JPH04216656A - 熱電冷却器を有する集積回路パッケージ - Google Patents

熱電冷却器を有する集積回路パッケージ

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JPH04216656A
JPH04216656A JP3042193A JP4219391A JPH04216656A JP H04216656 A JPH04216656 A JP H04216656A JP 3042193 A JP3042193 A JP 3042193A JP 4219391 A JP4219391 A JP 4219391A JP H04216656 A JPH04216656 A JP H04216656A
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integrated circuit
circuit package
thermoelectric cooler
module
thermoelectric
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Mohanlal S Mansuria
モハンラル・エス・マンスリア
Joseph M Mosley
ジョセフ・エム・モスリ
Richard D Musa
リチャード・ディー・ミューザ
William F Shutler
ウイリアム・フレデリック・シャトラ
Vito J Tuozzolo
ヴィト・ジェイ・トゥオゾロ
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International Business Machines Corp
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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】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、熱電冷却器（ＴＥＣ
）を有する集積回路パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザのような半導体デバイスの動作温
度を低くするために熱電冷却器を用いることが知られて
いる。熱電冷却器は、異なる特性を有する材料から構成
された複数の熱電冷却素子を含んでいる。これらの素子
は、電気的に直列に及び熱的に並列に接続されて複数の
熱電対を構成している。各熱電対は、第１の特性を有す
る一つの素子と、第２の特性を有するもう一つの素子と
を含んでいる。これらの熱電対は、熱電冷却器の高温側
及び低温側として働く二枚の板の間に接続されている。 高温側はヒートシンクに熱的に接続され、低温側は半導
体デバイスに熱的に接続されている。
【０００３】熱電冷却は、熱電冷却器に電流を流すこと
によって行うことができる。熱エネルギは、回路を流れ
るキャリア電流と熱電対の数とに比例する割合で低温側
から高温側に吸い込まれる。高温側では、熱エネルギは
ヒートシンクによって散逸される。熱電冷却効果は、使
用される異なる導電材料が半導体材料であるときには非
常に増大される。
【０００４】熱電冷却に一般的に使用される異なる半導
体材料は、Ｎ型材料（完全な分子格子構造を完成するた
めに必要な電子数よりも多くの電子がある）とＰ型材料
（完全な分子格子構造を完成するために必要な電子数よ
りも電子が少なく、従って正孔がある）である。Ｎ型材
料中の過剰な電子及びＰ型材料中の正孔は「キャリア」
と呼ばれ、低温側から高温側に熱エネルギを移動させる
働きをする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】キャビティを画成するモ
ジュールを有する集積回路パッケージを設け、集積回路
チップをモジュールのキャビティの壁に熱的に接続する
熱電冷却器を設けている。
【０００６】好ましい実施例では、熱電冷却器の熱電冷
却素子はモジュールキャビティの壁に直接に接続され、
集積回路チップはワイヤボンドまたはコントロールドチ
ップコラプス接続によって入出力ピンに電気的に接続さ
れ、熱電冷却器はモジュールキャビティ内に気密封止さ
れ、ヒートシンクは集積回路パッケージの外部に接続さ
れる。
【０００７】
【実施例】図１を参照すると、第１のレベルの集積度の
集積回路パッケージ１０は、多層セラミック製で電気絶
縁性及び熱伝導性のチップキャリアモジュール１２（例
えば、京セラ製多層セラミック（ＭＬＣ）キャリア）を
含んでおり、このチップキャリアモジュール１２がキャ
ビティ１４を画成する。集積回路チップ１６はキャビテ
ィ１４内に設けられており、熱電冷却器２０を介してモ
ジュール１２に熱的に及び物理的に接続されている。入
出力ピン２２は、モジュール１２によって画成されるチ
ャネル内を通される導体２３を介して集積回路チップ１
６に電気的に接続されている。導体２３は、従来のワイ
ヤボンド技術を用いて集積回路チップ１６に接続された
ワイヤ２４を介して集積回路チップ１６に接続されてい
る。金属製の保護カバー２６はキャビティ１４の上方に
設けられており、接着剤でモジュール１２に取り付けら
れて気密封止パッケージを構成している。さらに、ヒー
トシンク２８は、熱伝導性の層３０を有するモジュール
１２の外部に取り付けられている。
【０００８】電力は、導体３２、３４及びピン３６、３
７を介して熱電冷却器２０に直接供給される。導体３２
、３４は、モジュール１２で画成されるチャネル内を通
されている。導体３２、３４は熱電冷却器２０をそれぞ
れピン３６、３７に電気的に接続し、これによって入出
力（Ｉ／Ｏ）ピンから熱電冷却器へのワイヤボンドまた
はフライングリードが不要となっている。
【０００９】図２ないし図４を参照すると、熱電冷却器
