JP2015126113A - 半導体装置およびその設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱源素子の温度検出感度および半導体素子の効率的な配置が実現できる半導体装置およびその設計方法を提供する。
【解決手段】半導体装置１０は、半導体チッップＳＣＨに熱源素子ＨＳＥと感温素子ＴＥを有する。熱源素子ＨＳＥの平面視形状は凹型を成し、凹字状の空間部ＳＰの奥行きｙ１を全体の長さのｙ０の０．７５倍から０．２５倍の大きさに設定し、感温素子ＴＥの中心部Ｔｃを連結領域ｈｓｅ３の一辺の近傍に設け、長さｙ３が長さｘ３１ａ，長さｘ３１ｂよりも短くなるように空間部ＳＰに配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置およびその設計方法に関し、特に熱源素子と感温素子を備えたものに関する。

半導体装置において、熱源素子は広くは数百ｍＡから数Ａが流れるたとえばバイポーラ型やＭＩＳ型のパワートランジスタが相当する。感温素子とはパワートランジスタが形成された半導体チップの温度、とりわけパワートランジスタ自体の接合温度を検知する半導体素子を指し、たとえばトランジスタなどの能動素子やダイオード、抵抗などの受動素子が用いられる。

熱源素子、感温素子はたとえばボルテージレギュレータやＤＣ／ＤＣコンバータに採用されている。バイポーラ型の場合は、トランジスタのコレクタ・エミッタ間に、ＭＩＳ型の場合にはソース・ドレイン間にそれぞれ大きな電流が流れ、さらに、これらの両電極間に大きな電圧が印加されると、これらパワートランジスタは多大な電力を消費する。たとえばＭＩＳ型トランジスタのソース・ドレイン間に２００ｍＡが流れ、両電極間に８Ｖの電圧が印加された場合にはＭＩＳ型トランジスタの電力消費量は１．６Ｗとなる。

消費電力が大きくなるにつれパワートランジスタの接合温度は上昇し、さらにその周辺に作り込まれた各半導体素子の接合温度も上昇する。接合温度が異常に高くなると、半導体装置は劣化または破壊の危険に晒される。こうした不具合を解消するために感温素子が半導体チップ内に配置され、特にパワートランジスタの近傍に配置され、半導体チップの温度を検知し、所定の温度に至った場合には、パワートランジスタおよび各種の半導体素子、または半導体装置全体の動作を遮断させ、過熱による半導体装置の劣化または破壊を防止する。

特許文献１は、半導体集積回路装置の製造方法および半導体集積回路装置を開示する。パワーＭＩＳトランジスタの動作時の温度を検出し、その温度が所定値以上の場合にはパワーＭＩＳトランジスタの動作を停止させる温度検出回路部を有する。パワーＭＯＳＦＥＴ領域の中央には温度検出回路領域を配置している。パワーＩＣの動作時に温度が最も高くなるパワーＭＯＳＦＥＴ領域の中央に温度検出回路領域を配置することによって温度検出感度を向上させることができ、パワーＩＣの保護動作を適正なときに確実に行うことができるとしている。

特許文献２は、温度検知回路及び過熱保護回路を開示する。温度依存性を有するダイオードが温度検知回路に備えられ、出力トランジスタはダイオードを取り囲むように配置されている。温度依存性を有するダイオードは効率的にも精度的にも出力トランジスタの近傍に設けることが望まれるとしており、出力トランジスタの中央部にダイオードを配置している（特許文献２、図５参照）。

特開平１１−１７７０８７号公報 特開２００２−１０８４６５号公報

特許文献１や特許文献２は、熱源素子と感温素子を有し、感温素子を熱源素子の近傍に配置する点で共通する。両素子を互いに隣接して配置させる理由も同じである。すなわち、熱源素子（パワートランジスタ）の温度検出感度を向上させるためである。

本発明者は、昨今の半導体装置全体の微細化さらには熱源素子の微細化、小型化に伴い、発熱源の面積、体積が小さくなるにつれ、熱源素子が半導体チップに占める割合が従前に比べて小さくなり発熱密度が増加し、半導体チップの熱勾配がより顕著に生じやすくなってきていることに鑑み、特許文献１、特許文献２に開示された熱源素子と感温素子の最適な配置について吟味してみた。その結果、半導体素子同士を近くに配置しても特許文献１、特許文献２に示唆されるように両素子を互いに近接して配置するという対策では十分に熱保護が果たせないということを知見した。こうした知見に基づき本発明は、感温素子の温度検出精度を向上させるとともに、感温素子を含む熱保護回路を半導体チップに効率よく配置することができる半導体装置およびその設計方法を提供するものである。

本発明にかかる一態様の半導体装置は、熱源素子と感温素子を備える。熱源素子の平面視形状は、第１辺（１１）と、第１辺（１１）と同一線上に第１の距離ｘ３離れ第１辺（１１）から遠ざかる方向に延びる第２辺（１２）と、第１辺（１１）および第２辺（１２）のほぼ垂直方向に第２の距離ｙ１離れ第１の距離ｘ３と同じ長さを有する第３辺（１３）を有する。また、第１辺（１１）の一端と第３辺（１３）の一端を結ぶ第４辺（１４）と、第２辺（１２）の一端と第３辺（１３）の他端を結ぶ第５辺（１５）と、第１辺（１１）の他端にその一端が接続され第４辺（１４）が延びる方向と同じであってかつそれよりも長い長さｙ０で示される第６辺（１６）と、第２辺（１２）の他端に接続されその一端が、第５辺（１５）が延びる方向と同じであってかつそれよりも長い長さｙ０で示される第７辺（１７）と、第６辺（１６）および第７辺（１７）の他端同士を結ぶ第８辺（１８）を備える。第８辺（１８）は長さｘ０を有しており、感温素子は第３辺（１３）の近傍に配置されている。

また本発明にかかる別の態様の半導体装置は、半導体チップ内に熱源素子と感温素子を有し、熱源素子は空間部を挟む２つの対向領域と、２つの対向領域をつなぐ連結領域を備えて凹字状を成し、感温素子は連結領域の近傍の空間部に配置されている。

また本発明の別の発明の半導体装置の設計方法は、空間部を有する凹字状の熱源素子を３つの領域に分割すると共にそれら分割した領域および空間部の大きさ、形状を決定する第１ステップと、第１ステップで決定した熱源素子および空間部の熱分布シミュレーションを実行する第２ステップと、第２ステップで実行したシミュレーション結果を分析する第３ステップと、第３ステップで得られたシミュレーション結果に基づき前記３つの領域と前記空間部の大きさを決定する第４ステップとを有する。

本発明の半導体装置を構成する凹字状の熱源素子は熱分布シミュレーションに基づき決定された所定の形状の大きさに設定される。併せて、所定形状と大きさを有する空間部を画定され、その空間部に感温素子を効率よく配置することができ、かつ温度の検知感度、検知精度を高めることができる。

本発明にかかる半導体装置の概略図。 図１に示した熱源素子および感温素子の配置図。 図２の変形図。 図２の別の変形図。 本発明にかかる半導体装置の熱分布シミュレーション図。 本発明にかかる半導体装置の別の熱分布シミュレーション図。 図５に示した熱分布シミュレーションの温度勾配図。 図６に示した熱分布シミュレーションの温度勾配図。 本発明にかかる感温素子ＴＥの中心部Ｔｃの温度をシミュレーションで求めた温度勾配図。 本発明にかかる熱源素子ＨＳＥでの消費電力と温度検知感度との関係を示すシミュレーション図。 本発明にかかる熱源素子ＨＳＥと空間部ＳＰとの面積比率を示す図。 本発明にかかる空間部ＳＰに配置される熱保護回路ＴＳＤの具体的な回路の一例図。

