JP7180201B2 - 接合構造体及び接合構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、接合構造体及び接合構造体の製造方法に関する。

カーボンナノチューブは、導電性、熱伝導性、耐熱性、及び柔軟性に優れていることから、様々な用途への開発が行われている。例えば、複数のカーボンナノチューブがその側面を覆う被覆層を介して互いに部分的に結合したシート状構造物を、金属ペーストによって、ヒートスプレッダに接合させた接合構造体が知られている（例えば、特許文献１）。また、炭素繊維が厚さ方向に配列している一方向性炭素繊維強化複合材料の表裏両面に金属ロウを介して金属部材を接合させた接合構造体が知られている（例えば、特許文献２）。

特開２０１２－２３６７３９号公報 特開平９－２９８２６０号公報

複数のカーボンナノチューブを金属ペースト又は金属ロウを用いて被接合部材に接合させた場合、複数のカーボンナノチューブと被接合部材とを強固に接合できないことがある。

１つの側面では、接合強度を向上させることを目的とする。

１つの態様では、複数のカーボンナノチューブと、第１被接合部材と、前記複数のカーボンナノチューブの一方の端部と前記第１被接合部材とを接合する第１金属焼結体と、を備え、前記第１金属焼結体は、前記複数のカーボンナノチューブの前記一方の端部側の間隙に入り込み、前記複数のカーボンナノチューブの前記一方の端部側の側面と端面を覆って前記複数のカーボンナノチューブに接合し、前記複数のカーボンナノチューブの前記第１金属焼結体で覆われた部分の長さは２μｍ以上１０μｍ以下である、接合構造体である。

１つの態様では、複数のカーボンナノチューブの一方の端部及び被接合部材の少なくとも一方に、金属粒子を含む金属ナノペーストを形成する工程と、前記複数のカーボンナノチューブの前記一方の端部と前記被接合部材とを前記金属ナノペーストを間に挟んで対峙させて前記金属ナノペーストを焼成することで前記複数のカーボンナノチューブの前記一方の端部側の間隙に入り込んで前記複数のカーボンナノチューブの側面と端面を覆う金属焼結体を形成し、前記複数のカーボンナノチューブの前記金属焼結体で覆われた部分の長さが２μｍ以上１０μｍ以下となって前記複数のカーボンナノチューブの前記一方の端部と前記被接合部材とを前記金属焼結体で接合する工程と、を備える接合構造体の製造方法である。

１つの態様では、シート状の複数のカーボンナノチューブを準備する工程と、第１被接合部材に金属粒子を含む第１金属ナノペーストを形成する工程と、第２被接合部材に金属粒子を含む第２金属ナノペーストを形成する工程と、前記第１金属ナノペーストと前記第２金属ナノペーストの間に前記複数のカーボンナノチューブを配置して前記第１金属ナノペーストと前記第２金属ナノペーストを同時に焼成することで前記複数のカーボンナノチューブの一方の端部側の間隙に入り込んで前記複数のカーボンナノチューブの側面と端面を覆う第１金属焼結体と前記複数のカーボンナノチューブの他方の端部側の間隙に入り込んで前記複数のカーボンナノチューブの側面と端面を覆う第２金属焼結体とを形成し、前記複数のカーボンナノチューブの前記第１金属焼結体で覆われた部分の長さが２μｍ以上１０μｍ以下となって前記複数のカーボンナノチューブの前記一方の端部と前記第１被接合部材とを前記第１金属焼結体で接合し、前記複数のカーボンナノチューブの前記他方の端部と前記第２被接合部材とを前記第２金属焼結体で接合する工程と、を備える接合構造体の製造方法である。

１つの側面として、接合強度を向上させることができる。

図１（ａ）から図１（ｄ）は、比較例に係る接合構造体の製造方法を示す断面図である。 図２は、実施例１に係る接合構造体の断面図である。 図３は、カーボンナノチューブと金属焼結体との接合状態を説明するための斜視図である。 図４（ａ）から図４（ｄ）は、実施例１に係る接合構造体の製造方法を示す断面図（その１）である。 図５（ａ）から図５（ｃ）は、実施例１に係る接合構造体の製造方法を示す断面図（その２）である。 図６は、実施例２に係る接合構造体の断面図である。 図７（ａ）から図７（ｃ）は、実施例２に係る接合構造体の製造方法を示す断面図（その１）である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、実施例２に係る接合構造体の製造方法を示す断面図（その２）である。 図９（ａ）から図９（ｄ）は、実施例３に係る接合構造体の製造方法を示す断面図（その１）である。 図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、実施例３に係る接合構造体の製造方法を示す断面図（その２）である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

まず、比較例について説明する。図１（ａ）から図１（ｄ）は、比較例に係る接合構造体の製造方法を示す断面図である。図１（ａ）のように、ヒートスプレッダ８０の表面上に、銀ペースト８２を形成する。銀ペースト８２は、樹脂バインダーなどのポリマー及び溶剤中に銀粒子が分散した混合物である。銀ペースト８２は、例えばディスペンス法又はスクリーン印刷などの印刷法によってヒートスプレッダ８０の表面上に塗布又は印刷することで形成される。

図１（ｂ）のように、ヒートスプレッダ８０の表面上に形成した銀ペースト８２上に、基板８４の表面上に形成されたカーボンナノチューブ８６（以下、ＣＮＴ８６と称す）を載置する。ＣＮＴ８６は、例えば金属的性質を有するカーボンナノチューブである。その後、ＣＮＴ８６を銀ペースト８２上に載置した状態で銀ペースト８２を加熱する。

銀ペースト８２を加熱することで、図１（ｃ）のように、銀ペースト８２に含まれていた銀粒子が焼結して金属焼結体８８となり、この金属焼結体８８によってヒートスプレッダ８０と複数のＣＮＴ８６とが接合される。また、銀ペースト８２に含まれていた溶剤は蒸発するが、樹脂バインダーなどのポリマーは複数のＣＮＴ８６の間隙に毛細管現象により入り込み、複数のＣＮＴ８６の間隙にポリマー膜９０が埋め込まれる。

