シリコン製熱伝導パッドと非シリコン製熱伝導パッド：その違いとは

シリコーン製熱伝導パッドは、通常、ポリマーマトリックスとしてシリコーンエラストマーを使用しています。熱伝導性のあるセラミックフィラーが、そのマトリックス全体に分散されています。シリコーンは、このパッドに柔軟性、耐熱性、追従性、および安定した弾性特性を与えます。これは、軟質熱伝導ギャップパッドにおいて最も一般的な材料プラットフォームです。.

シリコーンを含まない熱伝導パッドは、アクリル、ウレタン、あるいはその他の独自開発のエラストマーなど、別のポリマー系素材を使用しています。その主な目的は、シリコーン系成分をアセンブリ内に混入させることなく熱を伝達することです。エンジニアは、光学部品、電気接点、センサー、記憶装置、コーティング工程、あるいはその他のシリコーンに敏感な領域の近くに、このパッドの使用を指定することがよくあります。.

どちらのタイプも、一概に優れているとは言えません。シリコーンパッドは通常、柔らかさ、厚さの選択肢、熱性能、および耐温度範囲の点で、最も幅広い組み合わせを提供します。 非シリコーンパッドは、シリコーンオイルの移行、揮発性シロキサン、表面汚染、あるいは下流工程との適合性が実質的なリスクとなる場合に有用です。最終的な判断は、ポリマーの名称のみではなく、試験による熱インピーダンス、圧縮力、動作環境、電気的要件、および経年劣化性能に基づいて行うべきです。.

シリコン製熱伝導パッドと非シリコン製熱伝導パッドの比較

以下の表は、最初の段階での比較に役立つものです。これはスクリーニングツールであり、実際の積層構造におけるパッドの試験に代わるものではありません。.

最も重要な点は、「シリコーン」という言葉はマトリックスを指すものであり、パッドの総合的な性能そのものを指すものではないということです。2つのシリコーンパッドであっても、硬度、充填剤含有量、オイルブリード、熱抵抗、耐久性などは大きく異なる場合があります。これは、シリコーンを使用していない2つのパッドについても同様です。.

シリコン製熱伝導パッドは何でできているのですか？

A シリコン製熱伝導パッド これは複合材料です。シリコーンエラストマーが柔軟なネットワークを形成し、セラミックフィラーが熱の伝達経路を作り出します。マトリックスとフィラーの組み合わせによって、導電率、硬度、密度、引裂強度、および圧縮強度が決まります。フィラーの含有率を高めると導電率は向上しますが、パッドが硬くなり、表面のうねりに追従しにくくなる可能性があります。.

シリコーンが熱伝導パッドに広く使用されている理由

シリコーンエラストマーは、実用温度範囲全体にわたって柔軟性を維持することができます。低硬度で復元性に優れた配合が可能であり、また、高濃度のセラミック充填剤を配合することもできます。こうした特性を兼ね備えているため、シリコーンは、発熱部品とヒートシンク、コールドプレート、金属製筐体、あるいは構造用シャーシとの間のミリメートル単位の隙間を埋める用途に実用的です。.

素材が柔らかいと、クランプした際に微細な表面の凹凸に素材が流れ込みやすくなります。また、高さの差がわずかな部品同士でも、1枚のパッドで接触させることが可能になります。その結果、接触抵抗が低減され、空気の隙間も減少します。そのため、硬い素材では接触不良が生じ、導電率が高いという一見有利な点も意味をなさなくなることがあります。この関係については、以下でより詳しく解説しています。 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.

「シリコーンオイルのブリード」と「シロキサンのアウトガス」とは何か

シリコーンの配合によっては、少量の低分子量物質が放出されることがあります。パッドから滲み出る液状の残留物は、しばしば「オイルブリード」と呼ばれます。周囲の環境に放出される揮発性分子については、「アウトガッシング」として論じられます。これらは関連する懸念事項ですが、まったく同じものではありません。.

実際のリスクは、配合、温度、圧力、時間、気流、周辺の表面、およびデバイスの感度によって異なります。ブリードが低水準に制御されたシリコーンパッドは、多くの過酷な環境下で使用される電子製品において良好な性能を発揮する可能性があります。しかし、光学面や電気接点の近くでは、ごくわずかな汚染であっても許容できない場合があります。.

