JP2001320003A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
体装置の省電力化を積極的に図る。 【解決手段】 本発明の半導体装置10は、電子デバイ
ス20と、電源31及び電子部品32を含む電子回路3
0とから構成されている。電子デバイス20は、電子回
路30から供給される電力又は電気信号により所定の機
能を達成する電子機能素子21と該電子機能素子20と
密着して設けられ、電子機能素子21が発する熱エネル
ギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子22とを
含む。電子機能素子31が発する熱エネルギーは熱電変
換素子22に伝達され、該熱電変換素子22は伝達され
た熱エネルギーを電気エネルギーに変換して電力として
電子回路30の電子部品32に帰還させる。
Description
能な半導体装置に関する。
い進展に伴い、電子デバイスを搭載した半導体装置の高
速化及び高集積化が加速度的に進行している。その一方
で半導体装置の消費電力の増大が深刻化している。社会
生活のあらゆる場面で非常に多くの電子機器が利用され
ている今日では、個々の半導体装置の消費電力の増大が
全体として膨大なエネルギー消費を招き、その環境への
負担は計り知れない程大きい。
いう観点から、バッテリの負荷を低減して長時間の使用
に耐えられるようにするという省電力化は非常に大きな
課題である。電子デバイスにより消費された電力の大部
分は熱エネルギーとなってデバイスの外部に放出され
る。消費電力の増大は発熱量の増大に直結するため、電
子デバイス自体、又は電子デバイスにより構成される電
子機器に甚大な悪影響を及ぼす危険性が高まっている。
例えば、温度上昇が引き起こす素子性能の変動、熱暴
走、金属材料の腐食促進による故障又は熱応力による断
線若しくは機械的破損等が懸念される。これらを回避す
るため、発熱量が大きい電子機器は何らかの冷却手段を
備えている場合が多い。具体的には、例えば、電子デバ
イスに放熱用フィン等を設けることによって放熱効率を
高めたり、電動ファンを用いた強制空冷や液体を用いた
液冷、ヒートパイプを用いて熱交換を促進したりする等
の手法が採られている。
て、熱電変換素子の活用が注目されている。従来の熱電
変換素子は、熱電対に代表される温度センサが主な用途
であった。しかしながら、半導体集積回路又は半導体レ
ーザ装置等を中心に、熱電変換素子をより能動的に用い
た小型の電子冷却手段を実現する試みが盛んである。代
表的なものは、特開平4−12558号公報等に開示さ
れているペルチェ素子を用いる手法である。ペルチェ素
子は熱電変換素子の一種で、2種類以上の導体又は半導
体が接続した接点を持つ電気回路により構成され、外部
電源から電流が供給されるとペルチェ効果によって吸熱
作用を発現する冷接点と発熱作用を発現する温接点とが
現われる熱輸送機能を持つ素子である。この冷接点を電
子デバイスの発熱部に接近又は接触させることにより、
電子デバイスが発する熱エネルギーを吸熱し、半導体装
置の冷却を行なう構成である。上記の公報では、このペ
ルチェ素子をリードフレームのダイパットと兼用する冷
却機構を備えた小型化が可能な半導体装置を開示してい
る。
イスの冷却の従来例として、特開平9−92761号公
報に開示された半導体装置が挙げられる。この公報はペ
ルチェ素子の代わりにゼーベック素子を用いている。ゼ
ーベック素子も熱電変換素子の一種であり、ペルチェ素
子とは逆に2種類以上の導体又は半導体の2つの接点間
の温度差によって起電力を発生して外部回路に電気エネ
ルギーを供給する。本公報は、ゼーベック素子をLSI
に搭載し、LSI自体の発熱による起電力でマイクロフ
ァンを駆動してLSIを冷却するという冷却機能の自動
制御性を実現している。
来の半導体装置は、電子デバイス個々の局所的な冷却に
は有効でも、これらで構成される電子機器全体の使用環
境や省電力性の点で問題がある。また、放熱用フィンの
付設、電動ファンによる強制空冷、液冷又はヒートパイ
プによる熱交換等の冷却手段は、装置の容積の増大、騒
音及び冷却系の低い信頼性等の問題がある。
チェ素子を用いた冷却方式は、これらの問題は解決され
るが、ペルチェ素子自体を駆動するのに電気エネルギー
