高温電子機器用サーマルグリス

高温用電子機器向けのサーマルグリースは、一度きりの高温の実験室での測定を耐え抜くだけでは不十分です。長時間の温度保持、繰り返される通電サイクル、および変化する機械的圧力の下でも、薄く連続した熱伝導経路を維持し続けなければなりません。実用的な選定目標は、安定した インターフェース 熱抵抗 熟成後, 技術データシートに記載されている単なる最高温度ではなく.

その違いは、パワーモジュール、車載インバーター、産業用ドライブ、RFアンプ、高出力照明において重要となります。グリースは、短時間のベンチテストでは非常に優れているように見えても、使用しているうちに接触部から徐々に移動してしまったり、キャリア液が失われたりすることがあります。初日には劇的な変化は何も起きません。ケースの温度が月を追うごとにじわじわと上昇していくだけであり、これは非常に厄介な故障モードです。.

このガイドでは、化学組成、結合線の太さ、粘度、電気的挙動、経年劣化データを一つのシステムとして評価する方法を解説します。利用可能な サーマルグリース材料系, そして、実際のインターフェースとサービスプロファイルを使用して選択肢を絞り込みます。また、このガイドでは、グリースが不適切なサーマルインターフェース材料となる場合についても解説しています。なぜなら、最善のグリース選択が、正直なところ、グリースではない場合もあるからです。.

電子用サーマルグリスにおいて、どのような温度が高温と見なされるのでしょうか？

“「高温」とは、万国共通の閾値ではありません。それはグリースの接合部の温度、その接合部が高温にさらされる時間、および高温と低温の状態間をどのくらいの頻度で移動するかによって異なります。200℃という短時間の上限値があるからといって、150℃で5年間使用できることが自動的に保証されるわけではありませんし、150℃の半導体接合部があるからといって、グリース自体が150℃に達しているとは限りません。.

ピーク温度、連続温度、およびサイクル温度はそれぞれ異なる意味を持っています

サプライヤーは複数の制限値を公表することがあり、それらはそれぞれ異なる疑問に答えるものです：

• 保管温度範囲 組み立ておよび操作の条件を記述します。.
• 連続使用温度 は、サプライヤーの試験条件に基づく、推奨される連続使用期間を示しています。.
• ピーク温度またはエクスカーション温度 短時間のイベントを対象とし、許容される所要時間を明記する必要があります。.
• 熱サイクル範囲 これは、極端な温度間での繰り返し移動を表していますが、サイクル数、昇温・降温速度、および保持時間は依然として重要です。.
• 接合部温度 これは半導体に属するものであり、パッケージやベースプレートの下にあるグリース層に自動的に属するわけではない。.

まずは実際の放熱スタックから始めましょう。半導体の接合部温度、筐体またはベースプレートの温度、グリス界面温度、および冷却面の温度をそれぞれ個別に記録してください。Haktakのガイドによると、 熱伝導グリスはどれほど高温になるのか 温度に関する主張を解釈するための背景情報をさらに提供していますが、実際の組立には、依然として熱電対または検証済みの熱モデルが必要となります。.

単一の制限ではなく、サービスプロファイルを作成する

認定を行う際には、インターフェースの最低温度、通常温度、最高温度を定義してください。さらに、保持時間、昇温速度、サイクル数、通電状態または非通電状態、周囲条件、および想定される耐用年数を追加してください。連続加熱される産業用コントローラと、冷えた状態から繰り返し起動し、負荷下で急速に温度が上昇する自動車用インバータとでは、グリースに関する課題が異なります。.

この向きについても、プロファイルに記載する必要があります。垂直型のヒートシンクでは、軟化したキャリア流体の移動経路が、水平型のコールドプレートとは異なります。また、振動や多孔質のガスケット、付近の断熱材なども、流体を界面から引き離したり押し出したりする原因となります。.

熱電子機器アセンブリにおけるサーマルグリスの熱移動の仕組み

サーマルグリースは、表面の微細な窪みにある絶縁性の空気を置き換えることで、熱伝達を向上させます。このグリースは、2つの比較的平坦な表面の間に、非常に薄く、十分に濡れ性が高く、連続した膜として形成された場合に最も効果を発揮します。界面における総合的な熱伝達特性は、グリース自体の抵抗と両表面の接触抵抗が組み合わさったものであるため、体積伝導率だけでは最終的なデバイスの温度を予測することはできません。.

