JP2010114120A - Heat dissipating method - Google Patents

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Chihiro Kawai
千尋 河合
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat dissipating method for transmitting heat from a heat generator to a heat sink, capable of excellently releasing a thermal stress and radiating heat, irrespective of the difference in thermal expansion coefficient between the heat generator and the heat sink. <P>SOLUTION: The heat dissipating method includes transmitting heat from the heat generator to the heat sink, the difference in thermal expansion coefficient between them being ≥0.5×10<SP>-6</SP>/K, by allowing the heat generator and the heat sink to contact each other. In this method, the heat sink has a substrate in which at least part of a surface contacting the heat generator is SiC and a BN nano-tube layer formed on the whole or part of the surface or both surfaces of the substrate, and allows the BN nano-tube layer formed on the substrate surface of the heat sink to contact the heat generator. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、熱膨張係数の異なる発熱体と接触させ、又は発熱体と放熱体の間に挿入して、熱応力を緩和しつつ、高い放熱性を発揮する放熱方法に関する。   The present invention relates to a heat dissipation method that exhibits high heat dissipation while reducing thermal stress by contacting with heat generating elements having different thermal expansion coefficients or inserting them between the heat generating elements and the heat dissipating elements.

パーソナルコンピュータやモバイル電子機器の高機能化、高密度実装化に伴い、CPU、GPU、チップセット、メモリーチップ等の発熱源の単位面積あたりの発熱量が飛躍的に増大しており、放熱装置の高性能化が求められている。これは、半導体素子は構成する材料固有の作動上限温度が定まっており、その温度以上では素子が破壊してしまうため、放熱が不十分な状態では著しく寿命低下をきたすためである。通常自然対流や電動送風装置を用いた強制対流をもちいて放熱をはかるが、原理的に単位面積あたりの放熱量には冷却方式固有の上限があるため、大量の熱を放熱するためには、放熱する面積を拡大するヒートシンク、ヒートスプレッダと称する放熱装置が一般には用いられている。   As personal computers and mobile electronic devices become more sophisticated and densely mounted, the amount of heat generated per unit area of heat sources such as CPUs, GPUs, chipsets, and memory chips has increased dramatically. High performance is required. This is because the semiconductor element has an operating upper limit temperature specific to the material constituting the semiconductor element, and the element is destroyed at a temperature higher than that temperature, so that the life is significantly reduced in a state where heat radiation is insufficient. Usually, natural convection or forced convection using an electric blower is used to radiate heat, but in principle there is an upper limit specific to the cooling method for the amount of heat radiated per unit area, so to dissipate a large amount of heat, In general, a heat dissipating device called a heat sink or a heat spreader that expands a heat dissipating area is used.

具体的には半導体素子(以降ダイと称す)の放熱面(一般に半導体素子はSi単結晶からなる基板の一面に薄膜からなる機能部分を作り込み、その反対面から放熱する)に比べ数〜数十倍の表面積を有し、熱伝導率の高い金属製(銅もしくはアルミニウムが一般的)のヒートシンク材に接触させ発熱した熱をダイからヒートシンクに移動させる。
この時、半導体素子と金属製ヒートシンクには熱膨張係数に大きな差があるため、そのまま積層すると、温度サイクル下で両者の界面に熱応力が発生し、半導体素子に歪みが発生してデバイスが安定動作しなかったり、または、最悪の場合は、界面でのクラックの発生や剥離、半導体素子の破壊に至る場合もある。
Specifically, it is several to several heat dissipation surfaces of a semiconductor element (hereinafter referred to as a die) (generally, a semiconductor element forms a functional part made of a thin film on one surface of a Si single crystal substrate and dissipates heat from the opposite surface). Heat generated by contact with a heat sink material made of metal (copper or aluminum is generally used) having a surface area ten times higher and high thermal conductivity is transferred from the die to the heat sink.
At this time, there is a large difference in the coefficient of thermal expansion between the semiconductor element and the metal heat sink, so if they are stacked as they are, thermal stress is generated at the interface between the two under a temperature cycle, and the semiconductor element is distorted to stabilize the device. It may not work, or in the worst case, it may lead to cracking or peeling at the interface or destruction of the semiconductor element.

このような課題に対し、半導体素子とヒートシンク間に、ヒートスプレッダと呼ばれる中間的な放熱材料を挿入して熱応力の緩和を図る手段がよく用いられる。ヒートスプレッダ材としては、CuWやCuMo、あるいはAl-SiC等の複合材料が用いられる(例えば、特許文献1等参照)。これらの複合材料の熱膨張係数は複合材料を構成する成分の体積含有率で決まる。そこで、半導体素子とヒートシンクそれぞれの熱膨張係数の中間の適度な値になるように組成が調整されて製造される。これらのヒートスプレッダは、半導体素子、またはヒートシンクと、蝋付けやAu-Snメッキを介して接合される。
しかし、逆に言うと、用いる半導体素子とヒートシンクの組み合わせにより、これらの複合材ヒートスプレッダの組成を変化させなければならず、多種多様な組成の製品を予め用意しておく必要があり、また、これらの複合材料の製造コスト自体が高価であるという問題があった。
In order to deal with such problems, a means for reducing thermal stress by inserting an intermediate heat dissipation material called a heat spreader between a semiconductor element and a heat sink is often used. As the heat spreader material, a composite material such as CuW, CuMo, or Al-SiC is used (see, for example, Patent Document 1). The thermal expansion coefficient of these composite materials is determined by the volume content of components constituting the composite materials. Therefore, the composition is adjusted and manufactured so as to have a moderate value between the thermal expansion coefficients of the semiconductor element and the heat sink. These heat spreaders are joined to a semiconductor element or a heat sink through brazing or Au—Sn plating.
However, conversely, it is necessary to change the composition of these composite heat spreaders depending on the combination of the semiconductor element and the heat sink to be used, and it is necessary to prepare products with various compositions in advance. There was a problem that the manufacturing cost of the composite material itself was expensive.

