JP2012178397A - 電子部品及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】発熱体からの熱を高効率で放熱しうる電子部品及びその製造方法を提供する。
【解決手段】基板上に、炭素元素の線状構造体と線状構造体間に配置された熱可塑性樹脂の充填層とを有する放熱材料を配置する。次いで、放熱材料上に吸取紙を配置し、熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、線状構造体上の熱可塑性樹脂を吸取紙により吸い取る。次いで、吸取紙を除去した後、冷却して熱可塑性樹脂を固化し、放熱材料を基板に接着する。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭素元素の線状構造体を有する電子部品及びその製造方法に関する。
サーバーやパーソナルコンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）などに用いられる電子部品には、半導体素子から発する熱を効率よく放熱することが求められる。このため、これら電子部品は、半導体素子の直上に設けられた銅などの高い熱伝導度を有する材料のヒートスプレッダが配置された構造を有している。
この際、発熱源及びヒートスプレッダの表面には微細な凹凸が存在するため、互いをダイレクトに接触させても十分な接触面積を稼ぐことができず、接触界面が大きな熱抵抗となり、効率的に放熱を行うことができない。このため、接触熱抵抗を低減することを目的として、発熱源とヒートスプレッダとをサーマルインターフェイスマテリアル（ＴＩＭ）を介して接続することが行われている。
この目的のもと、サーマルインターフェイスマテリアルには、それ自身が高い熱伝導率を有する材料であることに加え、発熱源及びヒートスプレッダ表面の微細な凹凸に対して広面積に接触しうる特性が求められている。
従来、サーマルインターフェイスマテリアルとしては、放熱グリースやフェイズチェンジマテリアル（ＰＣＭ）、インジウムなどが用いられている。これらの材料が放熱材料として用いられる大きな特徴の一つは、電子機器の耐熱温度以下で流動性を有しているため、微細な凹凸に対して大きな接触面積を得ることが可能な点にある。
しかしながら、放熱グリースやフェイズチェンジマテリアルは、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ〜５Ｗ／ｍ・Ｋと低い。また、インジウムはレアメタルであることに加え、ＩＴＯ関連での大幅な需要増加により価格が高騰しており、より安価な代替材料が待望されている。
このような背景から、放熱材料として、カーボンナノチューブに代表される炭素元素からなる線状構造体が注目されている。カーボンナノチューブは、その軸方向に非常に高い熱伝導度（１５００Ｗ／ｍ・Ｋ〜３０００Ｗ／ｍ・Ｋ）を有するだけでなく、柔軟性や耐熱性に優れた材料であり、放熱材料として高いポテンシャルを有している。
カーボンナノチューブを用いた熱伝導シートとしては、樹脂中にカーボンナノチューブを分散した熱伝導シートや、基板上に配向成長したカーボンナノチューブ束を樹脂等によって埋め込んだ熱伝導シートが提案されている。
特開２００５−１５０３６２号公報 特開２００６−１００５７２号公報 特開２００６−１４７８０１号公報 特開２００６−３０３２４０号公報
しかしながら、カーボンナノチューブを用いた従来の熱伝導シートでは、カーボンナノチューブの有する高い熱伝導度を充分に生かすことができなかった。
本発明の目的は、発熱体からの熱を高効率で放熱しうる電子部品及びその製造方法を提供することにある。
実施形態の一観点によれば、第１の基板上に、複数の炭素元素の線状構造体と、複数の前記線状構造体間に配置された熱可塑性樹脂の充填層とを有する放熱材料を配置する工程と、前記放熱材料上に、吸取紙を配置する工程と、前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、複数の前記線状構造体上の前記熱可塑性樹脂を前記吸取紙により吸い取る工程と、前記吸取紙を除去する工程と、冷却して前記熱可塑性樹脂を固化し、前記放熱材料を前記第１の基板に接着する工程とを有する電子部品の製造方法が提供される。
また、実施形態の他の観点によれば、放熱板と、前記放熱板上に形成された放熱材料とを有し、前記放熱材料は、一端部が前記放熱板に直に接続された複数の炭素元素の線状構造体と、前記放熱板に接して形成され、複数の前記線状構造体間に配置された熱可塑性樹脂の充填層と、前記充填層から露出した複数の前記線状構造体の他端部に形成され、前記熱可塑性樹脂よりも熱伝導率の高い被膜とを有する電子部品が提供される。
開示の電子部品の製造方法によれば、複数の炭素元素の線状構造体と、複数の線状構造体間に配置された熱可塑性樹脂の充填層とを有する放熱材料を基板上に接着する際に、熱可塑性樹脂が広がって線状構造体がばらけるのを防止することができる。これにより、放熱材料自体の熱抵抗の増加や、基板に対する放熱材料の接触熱抵抗の増加を防止することができる。
また、開示の電子部品によれば、放熱体及び発熱体に対する接触熱抵抗を大幅に低減することができる。これにより、半導体素子から発せられる熱の放熱効率を高めることができ、電子機器の信頼性を向上することができる。
