(57)【要約】【課題】  温度制御機能を有する半導体装置に関し、ペルチェ素子が組み込まれた半導体装置をテストハンドラで温度試験した場合に好結果が得られるパッケージを備えた半導体装置を提供しようとする。【解決手段】  デバイスが組み込まれたウェーハチップ１の上に放熱側金属膜９を表出したペルチェ素子層７が形成された半導体装置５０と、半導体装置５０が実装された実装基板１５と、実装基板１５の表出面から半導体装置５０の表面一部を覆い且つ放熱側金属膜９上面と揃った高さをもつ樹脂モールド２５とを備える。【選択図】        図６
2005183658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デバイスが組み込まれたウェーハチップの上に放熱側金属膜を表出したペルチェ素子モジュールが形成された半導体装置と、
該半導体装置が実装された実装基板と、
該実装基板の表出面から該半導体装置の表面一部を覆い且つ放熱側金属膜上面と揃った高さをもつ樹脂モールドと
を備えてなることを特徴とする温度制御機能を有する半導体装置。
【請求項２】
該樹脂モールドはパッド及び配線を封止し且つ該表出された放熱側金属膜との間に所要の間隙を維持してなること
を特徴とする請求項１記載の温度制御機能を有する半導体装置。
【請求項３】
ペルチェ素子電源と該ペルチェ素子モジュールとの間に介挿された電源反転回路      を備えてなることを特徴とする請求項１或いは請求項２記載の温度制御機能を有する半導体装置。
【請求項４】
半導体装置に於けるウェーハチップ上にペルチェ素子モジュールの配線及び電源用或いは信号用のパッドが形成されてなること
を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１記載の温度制御機能を有する半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ペルチェ素子が組み込まれて温度制御機能をもち、且つ、低温試験するのに好適なパッケージを備えた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体装置に於いては、その低温動作を保証する為、予め低温試験を実施するようにしているが、その際、液体窒素などの冷媒を用いて冷却したり、或いは、冷媒とコンプレッサとを用いて冷却を行なっている。
【０００３】
その場合、試験装置に対して結露防止策を施す必要であり、また、テストチェンバ内全体を冷却する時間及び試験後に常温復帰させるまでの時間として１〜２時間を必要としている。
【０００４】
半導体装置を冷却するには、前記冷媒などを用いる手段の他、回路動作に伴う発熱をペルチェ素子を用いて抑制することが行なわれている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４を参照。）。
【０００５】
特許文献１乃至特許文献４に開示された手段では、半導体装置にペルチェ素子、又は、ペルチェモジュールを接合して冷却する方法を採っている。
【０００６】
また、高効率で冷却を行なう為、半導体装置の製造プロセス技術を用いてＩＣチップ内にペルチェ素子を形成することも行なわれていて、例えば特許文献５には半導体回路領域外であるＩＣチップ周辺部分や背面にペルチェ素子を形成することが記載され、特許文献６には半導体回路領域上面をペルチェ素子で直接冷却することが記載され、特許文献７にはＩＣチップ内にペルチェ素子を点在させて半導体回路を構成する素子を冷却することが記載されている。
【０００７】
前記したように、ペルチェ素子を冷却などの温度印加手段として用いた半導体装置の実装構造では、ペルチェ素子を含めて封止した構造、ペルチェ素子の片方の面に接触させたヒートシンク、放熱器、ヒートパイプなどの放熱手段を半導体装置の封止樹脂に於ける上面や側面に取り付けた構造が知られている。
【０００８】
因みに、特許文献８に開示された発明は、ペルチェ素子を含む半導体装置全体が一体的に封止された構造に関するものであり、また、特許文献７に開示された発明は、パッケージにヒートシンクやファンなどの放熱手段が設置された構造に関するものである。
【特許文献１】特開２００１−２３０３５４号公報
【特許文献２】特開平４−２１２４４２号公報
