(57)【要約】  第１の端部及び第２の端部を有する炭素元素の複数の線状構造体と、複数の線状構造体の第１の端部を被覆するダイヤモンドライクカーボン層と、複数の線状構造体間に配置された充填層とを有する。
2013046291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端部及び第２の端部を有する炭素元素の複数の線状構造体と、
前記複数の線状構造体の前記第１の端部を被覆する第１のダイヤモンドライクカーボン層と、
前記複数の線状構造体間に配置された充填層と
を有することを特徴とする放熱材料。
【請求項２】
請求項１記載の放熱材料において、
前記複数の線状構造体の前記第１の端部は、前記第１のダイヤモンドライクカーボン層により接続されている
ことを特徴とする放熱材料。
【請求項３】
請求項１又は２記載の放熱材料において、
前記複数の線状構造体の前記第２の端部を被覆する第２のダイヤモンドライクカーボン層を更に有する
ことを特徴とする放熱材料。
【請求項４】
請求項３記載の放熱材料において、
前記複数の線状構造体の前記第２の端部は、前記第２のダイヤモンドライクカーボン層により接続されている
ことを特徴とする放熱材料。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の放熱材料において、
前記複数の線状構造体の側面を被覆する被膜を更に有する
ことを特徴とする放熱材料。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の放熱材料において、
前記充填層は、熱可塑性樹脂により形成されている
ことを特徴とする放熱材料。
【請求項７】
発熱体と、
放熱体と、
前記発熱体と放熱体との間に配置され、第１の端部及び第２の端部を有する炭素元素の複数の線状構造体と、前記複数の線状構造体の前記第１の端部を被覆する第１のダイヤモンドライクカーボン層と、前記複数の線状構造体間に配置された充填層とを含む放熱材料と
を有することを特徴とする電子機器。
【請求項８】
請求項７記載の電子機器において、
前記複数の線状構造体の前記第１の端部は、前記第１のダイヤモンドライクカーボン層により接続されている
ことを特徴とする電子機器。
【請求項９】
請求項７又は８記載の電子機器において、
前記放熱材料は、前記複数の線状構造体の前記第２の端部を被覆する第２のダイヤモンドライクカーボン層を更に有する
ことを特徴とする電子機器。
【請求項１０】
請求項９記載の電子機器において、
前記複数の線状構造体の前記第２の端部は、前記第２のダイヤモンドライクカーボン層により接続されている
ことを特徴とする電子機器。
【請求項１１】
請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の電子機器において、
前記第１のダイヤモンドライクカーボン層で被覆された前記複数の線状構造体の前記第１の端部は、前記発熱体側に配置されている
ことを特徴とする電子機器。
【請求項１２】
請求項７乃至１１のいずれか１項に記載の電子機器において、
前記放熱材料は、前記複数の線状構造体の側面を被覆する被膜を更に有する
ことを特徴とする電子機器。
【請求項１３】
基板上に、第１の端部及び第２の端部を有し、前記基板側に第２の端部が位置する炭素元素の複数の線状構造体を形成する工程と、
前記複数の線状構造体の前記第１の端部を被覆する第１のダイヤモンドライクカーボン層を形成する工程と、
前記複数の線状構造体間に充填層を形成する工程と、
前記充填層を形成後、前記第１の基板を除去する工程と
を有することを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の放熱材料の製造方法において
前記第１の基板を除去する工程の後、前記複数の線状構造体の前記第２の端部を被覆する第２のダイヤモンドライクカーボン層を形成する工程を更に有する
ことを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項１５】
請求項１３又は１４記載の放熱材料の製造方法において、
前記複数の線状構造体を形成する工程の後、前記充填層を形成する工程の前に、前記複数の線状構造体の側面を被覆する被膜を形成する工程を更に有する
ことを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の放熱材料の製造方法において、
前記被膜は、原子層堆積法により形成する
ことを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項１７】
請求項１３乃至１６のいずれか１項に記載の放熱材料の製造方法において、
前記充填層を形成する工程では、前記複数の線状構造体の前記第１の端部側から熱可塑性樹脂を浸透させることにより、前記熱可塑性樹脂の前記充填層を形成する
ことを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項１８】
発熱体と放熱体との間に、炭素元素の複数の線状構造体と、前記複数の線状構造体の端部を被覆するダイヤモンドライクカーボン層と、前記複数の線状構造体間に配置された熱可塑性樹脂の充填層とを含む放熱材料を配置する工程と、
前記発熱体と前記放熱体との間に圧力を加えながら熱処理を行い、前記熱可塑性樹脂を融解する工程と、
冷却して前記熱可塑性樹脂を固化し、前記発熱体と前記放熱体とを前記放熱材料を介して接着する工程と
を有することを特徴とする電子機器の製造方法。
【請求項１９】
請求項１８記載の電子機器の製造方法において、
前記放熱材料を配置する工程では、前記ダイヤモンドライクカーボン層で被覆された前記複数の線状構造体の前記端部が前記発熱体側に配置されるように、前記放熱材料を発熱体と放熱体との間に配置する
ことを特徴とする電子機器の製造方法。
【請求項２０】
請求項１８又は１９記載の電子機器の製造方法において、
前記放熱材料は、前記複数の線状構造体の側面を被覆する被膜を更に有する
ことを特徴とする電子機器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素元素の線状構造体を有する放熱材料及びその製造方法並びに電子機器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
サーバーやパーソナルコンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）などに用いられる電子部品には、半導体素子から発する熱を効率よく放熱することが求められる。このため、これら電子部品は、半導体素子の直上に設けられた銅などの高い熱伝導度を有する材料のヒートスプレッダが配置された構造を有している。【０００３】
この際、発熱源及びヒートスプレッダの表面には微細な凹凸が存在するため、互いをダイレクトに接触させても十分な接触面積を稼ぐことができず、接触界面が大きな熱抵抗となり、効率的に放熱を行うことができない。このため、接触熱抵抗を低減することを目的として、発熱源とヒートスプレッダとをサーマルインターフェイスマテリアル（ＴＩＭ）を介して接続することが行われている。【０００４】
この目的のもと、サーマルインターフェイスマテリアルには、それ自身が高い熱伝導率を有する材料であることに加え、発熱源及びヒートスプレッダ表面の微細な凹凸に対して広面積に接触しうる特性が求められている。【０００５】
従来、サーマルインターフェイスマテリアルとしては、放熱グリースやフェイズチェンジマテリアル（ＰＣＭ）、インジウムなどが用いられている。これらの材料が放熱材料として用いられる大きな特徴の一つは、電子機器の耐熱温度以下で流動性を有しているため、微細な凹凸に対して大きな接触面積を得ることが可能な点にある。【０００６】
