電子機器用のサーマルパッドの厚さの選び方

電子機器用のサーマルパッドの厚さを選択するには、まず熱源と冷却面との実際の隙間を測定し、最小の隙間で推奨される圧縮範囲内に収まりつつ、最大の隙間を埋めることができるパッドを選びます。選択したパッドは、過度な機械的応力を生じさせることなく全面接触を実現し、圧縮後の最終的な厚さによって熱抵抗が設計目標値内に収まるものでなければなりません。.

簡単に言えば： 最も薄い保温素材を選んでください パッド その隙間全体を確実に埋める 寛容さ アセンブリを過度に圧縮することなく、ばらつきを調整する。.

熱伝導パッドの厚さは、公称ギャップだけで決定すべきではありません。エンジニアは、ギャップの許容誤差、圧縮比、パッドの硬度、接触圧力、熱伝導率、熱インピーダンス、電気絶縁性、表面平坦度、振動、熱サイクル、および長期圧縮永久歪みについても考慮する必要があります。.

サーマルパッドの厚さが重要な理由

サーマルパッドは、電子部品からヒートシンク、金属製ハウジング、シャーシ、コールドプレート、または筐体へと熱を伝達するために使用されます。これは、熱伝導グリースを使用するには隙間が大きすぎたり不均一だったりする場合でも、クリーンで再現性のある熱伝達経路を確保する必要がある際に、一般的に用いられます。.

熱伝導パッドの厚さは重要な要素です。なぜなら、熱は冷却面に到達する前にパッドを通過しなければならないからです。パッドが厚いほど、通常は熱抵抗が高くなります。パッドが薄いほど、通常は熱伝導性が向上しますが、それはパッドが両面に完全に密着している場合に限られます。.

これにより、実用的なトレードオフが生じます：

• パッドが薄すぎると、両方の表面に密着しない可能性があります。.
• パッドの厚さが厚すぎると、熱抵抗や機械的応力が増大する可能性があります。.
• パッドが硬すぎると、十分に圧縮されない可能性があります。.
• パッドが柔らかすぎると、変形しすぎたり、扱いにくくなったりする可能性があります。.

適切な厚さによって、熱性能と機械的強度がバランスよく確保されます。.

厚さと熱伝達のより広範な関係については、HakTakの記事をご覧ください： ボンドラインの厚さが熱性能に与える影響.

サーマルパッドの厚さとは？

熱伝導パッドの厚さとは、組み立て前のパッドの供給時の厚さを指します。一般的な厚さとしては、0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、3.0 mmなどがあり、素材や用途に応じてこれ以上の厚さのものもあります。.

ただし、技術者は3つの厚さの値を区別する必要があります。.

熱性能において最も重要な値は、通常、最終圧縮厚さ（ボンディングラインの厚さとも呼ばれる）です。これは、動作中に熱が通過しなければならない実際の厚さです。.

まずは実際のギャップ測定から始めましょう

まず、実際の隙間を測定します。設計がまだ初期の構想段階にある場合を除き、CAD上の公称寸法だけに頼らないでください。.

実際のギャップは、以下の理由によりCADとは異なる場合があります：

• 部品の寸法公差（高さ）
• PCBの厚さの公差
• はんだ接合部の高さ
• ヒートシンクの平坦度
• ハウジングの許容差
• ねじのトルク変動
• ボードの反り
• 熱膨張
• アセンブリの積層構成

最小、公称、および最大のギャップを測定する

適切な厚さの選定プロセスには、次の3つの値が必要です：

• 最小間隔： 公差の累積を考慮した後の、可能な限り最小の距離
• 公称ギャップ： 予想される設計上のギャップ
• 最大ギャップ： 公差の累積を考慮した後の最大許容距離

例えば、設計上の公差が1.0 mmと定められている場合でも、実際の許容範囲は0.8 mmから1.25 mmである可能性があります。1.0 mmのみを基準にパッドを選定した場合、組み立て時に許容範囲の両極端のいずれかに達すると、不具合が生じる可能性があります。.