図１は、第１実施形態による電子部品の構造を示す斜視図である。 図２は、第１実施形態による電子部品の製造方法を示す斜視図（その１）である。 図３は、第１実施形態による電子部品の製造方法を示す斜視図（その２）である。 図４は、第１実施形態による電子部品の製造方法を示す斜視図（その３）である。 図５は、第１実施形態による電子部品の製造方法を示す斜視図（その４）である。 図２は、第１実施形態による電子部品の製造方法を示す斜視図（その５）である。 図３は、第１実施形態による電子部品の製造方法を示す斜視図（その６）である。 図４は、第１実施形態による電子部品の製造方法を示す斜視図（その７）である。 図５は、第１実施形態による電子部品の製造方法を示す斜視図（その８）である。 図２は、第１実施形態による電子部品の製造方法を示す斜視図（その９）である。 図３は、第１実施形態による電子部品の製造方法を示す斜視図（その１０）である。 図４は、第１実施形態による電子部品の製造方法を示す斜視図（その１１）である。 図１３は、第２実施形態による電子部品の構造を示す斜視図である。 図１４は、第３実施形態による電子機器の構造を示す概略断面図である。 図１５は、第３実施形態による電子機器の製造方法を示す工程断面図（その１）である。 図１６は、第３実施形態による電子機器の製造方法を示す工程断面図（その２）である。 図１７は、第３実施形態による電子機器の製造方法を示す工程断面図（その３）である。
［第１実施形態］
第１実施形態による電子部品及びその製造方法について図１乃至図１２を用いて説明する。
図１は、本実施形態による電子部品の構造を示す斜視図である。図２乃至図１２は、本実施形態による電子部品の製造方法を示す斜視図である。
はじめに、本実施形態による電子部品の構造について図１を用いて説明する。
本実施形態による電子部品は、図１に示すように、ヒートスプレッダとしての放熱板２４上に、サーマルインターフェイスマテリアルとしてのシート状構造体であるカーボンナノチューブシート２２が形成されたものである。
カーボンナノチューブシート２２は、シートの膜厚方向、すなわちシートの面と交差する方向に配向し、互いに間隔を開けて配置された複数のカーボンナノチューブ１４を有している。複数のカーボンナノチューブ１４の一端部（図面において下側）は、放熱板２４に直にコンタクトしている。複数のカーボンナノチューブ１４の他端部（図面において上側）には、被膜１６が形成されている。カーボンナノチューブ１４の間隙には熱可塑性樹脂の充填層２０が形成されており、充填層２０によってカーボンナノチューブ１４が支持されている。被膜１６が形成されたカーボンナノチューブ１４の端部は、充填層２０から露出している。
カーボンナノチューブ１４は、単層カーボンナノチューブ及び多層カーボンナノチューブのいずれでもよい。カーボンナノチューブ１４の面密度は、特に限定されるものではないが、放熱性及び電気伝導性の観点からは、１×１０１０本／ｃｍ２以上であることが望ましい。
カーボンナノチューブ１４の長さは、特に限定されるものではないが、好ましくは５μｍ〜５００μｍ程度の値に設定することができる。カーボンナノチューブシート２２を本実施形態のように発熱源（例えばＩＣチップ）と放熱部品（例えばヒートスプレッダ）との間に形成するサーマルインターフェイスマテリアルとして使用する場合、少なくとも発熱源及び放熱部品の表面の凹凸を埋める長さ以上であることが望ましい。
前述のように、複数のカーボンナノチューブ１４の一端部は、充填層２０の熱可塑性樹脂を介さずに、放熱板２４に直にコンタクトしている。これにより、カーボンナノチューブ１４と放熱板２４との間の接触熱抵抗を大幅に低減することができ、カーボンナノチューブ１４と放熱板２４との間の熱伝導効率を大幅に高めることができる。
また、複数のカーボンナノチューブ１４の他端部は、充填層２０の表面から露出している。これにより、カーボンナノチューブシート２２を発熱体に接触したとき、被膜１６で覆われたカーボンナノチューブ１４の端部が発熱体に対して直に接させることができる。これにより、カーボンナノチューブ１４と発熱体との間の接触熱抵抗を大幅に低減することができ、カーボンナノチューブ１４と発熱体との間の熱伝導効率を大幅に高めることができる。
これにより、発熱体から発せられた熱を、カーボンナノチューブシート２２を介して放熱板２４に効率的に伝達して放熱することができ、発熱体の温度上昇を抑制することができる。
被膜１６は、発熱体に対するカーボンナノチューブ１４の接触熱抵抗を低減するためのものである。被膜１６を設けることにより、被膜１６を設けない場合と比較して、カーボンナノチューブシート２２の発熱体に対する接触面積を増加することができる。これにより、カーボンナノチューブ２２と発熱体との間の接触熱抵抗が低減され、カーボンナノチューブシート２２の熱伝導性を向上することができる。
また、カーボンナノチューブ１４の長さにばらつきが生じ、一部のカーボンナノチューブ１４が発熱体に直に接触できないような場合にも、被膜１６を介した横方向の熱伝導により、放熱に寄与するカーボンナノチューブ１４の実質的な本数を増加することができる。これにより、カーボンナノチューブシート２２の熱伝導性を向上することができる。
被膜１６を形成する材料は、熱伝導率の高い材料であれば、例えば、充填層２０を形成する熱可塑性樹脂よりも熱伝導率の高い材料であれば、特に限定されるものではない。
被膜１６の膜厚は、製造過程において熱可塑性樹脂フィルム１８の浸透を阻害しない膜厚であれば、特に限定されるものではない。被膜１６の膜厚は、熱可塑性樹脂フィルム１８の浸透性、カーボンナノチューブシート２２に要求される特性、被膜１６の構成材料等に応じて適宜設定することが望ましい。
なお、被膜１６の熱抵抗は、カーボンナノチューブ１４の熱抵抗の１／１００以下であることが望ましい。被膜１６の熱抵抗が大きすぎると、カーボンナノチューブ１４の高い熱伝導率を十分に生かせなくなるからである。すなわち、カーボンナノチューブ１４の長さをＴcnt、熱抵抗率をλcnt、被膜１６の厚さをＴcoat、熱抵抗率をλcoatとして、
λcnt×Ｔcnt＞λcoat×Ｔcoat×１００
の関係を満たすことが望ましい。
充填層２０は、熱可塑性樹脂によって形成されている。充填層２０を形成する熱可塑性樹脂は、温度に応じて液体と固体との間で可逆的に状態変化するものであり、室温では固体であり、加熱すると液状に変化し、冷却すると接着性を発現しつつ固体に戻るものであれば、特に限定されるものではない。
