JP2023169458A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップに形成される電極パッドの数の削減を図る。
【解決手段】半導体チップ１ａは、出力素子１ａ１のゲートと電流モニタ素子１ａ２のゲートとに接続されるゲート電極パッドＧ、電流モニタ素子１ａ２のセンスエミッタと電流制限素子１ａ４を介して温度検出用ダイオード１ａ３のアノードとに接続されるセンスエミッタ電極パッドＳ、および温度検出用ダイオード１ａ３のカソードを出力素子１ａ１のエミッタから分離して接地する場合にカソードに接続されるカソード電極パッドＫを有する。制御回路１ｂは、温度検出モードｍｄ１では、センスエミッタ電極パッドＳを介して温度検出電圧Ｖｄｉを受信して出力素子１ａ１の温度状態を検出し、電流検出モードｍｄ２では、センスエミッタ電極パッドＳを介してセンス電流Ｉｓを受信して出力素子１ａ１の電流状態を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップを備える半導体装置に関する。

近年、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー半導体素子と、パワー半導体素子を駆動する駆動回路等を内蔵したＩＰＭ（Intelligent Power Module）と呼ばれる半導体装置の開発が進んでいる。

ＩＰＭは、例えば、モータ、インバータおよびコンバータ等に電力供給を行う車両電装システム等に広く利用されており、小型化、高性能化および高信頼性に応える製品が要望されている。

また、ＩＰＭでは、パワー半導体素子に流れる電流やパワー半導体素子の温度等を監視して、監視結果にもとづいて、パワー半導体素子が破壊されないようにパワー半導体素子を保護する保護機能を備えている。

図１１は従来のＩＰＭの構成の一例を示す図である。ＩＰＭ１００は、ＩＧＢＴチップ１１０および制御回路１２０を備える。ＩＧＢＴチップ１１０は、メインＩＧＢＴ１１１、センスＩＧＢＴ１１２および温度検出用ダイオードＤＩを含む。制御回路１２０は、駆動回路１２１、温度検出回路１２２、電流検出回路１２３、保護回路１２４、定電流源ＩＲおよびセンス抵抗Ｒｓ（数Ω～数ｋΩ程度の抵抗値）を含む。

ＩＧＢＴチップ１１０において、メインＩＧＢＴ１１１は、駆動信号ｓ１にもとづいてスイッチングして負荷を作動するパワー半導体素子である。なお、メインＩＧＢＴ１１１のエミッタとＧＮＤとの間に負荷（図示せず）が接続可能である。センスＩＧＢＴ１１２は、メインＩＧＢＴ１１１を流れるコレクタ電流Ｉｃに比例するセンス電流Ｉｓ（例えば、コレクタ電流Ｉｃの１万分の１程度の電流）を流す電流センス用パワー半導体素子である。また、メインＩＧＢＴ１１１の近傍には、メインＩＧＢＴ１１１の温度を検出する素子として温度検出用ダイオードＤＩが設けられている。

さらに、ＩＧＢＴチップ１１０には、所定のデバイス（制御回路１２０、負荷、電源等）に接続可能な電極パッドとして、コレクタ電極パッドＣ、ゲート電極パッドＧ、エミッタ電極パッドＥ、センスエミッタ電極パッドＳ、アノード電極パッドＡおよびカソード電極パッドＫが設けられている。

コレクタ電極パッドＣは、メインＩＧＢＴ１１１のコレクタおよびセンスＩＧＢＴ１１２のコレクタに接続される。ゲート電極パッドＧは、メインＩＧＢＴ１１１のゲート、センスＩＧＢＴ１１２のゲートおよび駆動回路１２１の出力端に接続される。エミッタ電極パッドＥは、メインＩＧＢＴ１１１のエミッタおよびＧＮＤに接続される。センスエミッタ電極パッドＳは、センスＩＧＢＴ１１２のセンスエミッタ、電流検出回路１２３の入力端およびセンス抵抗Ｒｓの一端に接続される。

アノード電極パッドＡは、温度検出用ダイオードＤＩのアノード、温度検出回路１２２の入力端および定電流源ＩＲの出力端に接続される。カソード電極パッドＫは、温度検出用ダイオードＤＩのカソードおよびＧＮＤに接続される。

制御回路１２０において、駆動回路１２１は、入力端子Ｉｎを介して送信される制御信号ｓ０にもとづいて、メインＩＧＢＴ１１１を駆動するための駆動信号ｓ１を生成する。定電流源ＩＲは、電圧Ｖｃｃが印加されて電流Ｉｒｅｆを出力する。

温度検出回路１２２は、メインＩＧＢＴ１１１の過熱状態の検出を行う。この場合、定電流源ＩＲから出力される電流Ｉｒｅｆが温度検出用ダイオードＤＩを流れることで生じる電位が温度検出電圧Ｖｄｉとして、アノード電極パッドＡを介して温度検出回路１２２に入力される。温度検出回路１２２では、温度検出電圧Ｖｄｉにもとづいて、メインＩＧＢＴ１１１の温度状態を検出し、メインＩＧＢＴ１１１の温度状態が過熱状態であることを検出した場合に、過熱検出信号ｓ２を出力する。

電流検出回路１２３は、メインＩＧＢＴ１１１の過電流状態の検出を行う。この場合、駆動信号ｓ１にもとづいてメインＩＧＢＴ１１１がターンオンすると、センスＩＧＢＴ１１２もターンオンして、センスＩＧＢＴ１１２からセンス電流Ｉｓが出力される。

