超熱伝導材料(STC)

超熱伝導材料(STC)Super Thermal Conductive composites 600W/(mK)以上を実現!! 高熱伝導 低熱膨張 軽量 登録商標第5365262号  特許第4441768号

STCとは

STCは金属を大幅に超える熱伝導率を有しており、さらに低熱膨張・軽量という特性を兼ね備えた材料です。 これらの特性は高熱伝導素材であるグラファイトと銅またはアルミニウムの複合により実現しています。

STCの特性

既存材料中のSTCの位置付け
既存材料中のSTCの位置付け
金属材料を大幅に凌駕する熱伝導率

銅や銀(400〜430W/(mK))を上回る熱伝導率600W/(mK)以上を実現しました。 ただし、熱伝導率にはグラファイトの   配向方向により異方性があります。

抑制された熱膨張

各種半導体素子との確実な熱接触を実現する抑制された熱膨張率を有しています。

軽量性

低比重のため構成部材の重量を軽減することが可能です。

STCの構造

STC組織写真
STC組織写真

STCはグラファイトと金属を複合させて製造します。 金属中でグラファイト粒子の配向方向を整列させることにより、高熱伝導率など優れた熱特性を付与しています。 そのため熱特性には異方性があります。

STCのグレード

STCには使用する金属や熱特性により、4つのグレードに分類されます。 4つのグレードからお客様のご要望に合わせた製品をご提案致します。

STCのグレード命名法
STCのグレード命名法
グレード使用金属及び熱物性

STC-CH Cu系High-spec
STC-CM Cu系Middle-spec
STC-AH Al系High-spec
STC-AM Al系Middle-spec
STCの各種グレード

STCの可能性

高熱伝導・低熱膨張・軽量といった特性をいかし、STCが社会に向けて発揮できること

加熱

実験例

長尺材の一端に熱源を設置し、熱の伝わる速度をSTCと純銅にて比較いたしました。

加熱実験例STCの方が純銅と比べ、50℃到達点が熱源よりも遠い位置にあります。 これは熱を迅速に伝えている為であり、STCの高熱伝導率によるものです。 STCは急速な加熱装置の熱伝導部材としてその力を発揮致します。


冷却

実験例

電子機器内部のCPUの冷却を想定し、実験を行いました。 伝熱板としてSTCを使用し熱源の温度がどのようになるのか検証いたしました。

冷却実験例STCの方が熱源の温度が6℃も低いことがお分かりいただけると思います。 これは熱源の温度を迅速にヒートシンクに伝えて放熱しているからです。 STCは、熱を素早く逃がしたい部分への、伝熱板として効果を発揮いたします。 熱源の近くにヒートシンクが設置できない場合に効果を発揮します。


均熱

実験例

板材の一端に熱源を設置し、面内の温度分布を検証いたしました。

均熱実験例STCの方が全体的に温度ムラが少なく、均熱していることがお分かりいただけると思います。 銅であれば熱源からの温度差が10.1℃に対して、STCは6.2℃と、STCは高い熱伝導率によって均熱板としても効果を発揮致します。 温度ムラを少なくし、より安定性の高い均熱装置へのステップアップにSTCは一役担います。

熱伝導率の異方性

通常、金属材料は等方に熱伝導率が同じ値を示しますが、STCは熱伝導率に異方性があります。これは、複合している黒鉛の特性に関係しています。

熱伝導率の異方性
黒鉛粒子の特性

STCは黒鉛と金属の複合材料です。黒鉛粒子の特性として以下が挙げられます。 黒鉛は炭素原子からなる六角網構造をしており、図のXY平面では強固な結合(共有結合)、それに直行するZ方向では弱い結合(ファンデルワールス力)となって積層構造となっています。 そのため、熱伝導率がXY面内で2000[W/mK]、それに直行するZ方向で20[W/mK]と異方性が生じます。

STCは黒鉛を金属(銅またはアルミニウム)中に配向させています。 そのため、黒鉛と同じくXY面内では高熱伝導を示し、直行するZ方向では低熱伝導となります。 このようにSTCは熱伝導率に異方性があります。

STCの熱伝導率異方性
STCの熱伝導率異方性

切出し方向この特性を上手く利用することで、特定の方向・範囲への熱の伝達が可能となります。 例えば、同じサイズのサンプルでも、切出し方向を変えることで (1)平面内に熱を広げる場合 (2)厚み方向に熱を伝える場合 という選択が可能です。


面内へ熱を広げたい場合

(1)面内へ熱を広げたい場合

積層方向を厚みにとることで、面内に高熱伝導厚み方向は低熱伝導となります。 このサンプルの中心に熱源を配置すると面内に熱が広がりやすいですが、厚み方向には熱が伝わりにくくなります。 赤いハッチング部が熱の伝わりやすい範囲


厚み方向に熱を伝えたい場合

(2)厚み方向に熱を伝えたい場合

積層方向と直行方向を厚みにとることで、面内の1方向に低熱伝導、面内の1方向と厚み方向は高熱伝導となります。 このサンプルの中心に熱源を配置すると面内の1方向と厚み方向に熱が広がりやすいですが、面内のもう1方向には熱が伝わりにくくなります。 赤いハッチング部が熱の伝わりやすい範囲

特性データ

STC・他材料の代表スペック
熱伝導率
W/(mK)
熱膨張率
×10-6/K
曲げ強度XY
MPa
引張強度XY
MPa
比重
g/cm3
ヤング率
GPa
比抵抗
×10-8Ωm
STC-CH XY:630 Z:35 XY:7 Z:9 58 25 4.1 55 9.5
STC-CM XY:570 Z:45 XY:10 Z:5 85 39 5.4 64 4.9
STC-AH XY:540 Z:30 XY:10 Z:7 43 22 2.3 51 16.9
STC-AM XY:450 Z:40 XY:17 Z:8 65 49 2.4 31 9.6
Cu 400 17 N/A 200 8.9 110 1.7
Al 200 23 N/A 90 2.7 70 2.5
Cu-W,
Cu-Mo
180〜280 6〜14 1100〜1300 250〜560 9〜17 130〜330 2.7〜5.3
STC-CH,CM:銅系超熱伝導材料 高熱伝導品および中熱伝導品 STC-AH,AM:アルミニウム系超熱伝導材料 高熱伝導品および中熱伝導品 Cu:C1100系銅 Al:A1000系アルミニウム

本資料に記載のデータは代表値ですので、特性を保証するものではありません。 STCは島根県産業技術センターとの共同研究により開発したものです。

標準製造サイズ

外形[mm] 厚み[mm]
□50 1 〜 20
□70 1 〜 20
φ50 1 〜40
φ120 30 〜 60
φ200 1 〜 40
(φ320) (1 〜 20)

超熱伝導材料(STC)

高熱伝導方向は左記サイズの外形の方向になります。厚み方向は低熱伝導となります。 φ320については他社焼結装置を使用する必要がありますので、別途ご相談となります。 サイズについては、別途ご相談ください。