JP6826289B2 - 熱伝導構造体、その製造方法及び電子装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱伝導構造体、その製造方法及び電子装置に関する。

中央処理装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）等の半導体素子は、高性能化に伴って大きく発熱する。スマートフォン等の情報機器に含まれるＣＰＵの発熱量は特に大きい。大きな発熱は半導体素子の故障に繋がりかねない。そこで、半導体素子の冷却に関する種々の技術が提案されている。例えば、サーマルインターフェイスマテリアル（Thermal Interface Material：ＴＩＭ）を介して半導体素子にヒートスプレッダ等の放熱部材を密着させ、ヒートスプレッダを冷却する構造が知られている。

ＴＩＭには、高い熱伝導率の他に、柔軟性も要求される。柔軟性が要求されるのは、半導体素子及び放熱部材の表面に微細な凹凸があっても高い接触面積を得るためである。また、用途によっては、半導体素子と放熱部材との間の距離が大きく、厚いＴＩＭが必要とされることがある。

従来、ＴＩＭとして、放熱グリース、フェイズチェンジマテリアル（Phase Change Material：ＰＣＭ）及びインジウム等が知られている。しかし、放熱グリース及びＰＣＭの熱伝導率は１Ｗ／ｍ・Ｋ〜５Ｗ／ｍ・Ｋであり、十分とはいえず、インジウムは高価である。カーボンナノチューブ（Carbon Nano-Tube：ＣＮＴ）を含む種々の熱伝導シートも提案されている。ＣＮＴの熱伝導率は１５００Ｗ／ｍ・Ｋ〜３０００Ｗ／ｍ・Ｋと極めて高く、ＣＮＴを含む熱伝導シートはインジウムより安価である。

しかしながら、長いＣＮＴを高密度で成長させることは極めて困難であり、ＣＮＴを含む厚い熱伝導シートにおいて優れた熱伝導率を得ることができない。例えば、スーパーグロース法とよばれる成長方法が知られているが、スーパーグロース法では、ＣＮＴの成長の際に水を添加するため、ＣＮＴに欠陥が生じやすい。また、スーパーグロース法で得られるＣＮＴは単層であり、熱伝導率が低くなりやすい。従って、ＣＮＴを含む熱伝導シートの適用範囲は限定的である。

特開２０１５−８４３５５号公報 特開２０１５−１２８１０３号公報 特開２０１６−７２２８９号公報

本発明の目的は、広い範囲に適用することができ、優れた熱伝導率を得ることができる熱伝導構造体、その製造方法及び電子装置を提供することにある。

熱伝導構造体の一態様には、順次積層された、第１カーボンナノチューブシート、第２カーボンナノチューブシート、及び第３カーボンナノチューブシートと、隣り合う前記第１カーボンナノチューブシートと前記第２カーボンナノチューブシートとを互いに接合する第１接合層と、隣り合う前記第２カーボンナノチューブシートと前記第３カーボンナノチューブシートとを互いに接合する第２接合層と、が含まれる。前記第１カーボンナノチューブシートと前記第２カーボンナノチューブシートとの間、及び前記第２カーボンナノチューブシートと前記第３カーボンナノチューブシートとの間では、それぞれに含まれるカーボンナノチューブが互いに直接接触している。

電子装置の一態様には、半導体素子と、放熱部材と、前記半導体素子で生じた熱を前記放熱部材に伝達する上記の熱伝導構造体と、が含まれる。

熱伝導構造体の製造方法の一態様では、それぞれ、カーボンナノチューブの集合体を含む第１単位シート、第２単位シート、及び第３単位シートを準備し、前記第１単位シート、前記第２単位シート、及び前記第３単位シートを順次積層し、隣り合う前記第１単位シートと前記第２単位シートとの間、及び隣り合う前記第２単位シートと前記第３単位シートとの間で、それぞれに含まれるカーボンナノチューブを互いに直接接触させながら、前記第１単位シートと前記第２単位シートとを互いに接合する第１接合層、及び前記第２単位シートと前記第３単位シートとを互いに接合する第２接合層を形成する。

