JP2009267419A - 熱界面材料の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、熱界面材料の製造方法に関し、特にカーボンナノチューブを利用した熱界面材料の製造方法に関するものである。
【解決手段】本発明の熱界面材料の製造方法は、基板にカーボンナノチューブアレイを成長させる第一ステップと、前記カーボンナノチューブアレイの一つの表面に少なくとも一種の金属を堆積させる第二ステップと、前記カーボンナノチューブアレイ及び前記少なくとも一種の金属を加熱させて、前記金属を溶かす第三ステップと、を含む。前記第二ステップにおいては、伝送装置を利用して、前記カーボンナノチューブアレイの一側から前記カーボンナノチューブアレイに少なくとも一種の金属を堆積させる。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の熱界面材料の製造方法は、基板にカーボンナノチューブアレイを成長させる第一ステップと、前記カーボンナノチューブアレイの一つの表面に少なくとも一種の金属を堆積させる第二ステップと、前記カーボンナノチューブアレイ及び前記少なくとも一種の金属を加熱させて、前記金属を溶かす第三ステップと、を含む。前記第二ステップにおいては、伝送装置を利用して、前記カーボンナノチューブアレイの一側から前記カーボンナノチューブアレイに少なくとも一種の金属を堆積させる。
【選択図】図１
Description
本発明は、熱界面材料の製造方法に関し、特にカーボンナノチューブを利用した熱界面材料の製造方法に関するものである。
近年、半導体チップの高集積化に伴って、電気部品の小型化の研究が進んでいるので、小型電気部品の放熱性をさらに高めることが益々注目されている。それに対応して、小型電気部品の表面に放熱ユニットを設置する手段は、この技術領域において広く利用されている。従来の熱伝導材料は、高熱伝導の粒子が基板に分散されてなる複合材料である。ここで、高熱伝導の粒子としては、石墨、ダイヤモンド、酸化亜鉛、アルミナ、銀や他の金属などである。しかし、前記高熱伝導の粒子は不規則的に前記基板に分布されているので、前記熱伝導材料の両面の間に放熱パスが形成されない。従って、前記熱伝導材料の熱伝導係数が最小の１Ｗ/Ｋ・ｍ程度に達するので、電子部品に対応する高放熱性を満足できないという問題がある。
上述の問題を解決するために、金属が熱界面材料として利用されている。しかし、金属の熱膨張係数は半導体より高いので、温度サイクルの過程において、機械的応力が生じ、電子部品に過度に応力を与えて、電子部品の破損を起こすという不都合がある。
Ｈｕａｎｇ Ｈ．、Ｌｉｕ Ｃ．Ｈ．、Ｗｕ Ｙ、Ａｄｖ． Ｍａｔｅｒ．、２００５年、第１７巻、 ｐ．１６５２
Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１
前記の課題を解決するために、非特許文献１にカーボンナノチューブアレイと、ポリマー又は低融点の金属材料とからなる複合材料を、熱界面材料として利用するという技術が掲載されている。カーボンナノチューブアレイにおけるカーボンナノチューブは、配向して配列されているので、熱伝導パスが形成される。さらに、カーボンナノチューブアレイにおけるカーボンナノチューブは、ポリマー又は低融点の金属材料から突出して電子部品と接触するので、熱伝導効率を高めることができる。しかし、ポリマーの熱伝導係数が低いので、ポリマーを利用した熱界面材料の熱伝導効率が低いという課題がある。金属の熱伝導係数が高く、金属を利用した熱界面材料の熱伝導効率が高いので、金属及びカーボンナノチューブアレイからなる熱界面材料の研究が注目されている。
前記熱界面材料の製造方法は、化学気相堆積方法（ＣＶＤ）を利用する。該方法において、低融点の金属材料をガス状態に加熱させて、ガス状態の金属材料をカーボンナノチューブアレイに充填させる。熱いガス状態の金属が常温のカーボンナノチューブに接触すると、金属はカーボンナノチューブの表面に凝集することができる。しかし、低融点の金属材料は低い融点を有するが、その沸点が非常に高い。例えば、インジウムの融点は１５７℃であり、沸点は２０００℃程度に達する。従って、前記製造方法は、エネルギー消費及びコストが高いという課題がある。
本発明は、前記課題を解決するために、低融点金属を液体に加熱させて、カーボンナノチューブに堆積させて利用する熱界面材料の製造方法を提供する。
