JP5146256B2 - シート状構造体及びその製造方法、並びに電子機器及びその製造方法 - Google Patents

シート状構造体及びその製造方法、並びに電子機器及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、シート状構造体及びその製造方法に係り、特に、炭素元素の線状構造体を有するシート状構造体及びその製造方法、並びにこのようなシート状構造体を用いた電子機器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中央処理装置（ＣＰＵ：Central Processing Unit）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、半導体素子の直上に設けられたインジウムシートなどの熱伝導性シートを介して、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。
しかしながら、近年におけるレアメタルの大幅な需要増加によりインジウム価格は高騰しており、インジウムよりも安価な代替材料が待望されている。また、物性的に見てもインジウムの熱伝導度（５０Ｗ／ｍ・Ｋ）は高いとはいえず、半導体素子から生じた熱をより効率的に放熱させるために更に高い熱伝導度を有する材料が望まれている。
このような背景から、インジウムよりも高い熱伝導度を有する材料として、カーボンナノチューブに代表される炭素元素の線状構造体が注目されている。カーボンナノチューブは、非常に高い熱伝導度（１５００Ｗ／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２００６−１４７８０１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、炭素元素の線状構造体を用いた熱伝導度及び電気伝導度が極めて高いシート状構造体及びその製造方法、並びにこのようなシート状構造体を用いた高性能の電子機器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、複数の炭素元素の線状構造体と、複数の前記線状構造体の間隙に充填され、複数の前記線状構造体を保持する充填層と、複数の前記線状構造体の少なくとも一方の端部に形成され、前記充填層の構成材料よりも熱伝導率の高い材料よりなる第１の被膜と、前記第１の被膜と前記線状構造体との間に形成されたグラファイト層とを有するシート状構造体が提供される。
また、実施形態の他の観点によれば、発熱部と、前記発熱部により生じた熱を放熱する放熱部と、前記発熱部と前記放熱部との間に配置され、複数の炭素元素の線状構造体と、複数の前記線状構造体の少なくとも一方の端部に形成された被膜と、前記被膜と前記線状構造体との間に形成されたグラファイト層とを有するシート状構造体とを有する電子機器が提供される。
また、実施形態の更に他の観点によれば、第１の基板上に、触媒金属膜を形成する工程と、前記触媒金属膜を触媒として、前記第１の基板上に、端部がグラファイト層により覆われた複数の炭素元素の線状構造体を成長する工程と、前記グラファイト層により覆われた複数の前記線状構造体の端部上に、第１の被膜を形成する工程と、前記第１の被膜上に第２の基板を貼り合わせた後、複数の前記線状構造体と前記第１の基板との界面から前記第１の基板を剥離する工程と、前記線状構造体間に充填材を充填し、充填層を形成する工程と、前記第２の基板を除去する工程とを有するシート状構造体の製造方法が提供される。
また、実施形態の更に他の観点によれば、発熱部と、前記発熱部により生じた熱を放熱する放熱部とを、複数の炭素元素の線状構造体と、複数の前記線状構造体の少なくとも一方の端部に形成された被膜と、前記被膜と前記線状構造体との間に形成されたグラファイト層とを有するシート状構造体を介して接合する工程と、前記被膜の融点よりも高い温度で熱処理を行い、前記被膜をリフローする工程とを有する電子機器の製造方法が提供される。
開示のシート状構造体及びその製造方法によれば、端部に熱伝導率の高い材料の被膜が形成された炭素元素の線状構造体を用い、当該線状構造体がシートの膜厚方向に配向したシート構造体を形成するので、線状構造体とシート状構造への被着体との間の接触熱抵抗及び接触抵抗を大幅に低減することができる。これにより、シート状構造体の熱伝導性及び電気伝導性を向上することができる。
［第１実施形態］
第１実施形態によるカーボンナノチューブシート及びその製造方法について図１乃至図７を用いて説明する。
図１は、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す斜視図である。図２は、接触熱抵抗と被膜１４のコーティング長との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。図３は、カーボンナノチューブシートを介して発熱体と放熱体とが接続された状態を示す模式図である。図４乃至図７は、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法を示す斜視図である。
はじめに、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造について図１を用いて説明する。
本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０は、図１に示すように、両端部が熱伝導性及び／又は導電性を有する材料の被膜１４により被覆された複数のカーボンナノチューブ１２が、樹脂材料や金属材料等よりなる充填層１６内に埋め込まれた構造を有している。
カーボンナノチューブ１２は、シートの面に垂直な方向に配向している。カーボンナノチューブ１２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１２の密度は、放熱性及び電気伝導性の観点から、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１２の長さは、カーボンナノチューブシート１０の用途によって決まり、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１２の端部に設けられた被膜１４は、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。カーボンナノチューブシート１０の全体としての熱伝導率を向上する観点からは、充填層１６の構成材料よりも熱伝導率の高い材料により形成することが望ましい。一般的な樹脂材料の熱伝導率が１（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度であることに鑑みれば、カーボンナノチューブシート１０の両表面に形成された被膜１４は、熱伝導率の高い材料、例えば熱伝導率が０．１（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上の材料により形成することが効果的である。カーボンナノチューブシート１０を電気伝導用途に用いる場合には、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１４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）、低融点はんだ等を用いることができる。また、被膜１４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。
カーボンナノチューブ１２の端部に熱伝導性の高い被膜１４を設けることにより、被膜１４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１０の被着体（放熱体、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１２と被着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１０の熱伝導性を高めることができる。
また、被膜１４として、融点の低い材料、例えばインジウム（融点：１５７℃程度）や低融点はんだなどを用いれば、カーボンナノチューブシート１０を被着体と接触した後に被膜１４をリフローすることも可能である。これにより、カーボンナノチューブシート１０と被着体との間の接触部の凹凸を被膜１４の構成材料で埋めることができ、これらの間の熱伝導性や導電性を更に向上することができる。
図２は、接触熱抵抗と被膜１４のコーティング長との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。横軸が被膜１４のコーティング長Ｌｃであり、縦軸が接触熱抵抗Ｒｔｈである。
図３は、カーボンナノチューブシート１０を介して発熱体５０と放熱体６０とが接続された状態を示す模式図である。図３では、カーボンナノチューブシート１０として、１本のカーボンナノチューブ１２だけを示している。被膜１４は、カーボンナノチューブ１２の端部領域を囲うように形成されている。被膜１４のコーティング長Ｌｃとは、図３に示すように、被膜１４により覆われた部分のカーボンナノチューブ１２の長さである。
図２のシミュレーションでは、直径１００μｍの領域に、１×１０１１本／ｃｍ２の密度で、熱伝導率が１０００Ｗ／ｍ・Ｋ、長さが１００μｍのカーボンナノチューブ１２が形成されていると仮定した。また、金よりなる被膜１４とカーボンナノチューブ１２との間の接触面積のうちの３０％が熱伝導に寄与するものとの仮定した。
図２に示すように、カーボンナノチューブ１２の接触熱抵抗は、被膜１４のコーティング長Ｌｃが大きいほどに低くなっている。特に、被膜１４のコーティング長Ｌｃが約１００ｎｍ以下では、コーティング長Ｌｃに対する接触熱抵抗の変化は極めて大きく、数十ｎｍ以上の被覆によって接触熱抵抗は１桁以上低減する。
カーボンナノチューブ１２を１×１０１１本／ｃｍ２程度の密度で成長した場合、コーティング長Ｌｃは、カーボンナノチューブ１２の端面上に堆積される膜厚のおよそ３倍程度となる。
また、１×１０１１本／ｃｍ２程度の密度でカーボンナノチューブ１２を成長した場合、カーボンナノチューブ１２間の間隔は、およそ３０〜５０ｎｍとなる。この場合、カーボンナノチューブ１２の端面上に堆積される被膜１４の膜厚を１００ｎｍ程度以上に設定すると、隣接するカーボンナノチューブ１２上に形成された被膜１４は互いに接続され、被膜１４はカーボンナノチューブシート１０の表面に連続して形成されることになる。
被膜１４の膜厚は、カーボンナノチューブシート１０に要求される特性に応じて適宜設定することができる。
被膜１４の最小膜厚は、上述の接触熱抵抗の観点から規定することができる。例えば、１×１０１１本／ｃｍ２程度の密度でカーボンナノチューブ１２を成長した場合、被膜１４の膜厚を３０ｎｍ程度以上（コーティング長Ｌｃがおよそ１００ｎｍ以上）とすることが望ましい。これにより、被膜１４を形成しない場合と比較して、接触熱抵抗を１桁以上改善することができる。
被膜１４の最大膜厚は、カーボンナノチューブシート１０に要求される熱伝導性の観点から規定することができる。被膜１４として金を用いた場合、金の熱伝導率は３００［Ｗ／ｍ・Ｋ］程度であり、カーボンナノチューブ１２のおよそ１／１０である。このため、被膜１４を厚く付けすぎると、カーボンナノチューブシート１０全体としての熱伝導性を低下する虞があるからである。
また、隣接するカーボンナノチューブ１２が被膜１４によって接続されているか接続されていないかは、カーボンナノチューブシート１０の用途に応じて選択することができる。
