■積層化とは何か
積層化とは、異なる材料や同種の材料を複数の層として重ね、一つの部材にすることである。
熱対策分野では、例えば次のような積層構成が考えられる。
● グラファイト＋絶縁フィルム＋粘着材
● 銅箔＋熱伝導性粘着材
● アルミ箔＋絶縁材＋保護フィルム
● TIM＋キャリアフィルム＋剥離フィルム
● EMI材＋絶縁材＋粘着材
● 放熱材＋防水シール材
● セラミックシート＋接着材＋金属箔
それぞれの層が異なる役割を持つ。
つまり積層部材とは、複数の材料を重ねたものではなく、複数の機能を一つにまとめたものである。
■なぜ一つの材料だけでは足りないのか
熱をよく伝える材料には、電気も通しやすいものが多い。
銅。
アルミ。
グラファイト。
これらは熱拡散には有効だが、電気絶縁が必要な場所では、そのまま使えないことがある。
そこで絶縁フィルムを加える。
しかし絶縁フィルムだけでは固定できないため、粘着材を加える。
さらに部材の破損や粉落ちを防ぐため、保護フィルムを加えることもある。
その結果、
熱拡散層
絶縁層
粘着層
保護層という積層構成になる。
積層化は、製品要求が複雑になるほど避けにくくなる。
■積層化すると機能を統合できる
複数の部材を別々に組み付けると、工程数が増える。
位置合わせも増える。
部品点数も増える。
一方、あらかじめ複数材料を積層し、一つの部品として供給できれば、
● 部品点数削減
● 組立工程削減
● 貼り付け回数削減
● 位置合わせ回数削減
● 作業ミス低減
● 自動化しやすさ向上 につながる可能性がある。
つまり積層化は、>材料の多機能化だけでなく、顧客工程の簡略化にもつながる。
■しかし層が増えるほど熱抵抗も増えやすい
熱が積層部材を厚み方向へ通過する場合、熱はすべての層を順番に通る。
熱伝導層。
粘着層。
絶縁層。
保護層。
それぞれに熱抵抗がある。
特に粘着材や樹脂フィルムは、金属やグラファイトより熱を伝えにくい場合がある。
そのため、高熱伝導材料を使っていても、その上下に熱を伝えにくい層があれば、積層体全体の熱性能は低下する。
つまり、一番高性能な層だけを見ても、積層体全体の性能は分からない。
■積層体の熱抵抗は足し算になる
厚み方向へ熱が流れる積層構造では、各層の熱抵抗が積み重なる。
例えば、
● 放熱シート
● 粘着材
● 絶縁フィルム
● もう一つの粘着材
を通って熱が流れる場合、それぞれの熱抵抗が全体へ加わる。
一層ごとの熱抵抗が小さくても、層数が増えると無視できなくなることがある。
さらに実際には、材料内部の熱抵抗だけではなく、層と層の間に界面熱抵抗が存在する。
そのため積層体全体では、各材料の熱抵抗に加えて、
各界面の熱抵抗
■界面が増えるほど熱は止まりやすくなる
二つの材料を貼り合わせると、その間に界面ができる。
見た目には密着していても、微細に見ると、
● 表面凹凸
● 空気
● 異物
● 粘着ムラ
● 圧力ムラが存在する可能性がある。
その結果、界面で熱が流れにくくなる。
積層数が増えれば、その界面も増える。
つまり積層化では、材料を一層追加することは、
熱を止める可能性のある界面を一つ追加することでもある。
■高熱伝導材料を積層しても、高性能とは限らない
例えば、高熱伝導グラファイトを中心層に使用したとする。
グラファイト単体では高い熱拡散性能を持っていても、
● 厚い粘着層
● 熱を伝えにくい絶縁フィルム
● 気泡を含んだ界面 が加われば、積層体としての熱性能は低下する。
つまり、高熱伝導材料を使っていることと、熱が実際によく流れることは同じではない。
積層体では、最も熱を伝えにくい層や界面が、全体性能を支配することがある。
■積層方向と熱を逃がしたい方向を合わせる
積層部材を設計するときは、熱をどの方向へ移動させたいのかを明確にする必要がある。
