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電子基板
高い熱伝導率と電気絶縁性のフィラーで熱マネージメントに貢献します。

材料の熱伝導性を高めます

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3M™ 窒化ホウ素クーリングフィラーで様々な材料の熱伝導率を向上します

  • 3M™ 窒化ホウ素クーリングフィラーは、電気絶縁性を維持しながら熱伝導率を向上させるセラミックフィラーです。様々な製品ラインナップがあり、電気絶縁性、難燃性、機械的特性、コストなどのバランスを取りながら配合設計をすることができます。

    私たちは材料エキスパートと技術サポートなどグローバルのチームでお客様の製品開発をサポートします。新製品のアイディアの実現や既存の設計の最適化について、ぜひ3Mにご相談ください。

様々な熱伝導フィラーとの熱伝導率の比較

  • 熱充填剤の熱伝導率比較表

     

  • プラスチックが現代のデザイナーに好まれる素材である理由として、比較的安価であること、大量生産に適していること、デザインの自由度が高いことなど、多くの理由があります。

    しかし、エレクトロニクスの分野ではプラスチックの使用が限られるケースがあります。その理由の1つには、電気電子部品では狭い空間でより効率よく放熱できる材料が必要とされていることがあげられます。従来のプラスチックではそのような課題を解決することが困難でしたが、3M™ 窒化ホウ素クーリングフィラーを使用することで、この課題が解決できる可能性があります。

    一般に、フィラーの材料が有する固有の熱伝導率は、その化学組成と構造によって決まります。

    カーボンを例に見てみましょう。
     

    • 六方晶構造 → 最大 165 W/mK
    • 立方晶構造 → 最大 2,300 W/mK
    • グラフェン構造 → 最大 6,000 W/mK
  • 低アスペクト比のフィラーの熱伝導パス
  • 熱伝導フィラーの多くは等方性や球状に近い形状をしています。一方グラファイトや六方晶の窒化ホウ素は異方性を有する構造をしています。この異方性を応用することで、熱伝導率を大幅に向上することができます。

    アルミナやケイ酸アルミニウムなどの球状もしくは低アスペクト比のフィラーでは、熱の伝導経路に下記のような特性があります。
     

    • 粒子同士の接触がない
    • ポリマーは粒子間の熱抵抗のように振る舞う
  • 高アスペクト比のフィラーの熱伝導パス
  • 高アスペクト比のフィラー

    グラファイトや六方晶窒化ホウ素など異方性を持つフィラーの熱の伝導経路は、より効率的です。
     

    • 同じ充填剤の重量に対し、粒子同士間でより多くの接点がある
    • より少ない充填率でより高い熱伝導が可能になる
  • 窒化ホウ素などのフィラーを含むPA 6化合物の面内導電率を示すグラフ
    • レーザーフラッシュの測定値:ASTM E 1461/DIN EN 821
    • MartoxidはHuber Martinswerkの登録商標で、SilathermはQuarzwerke GmbHの登録商標です。
  • 窒化ホウ素による熱性能の向上

    窒化ホウ素と他の2種類のフィラーを配合したナイロン6の面内方向(水平方向)の熱伝導率を比較してみましょう。

    従来の熱伝導フィラーを使用した場合、面内方向(水平方向)の熱伝導率が4 W/mK未満です。一方、3M™ 窒化ホウ素クーリングフィラーを使用した場合、面内方向(水平方向)で10 W/mK以上、面外方向(垂直方向)に最大4 W/mKの熱伝導率となることがわかります。

  • 3M窒化ホウ素冷却フィラーを含む熱充填剤の密度の違いを示す表

    面内方向(水平方向)の熱伝導率を2 W/mKにする場合:
     

    • 約70 wt%のケイ酸アルミニウムが必要です
    • 約70 wt%のアルミナが必要です
    • 約30 wt%の3M™ 窒化ホウ素クーリングフィラーが必要です
  • フィラー密度