また、センスＩＧＢＴ１１２から出力されるセンス電流Ｉｓは、センスエミッタ電極パッドＳを介して制御回路１２０に入力される。そして、センス電流Ｉｓがセンス抵抗Ｒｓを流れることで生じる電位がセンス電圧Ｖｓとして電流検出回路１２３に入力される。電流検出回路１２３では、センス電圧ＶｓにもとづいてメインＩＧＢＴ１１１の電流状態を検出し、電流状態が過電流状態であることを検出した場合に、過電流検出信号ｓ３を出力する。

保護回路１２４は、過熱検出信号ｓ２、過電流検出信号ｓ３の少なくとも一方を受信した場合、駆動停止信号ｓ４を駆動回路１２１に出力する。駆動回路１２１は、駆動停止信号ｓ４を受信すると、メインＩＧＢＴ１１１をターンオフしてメインＩＧＢＴ１１１の駆動を停止する。

関連技術としては、例えば、トランジスタのエミッタまたはソースと、温度検出用ダイオードのカソードに共通に接続された外部電極とを備える半導体装置が提案されている（特許文献１）。また、主制御用ＭＯＳＦＥＴのソースと電流ＭＯＳＦＥＴのソースとに接続したダイオードを搭載し、主制御用ＭＯＳＦＥＴがオフ状態にある時にダイオードに順方向電流を流して、アノード電位により温度測定を行う技術が提案されている（特許文献２）。

国際公開第２０１５／０２５４２２号 特開２０２１－１８５７３０号公報

図１２は従来のＩＧＢＴチップが有する電極パッドを示す図である。エミッタ電極パッドＥは、ＩＧＢＴチップ１１０のおもて面に形成され、コレクタ電極パッドＣは、ＩＧＢＴチップ１１０の裏面に形成されている。また、ＩＧＢＴ１１０のおもて面には、カソード電極パッドＫ、センスエミッタ電極パッドＳ、アノード電極パッドＡおよびゲート電極パッドＧがさらに形成されている。

このように、従来のＩＰＭ１００のＩＧＢＴチップ１１０では、ＩＧＢＴチップ１１０のおもて面にはエミッタ電極パッドＥに加えて、さらに４つの電極パッド（Ｋ、Ｓ、Ａ、Ｇ）が形成されている。

しかし、ＩＧＢＴチップ１１０のような半導体チップにおいては、チップ製造プロセスの簡素化、チップ面積の削減、およびワイヤボンディング本数の削減などの観点から、半導体チップに形成される電極パッドの数は少ないことが望ましく、電極パッド数の削減を可能にした製品が要望されている。

１つの側面では、本発明は、半導体チップに形成される電極パッドの数の削減を可能にした半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、半導体装置が提供される。半導体装置は、半導体チップと制御回路を有する。半導体チップは、出力素子、電流モニタ素子および温度検出用素子を備え、第１の電極パッド、第２の電極パッドおよび第３の電極パッドが設置される。出力素子は、駆動信号にもとづきスイッチングして負荷を作動する。電流モニタ素子は、出力素子に流れる電流をモニタする。温度検出用素子は、出力素子の温度を検出する。第１の電極パッドは、出力素子のゲートと電流モニタ素子のゲートとに接続される。第２の電極パッドは、電流モニタ素子のセンスエミッタと電流制限素子を介して温度検出用素子のアノードとに接続される。第３の電極パッドは、温度検出用素子のカソードを出力素子のエミッタから分離して接地する場合にカソードに接続される。制御回路は、第１の電極パッドを介して駆動信号を出力素子のゲートに入力する。そして、出力素子のターンオフ時には温度検出モードに切り替わり、温度検出用素子から出力される温度検出電圧を第２の電極パッドを介して受信して出力素子の温度状態を検出する。また、出力素子のターンオン時には電流検出モードに切り替わり、電流モニタ素子から出力されるセンス電流を第２の電極パッドを介して受信して出力素子の電流状態を検出する。

１側面によれば、半導体チップに形成される電極パッドの数の削減が可能になる。

半導体装置の一例を説明するための図である。 半導体装置の構成の一例を示す図である。 スイッチのスイッチング動作を説明するための図である。 温度検出用ダイオードの温度特性を示す図である。 半導体装置の動作を示すタイムチャートである。 半導体装置の構成の一例を示す図である。 ＩＧＢＴチップが有する電極パッドを示す図である。 半導体装置の構成の一例を示す図である。 半導体装置の構成の一例を示す図である。 ＩＧＢＴチップが有する電極パッドを示す図である。 従来のＩＰＭの構成の一例を示す図である。 従来のＩＧＢＴチップが有する電極パッドを示す図である。

以下、本実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面において実質的に同一の構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する場合がある。

図１は半導体装置の一例を説明するための図である。半導体装置１は、半導体チップ１ａと制御回路１ｂを備える。半導体チップ１ａは、出力素子１ａ１、電流モニタ素子１ａ２、温度検出用素子（以下、温度検出用ダイオード）１ａ３および電流制限素子１ａ４を有する。

