JP3855576B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
【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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device provided with a cooling mechanism for mounting a semiconductor element with high power consumption.
[0002]
[Prior art]
In recent years, electronic devices have become more and more functional, operating speeds are increasing, and power consumption is increasing. For this reason, cooling of the semiconductor element is a big problem. Under such circumstances, many cooling mechanisms using Peltier elements have been proposed.
[0003]
As an example of a conventional semiconductor device, for example, as shown in Japanese Patent No. 2682586, a cooler made of a cooling semiconductor is bonded to the back side of the semiconductor chip directly or via a die pad, and the temperature is determined according to the detected temperature of the semiconductor chip. A structure has been proposed in which an output signal is output from a control circuit and applied to a cooler to suppress a rise in the temperature of the semiconductor chip to a predetermined temperature.
[0004]
Hereinafter, a conventional semiconductor device having a cooling mechanism will be described. FIG. 4 is a view showing a conventional semiconductor device having a cooling mechanism, FIG. 4 (a) is a transmissive plan view showing an internal configuration, and FIG. 4 (b) is a cross-sectional view of the central portion thereof. .
[0005]
As shown in the figure, a conventional semiconductor device having a cooling mechanism includes a
[0006]
With the structure as described above, conventionally, the
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional configuration, the temperature control circuit element is incorporated in the semiconductor element, or another semiconductor element having the temperature control circuit must be mounted in the package at the same time, and the heat generation surface of the Peltier element There is a problem of how to dissipate heat to the outside, and there is a problem with the mounting surface and the heat dissipation surface.
[0008]
In view of the above problems, the present invention has a cooling surface of a Peltier element in close contact with a back surface or a front surface of a semiconductor element mounted on a carrier substrate, and a metal plate having a bimetal structure is disposed on a heat generating surface of the Peltier element. Electrically and mechanically connected to the carrier base material mounting the heat, the heat of the heat generation surface is transmitted from the carrier base material to the mother wiring board mounting the carrier base material through the bimetallic metal plate with high thermal conductivity, In addition to enhancing the heat dissipation characteristics, if the Peltier element's heating plate becomes hot, the contact will come off due to the difference in the thermal expansion coefficient of each metal of the bimetallic metal plate, the Peltier element will stop, and if it cools again, the contact part will be connected Thus, a semiconductor device having a thermostat structure in which the Peltier element starts to operate is provided.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor device of the present invention to solve the conventional problems, a semiconductor element, a base plate mounted with the semiconductor element, a Peltier element that is placed on the semiconductor element, the Peltier element a first metal plate coherent bimetal structure, the first end connected to the metal plate, the more becomes the semiconductor device and the second metal plate of the bimetal structure other end connected to the substrate.
[0011]
In the semiconductor device of the present invention, when the Peltier element reaches a high temperature, the second metal plate is deformed due to a difference in thermal expansion coefficient of the metal, and the first metal plate having a bimetal structure in close contact with the Peltier element When the contact with the second metal plate is removed, the Peltier element is stopped, and the temperature is lowered again, the semiconductor device has a thermostat structure in which the contact portion is connected and the Peltier element starts operating.
[0012]
As described above, the heat of the heat generating surface of the Peltier element can be efficiently transmitted to the substrate through the metal plate, and further the heat can be transferred from the substrate to the mother wiring substrate, thereby increasing the heat radiation efficiency to the air. . For this reason, the temperature rise of the heat generating surface of the Peltier device can be kept within a desired range, the ambient temperature of the semiconductor device and the entire device can be stabilized, and malfunction or malfunction of the system can be eliminated.
[0013]
In addition, when the heat generation amount of the semiconductor element is large, a large current continues to be applied to the Peltier element. By using a metal plate at this time as a thermostat using the bimetal principle, the heat generation plate of the Peltier element is heated to a high temperature. In this case, when the contact is released due to the difference in thermal expansion coefficient of each metal of the bimetal metal plate, the Peltier element is stopped and cooled again, the contact part of the thermostat is connected to start the operation of the Peltier element. it can. Here, when the heat capacity of the Peltier element is sufficiently increased, the temperature of the heat generating surface of the Peltier element is lowered with the temperature rise of the semiconductor element kept below the desired level, the thermostat is turned on again, and the Peltier element starts cooling the semiconductor element It is possible to repeat the operation of making sure that the temperature of the semiconductor element is below the desired temperature, the heat generated from the Peltier element is also efficiently transmitted to the outside, and the heat generation more than necessary can be suppressed. The temperature can be stabilized, and malfunction or malfunction of the system can be eliminated.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a semiconductor device of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the semiconductor device of this embodiment.
