異種材料加工とは、性質の異なる複数の材料を、貼り合わせ、積層、打ち抜き、部分配置などによって、一つの機能部材へ加工することである。

熱対策分野では、例えば次のような組み合わせがある。

　● グラファイトと絶縁フィルム

　● 銅箔と熱伝導性粘着材

　● アルミ箔と樹脂フィルム

　● 放熱シートと発泡体

　● セラミックシートと金属箔

　● EMI材と絶縁材

　● TIMとキャリアフィルム

　● 防水材と放熱材

異なる材料を組み合わせることで、一つの部材に複数の役割を持たせることができる。

熱対策では、単に熱を逃がせばよいわけではない。

実際の製品では、

　● 熱を伝える

　● 熱を広げる

　● 電気を絶縁する

　● ノイズを抑える

　● 部材を固定する

　● 段差へ追従する

　● 水や粉塵を防ぐ

　● 振動を吸収する　といった複数の要求が同時に存在する。

例えば銅箔は、熱を広げることには向いている。

しかし電気も通す。

そのため、回路周辺で使用するには絶縁材料との組み合わせが必要になることがある。

つまり異種材料加工は、一つの材料の弱点を、別の材料で補う技術である。

異種材料部材では、すべての材料が同じように熱を伝えるわけではない。

ある材料は、発熱源から熱を受け取る。

ある材料は、面方向へ熱を広げる。

ある材料は、冷却部材へ熱を渡す。

ある材料は、熱を遮る。

つまり一つの積層部材の中でも、材料ごとに熱的な役割が異なる。

例えば、

TIMで熱を受け取る

　↓

グラファイトで熱を広げる

　↓

金属筐体へ熱を渡す

という熱経路を作ることができる。

重要なのは、高熱伝導材料を集めることではない。

各材料へ明確な役割を持たせることである。

異種材料加工が難しい理由は、材料ごとに加工時の挙動が異なるからである。

例えば、

　● 金属箔は塑性変形しやすい

　● フィルムは伸びやすい

　● 粘着材は刃物へ付着しやすい

　● グラファイトは欠けやすい

　● セラミックは割れやすい

　● 発泡体は潰れやすい

　● ゲルは変形・流動しやすい　という違いがある。

一つの条件ですべての材料をきれいに切ることは難しい。

つまり異種材料加工では、

最も硬い材料だけでなく、

最も柔らかい材料

最も伸びる材料

最も壊れやすい材料　まで考える必要がある。

熱対策では、硬い熱拡散材料と柔らかいTIMや粘着材を組み合わせることがある。

例えば、

　● 金属箔とゲル

　● グラファイトと発泡体

　● セラミックと粘着材　などである。

硬い材料は形状を維持しやすい。

一方、柔らかい材料は段差へ追従しやすい。

この組み合わせは機能的には有効である。

しかし加工時には、柔らかい材料だけが押しつぶされたり、外側へはみ出したりすることがある。

その結果、

　● 総厚みのばらつき

　● 端面の不均一

　● 粘着材のはみ出し

　● 形状変形

　● 層間ズレ　が起きる。

つまり、異なる硬さを機能として利用する

一方で、加工時の変形差を管理する必要がある。

樹脂フィルムや粘着材は、張力によって伸びることがある。

一方、金属箔やセラミックは、同じようには伸びない。

伸びる材料を引っ張った状態で、伸びにくい材料へ貼り合わせると、加工後に元へ戻ろうとする力が発生する。

その結果、

　● カール

　● 反り

　● シワ

　● 層間応力

　● 位置ズレが生じることがある。

加工直後は平らでも、時間が経つと反る場合もある。

つまり異種材料加工では、

貼り合わせた瞬間だけでなく、

貼り合わせ後に材料がどう動くか　も考える必要がある。

材料は温度が上がると膨張し、温度が下がると収縮する。

しかし、膨張の大きさは材料ごとに異なる。

金属。

樹脂。

セラミック。

粘着材。

それぞれの熱膨張率は違う。

異なる材料を貼り合わせると、温度変化によって各材料が別々の量だけ動こうとする。

しかし互いに接着されているため、自由には動けない。

その結果、界面へ応力が発生する。

これが、

　● 反り

　● 剥離

　● クラック

　● 端部浮き

　● 接触圧力変化　につながる。

つまり異種材料部材では、初期性能だけでなく、温度変化後の状態が重要になる。

異種材料部材の中には、熱をよく伝える層と、あまり伝えない層が混在する。