図１は本発明にかかる半導体装置の概略図を示す。半導体装置１０は基板がシリコンの半導体チップＳＣＨに熱源素子ＨＳＥ、感温素子ＴＥが作り込まれている。本発明での熱源素子ＨＳＥの中にはボルテージレギュレータ、ＤＣ／ＤＣコンバータなどに用いられる出力トランジスタ、パワートランジスタなど発熱の源となるバイポータトランジスタ、ＭＩＳトランジスタなどが含まれる。また、感温素子ＴＥの中には熱源素子ＨＳＥの温度を監視するために設けられるいわゆる温度センサーの機能を有する半導体素子、とりわけトランジスタ、ダイオード、抵抗などが含まれる。

熱源素子ＨＳＥの平面視形状は凹字状に形成される。熱源素子ＨＳＥは比較的面積の大きな対向領域ｈｓｅ１,ｈｓｅ２と、比較的面積の小さな連結領域ｈｓｅ３で構成される。対向領域ｈｓｅ１と対向領域ｈｓｅ２の面積はほぼ同じである。対向領域ｈｓｅ１の面積は、方向Ｘおよび方向Ｙにそれぞれに延びる長さｘ１および長さｙ０の積で表される。対向領域ｈｓｅ２の面積は、方向Ｘおよび方向Ｙにそれぞれに延びる長さｘ２および長さｙ０の積で表される。長さｘ１と長さｘ２とを同じに大きさに設定すれば対向領域ｈｓｅ１と対向領域ｈｓｅ２の面積は同じになる。通常、両者の面積は同じになるように設定されるが、熱源素子ＨＳＥの周囲に配置される各種の半導体素子やボンディングパッドの位置、各半導体素子同士を結ぶ配線などの都合上、両者の面積が異なる場合も起こりうる。

連結領域ｈｓｅ３の面積は、方向Ｘおよび方向Ｙにそれぞれに延びる長さｘ３および長さｙ２の積で表される。連結領域ｈｓｅ３は、対向領域ｈｓｅ１と対向領域ｈｓｅ２との中間に位置し、２つの対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２を連結する。連結領域ｈｓｅ３を対向領域ｈｓｅ１と対向領域ｈｓｅ２との間に設けてできる空間部ＳＰに熱保護回路ＴＳＤが配置される。温度センサーとしての機能を有する感温素子ＴＥは熱保護回路ＴＳＤの１つである。感温素子ＴＥの中心部Ｔｃから連結領域ｈｓｅ３の一辺までの距離ｙ３は、感温素子ＴＥの中心部Ｔｃから対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２までの最短距離ｘ３１ａ，ｘ３１ｂよりも短くなるように設定する。なぜならば、感温素子ＴＥ全体へは、対向領域ｈｓｅ１と対向領域ｈｓｅ２と連結領域ｈｓｅ３の３方向から熱が伝導されるが、連結領域ｈｓｅ３の反対側には熱源素子ＨＳＥが存在していないため、方向Ｙでの熱伝導が、方向Ｘでの熱伝導に比べて弱くなるからである。このため、連結領域ｈｓｅ３の熱伝導を強くするために連結領域ｈｓｅ３の一辺と感温素子ＴＥの中心部Ｔｃとの距離を短くする。なお、さらに好ましいことは、連結領域ｈｓｅ３の中心部から感温素子ＴＥの中心部Ｔｃまでの距離は、対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２の中心部から感温素子ＴＥの中心部Ｔｃまでの距離よりも短くすることである。なぜならば、連結領域ｈｓｅ３および対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２の中心部が最も温度が高いと推測できるからであり、連結領域ｈｓｅ３の中心部から感温素子ＴＥの中心部Ｔｃまでの距離を短くして連結領域ｈｓｅ３から感温素子ＴＥへの熱伝導を大きくしかつ迅速に行うためである。

ここで熱源素子ＨＳＥの方向Ｙでの長さｙ０を一定とすると、連結領域ｈｓｅ３の面積と空間部ＳＰのそれとは逆比例の関係に置かれる。すなわち、長さｙ１を大きくすれば長さｙ２は小さくなり、逆に長さｙ２を大きくすれば長さｙ１は小さくなる。本発明では空間部ＳＰに関わる長さｙ１を連結領域ｈｓｅ３に関わる長さｙ２よりも優先して決定する。なぜならば、熱保護回路ＴＳＤを配置させるために空間部ＳＰの大きさを十分に確保するためである。空間部ＳＰの大きさを優先して長さｙ１を決定すると連結領域ｈｓｅ３の面積の大きさに影響を与える。しかし、一方では連結領域ｈｓｅ３の大きさには感温素子ＴＥに熱を伝導する働きが要求されているため所定以上の面積が必要であるので長さｙ１を優先させるには限界が生じる。

空間部ＳＰの間口の大きさ、すなわち長さｘ３の大きさは熱保護回路ＴＳＤを配置するためにも所定の大きさが必要となる。これに加えて、空間部ＳＰの奥行き、すなわち長さｙ１の大きさには熱保護回路ＴＳＤを配置するために十分な長さ、面積が確保できることに加え、連結領域ｈｓｅ３から感温素子ＴＥに熱を十分に伝導させに十分な大きさが要求される。本発明で行った種々の熱分布シミュレーションによれば、長さｙ０と長さｙ１との関係は、０．２５≦ｙ１／ｙ０≦０．７５であることが好ましいことを知見した。したがって、ｙ１／ｙ０＝０．２５に設定したときには、ｙ２／ｙ０＝０．７５となり、ｙ１／ｙ０＝０．７５に設定したときには、ｙ２／ｙ０＝０．２５となる。こうした数値の出所の根拠については後述する。なお、長さｙ０，ｙ１，ｙ２の具体的な大きさは、たとえば、ｙ０＝３５０μｍ、ｙ１＝ｙ２＝１７５μｍであり、これらの大きさは熱源素子ＨＳＥに許容される電流、電力などで決定される。

熱源素子ＨＳＥおよび空間部ＳＰの方向Ｘでの大きさ、長さｘ１，ｘ２，ｘ３の設定も基本的には長さｙ１，ｙ２を決定したのとほぼ同じ理由で決定される。すなわち、長さｘ０，ｘ１，ｘ２は熱源素子ＨＳＥに許容される電流、電力などから決定される。たとえば、長さｘ１＝ｘ２＝２５０μｍ、長さｘ３＝１４０μｍに設定される。なお、長さｘ１，ｘ２の大きさを決定するにあたっては、熱保護回路ＴＳＤの収容スペースを確保するという観点ではなく、熱源素子ＨＳＥに要求される電流、電力の大きさから決定されることが多い。

本発明で行った種々の熱分布シミュレーションによれば、長さｘ０，ｘ１，ｘ２およびｘ３の長さの関係は、ｘ３≦ｘ１＝ｘ２≦３×ｘ３の関係であることが好ましいことを知見した。したがって、たとえば長さｘ３＝１４０μｍとすると、１４０μｍ≦ｘ１＝ｘ２≦４２０μｍとなる。

