TIMとは、Thermal Interface Materialの略で、発熱する半導体や電子部品と、ヒートシンク、筐体、ヒートスプレッダー、コールドプレートなどの間に入れ、熱を伝えやすくする材料です。
代表的なTIMには、サーマルグリス、ギャップフィラー、放熱シート・パッド、PCM、接着型TIM、グラファイト系材料などがあります。
TIMを選ぶときに重要なのは、カタログに書かれた熱伝導率だけではありません。
実際の放熱性能は、
熱伝導率
厚み
接触面積
界面の密着性
圧縮条件
絶縁性
使用温度
長期信頼性
によって変わります。
この記事では、TIMの種類を説明するだけでなく、AIサーバー、EV、パワー半導体などの用途ごとに、どの条件を確認してメーカーや製品を選べばよいかまで整理します。
TIMとは何か
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TIMは、発熱体と冷却部品の間に存在する微細な隙間を埋め、界面の熱抵抗を小さくするための材料です。
金属や半導体の表面は、一見すると平らに見えても、実際には微細な凹凸があります。
そのままヒートシンクなどを取り付けると、接触面には空気層が残ります。
空気層が残れば熱が移動しにくくなるため、その隙間へTIMを入れて発熱体と冷却部品を熱的につなぎます。
信越化学もTIMを、半導体などの発熱部品と放熱部品の間へ使用する熱対策材料として展開しています。
概念的には、
発熱体
↓
TIM
↓
ヒートシンク・筐体・コールドプレート
↓
空気または冷却液
という熱経路になります。
TIMそのものが熱を冷やすというより、
「発熱体から冷却部品まで、できるだけ熱を渡しやすくする」
ことが役割です。
TIMが必要になる理由
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TIMを理解するときは、材料単体ではなく「界面」を見ることが重要です。
ヒートシンクの性能が高くても、その手前の界面で熱が詰まれば、十分な冷却性能を得られません。
TIMが埋めるのは、
発熱部品と放熱部品の間の微細な凹凸
部品高さによって生じる隙間
反りや平面度によって生じる空間
などです。
特に高発熱の電子機器では、わずかな界面熱抵抗がジャンクション温度や部品温度へ影響する場合があります。
ここから重要なポイントが一つ分かります。
TIM選定で目標にすべきなのは、
「一番熱伝導率の高い材料」
ではなく、
「実装状態で必要な熱抵抗を満たせる材料」
です。
ASTM D5470でも、熱伝導性材料の評価について、熱インピーダンスと見かけの熱伝導率を区別して扱っています。
また、異なる厚みで測定することで、材料内部の熱抵抗と界面接触抵抗を分離して考える方法が示されています。
TIMの主な種類と違い
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TIMには複数の方式があります。
一つの材料ですべての用途を置き換えられるわけではありません。
サーマルグリス・ペースト
サーマルグリスは、流動性のある材料を薄く塗布し、発熱体と冷却部品の微細な凹凸を埋めるTIMです。
薄いボンドラインを作りやすく、表面への濡れ性を確保しやすい点が特徴です。
信越化学のTIM向けオイルコンパウンドでも、薄膜塗布による低BLT、低い接触熱抵抗、凹凸面への適用が特徴として挙げられています。
一方、長期間の温度変化では、材料が界面から移動するpump-outなどが問題になる場合があります。
信越化学は、pump-out耐性を特徴とする非硬化型CLGシリーズも展開し、温度サイクル試験後の熱抵抗安定性を示しています。
そのためグリスを選ぶ場合は、
初期熱性能
だけでなく、
温度サイクル後
長時間使用後
振動後
の性能まで確認した方が安全です。
ギャップフィラー・ゲル
ギャップフィラーは、比較的大きな隙間や部品高さのばらつきを吸収するために使われます。
液状材料を塗布して硬化させるタイプも多く、
複雑な形状
部品高さの違い
広い公差
へ対応しやすいことが特徴です。
信越化学のSDPシリーズは2液混合・室温硬化型で、塗布時はグリス状、硬化後は柔らかい材料となります。
同社は、自動車電装、電源、LEDなど比較的大きなクリアランスを持つ用途を挙げています。
HenkelのBERGQUIST GAP FILLERも、液状材料であることを生かして厚み変動へ対応し、低応力で部品へ追従する設計となっています。
このタイプでは、
熱伝導率
だけでなく、
混合比
可使時間
硬化温度
粘度
ディスペンス性
垂れ性
硬化後硬度
も量産条件になります。
放熱シート・パッド
放熱シート・パッドは、あらかじめ一定厚みに成形されたTIMです。
必要な形状へ打ち抜き、
貼る
挟む
圧縮する
という工程で使用しやすいため、量産工程を安定させやすい利点があります。
FujipolyのSARCONシリーズにも複数のギャップフィラーパッドがあり、用途に応じて熱伝導率や圧縮性の異なる材料が用意されています。