例えば、高熱伝導の銅箔に、樹脂粘着材を貼り合わせる。

銅箔単体は熱をよく伝える。

しかし熱が厚み方向へ流れる場合、粘着層を必ず通過する。

そのため、粘着層が全体の熱抵抗を左右することがある。

つまり異種材料部材の性能は、最も高性能な材料ではなく、

熱経路上で最も熱を伝えにくい部分に制限されることがある。

熱対策では、熱を伝える材料だけが重要に見える。

しかし、熱を伝えにくい材料が必要な場合もある。

例えば、

　● 人が触れる面への熱を遮る

　● 電池セル間の熱伝播を遅らせる

　● 周辺センサーを熱から守る

　● 筐体の一部だけを高温にしない

　● 熱を別の方向へ誘導する

といった目的で断熱材を使うことがある。

つまり熱設計では、すべての方向へ熱を逃がすのではなく、

逃がしたい方向と止めたい方向を作ることが重要になる。

異種材料加工によって、放熱材と断熱材を必要な場所へ配置すれば、熱の流れを制御できる可能性がある。

電子機器やEVでは、熱を逃がしながら電気を絶縁する必要がある。

しかし熱をよく伝える金属やグラファイトは導電性を持つ。

そこで、

　● 金属箔

　● グラファイト

　● 絶縁フィルム

　● 熱伝導性粘着材　を組み合わせる。

このとき重要なのは、絶縁層の位置と範囲である。

絶縁材が小さすぎると導電材が露出する。

貼り合わせがズレると絶縁距離が不足する。

バリがあると絶縁層を貫通する可能性がある。

つまり熱と絶縁を両立する異種材料部材では、

材料性能だけでなく、位置精度と端面品質が安全性を左右する。

高性能な電子機器では、熱と同時にEMI・EMC対策も必要になる。

導電性の金属箔やグラファイトは、電磁波対策に使える場合がある。

しかし、接地方法や絶縁状態を誤ると、期待したノイズ対策にならない。

また、EMI材を追加することで、熱経路が変わることもある。

そのため、

　● 熱をどこへ逃がすか

　● ノイズをどこへ流すか

　● どこを絶縁するか

　● どこを接地するか

を同時に考える必要がある。

つまり熱とノイズの複合部材では、熱の経路と、電気の経路を分けて設計する必要がある。

屋外機器、車載部品、ウェアラブル機器では、熱対策と防水性の両方が必要になる。

放熱材だけでは水を止められない。

防水材だけでは熱がこもることがある。

そこで、放熱材とシール材、粘着材を組み合わせる。

しかし防水ラインに段差や異物があれば、隙間が発生する。

放熱材の端部がシール材を持ち上げることもある。

つまり熱と防水を両立するには、材料を組み合わせるだけでなく、　

水が侵入しない連続したシール構造を作る必要がある。

異種材料加工では、全面に材料を重ねる必要はない。

必要な場所だけに異なる材料を配置することもできる。

例えば、

　● 発熱部だけにTIMを配置する

　● 高温部分だけにグラファイトを配置する

　● 導電部周辺だけ絶縁材を配置する

　● 外周だけ防水材を配置する

　● 特定部分だけEMI材を配置する　という方法である。

部分配置によって、

　● 厚み低減

　● 材料使用量削減

　● 熱抵抗低減

　● 軽量化

　● コスト低減　につながる可能性がある。

しかし部分配置では、境界部分に段差ができる。

そのため、段差の高さや位置を管理しなければならない。

段差は一般的には問題として扱われる。

しかし、異種材料を部分的に配置することで、意図的に段差を作る場合もある。

例えば、

　● 特定の部品だけへ接触圧力をかける

　● 複数の高さの部品へ同時に接触する

　● 部材間の隙間を埋める

　● 筐体形状へ追従させる　といった設計である。

この場合、段差は不良ではなく機能になる。

ただし、狙った高さと位置で作らなければ、接触不良や過圧縮が起きる。

つまり異種材料加工では、段差をなくす技術だけでなく、必要な段差を正確に作る技術も重要になる。

複数材料を積層した後、外形や穴を打ち抜くことがある。

しかし材料ごとに適切な加工条件は異なる。

金属箔を切る条件。

樹脂フィルムを切る条件。

粘着材を切る条件。

発泡体を切る条件。

これらを一度の加工で成立させる必要がある。

条件が合わなければ、

　● 金属バリ

　● フィルムの伸び

　● 粘着材の糸引き

　● 発泡体の潰れ

　● グラファイトの欠け

