サーマルパッドの圧縮率：どの程度が適切か？

サーマルパッドの圧縮は、パッドが両面に完全に接触し、公差変動による隙間を埋め、接触抵抗を低減し、かつPCB、部品、はんだ接合部、または筐体に過度の機械的応力を生じさせない程度であれば十分です。 すべてのサーマルパッドに通用する普遍的な圧縮率は存在しません。多くの設計では適度な圧縮範囲を目標としていますが、適切な値は、パッドの厚さ、硬度、ギャップの公差、加えられる圧力、表面の平坦度、誘電体要件、および信頼性試験の結果によって異なります。.

簡単に言えば： 十分な圧縮力とは、アセンブリに過負荷をかけることなく、完全な熱接触が得られることを意味します。.

圧縮が不十分だと、空気の隙間が生じたり、熱抵抗が高くなったりする可能性があります。一方、圧縮が強すぎると、基板が曲がったり、部品にひびが入ったり、筐体が変形したり、パッドが押しつぶされたり、誘電マージンが減少したり、あるいは長期的な圧縮永久歪みが生じたりする恐れがあります。エンジニアは、最小、公称、および最大のギャップ条件における圧縮を計算し、実際の製品において熱インピーダンスと機械的信頼性を検証する必要があります。.

サーマルパッドの圧縮率とは何ですか？

熱伝導パッドの圧縮率は、パッドを熱源と冷却面の間に組み込んだ後に、パッドの厚さが減少する割合（％）を指します。.

基本的な計算式は次のとおりです：

圧縮比 = (元の パッド 厚さ – 圧縮後の厚さ） / 元のパッドの厚さ × 100%

例えば、2.0 mmのサーマルパッドが組み立て後に1.6 mmまで圧縮された場合：

(2.0 – 1.6) / 2.0 × 100% = 20% の圧縮率

「元のパッド厚さ」とは、供給時の厚さを指します。「圧縮後の厚さ」とは、デバイスが組み立てられた後の最終的な接合線の厚さを指します。この最終的な厚さが、動作中に実際に熱が通過する部分となります。.

圧縮比が重要なのは、熱伝導パッドが圧力下で機能するように設計されているためです。適切な圧縮により、パッドが表面の凹凸に密着し、わずかな空隙を埋め、より完全な熱伝導経路を形成できるようになります。.

サーマルパッドに圧縮が必要な理由

サーマルパッドは、電子部品と、ヒートシンク、金属筐体、コールドプレート、シャーシ、またはエンクロージャーなどの冷却面との間に使用されます。これらの表面は決して完全に平坦ではありません。機械加工された金属や成形された部品パッケージでさえ、微細な凹凸があります。.

圧縮を行わない場合、熱伝導パッドは最も高い部分にしか接触しない可能性があります。隙間には空気が残ります。空気は熱伝導率が非常に低いため、こうした隙間によって接触抵抗が増加し、部品の温度が上昇します。.

圧縮はパッドの効果を高めます：

• 実際の接触面積を増やす
• 表面粗さを埋める
• 空隙を減らす
• 接触抵抗の低減
• 最終的な接着面の厚さを制御する
• わずかな公差のばらつきを補正する
• ユニット間の再現性を向上させる

HakTakの記事 圧縮がサーマルパッドの性能に与える影響 この関係について詳しく説明しています。.

標準的な圧縮比というのはあるのでしょうか？

すべての熱伝導パッドに共通する唯一の圧縮比というものは存在しません。適切な圧縮比は、材料の配合や製品の設計によって異なります。.

パッドによっては、圧縮率が低いように設計されているものもあります。一方、完全に密着させるには、より強い圧縮力が必要なパッドもあります。柔らかいパッドは、低い圧力でも容易に圧縮される場合があります。硬いパッドは、より強い力が必要になる場合があります。.

適切な圧縮比は、以下の要因によって決まります：

• パッドの厚さ
• パッドの硬度
• ギャップの大きさ
• ギャップ許容差
• 接触面積
• 表面平滑度
• 組み立て圧力
• 構成要素の脆弱性
• PCBの剛性
• 電気絶縁に関する要件
• 熱インピーダンスターゲット
• 長期圧縮永久ひずみ
• 動作温度範囲

そのため、サプライヤーのデータシートには、推奨圧縮範囲、圧縮-たわみ曲線、あるいはさまざまな圧力下での熱インピーダンス値などが記載されていることがよくあります。エンジニアは、これらのデータを出発点として活用し、実際の組立品について試験を行う必要があります。.