    3M™ 窒化ホウ素クーリングフィラーは、他のフィラーと比較すると低い密度を有しています。
     

    • 他のフィラーよりも低い添加量で同等の熱伝導率を得ることができます
    • フィラーの添加量が少なくなることで、機械的特性への影響を抑えられる可能性があります
    • フィラーの添加量が少なくなることで、全体の重量を低減できます

3M™ 窒化ホウ素クーリングフィラー(Flakes)による熱伝導率の向上

一般的なプラスチック材料では、機械特性、難燃性などの付与のために様々なフィラーが使用されています。これらのフィラーに置き換えて、もしくは追加して3M™ 窒化ホウ素クーリングフィラー(Flakes)を添加することで、熱伝導率が大きく向上する可能性があります。

  • 水酸化アルミニウムの顕微鏡写真
    水酸化アルミニウム
  • アルミタルクの顕微鏡写真
    タルク
  • ケイ酸アルミナの顕微鏡写真
    ケイ酸アルミニウム
  • 珪灰石の顕微鏡写真
    珪灰石
  • さまざまな形状、サイズを持つフィラーのイラスト

    フィラーのサイズ、形状、固有の熱伝導率は 化合物の熱伝導率の大きく影響します。

  • 形状の違いが熱伝導パスに与える影響を示すイラスト

    異なる形状の粒子を組み合わせることで、ポリマー内に複雑なネットワークが形成されます。よりスムーズに熱が伝わります。


  • 窒化ホウ素による熱伝導率の向上を示す表
    エポキシ樹脂に3M™ 窒化ホウ素クーリングフィラー(Flakes)を添加した場合の熱伝導率(W/mK)

    こちらの例では、ケイ酸アルミニウムを含有するエポキシ樹脂のポッティングレジンに3M™ 窒化ホウ素クーリングフィラー(CFF 500-3)を添加した場合の熱伝導率を示しています。

    ポッティングレジンでは、一般的に異方性の窒化ホウ素も配向せず樹脂中に均一に分散していると考えられます。そのため面内方向(水平方向)と面外(垂直)方向の熱伝導率は同等レベルになります。

  • 窒化ホウ素を含む射出成型されたPA 6化合物の熱伝導率の増加を示す表
    ナイロン6に3M™ 窒化ホウ素クーリングフィラー(Flakes)を添加した場合の面内(水平)方向の熱伝導率(W/mK)

    こちらの例では、ナイロン6に3M™ 窒化ホウ素クーリングフィラー(Flakes)を添加して射出成型した場合の熱伝導率を示しています。

    ナイロン6は射出成型で使用される一般的な熱可塑性樹脂材料です。異方性の窒化ホウ素を含む材料を射出成型すると、フィラーの配向や配列が生じます。これにより面内方向(水平方向)と面外方向(垂直方向)の熱伝導率は異なります。

射出成型のパラメーターによる熱伝導率の変化

  • 射出成型中の窒化ホウ素フレークの平行配向

    3M™ 窒化ホウ素クーリングフィラー(Flakes)は通常、 射出方向に平行に配列します。

  • 射出成型中の配向の影響

    一方で、射出成型品の中間部分などにおいては、射出成型のパラメーターによって配向が変化します。

  • 面外への熱伝導率に影響を与える変数

    レーザーフラッシュの測定値:ASTM E 1461/DIN EN 821

  • 面外への熱伝導率は、次の方法でさらに向上させることができます。
     

    • 樹脂の溶融温度を下げる
    • 射出スピードを遅くする
    • 金型温度を下げる

樹脂とのコンパウンド条件による熱伝導率の変化

  • ツインスクリューの押し出し成型中の熱伝導率への影響

    レーザーフラッシュの測定値:ASTM E 1461/DIN EN 821

  • 熱伝導率は二軸押し出し機でのコンパウンド条件によっても変化します。

    例えば、二軸混練時のスクリュースピードを下げたり、シェアがかかりにくいコンパウンド条件にすることで、コンパウンド中の窒化ホウ素の凝集体構造が維持され、熱伝導率を上げることができます。

