JP2010208883A - Structure having carbon nanotube layer on substrate surface and method for manufacturing the same - 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 structure which has a layer formed with a carbon nanotube (a carbon nanotube layer) on the substrate surface, where the carbon nanotube layer is firmly adhered to the substrate surface. <P>SOLUTION: The subject is solved by a structure which is characterized by having a substrate and a carbon nanotube layer formed on its surface by growing from a catalyst which is an alloy containing at least one kind of Fe, Ni or Co and has a melting point of 700-1,050°C and not exceeding the melting point of the substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、カーボンナノチューブ層を用いた構造体と、これを用いた放熱部品、及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a structure using a carbon nanotube layer, a heat dissipation component using the structure, and a manufacturing method thereof.

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。   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.

放熱装置の一つとして簡易でかつ効果的な方法は、発熱源の表面に放熱シートを貼り付けたりグリースを介在させたりして熱抵抗を低下させる方法である。このような放熱材料は、高い熱伝導率を持つことはもちろんであるが、発熱源表面に存在する微小な凹凸の隙間に、隙間なく入り込むことにより接触熱抵抗を低くしている。隙間が空いた場合は、そこに熱伝導率の極めて低い空気が介在するために、発熱源との間の接触熱抵抗が大きくなってしまう。   A simple and effective method as one of the heat dissipating devices is a method of reducing the heat resistance by attaching a heat dissipating sheet or interposing grease on the surface of the heat source. Such a heat radiating material has a high thermal conductivity, but the contact thermal resistance is lowered by entering the gap between minute irregularities present on the surface of the heat source without any gap. When there is a gap, air with a very low thermal conductivity is interposed there, so that the contact thermal resistance with the heat source increases.

発明者らは、上記放熱材料の代わりに金属等の基板表面にカーボンナノチューブからなる層を形成し、カーボンナノチューブ、特にカーボンナノチューブの先端を発熱源の表面に接触させることにより効率よく熱を吸い上げることができる、すなわち、カーボンナノチューブと発熱源との接触熱抵抗を極めて低下させ得ることを見出した(例えば特願2007−274610)。また、発熱源の表面に対してカーボンナノチューブを垂直に接触させることで低い熱抵抗が実現できることも見出されている(特願2007−308263)。   Inventors efficiently absorb heat by forming a layer made of carbon nanotubes on the surface of a substrate such as metal instead of the heat dissipation material, and bringing the tips of the carbon nanotubes, particularly the carbon nanotubes, into contact with the surface of the heat source. It has been found that the contact thermal resistance between the carbon nanotube and the heat source can be extremely reduced (for example, Japanese Patent Application No. 2007-274610). It has also been found that low thermal resistance can be realized by bringing carbon nanotubes into perpendicular contact with the surface of the heat source (Japanese Patent Application No. 2007-308263).

カーボンナノチューブの長さ方向の熱伝導率はダイヤモンドに匹敵するとも言われており、例えば、カーボンナノチューブの先端を発熱体表面に接触させると、微細なカーボンナノチューブの先端が発熱体表面の凹凸部分に極めて良好に接触し、低い熱抵抗が得られる。   It is said that the thermal conductivity of carbon nanotubes in the longitudinal direction is comparable to diamond. For example, when the tips of carbon nanotubes are brought into contact with the surface of the heating element, the tips of the fine carbon nanotubes become uneven portions on the surface of the heating element. Very good contact and low thermal resistance.

基板面に対して垂直に成長したカーボンナノチューブを比較的低温で形成する方法として汎用されているのはCVD法である。CVD法は、基板表面にFeやCoなどの触媒を塗布した後、炭化水素ガスやアルコールガスを基板上に搬送させて500〜800℃程度の温度で反応させることで、触媒からカーボンナノチューブを成長させる技術であり、カーボンナノチューブは垂直配向した構造になりやすい(特許文献1)。   The CVD method is widely used as a method for forming carbon nanotubes grown perpendicular to the substrate surface at a relatively low temperature. In the CVD method, after applying a catalyst such as Fe or Co to the substrate surface, a hydrocarbon gas or an alcohol gas is transported onto the substrate and reacted at a temperature of about 500 to 800 ° C. to grow carbon nanotubes from the catalyst. The carbon nanotubes tend to have a vertically aligned structure (Patent Document 1).

一般に、このようにCVD法で形成したカーボンナノチューブは基板との密着力が低く、手で擦るだけで簡単に剥離してしまう場合さえあり、信頼性に欠ける欠点がある。   In general, the carbon nanotubes formed by the CVD method have a low adhesion to the substrate, and may be easily peeled off only by rubbing by hand, resulting in a defect of lack of reliability.

特開2001−048512号公報JP 2001-048512 A

本発明は、基板にカーボンナノチューブにより形成される層が密着した構造体を提供することを課題とする。   An object of the present invention is to provide a structure in which a layer formed of carbon nanotubes is adhered to a substrate.