半導体チップＳＣＨの中には熱源素子ＨＳＥ、熱保護回路ＴＳＤの他にその他回路ＯＣが作り込まれている。その他回路ＯＣは、たとえば、半導体装置１０がＬＤＯ（Ｌｏｗ Ｄｒｏｐ Ｏｕｔ）レギュレータを有するのであれば、基準電圧源、出力トランジスタ（熱源素子ＨＳＥ）を駆動するドライバおよび各種制御回路などを含むものとなる。

図２は図１に示した熱源素子ＨＳＥおよび感温素子ＴＥの配置を示し、特に熱源素子ＨＳＥ、感温素子ＴＥを含む過熱保護回路ＴＳＤの位置関係を拡大した図である。なお、これらの位置関係を詳しく説明するために、図１よりは参照符号を多く付している。以下参照符号を用いて図２について説明する。

図２において熱源素子ＨＳＥは凹字状を成す。凹字状を形成するために、熱源素子ＨＳＥは、第１辺１１、第２辺１２、第３辺１３、第４辺１４、第５辺１５、第６辺１６、第７辺１７、および第８辺１８で構成される。第１辺１１と第２辺１２は同一線上に長さｘ３離れて配置され、それらの長さｘ１と長さｘ２はほぼ同じである。第２辺１２は第１辺１１の延びる方向から遠ざかる方向に延びる。第３辺１３は、第１辺１１および第２辺１２のほぼ垂直方向に長さｙ１離れ、その長さはほぼ長さｘ３に等しい。第４辺１４は端部ａから端部ｂまで延び、その長さはほぼ長さｙ１に等しい。第５辺１５は端部ｃから端部ｄまで延び、その長さはｙ１にほぼ等しい。第６辺１６は第４辺１４と並行させるがそれよりは長さは長く、端部ｇから端部ｈまで延びその長さはｙ０で示される。第７辺１７は第５辺１５と並行させるがそれよりは長さは長く、端部ｅから端部ｆまで延びその長さはｙ０で示される。第８辺１８は、第１辺１１、第２辺１２、第３辺１３とほぼ並行し、端部ｆから端部ｇまで延び、その長さはｘ０で示される。長さｘ０は長さｘ１，ｘ２およびｘ３を加えた長さに等しい。

熱源素子ＨＳＥは説明の便宜上および後述する熱分布シミュレーションの都合上、対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２および連結領域ｈｓｅ３の３つに分けている。なお、図２に示した一実施形態では対向領域が２つであり連結領域が１つになるように第４辺１４および第５辺１５を延長させて分割させたが、第３辺１３を方向Ｘに延長させて分割するようにしてもかまわない。こうした構成下であっても熱源素子ＨＳＥは空間部ＳＰを挟む２つの対向領域と、その２つの対向領域をつなぐ１つの連結領域で形成されることになる。

図２において、対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２の中心部を示すポイントＰ１は熱源素子ＨＳＥの中でも最も温度が高い箇所であると推測される。連結領域ｈｓｅ３の中心部はポイントＰ２で示されるが、このポイントＰ２も連結領域ｈｓｅ３が所定以上の大きさであればポイントＰ１と同等の温度に置かれていると推測できる。連結領域ｈｓｅ３の一辺すなわち第３辺１３の中心部はポイントＰ３で示される。ポイントＰ３は、熱源素子ＨＳＥの中で最も感温素子の中心部Ｔｃに近い箇所である。ポイントＰ４は感温素子ＴＥの中心部Ｔｃと同じである。ポイントＰ４での温度検知値が熱源素子ＨＳＥの温度を推測する上で極めて重要となる。ポイントＰ５は、空間部ＳＰの間口にあたり、空間部ＳＰの中では最も温度が低いと推測できる箇所である。したがって、このポイントＰ５の温度を検知することは熱保護回路ＴＳＤ全体の熱分布および熱勾配を把握する上で極めて有用である。

空間部ＳＰの大きさと形状は、対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２および連結領域ｈｓｅ３で画定される。空間部ＳＰの間口は長さｘ３で、奥行きは長さｙ１でそれぞれ示される。空間部ＳＰの中に熱保護回路ＴＳＤが配置される。特に感温素子ＴＥの中心部Ｔｃと第３辺１３との最短距離ｙ３は、中心部Ｔｃ（ポイントＰ４）と第４辺１４との最短距離ｘ３１ａ、中心部Ｔｃと第５辺１５との最短距離ｘ３１ｂよりも短くなるように設定される。また、連結領域ｈｓｅ３の中心部であるポイントＰ２と中心部Ｔｃ（ポイントＰ４）との距離は、対向領域ｈｓｅ１の中心部であるポイントＰ１と中心部Ｔｃ（ポイントＰ４）との距離よりも短くなるように設定されている。すなわち、感温素子ＴＥを挟む連結領域ｈｓｅ３の反対側には熱源となる半導体素子が存在していないため、方向Ｙにおける熱伝導が方向Ｘに比べて弱くなるが、上記の構成によってこうした不具合の程度を低減させることができる。

図２には空間部ＳＰと連結領域ｈｓｅ３とはほぼ同じ大きさのものを示した。すなわち、長さｙ０,ｙ１,ｙ２の間には、比率ｙ１／ｙ０＝０．５、比率ｙ２／ｙ０＝０．５とし、長さｙ１と長さｙ２を同じ長さとした。また、空間部ＳＰの間口すなわち長さｘ３は長さｘ１，ｘ２のほぼ１／２としたものである。こうした構成では連結領域ｈｓｅ３の面積が占める比率は、対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２の１／８（１２．５％）となる。また、空間部ＳＰの面積と熱源素子ＨＳＥの面積との比率はほぼ１／９（１１．１％）となる。

また図２に示した構成下では、対向領域ｈｓｅ１と対向領域ｈｓｅ２の中心部であるポイントＰ１同士を結ぶ線分Ｐ１−Ｐ１上に第３辺１３を配置させ、感温素子ＴＥを線分Ｐ１−Ｐ１上から少し離したものを示した。しかし、比率ｙ１／ｙ０＝０．５をたとえば少し大きくしてたとえば０．５５に設定し、感温素子ＴＥを線分Ｐ１−Ｐ１上に配置するようにしてもよい。

図３は図２の変形例の１つを示す。図３が図２と異なる箇所は、空間部ＳＰの奥行き、すなわち長さｙ１の長さｙ０に占める比率を大きくしたものである。なお、図３は長さｙ０と長さｙ１との比率ｙ１／ｙ０＝０．７５に設定したものを模式的に示している。比率ｙ１／ｙ０を大きくすると空間部ＳＰの面積は大きくなる。一方、連結領域ｈｓｅ３の面積は小さくなる。熱保護回路ＴＳＤの回路規模が大きくなってくるにつれ、空間部ＳＰの面積を大きく取ることになる。しかし連結領域ｈｓｅ３が小さくなるにつれ連結領域ｈｓｅ３から感温素子ＴＥに伝導される熱量が弱くなる。併せて対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２の中心部であるポイントＰ１と連結領域ｈｓｅ３の中心部であるポイントＰ２との温度差は拡がることが推測される。したがって、連結領域ｈｓｅ３の面積を小さくすることは、感温素子ＴＥの温度検知感度を低下させることになり好ましいとは言いがたい。

