目次
ヒートスプレッダーの紹介と基礎知識
ヒートスプレッダーの分類と用途
ヒートスプレッダーは次のように分類される：
- 金属ヒートスプレッダー
- 相変化デバイス
- 熱転写コンポーネント
- ヒートパイプ
- ファン
- エンクロージャー
コンピューター・プロセッサー、モバイル機器、自動車用電子機器など、さまざまな用途で利用されている。
図1に示すように、高い熱伝導性、低い熱抵抗、大きな表面積、ヒートシンクの設計、熱界面材料（TIM）などがヒートスプレッダーの特性の一部である。
ヒートスプレッダーには、部品の損傷を防ぎ、性能を向上させ、電子部品から熱を放散させる機能があります。 様々な用途の電子機器において、ヒートスプレッダーを使用することで、熱問題を管理し、性能と寿命を向上させることができます。
ヒートスプレッダーは一般的に次のような用途に使用される：
- マイクロプロセッサーなどの集積部品を搭載した空冷回路。
- 集光型太陽光発電システムにおける太陽電池の冷却
- 高出力集積回路およびレーザーダイオード用サブマウント
- 高出力無線周波装置などの航空宇宙機器および衛星機器
- LED照明システム
- コンピューターとサーバーの高性能CPUとGPU
- 高出力レーザーダイオードとレーザー光学部品
- パワーエレクトロニクス部品
- 電気自動車はバッテリーシステムの温度を管理する必要がある。
これらのアプリケーションは、効果的な放熱がデバイスの最適な性能と信頼性に不可欠な様々な産業におけるヒートスプレッダの汎用性と重要性を示しています。
ヒートスプレッダーの測定方法と装置
TIMの熱測定方法は、一般的に定常状態と非定常状態（過渡状態）の方法に分けられる。
熱伝導率測定は、レーザーフラッシュ法とホットワイヤー法を用いて行うことができ、非定常測定である時間領域熱反射率法（TDTR）アドバンスドTIMは定常測定である。
定常法および過渡法、またはパルスレーザーヒーターは、セラミックスのヒートスプレッダーを含む材料の熱伝導率を測定するために使用される高度な技術です。
これらの方法には、その機能についての完全な説明がある。
LFA（ライト／レーザー・フラッシュ・アナライザー）, TFA（薄膜分析装置）, TF-LFA（薄膜レーザーフラッシュアナライザー）, 周期的レーザー加熱および TIMテスターは、ヒートスプレッダを含む材料の熱特性を評価するために使用される測定ツールです。
これらの測定器は、様々な材料の熱拡散率や熱伝導率を測定するために設計されており、電子機器やその他のアプリケーションにおける熱伝導や熱管理を理解する上で極めて重要である。
1.LFA (Light/Laser Flash Analyzer)：
LFA（クロスプレーン）法は、図2に示すように、平行な試料の片面を短パルスのエネルギー（レーザーまたは光）で加熱し、反対側の温度上昇を赤外線検出器で測定するという原理に基づいている。
熱拡散率は、温度上昇の時間依存性から計算され、熱伝導率は、熱拡散率、比熱容量、および質量密度の関係式を用いて決定されます。 試料の熱伝導率を計算するには、熱拡散率、比熱容量（Cp）、質量密度（ρ）を用います。
熱伝導率の式は次の通りである：
ここで、λは熱伝導率、αは熱拡散率、ρは質量密度、Cpは比熱容量である。
LFAは幅広い材料に使用でき、ASTM E1461、DIN EN 821、DIN 30905、ISO 8301、BS EN 1159-2、ASTM C714、ASTM C518などの国内および国際規格に基づいています。
2.TFA（薄膜分析装置）：
本装置は薄膜の熱的・電気的特性を測定するために設計された。 薄膜サンプルの熱伝導率と面内電気伝導率、ゼーベック係数とホール定数を同時に測定することができます。
3.TF-LFA (Thin Film Laser Flash Analyzer)：
TF-LFAは、標準的なLaserFlashの上級バージョンで、ポンププローブセットアップ（TDTR – Time-domain Thermoreflectance）を使用して、nmからµmの薄膜やコーティングの特性を評価します。 TF-LFAでは、高導電性バルク材料の特性評価も可能です。
PLH（周期的レーザー加熱）：
周期的レーザー加熱は、高エネルギー、短時間のレーザーパルスを使用して、材料を急速（面内）に選択的に加熱する。
このプロセスでは、レーザーパルスを試料表面に向けて照射し、衝突点で高エネルギー密度を発生させる。
