JP5935302B2 - 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
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Description
このため、半導体チップ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からなるヒートスプレッダが配置された構造を有している。つまり、半導体チップとヒートスプレッダとを、熱伝導性シートを介して熱的に接触させている。なお、ヒートスプレッダを放熱体ともいう。
このため、半導体チップ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(熱伝導性;熱伝導率)を有する材料が望まれていた。つまり、放熱性能を向上させるために、半導体チップとヒートスプレッダとの間に設けられるサーマルインターフェイスマテリアル(TIM:Thermal Interface Material)の熱伝導度を高める、言い換えると、熱抵抗を低減することが望まれていた。
このようなシート状構造体を半導体チップとヒートスプレッダとの間にサーマルインターフェイスマテリアルとして設ける場合、充填層(樹脂層)によってシート状構造体を半導体チップ及びヒートスプレッダに確実に接着することが必要になる。
例えば、充填層101を構成する熱可塑性樹脂によってシート状構造体102を半導体チップ103及びヒートスプレッダ104に確実に接着すべく、充填層101を構成する熱可塑性樹脂として接着性の高いものを用いると、粘度が高くなる。このため、図14(C)に示すように、線状構造体100の間に樹脂を含浸させるのが難しく、線状構造体100の端部を充填層101の表面から確実に露出させるのが難しくなる。また、線状構造体100の間に樹脂を含浸させるために高い圧力で加圧すると、線状構造体100が樹脂に押され、変形してしまう場合もある。
本シート状構造体は、炭素元素によって形成された複数の線状構造体と、140℃〜250℃の温度範囲で粘度が10000mPa・s以下になる熱可塑性樹脂によって形成され、複数の線状構造体の間隙に充填された充填層と、金属によって形成され、複数の線状構造体の一方の端部側に設けられた第1接合層と、金属によって形成され、複数の線状構造体の他方の端部を覆う第2接合層とを備え、充填層は、複数の線状構造体の一方の端部を覆い、第1接合層は、充填層上に設けられていることを要件とする。
本シート状構造体の製造方法は、基板上に、炭素元素からなる複数の線状構造体を形成する工程と、複数の線状構造体の一方の端部側に、140℃〜250℃の温度範囲で粘度が10000mPa・s以下になる熱可塑性樹脂によって充填層を形成する工程と、複数の線状構造体を基板から剥離する工程と、複数の線状構造体の一方の端部側に、金属によって第1接合層を形成する工程と、複数の線状構造体の他方の端部を覆うように、金属によって第2接合層を形成する工程とを含み、充填層を形成する工程、第1接合層を形成する工程、基板から剥離する工程、第2接合層を形成する工程をこの順に行ない、充填層を形成する工程において、複数の線状構造体の一方の端部を覆う充填層を形成し、第1接合層を形成する工程において、充填層上に第1接合層を形成することを要件とする。
本シート状構造体の製造方法は、基板上に、炭素元素からなる複数の線状構造体を形成する工程と、複数の線状構造体の一方の端部側に、140℃〜250℃の温度範囲で粘度が10000mPa・s以下になる熱可塑性樹脂によって充填層を形成する工程と、複数の線状構造体を基板から剥離する工程と、複数の線状構造体の一方の端部側に、金属によって第1接合層を形成する工程と、複数の線状構造体の他方の端部を覆うように、金属によって第2接合層を形成する工程と、充填層を溶融させて、複数の線状構造体の一方の端部を露出させる工程とを含み、充填層を形成する工程、基板から剥離する工程、第2接合層を形成する工程、複数の線状構造体の一方の端部を露出させる工程、第1接合層を形成する工程をこの順に行ない、第1接合層を形成する工程において、複数の線状構造体の一方の端部を覆う第1接合層を形成することを要件とする。
また、本電子機器及びその製造方法によれば、このようなシート状構造体を備えるため、高性能の電子機器及びその製造方法を実現できるという利点がある。
