■なぜ熱対策で薄膜化が重要なのか
熱は材料の中を通る。
同じ材料であれば、一般に厚みが増えるほど熱が通る距離は長くなる。
つまりTIMや絶縁材では、
必要な機能を維持しながら薄くできれば、
熱抵抗を小さくできる可能性がある。
例えば、
半導体
↓
TIM
↓
冷却プレート
という構造で、TIMが必要以上に厚い。
すると熱は長い距離を通る。
一方、必要な接触性を維持したまま薄くできれば、熱経路を短くできる。
つまり薄膜化は、熱抵抗を下げる基本的な手段の一つである。
TIMには、段差吸収や表面追従の役割もある。
薄すぎると、
凹凸を埋められ■ただし薄ければ薄いほど良いわけではない>
ない。
反りを吸収できない。
一部が浮く。
という問題が起こる。
つまり、
薄くしたい。
しかし接触させたい。
という矛盾がある。
重要なのは最薄を目指すことではない。
必要な接触を維持できる範囲で、最適な厚みにすることである。
■絶縁フィルムも薄くしたい
パワー半導体や高電圧機器では、絶縁フィルムが必要になる。
厚くすれば絶縁には有利になる。
しかし熱には不利になりやすい。
そこで、
必要な耐電圧を確保しつつ、
できるだけ薄いフィルムを使う。
という考え方が出てくる。
つまり絶縁部材では、熱性能と電気安全性の間で厚みを最適化する必要がある。
■薄膜化すると絶縁の安全余裕が減る
厚い絶縁フィルムなら問題にならなかった小さなバリ。
小さな異物。
微小な傷。
これらが、薄膜では大きなリスクになることがある。
つまり薄くするほど、
材料そのものの性能だけではなく、
加工品質。
異物管理。
端面品質。が重要になる。
薄膜化は、材料性能への要求よりも、工程品質への要求を高めることがある。
■スマートデバイスでは数十μmが設計余裕になる
スマートフォンやウェアラブルでは、製品厚みが非常に限られている。
TIM。
グラファイト。
絶縁材。
粘着材。
保護フィルム。
各層が数十μmずつ厚くなると、積み重なって大きな厚みになる。
例えば一層50μmでも、4層あれば200μmになる。
薄型製品では、この200μmが大きい。
つまり、一枚の薄膜化が、製品全体の設計自由度につながる。
■EVでは大面積だから薄膜化の重量効果も大きい
小さな部材を10μm薄くしても、重量差は小さい。
しかし大面積の絶縁フィルムや金属箔では違う。
数百mm。
1m近いサイズ。
大量に使う。
この場合、わずかな厚み差でも総重量へ影響する。
EVでは重量が航続距離や電費に関係する。
つまり薄膜化は、熱だけでなく軽量化にもつながる。
■ロボットでは重量が連鎖する
ロボットでは、一枚の部材が重くなるだけで終わらない。
腕が重くなる。
必要なモーターが大きくなる。
消費電力が増える。
バッテリーが大きくなる。
さらに重量が増える。
という連鎖が起こる。
そのためロボット向け機能部材では、
薄く。
軽く。
必要な性能を持つ。
ことが重要になる。
つまり薄膜加工は、熱性能と機体全体の重量設計をつなぐ技術でもある。
■グラファイトは薄膜との相性がよい
グラファイトシートは、薄い状態でも面方向へ熱を広げる能力を持つ。
そのため、
スマートフォン。
ウェアラブル。
薄型電子機器。
などと相性がよい。
しかし薄くなるほど、
脆い。
折れやすい。
端部が欠けやすい。という問題が増える。
つまり高性能な薄膜材料ほど、加工・搬送技術が重要になる。
■薄いグラファイトでは端部保護も重要になる
グラファイトの端部がむき出しになると、
欠ける。
粉が出る。
導電部が露出する。
ことがある。
そのため、
絶縁フィルムで覆う。
保護フィルムをラミネートする。
端部だけ処理する。