充填層２０を形成する熱可塑性樹脂は、本実施形態による電子部品が接続される放熱体の放熱温度等に応じて、熱可塑性樹脂の融解温度をもとに選択することができる。熱可塑性樹脂の融解温度の下限値は、稼働時の発熱温度の上限値よりも高いことが望ましい。稼働時に熱可塑性樹脂が融解すると、カーボンナノチューブシート２２が変形してカーボンナノチューブ１４が配向性を損なうなど、熱伝導性を低下するなどの不具合を引き起こす虞があるからである。熱可塑性樹脂の融解温度の上限値は、発熱体及び放熱体の耐熱温度の下限値よりも低いことが望ましい。カーボンナノチューブシート２２の充填層２０は、発熱体に接触させた後にリフローを行うことが望ましいが、熱可塑性樹脂の融解温度が耐熱温度より高いと、発熱体及び／又は放熱体にダメージを与えることなくリフローをすることが困難となるからである。
例えば、本実施形態の電子部品をＣＰＵなどの電子機器の放熱用途に用いる場合、ＣＰＵ稼働時の発熱温度の上限がおよそ１２５℃であり、ＣＰＵ電子部品の耐熱温度がおよそ２５０℃であることに鑑み、融解温度が１２５℃〜２５０℃程度の熱可塑性樹脂が好適である。
また、充填層２０には、必要に応じて、添加物を分散混合してもよい。添加物としては、例えば、熱伝導性の高い物質が考えられる。充填層２０部分に熱伝導性の高い添加物を分散混合することにより、充填層２０部分の熱伝導率を向上することができ、カーボンナノチューブシート２２の全体としての熱伝導率を向上することができる。熱伝導性の高い材料としては、カーボンナノチューブ、金属材料、窒化アルミニウム、シリカ、アルミナ、グラファイト、フラーレン等を適用することができる。
放熱板２４は、銅などの高い熱伝導度を有する材料により形成されたものであり、カーボンナノチューブシート２２を介して接続される放熱体（例えばＩＣチップ）から発せられる熱を放熱するためのものである。
次に、本実施形態による電子部品の製造方法について図２乃至図１２を用いて説明する。
まず、カーボンナノチューブ１４を成長するための土台として用いる基板１０を用意する。基板１０には、特に限定されるものではが、例えば、シリコン基板などの半導体基板、アルミナ（サファイア）基板、ＭｇＯ基板、ガラス基板などの絶縁性基板、金属基板などを用いることができる。また、これら基板上に薄膜が形成されたものでもよい。例えば、シリコン基板上に膜厚３００ｎｍ程度のシリコン酸化膜が形成されたものを用いることができる。
基板１０は、カーボンナノチューブ１４の成長後に剥離されるものである。この目的のもと、基板１０としては、カーボンナノチューブ１４の成長温度において変質しないことが望ましい。また、少なくともカーボンナノチューブ１４に接する面がカーボンナノチューブ１４から容易に剥離できる材料によって形成されていることが望ましい。或いは、少なくともカーボンナノチューブ１４に接する部分が、カーボンナノチューブ１４に対して選択的にエッチングできる材料によって形成されている基板１０を用いてもよい。
次いで、基板１０上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚２．５ｎｍのＦｅ（鉄）膜を形成し、Ｆｅの触媒金属膜１２を形成する。なお、触媒金属膜１２は、必ずしも基板１０上の全面に形成する必要はなく、例えばリフトオフ法を用いて基板１０の所定の領域上に選択的に形成するようにしてもよい。
触媒金属としては、Ｆｅのほか、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）又はこれらのうち少なくとも一の材料を含む合金を用いてもよい。また、触媒として、金属膜以外に、微分型静電分級器（ＤＭＡ：differential mobility analyzer）等を用い、予めサイズを制御して作製した金属微粒子を用いてもよい。この場合も、金属種については薄膜の場合と同様でよい。
また、これら触媒金属の下地膜として、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔｉ（チタン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）、ＴａＮ（窒化タンタル）、ＴｉＳｉｘ（チタンシリサイド）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＴｉＯｘ（酸化チタン）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、ＴｉＮ（窒化チタン）などの膜又はこれらのうち少なくとも一の材料を含む合金からなる膜を形成してもよい。例えば、Ｆｅ（２．５ｎｍ）／Ａｌ（１０ｎｍ）の積層構造、Ｃｏ（２．６ｎｍ）／ＴｉＮ（５ｎｍ）の積層構造等を適用することができる。金属微粒子を用いる場合は、例えば、Ｃｏ（平均直径：３．８ｎｍ）／ＴｉＮ（５ｎｍ）などの積層構造を適用することができる。
次いで、基板１０上に、例えばホットフィラメントＣＶＤ法により、触媒金属膜１２を触媒として、カーボンナノチューブ１４を成長する。カーボンナノチューブ１４の成長条件は、例えば、原料ガスとしてアセチレン・アルゴンの混合ガス（分圧比１：９）を用い、成膜室内の総ガス圧を１ｋＰａ、ホットフィラメント温度を１０００℃、成長時間を２０分とする。これにより、層数が３層〜６層（平均４層程度）、直径が４ｎｍ〜８ｎｍ（平均６ｎｍ）、長さが８０μｍ（成長レート：４μｍ／ｍｉｎ）の多層カーボンナノチューブを成長することができる。なお、カーボンナノチューブ１４は、熱ＣＶＤ法やリモートプラズマＣＶＤ法などの他の成膜方法により形成してもよい。また、成長するカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブでもよい。また、炭素原料としては、アセチレンのほか、メタン、エチレン等の炭化水素類や、エタノール、メタノール等のアルコール類などを用いてもよい。
カーボンナノチューブ１４の長さは、特に限定されるものではないが、好ましくは５μｍ〜５００μｍ程度の値に設定することができる。サーマルインターフェイスマテリアルとして使用する場合、少なくとも発熱源及び放熱部品の表面の凹凸を埋める長さ以上であることが望ましい。
