JP2017076690A

JP2017076690A - 放熱シート、放熱シートの製造方法、及び電子装置

Info

Publication number: JP2017076690A
Application number: JP2015202976A
Authority: JP
Inventors: 大雄近藤; Daiyu Kondo; 真一廣瀬; Shinichi Hirose; 正明乘松; Masaaki Norimatsu
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2015-10-14
Filing date: 2015-10-14
Publication date: 2017-04-20
Anticipated expiration: 2035-10-14
Also published as: JP6582854B2

Abstract

【課題】放熱シート、放熱シートの製造方法、及び電子装置において、放熱シートの熱伝導性を向上させること。【解決手段】基板２０の上に複数のカーボンナノチューブ２２を成長させる工程と、カーボンナノチューブ２２の先端２２ｘに電子線又はレーザを照射することにより、先端２２ｘを改質する工程とを有する放熱シートの製造方法による。【選択図】図３

Description

本発明は、放熱シート、放熱シートの製造方法、及び電子装置に関する。

サーバやパーソナルコンピュータにおいては、CPU(Central Processing Unit)等の電子部品で発生する熱を外部に放熱すべく、電子部品にヒートスプレッダが固着される。

そのヒートスプレッダと電子部品との間の熱抵抗が高いと、電子部品の熱を速やかにヒートスプレッダに伝えることができない。そのため、電子部品とヒートスプレッダとの間に、熱伝導性に優れた放熱シートを介在させることがある。

放熱シートには様々なタイプがある。インジウムシートも放熱シートの一例であるが、高価なインジウムを使用しているため放熱シートの低コスト化が難しい。

また、インジウムの熱伝導率は５０W/m・Kであって、この程度の熱伝導率では電子部品を効率的に放熱させるのは難しい。しかも、インジウムは融点が１５６℃と低いため、HPA(High Power Amplifier)のように発熱時に高温となる電子部品を用いると、インジウムシートが溶融するという問題もある。

そこで、インジウムシートに代わる放熱シートとして、カーボンナノチューブを用いた放熱シートが検討されている。

カーボンナノチューブは、その熱伝導度が１５００W/m・K程度であって、インジウムの熱伝導度（５０W/m・K）と比べて非常に高く、放熱シートに使用するのに好適である。

カーボンナノチューブを放熱シートとして利用する場合、複数のカーボンナノチューブの束をシート状に整形することになる。但し、各カーボンナノチューブは弱いファン・デア・ワールス力のみで束形状を保持しており、このままではカーボンナノチューブの束がほどけてシートの取り扱いが困難である。

この困難性を解消させるために、樹脂で各カーボンナノチューブ同士を結束する方法が幾つか提案されているが、いずれも改善の余地がある。

例えば、樹脂中にカーボンナノチューブを分散させることにより、シート状の放熱シートを作製する方法が提案されている。この方法では、樹脂中において各カーボンナノチューブが様々な方向を向いてしまうため、カーボンナノチューブに沿ってシートの表面から裏面に熱を伝えるのが難しい。

更に、各カーボンナノチューブの接点において熱抵抗が高くなるという問題もある。

これに代えて、基板の上にその法線方向を向いた複数のカーボンナノチューブを成長させ、各カーボンナノチューブの間の空間を樹脂で充填する方法も提案されている。この方法では、全てのカーボンナノチューブが略同じ方向を向いているため、カーボンナノチューブに沿ってシートの表面から裏面に熱を伝えるのは容易と考えられる。

但し、樹脂中でカーボンナノチューブが凝集した場合には、カーボンナノチューブの向きが乱れてしまうため、シートの表面から裏面に熱を伝えるのが難しくなる。

更に、上記した二例のいずれにおいても、電子部品とカーボンナノチューブとの間に樹脂が介在するため、その樹脂によって電子部品とカーボンナノチューブとの間の熱抵抗が上昇してしまう。

特開２００５−１５０３６２号公報特開２００６−１４７８０１号公報特開２００９−２５３１２３号公報特開２００７−９２１３号公報

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、放熱シート、放熱シートの製造方法、及び電子装置において、放熱シートの熱伝導性を向上させることを目的とする。

以下の開示の一観点によれば、基板の上に複数のカーボンナノチューブを成長させる工程と、前記カーボンナノチューブの先端に電子線又はレーザを照射することにより、前記先端を改質する工程とを有する放熱シートの製造方法が提供される。

