JP2004165677A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 簡単な構造で且つ、半導体素子チップの高い冷却効率を実現した半導体装置を提供する。
【解決手段】 リードフレーム１上に熱伝導性の高い絶縁膜３が形成され、この絶縁膜３上にペルチェ効果素子５が形成され、このペルチェ効果素子５の上に更に熱伝導性の高い絶縁膜４が形成されて、この上にＬＳＩチップ６が搭載される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、半導体装置に係り、特に高集積化ＬＳＩでの冷却方式の改良に関する。
ＬＳＩの高集積化に伴い、ＬＳＩチップの発熱による性能低下や寿命低下が問題になっている。従来より一般に、半導体装置の冷却には、パッケージ外部に放熱器を取り付けることが行われている。しかし、パッケージ外部に放熱器を取り付ける方法では、装置が大型になり、またチップ自体の放熱効果、即ちチップの発熱をパッケージ外部まで放散させる効果は充分ではない。
半導体装置の冷却手段として、熱電素子を用いることも提案されている。例えば、特開平２−１４３５４８号公報には、半導体素子チップを封入した樹脂パッケージの表面にペルチェ効果特性を有する熱電冷却部材を載置する構造が開示されている。しかしこれは、半導体装置の基板への実装時の温度上昇によるパッケージのクラック等を防止することを主眼としている。半導体素子チップ自体の発する熱はパッケージを通して熱電素子で冷却されるため、半導体素子チップの冷却効率は高くない。
この発明は、上記事情を考慮してなされたもので、簡単な構造で且つ、半導体素子チップの高い冷却効率を実現した半導体装置を提供することを目的としている。
この発明に係る半導体装置は、リードフレーム上に薄膜からなる絶縁膜が形成され、この絶縁膜上にペルチェ効果素子を介して半導体素子チップが搭載されていることを特徴とする半導体装置であって、前記ペルチェ効果素子は、前記絶縁膜上にパターン形成された下部電極と、前記下部電極上に形成され選択エッチングにより設けられた前記下部電極に達する孔を有する電極間絶縁膜と、前記孔にのみ残された熱電半導体材料膜と、前記電極間絶縁膜及び前記熱電半導体材料膜上にパターン形成された上部電極とを備えたことを特徴とする。
この発明によると、ペルチェ効果素子が半導体素子チップに密着する状態でチップとリードフレームの間に設けられる。ペルチェ効果素子とリードフレームの間には熱伝導性の高い絶縁膜を介在させている。これにより、半導体素子チップで発生した熱は、ペルチェ効果素子を介し絶縁膜を介して効率よくリードフレームを通して放散される。
この発明によれば、ペルチェ効果素子を半導体素子チップとリードフレームの間に介在させることにより、半導体素子チップで発生した熱を効率よくリードフレームを通して放散させることができ、簡単な構造で半導体装置の優れた冷却効率と高い生産性を実現することができる。
以下、図面を参照して、この発明の実施例を説明する。図１は、この発明の一実施例に係る半導体装置に断面図である。リードフレーム１の上に、上下が熱伝導性の良好な絶縁膜３，４で挟まれた状態のペルチェ効果素子５が形成され、この上にＬＳＩチップ６が搭載されている。絶縁膜３，４は例えば、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法（熱フィラメント、マイクロ波プラズマ、電子衝撃、直流プラズマ、ＥＣＲプラズマ）あるいはプラズマジェット法、燃焼炎法で形成したダイヤモンド，非晶質硬質炭素，ＡｌＮ，ＢＮ等の薄膜である。
ペルチェ効果素子５の具体的な具体的な製法と構造を、図２の工程図を参照して説明する。図２（ａ）に示すように、Ｆｅ−Ｎｉ合金からなるリードフレーム１上に熱伝導性の良好な絶縁膜３を形成する。この絶縁膜３は例えば、熱フィラメントＣＶＤ法によるダイヤモンド膜とする。このダイヤモンド膜の形成法を具体的に説明すると、先ずリードフレーム１をダイヤモンド粉を分散させたアルコール中に浸漬し、３０分間超音波を照射した後、洗浄する。
