JP4640975B2 - 熱拡散シート及び半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体チップで発生した熱をパッケージ又はヒートシンクに伝達する熱拡散シート及びその熱拡散シートを用いた半導体装置に関し、特にカーボンナノチューブ及びカーボンファイバ等の炭素元素円筒型構造体を用いた熱拡散シート及びその熱拡散シートを用いた半導体装置に関する。

ＭＰＵ（Micro Processing Unit ）等の半導体装置の高密度化及び高性能化に伴って、半導体チップ（ＬＳＩ）で消費される電力が大きくなり、大量の熱を発生するようになった。また、パワーアンプなどの半導体装置も、小型且つ高出力のものが要求されており、半導体チップで大量の熱を発生するようになった。

半導体チップで発生する熱はパッケージを介してヒートシンクに伝達され、ヒートシンクから大気中に放散される。半導体装置の放熱性を高めるためには、パッケージ及びヒートシンクの熱伝導性が重要であるのは勿論であるが、半導体チップとパッケージとの間及びパッケージとヒートシンクとの間の熱伝導性を高めることも重要である。このため、大量の熱が発生する半導体装置では、半導体チップとパッケージとの間又はパッケージとヒートシンクとの間に、ヒートスプレッダと呼ばれる熱伝導率が高いシート状の部材（熱拡散シート）を配置している。

従来のパワーアンプでは、半導体チップとパッケージとの接合にＡｕＳｎ合金が使用されている。また、従来のパワーアンプでは、パッケージとヒートシンクとの間にヒートスプレッダとしてカーボンシートを配置している。半導体チップで発生した熱は、これらのＡｕＳｎ合金及びカーボンシートを介してヒートシンクに伝達されるようになっている。

しかし、ＡｕＳｎ合金等の金属及びカーボンシートの熱伝導率はいずれも数１００Ｗ／ｍＫ以下であり、今後開発される高性能な半導体装置に対応することが困難になることが考えられる。

熱伝導率が高い材料としてグラファイトが知られている。グラファイトは結晶化した炭素の層（グラファイト層）が厚さ方向に多数積層してなる構造（グラファイト構造）を有しており、グラファイト層の面内方向（グラファイト層の面に平行な方向）の熱伝導率は金属よりも高い。特に、グラファイト層をチューブ状に巻いた構造をもつカーボンナノチューブは、チューブの長さ方向の熱伝導率が３０００Ｗ／ｍＫ以上であり、ダイヤモンドと同等又はダイヤモンド以上の極めて高い熱伝導率を有している。

但し、グラファイト層の厚さ方向における熱伝導率は金属よりも低く、面内方向の約１０００分の１であるといわれている。カーボンナノチューブについても、同様にチューブの長さ方向の熱伝導率は極めて高いものの、チューブの長さ方向に直交する方向の熱伝導率は金属よりも低い値となる。カーボンナノチューブの熱伝導率については、例えば非特許文献１（P. Kim, et al., Physical Review Letters, vol.87, p.215502, (2001).）に記載されている。

特許文献１（米国特許第６４０７９２２号明細書）にはカーボンナノチューブをヒートスプレッダに使用することが提案されている。また、特許文献２（特開２００３−２４９６１３号公報）には、プレート（板状の部材）に設けられた多数の孔内にそれぞれプレートの厚さ方向に伸びるカーボンナノチューブの束を埋め込んだ構造のヒートスプレッダが提案されている。

更に、特許文献３（特開平１０−１６８５０２号公報）には、結晶性カーボン（黒鉛、炭素繊維、カーボンブラック、フラーレン及びカーボンナノチューブ等）と金属粉末とを混合した高熱伝導率複合材が開示されている。
米国特許第６４０７９２２号明細書 特開２００３−２４９６１３号公報 特開平１０−１６８５０２号公報 P. Kim, et al., Physical Review Letters, vol.87, p.215502, (2001). J. Kong, et. al., Nature, vol.395, p.878, 1998. Y. Zhang, et. al., Applied Physics Letters, vol.79, p.3155, 2001. S. Sato, et. al., Chemical Physics Letters, vol.382, p.361, 2003. D. Kondo, et. al., Japanese Journal of Applied Physics, vol.44, p.5292, 2005.

今後、半導体装置の高性能化が更に進むと、半導体チップで発生する熱が更に多くなり、上述した従来のヒートスプレッダ（熱拡散シート）では熱伝導性が不足して、半導体装置の性能を十分に発揮できなくなることが考えられる。

本発明は、従来に比べて半導体チップで発生する熱をパッケージ又はヒートシンクに効率よく伝達できる熱拡散シートを提供することを目的とする。

また、本発明は、従来に比べて半導体チップで発生する熱をパッケージ又はヒートシンクに効率よく伝達できる熱拡散シートを使用することにより熱による誤動作の発生、寿命の短縮及び性能劣化を回避可能とした半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の一観点によれば、炭素元素円筒型構造体の集合からなる第１の層と、炭素元素円筒型構造体の集合からなり、前記第１の層の上に形成された第２の層と、前記第１の層及び前記第２の層の炭素元素円筒型構造体の交差部に付着した金属粒子とを有する熱拡散シートが提供される。

