JP7261461B2 - 発電機能付半導体集積回路装置 - Google Patents
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Description
この発明は、発電機能付半導体集積回路装置に関する。
近時、人工熱源が発する熱の有効利用が考えられている。人工熱源の１つとして、半導体集積回路装置がある。半導体集積回路装置は、動作時、高い熱を発する。この熱は、現状、ヒートシンク等を介して半導体集積回路装置の外へと発散されている。
特許文献１には、エミッタ電極層とコレクタ電極層とをサブミクロン間隔で離間する電気絶縁性の球状ナノビーズを備え、エミッタ電極層の仕事関数をコレクタ電極層の仕事関数よりも小さくし、エミッタ電極層とコレクタ電極層との中間の仕事関数を有し、かつ球状ナノビーズよりも粒子径が小さい金属ナノ粒子が分散された金属ナノ粒子分散液を、球状ナノビーズにより離間された電極間の空間に充填した熱電素子が開示されている。
特許文献１に開示された熱電素子では、エミッタ電極層の仕事関数を、コレクタ電極層の仕事関数よりも小さくし、金属ナノ粒子分散液を、球状ナノビーズで離間された電極間の空間に充填する。これにより、ゼーベック素子のように、熱電素子の電極間に温度差を生じさせるような機構がなくても、熱電素子は発電できる。
このような電極間に温度差を必要としない熱電素子により、半導体集積回路装置が発する熱エネルギーを収穫して発電することができれば、半導体集積回路装置が利用された電子機器の補助電源等として有望である。
しかしながら、熱電素子を回路基板等に搭載する必要があり、回路基板の大型化を助長する、という事情がある。
この発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、その目的は、回路基板の大型化を抑制可能な発電機能付半導体集積回路装置を提供することにある。
第１発明に係る発電機能付半導体集積回路装置は、半導体集積回路装置と、前記半導体集積回路装置から放出された熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子と、を有する発電機能付半導体集積回路装置であって、前記半導体集積回路装置は、半導体集積回路チップを収容するパッケージを含み、前記半導体集積回路チップは、回路基板と対向される下面、及び前記下面と対向した上面を有し、前記熱電素子は、収容部を有する筐体部と、前記収容部内に設けられた第１電極部と、前記収容部内に設けられ、前記第１電極部と第１方向に離間して対向し、前記第１電極部とは異なった仕事関数を有する第２電極部と、前記収容部内の、前記第１電極部と前記第２電極部との間に設けられ、前記第１電極部の仕事関数と前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、を含み、前記筐体部は、前記半導体集積回路チップの前記下面と、前記回路基板との間に設けられていることを特徴とする。
第２発明に係る発電機能付半導体集積回路装置は、第１発明において、前記熱電素子は、前記第１電極部と電気的に接続され、前記第１電極部を前記収容部の外に導出する第１接続配線と、前記第２電極部と電気的に接続され、前記第２電極部を前記収容部の外に導出する第２接続配線と、を、さらに含み、前記第１電極部と前記第１接続配線との第１電気的接点、並びに前記第２電極部と前記第２接続配線との第２電気的接点のそれぞれは、前記収容部内に設けられていることを特徴とする。
第３発明に係る発電機能付半導体集積回路装置は、第２発明において、前記筐体部は、第１主面と、前記第１主面と対向し、前記半導体集積回路チップの前記下面と向き合う第２主面と、を有する第１基板を含み、前記熱電素子は、前記第１接続配線と電気的に接続された第１外部端子と、前記第２接続配線と電気的に接続された第２外部端子と、を、さらに含み、前記第１外部端子及び前記第２外部端子のそれぞれは、前記第１基板の前記第１主面上に設けられていることを特徴とする。
第４発明に係る発電機能付半導体集積回路装置は、第１～第３発明のいずれか１つにおいて、前記熱電素子は、平行平板型熱電素子、及び櫛歯型熱電素子の少なくとも１つを含むことを特徴とする。
第５発明に係る発電機能付半導体集積回路装置は、第１～第４発明のいずれか１つにおいて、外部から供給される外部入力電力、及び前記熱電素子から供給される補助入力電力のそれぞれの入力が可能な、前記外部入力電力及び前記補助入力電力のそれぞれを半導体集積回路装置入力電力に変換し、前記半導体集積回路装置入力電力を前記半導体集積回路装置へ出力する電源回路を、さらに備えることを特徴とする。
第１発明に係る発電機能付半導体集積回路装置によれば、熱電素子の筐体部の収容部内に、第１電極部と、第１電極部とは異なった仕事関数を有する第２電極部と、第１電極部の仕事関数と第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、を含む。これにより、熱電素子の中に温度差を生じさせなくても、熱電素子は発電できる。よって、低温材料や、低温材料を冷やすチラーが不要となる。さらに、熱電素子の筐体部は、半導体集積回路チップの下面と、回路基板との間に設ける。これにより、熱電素子を搭載するエリアを、例えば、回路基板に新たに増やさずに済み、回路基板の大型化を抑制することが可能となる。
第２発明に係る発電機能付半導体集積回路装置によれば、第１、第２電気的接点のそれぞれを、収容部内に設ける。これにより、発電機能付半導体集積回路装置を、２次製品に組み込む際、例えば、発電機能付半導体集積回路装置のハンドリング中や、発電機能付半導体集積回路装置の取り付け作業中等において、第１、第２電気的接点が破断したり、損傷したりすることを抑制できる。これにより、２次製品製造中に発生する可能性がある、発電機能付半導体集積回路装置のロスを減らすことができる。
第３発明に係る発電機能付半導体集積回路装置によれば、筐体部は、第１主面と、第１主面と対向し、半導体集積回路チップの前記下面と向き合う第２主面と、を有する第１基板を含む。そして、第１、第２外部端子のそれぞれを、第１基板の第１主面上に設ける。第１主面は、例えば、筐体部の側面と比較して、第１、第２外部端子のそれぞれに、広い面積を提供できる。また、筐体部の側面と比較して、作業者による視認、あるいは作業ロボットによるワークポイントの抽出がしやすい。これらにより、例えば、熱電素子と、２次製品との電気的な接続作業を容易化でき、例えば、２次製品のスループットを向上できる。また、発電機能付半導体集積回路装置を備えた、２次製品の組み立ての確実性も向上する。
第４発明に係る発電機能付半導体集積回路装置によれば、熱電素子は、平行平板型熱電素子、及び櫛歯型熱電素子のいずれか１つを含む。これにより、熱電素子の一構造例が、具現化される。
第５発明に係る発電機能付半導体集積回路装置によれば、電源回路を、さらに備える。電源回路は、外部から供給される外部入力電力、及び前記熱電素子から供給される補助入力電力のそれぞれを半導体集積回路装置入力電力に変換して半導体集積回路装置へ出力する。これにより、発電機能付半導体集積回路装置の消費電力を減らすことができる。
以下、この発明の実施形態のいくつかを、図面を参照しながら説明する。なお、各図において、高さ方向を第１方向Ｚとし、第１方向Ｚと交差、例えば直交する１つの平面方向を第２方向Ｘとし、第１方向Ｚ及び第２方向Ｘのそれぞれと交差、例えば直交する別の平面方向を第３方向Ｙとする。また、各図において、共通する部分については、共通する参照符号を付し、重複する説明は省略する。
（第１実施形態）
