JP4833837B2 - 半導体装置および電子装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体装置と電子装置に関し、とくに、ＩＣチップを内蔵し、ＩＣチップ側のパッドとＩＣの外部端子をボンディングワイヤ（以下、単に「ワイヤ」という）などで電気的に接続した半導体装置とそれを搭載した電子装置に関する。

現在、様々な電子機器の内部には半導体部品が多く組み込まれている。半導体部品は、実に多くの用途があり、用途によっては、過酷な環境で利用されたり、外部から触れやすいような条件で利用されたりする。そうした場合、例えば、短絡等という不具合が発生することにより、通常予定されている電流よりも過大な電流が半導体部品の中に流れる場合がある。そのような場合に半導体部品の中の一部に、オープン、ショートなどの不具合が発生したり、さらにはその故障によって、外部の回路や装置に悪影響を及ぼしたりする可能性がある。この問題を解消するために、出力端子等と負荷、電源及び接地との短絡等が起こる時の過電流に対して、その電流を検出するための抵抗素子を設け、回路を保護する技術が知られている（特許文献１、２）。
特開平５−２６８７２４号公報 特公平６−５４８６５号公報

特許文献１および特許文献２によれば、半導体部品内の素子および回路を保護するために、電流を検出する抵抗素子を用いるが、当然、その抵抗素子による発熱や電力損失という問題がある。

本発明者は以上の認識に基づき本発明をなしたもので、その目的は、発熱や電力損失の問題を軽減する半導体装置および電子装置の提供にある。

本発明のある態様は、半導体装置に関する。この装置は、ＩＣチップを有し、そのＩＣチップは過電流保護回路を備え、その過電流保護回路は、入力用外部端子と接続される第１パッドと、その第１パッドと所定の抵抗成分を有する配線によって電気的に接続され、いずれの外部端子とも接続されない測定用端子と、出力用外部端子に接続される第２パッドと、測定用端子と前記第２パッドの電気的な接続をオンオフするスイッチ回路と、第１パッドと測定用端子の電位差が所定値を超えたときそのスイッチ回路をオフする比較器とを備える。また、本発明の半導体装置は、比較器とは別に、所定の論理制御にしたがってスイッチ回路をオンオフする制御部をさらに備えてもよい。

この態様によれば、所定の配線が有する抵抗成分で生じた電位差が予定した値より大きい場合、スイッチ回路をオフすることにより、過電流による故障から半導体装置を保護することができる。また、その結果、半導体装置に接続されている外部機器の故障の誘発を抑制しやすくなる。また、接続抵抗やワイヤ抵抗等のばらつきが影響しやすい外付け抵抗や、抵抗値のばらつきの大きい拡散抵抗にかえて、所定の配線が有する抵抗成分を利用することにより、発熱や電力損失の問題を軽減するようにしている。

本発明の半導体装置の測定用端子はパッドであってもよい。また、ＩＣチップの形成後、当該ＩＣチップの外部に配線を形成してもよい。このように第１パッドと測定用端子間の配線を外部に形成することで、ＩＣチップの現状の特性を維持でき、配線形成後であっても、特性が安定する。その外部配線は、金で形成されてもよい。すなわち、アルミニウム配線の替わりに金配線を使用することで、長期間の使用による腐食やマイグレーションの問題を軽減でき、高い信頼性を実現できる。本発明の半導体装置は、第２パッドを共有する過電流保護回路を複数有してもよい。

本発明のさらに別の態様は、電子装置に関する。この装置は、上述の半導体装置とその半導体装置によって形成されるＨブリッジ回路等のモータドライブ回路により駆動される所定の負荷装置とを備える。ここで、負荷装置は、モータ等、例えば電力供給用として半導体装置を利用することにより動作する装置を指す。

本発明の電子装置は、車両搭載用とするとともに、車両における負荷装置に想定される故障をもとに前述の所定値を定めてもよい。その場合、前述の電子装置や半導体装置の利点を車両搭載用の電子機器としても享受することができる。車両は一般的に、使用環境が過酷であり、または要求仕様が厳しいので、本発明の電子装置の車両搭載用としての適用は効果的である。