[第1実施形態]
第1実施形態にかかる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について、図1〜図7を参照しながら説明する。
本実施形態のシート状構造体は、図1に示すように、炭素元素によって形成された複数の線状構造体として例えば複数のカーボンナノチューブ1を備えるカーボンナノチューブシート2である。
なお、カーボンナノチューブシート2を、シート状のカーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ構造体、あるいは、シート状カーボンナノチューブ構造体ともいう。また、シート状構造体を、シート状放熱部品、熱拡散装置、サーマルインターフェイスマテリアル、熱伝導性シート、あるいは、熱伝導媒体ともいう。
つまり、まず、カーボンナノチューブシート2は、間隔を開けて配置された複数のカーボンナノチューブ1を有している。なお、カーボンナノチューブ1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良い。
カーボンナノチューブ1の面密度は、特に限定されるものではないが、放熱性及び電気伝導性の観点から、約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1の長さ、即ち、シート2の厚さは、カーボンナノチューブシート2の用途によって決まり、特に限定されるものではないが、好ましくは約5μm〜約500μm程度の値に設定することができる。例えば、カーボンナノチューブシート2を、発熱体(例えば半導体チップ)と放熱体(例えばヒートスプレッダ)との間に形成するサーマルインターフェイスマテリアルとして使用する場合、少なくとも発熱体及び放熱体の表面の凹凸を埋める長さ以上であることが望ましい。なお、発熱体及び放熱体を被着体ともいう。
ここで、図2は、熱可塑性樹脂の粘度と温度との関係を示している。なお、熱可塑性樹脂を、ホットメルト樹脂(HM樹脂)、ホットメルト充填材、あるいは、充填材ともいう。また、粘度を溶融粘度ともいう。
好ましくは、充填層3は、複数のカーボンナノチューブ1の間隙に含浸させてカーボンナノチューブ1の端部を容易に露出させうる熱可塑性樹脂、即ち、より低粘度の熱可塑性樹脂によって形成する。つまり、充填層3は、図2に示すように、約140℃〜約250℃の温度範囲で粘度が約5000mPa・s以下になる熱可塑性樹脂によって形成するのが好ましい。
さらに、カーボンナノチューブシート2は、図1に示すように、金属によって形成され、複数のカーボンナノチューブ1の一方の端部側に設けられた第1接合層4と、金属によって形成され、複数のカーボンナノチューブ1の他方の端部を覆う第2接合層5とを備える。これらの第1接合層4及び第2接合層5は、後述(図6参照)のように、発熱体10及び放熱体11に金属接合するために用いられる。このため、カーボンナノチューブ1は、第1接合層4及び第2接合層5を介して、発熱体10及び放熱体11に熱的に接続されることになる。
また、第1接合層4及び第2接合層5は、溶融接合用の金属(溶融金属)によって形成されている。ここでは、第1接合層4及び第2接合層5は、発熱体10の発熱温度(半導体チップの場合、約80℃程度)以上の融点を有する低融点金属、例えば約110℃〜約199℃程度の融点を有する金属によって形成されている。このような低融点金属としては、例えば、スズとビスマスの合金(融点138℃)、スズと三菱スズの合金(融点138℃又は199℃)、はんだ(融点180℃)、インジウム(融点156℃)などを挙げることができる。なお、接合層4、5を、低融点金属接合層、あるいは、金属接合層ともいう。また、第1接合層4と第2接合層5とは、同じ材料によって形成しても良いし、異なる材料によって形成しても良い。
このため、第1接合層4によって、複数のカーボンナノチューブ1の先端部分の凹凸[図3(A)参照]を包含することができるように、即ち、各カーボンナノチューブ1の長さにばらつきがあっても[図3(A)参照]、全てのカーボンナノチューブ1の先端部分を覆うことができるように、第1接合層4の膜厚は、約10μm以上とするのが好ましい。ここで、複数のカーボンナノチューブ1の先端部分の凹凸が包含されるようにしているのは、複数のカーボンナノチューブ1の長さのばらつきの影響で熱抵抗、即ち、後述の発熱体10や放熱体11(ここでは放熱体)との界面での接触熱抵抗が増大するからである。