＜発電機能付半導体集積回路装置＞
図１（ａ）は、第１実施形態に係る発電機能付半導体集積回路装置の一例を示す模式断面図である。図１（ｂ）は、第１実施形態に係る発電機能付半導体集積回路装置の一例を分解して示した模式分解断面図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１実施形態に係る発電機能付半導体集積回路装置を用いた電子機器の一例を示す模式断面図である。
＜発電機能付半導体集積回路装置＞
図１（ａ）は、第１実施形態に係る発電機能付半導体集積回路装置の一例を示す模式断面図である。図１（ｂ）は、第１実施形態に係る発電機能付半導体集積回路装置の一例を分解して示した模式分解断面図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１実施形態に係る発電機能付半導体集積回路装置を用いた電子機器の一例を示す模式断面図である。
図１及び図２に示すように、第１実施形態に係る発電機能付半導体集積回路装置（以下、半導体集積回路装置と略記）２００は、パッケージ２１０と、熱電素子１と、を有する。
パッケージ２１０は、例えば、絶縁性樹脂製であり、内部には半導体集積回路チップ２３０が収容されている。なお、パッケージ２１０は、絶縁性樹脂製に限られることはない。また、半導体集積回路チップ２３０は、回路基板２６０と対向される下面、及び下面と対向した上面を有する。半導体集積回路チップ２３０の下面側には、外部端子２２０が複数設けられている。外部端子２２０は、半導体集積回路チップ２３０と回路基板２６０に設けられた電気的配線２７０とを電気的に接続する。
パッケージ２１０は、例えば、絶縁性樹脂製であり、内部には半導体集積回路チップ２３０が収容されている。なお、パッケージ２１０は、絶縁性樹脂製に限られることはない。また、半導体集積回路チップ２３０は、回路基板２６０と対向される下面、及び下面と対向した上面を有する。半導体集積回路チップ２３０の下面側には、外部端子２２０が複数設けられている。外部端子２２０は、半導体集積回路チップ２３０と回路基板２６０に設けられた電気的配線２７０とを電気的に接続する。
熱電素子１は、半導体集積回路装置２００の、特に半導体集積回路チップ２３０から発せられた熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。熱電素子１の詳細については後述するが、熱電素子１は例えば図３に示すように、収容部１０ｄを有する筐体部１０と、収容部１０ｄ内に設けられた第１電極部１１と、収容部１０ｄ内に設けられ、第１電極部１１と第１方向Ｚに離間して対向し、第１電極部１１とは異なった仕事関数を有する第２電極部１２と、収容部１０ｄ内の、第１電極部１１と第２電極部１２との間に設けられ、第１電極部１１の仕事関数と第２電極部１２の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部１４と、を含む。筐体部１０は、半導体集積回路チップ２３０の下面と、回路基板２６０との間に設けられている。なお、筐体部１０の少なくとも一部は、例えばパッケージ２１０に収容されてもよい。また、例えば図２（ｂ）に示すように、回路基板２６０に形成された凹部２６５の中に、熱電素子１が設けられてもよい。
熱電素子１は、第１電極部１１と電気的に接続され、第１電極部１１を収容部１０ｄの外に導出する第１接続配線１５ａと、第２電極部１２と電気的に接続され、第２電極部１２を収容部１０ｄの外に導出する第２接続配線１６ａと、を、さらに含む。第１接続配線１５ａは、回路基板２６０に設けられた電気的配線２７０ａと電気的に接続される。第２接続配線１６ａは、回路基板２６０に設けられた電気的配線２７０ｂと電気的に接続される。
このような半導体集積回路装置２００が、回路基板２６０上に、別の半導体集積回路装置２００ｂとともに搭載されて電子機器、例えば、パーソナルコンピュータ等の電子機器用回路基板が構成される。なお、例えば図１３に示すように、半導体集積回路チップ２３０の上面側には、ヒートシンク２８０が設けられてもよい。ヒートシンク２８０は、パッケージ２１０上に接して設けられる。
＜＜熱電素子：１＞＞
熱電素子１は、パッケージ２１０と電気的に絶縁され、パッケージ２１０と熱的に接続されている。熱電素子１は、半導体集積回路チップ２３０と、回路基板２６０との間に、１つ以上設けられる。
熱電素子１は、パッケージ２１０と電気的に絶縁され、パッケージ２１０と熱的に接続されている。熱電素子１は、半導体集積回路チップ２３０と、回路基板２６０との間に、１つ以上設けられる。
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、熱電素子１の一例を示す模式図である。図３（ａ）に示す模式断面は、図３（ｂ）中のＩＩＩＡ－ＩＩＩＡ線に沿う。図３（ｂ）に示す模式断面は、図３（ａ）中のＩＩＩＢ－ＩＩＩＢ線に沿う。図４は、熱電素子１の接合の一例を示す模式断面図である。図４は、図３（ａ）に示す模式断面に対応する。
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、熱電素子１は、筐体部１０と、第１電極部１１と、第２電極部１２と、中間部１４と、を含む。熱電素子１は、半導体集積回路チップ２３０の下面側におけるパッケージ２１０の表面に、例えば、接着部材３０によって接着される（図１（ａ）及び図１（ｂ））。あるいは、筐体部１０は、半導体集積回路チップ２３０の下面側におけるパッケージ２１０の表面に、はんだ等のろう材によって固着される。熱電素子１の第１方向Ｚに沿った厚さは、約２０μｍ～約６ｍｍである。
筐体部１０は、熱電素子１では、第１基板１０ａと、第２基板１０ｂと、を含む。第１、第２基板１０ａ及び１０ｂのそれぞれの第１方向Ｚに沿った厚さは、例えば１０μｍ以上２ｍｍ以下である。第１、第２基板１０ａ及び１０ｂのそれぞれの材料としては、絶縁性を有する板状の材料を選ぶことができる。絶縁性の材料の例としては、シリコン、石英、パイレックス（登録商標）等のガラス、及び絶縁性樹脂等を挙げることができる。第１、第２基板１０ａ及び１０ｂは、薄板状であるほか、例えばフレキシブルなフィルム状でもよい。例えば、第１、第２基板１０ａ又は１０ｂを、フレキシブルなフィルム状とする場合には、例えばＰＥＴ（polyethylene terephthalate）、ＰＣ（polycarbonate）、及びポリイミド等を用いることができる。また、第１、第２基板１０ａ及び１０ｂは、絶縁性でなくてもよい。半導体基板や金属基板の表面を、例えば、絶縁膜によって被覆してもよい。このような絶縁被膜付基板としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板の表面に、シリコン酸化物（例えば、ＳｉＯ2）膜を形成したものを挙げることができる。
第１基板１０ａは、例えば、第１支持部１３ａを含む。第１支持部１３ａは、第１基板１０ａから第１方向Ｚに沿って第２基板１０ｂに向かって延びる。第１支持部１３ａの平面形状は、第１方向Ｚから見て、第２方向Ｘ及び第３方向Ｙのそれぞれに延在したＬ字状である。第２基板１０ｂは、例えば、第２支持部１３ｂを含む。第２支持部１３ｂは、第２基板１０ｂから第１方向Ｚに沿って第１基板１０ａに向かって延びる。第２支持部１３ｂの平面形状は、第１方向Ｚから見て、第２方向Ｘ及び第３方向Ｙのそれぞれに延在したＬ字状である。第１、第２支持部１３ａ及び１３ｂのそれぞれの第１方向Ｚに沿った厚さは、例えば１０ｎｍ以上１０μｍ以下である。第２支持部１３ｂと、第１支持部１３ａとは、例えば、２つのスリット１７ａ及び１７ｂを介して離れている。