本発明の熱界面材料の製造方法は、基板にカーボンナノチューブアレイを成長させる第一ステップと、前記カーボンナノチューブアレイの一つの表面に少なくとも一種の金属を堆積させる第二ステップと、前記カーボンナノチューブアレイ及び前記少なくとも一種の金属を加熱させて、前記金属を溶かす第三ステップと、を含む。
前記第二ステップにおいて、伝送装置を利用して、前記カーボンナノチューブアレイの一側から前記カーボンナノチューブアレイに前記少なくとも一種の金属を堆積させる。
前記第三ステップにおいて、前記カーボンナノチューブアレイ及び前記少なくとも一種の金属を加熱炉において加熱させる。
前記第三ステップにおいて、前記加熱炉の中を真空化させ、前記カーボンナノチューブアレイ及び前記金属における空気を排気する。
従来の技術と比べて、本発明の熱界面材料は、高い熱伝導率を有する。前記熱界面材料において、金属材料にカーボンナノチューブが分散しているので、温度サイクルの過程において、金属材料に生じる機械的応力は、カーボンナノチューブアレイに起因して低減することができる。さらに、本発明では、低融点金属を液体に加熱させて熱界面材料を製造するので、製造方法が簡単であり、コストが低いという優れた点がある。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１を参照すると、本発明の熱界面材料の製造方法は、基板にカーボンナノチューブアレイを成長させる第一ステップと、前記カーボンナノチューブアレイの一つの表面に少なくとも一種の金属を堆積させる第二ステップと、前記カーボンナノチューブアレイ及び前記少なくとも一種の金属を加熱させて、前記金属を溶かす第三ステップと、を含む。
前記第一ステップにおいて、前記カーボンナノチューブアレイは超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献２）であることが好ましい。
本実施形態において、化学気相堆積（ＣＶＤ）法により前記カーボンナノチューブアレイを成長させる。まず、基板を提供する。該基板としては、Ｐ型又はＮ型のシリコン基板、又は表面に酸化物が形成されたシリコン基板が利用される。本実施形態においては、厚さが４インチのシリコン基板を提供する。次に、前記基板の表面に触媒層を蒸着させる。該触媒層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はそれらの合金である。次に、前記触媒層が蒸着された前記基板を、７００〜９００℃、空気雰囲気において３０〜９０分間アニーリングする。最後に、反応装置内において、保護ガスを導入すると同時に前記基板を５００〜７００℃に加熱して、５〜３０分間カーボンを含むガスを導入する。
本実施形態において、前記カーボンを含むガスは、エチレン、メタン、アセチレン、エタン、またはその混合物などの炭化水素であり、保護ガスは窒素やアンモニアなどの不活性ガスである。勿論、前記カーボンナノチューブアレイは、アーク放電法又はレーザー蒸発法でも得られる。前記方法により、前記超配列カーボンナノチューブアレイにアモルファスカーボン又は触媒である金属粒子などの不純物が残らず、純粋なカーボンナノチューブアレイが得られる。
図２を参照すると、前記第二ステップにおいて、伝送装置１００を利用して、前記カーボンナノチューブアレイ１０の一側から前記カーボンナノチューブアレイ１０に少なくとも一種の金属１０４を堆積させる。前記伝送装置１００は、伝送板１０２と、密封部１１０と、を備えている。伝送板１０２及び密封部１１０により、チャンバー（図示せず）を形成する。前記カーボンナノチューブアレイ１０は、前記チャンバー内に設置されている。前記伝送板１０２は中空部１０６を含む。該中空部１０６は、前記少なくとも一種の金属１０４を蓄えるために設けられている。前記中空部１０６は前記カーボンナノチューブアレイ１０に対向するように設置されている。さらに、前記伝送板１０２に、前記中空部１０６を外部と接触させるための孔１０８が設けられている。前記密封部１１０は、前記伝送板１０２を支持して、前記伝送板１０２を前記カーボンナノチューブアレイ１０の上方に固定させる。前記密封部１１０は前記カーボンナノチューブアレイ１０より高く設けられ、前記伝送板１０２及び前記カーボンナノチューブアレイ１０の間に隙間１１２を形成する。
