JP2007258216A - 半導体集積回路、回路システム、及び半導体集積回路の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体集積回路の設計において−４０℃でのタイミングマージンを確保するとともに、−４０℃というような厳しい温度条件での適切な動作を確保するための設計及び実証テストは非常に多くの工数、手間、及び時間がかかる問題があるため、低温環境下での正常動作を保証するとともに、設計期間を短縮することが可能な半導体集積回路及びシステムを提供する。
【解決手段】半導体集積回路２１は、温度に依存した測定量を検出するための測定回路と、温度が所定の値以下であることを示す測定量を測定回路が検出するとそれに応答して熱を発生する加熱回路２３を含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に半導体集積回路、回路システム、及び半導体集積回路の駆動方法に関し、詳しくは低温での動作が要求される半導体集積回路、回路システム、及び半導体集積回路の駆動方法に関する。

半導体技術が進歩し半導体集積回路が微細化するに伴い、プロセスばらつきが増大する傾向にある。半導体集積回路の動作時に考慮する必要があるばらつきとしては、プロセスばらつき、電源電圧ばらつき、温度ばらつき等があるが、これらの全てのばらつきを纏めたトータルなばらつきを考慮すると、半導体集積回路内の信号伝搬の最小遅延と最大遅延とが数倍異なる場合もある。このように大きなばらつきがあっても正常に動作する半導体集積回路を提供しようとすると、半導体集積回路の設計工程が複雑化し、また工程数が増大することになる。

半導体集積回路の動作環境としては、広い温度範囲での動作保証が要求される場合がある。例えば、−４０℃から１２５℃までの広い温度範囲での動作保証が必要とされる場合には、半導体集積回路の設計において−４０℃でのタイミングマージンを確保するとともに、実装された半導体集積回路について実際のテストを行なって動作を確認する必要がある。しかし−４０℃というような厳しい温度条件での適切な動作を確保するための設計及び実証テストは、非常に多くの工数、手間、及び時間がかかるという問題がある。

このような問題があるにも関わらず、現状の設計プロセスでは、要求される電源電圧許容範囲及び周囲温度許容範囲を設定し、それに加えてプロセスばらつきを考慮してトータルなばらつきの最大値及び最小値を求め、そのばらつきの範囲内の全ての条件下で正常に動作するように回路を設計している。従って、半導体集積回路の設計・製造に多大な手間と時間がかかる。

また更なる問題として、ＩＰベンダから供給されるＩＰマクロの温度保証範囲が、システムとして必要な−４０℃まで達しておらず、０℃までの動作保証という場合が増えていることがあげられる。このような場合、そのようなＩＰマクロを使用したシステムについては、誤動作の可能性が有るというリスクを承知した上で−４０℃の動作環境で使うか、或いは−４０℃での稼働をあきらめている。
特開２００４−６４７３号公報 特開２００４−２２１１５７号公報 特開２００３−１８８０６２号公報

以上を鑑みて本発明は、低温環境下での正常動作を保証するとともに、設計期間を短縮することが可能な半導体集積回路及びシステムを提供することを目的とする。

半導体集積回路は、温度に依存した測定量を検出するための測定回路と、該温度が所定の値以下であることを示す該測定量を該測定回路が検出するとそれに応答して熱を発生する加熱回路を含むことを特徴とする。

回路システムは、第１の温度に依存した測定量を検出するための第１の測定回路と、該第１の温度が所定の値以下であることを示す該測定量を該第１の測定回路が検出するとそれに応答して熱を発生する第１の加熱回路とを含む第１の半導体集積回路と、第２の温度に依存した測定量を検出するための第２の測定回路と、該第２の温度が該所定の値以下であることを示す該測定量を該第２の測定回路が検出するとそれに応答して熱を発生する第２の加熱回路とを含む第２の半導体集積回路と、該第１の温度が該所定の値以上であることを示す該測定量を該第１の測定回路が検出し且つ該第２の温度が所定の値以上であることを示す該測定量を該第２の測定回路が検出すると、それに応答して該第１の半導体集積回路の内部回路と該第２の半導体集積回路の内部回路との動作を開始するよう構成されることを特徴とする。

