JP6828486B2 - 放熱シート、放熱シートの製造方法、及び電子装置 - Google Patents

Description

本発明は、放熱シート、放熱シートの製造方法、及び電子装置に関する。

サーバやパーソナルコンピュータにおいては、CPU(Central Processing Unit)等の電子部品で発生する熱を外部に放熱すべく、電子部品にヒートスプレッダが固着される。

そのヒートスプレッダと電子部品との間の熱抵抗が高いと、電子部品の熱を速やかにヒートスプレッダに伝えることができない。そのため、電子部品とヒートスプレッダとの間に熱伝導性に優れた放熱シートを介在させることがある。

放熱シートには様々なタイプがある。インジウムシートも放熱シートの一例であるが、高価なインジウムを使用しているため放熱シートの低コスト化が難しい。また、インジウムの熱伝導度は８０W/m・Kであって、この程度の熱伝導度では電子部品を効率的に放熱させるのは難しい。

なお、熱伝導性ポリマを放熱シートとして利用する方法もあるが、熱伝導性ポリマの熱伝導度も十分に高いとは言えない。

そこで、インジウムシートや熱伝導性ポリマに代わる放熱シートとして、カーボンナノチューブを用いた放熱シートが検討されている。

カーボンナノチューブは、その熱伝導度が１５００W/m・K〜３０００W/m・K程度であって、インジウムの熱伝導度（５０W/m・K）と比べて非常に高く、放熱シートに使用するのに好適である。

特開２００９−１２４１１０号公報 国際公開第２０１１／１１１１１２号 特開２００５−１５０３６２号公報 特開２００６−１４７８０１号公報 特開２００６−３０３２４０号公報

ところで、前述のように電子部品とヒートスプレッダとの間に放熱シートが介在した電子装置においては、その製造工程において不具合が発見される場合がある。その不具合の原因が放熱シートにはない場合には、放熱シートを別の電子装置に再利用するのがコスト的に有利である。

但し、再利用によって放熱シートの熱伝導性が劣化したのでは、熱伝導度に優れたカーボンナノチューブを放熱シートに利用する本来の目的が没却されてしまう。

一つの側面では、本発明は、再利用しても熱伝導性が劣化し難い放熱シート、放熱シートの製造方法、及び電子装置を提供することを目的とする。

一側面では、複数のカーボンナノチューブを備えた第１のカーボンナノチューブシートと、前記第１のカーボンナノチューブシートの上面に密着した複数のカーボンナノチューブを有する周縁部と、前記周縁部よりも柔軟な中央部とを備えた第２のカーボンナノチューブシートと、前記第２のカーボンナノチューブシートの上面に密着した複数のカーボンナノチューブを備えた第３のカーボンナノチューブシートとを備え、前記中央部に開口が設けられた放熱シートが提供される。

一側面によれば、第２のカーボンナノチューブシートの中央部を周縁部よりも柔軟にするため、電子装置の製造時に中央部に作用する圧力が緩和される。そのため、中央部のカーボンナノチューブの端部が破壊され難くなり、放熱シートを再利用してもその熱伝導性が劣化するのを抑制することができる。

図１（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る放熱シートを備えた電子装置の製造途中の断面図（その１）である。 図２（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る放熱シートを備えた電子装置の製造途中の断面図（その２）である。 図３（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る放熱シートを備えた電子装置の製造途中の断面図（その３）である。 図４は、第１実施形態に係る放熱シートを備えた電子装置の製造途中の断面図（その４）である。 図５は、第１実施形態に係る放熱シートを備えた電子装置の製造途中の断面図（その５）である。 図６は、第１実施形態に係る熱処理の加熱プロファイルの一例を示すグラフである。 図７（ａ）〜（ｃ）は、第１実施形態に係る第１〜第３のカーボンナノチューブシートの平面図である。 図８は、比較例に係る電子装置の断面図である。 図９は、第１実施形態において電子部品に反りが生じた場合の電子装置の断面図である。 図１０は、比較例に係る放熱シートの熱伝導性が、再利用をする前と後でどのように変わるのかを調査して得られたグラフである。 図１１は、第１実施形態に係る熱シートの熱伝導性が、再利用をする前と後でどのように変わるのかを調査して得られたグラフである。 図１２は、第１実施形態において、カーボンナノチューブのラマンスペクトルを調査して得られた図である。 図１３は、第１実施形態において、カーボンナノチューブの熱伝導性について調査して得られた図である。 図１４は、第１実施形態の第１例に係る放熱シートが備える第２のカーボンナノチューブシートの平面図である。 図１５は、第１実施形態の第１例に係る放熱シートを備えた電子装置の断面図である。 図１６は、第１実施形態の第２例に係る放熱シートが備える第２のカーボンナノチューブシートの平面図である。 図１７は、第１実施形態の第２例に係る放熱シートを備えた電子装置の断面図である。 図１８は、第１実施形態の第３例に係る放熱シートを備えた電子装置の製造途中の断面図（その１）である。 図１９は、第１実施形態の第３例に係る放熱シートを備えた電子装置の製造途中の断面図（その２）である。 図２０（ａ）〜（ｃ）は、第１実施形態の第３例に係る第１〜第３のカーボンナノチューブシートの平面図である。 図２１は、第１実施形態の第４例に係る放熱シートを備えた電子装置の製造途中の断面図（その１）である。 図２２は、第１実施形態の第４例に係る放熱シートを備えた電子装置の製造途中の断面図（その２）である。 図２３は、第１実施形態の第５例に係る放熱シートを備えた電子装置の断面図である。 図２４は、第２実施形態に係る放熱シートを備えた電子装置の製造途中の断面図（その１）である。 図２５は、第２実施形態に係る放熱シートを備えた電子装置の製造途中の断面図（その２）である。

