(57)【要約】【課題】半導体基板をヒートシンク又は熱電素子として使用して熱源部を冷却する冷却構造及びこの構造を有する電子機器を提供すること。【解決手段】間隙をおいて略平行に対向して一方向に配置された複数の半導体基板１０と、これらを略垂直に固定した固定用基板１８と、半導体基板１０と固定用基板とを一体化させるように、半導体基板１０の固定部側において間隙に充填された、電気絶縁性及び熱伝導性を有する充填材１６とを有し、固定用基板が熱源部２２の面に実装され、熱源部が冷却されるように構成される。熱源部からの熱は半導体基板１０に伝達され放熱される。また、半導体基板１０が一方向に交互に配置され直列接続されたｐ型Ｓｉ基板及びｎ型Ｓｉ基板であり、ペルチェ素子又はゼーベック素子として駆動される。半導体基板１０は充填材により機械的に固定用基板に安定固定され、単純な構成の冷却構造となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隙をおいて略平行に対向して一方向に配置された複数の半導体基板と、
前記複数の半導体基板を略垂直に固定した固定用基板と、
前記複数の半導体基板と前記固定用基板とを一体化させるように、前記半導体基板の
固定部の側において前記間隙に充填された、電気絶縁性及び熱伝導性を共に有する充填
材と
を有し、前記固定用基板が熱源部の面に実装されて、前記熱源部が冷却されるように構成された冷却構造。
【請求項２】
前記熱源部から発生した熱が前記複数の半導体基板に伝達され放熱される、請求項１に記載の冷却構造。
【請求項３】
前記半導体基板の面に形成された導体部と、前記固定用基板の面に形成された導体部とが金属によって接続された、請求項１に記載の冷却構造。
【請求項４】
前記半導体基板の前記固定用基板に近接して対向する端面と、前記固定用基板の面に形成された導体部とが金属によって接続された、請求項１に記載の冷却構造。
【請求項５】
前記半導体基板の前記固定用基板に対向する一方又は／及び他方の端面に放熱用シートが接続された、請求項２に記載の冷却構造。
【請求項６】
前記放熱用シートが金属シートである、請求項５に記載の冷却構造。
【請求項７】
前記放熱用シートは金属シートとベースフィルムとが接合されたフレキシブルシートである、請求項５に記載の冷却構造。
【請求項８】
前記複数の半導体基板が、前記一方向に交互に配置されたｐ型Ｓｉ基板及びｎ型Ｓｉ基板であり、前記ｐ型Ｓｉ基板と前記ｎ型Ｓｉ基板とが電気的に直列に接合された、請求項１に記載の冷却構造。
【請求項９】
前記ｎ型Ｓｉ基板及び前記ｐ型Ｓｉ基板の前記熱源部に近接して対向する端面側での前記ｎ型Ｓｉ基板と前記ｐ型Ｓｉ基板との接合部において、前記ｎ型Ｓｉ基板から前記ｐ型Ｓｉ基板に電流が流れるように直流電源が接続される、請求項８に記載の冷却構造。
【請求項１０】
前記ｎ型Ｓｉ基板及び前記ｐ型Ｓｉ基板の前記熱源部に近接して対向する第１の端面側とこれと反対側の第２の端面側との間の温度差によって生じる熱電流に基づいて、前記熱源部が冷却される、請求項８に記載の冷却構造。
【請求項１１】
前記熱電流によって前記熱源部に実装されたペルチェ素子が駆動され、前記熱源部が冷却される、請求項１０に記載の冷却構造。
【請求項１２】
前記熱電流によって送風ファンが回転駆動され、前記ｎ型Ｓｉ基板及び前記ｐ型Ｓｉ基板の前記第２の端面側が冷却される、請求項１０に記載の冷却構造。
【請求項１３】
前記熱電流を増幅するトランジスタを有し、このトランジスタによって増幅された電流によって、前記送風ファンの回転駆動が制御される、請求項１２に記載の冷却構造。
【請求項１４】
前記半導体基板に受動素子又は／能動素子が配置された、請求項１に記載の冷却構造。
【請求項１５】
請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の冷却構造を有する電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱源部に実装されて冷却されるように構成された冷却構造に関し、特に、半導体基板によって構成されるヒートシンクによる冷却構造、半導体基板を熱電素子として使用する冷却構造、及び、これらの冷却構造を有する電子機器を提供することにある。
【背景技術】
【０００２】
電子機器が複雑化し高性能化すればするほど、電子機器を構成する電子回路からの発熱量が増大するため、電子回路からの放熱性、冷却機構が要求されてくる。
【０００３】
従来、電子回路による発熱を冷却する方法として、複数の金属製フィンによって放熱性を高めたヒートシンクを用いる方法、電子回路の近傍に対流を発生させる冷却ファンを用いる方法、ペルチェ効果を利用した熱電素子を用いる方法、ヒートパイプを用いる方法等が知られている。
【０００４】
周知のように、Ｂｉ−Ｔｅ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｃｏ−Ｓｂ系等の熱電半導体のペルチェ効果又はゼーベック効果を利用した熱電素子は、冷却又は加熱装置や発電素子等として使用されている。熱電素子は、例えば、ｎ型熱電半導体とｐ型熱電半導体とを交互に直列接続したπ型構造をもつ熱電半導体群に直流電流を流すと、ｎ型熱電半導体からｐ型熱電半導体に向けて電流が流れる電極（吸熱電極）側では、吸熱を生じ、ｐ型熱電半導体からｎ型熱電半導体に向けて電流が流れる電極（放熱電極）側では、放熱(発熱)を生じるので、放熱側にヒートシンクや放熱フィンを配置し、冷却すべき物体を熱電素子の吸熱側に配置することによって冷却することができる。また、放熱側と吸熱側の間に温度勾配があるとゼーベック効果によって熱起電力を発生する。
【０００５】
以下、電子機器の冷却方法に関する従来技術について説明する。
【０００６】
「熱電冷却モジュール及びその製造方法」と題する後記の特許文献１には、以下の記載がある。
【０００７】
特許文献１の発明において講じた技術的手段は、吸熱電極と、Ｐ型熱電半導体素子と、放熱電極と、Ｎ型熱電半導体素子とを前記の順番に複数組電気的に直列接続し、通電することにより前記吸熱電極で吸熱し前記放熱電極で放熱するペルチェ効果を利用して電子部品を冷却する熱電冷却モジュールにおいて、前記熱電冷却モジュールは、放熱側絶縁基板と、前記放熱側絶縁基板に複数個設けられた貫通孔にそれぞれ挿入固定され且つ一端面に放熱用のフィン形状部を有する前記放熱電極と、で構成される放熱部と、吸熱側絶縁基板と、前記吸熱側絶縁基板に複数個設けられた貫通孔にそれぞれ挿入固定され且つ一端面が被冷却体に直接当接された前記吸熱電極と、で構成される吸熱部と、前記放熱部と前記吸熱部との間に交互に配列される前記Ｐ型半導体素子と前記Ｎ型半導体素子とからなり、通電することにより前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子と前記放熱電極との界面において放熱し、前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子と前記吸熱電極との界面において吸熱する熱電変換部と、を有することを特徴とする、熱電冷却モジュールとしたことである。
【０００８】
「熱電素子とそれを用いた電子部品モジュール及び携帯用電子機器」と題する後記の特許文献２には、以下の記載がある。
【０００９】
特許文献２の発明の熱電素子は、Ｎ型熱電半導体及びＰ型熱電半導体を有する熱電半導体群と、前記熱電半導体群の一方の端部に接合された吸熱電極と、前記Ｎ型熱電半導体及びＰ型熱電半導体の少なくとも一部が交互に直列接続されるように、前記熱電半導体群の他方の端部に接合された放熱電極と、前記吸熱電極及び放熱電極のそれぞれに対して一体的に設けられていると共に、冷却媒体と接するように配置され、前記冷却媒体に対して放熱する機能を有する熱伝達部材とを具備することを特徴としている。
【００１０】
特許文献２の発明の熱電素子においては、放熱電極のみならず、吸熱電極にも放熱媒体として機能する熱伝達部材が設けられている。吸熱電極に設けられた熱伝達部材は、熱電半導体を介さずに、冷却媒体が存在する放熱空間に配置されている。この熱伝達部材は熱電素子の非稼動時に放熱媒体として機能するため、非稼動時における被冷却物の放熱性を高めることができる。従って、熱電素子の通電稼動時の冷却特性を低下させることなく、非稼動時の被冷却物の冷却特性を維持することが可能となる。
【００１１】
「冷却装置及びそれを備えた電子機器」と題する後記の特許文献３には、以下の記載がある。
【００１２】
特許文献３の発明にかかる冷却装置は、発熱源（例えば集積回路を有するコンピュータ等の電子機器に設けられたＣＰＵ等、冷却対象となる発熱体）から発生する熱を、放熱フィンを通じて放熱するヒートシンクと、空気の流れを発生させて上記ヒートシンクの放熱フィンを強制空冷する発風機構とを備えた冷却装置において、上記発熱源から発生する熱の一部を電力に変換すると共に、残りの熱を上記ヒートシンクに与える熱電変換機構（例えば、ペルチェ素子やダイオード素子等の熱電変換素子）と、上記熱電変換機構により得られた電力によって上記発風機構を駆動する駆動電圧を発生させる駆動電圧発生手段（例えば、パルス電圧発生機能を有する制御回路素子等の回路素子）とを備えると共に、上記発風機構は、弾性を有すると共に、上記放熱フィンに固定された固定端と、自由端とを有する揺動体（例えば、板ばね状の弾性体（発風板））を備え、上記駆動電圧発生手段を通じて、上記熱電変換機構により得られた電力を用いて上記揺動体における自由端を揺動させて空気の流れを発生させることを特徴としている。
【００１３】
上記熱電変換機構は、上記発熱源とヒートシンクとに各々接触して設けられており、上記発熱源との接触面の温度と上記ヒートシンクとの接触面の温度との温度差により、上記発熱源から発生する熱の一部を電力に変換することを特徴としている。
【００１４】
「熱電変換素子を用いた自己冷却システム」と題する後記の非特許文献１には、以下の記載がある。
【００１５】
非特許文献１のゼーベック効果を用いた自己冷却システムは、熱電変換素子と放熱フィン、ファンから構成され、発熱部の冷却を外部からの電源供給なしにまた制御システムなしに行うことができます。自己冷却システムを発熱部に設置すると、熱電変換素子は、熱源部の熱を電気に変換することにより熱源部を冷却します。更に、熱源変換素子で得られた電気でファンを駆動し、ファンの風で熱源部を冷却します。つまり、熱源部は熱電変換素子の吸熱と熱電変換素子で得られた電気で発生した風による放熱促進で、二重の冷却効果を受けます。
【００１６】
「半導体スイッチ装置」と題する後記の特許文献４には、以下の記載がある。
【００１７】
特許文献４の発明は、絶縁基板上に取り付けられた半導体チップと、ペルチェ効果発生のための起電力の供給を受け、前記半導体チップに形成されたスイッチング素子を冷却するペルチェ素子と、を備えた半導体スイッチ装置において、前記ペルチェ素子に対し前記ペルチェ効果の発生のための起電力を供給するゼーベック素子を備えた、ことを特徴とする。
【００１８】
特許文献４の発明によれば、ペルチェ素子に対しペルチェ効果の発生のための起電力を供給するゼーベック素子を備えた構成としたので、ペルチェ素子への電力供給用電源を外部に設けることが不要となり、装置の小型化を可能にしたままで回路構成の簡単化を図り、更に冷却能力の向上を図ることが可能になる。
【００１９】
「半導体装置の実装方法」と題する後記の特許文献５には、以下の記載がある。
【００２０】
特許文献５の発明は、高密度実装と高放熱冷却効率とを両立させることのできる半導体装置の実装構造を提供することを目的とする。この目的を達成するために、半導体装置の実装構造は、次のように構成する。