回路システムは、第１の半導体集積回路と、第２の半導体集積回路と、該第１の半導体集積回路の温度を測定する第１の測定回路と、該第２の半導体集積回路の温度を測定する第２の測定回路と、該第１の半導体集積回路の温度が所定の値以下であることを該第１の測定回路が検出すると該第１の半導体集積回路を加熱する加熱素子と、該第２の半導体集積回路の温度が該所定の値以下であることを該第２の測定回路が検出すると該第２の半導体集積回路を加熱する加熱素子を含み、該第１の半導体集積回路の温度が該所定の値以上であることを該第１の測定回路が検出し且つ該第２の半導体集積回路の温度が該所定の値以上であることを該第２の測定回路が検出すると、それに応答して該第１の半導体集積回路と該第２の半導体集積回路との動作を開始するよう構成されることを特徴とする。

半導体集積回路の駆動方法は、半導体集積回路の温度に依存した測定量を検出し、該温度が所定の値以下であることを示す該測定量の検出に応じて該半導体集積回路を加熱し、該温度が該所定の値以上であることを示す該測定量の検出に応じて該半導体集積回路の加熱を停止し、該温度が該所定の値以上であることを示す該測定量の検出に応じて該半導体集積回路の動作を開始する各段階を含むことを特徴とする。

本発明の少なくとも１つの実施例によれば、半導体集積回路が適正に動作可能な温度になってから、半導体集積回路の本来の動作を開始するように構成される。これにより、低温環境下での正常動作を確保しながら、半導体集積回路の設計期間を短縮することが可能となる。また低温環境がＩＰマクロでサポートされていないような場合であっても、ＩＰマクロが正常に動作可能な温度までＴｊを上昇させてから半導体集積回路の本来の動作を開始するので、問題がない。

−４０℃といった低温環境下であっても、電源が投入され半導体集積回路が動作を開始すると、半導体集積回路動作に伴う電力消費により、動作開始してから比較的短時間のうちにＴｊ（半導体のジャンクション温度）は上昇する。一旦、Ｔｊが温められると、その後半導体集積回路の動作が継続して所定の電力消費が続く限り、周囲温度である−４０℃といった低温にまでＴｊが落ちてしまうことはない。即ち、一旦Ｔｊが温められれば、半導体集積回路の実際の動作温度は周囲温度よりも高い温度に保持されるので、特に低温環境下で正常動作が可能なように半導体集積回路が設計されている必要はないことになる。

そこで本発明においては、半導体集積回路の本来の動作を開始する前に、温度に依存した測定量を測定する。温度が所定の値以下であることを示す測定量が得られた場合には、それに応答して半導体集積回路の温度を上昇させる加熱機構を駆動することにより、Ｔｊが例えば０℃又は２０℃といった所定の温度まで上昇するのを待つ。Ｔｊが所定の温度まで上昇したことが検出されると、半導体集積回路をリセットして、その時点から半導体集積回路の正規な動作を開始する。

このような構成とすることにより、半導体集積回路の正常動作を保証しなければならないＴｊ温度範囲を狭めることが可能となり、トータルのばらつきを小さくすることができる。これにより、低温環境下での正常動作を確保しながら、半導体集積回路の設計期間を短縮することが可能となる。また低温環境がＩＰマクロでサポートされていないような場合であっても、ＩＰマクロが正常に動作可能な温度までＴｊを上昇させてから半導体集積回路の本来の動作を開始するので、問題がない。

半導体集積回路の温度を上昇させる加熱機構としては、半導体集積回路のチップ内部に設ける場合と外部に設ける場合とが考えられる。チップ内部の加熱機構としては、温度上昇用に設けられたチップ全体に配線されるインバータのループを動作させて熱を発生させてもよいし、或いは通常動作で使用するクロック系の信号経路を温度上昇用に動作させて熱を発生させてもよい。チップ外部に設ける加熱機構としては、ヒートパイプ或いはペルチェ素子等を用いることができる。

以下に、本発明の実施例を添付の図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明による回路システムの第１の実施例の構成を示す図である。

図１のシステム１０は、半導体装置１１、半導体装置１２、メモリ１３、電源ユニット１４、クロック生成回路１５、及びＡＮＤ回路１６を含む。半導体装置１１、半導体装置１２、メモリ１３、電源ユニット１４、クロック生成回路１５、及びＡＮＤ回路１６は、プリント基板１７上に実装されている。

半導体装置１１は、パッケージ２０内に実装された半導体集積回路２１（シリコン・ダイ）を含む。半導体集積回路２１は、周波数比較回路２２、加熱回路２３、温度測定用リングオシレータ２４、及びメモリコントローラ２５を含む。周波数比較回路２２、加熱回路２３、及び温度測定用リングオシレータ２４は、温度測定及び加熱処理のために専用に設けられた回路である。半導体集積回路２１は、半導体集積回路２１の本来の動作を実現するための内部回路２６を更に含む。