（第１実施形態）
本実施形態では、カーボンナノチューブによって熱伝導性を高めつつ、再利用をしてもその熱伝導性が劣化し難い放熱シートについて説明する。

図１〜図５は、本実施形態に係る放熱シートを備えた電子装置の製造途中の断面図である。

まず、図１（ａ）に示すように、基板２０としてシリコン基板を用意し、その基板２０の表面を熱酸化することにより下地膜２１として厚さが３００nm程度の酸化シリコン膜を形成する。

基板２０はシリコン基板に限定されず、アルミナ（サファイア）基板、酸化マグネシウム基板、及びガラス基板のいずれかを基板２０として用いてもよい。

また、下地膜２１も酸化シリコン膜に限定されない。例えば、酸化アルミニウム膜や窒化シリコン膜も下地膜２１として形成し得る。

次に、図１（ｂ）に示すように、下地膜２１の上にスパッタ法でアルミニウム膜を１０nm程度の厚さに形成し、そのアルミニウム膜を下地金属膜２２とする。

下地金属膜２２の材料としては、アルミニウムの他に、モリブデン、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、ニオブ、バナジウム、タンタル、タングステン、銅、金、白金、パラジウム、チタンシリサイド、酸化アルミニウム、酸化チタン、及び窒化チタンがある。更に、これらの材料のいずれかを含む合金膜を下地金属膜２２として形成してもよい。

次いで、下地金属膜２２の上にスパッタ法で鉄膜を２．５nm程度の厚さに形成し、その鉄膜を触媒金属膜２３とする。

触媒金属膜２３の材料は鉄に限定されない。触媒金属膜２３は、コバルト、ニッケル、金、銀、及び白金、又はこれらの合金から形成し得る。

更に、触媒金属膜２３に代えて、触媒金属膜２３と同一の材料を含む金属微粒子を下地金属膜２２の上に付着させてもよい。この場合、金属微粒子は、微分型静電分級器等によって予め直径が約３．８nm程度の直径のもののみが収集されて下地金属膜２２の上に供給される。

続いて、図２（ａ）に示すように、触媒金属膜２３の触媒作用を利用してホットフィラメントCVD(Chemical Vapor Deposition)法により複数のカーボンナノチューブ２５を成長させる。

カーボンナノチューブ２５の成長条件は特に限定されない。この例では、炭素の原料ガスとしてアセチレンガスを用い、そのアセチレンガスとアルゴンガスとの混合ガスを不図示の成長室に供給する。

その混合ガスの成長室内での圧力は１kPaであり、アセチレンガスとアルゴンガスとの分圧比は例えば１：９程度である。また、ホットフィラメントの温度は１０００℃程度とし、成長時間は２０分程度とする。

なお、下地金属膜２２と触媒金属膜２３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２４となる。そして、カーボンナノチューブ２５の一端２５ａがその金属粒２４に固着された状態で、下地膜２１の作用によって他端２５ｂが基板２０の法線方向に沿って成長する。

この成長条件によれば、カーボンナノチューブ２５の面密度は約１×１０¹¹本／cm²となり、各カーボンナノチューブ２５の直径は４nm〜８nmで平均直径は約６nmとなる。また、各カーボンナノチューブ２５の成長レートは４μm／minとなる。

なお、各カーボンナノチューブ２５においては、その中心軸から外側に向かって単層のグラフェンシートが３層〜６層程度積み重なり、その層数の平均値は４層程度となる。このように多層のグラフェンシートを積層してなるカーボンナノチューブは多層カーボンナノチューブとも呼ばれる。

更に、カーボンナノチューブ２５の成膜方法は上記のホットフィラメントCVD法に限定されず、熱CVD法やリモートプラズマCVD法であってもよい。また、アセチレンに代えてメタン若しくはエチレン等の炭化水素類、又はエタノール若しくはメタノール等のアルコール類を炭素の原料ガスとしてもよい。

次いで、図２（ｂ）に示すように、基板２０からカーボンナノチューブ２５の一端２５ａを機械的に剥離することにより、複数のカーボンナノチューブ２５が厚さ方向Dに沿って延びたシート２９を得る。

そのシート２９の厚さは、図２（ｂ）の工程におけるカーボンナノチューブ２５の成長時間により制御することができる。

次に、図３（ａ）に示すように、不図示の治具でシート２９をその上下から挟み、その治具を超高温黒鉛炉に入れてヒータで各カーボンナノチューブ２５に対して熱処理を行うことにより、各カーボンナノチューブ２５の結晶性を高める。なお、シート２９と治具との間にカーボンシートを配してもよい。

その熱処理の雰囲気は特に限定されないが、この例では真空ポンプにより超高温黒鉛炉内の残留ガスを予め排出した後、その超高温黒鉛炉内にアルゴンガスを充填することにより、アルゴンガスの雰囲気中で熱処理を行う。

これにより、炉内のヒータからの輻射熱だけでなく、高温のアルゴンガスによってもカーボンナノチューブ２５が加熱されることになり、カーボンナノチューブ２５を効率的に加熱することができる。

また、この熱処理の加熱プロファイルも特に限定されない。

図６は、加熱プロファイルの一例を示すグラフである。

図６に示すように、本実施形態では、９時間程度の長さの第１の期間T1において２℃／分の昇温速度で室温から２４００℃程度の温度までカーボンナノチューブ２５を昇温する。

そして、第２の期間T2においてカーボンナノチューブ２５を２４００℃程度の一定温度に１時間〜３時間程度維持する。以下では、この一定温度のことを熱処理温度とも言う。

その後に、９時間程度の長さの第３の期間T3において２℃／分の降温速度でカーボンナノチューブ２５の温度を室温まで下げる。

次に、図３（ｂ）に示すように、二つのプレス板３０の間にシート２９を入れ、これらのプレス板３０でシート２９をその上下から１MPa程度の圧力で押圧する。

これにより、図３（ａ）の熱処理で発生したシート２９のうねりが平坦化され、シート２９の平坦性が良好となる。

次に、図４に示すように、上記のシート２９から第１〜第３のカーボンナノチューブシート３１〜３３を切り出す。

図７（ａ）〜（ｃ）は、第１〜第３のカーボンナノチューブシート３１〜３３の平面図であって、前述の図４における各カーボンナノチューブシート３１〜３３の断面図は、図７（ａ）〜（ｃ）のI-I線に沿う断面図に相当する。