同社のPG150Aでは、厚みと圧縮荷重によって熱抵抗が変化するデータが示されています。
例えば同じ材料でも、圧縮条件が変われば実際の熱抵抗が変わります。
つまり、
「10W/mKのシート」
という情報だけでは、実装時の性能を判断できません。
PCM
PCMはPhase Change Materialの略で、特定の温度領域で軟化または相変化し、接触面へなじみやすくなるTIMです。
Parker Chomericsでは、PCMについて、ICとヒートシンクの間へ配置し、高温時に相変化することで薄いボンドラインを形成する材料として整理しています。
グリスと比較して取り扱いや塗布量管理を安定させやすい一方、
相変化温度
使用温度範囲
圧力
長期信頼性
を確認する必要があります。
接着型TIM
熱伝導接着剤は、
熱を伝える
と同時に、
部品を固定する
役割を持ちます。
別の固定部材やネジを減らせる場合がありますが、硬化後は分解やリワークが難しくなることがあります。
そのため、
保守交換する製品か
一度組み立てたら分解しない製品か
によって使い分けます。
グラファイト・金属系TIM
高温や高熱流束用途では、樹脂系以外のTIMも候補になります。
Panasonic IndustryのGraphiteTIMは、圧縮性を持たせたグラファイトシートで、パワーモジュールやサーバー・基地局などを用途として挙げています。
同社資料では、製品条件により0.2 K・cm²/Wの熱抵抗や、-55～400℃の使用温度範囲が示されています。
ただしグラファイトは電気的に導電性を持つため、
電気絶縁が必要な場所
へそのまま使用できるとは限りません。
高熱伝導率という理由だけで材料を置き換えないことが重要です。
NAMICSは、EV・産業機器のパワーモジュール、ADAS、データセンター・サーバー向け高性能半導体パッケージを用途とする、導電性の熱硬化型TIMを公開しています。
同社公表値では、レーザーフラッシュ法による硬化後の熱伝導率として70 W/mKが示されています。
ただし測定方法が違う数値を、別メーカーのASTM D5470等による値と単純に横並び比較することは避けた方がよいでしょう。
TIMは熱伝導率だけでは選べない
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TIMのカタログを見ると、
3 W/mK
5 W/mK
10 W/mK
15 W/mK
といった数字が並びます。
数字が大きいほど熱を伝えやすい材料であることは間違いありません。
しかし、それだけで最終的な冷却性能は決まりません。
熱伝導率
熱伝導率は材料そのものの熱の伝えやすさを示します。
単位は一般にW/(m・K)です。
同じ厚み、同じ面積、同じ接触状態なら、熱伝導率が高い材料ほど熱抵抗を小さくしやすくなります。
熱抵抗・熱インピーダンス
実際の装置設計では、熱が界面を通過するときの抵抗を見る必要があります。
単純化すれば材料部分の熱抵抗は、
R ≒ t ÷（k × A）
で考えられます。
R：熱抵抗
t：TIM厚み
k：熱伝導率
A：熱が通過する面積
です。
ただし実際には、
発熱体とTIM
TIMと冷却部品
の接触熱抵抗が加わります。
ASTM D5470が、熱インピーダンスと界面接触抵抗を区別して扱っている理由もここにあります。
BLT・厚み
BLTはBond Line Thicknessの略で、組み付け後に残るTIM層の厚みです。
同じ材料なら一般に薄い方が材料内部の熱抵抗を下げやすくなります。
しかし、
反り
段差
部品高さのばらつき
平面度
があるため、薄ければ薄いほどよいとは限りません。
薄くしすぎて一部に空気層ができれば、逆に熱抵抗が増える可能性があります。
接触熱抵抗
TIMの柔らかさや表面への濡れ性も重要です。
Fujipolyのデータでも、同じ材料の熱抵抗が厚みと圧縮力によって変化しています。
このためカタログを見るときは、
W/mK
だけではなく、
K・cm²/W
K・in²/W
などで示される熱抵抗・熱インピーダンスデータも確認します。
TIM選定で確認したい8項目
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AIデータセンター液冷市場・サプライチェーン2027-2030
TIMメーカーへ問い合わせる前に、最低でも次の8項目を整理すると候補を絞りやすくなります。
特に重要なのは、
「10 W/mK以上のTIMが欲しい」
だけでメーカーへ問い合わせないことです。
例えば、
ギャップ0.8～1.2mm
部品へ強い荷重をかけられない
絶縁が必要
使用温度-40～125℃
自動ディスペンス希望
という条件まで分かれば、候補材料を大きく絞れます。
用途によってTIMの要求はどう変わるか
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同じTIMでも、用途によって重視する性能は変わります。
