サーマルパティとは何か？エンジニアのための完全ガイド

サーマルパテは、電子部品と冷却面の間の測定可能な隙間を埋めるために使用される、柔らかく熱伝導性の高い材料です。凹凸のある高さに合わせて形状を変え、断熱性のある空気を押し出し、筐体、ヒートスプレッダー、またはヒートシンクへの熱伝導経路を作り出します。通常のペーストとは異なり、より厚い接触面でも効果を維持できます。また、固定式のパッドとは異なり、局所的な形状に適応することができます。.

1つのクーラーの下にあるGPUボードを想像してみてください。メモリパッケージとパワーステージの高さは、まったく同じではありません。ペーストは広い隙間に対して薄すぎますが、パッドは何種類もの厚さが必要になる場合があります。パテは、ちょうどよい量の柔らかい充填材として機能します。.

その最後の部分が重要である。「サーマルパティ（熱伝導パティ）」は、厳密に標準化された製品名ではない。あるサプライヤーは修理用の手で成形可能な化合物のことを指しているかもしれない。別のサプライヤーは、シリンジやカートリッジで供給される非硬化型の一液性材料を意味しているかもしれない。3番目のサプライヤーは、柔らかいパティ状のシートを販売しているかもしれない。エンジニアは依然として技術データシート（TDS）を読み込み、正確なグレードの適格性を確認する必要がある。.

サーマルパテとは何か、そしてそれが解決する課題は何か

サーマルパテは、硬いエラストマーパッドのような高い組立荷重を必要とせずに、不均一な隙間を埋めるように設計された、非常に追従性の高いサーマルインターフェースマテリアル（TIM）です。その主な役割は、熱源と冷却器の間の空気を置き換えることです。高さの異なる複数のコンポーネントが1つのハウジングやヒートスプレッダを共有する場合に特に役立ちます。.

エアギャップが問題を引き起こす理由

PCBはたわみ、パッケージの高さはさまざまであり、鋳造ハウジングには公差があります。その結果生じる隙間には空気が入り込み、熱の流れを妨げます。パテはこの隙間を埋めます。また、硬いパッドよりも負荷を穏やかに分散させることができますが、パッケージにかかる力については依然として確認が必要です。.

1つの名称、複数の製品形態

市場では、「パテ」、「ジェル」、「液体隙間充填剤」といった用語が、互いにかなり重なり合う形で使われています。実用的な技術的な定義は、ブランド名ではなく、その挙動に基づいて定めるのが適切です：

• 手で成形できるパテ 手作業で小分けされ、成形されます。修理、試作、少量生産において一般的です。.
• 使い切り型の非硬化パテ シリンジ、バケツ、またはカートリッジの形態で提供されます。手動または自動による制御された充填に適しています。.
• パテシート あらかじめ成形された柔らかいシート状で届き、必要な形にカットすることができます。.
• 隙間充填材の硬化 当初は不要な材料として扱われますが、塗布後に架橋反応を起こします。パテというよりは、ゲルや液体フィラーと呼ぶほうが適切でしょう。.

ハクタックの概要 サーマルギャップフィラーの分類方法 より全体像を把握できます。製品およびカスタマイズオプションについては、 熱可塑性パテの製品ラインナップ.

サーマルパテは、それ自体では自動的に接着性や電気絶縁性を持ち、再利用もできません。これらの特性は、配合や組み立て方法によって決まります。.

サーマルパテは何でできているのですか？

ほとんどの熱伝導パテは、柔らかいポリマーマトリックスと、高濃度の熱伝導性粒子を組み合わせたものです。マトリックスは、柔軟性、濡れ性、安定性を制御します。充填剤は、層内に熱伝導経路を形成します。添加剤は、塗布性、形状保持性、滲み出し抵抗性、および経年変化を調整します。配合の詳細によって、製品がクリーミーな感触か、粘土のような感触か、あるいは柔らかいジェルに近い感触になるかが決まります。.

多くの製品でシリコーンが使用されているのは、実用温度範囲にわたって柔軟性を維持し、多量の充填剤を配合できるためです。シロキサンによる汚染、光学的な曇り、コーティングの密着性、あるいは顧客の方針などの理由からシリコーンの使用が望ましくない場合には、シリコーンを含まないシステムも利用可能です。マトリックスは以下の点に影響を与えます：

• 柔らかさと圧縮特性；;
• 濡れ性と形状保持性；;
• オイルの滲み出しおよび表面の残留物；;
• ガス放出と温度安定性;
• リメイクと整理;
• ガスケット、プラスチック、およびコーティングとの適合性。.

