KR101217204B1 - 방열 재료 및 전자 기기 및 그 제조 방법 - Google Patents

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다이스케 이와이
다이유 곤도
요시타카 야마구치
신이치 히로세
유키에 사키타
이쿠오 소가
요헤이 야기시타
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후지쯔 가부시끼가이샤
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Abstract

[과제] 본 발명의 목적은, 탄소 원소의 선상 구조체를 사용한 열전도도 및 전기전도도가 극히 높은 방열 재료, 및 이와 같은 방열 재료를 사용한 고성능의 전자 기기 및 그 제조 방법을 제공한다.
[해결 수단] 복수의 탄소 원소의 선상 구조체(12)와, 복수의 선상 구조체(12) 사이에 배치된 열가소성 수지의 충전층(14)을 갖는다.
탄소 원소 선상 구조체, 방열 재료, 전자 기기

Description

방열 재료 및 전자 기기 및 그 제조 방법{HEAT RADIATION MATERIAL, ELECTRONIC DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING ELECTRONIC DEVICE}
본 발명은, 방열 재료에 관한 것이며, 특히, 탄소 원소의 선상 구조체를 갖는 방열 재료, 및 이와 같은 방열 재료를 사용한 전자 기기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
서버나 퍼스널 컴퓨터의 중앙 처리 장치(CPU : Central Processing Unit) 등에 사용되는 전자 부품에는, 반도체 소자로부터 발하는 열을 효율좋게 방열하는 것이 요구된다. 이 때문에, 반도체 소자의 바로 위에 마련된 써멀 인터페이스 머터리얼을 거쳐, 구리 등의 높은 열전도도를 갖는 재료의 히트 스프레더(heat spreader)가 배치된 구조를 갖고 있다.
써멀 인터페이스 머터리얼에는, 그 자신이 높은 열전도율을 갖는 재료임에 더하여, 발열원 및 히트 스프레더 표면의 미세한 요철에 대해 넓은 면적에 접촉하는 특성이 요구된다. 현상황에서는, 써멀 인터페이스 머터리얼로서, PCM(페이즈(phase) 체인지 머터리얼)이나 인듐 등이 일반적으로 사용되고 있다.
그러나, PCM는, 미세한 요철에 대한 접촉성은 좋지만, 열전도도(1W/m·K~ 5W/m·K 정도)는 낮아, 효과적인 방열 특성을 얻기 위해서는 그 막두께를 얇게 할 필요가 있다. 발열원과 히트 스프레더 사이에는 열팽창 계수의 다름에 기인하여 갭이 생기지만, 이 갭에 추종하여 요철을 흡수하기 위해서는, 박막화에는 한계가 있다.
또한, 근래에 있어서의 레어메탈의 대폭적인 수요 증가에 의해 인듐 가격은 고등(高騰)하고 있어, 인듐보다도 저렴한 대체 재료가 요망되고 있다. 또한, 물성적으로 봐도 인듐의 열전도도(50W/m·K)는 높다고는 말할 수 없어, 반도체 소자로부터 생긴 열을 보다 효율적으로 방열시키기 위해서 더욱 높은 열전도도를 갖는 재료가 요구되고 있다.
이와 같은 배경에서, PCM이나 인듐보다도 높은 열전도도를 갖는 재료로서, 카본 나노 튜브로 대표되는 탄소 원소의 선상 구조체가 주목되고 있다. 카본 나노 튜브는, 매우 높은 열전도도(1500W/m·K)를 가질 뿐만 아니라, 유연성이나 내열성이 뛰어난 재료이며, 방열 재료로서 높은 포텐셜을 갖고 있다.
카본 나노 튜브를 사용한 열전도 시트로서는, 수지 중에 카본 나노 튜브를 분산한 열전도 시트나, 기판 위에 배향 성장한 카본 나노 튜브속(束)을 수지 등에 의해 매입(埋入)한 열전도 시트가 제안되어 있다.
[특허문헌1] 일본 특개2005-150362호 공보
[특허문헌2] 일본 특개2006-147801호 공보
[특허문헌3] 일본 특개2006-290736호 공보
그러나, 카본 나노 튜브를 사용한 종래의 방열 재료에서는, 카본 나노 튜브가 갖는 높은 열전도도를 충분히 살릴 수 없었다.
본 발명의 목적은, 탄소 원소의 선상 구조체를 사용한 열전도도 및 전기전도도가 극히 높은 방열 재료, 및 이와 같은 방열 재료를 사용한 고성능의 전자 기기 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
실시 형태의 1관점에 의하면, 복수의 탄소 원소의 선상 구조체와, 복수의 상기 선상 구조체 사이에 배치된 열가소성 수지의 충전층을 갖는 방열 재료가 제공된다.
또한, 실시 형태의 다른 관점에 의하면, 발열체와, 방열체와, 상기 발열체와 방열체 사이에 배치되고, 복수의 탄소 원소의 선상 구조체와, 복수의 상기 선상 구조체 사이에 배치된 열가소성 수지의 충전층을 포함하는 방열 재료를 갖는 전자 기기가 제공된다.
또한, 실시 형태의 또 다른 관점에 의하면, 발열체와 방열체 사이에, 복수의 탄소 원소의 선상 구조체와, 복수의 상기 선상 구조체 사이에 배치된 열가소성 수지의 충전층을 갖는 방열 재료를 배치하는 공정과, 상기 방열 재료를 가열하여 상기 열가소성 수지를 융해하는 공정과, 상기 방열 재료를 냉각하여 상기 열가소성 수지를 고화하는 공정을 갖는 전자 기기의 제조 방법이 제공된다.
또한, 실시 형태의 또 다른 관점에 의하면, 방열체와, 상기 방열체 위에 형성되고, 복수의 탄소 원소의 선상 구조체와, 복수의 상기 선상 구조체의 간극에 배치된 열가소성 수지의 충전층을 갖는 방열 재료를 갖는 방열 부품이 제공된다.
본 발명에 의하면, 복수의 선상 구조체를 지지하는 충전층을 열가소성 수지에 의해 형성하므로, 피착체에 대한 접촉성이 향상하여, 피착체에 대한 접촉 열저항이 작은 방열 재료를 형성할 수 있다. 또한, 충전재의 침투량은, 열처리 온도 및 시간에 의해 용이하게 제어할 수 있다. 이에 의해, 선상 구조체의 단부가 노출한 방열 재료를 용이하게 형성할 수 있다.
또한, 발열체와 방열체 사이에 이와 같은 방열 재료를 배치함으로써, 이들 사이의 열전도도를 대폭 향상할 수 있다. 이에 의해, 방열체로부터 발하는 열의 방열 효율을 높일 수 있어, 전자 기기의 신뢰성을 향상할 수 있다.
[제1 실시 형태]
제1 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트 및 그 제조 방법에 대해 도 1 내지 도 3을 이용하여 설명한다.
도 1은, 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 구조를 나타내는 개략 단면도이다. 도 2 및 도 3은, 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법을 나타내는 공정 단면도이다.
먼저, 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 구조에 대해 도 1을 이용 하여 설명한다. 도 1(a)은 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제1 예이며, 도 1(b)은 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제2 예이다.
본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트(10)는, 도 1(a) 및 도 1(b)에 나타내는 바와 같이, 간격을 두어 배치된 복수의 카본 나노 튜브(12)를 갖고 있다. 카본 나노 튜브(12)의 간극에는 열가소성 수지의 충전층(14)이 형성되어 있고, 충전층(14)에 의해 카본 나노 튜브(12)가 지지되어 있다. 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트(10)는, 시트상의 구조체를 형성하고 있고, 복수의 카본 나노 튜브(12)는, 시트의 막두께 방향, 즉 시트의 면과 교차하는 방향으로 배향하여 있다.
카본 나노 튜브(12)는, 단층 카본 나노 튜브 및 다층 카본 나노 튜브 중 어느 것이어도 좋다. 카본 나노 튜브(12)의 면밀도(面密度)는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 방열성 및 전기전도성의 관점에서는, 1×1010개/cm2 이상인 것이 바람직하다.
카본 나노 튜브(12)의 길이는, 카본 나노 튜브 시트(10)의 용도에 따라 결정되고, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 바람직하게는 5㎛~500㎛ 정도의 값으로 설정할 수 있다. 카본 나노 튜브 시트(10)를, 발열원(예를 들면 반도체 소자)과 방열 부품(예를 들면 히트 스프레더) 사이에 형성하는 써멀 인터페이스 머터리얼로서 사용하는 경우, 적어도 발열원 및 방열 부품의 표면의 요철을 메우는 길이 이상인 것이 바람직하다.
또한, 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트(10)는, 도 1(a) 및 도 1(b) 에 나타내는 바와 같이, 카본 나노 튜브(12)의 적어도 한쪽의 단부가 노출하여 있다. 도 1(a)에 나타내는 카본 나노 튜브 시트에서는, 카본 나노 튜브(12)의 한쪽의 단부가 노출하여 있다. 도 1(b)에 나타내는 카본 나노 튜브 시트에서는, 카본 나노 튜브(12)의 양방의 단부가 노출하여 있다.
이에 의해, 카본 나노 튜브 시트(10)를 방열체 또는 발열체와 접촉했을 때, 카본 나노 튜브(12)가 방열체 또는 발열체에 대해 바로 접하기 때문에, 열전도 효율을 대폭 높일 수 있다. 또한, 카본 나노 튜브(12)는 도전성을 갖고 있기 때문에, 카본 나노 튜브(12)의 양단부를 노출함으로써, 카본 나노 튜브(12)를, 시트를 관통하는 배선체로서 사용할 수도 있다. 즉, 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트(10)는, 열전도 시트로서 뿐만 아니라, 종형 배선 시트로서도 이용 가능하다.
충전층(14)은, 열가소성 수지에 의해 형성되어 있다. 충전층(14)을 형성하는 열가소성 수지는, 온도에 따라 액체와 고체 사이에서 가역적으로 상태 변화하는 것이며, 실온에서는 고체이며, 가열하면 액상으로 변화하고, 냉각하면 접착성을 발현하면서 고체로 돌아가는 것이면, 특별히 한정되는 것은 아니다.