半導体装置１２は、パッケージ３０内に実装された半導体集積回路３１（シリコン・ダイ）を含む。半導体集積回路３１は、周波数比較回路３２、加熱回路３３、及び温度測定用リングオシレータ３４を含む。周波数比較回路３２、加熱回路３３、及び温度測定用リングオシレータ３４は、温度測定及び加熱処理のために専用に設けられた回路である。半導体集積回路３１は、半導体集積回路３１の本来の動作を実現するための内部回路３５を更に含む。

システム１０において、半導体装置１１の周波数比較回路２２は、温度測定用リングオシレータ２４が発振する発振信号の周波数とクロック生成回路１５から供給されるクロック信号の周波数とを比較する。温度測定用リングオシレータ２４の発振信号周波数がクロック生成回路１５のクロック信号周波数よりも高い場合に、周波数比較回路２２は、加熱を指示する信号を加熱回路２３及びメモリコントローラ２５に対してアサートする。温度測定用リングオシレータ２４の発振信号周波数がクロック生成回路１５のクロック信号周波数よりも低くなると、周波数比較回路２２は加熱を指示する信号をネゲートするとともに、ＡＮＤ回路１６に供給する適正温度状態を示す信号をＨＩＧＨにする。この適正温度状態を示す信号は、温度測定用リングオシレータ２４の発振信号周波数がクロック生成回路１５のクロック信号周波数よりも低くならない限り、ＨＩＧＨにはならないように構成される。

一般にトランジスタ素子のスイッチング速度は、温度上昇に伴って遅くなることが知られている。従って、温度測定用リングオシレータ２４の発信周波数が所定の周波数よりも高い場合には半導体装置１１の温度が所定の温度以下であり、逆に温度測定用リングオシレータ２４の発信周波数が所定の周波数よりも低い場合には半導体装置１１の温度が所定の温度以上であることが分かる。このような判断基準を利用して、温度測定用リングオシレータ２４の発振信号周波数がクロック生成回路１５のクロック信号周波数よりも高い場合には、加熱回路２３が駆動して半導体装置１１を加熱するとともに、メモリコントローラ２５がメモリ１３を駆動してメモリ１３の温度を上昇させる。

加熱回路２３は、周波数比較回路２２からの加熱指示信号のアサート状態に応答して、加熱のための動作を行う。ここで加熱回路２３は、温度上昇用に設けられたチップ全体に配線されるインバータのループでもよいし、或いは通常動作で使用するクロック系の信号経路を温度上昇用として流用するのでもよい。加熱回路２３が動作するということは、インバータループの場合には、ＨＩＧＨ・ＬＯＷを交互に繰り返す信号をループ内に伝搬させるということであり、クロック系の信号経路の場合には、クロック信号を信号経路内に伝搬させることである。

インバータループはチップ全体に張り渡らされているので、インバータループの各インバータが出力切り換え動作により電流を消費すると、チップ全体を温める結果となる。またクロック系の信号経路は、様々な箇所で使用されるというクロック信号の性質上、チップ内部の全域に渡り張り巡らされている場合が多い。一般に、通常動作時にチップ全体で消費する電力のうちで、１／３から半分程度の電力がクロック系により消費されることが知られている。従って、クロック系の信号経路を動作させることで、チップ全体を温めるという効果が得られる。

半導体装置１２の周波数比較回路３２、加熱回路３３、及び温度測定用リングオシレータ３４は、半導体装置１１の周波数比較回路２２、加熱回路２３、及び温度測定用リングオシレータ２４と、それぞれ同様の動作を実行する。

メモリコントローラ２５は、周波数比較回路２２からの加熱指示信号のアサート状態に応答して、メモリ１３に対するダミーアクセス等を継続的に実行する。これによりメモリ１３の温度を上昇させる。メモリコントローラ２５からメモリ１３に継続的に繰り返し供給するコマンドとしては、リフレッシュ命令或いはリード命令等でよい。メモリ１３は、メモリコントローラ２５から繰り返し供給されるリフレッシュ命令或いはリード命令に応じてリフレッシュ動作或いはリード動作を繰り返すことで、メモリ１３内部で電流を消費して、内部回路の温度を上昇させる。

このように半導体装置１１からメモリ１３にコマンドを継続的に供給してリフレッシュ動作或いはダミーアクセス動作を繰り返すのは、メモリ１３には温度測定のための回路や加熱目的のために特別に設けられた回路等が存在いないからである。従って、半導体装置１１からのコントロールに応じて動作させることで、メモリ１３の温度を上昇させる必要がある。