酸化アルミニウムや窒化ホウ素などの電気絶縁性セラミックスは、一般的な充填剤です。粒子のサイズ、形状、および充填量は、熱伝導とディスペンシングの両方に影響を与えます。充填剤の量を増やすと導電率は向上しますが、粘度が高くなったり、柔らかさが低下したりする可能性もあります。 濡れたセメントに砂利を加えることを想像してみてください。固体のネットワークが変化するだけでなく、混合物の動き方も変わります。.

レオロジー調整剤、湿潤剤、安定剤は、ビード形状、密着性、ブリード、経時変化を制御します。そのため、同じW/mKを持つ2つのパテでも、挙動が異なることがあります。あるものは塗布は容易ですが、垂直面では垂れ下がってしまう場合があります。 もう一方は、所定の位置に留まるものの、より高い圧力を必要とする場合があります。「シリコーンフリー」という表示は、低アウトガス性や完璧な清浄性を保証するものではありません。これらの特性については、別途データが必要です。.

サーマルパテはどのように熱を伝達するのでしょうか？

サーマルパテは、高温の部品と冷却面の両方に接触する、充填剤を多く含む材料で空気を置き換えることで熱を伝達します。組み立ての際、所定の量が変形して、空いている隙間に広がります。良好な接触により、界面抵抗が低減されます。また、最終的な接着層が薄くなることで、材料内を熱が伝わる距離も短くなります。.

作業の流れは簡単です：

1. 所定の大きさのビード、ドット、またはプリフォームを熱源の上に置きます。.
2. ハウジングまたはヒートスプレッダーがアセンブリを密閉します。.
3. パテは、残りの空間が埋まるまで広がっていきます。.
4. 空気は、通じている経路を通って漏れ出ます。.
5. 最終的な形状は、幾何学的形状と材料のレオロジーによって決定されます。.

最終的な厚さは、元のビードの高さとは異なります

塗布されたパテの高さは、当初数ミリメートル程度から始まる場合があります。閉鎖後、その最終的な接着線の厚さは、部品とカバー間の実際の隙間、ハードストップ、基板のたわみ、ファスナーの取り付け順序、およびパテの流動抵抗によって決まります。.

最終層の厚さが厚すぎると、抵抗値が上昇します。材料が少なすぎると、空隙が残ります。参照 ボンドラインの厚さが熱性能に与える影響 このトレードオフの背後にある幾何学的仕組みについて。.

W/mKという単位だけでは、最終的な温度を予測することはできません

体積熱伝導率は、所定の試験条件下における材料を通る熱流を表します。実際の界面では、両表面に接触抵抗が生じます。また、面積や厚さの影響も含まれます。.

概念的には：

全界面抵抗 ＝ 材料層の抵抗 ＋ 両境界における接触抵抗

高導電性パテは、厚みが残ったり密着性が悪かったりすると、期待外れに終わることがあります。カタログ番号の低い柔らかめのグレードの方が、特定のスタックではより低温で動作する可能性があります。読んでください 完成したインターフェースにおいて熱インピーダンスが重要である理由 背景情報については.

サーマルパット vs サーマルパッド、ペースト、ゲル

サーマルパテは、測定可能で不規則な隙間や高さが混在する隙間に最適です。サーマルグリスは、薄く強固にクランプされた接合面を想定して設計されています。サーマルパッドは、隙間と圧縮率が再現可能な場合に便利です。ディスペンス用ゲルはパテと用途が重なり、硬化型ギャップフィラーは塗布後に形状安定性を持ちます。適切な選択は、製品名ではなく、形状とプロセスから始まります。.

パテがパッドの代わりになる場合

パティ状材料は、1つのヒートシンクが複数の部品の高さをまたぐ場合や、多数のパッドの厚みを管理することで組み立てミスが発生してしまう場合に魅力的です。また、金型抜き加工よりも形状の変化が早い試作段階においても役立ちます。.