そこで本発明者は、上記の課題解決のために検討した結果、カーボンナノチューブの基板との密着強度を向上させる方法として、予め基板表面に形成した低融点金属層上にCVD法によってカーボンナノチューブを形成した後、この金属が溶融する温度以上に加熱することで、カーボンナノチューブの基板との接点での密着力を増大させる手法を考えた。   Therefore, as a result of investigations for solving the above problems, the present inventor formed carbon nanotubes by a CVD method on a low melting point metal layer previously formed on the substrate surface as a method for improving the adhesion strength of the carbon nanotubes to the substrate. After that, the inventors considered a method of increasing the adhesion at the contact point of the carbon nanotube with the substrate by heating above the temperature at which the metal melts.

しかし、この方法では、かなりの改善が認められるが、形成したカーボンナノチューブが低融点金属中に埋もれてしまいやすく、表面に露出したカーボンナノチューブが極端に少なくなるということが見出された。すなわち、図1の概念図に示すように、低融点金属が溶融すると溶融金属は毛細管力によりカーボンナノチューブの表面を覆うように濡れていく。このため、カーボンナノチューブの露出部は極めて少なくなってしまい、カーボンナノチューブ特有のしなやかさが低下してしまう。
したがって、このような構造体を放熱部品として使用する場合には、相手材との接触性が低下するため接触熱抵抗の低下が望めなくなってしまう。また、この現象に伴い、表面には凹凸ができやすくなり、さらに相手材と接触しにくくなるため、結果として熱抵抗が大きくなってしまう。
However, with this method, although considerable improvement is recognized, it has been found that the formed carbon nanotubes are likely to be buried in the low melting point metal, and the number of carbon nanotubes exposed on the surface is extremely reduced. That is, as shown in the conceptual diagram of FIG. 1, when the low melting point metal melts, the molten metal wets so as to cover the surface of the carbon nanotubes by capillary force. For this reason, the exposed part of the carbon nanotube is extremely reduced, and the flexibility specific to the carbon nanotube is reduced.
Therefore, when such a structure is used as a heat radiating component, the contact thermal resistance decreases because the contact with the counterpart material decreases. In addition, with this phenomenon, the surface is likely to be uneven, and more difficult to contact the counterpart material, resulting in an increase in thermal resistance.

そこで本発明者はこれらの問題点を踏まえてさらなる探求を重ねた結果、触媒金属中にカーボンナノチューブの基部を埋設することが有効であることを見出し、本発明を完成させた。本発明は下記の構成からなる。
(1)基板と、その表面に形成された触媒から成長したカーボンナノチューブ層とを有し、該触媒がFe、Ni、またはCoの少なくとも一種を含む合金であり、該触媒の融点が700〜1050℃で、かつ基板の融点を超えないことを特徴とする構造体。
(2)前記触媒が、第一成分であるFeと、第二成分であるGa、Ge、Nd、Zn、Zr、またはCeの少なくとも一種とを含むFe系合金であることを特徴とする上記(1)に記載の構造体。
(3)前記触媒が、第一成分であるNiと、第二成分であるSe、Te、Zr、Au、またはBiの少なくとも一種とを含むNi系合金であることを特徴とする上記(1)に記載の構造体。
(4)前記触媒が、第一成分であるCoと、第二成分であるGe,またはZnの少なくとも一種とを含むCo系合金であることを特徴とする請求項1に記載の構造体。
(5)前記触媒が、上記(2)において規定するFe系合金、上記(3)において規定するNi系合金、又は上記(4)において規定するCo系合金のいずれか二種以上が混合されたものであることを特徴とする上記(1)に記載の構造体。
Accordingly, as a result of further investigations based on these problems, the present inventor has found that it is effective to embed the base portion of the carbon nanotube in the catalyst metal, and completed the present invention. The present invention has the following configuration.
(1) A substrate and a carbon nanotube layer grown from a catalyst formed on the surface thereof, wherein the catalyst is an alloy containing at least one of Fe, Ni, or Co, and the melting point of the catalyst is 700 to 1050. A structure characterized in that it does not exceed the melting point of the substrate at ° C.
(2) The above, wherein the catalyst is an Fe-based alloy containing Fe as a first component and at least one of Ga, Ge, Nd, Zn, Zr, or Ce as a second component. The structure according to 1).
(3) The above-mentioned (1), wherein the catalyst is a Ni-based alloy containing Ni as the first component and at least one of Se, Te, Zr, Au, or Bi as the second component. The structure described in 1.
(4) The structure according to claim 1, wherein the catalyst is a Co-based alloy containing Co as a first component and at least one of Ge or Zn as a second component.
(5) The catalyst is a mixture of two or more of an Fe-based alloy specified in (2) above, an Ni-based alloy specified in (3) above, or a Co-based alloy specified in (4) above. The structure according to (1) above, which is a thing.