物理的な検証を行う

有用なギャップ測定方法には、次のようなものがあります：

• 隙間ゲージ
• 粘土または圧縮可能な隙間測定フィルム
• レーザー変位測定
• CMMによる検査
• 断面解析
• 試験組み立て（見本材を使用）
• 機械的公差の積み上げ解析

大量生産においては、わずかな公差の誤差が製品間で大きな温度ばらつきを引き起こす可能性があるため、物理的な検証が重要となります。.

圧縮比について理解する

サーマルパッドは圧縮されるように設計されています。圧縮により、パッドが表面の凹凸を埋め、空気の隙間を取り除き、接触性を向上させることができます。ただし、パッドは安全な圧縮範囲内に収まる必要があります。.

圧縮比は、次の式で計算できます：

圧縮率 = (元の厚さ – 圧縮後の厚さ) / 元の厚さ × 100%

例えば、1.5 mmのパッドが1.2 mmまで圧縮された場合：

(1.5 – 1.2) / 1.5 × 100% = 20% の圧縮率

HakTakには、このトピックに関する専用のガイドがあります： 圧縮がサーマルパッドの性能に与える影響.

圧縮ウィンドウが重要な理由

熱伝導パッドは、あらゆるギャップの範囲で機能しなければならない。.

最小ギャップが極端に小さい場合、パッドが過度に圧縮されている可能性があります。最大ギャップが大きい場合、パッドが十分に接触していない可能性があります。.

これを「圧縮ウィンドウ」と呼びます。.

選択したパッドの厚さは、これら3つの条件すべてを満たすものでなければなりません。.

実用的なサーマルパッドの厚さ選定方法

実際の選考プロセスは、次のような流れになります：

• 最小、公称、および最大の隙間を測定してください。.
• 利用可能なクランプ圧力またはねじ締め力を特定してください。.
• 最大ギャップをカバーできる厚さのパッド候補を選択してください。.
• 最小クリアランスおよび公称クリアランスでの圧縮を確認してください。.
• パッドの硬度および圧縮たわみデータを確認してください。.
• 最終的なボンド層の厚さを推定する。.
• 現実的な圧力条件下での熱インピーダンスを比較する。.
• 機械的応力および電気絶縁状態を確認してください。.
• 実際のアセンブリで検証してください。.
• 熱サイクルおよびエージング後の試験。.

この工程は、単に公称ギャップに等しいパッドを選ぶだけの場合よりも手間がかかりますが、現場での故障や生産上のばらつきを減らすことができます。.

例：ギャップ範囲からのパッド厚さの選択

ある電子アセンブリに以下のものがあると仮定する：

• 最小間隔：0.85 mm
• 公称ギャップ：1.00 mm
• 最大隙間：1.20 mm
• ターゲット圧縮：15-30%

パッドの選択肢：

この場合、最大ギャップにおいて十分な接触圧が確保されるという条件を満たす場合に限り、1.2 mmのパッドが許容される可能性があります。組み立て部品が最小ギャップでのより高い圧縮に耐えられるのであれば、より柔らかい1.5 mmのパッドでも機能する可能性があります。最終的な判断には、力学的、熱的、および機械的な検証が必要です。.

熱抵抗とパッドの厚さ

厚さが増すにつれて熱抵抗は大きくなります。単純化した熱伝達経路の場合：

R = t / (k × A)

場所：

• R は熱抵抗である
• t 最終的なパッドの厚さです
• k は熱伝導率である
• A は接触面積です

つまり、パッドの厚さが導電率よりも優先される場合があるということです。最終的な接着面がはるかに広い場合、厚くてW/mK値の高いパッドは、薄くてW/mK値が中程度のパッドよりも性能が劣る可能性があります。.

より詳しい説明については、HakTakの記事をご覧ください： W/mKの値が高いからといって、必ずしも冷却性能が優れているとは限らない理由.

導電性だけでは不十分

10 W/mKのパッドが、必ずしも5 W/mKのパッドより優れているとは限りません。10 W/mKのパッドが厚すぎたり、硬すぎたり、圧縮が不十分だったりする場合、その実際の熱インピーダンスはより高くなる可能性があります。.

エンジニアは、以下の点を比較すべきです：

• 熱伝導率
• 熱インピーダンス
• 最終圧縮厚さ
• 接触圧力
• 圧縮範囲
• 表面の濡れ性
• 長期的な安定性

HakTakの記事 TIM選定における熱伝導率と熱インピーダンスの関係 熱インピーダンスが、単にW/mKという値だけよりも有用な場合が多い理由を説明しています。.

