JP6261352B2 - カーボンナノチューブシート及び半導体装置とカーボンナノチューブシートの製造方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

カーボンナノチューブシート及び半導体装置とカーボンナノチューブシートの製造方法及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、カーボンナノチューブシート及び半導体装置とカーボンナノチューブシートの製造方法及び半導体装置の製造方法に関する。
従来、サーバやパーソナルコンピュータでは、半導体素子から発する熱を効率よく放熱するために、半導体素子が熱伝導性シートを介してヒートスプレッダに接続されている。熱伝導性シートとしては、インジウムシートやシリコングリースなどが使用されている。
ヒートスプレッダは熱伝導性シートを介して半導体素子と密着して固定される。また、熱伝導性シートは、半導体素子の動作中の発熱による反りなどを吸収し、効率よく伝熱する必要がある。
しかし、熱伝導性シートとしてインジウムシートを使用する場合は、半導体素子の反りにより界面で剥離が発生することがある。また、熱伝導性シートとしてシリコングリースを使用する場合は、熱サイクルによりシリコングリースが外側に押しだされるポンプアウトやボイドが発生しやすい。
近年では、半導体素子の高性能化によりチップサイズが大型化されており、半導体素子の動作中により大きな反りが発生する傾向がある。また、半導体素子のマルチチップ化により、複数の半導体素子の間で段差が発生することがある。このため、より高い熱伝導率を有し、かつ半導体素子の反りや段差を十分に吸収できる柔軟性のある熱伝導性シートが求められている。
そのような特性を備えた熱伝導性シートとして、カーボンナノチューブを使用する技術が提案されている。
特開２０１１−９６９７８号公報 特開２０１２−２２４５０７号公報
以下の開示の一観点によれば、複数のカーボンナノチューブが配列されたカーボンナノチューブ集合体と、前記カーボンナノチューブ集合体の中央領域に形成された熱可塑性樹脂部と、前記熱可塑性樹脂部を取り囲むように前記カーボンナノチューブ集合体の外周領域に形成された未硬化の熱硬化性樹脂部とを有し、前記熱可塑性樹脂部と前記熱硬化性樹脂部とは、前記カーボンナノチューブの下端から上端に形成され、前記熱可塑性樹脂部の側面と前記熱硬化性樹脂部の側面とが前記カーボンナノチューブの間の領域で接しているカーボンナノチューブシートが提供される。
以下の開示の一観点によれば、複数のカーボンナノチューブが配列されたカーボンナノチューブ集合体と、前記カーボンナノチューブ集合体の中央領域に形成された熱可塑性樹脂部と、前記熱可塑性樹脂部を取り囲むように前記カーボンナノチューブ集合体の外周領域に形成された未硬化の熱硬化性樹脂部とを有するカーボンナノチューブシートが提供される。
また、その開示の他の観点によれば、配線基板と、前記配線基板の接続パッドに接続された半導体素子と、前記半導体素子の上に配置され、複数のカーボンナノチューブが配列されたカーボンナノチューブ集合体と、前記カーボンナノチューブ集合体の中央領域に形成された熱可塑性樹脂部と、前記熱可塑性樹脂部を取り囲むように前記カーボンナノチューブ集合体の外周領域に形成された熱硬化性樹脂部とを含み、前記熱可塑性樹脂部と前記熱硬化性樹脂部とは、前記カーボンナノチューブの下端から上端に形成され、前記熱可塑性樹脂部の側面と前記熱硬化性樹脂部の側面とが前記カーボンナノチューブの間の領域で接しているカーボンナノチューブシートと、前記カーボンナノチューブシートの上に配置された放熱部材とを有する半導体装置が提供される。
さらに、その開示の他の観点によれば、基板の上に複数のカーボンナノチューブを形成して、カーボンナノチューブ集合体を得る工程と、前記カーボンナノチューブ集合体上の中央領域に熱可塑性樹脂材を配置すると共に、前記熱可塑性樹脂材を取り囲むように前記カーボンナノチューブ集合体上の外周領域に未硬化の熱硬化性樹脂材を配置する工程と、
加熱処理することにより、前記熱可塑性樹脂材及び前記熱硬化性樹脂材を流動させて前記カーボンナノチューブ集合体の隙間に含浸させる工程と、前記基板を除去する工程とを有し、前記熱可塑性樹脂材と前記熱硬化性樹脂材とは、前記カーボンナノチューブの下端から上端に形成され、前記熱可塑性樹脂材の側面と前記熱硬化性樹脂材の側面とが前記カーボンナノチューブの間の領域で接するカーボンナノチューブシートの製造方法が提供される。
