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？

発熱する電子部品が、電気的導通を生じさせることなく、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に熱を伝達する必要がある場合、電気絶縁性のある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用インバータ、MOSFETおよびIGBTモジュール、LEDドライバ、電源装置、バッテリー管理システム、ならびに熱伝達と電気的絶縁の両方が求められるあらゆるアセンブリにおいて、特に重要です。.

簡単に言えば： 電気絶縁性の熱 パッド 冷却面が導電性である可能性がある場合でも、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。.

最適な断熱用サーマルパッドは、熱伝導率だけで選定されるわけではありません。 エンジニアは、絶縁耐力、絶縁破壊電圧、体積抵抗率、圧縮後の最終厚さ、熱インピーダンス、圧縮力、ギャップ公差、可燃性、使用温度範囲、および長期信頼性についても評価する必要があります。パッドは、組立、エージング、振動、および熱サイクルを通じて、デバイスを冷却し、電気的な安全性を確保し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とは、熱を伝導させつつ電流を遮断する熱界面材料のことです。これは、熱源と冷却面の間に配置され、空気の隙間を埋めて熱抵抗を低減すると同時に、両面間の電気伝導を防ぐ役割を果たします。.

熱源としては、以下のものが考えられます：

• MOSFET
• IGBT
• パワーモジュール
• LED基板
• バッテリー管理コンポーネント
• 通信用電力デバイス
• 産業用コントローラ
• 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、以下のいずれかである。

• アルミニウム製ヒートシンク
• 金属製ハウジング
• シャーシ
• コールドプレート
• ヒートスプレッダー
• 囲い壁

多くの製品において、ヒートシンクや筐体は導電性を持っています。部品や回路ノードがこれらの金属に直接接触すると、短絡、漏れ電流、感電の危険、あるいはシステムの故障を引き起こす可能性があります。絶縁性のサーマルパッドを使用することで、電気的な経路を作ることなく熱伝導経路を確保できます。.

熱設計において電気絶縁が重要な理由

熱設計と電気設計は、しばしば密接に関連しています。エンジニアはまず熱伝達に注力することが多いですが、パワーエレクトロニクスにおいては、安全な電気的分離も必要となります。.

導電性熱伝導材は、次のような場合には危険となる可能性があります：

• ヒートシンクはアースに接続されています
• 「コンポーネント」タブには電圧がかかっています
• 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
• 沿面距離および空間距離には制限があります
• 高電圧が印加されています
• 安全認証が必要です

このような場合、熱伝導材料は次の2つの役割を同時に果たさなければなりません：

1. 部品から熱を効率的に放散させる。.
2. インターフェースに電流が流れるのを防ぐ。.

そのため、電力電子機器や高信頼性システムでは、電気絶縁性のある熱伝導パッドが広く使用されています。.

一般的なTIMの選定に関する、HakTakの製品ハブ草案 熱伝導材料 パッド、グリース、PCM、パテ、および特注材料などの材料を接合するために設計されています。.

電気絶縁性のサーマルパッドは、どのような場合に必要になるのでしょうか？

電気回路を絶縁したまま、熱を導電性の冷却構造体へ伝達する必要がある場合には、電気絶縁性の熱伝導パッドが必要です。.

ヒートシンクが導電性の場合

ヒートシンクの多くはアルミニウム製または銅製です。どちらも電気を通します。部品の表面が電気的に活性な場合、金属と直接接触させることは危険です。.

絶縁性のある熱伝導パッドを使用することで、ヒートシンクは熱を放散しつつ、電流の流れを防ぐことができます。.

これは次のような場合に多く見られます：

• MOSFET用ヒートシンク
• IGBTモジュール
• 電源用ヒートシンク
• LEDドライバの筐体
• モーター駆動用電子機器
• EV用インバーター用コールドプレート

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

多くのアセンブリでは、複数のパワーデバイスが同じヒートシンクに取り付けられています。これらのデバイスは、それぞれ異なる電位で動作する場合があります。.

絶縁材がない場合、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。絶縁パッドを使用することで、各デバイスを分離しつつ、熱を共有の冷却面へと伝達させることができます。.

