JP2016149489A - 放熱シートとその製造方法、及び電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】クッション性と絶縁性とを兼ね備えた放熱シートとその製造方法、及び電子部品を提供すること。【解決手段】複数のカーボンナノチューブ４と、複数のカーボンナノチューブ４の各々の先端４ａを改質して形成され、各々の先端４ａを繋ぐダイヤモンド膜５とを有する放熱シート１による。【選択図】図５

Description

本発明は、放熱シートとその製造方法、及び電子装置に関する。

CPU(Central Processing Unit)や高周波デバイス等の電子部品は、稼働に伴い発熱するとその処理能力が低下したり故障に至ったりする。これらを防ぐため、電子部品には放熱板等の放熱部材が固着されており、その放熱部材を介して熱を外部に放熱している。

放熱を効率的に行うには、電子部品と放熱部材との間にTIM(Thermal Interface Material)を介在させるのが有効である。TIMは、電子部品と放熱部材との間の熱抵抗を低減するものであって、例えば低融点のインジウムや、樹脂に伝熱性フィラーを混合させたもの等がTIMとして用いられる。

しかし、これらのTIMは、銅等を材料とする放熱部材と比較して熱伝導率が低いため、放熱部材と電子部品との間の熱抵抗を下げるには限界がある。

そこで、TIMの代わりにカーボンナノチューブやダイヤモンド基板を用いた放熱シートを用いることが提案されている。これらの放熱シートは熱伝導率が１０００W/m・k以上にも達するため、放熱部材と電子部品との間の熱抵抗を下げることができる。

特に、カーボンナノチューブは、高い熱伝導率を持つことに加え、高いクッション性を有しており可撓性に富む。そのため、カーボンナノチューブを利用した放熱シートは、電子部品の熱膨張率が放熱部材のそれと大きく異なったとしても、電子部品と放熱部材との各々の変形に追従できる。

特表２０１３−５０１３７９号公報 特開２０１３−１６８６２１号公報 特開２００６−０４５００８号公報 特開２００７−０７０１４０号公報

ところで、高周波デバイスの中にはその放熱面に半導体基板が露出しているものがある。そのような高周波デバイスに対してカーボンナノチューブを利用した放熱シートを適用すると、導電性のカーボンナノチューブがその放熱面に接触して高周波デバイスとカーボンナノチューブとの間に意図しない電流が流れるおそれがある。

なお、ダイヤモンド基板は絶縁性であるためこのように電流が流れることはないが、ダイヤモンド基板は剛性が高いため電子部品と放熱部材との熱膨張率の差に追従するのが難しい。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、クッション性と絶縁性とを兼ね備えた放熱シートとその製造方法、及び電子部品を提供することを目的とする。

以下の開示の一観点によれば、複数のカーボンナノチューブと、複数の前記カーボンナノチューブの各々の先端を改質して形成され、各々の前記先端を繋ぐダイヤモンド膜とを有する放熱シートが提供される。

また、その開示の他の観点によれば、基板の上に複数のカーボンナノチューブを成長させる工程と、複数の前記カーボンナノチューブの各々の先端をダイヤモンドに改質することにより、前記先端を繋ぐダイヤモンド膜を形成する工程とを有する放熱シートの製造方法が提供される。

更に、その開示の別の観点によれば、電子部品と、前記電子部品の熱を外部に放熱する放熱部材と、前記電子部品と前記放熱部材との間に介在する放熱シートとを有し、前記放熱シートが、複数のカーボンナノチューブと、複数の前記カーボンナノチューブの各々の先端を改質して形成され、各々の前記先端を繋ぐダイヤモンド膜とを有する電子装置が提供される。

以下の開示によれば、カーボンナノチューブの先端を改質してダイヤモンド膜を形成する。これにより、カーボンナノチューブに由来したクッション性と、ダイヤモンド膜に由来した絶縁性とを兼ね備えた放熱シートを提供することができる。

図１（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図（その１）である。 図２（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図（その２）である。 図３（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図（その３）である。 図４（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図（その４）である。 図５は、第１実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図（その５）である。 図６（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図（その１）である。 図７（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図（その２）である。 図８は、第２実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図（その３）である。 図９は、変形例に係る電子装置の断面図である。