つまり、本実施形態では、カーボンナノチューブシート2は、第1接合層4及び第2接合層5を備え、これらが金属によって形成されているため、後述の発熱体10及び放熱体11に確実に接合することができる。つまり、カーボンナノチューブ1は、充填層3を構成する樹脂よりも接着性が高い金属によって形成される第1接合層4及び第2接合層5を介して、後述の発熱体10及び放熱体11に確実に接合されることになる。この場合、カーボンナノチューブシート2と後述の発熱体10及び放熱体11とは金属接合されるため、従来のように樹脂によって形成される充填層によって接着する場合と比較して、発熱体10とカーボンナノチューブシート2との界面、及び、カーボンナノチューブ2と放熱体11との界面での剥がれも少なく、カーボンナノチューブシート2の信頼性を向上させることができる。
なお、上述のように構成されるカーボンナノチューブシート2は、熱伝導性シートとして利用することもできるし、配線シート(縦型配線シート)として利用することもできる。但し、配線シートとして利用する場合には、カーボンナノチューブ1の電気的導電性を利用して、カーボンナノチューブ1を配線体として用いることになる。
まず、図4(A)に示すように、炭素元素からなる複数の線状構造体としての複数のカーボンナノチューブ1を形成するための土台として用いる基板6を用意する。
基板6としては、シリコン基板などの半導体基板、アルミナ基板、サファイア基板、MgO基板、ガラス基板などの絶縁性基板、金属基板などを用いることができる。また、これらの基板上に薄膜が形成されたものでも良い。例えば、シリコン基板上に膜厚約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。
カーボンナノチューブ1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約1kPa、ホットフィラメント温度を約1000℃、成長時間を約20分とする。これにより、層数が平均3〜6層程度(平均4層程度)、直径が約4〜約8nm(平均約6nm)、長さが約80μm(成長レート:約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。
次いで、図4(C)に示すように、複数のカーボンナノチューブ1の一方の端部側(ここでは先端側)に、充填層3を構成する熱可塑性樹脂を塗布する。ここでは、複数のカーボンナノチューブ1の先端側に熱可塑性樹脂シートを載置し、加熱することによって熱可塑性樹脂を溶融させて複数のカーボンナノチューブ1の間隙に含浸させた後、熱可塑性樹脂を固化させて、充填層3を形成する。これにより、複数のカーボンナノチューブ1の一方の端部(ここでは先端部分)が熱可塑性樹脂からなる充填層3によって覆われる。ここでは、低粘度の熱可塑性樹脂を用いる。例えば、BW100(日信化学工業株式会社製品、溶融粘度:150℃で75mPa・s、融点128℃)を用いる。なお、熱可塑性樹脂を含浸させる深さは、熱処理時間によって制御することができる。
次いで、図5(B)に示すように、表面に第1接合層4を有する充填層3によって支持されている複数のカーボンナノチューブ1を、基板6、即ち、基板6及び触媒金属膜7から剥離する。この工程を剥離工程という。なお、複数のカーボンナノチューブ1は、表面に第1接合層4を有する充填層3によって支持されているため、基板6から剥離して取り出し、ハンドリング可能である。
このようにして、本実施形態のシート状構造体、即ち、カーボンナノチューブシート2を製造することができる。
次に、本実施形態にかかる電子機器及びその製造方法について説明する。
なお、半導体チップ10を、半導体素子、発熱体又は発熱源ともいう。また、ヒートスプレッダ11を、放熱体又は放熱部品ともいう。また、熱伝導性シートを、放熱シート又はシート状放熱部品ともいう。
また、回路基板16上には、例えばCPUなどに用いられるLSIチップなどの半導体チップ10が実装されている。つまり、半導体チップ10は、はんだバンプ18を介して回路基板16に電気的に接続されている。なお、はんだバンプ18を突起状電極ともいう。
