JP2007134442A - 半導体装置 - Google Patents

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

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。

特開昭６２−１５６８５０号公報 特開２０００−２１３９９２号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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［ｍ^２］、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。

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。 本発明の第１の実施例に係る主要部における回路図である。 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。 従来の半導体装置の回路図である。 従来の他の半導体装置の回路図である。

符号の説明

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

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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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