CN1816504A - 高导热性部件及其制造方法和使用该部件的散热系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种维持石墨具有的面方向的高导热特性、并改善层方向的导热性的高导热性部件。本发明涉及一种将碳颗粒分散在石墨类基体中形成的高导热性部件，其特征在于：(1)构成上述石墨的各石墨层的c轴实质上是平行的；(2)与上述c轴垂直的方向的导热率κ‖在400W/m·K以上1000W/m·K以下的范围；(3)与上述c轴平行的方向的导热率κ⊥在10W/m·K以上100W/m·K以下的范围。

Description

高导热性部件及其制造方法和使用该部件的散热系统

技术领域

本发明涉及一种主要成分是碳(C)的高导热性部件及其制造方法。本发明还涉及一种具有该高导热性部件的散热系统(散热装置)。

更具体地说，本发明涉及一种对由导热性具有各向异性的石墨结构体构成的导热性部件进行改进，并一边维持在与c轴方向垂直的方向上的高导热性，一边在c轴方向上也具有较高的导热性的高导热性部件。

背景技术

近年来，伴随着电子设备的高性能化、小型化和高密度化，如何有效地散发由设备和构成这些设备的电子部件产生的热量成为问题。尤其，对电脑的心脏部位CPU、半导体激光器等产生的热量进行处理，可以说是当务之急。

为了有效地进行冷却，将对流、辐射、传导等巧妙地结合是很重要的。将上述电子部件等冷却时，主要通过热传导将热量传导到低温区域，从而有效地进行冷却。

目前，作为电子设备、电子部件等的散热装置，优选使用由导热性高的金属例如铜(Cu)、铝(Al)等构成的散热体。

但是，随着元件的精细化或者发热量的增加，现有的散热体变得无法达到目的。因此，必须开发具有更高导热性的高导热性部件。另外，也渴望开发几何形状的自由度高的高导热性部件。

在这样的背景下，由碳(C)构成的石墨，由于具有突出的耐热性、耐药性、高导电性等，并具有高导热性的特性，所以被期待为代替上述散热体的材料。

石墨具有如图4所示的晶体结构。更具体地说，具有由碳(C)原子6构成的六元环的平面结构(石墨层)7层叠的结构。由于该晶体结构，石墨的特性是在2个方向上，即与石墨层垂直的方向(c轴方向)和与石墨层平行的方向(a-b轴方向，即与c轴垂直的方向)上表现其特征。

例如，在理想的石墨晶体中，与石墨层7垂直的方向(c轴方向、以下也称为“层方向”(厚度方向))的导热率κ⊥不太高，为10W/m·K以下。与此相反，与石墨层7平行的方向(a-b轴方向、以下也称为“面方向”)的导热率κ‖大于1000W/m·K。该导热率是铜(κ(Cu)～350-400W/m·K)的2倍以上，铝(κ(Al)～200-250W/m·K)的4倍以上。实际上，有报导单晶体石墨κ‖＝200～900W/m·K左右，其它石墨类材料κ‖＝50～400W/m·K左右。所以，到现在为止，已经提出了有效地利用该面方向的高导热性的各种石墨导热体。

例如，已有报导通过将石墨粉末分散在硅树脂或高分子基体中、从而改善导热性的导热部件(特开昭61-145266号公报、特开平01-040586号公报、特开平03-009552号公报、特开平09-102562号公报、特开平09-283955号公报、特开2002-299534号公报、特开2002-363421号公报、特开2003-105108号公报等)。图10表示这些文献中公开的导热性部件(现有例1)的概略图。在现有例1中，已有报导通过使面方向导热性高的石墨粉末12，在高分子等的基体11中分散、定向，能够改善导热性(κ～几10W/m·K)

另外，已提出将薄片状石墨颗粒与聚合物粘合剂一起压缩成形的部件(特开平01-009869号公报、特开平11-001621号公报)。而且，已报导有将金属粉末和结晶碳材料复合的产物进行热压加工制作的部件等(特开平10-168502号公报)。图11是表示这些文献中公开的导热性部件(现有例2)的概略图。在现有例2中，表示了通过将面方向的导热性高的石墨粉末14(或金属/石墨粉末混合物)压缩成形，制作由导热性高的石墨构成的导热性部件13(κ＝400～970W/m·K)的方法。

另外，已知有由面内定向性高的石墨单体构成的薄片状导热部件(特开昭58-147087号公报、特开昭60-012747号公报、特开平07-109171号公报)。图12是表示这些文献中公开的导热性部件(现有例3)的概略图。在现有例3中，表示了通过对有机高分子薄片进行烧制处理的方法，提供由面内定向性非常高的石墨结构体构成的导热性部件(κ＝600～1000W/m·K)。

如以上那样，使用石墨作为导热物质的导热性部件，与现有的由铜(Cu)或铝(Al)构成的部件相比较，具有导热性以及形状自由度等方面优异的特点。

但是，现有的使用石墨的导热性部件有下面的问题。

在现有例1的结构中，由于使具有高导热性的石墨粉末12分散在基体11中，所以能够改善导热性。然而，因为由树脂或高分子构成的基体11自身的导热性低，所以难以得到总体的高导热性。即，根据以往的报导，导热性的极限大约是几10W/m·K，作为以后所要求的性能还不充分。

而且，在现有例1中，因为使石墨分散在低导热性基体11中以改善热特性，所以必须使用相对于整体比较多的石墨粉末12，其成形性差。

在现有例2的结构中，将具有高导热性的石墨粉末14作为主要成分而构成部件13，由此面方向的导热性得到改善，但是由于颗粒彼此间的接触热阻的影响和定向性不充分，所以石墨本来具有的高导热性没有充分发挥出来。

另外，在现有例2中，由于通过压缩成形使石墨颗粒14的面内定向性一致，所以难以改善层方向的导热性。

而且，在现有例2中，因为通常必须将粉末体压缩成形，所以在形状自由度和制作容易性等方面存在问题。

在现有例3的结构中，因为由面内定向性非常高的单晶体石墨构成，所以在面方向上具有非常高的导热性。然而，如以上所述，由于石墨的晶体结构有显著的各向异性，所以，层方向的导热性只能达到面方向的几十分之一左右。因此，只要仅用于在部件的面方向上传递热量的目的，该导热部件的性能非常高，但是，为了适应将来设备/部件的更加高性能化/高密度的发展趋势，必须改善包括层方向的导热特性。

