JP2020161763A - Semiconductor device, electronic apparatus and movable body - Google Patents
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Abstract
【課題】熱交換素子と基板との熱抵抗が小さい半導体装置、ならびに、前記半導体装置を備える電子機器および移動体を提供すること。
【解決手段】互いに表裏の関係にある第1面および第2面を有する絶縁基板と、前記第1面上に設けられている複数の外部接続端子と、前記第2面上に設けられている複数の内部接続端子と、前記絶縁基板を貫通し、前記外部接続端子と前記内部接続端子とを電気的に接続する貫通配線と、を有する配線基板と、前記第2面上に設けられている半導体素子と、前記配線基板と前記半導体素子との間に設けられ、複数の熱電半導体素子を有する熱交換素子と、を備え、前記内部接続端子および前記熱交換素子は、ボンディングワイヤーまたは接合用金属を介して互いに電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device having a small thermal resistance between a heat exchange element and a substrate, and an electronic device and a moving body including the semiconductor device.
SOLUTION: An insulating substrate having a first surface and a second surface which are in a front-to-back relationship with each other, a plurality of external connection terminals provided on the first surface, and provided on the second surface. A wiring board having a plurality of internal connection terminals and a penetrating wiring that penetrates the insulating substrate and electrically connects the external connection terminal and the internal connection terminal is provided on the second surface. A semiconductor element and a heat exchange element provided between the wiring substrate and the semiconductor element and having a plurality of thermoelectric semiconductor elements are provided, and the internal connection terminal and the heat exchange element are a bonding wire or a metal for bonding. A semiconductor device characterized by being electrically connected to each other via a device.
[Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、半導体装置、電子機器および移動体に関するものである。 The present invention relates to semiconductor devices, electronic devices and mobile bodies.
半導体装置の高速化、高集積化により、半導体素子からの発熱量が増大している。その一方、半導体装置の構造は、従来のリードフレーム構造から、はんだボールのような突起電極を備えるエリアアレイパッケージ構造へと移行している。このため、半導体素子から発生した熱がこもり易くなり、半導体装置の性能低下等が生じるおそれがある。 The amount of heat generated from semiconductor elements is increasing due to the high speed and high integration of semiconductor devices. On the other hand, the structure of the semiconductor device has shifted from the conventional lead frame structure to the area array package structure provided with protruding electrodes such as solder balls. For this reason, the heat generated from the semiconductor element is likely to be trapped, and the performance of the semiconductor device may be deteriorated.
そこで、特許文献1には、複数の半導体素子に対して積層した状態で電子冷却素子を配置してなる積層型マルチチップ半導体装置が開示されている。具体的には、この積層型マルチチップ半導体装置は、インターポーザーとペルチェ素子と半導体素子とを備えている。このような半導体装置では、電子冷却素子により、半導体素子の熱をインターポーザー側へ効率よく放熱することができる。
Therefore,
しかしながら、特許文献1に記載の半導体装置では、ペルチェ素子とインターポーザーとの間が多数のバンプを介して接続されている。バンプとは、一般的に、突起状の端子のことをいう。このため、バンプを介して電子冷却素子とインターポーザーとの間が接続されている場合、バンプが放熱経路になるものの、その接続面積は電子冷却素子の面積に比べて非常に小さくなる。したがって、電子冷却素子とインターポーザーとの間の熱抵抗が大きくなり、放熱効率を十分に高めることができないという課題がある。
However, in the semiconductor device described in
本発明の適用例に係る半導体装置は、互いに表裏の関係にある第1面および第2面を有する絶縁基板と、前記第1面上に設けられている複数の外部接続端子と、前記第2面上に設けられている複数の内部接続端子と、前記絶縁基板を貫通し、前記外部接続端子と前記内部接続端子とを電気的に接続する貫通配線と、を有する配線基板と、
前記第2面側に設けられている半導体素子と、
前記配線基板と前記半導体素子との間に設けられ、複数の熱電半導体素子を有する熱交換素子と、
を備え、
前記内部接続端子および前記熱交換素子の電極は、ボンディングワイヤーまたは接合用金属を介して互いに電気的に接続されていることを特徴とする。
The semiconductor device according to the application example of the present invention includes an insulating substrate having a first surface and a second surface which are in a front-to-back relationship with each other, a plurality of external connection terminals provided on the first surface, and the second surface. A wiring board having a plurality of internal connection terminals provided on the surface, and a through wiring that penetrates the insulating substrate and electrically connects the external connection terminal and the internal connection terminal.
The semiconductor element provided on the second surface side and
A heat exchange element provided between the wiring board and the semiconductor element and having a plurality of thermoelectric semiconductor elements,
With
The internal connection terminal and the electrode of the heat exchange element are electrically connected to each other via a bonding wire or a bonding metal.
以下、本発明の半導体装置、電子機器および移動体を、添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, the semiconductor device, the electronic device, and the moving body of the present invention will be described in detail based on the preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
<第1実施形態>
まず、第1実施形態に係る半導体装置について説明する。
<First Embodiment>
First, the semiconductor device according to the first embodiment will be described.
図1は、第1実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。なお、図1では、互いに直交する3つの軸として、X軸、Y軸およびZ軸を図示している。そして、以下の説明では、説明の便宜上、Z軸プラス側を「上」、Z軸マイナス側を「下」として説明する。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the first embodiment. In FIG. 1, the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis are shown as three axes orthogonal to each other. In the following description, for convenience of explanation, the Z-axis plus side will be referred to as "upper" and the Z-axis minus side will be referred to as "lower".