【００２１】
（１）実装基板に複数個の半導体ベアチップをマウントする半導体装置の実装構造であって、複数個の半導体ベアチップが、実装基板上に、該実装基板に対して垂直に植立されており、隣接する半導体ベアチップ同士は、半導体ベアチップを冷却するための冷却流体が滑らかに通過できる間隔をもって配置されており、各半導体ベアチップと実装基板とが、電気的に接続されているように構成する。
【００２２】
（２）実装基板に複数個の半導体ベアチップをマウントする半導体装置の実装構造であって、複数個の半導体ベアチップが、下部実装基板及び上部実装基板の間に、各実装基板に対して垂直に植立されており、隣接する半導体ベアチップ同士は、半導体ベアチップを冷却するための冷却流体が滑らかに通過できる間隔をもって配置されており、各半導体ベアチップと下部実装基板及び／又は上部実装基板とが、電気的に接続されているように構成する。
【００２３】
（３）実装基板に複数個の半導体ベアチップをマウントする半導体装置の実装構造であって、複数個の半導体ベアチップが、下部実装基板及び上部実装基板の間に、各実装基板に対して垂直に植立されており、隣接する半導体ベアチップ同士は、半導体ベアチップを冷却するための冷却流体が滑らかに通過できる間隔をもって配置されており、各半導体ベアチップと下部実装基板及び／又は上部実装基板とが、電気的に接続されており、下部実装基板の外周部と上部実装基板の外周部との間に側壁を設け、該側壁の少なくとも２個所に、半導体ベアチップを冷却するための冷却流体を導入又は排出する導入排出口を設けるように構成する。
【００２４】
図１６は、特許文献５に記載の図１であり、特許文献５に記載の一実施例を示す図であり、図１６（ａ）は要部模式図、図１６（ｂ）は全体斜視図である。
【００２５】
図１６中、１１１は下部実装基板、１１２は上部実装基板、１１３は半導体ベアチップ、１１４は冷却流体通路、１１５は側壁、１１６は冷却流体導入排出口、１１７はコネクタ接続部である。
【００２６】
複数個の半導体ベアチップ１１３は、下部実装基板１１１及び上部実装基板１１２の間に、各実装基板に対して垂直に植立されている。隣接する半導体ベアチップ１１３同士は、半導体ベアチップ１１３を冷却するための冷却流体が滑らかに通過できる間隔をもって配置されており、その間隔部は、冷却流体通路１１４を形成している。
【００２７】
各半導体ベアチップ１１３は、下部実装基板１１１と、又は下部実装基板１１１及び上部実装基板１１２と電気的に接続されている。下部実装基板１１１の外周部と上部実装基板１１２の外周部との間に側壁１１５が設けられており、この側壁１１５の２個所に、半導体ベアチップ１１３を冷却するための冷却流体を導入又は排出する冷却流体導入排出口１１６ａ、１１６ｂが設けられている。更に、側壁１１５には、外部回路と接続するためのコネクタ接続部１１７が設けられている。
【００２８】
複数個の半導体ベアチップ１１３は、下部実装基板１１１及び上部実装基板１１２の間に、各実装基板に対して垂直に植立されているので、高密度実装が実現される。
【００２９】
隣接する半導体ベアチップ１１３同士の間隔は、半導体ベアチップ１１３を冷却するための冷却流体が滑らかに通過できる間隔に保たれており、この間隔部を冷却流体通路１１４として冷却流体（例えば、フロリナート等）を流すことにより直接、半導体ベアチップ１１３を冷却するようにしている。従って、高放熱冷却効率が実現される。半導体ベアチップ１１３を冷却するための冷却流体の導入又は排出は、側壁１１５に設けた２個所の冷却流体導入排出口１１６ａ、１１６ｂによって行う。
【００３０】
複数個の半導体ベアチップ１１３は、２枚の実装基板、すなわち下部実装基板１１１及び上部実装基板１１２の間に、各実装基板に対して垂直に植立されており、下部実装基板１１１の外周部と上部実装基板１１２の外周部との間に側壁１１５を設けているので、冷却流体によるキャビテーション振動の発生を抑制できる。また、実装構造全体の剛性の向上も実現される。
【００３１】
実装構造全体の剛性のより一層の向上、及び、放熱冷却効率のより一層の向上は、下部実装基板１１１の外周部と上部実装基板１１２の外周部との間に側壁１１５を設け、この側壁１１５の２個所に、半導体ベアチップ１１３を冷却するための冷却流体を導入又は排出する導入排出口１１６ａ、１１６ｂを設けることによって実現される。
【００３２】
【特許文献１】特開平９−９７９３０号公報（段落０００５、図１）
【特許文献２】国際公開ＷＯ２００４／１８６５号パンフレット（第５頁第１７行〜同頁第２８行、図１）
【特許文献３】特開２００５−２６４７３号公報（段落００２６、図１〜図３）
【特許文献４】特開２００４−５６０５４号公報（段落０００５、段落００４１、図１、図３）
【特許文献５】特開平５−１８３０７９号公報（段落０００６〜００１０、段落００１５〜００２２、図１）
【非特許文献１】東芝レビュー  Ｖｏｌ．５８、Ｎｏ．１２（２００３）、第７１頁（図３、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３３】
電子機器の高性能化、小型化、高速化に伴い、高集積化された半導体が実装された複雑な電子回路が使用されるようになり、電子回路からの発熱量が増大するため、電子回路の熱暴走や熱劣化を防止するために、優れた放熱性、発熱源に対する小型で簡単な冷却機構が要求されてくる。
【００３４】
従来、電子回路による発熱を冷却する方法として、金属製フィンをもったヒートシンク、冷却ファン、発風板、熱伝素子、ヒートパイプ等を用いる方法、また、冷却流体が流される環境に電子回路を配置する等の方法が用いられている。また、高密度実装を行うために複数個の半導体チップを実装基板に対して垂直に実装する方法が行われている。
【００３５】
特許文献１に記載の熱電冷却モジュールでは、セラミック製の放熱側絶縁基板に設けられた貫通孔に一部が挿入され接着剤等で固定され、放熱フィン形状部を有する銅製の放熱電極が使用されている（特許文献２の段落００１２、図１を参照のこと。）。
【００３６】
また、特許文献２に記載の熱電素子では、放熱媒体として機能し、金属材料で構成することが望ましい熱伝達部材が使用されている（特許文献２の第８頁第１行〜第３行、第８頁第２７を参照のこと。）。
【００３７】
また、特許文献３に記載の冷却装置では、ヒートシンクは、基盤となる熱拡散板上に放熱フィン部と制御回路とが設けられた構成を有し、放熱フィン部は、熱拡散板上に立設けられた複数の放熱フィンと、この放熱フィンの表面に設けられた発風機構を備え、熱拡散板及び放熱フィンは、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等の良熱伝導材料からなっている（特許文献３の段落００６３〜００６６、図１を参照のこと。）。
【００３８】
また、特許文献５に記載の半導体装置の実装構造では、（１）実装基板上に複数個の半導体ベアチップを、半導体ベアチップを冷却するための冷却流体が通過できる間隔をもって、実装基板に対して垂直に植立させる構成、（２）下部及び上部実装基板の間に複数個の半導体ベアチップが、半導体ベアチップを冷却するための冷却流体が通過できる間隔をもって、各実装基板に対して垂直に植立させる構成、（３）上記（２）の構成に、下部及び上部実装基板の外周部の間に側壁を設け、この側壁の少なくとも２個所に、半導体ベアチップを冷却するための冷却流体を導入又は排出する導入排出口を設ける構成を有し、上記（１）の実装構造では、平面実装に比べ実装密度を高めることが可能となり、上記（２）の実装構造では、上記間隔に冷却流体を流すことにより直接、半導体ベアチップを冷却するようにするので、放熱器を解する冷却方式よりも放熱冷却効率を高めることが可能となり、実装構造の剛性も高まり、上記（３）の実装構造では、実装構造の剛性のより一層の向上、及び放熱冷却効率のより一層の向上が実現されるとの記載がある（特許文献５の段落００１１〜００１４、図１を参照のこと。）。
【００３９】
しかし、特許文献１に記載の発明では、セラミック製の放熱側絶縁基板と、これに設けられた貫通孔に一部が挿入され、放熱フィン形状部を有する銅製の放熱電極とによって、放熱部が構成されているため、放熱部が複雑な構成を必要とし、放熱機構全体が大きくなるという問題がある。
【００４０】
また、特許文献２に記載の発明では、熱電半導体群の一方の端部に接合された吸熱電極と、熱電半導体群の他方の端部に接合された放熱電極のそれぞれに対して一体的に設けられていると共に、冷却媒体と接するように配置され、冷却媒体に対して放熱する機能を有する熱伝達部材とを設けているため、放熱のために複雑な構成を必要とし、放熱機構全体が大きくなるという問題がある。
また、特許文献３に記載の発明では、放熱フィンの表面に発風機構を設け、発風機構のための制御回路を必要とするため、放熱のために複雑な構成を必要とするという問題がある。
【００４１】
また、特許文献５に記載の発明の上記した（１）の実装構造では、平面実装に比べ実装密度を高めることが可能となるが、半導体ベアチップを実装基板に対して垂直に植立させる際に、半導体ベアチップを実装基板に機械的に強固に安定して固定することに関しては、十分な配慮がなされていないため、半導体ベアチップの安定な動作、半導体装置全体の信頼性に関して問題がある。また、上記（２）及び（３）の実装構造では、実装構造の剛性は向上するものと考えられるが、実装構造が複雑になるという問題がある。更に、特許文献５に記載の発明では、冷却流体を流す機構を必要とするという問題がある。
【００４２】
なお、特許文献４に、２つのゼーベック素子が直列接続され、ペルチェ素子に対して起電力が印加されること（特許文献４の段落００２３、図３を参照のこと。）、半導体チップの外面上に通常のゼーベック素子の他にチップ温度検出用ゼーベック素子が配設されること（特許文献４の段落００３５、図１１を参照のこと。）が記載され、また、非特許文献１に、熱源変換素子で得られた電気でファンを駆動してファンの風で熱源部を冷却することの記載があるが、特許文献４、非特許文献１の何れにも、熱電素子によって発生した熱電流に基づいて熱源部の冷却を制御すること、熱電流を増幅し増幅された電流を熱源部の冷却のために使用することについては、言及されていない。
【００４３】
また、従来、放熱媒体としての放熱フィンもったヒートシンクとして、ＡｌやＣｕ等の良熱伝導金属材料が使用されていたが、半導体基板を使用する例については報告されていない。
【００４４】
本発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、直立させた半導体基板によって構成されるヒートシンクを使用すること、熱電素子として半導体基板を使用することによって、単純な構成によって熱源部の冷却を可能とすることができ機械的に安定した冷却構造を提供すること、及び、これらの冷却構造を有する電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４５】
即ち、本発明は、間隙をおいて略平行に対向して一方向に配置された複数の半導体基板と、前記複数の半導体基板を略垂直に固定した固定用基板と、前記複数の半導体基板と前記固定用基板とを一体化させるように、前記半導体基板の固定部の側において前記間隙に充填された、電気絶縁性及び熱伝導性を共に有する充填材とを有し、前記固定用基板が熱源部の面に実装されて、前記熱源部が冷却されるように構成された冷却構造に係るものである。
【００４６】
また、本発明は、上記の冷却構造を有する電子機器に係るものである。
【発明の効果】
【００４７】