空間部ＳＰの面積の大小に関わらず感温素子ＴＥの中心部Ｔｃ（ポイントＰ４）と連結領域ｈｓｅ３との最短距離ｙ３は中心部Ｔｃと対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２の最短距離ｘ３１ａ，ｘ３１ｂよりも短くする。さらに中心部ＴｃとポイントＰ２との距離は、中心部ＴｃとポイントＰ１との距離よりも短くする。これによって、連結領域ｈｓｅ３と対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２との相対的な熱伝導の強度を補正することができる。

長さｙ１と長さｙ０との比率ｙ１／ｙ０＝０．７５に設定したときには、空間部ＳＰの奥行きは大きくなるが、連結領域ｈｓｅ３の長さｙ２と長さｙ０との比率ｙ２／ｙ０＝０．２５となり連結領域ｈｓｅ３の面積は減少する。

図４は図２の変形例のもう１つを示す。図４が図２、図３と異なる箇所は、空間部ＳＰの奥行き、すなわち長さｙ１の長さｙ０に占める比率を小さくしたことである。なお、図４は長さｙ０と長さｙ１との比率ｙ１／ｙ０＝０．２５に設定したものを模式的に示している。比率ｙ１／ｙ０を小さくすると空間部ＳＰの面積は小さくなる。一方、連結領域ｈｓｅ３の面積は大きくなる。熱保護回路ＴＳＤの回路規模が小さくなってくるにつれ、空間部ＳＰの面積は小さくて済むようになる。しかし必要以上に小さくすると熱保護回路ＴＳＤを十分に空間部ＳＰの中に配置することができなくなる。一般的に連結領域ｈｓｅ３を大きくすることは熱伝導の観点では何ら支障が生じないものと推測できる。一方、連結領域ｈｓｅ３の中心部であるポイントＰ２から感温素子ＴＥの中心部Ｔｃ（ポイントＰ４）までの距離は長くなるので、連結領域ｈｓｅ３からの熱伝導効率は低下することも推測することができる。

図４においても、空間部ＳＰの面積の大小に関わらず感温素子ＴＥの中心部Ｔｃ（ポイントＰ４）と連結領域ｈｓｅ３との最短距離ｙ３は中心部Ｔｃと対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２の最短距離ｘ３１ａ，ｘ３１ｂよりも短くする。さらに中心部ＴｃとポイントＰ２との距離は、中心部ＴｃとポイントＰ１との距離よりも短くする。これによって、連結領域ｈｓｅ３の対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２との相対的な熱伝導の強度の低下を抑制する。

長さｙ１と長さｙ０との比率ｙ１／ｙ０＝０．２５に設定したときには、空間部ＳＰの奥行きは小さくなるが、連結領域ｈｓｅ３の長さｙ２と長さ／ｙ０との比率ｙ２／ｙ０＝０．７５と成り連結領域ｈｓｅ３の面積は増加する。

図５は、図１〜図４に示した凹字状の熱源素子ＨＳＥおよび空間部ＳＰの熱分布シミュレーション結果を示す。なお、シミュレーションにあたっては凹字状の熱源素子ＨＳＥを３つに分割して行った。分割方向は図１、図２に示したように方向Ｘに添い、対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０および連結領域ｈｓｅ３０の３つとした。なお、こうした分割方向とは別に方向Ｙに添って、比較的面積が小さな連結領域が２つと、比較的面積の大きな対向領域が１つの、合わせて３つの領域に分割してもかまわない。いずれにしても本発明の熱分布シミュレーションは凹字状を２つの対向領域と１つの連結領域に分割することが特徴の１つである。

熱分布解析のシミュレーションにはＣＡＥ（Computer Aided Engineering）を用いた。また、熱分布のシミュレーションにあたっては、半導体装置１０の半導体チップＳＣＨの大きさ、熱源素子ＨＳＥの大きさはもちろんのこと、半導体装置１０が実装されるリードフレーム、ダイスボンディング材、ワイヤー、封止樹脂などのいわゆる構成材料の熱伝導率［Ｗ／ｍ・℃］、密度［ｋｇ／ｍ^３］、比熱［Ｊ／ｋｇ・℃］の定数値を基にして求めた。

本発明での熱分布シミュレーションでは半導体チップＳＣＨはシリコンとし、その大きさは、たとえば１．０ｍｍ×１．０〜１．４ｍｍ×１．４ｍｍの範囲である。熱源素子ＨＳＥの面積は半導体チップＳＣＨ全体の面積の９％〜３３％とした。

図５（Ａ）〜（Ｃ）において、対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０の長さｘ１０，ｘ２０はたとえば２５０μｍとし、長さｙ０はいずれも３５０μｍとした。連結領域ｈｓｅ３０の長さｘ３０は１１０μｍとし、連結領域ｈｓｅ３０と対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０との間に大きさ１５μｍの距離（分離幅）を採り、連結領域ｈｓｅ３０と対向領域ｈｓｅ１０との間および連結領域ｈｓｅ３０と対向領域ｈｓｅ２０とを互いに分離させ、かつ対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０も互いに分離されるように構成した。

図５（Ａ）〜（Ｃ）のそれぞれは、長さｙ１および長さｙ２が異なる。なお、図５（Ａ）〜（Ｃ）はいずれも長さｙ１と長さｙ２を加えた長さｙ０は一定とした。

本発明にかかる熱分布シミュレーションを行うにあたっては、半導体チップＳＣＨの最高温度が２５０℃になるように熱源素子ＨＳＥでの消費電力を調整した。具体的には熱源素子ＨＳＥに３０Ｗの電力を印加した。なお、最高温度の２５０℃は、この種の半導体装置で許容されるものではないが、シミュレーションの１つとして行ったものである。また、熱源素子ＨＳＥに印加した３０Ｗの消費電力も通常の使用状態からは逸脱することになる。しかし、こうした通常の使用状態から大きく外れた条件下で行うシミュレーションは予想外の状態を予見させ、また実際の熱分布の具体的な値を推測するにも好適であると思料する。

図５（Ａ）は、長さｙ１と長さｙ２を同じ長さに設定した場合を模式的に示す。長さｙ１と長さｙ２を同じ長さとした場合には、空間部ＳＰの面積はほぼ連結領域ｈｓｅ３０と同じになる。こうした構成下では、対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０の中心部であるポイントＰ１と連結領域ｈｓｅ３０の中心部であるポイントＰ２の温度は共に２５０℃であり、両者の差はなかった。連結領域ｈｓｅ３０の一部で感温素子ＴＥ（図示せず）と対向するポイントＰ３での温度は２３０℃前後であり、感温素子ＴＥの中心部であるポイントＰ４の温度は２００℃前後であった。空間部ＳＰの端にあたるポイントＰ５では温度が１５０℃前後であった。したがって、最も温度が高いポイントＰ１，Ｐ２とポイントＰ５との温度差は１００℃前後であること、また空間部ＳＰの端から端までの温度差は８０℃前後であった。このことは空間部ＳＰに熱保護回路ＴＳＤを配置したとき、空間部ＳＰのポイントＰ３とポイントＰ５に配置された素子同士にほぼ８０℃の温度差が生じていることになる。なお、８０℃という温度差はポイントＰ１，Ｐ２の温度が２５０℃に達したときの大きさであり、たとえばポイントＰ１，Ｐ２の許容温度が仮に１５０℃とすると、先の温度差８０℃は５０℃前後であると推測される。

