MOSFETでは、パッケージからヒートシンク、金属製ハウジング、コールドプレート、またはシャーシへ熱を伝達する必要があり、かつ界面の厚さを制御したり、隙間を充填したり、電気絶縁を確保したり、あるいはクリーンな組み立てが必要とされる場合に、サーマルパッドが必要となります。 適切なMOSFET用サーマルパッドの選定には、電力損失、接触面積、パッケージタイプ、電圧絶縁、隙間サイズ、圧縮力、パッドの硬度、絶縁耐力、および熱インピーダンスが考慮されます。.
ほとんどのパワーエレクトロニクス機器において、MOSFET用熱伝導パッドはW/mKの値だけで選定してはいけません。熱伝導率の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、必要な電気的絶縁性を確保できなかったりする場合、性能が低下する可能性があります。.
より良い目標は単純明快です： 全面接触が可能で、熱インピーダンスが低く、安全な電気的絶縁性を備え、熱サイクル後も安定した性能を発揮するパッドを選択してください。.
MOSFET用サーマルパッドが重要な理由
MOSFETは、電源装置、モーター駆動装置、EV用電子機器、バッテリーシステム、LEDドライバ、通信用電源モジュール、および産業用コントローラなどで広く使用されています。MOSFETは電流をスイッチングしますが、その際に熱を発生させます。.
その熱が接合部付近に留まると、MOSFETの温度が上昇します。温度が高くなると、効率が低下し、デバイスの寿命が短くなる可能性があります。また、はんだ接合部、基板、および周辺の部品にかかる熱的ストレスが増大する恐れもあります。.
サーマルパッドは、MOSFETパッケージからヒートシンクや筐体へと熱を伝達する役割を果たします。また、空気の隙間を埋める役割もあります。空気は熱伝導率が低いため、わずかな隙間でも冷却効果を損なう恐れがあります。.
サーマルパッドは、設計において以下の要件がある場合に役立ちます：
- ギャップの埋め合わせ
- 電気絶縁
- 厚みの制御
- クリーンな組み立て
- 型抜き形状
- サーマルグリスよりも汚れが少ない
- 安定した生産
MOSFETの設計において、パッドは単なる柔らかいシートではありません。これは熱伝達経路の一部であり、多くの場合、絶縁システムの一部でもあります。.
MOSFETにはどのような場合にサーマルパッドが必要になるのか？
MOSFETには必ずしもサーマルパッドが必要というわけではありません。設計によっては、サーマルグリース、はんだ付けされたサーマルビア、直接銅箔、クリップ、あるいは金属裏打ち基板などが使用されることもあります。パッドは、機械的または電気的なインターフェース上、その使用が求められる場合に有用です。.
MOSFETのヒートシンクとの接点には、サーマルパッドを使用してください
MOSFETパッケージや基板から、ヒートシンク、金属カバー、または筐体の壁面へと、わずかな隙間を挟んで熱を伝達する必要がある場合は、サーマルパッドを使用してください。.
次のような場合によく見られます：
- MOSFETは金属製の筐体の近くに実装されている
- ヒートシンクは完全に平らではありません
- 既知の機械的な隙間があります
- この設計では、すっきりとした組み立てが必要です
- このパッドは電気絶縁の役割も果たします
タブに電圧がかかっている場合は、MOSFET用に絶縁性の熱パッドを使用してください
多くのMOSFETパッケージには、ドレインに接続されたタブや露出パッドがあります。その表面が金属製のヒートシンクに直接接触すると、電気的短絡を引き起こす可能性があります。.
電気絶縁性の熱伝導パッドは、電流を遮断しながら熱を伝達することができます。.
次のような場合に重要です：
- ヒートシンクはアースに接続されています
- ヒートシンクは複数のデバイスで共用されています
- 「MOSFET」タブには電圧がかかっています
- 筐体は金属製です
- 安全隔離が必要です
詳細については、HakTakのガイドをご覧ください。 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？.