(6)前記基板がCuまたはCu合金であることを特徴とする上記(1)〜(5)のいずれかに記載の構造体。
(7)前記カーボンナノチューブが前記基板面に対して林立していることを特徴とする上記(1)〜(6)のいずれかに記載の構造体。
(8)前記カーボンナノチューブ層の厚さが50〜500μmであることを特徴とする上記(1)〜(7)のいずれかに記載の構造体。
(9)前記カーボンナノチューブ層の空隙部に樹脂を含浸させたことを特徴とする上記(1)〜(8)のいずれかに記載の構造体。
(10)上記(1)〜(9)のいずれかに記載の構造体を用いたことを特徴とする放熱部品。
(6) The structure according to any one of (1) to (5), wherein the substrate is Cu or a Cu alloy.
(7) The structure according to any one of the above (1) to (6), wherein the carbon nanotube stands on the substrate surface.
(8) The structure according to any one of (1) to (7) above, wherein the carbon nanotube layer has a thickness of 50 to 500 μm.
(9) The structure according to any one of (1) to (8) above, wherein a void portion of the carbon nanotube layer is impregnated with a resin.
(10) A heat dissipation component using the structure according to any one of (1) to (9) above.

(11)上記(1)〜(8)のいずれかに記載の構造体の製造方法であって、基板の表面に、第一成分であるFe、Ni、またはCoの少なくとも一種を含む合金であり、該合金の融点が700〜1050℃で、かつ基板の融点を超えない触媒を形成せしめる第一の工程と、該触媒からカーボンナノチューブを成長させる第二の工程と、該触媒の融点以上、かつ基板の融点を超えない温度で加熱する第三の工程とからなることを特徴とする構造体の製造方法。
(12)前記触媒が、第一成分であるFeと、第二成分であるGa、Ge、Nd、Zn、Zr、またはCeの少なくとも一種とを含むFe系合金であることを特徴とする上記(11)に記載の構造体の製造方法。
(13)前記触媒が、第一成分であるNiと、第二成分であるSe、Te、Zr、Au、またはBiの少なくとも一種とを含むNi系合金であることを特徴とする上記(11)に記載の構造体の製造方法。
(14)前記触媒が、第一成分であるCoと、第二成分であるGe,またはZnの少なくとも一種とを含むCo系合金であることを特徴とする上記(11)に記載の構造体の製造方法。
(15)前記基板がCuまたはCu合金であることを特徴とする上記(11)〜(14)のいずれかに記載の構造体の製造方法。
(11) The method for manufacturing the structure according to any one of (1) to (8) above, wherein the surface of the substrate is an alloy containing at least one of Fe, Ni, or Co as the first component. A first step of forming a catalyst having a melting point of the alloy of 700 to 1050 ° C. and not exceeding a melting point of the substrate, a second step of growing carbon nanotubes from the catalyst, a melting point of the catalyst or higher, and And a third step of heating at a temperature not exceeding the melting point of the substrate.
(12) The above catalyst, wherein the catalyst is an Fe-based alloy containing Fe as a first component and at least one of Ga, Ge, Nd, Zn, Zr, or Ce as a second component. The manufacturing method of the structure as described in 11).
(13) The catalyst according to (11), wherein the catalyst is a Ni-based alloy containing Ni as the first component and at least one of Se, Te, Zr, Au, or Bi as the second component. A method for producing the structure according to 1.
(14) The structure according to (11), wherein the catalyst is a Co-based alloy containing Co as a first component and at least one of Ge or Zn as a second component. Production method.
(15) The method for manufacturing a structure according to any one of (11) to (14), wherein the substrate is Cu or a Cu alloy.

本発明により、各種基板の表面に強固に密着したカーボンナノチューブ層を有する構造体が提供される。かかる構造体を放熱部品として応用すれば、放熱板の熱抵抗を低下させるカーボンナノチューブが放熱基板と強固に密着しているために、カーボンナノチューブの脱落が起こりにくく信頼性の高い放熱部品が得られる。本発明は、安価なAlやCu基板、その他高熱伝導放熱基板からなる放熱性能の高いヒートシンク、ヒートパイプ、ヒートスプレッダ等に用いると効果が高い。
更に、本発明に係る構造体は、上記放熱部品のみならず、電気接点材料や電子放出材料(エミッタ)等としても使用することができる。
The present invention provides a structure having a carbon nanotube layer that is firmly adhered to the surfaces of various substrates. When such a structure is applied as a heat dissipation component, the carbon nanotubes that lower the heat resistance of the heat dissipation plate are in close contact with the heat dissipation substrate, so that the carbon nanotubes do not easily fall off and a highly reliable heat dissipation component can be obtained. . The present invention is highly effective when used for heat sinks, heat pipes, heat spreaders and the like having a high heat dissipation performance including inexpensive Al and Cu substrates, and other high heat conduction heat dissipation substrates.
Furthermore, the structure according to the present invention can be used not only as the heat dissipation component but also as an electrical contact material, an electron emission material (emitter), or the like.

