(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、前記半導体素子を搭載した基板と、前記半導体素子に配置されたぺルチェ素子と、前記ペルチェ素子に密着したバイメタル構造の第１の金属板と、前記第１の金属板に一端が接続して接点を構成し、他端が前記基板に接続したバイメタル構造の第２の金属板とよりなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
ペルチェ素子が高温になった場合、金属の熱膨張係数の差により第２の金属板が変形し、前記ペルチェ素子に密着したバイメタル構造の第１の金属板と前記第２の金属板との接点が外れ、前記ペルチェ素子を停止させ、再び温度が低下した場合、前記接点部分が接続してペルチェ素子が動作を開始するサーモスタット構造を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は消費電力の大きな半導体素子を搭載する冷却機構を備えた半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器は益々高機能化し、動作速度が高速化するとともに消費電力も増大している。このため、半導体素子の冷却が大きな問題となっている。こうした中でペルチェ素子を用いた冷却機構が数多く提案されている。
【０００３】
従来の半導体装置の一例として、例えば特許第２６８２５８６号に示されるように、冷却半導体からなる冷却器を半導体チップ裏面側に直接、またはダイパッドを介して接合し、半導体チップの検出温度に応じて温度制御回路から出力信号を出し、冷却器に与えることにより半導体チップの温度上昇を抑制し、所定温度に抑えるという構造が提案されている。
【０００４】
以下、従来の冷却機構を有した半導体装置について説明する。図４は従来の冷却機構を有した半導体装置を示す図であり、図４（ａ）は内部構成を示す透過型の平面図であり、図４（ｂ）はその中央部の断面図である。
【０００５】
従来の冷却機構を備えた半導体装置としては図示するように、リードフレームのダイパッド１０１上に温度制御回路素子１０２とともに、パワー系の半導体チップ１０３が搭載され、そのダイパッド１０１の底面には半導体よりなる冷却器１０４が設けられ、半導体チップ１０３、冷却器１０４とリード１０５が各々金属細線１０６で電気的に接続されたものである。そしてダイパッド１０１の外囲として半導体チップ１０３、冷却器１０４、およびリード１０５の内部リード部の外囲は封止樹脂１０７により封止された構造である。
【０００６】
以上のような構造により、従来は冷却器１０４を半導体チップ１０３の裏面に直接、またはダイパッド１０１を介して接合し、半導体チップ１０３の検出温度に応じて温度制御回路素子１０２から出力信号を出し、冷却器１０４に与えることにより半導体チップ１０３の温度上昇を抑制していた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前記従来の構成では、温度制御回路素子を半導体素子に組み込むか、または、温度制御回路を持った別の半導体素子をパッケージ内に同時に実装しなければならないという問題と、ペルチェ素子の発熱面の熱をいかに外部へ放熱させるかという問題を有し、実装面と放熱面との課題を有していた。
【０００８】
本発明は前記課題に鑑み、キャリア基材上に搭載した半導体素子の裏面または表面にペルチェ素子の冷却面を密着し、ペルチェ素子の発熱面にバイメタル構造の金属プレートを配置し、これを半導体素子を実装しているキャリア基材に電気的、機械的に接続し、発熱面の熱を高熱伝導率のバイメタル金属板を通してキャリア基材からキャリア基材を搭載している母配線基板に伝達し、放熱特性を高めると共に、ペルチェ素子の発熱板が高温になった場合、バイメタル金属板のそれぞれの金属の熱膨張係数の差により接点が外れペルチェ素子を停止し、再び冷えた場合、接点部分が接続してペルチェ素子が動作を開始するサーモスタット構造を有する半導体装置を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために本発明の半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子を搭載した基板と、前記半導体素子に配置されたぺルチェ素子と、前記ペルチェ素子に密着したバイメタル構造の第１の金属板と、前記第１の金属板に一端が接続し、他端が前記基板に接続したバイメタル構造の第２の金属板とよりなる半導体装置である。
【００１１】
そして本発明の半導体装置は、ペルチェ素子が高温になった場合、金属の熱膨張係数の差により第２の金属板が変形し、前記ペルチェ素子に密着したバイメタル構造の第１の金属板と前記第２の金属板との接点が外れ、前記ペルチェ素子を停止させ、再び温度が低下した場合、前記接点部分が接続してペルチェ素子が動作を開始するサーモスタット構造を有する半導体装置である。
【００１２】