3M™ 窒化ホウ素クーリングフィラーの違いによる熱伝導率の変化

  • BMBFプロジェクトで自動車の内部が透けて見える図
  • ドイツ政府の支援で実施したBMBFプロジェクトの概要をご紹介します。 このプロジェクトはリチウムイオン電池のプロセスとシステムの簡素化のためのソリューション評価の一環として行われました。

    本研究の技術的な要件は以下の通りです。
     

    • ベース樹脂:ナイロン6
    • 電気絶縁性:電気抵抗(IEC 60093)1,00E+14 Ωm
    • 射出成型品の熱伝導率(DIN 52612-1):x / y / z = 4 / 4 / >2 W/m•K
    • ナイロン6の機械物性:
      - 破壊応力(ISO 527-1/-2):100 Mpa
      - 破断点伸び(ISO 527-1/-2):2 – 2.3 %
      - シャルピー衝撃強度(DIN EN ISO 179-1):40 KJ/m²
    • 化合物の経済的なコスト
  • 窒化ホウ素のプレートレットとフレークの熱伝導率を比較したグラフ
  • この研究では、3M™ 窒化ホウ素クーリングフィラーのPlateletsとFlakesを添加し場合のコンpなウンド材料の熱伝導率を比較しました。このグラフに示されるように、Flakesを使用した場合、Plateletsを使用した材料よりも面外方向(垂直方向)への熱伝導率は2.5倍増加しました。

    この違いはどこから生じるのでしょうか?まず、効率的な熱伝導は窒化ホウ素の粒子を介していることをイメージしてください。1つの窒化ホウ素粒子と他の粒子もしくは他の材料が接する接点はすべて熱抵抗につながります。つまり窒化ホウ素の粒子のサイズを大きくすると、この接点の数が減ることにつながります。

    下の図に示すように、同量のフィラーを含んでいるケースの場合、500 μmのFlakesは3 μmのPlatelets場合と比べて、熱の伝導が中断される点が大幅に少なくなります。このイメージ図の赤い線で示されるように、熱がより直接的に伝わります。すなわち、粒子が大きいほど熱伝導率が高くなると考えられます。

  • プレートレットとフレークを並べて比較したプレートレットの画像
    小さい粒子サイズ(Platelets)
  • プレートレットとフレークを並べて比較したフレークの画像
    大きい粒子サイズ(Flakes)

3M™ 窒化ホウ素クーリングフィラーを使用して、バリューチェーン全体のコスト削減効果の検証

  • TIM、ヒートシンク、リフレクターがどのように連動するかを示す例
  • 電気・電子業界における最近の取り組みとして、 3M™ 窒化ホウ素クーリングフィラーを含むプラスチックがコスト削減、製品性能の向上、デザインの柔軟性の向上に役立つことが検証されています。

    下記の例は、3M™ 窒化ホウ素クーリングフィラーを含む材料を使用した新しいLEDフラッシュライトの開発プログラムです。TIM、二次ヒートシンク、さらにリフレクターをまとめ、全体の構造をシンプルにすることが可能になります。

プロジェクトの参加企業

  • Lehmann & Voss & Co.のロゴ

    樹脂コンパウンド開発メーカー

  • RFPLASTのロゴ

    温度モデリング、工具設計、射出成型サービスを提供

  • Häusermannのロゴ

    プリント基板のメーカー

  • OSRAMのロゴ

    LEDメーカー

窒化ホウ素を含む樹脂コンパウンドは電気絶縁性があるため、プリント基板の周囲に直接射出成型することができ、ヒートシンクやリフレクターの両方の機能を果たすことができます。

部品数を削減し、ワンステップ製造を可能にしたことで、従来の金属製のハウジングを使用したソリューションに比べ、システム全体のコストが約30%削減しました。

同時に、優れた熱対策によってLEDの寿命が延びることが確認されています。

  • 従来の樹脂材料

     

  • 熱伝導性ポリマー

サポート

3Mは、お客様からのご質問に答え、サンプル提供、データの提供などについて、グローバルなサポートを提供します。 是非お問い合わせください。


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