カーボンナノチューブ又はカーボンファイバ等の炭素元素円筒型構造体は、軸方向（長さ方向）の熱伝導率が極めて高い。従って、炭素元素円筒型構造体を熱拡散シート（ヒートスプレッダ）の面内方向に対し平行又はほぼ平行に傾斜させることにより、熱を面内方向に素早く拡散させることができる。但し、カーボンナノチューブ又はカーボンファイバ等の炭素元素円筒型構造体は軸方向に直交する方向の熱伝導率が低いので、単に炭素元素円筒型構造体をヒートスプレッダの面内方向に対し平行又はほぼ平行に傾斜させただけでは、厚さ方向の熱伝導性が悪くなる。

本発明の熱拡散シートでは、厚さ方向に隣り合う第１の層の炭素元素円筒型構造体と第２の層の炭素元素円筒型構造体との交差部に金属粒子が付着しているので、これらの金属粒子を介して熱が厚さ方向に伝達される。これにより、本発明の熱拡散シートは、厚さ方向の熱伝導性も良好である。

本発明の別の観点によれば、基材の表面上に、前記基材の表面に平行な第１の方向に伸びる複数の炭素元素円筒型構造体からなる第１の層を形成する工程と、前記第１の層の上に、前記基材の表面に平行であって前記第１の方向に交差する第２の方向に伸びる複数の炭素元素円筒型構造体からなる第２の層を形成する工程と、前記第１の層の炭素元素円筒型構造体と前記第２の層の炭素元素円筒型構造体とが交差する部分に金属粒子を付着させる工程とを有する熱拡散シートの製造方法が提供される。

本発明の熱拡散シートの製造方法においては、例えばＣＶＤ法により、基材の表面上に、基材の表面に平行な第１の方向に伸びる複数の炭素元素円筒型構造体からなる第１の層を形成し、この第１の層の上に、基材の表面に平行であって第２の方向に伸びる複数の炭素元素円筒型構造体からなる第２の層を形成する。そして、例えばレーザアブレーション法により金属粒子を生成し、それらの金属粒子を第１の層の炭素元素円筒型構造体と第２の層の炭素元素円筒型構造体とが交差する部分に付着させる。

このようにして製造された熱拡散シートは、炭素元素円筒型構造体が基材の表面に対し平行な方向に配向しているので、面内方向の熱伝導性が極めて優れている。また、第１の層の炭素元素円筒型構造体と第２の層の炭素元素円筒型構造体との交差部に金属粒子が付着しているので、これらの金属粒子を介して厚さ方向に熱が伝達される。従って、厚さ方向の熱伝導性も良好である。

なお、第１の層を形成した後、第１の層の炭素元素円筒型構造体（但し、第１の層の炭素元素円筒型構造体と第２の層の炭素元素円筒型構造体とが交差する部分）に金属粒子を付着させ、その後第２の層を形成してもよい。

本発明の更に別の観点によれば、基材の表面上に、炭素元素円筒型構造体を分散させた溶液を用いためっき法により、複数の炭素元素円筒型構造体からなる第１の層を形成する工程と、前記第１の層の炭素元素円筒型構造体に金属粒子を付着させる工程と、前記第１の層の上に、炭素元素円筒型構造体を分散させた溶液を用いためっき法により、複数の炭素元素円筒型構造体からなる第２の層を形成する工程とを有する熱拡散シートの製造方法が提供される。

本発明においては、基材の表面上に、炭素元素円筒型構造体を分散させた溶液を用いためっき法により、複数の炭素元素円筒型構造体からなる第１の層を形成する。上記のめっき法により形成された第１の層は、多数の炭素元素円筒型構造体が絡み合った構造を有しており、また殆どの炭素元素円筒型構造体が基材の表面にほぼ平行な方向に傾斜している。

次に、例えばレーザアブレーション法等により金属粒子を生成し、それらの金属粒子を第１の層の炭素元素円筒型構造体に付着させる。次いで、第１の層の上に、炭素元素円筒型構造体を分散させた溶液を用いためっき法により、複数の炭素元素円筒型構造体からなる第２の層を形成する。

このようにして製造された熱拡散シートは、殆どの炭素元素円筒型構造体が基材の表面に対しほぼ平行な方向に配向しているので、面内方向の熱伝導性が極めて優れている。また、第１の層の炭素元素円筒型構造体と第２の層の炭素元素円筒型構造体との交差部に金属粒子が付着しているので、これらの金属粒子を介して厚さ方向に熱が伝達される。従って、厚さ方向の熱伝導性も良好である。

本発明の更に別の観点によれば、半導体チップとパッケージとの間及びパッケージとヒートシンクとの間のうちの少なくとも一方に熱拡散シートが配置された半導体装置において、前記熱拡散シートが、炭素元素円筒型構造体の集合により構成される層が厚さ方向に複数積層された構造を有し、厚さ方向に隣り合う層の前記炭素元素円筒型構造体の交差部に金属粒子が付着している半導体装置が提供される。