の供給が必要で余計な電力消費が伴うため、装置全体と
しては消費電力がさらに増大するという重大な欠点があ
る。
ルチェ素子の代わりにゼーベック素子を用いており、外
部からのエネルギーの供給が不要となる利点はあるが、
装置のサイズや騒音の問題が残る上に、LSIの冷却を
目的としていることから、装置全体の省電力化を積極的
に図る構成ではない。
び無騒音で高信頼性を有しながら半導体装置の省電力化
を積極的に図ることを目的とする。
め、本発明は、半導体装置を、機能素子が発する熱エネ
ルギーを熱電変換し、変換された電気エネルギーを電源
に帰還させる構成とする。
気エネルギー供給手段から電気エネルギーを受けること
により所望の機能を達成する電子機能素子を含む機能手
段と、機能手段が発する熱エネルギーを電気エネルギー
に変換する熱電変換手段と、変換した電気エネルギーを
回収し、回収した電気エネルギーを電力エネルギー供給
手段に帰還させる電気エネルギー回収手段とを備えてい
る。
段が電気エネルギーを消費するのではなく、機能手段が
発する熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、変換し
た電気エネルギーを電気エネルギー供給手段に戻すた
め、エネルギーの負帰還制御が働くので、装置全体とし
ての電力消費を安定して抑制することができる。また、
熱電変換手段に熱電変換素子を用いれば、小型、無騒音
及び高信頼性を得ることができる。
段が機能手段と密着するように設けられていることが好
ましい。このようにすると、機能手段から熱電変換手段
への熱の伝達効率が良くなるため、電気エネルギーの回
収効率を向上することができる。
子が半導体集積回路素子であることが好ましい。このよ
うにすると、半導体集積回路素子は電子デバイスの中で
も特に単位体積当たりの消費電力量が多いこと、比較的
平板な形状をしており熱電変換手段との熱伝達が行なわ
れやすいこと、また、半導体集積回路素子は電力供給手
段と同一の基盤上に配置して使用する場合が多いこと等
から、効率的且つ有意義なエネルギー回収を実現でき
る。
子が半導体発光素子であることが好ましい。このように
すると、半導体発光素子は電子デバイスの中でも特に単
位体積当たりの発熱量が多いこと、半導体集積回路素子
は電力供給手段と同一の基盤上に配置して使用する場合
が多いこと等から、効率的且つ有意義なエネルギー回収
を実現できる。
段がゼーベック素子からなることが好ましい。このよう
にすると、高い熱電変換効率を容易に実現できる。
ス、鉛又はテルルを含む半導体からなることが好まし
い。このようにすると、ビスマステルル系の半導体、又
は鉛テルル系の半導体は、室温付近におけるゼーベック
係数及び熱電性能指数が特に高いため、高効率の熱電変
換を容易に且つ確実に行なえる。
を参照しながら説明する。
置を概念的に表わしている。図1に示すように、本実施
形態に係る半導体装置10は、電子デバイス20と、電
気エネルギー供給手段としての電源31及び電気エネル
ギー回収手段としての電子部品32を含む電子回路30
とから構成されている。
給される電力又は電気信号により所定の機能を達成する
機能手段としての電子機能素子21と該電子機能素子2
1と密着して設けられ、電子機能素子21が発する熱エ
ネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換手段して
の熱電変換素子22とを含んでいる。ここで、機能手段
は、電子機能素子21を少なくとも1つ含んでいれば良
く、他の半導体素子を含んでいても良い。
タ、半導体素子又はトランス等を含んでいる。
電力の供給を受けて動作し、受けた電気エネルギーを消
費して発熱する。
が発する熱エネルギーは熱電変換素子22に伝達され、
該熱電変換素子22は伝達された熱エネルギーを電気エ
ネルギーに変換して電力として電子回路30の電子部品
32に帰還させる。帰還された電気エネルギーを有効利
用するには、電子部品32を例えばキャパシタとすれ
ば、回収した電力をいったんキャパシタに充電すれば良
い。あるいは、電子部品32を整流回路を介して二次直
流電源として動作するように構成することも好ましい。
さらには、小型の二次電池を搭載してこれに回収電力を
蓄電し、蓄電した二次電池を待機電力供給用の予備電源
