JP5673668B2 - 放熱構造体、電子機器およびそれらの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発熱源と放熱部を有する放熱構造体、電子機器とそれらの製造方法に関する。

サーバやパーソナルコンピュータに用いられる中央演算処理装置（ＣＰＵ）等の電子装置は、半導体素子から発する熱を効率よく放熱するために、発熱源となる半導体チップの直上に銅等の高い熱伝導率を有する材料よりなるヒートスプレッダ乃至ヒートシンクを配した構成を有している。

半導体チップ、ヒートスプレッダの表面にはサブミクロンオーダの凹凸が存在し、両者を直接突き合わせても、接触面積が稼げず、接触界面が大きな熱抵抗となり、放熱を効果的に行なうことが難しい。接触熱抵抗を小さくすることを目的として、発熱源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材が配置される。

サーマルインターフェイス材は、高い熱伝導度を有すると共に、発熱源及びヒートスプレッダの表面の微細な凹凸に適合して、広い接触面積を形成することが求められる。現状では、シリコングリース、シリコングリースより特性のよいグリースであるフェイズチェンジマテリアル（ＰＣＭ）、インジウム等が用いられている。

シリコングリース、ＰＣＭは、微細な凹凸に対する接触性はよいが、熱伝導度は１〜５Ｗ／ｍＫ程度である。これらの材料を用い、効果的な放熱を得る為には、膜厚を薄くする必要がある。発熱源とヒートスプレッダとの間には、熱膨張係数の差があり、熱膨張に起因して相対的位置ずれが生じる。サーマルインターフェイス材は、この相対的位置ずれを吸収する必要があるため、薄膜化には限界がある。

インジウムは、ＰＣＭと較べて高い熱伝導度（８０Ｗ／ｍＫ程度）を有し、容易に変形乃至溶融して接触性を確保可能である。しかし、レアメタルであるインジウムは、大幅な需要増加により価格が高騰している。また熱伝導度も、十分高いとはいえない。

近年、電気的、熱的伝導体としてカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が注目されている。カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、炭素原子が並んだグラフェンシートを細長い円筒状に丸めた形状を有し、シート１枚からなるものを単層ナノチューブ、シート２枚以上からなるものを多層ナノチューブと呼ぶ。直径は最小０．４ｎｍ、太いものは単層で約４ｎｍ、多層で数十ｎｍに及ぶ。長さは成長時間等の成長条件によって広範囲で設定でき、例えば５μｍ〜５００μｍとすることができる。

ＣＮＴは、その軸方向に非常に高い電気伝導度と、非常に高い熱伝導度をする。ＣＮＴの軸方向に沿う熱伝導度は、例えば、１５００Ｗ／ｍＫ程度と高くできる。ＣＮＴは、細い筒状であり、柔軟性にも富む。耐熱性にも優れている。ＣＮＴを、電気的、熱的伝導体として利用する研究が広く行なわれている。サーマルインターフェースとしてカーボンナノチューブを用いる場合は、その放熱特性を向上するために、高密度化と配向制御を図ることが好ましい。

特開２００６−１０８３７７号（特許第４１６７２１２号）は、対向する配線層の一方に凹部を設け凹部表面に触媒層を形成し、触媒層からＣＮＴを成長させることにより、平面上にＣＮＴを成長させた場合よりＣＮＴの数密度を向上させ、電気伝導度を向上させること、半導体チップに対向するヒートシンク表面に多数の凹部を形成し、凹部表面に触媒層を形成し、触媒層からＣＮＴを成長させることにより、数密度を向上させたＣＮＴ束を形成し、Ａｕ，Ｓｎなどの熱伝導性接着層を介して半導体チップに接続することを提案している。

例えば、半導体集積回路装置においては、大規模集積化が進んでいる。大電流密度化等により、発熱量も増加し、熱膨張量も増加する傾向にある。半導体集積回路装置が回路基板に固定して接続されると、熱膨張量の差は応力を発生させ、破壊の原因ともなる。半導体集積回路装置を、フレキシブルなＣＮＴを介して放熱体に接続すれば、熱膨張による応力を大幅に低減できるであろう。

ＣＮＴの成長温度は、一般的な化学気相堆積（ＣＶＤ）において６００℃以上である。半導体装置や電子部品は、６００℃以上の熱履歴に耐えられないものが多い。ＣＮＴを所望箇所に成長させる方法は、対象によりプロセスに制限を課す。従って、半導体装置や電子部品の所望位置に直接ＣＮＴを成長することは困難な場合が多い。

特開２００６−１４７８０１号は、基板上に金属触媒を介して高密度のＣＮＴ集合体を成長し、半導体素子などの発熱源に樹脂を塗布し、この樹脂層中にＣＮＴ集合体を突入させ、ＣＮＴ間に樹脂を浸透させ、樹脂を硬化させた後基板を分離して、発熱源上に樹脂層で結合されたＣＮＴシートを残すことを提案する。

別途準備することが可能で、配向したＣＮＴ集合体を含み、高い熱伝導度を有する部材を用いることができれば、プロセスの自由度が増す。ＣＮＴを別の耐熱性基板上に成長させ、そのＣＮＴを半導体装置や電子部品の所望位置に転写して、接続部材を形成することになる。厚さ方向に配向した多数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の集合体を樹脂材料などで結合したＣＮＴシートは、ＣＮＴ集合体に自己保持能力を与え、ＣＮＴ集合体の取り扱いを容易にするであろう。樹脂結合体は、ＣＮＴ間の空隙を埋め、且つ発熱源と放熱体間に配置したとき、発熱源、放熱体と面的な接触を形成できることが好ましい。