上記の熱伝導構造体等によれば、適切なカーボンナノチューブシート及び接合層が含まれるため、広い範囲に適用することができ、優れた熱伝導率を得ることができる。

第１の実施形態に係る熱伝導構造体を示す模式図である。 カーボンナノチューブ同士の接触状態を示す図である。 第１の実施形態に係る熱伝導構造体の製造方法の一例を工程順に示す図である。 図３Ａに引き続き、熱伝導構造体の製造方法の一例を工程順に示す図である。 図３Ｂに引き続き、熱伝導構造体の製造方法の一例を工程順に示す図である。 図３Ｃに引き続き、熱伝導構造体の製造方法の一例を工程順に示す図である。 第１の実施形態に係る熱伝導構造体の製造方法に用いるゴムシートを示す図である。 第１の実施形態に係る熱伝導構造体の製造方法の更に他の一例を工程順に示す図である。 第１の実施形態に係る熱伝導構造体の製造方法の更に他の例を示す図である。 第２の実施形態に係る熱伝導構造体を示す模式図である。 第２の実施形態に係る熱伝導構造体を製造する際の加圧方法の例を示す図である。 第２の実施形態に係る熱伝導構造体を製造する際の加圧方法の他の例を示す図である。 第３の実施形態に係る熱伝導構造体を示す模式図である。 第３の実施形態に係る熱伝導構造体を製造する際の加圧方法の例を示す図である。 第３の実施形態に係る熱伝導構造体を製造する際の加圧方法の他の例を示す図である。 各実施形態の特性を示す図である。 ３つのＣＮＴシートを含む熱伝導構造体の走査型電子顕微鏡写真の一例を示す図である。 第４の実施形態に係る電子装置を示す模式図である。

以下、実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。

（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。第１の実施形態は、ＴＩＭに好適な熱伝導構造体に関する。図１は、第１の実施形態に係る熱伝導構造体を示す模式図である。図１（ａ）は断面図であり、図１（ｂ）は斜視図である。

第１の実施形態に係る熱伝導構造体１００には、互いに積層されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）シート１０１及び１０２と、ＣＮＴシート１０１及び１０２を互いに接合する接合層１１１と、が含まれる。ＣＮＴシート１０１及び１０２には、それぞれ複数のＣＮＴが含まれており、ＣＮＴシート１０１及び１０２の間では、それぞれに含まれるＣＮＴが互いに直接接触している。

図２（ａ）に示すように、ＣＮＴシート１０２に含まれるＣＮＴ１０２ａの端面のほぼ全体がＣＮＴシート１０１に含まれるＣＮＴ１０１ａの端面のほぼ全体と直接接触していてもよい。図２（ｂ）に示すように、ＣＮＴ１０２ａの端面の一部がＣＮＴ１０１ａの端面の一部と直接接触していてもよい。図２（ｃ）に示すように、ＣＮＴ１０２ａの端部の側面がＣＮＴ１０１ａの端部の側面と直接接触していてもよい。

熱伝導構造体１００はＣＮＴシート１０１及び１０２を含み、ＣＮＴシート１０１に含まれるＣＮＴとＣＮＴシート１０２に含まれるＣＮＴとが直接接触しているため、優れた熱伝導率を得ることができ、広い範囲に適用することができる。例えば、ＣＮＴシート１０１及び１０２のそれぞれの厚さが、良好な熱伝導率が得られる程度のものであっても、一方のみでは厚さが足りない用途に用いることができる。すなわち、ＣＮＴシート１０１及び１０２の厚さがｔ（μｍ）である場合、ｔ〜２ｔの厚さのＴＩＭが必要とされる用途にも用いることができる。

また、ＣＮＴシート１０１及び１０２が接合層１１１により互いに接合されているため、積層方向におけるＣＮＴとＣＮＴとの直接的な接触の安定性が優れている。従って、本実施形態によれば、安定して優れた熱伝導率を得ることができる。

ＣＮＴシートの厚さは特に限定されないが、長さが３４０μｍ超のＣＮＴは工業的に安定して成長させにくい。従って、ＣＮＴシートの厚さは３４０μｍ以下であることが好ましい。

次に、第１の実施形態に係る熱伝導構造体１００の製造方法の一例について説明する。図３Ａ乃至図３Ｄは、第１の実施形態に係る熱伝導構造体１００の製造方法の一例を工程順に示す図である。図４は、第１の実施形態に係る熱伝導構造体１００の製造方法に用いるゴムシートを示す図である。

この例では、先ず、図３Ａ（ａ）に示すように、成長基板１１上にＣＮＴ１２を成長させる。成長基板１１としては、例えば、酸化膜付きのシリコン基板上に触媒金属の膜を形成したものを用いる。触媒金属としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）及び白金（Ｐｔ）が挙げられる。触媒金属の膜は単層であってもよく、複数層であってもよい。触媒金属の膜は、例えばスパッタ法により形成することができる。触媒金属の膜に代えて、微分型静電分級器（Differential Mobility Analyzer：ＤＭＡ）等を用い、予めサイズを制御して作製した触媒金属の微粒子を用いてもよい。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）、ＴｉＳｉ_x（チタンシリサイド）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム）、ＴｉＯ_x（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）等の膜を形成しておいてもよい。下地膜は単層であってもよく、複数層であってもよい。例えば、下地膜として厚さが１０ｎｍのＡｌ膜を形成し、その上に触媒金属膜として厚さが２．５ｎｍのＦｅ膜を形成してもよく、下地膜として厚さが５ｎｍのＴｉＮ膜を形成し、その上に触媒金属膜として厚さが２．６ｎｍのＣｏ膜を形成してもよい。下地膜として厚さが５ｎｍのＴｉＮ膜を形成し、その上に触媒金属微粒子として平均直径が３．８ｎｍのＣｏ粒子を分散させてもよい。

