炭素放熱体およびその製造方法
【課題】熱伝導性および熱放射性に優れ、熱伝導率に異方性がない炭素放熱体を安価に製造する。
【解決手段】高分子樹脂中に、黒鉛の結晶が放射状に成長した気相放射状成長黒鉛粉末を均一に分散混合し、混合物を所望の形状に成形した後、不活性雰囲気中、非酸化性雰囲気中、又は真空中で焼成することにより、高分子樹脂を炭素化して、アモルファス炭素中に気相放射状成長黒鉛粉末が均一に分散した炭素放熱体とする。
【解決手段】高分子樹脂中に、黒鉛の結晶が放射状に成長した気相放射状成長黒鉛粉末を均一に分散混合し、混合物を所望の形状に成形した後、不活性雰囲気中、非酸化性雰囲気中、又は真空中で焼成することにより、高分子樹脂を炭素化して、アモルファス炭素中に気相放射状成長黒鉛粉末が均一に分散した炭素放熱体とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体素子などが発生する局所的な発熱を拡散、放熱する放熱体、特に、炭素放熱体に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子樹脂に、充填剤としての黒鉛などの微粉末を混合し、所望の形状に賦形した後、焼成して高分子樹脂を炭素化して得られるＰＦＣ（Ｐｌａｓｔｉｃ Ｆｏｒｍｅｄ Ｃａｒｂｏｎ）は、通常のプラスチック成形により得られる形状がそのまま維持されるので任意の形状のものを得ることが容易であり、軽量であり、耐熱性および優れた熱伝導性を有し、熱を効率よく遠外線に変換して放射する熱放射性にも優れていることから、半導体素子用の放熱体として有望である。
【０００３】
下記特許文献１には、上記の充填剤として、導電性のある黒鉛微粉末を用いた炭素放熱体とその製造方法が記載されている。また、特許文献２には、黒鉛粉末に代えて、黒鉛と同じ結晶構造を有するが導電性のない六方晶窒化硼素粉末を充填剤として用いた放熱板とその製造方法が記載されている。
【０００４】
上記はいずれも、結晶面の拡がり方向とこれに垂直な方向とで著しく性質の異なる結晶粉末をアモルファス炭素中に分散させて用いているため、例えば板状に成形した場合に熱伝導率が板の厚み方向と板の拡がり方向とで異なるといった異方性がある、という問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３２３６３３号公報
【特許文献２】特開２０１０−１９２５３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって本発明の目的は、熱伝導性および熱放射性に優れ、かつ、熱伝導率に異方性のない炭素放熱体とその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、アモルファス炭素と、黒鉛の結晶が放射状に成長した気相放射状成長黒鉛粉末とを少なくとも含み、前記気相放射状成長黒鉛粉末は前記アモルファス炭素中に均一に分散している炭素放熱体が提供される。
【０００８】
本発明によれば、高分子樹脂中に、黒鉛の結晶が放射状に成長した気相放射状成長黒鉛粉末を均一に分散混合し、該混合物を所望の形状に成形し、不活性雰囲気中、非酸化性雰囲気中、又は真空中で焼成することにより、前記高分子樹脂を炭素化することを含む炭素放熱体の製造方法もまた提供される。
【０００９】
前記焼成は、７００℃以上２８００℃以下の温度で行われることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の炭素放熱体は、アモルファス炭素の充填剤として黒鉛の結晶が放射状に三次元的に成長した気相放射状成長黒鉛粉末を用いているため、熱伝導性に優れ、かつ、熱伝導率に異方性がない。また、気相放射状成長黒鉛粉末（インキュベーションアライアンス社製カーボンフラワー）は、一般の気相成長黒鉛よりも高い生産性で工業的に量産することができるので、炭素放熱体を比較的安価に製造することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に本発明による炭素放熱体の製造方法を説明する。
【００１２】
