JPH01258449A - 冷却機能を内蔵した集積回路パッケージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は集積回路チップ（以下チップと呼ぶ）を直接冷
却する機能を内蔵した集積回路パッケージ（以下パッケ
ージと呼ぶ）に関する。

［従来の技術］ 従来、集積回路の冷却方法として広く用いられているの
は、冷却用ファン等によりパッケージの外面を冷却し、
冷却すべきチップとパッケージ外面との間は熱伝導に依
存する受動的な方法である。

チップでの発熱を強制的にパッケージ外面に逃がす能動
的冷却法は殆ど用いられていないが、パッケージ内にペ
ルチェ素子を同封したものが既に提案されている（特開
昭８２−７２１４８号公報）。

これはペルチェ素子をその吸熱側がチップに、放熱側が
パッケージ外面に位置するようにパッケージに封入し、
これとは別にこのペルチェ素子を制御するための温度調
節回路を用意し、パッケージに取り付けられた熱電対か
らの温度信号により、ペルチェ素子に流す電流を制御す
るものである。

ペルチェ素子を制御する温度調節回路をパッケージに内
蔵した例はない。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の冷却方法のうち、受動的方法では能力に限界があ
り、チップ自体の温度は常にパッケージ外面の温度より
高い。また、直接冷却するのはパッケージ外面であるの
でチップそのものの温度制御は出来ない。

アナログ集積回路の安定な動作にはチップ自体の温度制
御が望まれる。また、デジタル集積回路でも高速化・高
密度化の要請から、能動的方法による冷却能力の向上が
望まれている。

能動的冷却方法として特開昭８２−７２１４８号公報に
提案されている方法でも、チップの温度制御並びにチッ
プの強制冷却は一応可能であるが、測温素子がチップに
ではなく、パッケージ底面に取り付けられているため、
チップ自体の温度制御には不完全であること、封入され
たペルチェ素子を駆動する外部回路を必要とする点、お
よび外部回路との配線用の端子がパッケージ小型化の妨
げとなる等の問題がある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の集積回路パッケージは、チップを冷却するため
のペルチェ素子及びこのペルチェ素子を制御するための
測温素子、信号処理回路、電流制御素子等からなる温度
調節回路を併せて載せた集積回路チップを、全てパッケ
ージに内蔵することによりいっさい外部回路を必要とし
ないことを特徴とする。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明パッケージの断面図である。

本図では集積回路本来の配線は省略しである。

ペルチェ素子はその放熱板がケースの底板を兼ねるよう
になっている。

また通常のペルチェ素子は放熱側に電流端子を持ってい
るが、本発明に用いるペルチェ素子は、温度制御回路全
てがペルチェ素子からみて吸熱側にあるので、吸熱側に
電流端子を持つ。

チップ（以下被冷却チップ）はペルチェ素子の吸熱板上
に熱接触良く装着しである。チップとペルチェ素子は所
定の配線を施した後ケースに納める。

以下、本発明に用いる温度調節回路とペルチェ素子につ
いて、より詳細に説明する。

第２図は本発明の冷却方式の概念図である。

温度調節回路は測温素子、信号処理回路、電流制御素子
等からなる。測温素子はダイオード、トランジスタ等被
冷却チップ上に形成できるものであればなんでもよい。

図ではダイオード温度センサを用いた例を示しである。

信号処理回路はａｌＪ温素子からの温度信号を受けて、
必要に応じ、増幅、リニアライズ、設定温度との比較・
演算を行ったのち、電流制御素子に制御信号を送る機能
を持つ。電流制御素子は最大１アンペア程度の電流を制
御できかつ被冷却チップ上に形成できるものであればな
んでもよい。

温度制御回路をパッケージ内に内蔵させるため、これら
全てを被冷却チップ上に集積回路化しておく。ただし、
製造プロセス上あるいはコスト上の問題で被冷却チップ
上に集積回路化することが困難な場合には、別のチップ
上に集積回路化しておき、被冷却チップと共にパッケー
ジ内に封入してもよい。

第３図は本発明に用いるペルチェ素子の例である。

ペルチェ素子は第３図に示すとおり、ｐ型およびｎ型半
導体より成る正および負分枝を電極板を介して電気的に
直列、熱的に並列となるように接続した物を、放熱板お
よび吸熱板で挟んだ構造をしている。