[0015]
The semiconductor device according to the present embodiment includes a semiconductor element, a carrier substrate having the semiconductor element mounted thereon and wiring for inputting / outputting electrical signals and electric power of the semiconductor element, and one surface disposed on the front surface or the back surface of the semiconductor element. A semiconductor device includes a Peltier element, a metal plate in close contact with the other surface of the Peltier element, and a metal plate having one end connected to the metal plate and the other end connected to a carrier substrate.
[0016]
Specifically, as shown in the drawing, a carrier substrate 1 that is a laminated substrate having an external electrode on the bottom surface, a wiring pattern on the surface, and the wiring pattern and the external electrode connected by an internal via, and the carrier
[0017]
In the heat countermeasure type semiconductor device of this embodiment, the heat of the heat generating surface of the
[0018]
In the present embodiment, the structure of a CSP (Chip Size Package) in which a semiconductor element is mounted face down is described as an example. However, similar effects can be obtained with a similar structure in BGA (Ball Grid Array), QFP (Quad Flat Package), and the like. It is possible to obtain.
[0019]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the semiconductor device of this embodiment. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the operation of the semiconductor device of the present embodiment. FIG. 3A shows a conductive state (initial state), and FIG. 3B shows a state when the temperature rises.
[0020]
First, in the semiconductor device of this embodiment, a semiconductor element, a carrier substrate having the semiconductor element mounted thereon and having wirings for inputting and outputting electrical signals and power of the semiconductor element, and one surface thereof are arranged on the front surface or the back surface of the semiconductor element. A taper element, a first metal plate with a bimetal structure in close contact with the other surface of the Peltier element, one end connected to the first metal plate to form a contact, and the other end connected to a carrier substrate A semiconductor device comprising a second metal plate having a bimetal structure, and when the Peltier element becomes hot, the second metal plate is deformed due to a difference in thermal expansion coefficient of the metal, and the bimetal structure is in close contact with the Peltier element. When the contact between the first metal plate and the second metal plate is released, the Peltier element is stopped, and the temperature is lowered again, a thermostat structure in which the contact part is connected and the Peltier element starts operating. It is a semiconductor device that.
[0021]
Specifically, as shown in FIG. 2, the carrier substrate 1 is a laminated substrate having an external electrode on the bottom surface, a wiring pattern on the surface, and the wiring pattern and the external electrode connected by internal vias; The
[0022]
In the heat dissipation operation of the semiconductor device of this embodiment, as shown in FIG. 3A, first, the surface of the
[0023]
As shown in FIG. 3B, when the temperature of the
[0024]
By repeating the above operation, the temperatures of the heat generating surface and the cooling surface of the
[0025]
Here, as in the first embodiment, a CSP in which a semiconductor element is mounted face-down is described as an example. However, similar effects can be obtained with a similar structure in BGA, QFP, and the like.
[0026]
As described above, when the amount of heat generated by the
[0027]
At this time, if the heat capacity of the
[0028]
【The invention's effect】
As described above, in the semiconductor device of the present invention, the cooling surface of the Peltier element is closely attached to the back surface or the front surface of the semiconductor element mounted on the carrier substrate, the metal plate is disposed on the heat generating surface of the Peltier element, and this is mounted on the semiconductor element. It is electrically and mechanically connected to the carrier substrate, and heat from the heat generation surface is transferred from the carrier substrate to the mother wiring board on which the carrier substrate is mounted through a metal plate with high thermal conductivity to improve heat dissipation characteristics. As a result, the temperature rise of the heat generating surface of the Peltier element can be kept within a desired range, the ambient temperature of the semiconductor element and the entire device can be stabilized, and malfunction or malfunction of the system can be eliminated.
[0029]
Also, if the metal plate has a bimetallic structure and the Peltier element's heating plate becomes hot, the contact will come off due to the difference in thermal expansion coefficient of each metal of the bimetallic metal plate, the Peltier element will stop, and it will cool again. By having a structure with a thermostat structure in which the contact portion is connected and the Peltier element starts operating, the semiconductor element is reliably brought to a desired temperature or less, and heat generated from the Peltier element is efficiently transmitted to the outside, and Heat generation more than necessary can be suppressed, the atmospheric temperature of the entire device can be stabilized, and malfunction or malfunction of the system can be eliminated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to an embodiment of the invention. FIG. 4 is a sectional view showing a conventional semiconductor device.
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