「世界初」の高熱伝導CNT接着シートを開発：車載パワーモジュール用放熱材料などに向け

　富士通研究所は2020年4月17日、最高100W/mKの高熱伝導性を実現したカーボンナノチューブ（CNT）接着シートを「世界で初めて開発した」と発表した。電動自動車（EV）向け車載パワーモジュール用の放熱材料などとしての実用化が期待できる。

高熱伝導カーボンナノチューブ接着シート　（クリックで拡大）　出典：富士通研究所

高熱伝導性で期待されるカーボンナノチューブ

　炭素原子から形成されたナノテクノロジー材料の一種であるCNTは、銅の約10倍の熱伝導性を持っており、シート化することで半導体素子などの熱源から熱を逃がす放熱材料としての活用が期待されている。富士通研究所は、2017年にはCNTを用いた高熱伝導シートを開発している。しかし、シート形状保持のため2000℃以上の超高温で焼成成形をする必要があることから、シートが硬くなってしまい凹凸の大きい材料同士の接合には向かないなど、その活用用途が限定されるという課題があった。

　また、半導体素子周りでの利用の場合、素子の動作前後に発生する熱による変形に追随するように、半導体と熱を逃がすための冷却部をCNT放熱シートを介して接着させる必要がある。一般的にCNTに接着性を付与するためには、樹脂やゴムなどの粘着素材にCNTを混ぜ込んでシート化するような手法が用いられるが、これらの粘着素材の熱伝導率は低く、熱伝導性と接着性を両立させることが困難だった。

課題を解決した2つの新技術

　今回、富士通研究所は、2つの新技術によってこれらの課題を解決。界面抵抗を含めた場合でも最高100W/mKと、極めて高い熱伝導率を示すCNT接着シートを「世界で初めて開発した」としている。

　具体的には、まず保護シートと接着層の2層で構成したラミネート層がCNTの上下を保護する積層構造をとる「シートラミネート技術」を開発した。形状が崩れやすいCNTそのものをラミネート層で保護することによって安定させ、これまで難しかった裁断加工やハンドリングを容易にしたという。

カーボンナノチューブ接着シートの積層構造と多層カーボンナノチューブ　（クリックで拡大）　出典：富士通研究所

　さらに、同社が長年培ってきたCNTと樹脂の境界面における熱抵抗に関する知見を生かし、CNTの密度、樹脂の種類や厚み、接合条件といった3つ以上の相関パラメーターを最適化した「シート高熱伝導接合技術」を開発。この技術によってCNTの熱伝導性を損なうことなく、十分な接着性を保持したまま接合を行うことを可能にしている。

　同社は、今回開発したシートを、インジウムを原料とする既存の放熱材料と界面抵抗も含めた実測値によって比較。その結果、最大で3倍の熱伝導率を確認したとしている。また、今回開発したシートは、接着層および保護層と一体でラミネート化されているため、「容易に裁断加工やハンドリングが可能かつ、接着を必要とする用途への展開が可能となる」としている。同社はこのシートの使用を、材料メーカーなどへライセンスしていくことで実用化を目指す方針だ。

裁断加工も容易だ　（クリックで拡大）　出典：富士通研究所