JP2010021552A - Heat dissipation structure and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat dissipation structure and a method of manufacturing the same. <P>SOLUTION: The heat dissipation structure, which is fastened to a surface of a heat generating member, includes a patterned carbon nanotube array and a fastening layer, wherein the patterned carbon nanotube array is fastened to the heat generating member by the fastening layer. The invention also relates to the method of manufacturing the heat dissipation structure. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、放熱構造体及びその製造方法に関し、特に、カーボンナノチューブによる放熱構造体及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a heat dissipation structure and a manufacturing method thereof, and more particularly to a heat dissipation structure using carbon nanotubes and a manufacturing method thereof.

最近、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は益々注目されている。ここで、半導体集積プロセスにおいては、放熱という課題がある。   Recently, as the integration of semiconductor chips is highly integrated, research on miniaturization of electrical components has been advanced, and therefore further attention has been given to further improving the heat dissipation of small electrical components. Here, there is a problem of heat dissipation in the semiconductor integrated process.

図１を参照すると、従来の放熱構造体１００は、放熱器１０２と、熱界面材料層１０４と、を含む。前記放熱器１０２は、基材１０６と、前記基材１０６の表面に設置されるヒートシンク１０８と、を含む。前記熱界面材料層１０４は、前記放熱器１０２の基材１０６における前記ヒートシンク１０８が設置された表面の反対側の他の表面に設置され、放熱構造体１００と半導体部品との間の放熱面積を増加することに用いられ、半導体部品と放熱構造体１００との間の熱伝導特性を向上させる。従来の熱界面材料は、グラファイト、窒化ホウ素、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、銀又はその他の金属などのような高熱伝導率の粒子を重合体基材に分散して形成する複合材料である。前記複合材料において、その材質全体の熱伝導率が低い（約１Ｗ／ｍＫである）ため、現在の半導体チップの高集積化に伴って向上する高放熱要求を満たすことができない。なお、熱界面材料が存在するので、半導体部品の小型化を達成し難い。又、従来のヒートシンクの材料は、金属、金属合金又は高熱伝導係数の粒子を重合体基材に分散して形成する複合材料であり、このような材料で製造されたヒートシンクも同様に熱伝導率が低いので、高放熱要求を満たすことができない。   Referring to FIG. 1, a conventional heat dissipation structure 100 includes a radiator 102 and a thermal interface material layer 104. The heat radiator 102 includes a base 106 and a heat sink 108 installed on the surface of the base 106. The thermal interface material layer 104 is installed on the other surface of the base 106 of the radiator 102 opposite to the surface on which the heat sink 108 is installed, and the heat dissipation area between the heat dissipation structure 100 and the semiconductor component is increased. It is used to increase the heat conduction characteristics between the semiconductor component and the heat dissipation structure 100. Conventional thermal interface materials are composite materials formed by dispersing particles of high thermal conductivity such as graphite, boron nitride, silicon oxide, aluminum oxide, silver or other metals in a polymer substrate. In the composite material, since the thermal conductivity of the entire material is low (about 1 W / mK), it is not possible to satisfy the high heat dissipation requirement that is improved with the high integration of the current semiconductor chip. Since the thermal interface material exists, it is difficult to achieve miniaturization of the semiconductor component. In addition, the conventional heat sink material is a composite material formed by dispersing particles of metal, metal alloy or high thermal conductivity coefficient in a polymer base material. Is low, it cannot meet high heat dissipation requirements.

カーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ，ＣＮＴ）は、１９９１年に発見された新しい一次元ナノ材料として知られているものである（非特許文献１を参照）。カーボンナノチューブは、アスペクト比が大きく、その長さが直径の何千倍にもなり得て、強度が高く、その強度がスチールの１００倍であるが、その重量はスチールのたった１／６であって、優れた靭性と柔軟性を有し、且つその軸方向に沿って極めて高い熱伝導率を有するため、潜在性が最も大きい熱界面材料として用いられる。米国物理学会から発表された非特許文献２によると、室温で「Ｚ」字形（１０，１０）のカーボンナノチューブの熱伝導率が６６００Ｗ／ｍＫにも達することができるため、カーボンナノチューブの高い熱伝導性能を有効に利用して、熱伝導材料の製造に用いることができる。   Carbon nanotubes (Carbon Nanotube, CNT) are known as a new one-dimensional nanomaterial discovered in 1991 (see Non-Patent Document 1). Carbon nanotubes have a large aspect ratio, can be thousands of times long in diameter, are strong, and are 100 times stronger than steel, but weigh only 1/6 that of steel. In addition, it has excellent toughness and flexibility, and has extremely high thermal conductivity along the axial direction thereof, so that it is used as a thermal interface material having the greatest potential. According to Non-Patent Document 2 published by the American Physical Society, the thermal conductivity of “Z” -shaped (10, 10) carbon nanotubes can reach as high as 6600 W / mK at room temperature. The performance can be used effectively to produce a heat conductive material.

従来技術において、カーボンナノチューブ又はカーボンナノチューブの複合材料を熱界面材料として応用する。   In the prior art, carbon nanotubes or composites of carbon nanotubes are applied as thermal interface materials.

