JP6115270B2 - 放熱構造体及びその製造方法並びに電子装置 - Google Patents

Description

本発明は、放熱構造体及びその製造方法並びに電子装置に関する。

サーバーやパーソナルコンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装
置）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、これら電子部品は、半導体素子の直上に設けられた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。

この際、発熱源及びヒートスプレッダの表面には微細な凹凸が存在するため、互いをダイレクトに接触させても十分な接触面積を稼ぐことができず、接触界面が大きな熱抵抗となり、効率的に放熱を行うことができない。このため、接触熱抵抗を低減することを目的として、発熱源とヒートスプレッダとをサーマルインターフェイスマテリアル（ＴＩＭ）を介して接続することが行われている。

この目的のもと、サーマルインターフェイスマテリアルには、それ自身が高い熱伝導率を有する材料であることに加え、発熱源及びヒートスプレッダ表面の微細な凹凸に対して広面積に接触しうる特性が求められている。

従来、サーマルインターフェイスマテリアルとしては、放熱グリースやフェイズチェンジマテリアル（ＰＣＭ）、インジウムなどが用いられている。これらの材料が放熱材料として用いられる大きな特徴の一つは、電子機器の耐熱温度以下で流動性を有しているため、微細な凹凸に対して大きな接触面積を得ることが可能な点にある。

しかしながら、放熱グリースやフェイズチェンジマテリアルは、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ〜５Ｗ／ｍ・Ｋと比較的低い。また、インジウムはレアメタルであることに加え、ＩＴＯ関連での大幅な需要増加により価格が高騰しており、より安価な代替材料が待望されている。

このような背景から、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、長手方向に非常に高い熱伝導度（１５００Ｗ／ｍ・Ｋ〜３０００Ｗ／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放熱構造体としては、樹脂中にカーボンナノチューブを分散した放熱構造体や、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放熱構造体が提案されている。

特開２００５−１５０３６２号公報 特開２００６−１４７８０１号公報 特開２００６−３０３２４０号公報 特開２００６−２９５１２０号公報

しかしながら、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性を十分に生かし得ない場合があった。

本発明の目的は、熱伝導性の良好な放熱構造体及びその製造方法並びにその放熱構造体を用いた電子装置を提供することにある。

実施形態の一観点によれば、上部がランダムな方向に配向したランダム配向部となっている炭素元素の複数の線状構造体を基板上に形成する工程と、前記複数の線状構造体のうちの前記基板の法線方向とは異なる方向に配向した部分を前記ランダム配向部の上部から除去する工程と、前記ランダム配向部から上方に突出した前記複数の線状構造体の一端部を湾曲させる工程と、前記複数の線状構造体の他端部を除く部分の間に樹脂を充填する工程と、前記複数の線状構造体の前記他端部を湾曲させる工程と、前記複数の線状構造体の前記他端部の間に前記樹脂を更に充填する工程とを有することを特徴とする放熱構造体の製造方法が提供される。

実施形態の他の観点によれば、 一部がランダムな方向に配向したランダム配向部となっている炭素元素の複数の線状構造体と、前記複数の線状構造体間に充填された樹脂層とを有し、前記ランダム配向部から一方の側に突出した前記複数の線状構造体の一端部が同じ側に湾曲しており、前記ランダム配向部から他方の側に突出した前記複数の線状構造体の他端部が同じ側に湾曲しており、前記複数の線状構造体の湾曲した前記一端部の側面の一部が、前記複数の線状構造体間に充填された前記樹脂層の前記一端部側の面と同一平面上にあり、前記複数の線状構造体の湾曲した前記他端部の側面の一部が、前記複数の線状構造体間に充填された前記樹脂層の前記他端部側の面と同一平面上にあることを特徴とする放熱構造体が提供される。

実施形態の更に他の観点によれば、発熱体と、放熱体と、 一部がランダムな方向に配向したランダム配向部となっている炭素元素の複数の線状構造体と、前記複数の線状構造体間に充填された樹脂層とを有し、前記ランダム配向部から一方の側に突出した前記複数の線状構造体の一端部が同じ側に湾曲しており、前記ランダム配向部から他方の側に突出した前記複数の線状構造体の他端部が同じ側に湾曲しており、前記複数の線状構造体の湾曲した前記一端部の側面の一部が、前記複数の線状構造体間に充填された前記樹脂層の前記一端部側の面と同一平面上にあり、前記複数の線状構造体の湾曲した前記他端部の側面の一部が、前記複数の線状構造体間に充填された前記樹脂層の前記他端部側の面と同一平面上にある放熱構造体とを有し、前記複数の線状構造体の湾曲した前記一端部の前記側面の一部が、前記発熱体及び前記放熱体の一方に接しており、前記複数の線状構造体の湾曲した前記他端部の前記側面の一部が、前記発熱体及び前記放熱体の他方に接していることを特徴とする電子装置が提供される。

開示の放熱構造体によれば、炭素元素の複数の線状構造体の先端部が同じ側に湾曲しており、炭素元素の複数の線状構造体の根元部が同じ側に湾曲している。炭素元素の複数の線状構造体の湾曲した先端部や根元部の側面は発熱体や放熱体に接触させやすいため、熱伝導性の良好な放熱構造体を得ることができる。