ＣＮＴ１２は、例えばホットフィラメント化学気相成長（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）法により成長させることができる。ＣＮＴ１２を成長させる際には、例えば、原料ガスとしてアセチレン及び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２５分とする。この条件では、層数が３層〜６層（平均４層程度）、直径が４ｎｍ〜８ｎｍ（平均６ｎｍ程度）、長さが１００μｍ（成長レート：４μｍ／ｍｉｎ）の多層ＣＮＴを成長させることができる。ＣＮＴ１２は、熱ＣＶＤ法又はリモートプラズマＣＶＤ法等の他の方法により成長させてもよい。ＣＮＴ１２として、単層ＣＮＴを成長させてもよい。炭素原料として、メタン及びエチレン等の炭化水素類や、エタノール及びメタノール等のアルコール類等を用いてもよい。

次いで、図３Ａ（ｂ）及び図４（ａ）に示すように、成長基板１１をステージ２１上に置き、ゴムシート２２をＣＮＴ１２の上方に設け、ゴムシート２２に張力を印加してゴムシート２２を面内の全方向に伸張する。

その後、図３Ａ（ｃ）に示すように、ゴムシート２２に張力を印加したまま、ステージ２１を上昇させてＣＮＴ１２の先端をゴムシート２２に接触させ、ローラー２３によりゴムシート２２をＣＮＴ１２に押し付ける。この結果、ＣＮＴ１２の先端がゴムシート２２に食い込む。

続いて、図３Ｂ（ｄ）に示すように、ゴムシート２２に印加する張力を若干緩める。この結果、ゴムシート２２が若干収縮し、ＣＮＴ１２がゴムシート２２に固定される。そして、ステージ２１を降下させる。この結果、ＣＮＴ１２が成長基板１１から離間する。

次いで、図３Ｂ（ｅ）及び図４（ｂ）に示すように、ゴムシート２２への張力の印加を停止する。この結果、ゴムシート２２が更に収縮し、ＣＮＴ１２が、成長基板１１上での成長時よりも高い密度で集合する。

その後、図３Ｂ（ｆ）に示すように、シリコン基板３８上にポリテトラフルオロエチレン（polytetrafluoroethylene：ＰＴＦＥ）のフッ素樹脂シート３３を介してゴムシート２２を置き、ＣＮＴ１２上に樹脂シート１３を置き、樹脂シート１３上にフッ素樹脂シート３４を置く。そして、これらを加熱プレス機の下型３１上に置き、下型３１及び上型３２により加熱しながら加圧する。このときの加熱温度は樹脂シート１３が溶融し始める温度程度とする。この結果、樹脂シート１３が溶解し、ＣＮＴ１２の先端が樹脂シート１３に食い込むが、ＣＮＴ１２は樹脂シート１３を貫通しない。

樹脂シート１３の厚さはＣＮＴ１２の長さより小さければ特に限定されず、ＣＮＴ１２の長さに比べて十分に薄く、単独でハンドリングができる程度の厚さであることが望ましい。ＣＮＴ１２の長さが２００μｍ程度であれば、樹脂シート１３の厚さは５μｍ〜５０μｍ程度であることが望ましい。

樹脂シート１３の材料も特に限定されないが、溶解したときの粘度が低いものが望ましい。例えば、溶解したときの粘度が低い樹脂として、ポリアミド系ホットメルト樹脂、ポリエステル系ホットメルト樹脂、ポリウレタン系ホットメルト樹脂、ポリオレフィン系ホットメルト樹脂、エチレン共重合体ホットメルト樹脂、ＳＢＲ系ホットメルト樹脂、ＥＶＡ系ホットメルト樹脂及びブチルゴム系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、ヘンケルジャパン株式会社製の「Ｍｉｃｒｏｍｅｌｔ６２３９」（軟化点温度：１３５℃〜１４５℃）が挙げられる。ポリエステル系ホットメルト樹脂として、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。ポリウレタン系ホットメルト樹脂として、ノガワケミカル株式会社製の「ＤＨ７２２Ｂ」が挙げられる。ポリオレフィン系ホットメルト樹脂として、松村石油株式会社製の「ＥＰ−９０」（軟化点温度：１４８℃）が挙げられる。エチレン共重合体ホットメルト樹脂として、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。スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）系ホットメルト樹脂として、横浜ゴム株式会社製の「Ｍ−６２５０」（軟化点温度：１２５℃）が挙げられる。エチレン・酢酸ビニル共重合（ＥＶＡ）系ホットメルト樹脂として、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。ブチルゴム系ホットメルト樹脂として、横浜ゴム株式会社製の「Ｍ−６１５８」が挙げられる。例えば、「Ｍｉｃｒｏｍｅｌｔ６２３９」の２２５℃での粘度は５．５Ｐａ．ｓ〜８．５Ｐａ．ｓである。「Ｍｉｃｒｏｍｅｌｔ６２３９」を用いる場合、例えば、加熱温度は１４０℃とし、加圧力は１６０Ｎとし、加熱時間は１０秒〜５分間とする。