Ｓｕｍｉｏ Ｉｉｊｉｍａ、「Ｈｅｌｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｅｓ ｏｆ ｇｒａｐｈｉｔｉｃ ｃａｒｂｏｎ」、Ｎａｔｕｒｅ、１９９１年、第３５４巻、第５６頁Sumio Iijima, “Helical microtubules of graphic carbon”, Nature, 1991, 354, 56. Ｓａｖａｓ Ｂｅｒｂｅｒ外、「Ｕｎｕｓｕａｌｌｙ Ｈｉｇｈ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ、２０００年、第８４巻、第４６１３頁Saber Berber et al., “Unusual High Thermal Conductivity of Carbon Nanotubes”, Phys. Rev. Lett, 2000, 84, 4613

しかし、熱界面材料におけるカーボンナノチューブは、配向せずに配列されているので、熱伝導の均一性が悪化し、カーボンナノチューブの軸方向での良好な熱伝導性能を十分に利用できず、熱伝導材料全体の熱伝導性能が低くなるという課題がある。   However, since the carbon nanotubes in the thermal interface material are aligned without being aligned, the heat conduction uniformity deteriorates, and the good heat conduction performance in the axial direction of the carbon nanotubes cannot be fully utilized. There is a problem that the heat conduction performance of the entire material is lowered.

従って、本発明は、前記課題を解決するために、高い放熱効率及び小型化電子部品に適用する小さい体積を有し、且つさまざまな分野に応用することができる放熱構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention provides a heat dissipation structure that has high heat dissipation efficiency and a small volume that can be applied to miniaturized electronic components and that can be applied to various fields, and a method for manufacturing the same, in order to solve the above problems. The purpose is to do.

発熱部材の表面に固定される放熱構造体であって、パターン化されたカーボンナノチューブアレイと、固定層と、を含み、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイは、前記固定層により前記発熱部材に固定される。   A heat dissipation structure fixed to the surface of a heat generating member, comprising a patterned carbon nanotube array and a fixed layer, wherein the patterned carbon nanotube array is fixed to the heat generating member by the fixed layer Is done.

前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイは、対向設置される第一端及び第二端を含み、前記第一端は、前記固定層に設置される。   The patterned carbon nanotube array includes a first end and a second end disposed opposite to each other, and the first end is disposed on the fixed layer.

前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイの第一端は、前記発熱部材の表面に直接に接触する。   The first end of the patterned carbon nanotube array directly contacts the surface of the heat generating member.

前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイは、互いに平行される複数のカーボンナノチューブを含み、前記カーボンナノチューブは、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイの第一端から第二端に向かって延伸している。   The patterned carbon nanotube array includes a plurality of carbon nanotubes parallel to each other, and the carbon nanotubes extend from a first end to a second end of the patterned carbon nanotube array.

前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイの中の一部分のカーボンナノチューブにおける前記固定層から露出する部分が除去され、残りのカーボンナノチューブにおける前記固定層から露出する部分の長さが等しい。   A portion of the carbon nanotube array exposed from the fixed layer in a part of the carbon nanotubes is removed, and a portion of the remaining carbon nanotube exposed from the fixed layer is equal in length.

前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイの中の一部分のカーボンナノチューブにおける前記固定層から露出する部分が除去され、残りのカーボンナノチューブにおける前記固定層から露出する部分の長さが異なる。   The part of the patterned carbon nanotube array that is exposed from the fixed layer in a part of the carbon nanotubes is removed, and the length of the part of the remaining carbon nanotube that is exposed from the fixed layer is different.

前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイを構成するカーボンナノチューブにおける前記固定層から露出する部分の長さが異なる。   The lengths of the carbon nanotubes constituting the patterned carbon nanotube array that are exposed from the fixed layer are different.

発熱部材を提供する第一ステップと、発熱部材の一つの表面に溶融状態の固定層を形成する第二ステップと、基材に対向設置される第一端及び第二端を有するカーボンナノチューブアレイを形成し、前記第二端が前記基材に連接する第三ステップと、前記カーボンナノチューブアレイの第一端を溶融状態の固定層に挿入してから、前記固定層を冷却して凝固させる第四ステップと、前記カーボンナノチューブアレイの基材を除去する第五ステップと、前記カーボンナノチューブアレイをパターン化して、前記発熱部材の表面に放熱構造体を形成する第六ステップと、を含む製造方法。   A first step of providing a heat generating member; a second step of forming a fixed layer in a molten state on one surface of the heat generating member; and a carbon nanotube array having a first end and a second end opposed to the substrate. Forming a third step in which the second end is connected to the substrate; and inserting a first end of the carbon nanotube array into the molten fixed layer, and then cooling and solidifying the fixed layer. And a sixth step of patterning the carbon nanotube array to form a heat dissipation structure on the surface of the heat generating member.

本発明の放熱構造体は、次の優れた点がある。第一に、前記放熱構造体を発熱部材の表面に直接に固定するため、熱界面材料を必要としなく、前記放熱構造体全体の体積を小さくして、電子部品の小型化に向けて適用することができ、且つさまざまな分野に応用することができる。第二に、前記放熱構造体のカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブアレイを構成し、且つ前記カーボンナノチューブが前記発熱部材の表面に直交するため、カーボンナノチューブの軸方向での良好な熱伝導性能を十分に利用することができ、従って前記放熱構造体の放熱効率を向上させる。   The heat dissipation structure of the present invention has the following excellent points. First, since the heat dissipation structure is directly fixed to the surface of the heat generating member, no thermal interface material is required, and the volume of the entire heat dissipation structure is reduced to be applied for downsizing electronic components. Can be applied to various fields. Second, the carbon nanotubes of the heat dissipation structure constitute a carbon nanotube array, and the carbon nanotubes are orthogonal to the surface of the heat generating member, so that sufficient heat conduction performance in the axial direction of the carbon nanotubes is sufficiently obtained. Therefore, the heat dissipation efficiency of the heat dissipation structure can be improved.