放熱板、吸熱板には、電極板間の絶縁性を保持し、且つ
ペルチェ素子による吸熱・発熱を速やかに行うため、ア
ルミナ等の熱伝導度の高い絶縁物を用いる。

正負分枝に用いる半導体には、現在実用化されている熱
電材料の中では使用温度域から考えて、多結晶テルル化
ビスマス系熱電材料（正分技にはテルル化ビスマスとテ
ルル化アンチモンの固溶体を主成分とする多結晶体、負
分技にはテルル化ビスマスとセレン化ビスマスの固溶体
を主成分とする多結晶体を用いた熱電材料）が最良であ
る。

電極板は電気伝導度・熱伝導度共に高い方が望ましく銅
を用いるのが一般的である。但し、銅の半導体への拡散
を防ぐためニッケル等をメツキしておくことが望ましい
。

次に正負分岐のサイズについて説明する。

ペルチェ素子の動作電圧と被冷却チップの電源電圧とが
一致すれば、パッケージの電源端子を共有できるので都
合がよい。

通常、ペルチェ素子の正負分岐のサイズは、使用条件（
冷却能力、素子両面の温度等）と冷却効率を考慮して決
定するが、こうするとテルル化ビスマス系熱電材料は抵
抗率が低いため、多くの場合動作電圧が低くなりすぎる
。

ペルチェ素子の動作電圧が被冷却チップの電源電圧より
も小さいと、パッケージに封入された電流制御素子部分
で発熱することとなる。従って、本発明に用いるペルチ
ェ素子の正負分岐のサイズは冷却効率を無視し、チップ
の発熱量とペルチェ素子の冷却能力と動作電圧のみに着
目して設計すべきである。

［実　施　例］ ペルチェ素子は、正負分岐にテルル化ビスマス系熱電材
料（ｐ型ｎ型共ゼーベック係数２００ＢＶ／ｄｅｇ、抵
抗率１ｍΩ国、熱伝導率１８ｍＷ／ａｎ　・ｄｅｇ）を
用い、断面０．５＋Ｉ１ｍ平方、高さ１．２５ｍｍの正
負分岐５０対を直列接続した構造の物を採用した。

このペルチェ素子の電流電圧特性は、５Ωの抵抗負荷と
ほぼ同じであった。

このペルチェ素子を消費電力的１Ｗの被冷却チップと共
にパッケージに封入し、周辺温度（放熱側の温度）が３
００にの条件下で、温度調節回路の設定温度を周辺温度
と同じ３００にとし、ペルチェ素子の作動電圧は５■と
した。

その結果、チップの温度は周辺と同じ３００Ｋに維持す
ることが出来た。尚、ペルチェ素子に加えた電圧５ｖは
、デジタル集積回路でよく用いられる電源電圧である。

［発明の効果］ 本発明の集積回路パッケージは、ペルチェ素子及び集積
化した温度調節回路を、冷却すべきチップと共に封入す
ることにより、いっさい外部回路を必要とせず、自身で
チップの温度を調節することが出来る。

更に、該ペルチェ素子の動作電圧を被冷却チップの電源
電圧に合わせることにより、パッケージは電源端子を共
有でき、温度調節機能を持たないヴアージョンと同じビ
ン配置を持つこととなり、該パッケージ採用時の設計変
更が最小限で済むという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の断面図、第２図は本発明の冷却方式の
概念説明図、第３図は本発明に用いるペルチェ素子の概
観説明図である。 代　理　人　　弁理士　　茶野木　立　夫第２図 平糸う゛４ネ１）正千吋 昭和６３年６月６　「＋

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、測温素子、信号処理回路、電流制御素子を集積化し
   た温度調節回路を併せて載せた集積回路チップとペルチ
   ェ素子よりパッケージを構成し、前記測温素子により得
   られた前記集積回路チップの温度信号を前記信号処理回
   路を過て前記電流制御素子に入力し、前記ペルチェ素子
   に流す電流を制御し、以て前記集積回路チップを冷却す
   ることを特徴とする冷却機能を内蔵した集積回路パッケ
   ージ。 ２、集積回路チップと測温素子、信号処理回路、電流制
   御素子を集積化した温度調節回路チップとペルチェ素子
   よりパッケージを構成し、前記測温素子により得られた
   前記集積回路チップの温度信号を前記信号処理回路を過
   て前記電流制御素子に入力し、前記ペルチェ素子に流す
   電流を制御し、以て前記集積回路チップを冷却すること
   を特徴とする冷却機能を内蔵した集積回路パッケージ。