続いて、加熱及び加圧を停止し、図３Ｃ（ｇ）に示すように、フッ素樹脂シート３３、ゴムシート２２、ＣＮＴ１２、樹脂シート１３及びフッ素樹脂シート３４を加熱プレス機から取り出し、銅板等の金属板３０上で冷却する。この結果、ＣＮＴ１２が樹脂シート１３にも固定される。

次いで、図３Ｃ（ｈ）に示すように、フッ素樹脂シート３４を樹脂シート１３に付着させまま、フッ素樹脂シート３３及びゴムシート２２をＣＮＴ１２から取り外す。この結果、ＣＮＴ１２の集合体及び樹脂シート１３が一体となった単位シート１４にフッ素樹脂シート３４が付着したシートが得られる。フッ素樹脂シート３３及びゴムシート２２は、例えばピンセットを用いて容易に取り外すことができる。

その後、図３Ｃ（ｉ）に示すように、フッ素樹脂シート３４が付着した単位シート１４をシリコン基板３８上に置き、ＣＮＴ１２上にフッ素樹脂シート３６を置き、フッ素樹脂シート３６上に平面サイズがＣＮＴ１２の束と同程度の銅板３７を置く。銅板３７に離型剤を塗布しておけば、フッ素樹脂シート３６を用いなくてもよい。離型剤としては、ヘンケル社製の「ＬＯＣＴＩＴＥ ＦＲＥＫＯＴＥ ５５ＮＣ」が挙げられる。そして、これらを加熱プレス機の下型３１上に置き、下型３１及び上型３２により加熱しながら加圧する。この時の加熱温度は樹脂シート１３の粘度が最小になる温度付近とし、加圧力はＣＮＴ１２が潰れて樹脂シート１３の樹脂がフッ素樹脂シート３６まで到達しない程度とする。「Ｍｉｃｒｏｍｅｌｔ６２３９」を用いる場合、例えば、加熱温度は２２５℃とし、加圧力は２５０Ｎとし、加熱時間は１０分間とする。

その後、加圧したまま冷却し、フッ素樹脂シート３４、単位シート１４及びフッ素樹脂シート３４を加熱プレス機から取り出し、銅板等の金属板上で冷却する。そして、フッ素樹脂シート３４及び３６を単位シート１４から取り外す。この結果、図３Ｄ（ｊ）に示すように、ＣＮＴ１２が樹脂シート１３を貫通した単位シート１５が得られる。フッ素樹脂シート３４及び３６は、例えばピンセットを用いて容易に取り外すことができる。

続いて、図３Ｄ（ｋ）に示すように、シリコン基板３８上にフッ素樹脂シート３９を置き、単位シート１５をそのＣＮＴ１２がその樹脂シート１３より下方になるようにしてフッ素樹脂上に置く。このＣＮＴ１２上に樹脂シート１６を置き、樹脂シート１６上に、他の単位シート１５をそのＣＮＴ１２がその樹脂シート１３より上方になるようにして置く。そして、この単位シート１５上にフッ素樹脂シート４０及び銅板３７を置く。これらを加熱プレス機の下型３１上に置き、下型３１及び上型３２により加熱しながら加圧する。樹脂シート１６としては、樹脂シート１３と同様のものを用いることができる。この時の加熱温度及び加圧力は、例えば、単位シート１４から単位シート１５を得る際の加熱温度及び加圧力と同程度とする。

その後、加圧したまま加熱を停止し、樹脂シート１３が固化したら、加圧も停止する。この結果、図３Ｄ（ｌ）に示すように、一方の単位シート１５に含まれていたＣＮＴ１２の集合を含むＣＮＴシート１０１、他方の単位シート１５に含まれていたＣＮＴ１２の集合を含むＣＮＴシート１０２、及び２つの樹脂シート１３が一体になった接合層１１１を含む熱伝導構造体１００が得られる。

次に、第１の実施形態に係る熱伝導構造体１００の製造方法の更に他の一例について説明する。図５は、第１の実施形態に係る熱伝導構造体１００の製造方法の更に他の一例を工程順に示す図である。

この例では、先ず、上記の一例と同様にして、ゴムシート２２への張力の印加の停止までの処理を行う（図３Ｂ（ｅ））。次いで、図５（ａ）に示すように、ＣＮＴ１２の集合体及びゴムシート２２が一体化した単位シートを２つ準備し、樹脂シート１６を間に挟んで各単位シートのＣＮＴ１２の先端が樹脂シート１６に接するようにして重ね合せる。その後、これらを加熱プレス機の下型３１上にフッ素樹脂シート３５を介して載置し、フッ素樹脂シート３６を介して上型３２により加熱しながら加圧する。このときの加熱温度は、ＣＮＴ１２が樹脂シート１６を貫通できる程度に樹脂シート１６が軟化する温度、例えば樹脂シート１６の粘度が最低になる温度とする。この結果、樹脂シート１６が溶解し、ＣＮＴ１２同士が互いに直接接触するようになる。樹脂シート１６に「Ｍｉｃｒｏｍｅｌｔ６２３９」を用いる場合、例えば、加熱温度は２２５℃とし、加圧力は２５０Ｎとし、加熱時間は１０分間とする。