本発明の冷却構造によれば、間隙をおいて略平行に対向して一方向に配置された複数の半導体基板と、前記複数の半導体基板を略垂直に固定した固定用基板と、前記複数の半導体基板と前記固定用基板とを一体化させるように、前記半導体基板の固定部の側において前記間隙に充填された、電気絶縁性及び熱伝導性を共に有する充填材とを有し、前記固定用基板が熱源部の面に実装されて、前記熱源部が冷却されるように構成されるので、前記充填材によって前記複数の半導体基板を機械的に安定して前記固定用基板に固定することができ、熱伝導性を有する前記充填材を通しての伝熱によって、前記熱源部からの放熱が促進され前記熱源部を効率よく冷却することができ、単純な構成によって機械的に安定した冷却構造を提供することができる。
【００４８】
また、本発明の電子機器によれば、上記の冷却構造を有するので、機械的に安定し信頼性が高く安定して動作する電子機器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
本発明の冷却構造では、前記熱源部から発生した熱が前記複数の半導体基板に伝達され放熱される構成とするのがよい。前記充填材は良好な熱伝導性を有するので、前記熱源部で発生した熱は、前記充填材を通して前記半導体基板に伝熱されるので、前記熱源部から発生した熱は効率よく前記半導体基板から放熱され、前記熱源部は冷却される。また、前記充填材によって前記半導体基板は機械的に安定して前記固定用基板に固定されるので、単純な構成によって機械的に安定した冷却構造を提供することができる。
【００５０】
また、前記半導体基板の面に形成された導体部と、前記固定用基板の面に形成された導体部とが金属によって接続された構成とするのがよい。このような構成によって、前記半導体基板を機械的に安定して前記固定用基板に固定することができると共に、前記半導体基板に受動素子又は／及び能動素子が配置されている場合には、前記受動素子又は／及び能動素子を、前記金属を介して前記固定用基板に形成された信号配線に電気的に接続することができ、更に、前記固定用基板が実装されたチップ等の電子回路基板の信号配線への電気的接続を可能とすることができる。
【００５１】
また、前記半導体基板の前記固定用基板に近接して対向する端面と、前記固定用基板の面に形成された導体部とが金属によって接続された構成とするのがよい。このような構成によって、前記半導体基板を機械的に安定して前記固定用基板に固定することができると共に、前記複数の半導体基板を、前記一方向に交互に配置されたｐ型Ｓｉ基板及びｎ型Ｓｉ基板とする場合には、前記ｐ型Ｓｉ基板と前記ｎ型Ｓｉ基板とを電気的に直列に接合された構成とすることがでる。
【００５２】
また、前記半導体基板の前記固定用基板に対向する一方又は／及び他方の端面に放熱用シートが接続された構成とするのがよい。また、前記放熱用シートが金属シートである構成とするのがよい。これらの構成によって、前記半導体基板からの放熱の効率を向上させることができ、前記熱源部の冷却を効率よくすることができる。
【００５３】
また、前記放熱用シートは金属シートとベースフィルムとが接合されたフレキシブルシートである構成とするのがよい。このような構成によって、前記放熱用シートを蛇腹状にして小さな占有空間で使用することができ、放熱を効率よく行うことができる。また、前記複数の半導体基板を、前記一方向に交互に配置され電気的に直列に接合されたｐ型Ｓｉ基板及びｎ型Ｓｉ基板とし、これらｐ型Ｓｉ基板及びｎ型Ｓｉ基板をペルチェ素子又はゼーベック素子として動作させる場合、前記放熱用シートを接続用導体として使用することもでき、この接続用導体を放熱媒体とすることができ、前記熱源部の冷却を効率よくすることができる。
【００５４】
また、前記複数の半導体基板が、前記一方向に交互に配置されたｐ型Ｓｉ基板及びｎ型Ｓｉ基板であり、前記ｐ型Ｓｉ基板と前記ｎ型Ｓｉ基板とが電気的に直列に接合された構成とするのがよい。このような構成によって、直列に接合されたｐ型Ｓｉ基板及びｎ型Ｓｉ基板をペルチェ素子又はゼーベック素子として動作させることができ、効率よく前記熱源部を冷却することができる。
【００５５】
また、前記ｎ型Ｓｉ基板及び前記ｐ型Ｓｉ基板の前記熱源部に近接して対向する端面側での前記ｎ型Ｓｉ基板と前記ｐ型Ｓｉ基板との接合部において、前記ｎ型Ｓｉ基板から前記ｐ型Ｓｉ基板に電流が流れるように直流電源が接続される構成とするのがよい。このような構成によって、直列に接合されたｐ型Ｓｉ基板及びｎ型Ｓｉ基板をペルチェ素子として動作させることができ、効率よく前記熱源部を冷却することができる。
【００５６】
また、前記ｎ型Ｓｉ基板及び前記ｐ型Ｓｉ基板の前記熱源部に近接して対向する第１の端面側とこれと反対側の第２の端面側との間の温度差によって生じる熱電流に基づいて、前記熱源部が冷却される構成とするのがよい。このような構成によって、直列に接合されたｐ型Ｓｉ基板及びｎ型Ｓｉ基板をゼーベック素子として動作させることができ、効率よく前記熱源部を冷却することができる。
【００５７】
また、前記熱電流によって前記熱源部に実装されたペルチェ素子が駆動され、前記熱源部が冷却される構成とするのがよい。このような構成によって、外部の駆動電源を必要とすることなく、前記ペルチェ素子を駆動することができ、効率よく前記熱源部を冷却することができる。
【００５８】
また、前記熱電流によって送風ファンが回転駆動され、前記ｎ型Ｓｉ基板及び前記ｐ型Ｓｉ基板の前記第２の端面側が冷却される構成とするのがよい。このような構成によって、前記送風ファンを駆動させるために外部の駆動電源を必要とすることなく、前記送風ファンを駆動することができ、効率よく前記熱源部を冷却することができる。
【００５９】
また、前記熱電流を増幅するトランジスタを有し、このトランジスタによって増幅された電流によって、前記送風ファンの回転駆動が制御される構成とするのがよい。このような構成によって、前記熱電流の大きさ、即ち、前記第１の端面側と前記第２の端面側との間の温度差に応じて増幅された電流によって、前記送風ファンの回転駆動を制御することができるので、前記熱源部の発熱状況とこの発熱が放熱（冷却）されている状況に応じて、前記送風ファンを回転駆動ができるので、非常に効率よく前記熱源部を冷却することができる。
【００６０】
また、前記半導体基板に受動素子又は／能動素子が配置された構成とするのがよい。このような構成によれば、浮遊容量や配線抵抗の発生要因となる前記受動素子又は／及び能動素子を前記半導体基板に形成して、前記受動素子又は／及び能動素子を前記固定用基板に形成された信号配線に電気的に接続し、更に、前記固定用基板が実装されたチップ等の電子回路基板の信号配線への電気的接続を行うことによって、電子回路基板の信号処理に対する浮遊容量や配線抵抗の影響を低減することができる。また、前記受動素子又は／及び能動素子を前記半導体基板に形成して、電子回路基板で行う信号処理の一部、例えば、フロントエンド処理を行う回路を、前記半導体基板に形成するとによって、電子回路基板で行う信号処理の特性変動を低減することができる。
【００６１】
本発明の冷却構造では、略直立させた半導体基板（以下、直立半導体基板ともいう。）をヒートシンク又は熱電素子として使用して熱源部を冷却する。この冷却構造は、間隙をおいて略平行に対向して一方向に配置された複数の直立半導体基板と、これらを略垂直に固定した固定用基板と、直立半導体基板と固定用基板とを一体化させるように、直立半導体基板の固定部側において上記の間隙に充填された、電気絶縁性及び熱伝導性を有する充填材とを有し、固定用基板が熱源部の面に実装され、熱源部が冷却されるように構成される。熱源部からの熱は、熱伝導性の良好な充填材を通して直立半導体基板に伝達され放熱され、複数の直立半導体基板はヒートシンクとして動作する。
【００６２】
上記の冷却構造は、複数の直立半導体基板を一方向に交互に配置され電気的に直列に接合されたｐ型Ｓｉ基板及びｎ型Ｓｉ基板とすることによって、直列に接合されたｐ型Ｓｉ基板及びｎ型Ｓｉ基板をペルチェ素子又はゼーベック素子として駆動させることもでき、これら素子に基づいて熱源部を効率よく冷却することもできる。
【００６３】
本発明の冷却構造では、複数の直立半導体基板は充填材により機械的に固定用基板に安定に固定され、単純な構成を有し、複数の直立半導体基板をヒートシンク又は熱電素子として使用して熱源部を効率よく冷却することができる。
【００６４】
本発明の冷却構造は電子部品モジュールに好適に適用することができ、本発明の冷却構造が適用された電子部品モジュールは、各タイプのＰＣ（パーソナルコンピュータ）、携帯電話、ゲーム機器等の携帯用電子機器を始めとして各種の電子機器に使用することができる。高消費電力機器、高周波電子機器では、発熱による実装の信頼性の低下が懸念されることが多く、周辺部品が多数必要とされるが、本発明の冷却構造によれば、比較的低コストで冷却構造を作成することができ、部品を立体的に効率よく配置することができモジュールに多くの周辺部品を取り込むことができるので、電源モジュール、通信系モジュール等の高消費電力系、高周波系ＩＣの実装構造に適用することができる。
【００６５】
以下、図面を参照しながら本発明による実施の形態について詳細に説明する。
【００６６】
実施の形態
本実施の形態による冷却構造は、略平行に間隔をおいて略直立させて配置され放熱冷却フィンして使用される複数のシリコン（Ｓｉ）基板（チップ）（以下、直立Ｓｉ基板ともいう。）は、固定用基板に略垂直に固定され、直立Ｓｉ基板の固定用基板への固定部側において上記の間隙に充填材（この充填材の電気絶縁性及び熱伝導性は良好である。）が充填され、直立Ｓｉ基板と固定用基板とが一体化され構成されたヒートシンク（以下では、単にＳｉヒートシンクという。）の構造である。
【００６７】
直立Ｓｉ基板の一部は充填材によってモールドされるが、充填材として、エポキシ樹脂等の電気絶縁性樹脂とアルミナ、シリカ等のフィラーとの混合物によって形成された熱伝導性に優れた電気絶縁性封止樹脂が使用される。
【００６８】
直立Ｓｉ基板の一部を充填材でモールドするのは、直立Ｓｉ基板の側面が全て空気中に露出されている場合には、熱源部（発熱部）から発生する熱が、空気の熱伝導率が約０．０２から０．０３（Ｗ／ｍＫ）と小さいため、空気中に露出された熱源部から放熱されにくいので、空気の熱伝導率よりも大きな、例えば、熱伝導率が約１〜４（Ｗ／ｍＫ）、体積抵抗率が１０13（Ωｃｍ）以上を有する充填材によって直立Ｓｉ基板の一部をモールドして、充填材に接する熱源部からの熱を充填材に放熱させて充填材を通して直立Ｓｉ基板に伝熱させることによって、熱源部の放熱冷却の効率を向上させるためである。
【００６９】
充填材によってモールドされる直立Ｓｉ基板の部分を、直立Ｓｉ基板の高さの約１／３〜約１／２の部分とするのが、直立Ｓｉ基板を固定用基板に安定して固定する点、及び、熱源部からの放熱の促進の点から好ましい。
【００７０】
各種の電子機器に使用され電子回路チップ、又は、電子回路チップによって構成される電子部品モジュールが冷却されるべき熱源部となるが、この電子回路チップに本発明の冷却構造が適用され、固定用回路基板と電子回路チップとが、電気絶縁性及び熱伝導性が良好な接着剤によって接合され、即ち、固定用基板の面が熱源部に熱的に接合されて、直立Ｓｉ基板の下部端面が高温側、直立Ｓｉ基板の上部端面が低温側となるように配置され、電子回路チップで発生した熱は、直立Ｓｉ基板へ直接伝熱されると共に、充填材を通して直立Ｓｉ基板へ伝熱され、直立Ｓｉ基板から放熱され熱源部が冷却される。
【００７１】
本実施の形態による冷却構造では、固定用基板として、電気絶縁性及び熱伝導性が良好である樹脂基板やセラミック基板等を使用することができる。直立Ｓｉ基板の上記固定部側の側面、及び、固定用基板にそれぞれ形成された電極端子（チップ端子）間を、錫（Ｓｎ）等の金属バンプによって接合して、直立Ｓｉ基板と固定用基板とがなす直角部分を金属バンプで埋めるようにして、直立Ｓｉ基板と固定用基板を一体化させて、直立Ｓｉ基板を固定用基板に強固に保持させることもできる。
