JP6879119B2 - 放熱シート及びその製造方法、電子装置 - 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などを介して、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。
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(CNT:Carbon Nano Tube)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(約1500〜約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。
一方、半導体チップやヒートスプレッダに反りや変形が生じる場合があり、この場合、半導体チップやヒートスプレッダの反りや変形に追随できるようにすることも求められる。
1つの態様では、電子装置は、半導体チップと、半導体チップに熱的に接続された放熱シートと、放熱シートに熱的に接続されたヒートスプレッダとを備え、放熱シートは、複数の第1カーボンナノチューブからなる第1シートと、複数の第2カーボンナノチューブからなる第2シートとを備え、第1シートと第2シートは積層された状態で結合されており、第1カーボンナノチューブと第2カーボンナノチューブは、圧力が加わった時の変形量が異なる。
本実施形態にかかる電子装置は、例えばサーバーやパーソナルコンピュータなどであって、図2に示すように、発熱源としての半導体チップ1と、半導体チップ1に熱的に接続された放熱シート2と、放熱シート2に熱的に接続されたヒートスプレッダ3とを備える。
ここでは、放熱シート2は、半導体チップ1とヒートスプレッダ3との間を機械的、熱的に接続しており、後述するように、カーボンナノチューブを用いた放熱シートである。
なお、ヒートスプレッダ3はヒートシンクとして機能する場合もあるため、ヒートスプレッダをヒートシンクと呼ぶ場合もある。
そして、第1シート7と第2シート8は積層された状態で結合されている。
本実施形態では、第1シート7と第2シート8は樹脂9で結合されている。
なお、これに限られるものではなく、例えば銅、銀、金などの金属で結合されていても良い。例えば、銅、銀、金などの金属の薄膜を第1シート7及び第2シート8のそれぞれの端面に形成し、金属薄膜同士を熱圧着などによって接合することで、第1シート7と第2シート8を金属で結合しても良い。
また、第1カーボンナノチューブ7Aと第2カーボンナノチューブ8Aは、圧力が加わった時の変形量が異なる。
本実施形態では、第2カーボンナノチューブ8Aは、第1カーボンナノチューブ7Aよりも圧力が加わった時の変形量が大きい。
これに対し、第2カーボンナノチューブ8Aは、圧力が加わった時の変形量が大きく、圧力が加わる前後の長さの差が、圧力が加わる前の長さに対して、数十パーセントである。このように、第2カーボンナノチューブ8A(第2シート8)は、柔軟性があり、負荷される圧力を吸収することになる。
これに対し、第2カーボンナノチューブ8Aは、圧力が加わった時の変形量が大きいため、半導体チップ1やヒートスプレッダ3に反りや変形が生じた場合(図2では半導体チップ1に反りや変形が生じた場合)にこれに追随できることになる。
なお、図21に示すように、配線基板100上にバンプ101を介して実装された半導体チップ102に放熱材料103を介してヒートスプレッダ104を接続した構造を備える電子装置105では、室温時と温度上昇時で、発熱源としての半導体チップ102に反りや変形が生じたり、元に戻ったりすることになる。
ここでは、第1シート7を構成する第1カーボンナノチューブ7Aは、長さが100μm〜500μmであり、第2シート8を構成する第2カーボンナノチューブ8Aは、長さが20μm〜200μmである。
ここで、第1カーボンナノチューブ7Aの長さは、必要なシートの厚さを確保できる程度の厚さにすれば良い。
また、例えば、図4に示すように、放熱シート2を、複数の第4カーボンナノチューブ11Aからなる第4シート11を備え、第4シート11が、第1シート7を挟んで第2シート8の反対側に積層された状態で結合されているものとし、第4カーボンナノチューブ11Aが、第1カーボンナノチューブ7Aと圧力が加わった時の変形量が同一であるものとしても良い。