続いて、加圧したまま加熱を停止し、樹脂シート１６が固化したら、加圧も停止する。この結果、ＣＮＴ１２が樹脂シート１６に固定される。そして、図５（ｂ）に示すように、ゴムシート２２、ＣＮＴ１２及び樹脂シート１６を加熱プレス機から取り出す。

次いで、図５（ｃ）に示すように、ゴムシート２２をＣＮＴ１２から取り外す。この結果、一方のＣＮＴ１２の集合を含むＣＮＴシート１０１、他方のＣＮＴ１２の集合を含むＣＮＴシート１０２、及び樹脂シート１６が一体になった接合層１１１を含む熱伝導構造体１００が得られる。

他の一例では、先ず、ゴムシート２２の剥離まで行い（図３Ｃ（ｈ））、次に、図６（ａ）に示すように、フッ素樹脂シート３４が付着したままの単位シート１４を２つ、樹脂シート１６を間に挟んで各単位シート１４のＣＮＴ１２の先端が樹脂シート１６に接するようにして重ね合せて、加熱しながら加圧する。この場合、樹脂シート１６が溶解し、各単位シート１４に含まれるＣＮＴ１２同士が互いに直接接触するようになる。

図６（ｂ）に示すように、２つの単位シート１５を、樹脂シート１６を間に挟んで各単位シート１５のＣＮＴ１２の先端が樹脂シート１６に接するようにして重ね合せて、加熱しながら加圧してもよい。この場合、樹脂シート１６が溶解し、各単位シート１４に含まれるＣＮＴ１２同士が互いに直接接触するようになる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、ＴＩＭに好適な熱伝導構造体に関する。図７は、第２の実施形態に係る熱伝導構造体を示す模式図である。

第２の実施形態に係る熱伝導構造体２００には、互いに積層されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）シート１０１、１０２及び１０３と、ＣＮＴシート１０１及び１０２を互いに接合する接合層１１１と、ＣＮＴシート１０２及び１０３を互いに接合する接合層１１２と、が含まれる。ＣＮＴシート１０１〜１０３には、それぞれ複数のＣＮＴが含まれており、ＣＮＴシート１０１及び１０２の間並びにＣＮＴシート１０２及び１０３の間では、それぞれに含まれるＣＮＴが互いに直接接触している。

熱伝導構造体２００はＣＮＴシート１０１〜１０３を含み、ＣＮＴシート１０１に含まれるＣＮＴとＣＮＴシート１０２に含まれるＣＮＴとが直接接触し、ＣＮＴシート１０２に含まれるＣＮＴとＣＮＴシート１０３に含まれるＣＮＴとが直接接触しているため、優れた熱伝導率を得ることができ、広い範囲に適用することができる。例えば、ＣＮＴシート１０１〜１０３のそれぞれの厚さが、良好な熱伝導率が得られる程度のものであっても、一方のみでは厚さが足りない用途に用いることができる。

また、ＣＮＴシート１０１及び１０２が接合層１１１により互いに接合され、ＣＮＴシート１０２及び１０３が接合層１１２により互いに接合されているため、積層方向におけるＣＮＴとＣＮＴとの直接的な接触の安定性が優れている。従って、本実施形態によれば、安定して優れた熱伝導率を得ることができる。

第２の実施形態に係る熱伝導構造体２００を製造する際の加圧方法の例を図８Ａ及び図８Ｂに示す。

図８Ａ（ａ）に示す例では、間に樹脂シート１６を挟みながら、３つの単位シート１５を、下から順にＣＮＴ１２が下向き、上向き、上向きとなるように重ねる。そして、シリコン基板３８と銅板３７との間でこれらを加熱しながら加圧する。

図８Ａ（ｂ）に示す例では、間に樹脂シート１６を挟みながら、３つの単位シート１５を、下から順にＣＮＴ１２が下向き、上向き、上向きとなるように重ねる。下から２番目の単位シート１５には、ＣＮＴ１２の上端が貫通するように樹脂シート１７を設けておく。そして、シリコン基板３８と銅板３７との間でこれらを加熱しながら加圧する。樹脂シート１７としては、樹脂シート１３と同様のものを用いることができる。

図８Ｂ（ｃ）に示す例では、間に樹脂シート１６を挟みながら、３つの単位シート１５を、下から順にＣＮＴ１２が上向き、下向き、上向きとなるように重ねる。下から２番目の単位シート１５には、ＣＮＴ１２の下端が貫通するように樹脂シート１７を設けておく。そして、シリコン基板３８と銅板３７との間でこれらを加熱しながら加圧する。

