フレキシブルグラファイトフォイルと熱伝導グラファイトシート：熱管理用途で適切な材料を選ぶ方法

フレキシブル黒鉛箔と合成熱伝導性グラファイトシートはどちらも薄く、暗色で、電気伝導性のある層として供給されますが、互換性のある製品ではありません。フレキシブル箔は、膨張天然黒鉛を原料とし、カレンダー加工によって圧縮可能なシートまたはロール状に成形されます。合成熱伝導性グラファイト（熱分解グラファイト）は、炭素を豊富に含む前駆体から始まり、別途高温処理を施すことで、横方向への熱拡散に適した配向性の高いフィルムを形成します。前者の製法は密封や高温工業用層にも用いられますが、後者の製法は主に電子機器の熱管理に用いられます。

図面や発注書で使われる名称は、この違いを見えにくくすることがあります。QDZRT Graphiteでは、黒鉛紙とフレキシブル黒鉛シートを膨張黒鉛製品として区分しています。一方、電子機器分野では、PGSやその他の合成フィルムを「黒鉛シート」と呼ぶ場合があります。パナソニックは天然黒鉛シートとPGSを明確に区別し、SGLも膨張天然黒鉛箔について別個の製品データを公開しています。詳しくは、パナソニックの材料ルート説明およびSGLの膨張黒鉛箔データを参照してください。一方の製造ルートの数値を、他方へそのまま転用してはいけません。

したがって、有益な比較は、材料の経路、熱流方向、機械的挙動、および納品された積層構造という4つのチェックから始まります。これらのチェックにより、魅力的な導電率の数値が実際の要件を覆い隠してしまうことを防ぎます。最終的な組み立てでは、グラファイトコア、接着剤、保護フィルム、剥離ライナー、露出したエッジ、配置公差、および接触圧力が一体化されます。

この2つの材料は異なる製造工程を経て生産される。

膨張天然黒鉛箔は、圧縮膨張粒子を含み、層状の多孔質構造を保持しています。この構造は圧力下で形状を変化させ、適度に凹凸のある表面に追従し、横方向の熱拡散と厚み方向の接触を両立させます。密度、カレンダー加工、炭素含有量、および補強材やコーティングの種類によって結果は変化します。熱拡散を目的とした高密度膨張箔は、低密度密封箔と必ずしも同じ製品ではありません。

合成グラファイトシートまたは熱分解グラファイトシートは、異なる前駆体と黒鉛化ルートで製造されます。そのグラファイト面はフィルム方向に強く配向しているため、特定のグレードでは非常に薄い厚さでより高い面内導電率を実現できます。トレードオフとして、裸のフィルムは一般的に圧縮性が低く、取り扱いにはサポートフィルム、接着剤、または封止が必要になる場合があります。 黒鉛紙の制作ビデオ これは膨張黒鉛ロール製造工程を示していますが、PGS の製造方法の説明として使用すべきではありません。

証明書または図面には、輸送経路を明確に記載する必要があります。エキスパンドフォイルの場合、一般的な項目には、原材料、炭素または灰分の報告方法、密度、公称厚さ、ロールまたはシートの寸法、および表面処理が含まれます。合成フィルムの場合、データパッケージには通常、グレード、フィルム厚さ、方向性導電率、層構造、および取り扱いまたは曲げ制限が重点的に記載されます。寸法、ロット識別情報、外観状態などの共通項目は共有できますが、輸送経路固有の項目は個別に記載する必要があります。

