、高さの異なる部品によく使用されます。薄い平らなシートとしてテストするだけでは、それらの本当の利点を捉えられない可能性があります。.
重要なテスト変数には以下が含まれます：
- 隙間のサイズ
- 圧縮力
- マテリアル変位
- 形状保持
- スランプ抵抗性
- 分注量
- 表面被覆
- サイクリング後のポンプアウト
- 振動安定性
パテや隙間埋め材の場合、高いW/m·K値よりも柔軟性や追従性の方が重要である場合があります。不規則な隙間を埋めてエアポケットをなくすことができれば、熱伝導率が中程度の材料でも優れた性能を発揮できます。.
エンジニアは可能であれば、これらの材料を代表的なアセンブリでテストすべきである。平板熱伝導率テストは有用であるが、高さの異なる部品の周囲で材料がどのように振る舞うかを示せない場合がある。.
熱伝導性ポッティングコンパウンドのテスト
熱伝導性ポッティングコンパウンドは、従来のTIM（熱伝導材料）とは異なります。通常は液体状で塗布され、その後硬化して固体またはエラストマー状のカプセル化材となります。これらは熱伝導、電気絶縁、環境保護、および機械的支持を提供します。.
テストに関する懸念事項には以下が含まれます：
- 混合比
- 可使時間
- 粘度
- 脱気
- 硬化温度
- 硬化時間
- Filler settling
- Air bubble control
- Cured hardness
- 熱サイクル
- 耐湿性
For cured potting compounds, testing may use transient methods, guarded heat flow methods, or laser flash analysis depending on sample form. But engineers should also test the potted assembly because voids, incomplete filling, and cure quality strongly affect heat transfer.
In potting applications, bubble control is especially important. Air bubbles reduce thermal conductivity and can also weaken electrical insulation.
Sample Preparation: The Most Underrated Step
Many thermal conductivity testing errors come from poor sample preparation.
Before testing, engineers should define:
- Sample dimensions
- サンプル厚さ
- 表面の状態
- Conditioning time
- Storage environment
- Mixing procedure
- Degassing method
- Cure schedule
- 圧縮圧力
- Cleaning procedure
For two-component materials, incorrect mixing ratio can cause incomplete cure and inaccurate results. For grease, trapped air or uneven spreading can change measured impedance. For pads, wrinkles, dust, or inconsistent compression can distort results.
Testing should be repeatable. If three samples produce widely different results, the issue may be sample preparation rather than material performance.
Pressure and Bond Line Thickness Control
Pressure and bond line thickness are two of the most important variables in TIM testing.
A thermal grease may show low resistance at high pressure because it spreads into a very thin layer. A thermal pad may show better performance at higher compression because contact improves. A putty may need enough pressure to fill irregular spaces, but too much pressure may squeeze material away from the interface.
Engineers should record:
- Applied pressure
- Initial sample thickness
- Final bond line thickness
- 圧縮率
- 接触面
- 試験温度
Without this information, a conductivity value is hard to interpret.
This is where many datasheet comparisons go wrong. Two materials may be tested under different pressures or thicknesses, making the W/m·K values difficult to compare directly.
Temperature Dependence
Thermal conductivity can change with temperature. Some materials remain stable across a wide range. Others change because of softening, curing, phase change, filler movement, or base polymer behavior.
Temperature is especially important for:
- PCMのサーマルパッド
- Silicone greases
- 製剤化された土壌培地
- High-temperature adhesives
- Vacuum-compatible materials
- 車載電子機器
- 航空宇宙用電子機器
If the final device operates at 100°C, testing only at room temperature may not be enough. Engineers should test across the expected operating range, especially for high-reliability products.
For vacuum or low-pressure systems, outgassing and volatility may also affect long-term performance. HakTak’s article 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 explains why formulation stability matters in these environments.
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How to Read Test Results
When reviewing test results, engineers should avoid looking only at the headline W/m·K value.
A useful test report should include:
- Test method
- Sample type
- サンプル厚さ
- 接触面
- Applied pressure
- 試験温度
- Number of samples
- Average value
- Standard deviation
- Surface preparation
- Conditioning or aging history
- Measurement uncertainty
If a report only lists thermal conductivity without test conditions, it may not be enough for serious engineering selection.
Engineers should also ask whether the result is bulk conductivity, through-plane conductivity, in-plane conductivity, thermal resistance, or thermal impedance. These are not interchangeable.
