(57)【要約】      （修正有）【課題】ＣＮＴアレイまたはシートおよびそれから形成された構造と、良好な熱輸送特性を有するそのような構造を作製する方法を提供する。【解決手段】単層ＣＮＴ複合体、およびそれから形成された、垂直に並んだカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）アレイを積層することによる多層化または重層化構造と、それを作製し使用する方法について、そのような多層化または重層化構造は、バーンイン試験などの様々な適用例でサーマルインターフェースマテリアル（ＴＩＭ）として使用することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被試験デバイスと、接着表面を有する熱伝導性および／または導電性の機械的にコンプライアントな基板との接触を行うための方法であって、
前記基板を、熱または電気ユニットヘッドに直接取着するステップであって、前記ヘッドの領域を完全に覆うか、または前記被試験デバイスのサイズを一致させるステップと、
取着された基板を持つ前記熱または電気ユニットヘッドと、前記被試験デバイスとを、少なくとも１０ｐｓｉの圧力および１５０℃未満の係合温度で係合させるステップと、
前記係合を、少なくとも１０ｐｓｉの圧力下で少なくとも５分間保持するか、または前記係合を少なくとも１から５回のサイクルで繰り返すステップであって、各係合中に、前記被試験デバイスの出力を上昇させ、かつ前記熱または電気ユニットヘッドを加熱して、少なくとも５０℃の温度に到達するまでデバイスの出力上昇をシミュレートする、ステップと、
少なくとも１，５００サイクルの出力上昇の間、前記熱または電気ヘッドおよび基板と前記被試験デバイスとの係合を解除し、そして再度係合させるステップと、
サイクル後に、熱抵抗および／または相対熱抵抗を決定するよう前記被試験デバイスを試験するステップ
を含む方法。
【請求項２】
前記基板を除去することなく、または前記被試験デバイスから砕片または痕跡を取り除く必要なく、１０，０００から１００，０００回の係合サイクルが行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記被試験デバイスが、約−５５℃から１４０℃の間の温度で試験される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記基板の表面が、前記ユニットヘッドと前記被試験デバイスとの間の機械的粘着を防止するように処理または改変される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記基板が、同時に同じ基板上の１から１０個のダイと接触するために使用され、前記１から１０個のダイが、異なる高さ、形状、および／またはサイズにできる、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記基板が、前記被試験デバイスに取着され、前記熱または電気ユニットヘッドには取着されない、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記基板が、前記被試験デバイスに取着され、前記熱または電気ユニットヘッドには取着されず、前記基板が、さらなる試験または販売用のパッケージングのためのその次の形態に前記デバイスと共にパッケージングされるように、試験ステップの終了後も前記被試験デバイスに取着されたままである、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記基板が、前記試験ステップの後で決定される、０．０５から１．５ｃｍ２Ｋ／Ｗの間の熱抵抗を加える、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記基板が、前記被試験デバイス上の局所ホットスポットから熱を拡げるために、１００から１，７００Ｗ／ｍＫの間にある面内熱伝導度を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記基板が、低い熱質量と、１、２、３、４、５、６、７、または８Ｗ／ｍＫよりも大きい平面を通る熱伝導度とを有し、
前記被試験デバイスを試験するために必要な時間は最小限に抑えられ、即ち、５分未満、３分未満、１分未満、３０秒未満である、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記基板が、前記試験ステップに対し１ｃｍ２当たり０．００１から１０オームの間で加える、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記基板が、自動試験装置（ＡＴＥ）ピックアンドプレースハンドラ、焼付け炉、またはその他のそのような試験装置に対して台座または前記熱もしくは電気ユニットヘッドを設置する前に、前記台座にまたは熱もしくは電気ユニットヘッドに付与される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記基板が、電気接続の特徴付けのために電気接続ピンのアレイを短絡するのに使用される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記基板が、５ミクロン未満の圧縮永久歪みを有する、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記基板が、１００ｐｓｉ未満の印加圧力で、その当初の厚さの少なくとも５％に圧縮することができる、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記基板が、引裂きまたは剪断破壊なしで、その当初の厚さの５０％程度に圧縮することができる、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記基板が、同じボード上にある異なるサイズ、形状、または高さを持つ１つまたは複数のダイまたはチップとの表面接触を維持しながら、前記基板の異なる領域で異なる量に圧縮することができる、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記接着剤が、前記基板の表面層に埋め込まれた熱可塑性または感圧性接着剤であって、強力な機械的結合を維持しながら、前記基板と接触表面との間で５ミクロンよりも大きい接着剤の厚さを加えない、請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記熱ユニットが、自動試験装置（ＡＴＥ）ピックアンドプレースハンドラの一部であって、前記基板が、異なるデバイス形状または幾何形状のために台座またはデバイスキットの必要性に取って代わる、請求項１から１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記熱ユニットが、焼付け炉の一部であり、前記基板は、異なるデバイス形状または幾何形状のために台座またはデバイスキットの必要性に取って代わる、請求項１から１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記基板が、前記台座の１つまたは両方の面上で金属台座と組み合わせて使用される、請求項１から２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記機械的にコンプライアントな基板が、合わせ面を研磨するいかなる必要性も、工場ミル仕上げよりも大きい程度まで最小限にする、請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記機械的にコンプライアントな基板が、各試験係合サイクルで挿入される液体または性能を高める液体と組み合わせて使用される液体の必要性に取って代わる、請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記基板の厚さが約１０から１０，０００マイクロメートルの間である、請求項１から２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記基板が、約１００ミクロン未満の厚さであり、前記被試験デバイスとのヘッド接触中に印加された剪断力から引き裂かれないか、または劣化しない、請求項１から２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記基板が、前記デバイスまたはヘッドの中心から縁部への曲率が約５〜２００ミクロンの間であるときに、前記被試験デバイスと前記熱または電気ユニットヘッドとの間の隙間を満たすように変形することができる、請求項１から２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記基板が、金属または黒鉛の箔またはシートの１つまたは両方の面上に成長させた垂直に並んだカーボンナノチューブアレイである、請求項１から２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記基板が、金属または黒鉛の箔またはシートの１つまたは両方の面上に成長させた垂直に並んだカーボンナノチューブアレイの多層積層体であり、
層の数が１から２０の間である、請求項１から２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
前記基板が、可撓性ガラスまたはセラミックまたは誘電性の箔もしくはシート、あるいは電気絶縁をもたらす誘電体層でコーティングされた金属箔である、請求項１から２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
前記基板が、前記基板に固着された触媒を使用して形成された垂直に並んだカーボンナノチューブアレイである、請求項１から２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
前記基板が、精密に切断されて前記被試験デバイスの寸法にされるか、または前記熱もしくは電気ユニットヘッドの寸法にされ、１個または複数のセンサ、１個または複数の取付けアライメントピン、１個または複数の減圧チャッキング、またはこれらの組合せに対して前記基板内を貫通させる、請求項１から３０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
前記基板が、台座または前記熱もしくは電気ユニットヘッドに付与されたとき、いかなる残渣もまたは実質的にいかなる残渣も残さずに、前記台座、熱または電気ユニットヘッドから除去することができる、請求項１から３０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３３】
前記基板が、熱可塑性接着剤の共形コーティングの使用を通して、熱源またはヒートシンクのいずれかに永続的にまたは半永続的に取着され、前記熱可塑性接着剤の付加は、前記基板の熱抵抗を、接着剤のない基板に比べて増加させない、請求項１から３０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３４】
前記接着剤が、残渣を全く残さないか、または最小限の残渣を残す、請求項１から３３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３５】
前記基板が、耐久性ある低圧縮永久歪みのポリマーを浸潤させたカーボンナノチューブアレイであって、前記ポリマーコーティングが、ＣＮＴの先端と同一平面にあるか、または１０００ｎｍ以下の過剰なポリマーを前記ＣＮＴの先端の上方に有する、請求項１から２６または３１から３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３６】
前記ポリマーが、前記被試験デバイスに残渣を流さず、濡らさず、蒸発させず、またはその他の手法で移さないか、あるいは実質的に流さず、濡らさず、蒸発させず、またはその他の手法で移さない、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記ポリマーが、高い電気抵抗率で高い誘電強度を有する、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記ＣＮＴの先端が、結合されることが意図される表面と電気接続を行うように利用可能なままである、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記接着剤が、前記被試験デバイスまたは熱／電気接続ヘッドとの基板界面に熱または電気抵抗を加えない、請求項１から３８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４０】
前記接着剤が、貼って剥がせる接着剤および／または熱により活性化される接着剤である、請求項１から３９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４１】
前記デバイスが、前記基板を除去することなく、または前記被試験デバイスから砕片または痕跡を取り除く必要なく試験される、請求項１から４０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４２】
前記基板が、コーティングされたＣＮＴアレイサーマルインターフェースマテリアル（ＴＩＭ）である、請求項１から４１のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブアレイまたはシート、特に、単層とすることができ、または多層化もしくは重層化された構造が形成されるよう積層することができる、アレイまたはシート、ならびにそれを作製および使用する方法の分野にある。
【背景技術】
【０００２】
現代エレクトロニクスに対する性能およびパッケージングの需要が、ますます強力になり続けるにつれ、新しいサーマルソリューションの識別が、設計プロセスの極めて重要な部分になってきた。ほぼ全ての熱管理用途では、数多くの熱移動界面があり、パッケージから熱を効率的に除去するのを確実にするのに、密接な接触が必要である。この分野では、広く様々なサーマルインターフェースマテリアル（ＴＩＭ）が、特定の用途に対して開発されてきた（R.  Prasher、「Thermal  interface  materials:  historical  perspective,  status,  and  future  directions」、Proceedings  of  the  IEEE、９４巻、１５７１〜１５８６頁、２００６年）。
【０００３】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）アレイは、表面間の熱輸送を高めるための、魅力的な解決策である。ＣＮＴは、金属基板上で成長することができ、液体サーマルインターフェースマテリアル（ＴＩＭ）およびグリースが受ける可能性のあるポンプアウトまたは空洞化（ｖｏｉｄｉｎｇ）に関連した懸念が排除される。
【０００４】
個々のナノチューブの高い面内導電率（３，０００Ｗ／ｍ-Ｋ程度に高い）は、比較的低いＣＮＴ密度（典型的なＣＮＴ充填率は１％程度）であっても、ＣＮＴベースのＴＩＭの交差面熱伝導が熱グリースの場合の伝導に競合する可能性があることを意味する。さらに、ＣＮＴの好ましい変形機構により、隣接面の凹凸に効率的に順応することが可能になり、その結果、面同士のそのような界面で高い接触面積が得られる。
【０００５】
しかしＣＮＴベースのＴＩＭにおける重要な難題は、金属基板上に非常に長いＣＮＴを成長させる難しさから生じる。シリコンまたはその他の不活性基板上に成長させたＣＮＴとは異なって、ＣＮＴの成長に必要とされる触媒は、金属基板上に成長させるとき表面下拡散し、その結果、チューブ成長が早期に停止する。さらに、その高さが増すにつれて欠陥がＣＮＴ内に蓄積される傾向があり、その結果、導電率が、通常ならきれいなチューブで実現可能な３，０００Ｗ／ｍ-Ｋ限度よりも著しく低いＣＮＴアレイが得られる。
このように、金属基板上に長いＣＮＴを成長させる際の上述の困難を克服すること、および良好な熱輸送特性を有する材料を作製する方法が、求められている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】R.  Prasher、「Thermal  interface  materials:  historical  perspective,  status,  and  future  directions」、Proceedings  of  the  IEEE、９４巻、１５７１〜１５８６頁、２００６年
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
したがって本発明の目的は、ＣＮＴアレイまたはシートおよびそれから形成された構造と、そのような、良好な熱輸送特性を有する構造を作製する方法とを提供することである。
【０００８】
本発明の目的は、１つまたは複数の表面との界面で高レベルのコンプライアンスを提供することができる、ＣＮＴアレイまたはシートおよびそれから形成された構造を提供することでもある。
【０００９】
本発明のさらなる目的は、焼付け用途に必要な耐久性が改善された、ＴＩＭ複合体を提供することである。
【００１０】
本発明の目的は、被試験デバイスのサイズを変化させる良好なコンプライアンスおよび圧縮特性を持つ、ＴＩＭ複合体を提供することでもある。
【００１１】
単層、または垂直に並んだカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）アレイを積層することによって形成された多層化もしくは重層化構造と、それを作製し使用する方法とについて、本明細書に記述する。
【００１２】