特表２００７−５０６６４２号（ＷＯ２００５／０３１８６４号）は、小板状粒子の凝集であるクレイとＣＮＴを混合し、剪断力を与えてＣＮＴを引き出し方向にアラインメントし、引き出し後パッド状に分割して、厚さ方向に熱伝導度の高いサーマルインターフェイス材を形成すること、液晶樹脂とＣＮＴを混合し、層状に延在させ、電場、磁場等を印加してＣＮＴを厚さ方向にアラインメントさせ、厚さ方向に熱伝導度の高いサーマルインターフェイス材を形成すること、を提案する。

特開２００６−１０９２０４号は、成長基板上に金属触媒を介して高密度のＣＮＴ集合体を成長し、ＣＮＴ集合体の露出した端部に保護層を形成し、基板を剥がし、露出したＣＮＴ集合体の他端にも保護層を形成し、両端部が保護層で覆われたＣＮＴ集合体間に高分子溶液を注入し、固化させて基板とした後、保護層を取り除き、露出したＣＮＴ端部を埋め込むように相変化材料（フェーズチェンジマテリアル）層を形成し、圧力、温度を印加して相変化材料を溶融し、ＣＮＴ先端を屈曲させた後、冷却して相変化材料層を固化させることを提案する。高分子溶液はシリコンゴム等であり、例えばダウコーニング社から入手可能なＳｙｌｇａｒｄ１６０である。相変化材料はパラフィン等で構成され、例えば２０℃〜９０℃の相変化温度で軟化、液化する。

特開２００６−１０８３７７号公報 特開２００６−１４７８０１号公報 特表２００７−５０６６４２号公報 特開２００６−１０９２０４号公報

本発明の目的は、放熱効率のよい、新規な構成の放熱構造体ないし電子機器を提供することである。

本発明の１観点によれば、
発熱源と、
前記発熱源に対向して配置された放熱体と、
前記発熱源、前記放熱体の対向面の少なくとも一方に形成された凹部と、
前記発熱源と、前記放熱体との間に配置され、前記発熱源、前記放熱体の対向面に接触する熱可塑性材の充填層と、前記熱可塑性材中に分布し、前記充填層の表面に垂直に配向し、両端部が前記発熱源、前記放熱体の対向面に接触し、前記凹部が端部を収容するカーボンナノチューブ集合体と、を含む伝熱構造と、
を有する放熱構造体
が提供される。

本発明の他の観点によれば、
成長基板上にカーボンナノチューブ集合体を成長し、
前記カーボンナノチューブ集合体上に、前記カーボンナノチューブの長さより大きい厚さを有する熱可塑性材シートを配置し、
前記熱可塑性材シートを加熱溶融し、前記カーボンナノチューブ集合体を埋め込む形状にした後、降温、固化してカーボンナノチューブシートとし、
少なくとも対向面の一方に凹部を形成した、発熱源、放熱体の間に、前記カーボンナノチューブシートを配置して積層構造とし、
前記発熱源、前記放熱体間に前記カーボンナノチューブシートを挟持した状態で、加熱、加圧して、前記熱可塑性材を溶融し、前記発熱源、前記放熱体間の距離を縮小し、前記カーボンナノチューブ集合体の両端部が前記発熱源、前記放熱体に対して接触を形成するようにし、
前記積層構造を降温して、前記熱可塑性材を固化する
放熱構造体の製造方法
が提供される。

図１Ａ−１Ｅは、実施例によるＣＮＴシートの製造プロセスを示す断面図であり、図１ＢＸ、１ＢＺ，１Ｆ−１Ｇは、変形例の製造プロセスを示す断面図、図１ＢＹはＣＮＴ端部を金属が被覆した状態を示す概略図である。 図２Ａ−２Ｄは、予備実験による放熱構造体の製造プロセスを示す断面図、およびクラックが生じたサンプルの顕微鏡写真である。 図３Ａ−３Ｄは、実施例１による放熱構造体の製造プロセスを示す断面図である。 図４Ａ−４Ｄは、実施例２による放熱構造体の製造プロセスを示す断面図である。 図５Ａ−５Ｄは、実施例３による放熱構造体の製造プロセスを示す断面図である。 図６Ａ−６ＦはＣＮＴ集合体拘束用凹部を形成した法熱体および発熱源の斜視図である。 図７Ａ，７Ｂは、ＣＮＴシートの他の構成を示す側面図である。 図８Ａ−８Ｃは、具体的応用例を示す概略断面図である。

本発明者らは、配向を揃えたＣＮＴ集合体を熱可塑性材料でシート状にまとめることを考えた。ＣＮＴに対する結合材料を熱可塑性材料とすれば、加熱により結合材料を軟化、溶融して、シート自身を変形自由な状態として発熱源、放熱体との接触面積を可能な限り広く確保すると共に、各ＣＮＴに変形等の自由度を与えることができる。ＣＮＴ端部がシート表面で発熱源、放熱体に直接接する接触状態を確立した後、降温させれば、ＣＮＴ集合体の接触状態を固定化、保存することができるであろう。このようなカーボンナノチューブシートの作成について説明する。

図１Ａに示すように、カーボンナノチューブを形成するための成長基板１１を用意する。成長基板１１としては、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、金属基板などを用いることができる。また、これら基板上に薄膜が形成されたものでもよい。例えば、シリコン基板上に膜厚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。

成長基板１１はカーボンナノチューブの形成後に剥離されるものである。この目的の下、成長基板１１としては、カーボンナノチューブ形成温度において、変質しないこと、少なくともカーボンナノチューブに接する面が、カーボンナノチューブから容易に剥離できる材料によって構成されていること、又はカーボンナノチューブに対して選択的にエッチングできる材料によって構成されていることが望ましい。

