(57)【要約】  本発明は、熱伝達方向に配向されたカーボンナノチューブ層（１）と、該カーボンナノチューブ層（１）の配向方向の２つの端面の各々に設けられた金属層（２）、（３）とを備えた、発熱体あるいは放熱体との接合部での熱抵抗の小さい熱インターフェイス構造（１０）を提供するものである。
2008035742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配向されたカーボンナノチューブ層と、
カーボンナノチューブ層の配向方向の２つの端面の各々に設けられた金属層と、
を備える、熱インターフェイス構造。
【請求項２】
前記金属層はＡｕ、ＮｉおよびＰｔの中から選択された金属からなる、請求項１の熱インターフェイス構造。
【請求項３】
前記カーボンナノチューブ層はカーボンナノチューブ間に埋め込まれた弾性材料を含む、請求項１の熱インターフェイス構造。
【請求項４】
発熱体と、放熱体と、発熱体と放熱体の間に設けられた熱インターフェイス構造とを備える熱伝導モジュールであって、熱インターフェイス構造は、
発熱体から放熱体へ向う方向に実質的に平行に配向されたカーボンナノチューブ層と、
カーボンナノチューブ層の一方の端面に接続し、かつ発熱体に熱的に接続する第一の金属層と、
カーボンナノチューブ層の他方の端面に接続し、かつ放熱体に熱的に接続する第二の金属層を含む、熱伝導モジュール。
【請求項５】
前記発熱体と第一の金属層は低融点金属材料を介して接続し、前記放熱体と第二の金属層は低融点金属材料を介して接続する、請求項４の熱伝導モジュール。
【請求項６】
前記低融点金属材料ははんだ材料からなる、請求項５の熱伝導モジュール。
【請求項７】
前記第一および第二の金属層はＡｕ、ＮｉおよびＰｔの中から選択された金属からなる、請求項４の熱伝導モジュール。
【請求項８】
前記カーボンナノチューブ層はカーボンナノチューブ間に埋め込まれた弾性材料を含む、請求項４の熱伝導モジュール。
【請求項９】
前記発熱体はICチップを含み、前記放熱体はヒートシンクを含む、請求項４の熱伝導モジュール。
【請求項１０】
熱インターフェイス構造の製造方法であって、
基板上に実質的に垂直に配向するようにカーボンナノチューブ層を設けるステップと、
カーボンナノチューブ層上に第一の金属層を設けるステップと、
基板とカーボンナノチューブ層を分離するステップと、
分離されて露出したカーボンナノチューブ層の表面に第二の金属層を設けるステップと、
を含む、製造方法。
【請求項１１】
前記第一の金属層を設けるステップおよび前記第二の金属層を設けるステップの少なくとも一方は、スパッタリングにより金属層を形成するステップを含む、請求項１０の製造方法。
【請求項１２】
前記基板と前記カーボンナノチューブ層を分離するステップは、
前記第一の金属層の表面に液体金属を塗布するステップと、
前記基板に金属ブロックを接合するステップであって、前記金属ブロックの表面に前記液体金属が接触するように接合するステップと、
接合された前記基板と前記金属ブロックを冷却するステップと、
冷却後の前記基板と前記カーボンナノチューブ層を分離するステップと、
分離後の前記カーボンナノチューブ層から前記液体金属を除去するステップとを含む、請求項１０の製造方法。
【請求項１３】
前記基板と前記カーボンナノチューブ層を分離するステップは、
前記第一の金属層の表面に紫外線剥離テープを付着するステップと、
前記紫外線剥離テープが付着した前記カーボンナノチューブ層と前記基板を分離するステップと、
分離後の前記第一の金属層上の前記紫外線剥離テープに紫外線を照射して、前記第一の金属層の表面から前記紫外線剥離テープを除去するステップとを含む、請求項１０の製造方法。
【請求項１４】
さらに、前記カーボンナノチューブ層のカーボンナノチューブ間に弾性材料を浸透させるステップを含む、請求項１０の製造方法。
【請求項１５】
前記第一および第二の金属層はＡｕ、ＮｉおよびＰｔの中から選択された金属からなる、請求項１０から請求項１４のいずれか一項の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には熱伝導構造に関する。本発明は、より詳細にはＩＣチップ等を内蔵する熱伝導モジュールに適用可能な熱インターフェイス構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高密度化が進む半導体集積回路の電力消費量は増大し続けている。電力の増大に伴う発熱量の増大が半導体集積回路の動作周波数の向上を妨げる一因となっている。このため、更なる動作周波数の向上等のために、半導体集積回路をより高効率で冷却する必要がある。半導体集積回路を冷却するための構成において、熱膨張の影響を緩和するために導体集積回路と放熱機構（ヒートシンク）の間に熱接触材料（熱インターフェイス構造）が設けられる。このインターフェイスでの熱抵抗は大きく、冷却システム全体の熱抵抗の半分程度を占めている。したがって、できるだけ熱抵抗の小さな熱インターフェイス構造が切望されている。【０００３】
