(57)【要約】【課題】熱交換素子と基板との熱抵抗が小さい半導体装置、ならびに、前記半導体装置を備える電子機器および移動体を提供すること。【解決手段】互いに表裏の関係にある第１面および第２面を有する絶縁基板と、前記第１面上に設けられている複数の外部接続端子と、前記第２面上に設けられている複数の内部接続端子と、前記絶縁基板を貫通し、前記外部接続端子と前記内部接続端子とを電気的に接続する貫通配線と、を有する配線基板と、前記第２面上に設けられている半導体素子と、前記配線基板と前記半導体素子との間に設けられ、複数の熱電半導体素子を有する熱交換素子と、を備え、前記内部接続端子および前記熱交換素子は、ボンディングワイヤーまたは接合用金属を介して互いに電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。【選択図】図１
2020161763.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに表裏の関係にある第１面および第２面を有する絶縁基板と、前記第１面上に設けられている複数の外部接続端子と、前記第２面上に設けられている複数の内部接続端子と、前記絶縁基板を貫通し、前記外部接続端子と前記内部接続端子とを電気的に接続する貫通配線と、を有する配線基板と、
前記第２面側に設けられている半導体素子と、
前記配線基板と前記半導体素子との間に設けられ、複数の熱電半導体素子を有する熱交換素子と、
を備え、
前記内部接続端子および前記熱交換素子の電極は、ボンディングワイヤーまたは接合用金属を介して互いに電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体素子の電極および前記熱交換素子の電極は、前記ボンディングワイヤーを介して互いに電気的に接続されている請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記内部接続端子は、前記第２面を平面視したときに前記熱交換素子と重ならない位置に設けられている第１内部接続端子と、前記熱交換素子と重なる位置に設けられている第２内部接続端子と、を含んでいる請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
複数の前記第２内部接続端子を含み、前記複数の第２内部接続端子のうちの少なくとも２つが、一体に配設されている請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記配線基板は、前記第２内部接続端子と前記外部接続端子とを接続する貫通配線を有している請求項３または４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記熱交換素子は、ペルチェ素子である請求項１ないし５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記熱交換素子は、ゼーベック素子である請求項１ないし５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体素子は、前記熱交換素子に流す電流を制御する電流制御回路を有している請求項１ないし７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の半導体装置を備えることを特徴とする電子機器。
【請求項１０】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の半導体装置を備えることを特徴とする移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、電子機器および移動体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の高速化、高集積化により、半導体素子からの発熱量が増大している。その一方、半導体装置の構造は、従来のリードフレーム構造から、はんだボールのような突起電極を備えるエリアアレイパッケージ構造へと移行している。このため、半導体素子から発生した熱がこもり易くなり、半導体装置の性能低下等が生じるおそれがある。
【０００３】
そこで、特許文献１には、複数の半導体素子に対して積層した状態で電子冷却素子を配置してなる積層型マルチチップ半導体装置が開示されている。具体的には、この積層型マルチチップ半導体装置は、インターポーザーとペルチェ素子と半導体素子とを備えている。このような半導体装置では、電子冷却素子により、半導体素子の熱をインターポーザー側へ効率よく放熱することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１７６３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の半導体装置では、ペルチェ素子とインターポーザーとの間が多数のバンプを介して接続されている。バンプとは、一般的に、突起状の端子のことをいう。このため、バンプを介して電子冷却素子とインターポーザーとの間が接続されている場合、バンプが放熱経路になるものの、その接続面積は電子冷却素子の面積に比べて非常に小さくなる。したがって、電子冷却素子とインターポーザーとの間の熱抵抗が大きくなり、放熱効率を十分に高めることができないという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の適用例に係る半導体装置は、互いに表裏の関係にある第１面および第２面を有する絶縁基板と、前記第１面上に設けられている複数の外部接続端子と、前記第２面上に設けられている複数の内部接続端子と、前記絶縁基板を貫通し、前記外部接続端子と前記内部接続端子とを電気的に接続する貫通配線と、を有する配線基板と、
