JP2006332482A - 保護回路およびそれを用いた半導体装置ならびに発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 共振を抑えた電圧クランプを可能とする保護回路およびそれを用いた半導体装置を提供する。
【解決手段】 保護対象となる回路１１０と、インダクタンス成分を含む線路Ｗ１、Ｗ２を介して接続される保護回路１００において、第１トランジスタＱ１は、本保護回路１００と線路Ｗ１との接続点３４から接地へ至る経路上に設けられる。第２トランジスタＱ２は、保護対象となる回路１１０と線路Ｗ２との接続点から接地へ至る経路上に設けられ、第１トランジスタＱ１に流れる電流に応じた電流を接続点３６から引き抜く。第１、第２トランジスタＱ１、Ｑ２は、ベース、エミッタが共通に接続されたＮＰＮ型バイポーラトランジスタである。抵抗Ｒ３は第１トランジスタＱ１のベースエミッタ間に接続され、ダイオードＤ１はベースコレクタ間に接続される。
【選択図】 図５

Description

本発明は、保護対象となる回路をサージ電圧などから保護する回路保護技術に関する。

携帯電話やＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ノート型パーソナルコンピュータをはじめとするさまざまな電子機器、あるいは自動車の内部の電気系統において多くの半導体集積回路が使用されている。このような半導体集積回路は、あらゆる状況での使用が想定されるため、高い信頼性が要求される。信頼性を向上させるために、回路の外部と接続される入出力端子のボンディングパッドごとに、保護回路が設けられるのが一般的である。

こうした保護回路の中で、サージ電圧などが急激に印加された場合においても、内部の保護対象となる回路（以下、被保護回路という）の信頼性が劣化しないように、電圧クランプ回路が設けられる場合がある。こうした電圧クランプ回路による回路保護技術は、たとえば特許文献１に記載される。

ここで、例として図１に示すＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）のドライバ回路２００の保護回路について検討する。ＬＥＤドライバ回路２００は、たとえば自動車のメータの照明として設けられるＬＥＤ２４を駆動するための回路である。ＬＥＤ２４のアノードには、バッテリ２０から出力される電池電圧が抵抗２２を介して印加される。また、ＬＥＤ２４のカソードには、ＬＥＤドライバ回路２００の駆動トランジスタＭ１に接続される。制御部２６は、駆動トランジスタＭ１のゲート電圧を制御し、ＬＥＤ２４に流れる電流を調節することにより、ＬＥＤ２４の発光輝度を制御する。

バッテリ２０から出力される電圧は不安定であるため、こうした用途に用いられる半導体集積回路には、特にサージ電圧などに対する信頼性が要求される。一方で図１のＬＥＤドライバ回路２００においては、駆動トランジスタＭ１の耐圧が問題となる。そのため、駆動トランジスタＭ１と並列に、駆動トランジスタＭ１のドレインに印加される電圧をクランプする保護回路１００が設けられる。

特開平６−１４０５７６号公報

図２は、図１のＬＥＤドライバ回路２００を上から見た平面図を示す。ＬＥＤドライバ回路２００は、半導体基板３０上に集積化されており、半導体基板３０はパッケージ用の基体３２上にマウントされる。半導体基板３０に集積化される被保護回路１１０は、図１の駆動トランジスタＭ１を含んでいる。被保護回路１１０である駆動トランジスタＭ１は、保護回路１００を用いない状態、すなわち単体での耐圧を検査する必要があることから、単独のボンディングパッド３４を備えている。保護回路１００もまた、別にボンディングパッド３６を備えており、保護回路１００、被保護回路１１０は、基体３２上に設けられたボンディングパッド３８を介して、ボンディングワイヤＷ１、Ｗ２により互いに接続される。ボンディングパッド３８はパッケージの外部電極に接続されており、その外部電極が図１のＬＥＤ２４のカソードと接続される。
このように、保護回路１００および被保護回路１１０は、有意なインダクタンス成分を含む線路であるボンディングワイヤＷ１、Ｗ２を介して接続される。

