電子機器の放熱設計では、ヒートシンクや熱拡散板の材質だけでなく、部材をつなぐ接合層も熱の流れに影響します。熱伝導率の高い接着剤を選ぶことに加え、接合層を薄くすることも、熱抵抗を抑えるための選択肢です。
今回は、接合層の厚みと熱抵抗の関係を、100・50・20・10・2 μmの計算例から考えます。
熱伝導率と熱抵抗は異なる指標
熱伝導率は、材料そのものの熱の伝わりやすさを表します。一方、熱抵抗は、厚みや面積を含めて、熱が流れるときにどれだけ温度差が生じるかを表します。
均一な接合層を熱が厚み方向に流れる場合、層自体の熱抵抗は次の式で見積もれます。
熱抵抗＝接合層の厚み÷（熱伝導率×接合面積）
同じ材料・接合面積であれば、接合層を薄くするほど、その層の熱抵抗は小さくなります。材料の熱伝導率だけでなく、接合後にどれだけの厚みが残るかにも注目する必要があります。
50 μmから10 μmへ薄くするとどう変わるか
厚みの影響だけを見るため、熱伝導率を一律0.2 W/(m・K)と仮定します。これは説明用の仮定値であり、CAM剤や特定のエポキシ接着剤の実測値ではありません。
| 接合層の厚み | 面積当たり熱抵抗〔m²K/W〕 | 100 μmに対する比率 |
|---|---|---|
| 100 μm | 5×10−4 | 100％ |
| 50 μm | 2.5×10−4 | 50％ |
| 20 μm | 1×10−4 | 20％ |
| 10 μm | 5×10−5 | 10％ |
| 2 μm | 1×10−5 | 2％ |
同じ熱伝導率なら、50 μmから10 μmに薄くすることで、接合層自体の熱抵抗は1/5になります。20 μmから10 μmなら1/2です。
2 μmは、さらなる薄膜化を考えるための計算例・開発目標として示しています。
この計算には、界面の接触熱抵抗、空隙、面内の熱拡散は含んでいません。また、接合層の熱抵抗が1/5になっても、装置全体の熱抵抗や温度上昇が1/5になることを意味するものではありません。
薄さと密着を合わせて評価する
薄い接合層でも、空隙や未接合部分があれば熱は伝わりにくくなります。部材表面の粗さ・平面度・反り、加熱と加圧の均一性を確認し、接合後の厚みと密着状態を評価することが重要です。
また、高熱伝導の接着剤と比較する場合には、厚みだけで優劣を決められません。例えば、2 μm・0.2 W/(m・K)の層と、20 μm・2 W/(m・K)の層は、計算上の層自体の熱抵抗が同じです。
実際の接合体で、熱抵抗と必要な強度、使用環境に対する耐久性を合わせて比較します。
CAM接合で薄い接合層を形成する
CAM接合は、部材の片面にCAM剤を塗布し、乾燥させた後、相手部材を重ねて加熱圧着するプロセスです。塗布・乾燥の工程と、接合の工程を分けて検討できる点も特徴です。
輝創株式会社では、塗布厚約120 μmから乾燥後に約10 μmの膜を形成した試験例や、アルミ―アルミ、アルミ―銅などの接合例を確認しています。乾燥膜厚と接合後の膜厚は区別し、実部材に合わせて条件を評価します。
放熱用途では、薄膜接合によって部材固定と熱伝達を両立できるかを検討します。適用にあたっては、接合後の熱抵抗・強度に加え、使用温度や熱サイクル後の性能維持を確認します。電気絶縁が必要な用途では、接合体としての絶縁評価も必要です。
接合層の薄膜化を検討されている方へ
「接合層が放熱経路の制約になっている」「銅とアルミなどの異なる材料を薄く固定したい」といった課題がございましたら、接合する材料、面積、現在の接合層の厚み、使用温度、必要な強度をお知らせください。用途に合わせた試作・評価についてご相談を承ります。
次回は、性質の異なる材料を組み合わせる「異種材料接合」の課題と評価の進め方を取り上げます。