ただし、以下の説明において「面上に設けられる」および「面側に設けられる」とは、それぞれ、図中においての上下を問わず、その面に接するように設けられている状態、または、その面に何らかの介在物を介して設けられている状態、のいずれかを指す。 However, in the following description, "provided on the surface" and "provided on the surface side" are the states in which they are provided so as to be in contact with the surface regardless of whether they are above or below in the drawing, or their It refers to any of the states provided on the surface via some inclusions.
図1に示す半導体装置1は、配線基板2と、半導体素子3と、熱交換素子4と、を備えている。そして、配線基板2上に熱交換素子4が配置され、その熱交換素子4上に半導体素子3が配置されている。また、半導体素子3および熱交換素子4は、モールド樹脂9で被覆されている。以下、各部について説明する。
The
配線基板2は、いわゆるエリアアレイパッケージ構造を有するインターポーザー基板である。具体的には、エリアアレイパッケージ構造には、例えばボールグリッドアレイ(BGA)構造、ランドグリッドアレイ(LGA)構造、ピングリッドアレイ(PGA)構造等の種類がある。図1では、一例として、ボールグリッドアレイ構造を採用する配線基板2について図示しているが、配線基板2は、他の構造を採用していてもよい。
The
図1に示す配線基板2は、互いに表裏の関係にある下面221(第1面)および上面222(第2面)を有する絶縁基板22と、下面221上に設けられている複数の外部接続端子24と、上面222上に設けられている複数の内部接続端子26と、絶縁基板22を貫通し、外部接続端子24と内部接続端子26とを電気的に接続する複数の貫通配線28と、を有する。
The
このうち、複数の内部接続端子26は、絶縁基板22の上面222において、熱交換素子4の周囲に配置されている第1内部接続端子261と、熱交換素子4と配線基板2との間に配置されている第2内部接続端子262と、を含んでいる。また、一部の第1内部接続端子261同士は、図示しない配線を介して電気的に接続されている。これにより、内部接続端子26同士のピッチと、外部接続端子24同士のピッチと、を異ならせることができ、配線基板2をインターポーザー基板として用いることができる。
Of these, the plurality of
一方、外部接続端子24は、絶縁基板22の下面221においてグリッド状に並んでいる。換言すれば、外部接続端子24は、例えばX軸方向およびY軸方向の双方において等間隔に並んでいる。そして、配線基板2は、各外部接続端子24に接合するはんだボール29を有する。このようなグリッドアレイ構造によれば、パッケージサイズの小型化を図りつつ、電気的接続の高密度化を図ることができる。
On the other hand, the
また、複数の外部接続端子24は、前述したようにグリッド状に並んでいるが、第1外部接続端子241と第2外部接続端子242とを含んでいる。このうち、第1外部接続端子241は、第1内部接続端子261と電気的に接続されている。また、第2外部接続端子242は、第2内部接続端子262と熱的に接続されている。このような電気的および熱的な接続は、複数の貫通配線28により実現されている。具体的には、前述した複数の貫通配線28は、第1貫通配線281と第2貫通配線282とを含んでいる。そして、第1外部接続端子241と第1内部接続端子261との間が、第1貫通配線281を介して電気的に接続されている。また、第2外部接続端子242と第2内部接続端子262との間が、サーマルスルーホールビアである第2貫通配線282を介して熱的に接続されている。
Further, the plurality of
なお、第2外部接続端子242は、前述した第2内部接続端子262のXY面内のほぼ同じ位置に設けられている。これにより、第2貫通配線282の配線長を短くすることができ、第2外部接続端子242と第2内部接続端子262との間の熱抵抗を小さくすることができる。
The second
また、第2外部接続端子242には、必要に応じて、二次実装に用いる基板のGNDプレーン、放熱用プレーン、放熱フィン等を接続するようにしてもよい。これにより、第2外部接続端子242における放熱効率をより高めることができる。
Further, the GND plane, the heat radiating plane, the heat radiating fins, and the like of the substrate used for the secondary mounting may be connected to the second
絶縁基板22としては、例えば、樹脂基板、セラミックス基板等が挙げられる。また、絶縁基板22は、内部に配線等が形成されている多層基板であってもよい。
Examples of the insulating
外部接続端子24、内部接続端子26および貫通配線28の構成材料としては、例えば、Ni、Au、Pd、Cu、Ag、Pt、Al、Ti、Mn、Mo、W等の金属単体またはこれらを含む合金等が挙げられる。
The constituent materials of the
はんだボール29は、各種はんだ、または各種ろう材を含むボールバンプである。はんだボール29は、半導体装置1を実装基板等に搭載する際に、実装基板との電気的および機械的接続を担う。
The
配線基板2上には、後述する熱交換素子4を介して半導体素子3が配置されている。
半導体素子3としては、例えば、IC(Integrated Circuit)、LSI(Large Scale Integrated circuit)等の集積回路素子が挙げられる。図1に示す半導体素子3は、素子本体31と、素子本体31の上面に設けられている電極32と、を有している。電極32と第1内部接続端子261との間が、ボンディングワイヤー52を介して電気的に接続されている。
A
Examples of the
配線基板2と半導体素子3との間には、熱交換素子4が配置されている。
熱交換素子4は、複数の熱電半導体素子42と、熱電半導体素子42の下方に設けられている第1支持基板44と、熱電半導体素子42の上方に設けられている第2支持基板46と、を有している。また、隣り合う熱電半導体素子42同士は、第1支持基板44の上面および第2支持基板46の下面にそれぞれ設けられた電極48を介して電気的に接続されている。さらに、第1支持基板44と第2支持基板46との間は、充填部49を介して充填されるとともに、電気的に絶縁されている。