図３は、図１のＬＥＤドライバ回路２００の等価回路図である。
保護回路１００は、第１トランジスタＱ１、ダイオードＤ１、抵抗Ｒ３を備える。
第１トランジスタＱ１は、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタであって、本保護回路１００とボンディングワイヤＷ１との接続点であるボンディングパッド３６から接地へ至る経路上に設けられる。ダイオードＤ１は、第１トランジスタＱ１のベースコレクタ間に接続され、抵抗Ｒ３は、第１トランジスタＱ１のベースエミッタ間に設けられる。
図中、Ｃ１、Ｃ２は、ＬＥＤドライバ回路２００中の寄生容量を表しており、寄生容量Ｃ１は主として保護回路１００の第１トランジスタＱ１のコレクタエミッタ間容量であり、寄生容量Ｃ２は、被保護回路１１０内部の駆動トランジスタＭ１のドレインソース間容量である。また、ボンディングワイヤＷ１、Ｗ２は、それぞれ抵抗成分Ｒ１、Ｒ２およびインダクタンス成分Ｌ１、Ｌ２を含んでいる。抵抗成分Ｒ１、Ｒ２には、ボンディングワイヤＷ１、Ｗ２のみでなく、ＩＣチップ内の配線抵抗も含まれる。

サージ電圧が発生によりボンディングパッド３８の電圧が上昇すると、これにともなってボンディングパッド３４の電圧Ｖａが上昇する。ボンディングパッド３４の電圧ＶａがダイオードＤ１のツェナー電圧Ｖｚを超えると、カソードからアノードに向かって逆方向電流が流れ、第１トランジスタＱ１がオンし、ボンディングパッド３４から電流が引き抜かれる。その結果、ボンディングパッド３４およびボンディングパッド３６の電圧ＶａおよびＶｂがクランプされ、被保護回路１１０に高い電圧が印加するのを防止することができる。

このように構成された保護回路１００においては、以下の問題が発生する。図４は、図３のＬＥＤドライバ回路２００の電圧波形図であり、図３のボンディングパッド３４の電圧Ｖａおよびボンディングパッド３６の電圧Ｖｂの時間波形が示されている。
時刻Ｔ０に、ボンディングパッド３８からサージ電圧が入力されると、ボンディングパッド３４、３６の電圧Ｖａ、Ｖｂはともに上昇する。ボンディングパッド３４の電圧Ｖａが上昇し、ダイオードＤ１のツェナー電圧Ｖｚを超えると、ダイオードＤ１のカソードからアノードに向かって逆方向電流が流れ、第１トランジスタＱ１がオンする。
第１トランジスタＱ１のベースエミッタ間電圧をＶｂｅとすると、ボンディングパッド３４の電圧Ｖａは、図４に示すようにＶｍａｘ＝Ｖｚ＋Ｖｂｅ付近にクランプされる。

ところが、図３に示すように、ボンディングパッド３４、ボンディングパッド３６にはそれぞれ容量値の異なる寄生容量が存在する。Ｃ１＞Ｃ２であるとすると、被保護回路１１０の寄生容量Ｃ２に蓄えられた電荷は、保護回路１００によって引き抜かれる。この際に寄生容量Ｃ２に蓄えられた電荷は、インダクタンス成分Ｌ１、Ｌ２を含むボンディングワイヤＷ１、Ｗ２を介して保護回路１００によって放電される。