単純化したバルク関係は次のとおりです：

熱抵抗 = ボンド線の厚さ / (熱伝導率 × 接触面積）

これは有用ですが、実際の界面には粗さ、空隙、拡散効果、不均一な圧力などが生じます。そのため、W/mKの値が同じ2つの材料でも、筐体からヒートシンクへの温度低下幅が異なることがあります。この違いは、 熱伝導率および測定された熱インピーダンス これは、サプライヤーのデータを比較する際に特に重要です。.

熱は温度以上の変化をもたらす

グリースが加熱されると、その粘度や濡れ性が変化する場合があります。また、熱源、ベースプレート、ヒートシンクもそれぞれ異なる速度で膨張します。こうした不一致が繰り返されると、材料が端に向かって押し出され、アセンブリが冷却された際に、そのすべてを元の位置に戻すことができなくなる可能性があります。.

締め付け圧力も完全に一定というわけではありません。締結部品、ばね、ハウジング、そして接合面の平坦性は、すべて温度の影響を受けます。ですから、確かに、熱設計と機械設計は密接に関連しています。グリースを、2つの剛体ブロックの間に塗られた「魔法の灰色の塗料」のように扱うのは、問題の半分しか捉えていないことになります。.

高温環境下で効果を発揮するグリースの化学組成はどれか？

あらゆる高温の電子機器インターフェースにおいて、特定のグリース組成が自動的に最適であるとは限りません。シリコーン系製品は、幅広い温度範囲に対応でき、優れた濡れ性を発揮するため、広く使用されています。一方、光学面やコーティング、電気接点、あるいはシロキサン使用が制限されている工程では、シリコーンフリーの製品が好まれる場合があります。いずれの場合も、製品群の名称よりも、配合の詳細や経年変化データの方が重要です。.

基油は、熱伝導性フィラーを表面の凹凸部分へと運び込みます。増粘剤やレオロジー調整剤は流動性を制御するのに役立ち、一方、添加剤は酸化安定性、耐食性、濡れ性、および取り扱い性に影響を与える可能性があります。ある成分を変更すると、それに伴って他のいくつかの特性も変化する可能性があります。.

公開された サーマルグリース パラメータ 連結された集合として扱われるべきである。フィラーの充填量を増やすと導電率は向上するかもしれないが、粘度の上昇、濡れ性の低下、あるいは自動ディスペンスの複雑化を招く可能性もある。バランスの取れたコンパウンドは、フタを締め付けた状態では、データシート上の見栄えの良い数値をも凌駕することがある。.

シリコーンフリーイコール低揮発性というわけではない

シリコーンフリーは化学的な制限であり、普遍的な信頼性の主張ではありません。エンジニアには依然として、質量減少、油分分離、基材適合性、および長期的な熱性能に関するデータが必要です。密閉された光学系、真空系、またはセンサーシステムにおいては、以下を評価してください。 熱伝導グリスのガス放出性能 実際の清浄度要件に対して.

ヘッドラインの定格よりも重要な、5つの高温故障モード

高温用グリースは、単一の明確な温度限界というよりも、材料や界面の緩やかな変化によって劣化することが通常です。グリースが物理的に存在したままであっても、ポンプアウト、ドライアウト、オイルブリード、レオロジー変化、化学的非相容性はいずれも抵抗を増大させる可能性があります。適格性評価では、それぞれのメカニズムに対して異なる設計や配合の対応が必要となるため、これらのメカニズムを区別すべきです。.

1. 熱サイクル中のポンプアウト

ポンプアウトとは、アクティブな接触領域からグリースが移動する現象です。繰り返しの膨張と収縮、圧力の変化、大きな温度変動、および不十分な界面の平面度により、コンパウンドが端に向かって押し出されることがあります。その結果、中央部に薄い部分や空隙が生じ、ホットスポットの温度が上昇します。.

の詳しいガイド サーマルグリースの熱サイクルによるポンプアウト メカニズムについてはさらに詳しく説明します。高温プロジェクトにおいては、高粘度だけですべてが解決すると過信せず、計画されたサイクル数の経過後に網羅性を検証してください。.