例えばスパッタ法により、膜厚２．５ｎｍのＦｅ（鉄）膜を成長基板１１表面上に形成し、Ｆｅよりなる触媒金属膜１２を形成する。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）、又はこれらの内少なくとも１つの材料を含む合金を用いてもよい。触媒として、金属膜以外に微分型静電分級器（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｚｅｒ；ＤＭＡ）等を用い、あらかじ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と同様でよい。

また、これら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）、Ａｌ２Ｏ３（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（チタンナイトライド）、又はこれらの内少なくとも１つの材料を含む合金、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）の積層構造を適用することができる。

図１Ｂに示すように、成長基板１１上に、例えばホットフィラメントＣＶＤ法により、触媒金属膜１２を触媒として、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）１３を成長する。カーボンナノチューブ１３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２０分とする。これにより、層数が３〜６層（平均４層程度）、直径が４〜８ｎｍ（平均６ｎｍ）、長さが８０μｍ（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１３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。

こうして、成長基板１１上に、成長基板１１面に対して垂直配向した多数のカーボンナノチューブ１３が形成される。なお、カーボンナノチューブはある程度以上の数密度になると、基板に対して垂直に成長するようになる性質を有する。上記の成長条件で形成したカーボンナノチューブ１３の面内の数密度は、１×１０１１本／ｃｍ２程度であった。

図１Ｃに示すように、ポッティング法により、熱可塑性樹脂であるホットメルト樹脂をカーボンナノチューブ１３間を充填する充填層とする。例えば、厚み１００μｍに加工したホットメルト樹脂シート１４を用い、カーボンナノチューブ１３の上にホットメルト樹脂シート１４を置く。ホットメルト樹脂は、例えば、ヘンケルジャパン社から入手可能なマイクロメルト６２３９ホットメルト充填材（溶解温度１３５℃〜１４５℃、溶解時粘度５．５Ｐａ・ｓ〜８．５Ｐａ・ｓ＠２２５℃）を用いる。

図１Ｄに示すように、加熱して樹脂を液状に融解させることにより、樹脂がカーボンナノチューブ１３の間および束間の間隙に充填される。厚さ１００μｍのホットメルト樹脂層は、溶融した時、長さ８０μｍのＣＮＴを完全に埋め込むであろう。なお、図１Ｅでは樹脂がＣＮＴ中に含浸され、成長基板まで到達する状態を示しているが、時間制御によりＣＮＴの途中まで、樹脂を含浸させる（図１Ｄに示すように、成長基板に達しない状態で終了させる）ことも可能である。特に、成長基板との密着性が高い樹脂を用いる場合は、その後の剥離工程を容易にするため、樹脂をＣＮＴ途中まで含浸させることが有益である。

充填剤は、室温で固体であり、加熱すると液状に変化し、その後に再度冷却すると接着性を発現しながら固体に戻るものであれば、マイクロメルト６２３９ホットメルト充填材に限定されるものではない。例えば、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、ポリウレタン系樹脂、変性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、変性ＳＢＲホットメルト樹脂、ＥＶＡ系ホットメルト樹脂、ブチルゴム系ホットメルト樹脂などを適用することができる。ホットメルト樹脂の融解温度は、この後、このＣＮＴシートが設置される放熱構造体の耐熱温度によって上限温度が制限されるが、その範囲に収まっていれば、特に限定されるものではない。例えば、６０℃〜２５０℃程度である。シート状ホットメルト樹脂のシート厚は特に限定されるものではないが、カーボンナノチューブ１３の長さに応じて最適な膜厚を使用する事が好ましい。シート厚は、好適には５μｍ〜５００μｍである。ホットメルト樹脂の形状はシート状が好ましいが、形状に特に制限はなく、グレイン形状、棒状形状のものを用いても何ら問題はない。

次いで、ホットメルト充填材がカーボンナノチューブ１３間の間隙を充填したことを確認したら、冷却して再度ホットメルト樹脂を固化させる。加熱温度及び加熱時間は、ホットメルト樹脂の融解温度、融解時の粘度、樹脂シート厚、カーボンナノチューブ長などを考慮して決められる。

図１Ｅに示すように、カーボンナノチューブ１３及び充填層１４を成長基板１１から剥離し、カーボンナノチューブシートを得る。典型的には、カーボンナノチューブ１３が充填層１４に埋め込まれた構造が得られる。充填層１４は、室温で固体であり、ＣＮＴ集合体を充填層１４で結合したＣＮＴシートを取り扱うのは容易である。

対象とする２物体間にＣＮＴシートを配置し、充填層１４を加熱すると、充填層１４は溶融し、厚さを減少させつつ、対象物との接触面積を増大する。ＣＮＴ両端が対象物に当接すると、印加圧力に応じてＣＮＴは弾性変形し、対象物と良好な接触を形成する。ＣＮＴは、若干弾性変形するが、全体としてはＣＮＴシートの面に垂直な配向であり、これも垂直と呼ぶ。

ＣＮＴの端部に、充填層より熱伝導度の高い金属層をコートした構造を用いることもできる。ＣＮＴ端部に金属をコートすると、ＣＮＴと金属の間に良好な接触（電気的、熱的）が形成され、金属コートを対象物に接触させる時も良好な接触が得られやすい。

図１ＢＸに示すように、成長基板１１の上に成長したＣＮＴ集合体１３の上に、例えばスパッタリングによりＡｕ等の金属層１５を堆積する。数密度が高いＣＮＴ集合体１３は隣接するＣＮＴ間の距離が狭く、ＣＮＴの側面には金属層１５はほとんど堆積せず、ＣＮＴの端部のみが金属層１５で覆われる。

図１ＢＹに示すように、１本のＣＮＴを取り出すと、ＣＮＴ１３の端部が金属層１５で覆われた形状となる。対象とする発熱源乃至放熱体に対して良好な熱的接触を形成することが容易になる。