さらに、その開示の他の観点によれば、配線基板の接続パッドに半導体素子を接続する工程と、複数のカーボンナノチューブが配列されたカーボンナノチューブ集合体と、前記カーボンナノチューブ集合体の中央領域に含浸された熱可塑性樹脂部と、前記熱可塑性樹脂部を取り囲むように前記カーボンナノチューブ集合体の外周領域に含浸された未硬化の熱硬化性樹脂部とを含み、前記熱可塑性樹脂部と前記熱硬化性樹脂部とは、前記カーボンナノチューブの下端から上端に形成され、前記熱可塑性樹脂部の側面と前記熱硬化性樹脂部の側面とが前記カーボンナノチューブの間の領域で接し、かつ、前記カーボンナノチューブ集合体の上端が前記熱硬化性樹脂部及び前記熱可塑性樹脂部で被覆されたカーボンナノチューブシートを用意する工程と、前記カーボンナノチューブシートを前記半導体素子の上に配置する工程と、前記カーボンナノチューブシートの上に放熱部材を配置し、前記放熱部材を下側に押圧しながら加熱処理することにより、前記カーボンナノチューブ集合体上の前記熱可塑性樹脂部及び前記熱硬化性樹脂部を横方向に押し出して、前記カーボンナノチューブ集合体の上端を前記放熱部材に接触させる工程とを有する半導体装置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シートは、半導体素子の上面と放熱部材の下面との間に配置されて、熱伝導性シートとして機能する。
カーボンナノチューブシートの中央領域に適度な柔軟性を有する熱可塑性樹脂部を含浸させることにより、半導体素子の動作時の発熱による反りなどを十分に吸収することができる。
また、カーボンナノチューブシートの外周領域に接着強度の強い熱硬化性樹脂部を含浸させることにより、カーボンナノチューブシートを半導体素子及び放熱部材に強固に接着することができる。
このように、カーボンナノチューブシートは適度な柔軟性と強い接着性とを併せもつため、半導体素子に反りなどが発生しても、安定して高い放熱性能を得ることができる。
図１（ａ）及び（ｂ）は実施形態のカーボンナノチューブシートを示す断面図及び平面図である。 図２（ａ）及び（ｂ）は実施形態の変形例のカーボンナノチューブシートを示す断面図及び平面図である。 図３（ａ）〜（ｄ）は実施形態のカーボンナノチューブシートの製造方法を示す断面図（その１）である。 図４（ａ）及び（ｂ）は実施形態のカーボンナノチューブシートの製造方法を示す断面図（その２）である。 図５（ａ）及び（ｂ）は実施形態のカーボンナノチューブシートの製造方法を示す断面図及び平面図（その３）である。 図６（ａ）及び（ｂ）は実施形態のカーボンナノチューブシートの製造方法を示す断面図及び平面図（その４）である。 図７は実施形態のカーボンナノチューブシートの製造方法を示す断面図（その５）である。 図８は実施形態のカーボンナノチューブシートの製造方法を示す断面図（その６）である。 図９（ａ）及び（ｃ）は実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図（その１）である。 図１０は実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図（その２）である。 図１１は実施形態の半導体装置を示す断面図（その１）である。 図１２は実施形態の半導体装置を示す断面図（その２）である。 図１３は実施形態の半導体装置を示す断面図（その３）である。 図１４はその他の実施形態のカーボンナノチューブシートを示す断面図（その１）である。 図１５（ａ）及び（ｂ）はその他の実施形態のカーボンナノチューブシートを示す断面図（その２）である。
以下、実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
図１〜図２は実施形態のカーボンナノチューブシートを示す図、図３〜図８は実施形態のカーボンナノチューブシートの製造方法を示す図である。
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、実施形態のカーボンナノチューブシート１では、垂直方向に配向された複数のカーボンナノチューブ１０ａが横方向に微細な隙間を空けて並んで配列されている。
複数のカーボンナノチューブ１０ａによってカーボンナノチューブ集合体１０が形成される。図１（ｂ）の平面図を参照すると、カーボンナノチューブ集合体１０は四角状に形成されている。
カーボンナノチューブ集合体１０の中央領域Ａの隙間には熱可塑性樹脂部２０が形成されている。熱可塑性樹脂部２０は未硬化であってもよいし、あるいは硬化していてもよい。
