JP7009800B2

JP7009800B2 - 電子装置の製造方法

Info

Publication number: JP7009800B2
Application number: JP2017135524A
Authority: JP
Inventors: 正明乘松; 大雄近藤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2017-07-11
Filing date: 2017-07-11
Publication date: 2022-01-26
Anticipated expiration: 2037-07-11
Also published as: JP2019021657A

Description

本願は、電子装置、及び電子装置の製造方法に関する。

高熱になる半導体チップ等の発熱素子には、様々な放熱構造が設けられている（例えば、特許文献１－３を参照）。そこで、近年では、カーボンナノチューブ（例えば、特許文献４－１５を参照）等の新素材を放熱構造に採用する試みが行われている。

特開２０１０－２４５３０２号公報特開２０１１－９１１０６号公報特開２００７－１２８３０号公報特開２００６－２９５１２０号公報特表２００７－５３２３３５号公報特開２０１１－２０４７４９号公報特開２００９－２６０２３８号公報特開２０１３－２３９６２３号公報特開２０１６－７２２８９号公報

発熱素子を冷却するヒートスプレッダ等の放熱部品は、例えば、発熱素子の表面にハンダを介して接合される。そして、発熱素子と放熱部品とを接合するハンダは、発熱素子の接合面や放熱部品の接合面にある凹凸等の形状的誤差や、ハンダをリフローする際に生じるボイド等に起因する熱抵抗の増加を可及的に抑制するべく、ある程度の厚さを有することが求められる。また、近年は鉛フリーのハンダが用いられる傾向にあるため、フラックスの残渣によるボイドの発生を抑制するべく、従来の有鉛ハンダよりもボイドの発生に対する配慮が求められる。

しかし、発熱素子と放熱部品とを接合するハンダは、発熱素子と放熱部品の何れか一方が他方の上に載る状態でリフローされるので、厚さを保つことが難しい。

そこで、本発明は、発熱素子と放熱部品とを接合するハンダが薄くなるのを抑制する技術を提供することを課題とする。

１つの態様では、電子装置は、発熱素子と、ハンダを介して発熱素子が接合される放熱部品と、発熱素子と放熱部品との間でハンダの周囲に林立するカーボンナノチューブと、を備える。

１つの側面として、発熱素子と放熱部品とを接合するハンダが薄くなるのを抑制することができる。

図１は、実施形態に係る電子装置の構造を斜めから示した図である。図２は、実施形態に係る電子装置の構造を側方から示した図である。図３は、実施形態に係る電子装置の構造を示した分解斜視図である。図４は、電子装置の製造工程を示した第１の図である。図５は、電子装置の製造工程を示した第２の図である。図６は、電子装置の製造工程を示した第３の図である。図７は、電子装置の製造工程を示した第４の図である。図８は、電子装置の製造工程を示した第５の図である。図９は、電子装置の製造工程を示した第６の図である。図１０は、電子装置の製造工程を示した第７の図である。図１１は、電子装置の製造工程を示した第８の図である。図１２は、電子装置の製造工程を示した第９の図である。図１３は、電子装置の製造工程を示した第１０の図である。図１４は、電子装置の製造工程を示した第１１の図である。図１５は、接合形態の検証結果を示した図である。

以下、実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、単なる例示であり、本開示の技術的範囲を以下の態様に限定するものではない。

図１は、実施形態に係る電子装置の構造を斜めから示した図である。電子装置１は、ヒートスプレッダ２（本願でいう「放熱部品」の一例である）に発熱素子３を固定した構造を有する。発熱素子３としては、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の半導
体装置が挙げられる。また、ヒートスプレッダ２としては、例えば、放熱フィンや冷却ファン等を備えた空冷機構の部品や、冷媒循環経路等を備えた水冷機構の部品が挙げられる。電子装置１の作動によって発生する発熱素子３の熱は、ヒートスプレッダ２によって放熱される。

なお、図１では、発熱素子３が実装された基板にヒートスプレッダ２を固定した構造が図示されているが、電子装置１はこのような形態に限定されない。電子装置１は、例えば、発熱素子３が実装された基板がヒートスプレッダ２から離間していてもよい。また、発熱素子３には、ヒートスプレッダ２の代わりに水冷式の熱交換器、フィンを有する空冷式のヒートシンク、その他各種の放熱部品が取り付けられていてもよい。