以下に、本実施形態について添付図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
本実施形態では、以下のようにして放熱シートにクッション性と絶縁性とを持たせる。

図１〜図４は、本実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図である。

まず、図１（ａ）に示すように、シリコン基板等の基板２の上に真空蒸着法により触媒金属３としてアルミニウム層と鉄層とをこの順に形成する。なお、アルミニウム層の厚さは例えば２nmであり、鉄層の厚さは例えば１nmである。そして、シリコン基板２の温度を４５０℃に昇温して触媒金属３を微粒子化させる。

なお、触媒金属３の堆積方法は真空蒸着法に限定されず、スパッタ法で触媒金属３を堆積してもよい。

続いて、図１（ｂ）に示すように、触媒金属３を触媒にしながら、熱CVD(Chemical Vapor Deposition)法により触媒金属３の上に複数のカーボンナノチューブ４を成長させる。カーボンナノチューブ４の成長条件は特に限定されない。この例では、触媒金属３を堆積するのに使用したプロセスチャンバを引き続き用い、そのチャンバ内にプロセスガスとしてアセチレンガスを導入すると共に、基板温度を８００℃とする。

この成長条件によれば、均一な長さのカーボンナノチューブ４が１cm²当たり少なくとも１０^１２本の密度で５０μｍ〜３００μｍ程度の長さに成長する。

なお、カーボンナノチューブ４の長さの下限を５０μmとしたのは、これよりも短いとカーボンナノチューブ４のクッション性が低下するためである。また、カーボンナノチューブ４の長さの上限を３００μmとしたのは、これよりも長いと熱がカーボンナノチューブを伝う距離が長くなって放熱効率が低下するためである。

次に、図２（ａ）に示すように、マイクロ波プラズマCVD装置の不図示のプロセスチャンバ内に基板２を入れた後、基板温度を８００℃に維持しながら、そのプロセスチャンバ内に炭化水素ガスを含むプロセスガスを導入する。

本実施形態では、そのプロセスガスとして、水素ガスとアルゴンガスとの混合ガスに炭化水素ガスとしてメタンが１％の濃度で添加されたガスを使用する。そして、そのプロセスガスを上記のプロセスチャンバ内に１００sccm〜１０００sccmの流量で導入し、プロセスチャンバ内の圧力を２kPa〜５kPaに維持する。

そして、出力が数百W〜１kWのマイクロ波でそのプロセスガスをプラズマ化してなるプラズマ雰囲気にカーボンナノチューブ４の先端４ａを曝す。

これにより、プラズマ化されたプロセスガスがカーボンナノチューブ４の先端４ａに衝突して当該先端４ａにエネルギが与えられ、先端４ａがダイヤモンド結晶に改質される。

ここで、プロセスガスに含まれるアルゴンは水素よりも質量が大きいため、アルゴンとの衝突で先端４ａに大きなエネルギを与えることができ、先端４ａの改質が促進される。また、カーボンナノチューブ４から弾き飛ばされた炭素原子がプロセスガス中の炭化水素によって補足されるため、改質を更に促進させることもできる。

なお、熱フィラメントCVD法によりカーボンナノチューブ４の先端４ａを改質してもよい。

そして、このような改質を更に進めることで先端４ａのダイヤモンド結晶を大きくし、図２（ｂ）のように各々のカーボンナノチューブ４の先端４ａ同士を繋ぐダイヤモンド膜５を形成する。

複数のカーボンナノチューブ４の各々はそのダイヤモンド膜５に対して垂直に延びており、更に各カーボンナノチューブ４はダイヤモンド膜５に直接接続される。

ここまでの工程により、カーボンナノチューブ４とダイヤモンド膜５とを備えた放熱シート１の基本構造が得られる。

その放熱シート１は、カーボンナノチューブ４に由来したクッション性を有すると共に、ダイヤモンド膜５に由来した絶縁性を有する。

なお、ダイヤモンド膜５の膜厚は特に限定されないが、放熱シート１に十分な絶縁性を持たせることができる１μｍ〜１０μｍ程度の膜厚とし得る。

また、前述のようにカーボンナノチューブ４は、少なくとも１cm²あたり１０^１２本の密度で形成されている。このように高密度であれば、各々のカーボンナノチューブ４の先端４ａのダイヤモンド結晶同士が確実に接触し、穴がなく絶縁性が担保されたダイヤモンド膜５を形成できる。