従来の放熱構造体を示す図である。It is a figure which shows the conventional heat dissipation structure. 本発明の実施例に係る発熱部材の表面に設置される放熱構造体を示す断面図。Sectional drawing which shows the thermal radiation structure installed in the surface of the heat generating member which concerns on the Example of this invention. 図２に係る放熱構造体を示す上面図。The top view which shows the thermal radiation structure which concerns on FIG. 本発明の実施例に係る放熱構造体の製造方法のフローチャートである。It is a flowchart of the manufacturing method of the thermal radiation structure which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る放熱構造体の製造プロセスのフローチャートである。It is a flowchart of the manufacturing process of the thermal radiation structure which concerns on the Example of this invention.

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図２を参照すると、本発明の実施例に係わる放熱構造体１０は、発熱部材１２の表面１８に設置され、パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６と、固定層１４と、を含む。前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６は、対向設置される第一端１６２及び第二端１６４を含む。前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の第一端１６２は、前記固定層１４に設置され、前記固定層１４により前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６を前記発熱部材１２の表面１８に固定させ、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の第二端１６４は、前記固定層１４から離れる方向へ延伸している。前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の第一端１６２は、前記固定層１４を貫いて前記発熱部材１２に直接接触することができ、従って放熱効率を向上させる。   Referring to FIG. 2, the heat dissipating structure 10 according to the embodiment of the present invention includes a patterned carbon nanotube array 16 and a fixed layer 14 installed on the surface 18 of the heat generating member 12. The patterned carbon nanotube array 16 includes a first end 162 and a second end 164 facing each other. A first end 162 of the patterned carbon nanotube array 16 is disposed on the fixed layer 14, and the patterned carbon nanotube array 16 is fixed to the surface 18 of the heating member 12 by the fixed layer 14. The second end 164 of the patterned carbon nanotube array 16 extends in a direction away from the fixed layer 14. The first end 162 of the patterned carbon nanotube array 16 may be in direct contact with the heat generating member 12 through the fixed layer 14, thus improving heat dissipation efficiency.

前記固定層１４の材料は、熱伝導材料であり、複合材料又は低融点を有する金属を含む。前記複合材料は、導電重合体複合材料、導電セラミックス複合材料又は他の導電複合材料（例えば、カーボンナノチューブを含むプラスチック）を含む。前記低融点を有する金属は、錫、インジウム、鉛、アンチモン、銀、ビスマス及びそのいずれか組合の合金又は混合物（例えば、錫鉛合金、インジウム錫合金、錫銀合金等である）を含む。前記固定層１４の厚さに関して、厚すぎるとカーボンナノチューブの良好な熱伝導性能を十分に利用することができなく、薄すぎると前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の固定力が削がれ、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６を傾斜させる。本実施例において、前記固定層１４の厚さは０．１ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましい。   The material of the fixed layer 14 is a heat conductive material, and includes a composite material or a metal having a low melting point. The composite material includes a conductive polymer composite material, a conductive ceramic composite material, or another conductive composite material (for example, a plastic including carbon nanotubes). The metal having a low melting point includes tin, indium, lead, antimony, silver, bismuth, and an alloy or mixture thereof (for example, a tin-lead alloy, an indium-tin alloy, a tin-silver alloy, or the like). Regarding the thickness of the fixed layer 14, if it is too thick, the good heat conduction performance of the carbon nanotubes cannot be fully utilized, and if it is too thin, the fixing force of the patterned carbon nanotube array 16 is scraped. The patterned carbon nanotube array 16 is tilted. In the present embodiment, the thickness of the fixed layer 14 is preferably 0.1 mm to 1 mm.

前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６は、互いに平行する複数のカーボンナノチューブを含み、該カーボンナノチューブは、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の第一端１６２から第二端１６４に向かって延伸し、且つ前記固定層１４の表面１８に直交する。前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の第一端１６２が前記固定層１４に設置されるので、前記カーボンナノチューブの少なくとも一部分は、前記固定層１４に設置され、前記カーボンナノチューブの前記固定層１４から露出する部分をヒートシンクとして、前記発熱部材１２からの熱量を放熱する。前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６は、前記発熱部材１２に基づいて予定のパターンを形成することができる。具体的に説明すると、第一に、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の中の一部分のカーボンナノチューブの前記固定層１４から露出する部分が除去され、残りのカーボンナノチューブの前記固定層１４から露出する部分の長さが等しく、従って予定の平面パターン（例えば、円形、「＋」字型、リング型等）を形成し、第二に、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６を構成するカーボンナノチューブの前記固定層１４から露出する部分の長さが異なって、従って予定の立体パターンを形成し、第三に、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の中の一部分のカーボンナノチューブの前記固定層１４から露出する部分が除去され、残りのカーボンナノチューブの前記固定層１４から露出する部分の長さが異なって、従って予定のパターンを形成する。本実施例において、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の中の一部分のカーボンナノチューブの前記固定層１４から露出する部分が除去され、残りのカーボンナノチューブの前記固定層１４から露出する部分の長さが等しく、従って図３に示す「＋」字チャンネルを形成する。   The patterned carbon nanotube array 16 includes a plurality of carbon nanotubes parallel to each other, and the carbon nanotubes extend from the first end 162 to the second end 164 of the patterned carbon nanotube array 16. And orthogonal to the surface 18 of the fixed layer 14. Since the first end 162 of the patterned carbon nanotube array 16 is disposed on the fixed layer 14, at least a part of the carbon nanotubes is disposed on the fixed layer 14, The exposed portion is used as a heat sink to dissipate heat from the heat generating member 12. The patterned carbon nanotube array 16 may form a predetermined pattern based on the heat generating member 12. Specifically, first, a portion of the patterned carbon nanotube array 16 exposed from the fixed layer 14 of a part of the carbon nanotubes is removed, and the remaining carbon nanotubes are exposed from the fixed layer 14. Carbon nanotubes forming the patterned carbon nanotube array 16 and secondly forming a predetermined planar pattern (for example, circular, “+” shape, ring shape, etc.) The length of the exposed portion of the fixed layer 14 is different, thus forming a predetermined three-dimensional pattern, and thirdly, the fixed layer 14 of a part of the carbon nanotubes in the patterned carbon nanotube array 16. The exposed portion is removed and exposed from the fixed layer 14 of the remaining carbon nanotubes Min is different length, thus forming a pattern of appointment. In the present embodiment, a part of the patterned carbon nanotube array 16 exposed from the fixed layer 14 of a part of the carbon nanotubes is removed, and a length of a part of the remaining carbon nanotubes exposed from the fixed layer 14 is removed. Thus forming the “+” channel shown in FIG.

