JP2015046543A - 半導体集積回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度の検出精度が高く、トランジスタの発熱に対する過熱検出の応答性が高い半導体集積回路装置を提供する。【解決手段】リード１２と、半導体チップ１３に形成されたボンディングパッド１４、１５との間が、ボンディングワイヤ１６、１７で接続されている。トランジスタ１９がオンしているときのドレイン・ソース間電圧Ｖ１は、リード１２の電圧Ｖｏをボンディングワイヤ１６の抵抗とトランジスタ１９のオン抵抗で分圧した値になる。両抵抗の温度係数は異なるので、分圧比は温度に応じて変化する。基準電圧Ｖ２は、電圧Ｖｏを分圧回路２２で分圧した値になり、分圧比は温度に依存せず一定となる。コンパレータ２７は、Ｖ１≧Ｖ２の条件で過熱を示すＬレベルの温度判定信号Ｓｔを出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、インナーリード部と半導体チップに形成されたボンディングパッドとの間がボンディングワイヤにより接続された半導体集積回路装置に関する。

負荷電流を流すパワートランジスタを過熱から保護するため、トランジスタの近傍に感温用のダイオードを配置し、そのダイオードに定電流を流したときの順方向電圧に基づいて過熱状態の有無を判定する過熱検出回路が用いられている（特許文献１参照）。

特開２００２−１１２４５１号公報

しかし、トランジスタの素子サイズが大きいと、温度分布に偏りが生じる。そのため、感温用ダイオードの配置によっては温度の検出精度が低下するとともに、トランジスタの発熱に対する過熱検出の応答性が低下する。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、温度の検出精度が高く、トランジスタの発熱に対する過熱検出の応答性が高い半導体集積回路装置を提供することにある。

請求項１に記載した半導体集積回路装置によれば、リードのインナーリード部と半導体チップに形成された第１、第２ボンディングパッドとの間がそれぞれ第１、第２ボンディングワイヤにより接続されており、これらインナーリード部、半導体チップおよびボンディングワイヤが封止されている。半導体チップには、トランジスタ、分圧抵抗および第１比較回路が形成されている。

トランジスタの通電端子間（ドレイン・ソース間、コレクタ・エミッタ間）は、第１ボンディングパッドと電源線との間に接続されている。分圧抵抗は、第２ボンディングパッドと電源線との間に接続されている。分圧抵抗は、第２ボンディングワイヤの抵抗値よりも高い抵抗値を有することにより、インナーリード部と電源線との間の電圧を温度変化によらず一定比率で分圧して基準電圧を生成する。第１比較回路は、トランジスタが所定の駆動条件でオン駆動されているときに、トランジスタの通電端子間の電圧と基準電圧とを比較して温度判定信号を出力する。

本手段によれば、トランジスタの通電端子間の電圧は、リードと電源線との間の電圧を、第１ボンディングワイヤの抵抗とトランジスタのオン抵抗とで分圧した値になる。第１ボンディングワイヤの抵抗とトランジスタのオン抵抗の温度特性は異なるので、その分圧比は温度に応じて変化する。一方、第２ボンディングパッドと電源線との間に接続された分圧抵抗の抵抗値は、第２ボンディングワイヤの抵抗値よりも高いので、リードと電源線との間の電圧は主に分圧抵抗が負担し、基準電圧を生成する分圧比は温度によらずほぼ一定となる。

このように２つの分圧比の温度特性が異なるので、リードの電圧にかかわらず、オン駆動されたトランジスタの通電端子間の電圧と基準電圧との大小関係が温度に応じて変化する。第１比較回路は、両電圧を比較して温度判定（温度検出）を行う。オン抵抗はトランジスタの真の温度を反映しており、素子内での温度分布の偏りの影響を受けにくいので、高精度に温度判定することができる。また、ボンディングワイヤの熱抵抗は小さく、トランジスタの発熱時におけるボンディングワイヤの温度上昇がトランジスタの温度上昇よりも遅れる傾向にあるので、電流の急増による発熱に対し過熱判定（過熱検出）の応答性が高くなる。

