部材外形に鋭い角があると、剥離時や温度変化時に応力が集中しやすくなる。

鋭角部から、

・粘着層の剥離が始まる

・薄膜フィルムが裂ける

・グラファイトが欠ける

・層間剥離が進む　可能性がある。

角部へ適切な丸みを持たせることで、

・応力を分散する

・剥離を安定させる

・カス取りを容易にする

・搬送中の引っ掛かりを減らす　ことができる場合がある。

ただし、丸みを大きくしすぎると、必要な熱源被覆面積や絶縁距離に影響する。

したがって角形状も、　熱性能と工程安定性の両方から決める必要がある。

リール供給では、部材を一定間隔で並べる。

この間隔をピッチとして管理する。

自動機は、設定された送り量を基準にして、次の部材を吸着する。

ピッチがばらつけば、自動機の吸着位置と実際の部材位置が合わなくなる。

ピッチ変動の原因には、

・キャリアフィルムの伸び

・搬送張力の変化

・温湿度による寸法変化

・加工時の蛇行

・金型送り誤差

・巻き取り時の変形　などがある。

外形寸法が正しくても、リール上の配置がずれていれば、自動機では安定して使えない。

リール供給では、

製品単体の寸法精度と、連続体としての位置精度の両方が必要になる。

リール供給では、

・部材の上下

・粘着面の向き

・剥離方向

・巻き方向

・穴や切り欠きの向き

・部材の表裏　を明確にする必要がある。

特にグラファイトや圧延金属箔などでは、材料方向が機械特性や熱の広がり方に関係する場合がある。

 