发明内容

所以，本发明的目的是提供一种能够有效利用石墨具有的面方向的高导热性、并在层方向也能发挥更高导热性的高导热性部件。

本发明人为解决上述现有问题反复潜心研究的结果，发现具有特定结构的碳材料能够达到上述目的，从而完成本发明。

即，本发明涉及下述的高导热性部件及其制造方法和使用该部件的散热系统。

1.一种高导热性部件，将碳颗粒分散在石墨类基体中形成，其特征在于：

(1)构成上述石墨的各石墨层的c轴实质上是平行的；

(2)与上述c轴垂直的方向的导热率κ‖在400W/m·K以上1000W/m·K以下的范围；

(3)与上述c轴平行的方向的导热率κ⊥在10W/m·K以上100W/m·K以下的范围。

2.如上述项1所述的高导热性部件，其特征在于：

上述高导热性部件的形状是薄膜状，并且，上述c轴与上述薄膜的厚度方向实质上是平行的。

3.如上述项2所述的高导热性部件，其特征在于：

薄膜的厚度为10μm以上300μm以下。

4.如上述项2所述的高导热性部件，其特征在于：

上述高导热性部件具有柔韧性。

5.如上述项1所述的高导热性部件，其特征在于：

在上述石墨类基体的X射线衍射图中，存在(002ⁿ)面(其中，n表示自然数)的峰。

6.如上述项1所述的高导热性部件，其特征在于：

在上述石墨薄膜的X射线衍射图中，存在(002)面和(004)面的峰。

7.如上述项1所述的高导热性部件，其特征在于：

上述石墨类基体的内部含有空孔。

8.如上述项1所述的高导热性部件，其特征在于：

上述高导热性部件的密度在0.3g/cm³以上2g/cm³以下的范围。

9.如上述项1所述的高导热性部件，其特征在于：

上述碳颗粒的含量在10重量ppm以上10重量％以下的范围。

10.如上述项1所述的高导热性部件，其特征在于：

上述碳颗粒是1)石墨颗粒和2)石墨以外的碳结构体中的至少1种。

11.如上述项10所述的高导热性部件，其特征在于：

上述碳结构体是碳纳米管、富勒烯、金刚石和金刚石状碳中的至少1种。

12.如上述项1所述的高导热性部件，其特征在于：

上述碳颗粒的一部分或全部是石墨。

13.如上述项1所述的高导热性部件，其特征在于：

上述碳颗粒的平均粒径为0.05μm以上。

14.如上述项1所述的高导热性部件，其特征在于：

上述碳颗粒的平均粒径在0.05μm以上20μm以下的范围。

15.如上述项1所述的高导热性部件，其特征在于：

上述碳颗粒的形状是薄片状。

16.一种制造方法，用于制造将碳颗粒分散在石墨类基体中形成的高导热性部件的方法，其特征在于，包括：

(1)调制含有能够形成有机高分子的原料与选自碳颗粒和其前体颗粒中至少1种的分散颗粒的混合液的第一工序；

(2)使用上述混合液，形成使上述颗粒分散在上述有机高分子中的涂膜的第二工序；和

(3)通过对上述涂膜进行热处理，得到上述高导热性部件的第三工序。

17.如上述项16所述的制造方法，其特征在于：

上述分散颗粒的一部分或全部是碳纳米管、富勒烯、金刚石和金刚石状碳中至少1种的碳结构体。

18.如上述项16所述的制造方法，其特征在于：

上述分散颗粒的一部分或全部是石墨。

19.如上述项16所述的制造方法，其特征在于：

上述有机高分子为聚酰亚胺。

20.如上述项16所述的制造方法，其特征在于：

上述混合液是含有聚酰胺酸溶液与选自碳颗粒和其前体颗粒中至少1种的分散颗粒的混合液。

21.如上述项20所述的制造方法，其特征在于：

还含有将聚酰胺酸亚胺化的工序。

22.如上述项16所述的制造方法，其特征在于：

上述前体颗粒为聚酰亚胺。

23.如上述项19所述的制造方法，其特征在于：

热处理具有1)在1000℃以上1500℃以下的温度范围内烧制的预烧制工序，和2)在2000℃以上3000℃以下的温度范围内烧制的主烧制工序。

24.一种散热系统，具有发热源、散热部件和高导热性部件，其特征在于：

(1)上述发热源和散热部件通过高导热性部件进行热连接；

(2)上述高导热性部件是上述项1所述的高导热性部件。

25.如上述项24所述的散热系统，其特征在于：

上述高导热性部件的形状是薄膜状。

26.如上述项25所述的散热系统，其特征在于：

发热源和散热部件至少一方设置为与薄膜面接触。

27.如上述项24所述的散热系统，其特征在于：

上述高导热性部件具有柔韧性。

28.如上述项24所述的散热系统，其特征在于：

上述高导热性部件具有1个或2个以上的弯曲部。

29.如上述项24所述的散热系统，其特征在于：

上述散热部件是散热片。

附图说明

图1为本发明的高导热性部件的概略图。

图2为本发明的高导热性部件的概略图。

图3为本发明的高导热性部件的概略图。

图4为石墨的晶体结构图。

图5为定向性石墨结构体的代表性的X射线衍射图。

图6为表示由有机高分子膜转变为定向性石墨结构体的过程的模式图。

图7为实施例1-1中的高导热性部件的制作工序图。

图8为表示实施例1-1中的烧制工序的温度程序(temperatureprogram)的例子的图。

图9为使用本发明的高导热性部件的散热系统的概略图。

图10为现有的导热性部件(现有例1)的概略图。

图11为现有的导热性部件(现有例2)的概略图。

图12为现有的导热性部件(现有例3)的概略图。

符号说明

1  石墨结构体             2  石墨层

3  石墨颗粒               4  空孔

5  高定向性石墨薄片       6  碳原子

7  石墨层                 8  发热体

9  高导热性部件           10 散热部件

11 基体                   12 石墨颗粒

13 石墨压缩成形体         14 石墨颗粒

15 高定向性石墨薄膜       16 石墨层

具体实施方式

1.高导热性部件

本发明的高导热性部件是将碳颗粒分散在石墨类基体中形成的高导热性部件，其特征在于；

(1)构成上述石墨的各石墨层的c轴实质上是平行的；

(2)与上述c轴垂直的方向的导热率κ‖在400W/m·K以上1000W/m·K以下的范围；

(3)与上述c轴平行的方向的导热率κ⊥在10W/m·K以上100W/m·K以下的范围。

本发明的石墨类基体以石墨为基本结构。即，以由多个碳六元环构成的石墨层的层叠体为基本结构。因此，石墨类基体中的各石墨层的c轴实质上是平行的。但是，石墨类基体可以不具有完整的石墨结构。至少在上述石墨类基体的X射线衍射图中，存在(002ⁿ)面(其中，n表示自然数)的峰就可以。特别地，在石墨薄膜的X射线衍射图中，优选至少存在(002)面和(004)面的峰。

另外，在石墨类基体为完全近似的石墨结构的情况下，优选在其X射线衍射图中，存在(002ⁿ)面(其中，n表示自然数)的峰，并且没有发现除此之外的峰。

而且，石墨类基体在用X射线衍射法评价时，晶面的间隔(d)优选在0.335nm以上0.340nm以下的范围。而且，单晶体石墨的报导值是0.335nm。

另外，优选石墨类基体的内部含有空孔。由于空孔的存在，本发明的高导热性部件的密度可以比原来的石墨密度值(～2.26g/cm³)小。即，本发明的高导热性部件的密度通常优选0.3g/cm³以上2g/cm³以下的范围，尤其更优选0.6g/cm³以上1.5g/cm³以下的范围。

在本发明中，碳颗粒是分散在上述基体中的分散材料。碳颗粒具有将石墨层间热连接，以使在石墨类基体中传导的热量不仅在面方向传导而且也在层方向(厚度方向)传导的功能。

因此，只要具有上述功能，碳颗粒的种类没有特别的限制。在本发明中，特别优选1)石墨颗粒和2)石墨以外的碳结构体(碳结构体颗粒)中的至少1种。

作为分散材料的石墨颗粒，优选使用导热性高的石墨(特别是结晶性高的石墨)。例如，可以使用a)天然石墨，b)通过将碳氢化合物等含碳气体高温分解得到的合成石墨，c)通过对合成石墨进行退火处理得到的高定向热解石墨(所谓的“HOPG”)等。这些可以使用1种或2种以上。

只要象上述那样具有较高的导热性，任何石墨颗粒(石墨粉末)都可以用作分散材料。作为石墨颗粒能否适用的基准，可以直接根据导热率的大小判断，也可以间接地根据由X射线衍射法等评价出的结晶性判断。例如，作为利用X射线衍射法判断的基准，与上述石墨类基体相同，可以使用晶面间隔在0.335～0.340nm范围的石墨颗粒。

石墨颗粒可以通过对石墨适当进行粉碎处理等得到。粉碎处理的方法没有限制，可以使用例如球磨机、喷射式粉碎机、高速滚筒式磨机等公知装置实施。尤其用喷射式粉碎机粉碎比较容易。粉碎处理时使用粒度计等可以提高粒径的均匀性。此外，粉碎后可以根据需要按照公知的方法进行分级处理。