【００７２】
また、固定用基板に銅（Ｃｕ）等により形成された金属配線の面と、直立Ｓｉ基板の上記固定部側の端面（下部端面）とを、金属ロウ（Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｓｎ）等によって接合して、直立Ｓｉ基板と固定用基板を一体化させて、直立Ｓｉ基板を固定用基板に強固に保持させることもできる。
【００７３】
本実施の形態による冷却構造では、直立Ｓｉ基板には、受動素子（抵抗、容量、インダクタ）、能動素子、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）素子やＦＡＢＲ（Film Balk Acoustic Resonator）素子、スイッチ素子、可変キャパシタ素子等のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）素子、トランジスタ素子、トランジスタ回路等を実装することができる。これらの素子、回路は、直立Ｓｉ基板の内部、表面に形成すること、又は／及び、単体として製造された素子、回路を直立Ｓｉ基板に半田等によって電気的に接続して搭載することによって、実装することができる。固定用基板の電極端子の下部には配線層と接続する導体ポストが形成されており、直立Ｓｉ基板に実装された素子、回路は、上記の金属バンプを介して、固定用基板の内部に形成された配線層（導体配線）に電気的に接続され、更に、電子回路チップの再配線層に形成された信号配線（この信号配線は固定用基板の配線層に接続されている。）に電気的に接続される。
【００７４】
本実施の形態による冷却構造は、以下に説明するように冷却能力を変更することができ、熱源部の発熱量に応じた好適な構成とすることができる。また、発電機能を有する構成とすることもできる。
【００７５】
（１）直立Ｓｉ基板の数（即ち、フィン数）を大きくたヒートシンクの構造として、放熱冷却能力を増大させることができる。
【００７６】
（２）直立Ｓｉ基板の上記固定部側の端面（下部端面）、又は／及び、反対側の上部端面に、放熱用シート（単に放熱シートともいう、又は、熱拡散シートともいう。）を電気絶縁性及び熱伝導性が良好な接着剤によって熱的に接合することによって、放熱冷却能力を増大させることができる。放熱用シートとして、熱伝導性に優れたＣｕ、Ａｌ等の金属シート、この金属シートを構成要素としてもったフレキシブルシートを使用することができる。
【００７７】
（３）複数の直立Ｓｉ基板として、ｎ型Ｓｉ基板及びｐ型Ｓｉ基板を使用して、隣接する直立Ｓｉ基板の上部端面同士、下部端面同士をそれぞれ接続用導体によって電気的に接続して、複数の直立Ｓｉ基板が電気的に直列に接続されるよう直列回路を構成して、この直列回路に外部電源を接続して、直立Ｓｉ基板の下部端面を冷却側とするように直流電流を流す構成としたペルチェ素子に基づく冷却構造として、固定用基板の面を熱源部に熱的に接合して配置（即ち、直立Ｓｉ基板の下部端面が高温側、直立Ｓｉ基板の上部端面が低温側となる。）して、冷却能力を大きくすることができる。隣接する直立Ｓｉ基板の下部端面同士を接続用導体で電気的に接続し、この接続用導体と固定用基板に形成された金属配線の面とを金属ロウ材によって接合する。直立Ｓｉ基板及び固定用基板に形成され、両基板を接合、又は、接合し電気的に接続するための金属バンプは、隣接する直立Ｓｉ基板の金属バンプが交互に配置されるように、また、これらの金属バンプの間に金属配線（固定用基板に形成されている。）が配置されるように、形成される。このように、直立Ｓｉ基板と固定用基板とを接合することによって、直立Ｓｉ基板を固定用基板に安定して保持することができる。
【００７８】
（４）上記（３）において、直流回路に外部電源を接続しない構成としゼーベック素子に基づく冷却構造として、発生する熱電流に基づいて熱源部を冷却することができる。熱源部は、熱電流の発生による冷却に加えて、熱電流によって別に熱源部に配置されたペルチェ素子、送風ファン等の冷却機構の駆動によって、熱源部を冷却することができる。熱電流を増幅することによって、発生する熱電流に応じて、即ち、熱源部の発熱状況とこの発熱が放熱（冷却）されている状況に応じて、冷却機構の駆動を制御することができるので、非常に効率よく熱源部を冷却することができる。例えば、ペルチェ素子に流される電流、送風ファンの駆動のための電流が、熱電流の増幅によって生成される。
【００７９】
（５）上記（１）〜（４）の冷却構造と、熱伝導性に優れたアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等の金属によって形成されたハニカム構造をもったヒートシンクとを熱的に接合した冷却構造として、放熱冷却能力を増大させることもできる。
【００８０】
本実施の形態による冷却構造は、Ｓｉ基板を使用した冷却構造であるので、半導体関連の製造技術、製造装置を利用することができ、製造工ストを大きくすることなく、冷却構造を実現することができる。Ｓｉ基板を使用した冷却構造は、ＷＬＰ（Wafer Level Process）技術を利用することによって、Ｗ−ＣＳＰ（Wafer-level-Chip-Size-Package）の形で容易に実現することができる。
【００８１】
また、直立Ｓｉ基板に、受動素子、能動素子、ＭＥＭＳ素子、トランジスタ素子、トランジスタ回路等を実装して、電子回路チップで行う信号処理の一部、例えば、フロントエンド処理を行う回路を、直立Ｓｉ基板に形成することによって、太い配線を使用した場合でも、これら素子、回路によって生じる浮遊容量や配線抵抗の電子回路チップの信号処理への影響を低減させることができ、電子回路チップで行う信号処理の特性変動を低減することができる。更に、直立Ｓｉ基板に素子、回路を実装することによって、この素子、回路と電子回路チップの回路との電気的接続長を、直立Ｓｉ基板と電子回路チップのなす９０°の接合の角度によって低減することができる。
【００８２】
また、直立Ｓｉ基板の面積が１．５ｍｍ×１．５ｍｍ〜３ｍｍ×３ｍｍ、厚さが０．４ｍｍ〜０．８ｍｍの場合でも、冷却効果を得ることができ、小さな冷却構造を実現することができ、この直立Ｓｉ基板に大きな特性地をもった受動部品を実装することができる。
【００８３】
図１は、本発明の実施の形態における、冷却構造の構成例とその実装例を説明する斜視図である。
【００８４】
図１（Ａ）はＳｉヒートシンクによる冷却構造を示す斜視図、図１（Ｂ）は受動素子又は／及び能動素子を実装したＳｉヒートシンクによる冷却構造を示す斜視図、図１（Ｃ）は図１（Ａ）に示す冷却構造の実装例、図１（Ｄ）はペルチェ素子による冷却構造を示す斜視図、図１（Ｅ）は受動素子又は／及び能動素子を実装したペルチェ素子による冷却構造を示す斜視図、図１（Ｆ）は図１（Ｅ）に示す冷却構造の実装例を示す斜視図である。
【００８５】
図１（Ａ）に示すように、Ｓｉヒートシンクは、電気絶縁性及び熱伝導性に優れた固定用樹脂チップ１８の上に複数のＳｉチップ１０を直立させ間隙をおいて一方向（ｘ方向）に配置して、Ｓｉチップ１０の一部（Ｓｉチップ１０の高さの１／３〜１／２の部分）を電気絶縁性及び熱伝導性に優れた充填材１６でモールドして、Ｓｉチップ１０が固定用樹脂チップ１８上に安定して機械的に固定された冷却構造を有している。
【００８６】
図１（Ｂ）に示すように、複数のＳｉチップ１０の任意のチップに必要に応じて受動素子又は／及び能動素子２０の素子、これら素子を含む回路を実装した冷却構造とすることができる。受動素子又は／及び能動素子２０の素子、これら素子を含む回路は、Ｓｉチップ１０のｘ軸の負又は／及び正方向の面に実装することができる。
【００８７】
図１（Ｃ）に示すように、図１（Ａ）に示すＳｉヒートシンクは、電気絶縁性及び熱伝導性に優れた接続（接合）用樹脂（図１（Ｃ）に図示せず。）によって熱的に電子回路チップ２２に接合されている。所定の信号処理を行う電子回路チップ２２から発生する熱は固定用樹脂チップ１８を通して、直接、及び、充填材１６を通してＳｉチップ１０へ伝熱され、Ｓｉチップ１０から放熱され電子回路チップ２２が冷却される。
【００８８】
図１（Ｄ）に示すように、Ｓｉチップ１０として、ｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４を交互に配列して、ｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４の下端面（ｚ軸の負方向の端面）及び上端面（ｚ軸の正方向の端面）を接続用導体２４ａ、２４ｂによって接続し、複数のｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４を電気的に直列接続して、ペルチェ素子による冷却構造を構成している。図１（Ｅ）に示すように、図１（Ｂ）と同様に、複数のｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４の任意のチップに必要に応じて受動素子又は／及び能動素子２０の素子、これら素子を含む回路を実装した冷却構造とすることができる。
【００８９】
図１（Ｆ）に示すように、図１（Ｃ）と同様にして、図１（Ｅ）に示す冷却構造を電子回路チップ２２に接合することができ、ペルチェ素子の動作によって電子回路チップ２２を冷却することができる。
【００９０】
なお、図１（Ａ）から図１（Ｆ）に示す構成については、詳細に後述される。
【００９１】
図２は、本発明の実施の形態における、Ｓｉヒートシンクによる冷却構造の構成例を示す図である。
【００９２】
図２（Ａ）は冷却構造の斜視図、図２（Ｂ）は冷却構造の平面図、図２（Ｃ）は樹脂基板（固定用樹脂チップ８）の平面図、図２（Ｄ）はＡ−Ａ部の断面図、図２（Ｅ）はＢ−Ｂ部の断面図、図２（Ｆ）はＳｉ基板（Ｓｉチップ１０）の部分側面図及びＣ−Ｃ部の部分断面図、図２（Ｇ）はＢ−Ｂ部の断面図、図２（Ｈ）はＳｉ基板（Ｓｉチップ１０）の部分側面図及びＣ‘−Ｃ’部の部分断面図である。
【００９３】
図２（Ｂ）、図２（Ｃ）に示すように、固定用樹脂チップ１８の面にチップ端子３０ｂが形成され、図２（Ｆ）に示すように、Ｓｉチップ１０の下部端面側の側面にチップ端子３０ａが形成されている。図２（Ｂ）に示すように、Ｓｉチップ１０の両側面側で、チップ端子３０ａ及びチップ端子３０ｂの面がｘ方向で対応するように、複数個所で、チップ端子３０ａが直立Ｓｉ基板の側面に、チップ端子３０ｂが固定用樹脂チップ１８上に、形成されている。
【００９４】
図２（Ａ）に示すように、Ｓｉチップ１０の下部端面側の側面に形成されたチップ端子３０ａと、固定用樹脂チップ１８の面に形成されたチップ端子３０ｂとが、バンプ３１によって接合される。図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｅ）に示すように、バンプ３１が、Ｓｉチップ１０と固定用樹脂チップ１８とのなす直角部分の空間を埋めるようにして、複数箇所で両チップが接合され一体化される。バンプ３１として、Ｓｎ等の金属バンプが使用される。
【００９５】
図２（Ｃ）に示すように、固定用樹脂チップ１８の面には、チップ端子３０ｂの他に、チップ端子３０ｃが形成されており、図２（Ｄ）に示すように、チップ端子３０ｃにＳｉチップ１０の下端面が金属ロウ材（Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｓｎ）等によって接合されている。なお、図２（Ｄ）に示すＡ−Ａ部の断面図では、１箇所のＳｉチップ１０に近傍のみの断面を示している。