A
The
本実施形態に係る熱電半導体素子42は、ペルチェ素子である。ペルチェ素子は、電気的特性の異なる熱電半導体素子42同士を直列に接続し、電流を流すことにより、接続部分に発熱または吸熱が発生する現象、いわゆるペルチェ効果を生じさせる素子である。この現象を利用して半導体素子3からの熱を吸収し、配線基板2側に放出することができる。また、逆に、配線基板2側の熱を半導体素子3に移動させることができる。これにより、半導体素子3の熱を効率よく移動させることができる。
The
具体的には、熱電半導体素子42は、n型熱電半導体素子42nとp型熱電半導体素子42pとを含んでいる。そして、n型熱電半導体素子42nとp型熱電半導体素子42pとが交互に並び、隣り合う素子同士が電極48を介して電気的に接続されている。
Specifically, the
また、第2支持基板46よりも外側に位置する電極48は、その上面が露出するように設けられている。そして、この電極48と第1内部接続端子261との間が、ボンディングワイヤー54を介して電気的に接続されている。
Further, the
第1支持基板44および第2支持基板46は、それぞれ、例えば、セラミックス基板とされる。また、電極48は、例えば、これらの基板上に成膜されている金属箔または金属めっき膜等とされる。
The
充填部49は、第1支持基板44と第2支持基板46との間を充填し、熱電半導体素子42同士を絶縁している。充填部49としては、例えば樹脂材料が用いられる。また、必要に応じて導電性フィラー等が添加されていてもよい。なお、充填部49は、省略されてもよい。
The filling
配線基板2と熱交換素子4との間は、接着層62を介して接着されている。これにより、配線基板2と熱交換素子4とが機械的に固定されているとともに、絶縁されている。
The
また、熱交換素子4と半導体素子3との間は、接着層64を介して接着されている。これにより、熱交換素子4と半導体素子3とが機械的に固定されているとともに、絶縁されている。
Further, the
接着層62、64の構成材料としては、例えば、エポキシ系接着剤、シリコーン系接着剤、ウレタン系接着剤、アクリル系接着剤等が挙げられる。また、接着層62には、必要に応じて、熱伝導性フィラー等の添加物が添加されていてもよい。
Examples of the constituent materials of the
以上のように、本実施形態に係る半導体装置1は、互いに表裏の関係にある下面221(第1面)および上面222(第2面)を有する絶縁基板22と、下面221上に設けられている複数の外部接続端子24と、上面222上に設けられている複数の内部接続端子26と、絶縁基板22を貫通し、外部接続端子24と内部接続端子26とを電気的に接続する貫通配線28と、を有する配線基板2と、上面222側に設けられている半導体素子3と、配線基板2と半導体素子3との間に設けられ、複数の熱電半導体素子42を有する熱交換素子4と、を備えている。そして、熱交換素子4の電極48および内部接続端子26は、ボンディングワイヤー54を介して互いに電気的に接続されている。
As described above, the
このような構成によれば、ボンディングワイヤー54を介して熱交換素子4と配線基板2とを接続しているため、従来のようなバンプを介することなく、熱交換素子4と配線基板2とを電気的に接続することができる。このため、熱交換素子4と配線基板2との距離を小さくすることができる。これにより、接着層62の厚さは、絶縁性を確保できる最小限の厚さで済む。したがって、熱交換素子4と配線基板2との間の熱抵抗を小さくすることが可能になる。
According to such a configuration, since the
つまり、従来のようなバンプを介する接続の場合、そのバンプを介して熱が伝達されることから、熱伝達経路の面積が小さくなり、かつ、経路長も長くなるという問題があった。これに対し、ボンディングワイヤー54を用いることにより、バンプが不要になるため、上述した接着層62の厚さ、すなわち熱伝達経路の経路長を短くすることができ、熱抵抗の低減を図ることができる。その結果、半導体素子3から熱交換素子4に移動した熱を、接着層62を介して配線基板2側に効率よく排熱することができる。
That is, in the case of connection via bumps as in the conventional case, since heat is transferred through the bumps, there is a problem that the area of the heat transfer path becomes small and the path length becomes long. On the other hand, since the
その結果、半導体装置1では、熱交換素子4による半導体素子3の温度制御のレスポンスが速くなり、より高精度の温度制御が可能になる。このため、温度変化に伴う性能低下が特に少なく、信頼性の高い半導体装置1を実現することができる。また、温度制御に必要な熱交換素子4の消費電力を低減させることができるので、半導体装置1の消費電力の削減を図ることができる。
As a result, in the
接着層62、64の厚さは、それぞれ500μm以下であるのが好ましく、300μm以下であるのがより好ましく、50μm以上200μm以下であるのがさらに好ましい。接着層62、64の厚さを前記範囲内に設定することにより、接着層62、64の厚さ方向における熱抵抗を抑えつつ、十分な絶縁性を確保することができる。
The thickness of the
また、ボンディングワイヤー54によれば、配線基板2から離れた位置に配線を敷設することができるので、配線基板2の第1内部接続端子261のうち、いずれに対してボンディングワイヤー54を接続するかについて、選択の自由度を高めることができる。つまり、熱交換素子4と接続するための第1内部接続端子261を、熱交換素子4の直下に配置するという制約をなくすことができる。これにより、半導体素子3と接続するための第1内部接続端子261を、より最適な位置に配置することができるので、半導体装置1の特性を高めやすくなる。
Further, according to the
さらに、熱交換素子4の上面に露出した電極48にボンディングワイヤー54を接続することから、電極48の面積を十分に広くすることができる。したがって、ボンディングワイヤー54の多少の位置ずれが許容されることになる。換言すれば、配線基板2に対する熱交換素子4の配置精度を高める必要がないことから、配置作業を容易にすることができる。したがって、半導体装置1は、より製造しやすいものとなる。
Further, since the