図１は、一実施形態による放熱構造体を示す断面図である。 図２は、一実施形態による電子装置を示す断面図である。 図３は、一実施形態による放熱構造体の製造方法を示す工程断面図（その１）である。 図４は、一実施形態による放熱構造体の製造方法を示す工程断面図（その２）である。 図５は、一実施形態による放熱構造体の製造方法を示す工程断面図（その３）である。 図６は、一実施形態による放熱構造体の製造方法を示す工程断面図（その４）である。 図７は、一実施形態による放熱構造体の製造方法を示す工程断面図（その５）である。 図８は、一実施形態による放熱構造体の製造方法を示す工程断面図（その６）である。 図９は、一実施形態による放熱構造体の製造方法を示す工程断面図（その７）である。 図１０は、走査型電子顕微鏡写真を示す図である。 図１１は、一実施形態による電子装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。 図１２は、一実施形態による電子装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。 図１３は、一実施形態の変形例による放熱構造体の製造方法を示す工程断面図（その１）である。 図１４は、一実施形態の変形例による放熱構造体の製造方法を示す工程断面図（その２）である。 図１５は、一実施形態の変形例による放熱構造体の製造方法を示す工程断面図（その３）である。 図１６は、一実施形態の変形例による電子装置の製造方法を示す工程断面図である。

従来の熱伝導シートでは、カーボンナノチューブの端面を発熱体や放熱体に点接触で接触させる構造となっていた。

このため、カーボンナノチューブの端面を発熱体や放熱体に点接触で確実に接触させることは容易ではなく、発熱体や放熱体に端面が接触しないカーボンナノチューブが生じる場合があった。

発熱体や放熱体とカーボンナノチューブとが接触しない箇所が生じると、熱伝導性の低くなり、発熱体から発せられる熱を効果的に放熱し得ない。

［一実施形態］
一実施形態による放熱構造体及びその製造方法並びにその放熱構造体を用いた電子装置及びその製造方法を図１乃至図１２を用いて説明する。

（放熱構造体）
まず、本実施形態による放熱構造体について図１を用いて説明する。図１は、本実施形態による放熱構造体を示す断面図である。

図１に示すように、本実施形態による放熱構造体（放熱部材、放熱材料、放熱シート、熱伝導シート）１０は、炭素元素の複数の線状構造体（カーボンナノチューブ）１２を有している。複数のカーボンナノチューブ１２は、互いに間隔を空けて形成されている。

カーボンナノチューブ１２は、単層カーボンナノチューブであってもよいし、多層カーボンナノチューブであってもよい。ここでは、例えば多層カーボンナノチューブ１２が形成されている。

一本の多層カーボンナノチューブ１２に含まれるカーボンナノチューブの層数は、特に限定されるものではないが、例えば３〜６程度である。一本の多層カーボンナノチューブ１２に含まれるカーボンナノチューブの層数の平均は、例えば４程度である。カーボンナノチューブ１２の直径は、特に限定されるものではないが、例えば１０〜２０ｎｍ程度である。カーボンナノチューブ１２の直径の平均は、例えば１５ｎｍ程度である。カーボンナノチューブ１２の長さは、特に限定されるものではないが、例えば５０〜２００μｍ程度である。カーボンナノチューブ１２の面密度は、特に限定されるものではないが、十分な熱伝導性を得る観点からは、１×１０^１０本／ｃｍ^２以上であることが好ましい。ここでは、カーボンナノチューブ１２の面密度を、例えば１×１０^１１本／ｃｍ^２程度とする。

複数のカーボンナノチューブ１２の上部、即ち、図１における紙面上側は、複数のカーボンナノチューブ１２がランダムな方向に配向したランダム配向部１６となっている。換言すれば、複数のカーボンナノチューブ１２の先端部１４は、複数のカーボンナノチューブ１２がランダムな方向に配向したランダム配向部１６となっている。ランダム配向部１６においては、複数のカーボンナノチューブ１２が絡み合うような状態となっている。

なお、カーボンナノチューブの先端部とは、カーボンナノチューブを基板上に成長した際に、基板側に位置していた部分とは反対側の部分のことである。カーボンナノチューブを基板上に成長した際に、基板側に位置していた部分は根元部と称される。

ランダム配向部１６上には、複数のカーボンナノチューブ１２の先端部１４が突出している。ランダム配向部１６上に突出した複数のカーボンナノチューブ１２の先端部１４は、同じ側に湾曲している。換言すれば、ランダム配向部１６から上方に突出した複数のカーボンナノチューブ１２の端部１４が、同じ側に湾曲している。

ランダム配向部１４よりも根元部１８側、即ち、図１における紙面下側においては、複数のカーボンナノチューブ１２が同じ方向に配向している。より具体的には、ランダム配向部１４よりも根元部１８側の複数のカーボンナノチューブ１２は、垂直方向に配向している。

複数のカーボンナノチューブ１２の根元部１８は、同じ側に湾曲している。換言すれば、ランダム配向部１４から下方に突出した複数のカーボンナノチューブ１２の端部１８が同じ側に湾曲している。

本実施形態において、複数のカーボンナノチューブ１２の先端部１４側と根元部１８側とをそれぞれ同じ側に湾曲させているのは、以下のような理由によるものである。

即ち、従来は、カーボンナノチューブの先端部側のランダム配向部を発熱体及び発熱体の一方に接触させ、カーボンナノチューブの根元部側の端面を発熱体及び放熱体の他方に点接触で接触させる構造となっていた。発熱体や放熱体の表面にはラフネスが存在するため、カーボンナノチューブの先端部や根元部を発熱体や放熱体に確実に接触させることは容易ではない。また、点接触での接触は、温度変化等による発熱体や放熱体の変形に追随し得ない。

発熱体や放熱体の表面のラフネスに放熱構造体を追随させるべく、発熱体と放熱体との間に放熱構造体を挟み込んだ後に、加熱しながら押圧することも行われる。この場合には、放熱構造体が変形し、カーボンナノチューブの根元部の端面の高さ位置にばらつきが生じる。カーボンナノチューブの根元部の端面の高さ位置にばらつきが生じると、複数のカーボンナノチューブのうちの一部の根元部しか発熱体や放熱体に接し得なくなる。発熱体や放熱体とカーボンナノチューブとが接しない箇所においては、熱が伝達されにくい。