出力素子１ａ１は、例えば、メインＩＧＢＴであり、電流モニタ素子１ａ２は、例えば、センスＩＧＢＴである。出力素子１ａ１は、駆動信号ｓ１にもとづきスイッチングして負荷を作動する。電流モニタ素子１ａ２は、出力素子１ａ１に流れる電流をモニタする。温度検出用ダイオード１ａ３は、出力素子１ａ１の温度を検出する。

また、半導体チップ１ａには、第１の電極パッド、第２の電極パッドおよび第３の電極パッドが設けられている。第１の電極パッドは、出力素子１ａ１のゲートと電流モニタ素子１ａ２のゲートとに接続されるゲート電極パッドＧである。

第２の電極パッドは、電流モニタ素子１ａ２のセンスエミッタと、電流制限素子１ａ４を介して温度検出用ダイオード１ａ３のアノードとに接続されるセンスエミッタ電極パッドＳである（電流制限素子１ａ４の機能については後述する）。

第３の電極パッドは、温度検出用ダイオード１ａ３のカソードを出力素子１ａ１のエミッタから分離して接地する場合に温度検出用ダイオード１ａ３のカソードに接続されるカソード電極パッドＫである。

なお、半導体チップ１ａは、コレクタ電極パッドＣおよびエミッタ電極パッドＥをさらに有しており、コレクタ電極パッドＣは、出力素子１ａ１のコレクタおよび電流モニタ素子１ａ２のコレクタに接続され、エミッタ電極パッドＥは、出力素子１ａ１のエミッタおよびＧＮＤに接続される。

一方、制御回路１ｂは、ゲート電極パッドＧを介して駆動信号ｓ１を出力素子１ａ１のゲートに入力する。そして、制御回路１ｂは、出力素子１ａ１のターンオフ時には温度検出モードｍｄ１になって、温度検出用ダイオード１ａ３から出力される温度検出電圧Ｖｄｉを、センスエミッタ電極パッドＳを介して受信して出力素子１ａ１の温度状態を検出する。

また、制御回路１ｂは、出力素子１ａ１のターンオン時には電流検出モードｍｄ２になって、電流モニタ素子１ａ２から出力されるセンス電流Ｉｓを、センスエミッタ電極パッドＳを介して受信して出力素子１ａ１の電流状態を検出する。

このように、半導体装置１では、制御回路１ｂが出力素子１ａ１のターンオフ／ターンオンにもとづいて、温度検出モードｍｄ１と電流検出モードｍｄ２との切り替えを行うことにより、半導体チップ１ａに対してアノード電極パッドに対応するノードＡとセンスエミッタ電極パッドＳを共通化した構成を可能にしている（従来のアノード電極パッドＡは削除されている）。これにより、半導体チップ１ａの電極パッド数を従来構成と比べて削減することが可能になる。

＜半導体装置の構成（電極パッド数を２つ削減した構成）＞
次に本発明の半導体装置の構成についてさらに詳しく説明する。図２は半導体装置の構成の一例を示す図である。半導体装置１０ａは、例えば、ＩＰＭに適用される装置であり、ＩＧＢＴチップ１１ａおよび制御回路１２を備える。

ＩＧＢＴチップ１１ａは、メインＩＧＢＴ１ｍ、センスＩＧＢＴ２ｍ、温度検出用ダイオードＤＩおよび抵抗ＲＬを含む。制御回路１２は、駆動回路１２ａ、温度検出回路１２ｂ、電流検出回路１２ｃ、アラーム出力・保護回路１２ｄ、ゲートレベル判定回路１２ｅ、遅延回路１２ｆ、スイッチｓｗ１（第１のスイッチ）、スイッチｓｗ２（第２のスイッチ）、定電流源ＩＲおよびセンス抵抗Ｒｓを含む。

また、ＩＧＢＴチップ１１ａには、電極パッドとして、コレクタ電極パッドＣ、ゲート電極パッドＧ、エミッタ電極パッドＥおよびセンスエミッタ電極パッドＳが設けられている。

コレクタ電極パッドＣは、メインＩＧＢＴ１ｍのコレクタおよびセンスＩＧＢＴ２ｍのコレクタに接続される。ゲート電極パッドＧは、メインＩＧＢＴ１ｍのゲート、センスＩＧＢＴ２ｍのゲート、駆動回路１２ａの出力端およびゲートレベル判定回路１２ｅの入力端に接続される。

エミッタ電極パッドＥは、メインＩＧＢＴ１ｍのエミッタ、温度検出用ダイオードＤＩのカソード（Ｋ）およびＧＮＤに接続される。なお、メインＩＧＢＴ１ｍのエミッタとＧＮＤとの間に負荷（図示せず）が接続可能である。

センスエミッタ電極パッドＳは、センスＩＧＢＴ２ｍのセンスエミッタ、抵抗ＲＬの一端（Ａ）、スイッチｓｗ１の端子ｂ１およびスイッチｓｗ２の端子ｂ２に接続される。なお、温度検出用ダイオードＤＩのアノードは、抵抗ＲＬの他端に接続される。

制御回路１２において、駆動回路１２ａは、入力端子Ｉｎを介して例えば、マイコンから送信される制御信号ｓ０にもとづいて、メインＩＧＢＴ１ｍをオン／オフするための駆動信号ｓ１を生成し、メインＩＧＢＴ１ｍに駆動信号ｓ１を出力してメインＩＧＢＴ１ｍをスイッチング（ターンオン／ターンオフ）させる。駆動信号ｓ１がＨレベルの場合にＩＧＢＴ１ｍはターンオンし、駆動信号ｓ１がＬレベルの場合にＩＧＢＴ１ｍはターンオフする。

