JP2015135932A - ペルチェ冷却型ｉｃパッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】対象チップサイズに対して、必要なペルチェ素子の面積を小さく保ち、ペルチェ素子底部における熱抵抗の軽減を図る。【解決手段】セラミックＩＣパッケージ１４のキャビティ底面上にペルチェ素子接続用電極５を形成し、ペルチェ素子１，２を直接ＩＣパッケージ１４に実装することにより、パッケージ底面における熱抵抗を低減する。更に従来のペルチェ素子用放熱側セラミック板４および電線を省略することにより冷却効率が優れ、配線の取り回しの必要が無いため、大型の半導体素子を搭載することが可能となる。また、パッケージの小型化に伴い、熱歪みの影響を軽減し信頼性が向上する。ペルチェ素子の底部から排出される熱により、パーケージが加熱され、素子冷却に伴う光学窓の結露を防止する。【選択図】図６

Description

本発明は、集積回路（ＩＣ）や撮像素子のための、電子冷却素子（ペルチェ素子）を用いた冷却パッケージに関するものである。

一般に半導体素子を冷却することは、熱雑音を抑制するために有効である。特に微弱光の検出が必要な撮像素子やエネルギーバンドギャップの狭い赤外光検出素子に於いては、素子を冷却することにより、光検出素子に発生する暗電流を抑制し高感度撮像装置を実現することができる。素子を冷却する手段としては、スターリングエンジンなど機械的冷凍機とペルチェモジュールを用いた電子冷凍機が用いられる。機械的冷凍機は、到達温度が低い利点があるが、消費電力や振動の影響があることや装置の容積が嵩張る等のため、極低温が必要な場合以外は用いられない。このため小型で省電力な装置、特に赤外線カメラのように可搬性が求められる装置においては、専らペルチェ冷却型の電子素子や撮像素子が用いられている。

ペルチェモジュールとは図１に示すようにＰ型ペルチェ素子１からＮ型ペルチェ素子２に電流を流すことにより冷却側セラミック板３の上面から下面の放熱側セラミック板４へ熱を移動させる能力をもつ半導体装置で、冷却および放熱側セラミック板３，４上に互い違いに形成されたアレイ状金属電極５によりＰ型およびＮ型ペルチェ素子を数珠つなぎに接続した素子である。放熱側セラミック板４に半田付けされた電線６から給電する。電流の向きを逆にすることにより加熱することができるため、温度制御機と併用することで精密な温度制御を必要とする各種製造装置や検査装置にも利用されている。

半導体装置においてもパッケージ全体をペルチェモジュールにより冷却することや、金属あるいはセラミックパッケージの内部に１段あるいは多段のペルチェモジュールを実装し、気密封止することにより、小型で低消費電力にて低温保持することが可能なため、ペルチェ冷却素子は個別光検出器や光検出器アレイの冷却や、光通信用レーザーダイオードの波長を安定させるための温度調節素子として多用されている。

図２は、３段ペルチェ素子をＴＯ８と呼ばれる円形金属パッケージ９に搭載した従来の例を示す。到達冷却温度を下げるためにペルチェ素子１，２を３段に積層し、冷却側セラミック板３と放熱側セラミック板４の間に、冷却と放熱を兼ねた中間セラミック板を設けている。ペルチェ素子への給電は、リード線６を介して、ボンディングスタブ８に接続されている。また冷却温度の計測のために、サーミスター７が冷却側セラミック板３の側面に固定されている。

図３は、１次元光検出器アレイと１段ペルチェ素子を角型金属パッケージ９に搭載した従来の例を示す。冷却側セラミック板３の上に、１次元フォトダイオード（ＰＤ）アレイ１０と電流アンプアレイ１１が搭載されている。電流アンプアレイ１１は数本のボンディングワイヤー１２を介して、金属パッケージ９の底面に埋め込まれたボンディングスタ８に接続されている。これらは、窒素あるいは真空中にて、受光部が光学的に開口されるよう光学ガラスあるいは石英、サファイア等を用いた窓付き蓋１３によりシールされ気密性が保たれている。

