AIサーバーおよびデータセンターにおける帯域幅需要の急拡大に伴い、800Gおよび1.6T光トランシーバーはAIクラスタ相互接続の主流規格となり、モジュールの消費電力と熱密度も急速に上昇しています。光モジュール内部には、高出力DSP、レーザーダイオード、シリコンフォトニクスエンジンなど温度に極めて敏感な部品が搭載され、さらに開放型の光学結合面にも近接しています。そのため、光モジュール向け熱伝導材料（Thermal Interface Material, TIM）の選定においては、高い熱伝導率を追求するだけでなく、材料からの揮発物が近接する光学面を汚染しないかという点も同時に考慮する必要があります。本稿では、放熱設計上の課題と低分子シロキサンによる汚染リスクという二つの観点から、AI光モジュール用途における非シリコン系熱伝導材料の技術的価値を解説します。
なぜ AI データセンター向け光モジュールの熱設計はますます厳しくなっているのか
Fortune Business Insightsの市場調査によれば、世界の光トランシーバー市場規模は2026年の171.5億米ドルから2034年には461.2億米ドルへ拡大し、年平均成長率（CAGR）は17.00%に達すると予測されています。TrendForceのデータでは、AIクラスタ用途に特化したイーサネット光トランシーバー市場の規模が、2025年の165億米ドルから2026年には260億米ドルへ、1年間で5割を超える成長を遂げると見込まれており、AIインフラ構築が高速光モジュールへの需要を急速に押し上げていることがうかがえます。
伝送規格が400Gから800G、そして1.6Tへと進化するにつれ、光モジュール単体の消費電力も同時に上昇しています。業界データによれば、800G可插拔（プラガブル）モジュールの消費電力はおよそ15W前後、1.6Tモジュールの電力目標値はクライアント側で20〜25W、データセンター相互接続用途では25〜30Wの範囲までさらに引き上げられています。既存のプラガブル型パッケージでは、この電力レベルにおいて放熱の余裕がすでに逼迫しつつあり、業界はより完成度の高い放熱構造を備えたパッケージ形態へと移行しつつあります。限られたモジュール容積内でより高い電力を処理する必要があるため、DSP、レーザーエンジン、放熱構造の間に位置する熱伝導インターフェースが、放熱効率と信号安定性を左右する重要な要素となっています。
レーザーおよびシリコンフォトニクスエンジンは温度変化に極めて敏感
光モジュール内のレーザーダイオードは、一般的なデジタルチップに比べて温度変化に対する許容度が著しく低い部品です。代表的な分布帰還型（DFB）レーザーダイオードを例にとると、業界の測定データによれば、発光波長は温度上昇に伴い約0.1nm/°Cの割合で変化するとされています。温度制御が不十分な場合、この波長シフトがチャネル規格を超え、信号劣化やチャネル障害につながるおそれがあります。
共同パッケージ光学（Co-Packaged Optics, CPO）技術の発展に伴い、シリコンフォトニクスエンジンで広く用いられるマイクロリング共振器は、さらに温度への感度が高くなります。業界の技術資料によれば、その共振波長は温度変化1°Cあたり約80pmシフトするとされており、安定した放熱経路がなければ、わずかな温度変動でも共振リングが動作点から外れてしまう可能性があります。これにより、CPOアーキテクチャでは従来のプラガブルモジュールよりも高い水準の熱伝導材料の安定性と信頼性が求められます。
共同パッケージ光学（CPO）により熱密度の課題がより集中する
CPO技術は光エンジンをスイッチASICと緊密に一体化することで、電気的損失と消費電力を大幅に低減します——Broadcomが公表したデータによれば、同社のCPOソリューションは800Gb/sポートあたり約5.5Wの消費電力であり、従来のプラガブルモジュール（約15W）と比較して大幅に削減されています——一方で、発熱源が単一パッケージ内により集中することにもなります。業界分析によれば、51.2TクラスのCPOスイッチでは、光I/Oのみで1,500Wを超える消費電力となる場合があり、その放熱密度は空冷が対応できる範囲を超えているため、多くのCPOスイッチプラットフォームでは液冷が標準的な放熱方式として採用されています。空冷・液冷いずれのアーキテクチャであっても、熱伝導材料は発熱源と放熱構造をつなぐ不可欠な要素であることに変わりはありません。
低分子シロキサンの揮発：光学結合面において見落とされがちな汚染リスク