請求項２に記載した手段によれば、第１リードのインナーリード部と第１ボンディングパッドとの間が第１ボンディングワイヤにより接続されており、第２リードのインナーリード部と第２ボンディングパッドとの間が第２ボンディングワイヤにより接続されている。半導体集積回路装置は、第１リードのアウターリード部と第２リードのアウターリード部とが外部の電気的接続体により互いに接続された状態で用いられる。

この構成によれば、半導体集積回路装置の外部に設けられる電気的接続体（例えばプリント配線基板のパターン、配線パターンに設けたチップ抵抗、リードなど）が、第１ボンディングワイヤと直列に接続され、トランジスタへの通電経路となる。トランジスタの通電端子間の電圧は、電気的接続体と第１ボンディングワイヤの直列抵抗と、トランジスタのオン抵抗とで分圧した値になる。従って、電気的接続体を変更することにより、しきい値温度を変更することができる。

請求項３に記載した手段によれば、分圧抵抗は分圧比を変更可能に構成されている。半導体チップには、さらに差動増幅回路および第２比較回路が形成されている。差動増幅回路は、第１ボンディングパッドの電圧と第２ボンディングパッドの電圧との差分電圧を増幅する。第２比較回路は、差動増幅回路の出力電圧と所定の電流判定値に対応した判定電圧とを比較して、第１ボンディングワイヤに流れる電流が電流判定値を超えているか否かを判定する。半導体集積回路装置は、第２比較回路が第１ボンディングワイヤに電流判定値を超える電流が流れていると判定している期間、基準電圧を低下させるように分圧抵抗の分圧比を変更する。

第１、第２ボンディングワイヤの各一端は、同じリードに共通に接続され、或いは異なる第１、第２リードを介して半導体集積回路装置の外部で電気的接続体を介して共通に接続されている。第１ボンディングワイヤを介してトランジスタに電流が流れ、第２ボンディングワイヤを介して分圧抵抗に電流が流れる。第１ボンディングパッドの電圧は、上記共通接続点の電圧に対し、第１ボンディングワイヤに流れる電流に応じた値だけ変位する。これに対し、分圧抵抗はトランジスタのオン抵抗およびボンディングワイヤの抵抗よりも高い抵抗値を有するので、第２ボンディングパッドの電圧は、上記共通接続点の電圧に近い値になる。その結果、差動増幅回路が出力する電圧は、第１ボンディングワイヤ（トランジスタ）に流れる電流に応じた値となる。

本手段によれば、第１ボンディングワイヤに電流判定値を超える電流が流れている期間、基準電圧が低下して判定温度が下がる。これにより、トランジスタの発熱が大きい時に、トランジスタの急激な温度上昇に遅れることなく、温度上昇（過熱状態）を示す温度判定信号を高応答で出力することができる。

第１の実施形態を示すＩＣの電気的構成図 第２の実施形態を示す図１相当図

各実施形態において実質的に同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態について図１を参照しながら説明する。ＩＣ１１（半導体集積回路装置）は、リード１２および図示しないその他のリードを備えている。リード１２のインナーリード部１２ａと半導体チップ１３に形成された第１、第２ボンディングパッド１４、１５との間は、それぞれ第１、第２ボンディングワイヤ１６、１７により接続されている。図示しないが、他のリードと他のボンディングパッドとの間もボンディングワイヤにより接続されている。これらの各リードのインナーリード部、半導体チップ１３およびボンディングワイヤは、樹脂により封止されている。

半導体チップ１３には、ローサイド側すなわち電源線１８（グランド）側に位置してＮチャネル型のＬＤＭＯＳトランジスタ１９が形成されている。トランジスタ１９は、リード１２のアウターリード部１２ｂと外部の電源線２０との間に接続された誘導性または抵抗性の負荷２１を駆動する。外部の電源線２０は、例えば電圧ＶＢを有する車載バッテリの正極端子に接続されている。

半導体チップ１３において、ボンディングパッド１４と電源線１８との間には、上述したトランジスタ１９のドレイン・ソース間（通電端子間）が接続されている。トランジスタ１９がオンすると、リード１２からボンディングワイヤ１６、ボンディングパッド１４、トランジスタ１９を経て負荷電流が流れる。

