JP5887494B2 - グラファイトシートの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、各種電子機器に用いられるグラファイトシートの製造方法に関するものである。
近年電子機器の各種機能や処理能力等が急速に向上し、それに伴い半導体素子をはじめとする電子部品からの発熱量は増加する傾向にある。このため半導体素子等の動作特性や信頼性等を保つために熱伝導シートを用いて発熱体からヒートシンク等に熱を伝達させることが行われている。特に熱分解グラファイトシートは、その面方向への熱伝導性に優れることから熱伝導シートとして用いられている。
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００４−２９９９３７号公報
しかしながら熱分解グラファイトシートは、ポリイミド等の樹脂フィルムを熱分解させてグラファイト化するため、厚いシートを得ることが難しかった。すなわち厚い熱分解グラファイトシートを得ようとして、原料となる樹脂フィルムを厚くすると、熱分解する段階で発生した分解物がシート外部に排出しきらず、シート内部に残留し、グラファイト化する段階で残留物がガス化することでシートが膨れ上がりシートそのものを破壊してしまうためである。そのため熱分解グラファイトシートの厚さは、１００μｍ程度が限界となっていた。
本発明はこれらの課題に対し、所望の厚さの熱分解グラファイトシートを得ることができる製造方法を提供することを目的とする。
本発明は上記課題を解決するために、ポリイミドの前駆体であるポリアミド酸を得る工程と、このポリアミド酸をメッシュ状もしくは不織布状に形成した空洞形成シートに含浸させてシート状に成形する工程と、このシート状に成形したものを熱処理することにより前記ポリアミド酸をイミド化することにより内部に空洞形成シートを有するポリイミドシートを得る工程と、このポリイミドシートを非酸化雰囲気で焼成することによりグラファイトシートを得る工程とを備え、空洞形成シートは、焼成する工程でポリイミドシートが熱分解するときにはその重量の８０％以上が消失するものを用いたものである。
上記構成により、ポリイミドシートが熱分解するときに発生した分解物は、空洞形成シートによって形成された空洞を通してシート外部に逃がすことができるため、厚いポリイミドシートを用いてもシートが破壊することなく、所望の厚さの熱分解グラファイトシートを製造することができる。
本発明の一実施の形態におけるグラファイトシートの製造方法を示す図
以下、本発明の一実施の形態におけるグラファイトシートの製造方法について、図面を参照しながら説明する。
まず図１（ａ）のように太さ約２０μｍのポリプロピレンの糸をメッシュ状に織り、空洞形成シート１１にする。
次に図１（ｂ）のように、ポリアミド酸を空洞形成シート１１に含浸させ、シート状に成形し、これを約４００℃で熱処理することにより、ポリアミド酸をイミド化させ、中に空洞形成シートを挟んだポリイミドシート１２を得る。このときポリイミドシート１２の厚さが約２００μｍになるようにポリアミド酸をシート成形している。
ポリプロピレンは、ポリアミド酸をイミド化する温度では、軟化しているものの、熱分解する温度にはなっていないため、メッシュ状の形状を保つことができる。またポリイミドシート１２の端面には、空洞形成シート１１が露出するようにしている。
次にポリイミドシート１２を非酸化雰囲気で、約１２００℃で焼成することにより炭化し、さらに約２８００℃で焼成することにより図１（ｃ）のようなグラファイトシート１３を得る。このようにして厚さ約２００μｍの熱分解グラファイトシートを得ることができる。
ポリイミドシート１２を炭化する段階で、まずポリイミドシート１２が熱分解を起こす前に、空洞形成シート１１に用いているポリプロピレンが４５０〜５００℃で熱分解する。一方ポリイミドは５００〜６００℃で熱分解を始める。この昇温過程において、ポリプロピレンは非酸化雰囲気でも熱分解するときにほぼ１００％ガス化して消失するため、ポリイミドシート１２が熱分解を開始するときには、ポリイミドシート１２の中ほどには、メッシュ状の空洞が形成されている。そのためポリイミドシート１２が熱分解のときに発生する分解物は、空洞を通してシート外部に排出されるため、ポリイミドシート１２の熱分解時にシート内に分解物が残留することを防ぐことができる。ポリイミドは熱分解しても重量の５０％以上が炭素として残り、その他のものはほとんど残らないため、約２８００℃で焼成することによりグラファイトのシートを得ることができる。
グラファイト化したあと、内部には空洞形成シートがあった部分で空洞が残っている場合があるが、ローラ等でなめすことによりこの空洞をつぶし、柔軟性のあるグラファイトシートにすることができる。
なお、空洞形成シート１１の材料としては、イミド化の温度で形状を保ち、ポリイミドが熱分解する温度では重量の８０％以上が消失するものであれば良く、ポリプロピレン以外にもポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート等を用いることができる。特にポリプロピレン、ポリエチレンは熱分解時にほぼ１００％消失するため、より好ましい。
また、空洞形成シート１１に用いる線径は、空洞の形成およびグラファイト化したときの強度を考慮して、２０〜３０μｍとすることが望ましい。また開き目は、線径の３〜５倍とすることが望ましい。
さらに、空洞形成シート１１は、不織布状であってもかまわない。不織布状であっても、ポリイミドシート１２の端面に露出していれば、メッシュ状に形成したものと同様に、発生した分解物をシート外部に排出することができる。
また、さらに厚い熱分解グラファイトシートを得るために、空洞形成シート１１を複数枚用いても良い。空洞形成シート１１間の厚さを１００μｍ以下にすることにより、ポリイミドシート１２全体の厚さを厚くしても、ポリイミドが熱分解したときに発生するガスを外部に排出することができ、所望の厚さの熱分解グラファイトシート１３を得ることができる。
本発明に係るグラファイトシートの製造方法は、熱伝導性に優れた熱分解グラファイトシートを所望の厚さで得ることができ、産業上有用である。
１１ 空洞形成シート
１２ ポリイミドシート
１３ グラファイトシート

Claims (3)

  1. ポリイミドの前駆体であるポリアミド酸を得る工程と、このポリアミド酸をメッシュ状もしくは不織布状に形成した空洞形成シートに含浸させてシート状に成形する工程と、このシート状に成形したものを熱処理することにより前記ポリアミド酸をイミド化することにより内部に前記空洞形成シートを有するポリイミドシートを得る工程と、このポリイミドシートを非酸化雰囲気で焼成することによりグラファイトシートを得る工程とを備え、前記空洞形成シートは、前記焼成する工程で前記ポリイミドシートが熱分解するときにはその重量の８０％以上が消失するものであることを特徴とするグラファイトシートの製造方法。
  2. 前記空洞形成シートは、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレートのうちの少なくとも１つからなる樹脂をメッシュ状もしくは不織布状に形成したものであることを特徴とする請求項１記載のグラファイトシートの製造方法。
  3. 前記ポリイミドシートの端面には前記空洞形成シートが露出していることを特徴とする請求項１記載のグラファイトシートの製造方法。
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