AI GPUモジュール1基当たりの消費電力が700 Wを超え、さらに1,000 Wクラスへ近づくなか、空冷の物理的限界ではラックレベルの熱流束に対応することが難しくなっています。そのため、液浸冷却（Immersion Cooling）は、データセンターの冷却アーキテクチャにおける重要な選択肢の一つとなっています。Fortune Business Insightsの市場調査によると、世界のデータセンター向け液浸冷却市場は、2026年の3億4,830万米ドルから2033年には16億9,400万米ドルへ成長し、年平均成長率は約21.9%に達すると予測されています[1]。
一方、サーバーやチップモジュールを空冷環境から誘電性冷却液への液浸環境へ直接移行する場合、従来の空冷設計で使用されていた多くの熱伝導性インターフェース材料（Thermal Interface Material、TIM）は、液体との適合性が十分に検証されていません。特に、従来のシリコーン製熱伝導パッドは、業界で適合性への懸念が多く指摘される材料の一つです。一部の事例では、長期間の浸漬後にパッドの体積膨張や軟化が確認されています。本記事では、高分子材料科学の観点から、その原因と影響、さらに材料設計による対応策を解説します。
液浸冷却環境が熱伝導材料にとって新たな課題となる理由
空冷、またはコールドプレートを使用する一般的な液冷システムでは、TIMが接触するのは空気または密閉された水冷回路に限られます。しかし、液浸冷却ではTIMが冷却液に長期間、全面的に浸漬されるため、材料適合性を独立した項目として検証する必要があります。2016年のIEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems（ITherm）で発表された研究では、IT機器全体を鉱物油に浸漬することで、エネルギー効率と省スペースの面で大きな効果が得られると報告されています。一方で、PVCケーブル、PCB、コネクターなど、機器を構成する各種材料の物理的・化学的性質が長期間の油中浸漬によって変化する可能性は、液浸冷却を導入するメーカーにとって依然として主要な不確定要素です[2]。このため近年では、冷却液メーカーやサーバーインテグレーターが、TIM、シール材、ケーブルなどの非金属材料を対象とした正式な適合性評価プロセスを構築し始めています。
シリコーンが炭化水素系冷却液中で膨潤する理由―溶解度パラメーターの役割
単相液浸冷却液は、主に二つのカテゴリーに分類されます。一つは、合成アルカンやイソパラフィンなどの炭化水素を主成分とする鉱物油系／合成油系冷却液です。もう一つは、フッ素化合物を主成分とするフルオロカーボン系冷却液です。両者の化学構造の違いは、シリコーンとの適合性に直接影響します。
シリコーン系熱伝導材料の高分子基材は、ポリジメチルシロキサン（Polydimethylsiloxane、PDMS）です。その分子鎖は、ほぼ非極性のSi–O結合とC–H結合で構成されています。高分子科学における「似たもの同士は溶け合う（like dissolves like）」という原則に基づくと、非極性の炭化水素系冷却液とPDMSは、溶解度パラメーター（solubility parameter、δ）が比較的近くなります。その結果、両者間のFlory–Huggins相互作用パラメーターが小さくなり、溶媒分子が高分子ネットワークへ浸透する駆動力が高まります。米国化学会（ACS）の学術誌『Analytical Chemistry』に掲載された、PDMS製マイクロ流体デバイスと有機溶媒の適合性に関する代表的研究では、PDMSの膨潤度が溶媒の溶解度パラメーターと密接に関係することが実験データによって示されています。また、研究対象となった三つの適合性指標のうち、膨潤が最も大きな影響を及ぼすことも確認されました[3]。これに対し、フッ素化合物系冷却液では、多数のフッ素原子が炭素骨格を覆っています。そのため、表面張力と極性特性が炭化水素系冷却液とは大きく異なり、一般的なエラストマー材料を膨潤させる傾向も比較的低くなります[4]。したがって、「シリコーンは冷却液中で膨潤するか」という問いに一律の答えはありません。冷却液の化学的種類と、シリコーン材料自体の分子設計の両方を考慮する必要があります。
材料適合性が不十分な場合に生じる実際の影響
- 接合層厚さ（Bond Line Thickness、BLT）の増加と熱抵抗の上昇：材料の膨潤によって熱伝導層の体積が増加すると、界面熱抵抗も上昇します。その結果、チップの接合部温度が低下せず、逆に上昇する可能性があります。
- 材料構造の安定性低下：冷却液メーカーSubmerは、材料適合性に関する技術記事において、EPDM、天然ゴム、ニトリルゴム（NBR）、シリコーンなどのシール材は、単相液浸冷却液中で顕著に膨潤する傾向があり、本来のシール性や密着性に影響する可能性があると指摘しています[5]。