【特許文献３】特開平４−１４２０７１号公報
【特許文献４】特開平５−２４３４３７号公報
【特許文献５】特開平５−１５２６１４号公報
【特許文献６】特開平７−２２１３５１号公報
【特許文献７】特開平１１−１３５６９２号公報
【非特許文献１】犬石喜雄他著「半導体物性Ｉ」朝倉書店発行  第２２３頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記背景の技術の項に挙げた従来の技術では、ペルチェ素子を組み込んだ半導体装置の実装構造或いは実装方法について、ペルチェ素子で動作中の半導体装置を冷却をすることに主眼をおいて対処していることから、半導体装置の試験、例えば、テストハンドラを用いて試験する場合に好適であるとは言い難い。
【００１０】
本発明では、ペルチェ素子が組み込まれて温度制御機能を有する半導体装置をテストハンドラで温度試験した場合に好結果が得られるパッケージをもった半導体装置を提供しようとする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一般に、ペルチェ素子を組み込んだ半導体装置の温度試験を行なうには、ＩＣチップの温度を一定に保つことが必要であり、また、ペルチェ素子が発生する熱を効率良く発散させることが不可欠である。
【００１２】
半導体装置の試験に用いられるテストハンドラでは、半導体装置の上面をマッチプレート（部品の商品名  アドバンテスト社製）で押圧することで、半導体装置の端子をソケットボードに於ける信号印加の為の接触子に導電接触させるようにしている。
【００１３】
マッチプレートは、通常、アルミニウム合金を材料とし、その面積は半導体装置の５０倍〜１００倍以上もあり、ペルチェ素子の放熱面と直接接触が可能ならば、巨大な放熱器として作用させることができるから、ペルチェ素子が発生する熱を効率良く発散させることができる。
【００１４】
然しながら、前記従来の技術に見られるような半導体装置の実装構造或いは実装方法では、表面に凹凸が存在し、ペルチェ素子の放熱面にマッチプレートを接触させることは困難である。
【００１５】
そこで、本発明に依る半導体装置では、実装状態に於いて、パッケージの封止樹脂上面とペルチェ素子放熱面とが平坦な同一面に在る構造にしたので、ペルチェ素子放熱面にマッチプレートのプッシャ（部品の商品名  アドバンテスト社製）を直接接触させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
通常、ペルチェ効果を利用して冷却を行なう半導体装置では、放熱器を取り付けることが必須である為、例えばフィンなどを実装した状態で半導体装置に荷重をかけて押圧することはできず、従って、この種の半導体装置をテストハンドラを用いて試験することはできなかった。
【００１７】
本発明に依る温度制御機能を有する半導体装置に於いては、テストハンドラのマッチプレートで半導体装置に荷重を加えても、その荷重の多くは封止樹脂の面で支えられ、ペルチェ素子の放熱面に無理な荷重が加わることはなく、従って、テストハンドラのＩＣ押圧機構（プッシャ）とペルチェ素子放熱面との良好な接触が可能である。これは、ペルチェ素子の放熱面に大面積の放熱器を取り付けたことと同等である為、ペルチェ素子に於ける熱は良好に発散させることができ、しかも、ペルチェ素子を有する半導体装置をテストハンドラで試験することが可能となり、多数個の半導体装置を一括して同時測定することができる。
【００１８】
また、ペルチェ素子を有する半導体装置をテストハンドラで試験することが可能であることから、テストハンドラの試験用チェンバにファンを取り付けて室温状態のままでチェンバ内に送風する状態とし、ペルチェ素子に流す電流の向きを反転させるだけで高温から低温までの温度変化を実現することが可能であり、従って、テストハンドラで半導体装置の温度試験を行なう際、試験用チェンバ内の雰囲気温度を変え、半導体装置に温度印加する為のヒータを設けたり、冷媒を用いるなどの必要はなく、試験用チェンバ内の気密性維持機構や結露防止機構なども不要である。
【００１９】
