放熱材料及びその製造方法
【課題】発熱体からの熱を高効率で放熱しうる放熱材料及びその製造方法を提供する。
【解決手段】第１の基板上に第１の線状構造体を成長し、第１の線状構造体の先端部を除去して第１の基板の法線方向に配向した部分のみを残存させ、第１の線状構造体上に熱可塑性樹脂のシートを配置し、熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行いシートを第１の複線状構造体間に浸透させ、第１の基板を除去し、第１の線状構造体１４ａ及びシート２２よりなるシート状構造体２４を形成し、第２の基板３０上に第２の線状構造体１４ｂを成長し、第２の線状構造体の先端部を除去して第２の基板の法線方向に配向した部分のみを残存させ、第２の線状構造体上にシート状構造体を配置し、熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行いシートを第２の線状構造体間に浸透させ、第２の線状構造体を第１の線状構造体間に挿入し、第２の基板を除去する。
【解決手段】第１の基板上に第１の線状構造体を成長し、第１の線状構造体の先端部を除去して第１の基板の法線方向に配向した部分のみを残存させ、第１の線状構造体上に熱可塑性樹脂のシートを配置し、熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行いシートを第１の複線状構造体間に浸透させ、第１の基板を除去し、第１の線状構造体１４ａ及びシート２２よりなるシート状構造体２４を形成し、第２の基板３０上に第２の線状構造体１４ｂを成長し、第２の線状構造体の先端部を除去して第２の基板の法線方向に配向した部分のみを残存させ、第２の線状構造体上にシート状構造体を配置し、熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行いシートを第２の線状構造体間に浸透させ、第２の線状構造体を第１の線状構造体間に挿入し、第２の基板を除去する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素元素の線状構造体を有する放熱材料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
このような背景から、放熱材料として、カーボンナノチューブに代表される炭素元素からなる線状構造体が注目されている。カーボンナノチューブは、その軸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。
【０００８】
カーボンナノチューブを用いた熱伝導シートとしては、樹脂中にカーボンナノチューブを分散した熱伝導シートや、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熱伝導シートが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−１５０３６２号公報
【特許文献２】特開２００６−１４７８０１号公報
【特許文献３】特開２００６−３０３２４０号公報
【特許文献４】特開２００９−２０１７７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、カーボンナノチューブを用いた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度を充分に生かすことができなかった。
【００１１】
本発明の目的は、発熱体からの熱を高効率で放熱しうる放熱材料及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
実施形態の一観点によれば、第１の基板上に、炭素元素よりなる第１の複数の線状構造体を成長する工程と、前記第１の複数の線状構造体の先端部を除去し、前記第１の基板の法線方向に配向した部分の前記第１の複数の線状構造体のみを残存させる工程と、前記先端部を除去した前記第１の複数の線状構造体上に、熱可塑性樹脂のシートを配置する工程と、前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、前記シートを前記第１の複数の線状構造体間に浸透させる工程と、前記第１の基板を除去し、前記第１の複数の線状構造体及び前記シートよりなるシート状構造体を形成する工程と、第２の基板上に、炭素元素よりなる第２の複数の線状構造体を成長する工程と、前記第２の複数の線状構造体の先端部を除去し、前記第２の基板の法線方向に配向した部分の前記第２の複数の線状構造体のみを残存させる工程と、前記先端部を除去した前記第２の複数の線状構造体上に、前記シート状構造体を配置する工程と、前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、前記シートを前記第２の複数の線状構造体間に浸透させ、前記第２の複数の線状構造体を前記第１の複数の線状構造体間に挿入する工程と、前記第２の基板を除去する工程とを有する放熱材料の製造方法が提供される。
【００１３】
また、実施形態の他の観点によれば、基板上に、炭素元素よりなる複数の線状構造体を成長する工程と、前記複数の線状構造体の先端部を除去し、前記基板の法線方向に配向した部分の前記複数の線状構造体のみを残存させる工程と、前記先端部を除去した前記複数の線状構造体上に、熱可塑性樹脂のシートを配置する工程と、前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、前記シートを前記複数の線状構造体間に浸透させ、前記複数の線状構造体間に配置された前記熱可塑性樹脂の充填層を形成する工程と、前記基板を除去する工程とを有する放熱材料の製造方法が提供される。
【００１４】
また、実施形態の更に他の観点によれば、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配置された充填層とを有し、前記複数の線状構造体は、第１の複数の線状構造体と、前記第１の複数の線状構造体間に配置され、前記第１の複数の線状構造体とは長さの異なる第２の複数の線状構造体とを含む放熱材料が提供される。
【００１５】
また、実施形態の更に他の観点によれば、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配置された充填層とを有し、前記複数の線状構造体は、一端部が前記充填層内に位置し、他端部が前記充填層の第１の表面側から露出した第１の複数の線状構造体と、一端部が前記充填層内に位置し、他端部が前記充填層の第２の表面側に露出した第２の複数の線状構造体とを含む放熱材料が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
開示の放熱材料及びその製造方法によれば、成長直後の線状構造体の先端部を取り除き、線状構造体の垂直配向部分のみを用いて放熱材料を形成するので、線状構造体と被着体との間の接触熱抵抗を大幅に低減することができる。また、線状構造体端部の先端部を除去することにより、別々の基板上に形成した線状構造体を、配向性を維持したままで容易に噛み合わせ、面密度を向上することができる。これにより、放熱材料の熱伝導性を大幅に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、第１実施形態による放熱材料の構造を示す概略断面図である。
【図２】図２は、第１実施形態による放熱材料の製造方法を示す断面図（その１）である。
【図３】図３は、第１実施形態による放熱材料の製造方法を示す断面図（その２）である。
【図４】図４は、第１実施形態による放熱材料の製造方法を示す断面図（その３）である。
【図５】図５は、第１実施形態による放熱材料の製造方法を示す斜視図（その１）である。
【図６】図６は、第１実施形態による放熱材料の製造方法を示す斜視図（その２）である。
【図７】図７は、第２実施形態による放熱材料の構造を示す概略断面図である。
【図８】図８は、第２実施形態による放熱材料の製造方法を示す断面図（その１）である。
【図９】図９は、第２実施形態による放熱材料の製造方法を示す断面図（その２）である。
【図１０】図１０は、第２実施形態による放熱材料の製造方法を示す断面図（その３）である。
【図１１】図１１は、第３実施形態による放熱材料の構造を示す概略断面図である。
【図１２】図１２は、第３実施形態による放熱材料の製造方法を示す断面図（その１）である。
【図１３】図１３は、第３実施形態による放熱材料の製造方法を示す断面図（その２）である。
【図１４】図１４は、第４実施形態による電子機器の構造を示す概略断面図である。
【図１５】図１５は、第４実施形態による電子機器の製造方法を示す工程断面図である。
【図１６】図１６は、第４実施形態による電子機器の構造を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［第１実施形態］
第１実施形態による放熱材料及びその製造方法について図１乃至図６を用いて説明する。
【００１９】
図１は、本実施形態による放熱材料の構造を示す概略断面図である。図２乃至図４は、本実施形態による放熱材料の製造方法を示す断面図である。図５及び図６は、本実施形態による放熱材料の製造方法を示す斜視図である。
【００２０】
はじめに、本実施形態による放熱材料の構造について図１を用いて説明する。
【００２１】
本実施形態による放熱材料４０は、図１に示すように、複数のカーボンナノチューブ１４と、複数のカーボンナノチューブ１４の間隙に形成され複数のカーボンナノチューブ１４を支持する充填層２２とを有するシート状の構造体である。複数のカーボンナノチューブ１４は、一端部から他端部に渡って、シートの膜厚方向、すなわちシートの面と交差する方向に配向し、互いに間隔を空けて配置されている。複数のカーボンナノチューブ１４の一端部（図面において下側の端部）は充填層２２の一方の表面側から露出しており、複数のカーボンナノチューブ１４の他端部（図面において上側の端部）は充填層２２内に位置している。
【００２２】
カーボンナノチューブ１４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よい。カーボンナノチューブ１４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は、１×１０１０本／ｃｍ２以上であることが望ましい。
【００２３】
カーボンナノチューブ１４の長さは、特に限定されるものではないが、好ましくは５μｍ〜５００μｍ程度の値に設定することができる。本実施形態による放熱材料４０を発熱源（例えばＩＣチップ）と放熱部品（例えばヒートスプレッダ）との間に形成するサーマルインターフェイスマテリアルとして使用する場合、少なくとも発熱源及び放熱部品の表面の凹凸を埋める長さ以上であることが望ましい。
【００２４】
充填層２２の構成材料は、温度に応じて液体と固体との間で可逆的に状態変化し、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ものが望ましい。このような材料としては、例えば、熱可塑性樹脂が挙げられる。
【００２５】
充填層２２を形成する熱可塑性樹脂は、本実施形態による放熱材料４０が用いられる電子機器の発熱温度等に応じて、熱可塑性樹脂の融解温度をもとに選択することができる。熱可塑性樹脂の融解温度の下限値は、稼働時の発熱温度の上限値よりも高いことが望ましい。稼働時に熱可塑性樹脂が融解すると、放熱材料４０が変形してカーボンナノチューブ１４が配向性を損なうなど、熱伝導性を低下するなどの不具合を引き起こす虞があるからである。熱可塑性樹脂の融解温度の上限値は、発熱体及び放熱体の耐熱温度の下限値よりも低いことが望ましい。放熱材料４０の充填層２２は、発熱体に接触させた後にリフローを行うことが望ましいが、熱可塑性樹脂の融解温度が耐熱温度より高いと、発熱体及び／又は放熱体にダメージを与えることなくリフローをすることが困難となるからである。
【００２６】
例えば、本実施形態の電子部品をＣＰＵなどの電子機器の放熱用途に用いる場合、ＣＰＵ稼働時の発熱温度の上限がおよそ１２５℃であり、ＣＰＵ電子部品の耐熱温度がおよそ２５０℃であることに鑑み、融解温度が１２５℃〜２５０℃程度の熱可塑性樹脂が好適である。
【００２７】
また、充填層２２には、必要に応じて、添加物を分散混合してもよい。添加物としては、例えば、熱伝導性の高い物質が考えられる。充填層２２部分に熱伝導性の高い添加物を分散混合することにより、充填層２２部分の熱伝導率を向上することができ、放熱材料２２の全体としての熱伝導率を向上することができる。熱伝導性の高い材料としては、カーボンナノチューブ、金属材料、窒化アルミニウム、シリカ、アルミナ、グラファイト、フラーレン等を適用することができる。
【００２８】
カーボンナノチューブを基板上に触媒金属を用いて成長すると、後述するように、初期段階ではランダムな方向に成長が進行し、ある程度成長が進行した段階から基板の法線方向に沿って配向成長するようになる。このため、成長直後の複数のカーボンナノチューブの一端部は、ランダムな方向を向いて絡み合ったような状態になっている。
【００２９】
一方、本実施形態による放熱材料４０では、前述のように、カーボンナノチューブ１４が、一端部から他端部に渡って、シートの膜厚方向に配向している。「一端部から他端部に渡って、シートの膜厚方向に配向している」とは、成長初期段階のランダムな方向に成長した部分が存在しないことを意味するものである。
【００３０】
接触熱抵抗の観点から、カーボンナノチューブは先端部において被着体（発熱体や放熱体）に接触させることが望ましいが、ランダムな方向に成長が進行したカーボンナノチューブでは、先端部を被着体（発熱体や放熱体）に接触させることができない。
【００３１】
この点、本実施形態による放熱材料４０では、カーボンナノチューブ１４が一端部から他端部に渡ってシートの膜厚方向に配向している。したがって、本実施形態による放熱材料４０を、例えば発熱体と放熱体との間に配置した場合には、カーボンナノチューブ１４の両先端部を発熱体及び放熱体のそれぞれに接触させることができる（第４実施形態を参照）。これにより、放熱材料と発熱体及び放熱体との間の接触熱抵抗を低減することができる。
【００３２】
発熱体と放熱体との間の熱抵抗は、発熱体とカーボンナノチューブ１４との間の接触熱抵抗と、カーボンナノチューブ１４自身の熱抵抗と、カーボンナノチューブ１４と放熱体との間の接触熱抵抗との和によって表される。カーボンナノチューブ１４自身の熱伝導率は非常に小さいため、全体に占めるカーボンナノチューブ１４自身の熱抵抗は小さい。放熱材料と発熱体及び放熱体との間の接触熱抵抗を低減することは、発熱体から放熱体への熱伝導性を向上する上で極めて重要である。
