JP5795021B2 - 放熱構造体 - Google Patents

Description

本発明は、放熱構造体に関し、特に、カーボンナノチューブによる放熱構造体に関する。

最近、半導体チップの高集積化に伴って、電気部品の小型化の研究が進んでいるので、小型電気部品の放熱性をさらに高めることは益々注目されている。ここで、半導体集積プロセスにおいては、放熱という課題がある。

図１を参照すると、従来の放熱構造体１００は、放熱器１０２と、熱界面材料層１０４と、を含む。前記放熱器１０２は、基材１０６と、前記基材１０６の表面に設置されるヒートシンク１０８と、を含む。前記熱界面材料層１０４は、前記放熱器１０２の基材１０６における前記ヒートシンク１０８が設置された表面の反対側の他の表面に設置され、放熱構造体１００と半導体部品との間の放熱面積を増加することに用いられ、半導体部品と放熱構造体１００との間の熱伝導特性を向上させる。従来の熱界面材料は、グラファイト、窒化ホウ素、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、銀又はその他の金属などのような高熱伝導率の粒子を重合体基材に分散して形成する複合材料である。前記複合材料において、その材質全体の熱伝導率が低い（約１Ｗ／ｍＫである）ため、現在の半導体チップの高集積化に伴って向上する高放熱要求を満たすことができない。なお、熱界面材料が存在するので、半導体部品の小型化を達成し難い。又、従来のヒートシンクの材料は、金属、金属合金又は高熱伝導係数の粒子を重合体基材に分散して形成する複合材料であり、このような材料で製造されたヒートシンクも同様に熱伝導率が低いので、高放熱要求を満たすことができない。

カーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ，ＣＮＴ）は、１９９１年に発見された新しい一次元ナノ材料として知られているものである（非特許文献１を参照）。カーボンナノチューブは、アスペクト比が大きく、その長さが直径の何千倍にもなり得て、強度が高く、その強度がスチールの１００倍であるが、その重量はスチールのたった１／６であって、優れた靭性と柔軟性を有し、且つその軸方向に沿って極めて高い熱伝導率を有するため、潜在性が最も大きい熱界面材料として用いられる。米国物理学会から発表された非特許文献２によると、室温で「Ｚ」字形（１０，１０）のカーボンナノチューブの熱伝導率が６６００Ｗ／ｍＫにも達することができるため、カーボンナノチューブの高い熱伝導性能を有効に利用して、熱伝導材料の製造に用いることができる。

従来技術において、カーボンナノチューブ又はカーボンナノチューブの複合材料を熱界面材料として応用する。

Ｓｕｍｉｏ Ｉｉｊｉｍａ、「Ｈｅｌｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｅｓ ｏｆ ｇｒａｐｈｉｔｉｃ ｃａｒｂｏｎ」、Ｎａｔｕｒｅ、１９９１年、第３５４巻、第５６頁 Ｓａｖａｓ Ｂｅｒｂｅｒ外、「Ｕｎｕｓｕａｌｌｙ Ｈｉｇｈ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ、２０００年、第８４巻、第４６１３頁

しかし、熱界面材料におけるカーボンナノチューブは、配向せずに配列されているので、熱伝導の均一性が悪化し、カーボンナノチューブの軸方向での良好な熱伝導性能を十分に利用できず、熱伝導材料全体の熱伝導性能が低くなるという課題がある。

従って、本発明は、前記課題を解決するために、高い放熱効率及び小型化電子部品に適用する小さい体積を有し、且つさまざまな分野に応用することができる放熱構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。

発熱部材の表面に固定された放熱構造体であって、パターン化されたカーボンナノチューブアレイと、固定層と、を含み、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイは、前記固定層により前記発熱部材に固定され、前記発熱部材は、集積回路チップである。

前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイは、対向設置された第一端及び第二端を含み、前記第一端は、前記固定層に設置される。

前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイの第一端は、前記発熱部材の表面に直接に接触している。

前記固定層の厚さは０．１ｍｍ〜１ｍｍである。

前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイの中のカーボンナノチューブの長さが０．５ｍｍ〜５ｍｍである。