使用する時、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６が空気の対流を増加させるため、放熱効率を向上させる。前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の中のカーボンナノチューブの長さは、前記固定層１４の厚さより大きい。前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の中のカーボンナノチューブの長さが０．５ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましい。本実施例において、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の中のカーボンナノチューブの長さは、１ｍｍである。前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の中のカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）、二層カーボンナノチューブ（ＤＷＣＮＴ）、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）又はそのいずれかの組合である。前記単層カーボンナノチューブの直径は、０．５ｎｍ〜１００ｎｍであり、前記二層カーボンナノチューブの直径は、１．０ｎｍ〜１００ｎｍであり、前記多層カーボンナノチューブの直径は、１．５ｎｍ〜１００ｎｍである。前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の中のカーボンナノチューブの間の距離は、０．１ｎｍ〜５ｎｍである。   When used, the patterned carbon nanotube array 16 increases air convection, thus improving heat dissipation efficiency. The length of the carbon nanotubes in the patterned carbon nanotube array 16 is larger than the thickness of the fixed layer 14. The length of the carbon nanotubes in the patterned carbon nanotube array 16 is preferably 0.5 mm to 5 mm. In this embodiment, the length of the carbon nanotubes in the patterned carbon nanotube array 16 is 1 mm. The carbon nanotubes in the patterned carbon nanotube array 16 are single-walled carbon nanotubes (SWCNT), double-walled carbon nanotubes (DWCNT), multi-walled carbon nanotubes (MWCNT), or any combination thereof. The single-walled carbon nanotube has a diameter of 0.5 nm to 100 nm, the double-walled carbon nanotube has a diameter of 1.0 nm to 100 nm, and the multi-walled carbon nanotube has a diameter of 1.5 nm to 100 nm. The distance between the carbon nanotubes in the patterned carbon nanotube array 16 is 0.1 nm to 5 nm.

前記発熱部材１２の形状は、ある特定の形状に限定されるものではない。前記発熱部材１２は、前記固定層１４を設置することに用いられる表面１８を有し、該表面１８は、平面、凸面、凹面、平坦ではない面のいずれか一種である。前記放熱構造体１０を前記発熱部材１２の表面１８に形成する時、前記発熱部材１２を破壊しないように、前記発熱部材１２の表面１８の融点は、前記固定層１４の融点より高い。前記発熱部材１２は、マイクロ部品又は大型部品であることができ、本実施例において、前記発熱部材１２は、マイクロ部品であることが好ましい。   The shape of the heat generating member 12 is not limited to a specific shape. The heat generating member 12 has a surface 18 used for installing the fixed layer 14, and the surface 18 is any one of a plane, a convex surface, a concave surface, and a non-flat surface. When the heat dissipation structure 10 is formed on the surface 18 of the heat generating member 12, the melting point of the surface 18 of the heat generating member 12 is higher than the melting point of the fixed layer 14 so as not to break the heat generating member 12. The heat generating member 12 may be a micro component or a large component, and in the present embodiment, the heat generating member 12 is preferably a micro component.

図４と図５を参照すると、本実施例に係わる前記放熱構造体１０の製造方法は、下記のようなステップを含む。   4 and 5, the method for manufacturing the heat dissipation structure 10 according to the present embodiment includes the following steps.

第一ステップ：表面１８を有する発熱部材１２を提供する。   First step: providing a heat generating member 12 having a surface 18.

前記発熱部材１２の形状は、制限されず、前記固定層１４を設置するための表面１８を有すればよい。前記放熱構造体１０を前記発熱部材１２の表面１８に形成する時、前記発熱部材１２を破壊しないように、前記発熱部材１２の表面１８の融点は、前記固定層１４の融点より高い。本実施例において、前記発熱部材１２は、集積回路チップである。   The shape of the heat generating member 12 is not limited as long as it has a surface 18 for installing the fixed layer 14. When the heat dissipation structure 10 is formed on the surface 18 of the heat generating member 12, the melting point of the surface 18 of the heat generating member 12 is higher than the melting point of the fixed layer 14 so as not to break the heat generating member 12. In this embodiment, the heat generating member 12 is an integrated circuit chip.