パッドの硬度と厚さの選定

硬度が決まっていなければ、厚さを選ぶことはできません。厚くて柔らかいパッドと、厚くて硬いパッドでは、その挙動が大きく異なります。.

ソフトパッド

柔らかい保温パッドは、次のような場合に役立ちます：

• 圧力は制限されています
• 部品は壊れやすい
• 表面が凹凸がある
• PCBの曲がりは最小限に抑える必要があります
• 複数のコンポーネントの高さをカバーする必要がある

柔らかいパッドは隙間を埋めやすい反面、扱いが難しかったり、寸法安定性が低かったりする可能性があります。.

ハードパッド

硬めのパッドは取り扱いが容易で、寸法安定性にも優れています。隙間が適切に管理され、組み立て時に十分な圧力が加わる場合には、良好な性能を発揮する可能性があります。.

しかし、ハードパッドは、厚すぎたり圧縮が不十分だったりすると、ストレスを引き起こす可能性があります。また、凹凸のある表面や不均一な表面にうまくフィットしない場合もあります。.

厚さと力は一致させなければならない

正しい問いは次の通りです：

これは パッド その厚さは、利用可能な荷重の制限範囲内で、要求される最終的な接着層の厚さに達するでしょうか？

もし答えが「いいえ」なら、そのパッドはデータシート上では良好に見えても、実際の製品では機能しない可能性があります。.

表面平坦度と接触面積

サーマルパッドの厚さは、表面がどれほど平坦で平行であるかによっても左右されます。.

ヒートシンクと部品が平らで平行であれば、より薄いパッドでも問題ない場合があります。表面が傾いていたり、反っていたり、粗かったりする場合は、接触を維持するために、より厚い、あるいは柔らかいパッドが必要になる場合があります。.

接触ムラが生じる一般的な原因には、次のようなものがあります：

• ヒートシンクの機械加工公差
• 筐体の変形
• PCBの反り
• コンポーネントの高さのばらつき
• ネジの締め付けトルクのばらつき
• 熱膨張の不一致

インターフェースの片側に0.5 mmの隙間があり、もう片側に1.0 mmの隙間がある場合、均一なパッドが不均一に圧縮される可能性があります。これにより、ホットスポットや機械的応力が生じる恐れがあります。.

複数の部品から構成されるアセンブリの場合、標準的なパッドよりもサーマルパテやギャップフィラーの方が適している場合があります。HakTakの記事 サーマルパテとサーマルパッド：隙間が不均一な場合の選び方 このトレードオフについて説明しています。.

電気絶縁と厚さ

多くの熱伝導パッドは電気絶縁性を備えています。パワーエレクトロニクス分野では、パッドに熱伝導と電気絶縁の両方の機能を兼ね備えることが求められる場合があります。.

パッドを厚くすると絶縁耐力が向上する可能性がある一方で、熱抵抗も高まります。パッドを薄くすると熱性能が向上する可能性がありますが、それでも絶縁要件を満たす必要があります。.

エンジニアは以下を確認する必要があります：

• 絶縁耐力
• 体積抵抗率
• 絶縁破壊電圧
• 沿面距離および空気隙間の要件
• 断熱材に対する圧縮の影響
• 熱サイクル後の経時変化

これは特に以下の場面で重要です：

• EV用インバータ
• 電源装置
• IGBTモジュール
• MOSFETアセンブリ
• LEDドライバ
• 産業用モーター駆動装置

断熱が安全性に不可欠な場合、断熱材の選定は電気的安全性の要件と整合させなければならない。.

用途に応じた板厚の指針

以下の表は一般的な指針です。最終的な選定については、必ず実際の組立環境で検証を行ってください。.

サーマルパッドが最適な選択肢ではない場合

サーマルパッドは便利ですが、必ずしも最適な熱伝導材（TIM）とは限りません。.