続いて、図３（ａ）に示すように、ダイヤモンド膜５の上に真空蒸着法等によりニッケル膜６ａを５００nmの厚さに形成し、その上に金膜６ｂを３５０nmの厚さに形成する。更に、金膜６ｂの上にインジウム膜６ｃを真空蒸着法等で２０μmの厚さに形成して、ニッケル膜６ａ、金膜６ｂ、及びインジウム膜６ｃを積層膜６とする。なお、インジウム膜６ｃとして市販のインジウムシート等を用いてもよい。

その積層膜６におけるニッケル膜６ａはダイヤモンド膜５と合金を作り易いので、積層膜６とダイヤモンド膜５との接合強度が高められる。

また、積層膜６における金膜６ｂは、その上下にあるニッケル膜６ａとインジウム膜６ｃの各々と親和性が良好であるため、ニッケル膜６ａとインジウム膜６ｃとの密着力を高める密着膜として機能する。

続いて、図３（ｂ）に示すように、高周波デバイス等の電子部品７を用意し、その電子部品７の放熱面７ａとインジウム膜６ｃとを対向させる。なお、電子部品７の放熱面７ａには半導体基板が露出していることもある。

そして、インジウム膜６ｃを２００℃程度に加熱して溶融させ、電子部品７の放熱面７ａとインジウム膜６ｃとを圧着する。

圧着時の雰囲気は特に限定されないが、この例では水素雰囲気中でこの圧着を行う。これにより、電子部品７とインジウム膜６ｃの各々の表面の自然酸化膜を水素で還元して除去することができる。

その後、インジウム膜６ｃを冷却することで、積層膜６を介して放熱シート１に電子部品７を固着する。

続いて、図４（ａ）に示すように、図３（ｂ）とは上下を反転した状態で基板２を放熱シート１から剥離する。

その後、図４（ｂ）に示すように、先端４ａとは反対側のカーボンナノチューブ４の先端４ｂの上にニッケル膜８ａと金膜８ｂとを真空蒸着法によりこの順に成膜し、更にその上にインジウム膜８ｃを真空蒸着法で形成し、これらニッケル膜８ａ、金膜８ｂ、及びインジウム膜８ｃを積層膜８とする。なお、ニッケル膜８ａの厚さは例えば５００nmであり、金膜８ｃの厚さは例えば３５０nmである。

また、インジウム膜８ｃとしては市販のインジウムシート等を使用し得る。

なお、積層膜８のニッケル膜８ａはカーボンナノチューブ４と合金化して積層膜８とカーボンナノチューブ４との接合強度を向上する機能を有し、金膜８ｂはニッケル膜８ａとインジウム膜８ｃとの密着強度を向上させる密着膜として機能する。

続いて、図５に示すように、放熱部材９として銅を材料とする放熱板を用意し、その放熱部材９をインジウム膜８ｃの上に乗せる。そして、水素雰囲気となっているプロセスチャンバ内でインジウム膜８ｃを２００℃に加熱し、その状態で放熱部材９と積層膜８とを圧着する。

その後に、インジウム膜８ｃを冷却することにより、放熱シート１の上に積層膜８を介して放熱部材９を接合する。

ここまでの工程により、放熱シート１を介して電子部品７と放熱部材９とを接続してなる電子装置１０の基本構造が完成する。

その電子装置１０においては、電子部品７の熱が熱伝導率の高いカーボンナノチューブ４を通って速やかに放熱部材９に伝わるため、電子部品７の放熱を促すことができる。

以上説明した本実施形態によれば、電子部品７と放熱部品９とが異なる膨張率で膨張しても、放熱シート１のカーボンナノチューブ４がクッション性を有するため、放熱シート１が電子部品７と放熱部材９の各々の膨張に追従できる。