特開2006−108317号公報JP 2006-108317 A 特許第3183845号公報Japanese Patent No. 3183845 特開2000−109306号公報JP 2000-109306 A

そこで本発明は、上記問題点を解決すべく、発熱体から放熱体へと熱を伝える放熱方法において、発熱体及び放熱体との熱膨張係数の差にかかわらず、熱応力を良好に緩和して放熱することが可能な放熱方法を提供することを課題とする。   Therefore, in order to solve the above-described problems, the present invention provides a heat dissipation method for transferring heat from a heating element to a heat dissipation body, which can relieve thermal stress well regardless of the difference in thermal expansion coefficient between the heating element and the heat dissipation element. It is an object of the present invention to provide a heat dissipation method that can dissipate heat.

発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意探究を重ねた結果、熱伝導率の高い基板表面にカーボンナノチューブからなる応力緩和層を形成したヒートスプレッダを用いることで、どのような半導体素子及びヒートシンクとの組み合わせに対しても、有効に熱応力を緩和できることを見出した。すなわち、かかる発明は、熱膨張係数の差が0.5×10-6/K以上である発熱体及び放熱体を接触させて発熱体から放熱体に熱を伝える放熱方法において、該放熱体が、発熱体と接触する面の少なくとも一部がSiCである基板と、該基板の当該面又は両面の、全面又は一部に形成されたカーボンナノチューブ層とを有し、該放熱体の基板面に形成されたカーボンナノチューブ層を発熱体と接触させることを特徴とする。
このようなヒートスプレッダを発熱体と冷却体の間に挿入して使用すると、発熱体と冷却体の熱膨張係数が違っても、フレキシブルなカーボンナノチューブ層により熱応力を緩和しやすく、熱膨張係数の差に起因する応力破壊やクラック発生等が起こりにくいという利点がある。
As a result of intensive investigations to solve the above problems, the inventors have used any heat spreader in which a stress relaxation layer made of carbon nanotubes is formed on the surface of a substrate having high thermal conductivity. It was found that the thermal stress can be effectively relieved even for the combination. That is, this invention relates to a heat dissipating method for transferring heat from a heat generating element to a heat dissipating element by contacting the heat generating element having a difference in thermal expansion coefficient of 0.5 × 10 −6 / K or more and the heat dissipating element. A substrate in which at least a part of the surface in contact with the heating element is SiC, and a carbon nanotube layer formed on the entire surface or a part of the surface or both surfaces of the substrate, The formed carbon nanotube layer is brought into contact with a heating element.
If such a heat spreader is inserted between the heating element and the cooling body, even if the thermal expansion coefficients of the heating element and the cooling body are different, the flexible carbon nanotube layer can easily relieve the thermal stress, and the thermal expansion coefficient can be reduced. There is an advantage that stress breakage and crack generation due to the difference hardly occur.

ところで、上記のカーボンナノチューブを利用したヒートスプレッダは、半導体素子、またはヒートシンクと、蝋付けやAu-Snメッキ、はんだ工程等を介して接合される。すなわち、カーボンナノチューブがこれらの接合材料と接触することとなる。その際、各工程で液体状の接合材がカーボンナノチューブ層の先端と接触して接合が行われるのであるが、先端部との接触のみならず、接合材はカーボンナノチューブ層の中の気孔部にある程度侵入してしまう。すると、カーボンナノチューブ層のフレキシブル性が低下し、熱応力緩和性能が低下する場合があった。   By the way, the heat spreader using the carbon nanotube is joined to a semiconductor element or a heat sink through brazing, Au-Sn plating, a soldering process, or the like. That is, the carbon nanotube comes into contact with these bonding materials. At that time, in each process, the liquid bonding material comes into contact with the tip of the carbon nanotube layer, and the bonding is performed. However, not only the contact with the tip but also the bonding material is placed in the pores in the carbon nanotube layer. It will invade to some extent. As a result, the flexibility of the carbon nanotube layer is lowered, and the thermal stress relaxation performance may be lowered.

そこで本発明者は、どのような接合材を用いても熱応力緩和能力が低下しないように更なる改良を重ね、本発明を完成させた。すなわち、カーボンナノチューブ層の気孔部に、上記接合成分が侵入せず、熱応力緩和機能を高くするために鋭意検討した結果、カーボンナノチューブの代わりに窒化硼素(BN)ナノチューブ層を形成することにより、溶融金属が気孔部に侵入せず、熱応力緩和機能の高いヒートスプレッダとなることを見出した。
本発明に係る放熱方法は下記の構成からなることを特徴とする。
Therefore, the present inventor completed the present invention by making further improvements so that the thermal stress relaxation ability does not decrease no matter what kind of bonding material is used. That is, as a result of intensive studies to increase the thermal stress relaxation function without the penetration of the bonding component into the pores of the carbon nanotube layer, by forming a boron nitride (BN) nanotube layer instead of the carbon nanotube, It has been found that the molten metal does not enter the pores and becomes a heat spreader having a high thermal stress relaxation function.
The heat dissipation method according to the present invention is characterized by having the following configuration.

(1)本発明に係る放熱方法は、熱膨張係数の差が0.5×10-6/K以上である発熱体及び放熱体を接触させて発熱体から放熱体に熱を伝える放熱方法において、該放熱体が、発熱体と接触する面の少なくとも一部がSiCである基板と、該基板の当該面又は両面の、全面又は一部に形成されたBNナノチューブ層とを有し、該放熱体の基板面に形成されたBNナノチューブ層を発熱体と接触させることを特徴とする。
(2)本発明に係る他の放熱方法は、熱膨張係数の差が0.5×10-6/K以上である発熱体及び放熱体の間にヒートスプレッダを介在させて発熱体から放熱体に熱を伝える放熱方法において、該ヒートスプレッダが、基板面の少なくとも一部がSiCである基板と、該SiC基板の一面又は両面の、全面又は一部に形成されたBNナノチューブ層とを有し、該ヒートスプレッダの基板面に形成されたBNナノチューブ層を発熱体及び/又は放熱体と接触させることを特徴とする。
(1) The heat dissipating method according to the present invention is a heat dissipating method in which a heat generating body having a difference in thermal expansion coefficient of 0.5 × 10 −6 / K or more and a heat dissipating body are brought into contact to transmit heat from the heat generating body to the heat dissipating body. The radiator has a substrate in which at least a part of a surface in contact with the heating element is SiC, and a BN nanotube layer formed on the entire surface or a part of the surface or both surfaces of the substrate. The BN nanotube layer formed on the substrate surface of the body is brought into contact with the heating element.
(2) In another heat dissipation method according to the present invention, a heat spreader is interposed between a heat generating body having a difference in thermal expansion coefficient of 0.5 × 10 −6 / K or more and the heat dissipating body to change from the heat generating body to the heat dissipating body. In the heat dissipation method for transferring heat, the heat spreader includes a substrate in which at least a part of the substrate surface is SiC, and a BN nanotube layer formed on the entire surface or a part of one or both surfaces of the SiC substrate, The BN nanotube layer formed on the substrate surface of the heat spreader is brought into contact with a heating element and / or a radiator.