이와 같은 열가소성 수지로서는, 예를 들면, 이하에 나타내는 핫멜트 수지를 들 수 있다. 폴리아미드계 핫멜트 수지로서는, 예를 들면, 헨켈재팬가부시키가이샤제의 「Micromelt6239」(연화점 온도 : 140℃)를 들 수 있다. 또한, 폴리에스테르계 핫멜트 수지로서는, 예를 들면, 노가와케미컬가부시키가이샤의 「DH598B」(연화점 온도 : 133℃)를 들 수 있다. 또한, 폴리우레탄계 핫멜트 수지로서는, 예를 들면, 노가와케미컬가부시키가이샤제의 「DH722B」를 들 수 있다. 또한, 폴리올레 핀계 핫멜트 수지로서는, 예를 들면, 마츠무라세키유가부시키가이샤제의 「EP-90」(연화점 온도 : 148℃)을 들 수 있다. 또한, 에틸렌 공중합체 핫멜트 수지로서는, 예를 들면, 노가와케미컬가부시키가이샤제의 「DA574B」(연화점 온도 : 105℃)를 들 수 있다. 또한, SBR계 핫멜트 수지로서는, 예를 들면, 요코하마고무가부시키가이샤제의 「M-6250」(연화점 온도 : 125℃)을 들 수 있다. 또한, EVA계 핫멜트 수지로서는, 예를 들면, 스미토모-쓰리엠가부시키가이샤제의 「3747」(연화점 온도 : 104℃)을 들 수 있다. 또한, 부틸 고무계 핫멜트 수지로서는, 예를 들면, 요코하마고무가부시키가이샤제의 「M-6158」을 들 수 있다.
충전층(14)을 형성하는 열가소성 수지는, 카본 나노 튜브 시트(10)의 사용 목적에 따라, 열가소성 수지의 융해 온도를 근거로 선택할 수 있다. 열가소성 수지의 융해 온도의 하한값은, 가동시의 발열 온도의 상한값보다도 높은 것이 바람직하다. 가동시에 열가소성 수지가 용해하면, 카본 나노 튜브 시트(10)가 변형하여 카본 나노 튜브(12)가 배향성을 소실하는 등, 열전도성을 저하하는 등의 불량을 일으키는 우려가 있기 때문이다. 열가소성 수지의 용해 온도의 상한값은, 발열체 및 방열체의 내열 온도의 하한값보다도 낮은 것이 바람직하다. 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트(10)는, 방열체 및 발열체에 접촉시킨 후에 리플로우를 행하는 것이 바람직하지만, 열가소성 수지의 용해 온도가 내열 온도보다 높으면, 발열체 및/또는 방열체에 데미지를 주지 않고 리플로우를 하는 것이 곤란하게 되기 때문이다. 또, 카본 나노 튜브 시트(10)의 리플로우에 대해서는, 후술한다.
예를 들면, 카본 나노 튜브 시트(10)를 CPU 등의 전자 기기의 방열 용도로 사용하는 경우, CPU 가동시의 발열 온도의 상한이 약 125℃이며, CPU 전자 부품의 내열 온도가 약 250℃인 것을 감안하여, 융해 온도가 125℃~250℃ 정도의 열가소성 수지가 호적(好適)하다. 예를 들면, 자동차 엔진의 배기 시스템(exhaust system) 등의 용도로 사용하는 경우, 부위에 의존하지만 발열 온도는 500℃~800℃ 정도인 것을 감안하여, 융해 온도가 600℃~900℃ 정도의 열가소성 수지가 호적하다.
또한, 충전층(14)에는, 필요에 따라, 첨가물을 분산 혼합해도 좋다. 첨가물로서는, 예를 들면 열전도성이 높은 물질이나 도전성이 높은 물질이 생각된다. 충전층(14) 부분에 열전도성이 높은 첨가물을 분산 혼합함으로써, 충전층(14) 부분의 열전도율을 향상할 수 있어, 카본 나노 튜브 시트(10)의 전체로서의 열전도율을 향상할 수 있다. 또한, 카본 나노 튜브 시트를 도전성 시트로서 사용하는 경우에 있어서는, 충전층(14) 부분에 전도성이 높은 첨가물을 분산 혼합한다. 이에 의해, 충전층(14) 부분의 도전율을 향상할 수 있어, 카본 나노 튜브 시트(10)의 전체로서의 도전율을 향상할 수 있다. 열전도성이 높은 재료로서는, 카본 나노 튜브, 금속 재료, 질화알루미늄, 실리카, 알루미나, 그라파이트, 풀러렌 등을 적용할 수 있다. 전도성이 높은 재료로서는, 카본 나노 튜브, 금속 재료 등을 적용할 수 있다.
다음으로, 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법에 대해 도 2 및 도 3을 이용하여 설명한다.
우선, 카본 나노 튜브 시트(10)를 형성하기 위한 토대로서 사용하는 기판(30)을 준비한다(도 2(a)). 기판(30)으로서는, 실리콘 기판 등의 반도체 기판, 알루미나(사파이어) 기판, MgO 기판, 유리 기판 등의 절연성 기판, 금속 기판 등을 사용할 수 있다. 또한, 이들 기판 위에 박막이 형성된 것이어도 좋다. 예를 들면, 실리콘 기판 위에 막두께 300nm 정도의 실리콘 산화막이 형성된 것을 사용할 수 있다.
기판(30)은, 카본 나노 튜브(12)의 성장 후에 박리되는 것이다. 이 목적 아래, 기판(30)으로서는, 카본 나노 튜브(12)의 성장 온도에서 변질하지 않는 것이 바람직하다. 또한, 적어도 카본 나노 튜브(12)에 접하는 면이 카본 나노 튜브(12)로부터 용이하게 박리할 수 있는 재료에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 카본 나노 튜브(12)에 대해 선택적으로 에칭할 수 있는 재료에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이어서, 기판(30) 위에, 예를 들면 스퍼터법에 의해, 예를 들면 막두께 2.5nm의 Fe(철)막을 형성하여, Fe의 촉매 금속막(32)을 형성한다(도 2(b)). 또, 촉매 금속막(32)은, 반드시 기판(30) 위의 전면(全面)에 형성할 필요는 없고, 예를 들면 리프트오프법(liftoff process)을 이용하여 기판(30)의 소정의 영역상에 선택적으로 형성하도록 해도 좋다.
촉매 금속으로서는, Fe 외에, Co(코발트), Ni(니켈), Au(금), Ag(은), Pt(백금) 또는 이들 중 적어도 하나의 재료를 함유하는 합금을 사용해도 좋다. 또한, 촉매로서, 금속막 이외에, 미분형 정전 분급기(DMA : differential mobility analyzer) 등을 사용하여, 미리 사이즈를 제어하여 제작한 금속 미립자를 사용해도 좋다. 이 경우도, 금속종에 대해서는 박막의 경우와 같아도 좋다.
또한, 이들 촉매 금속의 하지막(下地膜)으로서, Mo(몰리브덴), Ti(티탄), Hf(하프늄), Zr(지르코늄), Nb(니오븀), V(바나듐), TaN(질화탄탈륨), TiSix(티탄실리사이드), Al(알루미늄), Al2O3(산화알루미늄), TiOx(산화티탄), Ta(탄탈륨), W(텅스텐), Cu(구리), Au(금), Pt(백금), Pd(팔라듐), TiN(질화티탄) 등의 막 또는 이들 중 적어도 하나의 재료를 함유하는 합금으로 이루어지는 막을 형성해도 좋다. 예를 들면, Fe(2.5nm)/Al(10nm)의 적층 구조, Co(2.6nm)/TiN(5nm)의 적층 구조 등을 적용할 수 있다. 금속 미립자를 사용하는 경우는, 예를 들면, Co(평균 직경 : 3.8nm)/TiN(5nm) 등의 적층 구조를 적용할 수 있다.
이어서, 기판(30) 위에, 예를 들면 핫필라멘트 CVD법에 의해, 촉매 금속막(32)을 촉매로 하여, 카본 나노 튜브(12)를 성장한다. 카본 나노 튜브(12)의 성장 조건은, 예를 들면, 원료 가스로서 아세틸렌·아르곤의 혼합 가스(분압비 1:9)를 사용하고, 성막실 내의 총가스압을 1kPa, 핫필라멘트 온도를 1000℃, 성장 시간을 25분으로 한다. 이에 의해, 층수가 3층~6층(평균 4층 정도), 직경이 4nm~8nm(평균 6nm), 길이가 100㎛(성장 레이트 : 4㎛/min)의 다층 카본 나노 튜브를 성장할 수 있다. 또, 카본 나노 튜브는, 열 CVD법이나 리모트 플라스마 CVD법 등의 다른 성막 방법에 의해 형성해도 좋다. 또한, 성장하는 카본 나노 튜브는, 단층 카본 나노 튜브이어도 좋다. 또한, 탄소 원료로서는, 아세틸렌 외에, 메탄, 에틸렌 등의 탄화수소류나, 에탄올, 메탄올 등의 알코올류 등을 사용해도 좋다.
카본 나노 튜브(12)의 길이는, 카본 나노 튜브 시트(10)의 용도에 따라 결정 되고, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 바람직하게는 5㎛~500㎛ 정도의 값으로 설정할 수 있다. 카본 나노 튜브 시트(10)를, 발열원(예를 들면 반도체 소자)과 방열 부품(예를 들면 히트 스프레더) 사이에 형성하는 써멀 인터페이스 머터리얼로서 사용하는 경우, 적어도 발열원 및 방열 부품의 표면의 요철을 메우는 길이 이상인 것이 바람직하다.
이렇게 하여, 기판(30) 위에, 기판(30)의 법선 방향으로 배향(수직 배향)한 복수의 카본 나노 튜브(12)를 형성한다(도 2(c)). 또, 상기 성장 조건으로 형성한 카본 나노 튜브(12)에서는, 카본 나노 튜브(12)의 면밀도는, 1×1011개/cm2 정도이었다. 이것은, 기판(30) 표면의 면적의 약 10%의 영역상에 카본 나노 튜브(12)가 형성되어 있는 것에 상당한다.
이어서, 기판(30)에 성장한 카본 나노 튜브(12) 위에, 필름상으로 가공한 열가소성 수지(열가소성 수지 필름(34))를 재치(載置)한다(도 3(a)). 열가소성 수지 필름(34)의 막두께는, 카본 나노 튜브(12)의 길이에 따라 적절히 설정하는 것이 바람직하다. 예를 들면 도 1(a)에 나타내는 카본 나노 튜브 시트(10)를 형성하는 경우에는, 카본 나노 튜브(12)의 길이와 같은 정도, 예를 들면 5㎛~500㎛ 정도가 호적하다. 또한, 예를 들면 도 1(b)에 나타내는 카본 나노 튜브 시트(10)를 형성하는 경우에는, 카본 나노 튜브(12)의 길이보다도 조금 얇은 정도, 예를 들면 4㎛~400㎛ 정도가 호적하다.