比較対象品目	膨張天然黒鉛箔	合成または熱分解グラファイトシート	プロジェクトが検証しなければならないこと
材料ルート	拡張された天然黒鉛に続いて、ローリングまたはカレンダーリング	炭素前駆体に続いて制御された炭化と黒鉛化	正確なグレード、メーカーのデータシート、および提示されたフォームが未塗装、コーティング済み、またはラミネート加工済みであるか
熱方向	異方性；値は密度、圧延方向、厚さ、方法によって異なる	特定のグレードでは強い異方性を示し、高い横方向拡散が主な設計機能となっている。	面内値と面直方向値、試験方法、試験温度、試験片の向き、および不確かさ
機械的応答	圧縮および成形が可能。エッジ強度と粉塵挙動は構造に依存する。	薄膜は曲げられるが、折り目がついたり、ひび割れたり、支持層から剥離したりする可能性がある。	接触圧力、最小曲げ、型抜き形状、非支持エッジ、およびコンバーター試験結果
納品されたスタック	未加工の箔、ロール、シート、またはプロジェクト固有のラミネートとして供給される場合があります。	多くの場合、接着剤、保護フィルム、ライナー、または封止材が付属しています。	出荷時の厚さ、設置時の厚さ、露出したグラファイト、ライナーの除去、最終的な電気的絶縁
公開された数値データ	指定された箔のグレードと密度の値のみを使用してください。	指定された PGS または合成グレードとラミネート状態の値のみを使用してください。	あるグレードの最も薄い厚さと、別のグレードの最も高い導電率を組み合わせないでください。

比較可能なデータパッケージとはどのようなものか

比較が信頼できるのは、両方の候補が同じレベルで文書化されている場合のみです。データパッケージには、正確な市販グレード、グラファイトコアの厚さ、密度または坪量、方向熱値、試験温度、試験方法、および試験中の試験片の状態を示す必要があります。一方の候補が裸のグラファイトコアで、もう一方が積層された完成品である場合、結果はまだ比較できません。積層体は特性比較から除外するか、または積層レベルの別個の結果として両方の候補に追加する必要があります。

報告書には、代表値、公称値、保証値を区別して記載する必要があります。代表的な熱伝導率は初期シミュレーションに役立つ場合がありますが、必ずしも合格基準となるわけではありません。保証範囲は、供給業者が測定方法、サンプリング計画、ロット定義、報告基準を確認した場合にのみ、購入仕様書に記載されます。厚さ、密度、表面状態、電気絶縁性能についても同様の区別が適用されます。

方向ラベルには物理的な参照が必要です。「面内」はシート面を示し、圧延や加工によって追加の方向が生じる場合は、図面に機械方向と横方向を示す必要があります。「厚さ方向」は取り付け時の厚さ方向を示します。この方向がないと、スプレッドシートに高い値を正しく入力しても、シミュレーションで誤った軸に適用されてしまう可能性があります。

トレーサビリティは、製造ルートによっても異なります。エキスパンドフォイルは、原料フレークのロット、エキスパンドおよびカレンダー加工のバッチ、ロール番号、スリット幅によって管理される場合があります。合成フィルムは、前駆体フィルム、黒鉛化バッチ、マスターシート、ラミネートロット、および変換バッチによって管理される場合があります。発注書は、サプライヤーの内部プロセスをそのままコピーする必要はありませんが、証明書、ラベル、および検査記録に表示されるロットIDを定義する必要があります。

構造によって熱の伝わり方が決まる

どちらの材料も、厚み方向よりもグラファイト面に沿って熱伝導率が高いが、その配向度合いが異なる。エキスパンドフォイルは、膨張粒子が重なり合ったネットワークを形成する。一方、合成シートは、より強い平面配向性を実現するように設計されている。そのため、同じ公称厚さの2つのサンプルでも、どちらもグラファイトシートと呼ばれていても、横方向の温度分布は大きく異なる可能性がある。

電子機器の熱管理に関する記事はチップからシャーシまでの全経路をたどり、グラファイトの熱管理の概要では温度、雰囲気、負荷、材料形状を区別しています。コンパクトな電子機器アセンブリの場合、非常に薄い厚みの範囲内で横方向の広がりが重要な場合は、合成シートが検討されます。適合性、接触特性、工業用温度、またはより厚いロール形状が最大横方向値よりも重要な場合は、エキスパンドフォイルが検討されます。

