JP2007134442A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体装置の温度を正確に制御する。
【解決手段】半導体基板17上に、温度検出部11、制御部12、温度設定部13、出力部14、発熱部15、半導体回路16を備える。温度検出部11は、半導体基板17の温度に対応する温度検出信号を制御部12に出力する。温度設定部13は、半導体基板17の温度設定のための基準電圧となる温度設定信号を生成して制御部12に出力する。制御部12は、温度検出信号と温度設定信号との差信号を求め、この差信号が小さくなるように発熱部15を制御する。発熱部15は、制御部12の出力に基づいて半導体基板17を加熱する。半導体回路16は、設定された温度に加熱されて一定温度に保たれる。
【選択図】図1
【解決手段】半導体基板17上に、温度検出部11、制御部12、温度設定部13、出力部14、発熱部15、半導体回路16を備える。温度検出部11は、半導体基板17の温度に対応する温度検出信号を制御部12に出力する。温度設定部13は、半導体基板17の温度設定のための基準電圧となる温度設定信号を生成して制御部12に出力する。制御部12は、温度検出信号と温度設定信号との差信号を求め、この差信号が小さくなるように発熱部15を制御する。発熱部15は、制御部12の出力に基づいて半導体基板17を加熱する。半導体回路16は、設定された温度に加熱されて一定温度に保たれる。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体装置に係り、特に、半導体装置自体の温度を一定に保つように制御する半導体装置に係る。
通常、パッケージに封止された半導体装置(半導体チップ)の高温試験を行うためには、恒温槽、サーモストリーマ等の発熱機器を使用する必要がある。しかし、発熱機器を用いると大掛りとなるので、発熱機器等を使用することなく高温試験を行う方法として、半導体装置自体に発熱体を設け、発熱体を発熱させることで半導体装置の温度を上昇させて高温試験を行う方法が知られている(特許文献1参照)。
特許文献1に記載の半導体装置は、図4に示すように温度検出部103、制御部104、発熱部105を備える。温度検出部103は、トランジスタTr101と抵抗R101、R102、R103とからなるブリッジ回路によって温度変化を検出し、その電圧あるいは電流の変化をブリッジ信号として出力する。制御部104は、負荷抵抗がそれぞれR104、R105であるトランジスタTr102、Tr103で構成される差動増幅器を含み、差動増幅器によってブリッジ信号を増幅し、電圧電流変換を行うトランジスタTr104のベースに供給するバイアス電圧を変化させる。これによって、トランジスタTr104のコレクタ電流、すなわち発熱部105に流れる電流がブリッジ信号に比例して変化する。発熱部105の発熱抵抗HRは、流れる電流によって全長にわたって発熱し、電流量に応じた発熱量で半導体装置を加熱する。
また、半導体装置の温度を精度よく検出する方法として、特許文献2に開示されるような技術が知られている。特許文献2に開示される半導体装置は、図5に示すように、カレントミラー回路203と差動増幅回路202を含む温度検出回路201を備える。カレントミラー回路203は、トランジスタTr201、Tr202、Tr203、電流源IAによってカレントミラーを構成し、ダイオードD201、D202にそれぞれ電流N*I1、I1を流す。差動増幅回路202は、ダイオードD201、D202にそれぞれ発生する電圧V1、V2の電圧差ΔVを差動増幅回路202によって増幅する。差動増幅回路202の出力電圧V3には電圧差ΔVすなわち温度に対応する電圧が得られる。さらに、コンパレータ204は、電圧V3と基準電圧回路205の出力電圧とを比較している。
特許文献1に記載の半導体装置において、制御部104は、電源電圧Vddを抵抗R101(抵抗値R1)と抵抗R102(抵抗値R2)によって分圧した式(1)の電圧V1と、電源電圧Vddから温度に応じたトランジスタTr101の電圧Vtr1(T)を引いた式(2)の電圧V2との差電圧V2−V1を増幅する。そして、トランジスタTr104のベースに式(3)に示すバイアス電圧V4を供給することにより発熱部105を制御している。
ただし、Vddは、電源電圧、Aは、差動増幅回路の増幅率である。
ただし、Vddは、電源電圧、Aは、差動増幅回路の増幅率である。