構造体の改良例の一例を表す概略図である。It is the schematic showing an example of the improvement example of a structure. 本発明に係る構造体の一例を表す概略図である。It is the schematic showing an example of the structure concerning the present invention. 実施例において使用した熱抵抗を測定する装置の概略を表す図である。It is a figure showing the outline of the apparatus which measures the thermal resistance used in the Example.

本発明に係る構造体は、図2の概念図に示すように、基板表面に形成された触媒金属層中にカーボンナノチューブの基部が埋設されていて、基板表面に強固に密着したカーボンナノチューブ層を有する構造体である。触媒自体が粒子状の低融点金属であり、触媒粒子同士が適度な間隔をもって分散されているため、これが溶融した場合、溶融金属は、カーボンナノチューブよりも基板表面を優先的に濡らしていく。このために、カーボンナノチューブの露出が維持され、構造体の表面は平坦となるのである。   As shown in the conceptual diagram of FIG. 2, the structure according to the present invention includes a carbon nanotube layer in which a base portion of carbon nanotubes is embedded in a catalytic metal layer formed on a substrate surface, and which is firmly adhered to the substrate surface. It is the structure which has. Since the catalyst itself is a particulate low-melting-point metal and the catalyst particles are dispersed at an appropriate interval, when the catalyst is melted, the molten metal preferentially wets the substrate surface over the carbon nanotubes. For this reason, the exposure of the carbon nanotube is maintained and the surface of the structure becomes flat.

本発明で用いる触媒は、カーボンナノチューブを成長させるために必要なFe、Ni、またはCoの少なくとも一種を含む合金であり、融点は700〜1050℃の範囲にある。上限を超えると、例えばCu基板(融点は1080℃)を用いると、基板が変形しやすくなってしまう。Fe、Ni、Coはそれぞれ融点が高く、合金化しても700℃以下に融点を低下させることは困難である。700℃以下にするためには、合金化時の第二成分金属の含有量が高くなってしまい、Fe、Ni、Co比率が低下してカーボンナノチューブが生成しにくくなる。   The catalyst used in the present invention is an alloy containing at least one of Fe, Ni, or Co necessary for growing carbon nanotubes, and has a melting point in the range of 700 to 1050 ° C. If the upper limit is exceeded, for example, if a Cu substrate (melting point is 1080 ° C.) is used, the substrate is likely to be deformed. Fe, Ni, and Co each have a high melting point, and even when alloyed, it is difficult to lower the melting point to 700 ° C. or lower. In order to make it 700 degrees C or less, content of the 2nd component metal at the time of alloying will become high, and a Fe, Ni, Co ratio will fall and it will become difficult to produce | generate a carbon nanotube.

Fe系合金としては、Feと第二成分であるGa、Ge、Nd、Zn、Zr、またはCeの少なくとも一種とを含む合金が好ましい。
Ni合金としては、Niと第二成分であるSe、Te、Zr、Au、またはBiの少なくとも一種とを含む合金が好ましい。
Co系合金としては、Coと第二成分であるGe,またはZnの少なくとも一種とを含む合金が好ましい。
これらのFe系合金、Ni系合金、又はCo系合金のいずれか一種以上を混合して用いてもよい。
The Fe-based alloy is preferably an alloy containing Fe and at least one of Ga, Ge, Nd, Zn, Zr, or Ce as the second component.
The Ni alloy is preferably an alloy containing Ni and at least one of Se, Te, Zr, Au, or Bi as the second component.
The Co-based alloy is preferably an alloy containing Co and at least one of Ge, which is the second component, or Zn.
Any one or more of these Fe-based alloys, Ni-based alloys, and Co-based alloys may be mixed and used.