以下の開示によれば、カーボンナノチューブの先端に電子線やレーザを照射するため、カーボンナノチューブの欠陥が修復されてカーボンナノチューブの熱伝導性が向上する。

図１（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図（その１）である。図２（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図（その２）である。図３（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図（その３）である。図４は、第１実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図（その４）である。図５は、第１実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図（その５）である。図６（ａ）は、第１実施形態において電子線の照射により形成されたグラファイト層の上面をSEM(Scanning Electron Microscope)により観察して得られた像であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の矩形領域の拡大図である。図７は、第１実施形態においてカーボンナノチューブのラマンスペクトルを調査して得られた図である。図８は、図７の結果からG/D比を算出して得られたグラフである。図９（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図（その１）である。図１０は、第２実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図（その２）である。図１１は、第２実施形態においてカーボンナノチューブのラマンスペクトルを調査して得られた図である。図１２は、図１１の結果からG/D比を算出して得られたグラフである。図１３は、第３実施形態に係る電子装置の断面図である。図１４は、第４実施形態に係る電子装置の断面図である。図１５（ａ）、（ｂ）は、第５実施形態に係る電子装置の製造途中の斜視図（その１）である。図１６は、第５実施形態に係る電子装置の製造途中の斜視図（その２）である。図１７（ａ）、（ｂ）は、第５実施形態に係る電子装置の断面図（その１）である。図１８（ａ）、（ｂ）は、第５実施形態に係る電子装置の断面図（その２）である。図１９は、第５実施形態に係る電子装置の斜視図である。図２０（ａ）、（ｂ）は、第６実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図（その１）である。図２１（ａ）、（ｂ）は、第６実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図（その２）である。

（第１実施形態）
本実施形態では、カーボンナノチューブを用いた放熱シートの熱伝導性を以下のようにして改善する。

図１〜図５は、本実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図である。

まず、図１（ａ）に示すように、基板２０としてシリコン基板を用意し、その基板２０の上に触媒金属層２１として鉄層をスパッタ法で２．５nm程度の厚さに形成する。

触媒金属層２１は鉄層に限定されない。触媒金属層２１としては、コバルト、ニッケル、鉄、金、銀、及び白金のいずれかの層、これらの材料の合金層、窒化物層、及び酸化物層のいずれかを形成し得る。

また、触媒金属層２１の形成方法としては、上記のスパッタ法の他に、電子ビーム蒸着法や分子線エピタキシー法もある。

更に、触媒金属層２１の形成前に基板２０の上に下地層を形成してもよい。その下地層の材料としては、モリブデン、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、ニオブ、バナジウム、チタンシリサイド、アルミニウム、タンタル、タングステン、銅、金、白金又はこれらの合金がある。また、これらの金属の酸化物や窒化物を下地層の材料としてもよい。このうち、酸化物としては酸化アルミニウムや酸化チタン等があり、窒化物としては窒化チタン、窒化タンタル、及び窒化アルミニウム等がある。

次に、図１（ｂ）に示すように、触媒金属層２１の触媒作用を利用してホットフィラメントCVD(Chemical Vapor Deposition)法により複数のカーボンナノチューブ２２を成長させる。

そのホットフィラメントCVD法では、炭素の原料ガスとしてアセチレンガスを用い、そのアセチレンガスとアルゴンガスとの混合ガスを不図示の成長室に供給する。なお、アセチレンガスに代えて、メタンやエチレン等の炭化水素類、エタノールやメタノール等のアルコール類、又は炭素を含有する有機材料を炭素の原料ガスとして用いてもよい。更に、ホットフィラメントCVD法に代えて、熱CVD法、リモートプラズマCVD法、又はプラズマCVD法を用いても良い。

また、カーボンナノチューブ２２の成長条件も特に限定されないが、この例では基板温度が６２０℃の条件で成長室内の圧力を１kPaとし、成長時間を６０分とする。

これにより、触媒金属層２１が凝集して粒状になると共に、その触媒金属層２１の上にカーボンナノチューブ２２として長さが１５０μm程度の多層カーボンナノチューブが基板２０の法線方向nに沿って成長する。なお、カーボンナノチューブ２２の長さは触媒金属層２１の厚さに依存し、触媒金属層２１として厚さが１nmの鉄層を用いるとカーボンナノチューブ２２の長さは２５０μm程度となる。