電源ユニット１４は、プリント基板１７上に搭載され、所定の電源電圧を出力電圧として供給する。出力電圧が設定電圧で安定した状態になると、電源ユニット１４は電源安定状態指示信号ＰをＨＩＧＨにする。電源安定状態指示信号Ｐは、半導体装置１１の周波数比較回路２２と、半導体装置１２の周波数比較回路３２と、ＡＮＤ回路１６とに供給される。

クロック生成回路１５は、プリント基板１７上に搭載され、半導体装置１１及び半導体装置１２が動作するクロック信号を供給する。クロック生成回路１５は例えば水晶発振器を利用した回路であり、水晶振動子の共鳴効果を利用して高精度の発振周波数で発振するクロック信号を生成する。この場合、水晶発振器の発振信号周波数の温度依存性は温度測定用リングオシレータ２４の発信周波数の温度依存性と比較して極めて小さいので、生成されたクロック信号は、温度判定の際の基準周波数として使用することができる。

ＡＮＤ回路１６は、外部からのリセット信号／ＲＥＳＥＴと、周波数比較回路２２からの適正温度状態を示す信号と、周波数比較回路３２からの適正温度状態を示す信号と、電源ユニット１４からの電源安定状態指示信号Ｐとを受け取る。リセット信号／ＲＥＳＥＴがＨＩＧＨ（"／"は負論理の意味）でありリセット解除状態を示し、周波数比較回路２２からの適正温度状態を示す信号がＨＩＧＨで半導体装置１１が適正温度であることを示し、周波数比較回路３２からの適正温度状態を示す信号がＨＩＧＨで半導体装置１２が適正温度であることを示し、且つ電源ユニット１４からの電源安定状態指示信号ＰがＨＩＧＨで出力電源電圧安定状態を示すとき、ＡＮＤ回路１６の出力はＨＩＧＨになる。

ＡＮＤ回路１６の出力は半導体集積回路２１及び半導体集積回路３１のリセット入力に結合されている。ＡＮＤ回路１６の出力がＬＯＷの場合、半導体集積回路２１及び半導体集積回路３１はリセット状態となっている。但し、半導体集積回路２１及び半導体集積回路３１がリセット状態であっても、半導体集積回路２１及び半導体集積回路３１の本来の動作を実行するための内部回路２６及び内部回路３５がリセット状態となっているにすぎず、上記説明した周波数比較回路、加熱回路、及び温度測定用リングオシレータは動作状態となっている。上記のようにＡＮＤ回路１６の出力がＨＩＧＨ状態になると、これに応答して、半導体集積回路２１及び半導体集積回路３１の内部回路２６及び内部回路３５はリセット状態から解除されて通常の動作を開始する。

このようにしてシステム１０では、電源投入直後において温度測定用リングオシレータの発振信号周波数がクロック生成回路１５のクロック信号周波数よりも高いので、半導体装置１１、半導体装置１２、及びメモリ１３を加熱する処理が実行される。その後半導体装置１１及び半導体装置１２の温度が適正温度まで上昇して温度測定用リングオシレータの発振信号周波数がクロック生成回路１５のクロック信号周波数よりも低くなると、加熱処理を停止して、半導体装置１１及び半導体装置１２の内部回路のリセット状態を解除する。従ってシステム１０は、各半導体集積回路が適正に動作可能な温度になってから、システム本来の動作を開始することになる。これにより、低温環境下での正常動作を確保しながら、半導体集積回路の設計期間を短縮することが可能となる。

なお図１の構成では、半導体装置１１、半導体装置１２、及びメモリ１３がプリント基板１７上に設けられたシステム構成としたが、システムに含まれる半導体装置の数はこの例に限られるものではなく、任意の数の半導体装置を設けることが可能である。半導体装置１１が１つだけ設けられたシステム構成でもよく、この場合、半導体装置１１の周波数比較回路２２が出力する適正温度状態を示す信号がＨＩＧＨになるのに応じて、半導体装置１１の内部回路２６の動作を開始するように構成してよい。

図２は、半導体集積回路２１の周波数比較回路２２及び温度測定用リングオシレータ２４の構成の一例を示す図である。なお半導体集積回路３１の周波数比較回路３２及び温度測定用リングオシレータ３４についても、図２に示すのと同様の構成であってよい。

図２の温度測定用リングオシレータ２４は、ＮＡＮＤ回路４１と複数のインバータ４２を含む。ＮＡＮＤ回路４１に入力される周波数比較回路２２からの加熱指示信号がＨＩＧＨの場合、ＮＡＮＤ回路４１はインバータとして動作する。このとき、温度測定用リングオシレータ２４のリングを構成する直列接続されたインバータの数が奇数となるように構成される。このインバータの個数を調整することにより、リングオシレータの発振信号周波数を調整することができる。

