サーマルグリースとは何ですか？プロパティと使用

サーマルグリースは、CPUやGPUなどの高温部品とその冷却ユニットの間で熱を伝達するのに役立ちます。通常、ヒートシンクです。この記事では、熱グリースの重要な役割を説明し、その組成、品質、およびそれを使用する方法をカバーして、良好な熱伝達を確保します。シリコン、金属、セラミック、カーボンベース、液体金属など、さまざまな種類の熱グリース、およびそれぞれが特定のニーズをどのように満たすかについて説明します。この記事では、CPUにサーマルグリースを適用し、一般的な間違いや神話を避けて、電子デバイスを安定して効率的に保つ上でその幅広い役割を示す正しい方法についても説明しています。

カタログ

図1：サーマルグリース

熱グリースはどのようにして熱伝導を促進しますか？

一般的にサーマルペーストとして知られている熱グリースは、電子デバイスの熱を管理する上で重要です。その主な機能は、CPUやGPUなどのより熱いコンポーネントから、表面間の空気の隙間を埋めることにより、ヒートシンクなどのより冷たいコンポーネントからより涼しいコンポーネントへと向上させることです。分子レベルでは、いくつかのメカニズムが熱グリースが熱伝導を改善する方法を説明しています。

熱源（CPUなど）とヒートシンクの両方の表面は、肉眼では滑らかに見えますが、実際には微視的なスケールでは粗くて不完全です。これらの欠陥は、表面が接触すると小さな空気の隙間を作り出し、空気は熱の導体であるため、これらの隙間は熱伝達を妨げます。サーマルグリースはこれらの隙間を埋め、空気をより高い熱伝導率の材料に置き換え、それにより熱伝達効率を高めます。

熱グリースは、金属、セラミック、炭素などの熱伝導性粒子と混合されたシリコンまたは合成オイルなどの基本材料で作られています。これらの粒子は、グリースを通る熱伝導経路のネットワークを形成し、基本材料だけよりも熱をより効率的に移動させることができます。このネットワークは、インターフェイスの全体的な熱伝導率を高めます。

界面全体での熱伝達の効率は、その熱抵抗に反比例します。熱源とシンクとの接触を改善し、より導電性の培地を提供すると、界面の熱抵抗が減少します。これにより、より効果的な熱散逸が発生します。

サーマルグリースの種類

シリコンベースのグリース：これらは、一般的な目的で最も広く使用されている熱グリースです。それらには、酸化亜鉛や酸化アルミニウムなどの金属またはセラミック導電性粒子と混合されたシリコンオイルが含まれています。それらは費用対効果が高く、中程度の熱伝導率を提供します。

図2：シリコンベースのグリース

金属ベースのグリース： これらのグリースには、優れた熱導体である銀、アルミニウム、または銅などの金属粒子が含まれています。金属ベースのグリースは、シリコンベースのグリースよりも高い熱伝導率を提供し、ゲームPCやサーバーなどの高性能アプリケーションに最適です。

図3：金属ベースのグリース

セラミックベースのグリース： これらのグリースには金属粒子が含まれておらず、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、または炭化シリコンなどのセラミック導体で構成されています。セラミックベースのグリースは非電気的に導電性であり、電気導電率がリスクをもたらす可能性のある用途に適しています。

炭素ベースのグリース：グラファイトまたはダイヤモンドパウダーを含むこれらのグリースは、炭素材料の高い熱伝導率を活用しています。ダイヤモンドパウダーは、優れた熱伝導率を提供し、例外的な熱散逸を必要とする用途で使用されます。

図4：カーボンベースのグリース

液体メタルグリース： ガリウムなどの合金を含むこれらのグリースは、熱伝導率が高く、極端な性能アプリケーションで使用されています。ただし、それらは電気的に導電性であり、潜在的にアルミニウムに対して腐食性があるため、慎重に適用する必要があります。

図5：液体金属グリース

CPUでの熱グリースの正しい適用

ステップ1：素材を集めます

始める前に、あなたが持っていることを確認してください：

•サーマルグリース

•イソプロピルアルコール（少なくとも70％）

•糸くずのない布またはコーヒーフィルター

•プラスチックカード（オプション、ペーストの広がりのため）

•CPUおよびクーラー

ステップ2：作業エリアを準備します

きれいで、ほこりのない、明るいスペースにセットアップされています。コンポーネントへの静的な損傷を避けるために、自分自身を接地します。抗静止リストストラップを使用するか、定期的に接地された金属オブジェクトに触れます。

ステップ3：CPUの表面をきれいにします

古いサーマルペーストを交換したり、新しいCPUをクリーニングしたりする場合は、表面を完全にきれいにします。イソプロピルアルコールで糸くずのない布を湿らせ、CPU表面をそっと拭きます。完全に乾燥させます。

