IGBTモジュール用サーマルパッド：エンジニアが確認すべき点

エンジニアは、IGBTモジュール用のサーマルパッドを選定する前に、熱インピーダンス、絶縁耐力、最終的なボンディングラインの厚さ、圧縮力、ギャップ公差、表面平坦度、動作温度、および信頼性を確認する必要があります。 IGBTモジュール用のサーマルパッドは、熱をヒートシンクまたはコールドプレートへ伝達する必要があります。また、電気絶縁機能も求められる場合があります。これらは、過度な機械的応力を加えることなく、両方とも果たさなければなりません。.

IGBTモジュールの熱伝導パッドは、熱伝導率だけで選定してはいけません。W/mK値が高いパッドであっても、厚すぎたり、硬すぎたり、圧縮が不十分だったり、圧縮しすぎたり、あるいは絶縁性能が不十分だったりすると、故障する可能性があります。.

最適なサーマルパッドとは、取り付け後、熱サイクル、および長期運転を経ても、安定した低熱インピーダンス、安全な電気的絶縁、および再現性のある接触を維持できるものです。.

IGBTモジュールにおいて、サーマルパッドの選定に細心の注意が必要な理由

IGBTモジュールは、高出力が必要な場面で使用されます。EV用インバータ、太陽光発電用インバータ、産業用モーター駆動装置、UPSシステム、溶接装置、鉄道システム、および大型電力変換装置などに採用されています。これらのシステムは、大電流をスイッチングします。また、熱を発生させます。.

熱は半導体接合部から放出され、モジュールスタックを通過しなければなりません。その後、ヒートシンク、コールドプレート、ベースプレート、または筐体へと移動します。モジュールと冷却面との間の熱界面は、システム全体の一部に過ぎませんが、大きなボトルネックとなる可能性があります。.

IGBTモジュールのサーマルパッドは、インターフェースに以下の機能のうち1つ以上が必要な場合に、よく使用されます：

• ギャップの埋め合わせ
• 電気絶縁
• 厚みの制御
• グリースよりもきれいな取り付け
• 繰り返し可能な組み立て
• 硬質絶縁体よりも応力が小さい
• 型抜き形状の制御

パワーモジュールは、わずかなミスも許しません。熱伝導性が低いと、接合部温度が上昇する可能性があります。また、ホットスポットが発生することもあります。こうした負荷が長期にわたって続くと、モジュールの寿命が短くなる恐れがあります。.

その セミクロン・ダンフォス アプリケーションマニュアル パワー半導体 これは、パワーモジュールを孤立した部品としてではなく、熱的・電気的・機械的なシステム全体として捉えているため、業界にとって有用な情報源となっています。これは、サーマルパッドについて考える上でも正しい考え方です。.

IGBTモジュール用の熱伝導パッドと熱伝導グリースの比較

熱伝導グリースは、かねてよりパワーモジュールで広く使用されてきました。薄い接合層を形成することができ、粗い表面にもよく密着します。しかし、グリースは扱いが厄介な面もあります。押し出されてしまうことがあり、塗布方法によって仕上がりが異なることもあります。また、工程を厳密に管理しない限り、接合層の厚さを細かく制御することは困難です。.

サーマルパッドは、あらかじめ成形された接合面を提供します。配置が容易です。断熱効果も期待できます。型抜き加工が可能です。また、組み立て工程をよりきれいに仕上げることもできます。その代償となるのが厚さです。通常、パッドはグリースよりも厚い接合面を形成します。.

サーマルパッドは、クリーンな組み立て、断熱性、および再現性が重要な場合に適しています。接合面が非常に平坦で、しっかりとクランプされ、接着ラインを可能な限り薄くすることが目的の場合は、グリースの方が適している場合もあります。HakTakのガイドでは、 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 実際のインターフェースが、単なるデータシートの数値よりも重要な理由を説明しています。.

IGBTモジュールのサーマルパッドの選定は、電力損失から始める

まずは熱負荷から始めましょう。この数値がなければ、パッドの選定は当てずっぽうになってしまいます。.

サーマルパッドを選定する前に、IGBTモジュールの熱損失を見積もる

IGBTモジュールの発熱にはいくつかの原因があります。主なものは、伝導損失とスイッチング損失です。モジュール内部のダイオードも損失の原因となる場合があります。ゲート駆動やレイアウトの選択によって、最終的な損失量に影響が出る可能性があります。.