固定された拡散距離から選択することはできません。試験計画では、熱源のサイズ、電力マップ、受熱構造、グラファイトの配向、界面層、クランプまたは接合方法、センサーの位置、サンプリングレート、環境条件、および定常状態基準を定義する必要があります。シミュレーションによって重なりと経路を提案し、代表的なアセンブリでそれを確認します。あるデバイスで使用される距離と時間ポイントを、すべての製品に対する一般的な検証ルールとして使用すべきではありません。

切断や取り扱いも構造に左右されます。エキスパンドフォイルはダイの下で圧縮され、支持されていない端部から炭素粉が脱落する可能性があります。合成フィルムは鋭い折り目に沿ってしわや亀裂が生じ、保護層から剥離する可能性があります。パッド変換ルートでは、二つの材料群に同じ金型条件を流用せず、最終積層構造と切断形状を試験対象として扱う必要があります。

熱伝導率は方向別かつグレード別に確認する

ラベルのない単一の熱伝導率の数値だけでは不十分です。データ行には、面内方向または面直方向、試料の厚さ、密度、試験温度、および試験方法を明記する必要があります。公開されている製品シートを見ればその理由がわかります。高密度膨張黒鉛箔や特定のPGSグレードによって熱伝導率の範囲は大きく異なり、1つのサプライヤーでも厚さや積層方法が異なる複数のグレードを提供している場合があるからです。

NASA の研究では、炭素繊維ポリマー複合材に埋め込まれた PGS が、軽量宇宙船ラジエーター構造における熱輸送を増加させるための特殊な方法の 1 つを示しています。これは材料統合の有用な例ですが、すべての裸の PGS フィルム、民生用電子機器パッド、またはエキスパンドフォイルを検証するものではありません。 NASA PGS 複合ラジエーターの研究。構造、繊維配向、複合化プロセスも、その結果の一部を構成します。

OSTIで公開されている研究では、グラファイト箔の入力値として面内方向約1400 W/m·K、厚さ方向約14 W/m·Kが使用されています。これらの値はその研究で用いた材料モデルに固有であり、合成サーマルグラファイトとして販売されるすべての製品に適用されるものではありません。詳細は次の資料を参照してください。 OSTI グラファイト箔研究。重要なのは異方性の大きさであり、普遍的なカタログ値ではありません。

組み立て部品には、もう一段階の証拠が必要です。接着剤、接触熱抵抗、表面平坦度、圧力、および空気層は、グラファイト層と直列に作用します。ASTM D5470は、管理された条件下で熱伝導性電気絶縁材料の熱伝達特性を測定する枠組みを提供しますが、理想化された試験構成に依存します。ASTM D5470法を参照してください。製品プログラムでは、材料試験結果と最終組立品の性能を相関確認する必要があります。

試験治具は、判定基準となる質問が明確になった後に選択する必要があります。材料特性試験では、規定された方法による導電率を測定します。スプレッダー比較試験では、設置された部品が既知の熱入力をどのように再分配するかを調べます。デバイス認定試験では、最終製品において温度、電気的クリアランス、接着性、機械的完全性が許容範囲内であるかどうかを調べます。これら3つの質問を1つの非公式なベンチテストにまとめると、再現性や転用性のない結果が得られることがほとんどです。

スプレッダーの比較については、ヒーターの設置面積、入力電力と制御方法、受熱板の材質と厚さ、周囲環境または冷却条件、取り付け圧力または接着剤の硬化、センサーの種類、センサーの取り付け方法、サンプルの向きと不確かさを文書化してください。熱画像で横方向のパターンを明らかにすることができますが、放射率、反射、表面コーティングを制御する必要があります。接触型センサーはトレーサビリティを改善できますが、その質量と配置により、非常に薄いアセンブリに影響を与える可能性があります。承認された計画には、これらの影響への対処方法を明記する必要があります。

過渡状態と定常状態の結果は、それぞれ異なる疑問に答えるものです。合成フィルムは短いパルスを素早く再分配する一方、エキスパンドフォイルは粗いクランプされた界面でより効果的な接触を提供する可能性があります。レポートでは、時間範囲と境界条件を明記せずに、ある材料が優れていると断言すべきではありません。生の温度データ、治具の図面、およびサンプル識別情報をまとめて保管し、後日グレードや接着剤を変更した場合でも、同じ基準値と比較できるようにしてください。