ここまでの工程により、複数のカーボンナノチューブ２２の束を備えたCNTシート２５が得られる。

次に、図２（ａ）に示すように、銅を材料とするヒートスプレッダ２６を用意し、そのヒートスプレッダ２６の上に接合シート２７として熱可塑性の樹脂シートを貼付する。そのヒートスプレッダ２６は第１の部品の一例である。

また、樹脂シートの材料である熱可塑性樹脂は、室温で固体であったものが加熱により液状となり、更に冷却により接着性を発現しつつ固体に戻るものであれば、特に限定されない。

なお、ヒートスプレッダ２６の表面にめっき法により金属層を形成し、その金属層を接合シート２７としてもよい。その金属層としては、例えば、金とスズとの合金、インジウム、及びはんだがある。更に、ヒートスプレッダ２６に金属ペーストを塗布することにより接合シート２７を形成してもよい。

その後に、接合シート２７とCNTシート２５との位置合わせを行う。

次いで、図２（ｂ）に示すように、接合シート２７をその融点よりも高い１７５℃程度の温度に加熱しながら、CNTシート２５に１６０N程度の力を約１５分間印加することにより、接合シート２７を介してヒートスプレッダ２６にCNTシート２５を圧着する。

続いて、図３（ａ）に示すように、CNTシート２５の上に厚さが５μm〜１０μm程度の樹脂シート３０を載せる。

樹脂シート３０の材料は特に限定されない。例えば、ポリアミド系ホットメルト樹脂、ポリウレタン系ホットメルト樹脂、ポリオレフィン系ホットメルト樹脂、ポリエステル系ホットメルト樹脂、エチレン共重合体ホットメルト樹脂等のホットメルト樹脂を採用し得る。これに代えて、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリビニル系樹脂、及びワックスを樹脂シート３０の材料として採用してもよい。

具体的には、ポリアミド系ホットメルト樹脂としてはヘンケルジャパン製の「Micromelt 6239」（軟化点：１４０℃）、ポリウレタン系ホットメルト樹脂としてはノガワケミカル製の「DH722B」がある。また、ポリオレフィン系ホットメルト樹脂としては松村石油製の「EP-90」（軟化点：１４８℃）がある。そして、ポリエステル系ホットメルト樹脂としてはノガワケミカル製の「DH598B」（軟化点：１３３℃）、エチレン共重合体ホットメルト樹脂としてはノガワケミカル製の「DA574B」（軟化点：１０５℃）がある。

次に、図３（ｂ）に示すように、樹脂シート３０の表面上で電子線EBを走査することにより、電子線EBが照射された部分の樹脂シート３０を局所的に１５００℃〜３０００℃程度の温度に加熱する。

このような走査を樹脂シート３０の全面で行うことにより、樹脂シート３０とカーボンナノチューブ２２の先端２２ｘの各々が溶融して改質され、CNTシート２５の上部にグラファイト層３３が形成される。

電子線EBの照射条件は特に限定されない。例えば、電子線EBの照射領域を一辺の長さが５０μmの正方形状とし、電子線EBの電流値を２００μA〜５００μAとし得る。

更に、電子線EBに代えてYAGレーザやCO₂レーザを用いてもよい。その場合、これらのレーザの出力を２００W〜６００Wに設定し、レーザ光のスポット径を５０μm〜１００μmにすればよい。

また、酸素含有雰囲気で本工程を行うとカーボンナノチューブ２２が燃焼してしまうおそれがあるので、酸素が排除された雰囲気中で電子線EBやレーザ光を照射するのが好ましい。この場合、ロータリポンプ又はドライポンプで実現可能な真空度よりも高真空であれば、カーボンナノチューブ２２の燃焼を防止することができる。

ここまでの工程により、CNTシート２５とグラファイト層３３とを備えた放熱シート３５の基本構造が完成する。

次に、図４に示すように、電子部品３７が搭載された回路基板３６を用意し、電子部品３７に放熱シート３５を対向させる。

なお、電子部品３７は第２の部品の一例であって、例えば無線や携帯電話の基地局用のHPA、サーバやパーソナルコンピュータ用のCPU、車載IC、及び自動車モータを駆動するためのトランジスタのいずれかを電子部品３７として採用し得る。