図6：CPUとヒートシンクの表面のクリーニング

ステップ4：サーマルグリースを適用します

少量のサーマルグリースを塗布します。これは、CPUセンターを横切ってエンドウ豆のサイズまたは細い線を塗ります。多すぎる、または少なすぎると問題を引き起こす可能性があります。

図7：サーマルグリースの適用

ステップ5：ペーストを広める（オプション）

カバレッジのために、プラスチックカードでペーストを広げることができます。あまりにも多くのペーストを使用したり、気泡を作ったりしないように注意してください。

ステップ6：CPUクーラーをインストールします

クーラーをCPUに均等に置きます。少し押し下げてサーマルペーストとの良好な接触を確保し、メーカーの指示に従ってクーラーを固定します。エアポケットを防ぐために、クーラーをねじれたりスライドさせたりしないでください。

ステップ7：クーラーを電源に接続します

クーラーをマザーボードのCPUファンヘッダーに接続して電源を入れます。

図8：CPUファンをマザーボードに接続する

ステップ8：システムをテストします

システムの電源を入れてください。BIOSを入力して、CPU温度が正常に読み取られるかどうか、CPUファンが認識され、機能しているかどうかを確認します。荷重下のCPU温度を監視して、すべてが期待どおりに機能するようにします。

図9：システムをテストします

サーマルグリースを適用する際の一般的な間違いと神話

•あまりにも多くのサーマルグリースを塗布します

一般的な誤解は、より多くのサーマルペーストがより良い冷却につながるということです。現実には、熱グリースの目的は、CPUおよびヒートシンク表面の顕微鏡的欠陥を満たして熱伝導を改善することです。それは、熱の主要な導体として機能することを意図していません。過度の塗布により、熱源が隔離され、熱伝達効率が低下する可能性があります。紙の厚さの薄く均等に広がった層、またはヒートシンクの圧力の下で広がる中央の小さなエンドウ豆サイズのドットが理想的です。

•古いサーマルグリースの再利用

ヒートシンクを分解したり、コンポーネントを変更したりした後に古い熱グリースを再利用することも、もう1つの一般的な間違いです。使用済みの熱グリースは乾燥し、熱伝導率を失う可能性があります。コンポーネントが分離されている場合、古い貼り付けを完全に清掃し、新鮮な層を適用して最適な熱接触を確保することが最善です。

•誤ったタイプのサーマルグリースを使用します

特定の用途と条件向けに、さまざまな熱グリースが設計されています。一部のペーストには金属ベースの化合物が含まれており、電気的に導電性があり、電気部品に広がり、短絡を引き起こすとリスクがあります。製品の導電性特性とその安全な用途について確信していない限り、一般的な使用のための非導電性ペーストを選択してください。

•すべてのサーマルペーストが同じであると信じています

すべてのサーマルペーストが同様にうまく機能するという神話が存在するため、選択は重要ではありません。現実には、サーマルペーストは組成が異なります。一部には、熱伝導率を高めるための銀またはセラミック粒子が含まれます。これらの違いは、特に高性能コンピューティング熱管理において、パフォーマンスに影響を与える可能性があります。特定のニーズと予算に合ったペーストの調査と選択は価値があります。

•アプリケーション方法を無視します

サーマルペーストの有効性は、適切に適用される方法によって大きな影響を受ける可能性があります。一般的な方法には、ドット、ライン、およびスプレッドメソッドが含まれます。それぞれがプロセッサの種類とヒートシンクの設計に応じて利点があります。たとえば、複数のコアを備えたCPUは、ラインメソッドの恩恵を受ける可能性があり、すべてのコアが適切なカバレッジを取得するようにします。ハードウェアに最適なアプリケーション方法を理解することで、オーバーフローなしで効率的なカバレッジが保証されます。

•表面の準備を怠る

サーマルグリースを適用する前に、CPUとヒートシンクの表面を適切に準備することはしばしば見落とされます。ほこり、油、または残留物は、効果的な熱伝達を阻害する障壁を作り出すことができます。清潔で乾燥していることを確認するために、ペーストを塗る前に、糸くずのない布とイソプロピルアルコールで両方の表面を洗浄します。