ところで、上述のような圧力が加わった時の変形量が小さい第1カーボンナノチューブ7Aは、後述するような高温処理(熱処理;加熱処理)を施すことで作製することができる。このため、第1カーボンナノチューブ7Aを高温処理カーボンナノチューブ又は熱処理カーボンナノチューブともいう。
そして、高温処理を施したカーボンナノチューブは、高温処理を施していないカーボンナノチューブよりもG/D比が高くなる。このため、第1カーボンナノチューブ7Aは、第2カーボンナノチューブ8AよりもG/D比が高い。なお、G/D比は、ラマンスペクトルにおけるGバンドとDバンドの強度比である。
このように、高温処理を施してG/D比が高くなったカーボンナノチューブは、高温処理を施しておらず、G/D比が低いカーボンナノチューブよりも熱伝導度が高くなり、熱特性が良くなる。このため、第1カーボンナノチューブ7Aは、第2カーボンナノチューブ8Aよりも熱伝導度が高い。
このため、放熱シート2を、高温処理を施した第1カーボンナノチューブ7Aからなる第1シート7と高温処理を施していない第2カーボンナノチューブ8Aからなる第2シート8を積層させた状態で結合したものとすることで、熱特性を良くし、シートの厚さを確保しながら、半導体チップ1やヒートスプレッダ3の反りや変形に追随できるようにすることができる。
本実施形態では、第2カーボンナノチューブ8Aからなる第2シート8は圧縮しているが、第1カーボンナノチューブ7Aからなる第1シート7は圧縮していない(例えば図1〜図4参照)。
ここで、シートを圧縮していない場合、シートを構成するカーボンナノチューブは、シート面における面積占有率が約2%〜約3%である。一方、シートを圧縮した場合、シートを構成するカーボンナノチューブは、シート面における面積占有率が約4%〜約9%である。なお、シート面は、半導体チップ1やヒートスプレッダ3にコンタクトする面であるため、コンタクト面又はコンタクト領域ともいう。
このため、第1シート7を構成する第1カーボンナノチューブ7Aは、シート面における面積占有率が約2%〜約3%である。一方、第2シート8を構成する第2カーボンナノチューブ8Aは、シート面における面積占有率が約2%〜約9%である。
本実施形態の放熱シートの製造方法は、複数の第1カーボンナノチューブ7Aからなる第1シート7を作製する工程(例えば図6〜図8参照)と、第1カーボンナノチューブ7Aよりも圧力が加わった時の変形量が大きい複数の第2カーボンナノチューブ8Aからなる第2シート8を作製する工程(例えば図9、図10参照)と、第1シート7と第2シート8を積層して結合する工程(例えば図11〜図18参照)とを含む。
また、本実施形態では、後述するように、第1シート7と第2シート8を積層して結合する工程(例えば図11〜図18参照)は、第1シート7と第2シート8を樹脂フィルム9Xを介して積層する工程(例えば図11〜図16参照)と、第1カーボンナノチューブの端部と第2カーボンナノチューブの端部が接触するように熱圧着する工程(例えば図17参照)とを含む。
また、本実施形態では、第2シート8を圧縮する工程(例えば図9、図10参照)において、シリコンゴムシート12を用いて第2シート8を圧縮する。このようにシリコンゴムシート12を用いることで、それを剥離した後に残渣が残らないようにすることができる。
まず、カーボンナノチューブを用いたシート(カーボンナノチューブシート)の作製方法について説明する。
なお、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良い。また、カーボンナノチューブの面密度は、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。また、カーボンナノチューブの長さ、即ち、シートの厚さは、シート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50μm〜約2500μm程度の値に設定することができる。