また、半導体チップ10とヒートスプレッダ11との間には、上述のカーボンナノチューブシート2が熱伝導性シートとして設けられている。
また、上述のカーボンナノチューブシート2に備えられる複数のカーボンナノチューブ1の各端部(図6中、上側の端部)とヒートスプレッダ11とが、第1接合層4を介して接合されている。つまり、複数のカーボンナノチューブ1は、ヒートスプレッダ11の表面に第1接合層4を介して熱的に接続されている。
このように、本電子機器14は、カーボンナノチューブシート2を、半導体チップ10とヒートスプレッダ11との間に挟み込み、接合層4、5によって半導体チップ10及びヒートスプレッダ11に接合した構造を備える。つまり、本電子機器14は、半導体チップ10と、ヒートスプレッダ11と、上述のカーボンナノチューブシート2とを備える。
まず、回路基板16上に、はんだバンプ18を介して半導体チップ10を実装する(図6参照)。
次に、回路基板16上に実装した半導体チップ10の表面上に、上述のカーボンナノチューブシート2を載置する[図6、図7(A)参照]。この場合、半導体チップ10の表面に第2接合層5の表面が接することになる。
このようにして、半導体チップ10とヒートスプレッダ11との間に上述のカーボンナノチューブシート2を配置した状態で、熱圧着することで、これらを接合する[図7(B)参照]。つまり、上述のカーボンナノチューブシート2の一方の端部(ここでは先端部分)とヒートスプレッダ11とを第1接合層4によって接合するとともに、上述のカーボンナノチューブシート2の他方の端部(ここでは根元側部分)と半導体チップ10とを第2接合層5によって接合する。なお、ここでは、カーボンナノチューブシート2と半導体チップ10との接合と、カーボンナノチューブシート2とヒートスプレッダ11との接合とを、同時に行なうようにしているが、それぞれ別の工程で行なうようにしても良い。
したがって、本実施形態にかかる電子機器及びその製造方法によれば、上述のようなシート状構造体2を備えるため、高性能の電子機器及びその製造方法を実現できるという利点がある。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態にかかる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について、図10〜図12を参照しながら説明する。
つまり、本実施形態のシート状構造体としてのカーボンナノチューブシート2では、複数の線状構造体としての複数のカーボンナノチューブ1の両端部がそれぞれ第1接合層4及び第2接合層5によって覆われている。そして、第1接合層4と第2接合層5との間に充填層3が設けられている。ここでは、充填層3は、複数のカーボンナノチューブ1の他方の端部側(ここでは根元側)に設けられている。
このように構成されるカーボンナノチューブシート2は、以下のようにして製造することができる。
次に、図11(E)に示すように、剥離した複数のカーボンナノチューブ1の他方の端部(ここでは根元側の端部)を覆うように、上述の第1実施形態の場合と同様に、金属によって第2接合層5を形成する。
次に、図12(A)に示すように、再び、加熱することによって充填層3を構成する熱可塑性樹脂を溶融させて複数のカーボンナノチューブ1の第2接合層5が設けられている側まで含浸させる。これにより、複数のカーボンナノチューブ1の一方の端部(ここでは先端部分)が充填層3の表面から露出し、複数のカーボンナノチューブ1の他方の端部側(ここでは根元側)、即ち、第2接合層5が設けられている側に充填層3が設けられる。
このようにして、図12(D)に示すように、本実施形態のシート状構造体、即ち、カーボンナノチューブシート2を製造することができる。
したがって、本実施形態にかかるシート状構造体及びその製造方法によれば、上述の第1実施形態の場合と同様に、カーボンナノチューブ(線状構造体)1の端部を充填層3の表面から確実に露出させながら、発熱体10及び放熱体11に確実に接合できるシート状構造体2及びその製造方法を実現できるという利点がある。