本発明の放熱構造体は、次の優れた点がある。第一に、前記放熱構造体を発熱部材の表面に直接に固定するため、熱界面材料を必要としなく、前記放熱構造体全体の体積を小さくして、電子部品の小型化に向けて適用することができ、且つさまざまな分野に応用することができる。第二に、前記放熱構造体のカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブアレイを構成し、且つ前記カーボンナノチューブが前記発熱部材の表面に直交するため、カーボンナノチューブの軸方向での良好な熱伝導性能を十分に利用することができ、従って前記放熱構造体の放熱効率を向上させる。

従来の放熱構造体を示す図である。 本発明の実施例に係る発熱部材の表面に設置される放熱構造体を示す断面図。 図２に係る放熱構造体を示す上面図。 本発明の実施例に係る放熱構造体の製造方法のフローチャートである。 本発明の実施例に係る放熱構造体の製造プロセスのフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図２を参照すると、本発明の実施例に係わる放熱構造体１０は、発熱部材１２の表面１８に設置され、パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６と、固定層１４と、を含む。前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６は、対向設置される第一端１６２及び第二端１６４を含む。前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の第一端１６２は、前記固定層１４に設置され、前記固定層１４により前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６を前記発熱部材１２の表面１８に固定させ、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の第二端１６４は、前記固定層１４から離れる方向へ延伸している。前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の第一端１６２は、前記固定層１４を貫いて前記発熱部材１２に直接接触することができ、従って放熱効率を向上させる。

前記固定層１４の材料は、熱伝導材料であり、複合材料又は低融点を有する金属を含む。前記複合材料は、導電重合体複合材料、導電セラミックス複合材料又は他の導電複合材料（例えば、カーボンナノチューブを含むプラスチック）を含む。前記低融点を有する金属は、錫、インジウム、鉛、アンチモン、銀、ビスマス及びそのいずれか組合の合金又は混合物（例えば、錫鉛合金、インジウム錫合金、錫銀合金等である）を含む。前記固定層１４の厚さに関して、厚すぎるとカーボンナノチューブの良好な熱伝導性能を十分に利用することができなく、薄すぎると前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の固定力が削がれ、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６を傾斜させる。本実施例において、前記固定層１４の厚さは０．１ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましい。

前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６は、互いに平行する複数のカーボンナノチューブを含み、該カーボンナノチューブは、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の第一端１６２から第二端１６４に向かって延伸し、且つ前記固定層１４の表面１８に直交する。前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の第一端１６２が前記固定層１４に設置されるので、前記カーボンナノチューブの少なくとも一部分は、前記固定層１４に設置され、前記カーボンナノチューブの前記固定層１４から露出する部分をヒートシンクとして、前記発熱部材１２からの熱量を放熱する。前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６は、前記発熱部材１２に基づいて予定のパターンを形成することができる。具体的に説明すると、第一に、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の中の一部分のカーボンナノチューブの前記固定層１４から露出する部分が除去され、残りのカーボンナノチューブの前記固定層１４から露出する部分の長さが等しく、従って予定の平面パターン（例えば、円形、「＋」字型、リング型等）を形成し、第二に、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６を構成するカーボンナノチューブの前記固定層１４から露出する部分の長さが異なって、従って予定の立体パターンを形成し、第三に、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の中の一部分のカーボンナノチューブの前記固定層１４から露出する部分が除去され、残りのカーボンナノチューブの前記固定層１４から露出する部分の長さが異なって、従って予定のパターンを形成する。本実施例において、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の中の一部分のカーボンナノチューブの前記固定層１４から露出する部分が除去され、残りのカーボンナノチューブの前記固定層１４から露出する部分の長さが等しく、従って図３に示す「＋」字チャンネルを形成する。

使用する時、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６が空気の対流を増加させるため、放熱効率を向上させる。前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の中のカーボンナノチューブの長さは、前記固定層１４の厚さより大きい。前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の中のカーボンナノチューブの長さが０．５ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましい。本実施例において、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の中のカーボンナノチューブの長さは、１ｍｍである。前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の中のカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）、二層カーボンナノチューブ（ＤＷＣＮＴ）、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）又はそのいずれかの組合である。前記単層カーボンナノチューブの直径は、０．５ｎｍ〜１００ｎｍであり、前記二層カーボンナノチューブの直径は、１．０ｎｍ〜１００ｎｍであり、前記多層カーボンナノチューブの直径は、１．５ｎｍ〜１００ｎｍである。前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の中のカーボンナノチューブの間の距離は、０．１ｎｍ〜５ｎｍである。