図１ＢＸに示す状態の基板に対して、図１Ｃ−図１Ｅに示す充填材のポッティング処理を行なう。図１Ｆに示すように、ＣＮＴ集合体１３の一方の端部が金属１５でコートされたＣＮＴシート３が得られる。

図１ＢＺに示すように、ＣＮＴ集合体の１端面に金属層１５を堆積した後、接着層１６等を用いてＣＮＴ集合体１３を成長基板１１から剥離し、露出したＣＮＴ集合体１３の他の端面にＡｕ等の金属層１７をスパッタリング等により堆積することもできる。ＣＮＴ集合体の１端面に金属層１５が形成され、他端面に金属層１７が形成されることにより、各ＣＮＴの両端に金属層のコートがされる。

図１Ｇに示すように、両端面に金属層を形成したＣＮＴ集合体１３に充填層１４をポッティングし、支持体から剥離してＣＮＴシート３を得る。充填層１４内に埋め込まれたＣＮＴ１３は、両端に金属層１５，１７を備える。

このようにして、両端面に金属層のないＣＮＴ集合体１３を有するＣＮＴシート、一方の端面に金属層を堆積したＣＮＴ集合体１３を有するＣＮＴシート、両端面に金属層を堆積したＣＮＴ集合体１３を有するＣＮＴシートを得ることができる。

以下、ＣＮＴ集合体の１端面を金属で被覆し、充填材で結合したＣＮＴシートを用いて行なった予備実験を説明する。まず、発熱源から熱を奪うことが重要であるので、金属層の被覆を発熱源（ＣＰＵ）側に配置した。

図２Ａに示すように、放熱構造体を形成するため、ＣＰＵチップである発熱体１とヒートスプレッダである放熱体２の間に熱可塑性樹脂１４で結合されたＣＮＴ集合体１３を含むＣＮＴシート３を配置する。ＣＮＴシート３の熱可塑性樹脂１４は固相である。発熱体１とＣＮＴ１３（より厳密にはその先端の金属コーティング１５）との間、およびＣＮＴ１３と放熱体２との間に良好な熱的接触を形成するには、熱可塑性樹脂１４を加熱して溶融し、ＣＮＴシート３の両側から圧力を印加して、ＣＮＴ１３の両端部を発熱体１および放熱体２と物理的に係合させることが必要である。

図２Ｂに示すように、発熱体１、放熱体２の重ね合わせ構造に加熱、加圧を行なった。加熱により熱可塑性樹脂１４が溶融し、加圧により発熱体１、放熱体２の間の距離が縮小し、ＣＮＴ集合体１３が直接発熱体１、放熱体２に接触する。降温して、熱可塑性樹脂１４を固化させる。ところが、昇温、高温保持、降温の後に放熱構造体を観察すると、ＣＮＴが移動して、ＣＮＴが存在しない領域（クラック）が生じてしまっていた。クラックが微細であれば、放熱特性に与える影響も小さいが、例えば、クラックの幅が半導体基板の厚さの２倍程度以上になると、放熱特性に与える影響は無視できない。ホットスポットが発生してしまう可能性がある。

図２Ｃ，２Ｄはクラックの生じたＣＮＴ集合体の顕微鏡写真を示す。クラックが生じ、ＣＮＴが存在しないようになった領域が明らかに観察される。

クラックの原因を究明する。発熱体１と放熱体２の間にＣＮＴシート３を配置した時点で、ＣＮＴ集合体の各ＣＮＴはシート３の面に垂直な方向に配向している。充填層１４の厚さはＣＮＴ１３の長さより大きく、ＣＮＴの両端が、発熱源１および放熱体２に接した状態にはならない。加熱により熱可塑性樹脂１４が溶解すると、少なくともＣＮＴ集合体が支持力を発揮するまでは、加圧により発熱源１、放熱体２が互いに近づき、熱可塑性樹脂１４は外方に流れるであろう。このとき、熱可塑性樹脂１４と共にＣＮＴ１３も移動することが考えられる。

熱可塑性樹脂が溶解しても、ＣＮＴが移動しないようにするために、ＣＮＴの移動を阻止する構造を設けることが考えられる。発熱源か、ヒートスプレッダのいずれか、又は双方にカーボンナノチューブの先端を収容し、移動を妨げる凹部を設ける。

充填材として用いる熱可塑性樹脂を溶融し、圧力を印加して、発熱源であるＣＰＵチップと、ＣＮＴシートと、ヒートスプレッダと、を圧着する際、樹脂はヒートスプレッダの面内方向に移動するが、カーボンナノチューブはヒートスプレッダに設けられた凹部によって移動を抑制される。結果として、カーボンナノチューブ集合体にクラックが生じず、局所的な放熱性劣化を生じさせないと期待される。

図３Ａ，３Ｂは、実施例１による放熱構造体の製造プロセスを示す。図３Ａに示すように、多数のカーボンナノチューブ１３間の間隙に熱可塑性樹脂で形成された充填材１４が埋め込まれたＣＮＴシート３をサーマルインターフェースマテリアルとして用いる。ＣＮＴシート３は、ＣＰＵチップ１の発熱領域を内包する領域に配置される。ＣＰＵチップ１の全面に発熱領域が存在する場合には、破線で示すＣＰＵチップ１全面を内包するＣＮＴシートを用いる。カーボンナノチューブ１３の一方の端部は、充填材１４よりも熱伝導率の高い、金属１５でコーティングされている。各カーボンナノチューブ１３はシートの面に垂直な方向に配向している。カーボンナノチューブは単層でも多層でもよいが、数密度は放熱性（場合によってはさらに電気伝導性）の観点から１×１０１０本／ｃｍ２以上が好ましい。カーボンナノチューブ１３の長さは、放熱構造体の用途によって決まり、制限的ではないが、例えば５μｍ〜５００μｍ程度に設定される。