図１（ｄ）のように、基板８４を複数のＣＮＴ８６から剥離する。これにより、複数のＣＮＴ８６が金属焼結体８８によってヒートスプレッダ８０に接合された接合構造体５００（放熱構造体）が形成される。

比較例の接合構造体５００によれば、複数のＣＮＴ８６の間隙がポリマー膜９０で埋め込まれ、複数のＣＮＴ８６とヒートスプレッダ８０とを接合させる金属焼結体８８は複数のＣＮＴ８６とヒートスプレッダ８０との間に位置している。すなわち、金属焼結体８８はポリマー膜９０で覆われた複数のＣＮＴ８６上に置かれた状態となっている。このような構造では、金属焼結体８８が複数のＣＮＴ８６に強固に接合されず、その結果、複数のＣＮＴ８６とヒートスプレッダ８０との接合強度が弱くなってしまう。なお、複数のＣＮＴ８６とヒートスプレッダ８０とを金属ロウによって接合した場合でも、金属ロウの粒子は複数のＣＮＴ８６の間隔よりも大きいために、金属ロウは複数のＣＮＴ８６上に置かれた状態となり、接合強度は弱くなる。

また、比較例の接合構造体５００によれば、ポリマー膜９０は、複数のＣＮＴ８６の間隙に埋め込まれているだけでなく、複数のＣＮＴ８６の端面も覆っている。このため、複数のＣＮＴ８６はポリマー膜９０を介してヒートスプレッダ８０に接合されることになる。よって、複数のＣＮＴ８６とヒートスプレッダ８０との間の電気抵抗及び熱抵抗が高くなり、例えば電流が流れた場合に発熱による焼損が生じることがある。

図２は、実施例１に係る接合構造体の断面図である。図２のように、実施例１の接合構造体１００は、ヒートスプレッダ１０と、複数のカーボンナノチューブ１２（以下、ＣＮＴ１２と称す）と、金属焼結体１４と、を備える放熱構造体である。ヒートスプレッダ１０は、例えば銅又はアルミニウムなどの熱伝導率の高い材料で形成された平板状の金属板である。

ＣＮＴ１２は、単層カーボンナノチューブであってもよいし、多層カーボンナノチューブであってもよい。ＣＮＴ１２は、例えば金属的性質を有するカーボンナノチューブであるが、半導体的性質を有するカーボンナノチューブの場合でもよい。ＣＮＴ１２の長さは、例えば１００μｍから５００μｍ程度である。ＣＮＴ１２の間隔Ｘは、例えば５０ｎｍから５００ｎｍ程度であり、一例として１００ｎｍ程度である。ＣＮＴ１２の面密度は、放熱性及び電気伝導性の点から、１．０×１０^１０本／ｃｍ^２以上である場合が好ましい。ＣＮＴ１２の端部１１が、金属焼結体１４によってヒートスプレッダ１０に接合されている。

金属焼結体１４は、銅（Ｃｕ）粒子又は銀（Ａｇ）粒子などの金属ナノ粒子を含む金属ナノペーストが焼成されることで形成された銅（Ｃｕ）焼結体又は銀（Ａｇ）焼結体などである。金属焼結体１４は、ヒートスプレッダ１０と複数のＣＮＴ１２とを接合する。金属焼結体１４は、一方側がヒートスプレッダ１０の平坦表面に接合し、他方側が複数のＣＮＴ１２の端部１１側の間隙に入り込んでＣＮＴ１２に接合している。すなわち、金属焼結体１４は、複数のＣＮＴ１２の端部１１側の間隙に入り込み、ＣＮＴ１２の側面及び端面を覆ってＣＮＴ１２に接合している。ＣＮＴ１２の金属焼結体１４で覆われた側面の長さは、例えば１０μｍ以下である。

図３は、カーボンナノチューブと金属焼結体との接合状態を説明するための斜視図である。図３のように、ＣＮＴ１２は、多結晶体である金属焼結体１４の結晶粒界１６内に取り込まれて、金属焼結体１４に接合している。言い換えると、金属焼結体１４は、ＣＮＴ１２の端面及び側面を包み込むようにして隣接する結晶粒１８が互いに接合した構造をしている。

図４（ａ）から図５（ｃ）は、実施例１に係る接合構造体の製造方法を示す断面図である。図４（ａ）のように、基板３０の表面に、例えばスパッタリング法によって、触媒金属膜３２を形成する。基板３０としては、シリコン基板などの半導体基板、酸化アルミニウム基板、サファイア基板、酸化マグネシウム基板、又はガラス基板などの絶縁性基板、若しくは、ステンレス基板などの金属基板などを用いることができる。また、これらの基板上に薄膜が形成されていてもよい。一例として、基板３０として酸化膜付きシリコン基板を用いることができる。触媒金属膜３２としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、又は白金（Ｐｔ）からなる膜、若しくは、これら金属を少なくとも１つ含む合金からなる膜を用いることができる。一例として、触媒金属膜３２として厚さ２．５ｎｍのＦｅ膜を用いることができる。なお、触媒金属膜３２の代わりに、微分型静電分級器などを用いて所望の粒径に分級した触媒粒子を用いてもよい。

また、基板３０と触媒金属膜３２との間に下地膜を形成してもよい。下地膜としては、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、チタンシリサイド（ＴｉＳｉ_Ｘ）、アルミニウム（Ａｌ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_Ｘ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、又は窒化チタン（ＴｉＮ）からなる膜、若しくは、これら材料の少なくとも１つを含む合金からなる膜を用いることができる。一例として、厚さ１０ｎｍのＡｌ膜とその上に形成された厚さ２．５ｎｍのＦｅ膜との積層構造、厚さ５ｎｍのＴｉＮ膜とその上に形成された厚さ２．５ｎｍのＣｏ膜との積層構造、又は厚さ５ｎｍのＴｉＮ膜とその上に形成された平均粒径４ｎｍのＣｏ粒子との積層構造を用いることができる。