本発明によれば、長期的信頼性を向上させ、発熱や電力損失の問題を軽減する半導体装置および電子装置を提供できる。

実施の形態１に係る第１電子装置の構成を示す図である。 第１パッドと第２パッドとが金配線によって電気的に接続されている状態の外観を示す図である。 実施の形態２に係る第２電子装置の構成を示す図である。

符号の説明

１０ 半導体装置
２０ ＩＣチップ
２２ 制御回路
３０ 過電流保護回路
３１ 負荷装置
４０ 第１電子装置
５０ 第２電子装置
Ｐｉ１、Ｐｏ３ 第１パッド
Ｐｗ１、Ｐｗ２ 測定用端子
Ｐｏ１ 第２パッド
Ｐｉ２ 入力用外部端子
Ｐｏ２、Ｐｏ４ 出力用外部端子
Ｗｉ１、Ｗｏ１、Ｗｏ２ ボンディングワイヤ
Ｌｇ 金配線
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４ 比較器
Ｑ１、Ｑ３ ＰＭＯＳ型トランジスタ
Ｑ２、Ｑ４ ＮＭＯＳ型トランジスタ

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る第１電子装置４０の構成を示す図である。第１電子装置４０は、半導体装置１０および負荷装置３１を備える。この構成はコイルやモータ等の負荷装置３１を駆動する回路であるが、そのための通常動作を実現するために制御回路２２を有している。しかし、半導体装置１０は、その通常動作に加え、過電流対策として別途電流をシャットオフする機能を有している。半導体装置１０が、例えば車両搭載用として、酷暑や酷寒等の過酷な環境のもとで利用されたり、雨や雪等にさらされたりすることが多い場合、負荷装置３１が短絡故障することがある。さらに、後述する出力用外部端子Ｐｏ２が、他出力用端子、電源及び接地などとの短絡を起こしたりする場合、抵抗が極端に低下し、負荷装置３１に過電流が流れ続け、その結果、負荷装置３１等が発熱し、その信頼性に影響を及ぼしてしまうことがあるので、このように発生する過電流から半導体装置１０を保護することには意義がある。

半導体装置１０は、外部の負荷装置３１に電力を供給する。半導体装置１０は、リード端子である入力用外部端子Ｐｉ２と出力用外部端子Ｐｏ２を有し、入力用外部端子Ｐｉ２には電源としての電池ＢＡＴが接続され、例えば４．５Ｖの入力電圧Ｖｉが供給される。出力用外部端子Ｐｏ２からは、例えば３．０Ｖの出力電圧Ｖｏが負荷装置３１に供給される。

半導体装置１０は、例えば、シリーズレギュレータを構成しているＩＣチップ２０を有し、そのＩＣチップ２０は、詳細は後述するが、過電流保護回路３０、オアゲートＳ１および制御回路２２を含む。過電流保護回路３０は、第１パッドＰｉ１、測定用端子Ｐｗ１、第２パッドＰｏ１、インピーダンスＲｐ１、比較器Ｃ１、ＰＭＯＳ型トランジスタＱ１を含む。半導体装置１０は、内部のＩＣチップ２０に入力ワイヤＷｉ１を介して入力電圧Ｖｉを与え、出力ワイヤＷｏ１を介してＩＣチップ２０から出力電圧Ｖｏを得る。

以下、ＩＣチップ２０の構成を説明する。ＩＣチップ２０は、電源から入力電圧Ｖｉを入力する第１パッドＰｉ１と、制御の目的である出力電圧Ｖｏを出力する第２パッドＰｏ１と、第１パッドＰｉ１と金配線によって電気的に接続され、いずれの外部端子ともワイヤ接続されない測定用端子Ｐｗ１を有する。金配線を利用することにより生じる抵抗成分を模式的にインピーダンスＲｐ１として図示する。一方、測定用端子Ｐｗ１と第２パッドＰｏ１との間には、ＰＭＯＳ型トランジスタＱ１が接続されている。ここで、測定用端子Ｐｗ１は、ウェハ状態でインピーダンスＲｐ１の値や後述の比較器Ｃ１の動作を確認するためにパッドを設けている。なお、測定用端子Ｐｗ１は、必ずしもパッドでなくてもよい。

