JP2003112915A - 黒鉛化炭素粉末及び熱伝導性複合材料組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 優れた熱伝導性を有する黒鉛化炭素粉末及び
熱伝導性複合材料組成物を提供すること。 【解決手段】 ピッチを熱処理して炭化発泡させて得た
炭素質発泡体を、黒鉛化後に粉砕するか、又は、粉砕後
に黒鉛化する。得られる黒鉛化炭素粉末のＸ線回折法に
よる黒鉛層間の面間隔（ｄ００２）は０．３３７０ｎｍ
未満であることが好ましい。また、黒鉛化炭素粉末の平
均粒径は２〜２００μｍであることが好ましい。熱伝導
性複合材料組成物は、マトリックス材料中に上記黒鉛化
炭素粉末を配合してなる。マトリックス材料は熱可塑性
樹脂、熱可塑性エラストマー、硬化性樹脂及び架橋ゴム
よりなる群から選択される少なくとも１種であることが
好ましい。また、黒鉛化炭素粉末の配合量はマトリック
ス材料１００重量部に対し１〜８００重量部であること
が好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、優れた熱伝導性を
有する黒鉛化炭素粉末及び熱伝導性複合材料組成物に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年の電子機器においては、高性能化、
小型化及び軽量化に伴う半導体パッケージの高密度実装
化、ＬＳＩの高集積化及び高速化などによって、各種の
電子部品にて発生する熱を効果的に外部へ放散させる熱
対策が非常に重要な課題になっている。このような熱対
策として、プリント配線基板、半導体パッケージ、筐
体、放熱板或いは熱拡散板等の放熱部材、発熱源と放熱
部材との間に介在される放熱シートなどの成形加工品
や、高分子グリス或いは接着剤等の液状組成物などを、
熱伝導性の良好な組成物にて構成するという対策が一般
的に行われている。

【０００３】従来、このような熱伝導性の良好な組成物
としては、樹脂やゴムなどのマトリックス材料中に、熱
伝導性充填剤として熱伝導率の大きな酸化アルミニウ
ム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化
マグネシウム、酸化亜鉛、炭化ケイ素、石英、水酸化ア
ルミニウムなどの金属酸化物、金属窒化物、金属炭化
物、金属水酸化物などを配合したもの（以下、「熱伝導
性複合材料組成物」という。）が知られているが、必ず
しも充分に大きな熱伝導性を有するものではなかった。

【０００４】そのため、熱伝導性をさらに向上させる目
的で、樹脂やゴムなどのマトリックス材料中に、熱伝導
性充填剤として熱伝導率の大きな黒鉛粉末や炭素繊維を
配合した様々な熱伝導性複合材料組成物が提案されてい
る。

【０００５】例えば、特開昭６２−１３１０３３号公報
には黒鉛粉末を熱可塑性樹脂に充填した熱伝導性樹脂成
形品が、特開平４−２４６４５６号公報にはカーボンブ
ラックや黒鉛などを含有するポリエステル樹脂組成物
が、特開平５−１７５９３号公報には一方向に引揃えた
炭素繊維に黒鉛粉末と熱硬化性樹脂を含浸した機械的強
度の高い熱伝導性成形品が、特開平５−２２２６２０号
公報には断面構造を特定したピッチ系炭素繊維を利用し
た熱伝導性材料が記載されている。

【０００６】また、特開平５−２４７２６８号公報には
粒径１〜２０μｍの人造黒鉛を配合したゴム組成物が、
特開平９−２８３９５５号公報には特定のアスペクト比
の黒鉛化炭素繊維をシリコーンゴムなどの高分子に分散
した熱伝導性シートが、特開平１０−２９８４３３号公
報には結晶面間隔が０．３３０〜０．３４０ｎｍの球状
黒鉛粉末をシリコーンゴムに配合した組成物と放熱シー
トが開示されている。さらに、特開平２−２４２９１９
号公報、特開平７−４８１８１号公報などには、熱伝導
率が大きい炭素繊維として特定のピッチ系炭素繊維が開
示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、発熱量が一
段と増大し続ける近年の高性能な電子部品においては、
より一層大きな熱伝導性のニーズが高まり続けている。
そのため、上記従来の黒鉛粉末や炭素繊維及びこれらを
熱伝導性充填剤として配合した熱伝導性複合材料組成物
であっても、熱伝導性が未だ不充分であり、早急な改善
が切望されている。

【０００８】本発明は、上記課題に着目してなされたも
のであり、その目的は、電気製品などに使用される半導
体素子や電源、光源などの部品から発生する多大な熱を
効果的に放散可能な、優れた熱伝導性を有する黒鉛化炭
素粉末及び熱伝導性複合材料組成物を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明者らは、炭素原料やその製法を様々な観点か
ら鋭意研究した結果、特定の工程を経て製造される黒鉛
化炭素粉末が優れた熱伝導性を発揮すること、及びこの
黒鉛化炭素粉末を熱伝導性充填材として用いた熱伝導性
複合材料組成物が優れた熱伝導性を発揮すること見出
し、本発明を完成した。

【００１０】すなわち、請求項１に記載の発明は、ピッ
チを熱処理して炭化発泡させて得た炭素質発泡体を黒鉛
化後に粉砕して得られる黒鉛化炭素粉末である。請求項
２に記載の発明は、ピッチを熱処理して炭化発泡させて
得た炭素質発泡体を粉砕後に黒鉛化して得られる黒鉛化
炭素粉末である。