2. 乾燥と揮発成分の損失

ドライアウトは、キャリア相が蒸発、移動、または隣接する多孔質材料への吸収によって枯渇するときに発生します。残されたフィラーリッチな構造は、硬化したり、ひび割れたり、密着性を失ったりすることがあります。持続的な熱はこのプロセスを加速させる可能性がありますが、その速度は化学的性質、接着層、曝露状況、および周囲の材料によって大きく左右されます。.

問題は、ペーストが最終的に変化するかどうかではありません。変化が、要求される耐用期間を通じて許容範囲内にとどまるかどうかです。これについては、別の説明を参照してください。 サーマルペーストが乾燥する理由 使用中エージングと保管不良の違いについて.

3. オイルブリードおよびフィラー分離

小さな濡れハロは必ずしも致命的ではない。しかし、激しい分離は別である。キャリア液が充填領域から流出し、局所的な組成を変化させ、近接する接点、コーティング、または光学系を汚染する可能性がある。試験中には、移動した液体の量と移動先の両方を記録すること。.

4. 熱酸化硬化または軟化

熱や酸素は、キャリアや増粘剤のネットワークに変化をもたらす可能性があります。材料によっては硬化して変形しなくなるものもあれば、凝集力を失ってたれ下がるものもあります。どちらの傾向も問題となる可能性があります。エージング後の室温での粘度測定は有用な手がかりとなりますが、界面の検査や熱試験と併せて実施する必要があります。.

5. 腐食、汚染、または電気的リスク

高温耐性には、銅、アルミニウム、ニッケルメッキ、セラミックス、コーティング、界面周辺のエラストマーおよびプラスチックが含まれます。導電性フィラーは、グリースが活電回路に達した場合に、さらなるリスクを引き起こす可能性があります。RoHSやREACHの文書を、腐食、絶縁、または用途固有の適合性試験の代わりとして使用しないでください。これらは異なる疑問に答えるものです。.

高温用サーマルグリスの購入前に比較すべき仕様

テスト条件は、値と同様に慎重に比較しなければならない。保持時間のない温度範囲、試験方法のない導電率の数値、あるいは接着層の厚さと圧力のないインピーダンスの結果は不完全である。最も役立つサプライヤーのデータは、エンジニアが界面を再現し、熱的および環境的経年変化の後に性能がどの程度変化するかを理解できるようにするものである。.

平坦で固定された接触面において、, 低熱抵抗グリス 意図した塗布厚さで評価されなければならない。40 µmの適度な熱伝導率を持つグリースは、硬すぎて広がらないために150 µmのままとなる高熱伝導材料よりも優れた性能を発揮する場合がある。.

高温電子機器用途へのサーマルグリースの適合

用途のラベルは有用な出発点にはなりますが、材料仕様ではありません。車載インバータと産業用ドライブは、同様のパワーモジュールを使用している場合もありますが、サイクル数、湿度、振動、メンテナンス計画は異なります。グリースは、各デバイスの実際の積層構造、クランプシステム、温度プロファイル、および周囲の材料に合わせて選定してください。.

IGBTおよびMOSFETパワーモジュール

グリースは通常、モジュールベースプレートと、空冷または液冷式の表面の間に塗布されます。重要な変数には、ベースプレートの反り、コールドプレートの平坦度、ネジのパターン、取付圧力、および塗布可能面積が含まれます。 パワーエレクトロニクスにおけるTIMに関するNRELの研究 インターフェース層の熱抵抗がパワーモジュールの温度に重大な影響を与える理由を示している。.

SiCおよびGaNパワーエレクトロニクス

ワイドバンドギャップデバイスは過酷な接合条件に対応できるが、パッケージの残りの部分には依然として限界がある。ベースプレートのんだん（はんだ）、封止材、端子、センサー、冷却ハードウェアは、ダイがSiCであるという理由だけで無敵になるわけではない。グリース界面温度を独立して定義し、経年劣化後の接触を確認せよ。.

