自動車用電子機器向けサーマルパッド：最も重要なポイント

自動車用電子機器向けの熱伝導パッドを選ぶ際、データシートに記載されているW/mKの値が最も大きいものから検討を始めるべきではありません。もちろん、その数値も重要ですが、それだけでは不十分なのです。.

まずは組み立てから。モジュールはどこに取り付けられるのか？ どこで熱が発生するのか？ その熱はどこへ逃がせるのか？ すべての公差を合計した後の実際の隙間はどれくらいか？ PCB、はんだ接合部、セラミックコンデンサ、電池セル、あるいはパッケージは、どれだけの圧力に安全に耐えられるのか？　そして、長期的な観点からの疑問が浮かぶ。長年にわたる高温、低温、振動、湿度、そして時折かかる不快な液体の飛沫にさらされた後、どうなるのか？

その最後の点がすべてを変える。 デスクトップ用電源では問題なく動作するパッドでも、EV用インバーターの横やヘッドランプの裏、ボンネット内のECU内部では同じように動作しない可能性があります。車は静かな実験室ではありません。車は揺れ、凍りつき、熱くなり、濡れ、そして直射日光にさらされます。時には、これらすべてが同じ週に起こることもあります。.

では、何が最も重要なのでしょうか？　要するに、最高の自動車用熱伝導パッドとは、実際に圧縮された組み立て状態において、低くて予測可能な熱インピーダンスを維持しつつ、車両の寿命にわたって機械的、電気的、環境的、および製造上の要件を満たすものです。高い熱伝導率は役立ちますが、安定した接触こそが、その有用性を決定づける要素なのです。.

自動車用電子機器において、熱伝導パッドに対する考え方を変える必要がある理由

現代の自動車には、単なる数個の制御ボックス以上のものが搭載されています。 EVには、トラクションインバーター、車載充電器、DC-DCコンバーター、バッテリー管理システム、電動コンプレッサー駆動装置、熱管理コントローラー、ADAS用コンピューター、コネクティビティユニット、ゾーンコントローラー、照明用ドライバー、そして数十個のセンサーなどが搭載されている場合があります。現在では、内燃機関車であっても、電力およびコンピューティング用電子機器の密なネットワークが搭載されています。.

熱源も異なります。小型のカメラ用ECUでは、アルミニウム製の筐体内に数ワットの熱を放散する必要がある場合があります。高電圧インバータは、パワーモジュールからのスイッチング損失や伝導損失に対処しなければなりません。車載用充電器は、密閉された筐体内で何時間も稼働し続けることがあります。 ADASドメインコントローラの場合、プロセッサ、メモリ、PMIC、高速インターフェースなどが、1枚の基板上の異なる箇所で発熱している可能性があります。.

いずれの場合も、サーマルパッドの役割は一見単純に見えます。それは、断熱作用のある空気の代わりとなり、部品からヒートスプレッダー、ケース、ヒートシンク、あるいはコールドプレートへと熱を伝導する経路を作ることです。TIM（熱伝導材料）の全体像について言えば、HakTak社の 熱伝導材ガイド グリース、ゲル、相変化材料、その他の界面材料と並んで、パッドがどのように適合するかを説明しています。.

自動車業界特有の事情として、熱伝達は信頼性と切り離して考えることはできません。また、パッドには以下の要件も求められる場合があります：

• 基板を曲げることなく、積層によるばらつきを吸収する；;
• 通電中のデバイスを、接地された筐体から電気的に絶縁する；;
• 数千回の熱冷サイクルに耐える；;
• 振動や機械的衝撃が発生している間も接続を維持すること；;
• 湿気、冷却液、油、燃料蒸気、または洗浄剤に対して耐性がある；;
• 光学面や電気接点の汚染を防ぐこと；;
• 自動配置と完全なトレーサビリティに対応すること；;
• 引き続き使用可能な状態を維持するか、あるいは意図的に使用不能な状態にする。.

このパッドを、柔らかい素材で作られた橋だと考えてみてください。熱を隙間を越えて伝達しなければなりませんが、両端の道路にひびが入るほど強く押し付けてはいけません。また、数夏が過ぎた後に、橋が徐々にたわんでしまってはなりません。.

自動車やEVにおけるサーマルパッドの用途

1つの材料ですべての設置場所に適することはめったにありません。設置場所、電圧、熱流束、利用可能な圧力、および暴露条件によって、優先順位は変わります。.

EV用インバータおよび高電圧パワーエレクトロニクスにおけるサーマルパッド

駆動用インバータには、しばしば2つのまったく異なるインターフェース上の問題が存在します。パワーモジュール自体では、ベースプレートと液冷面の間に、薄く、厳密に管理された熱伝導材料（TIM）が使用されている場合があります。一方、同じ筐体内の別の箇所では、柔らかいギャップパッドによって、ゲート駆動用部品、コンデンサ、インダクタ、あるいは制御基板の熱集中箇所が筐体に伝達されることがあります。.