【００３３】
次に、本実施形態による放熱材料の製造方法について図２乃至図６を用いて説明する。
【００３４】
まず、カーボンナノチューブ１４を成長するための土台として用いる基板１０を用意する。基板１０には、特に限定されるものではないが、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。
【００３５】
基板１０は、カーボンナノチューブ１４の成長後に剥離されるものである。この目的のもと、基板１０としては、カーボンナノチューブ１４の成長温度において変質しないことが望ましい。また、少なくともカーボンナノチューブ１４に接する面がカーボンナノチューブ１４から容易に剥離できる材料によって形成されていることが望ましい。或いは、少なくともカーボンナノチューブ１４に接する部分が、カーボンナノチューブ１４に対して選択的にエッチングできる材料によって形成されている基板１０を用いてもよい。例えば、表面にシリコン酸化膜が形成されたシリコン基板などは、カーボンナノチューブ１４から容易に剥離することができる。シリコン酸化膜をカーボンナノチューブ１４に対して選択的にエッチングすることもできる。
【００３６】
次いで、基板１０上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚２．５ｎｍのＦｅ（鉄）膜を形成し、Ｆｅの触媒金属膜１２を形成する（図２（ａ））。
【００３７】
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よい。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。
【００３８】
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（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。
【００３９】
次いで、基板１０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１４を成長する（図２（ｂ））。触媒金属膜１２を触媒として基板１０上に成長されるカーボンナノチューブ１４は、基板１０に接する下端部側が垂直方向に配向した形状（垂直配向部１６）となり、上端部側がランダムな方向を向いた形状（ランダム配向部１８）となる。図２（ｂ）では、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１４の上端部を、ランダム配向部１８として一塊で描いている。
【００４０】
基板１０に接する下端部側が垂直方向に配向した形状であり、上端部側がランダムな方向を向いた形状であるカーボンナノチューブ１４が成長されるメカニズムは、以下のように推察される。
【００４１】
触媒金属膜１２を形成した基板１０を成膜室内に搬入して昇温すると、触媒金属膜１２を形成する金属材料の凝集が進行し、触媒金属微粒子１２ａが形成される。そして、カーボンナノチューブ１４が成長するサイズの触媒金属微粒子１２ａが徐々に増加していく。カーボンナノチューブ１４は、この触媒金属微粒子１２ａを触媒として成長される。
【００４２】
成長の初期段階では、触媒金属膜１２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１４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１２ａ）の密度は小さい。このため、触媒金属微粒子１２ａから析出して成長されるカーボンナノチューブ１４の密度も小さく、成長方向にほとんど制限を受けることはない。この結果、成長の初期段階では、カーボンナノチューブ１４はランダムな方向に成長する（図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照）。
【００４３】
さらに時間が進むと、触媒金属膜１２ａの微粒子化が進行し、カーボンナノチューブ１４が成長するサイズの触媒金属微粒子１２ａ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１４の本数が増加し、カーボンナノチューブ１４の横方向への行き場がなくなってくる（図６（ａ）参照）。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１４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１０上に成長されるカーボンナノチューブ１４は、基板１０に接する下端部側が垂直方向に配向した形状（垂直配向部１６）となり、上端部側がランダムな方向を向いた形状（ランダム配向部１８）となる（図６（ｂ）参照）。
【００４４】
カーボンナノチューブ１４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層〜６層（平均４層程度）、直径が４ｎｍ〜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１４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。
【００４５】
カーボンナノチューブ１４の長さは、特に限定されるものではないが、好ましくは５μｍ〜５００μｍ程度の値に設定することができる。サーマルインターフェイスマテリアルとして使用する場合、少なくとも発熱源及び放熱部品の表面の凹凸を埋める長さ以上であることが望ましい。
【００４６】
上記の成長条件で形成したカーボンナノチューブ１４では、カーボンナノチューブ１４の面密度は、１×１０１１本／ｃｍ２程度であった。これは、基板１０表面の面積のおよそ１０％の領域上にカーボンナノチューブ１４が形成されていることに相当する。
【００４７】
次いで、カーボンナノチューブ１４のランダム配向部１８を除去し、カーボンナノチューブ１４の上端部に垂直配向部１６を露出させる（図３（ａ））。ランダム配向部１６の除去方法は、特に限定されるものではないが、例えば、平行平板型のドライエッチング装置を用いたドライエッチングを適用することができる。例えば、エッチングガスにアルゴンガスを用い、出力パワーを数十Ｗ〜数百Ｗ、圧力を数十ｍＴｏｒｒとし、数分〜数十分間処理することにより、ランダム配向部１６を除去することができる。
【００４８】
次いで、ランダム配向部１８を除去したカーボンナノチューブ１４の垂直配向部１６上に、フィルム状に加工した熱可塑性樹脂（熱可塑性樹脂フィルム２０）を載置する（図３（ｂ））。
【００４９】
熱可塑性樹脂フィルム２０の熱可塑性樹脂としては、例えば、以下に示すホットメルト樹脂を適用することができる。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」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製の「ＤＨ５９８Ｂ」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」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」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」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」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。
【００５０】
ここでは、一例として、ヘンケルジャパン株式会社製の「Ｍｉｃｒｏｍｅｌｔ６２３９」を厚さ１００μｍのフィルム状に加工した熱硬化性樹脂フィルム１８を用いた場合について説明する。なお、「Ｍｉｃｒｏｍｅｌｔ６２３９」は、融解温度が１３５℃〜１４５℃、融解時粘度が５．５Ｐａ．ｓ〜８．５Ｐａ．ｓ（２２５℃）のホットメルト樹脂である。
【００５１】
次いで、カーボンナノチューブ１４上に熱可塑性樹脂フィルム２０を載置した基板１０を、熱可塑性樹脂フィルム２０を形成する熱可塑性樹脂の融解温度以上の温度に加熱する。上記の熱可塑性樹脂材料を用いた場合、例えば１９５℃の温度で加熱する。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の熱可塑性樹脂が融解し、カーボンナノチューブ１４の間隙に徐々に浸透していく。
【００５２】
熱可塑性樹脂フィルム２０をカーボンナノチューブ１４の間隙に浸透させる深さは、カーボンナノチューブ１４を支持しうる範囲内において適宜選択することができる。例えば、基板１０に達しない程度のところで熱可塑性樹脂フィルム２０の浸透を停止すれば、基板１０と熱可塑性樹脂フィルム２０とが接着されるのを防止でき、カーボンナノチューブ１４及び熱可塑性樹脂フィルム２０を基板１０から剥離するのを容易できるというメリットがある。基板１０に対する熱可塑性樹脂フィルム２０の粘着性が低い場合などは、基板１０に達するまで熱可塑性樹脂フィルム２０を浸透させるようにしてもよい。
【００５３】
熱可塑性樹脂フィルム２０をカーボンナノチューブ１４の間隙に浸透させる深さは、熱処理時間によって制御することができる。例えば、上記条件で成長した長さ８０μｍのカーボンナノチューブ１４に対しては、１９５℃で１分間の熱処理を行うことにより、熱可塑性樹脂フィルム２０が基板１０に達しない程度まで浸透させることができる。熱可塑性樹脂フィルム２０の熱処理時間は、熱可塑性樹脂フィルム２０を所望の深さまで浸透させるように、カーボンナノチューブ１４の長さ、熱可塑性樹脂の融解時の粘度、熱可塑性樹脂フィルム２０の膜厚等に応じて適宜設定することが望ましい。
【００５４】
カーボンナノチューブ１４間に充填する充填材の量は、熱可塑性樹脂フィルム２０のシート膜厚によってコントロールすることができる。熱可塑性樹脂を予めシート状に加工しておくことにより、充填材の量のコントロールが容易となる。なお、熱可塑性樹脂の形状は、予めフィルム状に加工しておくことが好適であるが、ペレット状や棒状でも構わない。
【００５５】
次いで、熱可塑性樹脂フィルム２０を所定の位置まで浸透させた後、室温まで冷却し、熱可塑性樹脂フィルム２０を固化する。こうして、熱可塑性樹脂フィルム２０の熱可塑性樹脂により形成され、カーボンナノチューブ１４の間隙に充填された充填層２２を形成する（図４（ａ））。
【００５６】
次いで、カーボンナノチューブ１４が埋め込まれた充填層２２を、基板１０から剥離し、本実施形態による放熱材料４０を完成する（図４（ｂ））。
【００５７】
このように，本実施形態によれば、カーボンナノチューブ端部の絡み合った部分を除去し、カーボンナノチューブの垂直配向部分のみを用いて放熱材料を形成するので、カーボンナノチューブと被着体との間の接触熱抵抗を大幅に低減することができる。これにより、放熱材料の熱伝導性を大幅に向上することができる。
【００５８】
［第２実施形態］
第２実施形態による放熱材料及びその製造方法について図７乃至図１０を用いて説明する。図１乃至図６に示す第１実施形態による放熱材料及びその製造方法と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
【００５９】
図７は、本実施形態による放熱材料の構造を示す概略断面図である。図８乃至図１０は、本実施形態による放熱材料の製造方法を示す断面図である。
【００６０】
はじめに、本実施形態による放熱材料の構造について図７を用いて説明する。
【００６１】
本実施形態による放熱材料４０は、図７に示すように、複数のカーボンナノチューブ１４と、複数のカーボンナノチューブ１４の間隙に形成され複数のカーボンナノチューブ１４を支持する充填層２２とを有するシート状の構造体である。複数のカーボンナノチューブ１４は、一端部から他端部に渡って、シートの膜厚方向、すなわちシートの面と交差する方向に配向し、互いに間隔を空けて配置されている。複数のカーボンナノチューブ１４の一端部（図面において下側の端部）は充填層２２の一方の表面側から露出しており、複数のカーボンナノチューブ１４の他端部（図面において上側の端部）は充填層２２内に位置している。
【００６２】
このように、本実施形態による放熱材料は、図１に示す第１実施形態による放熱材料と基本的に同じである。本実施形態による放熱材料が第１実施形態による放熱材料と異なる点は、カーボンナノチューブ１４の面密度が第１実施形態による放熱材料よりも高いことである。
【００６３】
基板上の触媒金属を用いて成長したカーボンナノチューブの面密度は、成長条件にもよるが、高くても１×１０１２ｃｍ−２程度であり、成長条件の最適化だけではこれ以上の高密度化は困難である。後述の製造方法を用いることにより、カーボンナノチューブの成長だけで得られる面密度を超えた高い面密度のカーボンナノチューブを有する放熱材料を容易に実現することができる。
【００６４】
次に、本実施形態による放熱材料の製造方法について図８乃至図１０を用いて説明する。
【００６５】
まず、図２（ａ）乃至図４（ｂ）に示す第１実施形態による放熱材料の製造方法と同様にして、ランダム配向部１８を除去した複数のカーボンナノチューブ１４ａが充填層２２に埋め込まれたシート状構造体２４を形成する（図８（ａ））。シート状構造体２４は、第１実施形態による放熱材料に相当するものである。
【００６６】
また、図２（ａ）乃至図３（ａ）に示す第１実施形態による放熱材料の製造方法と同様にして、基板１０とは別の基板３０上に、ランダム配向部１８を除去した複数のカーボンナノチューブ１４ｂを形成する（図８（ｂ））。
【００６７】
なお、基板１０上に成長するカーボンナノチューブ１４ａの長さと、基板３０上に成長するカーボンナノチューブ１４ａの長さとは、同じでもよいし異なっていてもよい。カーボンナノチューブ１４ａとカーボンナノチューブ１４ｂとの長さを変える場合には、その差は、例えば、放熱材料４０の被着体（発熱体や放熱体）の表面凹凸の大きさ程度にすることができる。ヒートスプレッダの表面凹凸は、典型的には±２〜３μｍ程度である。この場合、カーボンナノチューブ１４ａとカーボンナノチューブ１４ｂとの長さの差は、例えば５μｍとすることができる。
【００６８】
次いで、ランダム配向部１８を除去したカーボンナノチューブ１４ｂ上に、カーボンナノチューブ１４ａの露出面側が基板３０側に対向するように、シート状構造体２４を載置する（図９（ａ））。
【００６９】
