■全面積層だけでは無駄が多くなる
例えば、100mm角の部材がある。
その中で熱源は中央の20mm角だけ。
しかし全面に高性能グラファイトを貼る。
熱的には成立するかもしれない。
しかし、
材料費が高い。
重量が増える。
不要な場所まで導電性を持つ。
という問題が出る。
そこで、
中央から筐体へ向かう部分だけグラファイトを配置する。
必要場所だけ高性能材料を使う。
つまり異形状積層は、機能材料を必要な場所へ限定するための技術もある。
■高価な材料ほど部分配置の価値が高い
高性能TIM。
高熱伝導グラファイト。
特殊絶縁材。
こうした材料は高価な場合がある。
全面使用すれば、材料コストが上がる。
しかし本当に高性能が必要なのは一部分かもしれない。
例えば、
ホットスポット直上だけ高性能TIM。
その他は一般材料。
という構成も考えられる。
つまり異形状積層によって、高性能材料の使用量を抑えながら必要性能を出すことができる可能性がある。
■異形状積層は「機能の地図」を作る
一つの部材を上から見る。
場所によって、
熱を通す。
熱を止める。
絶縁する。
固定する。
EMIを抑える。
という役割が違う。
つまり一枚の部材の中に、複数の機能領域が存在する。
異形状積層とは、その機能領域を面内へ配置する加工と考えることができる。
■熱を逃がす方向だけグラファイトを配置する
グラファイトを全面に敷く必要がない場合がある。
例えば、
ICから筐体左側へ熱を逃がしたい。
右側にはバッテリーがあるため熱を流したくない。
この場合、グラファイトを左方向へだけ伸ばす。
つまり形状によって、
熱を広げる方向を作る。
異形状積層では、材料選定だけでなく形状そのものが熱設計になる。
■熱を流したくない方向を避けることも重要
熱対策では、
どこへ熱を逃がすか
ばかり考えやすい。
しかし、
どこへ熱を流してはいけないか
も重要である。
例えば、
バッテリー。
温度センサー。
人体接触面。
光学部品。
などである。
そこで熱拡散材を切り欠く。
スリットを入れる。
別材料で遮熱する。
つまり異形状積層では、熱の経路と熱の禁止領域の両方を作ることができる。
■TIMも異形状になる
TIMは発熱体と冷却部材の間へ入る。
しかし周辺には、
コンデンサ。
ネジ。
配線。
段差。
が存在する。
そのため、
完全な四角形ではなく、
コの字。
L字。
穴付き。
切り欠き付き。
になる場合がある。
つまりTIM加工でも異形状は重要である。
■TIMの不要部分を減らす意味
TIMを必要以上に広くすると、
材料コストが増える。
周辺部品へ干渉する。
不要な熱経路ができる。
場合がある。
そのため発熱面や接触面に合わせた形状へする。
つまり、TIM形状も熱経路設計の一部である。
■絶縁材は「囲う」形状になることがある
絶縁フィルムは、
高電圧部を囲う。
金属端部を覆う。
電極部だけ避ける。
という形状になることがある。
例えば、
中央は熱接触のため開口。
その周囲だけ絶縁フィルム。
という構造。
つまり絶縁材では、残す場所と抜く場所の両方に意味がある。
■金属箔も必要場所だけに配置する
銅箔やアルミ箔を全面へ配置すると、
熱拡散。
EMI。
には有効。
しかし、
重量。
コスト。
不要な導電領域。
が増える。
そこで必要部分だけ異形状で配置する。
例えば、
発熱部から筐体まで細長く銅箔。
ノイズ源周辺だけ銅箔。
という設計。
つまり異形状金属箔は、熱と電気の経路を局所的に作る部材になる。
■粘着材も異形状にする
全面粘着。
ではなく、
外周だけ粘着。
端部だけ。
点状。
リング状。
という配置。
これによって、
固定。
空気抜き。
熱抵抗低減。
を両立できる場合がある。
つまり粘着材でも、貼る面積より、貼る位置が重要になる。
■中央非粘着・外周粘着という構造
例えばTIMを固定したい。
しかしTIM直下へ粘着層を入れたくない。
そこで、
中央は非粘着。
外周だけ粘着。
という構造を作る。
こうすれば、
固定。
熱接触。
の両立を狙える。
つまり異形状積層は、相反する要求を場所で分離する技術でもある。
■放熱と断熱を一枚の中で分ける
EVバッテリーを考える。
セル下側は冷却したい。
セル間は熱を広げたくない。
この場合、
下側＝熱伝導材。
側面＝断熱材。
という構造を作る。
つまり異形状積層によって、同じ製品内で放熱と断熱を共存させることができる。
■複数材料の境界が重要になる
材料A。
材料B。
を隣接配置する。
その境界がずれる。
隙間ができる。
重なりすぎる。
すると機能が変わる。
例えば、
絶縁材と金属箔の境界。
断熱材と熱伝導材の境界。
が重要。
つまり異形状積層では、材料同士の境界位置が機能寸法になる。
■境界に隙間を作るか、重ねるか
材料AとBを、
ぴったり合わせる。
少し重ねる。
あえて隙間を作る。
どれが正しいかは用途による。
例えば絶縁なら、少し重ねて余裕を持たせたい場合がある。
熱伝導材同士なら、隙間をなくしたい。
つまり、境界設計そのものが機能設計になる。
■重なり部分は厚くなる
異なる材料を部分的に重ねる。
その重なり部だけ厚くなる。
すると、
段差。
圧力差。
接触不良。
が発生する可能性がある。
