JPH07130923A

JPH07130923A - 半導体装置の冷却構造

Info

Publication number: JPH07130923A
Application number: JP27344293A
Authority: JP
Inventors: Fumihiro Kimura; 文浩木村
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-11-01
Filing date: 1993-11-01
Publication date: 1995-05-19

Abstract

(57)【要約】【目的】発電構造を備えることで、冷却のための消費
電力を低減できる効率的な半導体装置の冷却を実現する
半導体装置の冷却構造を提供する。【構成】半導体パッケージ１０２内部に冷却媒体１０
４が注入された冷媒容器１０３を収容し、冷媒容器１０
３とパイプ１０５,１０７を介して接続される半導体パ
ッケージ外部のタービン１０６とで構成される発電構造
と、半導体パッケージ内部に収容された半導体装置１０
１の近傍に吸熱面１０９を備え、半導体パッケージ外部
に放熱面１１０を備えるペルチェ素子とを配設したこと
を特徴とする半導体装置の冷却構造である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置を冷却する
構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置を構成する素子を駆動させる
と微小ではあるが発熱する。しかし、その単位面積当た
りの発熱量は、非常に大きく、そのような素子を高密度
に集積した半導体装置全体においては、発熱を無視する
ことができなくなる。

【０００３】このような半導体装置の発熱を無視し、高
温で使用した場合、処理速度の低下、配線切れや、誤動
作などの信頼性の低下などが生じるため、前述したよう
な悪影響を解消するための冷却技術が提案されている。
例えば、コンピュータやオーディオ機器などで良く見ら
れるように、コンピュータなどの機器に取り付けられた
送風ファンにより冷却風を吹き込み、その冷却風によっ
て半導体装置の温度上昇を抑制するものがある。

【０００４】部分的に、積極的に冷却する半導体装置の
冷却構造として、半導体ハンドブック編纂委員著半導
体ハンドブックオーム社ｐｐ４６０−４６２に記され
るような、２種の異なる金属または半導体をオーミック
接続し、その両端に温度差を与えた場合、起電力を発生
し、逆に、電流を流した場合、接続部において熱を吸収
するような特徴を持つペルチェ素子を利用したものがあ
る。このペルチェ素子を利用したものとして、特開平３
−２０１５５２号公報に開示される技術のように、半導
体装置を収容したパッケージの内部にペルチェ素子を配
設し、ペルチェ素子にパッケージ外部の電力源から電流
を流し、パッケージ内の熱をペルチェ素子を介して、パ
ッケージ外部で放熱させ、半導体装置の温度上昇を抑制
するものがある。

【０００５】また、ペルチェ素子を利用した半導体装置
の冷却構造をもつ半導体モジュールは、ペルチェ素子の
放熱面での熱交換効率を向上させるために、前述したコ
ンピュータなどの機器に取り付けられた送風ファンと併
用されることが多い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のペルチェ素子な
どを利用した冷却構造では、半導体装置で発生した熱を
パッケージ外部へ放熱するために、外部からの電力の供
給を必要とした。

【０００７】本発明では、発電構造を備えることで、冷
却のための消費電力を低減できる効率的な半導体装置の
冷却を実現する半導体装置の冷却構造を提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の半導体装置の冷却構造は、半導体パッケージ
内部の半導体装置の熱を電気に変換する発電構造、また
は、外部装置の送風ファンの冷却風を電気に変換する発
電構造と、ペルチェ素子、または、小型送風ファンによ
る冷却構造とを配設する構成を有する。

【０００９】

【作用】本発明は、半導体パッケージに配設された発電
構造により得られた電流を冷却構造に流すことにより、
外部からの電力の供給なしに、半導体パッケージ内部の
熱を効率良く半導体パッケージ外部へ放熱することが出
来る。

【００１０】

【実施例】（実施例１）以下、本発明の実施例につい
て、図面を参照しながら説明する。

【００１１】図１は、本発明の一実施例を示す半導体装
置の冷却構造の概略構成図である。半導体装置１０１
は、半導体パッケージ１０２の内部に収容されており、
便宜上ここでは図示しないが、ワイヤやリードなどを介
して、外部の信号線や電源線などに接続されている。

【００１２】発電構造は、冷媒１０４が注入された冷媒
容器１０３と、吸気パイプ１０５と、発電装置１１１
と、発電装置１１１にシャフトを介して接続するタービ
ン１０６と、排気パイプ１０７によって構成される。ペ
ルチェ素子は、吸熱面１０９と、ワイヤ１０８と、放熱
面１１０によって構成される。冷媒１０４の沸点は、半
導体パッケージ１０２近傍の温度よりも充分低く、且
つ、半導体パッケージ１０２外部周辺温度よりも高いも
のを使用する。