ギャップの公差を制御しにくい場合は、サーマルパッドを使用してください
PCBの厚さ、はんだの高さ、MOSFETパッケージの高さ、ヒートシンクの平坦度、そして筐体の公差がすべて積み重なります。サーマルパッドを使用すれば、こうした公差の一部を吸収することができます。.
ただし、パッドは慎重に選ぶ必要があります。薄すぎると接触しない可能性があります。厚すぎると、MOSFETやPCBに負荷がかかる恐れがあります。.
MOSFET用サーマルパッドとサーマルグリースの比較
熱伝導グリスも熱伝導パッドも、熱抵抗を低減します。その仕組みはそれぞれ異なります。.
熱伝導グリースは、薄くて平らで、クランプで固定された接合面に最適です。非常に薄い接着層を形成することができます。しかし、部品を所定の位置に固定する作用はなく、扱いにくい場合があります。.
熱伝導パッドは、接合部の隙間を埋める必要がある場合、電気絶縁が必要な場合、一定の厚さを確保する必要がある場合、あるいはよりクリーンな組み立てが必要な場合に適しています。.
| 因子 | MOSFET用サーマルパッド | 熱伝導グリス |
| ギャップの埋め合わせ | 隙間を正確に調整するのに適しています | 隙間が大きい場合は不向き |
| ボンドライン制御 | パッドの厚さと圧縮度によって調整されます | 量と圧力次第です |
| 電気絶縁 | 絶縁グレードで一般的に使用される | 配合によって異なります |
| 手直し | より清潔なことが多い | 古いグリースの除去が必要です |
| 組立 | 設置が簡単 | 通信事業者によって異なる場合があります |
| 最適な用途 | ヒートシンクの隙間、ハウジングとの接触、絶縁 | クランプ機能付き薄型フラットインターフェース |
グリースの塗布に関する基本については、HakTakの記事をご覧ください サーマルグリースの塗り方のコツとその仕組み.
MOSFET用サーマルパッドとサーマルパテの比較
隙間が不均一だったり、複数の部品の高さが異なっていたりする場合は、サーマルパテの方がパッドよりも適している場合があります。.
サーマルパッドは、隙間が明確で再現性がある場合に最も効果を発揮します。一方、隙間の大きさが予測しにくい場合には、パテが有効です。.
| 設計条件 | より良い出発点 | 熱伝導グリス |
| MOSFETとヒートシンク間のギャップを一定に制御 | 熱伝導パッド | 隙間が大きい場合は不向き |
| 複数のコンポーネントの高さ | サーマルパテ | 量と圧力次第です |
| 型抜き部品が必要 | 熱伝導パッド | 配合によって異なります |
| 低圧不均一ハウジング | サーマルパテまたは軟質隙間充填材 | 古いグリースの除去が必要です |
| 整然とした手動配置 | 熱伝導パッド | 通信事業者によって異なる場合があります |
| 最適な用途 | ヒートシンクの隙間、ハウジングとの接触、絶縁 | クランプ機能付き薄型フラットインターフェース |
不均一なインターフェースについては、HakTakの記事をご覧ください 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.
電力損失に基づくMOSFET用サーマルパッドの選び方
まずは熱の問題から考えましょう。MOSFET用サーマルパッドは、その表面積を通じて十分な熱を伝達できる場合にのみ、その存在意義があります。.
MOSFETの電力損失を見積もる
電力損失には、次のようなものがあります：
- 伝導損失
- スイッチング損失
- ゲート駆動に関連する損失
- リバース・リカバリーに関連する損失
- パッケージおよび基板の損失拡大
簡単な初期検討として、エンジニアはしばしばMOSFETの総損失（ワット単位）から検討を始める。そして、その熱を利用可能な放熱経路に割り当てる。.