これらは互換性のある用途ではありません。薄型のパワーモジュール用インターフェースでは、ボンディングラインの厚さを極限まで薄くし、平坦性を厳密に管理することが求められます。一方、高さのばらつきや意図的な隙間が存在する場合には、ギャップパッドの方が有用です。インターフェースに耐穿刺性や寸法安定性も求められる場合、HakTakの 耐熱強化シリコーン布 キャリア支持型絶縁体が、非常に柔らかいギャップパッドとどのように異なるかを示しています。.

高電圧に関しては、もう1つ疑問が生じます。TIMは絶縁システムの一部なのか、それとも単に熱的な役割しか果たさないのでしょうか？電気的絶縁がパッドに依存している場合、公称絶縁耐力だけでは不十分です。設計においては、圧縮後の最小厚さ、切断面の品質、清浄度、沿面距離および空気線間距離、経年劣化、および必要に応じて実施される耐電圧試験などを考慮する必要があります。.

バッテリーパックおよびBMS電子機器用サーマルパッド

バッテリーパックでは、セルやモジュールと冷却プレートの間に、たわみ性のある熱伝導材が使用される場合があります。また、同じパックにおいて、BMS、コンタクタ、電流センサー、バランス用部品、およびバスバーに隣接する電子部品の周囲には、より小型のダイカットパッドが使用されることもあります。.

大面積のバッテリーインターフェースは、力の分布に特に敏感です。パッドの硬さがほんの少し強すぎるだけでも、広い面積に分散されると、驚くほど大きな総荷重が生じることがあります。これは「スノーシュー効果」の逆現象であり、広大な接地面積にかかるわずかな圧力でも、大きな力となるのです。.

BMS基板の場合、表面上の導電性よりも、組み立て時の応力の低減、電気的絶縁性、および安定した接触が通常優先されます。HakTakの詳細な BMS サーマルパッドガイド これらの基板レベルの熱伝達経路やギャップ許容誤差の問題について検討する。.

ADAS、カメラ、レーダー、LiDARモジュール用サーマルパッド

ADASモジュールは、小型の密閉筐体の中に強力な演算能力を詰め込んでいます。プロセッサは発熱しやすい一方で、その近隣にあるイメージセンサー、RF、クロック、あるいは光学系などの領域では、汚染や寸法安定性が重要な課題となります。柔らかいシリコーンパッドは有効ですが、低分子量のシロキサンは、一部の光学系や接触に敏感な設計では使用できない場合があります。.

だからといって、すべてのADASモジュールにシリコーンフリーのパッドが必要というわけではありません。つまり、材料選定の前に、清浄度要件を文書化しておくべきだということです。そうしないと、チームは通常、材料の変更に多額の費用がかかる段階になって初めて、そのことに気づくことになります。 シリコーンフリーのアクリル製やその他の高分子製パッドは、ある種の汚染に関する懸念を軽減できる一方で、柔軟性、使用温度範囲、接着性、あるいは圧縮永久歪みといった点で、別のトレードオフが生じる可能性があります。.

LEDヘッドランプおよび外装用照明用サーマルパッド

自動車用LEDは高効率ですが、発生する熱は狭い範囲に集中します。接合部温度は、出力、色安定性、および寿命に影響を与えます。熱伝導材料（TIM）を使用すれば、LED基板やドライバアセンブリをアルミニウム製ヒートシンクに接合できますが、この場合も光学的な清浄度が重要となります。.

インターフェースは、抵抗を低く抑えるために十分に薄く、平坦性に対応できるだけの柔軟性を持ち、繰り返しのオン・オフサイクル下でも安定している必要があります。粘着剤付きパッドを使用すれば、組み立てが簡素化されるかもしれません。とはいえ、粘着層自体が抵抗を増加させるため、経時変化の検証が必要となります。便利であることは確かですが、性能が損なわれないとは限りません。.

自動車用熱伝導パッドは実際にどのように熱を伝導するのか

機械加工や成形された表面で、完全に滑らかなものなどありません。2つの表面を合わせると、微細な突起同士が接触し、その間のくぼみに空気が溜まります。空気の熱伝導率は低いため、こうした微細な空気のポケットは、高温部分を取り囲む小さな冬用ジャケットのような役割を果たします。.

熱伝導パッドは表面に密着し、その空気の大部分を熱伝導性充填剤を含む材料で置き換えます。一般的な充填剤としては、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、その他のセラミック粒子などが挙げられます。ポリマーバインダーは、このシステムを結合させるとともに、柔軟性、復元性、粘着性、および環境特性をもたらします。.

単純化された一次元経路の場合、バルク材料の抵抗は次のように表されます：

R = t / (k × A)

ここで、Rは熱抵抗、tは圧縮後の厚さ、kは熱伝導率、Aは接触面積である。.

有用な式。不完全なモデル。.

実際のインターフェースには、両表面における接触抵抗も含まれます。 圧力、粗さ、平坦度、フィラー構造、粘着性、およびウェットアウトは、これらの接触に影響を与えます。そのため、実際のモジュールにおいては、硬い6 W/mKのパッドよりも、柔らかい3 W/mKのパッドの方が優れた性能を発揮する場合があります。柔らかいパッドの方が、より薄い接着層を形成し、与えられた荷重下でより良好な接触を実現できるからです。.