車載用インバーター、充電器、および制御ユニット

自動車用ハードウェアは、コールドスタート、高負荷、振動、湿度、そして長期にわたる適合サイクルを組み合わせたものです。適切なコンパウンドは、生産量に応じた印刷またはディスペンスが可能であり、かつ実装公差範囲全体にわたって安定していなければなりません。完全に平坦な実験室用テストピースを1つ試験するだけでは不十分です。.

産業用電源、モータードライブ、ヒーター

これらのアセンブリは、通気性が限られたほこりの多いキャビネット内で、長時間高温の状態が続くことがあります。連続稼働時間、垂直実装、および保守用アクセスの確保が選定の決め手となります。また、非常に安定している一方で除去が難しいコンパウンドは修理上の問題を引き起こす可能性もあるため、保守性についても設計要件に含める必要があります。.

高出力LED、RFアンプ、および通信ハードウェア

LEDやRFデバイスは、比較的小さな接合部において集中した熱を発生させます。屋外用通信機器には、さらに密閉型筐体、日射による熱負荷、気候の変動が加わります。また、光学アセンブリにおいては、シリコーンや揮発性物質に関する制限が課される場合もあります。グリスは、高温になる部品だけでなく、その周辺環境にも適合しなければなりません。.

量産時におけるボンディングラインの厚みと塗布方法の制御方法

熱安定性の高いグリースであっても、塗布量、塗布範囲、あるいは締め付け圧力が変動すれば、機能しなくなる可能性があります。製造プロセスにおいては、中心部を枯渇させたり、空気を巻き込んだり、周囲の部品にあふれさせたりすることなく、再現性のある薄い膜を形成する必要があります。つまり、図面、塗布プログラム、締結順序、および検査方法は、すべて熱的仕様の一部なのです。.

ジオメトリーに応じた適用方法を選択する

• シリンジまたは自動ディスペンス スーツはドット、ライン、プログラムされたパターンに合っていますが、ボリュームとビーズの配置は確認が必要です。.
• ステンシル印刷 モジュールベースプレート上の被覆率と堆積厚さを制御できます。.
• シルクスクリーン印刷 レオロジーとメッシュが適合している場合、量産に対応可能です。.
• ローラーまたは手動塗布 プロトタイプには使えるかもしれないが、オペレーターの制御に大きく依存する。.
• サプライヤー事前申請 出荷時の保護と組み立ての条件を定義すれば、取り扱いのばらつきを減らすことができる。.

ハクタックの概要 サーマルグリスの塗り方 これらのプロセスの比較をお手伝いします。どのような方法を使用する場合でも、湿潤状態の堆積物だけでなく、最終的な圧縮層を制御してください。.

組み立てられたインターフェースを確認してください

管理された解体調査は、最もシンプルな診断ツールの1つです。代表的なサンプルを分離し、現れたパターンを検査します。乾燥部、大きな空隙、不均一なはみ出し、端部の欠損、および異物混入がないかを確認します。測定する 結合線の厚さが熱性能に与える影響 実際のファスナーの締め付けトルクまたはクランプ荷重の下で.

量産に向けて、材料ロッドの追跡性、ディスペンス重量の確認、メタルマスクの検査、トルク記録を追加します。これらの管理項目は平凡に聞こえるかもしれませんが、数千個ものインターフェースで均一な動作が求められる場合には、平凡であることがむしろ好ましいのです。.

高温用途におけるサーマルグリスの検証方法

エージング前後の実スタックアップまたは代表スタックアップ内の材料を検証します。初期の導電率データでは、ポンピングアウト、ドライアウト、腐食、または圧力依存の接触損失を明らかにすることはできません。有用なプログラムでは、ベースラインの熱的および物理的状態を記録し、予想される応力を加えた後、事前定義された合否判定基準を使用して同じ測定を繰り返します。.

基準を設定する

材料ロッド、堆積量、圧縮ボンドライン、表面処理、締結部品のトルク、および接合面積を記録する。制御された電力の下で、ケース対ヒートシンク間の温度または熱抵抗を測定する。指定されたサンプル上のウィットネスパターンを撮影し、絶縁が重要な場所では電気的特性を測定する。.

材料組織解析において、, ASTM D5470 グリースやペーストを含むTIMクラスの定常熱インピーダンス測定を対象としています。この規格の理想的なテストは実際のすべての組み立てを再現するわけではないため、実験室データとデバイスレベルのテストを組み合わせてください。.

