絶縁が必要な場合のグリス選定｜熱伝導と絶縁の両立を完全図解

「TO-247パッケージのMOSFETを設計に組み込んだら、先輩から"これ、放熱タブにドレイン電位が出てるよ。絶縁しないとヒートシンクが帯電する"と指摘された。絶縁って、どうやるの？」

こんな経験、ありませんか？

パワー半導体の多くは、放熱タブ（金属面）に高電圧の電位が出ています。例えばTO-247パッケージのMOSFETならドレイン電位、IGBTならコレクタ電位。これをそのままヒートシンクに付けると、ヒートシンク全体が高電圧になって感電・ショートのリスクが発生します。

かといって、間に絶縁物を挟むと熱が伝わりにくくなる——この「熱伝導と絶縁のトレードオフ」こそが、パワエレ熱設計の最大の難題です。

結論を先に言います。絶縁が必要な場合は「耐電圧・熱抵抗・コスト」の3軸でTIMを選び、ネジ部の絶縁も同時に確保するのが鉄則です。この記事では、それぞれの選定基準と組み立ての注意点を実務目線で解説します。

なぜ絶縁が必要なのか｜放熱タブに電位が出る部品

パワー半導体の多くは、内部チップの裏面が直接放熱タブ（メタルパッド）に接続されています。このため、チップの電位がそのまま放熱タブに現れます。

代表的なパッケージと放熱タブの電位

絶縁しないと何が起きるか

絶縁の3つの選択肢｜どれを選ぶか

絶縁が必要な場面では、大きく3つの選択肢があります。

それぞれの特徴

絶縁シートの種類｜マイカ・シリコーン・セラミック・PI

絶縁シートには様々な材料があり、それぞれ得意分野が異なります。代表的な4種類を紹介します。

①マイカ（雲母）シート

天然の鉱物（雲母）を薄く剥がしたシート。古くから使われる定番です。

• 長所：耐電圧が非常に高い、耐熱性が高い（〜500℃）、安価
• 短所：表面が硬く凹凸を埋めにくい→必ずグリスと併用する必要
• 用途：TO-220など個別パッケージ、汎用

②シリコーンゴムシート（熱伝導シート）

シリコーンゴムに熱伝導フィラーを練り込んだシート。柔らかく、グリス不要で使えるのが大きな特徴です。

• 長所：柔軟で凹凸に追従、グリス不要、量産で扱いやすい、絶縁とTIMが一体
• 短所：耐電圧はマイカより劣る、シリコーン揮発物（LMW）に注意
• 用途：量産品、汎用パワエレ機器

③セラミック（窒化アルミ・窒化ホウ素）シート

窒化アルミ（AlN）や窒化ホウ素（BN）のセラミック製シート。最も熱伝導率が高い絶縁材料です。

• 長所：熱伝導率がずば抜けて高い（170 W/(m·K)以上）、高耐熱
• 短所：硬くて割れやすい、必ずグリスと併用必須、高価
• 用途：大電流パワーモジュール、車載インバータ、高信頼性用途

④ポリイミド（PI）シート

カプトン®などで知られるポリイミド樹脂のフィルム。極薄で耐電圧が高い特徴があります。

• 長所：非常に薄い（25〜100μm）、耐熱性高、耐電圧高
• 短所：熱伝導率は低い（0.3 W/(m·K)程度）、必ずグリス併用
• 用途：低発熱・小型機器、電圧重視の絶縁

比較表

絶縁グリスとは｜「グリスだけ」で絶縁できるのか

熱伝導グリスにも絶縁性を持つタイプがあります。これは「絶縁シートを省略してグリスだけで絶縁を取りたい」というニーズに応えるものです。

絶縁グリスのフィラー

絶縁グリスは、フィラーに絶縁性のあるセラミック粒子（酸化アルミ、窒化ホウ素など）を使います。銀粒子・銅粒子は導電性なので、絶縁グリスには使えません。

グリスだけで絶縁を取るリスク

正しい使い方：シートとグリスの併用

絶縁ワッシャを忘れるな｜ネジ部のショート対策

ここが意外な落とし穴です。部品とヒートシンクの間に絶縁シートを入れても、ネジ穴部分は導通してしまいます。

ネジ経由でショートする経路

絶縁シートを挟んでも、ネジを介して部品タブとヒートシンクが電気的につながるとすべてが台無しです。これを防ぐのが絶縁ワッシャと絶縁ブッシュです。

絶縁ワッシャと絶縁ブッシュの役割

正しいネジ部の組み立て順序

耐電圧の決め方｜過剰仕様にしないために

絶縁仕様で過剰スペックになると、コストとサイズが無駄に膨らみます。逆に不足すれば絶縁破壊で発火事故になります。適切な耐電圧の決め方を知りましょう。

動作電圧 vs 耐電圧

例えば動作電圧が400Vなら、必要耐電圧は400×2+1000=1800V以上。これはIEC60950などの安全規格をベースにした目安です。実際は適用規格によって計算式が異なるため、製品が準拠する規格（IEC、UL、JIS）を確認してください。

絶縁の階層（基礎絶縁・付加絶縁・強化絶縁）

絶縁設計でやりがちな失敗3選

失敗①：絶縁シートだけ入れて絶縁ワッシャを忘れる

最も多い失敗です。シートで絶縁したつもりでも、ネジが部品タブとヒートシンクを電気的につないでしまいます。「絶縁シート＋絶縁ワッシャ＋絶縁ブッシュ」は3点セットで覚えてください。

失敗②：絶縁グリス単独で電位を分離する

「絶縁グリスがあるから絶縁シート不要」と判断してはいけません。グリスは厚みが安定せず、金属同士の接触で絶縁ゼロになる可能性があります。絶縁の責任は固体（シート）に持たせるのが鉄則です。

失敗③：シート単独で薄くしすぎて絶縁破壊

「熱抵抗を下げたい」という理由で、より薄いシートに変更してしまうケース。耐電圧は厚みに比例するため、薄くすると耐電圧が下がります。動作電圧と必要耐電圧を必ず確認してから変更してください。

まとめ｜絶縁は「シート＋グリス＋ワッシャ」の3点セット

熱伝導と絶縁は、トレードオフでありながら両立しなければならない要件です。シート・グリス・ワッシャを正しく組み合わせて、安全かつ冷える設計を実現してください。次回以降の記事では、サーマルパッドや相変化材料（PCM）、より具体的な製品選定について取り上げます。