前記第２面側に設けられている半導体素子と、
前記配線基板と前記半導体素子との間に設けられ、複数の熱電半導体素子を有する熱交換素子と、
を備え、
前記内部接続端子および前記熱交換素子の電極は、ボンディングワイヤーまたは接合用金属を介して互いに電気的に接続されていることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図２】図１に示す半導体素子が備える機能を示すブロック図である。
【図３】図２に示すスイッチング部の構成を示す回路図である。
【図４】図３に示すスイッチング部におけるイネーブル信号ＥＮおよび電流制御信号ＣＮＴと、熱交換素子への通電状態と、の関係を表す表である。
【図５】図１に示す熱交換素子の作動を制御するフローチャートの一例である。
【図６】図５に示すフローによって制御される熱交換素子の制御パターンの一例を説明するための図である。
【図７】第１実施形態の変形例に係る半導体装置を示す断面図である。
【図８】第２実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図９】第３実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図１０】実施形態に係る電子機器であるモバイル型のパーソナルコンピューターを示す斜視図である。
【図１１】実施形態に係る電子機器である携帯電話機を示す平面図である。
【図１２】実施形態に係る電子機器であるデジタルスチールカメラを示す斜視図である。
【図１３】実施形態に係る移動体である自動車を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の半導体装置、電子機器および移動体を、添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
【０００９】
＜第１実施形態＞
まず、第１実施形態に係る半導体装置について説明する。
【００１０】
図１は、第１実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。なお、図１では、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を図示している。そして、以下の説明では、説明の便宜上、Ｚ軸プラス側を「上」、Ｚ軸マイナス側を「下」として説明する。
【００１１】
ただし、以下の説明において「面上に設けられる」および「面側に設けられる」とは、それぞれ、図中においての上下を問わず、その面に接するように設けられている状態、または、その面に何らかの介在物を介して設けられている状態、のいずれかを指す。
【００１２】
図１に示す半導体装置１は、配線基板２と、半導体素子３と、熱交換素子４と、を備えている。そして、配線基板２上に熱交換素子４が配置され、その熱交換素子４上に半導体素子３が配置されている。また、半導体素子３および熱交換素子４は、モールド樹脂９で被覆されている。以下、各部について説明する。
【００１３】
配線基板２は、いわゆるエリアアレイパッケージ構造を有するインターポーザー基板である。具体的には、エリアアレイパッケージ構造には、例えばボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）構造、ランドグリッドアレイ（ＬＧＡ）構造、ピングリッドアレイ（ＰＧＡ）構造等の種類がある。図１では、一例として、ボールグリッドアレイ構造を採用する配線基板２について図示しているが、配線基板２は、他の構造を採用していてもよい。
【００１４】
図１に示す配線基板２は、互いに表裏の関係にある下面２２１（第１面）および上面２２２（第２面）を有する絶縁基板２２と、下面２２１上に設けられている複数の外部接続端子２４と、上面２２２上に設けられている複数の内部接続端子２６と、絶縁基板２２を貫通し、外部接続端子２４と内部接続端子２６とを電気的に接続する複数の貫通配線２８と、を有する。
【００１５】
このうち、複数の内部接続端子２６は、絶縁基板２２の上面２２２において、熱交換素子４の周囲に配置されている第１内部接続端子２６１と、熱交換素子４と配線基板２との間に配置されている第２内部接続端子２６２と、を含んでいる。また、一部の第１内部接続端子２６１同士は、図示しない配線を介して電気的に接続されている。これにより、内部接続端子２６同士のピッチと、外部接続端子２４同士のピッチと、を異ならせることができ、配線基板２をインターポーザー基板として用いることができる。
【００１６】
一方、外部接続端子２４は、絶縁基板２２の下面２２１においてグリッド状に並んでいる。換言すれば、外部接続端子２４は、例えばＸ軸方向およびＹ軸方向の双方において等間隔に並んでいる。そして、配線基板２は、各外部接続端子２４に接合するはんだボール２９を有する。このようなグリッドアレイ構造によれば、パッケージサイズの小型化を図りつつ、電気的接続の高密度化を図ることができる。
【００１７】