記載される一部の実施形態では、２つまたはそれよりも多くのＣＮＴアレイを積層させて、多層化または重層化構造を形成する。多数のＣＮＴアレイは、対向するアレイからのナノ構造要素が積層体の階層に形成されかつ互いに少なくとも部分的に噛み合う（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ）ように、積層することができる。伝統的な材料の積層とは異なって、垂直に並んだナノ構造の積層アレイは、厚さの増加による熱抵抗の線形（悪化）増加を受けない。したがって、得られた多層化構造は、接触したときの２つまたはそれよりも多くのアレイのナノ構造要素（即ち、ＣＮＴ）の噛み合いの結果、エネルギー輸送に対する厚さおよび境界の悪影響を軽減することができる。対照的に、典型的な材料の場合、熱移動に対する抵抗は材料の厚さに正比例し、このとき多層化構造の界面には追加の界面抵抗がある。
【００１３】
ＣＮＴアレイが垂直に並んだナノ構造材料を積層することによって形成された多層化または重層化構造の場合、アレイのＣＮＴは、互いの中に、または互いの内部に少なくとも部分的に噛み合い、ＣＮＴの密度を効率的に増大する。典型的には、金属基板上で成長したＣＮＴの密度は、全体積の僅かに約１％である。例えば、ＣＮＴアレイの２つの隣接する層を積層させた場合、ＣＮＴまたはそれで形成された構造などの熱伝導要素の密度は、効率的に２倍になる。したがって単位長さ当たりの熱移動に対する抵抗は、本質的に低減する。
【００１４】
伝統的なバルク材料上に、２つまたはそれよりも多くのＣＮＴアレイを積層することによって形成された多層化または重層化構造の利点は、アレイの界面で生ずる。例えば、熱移動に対する抵抗は、多層積層体の厚さの増大に起因してだけではなく、階層間の界面抵抗に起因しても増大する。したがって、任意の２つの隣接する階層の間において、２つ階層の間の境界は、階層間の不十分な接触に起因するとともに境界でのエネルギー担体（例えば、電子または光子）の散乱に起因して、バルク材料よりも熱移動が不十分な場所である。噛み合う場合、ＣＮＴなどのナノ構造の高いアスペクト比は、階層間に非常に高い接触面積をもたらし、階層間界面抵抗に対する不十分な接触面積の関与を最小限にする。カピッツァ（散乱）抵抗を完全には排除することができないが、抵抗は、アレイまたはシートに、境界を横断する熱／エネルギー輸送を容易にするポリマー、ワックス、またはその他の２次材料を付与させ、浸潤させ、または裏込めすることによって低減させることができる。この輸送の円滑化は、ＣＮＴと２次材料との間の共有または弱い原子相互作用の形成、空気に対する音響フォノン輸送の不整合の低減、またはその他のタイプのメカニズムを通しであり得る。
【００１５】
一部の実施形態では、アレイを形成するナノ構造要素は、垂直に並んだカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）である。一部の実施形態では、ＣＮＴアレイは、アルミニウム、銅、もしくは鋼で形成された、またはアルミニウム、銅、もしくは鋼、またはそれらの合金を含む金属基板上に成長させる。別の実施形態では、ＣＮＴアレイは、黒鉛などの、可撓性の電気および熱が伝導性の基板上に形成される。さらに別の実施形態では、ＣＮＴアレイは、可撓性セラミックなどの電気絶縁性基板上に成長させる。一実施形態では、ＣＮＴアレイのための不活性支持体は、アルミ箔などの１片の金属箔である。ある場合には、金属箔のただ１つの表面（即ち、面）が、表面または基板／支持体に固着された垂直に並んだＣＮＴのアレイを含む。他の場合には、金属箔などの基板／支持体の両方の表面（即ち、面）が、表面に固着されて並べられたＣＮＴのコーティング付きアレイを含む。別の例として、ＣＮＴシートを１つまたは両方の面にコーティングすることができ、不活性支持体を必要としない。
【００１６】
ある特定の実施形態では、単一基板は、本明細書に記載されるように１つまたは複数の表面上に１つまたは複数のＣＮＴアレイを含む。他の実施形態では、２つまたはそれよりも多くのＣＮＴアレイが互いの上に積層され、ＣＮＴまたはその一部などの個々のアレイのナノ構造要素は、完全にまたは実質的に互いに噛み合っており；本明細書で使用される「実質的に」は、個々のアレイのナノ構造要素（即ち、ＣＮＴ）同士での少なくとも９５％、９６％、９７％、９８％、または９９％の噛み合いを指す。一部の実施形態では、噛み合いの程度が、約０．１％から９９％の範囲であり、または少なくとも約１％、５％、１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、または９５％である。ある特定の他の実施形態では、２つのＣＮＴアレイが個々のアレイのナノ構造要素（即ち、ＣＮＴ）の先端のみで噛み合っていてもよい。個々のアレイのナノ構造要素が隣接して積層されるときに噛み合っている、２つまたはそれよりも多くの個々のＣＮＴアレイを積層することにより、多層化または重層化構造を形成することが可能である。
【００１７】
ある特定の実施形態では、アレイのＣＮＴなどの１つまたは複数の個々のナノ構造要素は、隣接するＣＮＴアレイが積層プロセス中に接触するようになるときに、別の要素を通り抜けて（ｎａｖｉｇａｔｅ）もよい。
【００１８】
一部の実施形態では、アレイのＣＮＴなどの個々のナノ構造要素が噛み合い、管束、塊、列などであるがこれらに限定されない超構造（ｓｕｐｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）などのより大きい構造に形成されてもよい。そのような超構造は、毛細管クランピングなどのメカニズムを通して、または積層プロセスの前、最中、もしくは後にポリマーコーティングがＣＮＴアレイに付与されたときに、形成されてもよい。
【００１９】
ある特定の実施形態では、ＣＮＴアレイの積層によって形成された隣接する階層は、単純なドライ接点を介して、内部に存在するナノ構造同士の絡み合い、摩擦、または弱い引力を使用して形成され、その結果、得られる噛み合い構造が一緒に保たれるようになる。
【００２０】
ある特定の他の実施形態では、基板上のＣＮＴアレイは、単独でまたはそれから得られる多層化積層体の一部として、噛み合いアレイを一緒に保持するために、積層構造内で固化するポリマー、ワックス、液体金属、またはその他の適切な材料で、任意選択で浸潤または裏込めされてもよい。
【００２１】
一部の実施形態では、ポリマー、ワックス、液体金属、またはその他の適切な材料は、改善された接触面積、散乱の低減、またはその他の関連あるメカニズムから、形成された多数の層または階層間の輸送抵抗を低減させることができる。さらに他の実施形態では、アレイの積層によって形成された階層を、接着剤または相変化材料の使用によって結合してもよい。
【００２２】
ＣＮＴアレイ、およびＣＮＴアレイなどの積層によって形成された多層化または重層化構造は、高い熱伝導および機械的耐久性の両方を示す。本明細書に記載されるＣＮＴアレイの積層によって形成される多層化または重層化構造を、サーマルインターフェースマテリアル（ＴＩＭ）として使用することができる。したがってそのような材料は、反復サイクルを必要とする適用例に非常に適している。例えば、チップなどの電気部品の「焼付け」試験中に、サーマルインターフェースマテリアルとして用いることができる。一部の実施形態では、不活性支持体／基板が、従来の金属ヒートシンクまたはスプレッダの表面である。次いでこの機能化されたヒートシンクまたはスプレッダを、集積回路パッケージなどの熱源に隣接させまたは接着してもよい。そのようなＴＩＭ材料は、熱源からヒートシンクまたはスプレッダへの熱の移動が改善されるよう、集積回路パッケージとフィン付き熱交換器との間などの、熱源とヒートシンクまたはヒートスプレッダとの間に配置または固定させることもできる。
【００２３】
本明細書に記載されるＣＮＴアレイおよびそのようなＣＮＴアレイを積層することによって形成された多層化もしくは重層化構造は、パーソナルコンピュータ、サーバコンピュータ、メモリモジュール、グラフィックチップ、レーダおよび無線周波数（ＲＦ）デバイス、ディスクドライブ、発光ダイオード（ＬＥＤ）ディスプレイを含むディスプレイ、照明システム、自動車制御ユニット、パワーエレクトロニクス、太陽電池、バッテリ、携帯電話などの通信設備、熱電発生器、およびＭＲＩを含む撮像設備において、サーマルインターフェースマテリアル（ＴＩＭ）として使用することができる。
【００２４】
ある特定の実施形態では、単層ＣＮＴアレイ、またはＣＮＴアレイの積層によって形成された多層化もしくは重層化構造は、そのようなＴＩＭを衛星または宇宙船／システムで使用することができる航空宇宙の適用例など、低接触圧および／または低周囲圧の適用例においてＴＩＭとして有用である。ある特定の実施形態では、ＣＮＴアレイの積層によって形成された多層化または重層化構造は、周囲よりも低い温度、凍結よりも低い温度、または極低温（宇宙で経験するような）で有用である。
【００２５】
本明細書に記載されるＣＮＴアレイと、そのようなＣＮＴを積層することによって形成された多層化または重層化構造は、熱移動以外の適用例で使用することができる。例には、マイクロエレクトロニクス、スルーウエハ垂直相互接続アセンブリ、ならびにバッテリおよびキャパシタ用の電極が含まれるが、これらに限定するものではない。現在、銅およびアルミ箔を、リチウムイオンバッテリ内のアノードおよびカソードの裏当て材料として使用している。ＣＮＴアレイ、およびそのようなＣＮＴアレイを積層することによって形成される多層化または重層化構造は、電磁遮蔽に使用することもできると考えられる。
【００２６】
ＣＮＴアレイ、およびそれから形成された多層化または重層化構造は：
（１）基板を、熱または電気ユニットヘッドに直接取着して、ヘッドの領域を完全に覆うか、または被試験デバイスのサイズを一致させるステップと；
（２）取着された基板を持つ熱または電気ユニットヘッドと、被試験デバイスとを、少なくとも１０ｐｓｉの圧力および１５０℃未満の係合温度で係合させるステップと；
（３）係合を、少なくとも１０ｐｓｉの圧力下で少なくとも５分間保持するか、または係合を少なくとも１から５回のサイクルで繰り返すステップであって、各係合中に、被試験デバイスの出力を上昇させ、熱または電気ユニットヘッドを加熱して、少なくとも５０℃の温度に到達するまでデバイスの出力上昇をシミュレートするステップと；
（４）少なくとも１，５００サイクルの出力上昇の間、熱または電気ヘッドおよび基板と被試験デバイスとの係合を解除し、そして再度係合させるステップと；
（５）サイクル後に、熱抵抗および／または相対熱抵抗を決定するよう被試験デバイスを試験するステップ
を含む方法におけるような、熱管理法で使用されるＴＩＭとして有用である。
【００２７】
焼付けまたはその他の適用例にＴＩＭとして使用される、ＣＮＴアレイおよびそれから形成された多層化または重層化構造は、適切なキットに入れて提供してもよい。
【００２８】
本発明は、例えば、以下の項目を提供する。
（項目１）
被試験デバイスと、接着表面を有する熱伝導性および／または導電性の機械的にコンプライアントな基板との接触を行うための方法であって、
前記基板を、熱または電気ユニットヘッドに直接取着するステップであって、前記ヘッドの領域を完全に覆うか、または前記被試験デバイスのサイズを一致させるステップと、
取着された基板を持つ前記熱または電気ユニットヘッドと、前記被試験デバイスとを、少なくとも１０ｐｓｉの圧力および１５０℃未満の係合温度で係合させるステップと、
前記係合を、少なくとも１０ｐｓｉの圧力下で少なくとも５分間保持するか、または前記係合を少なくとも１から５回のサイクルで繰り返すステップであって、各係合中に、前記被試験デバイスの出力を上昇させ、かつ前記熱または電気ユニットヘッドを加熱して、少なくとも５０℃の温度に到達するまでデバイスの出力上昇をシミュレートする、ステップと、
少なくとも１，５００サイクルの出力上昇の間、前記熱または電気ヘッドおよび基板と前記被試験デバイスとの係合を解除し、そして再度係合させるステップと、
サイクル後に、熱抵抗および／または相対熱抵抗を決定するよう前記被試験デバイスを試験するステップ
を含む方法。
（項目２）
前記基板を除去することなく、または前記被試験デバイスから砕片または痕跡を取り除く必要なく、１０，０００から１００，０００回の係合サイクルが行われる、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記被試験デバイスが、約−５５℃から１４０℃の間の温度で試験される、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目４）
前記基板の表面が、前記ユニットヘッドと前記被試験デバイスとの間の機械的粘着を防止するように処理または改変される、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目５）
前記基板が、同時に同じ基板上の１から１０個のダイと接触するために使用され、前記１から１０個のダイが、異なる高さ、形状、および／またはサイズにできる、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目６）
前記基板が、前記被試験デバイスに取着され、前記熱または電気ユニットヘッドには取着されない、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目７）
前記基板が、前記被試験デバイスに取着され、前記熱または電気ユニットヘッドには取着されず、前記基板が、さらなる試験または販売用のパッケージングのためのその次の形態に前記デバイスと共にパッケージングされるように、試験ステップの終了後も前記被試験デバイスに取着されたままである、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目８）
前記基板が、前記試験ステップの後で決定される、０．０５から１．５ｃｍ２Ｋ／Ｗの間の熱抵抗を加える、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目９）
前記基板が、前記被試験デバイス上の局所ホットスポットから熱を拡げるために、１００から１，７００Ｗ／ｍＫの間にある面内熱伝導度を有する、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１０）
前記基板が、低い熱質量と、１、２、３、４、５、６、７、または８Ｗ／ｍＫよりも大きい平面を通る熱伝導度とを有し、
前記被試験デバイスを試験するために必要な時間は最小限に抑えられ、即ち、５分未満、３分未満、１分未満、３０秒未満である、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１１）
前記基板が、前記試験ステップに対し１ｃｍ２当たり０．００１から１０オームの間で加える、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１２）
前記基板が、自動試験装置（ＡＴＥ）ピックアンドプレースハンドラ、焼付け炉、またはその他のそのような試験装置に対して台座または前記熱もしくは電気ユニットヘッドを設置する前に、前記台座にまたは熱もしくは電気ユニットヘッドに付与される、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１３）
前記基板が、電気接続の特徴付けのために電気接続ピンのアレイを短絡するのに使用される、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１４）
前記基板が、５ミクロン未満の圧縮永久歪みを有する、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１５）
前記基板が、１００ｐｓｉ未満の印加圧力で、その当初の厚さの少なくとも５％に圧縮することができる、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１６）
前記基板が、引裂きまたは剪断破壊なしで、その当初の厚さの５０％程度に圧縮することができる、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１７）
前記基板が、同じボード上にある異なるサイズ、形状、または高さを持つ１つまたは複数のダイまたはチップとの表面接触を維持しながら、前記基板の異なる領域で異なる量に圧縮することができる、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１８）
前記接着剤が、前記基板の表面層に埋め込まれた熱可塑性または感圧性接着剤であって、強力な機械的結合を維持しながら、前記基板と接触表面との間で５ミクロンよりも大きい接着剤の厚さを加えない、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１９）
前記熱ユニットが、自動試験装置（ＡＴＥ）ピックアンドプレースハンドラの一部であって、前記基板が、異なるデバイス形状または幾何形状のために台座またはデバイスキットの必要性に取って代わる、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目２０）
前記熱ユニットが、焼付け炉の一部であり、前記基板は、異なるデバイス形状または幾何形状のために台座またはデバイスキットの必要性に取って代わる、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目２１）
前記基板が、前記台座の１つまたは両方の面上で金属台座と組み合わせて使用される、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目２２）
前記機械的にコンプライアントな基板が、合わせ面を研磨するいかなる必要性も、工場ミル仕上げよりも大きい程度まで最小限にする、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目２３）
前記機械的にコンプライアントな基板が、各試験係合サイクルで挿入される液体または性能を高める液体と組み合わせて使用される液体の必要性に取って代わる、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目２４）
前記基板の厚さが約１０から１０，０００マイクロメートルの間である、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目２５）