しかしながら、放熱グリースやフェイズチェンジマテリアルは、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ〜５Ｗ／ｍ・Ｋと低い。また、インジウムはレアメタルであることに加え、ＩＴＯ関連での大幅な需要増加により価格が高騰しており、より安価な代替材料が待望されている。【０００７】
このような背景から、放熱材料として、カーボンナノチューブに代表される炭素元素からなる線状構造体が注目されている。カーボンナノチューブは、その軸方向に非常に高い熱伝導度（１５００Ｗ／ｍ・Ｋ〜３０００Ｗ／ｍ・Ｋ）を有するだけでなく、柔軟性や耐熱性に優れた材料であり、放熱材料として高いポテンシャルを有している。【０００８】
カーボンナノチューブを用いた熱伝導シートとしては、樹脂中にカーボンナノチューブを分散した熱伝導シートや、基板上に配向成長したカーボンナノチューブ束を樹脂等によって埋め込んだ熱伝導シートが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−２６０２３８号公報
【特許文献２】特開２０１０−１７７４０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、カーボンナノチューブを用いた従来の熱伝導シートでは、カーボンナノチューブの有する高い熱伝導度を充分に生かすことができなかった。【００１１】
本発明の目的は、発熱体からの熱を高効率で放熱しうる放熱材料及びその製造方法並びにこのような放熱材料を用いた信頼性の高い電子機器及び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】
【００１２】
実施形態の一観点によれば、第１の端部及び第２の端部を有する炭素元素の複数の線状構造体と、前記複数の線状構造体の前記第１の端部を被覆する第１のダイヤモンドライクカーボン層と、前記複数の線状構造体間に配置された充填層とを有する放熱材料が提供される。【００１３】
また、実施形態の他の観点によれば、発熱体と、放熱体と、前記発熱体と放熱体との間に配置され、第１の端部及び第２の端部を有する炭素元素の複数の線状構造体と、前記複数の線状構造体の前記第１の端部を被覆する第１のダイヤモンドライクカーボン層と、前記複数の線状構造体間に配置された充填層とを含む放熱材料とを有する電子機器が提供される。【００１４】
また、実施形態の更に他の観点によれば、基板上に、第１の端部及び第２の端部を有し、前記基板側に第２の端部が位置する炭素元素の複数の線状構造体を形成する工程と、前記複数の線状構造体の前記第１の端部を被覆する第１のダイヤモンドライクカーボン層を形成する工程と、前記複数の線状構造体間に充填層を形成する工程と、前記充填層を形成後、前記第１の基板を除去する工程とを有する放熱材料の製造方法が提供される。【００１５】
また、実施形態の更に他の観点によれば、発熱体と放熱体との間に、炭素元素の複数の線状構造体と、前記複数の線状構造体の端部を被覆するダイヤモンドライクカーボン層と、前記複数の線状構造体間に配置された熱可塑性樹脂の充填層とを含む放熱材料を配置する工程と、前記発熱体と前記放熱体との間に圧力を加えながら熱処理を行い、前記熱可塑性樹脂を融解する工程と、冷却して前記熱可塑性樹脂を固化し、前記発熱体と前記放熱体とを前記放熱材料を介して接着する工程とを有する電子機器の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
開示の放熱材料及びその製造方法によれば、炭素元素の線状構造体の端部に、線状構造体に対する結合強度の高いダイヤモンドライクカーボンの被膜を形成するので、発熱体や放熱体等の被着体に対する接触熱抵抗を低減することができる。これにより、熱伝導効率の高い放熱材料を実現することができる。また、この放熱材料を用いることにより、放熱効率に優れ信頼性の高い電子機器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、第１実施形態による放熱材料の構造を示す平面図である。
【図２】図２は、ＤＬＣの被膜による効果を説明する図である。
【図３】図３は、第１実施形態による放熱材料の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図４】図４は、第１実施形態による放熱材料の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図５】図５は、第１実施形態による放熱材料の製造方法を示す斜視図（その１）である。
【図６】図６は、第１実施形態による放熱材料の製造方法を示す斜視図（その２）である。
【図７】図７は、第１実施形態による放熱材料の製造方法を示す斜視図（その３）である。
【図８】図８は、第２実施形態による放熱材料の構造を示す平面図である。
【図９】図９は、第２実施形態による放熱材料の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図１０】図１０は、第２実施形態による放熱材料の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図１１】図１１は、第３実施形態による放熱材料の構造を示す平面図である。
【図１２】図１２は、第３実施形態による放熱材料の製造方法を示す工程断面図である。
【図１３】図１３は、第４実施形態による放熱材料の構造を示す平面図である。
【図１４】図１４は、第４実施形態による放熱材料の製造方法を示す工程断面図である。
【図１５】図１５は、第５実施形態による電子機器の構造を示す平面図である。
【図１６】図１６は、第５実施形態による電子機器の製造方法を示す工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［第１実施形態］
第１実施形態による放熱材料及びその製造方法について図１乃至図７を用いて説明する。
【００１９】
図１は、本実施形態による放熱材料の構造を示す概略断面図である。図２は、ＤＬＣの被膜による効果を説明する図である。図３及び図４は、本実施形態による放熱材料の製造方法を示す工程断面図である。図５乃至図７は、本実施形態による放熱材料の製造方法を示す斜視図である。
【００２０】
はじめに、本実施形態による放熱材料の構造について図１を用いて説明する。
【００２１】
本実施形態による放熱材料２２は、図１に示すように、複数のカーボンナノチューブ１４を有している。複数のカーボンナノチューブ１４の一端部には、ダイヤモンドライクカーボンの被膜１６が形成されている。被膜１６が形成されたカーボンナノチューブ１４の間隙には、充填層２０が充填されている。これにより、シート状の放熱材料２２が形成されている。
【００２２】
複数のカーボンナノチューブ１４は、シートの膜厚方向、すなわちシートの面と交差する方向に配向し、互いに間隔を空けて配置されている。
【００２３】
カーボンナノチューブ１４は、単層カーボンナノチューブ及び多層カーボンナノチューブのいずれでもよい。カーボンナノチューブ１４の面密度は、特に限定されるものではないが、放熱性及び電気伝導性の観点からは、１×１０１０本／ｃｍ２以上であることが望ましい。
【００２４】
カーボンナノチューブ１４の長さは、特に限定されるものではないが、好ましくは５μｍ〜５００μｍ程度の値に設定することができる。本実施形態による放熱材料２２を発熱源（例えばＩＣチップ）と放熱部品（例えばヒートスプレッダ）との間に形成するサーマルインターフェイスマテリアルとして使用する場合、少なくとも発熱源及び放熱部品の表面の凹凸を埋める長さ以上であることが望ましい。
【００２５】
被膜１６は、ダイヤモンドライクカーボン（Diamond-Like Carbon：以下、「ＤＬＣ」と呼ぶ）により形成されている。ＤＬＣとは、ダイヤモンドとグラファイトの中間的な結晶構造を有する炭素材料である。炭素を主成分としながらも若干の水素を含み、ダイヤモンド結合（ＳＰ３結合）とグラファイト結合（ＳＰ２結合）の両方の結合が混在している非晶質（アモルファス）の材料である。また、低い摩擦係数、耐凝集性、グラファイト並みの高い熱伝導性をも有している。