図４（ｂ）のように、基板３０の表面に形成した触媒金属膜３２を触媒として、基板３０の表面上に、例えばホットフィラメントＣＶＤ（化学気相成長：Chemical Vapor Deposition）法によって、基板３０の表面に対して垂直配向した複数のＣＮＴ１２を成長させる。ＣＮＴ１２の成長条件は、一例として、アセチレンとアルゴンの混合ガス（分圧比１：９）を原料ガスに用い、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分とすることができる。このような成長条件によって、例えば層数が３層～６層（平均４層程度）、直径が４ｎｍ～８ｎｍ（平均６ｎｍ程度）、長さが８０μｍ程度、面密度が１×１０^１１本／ｃｍ^２程度の複数の多層カーボンナノチューブが形成される。なお、ＣＮＴ１２の成長には、ホットフィラメントＣＶＤ法以外の方法、例えば熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、又はリモートプラズマＣＶＤ法などを用いてもよい。また、炭素原料としては、アセチレンの他に、メタン又はエチレンなどの炭化水素類、或いは、エタノール又はメタノールなどのアルコール類などを用いてもよい。なお、ＣＮＴ１２の成長メカニズム上、先端部が基板３０の表面に対して傾いたＣＮＴ１２が多く発生し、複数のＣＮＴ１２は互いの先端部が絡まり合った構造となるが、図面では明瞭化のためにこの点の図示を省略している（他の図においても同じ）。

図４（ｃ）のように、基板３０の表面上に成長した複数のＣＮＴ１２の基板３０とは反対側の端部１１に金属ナノペースト４０を形成する。金属ナノペースト４０は、例えばディスペンス法又はスクリーン印刷などの印刷法によって複数のＣＮＴ１２の端部１１に塗布又は印刷することで形成される。金属ナノペースト４０は、粒径が数十ｎｍの金属ナノ粒子４２と、数μｍの大きさの金属粉４４と、溶剤４６と、で構成されている。金属ナノペースト４０には、樹脂バインダーなどのポリマーは含まれていない。金属粉４４は、後述する図５（ｂ）によって形成される金属焼結体１４の結晶性を向上させるために用いられている。金属ナノペースト４０は、金属粉４４を含まずに、金属ナノ粒子４２と溶剤４６とで構成されていてもよい。金属ナノ粒子４２及び金属粉４４は、例えば銅（Ｃｕ）又は銀（Ａｇ）で形成されている。ここでは、金属ナノ粒子４２は銅（Ｃｕ）ナノ粒子で、金属粉４４は銅（Ｃｕ）粉であるとする。溶剤４６は、例えば有機系の溶剤である。金属ナノ粒子４２の粒径は複数のＣＮＴ１２の間隔よりも小さく、ＣＮＴ１２の端部１１に金属ナノペースト４０を形成することで、金属ナノ粒子４２が複数のＣＮＴ１２の端部１１側の間隙に入り込むようになる。

図４（ｄ）のように、ヒートスプレッダ１０の表面上に金属ナノペースト５０を形成する。金属ナノペースト５０は、例えばディスペンス法又はスクリーン印刷などの印刷法によってヒートスプレッダ１０の表面上に塗布又は印刷することで形成される。金属ナノペースト５０は、粒径が数十ｎｍの金属ナノ粒子５２と、数μｍの大きさの金属粉５４と、溶剤５６と、で構成されている。金属ナノペースト５０には、樹脂バインダーなどのポリマーは含まれていない。金属粉５４は、後述する図５（ｂ）によって形成される金属焼結体１４の結晶性を向上させるために用いられている。金属ナノペースト５０は、金属粉５４を含まずに、金属ナノ粒子５２と溶剤５６とで構成されていてもよい。金属ナノ粒子５２及び金属粉５４は、例えば銅（Ｃｕ）又は銀（Ａｇ）で形成されている。ここでは、金属ナノ粒子５２及び金属粉５４は、ＣＮＴ１２の端部１１に形成した金属ナノペースト４０の金属ナノ粒子４２及び金属粉４４と同じ銅（Ｃｕ）粒子及び銅（Ｃｕ）粉であるとする。金属ナノ粒子５２の粒径は、金属ナノ粒子４２と同じく、複数のＣＮＴ１２の間隔よりも小さい。

なお、複数のＣＮＴ１２の端部１１に金属ナノペースト４０を形成する工程と、ヒートスプレッダ１０の表面上に金属ナノペースト５０を形成する工程とは、両方を行う場合に限られず、少なくとも一方を行えば良い。

図５（ａ）のように、複数のＣＮＴ１２の端部１１に形成した金属ナノペースト４０の表面とヒートスプレッダ１０に形成した金属ナノペースト５０の表面とを合わせて熱圧着を行い、金属ナノペースト４０及び５０を焼成する。熱圧着は、例えば、真空雰囲気又はアルゴン（Ａｒ）などの希ガス雰囲気中で、基板３０とヒートスプレッダ１０との間を数ＭＰａの力で押圧しながら２００℃～３００℃の温度で十数分維持することで行うことができる。

金属ナノペースト４０及び５０を熱圧着によって焼成することで、図５（ｂ）のように、溶剤４６及び５６は蒸発すると共に、金属ナノ粒子４２及び５２と金属粉４４及び５４とは焼結して金属焼結体１４が形成される。金属焼結体１４によってヒートスプレッダ１０と複数のＣＮＴ１２とが接合される。金属ナノペースト４０及び５０には樹脂バインダーなどのポリマーが含まれてなく、且つ、金属ナノ粒子４２及び５２の粒径は複数のＣＮＴ１２の間隔よりも小さい。このため、複数のＣＮＴ１２の間隙がポリマー膜で埋め込まれることはなく、金属焼結体１４は、複数のＣＮＴ１２の端部１１側の間隙に入り込んで、ＣＮＴ１２の側面及び端面を覆ってＣＮＴ１２に接合する。