AIサーバー
AIサーバーでは、高性能半導体の発熱をヒートスプレッダーやコールドプレートへ移す界面が重要になります。
さらに高性能半導体では、
大型パッケージ
HBM
局所的な発熱
反り
高い熱流束
などへの対応が必要です。
信越化学も、AIチップの高性能化に伴って放熱要求が高まり、TIMの要求特性が高度化していると説明しています。
AIサーバーでは、
低熱抵抗
低BLT
反り追従性
長期安定性
低応力
などが重要になりやすいと考えられます。
Resonacは2024年、AI向け高性能半導体に使用するNCFとTIMの生産能力を従来の3.5～5倍へ増強する計画を発表し、設備投資額を150億円としています。
同社はTIMに、高熱伝導性だけでなく、温度変化に対する信頼性と、チップ・放熱部品の微細な凹凸へ追従する柔軟性が必要だと説明しています。
EV
EVでは、TIMはインバーター、OBC、DC-DCコンバーター、ECU、バッテリーなど複数の場所で使用されます。
特にバッテリーでは、
セル・モジュール
↓
TIM・ギャップフィラー
↓
冷却プレート
という大きな面積での熱伝達が必要になる場合があります。
DowのDOWSIL TC-5533 Gap Fillerは、EVバッテリーアセンブリー、EVモジュール、パワーエレクトロニクスを用途として挙げています。
熱伝導率だけでなく、低応力、振動減衰、室温または加熱硬化なども特徴です。
EV用途では、
熱性能
だけでなく、
振動
温度サイクル
低応力
絶縁
難燃性
長期信頼性
量産ディスペンス性
を確認する必要があります。
パワー半導体
IGBTやSiCなどのパワーモジュールでは、大きな電力を扱うため、発生した熱をヒートシンクや冷却プレートへ効率よく逃がす必要があります。
パワーモジュール
↓
TIM
↓
ヒートシンク・コールドプレート
という界面で使われます。
Panasonic IndustryはGraphiteTIMについて、パワーモジュール用途での高温耐久性、低熱抵抗、長期信頼性、組立作業性を訴求しています。
パワー半導体では、
高温
温度サイクル
長寿命
平面度
締結荷重
絶縁の要否
リワーク性
を総合して判断します。
産業機器・電源
産業用電源、UPS、通信機器、LED、モーター制御機器などでもTIMが使用されます。
Parker Chomericsは、ギャップフィラーゲルの用途として電源、UPS、パワー半導体、ECUなどを挙げています。
産業機器では、
交換周期
使用環境
連続運転時間
保守性
長期供給
も含めて材料を選ぶ必要があります。
主なTIMメーカーと特徴
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TIMメーカーを比較するときは、
「どの会社の熱伝導率が一番高いか」
ではなく、
どのタイプの材料を持っているか
どの用途を得意としているか
どの測定方法で仕様を示しているか
まで確認します。
信越化学はシートから液状材料まで幅広いTIMを展開しています。
Parker Chomericsの公式TIMカタログでは、ゲル、パッド、PCM、グリス、絶縁パッドなどを分類しています。
重要なのは、メーカーごとの数値をそのままランキングしないことです。
試験方法
試料厚み
圧縮荷重
測定温度
熱流方向
硬化状態
が異なれば、数字の意味も変わります。
メーカー比較では、
同じ条件で評価できるデータ
または、
実際のアセンブリーでの温度試験
へ進むことが重要です。
メーカーへ問い合わせる前に整理したいRFQ項目
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TIMメーカーへ技術相談する場合、次のような情報を準備すると話が進みやすくなります。
使用箇所
発熱体は何か。
CPU、GPU、MOSFET、IGBT、SiCモジュール、バッテリー、電源部品など。
接触相手
ヒートシンク。
アルミ筐体。
銅プレート。
コールドプレート。
ヒートスプレッダー。
ギャップ
設計値。
最小値。
最大値。
公差。
熱条件
発熱量。
接触面積。
現在の温度。
目標温度。
許容熱抵抗。
機械条件
締結荷重。
圧縮率。
部品の許容荷重。
反り。
振動。
電気条件
絶縁が必要か。
必要な絶縁耐力。
導電性材料を使用できるか。
環境条件
最低・最高使用温度。
温度サイクル。
湿度。
振動。
要求寿命。
生産条件
年間数量。
手作業か自動化か。
ディスペンスかシートか。
硬化炉を使用できるか。
リワークが必要か。
打ち抜き加工が必要か。
これらを伝えれば、
「一番高性能なTIMをください」
という問い合わせから、
「この構造で成立するTIMを提案してください」
という技術案件へ変わります。
TIM需要から広がる製造業の営業機会
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TIM市場を見る場合、TIMメーカーだけを営業先と考える必要はありません。