式(3)から明らかなように、バイアス電圧V4は、増幅率Aおよび抵抗値R1、R2の誤差、温度Tに対する電圧Vtr1の非線形性変化の影響を受けてしまう。したがって、発熱部105の正確な制御ができず、半導体基板の温度を一定に保つことが困難である。また、半導体基板の温度を検知する機能および半導体基板の温度を任意の温度に設定する機能がないため、半導体基板自体の温度を知ることができず、かつ半導体基板の温度を自由に設定することができない。
一方、特許文献2の半導体装置は、精度良く温度検出ができる装置を開示しているに過ぎず、発熱部および半導体装置の温度を任意の温度に設定する機能を有していない。また、半導体装置の温度を検知する機能もないため、半導体装置自体の温度を知ることができない。
本発明の1つのアスペクトに係る半導体装置は、半導体基板に所要の回路を形成してなる半導体装置であって、半導体装置を加熱する発熱部と、半導体装置の温度に対応する温度検出信号を出力する温度検出部と、半導体装置の温度設定信号を生成する温度設定部と、温度検出信号と温度設定信号との差信号を求め、この差信号が小さくなるように発熱部を制御する制御部と、を備える。
本発明によれば、温度設定部を設けて半導体装置温度と設定温度との温度差に比例する電圧により発熱部を制御することで、半導体装置の設定温度を変えられるようにすると共に半導体装置の温度を正確に制御することができる。
本発明の実施形態に係る半導体装置は、半導体基板(図1の17)上に、温度検出部(図1の11)、制御部(図1の12)、温度設定部(図1の13)、発熱部(図1の15)、半導体回路(図1の16)を備える。温度検出部は、半導体基板の温度に対応する温度検出信号を制御部に出力する。温度設定部は、半導体基板の温度設定のための基準電圧となる温度設定信号を生成して制御部に出力する。制御部は、温度検出信号と温度設定信号との差信号を求め、この差信号が小さくなるように発熱部を制御する。発熱部は、制御部の出力に基づいて半導体基板を加熱する。半導体回路は、設定された温度に加熱されて一定温度に保たれる。
このように構成される半導体装置は、恒温槽やサーモストリーマ等の発熱機器等を使用することなく、半導体装置単体で温度上昇を行って、かつ温度を設定することを可能とする。また、その設定温度に半導体装置の温度を保持することができる。したがって、外部環境の温度が変化しても、半導体装置の温度を一定に保つことで半導体回路は、温度特性に依存しない回路特性を得ることができる。
図1は、本発明の第1の実施例に係る半導体チップにおける配置図である。半導体チップは、半導体基板17上に、温度検出部11、制御部12、温度設定部13、出力部14、発熱部15、半導体回路16を備える。半導体回路16は、高温試験の対象とされる回路であって、その周囲に温度検出部11、制御部12、温度設定部13、出力部14、発熱部15が配置される。温度検出部11は、半導体基板17すなわち半導体基板17上の半導体回路16の温度を検出する。制御部12は、検出された温度と温度設定部13で設定された温度とを比較し、その差が無くなるように発熱部15に対して発熱するように、あるいは発熱を停止するように制御する。また、出力部14は、設定された温度に対応する信号を半導体チップの外部に出力する。
次に、主要部の詳細について説明する。図2は、温度検出部11、制御部12、温度設定部13、出力部14、および発熱部15の回路図である。温度検出部11は、ダイオードD1、D2、電流源I1、I2、抵抗R1、R2、R3、R4、演算増幅器OP1を備える。ダイオードD1のカソードは接地され、アノードは電流源I1および抵抗R1の一端に接続される。ダイオードD2のカソードは接地され、アノードは電流源I2および抵抗R3の一端に接続される。抵抗R1の他端および抵抗R2の一端は、演算増幅器OP1の反転入力端子に接続される。また、抵抗R3の他端および抵抗R4の一端は、演算増幅器OP1の非反転入力端子に接続される。抵抗R4の他端は、接地される。また、演算増幅器OP1の出力端子は、抵抗R2の他端に接続されると共に、温度検出部11の出力として制御部12内の演算増幅器OP2の反転入力端子に接続される。なお、電流源I1、I2は、半導体チップの外部に設けられ、端子を介して温度検出部11に電流を供給するような構成としてもよい。