【００２６】
ＤＬＣとカーボンナノチューブとは、同素体同士であり、互いに親和性がよい。また、ＤＬＣは、アモルファス構造ではあるが部分的にグラファイト構造を有しており、π電子が存在する物質である。一方、カーボンナノチューブは、グラファイトの基本構造体であるグラフェンが筒状になった構造体であり、π電子が存在する物質である。このため、カーボンナノチューブとＤＬＣとは、ｓｐ２由来のπ−π相互作用によってより強固に結合される。このため、カーボンナノチューブ１４とＤＬＣの被膜１６との間の結合は強固であり、カーボンナノチューブ１４とＤＬＣの被膜１６との間の接触熱抵抗は非常に小さい。
【００２７】
被膜１４は、複数のカーボンナノチューブ１２の一端部にそれぞれ独立して形成するようにしてもよいし、隣接するカーボンナノチューブ１２に形成された被膜１４同士が互いに接続されるようにしてもよい。
【００２８】
被膜１６を設けることにより、発熱体や放熱体等の放熱材料が接合される被着体に対する接触面積を増加することができ、接触熱抵抗を低減することができる。ＤＬＣの熱伝導度は１０００［Ｗ／ｍ・Ｋ］程度とグラファイト並みに高く、被膜１６を設けることによる熱抵抗の増加は極めて小さい。
【００２９】
また、各カーボンナノチューブ１４の端部に形成された被膜１６同士を互いに接続するようなＤＬＣ層を形成すれば、発熱体からの熱を被膜１６によって横方向に広げ、熱伝導に寄与するカーボンナノチューブ１４の本数を増加することができる。また、カーボンナノチューブ１４の長さにばらつきが生じ、一部のカーボンナノチューブ１４が発熱体に直に接触できないような場合にも、被膜１６を介した横方向の熱伝導により、当該一部のカーボンナノチューブ１４をも放熱に寄与させることができる。これにより、放熱材料１０の放熱効率を高めることができる。
【００３０】
例えば、図２に示すように、ヒートスプレッダなどの放熱体３０とＳｉチップなどの発熱体４０との間に、複数のカーボンナノチューブ１４を含む放熱材料２２が介在している場合を想定する。また、発熱体４０の発熱源４２が発熱体４０のある一部分に存在し、発熱体４０内における横方向の熱伝導は小さいものと仮定する。
【００３１】
カーボンナノチューブ１４の端部に被膜１６が形成されていない場合、発熱体４０から放熱体３０への放熱パス３２として主に寄与するカーボンナノチューブ１４は、発熱源４２直下のカーボンナノチューブ１４だけである（図２（ａ）参照）。発熱源４２からの熱は、発熱源４２直下のカーボンナノチューブ１４を介して放熱体３０に伝達され、放熱される。
【００３２】
一方、カーボンナノチューブ１４の端部に被膜１６を形成した場合、発熱源４２からの熱は、まず被膜１６によって横方向に広げられ、その後にカーボンナノチューブ１４を介して放熱体３０に伝達される。このため、放熱パス３２として寄与するカーボンナノチューブ１４の本数が増加し、発熱体４０から放熱体３０への放熱効率は高くなる（図２（ｂ）参照）。
【００３３】
被膜１６をより熱伝導度の大きいＤＬＣにより形成すると、発熱源４２からの熱を被膜１６によって横方向により広げることができ、放熱パス３２として寄与するカーボンナノチューブ１４の本数を更に増加することができる。これにより、発熱体４０から放熱体３０への放熱効率を更に高くすることができる（図２（ｂ）参照）。
【００３４】
例えば、被膜１６を銅（熱伝導度：４００［Ｗ／ｍ・Ｋ］程度）により形成する場合と被膜１６をＤＬＣ（熱伝導度：１０００［Ｗ／ｍ・Ｋ］程度）により形成する場合とを比較すると、実効接触面積をおよそ２．５倍にすることができる。
【００３５】
被膜１６を金属材料により形成した場合、カーボンナノチューブと金属との接合は物理吸着であり、接触熱抵抗が大きい。また、金属は凝集しやすく膜になり難いため、隣接するカーボンナノチューブの端部を金属の被膜によって横方向に接続するのは困難である。かかる観点からも、被膜１６をＤＬＣにより形成することで、金属被膜を形成する場合と比較して、接触熱抵抗を低減し横方向への熱伝導性を向上することができる。
【００３６】
なお、グラファイトは電気比抵抗が１０−３Ω・ｃｍ程度の導電性材料であるのに対して、ＤＬＣは電気比抵抗が１０９Ω・ｃｍ〜１０１４Ω・ｃｍ程度の絶縁性材料である。ＤＬＣの被膜１４を形成した放熱材料１０は、熱は通すが電気は通さない絶縁性の放熱材料となる。
【００３７】
また、ＤＬＣの被膜１６の形成部分は低摩擦係数であるため、他の部分に比べて充填材が撥水しやすく、被膜１６上の樹脂残渣を低減する効果もある。これにより、放熱材料２２を発熱体や放熱体に設置する際に、これらと被膜１６との間に介在する樹脂残渣を大幅に低減することができ、接触熱抵抗を向上することができる。
【００３８】
充填層２０は、カーボンナノチューブ１４間に充填しうる材料であれば特に限定されるものではなく、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂などの樹脂材料や、銀ペーストなどの金属材料等を適用することができる。なかでも、充填材としては熱可塑性樹脂が好適である。熱可塑性樹脂は、温度に応じて液体と固体との間で可逆的に状態変化するものであり、室温では固体であり、加熱すると液状に変化し、冷却すると接着性を発現しつつ固体に戻るものが望ましい。
【００３９】
充填層２０を形成する熱可塑性樹脂は、本実施形態による放熱材料が用いられる電子機器の発熱温度等に応じて、熱可塑性樹脂の融解温度をもとに選択することができる。熱可塑性樹脂の融解温度の下限値は、稼働時の発熱温度の上限値よりも高いことが望ましい。稼働時に熱可塑性樹脂が融解すると、放熱材料２２が変形してカーボンナノチューブ１４が配向性を損なうなど、熱伝導性を低下するなどの不具合を引き起こす虞があるからである。熱可塑性樹脂の融解温度の上限値は、発熱体及び放熱体の耐熱温度の下限値よりも低いことが望ましい。放熱材料２２の充填層２０は、発熱体に接触させた後にリフローを行うことが望ましいが、熱可塑性樹脂の融解温度が耐熱温度より高いと、発熱体及び／又は放熱体にダメージを与えることなくリフローをすることが困難となるからである。
【００４０】
例えば、本実施形態の電子部品をＣＰＵなどの電子機器の放熱用途に用いる場合、ＣＰＵ稼働時の発熱温度の上限がおよそ１２５℃であり、ＣＰＵ電子部品の耐熱温度がおよそ２５０℃であることに鑑み、融解温度が１２５℃〜２５０℃程度の熱可塑性樹脂が好適である。
【００４１】
また、充填層２０には、必要に応じて、添加物を分散混合してもよい。添加物としては、例えば、熱伝導性の高い物質が考えられる。充填層２０部分に熱伝導性の高い添加物を分散混合することにより、充填層２０部分の熱伝導率を向上することができ、放熱材料２２の全体としての熱伝導率を向上することができる。熱伝導性の高い材料としては、カーボンナノチューブ、金属材料、窒化アルミニウム、シリカ、アルミナ、グラファイト、フラーレン等を適用することができる。
【００４２】
次に、本実施形態による放熱材料の製造方法について図３乃至図７を用いて説明する。
【００４３】
まず、カーボンナノチューブ１４を成長するための土台として用いる基板１０を用意する（図３（ａ））。基板１０には、特に限定されるものではが、例えば、シリコン基板などの半導体基板、アルミナ（サファイア）基板、ＭｇＯ基板、ガラス基板などの絶縁性基板、金属基板などを用いることができる。また、これら基板上に薄膜が形成されたものでもよい。例えば、シリコン基板上に膜厚３００ｎｍ程度のシリコン酸化膜が形成されたものを用いることができる。
【００４４】