熱可塑性樹脂としては、例えばヘンケルジャパン社より入手可能なマイクロメルト６２３９ホットメルト充填材（溶解温度：１３５℃〜１４５℃、溶解時粘度：５．５Ｐａ／ｓ〜８．５Ｐａ／ｓ＠２２５℃）を用いる。

発熱源１と対向し、ＣＮＴシート３と接する、ヒートスプレッダ２の面に凹部４を設ける。凹部４の底面は平坦で、凹部４の厚さ方向の断面形状は矩形である。凹部４の面積はＣＮＴ集合体１３を収容できるように設定する。凹部４の深さは、ＣＮＴの移動を妨げられるようにする。ＣＮＴの物理的接触を実現するため、凹部４の深さは、当然、ＣＮＴの長さより短くなくてはならない。凹部４の深さは、例えば１μｍ〜２００μｍ、例えば１０μｍ〜５０μｍとする。凹部４は、エッチングや機械加工で形成する。ヒートスプレッダ２の材料は、例えば、銅等の金属、特に無酸素銅を用いることができる。

ＣＰＵチップ等の発熱源１上にＣＮＴシート３を配置し、その上方に、ヒートスプレッダ２をＣＮＴシート３に位置合わせして配置する。凹部４がＣＮＴシート３に対向する。

図６Ａは、ヒートスプレッダ２の形状例を示す斜視図である。板状のヒートスプレッダ２の下面に、２段構成の凹部が形成されている。広い凹部８は外側を枠状の段差で囲まれ、ＣＮＴシート３全体を内包し、熱可塑性樹脂の充填材１４が流れても堰き止めることが出来る構成を有する。広い凹部８の中央部に、ＣＮＴシート３のＣＮＴ集合体１３を収容する凹部４が形成されている。ＣＰＵチップ１と比較して広い面積のヒートスプレッダを用いることにより、安定した取り扱い、放熱特性を促進することもできる。

図３Ｂに示すように、ＣＮＴシート３をヒートスプレッダ２とＣＰＵチップ１で挟持した状態で、熱可塑性樹脂１４が融解する温度まで全体を昇温し、ＣＰＵチップ１とヒートスプレッダ２が近づく方向に圧力を印加する。例えば、圧力を印加した状態で１０分間放置し、充填材１４からカーボンナノチューブ１３が突出するのを促す。ヒートスプレッダ２の凹部４に陥入したカーボンナノチューブ１３は凹部４の側面で規制され、それより外側には移動しない。圧力を印加したまま、温度を室温まで降温する。ヒートスプレッダ２とＣＰＵチップ１が、ＣＮＴシート３の充填層１４で接着された構造が得られる。その後圧力を解放する。なお、製造プロセスなどにより、凹部の側面が傾斜することもある。この場合、凹部の断面形状は厳密には台形となるが、このような場合も含めて、底面が平坦で表面と平行な場合は、断面形状が矩形と呼ぶ。

ヒートスプレッダの表面に断面形状が矩形の凹部を形成する場合を説明したが、それ以外の形状の凹部を形成することも可能である。例えば、表面より掘り下げられた凹部であって、その底面の厚さ方向断面がジグザグとなる形状である。

図３Ｃは、ヒートスプレッダ２に底面の断面形状５がジグザグである凹部を形成した場合を示す。平面視したときに、角錐、乃至円錐的な引き込み部が分布している形状や、複数の溝が分布している形状などが可能である。ＣＮＴシート３、発熱源１は、図３Ａの場合と同様である。

図６Ｂは、下面に複数の溝ないし畝５が平行に配列されたヒートスプレッダ２を斜め下方から見た斜視図である。図６Ａの内側凹部４内に溝ないし畝５が形成された形状である。溝ないし畝を横断する方向に関して、ＣＮＴ集合体１３に対する拘束力が増大する。

図６Ｃは、下面に格子状に角錐状凹部５が形成されたヒートスプレッダ２を斜め下方から見た斜視図である。図６Ａの内側凹部４内に角錐状凹部５が形成されている。２次元方向で分布した凹部により、ＣＮＴ集合体１３に対し２次元方向の拘束力を増加する。平面を埋め尽くす多角形として、三角形、四角形、六角形が知られている。角錐として三角錐、四角錘、六角錐を形成して平面を埋め尽くすことができる。

図３Ｄは、加熱、加圧工程後の、ヒートスプレッダ２、ＣＮＴシート３、ＣＰＵチップ１の結合構造の状態を示す。表面から掘り込まれた凹部にはＣＮＴが安定に分布するであろうが、掘り込まれた領域間の陵的部分では、深さ（高さ）が減少するためＣＮＴの存在確率が減少する可能性がある。ＣＮＴの存在確率が低い領域が広くなるとホットスポットを形成する可能性が生じる。そこで、掘り込み構造の周期は、ＣＰＵチップの厚さの２倍以下とすることが望ましい。

実施例１においては、発熱源１と対向するヒートスプレッダ２に凹部を形成した。凹部を、発熱源１に形成することもできる。以下、凹部を発熱源に形成する実施例２を説明する。

図４Ａ，４Ｂは、発熱源に、断面形状が矩形の凹部６を設けた場合を示す。図４Ａがヒートスプレッダ２、ＣＮＴシート３、ＣＰＵチップ１の初期における相対的配置を示し、図４Ｂが加熱、加圧後の結合した放熱構造体の構成を示す。図３Ａ，３Ｂの場合と較べると、凹部がヒートスプレッダ２ではなく、ＣＰＵチップ１に形成されている点が異なる。ＣＰＵチップの半導体基板裏面を例えばエッチングで掘り下げて、断面形状が矩形（台形）の凹部を形成する。ＣＮＴ集合体１３はＣＰＵチップ１上での位置が規制される。発熱はＣＰＵチップ内で生じるので、ＣＰＵチップと接するＣＮＴ集合体の分布を規制することは、より直接的に放熱効率の均一化を図れる効果を生じる。