制御回路２２は、通常の動作として、半導体装置１０や負荷装置３１に電流を流す場合は、ローレベルに相当する「０」を出力し、流さない場合は、ハイレベルに相当する「１」を出力する。そのような通常の動作に加え、過電流対策を行うために、ＩＣチップ２０内部に比較器Ｃ１およびオアゲートＳ１を設け、制御回路２２と組み合わせて用いられる。

比較器Ｃ１は、第１パッドＰｉ１と測定用端子Ｐｗ１との間に設けた金配線のインピーダンスＲｐ１により生じる電位差を、所定のしきい値と比較して、それを超えた場合にＰＭＯＳ型トランジスタＱ１をオフするよう動作する。具体的には比較器Ｃ１が、ＰＭＯＳ型トランジスタＱ１をオフする場合は「１」を出力し、オンする場合は「０」を出力する。なお、使用環境や要求仕様等に応じてしきい値をユーザが決めることのできる構成としてもよい。

また、しきい値は、様々な故障を想定して定められた値であってもよい。例えば、車両に搭載されているコイル等の負荷装置３１が短絡故障する場合、負荷装置３１のどの程度の部分が短絡するかによって前述の値が定められる。全部分の短絡故障を想定する場合、負荷装置３１の抵抗値が極端に低下し、その結果、半導体装置１０に流れる電流の値が非常に大きくなるので、例えば、通常流れると思われる電流の最大値が１Ａ（アンペア）であれば、その３倍の３Ａ（アンペア）の値より算出される電位差をしきい値として定められていてもよい。そうではなく、一部分の短絡故障を想定する場合、負荷装置３１の抵抗値が多少低下し、その結果、半導体装置１０に流れる電流の値が多少大きくなるので、例えば、通常流れると思われる電流の最大値が１Ａ（アンペア）であれば、その１．５倍の１．５Ａ（アンペア）の値より算出される電位差をしきい値とするように、先程の例に比べて、厳しめに定められていてもよい。

オアゲートＳ１は、比較器Ｃ１から出力される信号と制御回路２２から出力される信号をオアし、ＰＭＯＳ型トランジスタＱ１に出力する。比較器Ｃ１の出力は通常は「０」であるので、過電流を検出しないかぎり、制御回路２２の通常動作に影響しない。しかし、過電流が生じた場合、金配線のインピーダンスＲｐ１により生じる電位差は、所定のしきい値よりも大きくなり、比較器Ｃ１の出力は「１」になるので、制御回路２２の出力は無視され、強制的にＰＭＯＳ型トランジスタＱ１がオフされる。

以上の構成によれば、過電流による故障から半導体装置１０を保護することができる。さらに、半導体装置１０の故障により生じる外部の負荷装置３１の故障の誘発を抑制することができる。特に、車両搭載用の第１電子装置４０の場合、車両は一般的に、使用環境が過酷であるか、または要求仕様が厳しいので、より効果的である。

図２は、第１パッドＰｉ１と測定用端子Ｐｗ１とが金配線Ｌｇによって電気的に接続されている状態の外観を示す図である。ＩＣチップ２０の形成後、当該ＩＣチップ２０の外部に金配線Ｌｇが形成される。以下、図１と同等の構成には同じ符号を与え適宜説明を略す。

金配線Ｌｇについて、その長さや幅を調整することにより、インピーダンスＲｐ１の値を所望の値に調整することができる。また、抵抗素子やアルミニウム配線のインピーダンスを利用する替わりに、金配線ＬｇのインピーダンスＲｐ１を利用することによって、発熱や電力損失の問題を軽減することができ、アルミニウム配線の替わりに金配線Ｌｇを使用することで、長期間の使用による腐食やマイグレーションの問題を軽減でき、高い信頼性を実現できる。

また、同図に示すごとく、第１パッドＰｉ１と測定用端子Ｐｗ１間の金配線ＬｇをＩＣチップ２０の外部に形成することで、ＩＣチップ２０の現状の特性を維持したまま形成することができるため、従来からの特性を用いて設計することができる。

