TIMの密着具合に関する研究（斎藤・鈴木・小室）

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TIM の密着具合に関する研究
斎藤靖弘 1・鈴木悟 2・小室貴紀 3
1 博士後期課程電気電子工学専攻
2 博士前期課程電気電子工学専攻
3 電気電子情報工学科

A Study on Contact Condition of Thermal Interface Material
YASUHIRO SAITO1, SATORU SUZUKI2, TAKANORI KOMURO3
Abstract
Recently, the increasing performance of semiconductor devices has been accompanied by asimultaneous rise in the amount of heat they emit. When an electronic device is mounted on a metallic
heat sink, a thermal interface material is required to handle the thermal energy emitted while
simultaneously maintaining an acceptable level of electrical insulation. However, the thermalcharacteristics of thermal interface materials are strongly influenced by the manner in which they makecontact with the heat sink.
We proposed measuring the thermal characteristics of a thermal interface material placed on analuminum plate that had been machine-milled to form precise grooves designed to simulate heat sinksurface roughness, and called it a “non-flat plate”. This plate had nine 1-mm-wide 0.3-mm-deepgrooves situated 4 mm apart. When pressure is applied to the thermal interface material, the materialpenetrates into these grooves, thus increasing contact between the two materials and consequently
decreasing thermal resistance. Then, by varying the groove shapes and applied pressure amounts,
contact conditions can be precisely controlled. This allows complex thermal parameters to be measured
with good repeatability.
Keywords: Thermal Interface Material, Thermal Contact Resistance, AskerC Hardness
1. まえがき

2. 評価対象の TIM について

近年,素子の高集積化、高性能化による発熱量増加と共素子-放熱器間に生じる接触熱抵抗を低減するには、接に、製品の小型化が進み発熱密度が増加するため、放熱対触面積を増加させるために面精度の向上や接触圧力の増策が重要になってきた[1]。素子と放熱器の間に熱伝導材大といった方法が存在するが、こうした方法は構造やコス料:TIM (Thermal Interface Material)を挟むことによっトの問題から実現できない場合が多く、接触熱抵抗の低減て素子から発生する熱を放熱器に逃がしやすくできる。
実に TIM が使用されている。TIM の種類はグリースのような際の素子や放熱器の接触面では点接触が無数に存在し、接ペースト状のものと熱伝導シートのような固形のものに触している部分としていない部分が存在する。
接触してい分けられる。
グリースは熱抵抗を小さく抑えることができ、る面積は面の粗さと接触圧力によって変化する。よって、性能が良い反面、組み立て時に塗布作業が必要となり、作TIM の熱抵抗は TIM 自身の特性以外にも材料間の密着具合業者によるばらつきも発生しやすい。
また油成分の分離やでも変化するので、これらを考慮した TIM の評価が必要で固化などの経年変化も考慮する必要がある[2]。本論文である。
本研究では TIM の密着具合の影響を含む評価を目的

は図 1 に示す複数のパワートランジスタなどの素子を 1として評価システムを構築し、熱抵抗測定を行い TIM の密つの放熱器で冷却する場合を想定し、電気絶縁を確保しな着具合に関する検討を行った。

がら熱設計をする際に使用する熱伝導性と電気絶縁性のThis document is provided by JAXA.

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神奈川工科大学研究報告

B‐39（2015）

両面を有しているシリコーンシートタイプの TIM を用いた。
本実験で使用した TIM(両材料の厚みは 1mm)を図 2 に、特性を表 1 に示す。

図 4 温度調整システムの写真

図 1 電子機器の冷却

3.2 温度調整ヘッドについて
当初は冷却器のみでシステムを構築したが、温度の設定範囲を広げる必要が生じたので、加熱器を使用した。加熱器を図 5 のような 100V-100W の 30φバンドヒーターを金属パイプに巻きつけて用いた。
3M5519S

TC100CAD

図 2 使用した TIM

表 1 TIM の特性Characteristic
Thermal Conductivity[W/m・K]
DielectricStrength[kV/mm]
Hardness[AskarC]

TC100CAD

3M5519S

3.24.9図 5 加熱器

113.5

C10C603.3 温度調整ヘッドについて発熱体や TIM などの測定物を置き、特性を測る部分を温度調整ヘッドと名付けた。
ヘッド表面温度を一定に保つ必要があるので図 6 のように温度モニタを温度調整ヘッド