隣接するカーボンナノチューブ１２が被膜１４によって接続されていない場合、カーボンナノチューブ１２の１本１本が独立しているため、高いたわみ性を有している。このため、被着体に接触したときの弾力性を向上することができる。
他方、隣接するカーボンナノチューブ１２が被膜１４によって接続されている場合、カーボンナノチューブ１２の長さにばらつきが生じ、一部のカーボンナノチューブ１２が被着体に直に接しないような場合にも、被膜１４を介した横方向の熱伝導・電気伝導によって総てのカーボンナノチューブ１２を熱伝導体として用いることができ、熱伝導性を向上することができる。
また、本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０は、被膜１４の表面が充填層１６によって覆われていない。これにより、カーボンナノチューブシート１０を放熱体又は発熱体と接触したとき、カーボンナノチューブ１２が放熱体又は発熱体に対して直に接するため、熱伝導効率を大幅に高めることができる。
また、カーボンナノチューブ１２は導電性を有しているため、被膜１４を導電性材料によって形成することにより、カーボンナノチューブ１２を、シートを貫く配線体として用いることもできる。すなわち、本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０は、熱伝導シートとしてのみならず、縦型配線シートとしても利用可能である。カーボンナノチューブシートを配線シートとして用いる場合には、カーボンナノチューブ１２と被着体との間の接触抵抗が低減され、カーボンナノチューブシート１０の導電性を高めることができる。
充填層１６の構成材料としては、カーボンナノチューブの埋め込みの際に液体状の性質を示し、その後に硬化できるものであれば特に限定されるものではない。例えば、有機系充填材としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂などを適用することができる。また、無機系充填材としては、ＳＯＧ（Spin On Glass）などの塗布型絶縁膜形成用組成物などを適用することができる。また、インジウム、はんだ、金属ペースト（例えば、銀ペースト）などの金属材料を適用することもできる。また、例えばポリアニリン、ポリチオフェンなどの導電性ポリマを適用することもできる。また、カーボンナノチューブシート１０自体に撓み性や柔軟性が必要な場合には、硬化後にゴム状やゲル状になる充填材を用いてもよい。
また、充填層１６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や導電性の高い物質が考えられる。充填層１６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１６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全体としての熱伝導率を向上することができる。カーボンナノチューブシートを導電性シートとして用いる場合にあっては、充填層１６部分に電導性の高い添加物を分散混合することにより、充填層１６部分の導電率を向上することができ、カーボンナノチューブシート全体としての導電率を向上することができる。充填層１６として例えば有機系充填材などの熱伝導性の低い絶縁材料を用いる場合には、特に有効である。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。電導性の高い材料としては、カーボンナノチューブ、金属材料等を適用することができる。
次に、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法について図４乃至図７を用いて説明する。
まず、カーボンナノチューブシート１０を形成するための土台として用いる基板３０を用意する。基板３０としては、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３０は、カーボンナノチューブ１２の形成後に剥離されるものである。この目的のもと、基板３０としては、少なくともカーボンナノチューブ１２に接する面が、カーボンナノチューブ１２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、カーボンナノチューブシート１０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ことが望ましい。
次いで、基板３０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３２を形成する（図４（ａ））。
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３０上に、例えばホットフィラメントＣＶＤ法により、触媒金属膜３２を触媒として、カーボンナノチューブを成長する。カーボンナノチューブの成長条件は、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３〜６層（平均４層程度）、直径が４〜８ｎｍ（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。
こうして、基板３０上に、基板３０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１２を形成する（図４（ｂ））。なお、上記の成長条件で形成したカーボンナノチューブ１２の面密度は、１×１０１１本／ｃｍ２程度であった。
次いで、カーボンナノチューブ１２上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚１０ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜と、例えば膜厚３００ｎｍの金（Ａｕ）膜とを堆積する。これにより、カーボンナノチューブ１２上に、Ａｕ／Ｔｉの積層構造の被膜１４ａを形成する（図５（ａ））。この際、カーボンナノチューブ１２端部のコーティング長Ｌｃは、堆積膜厚のおよそ３倍程度となる。
被膜１４ａの構成材料は、充填層１６の構成材料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。カーボンナノチューブシート１０を電気伝導用途に用いる場合には、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１４ａ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）、低融点はんだ等を用いることができる。被膜１４ａは、これら金属の単層構造でもよいし、上述のようなチタンと金との積層構造など、２層或いは３層以上の積層構造であってもよい。
なお、上記の例でＡｕ／Ｔｉの積層構造を用いているのは、チタンがカーボンナノチューブ１２に対する密着性に優れているからである。金膜とカーボンナノチューブ１２との間にチタン膜を形成することにより、カーボンナノチューブ１２と被膜１４ａとの間の接触熱抵抗並びに接触抵抗を低減することができる。密着性を向上する観点からは、１０ｎｍ程度以上のチタン膜を形成することが望ましい。
次いで、基板３０上に形成されたカーボンナノチューブ１２を転写するための基板として、基板３０とは別の基板（又はシート）４０を用意する。基板４０としては、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。
次いで、基板４０上に、接着材層４２を形成する。接着材層の構成材料としては、後に形成する充填層１６の構成材料に対して選択エッチング性を有する材料を適用する。例えば、充填層１６を水溶性のないシリコーン系樹脂により形成する場合には、接着材層４２としては水溶性のあるポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を用いることができる。
次いで、接着材層４２が形成された基板４０上に、基板３０上に形成されたカーボンナノチューブ１２を転写する（図５（ｂ））。まず、被膜１４ａの形成面と接着材層４２とが向き合うように基板３０と基板４０とを貼り合わせる。次いで、基板３０とカーボンナノチューブ１２との界面から、基板３０を剥離する。被膜１４ａの接着材層４２に対する接着力は、カーボンナノチューブ１２の基板３０に対する接着力よりも強いため、基板３０をカーボンナノチューブ１２との界面から容易に剥離することができる。これにより、基板４０上にカーボンナノチューブ１２を転写することができる。
次いで、基板４０に転写したカーボンナノチューブ１２上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚１０ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜と、例えば膜厚５０ｎｍの金（Ａｕ）膜とを堆積する。これにより、カーボンナノチューブ１２上に、Ａｕ／Ｔｉの積層構造よりなる被膜１４ｂを形成する（図６（ａ））。この際、カーボンナノチューブ１２端部のコーティング長Ｌｃは、堆積膜厚のおよそ３倍程度となる。
被膜１４ｂの構成材料は、充填層１６の構成材料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。カーボンナノチューブシート１０を電気伝導用途に用いる場合には、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１４ｂ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）、低融点はんだ等を用いることができる。被膜１４ｂは、これら金属の単層構造でもよいし、上述のようなチタンと金との積層構造など、２層或いは３層以上の積層構造であってもよい。
次いで、例えばディップ法により、充填層１６となる充填材を、カーボンナノチューブ１２の間隙に充填する。例えば、粘度が８００ｍＰａ・ｓのシリコーン系樹脂を、例えば１０００ｒｐｍ、２０秒の条件でスピンコーとした基板に対して、カーボンナノチューブ１２が転写された基板４０を例えば１分間押し付ける。これにより、充填材としてのシリコーン系樹脂が、毛細管現象により、カーボンナノチューブ１２の間に、カーボンナノチューブ１２とほぼ同じ高さまで充填される。
充填材は、液体状の性質を示し、その後に硬化できるものであれば、特に限定されるものではない。例えば、有機系充填材としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂などを適用することができる。また、無機系充填材としては、ＳＯＧなどの塗布型絶縁膜形成用組成物などを適用することができる。また、インジウム、はんだ、金属ペースト（例えば、銀ペースト）などの金属材料を適用することもできる。また、例えばポリアニリン、ポリチオフェンなどの導電性ポリマを適用することもできる。
なお、カーボンナノチューブ１２が基板４０上の全面に形成されている場合、カーボンナノチューブ１２間に充填材を浸透する際、１本１本のカーボンナノチューブ１２同士の凝集が起こり、カーボンナノチューブ１２が元々保持していた配向性を失い、例えば横に倒れるなどの形状変化を起こすことがある。しかしながら、本実施形態では、カーボンナノチューブ１２の両端部に被膜１４が形成されているため、カーボンナノチューブ１２の形状変化を抑制して凝集を防止することができる。