図５（ｃ）のように、ヒートスプレッダ１０と複数のＣＮＴ１２とを金属焼結体１４によって接合した後、基板３０を剥離する。これにより、実施例１の接合構造体１００（放熱構造体）が形成される。

実施例１の接合構造体１００によれば、図２のように、複数のＣＮＴ１２とヒートスプレッダ１０とは金属焼結体１４によって接合されている。金属焼結体１４は、複数のＣＮＴ１２の端部１１側の間隙に入り込み、複数のＣＮＴ１２の端部１１側の側面と端面を覆って複数のＣＮＴ１２に接合している。実施例１の接合構造体１００は、以下の製造方法によって形成される。図４（ｃ）及び図４（ｄ）のように、複数のＣＮＴ１２の端部１１及びヒートスプレッダ１０の少なくとも一方に、金属ナノ粒子４２及び５２を含む金属ナノペースト４０及び５０を形成する。図５（ａ）及び図５（ｂ）のように、複数のＣＮＴ１２の端部１１とヒートスプレッダ１０とを金属ナノペースト４０及び５０を間に挟んで対峙させて金属ナノペースト４０及び５０を焼成する。これにより、複数のＣＮＴ１２の端部１１側の間隙に入り込んで複数のＣＮＴ１２の側面と端面を覆う金属焼結体１４を形成し、複数のＣＮＴ１２の端部１１とヒートスプレッダ１０とを金属焼結体１４で接合する。これにより、図１の比較例のような、金属焼結体８８がポリマー膜９０で覆われた複数のＣＮＴ８６上に置かれた構造に比べて、金属焼結体１４をＣＮＴ１２に強固に接合させることができる。よって、複数のＣＮＴ１２とヒートスプレッダ１０との接合強度を向上させることができる。

また、複数のＣＮＴ１２の間隙にポリマー膜が埋め込まれていないため、複数のＣＮＴ１２とヒートスプレッダ１０とがポリマー膜を介さずに金属焼結体１４で接合されることで、ＣＮＴ１２とヒートスプレッダ１０との間の熱抵抗及び電気抵抗を低減することができる。よって、例えばＣＮＴ１２からヒートスプレッダ１０に電流が流れた場合でも、発熱による焼損を抑制することができる。

図３のように、ＣＮＴ１２は金属焼結体１４の結晶粒界１６に存在し、金属焼結体１４はＣＮＴ１２の端面及び側面を包み込むようにして隣接する結晶粒１８が互いに接合している。これにより、金属焼結体１４とＣＮＴ１２とが強固に接合される。

図４（ｃ）及び図４（ｄ）のように、ＣＮＴ１２の端部１１に金属ナノペースト４０を形成し、且つ、ヒートスプレッダ１０に金属ナノペースト５０を形成することが好ましい。これにより、図５（ａ）及び図５（ｂ）のように、金属ナノペースト４０と金属ナノペースト５０とを熱圧着することで、ＣＮＴ１２とヒートスプレッダ１０とが金属焼結体１４によって強固に安定して接合される。ＣＮＴ１２がヒートスプレッダ１０に強固に接合されることで、図５（ｃ）における基板３０の剥離を容易に行えるようになる。

金属ナノペースト４０及び５０はポリマーを含まないことが好ましい。これにより、複数のＣＮＴ１２の間隙がポリマー膜で埋め込まれないため、金属焼結体１４が複数のＣＮＴ１２の間隙に入り込んでＣＮＴ１２の側面と端面を覆って接合し易くなる。なお、金属ナノペースト４０及び５０は、金属焼結体１４が複数のＣＮＴ１２の間隙に入り込んでＣＮＴ１２の側面と端面を覆って接合できる程度に少量であればポリマーを含む場合でもよい。

ＣＮＴ１２の金属焼結体１４で覆われた長さは、ＣＮＴ１２と金属焼結体１４との接合強度の点から、２μｍ以上が好ましく、４μｍ以上がより好ましく、６μｍ以上が更に好ましい。一方、ＣＮＴ１２の金属焼結体１４で覆われた長さが長くなるほど、ＣＮＴ１２の柔軟性が低下する。したがって、ＣＮＴ１２の金属焼結体１４で覆われた長さは、ＣＮＴ１２の柔軟性の点から、１０μｍ以下が好ましく、７μｍ以下がより好ましく、５μｍ以下が更に好ましい。

実施例１では、複数のＣＮＴ１２の端部１１に金属焼結体１４によって接合される被接合部材がヒートスプレッダ１０である場合を例に示したが、この場合に限られる訳ではない。複数のＣＮＴ１２の端部１１に金属焼結体１４によって接合される被接合部材は、電子部品又は配線基板などの他の部材であってもよい。また、複数のＣＮＴ１２を配線として利用してもよい。

図６は、実施例２に係る接合構造体の断面図である。図６のように、実施例２の接合構造体２００は、ヒートスプレッダ１０と、複数のＣＮＴ１２と、金属焼結体１４と、電子部品２０と、金属焼結体２２と、を備える電子機器である。電子部品２０は、例えば無線又は携帯電話基地局用のハイパワーアンプ、サーバ又はパーソナルコンピュータ用の半導体素子、車載ＩＣ（Integrated Circuit）、若しくはハイブリッド自動車又は電気自動車のモータ駆動用のトランジスタである。