熱可塑性樹脂部２０の好適な一例としては、ヤング率が１．１ＧＰａ程度のポリエチレン樹脂、又はヤング率が１．１ＧＰａ程度のポリプロピレン樹脂が使用される。
また、熱可塑性樹脂部２０を取り囲むようにカーボンナノチューブ集合体１０の外周領域Ｂの隙間に熱硬化性樹脂部２２が形成されている。熱硬化性樹脂部２２は未硬化の状態となっている。熱硬化性樹脂部２２の好適な一例としては、ヤング率が２．４ＧＰａ程度のエポキシ樹脂、又はヤング率が２．８ＧＰａ程度のポリイミド樹脂が使用される。
このように、熱可塑性樹脂部２０は、ヤング率が熱硬化性樹脂部２２よりも小さい特性を有する。ヤング率が小さい方が柔軟性に優れ、ヤング率が大きい方が柔軟性が低く硬い特性を有する。
熱可塑性樹脂部２０は熱硬化性樹脂部２２よりも柔軟性が優れており、適度な弾力性をもっている。一方、熱硬化性樹脂部２２は柔軟性が低いが高い接着力を有する。
後述するように、実施形態のカーボンナノチューブシート１は半導体素子の上面と放熱部材の下面との間に配置されて熱伝導性シートとして機能する。熱伝導性シートは、ＴＩＭ（Thermal Interface Material）とも呼ばれる。
カーボンナノチューブシート１の中央領域Ａに適度な柔軟性を有する熱可塑性樹脂部２０を配置することにより、半導体素子の動作時の発熱による反りなどを十分に吸収できるようになっている。
さらに、カーボンナノチューブシート１の外周領域Ｂに接着強度の強い熱硬化性樹脂部２２を配置することにより、カーボンナノチューブシート１の外周領域Ｂを半導体素子及び放熱部材に強固に接着することができる。
熱可塑性樹脂部２０及び熱硬化性樹脂部２２は各カーボンナノチューブ１０ａの上端を被覆している。一方、各カーボンナノチューブ１０ａの下端は熱可塑性樹脂部２０及び熱硬化性樹脂部２２から露出している。
カーボンナノチューブ１０ａの熱伝導率は１５００Ｗ／ｍＫ〜３０００Ｗ／ｍＫ程度であり、インジウムの熱伝導率（８１Ｗ／ｍＫ程度）よりもかなり高い。しかも、カーボンナノチューブ１０ａはインジウムよりも機械的強度がかなり優れている。
このため、カーボンナノチューブシート１は半導体素子からの発熱を放熱部材に伝導するための熱伝導性シートとして好適に使用することができる。
上記したように、実施形態のカーボンナノチューブシート１は半導体素子と放熱部材との間に配置されて熱伝導性シートとして機能する。このとき、熱可塑性樹脂部２０及び熱硬化性樹脂部２２は熱伝導率が低いため、各カーボンナノチューブ１０ａの上端を被覆する熱可塑性樹脂部２０及び熱硬化性樹脂部２２は放熱部材で押圧されて横方向に押し出される。
これにより、各カーボンナノチューブ１０ａの上端が放熱部材の下面に接触するようになっている。
このような理由から、熱硬化性樹脂部２２は未硬化の状態となっている。また、熱可塑性樹脂部２０は、硬化した後でも再度加熱すると流動化するため、硬化状態であってもよいし、未硬化の状態であってもよい。
あるいは、図２（ａ）及び（ｂ）のカーボンナノチューブシート１ａのように、各カーボンナノチューブ１０ａの上端が熱可塑性樹脂部２０及び熱硬化性樹脂部２２の上面から露出していてもよい。この場合は、上記した図１（ａ）及び（ｂ）のカーボンナノチューブシート１の上面側の熱可塑性樹脂部２０及び熱硬化性樹脂部２２が機械研磨によって各カーボンナノチューブ１０ａの上端が露出するまで研磨される。その他の構成は図１（ａ）及び（ｂ）のカーボンナノチューブシート１と同じである。
図２（ａ）及び（ｂ）のカーボンナノチューブシート１ａを熱伝導性シートとして使用する際には、そのままの状態で各カーボンナノチューブ１０ａの上端の露出面が放熱部材に接触する。
図２（ａ）及び（ｂ）のカーボンナノチューブシート１ａは、機械研磨を行う工程が必要となるため、図１（ａ）及び（ｂ）のカーボンナノチューブシート１より製造コストの面で不利になる。
次に、図１（ａ）及び（ｂ）のカーボンナノチューブシート１の製造方法について説明する。
図３（ａ）に示すように、まず、シリコン基板３０を用意する。シリコン基板３０は、カーボンナノチューブを形成するための土台として使用される。シリコン基板３０の両面にシリコン酸化膜が形成されていてもよい。シリコン基板３０上には複数のカーボンナノチューブ形成領域が画定されており、図３（ａ）では一つのカーボンナノチューブ形成領域が示されている。
基板としてシリコン基板３０を例示するが、セラミックス基板又はガラス基板などの各種の基板を使用することができる。