3. TIM を評価するシステムの構築表面の直近に埋め込んだ。

3.1 温度制御の方式
TIM の評価をするためには、正確に冷却も加熱もできるシステムが必要である。
水流を用いた温度調整方式では水温を調整すれば冷却も加熱も可能である。
以上の理由から
本実験では温度制御が容易な水流での温度制御方式を採用した。実験で構築した全システムを図 3 に示し、写真を図 4 に示す。

図 6 温度調整ヘッドと温度モニタ

4. 構築した温度調整システムの評価
4.1 実験内容上記のシステムを評価するために、
図 7 のように温度調整ヘッドの上に抵抗器を設置し、電圧を印加して発熱させ、
図 3 構築したシステム

温度調整ヘッドがどれだけ熱吸収できるか実験した。
このとき抵抗器と温度調整ヘッド表面の温度差をΔt1、温度調

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整ヘッド表面と水温の温度差をΔt2 とする。抵抗器と温ることから、構築したシステムを用いて TIM の評価が十分度調整ヘッド表面の間には、シリコングリスを塗布した。

可能だと判断した。

また、抵抗器の上部には断熱材としてポリウレタンを設置した。 抵抗器の総発熱量を変化させたときの各部の温度

5. 熱抵抗測定を用いた TIM の評価差を計測した。
5.1 提案手法の基本概念
図 9 は提案手法の基本概念を示す。 材料間をただ接触させただけでは、接触面の凹部は TIM が埋まっておらず、空気の層が存在する。圧力を印加すると、凹部に TIM が密着し,空気の層が追い出される。凹凸板と圧力を管理することにより、再現性良く密着具合の影響を評価することが可能である。今回使用した凹凸板を図 10 に示す。

図 7 温度調整システムの評価
4.2 実験結果
図 8 は温度調整ヘッド表面を室温より高い温度 27[℃]一定に保ったときの結果である。
抵抗器の総発熱量を増加させると、温度差は線形に増加することが確認できた。

図 9 TIM と凹凸板の密着モデル

図 10 凹凸板(Non-flat-plate)

5.2 実験内容と実験結果

図 8 実験結果 熱流 vs.温度差

図 11 は TIM を評価する際の実験構成を示す。抵抗器の発熱がアルミの凹凸板を通して TIM を伝わり、さらにその---------------------- (1)

熱が、温度調整ヘッドから水に伝わる。凹凸板は 30[mm]×30[mm]×3[mm]のアルミ板に 4[mm]毎に幅 1[mm]、深さ0.3[mm]の溝をフライス盤で製作した。

4.3 温度調整ヘッド表面温度による熱抵抗の変化
図 8 の傾きと(1)式より温度調整ヘッド表面から水までの熱抵抗 Rh[℃/W]、抵抗器から温度調整ヘッド表面までの熱抵抗 Rm[℃/W]を求めた。 結果を表 2 に示す。
表 2 各熱抵抗の結果
Test head surface

Rh

Rmtemperature [℃][℃/ W][℃/W]

270.6120.242

表 2 の結果から、 温度調整ヘッド表面温度が熱抵抗の

図 11 熱抵抗測定の構成

温度依存性は少なく室温の影響を受けずに発熱量 50[W]まで線形に推移することが確認できた。
さらに、
Rh[℃/W]、この評価実験では熱電対 2 点の位置が重要である。
熱抵

Rm[℃/W]の熱抵抗値も 1[℃/W]未満で十分小さい値であ

抗の定義はある 2 点間の伝熱量(発熱量)Q に対し、その間This document is provided by JAXA.

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神奈川工科大学研究報告の温度差がΔT であるとき、比例関係が存在する。これはB‐39（2015）

6.2 過渡熱測定法の測定原理

温度差ΔT を電位差ΔV、伝熱量 Q と電流 I が各々対応し、T3Ster は JEDEC 規格(JESD51-1)に準拠した過渡熱測定

熱抵抗 Rθと電気抵抗 R が類似している。つまり熱抵抗は法(Static 法)の測定装置である。発熱源である素子は半電気抵抗に相当するもので熱の伝わりにくさを示す。
熱抵

導体で構成されている場合が多く、その半導体の PN ジャ抗を用いることにより、線形関係が近似的に成り立つ範囲

ンクションに固定電流を流すことで、ジャンクションの温で、電気回路と同様に熱抵抗の直列、並列の法則が適応で度と電位差との相関を見ることが可能である。

き熱回路網として取り扱える。
熱電対 1 と熱電対 2 との温電流を一定にした場合、温度と電圧には線形な関係があり、度差Δt3 はアルミの凹凸板自身の熱抵抗と TIM 自身の熱この関係を K ファクタという。