本実施例では例えば、最善のプロセス条件（信号伝搬速度が最速のプロセス条件）、典型的な電源電圧条件、及びＴｊ＝０℃を仮定したときに、リングオシレータの発振信号の周波数がクロック生成回路１５の生成するクロック信号の周波数と等しくなるように構成する。これにより、温度測定用リングオシレータ２４の周波数がクロック生成回路１５のクロック信号の周波数よりも低くなったときには、典型的な電源電圧条件下であれば、Ｔｊが０℃以上であることが確実となる。

周波数比較回路２２は、カウンタ５１、カウンタ５２、フリップフロップ５３、ＮＡＮＤ回路５４、インバータ５５、及びインバータ５６を含む。カウンタ５２は、クロック生成回路１５が生成するクロック信号ＣＬＫを入力として受け取り、クロック信号ＣＬＫのパルスの個数をカウントする。即ち、クロック信号ＣＬＫの各パルスに同期してカウント値をカウントアップしていく。カウンタ５１は、温度測定用リングオシレータ２４が生成する発振信号を入力として受け取り、発振信号のパルスの個数をカウントする。即ち、発振信号の各パルスに同期してカウント値をカウントアップしていく。カウンタ５１及びカウンタ５２は、例えば２０ビットカウンタであり、所定の数（２の２０乗）をカウントするとその出力をＨＩＧＨにする。カウンタ５１及びカウンタ５２は、リセット入力がＨＩＧＨになるとリセットされる。及びフリップフロップ５３は、リセット入力がＬＯＷになるとリセットされる。

電源ユニット１４が出力する電源安定状態指示信号ＰがＮＡＮＤ回路５４の一方の入力に供給される。電源安定状態指示信号Ｐは更に、フリップフロップ５３のリセット入力に供給される。電源安定状態指示信号ＰがＬＯＷの場合、フリップフロップ５３はリセット状態にあり、そのＱ出力はＬＯＷ固定である。従ってこの場合、適正温度状態を示す信号（ＡＮＤ回路１６へ供給される信号）はＬＯＷ固定である。またＮＡＮＤ回路５４の出力はＨＩＧＨ固定となり、カウンタ５１及びカウンタ５２はリセット状態である。

電源安定状態指示信号ＰがＨＩＧＨとなると、ＮＡＮＤ回路５４の出力がＬＯＷとなり、カウンタ５１及びカウンタ５２のカウント動作が開始される。これにより、周波数比較回路２２による周波数比較動作が開始される。カウンタ５１が温度測定用リングオシレータ２４の発振信号のパルスをカウントして、カウント値が所定の数に到達すると、カウンタ５１の出力がＨＩＧＨになる。このＨＩＧＨに応じてインバータ５５の出力がＬＯＷとなり、ＮＡＮＤ回路５４の出力がＨＩＧＨとなる。これにより、カウンタ５１及び５２がリセットされてそのカウント値がゼロに戻り、カウント動作がゼロから再開される。

温度測定用リングオシレータ２４の発振信号の周波数がクロック信号ＣＬＫの周波数よりも高い場合、カウンタ５２よりもカウンタ５１が早く所定のカウント値に到達し、カウンタ５１及び５２がリセットされる。従って、カウンタ５２が所定のカウント値に到達することはない。

その後半導体装置１１の温度が徐々に上昇して行くにつれ、温度測定用リングオシレータ２４の発振信号の周波数が徐々に低くなっていく。温度測定用リングオシレータ２４の発振信号の周波数がクロック信号ＣＬＫの周波数よりも低い状態になると、カウンタ５２がカウンタ５１よりも早く所定のカウント値に到達し、カウンタ５２の出力値がＨＩＧＨとなる。カウンタ５２の出力値がＨＩＧＨとなると、これをトリガーとして、フリップフロップ５３がデータ"１"を内部に取り込む。これによりフリップフロップ５３のＱ出力がＨＩＧＨとなり、適正温度状態を示す信号がＨＩＧＨとなり、温度が適正となったことを通知する。またフリップフロップ５３のＱ出力がＨＩＧＨとなると、インバータ５６の出力である加熱指示信号がＬＯＷとなる。加熱指示信号がＬＯＷとなると、温度測定用リングオシレータ２４の発振動作が停止するとともに、図１に示す加熱回路２３の動作及びメモリコントローラ２５のダミーアクセス動作が停止する。