前記基板が、約１００ミクロン未満の厚さであり、前記被試験デバイスとのヘッド接触中に印加された剪断力から引き裂かれないか、または劣化しない、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目２６）
前記基板が、前記デバイスまたはヘッドの中心から縁部への曲率が約５〜２００ミクロンの間であるときに、前記被試験デバイスと前記熱または電気ユニットヘッドとの間の隙間を満たすように変形することができる、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目２７）
前記基板が、金属または黒鉛の箔またはシートの１つまたは両方の面上に成長させた垂直に並んだカーボンナノチューブアレイである、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目２８）
前記基板が、金属または黒鉛の箔またはシートの１つまたは両方の面上に成長させた垂直に並んだカーボンナノチューブアレイの多層積層体であり、
層の数が１から２０の間である、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目２９）
前記基板が、可撓性ガラスまたはセラミックまたは誘電性の箔もしくはシート、あるいは電気絶縁をもたらす誘電体層でコーティングされた金属箔である、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目３０）
前記基板が、前記基板に固着された触媒を使用して形成された垂直に並んだカーボンナノチューブアレイである、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目３１）
前記基板が、精密に切断されて前記被試験デバイスの寸法にされるか、または前記熱もしくは電気ユニットヘッドの寸法にされ、１個または複数のセンサ、１個または複数の取付けアライメントピン、１個または複数の減圧チャッキング、またはこれらの組合せに対して前記基板内を貫通させる、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目３２）
前記基板が、台座または前記熱もしくは電気ユニットヘッドに付与されたとき、いかなる残渣もまたは実質的にいかなる残渣も残さずに、前記台座、熱または電気ユニットヘッドから除去することができる、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目３３）
前記基板が、熱可塑性接着剤の共形コーティングの使用を通して、熱源またはヒートシンクのいずれかに永続的にまたは半永続的に取着され、前記熱可塑性接着剤の付加は、前記基板の熱抵抗を、接着剤のない基板に比べて増加させない、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目３４）
前記接着剤が、残渣を全く残さないか、または最小限の残渣を残す、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目３５）
前記基板が、耐久性ある低圧縮永久歪みのポリマーを浸潤させたカーボンナノチューブアレイであって、前記ポリマーコーティングが、ＣＮＴの先端と同一平面にあるか、または１０００ｎｍ以下の過剰なポリマーを前記ＣＮＴの先端の上方に有する、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目３６）
前記ポリマーが、前記被試験デバイスに残渣を流さず、濡らさず、蒸発させず、またはその他の手法で移さないか、あるいは実質的に流さず、濡らさず、蒸発させず、またはその他の手法で移さない、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目３７）
前記ポリマーが、高い電気抵抗率で高い誘電強度を有する、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目３８）
前記ＣＮＴの先端が、結合されることが意図される表面と電気接続を行うように利用可能なままである、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目３９）
前記接着剤が、前記被試験デバイスまたは熱／電気接続ヘッドとの基板界面に熱または電気抵抗を加えない、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目４０）
前記接着剤が、貼って剥がせる接着剤および／または熱により活性化される接着剤である、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目４１）
前記デバイスが、前記基板を除去することなく、または前記被試験デバイスから砕片または痕跡を取り除く必要なく試験される、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目４２）
前記基板が、コーティングされたＣＮＴアレイサーマルインターフェースマテリアル（ＴＩＭ）である、前記項目のいずれか一項に記載の方法。
（開示の要約）
【００２９】
単層ＣＮＴ複合体、および垂直に並んだカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）アレイを積層することによってそれから形成された多層化または重層化構造と、それを作製および使用する方法とが、本明細書に記載される。そのような多層化または重層化構造は、焼付け試験などの様々な適用例に関するサーマルインターフェースマテリアル（ＴＩＭ）として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、減圧チャンバ内のサーマルインターフェースマテリアル試験装置の、非限定的な概略図である。
【００３１】
【図２】図２は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）アレイの積層によって形成された多層化／重層化構造の、非限定的な概略図である。
【００３２】
【図３】図３は、２回の試験サイクルでの、アルミニウム（Ａｌ）基板上の３種のＴＩＭの乾燥積層体についての熱移動係数を示すグラフである。
【００３３】
【図４】図４は、２回の試験サイクルでの、アルミニウム（Ａｌ）基板上の３種のＴＩＭの、ワックス結合された積層体に関する熱移動係数を示すグラフである。
【００３４】
【図５】図５Ａおよび５Ｂは、ＣＮＴの毛細管クランピングを示す、走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）画像を示す図である。図５Ａは、手作業で付与されたパラフィンワックスコートを示し、図５Ｂは、粉末コーティングされた合成ワックスを示す。
【００３５】
【図６Ａ】図６Ａ、６Ｂ、および６Ｃは、非限定的な焼付けシステムの詳細図を示す。図６Ａは、上部バーが下部バーと係合し、下部バーはカートリッジヒータを使用して加熱され、上部バーは冷水で能動的に冷却され、熱電対がバーに沿って配置された温度をモニタするシステムを示す。図６Ｂおよび６Ｃは、下部および上部焼付けシステムバーの詳細側面図を示す。
【図６Ｂ】図６Ａ、６Ｂ、および６Ｃは、非限定的な焼付けシステムの詳細図を示す。図６Ａは、上部バーが下部バーと係合し、下部バーはカートリッジヒータを使用して加熱され、上部バーは冷水で能動的に冷却され、熱電対がバーに沿って配置された温度をモニタするシステムを示す。図６Ｂおよび６Ｃは、下部および上部焼付けシステムバーの詳細側面図を示す。
【図６Ｃ】図６Ａ、６Ｂ、および６Ｃは、非限定的な焼付けシステムの詳細図を示す。図６Ａは、上部バーが下部バーと係合し、下部バーはカートリッジヒータを使用して加熱され、上部バーは冷水で能動的に冷却され、熱電対がバーに沿って配置された温度をモニタするシステムを示す。図６Ｂおよび６Ｃは、下部および上部焼付けシステムバーの詳細側面図を示す。
【００３６】
【図７】図７は、ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体と市販のＴＩＭ生成物との、５０ｐｓｉでの比較を示すグラフである。
【００３７】
【図８】図８は、ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体と市販のＴＩＭ生成物との、１００ｐｓｉでの比較を示すグラフである。
【００３８】
【図９】図９は、焼付けシステムにおける多数回のサイクルでの、ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体対市販のＴＩＭ生成物の相対抵抗を示すグラフである。
【００３９】
【図１０】図１０は、ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体の、３０ｐｓｉ、６０ｐｓｉ、および１００ｐｓｉでの熱抵抗対印加圧力を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
Ｉ．  定義
本明細書で使用される「サーマルインターフェースマテリアル」（ＴＩＭ）は、熱源から熱を効率的に伝導するように、熱源とヒートシンクまたはスプレッダとの間に高い熱伝導および機械的コンプライアンスを提供する、材料または材料の組合せを指す。
【００４１】
本明細書で使用される「コンプライアント（compliant）」または「コンプライアンス（compliance）」は、隣接面の凹凸に対する効率的な順応が、表面と材料との間の界面で十分なまたは高い接触面積をもたらすように、１つまたは複数の表面に接触したときに順応する材料の能力を指す。
【００４２】
本明細書で使用される「噛み合い（interdigitation）」または「噛み合う（interdigitating）」は、２つの異なるアレイまたはシートが接触または積層されたときに、アレイまたはシートの１つまたは複数の個々のナノ構造要素が別のアレイまたはシートの隣接するナノ構造要素内に浸潤または浸透する、能力および／または程度を指す。
【００４３】
本明細書で使用される「カーボンナノチューブアレイ」または「ＣＮＴアレイ」または「ＣＮＴフォレスト」は、材料の表面に垂直に並んだ複数のカーボンナノチューブを指す。カーボンナノチューブは、それらが表面で支持または取着される表面と実質的に垂直であるときに、「垂直に並んだ」と言える。ナノチューブは、それらが表面法線に対して平均して３０、２５、２０、１５、１０、または５度以内で配向したときに、実質的に垂直であると言える。
【００４４】
本明細書で使用される「カーボンナノチューブシート」または「ＣＮＴシート」は、自立型シートが創出されるように平面内に並べられた複数のカーボンナノチューブを指す。カーボンナノチューブは、それらが形成されるシートの表面に実質的に平行であるとき、「平面内に並べられた」と言える。ナノチューブは、それらがシート表面法線から平均して４０、５０、６０、７０、８０、または８５度よりも大きく配向したときに、実質的に平行と言える。
【００４５】
本明細書で使用される「コーティング材料」は、一般に、ファンデルワールス結合、π−πスタッキング、機械的ラッピング、および／または共有結合によってＣＮＴに、ならびにファンデルワールス結合、π−πスタッキング、および／または共有結合によって金属、金属酸化物、または半導体材料表面に結合することができる、ポリマーおよび／または分子を指す。
【００４６】
本出願で開示される数値範囲には、温度の範囲、圧力の範囲、分子量の範囲、整数の範囲、伝導および抵抗値の範囲、時間の範囲、および厚さの範囲が含まれるがこれらに限定するものではない。開示される任意のタイプの範囲は、そのような範囲が妥当に包含することができると考えられるそれぞれ可能な数値を個々に開示し、同様に、そこに包含される部分範囲および部分範囲の組合せを開示する。例えば圧力範囲の開示は、本明細書の開示と矛盾することなくそのような範囲が包含することができると考えられる、全ての可能性ある圧力値を個々に開示するものとする。
ＩＩ．コーティングされたカーボンナノチューブアレイまたはシート
Ａ．カーボンナノチューブアレイ
【００４７】
本明細書に記載されるカーボンナノチューブアレイは、金属性（例えば、ＡｌまたはＡｕ）箔、金属合金（即ち、鋼）などの不活性基板／支持体の表面に支持されまたは取着された、複数のカーボンナノチューブを含む。一部の実施形態では、基板／支持体は、黒鉛またはその他の炭素ベースの材料など、可撓性の電気および熱伝導性の基板とすることができる。さらに他の実施形態では、基板／支持体は、可撓性セラミックなどの電気絶縁基板とすることができる。ＣＮＴアレイは、以下に記述される方法を使用して形成することができる。ＣＮＴは、基板／支持体上に垂直に並べられる。ＣＮＴは、それらが支持されまたは取着される表面と実質的に垂直であるときに、「垂直に並べられる」と言える。ナノチューブは、表面法線から平均して３０、２５、２０、１５、１０、または５度以内で配向したときに、実質的に垂直であると言える。
【００４８】
一般にナノチューブは、ナノチューブが自立しかつ多層基板の表面に実質的に垂直である配向を採るように、十分な密度で存在する。好ましくはナノチューブは、熱移動損失が最小限であり、それによって総合的な熱拡散率が最大限になるように、互いに最適な距離で間隔を空けて配置されかつ均一な高さのものである。
【００４９】
ＣＮＴアレイは、アレイの上部（即ち、多層基板上に垂直に並んだときにカーボンナノチューブの遠位端により形成された表面）からアレイの底部（即ち、多層基板の表面）まで連続するナノチューブを含む。アレイは、約４から約１０の間の壁を有するナノチューブを一般に指す、多壁カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）から形成されてもよい。アレイは、約１〜３の壁を含むナノチューブを一般に指す、数壁ナノチューブ（ＦＷＮＴ）から形成されてもよい。ＦＷＮＴは、単壁カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）、２壁カーボンナノチューブ（ＤＷＮＴ）、および３壁カーボンナノチューブ（ＴＷＮＴ）を含む。ある特定の実施形態では、ナノチューブがＭＷＮＴである。一部の実施形態では、アレイ内のＭＷＮＴの直径が１０から４０ｎｍに及び、より好ましくは１５から３０ｎｍ、最も好ましくは約２０ｎｍである。アレイ内のＣＮＴの長さは、１から５，０００マイクロメートル、好ましくは５から５０００マイクロメートル、好ましくは５から２５００マイクロメートル、より好ましくは５から２０００マイクロメートル、より好ましくは５から１０００マイクロメートルに及ぶことができる。一部の実施形態では、アレイ内のＣＮＴの長さは、１〜５００マイクロメートル、さらにより好ましくは１〜１００マイクロメートルに及ぶことができる。
【００５０】
ＣＮＴは、多層基板に対する強力な接着を示す。ある特定の実施形態では、ＣＮＴアレイまたはシートは、エタノールなどの溶媒に浸漬され、かつ少なくとも５分間にわたり超音波処理された後、実質的に無傷のままである。特定の実施形態では、ＣＮＴの少なくとも約９０％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、または９９．９％が、エタノール中での超音波処理後に表面に残存する。
Ｂ．カーボンナノチューブシート
【００５１】
本明細書ではカーボンナノチューブシートについても記述する。シートは、自立型材料が形成されるように、強力なファンデルワールス力の相互作用および機械的絡み合いを通して互いに支持する複数のカーボンナノチューブを含む。ＣＮＴシートは、以下に記載される方法を使用して形成することができる。ＣＮＴは、自立型シートを形成し、このシートの表面に対して面内に並べられる。ＣＮＴは、それらが形成するシートの表面に実質的に平行であるときに、「面内に並べられる」と言える。ナノチューブは、シート表面法線から平均して４０、５０、６０、７０、８０、または８５度よりも大きく配向したときに、実質的に平行であると言える。
【００５２】
一般にナノチューブは、ナノチューブが自立しかつシートの表面に対して実質的に平行な配向を採るように、十分な密度で存在する。好ましくはナノチューブは、熱移動損失が最小限に抑えられそれによって総合的な熱拡散率が最大限になるように、互いに最適な距離で間隔を空けて配置されかつ均一な長さのものである。
【００５３】
ＣＮＴシートは、約４から約１０の間の壁を有するナノチューブを一般に指す、多壁カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）から形成されてもよい。シートは、約１〜３の壁を含むナノチューブを一般に指す、数壁ナノチューブ（ＦＷＮＴ）から形成されてもよい。ＦＷＮＴは、単壁カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）、２壁カーボンナノチューブ（ＤＷＮＴ）、および３壁カーボンナノチューブ（ＴＷＮＴ）を含む。ある特定の実施形態では、ナノチューブがＭＷＮＴである。一部の実施形態では、アレイ内のＭＷＮＴの直径が１０から４０ｎｍに及び、より好ましくは１５から３０ｎｍ、最も好ましくは約２０ｎｍである。シート内のＣＮＴの長さは、１から５，０００マイクロメートル、好ましくは１００から５０００マイクロメートル、好ましくは５００から５０００マイクロメートル、より好ましくは１０００から５０００マイクロメートルに及ぶことができる。一部の実施形態では、シート内のＣＮＴの長さは、１〜５００マイクロメートル、さらにより好ましくは１〜１００マイクロメートルに及ぶことができる。
Ｃ．コーティング（単数または複数）／コーティング材料
【００５４】
ＣＮＴアレイまたはシートは、ＣＮＴに接着または結合されるコーティングまたはコーティング材料（これらの用語は同義に使用することができる）を含むことができる。コーティング／コーティング材料は、以下に記載されるように付与することができる。一部の実施形態では、コーティングは、１種または複数のオリゴマー材料、ポリマー材料、ワックス（ポリエチレンワックスなど）、またはこれらの組合せを含む。ポリマー材料の硬さ、熱安定性、および剪断強さは、焼付けの適用例の間に、改善された耐久性および性能を提供するように選択することができる。一部の実施形態では、コーティングまたはコーティング材料は、耐久性を最大限にし、かつ界面接触面積を改善する、ポリマーベースのカプセル封入材である。