また、本実施形態では、半導体素子3の電極32および第1内部接続端子261が、ボンディングワイヤー52を介して互いに電気的に接続されている。また、ボンディングワイヤー52が接続されている第1内部接続端子261、および、前述したボンディングワイヤー54が接続されている第1内部接続端子261は、それぞれ複数あり、そのうちの一部同士が図示しない配線を介して電気的に接続されている。したがって、半導体素子3の電極32および熱交換素子4の電極48は、ボンディングワイヤー52、54を介して電気的に接続されていることになる。
Further, in the present embodiment, the
このような構成によれば、半導体素子3に係る電気的接続と、熱交換素子4に係る電気的接続とを、1回のボンディング作業で行うことができる。また、従来のようなバンプを設けるための工程や、バンプと内部接続端子26とを電気的に接続するための工程が不要になる。このため、作業効率が高くなり、低コスト化を図りやすくなる。
According to such a configuration, the electrical connection related to the
また、本実施形態に係る内部接続端子26は、前述したように、絶縁基板22の上面222(第2面)をZ軸方向マイナス側に平面視したときに熱交換素子4と重ならない位置に設けられている第1内部接続端子261と、熱交換素子4と重なる位置に設けられている第2内部接続端子262と、を含んでいる。
Further, as described above, the
したがって、第1内部接続端子261には、ボンディングワイヤー52、54の接続が可能になる。一方、第2内部接続端子262は、接着層62を介して熱交換素子4に近接することになる。このため、熱交換素子4から排出された熱は、第2内部接続端子262、およびそれに接続された第2貫通配線282および第2外部接続端子242を介して半導体装置1の外部に移動することができる。したがって、第2内部接続端子262が設けられていることにより、配線基板2における厚さ方向の熱抵抗を低下させ、排熱の効率を高めることができる。
Therefore, the
さらに、図1に示す配線基板2は、第2内部接続端子262と外部接続端子24とを接続する第2貫通配線282を有している。このような第2貫通配線282を設けることにより、第2外部接続端子242と第2内部接続端子262との間の熱抵抗を特に低下させることができる。
Further, the
特に、第2貫通配線282は、第2内部接続端子262の直下に設けられているのが好ましい。直下とは、絶縁基板22の上面222をZ軸方向マイナス側に平面視したとき、第2貫通配線282が第2内部接続端子262の外縁よりも内側に位置している状態のことをいう。このような第2貫通配線282を設けることにより、第2外部接続端子242と第2内部接続端子262との間の熱抵抗をさらに低下させることができる。
In particular, it is preferable that the second through
また、第2貫通配線282の横断面積、すなわちXY面で切断されたときの断面積は、前述した第1内部接続端子261と第1外部接続端子241とを接続する第1貫通配線281の横断面積よりも大きくてもよい。これにより、さらに熱抵抗を低下させることができる。
Further, the cross-sectional area of the second through
ここで、熱交換素子4は、前述したように、直列に接続されているn型熱電半導体素子42nとp型熱電半導体素子42pとを備えている。そして、図1に示す熱交換素子4では、p型熱電半導体素子42pに接続されている電極482の方から直流電流を流すと、第2支持基板46側が吸熱側となり、半導体素子3からの熱を吸収し、第1支持基板44側へと移動させることができる。一方、その反対に、n型熱電半導体素子42nに接続されている電極481の方から直流電流を流すと、第2支持基板46側が放熱側となるため、半導体素子3を加熱することができる。
Here, as described above, the
このような熱交換素子4の作動は、半導体装置1の外部から制御されてもよいが、半導体素子3によって制御されてもよい。
The operation of such a
図2は、図1に示す半導体素子3が備える機能を示すブロック図である。半導体素子3は、内部の機能として、温度センサー部33、温度制御部34、およびスイッチング部36を含む電流制御回路30を有している。以下、電流制御回路30の各部について詳述する。また、図3は、図2に示すスイッチング部の構成を示す回路図である。
FIG. 2 is a block diagram showing a function included in the
温度センサー部33は、半導体素子3自体の温度を直接測定する。このため、測定誤差が少なく、タイムラグも少ない検出結果を出力することができる。
The
温度制御部34は、温度センサー部33から出力された温度検出結果に基づき、スイッチング部36の作動を制御する。温度制御部34は、熱交換素子4の作動のオン・オフを制御するイネーブル信号を出力するイネーブル端子342と、熱交換素子4に対する電流のオン・オフを制御する電流制御信号を出力する電流制御端子344と、を有している。イネーブル信号および電流制御信号は、0または1のいずれかの電位をとる。
The
スイッチング部36は、第1制御素子361と、第2制御素子362と、を含んでいる。第1制御素子361および第2制御素子362は、それぞれp型MOSトランジスター361p、362pおよびn型MOSトランジスター361n、362nを含んでいる。そして、p型MOSトランジスター361p、362pの各ソース電極には、電源ラインの途中に設けられたp型MOSトランジスター363pを介して電源電位VDDを与えられている。p型MOSトランジスター363pのゲート電極は、前述したイネーブル端子342と接続されている。一方、n型MOSトランジスター361n、362nの各ソース電極には、基準電位GNDが与えられている。
The switching
また、第1制御素子361の出力端3612は、熱交換素子4のp型熱電半導体素子42pの電極482と接続されている。さらに、第2制御素子362の出力端3622は、熱交換素子4のn型熱電半導体素子42nの電極481と接続されている。
Further, the
一方、第1制御素子361の入力端3611は、前述した電流制御端子344と接続されている。また、第2制御素子362の入力端3621は、NOTゲート364を介して電流制御端子344と接続されている。
On the other hand, the input end 3611 of the
次に、スイッチング部36の作動について説明する。
図4は、図3に示すスイッチング部におけるイネーブル信号ENおよび電流制御信号CNTと、熱交換素子4への通電状態と、の関係を表す表である。図5は、図1に示す熱交換素子4の作動を制御するフローチャートの一例である。図6は、図5に示すフローによって制御される熱交換素子4の制御パターンの一例を説明するための図である。