前記発熱部材１２の形状は、ある特定の形状に限定されるものではない。前記発熱部材１２は、前記固定層１４を設置することに用いられる表面１８を有し、該表面１８は、平面、凸面、凹面、平坦ではない面のいずれか一種である。前記放熱構造体１０を前記発熱部材１２の表面１８に形成する時、前記発熱部材１２を破壊しないように、前記発熱部材１２の表面１８の融点は、前記固定層１４の融点より高い。前記発熱部材１２は、マイクロ部品又は大型部品であることができ、本実施例において、前記発熱部材１２は、マイクロ部品であることが好ましい。

図４と図５を参照すると、本実施例に係わる前記放熱構造体１０の製造方法は、下記のようなステップを含む。

第一ステップ：表面１８を有する発熱部材１２を提供する。

前記発熱部材１２の形状は、制限されず、前記固定層１４を設置するための表面１８を有すればよい。前記放熱構造体１０を前記発熱部材１２の表面１８に形成する時、前記発熱部材１２を破壊しないように、前記発熱部材１２の表面１８の融点は、前記固定層１４の融点より高い。本実施例において、前記発熱部材１２は、集積回路チップである。

第二ステップ：発熱部材１２の表面に溶融状態の固定層１４を形成する。

塗布又は印刷などの方法で溶融状態の固定層材料を前記発熱部材１２の表面に設置して固定層１４を形成する。前記固定層１４は、熱伝導材料からなり、具体的に錫、インジウム、鉛、アンチモン、銀、ビスマス及びそのいずれか組合の合金又は混合物（例えば、錫鉛合金、インジウム錫合金、錫銀合金等である）のような低融点金属からなる。本実施例において、前記固定層１４の材料として、錫であることが好ましい。

第三ステップ：基材２０に対向設置される第一端及び第二端を有するカーボンナノチューブアレイ２２を形成し、前記第二端が前記基材２０に連接する。

前記カーボンナノチューブアレイ２２の製造方法は、制限されず、本実施例において、化学気相堆積法を採用し、具体的に下記のようなステップ（ａ）〜（ｄ）を含む。ステップ（ａ）では、平らな基材２０を提供する。前記基材２０は、ガラス、シリコン、酸化珪素、金属又は金属酸化物の中のいずれか一種である。本実施例において、酸化珪素基材を選択する。ステップ（ｂ）では、前記基材２０の表面に触媒層を均一に形成する。前記触媒層は、鉄、コバルト、ニッケル及びそのいずれか組合の合金の中のいずれか一種である。ステップ（ｃ）では、前記触媒層が形成された基材２０を７００℃〜９００℃の空気で３０分〜９０分間もアニーリングする。ステップ（ｄ）では、アニーリングされた基材２０を反応炉に置き、保護ガスの雰囲気で５００℃〜７４０℃の温度で加熱した後、前記反応炉にカーボンを含むガスを導入して、５分〜３０分間も反応を行って、カーボンナノチューブアレイを生長させる。前記カーボンナノチューブアレイ２２は、互いに平行し且つ前記基材２０に垂直に生長された複数のカーボンナノチューブからなる。前記カーボンナノチューブアレイ２２は、対向される第一端及び第二端を含み、前記第二端が前記基材２０に連接固定される。前記複数のカーボンナノチューブは、前記カーボンナノチューブアレイ２２の第一端から第二端に向かって延伸している。

本実施例において、前記カーボンを含むガスは、アセチレン、エチレン、メタンなどのような活性炭化水素から選択され、前記保護ガスは、窒素ガス又は不活性ガスなどから選択される。本実施例において、前記カーボンを含むガスは、アセチレンを採用し、前記保護ガスは、アルゴンガスを採用する。

前記カーボンナノチューブアレイの製造方法は、本実施例に限定されるものではなく、アーク放電堆積法又はレーザー蒸発法を採用してもよい。

第四ステップ：前記カーボンナノチューブアレイ２２の第一端を溶融状態の固定層１４に挿入してから、前記固定層１４を冷却して凝固させる。

前記カーボンナノチューブアレイ２２の第一端を溶融状態の固定層１４に挿入し、且つその挿入深さは制限されず、実際の応用に応じて調整することができる。前記カーボンナノチューブアレイ２２は、前記固定層１４を貫いて前記発熱部材１２に直接接触することができる。