高発熱化が進むと、
半導体・電子部品
↓
界面熱抵抗の低減要求
↓
高機能TIM
↓
材料設計
↓
加工
↓
塗布
↓
硬化
↓
評価
という需要が発生します。
そのため関連する商材は、
TIM材料
熱伝導フィラー
樹脂・バインダー
シート加工
精密打ち抜き
ラミネート
ディスペンス装置
2液混合・定量吐出装置
硬化設備
厚み測定
熱抵抗測定
温度サイクル試験
などへ広がります。
NordsonもTIMを半導体パッケージ、PCBA、精密組立向けのディスペンス用途として扱っています。
つまりTIM市場の拡大を見る場合は、
「材料メーカーが売れる」
だけでは不十分です。
液状TIMが増えれば、
ディスペンス
混合
定量管理
硬化
検査
の需要が増える可能性があります。
シートTIMが増えれば、
打ち抜き
ラミネート
貼付
厚み管理
外観検査
などの需要につながります。
製造業の営業では、
材料
↓
加工
↓
設備
↓
検査
まで広げて案件を探すことが重要です。
放熱材料・冷却部品市場をさらに調べたい方へ
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TIMだけでなく、
ヒートシンク
グラファイト
ヒートパイプ
ベイパーチャンバー
コールドプレート
液冷
AIデータセンター
EV
パワー半導体
まで含めて市場と営業先を調べたい場合は、
「電子機器の放熱材料・冷却部品市場2027-2030」
で整理しています。
PDF147ページとExcelデータで、企業、市場、国内案件、RFQ確認項目などをまとめた法人向け調査レポートです。
年次白書・市場調査レポート一覧も確認できます。
FAQ
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TIMと放熱シートは同じものですか？
完全に同じ意味ではありません。
TIMは熱界面材料全体を表すカテゴリーで、放熱シートはその一種です。
TIMにはグリス、ギャップフィラー、PCM、接着剤なども含まれます。
TIMは熱伝導率が高いほどよいのでしょうか？
必ずしもそうではありません。
実際の性能は熱伝導率だけでなく、厚み、接触熱抵抗、圧縮、表面への追従性などでも変わります。
メーカー比較では測定方法も確認してください。
TIMは薄いほどよいですか？
同じ材料、同じ接触条件なら薄い方が材料内部の熱抵抗を小さくしやすくなります。
ただし反りや段差がある場合、薄すぎると接触できない部分が生じるため、必要なギャップを確実に埋められる厚みが必要です。
グリスとギャップフィラーは何が違いますか？
グリスは薄い界面を作りやすい一方、長期使用時のpump-outなどを確認する必要があります。
ギャップフィラーは比較的大きな隙間や部品高さの違いへ対応しやすく、硬化型やディスペンス型が多くあります。
電気絶縁性は必ず必要ですか？
用途によります。
導体へ接触する可能性がある場所では絶縁が重要ですが、高熱流束用途では導電性TIMやグラファイト、金属系材料が候補になる場合もあります。
熱設計と電気設計を分けて確認してください。
AIサーバーが液冷になればTIMは不要になりますか？
TIMが不要になるとは限りません。
Direct-to-Chip液冷でも、半導体パッケージからコールドプレートへ熱を移す界面が存在します。
既存記事では液冷化後のTIM需要について詳しく整理しています。
TIMメーカーをどう比較すればよいですか？
熱伝導率だけではなく、
熱抵抗
厚み
圧縮荷重
硬度
絶縁性
使用温度
信頼性
量産工程
を比較してください。
最後は実機または実機に近い試験片で熱性能を確認するのが安全です。
まとめ
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鉛フリーはんだ市場2027-2030
TIMについて覚えておきたいポイントは4つです。
- TIMは発熱体と冷却部品の間の隙間を埋め、界面の熱抵抗を低減する材料です。
- グリス、ギャップフィラー、シート、PCM、グラファイトなど複数の方式があり、用途によって使い分けます。
- 熱伝導率だけではなく、熱抵抗、BLT、圧縮、絶縁、温度、信頼性まで確認する必要があります。
- AIサーバー、EV、パワー半導体の高発熱化はTIM材料だけでなく、加工、ディスペンス、硬化、測定・評価設備へも需要が波及する可能性があります。
自社でTIMを選定する場合、最初にすることは、
「何W/mKのTIMが必要か」
を決めることではありません。
まず、
何と何の間へ使うのか。
ギャップはいくつか。
どの程度の熱を移す必要があるか。
どの程度の荷重をかけられるか。
絶縁が必要か。
どのように量産するか。
を整理してください。
その条件からTIMの種類を決め、メーカー候補を絞り、サンプル評価へ進む方が、実際の製品設計に合う材料を選びやすくなります。
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