基板としては、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、ステンレス基板などの金属基板、ステンレスホイル、アルミホイル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。これを酸化膜付きシリコン(Si)基板又は熱酸化膜付きシリコン(Si)基板という。
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良い。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良い。この場合も、金属種については薄膜と同様で良い。
次いで、基板上に、例えばホットフィラメントCVD法により、触媒金属膜を触媒として、カーボンナノチューブを成長する。
このようにして、基板上に、即ち、基板の触媒金属膜が形成された領域上に、基板の法線方向に配向(垂直配向)した複数のカーボンナノチューブを形成する。
放熱シートに用いるカーボンナノチューブは、特に限定されるものではないが、好ましくは直径および層数は、それぞれおよそ1nmから50nm、および1から150層程度の範囲に設定することができる。
このようにして、カーボンナノチューブを用いたシート(カーボンナノチューブシートシート状カーボンナノチューブ)を作製することができる。
次に、上述のようにして作製したシートを用いて、本実施形態の放熱シートを製造する方法について、図6〜図18を参照しながら説明する。
ここでは、高温カーボン焼成炉によって、高温処理を施す。
具体的には、まず、加熱用治具の中に、上述のようにして作製したカーボンナノチューブシートを例えばカーボンシートに挟んでセットする。これは、高温処理時にカーボンナノチューブが縮む方向に動くため、これにより、シート面の凹凸が大きくなることを防ぐためである。
ここでは、チャンバ内を真空に引き、残留ガスを放出し、Arガス雰囲気中で高温処理を実施する。
また、高温処理として、例えば図6に示すような温度プロファイルで、昇温速度約2℃/minで約2400℃まで昇温し(約9時間)、約2400℃で一定時間(約1〜3時間;例えば約2時間)維持し、降温速度約2℃/minで常温まで降温する(約9時間)処理を実施する。
このようにして、上述のようにして作製したカーボンナノチューブシートに高温処理を施して、高温処理を施したカーボンナノチューブシート、即ち、圧力が加わった時の変形量が小さい第1カーボンナノチューブ7Aからなる第1シート7を作製することができる(例えば図8参照)。
この場合、上述のようにしてカーボンナノチューブシートを作製する際に、第1シート7として用いるカーボンナノチューブシートよりも大きいサイズ(例えば3倍のサイズ)のカーボンナノチューブシートを作製し、このようにして作製したカーボンナノチューブシートを圧縮して、第1シート7と同じサイズの圧縮カーボンナノチューブシート(例えば3倍圧縮カーボンナノチューブシート)を作製する(例えば図9参照)。
具体的には、図10(A)、図10(B)、図10(C)に示すように、放射線状に伸ばしたシリコンゴムシート(シリコーンゴムシート)12に、上述のようにして作製したサイズの大きいカーボンナノチューブシート8Xを転写し、基板13を剥離する。
次いで、図10(D)、図10(E)に示すように、放射線状に伸ばしたシリコンゴムシート12から伸ばす力を開放して、シリコンゴムシート12を元のサイズに戻す。これにより、上述のようにして作製したサイズの大きいカーボンナノチューブシート8Xが圧縮され、第1シート7と同じサイズの圧縮カーボンナノチューブシートが作製される。
次に、上述のようにして作製した高温処理カーボンナノチューブシート(第1シート7)と、上述のようにして作製した圧縮カーボンナノチューブシート(第2シート8)を積層して結合する(例えば図11〜図18参照)。
具体的には、まず、図11に示すように、上述のようにして作製した高温処理カーボンナノチューブシート(第1シート7)を、シリコン基板14上にセットする。
次に、例えばローラーを用いて、保護フィルム付薄膜樹脂フィルム9Xを、上述のようにして作製した高温処理カーボンナノチューブシート7の表面[カーボンナノチューブ7Aの端部(端面)]及びその周囲のシリコン基板14の表面に熱圧着する。