図２は、実施形態に係る電子装置１の構造を側方から示した図である。また、図３は、実施形態に係る電子装置１の構造を示した分解斜視図である。発熱素子３は、ハンダ４を介してヒートスプレッダ２に接合されている。そして、電子装置１には、ヒートスプレッダ２と発熱素子３との間でハンダ４の周囲に林立するカーボンナノチューブ５が備わっている。カーボンナノチューブ５は、ヒートスプレッダ２の表面の、発熱素子３の接合面の縁に対応する部位に枠状に配置されている。発熱素子３が矩形の接合面を有しているため、カーボンナノチューブ５は、ヒートスプレッダ２の表面において矩形の枠状に配置されている。

カーボンナノチューブ５は、ヒートスプレッダ２の表面に樹脂で溶着されており、ヒートスプレッダ２の表面から林立している。よって、発熱素子３は、カーボンナノチューブ５にヒートスプレッダ２側から支持されていると捉えることもできる。

カーボンナノチューブ５は、炭素原子が筒状に網目のように結びついたものであり、数ｎｍ程度の直径を有する微細な棒状体である。図２及び図３では、ヒートスプレッダ２の表面から林立する密集状態のカーボンナノチューブ５を示しているため、カーボンナノチューブ５が板状に図示されている。カーボンナノチューブ５は、軸方向に非常に高い熱伝
導度（１５００Ｗ／ｍ・Ｋ～３０００Ｗ／ｍ・Ｋ）を有する。よって、発熱素子３で発生した熱は、ハンダ４を介してヒートスプレッダ２へ伝達されるのみならず、カーボンナノチューブ５を介してヒートスプレッダ２へも伝達される。また、カーボンナノチューブ５は、柔軟性や耐熱性にも優れているため、ヒートスプレッダ２と発熱素子３とを接合するハンダ４が溶融する際の熱にも十分に耐えられる。カーボンナノチューブ５の長さは特に限定されないが、ヒートスプレッダ２の表面や発熱素子３の表面の凹凸を埋めることができる長さを有していることが好ましく、例えば、ヒートスプレッダ２や発熱素子３の寸法精度に応じて５μｍ～５００μｍ程度の長さを有するものが選択される。

上記実施形態の電子装置１であれば、ヒートスプレッダ２と発熱素子３との間にカーボンナノチューブ５があるため、電子装置１の製造時にハンダ４が溶融していても、ヒートスプレッダ２に載っている発熱素子３がカーボンナノチューブ５で支持される。よって、ハンダ４の溶融時、ハンダ４が発熱素子３の自重に押されて薄くなることがない。

上記実施形態の電子装置１は、例えば、次のような製造方法で製造することができる。

図４は、電子装置１の製造工程を示した第１の図である。本製造方法においては、表面にカーボンナノチューブ５が林立するように形成された基板１１が用意される。基板１１としては、例えば、シリコン基板などの半導体基板、アルミナ（サファイア）基板、ＭｇＯ基板、ガラス基板などの絶縁性基板、金属基板などが挙げられる。また、基板１１としては、表面に薄膜が形成されたものでもよい。表面に薄膜が形成された基板としては、例えば、表面に膜厚が３００ｎｍ程度のシリコン酸化膜を形成したシリコン基板が挙げられる。また、基板１１からのカーボンナノチューブ５の剥離を容易にするため、基板１１は、少なくともカーボンナノチューブ５が形成される面がカーボンナノチューブ５を容易に剥離できる材料で形成されていることが好ましい。

基板１１の表面に形成されるカーボンナノチューブ５は、例えば、基板１１の表面にスパッタ法で膜厚２．５ｎｍに形成された触媒金属膜が形成された後、当該触媒金属膜を触媒とするホットフィラメントＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法に
より、基板１１の表面に成長される。

触媒金属としては、Ｆｅ（鉄）、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ることが可能である。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よい。この場合も、金属種については薄膜の場合と同様でよい。

また、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）、ＴｉＳｉｘ（チタンシリサイド）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）、ＴｉＯｘ（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）などの膜又はこれらのうち少なくとも一の材料を含む合金からなる膜を形成してもよい。例えば、Ｆｅ（２．５ｎｍ）／Ａｌ（１０ｎｍ）の積層構造、Ｃｏ（２．６ｎｍ）／ＴｉＮ（５ｎｍ）の積層構造等を適用することができる。金属微粒子を用いる場合は、例えば、Ｃｏ（平均直径：３．８ｎｍ）／ＴｉＮ（５ｎｍ）などの積層構造を適用することができる。

また、カーボンナノチューブ５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。これにより、層数が３層～６層（
平均４層程度）、直径が４ｎｍ～８ｎｍ（平均６ｎｍ）、長さが１００μｍ（成長レート：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。なお、カーボンナノチューブ５は、熱ＣＶＤ法やリモートプラズマＣＶＤ法などの他の成膜方法により形成してもよい。また、成長するカーボンナノチューブ５は、単層カーボンナノチューブでもよい。また、炭素原料としては、アセチレンのほか、メタン、エチレン等の炭化水素類や、エタノール、メタノール等のアルコール類などを用いてもよい。

