電気絶縁性サーマルパッド：いつそれらが必要なのか？

電気的に絶縁性のあるサーマルパッドは、発熱する電子部品から、電気回路を形成することなく、金属製のヒートシンク、筐体、シャーシ、またはコールドプレートへ熱を伝達する必要がある場合に使用されます。これらは、パワーエレクトロニクス、EVインバーター、MOSFETおよびIGBTモジュール、LEDドライバー、電源装置、バッテリーマネジメントシステム、その他放熱と電気絶縁の両方が求められるあらゆるアセンブリにおいて特に重要となります。.

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わかりやすく言うと： 電気絶縁性のサーマル パッド 冷却面が伝導性を持つ可能性がある一方で、部品や回路は電気的に絶縁された状態を維持しなければならない場合。.

最高の絶縁性サーマルパッドは、熱伝導率だけで選ばれるわけではありません。エンジニアは、絶縁破壊強さ、破壊電圧、体積抵抗率、最終的な圧縮厚さ、熱インピーダンス、圧縮荷重、隙間の許容差、難燃性、温度範囲、および長期信頼性も評価しなければなりません。パッドは、組み立て、経年変化、振動、およびヒートサイクルを通じて、デバイスを冷却し、電気的に安全に保たなければなりません。.

電気絶縁性サーマルパッドとは何ですか？

電気絶縁性サーマルパッドは、熱を伝えながら電流を通さないサーマルインターフェース素材です。熱源と冷却面の間に配置されて空気の隙間を埋め、熱抵抗を低減させると同時に、両面間の電気伝導を防ぎます。.

熱源は以下のいずれかである可能性があります：

MOSFET
IGBT
パワーモジュール
LEDボード
バッテリー管理コンポーネント
通信用電源装置
産業用コントローラー
DC-DCコンバータ
AC-DC電源
自動車用電子モジュール

冷却面は以下のいずれかです：

アルミニウム製ヒートシンク
金属筐体
シャーシ
コールドプレート
ヒートスプレッダ
外壁

多くの製品において、ヒートシンクや筐体は導電性を有しています。部品や回路のノードがその金属に直接接触すると、短絡、漏れ電流、感電のリスク、またはシステムの故障を引き起こす可能性があります。絶縁性サーマルパッドは、電気的な経路を作らずに熱的な経路を作り出します。.

熱設計における電気絶縁の重要性

熱設計と電気設計はしばしば密接に関連しています。技術者はまず伝熱に注目するかもしれませんが、パワーエレクトロニクスには安全な電気的絶縁も必要です。.

導電性のサーマルインターフェースが危険となるのは、次のような場合です：

ヒートシンクは接地されている
コンポーネントタブは電気的に通電しています
筐体は金属製です
複数のコンポーネントが1つのヒートシンクを共有している
絶縁距離と沿面距離が制限されている
高電圧注意
安全認証が必要です

このような場合、熱伝導材料は同時に2つの役割を果たさなければなりません：

部品から効率的に熱を逃がす。.
界面を通る電流を防ぐ。.

これが、電気絶縁性のサーマルパッドがパワーエレクトロニクスや高信頼性システムで広く使用されている理由です。.

一般的なTIMの選定については、HakTakのプロダクトハブのドラフトをご覧ください。サーマルインターフェースマテリアルパッド、グリース、PCM、パテ、カスタム材料などの材料選択を結びつけるように設計されています。.

電気絶縁性サーマルパッドはいつ必要ですか？

電気回路を絶縁したまま熱を導電性の冷却構造に伝えなければならない場合、電気絶縁性のサーマルパッドが必要です。.

ヒートシンクが導電性の場合

ほとんどのヒートシンクはアルミニウムまたは銅製です。どちらも電気伝導性があります。部品の表面が通電している場合、金属が直接接触するのは危険です。.

絶縁サーマルパッドは、電流の流れを防ぎながら、ヒートシンクが熱を放散できるようにします。.

これは以下でよく見られます：

MOSFETヒートシンク
IGBTモジュール
電源ヒートシンク
LEDドライバ筐体
モーター駆動電子回路
EV用インバーター冷却プレート

複数のコンポーネントが1つのヒートシンクを共有する場合

多くの組み立て品において、複数のパワーデバイスが同一のヒートシンクに取り付けられています。それらのデバイスは異なる電位で動作する場合があります。.

絶縁体がない場合、ヒートシンクによって部品間に意図しない電気的接続が生じる可能性があります。絶縁パッドは、熱を共有の冷却面に移動させながら、各デバイスを絶縁するのに役立ちます。.