この場合、薄膜樹脂フィルム9Xは、上述のようにして作製した高温処理カーボンナノチューブシート7の表面上に位置する部分と、シリコン基板14の表面上に位置する部分と、これらの部分を架橋する部分(架橋部)とを有することになる。
次に、図13に示すように、薄膜樹脂フィルム9Xの架橋部を、厚膜の熱可塑性樹脂フィルム16を用いて補強する。これは、後述の圧縮カーボンナノチューブシート8の転写時にシリコンゴムシート12を容易に剥離できるようにするためである。
次に、図16に示すように、薄膜樹脂フィルム9Xを架橋部で例えば剃刀17などで切断し、高温処理カーボンナノチューブシート7と圧縮カーボンナノチューブシート8が薄膜樹脂フィルム9X(樹脂9)を介して積層され、接合された積層シート2Xを取り出す。
このように、高温処理カーボンナノチューブシート(第1シート7)と、圧縮カーボンナノチューブシート(第2シート8)を積層して樹脂9で結合することによって放熱シート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放熱シート及びその製造方法、電子装置によれば、シートの厚さを確保しながら、半導体チップ1やヒートスプレッダ3の反りや変形に追随できるという効果を有する。
ここで、図19(B)は、上述のようにして製造した本実施形態の放熱シート2(高温処理カーボンナノチューブシート7と高温処理していない3倍圧縮カーボンナノチューブシート8を積層して樹脂9で結合したもの)に図19(A)に示すようにして圧縮応力を加えた場合の圧縮応力と圧縮変位の関係を示している。
比較例の放熱シート18では、図20(B)に示すように、放熱シート18に加わる圧力(面圧;圧縮応力)を約2MPa(図中、符号X参照)、約3MPa(図中、符号Y参照)、約3.5MPa(図中、符号Z参照)と大きくしても、圧縮方向(放熱シート18の厚さ方向)の変位量(圧縮変位)はほとんど変わらず、変位量が小さい。
また、例えば、本実施形態の放熱シート2は、カーボンナノチューブを用いた放熱シートを、リワーク可能な放熱シートとして用いることができる。
以下、上述の実施形態に関し、更に、付記を開示する。
(付記1)
複数の第1カーボンナノチューブからなる第1シートと、
複数の第2カーボンナノチューブからなる第2シートとを備え、
前記第1シートと前記第2シートは積層された状態で結合されており、
前記第1カーボンナノチューブと前記第2カーボンナノチューブは、圧力が加わった時の変形量が異なることを特徴とする放熱シート。
前記第1シートと前記第2シートは樹脂で結合されていることを特徴とする、付記1に記載の放熱シート。
(付記3)
前記第1カーボンナノチューブは、前記第2カーボンナノチューブよりも熱伝導度が高いことを特徴とする、付記1又は2に記載の放熱シート。
前記第1カーボンナノチューブは、前記第2カーボンナノチューブよりもG/D比が高いことを特徴とする、付記1〜3のいずれか1項に記載の放熱シート。
(付記5)
前記第1カーボンナノチューブは、G/D比が2以上であり、
前記第2カーボンナノチューブは、G/D比が2未満であることを特徴とする、付記1〜4のいずれか1項に記載の放熱シート。
前記第2シートを構成する前記第2カーボンナノチューブは、前記第1シートを構成する前記第1カーボンナノチューブよりも単位面積あたりの本数が多いことを特徴とする、付記1〜5のいずれか1項に記載の放熱シート。
(付記7)
前記第1シートを構成する前記第1カーボンナノチューブは、シート面における面積占有率が2〜3%であり、
前記第2シートを構成する前記第2カーボンナノチューブは、シート面における面積占有率が2〜9%であることを特徴とする、付記1〜6のいずれか1項に記載の放熱シート。
前記第1シートを構成する前記第1カーボンナノチューブは、前記第2シートを構成する前記第2カーボンナノチューブよりも長さが長いことを特徴とする、付記1〜7のいずれか1項に記載の放熱シート。
(付記9)
前記第1シートを構成する前記第1カーボンナノチューブは、長さが100μm〜500μmであり、
前記第2シートを構成する前記第2カーボンナノチューブは、長さが20μm〜200μmであることを特徴とする、付記1〜8のいずれか1項に記載の放熱シート。
複数の第3カーボンナノチューブからなる第3シートを備え、
前記第3シートは、前記第1シートを挟んで前記第2シートの反対側に積層された状態で結合されており、