こうして、基板１０上に、基板１０の法線方向に配向（垂直配向）した複数のカーボンナノチューブ１４を形成する（図２）。なお、上記の成長条件で形成したカーボンナノチューブ１４では、カーボンナノチューブ１４の面密度は、１×１０１１本／ｃｍ２程度であった。これは、基板１０表面の面積のおよそ１０％の領域上にカーボンナノチューブ１４が形成されていることに相当する。
次いで、必要に応じて、カーボンナノチューブ１４上に、例えば蒸着法により、例えば膜厚数百ｎｍ程度の膜厚のＡｕ（金）堆積し、Ａｕの被膜１６を形成する。被膜１６は、カーボンナノチューブ１４にダメージを与えない方法であれば、他の成膜方法（例えばスパッタ法等）を用いて形成してもよい。
被膜１６を形成する材料は、必ずしもＡｕである必要はないが、熱伝導率の高い材料であることが望ましい。カーボンナノチューブ１４を電気伝導用途にも利用する場合には、導電性を有する材料、例えば、金属や合金等を適用することができる。被膜１６の構成材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、インジウム（Ｉｎ）等を用いることができる。また、被膜１６は、単層構造である必要はなく、例えばチタン（Ｔｉ）と金（Ａｕ）との積層構造など、２層或いは３層以上の積層構造であってもよい。
被膜１６は、成長初期段階では、例えば図３に示すように、各カーボンナノチューブ１４の先端部分を覆うように形成される。成長膜厚が増加してくると、隣接する各カーボンナノチューブ１４の先端部分に形成された被膜１６が互いに接続されるようになる。これにより、被膜１６は、例えば図４に示すように、複数本の各カーボンナノチューブ１４の先端部分を束ねるように形成される。被膜１６の成長膜厚を更に増加すると、被膜１６がシートの表面に平行な２次元方向に完全に接続され、隙間のない完全な膜となる。
被膜１６の膜厚は、充填層２０を形成する際の充填材（熱可塑性樹脂）の浸透性等を考慮して、カーボンナノチューブ１４の直径や面密度に応じて適宜設定することが望ましい。
例えば、カーボンナノチューブ１４の直径が１０ｎｍ、面密度が１×１０１１ｃｍ−２の場合、互いに隣接するカーボンナノチューブ１２の間隙はおよそ５０ｎｍである。この場合、隣接するカーボンナノチューブ１２間が被膜１６により接続されるためには、少なくとも間隙の半分以上の膜厚、すなわち膜厚２５ｎｍ程度以上の被膜１６を形成することが望ましい。また、被膜１６を厚くしすぎると被膜１６が隙間のない完全な膜となり充填材の浸透性が低下するため、被膜１６の上限膜厚は、充填材の浸透性の面から設定することが望ましい。これらの観点から、上記条件のカーボンナノチューブ１２では、被膜１６の膜厚は、２５ｎｍ〜１０００ｎｍ程度に設定することが望ましい。
なお、被膜１６は、必ずしも隣接するカーボンナノチューブ１４が互いに接続されるに十分な膜厚を形成する必要はないが、これには被膜１６によって複数本のカーボンナノチューブ１４を束ねる効果がある（図４参照）。これにより、後工程で充填層２０をカーボンナノチューブ１４間に浸透させる際にカーボンナノチューブ１４同士がばらばらになることを抑制することができる。また、被膜１６を介した横方向への熱の伝導も可能となる。
次いで、被膜１６を形成したカーボンナノチューブ１４上に、フィルム状に加工した熱可塑性樹脂（熱可塑性樹脂フィルム１８）を載置する（図５）。
熱可塑性樹脂フィルム１８の熱可塑性樹脂としては、例えば、以下に示すホットメルト樹脂を適用することができる。ポリアミド系ホットメルト樹脂としては、例えば、ヘンケルジャパン株式会社製の「Ｍｉｃｒｏｍｅｌｔ６２３９」が挙げられる。また、ポリエステル系ホットメルト樹脂としては、例えば、ノガワケミカル株式会社製の「ＤＨ５９８Ｂ」が挙げられる。また、ポリウレタン系ホットメルト樹脂としては、例えば、ノガワケミカル株式会社製の「ＤＨ７２２Ｂ」が挙げられる。また、ポリオレフィン系ホットメルト樹脂としては、例えば、松村石油株式会社製の「ＥＰ−９０」が挙げられる。また、エチレン共重合体ホットメルト樹脂としては、例えば、ノガワケミカル株式会社製の「ＤＡ５７４Ｂ」が挙げられる。また、ＳＢＲ系ホットメルト樹脂としては、例えば、横浜ゴム株式会社製の「Ｍ−６２５０」が挙げられる。また、ＥＶＡ系ホットメルト樹脂としては、例えば、住友スリーエム株式会社製の「３７４７」が挙げられる。また、ブチルゴム系ホットメルト樹脂としては、例えば、横浜ゴム株式会社製の「Ｍ−６１５８」が挙げられる。
ここでは、一例として、ヘンケルジャパン株式会社製の「Ｍｉｃｒｏｍｅｌｔ６２３９」を厚さ１００μｍのフィルム状に加工した熱硬化性樹脂フィルム１８を用いた場合について説明する。なお、「Ｍｉｃｒｏｍｅｌｔ６２３９」は、融解温度が１３５℃〜１４５℃、融解時粘度が５．５Ｐａ．ｓ〜８．５Ｐａ．ｓ（２２５℃）のホットメルト樹脂である。
次いで、熱可塑性樹脂フィルム１８を載置した基板１０を、例えば１９５℃の温度で加熱する。必要に応じて、熱可塑性樹脂フィルム１８上から押圧してもよい。これにより、熱可塑性樹脂フィルム１８の熱可塑性樹脂が融解し、カーボンナノチューブ１４の間隙に徐々に浸透していく。こうして、熱可塑性樹脂フィルム１８を、基板１０の表面に達しない程度まで浸透させる。
熱可塑性樹脂を予めシート状に加工しておくことにより、そのシート膜厚で充填材量のコントロールが可能となる。これにより、加熱温度や加熱時間のコントロールで、充填材が基板１０まで浸潤しないようにコントロールすることができる。
なお、基板１０に達しないところで熱可塑性樹脂フィルム１８の浸透を停止するのは、カーボンナノチューブ１４及び熱可塑性樹脂フィルム１８を基板１０から剥離するのを容易にするためである。基板１０に対する熱可塑性樹脂フィルム１８の粘着性が低い場合などは、基板１０に達するまで熱可塑性樹脂フィルム１８を浸透させるようにしてもよい。
