航空宇宙・衛星向け電子システムでは、電子部品の高密度化が進むと同時に、レーダー、通信、センシングモジュールの搭載数も増加しています。そのため、放熱と高周波電磁干渉（EMI）は、同時に解決しなければならない重要な課題となっています。従来は、熱伝導材料と電磁波シールド材料を個別に使用する方法が一般的でしたが、このような積層設計は、システム重量や組立工程の複雑さを増大させることがあります。熱伝導電磁波吸収材料を使用することで、単一の材料で放熱とEMI抑制の両方に対応できるため、航空宇宙電子システムの設計において、ますます重要な材料の選択肢となっています。
航空宇宙電子システムが放熱とEMIの二重課題に直面する理由
航空宇宙・衛星プラットフォームの電子機器収納部はスペースが限られている一方で、レーダーモジュール、通信ペイロード、電力変換ユニット、各種センシングシステムを搭載する必要があります。これらのモジュールは、高い電力密度で動作する際に大量の熱を発生します。熱を効果的に排出できない場合、電子部品の劣化が早まり、システム全体の安定性に影響を及ぼす可能性があります。
同時に、これらのモジュールの多くは高周波帯域で動作し、互いに近接して配置されるため、信号干渉のリスクも高まります。レーダー送受信モジュール、衛星通信用アンテナ、RFフロントエンド回路に適切な電磁波吸収設計が施されていない場合、ノイズ結合、信号歪み、アンテナのサイドローブ干渉などが発生する可能性があります。その結果、測位精度、通信品質、システム信頼性に影響を与えることがあります。
このような条件下では、設計担当者は、一見すると独立しているようで、実際には密接に関連する次の二つの課題に同時に対応する必要があります。
- 高出力部品から発生する熱を、放熱構造へ効率的に伝えること。
- 密閉された筐体内部における高周波電磁波の反射、結合、漏洩を抑制すること。
これが、航空宇宙用途で熱伝導電磁波吸収材料が注目されている理由です。
熱伝導電磁波吸収材料の動作原理
熱伝導電磁波吸収材料は、軟磁性の電磁波吸収材を、熱伝導性を備えた高分子樹脂基材の中に均一に分散させることで、二つの機能経路を同時に実現します。
一つ目は、電磁エネルギーの変換です。高周波電磁波が材料内部に入射すると、軟磁性吸収材が電磁エネルギーの一部を熱エネルギーへ変換します。これにより、反射波および透過波の強度を低減し、EMIを抑制します。
二つ目は、熱伝導です。基材自体が熱伝導性を備えているため、電子部品から発生した熱と、電磁エネルギーの変換によって生じた熱の両方を、ヒートシンク、筐体、その他の放熱構造へ伝えることができます。その後、熱は伝導または放射によってシステム外へ排出されます。
つまり、熱伝導電磁波吸収材料は、単に二種類の材料の機能を重ね合わせたものではありません。同一の材料構造内で電磁波吸収と熱管理を同時に行うことで、追加の材料層や組立工程を削減できます。
航空宇宙用途で熱伝導電磁波吸収材料に求められる重要性能
一般的な電子機器で熱伝導電磁波吸収材料を選定する場合、主に熱伝導率とEMI吸収周波数帯が重視されます。しかし、航空宇宙・衛星用途では、それに加えて、より厳しい環境条件への耐性が必要です。
熱伝導率と熱抵抗
材料には、発熱部品から放熱構造へ熱を効率的に伝えるための十分な熱伝導率が必要です。これにより、局所的なホットスポットによる部品のディレーティングや寿命低下を防ぎます。
広帯域の電磁波吸収性能
使用される周波数帯はミッションによって異なり、GHz帯の通信・レーダー周波数からミリ波用途まで多岐にわたります。そのため、材料には実際の使用周波数帯をカバーする吸収性能と、安定した誘電特性である誘電率および誘電正接（Dk/Df）が求められます。
低アウトガス特性（Low Outgassing）
航空宇宙電子機器の収納部は、真空または真空に近い環境で使用されることが多くあります。材料から放出された揮発成分が光学部品、センサー、電気接点などに凝縮すると、信号のドリフトや接触不良を引き起こす可能性があります。そのため、航空宇宙用途の材料には、一般的にASTM E595試験への適合が求められ、業界で広く用いられている選定基準として、TML < 1.0%、CVCM < 0.1%が使用されます。ASTM E595試験では、WVR（水蒸気再吸収率）も測定されます。WVRは、真空環境で水分を放出した材料が、常温・常湿環境へ戻された後に、再び吸収する水分の割合を示します。この値は、TMLの結果を解釈する際の補助指標となります。例えば、材料によっては、TMLが基準値を超えた原因が、有機揮発成分ではなく水分の損失である場合があります。したがって、低アウトガス特性を適切に評価するためには、単一の値だけを見るのではなく、TML、CVCM、WVRの三項目を総合的に確認する必要があります。
熱サイクル耐性と機械的追従性