エンジニアは以下を定義すべきです：

• モジュールの総損失（ワット）
• スイッチまたは相支線あたりの損失
• ピーク負荷状態
• 連続負荷状態
• 冷却液温度または周囲温度
• 最大接合部温度
• ヒートシンクまたはコールドプレートの性能

このパッドだけではモジュールを冷却することはできません。これは一連の構成要素の一部に過ぎません。しかし、パッドによる熱抵抗が大きすぎると、システム全体の温度が上昇してしまいます。.

熱界面を通るIGBTの熱伝達経路をマッピングする

熱の伝播経路を簡略化すると、次のようなものになります：

1. IGBTの接合部
2. チップ実装および基板
3. モジュールベースプレートまたはモジュール底面
4. 熱伝導パッド
5. ヒートシンクまたはコールドプレート
6. 空冷または水冷

層が1つ増えるごとに抵抗が生じます。パッドは薄く見えるかもしれませんが、熱流の全範囲を横切って配置されています。そのため、その厚さ、接触面積、および圧縮度が重要になります。.

IGBTモジュールのパッドには熱インピーダンスを用いる

熱伝導率は選定の際に役立ちます。熱インピーダンスは、最終的な選定においてより有用です。.

熱インピーダンスには、パッドの実際の厚さと接触状態が含まれます。これは重要な点です。なぜなら、W/mK値が良好なパッドであっても、厚すぎたり、十分に圧縮されなかったりすると、性能が低下してしまう可能性があるからです。.

ASTM D5470は、エンジニアが熱伝導性電気絶縁材料の熱伝達データを必要とする場合によく用いられます。この規格は、制御された条件下での熱インピーダンスおよび見かけの熱伝導率に焦点を当てているため、パワーモジュールとヒートシンクの間に使用されるTIM（熱界面材料）に関連しています。公式の試験方法ページは、以下のURLから確認できます。 ASTM D5470.

HakTakもこれについて、以下の場所で説明しています。 TIM選定における熱伝導率と熱インピーダンスの関係.

IGBTモジュール用断熱パッド

パワーモジュールでは、多くの場合、電気的絶縁が必要となります。モジュール自体に絶縁されたベースプレートが備わっている場合もあれば、備わっていない場合もあります。また、安全性や設計上の理由から、システムに追加の絶縁層が必要となる場合もあります。.

パッドに断熱効果があるとは決めつけないでください。データを確認してください。.

IGBTのサーマルパッドの絶縁耐力を確認する

絶縁耐力は、材料が絶縁破壊を起こすまでにどれだけの電界に耐えられるかを示すものです。多くの場合、kV/mm などの単位で表記されます。.

固体絶縁材料については、, ASTM D149 これは、絶縁破壊電圧および絶縁耐力に関する一般的な基準です。IGBTモジュールの設計において、これは重要な要素となります。なぜなら、導電性のあるモジュール表面と、接地されている、あるいは導電性のある冷却面の間に、サーマルパッドが配置される場合があるからです。.

重要な質問：

• どの電圧を絶縁する必要がありますか？
• ヒートシンクはアースされていますか？
• コールドプレートは導電性がありますか？
• モジュールベースは電気的に絶縁されていますか？
• 過渡現象に対する安全余裕はありますか？
• 圧縮と熟成の後、どうなるのでしょうか？

絶縁破壊電圧は、最終的なパッドの厚さによって異なります。

最終的な圧縮後の厚さが重要です。パッドには公称厚さが記載されている場合がありますが、取り付け後はそれよりも薄くなる可能性があります。.

パッドの圧縮度が高すぎると、誘電マージンが低下する可能性があります。パッドが厚すぎると、熱抵抗が高まります。これは、主要なトレードオフの一つです。.

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？ この点については、こちらでより詳しく解説しています。.

熱抵抗の低減のために安全性を犠牲にしてはならない

パッドの厚みを薄くすると、多くの場合、熱性能が向上します。しかし、だからといって安全であるとは限りません。設計上、断熱性が求められる場合、パッドは圧縮、温度暴露、および経年劣化を経た後も、その要件を満たしていなければなりません。.

この点において、熱設計は電気設計と切り離して考えることはできません。.

IGBTモジュールのサーマルパッドの厚さ

厚さは、エンジニアが最初に確認する事項の一つです。また、間違いを犯しやすい点の一つでもあります。.

IGBTモジュールとヒートシンク間の隙間を測定する

可能であれば、実際のアセンブリを使用してください。CADの寸法だけでは不十分です。.

以下を含める：

• モジュールベースプレートの公差
• ヒートシンクの平坦度
• コールドプレートの平坦度
• 表面粗さ
• 取り付けネジの締め付けトルク
• ハウジングの許容差
• 熱膨張
• 機械的なストッパーがあるか

最小、公称、および最大の隙間を測定してください。.