次いで、カーボンナノチューブ１４ｂ上にシート状構造体２４を載置した基板３０を、充填層２２を形成する熱可塑性樹脂の融解温度以上の温度に加熱する。上記の熱可塑性樹脂材料を用いた場合、例えば１９５℃の温度で加熱する。必要に応じて、充填層２２上から押圧してもよい。これにより、充填層２２の熱可塑性樹脂が融解し、カーボンナノチューブ１４ｂの間隙に、カーボンナノチューブ１４ａとともに徐々に浸透していく。
【００７０】
この際、カーボンナノチューブ１４ｂの上端部にランダム配向部１８が形成されていると、カーボンナノチューブ１４ｂの間隙へのカーボンナノチューブ１４ａの挿入が阻害され、カーボンナノチューブ１４ａ，１４ｂの配向性が損なわれることがある。
【００７１】
この点、本実施形態による放熱材料の製造方法では、カーボンナノチューブ１４ｂの上端部に形成されていたランダム配向部１８を予め除去しているため、カーボンナノチューブ１４ｂの間隙へのカーボンナノチューブ１４ａの挿入が阻害されることはない。また、カーボンナノチューブ１４ａの上端部に形成されていたランダム配向部１８を予め除去しているため、カーボンナノチューブ１４ａの間隙へのカーボンナノチューブ１４ｂの挿入が阻害されることもない。これにより、カーボンナノチューブ１４ａとカーボンナノチューブ１４ｂとを容易に噛み合わせることができる。
【００７２】
充填層２２の熱可塑性樹脂をカーボンナノチューブ１４ｂの間隙に浸透させる深さは、カーボンナノチューブ１４ｂを支持しうる範囲内において適宜選択することができる。例えば、基板１０に達しない程度のところで充填層２２の熱可塑性樹脂の浸透を停止すれば、基板３０と充填層２２とが接着されるのを防止でき、カーボンナノチューブ１４ａ，１４ｂ及び充填層２２を基板３０から剥離するのを容易できるというメリットがある。基板３０に対する充填層２２の粘着性が低い場合などは、基板３０に達するまで充填層の熱可塑性樹脂を浸透させるようにしてもよい。
【００７３】
次いで、充填層２２の熱可塑性樹脂を所定の位置まで浸透させた後、室温まで冷却し、充填層２２の熱可塑性樹脂を固化する。こうして、カーボンナノチューブ１４ａ，１４ｂの間隙に埋め込まれた充填層２２を形成する（図９（ｂ））。
【００７４】
次いで、カーボンナノチューブ１４ａ，１４ｂが埋め込まれた充填層２２を、基板３０から剥離し、本実施形態による放熱材料４０を完成する（図１０）。
【００７５】
このようにして放熱材料４０を形成することにより、カーボンナノチューブ１４の成長だけで得られる面密度の約２倍の面密度のカーボンナノチューブ１４を有する放熱材料４０が得られる。
【００７６】
この後、このように形成した放熱材料４０を前述のシート状構造体２４と見立て、必要に応じて図８（ｂ）乃至図１０の工程を繰り返し行えば、約３倍、約４倍、等の面密度のカーボンナノチューブ１４を有する放熱材料４０を形成することもできる。
【００７７】
このように，本実施形態によれば、カーボンナノチューブ端部の絡み合った部分を除去し、カーボンナノチューブの垂直配向部分のみを用いて放熱材料を形成するので、カーボンナノチューブと被着体との間の接触熱抵抗を大幅に低減することができる。また、カーボンナノチューブ端部の絡み合った部分を除去することにより、別々の基板上に形成したカーボンナノチューブを、配向性を維持したままで容易に噛み合わせ、面密度を向上することができる。これにより、放熱材料の熱伝導性を大幅に向上することができる。
【００７８】
［第３実施形態］
第３実施形態による放熱材料及びその製造方法について図１１乃至図１３を用いて説明する。図１乃至図１０に示す第１及び第２実施形態による放熱材料及びその製造方法と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
【００７９】
図１１は、本実施形態による放熱材料の構造を示す概略断面図である。図１２及び図１３は、本実施形態による放熱材料の製造方法を示す工程断面図である。
【００８０】
はじめに、本実施形態による放熱材料の構造について図１１を用いて説明する。
【００８１】
本実施形態による放熱材料４０は、図１１に示すように、複数のカーボンナノチューブ１４と、複数のカーボンナノチューブ１４の間隙に形成され複数のカーボンナノチューブ１４を支持する充填層２２とを有するシート状の構造体である。複数のカーボンナノチューブ１４は、一端部から他端部に渡って、シートの膜厚方向、すなわちシートの面と交差する方向に配向し、互いに間隔を空けて配置されている。
【００８２】
複数のカーボンナノチューブ１４は、複数のカーボンナノチューブ１４ａと複数のカーボンナノチューブ１４ｂとの２つの組に分けられる。複数のカーボンナノチューブ１４ａは、一端部（図面において上側の端部）が充填層２２の一方の表面側に露出しており、他端部（図面において下側の端部）は充填層２２内に位置している。また、複数のカーボンナノチューブ１４ｂは、一端部（図面において下側の端部）が充填層２２の他方の表面側に露出しており、他端部（図面において上側の端部）は充填層２２内に位置している。
【００８３】
本実施形態による放熱材料も、第２実施形態による放熱材料の場合と同様、カーボンナノチューブ１４の面密度が第１実施形態による放熱材料よりも高くなっている。
【００８４】
次に、本実施形態による放熱材料の製造方法について図１２及び図１３を用いて説明する。
【００８５】
まず、第２実施形態による放熱材料の製造方法と同様にして、ランダム配向部１８を除去した複数のカーボンナノチューブ１４ａが充填層２２に埋め込まれたシート状構造体２４を形成する。また、基板３０上に、ランダム配向部１８を除去した複数のカーボンナノチューブ１４ｂを形成する（図８参照）。
【００８６】
次いで、ランダム配向部１８を除去したカーボンナノチューブ１４ｂ上に、充填層２２のカーボンナノチューブ１４ａが露出していない面側が基板３０側に対向するように、シート状構造体２４を載置する（図１２）。
【００８７】
次いで、カーボンナノチューブ１４ｂ上にシート状構造体２４を載置した基板３０を、充填層２２を形成する熱可塑性樹脂の融解温度以上の温度に加熱する。上記の熱可塑性樹脂材料を用いた場合、例えば１９５℃の温度で加熱する。必要に応じて、充填層２２上から押圧してもよい。これにより、充填層２２の熱可塑性樹脂が融解し、カーボンナノチューブ１４ｂの間隙に、カーボンナノチューブ１４ａとともに徐々に浸透していく。
【００８８】
この際、カーボンナノチューブ１４ａ及びカーボンナノチューブ１４ｂの上端部に形成されていたランダム配向部１８は除去されているため、カーボンナノチューブ１４ａ及びカーボンナノチューブ１４ｂの互いの間隙への挿入が阻害されることはない。
【００８９】
充填層２２の熱可塑性樹脂をカーボンナノチューブ１４ｂの間隙に浸透させる深さは、カーボンナノチューブ１４ｂを支持しうる範囲内において適宜選択することができる。例えば、基板１０に達しない程度のところで充填層２２の熱可塑性樹脂の浸透を停止すれば、基板３０と充填層２２とが接着されるのを防止でき、カーボンナノチューブ１４ａ，１４ｂ及び充填層２２を基板３０から剥離するのを容易できるというメリットがある。基板３０に対する充填層２２の粘着性が低い場合などは、基板３０に達するまで充填層の熱可塑性樹脂を浸透させるようにしてもよい。
【００９０】
次いで、充填層２２の熱可塑性樹脂を所定の位置まで浸透させた後、室温まで冷却し、充填層２２の熱可塑性樹脂を固化する。こうして、カーボンナノチューブ１４ａ，１４ｂの間隙に埋め込まれた充填層２２を形成する（図１３（ａ））。
【００９１】
次いで、カーボンナノチューブ１４ａ，１４ｂが埋め込まれた充填層２２を、基板３０から剥離し、本実施形態による放熱材料４０を完成する（図１３（ｂ））。
【００９２】
このように，本実施形態によれば、カーボンナノチューブ端部の絡み合った部分を除去し、カーボンナノチューブの垂直配向部分のみを用いて放熱材料を形成するので、カーボンナノチューブと被着体との間の接触熱抵抗を大幅に低減することができる。また、カーボンナノチューブ端部の絡み合った部分を除去することにより、別々の基板上に形成したカーボンナノチューブを、配向性を維持したままで容易に噛み合わせ、面密度を向上することができる。これにより、放熱材料の熱伝導性を大幅に向上することができる。
【００９３】
［第４実施形態］
第４実施形態による電子機器及びその製造方法について図１４乃至図１６を用いて説明する。
【００９４】
図１４は、本実施形態による電子機器の構造を示す概略断面図である。図１５は、本実施形態による電子機器の製造方法を示す工程断面図である。図１６は、本実施形態による電子機器の拡大断面図である。
【００９５】
本実施形態では、第１乃至第３実施形態による放熱材料を用いた電子機器及びその製造方法について説明する。
【００９６】
はじめに、本実施形態による電子機器の構造について図１４を用いて説明する。
【００９７】
多層配線基板などの回路基板５０上には、例えばＣＰＵなどの半導体素子５４が実装されている。半導体素子５４は、はんだバンプなどの突起状電極５２を介して回路基板５０に電気的に接続されている。
【００９８】
半導体素子５４上には、半導体素子５４を覆うように、半導体素子５４からの熱を拡散するためのヒートスプレッダ５６が形成されている。半導体素子５４とヒートスプレッダ５６との間には、第１乃至第３実施形態のいずれかに記載の放熱材料４０が形成されている。ヒートスプレッダ５６は、例えば有機シーラント５８によって回路基板５０に接着されている。
【００９９】
このように、本実施形態による電子機器では、半導体素子５４とヒートスプレッダ５６との間、すなわち発熱部と放熱部との間に、第１乃至第３実施形態による放熱材料４０が設けられている。
【０１００】
上述のように、第１乃至第３実施形態による放熱材料４０は、カーボンナノチューブ１４がシートの膜厚方向に配向しており、面直方向の熱伝導度が極めて高いものである。また、カーボンナノチューブ１４の両端部が垂直配向部により形成されており、半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６に対する接触熱抵抗が極めて小さくなっている。また、第２及び第３実施形態による放熱材料４０は、カーボンナノチューブ１４の面密度、すなわち面直方向の熱伝導度が更に高いものである。
【０１０１】
したがって、上記実施形態の放熱材料４０を半導体素子５４とヒートスプレッダ５６との間に配置することにより、半導体素子５４から発せられた熱を効率よくヒートスプレッダ５６に伝えることができ、半導体素子５４を効果的に冷却することができる。これにより、電子機器の信頼性を向上することができる。
【０１０２】
次に、本実施形態による電子機器の製造方法について、図１５を用いて説明する。
【０１０３】
まず、回路基板５０上に、突起状電極５２を介して半導体素子５４を実装する（図１５（ａ））。
【０１０４】
次いで、半導体素子５４を実装した回路基板５０上に、カーボンナノチューブ１４の露出面側が半導体素子５４側に位置するように放熱材料４０を載置し、その上からヒートスプレッダ５６を被せる（図１５（ｂ））。この際、回路基板５０上には、ヒートスプレッダ５６を固定するための有機シーラント５８を塗布しておく。放熱材料４０は、ヒートスプレッダ５６に予め接着しておいてもよい。
【０１０５】
次いで、ヒートスプレッダ５８に荷重をかけた状態で熱処理を行い、放熱材料４０の充填層２２をリフローする。充填層２２として例えばヘンケルジャパン株式会社製の「Ｍｉｃｒｏｍｅｌｔ６２３９」を用いた放熱材料４０では、例えば荷重０．２５ＭＰａを加えた状態で、例えば１９５℃、１０分間の熱処理を行う。
【０１０６】
この熱処理により、カーボンナノチューブシート４０の充填層２２を形成する熱可塑性樹脂が液状融解し、半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６の表面凹凸に沿って放熱材料４０が変形する。また、放熱材料４０内のカーボンナノチューブ１４は、充填層２２による拘束がゆるみ、その端部は半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６に直に接するようになる。この際、カーボンナノチューブ１４はしなやかで柔軟性に富んだ材料であるため、半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６が有する凹凸形状に追従して撓むことができる。これにより、半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６に直に接するカーボンナノチューブ１４が増加し、放熱材料４０と半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６との間の接触熱抵抗を大幅に低減することができる。
【０１０７】
アセンブリ前の状態において充填層２２から露出しているカーボンナノチューブ１４の端部（図１５（ｂ）の例では半導体素子５４側の端部）は、被着体（図１５の例では半導体素子５４）に対して直に接するため、リフローの際に被着体とカーボンナノチューブ１４の間に充填層２２の熱可塑性樹脂が介在することを確実に防止することができる。これにより、被着体とカーボンナノチューブ１４の間の接触熱抵抗を大幅に低減することができる。
【０１０８】
また、第２又は第３実施形態の放熱材料４０において、カーボンナノチューブ１４ａとカーボンナノチューブ１４ｂとの長さが異なるようにした場合には、半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６の表面凹凸に追随してカーボンナノチューブ１４ａ，１４ｂを容易に接触させることができる（図１６参照）。これにより、被着体とカーボンナノチューブ１４の間の接触熱抵抗を大幅に低減することができる。
【０１０９】
ヒートスプレッダ５６上から印加する荷重は、放熱材料４０が、半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６の表面に存在する凹凸に沿って変形して十分な接触状態を形成する荷重範囲であればよい。また、熱処理の温度及び時間は、半導体素子５４とヒートスプレッダ５６との界面に介在する熱可塑性樹脂が融解して移動し、カーボンナノチューブ１４の端部が半導体素子５４及びヒートスプレッダ５８に対して直に接する表面状態になる範囲を選択すればよい。
【０１１０】