まず、焼成後に熱伝導性、熱放射性を示すアモルファス炭素となる高分子樹脂と気相放射状成長黒鉛材料を混合し、場合によっては更に黒鉛粉末を混合した後、混合機を用いて充分に分散させる。次にこの混合体を、製膜機や押し出し成型機のような通常のプラスチック成形を行う際に使用されている成形機を用い、板形状に成形する。得られた板形状体は、エアオーブン中で炭素前駆体化処理及び固化処理を施した後、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中で昇温速度を制御しつつ焼成することで炭素化を終了させ、アモルファス炭素中に気相放射状成長黒鉛粉末が等方的に分散した炭素複合体からなる炭素放熱板が得られる。ここで、炭素化は不活性ガス雰囲気もしくは真空下で７００〜２８００℃程度まで加熱昇温し行われるが、炭素化時の昇温速度が大きいと賦形体の形状が変形したり微細なクラックが生じたりするなどの欠陥が生じる。したがって、５００℃までは毎時５０℃以下、それ以降も毎時１００℃以下で行うことが適切である。
【００１３】
本発明によると、成形性に優れる高分子樹脂を炭素化することで得られる熱伝導性、熱放射性を有するアモルファス炭素中に、その結晶面内では熱拡散性・伝導性が良く層間では面内と比較してその性質が劣るという結晶構造上の欠点を克服した気相放射状成長黒鉛材料を均一に分散させ、アモルファス炭素と放射状黒鉛との複合体とすることで、熱伝導性、熱放射性に優れ、熱伝導率に異方性がない炭素放熱体を効率よく安価に製造することが可能である。
【実施例】
【００１４】
以下に、実施例によって本発明を更に具体的に説明するが、本願発明はこの実施例によって何等限定されるものではない。
【００１５】
（実施例１）
高分子樹脂としてのフラン樹脂（日立化成社製ヒタフランＶＦ−３０３）６０部に、気相成長黒鉛材料（インキュベーションアライアンス製、カーボンフラワー）４０部をディスパーにて３０００ｒｐｍで１０分間混合分散した後に、硬化促進剤としてｐ−トルエンスルホン酸を３部加え、さらに２分間混合撹拌した。得られた組成物を成形用金型にて固化、成形し、真空焼成炉を用いて２０００℃の加熱処理を行い、炭素板を得た。
【００１６】
得られた炭素板の寸法は１３１ｍｍ×１３０ｍｍ×３．６ｍｍ、密度１．６４ｇ／ｃｍ3であり、レーザーフラッシュ法（試験機：ＮＥＴＺＳＣＨ社製ＬＦＡ４５７、試験方法：ＪＩＳ Ｒ １６１１：１９９７）にて板の厚さ方向の熱伝導率を測定したところ１２０Ｗ／ｍ・Ｋであった。板の拡がり方向における熱伝導率は１１５Ｗ／ｍ・Ｋであった。熱放射率は０．９３であった。
【００１７】
（実施例２）
高分子樹脂としてのフラン樹脂（日立化成社製ヒタフランＶＦ−３０３）７０部に、気相成長黒鉛材料（インキュベーションアライアンス社製、カーボンフラワー）２０部、天然黒鉛粉末１０部をディスパーにて３０００ｒｐｍで１０分間混合分散した後に、硬化促進剤としてｐ−トルエンスルホン酸を３部加え、さらに２分間混合撹拌した。得られた組成物を成形用金型にて固化、成形し、真空焼成炉を用いて２０００℃の加熱処理を行い、炭素板を得た。
【００１８】
得られた炭素板の寸法は１３３ｍｍ×１３２ｍｍ×３．９ｍｍ、密度１．６２ｇ／ｃｍ３であり、レーザーフラッシュ法（試験機：ＮＥＴＺＳＣＨ社製ＬＦＡ４５７、試験方法：ＪＩＳ Ｒ １６１１：１９９７）にて厚さ方向の熱伝導率を測定したところ１１０Ｗ／ｍ・Ｋであった。板の拡がり方向における熱伝導率は１００Ｗ／ｍ・Ｋであった。熱放射率は０．９１であった。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体素子などが発生する局所的な発熱を拡散、放熱する放熱体、特に、炭素放熱体に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子樹脂に、充填剤としての黒鉛などの微粉末を混合し、所望の形状に賦形した後、焼成して高分子樹脂を炭素化して得られるＰＦＣ（Ｐｌａｓｔｉｃ Ｆｏｒｍｅｄ Ｃａｒｂｏｎ）は、通常のプラスチック成形により得られる形状がそのまま維持されるので任意の形状のものを得ることが容易であり、軽量であり、耐熱性および優れた熱伝導性を有し、熱を効率よく遠外線に変換して放射する熱放射性にも優れていることから、半導体素子用の放熱体として有望である。