第１、第２支持部１３ａ及び１３ｂは、それぞれ、第１、第２基板１０ａ及び１０ｂと一体に設けられてもよいし、別々に設けられてもよい。一体に設ける場合、第１、第２支持部１３ａ及び１３ｂのそれぞれの材料は、第１、第２基板１０ａ及び１０ｂと同じ材料となる。別々に設ける場合、第１、第２支持部１３ａ及び１３ｂの材料の例としては、シリコン酸化物、及びポリマー等を挙げることができる。ポリマーの例としては、ポリイミド、ＰＭＭＡ（Polymethyl methacrylate）、及びポリスチレン等を挙げることができる。
スリット１７ａ及び１７ｂは、それぞれ、封止部材３１ａ及び３１ｂによって封止される。封止部材３１ａ及び３１ｂは、一体であってもよい。この場合、封止部材３１ａと封止部材３１ｂとは、１つの封止部材３１となり、第１、第２支持部１３ａ及び１３ｂのそれぞれの外側面に沿って、環状に設けられる。封止部材３１ａ及び３１ｂの材料の例としては、絶縁性樹脂を挙げることができる。絶縁性樹脂の例としては、フッ素系絶縁性樹脂を挙げることができる。
第１電極部１１は、収容部１０ｄ内に設けられる。第１電極部１１は、熱電素子１では、第１基板１０ａ上に設けられる。第２電極部１２は、収容部１０ｄ内に設けられる。第２電極部１２は、熱電素子１では、第２基板１０ｂ上に設けられる。第１電極部１１と、第２電極部１２とは、１対の平行平板型電極対を構成する。熱電素子１は、平行平板型熱電素子である。
熱電素子１では、第１電極部１１は、例えば白金（仕事関数：約５．６５ｅＶ）を含む。第２電極部１２は、例えばタングステン（仕事関数：約４．５５ｅＶ）を含む。仕事関数が大きい電極部はアノードＡ（コレクタ電極）として機能し、仕事関数が小さい電極部はカソードＫ（エミッタ電極）として機能する。熱電素子１では、第１電極部１１がアノードＡであり、第２電極部１２がカソードＫである。このような熱電素子１では、仕事関数差を有する第１電極部１１と第２電極部１２との間に発生する、絶対温度による電子放出現象が利用される。このため、熱電素子１は、第１電極部１１と第２電極部１２との温度差が小さい場合であっても、熱エネルギーを電気エネルギーに変換できる。さらに、熱電素子１は、第１電極部１１と第２電極部１２との間に温度差がない場合であっても、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。なお、第１電極部１１をカソードＫとし、第２電極部１２をアノードＡとしてもよい。
第１、第２電極部１１及び１２のそれぞれの第１方向Ｚに沿った厚さは、例えば１ｎｍ以上１μｍ以下である。より好ましくは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。第１、第２電極部１１及び１２のそれぞれの材料は、例えば、以下に示す金属から選ぶことができる。
白金（Ｐｔ）
タングステン（Ｗ）
アルミニウム（Ａｌ）
チタン（Ｔｉ）
ニオブ（Ｎｂ）
モリブデン（Ｍｏ）
タンタル（Ｔａ）
レニウム（Ｒｅ）
熱電素子１では、第１電極部１１と第２電極部１２との間に仕事関数差が生じればよい。したがって、第１電極部１１及び１２の材料には、上記以外の金属を選ぶことが可能である。また、第１、第２電極部１１及び１２の材料には、上記金属の他、合金、金属間化合物、及び金属化合物を選ぶことも可能である。金属化合物は、金属元素と非金属元素とが化合したものである。金属化合物の例としては、例えば六ホウ化ランタン（ＬａＢ6）を挙げることができる。
白金（Ｐｔ）
タングステン（Ｗ）
アルミニウム（Ａｌ）
チタン（Ｔｉ）
ニオブ（Ｎｂ）
モリブデン（Ｍｏ）
タンタル（Ｔａ）
レニウム（Ｒｅ）
熱電素子１では、第１電極部１１と第２電極部１２との間に仕事関数差が生じればよい。したがって、第１電極部１１及び１２の材料には、上記以外の金属を選ぶことが可能である。また、第１、第２電極部１１及び１２の材料には、上記金属の他、合金、金属間化合物、及び金属化合物を選ぶことも可能である。金属化合物は、金属元素と非金属元素とが化合したものである。金属化合物の例としては、例えば六ホウ化ランタン（ＬａＢ6）を挙げることができる。
第１、第２電極部１１及び１２の材料として、非金属導電物を選ぶことも可能である。非金属導電物の例としては、シリコン（Ｓｉ：例えばｐ型Ｓｉ、あるいはｎ型Ｓｉ）、及びグラフェン等のカーボン系材料等を挙げることができる。
第１、第２電極部１１及び第２電極部１２の材料として、高融点金属（refractory metal）以外の材料を選ぶと、以下に説明される利点を、さらに得ることができる。本明細書において、高融点金属は、例えば、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、及びＲｅとする。第１電極部（アノードＡ）１１に、例えばＰｔを用いた場合、第２電極部（カソードＫ）１２には、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、及びＬａＢ6の少なくとも１つを用いることが好ましい。
例えば、Ａｌ及びＴｉの融点は、上記高融点金属より低い。したがって、Ａｌ及びＴｉのそれぞれからは、上記高融点金属に比較して、加工しやすい、という利点を得ることができる。
例えば、Ｓｉは、上記高融点金属に比較して、その形成が、さらに容易である。したがって、Ｓｉからは、上記加工のしやすさに加え、熱電素子１の生産性がより向上する、という利点を、さらに得ることができる。
例えば、ＬａＢ6の融点は、Ｔｉ及びＮｂより高い。しかし、ＬａＢ6の融点は、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、及びＲｅより低い。ＬａＢ6は、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、及びＲｅに比較して加工しやすい。しかも、ＬａＢ6の仕事関数は、約２．５～２．７ｅＶである。ＬａＢ6は、上記高融点金属に比較して電子を放出させやすい。したがって、ＬａＢ6からは、熱電素子１の発電効率の更なる向上が可能、という利点を、さらに得ることができる。
なお、第１電極部１１、及び第２電極部１２のそれぞれの構造は、上記材料を含む単層構造の他、上記材料を含む積層構造とされてもよい。
熱電素子１の第１接続配線１５ａは、収容部１０ｄ内において、第１電極部１１と電気的に接続されている。これにより、第１電極部１１と第１接続配線１５ａとの第１電気的接点１１ａは、収容部１０ｄ内に設けられる。第１支持部１３ａの基板接合面１３ａａ上において、第１接続配線１５ａの平面形状は、第１方向Ｚから見て、第２方向Ｘ及び第３方向Ｙのそれぞれに延在したＬ字状である。これは、第１支持部１３ａの平面形状と、ほぼ同じである。第１接続配線１５ａは、第１支持部１３ａと、第２基板１０ｂとの間において、第１接合金属１８ａと接合される。第１接合金属１８ａは、第２基板１０ｂ上に設けられている。第１接合金属１８ａの平面形状は、第１方向Ｚから見て、第２方向Ｘ及び第３方向Ｙのそれぞれに延在したＬ字状である。これは、基板接合面１３ａａ上における第１接続配線１５ａの平面形状と、ほぼ同じである。
熱電素子１の第２接続配線１６ａは、収容部１０ｄ内において、第２電極部１２と電気的に接続されている。これにより、第２電極部１２と第２接続配線１６ａとの第２電気的接点１２ａは、収容部１０ｄ内に設けられる。第２支持部１３ｂの基板接合面１３ｂａ上において、第２接続配線１６ａの平面形状は、第１方向Ｚから見て、第２方向Ｘ及び第３方向Ｙのそれぞれに延在したＬ字状である。これは、第２支持部１３ｂの平面形状と、ほぼ同じである。第２接続配線１６ａは、第２支持部１３ｂと、第１基板１０ａとの間において、第２接合金属１８ｂと接合される。第２接合金属１８ｂは、第１基板１０ａ上に設けられている。第２接合金属１８ｂの平面形状は、第１方向Ｚから見て、第２方向Ｘ及び第３方向Ｙのそれぞれに延在したＬ字状である。これは、基板接合面１３ｂａ上における第２接続配線１６ａの平面形状と、ほぼ同じである。