金属焼結体２２は、銅（Ｃｕ）粒子又は銀（Ａｇ）粒子などの金属ナノ粒子を含む金属ナノペーストが焼成されることで形成された銅（Ｃｕ）焼結体又は銀（Ａｇ）焼結体などである。金属焼結体２２は、電子部品２０と複数のＣＮＴ１２とを接合する。金属焼結体２２は、一方側が電子部品２０に接合し、他方側が複数のＣＮＴ１２の端部１３側の間隙に入り込んでＣＮＴ１２に接合している。すなわち、金属焼結体２２は、複数のＣＮＴ１２の端部１３側の間隙に入り込み、ＣＮＴ１２の側面及び端面を覆ってＣＮＴ１２に接合している。ＣＮＴ１２の金属焼結体２２で覆われた側面の長さは、例えば１０μｍ以下である。金属焼結体２２は、金属焼結体１４と同じく、結晶粒界に存在するＣＮＴ１２を包み込むようにして隣接する結晶粒が互いに接合した構造をしている。複数のＣＮＴ１２の金属焼結体１４が接合した領域と金属焼結体２２が接合した領域との間の領域２４では、複数のＣＮＴ１２間は空隙２６となっている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。

図７（ａ）から図８（ｂ）は、実施例２に係る接合構造体の製造方法を示す断面図である。図７（ａ）のように、実施例１の図４（ａ）から図５（ｃ）で説明した工程を実施して、複数のＣＮＴ１２の端部１１が金属焼結体１４によってヒートスプレッダ１０に接合した構造を形成する。

図７（ｂ）のように、複数のＣＮＴ１２の端部１１とは反対側の端部１３に金属ナノペースト６０を形成する。金属ナノペースト６０は、例えばディスペンス法又はスクリーン印刷などの印刷法によって複数のＣＮＴ１２の端部１３に塗布又は印刷することで形成される。金属ナノペースト６０は、粒径が数十ｎｍの金属ナノ粒子６２と、数μｍの大きさの金属粉６４と、溶剤６６と、で構成されている。金属ナノペースト６０には、樹脂バインダーなどのポリマーは含まれていない。金属粉６４は、後述する図８（ｂ）によって形成される金属焼結体２２の結晶性を向上させるために用いられている。金属ナノペースト６０は、金属粉６４を含まずに、金属ナノ粒子６２と溶剤６６とで構成されていてもよい。金属ナノ粒子６２及び金属粉６４は、例えば銅（Ｃｕ）又は銀（Ａｇ）で形成されている。ここでは、金属ナノ粒子６２は銅（Ｃｕ）ナノ粒子で、金属粉６４は銅（Ｃｕ）粉であるとする。溶剤６６は、例えば有機系の溶剤である。金属ナノ粒子６２の粒径は複数のＣＮＴ１２の間隔よりも小さく、ＣＮＴ１２の端部１３に金属ナノペースト６０を形成することで、金属ナノ粒子６２が複数のＣＮＴ１２の端部１３側の間隙に入り込むようになる。

図７（ｃ）のように、電子部品２０の表面上に金属ナノペースト７０を形成する。金属ナノペースト７０は、例えばディスペンス法又はスクリーン印刷などの印刷法によって電子部品２０の表面上に塗布又は印刷することで形成される。金属ナノペースト７０は、粒径が数十ｎｍの金属ナノ粒子７２と、数μｍの大きさの金属粉７４と、溶剤７６と、で構成されている。金属ナノペースト７０には、樹脂バインダーなどのポリマーは含まれていない。金属粉７４は、後述する図８（ｂ）によって形成される金属焼結体２２の結晶性を向上させるために用いられている。金属ナノペースト７０は、金属粉７４を含まずに、金属ナノ粒子７２と溶剤７６とで構成されていてもよい。金属ナノ粒子７２及び金属粉７４は、例えば銅（Ｃｕ）又は銀（Ａｇ）で形成されている。ここでは、金属ナノ粒子７２及び金属粉７４は、ＣＮＴ１２の端部１３に形成した金属ナノペースト６０の金属ナノ粒子６２及び金属粉６４と同じ銅（Ｃｕ）粒子及び銅（Ｃｕ）粉であるとする。金属ナノ粒子７２の粒径は、金属ナノ粒子６２と同じく、複数のＣＮＴ１２の間隔よりも小さい。

なお、複数のＣＮＴ１２の端部１３に金属ナノペースト６０を形成する工程と、電子部品２０の表面上に金属ナノペースト７０を形成する工程とは、両方を行う場合に限られず、少なくとも一方を行えば良い。

図８（ａ）のように、複数のＣＮＴ１２の端部１３に形成した金属ナノペースト６０の表面と電子部品２０に形成した金属ナノペースト７０の表面とを合わせて熱圧着を行い、金属ナノペースト６０及び７０を焼成する。熱圧着は、例えば、真空雰囲気又はアルゴン（Ａｒ）などの希ガス雰囲気中で、電子部品２０とヒートスプレッダ１０の間を数ＭＰａの力で押圧しながら２００℃～３００℃の温度で十数分維持することで行うことができる。

金属ナノペースト６０及び７０を熱圧着によって焼成することで、図８（ｂ）のように、溶剤６６及び７６は蒸発すると共に、金属ナノ粒子６２及び７２と金属粉６４及び７４とは焼結して金属焼結体２２が形成される。金属焼結体２２によって電子部品２０と複数のＣＮＴ１２とが接合される。金属ナノペースト６０及び７０には樹脂バインダーなどのポリマーが含まれてなく、且つ、金属ナノ粒子６２及び７２の粒径は複数のＣＮＴ１２の間隔よりも小さい。このため、複数のＣＮＴ１２の間隙がポリマー膜で埋め込まれることはなく、金属焼結体２２は、複数のＣＮＴ１２の端部１３側の間隙に入り込んで、ＣＮＴ１２の端部１３側の側面及び端面を覆ってＣＮＴ１２に接合する。これにより、実施例２の接合構造体２００（電子機器）が形成される。