【００１１】請求項３に記載の発明は、請求項１又は請
求項２に記載の黒鉛化炭素粉末において、Ｘ線回折法に
よる黒鉛層間の面間隔（ｄ００２）が、０．３３７０ｎ
ｍ未満であることを特徴とする。

【００１２】請求項４に記載の発明は、請求項１から請
求項３のいずれか１項に記載の黒鉛化炭素粉末におい
て、平均粒径が、２〜２００μｍであることを特徴とす
る。請求項５に記載の発明は、マトリックス材料中に、
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の黒鉛化炭
素粉末を配合してなる熱伝導性複合材料組成物である。

【００１３】請求項６に記載の発明は、請求項５に記載
の熱伝導性複合材料組成物において、マトリックス材料
が、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、硬化性樹脂
及び架橋ゴムよりなる群から選択される少なくとも１種
であることを特徴とする。

【００１４】請求項７に記載の発明は、請求項５又は請
求項６に記載の熱伝導性複合材料組成物において、マト
リックス材料１００重量部に対して、黒鉛化炭素粉末を
１〜８００重量部配合したことを特徴とする。

【００１５】（作用）本発明は、発泡現象という特異な
現象を利用することにより黒鉛構造が高度に発達した熱
伝導性に優れる黒鉛化炭素粉末を実現し、さらに、この
黒鉛化炭素粉末を熱伝導性充填剤として用いることによ
り熱伝導性に優れる熱伝導性複合材料組成物を実現した
ものである。

【００１６】すなわち、ピッチを熱処理して炭化発泡さ
せると、発泡により形成されるフォームの膜（発泡体の
壁体）に沿ってピッチが伸長されることにより、炭素層
が壁体に対して高度に配向した発泡体構造を有する炭素
質発泡体が得られる。そのため、この炭素質発泡体を黒
鉛化及び粉砕することにより、黒鉛構造が高度に発達し
た熱伝導性に優れる黒鉛化炭素粉末を実現することがで
きる。

【００１７】一方、このような炭素原料の発泡現象を利
用した炭素粉末としては、特開平３−１６４４１６号公
報及び特開２０００−１０３６１０号公報に、特定の炭
素発泡体を粉砕した炭素粉末が開示されている。しか
し、これらの炭素粉末は、耐食性、耐薬品性の改良、又
は、電極の高容量特性或いは強度向上を意図したもので
ある点で、本発明の技術思想と本質的に異なるものであ
り、また、これらの炭素粉末は黒鉛化されていないた
め、熱伝導性の向上という本発明の目的を達成すること
ができない。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した実施の
形態について説明する。まず、黒鉛化炭素粉末について
説明する。この黒鉛化炭素粉末は、ピッチを熱処理して
炭化発泡させて得た炭素質発泡体を黒鉛化後に粉砕した
もの、又は、ピッチを熱処理して炭化発泡させて得た炭
素質発泡体を粉砕後に黒鉛化したものである。

【００１９】原料として用いるピッチは、石炭、石油或
いは木材等の有機物質を蒸留等して得られるタールを熱
処理し、或いは、ナフタレンやアントラセン等の多環芳
香族化合物を重合させて得られるものをいう。このピッ
チの種類としては、石油系ピッチ、石炭系ピッチ、コー
ルタールピッチ、コークス系ピッチ、合成系ピッチ等が
挙げられる。これらの中でも石油系ピッチ又は石炭系ピ
ッチを用いることが好ましく、特に、光学的異方性ピッ
チすなわちメソフェーズピッチを用いることが好まし
い。

【００２０】上記黒鉛化炭素粉末は、以下（ａ）又は
（ｂ）の方法により製造される。 （ａ）ピッチを熱処理して炭化発泡させて得た炭素質発
泡体を黒鉛化後に粉砕する方法。すなわち、この製法
は、ピッチを熱処理して炭化発泡させて炭素質発泡体を
作製する工程（炭化発泡工程）と、この炭素質発泡体を
熱処理して黒鉛化させて黒鉛質発泡体を作製する工程
（黒鉛化工程）と、この黒鉛質発泡体を粉砕して黒鉛化
炭素粉末を作製する工程（粉砕工程）とを含む。

【００２１】（ｂ）ピッチを熱処理して炭化発泡させて
得た炭素質発泡体を粉砕後に黒鉛化する方法。すなわ
ち、この製法は、ピッチを熱処理して炭化発泡させて炭
素質発泡体を作製する工程（炭化発泡工程）と、この炭
素質発泡体を粉砕して炭素質粉末を作製する工程（粉砕
工程）と、この炭素質粉末を熱処理して黒鉛化させて黒
鉛化炭素粉末を作製する工程（黒鉛化工程）とを含む。

【００２２】以下、各工程について詳述する。炭化発泡
工程におけるピッチの発泡方法は、特に限定されるもの
ではなく、従来公知の発泡方法を適宜応用して用いるこ
とができる。この具体的な発泡方法としては、例えば、
ピッチを熱処理して溶融させた後、高圧域から低圧域へ
移行させて発泡させる方法や、ピッチに発泡剤や揮発性
物質を添加して発泡させる方法などがある。なお、後者
の発泡方法にて用いる発泡剤或いは揮発性物質として
は、炭化発泡工程において大部分がガス化するものであ
れば好適に用いることができ、特に限定されるものでは
ないが、取扱性の容易性、発泡効率の観点から、沸点が
５〜６０℃程度の有機質揮発性発泡剤を用いることが好
ましい。この具体的な有機質揮発性発泡剤としては、例
えば、トリクロロモノフルオロメタン、ジクロロモノフ
ルオロメタン、メチレンクロリド、トリクロロトリフル
オロエタン、アセトン等が挙げられる。

