JP2005086077A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は放熱機能を備えた半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a heat dissipation function.
近年、半導体装置の高集積化に伴い、半導体装置から発生する熱の処理（放熱処理）が重要となっている。従来の放熱手段としては、半導体装置表面または内部に熱伝導用の配線を設け、この熱伝導配線に放熱板を接続して効率的に放熱を行う手段などが提案されている（例えば、特許文献１参照）。 In recent years, with higher integration of semiconductor devices, processing of heat generated from the semiconductor devices (heat dissipation processing) has become important. As conventional heat dissipation means, a means for efficiently dissipating heat by providing a heat conduction wiring on the surface or inside of a semiconductor device and connecting a heat dissipation plate to the heat conduction wiring has been proposed (for example, Patent Documents). 1).
図７は、放熱手段を備えた従来の半導体装置の断面の概略を示す図である。半導体装置２００には、他の配線と電気的に独立した専用の熱伝導配線８１が形成されており、半導体装置２００上面に形成した放熱板８２と熱伝導配線用パッド８３を介して接触している。これにより、装置内部の熱が熱伝導配線８１を伝導し、放熱板８２の表面から効率的に放熱される。 FIG. 7 is a diagram showing an outline of a cross section of a conventional semiconductor device provided with heat radiating means. In the semiconductor device 200, a dedicated heat conduction wiring 81 that is electrically independent from other wirings is formed. The heat conduction wiring 82 formed on the upper surface of the semiconductor device 200 is in contact with the heat conduction wiring pad 83. Yes. Thereby, the heat inside the apparatus is conducted through the heat conductive wiring 81 and is efficiently radiated from the surface of the heat radiating plate 82.
しかしながら、上記のような従来の放熱手段では、熱伝導配線をレイアウトして、製造工程で他の配線と同時に形成する必要があるため、半導体装置の製造コストが上昇するという課題があった。 However, the conventional heat radiating means as described above has a problem that the manufacturing cost of the semiconductor device increases because it is necessary to lay out the heat conductive wiring and form it simultaneously with other wiring in the manufacturing process.
また、従来の放熱手段では、半導体装置の冷却は全て自然放熱としているため、いかに効率的な放熱を行ったとしても、半導体装置を装備した機器の使用環境によっては十分な放熱が行われず、半導体装置の温度を動作に適切な使用温度範囲内に維持させることが困難な場合があるという問題もあった。 In addition, in the conventional heat dissipation means, all cooling of the semiconductor device is natural heat dissipation, so no matter how efficient heat dissipation is performed, sufficient heat dissipation may not be performed depending on the usage environment of the equipment equipped with the semiconductor device. There has also been a problem that it may be difficult to maintain the temperature of the apparatus within the operating temperature range suitable for operation.
そこで本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、半導体装置の製造コストを抑え、かつ半導体装置の温度を能動的に制御することができる半導体装置を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of suppressing the manufacturing cost of the semiconductor device and actively controlling the temperature of the semiconductor device.
本発明の半導体装置は、内部配線を伝導する熱を外部へ放出する放熱手段と、半導体装置の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検知手段の出力に基づいて、前記半導体装置の外部に設けた冷却手段へ制御信号を出力する制御手段とを備える。この構成によれば、内部配線を利用して熱を放出することができるため、新たに放熱経路を設ける必要がなくなり半導体装置の製造コストを抑えることができる。また、半導体装置の温度を検出して外部に設けた冷却手段へ制御信号を出力することで、半導体装置の温度を能動的に制御することができる。 The semiconductor device according to the present invention includes a heat dissipating unit that releases heat conducted through the internal wiring to the outside, a temperature detecting unit that detects the temperature of the semiconductor device, and an outside of the semiconductor device based on the output of the temperature detecting unit. Control means for outputting a control signal to the provided cooling means. According to this configuration, since heat can be released using the internal wiring, it is not necessary to newly provide a heat dissipation path, and the manufacturing cost of the semiconductor device can be suppressed. Further, the temperature of the semiconductor device can be actively controlled by detecting the temperature of the semiconductor device and outputting a control signal to a cooling means provided outside.