このように、従来の放熱構造体では、必ずしも十分に良好な熱伝導性が得られなかった。

これに対し、カーボンナノチューブ１２の先端部１４や根元部１８を湾曲させれば、カーボンナノチューブ１２の先端部１４や根元部１８の側面が発熱体や放熱体に線接触で接触し得る。しかも、カーボンナノチューブ１２の先端部１４や根元部１８を同じ側に湾曲させれば、カーボンナノチューブ１２の先端部１４や根元部１８が互いに重なりにくくなる。カーボンナノチューブ１２の先端部１４や根元部１８が互いに重なりにくくなれば、各々のカーボンナノチューブ１２の先端部１４や根元部１８の側面が発熱体や放熱体に接触しやすくなる。しかも、カーボンナノチューブ１２の湾曲した先端部１４や根元部１８は変形に追随しやすい。このため、本実施形態では、発熱体や放熱体とカーボンナノチューブ１２とが接しない箇所が生ずるのを抑制することができる。従って、本実施形態によれば、熱伝導性の良好な放熱構造体を得ることが可能となる。

このような理由により、本実施形態では、複数のカーボンナノチューブ１２の先端部１４側を同じ側に湾曲させるとともに、複数のカーボンナノチューブ１２の根元部１８側を同じ側に湾曲させている。

複数のカーボンナノチューブ１２間を充填するように、充填層２０が形成されている。充填層２０の材料としては、例えば熱可塑性樹脂が用いられている。充填層（樹脂層）２０は、複数のカーボンナノチューブ１２を支持している。充填層２０は、温度に応じて液体と固体との間で可逆的に状態変化するものであり、室温では固体であり、加熱すると液状に変化し、冷却すると接着性を発現しつつ固体に戻る。充填層２０の材料としては、例えば、以下に示すようなホットメルト樹脂が挙げられる。ポリアミド系ホットメルト樹脂としては、例えば、ヘンケルジャパン株式会社製の「Ｍｉｃｒｏｍｅｌｔ６２３９」（軟化点温度：１４０℃）が挙げられる。また、ポリエステル系ホットメルト樹脂としては、例えば、ノガワケミカル株式会社の「ＤＨ５９８Ｂ」（軟化点温度：１３３℃）が挙げられる。また、ポリウレタン系ホットメルト樹脂としては、例えば、ノガワケミカル株式会社製の「ＤＨ７２２Ｂ」が挙げられる。また、ポリオレフィン系ホットメルト樹脂としては、例えば、松村石油株式会社製の「ＥＰ−９０」（軟化点温度：１４８℃）が挙げられる。また、エチレン共重合体ホットメルト樹脂としては、例えば、ノガワケミカル株式会社製の「ＤＡ５７４Ｂ」（軟化点温度：１０５℃）が挙げられる。また、ＳＢＲ系ホットメルト樹脂としては、例えば、横浜ゴム株式会社製の「Ｍ−６２５０」（軟化点温度：１２５℃）が挙げられる。また、ＥＶＡ系ホットメルト樹脂としては、例えば、住友スリーエム株式会社製の「３７４７」（軟化点温度：１０４℃）が挙げられる。また、ブチルゴム系ホットメルト樹脂としては、例えば、横浜ゴム株式会社製の「Ｍ−６１５８」が挙げられる。

ランダム配向部１６上に突出した複数のカーボンナノチューブ１２の湾曲した先端部１４の側面の一部は、充填層２０から露出していることが好ましい。

ランダム配向部１６上に突出した複数のカーボンナノチューブ１２の湾曲した先端部１４の側面が充填層２０により覆われていてもよいが、カーボンナノチューブ１２の湾曲した先端部１４を覆う部分の充填層２０の厚さは十分に薄いことが好ましい。カーボンナノチューブ１２の湾曲した先端部１４を覆う部分の充填層２０の厚さが十分に薄ければ、ある程度良好な熱伝導性を得ることが可能なためである。カーボンナノチューブ１２の湾曲した先端部１４を覆う部分の充填層２０の厚さは、例えば１μｍ以下とすることが好ましい。

複数のカーボンナノチューブ１２の湾曲した根元部１８の側面の一部は、例えば、充填層２２の下面と同一平面上に位置している。

こうして、本実施形態による放熱構造体１０が形成されている。

このように、本実施形態によれば、ランダム配向部１６から突出する複数のカーボンナノチューブ１２の先端部１４が、同じ側に湾曲している。また、複数のカーボンナノチューブ１２の根元部１８が同じ側に湾曲している。このため、カーボンナノチューブ１２の湾曲した先端部１４や根元部１８が発熱体や放熱体に接触しやすくなり、熱伝導性の良好な放熱構造体１０を得ることができる。

（電子装置）
次に、本実施形態による放熱構造体を用いた電子装置について図２を用いて説明する。図２は、本実施形態による電子装置を示す断面図である。

図２に示すように、多層配線基板などの回路基板２２には、例えばＣＰＵなどの半導体素子（半導体チップ）２４が実装されている。半導体素子２４は、はんだバンプ２６等を介して回路基板２２に電気的に接続されている。

半導体素子２４からの熱を拡散するためのヒートスプレッダ２８が半導体素子２４を覆うように形成されている。半導体素子２４とヒートスプレッダ２８との間には、本実施形態による放熱構造体１０が配されている。ヒートスプレッダ２８は、例えば有機シーラント３０等により回路基板２２に接着されている。

このように、本実施形態による電子装置では、半導体素子２４とヒートスプレッダ２８との間、すなわち発熱体（発熱部）１２４と放熱体（放熱部）２８との間に、本実施形態による放熱構造体１０が設けられている。

カーボンナノチューブ１２の湾曲した先端部１４の側面の一部が、例えば発熱体２４に接している。

カーボンナノチューブ１２の湾曲した根元部１８の側面の一部が、例えば放熱体２８に接している。

なお、カーボンナノチューブ１２の湾曲した先端部１４の側面の一部が、放熱体２８に接していてもよい。また、カーボンナノチューブ１２の湾曲した根元部１８の側面の一部が、発熱体２４に接していてもよい。