シリコン撮像素子や化合物半導体ＰＤアレイ１０と読み出し集積回路（ＲＯＩＣ）１１とを高密度実装した２次元赤外撮像素子の場合は、端子数が３０〜４０と多いので、通常図４に示すように、撮像素子を通称ＣＬＣＣと呼ばれる角型ＩＣセラミックパッケージ１４上に実装、ボンディングし、受光部が光学的に開口されるよう光学ガラスあるいは石英、サファイア等を用いてカバーされる。

特開２００９−１４７４０３ 特開２００６−１９１４６５ 特許第３１５１７５９号 特許第３５１８８４５ これらの受光／撮像素子の冷却方法としては、特許文献１に示されているようにパッケージ外部にペルチェ冷却素子を接続して間接的に撮像素子を冷却する方法が用いられている。このような従来の方法を分かり易く示した図５のように撮像モジュール２０パッケージの下にペルチェ素子２１を配置し、更にヒートシング２２で排熱し、パッケージ全体を冷却する方法、および図２，３に示すようにパッケージ内にペルチェ素子を配置し、その冷却面側に受光素子を載せる方法の２通りが考えられる。現在は、接続する電極数により、単体およびラインセンサーの場合は図４、撮像素子の場合は図５の形式が多く用いられている。また特許文献２に示されているようにパッケージを用いずに撮像素子とペルチェ素子を筐体に実装する方法もあるが筐体を気密化する必要があり、素子の組み立て・検査などの生産性に問題がある。また、ＩＣのボンディングパッドから、ペルチェモジュールの段差を越えてボンディングする必要があり、ボンディングワイヤーが長くなり、短絡、断線などの不具合を招き易い。また、半導体ＩＣのように、５００μｍ以下のボンディングパッド間隔に対応できない。特に、図２に示したような、多段式ペルチェ素子を用いる場合は、その困難が顕著になる。

大規模集積回路（ＬＳＩ）や撮像素子を冷却する方法としてそれら素子を搭載したパッケージの外部にペルチェ冷却モジュールを接続する方法が用いられていたが冷却効率が悪く、またパッケージ自体が結露するため、結露対策を必要とした。また、ペルチェ素子をパッケージ内部に搭載した場合、パッケージサイズが大きくなり、必要なボンディングワイヤーが長くなり、撮像ＩＣ等で必要な多端子の接続が困難であった。
ペルチェ素子は熱を電気の力で移動させるものであるため、ペルチェ素子を用いて受光素子を冷却するためには、ペルチェ素子の下面において移動された熱に加えてペルチェ素子を駆動するための電力により発生する熱の放熱が必要になる。そのため、冷却効率を向上するためには、ペルチェモジュールの放熱側セラミック板４側における熱抵抗を極力小さくし、下部に発生する熱を有効にヒートシンク２２に排熱することが求められる。また、外気を遮断するなど、パッケージ表面の冷却に伴う結露対策を講じる必要がある。

まず、図５に示すようにパッケージ全体を冷却する場合には十分大きな吸熱能力を有するペルチェモジュール２１を使用しなければならず、それに消費する電力が増大する。また、ペルチェモジュールからの放熱のために熱量に見合った大型のヒートシンク２２等の熱交換機が必要になり装置自体の大きさが大きくなる。さらに、受光素子だけでなくパッケージ全体を冷却するため、パッケージ周囲部に結露が生じ当該パッケージを搭載する基板の配線・同一基板内の他部品への水分の影響が避けられないという問題がある。

それに対し、図２，３のようにパッケージ内にペルチェ素子を収納し、その冷却面側に受光素子を配置する方法は、ペルチェ素子自体がパッケージ内に収納され、除湿された雰囲気内で気密シールがなされるため結露による問題は無くなる。また、パッケージ外に配置する方法に比べ受光素子を直接冷却できることから熱負荷が低減され消費電力を抑制できる等、図５の手法よりは有利な点が多い。