筐体が熱の経路の一部である場合

多くの小型電子機器では、金属製の筐体がヒートシンクとして使用されています。これは通信機器、自動車用制御ユニット、LED照明、および産業用電子機器によく見られます。.

筐体が接触可能、接地可能、あるいは他のシステム構造体に接続可能な場合、電気的絶縁が重要になります。.

高電圧または安全認証が含まれる場合

高電圧デバイスには、電気的ストレスに耐えられる材料が必要です。サーマルパッドは、その設計に見合った十分な絶縁耐力と破壊電圧を備えている必要があります。.

これは特に以下の分野で重要です：

EVシステム
インバーター
電源装置
バッテリー充電器
産業用ドライブ
医用電子工学
航空宇宙用電子機器

電気ノイズや漏洩を制御しなければならない場合

短絡の可能性が低い場合でも、漏れ電流や容量結合が敏感な電子機器に影響を与える可能性があります。絶縁材料は電気的分離を維持し、リスクを軽減するのに役立ちます。.

電気絶縁性熱伝導パッドと電気導電性熱伝導パッドの比較

すべてのサーマルパッドが電気絶縁性を持っているわけではありません。熱伝導率を高める一方で電気絶縁性を低下させる、導電性フィラーやカーボン系構造を含んでいる材料もあります。.

特徴	電気絶縁性サーマルパッド	導電性熱伝導パッド
電気的挙動	ブロック電流	電気を通すことができる
一般的な用途	パワーエレクトロニクス、LEDドライバ、金属筐体	接地された熱経路、EMI関連の設計
主な安全性データ	絶縁耐力、降伏電圧、体積抵抗率	電気伝導性、接地挙動
主なリスク	厚すぎる、または熱性能が不十分	短絡または漏電の危険性
よく使われるフィラー言葉	セラミック充填材、窒化ホウ素、アルミナ	黒鉛、炭素、金属粒子
最適	伝熱と絶縁	熱伝導率が許容範囲内である伝熱

電気的要件が不明な場合は、回路設計によってそうでないことが確認されるまで、絶縁が必要であると仮定してください。.

確認すべき主要な電気特性

電気絶縁性サーマルパッドは、熱伝導率だけでなく、より多くの項目で評価されるべきです。技術者はいくつかの電気的特性を確認する必要があります。.

絶縁耐力

絶縁破壊の強さは、材料が絶縁破壊を起こすまでに耐えることのできる電圧ストレスを表します。通常、kV/mm、V/mil、または同様の単位で表されます。.

ASTM D149は、商用周波数における固体電気絶縁材料の絶縁破壊電圧および絶縁耐力を測定するための主要な規格である。ASTMは、絶縁耐力は電界が存在する用途において重要であり、テスト結果は実際の用途に合わせて慎重に解釈されるべきであると指摘している。公式リファレンス： ASTM D149.

降伏電圧

破壊電圧とは、規定された試験条件下で、試料全体に絶縁破壊が発生する電圧のことである。.

サーマルパッドの場合、耐電圧は以下の要因によって決まります：

材料の配合
パッドの厚さ
圧縮
表面の状態
温度
湿度
電極形状
経年変化

厚いパッドは絶縁破壊電圧が高くなる可能性がありますが、同時に熱抵抗も増加します。エンジニアは安全性と熱伝導のバランスを取る必要があります。.

体積抵抗率

体積抵抗率は、材料がその体積を通る電流にどれだけ強く抵抗するかを表します。絶縁性サーマルパッドには、高い体積抵抗率が望ましいです。.

この特性はエンジニアが電気絶縁性能を比較するのに役立ちますが、耐電圧試験やアプリケーション固有の安全性試験の代わりになるべきではありません。.

表面抵抗率

表面抵抗率は、材料の表面に沿った抵抗を表します。これは、汚染、湿気、または表面トラッキングのリスクが存在する場合に重要となることがあります。.

実製品の場合、表面の状態は、ホコリ、湿度、油分、フラックスの残渣、あるいは経年変化によって時間の経過とともに変化する可能性があります。.

確認すべき主要な熱特性

電気絶縁は、パッドが熱を効果的に伝える場合にのみ有用です。熱性能は同時に評価されるべきです。.

熱伝導率

熱伝導率は、パッド材料がどれだけ熱を伝えやすいかを示します。通常、W/mKで測定されます。.