厚さ、密度、および納品されたスタック

エキスパンドフォイルは一般的に設計空間のより厚く圧縮性の高い部分を占める一方、合成フィルムはグラファイトコアを非常に薄くする必要がある場合によく選択されます。この傾向は普遍的な厚さ範囲を生み出すものではありません。公称グラファイトの厚さ、密度、および許容誤差は、指定されたグレードまたは図面から得る必要があります。 黒鉛紙 厚さと密度ガイド 本稿では発泡材側のデータを提供するが、合成フィルムについては独自のサプライヤーデータが必要となる。

面積質量は、入力値が明示されている場合に有用な計算方法です。例えば、面積質量は、単位を統一的に変換した後、厚さに密度を乗じた値となります。この計算では、2つの候補を比較できますが、製品マトリックスを作成することはできません。保護フィルム、接着剤、ライナーは、グラファイトコアよりも厚みが増す可能性があるため、別途報告する必要があります。

スタックアップフィールド	図面またはRFQ入力	測定または証拠	なぜ分離したままにしておく必要があるのか
グラファイトコア	材料の経路、グレード、公称厚さ、密度、および方向	サプライヤーデータおよび合意された厚さ測定方法または図面検査	コアデータは熱的および機械的挙動を制御する
接着剤	化学組成、コーティング面、公称厚さ、剥離ライナー、および使用条件	接着剤供給業者データおよび完成ラミネートの検証	接着剤は厚み方向の抵抗と温度限界を支配する可能性がある
保護フィルムまたは断熱フィルム	フィルムの種類、厚さ、重なり、露出端ルール、電気的要件	フィルムデータ、誘電率試験、および目視検査計画	表面膜は露出した黒鉛の端面を電気的に中性にするものではない。
リリースライナー	材質、厚さ、剥離方向、および剥離順序	コンバーターの試用とパッケージング手順	ライナーは金型のセットアップと出荷時の厚みに影響しますが、使用時には存在しません。
完成部品	取り付け厚さ、形状、穴、エッジシール、位置決め基準、および公差	承認済み図面および代表的な組立寸法	このデバイスは、裸のグラファイト値ではなく、完全なスタックを認識します。
許容誤差スタック	層間許容差および承認された算術的または統計的方法	図面レビューとプロセス能力の証拠	分布と独立性の仮定なしに平方根の結果を得ることは正当化されない。

厚さ測定では、接触圧力と測定機器も特定する必要があります。圧縮可能な発泡箔は、測定力によって異なる値を示す可能性があり、接着ラミネートにはライナーのテクスチャや局所的なASTM D1000のばらつきが含まれる場合があります。したがって、図面には、制御値がベアコア、完成ラミネート、出荷スタック、または設置された圧縮スタックのいずれに適用されるかを明記する必要があります。ASTM D1000は、厚さ関連の測定を含む感圧接着テープの試験方法を提供しますが、正確な製品仕様によって、受け入れられる方法が依然として規定されます。 ASTM D1000.

加工試験では、外形を切断できるかどうかだけでなく、切断端の品質、粉じんまたは粒子の発生、ライナーの浮き、接着剤のはみ出し、フィルムの亀裂、最小ウェブ支持幅、部品の取り外しや配置の再現性も評価します。手作業のサンプリングで問題のない形状でも、ライナー剛性、剥離方向、静電気が異なる自動ピックアンドプレースでは不具合が生じる場合があります。これらの結果は、加工業者のDFM記録および承認済み図面の注記に記載する必要があります。

包装は、最も脆弱な部分を保護するものでなければなりません。発泡箔は、折り目、端面への衝撃、摩擦から保護するためのサポートが必要となる場合があります。合成フィルムやラミネート加工された製品は、平面度による品質管理、清潔なライナー、グラファイトコアを損傷する折り目からの保護が必要となる場合があります。包装仕様書には、向き、サポート、インターリーフまたはライナーの状態、承認された包装設計によって決定される部品数、および輸送後に必要とされる検査について明記する必要があります。