(3)上記(1)又は(2)に記載の放熱方法であって、前記BNナノチューブ層を、接合材を介して発熱体及び/又は放熱体と接触させることを特徴とする。
(4)上記(3)に記載の放熱方法であって、前記接合材が、In−Sn、Au−Sn、ハンダ、又は活性銀鑞のいずれかであることを特徴とする。
(5)上記(1)〜(4)のいずれか一に記載の放熱方法であって、前記基板がSiCであることを特徴とする。
(3) The heat dissipation method according to the above (1) or (2), wherein the BN nanotube layer is brought into contact with a heating element and / or a heat dissipation element through a bonding material.
(4) The heat dissipation method according to (3) above, wherein the bonding material is any one of In—Sn, Au—Sn, solder, or active silver iron.
(5) The heat dissipation method according to any one of (1) to (4) above, wherein the substrate is SiC.

(6)上記(1)〜(5)のいずれか一に記載の放熱方法であって、前記発熱体と放熱体の室温での熱膨張係数の差が1×10-6/K以上であることを特徴とする。
(7)上記(1)〜(6)のいずれか一に記載の放熱方法であって、前記発熱体が半導体であることを特徴とする。
(8)上記(7)に記載の放熱方法であって、前記発熱体の主構成材がSi、InP、GaAs、GaN、またはAlNのいずれかであることを特徴とする。
(6) The heat dissipation method according to any one of (1) to (5) above, wherein a difference in coefficient of thermal expansion between the heating element and the heat dissipation element is 1 × 10 −6 / K or more. It is characterized by that.
(7) The heat dissipation method according to any one of (1) to (6), wherein the heating element is a semiconductor.
(8) The heat dissipation method according to (7), wherein the main component of the heating element is any one of Si, InP, GaAs, GaN, and AlN.

(9)上記(1)〜(7)のいずれか一に記載の放熱方法であって、前記BNナノチューブ層において、BNナノチューブが基板面に対して略垂直に成長していることを特徴とする。
(10)上記(1)〜(9)のいずれか一に記載の放熱方法であって、前記BNナノチューブの長さが、1μm以上であることを特徴とする。
(11)上記(10)に記載の放熱方法であって、前記BNナノチューブの長さが、10μm以上であることを特徴とする。
(9) The heat dissipation method according to any one of (1) to (7), wherein the BN nanotubes are grown substantially perpendicular to the substrate surface in the BN nanotube layer. .
(10) The heat dissipation method according to any one of (1) to (9) above, wherein a length of the BN nanotube is 1 μm or more.
(11) The heat dissipation method according to the above (10), wherein the BN nanotube has a length of 10 μm or more.

BNナノチューブもまた、カーボンナノチューブと同様に熱伝導率が高く、かつ、非常にしなりやすい特徴を持つため、BNナノチューブからなる層をヒートスプレッダの表面に形成しておけば、たとえ発熱体と放熱体(冷却体)の間に熱応力が発生しても、BNナノチューブ層が応力を緩和することができる。しかも、BNという材料は、それ自体、各種液体との濡れ性が極めて低いので、BNナノチューブを溶融金属と接触させた時に、溶融金属はBNナノチューブ層中の気孔部には極めて侵入しにくい。そのために、接合後に溶融金属が固化した後でも、ナノチューブ層は十分高いフレキシブル性を維持することができるのである。   Since BN nanotubes have the same high thermal conductivity as carbon nanotubes, and have the characteristics that they are very likely to be formed, if a layer of BN nanotubes is formed on the surface of the heat spreader, even if a heating element and a radiator ( Even if thermal stress is generated during the cooling body), the BN nanotube layer can relieve the stress. Moreover, since the material BN itself has very low wettability with various liquids, when the BN nanotube is brought into contact with the molten metal, the molten metal is extremely difficult to enter the pores in the BN nanotube layer. Therefore, the nanotube layer can maintain sufficiently high flexibility even after the molten metal is solidified after bonding.

本発明に係る放熱方法は、例えば、半導体デバイス用の放熱方法、レーザーダイオード用の放熱方法に好ましく利用することができる。また、既存の発熱体と放熱体とを組み合わせて放熱する放熱方法の場合には、上記基板の両面にBNナノチューブ層が設けられたヒートスプレッダを利用する放熱方法が好ましい。   The heat dissipation method according to the present invention can be preferably used for, for example, a heat dissipation method for semiconductor devices and a heat dissipation method for laser diodes. In addition, in the case of a heat dissipation method for heat dissipation by combining an existing heat generator and a heat radiator, a heat dissipation method using a heat spreader in which BN nanotube layers are provided on both surfaces of the substrate is preferable.

本発明に係る放熱方法は、表面に柔軟性・しなり性に優れるBNナノチューブが形成されている放熱体又はヒートスプレッダを利用するため、異なる熱膨張係数を有する材料と接触させ、又は該材料間に挿入して使用することにより、両者の間の熱応力を緩和し、剥離等を生じさせず、かつ熱が伝搬しやすいという効果を奏する。   The heat dissipating method according to the present invention uses a heat dissipating body or heat spreader in which BN nanotubes having excellent flexibility and flexibility are formed on the surface. By inserting and using, it is possible to relieve the thermal stress between the two, produce no peeling and the like, and heat can easily propagate.