【００２３】炭化発泡工程における熱処理条件として
は、２５０〜１５００℃、より好ましくは５００〜９０
０℃の温度条件が要求される。この処理温度が１５００
℃を超えると、得られる炭素質発泡体の強度が大きくな
り、その後の粉砕が困難となる。一方、処理温度が２５
０℃未満では、炭化の程度が不充分となり、高い熱伝導
率を有する黒鉛化炭素粉末を得ることができない。ま
た、この熱処理は、真空雰囲気下、アルゴンガスや窒素
ガスなどの不活性ガス雰囲気下、或いは還元性雰囲気下
などのピッチが実質的に酸化しない非酸化性雰囲気下で
行なうことが好ましい。非酸化性雰囲気下で熱処理しな
いと、発泡体が酸化するなど変質してしまうことがあり
好ましくない。

【００２４】黒鉛化工程における熱処理条件としては、
２５００℃以上の温度条件が必要とされる。この黒鉛化
工程の処理温度が高温になればなるほど、得られる黒鉛
化炭素粉末の黒鉛化度が高くなり、より一層高い熱伝導
率を有する黒鉛化炭素粉末を実現することができる。こ
の処理温度が２５００℃未満であると黒鉛化が不充分と
なり、高い熱伝導率を有する黒鉛化炭素粉末を得ること
ができない。また、この黒鉛化工程における熱処理は、
上記炭化発泡工程の熱処理と同様に、非酸化性雰囲気下
で行なうことが好ましい。非酸化性雰囲気下で熱処理し
ないと、炭素質発泡体或いは炭素質粉末が酸化するなど
変質してしまうことがあり好ましくない。実用的には、
アルゴンガス雰囲気下、２８００〜３２００℃の高温で
一定時間熱処理することが好ましく、これにより黒鉛化
が高度に進行し、黒鉛構造が高度に発達した高い熱伝導
率を有する黒鉛化炭素粉末を製造することができる。な
お、上記炭化発泡工程及び黒鉛化工程における熱処理の
昇温速度、降温速度、処理時間などについては、特に限
定されるものではない。

【００２５】粉砕工程においては、ボールミル、ビクト
リーミル、ジェットミル、高速回転ミルなどの粉砕機を
適宜選択して用いることができる。黒鉛化炭素粉末の平
均粒径は、特に限定されるものではないが、２〜２００
μｍであることが好ましい。黒鉛化炭素粉末の平均粒径
が２μｍより小さいと、熱伝導性充填剤としてマトリッ
クス材料中に配合した際に黒鉛化炭素粉末同士の接触が
少なくなり、熱の伝達経路が不充分となって得られる熱
伝導性複合材料組成物の高熱伝導率化を達成し難くな
る。一方、黒鉛化炭素粉末の平均粒径が２００μｍより
大きいと、黒鉛化炭素粉末が嵩高くなって熱伝導性充填
剤としてマトリックス材料中に高充填することが困難に
なるので好ましくない。なお、上記の平均粒径は、レー
ザー回折方式による粒度分布等から算出することができ
る。

【００２６】また、黒鉛化炭素粉末は、その構造パラメ
ータとして、Ｘ線回折法による黒鉛層間の面間隔（ｄ０
０２）が、０．３３７０ｎｍ未満であることが好まし
い。このＸ線回折法による黒鉛層間の面間隔（ｄ００
２）が０．３３７０ｎｍ以上である場合は、黒鉛化度が
不十分で、その黒鉛化炭素粉末を使用しても優れた熱伝
導性を有する熱伝導性複合材料組成物を得ることができ
ない。

【００２７】ここで、Ｘ線回折法とは、ＣｕｋαをＸ線
源、標準物質に高純度シリコンを使用し、炭素材料のＸ
線回折パターンを測定する方法であり、得られる（００
２）回折パターンのピーク位置と半値幅から黒鉛結晶の
面間隔（ｄ００２）を算出する方法である。この算出方
法は、学振法に基づくものである。なお、Ｘ線回折法に
よる黒鉛層間の面間隔（ｄ００２）の下限値は、理論値
として算出される０．３３５４ｎｍである。

【００２８】なお、上記（ａ）の方法にて中間体として
得られる黒鉛質発泡体は、その壁体の熱伝導率が、４０
０（Ｗ／（ｍ・Ｋ））以上であることが好ましく、８０
０（Ｗ／（ｍ・Ｋ））以上であることがより好ましく、
１０００（Ｗ／（ｍ・Ｋ））以上であることが特に好ま
しい。

【００２９】次に、熱伝導性複合材料組成物について説
明する。この熱伝導性複合材料組成物は、マトリックス
材料中に、上述した黒鉛化炭素粉末が熱伝導性充填剤と
して配合されたものである。

【００３０】マトリックス材料は、特に限定されるもの
ではなく、例えば、高分子材料、金属材料、セラミック
ス材料、炭素などの無機材料など、公知のマトリックス
材料から用途や要求性能に応じて適宜選択すればよい。
成形加工性等を考慮すると、マトリックス材料は高分子
材料であることが好ましい。