Next, the operation of the switching
FIG. 4 is a table showing the relationship between the enable signal EN and the current control signal CNT in the switching unit shown in FIG. 3 and the energized state of the
図4に示すように、イネーブル信号ENが1であり、電流制御信号CNTが0または1である場合、熱交換素子4には通電されないため、熱交換素子4は作動しない。
As shown in FIG. 4, when the enable signal EN is 1 and the current control signal CNT is 0 or 1, the
一方、イネーブル信号ENが0であり、電流制御信号CNTが0である場合、第1制御素子361のp型MOSトランジスター361pにおいて電源電位VDDが選択されるため、電極482には電源電位VDDが与えられ、第2制御素子362のn型MOSトランジスター362nにおいて基準電位GNDが選択されるため、電極481には基準電位GNDが与えられる。このため、熱交換素子4は半導体素子3を加熱する方向に通電される。
On the other hand, when the enable signal EN is 0 and the current control signal CNT is 0, the power supply potential VDD is selected in the p-
また、イネーブル信号ENが0であり、電流制御信号CNTが1である場合、第1制御素子361のn型MOSトランジスター361nにおいて基準電位GNDが選択されるため、電極482には基準電位GNDが与えられ、第2制御素子362のp型MOSトランジスター362pにおいて電源電位VDDが選択されるため、電極481には電源電位VDDが与えられる。このため、熱交換素子4は半導体素子3を冷却する方向に通電される。
Further, when the enable signal EN is 0 and the current control signal CNT is 1, the reference potential GND is selected in the n-
次に、図5に示す制御フローについて説明する。
まず、図5のステップS01において半導体装置1の電源がONになり、ステップS02において半導体素子3が作動すると、ステップS03において温度センサー部33により半導体素子3の温度を検出する。また、図6の時刻t1以降に示すように、温度センサー部33によって検出される半導体素子3の温度は、徐々に上昇する。そして、ステップS04において、半導体素子3の温度が温度制御範囲Tより高いか低いかを温度制御部34により判断する。
Next, the control flow shown in FIG. 5 will be described.
First, when the power of the
時刻t2では、半導体素子3の温度が温度制御範囲Tより高くなっていることから、イネーブル信号ENを1から0に変更するとともに、電流制御信号CNTとして1を選択する。これにより、ステップS05として熱交換素子4が半導体素子3の熱を吸収する方向、つまり冷却方向に通電されるため、半導体素子3の温度が低下する。一方、図示しないものの、半導体素子3の温度が温度制御範囲Tより低くなっている場合には、電流制御信号CNTとして0を選択すればよい。これにより、ステップS06として熱交換素子4が半導体素子3を加熱する方向に通電されるため、半導体素子3の温度が上昇する。
At time t2, since the temperature of the
その後、ステップS07において、半導体素子3の作動が停止しているか否かを判断し、停止している場合には、ステップS08として電源をオフにし、停止していない場合には、再びステップS03に戻ることになる。
After that, in step S07, it is determined whether or not the operation of the
図6では、時刻t2以降、ステップS03において半導体素子3の温度低下を検出し、図6に示す温度制御範囲Tより下回った時刻t3において、ステップS04における温度制御部34の判断に基づき、電流制御信号CNTとして0を選択する。これにより、ステップS06において熱交換素子4が半導体素子3を加熱する方向に通電されるため、半導体素子3の温度が上昇する。その後、半導体素子3の温度が温度制御範囲Tより上回った時刻t4において、再び、電流制御信号CNTとして1を選択する。これにより、再び半導体素子3の温度が低下する。時刻t5以降は、時刻t3および時刻t4の場合と同様に制御される。以上のようにして、半導体素子3の温度を図6に示す温度制御範囲Tに収まるように制御することができる。
In FIG. 6, after the time t2, the temperature drop of the
以上のような制御によれば、半導体素子3に熱がこもるのを抑制し、熱による性能低下が発生しにくくなる。それに加え、半導体素子3の温度を温度制御範囲Tに収まるように制御することができるので、半導体素子3の特性に温度依存性がある場合でも、特性変化を最小限に抑えることができる。その結果、より信頼性の高い半導体装置1を実現することができる。
According to the above control, heat is suppressed from being trapped in the
以上のように、本実施形態に係る半導体素子3は、熱交換素子4に流す電流を制御する電流制御回路30を有している。これにより、半導体素子3が自らの温度を制御することができる。このため、外部の電流制御回路に頼ることなく、半導体素子3の温度が変化した場合でも性能変化が少なく、信頼性の高い半導体装置1を実現することができる。
As described above, the
<変形例>
次に、第1実施形態の変形例に係る半導体装置について説明する。
図7は、第1実施形態の変形例に係る半導体装置を示す断面図である。
<Modification example>
Next, the semiconductor device according to the modified example of the first embodiment will be described.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a modified example of the first embodiment.
