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TIM(Thermal Interface Material、熱界面材料)は、CPUやGPUなどの発熱部品とヒートシンクやIHSの間に存在する微細な空隙を埋め、効率的な熱伝導を実現するための材料の総称です。
TIMの役割:
TIM1(CPU内部):
- ダイとIHS間
- メーカー封入
- はんだ or ペースト
- 交換は高リスク
TIM2(外部):
- IHSとクーラー間
- ユーザー交換可能
- 各種選択肢
- 定期交換推奨
世代別:
第1世代: シリコングリス
第2世代: 金属酸化物配合
第3世代: ダイヤモンド/銀配合
第4世代: 液体金属
次世代: グラフェン/CNT
ポリマーベース:
- シリコーン主体
- 4-8 W/mK
- 扱いやすい
- 最も一般的
金属粒子配合:
- 銀、アルミ粒子
- 8-13 W/mK
- 高性能
- 導電性注意
セラミック配合:
- 酸化アルミ等
- 5-9 W/mK
- 非導電性
- 安定性高い
サーマルパッド:
- 厚さ調整可能
- 1-15 W/mK
- 再利用不可
- 大きな隙間対応
相変化材料(PCM):
- 温度で軟化
- 初期は固体
- 密着性向上
- 高信頼性
金属箔:
- インジウム等
- 極薄(0.1mm)
- 高熱伝導
- 高価
ガリウム合金:
- Ga-In-Sn合金
- 70-80 W/mK
- 室温で液体
- 最高性能
特性:
- 優れた濡れ性
- 導電性(危険)
- アルミ腐食
- 専門知識必要
比較基準:
- 空気: 0.026 W/mK
- 水: 0.6 W/mK
- 標準TIM: 4-8 W/mK
- 高性能TIM: 8-15 W/mK
- 液体金属: 70-80 W/mK
- アルミ: 237 W/mK
- 銅: 401 W/mK
定義:
Rth = ΔT / Q [K/W]
影響要因:
- TIM厚さ
- 接触圧力
- 表面粗さ
- 材料特性
目標値:
- 優秀: <0.05 K·cm²/W
- 良好: 0.05-0.1 K·cm²/W
- 標準: 0.1-0.2 K·cm²/W
一般PC:
- ポリマーベース
- 4-6 W/mK
- 非導電性
- コスト重視
高性能PC:
- 金属/セラミック配合
- 8-12 W/mK
- 長寿命
- 性能重視
極限OC:
- 液体金属
- 最高熱伝導率
- リスク許容
- 経験必要
ノートPC:
- 薄層形成能力
- 低粘度
- ポンプアウト耐性
- 長期安定性
サーバー:
- 高信頼性
- 5年以上寿命
- 温度サイクル耐性
- メンテフリー
産業用:
- 極端温度対応
- 振動耐性
- 化学的安定性
- 規格適合
準備:
- 完全清掃
- 脱脂
- 平滑度確認
- 乾燥
ラッピング:
- 極限性能追求
- 鏡面仕上げ
- 0.1μm以下
- プロ向け
適量:
- CPU: 3-5mm径
- GPU: やや多め
- 薄層が理想
- 経験で調整
テクニック:
- 中央一点法
- X字塗布
- 薄塗り展開
- 用途で選択
重要性:
- 適切な密着
- 薄層形成
- 気泡排除
- 均一分布
推奨圧力:
- 30-50 PSI
- 取付仕様準拠
- 過圧注意
- 段階的締付
熱劣化:
- 高温での変質
- 成分分離
- 硬化/乾燥
- 性能低下
機械的劣化:
- ポンプアウト
- 熱サイクル疲労
- 界面剥離
- クラック発生
目安:
- 標準グリス: 2-3年
- 高性能グリス: 3-5年
- 液体金属: 5年以上
- パッド類: 部品交換時
判断基準:
- 温度上昇
- 不安定動作
- 目視確認
- 定期交換
カーボン系:
- グラフェン
- カーボンナノチューブ
- 異方性熱伝導
- 研究段階
複合材料:
- ハイブリッド構造
- 相乗効果
- 最適化設計
- 実用化近い
機能性:
- 自己修復
- 適応的特性
- センサー統合
- 状態監視
将来像:
- 劣化予測
- 自動最適化
- IoT連携
- 10年後実用化
健康リスク:
- 皮膚刺激性
- 吸入注意
- 保護具使用
- MSDS確認
環境配慮:
- RoHS適合
- 廃棄方法
- リサイクル性
- 規制動向
冷却不足:
- TIM不足/過剰
- 気泡混入
- 経年劣化
- 選択ミス
対策:
- 再施工
- 材料変更
- 手法改善
- 定期交換
評価方法:
- 温度測定
- 熱抵抗計算
- 長期モニタリング
- 比較テスト
改善指標:
- ΔT改善度
- 安定性
- 耐久性
- コスト効果
TIMは発熱部品と冷却器の間の熱伝導を最適化する重要な材料。適切な選択と施工により、システムの冷却性能を大きく左右する。用途に応じて、扱いやすさと性能のバランスを考慮し、定期的な交換により最適な状態を維持することが重要。技術の進歩により、より高性能で信頼性の高い材料が開発されているが、基本的な原理の理解が適切な選択の基礎となる。