図３は、システム１０における加熱動作の処理手順を示すフローチャートである。

ステップＳ１において、電源が安定状態であるか否かを判断する。即ち、電源ユニット１４から出力される電源安定状態指示信号ＰがＨＩＧＨであるかＬＯＷであるかを判断する。電源安定状態でない場合には、ステップＳ１を繰り返し、電源安定状態になるのを待つ。電源安定状態になるとステップＳ２に進む。

ステップＳ２で、温度測定用リングオシレータによる発振動作、加熱回路による加熱動作、及びメモリコントローラによるメモリ加熱動作を開始する。即ち、周波数比較回路から温度測定用リングオシレータ、加熱回路、及びメモリコントローラに供給する加熱指示信号をアサート状態にする。

ステップＳ３で、温度測定用リングオシレータの発振信号の周波数がクロック信号ＣＬＫ以上であるか以下であるかを判定する。クロック信号ＣＬＫ以上である場合には、半導体集積回路の温度がまだ適正な温度になっていないので、ステップＳ３を繰り返し、半導体集積回路の温度が適正な温度に達するのを待つ。温度測定用リングオシレータの発振信号の周波数がクロック信号ＣＬＫ以下となると、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４で、温度測定用リングオシレータによる発振動作、加熱回路による加熱動作、及びメモリコントローラによるメモリ加熱動作を停止する。即ち、周波数比較回路から温度測定用リングオシレータ、加熱回路、及びメモリコントローラに供給する加熱指示信号をネゲート状態にする。

ステップＳ５で、通常リセット信号がアサート状態かネゲート状態かを判定する。即ち、図１に示す外部からのリセット信号／ＲＥＳＥＴがアサート状態であるかネゲート状態であるかをＡＮＤ回路１６により判定する。リセット信号／ＲＥＳＥＴがアサート状態であれば、ステップＳ５を繰り返し、ネゲート状態となるのを待つ。リセット信号／ＲＥＳＥＴがネゲート状態になると、処理はステップＳ６に進む。

ステップＳ６で通常の運用を開始する。即ち、図１に示すシステム１０の本来の動作を開始する。詳しくは、ＡＮＤ回路１６の出力がＨＩＧＨとなることにより、半導体集積回路２１及び半導体集積回路３１の内部回路２６及び内部回路３５がリセット状態から解除されて、通常の動作を開始する。

図４は、本発明による回路システムの第２の実施例の構成を示す図である。

図４のシステム６０は、半導体装置６１、半導体装置６２、メモリ６３、電源ユニット６４、クロック生成回路６５、ＡＮＤ回路６６、温度センサ制御回路６７、及びペルチェ素子用コントローラ／電源６８を含む。半導体装置６１、半導体装置６２、メモリ６３、電源ユニット６４、クロック生成回路６５、ＡＮＤ回路６６、温度センサ制御回路６７、及びペルチェ素子用コントローラ／電源６８は、プリント基板６９上に実装されている。

半導体装置６１は、パッケージ内に実装された半導体集積回路を含み、そのパッケージ表面にはペルチェ素子７２が貼り付けられている。ペルチェ素子７２は、２種類の金属の接合部に電流を流すと一方の金属から他方の金属に熱が移動するペルチェ効果を利用した素子であり、シート状の素子の一方の面から他方の面に熱を移動させることができる。ペルチェ素子７２に印加する電流の向きを逆転することで、熱の移動方向を切り換えて、半導体装置６１の加熱又は冷却を切り換えることができる。また半導体装置６１のパッケージ表面には更に温度センサモジュール７１が貼り付けられている。この温度センサモジュール７１によりパッケージ表面の温度を測定して、温度測定結果を示す信号を温度センサ制御回路６７に供給する。

半導体装置６２はパッケージ内に実装された半導体集積回路を含み、半導体装置６１と同様に、そのパッケージ表面には温度センサモジュール７１及びペルチェ素子７２が貼り付けられている。この温度センサモジュール７１により半導体装置６２のパッケージ表面の温度を測定して、温度測定結果を示す信号を温度センサ制御回路６７に供給する。

メモリ６３は、パッケージ内に実装された半導体集積回路を含み、半導体装置６１及び６２と同様に、そのパッケージ表面には温度センサモジュール７１及びペルチェ素子７２が貼り付けられている。この温度センサモジュール７１によりメモリ６３のパッケージ表面の温度を測定して、温度測定結果を示す信号を温度センサ制御回路６７に供給する。