図５（Ｂ）は、図５（Ａ）よりも空間部ＳＰの面積を大きくし、逆に連結領域ｈｓｅ３０の面積を小さくした場合を模式的に示す。具体的には長さｙ１を長さｙ０の２／３（６７％）とし、連結領域ｈｓｅ３０の長さｙ２を長さｙ０の１／３（３３％）とした場合である。こうした構成下では、ポイントＰ１の温度が２５０℃であるとき、連結領域ｈｓｅ３０の中心部であるポイントＰ２の温度はそれより少し低く２４０℃前後であった。またポイントＰ３の温度は２２０℃前後であり、ポイントＰ４の温度は２１０℃前後であった。ポイントＰ３，Ｐ４の温度分布は図５（Ａ）のものと大きくは変わらなかった。

図５（Ｂ）において、ポイントＰ３，Ｐ４の温度分布が図５（Ａ）と大きく変わらなかった理由は、これらのポイントでは対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０、および連結領域ｈｓｅ３０からの熱伝導が互いに絡み合うが、対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０の支配力が連結領域ｈｓｅ３０に比べて強いからであると推測される。ポイントＰ５の温度は１４０℃前後であり、図５（Ａ）のものとは大きな差は見られなかった。この理由は、ポイントＰ５の箇所では対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０の中心部であるポイントＰ１および連結領域ｈｓｅ３０の中心部であるポイントＰ２から遠ざかっているため熱伝導の支配力が弱いからであると推測される。

図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）よりも空間部ＳＰの面積をさらに大きくし、逆に連結領域ｈｓｅ３０の面積を小さくした場合を模式的に示す。具体的には長さｙ１を長さｙ０の９／１０とし、連結領域ｈｓｅ３０の長さｙ２を長さｙ０の１／１０とした場合である。こうした構成下では、ポイントＰ１，Ｐ２の温度が２５０℃であるとき、連結領域ｈｓｅ３０の中心部であるポイントＰ２およびポイントＰ３の温度は２００℃前後であった。またポイントＰ４すなわち感温素子ＴＥの中心部Ｔｃの温度は１９０℃前後であり、図５（Ｂ）よりも２０℃程度低かった。いずれにしても感温素子ＴＥの中心部Ｔｃの温度は最高温度の２５０℃とは６０℃前後異なり、温度検知感度が図５（Ａ），（Ｂ）に比べて低下することが分かった。温度検知感度が低下する理由は、連結領域ｈｓｅ３０の面積（体積）が小さくなり感温素子ＴＥまでの熱伝導力が弱くなったこと、および対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０の中心部であるポイントＰ１から感温素子ＴＥまでの距離が遠ざかっていることによるものと推測される。

図６は図５と同様に図１〜図４に示した凹字状の熱源素子ＨＳＥの熱分布シミュレーション結果を示す。熱源素子ＨＳＥ全体に印加する電力は図５のものと同様に３０Ｗとして見た。

図６（Ａ）〜（Ｃ）において、対向領域ｈｓｅ１２，ｈｓｅ２２の長さｘ１２および長さｘ２２はいずれも３３０μｍ、長さｙ０は３５０μｍ、連結領域ｈｓｅ３２の長さｘ３２＝１１０μｍとし、連結領域ｈｓｅ３２と対向領域ｈｓｅ１２，ｈｓｅ２２との間に１５μｍの距離を取り、連結領域ｈｓｅ３２と対向領域ｈｓｅ１２との間および連結領域ｈｓｅ３２と対向領域ｈｓｅ２２とを互いに分離させ、かつ対向領域ｈｓｅ１２，ｈｓｅ２２も互いに分離されるように構成した。したがって、図６（Ａ）〜（Ｃ）は、対向領域ｈｓｅ１２，ｈｓｅ２２の長さｘ１２，ｘ２２を連結領域ｈｓｅ３２の長さｘ３２の３倍としたものである。この３倍の大きさは図５に示したほぼ２倍のものと相違する。

図６（Ａ）〜（Ｃ）のそれぞれは、長さｙ１およびｙ２が異なる。なお、図６（Ａ）〜（Ｃ）は図５と同様に、いずれも長さｙ１と長さｙ２を加えた長さｙ０は一定とした。

図６（Ａ）は、空間部ＳＰの面積を比較的小さく取った場合である。長さｙ１と長さｙ０との比率はｙ１／ｙ０＝０．２５とし、長さｙ２と長さｙ０との比率はｙ２／ｙ０＝０．７５とした。こうした構成下で熱源素子ＨＳＥおよび空間部ＳＰの熱分布シミュレーションを実施して見ると、ポイントＰ１の温度が最も高い２５０℃であるとき，ポイントＰ２の温度も２５０℃であった。このとき、ポイントＰ３は２４０℃前後であり、感温素子ＴＥの中心部ＴｃであるポイントＰ４の温度は２２０℃前後であった。またポイントＰ５の温度は２１０℃前後であり、ポイントＰ１の温度とは４０℃前後の温度差があり、図５のものとは大きな差が生じていることが分かった。

図６（Ｂ）は、空間部ＳＰの面積を図６（Ａ）のものよりもさらに大きくした場合である。長さｙ１と長さｙ０との比率をｙ１／ｙ０＝０．５とし、長さｙ２と長さｙ０との比率ｙ２／ｙ０＝０．５とした。こうした構成下で熱源素子ＨＳＥおよび空間部ＳＰの熱分布をシミュレーションした結果、ポイントＰ１の温度が最も高い２５０℃であるとき，ポイントＰ２の温度も２５０℃であった。このとき、ポイントＰ３の温度は２４０℃前後であり、ポイントＰ４のそれは２３０℃前後であった。したがって、感温素子ＴＥの中心部ＴｃであるポイントＰ４の温度はポイントＰ１の温度よりも２０℃前後低かった。また、ポイントＰ５の温度は２００℃前後であった。

図６（Ｂ）の構成下では空間部ＳＰの面積と連結領域ｈｓｅ３２の面積がほぼ等しく設定される。このときポイントＰ１からポイントＰ４までの距離すなわち対向領域ｈｓｅ１２，ｈｓｅ２２の中心部から感温素子ＴＥの中心部（ポイントＰ４）までの距離が最短距離となる。この最短距離は図６（Ａ）に示したそれよりも短い。このため最も温度の高い熱が感温素子ＴＥまで効率よく伝導されるため、空間部ＳＰの一部まで高い温度に保持されるものと推測される。

図６（Ｃ）は、空間部ＳＰの面積を図６（Ｂ）のものよりもさらに大きくした場合である。長さｙ１と長さｙ０との比率をｙ１／ｙ０＝０．７５とし、長さｙ２と長さｙ０との比率はｙ２／ｙ０＝０．２５とした。こうした構成下で熱源素子ＨＳＥおよび空間部ＳＰの熱分布をシミュレーションした結果、ポイントＰ１の温度が最も高い２５０℃であるとき，ポイントＰ２の温度は２４０℃前後であった。このとき、ポイントＰ３およびポイントＰ４の温度は２３０℃前後であった。すなわち感温素子ＴＥの中心部ＴｃであるポイントＰ４の温度は最高温度とは２０℃前後の温度差が見られた。したがって、図６（Ｂ）に比べると、熱源素子ＨＳＥの最高温度と感温素子ＴＥが検知する温度の温度差はほぼ同じであった。