以下、変形例について説明するが、以下の説明では、第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図7において、第1実施形態と同様の構成については、前述した各図と同一の符号を付している。 Hereinafter, a modified example will be described, but in the following description, the differences from the first embodiment will be mainly described, and the description of the same matters will be omitted. Note that, in FIG. 7, the same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals as those in the above-described drawings.
本変形例は、第2内部接続端子262同士が連結されている以外、第1実施形態と同様である。すなわち、図7に示す半導体装置1は、熱交換素子4と重なる位置に設けられている複数の第2内部接続端子262を含んでいる。そして、第2内部接続端子262同士が連結され、1つの大きな端子を構成している。すなわち、複数の第2内部接続端子262のうちの少なくとも2つが、一体に配設されている。このような構成によれば、第2内部接続端子262と熱交換素子4との間の熱的な接触抵抗をより小さく抑えることができる。これにより、熱交換素子4と配線基板2との間の熱抵抗をさらに低減することができる。
以上のような変形例においても、第1実施形態と同様の効果が得られる。
This modification is the same as that of the first embodiment except that the second
Even in the above-described modification, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
<第2実施形態>
次に、第2実施形態に係る半導体装置について説明する。
図8は、第2実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
<Second Embodiment>
Next, the semiconductor device according to the second embodiment will be described.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the semiconductor device according to the second embodiment.
以下、第2実施形態について説明するが、以下の説明では、第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図8において、第1実施形態と同様の構成については、前述した各図と同一の符号を付している。 Hereinafter, the second embodiment will be described, but in the following description, the differences from the first embodiment will be mainly described, and the same matters will be omitted. In FIG. 8, the same configurations as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals as those in the above-described drawings.
前述した第1実施形態では、ボンディングワイヤー54を介して熱交換素子4と配線基板2とが電気的に接続されているのに対し、本実施形態では、接合用金属56を介して熱交換素子4と配線基板2とが電気的に接続されている。
In the above-described first embodiment, the
具体的には、図1に示す熱交換素子4では、その上面において電極481、482が露出しているのに対し、図8に示す熱交換素子4では、その下面側において電極481、482が露出している。
Specifically, in the
そして、電極481と第2内部接続端子262とが接合用金属56を介して電気的に接続されている。同様に、電極482と第2内部接続端子262とが接合用金属56を介して電気的に接続されている。
Then, the
以上のように、本実施形態に係る半導体装置1は、互いに表裏の関係にある下面221(第1面)および上面222(第2面)を有する絶縁基板22と、下面221上に設けられている複数の外部接続端子24と、上面222上に設けられている複数の内部接続端子26と、絶縁基板22を貫通し、外部接続端子24と内部接続端子26とを電気的に接続する貫通配線28と、を有する配線基板2と、上面222側に設けられている半導体素子3と、配線基板2と半導体素子3との間に設けられ、複数の熱電半導体素子42を有する熱交換素子4と、を備えている。そして、熱交換素子4の電極48および内部接続端子26は、接合用金属56を介して互いに電気的に接続されている。
As described above, the
このような構成によれば、接合用金属56を介して熱交換素子4と配線基板2とを接続しているため、従来のようなバンプを介することなく、熱交換素子4と配線基板2とを電気的に接続することができる。このため、熱交換素子4と配線基板2との距離を小さくすることができる。これにより、接着層62の厚さは、絶縁性を確保できる最小限の厚さで済む。したがって、熱交換素子4と配線基板2との間の熱抵抗を小さくすることが可能になる。
According to such a configuration, since the
接合用金属56としては、例えば、はんだ、ろう材、Au、Ag、Cu、Au−Pd、Ag−Pd等を含む金属ペースト等が挙げられるが、特にはんだが好ましく用いられる。はんだによれば、比較的低温で接合することができ、かつ、接触抵抗も比較的低くすることができる。
以上のような第2実施形態においても、第1実施形態と同様の効果が得られる。
Examples of the
In the second embodiment as described above, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
<第3実施形態>
次に、第3実施形態に係る半導体装置について説明する。
図9は、第3実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
<Third Embodiment>
Next, the semiconductor device according to the third embodiment will be described.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing the semiconductor device according to the third embodiment.
以下、第3実施形態について説明するが、以下の説明では、第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図9において、第1実施形態と同様の構成については、前述した各図と同一の符号を付している。 Hereinafter, the third embodiment will be described, but in the following description, the differences from the first embodiment will be mainly described, and the same matters will be omitted. In FIG. 9, the same configurations as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals as those in the above-described drawings.