こうして、本実施形態による電子装置３２が形成されている。

（放熱構造体の製造方法）
次に、本実施形態による放熱構造体の製造方法について図３乃至図１０を用いて説明する。図３乃至図９は、本実施形態による放熱構造体の製造方法を示す工程断面図である。

まず、図３（ａ）に示すように、カーボンナノチューブ１２を成長するための土台となる基板（基材、基体）３４を用意する。基板３４としては、例えばシリコン基板を用いる。

なお、基板３４はシリコン基板に限定されるものではない。基板３４として、例えば、アルミナ基板、サファイア基板、ＭｇＯ基板、ガラス基板等を用いてもよい。

次に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition、化学気相堆積）法又は熱酸化法により、シリコン基板３４の表面に、膜厚３００ｎｍ程度のシリコン酸化膜（図示せず）を形成する。

次に、シリコン酸化膜上に下地膜（図示せず）を形成する。下地膜は、後述する触媒金属膜（図示せず）の下地となるものである。下地膜の材料としては、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、チタンシリサイド（ＴｉＳｉ_Ｘ）、アルミニウム（Ａｌ）等を用いることができる。また、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_Ｘ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、窒化チタン（ＴｉＮ）等を、下地膜の材料として用いてもよい。また、これらの材料のうちのいずれかを含む合金を、下地膜の材料として用いてもよい。ここでは、下地膜の材料として、例えばアルミニウムを用いる。

次に、例えばスパッタリング法により、触媒金属膜（図示せず）を形成する。触媒金属膜は、基板３４上にカーボンナノチューブ１２を成長する際の触媒となるものである。触媒金属膜の材料としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、金、銀、白金、又は、これらのうちのいずれかを含む合金を用いることができる。ここでは、触媒金属膜の材料として、例えば鉄を用いる。

下地膜（図示せず）の材料としてアルミニウムを用い、触媒金属膜の材料として鉄を用いた場合には、アルミニウム膜と鉄膜との積層構造が基板３４上に形成される。この場合、アルミニウムの下地膜の膜厚は、例えば１０ｎｍ程度とし、鉄の触媒金属膜の膜厚は、例えば２．５ｎｍ程度とする。

下地膜の材料として窒化チタンを用い、触媒金属膜の材料としてコバルトを用いた場合には、窒化チタン膜とコバルト膜との積層構造が基板３４上に形成される。この場合、窒化チタンの下地膜の膜厚は、例えば５ｎｍ程度とし、コバルトの触媒金属膜の膜厚は、例えば２．５ｎｍ程度とする。

また、カーボンナノチューブを成長する際に用いる触媒は、金属膜に限定されるものではなく、金属微粒子であってもよい。触媒として金属微粒子を用いる場合には、例えば、微分型静電分級器（ＤＭＡ：differential mobility analyzer）等を用いて、金属微粒子のサイズを制御することが好ましい。金属微粒子の材料としては、上述した触媒金属膜の材料と同様の材料を適宜用いることができる。

下地膜の材料として窒化チタンを用い、金属微粒子の触媒の材料としてコバルトを用いた場合、窒化チタンの下地膜上にコバルトの金属微粒子が存在する構造が基板３４上に形成される。この場合、窒化チタンの膜厚は例えば５ｎｍ程度とし、コバルトの金属微粒子の平均粒径は例えば３．８ｎｍ程度とする。

次に、例えばホットフィラメントＣＶＤ（Hot Filament Chemical Vapor Deposition）法により、触媒が形成された基板３４上にカーボンナノチューブ１２を成長する。複数のカーボンナノチューブ１２の先端部１４側、即ち、図３（ａ）における紙面上側には、複数のカーボンナノチューブ１２がランダムな方向に配向されたランダム配向部１６が形成される。ランダム配向部１６においては、複数のカーボンナノチューブ１２が絡み合うような状態となる。一方、ランダム配向部１６よりも根元部１８側、即ち、図３（ａ）における紙面下側においては、複数のカーボンナノチューブ１２は、基板３４の法線方向に沿って互いに並行するように配向する。即ち、複数のカーボンナノチューブ１２の根元部１８側は、基板３４に対して垂直に配向された垂直配向部となる。なお、図３（ａ）においては、便宜上、ランダムな方向を向いて絡まった状態のカーボンナノチューブ１２をランダム配向部１６として一塊で描いている。

カーボンナノチューブ１２の根元部１８側が基板３４の法線方向に配向した状態となり、カーボンナノチューブ１２の先端部１４側がランダムな方向を向いた状態となるのは、以下のようなメカニズムによるものと推察される。

即ち、触媒金属膜を形成した基板３４を成膜室内に搬入して昇温すると、触媒金属膜を形成する金属材料の凝集が進行し、触媒金属微粒子が形成される。そして、カーボンナノチューブ１２が成長するサイズの触媒金属微粒子が徐々に増加していく。カーボンナノチューブはこの触媒金属微粒子を触媒として成長される。

成長の初期段階では、触媒金属膜の微粒子化はあまり進行しておらず、カーボンナノチューブ１２が成長するサイズの微粒子化した触媒金属（触媒金属微粒子）の密度は小さい。このため、触媒金属微粒子から析出して成長されるカーボンナノチューブの密度も小さく、カーボンナノチューブ１２の成長方向は殆ど制限を受けない。この結果、成長の初期段階では、カーボンナノチューブ１２はランダムな方向に成長する。