【００９６】
図２（Ｇ）、図２（Ｈ）に示すように、上述のチップ端子３０ａに代えて、Ｓｉチップ１０の下部端面側の側面にチップ端子３０ａ’を形成してもよい。図２（Ｈ）に示すように、Ｓｉチップ１０の側面が部分的にエッチング除去されて形成された傾斜面にチップ端子３０ａ’が形成されており、図２（Ｇ）に示すように、バンプ３１が、チップ端子３０ｂとチップ端子３０ａ’の両面がなす空間を埋めるようにして、Ｓｉチップ１０と固定用樹脂チップ１８とが接合され一体化される。
【００９７】
図３は、本発明の実施の形態における、ペルチェ素子による冷却構造の構成例を示す図である。
【００９８】
図３（Ａ）は冷却構造の斜視図、図３（Ｂ）は冷却構造の平面図、図３（Ｃ）は樹脂基板（固定用樹脂チップ８）の平面図、図３（Ｄ）はＡ−Ａ部の断面図である。
【００９９】
図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示すように、図１、図２に示す複数のＳｉチップ１０に代えて、ｐ型Ｓｉチップ１２、ｎ型Ｓｉチップ１４を使用することができ、ｐ型Ｓｉチップ１２、ｎ型Ｓｉチップ１４は、図１、図２と同様にして、ｘ方向に配列され、充填材１６、チップ端子３０ａ又はチップ端子３０ａ’、チップ端子３０ｂ、３０ｃ、バンプ３１によって、固定用樹脂チップ１８に接合され一体化される。
【０１００】
図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示すように、隣接するｎ型Ｓｉチップ１４及びｐ型Ｓｉチップ１２の上部端面同士、下部端面同士をそれぞれ接続用導体２４ａで電気的に接続して、複数のｎ型Ｓｉチップ１４及びｐ型Ｓｉチップ１２が電気的に直列に接続されるよう直列回路を構成する。この直列回路の接続用導体２４ｂに外部電源（図３に図示せず。）を接続して、ｎ型Ｓｉチップ１４及びｐ型Ｓｉチップ１２の下部端面を冷却側とするように直流電流を流す構成としペルチェ素子に基づく冷却構造とすることができる。
【０１０１】
ペルチェ素子に基づく冷却構造の固定用樹脂チップ１８の面を熱源部に熱的に接合して配置（即ち、ｎ型Ｓｉチップ１４及びｐ型Ｓｉチップ１２の下部端面が高温側、上部端面が低温側となる。）して、冷却能力を大きくすることができる。ｎ型Ｓｉチップ１４及びｐ型Ｓｉチップ１２の下部端面の接合部でｎ型Ｓｉチップ１４からｐ型Ｓｉチップ１２へと電流が流れる。
【０１０２】
図３（Ｂ）、図３（Ｃ）、図３（Ｄ）に示すように、接続用導体２４ａは、２つのチップ端子３０ｃの間の部位にｘ方向に形成されている。
【０１０３】
図４は、本発明の実施の形態における、受動素子又は／能動素子を実装した冷却構造の構成例とその実装例を説明する図である。
【０１０４】
図４（Ａ）は受動素子又は／及び能動素子を実装したＳｉヒートシンクによる冷却構造を示す斜視図、図４（Ｂ）は受動素子又は／及び能動素子を実装したペルチェ素子による冷却構造を示す斜視図、図４（Ｃ）は図４（Ａ）、図４（Ｂ）における図３に示すＢ−Ｂ部に相当する部分断面図、図４（Ｄ）は冷却構造に実装される受動素子、能動素子の例を示す平面図及び断面図である。
【０１０５】
図４に示すように、図１において既に説明したように、Ｓｉチップ１０、ｐ型Ｓｉチップ１２、ｎ型Ｓｉチップ１４の片側又は／両側の側面に受動素子又は／及び能動素子２０の素子、これら素子を含む回路を実装することができる。
【０１０６】
図４（Ｂ）、図（Ｃ）、図（Ｆ）は、ペルチェ素子に基づく冷却構造を構成するｐ型Ｓｉチップ１２又は／及びｎ型Ｓｉチップ１４の側面に、受動素子又は／及び能動素子２０の素子、これら素子を含む回路が実装された構成を示している。
【０１０７】
図４に示すように、受動素子又は／及び能動素子２０の素子、これら素子を含む回路とチップ端子３０ａ（又は３０ａ’）とは導体線路３２によって電気的に接続されている。図４（Ｃ）に示すように、固定用樹脂チップ１８には、チップ端子３０ｂに電気的に接続された導体ポストを含む内部配線３３が形成されており、チップ端子３０ｂは、固定用樹脂チップ１８が熱的に接合された電子回路チップ２２の再配線層の信号配線に電気的に接続されており、受動素子又は／及び能動素子２０の素子、これら素子を含む回路は、電子回路チップ２２の再配線層の信号配線に電気的に接続されている（図４（Ｅ）、図４（Ｆ）を参照。）。
【０１０８】
図４（Ｄ）に示すように、（ａ）導体線路３２、電気絶縁層３４によって形成されるインダクタ；（ｂ）電極３５、誘電体層３６によって形成されるキャパシタ；（ｃ）電気抵抗体３７によって形成されるレジスタ；（ｄ）ｎｐｎ型トランジスタ（ｎｐｎ型トランジスタでもよい。）；等をＳｉチップ１０、ｐ型Ｓｉチップ１２、ｎ型Ｓｉチップ１４の片側又は／及び両側の側面に実装することができる。また、これら以外に、ＳＡＷ素子、ＦＢＡＲ素子等のＭＥＭＳ素子を、Ｓｉチップ１０、ｐ型Ｓｉチップ１２、ｎ型Ｓｉチップ１４の片側又は／及び両側の側面、又は、上端面に実装することができる。
【０１０９】
図５は、本発明の実施の形態における、冷却能力を向上させた冷却構造の実装例を示す断面図（図２又は図３におけるＡ−Ａ部の断面図に相当する。）である。
【０１１０】
図５（Ａ）は、受動素子又は／及び能動素子を実装したＳｉヒートシンクによる冷却構造を示す図であり、この冷却構造では、熱源部の温度を約２０％低減させることができる（後述する図１１を参照。）。
【０１１１】
図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す構成にヒートシンクを付加した冷却構造を示す図、図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）の変形例を示す図である。図５（Ｂ）に示す構造では、放熱シート４０ａをＳｉチップ１０の上端面に熱的に接合しており、図５（Ｃ）に示す構造では、放熱シート４０ｂをＳｉチップ１０の下端面側で固定用樹脂チップ１８に熱的に接合している。図５（Ａ）に示すＳｉヒートシンクにＣｕ製の放熱シート４０ａ、４０ｂを付加した構造を有する、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）に示す冷却構造では、熱源部の温度を約６０％低減させることができる（後述する図１１を参照。）。
【０１１２】
図５（Ｄ）は、受動素子又は／及び能動素子を実装したペルチェ素子による冷却構造を示す図である。この冷却構造は、ｎ型Ｓｉチップ１２及びｐ型Ｓｉチップ１４の下部端面を冷却側とするように、導電線４３、電池４２により直流電流を流す構成としたペルチェ素子に基づいている。図５（Ｄ）に示す冷却構造（図３を参照。）では、熱源部の温度を約５％〜約２０％低減させることができる。
【０１１３】
図５（Ｅ）は、受動素子又は／及び能動素子を実装したゼーベック素子による熱電流の増幅によるファン駆動制御を行う冷却構造を示す図である。
【０１１４】
図５（Ｅ）は、ゼーベック素子に基づく冷却構造を示しており、熱電変換素子としてのｎ型Ｓｉチップ１４及びｐ型Ｓｉチップ１２、送風ファン４４を有し、ゼーベック素子に基づく冷却構造を熱源部（電子回路チップ２２）に設けることによって、熱電変換素子によって、熱源部からの熱が熱電流に変換され熱源部が冷却され、更に、熱電流によって送風ファン４４が回転駆動され、送風によって熱源部が冷却される。
【０１１５】
即ち、熱源部は、熱電変換素子による吸熱、及び、熱電流で発生した送風による放熱の促進で、二重の冷却効果を受け冷却される。この時、熱電流はトランジスタ４５を用いて増幅され、この増幅された電流によって、送風ファン４４の回転駆動が制御され、熱源部の発熱状況に応じて効率よく熱源部が冷却される。
【０１１６】
図５（Ｅ）に示すように、固定用樹脂チップ１８に固定されたｎ型Ｓｉチップ１４及びｐ型Ｓｉチップ１２の下部端面（熱源部に近接して対向する面）側とこれと反対側の上部端面側との間の温度差によって生じる熱電流に基づいて、電気的に直列に接合されたｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４をゼーベック素子として動作させ、熱電流をファン制御トランジスタ４５によって増幅してファン４４の駆動を制御している。熱電流は、ｎ型Ｓｉチップ１４及びｐ型Ｓｉチップ１２の下部端面の接合部で、ｐ型Ｓｉチップ１２からｎ型Ｓｉチップ１４へと流れる。
【０１１７】
図５（Ｅ）に示す例では、ファン制御トランジスタ４５は、導電線４３によって接続された電池４２によって駆動されるｎｐｎ型トランジスタであり、発生された熱電流に応じて増幅された電流を発生させるので、ファン４４は増幅された電流によって駆動される。図５（Ｅ）に示す冷却構造では、熱源部の温度を約５％〜約２０％低減させることができる。
【０１１８】
なお、図５（Ｅ）に示す例では、ｎｐｎ型トランジスタを用いて、熱電流の増幅を行っておるが、図５（Ｅ）において、ｎｐｎ型トランジスタに代えてｐｎｎ型トランジスタによって熱電流を増幅できることは言うまでもない。
【０１１９】
また、図５（Ｅ）に示す例では、ファン制御トランジスタ４５を固定用樹脂チップ１８上に形成していない構成であるが、ファン制御トランジスタ４５を固定用樹脂チップ１８に表面実装した構成とすることもできることは言うまでもない。
【０１２０】
なお、図５に示す構成において、受動素子又は／及び能動素子２０を実装しない構成とすることができることは言うまでもない。
【０１２１】
図６は、本発明の実施の形態における、冷却構造の実装例を概略寸法と共に示す断面図（図２又は図３におけるＡ−Ａ部の断面図に相当する。）である。
【０１２２】
図６（Ａ）は、受動素子又は／及び能動素子を実装したＳｉヒートシンクによる冷却構造の半導体チップへの実装を示す図である。この冷却構造を構成する固定用樹脂チップ１８は熱的に電子回路チップ２２に接合されている。
【０１２３】
図６（Ｂ）は、受動素子又は／及び能動素子を実装したＳｉヒートシンクによる冷却構造のリードフレームパッケージへの実装を示す図、即ち、図６（Ａ）に示す構成をリードフレームパッケージへ実装した図である。電子回路チップ２２はリードフレーム４７に搭載され、電子回路チップ２２の再配線層に形成された信号配線は、ボンディングワイヤ４６によって、外部に電気的に接続されている。
【０１２４】
図６（Ｃ）は、受動素子又は／及び能動素子を実装したＳｉヒートシンクによる冷却構造のＷ−ＣＳＰへの実装を示す図である。電子回路チップ２２は、下面にチップ端子３０ｄが形成されたＷ−ＣＳＰであり、Ｓｉチップ１０に実装された受動素子又は／及び能動素子２０は、ビア５１を介して電子回路チップ２２に電気的に接続されており、金属バンプ等で構成されたチップ端子３０ｄを使用して、電子回路チップ２２は実装基板等に実装される。
【０１２５】
図６（Ｄ）は、受動素子又は／及び能動素子を実装しＭＥＭＳ素子を備えたペルチェ素子による冷却構造の半導体チップへの実装構成のリードフレームパッケージへの実装を示す図である。
【０１２６】
図６（Ｄ）に示すように、ペルチェ素子を構成するｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４の上端面側に接合されるＭＥＭＳ素子は、実装容器４９ａの中空部に実装された素子４８として構成され、バンプ電極等によって、実装容器の蓋４９ｂに形成された取出し配線に電気的に接続され、実装容器４９ａの外部に対する信号の入出力がなされ、必要に応じて、Ｓｉチップ１０に実装された受動素子又は／及び能動素子２０、チップ端子３０ａに電気的に接続される。
【０１２７】