このエネルギーは材料に吸収され、冷却前に特定の時間、表面層を再結晶温度以上に急速加熱する。
材料の物理的・化学的特性は、パルスレーザーによる急速で強い加熱によって変化する。 この過程で、結晶格子内で原子の移動が起こり、転位の数が減少し、材料の硬度と延性に影響を与える。
材料は、急速な水冷または緩慢な空冷によって再結晶し、加熱と冷却の速度は結晶相組成と粒径に影響を与え、最終的に材料の特性を決定する。
PLHは、ヒートスプレッダー用途を含む様々な用途で利用されている。 これらのシステムでは、パルスレーザー加熱により、特定の材料改質や表面処理を行います。
パルスレーザーの使用は、加熱プロセスの精密な制御を可能にし、半導体の選択的再結晶化、金属の溶接、工具鋼の場合焼入れ、光データ記憶媒体の相変化などの応用を可能にする。
このように、PLHは、ヒートスプレッダ用途を含む幅広い用途に精密かつ制御された加熱を提供することで、様々な産業および研究において重要な役割を果たしている。 さらに、時間分解研究を実施し、さまざまな分光学的手法と組み合わせることができるため、高温条件下での材料の挙動をより深く理解することができ、さまざまな用途におけるヒートスプレッダーの性能を最適化するのに役立ちます。
これらの技術により、ヒートスプレッダ用途でのパルスレーザー加熱時の温度分布の精密な制御が可能となり、加工材料の完全性を維持しながら、効率的かつ制御された加熱プロセスが実現します。
ヒートスプレッダーの熱伝導率に及ぼす充填材の影響
ヒートスプレッダーの熱抵抗は、使用する充填材によって大きく左右されます。
ヒートスプレッダーの熱伝導率は、その基材に充填材を加えることで向上させることができ、放熱効果を決定する上で極めて重要である。
ヒートスプレッダーの熱伝導性、熱安定性、および機械的特性は、充填材の選択によって影響を受けます。
- ダイヤモンドは熱伝導率を高める最も効果的なフィラーのひとつで、その熱伝導率は2000W/m・Kに達します。 その高い導電性により、ヒートスプレッダーの熱伝導率を大幅に向上させることができる。
- 窒化ホウ素（BN）の板状の形態は、粒子と粒子の相互作用を容易にし、熱伝導率を高める。 窒化ホウ素を添加した複合材料は、15体積％の添加で、ダイヤモンドを添加した複合材料に比べて熱伝導率を約5倍高めることができる、
- アルミナは、熱伝導率を30W/m・Kとわずかに向上させることができる。 ダイヤモンドや窒化ホウ素に比べると効率は劣るが、それでもヒートスプレッダーの熱伝導率を向上させることができる。
- シリカは熱伝導率を向上させる効果が乏しいため、熱伝導率を向上させるのではなく、熱膨張係数を低下させるために採用されるのが一般的である。
- シリコーンフィラーは、サーマルインターフェイス材料（TIM）に頻繁に使用され、TIM全体への熱の拡散と伝達を促進する。
サーマルインターフェイス材料（TIMs）：種類と用途
サーマルインターフェイス材料テスター（TIM-Tester）は、試料材料の熱インピーダンスを測定し、見かけの熱伝導率（面内および面横断）を求める装置です。
熱伝導率が0.0263W/MKしかないサーマルインターフェイス材料は、空気が最も悪い熱伝導体である。 したがって、熱の蓄積を防ぐためには、部品間に空気が混入するのを避ける必要がある。
TIMは、凹凸や公差、粗さによって生じる隙間を塞ぎ、空隙が生じないようにする。 熱中間材料は、例えば次のような様々なデザインのものがある：
- 熱伝導ペースト、
- 熱伝導性接着剤、
- グラファイトとアルミ箔、
- フォームとGELフィルム、
- 片面および両面粘着熱伝導ホイル、
- 相変化材料（PCM）、
- シリコーン含有エラストマーとシリコーンフリーエラストマー、
- カプトン・ディスクとマイカ・ディスク、
- 酸化アルミニウム材料
多くの場合、適切な中間材料を見つけるのは容易ではない。 しかし、十分に設計された熱管理システムは、電子部品の最適な機能と長寿命のために不可欠です。
ギャップフィラー
ペースト
パッド
スタックとしてのパッド
TIM-Testerは、固体、ペースト、パッドなど、さまざまなサイズと形状の試料に対応できます。 熱伝導性材料の熱抵抗と熱伝導率を測定する規格であるASTM D5470に準拠しています。
どのTIMがどの用途に最適か？
すべての材料が、エレクトロニクスのあらゆる用途に対応する万能材料として適しているわけではありません。 完璧なTIMを見つけるために、材料研究分野の開発者は、熱抵抗、熱伝導率、熱インピーダンス、接点対の機械的公差、温度範囲、環境適合性など、多種多様な材料特性を考慮しなければなりません。