抵抗、凹凸板と TIM 間の接触熱抵抗が直列に含まれる[3]。
しかし、アルミ凹凸板の熱抵抗は材料間の接触熱抵抗に比べ小さい。抵抗器に電圧印加後 500[s]で温度差Δt1 が安定したと仮定し,500[s]時の温度差Δt1 と抵抗器の発熱量 Q より、TIM 自身の熱抵抗と接触熱抵抗を含んだ熱抵抗を算出した。 その結果を図 12 に示す。
図 13 過渡熱測定の例
図 13 に過渡熱測定の例を示す。まずは、発熱部に一定の電圧を加えて十分にジャンクション温度が上昇した段階で、1μs の立下りで微小電流に切り替える。この微小電流が上記で説明した一定電流に相当し、微小電流に切り替えた後の電圧を定常状態になるまで測定し、K ファクタで温度に変換して熱測定を評価することが可能である。
この K ファクタで得られた結果は、時間 vs.温度の過渡熱データである。この生データと T3Ster 専用のソフトウェ
図 12 熱抵抗測定の実験結果

アを用いることによって、熱抵抗 vs.熱容量を算出できる。

図 12 より、
TC100CAD は圧力 15000Pa 付近で凹凸板と TIMが十分に密着し熱抵抗が安定している。TIM の硬度も材料間の接触熱抵抗に影響し、5000Pa 以下の低圧力ではTC100CAD よりも硬度が大きい 3M5519S は TC100CAD よりも接触熱抵抗が大きくなり、熱抵抗の飽和も TC100CAD と比較して高い圧力で飽和したと推測できる。
凹凸板を用いることによって、密着具合のような機械的現象による影響を制御して熱抵抗を再現性良く評価できることを明らかにした。
図 14 過渡熱測定の例

6. 過渡熱解析装置 T3Ster による熱抵抗測定
図 14 に過渡熱測定の例を示す。横軸が熱抵抗、縦軸が6.1 定常法と過渡熱測定法

熱容量で、原点が発熱源のジャンクションに相当する。ま

第 5 章では構築した温度調整システムと凹凸板を用いずは、最初はチップの熱特性が表れ、X 軸を見れば熱抵抗て、熱抵抗を再現性良く評価できることを確認した。このを求めることができ、Y 軸を読み取ればチップの熱容量を温度調整システムを用いた熱抵抗測定は温度が一定にな求められる。チップの次はダイボンド、ダイパッド、グリった段階で熱抵抗を測定する定常法と名付ける。

ース、ヒートシンクと各部分の熱抵抗と熱容量が読み取れ

熱抵抗の評価には発熱源に大電流を加えて大発熱させ、る。
全ての要素の熱抵抗を加えた値が構造体の合成熱抵抗

微小電流に切り替えた瞬間の特性を測定する過渡熱測定となる。
熱が伝わりにくい部分は熱抵抗が大きいので傾きの方法も存在する[4]。過渡熱測定法を用いた場合でも凹が小さいなり、逆に熱が伝わりやすい部分は熱抵抗が小さ凸板と圧力を管理することにより、再現性良く密着具合のく傾きが大きくなる。さらにチップとダイパッド、ヒート影響を評価可能か、メンター・グラフィックス株式会社

シンクは接触の影響はなく材料自身の熱抵抗であるため、の過渡熱解析装置 T3Ster を用いて検討を行った。

材料自身の熱抵抗以外にも密着要素があるダイボンドやグリースに比べ熱抵抗は小さい。
周辺環境は熱容量が無限大である。

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6.3 凹凸板を用いた過渡熱測定
図 10 に示す凹凸板と凹凸がない表面をフライス盤で研磨した Flat 板を用いて TIM の密着具合に関する評価を行った。図 15 に実験構成、測定の様子を図 16 に示す。
素子と凹凸板の間には接触の影響を少なくするためにシリコングリスを塗布した。

図 18 熱抵抗 vs. K ファクタ

Flat 板図 15 過渡熱測定の実験構成

図 19 熱抵抗 vs. 熱容量 横一線 1mm 板
図 16 測定の様子
T3Ster によって発熱源に大電流 2.4A を加えて定常状態になるまで 300s 電流を流しつづけ、1μs で微小電流 10mAに切り替えた瞬間の電圧から電圧が定常状態になるまで測定する。発熱体の大きさは 10mm×15.5mm であり、印加圧力は 10290Pa、Test head は 27℃一定である。図 17、18、19、20 に過渡熱測定の実験結果を示す。さらに定常法の結果と過渡熱測定結果を比較するために、図 12 に示した結果を書き換えた結果を図 21 に示す。
図 20 熱抵抗 vs. 熱容量 Flat 板

