JP2018512279A - 金属ナノワイヤアレイの高伝導性接合方法 - Google Patents

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バラコ，マイケル，ティー．
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Abstract

金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）アレイを隣接面に取り付けるための熱伝導的でかつ機械的に強固な接合方法は、ＭＮＷからテンプレート膜を除去する工程、接合材を用いてＭＮＷを浸透させる工程、隣接面に接合材を配置する工程、接合材が接合可能となっている間に隣接面をＭＮＷの上面に接触させる工程、及び接合材が冷却し、ＭＮＷと隣接面との間に固相接合を形成するのを可能にする工程を含む。金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）アレイを隣接面に取り付けるための、熱伝導的でかつ機械的に強固な接合方法は、所望の接合プロセスに基づいて接合材料を選択する工程、及びＭＮＷの間隙容積を満たすテンプレート膜からＭＮＷを除去することなく、接合材をＭＮＷの先端に堆積させる工程を含む。【選択図】図１

Description

優先権の主張
本出願は、２０１５年２月２６日出願の発明の名称「Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｎａｎｏｗｉｒｅ Ａｒｒａｙｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｆｏｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」の米国仮特許出願第６２／１２１０１０号の優先権を主張し、その開示は参照によりここに取り込まれる。
関連出願の相互参照
本出願は、当出願と同一の譲渡人に譲渡された以下の出願の主題に関連する主題を含む。これにより、以下に記載する米国特許出願は、その全体で参照によりここに取り込まれる。
Ｂａｒａｋｏ、Ｓｔａｒｋｏｖｉｃｈ、Ｓｉｌｖｅｒｍａｎ、Ｔｉｃｅ、Ｇｏｏｄｓｏｎ、Ｃｏｙａｎ、Ｐｅｎｇらによる発明の名称「ＴＨＥＲＭＡＬ ＩＮＴＥＲＦＡＣＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＵＳＩＮＧ ＭＥＴＡＬ ＮＡＮＯＷＩＲＥ ＡＲＲＡＹＳ ＡＮＤ ＳＡＣＲＩＦＩＣＩＡＬ ＴＥＭＰＬＡＴＥＳ」、 日出願の米国特許出願第 号
隣接面に金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）アレイを取り付けるための熱伝導的でかつ機械的に強固な接合方法は、ＭＮＷからテンプレート膜を除去する工程、接合材でＭＮＷを浸透させる工程、隣接面に接合材を配置する工程、接合材が接合可能となっている間に隣接面をＭＮＷの上面に接触させる工程、及び接合材がＭＮＷと隣接面との間に固相接合を形成するのを可能にする工程を含む。
隣接面に金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）を取り付けるための熱伝導的でかつ機械的に強固な接合方法は、所望の接合プロセスに基づいて接合材を選択する工程、及びＭＮＷが接続されるテンプレート膜からＭＮＷを除去することなくＭＮＷの先端に接合材を堆積させる工程を含む。
金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）アレイは、テンプレート膜に堆積したシード層から上方へ成長する複数のナノワイヤを備える垂直配向金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）アレイを含み、テンプレート膜はＭＮＷの成長後に除去される。
金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）アレイは、ＭＮＷの先端で、熱伝導的でかつ機械的に強固な接合材のキノコ状のキャップによって、隣接面に取り付けられる金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）アレイを含む。
金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）アレイは、ＭＮＷの先端で、テンプレート膜を覆う接合材の連続的なオーバーめっき層に取り付けられる金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）アレイを含む。
添付の図面は、種々の代表的な実施形態をより充分に説明するのに使用され、ここに開示される代表的な実施形態及びそれら内在的効果を当業者がより理解するよう使用可能な視覚的表示を提供する。これらの図面において、同じ符号は対応する要素を特定する。