前記カーボンナノチューブアレイ２２を前記固定層１４に順調に挿入するために、挿入する前に、前記固定層１４が溶融状態になることにする。前記カーボンナノチューブアレイ２２を前記固定層１４に挿入してから、室温で前記溶融状態の固定層１４を冷却して凝固させると前記カーボンナノチューブアレイ２２の第一端が前記固定層１４に固定され、前記固定層１４により前記カーボンナノチューブアレイ２２の中のカーボンナノチューブを前記発熱部材１２の表面１８に固定させる。前記カーボンナノチューブアレイ２２の中のカーボンナノチューブと前記発熱部材１２の表面１８の間の角度は、９０度である。

第五ステップ：前記カーボンナノチューブアレイ２２の基材２０を除去する。

機械研磨、化学エッチングなどの方法を採用して、前記カーボンナノチューブアレイ２２の基材２０を除去する。本実施例において、化学エッチング方式で前記基材２０を除去する。具体的に下記のような工程を含む。

まず、前記基材２０を溶解できるエッチング液を提供する。本実施例において、前記基材２０が酸化珪素であるため、エッチング液は、塩酸液を選択する。

次に、前記カーボンナノチューブアレイ２２の基材２０をエッチング液に３０分〜６０分間浸す。本実施例において、前記基材２０の材料が酸化珪素であって、前記カーボンナノチューブアレイ２２の触媒の材料が金属であるため、浸す過程において、前記基材２０及び前記触媒が前記酸性エッチング液に溶解され、従って前記カーボンナノチューブアレイ２２の基材２０を除去し、前記カーボンナノチューブアレイ２２の第二端を前記基材２０から脱離させて空気に露出される。

最後、アルコール、アセトンなどの有機溶剤で前記カーボンナノチューブアレイ２２の第二端をクリーニングする。

第六ステップ：前記カーボンナノチューブアレイ２２をパターン化して、前記発熱部材１２の表面１８に放熱構造体１０を形成する。

１００００〜１０００００Ｗ／ｍｍ^２のレーザービームを採用して８００〜１５００ｍｍ／ｓの速度で予定のパターンの跡によって前記カーボンナノチューブアレイ２２を照射して、前記カーボンナノチューブアレイ２２に予定のパターンを形成する。

レーザービームを採用して前記カーボンナノチューブアレイ２２を照射する方法は、具体的に下記のような工程を含む。

まず、レーザー発生器を提供し、該レーザー発生器からのレーザービームの照射跡は、コンピュータプログラムで制御することができる。本実施例において、二酸化炭素レーザー発生器を採用する。

次に、前記カーボンナノチューブアレイ２２に形成しようとするパターンを確定してから、該予定のパターンをコンピュータプログラムに入力して、前記レーザー発生器からのレーザービームが前記予定のパターンの跡に沿って前記カーボンナノチューブアレイ２２を照射するように制御する。パターンを予定することにより大量生産を実現することができ、産業化生産に有利である。

最後、レーザー発生器をスタートして、一定のパワーのレーザービームを採用して一定の速度で前記カーボンナノチューブアレイ２２の中の一部分のカーボンナノチューブを直接に照射して、パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６を形成する。レーザービームに照射された後、前記カーボンナノチューブがレーザービームの高エネルギーを吸収するため、前記固定層１４から露出し且つ前記予定のパターンの跡に位置するカーボンナノチューブの全部又は一部分は、レーザービームにアブレーションされ、前記カーボンナノチューブアレイ２２に予定のパターンを形成し、パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６を形成する。前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６は、対向設置される第一端１６２及び第二端１６４を含む。前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の第一端１６２は、前記固定層１４に設置され、前記固定層１４により前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６を発熱部材１２の表面１８に固定させ、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の第二端１６４は、前記固定層１４から離れる方向へ延伸している。

本実施例において、レーザービームのパワー密度は、７００００〜８００００Ｗ／ｍｍ^２であり、走査速度は、１０００〜１２００ｍｍ／ｓである。前記レーザービームのパワー密度と走査速度が大きいので、前記レーザービームでカーボンナノチューブを瞬間にエッチングすることができ、且つ前記固定層１４を損壊しない。従って、前記固定層１４の材料の融点に対して特別な要求がない。