図６に示した熱源素子ＨＳＥの構造は図５に示したものと同様に凹字状を２つの対向領域と１つの連結領域の３つの部分に分割したものである。なお、図６に示した分割構造とは異なるように、たとえば図２に示した第３辺１３を、第６辺１６および第７辺１７に接するまで延長させて３つの領域すなわち２つの対向領域と１つの連結領域に分割してシミュレーションを行ってもよい。こうした構成下においても２つの対向領域は空間部ＳＰを挟んで配置され、連結領域はこれら２つの対向領域を連結するように形成される。

図７は、図５に示した熱分布シミュレーション結果を別の視点で表した温度勾配図である。図７の横軸にはポイントＰ１からポイント５を示し、その縦軸は最高温度すなわちポイントＰ１との温度差を示す。熱分布のパラメータとしては空間部ＳＰの奥行き、すなわち比率ｙ１／ｙ０を示し、ｙ１／ｙ０＝０．９０、ｙ１／ｙ０＝０．６７、ｙ１／ｙ０＝０．５０の３つを採っている。

図７においてポイントＰ１は対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０の中心部を示す。ポイントＰ１は各パラメータに関わらず温度は２５０℃前後であることが分かった。

ポイントＰ２は連結領域ｈｓｅ３０の中心部にあたるが、ポイントＰ２の温度はポイントＰ１のそれとは少し異なり、最も温度差が小さかったのは比率ｙ１／ｙ０＝０．５のときであり、そのときの温度差は０℃であり、ポイントＰ１と同じ温度であった。最も温度差が大きかったのは比率ｙ１／ｙ０＝０．９のときであり、空間部ＳＰの面積が今回のシミュレーションで最も大きく設定され、連結領域ｈｓｅ３０が最も小さく設定されたときである。このときのポイントＰ２の温度はポイントＰ１よりも５０℃前後低かった。

ポイントＰ３は連結領域ｈｓｅ３０の一辺の一部にあたる。すなわち、空間部ＳＰの奥行きの端部にあたり空間部ＳＰの中では最も温度が高くなると推測できる箇所である。ポイントＰ３での温度差はポイントＰ２と同様に比率ｙ１／ｙ０＝０．５が最も小さく温度差は２０℃前後であった。次に小さかったのは比率ｙ１／ｙ０＝０．６７であり、最も温度差が大きかったのは比率ｙ１／ｙ０＝０．９のときであり、そのときの温度差は５０℃前後であった。

ポイントＰ４は感温素子ＴＥの中心部Ｔｃにあたる。ポイントＰ４はポイントＰ３から３０μｍ〜６０μｍ離れているが、ポイントＰ３の温度よりも２０℃前後低かった。しかし比率ｙ１／ｙ０＝０．５と比率ｙ１／ｙ０＝０．６７との温度差に大きな差異は見られなかった。しかし、比率ｙ１／ｙ０＝０．９ではそれらと２０℃前後の差が生じていた。しかし、ポイントＰ４の温度差はポイントＰ３に比べると縮小されていた。

ポイントＰ５は空間部ＳＰのいわゆる間口にあたり空間部の中では最も温度が低い箇所であると推測できるが、シミュレーション結果ではｙ１／ｙ０は０．５〜０．９の範囲で最高温度と１１０℃前後の差が生じていた。しかし、ポイントＰ５の温度差はポイントＰ２に比べると縮小されていた。なお、図７に示した特性から言えることは、ｙ１／ｙ０は、０．６７〜０．５の範囲では各ポイントでの温度に大きな差は見られなかったことである。なお、比率ｙ１／ｙ０＝０．５未満についてのシミュレーションは行っていないが、比率ｙ１／ｙ０＝０．６７とほぼ同じ特性になるものと推測される。

図８は、図６に示した熱分布シミュレーション結果を別の視点で表した温度勾配図である。図８の横軸にはポイントＰ１からポイント５を示し、その縦軸は最高温度すなわちポイントＰ１との温度差を示す。熱分布パラメータとしては空間部ＳＰの奥行き、すなわち比率ｙ１／ｙ０を示す。比率ｙ１／ｙ０＝０．７５、ｙ１／ｙ０＝０．５０、ｙ１／ｙ０＝０．２５の３つを採っている。

図８においてポイントＰ１は対向領域ｈｓｅ１２，ｈｓｅ２２の中心部を示す。ポイントＰ１は各パラメータに関わらず温度はほぼ２５０℃であった。図８に示す特性は、図７に示したものよりは温度差が小さくなり、好ましい結果が得られた。また、空間部ＳＰの奥行きを変えたときの各ポイントの温度は図７のものとほぼ傾向を示すことが分かった。すなわち、比率ｙ１／ｙ０＝０．５のときに最も温度差が小さく、それ以上であってもそれ以下であってもポイントＰ１と各ポイントの温度差は大きくなる傾向が見られた。しかし図８は図７に比べると各ポイントの温度差は縮小され、それらの絶対値はほぼ１／２まで縮小されることが分かった。

ポイントＰ２は連結領域ｈｓｅ３２の中心部であるが、ポイントＰ２の温度は比率ｙ１／ｙ０の大きさに関わらずほぼ同じであり、しかも最高温度の２５０℃とほぼ同じであった。

ポイントＰ３は連結領域ｈｓｅ３２の一辺の一部にあたる。すなわち、空間部ＳＰの奥行きの端部にあたり空間部ＳＰの中では最も温度が高くなると推測できる箇所である。ポイントＰ３での温度差は空間部ＳＰの奥行きの大きさに関わらずほぼ同じであり、２４０℃前後であった。

ポイントＰ４は感温素子ＴＥの中心部Ｔｃにあたる。ポイントＰ４はポイントＰ３から３０μｍ〜６０μｍ離れているが、ポイントＰ３の温度よりも１０℃前後低かった。ｙ１／ｙ０＝０．５と、ｙ１／ｙ０＝０．２５、ｙ１／ｙ０＝０．７５との温度差は１０℃前後であり、その差はポイントＰ３とほぼ同じであった。

ポイントＰ５は空間部ＳＰの間口にあたり空間部の中では最も温度が低い箇所であると推測できるがシミュレーション結果では、０．２５≦ｙ１／ｙ０≦０．７５の範囲で最高温度より５０℃前後低かった。しかしポイントＰ５の温度は図７に比べると、その温度差はほぼ１／２となり、ポイントＰ１との温度差は大幅に縮小されていた。

図８についてまとめると次のとおりである。すなわち、対向領域ｈｓｅ１２，ｈｓｅ２２の面積（体積）を連結領域ｈｓｅ３２のそれよりも大きくすることによって、空間部ＳＰ内での温度勾配は小さくなり、感温素子ＴＥを配置するには好ましくなるということである。

図９は図７〜図８に示したポイントＰ４の温度、とりわけ最高温度２５０℃との温度差をプロットした温度勾配図である。ポイントＰ４は言うまでもなく、感温素子ＴＥの中心部Ｔｃにあたり、熱源素子ＨＳＥの温度を監視するために特に重要な箇所である。すなわち、ポイントＰ４の温度がポイントＰ１の温度に近ければ近いほど温度検知感度を高めることができる。