インダクタンス成分Ｌ１、Ｌ２に電流が流れることによって、ボンディングワイヤＷ１、Ｗ２に含まれるインダクタンス成分Ｌ１、Ｌ２、抵抗Ｒ１、Ｒ２および寄生容量Ｃ１、Ｃ２によってＬＣＲ共振が発生し、インダクタンス成分Ｌ１、Ｌ２において逆起電圧が発生する。その結果、ボンディングパッド３６の電圧Ｖｂは、振動しながら上昇し、ボンディングパッド３４の電圧Ｖａが電圧Ｖｍａｘにクランプされる時刻Ｔ１以降においても、振動を続ける。結果として、被保護回路１１０には、電圧Ｖｍａｘを超える電圧が印加される場合があり、保護回路１００の機能としては改善の余地があった。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、共振を抑えた電圧クランプを可能とする保護回路およびそれを用いた半導体装置の提供にある。

本発明のある態様は、保護対象となる回路と有意なインダクタンス成分を含む線路を介して接続される保護回路に関する。この保護回路は、本保護回路と線路との接続点から接地へ至る経路上に設けられた第１トランジスタと、保護対象となる回路と線路との接続点から接地へ至る経路上に設けられ、第１トランジスタに流れる電流に応じた電流を接続点から引き抜く第２トランジスタと、を備える。

「有意なインダクタンス成分」とは、回路内の寄生容量と共振回路を構成する程度のインダクタンス成分をいう。
この態様によると、サージ電圧が発生すると、第１トランジスタに加えて第２トランジスタによって電流が引き抜かれる。その結果、有意なインダクタンス成分を含む線路の両端から電流が引き抜かれるため、ＬＣＲ共振を抑制し、電圧が振動するのを抑制することができる。

第１、第２トランジスタは、ベースおよびエミッタが共通に接続されたバイポーラトランジスタであってもよい。この場合、第１トランジスタと第２トランジスタのサイズ比を調節することによりトランジスタのサイズ比に応じた定電流を引き抜くことができる。

第１、第２トランジスタは、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタであって、第１トランジスタのコレクタは、本保護回路と線路との接続点に接続され、第２トランジスタのコレクタは、保護対象となる回路と経路との接続点に接続され、共通接続されたエミッタは接地されてもよい。保護回路は、第１トランジスタのベースエミッタ間に設けられた抵抗と、カソードが第１トランジスタのコレクタに接続され、アノードが第１トランジスタのベースに接続されたダイオードと、をさらに備えてもよい。

第１、第２トランジスタのトランジスタサイズは略同一に設定されてもよい。
第１、第２トランジスタのサイズを略同一とすることによって、各トランジスタによって引き抜かれる電流量をほぼ等しくすることができ、共振を抑制することができる。

本保護回路は、保護対象となる回路と同一の半導体基板上に集積化され、保護対象となる回路および本保護回路は、それぞれがボンディングパッドを備えており、それぞれのボンディングパッドは、前期線路に相当するボンディングワイヤによって、半導体基板がマウントされる基体上に設けられた端子を介して接続されてもよい。

本発明の別の態様は、半導体装置である。この装置は、発光ダイオードのカソードに接続され、発光ダイオードの発光量を制御するドライバ回路と、ドライバ回路を保護対象の回路として設けられた上述の保護回路と、を備える。
この態様によれば、ドライバ回路をサージ電圧などから保護することができ、半導体装置の信頼性を高めることができる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明に係る保護回路によれば、インダクタンス成分により引き起こされる共振を抑えた電圧クランプを実現することができる。

本実施の形態に係る保護回路１００は、たとえば、図１で説明したＬＥＤドライバ回路２００に用いられる。図２に示すように、本実施の形態においても、保護回路１００および保護対象となる被保護回路１１０は、同一の半導体基板３０上に集積化され、保護回路１００、被保護回路１１０はそれぞれがボンディングパッド３４、３６を備えている。
ボンディングパッド３４、３６は、有意なインダクタンス成分を含む線路であるボンディングワイヤＷ１、Ｗ２によって、半導体基板３０がマウントされる基体３２上に設けられたボンディングパッド３８を介して接続される。