しかも、カーボンナノチューブ４の先端４ａに絶縁性のダイヤモンド膜５を形成したため、電子部品７の放熱面７ａに半導体基板が露出している場合であっても、電子部品７と放熱シート１との間に意図しない電流が流れることもない。

更に、先端４ａとダイヤモンド膜５とが直接接続されており、これらの間に介在するものが何もないため、ダイヤモンド膜５からカーボンナノチューブ４に熱を速やかに伝えることもできる。

なお、各カーボンナノチューブ４の間の隙間を樹脂で充填してもよい。但し、カーボンナノチューブ４の変形を促すと共に、カーボンナノチューブ４の側面から放熱を行うためには、本実施形態のように各カーボンナノチューブ４の間の隙間に樹脂を充填しない方が好ましい。

（第２実施形態）
本実施形態では、以下のようにして二層のダイヤモンド膜を形成する。

図６〜図８は、第２実施形態に係る電子装置の製造途中の断面図である。

なお、図６〜図８において、第１実施形態におけるのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

まず、第１実施形態の図１（ａ）〜図４（ａ）の工程を行うことにより、図６（ａ）に示すように、積層膜６を介して放熱シート１が電子部品７に固着された構造を得る。

次に、図６（ｂ）に示すように、マイクロ波プラズマCVD装置の不図示のプロセスチャンバ内において、カーボンナノチューブ４の先端４ｂにプロセスガスのプラズマを曝すことにより、当該先端４ｂを改質する。

改質の条件は第１実施形態と同様であり、例えば、基板温度を８００℃とし、水素ガスとアルゴンガスとの混合ガスにメタンが１％の濃度で添加されたガスをプロセスチャンバに１００sccm〜１０００sccmの流量で供給する。また、プロセスチャンバ内の圧力は２kPa〜５kPaとし、マイクロ波のパワーは例えば数百W〜１kWとする。

これにより、図７（ａ）に示すように、カーボンナノチューブ４の先端４ｂにダイヤモンド膜１５が１μｍ〜１０μｍ程度の厚さに形成される。

また、複数のカーボンナノチューブ４の各々はそのダイヤモンド膜１５に対して垂直に延びており、更に各カーボンナノチューブ４はダイヤモンド膜１５に直接接続される。

ここまでの工程により、カーボンナノチューブ４の両端の各々にダイヤモンド膜５、１５を形成してなる放熱シート１１の基本構造が得られる。

その後、図７（ｂ）に示すように、ダイヤモンド膜１５の上に真空蒸着法でニッケル膜８ａ、金膜８ｂ、及びインジウム膜８ｃをこの順に形成することにより積層膜８を形成する。

なお、ニッケル膜８ａの膜厚は例えば５００nmであり、金膜８ｂの膜厚は例えば３５０nmである。更に、インジウム膜８ｃとしては、膜厚が２０μmのインジウムシートを用いてもよい。

そして、その積層膜８と放熱部材９とを対向させ、インジウム膜８ｃを２００℃に加熱して溶融させる。

続いて、図８に示すように、溶融したインジウム膜８ｃに放熱部材９を圧着した後、インジウム膜８ｃを冷却することにより、放熱シート１１の上に積層膜８を介して放熱部材９を接合する。

ここまでの工程により、放熱シート１１を介して電子部品７と放熱部材９とを接続してなる電子装置２０の基本構造が完成する。

以上説明した本実施形態によれば、カーボンナノチューブ４の両端に二層の絶縁性のダイヤモンド膜５、１５を形成するため、ダイヤモンド膜が一層の場合と比較して放熱シート１１の絶縁性が高められる。そのため、電子部品７の放熱面７ａに半導体基板が露出している場合でも、導電性のカーボンナノチューブ４を介して電子部品７から放熱部材９に意図しない電流が流れるのを効果的に抑制することができる。

（変形例）
上記した第１実施形態では、図５に示したように、積層シート１のダイヤモンド膜５側に電子部品７を設けた。

これに代えて、図９に示すように、積層シート１のダイヤモンド膜５側に放熱部材９を設けてもよい。

以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）複数のカーボンナノチューブと、
複数の前記カーボンナノチューブの各々の先端を改質して形成され、各々の前記先端を繋ぐダイヤモンド膜と、
を有することを特徴とする放熱シート。