通常のペルチェモジュール搭載型パッケージにおいては冷却側および放熱側に電気絶縁とペルチェモジュールの電気配線を兼ねた電極パタン付きセラミック板３，４を準備し、そのセラミック板上に熱電半導体材料チップを接合する方法が採られている。従って、ペルチェモジュールの放熱側セラミック板から有効に排熱するために、金属材料を基材とした円形（図２）あるいは矩形（図３）のハーメティックシールパッケージが一般的であった。

一方、大規模集積回路（ＬＳＩ）や撮像素子の場合、数十個の端子を外部に接続する必要があり、金属ワイヤーをガラスにて絶縁封止したハーメティックシールを用いた電極ポストでは、最小ピッチは、２．５ｍｍ程度が限界であり、必要な数を近接して配置することが困難となる。実際、図３において、ボンディングワイヤーの長さを２〜３ｍｍ以内に配置可能なピン数は１０数本程度が限界である。また、プリント基板やＩＣソケットの規格に適合させるためには、図４に示すように、ＣＬＣＣ（Ｃｅｒａｍｉｃ Ｌｅａｄｅｄ Ｃｈｉｐ Ｃａｒｒｉｅｒ）やＣＰＧＡ（Ｃｅｒａｍｉｃ Ｐｉｎ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）など既存のセラミックパッケージ外形に準じた形状を有することが望ましい。

しかしながら、既存のセラミックパッケージ内に、従来のペルチェ素子の上下をセラミック板で挟んだ、図１に示すような従来型ペルチェ素子を実装する場合では、ペルチェ素子の放熱面側の熱抵抗が大きくペルチェ素子の冷却能力を低下させ、到達温度を低くできないという問題が生じる。また、電極５から電線６を用いてパッケージの端子に接続するために、配線を取り回しするためのスペースが必要になる。また、搭載されたＩＣのボンディングパッドと、パッケージ側のボンディングパッドとは、概ね高さが一致するか少なくとも２００μｍの範囲に入る必要がある。また、ボンディングワイヤーの長さは、ワイヤーの太さにも依るが、ワイヤーの直径３０μｍ程度の場合、長さ２．５ｍｍ程度が限界である。

さらに、周辺技術の進歩或いは市場の要求により、受光素子の大型化、処理回路のモノリシック化による素子自体の大型化による発熱量が増加した場合は当該熱対策用ペルチェ素子も大型化せざるを得ず、素子の信頼性に関する対策も必要とされる。つまり、小型素子では考慮する必要がなかった熱歪が大型化により顕在化するのである。電源自体のＯＮ−ＯＦＦ、ペルチェ素子の温度制御方法のひとつでコスト的に有利で最も利用されているＯＮ−ＯＦＦ制御による素子自体の微小な熱膨張・収縮（熱歪）によるペルチェ素子の接合部のクラックに起因する断線の確率が、ペルチェ素子の大型化に伴い高まるという問題点である。すなわち、対象チップサイズに対して、必要なペルチェ素子の面積を小さく保つことや、ペルチェ素子底部における熱抵抗の軽減は、素子の温度上昇に伴う熱歪みを緩和するため、ペルチェ素子の信頼性向上の点からも重要となる。

本発明の課題は、ＬＳＩや撮像素子を冷却する手段として、ペルチェモジュールをパッケイジ外部に接続するのではなく、パッケイジ内部にペルチェ素子を実装する場合において、熱抵抗を低減することにより、素子冷却に必要な電力を削減し、より熱効率のよい、小面積なペルチェ素子の実装を可能とする事にある。
この問題を解決するために、図６に示すようにセラミックＩＣパッケージ１４のキャビティ底面上にペルチェ素子接続用電極５を形成し、ペルチェ素子１，２を直接ＩＣパッケージ１４に実装することにより、パッケージ底面における熱抵抗を低減し、冷却効率を向上する。更に従来のペルチェ素子用下部セラミック板４および電線６を省略する。
図６に示したセラミックパッケージは、上端に、気密シール用のコバールリング27がロウ付けされているが、同様な構造を底面にも設けることにより、パッケージの底面を金属に置き換えることが可能となり、更に放熱特性を向上することができる。この場合、放熱側セラミック板４をフレキシブル基板に置換し、ペルチェ結晶を予めフレキシブル基板に固定したペルチェ素子を底面の金属上に接着する。

