カーボンナノチューブの放熱バンプ技術 Thermal Bumps Utilizing Carbon Nanotubes あらまし半導体チップの微細化によって，半導体製品の性能は飛躍的に進歩し続けている。反面，チップの発熱問題が顕在化してきている。例えばコンピュータのCPU，無線通信基地局の高出力増幅器，ハイブリッド車のモータ駆動用パワーモジュールなど，放熱性が非常に重要になってきている例は数多い。富士通では，これらの放熱性に対する一つの解として，カーボンナノチューブ（CNT）の高い熱伝導性を利用した放熱技術に関する研究開発を行っている。一例として今回，無線基地局向けフリップチップ高出力増幅器用のCNT放熱バンプ技術を開発した。CNT放熱バンプを用いることで，高い増幅率と良好な放熱性を兼ね備えた高周波・高出力増幅器の実現が可能になる。本稿では，CNT放熱バンプ技術の開発状況について紹介する。 Abstract Due to the continued miniaturization of semiconductor chips, the performance of semiconductor products is rapidly improving. However, at the same time, thermal issues affecting semiconductor chips are becoming serious. For example, heat dissipation has become a very important problem in the CPUs of personal computers, high-power RF amplifiers of mobile communication systems, and power control units of hybrid cars. As a solution to this problem, Fujitsu has been developing heatsinks for semiconductor chips that use high thermal conductivity carbon nanotubes. In this paper, we describe our carbonnanotube thermal and source bumps for high-power, flip-chip amplifiers in mobile communication base stations as examples of our recent developments in this area. 岩井大介（いわいたいすけ）粟野祐二（あわのゆうじ）ナノテクノロジー研究センター所属現在，カーボンナノチューブの応用研究および高速・高出力デバイスの開発に従事。ナノテクノロジー研究センター所属現在，ナノマテリアル研究の推進と統括に従事。 FUJITSU.58, 3, p.279-285 (05,2007) 279 カーボンナノチューブの放熱バンプ技術まえがきのバルク材料にはない様々な物性が現れる。グラファイトシートを円筒状にする際の直径の大きさやカーボンナノチューブ（CNT）が1991年に発見巻く方向，いわゆるカイラリティに応じて，半導されて以来，その興味は新材料としてのユニークな体の物性が出現したり，金属の物性が出現したり構造，およびその物性面に向けられてきた。現在もする。その興味は尽きないが，近年CNTを使った応用研半導体性のCNTはシリコン（Si）よりも10倍以 (1)-(3) 富士通は，半導体究も盛んになってきている。上高い電子移動度を示し，バンドギャップはその直性のCNTを用いたトランジスタへの応用研究，お径に依存する。直径とカイラリティが制御可能になよび金属性のCNTを用いた配線・放熱応用研究にり，所望のバンドギャップを持った半導体のみを作 (4)-(6) 配線応用のターゲットは，取り組んでいる。り分けできるようになれば，その高い移動度から考 CNTの持つ高い電流駆動能力・低抵抗の利点を生えて，ポストSi材料としての可能性を秘めている。かしたLSI多層配線間を上下に結ぶCNTビア配線技金属的な電気伝導性（以下，金属性）を示すCNT 術である。富士通では，放熱応用のターゲットとしも特異な物性を有する。炭素原子間の共有結合が非て，もう一つの利点であるCNTの高い熱伝導率を常に強く，マイグレーションが起こりにくいため，利用した半導体チップの放熱・冷却技術開発にも力電流駆動能力が非常に高い。許容電流密度は銅を入れている。放熱技術は，半導体分野において近年非常に重要になってきている。