現在の ASTM D5470 この資料では、この違いが明確に示されています。この手法は定常状態の熱インピーダンスを測定し、見かけの熱伝導率を算出することはできますが、その理想化された熱流条件は、あらゆる用途を直接再現できるわけではありません。つまり、実験データは有用ですが、最終的な判断は依然として車両の組み立て状況に委ねられるのです。.

熱伝導率は冷却性能とは異なります

W/mK で表される熱伝導率は、所定の試験条件下における材料の特性を示すものです。熱インピーダンスは、所定の厚さ、圧力、温度、そして多くの場合、所定の接触面積の定義に基づいて、界面を通る抵抗を表します。デバイスの温度こそが、システム開発チームが実際に重視する結果です。.

これら3つの考え方は関連していますが、同義語ではありません。.

パッドAの熱伝導率が6 W/mKで、組立後の厚さが1.5 mmであると仮定する。パッドBの熱伝導率は3 W/mKだが、厚さは0.6 mmで、表面接触がより良好である。接触抵抗を無視し、面積が等しいと仮定すると、それぞれの簡略化されたt/k項は次のようになる：

• パッドA：1.5 ÷ 6 = 0.25
• パッドB：0.6 ÷ 3 = 0.20

パッドBは、W/mKの値が半分であるにもかかわらず、より低い体積抵抗を実現できます。これはあくまで計算上の例であり、普遍的な結果ではありませんが、データシートに記載されている最大の数値が誤解を招く可能性がある理由を示しています。この問題については、 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.

自動車向けプログラムの場合、サプライヤーは実際の組立条件に近い圧力下での熱インピーダンス値を提供する必要があります。 また、設計チームは、厚さの測定方法、その値が代表値か保証値か、試験に使用された試料の厚さ、および経年変化によって結果が変化するかどうかについても確認する必要があります。2つのデータシートで測定方法が異なる場合、太字で記載された数値だけを比較しても、同等の条件での比較とはなりません。正直なところ、そもそも比較対象が異なる可能性さえあります。.

実際の隙間から自動車用サーマルパッドの厚さを選択する

パッドの厚さは、1つの基準サンプルをざっと測定した結果ではなく、機械的公差の積み上げに基づいて決定すべきである。.

この積層構造には、部品の高さ、はんだの厚さ、PCBの厚さおよび反り、ハウジングの平坦度、機械加工公差、ガスケットの圧縮、ネジのトルク、鋳造のばらつき、熱膨張などが含まれる可能性があります。設計には、最小、公称、および最大の動作ギャップが必要です。そうして初めて、エンジニアは、あるパッドがこれら3つの条件すべてにおいて安全な圧縮範囲内に収まっているかどうかを確認できるのです。.

当社の サーマルパッドの厚さの選定方法 この手順を順を追って説明します。簡単に言えば、最も大きな隙間でも両面に確実に接触し、かつ最も小さな隙間で許容できないほどの力が生じない、最も薄いパッドを使用することです。.

ギャップと圧縮の簡単な例

ある制御モジュールについて、以下の計算結果が得られたと仮定する：

• 最小間隔：0.80 mm；;
• 公称ギャップ：1.00 mm；;
• 最大隙間：1.20 mm。.

1.0 mmのパッドでは、1.20 mmの最大ギャップを確実に埋めることはできません。 1.5 mmのパッドの場合、最小ギャップでは約47%、最大ギャップでは20%の圧縮が生じます。これが機能するかどうかは、材料の推奨範囲および圧縮力特性曲線によって異なります。柔らかい1.5 mmのパッドであれば使用可能かもしれませんが、硬いパッドの場合は基板に過大な負荷がかかる可能性があります。.

だからこそ、単一の名目圧縮値だけでは、全体像の一部しか把握できないのです。.

圧縮、硬度、および力：見過ごされがちな機械的問題

圧縮により、密着性と接触性が向上します。圧縮が不十分だと隙間が生じる可能性があります。逆に圧縮が強すぎると、パッドが押し出されたり、PCBが反ったり、部品がずれたり、はんだ接合部に応力が加わったり、繊細なバッテリーやセンサーの構造に損傷を与えたりする恐れがあります。.

硬度値は参考にはなりますが、それだけでは完全な力学モデルとはなりません。ショア00やショアOOによる測定では、特定の試験方法に基づく柔らかさを比較することができます。しかし、硬度が類似している2つのパッドであっても、充填材の含有量、補強材、厚さ、粘弾性挙動、表面の粘着性などの違いにより、力-たわみ曲線が異なる場合があります。.

したがって、圧縮・たわみデータは実際の厚さについて要求する必要があります。圧力にパッドの面積を乗じると、アセンブリ全体の推定力が算出されます。この手順により、多くの不適切な案を早い段階で発見することができます。HakTakの サーマルパッドの圧縮率ガイド 基本的な計算方法と、圧縮不足および圧縮過多のチェック方法について説明します。.

自動車が工場を出た後の圧縮永久ひずみは重要である

初期圧縮はあくまで初期段階に過ぎません。熱や荷重が加わると、エラストマーは完全に元に戻らない場合があります。この恒久的な厚みの減少が「圧縮永久歪み」です。ハウジング、基板、パッドの膨張率が異なると、熱サイクルの途中で界面の荷重が解除されることがあります。これが何年にもわたって繰り返されると、接触圧力が低下していく可能性があります。.