【００１３】半導体装置１０１が発生した熱は、半導体
パッケージ１０２に伝えられ、半導体パッケージ１０２
の外部に接続された放熱フィン１１２を介して、冷媒容
器１０３に伝導する。伝えられた熱が冷媒１０４の沸点
よりも充分高い場合、冷媒１０４は、沸騰し気体にな
る。この時、半導体装置１０１の熱は、冷媒１０４の気
化熱として吸収される。

【００１４】そして、気体になった冷媒１０４は、吸気
パイプ１０５を通って、タービン１０６に吹き込まれ
る。吹き込まれた冷媒１０４の風圧によって、タービン
１０６内部の羽根が回転され、発電装置１１１のシャフ
トが回転し、電力を発生する。タービン１０６を回転さ
せた気体の冷媒１０４は、蛇行する排気パイプ１０７を
通る間に、充分に放熱し、再び、液体になる。液体にな
った冷媒１０４は、再び冷媒容器１０３に流れ込む。

【００１５】半導体パッケージ１０２近傍の温度が、冷
媒１０４の沸点よりも高い間、上記の工程が繰り返さ
れ、半導体装置１０１が、高温になればなるほど、発電
量は、増加する。

【００１６】前記発電構造で得られた電流を、ワイヤ１
０８を介して、半導体装置１０１裏面近傍に配置したペ
ルチェ素子の吸熱面１０９に流すと、ペルチェ素子の吸
熱面１０９は、半導体装置１０１の熱を吸収し、半導体
パッケージ１０２外部のペルチェ素子の放熱面１１０に
おいて放熱する。本実施例１では半導体装置１０１が、
高温になればなるほど、発電量は、増加するので、ペル
チェ素子に流れる電流も増加し、ペルチェ素子での吸熱
量も増加する。

【００１７】半導体装置１０１の熱は、冷媒１０４の気
化熱と、ペルチェ素子で吸熱されるため、冷却効率が向
上する。

【００１８】なお、発電装置、タービン、放熱フィン、
排気パイプの形状、ペルチェ素子の放熱面と吸熱面の位
置は任意である。また、本実施例１では、半導体モジュ
ールに対して、１つのタービンをもつ場合について説明
したが、発電効率に応じて、１つのタービンが、複数の
半導体モジュールに接続されるような構造にしてもよ
い。この場合、装置全体の面積を小さくすることが可能
となる。

【００１９】さらに、図２に示すように、出来る限り半
導体装置１０１から得られる熱を妨げるものを取り除く
ために、冷媒容器１０３を半導体パッケージ１０２の内
部に配設すれば、半導体装置１０１で発生した熱をもっ
とも効率良く冷媒装置１０３に伝えることが可能とな
り、前記発電構造から得られる電力は増加し、ペルチェ
素子に流れる電流量も増加するため、ペルチェ素子での
吸熱効率が向上するので、半導体装置の冷却効率をより
向上させることが可能となる。

【００２０】（実施例２）図３は、本発明の一実施例を
示す半導体装置の冷却構造の概略構成図である。ペルチ
ェ素子は、吸熱面２０３、ワイヤ２０４、放熱面２０５
によって構成され、小型送風ファンは、モータ２０６
と、羽根２０７によって構成さている。

【００２１】半導体装置２０１は、半導体パッケージ２
０２の内部に収容されており、便宜上ここでは図示しな
いが、ワイヤやリードなどを介して、外部の信号線や電
源線などに接続されている。

【００２２】ペルチェ素子の吸熱面２０３は、半導体装
置２０１の裏面近傍に設置され、ペルチェ素子の吸熱面
２０３は、ワイヤ２０４を介して、ペルチェ素子の放熱
面２０５、及び、送風ファンのモータ２０６に接続され
る。

【００２３】前記従来技術で記したような、コンピュー
タなどの機器に送風ファンを備えない機器内で本発明が
使用された場合、半導体装置２０１が発生した熱は、半
導体装置２０１の裏面近傍に設置されたペルチェ素子の
吸熱面２０３に伝導し、ペルチェ素子の放熱面２０５で
放熱される。この時、吸熱面２０３と放熱面２０５に温
度差が生じる。温度差が生じると、高温側で正孔が発生
し、低温側へ移動するために起電力が発生する。ここ
で、発生した電力を利用し、小型送風ファンのモータ２
０６に電流を流すと、羽根２０７が回転され、垂直方向
の風を発生する。