更に時間が経過すると、触媒金属膜の微粒子化が進行し、カーボンナノチューブ１２が成長するサイズの触媒金属微粒子の密度が増加する。これにより、ランダムな方向に向かうカーボンナノチューブ１２の本数が増加し、カーボンナノチューブ１２の横方向への行き場がなくなってくる。その結果、高さ方向しか自由に進める方向がなくなり、カーボンナノチューブ１２は垂直方向に配向して成長するようになる。これにより、基板上に成長されるカーボンナノチューブ１２は、基板３４に接する側である根元部１８側が垂直方向に配向した状態となり、先端部１４側がランダムな方向を向いた形状（ランダム配向部）となる。

図１０（ａ）は、カーボンナノチューブの先端部の走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）写真を示す図である。

図１０（ａ）に示すように、カーボンナノチューブ１２の先端部１４はランダムな方向を向いている。

カーボンナノチューブ１２の成長条件は、例えば以下の通りとする。原料ガスとしては、例えば、アセチレンガスとアルゴンガスとの混合ガスを用いる。アセチレンガスとアルゴンガスとの分圧比は、例えば１：９程度とする。成長室内における総ガス圧は、例えば１ｋＰａ程度とする。ホットフィラメントの温度は、例えば１０００℃程度とする。このような条件でカーボンナノチューブ１２を成長すると、カーボンナノチューブ１２の成長レートは、例えば４μｍ／ｍｉｎ程度となる。カーボンナノチューブ１２の長さは、例えば８０μｍ程度とする。カーボンナノチューブ１２の長さは、例えば成長時間を適宜調整することにより制御し得る。一本の多層カーボンナノチューブ１２に含まれるカーボンナノチューブの層数は、例えば３〜６程度とする。一本の多層カーボンナノチューブ１２に含まれるカーボンナノチューブの層数の平均は、例えば４程度とする。カーボンナノチューブ１２の直径は、例えば４〜８ｎｍ程度とする。カーボンナノチューブ１２の直径の平均は、例えば６ｎｍ程度とする。カーボンナノチューブ１２の面密度は、特に限定されるものではないが、十分な熱伝導性を得る観点からは、１×１０^１０本／ｃｍ^２以上であることが好ましい。上記のような条件で成長すると、カーボンナノチューブ１２の面密度は、例えば１×１０^１１本／ｃｍ^２程度となる。

なお、カーボンナノチューブ１２の成長方法は、ホットフィラメントＣＶＤ法に限定されるものではない。例えば、熱ＣＶＤ法やリモートプラズマＣＶＤ法等によりカーボンナノチューブ１２を成長することも可能である。

また、成長す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であってもよい。

また、カーボンナノチューブ１２を成長する際に用いる原料は、アセチレンに限定されるものではない。例えば、メタンガス、エチレンガス等の炭化水素類を原料として用いて、カーボンナノチューブ１２を成長してもよい。また、エタノール、メタノール等のアルコール類を原料として用いて、カーボンナノチューブ１２を成長してもよい。

次に、例えば平行平板型のドライエッチング装置を用い、ランダム配向部１６の上部を異方性エッチングする。これにより、基板３４の法線方向とは異なる方向に向いているカーボンナノチューブ１２が、ランダム配向部１６の上部において除去される。これにより、ランダム配向部１６の上部においては、基板３４の法線方向に配向したカーボンナノチューブ１２が残存することとなる。即ち、基板３４の法線方向に配向したカーボンナノチューブ１２の先端部１４が、ランダム配向部１６上に突出した状態となる。ランダム配向部１６上においては、複数のカーボンナノチューブ１２が束状に集まったものが、複数存在する状態となる。

図１０（ｂ）は、ランダム配向部の上部を異方性エッチングした後のＳＥＭ写真を示す図である。

図１０（ｂ）に示すように、複数のカーボンナノチューブ１２が束状に集まったものが、複数存在している。

エッチング条件は、例えば以下の通りとする。エッチングガスとしては、例えばアルゴン（Ａｒ）ガスを用いる。印加電力は、例えば数十Ｗ程度とする。チャンバ内の圧力は、例えば数十ｍＴｏｒｒ程度とする。エッチング時間は、例えば数分程度とする。

ランダム配向部１６に対するエッチング量は、例えば数μｍ〜数十μｍ程度とする。ランダム配向部１６に対するエッチング量は、例えばエッチング時間等を適宜設定することにより制御し得る。

次に、カーボンナノチューブ１２の先端部１４を湾曲させる際に用いられる装置の載置台（図示せず）上に基板３４を載置する（図４（ａ）参照）。カーボンナノチューブ１２の先端部１４を湾曲させる際に用いられる装置は、回転可能な部材３６を有している。ここでは、回転可能な部材３６として、バイトホルダが用いられている。バイトホルダ３６には、バイト３８が取り付けられている。バイト３８は、バイトホルダ３６の回転軸４０から離間した位置に取り付けられている。このため、バイト３８は、バイトホルダ３６の回転に伴って周回する。バイトホルダ３６の回転数は、例えば数千ｒｐｍ程度とする。バイト３８の刃（図示せず）の材料としては、例えばダイヤモンドが用いられる。バイト３８の刃の下端の高さは、例えば、ランダム配向部１６の上端よりわずかに高い位置に設定される。

バイト３８を周回させながら、バイトホルダ３６の回転軸の位置を移動（スライド）させる。バイトホルダ３６の回転軸の位置を移動させる方向は、基板３４の主面に対して平行な方向とする。ランダム配向部１６上に突出しているカーボンナノチューブ１２の先端部１４には、周回するバイト３８の刃が衝突する。即ち、基板３４の主面に平行な方向からカーボンナノチューブ１２の先端部１４にバイト３８が衝突する。これにより、束状に集まっていた複数のカーボンナノチューブ１２の先端部１４は、バイト３８によりほどかれつつ湾曲する。