圧縮が不十分な場合、どうなるのでしょうか？

圧縮が弱すぎる場合は、通常、接触不良を意味します。.

サーマルパッドの圧縮が不十分な場合、表面の凹凸を十分に埋められなかったり、接合面全体にわたって両面に密着しなかったりする可能性があります。これにより、ホットスポットが発生したり、放熱性能が不安定になったりすることがあります。.

圧縮不足の症状

一般的な兆候には次のようなものがあります：

• 部品温度の上昇
• ユニット間のばらつきが大きい
• 地元の人気スポット
• 一貫性のない熱試験結果
• 分解後の接触痕が不十分
• パッドに目立った圧縮の跡は見られない
• 最大許容条件におけるエアギャップ

圧縮不足が起こる理由

圧縮不足は通常、次のような場合に発生します：

• このパッドは、最大クリアランスに対して薄すぎます
• このパッドは、加えられる力に対して硬すぎる
• ネジの締め付けトルクが低すぎる
• ハウジングの剛性が不十分です
• それらの面は平行ではありません
• コンポーネントの高さが予想以上にばらつきがある
• パッドの面積が、適用可能な圧力に対して大きすぎます

圧縮不足は、高W/mKの熱伝導パッドが実際のデバイスにおいて性能を発揮できない一般的な原因の一つです。.

圧縮しすぎるとどうなるのか？

過度な圧縮は短期的には接触性を向上させる可能性がありますが、機械的リスクや信頼性のリスクをもたらします。.

過度の圧縮による症状

考えられる兆候としては、次のようなものがあります：

• PCBの曲げ加工
• 部品のひび割れ
• はんだ接合部の応力
• 住宅の変形
• パッドの押出成形
• パッドの破れ
• 過大な組立トルク
• ねじまたはクリップの応力
• 誘電体間隔の縮小
• エージング後の圧縮永久ひずみ

パッドが厚かったり硬かったりする場合、あるいは壊れやすい部品の上に配置されている場合、過度な圧縮は特に危険となる可能性があります。.

過圧縮が起こる理由

過度の圧縮は通常、次のような場合に発生します：

• パッドが厚すぎて、最小クリアランスを満たせない
• 公差の積み上げは考慮されなかった
• ねじの締め付けトルクが高すぎる
• パッドの硬さが強すぎる
• 機械式ストッパーが欠けている
• アセンブリでは、このパッドを構造用スペーサーとして使用しようとしています

一見、結果は問題ないように見えるかもしれませんが、長期的な信頼性が損なわれる可能性があります。.

圧縮比とギャップ公差

技術者は、以下の3つのギャップ条件において圧縮比を計算すべきである：

1. 最小間隔
2. 公称ギャップ
3. 最大ギャップ

同じパッドでも、ギャップが最小のときは過圧縮となり、ギャップが最大のときは圧縮不足となる場合があります。.

計算例

仮定：

• パッドの厚さ：2.0 mm
• 最小間隔：1.3 mm
• 公称ギャップ：1.5 mm
• 最大隙間：1.8 mm

この表は、公称ギャップのみに基づいてパッドを選定することがなぜリスクを伴うかを示しています。パッドは、許容範囲全体にわたって正常に機能しなければなりません。.

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 ギャップ範囲と圧縮度に基づいた、実用的な厚さの選定方法を提示する。.

圧縮比とボンドラインの厚さ

ボンディングライン厚（BLT）とは、サーマルパッドの最終的な圧縮後の厚さを指します。これは熱抵抗に直接影響を与えます。.

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 最終的なボンド層の厚さです
• k は熱伝導率である
• A は接触面積です

圧縮が増加すると、最終的な厚みは減少します。これにより、体積熱抵抗を低減することができます。しかし、圧縮を行う際には、接触性を向上させ、損傷を防ぐことも必要です。.