次いで、図３（ｂ）に示すように、シリコン基板３０上の全面に、スパッタ法などにより膜厚が２．５ｎｍ程度の鉄（Ｆｅ）膜を形成して触媒金属膜３２とする。触媒金属膜３２は、ＣＶＤ法によってカーボンナノチューブを形成するための触媒として形成される。
触媒金属膜３２としては、鉄以外に、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、又は白金（Ｐｔ）を使用してもよい。
次いで、図３（ｃ）に示すように、シリコン基板３０を６５０℃の温度で５分〜１０分間、加熱処理する。これにより、触媒金属膜３２が微粒子化されて触媒金属微粒子３２ａが得られる。
続いて、図３（ｄ）に示すように、熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、触媒金属微粒子３２ａを触媒としてシリコン基板３０の上に複数のカーボンナノチューブ１０ａを成長させる。これにより、複数のカーボンナノチューブ１０ａが横方向に並んで形成されたカーボンナノチューブ集合体１０が得られる。
図３（ｄ）の部分拡大図に示すように、触媒金属微粒子３２ａに成長する各カーボンナノチューブ１０ａは、シリコン基板３０の表面に対して垂直方向に配向して形成される。
熱ＣＶＤ法によるカーボンナノチューブ１０ａの成長条件としては、例えば、原料ガスとして分圧比が１：９のアセチレン・アルゴンガスの混合ガスが使用され、成膜チャンバの総ガス圧が１ｋＰａ、温度が６５０℃、成長時間が３０分に設定される。
次いで、図４（ａ）に示すように、中央部に開口部２２ｘが設けられた熱硬化性樹脂シート２２ａを用意する。熱硬化性樹脂シート２２ａは未硬化状態（Ｂステージ）の樹脂である。熱硬化性樹脂シート２２ａは、熱硬化性樹脂材の一例であり、前述した図１（ａ）及び（ｂ）のカーボンナノチューブシート１の熱硬化性樹脂部２２を形成するための樹脂材料である。
また、図４（ｂ）に示すように、熱硬化性樹脂シート２２ａの開口部２２ｘの大きさに対応するサイズの未硬化の熱可塑性樹脂シート２０ａを用意する。熱可塑性樹脂シート２０ａは、熱可塑性樹脂材の一例であり、前述した図１（ａ）及び（ｂ）のカーボンナノチューブシート１の熱可塑性樹脂部２０を形成するための樹脂材料である。
その後に、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、図４（ａ）の熱硬化性樹脂シート２２ａをカーボンナノチューブ集合体１０の外周領域Ｂの上に配置する。さらに、図４（ｂ）の熱可塑性樹脂シート２０ａを熱硬化性樹脂シート２２ａの開口部２２ｘ内に配置する。これにより、カーボンナノチューブ集合体１０上の中央領域Ａに配置された熱可塑性樹脂シート２０ａを取り囲むように熱硬化性樹脂シート２２ａが外周領域Ｂに配置される。
次いで、押圧部材（不図示）で熱可塑性樹脂シート２０ａ及び熱硬化性樹脂シート２２ａを下側に押圧しながら、温度：２００℃、処理時間：１分の条件で加熱処理を行う。
これにより、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、カーボンナノチューブ集合体１０の上に配置した熱可塑性樹脂シート２０ａ及び熱硬化性樹脂シート２２ａを軟化させ、カーボンナノチューブ集合体１０内の隙間に各樹脂を流し込んで含侵させる。
このようにして、カーボンナノチューブ集合体１０の中央領域Ａの隙間に熱可塑性樹脂部２０が含浸され、外周領域Ｂの隙間に熱硬化性樹脂部２２が含浸される。
上記した樹脂の加熱条件を採用すると、この時点では、熱可塑性樹脂部２０及び熱硬化性樹脂部２２はまだ未硬化の状態となっている。
以上により、カーボンナノチューブ集合体１０が熱可塑性樹脂部２０及び熱硬化性樹脂部２２で一体化されてシート状になる。
上記した形態では、熱可塑性樹脂シート２０ａ及び熱硬化性樹脂シート２２ａを加熱して、熱可塑性樹脂部２０及び熱硬化性樹脂部２２を同時に形成している。この他に、熱可塑性樹脂部２０を形成した後に、熱硬化性樹脂部２２を形成してもよい。また逆に、熱硬化性樹脂部２２を形成した後に、熱可塑性樹脂部２０を形成してもよい。
あるいは、液状の熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂をディスペンサなどで塗り分けて熱可塑性樹脂部２０及び熱硬化性樹脂部２２を形成してもよい。
その後に、図７に示すように、シート状に一体化されたカーボンナノチューブ集合体１０をシリコン基板３０から引き剥がす。その後に、シート状に一体化されたカーボンナノチューブ集合体１０を個々のカーボンナノチューブ形成領域が得られるように切断する。