厚み方向へ冷却部材へ伝えたいのか。
面方向へ広げたいのか。
特定の場所へ熱を誘導したいのか。
例えば、グラファイトは面方向への熱拡散に優れる一方、厚み方向の熱伝導は同じではない場合がある。
そのため、層の配置や材料方向を間違えると、期待した熱経路を作れない。
つまり積層設計では、何を重ねるかだけでなく、どの向きで重ねるかが重要になる。
■粘着層は固定機能と熱性能の間にある
積層部材では、粘着材が重要な役割を持つ。
粘着材がなければ、各層を固定できない。
しかし粘着材は、熱経路の中では熱抵抗になることがある。
粘着層を厚くすれば、
● 表面凹凸へ追従しやすい
● 接着しやすい
● 段差を吸収しやすい
一方で、厚み方向の熱抵抗は増えやすい。
薄くすれば熱には有利だが、
● 接着力不足
● 浮き
● 剥離
● 追従不足 が起きる可能性がある。
つまり粘着層では、接着のために厚みが必要と、放熱のために薄くしたいが衝突する。
■絶縁層も熱抵抗になる
熱対策と電気絶縁を両立させるため、積層部材には絶縁フィルムが使われることがある。
絶縁層を厚くすれば、絶縁信頼性を確保しやすい。
しかし厚くなるほど、熱は通りにくくなりやすい。
薄くすると熱には有利だが、
● ピンホール
● バリ貫通
● 絶縁破壊
● 異物の影響
● 加工時の破損 への余裕が小さくなる。
つまり絶縁層でも、熱性能と、電気安全性のバランスが必要になる。
■保護層は必要だが、機能を妨げることもある
グラファイトや脆い材料には、表面保護のためにフィルムを積層することがある。
保護層によって、
● 粉落ち防止
● 破損防止
● 絶縁性付与
● 作業性向上 が期待できる。
一方で、保護層を追加すると、
● 厚みが増える
● 熱抵抗が増える
● 柔軟性が変わる
● 反りが発生する 可能性がある。
つまり保護は必要だが、過剰な保護は本来の熱機能を弱めることがある。
■積層すると材料同士が拘束される
異なる材料を貼り合わせると、それぞれが自由に伸び縮みできなくなる。
例えば、金属箔と樹脂フィルムでは、温度変化に対する膨張量が異なる。
単体であれば、それぞれ自由に膨張できる。
しかし積層すると、お互いに引っ張り合う。
その結果、
● 反り
● カール
● シワ
● 層間応力
● 剥離
● クラック が発生することがある。
つまり積層体では、各材料の物性だけでなく、材料同士の組み合わせが重要になる。
■熱膨張率の違いが剥離を生む
製品が温まると、各材料が膨張する。
冷えると収縮する。
しかし金属、樹脂、セラミック、粘着材では、熱膨張率が異なる。
温度変化を繰り返すと、界面へ繰り返し力が加わる。
その結果、
● 端部浮き
● 層間剥離
● 粘着力低下
● クラック
● 接触熱抵抗増加 が起きることがある。
つまり初期状態で密着していても、長期間使用後も密着しているとは限らない。
■非対称な積層は反りやすい
積層構成が表裏で異なる場合、温度や湿度の変化によって反りが発生しやすい。
例えば、片面だけに金属箔を貼る。
片面だけに厚い粘着材を設ける。
片側だけ異なる保護フィルムを使う。
このような非対称構成では、各層の収縮や膨張が均等にならない。
その結果、積層体全体が曲がる。
反りが発生すると、
● 搬送不良
● 吸着不良
● 貼り付け不良
● 接触面積低下
● 端部浮き につながる。
つまり積層設計では、機能配置だけでなく、構造のバランスも重要になる。
■層間の異物が性能を壊す
積層工程で異物が入り込むと、その異物は製品内部へ閉じ込められる。
異物が界面に入ると、
● 局所的な浮き
● 空気層
● 圧力集中
● 絶縁不良
● 剥離起点
● 外観不良 になる可能性がある。
導電性異物であれば、ショートやノイズの原因にもなり得る。
積層後は異物を取り除くことが難しい。