半導体チップの微細化によって，（Cu）のおよそ1000倍の109 A/cm2に達し，ポスト Cu材料としてのポテンシャルは非常に高い。また，熱伝導率もCuのおよそ10倍，ダイヤモンドと同程半導体製品の性能は飛躍的に進歩し続けている反面，チップの発熱問題が顕在化してきている。例えばコグラファイトシートンピュータのCPUがその例である。現状でも半導体チップ上で目玉焼きが焼けるほどの発熱量があり， (5,5) このままいくと近い将来チップ温度は原子炉の温度に達してしまうと言われている。近年開発が著しいハイブリッド車も良い例である。電力変換に用いら (7,0) れる高出力増幅器モジュールはキロワットオーダの消費電力から分かるように放熱性が重要となることは想像にたやすい。また，高出力増幅器といえば，無線通信システムの基地局で用いられる高周波・高アームチェアー型ジグザグ型出力増幅器においても同様に発熱問題を避けては通れない。これら半導体の分野に山積する発熱問題に対する一つの解として，著者らは高熱伝導率を有するCNTを用いた放熱技術の適用を考えている。本稿では，まずCNTの特異な構造から生じる物性について簡単に説明する。つぎに，その高い熱伝導率を生かした放熱応用技術の一例として，CNT バンプを用いた無線通信基地局向けのフリップチップ高出力増幅器開発を紹介する。カーボンナノチューブの物性カーボンナノチューブは，図-1に示すようにグラファイトシートを直径1～10 nm程度の円筒状にした構造を有している。この特異な構造によって従来 280 （5,5）金属（7,0）半導体図-1 カーボンナノチューブの構造 Fig.1-Structure of carbon nanotubes. FUJITSU.58, 3, (05,2007) カーボンナノチューブの放熱バンプ技術度と非常に高い値を示し，放熱材料としても有望である。図-1に示したCNTはグラファイトシート1 CNTバンプを用いたフリップチップHPAのコンセプト層が円筒状になったものであるが，図-2のように多本章では，まず無線通信基地局向け高出力増幅器数のグラファイトシートによって形成される多層の現状と課題について触れ，その課題解決に対するカーボンナノチューブ（MWNT）も存在する。 CNT放熱バンプの有用性について述べる。 MWNTは常に金属性を示し，1層の金属性CNTと無線通信分野では情報量増加を受けて，その出力同様の物性面での利点を有している。MWNTの方増幅器の高周波化，高出力化が求められている。高が，より低温で簡単に成長できるため，著者らは金出力増幅器内の高出力トランジスタの発熱量も大き属性CNTの応用開発ではMWNTを用いている。具くなるため，放熱性が非常に重要になる。例えば，体的にはMWNTが束になった状態のものを配線応無線通信基地局用高出力トランジスタチップには，用の場合はビア配線に，放熱応用の場合は放熱パス裸電球2個分に相当する出力の100 Wを超えるものの応用に用いている。もある。一方，高出力トランジスタのチップサイズは，数ミリ角と非常に小さい。数ミリ角のチップから裸電球2個分の出力が発生することを考えれば，放熱が非常に重要であることは想像にたやすい。従来は，ヒートシンクに直接つながるメタルパッケー多層カーボンナノチューブ MWNTの束ジに，高出力トランジスタチップを直接マウントし，チップを通してヒートシンクに熱を逃がす，いわゆる図-3に示すようなフェイスアップ構造を用いるこ (7) ところが，フェイスとで放熱性を確保していた。アップ構造の増幅器では高周波化が進むと，グランドとチップを電気接続しているボンディングワイヤの接地インダクタンスによって利得が低下するという問題がある。高出力増幅器の利得低下は，システ図-2 多層カーボンナノチューブ（MWNT） Fig.2-Multi-walled carbon nanotube. ムの効率低下に直結する。解決策として，トランジスタチップを裏返し，チップ電極とパッケージ電極図-3 従来のフェイスアップ構造の無線通信基地局向け高出力増幅器の概念 Fig.3-Conventional face-up high power amplifier for base station of mobile communication system. FUJITSU.58, 3, (05,2007) 281 カーボンナノチューブの放熱バンプ技術図-4 CNT放熱バンプを用いたフリップチップ高出力増幅器の概念 Fig.4-Flip-chip high power amplifier utilizing CNT bumps. をAuなどの金属バンプで接続するフリップチップ構造がある。しかし，高出力増幅器の場合，高出力 250 μm m ドレインバンプトランジスタで発生した大量の熱を逃がすには，従来の金属バンプの放熱性では不十分である。