作为分散材料的碳结构体(颗粒)，与石墨颗粒相同，优选使用导热性高的碳结构体(尤其是结晶性高的碳结构体)。例如，可以使用单壁碳纳米管(SWNT)、多壁碳纳米管(MWNT)等碳纳米管，碳纳米线圈(CNC)(carbon nanocoil)、富勒烯(fullerene)、天然金刚石、高压合成金刚石、爆炸合成金刚石(implosion synthetic diamond)、气相合成金刚石等。这些可以适当选择1种或2种以上使用。其中，在形状或粒径某种程度上达到一致的观点，优选使用碳纳米管、富勒烯、金刚石和金刚石状碳中至少1种的碳颗粒。此外，上述碳纳米管也包括碳纳米突(carbon nanohorn)等。

此外，碳结构体的尺寸较大时，可以根据需要粉碎成较小的颗粒。这样有利于使其分散在石墨类基体中。粉碎大尺寸的碳结构体的方法，可以按照与上述石墨的粉碎处理相同的方法实施。

在本发明中，这些碳颗粒中，特别优选上述碳颗粒的一部分或全部为石墨。

碳颗粒的含量可以根据期望的导热性、碳颗粒的种类等适当决定。通常为10重量ppm以上10重量％以下的范围，特别优选1000重量ppm以上7重量％以下的范围。

碳颗粒的粒径可以根据期望的导热性等设定。通常，平均粒径为0.05μm以上的范围，优选0.05μm以上20μm以下的范围，特别优选0.1μm以上4μm以下的范围。

碳颗粒的形状没有限制，可以是球状、无定形、薄片状(flake)、纤维状等的任何一种。在本发明中，特别优选上述碳颗粒的形状为薄片状。通过使用薄片状的碳颗粒，可以更有效地利用分散的碳颗粒的导热性，所以可以在整体上显著提高层方向的导热性。

本发明的高导热性部件，与上述c轴垂直的方向的导热率κ‖在400W/m·K以上1000W/m·K以下的范围，特别优选700W/m·K以上1000W/m·K以下的范围。

另外，与上述c轴平行的方向的导热率κ⊥在10W/m·K以上100W/m·K以下的范围，特别优选50W/m·K以上100W/m·K以下的范围。

本发明的高导热性部件的形状没有特别的限制，优选薄膜状(薄片状)。高导热性部件为薄膜状时，其厚度可以根据用途、使用方式等适当决定，通常优选10μm以上300μm以下的范围。

高导热性部件为薄膜状时，优选石墨类基体的c轴方向与上述薄膜的厚度方向大体平行。换言之，优选上述石墨类基体的石墨层以c轴与薄膜面(主面)大体垂直的方式排列。

由此，可以确保作为厚度方向导热率的上述导热率κ⊥在10W/m·K以上100W/m·K以下的范围。即，能够提供在厚度方向也具有优异的导热性的高导热性部件。此时，薄膜面(主面)方向的导热率κ‖在400W/m·K以上1000W/m·K以下的范围。

本发明的高导热性部件(特别是薄膜状的高导热性部件)优选具有柔韧性的。即，优选能够弯曲的。这样能够提高设计的自由度，也能够适用于广泛的用途。

此外，本说明书中的柔韧性表示对于弯曲处理的抗弯性。柔韧性可以通过空孔的形成、高导热性部件的厚度、碳颗粒的种类等自由地控制。特别地，本发明部件中由于含有空孔，能够显著地提高抗弯曲次数。

2.高导热性部件的制造方法

本发明的高导热性部件的制造方法没有限制，特别优选下述的制造方法。

即，一种适合的制造方法，是制造将碳颗粒分散在石墨类基体中形成的高导热性部件的方法，包含：

(1)调制含有能够形成有机高分子的原料与选自碳颗粒和其前体颗粒中至少1种的分散颗粒的混合液的第一工序；

(2)使用上述混合液，形成使上述颗粒分散在上述有机高分子中的涂膜的第二工序；和

(3)通过对上述涂膜进行热处理，得到上述高导热性部件的第三工序。

第一工序

在第一工序中，调制含有能够形成有机高分子的原料与选自碳颗粒和其前体颗粒中至少1种的颗粒的混合液。

作为能够形成有机高分子的原料，可以是能够通过第三工序的热处理形成高定向性石墨结构体的原料。可以举出例如聚酰亚胺(PI)、聚酰胺(PA)、聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)、聚亚苯基噁二唑(POD)、聚苯并噻唑(PBT)、聚苯并双噻唑(PBBO)、聚亚苯基苯并咪唑(PBI)、聚亚苯基苯并双咪唑(PPBI)、聚噻唑(PT)、聚对位苯基乙烯(PPV)、聚酰胺-酰亚胺、聚丙烯腈等。其中优选聚酰亚胺。

另外，在本发明中，除了可以将这些有机高分子直接作为原料使用之外，它们的前体也可以作为上述原料使用。例如，在第二工序中目的是形成聚酰亚胺涂膜时，可以使用其前体聚酰胺酸作为上述原料。

在本发明中，除了将上述各种有机高分子溶解在溶剂中得到的有机高分子溶液之外，也可以使用由能构成有机高分子的单体进行反应得到的反应生成液等作为上述原料。

作为分散颗粒，使用碳颗粒和其前体颗粒中至少1种的颗粒。

作为碳颗粒，可以使用与上述碳颗粒相同的颗粒。尤其可以适当使用1)石墨颗粒和2)石墨以外的碳结构体中的至少1种。

作为碳颗粒的前体，可以是通过热处理能成为碳颗粒(优选石墨颗粒)的物质。可以举出例如聚酰亚胺(PI)、聚酰胺(PA)、聚酰胺-酰亚胺、聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)、聚亚苯基噁二唑(POD)、聚苯并噻唑(PBT)、聚苯并双噻唑(PBBO)、聚亚苯基苯并咪唑(PBI)、聚亚苯基苯并双咪唑(PPBI)、聚噻唑(PT)、聚对位苯基乙烯(PPV)和聚丙烯腈(PAN)等。其中，优选聚酰亚胺。这些可以使用公知的或市售的产品。例如，使用聚酰亚胺时，可以适当使用加工成粉末状的Toray-DuPont公司生产的“Kapton”等。另外，也可以使用切断成长度为几～几十μm左右长度的直径几μm左右的高分子纤维等。

在第一工序中调制混合液时，可以使用适当的溶剂。特别地，在本发明中，作为能够形成有机高分子的原料，可以适当使用将上述各种有机高分子或其前体溶解在溶剂中得到的溶液。这样的溶液也包含由能够形成有机高分子的单体进行反应得到的反应产物的溶液等。

作为上述溶剂，优选能够溶解这些有机高分子等的溶剂。例如，可以根据目标有机高分子的种类等，从二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮等通常的有机溶剂中适当选择。这些溶剂可以单独使用1种或混合使用2种以上。

另外，也可以根据需要向上述混合液中添加适当的公知的添加剂。例如，除乙二醇等粘度调节剂以外，为了减少形成的有机高分子的带电性可以适当混入磷酸氢钙等的填料。

混合液中各成分的浓度，可以适当设定，以得到上述项1中所述的高导热性部件。另外，只要各成分能够混合均匀，混合液的固相浓度没有特别的限制，通常可以设定为5重量ppm以上5重量％以下的范围。

第二工序

在第二工序中，使用上述混合液形成使上述颗粒分散在上述有机高分子中的涂膜(薄膜)。

涂膜的形成方法没有限制，例如可以通过将上述混合液涂敷在适当的基材上形成涂膜。作为涂敷的方法，可以是例如刷涂、喷涂、刮涂、辊涂，或者按照公知的印刷方法。基材的种类也没有限制，可以应用例如金属·合金、树脂、陶瓷等各种材料的基材。因此，可以将散热部件等作为基材直接形成涂膜。

涂膜的厚度没有限制，制造薄膜状高导热性部件时，可以适当调整以达到其薄膜的厚度。例如，可以调节使得到的薄膜的厚度在10μm以上300μm以下的范围。此时，可以根据需要将涂膜适当层叠2层、3层等。