次いで、カーボンナノチューブ１２間に充填した充填材を硬化し、充填層１６を形成する（図６（ｂ））。例えば、充填材としてアクリル樹脂等の光硬化性の材料を用いる場合には、光照射によって充填材を硬化させることができる。また、充填材としてエポキシ樹脂やシリコーン系樹脂などの熱硬化性の材料を用いる場合には、熱処理によって充填材を硬化させることができる。エポキシ樹脂の場合、例えば１５０℃、１時間の熱処理により、熱硬化することができる。また、シリコーン系樹脂の場合、例えば２００℃、１時間の熱処理により、熱硬化することができる。
なお、充填層１６の硬化後に、カーボンナノチューブ１２上の被膜１４ｂが充分に露出していない又は充填層１６によって覆われている場合には、化学的機械的研磨や酸素プラズマアッシングによって、被膜１４ｂの上の充填層１６を除去するようにしてもよい。被膜１４ｂ上に接着材層４２の残渣が残っている場合には、これを除去する効果もある。
次いで、両端が被膜１４により覆われたカーボンナノチューブ１２及び充填層１６を基板４０から剥離し、カーボンナノチューブシート１０を得る（図７）。
例えば、接着材層４２を充填層１６に対して選択的にエッチングすることにより、カーボンナノチューブシート１０を容易に剥離することができる。例えば、充填層１６がシリコーン系樹脂により形成され、接着材層４２がポリビニルアルコールにより形成されている場合には、水又は温水中に浸漬することにより、接着材層４２を溶解してカーボンナノチューブシート１０を剥離することができる。
このように、本実施形態によれば、カーボンナノチューブの端部に熱伝導率の高い材料よりなる被膜を形成するので、カーボンナノチューブとシートの被着体との間の接触熱抵抗及び接触抵抗を大幅に低減することができる。これにより、カーボンナノチューブシートの熱伝導性及び電気伝導性を向上することができる。
［第２実施形態］
第２実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法について図８及び図９を用いて説明する。図１乃至図７に示す第１実施形態によるカーボンナノチューブシート及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
図８及び図９は本実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法を示す斜視図である。
本実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法は、カーボンナノチューブ１２を基板４０上に転写する方法が異なる他は、第１実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法と同様である。各構成部分の構成材料や詳細な製造方法は、第１実施形態の場合と同様である。
まず、図４（ａ）乃至図５（ａ）に示す第１実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法と同様にして、基板３０上に、カーボンナノチューブ１２と、カーボンナノチューブ１２の端部に形成された被膜１４ａとを形成する。
次いで、基板３０上に形成されたカーボンナノチューブ１２を転写するための基板として、基板３０とは別の基板（又はシート）４０を用意する。
次いで、基板４０上に、犠牲層４４と、被膜１４ａに対して熱圧着できる材料の層４６（以下、「熱圧着層４６」と呼ぶ）とを形成する。熱圧着層４６の構成材料としては、例えば被膜１４ａの表面が金により形成される場合には、金を適用することができる。犠牲層４４の構成材料としては、熱圧着層４６に対して選択エッチング性のある材料を適用する。熱圧着層４６が例えば金の場合には、例えばチタンを適用することができる。
次いで、接着材層４２が形成された基板４０上に、基板３０上に形成されたカーボンナノチューブ１２を転写する（図８（ａ））。まず、被膜１４ａの形成面と熱圧着層４６とが向き合うように、基板３０と基板４０とを重ね合わせる。次いで、加熱しながら基板３０と基板４０との間に圧力を加え、被膜１４ａと熱圧着層４６とを熱圧着する。次いで、基板３０とカーボンナノチューブ１２との界面から、基板３０を剥離する。被膜１４ａの熱圧着層４６に対する接着力は、カーボンナノチューブ１２の基板３０に対する接着力よりも強いため、基板３０をカーボンナノチューブ１２との界面から容易に剥離することができる。これにより、基板４０上にカーボンナノチューブ１２を転写することができる。
次いで、第１実施形態の場合と同様にして、基板４０に転写したカーボンナノチューブ１２上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚１０ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜と、例えば膜厚５０ｎｍの金（Ａｕ）膜とを堆積する。これにより、カーボンナノチューブ１２上に、Ａｕ／Ｔｉの積層構造の被膜１４ｂを形成する（図８（ｂ））。
次いで、第１実施形態の場合と同様にして、カーボンナノチューブ１２の間隙を埋め込む充填層１６を形成する（図９（ａ））。
次いで、両端が被膜１４により覆われたカーボンナノチューブ１２及び充填層１６を基板４０から剥離し、カーボンナノチューブシート１０を得る（図９（ｂ））。
例えば、犠牲層４４を熱圧着層４６に対して選択的にエッチングすることにより、カーボンナノチューブシート１０を容易に剥離することができる。例えば、熱圧着層４６が金により構成され、犠牲層４４がチタンにより構成されている場合には、弗酸水溶液中に浸漬することにより、犠牲層４４を溶解してカーボンナノチューブシート１０を剥離することができる。
［第３実施形態］
第３実施形態によるカーボンナノチューブシート及びその製造方法について図１０及び図１１を用いて説明する。図１乃至図９に示す第１及び第２実施形態によるカーボンナノチューブシート及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
図１０は、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す斜視図である。図１１は、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法を示す斜視図である。
はじめに、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造について図１０を用いて説明する。
本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０は、図１０に示すように、カーボンナノチューブ１２と被膜１４との間に、グラファイト層２０を有している。グラファイト層２０は、シートの面に平行な層状構造のグラファイトにより形成され、カーボンナノチューブ１２の一端側に直に接続して形成されている。グラファイト層１４の厚さは、数ｎｍ〜数百ｎｍ程度である。
グラファイトは、樹脂材料（熱伝導率：１（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度）と比較して５００倍以上の熱伝導率を有している。したがって、グラファイト層２０を設けることにより、グラファイト層１４を形成しない場合と比較して、シートの面に平行な方向への放熱性を５００倍以上と大幅に改善することができる。
本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０は、発熱体と放熱体との間に形成する場合、カーボンナノチューブ１２のグラファイト層２０側の端部が発熱体側に位置するように配置することが望ましい。このようにすることで、発熱体からの熱をグラファイト層２０によってシートの面に平行な方向へ迅速に伝搬することができる。これにより、カーボンナノチューブ１２を介した放熱体方向への放熱効率を高めることができる。
次に、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法について図１１を用いて説明する。なお、各構成部分の構成材料や詳細な製造方法は、第１実施形態の場合と同様である。
まず、カーボンナノチューブシート１０を形成するための土台として用いる基板３０を用意する。基板３０としては、第１実施形態に記載の種々の基板を用いることができる。
次いで、基板３０上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚５ｎｍのＴｉＮ膜と、例えば膜厚２．６ｎｍのＣｏ膜とを順次堆積し、Ｃｏ／ＴｉＮの積層構造の触媒金属膜３２を形成する。なお、触媒金属膜３８の下地膜としては、ＴｉＮのほか、Ｔｉを含有する他の材料、例えばＴｉ（チタン）やＴｉＯ２（酸化チタン）等を用いることができる。
次いで、基板３０上に、例えば熱ＣＶＤ法により、触媒金属膜３２を触媒として、上面がグラファイト層２０により覆われたカーボンナノチューブ１２を成長する（図１１（ａ））。
上面がグラファイト層２０により覆われたカーボンナノチューブ１２は、アセチレン、メタン、エチレン等の炭化水素類の原料ガスを用い、４５０℃〜５１０℃程度の比較的低温で成長することにより、形成することができる。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、温度を４５０℃〜５１０℃、成長時間を３０分とする。これにより、層数が３〜６層（平均４層程度）、直径が４〜８ｎｍ（平均６ｎｍ）、長さが２０μｍの多層カーボンナノチューブを成長することができる。また、カーボンナノチューブ１２上には、厚さ１８ｎｍのグラファイト層２０が形成される。
上面がグラファイト層２０により覆われたカーボンナノチューブ１２は、触媒金属膜３８の膜厚（Ｃｏ膜の膜厚）と、成膜温度とを適宜制御することにより、形成することができる。本願発明者等が検討を行ったところでは、Ｃｏ膜の膜厚を２．０ｎｍ〜７．０ｎｍとし、３５０℃〜５６０℃の成膜温度で成長を行うことにより、上面がグラファイト層２０により覆われたカーボンナノチューブ１２を形成できることが判った。
また、形成されるグラファイト層の厚さも、Ｃｏ膜の膜厚及び成膜温度により制御することができる。例えば、成膜温度が５１０℃の温度の場合、Ｃｏ膜の膜厚が２．１ｎｍのときに、膜厚４ｎｍのグラファイト層を形成することができた。また、Ｃｏ膜の膜厚が２．６ｎｍのときに、膜厚１８ｎｍのグラファイト層を形成することができた。また、Ｃｏ膜の膜厚が３．６ｎｍのときに、膜厚３０ｎｍのグラファイト層を形成することができた。また、成膜温度が４５０℃、Ｃｏ膜の膜厚が３．６ｎｍのときに、膜厚が２０ｎｍのグラファイト層を形成することができた。
上面がグラファイト層２０により覆われたカーボンナノチューブ１２が形成されるメカニズムは明らかではないが、本願発明者等は以下のように推察している。
本実施形態において、カーボンナノチューブ１２の成長は、比較的低温で行っている。このため、成長初期過程では、触媒金属膜３２のＣｏ膜が十分に凝集しておらず、触媒金属膜３２上に均一にグラファイトが成長されるものと考えられる。この後、Ｃｏ膜の凝集とともにカーボンナノチューブの成長が開始され、結果、上面がグラファイト層２０により覆われたカーボンナノチューブ１２が形成されるものと考えられる。
上面がグラファイト層２０により覆われたカーボンナノチューブ１２を形成する際、グラファイト層２０は、成長初期の１秒程度の間に形成される。カーボンナノチューブ１２の長さは、成長時間によって任意に制御することができる。