本発明において、前記温度検出手段は、複数のフリップフロップと、各フリップフロップ間に設けられた抵抗素子とを備える。この構成によれば、半導体装置内の温度上昇に応じて抵抗手段の抵抗値が変化すると、抵抗素子後段のフリップフロップの入力タイミングが変化する。従って、後段のフリップフロップの出力変化を検出することで半導体装置の温度情報を検出することができる。 In the present invention, the temperature detecting means includes a plurality of flip-flops and a resistance element provided between the flip-flops. According to this configuration, when the resistance value of the resistance means changes in accordance with the temperature rise in the semiconductor device, the input timing of the flip-flop at the subsequent stage of the resistance element changes. Therefore, the temperature information of the semiconductor device can be detected by detecting the output change of the subsequent flip-flop.
本発明において、前記放熱手段は、電源配線を伝導する熱を外部へ放出する。この構成によれば、半導体装置全体に広く配索されている電源配線を伝導経路として利用することで、効果的に熱回収を行い外部へ放熱させることができる。 In the present invention, the heat radiating means releases heat conducted through the power supply wiring to the outside. According to this configuration, it is possible to effectively recover the heat and dissipate the heat to the outside by using the power supply wiring widely arranged in the entire semiconductor device as the conduction path.
本発明において、前記放熱手段は金属部分を含む。この構成によれば、金属部分を介して効果的に放熱させることができる。 In the present invention, the heat dissipation means includes a metal portion. According to this configuration, heat can be effectively radiated through the metal portion.
本発明において、前記放熱手段を露出させるパッケージを備える。この構成によれば、放熱手段をパッケージから露出させることができるため、効果的に放熱させることができる。 In the present invention, a package for exposing the heat radiating means is provided. According to this configuration, since the heat radiating means can be exposed from the package, heat can be effectively radiated.
本発明において、前記放熱手段は放熱板を備える。この構成によれば、放熱手段を備えることにより、効果的に放熱させることができる。 In the present invention, the heat dissipation means includes a heat dissipation plate. According to this configuration, it is possible to effectively dissipate heat by providing the heat dissipating means.
本発明において、前記制御手段は、前記半導体装置の外部に設けた冷却ファンへ回転数制御信号を出力する。この構成によれば、温度上昇に応じて半導体装置ごとに冷却ファンの回転数を最適制御できるため、効果的に冷却させることができる。また、放熱手段に送風すれば、放熱手段を介して半導体装置内部を効果的に冷却することができる。 In the present invention, the control means outputs a rotation speed control signal to a cooling fan provided outside the semiconductor device. According to this configuration, since the number of rotations of the cooling fan can be optimally controlled for each semiconductor device in accordance with the temperature rise, the cooling can be effectively performed. Further, if the air is blown to the heat radiating means, the inside of the semiconductor device can be effectively cooled through the heat radiating means.
本発明によれば、内部配線を利用して熱を放出することができるため、新たに放熱経路を設ける必要がなくなり半導体装置の製造コストを抑えることができる。また、半導体装置の温度を検出して外部に設けた冷却手段へ制御信号を出力することで、半導体装置の温度を能動的に制御することができる。 According to the present invention, since heat can be released using the internal wiring, it is not necessary to newly provide a heat dissipation path, and the manufacturing cost of the semiconductor device can be suppressed. Further, the temperature of the semiconductor device can be actively controlled by detecting the temperature of the semiconductor device and outputting a control signal to a cooling means provided outside.