図６（Ｄ）に示す構成と同様にして、ＭＥＭＳ素子を、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）に示すＳｉチップ１０の上端面側に接合することができることは言うまでもない。
【０１２８】
なお、図６に示す構成では、熱源部となる電子回路チップ２２は固定用樹脂チップ１８に熱的に接合され、ｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４、又は、Ｓｉチップ１０に実装された受動素子又は／及び能動素子２０は、導体線路３２、チップ端子３０ａ、バンプ３１、チップ端子３０ｂ、導体ポストを含む内部配線３３、ビア５１によって、電子回路チップ２２の再配線層の信号配線に電気的に接続されている。
【０１２９】
なお、図６に示す構成において、受動素子又は／及び能動素子２０を実装しない構成とすることができることは言うまでもない。
【０１３０】
また、図１〜図６に示した構成の冷却構造を、ＱＦＮ（Quad Flat No-lead）を始めとする各種タイプのリードフレームパッケージ、ＢＧＡパッケージ、フリップチップパッケージ等に適用することによって、これらのパッケージを冷却することができることは言うまでもない。
【０１３１】
図７は、本発明の実施の形態における、ゼーベック素子による熱電流の増幅によるファン駆動制御を行う冷却構造の実装例を示す図である。図７（Ａ）は斜視図、図７（Ｂ）は平面図、図７（Ｃ）はＤ−Ｄ部の断面図である。
【０１３２】
図７に示す構成は、図５（Ｅ）と同様の構成を有しているので、相違点について以下に説明する。
【０１３３】
図７に示すように、ファン取付台５４に設けられたファン４４は、実装基板５２に固定され、固定用樹脂チップ１８に固定されたｎ型Ｓｉチップ１４及びｐ型Ｓｉチップ１２の一部が、実装基板５２に形成された開口部５６から、実装基板５２の外部に露出するように、固定用樹脂チップ１８がその面に形成されたバンプ３１ａによって実装基板５２にその下方から電気的に接合され、電子回路チップ２２の再配線層に形成された信号配線と実装基板５２に形成された信号配線とが電気的に接続されている。ファン制御トランジスタ４５によって増幅された熱電流は、導線５８ａ、５８ｂによってファン４４に流されている。
【０１３４】
なお、図７に示す例では、図５（Ｅ）に示す導電線４３として、放熱面積が大きい接続用導体２４ｂを使用している。また、ファン制御トランジスタ４５として、ｎｐｎ又はｐｎｐ型トランジスタを使用することができることは言うまでもない。また、後述するフレキシブル配線（図９を参照。）を使用することができることは言うまでもない。
【０１３５】
また、図７では図示していないが、ｎ型Ｓｉチップ１４又は／及びｐ型Ｓｉチップ１２に素子又は／及び回路を実装することができ、これらの素子、回路を、固定用樹脂チップ１８に形成された信号配線を介して実装基板５２に形成され信号配線に電気的に接続可能であることは言うまでもない。
【０１３６】
図８は、本発明の実施の形態における、ゼーベック素子による熱電流の増幅によるファン駆動制御を行う冷却構造の実装例を示す断面図（図２又は図３におけるＡ−Ａ部の断面図に相当する。）である。
【０１３７】
図７に示す構成では、固定用樹脂チップ１８と分離して配置されたファン制御トランジスタ４５を使用しているが、図８に示す構成では、ファン制御トランジスタ４５を固定用樹脂チップ１８に形成して表面実装している。ファン制御トランジスタとして、コレクタ４５ａ、ベース４５ｂ、エミッタ４５ｃによって形成されたｐｎｐ型トランジスタを金属端子３９と共に固定用樹脂チップ１８に形成して、コレクタ４５ａと電池４２との間、ベース４５ｂとｐ型Ｓｉチップ１２との間、エミッタ４５ｃとｎ型Ｓｉチップ１４との間を電気的に接続している。
【０１３８】
図８に示すように、黒色の矢印の方向に電流が流れファン４４が駆動され、ファン４４による送風、及び、高温側（電子回路チップ２２近い側）から低温側（電子回路チップ２２から遠い側）への熱の流れ（白抜きの矢印によって示されている。）によって、電子回路チップ２２が冷却される。
【０１３９】
なお、図８では、アンダバンプメタル５７が形成された電気絶縁層３４ａを図７に示す固定用樹脂チップ１８としており、電子回路チップ２２に形成された再配線層の一部として、パッド５９、オーバコート層６２、回路配線６３を示し、電子回路チップ２２と電気絶縁層３４（固定用樹脂チップ１８）とが、電気絶縁性及び熱伝導性に優れた接続（接合）用樹脂６１によって熱的に接合されていることを示している。
【０１４０】
図９は、本発明の実施の形態における、フレキシブル配線（放熱用シート）を用いた冷却構造の構成例を示す図である。
【０１４１】
図９では、ｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４の上端面の近傍におけるフレキシブル配線の部分を示している。また、図９に示す例では、４個のｐ型Ｓｉチップ１２及び４個のｎ型Ｓｉチップ１４の合計８個からなるＳｉチップの電気的直列配列体の３個が、並列に電気的に接続された構成を示している。
【０１４２】
図９（Ａ）はフレキシブル配線の平面図、図９（Ｂ）はフレキシブル配線のＤ−Ｄ部の断面図、図９（Ｃ）は図９（Ａ）、図９（Ｂ）に示す構成にハニカムヒートシンクを実装した場合の平面図、図９（Ｄ）は図９（Ａ）、図９（Ｂ）に示す構成にハニカムヒートシンクを実装した場合のＥ−Ｅ部の断面図である。
【０１４３】
複数のｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４を電気的に接続するための接続用導体２４ａ、２４ｂとして、例えば、Ｃｕ、Ａｌ等の電気伝導性に優れた金属シートを使用して、図９（Ａ）、図９（Ｂ）に示すように、ｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４に接合される部分が少なくともベースフィルム６４（電気絶縁性である。）に接合され保持された構成として、複数のｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４と接続用導体２４ａ、２４ｂとの接続作業を容易なものとすることができる。
【０１４４】
ベースフィルム６４が可撓性を有していれば、接続用導体２４ａ、２４ｂはフレキシブル配線体となるので、限定された空間での配線を容易なものとすることができる。また、接続用導体２４ｂの長さを長くすればするほど、接続用導体２４ｂの面からの放熱を大きくすることができ、熱源部の冷却効率を向上させることができる。
【０１４５】
なお、フレキシブル配線体は、例えば、厚さ３０μｍのベースフィルム６４に、接続用導体２４ａ、２４ｂとして、厚さ１０μｍのＣｕ箔を接着（接着層の厚さ１０μｍ）して形成することができ、全体の厚さは５０μｍである。
【０１４６】
更に、図９（Ｃ）、図９（Ｄ）に示すように、複数のｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４の上端面部に、蜂の巣状に多数の細孔を有するハニカムヒートシンク６５を実装して、ファン４４による送風によって、熱源部の冷却効率を向上させることもできる。
【０１４７】
図９に示す構成では、複数のｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４によって、ペルチェ素子を構成する冷却構造としているが、複数のｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４によって、ゼーベック素子を構成して熱電流に基づいてファン４４を駆動させる冷却構造としてもよい。また、複数のｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４をＳｉチップ１０に代えてＳｉヒートシンクとする冷却構造とすることもできる。
【０１４８】
図１０は、本発明の実施の形態において、ゼーベック素子による熱電流によるファン駆動を行う冷却構造の実装例と熱輸送経路を示す断面図（図２又は図３におけるＡ−Ａ部の断面図に相当する。）である。
【０１４９】
図１０に示すように、外部電源を使用することなく、ゼーベック素子による熱電流によって、ファン４４を駆動させて送風によって電子回路チップ２２を冷却することもできる。この場合、接続用導体２４ｂの一部を、図１０中に示す点線部のように、蛇腹状にした導体セット６６によって構成して、長い接続用導体２４ｂを使用することによって、導体セット６６を放熱シートとして動作させることができ、限定された空間においても放熱性を高めることができる。
【０１５０】
図１０に示すように、黒色の矢印の方向に熱電流が流れファン４４が駆動され、ファン４４による送風、及び、高温側（熱源部である電子回路チップ２２の側）から低温側（電子回路チップ２２から遠い側）への熱の流れ（白抜きの矢印によって示されている。）によって、電子回路チップ２２が冷却される。
【０１５１】
図１０に示す構成において、図９に関して説明したように、接続用導体２４ｂが可撓性を有するベースフィルム６４に接合され保持されている構成とすれば、蛇腹状にした導体セット６６を容易に形成することでき、これを放熱シートとして動作させることができ、小さな占有空間であっても、接続用導体２４ｂによる配線を可能とすると共に、放熱シートによって放熱効率を向上させることができる。従って、熱源部の冷却能率を向上させることができる。
【０１５２】
図１０に示す構成において、図５（Ｅ）、図７、図８に示したように、ゼーベック素子による熱電流を増幅するトランジスタを使用して、増幅された電流によってファン４４を駆動させることができることは言うまでもない。
【０１５３】
なお、図７〜図１０に示す構成において、ｐ型Ｓｉチップ１２又は／及びｎ型Ｓｉチップ１４に受動素子又は／及び能動素子２０等の素子、これら素子を含む回路を実装する構成とすることができることは言うまでもない。
【０１５４】
図１１は、本発明の実施の形態における、冷却構造による冷却効果のシミュレーション結果を説明する斜視図である。
【０１５５】
図１１（Ａ）は冷却構造の半導体チップへの実装を示す図、図１１（Ｂ）は半導体チップの表面の中心部の温度を示す図、図１１（Ｃ）は冷却構造に放熱用シートを実装した場合の半導体チップの表面の中心部の温度を示す図である。
【０１５６】
図１１（Ａ）に示すように、熱源部は、再配線層２３が形成された電子回路チップ２２であり、この熱源部に、図１（Ａ）に示す構成を有するＳｉヒートシンクが冷却構造として、実装される。このＳｉヒートシンクは、１列に６個のＳｉチップ１０を２列有しており、合計１２個のＳｉチップ１０から構成されている。
【０１５７】
冷却効果のシミュレーションの条件を、以下に説明する。
【０１５８】
熱応力解析シミュレーションソフト（アンソフト・ジャパン株式会社（Ａｎｓｏｆｔ  Ｊａｐａｎ  Ｋ．Ｋ）、イーフジックス  バージョン２（ｅＰｈｙｓｉｃｓ  Ｖｅｒｓｉｏｎ２））を使用した。
【０１５９】
再配線層２３が形成された電子回路チップ２２及び冷却構造を構成するＳｉチップ１０を構成するシリコン（Ｓｉ）の熱伝導率を１４０（Ｗ／ｍＫ）、充填材１６の熱伝導率を１（Ｗ／ｍＫ）、固定用樹脂チップ１８の熱伝導率を０．９（Ｗ／ｍＫ）、電子回路チップ２２と固定用樹脂チップ１８とを接合する接着剤の熱伝導率を０．４（Ｗ／ｍＫ）、放熱用シートとして使用する接続用導体２４ａ、２４ｂの熱伝導率を４００（Ｗ／ｍＫ）とした。
【０１６０】