住宅が熱経路の一部となっている場合

多くの小型電子機器では、金属製の筐体をヒートシンクとして利用しています。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で一般的です。.

筐体に触れたり、接地したり、他のシステム構造物に接続したりできる場合は、電気的絶縁が重要になります。.

高電圧や安全認証が関係する場合

高電圧機器には、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、その設計において十分な絶縁耐力と絶縁破壊電圧を備えている必要があります。.

これは特に以下の場面で重要です：

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

電気ノイズやリーク電流を抑制しなければならない場合

たとえ短絡の可能性が低いとしても、漏れ電流や容量結合が、高感度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、電気的な分離を維持し、リスクを低減するのに役立ちます。.

電気絶縁性と導電性のサーマルパッドの比較

すべての熱伝導パッドが電気絶縁性であるわけではありません。一部の材料には、熱伝導性を高める一方で電気絶縁性を低下させる導電性充填剤や炭素系構造が含まれている場合があります。.

電気的な要件が不明確な場合は、回路設計によってその必要がないことが確認されるまで、絶縁が必要であると想定してください。.

確認すべき主要な電気的特性

電気絶縁性のある熱伝導パッドは、熱伝導率だけで評価すべきではありません。エンジニアは、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

絶縁耐力とは、材料が絶縁破壊を起こす前に耐えることができる電圧負荷のことを指します。これは、多くの場合、kV/mm、V/mil、または類似の単位で表されます。.

ASTM D149は、商用電源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に関する主要な規格です。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、試験結果は実際の用途に合わせて慎重に解釈すべきであると指摘しています。公式参照： ASTM D149.

絶縁破壊電圧

絶縁破壊電圧とは、所定の試験条件下において、試験片で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
• 電極の形状
• 老化状態

パッドの厚さが増すと、耐電圧は高くなるかもしれませんが、熱抵抗も増加します。エンジニアは、安全性と熱伝達のバランスをとらなければなりません。.

体積抵抗率

体積抵抗率は、材料がその体積全体を通じて電流に対してどれほど強く抵抗するかを表す。絶縁性のある熱パッドには、高い体積抵抗率が望ましい。.

この特性は、エンジニアが電気的絶縁性能を比較する上で役立ちますが、絶縁破壊電圧や用途に応じた安全試験に代わるものではありません。.

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。汚染、水分、または表面トラッキングのリスクが存在する場合、これが重要になることがあります。.

実際の製品の場合、ほこり、湿度、油分、フラックス残渣、あるいは経年劣化などにより、表面状態が時間の経過とともに変化することがあります。.

確認すべき主要な熱的特性

電気絶縁は、パッドが依然として効果的に熱を伝達できる場合にのみ有用です。熱性能についても同時に評価する必要があります。.

熱伝導率

熱伝導率は、パッドの素材が熱をどの程度よく伝導するかを示す指標です。通常、W/mK単位で測定されます。.

導電率が高いと効果的ですが、必ずしも冷却効果が向上するとは限りません。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と、熱抵抗が高くなってしまう可能性があります。.

HakTakはこの原則について、以下の記事で取り上げています。 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.

熱インピーダンス

熱インピーダンスは、特定の厚さ、圧力、および接触条件下における界面の状態を反映するため、多くの場合、熱伝導率よりも有用です。.

TIM試験においては、熱伝導性電気絶縁材料の熱伝達特性について、一般的にASTM D5470が参照されます。これは、界面材料の熱インピーダンスおよび見かけの導電率を評価する際に適用されます。公式参照： ASTM D5470.

ボンドラインの厚さ

ボンディングラインの厚さは、圧縮後のパッドの最終的な厚さです。こ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)

場所：

• R は熱抵抗である
• t は厚さです
• k は熱伝導率である
• A は接触面積です

パッドを厚くすると断熱マージンは向上するかもしれませんが、通常は熱抵抗も増加します。これは、断熱用熱パッドの選定における主要なトレードオフの一つです。.

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ています。.