上記のような条件で基板１１の表面に形成されたカーボンナノチューブ５は、基板１１の法線方向に配向（垂直配向）した状態で形成される。また、基板１１の表面におけるカーボンナノチューブ５の面密度は、触媒金属等の形成状態にもよるが、例えば、１×１０^１１本／ｃｍ^２程度である。これは、基板１１の表面積のおよそ１０％の領域にカーボンナノチューブ５が形成されている状態に相当する。そこで、本製造方法では、表面にカーボンナノチューブ５が形成された基板１１から、以下のような手順でカーボンナノチューブ５を剥離する。

図５は、電子装置１の製造工程を示した第２の図である。基板１１からカーボンナノチューブ５を剥離する際は、カーボンナノチューブ５が形成された基板１１の表面側に、伸長された状態のゴム１２（本願でいう「伸縮性の部材」の一例であり、「所定の部材」の一例でもある）が配置される。ゴム１２は、カーボンナノチューブ５が形成されている基板１１の表面に沿って縦横に伸長された状態で配置される。

図６は、電子装置１の製造工程を示した第３の図である。ゴム１２が配置された後は、カーボンナノチューブ５が形成された基板１１の表面側にゴム１２がローラ１３で押圧される。ゴム１２がローラ１３で押圧されることにより、カーボンナノチューブ５が基板１１からゴム１２へ転写される（本願でいう「第１転写工程」の一例である）。

図７は、電子装置１の製造工程を示した第４の図である。カーボンナノチューブ５がゴム１２へ転写された後は、カーボンナノチューブ５が転写されたゴム１２が基板１１から引き離される。ゴム１２がゴム１２から引き離されることにより、カーボンナノチューブ５が基板１１から剥離する。

図８は、電子装置１の製造工程を示した第５の図である。基板１１からカーボンナノチューブ５が剥離された後は、カーボンナノチューブ５が付いているゴム１２が弛緩される。カーボンナノチューブ５が付いているゴム１２が弛緩されることにより、ゴム１２に付いているカーボンナノチューブ５の密度は、基板１１に付いていた時よりも高くなる。

図９は、電子装置１の製造工程を示した第６の図である。ゴム１２が弛緩された後は、ホットプレート１４に載置されたヒートスプレッダ２の表面に、ハンダ４を取り囲むための孔が形成された樹脂１７の付着が行われる。樹脂１７は、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂が望ましい。樹脂１７の厚さは、カーボンナノチューブの長さに比べて充分に薄く、単独でハンドリングができるものが望ましい。樹脂１７の厚さは、例えば、カーボンナノチューブの長さが２００μｍの場合には２～５０μｍ程度が望ましい。

図１０は、電子装置１の製造工程を示した第７の図である。樹脂１７が付着された後は、ゴム１２に付いているカーボンナノチューブ５のヒートスプレッダ２への転写が行われる（本願でいう「第２転写工程」の一例である）。カーボンナノチューブ５のヒートスプレッダ２への転写に際しては、カーボンナノチューブ５が付いているゴム１２がローラ１５でヒートスプレッダ２側へ押圧される。ゴム１２がローラ１５でヒートスプレッダ２側へ押圧されることで、ゴム１２の端面がヒートスプレッダ２に接触した状態で、ゴム１２がヒートスプレッダ２に樹脂１７で固定される。

図１１は、電子装置１の製造工程を示した第８の図である。本製造方法においては、カーボンナノチューブ５が転写されたヒートスプレッダ２からゴム１２が引き離される。ゴム１２がヒートスプレッダ２から引き離されることにより、カーボンナノチューブ５がゴム１２から剥離する。

図１２は、電子装置１の製造工程を示した第９の図である。本製造方法においては、カーボンナノチューブ５が転写されたヒートスプレッダ２と、発熱素子３の接合面にハンダ４が塗布される。

図１３は、電子装置１の製造工程を示した第１０の図である。本製造方法においては、ハンダ４が塗布されたヒートスプレッダ２と発熱素子３の接合面同士が向かい合う状態で発熱素子３がヒートスプレッダ２に載置され、ホットプレート１６でリフローが行われる。

図１４は、電子装置１の製造工程を示した第１１の図である。本製造方法においては、発熱素子３がヒートスプレッダ２に載置された状態でリフローが行われることにより、電子装置１が完成に至る。

