高熱伝導性絶縁シート｜窒化ホウ素サーマルパッド
窒化ホウ素サーマルパッドによる熱信頼性の向上
技術白書
主題：窒化ホウ素サーマルパッド（Boron Nitride Thermal Pad）を用いた高熱伝導性絶縁シート（High Thermal Conductivity Insulation Sheet）の特性評価および電気自動車バッテリーモジュールの熱管理（Electric Vehicle Battery Module Thermal Management）への適用に関する技術的考察。
要旨
本白書は、窒化ホウ素サーマルパッド（Boron Nitride Thermal Pad）を基盤とした高熱伝導性絶縁シート（High Thermal Conductivity Insulation Sheet）の材料物性、熱・電気特性、設計上の留意点を整理し、特に電気自動車バッテリーモジュールの熱管理（Electric Vehicle Battery Module Thermal Management）における導入可能性を評価することを目的とする。実装に必要な評価指標と信頼性検証の基本計画を示し、システム設計者が技術的判断を行えるようにする。
1. 背景：モジュールレベルの熱課題
パワー半導体や二次電池の高集積化により、局所的な発熱密度が上昇している。特に電気自動車バッテリーモジュールでは、セル間の温度不均一が寿命低下や安全性リスク（熱暴走の誘発）をもたらす。熱経路を低抵抗化しつつ、確実な電気絶縁を維持することが必須である。
窒化ホウ素サーマルパッド（Boron Nitride Thermal Pad）は、こうした要件に対して「柔軟性を保ちながら高い導熱性と高絶縁性を両立する」材料群として注目されている。本白書では、この材料を高熱伝導性絶縁シート（High Thermal Conductivity Insulation Sheet）として評価する。
2. 材料科学的考察：窒化ホウ素の利点
六方晶窒化ホウ素（h-BN）は二次元の層状結晶であり、層内方向に高い格子熱伝導を有する。h-BN自体は電気絶縁体であるため、導電性を伴う炭素系材料とは異なり、電気的安全性を確保できることが最大の特徴である。
高充填率のh-BNフレークを高分子マトリクス中に分散し、界面結合を最適化すると、体積当たりの熱伝導率が大きく向上する。加えて、成形・配向制御により厚み方向（through-plane）または面内方向（in-plane）の伝熱を設計に応じて最適化できる点が、窒化ホウ素サーマルパッドを高熱伝導性絶縁シート（High Thermal Conductivity Insulation Sheet）として有用にする要因である。
3. 主要性能パラメータ（代表値）---TOUSEN SPA-SP300
評価対象となる製品の代表的な技術指標は以下の通りである。設計評価時にはこれらの公称値に加え、実装時の界面熱抵抗（Rth）を圧力条件ごとに確認する必要がある。
| 項目 | 代表値 | 備考 / 試験規格 |
|---|---|---|
| 熱伝導率 | 15 W·m⁻¹·K⁻¹ | ASTM D5470（定常状態法）に基づく測定 |
| 厚み（選択肢） | 0.20 mm / 0.30 mm / 0.50 mm | 公差は±0.02 mm 程度を想定 |
| 熱インピーダンス（例） | 0.05 °C·in²/W @ 0.20 mm, 15 psi | 接触圧依存の代表値 |
| 絶縁破壊電圧 | > 10 kV / mm | ASTM D149 相当試験 |
| 誘電率 | ≤ 3.5 @ 5 GHz | 低誘電率は高周波近傍での利点 |
| 損失正接（tanδ） | ≤ 0.02 @ 5 GHz | 高周波での低散逸性 |
| 密度 | 約 1.50 g·cm⁻³ | 高充填を示唆 |
| 使用温度域 | -40 °C ～ +120 °C | 長期的な高温暴露は個別評価が必要 |
4. 適用検討：電気自動車バッテリーモジュールの熱管理
電気自動車バッテリーモジュールの熱管理（Electric Vehicle Battery Module Thermal Management）においては、セル表面から冷却体への熱伝達抵抗をいかに削減するかが設計上の要点である。窒化ホウ素サーマルパッド（Boron Nitride Thermal Pad）は、15 W·m⁻¹·K⁻¹ の熱伝導率と 10 kV/mm 超の絶縁耐力を兼ね備えることで、セルと冷却プレート間における「低抵抗かつ高信頼性な絶縁伝熱経路」を提供する。
実装上は、締結トルクやプリロードを踏まえて必要な熱インピーダンスを指定する。例えば、0.20 mm 厚で 15 psi における熱インピーダンス 0.05 °C·in²/W は、熱解析上の参照点となり、シミュレーションと実測の相関に用いることができる。さらに、材料の柔軟性は、セルの膨張収縮や振動に対する耐久性向上にも寄与する。
5. その他の適用分野
本材は次のような用途にも適する：
- 高電圧パワーモジュールの絶縁兼熱伝導レイヤー（半導体パッケージと放熱体の間）
- 高周波／通信機器における熱散逸と電気的近接保護（低誘電率が有利）
- モジュール内部の温度均一化を目的としたブリッジング／ストリップ挿入
6. 設計上の推奨指針
6.1 接触圧と熱インピーダンス
ミクロの接触率は圧力により改善されるため、Rthは圧力上昇に伴って低下する。設計段階での解析値には、必ず想定締結力に対応したRth値を適用すること。
6.2 厚みの選択
厚みを薄くすると固有の熱抵抗は低減されるが、表面不整やギャップ吸収能力は低下する。0.20 / 0.30 / 0.50 mm のラインナップは、接合面の平坦性と熱目標のバランスを取るための実務的選択肢である。
6.3 信頼性試験
推奨試験：熱サイクル（例：-40 ～ +125 °C を 1000 サイクル）、高温寿命（+120～150 °C × 1000 h）、湿熱ストレス（85 °C / 85% RH）および経時後の誘電破壊試験を含めた総合評価。これらは、電気自動車用途における車載グレードの耐久性確認に必要である。
7. 制約事項と対策
代表的な制約は上限温度（公称値 +120 °C）および化学的互換性である。高温連続負荷や電池電解液による暴露が想定される場合は、レジン系の耐熱評価や化学耐性評価を個別に実施すること。界面リスクに対しては、表面前処理、締結管理、締結力の仕様化により対策する。
8. 結論
窒化ホウ素サーマルパッド（Boron Nitride Thermal Pad）を高熱伝導性絶縁シート（High Thermal Conductivity Insulation Sheet）として用いることで、電気自動車バッテリーモジュールの熱管理（Electric Vehicle Battery Module Thermal Management）における「低熱抵抗かつ高絶縁性」という相反する要件を両立できる可能性が示された。代表的指標（熱伝導率 15 W·m⁻¹·K⁻¹、熱インピーダンス 0.05 °C·in²/W @0.20 mm・15 psi、絶縁破壊 >10 kV/mm）は、システム設計上の強力な設計パラメータとなる。
実装に際しては、Rth対圧力、長期熱サイクル、化学耐性を重点的に評価し、仕様に応じた厚み・締結条件を決定することを推奨する。
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