本発明の半導体装置は、半導体チップとパッケージとの間及びパッケージとヒートシンクとの間のうちの少なくとも一方に熱拡散シートが配置されている。この熱拡散シートは、炭素元素円筒型構造体の集合により構成される層が厚さ方向に複数積層された構造を有し、厚さ方向に隣り合う層の前記炭素元素円筒型構造体の交差部に金属粒子が付着している。従って、この熱拡散シートは、面内方向の熱伝導性が極めて優れているとともに、厚さ方向の熱伝導性も良好である。本発明の半導体装置は、上述した熱拡散シートを使用しているので、放熱性が良好であり、熱による誤動作の発生、寿命の短縮及び性能劣化が回避され、信頼性が高い。

本発明を説明する前に、予備的事項を説明する。

図１は、半導体装置における半導体チップからヒートシンクまでの熱伝導を示す模式図である。この図１に示すように、通常、パッケージ１２は半導体チップ１０よりも大きく、ヒートシンク１４はパッケージ１２よりも大きい。このため、半導体チップ１０とパッケージ１２との間に配置されるヒートスプレッダ（熱拡散シート）１１、及びパッケージ１２とヒートシンク１４との間に配置されるヒートスプレッダ（熱拡散シート）１３には、厚さ方向の熱伝導率が高いことに加えて、面内方向（ヒートスプレッダの面に平行な方向）の熱伝導率が高いことが要求される。

ヒートスプレッダ１１，１３として金属板を使用すると、金属板は厚さ方向の熱伝導率と面内方向の熱伝導率とが同じであり、且つ熱伝導率が比較的低いため、パッケージ１２のうち半導体チップ１０に近い部分は半導体チップ１０から熱が大量に伝達されて高温になるが、半導体チップ１０から離れた部分では伝達される熱の量が少なく、温度の上昇が少ない。これと同様に、パッケージ１２とヒートシンク１４との大きさが異なるので、ヒートシンク１４のうちパッケージ１２に近い部分はパッケージ１２から熱が大量に伝達されて高温になるが、パッケージ１２から離れた部分では伝達される熱の量が少なく、温度の上昇が少ない。従って、ヒートシンク１４の温度むらが大きくなり、放熱効率が低くなる。

半導体チップ１０から発生する熱の量が少ない場合は、放熱効率がある程度低くても問題とはならない。しかし、半導体チップ１０から発生する熱の量が多い場合は、放熱効率が低いと半導体チップ１０の温度が許容範囲を超えてしまい、誤動作の発生、寿命の短縮及び性能低下等の問題が発生する。

ヒートシンク１４の温度むらを抑制して放熱効率を改善するためには、ヒートスプレッダ１１，１３を熱伝導率が高い材料により形成することが必要である。前述したように、カーボンナノチューブは熱伝導率が高いことが知られており、従来からヒートスプレッダにカーボンナノチューブを使用することが提案されている。この場合、例えばカーボンナノチューブと樹脂等とを混合してシート状に形成した部材をヒートスプレッダとして使用することが考えられる。しかしながら、カーボンナノチューブと樹脂等とを混合してシート状に形成したヒートスプレッダでは、カーボンナノチューブの向きがランダムとなる。カーボンナノチューブは、チューブの長さ方向に極めて高い熱伝導性を示すものの、長さ方向に直交する方向の熱伝導性は低いので、カーボンナノチューブの向きがランダムなヒートスプレッダでは、カーボンナノチューブの熱伝導特性を十分に活用することができない。

カーボンナノチューブをヒートスプレッダの面内方向に配向させて、半導体チップ（又はパッケージ）の熱がヒートスプレッダの面内方向に迅速に伝達されるようにすることも考えられる。しかし、カーボンナノチューブをヒートスプレッダの面内方向に配向させると、厚さ方向の熱伝導率が著しく低い値になってしまう。従って、単にカーボンナノチューブを面内方向に配向させるだけでなく、厚さ方向の熱伝導性、すなわちカーボンナノチューブ間の熱伝導性を高める工夫が必要となる。

以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。

（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を示す分解図である。ここでは、本発明をパワーアンプに適用した例を示す。

パワーアンプの電子回路が形成された半導体チップ２０は、チップ搭載面がＣｕ（銅）−Ｍｏ（モリブデン）合金等により構成されたパッケージ２１内に搭載され、キャップ２２により封止される。この図２に示すように、半導体チップ２０とパッケージ２１との間にはヒートスプレッダ２４が配置される。ヒートスプレッダ２４の構造については後述する。

パッケージ２１には、金属細線（図示せず）を介して半導体チップ２０の電極と電気的に接続される複数のリード２３が設けられている。また、パッケージ２１は、ヒートスプレッダ２５を介してヒートシンク２６に接合される。このヒートシンク２６は、例えばＡｌ（アルミニウム）により形成されている。

図３（ａ）はパッケージ２１上に形成されたヒートスプレッダ２４を示す斜視図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＩ−Ｉ線の位置における断面図である。これらの図３（ａ），（ｂ）に示すように、ヒートスプレッダ２４は、パッケージ２１の長さ方向に伸びるカーボンナノチューブ３２により構成される層（第１の層）と、パッケージ２１の幅方向に伸びるカーボンナノチューブ３４により構成される層（第２の層）とを交互に数層〜数１０層（図３（ａ），（ｂ）では２層のみ図示）積層して形成されている。