電子回路チップ２２の面積を２．８ｍｍ×２．８ｍｍ、厚さを０．８ｍｍとし、電子回路チップ２２の消費電力を０．１Ｗとした。Ｓｉチップ１０の幅を１ｍｍ、高さを２ｍｍ、厚さを０．５ｍｍとした。１２個のＳｉチップ１０によって、Ｓｉヒートシンクが構成され、各Ｓｉチップ１０の下部側の０．５ｍｍが、充填材１６によってモールドされているものとした。接続用導体２４ｂによる放熱用シートの幅を２ｍｍ、厚さを０．１ｍｍ、長さを２０ｍｍとした。シミュレーションの対象モデルが、その全周辺温度が無風状態の空気（２５℃）中に浮いて置かれた状態とした。
【０１６１】
以上の条件下でシミュレーションを行って、電子回路チップ２２の表面の中心部の温度を求めた。
【０１６２】
図１１（Ｂ）に示すように、熱源部に冷却構造を実装しない場合には、電子回路チップ２２の表面の中心部の温度は、２２３℃であるが、熱源部にＳｉヒートシンクに基づく冷却構造を実装した場合には、電子回路チップ２２の表面の中心部の温度は、１７７℃となり、冷却構造の実装によって、電子回路チップ２２の表面の中心部の温度は４６℃低下し、即ち、熱源部の温度を約２１％低減させている。
【０１６３】
図１１（Ｃ）に示すように、熱源部に冷却構造を実装しない場合には、電子回路チップ２２の表面の中心部の温度は、２２３℃であるが、図１１（Ｂ）に示す冷熱構造に、更に、接続用導体２４ｂを放熱用シートとして有する冷却構造を実装した場合には、電子回路チップ２２の表面の中心部の温度は、８６℃となり、冷却構造の実装によって、電子回路チップ２２の表面の中心部の温度は１３７℃低下し、即ち、熱源部の温度を約６１％低減させている。
【０１６４】
図１１（Ｂ）と図１１（Ｃ）との比較から、Ｓｉヒートシンクに放熱用シートを付加した構成を有する冷却構造が、熱源部の温度の低減、即ち、冷却に効果的であることが明らかである。
【０１６５】
図１２は、本発明の実施の形態における、ゼーベック素子による発電を用いた冷却を説明する斜視図である。
【０１６６】
図１２（Ａ）はゼーベック素子による発電を用いた冷却の構成を説明する図、図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）において接続用導体２４ａ、２４ｂを除く部分を樹脂によってモールド（包埋）した構成を示す図である。
【０１６７】
図１２に示す構成は、図１１（Ｃ）に示す構成において、Ｓｉチップ１０を、ｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４に置き換えて、ｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４の合計複数個が交互に配列し電気的に直列接続されるように構成して、ｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４をゼーベック素子として動作するように接続して、生成される熱電流（熱起電力）を先に説明したようにトランジスタによって増幅することによって、送風ファン（図１２に図示せず。）による送風によって、熱源部を冷却する冷却構造である。
【０１６８】
図１２に示す冷却構造では、６個のＳｉチップ（ｐ型Ｓｉチップ１２が３個、ｎ型Ｓｉチップ１４が３個）をもつ列を４列有し、合計２４個のＳｉチップ（ｐ型Ｓｉチップ１２が１２個、ｎ型Ｓｉチップ１４が１２個）が、電気的に直列接続されているが、図１２では、簡略のため半数の２列のみを図示している。
【０１６９】
また、図１２に示す冷却構造の構成は、図１１（Ｃ）に示す構成と同様に、接続用導体２４ｂを放熱用シートとして有している。
【０１７０】
ここで、ｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４によるゼーベック素子におけるゼーベック係数を、１００（μＶ／Ｋ）とし、高温側と低温側の温度差を２０℃とすると、上述の合計２４個のＳｉチップ（ｐ型Ｓｉチップ１２が１２個、ｎ型Ｓｉチップ１４が１２個）の図１２による構成では、ゼーベック効果によって、１００×２０×１２＝２４（ｍＶ）の熱起電力が得られることになる。使用する送風ファンの最大定格電圧を１２Ｖとする場合、トランジスタの増幅率を５００倍とすれば、送風ファンを最大能力までの範囲で制御することができる。即ち、送風ファンを最大限で駆動させて、熱源部を冷却することができる。
【０１７１】
図１２（Ｂ）に示す構成では、上述のトランジスタによる増幅を用いた送風ファンの駆動により、電子回路チップ２２の表面の中心部の温度を９３℃にすることができる。
【０１７２】
図１３は、本発明の実施の形態における、ゼーベック素子とペルチェ素子の組合せによる半導体チップの冷却を説明する図である。
【０１７３】
図１３（Ａ）はゼーベック素子とペルチェ素子の接続を説明する断面図（チップＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの断面図は、図２又は図３におけるＡ−Ａ部の断面図に相当している。）である。図１３（Ｂ）はゼーベック素子とペルチェ素子の配置と接続を説明する平面図である。
【０１７４】
図１３に示すチップＡは、ペルチェ素子を実装したチップ７２であり、複数のｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４がペルチェ素子として動作するように配置され電気的に接続された冷却構造を有しており、チップＢ、Ｃ、Ｄはゼーベック素子を実装したチップ７４であり、複数のｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４がゼーベック素子として動作するように、配置され電気的に接続された構造を有している。
【０１７５】
図１３に示す例は、外部電源を設けることなく、ゼーベック素子を実装したチップ７４（電気的に直列接続されたチップＢ、Ｃ、Ｄ）において発生された熱電流によって、チップ７２（チップＡ）に実装されたペルチェ素子が駆動され、チップＡが冷却されることを示している。
【０１７６】
図１３に示す構成において、ｐ型Ｓｉチップ１２又は／及びｎ型Ｓｉチップ１４に受動素子又は／及び能動素子２０の素子、これら素子を含む回路を実装する構成とすることができることは言うまでもない。
【０１７７】
なお、図５（Ｅ）、図７、図８、図１０、図１２、図１３等において、ゼーベック素子による熱電流の増幅に使用されるトランジスタは、送風ファンの駆動に十分な電流を流せるような増幅と耐圧を有することは言うまでもない。また、このトランジスタは、電子回路チップ２２に表面実装して配置してもよいし、Ｓｉチップ１０、Ｓｉチップ１２、ｎ型Ｓｉチップ１４に実装して配置、或いは、これらのチップとは別の場所に実装して配置してもよい。
【０１７８】
図１４は、本発明の実施の形態における、冷却構造の製造工程と半導体チップへの実装に関する概要を説明する斜視図である。
【０１７９】
図１４（Ａ）に示すように、電気絶縁性及び熱伝導性に優れた樹脂（接合用樹脂）１６ａを介して、ｐ型Ｓｉウェーハ１２ａ及びｎ型Ｓｉウェーハ１４ａを交互に所望の数だけｘ方向に積層し接合させて一体化させた積層体を形成し、次に、この積層体をダイシングして、所望の寸法に個片化する。上記の樹脂１６ａは、後述するように一部が除去され充填材１６を構成する。
【０１８０】
なお、樹脂１６aに代えて、電気絶縁性及び熱伝導性に優れた樹脂基板を使用して、この樹脂基板を介して、ｐ型Ｓｉウェーハ１２ａ及びｎ型Ｓｉウェーハ１４ａを交互に所望の数だけ積層し接合させて一体化させた積層体を得ることもできる。
することもできる。
【０１８１】
図１４（Ｂ）に示すように、図１４（Ａ）によって得られた、樹脂１６ａによって挟まれ、ｐ型Ｓｉウェーハ１２ａ及びｎ型Ｓｉウェーハ１４ａが交互にｘ方向に積層された個片体の構成のうち、樹脂１６ａの一部を樹脂エッチングによって除去することによって、一方の端面に、充填材１６によって交互に挟まれたｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４の端部を有し、他方の端面、空間を置いて配列されたｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４の端部を有する構造体が製造される。
【０１８２】
図１４（Ｃ）に示すように、図１４（Ｂ）において得られた構造体の一方の端面で、ｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４の端部面を接続用導体２４ａによって接合して、ｐ型Ｓｉチップ１２とｎ型Ｓｉチップ１４とを電気的に直列接続する。
【０１８３】
また、図１４（Ａ）によって得られた構造体の他方の端面に、ｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４の端部面を接続用導体２４ａによって接合し、ｐ型Ｓｉチップ１２とｎ型Ｓｉチップ１４とを電気的に直列接続して、両端部のｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４の端部面に、接続用導体２４ｂを接合して電気的に接続する。
【０１８４】
なお、接続用導体２４ａ、２４ｂとして、図９において説明したフレキシブル配線体を使用することは言うまでもない。
【０１８５】
次に、上述のようにして得られた、接続用導体２４ａが接合された構造体の一方の端面を、電気的絶縁性及び熱伝導性に優れた樹脂を用いて、固定用樹脂チップ１８に接合して、ｘ方向に交互にｐ型Ｓｉチップ１２とｎ型Ｓｉチップ１４が配列され電気的に直列接続された冷却構造を得ることができる。なお、固定用樹脂チップ１８には、必要に応じて、表面に電極端子（チップ端子）、内部に導体ポスト、内部信号配線、等が形成されている。
【０１８６】
図１４（Ｄ）に示すように、図１４（Ｃ）によって得られた冷却構造は、電子回路チップ２２に実装される。即ち、冷却構造の固定用樹脂チップ１８は、電子回路チップ２２の再配線層２３に接合され、固定用樹脂チップ１８と再配線層２３との間で、所望の電気的接続がなされる。
【０１８７】
冷却構造は、以下に説明する方法によっても製造することができる。
【０１８８】
図１５は、本発明の実施の形態における、冷却構造の製造工程と半導体チップへの実装に関する概要を説明する斜視図、断面図（図２又は図３におけるＡ−Ａ部の断面図に相当している。）である。
【０１８９】
先ず、所望の寸法を有するｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４を、金型にセットして、金型に充填材１６を注入する。金型に注入された充填材１６を加熱硬化させ、冷却させた後に金型を取外すと、図１５（Ａ）に示すように、ｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４の一部が充填材１６によってモールドされ、ｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４の一方の端面側で一体化された構造体（図１４（Ｂ）に示す構造体に相当する。）が得られる。図１５（Ａ）に示す（Ａ１）は、ｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４の側から見た構造体の斜視図であり、（Ａ２）は、充填材１６の側から見た構造体の斜視図である。
【０１９０】
なお、図１５（Ａ）に示す冷却構造の例では、６個のＳｉチップ（ｐ型Ｓｉチップ１２が３個、ｎ型Ｓｉチップ１４が３個）をもつ列をｘ方向に２列有し、合計１２個のＳｉチップ（ｐ型Ｓｉチップ１２が６個、ｎ型Ｓｉチップ１４が６個）が、充填材１６によって、一体化されている。
【０１９１】