また、複数の外部接続端子２４は、前述したようにグリッド状に並んでいるが、第１外部接続端子２４１と第２外部接続端子２４２とを含んでいる。このうち、第１外部接続端子２４１は、第１内部接続端子２６１と電気的に接続されている。また、第２外部接続端子２４２は、第２内部接続端子２６２と熱的に接続されている。このような電気的および熱的な接続は、複数の貫通配線２８により実現されている。具体的には、前述した複数の貫通配線２８は、第１貫通配線２８１と第２貫通配線２８２とを含んでいる。そして、第１外部接続端子２４１と第１内部接続端子２６１との間が、第１貫通配線２８１を介して電気的に接続されている。また、第２外部接続端子２４２と第２内部接続端子２６２との間が、サーマルスルーホールビアである第２貫通配線２８２を介して熱的に接続されている。
【００１８】
なお、第２外部接続端子２４２は、前述した第２内部接続端子２６２のＸＹ面内のほぼ同じ位置に設けられている。これにより、第２貫通配線２８２の配線長を短くすることができ、第２外部接続端子２４２と第２内部接続端子２６２との間の熱抵抗を小さくすることができる。
【００１９】
また、第２外部接続端子２４２には、必要に応じて、二次実装に用いる基板のＧＮＤプレーン、放熱用プレーン、放熱フィン等を接続するようにしてもよい。これにより、第２外部接続端子２４２における放熱効率をより高めることができる。
【００２０】
絶縁基板２２としては、例えば、樹脂基板、セラミックス基板等が挙げられる。また、絶縁基板２２は、内部に配線等が形成されている多層基板であってもよい。
【００２１】
外部接続端子２４、内部接続端子２６および貫通配線２８の構成材料としては、例えば、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｗ等の金属単体またはこれらを含む合金等が挙げられる。
【００２２】
はんだボール２９は、各種はんだ、または各種ろう材を含むボールバンプである。はんだボール２９は、半導体装置１を実装基板等に搭載する際に、実装基板との電気的および機械的接続を担う。
【００２３】
配線基板２上には、後述する熱交換素子４を介して半導体素子３が配置されている。
半導体素子３としては、例えば、ＩＣ（Integrated Circuit）、ＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）等の集積回路素子が挙げられる。図１に示す半導体素子３は、素子本体３１と、素子本体３１の上面に設けられている電極３２と、を有している。電極３２と第１内部接続端子２６１との間が、ボンディングワイヤー５２を介して電気的に接続されている。
【００２４】
配線基板２と半導体素子３との間には、熱交換素子４が配置されている。
熱交換素子４は、複数の熱電半導体素子４２と、熱電半導体素子４２の下方に設けられている第１支持基板４４と、熱電半導体素子４２の上方に設けられている第２支持基板４６と、を有している。また、隣り合う熱電半導体素子４２同士は、第１支持基板４４の上面および第２支持基板４６の下面にそれぞれ設けられた電極４８を介して電気的に接続されている。さらに、第１支持基板４４と第２支持基板４６との間は、充填部４９を介して充填されるとともに、電気的に絶縁されている。
【００２５】
本実施形態に係る熱電半導体素子４２は、ペルチェ素子である。ペルチェ素子は、電気的特性の異なる熱電半導体素子４２同士を直列に接続し、電流を流すことにより、接続部分に発熱または吸熱が発生する現象、いわゆるペルチェ効果を生じさせる素子である。この現象を利用して半導体素子３からの熱を吸収し、配線基板２側に放出することができる。また、逆に、配線基板２側の熱を半導体素子３に移動させることができる。これにより、半導体素子３の熱を効率よく移動させることができる。
【００２６】
具体的には、熱電半導体素子４２は、ｎ型熱電半導体素子４２ｎとｐ型熱電半導体素子４２ｐとを含んでいる。そして、ｎ型熱電半導体素子４２ｎとｐ型熱電半導体素子４２ｐとが交互に並び、隣り合う素子同士が電極４８を介して電気的に接続されている。
【００２７】
また、第２支持基板４６よりも外側に位置する電極４８は、その上面が露出するように設けられている。そして、この電極４８と第１内部接続端子２６１との間が、ボンディングワイヤー５４を介して電気的に接続されている。
【００２８】
第１支持基板４４および第２支持基板４６は、それぞれ、例えば、セラミックス基板とされる。また、電極４８は、例えば、これらの基板上に成膜されている金属箔または金属めっき膜等とされる。
【００２９】
充填部４９は、第１支持基板４４と第２支持基板４６との間を充填し、熱電半導体素子４２同士を絶縁している。充填部４９としては、例えば樹脂材料が用いられる。また、必要に応じて導電性フィラー等が添加されていてもよい。なお、充填部４９は、省略されてもよい。
【００３０】
配線基板２と熱交換素子４との間は、接着層６２を介して接着されている。これにより、配線基板２と熱交換素子４とが機械的に固定されているとともに、絶縁されている。
【００３１】
また、熱交換素子４と半導体素子３との間は、接着層６４を介して接着されている。これにより、熱交換素子４と半導体素子３とが機械的に固定されているとともに、絶縁されている。
【００３２】
接着層６２、６４の構成材料としては、例えば、エポキシ系接着剤、シリコーン系接着剤、ウレタン系接着剤、アクリル系接着剤等が挙げられる。また、接着層６２には、必要に応じて、熱伝導性フィラー等の添加物が添加されていてもよい。
【００３３】