【００５５】
他の実施形態では、コーティングは、１種または複数の非ポリマー材料を含む。一部の実施形態では、コーティングは、オリゴマー、ワックス（ポリエチレンワックスなど）、および／またはポリマー材料および非ポリマー材料の混合物を含むことができる。ポリマー材料の硬さ、熱安定性、および剪断強さは、焼付けの適用例の間に、改善された耐久性および性能を提供するように選択することができる。
【００５６】
ある特定の実施形態では、コーティング材料（単数または複数）は、積層されたアレイまたはシートのカーボンナノチューブを例えば化学的に結合することができる、結合剤（単数または複数）として働く。限定するものではないが、結合剤（単数または複数）として働くことができるようなコーティング材料（単数または複数）は、接着剤（即ち、アクリレート接着剤）および相変化材料（即ち、１種または複数のワックス）から選択することができる。
【００５７】
一部の実施形態では、アレイのＣＮＴに接着または結合するコーティングは、２つまたはそれよりも多くのＣＮＴアレイまたはシートが積層される前に付与され、一方、他の実施形態では、アレイのＣＮＴに接着または結合するコーティングは、２つまたはそれよりも多くのＣＮＴアレイまたはシートが積層された後に付与される。さらに他の実施形態では、コーティングは、積層ＣＮＴアレイまたはシートで形成された多層化または重層化構造に浸潤または裏込まれ、構造を形成するアレイのＣＮＴに接着または結合される。本明細書で使用される「浸潤」または「浸潤された」は、多層化または重層化構造が形成されるように積層されたアレイまたはシートのカーボンナノチューブの少なくともいくらかを通して浸透した、コーティング材料（単数または複数）を指す。一部の実施形態では、浸潤の程度が０．１〜９９．９％の範囲にある。一部の実施形態では、浸潤したコーティング材料は、カーボンナノチューブ間の間隙空間を少なくとも部分的に満たし、一方、一部の他の実施形態では、浸潤したコーティングはカーボンナノチューブの表面の少なくとも一部をコーティングし、またはこれらの両方である。一部の実施形態では、浸潤したコーティング材料は、ＣＮＴアレイまたはシートの積層によって形成された構造の階層または層内に存在するカーボンナノチューブ間の間隙空間の全てまたは実質的に全て（即ち、少なくとも約９５％、９６％、９７％、９８％、または９９％）を満たす。
【００５８】
様々な材料は、積層前、積層中、または積層後に、ＣＮＴアレイまたはシート上にコーティングすることができる。特定の実施形態では、コーティングは、本明細書に定義される複数の層または階層を有する構造のアレイまたはシートのＣＮＴの熱抵抗の低下を引き起こすことができる。
【００５９】
記載されるコーティングまたはコーティング材料は、基板上に形成されたアレイのＣＮＴおよび／またはその多層化積層体の、先端および／または側壁をコーティングするように、共形的にかつ均一に付与することができる。本明細書で使用される「共形的に」は、基板に取着された垂直に並んだＣＮＴまたはその多層化積層体の、先端および／または側壁にピンホールがないか、またはピンホールが実質的にない（即ち、１０％、９％、８％、７％、６％、５％、４％、３％、２％、１％未満のピンホールを有する）均一なコーティングを指す。共形コーティングは、約３０ｎｍ、２５ｎｍ、２０ｎｍ、１５ｎｍ、１０ｎｍ、９ｎｍ、８ｎｍ、７ｎｍ、６ｎｍ、５ｎｍ、４ｎｍ、３ｎｍ、２ｎｍ、または１ｎｍ未満であってもよい。共形コーティングは、約１ｎｍから３０ｎｍの間の厚さを有していてもよい。ある特定の実施形態では、共形コーティングは、熱管理のため、および焼付けの適用例のために、ＣＮＴアレイをヒートシンクなどの基板に接着させる接着剤（以下のより詳細な考察参照）である。
【００６０】
コーティングは、例えば溶媒、熱、または供給源に加えるのが容易ないくつかのその他のものを使用して、界面が組み立てられるときにリフロー可能であることも望ましい。コーティングとして使用されるポリマーは、少なくとも１３０℃までは熱的に安定でなければならない。一部の実施形態では、コーティングは、界面の「再加工」を可能にするために、熱または溶媒への溶解などによって容易に除去可能である。本明細書で使用される「再加工」は、溶媒または熱を加えることによる界面の破壊（即ち、コーティングの除去）を指す。
１．ポリマーコーティング材料
【００６１】
一部の実施形態では、コーティングは、１種または複数のポリマー材料であり、またはこれらの材料を含む。ポリマーコーティングは、芳香族、複素環式芳香族、もしくは非芳香族ポリマーなどの共役ポリマー、または非共役ポリマーを含むことができる。
【００６２】
適切な種類の共役ポリマーには、ポリチオフェン（アルキル置換ポリチオフェンを含む）、ポリスチレン、ポリピロール、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリフルオレン、ポリフェニレン、ポリピレン、ポリアズレン、ポリナフタレン、ポリカルバゾール、ポリインドール、ポリアゼピン、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）、ポリ（ｐ−フェニルスルフィド）、およびポリ（ｐ−フェニレンビニレン）を含むがこれらに限定されない、多環式芳香族および多複素環式芳香族が含まれる。適切な非芳香族共役ポリマーには、ポリアセチレンおよびポリジアセチレンが含まれるがこれらに限定するものではない。上記列挙されたポリマーの種類には置換ポリマーが含まれ、ポリマー主鎖は、アルキル基などの１個または複数の官能基で置換されている。一部の実施形態では、ポリマーはポリスチレン（ＰＳ）である。他の実施形態では、ポリマーはポリ（３−ヘキシチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）である。他の実施形態では、ポリマーは、ポリ（３，４−３エチレン（thylene）ジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）またはポリ（３，４−３エチレンジオキシチオフェン）ポリ（スチレンスルホネート）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）である。
【００６３】
他の実施形態では、ポリマーは非共役ポリマーである。適切な非共役には、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリウレタン、シリコーン、アクリル、およびこれらの組合せ（ブレンド）が含まれるがこれらに限定するものではない。
【００６４】
他の実施形態では、ポリマーはパラフィンワックスである。他の実施形態では、ポリマーは、Ｆｉｓｃｈｅｒ−Ｔｒｏｐｓｃｈワックスまたはポリエチレンワックスなどの合成ワックスである。他の実施形態では、ポリマーは、８０、９０、１００、１１０、または１２０℃よりも高い、好ましくは１３０℃よりも高い融解温度を有するワックスである。
【００６５】
ワックス（ポリエチレンワックスなど）を含むポリマー材料は、１，０００ダルトンから１，０００，０００ダルトン、１，０００ダルトンから５００，０００ダルトン、１，０００ダルトンから２５０，０００ダルトン、１，０００ダルトンから１００，０００ダルトン、１，０００ダルトンから７５，０００ダルトン、１，０００ダルトンから５０，０００ダルトン、１，０００ダルトンから２５，０００ダルトン、または１，０００ダルトンから１０，０００ダルトンなどであるがこれらに限定されない任意の適切な重量平均分子量を有していてもよい。一部の実施形態では、重量平均分子量の任意の組合せを有する、異なるポリマー材料の組合せを使用して、基板上のアレイのＣＮＴまたはそれから形成された積層体の先端および／または側壁がコーティングされるように浸潤かつ／または共形的に付与してもよい。好ましい実施形態では、高いおよび低い重量平均分子量のポリマーの組合せを使用して、最適な硬さ、熱安定性、および剪断強さを提供することにより、本明細書に記載されるＣＮＴアレイから形成されるＴＩＭの焼付け中に、改善された耐久性および性能を提供してもよい。
【００６６】
さらに他の実施形態では、ポリマーは、改善された表面接着が得られるように、ワックス、粘着付与剤、およびポリマーベースを組み合わせた高温のグルーまたはホットメルト接着剤である。他の実施形態では、ポリマーは感圧性接着剤である。
Ｄ．他のコーティング材料
１．金属ナノ粒子
【００６７】
ＣＮＴアレイまたはシートは、１種または複数の金属ナノ粒子でさらにコーティングすることができる。１種または複数の金属ナノ粒子は、ＣＮＴの遠位端および／または側壁に吸着されてＣＮＴの遠位端および／または側壁を表面に結合し、ＣＮＴアレイもしくはシートと表面との間の熱抵抗を低減させ、またはこれらの組合せであってもよい。金属ナノ粒子は、当技術分野で公知の様々な方法を使用して、ＣＮＴアレイまたはシートに付与することができる。
【００６８】
適切な金属ナノ粒子の例には、パラジウム、金、銀、チタン、鉄、ニッケル、銅、およびこれらの組合せが含まれる。
２．流動性または相変化材料
【００６９】
ある特定の実施形態では、積層前、積層中、または積層後に、流動性または相変化材料をＣＮＴアレイまたはシートに付与する。流動性または相変化材料をＣＮＴアレイまたはシートに添加して、ＣＮＴ間の空気を置き換え、ＣＮＴの遠位端および／または側壁と表面との間の接触を改善し、その結果、アレイまたはシートの熱抵抗、およびアレイまたはシートと表面との接触を低減させ、あるいはこれらの組合せがなされてもよい。流動性または相変化材料は、当技術分野で公知の様々な方法を使用して、ＣＮＴアレイに付与することができる。
【００７０】
適切な流動性または相変化材料の例には、パラフィンワックス、ポリエチレンワックス、概して炭化水素ベースのワックス、およびこれらのブレンドが含まれる。ワックスでもポリマーでもない適切な流動性または相変化材料の他の例には、液体金属、油、有機−無機および無機−無機共晶物、およびこれらのブレンドが含まれる。一部の実施形態では、コーティング材料、例えば非ポリマーコーティング材料、および流動性または相変化材料は、同じ１種または複数の材料である。
ＩＩＩ．多層化または重層化構造
【００７１】
上述の基板の１つまたは両方の表面上にアレイを有する単層ＣＮＴアレイまたはシートは、多層化または重層化構造を提供するための以下に記載される方法に従い積層することができる。３層化／階層化構造の非限定的な例を、図２（右側）の概略図に示す。層または階層は、２つのＣＮＴアレイまたはシートのカーボンナノチューブを接触／積層することによって形成され、これらは少なくとも部分的に噛み合っており、かつ任意選択で、本明細書に記載される適切なコーティング材料でコーティングされていてもよい。
【００７２】
一部の実施形態では、多層化または重層化構造は、コーティング、金属ナノ粒子のコーティング、および／または流動性もしくは相変化材料のコーティングを、アレイのＣＮＴなどのナノ構造要素上にさらに含むことができる。
【００７３】
少なくとも２つのＣＮＴアレイまたはシートを積層して、多層化または重層化構造を形成することができる。例えば図２は、３つのＣＮＴアレイの積層を示す（右側）。より多くのＣＮＴアレイを使用することにより、多層化または重層化構造の厚さを必要に応じて増大させることができる。一部の実施形態では、最大で５、１０、１５、２０、２５、３０、またはそれよりも多くのＣＮＴアレイまたはシートを、上述の方法に従い積層することができる。積層により形成された、結果的に得られた多層化または重層化構造の厚さは、１〜１０，０００ミクロンまたはそれよりも厚い範囲にすることができる。一部の実施形態では、積層により形成された、結果的に得られた多層化または重層化構造の厚さは、１〜３，０００マイクロメートル、さらにより好ましくは７０〜３，０００マイクロメートルにすることができる。一部の実施形態では、層の数および／または厚さは、積層プロセスで使用されるアレイ上に形成されたＣＮＴフォレストの厚さをベースにする。
【００７４】
非限定的な実施形態では、支持体／基板上に形成された少なくとも２つの垂直に並んだアレイまたはシートを、アレイのＣＮＴなどのナノ構造要素が接触により少なくとも部分的に噛み合うように、積層／接触させる。一実施形態では、アレイのナノ構造要素の完全な噛み合いは、積層されたときに互いの中に生じる。他の実施形態では、アレイは、ＣＮＴなどのナノ構造要素の先端でのみ噛み合ってもよい。さらに他の実施形態では、個々のナノ構造は、噛み合いプロセス中に隣接するアレイのナノ構造内を通り抜けることができ、ＣＮＴなどの個々のアレイのナノ構造要素またはそのいくらかの部分は、互いの内部で完全にまたは実質的に噛み合い；本明細書で使用される「実質的に」は、個々のアレイのナノ構造要素の少なくとも９５％、９６％、９７％、９８％、または９９％の噛み合いを指す。一部の実施形態では、噛み合いの程度は、約０．１％から９９％の範囲、または少なくとも約１％、５％、１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、もしくは９５％である。
【００７５】
一部の実施形態では、少なくとも部分的に噛み合う積層アレイのナノ構造は、管束、塊、または列などであるがこれらに限定されない、より大きい超構造に形成されてもよい。これらの超構造は、毛細管クランピングなどのメカニズムを通してまたは積層プロセスの前、最中、もしくは後のポリマーコーティングの付与を用いて、形成されてもよい。
【００７６】
一部の実施形態では、ポリマーコーティングおよび／または接着剤、あるいは上述のその他のコーティングを、後に積層されるＣＮＴアレイ（単数または複数）に付与する。そのような実施形態では、コーティングおよび／または接着剤、あるいは上述のその他のコーティングの厚さは、約１〜１０００ｎｍ、より好ましくは１〜５００ｎｍ、および最も好ましくは１〜１００ｎｍである。
【００７７】
上記に加え、多層化または重層化構造内に存在するＣＮＴの好ましい変形機構により、ＣＮＴは隣接面の凹凸に効率的に順応でき、その結果、界面での高い接触面積が得られる。
Ａ．熱抵抗の低減
【００７８】
ＣＮＴアレイまたはシートと、本明細書に記載されるそのようなＣＮＴアレイを積層することによって形成された多層化または重層化構造は、低い熱抵抗を示す。熱抵抗は、光音響（ＰＡ）法などの当技術分野で公知の様々な技法を使用して測定することができる。
【００７９】
一実施形態では、ＣＮＴアレイまたはシートと、そのようなＣＮＴアレイまたはシートを積層することにより形成された多層化または重層化構造との熱抵抗は、例えば光音響法を使用して測定したときに、単一階層構造に比べて少なくとも約２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、またはそれよりも多く低減される。他の実施形態では、ＣＮＴアレイまたはシートと、そのようなＣＮＴアレイまたはシートを積層することにより形成された多層化または重層化構造は、約１０．０、９．０、８．０、７．０、６．０、５．０、４．５、４．０、３．５、３．０、２．５、２．０、１．５ｍｍ２Ｋ／Ｗ未満の熱抵抗を示す。一部の実施形態では、熱抵抗は約２、好ましくは約１ｍｍ２Ｋ／Ｗである。一部の実施形態では、ＣＮＴアレイまたはシートを積層することによって形成される多層化または重層化構造の熱抵抗値は、積層体を形成するのに使用される単一層アレイの値（単数または複数）に比べ、同じか、または実質的に変化せず；本明細書で使用される「実質的に」は、１０％、５％、４％、３％、２％、または１％未満の変化を指す。
【００８０】
一部の実施形態では、ＣＮＴアレイまたはシートと、そのようなＣＮＴアレイまたはシートを積層することにより形成された多層化または重層化構造は、約１〜１５００Ｗ／ｍ２Ｋ、または５〜５００Ｗ／ｍ２Ｋの範囲のコンダクタンス値を示す。
【００８１】
積層の前、最中、または後にＣＮＴアレイまたはシートにコーティングを付与して、そのようなＣＮＴアレイまたはシートを積層することにより形成された多層化または重層化構造を形成することは、接触面積を増大させ、かつＣＮＴフォレスト熱界面の熱抵抗を低減させるための有効な手段であることが示された。個々のＣＮＴ接触の周りにナノスケールのコーティングを含むことによって付加された結合プロセスは、例えば、接触面積が増大するように毛細管作用を通して界面近くに追加のＣＮＴを引っ張ることを含む。
ＩＶ．ＣＮＴアレイおよびそれから形成される多層化または重層化構造を調製するための方法
Ａ．カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）アレイ
【００８２】
カーボンナノチューブアレイは、当技術分野で周知の技法を使用して調製することができる。一実施形態では、アレイは、参照により本明細書に組み込まれる米国公開第２０１４−００１５１５８（Ａ１）号に記載されている。この方法では、稠密な、垂直に並んだＣＮＴアレイの成長を促進させ、かつＣＮＴと金属表面との間の優れた接着をもたらすのに、多層基板を使用する。
【００８３】
多層基板は、金属表面などの不活性支持体上に堆積された３層またはそれよりも多くの層を含む。一般に多層基板は、不活性支持体の表面に堆積された接着層、界面層、および触媒層を含む。一般に支持体は、少なくとも部分的には、アルミニウム、白金、金、ニッケル、鉄、スズ、鉛、銀、チタン、インジウム、銅、またはこれらの組合せなどの金属から形成される。ある特定の場合には、支持体は、アルミニウムまたは銅箔などの金属箔である。支持体は、熱交換の適用例で使用される従来のヒートシンクまたはヒートスプレッダなどのデバイスの表面であってもよい。
【００８４】
接着層は、支持体に対する界面層の接着を改善する材料で形成される。ある特定の実施形態では、接着層が鉄の薄膜である。一般に接着層は、ＣＮＴを形成するのに使用される高温で連続被膜が保持されるように、十分厚くなければならない。接着層は一般に、高温でのＣＮＴ合成中、酸化物および炭化物の形成に対する耐性も提供する。