また、カーボンナノチューブ３２，３４が交差する部分には金属粒子３５が付着しており、これらの金属粒子３５を介してカーボンナノチューブ３２，３４間に熱を伝達するようになっている。この金属粒子３２は、例えばＴｉ（チタン）、Ｐｄ（パラジウム）又はＭｏ（モリブデン）により形成されている。

なお、ヒートスプレッダ２５も、ヒートスプレッダ２４と同様に、ヒートシンク２６の面に対し平行に配向したカーボンナノチューブからなる層を数層〜数１０層積層し、且つカーボンナノチューブの交差部に金属粒子を付着した構造を有している。

本実施形態においては、上述したように、半導体チップ２０とパッケージ２１との間に配置されたヒートスプレッダ２４、及びパッケージ２１とヒートシンク２６との間に配置されたヒートスプレッダ２５が、いずれも面内方向に配向したカーボンナノチューブ３２，３４からなる層を積層して形成されている。また、カーボンナノチューブ３２，３４の交差部には金属粒子３５が付着しており、それらの金属粒子３５によりヒートスプレッダ２４，２５の厚さ方向の熱伝導性を確保している。従って、半導体チップ２０で発生してヒートスプレッダ２４に伝達された熱は、ヒートスプレッダ２４内で面内方向及び厚さ方向に素早く拡散し、パッケージ２１の広い領域に伝達される（図２参照）。また、パッケージ２１の熱は、ヒートスプレッダ２５に伝達されてヒートスプレッダ２５内で面内方向及び厚さ方向に素早く拡散し、ヒートシンク２６の広い領域に伝達される。これにより、ヒートシンク２６の温度むらが従来に比べて少なくなり、放熱効率が向上する。その結果、半導体チップ２０の温度上昇による誤動作の発生、寿命の短縮及び性能低下が回避され、半導体装置の信頼性が向上する。

図４，図５は、本実施形態のヒートスプレッダ２４の製造方法を工程順に示す斜視図である。これらの図４，図５及び図３を参照してヒートスプレッダ２４の製造方法を説明する。なお、ヒートスプレッダ２５もヒートシンク２６の面上に形成すること以外は同様の方法により製造されるので、ここではヒートスプレッダ２５の製造方法の説明は省略する。

まず、図４（ａ）に示すように、パッケージ２１上にフォトレジスト膜４１を形成し、所定の露光マスクを用いて露光を行った後、現像処理を施して、パッケージ２１の幅方向に並んだ複数の円形の開口部４１ａを形成する。開口部４１ａの直径は例えば３〜５μｍ、開口部４１ａのピッチは例えば１０μｍとする。なお、本実施形態では開口部４１ａの形状を円形としているが、開口部４１ａの形状は矩形でもよい。

次に、スパッタ法により、パケージ２１の上側全面にＦｅ、Ｎｉ若しくはＣｏ又はそれらの磁性金属を含む合金の膜を１〜数１０ｎｍの厚さに成膜した後、フォトレジスト膜４１を除去する。このように、いわゆるリフトオフ法を用いて、図４（ｂ）に示すように、パッケージ２１上に、パッケージ２１の幅方向に並んだ複数の触媒金属膜３１が形成される。

次に、熱ＣＶＤ法により、第１層目のカーボンナノチューブ３２を形成する。この場合、例えば、チャンバ内の圧力を１０００Ｐａ、パッケージ２１の表面温度を４００〜６００℃とし、チャンバ内に反応ガスとしてアセチレンガスを２００sccm（standard cc/min ）の流量で導入する。また、このとき同時に、カーボンナノチューブ３２の成長方向を規定するために、図４（ｃ）に示すように、一対の電極４２ａ，４２ｂと電源４３とにより、パッケージ２１の長さ方向に例えば２Ｖ／μｍの直流電界を印加する。これにより、触媒金属膜３１を起点としてカーボンナノチューブ３２がパッケージ２１の長さ方向に成長する。なお、ＣＶＤ法によるカーボンナノチューブの成長については非特許文献２（J. Kong, et. al., Nature, vol.395, p.878, 1998. ）に記載されており、電界によりカーボンナノチューブの成長方向を制御することは非特許文献３（Y. Zhang, et. al., Applied Physics Letters, vol.79, p.3155, 2001. ）に記載されている。

次に、図５（ａ）に示すように、パッケージ２１の上にフォトレジスト膜４４を形成し、所定の露光マスクを用いて露光を行った後、現像処理を施して、パッケージ２１の長さ方向に並んだ複数の円形の開口部４４ａを形成する。開口部４４ａの直径は例えば３〜５μｍ、開口部４４ａのピッチは例えば１０μｍとする。なお、開口部４４ａの形状は矩形でもよい。

次に、スパッタ法により、パッケージ２１の上側全面にＦｅ、Ｎｉ及びＣｏ等の磁性金属又はそれらの磁性金属を含む合金の膜を成膜した後、フォトレジスト膜４４を除去する。これにより、図５（ｂ）に示すように、パッケージ２１上に、パッケージ２１の長さ方向に並んだ複数の触媒金属膜３３が形成される。