図１５は、接合形態の検証結果を示した図である。本検証においては、発熱素子３とヒートスプレッダ２を模擬した部材（３５ｍｍ四方の銅板）同士をさまざまな形態（＃７０，９３，８６，７４，９２，９４）で接合した場合について検証している。本検証に用いたハンダペーストは千住金属工業（株）製のM705-RGS800 Type5である。このハンダペー
ストを、接合部分を模擬した１９×１１ｍｍの領域に塗布し、両部材を密着させてホットプレート上でリフローした。図１５の「厚さ」は、リフロー後のハンダの厚さである。また、図１５の「温度差」と「熱伝導率」は、一方の部材を１３Ｗの電気ヒータで加熱しながら他方の部材を窒素で冷却した際に観測された両部材間の伝熱性を示したデータである。また、図１５の「Ｃ－ＳＡＭ板１側」と「Ｃ－ＳＡＭ板２側」は、接合部分の超音波画像である。前者はヒートスプレッダとハンダ表面の界面、後者はハンダ表面と発熱素子の界面である。これらの図で中央部分の黒い線は熱電対を入れる穴で界面の状態とは無関係である。

図１５の「＃７０」は、両部材をハンダで厚めに接合した第１比較例である。また、図１５の「＃９３」は、両部材をハンダで薄めに接合した第２比較例である。また、図１５の「＃８６」は、両部材をカーボンナノチューブで接触させた第３比較例である。また、図１５の「＃７４」は、接合部分全域をハンダとカーボンナノチューブで接合した第４比較例である。また、図１５の「＃９２」は、上記実施形態に相当するものであり、両部材をハンダ及びハンダの周囲を取り囲むカーボンナノチューブで接合した実施例である。また、図１５の「＃９４」は、両部材をカーボンナノチューブとカプトンテープマスクの２層構造で接合した第５比較例である。

本検証において、上記実施形態の実施例に相当する「＃９２」は以下のようにして作成した。

すなわち、「＃９２」の作成にあたっては、まず、シリコン基板を用意し、その表面を熱酸化することで、下地膜として厚さ３００μｍ程度の熱酸化膜付きのシリコン基板を作成した。次に、下地膜の上にスパッタ法で１０μｍ程度の厚さのアルミニウム膜を下地金属膜として形成した。次いで、下地金属膜の上に、触媒金属膜として、スパッタ法で２．５μｍ程度の厚さの鉄膜を形成した。続いて、触媒金属膜の触媒作用を利用してホットフィラメントＣＶＤ法により複数のカーボンナノチューブを成長させた。成長条件は、原料
ガスとしてアセチレンガスとアルゴンガスとの混合ガスを用い、成長室内における原料ガスの総ガス圧力を５ｋＰａ～１０ｋＰａとし、アセチレンガスとアルゴンガスとの分圧比を１：９程度とし、ホットフィラメントの温度を１０００℃程度とし、基板温度を６２０℃～６６０℃程度とし、成長時間を約９０分程度とした。この成長条件により、高さ２５０μｍのカーボンナノチューブを成長させた。下地金属膜と触媒金属膜は、成長室内に原料ガスが導入された際に凝縮して粒状の金属粒となる。よって、カーボンナノチューブは、その金属粒の上にのみ成長する。この成長条件により、カーボンナノチューブの面密度は約１×１０^１１本／ｃｍ^２となり、各カーボンナノチューブの直径は４ｎｍ～８ｎｍで平均直径は約６ｎｍとなった。

カーボンナノチューブを成長させた後は、上記実施形態で説明したように、伸長させた状態のゴムシートへ基板からカーボンナノチューブを転写した。

次に、１２×６ｍｍの穴を空けた２５ｍｍ四方の樹脂を銅板に載せてホットプレートで加熱し、その上からカーボンナノチューブが転写されたゴムシートを載せ、カーボンナノチューブの端面が銅板と接触するようにローラで押圧した。本実施例の製作においては、ハンダのリフロー時の最高温度が２４０℃であるため、銅板にカーボンナノチューブを溶着させる樹脂には熱硬化性樹脂を用いた。

次に、カーボンナノチューブが無い領域を含む１９×１１ｍｍの領域と銅板にハンダを塗布してからリフローを行うことにより、上記実施形態の実施例に相当する「＃９２」の作成を完了した。