第１、第２接合金属１８ａ及び１８ｂは、第１、第２接続配線１５ａ及び１６ａと接合可能な、例えば、金属を含む。これにより、例えば、図４に示すように、第２基板１０ｂは、第１接続配線１５ａと第１接合金属１８ａとの接合、並びに第２接続配線１６ａと第２接合金属１８ｂとの接合によって、第１基板１０ａと接合することができる。そして、筐体部１０には、収容部１０ｄが得られる。第１、第２接続配線１５ａ及び１６ａ、並びに第１、第２接合金属１８ａ及び１８ｂのそれぞれに、例えば、Ａｕを用いた場合には、第１、第２接続配線１５ａ及び１６ａを、それぞれ、第１、第２接合金属１８ａ及び１８ｂと熱圧着によって接合することができる。第１、第２接続配線１５ａ及び１６ａ、並びに第１、第２接合金属１８ａ及び１８ｂのそれぞれには、金以外にも、例えば、熱圧着、共晶接合等が可能な金属、又は合金であれば用いることができる。
なお、第１、第２接続配線１５ａ及び１６ａ、並びに第１、第２接合金属１８ａ及び１８ｂのそれぞれに用いた金属、又は合金の仕事関数は、第１電極部１１の仕事関数と、第２電極部１２の仕事関数との間にあることが、例えば、発電効率の低下を抑制する観点から好ましい。また、共晶接合等、金属どうしの接合によって、接合部分に金属間化合物が生成される場合には、生成された金属間化合物の仕事関数についても、第１電極部１１の仕事関数と、第２電極部１２の仕事関数との間にあることが好ましい。
第１接続配線１５ａは、第１支持部１３ａの内側面上、基板接合面１３ａａ上、及び第１支持部１３ａの外側面上のそれぞれに、さらに設けられている。第１接続配線１５ａは、第１電極部１１を収容部１０ｄの外に導出する。第２接続配線１６ａは、第２支持部１３ｂの内側面上、及び基板接合面１３ａａ上のそれぞれに、さらに設けられている。第２接続配線１６ａは、第２電極部１２を収容部１０ｄの外に導出する。
第１基板１０ａは、第１主面１０ａｆと、第２主面１０ａｂと、を有する。第２主面１０ａｂは、第１主面１０ａｆと対向し、半導体集積回路チップ２３０の下面と向き合う。第２主面１０ａｂは、例えば、接着部材３０によって、半導体集積回路チップ２３０の下面側におけるパッケージ２１０の表面に接着される。あるいは、第２主面１０ａｂは、例えば、ろう材によって、半導体集積回路チップ２３０の下面側におけるパッケージ２１０の表面に固着される。第１外部筐体端子１０１及び第２外部筐体端子１０２のそれぞれは、第１基板１０ａの第１主面１０ａｆ上に設けられている。第１外部筐体端子１０１は、第１接続配線１５ａと電気的に接続されている。第２外部筐体端子１０２は、第２接続配線１６ａと電気的に接続されている。第１主面１０ａｆは、例えば、第１、第２支持部１３ａ及び１３ｂのそれぞれから外側に張り出した部分を有する。第１外部筐体端子１０１は、例えば、第１主面１０ａｆの第１支持部１３ａから外側に張り出し部分に設けられる。第２外部筐体端子１０２は、例えば、第１主面１０ａｆの第２支持部１３ｂから外側に張り出した部分に設けられる。熱電素子１では、第１外部筐体端子１０１は、第１接続配線１５ａのパターンを利用し、第１接続配線１５ａと同じ導電物で得ている。また、第２外部筐体端子１０２は、第２接合金属１８ｂのパターンを利用し、第２接合金属１８ｂと同じ導電物で得ている。
図５（ａ）は、中間部１４の一例を示す模式断面図である。図５（ｂ）は、中間部１４の他の例を示す模式断面図である。
図５（ａ）に示すように、中間部１４は、収容部１０ｄ内の、第１電極部１１と第２電極部１２との間に設けられている。中間部１４は、第１電極部１１の仕事関数と第２電極部１２の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子１４１を含む。中間部１４は、例えば、第２電極部（カソードＫ）１２から放出された電子ｅを、第１電極部（アノードＡ）１１へと移動させる部分である。
第１電極部１１と第２電極部１２との間には、第１方向Ｚに沿って電極間ギャップＧが設定される。熱電素子１では、電極間ギャップＧは、第１、第２支持部１３ａ及び１３ｂのそれぞれの第１方向Ｚに沿った厚さによって設定される。電極間ギャップＧの幅の一例は、例えば、１０μｍ以下の有限値である。電極間ギャップＧの幅は狭いほど、電子ｅを第２電極部（カソードＫ）１２から効率よく放出させることができ、かつ、第２電極部１２から第１電極部（アノードＡ）１１へ、効率よく移動させることができる。このため、熱電素子１の発電効率が向上する。また、電極間ギャップＧの幅は狭いほど、熱電素子１の第１方向Ｚに沿った厚さを薄くできる。このため、例えば、電極間ギャップＧの幅は狭い方がよい。電極間ギャップＧの幅は、例えば、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることがより好ましい。なお、電極間ギャップＧの幅と、第１、第２支持部１３ａ及び１３ｂの、第１方向Ｚに沿った厚さとは、ほぼ等価である。
中間部１４は、例えば、複数のナノ粒子１４１と、溶媒１４２と、を含む。複数のナノ粒子１４１は、溶媒１４２内に分散されている。中間部１４は、例えば、ナノ粒子１４１が分散された溶媒１４２を、ギャップ部１４０内に充填することで得られる。ナノ粒子１４１の粒子径は、電極間ギャップＧよりも小さい。ナノ粒子１４１の粒子径は、例えば、電極間ギャップＧの１／１０以下の有限値とされる。ナノ粒子１４１の粒子径を、電極間ギャップＧの１／１０以下とすると、ギャップ部１４０内に、ナノ粒子１４１を含む中間部１４を形成しやすくなる。これにより、熱電素子１の生産に際し、作業性が向上する。
ナノ粒子１４１は、例えば導電物を含む。ナノ粒子１４１の仕事関数の値は、例えば、第１電極部１１の仕事関数の値と、第２電極部１２の仕事関数の値との間にある。例えば、ナノ粒子１４１の仕事関数の値は、３．０ｅＶ以上５．５ｅＶ以下の範囲とされる。これにより、中間部１４に放出された電子ｅを、ナノ粒子１４１を介して、例えば、第２電極部１２から第１電極部１１へと移動させることができる。これにより、中間部１４内にナノ粒子１４１がない場合に比較して、電気エネルギーの発生量を、さらに増加させることが可能となる。
ナノ粒子１４１の材料の例としては、金及び銀の少なくとも１つを選ぶことができる。なお、ナノ粒子１４１の仕事関数の値は、第１電極部１１の仕事関数の値と、第２電極部１２の仕事関数の値との間にあればよい。したがって、ナノ粒子１４１の材料には、金及び銀以外の導電性材料を選ぶことも可能である。
ナノ粒子１４１の粒子径は、例えば、電極間ギャップＧの１／１０以下の有限値とされる。具体的には、ナノ粒子１４１の粒子径は、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。また、ナノ粒子１４１は、例えば、平均粒径（例えばＤ５０）３ｎｍ以上８ｎｍ以下の粒子径を有してもよい。平均粒径は、例えば粒度分布計測器を用いることで、測定することができる。粒度分布計測器としては、例えば、レーザー回折散乱法を用いた粒度分布計測器（例えばMicrotracBEL製Nanotrac WaveII-EX150等）を用いればよい。