温度検出部11は、電流源I1、I2のそれぞれの電流によってダイオードD1、D2のそれぞれに発生する電圧を用いて半導体装置の温度をセンシングし、温度を電圧VF1、VF2に変換する。そして、後段の抵抗R1、R2、R3、R4および演算増幅器OP1で構成される減算回路によって、温度から変換される2つのダイオード電圧VF1、VF2の差分を取って、半導体装置の温度に依存した電圧Vtを出力する。
温度設定部13は、パッケージに設けられる入力端子20からなり、外部の基準電圧源21により設定温度に対応した電圧Vbを入力端子20を通して制御部12へと入力する。制御部12は、演算増幅器OP2によって構成され、半導体装置の温度に対応した電圧Vtと外部から与える設定温度に対応した電圧Vbとの差分を増幅し、電圧Verrを出力する。出力部14は、パッケージに設けられる出力端子22からなり、電圧Verrをパッケージ外部に設けられる電圧計23へ出力する。
発熱部15は、ソースを電源Vddに接続しゲートとドレインを接続したPchMOSトランジスタP1、P2、・・PMと、PchMOSトランジスタP1、P2、・・PMのそれぞれのドレインにそれぞれドレインを接続しソースを接地し、ゲートを共通に演算増幅器OP2の出力に接続するNchMOSトランジスタN1、N2・・NMとから構成される。発熱部15は、電圧Verrの大きさに応じてこれらのトランジスタに電流を流すことで発熱する。
次に、図2の回路動作を詳細に説明する。温度検出部11は、式(4)に示される、温度変化に比例するダイオードの順方向降下電圧VFの特性を利用して、ダイオードD1、D2によって半導体装置の温度を検知し、半導体装置温度を電圧VF1、VF2に変換する。
ただし、kはボルツマン定数(=1.38×10−23)[J/K]、Tは温度[K]、qは電荷量(=1.62×10−19)[C]、Iはダイオードに流れる電流、Isは飽和電流である。
ただし、kはボルツマン定数(=1.38×10−23)[J/K]、Tは温度[K]、qは電荷量(=1.62×10−19)[C]、Iはダイオードに流れる電流、Isは飽和電流である。
さらに、抵抗R1、R2、R3、R4および演算増幅器OPから構成される減算回路を用いて電圧VF1、VF2を減算して、電圧VF1と電圧VF2の差分の電圧ΔVFを取り出す。この時、演算増幅器OP1の出力電圧Vtは、式(5)で表される。
ただし、Tcは半導体装置温度[K]、N×IcはダイオードD2に流す電流、Icは、ダイオードD1に流す電流である。
ただし、Tcは半導体装置温度[K]、N×IcはダイオードD2に流す電流、Icは、ダイオードD1に流す電流である。
電圧Vtは、式(5)に示すように、物理定数k、q、定数Nおよび半導体装置温度Tcのみで表される。したがって、温度検出部11は、電圧VF1、VF2の差分をとることで、デバイスのバラツキ等のデバイス特性に依存しない半導体装置温度と定数で決まる電圧に半導体装置の温度を変換する。ただし、電流源I1、I2が流す電流Ic、N×Icが一部減算回路に流れ込んで、ダイオードD1、D2に流れる電流が変化して、電圧VF1、VF2に誤差が生じてしまうため、誤差が許容誤差内に収まるように減算回路の入力インピーダンスを高くする必要がある。
温度設定部13は、半導体装置の温度設定を行う。半導体装置の温度は、式(5)の電圧で表されることから、式(5)のTcを設定温度Tsに置き換えた電圧が設定温度に相当する電圧となる。したがって、制御部12で半導体装置温度と設定温度との比較を行うため、外部の基準電圧源21より設定温度に相当する式(6)で示される電圧Vbを入力端子20を介して制御部12の演算増幅器OP2の入力端へ与える。
制御部12は、演算増幅器OP2から構成される差動増幅回路によって半導体装置の温度に対応する電圧Vtと設定温度に対応する電圧Vbとを減算して増幅し、半導体装置温度と設定温度との温度差に依存した電圧を出力する。すなわち、演算増幅器OP2の出力には、半導体装置温度に対応した電圧Vtと設定温度に対応した電圧Vbとの減算・増幅結果である、半導体装置温度と設定温度との温度差に依存した式(7)で示される電圧Verrが出力される。
ただし、Aは演算増幅器OP2の増幅率である。
ただし、Aは演算増幅器OP2の増幅率である。