図６Ｄは、断面が矩形の凹部６を形成したＣＰＵチップ１の斜視図である。発熱領域を内包するように凹部６を設けることが好ましい。

図４Ｃ，４Ｄは、発熱源に底面の断面形状がジグザグの凹部を形成する場合を示す。図４Ｃがヒートスプレッダ２、ＣＮＴシート３、ＣＰＵチップ１の初期における相対的配置を示し、図４Ｄが加熱、加圧後の放熱構造体の構成を示す。例えば、立体的な（厚さ分布を有する）レジストパターンを利用した転写エッチング工程により、発熱源に底面の断面形状がジグザクの凹部を形成することができる。

図６Ｅは、ＣＰＵチップ１の上面に、複数の溝ないし畝７が平行に配列されたヒートスプレッダ２を、斜め上方から見た斜視図である。溝ないし畝を横断する方向に関して、ＣＮＴ集合体１３に対する拘束力が増大する。

図６Ｆは、ＣＰＵチップ１の上面に、格子状に角錐状凹部７が形成されたヒートスプレッダ２を、斜め上方から見た斜視図である。２次元方向で分布した凹部により、ＣＮＴ集合体１３に対し２次元方向の拘束力を増加する。

凹部を形成するのは、発熱源、放熱体の一方のみに限らない。以下、発熱源と放熱体の両方に凹部を形成する実施例３を説明する。

図５Ａ，５Ｂは、発熱源であるＣＰＵチップ１と放熱体２であるヒートスプレッダ２の両方に、断面形状が矩形の凹部を形成した場合を示す。図５Ａがヒートスプレッダ２、ＣＮＴシート３、ＣＰＵチップ１の初期における相対的配置を示し、図５Ｂが加熱、加圧後の放熱構造体の構成を示す。ＣＮＴ集合体１３は、両端において分布の輪郭が規制され、より均一な放熱が保証されるであろう。

図５Ｃ，５Ｄは、発熱源であるＣＰＵチップ１と放熱体２であるヒートスプレッダ２の両方に、底面の断面形状がジグザグである凹部を形成した場合を示す。図５Ｃがヒートスプレッダ２、ＣＮＴシート３、ＣＰＵチップ１の初期における相対的配置を示し、図５Ｄが加熱、加圧後の放熱構造体の構成を示す。ＣＮＴ集合体１３は、両端において分布が規制されより均一な放熱が補償されるであろう。なお、ヒートスプレッダ２とＣＰＵチップ１とに類似形状の凹部を形成する場合を示したが、図３Ａ，３Ｃに示す凹部を形成したヒートスプレッダ２と、図４Ａ，４Ｃに示す凹部を形成したＣＰＵチップとをどのように組み合わせることも可能である。

また、ＣＮＴ集合体の１端面に金属被覆を形成し、ＣＰＵチップ１側に金属被覆が配置される場合を説明した。金属被覆は、熱抵抗抑制に有効であるが、必須ではない。金属被覆のないＣＮＴ集合体や、両端面に金属被覆を備えたＣＮＴ集合体を用いることもできる。

図７Ａは、金属被覆を有さないＣＮＴ集合体１３を充填材１４に埋め込んだＣＮＴシート３を示す。図１Ｅに示すＣＮＴシート３を用いることができる。ＣＮＴシート３の製造工程が簡略化できる利点を有する。

図７Ｂは、両端面に金属被覆１５，１７を備えたＣＮＴ集合体１３を充填材１４に埋め込んだＣＮＴシートを示す。図１Ｇに示すＣＮＴシート３を用いることができる。ＣＮＴシート作成プロセスが複雑化するが、ＣＮＴ両端での熱抵抗抑制に有効であろう。

図７Ａ，７Ｂに示すＣＮＴシートを図３Ａ−３Ｄ，４Ａ−４Ｄ５Ａ−５Ｄに示したＣＮＴシートの代わりに用いた場合にも、ＣＮＴ集合体の分布が規制でき、クラックの発生を抑制できる。

図８Ａ，８Ｂ，８Ｃは、応用例を示す概略断面図である。

図８Ａは、Ｓｉ基板に形成した中央演算装置（ＣＰＵ）等の高速、高集積度の半導体素子のパッケージを示す。ガラスエポキシ基板などを用いたプリント配線基板５１の上にハンダバンプ５２を介してビルドアップ基板５３が接続され、ビルドアップ基板５３上にハンダバンプ５４を介してＣＰＵ等の半導体チップ５５がフリップチップボンディングで接続されている。半導体チップ５５の裏面側にヒートスプレッダ５７が配置され、半導体チップ裏面との間にＣＮＴ集合体の両端面に金属層がコーティングされたＣＮＴシート５６が配置されている。ヒートスプレッダ５７、ＣＮＴシート５６、半導体チップ５５の組み合わせは、上述の実施例によるいずれかの構成でよい。ヒートスプレッダ５７の上面にシリコングリース等の介在層５８を介して放熱フィン５９が接続されている。

図８Ｂは、高出力の増幅器チップのパッケージを示す。携帯電話の基地局などでは、高周波、高出力のＧａＮ高移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等が高出力の増幅器として用いられる。金属ブロック乃至水冷のヒートシンク６１の上にシリコングリース等の介在層６２を介して金属性パッケージ６３が配置され、パッケージ６３の底面上に、ＣＮＴシート６４を介して、高出力増幅器チップ６５が接続されている。パッケージの上部開口にパッケージキャップ６６が配置され、シールされる。