導電率（熱伝導率）が高ければ冷却の改善には役立ちますが、それだけではより良い冷却が保証されるわけではありません。パッドが厚すぎる、硬すぎる、あるいは圧縮が不十分である場合、熱抵抗が高くなる可能性があります。.

ハクタクはこの原則について触れている高W/mKが常に優れた冷却性能を意味するとは限らない理由.

熱インピーダンス

熱インピーダンスは、特定の厚さ、圧力、および接触条件下での界面を反映するため、熱伝導率よりも役立つことが多い。.

TIMテストにおいて、熱伝導性電気絶縁材料の熱伝達特性評価にはASTM D5470が一般的に参照されます。これは、界面材料の熱インピーダンスおよび見かけの熱伝導率を評価する際に関連します。公式の参照規格： ASTM D5470.

ボンド線の太さ

ボンドラインの厚さは、圧縮後のパッドの最終的な厚みです。それは熱抵抗に直接影響します。.

熱伝達の経路を簡略化すると：

R = t / (k × A)

どこ：

R は熱抵抗である
t 厚さです
k は熱伝導率である
A は接触面積です

厚いパッドは絶縁マージンを向上させる可能性があるが、通常は熱抵抗を増加させる。これは絶縁サーマルパッド選定における核心的なトレードオフの一つである。.

HakTakの記事ボンドラインの厚さが熱性能に与える影響この関係について詳しく説明します。.

サーマルパッドの厚さと電気的安全性

厚さは、電気絶縁性サーマルパッドにおいて最も重要な設計変数の1つである。.

より厚いパッドは、以下の可能性があります：

降伏電圧を上げる
公差網羅率を向上させる
大きな隙間を埋める
金属同士の直接接触のリスクを軽減する

しかし、より厚いパッドは以下の可能性もあります：

熱抵抗を増加させる
さらに圧縮が必要です
機械的ストレスを増加させる
冷却性能を下げる
アセンブリをもっと難しくする

このトレードオフがあるため、エンジニアは単に最も厚い絶縁パッドを選ぶべきではない。適切な選択とは、隙間を埋め、絶縁性を維持し、圧縮に耐え、熱抵抗を低く抑える最も薄いパッドである。.

ハクタックのガイド電子機器向けサーマルパッドの厚さの選び方実用的な厚み選択のワークフローを提供する。.

圧縮と断熱

サーマルパッドは良好な接触を得るために圧縮しなければならないことが多い。圧縮により熱伝導が向上するが、電気的および機械的挙動が変化することもある。.

圧縮の影響を受けるもの：

最終的な厚さ
接触面
機械的応力
誘電体間隔
パッドの変形
長期圧縮永久ひずみ

パッドが過剰に圧縮されると、最終的な厚さが期待値より薄くなる可能性があります。これにより、誘電体のマージンが減少するおそれがあります。また、部品にストレスを与えたり、パッドのはみ出しを引き起こしたりすることもあります。.

パッドの圧縮率が不足していると、エアギャップ（空気層）ができ、熱抵抗が高くなって冷却性能が低下するおそれがあります。.

HakTakの記事圧縮がサーマルパッドの性能に与える影響圧縮が接触、熱インピーダンス、および機械的信頼性に与える影響について説明します。.

柔らかいサーマルパッドと硬いサーマルパッドの比較

電気絶縁性のサーマルパッドは、柔らかいものもあれば、比較的硬いものもあります。硬さは、良好な接触を得るためにどれくらいの圧力が必要かに影響します。.

柔らかい断熱パッドが役立つのは次のような場合です：

圧力が制限されている
部品は壊れやすいです
表面の平面度が不良です
アセンブリには公差のばらつきがあります
低機械応力が必要です

硬めの絶縁パッドが役立つのは次のような場合です：

隙間は制御されています
取り扱いと配置には安定性が必要です
抜き型の形状精度が重要です
そのアセンブリは十分な圧力を供給できる
手直しの清潔さは重要です

詳細はハクタック（HakTak）の статьиをご覧ください。ソフト対ハードサーマルパッド：どちらが良い？.

電気絶縁性サーマルパッドと他のTIM（熱伝導材料）の比較

電気絶縁性サーマルパッドは、熱界面の課題を解決する唯一の方法ではありません。エンジニアは、熱的および電気的要件の両方に基づいて選択肢を比較検討すべきです。.