最高の熱性能を発揮するのは、完全に密着するほど十分に圧縮され、かつ抵抗を低減できるほど薄く、しかも機械的な安全性が確保されているパッドです。.

HakTakの記事 ボンドラインの厚さが熱性能に与える影響 BLTがTIMの選定において最も重要な変数のひとつである理由を説明しています。.

圧縮比と熱インピーダンス

熱パッドの性能を評価する際には、熱伝導率よりも熱インピーダンスの方が有用な場合が多い。熱インピーダンスは、所定の圧力と厚さの下での実際の界面の状態を反映しているからである。.

圧縮率が高まると、熱インピーダンスは多くの場合低下します。その理由は以下の通りです：

• 接触面積が向上する
• エアギャップが縮小される
• 最終的な厚みの減少
• 表面の濡れ性が向上する

しかし、良好な接触が得られた後は、さらに圧縮を加えても熱的なメリットはわずかである一方で、機械的なリスクを高めるだけとなる可能性がある。.

これにより、実用的な技術的目標が定まります：

安定した低い熱インピーダンスが得られる程度の圧縮を行うが、冷却効果を著しく向上させない余分な圧縮は避けること。.

ASTM D5470 これは、熱伝導性電気絶縁材料の熱伝達特性について一般的に参照されるものであり、TIMの熱インピーダンスおよび見かけの導電率の試験に関連しています。.

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。.

圧縮比とサーマルパッドの硬度

サーマルパッドの硬度は、特定の圧縮比に達するために必要な圧縮力に大きく影響します。.

柔らかいパッドの場合、低圧下でも20%の圧縮に達することがあります。一方、硬いパッドでは、同じ圧縮に達するために、はるかに大きな力が必要になる場合があります。.

硬度は通常、デュロメーターやショア硬度計を用いて測定されます。. ASTM D2240 これは、ゴムの物性であるデュロメーター硬度に関する重要な参考資料です。この規格では、圧痕硬度は材料の挙動や試験条件に依存すること、また、異なる種類のデュロメーターを直接互換性があるものとして扱ってはならないことが説明されています。.

ソフトな保温パッド

柔らかいパッドは、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
• コンポーネントの高さが複数存在します

柔らかいパッドは十分な圧縮力を得やすい反面、取り扱いが難しかったり、変形しやすかったりする可能性があります。.

硬質サーマルパッド

硬めのパッドは、次のような場合に役立ちます：

• ギャップ許容差が管理されている
• 組み立て用プレッシャーが利用可能です
• ダイカットの取り扱いには注意が必要です
• 寸法安定性は重要です
• 手直しはもっときれいにすべきだ

硬いパッドは優れた性能を発揮しますが、それはアセンブリがパッドを十分に圧縮して全面的に接触させることができる場合に限られます。.

HakTakの記事 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？ より包括的な比較ができる。.

圧縮比と電気絶縁

多くの熱伝導パッドは電気絶縁性を持っています。パワーエレクトロニクス分野では、部品と金属製のヒートシンクや筐体との間で電流が流れるのを防ぎつつ、熱を伝達する必要がある場合があります。.

圧縮によって最終的な厚さが変化し、その最終的な厚さが誘電体間隔に影響を与えます。.

パッドの圧縮が過度になると、最終的な厚さが予想より薄くなる可能性があります。これにより、電気絶縁マージンが低下する恐れがあります。一方、パッドの圧縮が不十分だと、熱接触が不十分になる可能性があります。.

エンジニアは以下を確認する必要があります：

• 絶縁耐力
• 絶縁破壊電圧
• 最終圧縮厚さ
• エージング後の圧縮
• 組み立て後の電気試験
• 熱サイクル試験後の電気的試験

HakTakの記事 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？ この熱的・電気的なトレードオフについて説明しています。.

用途ごとに、どの程度の圧縮率が適切か？

以下の表は実用的な指針を示すものです。これは普遍的な仕様ではありません。最終的な数値については、サプライヤーの推奨事項および製品試験の結果に従う必要があります。.

サーマルパッドの圧縮率の計算方法

このワークフローを使用してください。.

手順 1：隙間を測定する

測定するか、計算するか：

• 最小間隔
• 公称ギャップ
• 最大ギャップ

部品、PCB、はんだ、筐体、およびヒートシンクの公差を含めること。.