열가소성 수지 필름(34)의 열가소성 수지로서는, 예를 들면, 이하에 나타내 는 핫멜트 수지를 적용할 수 있다. 폴리아미드계 핫멜트 수지로서는, 예를 들면, 헨켈재팬가부시키가이샤제의 「Micromelt6239」를 들 수 있다. 또한, 폴리에스테르계 핫멜트 수지로서는, 예를 들면, 노가와케미컬가부시키가이샤제의 「DH598B」를 들 수 있다. 또한, 폴리우레탄계 핫멜트 수지로서는, 예를 들면, 노가와케미컬가부시키가이샤제의 「DH722B」를 들 수 있다. 또한, 폴리올레핀계 핫멜트 수지로서는, 예를 들면, 마츠무라세키유가부시키가이샤제의 「EP-90」을 들 수 있다. 또한, 에틸렌 공중합체 핫멜트 수지로서는, 예를 들면, 노가와케미컬가부시키가이샤제의 「DA574B」를 들 수 있다. 또한, SBR계 핫멜트 수지로서는, 예를 들면, 요코하마고무가부시키가이샤제의 「M-6250」을 들 수 있다. 또한, EVA계 핫멜트 수지로서는, 예를 들면, 스미토모-쓰리엠가부시키가이샤제의 「3747」을 들 수 있다. 또한, 부틸 고무계 핫멜트 수지로서는, 예를 들면, 요코하마고무가부시키가이샤제의 「M-6158」을 들 수 있다.
여기서는, 일례로서, 헨켈재팬가부시키가이샤제의 「Micromelt6239」를 두께 100㎛의 필름상으로 가공한 열가소성 수지 필름(34)을 사용한 경우에 대해 설명한다. 또, 「Micromelt6239」는, 융해 온도가 135℃~145℃, 융해시 점도가 5.5Pa·s~8.5Pa·s(225℃)의 핫멜트 수지이다.
이어서, 열가소성 수지 필름(34)을 재치한 기판(30)을, 예를 들면 195℃의 온도에서 가열한다. 이에 의해, 열가소성 수지 필름(34)의 열가소성 수지가 용해하여, 카본 나노 튜브(12)의 간극에 서서히 침투해간다. 이렇게 하여, 열가소성 수지 필름(34)을, 기판(30)의 표면에 달하지 않을 정도까지 침투시킨다.
열가소성 수지를 미리 시트상으로 가공해둠으로써, 그 시트 막두께로 충전재량의 컨트롤이 가능하게 된다. 이에 의해, 가열 온도나 가열 시간의 컨트롤로, 충전재가 기판(30)까지 침윤하지 않도록 컨트롤할 수 있다.
또, 기판(30)에 달하지 않는 지점에서 열가소성 수지 필름(34)의 침투를 정지하는 것은, 카본 나노 튜브 시트(10)를 기판(30)으로부터 박리하는 것을 용이하게 하기 위해서이다. 카본 나노 튜브 시트(10)를 기판(30)으로부터 용이하게 박리할 수 있는 경우 등은, 기판(30)에 달할 때까지 열가소성 수지 필름(34)을 침투시키도록 해도 좋다.
카본 나노 튜브(12)의 간극에 침투하는 열가소성 수지 필름(34)의 두께는, 열처리 시간에 의해 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 조건에서 성장한 길이 100㎛의 카본 나노 튜브(12)에 대해서는, 195℃에서 1분간의 열처리를 행함으로써, 열가소성 수지 필름(34)이 기판(30)에 달하지 않을 정도까지 침투시킬 수 있다.
열가소성 수지 필름(34)의 가열 시간은, 열가소성 수지 필름(34)을 기판(30)의 표면에 달하지 않을 정도로 침투시키도록, 카본 나노 튜브(12)의 길이, 열가소성 수지의 융해시의 점도, 열가소성 수지 필름(34)의 막두께 등에 따라 적절히 설정하는 것이 바람직하다.
또, 열가소성 수지의 형상은, 미리 필름상으로 가공해두는 것이 호적하지만, 펠렛상이나 봉상이어도 상관없다.
이어서, 열가소성 수지 필름(34)을 소정의 위치까지 침투시킨 후, 실온까지 냉각하여, 열가소성 수지 필름(34)을 고화한다. 이렇게 하여, 열가소성 수지 필 름(34)의 열가소성 수지에 의해 형성되고, 카본 나노 튜브(12)의 간극에 충전된 충전층(14)을 형성한다.
이어서, 카본 나노 튜브(12) 및 충전층(14)을, 기판(30)으로부터 박리하여, 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트를 얻는다(도 3(c)). 상술한 바와 같이 충전층(14)(열가소성 수지 필름(34))을 기판(30)까지 도달하지 않도록 형성해두면, 카본 나노 튜브(12)와 기판(30) 사이의 접합은 약하기 때문에, 카본 나노 튜브(12) 및 충전층(14)을 기판(30)으로부터 용이하게 박리할 수 있다.
도 1(b)에 나타내는 카본 나노 튜브 시트를 제조하는 경우에 있어서는, 카본 나노 튜브(12)의 길이보다도 얇은 열가소성 수지 필름(34)을 사용하고, 카본 나노 튜브(12)의 상단부가 노출할 때까지 열가소성 수지 필름(34)을 침투시키도록 하면 좋다.
이와 같이, 본 실시 형태에 의하면, 카본 나노 튜브를 지지하는 충전층의 재료로서 열가소성 수지를 사용하므로, 충전층의 리플로우가 가능하여 피착체에 대한 접촉 열저항이 작은 카본 나노 튜브 시트를 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 충전재의 침투량은, 열처리 온도 및 시간에 의해 용이하게 제어할 수 있다. 이에 의해, 카본 나노 튜브의 단부를 용이하게 노출할 수 있다. 또한, 카본 나노 튜브의 성장에 사용하는 기판으로부터 시트를 용이하게 박리할 수 있다.
[제2 실시 형태]
제2 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트 및 그 제조 방법에 대해 도 4 내지 도 8을 이용하여 설명한다. 또, 도 1 내지 도 3에 나타내는 제1 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트 및 그 제조 방법과 동일한 구성 요소에는, 동일한 부호를 붙여 설명을 생략 또는 간결하게 한다.
도 4는, 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 구조를 나타내는 개략 단면도이다. 도 5는, 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법을 나타내는 개략 단면도이다. 도 6 내지 도 8은, 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법을 나타내는 사시도이다.
먼저, 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 구조에 대해 도 4를 이용하여 설명한다.
본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트(10)는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 카본 나노 튜브(12)의 일단측에, 피막(16)이 형성되어 있는 이외는, 도 1에 나타내는 제1 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트(10)와 같다.
피막(16)을 형성하는 재료는, 충전층(14)의 구성 재료보다도 열전도율이 높은 재료이면 특별히 한정되는 것은 아니다. 카본 나노 튜브 시트(10)를 전기전도 용도로도 사용하는 경우에는, 도전성을 갖는 재료, 예를 들면, 금속이나 합금 등을 적용할 수 있다. 피막(16)의 구성 재료로서는, 예를 들면, 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au) 등을 사용할 수 있다. 또한, 피막(16)은, 단층 구조일 필요는 없고, 예를 들면 티탄(Ti)과 금(Au)의 적층 구조 등, 2층 혹은 3층 이상의 적층 구조이어도 좋다.
피막(16)의 막두께는, 제조 과정에서 열가소성 수지 필름(34)의 침투를 저해하지 않는 막두께이면, 특별히 한정되는 것은 아니다. 피막(16)의 막두께는, 열가 소성 수지 필름(34)의 침투성, 카본 나노 튜브 시트(10)에 요구되는 특성, 피막(16)의 구성 재료 등에 따라 적절히 설정하는 것이 바람직하다.
열전도성이 높은 피막(16)을 마련함으로써, 피막(16)을 마련하지 않는 경우와 비교하여, 카본 나노 튜브 시트(10)의 피착체(방열체, 발열체)에 대한 접촉 면적을 증가할 수 있다. 이에 의해, 카본 나노 튜브(12)와 피착체 사이의 접촉 열저항이 저감되어, 카본 나노 튜브 시트(10)의 열전도성을 높일 수 있다. 카본 나노 튜브 시트(10)를 도전성 시트로서도 사용하는 경우에는, 도전성을 높일 수 있다.
또, 도 4에서는, 도 1(a)의 카본 나노 튜브 시트(10)에 있어서의 카본 나노 튜브(12)의 한쪽의 단부에 피막(16)을 형성한 경우를 나타냈지만, 카본 나노 튜브(12)의 다른 쪽의 단부에도 피막(16)을 형성해도 좋다. 또한, 도 1(b)에 나타내는 카본 나노 튜브 시트에 있어서의 카본 나노 튜브(12)의 한쪽의 단부 또는 양방의 단부에 피막(16)을 형성해도 좋다.
다음으로, 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법에 대해 도 5 내지 도 8을 이용하여 설명한다.
우선, 예를 들면 도 2(a) 내지 도 2(c)에 나타내는 제1 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법과 같이 하여, 기판(30) 위에, 카본 나노 튜브(12)를 성장한다.
또, 도 1 내지 도 5에서는, 도면의 간략화를 위해서 카본 나노 튜브(12)를 단순한 원통 형상으로 그렸지만, 성장 초기에 있어서의 성장 불균일 등에 의해, 반드시 완전한 원통 형상으로는 되지 않는다. 카본 나노 튜브(12)는, 전체적으로 보 면 시트의 막두께 방향으로 배향하지만, 예를 들면, 도 6에 나타내는 바와 같이 카본 나노 튜브(12)의 상단부가 기판(30)의 법선 방향에 대해 기울어져 성장하거나, 카본 나노 튜브(12)의 길이에 불균일이 생기거나 하는 경우가 있다.
이어서, 카본 나노 튜브(12) 위에, 예를 들면 증착법에 의해, 300nm 정도의 막두께의 Au(금)을 퇴적하여, Au의 피막(16)을 형성한다(도 5(a)). 피막(16)은, 카본 나노 튜브(12)에 데미지를 주지 않는 방법이면, 다른 성막 방법(예를 들면 스퍼터법 등)을 이용하여 형성해도 좋다.
피막(16)을 형성하는 재료는, 충전층(14)의 구성 재료보다도 열전도율이 높은 재료이면 특별히 한정되는 것은 아니다. 카본 나노 튜브 시트(10)를 전기전도 용도로도 사용하는 경우에는, 도전성을 갖는 재료, 예를 들면, 금속이나 합금 등을 적용할 수 있다. 피막(16)의 구성 재료로서는, 예를 들면, 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au) 등을 사용할 수 있다. 또한, 피막(16)은, 단층 구조일 필요는 없고, 예를 들면 티탄(Ti)과 금(Au)의 적층 구조 등, 2층 혹은 3층 이상의 적층 구조이어도 좋다.
피막(16)은, 성장 초기 단계에서는, 예를 들면 도 7에 나타내는 바와 같이, 각 카본 나노 튜브(12)의 선단 부분을 덮도록 형성된다. 성장막 두께가 증가해가면, 인접하는 각 카본 나노 튜브(12)의 선단 부분에 형성된 피막(16)이 서로 접속된다. 이에 의해, 피막(16)은, 예를 들면 도 8에 나타내는 바와 같이, 복수개의 각 카본 나노 튜브(12)의 선단 부분을 결속하도록 형성된다. 피막(16)의 성장막 두께를 더욱 증가하면, 피막(16)이 시트의 면에 평행한 2차원 방향으로 완전하게 접속되어, 간극이 없는 완전한 막이 된다.