隙間を完全に埋めることができる、最も薄いIGBT用サーマルパッドを選んでください

パッドは、最大ギャップの位置で両面に接触している必要があります。また、最小ギャップの位置で押しつぶされてはいけません。.

このルールは実用的です：

最悪のケースにおける隙間を埋め、かつ安全な圧縮範囲内に収まる、最も薄いパッドを使用してください。.

HakTakの記事 電子機器用のサーマルパッドの厚さの選び方 ギャップ範囲とパッドの厚さに関する有用なワークフローを提供します。.

最終的なボンド層の厚さが熱抵抗を左右する

ボンディング層の厚さとは、実装後の最終的な厚さのことです。熱はこの層を通過しなければなりません。.

簡単な見積もりについては：

R = t / (k × A)

場所：

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

計算式は単純ですが、組み立てはそう簡単ではありません。接触抵抗も重要な要素です。表面粗さや加圧力によって、結果が変わることもあります。.

HakTakのガイド ボンドラインの厚さが熱性能に与える影響 なぜ最終厚さが公称板厚よりも重要なのかを説明しています。.

IGBTモジュール用のサーマルパッドの圧着

熱伝導パッドには圧縮が必要です。圧縮が不十分だと、パッドが表面の凹凸を埋めきれない可能性があります。しかし、圧縮しすぎるとシステムに損傷を与える恐れがあります。.

圧縮不足により空隙が生じる

圧縮が不十分だと、次のような問題が生じる可能性があります：

• 接触不良
• 高い熱インピーダンス
• 注目スポット
• 不安定な検査結果
• 個体間のばらつき
• ヒートシンクの不適切な使用

これは、パッドが薄すぎたり、硬すぎたり、あるいは取り付け力が弱すぎたりする場合によく起こります。.

過度の圧縮はパワーモジュールを損傷させる恐れがあります

圧縮しすぎると、次のような問題が生じる可能性があります：

• モジュール応力
• ベースプレートの曲げ加工
• パッドの押出成形
• 誘電体間隔の縮小
• 住宅市場の歪み
• 圧力の不均一
• 長期圧縮永久ひずみ

IGBTモジュールは、パッドを可能な限り強く押し付けるためのクランプではありません。その目的は、接触を制御することにあります。.

IGBTモジュールのサーマルパッドの圧縮率を算出する

最小、公称、および最大のギャップにおける圧縮量を計算してください。1回だけ計算するのではなく、各ギャップについて計算してください。.

HakTakの記事 サーマルパッドの圧縮率：どの程度が適切か？ この式と許容誤差の問題について解説しています。.

IGBTモジュール用ソフト型とハード型の熱伝導パッド

硬さは、パッドを押し込むのに必要な力に影響します。また、接触の質にも影響します。.

低圧インターフェース用ソフトIGBTサーマルパッド

加圧に制限がある場合、柔らかいパッドが役立ちます。また、わずかな平坦度の誤差に対しても、よりうまく対応できます。.

柔らかいパッドは、次のような場合に役立ちます：

• ヒートシンクは完全に平らではありません
• このモジュールにかかる応力は低くなるはずだ
• ギャップの許容範囲が広い
• 取り付け力は制限されています
• 低圧では、接触抵抗を低く抑える必要がある

取り付け位置の制御が容易な、硬度の高いIGBT用熱伝導パッド

硬めのパッドの方が扱いやすい場合があります。形が崩れにくいからです。隙間や圧力を適切に調整すれば、良好な性能を発揮する可能性があります。.

硬めのパッドは、次のような場合に役立ちます：

• ヒートシンクは平らです
• 圧力が高まっていくのは予想通りだ
• ダイカットの位置決めは重要だ
• リワークの清浄度は重要である
• 寸法管理は重要です

硬さは手触りだけで推測すべきではありません。ASTM D2240は、ゴム系材料のデュロメーター硬度に関する標準規格であり、エラストマー製パッドを比較する際に役立ちます。公式ページは以下から確認できます。 ASTM D2240. HakTakのガイド 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？ より実用的な選択画面が表示されます。.

IGBTモジュールにおける熱伝導パッドの主要な特性

EV用インバータおよびモータードライブにおけるIGBT用熱伝導パッド

EV用インバータやモータードライブには厳しい要件が課されています。負荷変動や熱サイクルにさらされるほか、振動を受ける場合もあります。また、高い信頼性も求められます。.