次いで、熱ＣＶＤ法により、第２層目のカーボンナノチューブ３４を形成する。第２層目のカーボンナノチューブ３４の形成時の条件は、第１層目のカーボンナノチューブ３２の形成時の条件と同じとする。この場合に、カーボンナノチューブ３４の成長方向を規定するために、図５（ｃ）に示すように、一対の電極４５ａ，４５ｂと電源４６とにより、パッケージ２１の幅方向に例えば２Ｖ／μｍの直流電界を印加する。これにより、触媒金属膜３３を起点としてカーボンナノチューブ３４がパッケージ２１の幅方向に成長する。

次に、図３（ａ），（ｂ）に示すように、例えばレーザアブレーション法により直径が１〜数ｎｍ程度のＴｉ等の金属粒子３５を生成し、それらの金属粒子３５をカーボンナノチューブ３２，３４の交差部に付着させる。但し、レーザアブレーション法では、金属粒子３５がカーボンナノチューブ３２，３４の交差部以外の部分にも付着する。また、レーザアブレーション法では、金属粒子３５の量を極端に多くしない限り、カーボンナノチューブ３２，３４の全ての交差部に金属粒子３５を付着させることは困難である。しかしながら、本実施形態のヒートスプレッダ２４，２５では、カーボンナノチューブ３２，３４の交差部の全てに金属粒子３５を付着させる必要はない。要するに、ヒートスプレッダ２４の厚さ方向の熱伝導率が金属又はカーボンシートの熱伝導率と同程度になればよい。金属粒子３５の量が多いほど厚さ方向の熱伝導率は高くなるが、面内方向の熱伝導率が低下する。

金属粒子３５を構成する金属の種類は特に限定するものではないが、Ｐｄ、Ｍｏ及びＴｉのうちのいずれかの金属であれば良好なオーミック接触が得られ、カーボンナノチューブ３２，３４間の熱抵抗を小さくすることができる。

このようにして、パッケージ２１の長さ方向に伸びるカーボンナノチューブ３２の層（第１の層）とパッケージ２１の幅方向に伸びるカーボンナノチューブ３４の層（第２の層）とを交互に形成し、１層毎にレーザアブレーション法によって金属粒子３５を生成しそれらの金属粒子３５をカーボンナノチューブ３２，３４の交差部分に付着させることにより、ヒートスプレッダ２４が形成される。

上記の方法により形成されたヒートスプレッダ２４は、カーボンナノチューブ３２，３４がパッケージ２１の面内方向に配向しているので、面内方向の熱伝導性が極めて優れている。また、上記の方法により形成されたヒートスプレッダ２４は、カーボンナノチューブ３２，３４の交差部に金属粒子３５が付着しているので、厚さ方向の熱伝導性も良好である。

なお、１本のカーボンナノチューブをヒートスプレッダ２４，２５の長さまで成長させることは困難である。従って、実際にはパッケージ２１を複数の領域に分割し、各領域毎に上記の方法によりカーボンナノチューブを形成すればよい。

また、上記の方法では、第１層目及び第２層目のカーボンナノチューブ３２，３４を形成した後に金属粒子３５を付着させる工程を実施しているが、第１層目のカーボンナノチューブ３２を形成した後に金属粒子３５を付着する工程を実施し、その後第２層目のカーボンナノチューブ３４を形成してもよい。

更に、上記の方法では熱ＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを形成する場合について説明したが、熱フィラメントによりガス解離を行う熱フィラメントＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを形成してもよい。非特許文献４（S. Sato, et. al., Chemical Physics Letters, vol.382, p.361, 2003. ）には、熱フィラメントＣＶＤ法及びレーザアブレーション法を用いてカーボンナノチューブを形成する方法が記載されている。

更にまた、上記の方法では、スパッタ法によりパッケージ２１上に触媒金属膜３１，３３を形成しているが、これらの触媒金属膜３１，３３に替えて、レーザアブレーション法により形成した触媒金属の粒子をパッケージ２１上に付着させてもよい。例えば、図６（ａ）に示すようにパッケージ２１上に矩形状の開口部４６ａを有するマスク４６を形成した後、レーザアブレーション法によりＦｅ、Ｎｉ若しくはＣｏ又はそれらの磁性金属を含む合金の粒子を生成し、それらの金属粒子をマスク４６の開口部４６ａを介してパッケージ２１上に付着させる。これにより、図６（ｂ）に示すように、パッケージ２１上に、カーボンナノチューブの成長の起点となる触媒金属粒子４７が形成される。

更にまた、非特許文献５（D. Kondo, et. al., Japanese Journal of Applied Physics, vol.44, p.5292, 2005. ）に記載されているようなウェット法によりカーボンナノチューブを形成してもよい。すなわち、フェリチン（Ｆｅを含むたんぱく質）を分散させた溶液をパッケージ上に塗布した後、例えば前述した条件で熱ＣＶＤを実施する。パッケージ上に付着したフェリチンは熱ＣＶＤの初期段階で熱により分解し、Ｆｅのみがパッケージ上に残って触媒金属となる。そして、この触媒金属を起点としてカーボンナノチューブが成長する。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態が第１の実施形態と異なる点はヒートスプレッダの構造が異なることにあり、その他の構成は第１の実施形態と同様であるので、ここでは重複する部分の説明は省略する。

