半導体冷却素子（ペルチェ素子）の放熱設計：シリコーン熱伝導シートで高温側の熱流束を管理する

ペルチェ素子は熱を運ぶポンプであり、その収支は単純ですが余裕はほとんどありません。40×40mmのモジュールが温度差ゼロ付近で60Wを吸熱するとき、消費電力はおよそ100Wです。高温側セラミックからは160Wを放熱する必要がありますが、接触面積は16cm2しかありません。熱流束は約10W/cm2に達し、同じ基板上のスイッチング素子の一桁上になります。ペルチェ素子の放熱設計がフィン側ではなく界面で破綻するのはこのためです。モジュールとヒートシンクの間の層にシリコーン熱伝導シートを使う場合、その厚さが高温側温度を決め、高温側温度が冷却能力そのものを決めます。

ペルチェスタックの温度収支はどこで消費されるか

重要な界面は二つあり、どちらも試作段階では仕様が曖昧になりがちです。低温側が運ぶのは吸熱量のみ、高温側は吸熱量に投入電力を加えた熱量を扱うため、同じ熱界面材料を両側に適用することはできません。

シート厚を決める計算

界面の熱抵抗は厚さに比例し、熱伝導率に反比例します。ペルチェ素子の熱流束ではこの比例関係がそのままコストになります。接触熱抵抗を除いたバルク分だけでも、10W/cm2において3.0W/m・Kの1.0mm層は約33Kを発生します。同じ6Kの予算は0.5mm・8.0W/m・K、または0.8mm・12.0W/m・Kで達成できます。この計算は熱設計レビューで最も見落とされる項目です。

1Kの余分な温度上昇が冷却能力を削る仕組み

モジュールの冷却能力は素子両端の温度差が増えるほど低下し、曲線の上部では傾きが急になります。定格50Wのモジュールが半分の負荷で動く場合、高温側が1K上がるごとに吸熱量Qcは概ね3〜5%減ります。回避できる界面温度差が2Kあれば、顧客が支払った冷却能力の6〜10%が失われます。しかもヒートシンクは触ると温かいままで、損失は表面化しません。

さらに悪い循環があります。高温側が高温になると同じ低温側温度を保つために電流が増え、その電流が内部のジュール熱を増やして再び高温側を押し上げます。標準的なモジュールの高温側定格は80℃であることが多く、熱界面材料で消費したケルビンはこの循環への余裕から直接差し引かれます。

ペルチェ特有の5つの制約

脆性セラミックへの加圧。アルミナや窒化アルミの基板は通常実装で5〜20psi程度に耐えますが、面圧より点荷重を嫌います。ショア00で40のシリコーン熱伝導シートはこの圧力域で追従し、硬いシートはセラミックが許容できない荷重を要求します。

繰り返しによる膨張差。アルミヒートシンクとセラミック基板は熱膨張の挙動が異なり、数千回のオンオフはその差をせん断として界面に与えます。寿命末期の熱抵抗を決めるのは熱伝導率ではなく圧縮永久歪みです。

結露。露点以下に保持された低温側はスタック内のあらゆる面を濡らします。吸水性の低い独立気泡シリコーンは絶縁耐圧を保ちますが、吸湿性のギャップフィラーは梅雨一季で絶縁抵抗が桁単位で低下することがあります。

光学系・センサの汚染。ペルチェ冷却はレーザダイオード、イメージセンサ、分析機器の周辺で多用されます。曖昧な仕様のシートから出る低分子シロキサンは、清掃できない窓を曇らせます。150℃・24時間後のオイルブリード1%以下を図面に規定してください。

中温域の連続加熱。高温側は150℃で数分ではなく60〜80℃で数年置かれます。クリープと圧縮永久歪みが外観変化なしに蓄積する温度域です。

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、標準200×300mmを揃えています。ペルチェスタックにおけるペルチェ素子の放熱設計は、カタログ最大値の選択ではなく、実測した三つのギャップに三つの厚さを当てはめる作業です。

高温側

40×40mmモジュールではコストの大半がこの界面に集約されます。8〜10W/cm2、10〜20psiでは、ショア00で40の0.5mm・8.0W/m・Kのシリコーン熱伝導シートが実用的な最適点です。12.0W/m・Kはギャップが既に0.8mmに管理されている場合にのみ効果を発揮し、どのグレードでも1.0mmを選ぶ設計は筐体公差の管理不足を示す兆候です。

低温側

低温側は吸熱量のみを扱うため熱流束が低く、熱界面材料は2.5〜3.0W/m・K、0.3〜0.5mmで十分です。柔軟性が壊れやすい低温プレートや直接接合されたセンサを保護します。12.0W/m・Kをここに使うとコストだけが増え、硬いシートはプレートを浮かせる可能性があります。

ドライバ基板とフレーム

ドライバ基板とそのコンデンサは数W、低加圧の条件であり、1.5〜2.5W/m・K、0.5〜1.0mmが適切です。同じシートを端面シールに流用すれば、熱伝導ではなく絶縁を目的とする部位も一括して管理できます。

実使用を反映した評価計画

熱抵抗はASTM D5470に基づき、30psiのみではなく10、20、30psiの三水準で測定します。ペルチェスタックがカタログ値の圧力に達することは稀です。さらに、スタックを組み立てた状態で5,000回の電源サイクル後、85℃／85%RHの湿熱1,000時間後に同じ測定を行います。結露はサンプルではなく製品内部で起きるためです。絶縁抵抗は濡れた状態で500V、絶縁耐圧は打ち抜き最薄部で確認し、圧縮永久歪みはASTM D395 B法の70℃で評価します。車載品の125℃より、高温側の実態を正確に表すからです。光学部品と筐体を共にする機種では、オイルブリードとアウトガスも熱界面材料の評価項目に加えます。

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。
• 加圧は追従性のあるプレートかスプリングフレームで行い、セラミック端面に直接荷重をかけません。集中した20psiより分散した10psiが有効です。
• セパレートフィルムは実装直前まで残し、一度触れたシートは再配置しません。
• 分解後のシリコーン熱伝導シートは再利用しません。圧縮永久歪みは回復せず、数K単位で悪化します。
• 10〜30℃、UVと粉塵を避けて保管します。保管期限は24か月、開封後は短くなります。

まとめ

ペルチェ冷却の限界は素子が維持できる温度差で決まり、ペルチェ素子の放熱設計とは、その温度差を界面で無駄に消費しない設計にほかなりません。ヒートシンクは吸熱量に投入電力を加えて選び、シートは実測ギャップと実加圧から選び、熱伝導率だけで決める前にケルビン単位の損失を確認してください。適切に選定されたシリコーン熱伝導シートは一層で二つの役割を果たします。高温側セラミックを定格能力が保てる温度に保ち、製品寿命の中で基板を割り得る機械的ミスマッチを吸収することです。

本稿で用いた熱界面材料の全パラメータ、厚さ範囲、打ち抜き対応は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。ペルチェスタック寸法に合わせたギャップ評価用サンプルもご用意できます。