図７（ａ）、（ｃ）に示すように、第１のカーボンナノチューブシート３１と第３のカーボンナノチューブシート３３は、平面視で一辺の長さが１０mm〜４０mm程度の概略正方形状である。

一方、図７（ｂ）に示すように、第２のカーボンナノチューブシート３２は、二つの長方形状の周縁部３２ａと中央部３２ｂとを有する。

その中央部３２ｂには開口３２ｘが形成される。開口３２ｘにはカーボンナノチューブ２５が存在しないため、中央部３２ｂは周縁部３２ａよりも柔軟となる。

また、各カーボンナノチューブシート３１〜３３は一枚のシート２９から切り出されてもよいし、各カーボンナノチューブシート３１〜３３毎にシート２９を作製し、各シート２９から各カーボンナノチューブシート３１〜３３を切り出してもよい。

次に、図５に示す工程について説明する。

まず、電子部品３６が搭載された回路基板３５を用意する。なお、電子部品３６は、例えばCPUであって、はんだバンプ３７を介して回路基板３５に接続される。

また、電子部品３６の内部に熱が籠るのを防止するために、電子部品３６は樹脂封止されておらず、シリコン基板等の半導体基板が電子部品３６の上面３６ｘに露出している。なお、熱の籠りが問題にならない場合には、半導体基板を樹脂封止してなる電子部品３６を用いてもよい。

そして、電子部品３６の上に前述の第１〜第３のカーボンナノチューブシート３１〜３３をこの順に重ね、これらのカーボンナノチューブシート３１〜３３を放熱シート３４とする。

その放熱シート３４は、互いに相対する第１の主面３４ａと第２の主面３４ｂとを有しており、このうちの第１の主面３４ａが電子部品３６に密着する。

そして、第１のカーボンナノチューブシート３１の上面３１ｐには、第２のカーボンナノチューブシート３２のカーボンナノチューブ２５の他端２５ｂが密着する。また、第２のカーボンナノチューブシート３２の上面３２ｐには、第３のカーボンナノチューブシート３３のカーボンナノチューブ２５の他端２５ｂが密着する。

その後に、放熱シート３４の第２の主面３４ｂの上に放熱部材３８として金属製のヒートスプレッダを載せる。

そして、放熱部材３８を回路基板３５に押圧することにより電子部品３６と放熱部材３８の各々に放熱シート３４を密着させつつ、放熱部材３８の端部をシーラント３９で回路基板３５に接着する。

以上により、本実施形態に係る電子装置４０の基本構造が完成する。

その電子装置４０においては、電子部品３６と放熱部材３８との間に、熱伝導性に優れたカーボンナノチューブ２５を備えた放熱シート３４を介在させる。そのため、放熱シート３４のカーボンナノチューブ２５を介して電子部品３６の熱が放熱部材３８に速やかに伝わり、電子部品３６を効率的に冷却できる。

また、本実施形態では、電子部品３６や放熱部材３８に各カーボンナノチューブシート３１〜３３を接着剤等で固定しておらず、電子部品３６と放熱部材３８の各々から放熱シート３４が剥離可能となっている。同様に、各カーボンナノチューブシート３１〜３３同士も互いに接着されておらず、各カーボンナノチューブシート３１〜３３同士も互いに剥離可能となっている。

そのため、電子装置４０の製造後に電子部品３６や放熱部材３８に不具合が発見された場合には、電子装置４０から簡単に各カーボンナノチューブシート３１〜３３を取り出し、放熱シート３４を別の電子装置４０に簡単に再利用することができる。

特に、この例では第２のカーボンナノチューブシート３２の中央部３２ｂを周縁部３２ａよりも柔軟としたため、以下のように放熱シート３４を再利用してもその熱伝導性が劣化し難くなる。

図８は、第２のカーボンナノチューブシート３２の中央部３２ｂに開口を設けず、中央部３２ｂを柔軟にしない比較例に係る電子装置４０の断面図である。なお、図８において図５と同じ要素には図５におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

その比較例においては、第２のカーボンナノチューブシート３２に開口３２ｘを設けないため、第２のカーボンナノチューブシート３２の平面形状は、第１及び第３のカーボンナノチューブシート３１、３３と同じ概略正方形状となる。

また、電子部品３６は、回路基板３５との熱膨張率の差に起因して上を凸にして反ることがある。そのような反りは、例えば、はんだバンプ３７を溶融させるために回路基板３５と電子部品３６とを加熱した後に、それらが常温に戻るときに異なる収縮量で収縮する際に発生する。

このように電子部品３６に反りがあると、図５の工程で回路基板３５に放熱部材３８を押圧する際に、第２のカーボンナノチューブシート３２の中央部３２ｂにおいて放熱シート３４が上下から強く押圧される。そのため、中央部３２ｂにおける各カーボンナノチューブシート３１〜３３の界面Ａ、Ｂに強い圧力が加わり、これらの界面Ａ、Ｂにおけるカーボンナノチューブ２５の端部が破壊される。

電子装置４０において放熱シート３４を利用し続ける場合には各カーボンナノチューブシート３１〜３３同士が強く密着しているので、このようにカーボンナノチューブ２５の端部が破壊されても放熱シート３４の伝熱性は大きく劣化しない。

しかし、再利用のために各カーボンナノチューブシート３１〜３３を電子装置４０から取り出してそれらを再び重ねると、前述のようにカーボンナノチューブ２５の端部が破壊されているため、各カーボンナノチューブシート３１〜３３同士が良好に密着しない。