ナノ粒子１４１は、その表面に、例えば絶縁膜１４１ａを有する。絶縁膜１４１ａの材料の例としては、絶縁性金属化合物及び絶縁性有機化合物の少なくとも１つを選ぶことができる。絶縁性金属化合物の例としては、例えば、シリコン酸化物及びアルミナ等を挙げることができる。絶縁性有機化合物の例としては、アルカンチオール（例えばドデカンチオール）等を挙げることができる。絶縁膜１４１ａの厚さは、例えば２０ｎｍ以下の有限値である。このような絶縁膜１４１ａをナノ粒子１４１の表面に設けておくと、電子ｅは、例えば、第２電極部（カソードＫ）１２とナノ粒子１４１との間、並びにナノ粒子１４１と第１電極部（アノードＡ）１１との間を、トンネル効果を利用して移動できる。このため、例えば、熱電素子１の発電効率の向上が期待できる。
溶媒１４２には、例えば、沸点が６０℃以上の液体を用いることができる。このため、室温（例えば１５℃～３５℃）以上の環境下において、熱電素子１を用いた場合であっても、溶媒１４２の気化を抑制することができる。これにより、溶媒１４２の気化に伴う熱電素子１の劣化を抑制することができる。液体の例としては、有機溶媒及び水の少なくとも１つを選ぶことができる。有機溶媒の例としては、メタノール、エタノール、トルエン、キシレン、テトラデカン、及びアルカンチオール等を挙げることができる。なお、溶媒１４２は、電気的抵抗値が高く、絶縁性である液体がよい。
また、図５（ｂ）に示すように、中間部１４は、溶媒１４２を含まず、ナノ粒子１４１のみを含むようにしてもよい。中間部１４が、ナノ粒子１４１のみを含むことで、例えば、熱電素子１を、高温環境下で用いる場合であっても、溶媒１４２の気化を考慮する必要が無い。これにより、高温環境下における熱電素子１の劣化を抑制することが可能となる。
＜熱電素子１の動作＞
熱エネルギーが熱電素子１に与えられると、例えば、第２電極部（カソードＫ）１２から中間部１４に向けて電子ｅが放出される。放出された電子ｅは、中間部１４から第１電極部（アノードＡ）１１へと移動する。電流は、第１電極部１１から第２電極部１２に向かって流れる。このようにして、熱エネルギーが電気エネルギーに変換される。
熱エネルギーが熱電素子１に与えられると、例えば、第２電極部（カソードＫ）１２から中間部１４に向けて電子ｅが放出される。放出された電子ｅは、中間部１４から第１電極部（アノードＡ）１１へと移動する。電流は、第１電極部１１から第２電極部１２に向かって流れる。このようにして、熱エネルギーが電気エネルギーに変換される。
このような半導体集積回路装置２００であると、熱電素子１は、筐体部１０の収容部１０ｄ内に、第１電極部１１と、第１電極部１１とは異なった仕事関数を有する第２電極部１２と、第１電極部１１の仕事関数と第２電極部１２の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子１４１を含む中間部１４と、を含む。これにより、熱電素子１の中に温度差を生じさせなくても、熱電素子１は発電できる。熱電素子１では、ゼーベック素子のように、低温材料や、低温材料を冷やすチラーは、不要である。低温材料、及び低温材料を冷やすチラーが不要となる結果、半導体集積回路装置２００の製造コストの増大、及び半導体集積回路装置２００のサイズの大型化のそれぞれは、抑制される。
さらに、半導体集積回路装置２００によれば、以下のような利点を、さらに得ることができる。
（１） 熱電素子１の筐体部１０は、半導体集積回路チップ２３０の下面と、回路基板２６０との間に設ける。これにより、熱電素子１を搭載するエリアを、回路基板２６０に新たに確保せずに済み、回路基板２６０のサイズの増大を抑制できる。
（１） 熱電素子１の筐体部１０は、半導体集積回路チップ２３０の下面と、回路基板２６０との間に設ける。これにより、熱電素子１を搭載するエリアを、回路基板２６０に新たに確保せずに済み、回路基板２６０のサイズの増大を抑制できる。
（２） 回路基板２６０のサイズの増大を抑制できるため、半導体集積回路装置２００を用いた２次製品、例えば、電子機器用回路基板のサイズの増大も抑制できる。
（３） 第１、第２電気的接点１１ａ及び１２ａのそれぞれを、収容部１０ｄ内に設ける。これにより、半導体集積回路装置２００を、２次製品に組み込む際、例えば、半導体集積回路装置２００のハンドリング中や、半導体集積回路装置２００の取り付け作業中等において、第１、第２電気的接点１１ａ及び１２ａが破断したり、損傷したりすることを抑制できる。これにより、２次製品製造中に発生する可能性がある、半導体集積回路装置２００のロスを減らすことができる。
（４） 筐体部１０は、第１主面１０ａｆと、第１主面１０ａｆと対向し、半導体集積回路チップ２３０の下面と向き合う第２主面１０ａｂと、を有する第１基板１０ａを含む。そして、第１、第２外部筐体端子１０１及び１０２のそれぞれを、第１基板１０ａの第１主面１０ａｆ上に設ける。第１主面１０ａｆは、例えば、筐体部１０の側面と比較して、第１、第２外部筐体端子１０１及び１０２のそれぞれに、広い面積を提供できる。また、筐体部１０の側面と比較して、作業者による視認、あるいは作業ロボットによるワークポイントの抽出がしやすい。これらにより、例えば、熱電素子１と、２次製品との電気的な接続作業を容易化でき、例えば、２次製品のスループットを向上できる。また、半導体集積回路装置２００を備えた、２次製品の組み立ての確実性も向上する。
（第１実施形態：第１変形例）
次に、第１実施形態の第１変形例を説明する。第１変形例は、熱電素子の変形に関する。
次に、第１実施形態の第１変形例を説明する。第１変形例は、熱電素子の変形に関する。
図６（ａ）～図６（ｃ）は、第１変形例に係る熱電素子１の一例を示す模式図である。図６（ａ）に示す模式断面は、図６（ｃ）中のＶＩＡ－ＶＩＡ線に沿う。図６（ｂ）に示す模式断面は、図６（ｃ）中のＶＩＢ－ＶＩＢ線に沿う。図６（ｃ）に示す模式断面は、図６（ａ）及び図６（ｂ）中のＶＩＣ－ＶＩＣ線に沿う。図７は、接合の一例を示す模式断面図である。図７は、図６（ｂ）に示す模式断面に対応する。
図６（ａ）～図６（ｃ）に示すように、第１変形例に係る熱電素子１ｂが、熱電素子１と異なるところは、第１電極部１１の第１方向Ｚから見た平面形状、及び第２電極部１２の第１方向Ｚから見た平面形状のそれぞれが、櫛歯型であることである。
第１、第２電極部１１及び１２のそれぞれの櫛歯部は、第３方向Ｙに沿って延びる。櫛歯の向きは、第１電極部１１と第２電極部１２とで、互いに反対である。第１電極部１１の櫛歯部と、第２電極部１２の櫛歯部とは、互いに離間しながら噛み合う。これにより、第１電極部１１の櫛歯部と、第２電極部１２の櫛歯部との間に、電極間ギャップＧが規定される。熱電素子１ｂにおいて、電極間ギャップＧが規定される方向は、第２方向Ｘ（電極間ギャップＧｘ）と、第３方向Ｙ（電極間ギャップＧｙ）との２方向になる（図６（ｃ））。
熱電素子には、平行平板型電極を持つ熱電素子１の他、櫛歯型電極を持つ熱電素子１ｂを用いることもできる。
熱電素子１ｂでは、第１、第２電極部１１及び１２を櫛歯型とするので、平行平板型の熱電素子１と比較して、半導体集積回路チップ２３０の熱による電極間ギャップＧの変動が、より少なくなる。これにより、例えば、熱電素子１ｂは、熱電素子１と比較して、発電効率の微小な変動を抑制しやすい、という利点を、さらに得ることができる。
さらに、熱電素子１ｂにおいては、下記のさらなる工夫がなされている。
・筐体部１０が、第１基板１０ａと、蓋体１０ｃと、を含むこと
・第１電極部１１、第２電極部１２、第１接続配線１５ａ、及び第２接続配線１６ａのそれぞれが、第１主面１０ａｆ上に設けられていること
以下、熱電素子１ｂについて、より詳細に説明する。
・筐体部１０が、第１基板１０ａと、蓋体１０ｃと、を含むこと