図９は２つのパラメータでプロットしている。１つは、図５に示した連結領域ｈｓｅ３０の方向Ｘの長さｘ３０と長さｘ１０（ｘ２０）の比率すなわち、ｘ１０（ｘ２０）／ｘ３０＝２とした場合である。もう１つは図６に示した方向Ｘの長さｘ３２と長さｘ１２（ｘ２２）との比率すなわちで、ｘ１２（ｘ２２）／ｘ３２＝３とした場合である。簡約すれば、対向領域の幅を連結領域のそれの２倍にしたときと３倍にしたときの温度検知感度の比較である。

図９から明らかになることは、対向領域の幅を連結領域のそれよりも大きくすると温度差は小さくなり温度検知感度が高くなるということである。こうした傾向は、空間部ＳＰの奥行きを示す比率（ｙ１／ｙ０）に関わらず同じ傾向を示した。たとえば、比率ｙ１／ｙ０＝０．５であるとき、幅が３倍のときの温度差は２０℃前後であったが幅を２倍にしたときの温度差は４０℃前後となり、両者にはほぼ２倍の温度差が見られた。

また図９から明らかになることは、空間部ＳＰの奥行きの比率を示す、ｙ１／ｙ０の大きさは比率ｙ１／ｙ０＝０．５の近傍が良く、好ましい範囲はたとえば０．２５〜０．７５であった。

図９には、対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０，ｈｓｅ１２，ｈｓｅ２２の幅が連結領域ｈｓｅ３０，ｈｓｅ３２の２倍または３倍の比率である場合を示した。しかし、本発明では２倍、３倍だけではなく、１倍すなわち対向領域の幅と連結領域の幅が同じであっても同等の効果が奏されると類推される。ここで再度、図５（Ａ）〜（Ｃ）を参照するが、図５（Ｃ）から分かるように、空間部ＳＰへの熱伝導は対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０の中心部（ポイントＰ１）から遠く離れているため十分ではない。しかし、連結領域ｈｓｅ３０の面積が大きくなり、図５（Ａ）に示すようにある程度大きくなると空間部ＳＰの温度は上昇していることが分かる。こうした状態は、見方を変えると空間部ＳＰへの熱伝導は連結領域ｈｓｅ３０が支配的になっているということである。このときの連結領域ｈｓｅ３０の幅は対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０の１／２である。してみれば、対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０の幅を連結領域ｈｓｅ３０と同じにしても同等の効果が奏されると解することができる。

本発明の半導体装置１０は熱源素子ＨＳＥを凹字状に構成し、かつ所定の大きさの空間部ＳＰを設けるにあたっては、２つの対向領域と１つの連結領域に分類して３つの領域に分割する。その後、熱源素子ＨＳＥに所定の消費電力を印加し、かつ最高温度を監視、管理して熱源素子ＨＳＥおよび空間部ＳＰの熱分布や熱勾配のシミュレーションを行う。その後シミュレーション結果を分析する。分析は熱源素子ＨＳＥの最高温度、感温素子ＴＥの温度分布、空間部ＳＰの熱分布と熱勾配について吟味する。その後、分析結果に基づき、空間部ＳＰに熱保護回路ＴＳＤを配置するに必要な面積を決め、最終的に熱源素子ＨＳＥと空間部ＳＰの形状と大きさを決定する。こうした各ステップに基づき、熱源素子ＨＳＥに要求される面積と熱保護回路ＴＳＤの機能を発揮するに好適な半導体装置１０を設計するとよい。

図１０は、熱源素子ＨＳＥでの消費電力と温度検知感度との関係を示すシミュレーション図である。すなわち、熱源素子ＨＳＥでの消費電力を変えたときのポイントＰ１とポイントＰ４すなわち感温素子ＴＥの中心部Ｔｃとの温度差を示した熱分布シミュレーション結果を示す。パラメータとしては図５に示したように、対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０の横幅ｘ１０，ｘ２０を連結領域３０の横幅ｘ３０の２倍としたものと、図６に示したように対向領域ｈｓｅ１２，ｈｓｅ２２の横幅ｘ１２，ｘ２２を連結領域３２の横幅ｘ３２の３倍とした２通りである。このとき両者とも、長さｙ１／ｙ０およびｙ２／ｙ０の大きさはそれぞれｙ１／ｙ０＝０．５、ｙ２／ｙ０＝０．５とし、空間部ＳＰと連結領域ｈｓｅ３０（ｈｓｅ３２）の大きさがほぼ同じ場合である。

さて、これまで説明してきた図５〜図９は熱源素子ＨＳＥでの消費電力が３０Ｗの場合であった。図１０はこの３０Ｗの消費電力と、６０Ｗの消費電力のときの熱分布シミュレーション結果から得られる特性図であり、横軸に消費電力を、縦軸に温度差をそれぞれ示す。

温度差は、横幅が２倍の場合すなわちｘ１０（ｘ２０）／ｘ３０＝２に設定したときには、消費電力が３０Ｗの場合、ポイントＰ１とポイントＰ４との温度差は４４℃であった。同条件で、消費電力を６０Ｗに増大すると、両者の温度差は８８℃まで拡がった。

また、温度差は、横幅が３倍の場合すなわちｘ１２（ｘ２２）／ｘ３２＝３に設定したときには、消費電力が３０Ｗの場合は、ポイントＰ１とポイントＰ４とのは２２℃であった。同条件で、消費電力を６０Ｗに増大させると、両者の温度差は４８℃まで拡がった。しかし、横幅を３倍にした場合には２倍のものに比べて、ポイントＰ１とポイントＰ４との温度差は大幅に縮小することが分かった。このことは感温素子ＴＥの温度検知感度を示すバロメータとして、対向領域（ｘ１０，ｘ２０，ｘ１２，ｘ２２）の横幅と連結領域（ｈｓｅ３０，ｈｓｅ３２）の横幅との比率が大きく関わっていることを示唆している。

図１０に示した熱分布シミュレーション結果は、この種の半導体装置、半導体集積回路装置を設計、製造する上で極めて有用である。なぜならば、熱源素子ＨＳＥで消費する広範囲の消費電力に対する感温素子ＴＥの温度検知感度を類推することができるからである。

図１０を参照すると、たとえば、熱源素子ＨＳＥの消費電力が５Ｗのときの感温素子ＴＥの温度検知感度を推測することができる。対向領域の横幅が連結領域の２倍であるときの温度差は８℃前後であり、横幅の比率が３倍であるときには４℃前後であることがわかる。したがって、熱源素子ＨＳＥの消費電力が５Ｗの場合には感温素子ＴＥの検知感度は１０℃以下であることが分かる。また、消費電力が１０Ｗであるときには、それぞれ１６℃前後，８℃前後であることが分かる。

図１０に示した特性図は、半導体装置１０が実装されるリードフレーム、ダイスボンディング材、ワイヤー、樹脂などのいわゆる構成材料の熱伝導率［Ｗ／ｍ・℃］、密度［ｋｇ／ｍ^３］、比熱［Ｊ／ｋｇ・℃］等によって違ったものになるので幾つかの組み合わせをあらかじめ用意しておけば半導体装置１０の設計期間の短縮、製品品質の向上化が図れる。

図１１は熱源素子ＨＳＥの面積と空間部ＳＰのそれとの面積比率示す。図２で説明した空間部ＳＰの間口（長さｘ３）と奥行き（長さｙ１）の大きさと、対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２の幅（長さｘ１，ｘ２）をパラメータにして求めた図である。