等として活用するのも有効である。
よって、半導体装置10の全体で消費される電力を抑制
できる。仮に、電子機能素子21の電力消費量が増加し
て電源31からの電力の供給が増えたとしても、同時に
発熱量が増加して熱電変換素子22が回収する電力量も
増えるため、エネルギー面で負帰還制御が働くので、安
定した電力抑制を実現できる。
は、電子機能素子21から熱電変換素子22に対して伝
達される熱の損失量をいかにして低減するかに依存す
る。従って、熱伝達効率を上げるためには、電子機能素
子21と熱電変換素子22とが密着するか又は一体とな
るようにパッケージングされていることが好ましい。
体積又は単位面積当たりの発熱量が大きく、形状が板状
で且つ熱電変換素子22と密着しやすく、パッケージン
グも可能な半導体集積回路、又は発光ダイオード素子や
半導体レーザ素子からなる半導体発光素子が有効であ
る。
例であって、パッケージにより一体に封止された半導体
装置の断面構成を示している。図2に示す電子デバイス
50は、ダイパッドを兼ねる熱電変換素子51と、該熱
電変換素子51の上に密着して保持された半導体集積回
路素子を含む半導体チップ52とから構成されている。
ここでは、電源である電気エネルギー供給手段と電気エ
ネルギー回収手段とが別体として構成されているものと
する。
1のリードフレーム54Aからリードワイヤ53を介し
て電気信号が入力される。ダイパッド上の熱電変換素子
51は、半導体チップ52が発する熱エネルギーを電気
エネルギーに変換し、リードワイヤ53を介して第2の
リードフレーム54Bに電気信号として出力する。この
ようにして、第2のリードフレーム54Bから、半導体
チップ52が発する熱エネルギーが変換された電気エネ
ルギーを回収することができる。
ードワイヤ53並びに第1のリードフレーム54A及び
第2のリードフレーム54Bにおける半導体チップ52
側の端部は樹脂封止パッケージ55により一体に封止さ
れている。ここでは、ダイパッドを兼ねる熱電変換素子
51における半導体チップ52の保持面と反対側の面
(底面)は樹脂封止パッケージ55から露出するように
封止されている。
用いることがことが好ましい。ゼーベック素子は、前述
したように、2種類以上の導体又は半導体の接点間の温
度差によってキャリア(電子又は正孔)に濃度勾配が誘
起されて、その結果、接点間に電位差が生じるという電
子物性を利用しており、小型で且つ極めて高い熱電変換
効率を有している。
素子の断面構成を示している。図3(a)に示すゼーベ
ック素子51Aは、基本的な構造であって、高温側電極
61Aと低温側電極62Aとの間に複数の熱電変換材6
3Aが並列に接続されて構成されている。高温側電極6
1Aを例えば半導体チップ52の下面と密着させておく
と、半導体集積回路素子から放出された熱により高温側
電極61Aが温められて、低温側電極62Aとの間に温
度差を生じる。
勾配に応じてキャリアが高温側から低温側に拡散して平
衡状態に達することにより、高温側電極61Aと低温側
電極62Aとの間に起電力が発生する。この起電力によ
る電気エネルギーを外部に取り出すことによって、外部
に設けられた電源に電力のフィードバックを行なう構成
である。
51Aは板状を有しており、高温側電極61Aと半導体
チップ52とを互いに密着させて熱伝達効率を上げるこ
とが容易である。なお、図3(a)に示すように、複数
の熱電変換材63Aが互いに間隔をおいて配置されてお
り、高温側電極61Aと低温側電極62Aとの間に熱電
変換材63Aを配置する割合は、熱電変換材63Aの熱
伝導率又は所望の起電力の大きさ等を考慮して最適とな
るように設計するとよい。
ゼーベック素子の断面構成を示している。図3(b)に
示すゼーベック素子51Bは、高温側電極61Bと低温
側電極62Bとがそれぞれ所定の周期で分割されてな
り、高温側電極61B→P型熱電半導体63B→低温側
電極62B→N型熱電半導体63C→高温側電極61B
とこの順を繰返すように直列に接続されている。キャリ
アは種類に依らず高温側から低温側に拡散して平衡状態
となるため、P型熱電半導体63Bは低温側電極62B
側が高電位となり、N型熱電半導体63Cは高温側電極
61B側が高電位となる。図3(b)においては、図の
右側から左側へいくに連れて一様に電位が上昇してい