형성하는 피막(16)의 막두께는, 충전층(14)을 형성할 때의 열가소성 수지 필름(34)의 침투성 등을 고려하여, 카본 나노 튜브(12)의 직경이나 면밀도에 따라 적절히 설정하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 카본 나노 튜브(12)의 직경이 10nm, 면밀도가 1×1011cm-2의 경우, 서로 인접하는 카본 나노 튜브(12)의 간극은 약 50nm이다. 이 경우, 인접하는 카본 나노 튜브(12) 사이가 피막(16)에 의해 접속되기 위해서는, 적어도 간극의 반 이상의 막두께, 즉 막두께 25nm 정도 이상의 피막(16)을 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 피막(16)을 너무 두껍게 하면 피막(16)이 간극이 없는 완전한 막이 되어 열가소성 수지 필름(34)의 침투성이 저하하기 때문에, 피막(16)의 상한 막두께는, 열가소성 수지 필름(34)의 침투성의 측면에서 설정하는 것이 바람직하다. 이들의 관점에서, 상기 조건의 카본 나노 튜브(12)에서는, 피막(16)의 막두께는, 25nm~1000nm 정도로 설정하는 것이 바람직하다.
이어서, 예를 들면 도 3(a) 내지 도 3(b)에 나타내는 제1 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법과 같이 하여, 카본 나노 튜브(12)의 간극에 열가소성 수지 필름(34)을 침투시켜, 충전층(14)을 형성한다(도 5(b)).
피막(16)은, 반드시 인접하는 카본 나노 튜브(12)가 서로 접속되기에 충분한 막두께를 형성할 필요는 없지만, 이것에는 피막(16)에 의해 복수개의 카본 나노 튜브(12)를 결속하는 효과가 있다(도 8 참조). 또한, 횡 방향에의 열의 전도가 가능 하게 된다. 이에 의해, 열가소성 수지 필름(34)이 카본 나노 튜브(12) 사이에 침투할 때에, 카본 나노 튜브(12)끼리가 분산되는 것을 억제할 수 있다.
이어서, 카본 나노 튜브(12), 피막(16) 및 충전층(14)을 기판(30)으로부터 박리하여, 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트를 얻는다(도 5(c)).
이후, 카본 나노 튜브(12)의 기판(30)의 박리면측에, 필요에 따라, 피막(16)과 같은 피막(도시하지 않음)을 형성한다. 이 피막의 형성 방법이나 형성 재료 등은, 피막(16)과 같다.
이와 같이, 본 실시 형태에 의하면, 카본 나노 튜브를 지지하는 충전층의 재료로서 열가소성 수지를 사용하므로, 충전층의 리플로우가 가능하여 피착체에 대한 접촉 열저항이 작은 카본 나노 튜브 시트를 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 충전재의 침투량은, 열처리 온도 및 시간에 의해 용이하게 제어할 수 있다. 이에 의해, 카본 나노 튜브의 단부를 용이하게 노출할 수 있다. 또한, 카본 나노 튜브의 성장에 사용하는 기판으로부터 시트를 용이하게 박리할 수 있다. 또한, 카본 나노 튜브의 단부에 충전층보다도 열전도율이 높은 재량의 피막을 형성하므로, 피착체에 대한 접촉 열저항을 대폭 저감할 수 있다.
[제3 실시 형태]
제3 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트 및 그 제조 방법에 대해 도 9 내지 도 14를 이용하여 설명한다. 또, 도 1 내지 도 8에 나타내는 제1 및 제2 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트 및 그 제조 방법과 동일한 구성 요소에는, 동일한 부호를 붙여 설명을 생략 또는 간결하게 한다.
도 9는, 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 구조를 나타내는 사시도이다. 도 10 내지 도 13은, 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법을 나타내는 사시도이다. 도 14는, 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트 및 그 제조 방법의 다른 예를 나타내는 사시도이다.
먼저, 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 구조에 대해 도 9를 이용하여 설명한다. 도 9(a)는 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제1 예이며, 도 9(b)는 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제2 예이다.
본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트(10)는, 도 9(a) 및 도 9(b)에 나타내는 바와 같이, 복수의 카본 나노 튜브(12)가 서로 간격을 두어 배치되고, 이 간극에 열가소성 수지의 충전층(14)이 매입 형성된 구조를 갖고 있는 점에서, 제1 및 제2 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트와 공통하고 있다.
본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트(10)는, 복수의 카본 나노 튜브(12a)와, 복수의 카본 나노 튜브(12b)를 갖고 있다. 복수의 카본 나노 튜브(12a)는, 카본 나노 튜브 시트(10)의 한쪽의 면측(도면에 있어서 상측)의 단부에 피막(16a)을 갖고 있다. 한편, 복수의 카본 나노 튜브(12b)는, 카본 나노 튜브 시트(10)의 다른 쪽의 면측(도면에 있어서 하측)의 단부에 피막(16b)을 갖고 있다.
도 9(a)에 나타내는 제1 예의 카본 나노 튜브 시트(10)와 도 9(b)에 나타내는 제2 예의 카본 나노 튜브 시트(10)는, 피막(16a,16b)의 막두께가 다르다. 즉, 도 9(a)에 나타내는 제1 예의 카본 나노 튜브 시트(10)에서는, 도 7에 있어서 설명한 바와 같이, 각 카본 나노 튜브(12a,12b)의 선단 부분을 각각 덮도록, 피 막(16a,16b)이 형성되어 있다. 또한, 도 9(b)에 나타내는 제2 예의 카본 나노 튜브 시트(10)에서는, 도 8에 있어서 설명한 바와 같이, 복수개의 각 카본 나노 튜브(12a,12b)의 선단 부분을 결속하도록, 피막(16a,16b)이 각각 형성되어 있다.
충전재(14) 및 피막(16)의 구성 재료는, 제1 또는 제2 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트와 같다.
다음으로, 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법에 대해 도 10 내지 도 13을 이용하여 설명한다. 또, 여기서는, 도 9(b)에 나타내는 제2 예의 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법을 나타내지만, 도 9(a)에 나타내는 제1 예의 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법은, 피막(16)의 막두께가 다른 이외는 제2 예의 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법과 같다.
우선, 예를 들면 도 2(a) 내지 도 2(c)에 나타내는 제1 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법과 같이 하여, 기판(30a) 위에, 복수의 카본 나노 튜브(12a)를 성장한다(도 10(a)).
이어서, 예를 들면 도 5(a)에 나타내는 제2 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법과 같이 하여, 카본 나노 튜브(12a) 위에, 피막(16a)을 형성한다(도 10(b)).
이어서, 예를 들면 도 5(b)에 나타내는 제2 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법과 같이 하여, 카본 나노 튜브(12a) 사이에 열가소성 수지 필름을 침투시켜, 열가소성 재료의 충전층(14a)을 형성한다(도 11(a)). 또, 도 11(a)에서는 기판(30)에 달할 때까지 열가소성 수지 필름(충전층(14))을 침투시키 고 있지만, 제1 및 제2 실시 형태의 경우와 같이, 기판(30a)에 달하지 않을 정도까지 열가소성 수지 필름을 침투시키도록 해도 좋다.
이어서, 피막(16a)이 형성된 카본 나노 튜브(12a) 및 충전층(14a)을 기판(30a)으로부터 박리하여, 카본 나노 튜브 시트(10a)를 형성한다(도 11(b)). 이 카본 나노 튜브 시트(10a)는, 제2 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트(10)와 같은 것이다.
이상의 수순에 따라, 카본 나노 튜브 시트(10a)와는 별도로, 충전층(14b) 내에 피막(16b)이 형성된 카본 나노 튜브(12b)가 매입된 카본 나노 튜브 시트(10b)를 준비한다.
이어서, 카본 나노 튜브 시트(10a)와 카본 나노 튜브 시트(10b)를, 피막(16a,16b)이 형성되어 있지 않는 면측이 마주하도록 중첩한다(도 12).
이어서, 카본 나노 튜브 시트(10a)와 카본 나노 튜브 시트(10b)와의 적층체를, 가중을 가하면서 가열한다. 예를 들면, 충전층(14a,14b)을 형성하는 열가소성 수지로서 헨켈재팬가부시키가이샤제의 「Micromelt6239」를 사용한 경우에는, 압력 10N/cm2의 가중을 가하면서, 195℃에서 가열한다. 이에 의해, 충전층(14a,14b)이 액상 융해하여 일체가 되어, 카본 나노 튜브(12a)는 카본 나노 튜브(12b)의 간극에, 카본 나노 튜브(12b)는 카본 나노 튜브(12a)의 간극에, 서로 삽입된다.
이어서, 실온까지 냉각하여, 충전층(14a,14b)(이하, 충전층(14)이라 한다)을 고화한다.
이렇게 하여, 피막(16a)이 형성된 카본 나노 튜브(12a)와, 피막(16b)이 형성된 카본 나노 튜브(12b)가 충전층(14) 내에 매입된 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트(10)가 형성된다(도 13).
카본 나노 튜브(12a,12b)의 면밀도는, 카본 나노 튜브의 성장 조건에 따라 변화한다. 예를 들면 1×1012cm-2 정도의 면밀도로 카본 나노 튜브(12)를 형성했다고 해도, 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법을 사용함으로써, 카본 나노 튜브(12)의 면밀도를 2배로 할 수 있다. 이에 의해, 카본 나노 튜브 시트의 열전도율, 방열성을 대폭 향상할 수 있다.
또한, 중첩하는 카본 나노 튜브 시트의 시트를 더 증가시킴으로써, 카본 나노 튜브의 면밀도를 더욱 높일 수 있다.
예를 들면, 도 14에 나타내는 바와 같이, 상술한 카본 나노 튜브 시트(10a,10b) 사이에, 충전층(14c) 내에 카본 나노 튜브(12c)가 매입된 카본 나노 튜브 시트(10c)와, 충전층(14d) 내에 카본 나노 튜브(12d)가 매입된 카본 나노 튜브 시트(10d)를 끼워 넣는 것도 가능하다. 이와 같이 함으로써, 카본 나노 튜브의 면밀도를 4배로 할 수 있다. 중첩하는 카본 나노 튜브 시트의 시트 매수는, 요구되는 열전도율이나 방열성에 따라 적절히 설정할 수 있다.