代替品のテストはまだ必要です。パッドには既知の厚みと圧縮特性がありますが、パテは体積、流動性、および封じ込め状態に依存します。参照： パティとパッドの不規則な隙間における挙動 より詳細な比較のために。.

なぜパテは普通のペーストではないのか

Paste is intended to wet two surfaces separated by a very thin bond line. It is a poor bridge across a large open gap. Putty contains a structure that supports a much thicker fill, but that same structure may make it unsuitable for a bare CPU or GPU die.

製品メーカーが対応している場合に限り、ダイに直接パテを使用してください。それ以外の場合、厚くなりすぎたり、ダイに不適切な荷重がかかったりする可能性があります。両者の違いを確認してください サーマルパテとサーマルグリス その交換を行う前に。.

Putty, one-part gel and curing material

非硬化パテは通常、柔らかい状態を保ち、再作業が可能です。A single-component dispensable thermal gel 同様の挙動を示す場合がありますが、サプライヤーによって名称の使い方が異なります。A 後硬化型サーマルゲルシステム 配置後の変化を抑え、より高い形状保持性を実現できます。.

硬化メカニズムは、保管、設備、リワークに影響します。材料が化学的に硬化するのか、それとも軟らかいままなのかを確認してください。ラベルについて議論するより、そのほうが明確です。.

サーマルパテで最も重要な特性は何ですか？

The important properties fall into four groups: thermal performance, mechanical and rheological behavior, electrical and chemical compatibility, and production control. Engineers should compare them at the intended gap, temperature and orientation. A product with excellent conductivity can still fail because it slumps, overloads a package or cannot be dispensed repeatably.

まず、発熱量、冷却境界条件、目標温度を確認します。次に、試験条件を併記した熱伝導率、熱インピーダンス、厚み依存データを確認します。パテは加熱されると軟化することがあります。これにより濡れ性は向上する一方、形状保持性が低下する可能性があるため、向きが重要になります。.

Rheology describes how the material moves under force and recovers after dispensing:

• 降伏応力： 材料が流動し始めるために必要な応力。.
• チキソトロピー: せん断中は一時的に粘度が低下し、吐出後に回復します.
• 耐スランプ性： 重力および熱の影響下で位置を保持する能力。.
• 圧縮特性： 変形と荷重の関係。.
• 応力緩和: アセンブリを閉じた状態で、力がどのように変化するか。.

材料は選定したバルブを通過し、ビード形状を保持した後、PCBを曲げることなく追従する必要があります。対象グレードの絶縁耐力と体積抵抗率を確認してください。ブリード、アウトガス、腐食適合性についても確認してください。絶縁性パテでも、コネクタや光学面を汚染する可能性があります。.

生産工程では、カートリッジサイズ、吐出量の再現性、保存期間、保管、清掃、検査、変更管理も判断材料に加わります。.

サーマルパテはどこで使用されますか？

サーマルパテは、電子機器内の共通冷却面の下に凹凸のある発熱源がある箇所で使用されます。一般的な例として、GPUメモリおよび電圧レギュレータ、サーバーボード、通信無線機、自動車用制御ユニット、バッテリー電子機器、電源装置、産業用コントローラなどがあります。これらの業界では形状は類似していますが、信頼性および清浄度の要件は大きく異なる場合があります。.

GPU、サーバーおよびネットワーク機器

VRAM, VRM components and controllers often sit at different heights beneath one cooler. Putty can bridge those gaps without stocking many pad thicknesses. Server boards use the same idea for memory, network controllers and power stages, but production usually needs automated dispensing and inspection. Putty around memory does not mean the same grade belongs on a bare GPU die.

通信、車載および産業用システム

RFパワーアンプ、ASIC、コンバータは、密閉型の通信機器筐体へ熱を伝達します。車載コントローラ、ADASモジュール、バッテリー電子機器でも、同様に金属筐体が使用されます。屋外機器や車両用途では、振動、湿度、広い温度サイクル、垂直方向の設置が加わります。電源、ドライブ、LEDコントローラでは、絶縁要件や現場でのリワーク要件が追加される場合があります。.

電子機器アセンブリ用放熱パテの選定方法

放熱パテは、熱経路全体を把握し、ギャップ公差全体を測定し、機械的および電気的な制約を設定したうえで、生産方法に適合するものを選定します。次に、実際のアセンブリでサンプルを比較します。カタログによる候補の絞り込みは有用ですが、最終的な判断はデータシートの単一の数値ではなく、熱・機械スタック全体に基づいて行います。.