図１は、本発明の実施の形態１における半導体装置の内部構成を示すブロック図である。半導体装置１００は、電源配線１と、温度検出部２と、冷却用ファン７０の回転数を制御する回転数制御部３とを備える。
FIG. 1 is a block diagram showing an internal configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. The semiconductor device 100 includes a
電源配線１は、熱伝導率の高い金属材料で構成された配線である。配線層は、半導体装置１００の表面だけでなく、トランジスタ形成層に至るまでの各層に形成されており、そのため装置内部の熱が表面へ伝導され、効率的な放熱が行える。
The
図２は、本発明の実施の形態１における半導体装置の断面の概略を示す図である。半導体装置１００は、下層のトランジスタ形成層１０の上に、ビア層１１、電源層１２（配線層）、ビア層１３、配線層１４、ビア層１５、のように２つの層が交互に積層されている。そして最上位に、最上位ビア層１６、最上位配線層１７が積層される。
FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross section of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. In the semiconductor device 100, two layers such as a via layer 11, a power supply layer 12 (wiring layer), a via layer 13, a wiring layer 14, and a
図２に示すように、電源配線１は、積層されるすべての層で接続して電源層１２から最上位配線層１７まで導通している。このように、従来の電源配線と比較して、半導体装置１００の上層にまで配線を到達させ、可能な限り多くの配線が最上位層まで到達できるように配線されている。従って、ビア層１３から上位の各層の熱は、電源配線１を伝導して最上位配線層１７の表面から放熱される。尚、上記において、電源配線とはプラス側電源配線、マイナス側電源配線のいずれかを指し、電源配線１はプラス側の配線でも実現可能である
As shown in FIG. 2, the
温度検出部２は、半導体装置１００の温度上昇を検知する回路で、温度変化に伴う抵抗値の増減を検知する。図３は、本発明の実施の形態１における半導体装置の、温度検出部２の回路構成例を示すブロック図である。温度検出部２は、主に、フリップフロップ２１及び２２、抵抗２３、インバータ２４、などで構成され、クロック信号を入力とする。
The
この回路構成例では、回路動作として１クロックサイクルごとに検出出力が反転する動作を行う。しかし、温度上昇によってフリップフロップ２１とフリップフロップ２２の間の抵抗２３の抵抗成分値が大きくなると、ＲＣ遅延によってタイミングエラーが発生し、フリップフロップ２２の出力が1クロックサイクル毎の変化でなくなる。そのため、半導体装置１００内で温度上昇が生じたことが検出できる。 In this circuit configuration example, the detection operation is inverted every clock cycle as a circuit operation. However, if the resistance component value of the resistor 23 between the flip-flop 21 and the flip-flop 22 increases due to a temperature rise, a timing error occurs due to the RC delay, and the output of the flip-flop 22 does not change every clock cycle. Therefore, it can be detected that a temperature rise has occurred in the semiconductor device 100.
尚、抵抗成分値はクロック周期と制御したい上限温度によって最適値を決定すればよい。また、抵抗値の異なる上記回路を複数種類組むことにより、何段階かの温度検知レベルを設定することが好ましい。更に、装置の１箇所だけでなく複数箇所に上記回路を構成すれば、温度上昇の検出精度を高めることができる。また、温度上昇の検出結果がデジタル出力され、同一装置内でデジタル演算が可能であるため、温度検出部２に加え、後述する回転数制御部３を半導体装置内に設けることができる。
The resistance component value may be determined as an optimum value according to the clock cycle and the upper limit temperature to be controlled. Moreover, it is preferable to set several stages of temperature detection levels by assembling a plurality of types of the circuits having different resistance values. Furthermore, if the circuit is configured not only at one place of the apparatus but also at a plurality of places, the detection accuracy of temperature rise can be increased. In addition, since the detection result of the temperature rise is digitally output and digital calculation is possible in the same device, in addition to the
回転数制御部３は、温度検出部２からの出力に基づいて、外部に配設した冷却用ファン７０の回転数制御を行う。図４は、本発明の実施の形態１における半導体装置の、回転数制御部３の内部構成を示すブロック図である。回転数制御部３は、検出ブロック３１、パラメータテーブル部３２、制御信号出力部３３を備える。
The rotation
検出ブロック３１は、温度検出部２から出力されたデジタル信号を取得して温度を検出する。また、パラメータテーブル部３２は、温度と冷却用ファン７０の回転数とを関連付けたパラメータテーブルを格納しており、制御信号出力部３３は、パラメータテーブルを参照して得た冷却用ファンの回転数に対応する制御用デジタル信号を出力する。このように、検出した半導体装置の温度をファン回転数の演算に反映させることで、半導体装置の温度制御が可能となる。
The detection block 31 acquires the digital signal output from the
次に、本発明の実施の形態１における半導体装置の冷却動作について説明する。はじめに、温度検出部２で半導体装置の温度上昇が検出されると、検出信号が回転数制御部３に入力され、冷却用ファン７０の回転数の演算が行われる。次に、演算結果に基づいた制御信号が半導体装置外部のモータ制御部７１に送信され、冷却用ファン７０が回転して半導体装置表面へ送風が行われる。表面に露出した電源配線１が冷却されるため、半導体装置１００の下層の電源配線１の熱が表面へ伝導し、放熱が行われる。つまり、電源グラウンド配線が半導体装置冷却のためのヒートポンプの役割を果たす。
