【熱くなるなよ...】放熱設計～実測で語るTIM材・熱対策

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更新日
2024.12.03
公開日
2024.12.03

　製品の大電力化に伴って、放熱設計の課題はございませんか？　本記事では、放熱設計の重要性をおさらいし、放熱効果を高めるTIM材の実測効果をご紹介します。市場製品を分解調査した熱対策実例も掲載しておりますので、ぜひご覧ください。

INDEX

製品寿命を縮める熱の影響
冷却方式の種類
TIM材による放熱性向上
車載DCDCコンバータの熱対策実例
まとめ

1. 製品寿命を縮める熱の影響

　熱設計は、部品定格や認定規格を守ることはもちろん、お客様に製品を長くお使いいただくためにも重要です。半導体などの電子部品の多くは熱に弱いため、熱は製品寿命に影響を及ぼします。一方で熱対策の強化は、製品の形状デザインやコストにも影響します。製品に求められる特性に応じて、それぞれのバランスをとった設計が必要です。

1. 半導体の温度と故障率

　半導体の故障要因となる変質は、高温環境で加速します。使用環境温度が40℃の時の故障率を1とした場合、温度が60℃になると故障率は10倍、温度が80℃になると故障率は100倍と、加速度的に故障率は増大します。

　これは「アレニウスの法則」に基づく半導体の温度と故障率の関係として、広く知られている傾向です。

2. 電解コンデンサの温度と寿命

　電子回路で使用される電解コンデンサは、製品寿命のボトルネックになるケースが多くあります。一般的な電解コンデンサの劣化速度は、「10℃ 2倍則」と言われています。

　このグラフは、電解コンデンサ（105℃ 10,000h保証品）の寿命の温度特性例です。85℃の時の寿命40,000hに対して、95℃では20,000h、105℃では10,000hと、10℃ごとに寿命は半分になります。

　電解コンデンサは、基板上で電流が大きく流れる（変動する）回路の近くに配置されることが多いため、その大電流による熱を受けやすい部品です。製品寿命への影響が大きく、特に注意が必要な部品です。

2. 冷却方式の種類

　発熱体（半導体など）の冷却方式をご紹介します。下表に示した「自然空冷」、「強制空冷」、「水冷」の方式が一般的に用いられています。このほかに「液浸」、「熱電」などの方式もあります。

　ヒートシンクによる冷却効果を高める材料として、TIM（Thermal Interface Material）材があります。具体的には、熱伝導シート、グリス、GapFillerなどの材料で、冷却性能の向上には欠かせないものになっています。

3. TIM材による放熱性向上

1. 放熱構造

　TIM材の有無による放熱構造の違いを、断面図を用いて説明します。

1. TIM材なしの放熱構造

　発熱体（半導体など）へヒートシンクを直接載せます。発熱体からの熱がヒートシンクを通じて周囲に放熱されることで、発熱体の温度が下がります。　
　一定の冷却効果を得られますが、発熱体やヒートシンクの表面には細かな凹凸があり、実際には図示した空気層が存在します。発熱体とヒートシンクが完全には密着していないので、発熱体の熱をヒートシンクへ十分に逃せていない状態です。

2. TIM材ありの放熱構造

　発熱体とヒートシンクの間に、TIM材を挟みます。TIM材は、発熱体とヒートシンクの表面凹凸部にも入り込んで密着します。
　TIM材は空気よりも熱伝導性に優れているため、発熱体の熱はヒートシンクに十分に伝わります。ヒートシンクによる冷却効果がより発揮され、発熱体の温度がさらに下がります。

2. TIM材の効果実測

　TIM材の有無による放熱性の違いを、サーモビューワや温度計を使って実測しました。左側がTIM材なしの場合、右側はTIM材ありの場合の結果です。

　TIM材なしの場合、発熱体には特に高温を示す白色の部分がありますが、TIM材ありの場合では赤色までで収まっています。このようにTIM材の放熱効果は、視覚的にも一目瞭然です。測定温度では発熱体が8.4℃（11%）も低くなる違いが出ています。また、発熱体からヒートシンクへ熱エネルギーが十分に伝わった結果として、ヒートシンクの温度が0.8℃（1.4%）ほど高くなっていることも分かります。

【測定条件】
　冷却方式：自然空冷
　TIM材：U-MAP Thermalnite-TIM 0.1mm
　発熱体：2.7W（17mm*13mm*5mm）
　サーモビューア：AVIO G-100
　発熱体温度測定：熱電対、MV100（データロガー）
　ヒートシンク温度測定：AD-5617（赤外線放射温度計）