図８Ｂ（ｄ）に示す例では、間に樹脂シート１６を挟みながら、３つの単位シート１５を、下から順にＣＮＴ１２が上向き、下向き、下向きとなるように重ねる。そして、シリコン基板３８と銅板３７との間でこれらを加熱しながら加圧する。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は、ＴＩＭに好適な熱伝導構造体に関する。図９は、第３の実施形態に係る熱伝導構造体を示す模式図である。

第３の実施形態に係る熱伝導構造体３００には、互いに積層されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）シート１０１、１０２、１０３及び１０４と、ＣＮＴシート１０１及び１０２を互いに接合する接合層１１１と、ＣＮＴシート１０２及び１０３を互いに接合する接合層１１２と、ＣＮＴシート１０３及び１０４を互いに接合する接合層１１３と、が含まれる。ＣＮＴシート１０１〜１０４には、それぞれ複数のＣＮＴが含まれており、ＣＮＴシート１０１及び１０２の間、ＣＮＴシート１０２及び１０３の間並びにＣＮＴシート１０３及び１０４の間では、それぞれに含まれるＣＮＴが互いに直接接触している。

熱伝導構造体２００はＣＮＴシート１０１〜１０４を含み、ＣＮＴシート１０１に含まれるＣＮＴとＣＮＴシート１０２に含まれるＣＮＴとが直接接触し、ＣＮＴシート１０２に含まれるＣＮＴとＣＮＴシート１０３に含まれるＣＮＴとが直接接触し、ＣＮＴシート１０３に含まれるＣＮＴとＣＮＴシート１０４に含まれるＣＮＴとが直接接触しているため、優れた熱伝導率を得ることができ、広い範囲に適用することができる。例えば、ＣＮＴシート１０１〜１０４のそれぞれの厚さが、良好な熱伝導率が得られる程度のものであっても、一方のみでは厚さが足りない用途に用いることができる。

また、ＣＮＴシート１０１及び１０２が接合層１１１により互いに接合され、ＣＮＴシート１０２及び１０３が接合層１１２により互いに接合され、ＣＮＴシート１０３及び１０４が接合層１１３により互いに接合されているため、積層方向におけるＣＮＴとＣＮＴとの直接的な接触の安定性が優れている。従って、本実施形態によれば、安定して優れた熱伝導率を得ることができる。

第３の実施形態に係る熱伝導構造体３００を製造する際の加圧方法の例を図１０Ａ及び図１０Ｂに示す。

図１０Ａ（ａ）に示す例では、間に樹脂シート１６を挟みながら、４つの単位シート１５を、下から順にＣＮＴ１２が下向き、上向き、上向き、上向きとなるように重ねる。そして、シリコン基板３８と銅板３７との間でこれらを加熱しながら加圧する。

図１０Ａ（ｂ）に示す例では、間に樹脂シート１６を挟みながら、４つの単位シート１５を、下から順にＣＮＴ１２が下向き、下向き、上向き、上向きとなるように重ねる。そして、シリコン基板３８と銅板３７との間でこれらを加熱しながら加圧する。

図１０Ｂ（ｃ）に示す例では、間に樹脂シート１６を挟みながら、４つの単位シート１５を、下から順にＣＮＴ１２が下向き、上向き、下向き、上向きとなるように重ねる。そして、シリコン基板３８と銅板３７との間でこれらを加熱しながら加圧する。

図１０Ｂ（ｄ）に示す例では、間に樹脂シート１６を挟みながら、４つの単位シート１５を、下から順にＣＮＴ１２が上向き、上向き、下向き、下向きとなるように重ねる。下から３番目の単位シート１５には、ＣＮＴ１２の下端が貫通するように樹脂シート１７を設けておく。そして、シリコン基板３８と銅板３７との間でこれらを加熱しながら加圧する。

ここで、第１〜第３の実施形態に倣って本願発明者らが作製した熱伝導構造体の特性の調査結果について説明する。この調査では、第１〜第３の実施形態に倣って熱伝導構造体を作製し、２枚の金属板の間に熱伝導構造体を挟み込み、片側の金属板にヒータを接触させて加熱し、他方の金属板には窒素を吹き付けて冷却し、金属板間の温度差を測定した。単位シート１５を熱伝導構造体とした参考例についても同様の測定を行った。この参考例では、ＣＮＴ１２の両端にＣＮＴ１２が貫通するように樹脂シート１３を設けた。この結果を図１１に示す。図１１の横軸は熱伝導構造体の厚さを示す。