以上により、前述した図１（ａ）及び（ｂ）のカーボンナノチューブシート１が製造される。カーボンナノチューブシート１は、カーボンナノチューブ集合体１０を樹脂で一体化して一枚のシート状にしているため、良好なハンドリング性を有する。
前述した図２（ａ）及び（ｂ）のカーボンナノチューブシート１ａを採用する場合は、図８に示すように、前述した図６（ａ）の工程の後に、カーボンナノチューブ集合体１０の上面側の熱可塑性樹脂部２０及び熱硬化性樹脂部２２を機械研磨などで除去する。これにより、各カーボンナノチューブ１０ａの上端を熱可塑性樹脂部２０及び熱硬化性樹脂部２２から露出させる。
次に、図１（ａ）及び（ｂ）のカーボンナノチューブシート１を熱伝導性シートとして使用する半導体装置に製造方法について説明する。
図９（ａ）に示すように、まず、配線基板４０を用意する。配線基板４０は、上面側に銅などからなる接続パッドＰを備え、下面側にはんだなどからなる外部接続端子Ｔを備えている。接続パッドＰは、配線基板４０の内部に形成された多層配線（不図示）を介して外部接続端子Ｔに電気的に接続されている。
次いで、図９（ｂ）に示すように、下面側にバンプ電極５２を備えた半導体素子５０（ＬＳＩチップ）を用意する。そして、半導体素子５０のバンプ電極５２をはんだ（不図示）を介して配線基板４０の接続パッドＰにフリップチップ接続する。半導体素子５０としては、動作時に発熱量が大きなＣＰＵチップなどが使用される。
その後に、半導体素子５０と配線基板４０との隙間にアンダーフィル樹脂５４を充填する。
次いで、図９（ｃ）に示すように、前述した図１（ａ）及び（ｂ）のカーボンナノチューブシート１を半導体素子５０の上面に配置する。カーボンナノチューブシート１は、熱可塑性樹脂部２０及び熱硬化性樹脂部２２が各カーボンナノチューブ１０ａを被覆している面側が上側になるように、半導体素子５０の上面に配置される。
続いて、図１０に示すように、放熱部材としてヒートスプレッダ６０を用意する。ヒートスプレッダ６０は、平板部６２と、その周縁から下側に突き出る環状の突出部６４とを備えており、下面側の中央部に凹部Ｃが設けられている。ヒートスプレッダ６０の一例としては、無酸素銅部材の外面にニッケルめっきを施したものが使用される。
次いで、図１１に示すように、ヒートスプレッダ６０の突出部６４を熱硬化性の接着剤６６を介して配線基板４０の周縁部に配置する。
さらに、押圧部材（不図示）でヒートスプレッダ６０を下側に押圧しながら、温度：２５０℃、処理時間：２０〜３０分の条件で加熱処理を行う。
このとき、ヒートスプレッダ６０の凹部Ｃの底面がカーボンナノチューブシート１の各カーボンナノチューブ１０ａの上端に当接するように、ヒートスプレッダ６０の凹部Ｃの深さが調節されている。
これにより、図１１の部分拡大図に示すように、カーボンナノチューブシート１の上側の熱可塑性樹脂部２０及び未硬化の熱硬化性樹脂部２２が流動して横方向に押し出される。熱可塑性樹脂部２０は、硬化している場合であっても再加熱により軟化して横方向に押し出される。
これにより、カーボンナノチューブシート１の各カーボンナノチューブ１０ａの上端がヒートスプレッダ６０の凹部Ｃの底面に接触した状態となる。カーボンナノチューブシート１の各カーボンナノチューブ１０ａの下端は元々露出しているため、半導体素子５０の上面に接触した状態となる。
この加熱処理により、カーボンナノチューブシート１の熱可塑性樹脂部２０及び熱硬化性樹脂部２２が完全に硬化する。
これにより、カーボンナノチューブシート１の上面とヒートスプレッダ６０の凹部Ｃの底面とが熱可塑性樹脂部２０及び熱硬化性樹脂部２２によって接着される。また同時に、カーボンナノチューブシート１の下面と半導体素子５０の上面とが熱可塑性樹脂部２０及び熱硬化性樹脂部２２によって接着される。さらに同時に、ヒートスプレッダ６０の突出部６４が配線基板４０の周縁部に熱硬化性の接着剤６６によって接着される。
以上により、実施形態の半導体装置２が製造される。
なお、カーボンナノチューブシート１の上面側をヒートスプレッダ６０の凹部Ｃの底面に押圧して接着した後に、カーボンナノチューブシート１の下面側を半導体素子５０の上面に接着してもよい。
図１１に示すように、実施形態の半導体装置２は、前述した図９（ａ）で説明した配線基板４０の接続パッドＰに半導体素子５０のバンプ電極５２がフリップチップ接続されている。半導体素子５０と配線基板４０の間にアンダーフィル樹脂５４が充填されている。