以上のように、本実施形態に係る半導体装置１は、互いに表裏の関係にある下面２２１（第１面）および上面２２２（第２面）を有する絶縁基板２２と、下面２２１上に設けられている複数の外部接続端子２４と、上面２２２上に設けられている複数の内部接続端子２６と、絶縁基板２２を貫通し、外部接続端子２４と内部接続端子２６とを電気的に接続する貫通配線２８と、を有する配線基板２と、上面２２２側に設けられている半導体素子３と、配線基板２と半導体素子３との間に設けられ、複数の熱電半導体素子４２を有する熱交換素子４と、を備えている。そして、熱交換素子４の電極４８および内部接続端子２６は、ボンディングワイヤー５４を介して互いに電気的に接続されている。
【００３４】
このような構成によれば、ボンディングワイヤー５４を介して熱交換素子４と配線基板２とを接続しているため、従来のようなバンプを介することなく、熱交換素子４と配線基板２とを電気的に接続することができる。このため、熱交換素子４と配線基板２との距離を小さくすることができる。これにより、接着層６２の厚さは、絶縁性を確保できる最小限の厚さで済む。したがって、熱交換素子４と配線基板２との間の熱抵抗を小さくすることが可能になる。
【００３５】
つまり、従来のようなバンプを介する接続の場合、そのバンプを介して熱が伝達されることから、熱伝達経路の面積が小さくなり、かつ、経路長も長くなるという問題があった。これに対し、ボンディングワイヤー５４を用いることにより、バンプが不要になるため、上述した接着層６２の厚さ、すなわち熱伝達経路の経路長を短くすることができ、熱抵抗の低減を図ることができる。その結果、半導体素子３から熱交換素子４に移動した熱を、接着層６２を介して配線基板２側に効率よく排熱することができる。
【００３６】
その結果、半導体装置１では、熱交換素子４による半導体素子３の温度制御のレスポンスが速くなり、より高精度の温度制御が可能になる。このため、温度変化に伴う性能低下が特に少なく、信頼性の高い半導体装置１を実現することができる。また、温度制御に必要な熱交換素子４の消費電力を低減させることができるので、半導体装置１の消費電力の削減を図ることができる。
【００３７】
接着層６２、６４の厚さは、それぞれ５００μｍ以下であるのが好ましく、３００μｍ以下であるのがより好ましく、５０μｍ以上２００μｍ以下であるのがさらに好ましい。接着層６２、６４の厚さを前記範囲内に設定することにより、接着層６２、６４の厚さ方向における熱抵抗を抑えつつ、十分な絶縁性を確保することができる。
【００３８】
また、ボンディングワイヤー５４によれば、配線基板２から離れた位置に配線を敷設することができるので、配線基板２の第１内部接続端子２６１のうち、いずれに対してボンディングワイヤー５４を接続するかについて、選択の自由度を高めることができる。つまり、熱交換素子４と接続するための第１内部接続端子２６１を、熱交換素子４の直下に配置するという制約をなくすことができる。これにより、半導体素子３と接続するための第１内部接続端子２６１を、より最適な位置に配置することができるので、半導体装置１の特性を高めやすくなる。
【００３９】
さらに、熱交換素子４の上面に露出した電極４８にボンディングワイヤー５４を接続することから、電極４８の面積を十分に広くすることができる。したがって、ボンディングワイヤー５４の多少の位置ずれが許容されることになる。換言すれば、配線基板２に対する熱交換素子４の配置精度を高める必要がないことから、配置作業を容易にすることができる。したがって、半導体装置１は、より製造しやすいものとなる。
【００４０】
また、本実施形態では、半導体素子３の電極３２および第１内部接続端子２６１が、ボンディングワイヤー５２を介して互いに電気的に接続されている。また、ボンディングワイヤー５２が接続されている第１内部接続端子２６１、および、前述したボンディングワイヤー５４が接続されている第１内部接続端子２６１は、それぞれ複数あり、そのうちの一部同士が図示しない配線を介して電気的に接続されている。したがって、半導体素子３の電極３２および熱交換素子４の電極４８は、ボンディングワイヤー５２、５４を介して電気的に接続されていることになる。
【００４１】
このような構成によれば、半導体素子３に係る電気的接続と、熱交換素子４に係る電気的接続とを、１回のボンディング作業で行うことができる。また、従来のようなバンプを設けるための工程や、バンプと内部接続端子２６とを電気的に接続するための工程が不要になる。このため、作業効率が高くなり、低コスト化を図りやすくなる。
【００４２】
また、本実施形態に係る内部接続端子２６は、前述したように、絶縁基板２２の上面２２２（第２面）をＺ軸方向マイナス側に平面視したときに熱交換素子４と重ならない位置に設けられている第１内部接続端子２６１と、熱交換素子４と重なる位置に設けられている第２内部接続端子２６２と、を含んでいる。
【００４３】
したがって、第１内部接続端子２６１には、ボンディングワイヤー５２、５４の接続が可能になる。一方、第２内部接続端子２６２は、接着層６２を介して熱交換素子４に近接することになる。このため、熱交換素子４から排出された熱は、第２内部接続端子２６２、およびそれに接続された第２貫通配線２８２および第２外部接続端子２４２を介して半導体装置１の外部に移動することができる。したがって、第２内部接続端子２６２が設けられていることにより、配線基板２における厚さ方向の熱抵抗を低下させ、排熱の効率を高めることができる。
【００４４】