実施例２によれば、図６のように、複数のＣＮＴ１２の一方の端部１１は金属焼結体１４によってヒートスプレッダ１０に接合され、他方の端部１３は金属焼結体２２によって電子部品２０に接合されている。金属焼結体１４及び２２は、複数のＣＮＴ１２の間隙に入り込んでＣＮＴ１２の側面と端面を覆ってＣＮＴ１２に接合している。実施例２の接合構造体２００は、実施例１の接合構造体１００の製造工程に以下の製造工程を加えることによって形成される。図７（ｂ）及び図７（ｃ）のように、複数のＣＮＴ１２の端部１３及び電子部品２０の少なくとも一方に、金属ナノ粒子６２及び７２を含む金属ナノペースト６０及び７０を形成する。図８（ａ）及び図８（ｂ）のように、複数のＣＮＴ１２の端部１３と電子部品２０とを金属ナノペースト６０及び７０を間に挟んで対峙させて金属ナノペースト６０及び７０を焼成する。これにより、複数のＣＮＴ１２の端部１３側の間隙に入り込んで複数のＣＮＴ１２の側面と端面を覆う金属焼結体２２を形成し、複数のＣＮＴ１２の端部１３と電子部品２０とを金属焼結体２２で接合する。これにより、複数のＣＮＴ１２とヒートスプレッダ１０との接合強度及び複数のＣＮＴ１２と電子部品２０との接合強度を向上させることができる。例えば、ヒートスプレッダ１０及び電子部品２０に対してＣＮＴ１２の配向方向に交差する方向に力を加えた場合に、複数のＣＮＴ１２とヒートスプレッダ１０及び電子部品２０との間の接合強度を数ＭＰａ以上とすることができる。

また、ＣＮＴ１２とヒートスプレッダ１０とがポリマー膜を介さずに金属焼結体１４で接合され、ＣＮＴ１２と電子部品２０とがポリマー膜を介さずに金属焼結体２２で接合されている。このため、電子部品２０とヒートスプレッダ１０との間の熱抵抗及び電気抵抗を低減することができる。例えば、電子部品２０とヒートスプレッダ１０との間の電気抵抗率を数十μΩ・ｃｍ程度とすることができ、熱抵抗を０．０３℃／Ｗ以下とすることができる。

図６のように、複数のＣＮＴ１２の金属焼結体１４が接合した領域と金属焼結体２２が接合した領域との間の領域２４では、複数のＣＮＴ１２間は空隙２６となっている。これにより、ＣＮＴ１２の柔軟性が低下することを抑制できる。よって、接合構造体２００の温度が上昇して、ヒートスプレッダ１０と電子部品２０とがそれぞれの材料に起因した熱膨張係数に従って膨張した場合でも、この膨張によって生じる応力をＣＮＴ１２で吸収することができる。

図７（ｂ）及び図７（ｃ）のように、ＣＮＴ１２と電子部品２０とが強固に安定して接合する点から、ＣＮＴ１２の端部１３に金属ナノペースト６０を形成し、且つ、電子部品２０に金属ナノペースト７０を形成することが好ましい。なお、金属ナノペースト６０と金属ナノペースト７０を熱圧着させた後には、図５（ｃ）のような基板３０の剥離工程はない。したがって、このことを踏まえると、金属ナノペーストが形成し易い電子部品２０のみに金属ナノペースト７０を形成し、ＣＮＴ１２の端部１３には金属ナノペースト６０を形成しなくてもよい。これにより、製造工程数を削減できる。

なお、金属焼結体１４と金属焼結体２２とは、同じ金属材料で形成されている場合に限られず、異なる金属材料で形成されていてもよい。

なお、実施例２では、複数のＣＮＴ１２をヒートスプレッダ１０に接合した後に電子部品２０に接合する場合を例に説明したが、電子部品２０に接合した後にヒートスプレッダ１０に接合してもよい。また、実施例２では、複数のＣＮＴ１２の端部１３に金属焼結体２２によって接合される被接合部材として電子部品２０の場合を例に示したが、この場合に限られる訳ではない。複数のＣＮＴ１２の端部１３に金属焼結体２２によって接合される被接合部材は、配線基板などの他の部材であってもよい。

実施例３に係る接合構造体は、図６に示した実施例２に係る接合構造体２００と同じ構造をしているため、図示及び説明を省略する。図９（ａ）から図１０（ｂ）は、実施例３に係る接合構造体の製造方法を示す断面図である。図９（ａ）のように、実施例１の図４（ａ）及び図４（ｂ）で説明した工程を実施して、基板３０の表面上に、基板３０の表面に垂直配向した複数のＣＮＴ１２を成長させる。

図９（ｂ）のように、複数のＣＮＴ１２を例えば剃刀などを用いて基板３０から剥離する。上述したように、ＣＮＴ１２の先端部は基板３０の表面に対して傾くことが多いため、複数のＣＮＴ１２は互いの先端部が絡まり合っている。このため、複数のＣＮＴ１２を基板３０から剥離しても、複数のＣＮＴ１２は散り散りにならずに、シート状の複数のＣＮＴ１２となる。

図９（ｃ）のように、ヒートスプレッダ１０の表面上に金属ナノペースト５０を形成する。金属ナノペースト５０の形成は、実施例１の図４（ｄ）で説明した工程と同じであるため、ここでは説明を省略する。

図９（ｄ）のように、電子部品２０の表面上に金属ナノペースト７０を形成する。金属ナノペースト７０の形成は、実施例２の図７（ｃ）で説明した工程と同じであるため、ここでは説明を省略する。

図１０（ａ）のように、シート状の複数のＣＮＴ１２を間に挟んで、ヒートスプレッダ１０に形成した金属ナノペースト５０と電子部品２０に形成した金属ナノペースト７０とを対向させる。この状態で熱圧着を行い、金属ナノペースト５０及び７０を同時に焼成する。熱圧着は、例えば、真空雰囲気又はアルゴン（Ａｒ）などの希ガス雰囲気中で、電子部品２０とヒートスプレッダ１０の間を数ＭＰａの力で押圧しながら２００℃～３００℃の温度で十数分間維持することで行うことができる。金属ナノ粒子５２及び７２の粒径は複数のＣＮＴ１２の間隔よりも小さいことから、金属ナノ粒子５２及び７２はＣＮＴ１２の端部１１側及び端部１３側の間隙に入り込むようになる。