또한, 카본 나노 튜브 시트의 시트를 3매 이상 중첩하는 경우, 반드시 모든 시트를 동시에 일체화할 필요는 없다. 예를 들면, 도 14의 예에서는, 카본 나노 튜브 시트(10a)와 카본 나노 튜브 시트(10c)를, 카본 나노 튜브 시트(10b)와 카본 나노 튜브 시트(10d)를, 각각 일체화한 후, 일체화한 두 시트를 일체화할 수 있다. 혹은, 카본 나노 튜브 시트(10a)와 카본 나노 튜브 시트(10c)를 일체화한 후, 이것과 카본 나노 튜브 시트(10d)를 일체화하고, 그 후 다시 카본 나노 튜브 시트(10b)를 일체화하도록 해도 좋다.
또, 카본 나노 튜브 시트(10b,10c)는, 카본 나노 튜브(12b,12c)가 다른 시트의 카본 나노 튜브의 간극에 삽입되기 쉽도록, 단부에 피막을 형성하지 않아도 좋다. 카본 나노 튜브 시트(10b,10c)는, 예를 들면 제1 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법과 같은 수순에 따라, 제조할 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 의하면, 카본 나노 튜브를 지지하는 충전층의 재료로서 열가소성 수지를 사용한 카본 나노 튜브 시트를 복수 적층하고, 열처리에 의해 이것을 일체화하므로, 카본 나노 튜브의 면밀도를 대폭 향상할 수 있다. 이에 의해, 시트의 열전도율을 대폭 향상할 수 있다.
[제4 실시 형태]
제4 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트 및 그 제조 방법에 대해 도 15 내지 도 19를 이용하여 설명한다. 또, 도 1 내지 도 14에 나타내는 제1 내지 제3 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트 및 그 제조 방법과 동일한 구성 요소에는, 동일한 부호를 붙여 설명을 생략 또는 간결하게 한다.
도 15는, 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 구조를 나타내는 사시도이다. 도 16 내지 도 19는, 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법을 나타내는 사시도이다.
먼저, 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 구조에 대해 도 15를 이용하여 설명한다. 도 15(a)는 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제1 예이며, 도 15(b)는 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제2 예이다.
본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트(10)는, 도 15(a) 및 도 15(b)에 나타내는 바와 같이, 복수의 카본 나노 튜브(12)가 서로 간격을 두어 배치되고, 이 간극에 열가소성 수지의 충전층(14)이 매입 형성된 구조를 갖고 있는 점에서, 제1 내지 제3 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트와 공통하고 있다.
본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트(10)는, 충전층(14)이, 충전층(14A,14B,14C)의 적층체에 의해 형성되어 있다. 카본 나노 튜브(12)의 양단부에는, 피막(16)이 형성되어 있다.
충전층(14A,14C)은, 제1 내지 제3 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 충전층(14)과 같은, 열가소성 수지에 의해 형성되어 있다. 또한, 피막(16)의 구성 재료도, 제1 내지 제3 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트와 같다.
충전층(14B)은, 카본 나노 튜브(12)의 매입시에 액체상의 성질을 나타내고, 그 후에 경화할 수 있는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 유기계 충전재로서는, 아크릴 수지, 에폭시 수지, 실리콘 수지, 폴리이미드 수지 등을 적용할 수 있다. 또한, 무기계 충전재로서는, SOG(Spin On Glass) 등의 도포형 절연막 형성용 조성물 등을 적용할 수 있다. 또한, 인듐, 땜납, 금속 페이스트(예를 들면, 은 페이스트) 등의 금속 재료를 적용할 수도 있다. 또한, 예를 들면 폴리아닐린, 폴리티오펜 등의 도전성 폴리머를 적용할 수도 있다.
또한, 충전층(14B)에는, 필요에 따라, 첨가물을 분산 혼합해도 좋다. 첨가물로서는, 예를 들면 열전도성이 높은 물질이나 도전성이 높은 물질이 생각된다. 충전층(14B) 부분에 열전도성이 높은 첨가물을 분산 혼합함으로써, 충전층(14B) 부분의 열전도율을 향상할 수 있어, 카본 나노 튜브 시트 전체로서의 열전도율을 향상할 수 있다. 열전도성이 높은 재료로서는, 카본 나노 튜브, 금속 재료, 질화알루미늄, 실리카, 알루미나, 그라파이트, 풀러렌 등을 적용할 수 있다. 전도성이 높은 재료로서는, 카본 나노 튜브, 금속 재료 등을 적용할 수 있다.
충전층(14)에 열전도율이 높은 재료를 사용함으로써, 시트 전체의 열전도율도 향상한다. 그러나, 열가소성 수지의 열전도율은 통상 0.1W/m·K 이하이며, 충전층(14)의 전체를 열가소성 수지로 형성한 경우는, 충전층(14)은 거의 열전도에 기여하지 않는다. 충전층(14B) 부분에 열가소성 수지가 아니라, 어느 정도 열전도율이 높은 재료, 예를 들면 도전성 폴리머를 사용하고, 충전층(14A,14C) 부분에는, 사용시의 밀착성, 계면 열저항을 고려하여 열가소성 수지를 사용함으로써, 시트 전체의 열전도율을 향상할 수 있다.
도 15(a)에 나타내는 제1 예의 카본 나노 튜브 시트(10)와 도 15(b)에 나타내는 제2 예의 카본 나노 튜브 시트(10)는, 피막(16)의 막두께가 다르다. 즉, 도 15(a)에 나타내는 제1 예의 카본 나노 튜브 시트(10)에서는, 도 7에 있어서 설명한 바와 같이, 각 카본 나노 튜브(12)의 선단 부분을 각각 덮도록, 피막(16)이 형성되어 있다. 또한, 도 15(b)에 나타내는 제2 예의 카본 나노 튜브 시트(10)에서는, 도 8에 있어서 설명한 바와 같이, 복수개의 각 카본 나노 튜브(12)의 선단 부분을 결속하도록, 피막(16)이 형성되어 있다.
다음으로, 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법에 대해 도 16 내지 도 19를 이용하여 설명한다. 또, 여기서는, 도 15(b)에 나타내는 제2 예의 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법을 나타내지만, 도 15(a)에 나타내는 제1 예의 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법은, 피막(16)의 막두께가 다른 이외는 제2 예의 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법과 같다.
우선, 예를 들면 도 2(a) 내지 도 2(c)에 나타내는 제1 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법과 같이 하여, 기판(30) 위에, 복수의 카본 나노 튜브(12)를 성장한다(도 16(a)).
이어서, 예를 들면 도 5(a)에 나타내는 제2 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법과 같이 하여, 카본 나노 튜브(12)의 한끝 위에, 피막(16)을 형성한다(도 16(b)).
이어서, 기판(30)과는 별도의 기판(40)을 준비한다.
이어서, 기판(40) 위에, 예를 들면 스핀 코팅법에 의해, 예를 들면 막두께 6㎛의 포토레지스트막(42)을 도포한다. 기판(40)은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 사파이어 기판 등을 적용할 수 있다. 또한, 포토레지스트막(42) 대신에, 충전층(14B)에 대해 에칭 선택성이 있는 다른 재료의 막을 형성해도 좋다.
이어서, 기판(40)의 포토레지스트막(42)의 도포면 위에, 카본 나노 튜브(12)의 피막(16)의 형성면이 마주하도록 기판(30)을 재치하고, 포토레지스트막(42)을 경화시킨다. 이에 의해, 카본 나노 튜브(12)의 피막(16)에 의해 덮인 단부는, 포 토레지스트막(42)에 의해 덮이게 된다.
이어서, 카본 나노 튜브(12)로부터 기판(30)을 박리한다. 이렇게 하여, 피막(16)이 형성된 카본 나노 튜브(12)를, 기판(40) 위에 전사한다(도 17(a)).
이어서, 예를 들면 도 5(a)에 나타내는 제2 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법과 같이 하여, 카본 나노 튜브(12)의 다른 쪽 위에, 피막(16)을 형성한다(도 17(b)).
이어서, 예를 들면 스핀 코팅법에 의해, 충전층(14B)이 되는 충전재를 도포한다. 이 때, 피막(16) 위의 충전재의 두께가 수십nm 이하가 되도록, 도포 용액의 점도나 스핀 코터의 회전수를 적절히 설정한다.
충전층(14B)이 되는 충전재는, 그 후에 경화할 수 있는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 유기계 충전재로서는, 아크릴 수지, 에폭시 수지, 실리콘 수지, 폴리이미드 수지 등을 적용할 수 있다. 또한, 무기계 충전재로서는, SOG(Spin On Glass) 등의 도포형 절연막 형성용 조성물 등을 적용할 수 있다. 또한, 인듐, 땜납, 금속 페이스트(예를 들면, 은 페이스트) 등의 금속 재료를 적용할 수도 있다. 또한, 예를 들면 폴리아닐린, 폴리티오펜 등의 도전성 폴리머를 적용할 수도 있다. 여기서는, 충전층(14B)이 되는 충전재로서, 실리콘계 수지를 사용하는 것으로 한다.
이어서, 열처리나 자외선 조사 등에 의해 충전재를 경화하여, 충전층(14B)을 형성한다(도 18(a)).
이어서, 예를 들면 유기 용제에 의해, 포토레지스트막(42)을 선택적으로 제 거하고, 충전층(14B)에 매입되어 단부에 피막(16)이 형성된 카본 나노 튜브(12)를, 기판(40)으로부터 박리한다(도 18(b)). 이 때, 포토레지스트막(42)에 의해 덮여 있던 카본 나노 튜브(12)의 일단부는, 충전층(14B)에 의해 덮여 있지 않다.
이어서, 예를 들면 도 5(b)에 나타내는 제2 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법과 같이 하여, 충전층(14B)의 양면에, 열가소성 재료의 충전층(14A,14C)을 형성한다.
이렇게 하여, 피막(16)이 형성된 카본 나노 튜브(12)가 충전층(14A,14B,14C)의 적층체인 충전층(14)에 매입된 본 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트(10)가 형성된다(도 19).
이와 같이, 본 실시 형태에 의하면, 카본 나노 튜브를 지지하는 충전층의 표면 부분에 열가소성 수지의 층을 마련하므로, 피착체에 대한 접촉 열저항이 작은 카본 나노 튜브 시트를 형성할 수 있다.
[제5 실시 형태]
제5 실시 형태에 의한 전자 기기 및 그 제조 방법에 대해 도 20 내지 도 22를 이용하여 설명한다. 또, 도 1 내지 도 19에 나타내는 제1 내지 제4 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트 및 그 제조 방법과 동일한 구성 요소에는, 동일한 부호를 붙여 설명을 생략 또는 간결하게 한다.
도 20은, 본 실시 형태에 의한 전자 기기의 구조를 나타내는 개략 단면도이다. 도 21은, 본 실시 형태에 의한 전자 기기의 제조 방법을 나타내는 공정 단면도이다. 도 22는, 본 실시 형태에 의한 전자 부품의 구조를 나타내는 개략 단면도 이다.