- 冷却液システムへの負担増加： 冷却液メーカーEngineered Fluidsは技術FAQにおいて、シリコーン系サーマルグリースや熱伝導パッドが完全硬化している場合、同社の誘電性冷却液と通常は適合し、吸収される液体量と膨潤量もわずかで、一般的には熱性能に影響しないと説明しています。一方、材料が完全硬化していない場合は、適合性とリスクが明確でない可能性があります。そのため、公式の適合性ガイドに基づき、材料ごとに検証することが推奨されます[6]。
- 長期信頼性の不確実性：前述のIEEE ITherm研究が示すように、液浸環境における材料物性の長期的変化は、データセンターへ液浸冷却を大規模導入する前に、実験データによって個別に検証すべき項目です[2]。
解決の方向性―完全硬化と適合性評価による耐液安定性の向上
つまり、シリコーン系熱伝導材料が液浸冷却環境に適しているかを判断する際、重要なのは単に「シリコーンであるかどうか」ではありません。材料が完全硬化しているか、対象冷却液の化学特性に対する適合性評価が実施されているか、さらにサプライヤーが対応する信頼性データを提示できるかが重要です。
LiPOLYの液浸冷却用熱伝導材料：DTT54-s / DTT55-s / DTT56-s / DTT61-s
上記の材料設計方針に基づき、LiPOLYは液浸冷却および高出力AIチップ用途向けに、二液型熱伝導ダイアタッチ接着剤DTT54-s / DTT55-s / DTT56-sシリーズと、液浸冷却用熱伝導パッドDTT61-sを開発しました。4製品はいずれもシリコーン系熱伝導材料です。DTT54-s、DTT55-s、DTT56-sは二成分硬化型のTIM-1材料で、A剤とB剤を混合・塗布した後、加熱硬化させることで、構造的に安定した熱伝導材料ネットワークを形成します。DTT61-sは、同じくシリコーン系材料を基材とする成形済み熱伝導パッドで、液浸冷却液への長期浸漬条件を考慮して設計されています。本シリーズは「シリコーンを使用しない」ことで膨潤問題を解決するものではありません。硬化プロセスと材料構造を最適化することで、シリコーン材料自体に液浸冷却で求められる耐液安定性を持たせています。これは、前段で述べた「問題の本質は分子設計と硬化の完全性であり、シリコーンという基材自体ではない」という考え方に一致します。
確認注記： 現行のLiPOLYカタログには、「本製品の液浸冷却適合性および関連する信頼性試験報告書は、ご要望に応じて提供可能です。お問い合わせください」とのみ記載されており、これは社内試験データです。カタログには、Engineered FluidsやShellなどの第三者冷却液メーカーが発行する正式な材料適合性認証リストに掲載されているかどうかは記載されていません。公開用文面では、「第三者認証取得済み」などの表現を避け、引用が必要な場合は営業部門または品質保証部門に最新状況を確認してください。
製品仕様比較表
| 項目 | DTT54-s | DTT55-s | DTT56-s | DTT61-s |
|---|---|---|---|---|
| 材料形態 | 二液硬化型熱伝導ダイアタッチ接着剤 | 二液硬化型熱伝導ダイアタッチ接着剤 | 二液硬化型熱伝導ダイアタッチ接着剤 | 成形済み液浸冷却用熱伝導パッド |
| 樹脂基材 | シリコーン系 | シリコーン系 | シリコーン系 | シリコーン系 |
| 熱伝導率（W/m·K、ASTM D5470） | 4.0 | 5.0 | 6.0 | 6.0 |
| 硬度（Shore A、ASTM D2240） | 40 | 25 | 20 | — |
| 密度（g/cm³、ASTM D792） | 2.7 | 2.7 | 3.3 | 3.3 |
| 接合層厚さ BLT（μm） | 30 | 30 | 10 | 要望に応じてカスタマイズ |
| 絶縁破壊強度（kV/mm、ASTM D149） | 14 | 14 | 14 | 8 |
| 体積抵抗率（Ω·m、ASTM D257） | >1012 | >1012 | >1012 | >1010 |
| 使用温度範囲 | -60～200°C | -60～200°C | -60～200°C | -60～200°C |
| 保存期間 | 24か月（未開封、30°C以下で保管） | 24か月 | 24か月 | — |
| 製品アプリケーション | AI GPUモジュール、AI液浸冷却サーバー、OAM/HGXアクセラレーターカード、EV用高出力電子モジュール | 左記と同じ | 左記と同じ | GPU／AIアクセラレーターとコールドプレート間の液浸冷却用インターフェース |
よくあるご質問
Q1：すべてのシリコーン系熱伝導材料は、液浸冷却に適していないのでしょうか？