この様な状況下において、カーボンナノチューブ（以下、CNTと呼ぶ。）は高い熱伝導率を有し、かつ機械的に高い柔軟性を有しているので、熱接触材料としての応用が期待されている。H. Ammita et.al., ”Utilization of carbon fibers in thermal management of Microelectronics”, 2005 10th International Symposium on Advanced Packaging Materials: Processes, Properties and Interfaces, 259 (2005)に、ＣＮＴを油脂等に混入して熱接触材料（グリース）として利用することが開示されている。米国特許6,965,513に、配向成長したＣＮＴをエラストマー等で固めて熱接触材料として利用することが開示されている。しかし、これらの開示では、実用的な低熱抵抗値が得られていない。その理由は、CNTに接する基板との間で大きな接触抵抗が存在するためである。したがって、CNTと基板との間での小さな熱抵抗（高い熱結合性）を実現する方法が必要である。
【非特許文献１】H. Ammita et.al., ”Utilization of carbon fibers in thermal management of Microelectronics”, 2005 10th International Symposium on Advanced Packaging Materials: Processes, Properties and Interfaces, 259 (2005)
【特許文献１】米国特許6,965,513
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、熱抵抗の小さな熱インターフェイス構造を提供することである。【０００５】
本発明の目的は、熱伝導効率の高い熱伝導モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、配向されたカーボンナノチューブ層と、カーボンナノチューブ層の配向方向の２つの端面の各々に設けられた金属層とを備える、熱インターフェイス構造が提供される。【０００７】
本発明によれば、発熱体と、放熱体と、発熱体と放熱体に設けられた熱インターフェイス構造とを備える熱伝導モジュールであって、熱インターフェイス構造は、発熱体から放熱体へ向う方向に実質的に平行に配向されたカーボンナノチューブ層と、カーボンナノチューブ層の一方の端面に接続し、かつ発熱体に熱的に接続する第一の金属層と、カーボンナノチューブ層の他方の端面に接続し、かつ放熱体に熱的に接続する第二の金属層を含む熱伝導モジュールが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明では、接触抵抗を小さくするために、CNT層表面と対向する基板等の間に金属層を設ける。金属層は、配向成長させたCNT層の表面上に、例えばスパッタリング法等で連続した金属層として作製する。この金属面をさらに低融点金属等を用いて他の基板等と熱結合させることもできる。本発明では、これらの内容により、CNT層の配向性、高熱伝導性および機械的柔軟性を十分に活用した低熱抵抗な熱伝導構造を実現する。以下に図面を参照しながら本発明について詳細に説明する。【０００９】
図１に本発明の熱インターフェイス構造１０の断面を示す。熱インターフェイス構造１０は、CNT層１と金属層２、３からなる。CNT層１は、熱伝達方向（図１ではほぼ垂直方向）に実質的に平行に配向されている。CNTは１次元性の熱伝導物質である。CNTのチューブの長軸方向での熱伝導率は極めて大きいが、その長軸に垂直な方向（横方向）での熱伝導率は小さい。したがって、本発明においてCNT層の配向方向は、CNTのチューブの長軸方向に沿った（平行な）方向であることが望ましい。金属層２、３は、CNT層１の上面、下面に各々接合している。金属層はＡｕ、ＮｉまたはＰｔであることが望ましい。ただし、Ａｇなどの他の金属を用いてもよい。CNT層の機械的強度を高めるために、CNT層１の各CNT間にSiエラストマー等の弾性材料を含ませることもできる。【００１０】