　● 層間剥離　が起きる。

つまり異種材料の一体加工では、すべての層が切れればよいのではなく、

すべての層が機能を失わずに切れることが必要になる。

異種材料部材では、すべての層を切らず、一部の層だけを切るハーフカットが使われることがある。

例えば、製品部材だけを切り、剥離フィルムは残す。

これによって、部材をリール状に供給し、自動貼付しやすくなる。

しかしハーフカットでは、切り込む深さの管理が重要である。

浅すぎると、製品を剥がすときにつながったままになる。

深すぎると、キャリアや剥離フィルムまで傷つける。

異種材料では各層の厚みも変動するため、安定したハーフカットが難しくなる。

つまり、数十μm単位の刃物管理が顧客工程の安定性を左右する。

異種材料加工では、粘着材が問題になることが多い。

粘着材は柔らかく、圧力や温度によって動く。

加工時に粘着材が端部からはみ出すと、

　● 部品同士が貼り付く

　● 設備へ付着する

　● 異物を引き寄せる

　● 外形寸法が不安定になる

　● 自動供給が止まる　可能性がある。

また、打ち抜き時に粘着材が糸状に伸びることもある。

つまり粘着材は、部材を固定する重要な機能を持つ一方で、

加工工程を不安定にする要因にもなり得る。

グラファイトやセラミック系材料は、熱特性に優れる一方で、脆いことがある。

そのまま加工すると、

　● 欠け

　● クラック

　● 粉落ち

　● 層間剥離　が発生する可能性がある。

そこで、保護フィルムや粘着材を積層してから加工することがある。

保護層によって加工性は向上する。

しかし、保護層が熱抵抗や厚みに影響する。

つまり脆い熱材料では、材料を守ることと、熱性能を維持することのバランスが必要になる。

すべての材料が簡単に接着できるとは限らない。

材料表面の性質によって、粘着材との相性は異なる。

表面エネルギーが低い材料。

粉が出やすい材料。

表面が粗い材料。

柔らかく変形する材料。

これらは接着が安定しにくいことがある。

初期状態では貼り付いていても、

　● 高温

　● 高湿度

　● 振動

　● 薬品

　● 熱サイクル　によって剥がれる場合がある。

つまり異種材料加工では、貼れるかどうかではなく、

使用環境で貼り続けられるかを確認する必要がある。

材料同士の接着性を高めるために、表面処理が使われることがある。

例えば、

　● 洗浄

　● プラズマ処理

　● コロナ処理

　● プライマー処理

　● 表面粗化　などである。

表面処理によって接着性が向上する可能性がある。

しかし表面処理の効果は、時間とともに低下する場合もある。

処理後から貼り合わせまでの時間。

保管環境。

表面への再汚染。

これらも管理する必要がある。

つまり表面処理は、一度実施すれば終わりではなく、

後工程まで含めて管理する工程である。

異なる材料を貼り合わせると、反りやカールが発生することがある。

原因には、

　● 熱膨張率の違い

　● 張力差

　● 粘着材の硬化収縮

　● 吸湿差

　● 表裏構成の非対称　がある。

反りが大きいと、

　● 自動機で吸着できない

　● 搬送時に詰まる

　● 貼り付け位置がズレる

　● 端部が浮く

　● 接触圧力が不均一になる　という問題が起きる。

そのため、材料厚み、貼り合わせ順序、張力、温度などを調整する必要がある。

異種材料部材は、どの順番で加工するかによって品質が変わる。

先に外形加工してから貼り合わせる。

貼り合わせてから一体加工する。

一部を加工してから別材料を部分貼りする。

どの方法にも特徴がある。

先に個別加工すれば、それぞれに適した条件で切れる。

しかし貼り合わせ位置の精度が必要になる。

積層後に一体加工すれば、外形位置をそろえやすい。

しかし全層を同じ条件で切る難しさがある。

つまり加工順序は、

工程の都合だけでなく、完成品の精度と機能>から決める必要がある。

顧客が複数の材料を一枚ずつ貼っている場合、あらかじめ一体化した異種材料部材を供給できれば、工程を減らせる可能性がある。

例えば顧客が、

1.絶縁フィルムを貼る

2.グラファイトを貼る

3.EMI材を貼る

4.固定用テープを貼る

という作業をしている場合、これらを一体化できれば、一回の貼付で済む可能性がある。