熱伝導パッドの厚さと電気的安全性

厚さは、電気絶縁性のある熱伝導パッドにとって最も重要な設計変数のひとつです。.

厚めのパッドを使用すると、次のような効果が期待できるかもしれません：

• 耐破裂電圧を高める
• 許容範囲の拡大
• 大きな隙間を埋める
• 金属との直接接触によるリスクを低減する

しかし、パッドが厚い場合、次のようなことも起こり得ます：

• 熱抵抗を高める
• さらに圧縮が必要
• 機械的応力を増加させる
• 冷却性能を低下させる
• 組み立てをより難しくする

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。正しい選択とは、隙間を埋め、絶縁性を維持し、圧縮に耐え、かつ熱抵抗を低く抑えられる、最も薄いパッドである。.

HakTakのガイド 電子機器用のサーマルパッドの厚さの選び方 実用的な厚さの選定ワークフローを提供します。.

圧縮と断熱

サーマルパッドは、良好な接触を確保するために圧縮する必要がある場合がよくあります。圧縮により熱伝導は向上しますが、電気的および機械的特性に変化が生じる可能性もあります。.

圧縮の影響を受けるのは：

• 最終厚さ
• 接触面積
• 機械的応力
• 絶縁間隔
• パッドの変形
• 長期圧縮永久ひずみ

パッドの圧縮が過度になると、最終的な厚みが予想より薄くなる可能性があります。これにより、誘電マージンが減少する恐れがあります。また、部品に応力が生じたり、パッドの押し出しが発生したりする可能性もあります。.

パッドの圧縮が不十分な場合、空気の隙間が生じ、熱抵抗が高まり、冷却性能が低下する可能性があります。.

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どのような影響を与えるかを説明しています。.

ソフトタイプとハードタイプの断熱パッド

電気絶縁性のサーマルパッドには、柔らかいものと比較的硬いものがあります。硬さによって、良好な接触を得るために必要な圧力が異なります。.

柔らかい断熱パッドは、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
• 表面の平坦度が悪い
• アセンブリには公差のばらつきがあります
• 機械的応力は低く抑える必要がある

より硬い絶縁パッドは、次のような場合に役立ちます：

• その差は制御されています
• 取り扱いと設置には安定性が必要です
• 型抜き形状の精度は重要である
• このアセンブリは十分な圧力を供給できる
• 手直しの清浄度は重要である

詳細については、HakTakの記事をご覧ください。 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？.

電気絶縁性サーマルパッドとその他のTIMの比較

熱インターフェースの問題を解決する方法は、電気絶縁性のサーマルパッドだけではありません。エンジニアは、熱的要件と電気的要件の両方に基づいて、さまざまな選択肢を比較検討する必要があります。.

熱伝導グリースは電気絶縁性を持つ場合がありますが、対象領域の外にまで広がってしまう可能性があります。高電圧や安全性が重要なアセンブリの場合、パッドを使用することで、厚みや配置をより正確に制御できます。.

PCMサーマルパッドは、活性化後に濡れ性が向上し、クリーンな取り扱いを実現します。HakTakの記事 PCMサーマルパッドの解説 この材料の種類について説明しています。.

隙間の幅が不均一な場合は、サーマルパテや隙間充填剤の方が適している場合があります。詳しくは 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.

適用例

電源装置

電源装置では、MOSFET、ダイオード、整流器、トランス、および制御部品が、金属製のヒートシンクや筐体の近くに実装されることがよくあります。電気絶縁パッドは、ヒートシンクへの不要な熱伝導を防ぐと同時に、熱の伝達を助けます。.

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
• 可燃性等級
• 長期的な経年安定性

EV用インバータおよび自動車用電子機器

EV用インバータや自動車用制御モジュールは、高電圧、振動、および熱サイクルにさらされます。パワーデバイスとコールドプレートや筐体の間には、電気絶縁パッドが使用される場合があります。.

主な要件：

• 高い誘電信頼性
• 熱サイクル安定性
• 耐振動性
• 圧縮永久ひずみの制御
• 自動車用温度範囲
• 一貫した生産品質

LED照明

LEDやLEDドライバは発熱するため、多くの場合、金属基板、筐体、ヒートシンクが使用されます。絶縁性のあるサーマルパッドは、熱伝導を促進しつつ、電気的な接触を防ぐ役割を果たします。.