前記構成の通り、ペルチェ素子の発熱面の熱を金属板を通して基板へ効率よく伝達し、さらに基板から母配線基板へ熱を伝達することにより、熱の空気への放熱効率を上昇させることができる。このため、ペルチェ素子の発熱面の温度上昇を所望範囲内におさめることが可能となり、半導体素子と機器全体の雰囲気温度を安定させることができ、システムに誤動作、または動作不良をなくすことができる。
【００１３】
また、半導体素子の発熱量が大きいとペルチェ素子に大きな電流が通電され続ける状態となるが、このときの金属板をバイメタル原理を利用した構造のサーモスタットとすることにより、ペルチェ素子の発熱板が高温になった場合、バイメタル金属板のそれぞれの金属の熱膨張係数差により接点が外れ、ペルチェ素子を停止させ、再び冷えた場合、サーモスタットの接点部分が接続してペルチェ素子の動作を開始させることができる。ここでペルチェ素子の熱容量を充分大きくすると、半導体素子の温度上昇を所望以下に抑えた状態でペルチェ素子の発熱面の温度を下降させ、再びサーモスタットが通電してペルチェ素子が半導体素子の冷却を開始するという動作を繰り返すことが可能となり、半導体素子を確実に所望温度以下にするとともに、ペルチェ素子からの発熱も効率よく外部へ伝達し、かつ必要以上の発熱を抑えることができ、機器全体の雰囲気温度を安定させることができ、システムに誤動作、または動作不良をなくすことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本実施形態の半導体装置を示す断面図である。
【００１５】
本実施形態の半導体装置は、半導体素子と、その半導体素子を搭載し、半導体素子の電気信号や電力を入出力する配線を有するキャリア基板と、半導体素子の表面または裏面にその一面が配置されたぺルチェ素子と、そのペルチェ素子の他面に密着した金属板と、その金属板に一端が接続し、他端がキャリア基板に接続した金属板とよりなる半導体装置である。
【００１６】
具体的には図示するように、底面に外部電極を有し、表面に配線パターンを有し、その配線パターンと外部電極とが内部ビアで接続された積層基板であるキャリア基板１と、そのキャリア基板１の表面にバンプ２を介してその主面で接続された半導体素子３と、半導体素子３とキャリア基板１との間隙を充填封止したエポキシ系のアンダーフィル樹脂４（封止樹脂）と、半導体素子３の裏面に配置されたペルチェ素子５と、そのペルチェ素子５の外囲面に密着させて設けた金属プレート６ａと、金属プレート６ａと接続し、その金属プレート６ａからキャリア基板１に熱を伝導させ、電気的に接続した金属プレート６ｂとより構成されているものである。
【００１７】
本実施形態の熱対策型の半導体装置は、ペルチェ素子５の発熱面の熱は、金属プレート６ａ，６ｂを通してキャリア基板１へ効率よく伝達され、さらにキャリア基板１から実装基板である母配線基板（図示せず）へ熱を伝達することにより、熱の空気への放散面積を増加させ、放熱効率を上昇させることができ、ペルチェ素子５の発熱面の温度上昇を所望範囲内に抑えることが可能となり、電子機器全体の雰囲気温度を安定させることができる。そのため電子機器のシステムに誤動作、または動作不良をなくすことができる。また金属プレート６ａ，６ｂはキャップ状に構成し、ペルチェ素子５からの熱をキャリア基板１に伝導できる構造であればよい。
【００１８】
なお、本実施形態では半導体素子をフェースダウン搭載したＣＳＰ（ＣｈｉｐＳｉｚｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）の構造を例に記述してるが、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ），ＱＦＰ（Ｑｕａｄ  Ｆｌａｔ  Ｐａｃｋａｇｅ）等でも類似構造で同様な効果を得ることが可能である。
【００１９】
次に本発明の第２の実施形態について説明する。図２は本実施形態の半導体装置を示す断面図である。図３は本実施形態の半導体装置の動作を示す断面図であり、図３（ａ）は導通状態（初期状態）を示し、図３（ｂ）は温度上昇時の状態を示す。
【００２０】
まず本実施形態の半導体装置は、半導体素子と、その半導体素子を搭載し、半導体素子の電気信号や電力を入出力する配線を有するキャリア基板と、半導体素子の表面または裏面にその一面が配置されたぺルチェ素子と、そのペルチェ素子の他面に密着したバイメタル構造の第１の金属板と、その第１の金属板に一端が接続して接点を構成し、他端がキャリア基板に接続したバイメタル構造の第２の金属板とよりなる半導体装置であり、ペルチェ素子が高温になった場合、金属の熱膨張係数の差により第２の金属板が変形し、ペルチェ素子に密着したバイメタル構造の第１の金属板と第２の金属板との接点が外れ、ペルチェ素子を停止させ、再び温度が低下した場合、接点部分が接続してペルチェ素子が動作を開始するサーモスタット構造を有する半導体装置である。
【００２１】
具体的には図２に示すように、底面に外部電極を有し、表面に配線パターンを有し、その配線パターンと外部電極とが内部ビアで接続された積層基板であるキャリア基板１と、そのキャリア基板１の表面にバンプ２を介してその主面で接続された半導体素子３と、半導体素子３とキャリア基板１との間隙を充填封止したアンダーフィル樹脂４と、半導体素子３の裏面に配置されたペルチェ素子５と、そのペルチェ素子５の外囲面に密着させて設けたバイメタル原理を用いた金属板よりなるバイメタルサーモスタット７ａと、そのバイメタルサーモスタット７ａと一端が電気的、機械的に接点８を有して接続し、他端がバイメタルサーモスタット７ａからの熱をキャリア基板１に伝導させるとともに、電気的に接続したバイメタルサーモスタット７ｂとより構成されているものである。