次いで、第１実施形態の場合と同様にして、例えばスパッタ法により、例えば膜厚１０ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜と、例えば膜厚５０ｎｍの金（Ａｕ）膜とを堆積する。これにより、グラファイト層２０上に、Ａｕ／Ｔｉの積層構造の被膜１４ａを形成する（図１１（ｂ））。
次いで、第１又は第２実施形態の場合と同様にして、基板４０上にカーボンナノチューブ１２を転写した後、カーボンナノチューブ１２の他端側に被膜１４ｂを形成する。
次いで、第１実施形態の場合と同様にして、カーボンナノチューブ１２間に充填層１６を形成した後、基板４０を剥離し、本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０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の端部に熱伝導率の高い材料よりなる被膜を形成するので、カーボンナノチューブとシートの被着体との間の接触熱抵抗及び接触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一端に直に接続してグラファイト層を形成するので、シートの面に平行な方向への熱伝導性及び導電性をも高めることができる。これにより、カーボンナノチューブシートの熱伝導性及び電気伝導性を向上することができる。
［第４実施形態］
第４実施形態によるカーボンナノチューブシート及びその製造方法について図１２を用いて説明する。図１乃至図１１に示す第１乃至第３実施形態によるカーボンナノチューブシート及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
図１２は、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す平面図及び概略断面図である。図１２（ａ）は本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す平面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡ−Ａ′断面図である。
上記第１乃至第３実施形態では、カーボンナノチューブ１２を、シートの全面に均一に形成した。しかしながら、カーボンナノチューブ１２は必ずしもシートの全面に均一に形成する必要はなく、例えば図１２に示すように、両端が被膜（図示せず）に覆われた複数のカーボンナノチューブ１２を含むカーボンナノチューブ束２２を、互いに間隔を開けて配置するようにしてもよい。こうすることにより、カーボンナノチューブ間に充填層１６を形成する際に、充填材の浸透性を高め、カーボンナノチューブ１２が横に倒れるなどの形状変化を効果的に抑制し、カーボンナノチューブが元々保持していた配向性を容易に保持することができる。
カーボンナノチューブ束２２間に必要な間隙は、充填層１６となる充填材の粘度等によっても変化するため一概に決定することはできないが、各カーボンナノチューブ束２２を構成するカーボンナノチューブ１２間の間隙よりも充分に広い幅、好ましくは０．１μｍ〜２００μｍ程度の値に設定することができる。ただし、カーボンナノチューブ束２２の間隔が広くなるほどに、シート面内におけるカーボンナノチューブの面密度が減少、すなわちシートとしての熱伝導度が減少する。また、シート面内におけるカーボンナノチューブの面密度は、カーボンナノチューブ束２２のサイズによっても変化する。したがって、カーボンナノチューブ束２２の間隔は、シートに要求される熱伝導度に応じて、カーボンナノチューブ束２２のサイズをも考慮して、適宜設定する必要がある。
各カーボンナノチューブ束２２の平面形状は、図１２（ａ）に示す円形に限定されるものではない。カーボンナノチューブ束２２の平面形状としては、円形のほか、例えば、三角形、四角形、六角形等の多角形等を用いてもよい。また、複数のカーボンナノチューブ束１２の配置も、図１２（ａ）に示すような円形の最細密充填型配列に限定されるものではない。
本実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法は、基板３０上の所定領域（カーボンナノチューブ束２２の形成予定領域）上にカーボンナノチューブ１２を選択的に成長する他は、上記第１乃至第３実施形態の場合と同様である。
カーボンナノチューブ１２の選択成長を行うためには、触媒金属膜３２を、カーボンナノチューブ束２２の形成予定領域に選択的に形成すればよい。触媒金属膜３２の選択形成には、例えば、フォトレジスト膜を用いたリフトオフ法や、基板３０の表面をメタルマスクで覆った状態で触媒金属をスパッタする方法などを適用することができる。
図１２に示すようなカーボンナノチューブ束２２が形成されている場合、充填層１６の形成過程において、充填材はまずカーボンナノチューブ束２２の間隙に沿って基板４０の全面に広がる。そしてその後に、充填材は、カーボンナノチューブ束２２内に浸透していく。このため、カーボンナノチューブ束２２間に先んじて充填された充填材が、カーボンナノチューブ束２２内に充填材が浸透する際にカーボンナノチューブ１２の形状を保持するためのサポータとしての役割を果たし、カーボンナノチューブ束２２の形状変化を抑制する。したがって、上述の被膜１４による効果と相俟って、カーボンナノチューブ１２の凝集を更に効果的に防止することできる。
このように、本実施形態によれば、カーボンナノチューブの端部に熱伝導率の高い材料よりなる被膜を形成するので、カーボンナノチューブとシートの被着体との間の接触熱抵抗及び接触抵抗を大幅に低減することができる。また、互いに離間した複数のカーボンナノチューブ束を形成するので、充填層の形成の際にカーボンナノチューブ束の形状変化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の熱伝導性及び電気伝導性を向上することができる。
［第５実施形態］
第５実施形態によるカーボンナノチューブシート及びその製造方法について図１３乃至図１５を用いて説明する。図１乃至図１２に示す第１乃至第４実施形態によるカーボンナノチューブシート及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
図１３は本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す斜視図である。図１４及び図１５は、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法を示す斜視図である。
はじめに、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造について図１３を用いて説明する。
本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０は、図１３に示すように、両端部が熱伝導性及び／又は導電性を有する材料の被膜１４により被覆された複数のカーボンナノチューブ１２を有している。隣接するカーボンナノチューブ１２の端部に形成された被膜１４は、互いに接続されている。すなわち、被膜１４は、カーボンナノチューブシート１０の両表面に全面に渡って連続して形成されている。
カーボンナノチューブ１２は、シートの面に垂直な方向に配向している。カーボンナノチューブ１２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１２の密度は、放熱性及び電気伝導性の観点から、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１２の長さは、カーボンナノチューブシート１０の用途によって決まり、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１０の両表面に形成された被膜１４は、熱伝導率の高い材料、例えば熱伝導率が０．１（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上の材料であれば、特に限定されるものではない。０．１（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率の材料としているのは、一般的な樹脂材料の熱伝導率（１（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度）よりも十分に高い熱伝導率の材料とする趣旨に基づくものである。カーボンナノチューブシート１０を電気伝導用途に用いる場合には、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１４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）、低融点はんだ等を用いることができる。また、被膜１４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。
カーボンナノチューブ１２の端部に熱伝導性の高い被膜１４を設けることにより、被膜１４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１０の被着体（放熱体、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１２と被着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１０の熱伝導性を高めることができる。
１×１０１１本／ｃｍ２程度の密度でカーボンナノチューブ１２を成長した場合、カーボンナノチューブ１２間の間隔は、およそ３０〜５０ｎｍとなる。この場合、カーボンナノチューブ１２の端面上に堆積される被膜１４の膜厚を１００ｎｍ程度以上に設定すると、隣接するカーボンナノチューブ１２上に形成された被膜１４は互いに接続され、被膜１４はカーボンナノチューブシート１０の表面に連続して形成されることになる。
隣接するカーボンナノチューブ１２を被膜１４によって接続することにより、カーボンナノチューブ１２の長さにばらつきが生じ、一部のカーボンナノチューブ１２が被着体に直に接しないような場合にも、被膜１４を介した横方向の熱伝導・電気伝導によって総てのカーボンナノチューブ１２を熱伝導体として用いることができ、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１２は導電性を有しているため、被膜１４を導電性材料によって形成することにより、カーボンナノチューブ１２を、シートを貫く配線体として用いることもできる。すなわち、本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０は、熱伝導シートとしてのみならず、縦型配線シートとしても利用可能である。カーボンナノチューブシートを配線シートとして用いる場合には、カーボンナノチューブ１２と被着体との間の接触抵抗が低減され、カーボンナノチューブシート１０の導電性を高めることができる。
また、被膜１４として、融点の低い材料、例えばインジウムや低融点はんだなどを用いれば、カーボンナノチューブシート１０を被着体と接触した後に被膜１４をリフローすることも可能である。これにより、カーボンナノチューブシート１０と被着体との間の接触部の凹凸を被膜１４で埋めることができ、これらの間の熱伝導性や導電性を更に向上することができる。