図２に本発明の熱伝導モジュール２０の断面を示す。図２では、図１の熱インターフェイス構造１０を用いている。熱インターフェイス構造の上側の金属層２が、符号４で示される低融点金属材料（例えばＧａおよびその合金等）または半田材料（例えばPb-Sn）を介してヒートシンク６に接続されている。同様に、下側の金属層３が、符号５で示される低融点金属材料または半田材料を介して発熱体７である半導体集積回路（ＩＣチップ）等に接続されている。ヒートシンク６はアルミニウム等の熱伝導性の高い物質からなる。ＩＣチップにはマイクロ・プロセッサ・ユニット（ＭＰＵ）等が含まれる。【００１１】
図３に本発明の熱インターフェイス構造の製造方法の一実施例を示す。（ａ）でＳｉ基板３１上でCNT層３２を垂直方向に配向成長させる。例えば、アセチレンガスを導入した熱ＣＶＤ容器中で基板温度を７５０度に設定してCNT層を成長させる。CNT層３２の厚さは30から150μm程度である。（ｂ）で、CNT層３２の表面に金属層３３を形成する。例えば、スパッタリング装置を用いて1μm程度の厚さを有するAu層を形成する。金属層３３の厚さは０．５から５μm程度あればよい。この比較的厚い金属層３３は、熱結合性を向上させ、さらにCNT層３２の機械的な強度を向上させることによりCNTの配向の乱れを防止する。（ｃ）で、金属層３３の表面に液体金属層３４（例えばＧａ）を塗布する。（ｄ）で、金属（例えば銅）ブロック３５の表面に液体金属層３４が接触するように、基板３１を金属ブロック３５に接合する。その後、全体あるいは液体金属層３４の部分を外部から冷却して液体金属層３４を固化させる。冷却温度は、例えばＧａ系液体金属の場合は約4℃以下である。この固化により、基板３１（CNT層３２）と金属ブロック３５が液体金属層３４を介して結合する。なお、外部から冷却する代わりに、予め液体金属層３４を固化可能な温度以下に冷却した金属ブロック３５を準備して、その金属ブロック３５の表面に液体金属層３４を接合させてもよい。【００１２】
（ｅ）で、基板３１をCNT層３２から剥離して両者を分離する。（ｆ）で、全体あるいは液体金属層３４の部分を外部から加熱して固化された液体金属層３４を融解させる。そして、金属ブロック３５からCNT層３２を分離する。（ｇ）で、融解した液体金属層３４を金属層３３の表面から除去する。（ｈ）で、露出したCNT層３２の表面に、（ｂ）の場合と同様にして、金属層３６を形成する。以上の一連の工程により、CNT層を用いた熱インターフェイス構造が作られる。なお、（ｇ）工程の後に、真空容器中でCNT層３２の各CNT間にSiエラストマー等の流動性の弾性材料を含浸させてもよい。その弾性材料の固化によりCNT層３２の機械的強度を高めることができる。【００１３】
図４に本発明の熱インターフェイス構造の製造方法の他の実施例を示す。工程（ａ）および（ｂ）は図３の場合と同様である。（ｃ）で、金属層３３の表面に紫外線（ＵＶ）剥離テープ４０を付着する。紫外線剥離テープは、紫外光を当てると、その接着層が分解してガス（気泡）を発生して、接着対象から剥がすことができる接着用テープである。（ｄ）で、基板３１をCNT層３２から剥離して両者を分離する。（ｅ）で、紫外線剥離テープ４０に紫外線（ＵＶ）を照射して、その接着層を分解させる。（ｆ）で、紫外線剥離テープ４０を金属層３３の表面から剥がして両者を分離する。この時、剥離後の金属層の表面に接着剤の残渣がある場合は、オゾン洗浄等でそれを除去する。（ｇ）で、図３の工程（ｈ）の場合と同様に、CNT層３２の表面に金属層３６を形成する。以上の一連の工程により、CNT層を用いた熱インターフェイス構造が作られる。なお、（ｇ）工程の後に、真空容器中でCNT層１のCNT間にSiエラストマー等の弾性材料を含浸させてもよい。その弾性材料の固化によりCNT層３２の機械的強度を高めることができる。【００１４】
（発明の効果）