EV用IGBTモジュール向けサーマルパッド

EVシステムには安定した熱伝達が不可欠です。パッドには、次のような条件に耐えることが求められる場合があります：

• 熱サイクル
• 振動
• 高電圧
• 長寿命
• 冷却水温度の変動
• 機械組立のばらつき

このユースケースでは、初期の熱抵抗だけでは不十分です。経年変化のデータが重要です。.

産業用IGBTモジュール用サーマルパッド

産業用ドライブは、長時間稼働することがあります。また、通気性が限られているキャビネット内に設置されることもあります。さらに、ほこり、熱、振動にさらされることもあります。.

パッドについては、以下の点を確認してください：

• 長期的な圧縮安定性
• 熱老化
• 誘電特性
• 取り付けの再現性
• ヒートシンクの平坦度に対する感度

IGBT用サーマルパッドと相変化材料、パテ、ポッティング材の比較

パワーモジュール用の熱伝導材は、サーマルパッドだけではありません。.

IGBTモジュール用相変化材料

相変化材料は、モジュールが加熱されると軟化します。活性化後は、濡れ性を向上させることができます。また、グリースよりもクリーンな場合もあります。.

HakTakの記事 PCMサーマルパッドの解説 動作温度において、相変化材料がどのように振る舞うかを説明しています。.

パワーエレクトロニクス部品の隙間が不均一な場合用のサーマルパテ

インターフェースがフラットでない場合や、コンポーネントの高さが異なる場合には、パテが役立ちます。固定式のシートパッドでは、こうした状況に対応しきれない場合があります。.

不均一なインターフェースについては、HakTakの記事 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 は直接関係している。.

カプセル化されたパワーエレクトロニクス用ポッティング材

ポッティング材は、部品の封止、保護、および充填された空間を通じた熱伝達が必要な場合に使用されます。これらは単なるパッドの代替品ではありません。組み立てやリワークの工程そのものを変えるものです。.

IGBTモジュール用サーマルパッドの試験

テストは実際のシステムと一致している必要があります。平らなラボ用試験片は有用ですが、モジュールレベルのテストに代わるものではありません。.

実用的な圧力条件下での熱インピーダンスの試験

パッドは、実際の取り付け条件に近い圧力下で試験を行う必要があります。データシートの値が高圧下で測定されたものである場合、お客様の組み立て条件とは一致しない可能性があります。.

圧縮後の絶縁耐力を試験する

パッドに断熱機能がある場合は、圧縮後、またはそれに相当する最終厚さになった時点で試験を行ってください。また、使用条件が過酷な場合は、熱老化処理後も試験を行ってください。.

熱サイクル試験および電源サイクル試験

IGBTモジュールは動作中に発熱・冷却を繰り返します。パッドは常に接触状態を維持する必要があります。.

テスト：

• 熱サイクル
• 電源のオン・オフ
• 高温エージング
• 振動
• 湿度（該当する場合）
• 圧縮永久ひずみ
• 手直し

ポリマーの熱的特性試験においては、, ISO 22007-2 熱伝導率および熱拡散率の算出において、過渡平面熱源法を取り上げています。材料のスクリーニングには対応していますが、IGBTモジュールの最終的な検証には、依然として実際の組立品が必要です。.

IGBTモジュール用のサーマルパッドを選定する際のよくある間違い

最初の間違いは、W/mKという数値だけで選ぶことです。熱インピーダンス、厚さ、圧力の方が、多くの場合、より重要になります。.

2つ目の過ちは、絶縁耐力を無視することです。IGBTシステムでは高電圧が関与する場合があります。絶縁性能は実証されなければなりません。.

3つ目の間違いは、名目上のギャップのみを使用することです。実際の圧縮をもたらすのは、最小ギャップと最大ギャップです。.

4つ目の間違いは、厚すぎるパッドを選んでしまうことです。これにより、熱抵抗が高まる可能性があります。.

5つ目の間違いは、硬すぎるパッドを選んでしまうことです。十分に圧縮されない可能性があります。.

6つ目の間違いは、パッドを過度に圧縮してしまうことです。これにより、誘電マージンが低下し、応力が生じる可能性があります。.

7つ目の間違いは、サーマルサイクリングを省略することです。IGBTモジュールが常に一定の温度で動作し続けることはめったにありません。.

8つ目の間違いは、ヒートシンクの平坦性の悪さを補う手段としてパッドを扱ってしまうことです。機械設計は依然として重要です。.