さらに、図１に示す配線基板２は、第２内部接続端子２６２と外部接続端子２４とを接続する第２貫通配線２８２を有している。このような第２貫通配線２８２を設けることにより、第２外部接続端子２４２と第２内部接続端子２６２との間の熱抵抗を特に低下させることができる。
【００４５】
特に、第２貫通配線２８２は、第２内部接続端子２６２の直下に設けられているのが好ましい。直下とは、絶縁基板２２の上面２２２をＺ軸方向マイナス側に平面視したとき、第２貫通配線２８２が第２内部接続端子２６２の外縁よりも内側に位置している状態のことをいう。このような第２貫通配線２８２を設けることにより、第２外部接続端子２４２と第２内部接続端子２６２との間の熱抵抗をさらに低下させることができる。
【００４６】
また、第２貫通配線２８２の横断面積、すなわちＸＹ面で切断されたときの断面積は、前述した第１内部接続端子２６１と第１外部接続端子２４１とを接続する第１貫通配線２８１の横断面積よりも大きくてもよい。これにより、さらに熱抵抗を低下させることができる。
【００４７】
ここで、熱交換素子４は、前述したように、直列に接続されているｎ型熱電半導体素子４２ｎとｐ型熱電半導体素子４２ｐとを備えている。そして、図１に示す熱交換素子４では、ｐ型熱電半導体素子４２ｐに接続されている電極４８２の方から直流電流を流すと、第２支持基板４６側が吸熱側となり、半導体素子３からの熱を吸収し、第１支持基板４４側へと移動させることができる。一方、その反対に、ｎ型熱電半導体素子４２ｎに接続されている電極４８１の方から直流電流を流すと、第２支持基板４６側が放熱側となるため、半導体素子３を加熱することができる。
【００４８】
このような熱交換素子４の作動は、半導体装置１の外部から制御されてもよいが、半導体素子３によって制御されてもよい。
【００４９】
図２は、図１に示す半導体素子３が備える機能を示すブロック図である。半導体素子３は、内部の機能として、温度センサー部３３、温度制御部３４、およびスイッチング部３６を含む電流制御回路３０を有している。以下、電流制御回路３０の各部について詳述する。また、図３は、図２に示すスイッチング部の構成を示す回路図である。
【００５０】
温度センサー部３３は、半導体素子３自体の温度を直接測定する。このため、測定誤差が少なく、タイムラグも少ない検出結果を出力することができる。
【００５１】
温度制御部３４は、温度センサー部３３から出力された温度検出結果に基づき、スイッチング部３６の作動を制御する。温度制御部３４は、熱交換素子４の作動のオン・オフを制御するイネーブル信号を出力するイネーブル端子３４２と、熱交換素子４に対する電流のオン・オフを制御する電流制御信号を出力する電流制御端子３４４と、を有している。イネーブル信号および電流制御信号は、０または１のいずれかの電位をとる。
【００５２】
スイッチング部３６は、第１制御素子３６１と、第２制御素子３６２と、を含んでいる。第１制御素子３６１および第２制御素子３６２は、それぞれｐ型ＭＯＳトランジスター３６１ｐ、３６２ｐおよびｎ型ＭＯＳトランジスター３６１ｎ、３６２ｎを含んでいる。そして、ｐ型ＭＯＳトランジスター３６１ｐ、３６２ｐの各ソース電極には、電源ラインの途中に設けられたｐ型ＭＯＳトランジスター３６３ｐを介して電源電位ＶＤＤを与えられている。ｐ型ＭＯＳトランジスター３６３ｐのゲート電極は、前述したイネーブル端子３４２と接続されている。一方、ｎ型ＭＯＳトランジスター３６１ｎ、３６２ｎの各ソース電極には、基準電位ＧＮＤが与えられている。
【００５３】
また、第１制御素子３６１の出力端３６１２は、熱交換素子４のｐ型熱電半導体素子４２ｐの電極４８２と接続されている。さらに、第２制御素子３６２の出力端３６２２は、熱交換素子４のｎ型熱電半導体素子４２ｎの電極４８１と接続されている。
【００５４】
一方、第１制御素子３６１の入力端３６１１は、前述した電流制御端子３４４と接続されている。また、第２制御素子３６２の入力端３６２１は、ＮＯＴゲート３６４を介して電流制御端子３４４と接続されている。
【００５５】
次に、スイッチング部３６の作動について説明する。
図４は、図３に示すスイッチング部におけるイネーブル信号ＥＮおよび電流制御信号ＣＮＴと、熱交換素子４への通電状態と、の関係を表す表である。図５は、図１に示す熱交換素子４の作動を制御するフローチャートの一例である。図６は、図５に示すフローによって制御される熱交換素子４の制御パターンの一例を説明するための図である。
【００５６】
図４に示すように、イネーブル信号ＥＮが１であり、電流制御信号ＣＮＴが０または１である場合、熱交換素子４には通電されないため、熱交換素子４は作動しない。
【００５７】
一方、イネーブル信号ＥＮが０であり、電流制御信号ＣＮＴが０である場合、第１制御素子３６１のｐ型ＭＯＳトランジスター３６１ｐにおいて電源電位ＶＤＤが選択されるため、電極４８２には電源電位ＶＤＤが与えられ、第２制御素子３６２のｎ型ＭＯＳトランジスター３６２ｎにおいて基準電位ＧＮＤが選択されるため、電極４８１には基準電位ＧＮＤが与えられる。このため、熱交換素子４は半導体素子３を加熱する方向に通電される。
【００５８】
また、イネーブル信号ＥＮが０であり、電流制御信号ＣＮＴが１である場合、第１制御素子３６１のｎ型ＭＯＳトランジスター３６１ｎにおいて基準電位ＧＮＤが選択されるため、電極４８２には基準電位ＧＮＤが与えられ、第２制御素子３６２のｐ型ＭＯＳトランジスター３６２ｐにおいて電源電位ＶＤＤが選択されるため、電極４８１には電源電位ＶＤＤが与えられる。このため、熱交換素子４は半導体素子３を冷却する方向に通電される。
【００５９】