【０００３】
下記特許文献１には、上記の充填剤として、導電性のある黒鉛微粉末を用いた炭素放熱体とその製造方法が記載されている。また、特許文献２には、黒鉛粉末に代えて、黒鉛と同じ結晶構造を有するが導電性のない六方晶窒化硼素粉末を充填剤として用いた放熱板とその製造方法が記載されている。
【０００４】
上記はいずれも、結晶面の拡がり方向とこれに垂直な方向とで著しく性質の異なる結晶粉末をアモルファス炭素中に分散させて用いているため、例えば板状に成形した場合に熱伝導率が板の厚み方向と板の拡がり方向とで異なるといった異方性がある、という問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３２３６３３号公報
【特許文献２】特開２０１０−１９２５３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって本発明の目的は、熱伝導性および熱放射性に優れ、かつ、熱伝導率に異方性のない炭素放熱体とその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、アモルファス炭素と、黒鉛の結晶が放射状に成長した気相放射状成長黒鉛粉末とを少なくとも含み、前記気相放射状成長黒鉛粉末は前記アモルファス炭素中に均一に分散している炭素放熱体が提供される。
【０００８】
本発明によれば、高分子樹脂中に、黒鉛の結晶が放射状に成長した気相放射状成長黒鉛粉末を均一に分散混合し、該混合物を所望の形状に成形し、不活性雰囲気中、非酸化性雰囲気中、又は真空中で焼成することにより、前記高分子樹脂を炭素化することを含む炭素放熱体の製造方法もまた提供される。
【０００９】
前記焼成は、７００℃以上２８００℃以下の温度で行われることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の炭素放熱体は、アモルファス炭素の充填剤として黒鉛の結晶が放射状に三次元的に成長した気相放射状成長黒鉛粉末を用いているため、熱伝導性に優れ、かつ、熱伝導率に異方性がない。また、気相放射状成長黒鉛粉末（インキュベーションアライアンス社製カーボンフラワー）は、一般の気相成長黒鉛よりも高い生産性で工業的に量産することができるので、炭素放熱体を比較的安価に製造することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に本発明による炭素放熱体の製造方法を説明する。
【００１２】
まず、焼成後に熱伝導性、熱放射性を示すアモルファス炭素となる高分子樹脂と気相放射状成長黒鉛材料を混合し、場合によっては更に黒鉛粉末を混合した後、混合機を用いて充分に分散させる。次にこの混合体を、製膜機や押し出し成型機のような通常のプラスチック成形を行う際に使用されている成形機を用い、板形状に成形する。得られた板形状体は、エアオーブン中で炭素前駆体化処理及び固化処理を施した後、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中で昇温速度を制御しつつ焼成することで炭素化を終了させ、アモルファス炭素中に気相放射状成長黒鉛粉末が等方的に分散した炭素複合体からなる炭素放熱板が得られる。ここで、炭素化は不活性ガス雰囲気もしくは真空下で７００〜２８００℃程度まで加熱昇温し行われるが、炭素化時の昇温速度が大きいと賦形体の形状が変形したり微細なクラックが生じたりするなどの欠陥が生じる。したがって、５００℃までは毎時５０℃以下、それ以降も毎時１００℃以下で行うことが適切である。
【００１３】
本発明によると、成形性に優れる高分子樹脂を炭素化することで得られる熱伝導性、熱放射性を有するアモルファス炭素中に、その結晶面内では熱拡散性・伝導性が良く層間では面内と比較してその性質が劣るという結晶構造上の欠点を克服した気相放射状成長黒鉛材料を均一に分散させ、アモルファス炭素と放射状黒鉛との複合体とすることで、熱伝導性、熱放射性に優れ、熱伝導率に異方性がない炭素放熱体を効率よく安価に製造することが可能である。