【００３１】この高分子材料は、特に限定されるもので
はなく、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、各種硬
化性樹脂、架橋ゴムなど公知の高分子材料から用途や要
求性能などに応じて適宜選択して用いることができる。
例えば、接着剤用途には、エポキシ樹脂、ポリイミド樹
脂或いはアクリル樹脂などの接着性高分子材料を用いる
ことが好ましく、成形体用途には、熱可塑性樹脂、熱可
塑性エラストマー、各種硬化性樹脂或いは架橋ゴムなど
を用いることが好ましい。

【００３２】具体的な熱可塑性樹脂としては、ポリエチ
レン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体
等のエチレン−α−オレフィン共重合体、ポリメチルペ
ンテン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢
酸ビニル、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリビニル
アルコール、ポリアセタール、ポリフッ化ビニリデンや
ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂、ポリエチ
レンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポ
リエチレンナフタレート、ポリスチレン、ポリアクリロ
ニトリル、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ＡＢ
Ｓ樹脂、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）樹脂、変性
ＰＰＥ樹脂、脂肪族及び芳香族ポリアミド類、ポリイミ
ド、ポリアミドイミド、ポリメタクリル酸及びそのメチ
ルエステル等のポリメタクリル酸エステル類、ポリアク
リル酸類、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィ
ド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテ
ルニトリル、ポリエーテルケトン、ポリケトン、液晶ポ
リマー、シリコーン樹脂、アイオノマーなどが挙げられ
る。

【００３３】具体的な熱可塑性エラストマーとしては、
スチレン−ブタジエンブロック共重合体及びスチレン−
イソプレンブロック共重合体とそれらの水添ポリマー、
スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑
性エラストマー、塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、
ポリエステル系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系
熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラスト
マーなどが挙げられる。熱可塑性エラストマーは、繰返
し成形加工でき、リサイクルが容易である点でメリット
がある。

【００３４】具体的な硬化性樹脂としては、エポキシ樹
脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、ベンゾシク
ロブテン樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹
脂、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂、ポリウ
レタン樹脂、ポリイミドシリコーン樹脂、熱硬化型ポリ
フェニレンエーテル樹脂及び変性ＰＰＥ樹脂などが挙げ
られる。

【００３５】具体的な架橋ゴムとしては、天然ゴム、ブ
タジエンゴム、イソプレンゴム、スチレン−ブタジエン
共重合ゴム、ニトリルゴム、水添ニトリルゴム、クロロ
プレンゴム、エチレン−プロピレンゴム、塩素化ポリエ
チレン、クロロスルホン化ポリエチレン、ブチルゴム、
ハロゲン化ブチルゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、シ
リコーンゴムなどが挙げられる。

【００３６】これらの高分子材料のなかでも、シリコー
ンゴム、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、不飽和ポリ
エステル樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、
ベンゾシクロブテン樹脂、フッ素樹脂、ポリフェニレン
エーテル樹脂及び熱可塑性エラストマーよりなる群から
選択される少なくとも１種、さらに好ましくは、シリコ
ーンゴム、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリウレタ
ン樹脂及び熱可塑性エラストマーよりなる群から選択さ
れる少なくとも１種を用いることが、耐熱性などの温度
特性や電気的信頼性の観点から好ましい。

【００３７】また、誘電率、誘電正接が小さく高周波領
域での特性が要求される配線基板用途などには、フッ素
樹脂、熱硬化型ポリフェニレンエーテル樹脂、変性ＰＰ
Ｅ樹脂、ポリオレフィン系樹脂などを用いることが好ま
しい。

【００３８】なお、これらの高分子材料は、一種を単独
で用いても、二種以上を適宜組み合わせて用いてもよ
く、或いはこれらの高分子材料から選択される複数の高
分子材料からなるポリマーアロイを用いても差し支えな
い。また、硬化性樹脂又は架橋ゴムの硬化・架橋方法に
ついては、特に限定されず、熱硬化法、光硬化法、湿気
硬化法、放射線又は電子線照射法などの公知の架橋・硬
化方法を採用することができる。

【００３９】熱伝導性複合材料組成物における黒鉛化炭
素粉末の配合量は、目的とする最終製品の用途や要求性
能などにより適宜決定されるが、マトリックス材料１０
０重量部に対して、１〜８００重量部であることが好ま
しく、５〜５００重量部であることがより好ましく、２
０〜３００重量部であることが特に好ましい。黒鉛化炭
素粉末の配合量が多いほど目的とする高熱伝導率化が達
成されるが、配合量が８００重量部を超えるとマトリッ
クス材料中に均一分散させることが困難になり、組成物
の粘度が増大して流動性が損なわれ、かつ、気泡の混入
が避けられず好ましくない。一方、黒鉛化炭素粉末の配
合量が１重量部よりも少ないと、得られる熱伝導性複合
材料組成物の熱伝導性が小さく、目的とする高熱伝導率
化が達成できない。

【００４０】マトリックス材料と黒鉛化炭素粉末とを混
合して熱伝導性複合材料組成物を調整する際には、ブレ
ンダー、ミキサー、ロール、押出機などの公知の混合装
置又は混練装置を使用することができる。ここで、マト
リックス材料と黒鉛化炭素粉末とを混合分散させる際に
は、必要に応じて減圧或いは加圧するなど脱泡操作を行
なうことが好ましい。また、熱伝導性複合材料組成物の
粘度を低下させるために、揮発性の有機溶剤や低粘度の
軟化剤、反応性可塑剤などを添加することが効果的であ
る。