部材の外形が同じでも、方向を変えて配置すると、

・剥離しやすさ

・曲がりやすさ

・亀裂の入りやすさ

・熱を広げる方向　が変わる可能性がある。

したがって供給仕様では、数量やリール幅だけでなく、

材料方向と機能方向を明確にする必要がある。

人が貼り付ける場合、少し反っていれば押さえる。

剥離しにくければ、角度を変える。

部材位置がずれていれば、目で確認して修正する。

自動機は、決められた条件で同じ動作を繰り返す。

そのため、一個の部材が自動機で扱えたとしても、量産できるとは限らない。

必要なのは、

・反り

・剥離力

・ピッチ

・厚み

・位置

・吸着性

・表面状態

が、すべて一定の許容範囲へ入っていることである。

自動化に適した部材とは、一個だけ正しく動いた部材ではない。

何千個、何万個でも同じ動きをする部材である。

薄い部材や粘着性のある部材では、自動機が二枚を同時に吸着することがある。

二枚重なれば、

・厚みが増える

・圧縮量が変わる

・接触圧力が変わる

・熱抵抗が増える

・周辺部品と干渉する　可能性がある。

つまり二枚取りは、単なる供給ミスではない。

熱対策部材の積層構成そのものが変わる機能不良である。

対策としては、

・キャリア上の配置設計

・剥離力の安定化

・真空圧の監視

・厚み検査

・画像検査

・静電気対策　などが考えられる。

薄いフィルムや軽い部材は、剥離時に帯電することがある。

静電気によって、

• 部材がキャリアへ再付着する
• ノズルへ貼り付く
• 二枚が重なる
• 搬送途中で姿勢が変わる
• ホコリや粉を引き寄せる　可能性がある。

熱対策部材には、グラファイト粉や金属粉など、導電性の異物が発生する可能性もある。

これらが絶縁部へ付着すれば、熱だけでなく電気的な問題にもつながる。

したがって自動供給では、

・除電

・接地

・湿度管理

・剥離速度

・搬送経路

・異物回収　も工程設計に含める必要がある。

自動化を安定させるために、完成品には残らない形状を一時的に設けることがある。

例えば、

・吸着用タブ

・剥離開始用の余白

・位置認識用マーク

・搬送用の連結部

・支持フレーム

・カス取り用のつなぎ　などである。

完成品図面だけを見ると無駄に見える。

しかし、その形状があることで、

・剥離時の変形を抑える

・吸着面を確保する

・搬送姿勢を安定させる

・位置認識を容易にする

・細い形状を保護する　ことができる。

つまり量産部材には、製品機能を実現する形>と、

工程を成立させる形の両方が必要になる。

熱伝導材、絶縁材、粘着材などを別々に貼り付ける場合、それぞれに、

・剥離

・吸着

・位置合わせ

・貼り付け

・検査　が必要になる。

部材点数が増えるほど、位置ズレや異物混入の機会も増える。

そこで、複数材料をあらかじめ高精度にラミネートし、一体部材として供給できれば、

・貼付回数の削減

・タクトタイムの短縮

・部材間位置精度の安定

・部品管理点数の削減

・貼付時の異物混入機会の削減　につながる可能性がある。

ここは加工メーカーが顧客工程へ提供できる大きな価値である。

一方で、複数の機能を一つの部材へ集約しすぎると、

・部材が大きくなる

・厚くなる

・硬くなる

・反りやすくなる

・剥離しにくくなる

・吸着しにくくなる

・一層の不良で全体が不良になる　可能性がある。

例えば、放熱材、絶縁材、EMI材、シール材をすべて一体化すれば、顧客の貼付工程は減る。

しかし積層構成が複雑になり、熱膨張差や位置精度の管理は難しくなる。

重要なのは、部材点数を最小にすることではない。

顧客工程を含めて、最も安定して量産できる構成を選ぶこと　である。

AIサーバーでは、GPU、HBM、電源部品、光通信部品などが高密度に配置される。

その周辺には、

・TIM

・グラファイト

・銅箔

・絶縁フィルム

・EMI材

・粘着材　などが使用される。

部材の反りや位置ズレによって、

・熱源を十分に覆えない

・接触圧力が偏る

・絶縁層から導電材が露出する

・自動貼付位置がずれる　可能性がある。

またサーバーは、稼働状態によって発熱量が変化する。

温度変化を繰り返す中でも、積層部材が同じ位置と接触状態を維持する必要がある。

AIサーバー向け熱対策部材では、

高い熱性能だけでなく、温度変化後も自動化可能な形を維持することが重要になる。

先端半導体や3D実装では、熱源や部材が小さく、位置精度も厳しい。

部材の寸法変化が数十μmであっても、熱源に対する相対位置が変わる可能性がある。

また反った部材を無理に押し付けると、薄いチップや接合部へ局所的な応力を加えることがある。