また、その電子部品３７と回路基板３６は、はんだバンプ３８により接続される。

次に、図５に示すように、グラファイト層３３に電子部品３７の表面を接触させつつ、シーラント３９で回路基板３６にヒートスプレッダ２６を接着する。

以上により、本実施形態に係る電子装置４０の基本構造が完成する。

本実施形態によれば、図３（ｂ）の工程でカーボンナノチューブ２２の先端２２ｘに電子線EBを照射してグラファイト層３３を形成する。そして、図５の工程において、グラファイト層３３と電子部品３７との間に樹脂を介在させることなく、グラファイト層３３と電子部品３７とを接触させる。

グラファイト層３３の熱伝導率は樹脂のそれよりも高いため、本実施形態では電子部品３７で発生した熱が放熱シート３５を経由して速やかにヒートスプレッダ２６側に輸送され、電子部品３７の冷却を促すことができる。

次に、本願発明者が行った調査について説明する。

その調査では、前述のように電子線の照射により先端にグラファイト層３３が形成されたカーボンナノチューブ２２の特性が調査された。

（ａ）外観
まず、カーボンナノチューブ２２の外観の調査結果について、図６を参照しながら説明する。

図６（ａ）は、電子線EBの照射により形成されたグラファイト層３３の上面をSEM(Scanning Electron Microscope)により観察して得られた像である。

この例では方向Dに沿って電子線EBを走査しており、走査によって形成された複数のストライプ状の痕３３ｘが方向Dに延びている。

図６（ｂ）は、図６（ａ）の矩形領域Aの拡大図である。

図６（ｂ）に示すように、電子線EBを照射していないカーボンナノチューブ２２とは異なり、グラファイト層３３の上面は平坦なモフォロジーを有している。この結果から、電子線EBの照射によってカーボンナノチューブ２２と樹脂シート３０とが炭素繊維化し、グラファイト層３３が形成されることが確認できた。

（ｂ）結晶性
次に、カーボンナノチューブ２２の結晶性の調査結果について説明する。

図７は、カーボンナノチューブ２２のラマンスペクトルを調査して得られた図である。図７の横軸は、入射光とストークス光の各々の波数の差で定義されるラマンシフトを示す。また、図７の縦軸は、ストークス光の強度を任意単位で示す。

カーボンナノチューブ２２の結晶性の良否を推定する指標としてG/D比がある。G/D比は、ストークス光のうち１６００cm^-1付近のG-Bandと呼ばれるスペクトルの強度I_Gと、１３５０cm^-1付近のD-Bandと呼ばれるスペクトルの強度I_Dとの比（I_G／I_D）として定義される。

D-Bandは、カーボンナノチューブ２２に欠陥が発生してその結晶性が乱れた場合にその強度が強くなることが知られているため、G/D比が小さいほど結晶性が悪く、逆にG/D比が大きいほど結晶性が優れているということになる。

この調査では、電子線EBを照射する前と後のそれぞれのカーボンナノチューブ２２のラマンスペクトルを調べた。なお、電子線EBの電流値は１００μA〜４００μAとした。

また、各グラフが重ならないようにするため、図７では各グラフを上下にずらしてある。これについては後述の第２実施形態の図１１でも同様である。

図７の結果によれば、電子線EBの照射前ではD-Bandの強度が強いのに対し、電子線EBの照射後ではD-Bandの強度が弱くなっている。

図８は、図７の結果からG/D比を算出して得られたグラフであり、グラフの横軸は電子線EBの電流値を表し、縦軸はカーボンナノチューブ２２のG/D比を表す。

図８に示すように、電子線EBの電流値が増加するにつれてG/D比も増加し、電流値が３００μAのときにG/D比が１０程度の最大値となる。

この結果より、本実施形態のように電子線EBの照射によりカーボンナノチューブ２２の先端２２ｘをグラファイト化すると、カーボンナノチューブ２２の欠陥が修復されてその結晶性が改善されることが明らかとなった。

また、結晶性が良好なカーボンナノチューブ２２は熱伝導性に優れているため、電子線EBの照射によってカーボンナノチューブ２２の熱伝導率も向上すると期待できる。特に、前述のようにG/D比が１０程度と高い場合には、インジウムシートよりも熱伝導率が高くなることが期待される。