更にまた、本発明に依る温度制御機能を有する半導体装置は、実装時に半導体装置の電源とペルチェ素子の電源を共用する構成にすれば、動作時に於ける急激なチップ温度上昇は抑制され、また、それぞれを独立電源にすれば、より安定な冷却が可能となり、環境温度センサ装置からの信号を電源反転回路と接続することに依ってＩＣチップを一定の温度差で冷却、加熱することが可能となり、環境温度とチップ温度とが対応付けられるので安定な動作をさせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
温度制御の為にペルチェ素子を組み込んだ半導体装置及びその実装方法に於いて、ペルチェ素子の放熱面とパッケージ上面とが同一面を成すように揃えることで、ハンドラマッチプレートを放熱器として利用することを可能とし、また、ペルチェ素子電源に反転回路を設けて電流の向きを制御することで、冷媒やコンプレッサを用いることなく温度試験の実施を可能にした。    
【実施例１】
【００２１】
図１は本発明の温度制御機能を有する半導体装置を例示する要部切断側面図であり、図に於いて、１はシリコンウェーハチップ、２はパッド、３は絶縁膜、４は絶縁膜、５は吸熱側金属膜、６は絶縁膜、７はペルチェ素子層、８は絶縁膜、９は放熱側金属膜、１０、１０ｎ、１０ｐはペルチェ素子電極引き出し配線、１１は絶縁膜、１２はペルチェ素子電源用パッド、１３はデバイス信号用パッドをそれぞれ示している。
【００２２】
図２は本発明の温度制御機能を有する半導体装置を例示する要部切断斜面図であり、図１に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００２３】
図２は図１に見られる半導体装置を左斜め上方から見た図であって、電源反転回路などを明示する為、図１とは左右が逆になっている。図に於いて、１４は電源反転回路、１５は実装基板、１６は実装基板側のパッド、１７はボンディングワイヤ、５０は温度制御機能を有する半導体装置をそれぞれ示している。
【００２４】
図１及び図２に於いて、シリコンウェーハチップ１にはトランジスタやダイオードなど必要なデバイスが形成され、その表面は電源や信号を印加する為のパッド２を除き、絶縁膜３で覆い、且つ、表面を平坦化し、その上に図１ではペルチェ素子層７として表してあるペルチェ構造体を形成する。
【００２５】
図３はペルチェ構造体を具体的に表す要部切断側面図、図４は図３に見られるペルチェ構造体の要部上面図、図５は図３並びに図４に見られるペルチェ構造体の要部下面図であり、図１並びに図２に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００２６】
各図に於いて、２１はｎ型半導体、２２はｐ型半導体、２３は吸熱面側電極、２４は放熱面側電極をそれぞれ示している。
【００２７】
このペルチェ構造体を作製するには、シリコンウェーハチップ１を覆う絶縁膜３上に吸熱側金属膜５と絶縁膜６とを順に形成し、絶縁膜６上に吸熱面側電極２３を形成し、各吸熱面側電極２３の両端それぞれにｎ型半導体２１とｐ型半導体２２を形成し、ｎ型半導体２１及びｐ型半導体２２、ｐ型半導体２２及びｎ型半導体２１を対にして接合する放熱面側電極２４を形成し、各放熱面側電極２４上に絶縁膜８を介して上面が平坦となるように放熱側金属膜９を形成して完成する。
【００２８】
また、ペルチェ構造体からは、ｎチャネル側及びｐチャネル側各電極から金属膜からなる電極引き出し配線１０ｎ及び１０ｐが引き出されてペルチェ素子電源用パッド１２或いはデバイス信号用パッド１３に結ばれる。
【００２９】
電極引き出し配線１０ｎ及び１０ｐがペルチェ素子電源用パッド１２に結ばれる場合、途中に電源反転回路１４を設けてあり、ペルチェ構造体への電流の向きを反転させることができるようにしてある。
【００３０】
前記説明した温度制御機能を有する半導体装置５０は実装基板１５に絶縁性接着剤を用いて固着し、ペルチェ素子電源用パッド１２やデバイス信号用パッド１３は実装基板１５側のパッド１６にボンディングワイヤ１７で接続する。
【００３１】
実装基板１５に於けるパッド１６は、実装基板１５内のパターン配線を介して実装基板１５の裏面側に固着されているハンダボール１５Ａ（図６参照）に依って外部と導通するようになっている。
【００３２】
図６は実装基板に実装され且つ封止された半導体装置を表す要部切断側面図、また、図７は図６に見られる半導体装置を表す要部上面図であり、図１乃至図５に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００３３】