電気的挙動は組立要件です

エキスパンドフォイルと合成シートはどちらも導電性です。保護層としてPETまたはポリイミド層を塗布することで表面を絶縁できますが、切断面、穴、または損傷した重なり部分からグラファイトが露出する可能性があります。そのため、最終図面には、動作電圧と過渡電圧、適用される電気規格、沿面距離と空間距離の要件、絶縁膜のグレード、端部封止、誘電試験方法、および合格値を明記する必要があります。

固定電圧やクリアランスの数値は、機器の種類、汚染度、材質、高度、形状、最終組立方法によって適切な値が異なるため、一般的な比較には適していません。パナソニックの製品情報では、この理由から、裸型、接着剤付き、絶縁型の構造を区別しています。使用可能な電気的ギャップを検討する際には、型抜き公差と配置公差も考慮する必要があります。

拡張箔はバリや鋭利なエッジを形成する可能性がある。合成フィルムは、一見無傷に見えるカバーの下で横方向に電流を流す可能性がある。したがって、電気的検証は、切断されていないシートサンプルではなく、最終的に切断された形状と取り付けられた積層体を使用して行うべきである。 黒鉛紙 の特性に関する記事 同様に、炭素繊維コアの挙動と完全な積層材の挙動を区別する。

温度限界は積層構造全体で判断する

膨張黒鉛箔は、グレード、雰囲気、暴露時間、および端部の状態を適切に管理すれば、高温環境下でも使用可能です。合成熱伝導シートは、デバイス温度が低い場合に使用されることが多いですが、グラファイト格子が最初に故障する部品とは限りません。接着剤、PET、ポリイミド、コーティング、およびライナーには、それぞれ連続使用限界と短時間使用限界があります。

裸のPGSコアの公表されている最高使用温度は、接着剤付きラミネートに適用すべきではありません。製品データには、グラファイトコアの温度と、貼り付けられたテープまたは絶縁層に許容される温度が別に記載されている場合があります。エキスパンドフォイルは空気中での酸化評価が必要ですが、不活性ガス中または真空中での使用には異なる境界があります。 熱管理および高温対策 これは製造ルートの概要として読むべきであり、正確なグレードおよび積層仕様の代わりにはなりません。

したがって、検証計画には、連続温度、温度変動、雰囲気、期間、サイクルプロファイル、接着剤の経年劣化、フィルムの収縮、端部の酸化、および試験後の検査を記録する必要があります。一般的な接着剤の上限値、固定された温度変動期間、および想定される寿命試験は、指定された製品データまたは承認されたプログラムから得られたものでない限り、削除する必要があります。

故障モードを分析することで、どの違いが重要かが明らかになる

エキスパンドフォイルと合成シートは、測定されたデバイス温度が初期には類似しているように見えても、異なる理由で故障する可能性があります。エキスパンドフォイルは、クランプ荷重の変化、組み立て中のしわ、露出した端部からの粒子の剥離、またはグラファイトに空気が触れる部分の酸化によって接触不良を起こす可能性があります。合成フィルムは、折り目部分のひび割れ、接着剤からの剥離、サポートフィルムとの収縮、または打ち抜き加工後に導電性端部が露出する可能性があります。検証計画では、選択した経路から予想される故障モードを検査する必要があります。

熱故障は必ずしも黒鉛の特性不良によるものではありません。接着不良、空気の混入、部品の配置ミス、シャーシの汚染、接触圧力の誤りなどによって、高伝導性コアの利点が失われる可能性があります。報告書では、材料特性に関する証拠と、変換に関する証拠および組み立てに関する証拠を区別する必要があります。この区別によって、是正処置 の記述がより明確になります。つまり、黒鉛の特性が実際に支配的な場合にのみ、黒鉛グレードを変更すべきです。