前記第2カーボンナノチューブ及び前記第3カーボンナノチューブは、前記第1カーボンナノチューブよりも圧力が加わった時の変形量が大きいことを特徴とする、付記1〜9のいずれか1項に記載の放熱シート。
複数の第4カーボンナノチューブからなる第4シートを備え、
前記第4シートは、前記第1シートを挟んで前記第2シートの反対側に積層された状態で結合されており、
前記第4カーボンナノチューブは、前記第1カーボンナノチューブと圧力が加わった時の変形量が同一であることを特徴とする、付記1〜9のいずれか1項に記載の放熱シート。
半導体チップと、
前記半導体チップに熱的に接続された放熱シートと、
前記放熱シートに熱的に接続されたヒートスプレッダとを備え、
前記放熱シートは、
複数の第1カーボンナノチューブからなる第1シートと、
複数の第2カーボンナノチューブからなる第2シートとを備え、
前記第1シートと前記第2シートは積層された状態で結合されており、
前記第1カーボンナノチューブと前記第2カーボンナノチューブは、圧力が加わった時の変形量が異なることを特徴とする電子装置。
前記第2カーボンナノチューブは、前記第1カーボンナノチューブよりも圧力が加わった時の変形量が大きく、
前記第2シートが前記半導体チップの側になるように設けられていることを特徴とする、付記12に記載の電子装置。
前記放熱シートは、
複数の第3カーボンナノチューブからなる第3シートを備え、
前記第3シートは、前記第1シートを挟んで前記第2シートの反対側に積層された状態で結合されており、
前記第3カーボンナノチューブは、前記第1カーボンナノチューブよりも圧力が加わった時の変形量が大きく、
前記第3シートが前記ヒートスプレッダの側になるように設けられていることを特徴とする、付記13に記載の電子装置。
複数の第1カーボンナノチューブからなる第1シートを作製する工程と、
前記第1カーボンナノチューブと圧力が加わった時の変形量が異なる複数の第2カーボンナノチューブからなる第2シートを作製する工程と、
前記第1シートと前記第2シートを積層して結合する工程とを含むことを特徴とする放熱シートの製造方法。
前記第1シートと前記第2シートを積層して結合する工程において、前記第1シートと前記第2シートを樹脂で結合することを特徴とする、付記15に記載の放熱シートの製造方法。
(付記17)
前記第1シートと前記第2シートを積層して結合する工程は、前記第1シートと前記第2シートを樹脂フィルムを介して積層する工程と、前記第1カーボンナノチューブの端部と前記第2カーボンナノチューブの端部が接触するように熱圧着する工程とを含むことを特徴とする、付記15又は16に記載の放熱シートの製造方法。
前記第1シートを作製する工程において、前記第1カーボンナノチューブに熱処理を施すことを特徴とする、付記15〜17のいずれか1項に記載の放熱シートの製造方法。
(付記19)
前記第2シートを作製する工程は、前記第1シートよりも大きいサイズの前記第2シートを作製する工程と、前記第2シートのサイズが前記第1シートと同じサイズになるように、前記第2シートを圧縮する工程とを含むことを特徴とする、付記15〜18のいずれか1項に記載の放熱シートの製造方法。
前記第2シートを圧縮する工程において、シリコンゴムシートを用いて前記第2シートを圧縮することを特徴とする、付記19に記載の放熱シートの製造方法。
2 放熱シート
2X 積層シート
3 ヒートスプレッダ
4 配線基板
5 バンプ
6 シーラント
7 第1シート
7A 第1カーボンナノチューブ
8 第2シート
8A 第2カーボンナノチューブ
9 樹脂
9X 樹脂フィルム
10 第3シート
10A 第3カーボンナノチューブ
11 第4シート
11A 第4カーボンナノチューブ
12 シリコンゴムシート
13 基板
14 シリコン基板
15 保護フィルム(保護シート)
16 熱可塑性樹脂フィルム
17 剃刀
18 比較例の放熱シート
Claims (15)
- 複数の第1カーボンナノチューブからなる第1シートと、
複数の第2カーボンナノチューブからなる第2シートとを備え、
前記第1シートと前記第2シートは積層された状態で結合されており、