図１１において、たとえば、ｘ１（ｘ２）／ｘ３＝２、ｙ１／ｙ０＝０．５０の場合には、空間部ＳＰの面積は熱源素子ＨＳＥの面積の１／９（＝０．１１）となり、面積比率は１１．１％となる。このケースに当てはまるのが図５（Ａ）である。また、ｘ１（ｘ２）／ｘ３＝３、ｙ１／ｙ０＝０．５０の場合には空間部ＳＰの面積は熱源素子の１／１３となり、面積比率は７．７％となる。このケースに当てはまるのが図６（Ｂ）である。また、これまでの図には示していないが、ｘ１（ｘ２）／ｘ３＝１、ｙ１／ｙ０＝０．７５の場合には空間部ＳＰの面積は熱源素子ＨＳＥの面積の１／３となり、面積比率は３３．３％となる。本発明では空間部ＳＰの面積の熱源素子ＨＳＥに占める面積比率は図１１に示した３．７％〜３３．３％の範囲である場合が多くなる。すなわち、熱源素子ＨＳＥおよび空間部ＳＰの平面視形状の面積をそれぞれＳ１，Ｓ２とすると、Ｓ２は、おおよそ、０．０３７×Ｓ１〜０．３３３×Ｓ１の範囲になる。

図１２は、空間部ＳＰに配置される熱保護回路ＴＳＤの具体的な回路構成の一例を示す。熱保護回路ＴＳＤは従前よく知られたものである。熱保護回路ＴＳＤは、感温素子ＴＥの他にたとえば、定電流源ＣＣ１,ＣＣ２、抵抗Ｒ１，Ｒ２、トランジスタＱ、コンパレータＣＯＭ、インバータＩＮＶを有する。感温素子ＴＥはたとえばトランジスタをダイオード接続したものを用いる。感温素子ＴＥがたとえばダイオードであるときダイオードの順方向電圧は温度変化に対してたとえば−２ｍＶの温度係数を有しているので、感温素子ＴＥに生じた電圧をコンパレータＣＯＭで比較することで熱源素子ＨＳＥの温度を検知することができる。コンパレータＣＯＭから出力されるＴＳＤオンオフ信号によって熱保護回路ＴＳＤをオンオフさせる。感温素子ＴＥとしては半導体の拡散抵抗、ポリシリコン抵抗などを用いることもできる。図１２に示した熱保護回路ＴＳＤは一例であり、回路構成はさらに複雑になり集積度が増加し、あるいは回路構成はさらに簡素化される場合もある。回路構成、回路素子の数によって空間部ＳＰの間口と奥行きの大きさを設定するとよい。

本発明の半導体装置およびその設計方法は、熱分布シミュレーションに基づき熱源素子の温度に近い温度を感温素子で検知することができるので、パワートランジスタを用いる半導体装置、半導体集積回路装置の熱監視、熱管理に極めて好適であるのでその産業上の利用可能性は極めて高い。

１０ 半導体装置
１１ 第１辺
１２ 第２辺
１３ 第３辺
１４ 第４辺
１５ 第５辺
１６ 第６辺
１７ 第７辺
１８ 第８辺
ＣＣ１，ＣＣ２ 定電流源
ＣＯＭ コンパレータ
ＨＳＥ 熱源素子
ｈｓｅ１，ｈｓｅ２，ｈｓｅ１０，ｈｓｅ１２，ｈｓｅ２０，ｈｓｅ２２ 対向領域
ｈｓｅ３，ｈｓｅ３０，ｈｓｅ３２ 連結領域
ＯＣ その他回路
Ｐ１〜Ｐ５ ポイント
Ｑ トランジスタ
ＳＣＨ 半導体チップ
ＳＰ 空間部
ＴＥ 感温素子
ＴＳＤ 熱保護回路

Claims (11)

1. 熱源素子と感温素子を備えた半導体装置であって、前記熱源素子の平面視形状は、第１の距離ｘ１を有する第１辺（１１）と、前記第１辺（１１）と同一線上に第２の距離ｘ３離れ前記第１辺（１１）から遠ざかる方向に第３の距離ｘ２延びる第２辺（１２）と、前記第１辺（１１）および前記第２辺（１２）の垂直方向に第４の距離ｙ１離れ前記第２の距離ｘ３と同じ長さを有する第３辺（１３）と、前記第１辺（１１）の一端と前記第３辺（１３）の一端を結ぶ第４辺（１４）と、前記第２辺（１２）の一端と前記第３辺（１３）の他端を結ぶ第５辺（１５）と、前記第１辺（１１）の他端にその一端が接続され前記第４辺（１４）が延びる方向と同じであってかつそれよりも長さが長く長さｙ０で示される第６辺（１６）と、前記第２辺（１２）の他端に接続されその一端が前記第５辺（１５）が延びる方向と同じであってかつそれよりも長い長さｙ０で示される第７辺（１７）と、前記第６辺（１６）および前記第７辺（１７）の他端同士を結ぶ第８辺（１８）を備えており、前記第８辺（１８）は長さｘ０を有しており、前記感温素子は前記第３辺（１３）の近傍に配置されていることを特徴する半導体装置。
2. 前記感温素子の中心部は前記第４辺および第５辺よりも前記第３辺の近傍に配置されてい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４の距離ｙ１と前記長さｙ０との間は、０．２５≦ｙ１／ｙ０≦０．７５であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置
4. 前記第４の距離ｙ１はほぼ、ｙ１／ｙ０＝０．５であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記第１の距離ｘ１と前記第３の距離ｘ２はほぼ、ｘ３≦ｘ１＝ｘ２≦３×ｘ３であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
6. 前記熱源素子および前記感温素子は、前記第１辺，第２辺，第３辺，第４辺および前記第５辺で画定された空間部に配置され、前記熱源素子の平面視上の面積をＳ１とし、前記空間部の面積をＳ２としたときに、０．０３７×Ｓ１≦Ｓ２≦０．３３３×Ｓ１であることを特徴する請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記感温素子は熱保護回路の一部を成し、前記熱保護回路は前記感温素子および基準電圧回路に定電流を供給する定電流源と前記基準電圧回路の基準電圧と前記感温素子に生じた電圧を比較するコンパレータを有し、前記熱保護回路は前記空間部に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
8. 半導体チップ内に熱源素子と感温素子を有する半導体装置であって、前記熱源素子は空間部を挟む２つの対向領域と、前記２つの対向領域をつなぐ連結領域を備えて凹字状を成し、前記感温素子は前記連結領域の近傍の前記空間部に配置されていることを特徴とする半導体装置。
9. 前記感温素子の中心部と前記連結領域の中心部との間の距離は、前記感温素子の中心部と前記対向領域の１つの領域の中心部との間の距離よりも短いことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
10. 請求項８〜９のいずれか１項に記載の半導体装置を設計するにあたり、前記凹字状の熱源素子を３つの領域に分割すると共にそれら分割した領域および前記空間部の大きさ、形状を決定する第１ステップと、前記第１ステップで決定した前記熱源素子および前記空間部の熱分布シミュレーションを実行する第２ステップと、前記第２ステップで実行したシミュレーション結果を分析する第３ステップと、前記第３ステップで得られたシミュレーション結果に基づき前記３つの領域と前記空間部の大きさを決定する第４ステップを有することを特徴とする半導体装置の設計方法。
11. 前記３つの領域の２つは前記対向領域であり、前記３つの領域の１つは前記連結領域であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の設計方法。

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