適切な経年劣化ストレスを印加する

• 意図された界面条件での高温保管または通電保持
• 現実的なランプおよびドウェルを伴う温度サイクルまたはパワーサイクル
• 該当する場合、湿度または結露への曝露
• モバイルまたは産業用機器における振動および機械的衝撃
• 重力がマイグレーションに影響を与える可能性がある場合は、垂直または反転の向きにします。
• 真空、光学または密閉システムのためのアウトガス試験

テストの順序は重要である。湿度に続いて熱を加えた場合の結果は、熱に続いて湿度を加えた場合の結果とは異なる可能性がある。現場の環境が複数のストレスを組み合わせたものである場合は、リスクがそれを正当化するものであれば、複合曝露または逐次曝露を含めること。.

変更を測定する

同一の電力および境界条件の下で、熱抵抗またはケース・ツー・シンク間の温度を測定する。質量、塗布面積、ボンドライン、硬度または流動性、エッジマイグレーション、腐食、電気絶縁性を比較する。合否判定基準としては、熱抵抗の増加や目視による塗布面積の減少を一定の範囲内に抑えつつ、腐食や安全上の問題となる絶縁性の変化を禁止することが挙げられる。.

ガイドを使用して 一般的なTIM試験規格 より広い計画を構築するために。規格は一貫性を向上させますが、最終的な受入限界は依然として製品設計に属します。.

サーマルグリースが最も優れた高温用TIMではない場合

グリースは、薄く、クランプされ、再作業可能な界面に対して有力な選択肢ですが、万能なギャップフィラーではありません。隙間が大きいか変動する場合、塗布厚を制御できない場合、マイグレーションが許容されない場合、取り扱いをよりクリーンにする必要がある場合、あるいは冷却部品が構造的な固定も兼ねる必要がある場合は、別のTIMを検討してください。.

の比較 相変化材料対サーマルペースト ポンプアウト制御や工場での事前塗布が重要である場合、有用な次のステップとなります。きれいに塗布できることだけを理由にフォーマットを変更しないでください。圧力、活性化温度、リワーク性、および経年耐性については、依然として確認が必要です。.

サーマルグリスのサプライヤーに送信する情報

サプライヤーが有益な提案を行えるのは、実際のインターフェースや使用条件が判明している場合のみです。「200℃用に8 W/mKのペーストが必要だ」と送るだけでは、その材料が実際に機能するかどうかを決定づける形状、圧力、曝露時間、電気的制約が抜け落ちてしまいます。簡単な技術要件の概要があれば、何度も推測を繰り返す手間を省くことができます。.

含める:

• 熱源、パッケージタイプ、冷却方式
• 基板および冷却面材料
• 接合面の寸法、粗さ、平面度および図面
• 最小、公称、および最大の圧縮接着層厚さ
• 締め付け力、ねじのパターン、トルク
• 継続的、ピーク時、および周期的界面温度
• サイクル数、ランプレート、保持時間、耐用年数
• 電力、熱流束、および許容ケース温度または接合温度
• 電圧、接地および絶縁耐力要件
• 方位、振動、湿度、大気、および汚染の制御
• シリコーン、ガス放出、または制限物質要件
• 吐出または印刷方式、製造速度、パッケージの希望
• 適格性確認テストと受入基準

ハクタックの 材料選定および試験サポート 候補者スクリーニング、応募トライアル、および採用プランへの落とし込みにご協力いただけますか？重要管理点が明確になるまではサンプルの請求をお控えください。そうしないと、候補者ごとに仕事内容の解釈が微妙に異なってしまいます。.

結論

高温エレクトロニクス向けの最高のサーマルグリスとは、単に耐熱温度や熱伝導率が最も高い製品のことではありません。必要なボンドラインに達し、実際の表面を濡らし、接触面の内側にとどまり、意図された熱、サイクル、環境への曝露後も許容可能な熱的および電気的性能を維持する材料のことです。.