基板としては特に限定されず、各種金属基板、セラミックス基板等を用いることができる。本発明に係る構造体を放熱部品として応用する場合には、基板の熱伝導率が100W/mK以上であることが好ましく、CuW、CuMo、SiC、AlN、炭素、ダイヤモンド、Al、Al合金、Cu、Cu合金などがよい。なかでも、安価で熱伝導率が高い、Al、Al合金、Cu、Cu合金等が好ましい。
また、従来の、Fe、Ni、Co等の触媒金属は融点の高い金属である。このため、これらの触媒金属よりも融点の低い金属基板を使用する場合には、触媒金属の融点を金属基板の融点よりも低くする必要がある。触媒金属の融点を下げるためには、融点の低い金属と合金化すればよいが、一方で、非触媒金属の割合が高くなるとカーボンナノチューブの生成効率が低下するという問題が生じてしまう。このため、基板の材質としては触媒金属(Fe、Ni、Co等)との融点の差が小さいCuまたはCu合金が好ましい。
The substrate is not particularly limited, and various metal substrates, ceramic substrates, and the like can be used. When the structure according to the present invention is applied as a heat dissipation component, the thermal conductivity of the substrate is preferably 100 W / mK or more, and CuW, CuMo, SiC, AlN, carbon, diamond, Al, Al alloy, Cu Cu alloy is preferable. Of these, Al, Al alloy, Cu, Cu alloy, etc., which are inexpensive and have high thermal conductivity, are preferable.
Conventional catalytic metals such as Fe, Ni, and Co are metals having a high melting point. For this reason, when using a metal substrate having a lower melting point than these catalytic metals, it is necessary to make the melting point of the catalytic metal lower than the melting point of the metal substrate. In order to lower the melting point of the catalytic metal, it may be alloyed with a metal having a low melting point, but on the other hand, when the proportion of the non-catalytic metal is increased, there arises a problem that the production efficiency of the carbon nanotube is lowered. For this reason, the material of the substrate is preferably Cu or a Cu alloy having a small melting point difference from the catalyst metal (Fe, Ni, Co, etc.).

放熱部品とする場合、基板としては、ヒートシンク、ヒートパイプ、ヒートスプレッダなどの表面部分が考えられ、これらを用いると用途が広がる。また、CPUの筐体のような半導体パッケージの一構成部品を基板として用いてもよい。このような、冷却体又は発熱体の表面部分にお手、相手材と接触する箇所にカーボンナノチューブ層を形成することにより、相手材との接触性が改善されて放熱効果が高まる。また、該カーボンナノチューブ層は基板表面に強固に密着しているため、繰り返し使用に対しても効果が低下することなく、信頼性に優れたものとなる。   In the case of a heat radiating component, the substrate may be a surface portion such as a heat sink, a heat pipe, or a heat spreader. Further, a component of a semiconductor package such as a CPU casing may be used as a substrate. By forming the carbon nanotube layer on the surface portion of the cooling body or the heating element in such a manner that the carbon nanotube layer is in contact with the counterpart material, the contact property with the counterpart material is improved and the heat dissipation effect is enhanced. In addition, since the carbon nanotube layer is firmly adhered to the substrate surface, the effect is not lowered even with repeated use, and the carbon nanotube layer is excellent in reliability.

カーボンナノチューブが基板面に対して垂直に林立しているほうが熱抵抗は小さくなるが、乱立していても構わない。垂直に形成されていれば、カーボンナノチューブの微細な先端が相手材表面の微小な凹凸部分にも隙間なく接触しやすくなるが、基板面に対して多少傾斜していたりしても当該効果が大きく損なわれることはない。   Although the thermal resistance is smaller when the carbon nanotubes are erected vertically with respect to the substrate surface, they may be disturbed. If formed vertically, the fine tips of the carbon nanotubes can easily come into contact with the minute irregularities on the surface of the counterpart material without gaps, but the effect is great even if they are slightly inclined with respect to the substrate surface. It will not be damaged.

露出しているカーボンナノチューブ層が厚いほど、相手材表面の平坦度が低い場合でもカーボンナノチューブが追従しやすく接触性がよくなるので好ましい。厚さは50μm以上あると効果が大きい。厚さが500μmを超えると接触性向上の効果が飽和する。しかし、相手材の平坦度が高い場合にはこの厚さよりも小さくても構わない。
このようなカーボンナノチューブ層の空隙部にグリースなどの樹脂を含浸させると、相手材との接触性がさらに向上して熱抵抗が低下するので好ましい。
It is preferable that the exposed carbon nanotube layer is thicker because the carbon nanotube can easily follow even when the flatness of the surface of the counterpart material is low, and the contact property is improved. The effect is large when the thickness is 50 μm or more. When the thickness exceeds 500 μm, the effect of improving contactability is saturated. However, when the flatness of the counterpart material is high, it may be smaller than this thickness.
It is preferable to impregnate such a gap portion of the carbon nanotube layer with a resin such as grease because the contact property with the counterpart material is further improved and the thermal resistance is lowered.

本発明に係る構造体の製造方法は、基板表面に触媒金属を形成する第一の工程と、該触媒金属からカーボンナノチューブを形成させる第二の工程と、触媒金属の融点以上であって、かつ基板の融点を超えない温度で加熱する第三の工程とを含むものである。そして、触媒金属は、Fe、Ni、またはCoの少なくとも一種を含む合金であり、融点が700〜1050℃で、かつ基板の融点を超えないことを特徴とする。   The method for producing a structure according to the present invention includes a first step of forming a catalytic metal on a substrate surface, a second step of forming a carbon nanotube from the catalytic metal, a melting point of the catalytic metal or higher, and And a third step of heating at a temperature not exceeding the melting point of the substrate. The catalytic metal is an alloy containing at least one of Fe, Ni, or Co, and has a melting point of 700 to 1050 ° C. and does not exceed the melting point of the substrate.