すべてのシリコーンパッドの移行挙動が同じであると決めつけないでください。現在、サプライヤーからは、オイルブリードやアウトガスが少ないシリコーングレードが提供されています。例えば、パーカー社は、シリコーンオイルの移行によって製造上や外観上の問題が生じる恐れのある用途向けに設計された、オイルブリードの少ないシリコーン製ギャップパッドについて、同社の THERM-A-GAP PAD 80LOE 技術データ. このことから、標準的なシリコーン素材とシリコーンを一切含まない素材のどちらを選ぶかという判断が、必ずしも単純な選択ではない理由がわかります。.

ノンシリコン・サーマルパッドとは何ですか？

A シリコーン不使用の熱伝導パッド 熱伝導性充填剤を維持しつつ、シリコーンエラストマーを別のバインダー系に置き換えます。サプライヤーは、アクリル、ウレタン、ポリオレフィン系、あるいは独自のポリマー化学技術を採用する場合があります。完成したパッドは、依然として曲面への追従性、電気的安定性、耐熱性を備え、圧縮下でも形状を維持する必要があります。.

「ノンシリコーン」という表現は、規制対象物質に関する主張として扱う必要があります。それが「意図的に添加されたシリコーンが含まれていないこと」を意味するのか、「製造設備が規制対象となっていること」を意味するのか、あるいは「揮発性シロキサンの試験による許容限度」を意味するのかを確認してください。これらの定義は互いに同等ではありません。.

エンジニアがシリコーンフリーの熱伝導パッドを指定する理由

シリコーン由来の残留物が製品や他の製造工程に悪影響を及ぼす可能性がある場合、シリコーンを含まないパッドが選ばれます。代表的な懸念事項としては、次のようなものがあります：

• レンズ、ミラー、光導波管、窓、およびカメラカバーに発生する曇りや膜
• リレー、スイッチ、コネクタ、または露出している接点における接触抵抗の増加
• 塗料、コーティング、接着、印刷、または表面処理への影響
• 高精度センサーや分析機器の汚染
• クリーン製造エリアにおける制限事項
• 意図的にシリコーンを添加することを禁じる顧客の仕様

ヘンケル社は、ある制御ユニットの用途について、次のように説明しています。 シリコーンフリーの熱伝導パッド 電子接点、光学部品、および自動車製造プロセス周辺の汚染を防ぐために、この素材が選定されました。また、この事例は、エンジニアリング上の重要な現実を浮き彫りにしています。すなわち、代替素材においても、積層公差、柔軟性、熱インピーダンス、連続使用温度、および長寿命といった要件に対応する必要があったのです。.

「シリコーン不使用」だからといって、必ずしもアウトガス量が少ないとは限らない

あらゆるポリマーには、揮発性成分や抽出性成分が含まれている可能性があります。シリコーンを除去することで、シリコーンに特有の汚染物質を取り除くことができます。しかし、それだけでは、総アウトガス量、質量損失、臭気、イオン性汚染物質、または凝縮性残留物が、その用途において十分に低いレベルにあることを証明するものではありません。.

製品が密閉された光学チャンバー、真空システム、高温エンクロージャー、またはその他の厳しい環境下で使用される場合は、実際の試験方法と試験結果を要求してください。単に「シリコーンフリー」と表示されているだけでは不十分です。認定計画書には、どの種類の物質が問題となるか、許容される含有量はどれくらいか、またどの温度で材料の試験が行われるかを明記する必要があります。.

シリコーン系と非シリコーン系のギャップパッドの熱性能比較

エンジニアは、しばしばワット／メートル・ケルビン単位の熱伝導率から検討を始めます。この数値は有用ですが、それだけでは全容を把握することはできません。熱は、最初の接触面を通過し、パッド内を伝わり、そして2番目の接触面を通過しなければなりません。パッドの厚さ、圧力、硬度、粘着性、表面平坦度、および充填剤の分布は、すべて最終的な温度上昇に影響を与えます。.

単純化された一次元層の場合、体積熱抵抗は厚さに比例し、導電率に反比例する：

R = t / (k × A)

ここで、, R は熱抵抗であり、, t はボンドラインの厚さであり、, k は熱伝導率であり、 A は熱伝達面積である。この式は接触抵抗を考慮していないため、現実の柔軟な界面を完全に記述しているわけではない。しかし、この式から1つの点が明らかになる。すなわち、パッドの厚さが厚ければ、その導電率が高くても抵抗が増加するという点である。.