前述した第1実施形態では、熱交換素子4がペルチェ素子であるのに対し、本実施形態では、図9に示す熱交換素子4Aがゼーベック素子である。ゼーベック素子は、電気特性の異なる熱電半導体素子42同士を直列に接続し、温度差に曝すことにより、電位差が発生する現象、いわゆるゼーベック効果を生じさせる素子である。この現象を利用し、半導体素子3側を高温側、配線基板2側を低温側として、この温度差を利用した発電を行うとともに、熱を移動させることができる。また、逆に、配線基板2側を高温側、半導体素子3側を低温側として、この温度差を利用した発電を行うとともに、熱を移動させることができる。これにより、半導体素子3の温度制御が可能になる。
In the first embodiment described above, the
また、ゼーベック素子では、温度差から電気エネルギーを発生させることができるので、本実施形態に係る半導体装置1では、発生させた電気エネルギーを半導体素子3の電源ラインに供給することができるように配線されていてもよい。これにより、半導体装置1の消費電力を削減することができる。
以上のような第3実施形態においても、第1実施形態と同様の効果が得られる。
Further, since the Seebeck element can generate electric energy from the temperature difference, the
Also in the third embodiment as described above, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
<電子機器>
図10は、実施形態に係る電子機器であるモバイル型のパーソナルコンピューターを示す斜視図である。
<Electronic equipment>
FIG. 10 is a perspective view showing a mobile personal computer which is an electronic device according to an embodiment.
図10において、パーソナルコンピューター1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、表示部1108を備えた表示ユニット1106とにより構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。このようなパーソナルコンピューター1100には、その作動を制御するための半導体装置1が内蔵されている。
In FIG. 10, the
図11は、実施形態に係る電子機器である携帯電話機を示す平面図である。
図11において、携帯電話機1200は、図示しないアンテナ、複数の操作ボタン1202、受話口1204および送話口1206を備え、操作ボタン1202と受話口1204との間には、表示部1208が配置されている。このような携帯電話機1200には、その作動を制御するための半導体装置1が内蔵されている。
FIG. 11 is a plan view showing a mobile phone which is an electronic device according to the embodiment.
In FIG. 11, the
図12は、実施形態に係る電子機器であるデジタルスチールカメラを示す斜視図である。 FIG. 12 is a perspective view showing a digital still camera which is an electronic device according to an embodiment.
図12において、デジタルスチールカメラ1300におけるケース1302の背面には表示部1310が設けられ、CCDによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部1310は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース1302の正面側、すなわち図中裏面側には、光学レンズのような撮像光学系やCCDなどを含む受光ユニット1304が設けられている。そして、撮影者が表示部1310に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン1306を押すと、その時点におけるCCDの撮像信号が、メモリー1308に転送・格納される。このようなデジタルスチールカメラ1300には、その作動を制御するための半導体装置1が内蔵されている。
In FIG. 12, a
以上のような電子機器は、半導体装置1を備える。半導体装置1は、温度変化に伴う性能低下が抑制された信頼性の高いものであることから、電子機器の信頼性を向上させることができる。
The electronic device as described above includes the
なお、半導体装置1を備える電子機器は、図9のパーソナルコンピューター、図11の携帯電話機、図12のデジタルスチールカメラの他、例えば、スマートフォン、タブレット端末、スマートウォッチを含む時計、インクジェット式吐出装置、例えばインクジェットプリンター、HMD(ヘッドマウントディスプレイ)等のウェアラブル端末、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、通信機能を含む電子手帳、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、POS端末、電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡のような医療機器、魚群探知機、各種測定機器、車両、航空機、船舶のような計器類、携帯端末用の基地局、フライトシミュレーター等であってもよい。
The electronic device including the
<移動体>
図13は、実施形態に係る移動体である自動車を示す斜視図である。
図13に示す自動車1500には、前述した半導体装置1が内蔵されている。半導体装置1は、例えば、キーレスエントリー、イモビライザー、カーナビゲーションシステム、カーエアコン、アンチロックブレーキシステム(ABS)、エアバック、タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム(TPMS:Tire Pressure Monitoring System)、エンジンコントロール、ブレーキシステム、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター、車体姿勢制御システム、等の電子制御ユニット(ECU:electronic control unit)に広く適用できる。
<Moving body>
FIG. 13 is a perspective view showing an automobile which is a moving body according to the embodiment.
The above-mentioned
以上のような移動体は、半導体装置1を備える。半導体装置1は、温度変化に伴う性能低下が抑制された信頼性の高いものであることから、移動体の信頼性を向上させることができる。
The moving body as described above includes the
なお、半導体装置1を備える移動体は、図13に示す自動車の他、例えばロボット、ドローン、二輪車、航空機、船舶、電車、ロケット、宇宙船等であってもよい。
The moving body including the
以上、本発明の半導体装置、電子機器および移動体を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。 Although the semiconductor device, the electronic device, and the moving body of the present invention have been described above based on the illustrated embodiment, the present invention is not limited to this, and the configuration of each part is arbitrary having the same function. It can be replaced with the one of the configuration. Further, any other constituents may be added to the present invention.