上記製造方法において、触媒金属は、(1)第一成分であるFeと、第二成分であるGa、Ge、Nd、Zn、Zr、またはCeの少なくとも一種とを含む合金であるか、(2)第一成分であるNiと、第二成分であるSe、Te、Zr、Au、またはBiの少なくとも一種とを含む合金であるか、又は(3)第一成分であるCoと、第二成分であるGe,またはZnの少なくとも一種とを含む合金であることが好ましい。また、これらのFe合金、Ni合金、又はCo合金のいずれか一種以上を混合して用いてもよい。   In the above production method, the catalyst metal is (1) an alloy containing Fe as the first component and at least one of Ga, Ge, Nd, Zn, Zr, or Ce as the second component, or (2 ) An alloy containing Ni as the first component and at least one of Se, Te, Zr, Au, or Bi as the second component, or (3) Co as the first component and the second component It is preferable that it is an alloy containing at least one of Ge and Zn. Further, any one or more of these Fe alloys, Ni alloys, and Co alloys may be mixed and used.

基板としては特に限定されず、各種金属基板、セラミックス基板等を用いることができる。本製造方法により提供される構造体を放熱部品として応用する場合には、基板の熱伝導率が100W/mK以上であることが好ましく、CuW、CuMo、SiC、AlN、炭素、ダイヤモンド、Al、Al合金、Cu、Cu合金などがよい。なかでも、安価で熱伝導率が高い、Al、Al合金、Cu、Cu合金等が好ましい。また、前述のように、触媒金属よりも低い融点の金属基板を使用する場合には、触媒金属との融点の差が小さいCuまたはCu合金が好ましい。   The substrate is not particularly limited, and various metal substrates, ceramic substrates, and the like can be used. When the structure provided by this manufacturing method is applied as a heat dissipation component, the thermal conductivity of the substrate is preferably 100 W / mK or more, and CuW, CuMo, SiC, AlN, carbon, diamond, Al, Al. An alloy, Cu, Cu alloy or the like is preferable. Of these, Al, Al alloy, Cu, Cu alloy, etc., which are inexpensive and have high thermal conductivity, are preferable. As described above, when a metal substrate having a melting point lower than that of the catalyst metal is used, Cu or a Cu alloy having a small difference in melting point from the catalyst metal is preferable.

以下に、本発明に係る構造体の製造方法の一例を、Fe系触媒を例に示す。
まず、Cu基板表面にスパッタリング法でFe合金触媒を付着せしめる(第一の工程)。例えば、FeとZnそれぞれのターゲットを用意し、二元同時スパッタリングでFe−50Zn合金触媒を形成する。この合金の融点は800℃程度である。
次にこの基板をCVD炉内に設置し、カーボンナノチューブを形成する(第二の工程)。原料や反応条件は特に問わず、公知の手法を利用可能である。
最後に、基板を900℃で加熱して合金触媒を溶融させて処理は終わる(第三の工程)。
Below, an example of the manufacturing method of the structure which concerns on this invention is shown for a Fe type catalyst as an example.
First, an Fe alloy catalyst is deposited on the surface of the Cu substrate by sputtering (first step). For example, Fe and Zn targets are prepared, and an Fe-50Zn alloy catalyst is formed by binary simultaneous sputtering. The melting point of this alloy is about 800 ° C.
Next, this substrate is placed in a CVD furnace to form carbon nanotubes (second step). There are no particular restrictions on the raw materials and reaction conditions, and known methods can be used.
Finally, the substrate is heated at 900 ° C. to melt the alloy catalyst and the treatment is completed (third step).

このように、本発明に係る製造方法では、予め基板表面に低融点金属層を形成しておく必要がないため工程が少なく、低コストで密着力の高いカーボンナノチューブ膜を形成することができる。   Thus, in the manufacturing method according to the present invention, it is not necessary to previously form a low melting point metal layer on the surface of the substrate, so that the number of steps is reduced, and a carbon nanotube film with high adhesion can be formed at low cost.