く。高温側電極61B→P型熱電半導体63B→低温側
電極62B→N型熱電半導体63C→高温側電極61B
からなる一周期が生み出す起電力は小さくても、これを
何重にも直列に接続することにより、大きな起電力とし
て出力することができる。
A、51Bを構成する熱電変換材63A、P型熱電半導
体63B及びN型熱電半導体63Cとして有望な材料
は、ビスマステルル(BiTe)系半導体又は鉛テルル
(PbTe)系半導体である。
は、半導体装置が標準的に用いられる室温付近における
ゼーベック係数(単位温度差に対して発生する起電力の
大きさを表わす物性定数)が大きい上に、熱伝導率が適
度に小さいため、熱を放熱しにくいので、高効率の熱電
変換ができるという優れた特性を持つ。
的なエネルギー回収効率について説明する。機能手段及
び熱電変換手段は図2に示す半導体装置とし、熱電変換
手段は図3(a)に示すゼーベック素子51Aとする。
するP型のSe添加(Bi,Sb) 2 Te3 からなる熱
電半導体を用いる。ここでは、半導体チップ52のチッ
プ面積を例えば2.94cm2 とする。
集積回路素子の電力消費によってゼーベック素子51A
の高温側電極61Aと低温側電極62Aとの間に生じる
温度差は、樹脂封止パッケージ55を含めた電子デバイ
ス50全体の熱抵抗の大きさによって決まる。ここで、
ゼーベック素子51Aが電子デバイス50の20%の容
積を占めるとすると、熱電半導体の熱伝導率等からゼー
ベック素子51A本体の熱抵抗は8.0℃/Wとなる。
占める樹脂封止パッケージ55の熱抵抗は、典型的な樹
脂封止パッケージの場合で65℃/Wと見積もることが
できる。
素子51A本体の熱抵抗と樹脂封止パッケージ55の熱
抵抗の並列抵抗に相当するため、約7.1℃/Wとな
る。これにより、半導体チップ52上の半導体集積回路
素に入力される入力電力Pin(W)とゼーベック素子5
1Aの両端に生じる温度差ΔT(℃)との間には、次の
式(1)に示す関係が成り立つ。
比例した起電力Vout(V)を発生させる。その比例係
数がいわゆるゼーベック係数であり、室温付近における
Se添加(Bi,Sb)2 Te3 のゼーベック係数は
2.1×10-4(V/℃)と高い。この関係をまとめる
と、式(2)のように表わされる。
(W)は、起電力Vout の二乗に比例し、ゼーベック素
子51Aの電気抵抗に反比例する。ゼーベック素子51
Aの電気抵抗は、Se添加(Bi,Sb)2 Te3 から
なる熱電半導体の電気抵抗率及び占有面積等から10-4
(Ω)と求められる。
る。
対象とする外部の電子部品(電気エネルギー回収手段)
32のインピーダンスとゼーベック素子51A本体の電
気抵抗との大小関係で決まる回路パラメータである。
力Pinと出力電力Poutとの関係、及びエネルギー回収
効率η=Pout/Pin×100(%)が求められる。こ
こで、k=0.5となるシステムを考えると、 Pout =0.5×(2.1×10-4×7.1×Pin)2×104 =1.1×10‐2×Pin2 …(4) η=Pout /Pin×100=1.1×Pin …(5) となる。
導体集積回路素子の消費電力は10Wクラスにも達し、
パソコン用のマイクロプロセッサにおいては40Wにも
及ぶ。
入力電力Pinが10Wの場合には、出力電力Pout が
1.1Wとなり、このときのエネルギー回収効率ηは1
1%となる。また、入力電力Pinが40Wの場合には、
出力電力Poutが18Wとなり、このときのエネルギー
回収率ηは44%となって、消費電力が大きい程より大
きなエネルギー回収効果が得られることが分かる。
変換手段が電気エネルギーを消費することなく、機能手
段が発する熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、変
換した電気エネルギーを電気エネルギー供給手段に戻す
ため、エネルギーの負帰還制御が働くので、装置の電力
消費を安定して抑制できる。また、熱電変換手段に熱電
変換素子を用いれば、小型、無騒音及び高信頼性を得る
ことができるので、半導体装置の省電力化に積極的に寄
与することができる。
に表わした機能ブロック図である。
電子デバイスを示す構成断面図である。
に用いるゼーベック素子を示す構成断面図である。
(b)は本発明の一実施形態の一変形例に係る半導体装
