あなたの知らないCPU放熱グリスの選び方~インテルCPUは隙間になる

 市場には数多くのグリスがあり、熱伝導率の高さを競っているように見える。そのため、熱伝導率の数字が高いほど、よく冷えると思って選ぶ人が多いようだ。そんなグリスを使ってみて、次の経験をしたことは無いだろうか。

「固くて塗りにくい」「クーラーが固着して剥がれない」
「クーラーを外したら粉になっていた」

 

 熱伝導率の高いグリスは元々粉っぽいものが多く、ヘラで薄く塗り延ばせない。ある薄さになるとCPUから剥がれてしまう。「グリスは薄塗りせよ」といわれるが、それができない。「熱伝導率が高くても薄塗りできないなら意味ないのでは?」「本当にこれでいいのだろうか」そんな疑問を持つ人もいると思う。

 そもそも、インテルのCPUはクーラーとの合わせ面が隙間になるので薄塗りは不可能。このことは、意外に知られていない。

 

インテルのCPUはクーラーとの合わせ面が隙間になる

 写真はインテルのCPUをマザーに取り付けた状態で灯油を滴下し、ガラス板を置いてみたところ。灯油が左右に分かれている様子から、中央付近がたわんで隙間になっている。これはCPU押サエ(上下に見えるツメ)によってCPUの上面(ヒートスプレッダ)がたわんでしまった為だ。

 この隙間は純正クーラーを取付た状態で8~10ミクロンある(厚みが既知のビニールを挟んで確認)

 

 CPUの押サエを外すと、CPUの上面が完全な平面に復元する。CPUの上面がたわんでしまってはグリスの薄塗りができず、高性能なクーラーもその性能を生かせない。

 

グリスは冷却にどのくらい影響するのか

 グリスの熱伝導率は冷却はにどのくらい寄与するのだろう。ここで「熱抵抗」を考える必要がある。熱抵抗は次の式で表され、この計算値が小さいほどよく冷える。

熱抵抗=厚み /(面積 × 熱伝導率)   (式1)

 ファンを別にした時の冷却性能は、CPUの熱抵抗+グリスの熱抵抗+ヒートシンクの熱抵抗 (合計)で決まる

 ここでインテルのBOX商品を想定し、CPU(ヒートスプレッダ 1mm厚銅)、グリス(熱伝導率 1W/m・K、厚み50um)、ヒートシンク(10mmアルミ)とし、それぞれの熱抵抗を求めてみる。CPUを1とし、比率で表したものが次だ。

CPU  :  グリス : ヒートシンク= 1 : 20 : 16 (合計 37)

 ここでグリスに熱伝導率 4W/m・K のものを使うと

CPU : グリス : ヒートシンク= 1 : 5 : 16 (合計 22)

というようにグリスの熱抵抗が下がって合計値が改善される。この状態ではヒートシンクが最も大きい。
 世の中にはもっと熱伝導率のいいグリスがあるが、これ以上グリスの熱抵抗を下げても、ヒートシンクがボトルネックになって合計があまり変わらないことがわかる。

このことから、

 リテールクーラーを使う場合は、グリスの熱伝導率は 4W/m・K で十分、という結論を得る。

  また、式1からわかるように、「厚み」が重要になる。厚みを半分にすれば熱伝導率を2倍にしたのと同じ。「グリスは薄塗せよ」と言われるゆえんだ。


 インテルのリテールクーラーにはグリスがプレコートされている。厚みは0.1mm(100ミクロン)以上ある。最初気になったが、隙間が出来ること考慮した結果かもしれない。

 インテルのCPUは付属のクーラーとセットで問題なく動作するよう設計されている。普通はこれをそのまま使って問題ない。

 

 

 

 

グリスは経時劣化する

 「一度塗ったグリスの性能は、変わらないはず」

ほとんどの人がそんな期待を抱く。ネットにはCPUにいろんなグリスを塗って温度を測り「こんなに冷えました」といった比較記事をみかける。その性能が今後もずっと続くなら、こういう記事は参考になる。

 クーラーを外したら、グリスが枯れていた(固まっていた)場合、グリスの性能は、塗った後で変わってしまうと考えなければならない。これは、グリスの流動成分が揮発したか、オイルブリード(染み出して流失)した結果だ。

 このような心配がない信頼できるグリスは信越シリコーン、東レ・ダウコーニングなどが作っている。どちらも厳しい試験を経て耐久性や信頼性を検証されたもの[1][2]。その中から、DOS/V自作向けに使えそうな候補をまとめてみた。

表1.放熱用グリスの候補(2017/1現在)

メーカー 品番 粘度(Pa・s 25℃) 熱伝導率(W/m・K) 備考
信越 X-23-7868-2D 100 6.2 溶剤形
信越 G-751 420 4.5  
信越 KS-609  70  0.73  耐熱(+200℃)
東レ・ダウ TC-5022 82 4.0 廃番予定品
東レ・ダウ TC-5622 95 4.3  
東レ・ダウ TC-5026 76 2.9 低熱抵抗タイプ

 最も熱伝導率の高いX-23-7868-2Dは溶剤形。粘度を下げる為2.5%程度の溶剤を含む。このタイプは長期保管できないため、たまにしかグリスを使わない自作に向かない。
 他は無溶剤で保管時の経時劣化がない。無溶剤形の熱伝導率は4.5W/m・Kあたりが上限らしい(これより高いものを見ない)。

 

 