同じ厚さと圧力における熱インピーダンスを比較する

最も適切な比較を行うには、最終的な厚さ、圧力、温度、および試験方法が同一の条件下での熱インピーダンスデータを使用する必要があります。あるシリコーンパッドの公称導電率と、別の非シリコーンパッドの熱インピーダンスとを比較してはいけません。これらは異なる測定値だからです。.

ASTM D5470 本規格は、熱伝導性電気絶縁材料の定常状態における熱インピーダンスおよび見かけの熱伝導率の測定について規定している。ASTMはまた、同規格で規定された制御された熱流条件が、すべての実用的な用途を直接再現するものではないとも指摘している。そのため、選定にあたってはサプライヤーのデータを参考にし、その後、対象となるアセンブリでの試験を行うべきである。.

HakTakのガイド： TIM選定における熱伝導率と熱インピーダンスの関係 接触抵抗やボンディングラインの厚さが、2つの材料間の順位をどのように変化させるかを説明しています。導電性の低いパッドであっても、厚みが薄かったり、柔らかかったり、あるいは表面との適合性が良ければ、部品温度を低く抑えられる場合があります。.

シリコンパッドの方が熱伝導率が高いのでしょうか？

必ずしもそうとは限りません。シリコーン化学は配合設計者に有用な基盤を提供するため、市場には多くの高性能なシリコーンパッドが存在します。シリコーンを含まない配合でも、効果的な熱伝達を実現することは可能です。その結果は、充填剤の種類、充填量、パッドの構造、厚さ、および接触の質によって左右されます。.

比較は機械的な積層構造に限定してください。ギャップの許容誤差を確認し、接触を維持できる厚さを選択し、最小ギャップにおける圧縮量と力を計算した上で、その条件下での熱インピーダンスを比較してください。最後に、代表的な組立状態で温度試験を行ってください。.

シリコン製熱伝導パッドと非シリコン製熱伝導パッドの圧縮性と柔らかさ

ギャップパッドは、空気を排除し、公差を満たすために十分な変形をしなければなりません。その際、部品にひび割れを生じさせたり、PCBを曲げたり、コネクタを持ち上げたり、締結部品に過大な負荷をかけたりしてはなりません。このため、圧縮力は熱伝導性と同様に重要な要素となります。.

シリコーン系材料は、非常に柔らかいパッドに配合されてきた長い歴史があります。シリコーン系以外のパッドにも柔らかいものは多くありますが、硬度、厚さ、導電性の組み合わせには違いがある場合があります。大まかな化学的比較よりも、製品レベルのデータの方が有用です。.

硬度は圧縮力とは異なります

ショア硬度は、表面の圧痕に対する抵抗力を大まかに示す指標となります。 ただし、10%、20%、または30%でパッドを圧縮するのに必要な力を完全に予測できるわけではありません。パッドの厚さ、補強材、充填材の含有量、試験速度、試料サイズ、および粘弾性挙動のすべてが、力-変位曲線に影響を与えます。.

板の応力が重要な場合は、必ず圧縮・たわみデータを要求してください。サプライヤーがショア00硬度のみを提供する場合は、それを初期的な比較材料として扱ってください。これを唯一の機械的入力として使用しないでください。以下のフレームワークを利用できます。 ソフト型とハード型のサーマルパッド：どちらが優れているか？ 硬度と、成形性、取り扱い性、および組立時のリスクとの関連性を明らかにする。.

圧縮永久ひずみと応力緩和は、長期的な接触に影響を与える

熱伝導パッドは、数週間、数ヶ月、あるいは数年間にわたって締め付けられた後、その状態が変化します。初期の応力の一部は緩和されます。また、荷重が除去された後も、材料は圧縮された形状の一部を保持している場合があります。温度サイクルは、こうした変化を加速させます。.

設計上、緩和後も十分な接触圧力を維持できるようにしなければならない。単に初期の強い圧着力だけに依存してはならない。シリコーンエラストマーは多くの場合、有用な弾性安定性を発揮するが、その具体的な挙動は配合によって異なる。シリコーン系以外のパッドについても、ポリマー系に関する仮定ではなく、経年変化データに基づいて評価を行う必要がある。.

スタックの設計については、, 圧縮がサーマルパッドの性能に与える影響 圧縮量が少なすぎると接触不良が生じ、逆に多すぎると機械的応力が高まり、材料の損傷を招く可能性がある理由を説明しています。サプライヤーが推奨する圧縮量は、設定の目安となります。組み立て完了後の状態が最終的な検証となります。.