1. 熱経路を把握する

熱源、インターフェース面積、最終放熱面を特定します。通常電力とピーク電力を記録し、許容可能な部品温度と試験境界を定義します。.

2. 公差スタック全体を測定する

基板、パッケージ、筐体、締結部品の公差を考慮した後の最小、基準、最大ギャップを記録します。最小ギャップでは、余剰材料が安全に逃げられなければなりません。最大ギャップでは、接触を維持する必要があります。.

3. 機械的限界を設定する

パッケージにかかる許容荷重、はんだ接合部、支持されていないPCB領域、ハードストップを確認します。指で柔らかく感じても、大容量の材料に流れ込む場所がなければ、低い荷重になるとは限りません。.

4. 使用環境を定義する

使用温度、湿度、薬品、振動、向き、デューティサイクルを列挙します。デスクトップ機器、自動車、屋外無線機における同様の隙間でも、必要な経時劣化の検証データは異なります。.

5. 生産工程に適合させる

塗布量とアクセス性に基づき、手作業での塗布、シリンジ、カートリッジ、または自動ディスペンスを選択します。サイクルタイム、ビード形状、検査、清掃を定義します。混合、硬化、保管に関する要件を確認します。.

6. 絞り込んだ候補を試験する

形状、取り付け、電力条件を一定に保つ。複数のサンプルについて、温度、被覆範囲、締結力、経時挙動を比較する。少し退屈なのは、そうだろう。だが、発売後にマイグレーションを発見するより安上がりである。.

サーマルパテはどの程度塗布すべきか？

最大想定界面容積を満たし、接触を維持できる量のサーマルパテを塗布する。ただし、材料によって過大な力が発生したり、影響を受けやすい立入禁止領域に達したりするほど多く塗布してはならない。まず、面積に目標充填厚さを乗じ、管理された公差分を加える。その結果を重量、被覆範囲、組立試験で検証する。.

単純な界面では、面積にギャップを乗じた値が初期容積の目安となる。公差と吐出ばらつきを考慮して、管理された余裕分を加える。「安全のために大きな塊を置く」ことは避ける。余分な材料は横方向に逃げるか、アセンブリに反力を与える必要がある。.

小面積には中央のドット塗布が適する場合があります。大きな形状には、線状、格子状、または形状に合わせたビード塗布が適する場合があります。空気を逃がし、コネクタ、光学部品、通気口、電気的クリアランスから材料の流れを離してください。試作時の吐出量は質量で管理できます。量産では、体積、圧力、ニードル、速度、材料温度を管理してください。.

開発中は、複数のサンプルを分解して、塗布範囲、ボイド、はみ出しを確認してください。規定した締結順序で熱試験を繰り返し、必要に応じて基板のたわみまたはパッケージ荷重を測定してください。PCBが曲がるのであれば、温度が低下しても成功とはいえません。.

サーマルパテ塗布でよくあるミス

サーマルパテの問題の多くは、材料を制御されていない軟質フィラーとして扱うことから始まります。よくあるミスは、熱伝導率だけで選定すること、別の製品のギャップ範囲をそのまま適用すること、任意の量を塗布すること、重力の影響を無視すること、経時試験を省略することです。初期の温度測定値が許容範囲に見えても、それぞれのミスによってインターフェースの異なる部分が損なわれます。.

1. W/mKだけで選定する。. 実装後の厚さと接触状態が、カタログ上の差異を上回る影響を及ぼすことがあります。.
2. 競合他社のギャップ対応範囲をそのまま踏襲する。. ギャップ対応能力は製品およびアセンブリ固有です。.
3. 承認を得ずにダイへ直接パテを使用する。. 厚い材料は、その薄いインターフェースには不適切な場合があります。.
4. 塗布量が多すぎる。. 余分な材料がパッケージに応力をかけたり、禁止領域にはみ出したりする可能性があります。.
5. 塗布量が少なすぎる。. ボイドや塗布不足の隅がホットスポットになります。.
6. 垂直方向を考慮しない。. ベンチ上では形状を保持していても、実使用時には垂れることがある。.
7. 残留物や異なるブランドを混合すること。. 化学的適合性とレオロジーが不明になる。.
8. 電気絶縁性であることを、汚染しても安全だとみなすこと。. コネクタや光学面も汚染される可能性がある。.
9. かく乱された材料の再使用。. 塗布範囲と清浄度を制御できなくなります。.
10. 初回試験のみを承認します. サイクル後にポンプ-アウト,ブリードまたは硬化が発生する場合があります.