なお、本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０では、第１乃至第４実施形態によるカーボンナノチューブシートとは異なり、充填層１６を形成していない。これは、被膜１４をシートの全面に渡って形成することにより、被膜１４によってカーボンナノチューブ１２を支持できるからである。充填層１６の主たる役割は、配向性を維持しつつカーボンナノチューブ１２を支持することである。したがって、被膜１４によってカーボンナノチューブ１２を支持する本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０では、充填層１６は必ずしも必要はない。ただし、本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０においても、充填層１６を形成するようにしてもよい。
被膜１４の膜厚は、カーボンナノチューブシート１０に要求される特性等に応じて適宜設定することができる。カーボンナノチューブ１２を支持する観点からは、数μｍ程度以上の膜厚を有することが望ましい。
次に、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法について図１４及び図１５を用いて説明する。なお、各構成部分の構成材料や詳細な製造方法は、第１実施形態の場合と同様である。
まず、例えば図４（ａ）乃至図４（ｂ）に示す第１実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法と同様にして、基板３０上に、カーボンナノチューブ１２を形成する（図１４（ａ））。なお、第３実施形態の場合と同様にして、上端にグラファイト層が形成されたカーボンナノチューブ１２を形成してもよい。
次いで、カーボンナノチューブ１２上に、例えば蒸着法により、例えば膜厚数μｍのインジウム（Ｉｎ）膜を堆積する。これにより、カーボンナノチューブ１２上にＩｎ膜が堆積されるとともに、隣接するカーボンナノチューブ１２上に形成されたＩｎ膜が互いに接続され、全面に渡って連続したＩｎの被膜１４ａが形成される（図１４（ｂ））。
被膜１４ａの構成材料は、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。カーボンナノチューブシート１０を電気伝導用途に用いる場合には、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１４ａ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）、低融点はんだ等を用いることができる。被膜１４ａは、これら金属の単層構造でもよいし、上述のようなチタンと金との積層構造など、２層或いは３層以上の積層構造であってもよい。
次いで、カーボンナノチューブ１２及び被膜１４ａを、基板３０から剥離する（図１５（ａ））。
次いで、カーボンナノチューブ１２の、基板３０の剥離面側に、例えば蒸着法により、例えば膜厚数μｍのインジウム（Ｉｎ）膜を堆積する。これにより、カーボンナノチューブ１２上にＩｎ膜が堆積されるとともに、隣接するカーボンナノチューブ１２上に形成されたＩｎ膜が互いに接続され、全面に渡って連続したＩｎの被膜１４ｂが形成される。
被膜１４ｂの構成材料は、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。カーボンナノチューブシート１０を電気伝導用途に用いる場合には、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１４ａ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）、低融点はんだ等を用いることができる。被膜１４ａは、これら金属の単層構造でもよいし、上述のようなチタンと金との積層構造など、２層或いは３層以上の積層構造であってもよい。
こうして、本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０を完成する（図１５（ｂ））。
このように、本実施形態によれば、カーボンナノチューブの端部に熱伝導率の高い材料よりなる被膜を形成するので、カーボンナノチューブとシートの被着体との間の接触熱抵抗及び接触抵抗を大幅に低減することができる。これにより、カーボンナノチューブシートの熱伝導性及び電気伝導性を向上することができる。
［第６実施形態］
第６実施形態によるカーボンナノチューブシート及びその製造方法について図１６乃至図１９を用いて説明する。図１乃至図１５に示す第１乃至第５実施形態によるカーボンナノチューブシート及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
図１６は、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す斜視図である。図１７及び図１８は、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法を示す工程断面図である。図１９は、カーボンナノチューブ束を傾ける方法を示す概略図である。
はじめに、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造について図１６を用いて説明する。
本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０は、図１６に示すように、複数のカーボンナノチューブ束２２と、その両端に形成された被膜１４とを有している。隣接するカーボンナノチューブ束２２の端部に形成された被膜１４は、互いに接続されている。すなわち、被膜１４は、カーボンナノチューブシート１０の両表面に全面に渡って連続して形成されている。
複数のカーボンナノチューブ束２２は、カーボンナノチューブシート１０の一方の面側（図面において下側）から他方の面側（図面において上側）に向けて、シートの面に垂直な方向と交わる同一の方向に傾くように配向している。傾斜した方向に隣接するカーボンナノチューブ束１８同士は、少なくとも一方の端部（図面において上側）近傍において互いに接触している。
各カーボンナノチューブ束２２は、カーボンナノチューブ束２２の配向方向に沿って配向した複数のカーボンナノチューブ（図示せず）を有している。各カーボンナノチューブ束２２に含まれるカーボンナノチューブは、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束１８に含まれるカーボンナノチューブ１２の密度は、放熱性及び電気伝導性の観点から、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１２の長さは、カーボンナノチューブシート１０の用途によって決まり、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１０の両表面に形成された被膜１４は、熱伝導率の高い材料、例えば熱伝導率が０．１（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上の材料であれば特に限定されるものではない。０．１（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率の材料としているのは、一般的な樹脂材料の熱伝導率（１（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度）よりも十分に高い熱伝導率の材料とする趣旨に基づくものである。カーボンナノチューブシート１０を電気伝導用途に用いる場合には、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１４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）、低融点はんだ等を用いることができる。また、被膜１４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。
このように、本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０では、カーボンナノチューブ束２２がシートの一方の面側から他方の面側に向かうように配向している。したがって、配向方向に沿った熱伝導度及び電気伝導度が高いというカーボンナノチューブの特性を十二分に発揮し、シートの膜厚方向の熱伝導性・電気伝導性に優れたカーボンナノチューブシートを実現することができる。また、カーボンナノチューブは導電性をも有しているため、カーボンナノチューブ束２２を、シートを貫く配線体として用いることもできる。すなわち、本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０は、熱伝導シートとしてのみならず、縦型配線シートとしても利用可能である。
また、本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０では更に、カーボンナノチューブ束２２がシートの面に垂直な方向と交わる方向に傾斜して配向しており、傾斜した方向に隣接するカーボンナノチューブ束２２同士は、少なくとも一方の端部近傍において互いに接触している。これにより、シートの面に垂直な方向の熱伝導性及び電気伝導性を更に高めるとともに、シートの面に平行な方向の熱伝導性及び電気伝導性をも向上することができる。
複数のカーボンナノチューブ束２２を成長する場合、必ずしも総てのカーボンナノチューブ束２２の長さが等しいとは限らない。カーボンナノチューブ束２２の長さにばらつきが生じると、長いカーボンナノチューブ束２２だけが被着体に接触することとなり、他のカーボンナノチューブ束１８を熱伝導体・電気伝導体として利用できない虞がある。
隣接するカーボンナノチューブ束２２同士を互いに接触させることにより、被着体に直接接触しないカーボンナノチューブ束２２を、他のカーボンナノチューブ束２２を介して間接的に熱伝導体・電気伝導体として機能させることができる。また、後述の製造方法を用いることにより、傾斜したカーボンナノチューブ束２２の高さの均一性を高めることができ、被着体に対する接触面積を増加することができる。また、カーボンナノチューブ束２２を傾斜させることには、カーボンナノチューブ束２２の密度を向上する効果もある。このような種々の効果により、シートの面に垂直な方向の熱伝導性及び電気伝導性を更に高めることができる。
また、隣接するカーボンナノチューブ束２２同士が接触することで、シートの面に平行な方向にもカーボンナノチューブ束２２を介した熱伝導及び電気伝導のパスが形成され、シートの面に平行な方向の熱伝導性及び電気伝導性をも向上することができる。
また、カーボンナノチューブシート１０の両面に熱伝導性の高い被膜１４を設けることにより、被膜１４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１０の被着体（放熱体、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束２２と被着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１０の熱伝導性を高めることができる。
被膜１４には、カーボンナノチューブ束２２と被着体との接触面積を増加する効果や、隣接するカーボンナノチューブ束２２同士の接続をより確実にする効果がある。したがって、被膜１４を設けることにより、カーボンナノチューブシート１０と被着体との間の接触熱抵抗・接触抵抗を低減することができる。