본 실시 형태에서는, 제1 내지 제4 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트를 열전도 시트로서 적용한 전자 기기 및 그 제조 방법에 대해 설명한다.
먼저, 본 실시 형태에 의한 전자 기기의 구조에 대해 도 20을 이용하여 설명한다.
다층 배선 기판 등의 회로 기판(50) 위에는, 예를 들면 CPU 등의 반도체 소자(54)가 실장(實裝)되어 있다. 반도체 소자(54)는, 솔더링 범프 등의 돌기상 전극(52)을 거쳐 회로 기판(50)에 전기적으로 접속되어 있다.
반도체 소자(54) 위에는, 반도체 소자(54)를 덮도록, 반도체 소자(54)로부터의 열을 확산하기 위한 히트 스프레더(58)가 형성되어 있다. 반도체 소자(54)와 히트 스프레더(58) 사이에는, 제1 내지 제4 실시 형태 중 어느 하나에 기재된 카본 나노 튜브 시트(56)가 형성되어 있다. 히트 스프레더(58)는, 예를 들면 유기 실란트(60)에 의해 회로 기판(50)에 접착되어 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 의한 전자 기기에서는, 반도체 소자(54)와 히트 스프레더(58) 사이, 즉 발열부와 방열부 사이에, 제1 내지 제4 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트(56)가 마련되어 있다.
상술한 바와 같이, 제1 내지 제4 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트는, 카본 나노 튜브(12)가 시트의 막두께 방향으로 배향하고 있어, 면수직 방향의 열전도도가 극히 높은 것이다. 또한, 제2 내지 제4 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트는, 카본 나노 튜브(12)의 한쪽의 단부 혹은 양단에 피막(16)이 형성되어 있 고, 접촉 열저항을 대폭 저감할 수 있다.
따라서, 개시의 카본 나노 튜브 시트를, 반도체 소자(54)와 히트 스프레더(58) 사이에 형성하는 열전도 시트로서 사용함으로써, 반도체 소자(54)로부터 발한 열을 효율좋게 히트 스프레더(58)에 수직 방향으로 전달할 수 있어, 방열 효율을 높일 수 있다. 이에 의해, 전자 기기의 신뢰성을 향상할 수 있다.
또한, 카본 나노 튜브 시트(56)는, 카본 나노 튜브(12)를 지지하는 충전층(14)의 적어도 표면층이, 열가소성 수지 재료에 의해 형성되어 있다. 이에 의해, 반도체 소자(54) 및 히트 스프레더(58)에 대한 카본 나노 튜브 시트(56)의 접착성을 높임과 함께, 카본 나노 튜브 시트(56)에 의한 열전도성도 높일 수 있다.
다음으로, 본 실시 형태에 의한 전자 기기의 제조 방법에 대해 도 21을 이용하여 설명한다.
우선, 회로 기판(50) 위에, 돌기상 전극(52)을 거쳐 반도체 소자(54)를 실장한다(도 21(a)). 또, 본 실시 형태의 도면에서는, 본 실시 형태에 의한 전자 기기의 효과를 알기 쉽게 하기 위해서, 반도체 소자(54)와 히트 스프레더(58)와의 대향하는 면의 요철을 강조하여 그리고 있다.
이어서, 회로 기판(50) 위에 실장한 반도체 소자(54) 위에, 제1 내지 제4 실시 형태 중 어느 하나에 기재된 카본 나노 튜브 시트(56)를 재치한다(도 21(b)). 본 실시 형태의 도면에서는, 제1 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트를 사용한 경우를 나타내고 있지만, 제2 내지 제4 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트를 사용해도 좋다.
이어서, 회로 기판(50) 위에, 히트 스프레더(58)를 고정하기 위한 유기 실란트(60)를 도포한 후, 카본 나노 튜브 시트(56)를 재치한 반도체 소자(54) 위에 히트 스프레더(58)를 씌운다(도 21(c)).
이어서, 히트 스프레더(58)에 하중을 건 상태에서 열처리를 행하여, 카본 나노 튜브 시트(56)를 리플로우한다. 충전층(14)으로서 예를 들면 헨켈재팬가부시키가이샤제의 「Micromelt6239」를 사용한 카본 나노 튜브 시트(56)에서는, 예를 들면 하중 0.25MPa를 가한 상태에서, 예를 들면 195℃, 10분간의 열처리를 행한다.
이 열처리에 의해, 카본 나노 튜브 시트(56)의 충전층(14)을 형성하는 열가소성 수지가 액상 융해하여, 반도체 소자(54) 및 히트 스프레더(58)의 표면 요철에 따라 카본 나노 튜브 시트(56)가 변형한다. 또한, 카본 나노 튜브 시트(54) 내의 카본 나노 튜브(12)는, 충전층(14)에 의한 구속이 느슨해져, 그 단부는 반도체 소자(54) 및 히트 스프레더(58)에 바로 접하게 된다. 이 때, 카본 나노 튜브(12)는 탄력있고 유연성이 풍부한 재료이기 때문에, 반도체 소자(54) 및 히트 스프레더(58)가 갖는 요철 형상에 추종하여 휠 수 있다. 이에 의해, 반도체 소자(54) 및 히트 스프레더(58)에 바로 접하는 카본 나노 튜브(12)가 증가하여, 카본 나노 튜브 시트(56)와 반도체 소자(54) 및 히트 스프레더(58) 사이의 접촉 열저항을 대폭 저감할 수 있다.
이 때의 하중은, 카본 나노 튜브 시트(56)가, 반도체 소자(54) 및 히트 스프레더(58)의 표면에 존재하는 요철에 따라 변형하여 충분한 접촉 상태를 형성하는 하중 범위이면 좋다. 또한, 열처리의 온도 및 시간은, 반도체 소자(54)와 히트 스 프레더(58)의 계면에 개재(介在)하는 열가소성 수지가 융해하고 이동하여, 카본 나노 튜브(12)의 단부가 반도체 소자(54) 및 히트 스프레더(58)에 대해 바로 접하는 표면 상태가 되는 범위를 선택하면 좋다.
이어서, 실온까지 냉각하여, 충전층(14)의 열가소성 수지를 고화함과 함께, 히트 스프레더(58)를 유기 실란트(60)에 의해 회로 기판(50) 위에 고정한다. 이 때, 열가소성 수지는 접착성을 발현하여, 반도체 소자(54)와 히트 스프레더(58) 사이를 카본 나노 튜브 시트(56)에 의해 접착 고정할 수 있다. 이에 의해, 실온으로 냉각한 후도, 카본 나노 튜브 시트(56)와 반도체 소자(54) 및 히트 스프레더(58) 사이의 낮은 접촉 열저항을 유지할 수 있다.
또, 충전층(14)으로서 열가소성 수지가 아닌 재료를 사용한 카본 나노 튜브 시트에서는, 한번 고화한 충전층(14)에 접착성을 발현할 수는 없기 때문에, 카본 나노 튜브 시트와 반도체 소자(54) 및 히트 스프레더(58)는 가압 압착으로 접촉하지 않을 수 없다. 또한, 반도체 소자(54)와 히트 스프레더를 가압 압착해도, 카본 나노 튜브(12)의 단부가 반도체 소자(54) 및 히트 스프레더(58)에 대해 바로 접할 수는 없다. 카본 나노 튜브(12)의 단부를 미리 노출해두는 것도 생각할 수 있지만, 카본 나노 튜브(12)와 충전층(14) 사이의 선택성을 충분히 확보하면서 충전층(14)만을 에칭하는 것은 곤란하다. 이들에 의해, 반도체 소자(54)와 히트 스프레더 사이의 접촉 열저항을 충분히 저감할 수 없다.
상기 예에서는, 카본 나노 튜브 시트(56)와 히트 스프레더(58)를 별개의 전자 부품으로 했지만, 카본 나노 튜브 시트(56)는, 미리 히트 스프레더(58)의 내면 에 형성해두어도 좋다. 이 경우, 예를 들면 도 22(a)에 나타내는 바와 같이, 카본 나노 튜브 시트(56)의 충전층(14)의 형성면을, 히트 스프레더(58)의 내면에 접착할 수 있다. 혹은, 예를 들면 도 22(b)에 나타내는 바와 같이, 카본 나노 튜브 시트(56)의 카본 나노 튜브(12)의 노출면을, 히트 스프레더(58)의 내면에 접착할 수 있다.
도 22(a)의 전자 부품은, 카본 나노 튜브 시트(56)와 히트 스프레더(58)를 별개로 제조한 후, 히트 스프레더(58)의 내면에 카본 나노 튜브 시트(56)를 재치하고, 필요에 따라 하중을 걸면서 열처리를 행하여, 카본 나노 튜브 시트(56)를 접착함으로써, 제조할 수 있다. 도 22(a)의 전자 부품은, 카본 나노 튜브 시트(56)로서, 제1 또는 제2 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트뿐만 아니라, 제3 및 제4 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트도 적용할 수 있다.
또한, 도 22(b)의 전자 부품은, 히트 스프레더(58)를 기판(30)으로서 사용함으로써, 제1 또는 제2 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법과 같이 하여 제조할 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 의하면, 반도체 소자와 히트 스프레더 사이에, 제1 내지 제4 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트를 배치하므로, 이들 사이의 열전도도를 대폭 향상할 수 있다. 이에 의해, 반도체 소자로부터 발하는 열의 방열 효율을 높일 수 있어, 전자 기기의 신뢰성을 향상할 수 있다.
[제6 실시 형태]
제6 실시 형태에 의한 전자 기기 및 그 제조 방법에 대해 도 23 및 도 24를 이용하여 설명한다. 또, 도 1 내지 도 19에 나타내는 제1 내지 제4 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트 및 그 제조 방법, 및 도 20 내지 도 22에 나타내는 제5 실시 형태에 의한 전자 기기 및 그 제조 방법과 동일한 구성 요소에는, 동일한 부호를 붙여 설명을 생략 또는 간결하게 한다.
도 23은, 본 실시 형태에 의한 전자 기기의 구조를 나타내는 개략 단면도이다. 도 24는, 본 실시 형태에 의한 전자 기기의 제조 방법을 나타내는 공정 단면도이다.
먼저, 본 실시 형태에 의한 전자 기기의 구조에 대해 도 23을 이용하여 설명한다.
본 실시 형태에 의한 전자 기기는, 도 23에 나타내는 바와 같이, 제5 실시 형태에 의한 전자 기기에 있어서, 반도체 소자(54)와 히트 스프레더(58) 사이에 마련하는 카본 나노 튜브 시트(56)로서, 제3 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트를 적용한 것이다.
다음으로, 본 실시 형태에 의한 전자 기기의 제조 방법에 대해 도 24를 이용하여 설명한다.