(1)材料
<基板>
10×10mm、厚さ0.25mmのCu基板を用いた。
<カーボンナノチューブの形成>
下記のようにして形成した。
上記基板上に各種合金触媒をスパッタリングした。触媒の融点は示差熱分析分析(DTA)で確認した。
次に、基板をCVD炉内に設置し、エタノールガスを、アルゴンガスをキャリアガスとしてカーボンナノチューブ層を形成した後、同じ炉内で各種温度、真空下(ロータリーポンプ使用)で熱処理した。
(1) Material <Board>
A Cu substrate having a size of 10 × 10 mm and a thickness of 0.25 mm was used.
<Formation of carbon nanotubes>
It formed as follows.
Various alloy catalysts were sputtered on the substrate. The melting point of the catalyst was confirmed by differential thermal analysis (DTA).
Next, the substrate was placed in a CVD furnace, a carbon nanotube layer was formed using ethanol gas and argon gas as a carrier gas, and then heat-treated in the same furnace at various temperatures and under vacuum (using a rotary pump).

[比較例]
基板の両面にめっき法により厚さ25μmのAg−28wt%Cu合金からなるめっき層を形成した。
当該めっき層上に、Fe、Ni、又はCoをスパッタリングした。その後、該基板をCVD炉内に設置し、実施例と同様にカーボンナノチューブ形成し、加熱処理を行った。
[Comparative example]
A plating layer made of an Ag-28 wt% Cu alloy having a thickness of 25 μm was formed on both surfaces of the substrate by plating.
On the plating layer, Fe, Ni, or Co was sputtered. Thereafter, the substrate was placed in a CVD furnace, carbon nanotubes were formed in the same manner as in the examples, and heat treatment was performed.

(2)評価
<熱抵抗の測定>
試料を、図3に示す熱抵抗測定装置にセットした。
予め下部Cuホルダの表面には熱伝導率0.8W/mKのシリコングリースを厚さ150μm塗布しておき、その後、上下Cuホルダで試料を挟み込んだ。上部からAlNヒータで、13.3V、220mAで加熱して熱量Qを付加した。上下のCuホルダの各位置の温度を測定し、定常状態になるまで保持した。Cuホルダの周囲は断熱材で囲った。
(2) Evaluation <Measurement of thermal resistance>
The sample was set in the thermal resistance measuring apparatus shown in FIG.
Silicon grease having a thermal conductivity of 0.8 W / mK was applied to the surface of the lower Cu holder in advance to a thickness of 150 μm, and then the sample was sandwiched between the upper and lower Cu holders. An amount of heat Q was added by heating at 13.3 V and 220 mA with an AlN heater from the top. The temperature at each position of the upper and lower Cu holders was measured and held until it reached a steady state. The circumference of the Cu holder was surrounded by a heat insulating material.

サンプルを挟む上下の銅ホルダには熱電対挿入穴が各5点設置されており、これらの位置での温度分布の勾配から、発熱体表面とヒートシンクのフィン先端部の温度を外挿して算出した。面圧を調整しながら、Cuホルダ間距離が450μm(基板面とCuホルダ表面の距離が100μm)になるように加圧し、30秒保持した後、圧力を開放した。これを50回繰り返した後(試料No.1及び3はこの操作を行っていない)、Cuホルダ間距離が450μmの状態で熱抵抗を測定した。
定常状態に達した時の、各Cuホルダ内の温度勾配から、試料の表面温度(T1)と裏面温度(T2)を外挿して算出した。
The upper and lower copper holders sandwiching the sample are provided with five thermocouple insertion holes each, and the temperature of the heating element surface and the fin tip of the heat sink was extrapolated from the gradient of the temperature distribution at these positions. . While adjusting the surface pressure, pressurization was performed so that the distance between the Cu holders was 450 μm (the distance between the substrate surface and the Cu holder surface was 100 μm), and the pressure was released after holding for 30 seconds. After repeating this 50 times (samples No. 1 and 3 were not subjected to this operation), the thermal resistance was measured in a state where the distance between the Cu holders was 450 μm.
The surface temperature (T1) and back surface temperature (T2) of the sample were extrapolated from the temperature gradient in each Cu holder when the steady state was reached.

熱抵抗は下記の式で算出した。
熱抵抗(K/W)=(T1−T2)/Q
The thermal resistance was calculated by the following formula.
Thermal resistance (K / W) = (T1-T2) / Q

<結果>
結果を表1に示す。
本発明品は、繰り返し応力負荷、開放試験を行った後も低い熱抵抗を維持した。これは、カーボンナノチューブの基板への密着強度が高いためと考えられる。
<Result>
The results are shown in Table 1.
The product of the present invention maintained a low thermal resistance even after repeated stress loading and an open test. This is considered because the adhesion strength of the carbon nanotube to the substrate is high.