カーボンナノチューブ１４の間隙に浸透する熱可塑性樹脂フィルム１８の厚さは、熱処理時間によって制御することができる。例えば、上記条件で成長した長さ８０μｍのカーボンナノチューブ１２に対しては、１９５℃で１分間の熱処理を行うことにより、熱可塑性樹脂フィルム１８が基板１０に達しない程度まで浸透させることができる。
熱可塑性樹脂フィルム１８の加熱時間は、熱可塑性樹脂フィルム１８を基板１０の表面に達しない程度に浸透させるように、カーボンナノチューブ１４の長さ、熱可塑性樹脂の融解時の粘度、熱可塑性樹脂フィルム１８の膜厚等に応じて適宜設定することが望ましい。
なお、熱可塑性樹脂の形状は、予めフィルム状に加工しておくことが好適であるが、ペレット状や棒状でも構わない。
次いで、熱可塑性樹脂フィルム１８を所定の位置まで浸透させた後、室温まで冷却し、熱可塑性樹脂フィルム１８を固化する。こうして、熱可塑性樹脂フィルム１８の熱可塑性樹脂により形成され、カーボンナノチューブ１４の間隙に充填された充填層２０を形成する（図６）。
次いで、カーボンナノチューブ１４及び充填層２０を基板１０から剥離し、サーマルインターフェイスマテリアルとしてのカーボンナノチューブシート２２を得る（図７）。
この後、カーボンナノチューブ１４の基板１０から剥離した側の端部に、被膜１６と同様の被膜を形成するようにしてもよい。
次いで、ヒートスプレッダ等の放熱板２４上に、カーボンナノチューブシート２２を、カーボンナノチューブ１４の基板１０から剥離した側の端部が放熱板２４側に位置するように、載置する（図８）。カーボンナノチューブ１４の基板１０から剥離した側の端部は、基板１０の表面を反映した平坦な面を形成しており、また、充填層２０により覆われていないため、放熱板２４の表面に確実に接触される。
次いで、カーボンナノチューブシート２２の充填層２０上に、吸取紙２６を載置する。吸取紙２６は、融解した熱可塑性樹脂材料を吸い取ることができる素材のシートである。一般的な吸取紙は、表面処理をして隙間を適度に多くした繊維状素材であり、例えば、古紙パルプ配合率１００％の表紙と、古紙パルプ配合率７０％の本体とにより形成される。このような吸取紙２６としては、例えば、コクヨ株式会社製の吸取紙「シム−１Ｎ」等が挙げられる。
次いで、充填層２０の熱可塑性樹脂の融解温度、例えば１９５℃の温度で加熱した状態で吸取紙２６上から押圧する（図９）。これにより、放熱板２４に達するまで充填層２０をカーボンナノチューブ１４間に浸透させる。吸取紙２６上から加える圧力は、カーボンナノチューブ１４の形状変化を引き起こさない程度の圧力であれば、特に限定されるものではなく、例えば、数百グラム程度の錘を載置することにより行うことができる。
ここで、吸取紙２６を用いるのは、充填層２０の余分な熱可塑性樹脂を吸い取り、カーボンナノチューブ１４がばらけるのを防止するためである。例えば、カーボンナノチューブ１４の長さに比して熱可塑性樹脂フィルム１８の膜厚が極めて厚いような場合、熱可塑性樹脂フィルム１８を浸透させる際に加える圧力によって熱可塑性樹脂が横方向にも広がり、カーボンナノチューブ１４がばらけることがある。カーボンナノチューブ１４がばらけると、カーボンナノチューブ１４が配向性を失うなど、接触熱抵抗の増加や熱伝導性の低下を引き起こす原因となる。余分な熱可塑性樹脂を吸取紙２６によって吸い取ることにより、カーボンナノチューブ１４がばらけることなく、放熱板２４に達するまで充填層２０を容易に浸透させることができる。
また、吸取紙２６を用いることには、使用する熱可塑性樹脂フィルム１８の厚さの許容範囲を広げることができるというメリットもある。これにより、市販されている熱可塑性樹脂フィルムを使用する自由度が増し、生産性を向上することができる。熱可塑性樹脂フィルムは市販されてもいるが、薄いものでも１００μｍ程度のものが一般的である。長さ数十μｍのカーボンナノチューブ１４に対して市販の熱可塑性樹脂フィルム１８を用いる場合などには、特に有効である。
次いで、加熱した状態のままで吸取紙２６を取り除いた後、室温まで冷却し、充填層２０の熱可塑性樹脂を固化する。この際、熱可塑性樹脂は接着性を発現し、放熱板２４とカーボンナノチューブシート２２とが接着される（図１０）。
なお、充填層２０を放熱板２４に達するまで浸透させる処理と、余分な熱可塑性樹脂を吸取紙２６によって吸い取る処理とは、別々に行うこともできる。
例えば、まず、カーボンナノチューブシート２２の充填層２０上に、熱可塑性樹脂に接着しない材料の板（以下、「押圧板」という）を載置する。押圧板としては、例えば、テフロン（登録商標）板や、市販の熱可塑性樹脂フィルムに貼付されている剥離紙を用いることができる。
次いで、充填層２０の熱可塑性樹脂の融解温度、例えば１９５℃の温度で加熱した状態で押圧板上から押圧し、充填層２０を放熱板２４に達するまで浸透させる。
次いで、室温まで冷却した後、押圧板を除去する。
次いで、カーボンナノチューブシート２２の充填層２０上に、吸取紙２６を載置する。
次いで、充填層２０の熱可塑性樹脂の融解温度、例えば１９５℃の温度で加熱した状態で吸取紙２６上から押圧し、充填層２０の余分な熱可塑性樹脂を吸取紙２６により吸い取る。
次いで、加熱した状態のままで吸取紙２６を取り除いた後、室温まで冷却し、充填層２０の熱可塑性樹脂を固化する。
このようにして、充填層２０を放熱板２４に達するまで浸透させるとともに、余分な熱可塑性樹脂を吸取紙２６によって吸い取る。
充填層２０の熱可塑性樹脂は、カーボンナノチューブ１４の端部と放熱板２４とがコンタクトした状態で浸透していくため、カーボンナノチューブ１４と放熱板２４との界面に熱可塑性樹脂が入り込むことはない。これにより、カーボンナノチューブ１４と放熱板２４との間の接触熱抵抗が増加するのを防止することができる。
次いで、必要に応じて、充填層２０の表面部を除去する処理を行う（図１１）。この処理は、被膜１６上の熱可塑性樹脂が吸取紙２６だけでは十分に除去できない場合を考慮したものである。
