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熱伝導率の異方性比を100~1,000倍に向上

熱設計エンジニアは、グラファイトやヒートパイプ、ベイパーチャンバーを用いて、熱をより広い面積に拡散・放散し、デバイス性能の向上を図ります。しかし、熱拡散に対する要求が高まるにつれて、厚さ方向(z方向)の熱抵抗が不十分な場合、これらの方法でもホットスポットを十分に低減できないことがあります。これは、熱がデバイス表面まで到達し、ホットスポットを形成してしまうためです。

ゴア® サーマルインシュレーションは、熱拡散ソリューションの有効性を高めます。高品質なエアロゲル技術により、厚さ方向の熱伝導率(kz)は空気よりも大幅に低く、これにより熱拡散比が向上し、システムレベルのエアギャップ(空気層)を上回る性能を発揮します。ヒートスプレッダと組み合わせることで、より高性能な熱設計を実現します。

グラファイト製ヒートスプレッダ

グラファイトの熱伝導率は、天然か合成かの違いに加え、メーカーや厚さによっても異なります。また、グラファイトは高い異方性を持ち、面内方向と厚さ方向で熱伝導率が異なります。一般に、グラファイトシートは厚さ方向に比べて面内方向の方が高い熱伝導率を示します。


熱拡散比
(または異方性比)
この比率は熱拡散特性を表します。

kxy / kz

kxy - 面内熱伝導率
割る
kz - 厚さ方向の熱伝導率

一般的なヒートスプレッダ材料は、異方性比が高く、熱を面内方向に広げやすい特性があります。一方で、断熱材と比べるとKzが非常に高いため、熱が厚さ方向にも伝わり、デバイス表面に到達します。そこで熱設計では、スプレッダの高いKzを抑制するため、スプレッダ上にエアギャップ(Kzが低い空気層)を設けることが一般的です。

グラファイトシートの熱特性

グラファイト単体ソリューション

高熱伝導グラファイトシートは、面内方向の低い熱抵抗と、厚さ方向の比較的低い熱抵抗を兼ね備えています。この特性の組み合わせにより、優れた熱伝導特性を発揮します。

  • 面内方向の熱伝導率:600~1,900 W/m·K
  • 厚さ方向の熱伝導率:3~20 W/m·K

これらの特性により、高熱伝導グラファイトシートは約500:1の異方性比を示します。


グラファイトとゴア® サーマルインシュレーションによる熱拡散設計

厚さ方向の熱伝導率が0.020 W/m·Kと極めて低いゴア® サーマルインシュレーションをグラファイトと組み合わせることで、異方性比を100~1,000倍に高め、熱拡散性を大幅に向上させることができます。

グラファイトとインシュレーションの併用設計

グラファイトシートなどの高熱伝導材料は、モバイル機器内の熱を拡散する手段として広く用いられており、スマートフォンにおいても主要な熱管理手段となっています。一方で、設計上の課題として、グラファイトメーカーによって厚さ方向の熱伝導率の低減が進んでいるものの、依然としてデバイス表面まで熱が伝わってしまう点が挙げられます。この課題に対し、グラファイトとデバイス表面との間にエアギャップを設けて熱伝達を抑える方法が一般的に採用されていますが、そのためのスペースが必要になります。本来はこのスペースをグラファイトの配置に使うことで、プロセッサからの熱をより効率的に拡散し、性能向上につなげることができます。

サーマルインシュレーションと高熱伝導グラファイトシートを組み合わせることで、従来必要とされていた大きなエアギャップを、より薄いインシュレーションに置き換えることが可能になります。これにより、グラファイトを追加配置するためのスペースを確保できます。この構成では、プロセッサからの熱をより多く外部へ拡散することが可能となり、より高い電力での動作が可能となります。その結果、エンドユーザーにおけるパフォーマンス向上につながります。


ゴア® サーマルインシュレーションによるパフォーマンス向上
 

ゴア® サーマルインシュレーションによる
ホットスポット温度の低減

ゴア® サーマルインシュレーション
による薄型設計

  • kz値が空気より低いため、エアギャップをより薄いゴア® サーマルインシュレーションに置き換えて、空いた空間にグラファイト材を追加可能
  • 熱源から熱を逃がし、デバイス表面への熱伝導を遮断することで、性能抑制までの時間を延長
  • 各コンポーネントをより高負荷で長時間動作させることが可能に
  • 表面温度を1℃~6℃低減(システムの電力と断熱材の厚さによる)
  • エアギャップを薄型・圧縮性のあるゴア® サーマルインシュレーションに置き換え、性能を維持しながら設計の薄型化を実現

Image
ゴア® サーマルインシュレーション

フレキシブルグラファイト

モバイル機器における熱管理では、折りたたみ式スマートフォンなどの新しいフォームファクタや、AR/VRグラスのような曲面形状のデバイス、さらに非平面形状のグラファイトが求められる内部構成などを背景に、柔軟性のあるグラファイトシートへのニーズが高まっています。

一方で、フレキシブルグラファイトシートでは、屈曲による構造変化や上部に生じる不均一なエアギャップの影響により、熱伝導特性に課題が生じることがあります。特にエアギャップが薄い領域では、デバイス表面にホットスポットが発生しやすくなります。こうしたホットスポットの発生に対しては、インシュレーションを用いることで対応できます。インシュレーションは、厚さと熱抵抗が均一な固体材料として機能し、グラファイトとデバイス表面の間に安定した熱バリアを形成します。これにより、フレキシブルグラファイトの性能を向上させることができます。また、インシュレーションの圧縮性により、グラファイトを所定の位置に保持する効果も期待できます。

グラファイト、サーマルペースト、熱伝導材料

モバイル機器では、デバイスの面内方向(長さ・幅方向)に熱を移動させる用途において、グラファイトが有効です。一方、厚さ方向(上下方向)に熱を移動させるには、サーマルペーストや熱伝導材料が用いられます。これらは一般に、プロセッサとグラファイトの間に配置され、熱を速やかにグラファイトへ伝えます。これにより、効率的な放熱が促され、デバイスを高い性能で安定して動作させることが可能になります。

グラファイトシートと熱伝導材料の組み合わせは有効な手段です。ペーストと異なり、固体材料を用いることで経時的な位置ずれが生じにくく、安定した熱伝達が可能となります。また、グラファイトの反対側にゴア® サーマルインシュレーションを配置することで、厚さ方向への熱伝達を抑制し、デバイス表面への熱の到達およびホットスポットの発生を抑えます。

本製品は、一般工業用途に限定してご使用ください。

食品、医薬品、化粧品、医療機器の製造、処理、または包装作業にはご利用いただけません。