金属ナノペースト５０及び７０を熱圧着によって焼成することで、図１０（ｂ）のように、金属ナノ粒子５２及び金属粉５４は焼結して金属焼結体１４が形成され、金属ナノ粒子７２及び金属粉７４は焼結して金属焼結体２２が形成される。なお、溶剤５６及び７６は蒸発する。金属焼結体１４によってヒートスプレッダ１０と複数のＣＮＴ１２とは接合され、金属焼結体２２によって電子部品２０と複数のＣＮＴ１２とは接合される。金属ナノペースト５０及び７０には樹脂バインダーなどのポリマーが含まれてなく、且つ、金属ナノ粒子５２及び７２の粒径は複数のＣＮＴ１２の間隔よりも小さい。このため、複数のＣＮＴ１２の間隙がポリマー膜で埋め込まれることはなく、金属焼結体１４は、複数のＣＮＴ１２の端部１１側の間隙に入り込んで、ＣＮＴ１２の端部１１側の側面及び端面を覆ってＣＮＴ１２に接合する。金属焼結体２２は、複数のＣＮＴ１２の端部１３側の間隙に入り込んで、ＣＮＴ１２の端部１３側の側面及び端面を覆ってＣＮＴ１２に接合する。これにより、実施例３の接合構造体３００（電子機器）が形成される。

実施例３によれば、図９（ｂ）のように、シート状の複数のＣＮＴ１２を準備する。図９（ｃ）のように、ヒートスプレッダ１０の表面上に金属ナノ粒子５２を含む金属ナノペースト５０を形成する。図９（ｄ）のように、電子部品２０の表面上に金属ナノ粒子７２を含む金属ナノペースト７０を形成する。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）のように、金属ナノペースト５０と金属ナノペースト７０の間にシート状の複数のＣＮＴ１２を配置して金属ナノペースト５０及び７０を同時に焼成する。これにより、複数のＣＮＴ１２の端部１１側の間隙に入り込んで複数のＣＮＴ１２の側面と端面を覆う金属焼結体１４を形成し、複数のＣＮＴ１２の端部１１とヒートスプレッダ１０とを金属焼結体１４で接合する。複数のＣＮＴ１２の端部１３側の間隙に入り込んで複数のＣＮＴ１２の側面と端面を覆う金属焼結体２２を形成し、複数のＣＮＴ１２の端部１３と電子部品２０とを金属焼結体２２で接合する。このような製造方法によれば、実施例２で説明した製造方法に比べて、製造工程を簡略化することができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

なお、以上の説明に関して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と、第１被接合部材と、前記複数のカーボンナノチューブの一方の端部と前記第１被接合部材とを接合する第１金属焼結体と、を備え、前記第１金属焼結体は、前記複数のカーボンナノチューブの前記一方の端部側の間隙に入り込み、前記複数のカーボンナノチューブの前記一方の端部側の側面と端面を覆って前記複数のカーボンナノチューブに接合している、接合構造体。
（付記２）前記複数のカーボンナノチューブは、前記第１金属焼結体の結晶粒界に存在している、付記１記載の接合構造体。
（付記３）前記第１被接合部材は、ヒートスプレッダである、付記１または２記載の接合構造体。
（付記４）前記第１金属焼結体は、銅焼結体又は銀焼結体である、付記１から３のいずれか一項記載の接合構造体。
（付記５）第２被接合部材と、前記複数のカーボンナノチューブの他方の端部と前記第２被接合部材とを接合する第２金属焼結体と、を備え、前記第２金属焼結体は、前記複数のカーボンナノチューブの前記他方の端部側の間隙に入り込み、前記複数のカーボンナノチューブの前記他方の端部側の側面と端面を覆って前記複数のカーボンナノチューブに接合している、付記１から４のいずれか一項記載の接合構造体。
（付記６）前記複数のカーボンナノチューブの前記第１金属焼結体が接合した領域と前記第２金属焼結体が接合した領域との間の領域では、前記複数のカーボンナノチューブ間は空隙となっている、付記５記載の接合構造体。
（付記７）前記第２被接合部材は電子部品である、付記５または６記載の接合構造体。
（付記８）前記第２金属焼結体は、前記第１金属焼結体と同じ材料で形成されている、付記５から７のいずれか一項記載の接合構造体。
（付記９）複数のカーボンナノチューブの一方の端部及び第１被接合部材の少なくとも一方に、金属粒子を含む第１金属ナノペーストを形成する工程と、前記複数のカーボンナノチューブの前記一方の端部と前記第１被接合部材とを前記第１金属ナノペーストを間に挟んで対峙させて前記第１金属ナノペーストを焼成することで前記複数のカーボンナノチューブの前記一方の端部側の間隙に入り込んで前記複数のカーボンナノチューブの側面と端面を覆う第１金属焼結体を形成し、前記複数のカーボンナノチューブの前記一方の端部と前記第１被接合部材とを前記第１金属焼結体で接合する工程と、を備える接合構造体の製造方法。
（付記１０）前記第１金属ナノペーストはポリマーを含まない、付記９記載の接合構造体の製造方法。
（付記１１）前記第１金属ナノペーストは、前記複数のカーボンナノチューブの間隔よりも小さい前記金属粒子と前記複数のカーボンナノチューブの間隔よりも大きい金属フィラーと溶剤とで構成されている、付記９または１０記載の接合構造体の製造方法。
（付記１２）前記複数のカーボンナノチューブの他方の端部及び第２被接合部材の少なくとも一方に、金属粒子を含む第２金属ナノペーストを形成する工程と、前記複数のカーボンナノチューブの前記他方の端部と前記第２被接合部材とを前記第２金属ナノペーストを間に挟んで対峙させて前記第２金属ナノペーストを焼成することで前記複数のカーボンナノチューブの前記他方の端部側の間隙に入り込んで前記複数のカーボンナノチューブの側面と端面を覆う第２金属焼結体を形成し、前記複数のカーボンナノチューブの前記他方の端部と前記第２被接合部材とを前記第２金属焼結体で接合する工程と、を備える付記９から１１のいずれか一項記載の接合構造体の製造方法。
（付記１３）シート状の複数のカーボンナノチューブを準備する工程と、第１被接合部材に金属粒子を含む第１金属ナノペーストを形成する工程と、第２被接合部材に金属粒子を含む第２金属ナノペーストを形成する工程と、前記１金属ナノペーストと前記第２金属ナノペーストの間に前記複数のカーボンナノチューブを配置して前記第１金属ナノペーストと前記第２金属ナノペーストを同時に焼成することで前記複数のカーボンナノチューブの一方の端部側の間隙に入り込んで前記複数のカーボンナノチューブの側面と端面を覆う第１金属焼結体と前記複数のカーボンナノチューブの他方の端部側の間隙に入り込んで前記複数のカーボンナノチューブの側面と端面を覆う第２金属焼結体とを形成し、前記複数のカーボンナノチューブの前記一方の端部と前記第１被接合部材とを前記第１金属焼結体で接合し、前記複数のカーボンナノチューブの前記他方の端部と前記第２被接合部材とを前記第２金属焼結体で接合する工程と、を備える接合構造体の製造方法。