充填層２０の表面部を除去する処理には、例えば、ドライエッチングや、エタノール等の有機溶剤により拭き取る処理を適用することができる。ドライエッチングには、例えば、平行平板型ドライエッチング装置により、エッチングガスとして酸素を用い、数十ワット、数分間の処理を適用することができる。被膜１６は、充填層２０の熱可塑性樹脂をエッチングする際にカーボンナノチューブ１４を保護する役割をも有する。
なお、吸取紙２６により熱可塑性樹脂を吸い取らず、ドライエッチングのみによって余分な熱可塑性樹脂を除去することも考えられるが、ドライエッチングの処理時間が長くなるため好ましくない。ドライエッチングの処理時間が長くなると、温度上昇によって熱可塑性樹脂が融解し、カーボンナノチューブ１４の配向性に影響を与えることがある。かかる観点から、ドライエッチングによる熱可塑性樹脂の除去は、吸取紙２６により余分な熱可塑性樹脂を除去した後に行うことが望ましい。
このようにして、充填層２０の表面から、被膜１６により覆われたカーボンナノチューブ１４の端部を露出する（図１２）。
こうして、放熱板２４上にサーマルインターフェイスマテリアルとしてのカーボンナノチューブシート２２が一体形成された本実施形態による電子部品を完成する。
このように、本実施形態によれば、カーボンナノチューブシートを放熱板に熱圧着する際に、吸取紙を介してカーボンナノチューブシートを押圧して余分な熱可塑性樹脂を吸い取るので、熱可塑性樹脂が広がってカーボンナノチューブがばらけるのを防止することができる。これにより、カーボンナノチューブシート自体の熱抵抗の増加や放熱板に対する接触熱抵抗の増加を防止することができる。
また、本実施形態によれば、カーボンナノチューブの一端部を放熱体に直にコンタクトさせることができる。これにより、カーボンナノチューブシートと放熱体との間の接触熱抵抗を大幅に低減することができる。また、カーボンナノチューブの他端部は、充填層から露出している。これにより、カーボンナノチューブシートを発熱体に接触させる際に、カーボンナノチューブの他端部を発熱体に直にコンタクトさせることができる。これにより、カーボンナノチューブシートと発熱体との間の接触熱抵抗を大幅に低減することができる。したがって、発熱体から発せられる熱を放熱体から高効率で放熱することができ、電子機器の信頼性を向上することができる。
［第２実施形態］
第２実施形態による電子部品及びその製造方法について図１３を用いて説明する。
図１３は、本実施形態による電子部品の構造を示す斜視図である。
本実施形態による電子部品は、図１３に示すように、放熱板２４に凹部２８が形成されていることの他は、図１に示す第１実施形態による電子部品と同様である。
凹部２８は、放熱板２４のカーボンナノチューブシート２２の接続部分に形成されている。放熱板２４に凹部２８を形成しておくことにより、放熱板２４上にカーボンナノチューブシート２２を接着させる際に、融解した熱可塑性樹脂が放熱板２４上で横方向に広がるのを抑制することができる。これにより、カーボンナノチューブ１４がばらけるのを効果的に防止することができ、接触熱抵抗の増加や熱伝導性の低下を抑制することができる。
このように、本実施形態によれば、カーボンナノチューブがばらけるのを効果的に防止し、接触熱抵抗の増加や熱伝導性の低下を抑制することができる。
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による電子機器及びその製造方法について図１４乃至図１７を用いて説明する。
図１４は、本実施形態による電子機器の構造を示す概略断面図である。図１５乃至図１７は、本実施形態による電子機器の製造方法を示す工程断面図である。
はじめに、本実施形態による電子機器の構造について図１４を用いて説明する。
回路基板やビルドアップ基板等の基板３０上には、例えばＣＰＵなどの半導体素子３４が実装されている。半導体素子３４は、はんだバンプなどの突起状電極３２を介して基板３０に電気的に接続されている。
半導体素子３４上には、半導体素子３４を覆うように、半導体素子３４からの熱を拡散するためのヒートスプレッダ３８が形成されている。半導体素子３４とヒートスプレッダ３８との間には、サーマルインターフェイスマテリアルとしてのカーボンナノチューブシート３６が形成されている。ヒートスプレッダ３８は、例えば有機シーラント４０によって基板３０に接着されている。カーボンナノチューブシート３６及びヒートスプレッダ３８は、第１又は第２実施形態による電子部品を用いて形成されたものである。
次に、本実施形態による電子機器の製造方法について図１５乃至図１７を用いて説明する。
まず、基板３０上に、突起状電極３２を介して半導体素子３４を実装する（図１５）。
次いで、基板３０上に、ヒートスプレッダ３８を固定するための有機シーラント４０を塗布する。
次いで、基板３０上に実装した半導体素子３４上に、第１又は第２実施形態に記載の電子部品４２を載置する（図１６）。電子部品４２は、ヒートスプレッダ３８と、ヒートスプレッダに接続されたカーボンナノチューブシート３６とを含む。ヒートスプレッダ３８は第１又は第２実施形態による電子部品の放熱板２４に該当し、カーボンナノチューブシート３６は第１又は第２実施形態による電子部品のカーボンナノチューブシート２２に該当するものである。
この際、カーボンナノチューブシート３６の表面には、被膜１６で覆われたカーボンナノチューブ１４の端部が露出しているため、被膜１６で覆われたカーボンナノチューブ１４の端部は、半導体素子３４に直にコンタクトする。
次いで、ヒートスプレッダ３８に荷重をかけた状態で熱処理を行う。充填層２０として例えばヘンケルジャパン株式会社製の「Ｍｉｃｒｏｍｅｌｔ６２３９」を用いたカーボンナノチューブシート３６では、例えば荷重０．２５ＭＰａを加えた状態で、例えば１９５℃、１０分間の熱処理を行う。