次いで、室温まで冷却し、充填層２２の熱可塑性樹脂を固化するとともに、ヒートスプレッダ５６を有機シーラント５８によって回路基板５０上に固定する（図１５（ｃ））。この際、熱可塑性樹脂は接着性を発現し、半導体素子５４とヒートスプレッダ５６との間を放熱材料４０によって接着固定することができる。これにより、室温に冷却した後も、放熱材料４０と半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６との間の低い接触熱抵抗を維持することができる。
【０１１１】
このように、本実施形態によれば、半導体素子とヒートスプレッダとの間に、第１乃至第３実施形態による放熱材料を配置するので、これらの間の熱伝導度を大幅に向上することができる。これにより、半導体素子から発せられる熱の放熱効率を高めることができ、電子機器の信頼性を向上することができる。
【０１１２】
［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。
【０１１３】
例えば、上記実施形態では、炭素元素の線状構造体を用いた放熱材料の例としてカーボンナノチューブを用いたシート状構造体を示したが、炭素元素の線状構造体を用いた放熱材料は、これに限定されるものではない。炭素元素の線状構造体は、炭素の六員環構造を有するグラフェンシートが筒状なったものであり、カーボンナノチューブのほか、カーボンナノワイヤ、カーボンロッド、カーボンファイバをも含むものである。これら線状構造体は、サイズが異なるほかは、カーボンナノチューブと同様である。これら線状構造体を用いた放熱材料においても適用することができる。
【０１１４】
また、上記第３実施形態では、基板１０上からシート状構造体２４を剥離した後にカーボンナノチューブ１４ｂを充填層２２内に含浸させているが、基板１０上にシート状構造体２４が形成された状態でカーボンナノチューブ１４ｂを充填層２２内に含浸するようにしてもよい。この場合、基板３０を除去する際に基板１０を除去すればよい。
【０１１５】
また、上記第２及び第３実施形態では、カーボンナノチューブ１４ａが埋め込まれた充填層２２の一方の表面側からカーボンナノチューブ１４ｂを充填層２２内に含浸させているが、充填層２２の両表面側から同時にカーボンナノチューブを充填層２２内に含浸させるようにしてもよい。例えば、カーボンナノチューブ１４ｂが形成された基板３０を２つ用意し、これら基板３０間にシート状構造体２４を挟んで加熱することで、充填層２２の両表面からカーボンナノチューブ１４ｂを充填層２２内に含浸させることができる。
【０１１６】
また、カーボンナノチューブ１４の端部に、熱伝導率の高い材料、例えば充填層２２を形成する熱可塑性樹脂よりも熱伝導率の高い材料の被膜を形成するようにしてもよい。このような被膜を設けることにより、被膜を設けない場合と比較して、被着体（発熱体や放熱体）に対する接触熱抵抗を低減することができる。
【０１１７】
カーボンナノチューブ１４の端部に形成する被膜の材料は、熱伝導率が高い材料であれば特に限定されるものではないが、例えば、金属、合金、ダイヤモンドライクカーボン等を適用することができる。金属材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、インジウム（Ｉｎ）等が挙げられる。また、被膜は、単層構造である必要はなく、例えばチタン（Ｔｉ）と金（Ａｕ）との積層構造など、２層或いは３層以上の積層構造であってもよい。
【０１１８】
カーボンナノチューブ１４の端部に形成する被膜は、第１実施形態の放熱材料であれば例えば図４（ｂ）の工程の後に、第２実施形態の放熱材料であれば例えば図１０の工程の後に、第３実施形態の放熱材料であれば例えば図１３（ｂ）の工程の後に、カーボンナノチューブ１４の充填層２２から露出した端部に形成することができる。
【０１１９】
また、各カーボンナノチューブ１４の表面を一様に覆う被膜を形成するようにしてもよい。カーボンナノチューブ１４の表面を一様に覆う被膜は、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition：原子層堆積）法により形成することができる。カーボンナノチューブ１４の表面、特にカーボンナノチューブ１４の側面を被覆するように被膜を形成することにより、カーボンナノチューブ１４の縦方向の機械的強度を向上することができる。これにより、アセンブリ時の圧縮耐性を向上することができる。
【０１２０】
カーボンナノチューブ１４の表面を一様に覆う被膜の材料は、特に限定されるものではないが、好適には酸化物材料や金属材料が挙げられる。具体的には、アルミニウム酸化物、チタン酸化物、ハフニウム酸化物、鉄酸化物、インジウム酸化物、ランタン酸化物、モリブデン酸化物、ニオブ酸化物、ニッケル酸化物、ルテニウム酸化物、シリコン酸化物、バナジウム酸化物、タングステン酸化物、イットリウム酸化物、ジルコニウム酸化物、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、銀、ランタン等が挙げられる。被膜の膜厚は、１ｎｍ〜２０ｎｍ程度が望ましい。
【０１２１】
カーボンナノチューブ１４の端部に形成する被膜は、カーボンナノチューブ１４，１４ａ，１４ｂのランダム配向部１８を除去する工程の後に形成することができる。
【０１２２】
また、上記実施形態に記載の構成材料や製造条件は、当該記載に限定されるものではなく、目的等に応じて適宜変更が可能である。
【０１２３】
また、放熱材料の使用目的も、上記実施形態に記載のものに限定されるものではない。開示の放熱材料は、熱伝導シートとしては、例えば、ＣＰＵの放熱シート、無線通信基地局用高出力増幅器、無線通信端末用高出力増幅器、電気自動車用高出力スイッチ、サーバー、パーソナルコンピュータなどへの適用が考えられる。
【０１２４】
また、カーボンナノチューブの高い許容電流密度特性を利用して、縦型配線シートやこれを用いた種々のアプリケーションにも適用可能である。
【０１２５】
以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１２６】
（付記１） 第１の基板上に、炭素元素よりなる第１の複数の線状構造体を成長する工程と、
前記第１の複数の線状構造体の先端部を除去し、前記第１の基板の法線方向に配向した部分の前記第１の複数の線状構造体のみを残存させる工程と、
前記先端部を除去した前記第１の複数の線状構造体上に、熱可塑性樹脂のシートを配置する工程と、
前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、前記シートを前記第１の複数の線状構造体間に浸透させる工程と、
前記第１の基板を除去し、前記第１の複数の線状構造体及び前記シートよりなるシート状構造体を形成する工程と、
第２の基板上に、炭素元素よりなる第２の複数の線状構造体を成長する工程と、
前記第２の複数の線状構造体の先端部を除去し、前記第２の基板の法線方向に配向した部分の前記第２の複数の線状構造体のみを残存させる工程と、
前記先端部を除去した前記第２の複数の線状構造体上に、前記シート状構造体を配置する工程と、
前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、前記シートを前記第２の複数の線状構造体間に浸透させ、前記第２の複数の線状構造体を前記第１の複数の線状構造体間に挿入する工程と、
前記第２の基板を除去する工程と
を有することを特徴とする放熱材料の製造方法。
【０１２７】
（付記２） 付記１記載の放熱材料の製造方法において、
前記シートを前記第１の複数の前記線状構造体間に浸透させる工程では、前記シートが前記第１の基板に達しないように前記シートを浸透させる
ことを特徴とする放熱材料の製造方法。
【０１２８】
（付記３） 付記１又は２記載の放熱材料の製造方法において、
前記シート状構造体を前記第２の複数の前記線状構造体間に浸透させる工程では、前記シート状構造体が前記第２の基板に達しないように前記シート状構造体を浸透させる
ことを特徴とする放熱材料の製造方法。
【０１２９】
（付記４） 付記１乃至３のいずれか１項に記載の放熱材料の製造方法において、
前記複数の線状構造体の前記先端部をドライエッチングにより除去する
ことを特徴とする放熱材料の製造方法。
【０１３０】
（付記５） 付記１乃至４のいずれか１項に記載の放熱材料の製造方法において、
前記第１の複数の線状構造体の長さと前記第２の複数の線状構造体の長さとが異なっている
ことを特徴とする放熱材料の製造方法。
【０１３１】
（付記６） 付記１乃至５のいずれか１項に記載の放熱材料の製造方法により製造された放熱材料を、発熱体と放熱体との間に配置する工程と、
前記発熱体と前記放熱体との間に圧力を加えながら熱処理を行い、前記充填層の前記熱可塑性樹脂を融解する工程と、
冷却して前記熱可塑性樹脂を固化し、前記発熱体と前記放熱体とを前記放熱材料を介して接着する工程と
を有することを特徴とする電子機器の製造方法。
【０１３２】
（付記７） 基板上に、炭素元素よりなる複数の線状構造体を成長する工程と、
前記複数の線状構造体の先端部を除去し、前記基板の法線方向に配向した部分の前記複数の線状構造体のみを残存させる工程と、
前記先端部を除去した前記複数の線状構造体上に、熱可塑性樹脂のシートを配置する工程と、
前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、前記シートを前記複数の線状構造体間に浸透させる工程と、
前記基板を除去する工程と
を有することを特徴とする放熱材料の製造方法。
【０１３３】
（付記８） 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配置された充填層とを有し、
前記複数の線状構造体は、第１の複数の線状構造体と、前記第１の複数の線状構造体間に配置され、前記第１の複数の線状構造体とは長さの異なる第２の複数の線状構造体とを含む
ことを特徴とする放熱材料。
【０１３４】
（付記９） 付記８記載の放熱材料において、
前記複数の線状構造体は、一端部が前記充填層内に位置し、他端部が前記充填層から露出している
ことを特徴とする放熱材料。
【０１３５】
（付記１０） 付記９記載の放熱材料において、
前記第１の複数の線状構造体は、一端部が前記充填層内に位置し、他端部が前記充填層の第１の表面側から露出しており、
前記第２の複数の線状構造体は、一端部が前記充填層内に位置し、他端部が前記充填層の第２の表面側から露出している
ことを特徴とする放熱材料。
【０１３６】
（付記１１） 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配置された充填層とを有し、
前記複数の線状構造体は、一端部が前記充填層内に位置し、他端部が前記充填層の第１の表面側から露出した第１の複数の線状構造体と、一端部が前記充填層内に位置し、他端部が前記充填層の第２の表面側に露出した第２の複数の線状構造体とを含む
ことを特徴とする放熱材料。
【符号の説明】
【０１３７】
１０，３０…基板
１２…触媒金属膜
１２ａ…触媒金属微粒子
１４，１４ａ，１４ｂ…カーボンナノチューブ
１６…垂直配向部
１８…ランダム配向部
２０…熱可塑性樹脂フィルム
２２…充填層
２４…シート状構造体
４０…放熱材料
５０…回路基板
５２…突起状電極
５４…半導体素子
５６…ヒートスプレッダ
５８…有機シーラント
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素元素の線状構造体を有する放熱材料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
このような背景から、放熱材料として、カーボンナノチューブに代表される炭素元素からなる線状構造体が注目されている。カーボンナノチューブは、その軸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。
【０００８】
カーボンナノチューブを用いた熱伝導シートとしては、樹脂中にカーボンナノチューブを分散した熱伝導シートや、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熱伝導シートが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−１５０３６２号公報
【特許文献２】特開２００６−１４７８０１号公報
【特許文献３】特開２００６−３０３２４０号公報
【特許文献４】特開２００９−２０１７７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、カーボンナノチューブを用いた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度を充分に生かすことができなかった。
【００１１】
本発明の目的は、発熱体からの熱を高効率で放熱しうる放熱材料及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
実施形態の一観点によれば、第１の基板上に、炭素元素よりなる第１の複数の線状構造体を成長する工程と、前記第１の複数の線状構造体の先端部を除去し、前記第１の基板の法線方向に配向した部分の前記第１の複数の線状構造体のみを残存させる工程と、前記先端部を除去した前記第１の複数の線状構造体上に、熱可塑性樹脂のシートを配置する工程と、前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、前記シートを前記第１の複数の線状構造体間に浸透させる工程と、前記第１の基板を除去し、前記第１の複数の線状構造体及び前記シートよりなるシート状構造体を形成する工程と、第２の基板上に、炭素元素よりなる第２の複数の線状構造体を成長する工程と、前記第２の複数の線状構造体の先端部を除去し、前記第２の基板の法線方向に配向した部分の前記第２の複数の線状構造体のみを残存させる工程と、前記先端部を除去した前記第２の複数の線状構造体上に、前記シート状構造体を配置する工程と、前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、前記シートを前記第２の複数の線状構造体間に浸透させ、前記第２の複数の線状構造体を前記第１の複数の線状構造体間に挿入する工程と、前記第２の基板を除去する工程とを有する放熱材料の製造方法が提供される。
【００１３】
また、実施形態の他の観点によれば、基板上に、炭素元素よりなる複数の線状構造体を成長する工程と、前記複数の線状構造体の先端部を除去し、前記基板の法線方向に配向した部分の前記複数の線状構造体のみを残存させる工程と、前記先端部を除去した前記複数の線状構造体上に、熱可塑性樹脂のシートを配置する工程と、前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、前記シートを前記複数の線状構造体間に浸透させ、前記複数の線状構造体間に配置された前記熱可塑性樹脂の充填層を形成する工程と、前記基板を除去する工程とを有する放熱材料の製造方法が提供される。