本発明に係る放熱方法は、熱膨張係数が異なる発熱体と放熱体を接触させて、発熱体から放熱体に熱を伝える放熱方法に関するものである。本発明においては、放熱体が、発熱体と接触する面の少なくとも一部がSiCである基板と、該基板の当該接触面又は両面の、全面又は一部に形成されたBNナノチューブ層とを有し、該放熱体の基板面に形成されたBNナノチューブ層を発熱体と接触させることを特徴とする。このとき、上記放熱体の基板は、平板形状をしていて、両面にBNナノチューブ層が形成されていてもよく、また、片面にフィンを有するいわゆるヒートシンク形状をしていて、発熱体との接触面にBNナノチューブ層が形成されていてもよい。この場合、本発明のヒートスプレッダはヒートシンクを兼ねている(図2(a)参照)。なお、図中、BNNTはBNナノチューブを意味する。   The heat dissipating method according to the present invention relates to a heat dissipating method for transferring heat from the heat generating element to the heat dissipating element by contacting the heat generating element and the heat dissipating element having different thermal expansion coefficients. In the present invention, the heat dissipator has a substrate in which at least a part of the surface in contact with the heat generator is SiC, and a BN nanotube layer formed on the entire surface or a part of the contact surface or both surfaces of the substrate. The BN nanotube layer formed on the substrate surface of the radiator is brought into contact with the heating element. At this time, the substrate of the heat dissipating body has a flat plate shape and may have a BN nanotube layer formed on both surfaces, or a so-called heat sink shape having fins on one surface, and is in contact with the heating element. A BN nanotube layer may be formed on the surface. In this case, the heat spreader of the present invention also serves as a heat sink (see FIG. 2A). In the figure, BNNT means a BN nanotube.

更に、本発明に係る放熱方法は、熱膨張係数の差が0.5×10-6/K以上である発熱体及び放熱体の間にヒートスプレッダを挿入して発熱体から放熱体へと熱を伝える放熱方法に関するものである。そして、本発明に係る放熱方法に用いられる前記ヒートスプレッダは、基板面の少なくとも一部がSiCである基板と、該SiC基板面の全面又は一部に形成されたBNナノチューブ層を有することを特徴とする。これにより、図2(b)に示すごとく、当該ヒートスプレッダの基板面に形成されたBNナノチューブ層を発熱体及び放熱体と接触させることにより、発熱体及び放熱体の熱膨張係数の差に関わらず、両者間に発生する熱応力を良好に緩和することができるようになる。なお、図2(c)は従来のヒートスプレッダによる放熱方法を示す図であり、かかる放熱方法では、上述の通り温度サイクル下で界面(接合層)に発生する熱応力により、不具合が生じる。
尚、図2(a)〜(c)は、SiC基板が絶縁性であるために半導体基板を直接SiCヒートスプレッダに接合しているが、実際のデバイスでは、SiCが非絶縁性である時は、半導体基板とSiCヒートスプレッダ間の絶縁性を確保するために、半導体基板をAlNなどの絶縁性セラミックス板と接合した後に、AlN板をヒートスプレッダと接合する場合もある。
Furthermore, in the heat dissipation method according to the present invention, a heat spreader is inserted between the heat generating element having a difference in thermal expansion coefficient of 0.5 × 10 −6 / K or more and the heat dissipating element to heat the heat generating element to the heat dissipating element. It is about the heat dissipation method to convey. And the said heat spreader used for the thermal radiation method concerning this invention has a board | substrate whose at least one part of a substrate surface is SiC, and a BN nanotube layer formed in the whole surface or part of this SiC substrate surface, It is characterized by the above-mentioned. To do. As a result, as shown in FIG. 2B, the BN nanotube layer formed on the substrate surface of the heat spreader is brought into contact with the heating element and the radiator, regardless of the difference in the thermal expansion coefficient between the heating element and the radiator. The thermal stress generated between them can be relaxed satisfactorily. FIG. 2C is a diagram showing a heat dissipation method using a conventional heat spreader. In this heat dissipation method, a problem occurs due to thermal stress generated at the interface (bonding layer) under the temperature cycle as described above.
In FIGS. 2A to 2C, the SiC substrate is insulative so that the semiconductor substrate is directly bonded to the SiC heat spreader. However, in an actual device, when SiC is non-insulating, In order to ensure insulation between the semiconductor substrate and the SiC heat spreader, the AlN plate may be bonded to the heat spreader after the semiconductor substrate is bonded to an insulating ceramic plate such as AlN.

基板としては、後述するように、BNナノチューブが形成される部分のみSiCであれば構わないが、伝熱性・コスト面等から、基板自体がSiCであることが好ましい。SiC以外の基板の場合には、該基板表面の少なくとも一部にSiCをコーティングしてあればよい。BNナノチューブは基板面に対して略垂直に成長していることが好ましい。これにより、BNナノチューブの先端部分が発熱体等の相手材表面の凹凸に隙間なく接触するようになり熱抵抗を低減でき、かつ、熱応力により相手材が撓むような場合であっても、該相手材表面にBNナノチューブの先端が柔軟に追従することが可能となる。   As will be described later, the substrate may be made of SiC only at the portion where the BN nanotubes are formed, but the substrate itself is preferably made of SiC from the viewpoint of heat transfer and cost. In the case of a substrate other than SiC, SiC may be coated on at least a part of the substrate surface. The BN nanotubes are preferably grown substantially perpendicular to the substrate surface. As a result, the tip portion of the BN nanotube comes into contact with the unevenness of the surface of the counterpart material such as a heating element without gaps, and the thermal resistance can be reduced, and even if the counterpart material bends due to thermal stress, The tip of the BN nanotube can flexibly follow the surface of the counterpart material.

BNナノチューブは、カーボンナノチューブを転化することにより得られる。
カーボンナノチューブは例えば特許文献2に記載の方法(以下、昇華法とも記す)で作製できる。すなわち、真空下において、SiC基板が分解して珪素原子が失われる温度に加熱すればよい。SiCを真空下で加熱すると、例えば、真空度が10-7torrでは1400℃になるとSiCが分解して珪素原子が失われる。このとき、珪素原子はSiC結晶の表面から順に失われるため、まずSiC結晶の表面が珪素原子の欠乏した層に変化し、このSi除去層が次第に元のSiC結晶の内部に浸透するように厚みを増す。この層を顕微鏡で観察すると、カーボンナノチューブがSiC表面から垂直に生成している層となっていることがわかる。
BN nanotubes are obtained by converting carbon nanotubes.
Carbon nanotubes can be produced, for example, by the method described in Patent Document 2 (hereinafter also referred to as sublimation method). In other words, it may be heated to a temperature at which the SiC substrate is decomposed and silicon atoms are lost under vacuum. When SiC is heated under vacuum, for example, when the vacuum degree is 10 −7 torr and SiC reaches 1400 ° C., SiC decomposes and silicon atoms are lost. At this time, since silicon atoms are lost in order from the surface of the SiC crystal, the surface of the SiC crystal is first changed to a layer deficient in silicon atoms, and the thickness of the Si removal layer gradually penetrates into the original SiC crystal. Increase. When this layer is observed with a microscope, it can be seen that the carbon nanotubes are formed vertically from the SiC surface.