図７は、パッケージ２１上に形成された第２の実施形態のヒートスプレッダ５１を示す斜視図である。本実施形態のヒートスプレッダ５１は、パッケージ２１の面内方向に配向したカーボンナノチューブの層を数層〜数１０層（図７では２層のみ図示）積層して構成されている。図７に示すように、第１層目のカーボンナノチューブ５２は、パッケージ２１の長さ方向に伸びて形成されている。これらのカーボンナノチューブ５２の上にはＦｅ、Ｃｏ若しくはＮｉ又はそれらの磁性金属を含む合金からなる触媒金属粒子５３が付着しており、それらの触媒金属粒子５３を起点として、パッケージ２１の幅方向に伸びる第２層目のカーボンナノチューブ５４が形成されている。これと同様に、第３層目以降のカーボンナノチューブも、下層のカーボンナノチューブに付着した触媒金属粒子５３を起点としてパッケージ２１の長さ方向（奇数番目の層のカーボンナノチューブ）又は幅方向（偶数番目の層のカーボンナノチューブ）に伸びている。

図８（ａ）〜（ｃ）は、第２の実施形態に係るヒートスプレッダ５１の製造方法を工程順に示す斜視図である。

まず、図８（ａ）に示すように、第１の実施形態と同様の方法によりパッケージ２１の上に触媒金属膜３１を形成し、熱ＣＶＤ法によりカーボンナノチューブ５２を形成する。このとき、パッケージ２１の長さ方向に電界を印加して、第１層目のカーボンナノチューブ５２をパッケージ２１の長さ方向に成長させる。熱ＣＶＤ法におけるカーボンナノチューブ形成時の条件は、例えば、チャンバ内の圧力が１０００Ｐａ、パッケージ２１の表面温度が４００〜６００℃、アセチレンガスの流量が２００sccmである。

次に、図８（ｂ）に示すように、レーザアブレーション法により、パッケージ２１の上に、直径が１〜数ｎｍのＦｅ、Ｎｉ若しくはＣｏ又はそれら磁性金属を含む合金の粒子（触媒金属粒子５３）を生成し、それらの触媒金属粒子５３を第１層目のカーボンナノチューブ５２に付着させる。この場合、触媒金属粒子５３はカーボンナノチューブ５２以外の部分にも付着するが、ある程度の量の触媒金属粒子５３がカーボンナノチューブ５２に付着すればよい。

次に、パッケージ２１の幅方向に電界を印加しながら、熱ＣＶＤ法により、図８（ｃ）に示すように、触媒金属粒子５３を起点としてパッケージ２１の幅方向に伸びる第２層目のカーボンナノチューブ５４を形成する。

このようにして、パッケージ２１の長さ方向に伸びるカーボンナノチューブ５２の形成工程、触媒金属粒子５３の付着工程、パッケージ２１の幅方向に伸びるカーボンナノチューブ５４の形成工程及び触媒金属粒子５３の付着工程の各工程を順番に繰り返して、本実施形態のヒートスプレッダ５１が形成される。

本実施形態においても、ヒートスプレッダ５１がパッケージ２１の面内方向に配向したカーボンナノチューブ５２，５４により構成され、且つカーボンナノチューブ５２，５４の交差部に金属粒子（触媒金属粒子５３）が付着しているので、面内方向の熱伝導性が極めて優れているとともに、厚さ方向の熱伝導性も良好である。また、本実施形態のヒートスプレッダ５１は、カーボンナノチューブの成長の起点となる触媒金属粒子５３を厚さ方向の熱伝導にも利用しているので、第１の実施形態のヒートスプレッダに比べて製造工程数を削減できるという利点がある。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態が第１の実施形態と異なる点はヒートスプレッダの構造が異なることにあり、その他の構成は第１の実施形態と同様であるので、ここでは重複する部分の説明は省略する。

図９は、パッケージ２１上に形成された第３の実施形態のヒートスプレッダ６１を示す模式図である。本実施形態のヒートスプレッダ６１は、多数のカーボンナノチューブ６３が絡み合って構成されるカーボンナノチューブ層６２が複数積層された構造を有している。厚さ方向に重なるカーボンナノチューブ６３の間には金属粒子６４が付着しており、これらの金属粒子６４により厚さ方向の熱伝導性を確保している。図９に示すように、各層６２のカーボンナノチューブ６３の向きは一定ではないが、殆どのカーボンナノチューブ６３はパッケージ２１の面にほぼ平行になっている。

図１０（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態のヒートスプレッダ６１の製造方法を示す図である。なお、本実施形態のヒートスプレッダ６１は、山形大学工学部の安部氏及び佐野氏により発表されためっき法（日本化学会第８４春季年会、2A4-25“電場吸着によるカーボンナノチューブ薄膜の形成”）を用いてカーボンナノチューブ層を形成している。