振動を受けやすいECUの場合、予圧の喪失は接触不良や局所的な過熱を引き起こす可能性があります。 大型のバッテリープレートの場合、不均一なセットにより、セル間やモジュール間で温度差が生じる可能性があります。したがって、適切な評価を行うには、室温時の数値だけでなく、代表的な温度および圧縮プロファイル下での経時変化後の厚さ、経時変化後の熱インピーダンス、および回復に関するデータが必要となります。.

自動車用電子機器には、どのような熱伝導パッドの素材が適しているのか？

ほとんどのソフトギャップパッドは、ポリマーマトリックスと熱伝導性セラミックフィラーを組み合わせたものです。ポリマー、フィラー、補強材、表面処理、あるいは接着剤を変更すれば、その挙動も変化します。単一の「自動車用材料」というものは存在しません。検証を経て、特定の自動車環境に適した材料があるのです。.

シリコン製熱伝導パッド：実用的な標準選択肢ではあるが、必ずしも唯一の正解ではない

シリコーンパッドは、柔らかく、電気絶縁性があり、型抜きが容易で、幅広い厚さの製品が揃っているため、広く使用されています。セラミック充填材を使用することで、金属充填材のようにパッドに導電性を与えることなく、熱伝導率を高めることができます。.

多くのECUや電力制御ボードにとって、このバランスは他に類を見ないほど優れています。当社の シリコン製熱伝導パッドの商品ページ 一般的な設計パラメータである、ギャップ範囲、硬度、圧縮率、誘電体ターゲット、温度、およびフォーマットについて概説しています。.

とはいえ、「シリコーン」とは化学物質の一群を指すものであり、性能を保証するものではありません。 配合によって、低分子シロキサンの含有量、ブリード、揮発損失、引裂強度、難燃性、圧縮永久歪みなどが異なります。モジュールに光学面、露出している接点、リレー、または汚染に敏感なコーティング工程が含まれている場合は、関連する清浄度データを求め、アセンブリ全体を試験してください。.

フルオロシリコーンを検討すべき場合

エンジンルーム内のモジュールは、オイルミスト、燃料蒸気、冷却液、ウォッシャー液、道路用化学物質、洗浄剤、あるいは最初の要件文書には記載されていなかった複雑な混合物にさらされる可能性があります。標準的なシリコーンは多くの環境に耐えることができますが、より強力な耐燃料性・耐油性が求められる場合には、フッ素シリコーンが検討されることがよくあります。.

ここで重要なのは「検討」という観点です。耐薬品性表はあくまで出発点であり、最終的な適格性の判断基準ではありません。流体の組成、温度、曝露時間、応力、および膨潤限界など、あらゆる要素が重要となります。HakTakの フルオロシリコーン製熱伝導パッドのページ サンプルを推奨する前に必要な被ばくの詳細を記載しています。.

光学モジュールおよび接触に敏感なモジュール用シリコーンフリーパッド

シロキサンによる汚染や光学的な曇りが明確なリスクとなる場合、シリコーンフリーの熱伝導パッドが有効です。これらはアクリルやその他のポリマー系素材を使用している場合があります。これらの素材は、カメラ、LiDAR、大電流接点、リレー、およびコーティングに敏感なアセンブリの周囲に最適です。.

単に「シリコーンフリー」という表記だけで選定してはいけません。実際の揮発性プロファイル、アウトガス試験方法、必要に応じてイオン清浄度、熱老化、圧縮永久ひずみ、および周辺の接着剤やコーティングとの適合性を確認してください。シリコーンを除去することは、ある一つの問題を解決するに過ぎません。それだけでは、清浄性に関するすべての疑問が解消されるわけではありません。.

グラファイトはヒートスプレッダーであり、単なる代替用ギャップパッドではない

グラファイトシートは、極めて薄い形状でありながら熱を横方向に拡散させることができます。そのため、局所的な高温箇所を蓋やフレーム全体に分散させる必要がある場合に有用です。しかし、グラファイトはしばしば異方性を示し、面内方向の性能が面間方向の性能よりもはるかに優れている場合があります。また、導電性を有する場合もあります。.

グラファイトは、柔らかいパッドの代用品としてではなく、熱伝導経路を形成する設計材料として扱うべきです。弾性のあるパッド、粘着フィルム、あるいは絶縁ラミネートと併用すれば、効果を発揮する可能性があります。その グラファイト製熱伝導パッドの設計ガイド なぜ、熱の流れの方向と端部の断熱を最初に定義する必要があるのかを説明しています。.

パッドが最適な熱伝導材料（TIM）ではない場合

界面が平坦で、しっかりと固定され、かつ非常に薄い場合は、グリースや相変化材料を使用することで抵抗を低減できる可能性があります。部品の高さに大きなばらつきがある場合は、液体の隙間充填材やパテを使用することで、機械的負荷を軽減し、複雑な隙間をより確実に埋めることができます。電子部品の封止と放熱の両方が必要な場合は、熱伝導性ポッティングコンパウンドの方が適している場合があります。.

