PCerformance160

活 躍する三洋化成グループのパフォーマンス・ケミカルス
hemicals

ウレタン材料事業本部 研究部
ウレタン材料研究グループ
ユニットチーフ

高熱伝導性と低粘度を両立した
ウレタン放熱ギャップフィラー

能勢 謙太［お問い合わせ先］
ウレタン材料事業本部営業部

近年、スマートフォンの普及

本 稿 で は、TIM の 一 つ で あい っ た 利 点 が あ る。現 在 TIMや ク ラ ウ ド サ ー ビ ス の 普 及、る放熱ギャップフィラーについの市場規模は放熱シート、放熱IoT や自動運転化など世界的なて、当社の開発品を紹介する。

ギャップフィラー、放熱グリー

通信量の増大に対応する第 5 世
代 移 動 通 信 シ ス テ ム「5G」への移行が進められている。それスの順となっているが、電気自TIM の種類および拡大する市場規模 1）

動車用途をはじめとした車載電子機器への TIM の自動実装に伴い、電子機器の高性能化、TIM の 種 類 と し て、塗 布 時ニーズが高まっていることか高機能化が進み、処理速度が増は液状で後から硬化する「放熱ら、放熱ギャップフィラーの需大し、各種デバイスや電子部品ギャップフィラー」、液状のま要が今後大きく拡大していく見から発生する熱量が増加していまの「放熱グリース」、シート通しとなっている。

る。一 方 で、電 子 機 器 の 小 型状 の「放 熱 シ ー ト」な ど が あ化、高密度実装が進み、放熱面る。表 1 にこれらの性能比較を積や放熱経路が縮小するなど、示すが、発熱量、発熱部と放熱冷却条件は厳しくなっている。

部の距離、形状、リワーク性や電子機器の誤作動や損傷を防接着性の必要性、作業性への要

従 来、TIM 材 料 自 体 の 熱 伝ぎ、品質や信頼性を向上するた求などの条件によってどの種類導率に関しては放熱シートがめに、電子機器にはこれまで以を 用 い る か 選 択 さ れ る。放 熱一番有利となっている。それに上に高度な熱対策が求められてギャップフィラーは、放熱シー

対し放熱ギャップフィラー、放いる。

トに対して、自動実装を適用し熱グリースは流動性を確保する

その対策の一つとして、電子やすい、端材が出ない、密着性ために熱伝導性フィラーの充塡部品（発熱体）と放熱部品（ヒーや追従性に優れ、接触熱抵抗が率を高めにくく、放熱シートにトシンク）の間で使用される熱伝

低 い と い っ た 利 点 が あ る。一比べて熱伝導率が劣る傾向に

導 性 材 料（Thermal Interface

方、放熱グリースに対しては、あった。

Material：以降 TIM と略す）の耐ポンプアウト性や耐ブリード一方放熱ギャップフィラーや高性能化が進められている。

アウト性、耐振動性に優れると放熱グリースの利点として、塗表1

TIM の放熱効果の重要因子である
接触熱抵抗

各種TIMの性能比較
熱伝導率

接触熱抵抗

自動塗布

均一塗工性

薄膜化

耐ポンプアウト

部品ズレの有無

リワーク性

ギャップフィラー

△〇〇××〇〇×グリース△〇〇×〇

××〇

シート〇××〇×〇〇〇

三洋化成ニュース ❶ 2023 新春 No.536

布時に液状のため被着界面に密着して界面での接触熱抵抗が低（1）
放熱ギャップフィラーがない場合

放熱ギャップフィラー

くなり、高い放熱効果が期待できる点が挙げられる。図 1 で放ヒートシンク（放熱部品）
ヒートシンク
発熱体

熱ギャップフィラーを例に基板放熱（2）放熱ギャップフィラーが粗い接触界面に密着し熱抵抗を低減

界面の接触熱抵抗について説明する。基板や金属の平滑面は実際にはミクロな凹凸が存在し、拡大

厚み（m）tヒートシンク
（放熱部品）

Rc1

放熱ギャップフィラー

Rthick

発熱体

Rc2

ヒートシンク
（放熱部品）

これらを互いに密着させた場

全熱抵抗：Rtotal ＝ Rc1 ＋ Rthick ＋ Rc2
Rthick ＝ （m）
t/λ（W/mK）
λ：熱伝導率

放熱ギャップフィラー
発熱体

合、ミクロ的には点接触で、微基板（熱伝導率で決まる厚さ方向熱抵抗と、両面の接触熱抵抗の合計）

細な凹凸に空気が存在するため
接 触 熱 抵 抗 と な る。発 熱 体 と

図1

放熱ギャップフィラーの接触熱抵抗についてヒートシンクの間に放熱ギャップフィラーを挿入した場合、このような表面凹凸への追従しやすさが接触熱抵抗へ影響する。
放熱特性を考慮するうえで接触熱抵抗は材料の熱伝導率と合わせて重要な因子となっている。