また、配線基板４０の周縁部にはヒートスプレッダ６０の環状の突出部６４が接着剤６６よって接着されている。これにより、ヒートスプレッダ６０の凹部Ｃ内に半導体素子５０が収容されている。
半導体素子５０の上面とヒートスプレッダ６０の凹部Ｃの底面との間の領域に、熱伝導性シートとして図１（ａ）のカーボンナノチューブシート１が設けられている。カーボンナノチューブシート１の外周領域Ｂの下面は熱硬化性樹脂部２２によって半導体素子５０の上面に接着されている。また、カーボンナノチューブシート１の外周領域Ｂの上面は熱硬化性樹脂部２２によってヒートスプレッダ６０の凹部Ｃの底面に接着されている。
また、カーボンナノチューブシート１の中央領域Ａの下面は熱可塑性樹脂部２０によって半導体素子５０の上面に接着されている。また、カーボンナノチューブシート１の中央領域Ａの上面は熱可塑性樹脂部２０によってヒートスプレッダ６０の凹部Ｃの底面に接着されている。
そして、カーボンナノチューブシート１の各カーボンナノチューブ１０ａの下端が半導体素子５０の上面に接触している。また、カーボンナノチューブシート１の各カーボンナノチューブ１０ａの上端がヒートスプレッダ６０の凹部Ｃの底面に接触している。
このように、実施形態の半導体装置２では、前述した製造方法で説明したように、熱伝導度が高いカーボンナノチューブ１０ａの上端及び下端をヒートスプレッダ６０及び半導体素子５０に確実に接触させることができる。
これにより、熱伝導経路の熱抵抗が小さくなり、半導体素子５０から発する熱を、カーボンナノチューブシート１を介してヒートスプレッダ６０側に十分に伝導して放熱することができる。
また、カーボンナノチューブシート１の中央領域Ａには、適度な柔軟性を有する熱可塑性樹脂部２０が形成されている。このため、半導体素子５０の動作中の発熱によって反りが発生しも、反りを熱可塑性樹脂部２０で吸収することができる。
よって、半導体素子５０の動作中に反りが発生しても、各カーボンナノチューブ１０ａの上端及び下端が常にヒートスプレッダ６０及び半導素子５０に接触することができる。このため、半導体装置２内の熱伝導経路の接触熱抵抗の変化を抑えることができるので、安定して高い放熱性能を得ることができる。これにより、発熱量が多いＣＰＵチップなどの半導体素子５０を正常に動作させることができる。
また、半導体素子のマルチチップ化により複数の半導体素子の間で段差が生じる場合であっても、柔軟性を有する熱可塑性樹脂部２０によって段差を吸収することができる。
また、カーボンナノチューブシート１の外周領域Ｂには、柔軟性や流動性は乏しいが接着強度が高い熱硬化性樹脂部２２が形成されている。これにより、カーボンナノチューブシート１を半導体素子５０及びヒートスプレッダ６０に強固に接着することができる。
よって、半導体素子５０の動作中に反りが発生しても、カーボンナノチューブシート１と、半導体素子５０及びヒートスプレッダ６０との接着が保持され、カーボンナノチューブシート１の剥離が防止される。
また、外周領域Ｂの熱硬化性樹脂部２２は中央領域Ａの熱可塑性樹脂部２０よりも樹脂の剛性が高いため、カーボンナノチューブシート１の圧縮変形を防止することができる。
さらには、外周領域Ｂの熱硬化性樹脂部２２内にもカーボンナノチューブ１０ａが存在するため、外周領域Ｂでの熱伝導性も高く、半導体素子５０の熱を効率よくヒートスプレッダ６０に伝導させることができる。
このように、実施形態のカーボンナノチューブシート１は、中央領域Ａで適度な柔軟性を有し、外周領域Ｂで強い接着性を併せもつため、半導体素子５０に反りが発生しても剥離することなく安定して熱を伝導することができる。
ここで、本実施形態と違って、全体にわたって熱硬化性樹脂を含浸させて硬化させたカーボンナノチューブシートを使用する場合について言及する。この場合は、硬化した熱硬化性樹脂は再加熱しても流動化しないため、前述した図１１の工程で、カーボンナノチューブ１０ａの上端を露出させてヒートスプレッダ６０に接触させることは困難である。
これに対して、熱可塑性樹脂は硬化した後も再加熱で流動化するため、プロセスが制限されることなく主要部のカーボンナノチューブ１０ａの上端を容易に露出させることができるという観点からも有利である。
図１２に示す半導体装置２ａでは、図１１の半導体装置２のヒートスプレッダ６０の上に熱伝導材６８を介してヒートシンク７０がさらに設けられている。ヒートシンク７０は平板部７２とその上に突き出る多数の放熱フィン７４とから形成される。熱伝導材６８として、前述した実施形態のカーボンナノチューブシート１を使用してもよい。