新品のGPUクーラーは全面を覆っているように見えても、熱サイクルによってパテがVRMからずれると後になって不具合が生じる可能性があります. 最初の鮮明な転写跡だけでは状況の半分しか分かりません.

サーマルパテの故障モードとトラブルシューティング

サーマルパテは移動, 分離, 硬化, ひび割れまたはアセンブリに荷重を与えることで不具合を起こすことがあります. 診断はまず次の状態変化から開始します: 温度上昇, 目視可能な移動, 油状残留物, 基板のたわみまたは不完全な接触. 次に不具合品を当初の塗布量, ギャップ, 設置方向および環境履歴と照合します.

熱、重力、振動によってパテが垂れることがあります。熱サイクルにより、基板と筐体が異なる動きをすることで、材料がポンプアウトする場合があります。オイルブリードは周辺表面を汚染するおそれがあり、乾燥すると接触性が低下します。材料を過剰に塗布すると、はみ出しや高い締結力の原因となります。加熱、湿度負荷、サイクル試験後に、これらの状態を確認してください。.

サーマルパテはどのように試験・認定すべきか？

材料データを用いてサーマルパテをスクリーニングした後、選定した候補を実際のアセンブリで検証します。包括的な評価計画では、熱性能、機械的負荷、電気的安全性、塗布の安定性、環境劣化を確認します。単一のクーポン試験だけでは、完成品の形状、動き、汚染リスク、冷却条件を再現できません。.

材料レベルおよびアセンブリ試験

試験条件を添付したうえで、熱伝導率および熱抵抗を確認してください。レオロジー、温度範囲、電気特性データ、保存期間、エージング結果を追加してください。治具や試験片の説明がない数値をそのまま受け入れず、測定方法を確認してください。.

公式の ASTM D5470 試験方法 TIMsの熱伝達特性を評価するために広く使用されています。管理された条件下での比較に有用です。熱経路の残りの部分がなければ、製品全体の温度を予測するものではありません。.

既知の電力、周囲条件、冷却設定を使用します。安定化後、該当するジャンクション温度、ケース温度、または部品温度を測定します。複数のサンプルを試験し、組立ておよびディスペンスのばらつきを明らかにします。.

各候補材料を同じ条件で予備処理してください。材料が初回の加熱サイクル中に沈降する場合は、結果を比較する前にその工程を定義してください。.

可能な場合は、閉鎖力、PCBのたわみ、およびパッケージ荷重を測定します。ディスペンサーが生産サイクル全体を通じて必要なショット量範囲を保持できることを確認します。塗布状態と塗布禁止領域の管理を確認します。.

リワーク試験も実施してください。性能が良好でも、安全に除去または再充填できない材料は、保守可能なアセンブリには適さない場合があります。.

環境信頼性

試験プロファイルには製品特性を反映させる必要があります. 熱サイクル, 高温-保管, 湿度, 振動および垂直状態でのエージングを含める場合があります. 暴露後に検査し, 再試験を実施してください.

Different putty formulations can age differently under the same cycling profile. Results from one grade should not be stretched into a verdict on the entire material class. Compare candidates under the same fixture, gap and acceptance criteria.

メーカーの例として、, Laird Tputty 910 これは、要求の厳しい電子機器用途向けの一液型・非硬化型ディスペンス可能パテについて、サプライヤーがどのように文書化するかを示しています。熱伝導性および塗布性に関する記載は、その特定グレードに固有のものであり、すべてのサーマルパテに当てはまるものではありません。.

より広範な認定の枠組みについては、以下をご覧ください エンジニアが使用する一般的なTIM試験規格.

エンジニアが熱伝導パテのサプライヤーに確認すべき事項とは？

材料を実際の図面および工程に適合させるため、十分な情報を確認してください。少なくとも、硬化挙動、評価済みのギャップ範囲、熱試験条件、電気特性、高温時のレオロジー、保管条件、包装形態、規制適合性、ならびに経時変化に関するエビデンスを確認します。プロジェクト概要にW/mKの目標値だけでなく、形状、荷重、使用環境が含まれていれば、サプライヤーはより的確な材料を推奨できます。.