（第２実施形態）
第１実施形態では、図３（ａ）のようにカーボンナノチューブ２２に樹脂シート３０を載せた後、その樹脂シート３０に対して電子線EBを照射した。

これに対し、本実施形態では、樹脂シートを載せずにカーボンナノチューブ２２に対して電子線EBを照射する。

図９〜図１０は、本実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図である。

まず、第１実施形態の図１（ａ）〜図２（ｂ）の工程を行うことにより、図９（ａ）に示すように、CNTシート２５が接合シート２７を介してヒートスプレッダ２６に圧着された構造を得る。

次いで、図９（ｂ）に示すように、CNTシート２５の表面上で電子線EBを走査することによりカーボンナノチューブ２２の先端２２ｘを１５００℃〜３０００℃程度の温度に局所的に加熱して、当該先端２２ｘを改質する。

電子線EBの照射条件は第１実施形態と同様であり、例えば電子線EBの照射領域を一辺の長さが５０μmの正方形状とし、電子線EBの電流値を２００μA〜５００μAとし得る。

更に、第１実施形態と同様に、電子線EBに代えてYAGレーザやCO₂レーザを用いて先端２２ｘを改質してもよい。

また、酸素が排除された雰囲気中で電子線EBやレーザ光を照射することにより、酸素でカーボンナノチューブ２２が燃焼してしまうのを防止してもよい。

ここまでの工程により、先端２２ｘが改質されたカーボンナノチューブ２２を備えた放熱シート６０の基本構造が完成する。

この後は、第１実施形態で説明した図４〜図５の工程を行うことにより、図１０に示すように、放熱シート６０に電子部品３７を接触させつつ、シーラント３９で回路基板３６にヒートスプレッダ２６を接着する。

以上により、本実施形態に係る電子装置６１の基本構造が完成する。

上記した本実施形態によれば、図９（ｂ）に示したように、カーボンナノチューブ２２の先端２２ｘに電子線EBを照射した。

本願発明者は、このように電子線EBを照射することによりカーボンナノチューブ２２がどのように改質されるのかを調査した。

その調査結果について以下に説明する。

図１１は、カーボンナノチューブ２２のラマンスペクトルを調査して得られた図である。図１１の横軸は、入射光とストークス光の各々の波数の差で定義されるラマンシフトを示す。また、図１１の縦軸は、ストークス光の強度を任意単位で示す。

この調査では、電子線EBを照射する前と後のそれぞれのカーボンナノチューブ２２のラマンスペクトルを調べた。なお、電子線EBの電流値は、５０μA〜４００μAとした。

図１１に示すように、カーボンナノチューブ２２の欠陥に起因した１３５０cm^-1付近のD-Bandは、電子線EBの照射によって弱くなっている。

図１２は、図１１の結果からG/D比を算出して得られたグラフであり、グラフの横軸は電子線EBの電流値を表し、縦軸はカーボンナノチューブ２２のG/D比を表す。

図１２に示すように、電子線EBの電流値の増加と共にG/D比も増加している。また、図８に示した第１実施形態ではG/D比の最大値が１０程度であったのに対し、本実施形態では電流値が２００μA以上となるとG/D比が１０を超えて増加している。

このことから、本実施形態では第１実施形態よりもカーボンナノチューブ２２の欠陥の修復が進んでその結晶性がさらに改善されることが明らかとなった。結晶性の良好なカーボンナノチューブ２２は熱伝導率が良いため、本実施形態に係る放熱シート６０の熱伝導性も良好になると期待できる。

（第３実施形態）
第１実施形態や第２実施形態では、放熱シート３５、６０を単層で使用した。放熱シート３５、６０の使用方法はこれに限定されない。

図１３は、本実施形態に係る電子装置の断面図である。なお、図１３において、第１実施形態や第２実施形態で説明したのと同じ要素にはこれらの実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

図１３に示すように、本実施形態に係る電子装置６５においては、複数の放熱シート３５、６０を積層して使用する。積層の仕方は特に限定されず、放熱シート３５と放熱シート６０のいずれか一方のみを複数積層してもよいし、両者を組み合わせて積層してもよい。

これにより、積層された放熱シート３５、６０の全体の厚みZが増えるので、実使用下で電子部品３７が発熱して反った場合でもその反りに各放熱シート３５、６０が追従でき、電子部品３７から放熱シート３５、６０が離間してしまうのを防止できる。

（第４実施形態）
第１〜第３実施形態では、ヒートスプレッダ２６と電子部品３７との間に放熱シート３５、３６を配した。放熱シート３５、６０を配する部位はこれに限定されない。

