【入門】TIMとは？｜なぜグリスやシートを塗るのか完全図解

「先輩から"このパワー半導体にグリスをちゃんと塗っておいて"と言われたけど、なぜ塗るのか聞けなかった…」
「ヒートシンクは金属だから、直接ネジ止めすれば一番冷えるんじゃないの？なんでわざわざベタベタするものを挟むの？」

こんな疑問を抱えたまま、なんとなくグリスを塗っていませんか？

実は、グリスやシートを塗らないと、部品とヒートシンクの間に「見えない空気の層」ができて、熱がほとんど伝わりません。空気の熱伝導率は金属の1万分の1以下。たったコンマ数mmの空気層が、強力なヒートシンクの性能を台無しにします。

結論を先に言います。TIMの役割は「金属面の凸凹に潜む空気を追い出すこと」です。この記事では、なぜそれが必要なのかを中学校の理科レベルから丁寧に解説します。

TIMとは｜「熱の橋渡し」をする材料

TIMはThermal Interface Material（サーマルインターフェースマテリアル）の略で、日本語では「熱伝導材料」や「熱界面材料」と呼ばれます。

役割は単純です。発熱部品（パワー半導体など）とヒートシンクの間に挟んで、熱をスムーズに伝えること。サーマルグリス、サーマルシート、サーマルパッドなど、形状はさまざまですが、目的はすべて同じです。

TIMの位置づけ：熱の流れの中で

熱は「半導体 → ケース → TIM → ヒートシンク → 空気」という順番で流れていきます。TIMはその橋渡し役であり、ここで熱が止まると、いくら強力なヒートシンクを使っても部品は冷えません。

金属面は「平らに見えて実は凸凹」だった

ここでTIMが必要な根本的な理由を理解しましょう。

パワー半導体のケースもヒートシンクの取り付け面も、肉眼では「ピカピカで平ら」に見えます。しかし、顕微鏡で見ると数μm〜数十μmの凹凸があります。どんなに精密に研磨されていても、原子レベルで完全な平面を作ることは不可能です。

2つの金属面を密着させると何が起きるか

2枚の金属を重ね合わせると、実際に接触しているのは表面積の1〜5%程度と言われています。残りの95〜99%の隙間には何が入るか——空気です。

空気の熱伝導率｜なぜ「隙間の空気」が致命的なのか

熱の伝わりやすさを示す指標を「熱伝導率 λ（ラムダ）[W/(m·K)]」と呼びます。値が大きいほど熱を伝えやすい材料です。

材料別の熱伝導率の比較

驚きの事実：空気はアルミの約1万分の1

表を見て分かる通り、空気はアルミニウムの約1万分の1、銅の約1万6千分の1の熱伝導率しかありません。空気は事実上の「断熱材」です。

家の壁の断熱材（グラスウール、発泡ウレタン）が「空気を細かい泡として閉じ込める」ことで断熱性を発揮するのと同じ原理です。金属同士の隙間にある空気も、まさに「断熱材」として働いてしまいます。

TIMの種類と使い分け｜グリス・シート・パッド

TIMには複数のタイプがあり、用途によって使い分けます。代表的な4種類を紹介します。

①サーマルグリス（熱伝導グリス）

最も一般的なTIM。シリコーンオイルなどに、酸化アルミ・酸化亜鉛・銀粒子などの熱伝導性フィラーを混ぜたペースト状の材料です。

• 長所：薄く塗れる（10〜50μm）、熱抵抗が小さい、安価
• 短所：塗布の手間、ポンプアウト（経年で滲み出す）、大量生産には不向き
• 用途：パワーモジュール、CPU、評価用試作

②サーマルシート（熱伝導シート）

シリコーンゴムなどに熱伝導フィラーを練り込んだシート状の材料。挟むだけで使えます。

• 長所：取り扱いが簡単、量産向き、絶縁性能を兼ねるタイプもある
• 短所：グリスより厚い（0.2〜2mm）、熱抵抗が大きい
• 用途：量産品、絶縁が必要な箇所

③サーマルパッド（ギャップフィラー）

シートよりも厚く・柔らかいタイプ。部品とヒートシンクの間に大きな隙間がある場合に使います。

• 長所：大きな隙間（1〜5mm）を埋められる、複数部品をまとめて冷却可能
• 短所：厚いため熱抵抗が大きい
• 用途：基板上の複数部品を1つのヒートシンクで冷却

④相変化材料（PCM）

常温では固体、動作温度（50〜70℃）になると柔らかくなって隙間を埋めるハイブリッド材料です。

• 長所：初期取り扱いが楽（固体）、稼働後はグリス並みの性能
• 短所：高価、種類が少ない
• 用途：高信頼性用途、ハイエンド機器

比較表：どれを選ぶか

正しい塗り方｜「薄く・均一に」が鉄則

TIMで最も多い失敗が「塗りすぎ」です。「たくさん塗ったほうが冷えそう」という直感は、完全に間違いです。

なぜ「薄く塗る」のが正解なのか

TIMの熱伝導率は1〜10 W/(m·K)。金属（200〜400 W/(m·K)）の数十分の1〜数百分の1です。つまり、TIM自体も「熱の流れにとっての障害物」なのです。

TIMの役割は「金属面の凸凹に潜む空気を追い出すこと」であって、それ以上の厚みは熱抵抗を増やすだけ。理想は「凸凹を埋める最小限の量」です。

塗り方の手順（グリスの場合）

TIMで失敗する3つの典型パターン

失敗①：グリスを塗りすぎる

「冷えそうだから」と大量に塗るのは逆効果。TIM自体の熱伝導率は金属の数十分の1なので、厚く塗るほど熱抵抗が増えます。米粒1〜2粒分を目安にしてください。

失敗②：絶縁が必要な場所に導電性グリスを使う

銀粒子などを含む高性能グリスは導電性を持つものがあります。パワー半導体のケース（コレクタ電位など）が露出している場合、グリスがはみ出すとショート事故になります。絶縁が必要な箇所では「絶縁タイプ」のシートやグリスを選んでください。

失敗③：塗布前の清掃を怠る

接触面に油分・ホコリ・古いグリスの残骸があると、それが新たな「熱抵抗の壁」になります。組み立て前に必ずイソプロピルアルコール（IPA）でしっかり脱脂してください。

まとめ｜TIMは「空気を追い出す材料」

TIMは「ただのグリス」ではありません。熱設計全体の成否を握る重要な要素です。次回以降の記事では、グリスの種類選定、シートの選び方、絶縁シートの使い分けなど、より実践的なテーマを取り上げていきます。