以下の調達チェックリストをご利用ください。

• 硬化挙動と試験済みギャップ範囲
• 熱試験時の厚さ、圧力および温度
• 絶縁耐力および体積抵抗率
• スランプ、ブリードおよび経時劣化に関する検証データ
• 包装形態および塗布装置への適合性
• 保存期間、保管およびリワーク手順
• RoHS, REACH, ロットトレーサビリティおよび変更管理

材料選定にあたり、図面、最小ギャップと最大ギャップ、熱負荷、目標温度、電圧、実装方向、環境プロファイル、生産方法、および予定数量をお送りください。Haktakでは、その概要に基づいて 材料選定および適用試験 量産への推奨判断を行う前に。.

結論

サーマルパテは高さのばらつきに追従して空気を置換し, 比較的小さな押圧力で熱を冷却体へ伝えます. 軟らかい質感から扱いやすく見えますが最終厚さ, 体積, レオロジー, 電気的挙動および経時劣化によって機能するかどうかが決まります.

図面と公差の積み上げから始めます。熱経路と荷重限界を定義します。安定して吐出できる材料を選定し、環境曝露の前後で実証します。こうして、軟質フィラーを信頼性の高いインターフェースに仕上げます。.

サーマルパテに関するよくあるご質問

サーマルパテは何に使用されますか？

熱伝導性パテは、電子部品と筐体または冷却器の間にある不均一な隙間を埋めます。代表的な用途には、GPUメモリ、VRM部品、通信機器用無線機、サーバーボード、自動車用コントローラ、電源装置があります。.

サーマルパテはサーマルペーストと同じものですか？

いいえ。ペーストは薄く、クランプで固定する界面に適しています。パテはより粘度が高く、ばらつきのある大きな隙間を埋めます。サプライヤーによって呼称が重複するため、記載された隙間範囲と製品の特性を確認してください。.

サーマルパテはサーマルパッドの代わりに使用できますか？

一部の段差混在インターフェースでは可能ですが、自動的にそうなるわけではありません。ギャップ範囲、荷重、絶縁性、ディスペンス性、経時変化を比較してください。厚みと圧縮量が予測可能な場合は、パッドのほうが適していることもあります。.

放熱パテは、CPUまたはGPUのダイに直接使用できますか？

正確なグレードがダイへの直接使用向けとして承認されている場合に限ります。裸ダイには通常、薄いTIMが必要です。一般的なギャップ充填用パテでは厚すぎるか、適用荷重が不適切になる可能性があります。.

放熱パテは電気を通しますか？

配合によって異なります。多くのグレードでは絶縁性セラミックフィラーが使用されていますが、名称だけでは判断できません。該当製品の絶縁破壊強度と体積抵抗率を確認してください。.

サーマルパテは乾燥したり、ポンプアウトしたりしますか？

配合によっては、サイクル中に硬化、ブリードまたは移行が生じる場合があります。結果は化学組成、ギャップ、温度、方向およびアセンブリの動きによって異なります。想定される環境プロファイルの実施後に試験してください。.

サーマルパテはどの程度の厚さまで塗布できますか？

指定製品の試験済み範囲を基準とし、アセンブリ時の最小ギャップから最大ギャップまでと照合してください。あらゆる用途に共通する厚さはありません; 厚い層では熱抵抗が増加し、安定性が低下する場合があります。.

サーマルパテはどのくらい使用すればよいですか？

まず面積に充填厚さを乗じ、次に管理された公差分を加算します。目分量で大量に盛り付けるのではなく、被覆状態、はみ出し量、圧締力を確認してください。.

サーマルパテは硬化しますか、それとも軟らかいままですか？

どちらも存在します。多くのパテは軟らかい状態のままですが、その他のギャップフィラーは塗布後に硬化します。選定前に、硬化メカニズム、作業可能時間、リワーク方法を確認してください。.

ヒートシンクを取り外した後、熱伝導パテは再使用できますか？

再使用しても安全だと決めつけないでください。開封すると、空気や汚れが入り、分布が不均一になります。サプライヤーのリワーク方法に従ってください。洗浄と補充が必要になることがよくあります。.