第二ステップ：発熱部材１２の表面に溶融状態の固定層１４を形成する。   Second step: The molten fixed layer 14 is formed on the surface of the heat generating member 12.

塗布又は印刷などの方法で溶融状態の固定層材料を前記発熱部材１２の表面に設置して固定層１４を形成する。前記固定層１４は、熱伝導材料からなり、具体的に錫、インジウム、鉛、アンチモン、銀、ビスマス及びそのいずれか組合の合金又は混合物（例えば、錫鉛合金、インジウム錫合金、錫銀合金等である）のような低融点金属からなる。本実施例において、前記固定層１４の材料として、錫であることが好ましい。   The fixed layer material in a molten state is placed on the surface of the heat generating member 12 by a method such as coating or printing to form the fixed layer 14. The fixed layer 14 is made of a heat conductive material, and specifically, tin, indium, lead, antimony, silver, bismuth, and an alloy or mixture thereof (for example, tin-lead alloy, indium-tin alloy, tin-silver alloy, etc.) It is made of a low melting point metal such as In the present embodiment, the material of the fixed layer 14 is preferably tin.

第三ステップ：基材２０に対向設置される第一端及び第二端を有するカーボンナノチューブアレイ２２を形成し、前記第二端が前記基材２０に連接する。   Third step: A carbon nanotube array 22 having a first end and a second end that are opposed to the substrate 20 is formed, and the second end is connected to the substrate 20.

前記カーボンナノチューブアレイ２２の製造方法は、制限されず、本実施例において、化学気相堆積法を採用し、具体的に下記のようなステップ（ａ）〜（ｄ）を含む。ステップ（ａ）では、平らな基材２０を提供する。前記基材２０は、ガラス、シリコン、酸化珪素、金属又は金属酸化物の中のいずれか一種である。本実施例において、酸化珪素基材を選択する。ステップ（ｂ）では、前記基材２０の表面に触媒層を均一に形成する。前記触媒層は、鉄、コバルト、ニッケル及びそのいずれか組合の合金の中のいずれか一種である。ステップ（ｃ）では、前記触媒層が形成された基材２０を７００℃〜９００℃の空気で３０分〜９０分間もアニーリングする。ステップ（ｄ）では、アニーリングされた基材２０を反応炉に置き、保護ガスの雰囲気で５００℃〜７４０℃の温度で加熱した後、前記反応炉にカーボンを含むガスを導入して、５分〜３０分間も反応を行って、カーボンナノチューブアレイを生長させる。前記カーボンナノチューブアレイ２２は、互いに平行し且つ前記基材２０に垂直に生長された複数のカーボンナノチューブからなる。前記カーボンナノチューブアレイ２２は、対向される第一端及び第二端を含み、前記第二端が前記基材２０に連接固定される。前記複数のカーボンナノチューブは、前記カーボンナノチューブアレイ２２の第一端から第二端に向かって延伸している。   The method for manufacturing the carbon nanotube array 22 is not limited, and in this embodiment, a chemical vapor deposition method is employed, and specifically includes the following steps (a) to (d). In step (a), a flat substrate 20 is provided. The base material 20 is any one of glass, silicon, silicon oxide, metal, or metal oxide. In this example, a silicon oxide substrate is selected. In step (b), a catalyst layer is uniformly formed on the surface of the substrate 20. The catalyst layer is one of iron, cobalt, nickel, and an alloy of any combination thereof. In step (c), the substrate 20 on which the catalyst layer is formed is annealed with air at 700 ° C. to 900 ° C. for 30 minutes to 90 minutes. In step (d), the annealed substrate 20 is placed in a reaction furnace, heated in a protective gas atmosphere at a temperature of 500 ° C. to 740 ° C., and then a gas containing carbon is introduced into the reaction furnace for 5 minutes. The reaction is carried out for ˜30 minutes to grow the carbon nanotube array. The carbon nanotube array 22 is composed of a plurality of carbon nanotubes grown in parallel to each other and perpendicular to the substrate 20. The carbon nanotube array 22 includes a first end and a second end facing each other, and the second end is connected and fixed to the base material 20. The plurality of carbon nanotubes extend from the first end to the second end of the carbon nanotube array 22.

本実施例において、前記カーボンを含むガスは、アセチレン、エチレン、メタンなどのような活性炭化水素から選択され、前記保護ガスは、窒素ガス又は不活性ガスなどから選択される。本実施例において、前記カーボンを含むガスは、アセチレンを採用し、前記保護ガスは、アルゴンガスを採用する。   In the present embodiment, the gas containing carbon is selected from activated hydrocarbons such as acetylene, ethylene, methane, and the protective gas is selected from nitrogen gas or inert gas. In this embodiment, acetylene is used as the gas containing carbon, and argon gas is used as the protective gas.

前記カーボンナノチューブアレイの製造方法は、本実施例に限定されるものではなく、アーク放電堆積法又はレーザー蒸発法を採用してもよい。   The method for manufacturing the carbon nanotube array is not limited to the present embodiment, and an arc discharge deposition method or a laser evaporation method may be employed.

第四ステップ：前記カーボンナノチューブアレイ２２の第一端を溶融状態の固定層１４に挿入してから、前記固定層１４を冷却して凝固させる。   Fourth step: After the first end of the carbon nanotube array 22 is inserted into the fixed layer 14 in a molten state, the fixed layer 14 is cooled and solidified.