まず界面温度プロファイルから始めます。次に、化学的特性、レオロジー、熱インピーダンス、揮発性、電気的挙動、およびアプリケーション制御を比較します。最後に、組み立てられたスタックの経年変化前後の検証を行います。その手順は、最大のW/mK数値を選ぶことほど華やかではありませんが、信頼性の高いハードウェアがどのように構築されるかという現実には遥かに近いものです。.

よくあるご質問

高耐熱サーマルグリースはどのくらいの温度に耐えられますか？

普遍的な限界はありません。市販品は約150°Cから200°Cを大きく超える範囲で定格が設定されている場合があり、一方、特殊なコンパウンドではさらに高い範囲を謳うこともあります。値が連続的なものか短時間のものかを確認し、実際の製品については、期間、雰囲気、接着層、およびエージング後の性能を確認してください。.

最高使用温度は連続使用温度と同じですか？

必ずしもそうとは限りません。最大値は、一時的な急上昇や、即座の損傷が観察されなかった境界を示している場合があります。継続的な使用には、意図された滞留時間および寿命の間、熱的、物理的、電気的特性が許容範囲内に維持されるという実証が必要です。.

サーマルグリスは高温の環境ではより早く乾燥しますか？

持続的な高温は揮発成分の損失、キャリアの移動、化学的経年劣化を加速させる可能性がありますが、その速度は配合、接着層、周辺材料、および雰囲気によって異なります。熱サイクルは、平均温度が適度であっても、ポンプアウトを増加させる可能性があります。.

熱サイクル中にサーマルグリスがポンプアウト現象を起こすのはなぜですか？

積層内の異なる材料はそれぞれ異なる量で膨張および収縮します。繰り返される動きと圧力の変化により、グリースが接合部の端に向かって押し出されることがあります。平坦度、クランプの設計、粘度、温度変動、およびサイクル数がすべて結果に影響を与えます。.

高温の電子機器には、シリコーン系とノンシリコーン系のどちらのグリースが良いですか？

どちらの系が常に優れているということはありません。シリコーン系は多くの場合、幅広い温度耐性を提供します。非シリコーン系は、シロキサン、光学系、コーティング、または接触に関する制限がある用途に適しています。特定の配合について、経年劣化後の熱性能、移行性、揮発性、および適合性を比較してください。.

サーマルグリスは200℃を超える温度で使用できますか？

いくつかの特殊製品は200°Cを超える環境での使用を想定して設計されていますが、サプライヤーの温度範囲については、曝露時間およびアセンブリ全体との関係で検証されなければなりません。そのような条件下では、キャリアの安定性、酸化、アウトガス、腐食、および近接するポリマーの限界が特に重要になります。.

熱伝導率が高いほど常にデバイスの温度が低くなるとは限りますか？

いいえ。最終的な温度は、接着ラインの厚さ、接触抵抗、塗布面積、圧力、熱拡散、冷却システムにも依存します。薄く均一な層状にした低熱伝導率のグリスは、厚くなりすぎてしまう硬めの高熱伝導率コンパウンドよりも優れた性能を発揮することがあります。.

サーマルグリスの接着層（ボンドライン）はどれくらい薄くするべきですか？

バルク抵抗を最小限に抑えつつ、表面の粗さや平坦度のバラつきを埋められる薄さでなければならない。適切な値は、両表面、圧力、およびグリースの流動性（レオロジー）の両方によって決まる。一律の厚さを使用するのではなく、圧縮されたボンドラインを指定して測定すること。.

高温劣化後のサーマルグリースはどのようにテストしますか？

基準となる熱抵抗またはケース-ヒートシンク間の温度、接着層の厚み（ボンドライン）、および物理的状態を測定します。必要な保持時間、温度サイクル、および環境ストレスを加えてから、同じ測定を繰り返します。定義済みの制限値を使用して、塗布状態、端部からの移動、硬化、ブリード、腐食、および電気絶縁性を検査します。.

サーマルグリスは、いつ相変化素材（PCM）やサーマルパッドに交換すべきですか？

インターフェースの隙間が大きすぎる場合、塗布厚の制御が難しい場合、度重なる移行が許容されない場合、またはクリーンなプレフォームの取り扱いが重要な場合には、代替案を検討してください。フォーマットを変更する前に、実際の圧力、温度、および経年状態で代替案を比較してください。.