図 17 熱抵抗 vs. K ファクタ

横一線 1mm 板

図 21 10000Pa 付近の材料による熱抵抗差 横一線 1mm 板

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神奈川工科大学研究報告

B‐39（2015）

図 17～20 の実験結果から、Flat 板は TC100CAD よりも熱図 23、24 の結果から凹凸板の配置による熱抵抗の有意差伝導率が良い 3M5519S のほうが、熱抵抗は小さい結果を得はなく、合成の熱抵抗値は約 1.9～2.1 までばらついていた。しかし、横一線凹凸板では 3M5519S より熱伝導率は劣るが、このバラつきには十分に小さいといえる。このばらるが材料硬度が小さい TC100CAD のほうが有利だというこつきの要因は発熱面と凹凸板の間にグリースを塗布するとが明らかになった。さらに、印加圧力を 10290Pa としてが、塗布の作業のバラつき要素を含んでいるので、密着具共通にした場合、図 17 の過渡熱測定で評価した材料によ合の良い熱抵抗値 1.9 のデータのほうがより正しい評価

る熱抵抗差の結果と図 21 の定常法で評価した熱抵抗差のができていると推測できる。

結果と合っていることから、我々が構築した温度調整システムと凹凸板を用いて、定常法で評価した熱抵抗測定法の7. 結論有効性を、過渡熱測定によって証明した。さらに、過渡熱測定を用いた場合でも凹凸板を用いた実験が有効である

TIM の密着具合の影響を含む評価を目的として評価システムを構築し、構築したシステムの評価を行った。温度ことも明らかにした。

調整ヘッド表面温度が熱抵抗の温度依存性は少なく室温の影響を受けずに発熱量 50[W]まで線形に推移すること

6.4 過渡熱測定の繰り返し実験
凹凸板を用いた過渡熱測定の有効性を確かめるためにが確認でき、各熱抵抗値も 1[℃/W]未満で十分小さい値で3M5519S と横一線 1mm 凹凸板を用いて、繰り返し測定を行あることから、構築したシステムを用いて TIM の評価が十った。

分可能と判断した。

なお密着具合の影響を見るために凹凸板の向きを変え構築システムした温度調整システムと過渡熱解析装置て測定した。
対応図を図 22 に実験結果を図 23、24 に示す。

T3Ster を用いて熱抵抗測定を行い TIM の密着具合に関する検討を行った。その結果、両測定法で測定した結果の材料による熱抵抗差が合っていることから、我々が構築した
温度調整システムと凹凸板を用いて、定常法で評価した熱抵抗測定法の有効性を、過渡熱測定によって証明し、定常法とはまったく測定原理が異なる過渡熱測定を用いた場
合でも凹凸板を用いた実験が有効であることも明らかにした。今後は、過渡熱解析装置と凹凸板を用いて際に印加

図 22 凹凸板の配置

圧力を変化させたときの熱抵抗変化を測定しどのくらい圧力を加えると適切な密着具合を得られるかを検討する。

謝辞
本研究を進めるにあたり実験環境を提供してくださった、メンター・グラフィックス・ジャパン株式会社の冨田
直人 様、原 智章 様、楫 朗 様、バダラワ・ワサンタマ
ーラー 様、研究のご指導頂いたキーナスデザイン株式会
社 橘 純一 様に心より感謝いたします。
図 23 熱抵抗 vs. K ファクタ

繰り返し実験
参考文献[1] 石塚勝,”半導体・電子機器の熱設計&解析”,三松株
式会社出版事業部,pp.1, (2010.10).
[2] 浅井希企画編集,”失敗しない熱設計の進め方と放熱部材の選定・活用技術、測定・評価”,技術情報協会”,pp.34-35, (2011.4)[3] 石原靖久,”ポリファイル”,株式会社大成社,Vol.48,No.9,pp.16-20, (2011.9)[4] メンター・グラフィックス・ジャパン,”ポリファイル”,株式会社大成社,Vol.48,No.9,pp.40-41, (2011.9)

図 24 熱抵抗 vs. 熱容量 繰り返し実験

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