車載電子機器の熱対策におけるシリコーン放熱シートの役割と選定ポイント

電気自動車（EV）の普及や先進運転支援システム（ADAS）の高度化に伴い、自動車に搭載される電子機器は高機能化・高密度化が進んでいます。電子制御ユニット（ECU）、バッテリーマネジメントシステム（BMS）、インバーター、車載充電器、レーダーセンサーなどでは、限られた実装スペースの中で発生する熱を効率よく放散することが重要です。

適切な熱対策が行われていない場合、電子部品の温度上昇によって電気的特性が変化したり、部品の劣化が加速したりする可能性があります。そのため、車載電子機器の設計では、発熱部品からヒートシンクや筐体、冷却プレートへ熱を効率的に伝えるための熱設計が欠かせません。

こうした用途で使用される材料の一つが、シリコーン放熱シートです。シリコーン放熱シートは、電子部品と放熱部材の間に生じる微細な隙間を埋め、接触面の熱抵抗を低減するために使用されます。適切な材料を選定することで、組み立て時の寸法公差への対応や、必要な電気絶縁性の確保にもつながります。

1. 車載電子機器において熱対策が重要な理由

近年の自動車では、パワー半導体、マイクロプロセッサー、通信モジュール、各種センサー、LEDドライバーなど、多様な電子部品が限られた空間に実装されています。これらの部品から発生する熱を十分に放散できない場合、局所的な温度上昇が生じ、システムの安定動作や部品寿命に影響を及ぼすおそれがあります。

特に、車載機器は周囲温度の変化、振動、熱サイクルなどの影響を受けるため、初期の放熱性能だけでなく、使用環境を考慮した長期的な信頼性評価が必要です。

シリコーン放熱シートは、発熱部品とヒートシンク、金属筐体、冷却プレートなどの間に配置することで、接触面に残る空気層を減らし、熱の伝達を助けます。あらかじめ成形されたシート状の材料であるため、厚みや形状を管理しやすく、量産工程における組み付け性の向上にも寄与します。

2. シリコーン放熱シートによる熱伝導の仕組み

金属部品の表面は、一見平滑に見えても微細な凹凸を持っています。そのため、部品同士を直接接触させても、界面には空気が残ることがあります。空気は一般的な放熱材料と比べて熱を伝えにくいため、この空気層が熱抵抗を増加させる要因となります。

シリコーン放熱シートは、一般にシリコーンエラストマーに熱伝導性フィラーを配合した材料です。適切な圧力で圧縮することにより、接触面の微細な凹凸に追従し、発熱部品から放熱部材への熱伝導経路を形成します。

ただし、材料の熱伝導率が高ければ、必ずしも実装状態で優れた放熱性能が得られるとは限りません。実際の熱抵抗は、シートの厚み、圧縮率、接触圧力、表面状態、接触面積などの影響を受けます。

車載用途で熱伝導性絶縁シートを選定する際には、次の項目を総合的に評価することが重要です。

• 熱伝導率：材料内部の熱の伝わりやすさを示す指標です。測定方法や熱伝導方向も確認し、同一条件で比較する必要があります。
• 厚み：部品と放熱部材の間隔に適合させ、必要以上に厚い材料による熱抵抗の増加を避けます。
• 硬度・圧縮特性：接触面への追従性や組み付け荷重に関係し、電子部品への機械的負荷にも影響します。
• 電気絶縁性能：絶縁が必要な箇所では、要求される耐電圧や絶縁条件を満たす材料を選定します。
• 使用温度範囲：連続使用時の温度だけでなく、実際の使用環境で想定される温度変動も考慮します。
• 耐久性：圧縮永久ひずみ、熱サイクル、振動などによる特性変化を評価します。
• 材料適合性：周辺の樹脂、金属表面処理、接着剤、コーティングなどとの適合性を確認します。

3. 車載電子機器における主な用途

3.1 ECUおよびADASモジュール

ECUは、パワートレイン制御、車体制御、ブレーキ制御、車載ネットワーク通信など、さまざまな機能を担います。また、ADASモジュールには、演算プロセッサー、レーダー回路、画像処理デバイスなど、熱管理が必要な電子部品が搭載されています。

これらの機器では、電子部品と金属筐体、ヒートスプレッダー、ヒートシンクなどの間にシリコーン放熱シートを配置することで、効率的な熱伝導を補助できます。柔軟性のある材料は、部品や筐体の寸法公差、接触面の微細な凹凸への対応にも有効です。

一方、シートの厚みや圧縮率が適切でない場合、接触不足によって熱抵抗が増加したり、過大な荷重によって基板や半導体パッケージに負荷がかかったりする可能性があります。そのため、実装条件を踏まえた評価が必要です。

3.2 バッテリーマネジメントシステムとEV用パワーエレクトロニクス

バッテリーマネジメントシステム（BMS）は、バッテリーの電圧、電流、温度などを監視・管理するシステムです。回路構成によっては、パワースイッチング素子や関連する電源回路において、熱対策が必要となります。

インバーター、DC-DCコンバーター、車載充電器では、パワー半導体から発生する熱をヒートシンクや冷却プレートへ伝えることが重要です。シリコーン放熱シートは、所定の隙間を埋める必要があり、かつシート形状による安定した組み付けが求められる用途で、選択肢の一つとなります。