本実施例において、レーザービーム固定し、コンピュータプログラムによって予定パターンの跡に沿ってカーボンナノチューブアレイ２２を移動することにより、前記カーボンナノチューブアレイ２２に予定のパターンを形成することができる。

前記カーボンナノチューブアレイ２２をパターン化して、放熱構造体１０の放熱空間を十分に利用することができる。

前記放熱構造体１０を応用する時、前記発熱部材１２からの熱量は、前記固定層１４から前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６の第一端１６２に伝送して、前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイ１６から熱量を発散する。

本発明の放熱構造体は、次の優れた点がある。第一に、前記放熱構造体を発熱部材の表面に直接に固定するため、熱界面材料を必要としなく、前記放熱構造体全体の体積を小さくして、電子部品の小型化に向けて適用することができ、且つさまざまな分野に応用することができる。第二に、前記放熱構造体のカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブアレイを構成し、且つ前記カーボンナノチューブが前記発熱部材の表面に直交するため、カーボンナノチューブの軸方向での良好な熱伝導性能を十分に利用することができ、従って前記放熱構造体の放熱効率を向上させる。第三に、前記カーボンナノチューブアレイの中のカーボンナノチューブをヒートシンクとする時、カーボンナノチューブの直径がとても小さい（数ナノ〜数十ナノである）ため、ヒートシンクとするカーボンナノチューブのアスペクト比が大きく、従って前記放熱構造体の放熱面積を増加して放熱効率を向上させる。第四に、前記放熱構造体の固定層は、溶融状態で前記発熱部材に直接的に接触するため、十分に接触することができ、従って前記放熱構造体の放熱面積を増加して放熱効率を向上させる。

１００、１０ 放熱構造体
１０２ 放熱器
１０４ 熱界面材料層
１０６ 基材
１０８ ヒートシンク
１２ 発熱部材
１４ 固定層
１６ パターン化されたカーボンナノチューブアレイ
１６２ 第一端
１６４ 第二端
１８ 表面
２０ 基材
２２ カーボンナノチューブアレイ

Claims (4)

1. 発熱部材の表面に固定された放熱構造体であって、
   パターン化されたカーボンナノチューブアレイと、
   固定層と、
   を含み、
   前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイは、前記固定層により前記発熱部材に固定され、
   前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイは、第一部と第二部に区分され、
   第一部におけるカーボンナノチューブは互いに平行され、それぞれ対向設置された第一端及び第二端を含み、前記第一端は、固定層に埋め込まれており、第二端は固定層から離れて延伸し、第一部におけるカーボンナノチューブの高さが固定層の厚さより高く、
   第二部におけるカーボンナノチューブは互いに平行され、固定層に埋め込まれており、第二部におけるカーボンナノチューブの高さが固定層の厚さに相当しており、
   第一部におけるカーボンナノチューブは、第二部におけるカーボンナノチューブによって隔てられて、間隔をおいて配置され、
   第一部におけるカーボンナノチューブ及び第二部におけるカーボンナノチューブは交互に配置されてパターン化されたカーボンナノチューブアレイを構成し、
   前記発熱部材は、集積回路チップであることを特徴とする放熱構造体。
2. 前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイの第一端は、前記発熱部材の表面に直接接触していることを特徴とする請求項１に記載の放熱構造体。
3. 前記固定層の厚さは０．１ｍｍ〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の放熱構造体。
4. 発熱部材を提供する第一ステップと、
   発熱部材の一つの表面に溶融状態の固定層を形成する第二ステップと、
   基材に対向設置される第一端及び第二端を有するカーボンナノチューブアレイを形成し、前記第二端が前記基材に連接する第三ステップと、
   前記カーボンナノチューブアレイの第一端を溶融状態の固定層に挿入してから、前記固定層を冷却して凝固させる第四ステップと、
   前記カーボンナノチューブアレイの基材を除去する第五ステップと、
   前記カーボンナノチューブアレイをパターン化して、前記発熱部材の表面に放熱構造体を形成する第六ステップと、
   によって製造された放熱構造体であって、
   発熱部材の表面に固定されて用いられ、
   パターン化されたカーボンナノチューブアレイと、
   固定層と、
   を含み、
   前記パターン化されたカーボンナノチューブアレイは、対向設置された第一端及び第二端を含み、前記第一端は、前記固定層により前記発熱部材に固定され、
   前記発熱部材は、集積回路チップであることを特徴とする放熱構造体。

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