【００４１】そして、上記のようにして得られる熱伝導
性複合材料組成物は、圧縮成形法、押出成形法、射出成
形法、注型成形法、トランスファー成形法、ブレード成
形法、ブロー成形法、カレンダー成形法などのほか、液
状組成物の場合は、塗装法、印刷法、ディスペンサー
法、ポッティング法などの公知の方法で加工することが
できる。例えば、熱伝導性複合材料組成物を硬化させ、
所定形状に成形加工することにより、優れた熱伝導性を
有する熱伝導性成形体を得ることができる。また、シー
ト状に成形加工することにより、優れた熱伝導性を有す
る熱伝導性シートを得ることができ、特に、マトリック
ス材料として低硬度の架橋ゴムや熱可塑性エラストマー
を用いた場合には、柔軟な熱伝導性シートを得ることが
できる。

【００４２】従って、この熱伝導性複合材料組成物は、
高い放熱特性が要求される熱伝導性グリス、熱伝導性接
着剤などの液状用途や、熱伝導性シート、半導体パッケ
ージ用部材などの成形体用途の構成材料として用いるこ
とができる。そして、発熱する素子と伝熱部材との間に
介在されるペースト状の熱伝導性グリスや熱伝導性接着
剤、或いは放熱器、冷却器、ヒートシンク、ヒートスプ
レッダー、ダイパッド、プリント基板、冷却ファン、ヒ
ートパイプ、筐体などの伝熱部材を、この熱伝導性複合
材料組成物を用いて構成することにより、課題である発
熱対策を施すことが可能になる。

【００４３】以上詳述したように、本実施形態によれば
以下の作用効果が奏される。 ・ ピッチを熱処理して炭化発泡させて得た炭素質発泡
体を、黒鉛化後に粉砕、又は、粉砕後に黒鉛化すること
により、黒鉛構造が高度に発達した熱伝導性に優れる黒
鉛化炭素粉末を実現できる。また、この黒鉛化炭素粉末
をマトリックス材料中に配合することにより、熱伝導性
に優れる熱伝導性複合材料組成物を実現することができ
る。

【００４４】・ 原料ピッチとしてメソフェーズピッチ
を用いると、メソフェーズピッチは長距離秩序を維持し
た分子配向性と大きな分子運動性を併せ持つ易黒鉛化性
の炭素質物質であることから、炭素質発泡体を作製する
際に高配向されるとともに熱処理時に高度に黒鉛化され
て、より一層熱伝導性に優れる黒鉛化炭素粉末を実現で
きる。

【００４５】・ 黒鉛化炭素粉末のＸ線回折法による黒
鉛層間の面間隔（ｄ００２）が、０．３３７０ｎｍ未満
とすることにより、より一層、高熱伝導率化を達成する
ことができる。

【００４６】・ 炭素質発泡体を粉砕後に黒鉛化する
と、黒鉛化処理の際に、粉砕時に新たに露出した面にお
いて縮重合反応、環化反応が進行するため、より一層、
高い熱伝導性を有する黒鉛化炭素粉末を実現することが
できる。

【００４７】・ 黒鉛化炭素粉末の平均粒径を２〜２０
０μｍとすることにより、マトリックス材料中に高充填
でき、熱伝導性複合材料組成物のより一層向上の高熱伝
導率化を達成することができる。また工業的に生産が容
易である。

【００４８】・ マトリックス材料として、熱可塑性樹
脂、熱可塑性エラストマー、硬化性樹脂及び架橋ゴムよ
りなる群から選択される少なくとも１種を用いると、成
形加工性が良好で、種々の用途に適用可能な熱伝導性に
優れる熱伝導性複合材料組成物を実現することができ
る。

【００４９】・ マトリックス材料１００重量部に対し
て、黒鉛化炭素粉末を１〜８００重量部配合することに
より、マトリックス材料中に黒鉛化炭素粉末を均一分散
させ、低粘度で成形加工性の良好な熱伝導性複合材料組
成物を実現できる。また、熱伝導性複合材料組成物の製
造が容易になる。

【００５０】

【実施例】以下、試作例、実施例及び比較例を挙げて前
記各実施形態をさらに具体的に説明するが、これらは本
発明の範囲を何ら制限するものではない。

【００５１】（黒鉛化炭素粉末の試作例１）メソフェー
ズピッチをアルミニウム製金型に充填した後、真空ポン
プで１００Ｐａ以下に減圧し、メソフェーズピッチの軟
化点よりも高い３００℃で加熱した。次いで、窒素を導
入して減圧状態から窒素雰囲気に置換し７ｋＰａまで加
圧した後、昇温速度４℃／分で１５００℃まで加熱して
２０分間保持し、冷却時に徐々に高圧域から大気圧雰囲
気に開放して発泡させ、炭素質発泡体を作製した。さら
に、得られた炭素質発泡体をアルゴン雰囲気下にて３０
００℃で熱処理して、黒鉛質発泡体を作製した。この黒
鉛質発泡体の壁体の熱伝導率は１０００（Ｗ／（ｍ・
Ｋ））であった。そして、得られた黒鉛質発泡体をボー
ルミルで粉砕して黒鉛化炭素粉末（試作例１）を作製し
た。この黒鉛化炭素粉末（試作例１）の平均粒径は６０
μｍ、Ｘ線回折法による黒鉛層間の面間隔（ｄ００２）
は０．３３６２ｎｍであった。

