JP4796868B2 - 電子回路構造、該構造を備える電子機器、熱起電力発生方法、補助電力発生方法、及び半導体ベアチップ - Google Patents
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Description
特許文献1に記載された電子装置では、筐体の内部に、1つ又は複数の二次電池と、同二次電池により駆動される半導体チップと、同半導体チップを搭載するパッケージと、同パッケージを搭載するプリント基板と、同パッケージと同プリント基板との間に、同半導体チップから発生する熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱変換装置とが備えられ、同電気エネルギーにより、同二次電池が充電される。
すなわち、特許文献1に記載された電子装置は、半導体チップを搭載するパッケージとプリント基板との間に、同半導体チップから発生する熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱変換装置が備えられているものであり、この発明とは構成が異なっている。
この例の電子機器は、ノートパソコンであり、同図に示すように、半導体ベアチップ1と、ヒートシンク2とを有している。半導体ベアチップ1は、所定の動作時に発熱を伴う半導体の集積回路層3が形成されている。この集積回路層3は、たとえば、LSI(Large Scale Integrated circuit、大規模集積回路)で構成されている。ヒートシンク2は、半導体ベアチップ1の主表面に接触して冷却する。ヒートシンク2と半導体ベアチップ1との間には、図示しない伝熱材が挟装されている。特に、この実施例では、半導体ベアチップ1は、ヒートシンク2が取り付けられている面と集積回路層3との間に、同ヒートシンク2と同集積回路層3との間の温度差に対応してゼーベック効果に基づく熱起電力を発生する熱電変換素子層4が内部に形成されている。この熱電変換素子層4は、半導体ベアチップ1の製造過程で形成される。半導体ベアチップ1の他の主表面は、BGA(Ball Grid Array )半田ボール5を介してPWB(プリント配線基板)6にフリップチップ接続により実装されている。この場合、半導体ベアチップ1には、信号を入出力するための図示しない第1の表面電極が所定の位置に設けられ、PWB6には、BGA半田ボール5を介して同信号を入出力するための図示しない第2の表面電極が上記第1の表面電極に対応する位置に設けられている。
この熱電変換素子層4は、同図2に示すように、p型半導体41と、n型半導体42と、導電材43と、電極44,45と、絶縁材46,47とから構成されている。この熱電変換素子層4では、1つのp型半導体41の両端に導電材43を介して2つのn型半導体42が接続され、一方の接続部位がヒートシンク2と熱的に接触することにより冷やされて低温側となると共に他方の接続部位が動作時の集積回路層3と熱的に接触することにより温められて高温側となり、これらの2つの接続部位の間の温度差に対応して、2つのn型半導体42の間でゼーベック効果に基づく熱起電力が発生する。この熱起電力が、上記2つのn型半導体42の数に対応して重畳され、熱電変換素子層4全体の熱起電力となり、電極44,45から出力される。なお、たとえば、p型半導体41はBiTeSb合金、n型半導体42はBiTe合金、導電材43及び電極44,45はCu、及び絶縁材46,47がSiO2で構成されている。
この熱起電力発生方法では、熱電変換素子層4を用いて熱起電力を発生させる際、p型半導体41とn型半導体42との第1の接続部位が、動作時の半導体ベアチップ1に温められて比較的高温となり、かつ、p型半導体41とn型半導体42との第2の接続部位が、ヒートシンク2に冷却されて比較的低温となることにより、熱起電力が発生する。そして、補助電力発生方法では、同熱起電力が補助電力として負荷に供給される。
この例の電子機器では、同図3に示すように、図1中の電源配線6bに代えて、電源配線6dが設けられ、新たに電子部品8がPWB6上に実装されている。電子部品8には、図示しない電源部から、電源配線6cを介して所定の電源電圧が印加されると共に、電源変換器7で生成された電源電圧がPWB6中の電源配線6dを介して印加される。他は、図1と同様の構成である。