そのため、積層前の清浄度と、積層工程中の異物管理が重要になる。
■貼り合わせズレは層ごとに累積する
二層の貼り合わせで発生した小さなズレに、さらに別の層を貼る。
すると、各工程のズレが積み重なる可能性がある。
例えば、
● 放熱層は正しい位置
● 絶縁層は少し右へズレる
● 粘着層は少し上へズレる
● 外形加工もわずかにズレる ということが起きる。
その結果、
● 導電材が露出する
● 熱源を十分に覆えない
● 粘着面積が不足する
● 絶縁距離が不足する
● 組付け基準が合わない可能性がある。
つまり積層部材では、一工程ごとの精度だけでなく、
完成品としての累積精度を見る必要がある。
■厚みばらつきも積み重なる
各層には厚み公差がある。
基材。
粘着材。
絶縁フィルム。
保護材。
それぞれが公差内でも、積層すると全体厚みのばらつきが大きくなることがある。
全体厚みが変わると、
● 接触圧力
● 圧縮率
● 熱抵抗
● 組立高さ
● 部品間隙間 が変わる。
つまり積層体では、各層が規格内であることだけでなく、
積層後の総厚みが安定しているかを管理する必要がある。
■プレス条件やラミネート条件で結果が変わる
積層工程では、圧力、温度、速度、時間が重要になる。
圧力が不足すると、
● 気泡
● 密着不足
● 局所浮き が残る。
圧力が高すぎると、
● 粘着材のはみ出し
● 材料変形
● 厚み低下
● 脆い材料の破損 が起きる可能性がある。
温度が高すぎれば材料が軟化し、低すぎれば十分に密着しないことがある。
つまり積層品質は、材料の組み合わせだけでなく、工程条件によって決まる。
■ロール・ツー・ロール積層では張力も重要になる
リール状の薄膜材料を連続的に積層する場合、各材料へ張力がかかる。
材料ごとに、
● 伸びやすさ
● 剛性
● 厚み
● 表面摩擦
● 巻き癖 が異なる。
張力差が大きいと、
● シワ
● 蛇行
● 位置ズレ
● 巻きずれ
● 積層後のカールが発生する。
そのため連続積層では、貼る技術だけでなく、
各材料を同じ状態で運ぶ技術が必要になる。
■積層後の加工でも層ズレが起きる
積層した材料を打ち抜くと、各層に異なる力が加わる。
硬い金属箔。
柔らかい粘着材。
伸びやすいフィルム。
脆いグラファイト。
これらを一度に加工すると、
● 層間ズレ
● 粘着材の糸引き
● 端面剥離
● バリ
● 粉落ち
● 材料の押し出し が発生する可能性がある。
つまり積層部材の加工では、一番加工しやすい材料ではなく、
一番加工しにくい層に合わせた条件設計が必要になることがある。
■多層化すればするほど検査も難しくなる
積層部材の内部状態は、外から見えにくい。
外観上は問題がなくても、
● 内部気泡
● 層間異物
● 部分的な密着不足
● 内部の位置ズレ
● 層間剥離 が存在することがある。
層数が増えるほど、どの界面に問題があるのか特定しにくくなる。
つまり積層化では、作る工程と同時に、どのように検査するかを考える必要がある。
■積層前に各材料の役割を明確にする
積層部材を設計するときは、各層が本当に必要かを確認する必要がある。
この層は何のためにあるのか。
熱を伝えるためか。
絶縁するためか。
接着するためか。
保護するためか。
工程で搬送するためか。
役割が不明確な層を増やすと、厚み、熱抵抗、コスト、工程だけが増える。
つまり積層設計では、積めるだけ積むのではなく、必要な機能だけを積むことが重要になる。
■工程用の層と製品機能の層は分けて考える
積層部材には、完成品に残る機能層だけでなく、加工や搬送のための補助層が使われることがある。
例えば、
● キャリアフィルム
● 保護フィルム
● 剥離フィルム
● セパレーター
● 仮固定テープ などである。
これらは顧客工程で剥がされることもある。