・第１電極部１１、第２電極部１２、第１接続配線１５ａ、及び第２接続配線１６ａのそれぞれが、第１主面１０ａｆ上に設けられていること
以下、熱電素子１ｂについて、より詳細に説明する。
蓋体１０ｃは、第３支持部１３ｃを含む。第３支持部１３ｃは、蓋体１０ｃから第１方向Ｚに沿って第１基板１０ａに向かって延びる。第３支持部１３ｃの平面形状は、第１方向Ｚから見て、枠状である。蓋体１０ｃは、第３支持部１３ｃと、一体に設けられてもよいし、別々に設けられてもよい。
第１、第２電極部１１及び１２のそれぞれは、収容部１０ｄ内に設けられる。収容部１０ｄは、第２方向Ｘ及び第３方向Ｙに広がる平面を蓋体１０ｃによって囲み、第２方向Ｘ及び第３方向Ｙのそれぞれに沿って第３支持部１３ｃによって囲むことで、筐体部１０に得られる。
第１接続配線１５ａは、収容部１０ｄ内において、第１電極部１１と電気的に接続されている。これにより、第１電極部１１と第１接続配線１５ａとの第１電気的接点１１ａは、収容部１０ｄ内に設けられる。第２接続配線１６ａは、収容部１０ｄ内において、第２電極部１２と電気的に接続されている。これにより、第２電極部１２と第２接続配線１６ａとの第２電気的接点１２ａは、収容部１０ｄ内に設けられる。
第３支持部１３ｃの基板接合面１３ｃａ上において、第１接続配線１５ａの平面形状は、第１方向Ｚから見て、第２方向Ｘ及び第３方向Ｙのそれぞれに延在したＬ字状である。第１接続配線１５ａは、第３支持部１３ｃと、第１基板１０ａとの間において、第１接合金属１８ａと接合される。第１接合金属１８ａは、蓋体１０ｃの基板接合面１３ｃａ上に設けられている。第１接合金属１８ａの平面形状は、第１方向Ｚから見て、第２方向Ｘ及び第３方向Ｙのそれぞれに延在したＬ字状である。これは、基板接合面１３ｃａ上における第１接続配線１５ａの平面形状と、ほぼ同じである。
第３支持部１３ｃの基板接合面１３ｃａ上において、第２接続配線１６ａの平面形状は、第１方向Ｚから見て、第２方向Ｘ及び第３方向Ｙのそれぞれに延在したＬ字状である。第２接続配線１６ａは、第３支持部１３ｃと、第１基板１０ａとの間において、第２接合金属１８ｂと接合される。第２接合金属１８ｂは、蓋体１０ｃの基板接合面１３ｃａ上に設けられている。第２接合金属１８ｂの平面形状は、第１方向Ｚから見て、第２方向Ｘ及び第３方向Ｙのそれぞれに延在したＬ字状である。これは、基板接合面１３ｃａ上における第２接続配線１６ａの平面形状と、ほぼ同じである。
これにより、例えば、図７に示すように、蓋体１０ｃは、第１接続配線１５ａと第１接合金属１８ａとの接合、並びに第２接続配線１６ａと第２接合金属１８ｂとの接合によって、第１基板１０ａと接合することができる。そして、筐体部１０には、収容部１０ｄが得られる。
第１接続配線１５ａと、第２接続配線１６ａとは、第１主面１０ａｆ上において、互いに接触しないようにスリット１７ａ及び１７ｂを介して離れている。第１、第２接合金属１８ａ及び１８ｂは、それぞれ、第１、第２接続配線１５ａ及び１６ａと電気的に接続されることがある。このような場合には、図６（ｃ）に示したように、第１接合金属１８ａと、第２接合金属１８ｂとを、互いに接触しないように、スリット１７ａ及び１７ｂを介して離しておけばよい。これにより、第１、第２接合金属１８ａ及び１８ｂを介した、第１接続配線１５ａと、第２接続配線１６ａとの短絡を抑制することができる。
図８は、スリットの一例を示す模式断面図である。図８に示す模式断面は、図６（ｃ）中のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線に沿う。
図８に示すように、スリット１７ａ及び１７ｂは、熱電素子１ｂに微小なすきま１７ｃを生じさせる。このため、ギャップ部１４０に注入された溶媒１４２が、微小なすきまから漏れる可能性がある。そこで、図６（ｃ）に示すように、第１基板１０ａと蓋体１０ｃとの間に封止部材３１ａ及び３１ｂを設け、スリット１７ａ及び１７ｂを、それぞれ、封止部材３１ａ及び３１ｂで塞いでもよい。これにより、スリット１７ａ及び１７ｂを介した、溶媒１４２の漏れを抑制することができる。
図８に示すように、スリット１７ａ及び１７ｂは、熱電素子１ｂに微小なすきま１７ｃを生じさせる。このため、ギャップ部１４０に注入された溶媒１４２が、微小なすきまから漏れる可能性がある。そこで、図６（ｃ）に示すように、第１基板１０ａと蓋体１０ｃとの間に封止部材３１ａ及び３１ｂを設け、スリット１７ａ及び１７ｂを、それぞれ、封止部材３１ａ及び３１ｂで塞いでもよい。これにより、スリット１７ａ及び１７ｂを介した、溶媒１４２の漏れを抑制することができる。
熱電素子１ｂでは、さらに、第１電極部１１と蓋体１０ｃとの間に、第１方向Ｚに沿ったギャップＧｅｌ１を設け、第２電極部１２と蓋体１０ｃとの間に、ギャップＧｅｌ２設けている。ギャップＧｅｌ１及びＧｅｌ２を設けることにより、蓋体１０ｃと第１基板１０ａとの間にすきまを生じさせることなく、第１、第２電極部１１及び１２のそれぞれを、収容部１０ｄ内に収容することが可能となる。ギャップＧｅｌ１の長さと、ギャップＧｅｌ２の長さとは、互いに等しくなるように設定されてもよいし、互いに異なるように設定されてもよい。後者の場合は、例えば、第１電極部１１の仕事関数と、第２電極部１２の仕事関数との差を大きくするために、いずれか一方の電極部の表面に、コーティングや、表面改質等の表面処理が行われた場合に見られる。あるいは、互いに材料が異なる第１電極部１１と、第２電極部１２とを、１つのエッチング工程によって、同時に形成した場合に見られる。また、各ギャップＧｅｌ１、Ｇｅｌ２を設けることで、第１電極部１１の上面及び第２電極部１２の上面が、中間部１４と接する。このため、各電極部１１、１２の対向する面に加え、各電極部１１、１２の上部（特に上面や、上面の角部）を介した電子ｅの移動を実現することが可能となる。これにより、電気エネルギーの発生量の増大を図ることが可能となる。
図９（ａ）及び図９（ｂ）は、溶媒注入の一例を示す模式断面図である。図９（ａ）に示す模式断面は、図６（ａ）に示す模式断面に対応する。図９（ｂ）に示す模式断面は、図６（ｂ）に示す模式断面に対応する。
図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、蓋体１０ｃには、第１充填孔７１ａ及び第２充填孔７１ｂを設けることもできる。第１、第２充填孔７１ａ及び７１ｂは、例えば、ギャップ部１４０内への溶媒１４２の注入に利用される。溶媒１４２の注入に、第１、第２充填孔７１ａ及び７１ｂを利用するとき、ギャップＧｅｌ１及びＧｅｌ２がギャップ部１４０内にあると、溶媒１４２が、ギャップＧｅｌ１及びＧｅｌ２を介して、第１電極部１１と第２電極部１２との間に廻り込むようになる。これにより、第１電極部１１と第２電極部１２との間に、溶媒１４２を充填しやすくなる、という利点を得ることができる。
溶媒１４２は、例えば、第１充填孔７１ａから、ギャップ部１４０内へ注入される。このとき、もう１つの第２充填孔７１ｂは、例えば、エア抜きの孔として利用される。また、第２充填孔７１ｂを介して、ギャップ部１４０内を真空引きしながら、第１充填孔７１ａから溶媒１４２を注入してもよい。
第１変形例のように、熱電素子には、平行平板型電極を持つ熱電素子１の他、櫛歯型電極を持つ熱電素子１ｂを用いることもできる。
（第２実施形態）
第２実施形態は、第１実施形態に係る半導体集積回路装置２００に使用可能な電源回路３００の例に関する。
第２実施形態は、第１実施形態に係る半導体集積回路装置２００に使用可能な電源回路３００の例に関する。
図１０は、第２実施形態に係る発電機能付半導体集積回路装置２００の一例を示す模式ブロック図である。