基板１０は、カーボンナノチューブ１４の成長後に剥離されるものである。この目的のもと、基板１０としては、カーボンナノチューブ１４の成長温度において変質しないことが望ましい。また、少なくともカーボンナノチューブ１４に接する面がカーボンナノチューブ１４から容易に剥離できる材料によって形成されていることが望ましい。或いは、少なくともカーボンナノチューブ１４に接する部分が、カーボンナノチューブ１４に対して選択的にエッチングできる材料によって形成されている基板１０を用いてもよい。
【００４５】
次いで、基板１０上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚２．５ｎｍのＦｅ（鉄）膜を形成し、Ｆｅの触媒金属膜１２を形成する（図３（ｂ））。なお、触媒金属膜１２は、必ずしも基板１０上の全面に形成する必要はなく、例えばリフトオフ法を用いて基板１０の所定の領域上に選択的に形成するようにしてもよい。
【００４６】
触媒金属としては、Ｆｅのほか、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）又はこれらのうち少なくとも一の材料を含む合金を用いてもよい。また、触媒として、金属膜以外に、微分型静電分級器（ＤＭＡ：differential mobility analyzer）等を用い、予めサイズを制御して作製した金属微粒子を用いてもよい。この場合も、金属種については薄膜の場合と同様でよい。
【００４７】
また、これら触媒金属の下地膜として、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔｉ（チタン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）、ＴａＮ（窒化タンタル）、ＴｉＳｉｘ（チタンシリサイド）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＴｉＯｘ（酸化チタン）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、ＴｉＮ（窒化チタン）などの膜又はこれらのうち少なくとも一の材料を含む合金からなる膜を形成してもよい。例えば、Ｆｅ（２．５ｎｍ）／Ａｌ（１０ｎｍ）の積層構造、Ｃｏ（２．６ｎｍ）／ＴｉＮ（５ｎｍ）の積層構造等を適用することができる。金属微粒子を用いる場合は、例えば、Ｃｏ（平均直径：３．８ｎｍ）／ＴｉＮ（５ｎｍ）などの積層構造を適用することができる。
【００４８】
次いで、基板１０上に、例えばホットフィラメントＣＶＤ法により、触媒金属膜１２を触媒として、カーボンナノチューブ１４を成長する。触媒金属膜１２は、成長時の加熱によって凝集して触媒金属微粒子１２ａとなる。カーボンナノチューブ１４は、この触媒金属微粒子１２ａを触媒として成長される。
【００４９】
カーボンナノチューブ１４の成長条件は、例えば、原料ガスとしてアセチレン・アルゴンの混合ガス（分圧比１：９）を用い、成膜室内の総ガス圧を１ｋＰａ、ホットフィラメント温度を１０００℃、成長時間を２０分とする。これにより、層数が３層〜６層（平均４層程度）、直径が４ｎｍ〜８ｎｍ（平均６ｎｍ）、長さが８０μｍ（成長レート：４μｍ／ｍｉｎ）の多層カーボンナノチューブを成長することができる。なお、カーボンナノチューブ１４は、熱ＣＶＤ法やリモートプラズマＣＶＤ法などの他の成膜方法により形成してもよい。また、成長するカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブでもよい。また、炭素原料としては、アセチレンのほか、メタン、エチレン等の炭化水素類や、エタノール、メタノール等のアルコール類などを用いてもよい。
【００５０】
カーボンナノチューブ１４の長さは、特に限定されるものではないが、好ましくは５μｍ〜５００μｍ程度の値に設定することができる。サーマルインターフェイスマテリアルとして使用する場合、少なくとも発熱源及び放熱部品の表面の凹凸を埋める長さ以上であることが望ましい。
【００５１】
こうして、基板１０上に、基板１０の法線方向に配向（垂直配向）した複数のカーボンナノチューブ１４を形成する（図３（ｃ））。上記の成長条件で形成したカーボンナノチューブ１４では、カーボンナノチューブ１４の面密度は、１×１０１１本／ｃｍ２程度であった。これは、基板１０表面の面積のおよそ１０％の領域上にカーボンナノチューブ１４が形成されていることに相当する。
【００５２】
なお、基板１０上に成長したカーボンナノチューブ１４は、全体としては基板１０の法線方向に配向成長するが、先端部では成長初期におけるランダム方向への成長過程を反映し、例えば図５に示すように、必ずしも基板１０の法線方向を向いていない。
【００５３】
次いで、例えばプラズマＣＶＤ法により、例えば膜厚１００ｎｍのＤＬＣを堆積し、カーボンナノチューブ１４の上端部にＤＬＣの被膜１６を形成する（図３（ｄ））。ＤＬＣの成長条件は、例えば、原料ガスとしてアセチレンガスを用い、成膜温度を１００℃とする。なお、ＤＬＣの成長の際には、カーボンナノチューブやグラファイトの成長の際に必要とされるような触媒は不要である。
【００５４】
ＤＬＣの成膜方法は、特に限定されるものではなく、プラズマＣＶＤ法のほか、熱ＣＶＤ法、スパッタ法、レーザアブレーション法、イオンビーム法等を適用することができる。
【００５５】
なお、ＣＶＤ法により形成する場合、カーボンナノチューブ１４の成長から被膜１６の成膜までの一連の工程を、同一の装置内で連続して行うことも可能である。カーボンナノチューブ１４の成長と被膜１６の成膜とを、大気開放することなく同一の装置内で連続して行えば、カーボンナノチューブ１４と被膜１６との間の界面特性を向上することができる。例えば、熱ＣＶＤ装置で成長温度６５０℃、原料ガスとしてアセチレンを用いてカーボンナノチューブ１４を成長した後、同一熱ＣＶＤ装置で成膜温度２００℃、原料ガスとしてアセチレンを用い、ＤＬＣの被膜１６を成長する。
【００５６】
ＤＬＣの成長温度は、特に限定されるものではなく、好適には、室温から３００℃程度の範囲が選択される。また、ＤＬＣの原料は、特に限定されるものではなく、固体カーボン、メタン、ベンゼン、アセチレン等を適用することができる。
【００５７】
ＤＬＣは、複雑形状にも均一に成膜されやすい特徴を有しており、カーボンナノチューブ１４の端部に均一に成膜することが可能である。被膜１６は、成長初期段階では、例えば図６に示すように、各カーボンナノチューブ１４の先端部分を覆うように形成される。成長膜厚が増加してくると、隣接する各カーボンナノチューブ１４の先端部分に形成された被膜１６が互いに接続されるようになる。これにより、被膜１６は、例えば図７に示すように、複数本の各カーボンナノチューブ１４の先端部分を束ねるように形成される。被膜１６の成長膜厚を更に増加すると、被膜１６がシートの表面に平行な２次元方向に接続され、膜状になる。
【００５８】
被膜１６の膜厚は、充填層２０を形成する際の充填材の浸透性等を考慮したうえで、カーボンナノチューブ１４の直径や面密度に応じて適宜設定することが望ましい。カーボンナノチューブ１４間を接続する観点からは、被膜１６の膜厚は、１０ｎｍ〜５００ｎｍ程度の範囲が望ましい。
【００５９】
なお、被膜１６は、必ずしも隣接するカーボンナノチューブ１４が互いに接続されるに十分な膜厚を形成する必要はないが、これには被膜１６によってカーボンナノチューブ１４を支持する効果がある。これにより、後工程で充填層２０をカーボンナノチューブ１４間に浸透させる際にカーボンナノチューブ１４同士がばらばらになることを抑制することができる。また、被膜１６を介した横方向への熱の伝導も可能となる。
【００６０】
次いで、端部がＤＬＣの被膜１６でコーティングされたカーボンナノチューブ１４の間隙に充填材を充填し、充填層２０を形成する。
【００６１】
充填材は、カーボンナノチューブ１４の間隙に充填できるものであれば、特に限定されるものではない。また、充填層２０の形成方法についても、特に限定されるものではない。ただし、熱可塑性樹脂であってさらにはフィルム状に加工されたものを用いると、種々のメリットがある。ここでは、充填層２０の形成方法の一例として、フィルム状の熱可塑性樹脂を用いた場合を示す。