【００５２】（黒鉛化炭素粉末の試作例２）メソフェー
ズピッチをアルミニウム製金型に充填した後、真空ポン
プで１００Ｐａ以下に減圧し、メソフェーズピッチの軟
化点よりも高い３００℃で加熱した。次いで、窒素を導
入して減圧状態から窒素雰囲気に置換し７ｋＰａまで加
圧した後、昇温速度４℃／分で１５００℃まで加熱して
２０分間保持し、冷却時に徐々に高圧域から大気圧雰囲
気に開放して発泡させ、炭素質発泡体を作製した。さら
に、得られた炭素質発泡体をボールミルで粉砕して、炭
素質粉末を作製した。そして、得られた炭素質粉末をア
ルゴン雰囲気下にて３０００℃で熱処理して、黒鉛化炭
素粉末（試作例２）を作製した。この黒鉛化炭素粉末
（試作例２）の平均粒径は４５μｍ、Ｘ線回折法による
黒鉛層間の面間隔（ｄ００２）は０．３３６０ｎｍであ
った。

【００５３】（黒鉛化炭素粉末の試作例３）メソフェー
ズピッチ１００重量部と、発泡剤としてのフレオン−１
１３（１，１，２−トリフルオル−１，２，２−トリク
ロルエタン）１０重量部とを混合し、この混合物をアル
ミニウム製金型に充填した後、８０℃で加熱して発泡さ
せた。次いで、この発泡体を昇温速度４℃／分で１５０
０℃まで加熱して２０分間保持して、炭素質発泡体を作
製した。さらに、この炭素質発泡体をアルゴン雰囲気下
にて３０００℃で熱処理して、黒鉛質発泡体を作製し
た。この黒鉛質発泡体の壁体の熱伝導率は８００（Ｗ／
（ｍ・Ｋ））であった。そして、得られた黒鉛質発泡体
をボールミルで粉砕して、黒鉛化炭素粉末（試作例３）
を作製した。この黒鉛化炭素粉末（試作例３）の平均粒
径は６０μｍ、Ｘ線回折法による黒鉛層間の面間隔（ｄ
００２）は０．３３６５ｎｍであった。

【００５４】（炭素質粉末の試作例４）メソフェーズピ
ッチをアルミニウム製金型に充填した後、真空ポンプで
１３３Ｐａ以下に減圧し、メソフェーズピッチの軟化点
よりも高い３００℃で加熱した。次いで、窒素を導入し
て減圧状態から窒素雰囲気に置換し７ｋＰａまで加圧し
た後、昇温速度４℃／分で１５００℃まで加熱して２０
分間保持し、冷却時に徐々に高圧域から大気圧雰囲気に
開放して発泡させ、炭素質発泡体を作製した。この炭素
質発泡体の壁体の熱伝導率は８０（Ｗ／（ｍ・Ｋ））で
あった。そして、得られた炭素質発泡体をボールミルで
粉砕して炭素質粉末（試作例４）を作製した。この炭素
質粉末（試作例４）の平均粒径は６０μｍであった。ま
た、この炭素質粉末（試作例４）は黒鉛化処理されてい
ないため、Ｘ線回折法による黒鉛層間の面間隔（ｄ００
２）を測定できなかった。

【００５５】（実施例１）マトリックス材料としての付
加型の液状シリコーゴム（東レ・ダウコーニング・シリ
コーン株式会社製）１００重量部に、熱伝導性充填剤と
して試作例１の黒鉛化炭素粉末８０重量部と、酸化アル
ミニウム粉末（昭和電工株式会社製）２２０重量部と、
水酸化アルミニウム粉末（昭和電工株式会社製）８０重
量部とを混合分散して熱伝導性複合材料組成物を調製し
た。この熱伝導性複合材料組成物を加熱プレス成形し
て、厚さ２ｍｍの熱伝導性シートを作製した。得られた
熱伝導性シートのアスカーＣ硬度は１７、シート厚さ方
向の熱伝導率は３．２（Ｗ／（ｍ・Ｋ））であった。

【００５６】（実施例２）熱伝導性充填剤として試作例
２の黒鉛化炭素粉末を使用した以外は、上記実施例１と
同様に熱伝導性複合材料組成物を調製し、この熱伝導性
複合材料組成物を加熱プレス成形して厚さ２ｍｍの熱伝
導性シートを作製した。得られた熱伝導性シートのアス
カーＣ硬度は１５、シート厚さ方向の熱伝導率は３．１
（Ｗ／（ｍ・Ｋ））であった。

【００５７】（実施例３）熱伝導性充填剤として試作例
３の黒鉛化炭素粉末を使用した以外は、上記実施例１と
同様に熱伝導性複合材料組成物を調製し、この熱伝導性
複合材料組成物を加熱プレス成形して厚さ２ｍｍの熱伝
導性シートを作製した。得られた熱伝導性シートのアス
カーＣ硬度は１５、シート厚さ方向の熱伝導率は２．８
（Ｗ／（ｍ・Ｋ））であった。

【００５８】（比較例１）熱伝導性充填剤として試作例
４の炭素質粉末を使用した以外は、上記実施例１と同様
に熱伝導性複合材料組成物を調製し、この熱伝導性複合
材料組成物を加熱プレス成形して厚さ２ｍｍの熱伝導性
シートを作製した。得られた熱伝導性シートのアスカー
Ｃ硬度は１５、シート厚さ方向の熱伝導率は１．２（Ｗ
／（ｍ・Ｋ））であった。