【００８５】
界面層は、適切な金属酸化物が形成されるように、ナノチューブ合成の条件下またはナノチューブ合成後の空気への曝露中に酸化された金属から、好ましくは形成される。適切な材料の例には、アルミニウムが含まれる。あるいは界面層は、酸化アルミニウムまたは酸化ケイ素などの金属酸化物から形成されてもよい。一般に界面層は、そこを横断して触媒層および接着層を拡散させるように十分薄い。触媒層および接着層が同じ組成を有する一部の実施形態では、界面層への触媒の移行が低減され、ナノチューブ成長中の触媒の寿命が改善される。
【００８６】
触媒層は、典型的には、化学気相堆積を介してカーボンナノチューブの形成を触媒することができる遷移金属から形成された薄膜である。触媒層を形成するのに使用することができる適切な材料の例には、鉄、ニッケル、コバルト、ロジウム、パラジウム、およびこれらの組合せが含まれる。一部の実施形態では、触媒層は鉄で形成される。触媒層は、ナノチューブ形成中に使用されるアニーリング条件下で触媒ナノ粒子または凝集体を形成するのに、適切な厚さのものである。
【００８７】
他の実施形態では、多層基板が、ＣＮＴアレイを成長させるための触媒表面として働く。これらの場合、化学気相堆積を使用するＣＮＴ成長のプロセスは、多層基板の形態を変化させる。特に、加熱により、界面層は金属酸化物に変換され、接着層上に堆積された金属酸化物ナノ粒子または凝集体の層または部分層を形成する。触媒層は同様に、金属酸化物ナノ粒子または凝集体上に堆積された一連の触媒ナノ粒子または凝集体を形成する。ＣＮＴ成長中、ＣＮＴは、触媒ナノ粒子または凝集体から形成される。得られるＣＮＴアレイは、接着層、金属酸化物ナノ粒子または凝集体、および／または触媒ナノ粒子または凝集体を介して不活性支持体に固着されたＣＮＴを含む。
【００８８】
特定の実施形態では、多層基板は、金属表面上に堆積された厚さ約３０ｎｍの鉄接着層、厚さ約１０ｎｍのアルミニウムまたはアルミナ界面層、および厚さ約３ｎｍの鉄触媒層から形成される。この実施形態では、鉄接着層は、金属表面およびＡｌ（成長後のアルミナナノ粒子または凝集体）またはＡｌ２Ｏ３界面層の両方に接着する。鉄触媒層は、鉄ナノ粒子または凝集体を形成し、そこからＣＮＴが成長する。これらの鉄ナノ粒子または凝集体は、下のアルミナにも結合する。
【００８９】
その結果、十分に結合された界面が、酸化物界面材料の両面上に存在する。金属／金属酸化物界面の中で、鉄-アルミナ界面は、結合および化学相互作用の観点から最強のものの１つであることが公知である。さらに、金属（例えば、鉄接着層および金属表面）は、強力な電子カップリングにより互いに十分に結合する傾向がある。その結果、ＣＮＴは、金属表面に強力に固着される。
【００９０】
さらに、ナノチューブ成長中の触媒層からの鉄の表面下拡散は、同じ金属が酸化物支持体の両面にありそれが通常なら拡散を推進させると考えられる濃度勾配のバランスをとっているので、低減される。したがって、触媒は成長中に枯渇せず、アレイ内のナノチューブの成長速度、密度、および収率が改善される。
【００９１】
一部の実施形態では、ＣＮＴアレイは、上述の多層基板上に垂直に並んでいる複数のＣＮＴによって形成される。このことは、例えばＣＮＴのアレイを、多層基板上に成長したＣＮＴの遠位端に移すことによって、実現することができる。一部の実施形態では、高いＣＮＴアレイが、多層基板上の非常に短いＣＮＴの遠位端に移される。この技法は、結合のために表面積を増大させることによって、結合強度を改善する。
【００９２】
ＣＮＴアレイまたはシート用の不活性支持体は、アルミ箔などの１片の金属箔であることができる。これらの場合、ＣＮＴは、接着層、金属酸化物ナノ粒子または凝集体、および触媒ナノ粒子または凝集体を介して、金属箔の表面に固着される。ある場合には、金属箔の１つの表面（即ち、面）のみが、表面に固着された、並んだＣＮＴのアレイまたはシートを含む。他の場合には、金属箔の両方の表面（即ち、面）が、表面に固着された、並んだＣＮＴのアレイまたはシートを含む。他の実施形態では、ＣＮＴアレイまたはシート用の不活性支持体は、従来の金属ヒートシンクまたはヒートスプレッダの表面である。これらの場合、ＣＮＴは、接着層、金属酸化物ナノ粒子または凝集体、および触媒ナノ粒子または凝集体を介して、ヒートシンクまたはヒートスプレッダの表面に固着される。次いでこの機能化されたヒートシンクまたはヒートスプレッダは、集積回路パッケージなどの熱源に隣接または接着されてもよい。
Ｂ．カーボンナノチューブシート
【００９３】
カーボンナノチューブシートは、当技術分野で周知の技法を使用して調製することができる。一実施形態では、シートは、米国特許第７，９９３，６２０（Ｂ２）号に記載されるように調製される。この実施形態では、ＣＮＴ塊は、金属箔基板上の成長チャンバ内でｉｎ−ｓｉｔｕでシートに収集される。次いでシートは、溶媒を除去することによって稠密化することができる。別の実施形態では、ＣＮＴシートは、溶媒中に分散されたＣＮＴ塊の減圧濾過によって、作製される。
Ｃ．コーティングされたナノチューブアレイおよびシート
１．  ポリマーコーティング
【００９４】
コーティングされるポリマーは、１種または複数の溶媒に溶解することができ、噴霧または浸漬コーティングすることができ、または上述のように、基板上またはシート上に成長させた垂直ＣＮＴフォレストまたはアレイ上に、化学的もしくは電気化学的に堆積することができる。コーティング材料は、上述のように、基板上に成長させた垂直ＣＮＴフォレストもしくはアレイ上にまたはＣＮＴシート上に、噴霧または粉末コーティングすることもできる。コーティングは、ファンデルワールス結合、π−πスタッキング、機械的ラッピング、および／または共有結合を通してＣＮＴに結合し、ファンデルワールス力、π−πスタッキング、および／または共有結合を通して金属、金属酸化物、または半導体材料表面に結合する、ポリマーまたは分子を含む。
【００９５】
噴霧または浸漬コーティングでは、コーティング溶液は、適切な溶媒中、適切な長さの時間にわたってコーティング材料を超音波処理または撹拌することによって、調製することができる。溶媒は、典型的には有機溶媒または溶媒であり、例えば室温または高の蒸発によって容易に除去される溶媒であるべきである。適切な溶媒には、クロロホルムが含まれるがこれらに限定するものではない。ポリマーは、ミクロン規模の粒度を持つ粉末、例えば直径が約１００、５０、４０、２０、１０マイクロメートル未満である粒子を使用して、乾燥形態で噴霧コーティングすることもできる。この実施形態では、粉末粒子を噴霧堆積した後に、より連続的なコーティングに拡げるために、ポリマー粉末に溶媒を浸み込ませまたは加熱して液体溶融体にすることが必要と考えられる。
【００９６】
コーティングの厚さは、一般に、１から１０００ｎｍの間、好ましくは１から５００ｎｍの間、より好ましくは１から１００ｎｍの間、最も好ましくは１から５０ｎｍの間である。一部の実施形態では、コーティングの厚さは、５００、４５０、４００、３５０、３００、２５０、２００、１５０、１００、９０、８０、７０、６０、５０、４０、３０、２０、または１０ｎｍ未満である。コーティングは、アレイのＣＮＴの先端および／またはＣＮＴの垂直壁に、共形的に付与されてもよい。
【００９７】
噴霧コーティングプロセスは、溶媒の乾燥に関連した毛細管力に起因して、ＣＮＴの先端のコーティングの堆積を制限しクランピングを制限する。ＣＮＴアレイ上で見られるコーティングの量は、噴霧回数と共に増加する。商用規模でのコーティングにさらに適切な技法も含め、ＣＮＴアレイ上にコーティング材料を噴霧コーティングするのに代替技法を使用することができる。
【００９８】
コーティングプロセスを実証する別の実施形態では、ＣＮＴシートをコーティング溶液または溶融コーティングに浸漬して、シートの厚さ全体にわたってＣＮＴをコーティングし、交差面方向でシートの熱伝導度が、２０、３０、５０、または７０％よりも大きく増大する。次いでこれらのコーティングされたシートを、溶媒または熱を加えることによりチップとヒートシンクまたはヒートスプレッダとの間に配置して、ポリマーをリフローし、チップとヒートシンクまたはスプレッダとの間にＣＮＴシートを結合し、その結果、チップとヒートシンクまたはヒートスプレッダとの間の熱抵抗を低減させる。
【００９９】
他の実施形態では、コーティング材料は、化学堆積（例えば、化学気相堆積（ＣＶＤ））、エアロゾル噴霧堆積、および電気化学堆積など、当技術分野で公知の堆積技法を使用して、ＣＮＴアレイまたはシート上に堆積することができる。粉末コーティングは、典型的には適切な平均粒度（即ち、約１０，０００ミクロン未満から１ミクロン、１ミクロンから１ｎｍ、またはそこに開示された任意の範囲）の微細化されたポリマー材料であるポリマー材料の、（共形）コーティングを付与するのに使用されてもよい。限定するものではないが、微細化された粉末は、微細化されたポリマー材料（即ち、粒子）を最大で約３０ｋＶ、２５ｋＶ、２０ｋＶ、１５ｋＶ、１０ｋＶ、または５ｋＶまで帯電させ、荷電粒子を、基板上に垂直に並んだＣＮＴまたはそれから形成された積層体に付与することによって、推進力を提供する粉末コーティング銃を使用して付与されてもよく、ここで基板（単数または複数）およびＣＮＴは接地された状態にある。１つまたは複数の粉末コーティングを付与した後、コーティングを、任意の従来の手段により加熱して、ポリマーコーティング（単数または複数）を溶融、硬化（ｓｅｔ）、および／または矯正（ｃｕｒｅ）してもよい。粉末コーティングは、必要に応じて１回または複数回繰り返してもよい。
【０１００】
一部の実施形態では、ポリマーコーティングは、電気化学堆積によって付与することができる。電気化学堆積では、ポリマーのモノマーを電解質に溶解し、ＣＮＴアレイまたはシートを、対電極に対向する作用電極として使用する。電位を、第３の参照電極に対して、作用電極および対電極の間に印加する。モノマーを、印加電位の結果として、ＣＮＴアレイの先端、または電解質に面するシートの側壁上で、電気酸化する。電位を印加する合計時間を制御することによって、堆積されたポリマー層の厚さが制御される。
【０１０１】
一部の実施形態では、コーティング材料は、１種または複数のオリゴマーおよび／またはポリマー材料であり、あるいはこれらを含む。特定の実施形態では、ポリマーは、芳香族および非芳香族共役ポリマーを含む共役ポリマーであることができる。適切な種類の共役ポリマーは、多環式芳香族および多複素環式芳香族であって、ポリチオフェン（アルキル置換ポリチオフェンを含む）、ポリスチレン、ポリピロール、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリフルオレン、ポリフェニレン、ポリピレン、ポリアズレン、ポリナフタレン、ポリカルバゾール、ポリインドール、ポリアゼピン、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）、ポリ（ｐ−フェニルスルフィド）、およびポリ（ｐ−フェニレンビニレン）を含むがこれらに限定されないものを含む。適切な非芳香族ポリマーには、ポリアセチレンおよびポリジアセチレンが含まれるがこれらに限定するものではない。上記列挙されたポリマーの種類は置換ポリマーを含み、そのポリマー主鎖はアルキル基などの１個または複数の官能基で置換される。一部の実施形態では、ポリマーはポリスチレン（ＰＳ）である。他の実施形態では、ポリマーはポリ（３−ヘキシチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）である。
【０１０２】
他の実施形態では、ポリマーは非共役ポリマーである。適切な非共役には、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、およびこれらの組合せ（ブレンド）が含まれるが、これらに限定するものではない。他の実施形態では、ポリマーはパラフィンワックスである。他の実施形態では、ポリマーは、Ｆｉｓｃｈｅｒ−Ｔｒｏｐｓｃｈワックスまたはポリエチレンワックスなどの合成ワックスである。他の実施形態では、ポリマーは、８０、９０、１００、１１０、および１２０℃よりも高い、好ましくは１３０℃よりも高い融解温度を有するワックスである。他の実施形態では、ポリマーは、ワックスと組み合わせた高温のグルーまたはホットメルト接着剤、粘着付与剤、および改善された表面接着をもたらすポリマーベースである。他の実施形態では、ポリマーは感圧性接着剤である。
２．金属性ナノ粒子
【０１０３】
ＣＮＴアレイまたはシートは、１種または複数の金属ナノ粒子でコーティングすることができる。１種または複数の金属ナノ粒子は、ＣＮＴの遠位端および／または側壁に吸着されて、ＣＮＴの遠位端を表面に結合させ、ＣＮＴアレイまたはシートと表面との間の熱抵抗を低減させ、またはこれらの組合せであってもよい。金属ナノ粒子は、当技術分野で公知の様々な方法を使用して、ＣＮＴアレイまたはシートに付与することができる。例えば、ヘキサデカンチオール酸パラジウムなどの金属チオレートの溶液を、ＣＮＴの遠位端および／または側壁上に噴霧またはスピンコーティングすることができ、有機物をベークオフしてパラジウムナノ粒子を残すことができる。別の例では、電子ビームまたはスパッタ堆積を使用して、金属ナノ粒子をコーティングすることができ、またはナノ粒子の「被膜様」アセンブリをＣＮＴの遠位端および／または側壁上に接続することができる。金属性粒子は、コーティングと同時にまたはコーティングの前もしくは後にコーティングすることができる。
【０１０４】
適切な金属ナノ粒子の例には、パラジウム、金、銀、チタン、鉄、ニッケル、銅、およびこれらの組合せが含まれる。
３．流動性または相変化材料
【０１０５】
ある特定の実施形態では、流動性または相変化材料をＣＮＴアレイまたはシートに付与することができる。流動性または相変化材料をＣＮＴアレイまたはシートに付加して、ＣＮＴ間の空気を置き換え、かつＣＮＴの遠位端と表面との間の接触を改善してもよく、その結果、アレイまたはシートの熱抵抗が低減し、アレイまたはシートと表面との間の接触が低減し、またはこれらの組合せになる。流動性または相変化材料は、当技術分野で公知の様々な方法を使用してＣＮＴアレイまたはシートに付与することができる。例えば、その液体状態にある流動性または相変化材料は、アレイまたはシートを液体と部分的または完全な接触に配置することによって、ＣＮＴアレイまたはシートに浸み込ませることができる。
【０１０６】
適切な流動性または相変化材料の例には、パラフィンワックス、ポリエチレンワックス、概して炭化水素ベースのワックス、およびこれらのブレンドが含まれる。ワックスでもポリマーでもない適切な流動性または相変化材料の他の例には、液体金属、油、有機−無機および無機−無機共晶物、およびこれらのブレンドが含まれる。一部の実施形態では、コーティング材料（単数または複数）および流動性または相変化材料が同じである。
【０１０７】
上述のコーティング、金属性粒子、および／または流動もしくは相変化材料を、ＣＮＴアレイまたはシートに直接付与して、基板の１つまたは複数の表面上にＣＮＴを有するコーティングされたアレイを形成することができる。コーティングされたＣＮＴアレイまたはシートに引き続き積層を行って、多層化または重層化構造を形成することができる。ある特定の他の実施形態では、上述のコーティング、金属性粒子、および／または流動もしくは相変化材料を、２つまたはそれよりも多くのＣＮＴアレイまたはシートの積層中に付与する。さらに他の実施形態では、上述のコーティング、金属性粒子、および／または流動もしくは相変化材料は、２つまたはそれよりも多くのＣＮＴアレイまたはシートを積層した後に付与する。非限定的な実施形態では、多層化また重層化構造（単数または複数）は、最初に２つまたはそれよりも多くのＣＮＴアレイまたはシートを積層し、次いで形成された構造の少なくとも部分的に噛み合った階層に、１つまたは複数のコーティング、金属性粒子、および／または流動もしくは相変化材料、あるいはこれらの組合せを浸潤させることによって、形成される。そのようなコーティング／材料の、多層化または重層化構造（単数または複数）の少なくとも部分的に噛み合った階層への、積層の前、最中、または後での導入を使用して、ＣＮＴアレイまたはシートの積層から得られる多層化または重層化構造の熱輸送または熱抵抗特性を改変かつ／または高めることができる。
Ｄ．多層化または重層化構造
【０１０８】
本明細書に記載される実施形態では、単一基板は、基板の表面上に形成された１つまたは複数のＣＮＴアレイを有することができ、このＣＮＴアレイは上述のようにコーティングされていてもよい。
他の実施形態では、多層化または重層化構造は：
（１）少なくとも２つまたはそれよりも多くのＣＮＴアレイまたはシートを提供するステップと；
（２）少なくともＣＮＴアレイまたはシートを積層するステップと
を含み、積層の結果、アレイまたはシートのナノ構造、ＣＮＴの少なくとも部分的な噛み合いが得られる方法によって形成された、ＣＮＴアレイまたはシートを積層することによって形成される。一部の実施形態では、多層化または重層化構造を作製する方法は、上述の、コーティング、金属性ナノ粒子のコーティング、および／または流動性もしくは相変化材料のコーティングを付与または浸潤させるステップをさらに含む。一部の実施形態では、コーティング、金属性ナノ粒子のコーティング、および／または流動性もしくは相変化材料のコーティングを付与するステップは、積層の前、あるいは積層中、あるいは積層後に行う。さらに他の実施形態では、方法は、積層ステップ中に圧力を加えることを含む。印加圧力は、約１〜３０ｐｓｉの範囲、より好ましくは約１〜２０ｐｓｉ、最も好ましくは約１〜１５ｐｓｉの範囲にあってもよい。一部の実施形態では、圧力は約１５ｐｓｉである。圧力は、接着剤または相変化材料などの結合剤として作用することができるコーティング材料（単数または複数）が使用される場合、隣接する階層が結合されるまで連続的に加えてもよい。圧力は、任意の適切な長さの時間にわたり加えてもよい。一部の実施形態では、結合剤を使用しない場合、１分未満などの短時間で使用されるだけである。