ゲートレベル判定回路１２ｅは、ＩＧＢＴ１ｍのゲート電圧レベル（駆動信号ｓ１の電圧レベル）ＶｇｅがＨレベルであるかＬレベルであるかを判定する。そして、ゲートレベル判定回路１２ｅは、ゲート電圧レベルＶｇｅがＬレベルの場合は、例えば、Ｌレベルの判定信号ｓ６（第１の判定信号）を出力し、ゲート電圧レベルＶｇｅがＨレベルの場合は、例えば、Ｈレベルの判定信号ｓ６（第２の判定信号）を出力する。

遅延回路１２ｆは、ゲートレベル判定回路１２ｅから出力された判定信号ｓ６を所定時間遅延させた遅延判定信号ｓ７（第１の遅延判定信号または第２の遅延判定信号）を出力する。定電流源ＩＲは、電源端子Ｖｃｃから入力される電圧Ｖｃｃが印加されて電流Ｉｒｅｆを出力する。

スイッチｓｗ１、ｓｗ２において、スイッチｓｗ１の端子ａ１（スイッチｓｗ１の第１の端子）は、温度検出回路１２ｂの入力端および定電流源ＩＲの出力端に接続され、スイッチｓｗ２の端子ａ２（スイッチｓｗ２の第１の端子）は、電流検出回路１２ｃの入力端およびセンス抵抗Ｒｓの一端に接続される。センス抵抗Ｒｓの他端はＧＮＤに接続される。スイッチｓｗ１の端子ｂ１（スイッチｓｗ１の第２の端子）およびスイッチｓｗ２の端子ｂ２（スイッチｓｗ２の第２の端子）は、センスエミッタ電極パッドＳに接続される。

また、スイッチｓｗ１のオンオフのスイッチング制御は、遅延回路１２ｆから出力される遅延判定信号ｓ７により行われ、スイッチｓｗ２のオンオフのスイッチング制御は、ゲートレベル判定回路１２ｅから出力される判定信号ｓ６により行われる。

（スイッチング動作）
図３はスイッチのスイッチング動作を説明するための図である。テーブルＴａは、ゲート電圧Ｖｇｅと、スイッチｓｗ１、ｓｗ２のスイッチング状態と、動作モードとの対応関係を示している。

〔ゲート電圧ＶｇｅがＬレベル〕ＩＧＢＴ１ｍは、ターンオフの状態である。ゲートレベル判定回路１２ｅは、例えば、Ｌレベルの判定信号ｓ６（第１の判定信号）を出力する。このとき、スイッチｓｗ１は、遅延回路１２ｆから出力されるＬレベルの遅延判定信号ｓ７（第１の遅延判定信号）を受けてオンし、スイッチｓｗ２は、ゲートレベル判定回路１２ｅから出力されるＬレベルの判定信号ｓ６を受けてオフして、制御回路１２は温度検出モードとなる。

〔ゲート電圧ＶｇｅがＨレベル〕ＩＧＢＴ１ｍは、ターンオンの状態である。ゲートレベル判定回路１２ｅは、例えば、Ｈレベルの判定信号ｓ６（第２の判定信号）を出力する。このとき、スイッチｓｗ１は、遅延回路１２ｆから出力されるＨレベルの遅延判定信号ｓ７（第２の遅延判定信号）を受けてオフし、スイッチｓｗ２は、ゲートレベル判定回路１２ｅから出力されるＨレベルの判定信号ｓ６を受けてオンして、制御回路１２は電流検出モードとなる。

（温度検出モード）
温度検出モードでは、上述のように、スイッチｓｗ１がオン、スイッチｓｗ２がオフとなる。この場合、定電流源ＩＲから出力される電流Ｉｒｅｆがセンスエミッタ電極パッドＳを介して温度検出用ダイオードＤＩに流れ、このときの温度検出用ダイオードＤＩに生じる電位がＩＧＢＴ１ｍの温度状態を示す温度検出電圧Ｖｄｉとして温度検出回路１２ｂに入力される。

温度検出回路１２ｂは、温度検出電圧Ｖｄｉと、温度基準電圧Ｖｏｈとを比較し、比較結果にもとづいてＩＧＢＴ１ｍの温度状態が過熱状態であることを検出した場合に、過熱検出信号ｓ２を出力する。

図４は温度検出用ダイオードの温度特性を示す図である。縦軸は温度検出電圧Ｖｄｉであり、横軸は温度である。温度検出用ダイオードＤＩは、温度検出電圧Ｖｄｉが温度上昇に伴って減少する負の温度特性を有している。

したがって、定電流源ＩＲから温度検出用ダイオードＤＩに向けて流れる電流Ｉｒｅｆにもとづく、温度検出用ダイオードＤＩのアノードにおける温度検出電圧Ｖｄｉ（順方向電圧）は、温度上昇に伴って減少することになる。このため、温度検出回路１２ｂでは、温度検出電圧Ｖｄｉが基準電圧Ｖｏｈ以下となった場合に、ＩＧＢＴ１ｍの温度状態が過熱状態であると検出する。