いいえ。材料が液浸冷却環境に適しているかどうかは、単に「シリコーンであるかどうか」ではなく、特殊構造シリコーンの硬化状態と材料構造の設計によって決まります。完全硬化によって構造的に安定した熱伝導ネットワークを形成する二成分型シリコーン系熱伝導材料は、冷却液への長期浸漬条件を考慮して設計されています。LiPOLYのDTT54-s / DTT55-s / DTT56-s / DTT61-sシリーズは、すべてシリコーン系材料です。
Q2：DTT54-s / DTT55-s / DTT56-sは、どのように選定すればよいですか？
主な違いは、熱伝導率（4.0 / 5.0 / 6.0 W/m·K）、硬度、推奨接合層厚さです。実際のチップ消費電力、ギャップ寸法、工程要件に応じて選定できます。より高い熱伝導率と薄いギャップが求められる用途では、一般的にDTT56-sが選択肢となります。
Q3：DTT61-sとDTT54-sシリーズの違いは何ですか？
DTT54-s / DTT55-s / DTT56-sは、混合後に硬化させて使用する二成分型の液状ディスペンス材料で、精密塗布や自動化生産ラインに適しています。DTT61-sは成形済み熱伝導パッドで、そのまま裁断して使用できます。迅速な組み立てや、取り外し可能なメンテナンスが求められる液浸冷却モジュールのインターフェースに適しています。
Q4：これらの材料には、関連する信頼性試験データがありますか？
LiPOLYでは、液浸冷却への適合性と長期信頼性に関する社内試験報告書を別途用意しています。お客様のご要望に応じて詳細データを提供できますので、公式窓口から営業担当者へお問い合わせください。
Q5：液浸冷却用材料を選定する際、ほかに注意すべき点はありますか？
熱伝導材料自体に加え、冷却液の化学的種類（炭化水素系またはフルオロカーボン系）、対象チップの接合部温度上限、さらにケーブルやシール材などの非金属部品と同一冷却液との適合性を確認することが推奨されます。これにより、システムレベルで包括的な検証を実施できます。
参考文献
- Fortune Business Insights. Data Center Liquid Immersion Cooling Market, 2026–2033.
- Shah, J. M., Eiland, R., Siddarth, A., & Agonafer, D. (2016). Effects of Mineral Oil Immersion Cooling on IT Equipment Reliability and Reliability Enhancements to Data Center Operations. In 2016 15th IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm) (pp. 316–325). IEEE.
- Lee, J. N., Park, C., & Whitesides, G. M. (2003). Solvent Compatibility of Poly(dimethylsiloxane)-Based Microfluidic Devices. Analytical Chemistry, 75(23), 6544–6554. American Chemical Society.
- CAPLINQ. Chemical Interaction Between Immersion Cooling Fluids and Thermal Interface Materials.
- Submer. Navigating Material Compatibility in Immersion Cooling.
- Engineered Fluids. Material Compatibility Guide — Thermal Interface Materials for Dielectric Coolants (FAQ).
- Czaplewski, S. K., Kuczynski, J., Wertz, J. T., & Zhang, J. (2018). Silicone-Based Thermal Interface Materials. U.S. Patent No. 9,911,681 B2. International Business Machines Corporation.
- Shiu Li Technology Co., Ltd. (LiPOLY), 2026 E-Catalogue (Traditional Chinese edition, 2026/04/13), Low Molecular Siloxane test table (D3–D10 / GC data) — internal catalog, referenced for D3–D10 naming cross-check and test-report format only.
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