サーマルパッドの汚染、アウトガス、およびオイルブリード

エンジニアがシリコーン製パッドと非シリコーン製パッドを比較する主な理由は、汚染に関する懸念である。このテーマについては、複数の故障メカニズムがしばしばひとまとめに扱われるため、正確な表現が求められる。.

シリコーンによる汚染が、設計上の真のリスクとなる場合

シリコーンに敏感な用途は、真空装置だけにとどまりません。密閉型のカメラでは、レンズ付近に揮発性物質が閉じ込められる可能性があります。リレーでは、接点表面が電気的特性を変化させる化合物にさらされることがあります。塗装済みの自動車部品では、前処理済みの表面に汚染物質が付着すると、密着不良が生じる恐れがあります。また、センサーは、通常の電子機器には何の影響も及ぼさない微量の堆積物に対しても反応してしまう場合があります。.

距離も重要な要素です。パッドが感応面に接触している必要はありません。熱や気流によって揮発性物質が運ばれることがあります。評価にあたっては、エンクロージャーの容積、通気経路、および局所的な温度も考慮に入れる必要があります。.

低滲出性のシリコーン製熱伝導パッドで十分な場合

シリコーンを完全に排除すると、材料の選択肢が狭まり、新たな認定プログラムが必要になる場合があります。製品によっては、リスクが微量のシロキサン汚染ではなく、目に見える油分の移行に限定される場合もあります。そのような場合、バリデーション済みの低ブリードシリコーンパッドが実用的な解決策となる可能性があります。.

サプライヤーに、ブリード、揮発性、および経年変化に関するデータを問い合わせてください。完成品を、現実的に想定できる最高温度で試験してください。関連する箇所に、比較用試験片や代表的な光学面・接触面を配置してください。曝露後にそれらを検査してください。この適用試験は、一般的な材料ラベルよりも有用な知見をもたらすことがよくあります。.

シリコーン製および非シリコーン製サーマルパッドの温度範囲

シリコーンパッドは、高温になる電子機器で広く使用されています。これは、シリコーンエラストマーが幅広い温度範囲で柔軟性を維持できるためです。ただし、すべてのシリコーンパッドが同じ最低・最高温度に対応しているわけではありません。接着層、キャリアフィルム、補強材、および充填剤によって、基材となるポリマーよりも低い温度限界が設定される場合があります。.

シリコーンを含まないパッドも、過酷な動作温度に耐えることができます。その限界は、バインダーの化学的性質や求められる耐用年数によって異なります。短時間の耐熱性能と、10年や20年にわたる連続運転とは別物です。.

表に記載された最大値だけでなく、連続使用状況も確認してください

データシートに記載されている最大値は、特定の試験条件下での短時間の材料曝露に基づくものである場合があります。その定格値が連続使用時のものかどうか、接着層が含まれているかどうか、また経年変化後に熱インピーダンス、硬度、寸法、および荷重がどのように変化するかについて確認してください。パッドは、物理的には無傷のままであっても、実用的な熱的または機械的性能が低下している場合があります。.

熱サイクル試験により、材料間の違いが明らかになることがある

このパッドは、熱膨張係数が異なる2つの表面の間に配置されています。電源のオン・オフを繰り返すたびに、動きが生じます。パッドは、破れたり、位置がずれたり、接触が失われたりすることなく、その動きに追従しなければなりません。.

温度サイクル試験は、自動車用電子機器、電源装置、屋外用通信機器、LED照明器具、バッテリーシステム、および産業用制御機器において特に重要です。実際の取り付け圧力と隙間を試験してください。取り付けが緩い試験片を用いた試験では、製品内の応力状態を再現することはできません。.

シリコーン製および非シリコーン製の熱伝導パッドにおける電気絶縁

多くの熱伝導パッドには、電気絶縁性のセラミック充填材が使用されています。しかし、「熱伝導パッド」だからといって、必ずしも「電気絶縁体」であるとは限りません。熱伝導インターフェースの中には、導電性を持つものもあります。また、耐穿刺性を高めるために、補強材や薄い誘電体フィルムが含まれているものもあります。.

シリコーン製および非シリコーン製のパッドはいずれも、電気絶縁性を確保することができます。選定にあたっては、完成した構造体の実証済みの誘電特性に重点を置く必要があります。.