SiC基板は、半導体デバイス用基板として用いられるSiCウエハを用いることができるし、また、SiC以外の基板表面にSiC薄膜を成長させたものを用いてもよい。この時、基板または最表面のSiC薄膜が<0001>方向に成長していることが好ましい。他の方向性を持って成長している場合は、生成するカーボンナノチューブの配向がそろわない場合がある。   As the SiC substrate, a SiC wafer used as a substrate for a semiconductor device can be used, or a substrate obtained by growing a SiC thin film on a substrate surface other than SiC may be used. At this time, the substrate or the outermost SiC thin film is preferably grown in the <0001> direction. When growing with other orientations, the orientation of the carbon nanotubes produced may not be aligned.

次に、上記カーボンナノチューブを硼素と窒素を含む雰囲気と反応させることでBNナノチューブが得られる。
例えば、カーボンナノチューブと、B23などのホウ素酸化物および窒素を高温下で化学反応させることにより、カーボンナノチューブを元の形態を残したまま窒化ホウ素に変換することができる(引用文献3)。B23は高温で分解してB23ガス、B22ガス、BO2ガスなどのガスを発生してカーボンナノチューブに到達し、ナノチューブの炭素により還元を受けると同時に窒素と反応してBNを生成する。この反応により、原料のカーボンナノチューブの形態を残したまま、るつぼ内にBNナノチューブが得られる。
Next, the carbon nanotubes are reacted with an atmosphere containing boron and nitrogen to obtain BN nanotubes.
For example, a carbon nanotube can be converted into boron nitride while leaving its original form by chemically reacting the carbon nanotube with a boron oxide such as B 2 O 3 and nitrogen at a high temperature (Cited document 3). . B 2 O 3 decomposes at a high temperature to generate B 2 O 3 gas, B 2 O 2 gas, BO 2 gas, etc., reaches the carbon nanotubes, and undergoes reduction by the carbon of the nanotubes and simultaneously reacts with nitrogen To generate BN. By this reaction, BN nanotubes can be obtained in the crucible while leaving the form of the raw material carbon nanotubes.

上記の硼素源としては、加熱によりホウ素酸化物を生成する物質であれば他の物質でもよい。例えば、ホウ酸、メラミンボレート等の有機ホウ酸化合物、ホウ酸と有機物の混合物等の物質の固体、液体、さらにはホウ素、酸素を含む気体でもよい。窒素源は、窒素を含む中性または還元性のガスであればよく、窒素、アンモニア等が手軽で、そのまま、または混合、希釈して用いられる。安価で安全であることから窒素ガスが最も好ましい。   The boron source may be another substance as long as it is a substance that generates boron oxide by heating. For example, it may be an organic boric acid compound such as boric acid or melamine borate, a solid or liquid substance such as a mixture of boric acid and an organic substance, or a gas containing boron or oxygen. The nitrogen source may be a neutral or reducing gas containing nitrogen. Nitrogen, ammonia and the like are easy to use, and are used as they are, or mixed and diluted. Nitrogen gas is most preferred because it is inexpensive and safe.

BNの生成は熱力学的に1200℃以上で生じる。反応温度は、1200℃から2100℃が好適であり、特に1300℃から1800℃が好ましい。温度が高すぎるとBNの結晶化が進んで板状晶を生成するためナノチューブの形態が維持できないので、上限は2100℃以下、好ましくは1900℃以下である。また雰囲気に酸素が多いほどBNの結晶化が進んで板状晶を生成する傾向が大きいので、酸素の多い環境では1800℃以下、好ましくは1600以下がよい。   BN formation occurs thermodynamically above 1200 ° C. The reaction temperature is preferably 1200 ° C. to 2100 ° C., particularly preferably 1300 ° C. to 1800 ° C. If the temperature is too high, the crystallization of BN proceeds and plate-like crystals are generated, so that the shape of the nanotube cannot be maintained. Therefore, the upper limit is 2100 ° C. or lower, preferably 1900 ° C. or lower. In addition, since there is a greater tendency for BN to crystallize and form plate crystals as the atmosphere has more oxygen, the temperature is preferably 1800 ° C. or less, preferably 1600 or less in an oxygen-rich environment.

上記のようにして、カーボンナノチューブをBNナノチューブに転化させることができる。
相手材の表面に存在する微細な凹凸に侵入させて接触熱抵抗を低下させるためには、処理前の組織が、少なくとも最表面の1μm程度が垂直配向したカーボンナノチューブであれば効果がある。相手材の表面粗度が低く、また平坦度が低い場合はカーボンナノチューブを含む層の厚さが10μm以上であることが好ましい。カーボンナノチューブを含むというのは、最表面に形成された垂直配向したカーボンナノチューブの内部に多孔質炭素からなる層が形成されていることを含む。接触時には多孔質層が変形して相手材の表面形状に合わせて変形して接触性が高くなる。
上記したカーボンナノチューブ、多孔質炭素はそれぞれBNナノチューブ、多孔質BNに転化する。
As described above, carbon nanotubes can be converted into BN nanotubes.
In order to reduce the contact thermal resistance by infiltrating fine irregularities present on the surface of the counterpart material, it is effective if the structure before the treatment is a carbon nanotube in which at least about 1 μm of the outermost surface is vertically aligned. When the surface roughness of the counterpart material is low and the flatness is low, the thickness of the layer containing carbon nanotubes is preferably 10 μm or more. The inclusion of carbon nanotubes includes that a layer made of porous carbon is formed inside vertically aligned carbon nanotubes formed on the outermost surface. At the time of contact, the porous layer is deformed and deformed in accordance with the surface shape of the counterpart material, and the contact property is increased.
The carbon nanotubes and porous carbon described above are converted into BN nanotubes and porous BN, respectively.