受光素子を収納するＩＣパッケージの底部に、ペルチェ素子放熱側の電極を形成し、セラミックパッケージ内にペルチェ素子を配列するにはパッケージ底部つまり凹状態になっているところへチップの配列が必要となるが、狭ピッチでアラインメント精度よくペルチェ素子を配列し、かつ、ハンダ付け時のペルチェ素子の位置ずれなどが懸念されるため、難易度の高い作業となる。

本発明に於いては、特許文献３、および特許文献４に記載される製法に従い、図６に示すようにペルチェ素子を予め支持板２３により保持し、途中工程の切断済みのもの（図８に示すように電極板の接合前でＰ型およびＮ型素子が支持板に配列された状態、以下、ペルチェ素子配列板と呼ぶ）を、図７に示すようにペルチェ素子の配列に符合するように配置されたセラミックパッケージ底部の金属電極５パタンと接合することで素子配列の作業性の問題は容易に解決することができる。

更に、図９に示す冷却側セラミック板３の上に、ペルチェ素子配列板および冷却セラミック板を積層することにより、ペルチェモジュールの到達冷却温度を向上させることができる。このとき、図６に示すようにキャビティ深さ２４を深くして、ＩＣのボンディングパッドとパッケージ側ボンディングパッド２６をほぼ同じ高さ（２００μｍ以内）に設計することにより、ボンディングワイヤーの長さを最短にし、かつ、ボンディング作業性を良くする事ができる。

ペルチェ素子配列板においては、ペルチェ素子の固定のため、支持板２３を使用する。この支持板は通常ガラスエポキシ基板などプラスティックを材料に用いるが、真空中では、ガスを放出するため、断熱効果の高い真空封止には適していない。

そこで、本発明においては、ペルチェ素子の固定のための支持板に、素子半田付け時の温度（約２００℃）に耐え、特定の有機溶媒に溶ける耐熱性プラスティックを使用することにより、ペルチェ素子組み立て終了後、ペルチェ素子支持板を除去する構造も提供する。この方法により、パッケージ内を真空にすることにより、断熱効果を高め、到達冷却温度を下げることが可能となる。また、冷却された素子と光学窓との断熱効果により、光学窓の冷却による結露を防止することが可能となる。

本発明によれば、以上のような受光素子用セラミックパッケージの底面に直接ペルチェ素子放熱側裏面電極５を形成することによりペルチェ素子用セラミック基板やセラミック基板とセラミックパッケージ底面との接触熱抵抗を除去することができた。これにより、冷却効率が優れ、また配線の取り回しの必要が無いため、パッケージサイズに対して大型の半導体素子を搭載することが可能となった。また、パッケージの小型化に伴い、放熱器も小型化することができ、また、ペルチェモジュールが小型にできるため、発熱量が少なく、熱歪みの影響を軽減した長寿命の半導体装置が実現することになる。更に、ペルチェモジュールの底部から排出される熱により、パーケージが加熱されるため、素子冷却に伴う光学窓の結露を防止することができる。

従来型ペルチェ素子の模式図を示す。 ＴＯ８型円形金属パッケージに組み込まれた既存３段ペルチェモジュールの模式図を示す。 角型金属パッケージに組み込まれた既存１段ペルチェモジュールに更に１次元赤外ディテクタアレイを組み込んだ場合の模式図を示す。 冷却機構の無い従来の室温動作用の赤外撮像素子モジュールのパッケージ実装形態を説明する模式図である。 図４の赤外撮像素子モジュールを既存手法により、モジュール全体をペルチェ冷却した場合の構成図を示す。 本発明による、ペルチェ冷却型ＩＣパッケージの模式図を示す。内部構造を説明するために、手前１／４部分を切り欠いて表示している。 本発明により製造したペルチェ素子を搭載するセラミックパッケージの構造図を示す。 ペルチェ素子配列板の模式図を示す。 冷却側セラミック板３および上部電極パタン５を示す。 本発明によるペルチェ冷却型セラミックＩＣパッケージの動作特性を示す。