当社ウレタン
放熱ギャップフィラーの特徴

硬化前：ペースト状硬化後：任意の形状にて硬化可能

写真1 当社が開発したウレタン放熱ギャップフィラーの外観性フィラーの量を多くすると放傾向にあることがわかる。当社

熱ギャップフィラーの粘度が高が今回開発したウレタン放熱

くなり、流動性が悪くなってしギャップフィラーは、従来の市当 社 は、よ り よ い 熱 管 理 ソまうという課題があった。粘度販品に比べて熱伝導率と粘度のリューションを提供すべく、放が高いと、発熱体やヒートシンバランスに優れている（当社調

熱ギャップフィラーの利点を維ク表面の凹凸に追従できず、接べ ）。 そ の た め 、 本 開 発 品 は持したまま、従来の課題であっ触熱抵抗も高くなるなど、高熱ギャップフィラーの塗布性がよた「熱伝導性」と「流動性」の伝導性と高流動性（低粘度）をく、放熱材料実装の自動化に対両立を達成できる材料の設計・両立することは困難だった。今応できるとともに、生産の効率開発を行った。本開発品は熱伝回、当社は独自の界面制御技術化に貢献できる。また塗布後に導性フィラーを含有するポリにより熱伝導性フィラーの濡れ材料を圧縮した際に電子部品とオール液とポリイソシアネート性を高め、低粘度で高い流動性ヒートシンクのたわみによる応液の 2 液を混合する形態のウレを保ったまま樹脂中に高濃度で力が軽減可能となる。

タン放熱ギャップフィラーであ熱伝導性フィラーを含有するこまた本開発品はウレタン系でる。写真 1 のように混合直後はとに成功した。図 2 に一般的なあり非シリコーン設計としていペースト状の液体で、室温で硬ギャップフィラー製品の熱伝導るため、電子機器においてシリ化し、任意の形状に成形するこ率および粘度の相関を示す。前コーン系で問題とされる低分子とが可能である。これまで、熱述の通り、熱伝導率が高くなるシロキサン成分揮発による導通伝導性を高くするために熱伝導につれ液の混合粘度も高くなる不良の心配がない。さらにウレ

三洋化成ニュース ❷ 2023 新春 No.536

タンの柔軟性により振動で剥が（W/mK）

れにくいといった特長をもつこと、お よ び 絶 縁 タ イ プ の フ ィら、さまざまな電子機器や車載用途などへも適用可能である。

当社開発品
4熱伝導率ラーを用いていることなどか

321

当社開発品の熱伝導性フィラー
分散機構について
今回、高熱伝導性と低粘度を● 当社開発品 ● シリコーン ● エポキシ ● ウレタン

50050

100150200（Pa・s）
＠10s-1

混合粘度

図2

ウレタン放熱ギャップフィラーの粘度と熱伝導率の相関両立させることができたキーポ
イントは、当社界面制御技術を分散剤分散媒用いた熱伝導性フィラーの高濃熱伝導性フィラー度分散である。図 3 の模式図に分散剤添加示すように、分散剤がない状態
では熱伝導性フィラーが凝集してしまい、微細な空気を粒子間空気に含んでいる状態となっている。

濡れ性向上

ここに当社独自の分散剤を添加することで、熱伝導性フィラー
当社分散剤なし

当社分散剤あり表面に対して分散剤が吸着し、分散媒に対する濡れ性が向上す

図3

分散剤による熱伝導性フィラーの分散効果

る。これによって効果的に空気が抜け熱伝導性フィラーを分散

銅板−放熱材積層体の作製方法

媒に高充塡しても、凝集体を作①ギャップフィラーの場合ることなく、きれいなペースト銅板（t0.3mm）状の製品を得ることができる。

ギャップフィラー
（硬化前）挟む

サーモカメラで温度測定
硬化加熱したPP

当社開発品の放熱特性
当社開発品の放熱効果を検証

t1mm

シート
（硬化後）

放熱材
銅板冷却板（25℃）

挟むした。実験方法として図 4 に示すように銅板で放熱材料を挟

熱の流れ

銅板

②シートの場合

図4

放熱特性評価用の銅板−放熱材積層体

み、加 熱 し た ポ リ プ ロ ピ レ ン（PP）板を載せてサーモカメラ（スペーサーのみ）や、他社の同いることが分かる。この理由とで PP 板表面の温度変化を観察程度の熱伝導率を持つシリコーして、本開発品は硬化前が液状した。その結果を図 5 に示す。