また、被膜１４として、融点の低い材料、例えばインジウムや低融点はんだなどを用いれば、カーボンナノチューブシート１０を被着体と接触した後に被膜１４をリフローすることも可能である。これにより、カーボンナノチューブシート１０と被着体との間の接触部の凹凸を被膜１４で埋めることができ、これらの間の熱伝導性や導電性を更に向上することができる。
なお、本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０では、第５実施形態の場合と同様、充填層１６を形成していない。これは、被膜１４をシートの全面に渡って形成することにより、被膜１４によってカーボンナノチューブ束２２（カーボンナノチューブ）を支持できるからである。充填層１６の主たる役割は、配向性を維持しつつカーボンナノチューブ束を支持することである。したがって、被膜１４によってカーボンナノチューブ束２２を支持する本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０では、充填層１６は必ずしも必要はない。ただし、本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０においても、充填層１６を形成するようにしてもよい。
被膜１４の膜厚は、カーボンナノチューブシート１０に要求される特性等に応じて適宜設定することができる。カーボンナノチューブ束２２を支持する観点からは、数μｍ程度以上の膜厚を有することが望ましい。
次に、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法について図１７乃至１９を用いて説明する。なお、各構成部分の構成材料や詳細な製造方法は、第１実施形態の場合と同様である。
まず、カーボンナノチューブシート１０を形成するための土台として用いる基板３０を用意する。
次いで、基板３０上に、例えばフォトレジスト膜を用いたリフトオフ法により、触媒金属膜３２を選択的に形成する。触媒金属膜３２を形成する領域は、カーボンナノチューブ束２２の形成予定領域である（図１７（ａ））。なお、触媒金属膜３２を形成する方法は、リフトオフ法に限定されるものではない。例えば、カーボンナノチューブ束２２の形成予定領域に開口部を有するメタルマスクを用いてもよい。このメタルマスクにより基板３０の表面を覆った状態で触媒金属をスパッタすることにより、カーボンナノチューブ束２２の形成予定領域に選択的に触媒金属膜３２を形成することができる。
触媒金属３２の平面的なレイアウトは、特に限定されるものではない。例えば、図１２（ａ）に示すように、円形のカーボンナノチューブ束２２の形成領域を最密充填配列したレイアウトを適用することができる。
次いで、基板３０上に、例えばホットフィラメントＣＶＤ法により、触媒金属膜３２を触媒として、カーボンナノチューブを成長する。こうして、基板３０の触媒金属膜３２が形成された領域上に、基板３０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を有するカーボンナノチューブ束２２を選択的に形成する（図１７（ｂ））。
次いで、このように成長したカーボンナノチューブ束２２を、シートの面に垂直な方向と交わる方向に傾ける（図１７（ｃ））。
本実施形態では、カーボンナノチューブ束２２を傾ける際に、基板３０の表面に対して均一な圧力を印加できるとともに、圧力を印加した状態で基板３０を水平方向に移動させることができる装置を用いる。このような装置としては、特に限定されるものではないが、例えばフリップチップボンダ装置を利用することができる。ここでは、フリップチップボンダ装置を用いた場合を例にして、カーボンナノチューブ束２２を傾ける方法について説明するものとする。
まず、カーボンナノチューブ束２２を成長した基板３０を、フリップチップボンダ装置のステージ５０上に載置する（図１９参照）。
次いで、フリップチップボンダ装置の加圧ヘッド５２により、カーボンナノチューブ束２２上から基板３０の表面に対して垂直な方向（図において下方向）に、〜数Ｎ／ｃｍ２程度の第１の圧力を印加する（図１９参照）。加圧ヘッド５２は、例えば図１９に示すように、基板３０に対して平行な表面を有している。
次いで、カーボンナノチューブ束２２に第１の圧力を印加した状態で、基板３０の表面に平行な第１の方向（図において右方向）に数十ミクロン程度、例えば３０μｍ、加圧ヘッド５２を移動する（図１９参照）。
次いで、加圧ヘッド５２により印加する圧力を、第１の圧力から、第１の圧力よりも高い１０〜５０Ｎ／ｃｍ２程度の第２の圧力に増加する。この際、第１の圧力から第２の圧力へ断続的に変化してもよいし、第１の圧力から第２の圧力に連続的に徐々に変化してもよいし、第１の圧力から第２の圧力に段階的に徐々に変化してもよい。
次いで、カーボンナノチューブ束１８に第２の圧力を印加した状態で、基板３０の表面に平行な第１の方向に更に数ミリ程度、例えば２ｍｍ、加圧ヘッド５２を移動する。
このようにして、カーボンナノチューブ束２２への圧力の印加と加圧ヘッド５２の移動とを行うにより、カーボンナノチューブ束２２を第１の方向に傾け、隣接するカーボンナノチューブ束２２同士を接続することができる。
上述の方法では、カーボンナノチューブ束２２に印加する圧力と加圧ヘッドの移動とを２段階で行っている。これは、カーボンナノチューブ束２２が破壊されるのを防止しつつ、カーボンナノチューブ束２２を所望の形状まで傾けるためである。
カーボンナノチューブ束２２が垂直配向した初期の状態で垂直方向に圧力を印加する場合、印加する圧力が強すぎるとカーボンナノチューブ束２２が潰れたり折れたりして破壊されることがある。そこで、まず第１段階として、カーボンナノチューブ束２２が破壊されない圧力でカーボンナノチューブ束２２の上端に加圧ヘッド５２を押し付け、カーボンナノチューブ束２２に加圧ヘッド５２を密着させる。そして、この状態で加圧ヘッド５２を水平方向に移動させることにより、カーボンナノチューブ束２２を僅かに傾ける。なお、カーボンナノチューブ束２２上には加圧ヘッド５２が接しているため、カーボンナノチューブ束２２を傾けることには、カーボンナノチューブ束２２の高さばらつきを均一化する効果もある。
カーボンナノチューブ束２２が傾くと、カーボンナノチューブ束２２に加わる圧力が分散されるため、カーボンナノチューブ束２２が破壊されることなくより高い圧力を印加することができるようになる。そこで第２段階として、第１の圧力よりも高い第２の圧力でカーボンナノチューブ束２２の上端に加圧ヘッド５２を押し付け、この状態で加圧ヘッド５２を水平方向に移動させることにより、カーボンナノチューブ束２２を所望の形状まで傾ける。
カーボンナノチューブ束２２に印加する圧力、加圧ヘッド５２の移動方向や移動量は、フリップチップボンダ装置でモニタしながら制御することができる。
長さ１００μｍ、面密度１×１０１１／ｃｍ２のカーボンナノチューブを有するカーボンナノチューブ束２２を２×３ｃｍ２の大きさの基板３０上に６３％の面積割合で形成した試料について本願発明者等が検討したところでは、第１の圧力として、数Ｎ／ｃｍ２程度、例えば３Ｎ／ｃｍ２の圧力が好適であった。また、第２の圧力として、数十Ｎ／ｃｍ２程度、例えば４０Ｎ／ｃｍ２の圧力が好適であった。
なお、カーボンナノチューブ束２２に印加する第１及び第２の圧力は、カーボンナノチューブ束２２が破壊されないように、カーボンナノチューブ束２２の長さ、カーボンナノチューブ束２２内のカーボンナノチューブの面密度やカーボンナノチューブ束２２の面密度等に応じて適宜設定することが望ましい。また、加圧ヘッド５２の水平移動距離も、カーボンナノチューブ束２２の長さ、カーボンナノチューブ束２２に必要な傾斜度合い等に応じて適宜設定することが望ましい。
上記説明では、カーボンナノチューブ束２２を傾ける際に加圧ヘッド５２を移動するとしたが、加圧ヘッド５２は、基板３０に対する相対的な位置を移動すればよい。すなわち、ステージ５０を固定して加圧ヘッド５２を移動してもよいし、加圧ヘッド５２を固定してステージ５０を移動してもよいし、ステージ５０と加圧ヘッド５２とを互いに反対方向に移動してもよい。
次いで、このようにしてカーボンナノチューブ束２２を傾けた後、カーボンナノチューブ束２２上に、例えば蒸着法により、例えば膜厚数μｍのインジウム（Ｉｎ）膜を堆積する。これにより、カーボンナノチューブ束２２上にＩｎ膜が堆積されるとともに、隣接するカーボンナノチューブ１２上に形成されたＩｎ膜が互いに接続され、全面に渡って連続したＩｎの被膜１４ａが形成される（図１８（ａ））。
被膜１４ａの構成材料は、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。カーボンナノチューブシート１０を電気伝導用途に用いる場合には、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１４ａ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）、低融点はんだ等を用いることができる。被膜１４ａは、これら金属の単層構造でもよいし、上述のようなチタンと金との積層構造など、２層或いは３層以上の積層構造であってもよい。
次いで、カーボンナノチューブ束２２及び被膜１４ａを、基板３０から剥離する（図１８（ｂ））。
次いで、カーボンナノチューブ束２２の、基板３０の剥離面側に、例えば蒸着法により、例えば膜厚数μｍのインジウム（Ｉｎ）膜を堆積する。これにより、カーボンナノチューブ束２２上にＩｎ膜が堆積されるとともに、隣接するカーボンナノチューブ束２２上に形成されたＩｎ膜が互いに接続され、全面に渡って連続したＩｎの被膜１４ｂが形成される。
被膜１４ｂの構成材料は、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。カーボンナノチューブシート１０を電気伝導用途に用いる場合には、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１４ａ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）、低融点はんだ等を用いることができる。被膜１４ａは、これら金属の単層構造でもよいし、上述のようなチタンと金との積層構造など、２層或いは３層以上の積層構造であってもよい。
こうして、本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０を完成する（図１８（ｃ））。
なお、本実施形態の図面では、カーボンナノチューブ束２２の下端に、成長の際に用いた触媒金属膜３２が形成されている状態を示している。触媒金属膜３２は、カーボンナノチューブの成長の際に凝集化してカーボンナノチューブ内に取り込まれるため、実際には図示するような状態で残存してはおらず、シートの下面にはカーボンナノチューブ束１８が露出する。また、触媒金属膜３２は、基板３０を剥離する際に同時に除去されることもある。
このように、本実施形態によれば、カーボンナノチューブ束の端部に熱伝導率の高い材料よりなる被膜を形成するので、カーボンナノチューブ束とシートの被着体との間の接触熱抵抗及び接触抵抗を大幅に低減することができる。これにより、カーボンナノチューブシートの熱伝導性及び電気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束がシートの一方の面から他方の面に向けて配向しているとともに、隣接するカーボンナノチューブ束同士が接続されているので、シートの面に垂直な方向及びシートの面に水平な方向への熱伝導度及び電気伝導度の高いシートを形成することができる。