大まかな熱伝達経路を構築する
MOSFETの熱伝達経路は、次のようなものになります：
- ジャンクション
- パッケージケースまたはエクスポーズドパッド
- 熱伝導パッド
- ヒートシンクまたはハウジング
- 空冷または水冷
各工程で熱抵抗が増加します。サーマルパッドは部品の一つに過ぎませんが、それでもボトルネックとなる可能性があります。.
W/mKだけでなく、熱インピーダンスも比較してください
W/mKという単位は有用ですが、それだけでは不十分です。.
熱インピーダンスは、実際の界面挙動により近いものです。これには、厚さ、接触、および圧力の影響が含まれます。.
ASTM D5470は、熱伝導性電気絶縁材料の熱伝達特性の評価に一般的に用いられています。ASTMによると、この方法は定常状態の熱インピーダンスを測定するものであり、電子機器の熱伝達に使用されるグリース、相変化材料、ゲル、および軟質・硬質ゴムなどの材料に適用可能です。公式参照： ASTM D5470.
HakTakでは、このトピックについても次のように取り上げています。 TIM選定における熱伝導率と熱インピーダンスの関係.
MOSFETヒートシンク用の断熱パッドの選び方
MOSFET用のサーマルパッドを選ぶ主な理由は、多くの場合、電気的絶縁にある。.
MOSFETタブまたは露出パッドに電圧がかかっているかどうかを確認してください
MOSFETのパッケージによっては、ドレインがタブに接続されているものがあります。そのタブが接地されたヒートシンクに接触すると、回路がショートする恐れがあります。.
次の質問をしてみてください：
- MOSFETのタブはドレインに接続されていますか？
- ヒートシンクはアースされていますか？
- 複数のMOSFETが1つのヒートシンクを共有しているのでしょうか？
- そのハウジングは金属製ですか？
- 安全隔離の要件はありますか？
その答えが「はい」の場合は、断熱パッドが必要になる可能性があります。.
絶縁耐力および絶縁破壊電圧を確認する
絶縁耐力と絶縁破壊電圧は、その材料が電気的ストレスにどのように耐えるかを示す指標です。.
ASTM D149 これは、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参照標準である。.
公称定格だけを見てはいけません。圧縮率と最終厚さが重要です。過度に圧縮されたパッドは、予想よりも誘電マージンが小さくなる可能性があります。.
断熱性と熱抵抗のバランス
パッドを厚くすると、電気的マージンが向上する可能性があります。また、熱抵抗も増加します。.
最適な選択は、最も厚い絶縁パッドではありません。隙間を埋め、絶縁要件を満たし、MOSFETの温度を適切に制御できる、最も薄いパッドこそが最適なのです。.
MOSFET用のサーマルパッドの厚さ
サーマルパッドの厚さは、最も重要な選択事項の一つです。.
MOSFETのヒートシンクとの隙間を測定する
可能であれば、実際のアセンブリデータを使用してください。CADは便利ですが、公差の積み重ねが考慮されていません。.
確認：
- MOSFETパッケージの高さ
- PCBの厚さ
- はんだの高さ
- ヒートシンクの平坦度
- ハウジングの許容差
- ねじのトルク変動
- ボードの曲げ加工
最小、公称、および最大のギャップを測定する。.
隙間を埋めることができる中で、最も薄いパッドを選んでください
パッドが薄いほど、通常は熱抵抗が低くなります。ただし、最大ギャップにおいても、パッドは両方の表面に確実に接触していなければなりません。.
薄すぎると、ヒートシンクに接触しない可能性があります。厚すぎると、MOSFETや基板に負荷がかかる可能性があります。.
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 段階的な手順を説明しています。.
圧縮後にボンドラインの厚さを確認してください
最終的な圧縮厚さが接着層の厚さとなります。つまり、熱が通過しなければならない厚さです。.
シンプルなインターフェースの場合：
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
HakTakはこれについて次のように説明しています。 ボンドラインの厚さが熱性能に与える影響.
MOSFET用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。適切な圧縮量は、パッドの硬度、厚さ、および機械的設計によって異なります。.