前記カーボンナノチューブアレイ２２の第一端を溶融状態の固定層１４に挿入し、且つその挿入深さは制限されず、実際の応用に応じて調整することができる。前記カーボンナノチューブアレイ２２は、前記固定層１４を貫いて前記発熱部材１２に直接接触することができる。   The first end of the carbon nanotube array 22 is inserted into the fixed layer 14 in a molten state, and the insertion depth is not limited and can be adjusted according to the actual application. The carbon nanotube array 22 can directly contact the heat generating member 12 through the fixed layer 14.

前記カーボンナノチューブアレイ２２を前記固定層１４に順調に挿入するために、挿入する前に、前記固定層１４が溶融状態になることにする。前記カーボンナノチューブアレイ２２を前記固定層１４に挿入してから、室温で前記溶融状態の固定層１４を冷却して凝固させると前記カーボンナノチューブアレイ２２の第一端が前記固定層１４に固定され、前記固定層１４により前記カーボンナノチューブアレイ２２の中のカーボンナノチューブを前記発熱部材１２の表面１８に固定させる。前記カーボンナノチューブアレイ２２の中のカーボンナノチューブと前記発熱部材１２の表面１８の間の角度は、９０度である。   In order to smoothly insert the carbon nanotube array 22 into the fixed layer 14, the fixed layer 14 is in a molten state before insertion. After inserting the carbon nanotube array 22 into the fixed layer 14 and then cooling and solidifying the molten fixed layer 14 at room temperature, the first end of the carbon nanotube array 22 is fixed to the fixed layer 14, The fixing layer 14 fixes the carbon nanotubes in the carbon nanotube array 22 to the surface 18 of the heat generating member 12. The angle between the carbon nanotubes in the carbon nanotube array 22 and the surface 18 of the heat generating member 12 is 90 degrees.

第五ステップ：前記カーボンナノチューブアレイ２２の基材２０を除去する。   Fifth step: The substrate 20 of the carbon nanotube array 22 is removed.

機械研磨、化学エッチングなどの方法を採用して、前記カーボンナノチューブアレイ２２の基材２０を除去する。本実施例において、化学エッチング方式で前記基材２０を除去する。具体的に下記のような工程を含む。   The substrate 20 of the carbon nanotube array 22 is removed using a method such as mechanical polishing or chemical etching. In this embodiment, the substrate 20 is removed by a chemical etching method. Specifically, the following steps are included.

まず、前記基材２０を溶解できるエッチング液を提供する。本実施例において、前記基材２０が酸化珪素であるため、エッチング液は、塩酸液を選択する。   First, an etching solution capable of dissolving the substrate 20 is provided. In this embodiment, since the substrate 20 is silicon oxide, a hydrochloric acid solution is selected as the etching solution.

次に、前記カーボンナノチューブアレイ２２の基材２０をエッチング液に３０分〜６０分間浸す。本実施例において、前記基材２０の材料が酸化珪素であって、前記カーボンナノチューブアレイ２２の触媒の材料が金属であるため、浸す過程において、前記基材２０及び前記触媒が前記酸性エッチング液に溶解され、従って前記カーボンナノチューブアレイ２２の基材２０を除去し、前記カーボンナノチューブアレイ２２の第二端を前記基材２０から脱離させて空気に露出される。   Next, the substrate 20 of the carbon nanotube array 22 is immersed in an etching solution for 30 minutes to 60 minutes. In this embodiment, since the material of the base material 20 is silicon oxide and the material of the catalyst of the carbon nanotube array 22 is a metal, the base material 20 and the catalyst are immersed in the acidic etching solution during the immersion process. Thus, the base 20 of the carbon nanotube array 22 is removed, and the second end of the carbon nanotube array 22 is detached from the base 20 and exposed to air.

最後、アルコール、アセトンなどの有機溶剤で前記カーボンナノチューブアレイ２２の第二端をクリーニングする。   Finally, the second end of the carbon nanotube array 22 is cleaned with an organic solvent such as alcohol or acetone.

第六ステップ：前記カーボンナノチューブアレイ２２をパターン化して、前記発熱部材１２の表面１８に放熱構造体１０を形成する。   Sixth step: The carbon nanotube array 22 is patterned to form the heat dissipation structure 10 on the surface 18 of the heat generating member 12.

１００００〜１０００００Ｗ／ｍｍ２のレーザービームを採用して８００〜１５００ｍｍ／ｓの速度で予定のパターンの跡によって前記カーボンナノチューブアレイ２２を照射して、前記カーボンナノチューブアレイ２２に予定のパターンを形成する。 The carbon nanotube array 22 is irradiated with a trace of a predetermined pattern at a speed of 800 to 1500 mm / s using a laser beam of 10,000 to 100,000 W / mm 2 to form the predetermined pattern on the carbon nanotube array 22.

レーザービームを採用して前記カーボンナノチューブアレイ２２を照射する方法は、具体的に下記のような工程を含む。   The method of irradiating the carbon nanotube array 22 using a laser beam specifically includes the following steps.

まず、レーザー発生器を提供し、該レーザー発生器からのレーザービームの照射跡は、コンピュータプログラムで制御することができる。本実施例において、二酸化炭素レーザー発生器を採用する。   First, a laser generator is provided, and the irradiation trace of the laser beam from the laser generator can be controlled by a computer program. In this embodiment, a carbon dioxide laser generator is employed.