【００１４】
また、実施形態の更に他の観点によれば、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配置された充填層とを有し、前記複数の線状構造体は、第１の複数の線状構造体と、前記第１の複数の線状構造体間に配置され、前記第１の複数の線状構造体とは長さの異なる第２の複数の線状構造体とを含む放熱材料が提供される。
【００１５】
また、実施形態の更に他の観点によれば、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配置された充填層とを有し、前記複数の線状構造体は、一端部が前記充填層内に位置し、他端部が前記充填層の第１の表面側から露出した第１の複数の線状構造体と、一端部が前記充填層内に位置し、他端部が前記充填層の第２の表面側に露出した第２の複数の線状構造体とを含む放熱材料が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
開示の放熱材料及びその製造方法によれば、成長直後の線状構造体の先端部を取り除き、線状構造体の垂直配向部分のみを用いて放熱材料を形成するので、線状構造体と被着体との間の接触熱抵抗を大幅に低減することができる。また、線状構造体端部の先端部を除去することにより、別々の基板上に形成した線状構造体を、配向性を維持したままで容易に噛み合わせ、面密度を向上することができる。これにより、放熱材料の熱伝導性を大幅に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、第１実施形態による放熱材料の構造を示す概略断面図である。
【図２】図２は、第１実施形態による放熱材料の製造方法を示す断面図（その１）である。
【図３】図３は、第１実施形態による放熱材料の製造方法を示す断面図（その２）である。
【図４】図４は、第１実施形態による放熱材料の製造方法を示す断面図（その３）である。
【図５】図５は、第１実施形態による放熱材料の製造方法を示す斜視図（その１）である。
【図６】図６は、第１実施形態による放熱材料の製造方法を示す斜視図（その２）である。
【図７】図７は、第２実施形態による放熱材料の構造を示す概略断面図である。
【図８】図８は、第２実施形態による放熱材料の製造方法を示す断面図（その１）である。
【図９】図９は、第２実施形態による放熱材料の製造方法を示す断面図（その２）である。
【図１０】図１０は、第２実施形態による放熱材料の製造方法を示す断面図（その３）である。
【図１１】図１１は、第３実施形態による放熱材料の構造を示す概略断面図である。
【図１２】図１２は、第３実施形態による放熱材料の製造方法を示す断面図（その１）である。
【図１３】図１３は、第３実施形態による放熱材料の製造方法を示す断面図（その２）である。
【図１４】図１４は、第４実施形態による電子機器の構造を示す概略断面図である。
【図１５】図１５は、第４実施形態による電子機器の製造方法を示す工程断面図である。
【図１６】図１６は、第４実施形態による電子機器の構造を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［第１実施形態］
第１実施形態による放熱材料及びその製造方法について図１乃至図６を用いて説明する。
【００１９】
図１は、本実施形態による放熱材料の構造を示す概略断面図である。図２乃至図４は、本実施形態による放熱材料の製造方法を示す断面図である。図５及び図６は、本実施形態による放熱材料の製造方法を示す斜視図である。
【００２０】
はじめに、本実施形態による放熱材料の構造について図１を用いて説明する。
【００２１】
本実施形態による放熱材料４０は、図１に示すように、複数のカーボンナノチューブ１４と、複数のカーボンナノチューブ１４の間隙に形成され複数のカーボンナノチューブ１４を支持する充填層２２とを有するシート状の構造体である。複数のカーボンナノチューブ１４は、一端部から他端部に渡って、シートの膜厚方向、すなわちシートの面と交差する方向に配向し、互いに間隔を空けて配置されている。複数のカーボンナノチューブ１４の一端部（図面において下側の端部）は充填層２２の一方の表面側から露出しており、複数のカーボンナノチューブ１４の他端部（図面において上側の端部）は充填層２２内に位置している。
【００２２】
カーボンナノチューブ１４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よい。カーボンナノチューブ１４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は、１×１０１０本／ｃｍ２以上であることが望ましい。
【００２３】
カーボンナノチューブ１４の長さは、特に限定されるものではないが、好ましくは５μｍ〜５００μｍ程度の値に設定することができる。本実施形態による放熱材料４０を発熱源（例えばＩＣチップ）と放熱部品（例えばヒートスプレッダ）との間に形成するサーマルインターフェイスマテリアルとして使用する場合、少なくとも発熱源及び放熱部品の表面の凹凸を埋める長さ以上であることが望ましい。
【００２４】
充填層２２の構成材料は、温度に応じて液体と固体との間で可逆的に状態変化し、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ものが望ましい。このような材料としては、例えば、熱可塑性樹脂が挙げられる。
【００２５】
充填層２２を形成する熱可塑性樹脂は、本実施形態による放熱材料４０が用いられる電子機器の発熱温度等に応じて、熱可塑性樹脂の融解温度をもとに選択することができる。熱可塑性樹脂の融解温度の下限値は、稼働時の発熱温度の上限値よりも高いことが望ましい。稼働時に熱可塑性樹脂が融解すると、放熱材料４０が変形してカーボンナノチューブ１４が配向性を損なうなど、熱伝導性を低下するなどの不具合を引き起こす虞があるからである。熱可塑性樹脂の融解温度の上限値は、発熱体及び放熱体の耐熱温度の下限値よりも低いことが望ましい。放熱材料４０の充填層２２は、発熱体に接触させた後にリフローを行うことが望ましいが、熱可塑性樹脂の融解温度が耐熱温度より高いと、発熱体及び／又は放熱体にダメージを与えることなくリフローをすることが困難となるからである。
【００２６】
例えば、本実施形態の電子部品をＣＰＵなどの電子機器の放熱用途に用いる場合、ＣＰＵ稼働時の発熱温度の上限がおよそ１２５℃であり、ＣＰＵ電子部品の耐熱温度がおよそ２５０℃であることに鑑み、融解温度が１２５℃〜２５０℃程度の熱可塑性樹脂が好適である。
【００２７】
また、充填層２２には、必要に応じて、添加物を分散混合してもよい。添加物としては、例えば、熱伝導性の高い物質が考えられる。充填層２２部分に熱伝導性の高い添加物を分散混合することにより、充填層２２部分の熱伝導率を向上することができ、放熱材料２２の全体としての熱伝導率を向上することができる。熱伝導性の高い材料としては、カーボンナノチューブ、金属材料、窒化アルミニウム、シリカ、アルミナ、グラファイト、フラーレン等を適用することができる。
【００２８】
カーボンナノチューブを基板上に触媒金属を用いて成長すると、後述するように、初期段階ではランダムな方向に成長が進行し、ある程度成長が進行した段階から基板の法線方向に沿って配向成長するようになる。このため、成長直後の複数のカーボンナノチューブの一端部は、ランダムな方向を向いて絡み合ったような状態になっている。
【００２９】
一方、本実施形態による放熱材料４０では、前述のように、カーボンナノチューブ１４が、一端部から他端部に渡って、シートの膜厚方向に配向している。「一端部から他端部に渡って、シートの膜厚方向に配向している」とは、成長初期段階のランダムな方向に成長した部分が存在しないことを意味するものである。
【００３０】
接触熱抵抗の観点から、カーボンナノチューブは先端部において被着体（発熱体や放熱体）に接触させることが望ましいが、ランダムな方向に成長が進行したカーボンナノチューブでは、先端部を被着体（発熱体や放熱体）に接触させることができない。
【００３１】
この点、本実施形態による放熱材料４０では、カーボンナノチューブ１４が一端部から他端部に渡ってシートの膜厚方向に配向している。したがって、本実施形態による放熱材料４０を、例えば発熱体と放熱体との間に配置した場合には、カーボンナノチューブ１４の両先端部を発熱体及び放熱体のそれぞれに接触させることができる（第４実施形態を参照）。これにより、放熱材料と発熱体及び放熱体との間の接触熱抵抗を低減することができる。
【００３２】
発熱体と放熱体との間の熱抵抗は、発熱体とカーボンナノチューブ１４との間の接触熱抵抗と、カーボンナノチューブ１４自身の熱抵抗と、カーボンナノチューブ１４と放熱体との間の接触熱抵抗との和によって表される。カーボンナノチューブ１４自身の熱伝導率は非常に小さいため、全体に占めるカーボンナノチューブ１４自身の熱抵抗は小さい。放熱材料と発熱体及び放熱体との間の接触熱抵抗を低減することは、発熱体から放熱体への熱伝導性を向上する上で極めて重要である。
【００３３】
次に、本実施形態による放熱材料の製造方法について図２乃至図６を用いて説明する。
【００３４】
まず、カーボンナノチューブ１４を成長するための土台として用いる基板１０を用意する。基板１０には、特に限定されるものではないが、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。
【００３５】
基板１０は、カーボンナノチューブ１４の成長後に剥離されるものである。この目的のもと、基板１０としては、カーボンナノチューブ１４の成長温度において変質しないことが望ましい。また、少なくともカーボンナノチューブ１４に接する面がカーボンナノチューブ１４から容易に剥離できる材料によって形成されていることが望ましい。或いは、少なくともカーボンナノチューブ１４に接する部分が、カーボンナノチューブ１４に対して選択的にエッチングできる材料によって形成されている基板１０を用いてもよい。例えば、表面にシリコン酸化膜が形成されたシリコン基板などは、カーボンナノチューブ１４から容易に剥離することができる。シリコン酸化膜をカーボンナノチューブ１４に対して選択的にエッチングすることもできる。
【００３６】
次いで、基板１０上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚２．５ｎｍのＦｅ（鉄）膜を形成し、Ｆｅの触媒金属膜１２を形成する（図２（ａ））。
【００３７】
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よい。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。
【００３８】
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（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。
【００３９】
次いで、基板１０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１４を成長する（図２（ｂ））。触媒金属膜１２を触媒として基板１０上に成長されるカーボンナノチューブ１４は、基板１０に接する下端部側が垂直方向に配向した形状（垂直配向部１６）となり、上端部側がランダムな方向を向いた形状（ランダム配向部１８）となる。図２（ｂ）では、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１４の上端部を、ランダム配向部１８として一塊で描いている。
【００４０】
基板１０に接する下端部側が垂直方向に配向した形状であり、上端部側がランダムな方向を向いた形状であるカーボンナノチューブ１４が成長されるメカニズムは、以下のように推察される。
【００４１】
触媒金属膜１２を形成した基板１０を成膜室内に搬入して昇温すると、触媒金属膜１２を形成する金属材料の凝集が進行し、触媒金属微粒子１２ａが形成される。そして、カーボンナノチューブ１４が成長するサイズの触媒金属微粒子１２ａが徐々に増加していく。カーボンナノチューブ１４は、この触媒金属微粒子１２ａを触媒として成長される。
【００４２】
成長の初期段階では、触媒金属膜１２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１４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１２ａ）の密度は小さい。このため、触媒金属微粒子１２ａから析出して成長されるカーボンナノチューブ１４の密度も小さく、成長方向にほとんど制限を受けることはない。この結果、成長の初期段階では、カーボンナノチューブ１４はランダムな方向に成長する（図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照）。
【００４３】
さらに時間が進むと、触媒金属膜１２ａの微粒子化が進行し、カーボンナノチューブ１４が成長するサイズの触媒金属微粒子１２ａ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１４の本数が増加し、カーボンナノチューブ１４の横方向への行き場がなくなってくる（図６（ａ）参照）。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１４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１０上に成長されるカーボンナノチューブ１４は、基板１０に接する下端部側が垂直方向に配向した形状（垂直配向部１６）となり、上端部側がランダムな方向を向いた形状（ランダム配向部１８）となる（図６（ｂ）参照）。
【００４４】
カーボンナノチューブ１４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層〜６層（平均４層程度）、直径が４ｎｍ〜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１４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。
【００４５】