温度センサ制御回路６７は、半導体装置６１、半導体装置６２、及びメモリ６３のそれぞれの温度センサモジュール７１から供給される温度測定結果を示す信号に応じて、ペルチェ素子用コントローラ／電源６８を制御する。温度測定結果が正常な動作に必要な温度範囲以下の温度を示す場合（即ち温度測定結果が所定の温度以下の温度を示す場合）には、温度センサ制御回路６７は、ペルチェ素子７２により各半導体集積回路を加熱するようにペルチェ素子用コントローラ／電源６８を制御する。この温度測定結果を示す信号に応じたペルチェ素子７２による加熱動作は、各半導体装置毎に独立に実行するように構成してよい。全ての温度測定結果が正常な動作に必要な温度を示すと、温度センサ制御回路６７は、ＡＮＤ回路６６へ供給する適正温度状態を示す信号をＨＩＧＨにする。

電源ユニット６４は、プリント基板６９上に搭載され、所定の電源電圧を出力電圧として供給する。出力電圧が設定電圧で安定した状態になると、電源ユニット６４は電源安定状態指示信号ＰをＨＩＧＨにする。電源安定状態指示信号ＰはＡＮＤ回路６６へ供給される。

ＡＮＤ回路６６は、外部からのリセット信号／ＲＥＳＥＴと、温度センサ制御回路６７からの適正温度状態を示す信号と、電源ユニット６４からの電源安定状態指示信号Ｐとを受け取る。リセット信号／ＲＥＳＥＴがＨＩＧＨ（"／"は負論理の意味）でありリセット解除状態を示し、温度センサ制御回路６７からの適正温度状態を示す信号がＨＩＧＨで各半導体集積回路が適正温度であることを示し、且つ電源ユニット６４からの電源安定状態指示信号ＰがＨＩＧＨで出力電源電圧安定状態を示すとき、ＡＮＤ回路６６の出力はＨＩＧＨになる。

ＡＮＤ回路６６の出力は半導体装置６１及び半導体装置６２のリセット入力に結合されている。ＡＮＤ回路６６の出力がＬＯＷの場合、半導体装置６１及び半導体装置６２はリセット状態となっている。上記のようにＡＮＤ回路６６の出力がＨＩＧＨ状態になると、これに応答して、半導体装置６１及び半導体装置６２はリセット状態から解除されて通常の動作を開始する。

このようにしてシステム６０では、電源投入直後において温度センサモジュール７１による温度測定結果が所定の温度よりも低いので、半導体装置６１、半導体装置６２、及びメモリ６３をペルチェ素子７２により加熱する処理が実行される。その後半導体装置６１、半導体装置６２、及びメモリ６３の温度が適正温度まで上昇すると、加熱処理を停止して、半導体装置６１及び半導体装置６２のリセット状態を解除する。従ってシステム６０は、各半導体集積回路が適正に動作可能な温度になってから、システム本来の動作を開始することになる。これにより、低温環境下での正常動作を確保しながら、半導体集積回路の設計期間を短縮することが可能となる。

上述のように、ペルチェ素子７２に印加する電流の向きを逆転することで、熱の移動方向を切り換えて、半導体装置の加熱又は冷却を切り換えることができる。従って、図４の構成のシステムにおいては、半導体装置が正常に動作可能な温度範囲よりも高い温度となるような場合には、温度センサ制御回路６７によりペルチェ素子用コントローラ／電源６８を制御して、半導体装置を冷却するようにペルチェ素子７２を動作させることも可能である。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で様々な変形が可能である。

例えば上記実施例において加熱機構としては、専用のインバータループ、既存のクロック系の信号経路、専用のペルチェ素子について説明したが、本発明の加熱機構はこれらの例に限定されるものではない。例えば、加熱目的のためのスイッチ付きの抵抗を各半導体装置に内蔵するように設けてもよいし、テスト容易化設計（ＤＦＴ：Design for Testability）で設けられたスキャンパスに"０"と"１"とを交互に繰り返すようなパターンを伝搬させてもよいし、自己チェック型のＬｏｇｉｃ−ＢＩＳＴ(Built-in Self TEST)が搭載されている場合にはＬｏｇｉｃ−ＢＩＳＴの値が正しくなるまでＢＩＳＴ動作を繰り返すようにしてもよい。このＬｏｇｉｃ−ＢＩＳＴの値が正しくなるまでＢＩＳＴ動作を繰り返すという動作は、温度測定の目的のためにも用いることが可能である。