圧縮が不十分だと、空気の隙間が残ってしまう
圧縮不足により、次のような問題が生じる可能性があります：
- 接触不良
- 高い耐熱性
- 注目スポット
- 不安定な温度測定結果
- 個体間のばらつき
パッドが薄すぎたり、硬すぎたりすると、このような現象が起こることがあります。.
過度な圧縮は、MOSFETアセンブリに損傷を与える可能性があります
過度の圧縮により、次のような問題が生じる可能性があります：
- PCBの曲げ加工
- 梱包によるストレス
- はんだ接合部の応力
- 住宅の変形
- パッドの押出成形
- 誘電率マージンの低下
これはMOSFETの設計において現実的なリスクです。素子自体は小さいかもしれませんが、応力は局所的に集中する可能性があります。.
全ギャップ範囲にわたる圧縮率を算出する
公称ギャップでのみ圧縮を計算してはならない。.
確認：
- 最小間隔
- 公称ギャップ
- 最大ギャップ
HakTakの記事 サーマルパッドの圧縮率：どの程度が適切か？ その方法を説明しています。.
MOSFET用ソフト型とハード型のサーマルパッド
硬度は力と接触に影響を与えます。.
柔らかいパッドは押し込みやすい。圧力が低い場合や表面が平らでない場合に役立つ。硬いパッドは取り扱いがしやすく、寸法安定性にも優れているが、より大きな力が必要となる。.
低圧設計には、柔らかいMOSFET用サーマルパッドを選択してください
柔らかいパッドは、次のような場合に役立ちます：
- PCBの曲げは制限する必要があります
- MOSFETのパッケージは壊れやすい
- ハウジングの表面はあまり平らではありません
- ねじの締付け力が弱い
- ギャップ許容範囲が広い
組み立て精度を高めるには、より硬度の高いMOSFET用熱伝導パッドを選択してください
次のような場合には、硬めのパッドが役立つ場合があります：
- その差は厳密に管理されている
- ヒートシンクは平らです
- このアセンブリは十分な圧力をかけることができる
- ダイカットの取り扱いには注意が必要です
- 手直しはもっときれいにすべきだ
ASTM D2240 ゴム状材料のデュロメーター硬度試験に関する指針である。.
具体的な比較については、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？.
MOSFET用サーマルパッド選定表
| 選定基準 | 確認すべき事項 | その重要性 |
| 電力損失 | MOSFETの発熱量（ワット） | 温度目標値を設定します |
| 接触面積 | パッケージまたはヒートスプレッダーの面積 | 面積が小さくなると熱流束が増加する |
| ギャップ範囲 | 最小、公称、最大 | パッドの厚さを調整する |
| 熱インピーダンス | 実際の厚さと圧力において | W/mKだけの場合よりも優れている |
| 絶縁耐力 | 必要な電圧絶縁 | 電気的破壊を防止します |
| パッドの硬度 | ショア値またはデュロメーター値 | 圧縮力を制御する |
| 圧縮比 | 最小および最大のギャップで | 接触不良や応力を防ぎます |
| 動作温度 | 連続値とピーク値 | 柔らかくなったり、劣化したりするのを防ぎます |
| 圧縮永久ひずみ | 熱と時間が経って | 長期的な関係を維持する |
| リワークの挙動 | 除去と残留物 | 保守性に影響する |
一般的なMOSFETパッケージとサーマルパッドに関する考慮事項
MOSFETのパッケージが異なると、熱インターフェースに関する問題もそれぞれ異なります。.
TO-220およびTO-247 MOSFET用熱伝導パッド
これらのパッケージは、多くの場合、ヒートシンクに取り付けられます。タブに電圧が印加されている場合は、電気的絶縁が必要になることがあります。パッドは、取り付け時の力や電圧による応力に耐えられなければなりません。.