図５は、本実施の形態に係る保護回路１００を含むＬＥＤドライバ回路２００の構成を示す回路図である。
ＬＥＤドライバ回路２００は、保護回路１００、被保護回路１１０を含み、保護回路１００と被保護回路１１０回路とは、インダクタンス成分Ｌ１、Ｌ２を含むボンディングワイヤＷ１、Ｗ２を介して接続される。ボンディングワイヤＷ１、Ｗ２に含まれるインダクタンス成分Ｌ１、Ｌ２は、ボンディングワイヤの長さや太さにも依存するが、通常１ｎＨ以下あるいは１ｎＨ程度の大きさとなるため、他の容量成分と抵抗成分との組み合わせにより望まれないＬＣＲ共振回路を構成する。

保護回路１００は、第１トランジスタＱ１、第２トランジスタＱ２、ダイオードＤ１、 抵抗Ｒ３を備える。
第１トランジスタＱ１は、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタであって、保護回路１００とボンディングワイヤＷ１との接続点であるボンディングパッド３６から接地へ至る経路上に設けられ、そのエミッタは接地され、コレクタはボンディングパッド３４に接続されている。
ダイオードＤ１は、第１トランジスタＱ１のベースコレクタ間に設けられ、そのカソードは、第１トランジスタＱ１のコレクタに、アノードが第１トランジスタＱ１のベースに接続される。また、抵抗Ｒ３は、第１トランジスタＱ１のベースエミッタ間に設けられる。

第２トランジスタＱ２は、第１トランジスタＱ１と同様にＮＰＮ型のバイポーラトランジスタであり、被保護回路１１０とボンディングワイヤＷ２との接続点であるボンディングパッド３６から接地へ至る経路上に設けられる。第２トランジスタＱ２は、エミッタが接地され、コレクタはボンディングパッド３６に接続される。
第１トランジスタＱ１、第２トランジスタＱ２はベースおよびエミッタが共通接続されている。本実施の形態において、第１トランジスタＱ１、第２トランジスタＱ２のトランジスタサイズは略同一に設定される。そのため、第２トランジスタＱ２は、第１トランジスタＱ１に流れる電流と同量の電流をボンディングパッド３６から引き抜く。

図中、Ｃ１〜Ｃ３は、ＬＥＤドライバ回路２００中の寄生容量を表している。寄生容量Ｃ１は主として保護回路１００の第１トランジスタＱ１のコレクタエミッタ間容量であり、寄生容量Ｃ２は、主として被保護回路１１０内部の駆動トランジスタＭ１のドレインソース間容量であり、寄生容量Ｃ３は、主として保護回路１００の第２トランジスタＱ２のコレクタエミッタ間容量である。すなわち、ボンディングパッド３４と接地間には、寄生容量Ｃ１が存在し、ボンディングパッド３６と接地間には、寄生容量（Ｃ２＋Ｃ３）が存在する。ここで、Ｃ２＜Ｃ１が成り立つ場合、第１トランジスタＱ１、第２トランジスタＱ２のサイズは同一に設定されているため、Ｃ１≒（Ｃ２＋Ｃ３）が成り立つ。これにより、ボンディングパッド３４と接地間、ボンディングパッド３６と接地間の容量は、ほぼ等しくなる。

以上のように構成されたＬＥＤドライバ回路２００の動作について説明する。図６は、図５のＬＥＤドライバ回路２００の動作波形図である。
時刻Ｔ０に、ボンディングパッド３８からサージ電圧が入力されると、ボンディングパッド３８の電圧が上昇し、ボンディングパッド３４の電圧Ｖａおよびボンディングパッド３６の電圧Ｖｂもこれに伴って上昇する。ボンディングパッド３４の電圧Ｖａが上昇し、ダイオードＤ１のツェナー電圧Ｖｚを超えると、ダイオードＤ１のカソードからアノードに向かって逆方向電流が流れ、第１トランジスタＱ１がオンする。