まず、アーク放電法、レーザアブレーション法又はその他の公知の方法によりカーボンナノチューブを形成する。そして、それらのカーボンナノチューブをＤＭＦ（ジメチルホルムアミド）溶液中に分散してめっき液とする。また、パッケージ２１には、予めヒートスプレッダ形成領域以外の領域を覆うマスクを形成しておく。

次に、上述しためっき液を使用し、図１０（ａ）に示すように、パッケージ２１上に第１層目のカーボンナノチューブ層６２を形成する。この場合、パッケージ２１を陽極とすることにより、静電誘導によりカーボンナノチューブ６３がパッケージ２１の面にほぼ平行に付着して、カーボンナノチューブ６３が絡み合った構造のカーボンナノチューブ層６２が形成される。カーボンナノチューブ層６２の厚さはめっき時の電流及びめっき時間等により制御可能であるが、例えば数１０ｎｍ程度とする。

次に、図１０（ｂ）に示すように、レーザアブレーション法により直径が１〜数ｎｍの金属粒子６４を生成し、それらの金属粒子６４をカーボンナノチューブ６３に付着させる。金属粒子の材料となる金属は特に限定するものではないが、Ｐｄ、Ｍｏ及びＴｉのうちのいずれかの金属を使用すると、良好なオーミック接続が得られ、熱伝導性が良好となる。

次に、図１０（ｃ）に示すように、第１層目のカーボンナノチューブ層６２の形成と同様にパッケージ２１を陽極とし、前述しためっき液を用いて、第２層目のカーボンナノチューブ層６２を形成する。

このようにして、めっきによるカーボンナノチューブ層６２の形成工程と、金属粒子６４の付着工程とを順番に繰り返すことにより、本実施形態に係るヒートスプレッダ６１が形成される。

本実施形態のヒートスプレッダ６１においても、パッケージ２１の面にほぼ平行に配向したカーボンナノチューブ６３により構成された層（カーボンナノチューブ層６２）を複数積層して構成されており、且つカーボンナノチューブ６３の交差部には金属粒子６４が付着しているので、面内方向の熱伝導性が極めて優れているとともに、厚さ方向の熱伝導性も良好である。

なお、上述した第１〜第３の実施形態ではいずれも本発明をパワーアンプに適用した例について説明したが、本発明はパワーアンプ以外の半導体装置に適用してもよい。

また、上記の実施形態ではいずれも炭素元素円筒状構造体がカーボンナノチューブの場合について説明したが、これにより本発明において炭素元素円筒状構造体がカーボンナノチューブに限定されるものではない。例えば、炭素元素円筒状構造体が炭素のコーン状の結晶により構成されたカーボンファイバの場合でも、同様の効果を得ることができる。

以下、本発明の諸態様を、付記としてまとめて記載する。

（付記１）炭素元素円筒型構造体の集合からなる第１の層と、
炭素元素円筒型構造体の集合からなり、前記第１の層の上に形成された第２の層と、
前記第１の層及び前記第２の層の炭素元素円筒型構造体の交差部に付着した金属粒子と
を有することを特徴とする熱拡散シート。

（付記２）前記炭素元素円筒型構造体が、前記第１の層又は前記第２の層の面内方向に配向していることを特徴とする付記１に記載の熱拡散シート。

（付記３）前記第１の層を構成する各炭素元素円筒型構造体の配向方向が同じであり、且つ前記第２の層を構成する各炭素元素円筒型構造体の配向方向が同じであることを特徴とする付記２に記載の熱拡散シート。

（付記４）前記第１の層及び第２の層の前記炭素元素円筒型構造体の配向方向が相互に異なる方向であることを特徴とする付記２に記載の熱拡散シート。

（付記５）前記金属粒子が、Ｔｉ、Ｐｄ及びＭｏのうちから選択されたいずれか１種の金属であることを特徴とする付記１に記載の熱拡散シート。

（付記６）前記炭素元素円筒型構造体がカーボンナノチューブであることを特徴とする付記１に記載の熱拡散シート。

（付記７）基材の表面上に、前記基材の表面に平行な第１の方向に伸びる複数の炭素元素円筒型構造体からなる第１の層を形成する工程と、
前記第１の層の上に、前記基材の表面に平行であって前記第１の方向に交差する第２の方向に伸びる複数の炭素元素円筒型構造体からなる第２の層を形成する工程と、
前記第１の層の炭素元素円筒型構造体と前記第２の層の炭素元素円筒型構造体とが交差する部分に金属粒子を付着させる工程と
を有することを特徴とする熱拡散シートの製造方法。

（付記８）前記金属粒子を、レーザアブレーション法により形成することを特徴とする付記７に記載の熱拡散シートの製造方法。

（付記９）前記金属粒子が、Ｔｉ、Ｐｄ及びＭｏのうちから選択されたいずれか１種の金属であることを特徴とする付記７に記載の熱拡散シートの製造方法。

（付記１０）前記第１の層及び前記第２の層の炭素元素円筒型構造体を、ＣＶＤ法により形成することを特徴とする付記７に記載の熱拡散シートの製造方法。

（付記１１）前記金属粒子が、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉのうちから選択されたいずれか１種の磁性金属を主成分とすることを特徴とする付記１０に記載の熱拡散シートの製造方法。