図１０に示すように、電源回路３００は、例えば、回路基板３２０（回路基板３２０については、上述の回路基板２６０と同一のものであってもよい）上に設けられる。回路基板３２０上には、例えば、第１外部端子３３１ａ～第６外部端子３３１ｆが設けられている。第１外部端子３３１ａ及び第２外部端子３３１ｂは、外部電源、例えば、商用電源３１０と電気的に接続される。これにより、電源回路３００には、第１、第２外部端子３３１ａ及び３３１ｂを介して、外部入力電力Ｐｉｎが入力される。第３外部端子３３１ｃ及び第４外部端子３３１ｄは、熱電素子１と電気的に接続される。これにより、電源回路３００には、第３、第４外部端子３３１ｃ及び３３１ｄを介して、補助入力電力Ｐｉｎａが入力される。第３外部端子３３１ｃは、熱電素子１のカソードＫと電気的に接続されている。第４外部端子３３１ｄは、熱電素子１のアノードＡと電気的に接続されている。第５外部端子３３１ｅ及び第６外部端子３３１ｆは、パッケージ２１０と電気的に接続される。これにより、電源回路３００は、第５、第６外部端子３３１ｅ及び３３１ｆを介して、ＬＳＩ入力電力Ｐｏｕｔ（半導体集積回路装置入力電力）を出力する。
図１１は、第２実施形態に係る発電機能付半導体集積回路装置２００の一例を示す模式回路図である。
図１１に示すように、電源回路３００は、コンバータ３３２を含む。外部電源が商用電源３１０である場合、コンバータ３３２は、ＡＣ－ＤＣコンバータ（整流回路）となる。外部電源が電池である場合には、コンバータ３３２は、ＤＣ－ＤＣコンバータとなる。コンバータ３３２がＡＣ－ＤＣコンバータである場合、交流電力を直流電力に整流する。整流された直流電力は、電流制限回路３３３に供給される。電流制限回路３３３は、直流電流を制限してＬＳＩ入力電力Ｐｏｕｔを生成し、出力する。
コンバータ３３２の高電位側出力ノードＮ１は、電流制限回路３３３の高電位側入力ノードＮ２と、第１スイッチ３３４を介して電気的に結合されている。第１スイッチ３３４と高電位側入力ノードＮ２との接続ノードＮ３は、電源回路３００の低電位側配線３３５と、コンデンサ３３６とを介して電気的に結合されている。コンデンサ３３６は、平滑コンデンサである。また、コンデンサ３３６には、抵抗３３７が並列に接続されている。抵抗３３７は、放電用抵抗である。接続ノードＮ３は、第２スイッチ３３８を介して熱電素子１のカソードＫと電気的に結合されている。第１、第２スイッチ３３４及び３３８には、例えば、トランジスタが使用される。電流制限回路３３３の高電位側出力ノードＮ４は、パッケージ２１０の高電位側電源端子（便宜上Ａと表示）と電気的に結合される。パッケージ２１０の低電位側端子（便宜上Ｋと表示）、及び熱電素子１のアノードＡは低電位側配線３３５と電気的に結合されている。
パッケージ２１０内の半導体集積回路チップ２３０を動作させるとき、第１スイッチ３３４をオン、第２スイッチ３３８をオフさせる。高電位側出力ノードＮ１は、コンデンサ３３６の一方電極と電気的に接続され、コンデンサ３３６が充電される。コンデンサ３３６の充電完了後、高電位側出力ノードＮ１は、高電位側入力ノードＮ２と電気的に接続される。コンバータ３３２は、電流を電流制限回路３３３に供給する。電流制限回路３３３は、供給された電流を制限してＬＳＩ入力電力Ｐｏｕｔを生成し、出力する。これにより、パッケージ２１０内の半導体集積回路チップ２３０は、動作する。
半導体集積回路チップ２３０が動作すると、半導体集積回路チップ２３０は発熱する。熱は、熱電素子１へ伝わる。やがて、熱電素子１は、発電可能な状態、例えば、コンデンサ３３６を充電可能な電流を生成可能な状態となる。熱電素子１が発電可能な状態となった後、第２スイッチ３３８をオンさせる。熱電素子１のカソードＫは、コンデンサ３３６の一方電極と電気的に接続される。熱電素子１は、コンバータ３３２とともに、電流を電流制限回路３３３に供給する。これにより、半導体集積回路チップ２３０は、動作を続ける。
また、第１スイッチ３３４、及び第２スイッチ３３８によって、コンデンサ３３６の一方電極に、高電位側出力ノードＮ１を結合するか、熱電素子１のカソードＫを結合するかのいずれかを選択することもできる。
例えば、半導体集積回路チップ２３０を動作させるとき、第１スイッチ３３４をオン、第２スイッチ３３８をオフさせて、半導体集積回路チップ２３０を、外部入力電力Ｐｉｎを用いて動作させる。外部入力電力Ｐｉｎを用いて動作された状態を、便宜上、通常エネルギーモードと呼ぶ。
動作後、例えば、熱電素子１が、コンデンサ３３６を充電可能な電流を生成可能な状態となったら、第１スイッチ３３４をオフ、第２スイッチ３３８をオフさせる。電力の供給元は、外部入力電力Ｐｉｎから、補助入力電力Ｐｉｎａに切り替わる。これにより、半導体集積回路チップ２３０の動作モードは、通常エネルギーモードから、熱電素子１からの補助入力電力Ｐｉｎａを用いた省エネルギーモードへと切り替わる。通常エネルギーモードから省エネルギーモードへの切り替えは、自動、もしくは手動により行うことができる。省エネルギーモードは、一般的には、商用電源、もしくは電池の消費電力を下げることをいう。しかし、第２実施形態における省エネルギーモードは、通常エネルギーモードとは別の補助入力電力Ｐｉｎａに切り替えることをいう。
また、コンデンサ３３６には、電源回路３００中に設けられている平滑コンデンサを利用することもできる。平滑コンデンサを利用した場合には、電源回路３００中の既存回路素子を利用して、熱電素子１を電源回路３００に接続できる。これにより、電源回路３００に必要な回路素子や電子部品３３０の増加を抑制できる。
（第２実施形態：第１変形例）
図１２は、第２実施形態の第１変形例に係る発電機能付半導体集積回路装置２００の一例を示す模式回路図である。
図１２は、第２実施形態の第１変形例に係る発電機能付半導体集積回路装置２００の一例を示す模式回路図である。
熱電素子１が発生する電力では、半導体集積回路チップ２３０を動作させるのに、十分な電圧を確保できない場合も想定される。このような場合には、熱電素子１を、昇圧回路３５０を介して、電源回路３００と接続するようにしてもよい。図１２には、昇圧回路３５０の一例を示す模式回路が示されている。
図１２に示すように、昇圧回路３５０は、例えば、ダイオード３５１と、コイル３５２と、第３スイッチ３５３と、を含む。ダイオード３５１のカソードは、第２スイッチ３３８を介してコンデンサ３３６の一方電極と電気的に結合されている。ダイオード３５１のアノードは、コイル３５２を介して熱電素子１のカソードＫに電気的に結合されている。コイル３５２は、チョークコイルである。ダイオード３５１のアノードと、コイル３５２との接続ノードＮ５は、低電位側配線３３５と、第３スイッチ３５３を介して電気的に結合されている。第３スイッチ３５３には、例えば、トランジスタが使用される。
昇圧回路３５０の動作は、以下のようにして、補助入力電力Ｐｉｎａの電圧を昇圧する。まず、第２スイッチ３３８をオンさせて、熱電素子１のカソードＫを、コンデンサ３３６の一方電極と電気的に結合させる。この状態で、第３スイッチ３５３をオンさせる。熱電素子１のカソードＫから、電流がコイル３５２を介して低電位側配線３３５に流れる。次いで、第３スイッチ３５３をオフさせる。コイル３５２からの電流は、すぐにはゼロにはならない。このため、コイル３５２から、ダイオード３５１、及び第２スイッチ３３８を介して、接続ノードＮ３に電流が、一気に流れる。ダイオード３５１は、接続ノードＮ３からの電流の逆流を防ぐ。このように第３スイッチ３５３のオンとオフとを繰り返すことで、補助入力電力Ｐｉｎａの電圧は、昇圧される。