機械的検査は用途に合わせて行う必要があります。圧縮膨張箔の場合は、取り付け時の厚さ、パターン、端部の状態、および永久変形の有無を記録します。合成積層板の場合は、折り目、フィルムの重なり、接着剤の被覆率、剥離、および露出したグラファイトを検査します。どちらの場合も、使用済み部品を同じロットの未装着サンプルと比較し、故障箇所が明らかでない場合は写真または顕微鏡写真を保存してください。

管理された材料変更では、変更の影響を受ける証拠のみを繰り返す必要があります。新しいグラファイトコアグレードでは、熱的および機械的比較が必要になる場合があります。新しい接着剤では、耐熱性、剥離性、経年劣化、および電気的チェックが必要になる場合があります。ライナーまたはダイカット形状の変更は、主に変換歩留まりと配置に影響を与える可能性があります。このロジックを事前に定義することで、サプライヤーの変更が未検証の代替品になることなく、不要なテストを削減できます。

コストは、承認された完成部品1個当たりで比較する必要があります。

エキスパンドフォイルは、ロール単位、シート単位、重量単位、または平方メートル単位で価格が提示される場合があります。合成フィルムは、デバイスあたりの質量が小さいため、多くの場合、平方メートル単位または加工済みダイカット部品単位で評価されます。したがって、キログラムあたりの価格では比較が歪んでしまいます。有用な基準は、加工および検査後の承認済み完成面積または承認済み完成部品です。

コストモデルには、架空の材料指数、エッジロス、ネスティング歩留まり、スクラップ率、注文数量、梱包数を含めるべきではありません。これらの入力は、購入者と加工業者に属します。 グラファイトロールおよびシート包装製品 損傷や梱包が使用可能面積に影響を与える理由を説明するが、各プログラムにはそれぞれ独自の記録が必要である。

コスト投入	買い手または供給元	計算基準	証拠を保管する
基材となる黒鉛	指定されたグレードと寸法の現在の 見積書	購入エリア、ロールまたはシート	見積書の改訂および仕様
ラミネート加工とフィルム	コンバーター 見積書	ラミネート加工が完了したエリア	レイヤー定義とプロセス範囲
スリット加工 と 打ち抜き加工	工具および生産 見積書	合格部品数（機械ストローク数ではない）	工具寿命、セットアップ、検査計画
歩留まりとスクラップ	承認された巣作りと試験結果	承認面積÷請求面積	ネストされた図面とロットの収益
検証と変更管理	プロジェクトテスト計画	プログラム費用または償却済み承認数量	試験報告書および承認状況
梱包と物流	サプライヤーおよび物流 見積書	納品された部品を受け入れました	梱包基準と輸送中の紛失記録

実際の組み立てに適したものを選ぶ

s箔は、アセンブリに適合性、圧縮性、厚めのロールまたはシート形状、工業用温度耐性、あるいは拡散と接触の両方の役割が必要な場合に候補となります。合成熱黒鉛は、横方向の拡散が支配的で、厚みの許容範囲が厳しく、アセンブリがフィルムの取り扱い、絶縁性、および端部の要件に対応できる場合に候補となります。これらはスクリーニングの方向性であり、自動選択ではありません。

2つの候補を完全なスタックアップとして記述します。材料の経路、グレード、グラファイトの厚さ、密度、方向性導電率、接着剤、保護フィルム、ライナー、設置厚さ、電気的絶縁、連続温度と異常温度、雰囲気、年間許容面積を記録します。次に、同じ境界条件下で、測定された温度マップ、機械的適合性、電気的結果、および納入コストを比較します。

関連する製品形態は、グラファイト製品カテゴリーおよび黒鉛シール材ページで確認できます。QDZRT Graphiteは、文書化された供給範囲内で膨張黒鉛箔またはシートの見積もりを提供できます。合成フィルムの選択、ラミネート加工、絶縁、および加工に関する責任は、一般的な記事から推測するのではなく、図面および見積書において、購入者、加工業者、および供給業者の間で確認する必要があります。

アセンブリの断面、目標温度マップ、電気的制約、年間面積は、お問い合わせページから送信してください。問い合わせの目的は、価格や伝導率を比較する前に、正確な製品経路と供給範囲を特定することです。