その結果、再利用の前と比較して界面Ａ、Ｂにおける放熱シート３４の熱抵抗が増大してしまい、放熱シート３４の熱伝導性が劣化してしまう。

一方、図９は、本実施形態において電子部品３６に反りが生じた場合の電子装置４０の断面図である。

本実施形態では前述のように第２のカーボンナノチューブシート３２の中央部３２ｂを柔軟にしたため、電子装置４０の製造時に中央部３２ｂに作用する圧力が緩和され、中央部３２ｂの上下のカーボンナノチューブ２５の端部が破壊され難くなる。

その結果、再利用のために各カーボンナノチューブシート３１〜３３を電子装置４０から取り出してそれらを再び積層しても、再利用前と同程度に各カーボンナノチューブシート３１〜３３同士が良好に密着し、放熱シート３４の熱伝導性が劣化し難くなる。

なお、電子部品３６の反りに放熱シート３４が追従できるようにするために、放熱シート３４をなるべく厚く形成し、放熱シート３４に十分な弾力性を持たせるのが好ましい。例えば、放熱シート３４の全体の厚さを１００μm以上とすることにより、反りが生じた電子部品３６と放熱シート３４との間に隙間が生じない程度の弾力性を放熱シート３４に持たせることができる。

但し、放熱シート３４が厚すぎると放熱シート３４全体の熱抵抗が高くなるので、放熱シート３４の全体の厚さを１０００μm以下とすることにより、放熱シート３４の熱抵抗が高くなるのを抑制するのが好ましい。

また、第２のカーボンナノチューブシート３２が薄すぎると、第２のカーボンナノチューブシート３２の柔軟性が損なわれ、界面A、Bでカーボンナノチューブ２５の端部が破壊されるおそれがある。これを防ぐためには、第２のカーボンナノチューブシート３２を２０μm以上の厚さに形成し、第２のカーボンナノチューブシート３２に十分な柔軟性を持たせるのが好ましい。

但し、第２のカーボンナノチューブシート３２が厚すぎるとその熱抵抗が上昇してしまうので、第２のカーボンナノチューブシート３２の厚さを５００μm以下にすることで、第２のカーボンナノチューブシート３２の熱抵抗が上昇するのを抑えるのが好ましい。

更に、平面視したときの中央部３２ｂの面積が狭すぎるとその柔軟性が低下するので、第２のカーボンナノチューブシート３２の全体の面積の３０％以上の面積に中央部３２ｂを形成するのが好ましい。

一方、平面視したときの中央部３２ｂが広すぎると、相対的に周縁部３２ａの面積が狭くなり、放熱シート３４全体の熱抵抗が上昇してしまう。そのため、第２のカーボンナノチューブシート３２の全体の面積の５０％以下の面積に中央部３２ｂを形成することにより、放熱シート３４の熱抵抗が上昇するのを抑えるのが好ましい。

本願発明者は、本実施形態において実際に放熱シート３４の熱伝導性が劣化し難くなるかどうかを調査した。

その結果を図１０及び図１１に示す。

図１０は、比較例（図８参照）の放熱シート３４の熱伝導性が、再利用をする前と後でどのように変わるのかを調査して得られたグラフである。

そのグラフの縦軸は、放熱シート３４をその第１の主面３４ａ（図５参照）から加熱した場合における当該主面３４ａと第２の主面３４ｂとの温度差ΔTを表す。その温度差ΔTが小さいほど、第１の主面３４ａから第２の主面３４ｂに速やかに熱が伝わり、放熱シート３４の熱伝導性が良いということになる。

また、この調査では、電子装置４０の製造時に放熱シート３４に加わる力を模擬するために、放熱シート３４に上下から圧力を加えながら上記の温度差ΔTを測定した。図１０の横軸は、このように放熱シート３４に加えた圧力を示す。

なお、この調査に使用した各カーボンナノチューブシート３１〜３３の厚さは、第１のカーボンナノチューブシート３１が１００μm、第２のカーボンナノチューブシート３２が１００μm、第３のカーボンナノチューブシート３３が１００μmである。

図１０に示すように、比較例においては、再利用前と比較して再利用後の温度差ΔTが各圧力において増加している。これは、前述のようにカーボンナノチューブ２５の端部が破壊され、界面Ａ、Ｂにおける熱抵抗が上昇したためと考えられる。

一方、図１１は、図１０と同じ調査を本実施形態に係る放熱シート３４に対して行って得られたグラフである。

なお、図１１の横軸と縦軸の意味は図１０のそれらと同じなのでその説明は書略する。

また、この調査では、第１のカーボンナノチューブシート３１の厚さを１００μm、第２のカーボンナノチューブシート３２の厚さを１００μm、第３のカーボンナノチューブシート３３の厚さを１００μmとした。

図１１に示すように、本実施形態においては、各圧力において再利用前と再利用後の温度差ΔTが略等しく、再利用によって放熱シート３４の熱伝導性が劣化していない。

この結果から、本実施形態のように第２のカーボンナノチューブシート３２の中央部３２ｂを周縁部３２ａよりも柔軟にすることが、再利用後の放熱シート３４の熱伝導性が劣化するのを抑制するのに有効であることが確認された。

しかも、本実施形態では図３（ａ）のように各カーボンナノチューブ２５に対して熱処理を行う。その熱処理により、以下のようにカーボンナノチューブ２５の結晶性と熱伝導性が改善されることが明らかとなった。

まず、結晶性についての調査結果について説明する。

図１２は、カーボンナノチューブ２５のラマンスペクトルを調査して得られた図である。図１２の横軸は、入射光とストークス光の各々の波数の差で定義されるラマンシフトを示す。また、図１２の縦軸は、ストークス光の強度を任意単位で示す。