次に図３に示す熱フィラメントＣＶＤ装置の反応室３１の試料台３２にリードフレーム１を配置し、反応室３１内を真空ポンプ３３で排気して１×１０-2Ｔｏｒｒ程度に減圧し、外部加熱ヒータ３４により試料台３２の温度が６５０℃になるまで加熱する。反応室３１内の温度が一定になった時点で、メタンガスボンベ３５及び水素ガスボンベ３６からそれぞれ、流量コントローラ３７、３８により流量調整されメタンガス（１ｃｃ／ｍｉｎ）及び水素ガス（９９ｃｃ／ｍｉｎ）を反応室３１に導入する。そして反応室３１内の圧力を３０Ｔｏｒｒに設定し、タンタルフィラメント３７に通電し、フィラメント温度が２１００℃になるように調整して、１０時間保持する。これにより、リードフレーム１上には約８μmのダイヤモンド膜が堆積する。
次に、図２（ａ）に示すように、絶縁膜３上にペルチェ効果素子５の下部電極５１をスパッタとエッチングによりパターン形成する。電極５１は例えば、Ｃｕ電極である。その後、図２（ｂ）に示すように絶縁膜５２を堆積し、これを選択エッチングして下部電極５１に達する孔をあける。絶縁膜５２は例えば、ＣＶＤによるＳｉＯ2 膜である。続いて図２（ｃ）に示すように、熱電半導体材料膜５３を堆積し、これを絶縁膜５２の孔にのみ残す。熱電半導体材料膜５３は例えば、Ｂｉ2Ｔｅ3 系のＰ型熱電半導体材料とＮ型熱電半導体材料であり、その膜形成法には高周波スパッタ法を用いる。また絶縁膜５２の孔にのみＰ型又はＮ型の熱電半導体材料のいずれかを残すには、レジストを用いたリフトオフ加工を利用する。
その後、図２（ｄ）に示すように、ペルチェ効果素子５の上部電極５４を下部電極５１と同様にスパッタとエッチングにより形成する。この様に形成されたペルチェ効果素子５の上に、図１に示したように再度、熱伝導性の良好な絶縁膜４をＣＶＤ法により形成した後、ＬＳＩチップ６を搭載する。そしてＬＳＩチップ６とリードフレーム１の間をボンディングワイヤ７により接続した後、エポキシ等の樹脂８でモールドして、半導体装置が完成する。
この実施例によると、ペルチェ効果素子５は上部電極側接合が吸熱接合、下部電極接合が発熱接合となって、ＬＳＩチップ６が発生した熱は、絶縁膜４、ペルチェ効果素子５及び絶縁膜３を介してリードフレーム１に伝えられ、リードフレーム１から大気に放散される。従って優れた冷却効率が得られる。またペルチェ効果素子５は薄膜技術を利用してＬＳＩチップ６とリードフレーム１の間に形成されるから、通常の放熱器を用いる場合と異なり、全体がコンパクトになり、且つ高い生産性が得られる。
なお実施例では、ペルチェ効果素子５の上下に熱伝導性の高い絶縁膜３，４を介在させたが、搭載するチップ裏面が予め絶縁膜で覆われている場合には、上部絶縁膜４を省略することができる。
この発明の一実施例に係る半導体装置を示す。 同実施例のペルチェ効果素子の形成工程を示す。 実施例に用いた熱フィラメントＣＶＤ装置を示す。
符号の説明
１…リードフレーム、３，４…絶縁膜、５…ペルチェ効果素子、６…ＬＳＩチップ、７…ボンディングワイヤ。

Claims (4)

  1. リードフレーム上に薄膜からなる絶縁膜が形成され、この絶縁膜上にペルチェ効果素子を介して半導体素子チップが搭載されていることを特徴とする半導体装置であって、
    前記ペルチェ効果素子は、
    前記絶縁膜上にパターン形成された下部電極と、
    前記下部電極上に形成され選択エッチングにより設けられた前記下部電極に達する孔を有する電極間絶縁膜と、
    前記孔にのみ残された熱電半導体材料膜と、
    前記電極間絶縁膜及び前記熱電半導体材料膜上にパターン形成された上部電極と
    を備えたことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記熱電半導体材料膜はＢｉ2Ｔｅ3系材料である請求項１記載の半導体装置。
  3. 電気熱電半導体材料膜は高周波スパッタ法により堆積されたものである請求項１又は２記載の半導体装置。
  4. 前記半導体チップから発生した熱が、前記ペルチェ効果素子、前記絶縁膜及び前記リードフレームに伝わった後放散されるよう構成された請求項１乃至３いずれか１項に記載の半導体装置。
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