ボンディングパッド１５と電源線１８との間には、分圧抵抗２２が接続されている。リード１２からボンディングワイヤ１７、ボンディングパッド１５、分圧抵抗２２を経て電源線１８に至る経路は、電圧センシング用に設けられたものである。分圧抵抗２２は、ボンディングパッド１５と電源線１８との間に直列接続された抵抗２３、２４、および抵抗２３、２４の分圧ノードと電源線１８との間に直列接続された抵抗２５とＮチャネル型ＭＯＳトランジスタ２６から構成されている。抵抗２３、２４、２５は、温度係数が互いに等しく、ボンディングワイヤよりも十分に高い抵抗値を有している。分圧抵抗２２は、分圧ノードから基準電圧Ｖ２を出力する。

コンパレータ２７（第１比較回路）は、電源線２８、１８を通して与えられる電源電圧ＶDDにより動作する。コンパレータ２７は、トランジスタ１９のゲート電圧がトランジスタ１９のしきい値電圧よりも高く設定された電圧Ｖ３以上であることを条件として、トランジスタ１９のドレイン・ソース間電圧Ｖ１と基準電圧Ｖ２とを比較して温度判定信号Ｓｔを出力する。

差動増幅回路２９は、ボンディングパッド１４の電圧Ｖ１とボンディングパッド１５の電圧Ｖ３との差分（Ｖ３−Ｖ１）に応じた電圧を出力する。差動増幅回路２９は、電源電圧ＶDDで動作するオペアンプ３０と抵抗３１〜３７から構成されている。抵抗３１、３２の抵抗値はＲａ、抵抗３３〜３６の抵抗値はＲｂである。抵抗３７はトリミング抵抗である。抵抗３７のトリミング後の抵抗値をＲｃとすれば、差動増幅回路２９は（１）式で示す差分電圧Ｖｄを出力する。
Ｖｄ＝２（１＋Ｒｂ／Ｒｃ）（Ｒｂ／Ｒａ）（Ｖ３−Ｖ１） …（１）

基準電圧生成回路３９は、所定の電流判定値に対応した判定電圧Ｖｒを生成する。コンパレータ３８（第２比較回路）は、電源電圧ＶDDにより動作し、差分電圧Ｖｄと判定電圧Ｖｒとを比較して電流判定信号Ｓｃを出力する。電流判定信号Ｓｃは、上述したトランジスタ２６のゲートに与えられ、分圧抵抗２２の分圧比を制御する。

駆動回路４０は、入力した駆動信号に基づいてトランジスタ１９をオンオフ駆動する。電源線２８、１８間には定電流回路４１、スイッチ４２およびスイッチ４３が直列に接続されており、スイッチ４２、４３の共通接続ノードがトランジスタ１９のゲートに接続されている。スイッチ４２は駆動信号がＨレベルのときにオン動作し、スイッチ４３はインバータ４４を通過した駆動信号の反転信号がＨレベルのときにオン動作する。３状態インバータ４５は、駆動信号がＨレベルのときに有効化され、温度判定信号ＳｔがＬレベル（過熱状態）のときにスイッチ４３をオンしてトランジスタ１９をオフ駆動する。

次に、本実施形態の作用を説明する。リード１２の電圧Ｖｏは、電源線２０の電圧ＶＢ、トランジスタ１９のオンオフ状態、負荷２１の大きさなどにより変動する。ボンディングワイヤ１６の抵抗値をＲ１、トランジスタ１９のオン抵抗の値をＲonとすれば、トランジスタ１９がオンしているときのドレイン・ソース間電圧Ｖ１は、（２）式で示す分圧電圧となる。
Ｖ１＝Ｒon／（Ｒ１＋Ｒon）・Ｖｏ …（２）

一例として、ボンディングワイヤ１６の抵抗の温度係数Ｔｃ１は４．４×１０^-3／℃、トランジスタ１９のオン抵抗Ｒonの温度係数Ｔｃ２は１２．８×１０^-3／℃である。温度係数Ｔｃ１とＴｃ２は異なるので、その分圧比は温度に応じて変化する。本実施形態のようにＴｃ１＜Ｔｃ２の場合、温度の上昇に伴い分圧比Ｒon／（Ｒ１＋Ｒon）が大きくなるので、電圧Ｖ１は正の温度係数を持つ。