図３の製法で作った熱インターフェイス構造の熱抵抗の測定を行った。測定は定常法を用いた。定常法とは、一般的に試料に一定のジュール熱を与え、その時の熱流量Qと温度勾配ΔTとから熱伝導率を求める方法である。面積１０Ｘ１０mm、厚さ数十から百ミクロンのサンプルを、熱電対を有する２つの銅ブロックの間に挟んだ。銅ブロックの一端はヒータで加熱し、その他端はヒートシンクで冷却した。両端間に定常熱流Qを発生させて、その時の温度差ΔTを測定した。熱抵抗RをR=ΔT/Qの式から求めた。より詳細には、複数のQに対するΔTをグラフ上にプロットし、直線でフィッテイング(近似)して熱抵抗Rを求めた。実際に得られた熱抵抗値は18mm2K/W（膜厚：80μm）であった。本発明による熱抵抗値は、上述した文献”Utilization of carbon fibers in thermal management of Microelectronics”の図８のCNT-coated Siを用いた場合の熱抵抗値110mm2K/W、あるいは図１０のCNT-coated Cu(Si) を用いた場合の熱抵抗値60mm2K/Wに較べて、約3分の１以下になっている。【００１５】
本発明について、図面を参照しながら説明した。しかし、本発明はこれらの実施例に限られるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲でいかなる変形も可能であることは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の熱インターフェイス構造の断面を示す図である。
【図２】本発明の熱伝導モジュールの断面を示す図である。
【図３】本発明の熱インターフェイス構造の製造方法の一実施例を示す図である。
【図４】本発明の熱インターフェイス構造の製造方法の他の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００１７】
１、３２  CNT層
２、３、３３、３６  金属層
４、５  低融点金属材料、半田材料
６  ヒートシンク
１０  熱インターフェイス構造
２０  熱伝導モジュール
３１  Ｓｉ基板
３４    液体金属層
４０  紫外線剥離テープ
【図１】
2008035742.tif 000003
【図２】
2008035742.tif 000004
【図３】
2008035742.tif 000005
【図４】
2008035742.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成20年6月23日(2008.6.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（削除）
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
（削除）
【請求項７】
（削除）
【請求項８】
（削除）
【請求項９】
（削除）
【請求項１０】
熱インターフェイス構造の製造方法であって、
基板上に実質的に垂直に配向するようにカーボンナノチューブ層を設けるステップと、
カーボンナノチューブ層上に第一の金属層を設けるステップと、
基板とカーボンナノチューブ層を分離するステップと、
分離されて露出したカーボンナノチューブ層の表面に第二の金属層を設けるステップと、
を含む、製造方法。
【請求項１１】
前記第一の金属層を設けるステップおよび前記第二の金属層を設けるステップの少なくとも一方は、スパッタリングにより金属層を形成するステップを含む、請求項１０の製造方法。
【請求項１２】
前記基板と前記カーボンナノチューブ層を分離するステップは、
前記第一の金属層の表面に液体金属を塗布するステップと、
前記基板に金属ブロックを接合するステップであって、前記金属ブロックの表面に前記液体金属が接触するように接合するステップと、
接合された前記基板と前記金属ブロックを冷却するステップと、
冷却後の前記基板と前記カーボンナノチューブ層を分離するステップと、
分離後の前記カーボンナノチューブ層から前記液体金属を除去するステップとを含む、請求項１０の製造方法。
【請求項１３】
前記基板と前記カーボンナノチューブ層を分離するステップは、
前記第一の金属層の表面に紫外線剥離テープを付着するステップと、
前記紫外線剥離テープが付着した前記カーボンナノチューブ層と前記基板を分離するステップと、
分離後の前記第一の金属層上の前記紫外線剥離テープに紫外線を照射して、前記第一の金属層の表面から前記紫外線剥離テープを除去するステップとを含む、請求項１０の製造方法。
【請求項１４】
さらに、前記カーボンナノチューブ層のカーボンナノチューブ間に弾性材料を浸透させるステップを含む、請求項１０の製造方法。
【請求項１５】
前記第一および第二の金属層はＡｕ、ＮｉおよびＰｔの中から選択された金属からなる、請求項１０から請求項１４のいずれか一項の製造方法。
【国際調査報告】
2008035742.tif 000007
2008035742.tif 000008
2008035742.tif 000009
2008035742.tif 000010