［第７実施形態］
本発明の第７実施形態による電子機器について図２０を用いて説明する。
図２０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。
本実施形態では、第１乃至第６実施形態によるカーボンナノチューブシートを熱伝導シートとして適用した電子機器について説明する。
多層配線基板などの回路基板１００上には、例えばＣＰＵなどの半導体素子１０６が実装されている。半導体素子１０６は、はんだバンプ１０２を介して回路基板１００に電気的に接続されており、回路基板１００と半導体素子１０６との間にはアンダーフィル１０４が充填されている。
半導体素子１０６上には、半導体素子１０６を覆うように、半導体素子１０６からの熱を拡散するためのヒートスプレッダ１１０が形成されている。半導体素子１０６とヒートスプレッダ１１０との間には、第１又は第２実施形態によるカーボンナノチューブシート１０８が形成されている。
ヒートスプレッダ１１０上には、ヒートスプレッダ１１０に伝わった熱を放熱するためのヒートシンク１１４が形成されている。ヒートスプレッダ１１０とヒートシンク１１４との間には、カーボンナノチューブシート１１２が形成されている。
このように、本実施形態による電子機器では、半導体素子１０６とヒートスプレッダ１１０との間及びヒートスプレッダ１１０とヒートシンク１１４との間、すなわち発熱部と放熱部との間に、第１乃至第６実施形態のいずれかによるカーボンナノチューブシート１０８，１１２がそれぞれ設けられている。
上述のように、第１乃至第６実施形態によるカーボンナノチューブシートは、カーボンナノチューブがシートの膜面に対して垂直に配向しており、面直方向の熱伝導度が極めて高いものである。また、第５及び第６実施形態によるカーボンナノチューブシートは、その両面に被膜１４が形成されており、接触熱抵抗を大幅に低減することができる。
したがって、開示のカーボンナノチューブシートを、半導体素子１０６とヒートスプレッダ１１０との間及びヒートスプレッダ１１０とヒートシンク１１４との間に形成する熱伝導シートとして用いることにより、半導体素子１０６から発せられた熱を効率よく水平方向に広げつつヒートスプレッダ１１０及びヒートシンク１１４に垂直方向に伝えることができ、放熱効率を高めることができる。これにより、電子機器の信頼性を向上することができる。
このように、本実施形態によれば、半導体素子とヒートスプレッダとの間及びヒートスプレッダとヒートシンクとの間に、第１乃至第６実施形態によるカーボンナノチューブシートを配置するので、これらの間の熱伝導度を大幅に向上することができる。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。
［第８実施形態］
本発明の第８実施形態による電子機器について図２１を用いて説明する。
図２１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。
本実施形態では、第５又は第６実施形態によるカーボンナノチューブシートを熱伝導シートとして適用した電子機器について説明する。
プリント配線基板１３０上には、多層配線基板などの回路基板１００が実装されている。回路基板１００は、はんだバンプ１３２を介してプリント配線基板１３０に電気的に接続されている。
回路基板１００上には、例えばＣＰＵなどの半導体素子１０６が実装されている。半導体素子１０６は、はんだバンプ１０２を介して回路基板１００に電気的に接続されている。
半導体素子１０６上には、半導体素子１０６を覆うように、半導体素子１０６からの熱を拡散するためのヒートスプレッダ１１０が形成されている。半導体素子１０６とヒートスプレッダ１１０との間には、第１又は第２実施形態によるカーボンナノチューブシート１０８が形成されている。ヒートスプレッダ１１０は、例えば有機シーラント１１６によって回路基板１００に接着されている。
このように、本実施形態による電子機器では、半導体素子１０６とヒートスプレッダ１１０との間、すなわち発熱部と放熱部との間に、第１乃至第６実施形態によるカーボンナノチューブシート１０８が設けられている。
上述のように、第１乃至第６実施形態によるカーボンナノチューブシートは、カーボンナノチューブがシートの膜面に対して垂直方向に配向しており、その両端部には接触熱抵抗を低減するための被膜１４が形成されており、面直方向の熱伝導度が極めて高いものである。
したがって、開示のカーボンナノチューブシートを、半導体素子１０６とヒートスプレッダ１１０との間に形成する熱伝導シートとして用いることにより、半導体素子１０６から発せられた熱を効率よく水平方向に広げつつヒートスプレッダ１１０及びヒートシンク１１４に垂直方向に伝えることができ、放熱効率を高めることができる。これにより、電子機器の信頼性を向上することができる。
また、シートの両面に形成された被覆１４として、電子機器の他の構成部分、例えばはんだバンプ１０２，１３２や有機シーラント１１６の材料よりも融点の低い材料、例えばインジウムや低融点はんだを用いれば、放熱効率を更に高めることができる。
すなわち、被膜１４を、電子機器の他の構成部分よりも融点の低い材料、例えばインジウムや低融点はんだなどの低融点の材料で形成すれば、他の構成部分にダメージを与えることなく被膜をリフローすることができる。これにより、半導体素子１０６とカーボンナノチューブシート１０８との界面、カーボンナノチューブシート１０８とヒートスプレッダ１１０との界面の凹凸を被膜１４の構成材料で埋めることができ、これらの間の接触熱抵抗を更に低減することができる。
被膜１４をリフローするための熱処理工程は、例えば、回路基板１００上にヒートスプレッダ１１０を接着した後、或いは、回路基板１００をプリント配線基板１３０上に実装した後に行うことができる。
このように、本実施形態によれば、半導体素子とヒートスプレッダとの間に、第１乃至第６実施形態によるカーボンナノチューブシートを配置するので、これらの間の熱伝導度を大幅に向上することができる。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。
［第９実施形態］
本発明の第９実施形態による電子機器について図２２を用いて説明する。
図２２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。
本実施形態では、第１乃至第６実施形態によるカーボンナノチューブシートを、導電性シートを兼ねる熱伝導性シートとして適用した電子機器について説明する。
図２２に示すように、無線通信基地局などに用いられる高出力増幅器（ＨＰＡ：High Power Amplifier）１２０は、パッケージ１２２に組み込まれ、パッケージ１２２の裏面においてヒートシンク１２４に接合される。高出力増幅器１２０から発せられた熱は、パッケージ１２２の裏面を通してヒートシンク１２４に放熱される。同時に、パッケージ１２２は、電気的なグラウンド（接地面）としても用いられるものであり、ヒートシンク１２４に対しても電気的に接続する必要がある。このため、パッケージ１２２とヒートシンク１２４との接合には、電気及び熱に対する良導体を用いることが望ましい。
したがって、図２２に示すように、パッケージ１２２とヒートシンク１２４との接合部に、第１乃至第６実施形態のいずれかによるカーボンナノチューブシート１２６を用いることにより、パッケージ１２２とヒートシンク１２４とを電気的に接続することができる。また、高出力増幅器１２０から発せられた熱を効率よくヒートシンク１２４に伝えることができ、放熱効率を高めることができる。これにより、電子機器の信頼性を向上することができる。
このように、本実施形態によれば、高出力増幅器のパッケージとヒートシンクとの間に、カーボンナノチューブがシートの膜厚方向に配向したカーボンナノチューブシートを配置するので、これらの間の熱伝導度を大幅に向上することができる。これにより、高出力増幅器から発せられる熱の放熱効率を高めることができる。これにより、電子機器の信頼性を向上することができる。また、高出力増幅器とグラウンドとしてのヒートシンクとを電気的に接続することもできる。
［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シート状構造体の例としてカーボンナノチューブを用いたカーボンナノチューブを示したが、炭素元素の線状構造体を用いたシート状構造体は、これに限定されるものではない。炭素元素の線状構造体としては、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、カーボンファイバが挙げられる。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シート状構造体においても適用することができる。
また、上記第１乃至第６実施形態では、カーボンナノチューブシート１０の両面に被膜１４を設けたが、被膜１４はカーボンナノチューブシート１０の一方の面側のみに設けるようにしてもよい。カーボンナノチューブシート１０の一方の面側のみに被膜１４を形成する場合、カーボンナノチューブシート１０を熱伝導シートとして用いる場合にあっては、カーボンナノチューブシート１０の被膜１４側の面が発熱体側に配置されるようにカーボンナノチューブシート１０を配置することが望ましい。カーボンナノチューブシート１０の一方の面のみに被膜１４を形成するには、図５（ａ）に示す工程の後、充填層１６を形成し、基板３０から剥離すればよい。
また、上記第１乃至第４実施形態では、カーボンナノチューブ１２間又はカーボンナノチューブ束２２間に充填層１６を形成したが、充填層１６は必ずしも形成する必要はない。充填層１６は、主として複数のカーボンナノチューブ１２又はカーボンナノチューブ束２２を支えてシートの状態を維持するためのものである。したがって、被膜１４をシートの表面に連続して形成する場合など、被膜１４によって十分にカーボンナノチューブ１２を支持できる場合には、必ずしも充填層１６を形成する必要はない。
また、上記第６実施形態では、カーボンナノチューブ束２２を傾けたが、例えば第１〜第３及び第５実施形態のようにカーボンナノチューブ１２を全面に形成したカーボンナノチューブシート１０において、カーボンナノチューブ１２を傾けるようにしてもよい。カーボンナノチューブ１２は、例えば第６実施形態に記載の方法により傾けることができる。
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） 複数の炭素元素の線状構造体と、
複数の前記線状構造体の間隙に充填され、複数の前記線状構造体を保持する充填層と、
複数の前記線状構造体の少なくとも一方の端部に形成され、前記充填層の構成材料よりも熱伝導率の高い材料よりなる第１の被膜と
を有することを特徴とするシート状構造体。
（付記２） 付記１記載のシート状構造体において、
前記第１の被膜は、隣接する前記線状構造体を互いに結合する
ことを特徴とするシート状構造体。
（付記３） 複数の炭素元素の線状構造体と、
複数の前記線状構造体の少なくとも一方の端部に形成され、０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有し、隣接する前記線状構造体を互いに結合する第１の被膜と
を有することを特徴とするシート状構造体。
（付記４） 付記１乃至３のいずれか１項に記載のシート状構造体において、
前記第１の被膜と前記線状構造体との間に形成されたグラファイト層を更に有する
ことを特徴とするシート状構造体。