これはサーマルパッドの欠点ではありません。単に、工具と隙間を合わせているに過ぎないのです。パッドは、生産において、きれいで制御された成形済み部品が必要であり、接合面に弾力性が求められる場合に非常に優れています。一方、設計上、ほとんど力を加えずに巨大で不規則な体積を覆うことが求められる場合には、その有効性はそれほど高くありません。.

EVおよびハイブリッド車の電子機器における電気絶縁

熱伝導性と電気絶縁性は相反する特性のように思えますが、セラミックを充填したポリマーパッドならその両方を兼ね備えることができます。ただし、誘電特性はkV/mmの値だけでは決まらないという点が注意点です。.

電気点検では、以下の点を確認する必要があります：

• 所定および最小の圧縮厚さにおける絶縁破壊電圧；;
• 規定された方法に基づく絶縁耐力および体積抵抗率；;
• 試験結果が「標準値」、「最小値」、あるいは「設計値」のいずれであるか；;
• ピンホール、裂け目、切断面、バリ、異物、および組み立て時の汚染；;
• 電圧波形、高度、湿度、および過渡状態；;
• パッドの周囲の沿面距離および空間距離は、パッド内部だけでなく、その周囲についても確保すること；;
• 高温、高湿度、振動、および化学物質への曝露による経年劣化。.

その ISO 6469-3 電気安全規格 電圧クラスBの推進用回路およびこれに関連する補助回路における感電および熱事故からの保護について規定しています。熱パッドの認証を行うものではありません。これは、絶縁システムが機能すべき車両レベルの電気安全上の枠組みを定義するのに役立ちます。.

同様に、近隣のICがAEC-Q100の認定を受けているからといって、その周囲のTIMが認定されるわけではありません。その 自動車エレクトロニクス評議会の文書一覧 集積回路、ディスクリート半導体、マルチチップモジュール、およびその他の部品に対するストレステストの要件について説明しています。サーマルパッドについては、独自の材料および実装に関する検証が必要です。.

絶縁破壊電圧、絶縁耐力、および実用余裕度についてより詳しく知りたい場合は、HakTakの記事をご覧ください。 電気絶縁性のある熱伝導パッドが必要な場合.

温度、振動、湿気、および流体が判断に影響を与える

自動車用熱伝導パッドは、単一の温度条件だけで選定されることはほとんどありません。選定上の要件には、保管温度、動作温度、短時間のピーク温度への曝露、熱サイクルプロファイル、温度上昇率、保持時間、および取り付け位置などが含まれます。.

現行のISO 16750シリーズは、車両内の特定の設置場所における電気・電子機器への環境負荷を軸として構成されています。. ISO 16750-1:2023 …が一般的な枠組みを提供し、一方で ISO 16750-4:2023 気候負荷を網羅しています。具体的な試験計画については、依然としてOEM、ティア1、製品の設置場所、およびプログラム要件に基づいて決定されます。.

サーマルサイクリングにより、わずかなミスマッチがホットスポットに変わり得る

アルミニウム、銅、FR-4、セラミックパッケージ、プラスチックハウジング、およびエラストマーパッドは、それぞれ異なる膨張特性を示します。サイクルを繰り返す過程で、界面にせん断力が生じ、締め付け荷重が変化します。パッドはクリープを起こしたり、鋭いエッジ付近で破れたり、あるいは片隅で徐々に接触を失ったりすることがあります。.

そのため、サイクル試験後には、感圧フィルム、目印、熱画像、あるいは分解検査が有用となる場合があります。ある一点に温度センサーを設置しただけでは、別の箇所で発生している接触不良を見逃してしまう可能性があります。パッドの面積が大きい場合は、複数の測定箇所を設ける必要があります。.

振動試験では、パッドと機械スタックを一体として試験する

振動は、単にパッドを揺らして外すだけではありません。振動は、筐体、締結部品、基板支持部、部品の質量、およびケーブルの荷重を通じて作用します。柔らかいパッドは減衰効果をもたらしますが、機械設計においてパッドが構造的な支持として機能している場合、重い部品や基板が動いてしまう原因にもなり得ます。.

パッドは熱を伝導し、動きに対応できるものでなければなりません。背の高いインダクタを固定する唯一の要素となってはなりません。ヘビーデューティーやオフロード用の電子機器においては、, SAE J1455 これもまた、環境対策に関する有用な参考資料ですが、顧客の仕様が依然として決定的な要素となります。.

湿度および液体への曝露については、曝露後の測定が必要である

湿気、塩分、油、冷却液、または燃料にさらされた後は、目視検査だけでは不十分です。パッドは外見上問題ないように見えても、その硬度、体積、誘電特性、接着性、あるいは熱的接触状態が変化している可能性があります。.

曝露後の試験では、設計の根拠となる要素、すなわち質量や寸法の変化、硬度、圧縮応答、熱インピーダンス、誘電特性、接着性、および目視によるひび割れや膨潤の有無を測定する必要があります。可能な限り、実際の生産用流体を使用してください。一般的な「冷却液」を用いた試験では、実際の車両用流体に含まれる添加剤の影響が考慮されない場合があります。.