主な要件：

• 接着ラインが細い
• 安定した熱経路
• 電気絶縁
• 長寿命
• 必要に応じて難燃性

通信および5G機器

通信用電子機器は、多くの場合、連続運転され、屋外の温度変化にさらされることがあります。絶縁パッドを使用することで、回路ノードを絶縁しつつ、金属製筐体へ熱を伝達することができます。.

主な要件：

• 長期的な圧縮安定性
• 熱サイクル耐性
• 電気絶縁
• 耐湿性および耐老化性
• 繰り返し可能な組み立て

産業用ドライブおよびモーター制御

産業用ドライブやモーター制御装置では、金属製のヒートシンクに取り付けられた高電圧パワーエレクトロニクスが使用されることがあります。電気絶縁パッドは、過酷な環境下において熱伝達と絶縁の役割を果たします。.

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、ほこり、または湿気への曝露に関する考慮事項

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盛り込むべきである。.

ステップ 1：電圧要件を定義する

まずは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、インターフェース両端の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？
• 沿面距離と空気隙間は制限されていますか？
• 認定は必要ですか？

ステップ2：隙間を測定する

最小、公称、および最大の隙間を測定してください。パッドは、最小の隙間で過度の圧縮が生じないようにしつつ、最大の隙間を完全に埋める必要があります。.

ステップ3：厚さと圧縮範囲を選択する

圧縮後に十分な誘電間隔と熱性能が得られるパッドの厚さを選択してください。公称厚さよりも、圧縮後の最終的な厚さの方が重要です。.

手順 4：熱インピーダンスの確認

実際の圧力および最終的な厚さにおける熱インピーダンスを確認してください。W/mKの値のみに依存しないでください。.

手順 5：組み立て後の絶縁耐圧の確認

電気絶縁性は、実際の使用状況を反映した条件下で検証する必要があります。圧縮、温度、湿度、および経年劣化は、その性能に影響を与える可能性があります。.

ステップ6：信頼性の検証

テスト後：

• 熱サイクル
• 高温エージング
• 振動
• 湿度への曝露
• 電源のオン・オフ
• 手直し
• 圧縮永久ひずみ

選定チェックリスト

エンジニアが避けるべきよくある間違い

最初の過ちは、W/mKという値だけで断熱パッドを選んでしまうことです。電気絶縁性、厚さ、圧力、絶縁耐力も同様に重要です。.

2つ目の間違いは、最終的な圧縮後の厚さを無視してしまうことです。パッドの断熱性と熱抵抗は、組み立て後の厚さによって決まります。.

3つ目の間違いは、電気的絶縁が必要な場所に導電性熱伝導材を使用することです。これにより、短絡や漏れ電流経路が生じる可能性があります。.

4つ目の間違いは、熱性能の観点から見て厚すぎるパッドを選んでしまうことです。厚みを増やすと電圧マージンは向上するかもしれませんが、部品の温度上昇を招く恐れがあります。.

5つ目の間違いは、組み立て前の段階でのみ絶縁試験を行うことです。圧縮、熱、経年劣化によって、実際の状態が変わる可能性があるからです。.

6つ目の過ちは、可燃性や安全要件を見落とすことです。パワーエレクトロニクス分野では、難燃性評価が材料選定プロセスの一環となる場合があります。ULでは、プラスチック材料の試験サービスや可燃性に関するリソースを提供しています。エンジニアの方は、こちらからULのプラスチック材料試験の概要をご覧いただけます： ULのプラスチック材料試験.

7つ目の間違いは、1つのパッドがあらゆる電圧レベルに対応できると想定してしまうことです。電圧が高い場合、ギャップが狭い場合、あるいは過酷な環境下では、より慎重な検証が必要となります。.