（実施の形態２）
図３は、実施の形態２に係る第２電子装置５０の構成を示す。この第２電子装置５０は、モータドライバの出力段である。以下、実施の形態１と同等の構成には同じ符号を与え適宜説明を略す。本実施の形態が実施の形態１と異なるのは、トランジスタが４つ存在することであり、それらを用いてＨブリッジ回路を構成する。第１のＰＭＯＳ型トランジスタＱ１の配置は実施の形態１と同じである。ＩＣチップ２０内において、ＰＭＯＳ型トランジスタＱ１を有する第１過電流保護回路３０ａとＮＭＯＳ型トランジスタＱ２を有する第２過電流保護回路３０ｂを、ＰＭＯＳ型トランジスタＱ１のドレインとＮＭＯＳ型トランジスタＱ２のドレインとを共通とするように電気的に接続する。その結果、第２過電流保護回路３０ｂは、第１過電流保護回路３０ａ内の第２パッドＰｏ１を共有でき、第２パッドＰｏ１にワイヤ接続された出力用外部端子Ｐｏ２を介して負荷装置３１、ここではコイルの一端に印加する電圧を制御する。上記のように第１過電流保護回路３０ａと第２過電流保護回路３０ｂとを組み合わせて構成された二組の回路を、同図に示すごとくさらに組み合わせることにより、Ｈブリッジ回路を構成することができる。ここで、上述の二組の回路のうち、一方の回路は、第３過電流保護回路３０ｃおよび第４過電流保護回路３０ｄを含む。これら第３過電流保護回路３０ｃ、第４過電流保護回路３０ｄの構成は、それぞれ、第１過電流保護回路３０ａ、第２過電流保護回路３０ｂの構成と同様である。

第１過電流保護回路３０ａの比較器Ｃ１からの信号は、オアゲートＳ１に入力され、第２過電流保護回路３０ｂの比較器Ｃ２からの信号は、途中、反転回路２４により反転されてアンドゲートＳ２に入力される。同様に、第３過電流保護回路３０ｃの比較器Ｃ３からの信号は、オアゲートＳ３に入力され、第４過電流保護回路３０ｄの比較器Ｃ４からの信号は、途中、反転回路２４により反転されてアンドゲートＳ４に入力される。制御回路２２からの信号は、オアゲートＳ１、アンドゲートＳ２、オアゲートＳ３およびアンドゲートＳ４に入力される。

第２過電流保護回路３０ｂの第１パッドＰｏ３、測定用端子Ｐｗ２、金配線のインピーダンスＲｐ２、出力ワイヤＷｏ２および出力用外部端子Ｐｏ４は、それぞれ第１過電流保護回路３０ａにおける第１パッドＰｉ１、測定用端子Ｐｗ１、金配線のインピーダンスＲｐ１、入力ワイヤＷｉ１および入力用外部端子Ｐｉ２に相当する。ただし、第１過電流保護回路３０ａにおいては、入力用外部端子Ｐｉ２から入力ワイヤＷｉを介して、第１パッドＰｉ１に電流が流れるのに対して第２過電流保護回路３０ｂにおいては、出力用外部端子Ｐｏ２、第２パッドＰｏ１、第１パッドＰｏ３、出力用外部端子Ｐｏ４の順に、途中、出力ワイヤＷｏ２を介して電流が流れる。

以下、図３における第２電子装置５０内の第２過電流保護回路３０ｂの動作を説明する。アンドゲートＳ２は、比較器Ｃ２から出力される信号と制御回路２２から出力される信号をアンドし、ＮＭＯＳ型トランジスタＱ２に出力する。比較器Ｃ２の出力は通常は「０」であり、途中、反転回路２４により「１」に反転され、アンドゲートＳ２に入力される。これにより、過電流を検出しないかぎり、制御回路２２の通常動作に影響しない。しかし、過電流が生じた場合、金配線のインピーダンスＲｐ２により生じる電位差は、所定のしきい値よりも大きくなり、比較器Ｃ２の出力は「１」、すなわち、アンドゲートＳ２に入力される信号は「０」になるので、制御回路２２の出力は無視され、強制的にＮＭＯＳ型トランジスタＱ２がオフされる。第４過電流保護回路３０ｄも、第２過電流保護回路３０ｂと同様の動作を行う。