（付記２） 前記カーボンナノチューブの前記先端とは反対側の先端を改質して形成され、前記反対側の先端を繋ぐ別のダイヤモンド膜を更に有することを特徴とする付記１に記載の放熱シート。

（付記３）前記カーボンナノチューブの前記先端と前記ダイヤモンド膜とが直接接続していることを特徴とする付記１に記載の放熱シート。

（付記４）前記カーボンナノチューブが、前記ダイヤモンド膜に対して垂直に延びていることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれかに記載の放熱シート。

（付記５）前記カーボンナノチューブの本数は、１cm²当たり１０^１２本以上であることを特徴とする付記１乃至付記４のいずれかに記載の放熱シート。

（付記６）基板の上に複数のカーボンナノチューブを成長させる工程と、
複数の前記カーボンナノチューブの各々の先端をダイヤモンドに改質することにより、前記先端を繋ぐダイヤモンド膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする放熱シートの製造方法。

（付記７）前記ダイヤモンド膜を形成する工程の後、前記基板から複数の前記カーボンナノチューブを剥離する工程と、
前記カーボンナノチューブを剥離する工程の後、前記カーボンナノチューブの前記先端とは反対側の先端をダイヤモンドに改質することにより、前記反対側の先端を繋ぐ別のダイヤモンド膜を形成する工程を更に有することを特徴とする付記６に記載の放熱シートの製造方法。

（付記８）前記先端をダイヤモンドに改質する工程は、前記先端をプラズマ雰囲気に曝すことにより行われることを特徴とする付記６に記載の放熱シートの製造方法。

（付記９）前記プラズマ雰囲気はアルゴン炭化水素とを含むことを特徴とする付記８に記載の放熱シートの製造方法。

（付記１０）電子部品と、
前記電子部品の熱を外部に放熱する放熱部材と、
前記電子部品と前記放熱部材との間に介在する放熱シートとを有し、
前記放熱シートが、
複数のカーボンナノチューブと、
複数の前記カーボンナノチューブの各々の先端を改質して形成され、各々の前記先端を繋ぐダイヤモンド膜と、
を有することを特徴とする電子装置。

１、１１…放熱シート、２…基板、３…触媒金属、４…カーボンナノチューブ、４ａ、４ｂ…先端、５、１５…ダイヤモンド膜、６、８…積層膜、６ａ、８ａ…ニッケル膜、６ｂ、８ｂ…金膜、６ｃ、８ｃ…インジウム膜、７…電子部品、９…放熱部材、１０、２０…電子装置。

Claims (5)

1. 複数のカーボンナノチューブと、
   複数の前記カーボンナノチューブの各々の先端を改質して形成され、各々の前記先端を繋ぐダイヤモンド膜と、
   を有することを特徴とする放熱シート。
2. 前記カーボンナノチューブの前記先端とは反対側の先端を改質して形成され、前記反対側の先端を繋ぐ別のダイヤモンド膜を更に有することを特徴とする請求項１に記載の放熱シート。
3. 基板の上に複数のカーボンナノチューブを成長させる工程と、
   複数の前記カーボンナノチューブの各々の先端をダイヤモンドに改質することにより、前記先端を繋ぐダイヤモンド膜を形成する工程と、
   を有することを特徴とする放熱シートの製造方法。
4. 前記先端をダイヤモンドに改質する工程は、前記先端をプラズマ雰囲気に曝すことにより行われることを特徴とする請求項３に記載の放熱シートの製造方法。
5. 電子部品と、
   前記電子部品の熱を外部に放熱する放熱部材と、
   前記電子部品と前記放熱部材との間に介在する放熱シートとを有し、
   前記放熱シートが、
   複数のカーボンナノチューブと、
   複数の前記カーボンナノチューブの各々の先端を改質して形成され、各々の前記先端を繋ぐダイヤモンド膜と、
   を有することを特徴とする電子装置。

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