HakTakの視点

HakTakでは、電気絶縁性のある熱伝導パッドを、熱設計および電気設計の両方の構成要素として扱っています。パッドは、熱を伝達するだけでなく、圧力や温度、長期使用下においても絶縁性を維持しなければなりません。.

適切な材料選定を行うため、技術者は以下の情報を提供する必要があります：

• 熱源の種類と出力
• 接触面積
• 最小、公称、および最大のギャップ
• 必要な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
• 利用可能な圧力またはねじ締めトルク
• 構成要素の脆弱性
• 必要な熱伝導率またはインピーダンスの目標値
• 動作温度範囲
• 温度サイクルおよび振動に関する要件
• 難燃性または安全要件
• 製造方法と型抜きに関する要件

この情報をもとに、サプライヤーはパッドの厚さ、硬度、導電性グレード、絶縁定格、および圧縮範囲について、より正確に提案することができます。.

最高の電気絶縁性を持つサーマルパッドとは、製品の全寿命にわたって安全な電気的絶縁性を維持しつつ、部品を冷却し続けるものである。.

結論

電子機器が、導電性のあるヒートシンク、筐体、シャーシ、またはコールドプレートに熱を伝達する際、電気的な導通経路を形成せずに済むようにするためには、電気絶縁性の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、および電気的絶縁と熱管理を両立させる必要があるあらゆる製品において、特に重要です。.

適切なパッドは、熱的および電気的な基準の両方に基づいて選定する必要があります。技術者は、絶縁耐力、絶縁破壊電圧、体積抵抗率、厚さ、圧縮率、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について評価を行う必要があります。.

絶縁用サーマルパッドは、導電率や耐電圧値だけで選定してはいけません。真に求められるのは、最終組立品において安定した熱的および電気的性能を発揮することです。.

よくある質問

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とは、部品と冷却面の間で電流が流れるのを防ぎつつ、熱を伝達する熱界面材料のことです。.

電気絶縁性のサーマルパッドは、どのような場合に必要になるのでしょうか？

発熱部品が、電気的に絶縁された状態を維持しつつ、熱伝導性のあるヒートシンク、筐体、シャーシ、またはコールドプレートに熱を伝達する必要がある場合に、これが必要となります。.

すべての熱伝導パッドは電気絶縁性がありますか？

いいえ。熱伝導パッドの中には電気絶縁性のあるものもあれば、充填剤の種類や配合によっては電気伝導性を持つものもあります。.

サーマルパッドにおける絶縁耐力とは何ですか？

絶縁耐力とは、所定の試験条件下において、材料が絶縁破壊に至るまでに耐えうる電気的応力の大きさを表すものである。.

断熱パッドが厚ければ、断熱効果は高くなるのでしょうか？

多くの場合、パッドを厚くすると耐破電圧は向上しますが、熱抵抗も高まります。エンジニアは、絶縁性と冷却性能のバランスをとらなければなりません。.

熱伝導グリスは電気絶縁性を持つことがありますか？

一部の熱伝導グリースは電気絶縁性がありますが、グリースは広がってしまうため、パッドに比べて塗布量の調整が難しい場合があります。パッドを使用すれば、厚みや塗布位置をより正確に制御できます。.

絶縁耐力と絶縁破壊電圧の違いは何ですか？

絶縁破壊電圧とは、試験片が破壊に至る電圧のことです。絶縁耐力は通常、厚さによって正規化され、kV/mmなどの単位で表されます。.

圧縮は電気絶縁に影響を与えることがありますか？

はい。圧縮により最終的な厚さが変化し、誘電マージン、コンタクト、機械的応力、および長期信頼性に影響を及ぼす可能性があります。.

一般的に、どのような用途で電気絶縁性のサーマルパッドが使用されていますか？

代表的な用途としては、電源装置、MOSFET、IGBTモジュール、EV用インバータ、LEDドライバ、通信機器、産業用ドライブ、およびバッテリーシステムなどが挙げられます。.

断熱パッドを選ぶには、どのような情報を提供すればよいですか？

電圧要件、熱負荷、接触面積、ギャップ範囲、圧力限界、表面材料、動作温度、絶縁目標、および信頼性要件を明記してください。.