カーボンナノチューブ２５の結晶性の良否を推定する指標としてG/D比がある。G/D比は、ストークス光のうち１６００cm^-1付近のG-Bandと呼ばれるスペクトルの強度I_Gと、１３５０cm^-1付近のD-Bandと呼ばれるスペクトルの強度I_Dとの比（I_G／I_D）として定義される。

D-Bandは、カーボンナノチューブ２５に欠陥が発生してその結晶性が乱れた場合にその強度が強くなることが知られているため、G/D比が小さいほど結晶性が悪く、逆にG/D比が大きいほど結晶性が優れているということになる。

この調査では、図３（ａ）の熱処理を行わなかったカーボンナノチューブ２５と、熱処理温度を２７００℃としてその熱処理を行ったカーボンナノチューブ２５の各々のラマンスペクトルを調べた。

なお、熱処理をした場合としなかった場合の各々のグラフが重ならないようにするため、図１２では二つのグラフを上下にずらしてある。

図１２の結果によれば、熱処理をしない場合ではD-Bandの強度が強いのに対し、熱処理をした場合ではD-Bandの強度が弱くなっている。そして、熱処理をした場合では、熱処理をしない場合と比較してG/D比が８．８倍程度の値に高められている。

この結果より、図３（ａ）の熱処理温度を２４００℃程度の高温とすることにより、カーボンナノチューブ２５の結晶性が良好になることが明らかとなった。

次に、カーボンナノチューブ２５の熱伝導性についての調査結果について説明する。

図１３は、カーボンナノチューブ２５の熱伝導性について調査して得られた図であって、その横軸は図３（ａ）の工程におけるカーボンナノチューブ２５の熱処理温度を示す。

また、図１３の縦軸は、カーボンナノチューブ２５をその一端２５ａ（図２（ｂ）参照）から加熱した場合における一端２５ａと他端２５ｂとの温度差ΔTを表す。図１０及び図１１と同様に、その温度差ΔTが小さいほどカーボンナノチューブ２５の熱伝導性が良いということになる。

この調査では複数個のサンプルを使用し、その各々について熱処理前と熱処理後の温度差ΔTを測定した。

図１３に示すように、略全てのサンプルにおいて、熱処理前よりも熱処理後の方が温度差ΔTが減少している。最も減少の幅が大きいサンプルでは、熱処理後の温度差ΔTが熱処理前の６８％にまで減少している。

特に、熱処理温度を２２００℃以上とすると、それよりも低い温度で熱処理をしたサンプルと比較して熱処理後の温度差ΔTが減少している。

このことから、図３（ａ）の熱処理における熱処理温度を２２００℃以上とすることにより、カーボンナノチューブ２５の熱伝導性が向上することが明らかとなった。これは、図１２のように熱処理によりカーボンナノチューブ２５の結晶性が改善され、熱がカーボンナノチューブ２５を伝わり易くなったためと考えられる。

特に、このように熱処理を行ったカーボンナノチューブ２５は機械的に硬くなるため、図８のように放熱シート３４が押圧されると界面A、Bでカーボンナノチューブ２５の端部が一層破壊され易くなり、再利用によって放熱シート３４の熱伝導性が劣化し易くなる。そのため、このように熱処理を施したカーボンナノチューブ２５を備えた放熱シート３４において上記のように中央部３２ｂを柔軟にすると、再利用後の放熱シート３４の熱伝導性が劣化するのを有効に抑制することができる。

次に、本実施形態に係る放熱シート３４の様々な変形例について説明する。

・第１例
図１４は第１例に係る放熱シート３４が備える第２のカーボンナノチューブシート３２の平面図である。また、図１５は、本例に係る放熱シート３４を備えた電子装置４０の断面図であり、図１４のII-II線に沿う断面図に相当する。

なお、図１４及び図１５において、図１〜図５で説明したのと同じ要素にはこれらの図におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

図１４に示すように、本例においては、第２のカーボンナノチューブシート３２の周縁部３２ａをリング状とし、その周縁部３２ａで中央部３２ｂを囲う。

このように周縁部３２ａをリング状とすることで、電子部品３６の周縁部で発生した熱が第２のカーボンナノチューブシート３２を介して均等に放熱部材３８に伝わり、電子部品３６において冷却不足となる部位を減らすことができる。

なお、周縁部３２ａをつなぎ目のないリング状に加工するのが難しい場合には、周縁部３２ａを切断線Cで切断して二つのL字状のパーツに分け、これらを繋げてリング状にしてもよい。

また、中央部３２ｂの大きさも特に限定されない。例えば、第２のカーボンナノチューブシート３２の全体の面積の３０％以上の面積に中央部３２ｂを形成することで、中央部３２ｂの柔軟性が低下しないようにするのが好ましい。更に、第２のカーボンナノチューブシート３２の全体の面積の５０％以下の面積に中央部３２ｂを形成することで、第２のカーボンナノチューブシート３２の熱抵抗が上昇するのを抑えるのが好ましい。

・第２例
図１６は第２例に係る放熱シート３４が備える第２のカーボンナノチューブシート３２の平面図である。また、図１７は、本例に係る放熱シート３４を備えた電子装置４０の断面図であり、図１６のIII-III線に沿う断面図に相当する。

なお、図１６及び図１７において、図１〜図５で説明したのと同じ要素にはこれらの図におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

図１６に示すように、本例においては、第２のカーボンナノチューブシート３２の中央部３２ｂの中心３２ｙに、複数のカーボンナノチューブ２５を備えたアイランド３２ｃを設ける。

そのアイランド３２ｃにおけるカーボンナノチューブ２５は、図１７に示すように、第１のカーボンナノチューブシート３１から第３のカーボンナノチューブシート３３に延びる。

これにより、電子部品３６の中央で発生した熱がアイランド３２ｃを介して放熱部材３８に伝わるようになるため、電子部品３６の中央が冷却不足になるのを防止できる。

また、中央部３２ｂの中心のみにアイランド３２ｃを設けるため、中央部３２ｂの全体の柔軟性がアイランド３２ｃによって大きく損なわれることはなく、電子装置４０の製造時に中央部３２ｂに作用する圧力が緩和される。