シリコン系熱伝導材料は、その柔軟性、表面密着性、耐熱性から、一般的な電子機器の放熱用途で長年広く使用されてきました。しかし、シリコンポリマーには未反応の低分子量環状シロキサン（化学式：HO–[Si(CH₃)₂O]n–H）が含まれる場合があり、これらは揮発性を有し、常温下でもすでに一定の揮発傾向を示します。光モジュール内部では、部品の継続的な発熱と、比較的密閉された内部環境という条件が重なることで、揮発速度がさらに高まる可能性があります。
ここで一点、明確にしておくべき重要な違いがあります。宇宙・真空用途でしばしば引用されるASTM E595（TML、CVCMなどの指標を含む）は、真空環境下における材料の総質量損失および凝縮性揮発物質を評価するための規格であり、その適用対象は真空チャンバーです。地上のデータセンターに設置される光モジュールが置かれる常圧・密閉筐体環境とは異なるため、両者を同一視すべきではありません。とはいえ、常圧環境下であっても、低分子シロキサンは温度上昇に伴い揮発し、モジュール内部の比較的低温な表面——光ファイバー端面、レンズ、レーザー／受光素子の窓など、開放型の光学結合面を含む——に再凝縮する可能性があります。既存の研究では、シロキサンは精密光学システムにおいて一般的かつ除去が困難な分子レベルの汚染源の一つであり、透過率の低下や画像・信号伝送品質の劣化を引き起こす可能性があると指摘されており、こうした汚染は通常の洗浄では完全に除去することが難しいとされています。
光モジュールにおいては、光学結合面が分子レベルで汚染された場合、挿入損失や信号品質に直接影響が及びます。また多くの場合、モジュール組立後に現場での洗浄や交換を行うことはできないため、材料選定段階でのリスク管理が特に重要となります。
非シリコン系熱伝導材料による技術的解決策
低分子シロキサンによる汚染リスクを低減しつつ、モジュールに求められる高い放熱性能を維持するため、非シリコン系（ノンシリコン）熱伝導材料は、光モジュール、精密光学機器、汚染に敏感な電子部品向けの放熱設計における選択肢の一つとして採用が広がっています。LiPOLYの非シリコン系熱伝導シートシリーズおよび非シリコン系熱伝導グリスシリーズを例にとると、その樹脂基材はシロキサン骨格を含まず、ガスクロマトグラフィー（Gas Chromatography）による検査の結果、低分子シロキサン（D3〜D20）はいずれも未検出（N.D.）であることが確認されています。製品の適用範囲は、光学機器、ハードディスク、第5世代移動通信（5G）、新エネルギー車など、汚染に敏感な分野を明確にカバーしています。
放熱性能の面でも、非シリコン系材料はシロキサン骨格を除去したことによって熱伝導率が犠牲になっているわけではありません。以下に、LiPOLYの非シリコン系製品の一部について代表的な仕様を示します。エンジニアリングチームによる初期評価にご活用ください。
| 製品型番 | 形態 | 熱伝導率 (W/m·K) | 低分子シロキサン (GC) | 製品アプリケーション |
|---|---|---|---|---|
| N800A-s | 熱伝導シート | 9.0 | 未検出 (N.D.) | 光学機器、新エネルギー |
| N800B | 熱伝導シート | 13.0 | 未検出 (N.D.) | 光学機器、5G高密度モジュール |
| N800C | 熱伝導シート | 17.0 | 未検出 (N.D.) | 光学機器、精密電子部品 |
| N-putty5 | 熱伝導パテ（ギャップフィラー） | 9.0 | 未検出 (N.D.) | 精密電子部品、5G通信機器 |
詳細仕様はLiPOLY正式製品仕様書をご参照ください。熱伝導率はASTM D5470試験法（LiPOLY社内定義基準）に基づき測定しています。
選定のポイント：放熱経路に応じた材料形態の選択
実務上、光モジュール内部には主に二種類の熱伝導インターフェースが存在します。一つはDSPまたはドライバーチップと金属筐体・ヒートシンクとの間のインターフェースで、一般的に熱伝導率と圧縮特性への要求が高く、公差補償と清浄性の両立が求められることから、非シリコン系熱伝導シートが適しています。もう一つは、不規則な隙間を埋める必要があり、厚み方向の流動性が求められるインターフェースで、この場合は非シリコン系熱伝導パテ・グリスの採用を検討できます。いずれの形態を選択する場合でも、設計初期の段階からシロキサン揮発リスクと放熱性能の両方を材料評価項目に組み込むことをお勧めします。熱伝導率のみを唯一の選定基準とすべきではありません。