この例の電子機器では、同図4に示すように、図3中の電子部品8に代えて、コネクタ9がPWB6上に実装され、新たに電子部品10が設けられ、同コネクタ9を介してPWB6に接続されている。電子部品10には、図示しない電源部から、電源配線6c及びコネクタ9を介して所定の電源電圧が印加されると共に、電源変換器7で生成された電源電圧がPWB6中の電源配線6d及びコネクタ9を介して印加される。他は、図3と同様の構成である。
この例の電子機器では、同図5に示すように、図4中の電源変換器7が削除されると共に、電源配線6a,6d、コネクタ9及び電子部品10に代えて、電源配線6e、コネクタ9A及び電子部品10Aが設けられている。電子部品10Aは、電源変換器11を有している。電源変換器11は、電源変換器7と同様に、たとえばDC/DCコンバータなどで構成され、熱電変換素子層4から発生した熱起電力がBGA半田ボール5、PWB6中の電源配線6e及びコネクタ9Aを介して供給され、同熱起電力を元に電子部品10Aに対応した所定の電源電圧を生成する。電子部品10Aには、図示しない電源部から、電源配線6c,6f及びコネクタ9Aを介して所定の電源電圧が印加されると共に、電源変換器11で生成された電源電圧が印加される。他は、図4と同様の構成である。
たとえば、半導体ベアチップ1の冷却手段は、ヒートシンクに限らず、たとえば、冷媒を循環させるコールドプレート、ヒートパイプ、蒸発冷却など、同半導体ベアチップ1に接触して冷却する構成のものであれば、任意のもので良い。また、半導体ベアチップ1の内部に形成されている半導体層は、LSIに限らず、たとえば、ダイオードやパワーFETなど、所定の動作時に発熱を伴う任意の半導体層で良い。また、半導体ベアチップ1は、PWB(プリント配線基板)6にフリップチップ接続により実装されているが、フリップチップ接続に限定されない。また、上記各実施例の電子機器は、各々の図に示す構成に限定されず、たとえば、ヒートシンクに半導体ベアチップ及びプリント配線基板が取り付けられている構成でも良い。また、図1中の熱電変換素子層4は、図2の構成に限定されない。
2 ヒートシンク(冷却手段)
3 集積回路層(半導体層)
4 熱電変換素子層
6 PWB(プリント配線基板)(配線基板)
6a,6b,6c,6d,6e,6f 電源配線(配線基板の一部)
7,11 電源変換器(電源変換部)
8,10,10A 電子部品
9,9A コネクタ
41 p型半導体(熱電変換素子層の一部)
42 n型半導体(熱電変換素子層の一部)
43 導電材(熱電変換素子層の一部)
44,45 電極(熱電変換素子層の一部)
46,47 絶縁材(熱電変換素子層の一部)
Claims (16)
- 集積回路層を有する半導体ベアチップの一方の主表面がBGA(Ball Grid Array)半田ボールを介して配線基板にフリップチップ接続され、他方の主表面が冷却手段に接続される電子回路構造であって、
前記半導体ベアチップには、
前記冷却手段が接続されている面と前記集積回路層との間に、かつ、絶縁材で挟持される態様で、熱起電力を発生する熱電変換素子層が形成されていて、
前記熱電変換素子層は、
p型半導体とn型半導体とからなると共に、高温側となる前記集積回路層側では、前記p型半導体と前記n型半導体との一端側同士が導電材で接続されて第1の接続部位が形成されていると共に、低温側となる前記冷却手段側では、前記p型半導体と前記n型半導体との他端側同士が導電材で接続されて第2の接続部位が形成されていて、前記冷却手段と前記集積回路層との間の温度差に応じて発生するゼーベック効果に基づく熱起電力を前記BGA半田ボールを介して前記配線基板に出力する構成とされていることを特徴とする電子回路構造。 - 前記熱電変換素子層から発生した前記熱起電力が前記配線基板を介して供給され、該熱起電力を元に所定の電源電圧を生成する電源変換部が設けられていることを特徴とする請求項1記載の電子回路構造。
- 前記電源変換部で生成された前記電源電圧が前記配線基板を介して前記半導体ベアチップに印加される構成とされていることを特徴とする請求項2記載の電子回路構造。
- 前記配線基板に実装された電子部品が設けられ、
前記電源変換部で生成された前記電源電圧が前記配線基板を介して前記電子部品に印加される構成とされていることを特徴とする請求項2記載の電子回路構造。 - 電子部品と、
前記配線基板に実装されたコネクタとが設けられ、
前記電源変換部で生成された前記電源電圧が前記配線基板及びコネクタを介して前記電子部品に印加される構成とされていることを特徴とする請求項2記載の電子回路構造。 - 前記半導体ベアチップが実装された配線基板と、
該配線基板に実装されたコネクタと、