カーボンナノチューブ１４の長さは、特に限定されるものではないが、好ましくは５μｍ〜５００μｍ程度の値に設定することができる。サーマルインターフェイスマテリアルとして使用する場合、少なくとも発熱源及び放熱部品の表面の凹凸を埋める長さ以上であることが望ましい。
【００４６】
上記の成長条件で形成したカーボンナノチューブ１４では、カーボンナノチューブ１４の面密度は、１×１０１１本／ｃｍ２程度であった。これは、基板１０表面の面積のおよそ１０％の領域上にカーボンナノチューブ１４が形成されていることに相当する。
【００４７】
次いで、カーボンナノチューブ１４のランダム配向部１８を除去し、カーボンナノチューブ１４の上端部に垂直配向部１６を露出させる（図３（ａ））。ランダム配向部１６の除去方法は、特に限定されるものではないが、例えば、平行平板型のドライエッチング装置を用いたドライエッチングを適用することができる。例えば、エッチングガスにアルゴンガスを用い、出力パワーを数十Ｗ〜数百Ｗ、圧力を数十ｍＴｏｒｒとし、数分〜数十分間処理することにより、ランダム配向部１６を除去することができる。
【００４８】
次いで、ランダム配向部１８を除去したカーボンナノチューブ１４の垂直配向部１６上に、フィルム状に加工した熱可塑性樹脂（熱可塑性樹脂フィルム２０）を載置する（図３（ｂ））。
【００４９】
熱可塑性樹脂フィルム２０の熱可塑性樹脂としては、例えば、以下に示すホットメルト樹脂を適用することができる。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」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製の「ＤＨ５９８Ｂ」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」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」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」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」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。
【００５０】
ここでは、一例として、ヘンケルジャパン株式会社製の「Ｍｉｃｒｏｍｅｌｔ６２３９」を厚さ１００μｍのフィルム状に加工した熱硬化性樹脂フィルム１８を用いた場合について説明する。なお、「Ｍｉｃｒｏｍｅｌｔ６２３９」は、融解温度が１３５℃〜１４５℃、融解時粘度が５．５Ｐａ．ｓ〜８．５Ｐａ．ｓ（２２５℃）のホットメルト樹脂である。
【００５１】
次いで、カーボンナノチューブ１４上に熱可塑性樹脂フィルム２０を載置した基板１０を、熱可塑性樹脂フィルム２０を形成する熱可塑性樹脂の融解温度以上の温度に加熱する。上記の熱可塑性樹脂材料を用いた場合、例えば１９５℃の温度で加熱する。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の熱可塑性樹脂が融解し、カーボンナノチューブ１４の間隙に徐々に浸透していく。
【００５２】
熱可塑性樹脂フィルム２０をカーボンナノチューブ１４の間隙に浸透させる深さは、カーボンナノチューブ１４を支持しうる範囲内において適宜選択することができる。例えば、基板１０に達しない程度のところで熱可塑性樹脂フィルム２０の浸透を停止すれば、基板１０と熱可塑性樹脂フィルム２０とが接着されるのを防止でき、カーボンナノチューブ１４及び熱可塑性樹脂フィルム２０を基板１０から剥離するのを容易できるというメリットがある。基板１０に対する熱可塑性樹脂フィルム２０の粘着性が低い場合などは、基板１０に達するまで熱可塑性樹脂フィルム２０を浸透させるようにしてもよい。
【００５３】
熱可塑性樹脂フィルム２０をカーボンナノチューブ１４の間隙に浸透させる深さは、熱処理時間によって制御することができる。例えば、上記条件で成長した長さ８０μｍのカーボンナノチューブ１４に対しては、１９５℃で１分間の熱処理を行うことにより、熱可塑性樹脂フィルム２０が基板１０に達しない程度まで浸透させることができる。熱可塑性樹脂フィルム２０の熱処理時間は、熱可塑性樹脂フィルム２０を所望の深さまで浸透させるように、カーボンナノチューブ１４の長さ、熱可塑性樹脂の融解時の粘度、熱可塑性樹脂フィルム２０の膜厚等に応じて適宜設定することが望ましい。
【００５４】
カーボンナノチューブ１４間に充填する充填材の量は、熱可塑性樹脂フィルム２０のシート膜厚によってコントロールすることができる。熱可塑性樹脂を予めシート状に加工しておくことにより、充填材の量のコントロールが容易となる。なお、熱可塑性樹脂の形状は、予めフィルム状に加工しておくことが好適であるが、ペレット状や棒状でも構わない。
【００５５】
次いで、熱可塑性樹脂フィルム２０を所定の位置まで浸透させた後、室温まで冷却し、熱可塑性樹脂フィルム２０を固化する。こうして、熱可塑性樹脂フィルム２０の熱可塑性樹脂により形成され、カーボンナノチューブ１４の間隙に充填された充填層２２を形成する（図４（ａ））。
【００５６】
次いで、カーボンナノチューブ１４が埋め込まれた充填層２２を、基板１０から剥離し、本実施形態による放熱材料４０を完成する（図４（ｂ））。
【００５７】
このように，本実施形態によれば、カーボンナノチューブ端部の絡み合った部分を除去し、カーボンナノチューブの垂直配向部分のみを用いて放熱材料を形成するので、カーボンナノチューブと被着体との間の接触熱抵抗を大幅に低減することができる。これにより、放熱材料の熱伝導性を大幅に向上することができる。
【００５８】
［第２実施形態］
第２実施形態による放熱材料及びその製造方法について図７乃至図１０を用いて説明する。図１乃至図６に示す第１実施形態による放熱材料及びその製造方法と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
【００５９】
図７は、本実施形態による放熱材料の構造を示す概略断面図である。図８乃至図１０は、本実施形態による放熱材料の製造方法を示す断面図である。
【００６０】
はじめに、本実施形態による放熱材料の構造について図７を用いて説明する。
【００６１】
本実施形態による放熱材料４０は、図７に示すように、複数のカーボンナノチューブ１４と、複数のカーボンナノチューブ１４の間隙に形成され複数のカーボンナノチューブ１４を支持する充填層２２とを有するシート状の構造体である。複数のカーボンナノチューブ１４は、一端部から他端部に渡って、シートの膜厚方向、すなわちシートの面と交差する方向に配向し、互いに間隔を空けて配置されている。複数のカーボンナノチューブ１４の一端部（図面において下側の端部）は充填層２２の一方の表面側から露出しており、複数のカーボンナノチューブ１４の他端部（図面において上側の端部）は充填層２２内に位置している。
【００６２】
このように、本実施形態による放熱材料は、図１に示す第１実施形態による放熱材料と基本的に同じである。本実施形態による放熱材料が第１実施形態による放熱材料と異なる点は、カーボンナノチューブ１４の面密度が第１実施形態による放熱材料よりも高いことである。
【００６３】
基板上の触媒金属を用いて成長したカーボンナノチューブの面密度は、成長条件にもよるが、高くても１×１０１２ｃｍ−２程度であり、成長条件の最適化だけではこれ以上の高密度化は困難である。後述の製造方法を用いることにより、カーボンナノチューブの成長だけで得られる面密度を超えた高い面密度のカーボンナノチューブを有する放熱材料を容易に実現することができる。
【００６４】
次に、本実施形態による放熱材料の製造方法について図８乃至図１０を用いて説明する。
【００６５】
まず、図２（ａ）乃至図４（ｂ）に示す第１実施形態による放熱材料の製造方法と同様にして、ランダム配向部１８を除去した複数のカーボンナノチューブ１４ａが充填層２２に埋め込まれたシート状構造体２４を形成する（図８（ａ））。シート状構造体２４は、第１実施形態による放熱材料に相当するものである。
【００６６】
また、図２（ａ）乃至図３（ａ）に示す第１実施形態による放熱材料の製造方法と同様にして、基板１０とは別の基板３０上に、ランダム配向部１８を除去した複数のカーボンナノチューブ１４ｂを形成する（図８（ｂ））。
【００６７】
なお、基板１０上に成長するカーボンナノチューブ１４ａの長さと、基板３０上に成長するカーボンナノチューブ１４ａの長さとは、同じでもよいし異なっていてもよい。カーボンナノチューブ１４ａとカーボンナノチューブ１４ｂとの長さを変える場合には、その差は、例えば、放熱材料４０の被着体（発熱体や放熱体）の表面凹凸の大きさ程度にすることができる。ヒートスプレッダの表面凹凸は、典型的には±２〜３μｍ程度である。この場合、カーボンナノチューブ１４ａとカーボンナノチューブ１４ｂとの長さの差は、例えば５μｍとすることができる。
【００６８】
次いで、ランダム配向部１８を除去したカーボンナノチューブ１４ｂ上に、カーボンナノチューブ１４ａの露出面側が基板３０側に対向するように、シート状構造体２４を載置する（図９（ａ））。
【００６９】
次いで、カーボンナノチューブ１４ｂ上にシート状構造体２４を載置した基板３０を、充填層２２を形成する熱可塑性樹脂の融解温度以上の温度に加熱する。上記の熱可塑性樹脂材料を用いた場合、例えば１９５℃の温度で加熱する。必要に応じて、充填層２２上から押圧してもよい。これにより、充填層２２の熱可塑性樹脂が融解し、カーボンナノチューブ１４ｂの間隙に、カーボンナノチューブ１４ａとともに徐々に浸透していく。
【００７０】
この際、カーボンナノチューブ１４ｂの上端部にランダム配向部１８が形成されていると、カーボンナノチューブ１４ｂの間隙へのカーボンナノチューブ１４ａの挿入が阻害され、カーボンナノチューブ１４ａ，１４ｂの配向性が損なわれることがある。
【００７１】
この点、本実施形態による放熱材料の製造方法では、カーボンナノチューブ１４ｂの上端部に形成されていたランダム配向部１８を予め除去しているため、カーボンナノチューブ１４ｂの間隙へのカーボンナノチューブ１４ａの挿入が阻害されることはない。また、カーボンナノチューブ１４ａの上端部に形成されていたランダム配向部１８を予め除去しているため、カーボンナノチューブ１４ａの間隙へのカーボンナノチューブ１４ｂの挿入が阻害されることもない。これにより、カーボンナノチューブ１４ａとカーボンナノチューブ１４ｂとを容易に噛み合わせることができる。
【００７２】
充填層２２の熱可塑性樹脂をカーボンナノチューブ１４ｂの間隙に浸透させる深さは、カーボンナノチューブ１４ｂを支持しうる範囲内において適宜選択することができる。例えば、基板１０に達しない程度のところで充填層２２の熱可塑性樹脂の浸透を停止すれば、基板３０と充填層２２とが接着されるのを防止でき、カーボンナノチューブ１４ａ，１４ｂ及び充填層２２を基板３０から剥離するのを容易できるというメリットがある。基板３０に対する充填層２２の粘着性が低い場合などは、基板３０に達するまで充填層の熱可塑性樹脂を浸透させるようにしてもよい。
【００７３】
次いで、充填層２２の熱可塑性樹脂を所定の位置まで浸透させた後、室温まで冷却し、充填層２２の熱可塑性樹脂を固化する。こうして、カーボンナノチューブ１４ａ，１４ｂの間隙に埋め込まれた充填層２２を形成する（図９（ｂ））。
【００７４】
次いで、カーボンナノチューブ１４ａ，１４ｂが埋め込まれた充填層２２を、基板３０から剥離し、本実施形態による放熱材料４０を完成する（図１０）。
【００７５】
このようにして放熱材料４０を形成することにより、カーボンナノチューブ１４の成長だけで得られる面密度の約２倍の面密度のカーボンナノチューブ１４を有する放熱材料４０が得られる。
【００７６】
この後、このように形成した放熱材料４０を前述のシート状構造体２４と見立て、必要に応じて図８（ｂ）乃至図１０の工程を繰り返し行えば、約３倍、約４倍、等の面密度のカーボンナノチューブ１４を有する放熱材料４０を形成することもできる。
【００７７】
このように，本実施形態によれば、カーボンナノチューブ端部の絡み合った部分を除去し、カーボンナノチューブの垂直配向部分のみを用いて放熱材料を形成するので、カーボンナノチューブと被着体との間の接触熱抵抗を大幅に低減することができる。また、カーボンナノチューブ端部の絡み合った部分を除去することにより、別々の基板上に形成したカーボンナノチューブを、配向性を維持したままで容易に噛み合わせ、面密度を向上することができる。これにより、放熱材料の熱伝導性を大幅に向上することができる。
【００７８】
［第３実施形態］
第３実施形態による放熱材料及びその製造方法について図１１乃至図１３を用いて説明する。図１乃至図１０に示す第１及び第２実施形態による放熱材料及びその製造方法と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
【００７９】
図１１は、本実施形態による放熱材料の構造を示す概略断面図である。図１２及び図１３は、本実施形態による放熱材料の製造方法を示す工程断面図である。
【００８０】
はじめに、本実施形態による放熱材料の構造について図１１を用いて説明する。
【００８１】
本実施形態による放熱材料４０は、図１１に示すように、複数のカーボンナノチューブ１４と、複数のカーボンナノチューブ１４の間隙に形成され複数のカーボンナノチューブ１４を支持する充填層２２とを有するシート状の構造体である。複数のカーボンナノチューブ１４は、一端部から他端部に渡って、シートの膜厚方向、すなわちシートの面と交差する方向に配向し、互いに間隔を空けて配置されている。
【００８２】
複数のカーボンナノチューブ１４は、複数のカーボンナノチューブ１４ａと複数のカーボンナノチューブ１４ｂとの２つの組に分けられる。複数のカーボンナノチューブ１４ａは、一端部（図面において上側の端部）が充填層２２の一方の表面側に露出しており、他端部（図面において下側の端部）は充填層２２内に位置している。また、複数のカーボンナノチューブ１４ｂは、一端部（図面において下側の端部）が充填層２２の他方の表面側に露出しており、他端部（図面において上側の端部）は充填層２２内に位置している。
【００８３】
本実施形態による放熱材料も、第２実施形態による放熱材料の場合と同様、カーボンナノチューブ１４の面密度が第１実施形態による放熱材料よりも高くなっている。
【００８４】
次に、本実施形態による放熱材料の製造方法について図１２及び図１３を用いて説明する。
【００８５】