図１Ａ〜１Ｃは、隣接面に金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）アレイを取り付けるための熱伝導的でかつ機械的に強固な接合方法を示す１組の３つの図である。 図２は、隣接面に金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）アレイを取り付けるための熱伝導的でかつ機械的に強固な接合方法を示す図である。 図３は、隣接面に金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）アレイを取り付けるための熱伝導的でかつ機械的に強固な接合方法のフローチャートである。 図４は、隣接面に金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）アレイを取り付けるための熱伝導的でかつ機械的に強固な接合方法のフローチャートである。
本発明は多くの異なる実施形態で実施可能であるが、本願の開示が本発明の原理の例示として考慮されるべきであり、図示及び説明される特定の実施形態に本発明を限定するものではないという理解の下で、１以上の特定の実施形態を図面に示し、これについて以下に詳細に説明する。
熱伝導的でかつ機械的に強固な接合手順が、隣接する２つの表面に金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）アレイを取り付けるのに提供される。
薄い金属接合層が、ＭＮＷの機械的特性を損なうことなく、個々のＭＮＷを隣接面に固定するのに使用され得る。例えば、金属接合層の厚さは、ＭＮＷアレイの長さ及びＭＮＷアレイの高さのうちの１つ以上の約２０％未満である。
発明の実施形態によると、金属接合されたＭＮＷは、接合材でＭＮＷアレイの間隙容積を浸透させ、取付け方法として隣接面への接合材の接着力を利用することにより実施され得る。
あるいは、各ＭＮＷの先端は、アレイにおいてＭＮＷの全てを並列に接合するプロセスを使用して隣接面に金属接合されてもよい。例えば、ＭＮＷが膜中に存在する間に、後段のＭＮＷ成長の電着工程は、ＭＮＷの先端に、接合金属又は接合合金材のキノコ状のキャップを堆積させるよう使用され得る。接合キャップは、可融金属及びはんだ、ろう材、又は拡散接合金属に類似した合金のうちの１つ以上を含み得る。ＭＮＷの上部には、追加の接合層が加えられる。
ＭＮＷが実質的に膜の充分な厚さまで延在するほど成長していない場合、その後、接合材がＭＮＷの先端に堆積し、複合セグメント化したＭＮＷを形成し得る。セグメント化したＭＮＷは大部分が導電性の材料から構成されるが、ＭＮＷの全長の２０％未満でＭＮＷの先端に位置する短い部分のみ、接合材から構成される。接合層を少し厚くしたい場合、接合材の連続的なオーバーめっき層が膜及びＭＮＷアレイのうちの一方又は両方の表面を実質的に覆うまで、接合材の電着を継続すればよい。例えば、導電性の材料は、銅及び銀のうちの一方又は両方から構成される。
接合材は、使用される所望の接合プロセスに基づいて選択される。例えば、溶融し、その溶融した接合層を隣接面に接着するよう加熱が適用される相変化接合には、共晶金属及びはんだのうちの一方又は両方を使用すればよい。あるいは、接合材は、スズ及び金のうちの一方又は両方からなり、熱圧着接合を用いて接合されてもよい。あるいは、接合材は、ポリマー材から構成される。金属接合の他のタイプは、接合材をＭＮＷの先端で隣接材に取り付けるのにも使用され得るろう付け及び溶接を含む。
図１Ａ〜１Ｃは、隣接面に金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）アレイを取り付けるための熱伝導的でかつ機械的に強固な接合方法を示す１組の３つの図である。凡例は、種々の構成要素を示す。
図１Ａにおいて、ＭＮＷの堆積及び成長後、ＭＮＷの生成に使用したテンプレート膜は除去される。
その後、図１Ｂに示すように、接合可能材を形成する、可融金属、合金及びポリマー樹脂のうちの１つまたはそれ以上が、ＭＮＷアレイに浸透する。例えば、接合可能材は、溶融材料から構成される。例えば、接合可能材は、毛管力によってＭＮＷアレイの間隙容積へ吸い込まれる。その結果、接合材は、ＭＮＷの隣接面上に配置される。
図１Ｃにおいて、接合材が接合可能となっている間、隣接面はＭＮＷの上面に接触する。例えば、接合可能材は溶融材料から構成される。接合材は、ＭＮＷと隣接面との間に固相接合を形成するのを可能にする。このプロセスは、隣接面に対して接合材及びＭＮＷアレイのうちの一方又は両方を圧縮する。
隣接面への接合材を湿らせる追加の工程（不図示）が実行されてもよい。
図２は、隣接面に金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）アレイを取り付けるための熱伝導的でかつ機械的に強固な接合方法を示す図である。ＭＮＷアレイの先端は、隣接面に接合される。
工程２１０において、ＭＮＷアレイが合成される。ＭＮＷアレイは、工程２１５で示すようなＭＮＷの長さが膜の厚さより短い部分充填された状態、又は工程２２０で示すようなＭＮＷの先端が膜の上面と面一となるよう膜の上部まで充填された状態のいずれかとなるように成長させられる。いずれの場合でも、膜は、ＭＮＷの周囲の適所に残されている。
工程２２５において、接合層が、ＭＮＷの先端に堆積する。この接合層は、３つの異なる形態のうちの１つを取る。工程２３０で示すように、ＭＮＷアレイが部分充填される場合、少量の接合材が個々のＭＮＷの先端に直接堆積し、接合材の短いＭＮＷセグメントを形成し得る。