우선, 예를 들면 도 10(a) 내지 도 11(b)에 나타내는 제3 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법과 같이 하여, 충전층(14a) 내에 피막(16a)이 형성된 카본 나노 튜브(12a)가 매입된 카본 나노 튜브 시트(10a)와, 충전층(14b) 내에 피막(16b)이 형성된 카본 나노 튜브(12b)가 매입된 카본 나노 튜브 시트(10b)를 준비한다.
이어서, 도 21(a)에 나타내는 제5 실시 형태에 의한 전자 기기의 제조 방법과 같이 하여, 회로 기판(50) 위에, 돌기상 전극(52)을 거쳐 반도체 소자(54)를 실장한다.
이어서, 반도체 소자(54)의 상면에, 카본 나노 튜브 시트(10b)를 접착한다. 또한, 히트 스프레더(58)의 내면에, 카본 나노 튜브 시트(10a)를 접착한다. 카본 나노 튜브 시트(10a,10b)는, 반도체 소자(54), 히트 스프레더(58) 위에 재치한 후, 필요에 따라 하중을 걸면서 열처리를 행함으로써, 접착할 수 있다.
이어서, 회로 기판(50) 위에, 히트 스프레더(58)를 고정하기 위한 유기 실란트(60)를 도포한 후, 카본 나노 튜브 시트(10b)를 접착 재치한 반도체 소자(54) 위에, 카본 나노 튜브 시트(10a)를 접착한 히트 스프레더(58)를 씌운다(도 24(a)).
이어서, 예를 들면 도 12 내지 도 13에 나타내는 제3 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법과 같이 하여, 히트 스프레더(58)에 하중을 건 상태에서 열처리를 행한다. 이에 의해, 충전층(14a,14b)이 액상 융해하여 일체가 되어, 카본 나노 튜브(12a)는 카본 나노 튜브(12b)의 간극에, 카본 나노 튜브(12b)는 카본 나노 튜브(12a)의 간극에, 서로 삽입된다. 이렇게 하여, 반도체 소자(54)와 히트 스프레더(58) 사이에는, 제3 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트(56)가 형성된다.
또한, 카본 나노 튜브 시트(56)가 형성됨과 동시에, 카본 나노 튜브 시트(56)는, 반도체 소자(54) 및 히트 스프레더(58)의 표면 요철에 따라 변형한다. 또한, 카본 나노 튜브 시트(54) 내의 카본 나노 튜브(12a,12b)는 충전층(14)에 의 한 구속이 느슨해져, 그 단부(피막(16a,16b)이 형성된 상태도 포함한다)는 반도체 소자(54) 및 히트 스프레더(58)에 바로 접하게 된다. 이에 의해, 카본 나노 튜브 시트(56)와 반도체 소자(54) 및 히트 스프레더(58) 사이의 접촉 열저항을 대폭 저감할 수 있다.
이 때의 하중은, 카본 나노 튜브 시트(10a,10b)가 일체화됨과 함께, 카본 나노 튜브 시트(56)가 반도체 소자(54) 및 히트 스프레더(58)의 표면에 존재하는 요철에 따라 변형하여 충분한 접촉 상태를 형성하는 하중 범위이면 좋다. 또한, 열처리의 온도 및 시간은, 반도체 소자(54)와 히트 스프레더(58)의 계면에 개재하는 열가소성 수지가 융해하고 이동하여, 카본 나노 튜브(12)의 단부가 반도체 소자(54) 및 히트 스프레더(58)에 대해 바로 접하는 표면 상태가 되는 범위를 선택하면 좋다.
이어서, 실온까지 냉각하여, 충전층(14)의 열가소성 수지를 고화함과 함께, 히트 스프레더(58)를 유기 실란트(60)에 의해 회로 기판(50) 위에 고정한다. 이 때, 열가소성 수지는 접착성을 발현하여, 반도체 소자(54)와 히트 스프레더(58) 사이를 카본 나노 튜브 시트(56)에 의해 접착 고정할 수 있다. 이에 의해, 실온으로 냉각한 후도, 카본 나노 튜브 시트(56)와 반도체 소자(54) 및 히트 스프레더(58) 사이의 낮은 접촉 열저항을 유지할 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 의하면, 반도체 소자와 히트 스프레더 사이에, 제1 내지 제4 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트를 배치하므로, 이들 사이의 열전도도를 대폭 향상할 수 있다. 이에 의해, 반도체 소자로부터 발하는 열의 방 열 효율을 높일 수 있어, 전자 기기의 신뢰성을 향상할 수 있다.
[제7 실시 형태]
제7 실시 형태에 의한 전자 기기에 대해 도 25를 이용하여 설명한다.
도 25는, 본 실시 형태에 의한 전자 기기의 구조를 나타내는 개략 단면도이다.
본 실시 형태에서는, 제1 내지 제4 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트를, 도전성 시트를 겸하는 열전도성 시트로서 적용한 전자 기기에 대해 설명한다.
도 25에 나타내는 바와 같이, 무선 통신 기지국 등에 사용되는 고출력 증폭기(HPA : High Power Amplifier)(70)는, 팩키지(72)에 짜넣어져, 팩키지(72)의 이면에 있어서 히트 싱크(heat sink)(74)에 접합된다. 고출력 증폭기(70)로부터 발한 열은, 팩키지(72)의 이면을 통해 히트 싱크(74)에 방열된다. 동시에, 팩키지(72)는, 전기적인 그라운드(접지면)로서도 사용되는 것이며, 히트 싱크(74)에 대해서도 전기적으로 접속할 필요가 있다. 이 때문에, 팩키지(72)와 히트 싱크(74)의 접합에는, 전기 및 열에 대한 양도체를 사용하는 것이 바람직하다.
제1 내지 제4 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트는, 제1 내지 제4 실시 형태에서 설명한 바와 같이, 발열체 혹은 방열체에 대해, 카본 나노 튜브(12) 혹은 피막(16)이 형성된 카본 나노 튜브(12)를 바로 접촉시킬 수 있다. 즉, 제1 내지 제4 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트는, 방열 시트뿐만 아니라, 도전성 시트로서도 사용할 수 있다.
따라서, 도 25에 나타내는 바와 같이, 팩키지(72)와 히트 싱크(74)의 접합부 에, 제1 내지 제4 실시 형태 중 어느 하나에 의한 카본 나노 튜브 시트(76)를 사용함으로써, 팩키지(72)와 히트 싱크(74)를 전기적으로 접속할 수 있다. 또한, 고출력 증폭기(70)로부터 발한 열을 효율좋게 히트 싱크(74)에 전달할 수 있어, 방열 효율을 높일 수 있다. 이에 의해, 전자 기기의 신뢰성을 향상할 수 있다.
본 실시 형태에 의한 전자 기기는, 제5 또는 제6 실시 형태에 의한 전자 기기의 제조 방법과 같이 하여 제조할 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 의하면, 고출력 증폭기의 팩키지와 히트 싱크 사이에, 제1 내지 제4 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트를 배치하므로, 이들 사이의 열전도도를 대폭 향상할 수 있다. 이에 의해, 고출력 증폭기로부터 발하는 열의 방열 효율을 높일 수 있다. 이에 의해, 전자 기기의 신뢰성을 향상할 수 있다. 또한, 고출력 증폭기와 그라운드로서의 히트 싱크를 전기적으로 접속할 수도 있다.
[변형 실시 형태]
상기 실시 형태에 한하지 않고 여러가지 변형이 가능하다.
예를 들면, 상기 실시 형태에서는, 탄소 원소의 선상 구조체를 사용한 방열 재료의 예로서 카본 나노 튜브 시트를 나타냈지만, 탄소 원소의 선상 구조체를 사용한 방열 재료는, 이것에 한정되는 것은 아니다. 탄소 원소의 선상 구조체로서는, 카본 나노 튜브 외에, 카본 나노 와이어, 카본 로드, 카본 파이버를 들 수 있다. 이들 선상 구조체는, 사이즈가 다른 이외는, 카본 나노 튜브와 같다. 이들 선상 구조체를 사용한 방열 재료에 있어서도 적용할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에 기재된 구성 재료나 제조 조건은, 당해 기재에 한정되는 것이 아니라, 목적 등에 따라 적절히 변경이 가능하다.
또한, 카본 나노 튜브 시트의 사용 목적도, 상기 실시 형태에 기재된 것에 한정되는 것은 아니다. 개시의 카본 나노 튜브 시트는, 열전도 시트로서는, 예를 들면, CPU의 방열 시트, 무선 통신 기지국용 고출력 증폭기, 무선 통신 단말용 고출력 증폭기, 전기 자동차용 고출력 스위치, 서버, 퍼스널 컴퓨터 등에의 적용이 생각된다. 또한, 카본 나노 튜브의 높은 허용 전류 밀도 특성을 이용하여, 종형 배선 시트나 이것을 사용한 여러가지 어플리케이션에도 적용 가능하다.
이상의 실시 형태에 관하여, 또한 이하의 부기를 개시한다.
(부기1) 복수의 탄소 원소의 선상 구조체와,
복수의 상기 선상 구조체 사이에 배치된 열가소성 수지의 충전층
을 갖는 것을 특징으로 하는 방열 재료.
(부기2) 부기1에 기재된 방열 재료에 있어서,
복수의 상기 선상 구조체의 적어도 한쪽의 단부에 형성되고, 상기 열가소성 수지보다도 열전도율이 높은 재료의 피막을 더 갖는
것을 특징으로 하는 방열 재료.
(부기3) 부기1 또는 2에 기재된 방열 재료에 있어서,
상기 열가소성 수지는, 온도에 따라 액체와 고체 사이에서 상태 변화하는
것을 특징으로 하는 방열 재료.
(부기4) 부기3에 기재된 방열 재료에 있어서,
상기 열가소성 수지는, 액체에서 고체로 상태 변화할 때에 접착성을 발현하는
것을 특징으로 하는 방열 재료.
(부기5) 부기1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 방열 재료에 있어서,
상기 충전층은, 상기 열가소성 수지의 제1 층과, 상기 제1 층 위에 배치되며 상기 열가소성 수지와는 다른 재료의 제2 층과, 상기 제2 층 위에 배치되며 상기 열가소성 수지의 제3 층을 갖는
것을 특징으로 하는 방열 재료.
(부기6) 부기1 내지 5 중 어느 한 항에 기재된 방열 재료에 있어서,
복수의 상기 선상 구조체는, 상기 충전층의 막두께 방향으로 배향하여 있는
것을 특징으로 하는 방열 재료.
(부기7) 부기1 내지 6 중 어느 한 항에 기재된 방열 재료에 있어서,
복수의 상기 선상 구조체의 적어도 한쪽의 단부는, 상기 충전층으로부터 노출하여 있는 것을 특징으로 하는 방열 재료.