本発明による回路システムの第１の実施例の構成を示す図である。 周波数比較回路及び温度測定用リングオシレータの構成の一例を示す図である。 システムにおける加熱動作の処理手順を示すフローチャートである。 本発明による回路システムの第２の実施例の構成を示す図である。

符号の説明

１０ システム
１１ 半導体装置
１２ 半導体装置
１３ メモリ
１４ 電源ユニット
１５ クロック生成回路
１６ ＡＮＤ回路
１７ プリント基板
２０ パッケージ
２１ 半導体集積回路
２２ 周波数比較回路
２３ 加熱回路
２４ 温度測定用リングオシレータ
２５ メモリコントローラ
２６ 内部回路
３０ パッケージ
３１ 半導体集積回路
３２ 周波数比較回路
３３ 加熱回路
３４ 温度測定用リングオシレータ
３５ 内部回路

Claims (10)

1. 温度に依存した測定量を検出するための測定回路と、
   該温度が所定の値以下であることを示す該測定量を該測定回路が検出するとそれに応答して熱を発生する加熱回路
   を含むことを特徴とする半導体集積回路。
2. 該測定回路は、
   リングオシレータと、
   外部から供給されるクロック信号の周波数と該リングオシレータの発振信号の周波数とを比較する周波数比較回路
   を含み、該加熱回路は、該発振信号の周波数が該クロック信号の周波数よりも高いことを該周波数比較回路が検出するとそれに応答して熱を発生するよう構成されることを特徴とする請求項１記載の半導体集積回路。
3. 該加熱回路は信号レベルをＨＩＧＨとＬＯＷとで交互に切り替える動作により電流を消費して熱を発生するよう構成されることを特徴とする請求項１記載の半導体集積回路。
4. 該温度が所定の値以下であることを示す該測定量を該測定回路が検出するとそれに応答して、メモリに動作実行させる命令を繰り返し送出するメモリコントローラを更に含むことを特徴とする請求項１記載の半導体集積回路。
5. 該加熱回路は、該温度が所定の値以上であることを示す該測定量を該測定回路が検出するとそれに応答して熱発生動作を停止することを特徴とする請求項１記載の半導体集積回路。
6. 該温度が所定の値以上であることを示す該測定量を該測定回路が検出するとそれに応じて動作を開始する内部回路を更に含むことを特徴とする請求項１記載の半導体集積回路。
7. 第１の温度に依存した測定量を検出するための第１の測定回路と、該第１の温度が所定の値以下であることを示す該測定量を該第１の測定回路が検出するとそれに応答して熱を発生する第１の加熱回路とを含む第１の半導体集積回路と、
   第２の温度に依存した測定量を検出するための第２の測定回路と、該第２の温度が該所定の値以下であることを示す該測定量を該第２の測定回路が検出するとそれに応答して熱を発生する第２の加熱回路とを含む第２の半導体集積回路と、
   該第１の温度が該所定の値以上であることを示す該測定量を該第１の測定回路が検出し且つ該第２の温度が所定の値以上であることを示す該測定量を該第２の測定回路が検出すると、それに応答して該第１の半導体集積回路の内部回路と該第２の半導体集積回路の内部回路との動作を開始するよう構成されることを特徴とする回路システム。
8. 第１の半導体集積回路と、
   第２の半導体集積回路と、
   該第１の半導体集積回路の温度を測定する第１の測定回路と、
   該第２の半導体集積回路の温度を測定する第２の測定回路と、
   該第１の半導体集積回路の温度が所定の値以下であることを該第１の測定回路が検出すると該第１の半導体集積回路を加熱する加熱素子と、
   該第２の半導体集積回路の温度が該所定の値以下であることを該第２の測定回路が検出すると該第２の半導体集積回路を加熱する加熱素子
   を含み、該第１の半導体集積回路の温度が該所定の値以上であることを該第１の測定回路が検出し且つ該第２の半導体集積回路の温度が該所定の値以上であることを該第２の測定回路が検出すると、それに応答して該第１の半導体集積回路と該第２の半導体集積回路との動作を開始するよう構成されることを特徴とする回路システム。
9. 該加熱素子はペルチェ素子であることを特徴とする請求項８記載の回路システム。
10. 半導体集積回路の温度に依存した測定量を検出し
    該温度が所定の値以下であることを示す該測定量の検出に応じて該半導体集積回路を加熱し、
    該温度が該所定の値以上であることを示す該測定量の検出に応じて該半導体集積回路の加熱を停止し、
    該温度が該所定の値以上であることを示す該測定量の検出に応じて該半導体集積回路の動作を開始する
    各段階を含むことを特徴とする半導体集積回路の駆動方法。

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