材料	電気絶縁	最適の使用法	注意
放熱絶縁シート	通常は強い	パワーデバイス、ヒートシンク、筐体	厚みによって熱抵抗が増加する可能性がある
熱伝導グリス	処方によって異なる	薄型フラットインターフェース	広げる、汲み出す、あるいは汚染する
PCMサーマルパッド	多くの場合、絶縁グレードが利用可能です	クリーンなアセンブリと濡れ性の向上	活性化温度に到達しなければならない
サーマルパティ	処方によって異なる	不均一な隙間と低気圧	分注量と残量管理
サーマルアドヘシブ	断熱性を持たせることができる	ヒートシンクやモジュールの接着	手直しは難しいです
ポッティング剤	多くの場合、絶縁している	カプセル化と保護	硬化の品質と気泡が重要

サーマルグリスは電気絶縁性を持つこともありますが、対象エリアの外にはみ出す可能性があります。高電圧または安全性が重視されるアセンブリでは、パッドを使用することで、厚みと配置をより適切に制御できます。.

PCMサーマルパッドは、活性化後の濡れ性が向上し、クリーンな取り扱いを実現できます。ハクタクの記事 PCMサーマルパッドとは何か：徹底解説この素材の種類について説明します。.

不均一な隙間には、サーマルパティやギャップフィラーの方が適している場合があります。参照：サーマルパテ対サーマルパッド：不均一な隙間に対する選び方.

応用例

電源装置

電源装置では、多くの場合、金属製のヒートシンクや筐体の近くにMOSFET、ダイオード、整流器、トランス、制御部品が取り付けられています。電気絶縁パッドは、ヒートシンクへの不要な導電を防ぎながら、熱を逃がす役割を果たします。.

主な要件：

絶縁耐力
熱インピーダンス
パッドの厚さ
圧縮制御
難燃性等級
長期経時安定性

EVインバーターと車載電子機器

EVインバーターや自動車用制御モジュールは、高電圧、振動、熱サイクルに直面します。電力デバイスとコールドプレートまたはハウジングの間には、電気絶縁パッドが使用される場合があります。.

主な要件：

高誘電信頼性
ヒートサイクル安定性
耐振動性
圧縮永久ひずみ制御
車載用温度範囲
一貫した生産品質

LED照明

LEDとLEDドライバは熱を発生し、多くの場合、金属基板、筐体、ヒートシンクを使用します。絶縁性サーマルパッドは、熱伝導をサポートしながら電気的な接触を防ぐのに役立ちます。.

主な要件：

薄い接着層
安定した熱経路
電気絶縁
長寿命
必要に応じて耐炎性

通信・5G機器

通信機器用電子部品は、多くの場合連続して稼働し、屋外の温度変化にさらされることがある。絶縁パッドは、回路ノードを絶縁しながら、金属製筐体への熱伝導を助けることができる。.

主な要件：

長期圧縮安定性
冷熱サイクル性
電気絶縁
耐湿・耐候性
再現可能なアセンブリ

産業用ドライブとモーター制御

産業用ドライブおよびモーター制御には、金属製ヒートシンクに実装された高電圧パワーエレクトロニクスが使用される場合があります。電気絶縁パッドは、過酷な環境において熱伝導と絶縁を提供します。.

主な要件：

絶縁耐力
機械的耐久性
熱インピーダンス
耐振動性
油分、粉塵、湿気への対策に関する考慮事項

電気絶縁性サーマルパッドの選び方

実用的な選定プロセスには、電気的要件と熱的要件の両方を含めるべきである。.

ステップ1：必要な電圧を定義する

電気設計から始めます。過渡現象、スパイク、安全マージンを含め、インターフェースの両端における最大電圧差を特定します。.

質問：

パッドはどの電圧を絶縁しなければならないか？
ヒートシンクはアースされていますか？
コンポーネントタブは公開されていますか？
複数のデバイスが1つのヒートシンクを共有しているのでしょうか？
沿面距離と空間距離には制限がありますか？
資格は必要ですか？

ステップ2：すき間を測る

最小、公称、および最大の隙間を測定します。パッドは、最小隙間での過剰な圧縮を避けつつ、最大隙間を埋める必要があります。.

ステップ3：厚みとコンプレッション範囲の選択

圧縮後も十分な絶縁距離と熱性能を確保できるパッドの厚みを選択してください。呼び厚さよりも、最終的な圧縮後の厚さが重要です。.

ステップ4：熱インピーダンスを確認する

実際の圧力と最終的な厚さのもとで熱インピーダンスを再評価してください。W/mKだけに頼らないでください。.

ステップ5：組み立て後の耐電圧の検証

電気絶縁性は、実際の使用状況を反映した条件で検証されるべきである。圧縮、温度、湿度、および経年劣化が性能に影響を与える可能性がある。.