但し、上述のように、本実施形態のシート状構造体としてのカーボンナノチューブシート2は、上述の第1実施形態の場合(図1参照)と異なり、図10に示すように、複数の線状構造体としての複数のカーボンナノチューブ1の両端部がそれぞれ第1接合層4及び第2接合層5によって覆われている。このため、本実施形態では、電子機器の製造方法において熱圧着によってカーボンナノチューブ1の端部を充填層3の表面から露出させる必要がない。したがって、本実施形態の電子機器の製造方法は、上述の第1実施形態のもの(図7参照)に対し、熱圧着工程が異なる。つまり、上述の第1実施形態の電子機器の製造方法における熱圧着工程に代えて、半導体チップ10とヒートスプレッダ11との間にカーボンナノチューブシート2を挟んで加熱し、第1接合層4及び第2接合層5を構成する金属を溶融させて接合する工程を行なう。
したがって、本実施形態にかかる電子機器及びその製造方法によれば、上述のようなシート状構造体2を備えるため、高性能の電子機器及びその製造方法を実現できるという利点がある。
[その他]
なお、本発明は、上述した各実施形態及び変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
また、カーボンナノチューブシートなどの炭素元素によって形成された複数の線状構造体を備えるシート状構造体の使用目的も、上述の各実施形態において記載したものに限られるものではない。上述の各実施形態にかかるシート状構造体は、熱伝導性シートとしては、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、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などの線状構造体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。
2 カーボンナノチューブシート(シート状構造体)
3 充填層
4 第1接合層
5 第2接合層
6 基板
7 触媒金属膜
8 ステージ
9 プレート
10 半導体チップ(発熱体)
11 ヒートスプレッダ(放熱体)
14 電子機器
15 プリント配線基板
16 回路基板
17、18 はんだバンプ
20 離型剤コート済み基板(テフロン(登録商標)シート)
Claims (11)
- 炭素元素によって形成された複数の線状構造体と、
140℃〜250℃の温度範囲で粘度が5000mPa・s以下になる熱可塑性樹脂によって形成され、前記複数の線状構造体の間隙に充填された充填層と、
金属によって形成され、前記複数の線状構造体の一方の端部側に設けられた第1接合層と、
金属によって形成され、前記複数の線状構造体の他方の端部を覆う第2接合層とを備えることを特徴とするシート状構造体。 - 炭素元素によって形成された複数の線状構造体と、
140℃〜250℃の温度範囲で粘度が10000mPa・s以下になる熱可塑性樹脂によって形成され、前記複数の線状構造体の間隙に充填された充填層と、
金属によって形成され、前記複数の線状構造体の一方の端部側に設けられた第1接合層と、
金属によって形成され、前記複数の線状構造体の他方の端部を覆う第2接合層とを備え、
前記充填層は、前記複数の線状構造体の一方の端部を覆い、
前記第1接合層は、前記充填層上に設けられていることを特徴とするシート状構造体。 - 前記第1接合層は、前記複数の線状構造体の一方の端部を覆うことを特徴とする、請求項1に記載のシート状構造体。
- 前記第1接合層及び前記第2接合層は、溶融接合用の金属によって形成されていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載のシート状構造体。
- 前記第1接合層及び前記第2接合層は、溶融接合用の金属によって形成されており、
前記第1接合層を構成する金属は、前記充填層を構成する熱可塑性樹脂の融点と同じ又はそれよりも高い融点を有することを特徴とする、請求項3に記載のシート状構造体。 - 発熱体と、
放熱体と、
前記発熱体と前記放熱体との間に設けられ、炭素元素によって形成された複数の線状構造体と、140℃〜250℃の温度範囲で粘度が5000mPa・s以下になる熱可塑性樹脂によって形成され、前記複数の線状構造体の間隙に充填された充填層と、金属によって形成され、前記複数の線状構造体の一方の端部を覆う第1接合層と、金属によって形成され、前記複数の線状構造体の他方の端部を覆う第2接合層とを備えるシート状構造体とを備え、
前記発熱体及び前記放熱体の一方と前記シート状構造体の前記複数の線状構造体の一方の端部とが、前記第1接合層を介して接合されており、