つまり異形状積層では、XY方向の位置だけでなく、Z方向の段差も考える必要がある。
■段差をあえて利用することもある
一方で段差を、
スペーサー。
圧力調整。
位置決め。
として利用することもできる。
例えば一部だけ厚みを持たせ、
組立時に一定圧力を作る。
つまり異形状積層では、
厚み分布も機能にできる。
■平面の中に厚み分布を作る
全面同じ厚みではなく、
この場所は0.1mm。
この場所は0.3mm。
という構造。
これは単純なシートでは実現しにくい。
複数の薄膜材料を部分積層することで作る。
つまり異形状積層は、二次元形状だけでなく、薄い三次元構造を作る技術でもある。
■段差吸収材を必要箇所だけ入れる
製品面に局所段差がある。
全面に厚いTIMを使うと熱抵抗が増える。
そこで、
段差部分だけ厚い材料。
その他は薄い材料。
という構成も考えられる。
つまり異形状積層によって、場所ごとに最適厚みを変えることができる可能性がある。
■一部だけ発泡材を配置する
部材全体へ発泡体を入れる必要がない。
圧力を掛けたい位置。
振動を吸収したい位置。
だけに配置する。
これによって、
厚み。
重量。
を抑える。
つまり異形状積層では、周辺機械機能も局所配置できる。
■一部だけシール材を配置する
防水ライン。
開口周辺。
筐体外周。
だけへシール材を配置。
中央部は熱伝導材。
という構成。
つまり、
防水と熱を場所で分ける
ことができる。
■防水ラインは連続性が重要
外周シール材を異形状配置する。
途中で切れる。
位置がずれる。
すると水の侵入経路ができる。
つまり異形状積層では、外形精度だけでなく、機能ラインの連続性を保証する必要がある。
■EMI材も局所配置できる
高周波ノイズが出る部分だけ。
アンテナを避ける。
必要場所だけ金属箔やシールド材を配置する。
これによって、
EMI。
重量。
無線性能。
を両立しやすくする。
つまり異形状積層は、複数機能の干渉を避ける技術でもある。
■スマートデバイスでは異形状積層が多くなる
スマートフォン内部は非常に高密度。
カメラ。
アンテナ。
SoC。
バッテリー。
コネクタ。
が近接している。
そのため、
グラファイトはこの形。
EMI材はここ。
絶縁材はここだけ。
粘着材は外周。
という複雑な積層になる。
つまり高密度製品ほど、異形状積層の価値が高くなる。
■AIサーバー・3D実装でも局所機能配置が重要
GPU周辺。
HBM周辺。
電源部。
光通信部。
では発熱密度が異なる。
全面同じ熱対策ではなく、
ホットスポットに高性能材。
別領域には絶縁。
という構成が必要になることがある。
つまり高密度実装では、材料性能より機能配置の最適化が重要になる。
■EVバッテリーでは面積が大きい
EV向け絶縁材や熱対策部材は、大面積になることがある。
その中で、
ボルト穴。
バスバー部。
冷却部。
セル間。
を避ける必要がある。
つまり大型部材でも異形状になる。
ここでは、微細精度。だけでなく、
大面積での位置精度・寸法安定性が必要になる。
■大面積異形状は材料伸縮の影響を受ける
500mm以上のフィルム。
加工時の張力。
温度。
湿度。
で寸法が変わる。
穴位置が少しずれる。
外形が変わる。
つまり大面積異形状では、材料物性と工程条件を同時に管理する必要がある。
■医療・ウェアラブルでは身体形状へ合わせる
人体は平面ではない。
腕。
胸。
腰。
に沿わせる。
そのため、
スリット。
分割形状。
曲線。
を使う。
さらに、
センサー部だけ開口。
粘着部を周辺だけ。
という設計もある。
つまり異形状積層は、機能だけでなく装着性を作ることにも使える。
■曲面追従のための分割設計
一枚の大きなフィルムは曲面へ貼るとシワが出る。
複数の細い領域へ分ける。
スリットを入れる。
すると曲面へ追従しやすくなる。
つまり加工形状によって、
材料の柔軟性を実質的に高められる場合がある。
■前編のまとめ：全面に重ねるのではなく、機能の地図を作る
100mm角の部材でも、熱源は中央の20mm角だけかもしれない。
それでも全面に高性能グラファイトを貼れば、
材料費が上がり、重量が増え、不要な場所まで導電する。
だから、必要な場所へ、必要な機能だけを置く。
熱を逃がしたい方向だけグラファイトを伸ばす。
バッテリー側へは流さないよう切り欠く。
高電圧部だけ絶縁し、熱接触部は開口する。
中央は非粘着、外周だけ粘着にして、固定と熱接触を両立する。
EVバッテリーなら、セル下は放熱、セル間は断熱。
一枚の部材の中に、複数の機能領域ができる。
つまり異形状積層とは、面内に機能の地図を作る加工である。
そして、それはXY方向だけの話ではない。
材料が重なる部分は厚くなる。
その段差が接触不良を生むこともあれば、
逆にスペーサーや圧力調整として使えることもある。
さらに形状は、材料の性質そのものも変える。
スリットを入れれば、硬いシートも曲面へ追従する。
つまり、
材料を選ぶだけでなく、どこへどう置くかが設計になる。
ただし、この考え方は量産では簡単ではない。
後編では、その難しさと解決策を見ていく。
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