工程２３５で示すように、ＭＮＷアレイが膜の厚さまで充填されている場合、少量の接合材が個々のＭＮＷの先端に堆積し、個々のＭＮＷ上に接合材の小さなキノコ状のキャップを形成し得る。
工程２４０で示すように、ＭＮＷアレイが膜の厚さまで充填されている場合、大量の接合材がアレイ及び膜の表面に堆積し、接合材の連続膜を形成し得る。
工程２５０において、ＭＮＷは接合され、テンプレート膜は除去される。
工程２５５において、テンプレート膜は以前に部分充填されたＭＮＷアレイから除去され、そして工程２６０において、ＭＮＷアレイは隣接基板に接合される。
工程２６５において、接合層キャップ又は接合層オーバーめっきを有する実施形態の場合、ＭＮＷアレイは、まず隣接基板に接合される。金属接合の最も一般的なタイプは、接合材がはんだ及び共晶のうちの一方又は両方を含み、接合が加熱及び選択的な圧縮の下で実行される、はんだ／共晶接合、並びに接合材がスズ及び金のうちの一方又は両方を含み、接合が加熱及び圧縮下で実行される熱圧着接合である。
工程２７０において、テンプレート膜は、ＭＮＷアレイから除去される。図３は、隣接面に金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）アレイを取り付けるための熱伝導的でかつ機械的に強固な接合方法のフローチャートである。
工程３１０において、テンプレート膜は、金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）アレイから除去される。その後ブロック３１０は、制御をブロック３２０に移行する。
工程３２０において、接合材は、ＭＮＷの隣接面上に配置される。その後ブロック３２０は、制御をブロック３３０に移行する。
工程３３０において、接合材でＭＮＷを浸透させる。例えば、浸透工程は、接合材が軟化及び溶融のうちの一方又は両方になるよう接合材を加熱する工程を備える。例えば、浸透工程は、接合材を生成するのに複合材料を化学処理する工程を備える。その後ブロック３３０は、制御をブロック３４０に移行する。
工程３４０において、接合材が接合可能となっている間、ＭＮＷの隣接面はＭＮＷの上面に接触している。その後ブロック３４０は、制御をブロック３５０に移行する。
工程３５０において、接合材は、ＭＮＷと隣接面との間に固相接合を形成するのを可能にする。その後ブロック３５０は、このプロセスを終了させる。
図４は、隣接面に金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）アレイを取り付けるための熱伝導的でかつ機械的に強固な接合方法のフローチャートである。
工程４１０において、接合材は、所望の接合プロセスに基づいて選択される。その後ブロック４１０は、制御をブロック４２０に移行する。
工程４２０において、テンプレート膜から金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）アレイを除去することなく、接合材がＭＮＷの先端に堆積する。その後ブロック４２０は、このプロセスを終了させる。
本発明の効果は、界面の外側での高い熱伝導性と、２つの構成要素間の凝集接合の形成を含む。本発明の実施形態は、ＭＮＷ面と隣接面との間の熱抵抗を最小化し、温度勾配及び熱循環の下で保全性を維持する長寿命の接着を提供する。可融金属のＭＮＷは、機械的負荷が比較的低い用途において、又は装置の温度上昇の最小化が温度設計の優先事項である用途のため（若しくは同等に高熱流束装置のため）に使用される。例えば、機械的負荷は、約２０メガパスカル（２０ＭＰａ）未満である。
可融金属は、接合の間に相変化を受け、隣接面への直接的な接着を提供することができる。しかしながら、接合金属が硬く、熱膨張の係数の不整合によって界面が故障し得るため、結果として得られるＭＮＷは比較的厚くなければならない。垂直配向されたＭＮＷでは、ＭＮＷは高い熱伝導率（２０ワット／メートル−ケルビン［Ｗ／ｍ−Ｋ］を超える）及び機械的適合性を共に提供する。例えば、機械的適合性は、約１０メガパスカル（ＭＰａ）と約１００ＭＰａとの間である。例えば、機械的適合性は、約１０ＭＰａと１，０００ＭＰａとの間である。ＭＮＷ自体は、機械的な柔軟性を提供する。接合は、主に表面とＭＮＷアレイとの間で熱を伝達し、界面の機械的保全性を維持するよう作用する。
例示の構成における所定の構成要素を用いて上記代表的実施形態を説明してきたが、当業者であれば、他の代表的実施形態が異なる構成及び／又は異なる構成要素を用いて実施され得ることを理解するはずである。例えば、当業者であれば、計画対象期間は発明の範囲内のものとなりつつも多数の態様で適合され得ることを理解するはずである。
ここに詳細に記載された代表的実施形態及び開示事項は、例示及び説明のために提示されたものであり、限定のためではない。当業者であれば、発明の範囲内のものとなる均等の実施形態となる種々の変形が、記載した実施形態の形式及び詳細においてなされ得ることを理解するはずである。したがって、上述の事項は説明として解釈されるものであり、限定的意味で解釈されるべきではない。

Claims (31)

  1. 金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）アレイを隣接面に取り付けるための熱伝導的でかつ機械的に強固な接合方法であって、
    前記ＭＮＷからテンプレート膜を除去する工程、