この熱処理により、カーボンナノチューブシート３６の充填層２０を形成する熱可塑性樹脂が液状融解し、半導体素子３４及びヒートスプレッダ３８の表面凹凸に沿ってカーボンナノチューブシート３６が変形する。また、カーボンナノチューブシート３６内のカーボンナノチューブ１４は、充填層２０による拘束がゆるみ、半導体素子３４及びヒートスプレッダ３８が有する凹凸形状に追従して撓むことができる。これにより、半導体素子３４及びヒートスプレッダ３８に直に接するカーボンナノチューブ１４が増加し、カーボンナノチューブシート３６と半導体素子３４及びヒートスプレッダ３８との間の接触熱抵抗を大幅に低減することができる。
次いで、室温まで冷却し、充填層２０の熱可塑性樹脂を固化するとともに、ヒートスプレッダ３８を有機シーラント４０によって基板３０上に固定する（図１７）。この際、充填層２０の熱可塑性樹脂は接着性を発現し、半導体素子３４とヒートスプレッダ３８との間をカーボンナノチューブシート３６によって接着固定することができる。これにより、室温に冷却した後も、カーボンナノチューブシート３６と半導体素子３４及びヒートスプレッダ３８との間の低い接触熱抵抗を維持することができる。
このように、本実施形態によれば、第１又は第２実施形態による電子部品を用いて電子機器を組み立てるので、カーボンナノチューブシートのカーボンナノチューブの両端部を放熱体及び発熱体に直に接触させることができる。これにより、カーボンナノチューブシートと放熱体及び発熱体との間の接触熱抵抗を大幅に低減することができる。これにより、半導体素子から発せられる熱の放熱効率を高めることができ、電子機器の信頼性を向上することができる。
［変形実施形態］
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、炭素元素の線状構造体を用いた放熱材料の例としてカーボンナノチューブシートを示したが、炭素元素の線状構造体を用いた放熱材料は、これに限定されるものではない。炭素元素の線状構造体は、炭素の六員環構造を有するグラフェンシートが筒状なったものであり、カーボンナノチューブのほか、カーボンナノワイヤ、カーボンロッド、カーボンファイバをも含むものである。これら線状構造体は、サイズが異なるほかは、カーボンナノチューブと同様である。これら線状構造体を用いた放熱材料においても適用することができる。
また、第１実施形態では、放熱板２４とは別の基板１０上にカーボンナノチューブシート２２を形成後、シートを放熱板２４上に接着したが、基板１０の代わりに放熱板２４を用い、放熱板２４上に直にカーボンナノチューブシート２２を形成するようにしてもよい。
また、上記実施形態に記載の構成材料や製造条件は、当該記載に限定されるものではなく、目的等に応じて適宜変更が可能である。
また、カーボンナノチューブシートの使用目的も、上記実施形態に記載のものに限定されるものではない。開示のカーボンナノチューブシートは、熱伝導シートとしては、例えば、ＣＰＵの放熱シート、無線通信基地局用高出力増幅器、無線通信端末用高出力増幅器、電気自動車用高出力スイッチ、サーバー、パーソナルコンピュータなどへの適用が考えられる。
また、カーボンナノチューブの高い許容電流密度特性を利用して、縦型配線シートやこれを用いた種々のアプリケーションにも適用可能である。
以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１） 第１の基板上に、複数の炭素元素の線状構造体と、複数の前記線状構造体間に配置された熱可塑性樹脂の充填層とを有する放熱材料を配置する工程と、
前記放熱材料上に、吸取紙を配置する工程と、
前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、複数の前記線状構造体上の前記熱可塑性樹脂を前記吸取紙により吸い取る工程と、
前記吸取紙を除去する工程と、
冷却して前記熱可塑性樹脂を固化し、前記放熱材料を前記第１の基板に接着する工程と
を有することを特徴とする電子部品の製造方法。
（付記２） 付記１記載の電子部品の製造方法において、
前記放熱材料を配置する工程では、前記充填層から露出した複数の前記線状構造体の一端部が前記第１の基板に直に接するように、前記放熱材料を前記第１の基板上に配置する
ことを特徴とする電子部品の製造方法。
（付記３） 付記１又は２記載の電子部品の製造方法において、
前記放熱材料を前記第１の基板に接着する工程の後に、複数の前記線状構造体の他端部を前記充填層から露出させる工程を更に有する
ことを特徴とする電子部品の製造方法。
（付記４） 付記１乃至３のいずれか１項に記載の電子部品の製造方法において、
前記熱処理により、前記熱可塑性樹脂を前記第１の基板の表面まで浸透させる
ことを特徴とする電子部品の製造方法。
（付記５） 付記１乃至３のいずれか１項に記載の電子部品の製造方法において、
前記放熱材料を配置する工程の後、前記吸取紙を配置する工程の前に、
前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、前記熱可塑性樹脂を前記第１の基板の表面まで浸透させる工程を更に有する
ことを特徴とする電子部品の製造方法。
（付記６） 付記１乃至５のいずれか１項に記載の電子部品の製造方法において、
前記吸取紙上から圧力を印加しながら前記熱処理を行う
ことを特徴とする電子部品の製造方法。
（付記７） 付記１乃至６のいずれか１項に記載の電子部品の製造方法において、
前記第１の基板上に前記放熱材料を配置する工程の前に、
第２の基板上に、複数の前記線状構造体を成長する工程と、
複数の前記線状構造体上に、前記熱可塑性樹脂のシートを配置する工程と、
前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、前記シートを複数の前記線状構造体間に浸透させ、前記充填層を形成する工程と、
複数の前記線状構造体及び前記充填層を前記第２の基板から剥離し、前記放熱材料を得る工程とを更に有する
ことを特徴とする電子部品の製造方法。
（付記８） 付記７記載の電子部品の製造方法において、
前記充填層を形成する工程では、前記第２の基板に達しないように前記シートを複数の前記線状構造体間に浸透させる
ことを特徴とする電子部品の製造方法。
