■熱対策材料には、それぞれ違う役割がある
熱対策材料を一括りにすると、本質を見失いやすい。
例えばTIMは、主に界面をつなぐ。
グラファイトは、熱を面方向へ広げる。
銅箔・アルミ箔は、熱を運びながらEMIなど別機能も持たせられる。
絶縁性熱伝導材は、熱を通しながら電気を止める。
断熱材は、逆に熱を通しにくくする。
つまり、
「熱対策材料」
という一つのカテゴリーの中に、
熱を通す材料と、熱を広げる材料と、熱を止める材料が存在する。
重要なのは、材料名ではなく役割で考えることである。
■TIMは「熱を伝える材料」だけではない
TIMの役割は、単純な熱伝導だけではない。
発熱体と冷却部材の表面には、微細な凹凸がある。
TIMは、その凹凸を埋める。
接触面積を増やす。
空気層を減らす。
つまりTIMは、
熱伝導材料であると同時に、界面を成立させる材料
である。
だからTIMの加工では、熱伝導率だけを見ることはできない。
厚み。
柔らかさ。
圧縮性。
粘着性。
形状。
まで考える必要がある。
■TIMは柔らかいからこそ加工が難しい
高追従性TIMは柔らかい。
これは熱的には有利。
しかし加工では難しい。
打ち抜く。
押される。
変形する。
刃物が抜ける。
戻る。
そのため、金型形状どおりに完成しない場合がある。
さらに、
剥離。
吸着。
搬送。
でも変形する。
つまりTIM加工では、切る精度だけでなく、加工前後の変形を読む技術が必要になる。
■TIMの厚みは非常に重要
厚すぎる。
熱抵抗が増える。
薄すぎる。
段差を吸収できない。
一部が浮く。
つまりTIMでは、
最も薄い材料
が最適とは限らない。
必要なのは、相手部材の反り・段差・圧力まで含めた適正厚みである。
加工会社が材料厚みを決めるわけではないが、実装条件を理解したうえで加工することには意味がある。
■TIM形状が熱性能を変える
TIMが発熱面より小さい。
熱源全体を覆えない。
逆に大きすぎる。
周辺部品へ干渉する。
あるいは不要な場所へ熱を流す。
つまりTIMの外形は単なる寸法ではない。
熱がどの範囲から入るかを決める形状である。
■グラファイトは「熱を横に逃がす」材料
グラファイトシートは、面方向へ熱を広げる用途で使われることがある。
例えば、
半導体の熱を、
筐体。
フレーム。
広い金属面。
へ逃がす。
このときグラファイトは、熱の配線のような役割を持つ。
そのため加工では、
どこから熱を取るか。
どこへ熱を運ぶか。
どこを避けるか。
が重要になる。
つまりグラファイト加工は、熱の経路を形にする加工とも言える。
■グラファイトは高性能だが扱いにくい
グラファイトは材料によって、
脆い。
欠けやすい。
粉が出る。
導電性がある。
といった特徴を持つ。
そのため、
保護フィルム。
絶縁フィルム。
粘着材。
と組み合わせて使うことがある。
つまり実際の製品では、
グラファイト単体ではなく、
グラファイトを中心とした複合部材
として加工する価値が出る。
■グラファイト端部も設計対象になる
端部が露出する。
導電部が近接する。
粉が出る。
こうした問題を避けるために、
端部をフィルムで覆う。
外周だけ絶縁する。
必要部分だけ露出させる。
という加工を行うことがある。
つまり、
全面を同じ状態にするのではなく、
面内で役割を作り分ける加工
が重要になる。
■銅箔は熱と電気の両方に関係する
銅は熱伝導性が高い。
そのため熱拡散や熱輸送に使える。
一方で、電気も通す。
EMIシールドとして使うこともできる。
つまり銅箔は、
熱。
電気。
EMI。
の複数機能に関係する。
これは大きなメリットである一方、
絶縁設計を誤ると短絡やノイズへつながる。
つまり銅箔加工では、
熱だけでなく電気的な配置まで意識する必要がある。
■薄い銅箔ほど加工品質が重要になる
薄い銅箔は軽く、柔軟性がある。
しかし、
バリ。
端面めくれ。
反り。
折れ。
が起こりやすくなる。
特に絶縁フィルムと組み合わせる場合、
小さなバリが絶縁材へダメージを与える可能性がある。
つまり金属箔加工では、
外形精度＋端面品質
が重要になる。
■アルミ箔は軽量化と相性がよい
アルミは銅より軽い。
そのため重量制約が厳しい用途では有力な選択肢になる。
一方で、
必要な熱性能。
導電性。
表面処理。
接着性。