次に、図５に示す制御フローについて説明する。
まず、図５のステップＳ０１において半導体装置１の電源がＯＮになり、ステップＳ０２において半導体素子３が作動すると、ステップＳ０３において温度センサー部３３により半導体素子３の温度を検出する。また、図６の時刻ｔ１以降に示すように、温度センサー部３３によって検出される半導体素子３の温度は、徐々に上昇する。そして、ステップＳ０４において、半導体素子３の温度が温度制御範囲Ｔより高いか低いかを温度制御部３４により判断する。
【００６０】
時刻ｔ２では、半導体素子３の温度が温度制御範囲Ｔより高くなっていることから、イネーブル信号ＥＮを１から０に変更するとともに、電流制御信号ＣＮＴとして１を選択する。これにより、ステップＳ０５として熱交換素子４が半導体素子３の熱を吸収する方向、つまり冷却方向に通電されるため、半導体素子３の温度が低下する。一方、図示しないものの、半導体素子３の温度が温度制御範囲Ｔより低くなっている場合には、電流制御信号ＣＮＴとして０を選択すればよい。これにより、ステップＳ０６として熱交換素子４が半導体素子３を加熱する方向に通電されるため、半導体素子３の温度が上昇する。
【００６１】
その後、ステップＳ０７において、半導体素子３の作動が停止しているか否かを判断し、停止している場合には、ステップＳ０８として電源をオフにし、停止していない場合には、再びステップＳ０３に戻ることになる。
【００６２】
図６では、時刻ｔ２以降、ステップＳ０３において半導体素子３の温度低下を検出し、図６に示す温度制御範囲Ｔより下回った時刻ｔ３において、ステップＳ０４における温度制御部３４の判断に基づき、電流制御信号ＣＮＴとして０を選択する。これにより、ステップＳ０６において熱交換素子４が半導体素子３を加熱する方向に通電されるため、半導体素子３の温度が上昇する。その後、半導体素子３の温度が温度制御範囲Ｔより上回った時刻ｔ４において、再び、電流制御信号ＣＮＴとして１を選択する。これにより、再び半導体素子３の温度が低下する。時刻ｔ５以降は、時刻ｔ３および時刻ｔ４の場合と同様に制御される。以上のようにして、半導体素子３の温度を図６に示す温度制御範囲Ｔに収まるように制御することができる。
【００６３】
以上のような制御によれば、半導体素子３に熱がこもるのを抑制し、熱による性能低下が発生しにくくなる。それに加え、半導体素子３の温度を温度制御範囲Ｔに収まるように制御することができるので、半導体素子３の特性に温度依存性がある場合でも、特性変化を最小限に抑えることができる。その結果、より信頼性の高い半導体装置１を実現することができる。
【００６４】
以上のように、本実施形態に係る半導体素子３は、熱交換素子４に流す電流を制御する電流制御回路３０を有している。これにより、半導体素子３が自らの温度を制御することができる。このため、外部の電流制御回路に頼ることなく、半導体素子３の温度が変化した場合でも性能変化が少なく、信頼性の高い半導体装置１を実現することができる。
【００６５】
＜変形例＞
次に、第１実施形態の変形例に係る半導体装置について説明する。
図７は、第１実施形態の変形例に係る半導体装置を示す断面図である。
【００６６】
以下、変形例について説明するが、以下の説明では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図７において、第１実施形態と同様の構成については、前述した各図と同一の符号を付している。
【００６７】
本変形例は、第２内部接続端子２６２同士が連結されている以外、第１実施形態と同様である。すなわち、図７に示す半導体装置１は、熱交換素子４と重なる位置に設けられている複数の第２内部接続端子２６２を含んでいる。そして、第２内部接続端子２６２同士が連結され、１つの大きな端子を構成している。すなわち、複数の第２内部接続端子２６２のうちの少なくとも２つが、一体に配設されている。このような構成によれば、第２内部接続端子２６２と熱交換素子４との間の熱的な接触抵抗をより小さく抑えることができる。これにより、熱交換素子４と配線基板２との間の熱抵抗をさらに低減することができる。
以上のような変形例においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００６８】
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る半導体装置について説明する。
図８は、第２実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【００６９】
以下、第２実施形態について説明するが、以下の説明では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図８において、第１実施形態と同様の構成については、前述した各図と同一の符号を付している。
【００７０】
前述した第１実施形態では、ボンディングワイヤー５４を介して熱交換素子４と配線基板２とが電気的に接続されているのに対し、本実施形態では、接合用金属５６を介して熱交換素子４と配線基板２とが電気的に接続されている。
【００７１】
具体的には、図１に示す熱交換素子４では、その上面において電極４８１、４８２が露出しているのに対し、図８に示す熱交換素子４では、その下面側において電極４８１、４８２が露出している。
【００７２】
そして、電極４８１と第２内部接続端子２６２とが接合用金属５６を介して電気的に接続されている。同様に、電極４８２と第２内部接続端子２６２とが接合用金属５６を介して電気的に接続されている。