H2: IGBTモジュール用サーマルパッドの選定チェックリスト

HakTakの視点

HakTakでは、IGBT用サーマルパッドをパワーモジュール全体の設計の一部として位置づけています。このパッドは単なる素材のシートではありません。熱負荷、電圧要件、ギャップ、取り付け力、および目標寿命に適合していなければなりません。.

正確な推奨を行うためには、エンジニアは以下の情報を提供する必要があります：

• IGBTモジュールの種類
• 熱損失または電力損失
• 接触面積
• ヒートシンクまたはコールドプレートの材料
• 最小、公称、および最大のギャップ
• 必要な絶縁耐力または絶縁破壊電圧
• 許容取り付け圧力またはトルク
• ヒートシンクの平坦度
• 動作温度範囲
• 熱サイクル試験の要件
• 振動または衝撃に関する要件
• 手直し要件
• 生産量と配置方法

このデータをもとに、HakTakはパッドの厚さ、硬度、導電性グレード、絶縁定格、および圧縮範囲を推奨することができます。最適な答えが単に「W/mKが最も高いものを使う」というケースはめったにありません。通常は、熱インピーダンス、絶縁性、応力、および信頼性のバランスを考慮する必要があります。.

結論

IGBTモジュール用の熱伝導パッドは、慎重に選定する必要があります。パッドは、熱をヒートシンクやコールドプレートへと伝達しなければなりません。また、電気絶縁機能が必要となる場合もあります。適切に圧縮されなければなりません。さらに、高温、経年劣化、および繰り返しサイクルに耐えられなければなりません。.

まず、熱損失、電圧絶縁、接触面積、ギャップ範囲から検討します。次に、熱インピーダンス、厚さ、硬度、圧縮強度、絶縁耐力、および信頼性に関するデータを比較します。.

IGBTモジュールにとって、サーマルパッドは単なる小さな付属品ではありません。これはパワーエレクトロニクスの信頼性を確保するための重要な要素の一つです。単なるカタログの埋め合わせ品としてではなく、エンジニアリング部品として慎重に選定してください。.

よくある質問

IGBTモジュールにはサーマルパッドが必要ですか？

IGBTモジュールによってはサーマルグリースを使用するものもあれば、サーマルパッドや相変化材料を使用できるものもあります。パッドは、クリーンな実装、厚みの制御、絶縁性、あるいは再現性が求められる場合に有用です。.

IGBTモジュールに最適な熱伝導パッドは何ですか？

最適なパッドは、熱損失、接触面積、電圧絶縁、ギャップサイズ、圧縮力、厚さ、硬度、および信頼性要件によって決まります。.

IGBTモジュールには、断熱パッドを選んだほうがいいでしょうか？

モジュールと導電性ヒートシンク、筐体、またはコールドプレートとの間で電流を遮断する必要がある場合は、絶縁パッドを選択してください。.

IGBTモジュールのサーマルパッドにおいて、W/mKの値が高いほど常に良いのでしょうか？

いいえ。W/mKの値が高いことは、厚さ、圧力、接触状態、および誘電特性の要件も適切である場合にのみ有効です。.

IGBTのサーマルパッドの厚さはどれくらいが適切ですか？

隙間の最大幅を埋められるだけの厚さがあり、かつ熱抵抗を抑えられるだけの薄さである必要があります。圧縮後の最終的な厚さを確認してください。.

IGBT用サーマルパッドには、どの程度の圧縮力が必要ですか？

フルコンタクトには十分な圧縮力が必要ですが、モジュールに過度な負荷をかけたり、誘電マージンを低下させたりするほど過度な圧縮力になってはいけません。.

IGBTモジュールにおいて、サーマルグリースはサーマルパッドの代わりになるでしょうか？

はい、平坦でしっかりと固定されたインターフェースの場合にはそうです。絶縁性、組立の精度、あるいは厚みの管理が必要な場合は、パッドの方が適している場合があります。.

サーマルパテはIGBT用サーマルパッドの代わりになりますか？

隙間が不均一だったり不規則だったりする場合に役立ちます。モジュールとヒートシンクの接合面が平らな場合は、パッドやグリスを使った方が調整しやすいことがよくあります。.

エンジニアは本番環境への移行前に、どのようなテストを実施すべきでしょうか？

圧縮試験、熱サイクル試験、振動試験、経年劣化試験、および最終組立の再現性について、熱インピーダンス、モジュール温度、絶縁耐力を試験する。.

サーマルパッドのサプライヤーには、どのようなデータを送ればよいですか？

熱損失、接触面積、ギャップ範囲、電圧要件、ヒートシンクの材質、圧力またはトルク、温度範囲、および信頼性要件をお知らせください。.