（電流検出モード）
電流検出モードでは、上述のように、スイッチｓｗ１がオフ、スイッチｓｗ２がオンとなる。この場合、センスエミッタ電極パッドＳを介して、センスＩＧＢＴ２ｍのセンスエミッタから出力されるセンス電流Ｉｓが電流検出回路１２ｃに向けて流れる。また、センス抵抗Ｒｓの一端がスイッチｓｗ２の端子ａ２および電流検出回路１２ｃの入力端に接続され、センス抵抗Ｒｓの他端がＧＮＤに接続されているから、センス電流Ｉｓがセンス抵抗Ｒｓを流れることで生じる電位がセンス電圧Ｖｓとして電流検出回路１２ｃに入力される。

電流検出回路１２ｃでは、センス電圧Ｖｓと電流基準電圧Ｖｏｃとを比較し、比較結果にもとづいてＩＧＢＴ１ｍの電流状態が過電流状態であることを検出した場合に、過電流検出信号ｓ３を出力する。

なお、抵抗ＲＬは、電流制限素子であって、センス電流Ｉｓが温度検出用ダイオードＤＩへ分流してしまうことを防ぐ電流制限抵抗としての機能を有している。抵抗ＲＬの抵抗値は、センス抵抗Ｒｓの抵抗値よりも大きい（ＲＬ＞＞Ｒｓ）。したがって、抵抗ＲＬにより、電流検出モードにおけるセンス電流Ｉｓの温度検出用ダイオードＤＩへの分流を抑止することができ、電流検出の精度低下を防止することができる。

（アラーム出力および保護）
アラーム出力・保護回路１２ｄは、過熱検出信号ｓ２、過電流検出信号ｓ３の少なくとも一方を受信した場合は、出力端子ＡＬＭを介してアラーム信号ｓ５を出力する。また、アラーム出力・保護回路１２ｄは、過熱検出信号ｓ２、過電流検出信号ｓ３の少なくとも一方を受信した場合、駆動停止信号ｓ４を駆動回路１２ａに出力する。駆動回路１２ａは、駆動停止信号ｓ４を受信すると、ＩＧＢＴ１ｍをターンオフしてＩＧＢＴ１ｍの駆動を停止する。

（動作タイムチャート）
図５は半導体装置の動作を示すタイムチャートである。
〔時間帯Ｔ１〕制御回路１２は、スイッチｓｗ１がオンでスイッチｓｗ２がオフすることで温度検出モードになる。駆動信号ｓ１はＬレベルであり、ＩＧＢＴ１ｍはターンオフする。ＩＧＢＴ１ｍがターンオフの状態なので、コレクタ電流Ｉｃおよびセンス電流Ｉｓは流れない。

また、定電流源ＩＲからの電流Ｉｒｅｆが、スイッチｓｗ１、センスエミッタ電極パッドＳおよび抵抗ＲＬを介して、温度検出用ダイオードＤＩのアノードに向けて流れる。
電流Ｉｒｅｆは、温度検出用ダイオードＤＩに対して順方向電流となるから、順方向電流によって温度検出用ダイオードＤＩに生じる電圧降下分の順方向電圧は、メインＩＧＢＴ１ｍの温度状態を示す温度検出電圧Ｖｄｉとなり、図２に示すＡ点の電位は、温度検出電圧Ｖｄｉとなる。

したがって、温度検出回路１２ｂへの入力電圧も、温度検出電圧Ｖｄｉとなる。また、電流検出回路１２ｃへの入力電圧は、スイッチｓｗ２がオフであるから、０Ｖとなる。
〔時間帯Ｔ２〕制御回路１２は、スイッチｓｗ１がオフでスイッチｓｗ２がオンすることで電流検出モードになる。駆動信号ｓ１はＨレベルであり、ＩＧＢＴ１ｍはターンオンする。

ＩＧＢＴ１ｍがターンオンの状態なので、コレクタ電流Ｉｃが流れてコレクタ電流Ｉｃが増加し、コレクタ電流Ｉｃに比例するセンス電流Ｉｓが流れてセンス電流Ｉｓも増加する。

また、定電流源ＩＲからの電流Ｉｒｅｆは、スイッチｓｗ１がオフなので、温度検出用ダイオードＤＩに対する順方向電流として流れることはない。また、スイッチｓｗ２がオンであるので、Ａ点の電位は、センス抵抗Ｒｓの抵抗値をＲｓとすれば、Ｒｓ×Ｉｓとなり、センス電流Ｉｓの増加に伴ってＡ点の電位も増加する。したがって、電流検出回路１２ｃへの入力電圧もセンス電圧Ｖｓ（＝Ｒｓ×Ｉｓ）となる。また、温度検出回路１２ｂへの入力電圧は、０Ｖである。

〔時間帯Ｔ３〕時間帯Ｔ３は、遅延回路１２ｆで設定される遅延時間ｔｄに等しい。電流検出モードから温度検出モードに切り替わる際には、遅延時間ｔｄの経過後に切り替わるように制御されている。

これは、電流検出モードのときに発生するセンス電圧Ｖｓが放電する前に、電流検出モードから温度検出モードに切り替わると、センス電圧Ｖｓの残余電圧が温度検出回路１２ｂに入力してしまい、温度検出回路１２ｂが精度よく温度検出を行うことが困難な事象が生じる可能性があるからである。

このため、本発明では、電流検出モードの終了時点から所定の遅延時間ｔｄの経過後に温度検出モードに切り替わるように制御することで、センス電圧Ｖｓの残余電圧が温度検出回路１２ｂに入力することを防ぎ、温度検出回路１２ｂの精度低下を抑制するものである。