エンジニアがよく混同してしまう自動車関連規格

標準は、適切な対象に適用されて初めて有用なものとなります。その実用的な区別を以下に示します。.

火災の分類については、特に注意を払う必要があります。その ULによるプラスチックの可燃性試験に関する説明 HB、V-2、V-1、V-0、およびより厳しい5Vといった分類を区別しています。サプライヤーのUL 94定格には、試験対象となった材料と厚さが明記されている必要があります。V-0のラベルは有用ですが、モジュール全体がすべての防火要件を満たすことを保証するものではありません。.

IATF 16949も同様に重要ですが、性質は異なります。認証を受けた品質管理システムは、プロセスの管理、トレーサビリティ、変更管理、是正措置に役立ちます。しかし、パッドの熱インピーダンスを明らかにするものではありません。調達チームには、適切な品質管理と、選定した構造が実際の用途において所定の性能を発揮するという証拠、この両方が必要となります。.

自動車用サーマルパッドの一般的な不具合とその主な原因

特に注意を払うべき故障モードが1つあります。それは、パッドの積み重ねです。これは大きな隙間を素早く埋める方法のように見えますが、新たな界面を作り出し、厚みのばらつきを増大させ、層間のずれを引き起こす可能性があります。 通常、適切な厚さのパッドを1つ使用した方が、よりすっきりとした仕上がりになり、挙動も予測しやすくなります。隙間が大きすぎたり不規則で1つのパッドでは対応できない場合は、ソフト層のサンドイッチ構造を作るのではなく、ディスペンサで塗布可能なフィラーとの比較検討も行うべきです。.

自動車向けプログラムにおける実用的なサーマルパッド選定ワークフロー

以下の順序に従うことで、チームは実際の熱経路に集中し続けることができます。.

1. サーマルジョブの定義

熱源、許容最大部品温度または接合部温度、駆動サイクルにおける電力損失、接触面積、放熱先、冷却剤または周囲条件、およびインターフェースに割り当てられた熱予算を記載してください。定常状態の最大電力だけでは、ミッションプロファイルを適切に表せない場合があります。.

2. 機械的公差の積み重ねを構築する

製造温度および動作温度範囲における最小、公称、および最大のギャップを算出する。この際、ハウジングの平坦度、基板の反り、パッケージの高さ、締結部品の公差、および熱膨張を考慮に入れる。試作機については、複数の箇所で測定を行う。.

3. 硬度を選択する前に、荷重制限を設定する

PCB、はんだ接合部、パッケージ、電池セル、および筐体がどの程度の負荷に耐えられるかを特定してください。候補となるパッドの厚さについて、力-たわみ曲線を入手してください。圧力に面積を掛けた値が総力となります。この乗算を省略しないでください。.

4. 電気的および環境的要件の設定

動作電圧、過渡現象、絶縁の役割、最小誘電マージン、難燃性要件、温度プロファイル、振動、湿度、および流体への曝露について記載してください。化学物質の影響を受けやすい用途については、実際の流体の商品名と濃度を特定してください。.

5. 素材グループの候補リスト

汚染に関する制約が許す場合は、広範囲で柔軟性のある隙間充填にシリコーンを使用してください。光学系や接触に敏感な箇所では、シリコーンを含まない材料の使用を検討してください。油や燃料への厳しい曝露が予想される場合は、フルオロシリコーンの使用を検討してください。薄くて精度が求められる接合部にはグリースやPCMを、複雑で変動する隙間には液体隙間充填剤を、それぞれ比較検討してください。.

6. 現実的な圧縮条件下でのインピーダンスの比較

W/mK の値だけで試料をランク付けしてはなりません。所定の厚さ、圧力、温度、および表面条件で、面積が等しい試料を試験してください。組み立て後の接着線および総力を記録してください。.

7. 生産用形状のプロトタイプを作成する

実際のダイカット形状、粘着剤、ライナー、穴、タブ、および貼り付け工程を使用してください。正方形のラボ用クーポンでは、細いブリッジ周辺の破れや、コネクターの横への貼り付けミスなどは確認できません。.

8. スタック全体に対して環境老化試験を実施する

温度サイクル、振動、湿度、および化学物質への曝露試験では、筐体、表面、締結部品、および予圧システムを対象に含める必要があります。試験の前後で、温度および重要な材料特性を測定してください。.

9. 仕様書および変更管理を確定する

厚さの許容差、硬度または荷重・たわみ範囲、熱試験方法、誘電特性要件、寸法、清浄度、ライナー、外観、梱包、保存期間、ロット追跡可能性、および変更通知に関する要件を定義する。.

10. 実用的な入荷検査計画を策定する

入荷検査では、ロットごとに完全な適格性評価を繰り返す必要はありません。重要なドリフトを検出できれば十分です。厚さ、寸法、外観上の欠陥、硬度、あるいは定義された圧縮力値、およびトレーサビリティは、一般的な検査項目です。定期的な熱的および誘電的検証は、日常的な点検を補完する役割を果たします。.