こうして、ランダム配向部１６上に突出したカーボンナノチューブ１２の先端部１４が、同じ側に湾曲した状態となる（図４（ｂ）参照）。

次に、先端部が湾曲した複数のカーボンナノチューブ１２が形成された基板２８の上方に、フィルム状の熱可塑性樹脂（熱可塑性樹脂フィルム）２０を載置する（図５（ａ）参照）。熱可塑性樹脂フィルム２０は、充填層となるものである。熱可塑性樹脂フィルム２０の厚さは、例えば１００μｍ程度とする。

熱可塑性樹脂フィルム２０の材料としては、例えば、上述したようなホットメルト樹脂を用いることができる。ここでは、熱可塑性樹脂フィルム２０の材料として、例えばヘンケルジャパン株式会社製の「Ｍｉｃｒｏｍｅｌｔ６２３９」を用いる。「Ｍｉｃｒｏｍｅｌｔ６２３９」の溶解温度は１３５〜１４５℃程度である。また、「Ｍｉｃｒｏｍｅｌｔ６２３９」の融解時における粘度は、２２５℃において５．５〜８．５Ｐａ・ｓ程度である。

次に、熱可塑性樹脂フィルム２０が載置された基板３４を、熱可塑性樹脂フィルム２０の融解温度以上の温度に加熱する。必要に応じて、熱可塑性樹脂フィルム２０上から押圧してもよい。これにより、熱可塑性樹脂フィルム２０が融解し、カーボンナノチューブ１２の束内に徐々に浸透していく（図５（ｂ）参照）。熱可塑性樹脂フィルム２０の浸透は、カーボンナノチューブ１２の根元部１８に達する前に停止する。カーボンナノチューブ１２の根元部１８まで熱可塑性樹脂フィルム２０を浸透させてしまうと、カーボンナノチューブ１２の根元部１８を湾曲させることが困難となるためである。熱可塑性樹脂フィルム２０の下面とカーボンナノチューブ１２の根元部１８の下面との間の距離は、例えば１０μｍ程度とする。熱可塑性樹脂フィルム２０をカーボンナノチューブ１２の束に浸透させる深さは、熱処理温度や熱処理時間によって制御することができる。ここでは、例えば、熱処理温度を例えば２００℃程度とし、熱処理時間を例えば１０分程度とする。こうして、カーボンナノチューブ１２の束のうちの根元部１８を除く部分が熱可塑性樹脂の充填層（樹脂層）２０により充填された状態となる。

次に、例えば室温まで冷却することにより、熱可塑性樹脂フィルム２０を固化する。

次に、図６（ａ）に示すように、鋭利な刃４２の先端を基板３４の主面に沿って移動させ、カーボンナノチューブ１２の根元部１８を基板３４から剥離し、カーボンナノチューブ１２の根元部１８を湾曲させる。これにより、充填層２０の下面を起点としてカーボンナノチューブ１２の根元部１８が湾曲する。鋭利な刃４２としては、例えば剃刀の刃を用いることができる。

こうして、先端部１４と根元部１８とがそれぞれ湾曲した複数のカーボンナノチューブ１２を含む構造物１０ａが得られる（図６（ｂ）参照）。

次に、構造物１０ａを台座４４上に載置する（図７（ａ）参照）。この際、カーボンナノチューブ１２の根元部１８が台座４４側に接するようにする。台座４４の材料としては、例えば、充填層２０が固着しない材料を用いる。ここでは、台座４４の材料として、例えばテフロン（登録商標）を用いる。台座４４の材料として充填層２０が固着しない材料を用いるのは、後工程において、台座４４上から放熱構造体１０を容易に取り外すことができるようにするためである。

次に、台座４４上の構造物１０ａを熱可塑性樹脂フィルム１４の融解温度以上の温度に加熱する。この際、熱可塑性樹脂フィルム１４上から押圧してもよい。これにより、熱可塑性樹脂フィルム１４が融解し、カーボンナノチューブ１２の束の根元部１８側にも浸透していく（図７（ｂ）参照）。熱可塑性樹脂フィルム１４の浸透は、例えば、熱可塑性樹脂フィルム１４の下面が台座４４の上面に達するまで行われる。熱処理温度は例えば２２０℃程度とする。熱処理時間は例えば１０分程度とする。こうして、カーボンナノチューブ１２の束の根元部１２までもが熱可塑性樹脂の充填層２０により充填された状態となる。

次に、充填層１４の上面に吸い取り紙４６を載置する（図８（ａ）参照）。

次に、吸い取り紙４６上から押圧するとともに、熱処理を行う。熱処理温度は、例えば２２０℃程度とする。熱処理時間は、例えば１０分程度とする。これにより、充填層２０の上部の熱可塑性樹脂が吸い取り紙４６中に浸透する。即ち、充填層２０の上部の熱可塑性樹脂が吸い取り紙４６により吸い取られる。

この後、充填層２０上から吸い取り紙４６を取り外す（図８（ｂ）参照）。こうして、カーボンナノチューブ１２の先端部１４側の充填層２０が部分的に除去される。カーボンナノチューブ１２の先端部側の充填層２０を部分的に除去するのは、カーボンナノチューブ１２の先端部１４側を放熱体又は発熱体に確実に接続するためである。

この後、例えば室温まで冷却することにより、充填層２０を固化する。

次に、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching、反応性イオンエッチング）法により、充填層２０の上部に対してドライエッチングを行う（図９（ａ）参照）。エッチングガスとしては、例えばＯ_２ガスを用いる。印加電力は、例えば数十Ｗ程度とする。エッチング時間は、例えば数分程度とする。これにより、カーボンナノチューブ１２の湾曲した先端部１４の一部が充填層２０から露出する。