一方、ボンディングワイヤ１７の抵抗値をＲ２、抵抗２３、２４、２５の抵抗値をＲ23、Ｒ24、Ｒ25、抵抗２４、２５の並列抵抗値をＲｐとすれば、基準電圧Ｖ２は、電流判定信号ＳｃがＬレベルのとき（３）式、Ｈレベルのとき（４）式となる。
Ｖ２＝Ｒ24／（Ｒ２＋Ｒ23＋Ｒ24）・Ｖｏ …（３）
Ｖ２＝Ｒｐ／（Ｒ２＋Ｒ23＋Ｒｐ）・Ｖｏ …（４）

一例として、Ｒ２は２００ｍΩ、Ｒ23、Ｒ24、Ｒ25は数ｋΩなので、（３）式、（４）式は高い精度で（５）式、（６）式のように近似できる。Ｒ23、Ｒ24、Ｒ25は温度係数が互いに等しいので、基準電圧Ｖ２を決定する分圧比は、温度に依存せず一定となる。
Ｖ２≒Ｒ24／（Ｒ23＋Ｒ24）・Ｖｏ …（５）
Ｖ２≒Ｒｐ／（Ｒ23＋Ｒｐ）・Ｖｏ …（６）

このように電圧Ｖ１、Ｖ２を生成するときの分圧比の温度特性が異なるので、リード１２の電圧Ｖｏにかかわらず、電圧Ｖ１、Ｖ２の相対的な大小関係が温度に応じて変化する。そこで、電流判定信号ＳｃがＬレベルで温度がしきい値温度ＴａのときにＶ１＝Ｖ２となり、電流判定信号ＳｃがＨレベルで温度がしきい値温度Ｔｂ（＜Ｔａ）のときにＶ１＝Ｖ２となるように抵抗値Ｒ23、Ｒ24、Ｒ25を決定する。最終的には、ＩＣ１１の検査工程において抵抗値Ｒ24をトリミングして合わせ込む。

電流判定信号ＳｃがＬレベルの場合、ボンディングワイヤ１６とトランジスタ１９の温度がＴａよりも低いときには、Ｖ１＜Ｖ２となり温度判定信号ＳｔがＨレベル（正常状態）となる。温度がＴａ以上になると、Ｖ１≧Ｖ２となり温度判定信号ＳｔがＬレベル（過熱状態）に遷移する。電流判定信号ＳｃがＨレベルの場合も同様に、温度がＴｂよりも低いときに温度判定信号ＳｔがＨレベルとなり、温度がＴｂ以上になると温度判定信号ＳｔがＬレベルに遷移する。温度判定信号ＳｔがＬレベルになると、駆動回路４０は、トランジスタ１９をオフ駆動して過熱から保護する。

続いて、電流検出について説明する。差動増幅回路２９は、ボンディングパッド１４の電圧Ｖ１とボンディングパッド１５の電圧Ｖ３との差分電圧Ｖｄを出力する。ボンディングパッド１４、１５は、ボンディングワイヤ１６、１７を介して共通のリード１２に接続されているので、差分電圧Ｖｄは、ボンディングワイヤ１６、１７に流れる電流差に応じた電圧となる。ボンディングワイヤ１６には負荷電流が流れる。一方、分圧抵抗２２の抵抗値はトランジスタ１９のオン抵抗Ｒon（一例として５００ｍΩ）に比べ十分に大きいので、ボンディングワイヤ１７に流れる電流は負荷電流に比べ十分に小さくなる。従って、差分電圧Ｖｄは、ボンディングワイヤ１６（トランジスタ１９）に流れる負荷電流に比例した電圧となる。

トランジスタ１９に流れる電流が電流判定値未満の場合には、差分電圧Ｖｄが判定電圧Ｖｒ未満となり、電流判定信号ＳｃはＬレベルになる。このとき、分圧抵抗２２の分圧比は（５）式に示すように大きくなる。これに対し、トランジスタ１９に流れる電流が電流判定値以上の場合には、差分電圧Ｖｄが判定電圧Ｖｒ以上となり、電流判定信号ＳｃはＨレベルになる。このとき、分圧抵抗２２の分圧比は（６）式に示すように小さくなる。すなわち、トランジスタ１９に流れる電流が電流判定値以上になると、基準電圧Ｖ２が低下して、より低い温度Ｔｂで温度判定信号ＳｔをＬレベル（過熱状態）に遷移させることができる。