確認：
- 絶縁耐力
- パッドの厚さ
- ねじのトルク
- ケースの平坦度
- ヒートシンクの表面処理
H3: 表面実装型MOSFET用サーマルパッド
表面実装型MOSFETでは、熱拡散のためにPCBの銅が用いられることが多い。基板やパッケージ部分を筐体やヒートスプレッダーに接続するために、サーマルパッドが使用される場合がある。.
確認：
- ボードの反り
- コンポーネントの高さ
- 住宅格差
- 低圧接触
- ソフトパッドのオプション
MOSFETモジュールおよび電源基板
電源基板では、1つのヒートスプレッダーの近くに複数のMOSFETが配置されることがあります。パッドを使用することで熱の隔離や伝達に役立ちますが、ギャップの許容誤差の設定は複雑になる場合があります。.
確認：
- ヒートシンク電圧のリスクの共有
- マルチデバイスにおける平坦性
- 圧縮の均一性
- ホットスポットのリスク
量産前のMOSFET用熱伝導パッドの試験
試験は最終組み立て状態と一致している必要があります。データシートに記載されている値だけでは不十分です。.
実際のMOSFETアセンブリにおける熱性能を試験する
測定値：
- MOSFETのケース温度
- ヒートシンクの温度
- 基板温度
- 周囲温度
- 負荷条件
- 熱的定常状態
実際のネジ、クリップ、ハウジング、およびパッドの厚さを使用してください。.
圧縮後の電気絶縁性を試験する
パッドが絶縁材である場合は、組み立て後、または同等の圧縮を加えた後に試験を行ってください。最終的な厚さが重要です。.
経年劣化試験およびサイクル試験
パワーエレクトロニクスは、いつまでも同じ温度のままというわけではありません。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
ポリマーの熱的特性試験については、ISO 22007-2において、熱伝導率および熱拡散率の測定に関する過渡平面熱源法が規定されている。.
MOSFET用サーマルパッドが最適な選択肢ではない場合
熱伝導パッドは便利です。ただし、万能というわけではありません。.
非常に薄く、クランプされたMOSFETの接合部には、サーマルグリースを使用してください
MOSFETやモジュールが平らなヒートシンクにしっかりと固定され、電気絶縁が別の方法で確保されている場合、グリースを使用することでボンディングラインの厚みを薄くできる可能性があります。.
MOSFET基板の隙間が不均一な場合は、サーマルパテを使用してください
MOSFETが、高さの異なる他の部品とハウジングの隙間を共有している場合は、固定パッドよりもパテの方がより適切にフィットする可能性があります。.
保護と放熱のためにポッティングを行う
設計上、封入、防湿、および体積を通じた熱伝達が求められる場合、パッティングコンパウンドの方がパッドよりも適している可能性があります。.
MOSFET用サーマルパッドを選ぶ際のよくある間違い
最初の間違いは、W/mK値だけで選ぶことです。W/mK値が高いパッドでも、厚すぎたり、密着が不十分だったりすると、その性能を発揮できない場合があります。.
2つ目の間違いは、電気的絶縁を無視することです。MOSFETのタブには電圧がかかっている可能性があります。.
3つ目の間違いは、公称ギャップのみに基づいて厚さを選択することです。必ず最小ギャップと最大ギャップを確認してください。.
4つ目の間違いは、低圧の組み立て工程で硬いパッドを使用することです。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、パッドを過度に圧縮してしまうことです。これにより基板にストレスがかかり、誘電マージンが低下する恐れがあります。.
6つ目の間違いは、経年劣化試験を省略することです。熱サイクルを繰り返すと、時間の経過とともにパッドの接触状態が変化する可能性があります。.
7つ目の間違いは、どのMOSFETパッケージでも同じパッドが使えると想定してしまうことです。.
HakTakの視点
HakTakでは、MOSFET用サーマルパッドの選定は、実際の接合面から始まります。有用な推奨を行うには、目標値となるW/mKだけでは不十分です。.