 クーラー圧着後の厚み(BLT)は商品によって違う。写真はTC-5022(82Pa・s)を塗ってから外してみたところ。ヒートシンク側の残留物の厚みは50~100ミクロン。ヒートスプレッダが少々たわんでも影響しない。TC-5026を使うと、同じ面圧下でTC-5022より熱抵抗を半分にできるという[2][3]

 

高熱伝導率をうたうグリスの落とし穴

 CPU放熱グリスと称する商品は多いが、そのほとんどが何処かの商品を小分けしたもの。熱伝導率4.5W/m・K超える商品は、溶剤で希釈されているか、粉っぽくて密着性に劣る商品が多いので注意したい。

 

 


 

実験

 表1のグリスにBON BOND を加えて物性を比較してみた。

 写真は入手したグリスの一部。
 一番右の「BON BOND」はDOS/V自作の黎明期に流通していた商品。チューブの裏にスペックが書いてあり0.9W/m・k、-100℃~+200℃。IGBTなどの高温パワーデバイス用らしい。

  注射器に入ったものはピストンのゴムが固着している。使う前にいったん反対側に引っ張ることでスムースに動くようになる。

 

 

(1)潰れ

 

 出来るだけ量を揃えて塗布しところへカバーガラスを乗せ、30gの錘( 約1N/cm2)を載せて潰れ終わるまで静置したもの。薄く潰れるものほど大きく広がる。
 面圧と潰れの関係を正確に測るのは難しいが、潰れた後の厚みは広がり(直径)と比例関係にあると考えこれを測定。塗布量のばらつきが管理できないが、実験回数を増やすことで対応。

 

 X-23-7866-2D(上2つ)は溶剤形なので乾燥前後で固さが変わる。左が乾燥前、右は十分乾燥させたもの(21℃)。

 T-C5622(下2つ)はTC-5022の後継品とみられる。潰れやすさが大きく改善されている。

 

 

(2)塗りやすさ

 ヘラで薄塗りした結果。白グリス(KS609とBON BOND)は問題ないが、他は剥がれてしまい塗り伸ばしができない。潰して使う形になる。

 

(3)オイルブリード

オイルブリードを調べるため、すりガラスの上にグリスを置いてオーブンで加熱した結果。100℃10分。BON BONDの染み出しが目立つ。

 

 続けて180℃10分加熱したもの。X-23-7868-2Dは、ほとんどブリードしない。

 

(4)密着性

 グリスの密着性と基材の細かさは、スティックで掬いあげた様子から伺える。
 左はTC-5026、右はX-23-7868-2D(15℃)。TC-5026とTC-5622は共にネットリしていて長い糸を引く。糸を引く長さが長いほど、表面にツヤがあるものほど、基材の粒子が細かくて密着性に優れる商品。

 

実験結果

表2.放熱グリスの実験結果

メーカー 品番 潰れ後の厚み 塗伸し 耐ブリード
(熱流失)
密着性 参考
熱伝導率(W/m・K)
熱抵抗
信越 X-23-7868-2D 2.2
(乾燥後4.4)
× 6.2  0.36(0.71)
信越 G-751 2.5 × 4.5  0.56
信越 KS-609 1.5 ◎  0.75  2.1
東レ・ダウ TC-5022 2.0 × 4.0  0.50
東レ・ダウ TC-5622 1.2 × 4.3 0.27
東レ・ダウ TC-5026 1.0 × 2.9 0.34 
SUNNICO BON BOND 1.5 × 0.9 1.7 

 潰れ後の厚みはTC-5026を1としたときの比率。これを熱伝導率で割ったものを「熱抵抗」とした。この値が最も小さいものほど良く冷える。
 熱伝導はX-23-7868-2Dが最高だが、熱抵抗ではTC-5622がベスト。潰れ後の厚みを考慮すると、必ずしも 熱伝導率が高い=よく冷える ではないことに注意したい。
 良く潰れ熱抵抗の安定性に優れるという[3] TC-5026は、放熱より安定性が重視されるサーバー用途に適する。

 


 

塗り方

 白グリス以外はクーラーで押し潰す。固いグリスの場合は全体均等盛りや、真ん中1点盛りよりも、潰した時に線同士が丁度くっつく量で「三」と書く方が薄く仕上がる。
 潰したグリスはクーラーの当たり面全体に広がる必要がある。これは外のはみ出しで確認できる。

 固いグリスほど潰れにくい(広がらない)ので塗布が難しくなる。写真のG-751(上から2番目)は明らかに量が不足している。

 

結論

 結局CPU放熱グリスは次を選べばいい。

 冷却重視 東レ・ダウコーニング TC-5622  (一般ユーザー or  OCなどで特に放熱を重視したい人)
 安定性重視 東レ・ダウコーニング TC-5026 (放熱より信頼性、安定性を重視したい人)

 TC-5622の初期性能はすべての市販グリスを上回るわけではないが、長期的な性能はほとんどの市販品を上回る可能性がある。TC-5026は元々高い放熱性能が必要ないが、何年もCPUを交換しないサーバーやNASなどに最適だ。

 (どちらも入手しずらいので、小分け販売することにしました。興味のある方は こちら をご参照ください。)

 

<関連商品>
CPU放熱グリス

<関連記事>
あなたの知らないPCファンの選び方
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<参考文献>
1.グリース・オイルコンパウンド 信越シリコーン
2.放熱用シリコーン 東レ・ダウコーニング
3.TC-5026の紹介
4.TC-5622の紹介