なお、ここでは、カーボンナノチューブ１２の湾曲した先端部１４の側面の一部を充填層２０から露出させる場合を例に説明したが、カーボンナノチューブ１２の湾曲した先端部１４の側面の一部を充填層２０から露出させなくてもよい。カーボンナノチューブ１２の湾曲した先端部１４の側面を覆う充填層２０の厚さが十分に薄ければ、良好な熱伝導性が得られるためである。カーボンナノチューブ１２の湾曲した先端部１４の側面が薄い充填層１４により覆われている場合、カーボンナノチューブ１２の湾曲した先端部１４の側面を覆う部分の充填層１４の厚さは例えば１μｍ程度にまで薄くすることが好ましい。

この後、台座４４上から本実施形態による放熱構造体１０を取り外す（図９（ｂ）参照）。放熱構造体１０は、台座４４上から容易に取り外すことができる。

こうして、本実施形態による放熱構造体１０が製造される。

（電子装置の製造方法）
次に、本実施形態による電子装置の製造方法について図１１及び図１２を用いて説明する。図１１及び図１２は、本実施形態による電子装置の製造方法を示す工程断面図である。

まず、図１１（ａ）に示すように、回路基板２２上に半導体素子２４を実装する。半導体素子２４は、例えば半田バンプ２６等を用いて回路基板２２に接続される。

次に、図１１（ｂ）に示すように、回路基板２２上に実装された半導体素子２４上に、本実施形態による放熱構造体１０を配し、更に、ヒートスプレッダ２８を被せる。例えば、カーボンナノチューブ１２の先端部１４側を半導体素子２４側に位置させ、カーボンナノチューブ１２の根元部１８側をヒートスプレッダ２８側に位置させる。回路基板２４上には、ヒートスプレッダ２８を固定するための有機シーラント３０等を塗布しておく。

なお、カーボンナノチューブ１２の根元部１８側を半導体素子２４側に位置させ、カーボンナノチューブ１２の先端部１４側をヒートスプレッダ２８側に位置させてもよい。

次に、ヒートスプレッダ１８に荷重を加えた状態で熱処理を行う。熱処理温度は、充填層２０の融解温度より高い温度とする。これにより、充填層２０が融解される。熱処理温度は、例えば２２０℃とする。熱処理時間は、例えば１０分程度とする。温度の上昇に伴って、充填層２０によるカーボンナノチューブ１２の拘束が緩み、放熱構造体１０内のカーボンナノチューブ１２の両端部１４，１８の側面の一部が半導体素子２４やヒートスプレッダ２８にそれぞれ十分に線接触する状態となる。

次に、室温まで冷却することにより、充填層２０を固化するとともに、ヒートスプレッダ２８を有機シーラント３０により回路基板２２上に固定する。この際、充填層２０の接着性が発現し、半導体素子２４とヒートスプレッダ２８とが放熱構造体１０により接着固定される。室温に冷却した後も、半導体素子２４やヒートスプレッダ２８と放熱構造体１０との間で低い熱抵抗が維持される。

このように本実施形態によれば、ランダム配向部１６から突出する複数のカーボンナノチューブ１２の先端部１４が、同じ側に湾曲している。また、複数のカーボンナノチューブ１２の根元部１８が同じ側に湾曲している。カーボンナノチューブ１２の湾曲した先端部１４や根元部１８は発熱体２４や放熱体２８に接触させやすいため、熱伝導性の良好な電子装置を製造することができる。

（放熱構造体の製造方法の変形例）
次に、本実施形態による放熱構造体の製造方法の変形例を図１３乃至図１５を用いて説明する。図１３乃至図１５は、本変形例による放熱構造体の製造方法を示す工程断面図である。

まず、基板３４上にカーボンナノチューブ１２を成長する工程からカーボンナノチューブ１２の根元部１８側を湾曲させつつ基板３４から剥離する工程までは、図３（ａ）乃至図６（ｂ）を用いて上述した放熱構造体の製造方法と同様であるため説明を省略する。

次に、ヒートスプレッダ２８上に構造物１０ａを載置する。この際、ヒートスプレッダ２８のうちの半導体素子２４に対向する側の面の上に構造物１０ａを載置する。また、カーボンナノチューブ１２の根元部１８側をヒートスプレッダ２８側に位置させる。

この後の充填層２０に熱処理を行う工程からカーボンナノチューブ１２の先端部１４の側面の一部を充填層２０上に露出させる工程までは、図７（ｂ）乃至９（ａ）を用いて上述した放熱構造体の製造方法と同様である。従って、充填層２０に熱処理を行う工程からカーボンナノチューブ１２の先端部１４の側面の一部を充填層２０上に露出させる工程まで説明を省略する（図１３（ｂ）乃至図１５（ａ）参照）。

こうして、ヒートスプレッダ２８の半導体素子２４と対向する面側に放熱構造体１０が取り付けられた状態となる（図１５（ｂ）参照）。

このように、ヒートスプレッダ２８上に放熱構造体１０を取り付けた状態にしてもよい。

（電子装置の製造方法の変形例）
次に、本実施形態による電子装置の製造方法の変形例について図１６を用いて説明する。図１６は、本変形例による電子装置の製造方法を示す工程断面図である。

まず、回路基板２２上に半導体素子２４を実装する。半導体素子２４は、例えば半田バンプ２６等を用いて回路基板２２に接続される。

次に、半導体素子１６が実装された回路基板２２上に、放熱構造体１０が取り付けられたヒートスプレッダ２８を配する（図１６（ａ）参照）。カーボンナノチューブ１２の先端部１４側が半導体素子２４と対向する。回路基板２２上には、ヒートスプレッダ２８を固定するための有機シーラント３０等を塗布しておく。

次に、ヒートスプレッダ２８に荷重を加えた状態で熱処理を行う。熱処理温度は、充填層２０の融解温度より高い温度とする。これにより、充填層２０が融解される。熱処理温度は、例えば２２０℃とする。熱処理時間は、例えば１０分程度とする。温度の上昇に伴って、充填層２０によるカーボンナノチューブ１２の拘束が緩み、放熱構造体１０内のカーボンナノチューブ１２の先端部１４の側面の一部が半導体素子２４に接する状態となる。