上述したように、第１トランジスタＱ１、第２トランジスタＱ２のトランジスタサイズは略同一に設定されるため、ボンディングパッド３４とボンディングパッド３６の寄生容量はほぼ等しい。寄生容量値が等しいことは、同電位のときに蓄えられる電荷量がほぼ等しくなることを意味するため、寄生容量間でインダクタンス成分Ｌ１、Ｌ２を介しての電荷の受け渡しを低減することができる。その結果、ボンディングパッド３４の電圧Ｖａの上昇にともなって、ボンディングパッド３６の電圧Ｖｂが上昇する際に発生するＬＣＲ共振が抑制され、ボンディングパッド３６の電圧Ｖｂは振動することなく、ボンディングパッド３４の電圧Ｖａに追従して上昇していく。

上述のように、第１トランジスタＱ１、第２トランジスタＱ２のトランジスタサイズは略同一に設定されるため、第１トランジスタＱ１に流れる電流Ｉｑ１と第２トランジスタＱ２に流れる電流Ｉｑ２はほぼ等しくなる。そのため、時刻Ｔ１にボンディングパッド３４、３６の電圧Ｖａ、Ｖｂが電圧Ｖｍａｘ＝Ｖｚ＋Ｖｂｅに達してクランプされた後においても、ボンディングパッド３４およびボンディングパッド３６からは同量の電流が引き抜かれることになる。
ボンディングパッド３４およびボンディングパッド３６から定常的にほぼ同量の電流を引き抜くことによって、時刻Ｔ１以降においても、ボンディングパッド３６の電圧ＶｂがＬＣＲ共振によって変動するのを防止することができる。

このように、本実施の形態に係る保護回路１００によれば、被保護回路１１０に印加される電圧Ｖｂが振動するのを抑制し、所定の電圧Ｖｍａｘでクランプすることができ、被保護回路１１０に所定の電圧Ｖｍａｘ以上の電圧が印加されるのを防止し、より安全に保護することができる。

上記実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せに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。

たとえば、図５の保護回路１００において、第１トランジスタＱ１、第２トランジスタＱ２は、ＰＮＰ型のバイポーラトランジスタであってもよい。この場合、抵抗Ｒ３をベースエミッタ間に、ダイオードＤ１をベースコレクタ間に接続することによって、ボンディングパッド３４、３６の電圧をクランプすることができる。
また、保護回路１００において、ダイオードＤ１は第１トランジスタＱ１のベースコレクタ間に多段に接続されていてもよい。ダイオードＤ１の段数によってクランプ電圧を調節することができる。また、第１トランジスタＱ１や第２トランジスタＱ２の電流経路状に抵抗素子やダイオードが設けられていてもよい。
保護回路１００の形式にはさまざまなバリエーションが存在し、その回路形式は特に図５に示す回路図に限定されるものではなく、ボンディングパッド３４から接地に至る経路上に設けられ、過電圧状態においてオンする第１トランジスタＱ１と、第１トランジスタＱ１と並列に設けられ、ボンディングパッド３６から接地に至る経路上に設けられた第２トランジスタＱ２を備えていればよい。

実施の形態において、第１トランジスタＱ１と第２トランジスタＱ２のトランジスタサイズが略同一に設定される場合について説明した。ここで略同一とは、ＬＣＲ共振を抑制可能なサイズを意味しており、たとえば１／２〜２倍程度であれば十分にＬＣＲ共振を抑制することができる。
また、第１トランジスタＱ１、第２トランジスタＱ２のサイズ比がこの範囲外の場合であっても、ボンディングパッド３６の電圧Ｖｂが若干振動する場合があるが、第２トランジスタＱ２を設けない場合に比べて、ＬＣＲ共振を抑制する効果を得ることができる。