前記第1カーボンナノチューブと前記第2カーボンナノチューブは、圧力が加わった時の変形量が異なることを特徴とする放熱シート。 - 前記第1シートと前記第2シートは樹脂で結合されていることを特徴とする、請求項1に記載の放熱シート。
- 前記第1カーボンナノチューブは、前記第2カーボンナノチューブよりも熱伝導度が高いことを特徴とする、請求項1又は2に記載の放熱シート。
- 前記第1カーボンナノチューブは、前記第2カーボンナノチューブよりもG/D比が高いことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の放熱シート。
- 前記第2シートを構成する前記第2カーボンナノチューブは、前記第1シートを構成する前記第1カーボンナノチューブよりも単位面積あたりの本数が多いことを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の放熱シート。
- 複数の第3カーボンナノチューブからなる第3シートを備え、
前記第3シートは、前記第1シートを挟んで前記第2シートの反対側に積層された状態で結合されており、
前記第2カーボンナノチューブ及び前記第3カーボンナノチューブは、前記第1カーボンナノチューブよりも圧力が加わった時の変形量が大きいことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の放熱シート。 - 半導体チップと、
前記半導体チップに熱的に接続された放熱シートと、
前記放熱シートに熱的に接続されたヒートスプレッダとを備え、
前記放熱シートは、
複数の第1カーボンナノチューブからなる第1シートと、
複数の第2カーボンナノチューブからなる第2シートとを備え、
前記第1シートと前記第2シートは積層された状態で結合されており、
前記第1カーボンナノチューブと前記第2カーボンナノチューブは、圧力が加わった時の変形量が異なることを特徴とする電子装置。 - 前記第2カーボンナノチューブは、前記第1カーボンナノチューブよりも圧力が加わった時の変形量が大きく、
前記第2シートが前記半導体チップの側になるように設けられていることを特徴とする、請求項7に記載の電子装置。 - 前記放熱シートは、
複数の第3カーボンナノチューブからなる第3シートを備え、
前記第3シートは、前記第1シートを挟んで前記第2シートの反対側に積層された状態で結合されており、
前記第3カーボンナノチューブは、前記第1カーボンナノチューブよりも圧力が加わった時の変形量が大きく、
前記第3シートが前記ヒートスプレッダの側になるように設けられていることを特徴とする、請求項8に記載の電子装置。 - 複数の第1カーボンナノチューブからなる第1シートを作製する工程と、
前記第1カーボンナノチューブと圧力が加わった時の変形量が異なる複数の第2カーボンナノチューブからなる第2シートを作製する工程と、
前記第1シートと前記第2シートを積層して結合する工程とを含むことを特徴とする放熱シートの製造方法。 - 前記第1シートと前記第2シートを積層して結合する工程において、前記第1シートと前記第2シートを樹脂で結合することを特徴とする、請求項10に記載の放熱シートの製造方法。
- 前記第1シートと前記第2シートを積層して結合する工程は、前記第1シートと前記第2シートを樹脂フィルムを介して積層する工程と、前記第1カーボンナノチューブの端部と前記第2カーボンナノチューブの端部が接触するように熱圧着する工程とを含むことを特徴とする、請求項10又は11に記載の放熱シートの製造方法。
- 前記第1シートを作製する工程において、前記第1カーボンナノチューブに熱処理を施すことを特徴とする、請求項10〜12のいずれか1項に記載の放熱シートの製造方法。
- 前記第2シートを作製する工程は、前記第1シートよりも大きいサイズの前記第2シートを作製する工程と、前記第2シートのサイズが前記第1シートと同じサイズになるように、前記第2シートを圧縮する工程とを含むことを特徴とする、請求項10〜13のいずれか1項に記載の放熱シートの製造方法。
- 前記第2シートを圧縮する工程において、シリコンゴムシートを用いて前記第2シートを圧縮することを特徴とする、請求項14に記載の放熱シートの製造方法。
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