まず、第２実施形態による放熱材料の製造方法と同様にして、ランダム配向部１８を除去した複数のカーボンナノチューブ１４ａが充填層２２に埋め込まれたシート状構造体２４を形成する。また、基板３０上に、ランダム配向部１８を除去した複数のカーボンナノチューブ１４ｂを形成する（図８参照）。
【００８６】
次いで、ランダム配向部１８を除去したカーボンナノチューブ１４ｂ上に、充填層２２のカーボンナノチューブ１４ａが露出していない面側が基板３０側に対向するように、シート状構造体２４を載置する（図１２）。
【００８７】
次いで、カーボンナノチューブ１４ｂ上にシート状構造体２４を載置した基板３０を、充填層２２を形成する熱可塑性樹脂の融解温度以上の温度に加熱する。上記の熱可塑性樹脂材料を用いた場合、例えば１９５℃の温度で加熱する。必要に応じて、充填層２２上から押圧してもよい。これにより、充填層２２の熱可塑性樹脂が融解し、カーボンナノチューブ１４ｂの間隙に、カーボンナノチューブ１４ａとともに徐々に浸透していく。
【００８８】
この際、カーボンナノチューブ１４ａ及びカーボンナノチューブ１４ｂの上端部に形成されていたランダム配向部１８は除去されているため、カーボンナノチューブ１４ａ及びカーボンナノチューブ１４ｂの互いの間隙への挿入が阻害されることはない。
【００８９】
充填層２２の熱可塑性樹脂をカーボンナノチューブ１４ｂの間隙に浸透させる深さは、カーボンナノチューブ１４ｂを支持しうる範囲内において適宜選択することができる。例えば、基板１０に達しない程度のところで充填層２２の熱可塑性樹脂の浸透を停止すれば、基板３０と充填層２２とが接着されるのを防止でき、カーボンナノチューブ１４ａ，１４ｂ及び充填層２２を基板３０から剥離するのを容易できるというメリットがある。基板３０に対する充填層２２の粘着性が低い場合などは、基板３０に達するまで充填層の熱可塑性樹脂を浸透させるようにしてもよい。
【００９０】
次いで、充填層２２の熱可塑性樹脂を所定の位置まで浸透させた後、室温まで冷却し、充填層２２の熱可塑性樹脂を固化する。こうして、カーボンナノチューブ１４ａ，１４ｂの間隙に埋め込まれた充填層２２を形成する（図１３（ａ））。
【００９１】
次いで、カーボンナノチューブ１４ａ，１４ｂが埋め込まれた充填層２２を、基板３０から剥離し、本実施形態による放熱材料４０を完成する（図１３（ｂ））。
【００９２】
このように，本実施形態によれば、カーボンナノチューブ端部の絡み合った部分を除去し、カーボンナノチューブの垂直配向部分のみを用いて放熱材料を形成するので、カーボンナノチューブと被着体との間の接触熱抵抗を大幅に低減することができる。また、カーボンナノチューブ端部の絡み合った部分を除去することにより、別々の基板上に形成したカーボンナノチューブを、配向性を維持したままで容易に噛み合わせ、面密度を向上することができる。これにより、放熱材料の熱伝導性を大幅に向上することができる。
【００９３】
［第４実施形態］
第４実施形態による電子機器及びその製造方法について図１４乃至図１６を用いて説明する。
【００９４】
図１４は、本実施形態による電子機器の構造を示す概略断面図である。図１５は、本実施形態による電子機器の製造方法を示す工程断面図である。図１６は、本実施形態による電子機器の拡大断面図である。
【００９５】
本実施形態では、第１乃至第３実施形態による放熱材料を用いた電子機器及びその製造方法について説明する。
【００９６】
はじめに、本実施形態による電子機器の構造について図１４を用いて説明する。
【００９７】
多層配線基板などの回路基板５０上には、例えばＣＰＵなどの半導体素子５４が実装されている。半導体素子５４は、はんだバンプなどの突起状電極５２を介して回路基板５０に電気的に接続されている。
【００９８】
半導体素子５４上には、半導体素子５４を覆うように、半導体素子５４からの熱を拡散するためのヒートスプレッダ５６が形成されている。半導体素子５４とヒートスプレッダ５６との間には、第１乃至第３実施形態のいずれかに記載の放熱材料４０が形成されている。ヒートスプレッダ５６は、例えば有機シーラント５８によって回路基板５０に接着されている。
【００９９】
このように、本実施形態による電子機器では、半導体素子５４とヒートスプレッダ５６との間、すなわち発熱部と放熱部との間に、第１乃至第３実施形態による放熱材料４０が設けられている。
【０１００】
上述のように、第１乃至第３実施形態による放熱材料４０は、カーボンナノチューブ１４がシートの膜厚方向に配向しており、面直方向の熱伝導度が極めて高いものである。また、カーボンナノチューブ１４の両端部が垂直配向部により形成されており、半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６に対する接触熱抵抗が極めて小さくなっている。また、第２及び第３実施形態による放熱材料４０は、カーボンナノチューブ１４の面密度、すなわち面直方向の熱伝導度が更に高いものである。
【０１０１】
したがって、上記実施形態の放熱材料４０を半導体素子５４とヒートスプレッダ５６との間に配置することにより、半導体素子５４から発せられた熱を効率よくヒートスプレッダ５６に伝えることができ、半導体素子５４を効果的に冷却することができる。これにより、電子機器の信頼性を向上することができる。
【０１０２】
次に、本実施形態による電子機器の製造方法について、図１５を用いて説明する。
【０１０３】
まず、回路基板５０上に、突起状電極５２を介して半導体素子５４を実装する（図１５（ａ））。
【０１０４】
次いで、半導体素子５４を実装した回路基板５０上に、カーボンナノチューブ１４の露出面側が半導体素子５４側に位置するように放熱材料４０を載置し、その上からヒートスプレッダ５６を被せる（図１５（ｂ））。この際、回路基板５０上には、ヒートスプレッダ５６を固定するための有機シーラント５８を塗布しておく。放熱材料４０は、ヒートスプレッダ５６に予め接着しておいてもよい。
【０１０５】
次いで、ヒートスプレッダ５８に荷重をかけた状態で熱処理を行い、放熱材料４０の充填層２２をリフローする。充填層２２として例えばヘンケルジャパン株式会社製の「Ｍｉｃｒｏｍｅｌｔ６２３９」を用いた放熱材料４０では、例えば荷重０．２５ＭＰａを加えた状態で、例えば１９５℃、１０分間の熱処理を行う。
【０１０６】
この熱処理により、カーボンナノチューブシート４０の充填層２２を形成する熱可塑性樹脂が液状融解し、半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６の表面凹凸に沿って放熱材料４０が変形する。また、放熱材料４０内のカーボンナノチューブ１４は、充填層２２による拘束がゆるみ、その端部は半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６に直に接するようになる。この際、カーボンナノチューブ１４はしなやかで柔軟性に富んだ材料であるため、半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６が有する凹凸形状に追従して撓むことができる。これにより、半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６に直に接するカーボンナノチューブ１４が増加し、放熱材料４０と半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６との間の接触熱抵抗を大幅に低減することができる。
【０１０７】
アセンブリ前の状態において充填層２２から露出しているカーボンナノチューブ１４の端部（図１５（ｂ）の例では半導体素子５４側の端部）は、被着体（図１５の例では半導体素子５４）に対して直に接するため、リフローの際に被着体とカーボンナノチューブ１４の間に充填層２２の熱可塑性樹脂が介在することを確実に防止することができる。これにより、被着体とカーボンナノチューブ１４の間の接触熱抵抗を大幅に低減することができる。
【０１０８】
また、第２又は第３実施形態の放熱材料４０において、カーボンナノチューブ１４ａとカーボンナノチューブ１４ｂとの長さが異なるようにした場合には、半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６の表面凹凸に追随してカーボンナノチューブ１４ａ，１４ｂを容易に接触させることができる（図１６参照）。これにより、被着体とカーボンナノチューブ１４の間の接触熱抵抗を大幅に低減することができる。
【０１０９】
ヒートスプレッダ５６上から印加する荷重は、放熱材料４０が、半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６の表面に存在する凹凸に沿って変形して十分な接触状態を形成する荷重範囲であればよい。また、熱処理の温度及び時間は、半導体素子５４とヒートスプレッダ５６との界面に介在する熱可塑性樹脂が融解して移動し、カーボンナノチューブ１４の端部が半導体素子５４及びヒートスプレッダ５８に対して直に接する表面状態になる範囲を選択すればよい。
【０１１０】
次いで、室温まで冷却し、充填層２２の熱可塑性樹脂を固化するとともに、ヒートスプレッダ５６を有機シーラント５８によって回路基板５０上に固定する（図１５（ｃ））。この際、熱可塑性樹脂は接着性を発現し、半導体素子５４とヒートスプレッダ５６との間を放熱材料４０によって接着固定することができる。これにより、室温に冷却した後も、放熱材料４０と半導体素子５４及びヒートスプレッダ５６との間の低い接触熱抵抗を維持することができる。
【０１１１】
このように、本実施形態によれば、半導体素子とヒートスプレッダとの間に、第１乃至第３実施形態による放熱材料を配置するので、これらの間の熱伝導度を大幅に向上することができる。これにより、半導体素子から発せられる熱の放熱効率を高めることができ、電子機器の信頼性を向上することができる。
【０１１２】
［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。
【０１１３】
例えば、上記実施形態では、炭素元素の線状構造体を用いた放熱材料の例としてカーボンナノチューブを用いたシート状構造体を示したが、炭素元素の線状構造体を用いた放熱材料は、これに限定されるものではない。炭素元素の線状構造体は、炭素の六員環構造を有するグラフェンシートが筒状なったものであり、カーボンナノチューブのほか、カーボンナノワイヤ、カーボンロッド、カーボンファイバをも含むものである。これら線状構造体は、サイズが異なるほかは、カーボンナノチューブと同様である。これら線状構造体を用いた放熱材料においても適用することができる。
【０１１４】
また、上記第３実施形態では、基板１０上からシート状構造体２４を剥離した後にカーボンナノチューブ１４ｂを充填層２２内に含浸させているが、基板１０上にシート状構造体２４が形成された状態でカーボンナノチューブ１４ｂを充填層２２内に含浸するようにしてもよい。この場合、基板３０を除去する際に基板１０を除去すればよい。
【０１１５】
また、上記第２及び第３実施形態では、カーボンナノチューブ１４ａが埋め込まれた充填層２２の一方の表面側からカーボンナノチューブ１４ｂを充填層２２内に含浸させているが、充填層２２の両表面側から同時にカーボンナノチューブを充填層２２内に含浸させるようにしてもよい。例えば、カーボンナノチューブ１４ｂが形成された基板３０を２つ用意し、これら基板３０間にシート状構造体２４を挟んで加熱することで、充填層２２の両表面からカーボンナノチューブ１４ｂを充填層２２内に含浸させることができる。
【０１１６】
また、カーボンナノチューブ１４の端部に、熱伝導率の高い材料、例えば充填層２２を形成する熱可塑性樹脂よりも熱伝導率の高い材料の被膜を形成するようにしてもよい。このような被膜を設けることにより、被膜を設けない場合と比較して、被着体（発熱体や放熱体）に対する接触熱抵抗を低減することができる。
【０１１７】
カーボンナノチューブ１４の端部に形成する被膜の材料は、熱伝導率が高い材料であれば特に限定されるものではないが、例えば、金属、合金、ダイヤモンドライクカーボン等を適用することができる。金属材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、インジウム（Ｉｎ）等が挙げられる。また、被膜は、単層構造である必要はなく、例えばチタン（Ｔｉ）と金（Ａｕ）との積層構造など、２層或いは３層以上の積層構造であってもよい。
【０１１８】
カーボンナノチューブ１４の端部に形成する被膜は、第１実施形態の放熱材料であれば例えば図４（ｂ）の工程の後に、第２実施形態の放熱材料であれば例えば図１０の工程の後に、第３実施形態の放熱材料であれば例えば図１３（ｂ）の工程の後に、カーボンナノチューブ１４の充填層２２から露出した端部に形成することができる。
【０１１９】
また、各カーボンナノチューブ１４の表面を一様に覆う被膜を形成するようにしてもよい。カーボンナノチューブ１４の表面を一様に覆う被膜は、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition：原子層堆積）法により形成することができる。カーボンナノチューブ１４の表面、特にカーボンナノチューブ１４の側面を被覆するように被膜を形成することにより、カーボンナノチューブ１４の縦方向の機械的強度を向上することができる。これにより、アセンブリ時の圧縮耐性を向上することができる。
【０１２０】
カーボンナノチューブ１４の表面を一様に覆う被膜の材料は、特に限定されるものではないが、好適には酸化物材料や金属材料が挙げられる。具体的には、アルミニウム酸化物、チタン酸化物、ハフニウム酸化物、鉄酸化物、インジウム酸化物、ランタン酸化物、モリブデン酸化物、ニオブ酸化物、ニッケル酸化物、ルテニウム酸化物、シリコン酸化物、バナジウム酸化物、タングステン酸化物、イットリウム酸化物、ジルコニウム酸化物、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、銀、ランタン等が挙げられる。被膜の膜厚は、１ｎｍ〜２０ｎｍ程度が望ましい。
【０１２１】
カーボンナノチューブ１４の端部に形成する被膜は、カーボンナノチューブ１４，１４ａ，１４ｂのランダム配向部１８を除去する工程の後に形成することができる。
【０１２２】
また、上記実施形態に記載の構成材料や製造条件は、当該記載に限定されるものではなく、目的等に応じて適宜変更が可能である。
【０１２３】
また、放熱材料の使用目的も、上記実施形態に記載のものに限定されるものではない。開示の放熱材料は、熱伝導シートとしては、例えば、ＣＰＵの放熱シート、無線通信基地局用高出力増幅器、無線通信端末用高出力増幅器、電気自動車用高出力スイッチ、サーバー、パーソナルコンピュータなどへの適用が考えられる。