（付記９） 付記１乃至８のいずれか１項に記載の電子部品の製造方法において、
複数の前記線状構造体の前記他端部に、前記熱可塑性樹脂よりも熱伝導率の高い被膜が形成されている
ことを特徴とする電子部品の製造方法。
（付記１０） 付記１乃至９のいずれか１項に記載の電子部品の製造方法において、
前記第１の基板は、放熱部品である
ことを特徴とする電子部品の製造方法。
（付記１１） 付記１乃至１０のいずれか１項に記載の電子部品の製造方法において、
前記第１の基板の前記放熱材料が配置される領域に凹部を形成する工程を更に有する
ことを特徴とする電子部品の製造方法。
（付記１２） 付記１乃至１１のいずれか１項に記載の電子部品の製造方法において、
前記第１の基板と前記第２の基板は、同じ基板である
ことを特徴とする電子部品の製造方法。
（付記１３） 放熱板と、
前記放熱板上に形成された放熱材料とを有し、
前記放熱材料は、一端部が前記放熱板に直に接続された複数の炭素元素の線状構造体と、前記放熱板に接して形成され、複数の前記線状構造体間に配置された熱可塑性樹脂の充填層と、前記充填層から露出した複数の前記線状構造体の他端部に形成され、前記熱可塑性樹脂よりも熱伝導率の高い被膜とを有する
ことを特徴とする電子部品。
（付記１４） 付記１３記載の電子部品において、
前記放熱板は、前記放熱材料が配置される領域に凹部を有する
ことを特徴とする電子部品。
１０，３０…基板
１２…触媒金属膜
１４，３６…カーボンナノチューブ
１６…被膜
１８…熱可塑性樹脂シート
２０…充填層
２２…カーボンナノチューブシート
２４…放熱板
２６…吸取紙
２８…凹部
３２…突起状電極
３４…半導体素子
３８…ヒートスプレッダ
４０…有機シーラント
４２…電子部品

Claims (10)

  1. 第１の基板上に、複数の炭素元素の線状構造体と、複数の前記線状構造体間に配置された熱可塑性樹脂の充填層とを有する放熱材料を配置する工程と、
    前記放熱材料上に、吸取紙を配置する工程と、
    前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、複数の前記線状構造体上の前記熱可塑性樹脂を前記吸取紙により吸い取る工程と、
    前記吸取紙を除去する工程と、
    冷却して前記熱可塑性樹脂を固化し、前記放熱材料を前記第１の基板に接着する工程と
    を有することを特徴とする電子部品の製造方法。
  2. 請求項１記載の電子部品の製造方法において、
    前記放熱材料を配置する工程では、前記充填層から露出した複数の前記線状構造体の一端部が前記第１の基板に直に接するように、前記放熱材料を前記第１の基板上に配置する
    ことを特徴とする電子部品の製造方法。
  3. 請求項１又は２記載の電子部品の製造方法において、
    前記放熱材料を前記第１の基板に接着する工程の後に、複数の前記線状構造体の他端部を前記充填層から露出させる工程を更に有する
    ことを特徴とする電子部品の製造方法。
  4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子部品の製造方法において、
    前記熱処理により、前記熱可塑性樹脂を前記第１の基板の表面まで浸透させる
    ことを特徴とする電子部品の製造方法。
  5. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子部品の製造方法において、
    前記放熱材料を配置する工程の後、前記吸取紙を配置する工程の前に、
    前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、前記熱可塑性樹脂を前記第１の基板の表面まで浸透させる工程を更に有する
    ことを特徴とする電子部品の製造方法。
  6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電子部品の製造方法において、
    前記吸取紙上から圧力を印加しながら前記熱処理を行う
    ことを特徴とする電子部品の製造方法。
  7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電子部品の製造方法において、
    前記第１の基板上に前記放熱材料を配置する工程の前に、
    第２の基板上に、複数の前記線状構造体を成長する工程と、
    複数の前記線状構造体上に、前記熱可塑性樹脂のシートを配置する工程と、
    前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、前記シートを複数の前記線状構造体間に浸透させ、前記充填層を形成する工程と、
    複数の前記線状構造体及び前記充填層を前記第２の基板から剥離し、前記放熱材料を得る工程とを更に有する
    ことを特徴とする電子部品の製造方法。
  8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電子部品の製造方法において、
    複数の前記線状構造体の前記他端部に、前記熱可塑性樹脂よりも熱伝導率の高い被膜が形成されている
    ことを特徴とする電子部品の製造方法。
  9. 放熱板と、
    前記放熱板上に形成された放熱材料とを有し、
    前記放熱材料は、一端部が前記放熱板に直に接続された複数の炭素元素の線状構造体と、前記放熱板に接して形成され、複数の前記線状構造体間に配置された熱可塑性樹脂の充填層と、前記充填層から露出した複数の前記線状構造体の他端部に形成され、前記熱可塑性樹脂よりも熱伝導率の高い被膜とを有する
    ことを特徴とする電子部品。
  10. 請求項９記載の電子部品において、
    前記放熱板は、前記放熱材料が配置される領域に凹部を有する
    ことを特徴とする電子部品。
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