図１４は、本実施形態に係る電子装置の断面図である。

なお、図１４において、第１〜第３実施形態で説明したのと同じ要素にはこれらにおけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

図１４に示すように、本実施形態に係る電子装置６８は金属製のフィン６７を有しており、そのフィン６７とヒートスプレッダ２６との間に第１実施形態に係る放熱シート３５が配される。

なお、その放熱シート３５に代えて、第２実施形態に係る放熱シート６０を用いてもよい。また、フィン６７は第２の部品の一例である。

前述のように放熱シート３５のカーボンナノチューブ２２は結晶性が良好で熱伝導性に優れているので、ヒートスプレッダ２６とフィン６７との間の熱抵抗が減り、フィン６７でヒートスプレッダ２６を効率的に冷却することができる。

（第５実施形態）
本実施形態では、第１実施形態や第２実施形態に従って改質されたカーボンナノチューブを、以下のように半導体素子と回路基板とを接続するための端子として利用する。

図１５〜図１６は、本実施形態に係る電子装置の製造途中の斜視図である。

まず、図１５（ａ）に示すように、半導体基板７０としてAlN基板を用意し、その表面に蒸着法等により電極７１を形成することにより、半導体基板７０と配線７１とを備えた回路基板７２を作製する。

なお、電極７１は、例えば金層や白金層であって、入力電極７１ａ、接地電極７１ｂ、及び出力電極７１ｃを有する。

次に、図１５（ｂ）に示すように、電極７１の上にスパッタ法により触媒金属層７３を形成した後、フォトリソグラフィにより触媒金属層７３を複数の島状やストライプ状にパターニングする。

触媒金属層７３の材料は特に限定されない。この例では、触媒金属層７３として厚さが３０nmのタンタル層、厚さが１５nmのアルミニウム層、及び厚さが２．５nmの鉄層をこの順に形成する。このうち、タンタル層は、上記の電極７１に含まれる金や白金がアルミニウム層や鉄層に拡散するのを防止する拡散防止層として機能する。

なお、触媒金属層７３の材料は上記に限定されない。触媒金属層７３としては、コバルト、ニッケル、鉄、金、銀、及び白金のいずれかの層、又はこれらの材料の合金層を形成し得る。

更に、触媒金属層７３の形成前に電極７１の上に下地層を形成してもよい。その下地層の材料としては、モリブデン、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、ニオブ、バナジウム、チタンシリサイド、アルミニウム、タンタル、タングステン、銅、金、白金又はこれらの合金がある。また、これらの金属の酸化物や窒化物を下地層の材料としてもよい。このうち、酸化物としては酸化アルミニウムや酸化チタン等があり、窒化物としては窒化チタン、窒化タンタル、及び窒化アルミニウム等がある。

続いて、図１６に示すように、触媒金属層７３の触媒作用を利用したホットフィラメントCVD法により、複数のカーボンナノチューブ２２の束を触媒金属層７３の上にのみ選択的成長させ、そのカーボンナノチューブ２２を端子７４とする。

そのホットフィラメントCVD法では、炭素の原料ガスとしてアセチレンガスを用い、そのアセチレンガスとアルゴンガスとの混合ガスを不図示の成長室に供給する。その混合ガスにおけるアセチレンガスの濃度は、例えば流量比で１０％程度である。

なお、アセチレンガスに代えて、メタンやエチレン等の炭化水素類、エタノールやメタノール等のアルコール類、又は炭素を含有する有機材料を炭素の原料ガスとして用いてもよい。

また、カーボンナノチューブ２２の成長条件も特に限定されない。例えば、基板温度が６２０℃の条件で成長室内の圧力を１kPaとし、成長時間を２０分とすることで、長さが２０μm程度のカーボンナノチューブ２２が半導体基板７０の法線方向nに沿って成長する。

これ以降の工程について、図１７〜図１８を参照しながら説明する。

図１７〜図１８は、本実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図であって、上記した端子７４とその周囲の拡大断面図である。

まず、図１７（ａ）に示すように、端子７４の上に樹脂シート３０を載せる。樹脂シート３０の材料としては、例えば、ポリアミド系ホットメルト樹脂、ポリウレタン系ホットメルト樹脂、ポリオレフィン系ホットメルト樹脂、ポリエステル系ホットメルト樹脂、エチレン共重合体ホットメルト樹脂等のホットメルト樹脂を採用し得る。また、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリビニル系樹脂、及びワックスを樹脂シート３０の材料として採用してもよい。