今後，伝達情報量の増加に伴って更に高周波化が進むと，ソースバンプ現状の技術で高い利得と放熱性を兼ね備えた高出力増幅器の実現が困難になることが予想される。ゲートバンプその解決策の一つの候補が，図-4に示すCNT放熱バンプを用いたフリップチップ高出力増幅器である。 CNTバンプは，微細加工性にも優れるため，高 CNT CNTバンプ出力トランジスタのソース，ゲート，ドレインの各電極に直接接続することが可能であり，放熱の役割のみならず，各電極の配線としても機能させること (8) 発熱源であるトランジスタ直近のソースができる。電極に熱伝導率の高いCNTバンプが接続されるため，良好な放熱性が保たれる。また，ソースに接続されたCNTバンプを介してソースは基板側グランドと接続されるため，従来のボンディングワイヤを ?m 5μ ?m 1μ 図-5 AlN基板上のCNTバンプのSEMイメージ Fig.5-SEM images of CNT bumps on AlN substrate. 介していた場合に比べて接地インダクタンスが低減される。つまり，高い周波数においても高い利得を形成した後，CNT成長を行う。CNTは触媒金属上維持することが可能になる。にのみ，選択的に成長される。触媒としてAl/Fe， CNTバンプの形成プロセス本章では，実際のCNTバンプの形成プロセス，ガスソースとしてArで希釈したアセチレンガスを用いたホットフィラメントCVD法により，バンプとして十分な長さである15μm以上の長さのCNT およびCNTバンプを用いたフリップチップ高出力を基板に対し，垂直に成長させることが可能である。増幅器の作成プロセスを説明する。また，CNTバンプのサイズは，触媒パターンによ著者らが用いているCNTバンプの製造プロセスり任意に制御可能であり，高出力トランジスタの微は，非常にシンプルである。配線を施したフリップ細電極パターン（幅10μm以下）に合わせた微細チップの受け側基板にCNT成長に必要となる触媒 CNTバンプ形成が可能である。受け側AlN基板に金属をフォトリソグラフ工程によって所望の位置に CNTバンプを形成した状態のSEMイメージを図-5 282 FUJITSU.58, 3, (05,2007) カーボンナノチューブの放熱バンプ技術に示す。ンジスタの自己発熱に起因している。実装した状態各バンプはCNTの束より成り，その面密度は，での熱抵抗が大きければ，負性抵抗も当然大きくな約1011 /cm2 である。バンプを構成しているそれぞる。フェイスアップ，フリップチップ両者間で，負れのCNTは直径およそ10 nmのMWNTである。性抵抗に差は見られず，CNTバンプが高出力トラ CNTバンプ成長後，高出力トランジスタチップンジスタからの発熱を効果的に逃がしていることがをフリップチップ・ボンディングする際のトランジ分かる。実装された高出力トランジスタの熱抵抗かスタの各電極とCNTバンプの密着性を上げるためら，CNT1本あたりの熱伝導率を見積もると，およに，CNT表面に金めっきを行う。図-6に金めっきそ1400 W/m・KとCuの3～4倍程度の値になる。後のCNTバンプ構造を示す。金めっきの厚さはおよそ1μmである。つぎに，CNTソースバンプによる接地インダクタンス低減効果を確認するためにフェイスアップお最後に，フリップチップボンダーを用いてAu よびフリップチップ高出力増幅器のSパラメタ測定めっきされたCNTバンプと高出力トランジスタを行い，小信号等価回路パラメタを抽出した。用いチップの各電極を熱圧着してフリップチップ高出力。増幅器が完成する（図-7）高出力トランジスタチップ高出力トランジスタチップ CNTバンプを用いたフリップチップHPA特性本章では，開発したCNTバンプを用いたフリッ AlN基板プチップ高出力増幅器の特性について述べる。高出力トランジスタには，無線通信基地局向け高高出力トランジスタチップ出力増幅器（HPA）として開発を進めているGaNHEMTを用いた。図-8は従来のフェイスアップ実装を行った場合と，CNTバンプを用いてフリップ CNTバンプチップ実装を行った場合の電流・電圧（I-V）特性である。ソース，ドレインの配線も含んだ抵抗は，I-V特 AlN基板性の立上がり抵抗に反映される。フェイスアップ実装の場合とフリップチップ実装の場合で，立上がり抵抗に差が見られないことから，CNTバンプの抵抗は無視できるほど小さいことが分かる。