自動車用サーマルパッドの見積依頼書には、どのようなデータを記載すべきか？

「6 W/mKの自動車用パッド」という曖昧な依頼では、サプライヤーは推測するしかありません。有用な見積依頼書には、以下の内容を盛り込む必要があります：

• 用途および車両への取り付け位置；;
• 熱源、出力プロファイル、および目標温度；;
• ヒートシンク、コールドプレート、または筐体の材質および表面仕上げ；;
• パッドの図面、接触領域、およびキープアウト領域；;
• 最小、公称、および最大のギャップ；;
• 利用可能なクランプ方法、トルク、および最大荷重；;
• 供給厚さおよび目標圧縮厚さ；;
• 誘電体、炎、および絶縁システムの要件；;
• 運転時、保管時、および最高温度；;
• 熱サイクル、振動、湿度、および衝撃試験条件；;
• 油、燃料、冷却液、洗浄剤、および蒸気への曝露；;
• シリコーンによる制限、アウトガス、またはイオン清浄度の制限；;
• 接着剤、ライナー、型抜き、自動化、および包装に関するニーズ；;
• 検証基準、OEM仕様、および報告様式；;
• 予測数量、サンプリングのタイミング、PPAPの要件、および変更管理。.

かなり長いリストですね。とはいえ、事故調査のリストよりはまだ短いですね。.

自動車用サーマルパッドの候補品の検証方法

初期スクリーニングでは、熱インピーダンス、圧縮力、寸法安定性、誘電特性、および材料の適合性を比較検討する必要があります。その後、試験は速やかに実際の組み立て段階へと移行すべきです。有用な検証手順は、次のような流れになります：

熱試験では、境界条件を明記する必要があります。周囲温度または冷却液温度、流量、入力電力、デューティサイクル、センサーの位置、スクリューのトルク、パッドのロット、パッドの厚さ、および安定化基準を記録してください。そうしないと、2つのチームが「同じ」試験を実施しても、理由もわからぬまま異なる結果が出てしまう可能性があります。.

最も重要なこと――平易な言葉で

このガイドは、5つの実践的な判断に要約できます：

1. フィット 真の格差。. 公称CAD値だけでなく、許容範囲全体を活用してください。.
2. 力を制御する。. 柔らかさ、厚さ、面積、および圧縮度によって、その組み立て品の感触が決まります。.
3. インピーダンスから熱伝達経路を判断する。. W/mKは入力項目の1つであり、最終スコアではありません。.
4. 断熱材の処理 そして 老朽化した物件としての環境。. 圧縮試験、サイクル試験、振動試験、湿度試験、および液体試験の実施後に、それらを確認してください。.
5. 本番環境のスタックを検証する。. 実際の表面、実際の締結部品、実際の型抜き形状、実際の製造工程。.

HakTakは、導電率の数値一つだけに基づいて作成された洗練された見積依頼書よりも、不完全であっても正直なギャップや環境データが記載された図面の方を好む。前者は実務に役立つ情報を提供してくれる。後者は正確に見えるが、重要な疑問には答えを与えていない。.

適切な自動車用熱伝導パッドは、それ単体で見れば、決して最も印象的な素材とは限らない。重要なのは、長年にわたり車両が様々な状況下で使用された後も、隙間を埋め、熱を伝導し、回路を保護し、かつ予測通りの性能を発揮し続けるパッドである。暑い日。冷間始動。悪路。誰も予想しなかった場所に少しの冷却液が漏れるような状況。これこそが、真の選定基準なのである。.

自動車用電子機器向けサーマルパッドに関するよくある質問

1. 自動車用サーマルパッドとは何ですか？

自動車用熱伝導パッドとは、車両内の電子部品と筐体、ヒートシンク、スプレッダー、またはコールドプレートとの間で熱を伝達するために使用される、弾性のある熱界面材料です。また、電気絶縁や緩衝の役割も果たす場合があります。「自動車用」という言葉は、単なるマーケティング上のラベルではなく、特定の車両環境において検証済みの性能と品質管理が確保されていることを示すものでなければなりません。.

2. 電気自動車では、サーマルパッドはどこに使われているのでしょうか？

代表的な設置箇所としては、トラクションインバータ、車載充電器、DC-DCコンバータ、バッテリー管理システム、バッテリーモジュール、ADAS用コンピュータ、カメラ、レーダー、LiDAR、LED照明、ポンプ、モーターコントローラなどが挙げられます。 表面が平坦でしっかりとクランプされている場合、メインのパワーモジュールインターフェースには、厚いギャップパッドの代わりにグリースや相変化型熱伝導材料（TIM）が使用されることがあります。.

3. 自動車用熱伝導パッドには、どの程度の熱伝導率が適していますか？

「万能のベストバリュー」というものはありません。導電率が中程度で、圧縮されたボンディングラインが薄く、良好な接触が得られるパッドは、導電率が高くても厚すぎたり硬すぎたりするパッドよりも優れた性能を発揮する場合があります。実用的な圧力条件下での熱インピーダンスを比較し、実際の組立状態における部品の温度を確認してください。.

4. ECU用のサーマルパッドの厚さはどれくらいが適切ですか？

公差の積み上げ後の最小ギャップ、公称ギャップ、最大ギャップの中から厚さを選択してください。圧縮されていないパッドは、最大ギャップで接触していなければならず、また最小ギャップで過大な力が生じないようにする必要があります。通常、全範囲を安全にカバーできる最も薄いパッドが最適な選択となります。.