エンジニアは以下を提供する必要があります：
- MOSFETのパッケージタイプ
- 電力損失または熱負荷
- 接触面積
- ギャップ範囲
- ヒートシンクまたは筐体の材質
- 必要な絶縁耐力
- 利用可能な圧力またはねじ締めトルク
- 表面平滑度
- 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
- 手直しに関する期待
- 製造工程
この情報をもとに、HakTakはパッドの厚さ、硬度、導電性グレード、絶縁定格、および圧縮範囲をご提案いたします。.
MOSFET用の最適な熱伝導パッドは、必ずしも熱伝導率が最も高いものとは限りません。重要なのは、最終製品においてMOSFETを冷却し、絶縁し、かつ機械的に安全に保つことができるパッドです。.
結論
MOSFET用のサーマルパッドは、複数の課題を同時に解決しなければなりません。熱を伝達する必要があります。電圧絶縁が必要になる場合もあります。隙間を埋める必要があります。アセンブリを損傷することなく圧縮できなければなりません。また、熱、経時変化、および繰り返しサイクルを経ても安定性を維持しなければなりません。.
まず、MOSFETの電力損失、パッケージタイプ、ギャップ範囲、および電圧要件を確認します。次に、パッドの厚さ、硬度、熱インピーダンス、絶縁耐力、および信頼性に関するデータを比較します。.
W/mKという数値だけで選んではいけません。適切なMOSFET用熱伝導パッドとは、実際の組み立て環境で良好な性能を発揮するものです。.
よくある質問
MOSFETにはサーマルパッドが必要ですか？
MOSFETでは、熱をヒートシンク、筐体、またはシャーシへと隙間を挟んで伝達する必要がある場合、特に電気絶縁やクリーンな組み立てが求められる場合には、サーマルパッドが必要となります。.
MOSFETに最適な熱伝導パッドは何ですか？
最適なパッドは、電力損失、ギャップサイズ、接触面積、電圧絶縁、圧力、厚さ、硬度、および信頼性要件によって決まります。.
MOSFETには、サーマルグリースとサーマルパッドのどちらを使うべきでしょうか？
薄くて平らな、クランプで固定された接合面にはグリースを使用してください。隙間の充填、厚みの調整、絶縁、またはよりきれいな組み立てが必要な場合は、パッドを使用してください。.
MOSFET用のサーマルパッドには電気絶縁が必要ですか？
多くの場合、そうです。MOSFETのタブや露出パッドに電圧がかかっており、かつヒートシンクが導電性である場合は、絶縁性のサーマルパッドが必要になることがあります。.
MOSFETのサーマルパッドの厚さはどれくらいが適切ですか？
隙間の最大値まで埋まるだけの厚さがあり、かつ熱抵抗を低く抑えられるだけの薄さである必要があります。最小、公称、および最大の隙間における圧縮状態を確認してください。.
MOSFET用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。熱インピーダンス、厚さ、接触圧力、および断熱性は、W/mKという数値そのものよりも重要な場合が多いのです。.
MOSFET用サーマルパッドには、どの程度の圧縮力が必要ですか？
PCBを曲げたり、パッケージに負荷をかけたり、誘電マージンを低下させたりすることなく、完全に密着させるには、十分な圧縮力が必要です。.
サーマルパテはMOSFET用のサーマルパッドの代わりになりますか？
これは、高さが不均一なアセンブリや、高さが異なる複数の部品からなるアセンブリでも使用可能です。平坦な隙間を正確に制御するには、型抜きされたサーマルパッドの方が、よりきれいに仕上がり、再現性も高くなります。.
本番環境への移行前に、どのようなテストを行うべきでしょうか？
MOSFETの温度、ヒートシンクの温度、熱インピーダンス、圧縮後の絶縁耐力、熱サイクル、振動、および経年変化について試験を行う。.
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？
パッケージの種類、熱負荷、接触面積、ギャップ範囲、電圧絶縁の要件、圧力制限、温度範囲、および信頼性要件をお知らせください。.