另外，使用有机高分子的前体作为第一工序的原料时，通过实施规定的处理，可以转化成目标有机高分子。例如，使用聚酰亚胺的前体聚酰胺酸作为原料时，利用含有聚酰胺酸的混合液形成聚酰胺酸涂膜后，通过使聚酰胺酸亚胺化转化成聚酰亚胺膜。亚胺化的方法可以使用公知的方法。例如，通过将聚酰胺酸的涂膜在规定温度下加热可以亚胺化。

第三工序

在第三工序中，通过对上述涂膜进行热处理得到上述高导热性部件。

热处理的条件，可以适当设定为上述涂膜的基体成为石墨的条件。例如，可以优选在惰性气体环境中、在1000℃以上3000℃以下的范围内实施。作为惰性气体，可以使用例如氩气、氦气、氮气等中至少1种的惰性气体。热处理时间可以根据热处理温度等适当决定。

在本发明中，尤其优选实施包含下述两道工序的热处理：1)在1000℃以上1500℃以下的温度范围内进行烧制的预烧制工序和2)在2000℃以上3000℃以下的温度范围内进行烧制的主烧制工序。

在预烧制工序中，通过将有机高分子在上述温度下进行烧制，除去有机高分子中含有的碳(C)以外的成分(氧(O)、氮(N)、氢(H)等)。

此时的热处理时间，也随着烧制处理的试样的形状和大小而变化，通常可以为0.5小时以上5小时以下的范围。

另外，用于进入预烧制工序的升温速度没有限制，通常在1℃/min以上15℃/min以下的范围、特别优选在3℃/min以上10℃/min以下的范围进行加热。而且，预烧制处理后的降温速度也没有限制，但是通常在5℃/min以上20℃/min以下的范围、特别优选在5℃/min以上10℃/min以下的范围进行冷却。

通过在以上的条件下实施预烧制工序，可以提高在随后的主烧制处理后得到的石墨结构体的面方向的导热率和定向度。

在主烧制工序中，为得到定向性更高的石墨，在选自2000～3000℃的温度范围的规定温度下实施。此时，通过暂且保持在规定的加热温度(大约在2000℃以上2400℃以下的温度范围)进行中间处理，可以进一步提高得到的石墨类基体的定向度。

此时的热处理时间，也随着烧制处理的试样的形状和大小而变化，通常可以在0.5小时以上10小时以下的范围。

另外，用于进入主烧制工序或中间处理的升温速度没有限制，通常在5℃/min以上15℃/min以下的范围、特别优选在5℃/min以上10℃/min以下的范围进行加热。而且，主烧制处理后的降温速度也没有限制，但是通常在5℃/min以上20℃/min以下的范围、特别优选在5℃/min以上10℃/min以下的范围进行冷却。

3.散热系统

本发明涉及散热系统(散热装置)，该散热系统包括发热源、散热部件和高导热性部件，其中：(1)上述发热源和散热部件通过高导热性部件热连接，(2)上述高导热性部件是权利要求1中所述的高导热性部件。

本发明的散热系统可以用于现有的各种电子设备或部件等的需要散热的部分。即，可以使用本发明的系统代替现有装置的散热系统。例如，如图9(a)～(c)所示，采用散热片作为散热部件时，通过使高导热性部件介于散热片和发热源之间可以进行有效的散热(冷却)。

在本发明中，高导热性部件可以与发热源和散热部件热连接。即，可以配置成使热量有效地从发热源传到高导热性部件、再从高导热性部件传到散热部件。通常，优选高导热性部件与发热源和散热部件直接接触。

另外，发热源、高导热性部件以及散热部件的大小、形状、配置方法等没有限制，可以适当设计以使能够有效地散热。

在本发明的散热系统中，使用薄膜状的高导热性部件时，通常可以按照薄膜面(主面)与发热部分或散热部件接触的方式配置。例如，如图9(a)～(c)所示，能够以与薄膜面相接触的方式设置发热部或散热部件。

在本发明中，使用具有柔韧性的高导热性部件时，可以设计适应发热源的形状、安装位置等的散热系统。例如，如图9(c)所示，可以设计成具有1个或2个以上弯曲部的散热系统。由此，可以构造出设计自由度高的散热系统。

下面，参照附图说明本发明的实施方式。

(实施方式1)

图1表示本发明的实施方式1中的高导热性部件的概略图。

该高导热性部件的基本的结构元件，具有：c轴与厚度方向大致平行定向的石墨结构体1；大体上均匀分散在上述石墨结构体1中的石墨颗粒3。

该石墨结构体1具有如上所述由碳六元环结构构成的石墨层2相互依赖的层叠结构。即，就石墨本身而言，石墨层不仅仅是层叠，层叠时还有确定的位置(参照图4)，维持其位置关系进行层叠。

在利用X射线衍射法对石墨结构体(石墨类基体)1进行评价时，优选使用晶面的间隔d在d＝0.335～0.340nm的范围，并且观察到(002)面及其高次峰、同时观察不到这些以外的衍射峰的石墨结构体。

图5表示石墨结构体1的代表性的X射线衍射图。关于石墨的结晶性(定向性)，优选使用相对于如图5所示的26.5°附近的主峰、半谱带宽度(half band width)在1°以下的石墨。即，半谱带宽度(half bandwidth)与结晶性有相关关系，在本发明中，半谱带宽度越窄越优选。具有这样的结晶性(定向性)的石墨结构体1本身的面方向的导热率κ‖，随着制造方法等而变化，大约为400W/m·K以上。在本发明中，面方向的导热率κ‖优选400W/m·K以上。

这样，本发明中作为基体使用的石墨结构体1，只要是面方向导热率高的石墨就可以使用任何一种。通过烧制热分解作为碳的前体的有机高分子(例如，聚酰亚胺)得到的石墨，因为具有接近单晶体的结构(高定向性)，所以面方向的导热性高，因此特别优选。在下面所示的实施例中，以烧制该有机高分子得到的石墨结构体为例进行说明。

本发明中应用的碳颗粒3，除了具有使在石墨结构体1传输的热量在面方向上传导的功能之外，也具有将石墨层2之间(即，已层叠的各石墨层之间)热连接、使热量在层方向(厚度方向)传导的功能。因此，作为碳颗粒3，优选使用导热性高的石墨粉末，即结晶性高的石墨粉末。

在本发明中，优选面方向的导热性非常高的定向性石墨粉末作为碳颗粒。其中，烧制有机高分子制作出的高定向性石墨薄片进行粉碎处理后的物质，从结晶性(导热性)和均匀性来说尤其优选。

另外，也可以使用碳结构体作为碳颗粒3。该碳结构体也具有将石墨层2彼此之间热连接，以使在石墨结构体1中传输的热量不仅在面方向传导而且也在层方向(厚度方向)传导的功能。因此，优选使用导热性高的碳结构体，特别优选使用结晶性高的碳结构体。

另外，碳颗粒3的粒径，只要是能够均匀地分散在石墨结构体中的大小就不会特别有影响。特别地，在利用通过烧制有机高分子形成石墨结构体的方法时，为了不妨碍其石墨化，优选使用0.1μm以上5μm以下的范围的碳颗粒。

作为碳颗粒，除了可以使用上述做好的石墨颗粒之外，也可以使用在使作为基体的有机高分子石墨化的烧制过程中、能够成为规定的碳颗粒(石墨颗粒等)的有机高分子材料作为碳颗粒的原料。例如，通过对分散为粒径0.1μm以上10μm以下的范围的粉末状聚酰亚胺的有机高分子进行热处理，可以使有机高分子(基体)石墨化，同时也可以使上述粉末状聚酰亚胺石墨化。其结果，可以得到石墨颗粒分散在石墨结构体中的高导热性部件。

(实施方式2)

制作上述石墨结构体1的方法有几种，但是从制作容易性、得到的高导热性部件的特性等观点来看，可以优选采用通过对有机高分子进行热处理形成石墨结构体1的方法。

使用有机高分子作为初始原料，得到由石墨结构体构成的高导热性部件的方法，大致分为：工序(I)得到使石墨颗粒分散的有机高分子的工序，和工序(II)对有机高分子进行热处理、使有机高分子石墨化的工序。