図６は半導体装置の構成の一例を示す図である。半導体装置１０ａ－１は、図２の変形例であり、ＩＧＢＴチップ１１ａ－１および制御回路１２を備える。ＩＧＢＴチップ１１ａ－１は、メインＩＧＢＴ１ｍ、センスＩＧＢＴ２ｍおよび温度検出用ダイオードＤＩを備える。さらに、ＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）トランジスタとしてＰチャネルのＰＭＯＳトランジスタＭ０を備えている。

上述の図２の半導体装置１０ａは、電流制限素子として抵抗ＲＬを有するが、図６の半導体装置１０ａ－１では、電流制限素子としてＰＭＯＳトランジスタＭ０を有するものであり、その他の構成は図２と同じである。

ＰＭＯＳトランジスタＭ０のゲートは、センスＩＧＢＴ２ｍのゲート、メインＩＧＢＴ１ｍのゲート、ゲート電極パッドＧ、駆動回路１２ａの出力端およびゲートレベル判定回路１２ｅの出力端に接続される。ＰＭＯＳトランジスタＭ０のソースは、センスＩＧＢＴ２ｍのセンスエミッタ、センスエミッタ電極パッドＳ、スイッチｓｗ１の端子ｂ１およびスイッチｓｗ２の端子ｂ２に接続される。ＰＭＯＳトランジスタＭ０のドレインは、温度検出用ダイオードＤＩのアノードに接続される。

ここで、ＰＭＯＳトランジスタＭ０は、センス電流Ｉｓが温度検出用ダイオードＤＩへ分流してしまうことを防ぐ電流制限半導体素子としての機能を有している。電流検出モードではゲート電圧ＶｇｅはＨレベルであり、このときＰＭＯＳトランジスタＭ０はオフする。また、温度検出モードではゲート電圧ＶｇｅはＬレベルであり、このときＰＭＯＳトランジスタＭ０はオンする。

したがって、電流検出モードにおいては、ＰＭＯＳトランジスタＭ０はオフすることにより、センス電流Ｉｓの温度検出用ダイオードＤＩへの分流を抑止することができ、電流検出の精度低下を防止することができる。

図７はＩＧＢＴチップが有する電極パッドを示す図である。半導体装置１０ａのＩＧＢＴチップ１１ａにおいて、エミッタ電極パッドＥは、ＩＧＢＴチップ１１ａのおもて面に形成され、コレクタ電極パッドＣは、ＩＧＢＴチップ１１ａの裏面に形成されている。また、ＩＧＢＴ１１ａのおもて面には、センスエミッタ電極パッドＳおよびゲート電極パッドＧが形成されている。

このように、図２のような構成の半導体装置１０ａは、従来あったアノード電極パッドＡがセンスエミッタ電極パッドＳに共通化され、従来あったカソード電極パッドＫがエミッタ電極パッドＥに共通化されるので、アノード電極パッドＡとカソード電極パッドＫを削減することができる。図６の半導体装置１０ａ－１のＩＧＢＴチップ１１ａ－１についても同様の電極パッド構成である。

したがって、半導体装置１０ａ、１０ａ－１では、従来構成と比べて電極パッド数を２つ削減することができるので、チップ製造プロセスの簡素化、チップ面積の削減、およびワイヤボンディング本数の削減が可能になる。

＜半導体装置の構成（電極パッド数を１つ削減した構成）＞
図８は半導体装置の構成の一例を示す図である。半導体装置１０ｂは、ＩＧＢＴチップ１１ｂおよび制御回路１２を備える。ＩＧＢＴチップ１１ｂは、メインＩＧＢＴ１ｍ、センスＩＧＢＴ２ｍ、温度検出用ダイオードＤＩおよび抵抗ＲＬを含む。制御回路１２は、図２と同様の構成である。

また、ＩＧＢＴチップ１１ｂには、電極パッドとして、コレクタ電極パッドＣ、ゲート電極パッドＧ、エミッタ電極パッドＥ、カソード電極パッドＫおよびセンスエミッタ電極パッドＳが設けられている。

コレクタ電極パッドＣは、メインＩＧＢＴ１ｍのコレクタおよびセンスＩＧＢＴ２ｍのコレクタに接続される。ゲート電極パッドＧは、メインＩＧＢＴ１ｍのゲート、センスＩＧＢＴ２ｍのゲート、駆動回路１２ａの出力端およびゲートレベル判定回路１２ｅの入力端に接続される。エミッタ電極パッドＥは、メインＩＧＢＴ１ｍのエミッタおよびＧＮＤに接続される。

カソード電極パッドＫは、ＧＮＤに接続される。センスエミッタ電極パッドＳは、センスＩＧＢＴ２ｍのセンスエミッタ、抵抗ＲＬの一端（Ａ）、スイッチｓｗ１の端子ｂ１およびスイッチｓｗ２の端子ｂ２に接続される。なお、温度検出用ダイオードＤＩのアノードは、抵抗ＲＬの他端に接続される。

ここで、図２で上述した半導体装置１０ａのように、カソード電極パッドＫとエミッタ電極パッドＥが接続されている構成の場合、大電流が流れているＩＧＢＴ１ｍ側のメインエミッタが基準となるため、配線抵抗分の電圧ドロップが温度検出用ダイオードＤＩの電圧降下分に加算され、誤動作等を引き起こす可能性がある。