ステップ2：パッドの厚さ（候補）を選ぶ

パッドは、最大ギャップの位置で両面に接触できるだけの厚さがある必要があります。.

ステップ3：各ギャップにおける圧縮量を計算する

使用方法：

圧縮比 = (パッド （厚さ – 隙間） / パッドの厚さ × 100%

これは、組み立て後にその隙間が最終的なパッドの厚さになると仮定しています。.

ステップ4：推奨範囲と比較する

以下の場所で、圧縮率が許容範囲内かどうかを確認してください：

• 最小間隔
• 公称ギャップ
• 最大ギャップ

ステップ5：力と応力を確認する

パッドは数学的には適合していても、依然として過大な力が必要となる場合があります。圧縮・たわみデータを確認し、アセンブリの試験を行ってください。.

ステップ6：熱的および機械的性能の検証

サイクル試験後の部品温度、熱インピーダンス、基板の変形、および信頼性を測定する。.

例：2種類のパッドの厚さから選ぶ

仮定：

• ギャップ範囲：1.1 mm ～ 1.5 mm
• 候補A：1.5 mmのパッド
• 候補B：2.0 mmのパッド

どちらの選択肢も、必ずしも最適とは限りません。アセンブリが45%の圧縮に耐えられるのであれば、厚さ2.0 mmの柔らかいパッドでも機能する可能性があります。一方、厚さ1.5 mmのパッドは、最大ギャップでは機能しない可能性があります。別の厚さ、より柔らかい配合、あるいはサーマルパテの方が適しているかもしれません。.

だからこそ、圧縮比は、力、硬度、および許容差と併せて評価しなければならない。.

圧縮永久ひずみと長期性能

圧縮永久ひずみとは、材料を一定時間圧縮した後、圧力を解除しても残る永久的な変形のことです。サーマルパッドの場合、製品寿命を通じて接触状態を維持する必要があるため、圧縮永久ひずみは重要な要素となります。.

高い圧縮永久ひずみは、次のような問題を引き起こす可能性があります：

• 回復の喪失
• 接触圧の低減
• より高い熱抵抗
• 不適切な手直し作業
• 長期にわたるホットスポット

熱サイクルや高温は、圧縮永久歪みを加速させる可能性があります。初期組立時には良好な性能を発揮していたパッドであっても、圧縮回復性が低い場合、数ヶ月あるいは数年後には接触不良が生じる可能性があります。.

エンジニアは、以下の後に熱性能の試験を行う必要があります：

• 高温エージング
• 熱サイクル
• 振動
• 電源のオン・オフ
• 長期的な圧縮
• 手直し

サーマルパッドの圧縮率の測定

圧縮比は、実際の組み立て条件下で試験を行う必要があります。.

有用な検査には、次のようなものがあります：

• 圧縮・たわみ試験
• さまざまな圧力条件下での熱インピーダンス試験
• 最終的なボンドラインの厚さ測定
• 部品温度試験
• 圧縮永久ひずみ試験
• 圧縮後の誘電試験
• 熱サイクル
• 振動試験

ポリマー材料の熱伝導率および熱拡散率に関するより広範な試験を行うためには、, ISO 22007-2 過渡平面熱源法について解説しています。.

TIMの選定にあたっては、エンジニアは圧力や厚さを把握せずに熱伝導率の値を比較すべきではありません。試験条件は重要です。.

エンジニアが避けるべきよくある間違い

最初の間違いは、すべてのパッドに一律の圧縮率を適用することです。素材によって必要な圧縮率の範囲は異なります。.

2つ目の間違いは、公称ギャップでのみ圧縮を計算してしまうことです。故障が発生するのは、多くの場合、最小ギャップおよび最大ギャップの状態です。.

3つ目の間違いは、「念のため」という理由で厚すぎるパッドを選んでしまうことです。これにより、熱抵抗が増加し、アセンブリに負荷がかかる可能性があります。.

4つ目の間違いは、パッドの硬さを無視することです。硬いパッドは、実際の圧力がかかった際に十分に圧縮されない可能性があります。.

5つ目の間違いは、圧縮後の誘電マージンを無視することです。電気絶縁においては、最終的な厚さが重要です。.