在本发明中，例如可以优选使用聚酰亚胺作为有机高分子。目的是以聚酰亚胺作为有机高分子时，可以使用其前体聚酰胺酸作为原料。因此，在实施方式2中，将该方法作为例子进行说明。

首先，说明工序(I)的含有石墨粉末的有机高分子的形成工序。

对于含有石墨颗粒的有机高分子，将规定量的石墨颗粒3混合并分散到聚酰胺酸溶液中作为第一有机高分子，形成规定的形状后，通过实施加热脱水反应等，可以得到目标有机高分子。此时，也可以根据需要使用催化剂。

这种情况下，根据使用的有机高分子的种类等，可以控制有机高分子的分子排列。具体而言，决定作为固体成分的有机高分子的种类、溶剂的种类等，以得到具有规定的定向性、并且使适当混合的石墨颗粒3分散的材料。根据需要向制备成该组成的溶液中添加催化剂、粘度调节剂等并通过搅拌、铸造成形、涂敷等做成期望的使用形状。通过在这种状态下挥发溶剂，第一有机高分子溶液将固化。作为制作时的温度条件，可以在通常的操作温度即室温附近进行，也可以根据需要在低于溶剂沸点的温度范围内加热。

通过加热脱水等的反应过程将第一有机高分子转化成作为碳前体的第二有机高分子(聚酰亚胺)时，通常可以在氮气氛围中或真空氛围中进行加热处理，或者利用化学反应进行脱水处理。这可以根据形成的有机高分子的种类等适当选择最佳方法。从制作容易性的观点来看，特别优选实施在100℃以上400℃以下的温度范围内进行加热处理的方法。另外，根据需要，可以同时实施拉伸处理，以控制石墨结构体的定向性。

其次，在工序(II)中，从含有石墨颗粒的有机高分子得到定向性石墨。该工序本身可以基本上与烧制上述文献(特开平07-109171号公报)中记载的高分子薄片(产品名“Kapton”，Toray-DuPont公司生产)的方法相同。

首先，预烧制作为碳前体的第二有机高分子，除去有机高分子中含有的碳(C)以外的成分(氧(O)、氮(N)、氢(H)等)。其处理温度和处理时间，随着烧制处理的试样的形状和大小而变化，在氩气(Ar)或氮气(N₂)或者其混合气体氛围下，大体上可以在1000℃以上1500℃以下处理0.5小时以上5小时以下。另外，其升温速度优选为1℃/min以上15℃/min以下的范围，特别优选在3℃/min以上10℃/min以下的范围加热。另外，作为预烧制处理后的降温速度优选5℃/min以上20℃/min以下的范围，特别优选在5℃/min以上10℃/min以下的范围冷却。

通过以上的条件，可以提高主烧制处理后得到的石墨结构体的面方向导热率和定向度。

为了得到真正的定向性石墨，可以将预烧制的有机高分子在选自2000℃以上3000℃以下的温度范围的温度下进行主烧制。此时，通过暂且保持在规定的加热温度进行中间处理(大约2000℃以上2400℃以下)，可以提高得到的石墨结构体1的定向度。具体而言，以5℃/min以上10℃/min以下的范围的升温速度从室温加热至中间温度，保持1小时左右后，再次升温，进行主烧制。主烧制条件是大约在2000℃以上3000℃以下的温度范围加热0.5小时以上10小时以下。主烧制处理后的冷却，其降温速度优选5℃/min以上20℃/min以下的范围，特别优选在5℃/min以上10℃/min以下的范围冷却。

通过以上的工序，可以形成本发明的面方向导热性高的石墨结构体1，而且通过分散在其结构中的石墨颗粒3的作用，层方向导热性也得到改善。以上工序的反应示意图如图6所示。

而且，在利用该方法得到的石墨结构体1中，通过调整烧制条件(主要是升温速度)或者混合适量的上述填料进行烧制处理，可以制作出石墨层二维定向、结构体内部含有许多细小的空孔的结构。形成规定的空孔时，可以使得到的石墨结构体1的密度比原来的石墨密度(～2.26g/cm³)小(0.3～2g/cm³)。形成空孔的石墨结构体的状态如图2所示。在图2中，石墨结构体1中存在许多空孔4。

通过形成这样的结构，得到的石墨结构体1具有柔软性、即使弯曲也难以折断等，对于压缩可以适度变形。这样的特性可以提高作为导热性部件使用时的设计自由度，也具有降低与发热源之间的热接触阻抗的效果。

(实施方式3)

如上述实施方式2所述，使用已经石墨化的材料作为碳颗粒，可以制作出本发明的高导热性部件。与此相反，在实施方式3中，预先混合碳的前体作为碳颗粒的原料，然后，在上述工序(II)的基体石墨化的过程中，上述前体同时石墨化，通过将石墨颗粒分散在石墨结构体中，也能够制造出本发明的高导热性部件。这里，在本实施方式3中对其例子进行说明。

基本制作工序可以与实施方式2相同。

作为工序(I)，将作为碳的前体的有机高分子混合、分散在溶解于溶剂中的第一有机高分子溶液中，做成规定的形状后，通过挥发溶剂以固化，通过加热进行脱水反应等合成容易石墨化的第二有机高分子(聚酰亚胺)。

接下来的工序(II)也可以与实施方式2相同。通过该工序，第二有机高分子成为面方向导热性高的石墨结构体，并且分散在内部的有机高分子也碳化、进一步石墨化。结果，可以得到使石墨颗粒分散在石墨结构体内的高导热性部件。由此，也能够改善层方向的导热性。

本发明的高导热性部件，具有将弥补层方向导热性的碳颗粒分散在面方向导热性高的石墨结构体中的结构，所以可以提供具有整体高导热性能的高导热性部件。通过本结构，热量在层方向(厚度方向)也可以通过碳颗粒有效地传导。其结果，与仅有石墨结构体的情况相比，能够提高层方向导热率κ⊥。

在本发明的结构中，上述高导热性部件的形状为薄膜状时，因为节省空间性和形状多样性等提高，所以可以扩大作为导热性部件使用的可能性(自由度)。

另外，在本发明的结构中，上述石墨结构体的内部含有空孔时，容易以适当的形式含有促进层方向的热传导的碳颗粒，得到的高导热性部件能够具有柔软性和压缩性。

此外，本说明书中所说的柔软性是指对于弯曲处理的抗弯性。在本发明的部件中，由于含有空孔，能够显著地提高抗弯曲次数。另外，所说的压缩性，是指对于压缩处理的变形性，在本发明的高导热性部件中，由于含有空孔，与发热源等的粘附程度提高，能够抑制热阻。

在本发明的制造方法中，能够比较容易地制作具有高定向性的石墨结构体，同时能够比较容易地使碳颗粒以期望的状态分散在石墨结构体中。

另外，在本发明的制造方法中，使用聚酰胺酸溶液作为形成上述第一有机高分子的溶液时，因为第二有机高分子是聚酰亚胺(PI)，所以处理容易，同时能够形成定向性高的石墨结构体，所以优选。

因为在本发明的散热系统中使用上述的高导热性部件，所以不仅在面方向、而且在层方向也能够发挥优异的导热性。由此，能够构建散热特性优异的散热系统。另外，特别地使用薄片状高导热性部件时，由于其柔韧性，散热系统的形状自由度增加，能够设计出可适用于各种用途的散热系统。

实施例

下面，给出实施例和比较例，更详细地说明本发明的特征。但是，本发明的范围不限于实施例。

(实施例1-1)

对采用聚酰亚胺作为混合/分散石墨粉末的有机高分子材料、通过对其进行烧制处理以制作石墨结构体的例子进行说明。图7表示其主要工序图。

首先，配制聚酰胺酸溶液作为聚酰亚胺的前体有机高分子溶液。在充满氮气(N₂)的干燥箱内，向圆底烧瓶中加入5.00g双(4-氨基苯基)醚和120ml二甲基乙酰胺，搅拌，使之溶解。