熱グリースの役割

以下の表は、サーマルグリースを適用する場合と伴わないプロセッサの熱性能を比較しています。

側面	サーマルグリースなし	サーマルグリース付き
熱 転送効率	接触 プロセッサとヒートシンクの間では、顕微鏡のためにあまり効果的ではありません 不完全性と空気の隙間は、最適ではない熱伝導率をもたらし、 より高い熱抵抗。	塗りつぶす プロセッサとヒートシンクの間の顕微鏡空気のギャップ、サーマルの改善 導電率と熱抵抗の低下。
温度 規制	より高い 動作温度	より低い 動作温度
	サーマル スロットリング：過熱を防ぐためのパフォーマンス低下の可能性が高い	強化 パフォーマンス：熱スロットリングの削減
	減少 コンポーネント寿命：長期の高温が寿命を短くします	増加しました 寿命：より良い熱散逸により、成分の寿命が強化されます
	システム 安定性：高温が高くなると、衝突または予期しないシャットダウンを引き起こします	安定性： Cooler Processorはより確実に動作し、クラッシュまたはシャットダウンを減らします
全体 システムパフォーマンス	減少 高いクロック速度を維持する能力	もっと 安定した高性能システム
	減少 全体的な効率	持続します より長い期間のピークパフォーマンス
	注目に値します 計算タスクやゲーム中にユーザーエクスペリエンスを落とします	有益 ゲームやビデオ編集などの高処理パワータスクの場合
		よりスムーズ ハードウェアのアップグレード間のパフォーマンスと潜在的に長い間隔
定量的 分析	アイドル 温度：40°C	アイドル 温度：35°C
	負荷 温度：85°C	負荷 温度：70°C
	サーマル 抵抗：0.5°C/w	サーマル 抵抗：0.2°C/W

サーマルグリースの組成と特性

化学組成

サーマルグリースは、シリコンまたは非シリコンのいずれかの基本材料で構成され、導電性フィラーと混合されています。これらの選択は、その熱導電率およびその他の物理的特性に影響します。

基本材料

シリコンベースのグリースは、熱安定性と広い温度範囲にわたる分解に対する抵抗に人気があります。また、良好な電気断熱材を提供し、このプロパティを必要とするアプリケーションに最適です。

合成オイルやエステルなどの非シリコーン塩基は、低出血および低蒸発速度が重要な場合に使用されます。これらは、光学アプリケーションや自動車用アプリケーションのように、シリコン汚染が問題になる可能性があるシナリオで好まれます。

導電性フィラー

酸化亜鉛や酸化アルミニウムなどの金属酸化物は、熱伝導率と電気断熱性のバランスをとるため、一般的に使用されます。

銀、アルミニウム、銅粒子を含むメタリックフィラーは、熱伝導率を高めますが、すべての用途には適していない電気伝導率も向上します。

グラファイトやカーボンナノチューブなど、セラミック粒子などの炭素ベースの材料は、電気伝導のリスクなしに高い熱伝導率に使用されます。

物理的特性

熱伝導率：これにより、材料の熱伝達能力が測定されます。熱グリースには、0.5〜10 W/mkの熱伝導率があり、特殊なタイプはより高い値に達します。熱伝導率が高いと、より効果的な熱伝達が意味されます。

粘度：粘度は、グリースを簡単に適用できるか、表面間に形成される層の厚さに影響します。粘度の低いグリースは簡単に広がり、薄い用途に合わせて広がりますが、粘度グリースが大きいほど、より大きな隙間や粗い表面に適しています。

熱インピーダンス：熱導電率とグリース層の厚さの両方を考慮して、熱インピーダンス測定抵抗。より低い熱インピーダンスは、効率的な熱伝達に適しています。

動作温度範囲：グリースの温度範囲は、デバイスまたは機械の動作条件と一致する必要があります。一部のグリースは、低極度と高温の両方で設計されています。

耐久性：時間が経つにつれて、熱グリースは、アプリケーションエリアから乾燥したり、硬化したり、移動したりする可能性があり、有効性が低下します。グリースの定式化は、その耐久性と、再適用する必要がある頻度に影響します。

サーマルグリースを適用するためのさまざまな方法

自動分配システム

自動分配システムにより、プロの環境での熱グリースの一貫した正確な適用が保証されます。これらのシステムは、CPUまたはGPUの特定の場所に必要な貼り付けの正確な量を分配し、アプリケーションの厚さの人為的エラーと変動を最小限に抑えるようにプログラムできます。この自動化は、生産環境でのアセンブリプロセスも加速します。

図10：自動分配システム

レーザー支援アプリケーション

高度な方法には、レーザー技術の使用が含まれます。レーザーは、塗布前にわずかにサーマルグリースを加熱し、粘度を低下させ、チップ​​表面に広がるより均一な広がりになります。この手法は、厚いペーストや精度が必要な場合に特に役立ちます。

スクリーン印刷技術

電子機器の製造業から採用されたスクリーン印刷は、サーマルペーストを効率的に適用します。マスクがアプリケーション領域を定義し、スキージのようなツールがマスク全体に貼り付けを均等に広げ、正確なエッジを備えた均一な層を確保します。この方法は、複数のプロセッサを同時に組み立てるのに最適です。