5. 自動車用熱伝導パッドは、どの程度圧縮されるべきですか？

材料サプライヤーが推奨する範囲および荷重・たわみデータを使用してください。すべてのパッドに共通する「安全な割合」というものは存在しません。柔らかい材料であれば、より硬いパッドではPCBに過負荷がかかるような圧縮レベルでも耐えられる場合があります。すべてのギャップの極端なケースを確認し、パッド全域にわたる総荷重を計算してください。.

6. 熱伝導パッドは電気絶縁性がありますか？

セラミックを充填したシリコーンやポリマー製のパッドの多くは電気絶縁性がありますが、すべての熱伝導材料（TIM）がそうであるとは限りません。グラファイトや金属を充填した材料は、電気を導く可能性があります。パッドが高電圧絶縁システムの一部である場合は、絶縁破壊挙動、最小圧縮厚さ、切断形状、清浄度、沿面距離、空気隙間、および経年変化について検証を行ってください。.

7. EVのバッテリーパックに熱伝導パッドは使用できますか？

はい。セルやモジュールを冷却プレートに接合し、BMSやバスバー周辺の電子機器を冷却することができます。大規模なインターフェースでは、広い面積にわたるわずかな圧力でも総力が大きくなるため、圧力の分布に細心の注意を払う必要があります。また、スタック解析においては、セルの膨張やパックの耐用年数も考慮に入れる必要があります。.

8. シリコーンは自動車用電子機器に使用しても安全ですか？

シリコーンパッドは広く使用されており、温度安定性、柔軟性、絶縁性といった有用な特性を備えています。ただし、すべてのモジュールに自動的に適しているわけではありません。光学系、リレー、接点、およびコーティングに敏感なアセンブリでは、シロキサンや揮発性物質の使用に制限が設けられている場合があります。用途に応じた清浄度および適合性試験を実施してください。.

9. エンジニアはどのような場合にシリコーンフリーの熱伝導パッドを使用すべきですか？

シリコーンの移行、光学的な曇り、接触汚染、または工程上の制約が文書化された懸念事項である場合は、シリコーンを含まない材料を検討してください。その熱インピーダンス、柔らかさ、圧縮永久歪み、耐熱性、および接着性を、候補となるシリコーン材料と比較してください。「シリコーンフリー」は要件の一つであり、仕様全体のすべてではありません。.

10. ボンネット内の電子機器には、フルオロシリコーン製の熱伝導パッドの方が適していますか？

これらは、標準的なシリコーンよりも多くの油や燃料に対して優れた耐性を発揮するため、過酷な環境での使用に適しています。ただし、あらゆる流体に対して耐性があるわけではありません。実際の油、燃料、冷却液、洗浄剤、または蒸気を、代表的な温度、時間、および圧縮条件下で試験してください。.

11. 自動車用サーマルパッドには、AEC-Q100の認定が必要ですか？

いいえ。AEC-Q100は集積回路に適用されるものであり、サーマルパッドには適用されません。サーマルパッドの検証は、適切な材料試験、組立試験、顧客仕様、および環境プロファイルを用いて行う必要があります。ICのAEC認定は、その周囲の熱伝導材料（TIM）やECU全体に対する認定を意味するものではありません。.

12. 自動車用熱伝導パッドには、UL 94 V-0の認証が必要ですか？

それは、材料の設置場所、OEM仕様、および製品の安全要件によって異なります。V-0等級が要求される場合は、それが当該の材料構成および関連する厚さに適用されることを確認してください。UL 94は、小規模な材料の難燃性分類であり、車両全体の防火安全に関する完全な認証ではありません。.

13. 自動車用ECU内で、2枚のサーマルパッドを積み重ねて使用することは可能ですか？

通常は、適切なサイズのパッドを1枚使用するのが望ましいです。パッドを重ねると、接触面が増え、厚みのばらつきが生じ、滑動面が増える可能性があります。1枚のパッドでは隙間を埋めることができない場合は、より厚いグレード、より柔らかい構造、サーマルパテ、またはディスペンサーで塗布可能な隙間充填材を検討し、新しい選択肢の有効性を確認してください。.

14. 振動試験や熱サイクル試験の後、サーマルパッドの不具合をどのように特定すればよいでしょうか？

デバイスの温度上昇、局所的な高温箇所、ウィットネスコンタクトの喪失、パッドの破れ、押し出し、ずれ、予荷重の低下、または誘電特性の変化がないか確認してください。同じ境界条件下で試験の前後を測定し、その後、界面の全域にわたって検査を行ってください。.

15. 自動車プロジェクトにおいて、熱伝導パッドのサプライヤーにはどのような情報を提供すべきですか？

熱源、目標温度、接触面積、ギャップ範囲、許容荷重、筐体材質、電圧および絶縁要件、動作温度および保管温度、振動およびサイクル特性、化学物質への曝露、パッドの図面、接着剤およびライナーの要件、生産数量、および認定計画をお知らせください。これらの情報を提供いただければ、W/mKの目標値のみを提示する場合よりも、はるかに迅速に有益な提案を行うことができます。.