次に、室温まで冷却することにより、充填層２０を固化するとともに、ヒートスプレッダ２８を有機シーラント３０により回路基板２２上に固定する。この際、充填層２０の接着性が発現し、半導体素子２４とヒートスプレッダ２８とが放熱構造体１０により接着固定される。室温に冷却した後も、半導体素子２４やヒートスプレッダ２８と放熱構造体１０との間で低い熱抵抗が維持される。

このように、放熱構造体１０が取り付けられたヒートスプレッダ２８を半導体素子２４が実装された回路基板２２上に実装してもよい。

［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、カーボンナノチューブ１２の先端部１４側が半導体素子２４に接し、カーボンナノチューブ１２の根元部１８側がヒートスプレッダ２８に接する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。カーボンナノチューブ１２の先端部１４側がヒートスプレッダ２８に接し、カーボンナノチューブ１２の根元部１８側が半導体素子２４に接してもよい。

また、上記実施形態では、ランダム配向部１６上に突出するカーボンナノチューブ１２の先端部１４をバイト３８を用いて湾曲させたが、カーボンナノチューブ１２の先端部１４を湾曲させるための手段はバイト３８に限定されるものではない。凸状体を適宜周回させて、カーボンナノチューブ１２の先端部１４を湾曲させることが可能である。

１０…放熱構造体
１０ａ…構造物
１２…カーボンナノチューブ
１４…先端部
１６…ランダム配向部
１８…根元部
２０…充填層、熱可塑性樹脂フィルム
２２…回路基板
２４…半導体素子、発熱体
２６…半田バンプ
２８…ヒートスプレッダ、放熱体
３０…有機シーラント
３２…電子装置
３４…基板
３６…バイトホルダ
３８…バイト
４０…回転軸
４２…刃
４４…台座

Claims (8)

1. 上部がランダムな方向に配向したランダム配向部となっている炭素元素の複数の線状構造体を基板上に形成する工程と、
   前記複数の線状構造体のうちの前記基板の法線方向とは異なる方向に配向した部分を前記ランダム配向部の上部から除去する工程と、
   前記ランダム配向部から上方に突出した前記複数の線状構造体の一端部を湾曲させる工程と、
   前記複数の線状構造体の他端部を除く部分の間に樹脂を充填する工程と、
   前記複数の線状構造体の前記他端部を湾曲させる工程と、
   前記複数の線状構造体の前記他端部の間に前記樹脂を更に充填する工程と
   を有することを特徴とする放熱構造体の製造方法。
2. 請求項１記載の放熱構造体の製造方法において、
   前記複数の線状構造体の前記一端部を湾曲させる工程では、凸状体を周回させて、前記複数の線状構造体の前記一端部を湾曲させる
   ことを特徴とする放熱構造体の製造方法。
3. 請求項２記載の放熱構造体の製造方法において、
   前記凸状体はバイトである
   ことを特徴とする放熱構造体の製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放熱構造体の製造方法において、
   前記複数の線状構造体のうちの前記基板の法線方向とは異なる方向に配向した部分を除去する工程では、異方性エッチングにより、前記複数の線状構造体のうちの前記基板の法線方向とは異なる方向に配向した部分を除去する
   ことを特徴とする放熱構造体の製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の放熱構造体の製造方法において、
   前記複数の線状構造体の前記他端部を湾曲させる工程では、刃を用いて、前記複数の線状構造体の前記他端部を前記基板から切り離し、前記複数の線状構造体の前記他端部を湾曲させる
   ことを特徴とする放熱構造体の製造方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の放熱構造体の製造方法において、
   前記複数の線状構造体の前記他端部の間に前記樹脂を更に充填する工程の後、前記複数の線状構造体の前記一端部の側における充填された前記樹脂の一部を除去する工程を更に有する
   ことを特徴とする放熱構造体の製造方法。
7. 一部がランダムな方向に配向したランダム配向部となっている炭素元素の複数の線状構造体と、
   前記複数の線状構造体間に充填された樹脂層とを有し、
   前記ランダム配向部から一方の側に突出した前記複数の線状構造体の一端部が同じ側に湾曲しており、
   前記ランダム配向部から他方の側に突出した前記複数の線状構造体の他端部が同じ側に湾曲しており、
   前記複数の線状構造体の湾曲した前記一端部の側面の一部が、前記複数の線状構造体間に充填された前記樹脂層の前記一端部側の面と同一平面上にあり、
   前記複数の線状構造体の湾曲した前記他端部の側面の一部が、前記複数の線状構造体間に充填された前記樹脂層の前記他端部側の面と同一平面上にある
   ことを特徴とする放熱構造体。
8. 発熱体と、
   放熱体と、
   一部がランダムな方向に配向したランダム配向部となっている炭素元素の複数の線状構造体と、前記複数の線状構造体間に充填された樹脂層とを有し、前記ランダム配向部から一方の側に突出した前記複数の線状構造体の一端部が同じ側に湾曲しており、前記ランダム配向部から他方の側に突出した前記複数の線状構造体の他端部が同じ側に湾曲しており、前記複数の線状構造体の湾曲した前記一端部の側面の一部が、前記複数の線状構造体間に充填された前記樹脂層の前記一端部側の面と同一平面上にあり、前記複数の線状構造体の湾曲した前記他端部の側面の一部が、前記複数の線状構造体間に充填された前記樹脂層の前記他端部側の面と同一平面上にある放熱構造体とを有し、
   前記複数の線状構造体の湾曲した前記一端部の前記側面の一部が、前記発熱体及び前記放熱体の一方に接しており、
   前記複数の線状構造体の湾曲した前記他端部の前記側面の一部が、前記発熱体及び前記放熱体の他方に接している
   ことを特徴とする電子装置。