前記金属１０４の融点は２６５℃以下である。例えば、前記金属１０４は、銅、インジウム、鉛、アンチモン、金、銀、ビスマス又はそれらの合金である。前記金属１０４は、単層構造又は多層構造である。単層構造の前記金属１０４は、スズ鉛合金、インジウムスズ合金、スズ・銀・銅合金、金シリコン合金、金ゲルマニウム合金のいずれか一種である。例えば、多層構造の前記金属１０４が三層構造である場合、一層のインジウムと、一層のスズ合金と、一層の金シリコン合金と、を含む。多層構造の前記金属１０４が二層構造である場合、一層のインジウム及び一層のビスマス合金を含む。
前記第三ステップにおいて、前記カーボンナノチューブアレイ１０及び前記少なくとも一種の金属１０４を加熱炉１１４において加熱させる。該加熱温度は、前記金属１０４の融点より高く設定されている。前記金属１０４は加熱されて液体になると、液体状の前記金属１０４は前記中空部１０６から前記カーボンナノチューブアレイ１０へ流出して、前記カーボンナノチューブアレイ１０におけるカーボンナノチューブの間の隙間を充填させる。この後、前記加熱炉１１４の中を真空化させ、前記カーボンナノチューブアレイ１０及び前記金属１０４における空気を排気する。これにより、前記カーボンナノチューブアレイ１０におけるカーボンナノチューブ及び前記金属１０４を緊密に結合させることができる。前記空気抽出の工程において、空気を前記伝送板１０２の孔１０８から抽出させる。前記カーボンナノチューブアレイ１０及び前記金属１０４を結合させた後、前記カーボンナノチューブアレイ１０が成長された基板１２に、熱界面材料を形成することができる。前記加熱炉１１４の中を冷却させた後、前記熱界面材料を直接前記基板１２から剥離して、自立構造を有する熱界面材料が得られる。この代わり、前記熱界面材料及び前記基板１２を一つのユニットとして、ヒートシートとして利用することができる。
前記カーボンナノチューブアレイ１０及び少なくとも一種の低融点の金属１０４からなる熱界面材料は、高い熱伝導係数を有する。さらに、前記熱界面材料の熱膨張係数は通常の金属よりも、通常の半導体材料に近い。
本実施例の熱界面材料は、電子部品及びヒートシートの間に設置する場合、前記熱界面材料における金属１０４の融点より高い温度で前記熱界面材料を加熱させると、前記金属１０４は液体になる。液体の前記金属１０４は前記電子部品及びヒートシートの間に充填させるので、前記電子部品及びヒートシートの間の抵抗を低くすることができる。前記熱界面材料の前記金属１０４は高い熱伝導率を有するので、前記熱界面材料は、ポリマー及びカーボンナノチューブアレイからなる複合物と比べて、高い熱伝導率を有する。前記熱界面材料において、金属材料にカーボンナノチューブが分散しているので、温度サイクルの過程において、金属材料に生じる機械的応力は、カーボンナノチューブアレイに起因して低減することができる。さらに、本実施例では、低融点金属を液体に加熱させて熱界面材料を製造するので、製造方法が簡単であり、コストが低いという優れた点がある。
１０ 前記カーボンナノチューブアレイ
１２ 基板
１００ 伝送装置
１０２ 伝送板
１０４ 金属
１０６ 中空部
１０８ 孔
１１０ 密封部
１１２ 隙間
１１４ 加熱炉
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１１４ 加熱炉
Claims (4)
- 基板にカーボンナノチューブアレイを成長させる第一ステップと、
前記カーボンナノチューブアレイの一つの表面に少なくとも一種の金属を堆積させる第二ステップと、
前記カーボンナノチューブアレイ及び前記少なくとも一種の金属を加熱させて、前記金属を溶かす第三ステップと、
を含むことを特徴とする熱界面材料の製造方法。 - 前記第二ステップにおいて、伝送装置を利用して、前記カーボンナノチューブアレイの一側から前記カーボンナノチューブアレイに前記少なくとも一種の金属を堆積させることを特徴とする、請求項１に記載の熱界面材料の製造方法。
- 前記第三ステップにおいて、前記カーボンナノチューブアレイ及び前記少なくとも一種の金属を加熱炉において加熱させることを特徴とする、請求項１に記載の熱界面材料の製造方法。
- 前記第三ステップにおいて、前記加熱炉の中を真空化させ、前記カーボンナノチューブアレイ及び前記金属における空気を排出することを特徴とする、請求項１に記載の熱界面材料の製造方法。
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