(부기8) 발열체와,
방열체와,
상기 발열체와 방열체 사이에 배치되고, 복수의 탄소 원소의 선상 구조체와, 복수의 상기 선상 구조체 사이에 배치된 열가소성 수지의 충전층을 포함하는 방열 재료
를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
(부기9) 부기8에 기재된 전자 기기에 있어서,
상기 방열 재료는, 복수의 상기 선상 구조체의 적어도 한쪽의 단부에 형성되고, 상기 열가소성 수지보다도 열전도율이 높은 재료의 피막을 더 갖는
것을 특징으로 하는 전자 기기.
(부기10) 부기8 또는 9에 기재된 전자 기기에 있어서,
상기 열가소성 수지의 융해 온도는, 상기 발열체의 발열 온도보다도 높고, 상기 발열체 및 방열체의 내열 온도보다도 낮은
것을 특징으로 하는 전자 기기.
(부기11) 부기8 내지 10 중 어느 한 항에 기재된 전자 기기에 있어서,
복수의 상기 선상 구조체는, 상기 충전층의 막두께 방향으로 배향하여 있는
것을 특징으로 하는 전자 기기.
(부기12) 부기8 내지 11 중 어느 한 항에 기재된 전자 기기에 있어서,
상기 발열체 및 상기 방열체는, 상기 열가소성 수지에 의해 상기 방열 재료에 접착되어 있는
것을 특징으로 하는 전자 기기.
(부기13) 발열체와 방열체 사이에, 복수의 탄소 원소의 선상 구조체와, 복수의 상기 선상 구조체 사이에 배치된 열가소성 수지의 충전층을 갖는 방열 재료를 배치하는 공정과,
상기 방열 재료를 가열하여 상기 열가소성 수지를 융해하는 공정과,
상기 방열 재료를 냉각하여 상기 열가소성 수지를 고화하는 공정
을 갖는 것을 특징으로 하는 전자 기기의 제조 방법.
(부기14) 부기13에 기재된 전자 기기의 제조 방법에 있어서,
상기 열가소성 수지를 융해하는 공정에서는, 상기 발열체의 발열 온도보다도 높고, 상기 발열체 및 방열체의 내열 온도보다도 낮은 온도에서 가열함으로써, 상기 열가소성 수지를 융해하는
것을 특징으로 하는 전자 기기의 제조 방법.
(부기15) 부기13 또는 14에 기재된 전자 기기의 제조 방법에 있어서,
상기 열가소성 수지는, 액체에서 고체로 상태 변화할 때에 접착성을 발현하는 재료이며, 상기 방열 재료를 냉각할 때에, 상기 방열 재료와 상기 발열체 및/또는 방열체를 접착하는
것을 특징으로 하는 전자 기기의 제조 방법.
(부기16) 부기13 내지 15 중 어느 한 항에 기재된 전자 기기의 제조 방법에 있어서,
상기 발열체와 상기 방열체 사이에 상기 방열 재료를 배치하는 공정은, 상기 방열체 위에, 복수의 상기 선상 구조체를 성장하는 공정과, 복수의 상기 선상 구조체 사이에 상기 열가소성 수지를 침투시켜, 상기 충전층을 형성하는 공정을 갖는
것을 특징으로 하는 전자 기기의 제조 방법.
(부기17) 부기13 내지 15 중 어느 한 항에 기재된 전자 기기의 제조 방법에 있어서,
상기 발열체와 상기 방열체 사이에 상기 방열 재료를 배치하는 공정에서는, 상기 발열체와 상기 방열체 사이에 복수의 상기 방열 재료를 배치하고,
상기 열가소성 수지를 융해하는 공정에서는, 복수의 상기 방열 재료의 복수의 상기 선상 구조체를 서로의 사이에 삽입하는
것을 특징으로 하는 전자 기기의 제조 방법.
(부기18) 부기17에 기재된 전자 기기의 제조 방법에 있어서,
복수의 상기 방열 재료 중의 적어도 하나를, 상기 발열체 또는 상기 방열체에 미리 접착해두는
것을 특징으로 하는 전자 기기의 제조 방법.
(부기19) 부기13 내지 18 중 어느 한 항에 기재된 전자 기기의 제조 방법에 있어서,
상기 열가소성 수지를 융해하는 공정에서는, 상기 발열체의 발열 온도보다도 높고, 상기 발열체 및 방열체의 내열 온도보다도 낮은 온도에서 상기 열가소성 수지를 융해하는
것을 특징으로 하는 전자 기기의 제조 방법.
(부기20) 방열체와,
상기 방열체 위에 형성되고, 복수의 탄소 원소의 선상 구조체와, 복수의 상기 선상 구조체의 간극에 배치된 열가소성 수지의 충전층을 갖는 방열 재료
를 갖는 것을 특징으로 하는 방열 부품.
도 1은, 제1 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 구조를 나타내는 개략 단면도.
도 2는, 제1 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법을 나타내는 공정 단면도(그 1).
도 3은, 제1 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법을 나타내는 공정 단면도(그 2).
도 4는, 제2 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 구조를 나타내는 개략 단면도.
도 5는, 제2 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법을 나타내는 개략 단면도.
도 6은, 제2 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법을 나타내는 사시도(그 1).
도 7은, 제2 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법을 나타내는 사시도(그 2).
도 8은, 제2 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법을 나타내는 사시도(그 3).
도 9는, 제3 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 구조를 나타내는 사시도.
도 10은, 제3 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법을 나타내 는 사시도(그 1).
도 11은, 제3 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법을 나타내는 사시도(그 2).
도 12는, 제3 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법을 나타내는 사시도(그 3).
도 13은, 제3 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법을 나타내는 사시도(그 4).
도 14는, 제3 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트 및 그 제조 방법의 다른 예를 나타내는 사시도.
도 15는, 제4 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 구조를 나타내는 사시도.
도 16은, 제4 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법을 나타내는 사시도(그 1).
도 17은, 제4 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법을 나타내는 사시도(그 2).
도 18은, 제4 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법을 나타내는 사시도(그 3).
도 19는, 제4 실시 형태에 의한 카본 나노 튜브 시트의 제조 방법을 나타내는 사시도(그 4).
도 20은, 제5 실시 형태에 의한 전자 기기의 구조를 나타내는 개략 단면도.
도 21은, 제5 실시 형태에 의한 전자 기기의 제조 방법을 나타내는 공정 단면도.
도 22는, 제5 실시 형태에 의한 전자 부품의 구조를 나타내는 개략 단면도.
도 23은, 제6 실시 형태에 의한 전자 기기의 구조를 나타내는 개략 단면도.
도 24는, 제6 실시 형태에 의한 전자 기기의 제조 방법을 나타내는 공정 단면도.
도 25는, 제7 실시 형태에 의한 전자 기기의 구조를 나타내는 개략 단면도.
[부호의 설명]
10…카본 나노 튜브 시트
12…카본 나노 튜브
14…충전층
16…피막
30…기판
32…촉매 금속막
34…열가소성 수지 필름
50…회로 기판
52…돌기상 전극
54…반도체 소자
56…카본 나노 튜브 시트
58…히트 스프레더(heat spreader)
60…유기 실란트
70…고출력 증폭기
72…팩키지
74…히트 싱크(heat sink)
76…카본 나노 튜브 시트

Claims (11)

  1. 복수의 탄소 원소의 선상 구조체와,
    복수의 상기 선상 구조체 사이에 배치된 열가소성 수지의 충전층과,
    복수의 상기 선상 구조체의 적어도 한쪽의 단부에 형성된, 상기 열가소성 수지보다도 열전도율이 높은 금속 또는 합금으로 이루어지는 막두께 25nm~1000nm의 피막
    을 가지는 것을 특징으로 하는 방열 재료.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는, 온도에 따라 액체와 고체 사이에서 상태 변화하는
    것을 특징으로 하는 방열 재료.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는, 액체에서 고체로 상태 변화할 때에 접착성을 발현하는
    것을 특징으로 하는 방열 재료.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 충전층은, 상기 열가소성 수지의 제1 층과, 상기 제1 층 위에 배치되며 상기 열가소성 수지와는 다른 재료의 제2 층과, 상기 제2 층 위에 배치되며 상기 열가소성 수지의 제3 층을 갖는
    것을 특징으로 하는 방열 재료.
  6. 발열체와,
    방열체와,
    상기 발열체와 방열체 사이에 배치되고, 복수의 탄소 원소의 선상 구조체와, 복수의 상기 선상 구조체 사이에 배치된 열가소성 수지의 충전층과, 복수의 상기 선상 구조체의 적어도 한쪽의 단부에 형성된, 상기 열가소성 수지보다도 열전도율이 높은 금속 또는 합금으로 이루어지는 막두께 25nm~1000nm의 피막을 포함하는 방열 재료
    를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열가소성 수지의 융해 온도는, 상기 발열체의 발열 온도보다도 높고, 상기 발열체 및 방열체의 내열 온도보다도 낮은
    것을 특징으로 하는 전자 기기.
  8. 발열체와 방열체 사이에, 복수의 탄소 원소의 선상 구조체와, 복수의 상기 선상 구조체 사이에 배치된 열가소성 수지의 충전층과, 복수의 상기 선상 구조체의 적어도 한쪽의 단부에 형성된, 상기 열가소성 수지보다도 열전도율이 높은 금속 또는 합금으로 이루어지는 막두께 25nm~1000nm의 피막을 갖는 방열 재료를 배치하는 공정과,
    상기 방열 재료를 가열하여 상기 열가소성 수지를 융해하는 공정과,
    상기 방열 재료를 냉각하여 상기 열가소성 수지를 고화하는 공정
    을 갖는 것을 특징으로 하는 전자 기기의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 발열체와 상기 방열체 사이에 상기 방열 재료를 배치하는 공정은,
    상기 방열체 위에, 복수의 상기 선상 구조체를 성장하는 공정과, 성장한 복수의 상기 선상 구조체의 선단에, 상기 열가소성 수지보다도 열전도율이 높은 재료의 피막을 형성하는 공정과, 복수의 상기 선상 구조체 사이에 상기 열가소성 수지를 침투시켜, 상기 충전층을 형성하는 공정과, 상기 발열체 위에, 복수의 상기 선상 구조체, 상기 충전층, 및 상기 피막을 형성한 방열체를 재치하는 공정을 갖는 것
    을 특징으로 하는 전자 기기의 제조 방법.
  10. 방열체와,
    상기 방열체 위에 형성되고, 복수의 탄소 원소의 선상 구조체와, 복수의 상기 선상 구조체의 간극에 배치된 열가소성 수지의 충전층과, 복수의 상기 선상 구조체의 적어도 한쪽의 단부에 형성된, 상기 열가소성 수지보다도 열전도율이 높은 금속 또는 합금으로 이루어지는 막두께 25nm~1000nm의 피막을 갖는 방열 재료
    를 갖는 것을 특징으로 하는 방열 부품.
  11. 삭제
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