【０１２４】
また、カーボンナノチューブの高い許容電流密度特性を利用して、縦型配線シートやこれを用いた種々のアプリケーションにも適用可能である。
【０１２５】
以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１２６】
（付記１） 第１の基板上に、炭素元素よりなる第１の複数の線状構造体を成長する工程と、
前記第１の複数の線状構造体の先端部を除去し、前記第１の基板の法線方向に配向した部分の前記第１の複数の線状構造体のみを残存させる工程と、
前記先端部を除去した前記第１の複数の線状構造体上に、熱可塑性樹脂のシートを配置する工程と、
前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、前記シートを前記第１の複数の線状構造体間に浸透させる工程と、
前記第１の基板を除去し、前記第１の複数の線状構造体及び前記シートよりなるシート状構造体を形成する工程と、
第２の基板上に、炭素元素よりなる第２の複数の線状構造体を成長する工程と、
前記第２の複数の線状構造体の先端部を除去し、前記第２の基板の法線方向に配向した部分の前記第２の複数の線状構造体のみを残存させる工程と、
前記先端部を除去した前記第２の複数の線状構造体上に、前記シート状構造体を配置する工程と、
前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、前記シートを前記第２の複数の線状構造体間に浸透させ、前記第２の複数の線状構造体を前記第１の複数の線状構造体間に挿入する工程と、
前記第２の基板を除去する工程と
を有することを特徴とする放熱材料の製造方法。
【０１２７】
（付記２） 付記１記載の放熱材料の製造方法において、
前記シートを前記第１の複数の前記線状構造体間に浸透させる工程では、前記シートが前記第１の基板に達しないように前記シートを浸透させる
ことを特徴とする放熱材料の製造方法。
【０１２８】
（付記３） 付記１又は２記載の放熱材料の製造方法において、
前記シート状構造体を前記第２の複数の前記線状構造体間に浸透させる工程では、前記シート状構造体が前記第２の基板に達しないように前記シート状構造体を浸透させる
ことを特徴とする放熱材料の製造方法。
【０１２９】
（付記４） 付記１乃至３のいずれか１項に記載の放熱材料の製造方法において、
前記複数の線状構造体の前記先端部をドライエッチングにより除去する
ことを特徴とする放熱材料の製造方法。
【０１３０】
（付記５） 付記１乃至４のいずれか１項に記載の放熱材料の製造方法において、
前記第１の複数の線状構造体の長さと前記第２の複数の線状構造体の長さとが異なっている
ことを特徴とする放熱材料の製造方法。
【０１３１】
（付記６） 付記１乃至５のいずれか１項に記載の放熱材料の製造方法により製造された放熱材料を、発熱体と放熱体との間に配置する工程と、
前記発熱体と前記放熱体との間に圧力を加えながら熱処理を行い、前記充填層の前記熱可塑性樹脂を融解する工程と、
冷却して前記熱可塑性樹脂を固化し、前記発熱体と前記放熱体とを前記放熱材料を介して接着する工程と
を有することを特徴とする電子機器の製造方法。
【０１３２】
（付記７） 基板上に、炭素元素よりなる複数の線状構造体を成長する工程と、
前記複数の線状構造体の先端部を除去し、前記基板の法線方向に配向した部分の前記複数の線状構造体のみを残存させる工程と、
前記先端部を除去した前記複数の線状構造体上に、熱可塑性樹脂のシートを配置する工程と、
前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、前記シートを前記複数の線状構造体間に浸透させる工程と、
前記基板を除去する工程と
を有することを特徴とする放熱材料の製造方法。
【０１３３】
（付記８） 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配置された充填層とを有し、
前記複数の線状構造体は、第１の複数の線状構造体と、前記第１の複数の線状構造体間に配置され、前記第１の複数の線状構造体とは長さの異なる第２の複数の線状構造体とを含む
ことを特徴とする放熱材料。
【０１３４】
（付記９） 付記８記載の放熱材料において、
前記複数の線状構造体は、一端部が前記充填層内に位置し、他端部が前記充填層から露出している
ことを特徴とする放熱材料。
【０１３５】
（付記１０） 付記９記載の放熱材料において、
前記第１の複数の線状構造体は、一端部が前記充填層内に位置し、他端部が前記充填層の第１の表面側から露出しており、
前記第２の複数の線状構造体は、一端部が前記充填層内に位置し、他端部が前記充填層の第２の表面側から露出している
ことを特徴とする放熱材料。
【０１３６】
（付記１１） 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配置された充填層とを有し、
前記複数の線状構造体は、一端部が前記充填層内に位置し、他端部が前記充填層の第１の表面側から露出した第１の複数の線状構造体と、一端部が前記充填層内に位置し、他端部が前記充填層の第２の表面側に露出した第２の複数の線状構造体とを含む
ことを特徴とする放熱材料。
【符号の説明】
【０１３７】
１０，３０…基板
１２…触媒金属膜
１２ａ…触媒金属微粒子
１４，１４ａ，１４ｂ…カーボンナノチューブ
１６…垂直配向部
１８…ランダム配向部
２０…熱可塑性樹脂フィルム
２２…充填層
２４…シート状構造体
４０…放熱材料
５０…回路基板
５２…突起状電極
５４…半導体素子
５６…ヒートスプレッダ
５８…有機シーラント
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板上に、炭素元素よりなる第１の複数の線状構造体を成長する工程と、
前記第１の複数の線状構造体の先端部を除去し、前記第１の基板の法線方向に配向した部分の前記第１の複数の線状構造体のみを残存させる工程と、
前記先端部を除去した前記第１の複数の線状構造体上に、熱可塑性樹脂のシートを配置する工程と、
前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、前記シートを前記第１の複数の線状構造体間に浸透させる工程と、
前記第１の基板を除去し、前記第１の複数の線状構造体及び前記シートよりなるシート状構造体を形成する工程と、
第２の基板上に、炭素元素よりなる第２の複数の線状構造体を成長する工程と、
前記第２の複数の線状構造体の先端部を除去し、前記第２の基板の法線方向に配向した部分の前記第２の複数の線状構造体のみを残存させる工程と、
前記先端部を除去した前記第２の複数の線状構造体上に、前記シート状構造体を配置する工程と、
前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、前記シートを前記第２の複数の線状構造体間に浸透させ、前記第２の複数の線状構造体を前記第１の複数の線状構造体間に挿入する工程と、
前記第２の基板を除去する工程と
を有することを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の放熱材料の製造方法において、
前記シートを前記第１の複数の前記線状構造体間に浸透させる工程では、前記シートが前記第１の基板に達しないように前記シートを浸透させる
ことを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の放熱材料の製造方法において、
前記シート状構造体を前記第２の複数の前記線状構造体間に浸透させる工程では、前記シート状構造体が前記第２の基板に達しないように前記シート状構造体を浸透させる
ことを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放熱材料の製造方法において、
前記複数の線状構造体の前記先端部をドライエッチングにより除去する
ことを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の放熱材料の製造方法において、
前記第１の複数の線状構造体の長さと前記第２の複数の線状構造体の長さとが異なっている
ことを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項６】
基板上に、炭素元素よりなる複数の線状構造体を成長する工程と、
前記複数の線状構造体の先端部を除去し、前記基板の法線方向に配向した部分の前記複数の線状構造体のみを残存させる工程と、
前記先端部を除去した前記複数の線状構造体上に、熱可塑性樹脂のシートを配置する工程と、
前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、前記シートを前記複数の線状構造体間に浸透させ、前記複数の線状構造体間に配置された前記熱可塑性樹脂の充填層を形成する工程と、
前記基板を除去する工程と
を有することを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項７】
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配置された充填層とを有し、
前記複数の線状構造体は、第１の複数の線状構造体と、前記第１の複数の線状構造体間に配置され、前記第１の複数の線状構造体とは長さの異なる第２の複数の線状構造体とを含む
ことを特徴とする放熱材料。
【請求項８】
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配置された充填層とを有し、
前記複数の線状構造体は、一端部が前記充填層内に位置し、他端部が前記充填層の第１の表面側から露出した第１の複数の線状構造体と、一端部が前記充填層内に位置し、他端部が前記充填層の第２の表面側に露出した第２の複数の線状構造体とを含む
ことを特徴とする放熱材料。
【請求項１】
第１の基板上に、炭素元素よりなる第１の複数の線状構造体を成長する工程と、
前記第１の複数の線状構造体の先端部を除去し、前記第１の基板の法線方向に配向した部分の前記第１の複数の線状構造体のみを残存させる工程と、
前記先端部を除去した前記第１の複数の線状構造体上に、熱可塑性樹脂のシートを配置する工程と、
前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、前記シートを前記第１の複数の線状構造体間に浸透させる工程と、
前記第１の基板を除去し、前記第１の複数の線状構造体及び前記シートよりなるシート状構造体を形成する工程と、
第２の基板上に、炭素元素よりなる第２の複数の線状構造体を成長する工程と、
前記第２の複数の線状構造体の先端部を除去し、前記第２の基板の法線方向に配向した部分の前記第２の複数の線状構造体のみを残存させる工程と、
前記先端部を除去した前記第２の複数の線状構造体上に、前記シート状構造体を配置する工程と、
前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、前記シートを前記第２の複数の線状構造体間に浸透させ、前記第２の複数の線状構造体を前記第１の複数の線状構造体間に挿入する工程と、
前記第２の基板を除去する工程と
を有することを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の放熱材料の製造方法において、
前記シートを前記第１の複数の前記線状構造体間に浸透させる工程では、前記シートが前記第１の基板に達しないように前記シートを浸透させる
ことを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の放熱材料の製造方法において、
前記シート状構造体を前記第２の複数の前記線状構造体間に浸透させる工程では、前記シート状構造体が前記第２の基板に達しないように前記シート状構造体を浸透させる
ことを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放熱材料の製造方法において、
前記複数の線状構造体の前記先端部をドライエッチングにより除去する
ことを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の放熱材料の製造方法において、
前記第１の複数の線状構造体の長さと前記第２の複数の線状構造体の長さとが異なっている
ことを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項６】
基板上に、炭素元素よりなる複数の線状構造体を成長する工程と、
前記複数の線状構造体の先端部を除去し、前記基板の法線方向に配向した部分の前記複数の線状構造体のみを残存させる工程と、
前記先端部を除去した前記複数の線状構造体上に、熱可塑性樹脂のシートを配置する工程と、
前記熱可塑性樹脂の融解温度よりも高い温度で熱処理を行い、前記シートを前記複数の線状構造体間に浸透させ、前記複数の線状構造体間に配置された前記熱可塑性樹脂の充填層を形成する工程と、
前記基板を除去する工程と
を有することを特徴とする放熱材料の製造方法。
【請求項７】
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配置された充填層とを有し、
前記複数の線状構造体は、第１の複数の線状構造体と、前記第１の複数の線状構造体間に配置され、前記第１の複数の線状構造体とは長さの異なる第２の複数の線状構造体とを含む
ことを特徴とする放熱材料。
【請求項８】
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配置された充填層とを有し、
前記複数の線状構造体は、一端部が前記充填層内に位置し、他端部が前記充填層の第１の表面側から露出した第１の複数の線状構造体と、一端部が前記充填層内に位置し、他端部が前記充填層の第２の表面側に露出した第２の複数の線状構造体とを含む
ことを特徴とする放熱材料。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１３−１１５０９４（Ｐ２０１３−１１５０９４Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５７４０５（Ｐ２０１１−２５７４０５）
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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