図に於いて、２５は半導体装置に形成されたパッド１２や１３及びボンディングワイヤ１７の一部などを含む周辺から実装基板１５の表出面にかけて形成された樹脂モールドを示し、樹脂モールド２５の上面はペルチェ素子層７の表面である放熱側金属膜９と揃うように、しかも、樹脂モールド２５が放熱側金属膜９と接触しないように溝２６をおいて形成されている。
【００３４】
図６及び図７から明らかなように、本発明に依る半導体装置では、ペルチェ素子の放熱側金属膜９は表出され、また、ペルチェ素子吸熱側とシリコンウェーハチップ１などは樹脂モールド２５で封止され、放熱側との接触はないから、放熱側金属膜９から発散される熱の回り込みの影響は低減される。
【００３５】
また、ペルチェ素子の放熱側金属膜９と樹脂モールド２５の上面とは揃っているので、機能試験を実施する際、半導体装置の上面をテストハンドラのマッチプレートで押圧した場合には、マッチプレートのプッシャと放熱側金属膜９とが良好に接触し、マッチプレートが大面積の放熱器の役割を果たすので、室温の風を送ることでペルチェ素子の発熱を充分に放散させることができる。
【００３６】
更にまた、半導体装置には、ペルチェ素子電極引き出し配線１０ｎ及び１０ｐとペルチェ素子電源との間に電源反転回路１４を設けてあり、供給電流の向きを切り替えることで容易に吸熱側と放熱側と反転させることが可能であるから、半導体装置に低温から高温まで印加することができる。
【００３７】
図８は電源反転回路の一例を表す要部回路図であり、図１乃至図７に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。図に於いて、２７は“Ｈ”レベルか“Ｌ”レベルの信号が入力される制御端子であり、制御端子２７の入力が“Ｈ”レベルであればペルチェ素子電極引き出し配線１０ｎが（−）でペルチェ素子電極引き出し配線１０ｐが（＋）、制御端子２７の入力が“Ｌ”レベルであればペルチェ素子電極引き出し配線１０ｎが（＋）でペルチェ素子電極引き出し配線１０ｐが（−）である。
【００３８】
ペルチェ素子の単位時間あたりの発熱量或いは吸熱量Ｗは、
Ｗ＝ＩＩｉ・・・・（１）
ＩＩ：ペルチェ係数
ｉ：流す電流
で表される。非特許文献１に依れば、ペルチェ係数ＩＩは、ｐ型シリコンとｎ型シリコンとを組み合わせることで、４００Ｋ以下の広い温度範囲で０．８Ｊ／Ｃ程度となる。
【００３９】
ペルチェ効果に依る温度変化ΔＴは、吸熱、放熱が発生するｐｎ結合面上のエネルギー変化ΔＷと熱コンダクタンスＧthを使って下記の式（２）で表される。
ΔＴ＝ΔＷ／Ｇth・・・・（２）
【００４０】
例えば熱コンダクタンスＧthが１ｍＷ／Ｋの場合、吸熱側の温度を−５０℃に設定するには、放熱側の温度を室温２５℃とすれば７５℃の温度差になるから、式（１）並びに式（２）より、９３ｍＡ程度の電流をペルチェ素子に流せば良いことになる。
【００４１】
前記計算は、ペルチェ素子自体の発熱がない場合であるから、吸熱側の温度を一定に保つには、熱量に応じてペルチェ素子に流れる電流を増す必要があり、その場合には、図８に示したような電源反転回路で電流制御を行なうことができる。
【００４２】
図９は本発明の半導体装置を試験する場合を説明する為のテストハンドラの一部を表す要部切断説明図であり、図に於いて、５１はテストチェンバ、５２は空気送入ファン、５３は空気送出ファン、５４はマッチプレート、５５はプッシャ、５６はペルチェ素子一体型半導体装置、５７は接触子、５８はソケットボード、５９は測定治具、６０はテストヘッド、６１は温度検出回路、６２は電流制御回路、６３は電源ユニット（ペルチェ素子供給用電源）をそれぞれ示している。
【００４３】
テストハンドラは半導体装置の試験治具への装着から試験後の払い出しまでを自動で行なう装置であり、図９にはテストハンドラに於けるテストチェンバ部分を簡略化して表してある。
【００４４】
図９では、プッシャ５５が１個分しか表されていないが、実際には、大面積のマッチプレート５４に多数のプッシャ５５が配列して取り付けられていて、多数の半導体装置を一括して取り扱うことができる。
【００４５】