次に、図１７（ｂ）に示すように、樹脂シート３０の表面上で電子線EBを走査することにより、電子線EBが照射された部分の樹脂シート３０を局所的に１５００℃〜３０００℃程度の温度に加熱する。

このような走査を樹脂シート３０の全面で行うことで樹脂シート３０とカーボンナノチューブ２２の先端２２ｘとが溶融して改質され、端子７４の上部にグラファイト層３３が形成される。

更に、第１実施形態と同様に、電子線EBに代えてYAGレーザやCO₂レーザを用いて樹脂シート３０のグラファイト化を行ってもよいし、酸素を排除した雰囲気中で本工程を行うことによりカーボンナノチューブ２２が燃焼するのを防止してもよい。

次いで、図１８（ａ）に示すように、不図示のめっきレジストで電極７１を覆いながら、端子７４の側面とグラファイト層３３の上とに導電層７５としてめっき法で金めっき層を２０nm〜１０００nm程度の厚さに形成する。

本実施形態では、端子７４の上のグラファイト層３３が平坦なモフォロジーを有しているため、グラファイト層３３の上で導電層７５の厚さが均一となる。

その導電層７５を形成後、めっきレジストは除去される。

次に、図１８（ｂ）に示す工程について説明する。

まず、金を材料とする電極７９が表面に形成された半導体素子７８を用意する。半導体素子７８は、例えばHPAに使用されるGaN系のHEMT(High Electron Mobility Transistor)である。

そして、フリップチップボンダー装置を使い、熱と圧力を用いた熱圧着により導電層７５と電極７９とを互いに溶着させて、回路基板７２に半導体素子７８を電気的に接続する。なお、熱圧着に代えて、接着剤、金属共晶材料、又は超音波を用いた圧着を用いてもよい。

このとき、端子７４の上に金属層７５を形成したことで、当該金属層７５と電極７９とが金属接合をするようになり、両者が機械的に強固に接続される。

しかも、前述のようにグラファイト層３３の上で導電層７５の厚さが均一となっているため、導電層７５と電極７９とが良好に密着し、両者の間の接触抵抗を低減することができる。

図１９は、本工程を終了後の斜視図である。

以上により、本実施形態に係る電子装置８１の基本構造が完成する。

上記した本実施形態によれば、図１８（ｂ）に示したように、電子線の照射で形成されたグラファイト層３３が平坦なモフォロジーを有しているため、グラファイト層３３の上で導電層７５の厚さが均一となる。その結果、導電層７５と電極７９とが良好に密着し、これらの間に生ずる接触抵抗を低減することが可能となる。

しかも、熱伝導性に優れた複数のカーボンナノチューブ２２の束で端子７４を形成したことにより、半導体素子７８の熱が端子７４を経由して半導体基板７０に速やかに伝わる。

更に、第１実施形態で説明したように、端子７４を形成するカーボンナノチューブ２２の熱伝導性が電子線の照射によって向上しているため、端子７４の熱伝導性を一層高めることが可能となる。

（第６実施形態）
第５実施形態では、図１７（ａ）のように端子７４の上に樹脂シート３０を載せた後、その樹脂シート３０に対して電子線EBを照射した。

これに対し、本実施形態では、樹脂シートを載せずに端子７４に対して電子線EBを照射する。

図２０〜図２１は、本実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図である。

なお、図２０〜図２１において、第５実施形態で説明したのと同じ要素には第５実施形態で説明したのと同じ要素を付し、以下ではその説明を省略する。

まず、第５実施形態で説明した図１５（ａ）〜図１６の工程を行うことにより、図２０（ａ）に示すように、電極７１の上に複数のカーボンナノチューブ２２を備えた端子７４を形成する。

次に、図２０（ｂ）に示すように、端子７４の表面上で電子線EBを走査することによりカーボンナノチューブ２２の先端２２ｘを１５００℃〜３０００℃程度の温度に局所的に加熱する。

第２実施形態で説明したように、このように電子線EBを走査することでカーボンナノチューブ２２の結晶性が改善されるため、電子線EBを照射する前よりもカーボンナノチューブ２２の熱伝導率が向上すると期待できる。