【００５９】（実施例４）マトリックス材料として低硬
度スチレン系熱可塑性エラストマー（理研ビニル工業株
式会社製）１００重量部に、熱伝導性充填剤として試作
例１の黒鉛化炭素粉末６０重量部と、窒化ホウ素粉末
（電気化学工業株式会社製）３０重量部と、水酸化アル
ミニウム粉末（昭和電工株式会社製）２０重量部とを混
合分散した混合組成物を２軸押出機で混練して、ペレッ
ト状の熱伝導性複合材料組成物を調製した。この熱伝導
性複合材料組成物を押出成形して、厚さ３ｍｍの熱伝導
性シートを作製した。得られた熱伝導性シートのショア
Ａ硬度は７３、シート厚さ方向の熱伝導率は２．８（Ｗ
／（ｍ・Ｋ））であった。

【００６０】（比較例２）熱伝導性充填剤として試作例
４の黒鉛化炭素粉末を使用した以外は、上記実施例４と
同様にペレット状の熱伝導性複合材料組成物を調製し、
この熱伝導性複合材料組成物を押出成形して、厚さ３ｍ
ｍの熱伝導性シートを作製した。得られた熱伝導性シー
トのショアＡ硬度は６８、シート厚さ方向の熱伝導率は
０．８（Ｗ／（ｍ・Ｋ））であった。

【００６１】（実施例５）マトリックス材料としてポリ
アセタール樹脂（旭化成工業株式会社製）１００重量部
に、熱伝導性充填剤としてシランカップリング剤で表面
処理を施した試作例２の黒鉛化炭素粉末８０重量部と、
酸化アルミニウム粉末（昭和電工株式会社製）５０重量
部とを混合分散した混合組成物を２軸押出機で混練し
て、ペレット状の熱伝導性複合材料組成物を調製した。
この熱伝導性複合材料組成物を射出成形して、厚さ３ｍ
ｍの熱伝導性成形体を作製した。得られた熱伝導性成形
体の熱伝導率は２．５（Ｗ／（ｍ・Ｋ））であった。

【００６２】（比較例３）熱伝導性充填剤として試作例
４の炭素質粉末を使用した以外は、上記実施例５と同様
にペレット状の熱伝導性複合材料組成物を調整し、この
熱伝導性複合材料組成物を射出成形して、厚さ３ｍｍの
熱伝導性成形体を作製した。得られた熱伝導性成形体の
熱伝導率は１．２（Ｗ／（ｍ・Ｋ））であった。

【００６３】（実施例６）マトリックス材料として接着
性を有するアミン系硬化剤を含むビスフェノールＦ型エ
ポキシ樹脂（油化シェルエポキシ株式会社製）１００重
量部に、熱伝導性充填剤として試作例３の黒鉛化炭素粉
末１３０重量部と、酸化アルミニウム粉末（昭和電工株
式会社製）３０重量部とを混合分散して、エポキシ系接
着剤組成物である熱伝導性高分子組成物を調製した。こ
の熱伝導性高分子組成物を熱硬化させて、厚さ１ｍｍの
板状試験片を作製した。得られた板状試験片の熱伝導率
は３．１（Ｗ／（ｍ・Ｋ））であった。

【００６４】（比較例４）熱伝導性充填剤として試作例
４の炭素質粉末を使用した以外は、上記実施例６と同様
に、エポキシ系接着剤組成物である熱伝導性高分子組成
物を調製し、この熱伝導性高分子組成物を熱硬化させ
て、厚さ１ｍｍの板状試験片を作製した。得られた板状
試験片の熱伝導率は１．３／（Ｗ／（ｍ・Ｋ））であっ
た。

【００６５】（考察）実施例１〜実施例６の熱伝導性複
合材料組成物は、マトリックス材料中に試作例１〜試作
例３の黒鉛化炭素粉末をそれぞれ配合させた例である。
実施例１〜実施例３はシリコーンゴム系の柔軟な熱伝導
性シート、実施例４はリサイクル容易な熱可塑性エラス
トマーを用いた熱伝導性シート、実施例５は射出成形容
易な熱伝導性成形体、実施例６はエポキシ系接着剤高分
子を用いたエポキシ系接着剤組成物の製造例であり、い
ずれも高い熱伝導性が得られている。

【００６６】一方、比較例１〜比較例４の熱伝導性複合
材料組成物は、ピッチを熱処理して炭化発泡させた炭素
質発泡体を粉砕した試作例４の炭素質粉末を用いた例で
あるが、この試作例４の炭素質粉末は黒鉛化されていな
いため、実施例１〜実施例６の熱伝導性複合材料組成物
と比較して熱伝導率が劣っている。

【００６７】（変形例）なお、本発明は以下のように変
更実施してもよい。 ・ マトリックス材料中に配合する黒鉛化炭素粉末に、
予め電解酸化などによる酸化処理を施したり、或いはカ
ップリング剤やサイジング剤などで処理して表面を改質
させること。このようにすると、マトリックス材料との
濡れ性や充填性を向上させたり、マトリックス材料と黒
鉛化炭素粉末との界面の剥離強度を改良することができ
る。

【００６８】・ 無電解メッキ法、電解メッキ法、真空
蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法な
どの物理的蒸着法、化学的蒸着法、塗装法、浸漬法、ゾ
ルゲル法、微細粒子を機械的に固着させるメカノケミカ
ル法などの方法によって、黒鉛化炭素粉末の表面に金属
やセラミックス等を被覆させること。