参考例（○）の厚さは１５０μｍ程度であり、温度差は１．６℃〜２．４℃であった。図３Ａ乃至図３Ｄに示す第１の実施形態に倣った方法で作製した熱伝導構造体（●）の厚さは２６０μｍ程度であり、温度差は２．０℃程度であった。このことは、積層された２つのＣＮＴシートを含む厚い熱伝導構造体においても、単位シートと同程度の優れた熱伝導性が得られることを示す。図６（ａ）に示す第１の実施形態に倣った方法で作製した熱伝導構造体においても温度差は２．０℃程度であった。

図８Ａ（ｂ）に示す第２の実施形態に倣った方法で作製した熱伝導構造体（▲）の厚さは４１０μｍ程度であり、温度差は２．３２℃程度であった。このことは、積層された３つのＣＮＴシートを含む更に厚い熱伝導構造体においても、単位シートと同程度の優れた熱伝導性が得られることを示す。図１２に、３つのＣＮＴシートを含む熱伝導構造体の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真の一例を示す。図１２（ａ）は３つのＣＮＴシートを含む視野のＳＥＭ写真を示し、図１２（ｂ）は図１２（ａ）中の一部を拡大したＳＥＭ写真を示す。

図８Ｂ（ｃ）に示す第２の実施形態に倣った方法で作製した熱伝導構造体（△）の厚さは４１０μｍ程度であり、温度差は２．６６℃程度であった。このことは、この熱伝導構造体において、単位シートと比較して熱伝導性が若干低いものの、良好な熱伝導性が得られることを示す。

図１０Ａ（ａ）に示す第３の実施形態に倣った方法で作製した熱伝導構造体（□）の厚さは５４０μｍ程度であり、温度差は３．１℃程度であった。このことは、積層された４つのＣＮＴシートを含む更に厚い熱伝導構造体においても、良好な熱伝導性が得られることを示す。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。第４の実施形態は、熱伝導構造体を含む電子装置（実装構造体）に関する。図１３は、第４の実施形態に係る電子装置を示す模式図である。

第４の実施形態に係る電子装置１０には、プリント配線基板９に取り付けられた半導体素子１、半導体素子１から放出される電磁波の拡散を抑制するシールド４、接着層７によりシールド４に接着されたヒートパイプ５、及び半導体素子１で生じた熱をシールド４に伝達する熱伝導構造体３が含まれる。シールド４及びヒートパイプ５が放熱部材６に含まれる。シールド４は支柱８によりプリント配線基板９上に支持されている。半導体素子１は、例えば通信装置の一例であるスマートフォンの中央処理装置（ＣＰＵ）及びメモリを含む。シールド４は、例えば金属製の電磁シールドを含む。熱伝導構造体３には、第１〜第３の実施形態のいずれかが用いられる。

第４の実施形態に係る電子装置１０では、半導体素子１とシールド４との間の厚さ方向の隙間の寸法が大きくても、例えば３００μｍ〜６００μｍ程度であっても、熱伝導構造体３として厚く、安定して良好な熱伝導率が得られるものを用いることができる。従って、半導体素子１で生じた熱を極めて良好な効率で放熱部材６に伝達することができる。

本願発明者らが、第４の実施形態に倣って、スマートフォンの既製品に含まれるＴＩＭを熱伝導構造体で置換し、４ｋ動画の撮影可能時間を測定したところ、既製品と同程度の結果が得られた。また、既製品のＣＰＵに貼付されている樹脂の温度差は１９．５℃であり、熱伝導構造体で置換したものの１０倍程度であった。

本願発明者は、単位シート１５、２つの単位シート１５を樹脂シートが接するように重ね合せただけの熱伝導構造体、及びこの熱伝導構造体を加熱しながら加圧して一体化した熱伝導構造体の３種について温度差を測定した。この結果、単位シート１５の温度差は１．８８℃であるのに対し、重ね合せただけの熱伝導構造体の温度差は２．１０℃であり、一体化した熱伝導構造体の温度差は１．９４℃であった。このことから、加熱しながら加圧して一体化することで、ＣＮＴシート間の接触抵抗が低減されたと考えられる。

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）
互いに積層された複数のカーボンナノチューブシートと、
前記複数のカーボンナノチューブシートのうちで隣り合うものを互いに接合する接合層と、
を有し、
前記複数のカーボンナノチューブシートのうちの隣り合うものの間では、それぞれに含まれるカーボンナノチューブが互いに直接接触していることを特徴とする熱伝導構造体。

（付記２）
前記複数のカーボンナノチューブシートの積層方向の両端において、カーボンナノチューブの端部が前記接合層から露出していることを特徴とする付記１に記載の熱伝導構造体。

（付記３）
前記カーボンナノチューブシートに含まれるカーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブであることを特徴とする付記１又は２に記載の熱伝導構造体。

（付記４）
半導体素子と、
放熱部材と、
前記半導体素子で生じた熱を前記放熱部材に伝達する、付記１乃至３のいずれか１項に記載の熱伝導構造体と、
を有することを特徴とする電子装置。