Next, the cooling operation of the semiconductor device in the first embodiment of the present invention will be described. First, when a temperature rise of the semiconductor device is detected by the
尚、上記の温度検出部２は、回路内部に複数の抵抗２３を有し、複数の温度レベルについて温度上昇を検出できる。また、この温度検出部２は、半導体装置内の複数の部位に形成して、各部の温度を検出することにより検出精度を高めることが好ましい。
The
図５は、本発明の実施の形態２における半導体装置の断面の概略を示す図である。実施の形態１の半導体装置と比較して、半導体装置の上面に広い面積を有する放熱メタル層４が形成されている点が異なる。放熱メタル層４は、最上位配線層１７の上に配線保護層１８介して形成され、周囲にＩＯパッド１９が形成されている。放熱メタル層４は電源配線１と接続しているので、半導体装置内部の熱は電源配線１を伝導し、放熱メタル層４で効率的に放熱される。
FIG. 5 is a diagram schematically showing a cross section of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. Compared to the semiconductor device of the first embodiment, a difference is that a heat radiating
このように、半導体装置の上面に露出している電源配線１の面積よりも広い面積を持つ放熱メタル層４を設け、電源配線１と接続することにより、放熱効率を向上させることができる。その他の構成や、半導体装置の冷却動作については実施の形態１の半導体装置と同様であるので、説明を省略する。
Thus, by providing the heat dissipating
図６は、本発明の実施の形態３における半導体装置の断面の概略を示す図である。実施の形態２の半導体装置と比較して、放熱メタル層４の上面に、広い面積を有する放熱板５が形成されている点が異なる。また、半導体装置がリードフレーム６０に接着され、樹脂製パッケージ６１に封入されている。パッケージ６１の、放熱メタル層４及び放熱板５を覆う部分は開口部となっている。尚、放熱メタル層４と放熱板５の間に導熱グリス５１を塗布することにより、密着性が高まり放熱特性が向上する。また、放熱板５は、冷却用ファン７０と対抗する上面に多数のフィンを形成したりすることにより、更なる放熱特性の向上が図れる。
FIG. 6 is a diagram schematically showing a cross section of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. Compared to the semiconductor device of the second embodiment, a difference is that a
このように、放熱メタル層４の上部に更に放熱板５を形成することにより、放熱効率を向上させることができる。また、パッケージ６１に開口部を設けることにより、放熱メタル層４及び放熱板５の放熱効果を最大に維持することができる。その他の構成や、半導体装置の冷却動作については実施の形態１の半導体装置と同様であるので、説明を省略する。
In this way, by further forming the
本発明の半導体装置は、内部配線を利用して熱を放出することができるため、新たに放熱経路を設ける必要がなくなり半導体装置の製造コストを抑えることができる。また、半導体装置の温度を検出して外部に設けた冷却手段へ制御信号を出力することで、半導体装置の温度を能動的に制御することができるという効果を有し、放熱機能を備えた半導体装置等として有用である。 Since the semiconductor device of the present invention can release heat using internal wiring, it is not necessary to newly provide a heat dissipation path, and the manufacturing cost of the semiconductor device can be reduced. In addition, a semiconductor device having an effect of actively controlling the temperature of the semiconductor device by detecting the temperature of the semiconductor device and outputting a control signal to a cooling means provided outside, and having a heat dissipation function It is useful as a device.
１ 電源配線
２ 温度検出部
３ 回転数制御部
４ 放熱メタル層
５ 放熱板
６１ パッケージ
６２ ワイヤ
７０ 冷却用ファン
７１ モータ制御部
１００ 半導体装置
DESCRIPTION OF
Claims (7)
半導体装置の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検知手段の出力に基づいて、前記半導体装置の外部に設けた冷却手段へ制御信号を出力する制御手段と、を備える半導体装置。 A heat dissipating means for releasing heat conducted through the internal wiring to the outside;
Temperature detecting means for detecting the temperature of the semiconductor device;
And a control unit that outputs a control signal to a cooling unit provided outside the semiconductor device based on an output of the temperature detection unit.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2003318258A JP2005086077A (en) | 2003-09-10 | 2003-09-10 | Semiconductor device |
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| JP (1) | JP2005086077A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100949877B1 (en) * | 2007-04-10 | 2010-03-25 | 주식회사 하이닉스반도체 | Semiconductor package |
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2003
- 2003-09-10 JP JP2003318258A patent/JP2005086077A/en active Pending
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| KR100949877B1 (en) * | 2007-04-10 | 2010-03-25 | 주식회사 하이닉스반도체 | Semiconductor package |
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