よくあるご質問
Q1：シリコン系熱伝導材料はAI光モジュールに一切使用できないのでしょうか。
シリコン系熱伝導材料は柔軟性や耐熱性に優れており、開放型の光学結合面から離れた、密閉汚染の懸念がない箇所であれば引き続き使用可能です。ただし、熱伝導インターフェースが光ファイバー端面、レンズ、レーザー／受光素子の窓など光学面に近接する場合は、シロキサンによる分子汚染リスクを低減するため、非シリコン系材料を優先的に検討することをお勧めします。
Q2：非シリコン系熱伝導材料は、シリコン系材料と比べて放熱性能が劣るのでしょうか。
必ずしもそうではありません。現在市販されている非シリコン系熱伝導シートは、熱伝導率17.0 W/m·K相当の製品も存在しており、同等クラスのシリコン系材料と比較して遜色ない、あるいはそれ以上の性能を有しています。選定にあたっては、非シリコン系材料の性能が低いと一律に判断せず、実際の仕様を比較検討することが重要です。
Q3：ASTM E595のTML・CVCMデータを、AI光モジュール向け熱伝導材料の合否判定基準としてそのまま利用できますか。
ASTM E595は主に真空環境下における材料の揮発特性を評価する規格であり、衛星や宇宙用ペイロードなど真空用途への適用を想定しています。データセンター向け光モジュールは常圧の密閉筐体環境で動作するため、真空環境とは揮発メカニズムが異なります。したがって、ASTM E595のデータは材料の低揮発特性を示す参考指標の一つとはなり得ますが、常圧環境下での汚染リスク判定と直接的に同一視すべきではありません。常圧環境下における低分子シロキサンのガスクロマトグラフィー検査結果（D3〜D20が未検出であるかなど）の方が、より直接的に関連性の高い参考データとなります。
LiPOLY の非シリコン系熱伝導材料ソリューション
AIデータセンターが800G、1.6T、そして共同パッケージ光学（CPO）へと、より高速・高電力密度な方向へ進化を続ける中、光モジュール向け熱伝導材料の選定においては、放熱性能と光学面の清浄性を同時に満たすことが求められます。LiPOLY旭立科技は、複数の非シリコン系熱伝導シートおよび熱伝導グリス製品をご提供しており、製品仕様書、ガスクロマトグラフィー検査データ、サンプルの提供も可能です。エンジニアリングチームでの評価・検証にぜひご活用ください。
AI光モジュール、光トランシーバー、高速演算プラットフォーム向けの熱伝導材料選定について、LiPOLY旭立科技まで是非お気軽にお問合せください。
参考資料
- Fortune Business Insights — Optical Transceiver Market Size, Share, Trends [2034]
- TrendForce — Global AI Optical Transceiver Market to Reach US$26 Billion in 2026
- FiberMall — Technology Route from 400G to 800G to 1.6T Optical Transceivers
- FiberMall — Optical Transceivers Overcome Heat
- Laser Focus World — Optical transceivers can beat the heat in the era of high-speed data centers
- APNIC Blog — Co-Packaged Optics: A Deep Dive
- MapYourTech — Co-Packaged Optics: Architecture, Status, and the Path to 1.6T Switches
- T.Global Corp — Silicone Thermal Interface Materials: Advantages and Considerations for Electronics
- E-Motec — Silicone in Thermal Interface Materials
- ResearchGate — Evaluation of outgassing contamination effects on optical surfaces of the LIL
- LiPOLY 2026 製品カタログ（社内仕様データ出典）
