電子部品の放熱性能を高めるサーマルパッドの選定と活用方法

電子機器の高性能化・小型化が進むなか、発熱部品の温度管理は、製品の性能と長期信頼性を確保するうえで重要な設計課題となっています。CPU、GPU、MOSFET、IGBT、メモリモジュール、通信チップ、電源回路などは、動作中に熱を発生します。発生した熱を効率よくヒートシンクや筐体、冷却プレートへ伝えられない場合、部品温度の上昇による性能低下、サーマルスロットリング、寿命の短縮などにつながるおそれがあります。

こうした課題への対策として広く用いられているのが、サーマルパッドです。サーマルパッドは、発熱部品と放熱構造の間に生じる隙間を埋め、熱伝導経路を確保するための熱伝導性材料です。なかでもシリコーン系の熱伝導シートは、柔軟性、隙間への追従性、電気絶縁性などが求められる電子機器に適用されています。本記事では、エンジニアの視点からサーマルパッドの役割、選定時の評価項目、代表的な用途について解説し、ITousenのシリコーン系製品を紹介します。

1. サーマルパッドが電子機器の熱設計で重要な理由

金属部品の表面は、一見すると平滑に見えても、微細な凹凸が存在します。そのため、発熱部品とヒートシンクを直接接触させても、表面間に微小な空気層が残ることがあります。空気は一般的な固体の熱伝導材料と比べて熱を伝えにくいため、接触界面における熱抵抗が大きくなる原因となります。

サーマルパッドは、このような微小な隙間を埋め、部品から冷却構造へ熱を伝えるための接触状態を改善します。適切な厚さと圧縮条件で使用することで、部品の高さのばらつき、基板の反り、ヒートシンクの寸法公差などに起因する界面の隙間を補うことができます。

ただし、熱伝導シートの性能を熱伝導率だけで判断することは適切ではありません。実際の放熱性能には、材料の厚さ、界面熱抵抗、接触面の状態、圧縮率、締結構造など複数の要因が影響します。システム全体の熱設計に基づいた評価が必要です。

2. 発熱部品におけるサーマルパッドの主な用途

パワー半導体・パワーモジュール

MOSFET、IGBT、整流素子、パワーモジュールなどは、大電流や高周波で動作する際に相応の熱を発生します。サーマルパッドを部品とヒートシンクの間に配置することで、界面の隙間を補い、放熱経路を確保できます。

また、電気絶縁が必要な構造では、所定の絶縁性能を備えた熱伝導シートを使用することで、発熱部品と導電性の冷却部材との間に絶縁層を設けることができます。ただし、必要な絶縁性能は使用電圧、シート厚さ、沿面距離、空間距離、実装構造などによって異なります。製品仕様とシステム全体の絶縁設計を併せて確認することが重要です。

CPU・GPU・メモリモジュール

パソコン、組込みコンピュータ、産業用コンピューティング機器では、部品ごとにパッケージの高さや発熱量が異なります。サーマルパッドは、プロセッサ、メモリ、電源部品などと冷却プレートの間に生じる隙間を補う用途に使用されます。

選定時には、実際の隙間寸法と組立公差を考慮する必要があります。厚すぎる材料は熱抵抗の増加につながる場合があり、反対に薄すぎる材料では十分な接触が得られない可能性があります。部品への荷重や基板への応力も考慮し、適切な厚さと圧縮条件を設定することが重要です。

通信機器・ネットワーク機器

ルーター、スイッチ、光通信機器、基地局関連装置などでは、プロセッサ、電源管理IC、通信モジュールなどが継続的に発熱します。これらの部品に適したサーマルパッドを使用することで、熱を筐体やヒートシンクへ伝え、機器内部の温度管理を支援できます。

通信機器では、長時間の連続運転に加え、周囲温度の変化や組立公差への対応も求められます。そのため、熱伝導率だけでなく、圧縮特性、長期使用時の形状安定性、耐熱性なども選定時の評価項目となります。

産業用制御機器・電源装置

産業用コントローラ、スイッチング電源、モータドライブ、インバータなどでは、長期間にわたる安定動作が求められます。適切な熱伝導シートは、発熱部品と冷却部材の界面熱抵抗を低減するための選択肢となります。

特に振動や温度サイクルが発生する環境では、材料の圧縮特性、耐熱性、耐久性に加え、固定構造との適合性も確認する必要があります。

3. サーマルパッドを選定する際の重要な評価項目

熱伝導率と界面熱抵抗

熱伝導率は、材料が熱を伝える能力を示す指標であり、一般にW/m・Kで表されます。熱伝導率が高い材料は有利な場合がありますが、それだけで部品温度が低くなるとは限りません。材料の厚さや接触状態、界面熱抵抗なども実際の放熱性能を左右します。

均質な材料層を仮定した場合、単位面積当たりの材料内部の熱抵抗は、厚さを熱伝導率で除した値を用いて概算できます。ただし、この計算には接触界面の熱抵抗や周辺構造の影響は含まれません。最終的な評価では、実際の部品、締結条件、冷却構造を組み合わせた状態で確認することが望まれます。