図１２の半導体装置２ａのヒートスプレッダ６０及びヒートシンク７０が放熱部材の一例である。
さらに、図１３に示す半導体装置２ｂでは、図１１の半導体装置２のヒートスプレッダ６０の上に熱伝導材６８を介してヒートパイプ８０がさらに設けられている。ヒートパイプ８０では、密閉したパイプ内に封入された作動液体の蒸発・凝縮の相変化で熱を輸送して放熱する。
図１３の半導体装置２ｂにおいても、熱伝導材６８として、前述した実施形態のカーボンナノチューブシート１を使用してもよい。
図１３の半導体装置２ｂのヒートスプレッダ６０及びヒートパイプ８０が放熱部材の一例である。
（その他の実施形態）
前述した図１（ａ）及び（ｂ）のカーボンナノチューブシート１では、カーボンナノチューブ集合体１０の中央領域Ａの全体に一括して熱可塑性樹脂部２０を形成している。
図１４に示すカーボンナノチューブシート１ｂでは、熱可塑性樹脂部２０がカーボンナノチューブ集合体１０の中央領域Ａに複数個に分割されて配置されている。そして、熱硬化性樹脂部２２は、カーボンナノチューブ集合体１０の外周領域Ｂから中央領域Ａに延びて形成され、複数の熱可塑性樹脂部２０を取り囲んで形成される。
半導体素子の発熱しやすい部位に合わせて複数の熱可塑性樹脂部２０を分割して配置することにより、半導体素子からの熱を効率よく外部に伝導することができる。また、カーボンナノチューブシート１ｂの中央領域Ａの一部にも接着性の強い熱硬化性樹脂部２２が形成されるため、接着強度を強くする際に都合がよい。
複数の熱可塑性樹脂部２０は、円形以外に四角形などの各種の形状を採用できると共に、分割数も任意に設定することができる。
図１４のカーボンナノチューブシート１ｂを製造するには、前述した図５（ａ）及び（ｂ）の工程で、カーボンナノチューブ集合体１０の上に複数の開口部が設けられた熱硬化性樹脂材を配置し、その開口部に熱可塑性樹脂材をそれぞれ配置して、同様に樹脂を含浸させればよい。
また、図１５（ａ）及び（ｂ）に示すカーボンナノチューブシート１ｃのように、中央領域Ａの熱可塑性樹脂部２０内のみにカーボンナノチューブ１０ａが設けられ、外周領域Ｂの熱硬化性樹脂部２２の中にカーボンナノチューブ１０ａが存在しない構造としてもよい。
この場合は、カーボンナノチューブシート１ｃは、外周領域Ｂの全体に配置された熱硬化性樹脂部２２によって半導体素子及びヒートスプレッダにより強固に接着される。この形態では、熱硬化性樹脂部２２の中にカーボンナノチューブが存在しないため、図１（ａ）及び（ｂ）のカーボンナノチューブシート１よりも放熱性の面で不利になる。
１，１ａ，１ｂ、１ｃ…カーボンナノチューブシート、２，２ａ，２ｂ…半導体装置、１０…カーボンナノチューブ集合体、１０ａ…カーボンナノチューブ、２０…熱可塑性樹脂部、２０ａ…熱可塑性樹脂シート、２２…熱硬化性樹脂部、２２ａ…熱硬化性樹脂シート、２２ｘ…開口部、３０…シリコン基板、３２…触媒金属膜、３２ａ…触媒金属微粒子、４０…配線基板、５０…半導体素子、５２…バンプ電極、５４…アンダーフィル樹脂、６０…ヒートスプレッダ、６２…平板部、６４…突出部、７０…ヒートシンク、７２…平板部、７４…放熱フィン、８０…ヒートパイプ、Ａ…中央領域、Ｂ…外周領域、Ｐ…接続パッド、Ｔ…外部接続端子。

Claims (10)

  1. 複数のカーボンナノチューブが配列されたカーボンナノチューブ集合体と、
    前記カーボンナノチューブ集合体の中央領域に形成された熱可塑性樹脂部と、
    前記熱可塑性樹脂部を取り囲むように前記カーボンナノチューブ集合体の外周領域に形成された未硬化の熱硬化性樹脂部と
    を有し、
    前記熱可塑性樹脂部と前記熱硬化性樹脂部とは、前記カーボンナノチューブの下端から上端に形成され、
    前記熱可塑性樹脂部の側面と前記熱硬化性樹脂部の側面とが前記カーボンナノチューブの間の領域で接していることを特徴とするカーボンナノチューブシート。
  2. 前記熱可塑性樹脂部及び前記熱硬化性樹脂部は、前記カーボンナノチューブ集合体の上端を被覆していることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブシート。
  3. 前記熱可塑性樹脂部は、前記カーボンナノチューブ集合体の中央領域に複数個に分割されて配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のカーボンナノチューブシート。
  4. 配線基板と、
    前記配線基板の接続パッドに接続された半導体素子と、