【００６２】
まず、被膜１６を形成したカーボンナノチューブ１４上に、フィルム状に加工した熱可塑性樹脂（熱可塑性樹脂フィルム１８）を載置する。
【００６３】
熱可塑性樹脂フィルム１８の熱可塑性樹脂としては、例えば、以下に示すホットメルト樹脂を適用することができる。ポリアミド系ホットメルト樹脂としては、例えば、ヘンケルジャパン株式会社製の「Ｍｉｃｒｏｍｅｌｔ６２３９」が挙げられる。また、ポリエステル系ホットメルト樹脂としては、例えば、ノガワケミカル株式会社製の「ＤＨ５９８Ｂ」が挙げられる。また、ポリウレタン系ホットメルト樹脂としては、例えば、ノガワケミカル株式会社製の「ＤＨ７２２Ｂ」が挙げられる。また、ポリオレフィン系ホットメルト樹脂としては、例えば、松村石油株式会社製の「ＥＰ−９０」が挙げられる。また、エチレン共重合体ホットメルト樹脂としては、例えば、ノガワケミカル株式会社製の「ＤＡ５７４Ｂ」が挙げられる。また、ＳＢＲ系ホットメルト樹脂としては、例えば、横浜ゴム株式会社製の「Ｍ−６２５０」が挙げられる。また、ＥＶＡ系ホットメルト樹脂としては、例えば、住友スリーエム株式会社製の「３７４７」が挙げられる。また、ブチルゴム系ホットメルト樹脂としては、例えば、横浜ゴム株式会社製の「Ｍ−６１５８」が挙げられる。
【００６４】
ここでは、一例として、ヘンケルジャパン株式会社製の「Ｍｉｃｒｏｍｅｌｔ６２３９」を厚さ１００μｍのフィルム状に加工した熱硬化性樹脂フィルム１８を用いた場合について説明する。なお、「Ｍｉｃｒｏｍｅｌｔ６２３９」は、融解温度が１３５℃〜１４５℃、融解時粘度が５．５Ｐａ．ｓ〜８．５Ｐａ．ｓ（２２５℃）のホットメルト樹脂である。
【００６５】
次いで、熱可塑性樹脂フィルム１８を載置した基板１０を、熱可塑性樹脂フィルム１８を形成する熱可塑性樹脂の融解温度以上の温度に加熱する。上記の熱可塑性樹脂材料を用いた場合、例えば１９５℃の温度で加熱する。必要に応じて、熱可塑性樹脂フィルム１８上から押圧してもよい。これにより、熱可塑性樹脂フィルム１８の熱可塑性樹脂が融解し、カーボンナノチューブ１４の間隙に徐々に浸透していく。
【００６６】
熱可塑性樹脂フィルム１８をカーボンナノチューブ１４の間隙に浸透させる深さは、適宜選択することができる。例えば、基板１０に達しない程度のところで熱可塑性樹脂フィルム１８の浸透を停止すれば、カーボンナノチューブ１４及び熱可塑性樹脂フィルム１８を基板１０から剥離するのを容易できるというメリットがある。また、充填層２０からカーボンナノチューブ１４の端部が露出した放熱材料２２を形成することができ、放熱体又は発熱体に放熱材料２２を設置する際にカーボンナノチューブ１４を直に接触させることができ、接触熱抵抗を低減することができる。基板１０に対する熱可塑性樹脂フィルム１８の粘着性が低い場合などは、基板１０に達するまで熱可塑性樹脂フィルム１８を浸透させるようにしてもよい。
【００６７】
熱可塑性樹脂フィルム１８をカーボンナノチューブ１４の間隙に浸透させる深さは、熱処理時間によって制御することができる。例えば、上記条件で成長した長さ８０μｍのカーボンナノチューブ１２に対しては、１９５℃で１分間の熱処理を行うことにより、熱可塑性樹脂フィルム１８が基板１０に達しない程度まで浸透させることができる。熱可塑性樹脂フィルム１８の熱処理時間は、熱可塑性樹脂フィルム１８を所望の深さまで浸透させるように、カーボンナノチューブ１４の長さ、熱可塑性樹脂の融解時の粘度、熱可塑性樹脂フィルム１８の膜厚等に応じて適宜設定することが望ましい。
【００６８】
カーボンナノチューブ１４間に充填する充填材の量は、熱可塑性樹脂フィルム１８のシート膜厚によってコントロールすることができる。熱可塑性樹脂を予めシート状に加工しておくことにより、充填材の量のコントロールが容易となる。なお、熱可塑性樹脂の形状は、予めフィルム状に加工しておくことが好適であるが、ペレット状や棒状でも構わない。
【００６９】
次いで、熱可塑性樹脂フィルム１８を所定の位置まで浸透させた後、室温まで冷却し、熱可塑性樹脂フィルム１８を固化する。こうして、熱可塑性樹脂フィルム１８の熱可塑性樹脂により形成され、カーボンナノチューブ１４の間隙に充填された充填層２０を形成する（図４（ｂ））。
【００７０】
次いで、被膜１６が形成されたカーボンナノチューブ１４が埋め込まれた充填層２０を、基板１０から剥離し、本実施形態による放熱材料を完成する（図４（ｃ））。
【００７１】
このように，本実施形態によれば、カーボンナノチューブを有する放熱材料において、カーボンナノチューブの端部にＤＬＣの被膜を設けるので、発熱体や放熱体等の被着体に対する接触熱抵抗を低減することができる。また、ＤＬＣの被膜によって複数のカーボンナノチューブの端部を接続することにより、横方向の熱伝導性を向上し、放熱効率を高めることができる。
【００７２】
［第２実施形態］
第２実施形態による放熱材料及びその製造方法について図８乃至図１０を用いて説明する。図１乃至図７に示す第１実施形態による放熱材料及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
【００７３】
図８は、本実施形態による放熱材料の構造を示す概略断面図である。図９及び図１０は、本実施形態による放熱材料の製造方法を示す工程断面図である。
【００７４】
はじめに、本実施形態による放熱材料の構造について図８を用いて説明する。
【００７５】
本実施形態による放熱材料２２は、図８に示すように、複数のカーボンナノチューブ１４を有している。複数のカーボンナノチューブ１４の一端部には、ＤＬＣの被膜１６が形成されている。複数のカーボンナノチューブ１４の他端部には、ＤＬＣの被膜２６が形成されている。被膜１６，２６が形成されたカーボンナノチューブ１４の間隙には、充填層２０が充填されている。これにより、シート状の放熱材料２２が形成されている。被膜２６が形成されたカーボンナノチューブ１４の他端部は、充填層２０から露出している。
【００７６】
このように、本実施形態による放熱材料２２は、カーボンナノチューブ１４の両端部に、それぞれ被膜１６，２６が設けられている。これにより、放熱材料２２の両表面において、被着体に対する接触熱抵抗を低減することができる。
【００７７】
次に、本実施形態による放熱材料の製造方法について図９及び図１０を用いて説明する。
【００７８】
まず、例えば図３（ａ）乃至図３（ｄ）に示す第１実施形態による放熱材料の製造方法と同様にして、基板１０上に、複数のカーボンナノチューブ１４と、カーボンナノチューブ１４の端部を被覆するＤＬＣの被膜１６を形成する（図９（ａ））。
【００７９】
次いで、例えば図４（ａ）乃至図４（ｂ）に示す第１実施形態による放熱材料の製造方法と同様にして、カーボンナノチューブ１４間に熱可塑性樹脂フィルム１８を浸透させ、充填層２０を形成する。この際、熱処理時間を適宜調整し、熱可塑性樹脂フィルム１８が基板１０まで達しないようにする（図９（ｂ））。
【００８０】
例えば、ノガワケミカル株式会社製の「ＤＡ３２５１」接着剤（軟化点温度１５５℃〜１６５℃）をフィルム状に加工した熱可塑性樹脂フィルム１８を、被膜１６を形成したカーボンナノチューブ１２上に載置し、１５０℃のリフロー温度で５分間、熱処理する。これにより、熱可塑性樹脂フィルム１８が基板１０に達しない程度まで、カーボンナノチューブ１４間に浸透させる。
【００８１】
次いで、被膜１６が形成されたカーボンナノチューブ１４が埋め込まれた充填層２０を、基板１０から剥離する（図９（ｃ））。
【００８２】
次いで、基板１０とは別の基板２４上に、剥離した充填層２０を、充填層２０の形成面が基板２４に接するように、貼り付ける（図１０（ａ））。
【００８３】