実際のパッド厚さにおける絶縁破壊電圧を比較する

絶縁耐力は、多くの場合、kV/mmで表されます。絶縁破壊電圧とは、所定の試験方法および試料の厚さの下で、試料が破壊される電圧のことです。これらの値は関連していますが、システム設計においては互いに置き換え可能というわけではありません。.

ASTM D149 固体電気絶縁材料の絶縁破壊電圧および絶縁耐力については、一般的にこの規格が参照されます。試験結果は、試験片の厚さ、電極、電圧上昇率、環境条件、および試験手順によって異なります。カタログ値は比較の参考にはなりますが、安全余裕度は、製品の電圧、規制、汚染度、および故障に関する要件に基づいて設定する必要があります。.

ガイド 電気絶縁性サーマルパッド：どのような場合に必要になるのか？ 絶縁に関する質問について、より詳しく解説しています。これは、パッドが通電中の部品、電源モジュール、バスバー、またはPCB領域を、接地された金属製シャーシに接続する場合に特に重要です。.

補強により、熱的特性と機械的特性の両方が変化する可能性がある

ガラス繊維やフィルムによる補強は、取り扱いやすさ、耐引裂性、および絶縁信頼性を向上させることができます。その一方で、パッドの追従性が低下する可能性もあります。補強された製品は、凹凸のある表面や反った表面に密着させるために、より強い圧力を必要とする場合があります。.

補強されたシリコーンパッドと、補強されていない非シリコーンパッドを、マトリックスだけが異なるかのように比較してはなりません。構造全体を比較してください。バリ、部品の角、ネジ部の形状、およびヒートシンクの加工跡周辺における耐穿刺性を確認してください。.

シリコーン系と非シリコーン系のサーマルパッドの厚さの選び方

正しい公称厚さとは、製造公差の全範囲にわたって確実な接触を維持できる、最も薄いパッドのことです。パッドが薄すぎると、ギャップが最大になった際に表面に接触できなくなる可能性があります。一方、パッドが厚すぎると熱抵抗が増加し、ギャップが最小になった際にアセンブリに過負荷がかかる可能性があります。.

最小および最大の圧縮率を計算する

公称2.0 mmのパッドが、1.5～1.8 mmの範囲で変動する隙間に取り付けられていると仮定する。.

• ギャップが 1.8 mm の場合、圧縮率は (2.0 – 1.8) / 2.0 = 10% となります。.
• ギャップが 1.5 mm の場合、圧縮量は (2.0 – 1.5) / 2.0 = 25% となります。.

設計者は、10%の圧縮条件下で接触を維持し、25%において許容荷重の範囲内に収める必要があります。重要なコーナーや部品グループごとに、この計算を繰り返してください。PCBのたわみ、部品の高さ、筐体の平坦度、締結部品の公差、およびパッドの厚さ公差も考慮に入れてください。.

の段階的な手順は 電子機器用のサーマルパッドの厚さの選び方 これにより、それらの積層寸法を実用的なパッド仕様へと変換することができます。この方法は、シリコーン製品と非シリコーン製品の両方に適用されます。.

最終的なボンド層の厚さが熱流を左右する

公称板厚は、組み立て後の体積熱抵抗を決定する寸法ではありません。決定要因となるのは、圧縮後の接合部の厚さです。例えば、2.0 mmのパッドが1.6 mmになった場合、計算には1.6 mmという値と、関連する接触データを使用する必要があります。.

ボンドラインの厚さが熱性能に与える影響 不要な厚みを減らすことが、はるかに高い熱伝導率のグレードに切り替えるよりも、多くの場合、より大きな熱的メリットをもたらす理由を説明しています。これは、シリコーン以外の代替品の公表されているW/mK値が、現行のシリコーンパッドよりも低い場合に、最も有用な確認方法の一つです。.

シリコーン製と非シリコーン製の熱伝導パッドにおける信頼性の違い

信頼性とは、単一の特性ではありません。それは、製品の寿命を通じて、熱的接触、電気的絶縁、物理的な位置、および許容可能な清浄度を維持する能力のことです。そのためには、いくつかの試験が必要となります。.

エージング前後の熱性能を試験する

パッドは初期の温度試験に合格しても、時間の経過とともに不合格となる場合があります。環境暴露の前後で、同じ熱測定ポイントを測定してください。電力、気流、冷却液温度、取り付けトルク、およびセンサーの位置を一定に保つようにしてください。.