次のような場合には、熱伝導グリースまたはペーストを選択してください：

• このインターフェースはとても薄くて平らです
• 強力なクランプ圧が得られます
• 清潔な取り扱いほど重要ではない
• 債券ラインの厚さは、可能な限り薄くする必要があります

HakTakの記事 サーマルグリースの塗り方のコツとその仕組み グリースの塗布に関する留意点を説明しています。.

次のような場合は、PCMサーマルパッドをお選びください：

• パッドのような操作感が必要です
• インターフェースは活性化温度に達する可能性がある
• 加熱後は、より良好な濡れ性が求められる
• 生産の再現性は重要である

参照 PCMサーマルパッドの解説 詳細についてはこちらをご覧ください。.

次のような場合は、サーマルパテまたは隙間充填材をお選びください：

• 隙間が不均一です
• コンポーネントの高さはそれぞれ異なります
• 圧力は制限されています
• このアセンブリは複雑な形状をしています

次のような場合には、熱伝導性ポッティング材を選択してください：

• コンポーネントにはカプセル化が必要である
• 環境保護が求められている
• 熱は、満たされた空間を通って移動しなければならない
• 機械的なサポートが必要です

HakTakの 電子機器用熱伝導性ポッティングコンパウンドのガイド このカテゴリについて説明しています。.

サーマルパッドの厚さの測定

サーマルパッドの選定は、テストによって確認する必要があります。データシートの数値は参考になりますが、実装後の検証に代わるものではありません。.

有用な検査には、次のようなものがあります：

• ギャップ測定
• 圧縮・たわみ試験
• 熱インピーダンス試験
• デバイスの温度試験
• 電気絶縁試験
• 熱サイクル
• 振動試験
• 圧縮永久ひずみ試験
• 手直し評価

ASTM D5470は、熱伝導性電気絶縁材料の熱伝達特性に関する規格として一般的に参照されており、TIMインピーダンス試験にも広く適用されます。エンジニアの方は、こちらからASTMの公式リストをご確認いただけます： ASTM D5470.

高分子材料の熱特性測定全般については、ISO 22007-2において、プラスチックの熱伝導率および熱拡散率を測定するための過渡平面熱源法が規定されています。ISOの公式ページはこちらです： ISO 22007-2:2022.

HakTakの記事 エンジニアが知っておくべき一般的なTIM試験規格 これらの手法がTIMの選定にどのように適用されるかについて、実践的な概要を説明しています。.

サーマルパッドの厚さを選ぶ際のよくある間違い

最初の過ちは、パッドの厚さを公称ギャップのみに合わせようとすることです。実際の組立品には公差範囲があります。.

2つ目の間違いは、「念のため」という理由で、より厚いパッドを選んでしまうことです。厚すぎると熱抵抗が増加し、機械的応力が生じる可能性があります。.

3つ目の間違いは、硬さを無視することです。硬すぎるパッドは十分に圧縮されない可能性があり、一方、柔らかすぎるパッドは変形しすぎてしまう可能性があります。.

4つ目の間違いは、最終的な厚さを確認せずに熱伝導率を比較してしまうことです。W/mK値の高いパッドであっても、接着層が厚ければ性能は低下してしまいます。.

5つ目の間違いは、非現実的な圧力条件下での試験を行うことです。実験室の高圧条件下で試験されたパッドは、低圧の装置では同じ性能を発揮しない可能性があります。.

6つ目の過ちは、長期的な圧縮永久ひずみを無視することです。パッドは、経年劣化や熱サイクルを経て、接触圧が低下する可能性があります。.

7つ目の間違いは、電気絶縁を忘れることです。パッドを薄くすると熱伝導率は向上するかもしれませんが、絶縁要件を満たせなくなる可能性があります。.

HakTakの視点

HakTakでは、サーマルパッドの厚さは、熱設計上の決定事項であると同時に、機械設計上の決定事項としても扱われています。パッドは、隙間を埋め、安全に圧縮され、接触を維持し、絶縁要件を満たし、長期にわたり熱抵抗を低く保つ必要があります。.