衛星や航空機は、ミッション中に大きな温度変化を繰り返し受けます。材料には、長期間の熱サイクル後も柔軟性、圧縮性、復元性を維持することが求められます。材料が脆化したり永久変形したりすると、部品との密着性が失われる可能性があります。
軽量化要件
航空宇宙用ペイロードは重量に対して非常に厳しい制約があります。そのため、熱伝導性能と電磁波吸収性能を満たしながら、単位面積当たりの重量をできる限り抑え、システム全体の軽量化目標に対応する必要があります。
代表的な三つの用途
1.レーダーおよび通信送受信モジュール
レーダーや衛星通信モジュールでは、複数の高周波回路が同一筐体内に近接して配置されることが一般的です。熱伝導電磁波吸収材料を回路周辺やシールドカバーの内側に配置することで、筐体内部の共振や信号反射を抑制できます。同時に、モジュールの動作時に発生する熱を放熱構造へ伝え、高温によるRF部品の周波数安定性低下を防ぎます。
2.衛星ペイロード電子機器収納部
衛星ペイロード内部はスペースが限られており、パワーアンプ、周波数変換モジュール、電源ユニットなどが近接して配置されます。熱伝導電磁波吸収材料を使用することで、筐体内部の熱蓄積を抑えると同時に、モジュール間の電磁結合を低減できます。これにより、通信ペイロードの信号品質維持に貢献します。
3.航法・慣性センサーモジュール
慣性計測装置（IMU）や航法センサーは、電磁ノイズの影響を受けやすく、わずかな信号干渉でも姿勢演算の精度に影響する可能性があります。熱伝導電磁波吸収材料は、センサーモジュール周辺の柔軟なインターフェース材として使用でき、放熱とノイズ抑制の両方を実現します。これにより、長時間ミッションにおける計測安定性を支援します。
シリコンタイプとノンシリコンタイプの選び方
一般的な電子機器では、シリコンタイプの熱伝導電磁波吸収材料は、優れた柔軟性と密着性を持つため、広く使用されています。一方、真空環境への適合性が求められる用途、光学部品の周辺、高信頼性が必要な航空宇宙システムでは、シリコン基材から低分子シロキサンが揮発する可能性が懸念されます。そのため、分子レベルの汚染リスクを低減する目的で、ノンシリコンタイプの熱伝導電磁波吸収材料が検討されます。
実際の材料選定では、一般的に次の条件を基準に判断します。
- 衛星ペイロードや光学部品周辺のモジュールなど、真空適合性と低アウトガス特性に対する要求が高いシステムでは、ノンシリコンタイプを優先的に検討します。
- 5Gミリ波など、誘電特性を精密に制御する必要がある用途では、Dk/Dfを制御した電磁波吸収材料を検討します。
- 設置スペースが極めて限られている場合は、薄型設計や曲面への密着に対応できる超薄型の熱伝導電磁波吸収材料を検討します。
LiPOLYの熱伝導電磁波吸収材料ソリューション
LiPOLYでは、シリコンタイプとノンシリコンタイプの熱伝導電磁波吸収材料を提供しており、航空宇宙用途や高周波用途の条件に応じて選定できます。
- NT92 / NT93 / NT94：低アウトガス特性を備えたノンシリコン熱伝導RF吸収シートです。真空環境への適合性が求められる用途や航空宇宙用途に適しており、熱伝導性能と電磁波吸収性能を両立します。熱伝導率は、製品によって2.0～4.0 W/m·Kです。
- TEM96シリーズ：熱伝導率2.0～6.0 W/m·Kのシリコン熱伝導RF吸収シートです。放熱と電磁波吸収の両方が求められる一般的な高周波電子機器や通信モジュールに適しています。
- Ti900-s：設置スペースが限られたモジュールや、薄型設計が必要なインターフェース用途に適した超薄型熱伝導RF吸収フィルムです。
- DTT65-s / DTT44-s：Dk/Dfを制御した設計を採用しており、5Gミリ波など、高い誘電安定性が求められる高周波用途に適しています。
放熱、EMI抑制、低アウトガス特性を同時に満たす必要がある航空宇宙プロジェクトに対して、LiPOLYは材料選定に関する技術相談、サンプル評価、ASTM E595、TML、CVCM 、WVR に関する試験データを提供し、設計初期段階での材料評価を支援します。
サンプルおよび技術資料のご請求
レーダーモジュール、衛星ペイロード、航法センサーシステム、その他の航空宇宙電子機器を開発する際、熱伝導電磁波吸収材料の選定は、熱伝導率や吸収周波数帯だけで判断すべきではありません。次の項目も併せて評価する必要があります。
- 電磁波吸収性能と対応周波数帯
- 低アウトガス特性、TML・CVCM・WVR データ
- 熱サイクル安定性と機械的追従性
- システムの重量制限を考慮した薄型化要件
熱伝導電磁波吸収材料の製品資料、技術相談、サンプルをご希望の場合は、LiPOLYまでお問い合わせください。次の航空宇宙プロジェクトまたは高周波電子機器プロジェクトに向けて、放熱とEMI抑制を両立する最適な材料ソリューションをご提案します。