材料レベルの比較においては、ASTM D5470のデータが熱インピーダンスのスクリーニングに役立ちます。HakTakによる概要は、 エンジニアが知っておくべき一般的なTIM試験規格 これにより、熱的、機械的、電気的特性を網羅した、より広範な試験計画の策定に役立ちます。.

信頼性確保の一環として、製造プロセスを検証する

加工や組み立ての過程で、素材の性能が損なわれることがあります。非常に柔らかいパッドは、ライナーを剥がす際に伸びてしまう可能性があります。粘着力の強い表面には空気が入り込むことがあります。シリコーンフリーのグレードは、元のシート状態では清潔であっても、共用されている裁断設備で使用すると汚染されることがあります。薄い部分は、穴の周辺や細い壁の付近で破れてしまうことがあります。.

適格性評価用のサンプルについては、実際のダイカット形状、ライナー、包装、保管期間、取り出し方法、および配置工程を採用する必要があります。シリコーンの混入防止が必須である場合は、加工および包装に関する管理事項をサプライヤー契約に盛り込む必要があります。.

シリコン製保温パッドはどのような場合に選ぶべきでしょうか？

用途においてシリコーンに対する感度が明確に定義されておらず、成熟した柔軟な隙間充填ソリューションが必要な場合、シリコーン製熱伝導パッドが最適な選択肢となることがよくあります。その代表的な理由としては、次のようなものが挙げられます：

• 広い動作温度範囲の要件
• 非常に低い圧縮力
• 大きな隙間や不均一な隙間
• 凹凸のある表面でも高い追従性を発揮
• 幅広い導電性と厚さの選択肢
• ダイカットおよびタック仕様の豊富な品揃え
• 電子機器の冷却分野における確かな実績
• 熱伝達と振動減衰のバランスをとる必要性

一般的なコンピューティング用ハードウェア、電源装置、通信機器、バッテリーパック、LEDドライバ、産業用電子機器、インバータ、民生用製品、および多くの自動車用モジュールでは、シリコーン製熱伝導パッドが広く使用されています。とはいえ、オイルの滲出やアウトガスの発生を確認する必要がなくなるわけではありません。つまり、これらのリスクが評価され、適切に管理されている場合に限り、シリコーンの使用が許容されるということです。.

どのような場合に、シリコンフリーのサーマルパッドを選ぶべきでしょうか？

設計上、シリコーンに関連する特定の故障メカニズムがある場合や、顧客からの制限がある場合には、シリコーンを含まない熱伝導パッドが適しています。一般的な例としては、次のようなものがあります：

• カメラ、レーザーモジュール、光学センサー、光導波管、および密閉型レンズ
• リレー、スイッチ、コネクタ、および露出している電気接点
• 塗装、コーティング、接着、または印刷作業の近くで使用される機器
• 精密測定・分析機器
• 一部のストレージおよび半導体製造装置
• シリコーン管理方針に基づく生産ラインの清掃
• 顧客の仕様によりシリコーンの使用が禁止されている製品

選択した製品は、依然として熱的および機械的要件を満たす必要があります。力を再計算せずに、柔らかいシリコーンパッドを、同じ公称厚さの硬い非シリコーンパッドに置き換えることは避けてください。また、低温限界の引き下げ、粘着性の違い、あるいはコストの上昇が製品に悪影響を及ぼさないかどうかも確認してください。.

パーカー社の熱材料の概要によると、市販のギャップパッド製品群には、以下の両方が含まれていることが確認されています。 シリコーン系および非シリコーン系エラストマー 大きくて変動の激しい隙間を跨いで熱を伝達するために。こうした選択肢があることは有益ですが、各候補材料はそれぞれ独立した材料システムであり、独自のデータや認定要件があります。.

シリコン製と非シリコン製のサーマルパッド、どちらを選ぶべきか

要件主導のプロセスを採用してください。「どの化学反応が優れているか」という問いから始めるのではなく、まずインターフェースがどのような機能を持つべきかを定義することから始めましょう。.

手順 1：シリコーンが実際に規制対象であるかどうかを確認する

製品、品質、プロセス、および顧客担当チームに、この制限の理由を尋ねてください。「シリコーン不使用を好む」というのは、検証可能な要件ではありません。 「曝露後、所定の限界値を超える検出可能なD4～D10シロキサンが存在しないこと」は検証可能です。「最大筐体温度で1,000時間経過後、レンズに目に見える堆積物がないこと」も同様です。“

目に見えるオイルの滲み出しだけが懸念事項である場合は、低滲出性の認定済みシリコーン系製品で十分である可能性があります。微量のシロキサンが接点を腐食させたり、光学系に曇りを生じさせたりする恐れがある場合は、検証済みの非シリコーン系製品の方が適しています。.