次に、前記カーボンナノチューブアレイ２２に形成しようとするパターンを確定してから、該予定のパターンをコンピュータプログラムに入力して、前記レーザー発生器からのレーザービームが前記予定のパターンの跡に沿って前記カーボンナノチューブアレイ２２を照射するように制御する。パターンを予定することにより大量生産を実現することができ、産業化生産に有利である。   Next, after a pattern to be formed on the carbon nanotube array 22 is determined, the predetermined pattern is input to a computer program, and a laser beam from the laser generator follows the trace of the predetermined pattern. Control is performed so that the carbon nanotube array 22 is irradiated. By planning the pattern, mass production can be realized, which is advantageous for industrial production.

最後、レーザー発生器をスタートして、一定のパワーのレーザービームを採用して一定の速度で前記カーボンナノチューブアレイ２２の中の一部分のカーボンナノチューブを直接に照射して、パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６を形成する。レーザービームに照射された後、前記カーボンナノチューブがレーザービームの高エネルギーを吸収するため、前記固定層１４から露出し且つ前記予定のパターンの跡に位置するカーボンナノチューブの全部又は一部分は、レーザービームにアブレーションされ、前記カーボンナノチューブアレイ２２に予定のパターンを形成し、パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６を形成する。前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６は、対向設置される第一端１６２及び第二端１６４を含む。前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の第一端１６２は、前記固定層１４に設置され、前記固定層１４により前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６を発熱部材１２の表面１８に固定させ、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の第二端１６４は、前記固定層１４から離れる方向へ延伸している。   Finally, a laser generator is started, and a carbon beam array patterned by directly irradiating a portion of the carbon nanotubes 22 in the carbon nanotube array 22 at a constant speed using a laser beam with a constant power. 16 is formed. Since the carbon nanotubes absorb the high energy of the laser beam after being irradiated with the laser beam, all or a part of the carbon nanotubes exposed from the fixed layer 14 and located in the trace of the predetermined pattern are converted into the laser beam. Ablation is performed to form a predetermined pattern on the carbon nanotube array 22, thereby forming a patterned carbon nanotube array 16. The patterned carbon nanotube array 16 includes a first end 162 and a second end 164 facing each other. The first end 162 of the patterned carbon nanotube array 16 is disposed on the fixed layer 14, and the patterned carbon nanotube array 16 is fixed to the surface 18 of the heating member 12 by the fixed layer 14. The second end 164 of the patterned carbon nanotube array 16 extends in a direction away from the fixed layer 14.

本実施例において、レーザービームのパワー密度は、７００００〜８００００Ｗ／ｍｍ２であり、走査速度は、１０００〜１２００ｍｍ／ｓである。前記レーザービームのパワー密度と走査速度が大きいので、前記レーザービームでカーボンナノチューブを瞬間にエッチングすることができ、且つ前記固定層１４を損壊しない。従って、前記固定層１４の材料の融点に対して特別な要求がない。 In this embodiment, the power density of the laser beam is 70000-80000 W / mm 2 and the scanning speed is 1000-1200 mm / s. Since the power density and scanning speed of the laser beam are large, carbon nanotubes can be etched instantaneously with the laser beam, and the fixed layer 14 is not damaged. Therefore, there is no special requirement for the melting point of the material of the fixed layer 14.

本実施例において、レーザービーム固定し、コンピュータプログラムによって予定パターンの跡に沿ってカーボンナノチューブアレイ２２を移動することにより、前記カーボンナノチューブアレイ２２に予定のパターンを形成することができる。   In this embodiment, a predetermined pattern can be formed on the carbon nanotube array 22 by fixing the laser beam and moving the carbon nanotube array 22 along the trace of the predetermined pattern by a computer program.

前記カーボンナノチューブアレイ２２をパターン化して、放熱構造体１０の放熱空間を十分に利用することができる。   The carbon nanotube array 22 can be patterned to fully utilize the heat dissipation space of the heat dissipation structure 10.

前記放熱構造体１０を応用する時、前記発熱部材１２からの熱量は、前記固定層１４から前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の第一端１６２に伝送して、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６から熱量を発散する。   When the heat radiating structure 10 is applied, heat from the heat generating member 12 is transmitted from the fixed layer 14 to the first end 162 of the patterned carbon nanotube array 16, and the patterned carbon nanotubes are transmitted. The amount of heat is dissipated from the array 16.

本発明の放熱構造体は、次の優れた点がある。第一に、前記放熱構造体を発熱部材の表面に直接に固定するため、熱界面材料を必要としなく、前記放熱構造体全体の体積を小さくして、電子部品の小型化に向けて適用することができ、且つさまざまな分野に応用することができる。第二に、前記放熱構造体のカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブアレイを構成し、且つ前記カーボンナノチューブが前記発熱部材の表面に直交するため、カーボンナノチューブの軸方向での良好な熱伝導性能を十分に利用することができ、従って前記放熱構造体の放熱効率を向上させる。第三に、前記カーボンナノチューブアレイの中のカーボンナノチューブをヒートシンクとする時、カーボンナノチューブの直径がとても小さい（数ナノ〜数十ナノである）ため、ヒートシンクとするカーボンナノチューブのアスペクト比が大きく、従って前記放熱構造体の放熱面積を増加して放熱効率を向上させる。第四に、前記放熱構造体の固定層は、溶融状態で前記発熱部材に直接的に接触するため、十分に接触することができ、従って前記放熱構造体の放熱面積を増加して放熱効率を向上させる。   The heat dissipation structure of the present invention has the following excellent points. First, since the heat dissipation structure is directly fixed to the surface of the heat generating member, no thermal interface material is required, and the volume of the entire heat dissipation structure is reduced to be applied for downsizing electronic components. Can be applied to various fields. Second, the carbon nanotubes of the heat dissipation structure constitute a carbon nanotube array, and the carbon nanotubes are orthogonal to the surface of the heat generating member, so that sufficient heat conduction performance in the axial direction of the carbon nanotubes is sufficiently obtained. Therefore, the heat dissipation efficiency of the heat dissipation structure can be improved. Third, when the carbon nanotubes in the carbon nanotube array are used as a heat sink, the carbon nanotube diameter is very small (several nano to several tens of nano), so the aspect ratio of the carbon nanotube as the heat sink is large. The heat dissipation area of the heat dissipation structure is increased to improve the heat dissipation efficiency. Fourth, since the fixed layer of the heat dissipation structure directly contacts the heat generating member in a molten state, the heat dissipation structure can be sufficiently in contact with each other. Improve.