【０１０９】
少なくとも２つのＣＮＴアレイまたはシートを積層して、多層化または重層化構造を形成することができる。例えば、図２は、３つのＣＮＴアレイの積層を示す（右側）。より多くのＣＮＴアレイを使用することによって、多層化または重層化構造の厚さを必要に応じて増加させることができる。一部の実施形態では、最大で５、１０、１５、２０、２５、３０個またそれよりも多くのＣＮＴアレイまたはシートを、上述の方法に従い積層することができる。積層によって形成された、結果的に得られる多層化または重層化構造の厚さは、１〜１０，０００ミクロンまたはそれよりも大きい範囲にすることができる。
【０１１０】
非限定的な実施形態では、支持体／基板上に形成された少なくとも２つの垂直に並んだアレイまたはシートは、アレイのＣＮＴなどのナノ構造要素が接触によって少なくとも部分的に噛み合うように、積層し／接触する。一実施形態では、アレイのナノ構造要素の完全な噛み合いは、積層されたときに互いに内部で引き起こされる。他の実施形態では、アレイは、ＣＮＴなどのナノ構造要素の先端でのみ噛み合ってもよい。さらに他の実施形態では、個々のナノ構造は、噛み合いプロセス中に隣接するアレイのナノ構造の内部を通り抜けることができる。
【０１１１】
一部の実施形態では、少なくとも部分的に噛み合う積層アレイのナノ構造は、管束、塊、または列などであるがこれらに限定されない、より大きい超構造に形成されてもよい。これらの超構造は、毛細管クランピングなどのメカニズムを通して、または積層プロセスの前、最中、または後でのポリマーコーティングの付与によって、形成されてもよい。
【０１１２】
一部の実施形態では、ポリマーコーティングおよび／または接着剤、または上述のその他のコーティングを、ＣＮＴアレイ（単数または複数）に付与し、次いで積層する。そのような実施形態では、コーティングおよび／または接着剤、または上述のその他のコーティングの厚さは、約１〜１０００ｎｍ、より好ましくは１〜５００ｎｍ、最も好ましくは１〜１００ｎｍである。
Ｖ．適用例
【０１１３】
１つまたは複数のコーティングされたＣＮＴアレイをその上に有する単層基板、あるいは本明細書に記載されるＣＮＴアレイまたはシートを積層することによってそれから形成された多層化または重層化構造は、サーマルインターフェースマテリアル（ＴＩＭ）として使用することができる。ＣＮＴアレイまたはシートを積層することによって形成された多層化または重層化構造は、特定の適用例で必要に応じて形成および／または堆積することができる。
【０１１４】
単層ＣＮＴアレイ、および本明細書で記載されるそのようなＣＮＴアレイを積層することによって形成される多層化または重層化構造は、パーソナルコンピュータ、サーバコンピュータ、メモリモジュール、グラフィックチップ、レーダおよび無線周波数（ＲＦ）デバイス、ディスクドライブ、発光ダイオード（ＬＥＤ）ディスプレイを含むディスプレイ、照明システム、自動車制御ユニット、パワーエレクトロニクス、太陽電池、バッテリ、携帯電話などの通信設備、熱電発生器、およびＭＲＩを含む撮像設備において、サーマルインターフェースマテリアル（ＴＩＭ）として使用することができる。
【０１１５】
ある特定の実施形態では、ＣＮＴアレイを積層することによって形成された単層または多層化または重層化構造は、低接触圧および／または低圧の適用例で有用である。低圧は、周囲圧力または１ａｔｍよりも低い圧力、例えば約０．０１から約１ａｔｍ未満の範囲内を指してもよい。ある場合には、低圧は、そのようなＴＩＭを衛星または宇宙船／システムで使用することができると考えられる航空宇宙の適用例などにおける、減圧を指してもよい。
【０１１６】
ある特定の実施形態では、ＣＮＴアレイを積層することによって形成された多層化または重層化構造は、周囲温度よりも低い温度、凍結よりも低い温度、または極低温（宇宙で経験するような）で、有用である。
【０１１７】
ＣＮＴアレイ、および本明細書に記載されるようにそのようなＣＮＴアレイを積層することによって形成される多層化または重層化構造は、熱移動以外の適用例で使用することもできる。例には、マイクロエレクトロニクス、スルーウエハ垂直相互接続アセンブリ、ならびにバッテリおよびキャパシタ用の電極が含まれるが、これらに限定するものではない。現在、銅およびアルミ箔を、リチウムイオンバッテリ内のアノードおよびカソードの裏当て材料として使用されている。
【０１１８】
単層構造または積層することによってそれから形成された多層化もしくは重層化構造は、電磁遮蔽に使用することもできる。
Ａ．焼付けおよび熱の適用例
【０１１９】
１つの高度に特殊化された、ＴＩＭに関して開発中の適用例は、焼付け（ｂｕｒｎ−ｉｎ）および試験の適用例を含む。集積回路製造業者は、それらのチップ上での「焼付け」およびストレス試験の組合せを通して初期故障期間中に最終的な故障を誘発しようとする。焼付け試験では、信頼性と動作温度との間の反比例関係を利用して、高温でチップを動作させる（A.  Vassighi、O.  Semenov、M.  Sachdev、およびA.  Keshavarzi、「Thermal  Management  of  High  Performance  Microprocessors」、null、２００３年、３１３頁）。デバイスは、試験中はそれらの性能限界で動作しているので、有効なサーマルインターフェースマテリアル（ＴＩＭ）が必須である。焼付けの適用例に関するＴＩＭの所望の特長は：低い熱抵抗、高い機械的コンプライアンス、高い頑丈性、およびチップ上に残渣を残さないことである（N.  F.  DeanおよびA.  Gupta、「Characterization  of  a  thermal  interface  material  for  burn-in  application」、Thermal  and  Thermomechanical  Phenomena  in  Electronic  Systems、２０００年、ITHERM  ２０００、The  Seventh  Intersociety  Conference、２０００年）。
【０１２０】
したがって、ＴＩＭ材料は、反復サイクルが必要な適用例に十分適している。例えば材料は、チップなどの電気部品の「焼付け」試験中にサーマルインターフェースマテリアルとして用いることができる。一部の実施形態では、本明細書に記載されるＣＮＴアレイの不活性支持体／基板は、従来の金属ヒートシンクまたはスプレッダの１つまたは複数の表面であることができる。次いでこの機能化されたヒートシンクまたはスプレッダは、集積回路パッケージなどの熱源に当接していても接着していてもよい。そのようなＴＩＭ材料は、熱源とヒートシンクまたはヒートスプレッダとの間、例えば集積回路パッケージとフィン付き熱交換器との間に配置または固定して、熱源からヒートシンクまたはスプレッダへの熱の移動を改善することができる。
【０１２１】
本明細書に記載される単層および／または多層化もしくは重層化積層体は、焼付け試験などであるがこれに限定されないＴＩＭの適用例に使用することができる。
【０１２２】
一部の実施形態では、方法は、単層ＣＮＴ複合体および本明細書に記載されるようにそれから形成された多層化または重層化構造を、圧力、加熱、電気、または組合せを含む試験で使用することを含むことができる。一般に、被試験デバイスと、接着表面を有する熱伝導性および／または導電性の機械的にコンプライアントな基板との接触が行われる。一部の実施形態では、方法は：
熱または電気ユニットヘッドを、ユニットヘッドに直接取着している基板に、少なくとも１０ｐｓｉの圧力および１５０℃未満の係合温度で係合させるステップと；
係合を、少なくとも１０ｐｓｉの圧力下で少なくとも５分間保持するか、または係合を少なくとも１から５回のサイクルで繰り返すステップであり、各係合中に、被試験デバイスの出力を上昇させ、熱または電気ユニットヘッドを加熱して、少なくとも５０℃の温度に到達するまでデバイスの出力上昇をシミュレートするステップと；
少なくとも１，５００サイクルの出力上昇の間、熱または電気ヘッドおよび基板と被試験デバイスとの係合を解除し、そして再度係合させるステップと
を含むことができる。
【０１２３】
方法は、サイクル後の熱抵抗および／または相対熱抵抗を決定するために、被試験デバイスの試験を含むことができ、またはそのような試験をもたらすことができる。
【０１２４】
ある特定の実施形態では、本明細書に記載される単層ＣＮＴ複合体およびそれから形成された多層化または重層化構造は、被試験デバイスと、接着表面を有する熱伝導性および／または導電性の機械的にコンプライアントな基板とを接触させるための方法で使用され、その方法は：
（１）基板を熱または電気ユニットヘッドに直接取着するステップであって、ヘッドの領域を完全に覆うか、または被試験デバイスのサイズに一致させるステップと；
（２）取着された基板を持つ熱または電気ユニットヘッドと、被試験デバイスとを、少なくとも１０ｐｓｉの圧力および１５０℃未満の係合温度で係合させるステップと；
（３）係合を、少なくとも１０ｐｓｉの圧力下で少なくとも５分間保持するか、または係合を少なくとも１から５回のサイクルで繰り返すステップであって、各係合中に、被試験デバイスの出力を上昇させ、熱または電気ユニットヘッドを加熱して、少なくとも５０℃の温度に到達するまでデバイスの出力上昇をシミュレートするステップと；
（４）少なくとも１，５００サイクルの出力上昇の間、熱または電気ヘッドおよび基板と被試験デバイスとの係合を解除し、そして再度係合させるステップと；
（５）サイクル後に、熱抵抗および／または相対熱抵抗を決定するよう被試験デバイスを試験するステップと
を含む。
【０１２５】
記載される方法では、係合圧力は少なくとも１０ｐｓｉである。係合圧力は、約１０ｐｓｉから３００ｐｓｉの間、１０ｐｓｉから２５０ｐｓｉの間、１０ｐｓｉから２００ｐｓｉの間、１０ｐｓｉから１７５ｐｓｉの間の範囲、またはその中に開示される範囲であることができる。
【０１２６】
記載される方法では、係合サイクル数は、少なくとも１から５、５から１，０００、５から５，０００、または１０，０００から１００，０００係合サイクルであってもよく、これらは好ましくは、基板を除去することなく、または被試験デバイスからいかなる砕片もしくは痕跡（ｍａｒｋｓ）も取り除く必要なく行われる。
【０１２７】
記載される方法では、係合サイクル（即ち、係合、係合解除、および再係合）は、それぞれ独立して、任意の適切な期間にわたり実施されてもよい。各サイクルは、独立して、少なくとも１秒から３００秒、１秒から２５０秒、１０秒から２００秒、１０秒から１８０秒、２０秒から１８０秒、３０秒から１８０秒、およびその内に開示される範囲にわたって行ってもよい。
【０１２８】
記載される方法では、被試験デバイスは、約−５５℃から１４０℃、−５０℃から１３０℃、−４０℃から１２０℃、−３０℃から１１０℃、−２０℃から１００℃、−１０℃から９０℃、０℃から８０℃、および１０℃から７０℃の間の温度で、またはその内に開示される温度範囲で試験される。
【０１２９】
記載される方法では、基板の表面は、ユニットヘッドと被試験デバイスとの間の機械的粘着を防止するために処理または改変することができ、それがデバイス内の応力発生を防止し、デバイスが試験ソケットから引っ張られるのを防止することができる。
【０１３０】
記載される方法では、基板は、同じ基板上に存在する１から１００個のダイ、１から５０個のダイ、１から２５個のダイ、１から１５個のダイ、または１から１０個のダイの間で接触することができ、即ちマルチダイまたはマルチチップ試験をすることができ、これらのダイは、異なる高さ、形状、および／またはサイズのものであることができる。
【０１３１】
記載される方法では、基板は、被試験デバイスに取着することができ、熱または電気ユニットヘッドには取着されない。
【０１３２】
記載される方法では、基板は、精密に切断して被試験デバイスの寸法にすることができまたは熱もしくは電気ユニットヘッドの寸法にすることができ、１個または複数のセンサ、１個または複数の取付けアライメントピン、１個または複数の減圧チャッキング、またはこれらの組合せを、基板内に貫通させることが可能になる。
【０１３３】
記載される方法では、基板は、台座上にまたは熱もしくは電気ユニットヘッドに付与されまたは設置されると、いかなる接着剤残渣もまたは実質的にいかなる接着剤残渣も残すことなく（「実質的にいかなる残渣も」は、最初に基板上に存在する全接着剤の１０％、９％、８％、７％、６％、５％、４％、３％、２％、１％、０．９％、０．８％、０．７％、０．６％、０．５％、０．４％、０．３％、０．２％、または０．１重量％未満を指す）、台座、熱または電気ユニットヘッドから除去することができる。そのような場合、残渣が残っていない場合には、除去が生じたときには台座、熱または電気ユニットヘッドを擦る必要がない。残渣が実質的に残っていない場合、除去が行われるときには、台座、熱または電気ユニットヘッドの最小限の擦り取りのみが必要（または擦り取りが実質的になされない）であり得る。
【０１３４】
記載される方法では、基板は、被試験デバイスに取着することができかつ熱または電気ユニットヘッドには取着されず、基板は、さらなる試験または販売用のパッケージングのための次の形態に被試験デバイスと共にパッケージングされるように、試験ステップの終了後も被試験デバイスに取着されたままである。
【０１３５】
記載される方法では、基板は、試験ステップの後で決定される、約０．０１から３．０ｃｍ２Ｋ／Ｗ、０．０５から２．０ｃｍ２Ｋ／Ｗ、０．０５から１．５ｃｍ２Ｋ／Ｗ、０．０５から１．０ｃｍ２Ｋ／Ｗ、０．０５から０．５ｃｍ２Ｋ／Ｗ、０．０５から０．１ｃｍ２Ｋ／Ｗの間、およびここに開示された範囲の熱抵抗を加える。
【０１３６】
記載される方法では、基板は、被試験デバイス上の局所ホットスポットから熱を拡げるために、約１００から２，０００Ｗ／ｍＫ、１００から１，９００Ｗ／ｍＫ、１００から１，８００Ｗ／ｍＫ、または１００から１，７００Ｗ／ｍＫの間、およびここに開示された範囲にある面内熱伝導度を有する。
【０１３７】
記載される方法では、基板は、低い熱質量（即ち、熱エネルギーを吸収し保存する能力）と、１、２、３、４、５、６、７、または８Ｗ／ｍＫよりも大きい平面を通した熱伝導度とを有し、被試験デバイスを試験するのに必要な時間は最小限であり、即ち１０分未満、５分未満、３分未満、１分未満、３０秒未満である。
【０１３８】
記載される方法では、基板は好ましくは、試験ステップに対し、１ｃｍ２当たり０．００１から１０オームの間で加えるだけである。
【０１３９】
記載される方法では、基板は、電気接続の特徴付けのため、電気接続ピンのアレイを短絡させるのに使用することができる。
【０１４０】
記載される方法では、基板は好ましくは、５ミクロン未満の圧縮永久歪みを有する。
【０１４１】
記載される方法では、基板は好ましくは、その当初の厚さの少なくとも５％まで、１００ｐｓｉ未満の印加圧力で圧縮することができる。
【０１４２】
記載される方法では、基板は、好ましくは引裂きまたは剪断破壊なしで、その当初の厚さの５０％程度に圧縮することができる。
【０１４３】
記載される方法では、基板は、同じボード上にある異なるサイズ、形状、または高さを有する１つまたは複数のダイまたはチップとの表面接触を維持しながら、基板の異なる領域で異なる量に圧縮することができる。
【０１４４】
記載される方法では、接着剤は好ましくは、基板の表面層上またはその中に存在し、付与され、または埋め込まれた、好ましくは、強力な機械的結合特性を維持しながら、基板と接触表面との間で５ミクロンよりも大きい接着剤の厚さを付加しない、熱可塑性または感圧接着剤である。接着剤は、任意の適切な商用の接着剤または接着剤の組合せであって、好ましくは低抵抗接着剤（単数または複数）であってもよい。接着剤は、基板上のＣＮＴアレイに対して本明細書に記載される、ポリマーまたはそれらの組合せなどの１種または複数のコーティング材料から形成されてもよい。接着剤は、好ましくは、ＴＩＭ材料を「貼って剥がせる（peel-and-stick）」ＴＩＭ材料にし、この材料は、適切な剥離ライナがＴＩＭ材料の接着面から剥がされると容易に配置し接着することができる。
【０１４５】
記載される方法では、熱ユニットは、自動試験装置（ＡＴＥ）ピックアンドプレースハンドラの一部であってもよく、基板は、異なるデバイス形状または幾何形状のために台座またはデバイスキットの必要性に取って代わることができる。
【０１４６】
記載される方法では、基板は、自動試験装置（ＡＴＥ）ピックアンドプレースハンドラ、焼付け炉、または同じもしくは類似の目的で使用され得るその他のそのような試験装置に対して台座または熱もしくは電気ユニットヘッドを設置する前に、台座にまたは熱もしくは電気ユニットヘッドに付与することができる。
【０１４７】
記載される方法では、熱ユニットは、焼付け炉の一部であることができ、基板は、異なるデバイス形状または幾何形状のために台座またはデバイスキットの必要性の取って代わることができる。
【０１４８】
記載される方法では、基板は、台座の１つまたは両方の面上で金属台座と組み合わせて使用することができる。
【０１４９】
記載される方法では、コンプライアントな基板は、各試験係合サイクル中に挿入されるか、または性能を高める液体と組み合わせて使用される液体の必要性に、取って代わることができる。
【０１５０】
記載される方法では、機械的にコンプライアントな基板は、合わせ面を研磨する必要性を、工場ミル仕上げ（工業規格により決定される）まで、または工場ミル仕上げよりも大きい程度までに、最小限にすることができる。
【０１５１】
記載される方法では、基板は、その厚さが約１０から１０，０００マイクロメートルの間である。
【０１５２】
記載される方法では、基板は、その厚さが約１００ミクロン未満であり、被試験デバイスとのヘッド接触中に、加えられた剪断力から引き裂かれず、または劣化しない。
【０１５３】
記載される方法では、基板は、デバイスまたはヘッドの中心から縁部への曲率が好ましくは約５〜２００ミクロンの間、またはその中に開示された範囲にある場合、被試験デバイスと熱または電気ユニットヘッドとの間の隙間を満たすように変形することができる。