I-V特性図-7 フリップチップ高出力増幅器のSEMイメージ Fig.7-SEM image of flip-chip high power amplifier. の高電圧・高電流領域に見られる負性抵抗は，トラめっき後のCNTバンプめっき後のCNTバンプドレイン電流 (mA/mm) 140 フェイスアップﾌｪｲｽｱｯﾌﾟフリップチップﾌﾘｯﾌﾟﾁｯﾌﾟ 120 100 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 ドレイン電圧 (V) 図-8 図-6 Auめっき後のCNTバンプのSEMイメージ Fig.6-SEM image of CNT bumps after Au-plated. FUJITSU.58, 3, (05,2007) フェイスアップ実装，フリップチップ実装した場合のGaN-HEMT電流・電圧特性比較 Fig.8-I-V characteristics of GaN-HEMT flip-chip HPA and face-up HPA. 283 カーボンナノチューブの放熱バンプ技術 G Cgs D Cds S Ls (a) 小信号等価回路モデル 30 S 21 _ モデル S 21 _ 実測 20 S21 (dB) S 11 _ モデル S 11 _ 実測 S 22 _ モデル S 22 _ 実測 10 0 -10 -20 0 5 10 15 20 周波数 (GHz) (b) S 11 , S 22 モデル・実測比較 (c) S 21 モデル・実測比較図-9 小信号等価回路モデルおよびモデルと実測の比較 Fig.9-Small-signal equivalent circuit model and comparison between measured data and model data. 地インダクタンスの低減は，グランド面とトランジ 30 G Amax (dB) 25 20 フリップチップフリップチップスタのソース電極を長さ15μmのCNTバンプで接フェイスアップフェイスアップ続した効果と考えられる。測定したSパラメタから最大有能電力利得 15 （GAmax）の周波数依存を求めたものを図-10に示す。 10 5 フェイスアップ実装とフリップチップ実装の 0 GAmaxを比較すると，3 GHz以上の領域で差が出始 1 10 100 周波数 (GHz) 図-10 最大有能電力利得（GAmax）の周波数依存 Fig.10-Dependence of maximum available gain (GAmax) on frequency. める。5 GHz以上の領域では，フリップチップ実装の方が，小さい接地インダクタンスを反映して， GAmax が2 dB以上高いGAmax が得られている。CNT バンプ長を最適化し，入出力容量を減らすことでフリップチップ高出力増幅器の更なる高利得化は可能と考えられる。たトランジスタのゲート幅は2.4 mmである。結果続いて，CNTバンプを用いてフリップチップ実を図-9に示す。両者間で異なるパラメタは，接地イ装を行った高出力増幅器の入出力特性を図-11に示ンダクタンス（Ls），入力容量（Cgs）および出力容す。周波数は2.1 GHz，電源電圧は40 V，ゲート幅量（Cds）のみである。入出力容量には配線とグラは2.4 mmである。比較のために従来のフェイスンド間の寄生容量も含まれている。Cdsはフリップアップ実装高出力増幅器の特性も示した。CNTバチップ実装の場合の方が大きい値を示したが，これンプによる効果的な放熱によって，フリップチップはドレイン電極とグランド面の距離が短いことによ実装時のパワー特性はフェイスアップ実装時と同等ると考えられる。CNTバンプ長を長くすることで，の結果が得られている。値としては，ゲート幅2.4 mm Cdsは低減可能である。フェイスアップ実装のLsがのトランジスタで飽和出力電力が39 dBm，利得がおよそ0.12 nHであるのに対して，フリップチップ 15 dB，そして電力付加効率が68％と良好な結果が実装では0.06 nHと非常に小さい値が得られた。接得られている。CNTバンプのもう一つの利点であ 284 FUJITSU.58, 3, (05,2007) カーボンナノチューブの放熱バンプ技術フェイスアップﾌｪｲｽｱｯﾌﾟ CNTの放熱応用の一例にすぎず，冒頭で述べたよ 70 45 フリップチップﾌﾘｯﾌﾟﾁｯﾌﾟうなCPU，ハイブリッド車のパワーモジュールな 60 出力電力 (dBm), 利得 (dB) 出力 30 50 25 20 40 効率 15 30 利得 10 20 5 10 freq.=2.1GHz, Vds=40V freq.=2.1 GHz，Vds=40 V 0 0 5 10 15 20 25 電力付加効率 (%) 80 40 45 0 30 入力電力 (dBm) フェイスアップ実装時とCNTバンプを用いたフリップチップ実装時の高出力増幅器のパワー特性比較 Fig.11-Power performance comparison between faceup and flip-chip high-power amplifiers. ど，放熱が重要になる他分野への本技術の適用も期待される。