２０は、熱伝導性の低温板３８と多層セラミックモジュ
ール１２との間に接続されている複数の熱電冷却素子４
０を含んでいる。集積回路チップ１６は、熱伝導性の材
料３９（例えば、熱エポキシまたは金共晶）を介して低
温板３８に物理的に接続されている。
【００１０】各冷却素子４０は、Ｐ型半導体材料または
Ｎ型半導体材料から構成されている。これらのＰ型及び
Ｎ型素子は、交互に、電気的に直列に及び熱的に並列に
接続されている。
【００１１】すなわち、Ｐ型及びＮ型素子は、はんだ接
合部４１を介して導体４２及び４４に電気的に直列に接
続されている。導体４２は、図４に示すように低温板３
８の表面に形成された金属の回路パターンであり、導体
４４は、図３に示すようにモジュール１２のキャビティ
壁の表面に形成された金属の回路パターンである。従っ
て、キャビティ壁の内部は熱電冷却器の高温側として働
き、これによって熱電冷却器に必要な板の一方をなくし
ている。高温板がないので、熱抵抗がより小さくなるこ
とから、より直接的な冷却経路がある。さらに、このよ
うにして熱電冷却器を構成することにより、必要な部品
が少なくなる。また、熱電冷却器は集積回路チップから
モジュールに熱エネルギを吸い込むので、モジュールは
周囲の空気またはカードよりも温度が高いことから、周
囲の空気またはカードからの熱電冷却器への受動的な熱
負荷が除去される。
【００１２】動作に際しては、電力がピン３６、３７を
介して熱電冷却器２０に供給され、これによって熱電冷
却器２０が低温板３８を介して集積回路チップ１６から
熱エネルギを吸い込む。この熱エネルギは、導体４４が
その上に設けられているモジュール１２のキャビティ壁
に向かって吸い込まれる。次に、この熱エネルギはモジ
ュール１２及びヒートシンク２８を介して散逸される。
【００１３】すなわち、電子がＰ型素子の低いエネルギ
準位からＮ型素子のより高いエネルギ準位に導体４２を
通って流れるので、各熱電対で冷却が起きる。より高い
エネルギ準位を達成するために必要なエネルギは、導体
４２を介して吸収される熱エネルギから生じる。このエ
ネルギは、モジュール１２のキャビティ壁に直接接続さ
れた導体４４を介して散逸される。従って、熱電冷却器
２０の素子４０は集積回路チップ１６とモジュール１２
との間に直接接続されているので、パッケージ１０の残
りの部分がヒートシンクとして働いている間にチップだ
けが冷却される。
【００１４】他の実施例は請求項に含まれている。
【００１５】例えば、集積回路パッケージは、異なる方
式の接続技術（例えば、コントロールドチップコラプス
接続技術（Ｃ−４接続技術））を用いて入出力ピンに接
続されている複数の集積回路チップを含んでよい。
【００１６】すなわち、図５を参照すると、Ｃ−４接続
技術を用いる集積回路パッケージ６０が示されている。 Ｃ−４接続技術については、参考のためにここに載せる
米国特許第３，４２９，０４０号及び再発行特許第２７
，９３４号で説明されている。
【００１７】一般に、Ｃ−４接続技術は、誘電体支持基
板６２上に集積回路チップ１６を支持するとともにチッ
プ１６を基板６２上に設けられた導電部６４に電気的に
接続するための、はんだのような接続材料の表面張力を
利用している。
【００１８】すなわち、誘電体支持基板６２には、はん
だに濡れる複数の接続部６４が設けられている。これら
の接続部６４の直ぐ周囲の領域は、はんだに濡れない。 次に、はんだのコーティングが、大きさが限られた接続
部に行われる。次に、そこから延びるはんだコンタクト
を有する集積回路チップ１６が、あらかじめ選ばれたは
んだ接続部の上に載せられる。このはんだコンタクトに
は、チップを一時的に所定の場所に保持するために、は
んだ上にフラックスが塗られる。次に、基板６２とチッ
プ１６とは、はんだが溶融する温度に加熱される。接続
部に直ぐ隣接する領域がはんだに濡れないので、溶融し
たはんだは、ほぼボール状の形状に維持される。次に、
はんだ接続部は冷却されてはんだボール６６が形成され
る。従って、チップ１６は、はんだボール６６を介して
誘電体支持基板６２上の接続部６４に電気的に接続され
る。接続部６４は、基板６２で画成されるチャネルを通
る導体６８を介して入出力ピン２２に電気的に接続され
る。チップ１６からＴＥＣ２０への熱伝達を容易にする
ために、チップ１６とＴＥＣ２０との間には熱グリース
または軟らかい金属が設けられる。
【００１９】また、例えば、集積回路パッケージは、複
数の熱電冷却された集積回路チップを含んでよい。これ
らのチップは、単一の熱電冷却器または複数の熱電冷却
器によって冷却される。複数の熱電冷却器のそれぞれは
、複数の集積回路チップまたは各集積回路チップに対応
する。複数の熱電冷却器が用いられるときには、モジュ
ールキャビティ壁には、熱電冷却器のそれぞれに対して
金属の回路パターンが設けられる。
【発明の効果】集積回路パッケージモジュールが熱を散
逸する、熱電冷却集積回路パッケージが好適に得られる
ことが見出された。さらに、チップは集積回路パッケー
ジモジュール内に設けられているので、熱シャント及び
凝結が減少される。
【図面の簡単な説明】
【図１】内部にマウントされた熱電冷却器を含むこの発
明による集積回路パッケージの概略断面図である。
【図２】図１の集積回路パッケージの熱電冷却器の一部
分の概略拡大断面図である。
【図３】図２の集積回路パッケージの３−３線に沿って
の一部分である。
【図４】図２の集積回路パッケージの低温板の４−４線
に沿っての一部分である。
【図５】内部にマウントされた熱電冷却器を含むこの発
明による他の集積回路パッケージの概略断面図である。
【符号の説明】
１０　　集積回路パッケージ １２　　モジュール １４　　キャビティ １６　　集積回路チップ ２０　　熱電冷却器 ２８　　ヒートシンク ３６　　入出力ピン ３７　　入出力ピン ４０　　熱電冷却素子