といった方法が考えられる。
つまり薄膜加工では、材料単体を加工するだけでなく、
保護構造まで含めて部材化することが重要になる。
■銅箔・アルミ箔も薄膜化が進む
熱拡散。
EMI対策。
導電。
これらに金属箔が使われることがある。
厚い金属板に比べて、
薄い。
軽い。
曲げやすい。
というメリットがある。
一方で薄くなるほど、
バリ。
変形。
しわ。
折れ。が問題になる。
つまり金属箔の薄膜加工では、切断精度だけでなく平面性が重要になる。
■薄い金属箔は加工応力で変形しやすい
打ち抜く。
刃物が入る。
箔が局所的に押される。
その結果、
反る。
波打つ。
端部がめくれる。
ことがある。
寸法は合格していても、平らでなければ貼り合わせが難しくなる。
つまり薄膜金属箔では、二次元寸法だけでは品質を判断できない。
■薄膜フィルムは張力で伸びる
ロール状の薄膜フィルムを搬送する場合、一定の張力をかける。
しかし薄いほど、張力の影響を受けやすい。
少し伸びる。
その状態で加工する。
張力を解放する。
縮む。
すると、加工中と加工後で寸法が変わることがある。
つまり薄膜加工では、張力管理が寸法精度そのものになる。
■張力を下げればよいわけではない
張力を弱くすると、材料は伸びにくい。
しかし弱すぎると、
蛇行する。
シワになる。
送り精度が悪くなる。
という問題が出る。
つまり、
張力が強すぎても駄目。
弱すぎても駄目。
必要なのは、材料を安定搬送できる適正張力である。
■薄膜加工では「搬送」が加工と同じくらい重要になる
厚い板材なら、置けば形状を維持する。
薄膜は違う。
持つだけでたわむ。
搬送すると揺れる。
静電気で付着する。
つまり加工機で切る前後の、
送り。
支持。
吸着。
巻き取り。
が品質へ影響する。
薄膜加工では、材料を安定して動かすこと自体が技術になる。
■支持材を使うことがある
非常に薄いフィルムや箔は、そのままでは加工しにくい。
そこで、
ライナー。
キャリアフィルム。
保護フィルム。
などで支持する。
加工後まで支持材を残すことで、
変形。
破れ。
搬送不良。を防ぐ。
つまり最終製品には残らない材料が、薄膜加工では重要な役割を持つ。
■キャリア設計も薄膜加工の一部になる
キャリアが硬すぎる。
剥離しにくい。
薄すぎる。
搬送が不安定。
表面が合わない。
すると薄膜部材を安定して扱えない。
つまり、
製品材料。
だけではなく、工程材料まで含めて最適化する必要がある。
■ハーフカットとの相性がよい
薄膜粘着材や絶縁フィルムを完全に切り離すと、扱いにくくなる。
そこで製品層だけを切り、ライナーを残す。
こうすれば、
部材を一定位置に保持できる。
搬送しやすい。
自動機で剥離しやすい。
つまりハーフカットは、薄膜部材を量産工程へつなぐ重要な加工方法である。
■薄膜ではハーフカット深さがさらに厳しくなる
上層が50μm。
下のライナーが75μm。
といった構成では、切り込み深さの差が小さい。
深すぎればライナーを傷つける。
浅すぎれば製品が切れない。
つまり薄膜化するほど、刃物深さの管理余裕が小さくなる。
■刃物摩耗の影響も大きくなる
厚い材料では多少の刃物摩耗があっても切れる。
しかし薄膜・微細加工では、刃先状態の変化が、
バリ。
切残し。
糊引き。
に影響する。
つまり薄膜加工ほど、金型・刃物メンテナンスの重要性が高くなる。
■薄い粘着材は扱いやすそうで難しい
薄い両面テープは、
省スペース。
軽量。
というメリットがある。
しかし、
腰がない。
剥離すると丸まる。
静電気で貼り付く。
シワになる。
という問題がある。
つまり薄型粘着材では、粘着性能より先にハンドリングが問題になることもある。