これによって、

　● 作業時間短縮

　● 貼りズレ削減

　● 部品管理削減

　● 作業者依存低減

　● 自動化しやすさ向上　につながる。

つまり異種材料加工の価値は、材料を組み合わせることだけではない。

顧客の複数工程を、一つの部品へ置き換えることにもある。

複数機能を一体化すれば、顧客工程は減る。

しかし一体化しすぎると、別の問題が起きることがある。

一つの層だけ不良でも、部材全体が不良になる。

一部の仕様変更で、全部を設計し直す必要がある。

材料ごとの交換が難しくなる。

積層工程が複雑になり、コストが上がる。

つまり、一体化すればするほどよいわけではない。

どこまでを一体化し、どこからを顧客工程に残すかを判断する必要がある。

AIサーバーでは、高発熱部品周辺に複数の機能が必要になる。

　● TIMによる熱伝達

　● グラファイトや金属箔による熱拡散

　● 絶縁フィルムによる電気絶縁

　● EMI材によるノイズ対策

　● 粘着材による固定

これらを一つの多機能部材へ統合できれば、組立工程を減らせる可能性がある。

一方で、熱・電気・ノイズの経路が複雑になる。

そのため、各層の役割と配置を明確にする必要がある。

3D半導体や先端パッケージでは、金属、絶縁樹脂、接着材、セラミックなど、性質の異なる材料が極めて近い距離で組み合わされる。

各材料の熱膨張差が大きいと、微細な界面へ応力が集中する。

その結果、

　● 層間剥離

　● クラック

　● 反り

　● 接合不良

　● 熱抵抗増加　が起きる可能性がある。

つまり3D半導体では、電気的に接続できることだけでなく、

異なる材料が熱変化の中で共存できることが重要になる。

EVやESSの電池周辺では、熱・絶縁・難燃・接着・防水・振動対策が必要になる。

例えば、

　● 熱伝導シート

　● 絶縁フィルム

　● 難燃材

　● 発泡体

　● 粘着材

　● 金属箔　を組み合わせる可能性がある。

電池周辺では、長期使用と安全性が重要である。

異種材料間の剥離やズレが起きると、熱性能だけでなく、絶縁や防水、安全機能まで失われる可能性がある。

つまり電池向け異種材料部材では、複数機能が同じ期間維持されることが必要になる。

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、一つの部材へ、

　● 熱拡散

　● 絶縁

　● 接着

　● 遮光

　● EMI対策

　● 防水　を統合する要求が強くなる。

部材が小さいため、数十μmのズレでも機能に影響する。

また、薄い金属箔、グラファイト、粘着材、フィルムを同時に扱う必要がある。

つまり小型機器では、異種材料を薄く積層する技術と、

微細な形状へ正確に加工する技術の両方が重要になる。

医療機器では、熱対策に加えて、

　● 生体適合性

　● 絶縁性

　● 防水性

　● 柔軟性

　● 清浄性　などが求められる。

人体へ装着する機器では、硬い熱拡散材だけでは使用できないことがある。

柔らかい樹脂、粘着材、絶縁材と組み合わせる必要がある。

そのため、医療機器では、熱性能と、人体へ接する安全性・快適性を異種材料によって両立する必要がある。

ロボットでは、熱、振動、ノイズ、防水、絶縁といった複数課題が一つの関節やユニットへ集中する。

硬い金属部品。

柔らかい発泡体。

絶縁フィルム。

EMI材。

粘着材。

これらを組み合わせることで、多機能な部材を作ることができる。

しかしロボットは動き続ける。

そのため異種材料の界面には、曲げ、振動、衝撃、熱サイクルが繰り返し加わる。

静止状態で貼り付いているだけでは不十分である。

異種材料部材では、各材料の物性だけを評価しても、全体性能は分からない。

重要なのは、材料と材料の境界である。

界面では、

　● 熱抵抗

　● 応力集中

　● 接着

　● 剥離

　● 水分侵入

　● 電気的な接続・絶縁　が起きる。

つまり異種材料部材の性能は、材料Aの性能と、

材料Bの性能を単純に足したものではない。

材料Aと材料Bの関係によって決まる。

異種材料部材を量産するときは、すべての材料が工程を通過できなければならない。

一つの材料だけが、

　● 刃物へ付着する

　● 伸びる

　● 割れる

　● 粉を出す

　● 静電気で貼り付く