次に、図１５（Ｂ）に示すように、図１５（Ａ）に示す構造体におけるｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４の一方の端面側、これと反対側の他方の端面側をそれぞれ、電気的に接続する。図１５（Ｂ）に示す（Ｂ１）は、充填材１６の側から見た構造体の斜視図、（Ｂ２）は（Ｂ１）に示す点線によって示された平面による切断面の断面図である。図１５（Ｂ）に示す（Ｂ３）は、ｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４の側から見た構造体の斜視図、（Ｂ４）は、（Ｂ３）に示す点線によって示された平面による切断面の断面図である。
【０１９２】
図１５（Ｂ）の（Ｂ１）及び（Ｂ２）に示すように、一方の端面側でｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４の端部面を接続用導体２４ａによって接合して、ｐ型Ｓｉチップ１２とｎ型Ｓｉチップ１４とを電気的に直列接続する。接続用導体２４ａとして、図９において説明したフレキシブル配線体を使用することができる。
【０１９３】
なお、ｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４の端部面に、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）等の下地金属層７６をメッキ等によって形成して、マスク層を形成して、隣接する下地金属層７６の間にＣｕメッキ層等を形成して接続して、接続用導体２４ａとすることができる。
【０１９４】
また、図１５（Ｂ）の（Ｂ３）及び（Ｂ４）に示すように、接続用導体２４ａ、２４ｂとして、図９において説明したフレキシブル配線体を使用して、他方の端面側でｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４の端部面を接続用導体２４ａによって接合して、ｐ型Ｓｉチップ１２とｎ型Ｓｉチップ１４とを電気的に直列接続して、両端部のｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４の端部面に、接続用導体２４ｂを接合して電気的に接続する。なお、ｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４の端部面に、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）等の下地金属層７６をメッキ等によって形成しておき、下地金属層７６に接続用導体２４ａ、２４ｂを接合する。
【０１９５】
以上のようにして、ｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４の一方の端面側の端部面に接続用導体２４ｂが接合され、他方の端面側の端部面に接続用導体２４ａ、２４ｂが接合された構造体を得ることができる。
【０１９６】
図１５（Ｃ）は、図１５（Ｂ）に示す構造体の半導体チップへの実装を説明する図であり、（Ｃ１）はｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４の側から見た構造体の斜視図、（Ｃ２）は、（Ｃ１）に示す点線によって示された平面による切断面の断面図である。
【０１９７】
次に、上述の構造体の、接続用導体２４ａが接合された一方の端面を、固定用樹脂チップ１８に接合して、ｘ方向に交互にｐ型Ｓｉチップ１２とｎ型Ｓｉチップ１４が配列され電気的に直列接続された冷却構造を得ることができる。なお、固定用樹脂チップ１８には、必要に応じて、表面に電極端子（バンプ３１ａ）、内部に導体ポスト、内部信号配線、等が形成されている。また、固定用樹脂チップ１８を樹脂エッチングして、固定用樹脂チップ１８の内部に形成されている内部に導体ポスト、内部信号配線を露出させ、これらに接続用の電極端子を形成してもよい。
【０１９８】
上記の冷却構造は、電子回路チップ２２が多数形成されたウェーハに貼り合わされて、各電子回路チップ２２に実装される。即ち、冷却構造の固定用樹脂チップ１８は、電子回路チップ２２の再配線層２３に接合され、固定用樹脂チップ１８と再配線層２３との間で、所望の電気的接続がなされる。なお、上記の冷却構造は、個片化されている電子回路チップ２２に接合して実装してもよい。
【０１９９】
次に、多数の冷却構造が実装されたウェーハはダイシングによって個片化され、図１５（Ｃ）に示すように、冷却構造が実装された電子回路チップ２２を得ることができる。図１５（Ｃ）に示す例では、冷却構造の一方の端面の接続用導体２４ａは、固定用樹脂チップ１８の内部に埋め込まれるように、上述の構造体は固定用樹脂チップ１８に接合されているが、充填材１６と固定用樹脂チップ１８とが強固に接合されていれば、接続用導体２４ａが固定用樹脂チップ１８の表面に接合される構成としてもよい。なお、上記の冷却構造は、既に個片化されている電子回路チップ２２にも、実装できることは言うまでもない。
【０２００】
なお、上述の構造体を、その一方の端面の接続用導体２４ａを、接合樹脂を用いて直接電子回路チップ２２の再配線層２３に接合することもできる。
【０２０１】
また、図１５（Ｂ）の（Ｂ１）及び（Ｂ２）に示した接続用導体２４ａの接合の後に、図１５（Ｂ）の（Ｂ３）及び（Ｂ４）に示した接続用導体２４ａ、２４ｂの接合をせずに、接続用導体２４ａが接合された冷却構造を得て、この冷却構造が電子回路チップ２２に実装された後に、図１５（Ｂ）の（Ｂ１）及び（Ｂ２）に示す接続用導体２４ａの接合を行うこともできる。
【０２０２】
なお、図１４、図１５を用いて説明した構成において、電気的に直列に接続されたｐ型Ｓｉチップ１２又は／及びｎ型Ｓｉチップ１４は、ペルチェ素子又はゼーベック素子として動作させることができ、ｐ型Ｓｉチップ１２又は／及びｎ型Ｓｉチップ１４に受動素子又は／及び能動素子２０の素子、これら素子を含む回路を実装する構成とすることができることは言うまでもない。
【０２０３】
また、図１４、図１５を用いて説明した構成において、ｐ型Ｓｉチップ１２及びｎ型Ｓｉチップ１４を、Ｓｉチップ１０として、Ｓｉヒートシンクを構成できることは言うまでもない。このＳｉヒートシンクを構成する場合には、接続用導体２ａ、２４ｂは不要である。更に、Ｓｉチップ１０に、受動素子又は／及び能動素子２０の素子、これら素子を含む回路を実装する構成とすることができることは言うまでもない。
【０２０４】
また、ｐ型Ｓｉチップ１２又は／及びｎ型Ｓｉチップ１４、或いは、Ｓｉチップ１０に実装された受動素子又は／及び能動素子２０の素子、これら素子を含む回路と、固定用樹脂チップ１８又は／及び電子回路チップ２２との間を、冷却構造を電子回路チップ２２に接合して実装する際に、物理的な結合と同時に電気的に接続されるような構成としてもよいし、物理的に結合した後に、フレキシブル配線シート等を用いて、電気的に接続する構成とすることもできる。
【０２０５】
以上説明したように、本発明によれば、携帯用電子機器を始めとして各種の電子機器に使用される電子回路チップ、電子部品モジュール、特に消費電力の大きな電子回路チップ、電子部品モジュールに好適に適用することができ、安価に製造可能な冷却構造を実現することができる。
【０２０６】
以上、本発明を実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、冷却構造の構成、大きさ、冷却構造を実装する対象、部位等は、冷却目標に応じて任意に変更して適切に設定することができる。冷却構造は、電子回路チップに設ける他に、実装基板に実装された素子、回路モジュール等に設けることもできることは言うまでもない。
【０２０７】
また、冷却構造を構成する直立半導体基板の材質、大きさ、数は、熱源部を冷却する冷却目標に応じて、その目標性能を満たすように必要に応じて任意に適切に設定することができる。直立半導体基板は、直立Ｓｉ基板に限定されないことは言うまでもない。ｐ型Ｓｉチップ、ｎ型Ｓｉチップに代えて、他の半導体材料によるｐ型チップ、ｎ型チップを使用することができ、ペルチェ素子、ゼーベック素子を構成するために電気的に接続されるこれらｐ型チップ、ｎ型チップの材質、大きさ、数は、目的に応じて適宜任意に設定することができる。
【産業上の利用可能性】
【０２０８】
以上説明したように、本発明によれば、携帯用電子機器を始めとして各種の電子機器に使用される電子部品モジュールに好適に適用することができる冷却構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０２０９】
【図１】本発明の実施の形態における、冷却構造の構成例とその実装例を説明する斜視図である。
【図２】同上、Ｓｉヒートシンクによる冷却構造の構成例を示す図である。
【図３】同上、ペルチェ素子による冷却構造の構成例を示す図である。
【図４】同上、受動素子又は／能動素子を実装した冷却構造の構成例とその実装例を説明する図である。
【図５】同上、冷却能力を向上させた冷却構造の実装例を示す断面図である。
【図６】同上、冷却構造の実装例を示す断面図である。
【図７】同上、ゼーベック素子による熱電流の増幅によるファン駆動制御を行う冷却構造の実装例を示す図である。
【図８】同上、ゼーベック素子による熱電流の増幅によるファン駆動制御を行う冷却構造の実装例を示す断面図である。
【図９】同上、フレキシブル配線（放熱用シート）を用いた冷却構造の構成例を示す図である。
【図１０】同上、ゼーベック素子による熱電流によるファン駆動を行う冷却構造の実装例を示す断面図である。
【図１１】同上、冷却構造による冷却効果のシミュレーション結果を説明する斜視図である。
【図１２】同上、ゼーベック素子による発電を用いた冷却を説明する斜視図である。
【図１３】同上、ゼーベック素子とペルチェ素子の組合せによる半導体チップの冷却を説明する図である。
【図１４】同上、冷却構造の製造工程と半導体チップへの実装を説明する斜視図である。
【図１５】同上、図１５は、冷却構造の製造工程と半導体チップへの実装を説明する斜視図である。
【図１６】従来技術における半導体装置の実装構造を説明する図である。
【符号の説明】
【０２１０】
１０…Ｓｉチップ、１２…ｐ型Ｓｉチップ、１２ａ…ｐ型Ｓｉウェーハ、
１４…ｎ型Ｓｉチップ、１４ａ…ｎ型Ｓｉウェーハ、１６…充填材、１６ａ…樹脂、
１８…固定用樹脂チップ、２２…電子回路チップ、２０…受動素子又は／及び能動素子、
２３…再配線層、２４ａ、２４ｂ…接続用導体、３１、３１ａ…バンプ、
３０ａ、３０ａ’、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ…チップ端子、３２…導体線路、
３３…内部配線、３４…電気絶縁層、３５…電極、３６…誘電体層、３７…電気抵抗体、
３９…金属端子、４０ａ、４０ｂ…放熱用シート、４２…電池、４３…導電線、
４４…ファン、４５…ファン制御トランジスタ、４５ａ…コレクタ、４５ｂ…ベース、
４５ｃ…エミッタ、４６…ボンディングワイヤ、４７…リードフレーム、
４８…中空部に実装された素子、４９ａ…実装容器、４９ｂ…蓋、５１…ビア、
５２…実装基板、５４…ファン取付台、５６…開口部、５８ａ、５８ｂ…導線、
５７…アンダバンプメタル、５９…パッド、６１…接続用樹脂、６２…オーバコート層、
６３…回路配線、６４…ベースフィルム、６５…ハニカムヒートシンク、
６６…導体セット、６８…Ｓｉチップを包埋する樹脂、７６…下地金属、
７２…ペルチェ素子を実装したチップ、７４…ゼーベック素子を実装したチップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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