また、実施の形態においては、保護回路１００がＬＥＤドライバ回路に設けられる場合について説明したが、これには限定されず、保護回路と被保護回路とが、ボンディングワイヤなどの有意なインダクタンス成分を含む線路を介して接続されるさまざまな回路において用いることができる。
さらに、実施の形態において、インダクタンス成分を有する線路がボンディングワイヤである場合について説明したが、これには限定されない。たとえば、ウェハレベルＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）の場合には、ボンディングパッド３４、３６は、ポストおよび再配線によって接続されることになる。この場合、ポストや再配線はインダクタンス成分を含むため、本実施の形態に係る保護回路１００を用いることにより、ＬＣＲ共振を好適に抑制することができる。

保護回路を備えた一般的なＬＥＤのドライバ回路の回路図である。 図１のＬＥＤドライバ回路を上から見た平面図である。 図１のＬＥＤドライバ回路の等価回路図である。 図３のＬＥＤドライバ回路の電圧波形図である。 本実施の形態に係る保護回路を含むＬＥＤドライバ回路の構成を示す回路図である。 図５のＬＥＤドライバ回路の動作波形図である。

符号の説明

１００ 保護回路、 Ｑ１ 第１トランジスタ、 Ｑ２ 第２トランジスタ、 Ｄ１ ダイオード、 Ｒ３ 抵抗、 Ｃ１ 寄生容量、 Ｃ２ 寄生容量、 Ｃ３ 寄生容量、 Ｒ１ 抵抗成分、 Ｒ２ 抵抗成分、 Ｌ１ インダクタンス成分、 Ｌ２ インダクタンス成分、 １１０ 被保護回路、 ２００ ＬＥＤドライバ回路、 ２６ 制御部、 Ｍ１ 駆動トランジスタ、 ２０ バッテリ、 ２２ 抵抗、 ２４ ＬＥＤ、 ３０ 半導体基板、 ３２ 基体、 Ｗ１ ボンディングワイヤ、 Ｗ２ ボンディングワイヤ、 ３４ ボンディングパッド、 ３６ ボンディングパッド、 ３８ ボンディングパッド。

Claims (7)

1. 保護対象となる回路と、有意なインダクタンス成分を含む線路を介して接続される保護回路であって、
   本保護回路と前記線路との接続点から接地へ至る経路上に設けられた第１トランジスタと、
   前記保護対象となる回路と前記線路との接続点から接地へ至る経路上に設けられ、前記第１トランジスタに流れる電流に応じた電流を前記接続点から引き抜く第２トランジスタと、
   を備えることを特徴とする保護回路。
2. 前記第１、第２トランジスタは、ベースおよびエミッタが共通に接続されたバイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の保護回路。
3. 前記第１、第２トランジスタは、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタであって、前記第１トランジスタのコレクタは、本保護回路と前記線路との接続点に接続され、前記第２トランジスタのコレクタは、前記保護対象となる回路と前記経路との接続点に接続され、共通接続されたエミッタは接地されており、
   前記第１トランジスタのベースエミッタ間に設けられた抵抗と、
   カソードが前記第１トランジスタのコレクタに接続され、アノードが前記第１トランジスタのベースに接続されたダイオードと、
   をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の保護回路。
4. 前記第１、第２トランジスタのトランジスタサイズは略同一に設定されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の保護回路。
5. 本保護回路は、前記保護対象となる回路と同一の半導体基板上に集積化され、前記保護対象となる回路および本保護回路は、それぞれがボンディングパッドを備えており、
   それぞれのボンディングパッドは、前期線路に相当するボンディングワイヤによって、前記半導体基板がマウントされる基体上に設けられた端子を介して接続されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の保護回路。
6. 発光ダイオードのカソードに接続され、前記発光ダイオードの発光量を制御するドライバ回路と、
   前記ドライバ回路を保護対象の回路として設けられた請求項１から５のいずれかに記載の保護回路と、
   を備えることを特徴とする半導体装置。
7. 発光ダイオードと、
   前記発光ダイオードを駆動する請求項６に記載の半導体装置と、
   を備えることを特徴とする発光装置。

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