図１５に示す厚さを見比べると判るように、ハンダのみの場合（＃７０と＃９３）のハンダ層の厚さは数十～数百μｍとばらつきが大きく、厚さを制御することが困難であった。これら以外に作製したサンプルではハンダの厚さは２０～２３４μｍと分布が大きく塗布厚さや圧力に依存し、厚さ制御することが困難であった。また、図１５に示す超音波画像を見比べると判るように、第１比較例（＃７０）や第２比較例（＃９３）では接合部分のハンダに多量のボイドが確認された。また、第４比較例（＃７４）、実施例（＃９２）、第５比較例（＃９４）ではボイドが殆ど確認されなかった。また、実施例（＃９２）は、第４比較例（＃７４）と第５比較例（＃９４）に比べて伝熱特性も良好であることが確認された。第５比較例（＃９４）の温度差が実施例（＃９２）より大きいのは、実施例（＃９２）にある外周のカーボンナノチューブが熱伝導に寄与しているためである。

図１５に示すこのような検証結果より、カーボンナノチューブを用いるとハンダに生ずるボイドが効果的に抑制できることが判る。また、単にカーボンナノチューブを用いるのではなく、ハンダをカーボンナノチューブで周囲から取り囲むように用いることで、ボイドを抑制しつつ、良好な伝熱特性を得られることが判る。

スマートフォンをはじめとする情報機器のＣＰＵ等の発熱素子は、高性能化に伴って消費電力が増大化しており、過熱による素子の破壊を防ぐために所定の温度を超えると機能を停止または制限する保護機能を有している。よって、発熱素子の安定的な動作を実現するためには、効率良く素子を冷却する手段が求められる。中でも車載向け素子は高温環境下に耐える周辺材料の選択が必要不可欠であることが知られている。発熱素子を冷却する手段としては、機能素子とヒートスプレッダとの間に伝熱性の材料を挟み込んで接合面の凹凸を吸収し、接触面積を確保して、機能素子から発せられる熱をヒートスプレッダへ伝熱する形態のものが考えられる。伝熱性の材料としては、上述したようにハンダやカーボンナノチューブが挙げられる。

鉛フリーのハンダの融点は約２１７℃であり、有鉛ハンダより３０℃高い。よって、ハ
ンダの低融点化が望ましい。ハンダを使う際に問題になるのは、フラックスの残渣によりボイドが発生することに起因する接着強度や信頼性の低下である。また、ハンダの厚さは、塗布量や圧力、温度に依るため、制御が困難である。

この点、上記実施形態であれば、ハンダによる接合が行われる間、発熱素子とヒートスプレッダとの間隔がカーボンナノチューブで保持されるため、ハンダの厚さが薄くなりすぎることが無い。すなわち、接合面の凹凸を吸収するためにハンダの厚みを確保することが可能である。ハンダの厚みが確保されるため、ハンダ内部のボイドの発生が抑制される。また、上記実施形態であれば、ハンダの周囲がカーボンナノチューブで囲まれるため、ハンダの流出が抑制され、伝熱性が確保できる。

なお、上記実施形態では、基板１１に形成されたカーボンナノチューブ５をヒートスプレッダ２へ転写するに際し、ゴム１２を伸縮させながら転写に用いることで、カーボンナノチューブ５の密度を高めていた。しかし、上記実施形態の製造方法は、このような形態に限定されない。上記実施形態の製造方法は、例えば、カーボンナノチューブ５を基板１１からヒートスプレッダ２へ直接転写してもよい。また、上記実施形態では、カーボンナノチューブ５を基板１１からヒートスプレッダ２へ転写しているが、カーボンナノチューブ５は、基板１１から発熱素子３へ転写されてもよい。

１・・電子装置：２・・ヒートスプレッダ：３・・発熱素子：４・・ハンダ：５・・カーボンナノチューブ：１１・・基板：１２・・ゴム：１３，１５・・ローラ：１４，１６・・ホットプレート：１７・・樹脂

Claims

放熱部品の発熱素子が接合される部位に、密集状態で林立するカーボンナノチューブを枠状に形成する工程と、
前記接合される部位にハンダを介して前記発熱素子を接合する工程と、
前記カーボンナノチューブを基板表面に成長させる工程と、
前記基板表面に成長した前記カーボンナノチューブを、所定の部材を介して前記放熱部品へ転写する工程と、を有する、
電子装置の製造方法。
前記カーボンナノチューブを枠状に形成する工程では、前記カーボンナノチューブを前記放熱部品の接合面に樹脂で溶着する、
請求項１に記載の電子装置の製造方法。
前記所定の部材は、伸縮性の部材であり、
前記転写する工程は、成長した前記カーボンナノチューブを前記基板から前記所定の部材へ転写する第１転写工程と、前記第１転写工程の時よりも前記所定の部材を伸縮させた状態で前記所定の部材から前記発熱素子または前記放熱部品へ前記カーボンナノチューブを転写する第２転写工程と、を有する、
請求項１又は２に記載の電子装置の製造方法。