出力部14は、半導体装置温度と設定温度との温度差に依存した電圧Verrをパッケージ外部へと出力する。すなわち、出力部14によって半導体装置の温度と設定温度との温度差情報が出力可能となる。ここでは、パッケージに出力端子22を設け、半導体装置温度と設定温度との温度差に依存した電圧Verrを出力端子22において電圧計23で測定することで、式(7)をTcについて求めた式(8)よって、半導体装置の温度を検知可能となっている。
なお、他の応用例として、電圧計23の代わりにLED等を設けて、半導体装置の温度と設定温度との温度差がある許容範囲内に入れば発光して通知を行う方法がある。また、出力部14に出力端子22を設けずに無線用の変調回路を設けて、半導体装置の温度と設定温度との温度差情報をもつ電圧Verrの信号を無線信号によって外部に伝達し、外部で信号Verrを読み取り半導体装置の温度を検知する方法などもある。
発熱部15は、半導体装置の温度と設定温度との温度差に依存した電圧Verrの大きさに応じて回路内の抵抗成分に電流を流し、発熱するもしくは発熱動作を停止するように動作する。発熱および発熱停止することで半導体装置温度の上昇、保持を行う。本実施例では、複数のトランジスタN1〜NM、P1〜PMを並列に用いて構成する。トランジスタの数は、設定温度まで上昇させるのに必要な電流量、およびトランジスタの信頼性の点から、トランジスタ1個に流せる電流量により決まる。発熱部15は、制御信号である電圧VerrがトランジスタN1〜NMの閾値以上、すなわちVerr≧Vth(Vth:閾値)となると、オンし、発熱部全体に電圧Verrの大きさに応じた、式(9)で示される発熱回路内電流Idを流す。
ただし、Mは、トランジスタの数、μは移動度、Coxは酸化膜容量、Wはゲート幅、Lはゲート長、Vthは閾値である。
ただし、Mは、トランジスタの数、μは移動度、Coxは酸化膜容量、Wはゲート幅、Lはゲート長、Vthは閾値である。
発熱回路内電流Idがトランジスタ(抵抗成分)に流れることで、トランジスタが発熱し、熱量と温度変化との式(10)に示される関係式に応じた温度上昇が起こり、半導体装置の温度を上昇させる。
ただし、ΔTは、温度変化[℃]、Lは発熱部からの距離、λは熱伝導率[W/mK]、Sは発熱部の表面積[m2]、Qは発熱量[W]、Cは熱容量[J/℃]、tは経過時間、Vddは電源電圧である。
ただし、ΔTは、温度変化[℃]、Lは発熱部からの距離、λは熱伝導率[W/mK]、Sは発熱部の表面積[m2]、Qは発熱量[W]、Cは熱容量[J/℃]、tは経過時間、Vddは電源電圧である。
逆に、Verr<Vthとなると、発熱動作を停止する。発熱部15は、半導体装置の温度が設定温度より下回ると、つまり電圧Verrが大きくなると電流を多く流して発熱し、半導体装置の温度を上昇させて半導体装置の温度と設定温度との温度差を縮めるように動作をする。このようにして、半導体装置の温度を上昇させ、一定温度に保持させることが可能となる。なお、発熱回路内電流Idは、Pchトランジスタを抵抗素子に変えた回路、バイポーラトランジスタを用いた回路でも構成可能であり、抵抗成分を有し、電圧Verrにより電流制御可能な回路であればよい。
以上の説明のように、温度検出部11では、ダイオードD1、D2の差電圧をとることで、半導体装置の温度を物理定数k、q、定数Nのみで決まる電圧Vt(式(5)参照)に変換する。後段の制御部12は、この半導体装置の温度に相当する電圧Vtと温度設定部11より与えられた設定温度に相当する電圧Vbとの差分をとり、半導体装置の温度と設定温度との差分に比例した電圧Verrを出力する。制御部12は、この半導体装置の温度と設定温度との差分に比例した電圧Verrがほぼ0、つまり半導体装置の温度と設定温度との温度差がなくなるように発熱部15の発熱量を調整するように制御する。
本実施例の半導体装置は、以上のように動作することで、発熱部15を正確に制御することが可能となり、半導体装置の温度を一定の温度に保つことができる。また、設定温度は、設定したい温度に相当する電圧Vbを式(6)から算出して、電圧Vbを変えることで自由に変えることができる。さらに、電圧Verrを、出力端子を通して出力することで、式(8)から内部温度を検知可能である。