以下に本発明を実施例に基づき詳細に説明する。 図６は本発明により製造した受光素子収納用一段ペルチェモジュール搭載型セラミックパッケージの構造図で、通常のＣＬＣＣ５２型セラミックパッケージに比べ、キャビティ深さ２４は、３．５ｍｍと通常より２ｍｍ程度深くしている。パッケージの底部に、ペルチェ素子接続用電極５を設けている。また、パッケージの外側電極２５のピッチは、１．２７ｍｍ（５０ミル）で既存パッケージに準拠している。パッケージ側ボンディングパット２６およびパッケージの外部電極２５の数はそれぞれ５２ヶであるが、画像センサーチップのボンディングパッドがチップ上下に配列されていることに対応し、上下のボンディングパッド数を左右に比べて増やしている。ペルチェ素子の給電電流容量を充分確保するために、右辺の外部電極をそれぞれ４ヶずつまとめて、外部電極２５に接続した。ＣＬＣＣ５２用ソケットの許容電流は、１接点あたり５００ｍＡ程度であるので、２Ａ程度のペルチェ素子駆動電流まで許容できる。また、シーム溶接による真空封止に備えて、コバールによる外周リング２７を設けた。

図７，８，９は図６に示した本発明による冷却型セラミックパッケージの構成部品で、構造および製造方法を説明するための図である。図７は、従来のＣＬＣＣ５２型セラミックパッケージよりもキャビティ深さ２４が２ｍｍだけ深いパッケージの外観図を示す。底面に、下部金属電極パタン５が、Ｎｉ／Ａｕメッキにより形成されている。従って、パッケージの底部は、既存構造の放熱側セラミック板４とパッケージの底面を兼ねている。図８は、特許第３１５１７５９号、および特許第３５１８８４５に記載されたペルチェ素子配列板を示す。結晶径０．７ｍｍ、２０ｃｍ程度の長さのＰ型およびＮ型ペルチェ素子１，２を厚さ０．２ｍｍのガラスエポキシ基板製支持板２３で等間隔に１０ｘ１０素子固定した後、ペルチェ素子の長さが１．８ｍｍとなるように切り揃えた。

図９は、冷却側セラミック板３と上部電極パタン５を示す。冷却側セラミック板の
厚さは０．４ｍｍ（セラミック０．３８５ｍｍ、銅配線厚さ０．０１５ｍｍ）、寸法は１４ｍｍ角である。組立方法は、図６のＣＬＣＣ５２型パッケージにガイドを挿入し、図８のペルチェ素子配列板の両端にクリーム半田を塗布しキャビティ内に挿入した。更に図９に示す冷却側セラミック板３を乗せ、加重を加えながら２００℃にて半田融着した。

冷却型セラミックＩＣパッケージの性能
本実施例で使用したペルチェ素子の基本性能は、１００ヶのペルチェ素子が縦列接合されており、最大吸熱量３．８Ｗ、最大温度差７０℃、内部抵抗５．２Ω、最大電圧６．５Ｖ、最大電流１Ａである。

図１０は、本発明によるペルチェ冷却型セラミックＩＣパッケージの端子電圧、電流と冷却セラミック板の表面温度を示す。セラミックパッケージの外側にヒートシンクを設け、ヒートシンク温度は、３０℃以内に保たれている。大気中にて、端子電圧５Ｖ、端子電流０．７Ａの駆動条件で −５℃まで温度が低下しており、平面セラミック基板で挟まれた通常のペルチェ素子単体モジュールの特性に類似している。本実施例においては、セラミックパッケージ内部に電極パタンを形成し、ペルチェチップを直接接合しているため、ペルチェ素子の底面における熱抵抗が小さいこと、従来素子のように、金属配線によるペルチェ素子とパッケージとの接続が不要になり、ペルチェ素子とパッケージキャビティとの隙間を狭くできる。そのため、撮像チップに対して必要なパッケージ寸法が最小限となり、冷却効率の向上が見込まれる。