■薄いほど気泡の影響が大きく見える
例えば100μmの薄膜粘着材に50μmの異物が入る。
厚みに対して非常に大きい。
その部分が浮けば、接触状態も大きく変わる。
つまり薄膜化すると、
異物。
気泡。
表面粗さ。
の影響が相対的に大きくなる。
■薄膜ではシワが機能不良になる
フィルムに小さなシワがある。
外観だけの問題に見える。
しかしそのシワが、
TIM下に入る。
絶縁部に入る。
シール部に入る。
と、
接触不良。
絶縁距離変化。
防水不良。
につながる可能性がある。
つまり、薄膜のシワは外観ではなく機能品質である。
■貼り合わせ時のシワ対策が重要になる
薄いフィルムをラミネートする。
上下材料の張力が違う。
ローラー圧力が偏る。
速度が合わない。
するとシワが入る。
一度シワが入った薄膜は、後から完全に直すのが難しいことがある。
そのため薄膜ラミネートでは、シワを直すより、シワを発生させない工程設計が重要になる。
■空気抜きも難しくなる
薄い大面積フィルムを貼る。
気泡が入る。
薄いため、気泡部分だけ局所的に膨らむ。
そこで、
貼付方向。
ローラー。
スリット。
開口。
などを工夫する。
つまり薄膜加工では、貼付時の空気の逃げ道まで考える必要がある。
■薄膜化すると反りも起こりやすくなる
異種材料を積層する。
上層と下層で熱膨張率が違う。
あるいはラミネート時の張力が違う。
薄い積層体は剛性が低いため、わずかな応力でも大きく反る。
つまり薄膜化すると、
熱膨張差。
残留応力。
の影響が表面化しやすい。
■片面粘着だけでも反ることがある
薄いフィルムの片面に粘着層を追加する。
上下構成が非対称になる。
粘着材とフィルムで収縮挙動が違う。
すると反りが出る場合がある。
つまり薄膜部材では、数十μmの追加層が全体形状を変えることがある。
■薄膜積層では厚み公差が重要になる
フィルム50μm。
粘着材25μm。
グラファイト40μm。
合計115μm。
しかし各層に公差がある。
量産では最終厚みもばらつく。
この厚み差が、
組立クリアランス。
圧縮率。
接触熱抵抗。
へ影響する可能性がある。
つまり薄膜加工では、一層ごとの小さな公差が最終機能へ効いてくる。
■前編のまとめ：薄くすると、熱以外のすべてが変わる
薄くすれば、熱抵抗を下げやすい。
軽くなる。小さくなる。内部スペースも増える。
しかし、薄くした瞬間に別の問題が始まる。
TIMを薄くすれば、段差や反りを吸収できなくなる。
絶縁フィルムを薄くすれば、小さなバリや異物が致命的になる。
グラファイトは欠け、金属箔は波打ち、フィルムは張力で伸びる。
薄い粘着材は腰がなく、剥がせば丸まる。
さらに、薄膜では搬送そのものが技術になる。
持てばたわむ。運べば揺れる。静電気で貼り付く。
だからライナーやキャリアという、製品に残らない材料が重要になる。
そしてシワは外観ではなく機能不良になる。
反りは、片面に粘着層を足すだけでも起きる。
厚み公差は、一層ごとは小さくても最終機能へ効いてくる。
つまり、
薄膜化は寸法を減らす作業ではない。
工程品質への要求を上げる変更である。
では、一枚ではなく積層構造全体で見たとき、
薄膜化はどう設計すべきなのか。
後編では、そこから考えていく。
コラム監修：角本 康司 (オーティス株式会社)
語学留学や商社での企画開発を経て2011年にオーティス株式会社入社。経営企画部を中心に製造・技術部門も兼任し、2018年より代表取締役として事業成長と組織強化に努めている。
※本記事は教育・啓発を目的とした一般的な技術解説であり、特定企業・製品・技術を示すものではありません