    前記半導体素子の上に配置され、複数のカーボンナノチューブが配列されたカーボンナノチューブ集合体と、前記カーボンナノチューブ集合体の中央領域に形成された熱可塑性樹脂部と、前記熱可塑性樹脂部を取り囲むように前記カーボンナノチューブ集合体の外周領域に形成された熱硬化性樹脂部とを含み、
    前記熱可塑性樹脂部と前記熱硬化性樹脂部とは、前記カーボンナノチューブの下端から上端に形成され、前記熱可塑性樹脂部の側面と前記熱硬化性樹脂部の側面とが前記カーボンナノチューブの間の領域で接しているカーボンナノチューブシートと、
    前記カーボンナノチューブシートの上に配置された放熱部材と
    を有することを特徴とする半導体装置。
  5. 前記放熱部材は、下面側に凹部を備えて周縁に突出部が設けられており、前記放熱部材の突出部が前記配線基板に接着され、前記放熱部材の凹部の底面に前記カーボンナノチューブシートの上面が接触していることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
  6. 基板の上に複数のカーボンナノチューブを形成して、カーボンナノチューブ集合体を得る工程と、
    前記カーボンナノチューブ集合体上の中央領域に熱可塑性樹脂材を配置すると共に、前記熱可塑性樹脂材を取り囲むように前記カーボンナノチューブ集合体上の外周領域に未硬化の熱硬化性樹脂材を配置する工程と、
    加熱処理することにより、前記熱可塑性樹脂材及び前記熱硬化性樹脂材を流動させて前記カーボンナノチューブ集合体の隙間に含浸させる工程と、
    前記基板を除去する工程と
    を有し、
    前記熱可塑性樹脂材と前記熱硬化性樹脂材とは、前記カーボンナノチューブの下端から上端に形成され、前記熱可塑性樹脂材の側面と前記熱硬化性樹脂材の側面とが前記カーボンナノチューブの間の領域で接することを特徴とするカーボンナノチューブシートの製造方法。
  7. 前記熱硬化性樹脂材及び前記熱可塑性樹脂材を含浸させる工程において、
    前記カーボンナノチューブ集合体の上端が前記熱硬化性樹脂材及び前記熱可塑性樹脂材で被覆され、かつ前記熱硬化性樹脂材は未硬化の状態で含浸されることを特徴とする請求項６に記載のカーボンナノチューブシートの製造方法。
  8. 前記熱可塑性樹脂材及び前記熱硬化性樹脂材を含浸させる工程の後に、
    前記カーボンナノチューブ集合体の上端を被覆する前記熱可塑性樹脂材及び前記熱硬化性樹脂材を研磨して、前記カーボンナノチューブの上端を露出させる工程を有することを特徴とする請求項７に記載のカーボンナノチューブシートの製造方法。
  9. 配線基板の接続パッドに半導体素子を接続する工程と、
    複数のカーボンナノチューブが配列されたカーボンナノチューブ集合体と、前記カーボンナノチューブ集合体の中央領域に含浸された熱可塑性樹脂部と、前記熱可塑性樹脂部を取り囲むように前記カーボンナノチューブ集合体の外周領域に含浸された未硬化の熱硬化性樹脂部とを含み、
    前記熱可塑性樹脂部と前記熱硬化性樹脂部とは、前記カーボンナノチューブの下端から上端に形成され、前記熱可塑性樹脂部の側面と前記熱硬化性樹脂部の側面とが前記カーボンナノチューブの間の領域で接し、かつ、
    前記カーボンナノチューブ集合体の上端が前記熱硬化性樹脂部及び前記熱可塑性樹脂部で被覆されたカーボンナノチューブシートを用意する工程と、
    前記カーボンナノチューブシートを前記半導体素子の上に配置する工程と、
    前記カーボンナノチューブシートの上に放熱部材を配置し、前記放熱部材を下側に押圧しながら加熱処理することにより、前記カーボンナノチューブ集合体上の前記熱可塑性樹脂部及び前記熱硬化性樹脂部を横方向に押し出して、前記カーボンナノチューブ集合体の上端を前記放熱部材に接触させる工程と
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  10. 前記カーボンナノチューブの上端を前記放熱部材に接触させる工程において、
    前記放熱部材は、下面側に凹部を備えて周縁に突出部が設けられており、前記放熱部材の突出部が前記配線基板に接着され、前記放熱部材の凹部の底面に前記カーボンナノチューブシートの上面が接触することを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
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