Figure 2010208883
Figure 2010208883

Claims (15)

基板と、その表面に形成された触媒から成長したカーボンナノチューブ層とを有し、
該触媒がFe、Ni、またはCoの少なくとも一種を含む合金であり、
該触媒の融点が700〜1050℃で、かつ基板の融点を超えないことを特徴とする構造体。
A substrate and a carbon nanotube layer grown from a catalyst formed on the surface of the substrate;
The catalyst is an alloy containing at least one of Fe, Ni, or Co;
A structure characterized in that the melting point of the catalyst is 700 to 1050 ° C. and does not exceed the melting point of the substrate.
前記触媒が、第一成分であるFeと、第二成分であるGa、Ge、Nd、Zn、Zr、またはCeの少なくとも一種とを含むFe系合金であることを特徴とする請求項1に記載の構造体。   2. The Fe-based alloy containing Fe as a first component and at least one of Ga, Ge, Nd, Zn, Zr, or Ce as a second component, according to claim 1. Structure. 前記触媒が、第一成分であるNiと、第二成分であるSe、Te、Zr、Au、またはBiの少なくとも一種とを含むNi系合金であることを特徴とする請求項1に記載の構造体。   2. The structure according to claim 1, wherein the catalyst is a Ni-based alloy containing Ni as a first component and at least one of Se, Te, Zr, Au, or Bi as a second component. body. 前記触媒が、第一成分であるCoと、第二成分であるGe,またはZnの少なくとも一種とを含むCo系合金であることを特徴とする請求項1に記載の構造体。   2. The structure according to claim 1, wherein the catalyst is a Co-based alloy containing Co as a first component and at least one of Ge or Zn as a second component. 前記触媒が、請求項2において規定するFe系合金、請求項3において規定するNi系合金、又は請求項4において規定するCo系合金のいずれか二種以上が混合されたものであることを特徴とする請求項1に記載の構造体。   The catalyst is a mixture of two or more of an Fe-based alloy defined in claim 2, a Ni-based alloy defined in claim 3, or a Co-based alloy defined in claim 4. The structure according to claim 1. 前記基板がCuまたはCu合金であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の構造体。   The structure according to claim 1, wherein the substrate is Cu or a Cu alloy. 前記カーボンナノチューブが前記基板面に対して林立していることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の構造体。   The structure according to any one of claims 1 to 6, wherein the carbon nanotube stands on the substrate surface. 前記カーボンナノチューブ層の厚さが50〜500μmであることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の構造体。   The structure according to claim 1, wherein the carbon nanotube layer has a thickness of 50 to 500 μm. 前記カーボンナノチューブ層の空隙部に樹脂を含浸させたことを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の構造体。   The structure according to any one of claims 1 to 8, wherein a void portion of the carbon nanotube layer is impregnated with a resin. 請求項1〜9のいずれかに記載の構造体を用いたことを特徴とする放熱部品。   A heat dissipation component using the structure according to any one of claims 1 to 9. 請求項1〜8のいずれかに記載の構造体の製造方法であって、
基板の表面に、第一成分であるFe、Ni、またはCoの少なくとも一種を含む合金であり、該合金の融点が700〜1050℃で、かつ基板の融点を超えない触媒を形成せしめる第一の工程と、
該触媒からカーボンナノチューブを成長させる第二の工程と、
該触媒の融点以上、かつ基板の融点を超えない温度で加熱する第三の工程とからなることを特徴とする構造体の製造方法。
It is a manufacturing method of the structure according to any one of claims 1 to 8,
A first alloy is formed on the surface of the substrate, which is an alloy containing at least one of Fe, Ni, or Co as the first component, and has a melting point of 700 to 1050 ° C. and does not exceed the melting point of the substrate. Process,
A second step of growing carbon nanotubes from the catalyst;
And a third step of heating at a temperature not lower than the melting point of the catalyst and not exceeding the melting point of the substrate.
前記触媒が、第一成分であるFeと、第二成分であるGa、Ge、Nd、Zn、Zr、またはCeの少なくとも一種とを含むFe系合金であることを特徴とする請求項11に記載の構造体の製造方法。   12. The Fe-based alloy containing Fe as a first component and at least one of Ga, Ge, Nd, Zn, Zr, or Ce as a second component. Method for manufacturing the structure. 前記触媒が、第一成分であるNiと、第二成分であるSe、Te、Zr、Au、またはBiの少なくとも一種とを含むNi系合金であることを特徴とする請求項11に記載の構造体の製造方法。   12. The structure according to claim 11, wherein the catalyst is a Ni-based alloy containing Ni as a first component and at least one of Se, Te, Zr, Au, or Bi as a second component. Body manufacturing method. 前記触媒が、第一成分であるCoと、第二成分であるGe,またはZnの少なくとも一種とを含むCo系合金であることを特徴とする請求項11に記載の構造体の製造方法。   The method for producing a structure according to claim 11, wherein the catalyst is a Co-based alloy containing Co as a first component and at least one of Ge or Zn as a second component. 前記基板がCuまたはCu合金であることを特徴とする請求項11〜14のいずれかに記載の構造体の製造方法。   The method of manufacturing a structure according to claim 11, wherein the substrate is Cu or a Cu alloy.
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