なお，本研究開発は，NEDO（独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構）より財団法人ファインセラミックセンターに委託された，経済産業省ナノカーボン応用製品創製プロジェクト（NCTプロジェクト）の一環として実施された。図-11 参考文献（1）粟野祐二ほか：カーボンナノチューブの電子デバイス応用．応用物理， Vol.73 ， No.9 ， p.1212-1215 （2004）．る小さい接地インダクタンスによる増幅器の利得向（2） H. Dai et al.：Carbon Nanotubes: From Growth, 上の点については，周波数がまだ2.1 GHzと低いた Placement and Assembly Control to 60 mV/decade めに見えていない。今後，3 GHz以上のアプリケー and Sub-60 mV/decade Tunnel Transistors．IEEE ションにおいて，CNTバンプを適用することで高 2006 IEDM Tech. Digest，p.431-434．（3） I. Amlani et al.：First Demonstration of AC Gain 利得という効果が期待できる。むすび本稿では，CNT応用の一例として，その高い熱 From a Single-walled Carbon Nanotubes CommonSource Amplifier．IEEE 2006 IEDM Tech. Digest， p.559-562．伝導率を生かしたCNT放熱バンプ技術，およびそ（4） M. Nihei et al. ： Low-resistance Multi-walled れを用いた無線通信基地局向けフリップチップ高出 Carbon Nanotube Vias with Parallel Channel 力増幅器を紹介した。 Conduction of Inner Shells．IEEE 2005 IITC Tech. 幅10μm以下の微細領域に選択的に高さ15μm以 Digest，p.234-236．上のCNTを基板に対して垂直配向成長させる技術（5） M. Nihei et al. ： Simultaneous Formation of を開発した。開発した技術によって，高出力トラン Multiwall Carbon Nanotubes and their End-Bonded ジスタの微細電極へのCNTバンプ接合が可能にな Ormic Contacts to Ti Electrodes for Future ULSI り，世界に先駆けてCNTがフリップチップ構造の Interconnects．Jpn. J. Appl. Phys.，Vol.43，p.1856- バンプとして適用できることを実証した。1本あた 1859（2004）．りの熱伝導率は1400 W/m・Kと金属に比べて非常（6） S. Sato et al. ： Novel approach to fabricating に高く，またバンプを発熱源直近の微細電極上に接 carbon nanotube via interconnects using size- 合できる。従来のフェイスアップ構造と同等の放熱 controlled catalyst nanoparticles．IEEE 2006 IITC 性を確保したまま，インダクタンスを半分以下に低 Tech. Digest，p.230-232．減することがでた。その結果，5 GHz以上の高周波（7） T. Kikkawa et al.：Recent Progress of Highly での増幅率を2 dB以上に向上させることに成功 Reliable GaN-HEMT for Mass Production ． CS した。 MANTECH Digest，p.171-174（2006）．今後，バンプ中のCNTの高密度化を行うことに（8） T. Iwai et al. ： Thermal and Source Bumps より，さらなる放熱性の向上を実現し，CNTバン utilizing Carbon Nanotubes for Flip-chip High プを用いた無線通信基地局向けの高周波，高出力増 Power Amplifiers．IEEE 2005 IEDM Tech. Digest，幅器の実用化を目指す。また，今回紹介した例は， p.265-268． FUJITSU.58, 3, (05,2007) 285