その結果、前述のように圧力によってカーボンナノチューブ２５の端部が破壊され難くなり、放熱シート３４を再利用してもその熱伝導性が劣化するのを抑制することができる。

なお、中央部３２ｂにおいてアイランド３２ｃが占める割合が増えると、アイランド３２ｃによって中央部３２ｂの柔軟性が損なわれてしまう。これを防ぐために、中央部３２ｂの面積の１５％以下の面積にアイランド３２ｃを形成するのが好ましい。また、中央部３２ｂの面積の１０％以上の面積にアイランド３２ｃを形成することにより、第２のカーボンナノチューブシート３２の熱抵抗が上昇するのを抑えるのが好ましい。

・第３例
図１８及び図１９は、第３例に係る放熱シートを備えた電子装置の製造途中の断面図である。

なお、図１８及び図１９において、図１〜図５で説明したのと同じ要素にはこれらの図におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

本例では、図１８に示すように、図４の工程と同様にして第１〜第３のカーボンナノチューブシート３１〜３３を用意する。

但し、第２のカーボンナノチューブシート３２の中央部３２ｂの開口３２ｘには、周縁部３２ａのカーボンナノチューブ２５よりも直径が細い複数のカーボンナノチューブ２５が設けられる。

このように直径が細く柔らかなカーボンナノチューブ２５により中央部３２ｂは周縁部３２ａよりも柔軟になる。

その中央部３２ｂの作製方法は特に限定されない。例えば、周縁部３２ａを切り出すためのシート２９（図３（ｂ）参照）とは別に、周縁部３２ａにおけるよりも直径が細いカーボンナノチューブ２５を備えたシート２９を作製して、そのシート２９から中央部３２ｂを切り出せばよい。この場合、そのシート２９の作製時におけるカーボンナノチューブ２５の成長温度を周縁部３２ａにおけるよりも数１０℃下げることにより、周縁部３２ａよりも直径が細いカーボンナノチューブ２５を備えた中央部３２ｂを作製し得る。

また、中央部３２ｂにおけるカーボンナノチューブ２５は、周縁部３２ａにおけるカーボンナノチューブ２５と同様に、第２のカーボンナノチューブシート３２の厚さ方向Dに沿って延びる。

図２０（ａ）〜（ｃ）は、本例に係る第１〜第３のカーボンナノチューブシート３１〜３３の平面図であって、前述の図１８における各カーボンナノチューブシート３１〜３３の断面図は、図２０（ａ）〜（ｃ）のIV-IV線に沿う断面図に相当する。

図２０（ａ）〜（ｃ）に示すように、各カーボンナノチューブシート３１〜３３は平面視で概略正方形状である。

また、図２０（ｂ）に示すように、第２のカーボンナノチューブシート３２の中央部３２ｂは平面視で帯状である。

次に、図１９に示すように、電子部品３６が搭載された回路基板３５を用意し、その電子部品３６の上に前述の第１〜第３のカーボンナノチューブシート３１〜３３をこの順に重ね、これらのカーボンナノチューブシート３１〜３３を放熱シート３４とする。

そして、放熱部材３８を回路基板３５に押圧することにより、電子部品３６と放熱部材３８の各々に放熱シート３４を密着させる。そして、この状態で放熱部材３８の端部をシーラント３９で回路基板３５に接着することにより、本例に係る電子装置４０の基本構造を完成させる。

本例によれば、前述のように中央部３２ｂが周縁部３２ａよりも柔軟となるため、図１９の工程において中央部３２ｂに作用する圧力が緩和される。そのため、中央部３２ｂのカーボンナノチューブ２５の端部が破壊され難くなり、放熱シート３４を再利用してもその熱伝導性が劣化するのを抑制することができる。

しかも、電子部品３６で発生した熱が中央部３２ｂにおけるカーボンナノチューブ２５を介して放熱部材３８に伝わるため、中央部３２ｂによって電子部品３６の冷却を促すこともできる。

特に、この例では中央部３２ｂのカーボンナノチューブ２５が延びる方向を放熱シート３４の厚さ方向Dとしたため、電子部品３６の熱が中央部３２ｂを速やかに伝わって放熱部材３８に至るようになり、電子部品３６を速やかに冷却することができる。

・第４例
図２１及び図２２は、第４例に係る放熱シートを備えた電子装置の製造途中の断面図である。

本例においても、図２１に示すように、図１８の工程と同様にして第１〜第３のカーボンナノチューブシート３１〜３３を用意する。

但し、本例では、第２のカーボンナノチューブシート３２の中央部３２ｂにおけるカーボンナノチューブ２５の向きを、第２のカーボンナノチューブシート３２の厚さ方向Dに垂直な方向Pとする。

なお、その中央部３２ｂにおけるカーボンナノチューブ２５の直径は、第３例と同様に、周縁部３２ａのカーボンナノチューブ２５の直径よりも細くする。これにより、第３例と同様に中央部３２ｂは周縁部３２ａよりも柔軟となる。

本例では、第３例と同様に、周縁部３２ａを切り出すためのシート２９（図３（ｂ）参照）の製造時よりもカーボンナノチューブ２５の成長温度を数１０℃程度下げることにより中央部３２ｂ用のシート２９を作製する。そして、そのシート２９の各カーボンナノチューブ２５をほぐして開口３２ｘ内に敷き詰めることにより中央部３２ｂを作製する。

次に、図２２に示すように、図１９と同様にして電子部品３６の上に第１〜第３のカーボンナノチューブシート３１〜３３をこの順に重ね、これらのカーボンナノチューブシート３１〜３３を放熱シート３４とする。

そして、放熱部材３８を回路基板３５に押圧しながら、放熱部材３８の端部をシーラント３９で回路基板３５に接着することにより、本例に係る電子装置４０の基本構造を完成させる。