厚さと圧縮特性

熱伝導シートの厚さは、発熱部品と放熱部材との間隔、および部品・基板・筐体の寸法公差を踏まえて選定します。薄型の電子機器では薄いシートが適する場合がある一方、部品高さのばらつきが大きい構造では、より厚いギャップ充填材料が必要になることもあります。

圧縮条件も重要です。圧縮が不足すると接触不良や空隙が残る可能性があり、過度な圧縮は部品パッケージ、基板、はんだ接合部などに不要な機械的応力を与えるおそれがあります。製品データシートに記載された推奨条件を確認し、実装構造に応じて検証してください。

硬度と追従性

柔軟性の高いシリコーン系サーマルパッドは、表面の凹凸や部品高さのばらつきに追従しやすいという特長があります。一方、材料の硬度が高い場合は、構造によって寸法安定性を確保しやすいことがあります。適切な硬度は、部品の機械的強度、必要な圧縮量、固定方法などを踏まえて判断します。

電気絶縁性と耐熱性

パワーエレクトロニクスなどの用途では、熱伝導性能に加えて電気絶縁性が重要です。絶縁破壊電圧、体積抵抗率、材料厚さに応じた絶縁性能などを確認し、実際の使用電圧や安全要件に適合する製品を選定する必要があります。

さらに、連続使用温度、熱劣化、温度サイクルへの耐性、使用環境に対する適合性なども評価項目となります。使用条件は用途ごとに異なるため、製品仕様に基づく確認が欠かせません。

4. サーマルパッドと他の熱伝導材料の違い

熱伝導グリース、相変化材料、ギャップフィラーなどは、それぞれ異なる用途や実装条件に対応する熱伝導材料です。熱伝導グリースは薄い界面に適用できる一方、塗布量の管理、材料の移動、長期使用時のポンプアウトなどを考慮する必要があります。相変化材料は、所定の温度条件で界面へのなじみが改善する場合がありますが、相変化温度や実装工程への適合性を確認する必要があります。

これに対して、シート状のサーマルパッドは、所定の厚さを持つ成形材料であり、取り扱いや位置決めが比較的容易です。隙間の補完、柔軟な接触、電気絶縁性が必要な用途では、シリコーン系熱伝導シートが有力な選択肢となります。

ただし、すべての用途でサーマルパッドが最適とは限りません。非常に薄い界面や高い面圧が必要な設計では、別の熱伝導材料が適する場合もあります。部品形状、要求熱抵抗、組立条件、耐久性、コストを総合的に比較して選定することが重要です。

5. ITousenのシリコーン系サーマルパッド

電子機器の熱設計において、材料選定では要求性能と実装条件の適合性を確認することが重要です。ITousenでは、電子部品の放熱用途に向けたシリコーン系サーマルパッドを取り扱っています。プロセッサ、パワー半導体、通信モジュール、産業用制御機器などの熱管理用途において、設計要件に応じた製品の検討に活用できます。

ITousenのサーマルパッドを選定する際は、対象製品の熱伝導率、厚さ、硬度、圧縮特性、電気絶縁性能などを確認し、実際の使用条件と照合してください。製品シリーズによって仕様や対応可能な寸法が異なる場合があるため、個別の製品仕様に基づいた判断が必要です。

製品情報については、ITousen シリコーン系サーマルパッド製品ページをご覧ください。具体的な製品選定にあたっては、発熱部品の種類、発熱量、部品と放熱部材の間隔、許容圧縮荷重、使用温度、電気絶縁の要否などの情報を整理すると、候補材料を絞り込みやすくなります。

6. 設計段階で推奨される評価手順

1. 発熱部品を特定し、各部品の許容温度と発熱量を把握する。
2. 熱の伝達経路を整理し、必要な熱抵抗を概算する。
3. 部品と放熱部材の間隔を測定し、寸法公差を考慮する。
4. 熱伝導率、厚さ、圧縮特性、絶縁性能に基づいて候補材料を選定する。
5. 締結荷重、部品への応力、組立再現性、材料の位置ずれを確認する。
6. 実際の負荷、周囲温度、冷却条件を再現して温度測定を行う。
7. 量産移行前に、必要に応じて温度サイクル、熱劣化、長期信頼性などを評価する。

評価では、材料カタログに記載された熱伝導率だけでなく、実装状態における部品温度やシステム全体の放熱性能を確認することが重要です。用途に応じて、長期圧縮特性、熱劣化、環境耐久性についても検証することを推奨します。

まとめ

電子部品の安定動作を実現するには、発熱量や冷却構造に応じて、適切な熱伝導材料を選定する必要があります。サーマルパッドは、発熱部品と放熱部材の間に生じる隙間を補い、熱伝達経路を確保するための有効な選択肢です。特にシリコーン系の熱伝導シートは、柔軟性、隙間への追従性、電気絶縁性が求められる電子機器で活用されています。

熱伝導率だけで判断するのではなく、厚さ、圧縮特性、界面熱抵抗、電気絶縁性、長期信頼性を総合的に評価することが、適切な材料選定につながります。ITousenのシリコーン系サーマルパッド製品を検討する際も、実際の設計条件と製品仕様を照合し、試作・評価を通じて最適な放熱ソリューションを選定することが重要です。