１００、１０ 放熱構造体
１０２ 放熱器
１０４ 熱界面材料層
１０６ 基材
１０８ ヒートシンク
１２ 発熱部材
１４ 固定層
１６ パターン化されたカーボンナノチューブアレイ
１６２ 第一端
１６４ 第二端
１８ 表面
２０ 基材
２２ カーボンナノチューブアレイ DESCRIPTION OF SYMBOLS 100, 10 Heat dissipation structure 102 Radiator 104 Thermal interface material layer 106 Base material 108 Heat sink 12 Heat generating member 14 Fixed layer 16 Patterned carbon nanotube array 162 First end 164 Second end 18 Surface 20 Base material 22 Carbon nanotube array

Claims (8)

発熱部材の表面に固定される放熱構造体であって、
パターン化されたカーボンナノチューブアレイと、
固定層と、
を含み、
前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイは、前記固定層により前記発熱部材に固定されることを特徴とする放熱構造体。 A heat dissipating structure fixed to the surface of the heat generating member,
A patterned carbon nanotube array;
A fixed layer;
Including
The patterned carbon nanotube array is fixed to the heat generating member by the fixing layer. 前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイは、対向設置される第一端及び第二端を含み、前記第一端は、前記固定層に設置されることを特徴とする請求項１に記載の放熱構造体。   The heat dissipating structure according to claim 1, wherein the patterned carbon nanotube array includes a first end and a second end disposed opposite to each other, and the first end is disposed on the fixed layer. body. 前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイの第一端は、前記発熱部材の表面に直接接触することを特徴とする請求項２に記載の放熱構造体。   The heat dissipating structure according to claim 2, wherein the first end of the patterned carbon nanotube array is in direct contact with the surface of the heat generating member. 前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイは、互いに平行な複数のカーボンナノチューブを含み、前記カーボンナノチューブは、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイの第一端から第二端に向かって延伸していることを特徴とする請求項２又は３に記載の放熱構造体。   The patterned carbon nanotube array includes a plurality of carbon nanotubes parallel to each other, and the carbon nanotubes extend from a first end to a second end of the patterned carbon nanotube array. The heat dissipation structure according to claim 2 or 3, characterized in that 前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイの中の一部分のカーボンナノチューブの前記固定層から露出する部分が除去されており、残りのカーボンナノチューブの前記固定層から露出する部分の長さが等しいことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の放熱構造体。   A portion of the patterned carbon nanotube array exposed from the fixed layer of a part of the carbon nanotubes is removed, and a length of a part of the remaining carbon nanotube exposed from the fixed layer is equal. The heat dissipation structure according to any one of claims 1 to 4. 前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイの中の一部分のカーボンナノチューブの前記固定層から露出する部分が除去されており、残りのカーボンナノチューブの前記固定層から露出する部分の長さが異なることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の放熱構造体。   A portion of the patterned carbon nanotube array exposed from the fixed layer of a part of the carbon nanotubes is removed, and a length of a part of the remaining carbon nanotube exposed from the fixed layer is different. The heat dissipation structure according to any one of claims 1 to 4. 前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイを構成するカーボンナノチューブの前記固定層から露出する部分の長さが異なることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の放熱構造体。   The length of the part exposed from the said fixed layer of the carbon nanotube which comprises the said patterned carbon nanotube array differs, The thermal radiation structure as described in any one of Claim 1 to 4 characterized by the above-mentioned. 発熱部材を提供する第一ステップと、
発熱部材の一つの表面に溶融状態の固定層を形成する第二ステップと、
基材に対向設置される第一端及び第二端を有するカーボンナノチューブアレイを形成し、前記第二端が前記基材に連接する第三ステップと、
前記カーボンナノチューブアレイの第一端を溶融状態の固定層に挿入してから、前記固定層を冷却して凝固させる第四ステップと、
前記カーボンナノチューブアレイの基材を除去する第五ステップと、
前記カーボンナノチューブアレイをパターン化して、前記発熱部材の表面に放熱構造体を形成する第六ステップと、
を含むことを特徴とする放熱構造体の製造方法。 A first step of providing a heating member;
A second step of forming a molten fixed layer on one surface of the heating member;
Forming a carbon nanotube array having a first end and a second end opposed to the substrate, wherein the second end is connected to the substrate; and
A fourth step of inserting the first end of the carbon nanotube array into a molten fixed layer, and then cooling and solidifying the fixed layer;
A fifth step of removing the carbon nanotube array substrate;
Patterning the carbon nanotube array to form a heat dissipation structure on the surface of the heating member; and
The manufacturing method of the thermal radiation structure characterized by including.
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