（付記５）
前記放熱部材は金属製の電磁シールドを含むことを特徴とする付記４に記載の電子装置。

（付記６）
カーボンナノチューブの集合体を含む複数の単位シートを準備する工程と、
前記複数の単位シートを積層する工程と、
前記複数の単位シートのうちの隣り合うものの間で、それぞれに含まれるカーボンナノチューブを互いに直接接触させながら、複数の集合体のうちで隣り合うものを互いに接合する接合層を形成する工程と、
を有することを特徴とする熱伝導構造体の製造方法。

（付記７）
前記単位シートを準備する工程は、
基板上にカーボンナノチューブを成長させる工程と、
張力を印加したゴムシートに前記カーボンナノチューブを転写する工程と、
前記ゴムシートに印加した張力を緩める工程と、
を有することを特徴とする付記６に記載の熱伝導構造体の製造方法。

（付記８）
前記接合層を形成する工程は、
前記複数の単位シートのうちの隣り合うものの間に樹脂シートを挟み、加熱しながら加圧する工程を有することを特徴とする付記６又は７に記載の熱伝導構造体の製造方法。

（付記９）
前記単位シートは樹脂シートを含み、
前記接合層を形成する工程は、
前記複数の単位シートを加熱しながら加圧する工程を有することを特徴とする付記６又は７に記載の熱伝導構造体の製造方法。

１：半導体素子
３：熱伝導構造体
４：シールド
５：ヒートパイプ
６：放熱部材
１０：電子装置
１２：ＣＮＴ
１４、１５：単位シート
２２：ゴムシート
１００、２００、３００：熱伝導構造体
１０１、１０２、１０３、１０４：ＣＮＴシート
１１１、１１２、１１３：接合層

Claims (8)

1. 順次積層された、第１カーボンナノチューブシート、第２カーボンナノチューブシート、及び第３カーボンナノチューブシートと、
   隣り合う前記第１カーボンナノチューブシートと前記第２カーボンナノチューブシートとを互いに接合する第１接合層と、
   隣り合う前記第２カーボンナノチューブシートと前記第３カーボンナノチューブシートとを互いに接合する第２接合層と、
   を有し、
   前記第１カーボンナノチューブシートと前記第２カーボンナノチューブシートとの間、及び前記第２カーボンナノチューブシートと前記第３カーボンナノチューブシートとの間では、それぞれに含まれるカーボンナノチューブが互いに直接接触していることを特徴とする熱伝導構造体。
2. 前記第１カーボンナノチューブシートと前記第２カーボンナノチューブシートの積層方向の両端において、カーボンナノチューブの端部が前記第１接合層から露出し、
   前記第２カーボンナノチューブシートと前記第３カーボンナノチューブシートの積層方向の両端において、カーボンナノチューブの端部が前記第２接合層から露出していることを特徴とする請求項１に記載の熱伝導構造体。
3. 前記第１カーボンナノチューブシート、前記第２カーボンナノチューブシート、及び前記第３カーボンナノチューブシートに含まれるカーボンナノチューブがそれぞれ多層カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱伝導構造体。
4. 半導体素子と、
   放熱部材と、
   前記半導体素子で生じた熱を前記放熱部材に伝達する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱伝導構造体と、
   を有することを特徴とする電子装置。
5. それぞれ、カーボンナノチューブの集合体を含む第１単位シート、第２単位シート、及び第３単位シートを準備する工程と、
   前記第１単位シート、前記第２単位シート、及び前記第３単位シートを順次積層する工程と、
   隣り合う前記第１単位シートと前記第２単位シートとの間、及び隣り合う前記第２単位シートと前記第３単位シートとの間で、それぞれに含まれるカーボンナノチューブを互いに直接接触させながら、前記第１単位シートと前記第２単位シートとを互いに接合する第１接合層、及び前記第２単位シートと前記第３単位シートとを互いに接合する第２接合層を形成する工程と、
   を有することを特徴とする熱伝導構造体の製造方法。
6. 前記第１単位シート、前記第２単位シート、及び前記第３単位シートを準備する工程は、それぞれ、
   基板上にカーボンナノチューブを成長させる工程と、
   張力を印加したゴムシートに前記カーボンナノチューブを転写する工程と、
   前記ゴムシートに印加した張力を緩める工程と、
   を有することを特徴とする請求項５に記載の熱伝導構造体の製造方法。
7. 前記第１接合層及び前記第２接合層を形成する工程は、
   前記第１単位シート、前記第２単位シート、及び前記第３単位シートのうちの隣り合うものの間にそれぞれ樹脂シートを挟み、加熱しながら加圧する工程を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の熱伝導構造体の製造方法。
8. 前記第１単位シート、前記第２単位シート、及び前記第３単位シートはそれぞれ樹脂シートを含み、
   前記第１接合層及び前記第２接合層を形成する工程は、
   前記第１単位シート、前記第２単位シート、及び前記第３単位シートを加熱しながら加圧する工程を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の熱伝導構造体の製造方法。