1…半導体装置、2…配線基板、3…半導体素子、4…熱交換素子、4A…熱交換素子、9…モールド樹脂、22…絶縁基板、24…外部接続端子、26…内部接続端子、28…貫通配線、29…はんだボール、30…電流制御回路、31…素子本体、32…電極、33…温度センサー部、34…温度制御部、36…スイッチング部、42…熱電半導体素子、42n…n型熱電半導体素子、42p…p型熱電半導体素子、44…第1支持基板、46…第2支持基板、48…電極、49…充填部、52…ボンディングワイヤー、54…ボンディングワイヤー、56…接合用金属、62…接着層、64…接着層、221…下面、222…上面、241…第1外部接続端子、242…第2外部接続端子、261…第1内部接続端子、262…第2内部接続端子、281…第1貫通配線、282…第2貫通配線、342…イネーブル端子、344…電流制御端子、361…第1制御素子、361n…n型MOSトランジスター、361p…p型MOSトランジスター、362…第2制御素子、362n…n型MOSトランジスター、362p…p型MOSトランジスター、363p…p型MOSトランジスター、364…NOTゲート、481…電極、482…電極、1100…パーソナルコンピューター、1102…キーボード、1104…本体部、1106…表示ユニット、1108…表示部、1200…携帯電話機、1202…操作ボタン、1204…受話口、1206…送話口、1208…表示部、1300…デジタルスチールカメラ、1302…ケース、1304…受光ユニット、1306…シャッターボタン、1308…メモリー、1310…表示部、1500…自動車、3611…入力端、3612…出力端、3621…入力端、3622…出力端、CNT…電流制御信号、EN…イネーブル信号、GND…基準電位、T…温度制御範囲、VDD…電源電位 1 ... Semiconductor device, 2 ... Wiring substrate, 3 ... Semiconductor element, 4 ... Heat exchange element, 4A ... Heat exchange element, 9 ... Mold resin, 22 ... Insulation substrate, 24 ... External connection terminal, 26 ... Internal connection terminal, 28 ... through wiring, 29 ... solder ball, 30 ... current control circuit, 31 ... element body, 32 ... electrode, 33 ... temperature sensor unit, 34 ... temperature control unit, 36 ... switching unit, 42 ... thermoelectric semiconductor element, 42n ... n Type thermoelectric semiconductor element, 42p ... p type thermoelectric semiconductor element, 44 ... 1st support substrate, 46 ... 2nd support substrate, 48 ... electrode, 49 ... filling part, 52 ... bonding wire, 54 ... bonding wire, 56 ... for bonding Metal, 62 ... Adhesive layer, 64 ... Adhesive layer, 221 ... Bottom surface, 222 ... Top surface, 241 ... First external connection terminal, 242 ... Second external connection terminal, 261 ... First internal connection terminal, 262 ... Second internal connection Terminal, 281 ... 1st through wiring, 282 ... 2nd through wiring, 342 ... Enable terminal, 344 ... Current control terminal, 361 ... 1st control element, 361n ... n-type MOS transistor, 361p ... p-type MOS transistor, 362 ... Second control element, 362n ... n-type MOS transistor, 362p ... p-type MOS transistor, 363p ... p-type MOS transistor, 364 ... NOT gate, 481 ... electrode, 482 ... electrode, 1100 ... personal computer, 1102 ... keyboard, 1104 ... Main body, 1106 ... Display unit, 1108 ... Display, 1200 ... Mobile phone, 1202 ... Operation button, 1204 ... Earpiece, 1206 ... Mouthpiece, 1208 ... Display, 1300 ... Digital steel camera, 1302 ... Case, 1304 ... Light receiving unit, 1306 ... Shutter button, 1308 ... Memory, 1310 ... Display unit, 1500 ... Automobile, 3611 ... Input end, 3612 ... Output end, 3621 ... Input end, 3622 ... Output end, CNT ... Current control signal, EN ... Enable signal, GND ... Reference potential, T ... Temperature control range, VDD ... Power supply potential
Claims (10)
前記第2面側に設けられている半導体素子と、
前記配線基板と前記半導体素子との間に設けられ、複数の熱電半導体素子を有する熱交換素子と、
を備え、
前記内部接続端子および前記熱交換素子の電極は、ボンディングワイヤーまたは接合用金属を介して互いに電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。 An insulating substrate having a first surface and a second surface that are in a front-to-back relationship with each other, a plurality of external connection terminals provided on the first surface, and a plurality of internal connections provided on the second surface. A wiring board having a terminal and a through wiring that penetrates the insulating substrate and electrically connects the external connection terminal and the internal connection terminal.
The semiconductor element provided on the second surface side and
A heat exchange element provided between the wiring board and the semiconductor element and having a plurality of thermoelectric semiconductor elements,
With
A semiconductor device characterized in that the internal connection terminals and the electrodes of the heat exchange element are electrically connected to each other via a bonding wire or a metal for bonding.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2019062585A JP2020161763A (en) | 2019-03-28 | 2019-03-28 | Semiconductor device, electronic apparatus and movable body |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20230005813A1 (en) * | 2019-12-19 | 2023-01-05 | Sony Semiconductor Solutions Corporation | Semiconductor apparatus |
WO2023112691A1 (en) * | 2021-12-15 | 2023-06-22 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Semiconductor device |
WO2023243402A1 (en) * | 2022-06-15 | 2023-12-21 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Semiconductor device and electronic appliance |
-
2019
- 2019-03-28 JP JP2019062585A patent/JP2020161763A/en active Pending
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