以上説明した本実施形態によれば、リード１２と電源線１８との間に構成された２つの電流経路において、それぞれ温度特性が異なる分圧比により電圧Ｖ１と基準電圧Ｖ２が定まる。従って、ＩＣ１１は、電圧Ｖ１と基準電圧Ｖ２の比較に基づいて、温度がしきい値温度Ｔａ以上（電流判定信号ＳｃがＬの時）またはしきい値温度Ｔｂ以上（電流判定信号ＳｃがＨの時）であるか否かの過熱判定をすることができる。

電圧Ｖ１は、ボンディングワイヤ１６とトランジスタ１９のオン抵抗との分圧により定まるので、トランジスタ１９に流れる電流の大きさにかかわらず過熱判定できる。オン抵抗はトランジスタ１９の真の温度を反映しており、トランジスタ素子内での温度分布の偏りの影響を受けにくいので、高精度に温度判定することができる。また、ダイオードなどの感温素子を別に設ける必要がないので、ＩＣ１１内での素子レイアウトの自由度が高くなる。

ボンディングワイヤ１６の熱抵抗は小さくリード１２への熱伝導により放熱されるので、トランジスタ１９の発熱が増えると、トランジスタ１９の温度がボンディングワイヤ１６の温度よりも早く上昇する。その結果、電圧Ｖ１を生成する際の分圧比が一時的に高くなり、負荷電流の急増等によるトランジスタ１９の発熱に対する過熱判定の応答性が高くなる。

電流判定信号Ｓｃがフィードバックされているので、ボンディングワイヤ１６（トランジスタ１９）に電流判定値を超える電流が流れている期間、基準電圧Ｖ２が低下して判定しきい値温度がＴａからＴｂに下がる。これにより、トランジスタ１９の発熱が大きい時に、トランジスタ１９の急激な温度上昇に遅れることなく、過熱状態を検出することができる。その結果、負荷２１の短絡故障などにより負荷電流が急増した時でも、トランジスタ１９を確実に遮断して保護することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について図２を参照しながら説明する。ＩＣ５１は、第１、第２ボンディングパッド１４、１５に対し、それぞれ独立した第１、第２リード５２、５３を備えている。リード５２のインナーリード部５２ａとボンディングパッド１４との間がボンディングワイヤ１６により接続されており、リード５３のインナーリード部５３ａとボンディングパッド１５との間がボンディングワイヤ１７により接続されている。ＩＣ５１のその他の構成はＩＣ１１と同じである。

ＩＣ５１はプリント配線基板に実装されている。リード５２のアウターリード部５２ｂとリード５３のアウターリード部５３ｂとは、プリント配線基板に形成されたパターンを介して接続されている。このパターンが持つ抵抗５４（パターン抵抗５４）は、電気的接続体として機能する。このパターンとアウターリード部５３ｂとの接続点５５は、負荷２１の一端に接続されている。

トランジスタ１９がオンしているときのドレイン・ソース間電圧Ｖ１は、接続点５５の電圧Ｖｏをパターン抵抗５４とボンディングワイヤ１６の抵抗とトランジスタ１９のオン抵抗とで分圧した値になる。一方、基準電圧Ｖ２は、接続点５５の電圧Ｖｏを分圧抵抗２２で分圧した値になる。

本実施形態によれば、ＩＣ５１を実際にプリント配線基板に実装する際のパターン抵抗５４を変更することにより、電圧Ｖ１に係る分圧比を変更することができる。具体的には、パターン抵抗５４を増やすほど分圧比が小さくなるので、基準電圧Ｖ２を高く調整することと同じ効果が得られる。逆に、パターン抵抗５４を減らすほど分圧比が大きくなるので、基準電圧Ｖ２を低く調整することと同じ効果が得られる。その結果、ＩＣ５１の製造後であっても、過熱状態と判定するしきい値温度Ｔａ、Ｔｂを実質的に変更することができる。