【０１５４】
記載される方法では、基板は、金属または黒鉛の箔またはシートの１つまたは両方の面上に成長させた、垂直に並んだカーボンナノチューブアレイである。
【０１５５】
記載される方法では、基板は、アルミニウムまたは黒鉛の箔またはシートなどの金属の１つまたは両方の面上に成長させた、垂直に並んだカーボンナノチューブアレイの多層積層体であって、層の数が１から２０、１から１５、１から１０、１から５、１から３、または１から２層の間であることができる。
【０１５６】
記載される方法では、基板は、可撓性ガラスもしくはセラミックまたは誘電性の箔もしくはシート、あるいは電気絶縁をもたらす誘電体層でコーティングされた金属箔であってもよい。
【０１５７】
記載される方法では、基板は、基板に固着された触媒を使用して形成された、垂直に並んだカーボンナノチューブアレイである。そのような垂直に並んだカーボンナノチューブアレイを形成する方法は、参照により関連ある部分が本明細書に組み込まれる米国出願第１３／５４６，８２７号および第１４／４１４，２２７号に詳述されている。
【０１５８】
記載される方法では、基板は、熱可塑性接着剤の共形コーティングの使用を通して、熱源またはヒートシンクのいずれかに永続的にまたは半永続的に取着することができ、この熱可塑性接着剤の付加は、接着剤のない基板に比べて基板の熱抵抗を増加させない。任意の適切な商用の熱可塑性接着剤、または接着剤の組合せを使用してもよい。接着剤は、基板上のＣＮＴアレイに関して本明細書に記載されるポリマーまたはその組合せなど、１種または複数のコーティング材料から形成されてもよい。接着剤は、好ましくは、ＴＩＭ材料を「貼って剥がせる」ＴＩＭ材料にし、この材料は、適切な剥離ライナがＴＩＭ材料の接着面から剥がされると容易に配置し接着し得る。
【０１５９】
記載される方法では、ＴＩＭ材料上で使用される記載される接着剤は、除去後に残渣を残さずまたは残渣を最小限にしか残さない。最小限の残渣は、ＴＩＭが除去された後の任意の残留材料が５％、４％、３％、２％、または１重量％未満であることを指す。残された任意の残渣は、イソプロピルアルコールまたは水などであるがこれらに限定されない低毒性溶媒で取り除いてもよい。
【０１６０】
記載される方法では、基板は、１種または複数のポリマーで浸潤またはコーティングされた上述の金属基板またはその多層積層体上にあるカーボンナノチューブアレイであり、そのポリマーコーティングはＣＮＴの先端および／またはＣＮＴの壁と同一平面にあり、そして／または共形的なものであり；あるいは約１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、７５０ｎｍ、または１０００ｎｍ以下の過剰なポリマーをＣＮＴ先端の上方に有する。好ましくはポリマー（単数または複数）は、耐久性のある低圧縮永久歪みポリマーである。好ましくはポリマーは、被試験デバイスに対し、残渣を流さず、濡らさず、蒸発させず、またはその他の手法で移さないか、あるいは実質的に流さず、濡らさず、蒸発させず、またはその他の手法で移さない。本明細書で使用される「実質的に」は、被試験デバイスに対して、残渣を１０％、５％、４％、３％、２％、または１％未満で流し、濡らし、蒸発させ、またはその他の手法で移すことを指す。好ましくはポリマー（単数または複数）は、高い電気抵抗率で高い誘電強度を有する。
【０１６１】
記載される方法では、ＴＩＭＳのアレイのＣＮＴの先端は、デバイスまたはその下位部分もしくは構成要素などと合わせることが意図される表面と電気接続を行うよう、利用可能なままである。
【０１６２】
記載される方法では、記載される接着剤は、被試験デバイスまたは熱／電気接続ヘッドとインターフェースする基板に、熱または電気抵抗を付加しない。
【０１６３】
記載される方法では、接着剤が、好ましくは貼って剥がせる（peel  and  stick）接着剤および／または熱により活性化する接着剤である。適切な接着剤は、当技術分野で公知である。
【０１６４】
記載される方法では、デバイスは、基板を除去せずに、または被試験デバイスから砕片または痕跡を取り除く必要なく、試験することができる。
【０１６５】
記載される方法では、基板は、好ましくはコーティングされたＣＮＴアレイサーマルインターフェースマテリアル（ＴＩＭ）である。ある特定の実施形態では、コーティングされたＣＮＴアレイＴＩＭは、コーティングされたＣＮＴフォレストをその上に有する基板の１つまたは両方の表面を有する、単層ＴＩＭである。一部の実施形態では、コーティングは、好ましくはポリエチレンワックスであるポリマーコーティングであり、ワックスコーティングは、アレイのＣＮＴの先端および／またはＣＮＴの壁に存在する均一で共形的なコーティングである。コーティングは、好ましくは上述の粉末コーティング堆積法により付与される。
【０１６６】
ある特定の他の実施形態では、コーティングされたＣＮＴアレイをベースにするＴＩＭは、コーティングされたＣＮＴフォレストをその上に有する基板の１つまたは両方の表面を有する、多数の単層ＴＩＭから形成される。多層化積層体が本明細書で記載される。一部の実施形態では、コーティングは、好ましくはポリエチレンワックスであるポリマーコーティングであり、このワックスコーティングは、アレイのＣＮＴの先端および／またはＣＮＴの壁に存在する均一で共形的なコーティングである。コーティングは、好ましくは、上述の粉末コーティング堆積法により付与される。
【０１６７】
本明細書に記載される単層および／または多層化もしくは重層化積層体ＣＮＴアレイは、熱制御器などであるがこれらに限定されない電子デバイスの温度制御のためのシステム、デバイス、および／または装置に組み込むこともできる。そのようなシステム、デバイス、および／または装置は、例えば参照により関連ある部分が組み込まれる米国特許第６，４８９，７９３号、第６，６３６，０６２号、および第８，８９６，３３５号に記載されている。
Ｂ．サーマルインターフェースマテリアルキット
【０１６８】
本明細書に記載される、コーティングされたＣＮＴアレイをベースにするＴＩＭ材料（ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体とも示される）は、軍隊、工業製造、および自動車製造を含むがこれらに限定されない様々な適用例で使用することができる。
【０１６９】
非限定的な例として、ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体は、本明細書に記載される方法により調製され、キットとして提供される。
【０１７０】
キットは、記載されるＣＮＴ−ＴＩＭ複合体の１種または複数を含んでいてもよい。好ましくは、ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体は、接着剤を貼って剥がせるＴＩＭ材料である。キットはさらに、容器に入れた適切な量のアルコール（イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）など）、糸くずの出ない布、保護手袋、およびピンセットを含んでいてもよい。
【０１７１】
キットは、ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体が付与される基板の調製について詳述する取扱説明書と、詳細な適用指示書も含む。例えば、表面の調製は、保護手袋の着用と、ＩＰＡおよび糸くずの出ない布を使用した表面（ヒートシンクなど）の清浄化とを含んでいてもよい。一実施形態では、適用指示書は下記のステップを含む：
−  保護手袋を着用するステップであって、ピンセットを使用して、貼って剥がせるＣＮＴ−ＴＩＭ複合体材料から剥離ライナを除去し、付与前に接着剤に触れないことを確実にするステップ。接着剤は長いオープンタイムを有するが、剥離ライナを除去した後は、任意の粒子またはその他の環境汚染を回避するために素早く付与するべきである；および
−  剥離した、貼って剥がせるＣＮＴ−ＴＩＭ複合体を、ヒートシンクヘッドなどの基板に取着するステップであって、好ましくは基板の一端から開始して基板の反対側の端部に向かって作業するステップであって、ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体が表面に対して平らになるよう確実にするステップ。圧力は、付与されたＣＮＴ−ＴＩＭ複合体に対して垂直に加えられるべきであり、圧力は、付与されたＣＮＴ−ＴＩＭ複合体を横断して指を滑らせることなどによって加えられるべきではない。
【０１７２】
付与されるＣＮＴ−ＴＩＭ複合体はさらに、下記のステップを詳述する取扱説明書により処理（ｓｅａｓｏｎｅｄ）してもよい：
−  少なくとも１０、２０、または３０ｐｓｉの圧力を、好ましくは５０℃よりも低い係合温度で印加するステップ。処理（ｓｅａｓｏｎｉｎｇ）中に加えられる圧力は、２００ｐｓｉ、１５０ｐｓｉ、１００ｐｓｉ、または７５ｐｓｉ程度に高くてもよい。より高い圧力を使用する結果、ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体の改善された熱抵抗特性を得ることができる（図１０参照）。
−  付与されたＣＮＴ−ＴＩＭ複合体の面上で、ヒートシンクなどの基板を、約９０°から１２０℃、好ましくは少なくとも約１１０℃の温度に加熱するステップ。
−  複合体を、適切な温度の加圧下で、約１から３０分、１から２０分、１から１０分、５から１０分、より好ましくは少なくとも約８分間保持するステップ。
−  ヒートシンクなどの基板を、７５℃、６０℃、５０℃、４０℃、または３０℃よりも低い温度に冷却させるステップ；および
−  ヒートシンクなどの基板を、印加圧力から係合を解除するステップ。
【０１７３】
上記処理ステップは必要に応じて繰り返してもよい。
【０１７４】
キットは、ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体の設置または処理の前、最中、または後に、感圧性接着剤に触れることならびに仕上げしわ（ｃｒｅａｓｅ  ｍａｒｋｓ）および／または泡の導入を回避することに関して警告することも含む。
【０１７５】
キットは、ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体を除去するための取扱説明書を含むこともできる。例えば、ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体が処理された場合、除去は：
−  ピンセットおよび保護手袋を使用するステップ、
−  ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体を隅から把持して剥がすステップ、および
−  いかなる残渣も、ＩＰＡおよび糸くずの出ない布を使用して、ヒートシンクなどの基板、表面から取り除くステップ
を含む。
【０１７６】
ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体が処理されなかったた場合、除去は：
−  ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体を剥がすステップ；
−  いかなる残渣も、ＩＰＡおよび糸くずの出ない布を使用して、ヒートシンクなどの基板、表面から取り除くステップ
を含む。
【０１７７】
ある特定の他の実施形態では、上述のサーマルインターフェースマテリアルキットは、自動試験装置（ＡＴＥ）ハンドラ、焼付け炉、または試験用の新しい製品を受容するのに使用されるその他のそのような試験システムを調製することが意図される、より大きいデバイスの切換えキットの一部として提供されてもよい。デバイス切換えキットに含まれる典型的な物品は、新しい製品、新しいソケット、および他のそのような付属品の寸法に一致するように設計された台座を含んでいてもよいが、これらに限定するものではない。
【０１７８】
別の実施形態では、上述のサーマルインターフェースマテリアルキットは、設置指示書および関連ある材料と一緒に、上述のデバイス切換えキットの追加の付属品として供給することができる。
【０１７９】
さらに別の実施形態では、記載されるサーマルインターフェースマテリアルは、キット内に存在する構成要素の１つまたは複数の表面に付与されてもよい（例えば、台座の表面、またはデバイス切換えキット内の１つもしくは複数の構成要素もしくは部品のその他の合わせ面（単数または複数））。そのような実施形態では、設置指示書および材料が任意選択で含まれていてもよく、それはサーマルインターフェースマテリアルが、エンドユーザに配達される前などにキット内に存在する構成要素（単数または複数）の１つまたは複数の表面に事前に付与されるからである。
【実施例】
【０１８０】
（実施例１）
多層化／重層化ＣＮＴベースのサーマルインターフェースマテリアル（ＴＩＭ）
方法：
熱測定システム設計：
全ての試験片に関する熱移動特性を、ＡＳＴＭ  Ｄ５４７０「熱伝導性電気絶縁材料の熱貫流特性に関する標準試験法（Standard  Test  Method  for  Thermal  Transmission  Properties  of  Thermally  Conductive  Electrical  Insulation  Materials）」に記載される方法に基づいて設計され構築された試験装置を使用して評価した。試験片を変形させるだけでなく、減圧チャンバも組み込んで伝導性および対流性熱損失を最小限にする。装置の設計の概略図を図１に示す。減圧チャンバは、アクリルドアを備えたステンレス鋼で構築され、１０−５ｔｏｒｒの範囲で減圧を維持することが可能である。減圧チャンバを、１０００ｌｂの負荷フレームの反応プレート上に据え、全てのフィードスルーをチャンバの最上部近傍に据えた。熱電対を、１対のＯｍｅｇａ  ４対フィードスルー（８つの熱電対が可能）を介して供給した。冷却管は、ｏリング封止材を備えたバルクヘッド継手を所有する。ヒータ用の電力は、熱電対フィードバックループを持つＷａｔｌｏｗ  ＳＤ制御器を介して制御した。加熱ブロックを、ＦＲ４ガラス繊維絶縁体シェルにより取り囲み、冷却ブロックを、加熱ブロックと中心を合わせた状態が維持されるよう機械加工されたリセス部セクションを持つガラス線維絶縁性プレートの頂部に据えた。１インチ×１インチおよび４インチ×４インチの加熱ブロックおよび冷却ブロックの両方を、このプログラム用に計画された試験に適応するように製作した。
熱移動係数の評価：
【０１８１】
熱移動の評価を、試験装置の高温および低温メーターブロック間の２０℃の差で実行した。２０℃に可能な限り近い温度差が、正確な結果を得ることができるようにシステム内で熱移動を推進するのに必要であることがわかった。試験データを、試験のデータ出力ファイルから直接インポートし、これをＬａｂＶｉｅｗを介して獲得した。メーターバー（５００５シリーズアルミニウム）の熱伝導度（λ）を、ＮＩＳＴから得たアルミニウムに関するアルゴリズムを使用して、特定の温度に関して計算した（E.  Marquardt、J.  Le、およびR.  Radebaugh、「Cryogenic  Material  Properties  Database  Cryogenic  Material  Properties  Database」、２０００年）。
【０１８２】
次いで個々のメーターバーのそれぞれを通る熱流を、方程式１：
Ｑ＝（λ＊Ａ／ｄ）（δＴ）  （１）
（式中、Ｑはバーを通る熱流であり、Ａは断面積であり、ｄは熱電対間の距離であり、δＴは一方の熱電対から他方の熱電対への温度差を単位ケルビンで表したものである）
から計算した。次いで高温および低温メーターブロックに関する値を平均して、ＱＴＯＴＡＬを得た。次いで熱インピーダンス（単位  ｍ２Ｋ／Ｗ）を、方程式２：
θ＝（Ａ／ＱＡＶＧ）＊δＴ    （２）
（式中、δＴ＝ＴＨ−ＴＣは、評価した材料とメーターブロックの界面での特定の温度間の差であり、Ａは材料の断面積であり、Ｑはメーターブロック内を通る平均熱流である）
を通して評価した。
【０１８３】
次いで熱伝導度を、方程式３：
λ＝ＱＡＶＧ＊δｄ／Ａ＊δＴ  （３）
（式中、δｄは試験片の厚さの変化であり、Ａは試験片の断面積であり、δＴは試験片を横断する温度差を単位ケルビンで表したものである）
を使用して計算した。
【０１８４】
試験片の熱移動係数を方程式４：
ｃ＝ＱＡＶＧ／Ａ＊δＴ  （４）
を介して計算した。
試料製作：
【０１８５】
ＣＮＴアレイを、鉄触媒を使用してアルミニウム（Ａｌ）および銅（Ｃｕ）基板の両方に成長させて、それらの性能の差を評価した。ＣＮＴ成長は、低圧化学気相堆積（ＬＰＣＶＤ）プロセスを使用して行った。
【０１８６】
３つの異なるＣＮＴ高さの箔の組合せを試験した：
・  シリーズ＃１−各面上に５０ミクロンのナノチューブがある５０ミクロンＡｌ基板
・  シリーズ＃２−各面上に７５ミクロンのナノチューブがある５０ミクロンＡｌ基板
・  シリーズ＃３−各面上に１５０ミクロンのナノチューブがある５０ミクロン銅基板
【０１８７】
一般にナノチューブの品質は、製作した全ての長さに関して非常に良好であった。しかしチューブの長さが増加するにつれ、欠陥の存在も増加した。さらに、ＣＮＴの最終的に実現可能な高さは、基板内への触媒の逆拡散および触媒積層体への基板の拡散によって制限される。より高いコンプライアンスを持つより厚い試料が必要とされる適用例では、高さが増加したＴＩＭが、図２に概略的に示されるように両面フォレスト／アレイを積層することによって実現された。
【０１８８】
アルミニウム（Ａｌ）基板上で単一ＴＩＭを利用する２つの異なる積層体構成について評価した。「乾燥」積層体と示される第１の構成を、３つの個々のＴＩＭから組み立て、次いで調製したままの状態で評価した。第２の積層体構成では、非常に薄い吹付け塗りワックス材料を使用して、チューブとチューブとの間の界面で個々のＴＩＭを一緒に結合した。これらの吹付け塗り界面材料は、ＣＮＴベースのサーマルインターフェースマテリアルの熱抵抗を劇的に低下させることを示していた。合成ワックスに関する最大使用可能温度は、これらＴＩＭで期待される動作範囲内に十分包含される１５０℃であり、用いられた非常に薄い層（約１００ｎｍ）は、脱気のいかなる課題も提示しないと予測される。