過電流が生じた場合、比較器Ｃ１は第１過電流保護回路３０ａにおけるＰＭＯＳ型トランジスタＱ１をオフし、比較器Ｃ２は第２過電流保護回路３０ｂにおけるＮＭＯＳ型トランジスタＱ２をオフすることが可能であり、それらの回路で構成されるＨブリッジ回路において、どのパスにおいても、過電流をシャットオフすることができる。

これにより過電流が、半導体装置１０や負荷装置３１、ここではコイルに流れ続け、素子が故障するという問題を回避できる。特に、Ｈブリッジ回路を有する車両搭載用の第２電子装置５０は、負荷装置３１に対してある程度の電流を流すことが多く、過電流をシャットオフする発想が必要になる。そこで実施の形態１における過電流をシャットオフする過電流保護回路３０を４つ組み合わせてＨブリッジ回路に適用することはより効果的であり、その第２電子装置５０は、実施の形態１における利点をそのまま享受することができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、いろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

そのような変形例を説明する。例えば、実施の形態１では、ＰＭＯＳ型トランジスタを用いたが、ＮＭＯＳ型トランジスタであってもよい。実施の形態２では、第１過電流保護回路３０ａにＰＭＯＳ型トランジスタ、第２過電流保護回路３０ｂにＮＭＯＳ型トランジスタを用いたが、第１過電流保護回路３０ａにＮＭＯＳ型トランジスタ、第２過電流保護回路３０ｂにＰＭＯＳ型トランジスタを用いてもよいし、両方にＰＭＯＳ型トランジスタを用いてもよいし、あるいは、両方にＮＭＯＳ型トランジスタを用いてもよい。実施の形態では、ＭＯＳトランジスタを用いたが、トランジスタは当然バイポーラタイプであってもよい。

実施の形態としてシリーズレギュレータ及びＨブリッジ回路を説明した。別の変形例として、電子装置は、スイッチングレギュレータ、チャージポンプ型レギュレータなど他のレギュレータを備えてもよい。また３相モータを駆動するモータドライバ回路であってもよい。

また、実施の形態１および実施の形態２では、ＩＣチップ側のパッドとＩＣの外部端子をワイヤで接続した半導体装置を説明した。しかし、半導体装置は、高密度化を実現するフリップチップを実装したものであってもよい。これにより、より小型化、高機能化が求められるカメラや携帯電話などの電子機器が、上述のフリップフロップを実装した半導体装置を搭載することで、実施の形態１および実施の形態２で述べた同様の効果を享受することができる。

本発明によれば、長期的信頼性を向上させ、発熱や電力損失の問題を軽減する半導体装置および電子装置を提供できる。

Claims (5)

1. ＩＣチップ、前記ＩＣチップに外部から信号を供給するための入力用外部端子および前記ＩＣチップから外部に信号を出力するための出力用外部端子を有する半導体装置であって、
   前記ＩＣチップは過電流保護回路を備え、
   当該過電流保護回路は、
   入力用外部端子と接続される第１パッドと、
   前記第１パッドと隣接して配置され、いずれの外部端子とも接続されない測定用パッドと、
   前記ＩＣチップ上の前記第１パッドと前記測定用パッドに挟まれる領域に、前記第１パッドおよび前記測定用パッドの間を電気的に接続するように、前記第１パッドおよび前記測定用パッドと一体的に形成される、所定の抵抗成分を有する金配線と、
   出力用外部端子と接続される第２パッドと、
   前記測定用パッドと前記第２パッドの間の電気的な接続をオンオフするトランジスタと、
   前記第１パッドと前記測定用パッドの電位差が所定値を超えたとき前記トランジスタをオフする比較器と、
   を備えることを特徴とする半導体装置。
2. 前記比較器とは別に、所定の論理制御にしたがって前記トランジスタをオンオフする制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第２パッドを共有する前記過電流保護回路を複数有することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の半導体装置。
4. 請求項２乃至３のいずれかに記載の半導体装置と、
   当該半導体装置によって形成されるＨブリッジ回路により駆動される所定の負荷装置と、
   を備えることを特徴とする電子装置。
5. 本電子装置を車両搭載用とするとともに、前記車両における前記負荷装置に想定される故障をもとに前記所定値を定めたことを特徴とする請求項４に記載の電子装置。

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