なお、電気的接続体として、パターン抵抗５４に替えて或いはパターン抵抗５４とともに、当該パターンに介在させたチップ抵抗を用いてもよい。この場合には、チップ抵抗の抵抗値を変更することにより、しきい値温度Ｔａ、Ｔｂを調整することができる。さらに、電気的接続体の一部としてリード５２を用いてもよい。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形、拡張を行うことができる。
各実施形態において、分圧抵抗２２から抵抗２５とトランジスタ２６を省くとともに、差動増幅回路２９、コンパレータ３８および基準電圧生成回路３９を省いた構成としてもよい。

分圧抵抗２２の抵抗値は、ボンディングワイヤ１７の抵抗値よりも高い抵抗値を有していればよい。ただし、ボンディングワイヤ１７の抵抗値に比べ分圧抵抗２２の抵抗値が高いほど、基準電圧Ｖ２の温度係数を小さくすることができる。
駆動回路４０は、トランジスタ１９を所定の駆動条件（例えば一定のゲート電圧）でオン駆動する限り、トランジスタ１９のゲートを定電流で駆動することに替えて定電圧で駆動してもよい。

図面中、１１、５１はＩＣ（半導体集積回路装置）、１２、５２、５３はリード、１２ａ、５２ａ、５３ａはインナーリード部、１２ｂ、５２ｂ、５３ｂはアウターリード部、１３は半導体チップ、１４、１５は第１、第２ボンディングパッド、１６、１７は第１、第２ボンディングワイヤ、１９はトランジスタ、２２は分圧抵抗、２７はコンパレータ（第１比較回路）、２９は差動増幅回路、３８はコンパレータ（第２比較回路）、５４はパターン抵抗（電気的接続体）である。

Claims (3)

1. リード（１２，５２，５３）のインナーリード部（１２ａ，５２ａ，５３ａ）と半導体チップ（１３）に形成された第１、第２ボンディングパッド（１４，１５）との間がそれぞれ第１、第２ボンディングワイヤ（１６，１７）により接続されており、これらインナーリード部、半導体チップおよびボンディングワイヤが封止された半導体集積回路装置（１１，５１）であって、
   前記半導体チップには、
   前記第１ボンディングパッドと電源線（１８）との間に通電端子間が接続されたトランジスタ（１９）と、
   前記第２ボンディングパッドと前記電源線との間に接続され、前記第２ボンディングワイヤの抵抗値よりも高い抵抗値を有することにより前記インナーリード部と前記電源線との間の電圧を温度変化によらず一定比率で分圧して基準電圧を生成する分圧抵抗（２２）と、
   前記トランジスタが所定の駆動条件でオン駆動されているときに、前記トランジスタの通電端子間の電圧と前記基準電圧とを比較して温度判定信号を出力する第１比較回路（２７）とが形成されていることを特徴とする半導体集積回路装置。
2. 第１リード（５２）のインナーリード部（５２ａ）と前記第１ボンディングパッド（１４）との間が前記第１ボンディングワイヤ（１６）により接続されており、
   第２リード（５３）のインナーリード部（５３ａ）と前記第２ボンディングパッド（１５）との間が前記第２ボンディングワイヤ（１７）により接続されており、
   前記第１リードのアウターリード部（５２ｂ）と前記第２リードのアウターリード部（５３ｂ）とが外部の電気的接続体（５４）により互いに接続された状態で用いられることを特徴とする請求項１記載の半導体集積回路装置。
3. 前記分圧抵抗（２２）は分圧比を変更可能に構成されており、
   前記半導体チップには、さらに
   前記第１ボンディングパッドの電圧と前記第２ボンディングパッドの電圧との差分電圧を増幅する差動増幅回路（２９）と、
   前記差動増幅回路の出力電圧と所定の電流判定値に対応した判定電圧とを比較して、前記第１ボンディングワイヤに流れる電流が前記電流判定値を超えているか否かを判定する第２比較回路（３８）とが形成され、
   前記第２比較回路が前記第１ボンディングワイヤに前記電流判定値を超える電流が流れていると判定している期間、前記基準電圧を低下させるように前記分圧抵抗の分圧比を変更することを特徴とする請求項１または２記載の半導体集積回路装置。

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