【００７３】
以上のように、本実施形態に係る半導体装置１は、互いに表裏の関係にある下面２２１（第１面）および上面２２２（第２面）を有する絶縁基板２２と、下面２２１上に設けられている複数の外部接続端子２４と、上面２２２上に設けられている複数の内部接続端子２６と、絶縁基板２２を貫通し、外部接続端子２４と内部接続端子２６とを電気的に接続する貫通配線２８と、を有する配線基板２と、上面２２２側に設けられている半導体素子３と、配線基板２と半導体素子３との間に設けられ、複数の熱電半導体素子４２を有する熱交換素子４と、を備えている。そして、熱交換素子４の電極４８および内部接続端子２６は、接合用金属５６を介して互いに電気的に接続されている。
【００７４】
このような構成によれば、接合用金属５６を介して熱交換素子４と配線基板２とを接続しているため、従来のようなバンプを介することなく、熱交換素子４と配線基板２とを電気的に接続することができる。このため、熱交換素子４と配線基板２との距離を小さくすることができる。これにより、接着層６２の厚さは、絶縁性を確保できる最小限の厚さで済む。したがって、熱交換素子４と配線基板２との間の熱抵抗を小さくすることが可能になる。
【００７５】
接合用金属５６としては、例えば、はんだ、ろう材、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｄ等を含む金属ペースト等が挙げられるが、特にはんだが好ましく用いられる。はんだによれば、比較的低温で接合することができ、かつ、接触抵抗も比較的低くすることができる。
以上のような第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００７６】
＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態に係る半導体装置について説明する。
図９は、第３実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【００７７】
以下、第３実施形態について説明するが、以下の説明では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図９において、第１実施形態と同様の構成については、前述した各図と同一の符号を付している。
【００７８】
前述した第１実施形態では、熱交換素子４がペルチェ素子であるのに対し、本実施形態では、図９に示す熱交換素子４Ａがゼーベック素子である。ゼーベック素子は、電気特性の異なる熱電半導体素子４２同士を直列に接続し、温度差に曝すことにより、電位差が発生する現象、いわゆるゼーベック効果を生じさせる素子である。この現象を利用し、半導体素子３側を高温側、配線基板２側を低温側として、この温度差を利用した発電を行うとともに、熱を移動させることができる。また、逆に、配線基板２側を高温側、半導体素子３側を低温側として、この温度差を利用した発電を行うとともに、熱を移動させることができる。これにより、半導体素子３の温度制御が可能になる。
【００７９】
また、ゼーベック素子では、温度差から電気エネルギーを発生させることができるので、本実施形態に係る半導体装置１では、発生させた電気エネルギーを半導体素子３の電源ラインに供給することができるように配線されていてもよい。これにより、半導体装置１の消費電力を削減することができる。
以上のような第３実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００８０】
＜電子機器＞
図１０は、実施形態に係る電子機器であるモバイル型のパーソナルコンピューターを示す斜視図である。
【００８１】
図１０において、パーソナルコンピューター１１００は、キーボード１１０２を備えた本体部１１０４と、表示部１１０８を備えた表示ユニット１１０６とにより構成され、表示ユニット１１０６は、本体部１１０４に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。このようなパーソナルコンピューター１１００には、その作動を制御するための半導体装置１が内蔵されている。
【００８２】
図１１は、実施形態に係る電子機器である携帯電話機を示す平面図である。
図１１において、携帯電話機１２００は、図示しないアンテナ、複数の操作ボタン１２０２、受話口１２０４および送話口１２０６を備え、操作ボタン１２０２と受話口１２０４との間には、表示部１２０８が配置されている。このような携帯電話機１２００には、その作動を制御するための半導体装置１が内蔵されている。
【００８３】
図１２は、実施形態に係る電子機器であるデジタルスチールカメラを示す斜視図である。
【００８４】
図１２において、デジタルスチールカメラ１３００におけるケース１３０２の背面には表示部１３１０が設けられ、ＣＣＤによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部１３１０は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース１３０２の正面側、すなわち図中裏面側には、光学レンズのような撮像光学系やＣＣＤなどを含む受光ユニット１３０４が設けられている。そして、撮影者が表示部１３１０に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン１３０６を押すと、その時点におけるＣＣＤの撮像信号が、メモリー１３０８に転送・格納される。このようなデジタルスチールカメラ１３００には、その作動を制御するための半導体装置１が内蔵されている。