そのため、

・熱膨張差

・積層後の反り

・自動貼付位置

・圧着圧力

温度サイクル後の変化　を一体で評価する必要がある

EVや次世代電池では、セル、モジュール、冷却プレートの間に、大面積の放熱材、絶縁材、緩衝材が使われる。

部材が大きくなるほど、温度変化による寸法変化の絶対量も大きくなる。

さらに車載環境では、

・冬季の低温

・夏季の高温

・急速充電時の発熱

・走行と停止

・昼夜の温度差　など、大きな温度変化が繰り返される。

積層材料の熱膨張差によって、

・端部が浮く

・層間が剥がれる

・接触圧力が変わる

・シール性が低下する

・セル間に温度差が生じる　可能性がある。

EV向け部材では、初期の平面性だけでなく、

大面積を、長期間、均一な接触状態に保つことが重要になる。

スマートフォンやウェアラブル機器では、グラファイト、金属箔、絶縁フィルム、粘着材などが非常に薄い状態で使われる。

薄くすると、製品内部のスペースを有効に使える。

一方で、

・反りやすい

・シワが入りやすい

・吸着しにくい

・剥離時に伸びやすい

・静電気の影響を受けやすい　という問題が増える。　

自動化のために補強材を追加すれば、今度は厚みや熱抵抗が　増える可能性がある。

したがって、

・一時的な支持フィルム

・適切なキャリア剛性

・吸着しやすい形状

・剥離後の反り抑制

・材料方向の管理　を考えながら、

薄さと工程安定性を同時に設計する必要がある。

ウェアラブル医療機器や生体センサーでは、部材を人体や曲面へ沿わせる場合がある。

柔軟性は必要である。

しかし内部には、

・放熱

・絶縁

・粘着

・センサー保護

・防水　など、複数の機能が求められる。

異種材料の硬さや熱膨張が合わなければ、

・端部が浮く

・装着中に位置がずれる

・センサーの接触状態が変わる

・局所的な温度ムラが生じる　可能性がある。

この分野では、自動供給時の形状だけでなく、

人体や曲面へ貼り付けた後の形状追従性まで考える必要がある。

材料研究では、

・熱伝導率

・線膨張係数

・弾性率

・粘着力

・吸湿性　など、材料単体の物性を測定する。

しかし実際の製品では、複数材料が積層された状態で使われる。

積層体の変形は、

・材料の組み合わせ

・各層の厚み

・積層順序

・粘着材の硬さ

・部分積層の形状

・温湿度

・周辺部品からの拘束　によって変わる。

材料単体の物性が分かっていても、積層体がどのように反るか、どこから剥がれるかを完全には判断できない。

したがって評価では、材料単体の性能だけでなく、

実際の積層構成での反り・寸法変化・剥離・自動供給性を見る必要がある。

加工直後に寸法が合っている。

ラミネート位置も合っている。

リール上で平らに見える。

それだけでは、量産部材として十分とはいえない。

部材はその後、

・保管される

・輸送される

・リールから送り出される

・剥離される

・吸着される

・貼り付けられる

・温度変化を受ける　からである。

加工品質とは、加工した瞬間の正しさではない。

顧客が使用する瞬間まで、正しい形と機能を維持することである。

異種材料を使った熱対策部材を、自動化工程へ供給する場合、次の点を確認する必要がある。

材料構成

・各材料の熱膨張差は大きくないか

・積層構造は非対称になっていないか

・各層の厚みと硬さは適切か

・粘着材は応力を吸収できるか

・高温で粘着層がずれないか

・吸湿による寸法変化はないか

・温度サイクル後も密着を維持できるか

 

ラミネート

・各材料の張力差を管理できるか

・剥離フィルムを除いた後も平らか

・部分ラミネート境界へ応力が集中しないか

・高温保管後に位置がずれないか

・積層順序は加工性と熱性能の両方に適しているか

 

リール供給

・芯径は部材の曲げ特性に合っているか

・巻き癖は許容できるか

・巻き締まりで粘着材や発泡体が変形しないか

・巻き始めから巻き終わりまで品質が安定しているか

・部材ピッチは安定しているか

・輸送後も巻き状態を維持できるか

 

剥離・吸着

・剥離力は高すぎないか、低すぎないか

・実際の剥離角度と速度で評価しているか

・剥離時に細い部分や鋭角部が変形しないか

・吸着面を確保できているか

・吸着位置は重心と合っているか

・柔らかい部材を搬送中に支持できるか

・粘着面がノズルへ付着しないか

 

画像認識・貼り付け

・カメラが部材外形を認識できるか

・表裏や方向を判別できるか

・認識用形状が熱経路を妨げていないか

・貼り付け時に端部から浮かないか

・圧着後に必要な接触面積を確保できるか

 