１０ ヒートスプレッダ
１１ 端部
１２ カーボンナノチューブ
１３ 端部
１４ 金属焼結体
１６ 結晶粒界
１８ 結晶粒
２０ 電子部品
２２ 金属焼結体
２４ 領域
２６ 空隙
３０ 基板
３２ 触媒金属膜
４０、５０、６０、７０ 金属ナノペースト
４２、５２、６２、７２ 金属ナノ粒子
４４、５４、６４、７４ 金属粉
４６、５６、６６、７６ 溶剤
８０ ヒートスプレッダ
８２ 銀ペースト
８４ 基板
８６ カーボンナノチューブ
８８ 金属焼結体
９０ ポリマー膜
１００、２００、３００、５００ 接合構造体

Claims (10)

1. 複数のカーボンナノチューブと、
   第１被接合部材と、
   前記複数のカーボンナノチューブの一方の端部と前記第１被接合部材とを接合する第１金属焼結体と、を備え、
   前記第１金属焼結体は、前記複数のカーボンナノチューブの前記一方の端部側の間隙に入り込み、前記複数のカーボンナノチューブの前記一方の端部側の側面と端面を覆って前記複数のカーボンナノチューブに接合し、
   前記複数のカーボンナノチューブの前記第１金属焼結体で覆われた部分の長さは２μｍ以上１０μｍ以下である、接合構造体。
2. 前記複数のカーボンナノチューブは、前記第１金属焼結体の結晶粒界に存在している、請求項１記載の接合構造体。
3. 前記第１被接合部材は、ヒートスプレッダである、請求項１または２記載の接合構造体。
4. 前記第１金属焼結体は、銅焼結体又は銀焼結体である、請求項１から３のいずれか一項記載の接合構造体。
5. 第２被接合部材と、
   前記複数のカーボンナノチューブの他方の端部と前記第２被接合部材とを接合する第２金属焼結体と、を備え、
   前記第２金属焼結体は、前記複数のカーボンナノチューブの前記他方の端部側の間隙に入り込み、前記複数のカーボンナノチューブの前記他方の端部側の側面と端面を覆って前記複数のカーボンナノチューブに接合している、請求項１から４のいずれか一項記載の接合構造体。
6. 前記複数のカーボンナノチューブの前記第１金属焼結体が接合した領域と前記第２金属焼結体が接合した領域との間の領域では、前記複数のカーボンナノチューブ間は空隙となっている、請求項５記載の接合構造体。
7. 前記第２被接合部材は電子部品である、請求項５または６記載の接合構造体。
8. 複数のカーボンナノチューブの一方の端部及び被接合部材の少なくとも一方に、金属粒子を含む金属ナノペーストを形成する工程と、
   前記複数のカーボンナノチューブの前記一方の端部と前記被接合部材とを前記金属ナノペーストを間に挟んで対峙させて前記金属ナノペーストを焼成することで前記複数のカーボンナノチューブの前記一方の端部側の間隙に入り込んで前記複数のカーボンナノチューブの側面と端面を覆う金属焼結体を形成し、前記複数のカーボンナノチューブの前記金属焼結体で覆われた部分の長さが２μｍ以上１０μｍ以下となって前記複数のカーボンナノチューブの前記一方の端部と前記被接合部材とを前記金属焼結体で接合する工程と、を備える接合構造体の製造方法。
9. 前記金属ナノペーストはポリマーを含まない、請求項８記載の接合構造体の製造方法。
10. シート状の複数のカーボンナノチューブを準備する工程と、
    第１被接合部材に金属粒子を含む第１金属ナノペーストを形成する工程と、
    第２被接合部材に金属粒子を含む第２金属ナノペーストを形成する工程と、
    前記第１金属ナノペーストと前記第２金属ナノペーストの間に前記複数のカーボンナノチューブを配置して前記第１金属ナノペーストと前記第２金属ナノペーストを同時に焼成することで前記複数のカーボンナノチューブの一方の端部側の間隙に入り込んで前記複数のカーボンナノチューブの側面と端面を覆う第１金属焼結体と前記複数のカーボンナノチューブの他方の端部側の間隙に入り込んで前記複数のカーボンナノチューブの側面と端面を覆う第２金属焼結体とを形成し、前記複数のカーボンナノチューブの前記第１金属焼結体で覆われた部分の長さが２μｍ以上１０μｍ以下となって前記複数のカーボンナノチューブの前記一方の端部と前記第１被接合部材とを前記第１金属焼結体で接合し、前記複数のカーボンナノチューブの前記他方の端部と前記第２被接合部材とを前記第２金属焼結体で接合する工程と、を備える接合構造体の製造方法。

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