ペルチェ素子の固定のための支持板は、ガス放出の原因となるため、断熱効率の良い真空封止時には、使用できない。そこで、ペルチェ素子の固定のための支持板に、素子半田付け時の温度（約２００℃）に耐え、特定の有機溶媒に溶ける耐熱性プラスティックとして、ポリエーテルサルホン系のＳＯＬＶＡＹ社Ｖｅｒａｄｅｌ３３００を選定、使用した。この耐熱性プラスティックをペルチェ素子支持板に使用して半田リフローにより、冷却側セラミック基板およびペルチェ素子配列板を、セラミックパッケージに組みこんだ。ペルチェ素子取り付け後、５０℃にて「ＮＭＰ」，Ｎ−メチル−２−ピロリドンを主成分とするマイクロケム社ｒｅｍｏｖｅｒＰＧ液に数時間浸け、ペルチェ素子支持板を除去した。
その後、ｒｅｍｏｖｅｒＰＧ液、メタノールによる洗浄を行い、更に１５０℃にて乾燥させた。これらの比較的簡単な工程により、プラスティック製支持板を伴わない、真空ハーメティックシール用ペルチェ冷却型ＩＣパッケーが実現した。

本セラミックＩＣパッケージの電極配置は、既存のＣＬＣＣ５２に準じており、ＣＬＣＣ５２用ＩＣソケットをそのまま使用することができる。また、セラミックパッケージの上縁には、コバールリング１２が溶着されており、撮像素子を実装、ボンディング後、シーム溶接にて、光学窓を真空シールすることができる。

1 Ｐ型ペルチェ素子
2 Ｎ型ペルチェ素子
3 冷却側セラミック板
4 放熱側セラミック板
5 金属電極
6 電線
7 サーミスタ
8 ボンディングスタブ
9 金属パッケージ
10 ＰＤアレイ
11 電流アンプアレイ
12 ボンディングワイヤー
13 窓付き蓋
14 セラミックパッケージ
２０ 撮像モジュール
２１ ペルチェモジュール
２２ ヒートシンク
２３ 支持板
２４ キャビティ深さ
２５ パッケージの外側電極
２６ パッケージ側ボンディングパッド
２７ 外周リング

Claims (6)

1. ＩＣ用パッケージ等のキャビティ底面にペルチェ素子用の放熱側電極がアレイ状に形成されており、該アレイ電極の少なくとも２箇所がパッケージ外部端子と電気的に結線されており、ペルチェ素子を該アレイ状電極に直接実装することにより、ペルチェモジュールにワイヤー配線する事無しに給電可能なペルチェモジュールが組み込まれた、ペルチェ冷却型ＩＣパッケージ。
2. 請求項１において、パッケージ内部に撮像素子、上部に光学窓が装着され、気密封止されたペルチェ冷却型撮像モジュール。
3. 請求項１におけるパッケージのパッケージ側ボンディングパッドが、メタライズされたセラミック製であり、ペルチェ素子の上に搭載されたＩＣのボンディングパッドと高さ、および端子配列が整合され、該ICとボンディングワイヤーによる配線可能なペルチェ冷却型ＩＣパッケージ。
4. 請求項１におけるパッケージが、セラミック製であり、パッケージの接続端子が、既存セラミックパッケージのセラミックリードレスチップキャリア（ＣＬＣＣ）型あるいは、セラミックピングリッドアレイ（ＣＰＧＡ）型あるいは、ジェーリードハイブリットパッケージであるペルチェ冷却型ＩＣパッケージ。
5. 請求項１において、該ペルチェモジュールが、特許３５１８８８４５により製造されたペルチェ素子配列板からなるペルチェ冷却型ＩＣパッケージ。
6. 請求項５により形成されたペルチェ素子配列板の支持板がペルチェ素子実装後に除去されたことを特徴とするペルチェ冷却型ＩＣパッケージ。