本発明においては、基板はSiC以外でもよく、基板も含めて絶縁性を確保したい場合はAlNやSi34基板を用いても良い。これらの基板を用いる場合は、例えば、予め基板上にSiC層をコーティングしておき、前記したSiCの熱分解法(昇華法)により、SiC層をカーボンナノチューブ層に転化させたものをさらにBNナノチューブ層に転化させればよい。BNナノチューブは、基板の全面に形成してもよく、発熱体又は放熱体と接合する部位のみに形成してもよい。
また、カーボンナノチューブの形成法としてはこの限りでなく、CVD法等の方法でカーボンナノチューブを形成してもよい。
In the present invention, the substrate may be other than SiC, and an AlN or Si 3 N 4 substrate may be used in order to ensure insulation including the substrate. When these substrates are used, for example, a SiC layer is coated on the substrate in advance, and the SiC layer is converted into a carbon nanotube layer by the above-described thermal decomposition method (sublimation method) of SiC. What is necessary is just to convert into a layer. The BN nanotubes may be formed on the entire surface of the substrate, or may be formed only at a portion where the BN nanotube is bonded to the heat generator or the heat radiator.
Further, the carbon nanotube formation method is not limited to this, and the carbon nanotube may be formed by a method such as a CVD method.

本発明に係る放熱方法に用いるヒートスプレッダでは、カーボンナノチューブが転化したBNナノチューブは基板表面から直接成長している。しかも、基板とよく格子整合しているために、基板とBNナノチューブの間の熱抵抗は実質ゼロであると言え、高い熱伝導率を有する。これは、例えば、BNナノチューブを基板面に気相合成などで形成した場合、あるいは、液体中に分散させたBNナノチューブの集合体から、基板表面に、なんらかの方法で垂直に配列させた場合とは大きく異なる特徴である。これらの場合は、カーボンナノチューブと基板の間には、必ず熱抵抗は存在すると考えられる。   In the heat spreader used in the heat dissipation method according to the present invention, BN nanotubes converted from carbon nanotubes are grown directly from the substrate surface. In addition, since the lattice matching with the substrate is well, it can be said that the thermal resistance between the substrate and the BN nanotube is substantially zero, and has a high thermal conductivity. This is because, for example, when BN nanotubes are formed on the substrate surface by vapor phase synthesis or when the BN nanotubes are dispersed in a liquid and arranged vertically on the substrate surface by some method. It is a very different feature. In these cases, it is considered that a thermal resistance always exists between the carbon nanotube and the substrate.

本発明に係る放熱方法は、発熱体が半導体である場合に利用されることが好ましい。特に、該発熱体としての半導体の主構成材がSi、InP、GaAs、GaN又はAlNである場合等に有効である。   The heat dissipation method according to the present invention is preferably used when the heating element is a semiconductor. This is particularly effective when the main constituent material of the semiconductor as the heating element is Si, InP, GaAs, GaN, or AlN.

BNナノチューブを形成したヒートスプレッダと半導体素子の接合は、従来のとおりのAu-Snやハンダを用いた接合法等で接合すればよい。BNナノチューブとヒートシンクも同様に接合してもいいし、また、In−Sn鑞や活性銀鑞等で蝋付け接合してもいい。昇華法で作製したカーボンナノチューブから転化したBNナノチューブは生成密度が高く、蝋付け等を行っても、BNナノチューブ内の気孔部に接合材の成分がしみこみにくく、接合後も高い熱応力緩和機能が発揮できる。このため、接合材は特に限定されるものではなく、In−Sn、Au−Sn、ハンダ、又は活性銀鑞等、公知のものを好ましく用いることができる。
また、ヒートシンク側との接合は、鑞付けなどを用いず、BNチューブとヒートシンクが直接接触するようにネジで留めてもいい。BNナノチューブは接触性が高いので、接触させるだけでも十分低い熱抵抗が得られるので放熱を阻害することはない。
The heat spreader in which the BN nanotubes are formed and the semiconductor element may be bonded by a conventional bonding method using Au-Sn or solder. The BN nanotube and the heat sink may be joined in the same manner, or may be joined by brazing with In—Sn iron or active silver iron. BN nanotubes converted from carbon nanotubes produced by the sublimation method have a high production density, and even when brazed, the components of the bonding material do not easily penetrate into the pores of the BN nanotubes and have a high thermal stress relaxation function even after bonding. Can demonstrate. For this reason, the bonding material is not particularly limited, and a known material such as In—Sn, Au—Sn, solder, or active silver iron can be preferably used.
Further, the joining to the heat sink side may be screwed so that the BN tube and the heat sink are in direct contact without using brazing. Since BN nanotubes have a high contact property, a sufficiently low thermal resistance can be obtained just by bringing them into contact with each other, so that heat dissipation is not inhibited.

本発明に係る放熱方法に用いられるヒートスプレッダは、発熱体、放熱体(冷却体)の室温での熱膨張係数の差が1×10-6/K以上であると非常に効果が大きい。例えば、発熱体が半導体素子である場合、例えばInPとGaAsの熱膨張係数はそれぞれ、4.3×10-6/K、5.9×10-6/Kであるので、Cu製ヒートシンクを使う場合は、効果が絶大である。Cu製ヒートシンクの代わりに熱膨張係数が6.5×10-6/KのCuW(熱伝導率が200W/mK程度)を、あえてヒートシンクとして使う場合は、InPデバイスの場合に効果がある。GaAsデバイスの場合は、GaAsをCuWに直接接合しても熱応力的にはあまり問題がないが、SiCの方が熱伝導率が高いので放熱性能はよくなる。 The heat spreader used in the heat dissipating method according to the present invention is very effective when the difference in thermal expansion coefficient at room temperature between the heat generating body and the heat dissipating body (cooling body) is 1 × 10 −6 / K or more. For example, if the heating element is a semiconductor element, for example, each InP and thermal expansion coefficient of GaAs is because it is 4.3 × 10 -6 /K,5.9×10 -6 / K , using the Cu heat sink If the effect is tremendous. The use of CuW (thermal conductivity of about 200 W / mK) with a thermal expansion coefficient of 6.5 × 10 −6 / K instead of the Cu heat sink is effective for an InP device. In the case of a GaAs device, there is no problem in terms of thermal stress even if GaAs is directly bonded to CuW, but the heat dissipation performance is improved because SiC has higher thermal conductivity.