図3は、本発明の第2の実施例に係る半導体チップにおける配置図である。半導体チップは、半導体基板17a上に、温度検出部11a、11b、11c、11d、制御部12a、12b、12c、12d、温度設定部13a、13b、13c、13d、出力部14a、14b、14c、14d、発熱部15a、15b、15c、15d、半導体回路16を備える。半導体回路16は、高温試験の対象とされる回路であって、その4辺の外側には、それぞれ温度検出部11a、制御部12a、温度設定部13a、出力部14a、発熱部15aと、温度検出部11b、制御部12b、温度設定部13b、出力部14b、発熱部15bと、温度検出部11c、制御部12c、温度設定部13c、出力部14c、発熱部15cと、温度検出部11d、制御部12d、温度設定部13d、出力部14d、発熱部15dと、が配置される。なお、温度検出部11a、11b、11c、11dは、図1の温度検出部11と同一物であり、制御部12a、12b、12c、12dは、図1の制御部12と同一物であり、温度設定部13a、13b、13c、13dは、図1の温度設定部13と同一物であり、出力部14a、14b、14c、14dは、図1の出力部14と同一物であり、発熱部15a、15b、15c、15dは、図1の発熱部15と同一物である。
実施例1の半導体チップでは半導体基板上の1点のみの温度を検出しているため、半導体装置に温度分布が生じているような場合には、半導体装置の温度をほぼ均一に保つことが困難である。これに対し、図3に示す半導体チップでは、半導体基板上に複数組、例えば4組の回路を設けることによって、半導体装置における各点の温度を検出し、半導体装置の温度分布のばらつきを減らし、半導体装置の温度をほぼ均一に保つことができる。なお、図3では、温度設定部13a、13b、13c、13dを制御部12a、12b、12c、12dのそれぞれに対応して設けているが、半導体装置全体の温度をほぼ均一にするためであれば、温度設定部は、各制御部に対して共通に1つ設けるように構成してもよい。
11、11a、11b、11c、11d 温度検出部
12、12a、12b、12c、12d 制御部
13、13a、13b、13c、13d 温度設定部
14、14a、14b、14c、14d 出力部
15、15a、15b、15c、15d 発熱部
16 半導体回路
17、17a 半導体基板
20 入力端子
21 基準電圧源
22 出力端子
23 電圧計
D1、D2 ダイオード
I1、I2 電流源
N1、N2、・・NM Nchトランジスタ
P1、P2、・・PM Pchトランジスタ
OP1、OP2 演算増幅器
R1、R2、R3、R4 抵抗
12、12a、12b、12c、12d 制御部
13、13a、13b、13c、13d 温度設定部
14、14a、14b、14c、14d 出力部
15、15a、15b、15c、15d 発熱部
16 半導体回路
17、17a 半導体基板
20 入力端子
21 基準電圧源
22 出力端子
23 電圧計
D1、D2 ダイオード
I1、I2 電流源
N1、N2、・・NM Nchトランジスタ
P1、P2、・・PM Pchトランジスタ
OP1、OP2 演算増幅器
R1、R2、R3、R4 抵抗
Claims (5)
- 半導体基板に所要の回路を形成してなる半導体装置であって、
半導体装置を加熱する発熱部と、
前記半導体装置の温度に対応する温度検出信号を出力する温度検出部と、
前記半導体装置の温度設定信号を生成する温度設定部と、
前記温度検出信号と前記温度設定信号との差信号を求め、この差信号が小さくなるように前記発熱部を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする半導体装置。 - 前記差信号を外部から観測できるように外部へ出力する出力部をさらに備えることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記温度検出信号は、2つのダイオードの順方向降下電圧の差に基づいて生成されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 一つの前記半導体基板上に前記発熱部、前記温度検出部、前記温度設定部、前記制御部をそれぞれ複数組備え、前記半導体基板内の各部の温度をそれぞれ制御することを特徴とする請求項1乃至3いずれか1項記載の半導体装置。
- 一つの前記半導体基板上に前記発熱部、前記温度検出部、前記制御部をそれぞれ複数組備え、前記温度設定部によって生成される前記温度設定信号に基づいてそれぞれの前記制御部が制御されることを特徴とする請求項1乃至3いずれか1項記載の半導体装置。
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