しかし剥がし方や剥離力が安定しなければ、
● 部材が変形する
● 粘着面へ異物が付く
● 積層部材が一緒に剥がれる
● 自動機が停止することがある。
つまり積層化では、完成品の機能だけでなく、工程中の扱いやすさも設計する必要がある。
■AIサーバーでの積層化
AIサーバーでは、GPU、HBM、電源部品、高速通信部品の周辺に、複数の機能部材が必要になる。
例えば、
● 熱を伝えるTIM
● 熱を広げるグラファイトや金属箔
● 電気を止める絶縁材
● ノイズを抑えるEMI材
● 部材を固定する粘着材 である。
これらを別々に組み付けると、工程と部品点数が増える。
一体化した積層部材にできれば、組立性の向上が期待できる。
しかし一方で、界面が増えることで、熱抵抗や接触不良のリスクも増える。
つまりAIサーバーでは、多機能化と、熱経路の単純化を両立させる必要がある。
■3D半導体での積層化
3D半導体は、チップ、配線層、絶縁層、接着層などを垂直方向へ積層する。
積層によって配線距離を短くし、高速化・高密度化できる。
しかし熱は、複数の層と界面を通って外へ逃げる必要がある。
発熱源が内部にあるほど、熱の出口までに通過する層が増える。
そのため、
● 層間熱抵抗
● 材料の異方性
● 微小空隙
● 界面剥離
● 熱膨張差 が重要になる。
つまり3D半導体では、積層することで性能を上げる
一方で、積層することで熱を逃がしにくくするという根本的な矛盾がある。
■EV・電池での積層化
EVやESSでは、電池セル周辺に、
● 放熱材
● 絶縁材
● 粘着材
● 難燃材
● 断熱材
● 防水材 などが使われる。
これらを多機能部材として積層できれば、組立工程や部品点数を減らせる可能性がある。
しかし電池周辺では、高電圧、振動、温度変化、長期使用に耐える必要がある。
一つの層が剥離すると、熱性能だけでなく、絶縁性や安全性も低下する可能性がある。
つまりEV・電池では、積層部材の信頼性が、複数の安全機能を同時に支える。
■スマートフォン・ウェアラブルでの積層化
スマートフォンやウェアラブル機器では、内部空間が限られている。
そのため、
● 熱拡散
● 絶縁
● 接着
● 保護
● 遮光
● EMI対策
などを薄い積層部材へ統合することが求められる。
しかし薄く多層化するほど、数十μmのズレや小さな気泡の影響が大きくなる。
また、人体に近い製品では、わずかな熱ムラも不快感につながる。
つまり小型機器では、積層精度が、表面温度や使用感にも影響する。
■ロボットでの積層化
ロボットでは、限られた関節や筐体内部に、熱・絶縁・ノイズ・防水などの複数機能が必要になる。
積層部材によって省スペース化できれば、ロボットの小型・軽量化に貢献できる。
一方で、ロボットは曲げ、振動、衝撃、熱サイクルを繰り返す。
そのため積層部材には、静止状態の密着だけでなく、
動き続けても剥がれないことが求められる。
■研究者視点 ： 積層体は、材料の集合ではなく、界面の集合である
積層体を考えるとき、各材料の物性に注目しやすい。
グラファイトの熱伝導率。
絶縁フィルムの耐電圧。
粘着材の接着力。
しかし積層体全体の性能は、それらの単純な合計ではない。
材料と材料の間にある界面が、
● 熱の流れ
● 応力の伝達
● 剥離
● 水分侵入
● 電気絶縁 を左右する。
つまり積層体とは、複数材料の集合であると同時に、複数界面の集合でもある。
■現場視点 ： 積層は、貼れば終わりではない
現場では、材料同士が貼り付いていれば、積層できたように見える。
しかし本当に確認すべきなのは、
● 狙った位置に貼られているか
● 気泡がないか
● 異物がないか
● 厚みが安定しているか
● 端部が浮いていないか
● 熱サイクル後も剥がれないか
● 顧客工程で安定して剥離・貼付できるか である。