向该溶液中混合5.45g苯均四酸酐，搅拌约3小时，合成作为第一有机高分子材料的聚酰胺酸溶液。

以5％的重量比，将用喷射式粉碎机粉碎的平均粒径4μm的石墨粉末(导热率：～200W/m·K)混合到合成的聚酰胺酸溶液中，用球磨机研磨12小时使之均匀地分散。此外，石墨粉末的粒径不限于4μm，稍大一点的颗粒(＞20μm)或稍小一点的颗粒都能够大体上均匀分散。

将这样制作的含有石墨粉末的聚酰胺酸溶液涂敷在载片(slideglass)上，形成含有石墨粉末的聚酰胺酸膜(厚度：～500μm)。将该涂膜在氮气氛围中干燥1小时左右，在减压真空烘箱中干燥2小时(室温)后，再加热到100℃进行1小时的热处理。结果，上述溶液的溶剂成分被蒸发除去，形成了内部分散有石墨粉末的聚酰胺酸膜。

将上述聚酰胺酸膜设置在玻璃管烘箱(glass tube oven)中，减压至真空后，在300℃下进行1小时的热处理，使聚酰胺酸膜亚胺化。

将得到的聚酰亚胺膜从载片上剥离，用千分尺(micrometer)测定其厚度，约为50μm。

将由上面的工序得到的有机高分子(聚酰亚胺)放入电炉中进行烧制处理。图8(a)表示本实施例中采用的预烧制的温度曲线图。

首先，作为预烧制，在Ar气氛围中以3℃/min的升温速度从室温升温至1200℃，在预烧制温度1200℃下保持3小时。关于升温速度，可以在考虑烧制处理的有机高分子膜的种类和形状等而决定，但是通常在15℃/min以下的范围，在本实施例中采用3℃/min。烧制处理后，以5℃/min的降温速度冷却至室温。通常，关于冷却时的降温速度，不需要象升温速度那样严格地控制，但是优选10℃/min以下，在本实施例中采用5℃/min。

在该预烧制工序中，有机高分子加热分解放出氮气、氧气、氢气，重量比变为初始原料的50～60％，转化成分散了石墨粉末的碳化膜。因此，对分散的石墨粉末没有任何影响。

在上述条件下进行预烧制后，再将试样转移至超高温炉进行主烧制。其温度曲线图如图8(b)所示。在本实施例中，以10℃/min的升温速度升温至1000℃，然后降至5℃/min，在中间处理温度2200℃下中间保持1小时。再以5℃/min的升温速度升温至主烧制温度2700℃，在2700℃下的保持时间为3小时。主烧制温度保持后的冷却，以5℃/min的降温速度降温至2200℃，然后，以10℃/min的降温速度降温至1300℃，以20℃/min的降温速度降至室温。

这样得到的石墨结构体(以下有时简称“结构体”)的膜厚约为100μm。用扫描电子显微镜(SEM)观察得到的结构体截面时，可以确认具有将石墨层层叠的石墨结构。还确认在结构体内部存在许多微小的空孔(图2的参照符号4)。该空孔的形成机理还不清楚，但是可认为归因于主烧制程序。也观察到存在预先混合、分散的石墨粉末横穿在面方向定向的石墨层。

另外，通过X射线衍射分析评价形成的石墨结构体的晶体结构，结果，观察到与图5同等的石墨(002)及其高次峰，以及若干个微弱的除(00a)面(a：整数)以外的石墨衍射图。因为前者归因于石墨结构体的晶面，所以可知即使在含有粉末状石墨时，也能够得到面方向定向性足够高的石墨结构。另外，可认为后者是观察到的归因于分散在石墨结构体中的石墨粉末的除(00a)面以外的若干个衍射图。

评价由上述工序得到的含有石墨粉末的石墨结构体的导热特性。结果，面方向的导热率κ‖为600W/m·K，与不含石墨粉末时的值相同。另一方面，层方向(厚度方向)的导热率κ⊥为25W/m·K，是以前的几倍。

因此，确认通过在定向性高的石墨结构体中混合/分散石墨粉末，可得到在层方向上导热性也高的石墨结构体。

另外，因为本实施例中制作的石墨结构体其内部存在许多微小的空孔，结果，可以得到具有优异的可弯性和可压缩性等的高导热性部件。

(实施例1-2)

通过与上述实施例1相同的工序，改变石墨颗粒的大小制作高导热性部件。

在本实施例1-2中，将实施例1-1中使用的石墨颗粒进一步粉碎处理，使粒径为0.1～0.3μm左右。除了向第一有机高分子溶液聚酰胺酸中混合/分散3重量％的该石墨颗粒以外，利用相同的工序形成由石墨结构体构成的高导热性部件。

评价得到的试样的导热特性，结果表明，面方向导热率κ⊥与上述的实施例1相同，为600W/m·K。另一方面，层方向导热率κ⊥提高到50W/m·K。可以认为这是因为混合的石墨颗粒的分散性增加，同时由于颗粒变小、石墨层间的热连接点增加。

另外，使上述的石墨粉末的大小在0.05～20μm的范围变化，制作石墨结构体。结果，确认在任何情况下层方向的导热率都提高。

(实施例1-3)

通过与上述实施例1-1相同的工序，制作由石墨结构体构成的高导热性部件时，记录改变混合/分散的石墨颗粒的浓度时的结果。

在实施例1-3中，将实施例1-1中使用的石墨颗粒进一步粉碎处理，使粒径为0.1～0.3μm左右。使向第一有机高分子溶液聚酰胺酸中添加的石墨颗粒的含量在10ppm～10重量％的范围变化，形成由石墨结构体构成的高导热性部件。

评价得到的试样的导热特性，其结果表明，面方向导热率κ‖与上述的实施例1相同，为600W/m·K。另一方面，层方向导热率κ⊥为10～50W/m·K。

(实施例1-4)

通过与上述的实施例1-2相同的工序，制备作为碳前体的含有石墨粉末的聚酰亚胺时，调整聚酰胺酸溶液的浓度，使聚酰亚胺膜厚约为15μm，制作第二有机高分子聚酰亚胺。

将该试样在与上述的实施例1-1相同的温度曲线图下进行烧制处理。其结果，确认在得到的石墨结构体的内部难以形成空孔。其原因不清楚，但是发现使作为碳前体的聚酰亚胺的膜厚变薄时，会形成空孔区域少、更致密的石墨结构体。

得到的试样与上述的实施例1-1的试样相比较，稍微缺乏柔软性，抗弯曲试验特性等稍差，但是还没有到实际使用上会产生问题的程度。评价该试样的导热特性，结果表明，面方向的导热率κ‖为980W/m·K。另一方面，层方向的导热率κ⊥维持在50W/m·K。可以认为这是因为空孔量的减少提高了面方向的定向度。

(实施例1-5)

在上述的实施例中，使用通过热分解法制作的导热率κ‖为200W/m·K左右的石墨粉末，制作高导热性部件，在本实施例中将面内导热性高的定向性石墨(κ‖＝600W/m·K)粉末化并添加到石墨结构体中。

在本实施例1-5中，使用利用喷射研磨法粉碎处理的松下电器产业株式会社生产的“PGS石墨(厚度：125μm、石墨薄片)”。观察通过粉碎处理得到的石墨颗粒时，粒径为1μm左右，但是因为原来的PGS石墨薄片是在面方向强烈定向的石墨，所以粉碎时会引起石墨层部分的显著剥离，与上述的实施例1-1相比得到薄片状(鳞片结构)的石墨粉末。

将该石墨粉末按照与上述实施例1-1相同的方法混合到聚酰胺酸中，亚胺化后，进行烧制处理，制作出石墨结构体。

由本实施例中得到的石墨结构体构成的高导热性部件的概略图如图3所示。

评价得到的试样的导热特性，其结果表明，面方向的导热率κ‖大致同样为600W/m·K。另外，层方向的导热率κ⊥为80W/m·K。可以认为这是因为分散在石墨结构体中的石墨粉末的导热性比现有石墨材料高，所以层方向的热连接提高。