次いで、基板１０から剥離したカーボンナノチューブ１４の他端部上に、被膜１６の形成方法と同様にして、例えば膜厚１００ｎｍのＤＬＣの被膜２６を形成する（図１０（ｂ））。
【００８４】
この際、被膜２６の成膜温度は、充填層２０を形成する熱可塑性樹脂の軟化点温度よりも低い温度とすることが望ましい。熱可塑性樹脂の軟化点温度よりも高い温度で成膜を行うと、成膜時に熱可塑性樹脂が融解し、充填層２０及びカーボンナノチューブ１４の形状維持が困難となるからである。この点、ＤＬＣは、室温から３００℃程度の比較的低温で成膜することができるため、充填層２０及びカーボンナノチューブ１４の形状変化を起こすことなく、被膜２６を形成することができる。
【００８５】
なお、グラファイトの場合は、通常６００℃程度以上の成膜温度が必要であり、充填層２０の形成後にグラファイトの被膜２６を形成することは困難である。
【００８６】
次いで、両端部に被膜１６，２６がそれぞれ形成されたカーボンナノチューブ１４が埋め込まれた充填層２０を基板２４から剥離し、本実施形態による放熱材料を完成する（図１０（ｃ））。
【００８７】
このように，本実施形態によれば、カーボンナノチューブを有する放熱材料において、カーボンナノチューブの端部にＤＬＣの被膜を設けるので、発熱体や放熱体等の被着体に対する接触熱抵抗を低減することができる。また、ＤＬＣの被膜によって複数のカーボンナノチューブの端部を接続することにより、横方向の熱伝導性を向上し、放熱効率を高めることができる。
【００８８】
［第３実施形態］
第３実施形態による放熱材料及びその製造方法について図１１及び図１２を用いて説明する。図１乃至図１０に示す第１及び第２実施形態による放熱材料及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
【００８９】
図１１は、本実施形態による放熱材料の構造を示す概略断面図である。図１２は、本実施形態による放熱材料の製造方法を示す工程断面図である。
【００９０】
はじめに、本実施形態による放熱材料の構造について図１１を用いて説明する。
【００９１】
本実施形態による放熱材料２２は、図１１に示すように、複数のカーボンナノチューブ１４を有している。複数のカーボンナノチューブ１４の一端部には、ＤＬＣの被膜１６が形成されている。カーボンナノチューブ１４及び被膜１６の表面には、一様に被膜２８が形成されている。被膜１６，２８が形成されたカーボンナノチューブ１４の間隙には、充填層２０が充填されている。これにより、シート状の放熱材料２２が形成されている。
【００９２】
被膜２８は、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition：原子層堆積）法により形成された膜厚が１ｎｍ〜２０ｎｍ程度の薄膜であり、カーボンナノチューブ１４及び被膜１６の表面を一様に被覆するものである。
【００９３】
カーボンナノチューブ１４及び被膜１６の表面、特にカーボンナノチューブ１４の側面を被覆するように被膜２８を形成することにより、カーボンナノチューブ１４の縦方向の機械的強度を向上することができる。これにより、アセンブリ時の圧縮耐性を向上することができる。
【００９４】
被膜２８の材料は，特に限定されるものではないが、好適には酸化物材料や金属材料が挙げられる。具体的には、アルミニウム酸化物、チタン酸化物、ハフニウム酸化物、鉄酸化物、インジウム酸化物、ランタン酸化物、モリブデン酸化物、ニオブ酸化物、ニッケル酸化物、ルテニウム酸化物、シリコン酸化物、バナジウム酸化物、タングステン酸化物、イットリウム酸化物、ジルコニウム酸化物、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、銀、ランタン等が挙げられる。
【００９５】
被膜２８の膜厚は、カーボンナノチューブ１４の面密度や長さに依存するが、例えばカーボンナノチューブ１４の面密度が１×１０１０本／ｃｍ２程度の場合、２０ｎｍ程度が好適である。
【００９６】
次に、本実施形態による放熱材料の製造方法について図１２を用いて説明する。
【００９７】
まず、例えば図３（ａ）乃至図３（ｄ）に示す第１実施形態による放熱材料の製造方法と同様にして、基板１０上に、複数のカーボンナノチューブ１４と、カーボンナノチューブ１４の端部を被覆するＤＬＣの被膜１６を形成する（図１２（ａ））。
【００９８】
次いで、ＡＬＤ法により、被膜１６が形成されたカーボンナノチューブ１４の表面に、例えば膜厚２０ｎｍのアルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）の被膜２８を形成する（図１２（ｂ））。例えば、ＡＬＤ法により、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）と水（Ｈ２Ｏ）を用い、成膜温度２００℃、総圧０．５ＭＰａの条件下、２００サイクル実施することで、膜厚２０ｎｍのアルミニウム酸化物を成膜する。ＡＬＤ法を用いることにより、被膜１６が形成されたカーボンナノチューブ１４の表面の全体に、均一な膜厚の被膜２８を一様に形成することができる。
【００９９】
次いで、例えば図４（ａ）乃至図４（ｂ）に示す第１実施形態による放熱材料の製造方法と同様にして、被膜１６，２８が形成されたカーボンナノチューブ１４の間隙に充填層２０を形成する（図１２（ｃ））。
【０１００】
次いで、被膜１６，２８が形成されたカーボンナノチューブ１４が埋め込まれた充填層２０を、基板１０から剥離し、本実施形態による放熱材料を完成する（図１２（ｄ））。
【０１０１】
このように，本実施形態によれば、カーボンナノチューブを有する放熱材料において、カーボンナノチューブの端部にＤＬＣの被膜を設けるので、発熱体や放熱体等の被着体に対する接触熱抵抗を低減することができる。また、ＤＬＣの被膜によって複数のカーボンナノチューブの端部を接続することにより、横方向の熱伝導性を向上し、放熱効率を高めることができる。
【０１０２】
また、カーボンナノチューブの側面を被覆する被膜を形成することにより、カーボンナノチューブの縦方向の機械的強度を向上することができる。これにより、アセンブリ時の圧縮耐性を向上することができる。
【０１０３】
［第４実施形態］
第４実施形態による放熱材料及びその製造方法について図１３及び図１４を用いて説明する。図１乃至図１２に示す第１乃至第３実施形態による放熱材料及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
【０１０４】
図１３は、本実施形態による放熱材料の構造を示す概略断面図である。図１４は、本実施形態による放熱材料の製造方法を示す工程断面図である。
【０１０５】
はじめに、本実施形態による放熱材料の構造について図１３を用いて説明する。
【０１０６】
本実施形態による放熱材料２２は、図１３に示すように、複数のカーボンナノチューブ１４を有している。複数のカーボンナノチューブ１４の表面には、一様に被膜２８が形成されている。被膜２８が形成された複数のカーボンナノチューブ１４の一端部には、ＤＬＣの被膜１６が形成されている。被膜２８，１６が形成されたカーボンナノチューブ１４の間隙には、充填層２０が充填されている。これにより、シート状の放熱材料２２が形成されている。
【０１０７】
第３実施形態では被膜１６の形成後に被膜２８を形成したが、本実施形態のように被膜２８を被膜１６の形成前に形成するようにしてもよい。なお、被膜２８の形成方法、形成材料、膜厚等は、第３実施形態の場合と同様である。
【０１０８】
カーボンナノチューブ１４とＤＬＣの被膜１６との間の接触熱抵抗に重点をおく場合は第３実施形態の構造が望ましく、ＤＬＣの撥水性に重点をおく場合は本実施形態の構造が望ましい。いずれの構造を用いるかは、目的等に応じて適宜選択することができる。
【０１０９】
次に、本実施形態による放熱材料の製造方法について図１４を用いて説明する。
【０１１０】