このため、半導体装置１０ｂでは、カソード電極パッドＫとエミッタ電極パッドＥとの共通化は行わずに、センスエミッタ電極パッドＳとアノード電極パッドＡとを共通化したものである。このような構成にすることで、ＩＧＢＴ１ｍ側のメインエミッタに流れる電流に依拠する温度検出の誤動作を防止し、かつ電極パッド数を１つ削減することができる。

図９は半導体装置の構成の一例を示す図である。半導体装置１０ｂ－１は、図８の変形例であり、ＩＧＢＴチップ１１ｂ－１および制御回路１２を備える。ＩＧＢＴチップ１１ｂ－１は、メインＩＧＢＴ１ｍ、センスＩＧＢＴ２ｍ、温度検出用ダイオードＤＩおよびＰＭＯＳトランジスタＭ０を含む。上述の図８の半導体装置１０ｂは、電流制限素子として抵抗ＲＬを有するが、図９の半導体装置１０ｂ－１では、電流制限素子としてＰＭＯＳトランジスタＭ０を有するものであり、その他の構成は同じである。

ＰＭＯＳトランジスタＭ０のゲートは、センスＩＧＢＴ２ｍのゲート、メインＩＧＢＴ１ｍのゲート、ゲート電極パッドＧ、駆動回路１２ａの出力端およびゲートレベル判定回路１２ｅの出力端に接続される。

ＰＭＯＳトランジスタＭ０のソースは、センスＩＧＢＴ２ｍのセンスエミッタ、センスエミッタ電極パッドＳ、スイッチｓｗ１の端子ｂ１およびスイッチｓｗ２の端子ｂ２に接続される。ＰＭＯＳトランジスタＭ０のドレインは、温度検出用ダイオードＤＩのアノードに接続される。

ここで、電流検出モードではゲート電圧ＶｇｅはＨレベルであり、このときＰＭＯＳトランジスタＭ０はオフし、温度検出モードではゲート電圧ＶｇｅはＬレベルであり、このときＰＭＯＳトランジスタＭ０はオンする。

したがって、電流検出モードにおいては、ＰＭＯＳトランジスタＭ０はオフすることにより、センス電流Ｉｓの温度検出用ダイオードＤＩへの分流を抑止することができ、電流検出の精度低下を防止することができる。

図１０はＩＧＢＴチップが有する電極パッドを示す図である。半導体装置１０ｂのＩＧＢＴチップ１１ｂにおいて、エミッタ電極パッドＥは、ＩＧＢＴチップ１１ｂのおもて面に形成され、コレクタ電極パッドＣは、ＩＧＢＴチップ１１ｂの裏面に形成されている。また、ＩＧＢＴ１１ａのおもて面には、カソード電極パッドＫ、センスエミッタ電極パッドＳおよびゲート電極パッドＧが形成されている。

このように、図８のような構成の半導体装置１０ｂは、従来あったアノード電極パッドＡがセンスエミッタ電極パッドＳに共通化されるので、アノード電極パッドＡを削減することができる。図９の半導体装置１０ｂ－１のＩＧＢＴチップ１１ｂ－１についても同様の電極パッド構成である。

したがって、半導体装置１０ｂ、１０ｂ－１では、従来構成と比べて電極パッド数を１つ削減することができるので、チップ製造プロセスの簡素化、チップ面積の削減、およびワイヤボンディング本数の削減が可能になる。

以上説明したように、本発明の半導体装置によれば、制御回路がメインＩＧＢＴのターンオフ／ターンオンを検出し、制御回路側で温度検出モードと電流検出モードとの切り替えを行う。これにより、半導体チップに対してアノード電極パッドに対応するノードＡとセンスエミッタ電極パッドＳを共通化し、さらにカソード電極パッドＫとエミッタ電極パッドＥを共通化した構成を可能にしている。このため、電極パッド数を削減できるので、チップ製造プロセスの簡素化、チップ面積の削減、およびワイヤボンディング本数の削減が可能になる。

以上、実施の形態を例示したが、実施の形態で示した各部の構成は同様の機能を有する他のものに置換することができる。また、他の任意の構成物や工程が付加されてもよい。さらに、前述した実施の形態のうちの任意の２以上の構成（特徴）を組み合わせたものであってもよい。

１ 半導体装置
１ａ 半導体チップ
１ａ１ 出力素子
１ａ２ 電流モニタ素子
１ａ３ 温度検出用ダイオード
１ａ４ 電流制限素子
１ｂ 制御回路
ｓ１ 駆動信号
Ｖｄｉ 温度検出電圧
Ｉｓ センス電流
ｍｄ１ 温度検出モード
ｍｄ２ 電流検出モード
Ｇ 第１の電極パッド（ゲート電極パッド）
Ｓ 第２の電極パッド（センスエミッタ電極パッド）
Ｋ 第３の電極パッド（カソード電極パッド）
Ａ アノード電極パッドに対応するノード
Ｃ コレクタ電極パッド
Ｅ エミッタ電極パッド

Claims (12)