（付記５） 付記１乃至４のいずれか１項に記載のシート状構造体において、
複数の前記線状構造体の他方の端部に形成された第２の被膜を更に有する
ことを特徴とするシート状構造体。
（付記６） 付記１乃至５のいずれか１項に記載のシート状構造体において、
複数の前記線状構造体は、互いに第１の間隔をもって配置され、互いに前記第１の間隔よりも大きな第２の間隔をもって配置された複数の線状構造体束を形成している
ことを特徴とするシート状構造体。
（付記７） 付記１乃至６のいずれか１項に記載のシート状構造体において、
複数の前記線状構造体は、シートの膜厚方向に配向している
ことを特徴とするシート状構造体。
（付記８） 付記１乃至７のいずれか１項に記載のシート状構造体において、
複数の前記線状構造体のそれぞれは、シートの膜厚方向に対して傾いており、隣接する前記線状構造体が互いに接触している
ことを特徴とするシート状構造体。
ことを特徴とするシート状構造体。
（付記９） 付記５記載のシート状構造体において、
前記第２の被膜は、０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する
ことを特徴とするシート状構造体。
（付記１０） 発熱部と、
前記発熱部により生じた熱を放熱する放熱部と、
前記発熱部と前記放熱部との間に配置され、複数の炭素元素の線状構造体と、複数の前記線状構造体の少なくとも一方の端部に形成された被膜とを有するシート状構造体と
を有することを特徴とする電子機器。
（付記１１） 付記１０記載の電子機器において、
前記シート状構造体は、複数の前記線状構造体の間隙に充填され、複数の前記線状構造体を保持する充填層を更に有する
ことを特徴とする電子機器。
（付記１２） 付記１０記載の電子機器において、
前記被膜は、隣接する前記線状構造体を互いに結合するように形成されており、
複数の前記線状構造体は、前記被膜により保持されている
ことを特徴とする電子機器。
（付記１３） 第１の基板上に、触媒金属膜を形成する工程と、
前記触媒金属膜を触媒として、前記第１の基板上に、複数の炭素元素の線状構造体を成長する工程と、
複数の前記線状構造体の端部上に、第１の被膜を形成する工程と、
前記第１の被膜上に第２の基板を貼り合わせた後、複数の前記線状構造体と前記第１の基板との界面から前記第１の基板を剥離する工程と、
前記線状構造体間に充填材を充填し、充填層を形成する工程と、
前記第２の基板を除去する工程と
を有することを特徴とするシート状構造体の製造方法。
（付記１４） 付記１３記載のシート状構造体の製造方法において、
前記第１の基板を剥離した後、
前記第１の基板を剥離することにより露出した複数の前記線状構造体の端部上に、第２の被膜を形成する工程を更に有する
ことを特徴とするシート状構造体の製造方法。
（付記１５） 基板上に、触媒金属膜を形成する工程と、
前記触媒金属膜を触媒として、前記基板上に、複数の炭素元素の線状構造体を成長する工程と、
複数の前記線状構造体の端部上に、隣接する前記線状構造体を互いに結合するように、第１の被膜を形成する工程と、
複数の前記線状構造体と前記基板との界面から前記基板を剥離する工程と、
を有することを特徴とするシート状構造体の製造方法。
（付記１６） 付記１５記載のシート状構造体の製造方法において、
前記基板を剥離した後、
前記基板を剥離することにより露出した複数の前記線状構造体の端部上に、第２の被膜を形成する工程を更に有する
ことを特徴とするシート状構造体の製造方法。
（付記１７） 付記１３乃至付記１６のいずれか１項に記載のシート状構造体の製造方法において、
複数の前記線状構造体を成長する工程では、端部がグラファイト層により覆われた前記線状構造体を成長する
ことを特徴とするシート状構造体の製造方法。
（付記１８） 発熱部と、前記発熱部により生じた熱を放熱する放熱部とを、複数の炭素元素の線状構造体と、複数の前記線状構造体の少なくとも一方の端部に形成された被膜とを有するシート状構造体を介して接合する工程と、
前記被膜の融点よりも高い温度で熱処理を行い、前記被膜をリフローする工程と
を有することを特徴とする電子機器の製造方法。
（付記１９） 付記１８記載の電子機器の製造方法において、
前記シート状構造体は、複数の前記線状構造体の間隙に充填され、複数の前記線状構造体を保持する充填層を更に有する
ことを特徴とする電子機器の製造方法。
（付記２０） 付記１８記載の電子機器の製造方法において、
前記被膜は、隣接する前記線状構造体を互いに結合するように形成されており、
複数の前記線状構造体は、前記被膜により保持されている
ことを特徴とする電子機器の製造方法。
図１は、第１実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す斜視図である。 図２は、接触熱抵抗と被膜のコーティング長との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。 図３は、カーボンナノチューブシートを介して発熱体と放熱体とが接続された状態を示す模式図である。 図４は、第１実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法を示す斜視図（その１）である。 図５は、第１実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法を示す斜視図（その２）である。 図６は、第１実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法を示す斜視図（その３）である。 図７は、第１実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法を示す斜視図（その４）である。 図８は、第２実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法を示す斜視図（その１）である。 図９は、第２実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法を示す斜視図（その２）である。 図１０は、第３実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す斜視図である。 図１１は、第３実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法を示す工程断面図である。 図１２は、第４実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す平面図及び概略断面図である。 図１３は、第５実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す斜視図である。 図１４は、第５実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法を示す斜視図（その１）である。 図１５は、第５実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法を示す斜視図（その２）である。 図１６は、第６実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す概略断面図である。 図１７は、第６実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法を示す工程断面図（その１）である。 図１８は、第６実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法を示す工程断面図（その２）である。 図１９は、第６実施形態においてカーボンナノチューブ束を傾ける方法を示す概略図である。 図２０は、第７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２１は、第８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２２は、第９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。
符号の説明
１０…カーボンナノチューブシート
１２…カーボンナノチューブ
１４…被膜
１６…充填層
２０…グラファイト層
２２…カーボンナノチューブ束
３０，４０…基板
４２…接着材層
４４…犠牲層
４６…熱圧着層
５０…ステージ
５２…加圧ヘッド
１００…回路基板
１０２，１３２…はんだバンプ
１０４…アンダーフィル
１０６…半導体素子
１０８，１１２，１２６…カーボンナノチューブシート
１１０…ヒートスプレッダ
１１４，１２４…ヒートシンク
１２０…高出力増幅器
１２２…パッケージ
１３０…プリント配線基板

Claims (7)

  1. 複数の炭素元素の線状構造体と、
    複数の前記線状構造体の間隙に充填され、複数の前記線状構造体を保持する充填層と、
    複数の前記線状構造体の少なくとも一方の端部に形成され、前記充填層の構成材料よりも熱伝導率の高い材料よりなる第１の被膜と、
    前記第１の被膜と前記線状構造体との間に形成されたグラファイト層と
    を有することを特徴とするシート状構造体。
  2. 請求項１記載のシート状構造体において、
    前記第１の被膜は、隣接する前記線状構造体を互いに結合する
    ことを特徴とするシート状構造体。
  3. 請求項１又は２記載のシート状構造体において、
    複数の前記線状構造体の他方の端部に形成された第２の被膜を更に有する
    ことを特徴とするシート状構造体。
  4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシート状構造体において、
    複数の前記線状構造体のそれぞれは、シートの膜厚方向に対して傾いており、隣接する前記線状構造体が互いに接触している
    ことを特徴とするシート状構造体。
  5. 発熱部と、
    前記発熱部により生じた熱を放熱する放熱部と、
    前記発熱部と前記放熱部との間に配置され、複数の炭素元素の線状構造体と、複数の前記線状構造体の少なくとも一方の端部に形成された被膜と、前記被膜と前記線状構造体との間に形成されたグラファイト層とを有するシート状構造体と
    を有することを特徴とする電子機器。
  6. 第１の基板上に、触媒金属膜を形成する工程と、
    前記触媒金属膜を触媒として、前記第１の基板上に、端部がグラファイト層により覆われた複数の炭素元素の線状構造体を成長する工程と、
    前記グラファイト層により覆われた複数の前記線状構造体の端部上に、第１の被膜を形成する工程と、
    前記第１の被膜上に第２の基板を貼り合わせた後、複数の前記線状構造体と前記第１の基板との界面から前記第１の基板を剥離する工程と、
    前記線状構造体間に充填材を充填し、充填層を形成する工程と、
    前記第２の基板を除去する工程と
    を有することを特徴とするシート状構造体の製造方法。
  7. 発熱部と、前記発熱部により生じた熱を放熱する放熱部とを、複数の炭素元素の線状構造体と、複数の前記線状構造体の少なくとも一方の端部に形成された被膜と、前記被膜と前記線状構造体との間に形成されたグラファイト層とを有するシート状構造体を介して接合する工程と、
    前記被膜の融点よりも高い温度で熱処理を行い、前記被膜をリフローする工程と
    を有することを特徴とする電子機器の製造方法。
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