このように、熱電素子１を、昇圧回路３５０を介して、電源回路３００と接続するようにしてもよい。なお、昇圧回路は、図１２に示した昇圧回路３５０に限られるものでもない。昇圧回路には、例えば、トランス等、周知の昇圧回路を用いることができる。また、昇圧回路は、電源回路３００中に設けることができる。
以上、この発明の実施形態のいくつかを説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。例えば、これらの実施形態は、適宜組み合わせて実施することが可能である。また、この発明は、上記いくつかの実施形態の他、様々な新規な形態で実施することができる。したがって、上記いくつかの実施形態のそれぞれは、この発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更が可能である。このような新規な形態や変形は、この発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明、及び特許請求の範囲に記載された発明の均等物の範囲に含まれる。
１、１ｂ ：熱電素子
１０ ：筐体部
１０ａ ：第１基板
１０ａｆ ：第１主面
１０ａｂ ：第２主面
１０ｂ ：第２基板
１０ｃ ：蓋体
１０ｄ ：収容部
１１ ：第１電極部
１１ａ ：第１電気的接点
１２ ：第２電極部
１２ａ ：第２電気的接点
１３ａ ：第１支持部
１３ａａ ：基板接合面
１３ｂ ：第２支持部
１３ｂａ ：基板接合面
１３ｃ ：第３支持部
１３ｃａ ：基板接合面
１４ ：中間部
１５ａ ：第１接続配線
１６ａ ：第２接続配線
１７ａ ：スリット
１７ｂ ：スリット
１８ａ ：第１接合金属
１８ｂ ：第２接合金属
３０ ：接着部材
３１ ：封止部材
７１ａ ：第１充填孔
７１ｂ ：第２充填孔
１０１ ：第１外部筐体端子
１０２ ：第２外部筐体端子
１４０ ：ギャップ部
１４１ ：ナノ粒子
１４１ａ ：絶縁膜
１４２ ：溶媒
２００ ：発電機能付半導体集積回路装置
２１０ ：パッケージ
２２０ ：外部端子
２３０ ：半導体集積回路チップ
２６０ ：回路基板
２６５ ：凹部
２７０ ：電気的配線
２８０ ：ヒートシンク
３００ ：電源回路
３１０ ：商用電源
３２０ ：回路基板
３３０ ：電子部品
３３１ａ ：第１外部端子
３３１ｂ ：第２外部端子
３３１ｃ ：第３外部端子
３３１ｄ ：第４外部端子
３３１ｅ ：第５外部端子
３３１ｆ ：第６外部端子
３３２ ：コンバータ
３３３ ：電流制限回路
３３４ ：第１スイッチ
３３５ ：低電位側配線
３３６ ：コンデンサ
３３７ ：抵抗
３３８ ：第２スイッチ
３５０ ：昇圧回路
３５１ ：ダイオード
３５２ ：コイル
３５３ ：第３スイッチ
Ｇ ：電極間ギャップ
Ｇｅｌ１ ：ギャップ
Ｇｅｌ２ ：ギャップ
Ｇｘ ：電極間ギャップ
Ｇｙ ：電極間ギャップ
Ｐｉｎ ：外部入力電力
Ｐｉｎａ ：補助入力電力
Ｐｏｕｔ ：ＬＳＩ入力電力
Ｚ ：第１方向
Ｘ ：第２方向
Ｙ ：第３方向
１０ ：筐体部
１０ａ ：第１基板
１０ａｆ ：第１主面
１０ａｂ ：第２主面
１０ｂ ：第２基板
１０ｃ ：蓋体
１０ｄ ：収容部
１１ ：第１電極部
１１ａ ：第１電気的接点
１２ ：第２電極部
１２ａ ：第２電気的接点
１３ａ ：第１支持部
１３ａａ ：基板接合面
１３ｂ ：第２支持部
１３ｂａ ：基板接合面
１３ｃ ：第３支持部
１３ｃａ ：基板接合面
１４ ：中間部
１５ａ ：第１接続配線
１６ａ ：第２接続配線
１７ａ ：スリット
１７ｂ ：スリット
１８ａ ：第１接合金属
１８ｂ ：第２接合金属
３０ ：接着部材
３１ ：封止部材
７１ａ ：第１充填孔
７１ｂ ：第２充填孔
１０１ ：第１外部筐体端子
１０２ ：第２外部筐体端子
１４０ ：ギャップ部
１４１ ：ナノ粒子
１４１ａ ：絶縁膜
１４２ ：溶媒
２００ ：発電機能付半導体集積回路装置
２１０ ：パッケージ
２２０ ：外部端子
２３０ ：半導体集積回路チップ
２６０ ：回路基板
２６５ ：凹部
２７０ ：電気的配線
２８０ ：ヒートシンク
３００ ：電源回路
３１０ ：商用電源
３２０ ：回路基板
３３０ ：電子部品
３３１ａ ：第１外部端子
３３１ｂ ：第２外部端子
３３１ｃ ：第３外部端子
３３１ｄ ：第４外部端子
３３１ｅ ：第５外部端子
３３１ｆ ：第６外部端子
３３２ ：コンバータ
３３３ ：電流制限回路
３３４ ：第１スイッチ
３３５ ：低電位側配線
３３６ ：コンデンサ
３３７ ：抵抗
３３８ ：第２スイッチ
３５０ ：昇圧回路
３５１ ：ダイオード
３５２ ：コイル
３５３ ：第３スイッチ
Ｇ ：電極間ギャップ
Ｇｅｌ１ ：ギャップ
Ｇｅｌ２ ：ギャップ
Ｇｘ ：電極間ギャップ
Ｇｙ ：電極間ギャップ
Ｐｉｎ ：外部入力電力
Ｐｉｎａ ：補助入力電力
Ｐｏｕｔ ：ＬＳＩ入力電力
Ｚ ：第１方向
Ｘ ：第２方向
Ｙ ：第３方向
Claims (5)
- 半導体集積回路装置と、前記半導体集積回路装置から放出された熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子と、を有する発電機能付半導体集積回路装置であって、
前記半導体集積回路装置は、半導体集積回路チップを収容するパッケージを含み、
前記半導体集積回路チップは、回路基板と対向される下面、及び前記下面と対向した上面を有し、
前記熱電素子は、
収容部を有する筐体部と、
前記収容部内に設けられた第１電極部と、
前記収容部内に設けられ、前記第１電極部と第１方向に離間して対向し、前記第１電極部とは異なった仕事関数を有する第２電極部と、
前記収容部内の、前記第１電極部と前記第２電極部との間に設けられ、前記第１電極部の仕事関数と前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、
を含み、
前記筐体部は、前記半導体集積回路チップの前記下面と、前記回路基板との間に設けられていること
を特徴とする発電機能付半導体集積回路装置。 - 前記熱電素子は、
前記第１電極部と電気的に接続され、前記第１電極部を前記収容部の外に導出する第１接続配線と、
前記第２電極部と電気的に接続され、前記第２電極部を前記収容部の外に導出する第２接続配線と、
を、さらに含み、
前記第１電極部と前記第１接続配線との第１電気的接点、並びに前記第２電極部と前記第２接続配線との第２電気的接点のそれぞれは、前記収容部内に設けられていること
を特徴とする請求項１記載の発電機能付半導体集積回路装置。 - 前記筐体部は、第１主面と、前記第１主面と対向し、前記半導体集積回路チップの前記下面と向き合う第２主面と、を有する第１基板を含み、
前記熱電素子は、
前記第１接続配線と電気的に接続された第１外部端子と、
前記第２接続配線と電気的に接続された第２外部端子と、
を、さらに含み、
前記第１外部端子及び前記第２外部端子のそれぞれは、前記第１基板の前記第１主面上に設けられていること
を特徴とする請求項２記載の発電機能付半導体集積回路装置。 - 前記熱電素子は、平行平板型熱電素子、及び櫛歯型熱電素子の少なくとも１つを含むこと
を特徴とする請求項１～３のいずれか１項記載の発電機能付半導体集積回路装置。 - 外部から供給される外部入力電力、及び前記熱電素子から供給される補助入力電力のそれぞれの入力が可能な、前記外部入力電力及び前記補助入力電力のそれぞれを半導体集積回路装置入力電力に変換し、前記半導体集積回路装置入力電力を前記半導体集積回路装置へ出力する電源回路
を、さらに備えること
を特徴とする請求項１～４のいずれか１項記載の発電機能付半導体集積回路装置。
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