車載電源モジュールの熱設計：オンボードチャージャーとDC-DCコンバータにおけるシリコーン熱伝導シートの役割

車載用オンボードチャージャー（OBC）は、車両の中でも最も余裕の少ない熱環境の一つです。11kWの三相機では、効率97%でも約340Wがダイカスト製の筐体内部で発生します。床下に収まり、エンジンルーム相当の105℃環境に耐え、15年または25万kmを無交換で走ることが求められます。冷却水は65〜85℃、SiCの接合温度上限は175℃、そして取付面は機械加工品ではなく鋳造面です。この熱収支の中で、パワーモジュールと冷却プレートの間の層、すなわち熱界面材料は、リスクの大きな部分を担います。そこにシリコーン熱伝導シートを使う場合、圧縮後の厚さ、圧縮永久歪み、絶縁余裕が、真夏の登坂でフルパワーを維持できるかどうかを決めます。

車載電源モジュールの損失はどこで発生するか

OBCとDC-DCを合わせた損失は5つの界面に分散し、それぞれギャップ、加圧力、信頼性要件が異なります。

車載用途が加える4つの制約

温度振幅。恒温85℃の槽で問題ないシリコーン熱伝導シートでも、−40℃と125℃の間を1,000回往復した後に硬化することがあります。原因は圧縮永久歪みです。材料が塑性変形して接触面積が減り、モジュールが最も高温になる瞬間に熱抵抗が上がります。

振動と衝撃。ISO 16750-3のランダム振動は3軸に加わり、ボルトで固定された積層は耐えても、位置決めの甘いシートは耐えられません。厚く柔らかい品はキャリアフィルムと、実装時にずれない打ち抜き形状が必須です。

800V系の絶縁。800Vバスでは、シートは通電部と接地された冷却プレートの間の主たる絶縁層であり、絶縁耐圧はデータシートの一行ではなく安全機能です。打ち抜き品の最薄部で、熱劣化と湿熱の後にも耐える必要があります。

組立圧力の上限。車載筐体はアルミダイカストかエンジニアリングプラスチックで、モジュールの締結圧はセラミック基板と樹脂フレームを保護するため10〜25psiに制限されることが多くなります。ショア00で40の低弾性シートはこの圧力でも追従しますが、硬いシートは筐体が耐えられない圧力を要求します。

ダイカスト筐体におけるギャップ公差

ダイカストの平面度は150mmのポケットで0.10〜0.30mm、冷却流路の機械加工で0.05mm、モジュール基板の反りで0.05〜0.10mm、塗装で0.02〜0.05mmが加わります。呼び0.50mmのギャップは量産では0.35〜0.85mmとなり、呼び厚のシートは緩い側で空気層を残し、厳しい側で過圧縮になります。熱界面材料に共通する目安は最大ギャップの0.85〜0.90で、どこでも10%以上の圧縮を確保し、30%を超えず、自由厚だけで指定しないことです。

実機挙動を予測するパラメータ

車載電源モジュールの放熱設計は、ヒートシンク側で破綻することは少なく、界面で破綻します。したがって、カタログの熱伝導率より次の6項目が設計を左右します。

• 10、20、30psiでの熱抵抗。車載の締結圧は標準データシートの30psiに届かないことが多く、公表値ではなく曲線を要求してください。
• 125℃、22時間後の圧縮永久歪み。パワーモジュールの寿命末期熱抵抗を予測する最も有効な指標です。
• 熱劣化後の絶縁耐圧。最薄部で5kV/mm以上を、125℃で1,000時間および湿熱後に確認します。
• オイルブリードとシロキサン揮発。低分子シロキサンはコネクタやセンサ窓を曇らせます。150℃、24時間後のブリード量を1%以下で規定してください。
• 難燃性と材料適合。UL94 V-0、RoHS、ハロゲンフリー、REACH、そしてOEMの材料情報システム向けIMDS登録が前提です。
• 使用温度範囲。−50℃から200℃はコールドクランクと冷却プレート近傍の温度変動に余裕を与え、24か月の保管期限は年式をまたぐリール運用を可能にします。