そして、図２１（ａ）に示すように、不図示のめっきレジストで電極７１を覆いながら、端子７４の上面と側面とに導電層７５としてめっき法で金めっき層を形成する。

その後、図２１（ｂ）に示すように、金を材料とする電極７９が表面に形成された半導体素子７８を用意し、その電極７９に端子７４を当接させる。そして、この状態で超音波により導電層７５と電極７９とを互いに溶着させ、回路基板７２に半導体素子７８を電気的に接続する。

以上により、本実施形態に係る電子装置８２の基本構造が完成する。

上記した本実施形態によれば、図２０（ｂ）の工程で端子７４に電子線EBを照射したため、その端子７４を形成するカーボンナノチューブ２２の結晶性が改善してその熱伝導率が向上する。そのため、半導体素子７８で発生した熱が端子７４を介して速やかに回路基板７２に伝わり、半導体素子７８の放熱効率が向上する。

以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）基板の上に複数のカーボンナノチューブを成長させる工程と、
前記カーボンナノチューブの先端に電子線又はレーザを照射することにより、前記先端を改質する工程と、
を有することを特徴とする放熱シートの製造方法。

（付記２）前記カーボンナノチューブの前記先端に樹脂を載せる工程を更に有し、
前記先端を改質する工程において、前記樹脂に前記電子線又は前記レーザを照射することを特徴とする付記１に記載の放熱シートの製造方法。

（付記３）前記先端を改質する工程は、酸素が排除された雰囲気内で行われることを特徴とする付記１又は付記２に記載の放熱シートの製造方法。

（付記４）先端がグラファイト化された複数のカーボンナノチューブを有することを特徴とする放熱シート。

（付記５）先端がグラファイト化された複数のカーボンナノチューブを有する放熱シートと、
前記放熱シートを介して互いに接続された第１の部品及び第２の部品と、
を有することを特徴とする電子装置。

（付記６）前記放熱シートを複数積層したことを特徴とする付記５に記載の電子装置。

（付記７）前記第１の部品はヒートスプレッダであり、
前記第２の部品は電子部品であることを特徴とする付記５に記載の電子装置。

（付記８）前記第１の部品はヒートスプレッダであり、
前記第２の部品はフィンであることを特徴とする付記５に記載の電子装置。

（付記９）回路基板と、
前記回路基板の法線方向に沿って延び、かつ先端がグラファイト化された複数のカーボンナノチューブを有すると共に、前記回路基板に電気的に接続された端子と、
前記端子と電気的に接続された半導体素子と、
を有することを特徴とする電子装置。

（付記１０）前記端子の上に形成された金属層と、
前記半導体素子に形成された電極とを有し、
前記電極と前記金属層とが溶着したことを特徴とする付記９に記載の電子装置。

２０…基板、２１…触媒金属層、２２…カーボンナノチューブ、２２ｘ…先端、２５…CNTシート、２６…ヒートスプレッダ、２７…接合シート、３０…樹脂シート、３３…グラファイト層、３３ｘ…痕、３５、６０…放熱シート、３６…回路基板、３７…電子部品、３８…はんだバンプ、３９…シーラント、４０、６１、６５、６８、８１、８２…電子装置、６７…フィン、７０…半導体基板、７１…電極、７１ａ…入力電極、７１ｂ…接地電極、７１ｃ…出力電極、７２…回路基板、７３…触媒金属層、７４…端子、７５…導電層、７８…半導体素子、７９…電極。

Claims

基板の上に複数のカーボンナノチューブを成長させる工程と、
前記カーボンナノチューブの先端に電子線又はレーザを照射することにより、前記先端を改質する工程と、
を有することを特徴とする放熱シートの製造方法。
前記カーボンナノチューブの前記先端に樹脂を載せる工程を更に有し、
前記先端を改質する工程において、前記樹脂に前記電子線又は前記レーザを照射することを特徴とする請求項１に記載の放熱シートの製造方法。
前記先端を改質する工程は、酸素が排除された雰囲気内で行われることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の放熱シートの製造方法。
先端がグラファイト化された複数のカーボンナノチューブを有することを特徴とする放熱シート。
先端がグラファイト化された複数のカーボンナノチューブを有する放熱シートと、
前記放熱シートを介して互いに接続された第１の部品及び第２の部品と、
を有することを特徴とする電子装置。