ン放熱シートに比べて、加熱しで基板表面の微細な凹凸へ追従結果から明らかなように、本開た PP 板の温度の低下が早く効し接触熱抵抗を低減させるた

発品は放熱材を挟まない場合率よく熱を逃がすことができてめ、同程度の熱伝導率を有する

三洋化成ニュース ❸ 2023 新春 No.536

ラインアップしている。
放熱材なし
（空気層）

当社開発品
（4.3W/mK）

他社放熱シリコーンシート（4.5W/mK）

今後の予定

開始直後
75.2℃

74.0℃

74.7℃

48.3℃

33.3℃

40.1℃

載、電源・エネルギー、通信モ

60秒後

図5

今後、IoT 化が進むなか、車放熱効果の比較ジュールなどさまざまな電子機器の小型化、高性能化、高機能化が進み、これらの熱対策に対放熱シートに対し、放熱効果にドに加え、当社のウレタン設計する要求性能もますます高まっ差が出ていると考えられる。

技術を生かし、一般的に密着さている。当社はこれらのニーズ

このような優れた放熱特性おせるのが難しい非極性の PP 基に応える熱管理ソリューション

よび自動実装ニーズに応えられ材に密着性を示すグレードも開として、ウレタン放熱ギャップるといった本開発品の特長を生発中である。一般にシリコーンフィラーの実用化を目指すととかし、実用化に向けた検討を進系ギャップフィラー製品は基材もに、長年培った界面制御技術めていく。

への密着性が低いが、密着性をやウレタン設計技術を生かし自由にコントロールし、さまざて、今後もさまざまなニーズにまな基材へ密着性を付与できる合わせた高品質な製品を開発しことは当社ウレタン設計技術のていく。

当社開発品のラインアップ
現在当社が開発中のウレタン強みといえる。またレオロジー

放熱ギャップフィラーのラインコントロール技術により、高チアップを表 2 に示す。

クソ性を付与して、液だれやポ高熱伝導性を示す一般グレー
表2参考文献1）「2019 年 熱制御・放熱部材市場の現状と新用途展開」株式会社富士経済

ンプアウトしにくいグレードも開発中のウレタン放熱ギャップフィラーのラインアップRCG-020

RCG-022

RCG-028

RCG-029

評価方法
評価基準

標準品

高熱伝導低粘度品

軽量
低摩耗
PP密着品

軽量
低摩耗
高チクソ性品―タイプ（混合比は体積比）

2液硬化（A液：B液＝1：1）

2液硬化（A液：B液＝1：1）

2液硬化（A液：B液＝4：1）

2液硬化（A液：B液＝1：1）―

熱伝導（W/mK）

4.0

4.3

2.8

3.1

JIS R1611（レーザーフラッシュ法）

品名

概要

Asker C硬度9494

9090

JIS K7312

A液：90
B液：50
＠0.1/s，40℃

A液：80
B液：20
＠0.1/s，40℃

A，
B混合時
136＠1/s，40℃

A液：150
B液：150＠1/s，25℃

ASTM D2556（Anton Paar社製 MCR 92）

密度（g/cm3）

2.8

3.02.1

2.1

JIS K7112（水中置換法）密着性（25℃）

対ガラエポ※1：〇
対PPS※2：○
対PP※3：×
対PET※4：〇対ED鋼板※5：○対ガラエポ：〇
対PPS：○
対PP：×
対PET：〇
対ED鋼板：○対PET：〇
対ED鋼板：○対PP：○対ガラエポ：〇
対PPS：○
対PP：×
対PET：〇
対ED鋼板：○JIS K6850
引張せん断接着強さが0.1MPa以上⇒○

ペースト粘度（Pa・s）※1 ニッカン工業製 L6504C1、※2 汎用品、※3 日本テストパネル（株）標準試験板、※4 東レ製 L＃100S10、※5 標準試験板SPCC〜SD（記載の値は代表値であり、規格値ではありません。また、本ラインアップは開発品であり、予告なく変更することがあります。）
当社製品をお取り扱いいただく際は、当社営業までお問い合わせください。
また必ず「安全データシート」（SDS）を事前にお読みください。使用される用途における適性および安全性は、使用者の責任においてご判断ください。

三洋化成ニュース ❹ 2023 新春 No.536