熱伝導ペーストは、電子機器の熱管理において、1つの重要な要素です。 熱伝導ペーストは、ヒートシンクコンパウンド、サーマルコンパウンド、またはサーマルグリースとも呼ばれます。 熱を発生する部品とともに使用される場合、熱伝導ペーストは、ヒートシンクへの熱伝導を効果的に行えない空気の層が形成されるのを防ぎ、熱伝導率を高め、最終的にPCBをより高耐久化します。
一般的に、熱伝導ペーストには2つのタイプがあります。
- シリコーンベース
- シリコーンフリー
シリコーンベースの組成物は、その特性を強化する特長により、電子機器のアプリケーションに広く使用されています。シリコーンは、振動や化学物質、幅広い温度範囲に対する耐性など、過酷な使用環境に適した特性を備えています。これらの組成物は、通常、シリコーンオイルやシリコーングリースなどのシリコーンポリマーに充填剤を混合して熱伝導性を高めたものです。熱伝導性に優れ、高温にも耐える非導電性材料です。塗布や除去が容易であるため、頻繁なメンテナンスや交換が必要な用途に最適です。
シリコーンフリーの組成物はシリコーン化合物を含まず、代わりにアクリル、ポリイミド、金属、セラミックなどの非シリコーンポリマーを使用しています。シリコーンを含まないため、アウトガス発生の傾向が低減し、周辺のコンポーネントの汚染や劣化の可能性を低減します
シリコンフリーの種類
金属ベースの熱伝導グリース： 金属ベースの熱伝導グリースは、銅、銀、アルミニウムなどの金属粒子を含む熱伝導グリースです。これらの粒子はグリース自体の熱伝導性を高め、電子部品から熱をより効率的に逃がすことができます。
セラミックベースの熱伝導グリース： セラミックベースの熱伝導グリースは、窒化ホウ素や酸化アルミニウムなどのセラミック粒子を含む熱伝導グリースの一種です。これらの粒子は高い熱伝導性と優れた熱安定性を提供し、高温用途に最適です。セラミックベースの熱伝導グリースは、一般的に他のタイプの熱伝導グリースよりも高価ですが、過酷な環境下で優れた性能を発揮します。
カーボンベースの熱伝導グリース： カーボンベースの熱伝導グリースは、カーボン粒子を含む熱伝導グリースの一種です。これらの粒子は熱伝導性に優れ、金属やセラミックベースの熱伝導グリースよりも安価です。カーボンベースの熱伝導グリースはさまざまな用途に使用できますが、高温環境下では他のタイプの熱伝導グリースほど効果的ではない場合があります。
相変化熱伝導グリース： 相変化熱伝導グリースは、一定の温度に達すると固体から液体に変化するタイプの熱伝導グリースです。これにより、電子部品の表面に密着し、優れた熱伝導性を実現します。相変化熱伝導グリースは、他のタイプの熱伝導グリースよりも一般的に高価であり、塗布や除去が難しい場合があります。
グラフェンベースの熱伝導グリース： グラフェンベースの熱伝導グリースは、グラフェン粒子を含む比較的新しいタイプの熱伝導グリースです。グラフェンは熱伝導性に優れ、他のタイプの熱伝導グリースと比較して優れた放熱効果を発揮します。グラフェンベースの熱伝導グリースは、他のタイプの熱伝導グリースよりも一般的に高価であり、塗布には専用の機器が必要となる場合があります。
技術的なヒント： 一部の熱伝導性材料は、導電性粉末を使用しており（絶縁されている場合もあります）、これにより、外部の電磁波を吸収または減衰することができます。これはファラデーケージと同様の保護機能を提供し、集積回路では特に有効です。
まとめ
このケーススタディでは、シリコーンベースおよびシリコーンフリーの熱フィラーに対する熱エージングの影響について説明しています。結果は、125°Cの熱エージング後、シリコーンフリーの材料は硬化プロセスを経ているのに対し、シリコーンベースの材料は粘弾性特性を保持していることを示しています。これは、シリコーンベースの材料が高温用途で長期間使用できる可能性を示唆しています。
シリコーンベースの素材は高温環境下で優れた機械的および熱的特性を示しますが、シリコーンフリーの素材の絶縁特性は導電率が低く、より高い電気絶縁性を必要とする用途に適しています。さらに、シリコーン物質（シリコーンゴム、シリコーンオイル、シリコーンコーキング材、シリコーンベースのコーティング材、シリコーンベースの熱伝導ペーストなど）からは、アウトガスとして知られる揮発性シリコーンガス（低分子シロキサンなど）を放出することがあり、これは特に密閉された環境、高温、低圧/真空、または高湿度の環境で発生します。
リレー（またはその他のスイッチ機構）の近くでシリコーンが使用されている場合、そのガスの存在下で接点を切り替えると、シリコーンが接点に付着し、接点不良が発生する可能性があります（プラスチックで密閉されたタイプでも、シリコーンガスがプラスチックを通してリレー内部に浸透する可能性があります）。この場合は、シリコーンベースではない代替品を使用してください。それ以外の場合は、「密閉カプセル型」と呼ばれることもある気密封止型のリレーが、気密性と密閉性を備えているため、シリコーン周辺で使用できる唯一のリレー構造です。
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参考資料 - Chemtronics: ruggedizing electronics best practices for bullet-proof devices
Chemtronics: Repairing & Avoiding Electronic Faults with Thermal Paste
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