以上説明した本例によれば、周縁部３２ａよりも直径が細いカーボンナノチューブ２５を中央部３２ｂに設けたため、第３例と同様に中央部３２ｂが柔軟となり、放熱シート３４を再利用してもその熱伝導性が劣化するのを抑制することができる。

また、中央部３２ｂのカーボンナノチューブ２５の向きを厚さ方向Dに垂直な方向Pとしたため、厚さ方向Dに沿って作用する力によって中央部３２ｂのカーボンナノチューブ２５が容易に撓む。これにより、図２２の工程において中央部３２ｂに作用する圧力が一層緩和され、中央部３２ｂにおけるカーボンナノチューブ２５の端部が破壊されるのを防止し易くなる。

・第５例
図２３は、第５例に係る放熱シートを備えた電子装置４０の断面図である。

図２３に示すように、本例においては、第２のカーボンナノチューブシート３２の中央部３２ｂの開口３２ｘに熱伝導性が高い放熱グリースを充填する。

その放熱グリースは特に限定されないが、本例では放熱グリースとして信越化学工業株式会社製のシリコングリースG-776を使用する。

放熱グリースは流動性を有するため、カーボンナノチューブ２５を備えた周縁部３２ａよりも中央部３２ｂが柔軟となり、電子装置４０の製造時に中央部３２ｂに加わる圧力を緩和できる。その結果、電子装置４０の製造する際、中央部３２ｂの上下のカーボンナノチューブ２５の端部が破壊され難くなり、放熱シート３４を再利用してもその熱伝導性が劣化するのを抑制することができる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、図５を参照して説明したように、電子部品３６や放熱部材３８に各カーボンナノチューブシート３１〜３３を接着剤等で固定せず、全てのカーボンナノチューブシート３１〜３３を再利用可能とした。

これに対し、本実施形態では、以下のように第２のカーボンナノチューブシート３２のみを再利用可能とする。

図２４及び図２５は、本実施形態に係る放熱シートを備えた電子装置の製造途中の断面図である。

なお、図２４及び図２５において第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

まず、図２４に示すように、第１実施形態で説明した第１〜第３のカーボンナノチューブシート３１〜３３をこの順に重ねてなる放熱シート３４を電子部品３６と放熱部材３８の間に配する。

この例では、第１実施形態の図５で説明した放熱シート３４を使用しているが、これに代えて第１実施形態の第１例〜第４例（図１４〜図２３参照）に係る放熱シート３４を使用してもよい。

更に、電子部品３６と放熱部材３８のそれぞれの表面には、予め第１の金属ペースト５１と第２の金属ペースト５２を塗布しておく。各金属ペースト５１、５２は、有機溶媒に金属粒子を分散させてなり、この状態では未乾燥の状態にある。なお、各金属ペースト５１、５２の金属粒子は特に限定されないが、熱伝導性に優れた金、銀、及び銅等の金属粒子を含む金属ペースト５１、５２を使用するのが好ましい。

次に、図２５に示すように、放熱部材３８を回路基板３５に押圧しながら、各金属ペースト５１、５２を１４０℃程度の温度に加熱する。

これにより、各金属ペースト５１、５２の有機溶媒が蒸発し、放熱シート３４の第１の主面３４ａが第１の金属ペースト５１により電子部品３６に固定され、かつ放熱シート３４の第２の主面３４ｂが第２の金属ペースト５２により放熱部材３８に固定される。

そして、放熱部材３８の端部をシーラント３９で回路基板３５に接着することにより、本実施形態に係る電子装置４０の基本構造を完成させる。

以上説明した本実施形態によれば、熱伝導性に優れた各金属ペースト５１、５２で電子部品３６や放熱部材３８に放熱シート３４を固定する。そのため、電子部品３６と放熱シート３４との密着性や、放熱部材３８と放熱シート３４との密着性が良好となり、電子部品３６で発生した熱が放熱シート３４を介して速やかに放熱部材３８に伝わるようになる。

また、第２のカーボンナノチューブシート３２は第１及び第３のカーボンナノチューブシート３１、３３に固定されていないため、電子装置４０に不具合が発見された場合には、電子装置４０から第２のカーボンナノチューブシート３２を取り出して再利用できる。

しかも、第２のカーボンナノチューブシート３２の中央部３２ｂを周縁部３２ａよりも柔軟にしたため、図２５の工程で放熱シート３４に圧力を加えても、第１実施形態と同じ理由により中央部３２ｂのカーボンナノチューブ２５の端部が破壊され難い。そのため、上記のように第２のカーボンナノチューブシート３２を再利用しても、再利用の後に第２のカーボンナノチューブシート３２の熱伝導性が劣化し難くなる。

以上、各実施形態について詳細に説明したが、放熱シート３４の使用用途は上記に限定されない。例えば、放熱部材３８（図５参照）の上に別の放熱シート３４を介してヒートシンクを設け、その放熱シート３４を介して放熱部材３８の熱をヒートシンクに逃がすようにしてもよい。更に、電気自動車や飛行機の高耐圧モジュールに放熱シート３４を適用してもよい。

以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１） 複数のカーボンナノチューブを備えた第１のカーボンナノチューブシートと、
前記第１のカーボンナノチューブシートの上面に密着した複数のカーボンナノチューブを有する周縁部と、前記周縁部よりも柔軟な中央部とを備えた第２のカーボンナノチューブシートと、
前記第２のカーボンナノチューブシートの上面に密着した複数のカーボンナノチューブを備えた第３のカーボンナノチューブシートと、
を備えたことを特徴とする放熱シート。

（付記２） 前記中央部に開口が設けられたことを特徴とする付記１に記載の放熱シート。

（付記３） 前記中央部に、前記周縁部の前記カーボンナノチューブよりも直径が細い複数のカーボンナノチューブが設けられたことを特徴とする付記１に記載の放熱シート。

（付記４） 前記周縁部の前記カーボンナノチューブと、前記中央部の前記カーボンナノチューブは、いずれも前記第２のカーボンナノチューブシートの厚さ方向に沿って延びることを特徴とする付記３に記載の放熱シート。