ステップ 2：熱設計目標を定義する

部品の最高温度、熱負荷、冷却面の温度、および許容界面抵抗を設定してください。現実的な最悪の条件を想定してください。必要に応じて、ファンの性能低下、高い周囲温度、冷却剤の許容範囲、および製造上のばらつきも考慮に入れてください。.

まずは大まかなところから始めましょう 熱伝導材料 その界面で、パテ、ゲル、グリース、相変化材料、あるいは薄い絶縁体も使用できる場合は、選定の枠組みを検討する必要があります。ほぼ平坦で厳密に制御された界面において、パッドが常に最適な解決策であるとは限りません。.

ステップ3：ギャップ許容差の全体を算出する

最小および最大の隙間を測定または計算してください。すべての供給品を含めてください。最大の隙間で接触している最も薄いパッドを選び、最小の隙間における圧縮量を計算してください。次に、その圧縮量をサプライヤーが推奨する範囲と比較してください。.

ステップ4：機械的荷重の上限を設定する

破損しやすいパッケージ、はんだ接合部、PCBのたわみ限界、コネクタの位置合わせ、および筐体の剛性を特定する。サプライヤーに「圧力対たわみ曲線」の提供を依頼する。実際の圧縮厚さと温度条件下で、候補品を比較する。.

ステップ5：電気および安全上の要件を確認する

そのインターフェースで電圧絶縁が必要かどうかを確認してください。動作電圧、過渡条件、沿面距離および空気絶縁距離の基準、接地、可燃性、および規制要件を定義してください。厚さごとの絶縁破壊データおよび構造の詳細について確認してください。.

ステップ6：汚染データと環境データを比較する

シリコーン系パッドについては、オイルブリード、揮発性、およびアウトガスに関する証拠を確認してください。非シリコーン系パッドについては、「シリコーンフリー」の定義を確認し、総アウトガス量やその他の関連する放出量を確認してください。いずれのタイプについても、湿度、熱老化、化学物質への曝露、および難燃性に関する要件を確認してください。.

ステップ7：実際のアセンブリをテストする

許容範囲の極限値で試作品を製造する。部品の温度および機械的応力を測定する。エージング試験およびサイクル試験を実施する。コンタクトパターン、パッドの位置、残留物、光学面、および電気的接点を検査する。量産と同等のダイカットおよび組立方法を用いて、試験を繰り返す。.

エンジニア向けサーマルパッド選定チェックリスト

設計レビューやサプライヤーの比較を行う際は、このチェックリストをご利用ください：

• シリコーンは使用禁止ですか、それともオイルブリードが少ないものであれば問題ないのでしょうか？
• どのような化学種や残留物が故障の原因となるのでしょうか？
• 「ノンシリコン」とはどのように定義され、確認されるのでしょうか？
• 最小ギャップ、公称ギャップ、最大ギャップとはそれぞれ何ですか？
• 最終的な圧縮接着線の厚さはどれくらいですか？
• サプライヤーはどの程度の圧縮範囲を推奨していますか？
• 公差の限界値では、どのような応力が生じるのでしょうか？
• 同等の圧力および厚さにおいて、どのような熱インピーダンスが報告されていますか？
• すべての候補者について、同じ方法で導電率の測定が行われたのでしょうか？
• このパッドには電気的絶縁が必要ですか？
• 厚さごとの耐電圧および絶縁特性はどのようになっていますか？
• 耐穿刺性や耐衝撃性のために補強は必要ですか？
• 連続使用温度と予想耐用年数はどれくらいですか？
• 経年変化後、熱インピーダンスと圧縮力はどのように変化するのでしょうか？
• そのパッドは、実際の筐体内で熱サイクル試験に合格しましたか？
• この素材は、破れたり粉塵が発生したりすることなく、型抜き加工できますか？
• シリコーンに敏感な用途において、加工、包装、および取り扱いについては適切な管理が行われていますか？
• 接着剤や天然の粘着性は、熱的挙動や汚染の挙動に影響を与えるのでしょうか？
• 修理の際に、パッドをきれいに取り外すことはできますか？
• サプライヤーは、プログラムの全期間を通じて、配合および工程の管理を維持できるか？

よくある質問

シリコンフリーの熱伝導パッドは、シリコン製の熱伝導パッドよりも優れているのでしょうか？

すべての用途に当てはまるわけではありません。シリコーンによる汚染が明確なリスクとなる場合は、シリコーンを含まない熱伝導パッドの方が適しています。シリコーンの使用が許容される場合、シリコーン製パッドの方が、柔らかさ、対応温度範囲、厚さ、熱伝導性能の面でより多くの選択肢を提供できる可能性があります。化学的性質だけでなく、完成したインターフェースを比較検討してください。.