1. 駆動信号にもとづきスイッチングして負荷を作動する出力素子と、前記出力素子に流れる電流をモニタする電流モニタ素子と、前記出力素子の温度を検出する温度検出用素子と、を備え、前記出力素子のゲートと前記電流モニタ素子のゲートとに接続される第１の電極パッドと、前記電流モニタ素子のセンスエミッタと電流制限素子を介して前記温度検出用素子のアノードとに接続される第２の電極パッドと、前記温度検出用素子のカソードを前記出力素子のエミッタから分離して接地する場合に前記カソードに接続される第３の電極パッドと、が設置された半導体チップと、
   前記第１の電極パッドを介して前記駆動信号を前記出力素子のゲートに入力し、前記出力素子のターンオフ時には温度検出モードに切り替わり、前記温度検出用素子から出力される温度検出電圧を前記第２の電極パッドを介して受信して前記出力素子の温度状態を検出し、前記出力素子のターンオン時には電流検出モードに切り替わり、前記電流モニタ素子から出力されるセンス電流を前記第２の電極パッドを介して受信して前記出力素子の電流状態を検出する制御回路と、
   を有する半導体装置。
2. 前記制御回路は、駆動回路、ゲート電圧レベル判定回路および遅延回路を備え、
   前記駆動回路は、前記出力素子をターンオンまたはターンオフさせる前記駆動信号を生成し、
   前記ゲート電圧レベル判定回路は、前記第１の電極パッドから前記出力素子へ出力される前記駆動信号の電圧レベルにもとづいて、前記出力素子のターンオフまたはターンオンを判定して判定信号を出力し、
   前記遅延回路は、前記判定信号を所定時間遅延させた遅延判定信号を出力する、
   請求項１記載の半導体装置。
3. 前記制御回路は、第１のスイッチ、第２のスイッチ、定電流源、センス抵抗、温度検出回路および電流検出回路を備え、
   前記定電流源は、前記温度検出用素子に対して順方向電流となる電流を出力し、
   前記センス抵抗は、前記センス電流をセンス電圧に変換し、
   前記第１のスイッチの第１の端子は、前記定電流源の出力端および前記温度検出回路の入力端に接続され、
   前記第２のスイッチの第１の端子は、前記センス抵抗の一端および前記電流検出回路の入力端に接続され、
   前記第１のスイッチの第２の端子は、前記第２のスイッチの第２の端子および前記第２の電極パッドに接続される、
   請求項２記載の半導体装置。
4. 前記ゲート電圧レベル判定回路が前記出力素子のターンオフを認識して第１の判定信号を出力し、前記遅延回路が前記第１の判定信号を所定時間遅延させて第１の遅延判定信号を出力して、前記温度検出モードに切り替わる場合、
   前記第１のスイッチは、前記第１の遅延判定信号にもとづいてオンして、前記定電流源の出力端および前記温度検出回路の入力端を前記第２の電極パッドに対して接続し、
   前記第２のスイッチは、前記第１の判定信号にもとづいてオフして、前記センス抵抗の一端および前記電流検出回路の入力端を前記第２の電極パッドに対して非接続にする、
   請求項３記載の半導体装置。
5. 前記温度検出回路は、前記温度検出用素子からの前記温度検出電圧を前記第２の電極パッドを介して受信して、前記温度検出電圧と、温度基準電圧とを比較し、比較結果にもとづいて前記出力素子の温度状態が過熱状態であることを検出した場合に過熱検出信号を出力する、
   請求項４記載の半導体装置。
6. 前記ゲート電圧レベル判定回路が前記出力素子のターンオンを認識して第２の判定信号を出力し、前記遅延回路が前記第２の判定信号を所定時間遅延させて第２の遅延判定信号を出力して、前記電流検出モードに切り替わる場合、
   前記第１のスイッチは、前記第２の遅延判定信号にもとづいてオフして、前記定電流源の出力端および前記温度検出回路の入力端を前記第２の電極パッドに対して非接続にし、
   前記第２のスイッチは、前記第２の判定信号にもとづいてオンして、前記センス抵抗の一端および前記電流検出回路の入力端を前記第２の電極パッドに対して接続する、
   請求項３記載の半導体装置。
7. 前記電流モニタ素子からの前記センス電流が前記第２の電極パッドを介して流れ、
   前記電流検出回路は、前記センス抵抗によって前記センス電流が電圧に変換された前記センス電圧と、電流基準電圧とを比較し、比較結果にもとづいて前記出力素子の電流状態が過電流状態であることを検出した場合に過電流検出信号を出力する、
   請求項６記載の半導体装置。
8. 前記制御回路は、アラーム出力・保護回路を備え、前記出力素子の過熱状態または過電流状態の少なくとも一方が検出された場合にはアラーム信号を出力し、前記駆動回路は、前記アラーム信号が出力された場合に前記出力素子の駆動を停止する、
   請求項２記載の半導体装置。
9. 前記温度検出用素子のアノードと前記電流モニタ素子のセンスエミッタとの間に、前記電流制限素子として抵抗が設けられる、
   請求項１記載の半導体装置。
10. 前記温度検出用素子のアノードと前記電流モニタ素子のセンスエミッタとの間に、前記電流制限素子としてＭＯＳトランジスタが設けられる、
    請求項１記載の半導体装置。
11. 前記半導体チップは、前記温度検出用素子の前記カソードを前記出力素子のエミッタに接続した場合は前記第３の電極パッドを非設置とし、前記第１の電極パッドおよび前記第２の電極パッドが設置される、
    請求項１記載の半導体装置。
12. 前記温度検出用素子はダイオードである、
    請求項１記載の半導体装置。

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