【００６９】・ 熱伝導性複合材料組成物に、上述した
黒鉛化炭素粉末のほかに、難燃剤、軟化材、着色剤、安
定剤等を必要に応じて配合すること。 ・ 熱伝導性複合材料組成物に、他の熱伝導性充填剤、
例えば、銀、銅、金、酸化アルミニウム、酸化マグネシ
ウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭
化ケイ素、水酸化アルミニウムなどの金属やセラミック
ス、金属被覆樹脂、黒鉛化炭素繊維、黒鉛化されていな
い炭素繊維、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイク
ロビーズや、ウィスカー状、マイクロコイル状或いはナ
ノチューブ状のカーボン等を配合すること。

【００７０】・ 熱伝導性複合材料組成物に、酸化アル
ミニウム、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、窒化アルミ
ニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、水酸化アルミニウム
等の電気絶縁性の熱伝導性充填剤を配合すること。この
ように電気絶縁性の熱伝導性充填剤を併用すると、最終
製品に電気絶縁性を付与することができる。

【００７１】（付記）上記実施形態、試作例、実施例、
比較例及び変形例から把握される技術的思想について以
下に記載する。

【００７２】（Ａ） ピッチを熱処理して炭化発泡さ
せ、得られた炭素質発泡体を黒鉛化後に粉砕することを
特徴とする黒鉛化炭素粉末の製造方法。 （Ｂ） ピッチを熱処理して炭化発泡させ、得られた炭
素質発泡体を粉砕後に黒鉛化することを特徴とする黒鉛
化炭素粉末の製造方法。

【００７３】（Ｃ） ピッチを熱処理して溶融させた
後、高圧域から低圧域へ移行させて炭化発泡させること
を特徴とする上記（Ａ）又は（Ｂ）に記載の黒鉛化炭素
粉末の製造方法。

【００７４】（Ｄ） ピッチに発泡剤および／または揮
発性物質を添加して炭化発泡させることを特徴とする上
記（Ａ）又は（Ｂ）に記載の黒鉛化炭素粉末の製造方
法。 （Ｅ） ２５００℃以上の処理温度にて黒鉛化すること
を特徴とする上記（Ａ）〜（Ｄ）のいずれかに記載の黒
鉛化炭素粉末の製造方法。

【００７５】（Ｆ） ピッチを熱処理して炭化発泡させ
て得た炭素質発泡体を黒鉛化して得られる黒鉛質発泡
体。 （Ｇ） ピッチを熱処理して炭化発泡させて得た炭素質
発泡体を黒鉛化して得られる黒鉛質発泡体であって、そ
の壁体の熱伝導率が、４００（Ｗ／（ｍ・Ｋ））以上で
あることを特徴とする黒鉛質発泡体。

【００７６】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１及び請求
項２に記載の発明によれば、ピッチを熱処理して炭化発
泡させて得た炭素質発泡体を黒鉛化及び粉砕することに
より、優れた熱伝導性を有する黒鉛化炭素粉末を提供す
ることができる。

【００７７】また、請求項５に記載の発明によれば、上
記の黒鉛化炭素粉末を熱伝導性充填剤として用いること
により、優れた熱伝導性を有する熱伝導性複合材料組成
物を提供することができる。そして、この熱伝導性複合
材料組成物を、高い放熱特性が要求される熱伝導性グリ
スや熱伝導性接着剤、熱伝導性シート、半導体パッケー
ジ用部材などの構成材料として用いることにより、電気
製品などに使用される半導体素子や電源、光源などの部
品から発生する多大な熱を効果的に放散させることがで
きる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 舘田 伸哉 東京都北区田端５丁目10番５号 ポリマテ ック 株式会社Ｒ＆Ｄセンター内 Ｆターム(参考） 4G046 EA02 EB02 EB06 EC02 EC08 4J002 AA001 AA011 AA021 AC021 AC121 BB011 BB021 BB031 BB121 BB151 BC041 BD031 BD101 BD121 BE021 BE061 BG021 BN151 BP011 CC031 CD001 CF001 CF051 CF211 CG001 CH001 CH071 CK021 CL001 CM041 CN031 CP031 DA016 DA02 GQ00 GQ05 4J037 AA02 BB08 BB17 DD06 EE29 FF13

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピッチを熱処理して炭化発泡させて得た
   炭素質発泡体を黒鉛化後に粉砕して得られる黒鉛化炭素
   粉末。
2. 【請求項２】 ピッチを熱処理して炭化発泡させて得た
   炭素質発泡体を粉砕後に黒鉛化して得られる黒鉛化炭素
   粉末。
3. 【請求項３】 Ｘ線回折法による黒鉛層間の面間隔（ｄ
   ００２）が、０．３３７０ｎｍ未満であることを特徴と
   する請求項１又は請求項２に記載の黒鉛化炭素粉末。
4. 【請求項４】 平均粒径が、２〜２００μｍであること
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記
   載の黒鉛化炭素粉末。
5. 【請求項５】 マトリックス材料中に、請求項１から請
   求項４のいずれか１項に記載の黒鉛化炭素粉末を配合し
   てなる熱伝導性複合材料組成物。
6. 【請求項６】 マトリックス材料が、熱可塑性樹脂、熱
   可塑性エラストマー、硬化性樹脂及び架橋ゴムよりなる
   群から選択される少なくとも１種であることを特徴とす
   る請求項５に記載の熱伝導性複合材料組成物。
7. 【請求項７】 マトリックス材料１００重量部に対し
   て、黒鉛化炭素粉末を１〜８００重量部配合したことを
   特徴とする請求項５又は請求項６に記載の熱伝導性複合
   材料組成物。