ステップ6：信頼性のテスト

テストの後：

熱サイクル
高温時効
振動
湿気への暴露
電源の入れ直し
作り直す
圧縮永久ひずみ

選択チェックリスト

要件	確認事項	それが重要な理由
絶縁電圧	絶縁破壊電圧、絶縁耐力	電気的故障を防ぐ
熱性能	熱インピーダンス、導電率	コンポーネントの温度を制御する
ギャップの埋め合わせ	厚さと圧縮	過度のストレスを与えずに接触を確保する
機械的安全	硬度と圧縮力	コンポーネントとPCBを保護します
信頼性	経年変化、疲労、圧縮永久ひずみ	長期的なパフォーマンスを維持します
安全コンプライアンス	可燃性と絶縁性のデータ	製品認証をサポート
本番対応	型抜き形状、ライナー、タック	組み立ての再現性を向上させる

エンジニアが避けるべき一般的な間違い

最初の間違いは、熱伝導率（W/mK）だけで絶縁サーマルパッドを選ぶことです。電気絶縁性、厚さ、圧力、絶縁破壊の強さも同様に重要です。.

2番目の間違いは、最終的な圧縮後の厚さを無視することです。パッドの絶縁性と熱抵抗は、組み立て後の厚さに依存します。.

3つ目の間違いは、電気的絶縁が必要な箇所に導電性のサーマル材を使用することです。これにより、短絡や漏電経路が生じる可能性があります。.

第4の過ちは、熱性能に対して厚すぎるパッドを選択することです。厚みを増すと動作マージンは向上する可能性がありますが、部品温度が上昇する原因となります。.

5番目の間違いは、組み立ての前にのみ絶縁テストを行うことです。圧縮、熱、経年変化によって、実際の状態が変わる可能性があります。.

6番目の間違いは、可燃性や安全性に関する要件を見落とすことです。パワーエレクトロニクスにおいて、難燃性は材料選定のプロセスの一部となる場合があります。ULはプラスチック材料の試験サービスおよび可燃性に関するリソースを提供しており、エンジニアはここでULのプラスチック材料試験の概要を確認できます： ULプラスチック材料試験.

7番目の間違いは、1つのパッドがすべての電圧レベルに対応すると想定することです。電圧が高いほど、隙間が狭いほど、また過酷な環境であるほど、より慎重な検証が必要です。.

ハクタック・パースペクティブ

HakTakでは、電気絶縁性サーマルパッドは熱的および電気的設計コンポーネントの両方として扱われます。パッドは熱を伝えるだけでなく、圧力、温度、長期使用の下で絶縁性を維持しなければなりません。.

正確な材料選択のために、技術者は以下の情報を提供する必要があります：

熱源の種類と電力
接触面
最小、定格、および最大ギャップ
必要な絶縁破壊電圧または絶縁耐力
ヒートシンクまたは筐体が接地されているかどうか
使用圧力または締め付けトルク
コンポーネントの脆弱性
要求される熱伝導率またはインピーダンスの目標値
動作温度範囲
熱サイクルおよび振動の要件
難燃性または安全性要件
製造方法とトムソン抜き（抜型）のニーズ

この情報があれば、サプライヤーはパッドの厚さ、硬度、熱伝導率グレード、絶縁耐力、および圧縮範囲をより正確に推奨することができます。.

最高の電気絶縁性サーマルパッドとは、製品の全寿命期間にわたって安全な電気絶縁性を維持しながら、コンポーネントを冷却し続けるものです。.

結論

電子機器が電気的経路を作ることなく、導電性のヒートシンク、筐体、シャーシ、またはコールドプレートへ熱を伝達しなければならない場合、電気絶縁性サーマルパッドが必要となります。.

これらは、パワーエレクトロニクス、EVシステム、LEDドライバ、通信機器、産業用制御機器、および電気絶縁と熱管理が両立しなければならないあらゆる製品において特に重要です。.

右側のパッドは、熱的および電気的な基準の両方によって選択されるべきです。エンジニアは、絶縁破壊の強さ、降伏電圧、体積固有抵抗、厚さ、圧縮性、熱インピーダンス、硬度、経年変化、熱サイクル、および製造時の取り扱いを評価する必要があります。.

絶縁性サーマルパッドを熱伝導率や耐電圧だけで選んではいけません。実際の要件は、最終的なアセンブリにおける安定した熱的・電気的性能です。.

よくある質問