まず、例えば図３（ａ）乃至図３（ｃ）に示す第１実施形態による放熱材料の製造方法と同様にして、基板１０上に、複数のカーボンナノチューブ１４を形成する。
【０１１１】
次いで、ＡＬＤ法により、カーボンナノチューブ１４の表面に、例えば膜厚２０ｎｍのアルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）の被膜２８を形成する（図１４（ａ））。ＡＬＤ法を用いることにより、カーボンナノチューブ１４の表面の全体に、均一な膜厚の被膜２８を一様に形成することができる。
【０１１２】
次いで、例えば図３（ｄ）に示す第１実施形態による放熱材料の製造方法と同様にして、被膜２８が形成されたカーボンナノチューブの上端部に、ＤＬＣの被膜１６を形成する（図１４（ｂ））。
【０１１３】
次いで、例えば図４（ａ）乃至図４（ｂ）に示す第１実施形態による放熱材料の製造方法と同様にして、被膜２８，１６が形成されたカーボンナノチューブ１４の間隙に充填層２０を形成する（図１４（ｃ））。
【０１１４】
次いで、被膜２８，１６が形成されたカーボンナノチューブ１４が埋め込まれた充填層２０を、基板１０から剥離し、本実施形態による放熱材料を完成する（図１４（ｄ））。
【０１１５】
このように，本実施形態によれば、カーボンナノチューブを有する放熱材料において、カーボンナノチューブの端部にＤＬＣの被膜を設けるので、発熱体や放熱体等の被着体に対する接触熱抵抗を低減することができる。また、ＤＬＣの被膜によって複数のカーボンナノチューブの端部を接続することにより、横方向の熱伝導性を向上し、放熱効率を高めることができる。
【０１１６】
また、カーボンナノチューブの側面を被覆する被膜を形成することにより、カーボンナノチューブの縦方向の機械的強度を向上することができる。これにより、アセンブリ時の圧縮耐性を向上することができる。
【０１１７】
［第５実施形態］
第５実施形態による電子機器及びその製造方法について図１５及び図１６を用いて説明する。
【０１１８】
図１５は、本実施形態による電子機器の構造を示す概略断面図である。図１６は、本実施形態による電子機器の製造方法を示す工程断面図である。
【０１１９】
本実施形態では、第１乃至第４実施形態による放熱材料を用いた電子機器及びその製造方法について説明する。
【０１２０】
はじめに、本実施形態による電子機器の構造について図１５を用いて説明する。
【０１２１】
多層配線基板などの回路基板５０上には、例えばＣＰＵなどの半導体素子５４が実装されている。半導体素子５４は、はんだバンプなどの突起状電極５２を介して回路基板５０に電気的に接続されている。
【０１２２】
半導体素子５４上には、半導体素子５４を覆うように、半導体素子５４からの熱を拡散するためのヒートスプレッダ５６が形成されている。半導体素子５４とヒートスプレッダ５６との間には、第１乃至第４実施形態のいずれかに記載の放熱材料２２が形成されている。図１５には、一例として、第１実施形態による放熱材料２２を用いた例を示している。ヒートスプレッダ５６は、例えば有機シーラント５８によって回路基板５０に接着されている。
【０１２３】
このように、本実施形態による電子機器では、半導体素子５４とヒートスプレッダ５６との間、すなわち発熱部と放熱部との間に、第１乃至第４実施形態による放熱材料２２が設けられている。
【０１２４】
上述のように、第１乃至第４実施形態による放熱材料２２は、カーボンナノチューブ１４がシートの膜厚方向に配向しており、面直方向の熱伝導度が極めて高いものである。また、カーボンナノチューブ１４の一端部或いは両端部にはＤＬＣの被膜１６が形成されており、接触熱抵抗が極めて低く、放熱効率が高いものである。
【０１２５】
したがって、上記実施形態の放熱材料２２を、半導体素子５４とヒートスプレッダ５６との間に設けることにより、半導体素子５４から発せられた熱を効率よくヒートスプレッダ５６に伝えることができ、半導体素子５４を効果的に冷却することができる。これにより、電子機器の信頼性を向上することができる。
【０１２６】
次に、本実施形態による電子機器の製造方法について、図１６を用いて説明する。
【０１２７】
まず、回路基板５０上に、突起状電極５２を介して半導体素子５４を実装する（図１６（ａ））。
【０１２８】
また、放熱部品であるヒートスプレッダ５６に、放熱材料２２を接着する（図１６（ｂ））。放熱材料２２の充填層２０の材料として熱可塑性樹脂材料を用いている場合は、ヒートスプレッダ５６上に放熱材料２２を載置し、必要に応じて圧力を加えながら加熱・冷却することにより、放熱材料２２をヒートスプレッダ５６に接着することができる。
【０１２９】
なお、放熱材料２２をヒートスプレッダ５６に接着する際には、被膜１６，２６の形成面がヒートスプレッダ５６側とは異なる側に位置するように、放熱材料を設置することが望ましい。被膜１６，２６の形成面が発熱体（半導体素子５４）側に向くように放熱材料２２を載置することにより、放熱体からの熱を効率的に横方向に伝搬させることができ、放熱効率を高めることができるからである。
【０１３０】
次いで、半導体素子５４を実装した回路基板５０上に、ヒートスプレッダ５６を固定するための有機シーラント５８を塗布した後、放熱材料２２を接着したヒートスプレッダ５６を被せる（図１６（ｃ））。なお、ヒートスプレッダ５６に予め放熱材料２２を接着せず、半導体素子５４上に放熱材料２２を載置した状態で、ヒートスプレッダ５６を被せるようにしてもよい。
【０１３１】
次いで、ヒートスプレッダ５８に荷重をかけた状態で熱処理を行い、放熱材料２２の充填層２０をリフローする。充填層２０として例えばヘンケルジャパン株式会社製の「Ｍｉｃｒｏｍｅｌｔ６２３９」を用いた放熱材料２２では、例えば荷重０．２５ＭＰａを加えた状態で、例えば１９５℃、１０分間の熱処理を行う。
【０１３２】
この熱処理により、カーボンナノチューブシート５６の充填層１４を形成する熱可塑性樹脂が液状融解し、半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６の表面凹凸に沿って放熱材料２２が変形する。また、放熱材料２２内のカーボンナノチューブ１４は、充填層２０による拘束がゆるみ、その端部は半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６に直に接するようになる。この際、カーボンナノチューブ１２はしなやかで柔軟性に富んだ材料であるため、半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６が有する凹凸形状に追従して撓むことができる。これにより、半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６に直に接するカーボンナノチューブ１４が増加し、放熱材料２２と半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６との間の接触熱抵抗を大幅に低減することができる。ＤＬＣの被膜１６，２６を形成したカーボンナノチューブ１４の端部では、ＤＬＣの撥水性により、半導体素子５４及びヒートスプレッダ５８に対してより接触しやすくなる。
【０１３３】
このときの荷重は、放熱材料２２が、半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６の表面に存在する凹凸に沿って変形して十分な接触状態を形成する荷重範囲であればよい。また、熱処理の温度及び時間は、半導体素子５４とヒートスプレッダ５６との界面に介在する熱可塑性樹脂が融解して移動し、カーボンナノチューブ１４の端部が半導体素子５４及びヒートスプレッダ５８に対して直に接する表面状態になる範囲を選択すればよい。
【０１３４】
また、カーボンナノチューブ１４の表面に均一に被膜２８を形成した放熱材料２２では、カーボンナノチューブ１４の機械的強度が向上されているため、荷重を加えたときの圧縮耐性が向上されている。これにより、カーボンナノチューブ１４が座屈して配向性を失い熱伝導性を低下するなどの、放熱材料２２の特性劣化を低減することができる。