前記発熱体及び前記放熱体の他方と前記シート状構造体の前記複数の線状構造体の他方の端部とが、前記第2接合層を介して接合されていることを特徴とする電子機器。 - 基板上に、炭素元素からなる複数の線状構造体を形成する工程と、
前記複数の線状構造体の一方の端部側に、140℃〜250℃の温度範囲で粘度が5000mPa・s以下になる熱可塑性樹脂によって充填層を形成する工程と、
前記複数の線状構造体を前記基板から剥離する工程と、
前記複数の線状構造体の一方の端部側に、金属によって第1接合層を形成する工程と、
前記複数の線状構造体の他方の端部を覆うように、金属によって第2接合層を形成する工程とを含むことを特徴とするシート状構造体の製造方法。 - 基板上に、炭素元素からなる複数の線状構造体を形成する工程と、
前記複数の線状構造体の一方の端部側に、140℃〜250℃の温度範囲で粘度が10000mPa・s以下になる熱可塑性樹脂によって充填層を形成する工程と、
前記複数の線状構造体を前記基板から剥離する工程と、
前記複数の線状構造体の一方の端部側に、金属によって第1接合層を形成する工程と、
前記複数の線状構造体の他方の端部を覆うように、金属によって第2接合層を形成する工程とを含み、
前記充填層を形成する工程、前記第1接合層を形成する工程、前記基板から剥離する工程、前記第2接合層を形成する工程をこの順に行ない、
前記充填層を形成する工程において、前記複数の線状構造体の一方の端部を覆う充填層を形成し、
前記第1接合層を形成する工程において、前記充填層上に第1接合層を形成することを特徴とするシート状構造体の製造方法。 - 基板上に、炭素元素からなる複数の線状構造体を形成する工程と、
前記複数の線状構造体の一方の端部側に、140℃〜250℃の温度範囲で粘度が10000mPa・s以下になる熱可塑性樹脂によって充填層を形成する工程と、
前記複数の線状構造体を前記基板から剥離する工程と、
前記複数の線状構造体の一方の端部側に、金属によって第1接合層を形成する工程と、
前記複数の線状構造体の他方の端部を覆うように、金属によって第2接合層を形成する工程と、
前記充填層を溶融させて、前記複数の線状構造体の一方の端部を露出させる工程とを含み、
前記充填層を形成する工程、前記基板から剥離する工程、前記第2接合層を形成する工程、前記複数の線状構造体の一方の端部を露出させる工程、前記第1接合層を形成する工程をこの順に行ない、
前記第1接合層を形成する工程において、前記複数の線状構造体の一方の端部を覆う第1接合層を形成することを特徴とするシート状構造体の製造方法。 - 炭素元素によって形成された複数の線状構造体と、140℃〜250℃の温度範囲で粘度が10000mPa・s以下になる熱可塑性樹脂によって形成され、前記複数の線状構造体の一方の端部を覆い、前記複数の線状構造体の間隙に充填された充填層と、金属によって形成され、前記充填層上に設けられた第1接合層と、金属によって形成され、前記複数の線状構造体の他方の端部を覆う第2接合層とを備えるシート状構造体を、発熱体と放熱体との間に配置する工程と、
熱圧着によって、前記シート状構造体の前記複数の線状構造体の一方の端部を、前記充填層の表面から露出させて前記第1接合層で覆い、前記第1接合層を介して前記発熱体及び前記放熱体の一方に接合するとともに、前記シート状構造体の前記複数の線状構造体の他方の端部を、前記第2接合層を介して前記発熱体及び前記放熱体の他方に接合する工程とを含むことを特徴とする電子機器の製造方法。 - 炭素元素によって形成された複数の線状構造体と、140℃〜250℃の温度範囲で粘度が5000mPa・s以下になる熱可塑性樹脂によって形成され、前記複数の線状構造体の間隙に充填された充填層と、金属によって形成され、前記複数の線状構造体の一方の端部を覆う第1接合層と、金属によって形成され、前記複数の線状構造体の他方の端部を覆う第2接合層とを備えるシート状構造体の前記複数の線状構造体の一方の端部を、前記第1接合層を介して発熱体及び放熱体の一方に接合する工程と、
前記シート状構造体の前記複数の線状構造体の他方の端部を、前記第2接合層を介して前記発熱体及び前記放熱体の他方に接合する工程とを含むことを特徴とする電子機器の製造方法。
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