【００２２】
本実施形態の半導体装置の放熱動作としては、図３（ａ）に示すように、まずペルチェ素子５の半導体素子３側の面が冷却され、バイメタルサーモスタット７ａ，７ｂ側で発熱し始める。この図３（ａ）の状態では、ペルチェ素子５、バイメタルサーモスタット７ａ，７ｂ、キャリア基板１が接続することにより、電気的に導通しているものである。
【００２３】
そして図３（ｂ）に示すように、ペルチェ素子５のバイメタルサーモスタット７ａ，７ｂ側の温度が上昇し、バイメタル自体が変形することにより、バイメタルサーモスタット７ｂの接点８が外れる。半導体素子３の温度がしきい値を超える前にペルチェ素子５のバイメタルサーモスタット７ａ，７ｂ側の温度が下降し、バイメタル自体が元の形状状態に戻り、サーモスタット７ｂの接点８がバイメタルサーモスタット７ａの端部と接触し、ペルチェ素子３への通電が再開された状態に戻る（図３（ａ））。
【００２４】
以上の動作を繰り返し、半導体素子３と、ペルチェ素子５の発熱面、冷却面の温度をある範囲内に安定させることができるものである。
【００２５】
なお、ここでも第１の実施形態と同様、半導体素子をフェースダウン搭載したＣＳＰを例に記述してるが、ＢＧＡ，ＱＦＰ等でも類似構造で同様な効果を得ることが可能である。
【００２６】
このように半導体素子３の発熱量が大きいとき、ペルチェ素子５に大きな電流が通電され続ける状態となるが、バイメタル構造のバイメタルサーモスタット７ａ，７ｂを用いることにより、ペルチェ素子５の発熱板が高温になった場合、バイメタル構造の金属板よりなるバイメタルサーモスタット７ａ，７ｂのそれぞれの金属の熱膨張係数差により、接点８が外れ、導通が解除されてペルチェ素子５が停止する。そして再び温度が低下してペルチェ素子５が冷えた場合、バイメタルサーモスタット７ａ，７ｂの接点８部分が接続してペルチェ素子５の動作を開始させることができる。
【００２７】
この時、ペルチェ素子５の熱容量を充分大きくすると半導体素子３の温度上昇を所望以下に抑えた状態でペルチェ素子５の発熱面の温度を下降させ、再びバイメタルサーモスタット７ａ，７ｂが通電してペルチェ素子５が半導体素子３の冷却を開始するという動作を繰り返すことが可能となり、半導体素子３を確実に所望温度以下にできる。したがってペルチェ素子５からの発熱も抑制し、かつバイメタルサーモスタット７ａ，７ｂのバイメタルを通じて効率よく外部へ伝達することができ、機器全体の雰囲気温度を安定させることができ、電子機器のシステムに誤動作、または動作不良をなくすことができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上、本発明の半導体装置は、キャリア基板上に搭載した半導体素子の裏面または表面にペルチェ素子の冷却面を密着し、ペルチェ素子の発熱面に金属プレートを配置し、これを半導体素子を実装しているキャリア基材に電気的、かつ機械的に接続し、発熱面の熱を高熱伝導率の金属プレートを通してキャリア基板からキャリア基板を搭載している母配線基板に伝達し、放熱特性を高めることにより、ペルチェ素子の発熱面の温度上昇を所望範囲内におさめることが可能となり、半導体素子と機器全体の雰囲気温度を安定させることができ、システムに誤動作、または動作不良をなくすことができる。
【００２９】
また、金属プレートをバイメタル構造として、ペルチェ素子の発熱板が高温になった場合、バイメタル金属板のそれぞれの金属の熱膨張係数の差により接点が外れ、ペルチェ素子を停止させ、再び冷えた場合、接点部分が接続してペルチェ素子が動作を開始するサーモスタット構造を備えた構造とすることにより、半導体素子を確実に所望温度以下にするとともに、ペルチェ素子からの発熱も効率よく外部へ伝達し、かつ必要以上の発熱を抑えることができ、機器全体の雰囲気温度を安定させることができ、システムに誤動作、または動作不良をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の半導体装置を示す断面図
【図２】本発明の一実施形態の半導体装置を示す断面図
【図３】本発明の一実施形態の半導体装置の動作を示す断面図
【図４】従来の半導体装置を示す図
【符号の説明】
１  キャリア基板
２  バンプ
３  半導体素子
４  アンダーフィル樹脂
５  ペルチェ素子
６ａ，６ｂ  金属プレート
７ａ，７ｂ  バイメタルサーモスタット
８  接点
１０１  ダイパッド
１０２  温度制御回路素子
１０３  半導体チップ
１０４  冷却器
１０５  リード
１０６  金属細線
１０７  封止樹脂
【図１】
0003855576.tif 000002
【図２】
0003855576.tif 000003
【図３】
0003855576.tif 000004
【図４】
0003855576.tif 000005