    接合材を用いて前記ＭＮＷを浸透させる工程、
    前記隣接面に前記接合材を配置する工程、
    前記接合材が接合可能となっている間に隣接面を前記ＭＮＷの上面に接触させる工程、及び
    前記ＭＮＷと前記隣接面との間に前記接合材が固相接合を形成するのを可能にする工程
    を備える方法。
  2. 前記配置工程の後でかつ前記接触工程の前に実行される追加の工程であって、
    前記隣接面への前記接合材を湿らせる工程
    をさらに備える、請求項１に記載の方法。
  3. 前記浸透工程は、前記接合材が軟化及び溶融のうちの一方又は両方となるよう前記接合材を加熱する工程を備える、請求項１に記載の方法。
  4. 前記浸透工程は、接合材を生成するのに複合材料を化学処理する工程を備える、請求項１に記載の方法。
  5. 前記接触工程は、前記接合材が軟化及び溶融のうちの一方又は両方となっている間に前記隣接面を前記上面に接触させる工程を備える、請求項１に記載の方法。
  6. 前記接合材は、可融金属及び合金のうちの一方又は両方から構成される、請求項１に記載の方法。
  7. 前記接合材は、スズ及び金のうちの一方又は両方から構成される、請求項１に記載の方法。
  8. 前記接触工程は、前記接合材及び前記ＭＮＷアレイのうちの一方又は両方を前記隣接面に対して圧縮する工程をさらに備える、請求項１に記載の方法。
  9. 前記浸透工程は、前記ＭＮＷアレイの間隙容積へ前記接合材を吸い込む工程をさらに備える、請求項１に記載の方法。
  10. 前記吸い込み工程は、毛管力によりなされる、請求項９に記載の方法。
  11. 金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）アレイを隣接面に取り付けるための熱伝導的でかつ機械的に強固な接合方法であって、
    所望の接合プロセスに基づいて接合材を選択する工程、及び
    前記ＭＮＷの間隙容積を充填するテンプレート膜から前記ＭＮＷを除去することなく、前記接合材を前記ＭＮＷの先端に堆積する工程
    を備える方法。
  12. 前記ＭＮＷアレイは、前記テンプレート膜の厚さまで実質的に充填される、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記ＭＮＷアレイが部分充填されている、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記堆積工程が、電着工程を備える、請求項１２に記載の方法。
  15. 前記堆積工程が、前記ＭＮＷの先端に接合材のキノコ状のキャップを堆積させる工程
    を備える、請求項１２に記載の方法。
  16. 前記堆積工程が、前記ＭＮＷが前記テンプレート膜の上部まで成長する前に実行される、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記堆積工程が、複合セグメント化したＭＮＷを形成する、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記電着工程が、大量の接合材を備える連続的なオーバーめっき層が前記テンプレート膜を覆うまで継続される、請求項１２に記載の方法。
  19. 大量の接合材が、前記ＭＮＷアレイの表面及び前記テンプレート膜のうちの一方又は両方に堆積して接合材の連続膜を形成する、請求項１１に記載の方法。
  20. 前記選択工程が、接合金属及び相変化接合用のはんだ合金のうちの一方又は両方を選択する工程を備える、請求項１１に記載の方法。
  21. 前記選択工程が、前記接合材を前記隣接面に接着させるように溶融接合及び拡散接合のうちの一方又は両方を実行するための加熱を適用する工程を備える、請求項１１に記載の方法。
  22. 前記接合材が、可融金属及び合金のうちの一方又は両方を備える、請求項１１に記載の方法。
  23. 前記接合材が、スズ及び金のうちの一方又は両方を備える、請求項１１に記載の方法。
  24. 前記接合材が、ポリマー材を備える、請求項１１に記載の方法。
  25. 前記堆積工程が、熱圧着接合工程を備える、請求項１１に記載の方法。
  26. 前記堆積工程が、はんだ及び共晶のうちの一方又は両方を使用して接合する工程を備える、請求項１１に記載の方法。
  27. 前記堆積工程が、熱圧着接合、ろう付け及び溶接のうちの一方又は両方を備える、請求項１１に記載の方法。
  28. 前記堆積工程の後実行される追加の工程であって、
    前記ＭＮＷの先端で接合材を前記隣接面に取り付ける工程をさらに備える、請求項１１に記載の方法。
  29. 前記方法が、前記アレイにおける前記ＭＮＷのすべてを接合する、請求項１２に記載の方法。
  30. 熱伝導的でかつ機械的に強固な接合材のキノコ状のキャップによって、隣接面にＭＮＷの先端で取り付けられた金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）アレイ。
  31. テンプレート膜を覆う接合材の連続的なオーバーめっき層にＭＮＷの先端で取り付けられた金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）アレイ。
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