置に用いるゼーベック素子を示す構成断面図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 電気エネルギー供給手段から電気エネル
ギーを受けることにより所望の機能を達成する電子機能
素子を含む機能手段と、 前記機能手段が発する熱エネルギーを電気エネルギーに
変換する熱電変換手段と、 変換した電気エネルギーを回収し、回収した電気エネル
ギーを前記電力エネルギー供給手段に帰還させる電気エ
ネルギー回収手段とを備えていることを特徴とする半導
体装置。 - 【請求項2】 前記熱電変換手段は前記機能手段と密着
するように設けられていることを特徴とする請求項1に
記載の半導体装置。 - 【請求項3】 前記電子機能素子は半導体集積回路素子
であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 【請求項4】 前記電子機能素子は半導体発光素子であ
ることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 【請求項5】 前記熱電変換手段はゼーベック素子から
なることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記
載の半導体装置。 - 【請求項6】 前記ゼーベック素子は、ビスマス、鉛又
はテルルを含む半導体からなることを特徴とする請求項
5に記載の半導体装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000139573A JP2001320003A (ja) | 2000-05-12 | 2000-05-12 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
JP2000139573A JP2001320003A (ja) | 2000-05-12 | 2000-05-12 | 半導体装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001320003A true JP2001320003A (ja) | 2001-11-16 |
Family
ID=18646996
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000139573A Pending JP2001320003A (ja) | 2000-05-12 | 2000-05-12 | 半導体装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2001320003A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10238843A1 (de) * | 2002-08-20 | 2004-03-11 | Infineon Technologies Ag | Halbleiterbauelement |
EP3477697A1 (en) * | 2017-10-26 | 2019-05-01 | Vestel Elektronik Sanayi ve Ticaret A.S. | Integrated circuit package, energy harvester, and method for harvesting energy from integrated circuits |
JP7058793B1 (ja) | 2021-10-14 | 2022-04-22 | 恭胤 高藤 | 空調装置 |
-
2000
- 2000-05-12 JP JP2000139573A patent/JP2001320003A/ja active Pending
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JP7058793B1 (ja) | 2021-10-14 | 2022-04-22 | 恭胤 高藤 | 空調装置 |
JP2023058789A (ja) * | 2021-10-14 | 2023-04-26 | 恭胤 高藤 | 空調装置 |
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