前記BNナノチューブ層において必要とされるBNナノチューブの長さは、もちろん放熱体等、相手材の面粗度や表面のうねりの程度により変わるが、相手材が極めて表面粗度の高い半導体素子である場合、BNナノチューブの長さが1μm以上あれば熱応力は緩和できる。1μm未満であると効果は小さい。長さが10μm以上になるとどのような相手材であっても熱応力はほぼ緩和できる。   The length of the BN nanotubes required in the BN nanotube layer is of course a semiconductor element having a very high surface roughness, although the length varies depending on the surface roughness and surface waviness of the counterpart material such as a heat radiator. In this case, the thermal stress can be alleviated if the length of the BN nanotube is 1 μm or more. If it is less than 1 μm, the effect is small. When the length is 10 μm or more, the thermal stress can be almost alleviated regardless of the mating material.

(1)材料
<半導体基板>
半導体素子材料として、10×10mm、厚さ0.25mmのInP、GaAs、Si、GaNを用いた。
<ヒートシンク>
ヒートシンクとして、10×10mm、厚さ1mmのCu、CuWを用いた。
<ヒートスプレッダ>
ヒートスプレッダとして、10×10mm、厚さ0.35mmの表1に示す各種材料を用いた。
(1) Material <Semiconductor substrate>
As the semiconductor element material, InP, GaAs, Si, and GaN having a size of 10 × 10 mm and a thickness of 0.25 mm were used.
<Heatsink>
As the heat sink, 10 × 10 mm and 1 mm thick Cu and CuW were used.
<Heat spreader>
As the heat spreader, various materials shown in Table 1 having a size of 10 × 10 mm and a thickness of 0.35 mm were used.

<カーボンナノチューブ層付ヒートスプレッダの作製>
SiC以外の基板を用いる場合は、CVD法により、予めSiC膜を各種厚さでコーティングしたものを用いた。各種基板を真空炉に設置し、各種温度、時間、真空度で加熱して、基板の両面の全面にカーボンナノチューブを生成させた(前記昇華法)。
これにより、基板面にカーボンナノチューブ層を形成した。
<Production of heat spreader with carbon nanotube layer>
In the case of using a substrate other than SiC, a substrate in which an SiC film was previously coated with various thicknesses by a CVD method was used. Various substrates were placed in a vacuum furnace and heated at various temperatures, times, and degrees of vacuum to generate carbon nanotubes on both surfaces of the substrate (sublimation method).
Thereby, a carbon nanotube layer was formed on the substrate surface.

<BNナノチューブへの転化>
図1に示すように、内径200mmの炭素炉芯管を持つ外熱式熱CVD炉内に、内径2cm、深さ2cmの黒鉛るつぼを設置し、B23粉末3gを装填した。その上にカーボンナノチューブ試料を設置した。N2またはNH3ガスを、2.0リットル/minで導入し、温度1530℃、で30分間加熱した後、自然冷却した。
試料のSEM観察から、処理前と同様のナノチューブが確認できた。粉末法X線回折から、回収した試料は層状構造を持つBNであった。
<Conversion to BN nanotubes>
As shown in FIG. 1, a graphite crucible with an inner diameter of 2 cm and a depth of 2 cm was placed in an external heating type thermal CVD furnace having a carbon furnace core tube with an inner diameter of 200 mm, and 3 g of B 2 O 3 powder was loaded. A carbon nanotube sample was placed thereon. N 2 or NH 3 gas was introduced at 2.0 liters / min, heated at a temperature of 1530 ° C. for 30 minutes, and then naturally cooled.
From the SEM observation of the sample, the same nanotubes as before the treatment could be confirmed. From the powder method X-ray diffraction, the recovered sample was BN having a layered structure.

(2)アセンブリ
半導体基板およびヒートシンク表面にIn−Sn鑞を約10μm塗布した後、該In−Sn鑞を塗布した面で上記ヒートスプレッダ又はカーボンナノチューブ層付ヒートスプレッダを挟み、550℃で10分、真空中で加熱後、0.5℃/minの速度で室温まで冷却して接合体を得た。
(2) Assembly After applying about 10 μm of In—Sn 鑞 on the surface of the semiconductor substrate and the heat sink, sandwich the heat spreader or the heat spreader with the carbon nanotube layer on the surface where the In—Sn 鑞 is applied, and in vacuum at 550 ° C. for 10 minutes. After heating, the mixture was cooled to room temperature at a rate of 0.5 ° C./min to obtain a joined body.

(3)評価
<温度サイクル試験>
各試料を炉に投入し、1気圧の窒素中で、昇温速度10℃/minで300℃まで加熱、その後1分間保持した後、炉内から取り出し水中へ投入した。これを20回繰り返した。
各回処理終了後、試料の接合部を目視または顕微鏡で観察して、クラックが発生していた場合には、その回で急冷試験を中止した。
(3) Evaluation <Temperature cycle test>
Each sample was put into a furnace, heated to 300 ° C. at a rate of temperature increase of 10 ° C./min in 1 atm of nitrogen, then held for 1 minute, then taken out of the furnace and put into water. This was repeated 20 times.
After each treatment, the joint of the sample was observed visually or with a microscope, and when a crack occurred, the rapid cooling test was stopped at that time.

<結果>
結果を表1に示す。なお、表中、CNTはカーボンナノチューブを意味する。
<Result>
The results are shown in Table 1. In the table, CNT means a carbon nanotube.