Common Testing Mistakes
The first mistake is comparing test values from different methods as if they were equivalent. Different methods can produce different results, especially for soft or compressible TIMs.
The second mistake is ignoring pressure. Many TIMs perform differently at different compression levels.
The third mistake is ignoring bond line thickness. Thickness can dominate thermal resistance.
The fourth mistake is testing PCM materials below activation temperature.
The fifth mistake is failing to control sample preparation. Air bubbles, poor mixing, contamination, and uneven spreading can all change results.
The sixth mistake is relying only on lab conductivity and skipping device-level validation.
The seventh mistake is not testing after aging, thermal cycling, or environmental exposure.
A Practical TIM Testing Workflow
For most engineering teams, a practical workflow looks like this:
- Define the thermal target, including heat load and allowable temperature rise.
- Identify the interface geometry, including gap size, contact area, and surface condition.
- Select candidate TIMs based on material type and conductivity range.
- Review datasheet test methods and conditions.
- Test thermal resistance or impedance under realistic pressure and thickness.
- Run application-level testing in the actual assembly.
- Evaluate aging, thermal cycling, pump-out, and rework behavior.
- Confirm manufacturing repeatability before production approval.
This process is slower than choosing the highest W/m·K material, but it produces fewer surprises in production.
ハクタック・パースペクティブ
At HakTak, thermal conductivity testing is treated as one part of material validation, not the whole decision. The best TIM is not always the material with the highest W/m·K number. It is the material that delivers stable thermal performance in the final assembly.
For thermal grease, that means testing application thickness, wetting, storage stability, and pump-out resistance. For thermal pads, it means testing compression, hardness, insulation, and contact quality. For PCM thermal pads, it means testing activation behavior and thermal cycling. For thermal putty and gap fillers, it means testing gap-filling performance under realistic geometry. For potting compounds, it means testing both cured material conductivity and void-free encapsulation.
When discussing a TIM testing project with a supplier, engineers should provide:
- 素材の種類
- Heat source and power
- 接触面
- ギャップサイズと許容誤差
- Target bond line thickness
- 使用可能な圧力
- 動作温度範囲
- Electrical insulation requirements
- Environmental exposure
- Assembly method
- Reliability requirements
With this information, a supplier can recommend the correct test approach and a more suitable material.
結論
Testing thermal conductivity of thermal interface materials is not just about measuring W/m·K. It is about understanding how the material behaves in a real heat path.
Steady-state methods, ASTM D5470-style TIM testing, transient methods, and application-level tests all have value. The right choice depends on the TIM type, sample form, final assembly, and engineering question.
For TIM selection, engineers should control pressure, bond line thickness, temperature, surface condition, sample preparation, and aging history. They should also evaluate thermal resistance or thermal impedance, not only bulk conductivity.
A good test does more than produce a number. It helps predict whether the material will keep the final product cool, stable, and reliable over time.
よくある質問
How do you test thermal conductivity of thermal interface materials?
Thermal conductivity can be tested using steady-state guarded heat flow methods, ASTM D5470-style TIM testers, transient methods, laser flash analysis, or application-specific thermal resistance testing.
What is ASTM D5470 used for?
ASTM D5470 is commonly referenced for measuring thermal transmission properties of thin thermally conductive materials, especially TIMs placed between two controlled surfaces.
Is thermal conductivity the same as thermal resistance?
No. Thermal conductivity describes how well a material conducts heat. Thermal resistance describes how much a full heat path resists heat flow.
Why does pressure matter in TIM testing?
Pressure affects bond line thickness, contact area, surface wetting, and void reduction. Many TIMs perform differently under different compression levels.
Why does bond line thickness matter?
A thicker TIM layer usually increases thermal resistance. Even a high-conductivity material can perform poorly if the bond line is too thick.
Can thermal paste test results change with application method?
Yes. The amount applied, spreading method, surface cleanliness, trapped air, and pressure can all change measured thermal performance.
How should PCM thermal pads be tested?
PCM thermal pads should be tested at realistic pressure and temperature, including activation above their phase change temperature when that matches the final application.
Should engineers rely only on datasheet conductivity?
No. Datasheet conductivity is useful for screening, but engineers should verify thermal resistance, impedance, reliability, and application-level performance before final selection.