接着，将由PGS石墨薄片构成的石墨粉末更精细地粉碎(粒径：0.2～0.4μm)，制作出相同的石墨结构体。结果，其层方向导热率κ⊥提高到98W/m·K。

(实施例1-6)

上述的实施例1-1中使用的碳前体有机高分子材料为聚酰亚胺，但是确认即使使用其它的有机高分子材料，也能够利用与上述相同的制作方法，制作出含有石墨粉末的石墨结构体。

向各种前体溶液中添加石墨粉末，固化后，通过将由加热脱水反应等得到的有机高分子在规定的温度曲线下进行烧制处理，能够制作出高导热性部件。具体而言，除了聚酰亚胺以外，可以使用聚酰胺(PA)、聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)、聚亚苯基噁二唑(POD)、聚苯并噻唑(PBT)、聚苯并双噻唑(PBBO)、聚亚苯基苯并咪唑(PBI)、聚亚苯基苯并双咪唑(PPBI)、聚噻唑(PT)、聚对位苯基乙烯(PPV)等有机高分子材料，得到含有石墨粉末的石墨结构体。

(实施例1-7)

利用与上述的实施例1-1相同的工序，通过将混合了由能够在烧制过程中石墨化的有机高分子材料构成的粉末的石墨粉末分散在内部，制作出高导热性部件。

在实施例1-7中，将平均粒径5～10μm左右的聚酰亚胺粉末混合到聚酰胺酸溶液中，形成分散了由高分子材料构成的粉末的聚酰胺酸膜后，将聚酰胺酸聚亚胺化。

将由以上工序得到的聚酰亚胺放入电炉中进行烧制处理。本实施例中采用的温度曲线与上述的实施例1-1相同。

结果，首先，在预烧制过程中，第二有机高分子部分被热分解转化成碳膜，同时包含在内部的有机高分子粉末也被碳化。

可以确认在主烧制过程中，第二有机高分子部分转化成将石墨层层叠成层状的石墨结构，同时有机高分子粉末碳化的部分也被碳化、并转化成具有层状结构的石墨。

评价象上面那样得到的含有石墨粉末的石墨结构体的导热特性。结果表明，面方向导热率κ‖与实施例1相同，约为600W/m·K。另外，层方向(厚度方向)的导热率κ⊥为20～40W/m·K。

因此，可以看出，通过将以高分子粉末材料为初始原料的石墨粉末分散在定向性高的石墨结构体内，也可以得到面方向的导热性高、并且层方向的导热性也得到改善的石墨结构体。

(实施例1-8)

使用由上述的实施例1-1中得到的石墨结构体构成的高导热性部件试作散热系统，测定其热阻。图9(a)是使本发明的高导热性部件9紧贴在发热源8和散热部件10之间进行散热的结构。作为比较，也对应用铜板和高定向性石墨(松下生产的PGS石墨薄片)的情况进行评价。在固定压力下(10N/cm²)进行测定。

其结果，使用铜板时的热阻为1.0℃/W，使用高定向性石墨薄片时的热阻为0.4℃/W左右。与此相反，使用本发明的高导热性部件时热阻为0.3℃/W，确认热阻特性得到改善。

另外，在图9(b)或图9(c)的结构中，也同样确认散热特性得到改善。

(实施例2-1)

对使用碳纳米管(CNT)作为碳结构体材料，采用聚酰亚胺作为混合/分散该CNT的有机高分子，通过对其进行烧制处理制作出石墨结构体的例子进行说明。

首先，制作聚酰胺酸溶液作为聚酰亚胺的前体有机高分子溶液。其过程是：在充满氮气(N₂)的干燥箱内，向圆底烧瓶中加入5.00g双(4-氨基苯基)醚和250ml二甲基乙酰胺，搅拌，使之溶解。

向上述溶液中添加5.45g苯均四酸酐，搅拌约3小时，合成了作为第一有机高分子的聚酰胺酸溶液。

以0.5％的重量比向得到的聚酰胺酸溶液中混合由喷射式粉碎机等粉碎的CNT(长度：～1μm)，利用球磨机研磨12小时，使其均匀地分散在溶液中。

将这样制备的含有CNT的聚酰胺酸溶液涂敷在载片上，形成含有CNT的聚酰胺酸薄膜(厚度：～150μm)。将该涂膜在氮气氛围中干燥1小时多，在真空烘箱中在室温下减压干燥2小时后，加热至100℃进行1小时热处理。其结果，得到深灰色的膜。

将得到的膜设置在碳纳米管中，减压至真空后在300℃下进行1小时热处理形成含有CNT的聚酰亚胺膜。

将得到的聚酰亚胺膜从载片上剥离，用千分尺测量其厚度，约为15μm。

将由以上工序得到的碳前体有机高分子膜放入电炉中进行烧制处理。图8(a)表示本实施例中采用的预烧制的温度曲线。

首先，作为预烧制，在Ar气氛围中以3℃/min的升温速度从室温升温至1200℃，在预烧制温度1200℃下保持3小时。关于升温速度，可以在考虑烧制处理的有机高分子膜的种类和形状等而决定，通常可以在1℃/min以上15℃/min以下的范围，在本实施例中采用3℃/min。烧制处理后，以5℃/min的降温速度冷却至室温。通常，关于冷却时的降温速度，不需要象升温速度那样严格地控制，但是优选1℃/min以上10℃/min以下，在本实施例中采用5℃/min。

在该预烧制工序中，观察到有机高分子膜加热分解放出氮气、氧气、氢气的现象，其结果，转化成分散了重量比变为初始原料的50～60％的CNT的碳化膜。因此，对分散的CNT没有任何影响。

在上述条件下进行预烧制后，再将试样转移至超高温炉进行主烧制。其温度曲线图如图8(b)所示。在本实施例中，以10℃/min的升温速度升温至1000℃，然后降至5℃/min，在中间处理温度2200℃下中间保持1小时。再以5℃/min的升温速度升温至主烧制温度2700℃，在2700℃下的保持时间为3小时。主烧制保持温度后的冷却，以5℃/min的降温速度降温至2200℃，然后，以10℃/min的降温速度降温至1300℃，以20℃/min的降温速度降至室温。

这样得到的石墨结构体的膜厚约为30μm。用扫描电子显微镜(SEM)观察得到的结构体截面时，可以确认具有将石墨层层叠成层状的石墨结构。还观察到配置有以横穿在面方向定向的石墨层的方式预先混合、分散的CNT。

通过X射线衍射对形成的石墨结构体的晶体结构进行评价，其结果，观察到与图5同等的石墨(002)及其高次峰。由此可知即使在含有CNT时，也能够充分得到面方向定向性高的石墨结构。

评价由上述工序得到的含有CNT的石墨结构体的导热特性。其结果，面方向的导热率κ‖为～980W/m·K，与不含CNT时制作的石墨结构体的值大致相同。另一方面，层方向(厚度方向)的导热率κ⊥为50～60W/m·K，是以前的大致10倍。

因此，确认通过在定向性高的石墨结构体中混合/分散CNT，可得到层方向导热性也高的石墨结构体。

(实施例2-2)

通过与实施例2-1相同的工序，制作由石墨结构体构成的高导热性部件时，改变混合/分散的CNT的浓度进行实施。

使第一有机高分子溶液聚酰胺酸中的CNT在10ppm～10重量％的范围内变化，形成由石墨结构体构成的高导热性部件。

评价得到的试样的导热特性，结果表明，面方向导热率κ‖与上述实施例2-1相同，为900～980W/m·K。另一方面，层方向的导热率κ⊥为10～70W/m·K。

(实施例2-3)

通过与实施例2-1相同的工序，调整聚酰胺酸溶液的浓度，使聚酰亚胺膜厚约为50μm，制作第二有机高分子聚酰亚胺膜。

将该试样在与实施例2-1相同的温度曲线下进行烧制处理时，确认在得到的石墨结构体的内部存在许多微小的空孔(图2的“空孔4”)。其原因不清楚，但是发现在主烧制工序中使作为碳前体的聚酰亚胺膜的膜厚变厚时，会形成空孔区域多、疏松的石墨结构体。