などを考える必要がある。
つまり銅かアルミかは、単純な熱伝導率比較では決まらない。
熱・重量・電気・コストのバランス
で選ぶ必要がある。
■絶縁性熱伝導材は「熱を通し、電気を止める」
パワー半導体。
インバーター。
電源。
バッテリー周辺。
では、
熱を逃がしたい。
しかし電気は流したくない。
という要求がある。
そこで絶縁性熱伝導シートなどが使われる。
この場合、
厚み。
絶縁耐力。
熱抵抗。
圧縮性。
が同時に重要になる。
つまり熱対策材料加工では、一つの性能だけを最大化できない。
■絶縁材の加工品質が安全性につながる
絶縁材そのものに高い耐電圧性能があっても、
加工時に傷が入る。
金属バリが刺さる。
端部が欠ける。
位置がずれる。
と、製品では性能が落ちる。
つまり、材料の絶縁性能と、加工後の絶縁性能は別物と考える必要がある。
■断熱材も熱対策材料である
熱対策というと、熱を逃がすことだけを考えやすい。
しかし、
バッテリーの熱暴走。
人体への熱移動。
隣接部品への熱干渉。
では、熱を止めることも重要になる。
つまり断熱材も熱対策材料の一つである。
熱伝導材と断熱材を適切に使い分けることで、熱を流す場所と、流さない場所を設計することができる。
■一つの製品の中で放熱と断熱を使い分ける
例えばバッテリー。
通常運転時には、セルから冷却プレートへ熱を逃がしたい。
しかし異常発熱時には、隣のセルへ熱を広げたくない。
つまり、
セル下側は放熱。
セル間は断熱。
という構造が考えられる。
このように熱対策では、一種類の材料で解決するのではなく、
複数の材料を場所ごとに使い分けることが重要になる。
■粘着材は「固定するだけ」の材料ではない
熱対策材料を製品へ固定するため、粘着材を使うことがある。
しかし粘着材を入れると、
厚みが増える。
熱抵抗が増える。
接触状態が変わる。
ことがある。
つまり粘着材は、
固定にはプラス。
熱にはマイナス。
になる場合がある。
だから、
全面粘着。
部分粘着。
仮固定。
などを使い分ける。
■粘着材の配置が熱経路を変える
例えばグラファイトの全面に粘着材を貼る。
固定はしやすい。
しかし熱源との間に粘着層が入る。
一方で、外周だけ粘着し、中央は直接接触させる構造なら、熱抵抗を減らせる可能性がある。
つまり、どこに粘着材を置くかも熱設計になる。
■シール材も熱と無関係ではない
屋外機器。
バッテリー。
ロボット。
電源。
では、防水・防塵のためにシール材を使う。
しかし密閉すれば熱がこもる。
またシール材が熱経路へ入れば、熱が流れにくくなる場合もある。
つまり、
熱。
防水。
シール。
も同時に考える必要がある。
■発泡体は段差吸収や圧力調整にも使える
発泡体は、
クッション。
シール。
スペーサー。
圧力調整。
として使われる。
熱対策部材の近くでは、
TIMへ適切な圧力を与える。
振動を吸収する。
隙間を埋める。
といった役割を持つ場合がある。
つまり熱対策は、TIMやグラファイトだけで完結しない。
周辺の機械部材も熱界面を支えている。
■前編のまとめ：「熱対策材料」の中には、正反対の材料が入っている
熱対策材料を一括りにすると、本質を見失う。
TIMは界面をつなぐ。
グラファイトは熱を横へ広げる。
銅箔・アルミ箔は熱を運びながらEMIにも関わる。
絶縁性熱伝導材は、熱を通しながら電気を止める。
断熱材は、熱を通さない。
つまり一つのカテゴリーの中に、
熱を通す材料と、広げる材料と、止める材料が同居している。
だからバッテリーでは、
セル下は放熱、セル間は断熱という使い分けが成立する。
そして、どの材料も加工で性質が変わる。
柔らかいTIMは刃の前で逃げ、抜けば戻る。
グラファイトは欠け、粉が出て、端部が導電する。
薄い銅箔はバリが絶縁材を傷つける。
絶縁材は、材料の耐電圧と加工後の耐電圧が別物になる。
粘着材は固定にはプラスだが、熱にはマイナスになる。
つまり、
材料性能と、加工後の部品性能は同じではない。
そして熱対策は、TIMやグラファイトだけで完結しない。
粘着材もシール材も発泡体も、熱界面を支えている。
後編では、それらをどう組み合わせ、
どう量産部品へ変えるかを見ていく。
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