シリコン製の熱伝導パッドからオイルが漏れることはありますか？

配合によっては、オイルブリードが生じたり、低分子量のシリコーン成分が放出されたりする場合があります。その量は大きく異なります。ブリードの少ないシリコーングレードもご用意しています。試験データをご請求の上、実際の温度、圧力、時間、および封入条件下で製品を検証してください。.

シリコーンフリーと謳われている熱伝導パッドは、本当にシリコーンが含まれていないのでしょうか？

その意味は、サプライヤーの仕様および工程管理によって異なります。その表示が、「意図的にシリコーンを添加していない」ことを意味するのか、シロキサンの含有量に上限が設けられているのか、あるいは管理されたシリコーンフリーの製造工程を指すのかを確認してください。要件が極めて重要な場合は、試験方法および検出限界について問い合わせてください。.

カメラや光モジュールには、どの熱伝導パッドが適していますか？

レンズ、センサー、ミラー、および密閉された光路の付近では、シリコーン特有の曇りや堆積物の発生を防ぐことができるため、シリコーンを含まないパッドが好まれることが多い。ただし、選定した材料については、実際の筐体内で総アウトガス量および凝縮性残留物について試験を行う必要がある。.

パワーエレクトロニクスには、どの熱伝導パッドが適していますか？

シリコーンパッドは、高い追従性、電気絶縁性、実用温度範囲での耐熱性、および低い圧縮力を兼ね備えているため、パワーエレクトロニクス分野で広く使用されています。汚染に関する制限がある場合でも、シリコーン以外のパッドを使用することも可能です。最終的な選定は、熱インピーダンス、誘電特性、ボンディングラインの厚さ、および加圧力を考慮して決定すべきです。.

低ブリードのシリコーンパッドは、シリコーン以外のパッドの代わりになるでしょうか？

場合によります。故障のメカニズム次第です。オイルのブリード量を低減することで、目に見える移行や表面の変色といった問題は解決できるかもしれません。しかし、シリコーンの厳格な使用禁止要件や、シロキサンの微量含有制限を満たせない可能性もあります。適格性評価では、当該用途の受け入れ基準を適用する必要があります。.

シリコン製または非シリコン製のサーマルパッドは、どの程度圧縮すべきですか？

普遍的な割合というものは存在しません。サプライヤーが推奨する範囲を参考にし、最小および最大の隙間における圧縮量を算出してください。その後、組み立て状態における圧力、接触状態、熱性能、および長期的な荷重保持性能を確認してください。.

最終的な提言

設計上、柔らかく、耐久性があり、入手しやすい隙間充填材が必要であり、かつシリコーンによる汚染の問題が確認されていない場合は、シリコーン製サーマルパッドを選択してください。ブリードの少ないシリコーングレードを使用すれば、通常のシリコーンパッドでは不向きな用途にもこの選択肢を広げることができます。.

シリコーンオイル、揮発性シロキサン、顧客の規制、またはプロセスによる汚染によって、光学部品、接点、コーティング、センサー、あるいは生産品質に悪影響が生じる可能性がある場合は、非シリコーン製の熱伝導パッドを選択してください。「非シリコーン」が何を意味するのかを確認し、ラベルの表示だけに頼るのではなく、汚染の全体的な挙動をテストしてください。.

どちらの材料タイプにおいても、設計上の優先事項は変わりません。すなわち、信頼性を確保しつつ可能な限り薄い接着層を採用し、圧縮力を安全な範囲内に抑え、同等の条件下で熱インピーダンスを比較し、必要に応じて電気絶縁性を確認し、経年変化後の性能を検証することです。 最適なサーマルパッドは、単一のポリマーや単一のW/mK値だけで決まるものではありません。それは、製品の寿命を通じて、清潔で安定した接触状態を維持し、許容範囲内の温度を保つことができる材料です。.