Figure 2010114120
Figure 2010114120

カーボンナノチューブが形成された試料1〜9はクラックの発生により温度サイクル試験を途中で終了した。BNナノチューブが形成された試料10、16〜18は20回をクリアした。また、半導体素子、ヒートシンク、ヒートスプレッダの原材料が同一条件の場合には、カーボンナノチューブをBNナノチューブに転化した方が耐久性(熱応力緩和性能)に優れることがわかった。更に、BNナノチューブの長さが長い方が、耐久性に優れていた。
試験後、接合部の断面を観察した結果、カーボンナノチューブ層にはIn−Sn鑞が多量にしみ込んでいることが分かった。これに対し、BNナノチューブ層にはIn−Sn鑞がほとんどしみ込んでいなかった。本発明が優れた耐熱衝撃性を示したのは、BNナノチューブ層にIn−Sn鑞成分がしみ込みにくく、BNナノチューブ層のフレキシブル性が高くて熱応力緩和機能が高いためと考えられる。
Samples 1 to 9 on which the carbon nanotubes were formed finished the temperature cycle test halfway due to the occurrence of cracks. Samples 10 and 16 to 18 on which BN nanotubes were formed cleared 20 times. In addition, when the raw materials of the semiconductor element, the heat sink, and the heat spreader are the same, it has been found that converting carbon nanotubes to BN nanotubes is superior in durability (thermal stress relaxation performance). Furthermore, the longer the BN nanotubes, the better the durability.
As a result of observing the cross section of the joint after the test, it was found that a large amount of In—Sn 鑞 was soaked in the carbon nanotube layer. In contrast, In—SnS was hardly soaked into the BN nanotube layer. The reason why the present invention showed excellent thermal shock resistance is considered to be because the In—Sn soot component hardly penetrates into the BN nanotube layer, and the BN nanotube layer has high flexibility and high thermal stress relaxation function.

実施例において使用したBNナノチューブを合成する装置の概略図である。It is the schematic of the apparatus which synthesize | combines the BN nanotube used in the Example. (a)本発明に係る放熱方法の概略を表す図である。(b)本発明に係る放熱方法の別の概略を示す図である。(c)従来における放熱方法の概略を表す図である。(A) It is a figure showing the outline of the thermal radiation method concerning this invention. (B) It is a figure which shows another outline of the thermal radiation method which concerns on this invention. (C) It is a figure showing the outline of the heat dissipation method in the past.

Claims (11)

熱膨張係数の差が0.5×10-6/K以上である発熱体及び放熱体を接触させて発熱体から放熱体に熱を伝える放熱方法において、
該放熱体が、発熱体と接触する面の少なくとも一部がSiCである基板と、該基板の当該面又は両面の、全面又は一部に形成された窒化硼素(BN)ナノチューブ層とを有し、
該放熱体の基板面に形成されたBNナノチューブ層を発熱体と接触させることを特徴とする放熱方法。
In a heat dissipation method for transferring heat from a heating element to a radiator by contacting the heating element and the radiator with a difference in thermal expansion coefficient of 0.5 × 10 −6 / K or more,
The radiator includes a substrate in which at least a part of a surface in contact with the heating element is SiC, and a boron nitride (BN) nanotube layer formed on the entire surface or a part of the surface or both surfaces of the substrate. ,
A heat dissipating method comprising contacting a BN nanotube layer formed on a substrate surface of the heat dissipating member with a heat generating member.
熱膨張係数の差が0.5×10-6/K以上である発熱体及び放熱体の間にヒートスプレッダを介在させて発熱体から放熱体に熱を伝える放熱方法において、
該ヒートスプレッダが、基板面の少なくとも一部がSiCである基板と、該SiC基板の一面又は両面の、全面又は一部に形成されたBNナノチューブ層とを有し、
該ヒートスプレッダの基板面に形成されたBNナノチューブ層を発熱体及び/又は放熱体と接触させることを特徴とする放熱方法。
In a heat dissipation method in which a heat spreader is interposed between a heat generating body having a difference in thermal expansion coefficient of 0.5 × 10 −6 / K or more and a heat dissipating body to transfer heat from the heat generating body to the heat dissipating body,
The heat spreader has a substrate in which at least a part of the substrate surface is SiC, and a BN nanotube layer formed on the entire surface or a part of one or both surfaces of the SiC substrate,
A heat dissipation method comprising contacting a BN nanotube layer formed on a substrate surface of the heat spreader with a heat generator and / or a heat radiator.
前記BNナノチューブ層を、接合材を介して発熱体及び/又は放熱体と接触させることを特徴とする請求項1又は2に記載の放熱方法。   The heat dissipation method according to claim 1 or 2, wherein the BN nanotube layer is brought into contact with a heating element and / or a heat dissipation element via a bonding material. 前記接合材が、In−Sn、Au−Sn、ハンダ、又は活性銀鑞のいずれかであることを特徴とする請求項3に記載の放熱方法。   The heat dissipation method according to claim 3, wherein the bonding material is any one of In—Sn, Au—Sn, solder, or active silver iron. 前記基板がSiCであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一に記載の放熱方法。   The heat dissipation method according to any one of claims 1 to 4, wherein the substrate is SiC. 前記発熱体と放熱体の室温での熱膨張係数の差が1×10-6/K以上であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一に記載の放熱方法。 Radiating method according to any one of claims 1 to 5, wherein the difference in thermal expansion coefficient at room temperature of the heating element and the heat dissipating body is 1 × 10 -6 / K or more. 前記発熱体が半導体であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一に記載の放熱方法。   The heat dissipation method according to claim 1, wherein the heating element is a semiconductor. 前記発熱体の主構成材がSi、InP、GaAs、GaN、またはAlNのいずれかであることを特徴とする請求項7に記載の放熱方法。   The heat dissipating method according to claim 7, wherein a main constituent material of the heating element is any one of Si, InP, GaAs, GaN, and AlN. 前記BNナノチューブ層において、BNナノチューブが基板面に対して略垂直に成長していることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一に記載の放熱方法。   The heat dissipation method according to claim 1, wherein in the BN nanotube layer, BN nanotubes are grown substantially perpendicular to the substrate surface. 前記BNナノチューブの長さが、1μm以上であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一に記載の放熱方法。   The heat dissipation method according to claim 1, wherein the BN nanotube has a length of 1 μm or more. 前記BNナノチューブの長さが、10μm以上であることを特徴とする請求項10に記載の放熱方法。   The length of the said BN nanotube is 10 micrometers or more, The heat dissipation method of Claim 10 characterized by the above-mentioned.
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