つまり積層品質は、貼り付いたかではなく、
必要な機能を維持したまま量産できるかで判断する必要がある。
■積層化で確認すべきこと
積層型の熱対策部材を設計・加工するときは、以下を確認する必要がある。
● 各層の役割は明確か
● 不要な層が入っていないか
● 熱をどの方向へ流すのか
● 各層の熱抵抗はどの程度か
● 界面熱抵抗を考慮しているか
● 粘着層の厚みは適切か
● 絶縁性に十分な余裕があるか
● 熱膨張率の差で反りや剥離が起きないか
● 貼り合わせズレの累積を管理できるか
● 総厚みのばらつきを管理できるか
● 層間に異物や気泡が入らないか
● 積層後も安定して打ち抜けるか
● リール搬送時にシワや蛇行が起きないか
● 顧客の自動工程で扱えるか
● 長期使用後も各機能を維持できるか
つまり積層化では、材料、界面、加工、供給、信頼性を一つの部材として設計する必要がある。
■OTIS視点
積層化は、OTISが価値を提供できる可能性の高い領域である。
OTISは、熱材料そのものを開発する会社ではない。
しかし、
● 異なる薄膜材料を組み合わせる
● 狙った位置関係で貼り合わせる
● 気泡やシワを抑える
● 総厚みを管理する
● 積層後に高精度加工する
● 一部だけ貼る
● 一部だけ粘着を設ける
● 顧客工程に合わせた供給形態にする
といった領域では貢献できる可能性がある。
積層部材の価値は、材料を重ねることではない。
複数の機能を、必要な場所へ、必要な厚みで、量産可能な状態に統合することにある。
■OTISでできること
OTISでは、
● 高精度ラミネート
● 異種材料積層
● 部分ラミネート
● 多層打ち抜き加工
● グラファイトシート加工
● 銅箔・アルミ箔加工
● 絶縁フィルム加工
● 熱伝導性粘着材加工
● EMI材加工
● 保護フィルム加工
● 微細形状加工
● リール・ツー・リール加工
● リール供給
● 自動化工程向け供給形態設計
などを通じて、多機能な熱対策積層部材を量産で使える状態へ近づけることに貢献できる可能性がある。
■OTISの専門外
一方でOTISは、
● 熱材料そのものの配合開発
● 半導体前工程の成膜
● 半導体チップ積層技術
● 完成品全体の熱シミュレーション
● 冷却装置全体の設計
● 顧客製品全体の信頼性保証 を専門とする会社ではない。
しかし、熱・絶縁・粘着・ノイズ・保護などの機能材料を積層し、量産可能な一つの部材へ変える
という領域では、重要な役割を担える可能性がある。
■この技術が重要になる産業
★★★★★ AI半導体・3D半導体
★★★★★ AIサーバー
★★★★★ スマートフォン
★★★★★ ウェアラブル機器
★★★★★ EV・電池
★★★★☆ 医療機器
★★★★☆ ロボット
■まとめ
積層化は機能を増やすが、界面も増やす
積層化によって、一つの部材に、
● 熱伝導
● 熱拡散
● 絶縁
● 粘着
● EMI対策
● 防水
● 保護 などの複数機能を持たせることができる。
また、部品点数や顧客工程を減らせる可能性もある。
しかし積層数が増えると、
● 各層の熱抵抗
● 界面熱抵抗
● 貼り合わせズレ
● 厚みばらつき
● 気泡
● 異物
● 反り
● 剥離 のリスクも増える。
つまり積層化とは、材料を重ねることではない。
機能を重ねながら、熱の流れを止めないことである。
未来の製品では、熱対策だけを行う単機能部材よりも、熱・絶縁・ノイズ・接着などを統合した多機能部材が重要になる。
そのとき必要なのは、単に多くの層を重ねる技術ではない。
必要な層だけを選び、界面を管理し、狙った位置と厚みで、同じ品質を作り続ける技術なのである。
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