【００８５】
以上のような電子機器は、半導体装置１を備える。半導体装置１は、温度変化に伴う性能低下が抑制された信頼性の高いものであることから、電子機器の信頼性を向上させることができる。
【００８６】
なお、半導体装置１を備える電子機器は、図９のパーソナルコンピューター、図１１の携帯電話機、図１２のデジタルスチールカメラの他、例えば、スマートフォン、タブレット端末、スマートウォッチを含む時計、インクジェット式吐出装置、例えばインクジェットプリンター、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等のウェアラブル端末、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、通信機能を含む電子手帳、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡のような医療機器、魚群探知機、各種測定機器、車両、航空機、船舶のような計器類、携帯端末用の基地局、フライトシミュレーター等であってもよい。
【００８７】
＜移動体＞
図１３は、実施形態に係る移動体である自動車を示す斜視図である。
図１３に示す自動車１５００には、前述した半導体装置１が内蔵されている。半導体装置１は、例えば、キーレスエントリー、イモビライザー、カーナビゲーションシステム、カーエアコン、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）、エアバック、タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム（ＴＰＭＳ：Tire Pressure Monitoring System）、エンジンコントロール、ブレーキシステム、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター、車体姿勢制御システム、等の電子制御ユニット（ＥＣＵ：electronic control unit）に広く適用できる。
【００８８】
以上のような移動体は、半導体装置１を備える。半導体装置１は、温度変化に伴う性能低下が抑制された信頼性の高いものであることから、移動体の信頼性を向上させることができる。
【００８９】
なお、半導体装置１を備える移動体は、図１３に示す自動車の他、例えばロボット、ドローン、二輪車、航空機、船舶、電車、ロケット、宇宙船等であってもよい。
【００９０】
以上、本発明の半導体装置、電子機器および移動体を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。
【符号の説明】
【００９１】
１…半導体装置、２…配線基板、３…半導体素子、４…熱交換素子、４Ａ…熱交換素子、９…モールド樹脂、２２…絶縁基板、２４…外部接続端子、２６…内部接続端子、２８…貫通配線、２９…はんだボール、３０…電流制御回路、３１…素子本体、３２…電極、３３…温度センサー部、３４…温度制御部、３６…スイッチング部、４２…熱電半導体素子、４２ｎ…ｎ型熱電半導体素子、４２ｐ…ｐ型熱電半導体素子、４４…第１支持基板、４６…第２支持基板、４８…電極、４９…充填部、５２…ボンディングワイヤー、５４…ボンディングワイヤー、５６…接合用金属、６２…接着層、６４…接着層、２２１…下面、２２２…上面、２４１…第１外部接続端子、２４２…第２外部接続端子、２６１…第１内部接続端子、２６２…第２内部接続端子、２８１…第１貫通配線、２８２…第２貫通配線、３４２…イネーブル端子、３４４…電流制御端子、３６１…第１制御素子、３６１ｎ…ｎ型ＭＯＳトランジスター、３６１ｐ…ｐ型ＭＯＳトランジスター、３６２…第２制御素子、３６２ｎ…ｎ型ＭＯＳトランジスター、３６２ｐ…ｐ型ＭＯＳトランジスター、３６３ｐ…ｐ型ＭＯＳトランジスター、３６４…ＮＯＴゲート、４８１…電極、４８２…電極、１１００…パーソナルコンピューター、１１０２…キーボード、１１０４…本体部、１１０６…表示ユニット、１１０８…表示部、１２００…携帯電話機、１２０２…操作ボタン、１２０４…受話口、１２０６…送話口、１２０８…表示部、１３００…デジタルスチールカメラ、１３０２…ケース、１３０４…受光ユニット、１３０６…シャッターボタン、１３０８…メモリー、１３１０…表示部、１５００…自動車、３６１１…入力端、３６１２…出力端、３６２１…入力端、３６２２…出力端、ＣＮＴ…電流制御信号、ＥＮ…イネーブル信号、ＧＮＤ…基準電位、Ｔ…温度制御範囲、ＶＤＤ…電源電位
【図１】
2020161763.tif 000003
【図２】
2020161763.tif 000004
【図３】
2020161763.tif 000005
【図４】
2020161763.tif 000006
【図５】
2020161763.tif 000007
【図６】
2020161763.tif 000008
【図７】
2020161763.tif 000009
【図８】
2020161763.tif 000010
【図９】
2020161763.tif 000011
【図１０】
2020161763.tif 000012
【図１１】
2020161763.tif 000013
【図１２】
2020161763.tif 000014
【図１３】
2020161763.tif 000015