信頼性の高い推奨を行うためには、エンジニアは以下の情報を提供する必要があります：

• 最小、公称、および最大のギャップ
• 接触面積
• 熱源出力
• 表面材料
• 利用可能な圧力またはねじ締めトルク
• 部品の寸法公差（高さ）
• PCBの剛性
• 必要な断熱材
• 動作温度範囲
• 振動および温度サイクルに関する要件
• 期待値の見直し
• 生産組立方法

この情報があれば、サプライヤーは、厚さ、硬度、導電性グレード、圧縮範囲、および材料の種類について、より的確に提案することができます。.

最適なサーマルパッドの厚さは、隙間を埋めるために最も厚いものを選ぶことではありません。最悪のケースの隙間を埋め、最良のケースの隙間では安全に圧縮され、かつ製品の寿命を通じて信頼性の高い熱接触を維持できる、最も薄いものを選ぶことです。.

結論

電子機器用の熱伝導パッドの厚さを選定する際には、単にパッドを公称ギャップに合わせるだけでは不十分です。エンジニアは、ギャップの許容誤差、圧縮率、パッドの硬度、最終的な接合層の厚さ、熱抵抗、接触圧力、電気絶縁性、および長期的な信頼性などを考慮しなければなりません。.

一般的に、パッドが薄いほど熱抵抗は低くなりますが、これはパッドが両面に完全に接触している場合に限られます。パッドが厚いほど大きな隙間に対応できますが、熱抵抗が増加し、機械的応力が生じる可能性があります。適切なパッドの厚さとは、組み立て品の熱的および機械的安定性を維持しつつ、許容範囲全体にわたって機能する厚さのことです。.

量産用電子機器については、最終的な選定結果を、現実的な圧縮試験、熱インピーダンス試験、デバイス温度試験、および信頼性試験を通じて検証する必要があります。.

よくある質問

熱伝導パッドの厚さはどのように選べばよいですか？

最小、公称、および最大の隙間を測定し、最小隙間において推奨圧縮範囲内にとどまりつつ、最大の隙間を埋めることができるパッドを選択してください。.

熱伝導パッドは、隙間よりも厚くあるべきでしょうか？

通常はそうです。圧縮されていないパッドは、隙間よりもわずかに厚くなっていることが多く、これにより圧縮されて隙間と完全に密着できるようになっています。その厚みの差は、パッドの推奨圧縮範囲によって異なります。.

熱伝導パッドが薄すぎるとどうなるのでしょうか？

パッドが薄すぎると、両面に密着せず、空気の隙間が生じ、熱抵抗が増大する可能性があります。.

熱伝導パッドが厚すぎるとどうなるのでしょうか？

パッドの厚さが厚すぎると、熱抵抗が増大したり、PCBが曲がったり、部品にストレスがかかったり、筐体が変形したり、組み立てが困難になったりすることがあります。.

熱伝導パッドが厚ければ、冷却効果は高くなるのでしょうか？

いいえ。パッドが厚くなると、通常は熱抵抗が増加します。パッドを厚くするのは、隙間を埋める必要がある場合にのみ有効です。.

サーマルパッドはどの程度圧縮すべきですか？

普遍的な基準値というものは存在しません。適切な圧縮量は、パッドの材質、硬度、厚さ、隙間許容差、および適用可能な圧力によって異なります。サプライヤーのデータおよび組立試験の結果を参照してください。.

熱伝導率は厚さよりも重要なのでしょうか？

どちらも重要です。熱伝導率は確かに役立ちますが、最終的な圧縮後の厚さと接触の質が、実際の熱性能に大きく影響します。.

熱伝導パッドを重ねて厚みを増すことはできますか？

パッドを重ねて配置することは、インターフェースや接触抵抗が増えるため、通常は推奨されません。適切に選定された単一のパッドを使用する方が、通常は望ましいです。.

隙間が不均一な場合、柔らかいサーマルパッドの方が適していますか？

柔らかいパッドは低圧力下でよりよく形状にフィットしますが、取り扱いやすさや安定性の面でトレードオフが生じる可能性があります。隙間が著しく不均一な場合は、サーマルパテやギャップフィラーの方が適している場合があります。.

エージング後にサーマルパッドの厚さを測定すべきでしょうか？

はい。圧縮永久ひずみ、熱サイクル、振動によって、経時的に接触圧力が変化する可能性があるため、信頼性試験は重要です。.