【実施例】
【００１４】
以下に、実施例によって本発明を更に具体的に説明するが、本願発明はこの実施例によって何等限定されるものではない。
【００１５】
（実施例１）
高分子樹脂としてのフラン樹脂（日立化成社製ヒタフランＶＦ−３０３）６０部に、気相成長黒鉛材料（インキュベーションアライアンス製、カーボンフラワー）４０部をディスパーにて３０００ｒｐｍで１０分間混合分散した後に、硬化促進剤としてｐ−トルエンスルホン酸を３部加え、さらに２分間混合撹拌した。得られた組成物を成形用金型にて固化、成形し、真空焼成炉を用いて２０００℃の加熱処理を行い、炭素板を得た。
【００１６】
得られた炭素板の寸法は１３１ｍｍ×１３０ｍｍ×３．６ｍｍ、密度１．６４ｇ／ｃｍ3であり、レーザーフラッシュ法（試験機：ＮＥＴＺＳＣＨ社製ＬＦＡ４５７、試験方法：ＪＩＳ Ｒ １６１１：１９９７）にて板の厚さ方向の熱伝導率を測定したところ１２０Ｗ／ｍ・Ｋであった。板の拡がり方向における熱伝導率は１１５Ｗ／ｍ・Ｋであった。熱放射率は０．９３であった。
【００１７】
（実施例２）
高分子樹脂としてのフラン樹脂（日立化成社製ヒタフランＶＦ−３０３）７０部に、気相成長黒鉛材料（インキュベーションアライアンス社製、カーボンフラワー）２０部、天然黒鉛粉末１０部をディスパーにて３０００ｒｐｍで１０分間混合分散した後に、硬化促進剤としてｐ−トルエンスルホン酸を３部加え、さらに２分間混合撹拌した。得られた組成物を成形用金型にて固化、成形し、真空焼成炉を用いて２０００℃の加熱処理を行い、炭素板を得た。
【００１８】
得られた炭素板の寸法は１３３ｍｍ×１３２ｍｍ×３．９ｍｍ、密度１．６２ｇ／ｃｍ３であり、レーザーフラッシュ法（試験機：ＮＥＴＺＳＣＨ社製ＬＦＡ４５７、試験方法：ＪＩＳ Ｒ １６１１：１９９７）にて厚さ方向の熱伝導率を測定したところ１１０Ｗ／ｍ・Ｋであった。板の拡がり方向における熱伝導率は１００Ｗ／ｍ・Ｋであった。熱放射率は０．９１であった。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アモルファス炭素と、黒鉛の結晶が放射状に成長した気相放射状成長黒鉛粉末とを少なくとも含み、前記気相放射状成長黒鉛粉末は前記アモルファス炭素中に均一に分散している炭素放熱体。
【請求項２】
高分子樹脂中に、黒鉛の結晶が放射状に成長した気相放射状成長黒鉛粉末を均一に分散混合し、該混合物を所望の形状に成形し、不活性雰囲気中、非酸化性雰囲気中、又は真空中で焼成することにより、前記高分子樹脂を炭素化することを含む炭素放熱体の製造方法。
【請求項３】
前記焼成は、７００℃以上２８００℃以下の温度で行われる請求項２記載の炭素放熱体の製造方法。
【請求項１】
アモルファス炭素と、黒鉛の結晶が放射状に成長した気相放射状成長黒鉛粉末とを少なくとも含み、前記気相放射状成長黒鉛粉末は前記アモルファス炭素中に均一に分散している炭素放熱体。
【請求項２】
高分子樹脂中に、黒鉛の結晶が放射状に成長した気相放射状成長黒鉛粉末を均一に分散混合し、該混合物を所望の形状に成形し、不活性雰囲気中、非酸化性雰囲気中、又は真空中で焼成することにより、前記高分子樹脂を炭素化することを含む炭素放熱体の製造方法。
【請求項３】
前記焼成は、７００℃以上２８００℃以下の温度で行われる請求項２記載の炭素放熱体の製造方法。
【公開番号】特開２０１２−１３４２２１（Ｐ２０１２−１３４２２１Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８３０６７（Ｐ２０１０−２８３０６７）
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【出願人】（０００００５９５７）三菱鉛筆株式会社 (692)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【出願人】（０００００５９５７）三菱鉛筆株式会社 (692)
【Ｆターム（参考）】
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