実装位置ごとのグレード選定

TOUSENのSFシリーズは1.5〜15.0W/m·K、厚さ0.3〜10.0mm、ショア00で40または60、打ち抜き公差0.1mmに対応し、OBC、DC-DC、補助基板を同一の認定材料系統で設計できます。車載電源モジュールの放熱設計は、実際には3つのギャップを管理する作業に集約されます。

パワーモジュールと冷却プレートの間

ギャップ0.3〜1.0mm、加圧20〜30psiの条件では、ショア00で40の6〜8W/m·Kのシリコーン熱伝導シートが、基板に点荷重を与えず最も低い全熱抵抗を示します。8W/m·Kを超えると1グレード当たりの改善幅は鈍化し、そのコストは熱伝導率の追加より、鋳造の平面度改善やギャップ低減に振り向けるほうが合理的です。

磁性部品とコンデンサ

トランスと共振インダクタは面積が大きく低圧の界面であり、1.0〜3.0mmの2.5〜3.0W/m·K材が、巻回体と筐体の曲面を埋めながら端子に応力を与えず、振動減衰も兼ねます。ケース限界105℃、損失の小さいフィルムコンデンサでは、熱伝導率より柔軟性が重要です。

800V系と両面冷却

両面冷却モジュールはダイの両面にシートを配置するため、1グレードの熱伝導率差より厚さの対称性が重要になります。非対称な積層はダイの温度勾配をずらし、並列スイッチ間の電流分担を崩します。0.2mmのエッジ余裕を持つ打ち抜き品とキャリアフィルムが、両面の実装厚を同一に保ちます。

図面に記載すべき評価計画

ASTM D5470による3水準の加圧力での熱抵抗測定に加え、−40℃から125℃の熱サイクル1,000回後、および85℃／85%RHの湿熱1,000時間後に同じ測定を繰り返します。圧縮永久歪みは125℃でのASTM D395 B法、絶縁耐圧と絶縁抵抗は打ち抜き最薄部で熱劣化後に確認します。振動はISO 16750-3、機械衝撃は組立後のモジュールで評価します。オイルブリードは150℃の重量法で、光学部品やセンサを同一筐体内に持つ機種ではアウトガスも対象です。量産品はIATF 16949のラインでPPAP文書を伴うことが前提であり、熱界面材料はモジュール締結後に検査できない唯一の層だからです。

組立と保守の注意点

• 打ち抜き公差0.1mmとキャリアフィルムを使用します。手切り品のばらつきは圧縮許容幅を超えます。
• セパレートフィルムは実装直前まで残し、一度でも表面に触れたシートは再配置しません。
• 対角順に2段階で締結し、各ロットの初号機で圧縮状態を確認します。
• 分解後のシートは再利用しません。圧縮永久歪みは回復せず、2度目の実装には厚さも濡れ性も残っていません。
• 10〜30℃でUVを避けて保管します。保管期限は24か月で、開封後は短くなります。

まとめ

車載電源モジュールの放熱設計は直列熱抵抗の連鎖であり、界面は変更が最も安く、間違えると最も高くつく部分です。実測した鋳造品のギャップ、筐体が実際に加える圧力での熱抵抗、OEMが監査する絶縁性と難燃性を図面に明記してください。適切に選定されたシリコーン熱伝導シートは、熱部品としてだけでなく機械部品として機能します。鋳造公差を吸収し、振動を減衰し、800Vモジュールを絶縁し、15年の冬を越えても熱抵抗を保ちます。

ここで述べた熱界面材料の全パラメータ、厚さの選択肢、打ち抜き対応範囲はSFシリーズ シリコーン熱伝導シートの製品ページに掲載しています。実筐体でのギャップと締結圧の検証用にサンプルもご用意できます。