電子部品とが設けられ、
前記熱電変換素子層から発生した前記熱起電力が前記配線基板及びコネクタを介して前記電子部品に供給される構成とされていることを特徴とする請求項1記載の電子回路構造。 - 前記電子部品は、
前記熱起電力を変換して当該電子部品に対応した電源電圧を生成する電源変換部を有することを特徴とする請求項6記載の電子回路構造。 - 請求項1乃至7のいずれか一に記載の電子回路構造を備えることを特徴とする電子機器。
- 集積回路層を有する半導体ベアチップの一方の主表面がBGA(Ball Grid Array)半田ボールを介して配線基板にフリップチップ接続され、他方の主表面が冷却手段に接続される電子回路構造による熱起電力発生方法であって、
前記半導体ベアチップの、
前記冷却手段が接続されている面と前記集積回路層との間に、かつ、絶縁材で挟持する態様で、熱起電力を発生する熱電変換素子層を形成しておき、
前記熱電変換素子層を、
p型半導体とn型半導体とから構成し、高温側となる前記集積回路層側では、前記p型半導体と前記n型半導体との一端側同士を導電材で接続して第1の接続部位とすると共に、低温側となる前記冷却手段側では、前記p型半導体と前記n型半導体との他端側同士を導電材で接続して第2の接続部位とすることで、
前記熱電変換素子層に、前記冷却手段と前記集積回路層との間の温度差に応じて発生するゼーベック効果に基づく熱起電力を前記BGA半田ボールを介して前記配線基板に出力させることを特徴とする熱起電力発生方法。 - 集積回路層を有する半導体ベアチップの一方の主表面がBGA(Ball Grid Array)半田ボールを介して配線基板にフリップチップ接続され、他方の主表面が冷却手段に接続される電子回路構造に補助電力を発生させる方法であって、
前記半導体ベアチップの、
前記冷却手段が接続されている面と前記集積回路層との間に、かつ、絶縁材で挟持する態様で、熱起電力を発生する熱電変換素子層を形成しておき、
前記熱電変換素子層を、
p型半導体とn型半導体とから構成し、高温側となる前記集積回路層側では、前記p型半導体と前記n型半導体との一端側同士を導電材で接続して第1の接続部位とすると共に、低温側となる前記冷却手段側では、前記p型半導体と前記n型半導体との他端側同士を導電材で接続して第2の接続部位とすることで、
前記熱電変換素子層に、前記冷却手段と前記集積回路層との間の温度差に応じて発生するゼーベック効果に基づく熱起電力を前記BGA半田ボールを介して前記配線基板に出力させて、前記補助電力として負荷に供給することを特徴とする補助電力発生方法。 - 前記熱電変換素子層から発生した前記熱起電力が前記配線基板を介して供給され、該熱起電力を元に所定の電源電圧を生成する電源変換部を設けておき、
該電源変換部で生成された前記電源電圧を前記配線基板を介して前記半導体ベアチップに印加することを特徴とする請求項10記載の補助電力発生方法。 - 前記熱電変換素子層から発生した前記熱起電力が前記配線基板を介して供給され、該熱起電力を元に所定の電源電圧を生成する電源変換部と、
前記配線基板に実装された電子部品とを設けておき、
前記電源変換部で生成された前記電源電圧を前記配線基板を介して前記電子部品に印加することを特徴とする請求項10記載の補助電力発生方法。 - 前記熱電変換素子層から発生した前記熱起電力が前記配線基板を介して供給され、該熱起電力を元に所定の電源電圧を生成する電源変換部と、
電子部品と、
前記配線基板に実装されたコネクタとを設けておき、
前記電源変換部で生成された前記電源電圧を前記配線基板及びコネクタを介して前記電子部品に印加することを特徴とする請求項10記載の補助電力発生方法。 - 前記配線基板に実装されたコネクタと、
電子部品とを設けておき、
前記熱電変換素子層から発生した前記熱起電力を前記配線基板及びコネクタを介して前記電子部品に供給することを特徴とする請求項10記載の補助電力発生方法。 - 前記電子部品では、
電源変換部を設けておき、該電源変換部が、前記熱起電力を元に当該電子部品に対応した電源電圧を生成することを特徴とする請求項14記載の補助電力発生方法。 - 請求項1記載の電子回路構造に用いられる前記半導体ベアチップであって、
前記冷却手段が接続される面と前記集積回路層との間に、かつ、前記絶縁材で挟持される態様で、熱起電力を発生する前記熱電変換素子層が形成されていることを特徴とする半導体ベアチップ。
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