（付記５） 前記周縁部の前記カーボンナノチューブは、前記第２のカーボンナノチューブシートの厚さ方向に延び、
前記中央部の前記カーボンナノチューブは、前記厚さ方向に垂直な方向に延びることを特徴とする付記３に記載の放熱シート。

（付記６） 前記中央部に開口が設けられ、前記開口にグリースが充填されたことを特徴とする付記１に記載の放熱シート。

（付記７） 前記周縁部は平面視でリング状であり、
前記中央部は平面視で前記周縁部に囲まれたことを特徴とする付記１に記載の放熱シート。

（付記８） 前記中央部の中心に、前記第１のカーボンナノチューブシートから前記第３のカーボンナノチューブシートに延びる複数のカーボンナノチューブを備えたアイランドが設けられたことを特徴とする付記７に記載の放熱シート。

（付記９） 前記第２のカーボンナノチューブシートは、前記第１のカーボンナノチューブシートと前記第３のカーボンナノチューブシートの各々から剥離可能であることを特徴とする付記１に記載の放熱シート。

（付記１０） 複数のカーボンナノチューブを備えた第１のカーボンナノチューブシート、複数のカーボンナノチューブを備えた第２のカーボンナノチューブシート、及び複数のカーボンナノチューブを備えた第３のカーボンナノチューブシートを順に重ねて放熱シートにする工程を有し、
前記第２のカーボンナノチューブシートは、周縁部と、前記周縁部よりも柔軟な中央部とを備えたことを特徴とする放熱シートの製造方法。

（付記１１） 互いに相対する第１の主面と第２の主面とを備えた放熱シートと、
前記放熱シートの前記第１の主面に密着した電子部品と、
前記放熱シートの前記第２の主面に密着した放熱部材とを備え、
前記放熱シートは、
前記電子部品に密着した複数のカーボンナノチューブを備えた第１のカーボンナノチューブシートと、
前記第１のカーボンナノチューブシートの上面に密着した複数のカーボンナノチューブを有する周縁部と、前記周縁部よりも柔軟な中央部とを備えた第２のカーボンナノチューブシートと、
前記第２のカーボンナノチューブシートの上面と前記放熱部材の各々に密着した複数のカーボンナノチューブを備えた第３のカーボンナノチューブシートとを有することを特徴とする電子装置。

（付記１２） 前記放熱シートは、前記電子部品と前記放熱部材の各々から剥離可能であることを特徴とする付記１１に記載の電子装置。

（付記１３） 前記放熱シートの前記第１の主面が第１の金属ペーストにより前記電子部品に固定され、前記放熱シートの前記第２の主面が第２の金属ペーストにより前記放熱部材に固定されたことを特徴とする付記１０に記載の電子装置。

２０…基板、２１…下地膜、２２…下地金属膜、２３…触媒金属膜、２４…金属粒、２５…カーボンナノチューブ、２５ａ…一端、２５ｂ…他端、２９…シート、３０…プレス板、３１〜３３…第１〜第３のカーボンナノチューブシート、３１ｐ…上面、３２ａ…周縁部、３２ｂ…中央部、３２ｃ…アイランド、３２ｐ…上面、３２ｘ…開口、３２ｙ…中心、３４…放熱シート、３４ａ…第１の主面、３４ｂ…第２の主面、３５…回路基板、３６…電子部品、３６ｘ…上面、３７…はんだバンプ、３８…放熱部材、３９…シーラント、４０…電子装置、５１…第１の金属ペースト、５２…第２の金属ペースト。

Claims (6)

1. 複数のカーボンナノチューブを備えた第１のカーボンナノチューブシートと、
   前記第１のカーボンナノチューブシートの上面に密着した複数のカーボンナノチューブを有する周縁部と、前記周縁部よりも柔軟な中央部とを備えた第２のカーボンナノチューブシートと、
   前記第２のカーボンナノチューブシートの上面に密着した複数のカーボンナノチューブを備えた第３のカーボンナノチューブシートと、
   を備え、
   前記中央部に開口が設けられたことを特徴とする放熱シート。
2. 前記開口にグリースが充填されたことを特徴とする請求項１に記載の放熱シート。
3. 複数のカーボンナノチューブを備えた第１のカーボンナノチューブシート、複数のカーボンナノチューブを備えた第２のカーボンナノチューブシート、及び複数のカーボンナノチューブを備えた第３のカーボンナノチューブシートを順に重ねて放熱シートにする工程を有し、
   前記第２のカーボンナノチューブシートは、周縁部と、前記周縁部よりも柔軟な中央部とを備え、
   前記中央部に開口が設けられたことを特徴とする放熱シートの製造方法。
4. 前記開口にグリースを充填する工程を有することを特徴とする請求項３に記載の放熱シートの製造方法。
5. 互いに相対する第１の主面と第２の主面とを備えた放熱シートと、
   前記放熱シートの前記第１の主面に密着した電子部品と、
   前記放熱シートの前記第２の主面に密着した放熱部材とを備え、
   前記放熱シートは、
   前記電子部品に密着した複数のカーボンナノチューブを備えた第１のカーボンナノチューブシートと、
   前記第１のカーボンナノチューブシートの上面に密着した複数のカーボンナノチューブを有する周縁部と、前記周縁部よりも柔軟な中央部とを備えた第２のカーボンナノチューブシートと、
   前記第２のカーボンナノチューブシートの上面と前記放熱部材の各々に密着した複数のカーボンナノチューブを備えた第３のカーボンナノチューブシートとを有し、
   前記中央部に開口が設けられたことを特徴とする電子装置。
6. 前記開口にグリースが充填されたことを特徴とする請求項５に記載の電子装置。

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