（付記１２）前記第１の層及び第２の層の炭素元素円筒型構造体の成長方向を、電界の印加により決定することを特徴とする付記１０に記載の熱拡散シートの製造方法。

（付記１３）前記基材の表面上に、前記炭素元素円筒型構造体の成長の起点となる触媒金属を付着させる工程を有することを特徴とする付記１０に記載の熱拡散シートの製造方法。

（付記１４）前記触媒金属は、スパッタ法により前記基材の表面上に付着させることを特徴とする付記１３に記載の熱拡散シートの製造方法。

（付記１５）前記触媒金属は、レーザアブレーション法により前記基材の表面上に付着させることを特徴とする付記１３に記載の熱拡散シートの製造方法。

（付記１６）基材の表面上に、炭素元素円筒型構造体を分散させた溶液を用いためっき法により、複数の炭素元素円筒型構造体からなる第１の層を形成する工程と、
前記第１の層の炭素元素円筒型構造体に金属粒子を付着させる工程と、
前記第１の層の上に、炭素元素円筒型構造体を分散させた溶液を用いためっき法により、複数の炭素元素円筒型構造体からなる第２の層を形成する工程と
を有することを特徴とする熱拡散シートの製造方法。

（付記１７）前記金属粒子が、Ｔｉ、Ｐｄ及びＭｏのうちから選択されたいずれか１種の金属であることを特徴とする付記１６に記載の熱拡散シートの製造方法。

（付記１８）前記金属粒子を、レーザアブレーション法により形成することを特徴とする付記１６に記載の熱拡散シートの製造方法。

（付記１９）半導体チップとパッケージとの間及びパッケージとヒートシンクとの間のうちの少なくとも一方に熱拡散シートが配置された半導体装置において、
前記熱拡散シートが、炭素元素円筒型構造体の集合により構成される層が厚さ方向に複数積層された構造を有し、厚さ方向に隣り合う層の前記炭素元素円筒型構造体の交差部に金属粒子が付着していることを特徴とする半導体装置。

（付記２０）前記炭素元素円筒型構造体が、前記熱拡散シートの面内方向に配向していることを特徴とする付記１９に記載の半導体装置。

図１は、半導体チップからヒートシンクまでの熱伝導を示す模式図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を示す分解図である。 図３（ａ）はパッケージ上に形成された第１の実施形態のヒートスプレッダを示す斜視図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＩ−Ｉ線の位置における断面図である。 図４は、第１の実施形態のヒートスプレッダの製造方法を示す斜視図（その１）である。 図５は、第１の実施形態のヒートスプレッダの製造方法を示す斜視図（その２）である。 図６（ａ），（ｂ）は、レーザアブレーション法により生成した触媒金属粒子をパッケージの所定の領域上に付着させる方法を示す斜視図である。 図７は、パッケージ上に形成された第２の実施形態のヒートスプレッダを示す斜視図である。 図８（ａ）〜（ｃ）は、第２の実施形態に係るヒートスプレッダの製造方法を示す斜視図である。 図９は、パッケージ上に形成された第３の実施形態のヒートスプレッダを示す模式図である。 図１０（ａ）〜（ｃ）は、第３の実施形態に係るヒートスプレッダの製造方法を示す斜視図である。

符号の説明

１０，２０…半導体チップ、
１１，１３，２４，２５，５１，６１…ヒートスプレッダ、
１２，２１…パッケージ、
１４，２６…ヒートシンク、
２２…キャップ、
２３…リード、
３１，３３…触媒金属膜、
３２，３４，５２，５４，６３…カーボンナノチューブ、
３５，６４…金属粒子、
４１，４４…フォトレジスト膜、
４２ａ，４２ｂ，４５ａ，４５ｂ…電極、
４３，４６…電源、
４７，５３…触媒金属粒子、
６２…カーボンナノチューブ層。

Claims (5)

1. 炭素元素円筒型構造体の集合からなる第１の層と、
   炭素元素円筒型構造体の集合からなり、前記第１の層の上に形成された第２の層と、
   前記第１の層及び前記第２の層の炭素元素円筒型構造体の交差部に付着した金属粒子と
   を有することを特徴とする熱拡散シート。
2. 前記炭素元素円筒型構造体が、前記第１の層又は前記第２の層の面内方向に配向していることを特徴とする請求項１に記載の熱拡散シート。
3. 前記金属粒子が、Ｔｉ、Ｐｄ及びＭｏのうちから選択されたいずれか１種の金属であることを特徴とする請求項１に記載の熱拡散シート。
4. 半導体チップとパッケージとの間及びパッケージとヒートシンクとの間のうちの少なくとも一方に熱拡散シートが配置された半導体装置において、
   前記熱拡散シートが、炭素元素円筒型構造体の集合により構成される層が厚さ方向に複数積層された構造を有し、厚さ方向に隣り合う層の前記炭素元素円筒型構造体の交差部に金属粒子が付着していることを特徴とする半導体装置。
5. 前記炭素元素円筒型構造体が、前記熱拡散シートの面内方向に配向していることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。

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