図８Ｃは、電力デバイスのパッケージを示す。ヒートシンク７１の上にモールド樹脂７２でモールドされた電力デバイス７３が配置され、モールドされた電力デバイスの上面にもヒートシンク７９が配置されている。電力デバイス７３は、例えばＳｉＣ電力モジュールであり、ＣＮＴシート７４を介して、リード７５に接続されている。電力デバイスの上面には電極７６、ワイヤ７７を介してリード７８が接続されている。

図８Ａ，８Ｂ，８Ｃの構成において、ＣＮＴシート５６，６４，７４としては、放熱の最良化のためにはＣＮＴ両端が金属で被覆された、図１Ｇ，６Ｂに示す型のＣＮＴシートを用いる。コストを考慮した場合、ＣＮＴの一端を金属被覆した図１Ｆ，３Ａ等に示す型、またはＣＮＴ端部に金属被覆を有さない図１Ｅ，６Ａに示す型のＣＮＴシートを用いることもできる。

以上の実施例を含む実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）
発熱源と、
前記発熱源に対向して配置された放熱体と、
前記発熱源、前記放熱体の対向面の少なくとも一方に形成された凹部と、
前記発熱源と、前記放熱体との間に配置され、前記発熱源、前記放熱体の対向面に接触する熱可塑性材の充填層と、前記熱可塑性材中に分布し、前記充填層の表面に垂直に配向し、両端部が前記発熱源、前記放熱体の対向面に接触し、前記凹部によって前記対向面内における分布が規制されているカーボンナノチューブ集合体と、を含む伝熱構造と、
を有する放熱構造体。

（付記２）
前記カーボンナノチューブ集合体の少なくとも１端を被覆する、前記充填層より熱伝導度が高い被覆をさらに有する付記１に記載の放熱構造体。

（付記３）
前記被覆が金属で形成されている、付記１又は２に記載の放熱構造体。

（付記４）
前記発熱源が電子デバイスを内蔵する、付記１〜３のいずれか１項に記載の放熱構造体。

（付記５）
前記凹部が、平坦な底面を有し、前記底面が前記対向面に平行である、付記１〜４のいずれか１項に記載の放熱構造体。

（付記６）
前記凹部が、断面がジグザグである付記１〜４のいずれか１項に記載の放熱構造体。

（付記７）
成長基板上にカーボンナノチューブ集合体を成長し、
前記カーボンナノチューブ集合体上に、前記カーボンナノチューブの長さより大きい厚さを有する熱可塑性材シートを配置し、
前記熱可塑性材シートを加熱溶融し、前記カーボンナノチューブ集合体を埋め込む形状にした後、降温、固化してカーボンナノチューブシートとし、
少なくとも対向面の一方に凹部を形成した、発熱源、放熱体の間に、前記カーボンナノチューブシートを配置して積層構造とし、
前記発熱源、前記放熱体間に前記カーボンナノチューブシートを挟持した状態で、加熱、加圧して、前記熱可塑性材を溶融し、前記発熱源、前記放熱体間の距離を縮小し、前記カーボンナノチューブ集合体の両端部が前記発熱源、前記放熱体に対して接触を形成するようにし、
前記積層構造を降温して、前記熱可塑性材を固化する
放熱構造体の製造方法。

（付記８）
前記凹部が、前記カーボンナノチューブ集合体の端部を収容するように位置合わせされている、付記７に記載の放熱構造体の製造方法。

（付記９）
前記カーボンナノチューブ集合体を成長した後、前記カーボンナノチューブ集合体の露出している一方の端面に、金属を被覆する、付記７又は８に記載の放熱構造体の製造方法。

（付記１０）
前記カーボンナノチューブ集合体の一方の端面に金属を被覆した後、前記カーボンナノチューブ集合体を支持部材上に転写し、
前記カーボンナノチューブ集合体の露出している他の端面に、金属を被覆する、付記９に記載の放熱構造体の製造方法。

（付記１１）
発熱源と、
前記発熱源に対向して配置された放熱体と、
前記発熱源、前記放熱体の対向面の少なくとも一方に形成された凹部と、
前記発熱源と、前記放熱体との間に配置され、前記発熱源、前記放熱体の対向面に接触する熱可塑性材の充填層と、前記熱可塑性材中に分布し、前記充填層の表面に垂直に配向し、両端部が前記発熱源、前記放熱体の対向面に接触し、前記凹部によって前記対向面内における分布が規制されているカーボンナノチューブ集合体と、を含むＣＮＴシートと、
を有する電子機器。

（付記１２）
前記カーボンナノチューブ集合体の少なくとも一端を被覆する、前記充填層より熱伝導度が高い被覆をさらに有する付記１１に記載の電子機器。

（付記１３）
前記被覆が金属で形成されている、付記１１又は１２に記載の電子機器。

（付記１４）
前記発熱源が電子デバイスを内蔵する、付記１１〜１３のいずれか１項に記載の電子機器。

（付記１５）
前記凹部が、平坦な底面を有し、前記底面が前記対向面に平行である、付記１１〜１４のいずれか１項に記載の電子機器。

（付記１６）
前記凹部が、断面がジグザグである付記1１〜1４のいずれか１項に記載の電子機器。

（付記１７）
成長基板上にカーボンナノチューブ集合体を成長し、
前記カーボンナノチューブ集合体上に、前記カーボンナノチューブの長さより大きい厚さを有する熱可塑性材シートを配置し、
前記熱可塑性材シートを加熱溶融し、前記カーボンナノチューブ集合体を埋め込む形状にした後、降温、固化してカーボンナノチューブシートとし、
少なくとも対向面の一方に凹部を形成した、発熱源、放熱体の間に、前記カーボンナノチューブシートを配置して積層構造とし、
前記発熱源、前記放熱体間に前記カーボンナノチューブシートを挟持した状態で、加熱、加圧して、前記熱可塑性材を溶融し、前記発熱源、前記放熱体間の距離を縮小し、前記カーボンナノチューブ集合体の両端部が前記発熱源、前記放熱体に対して接触を形成するようにし、
前記積層構造を降温して、前記熱可塑性材を固化する
電子機器の製造方法。