【０１３５】
次いで、室温まで冷却し、充填層２０の熱可塑性樹脂を固化するとともに、ヒートスプレッダ５６を有機シーラント５８によって回路基板５０上に固定する。この際、熱可塑性樹脂は接着性を発現し、半導体素子５４とヒートスプレッダ５６との間を放熱材料２２によって接着固定することができる。これにより、室温に冷却した後も、放熱材料２２と半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６との間の低い接触熱抵抗を維持することができる。
【０１３６】
このように、本実施形態によれば、半導体素子とヒートスプレッダとの間に、第１乃至第４実施形態による放熱材料を配置するので、これらの間の熱伝導度を大幅に向上することができる。これにより、半導体素子から発せられる熱の放熱効率を高めることができ、電子機器の信頼性を向上することができる。
【０１３７】
［変形実施形態］
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【０１３８】
例えば、上記第１、第２及び第４実施形態では、被膜１６の表面が充填層２０により覆われるようにしているが、被膜１６の表面が充填層２０から露出するようにしてもよい。これには、熱可塑性樹脂シート１８を用いて充填層２０を形成する場合にあっては、熱可塑性樹脂シート１８の膜厚を適宜設定すればよい。他の充填材を用いる場合は、スピンコート法などを用いる場合にあっては、スピンコータの回転数や塗布液の粘度等を適宜設定することにより実現することができる。或いは、充填層２０を形成後にエッチングを行い、被膜１６の表面を露出するようにしてもよい。
【０１３９】
また、上記第３及び第４実施形態では、カーボンナノチューブ１４の一端部にのみ被膜１６を形成しているが、第２実施形態の場合と同様に、カーボンナノチューブ１４の両端部に被膜１６，２６を設けるようにしてもよい。
【０１４０】
また、上記実施形態では、炭素元素の線状構造体の例としてカーボンナノチューブを用いた放熱材料を示したが、炭素元素の線状構造体は、カーボンナノチューブに限定されるものではない。炭素元素の線状構造体としては、カーボンナノチューブのほか、カーボンナノワイヤ、カーボンロッド、カーボンファイバが挙げられる。これら線状構造体は、サイズが異なるほかは、カーボンナノチューブと同様である。これら線状構造体を用いた放熱材料においても適用することができる。
【０１４１】
また、上記実施形態に記載した放熱材料及び電子機器の構造、構成材料、製造条件等は、一例を示したものにすぎず、当業者の技術常識等に応じて適宜修正や変更が可能である。
【０１４２】
また、カーボンナノチューブシートの使用目的も、上記実施形態に記載のものに限定されるものではない。開示のカーボンナノチューブシートは、熱伝導シートとしては、例えば、ＣＰＵの放熱シート、無線通信基地局用高出力増幅器、無線通信端末用高出力増幅器、電気自動車用高出力スイッチ、サーバー、パーソナルコンピュータなどへの適用が考えられる。また、カーボンナノチューブの高い許容電流密度特性を利用して、縦型配線シートやこれを用いた種々のアプリケーションにも適用可能である。
【符号の説明】
【０１４３】
１０，２４…基板
１２…触媒金属膜
１２ａ…触媒金属微粒子
１４…カーボンナノチューブ
１６，２６，２８…被膜
１８…熱可塑性樹脂シート
２０…充填層
２２…放熱材料
３０…放熱体
３２…放熱パス
４０…発熱体
４２…発熱源
５０…回路基板
５２…突起状電極
５４…半導体素子
５６…ヒートスプレッダ
５８…有機シーラント
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年1月15日(2014.1.15)
【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】
第１の端部及び第２の端部を有する炭素元素の複数の線状構造体と、
前記複数の線状構造体の前記第１の端部を被覆する第１のダイヤモンドライクカーボン層と、
前記複数の線状構造体間に配置された充填層と
を有することを特徴とする放熱材料。
【請求項２】
請求項１記載の放熱材料において、
前記複数の線状構造体の前記第１の端部は、前記第１のダイヤモンドライクカーボン層により接続されている
ことを特徴とする放熱材料。
【請求項３】
請求項１又は２記載の放熱材料において、
前記複数の線状構造体の前記第２の端部を被覆する第２のダイヤモンドライクカーボン層を更に有する
ことを特徴とする放熱材料。
【請求項４】
請求項３記載の放熱材料において、
前記複数の線状構造体の前記第２の端部は、前記第２のダイヤモンドライクカーボン層により接続されている
ことを特徴とする放熱材料。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の放熱材料において、
前記複数の線状構造体の側面を被覆する被膜を更に有する
ことを特徴とする放熱材料。
【請求項６】
発熱体と、
放熱体と、
前記発熱体と放熱体との間に配置され、第１の端部及び第２の端部を有する炭素元素の複数の線状構造体と、前記複数の線状構造体の前記第１の端部を被覆する第１のダイヤモンドライクカーボン層と、前記複数の線状構造体間に配置された充填層とを含む放熱材料と
を有することを特徴とする電子機器。
【請求項７】
基板上に、第１の端部及び第２の端部を有し、前記基板側に第２の端部が位置する炭素元素の複数の線状構造体を形成する工程と、
前記複数の線状構造体の前記第１の端部を被覆する第１のダイヤモンドライクカーボン層を形成する工程と、
前記複数の線状構造体間に充填層を形成する工程と、
前記充填層を形成後、前記基板を除去する工程と
を有することを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項８】
請求項７記載の放熱材料の製造方法において
前記基板を除去する工程の後、前記複数の線状構造体の前記第２の端部を被覆する第２のダイヤモンドライクカーボン層を形成する工程を更に有する
ことを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項９】
請求項７又は８記載の放熱材料の製造方法において、
前記複数の線状構造体を形成する工程の後、前記充填層を形成する工程の前に、前記複数の線状構造体の側面を被覆する被膜を形成する工程を更に有する
ことを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項１０】
発熱体と放熱体との間に、炭素元素の複数の線状構造体と、前記複数の線状構造体の端部を被覆するダイヤモンドライクカーボン層と、前記複数の線状構造体間に配置された熱可塑性樹脂の充填層とを含む放熱材料を配置する工程と、
前記発熱体と前記放熱体との間に圧力を加えながら熱処理を行い、前記熱可塑性樹脂を融解する工程と、
冷却して前記熱可塑性樹脂を固化し、前記発熱体と前記放熱体とを前記放熱材料を介して接着する工程と
を有することを特徴とする電子機器の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
また、実施形態の更に他の観点によれば、基板上に、第１の端部及び第２の端部を有し、前記基板側に第２の端部が位置する炭素元素の複数の線状構造体を形成する工程と、前記複数の線状構造体の前記第１の端部を被覆する第１のダイヤモンドライクカーボン層を形成する工程と、前記複数の線状構造体間に充填層を形成する工程と、前記充填層を形成後、前記基板を除去する工程とを有する放熱材料の製造方法が提供される。
【国際調査報告】
2013046291.tif 000019
2013046291.tif 000020