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　キャビティを画成する複数の壁及び複
    数の入出力ピンを含む電気絶縁性のモジュールと、上記
    キャビティ内に設けられ、上記入出力ピンに電気的に接
    続された集積回路チップと、上記集積回路チップを冷却
    するように上記集積回路チップと上記キャビティの壁と
    の間に熱的に接続される熱電冷却器とを有する集積回路
    パッケージ。
  2. 【請求項２】　　上記熱電冷却器は、上記モジュールの
    方を向いた第１の端と上記集積回路チップの方を向いた
    第２の端とを有する複数の熱電冷却素子を含む請求項１
    の集積回路パッケージ。
  3. 【請求項３】　　上記モジュールは、上記熱電冷却器の
    高温側となるように上記複数の熱電冷却素子の交互の第
    １の端を電気的に接続する導体を含む請求項２の集積回
    路パッケージ。
  4. 【請求項４】　　上記集積回路チップと上記熱電冷却器
    との間に設けられ、上記集積回路チップから上記熱電冷
    却器に熱エネルギを伝導するように構成された低温板を
    さらに有し、上記低温板は、上記熱電冷却器の低温側と
    なるように上記熱電冷却素子の交互の第２の端を電気的
    に接続する導体を含む請求項２の集積回路パッケージ。
  5. 【請求項５】　　上記熱電冷却素子は半導体材料から構
    成されている請求項２の集積回路パッケージ。
  6. 【請求項６】　　上記熱電冷却素子は異なる型の複数の
    上記半導体材料から構成されている請求項５の集積回路
    パッケージ。
  7. 【請求項７】　　上記異なる型の複数の半導体材料はＰ
    型材料とＮ型材料とを含む請求項６の集積回路パッケー
    ジ。
  8. 【請求項８】　　上記Ｐ型材料と上記Ｎ型材料とは、交
    互に、電気的に直列に及び熱的に並列に配置されている
    請求項７の集積回路パッケージ。
  9. 【請求項９】　　上記モジュールの外壁に取り付けられ
    ているヒートシンクをさらに有する請求項１の集積回路
    パッケージ。
  10. 【請求項１０】　　上記入出力ピンは、ワイヤボンド接
    続によって上記集積回路チップに電気的に接続されてい
    る請求項１の集積回路パッケージ。
  11. 【請求項１１】　　上記入出力ピンは、コントロールド
    チップコラプス接続によって上記集積回路チップに電気
    的に接続されている請求項１の集積回路パッケージ。
  12. 【請求項１２】　　上記熱電冷却器は上記モジュール内
    に気密封止されている請求項１の集積回路パッケージ。
  13. 【請求項１３】　　上記モジュールは熱電冷却器導体の
    チャネルを画成し、上記熱電冷却器導体は上記熱電冷却
    器を上記入出力ピンに電気的に接続する請求項１の集積
    回路パッケージ。
  14. 【請求項１４】　　上記熱電冷却器導体の部分は上記モ
    ジュールのキャビティの壁に沿って設けられている請求
    項１３の集積回路パッケージ。
  15. 【請求項１５】　　上記熱電冷却器に熱的に接続された
    複数の集積回路チップをさらに有する請求項１の集積回
    路パッケージ。
  16. 【請求項１６】　　複数の集積回路チップと、上記複数
    の集積回路チップを冷却するように上記複数の集積回路
    チップと上記キャビティの壁との間に熱的に接続される
    複数の熱電冷却器とをさらに有する請求項１の集積回路
    パッケージ。
  17. 【請求項１７】　　上記複数の熱電冷却器は各集積回路
    チップに対応している請求項１６の集積回路パッケージ
    。
JP3042193A 1990-02-28 1991-02-15 熱電冷却器を有する集積回路パッケージ Pending JPH04216656A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US07/486,467 US5032897A (en) 1990-02-28 1990-02-28 Integrated thermoelectric cooling
US486467 1990-02-28

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH04216656A true JPH04216656A (ja) 1992-08-06

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ID=23932002

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP3042193A Pending JPH04216656A (ja) 1990-02-28 1991-02-15 熱電冷却器を有する集積回路パッケージ

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US (1) US5032897A (ja)
EP (1) EP0447020A1 (ja)
JP (1) JPH04216656A (ja)
BR (1) BR9100162A (ja)

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