6つ目の間違いは、初期性能のみを試験することです。圧縮永久歪みや経年変化により、長期的な熱接触特性が変化する可能性があります。.

7つ目の間違いは、熱インピーダンスを考慮せずにW/mKを比較することです。W/mK値の高いパッドであっても、圧縮が不十分だったり、厚すぎたりすると、性能が低下する可能性があります。.

HakTakの視点

HakTakでは、サーマルパッドの圧縮率は固定されたルールではなく、設計上の変数として扱われています。適切な圧縮範囲は、パッドの材質や最終的な組み立て方法によって異なります。.

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：

• 元のギャップ範囲
• 最小、公称、および最大のギャップ
• 接触面積
• 熱源出力
• 必要な熱インピーダンスまたは目標温度
• 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
• PCBの剛性
• 電気絶縁の要件
• 動作温度範囲
• 振動および温度サイクル試験条件
• 製品の予想寿命

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、圧縮範囲、および材質をより正確に提案することができます。.

目標は、最大限の圧縮ではありません。目標は、安定した接触、低い熱抵抗、安全な機械的負荷、そして信頼性の高い長期性能です。.

結論

サーマルパッドの圧縮比は、パッドが隙間を完全に埋め、機械的または電気的な設計に過度な負荷をかけることなく確実に接触できれば、十分である。.

圧縮が不十分だと空隙が生じ、熱抵抗が増大します。圧縮が強すぎると、部品の損傷、PCBの曲がり、筐体の変形、誘電マージンの低下、あるいは長期的な圧縮永久歪みの原因となる可能性があります。.

エンジニアは、最小、公称、および最大のギャップ条件における圧縮力を計算する必要があります。その後、現実的な圧力、最終的な接着層の厚さ、熱インピーダンス、誘電特性要件、および信頼性試験を用いて、材料の妥当性を検証する必要があります。.

すべての熱伝導パッドに共通する圧縮率というものは存在しません。適切な圧縮率は、最終製品において安全かつ安定して機能するものです。.

よくある質問

サーマルパッドの圧縮比とは何ですか？

サーマルパッドの圧縮率は、熱源と冷却面の間に組み立てた後のパッドの厚さの減少率（％）を指します。.

サーマルパッドの圧縮率はどのように計算するのですか？

次の計算式を使用してください：圧縮率＝（元のパッドの厚さ－圧縮後の厚さ）／元のパッドの厚さ×100%。.

サーマルパッドの圧縮はどの程度あれば十分でしょうか？

適切な圧縮とは、パッドが両面に完全に密着し、過度な機械的応力を生じさせることなく接触抵抗を低減することを意味します。.

サーマルパッドの圧縮率が高いほど、常に良いのでしょうか？

いいえ。圧縮を強めると接触状態は改善されるかもしれませんが、過度な圧縮はPCBの曲がり、部品のひび割れ、筐体の変形、あるいは絶縁間隔の縮小を引き起こす可能性があります。.

熱伝導パッドの圧着が不十分な場合、どうなるのでしょうか？

パッドの間に空気の隙間が生じ、接触抵抗や部品の温度上昇を招く可能性があります。.

サーマルパッドを過度に圧縮するとどうなるのでしょうか？

過度の圧縮は、機械的応力、パッドの押し出し、圧縮永久歪み、および電気絶縁マージンの低下を引き起こす可能性があります。.

サーマルパッドの硬度は圧縮比に影響を与えますか？

はい。柔らかいパッドはより簡単に圧縮されますが、硬いパッドの場合は、同じ圧縮率に達するためにより大きな力が必要となります。.

圧縮は公称ギャップでのみ計算すべきでしょうか？

いいえ。技術者は、最小、公称、および最大のクリアランス条件における圧縮力を計算すべきです。.

圧縮は熱インピーダンスに影響を与えますか？

はい。適切な圧縮を行うと、通常、接触性が向上し、ボンディングラインの厚みが薄くなることで、熱インピーダンスが低減されます。.

適切な圧縮率を選択するには、どのようなデータを提供すればよいですか？

ギャップ範囲、パッドの厚さの目標値、接触面積、圧力制限、熱負荷、部品の脆弱性、電気絶縁要件、および信頼性条件を明記してください。.