评价该试样的导热特性，结果表明，面方向的导热率κ‖减少到600～750W/m·K，但是层方向的导热率κ⊥维持在50W/m·K。可以认为这是因为包含空孔从而面方向的定向度稍微降低。与此相反，因为本实施例中制作的石墨结构体内部存在许多微小的空孔区域，其结果可以得到具有优异的可弯曲性和可压缩性的高导热性部件。

(实施例2-4)

在实施例2-1中，使用CNT制作高导热性部件，在本实施例中向石墨结构体中添加金刚石颗粒。

在本实施例中，通过与上述实施例相同的方法将平均粒径1μm的金刚石颗粒混合到聚酰胺酸中，聚亚胺化后，进行烧制处理，制作出石墨结构体。

评价得到的试样的导热特性，结果表明，面方向导热率κ‖(700～900W/m·K)和层方向导热率κ⊥(～50W/m·K)都取得大致相同的值。

另外，使混合的金刚石颗粒的平均粒径在0.1～10μm的范围内变化时，也能够得到同样的高导热性部件。

(实施例2-5)

实施例2-1中使用的碳前体有机高分子材料为聚酰亚胺，但是确认即使使用其它的有机高分子材料，也能够通过与上述相同的制作方法，制作出含有碳结构体的石墨结构体。向各种前体溶液中添加碳结构体，成膜后，通过将由加热脱水聚合反应等得到的膜在规定的温度曲线下进行烧制处理，能够制作出高导热性部件。具体而言，除了聚酰亚胺以外，使用聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)、聚亚苯基噁二唑(POD)、聚苯并噻唑(PBT)、聚苯并双噻唑(PBBO)、聚亚苯基苯并咪唑(PBI)、聚亚苯基苯并双咪唑(PPBI)、聚噻唑(PT)、聚对位苯基乙烯(PPV)等有机高分子材料时，也可得到含有碳结构体的石墨结构体。

(实施例2-6)

实施例2-1、2-4中使用的碳结构体是CNT和金刚石，但是确认即使使用除此以外的碳结构材料，也能够利用与上述相同的制作方法制作出含有碳结构体的石墨结构体。具体而言，使用富勒烯、金刚石状碳颗粒等碳结构体，可以得到高导热性部件(含有碳结构体的石墨结构体)。

(实施例2-7)

使用由实施例2-1～2-6中得到的石墨结构体构成的高导热性部件，装配散热系统，测定其热阻。

图9(a)表示使本发明的高导热性部件9紧贴在发热源8和散热部件10之间进行散热的系统。此外，作为比较，也对使用铜板和高定向性石墨薄片的情况同样进行评价。在固定压力下(10N/cm²)进行测定。

结果，使用铜板时的热阻为1.0℃/W，使用高定向性石墨薄片时的热阻为0.4℃/W左右。与此相反，使用本发明的高导热性部件时热阻为0.3℃/W，确认热阻特性得到改善。

另外，在图9(b)或图9(c)的结构中，也同样确认散热特性得到改善。

产业上的可利用性

本发明的高导热性部件不仅作为用于以CPU、激光器等为代表的各种电子设备/部件等的需要散热的部分的散热系统材料是有用的，而且能够加工成各种形式，能够适用于需要均匀散热性的例如基板台、掩模台等的广泛用途。

Claims (29)

1.一种高导热性部件，将碳颗粒分散在石墨类基体中形成，其特征在于：

(1)构成所述石墨的各石墨层的c轴实质上是平行的；

(2)与所述c轴垂直的方向的导热率κ‖在400W/m·K以上1000W/m·K以下的范围；

(3)与所述c轴平行的方向的导热率κ⊥在10W/m·K以上100W/m·K以下的范围。

2.如权利要求1所述的高导热性部件，其特征在于：

所述高导热性部件的形状是薄膜状，并且，所述c轴与所述薄膜的厚度方向实质上是平行的。

3.如权利要求2所述的高导热性部件，其特征在于：

薄膜的厚度为10μm以上300μm以下。

4.如权利要求2所述的高导热性部件，其特征在于：

所述高导热性部件具有柔韧性。

5.如权利要求1所述的高导热性部件，其特征在于：

在所述石墨类基体的X射线衍射图中，存在(002n)面的峰，其中，n表示自然数。

6.如权利要求1所述的高导热性部件，其特征在于：

在所述石墨薄片的X射线衍射图中，存在(002)面和(004)面的峰。

7.如权利要求1所述的高导热性部件，其特征在于：

所述石墨类基体的内部含有空孔。

8.如权利要求1所述的高导热性部件，其特征在于：

所述高导热性部件的密度在0.3g/cm³以上2g/cm³以下的范围。

9.如权利要求1所述的高导热性部件，其特征在于：

所述碳颗粒的含量在10重量ppm以上10重量％以下的范围。

10.如权利要求1所述的高导热性部件，其特征在于：

所述碳颗粒是1)石墨颗粒和2)石墨以外的碳结构体中的至少1种。

11.如权利要求10所述的高导热性部件，其特征在于：

所述碳结构体是碳纳米管、富勒烯、金刚石和金刚石状碳中的至少1种。

12.如权利要求1所述的高导热性部件，其特征在于：

所述碳颗粒的一部分或全部是石墨。

13.如权利要求1所述的高导热性部件，其特征在于：

所述碳颗粒的平均粒径为0.05μm以上。

14.如权利要求1所述的高导热性部件，其特征在于：

所述碳颗粒的平均粒径在0.05μm以上20μm以下的范围。

15.如权利要求1所述的高导热性部件，其特征在于：

所述碳颗粒的形状是薄片状。

16.一种制造方法，用于制造将碳颗粒分散在石墨类基体中形成的高导热性部件的方法，其特征在于，包括：

(1)调制含有能够形成有机高分子的原料与选自碳颗粒和其前体颗粒中至少1种的分散颗粒的混合液的第一工序；

(2)使用所述混合液，形成使所述颗粒分散在所述有机高分子中的涂膜的第二工序；和

(3)通过对所述涂膜进行热处理，得到所述高导热性部件的第三工序。

17.如权利要求16所述的制造方法，其特征在于：

所述分散颗粒的一部分或全部是碳纳米管、富勒烯、金刚石和金刚石状碳中至少1种的碳结构体。

18.如权利要求16所述的制造方法，其特征在于：

所述分散颗粒的一部分或全部是石墨。

19.如权利要求16所述的制造方法，其特征在于：

所述有机高分子为聚酰亚胺。

20.如权利要求16所述的制造方法，其特征在于：

所述混合液是含有聚酰胺酸溶液与选自碳颗粒和其前体颗粒中至少1种的分散颗粒的混合液。

21.如权利要求20所述的制造方法，其特征在于：

还含有使聚酰胺酸亚胺化的工序。

22.如权利要求16所述的制造方法，其特征在于：

所述前体颗粒为聚酰亚胺。

23.如权利要求19所述的制造方法，其特征在于：

热处理具有：1)在1000℃以上1500℃以下的温度范围内烧制的预烧制工序；和2)在2000℃以上3000℃以下的温度范围内烧制的主烧制工序。

24.一种散热系统，具有发热源、散热部件和高导热性部件，其特征在于：

(1)所述发热源和散热部件通过高导热性部件热连接；

(2)所述高导热性部件是权利要求1所述的高导热性部件。

25.如权利要求24所述的散热系统，其特征在于：

所述高导热性部件的形状是薄膜状。

26.如权利要求25所述的散热系统，其特征在于：

发热源和散热部件至少一方设置为与薄膜面接触。

27.如权利要求24所述的散热系统，其特征在于：

所述高导热性部件具有柔韧性。

28.如权利要求24所述的散热系统，其特征在于：

所述高导热性部件具有1个或2个以上的弯曲部。

29.如权利要求24所述的散热系统，其特征在于：

所述散热部件是散热片。

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