どの材料が最も適しているかは、用途によって異なります。 TIMの主な3つのタイプは、熱伝導性フィルム、熱伝導性ペースト、熱伝導性接着剤です。 これらは特に、用途、層の厚さ、電気絶縁性、熱伝導率が異なります。
熱伝導相
熱伝導性ペーストは、例えばヒートシンクと電子部品の間に熱伝導層を形成するためによく使用される。 これらの熱伝導性ペーストは通常、最大約50μmという非常に小さな層厚で塗布されます。 50 µmです。 そのため、部品間の距離を大きくすることはできません。 実際には、過剰な量のペーストが使用されることが多い。 しかし、ペーストの塗布を控えめにしすぎると、すべての空気混入物を補うことができないため、かえって危険な場合があります。
相変化材料
相変化材料は、従来のサーマルペーストをさらに発展させたものです。 プレート材料であるこれらのTIMは、連続した層厚を持つため、ヒートシンクに直接きれいに取り付けることができます。 さらに、PCMはその相変化温度によって特徴付けられます。
45～55℃の温度で、これらの材料の粘性は固体から軟質へと変化する。 その結果、これらの材料は、適用される部品間のあらゆるスペースに流れ込む。 温度が再び相変化温度を下回ると、それぞれの媒体は接点との接続が切れることなく初期状態に戻る。
表面仕上げとTIMの選択
サーマルペーストや接着剤を使用するためには、表面の公差がほぼ理想的でなければならない。 これが保証できない場合や、これらの材料の取り扱いが複雑すぎる場合は、通常フィルムが使用される。
これにより、最大5ミリメートルのエアギャップを補うことができる。 ただし、これらのTIMは強度が高いため、熱抵抗は高くなる。
熱インターフェース材料の応用分野
多種多様なプロセスで製造される多数のサーマル・インターフェイス材料は、最良の設計手法の変化を示している。 この変化は、しばしば望まれる部品の小型化にも役立つ。
部品密度が高くなると、冷却に利用できる空気量が減少し、同時に残りの空気の循環が妨げられる。 そのため、もともと強制空冷のために冷却ベンチレーターが使用されていたシステムでは、今日では通常、ファンレス設計が好まれます。
TIMの日常生活
TIMは現在、自動車エレクトロニクス、コンピューター、メモリー、ゲーム分野、オプトエレクトロニクス、航空宇宙産業など、幅広い用途で使用されている。 さらに、電子機器パッケージング、家電製品、照明技術、医療技術、産業オートメーションにおいても、優れた熱管理を可能にしています。
ヒートスプレッダーの最適化と産業応用
ヒートスプレッダー（熱を表面全体に均一に分散させる素材）は、TIMテスターで測定することができます。 TIMテスターは、高温のメーターバーと低温のメーターバーの間に置かれたサンプルに圧力を加えることで作動します。
温度センサーは、サンプルを通る熱流束を測定するために使用され、熱インピーダンスは、その形状に基づいてサンプル材料によって引き起こされる温度降下を計算することによって決定することができます。 試料の厚さは手動で入力するか、内蔵のLVDTを使って測定します。
高精度測定は最適化された熱管理の基礎となる
熱界面材料には無数の応用分野があり、材料も多種多様であるため、材料研究にとって大きな課題となっている。 エレクトロニクス分野における熱管理は非常に複雑であり、適用されるTIMの材料特性に関する正確な知識を必要とする。
ヒートスプレッダーの測定に加え、TIMテスターは、熱流体、サーマルペースト（グリース）、相変化材料（PCM）、はんだ、頑丈な熱伝導体など、その他の熱インターフェース材料の試験にも利用できます。 まとめると、TIMテスターは、ヒートスプレッダーや、熱拡散／遮蔽を必要とする電子機器に使用されるその他の熱インターフェース材料の熱特性を測定するための汎用的で不可欠なツールです。
エレクトロニクス、航空宇宙、その他効率的な熱管理が不可欠な産業におけるヒートスプレッダー設計の最適化は、研究開発におけるこれらの手法によって可能となります。 熱伝導率をメーカーが正確に測定することで、放熱能力を高め、製品性能を向上させ、さまざまな用途における信頼性を確保することができます。
このような知識があれば、部品とインターフェース材料の連携を完璧なものにし、複雑な電子アプリケーションに最適な熱管理を開発することができる。