【０１８９】
全ての初期評価は、周囲圧力で、平均温度５０℃で、かつ試験装置内の加熱されたおよび冷却されたメーターブロックの間の温度差２０℃で実行した。第１および第２の構成のＴＩＭ積層体の熱性能が周囲圧力で検証されたら、追加の試験を減圧中で実行した。メジアン温度５０℃および温度差２０℃を使用して、周囲圧力データとの比較を可能とした。
結果および考察：
乾燥積層体：
【０１９０】
機器のクロスヘッドで測定された実際の変位は、印加圧力１０ｋＰａ（１．５ｐｓｉ）で４３０μｍから４８０μｍに及び、６９ｋＰａ（１０ｐｓｉ）の印加圧力で３５５μｍから４６０μｍに及んだ。このことは、ＣＮＴの座屈（ｂｕｃｋｌｉｎｇ）および／または界面の噛み合いのいくらかの組合せを示唆した。変位測定は、変位測定のためにＴＩＭ積層体との接触がなされる点を正確に見分けることが困難であり得ることから、真の厚さと同じではないことに留意されたい。ＣＮＴの座屈および隣接するＣＮＴ層の噛み合いも考慮しなければならない。しかし正確な厚さ測定は、従来の測定技法を使用すると不可能である。
【０１９１】
２つの乾燥ＴＩＭ積層体に関する熱移動試験の結果を、図３に示す。各試験片を、全体が１０〜６９ｋＰａ（１．５から１０ｐｓｉ）の圧力サイクル２回を通して試験して、乾燥積層体の再現性を評価した。試験をした乾燥積層体の両方の場合、１回の圧力サイクルを経験した後に熱移動に実質的な改善があった。このことは、隣接するＣＮＴ層同士の良好な接触を確実にするために、アセンブリ圧力が必要であることを示唆した。このことは、噛み合いから得られる熱移動の改善を実証する。
ワックスで組み立てられた積層体：
【０１９２】
これらの実験では、それぞれの全厚が約２００μｍである、アルミニウム基板上で３つのＴＩＭ試験片を積層し、薄いワックス層（約１００ｎｍ）で結合して、厚さがおおよそ６００μｍ（０．０２４インチ）のＴＩＭアセンブリを提供した。機器のクロスヘッドで測定された実際の変位は、標的の厚さよりもいくらか少なかった。
【０１９３】
ワックスで結合された積層体に関する試験結果を、図４に提示する。概して、ワックス積層体は、乾燥積層体よりも性能が一貫しており、十分機能する前に「割り込み（break-in）」圧力サイクルを必要としないようである。性能異常は、試験１における低接触圧の試験片Ｂ２で認められ；このことは、装置内の上方メーターブロックと試験片との間の不十分な接触に起因すると考えられた。この特定の試験片の後続の試験は、優れた性能を一貫して示した。
【０１９４】
本明細書に記載されるＴＩＭを積層すると、特に薄い（約ｎｍの厚さ）層のポリマーを使用して階層間層を結合し、かつ噛み合いのレベルを制御するときに、金属基板上での長いＣＮＴの成長が可能になる。
（実施例２）
ポリマーまたは接着剤を含む多層化／重層化ＣＮＴベースのサーマルインターフェースマテリアル（ＴＩＭ）
【０１９５】
ＣＮＴアレイを、名目上１００μｍの厚さに成長させ、軟質ポリウレタンポリマーを完全に浸潤させた。個々のパッドのそれぞれの熱抵抗を、修正したＡＳＴＭ  Ｄ５７０ステップ付きバー装置を使用して測定した。
【０１９６】
個々の試料を、様々な方法を使用して積層し、得られる積層体の熱抵抗を、単一階層と同じ手法で測定した。
【０１９７】
最初に、測定された熱抵抗がそれぞれ１．３７および１．５ｃｍ２−Ｋ／Ｗである２つの個々のアレイ試料を、互いの上部に積層した。アレイに浸潤させるのに使用したポリマーを溶解することが公知の溶媒を、積層体間に配置して、界面を液体状態に置いた。得られた積層体を、溶媒が完全に蒸発するまで圧力下で乾燥させた。次いで積層体を、ステップ付きバーシステムで測定し、得られた抵抗は１．５ｃｍ２−Ｋ／Ｗであった。この実施例では、積層アレイの厚さは２倍であったが熱抵抗への不利益は受けなかった。
【０１９８】
第２の実験では、熱抵抗がそれぞれ０．４５および０．６６ｃｍ２−Ｋ／Ｗである２つの個々のアレイ試料を、互いの上部に積層した。アクリレート接着剤の薄層を試料の間に置いた。試料の積層体を、溶媒が完全に蒸発するまで圧力下で乾燥させた。次いで得られた積層体を、ステップ付きバーシステムで測定し、得られた抵抗は０．６６ｃｍ２−Ｋ／Ｗであった。この第２の実施例では、積層アレイの厚さはやはり２倍であったが熱抵抗への不利益は受けなかった。
（実施例３）
サーマルインターフェースマテリアル（ＴＩＭ）の焼付け試験
ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体の試料製作：
【０１９９】
垂直に並んだカーボンナノチューブを、低圧化学気相堆積を介して鉄触媒で両面がコーティングされた５０μｍの１１４５  Ｈ１９アルミ箔上で成長させた。アセチレンおよび水素が前駆体ガスとして働き、成長は、Ａｌ基板の融解温度よりも下でうまく留まるために６３０℃で行う。ＣＮＴは、２つの名目上の高さ：１５μｍ（３分の成長時間）または５０μｍ（１５分の成長時間）まで成長させる。
【０２００】
バルクパラフィンワックスの一貫した厚さを、ＣＮＴアレイ内に繰り返しウィッキングするのが難しいことに起因し、その一方先端での過剰なポリマーは回避され、粉末コーティング技法は、より信頼性ある状態で、ワックスの均一に薄いコーティングをＣＮＴの先端に送出することができると考えられる。
【０２０１】
ＣＮＴを粉末コーティングするのに使用される合成ポリエチレンワックスを、Ｅａｓｔｗｏｏｄ  Ｄｕａｌ  Ｖｏｌｔａｇｅ  ＨｏｔＣｏａｔ粉末コーティング銃に装填される微細化粉末形態で供給した。５〜８ｐｓｉの乾燥空気を、ワックスを試料に送出する推進力を提供する粉末コーティング銃に送出した。ワックス粒子を、銃から出るときに１５ｋＶで帯電させ、調製されたアルミニウム基板試料上に垂直に接地されたＣＮＴフォレストに付与した。ワックス粒子は、ＣＮＴ試料の表面に十分接着するようであり、過酷な振盪および吹付けに耐える。次いで乾燥コーティングされたＣＮＴ試料は、粉末コーティングキャビネットから炉に移動して、ワックスを矯正（溶融）させる。
【０２０２】
比較のポイントとして、対照試料に手作業でパラフィンワックスをコーティングして、コーティング厚さを比較した。ＳＥＭを使用して粉末コーティングされた試料の検査は、粉末コーティングプロセスを使用したときにＣＮＴの著しく少ないクランピングがあることを示した（図５Ａおよび５Ｂ）。ＣＮＴの毛細管クランピングは、ＣＮＴに浸み込ませた液体ワックスを乾燥するプロセスによって推進される。この毛細管クランピングを最小限にすることにより、粉末コーティングプロセスでワックスの薄いコーティングを送出することがはるかに可能になって、クランピングおよび低減した熱性能をもたらす過剰な材料なしに、ＣＮＴ先端接触を高めることを示唆した。
【０２０３】
他の工業規格材料に対して調製されたＣＮＴ−ＴＩＭ複合体試料の熱性能をベンチマークするため、１ｃｍ×１ｃｍの試料を、熱伝導性試料の定常状態１Ｄ熱抵抗を測定するように設計された改変ＡＳＴＭ−Ｄ５４７０ステップ付きバー装置で測定した。試験装置は、（D.  R.  Thompson、S.  R.  Rao、およびB.  A.  Cola、「A  Stepped-Bar  Apparatus  for  Thermal  Resistance  Measurements」、Journal  of  Electronic  Packaging、１３５巻、０４１００２〜０４１００２頁、２０１３年）に詳述されている。ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体試料の性能を適正に確立しかつ比較するために、広く様々な市販のＴＩＭを、同じ条件下で試験した。
焼付けシステム設計：
【０２０４】
焼付け（ｂｕｒｎ−ｉｎ）システムを使用して、焼付け、および試験の適用例について熱機械的サイクルをシミュレートした。多数回のサイクルにわたる、ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体試料および商用の試料の熱抵抗をモニタするのに使用した。このシステムを図６Ａに示し、そして図６Ｂおよび６Ｃに詳述されるように試験装置は下部および上部バーを有する。下部バーを２つのカートリッジヒータで加熱し、加熱マイクロチップとして働かせ；上部バーは、冷水で能動的に冷却し、冷却解決手段として働く。下部および上部バーの中心に沿ってそれぞれ配置された５つおよび３つのＪ型熱電対がある。上部バーに接続された低温プレートは、空気圧で推進するピストンに取着される。ピストンは、サイクル時間を設定するプログラマブルリレーにより要求に応じて開閉するソレノイド弁に接続される。白色ブロックは、図６Ａに示されるようにばねおよびロッドにより持ち上げられ、上部バーの水平アライメントを改善するのに使用される。低温プレートは、カンチレバー状態でアクチュエータに取着され、それ自身の重量の下、水平よりも僅かに下に吊られる傾向がある。低温プレートは、その下向き方向で白色ブロックにぶつかるので、平行に近い状態で持ち上げられ、下方メーターバーに対してより現実的な走向角（ｓｔｒｉｋｅ  ａｎｇｌｅ）が得られる。走向角は少なくなり、下部バーに完全に平行にぶつからないが、代わりに、ちょうど現場敷設の場合であるかのように、僅かなピッチを有する。上部および下部バーの間のこの非ゼロ走向角および後続の滑動運動は、係合し、そして係合を解除されるときにＴＩＭ上に剪断応力を引き起こし、現実的な摩耗メカニズムを送出する。
【０２０５】
プログラマブルリレーにより、各サイクルのおよびサイクル間の時間を設定することができる。実行した実験では、各サイクルを、係合されるバーに関して１８０秒に、係合を解除されるバーに関して２０秒に設定した。産業上、試験適用例に応じて、試験サイクルは試験適用例での数十秒程度から焼付け適用例での数時間にまで及ぶことができる。１８０秒の係合時間は、産業で使用される時間に一致するので選択され、熱抵抗が定常状態に到達するよう十分な時間も割り当てられる。２０秒の係合解除時間は、下部バーを１２０℃まで加熱することが可能になるので選択され、この温度は通常、産業における被試験デバイス（ＤＵＴ）に関する最大動作温度である。全ての実験で設定された圧力は７０ｐｓｉであった。カートリッジヒータを電圧調節器に配線し、最高可能電圧に設定し、したがって下部バーは１２０℃を超えない。水冷却器は１５℃に設定する。
【０２０６】
試験がなされるＣＮＴ−ＴＩＭ複合体試料および商用試料を、ＫＡＰＴＯＮ（登録商標）テープで、上部バーの表面に取着した。それぞれのＴＩＭを切断して上部バーのサイズに一致させ、４片のテープを、ＴＩＭの縁部上に垂れた状態で置き、次いでテープを折り畳んで上部バーに接着させた。
【０２０７】
熱抵抗を計算できるようにするために、両方のバーに沿った温度を、Ｏｍｅｇａデータ獲得モジュールに配線された熱電対を使用してモニタする。各熱電対の位置および温度を使用して、下部および上部バーの合わせ面の温度を、１次線形回帰を使用して計算することができた。下部バーを絶縁して、１Ｄ伝導を可能にし、次いで下部バーを通る熱流束を、以下の方程式：
【化１】
2018163147.tif 000003
（式中、ｋ下部バーは下部バーの熱伝導度であり、
【化２】
2018163147.tif 000004
は下部バーに沿った温度勾配である）
を使用して計算した。次いで電力入力を、以下の方程式：
Ｑ＝ｑ”Ａｒｅａ下部バー
を使用して計算することができた。
【０２０８】
熱抵抗は、以下の方程式：
【化３】
2018163147.tif 000005
を使用して決定した。
【０２０９】
熱抵抗は、システムが定常状態に達した後に計算し、同時に各サイクルで見分けた（ｓｐｏｔ）。試験は、ＴＩＭが故障の兆候を示したら（即ち、物理的引裂きまたは抵抗が大幅に増加したら）停止した。
結果：
静止試験：
【０２１０】
ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体試料の、ワックスがある状態とない状態との両方での比較を、５０ｐｓｉの接触圧に関して図７に示す。ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体性能を、隙間パッド（ｓｉｌパッドおよびｔｐｕｔｔｙ）、黒鉛、および高性能熱グリース、ならびにハイエンド炭素繊維ベースＴＩＭと比較した。ＴＩＭ型の広範なスペクトルを横断して、ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体は、熱抵抗の最良の性能を実証した。この適度な圧力で、ハイエンド銀粒子が負荷された熱グリースは同等の性能を送出したが、ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体は、ＣＴＥ不整合に起因したポンプアウト、空隙化（ｖｏｉｄｉｎｇ）、および層剥離に関連する信頼性の懸念を排除した。さらに、ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体は、ドロップインクーポン型解決手段を提示し、グリースまたはゲルに勝る付与の容易さの著しい改善を可能にする。データにおける一部の拡がりは、粉末コーティングされたＣＮＴ−ＴＩＭ複合体で明らかであり、試料間の均一性および再現性を確実にするよう改良されてもよい。
【０２１１】
図８は、１００ｐｓｉ接触圧での、類似の比較を示す。より高い接触圧で、抵抗は、結合ライン厚さおよび全接触面積が増加するときに予測されるように、降下する。また、より高い接触圧で、熱グリースが表した僅かな利点はもはや観察されず、一方、ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体は、より低い圧力で存在した形状因子、設置、および信頼性での利点を維持する。
焼付けおよび試験：
【０２１２】
６０ｐｓｉで、ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体の熱抵抗は、０．５ｃｍ２Ｋ／Ｗであり、インジウムの場合は０．０５ｃｍ２Ｋ／Ｗであり、ゴムでコーティングされたＡｌ箔の場合は０．８ｃｍ２Ｋ／Ｗであった。
【０２１３】
図９は、熱的−機械的サイクル中の、試験片の抵抗の変化を示す。ゴムでコーティングされたアルミ箔は、３００サイクル後に摩耗により抵抗が２倍になり、インジウムパッドは４００サイクル後に破れた。ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体は、１５００サイクル後も依然として耐久性があり、熱抵抗は一貫したままであった。ゴムでコーティングされたアルミ箔からの摩耗は、ＴＩＭに加えられた反復力から引き起こされ、ゴムが摩耗し始めると下にある箔が露出した。インジウムは、既に記載されたＴＩＭに加えられた剪断力により、引き裂かれた。図９では、故障の前にインジウムの抵抗が降下することを認めることができ；このことは、ＴＩＭの「割り込み（breaking  in）」に起因する可能性があり、バーとのより良好な接触が創出される。ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体には、１５００サイクル後に下部バーの跡（ｉｍｐｒｉｎｔ）があった。
【０２１４】
試験された試料が、任意の許容されない汚れを試験ダイに移す可能性があるか否かを評価するために、いくつかの実験を実施した。焼付け試験中、バーが係合解除状態にあるときに、顕微鏡用スライドガラスを下部バーの上部に置いた。次いで上部バーを降ろし、ＴＩＭはスライドガラスと接触させる。サイクルが終了した後、スライドガラスを、残渣移動について検査する。ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体は、残渣移動の兆候を示さず、一方、ゴムでコーティングされたＡｌ箔ＴＩＭは示した。インジウムパッドは、既に試験中に下部バーを汚していたので、この試験を受けなかった。ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体が汚れる可能性があるか否かをさらに調査するため、焼付けシステムとは切り離して別の試験を実施した。ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体を、１００ｐｓｉの圧力下、１２０℃で３０分間、２つのシリコンダイの間に置いた。シリコンダイは、汚れの目に見える兆候を示さず、ＳＥＭ下で撮像したときに汚れの兆候がなかった（図示せず）。
【０２１５】
試験は、慎重な選択および設計のポリマー−カーボンナノチューブ複合体（ＣＮＴ−ＴＩＭ複合体）を調整して、耐久性、低い熱抵抗、コンプライアンス、ならびに化学および熱安定性の最適化された混合物を持つ、カスタマイズされたＴＩＭを提供できることを示した。
【０２１６】
他に定義されない限り、本明細書で使用される全ての技術的および科学的用語は、開示された発明が属する分野の当業者により一般に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書に引用される刊行物およびそれらが引用される論文は、参照によって詳細に組み込まれる。
【０２１７】
当業者は、本明細書に記載される本発明の特定の実施形態に対する多くの均等物を、単に通常の実験を使用して理解しまたは確認し得る。そのような均等物は、以下の特許請求の範囲に包含される。
【図１】
2018163147.tif 000006
【図２】
2018163147.tif 000007
【図３】
2018163147.tif 000008
【図４】
2018163147.tif 000009
【図５】
2018163147.tif 000010
【図６Ａ】
2018163147.tif 000011
【図６Ｂ】
2018163147.tif 000012
【図６Ｃ】
2018163147.tif 000013
【図７】
2018163147.tif 000014
【図８】
2018163147.tif 000015
【図９】
2018163147.tif 000016
【図１０】
2018163147.tif 000017
【外国語明細書】
2018163147000001.pdf