【００２４】小型送風ファンで発生した風は、ペルチェ
素子の放熱面２０５での熱交換効率を向上させる。さら
に、小型送風ファンで発生した風は、コンピュータなど
の機器の内部へ、機器の外部の冷たい空気が送り込ま
れ、熱溜りを防ぐことができ、半導体装置の温度上昇を
抑制することができる。

【００２５】（実施例３）実施例３では、実施例２と同
様、図３の半導体装置の冷却構造を用い、前記従来技術
に記したような、コンピュータなどの機器に送風ファン
を備える機器内で本発明が使用された場合について説明
する。

【００２６】本発明を上から見た、図４のように、Ａ方
向から、コンピュータなどの機器の送風ファンによって
冷却風が吹き込まれると、その風は、羽根２０７のフィ
ンに衝突し、その反動で羽根２０７を回転させると共
に、衝突した風の向きを垂直方向に変える。特開平３−
１４２８６１号公報で記されるように冷却風の向きを垂
直方向に変えることにより、冷却効率を向上させる。

【００２７】さらに、本発明では、コンピュータなどの
機器の送風ファンから吹き込まれる冷却風によって、羽
根２０７が回転し、小型送風ファンのモータ２０６の回
転軸が回転する。モータ２０６の回転軸を回転させる
と、モータ２０６内部のコイルと磁石の間に電磁誘導が
生じ、起電力が発生する。

【００２８】ここで発生した起電力を利用し、電流をワ
イヤ２０４を介して、ペルチェ素子に流す。ペルチェ素
子は、ペルチェ素子の吸熱面２０３において、半導体装
置２０１から発生した熱を吸収し、ペルチェ素子の放熱
面２０５において放熱する。

【００２９】また、ペルチェ素子の放熱面２０５は、小
型冷却ファンの羽根２０７の上部に設置されているの
で、羽根２０７によって垂直方向に向きを変えられた冷
却風により冷却されるため、ペルチェ素子の冷却効率が
さらに向上する。

【００３０】なお、ペルチェ素子の放熱面と吸熱面の位
置、及び、小型送風ファン固定台２０８の形状は、任意
である。また、放熱板を小型送風ファン固定台として使
用すれば、放熱効率を向上することができる。

【００３１】

【発明の効果】半導体装置の冷却構造に、発電構造を備
えることで、冷却装置の消費電力を低減し、かつ、半導
体装置の冷却効率を向上させることができる。

【００３２】また、ラップトップコンピュータなどで使
用すれば、電池やバッテリを長持ちさせることができ
る。発電によって得られた電力をバッテリに充電した場
合、さらに電池やバッテリを長持ちさせることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す半導体の冷却構造の概
略構成図

【図２】本発明の一実施例を示す半導体の冷却構造の概
略構成図

【図３】本発明の一実施例を示す半導体の冷却構造の概
略構成図

【図４】図３の半導体の冷却構造の上面図

【符号の説明】

１０１,２０１半導体装置１０２,２０２半導体パッケージ１０３冷媒容器１０４冷媒１０５吸気パイプ１０６タービン１０７排気パイプ１０８,２０４ワイヤ１０９,２０３ペルチェ素子の吸熱面１１０,２０５ペルチェ素子の放熱面１１１発電装置１１２放熱フィン２０６モータ２０７複数枚のフィンを持つ羽根２０８小型送風ファン固定台

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷却媒体が注入された冷媒容器とこの冷媒
容器とパイプを介して接続され、半導体パッケージ外部
のタービンとで構成される発電構造と、前記半導体パッケージ内部に収容された半導体装置と、前記半導体装置の近傍に吸熱面、前記半導体パッケージ
外部に放熱面を有するペルチェ素子とを備えた半導体装
置の冷却構造。
【請求項２】前記冷媒容器は半導体パッケージ内部に収
容されたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の
冷却構造。
【請求項３】半導体パッケージ内部に収容された半導体
装置と、前記半導体装置の近傍に吸熱面、前記半導体パッケージ
外部に放熱面を有するペルチェ素子と、前記パッケージ外部に、モータと放射状にひろがる複数
枚のフィンをもつ羽根とで構成される小型送風ファン
と、前記小型送風ファンを固定する台とを備えた半導体装置
の冷却構造。