　● 高温に耐えられない

場合、その材料が工程全体の制約になる。

つまり異種材料加工の工程能力は、

最も加工しやすい材料ではなく、

最も扱いにくい材料によって決まることがある。

異種材料を使った熱対策部材を設計・加工するときは、以下を確認する必要がある。

　● 各材料の役割は明確か

　● 熱をどの方向へ流すのか

　● どの方向の熱を止めるのか

　● 各材料の熱伝導率と熱抵抗は適切か

　● 熱膨張率の差は大きくないか

　● 硬さや伸びの差で反りが出ないか

　● 材料同士の接着相性はよいか

　● 高温・高湿・振動後も接着を維持できるか

　● 全層を安定して加工できるか

　● バリ、欠け、粉落ち、糸引きが起きないか

　● 部分配置による段差を管理できるか

　● 各層の位置精度を管理できるか

　● 顧客工程で剥離・貼付しやすいか

　● 一体化による工程削減効果があるか

　● 一体化しすぎて変更性を失っていないか

つまり異種材料加工では、材料選定、構造設計、加工条件、信頼性、顧客工程まで一体で考える必要がある。

異種材料加工は、OTISが価値を提供できる可能性の高い領域である。

OTISは、銅、アルミ、グラファイト、樹脂フィルム、粘着材、発泡体など、特性の異なる材料を組み合わせ、機能部材へ加工することができる。

OTIS視点で重要なのは、

　● 熱材料だけを加工すること

　● 材料メーカーのシートを切ること　だけではない。

顧客が必要とする、

　● 熱

　● 絶縁

　● EMI

　● 粘着

　● 防水

　● 緩衝

　● 保護　を、必要な位置と形状へ統合することである。

つまりOTISの価値は、材料を販売することではなく、

異なる機能材料を、顧客が使える一つの部品へ変えることにある。

OTISでは、

　● 異種材料ラミネート

　● 部分ラミネート

　● 多層構造加工

　● 高精度打ち抜き

　● ハーフカット加工

　● グラファイト加工

　● 銅箔・アルミ箔加工

　● 絶縁フィルム加工

　● 粘着材加工

　● 発泡体加工

　● EMI材加工

　● 多機能部材の一体加工

　● リール・ツー・リール加工

　● リール供給

　● 自動貼付向け供給形態設計

などを通じて、性質の異なる材料を、量産で使用できる一つの機能部材へ変えることに貢献できる可能性がある。

一方でOTISは、

　● 熱材料そのものの配合開発

　● 金属・樹脂素材そのものの製造

　● 半導体チップ設計

　● 冷却システム全体の設計

　● CFD専業解析

　● 顧客製品全体の安全設計　を専門とする会社ではない。

しかし、異なる特性を持つ機能材料を組み合わせ、熱・絶縁・ノイズ・接着などの課題を一つの部材へ統合する

という領域では、重要な役割を担える可能性がある。

★★★★★ AIサーバー

★★★★★ AI半導体・3D半導体

★★★★★ EV・電池

★★★★★ スマートフォン

★★★★★ ウェアラブル機器

★★★★☆ 医療機器

★★★★☆ ロボット

★★★★☆ 産業機器

異種材料加工とは、材料を重ねることではなく、異なる機能を共存させること

熱対策では、一つの材料だけで、すべての要求を満たすことは難しい。

そのため、

　● 熱を伝える材料

　● 熱を広げる材料

　● 電気を絶縁する材料

　● 部材を固定する材料

　● ノイズを抑える材料

　● 水を止める材料

　● 振動を吸収する材料　を組み合わせる必要がある。

しかし異なる材料は、

　● 硬さ

　● 伸び

　● 熱膨張率

　● 加工性

　● 接着性

　● 耐久性　が異なる。

そのため、組み合わせるほど加工と信頼性の設計は難しくなる。

つまり異種材料加工とは、複数材料を貼り合わせることではない。

異なる材料の長所を残し、弱点を補い、同じ部品の中で共存させることである。

未来の熱対策部材では、熱だけを処理する単一材料よりも、熱・絶縁・ノイズ・粘着・防水などを統合した多機能部材が増えていく。

そのとき必要になるのは、高性能な材料を集めることだけではない。

性質の違う材料を、ズレなく、壊さず、剥がれず、同じ品質で量産できる加工技術なのである。

 

 

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