選定時には、熱抵抗、耐電圧、圧縮特性、使用温度、振動環境などを確認します。高電圧系の機器では、シート単体の絶縁性能だけでなく、沿面距離、空間距離、周辺部材の状態、経年変化を含めたシステム全体の絶縁設計が必要です。

また、バッテリーセルと冷却プレートの間に使用する材料は、要求されるギャップ、機械的制約、冷却方式、セル構造によって異なります。一般的な放熱シート、ギャップフィラー、放熱ゲルは、すべての用途で相互に置き換えられるわけではありません。

3.3 車載LED照明およびインフォテインメント機器

LEDヘッドランプ、車室内照明、ディスプレイ、インフォテインメント機器では、限られたスペースに電子部品が集約されています。温度上昇は、LEDの光学特性や電子部品の劣化に影響する可能性があるため、適切な放熱設計が求められます。

LEDドライバーやその他の発熱部品とヒートシンクの間にシリコーン放熱シートを配置することで、接触面の熱伝導を改善できます。また、部品配置に合わせた打ち抜き加工が可能な場合は、複雑な形状への対応や量産時の組み付け作業の効率化にも役立ちます。

ただし、カメラや光学センサーなど、汚染管理が重要な機器では、シリコーン由来の揮発成分や付着物が光学面に及ぼす影響も考慮する必要があります。要求条件によっては、シリコーンフリーの熱伝導材料も比較検討することが望まれます。

4. 車載用途に適した放熱材料の選定方法

車載電子機器向けのシリコーン放熱シートを選定する際は、放熱性能だけでなく、機械的特性、電気絶縁性、製造工程との適合性を総合的に評価する必要があります。

例えば、熱伝導率の高い材料であっても、厚みが大きければ、実装状態での熱抵抗が必ずしも小さくなるとは限りません。また、圧縮時の厚みや接触圧力、表面の平面度によっても放熱性能は変化します。

実務上は、次の手順で候補材料を絞り込むと効果的です。

1. 実装ギャップの測定：部品と放熱部材の間隔を測定し、製造公差も考慮します。
2. 熱設計条件の整理：発熱量、許容部品温度、周囲温度、必要な熱抵抗を明確にします。
3. 電気絶縁要件の確認：耐電圧や絶縁距離など、システムで必要となる条件を整理します。
4. 圧縮特性の評価：適切な接触状態を確保しつつ、部品や基板に過大な荷重が加わらないことを確認します。
5. 環境耐久性の確認：熱サイクル、振動、湿度など、実際の使用条件に応じた耐久性を評価します。
6. 量産工程との適合性確認：寸法精度、位置決め、取り扱いやすさ、組み付けの再現性を確認します。
7. 実装状態での検証：実際の部品と筐体を用いて、熱性能および必要な環境試験を実施します。

必要に応じて、熱抵抗測定、温度分布測定、耐電圧試験、熱サイクル試験、振動試験、材料適合性評価などを実施します。試験方法と合否判定基準は、対象機器の仕様や自動車メーカーの要求に合わせて設定することが重要です。

5. Itousenのシリコーン放熱シート

車載電子機器の熱対策に適した材料を検討する際には、発熱部品と放熱構造の間に配置する熱伝導インターフェースの仕様を、実際の設計条件に合わせて選定する必要があります。

Itousenでは、電子部品と放熱部材の間に使用するシリコーン放熱シートを取り扱っています。ECU、パワーエレクトロニクス、車載通信モジュール、LED関連機器などの熱対策を検討される場合は、以下の製品ページをご参照ください。

Itousen シリコーン放熱シート製品一覧

材料の選定にあたっては、製品仕様書に記載された熱伝導率、厚み、硬度、使用温度範囲、電気絶縁特性などを確認し、実際のギャップ寸法、必要な放熱性能、取り付け条件に照らして評価することが重要です。

特定の形状や寸法が必要な場合は、対象部品の寸法、要求される熱性能、使用環境、組み付け条件などを整理することで、適切な材料候補の検討を進めやすくなります。打ち抜き加工などの対応可否については、個別の製品仕様およびメーカーの対応範囲をご確認ください。

重要なのは、単に熱伝導率の高い材料を選ぶことではなく、熱性能、機械的特性、電気絶縁性、量産性を含めて、実装状態で安定した熱伝導経路を確保することです。

6. まとめ

車載電子機器の高機能化・小型化が進む中、適切な熱設計は、安定した動作と長期信頼性を支える重要な要素となっています。シリコーン放熱シートは、電子部品と放熱部材の間の隙間を埋め、組み付け公差への対応や熱伝導の改善を支援する材料です。

最適な材料を選定するためには、発熱量、実装スペース、ギャップ寸法、必要な電気絶縁性能、取り付け圧力、使用環境を総合的に評価する必要があります。実際の使用条件を想定した検証を行うことで、熱設計上のリスクを抑え、より信頼性の高い車載電子機器の開発につなげることができます。

車載電子機器の熱対策に適した材料をお探しの場合は、Itousenのシリコーン放熱シート製品ページをご覧いただき、製品仕様と実際の設計要件を照らし合わせてご検討ください。