（付記１８）
前記凹部が、前記カーボンナノチューブ集合体の端部を収容するように位置合わせされている、付記１７に記載の電子機器の製造方法。

（付記１９）
前記カーボンナノチューブ集合体を成長した後、前記カーボンナノチューブ集合体の露出している一方の端面に、金属を被覆する、付記1７又は1８に記載の電子機器の製造方法。

（付記２０）
前記カーボンナノチューブ集合体の一方の端面に金属を被覆した後、前記カーボンナノチューブ集合体を支持部材上に転写し、
前記カーボンナノチューブ集合体の露出している他の端面に、金属を被覆する、付記１９に記載の電子機器の製造方法。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限られるものではない。例えば、ＣＮＴシートを熱伝導部材として用いると共に、例えば接地導体として、電気伝導部材としても用いることができる。ＣＮＴ端部の金属被覆はＡｕに限らず、状況に応じて、Ａｕ，Ｓｎ，Ａｇ、Ａｌ等から選択することも可能である。熱伝導体として用いる場合、ＣＮＴ端面の被覆は金属に限らない。充填層の熱伝導率より熱伝導性の高い半導体材料や絶縁材料を用いることもできる。その他、種々の変更、置換、改良、修正、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

Claims (10)

1. 発熱源と、
   前記発熱源に対向して配置された放熱体と、
   前記発熱源、前記放熱体の対向面の少なくとも一方に形成された凹部と、
   前記発熱源と、前記放熱体との間に配置され、前記発熱源、前記放熱体の対向面に接触する熱可塑性材の充填層と、前記熱可塑性材中に分布し、前記充填層の表面に垂直に配向し、両端部が前記発熱源、前記放熱体の対向面に接触し、前記凹部が端部を収容するカーボンナノチューブ集合体と、を含む伝熱構造と、
   を有する放熱構造体。
2. 前記カーボンナノチューブ集合体の少なくとも１端を被覆する、前記充填層より熱伝導度が高い被覆をさらに有する請求項１に記載の放熱構造体。
3. 前記発熱源が電子デバイスを内蔵する、請求項１または２に記載の放熱構造体。
4. 前記凹部が、断面がジグザグである請求項１〜３のいずれか１項に記載の放熱構造体。
5. 成長基板上にカーボンナノチューブ集合体を成長し、
   前記カーボンナノチューブ集合体上に、前記カーボンナノチューブの長さより大きい厚さを有する熱可塑性材シートを配置し、
   前記熱可塑性材シートを加熱溶融し、前記カーボンナノチューブ集合体を埋め込む形状にした後、降温、固化してカーボンナノチューブシートとし、
   少なくとも対向面の一方に凹部を形成した、発熱源、放熱体の間に、前記カーボンナノチューブシートを配置して積層構造とし、
   前記発熱源、前記放熱体間に前記カーボンナノチューブシートを挟持した状態で、加熱、加圧して、前記熱可塑性材を溶融し、前記発熱源、前記放熱体間の距離を縮小し、前記カーボンナノチューブ集合体の両端部が前記発熱源、前記放熱体に対して接触を形成するようにし、
   前記積層構造を降温して、前記熱可塑性材を固化する
   放熱構造体の製造方法。
6. 前記凹部が、前記カーボンナノチューブ集合体の端部を収容するように位置合わせされている、請求項５に記載の放熱構造体の製造方法。
7. 前記カーボンナノチューブ集合体を成長した後、前記カーボンナノチューブ集合体の露出している一方の端面に、金属を被覆する、請求項５又は６に記載の放熱構造体の製造方法。
8. 前記カーボンナノチューブ集合体の一方の端面に金属を被覆した後、前記カーボンナノチューブ集合体を支持部材上に転写し、
   前記カーボンナノチューブ集合体の露出している他の端面に、金属を被覆する、請求項７に記載の放熱構造体の製造方法。
9. 発熱源と、
   前記発熱源に対向して配置された放熱体と、
   前記発熱源、前記放熱体の対向面の少なくとも一方に形成された凹部と、
   前記発熱源と、前記放熱体との間に配置され、前記発熱源、前記放熱体の対向面に接触する熱可塑性材の充填層と、前記熱可塑性材中に分布し、前記充填層の表面に垂直に配向し、両端部が前記発熱源、前記放熱体の対向面に接触し、前記凹部が端部を収容するカーボンナノチューブ集合体と、を含むＣＮＴシートと、
   を有する電子機器。
10. 成長基板上にカーボンナノチューブ集合体を成長し、
    前記カーボンナノチューブ集合体上に、前記カーボンナノチューブの長さより大きい厚さを有する熱可塑性材シートを配置し、
    前記熱可塑性材シートを加熱溶融し、前記カーボンナノチューブ集合体を埋め込む形状にした後、降温、固化してカーボンナノチューブシートとし、
    少なくとも対向面の一方に凹部を形成した、発熱源、放熱体の間に、前記カーボンナノチューブシートを配置して積層構造とし、
    前記発熱源、前記放熱体間に前記カーボンナノチューブシートを挟持した状態で、加熱、加圧して、前記熱可塑性材を溶融し、前記発熱源、前記放熱体間の距離を縮小し、前記カーボンナノチューブ集合体の両端部が前記発熱源、前記放熱体に対して接触を形成するようにし、
    前記積層構造を降温して、前記熱可塑性材を固化する
    電子機器の製造方法。