テストハンドラに於ける半導体装置装着部では、ＪＥＤＥＣ標準ＩＣトレイにセットされた多数個の半導体装置が測定用トレイに並べられる。因みに、測定用トレイには、４個〜６４個程度の半導体装置を同時に搭載することができる。
【００４６】
半導体装置が並べされた測定用トレイは、テストチャンバ５１内に搬送されて測定治具５９に装着され、半導体装置５６とソケットボード５８とが対応づけられ、プッシャ５５の降下動作で半導体装置５６が押し下げられ、ソケットボード５８に取り付けられた接触子５７に半導体装置５６の信号端子が接触し、その際、テストハンドラからテストヘッドに信号が送られ、試験が開始される。
【００４７】
テストチェンバ５１には空気送入ファン５２及び空気送出ファン５３を設けてあり、外からの空気をテストチェンバ５１内に送入し且つ送出することで、マッチプレート５４に伝達された熱は有効に発散されて室温と同等の一定温度に維持でき、従って、ペルチェ素子に電流を流した際の吸熱効果に経時変化が生じないようにすることができる。
【００４８】
この場合、半導体装置のチップ温度を例えば−３０℃にする場合は、室温が２５℃であれば、５５℃の温度差が得られるようにペルチェ素子供給電流を制御するものであり、この場合のチップ温度の検出は、半導体装置の入出力端子に構成されるダイオードの順方向特性など適宜の手段を利用して容易に実現できる。
【００４９】
高温試験を行なう場合には、図８について説明した電源反転回路を用い、電流の方向を反転させれば良く、例えば、チップ温度を８５℃にする場合は室温２５℃に対して５０℃の温度差が得られるようにペルチェ素子供給電流を制御すれば良い。
【００５０】
ペルチェ素子へ電流を供給する電源端子、接地端子、反転回路の制御端子を独立させておけば、実使用時の用途や使用目的に応じ、実装基板１５の配線を利用して半導体装置の電源とペルチェ素子の電源を共用或いは独立して用いる選択をすることができる。
【００５１】
また、電源反転回路に於ける制御端子２７は実働時の環境温度に応じ、“Ｌ”レベル或いは“Ｈ”レベルにすることでチップの冷却或いは加熱が可能であり、環境温度に対して半導体装置を安定に動作させることができ、その場合、環境温度センサ装置を設置し、センサからの信号を電源反転回路に送入する構成にすれば、環境温度に対し、より一層安定に半導体装置を動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の温度制御機能を有する半導体装置を例示する要部切断側面図である。
【図２】本発明の温度制御機能を有する半導体装置を例示する要部切断斜面図である。
【図３】ペルチェ構造体を具体的に表す要部切断側面図である。
【図４】図３に見られるペルチェ構造体の要部上面図である。
【図５】図３並びに図４に見られるペルチェ構造体の要部下面図である。
【図６】実装基板に実装され且つ封止された半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図７】図６に見られる半導体装置を表す要部上面図である。
【図８】電源反転回路の一例を表す要部回路図である。
【図９】本発明の半導体装置を試験する場合を説明する為のテストハンドラの一部を表す要部切断説明図である。
【符号の説明】
【００５３】
１  シリコンウェーハチップ
２  パッド
３  絶縁膜
４  絶縁膜
５  吸熱側金属膜
６  絶縁膜
７  ペルチェ素子層
８  絶縁膜
９  放熱側金属膜
１０、１０ｎ、１０ｐ  ペルチェ素子電極引き出し配線
１１  絶縁膜
１２  ペルチェ素子電源用パッド
１３  デバイス信号用パッド
１４  電源反転回路
１５  実装基板
１５Ａ  ハンダボール
１６  実装基板側のパッド
１７  ボンディングワイヤ
５０  温度制御機能を有する半導体装置
【図１】
2005183658.tif 000003
【図２】
2005183658.tif 000004
【図３】
2005183658.tif 000005
【図４】
2005183658.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2005183658.tif 000009
【図８】
2005183658.tif 000010
【図９】
2005183658.tif 000011