図11：スクリーン印刷を介してサーマルグリースを適用します

正確なステンシルメソッド

ステンシルメソッドには、ペーストを適用する開口部を使用して、CPUまたはGPUの上にステンシルを配置することが含まれます。サーマルグリースはステンシルの上に広がり、過剰が除去され、適用されたペーストの一貫した厚さと形状が確保されます。

図12：ステンシルメソッド

位相変更材料アプリケーション

相変化材料（PCM）は、特定の温度で溶けて固化し、プロセスの熱を吸収または放出します。PCMは、加熱すると溶けてチップの表面に適合するパッドまたはシートとして適用できます。従来のペーストではありませんが、PCMは革新的な代替品を提供し、液体化合物の混乱なしに一貫した熱伝導率を提供します。

超音波アプリケーション

超音波アプリケーションは振動を使用して、チップ表面にサーマルペーストを均等に分布させます。この手法は、高精度の環境で、ミクロタインのペーストの層を達成するのに理想的です。また、熱伝導率を妨げる可能性のある気泡を排除するのにも役立ちます。

熱化合物の3次元印刷

新興技術により、熱化合物の3D印刷が可能になり、熱伝達を最適化するパターンでの熱ペーストの正確な堆積が可能になります。異なるチップ領域の熱出力に応じてペーストアプリケーションのジオメトリを調整することにより、この方法は将来の熱界面材料の適用に革命をもたらす可能性があります。

結論

サーマルグリースは、電子デバイスの熱を管理するのに適しており、それらがどれだけうまく機能しているか、信頼性があり、どれだけ長持ちするかに大きく影響します。この記事では、さまざまなタイプを調べることにより、適切なサーマルグリースを選択することの重要性と、それらがどのように適用されるかを強調しています。熱油がどのように機能するか、熱経路を改善したり、熱抵抗を下げたり、熱伝達を強化したりすることにより、電子機器の設計と維持における役割が示されます。自動化されたシステム、レーザー支援技術、熱化合物の3D印刷などの新しいアプリケーション方法は、正確で効率的な熱管理が可能な未来を示唆しています。テクノロジーが進歩するにつれて、熱グリースの継続的な研究により、電子デバイスが急速に進化する技術の世界で期待を超えて機能するようにします。

よくある質問[FAQ]

1.サーマルジェルとサーマルグリースの違いは何ですか？

サーマルジェルとサーマルグリースは、コンピューターのCPUやそのヒートシンクなどのコンポーネント間の熱伝達を強化するために使用される材料です。主な違いは、物理的特性と適用方法にあります。サーマルグリースは、手動で適用する必要がある粘性ペーストであり、表面間の微視的なギャップを埋めるために均等に広がることを保証します。一方、サーマルジェルは、多くの場合、事前に適用されたパッドで、または処理して適用しやすい半固体として提供されますが、事前に定義された厚さと充填の柔軟性が低いため、常に効果的な熱伝達層を提供するとは限らない場合があります。不均一な表面。

2.サーマルグリースはどこに置きますか？

熱グリースは、ヒートシンクや液体冷却ブロックなどの冷却装置を取り付ける前に、プロセッサ（CPUまたはGPU）の表面に塗布されます。熱が発生するチップの表面に薄い均一な層を直接塗ります。このレイヤーは、チップからクーラーに熱を効率的に伝達する媒体として機能し、動作温度を下げることでデバイスの性能を最適化します。

3.サーマルグリースの欠点は何ですか？

サーマルグリースを塗るのは乱雑です。精度が必要であり、過剰なアプリケーションは他のコンポーネントへの流出につながる可能性があります。

時間が経つにつれて、熱グリースは乾燥したり、熱伝導率を失いたり、表面の間から漏れたりすることさえ、再適用を必要とします。

一部のサーマルグリースには、不適切に適用されれば、電子部品の短絡や損傷につながる可能性のある導電性材料が含まれています。

4.サーマルグリースはどのくらい良いですか？

サーマルグリースの有効性は、グリースの品質とデバイスが動作する条件に応じて3〜5年続きます。時間が経つにつれて、それが受ける熱サイクルのために乾燥または劣化する可能性があります。これにより、熱の伝達における有効性が低下します。デバイスの温度が異常に上昇し始めた場合、またはデバイスが数年間使用されている場合は、熱グリースをチェックして交換することをお勧めします。

5.サーマルグリースをどのように保存しますか？

熱グリースがその有効性を維持することを確認するために、直射日光から離れた涼しく乾燥した場所に保管してください。グリースチューブのキャップは、空気の侵入とグリースの乾燥を防ぐためにしっかりと締めている必要があります。漏れを避け、次の使用時に最適なアプリケーションのためにその組成が一貫していることを確認するために、直立した位置に保ちます。極端な温度は、グリースの化学構造を変更し、その性能に影響を与える可能性があるため、避けてください。