評価

・加工直後だけでなく保管後も確認しているか

・剥離後の反りを確認しているか

・実際の自動機条件で評価しているか

・高温・低温・高湿度後を確認しているか

・温度サイクル後の位置ズレや剥離を確認しているか

・リールの巻き始め・中央・巻き終わりを確認しているか

図面どおりの外形へ打ち抜く。

各層を指定位置へラミネートする。

寸法検査に合格する。

ここまでできれば、加工品としては完成したように見える。

しかし顧客が必要としているのは、加工機から出てきた部材ではない。

顧客設備の中で、

・安定して送り出せる

・変形せず剥離できる

・正しく認識できる

・確実に吸着できる

・同じ位置へ貼り付けられる

・温度変化後も熱性能を維持できる　部材である。

熱対策材料は、加工後も動く。

温度で伸びる。

張力で伸びる。

巻き取りで曲がる。

剥離で変形する。

粘着層の中でずれる。

だからOTISが考えるべきなのは、材料を切れるか、貼れるかだけではない。

顧客が使用する瞬間まで、必要な形と機能を維持できるかである。

ここに、精密加工会社が熱対策へ貢献する意味がある。

OTISでは、次のような加工・供給設計を通じて、異種材料を量産工程で使える熱対策部材へ変えることに貢献できる。

・異種材料の高精度ラミネート

・金属箔と樹脂フィルムの積層加工

・グラファイトと絶縁材の積層加工

・熱伝導材と粘着材の複合加工

・部分ラミネート

・多層積層部材の打ち抜き加工

・ハーフカット加工

・リール・ツー・リール加工

・一定ピッチでの製品配置

・剥離フィルム・キャリア構成の検討

・巻き方向・部材方向の設計

・吸着位置を考慮した形状加工

・画像認識しやすい基準形状の加工

・剥離後の反りを考慮した積層検討

・自動貼付回数を減らす部材一体化

・画像検査を含む供給品質の確認

・顧客設備条件を考慮した供給形態の検討

OTISが提供する価値は、材料をリールへ並べることではない。

熱対策材料を、顧客工程で止まらず、正しい位置へ組み込める状態にすること　である。

OTISは、次の分野を専門とする会社ではない。

・熱対策材料そのものの配合開発

・粘着剤そのものの化学設計

・製品全体の熱設計

・CFD専業解析

・自動貼付設備そのものの設計・製造

・産業用ロボット本体の開発

・顧客工場全体の自動化システム設計

・半導体チップの設計

・冷却装置全体の設計

ただし、材料メーカー、設備メーカー、顧客と連携し、材料の特性と量産設備の条件をつなぐ加工部材を設計・製造する領域では貢献できる。

★★★★★ AIサーバー・データセンター

★★★★★ 半導体・先端パッケージ

★★★★★ EV・次世代電池

★★★★★ スマートフォン・スマートデバイス

★★★★★ ウェアラブル機器

★★★★☆ 医療機器

★★★★☆ ロボット・自動化機器

★★★★☆ 光通信機器

★★★★☆ 航空宇宙

★★★★☆ エネルギー機器

自動化に適した熱対策部材とは、最後まで形が変わらない部材である

異種材料を組み合わせることで、一つの部材へ、

・放熱

・絶縁

・固定

・緩衝

・EMI対策

・シール　など、複数の機能を持たせることができる。

しかし材料ごとに、

・熱による伸び方

・湿度による変化

・張力による伸び

・曲がりやすさ

・剥離時の動き

・粘着層の変形　が異なる。

そのため、加工時に図面どおりであっても、それだけでは十分ではない。

リールへ巻かれる。

保管される。

輸送される。

キャリアから剥がされる。

自動機で吸着される。

製品へ貼り付けられる。

温度変化を繰り返し受ける。

このすべてを通過しても、部材が必要な形と位置を維持できなければ、熱性能は成立しない。

自動化に適した部材とは、単にロボットが持ち上げられる部材ではない。

・反らない

・伸びない

・剥離時に変形しない

・正しい向きで認識できる

・一定位置で吸着できる

・同じ位置へ貼り付けられる

・温度変化後も接触状態を維持できる　部材である。

 

つまり、自動化供給とは、材料を機械へ渡すことではない。

材料の形と機能を、顧客が使用する瞬間まで維持することである。

熱対策部材は、加工機から出てきた時点では完成していない。

リールへ巻かれ、輸送され、保管され、剥離され、吸着され、

貼り付けられ、温度変化を受けても、必要な場所で熱を流し続ける。

 

そこまで成立して、初めて量産部品になる。

OTISが支えるのは、材料を切った瞬間だけではない。

熱対策材料が、量産工程の最後まで正しい形で機能し続けるための設計なのである。

 

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