JP4305356B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、制御素子などの第１の電子素子と、第１の電子素子よりも大電流が流れ且つ大きい発熱を行うパワー素子などの第２の電子素子とを備える半導体装置に関し、たとえばモータなどのアクチュエータを駆動するための混成集積回路などに適用することができる。

従来より、第１の電子素子と第１の電子素子よりも大きい電流が流れ且つ大きい発熱を行う第２の電子素子とを備える半導体装置としては、たとえば、第１の電子素子としてマイコンなどの制御素子、第２の電子素子として制御素子により制御されるパワーＭＯＳ素子やＩＧＢＴなどのパワー素子を備える半導体装置がある。

このような制御素子およびパワー素子を備える半導体装置は、たとえば、モータなどのアクチュエータを駆動するためのＨＩＣ（混成集積回路）として適用される。具体的には、従来より、パワーウィンドウの駆動モータを駆動するＨＩＣへの適用が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

なお、このようなパワーウィンドウの駆動方法については、たとえば特許文献２や特許文献３などに記載されている。
特開平７−６７２９３号公報 特開平７−１１３３７６号公報 特開平７−７６９７３号公報

ところで、上記した従来の半導体装置の場合、本発明者らの検討によれば、次に述べるような問題が生じることがわかった。

図５は、自動車のパワーウィンドウの駆動モータを駆動するＨＩＣとしての半導体装置の一般的な回路構成を示す回路ブロック図である。

図５において、第１の電子素子としての制御素子１０は、マイコン１１、制御回路１３、駆動回路１４、コンパレータ１５などから構成されており、第２の電子素子としてのパワー素子は、パワーＭＯＳ素子２０により構成されている。また、これら制御素子１０およびパワーＭＯＳ素子２０は、１つの共通した配線基板上に実装されている。

ここで、パワーＭＯＳ素子２０は、Ｈブリッジ構成を採用した４個のパワーＭＯＳ素子２１、２２、２３、２４から構成されている。また、本半導体装置には、窓ガラスを駆動させるためのモータ８０や装置の電源８１が設けられている。

このような半導体装置においては、図示しないマイコンから通信（例えばＬＩＮ）によってマイコン１１に信号を伝え、その指示に従い、マイコン１１は制御回路１３と駆動回路１４を介して、各パワーＭＯＳ素子２１〜２４を制御する。駆動回路１４の出力は、各パワーＭＯＳ素子２１〜２４のゲートに入力される。

ここで、図６には、モータ８０の作動状態における各パワーＭＯＳ素子２１〜２４のゲート入力のＯＮ・ＯＦＦ状態を示している。

上述したように、車の窓ガラスを上昇・下降するのがモータ８０であり、モータ停止時、窓ガラスの上昇時、窓ガラスの下降時のゲート入力の状態は、図６に示されるようになる。

モータ停止時では、４個のパワーＭＯＳ素子２１〜２４のすべてがＯＦＦ状態であり、上昇時（下降時）では、２個のパワーＭＯＳ素子２１、２３がＯＮ状態（下降時ではＯＦＦ状態）、２個のパワーＭＯＳ素子２２、２４がＯＦＦ状態（下降時ではＯＮ状態）となる。

そして、このような構成を有する半導体装置においては、窓ガラスを閉める動作、開ける動作、はさみ込み防止の３つの駆動が可能となっている。ここで、この防止機能は、具体的には次の通りである。

たとえば、窓ガラスを上昇させ、上昇しきった時にパワーＭＯＳ素子２１、２３がＯＮ状態を保持すると、モータ８０に過大な電流が流れるので、モータ８０に大きなトルクが発生し、挟み込み状態となる。

このとき、モータ８０の回転を、たとえばホールセンサなどにより検出して、検出されたモータ回転状態とマイコン１１の指令とを比較し、コンパレータ１５にて挟み込み状態と判断する。すると、制御回路１３は、電流カットと復帰の繰り返しを行うＰＷＭ動作（パルス幅変調制御動作）を行うように信号を切り替える。

つまり、通常、窓ガラスの上昇時には、図６の上昇時に示されるように、各パワーＭＯＳ素子２１〜２４に対してゲート入力信号が与えられているが、挟み込み状態と判断されると、パワーＭＯＳ素子２１〜２４は、ＯＮ状態からＯＮとＯＦＦとの繰り返しの状態、すなわちＰＷＭ制御の状態とする。

これにより、モータ８０のトルクは下がり、窓ガラスによる挟み込みによってケガをすることを防止できる。そして、一定の挟み込み状態が一定時間継続すると、各パワーＭＯＳ素子２１〜２４のゲート入力を、モータ停止時の状態にして、モータ８０への通電をストップする。

このような動作においては、窓ガラスの上昇および下降時には、パワーＭＯＳ素子２１〜２４がＯＮとなっており、パワーＭＯＳ素子におけるソース−ドレイン間の電圧（ＤＳ間電圧）は十分小さく、消費電力も小さい。しかし、ＰＷＭ制御時においては、パワーＭＯＳ素子２１〜２４がＯＮ−ＯＦＦを繰り返すと、ＤＳ間電圧がけた違いに大となり、電力消費が大きくなる。

窓ガラスの上昇時および下降時の場合、たとえば、０．３Ｖの電圧で１Ａの電流が流れても、消費電力は０．３Ｗであるが、ＰＷＭ制御時では、たとえば、平均７Ｖの電圧で０．２Ａの電流が流れると、消費電力は１．４Ｗであり、前者の４倍以上となる。なお、これらの数値は、あくまで一例であり、実際にはＰＷＭ制御時の電力消費は、さらに大きくなる傾向にある。

このように、従来の半導体装置においては、制御素子１０に対して、それよりも電流量および発熱量の大きいパワー素子２０から、大きな熱が伝わり、制御素子１０はその熱の影響を受けやすい。

特に、上述したようなＰＷＭ制御を行うものにおいては、パワー素子２０からの過渡的な発熱による影響は大きい。制御素子１０は、パワー素子２０に比べて微細な構成を有するため動作温度が低いのが通常であることから、上述したようなパワー素子２０からの熱の影響を抑制することは重要である。

ちなみに、単純には、制御素子１０およびパワー素子２０が実装される配線基板上において、制御素子１０とパワー素子２０との距離を離してやればよいが、そのような場合、装置の大型化を招くことになり、好ましくない。

そして、上記した問題は、第１の電子素子と第１の電子素子よりも大きい電流が流れ且つ大きい発熱を行う第２の電子素子とを備える半導体装置においては、共通したものと考えられる。つまり、このような半導体装置においては、第２の電子素子からの熱が第１の電子素子へ伝達するのを抑制することは、重要な問題となりうる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、第１の電子素子とそれよりも比較的大電流が流れ且つ発熱の大きい第２の電子素子とを備える半導体装置において、適切な放熱特性を実現することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、第１の電子素子（１０）と第１の電子素子（１０）よりも大きい電流が流れ且つ大きい発熱を行う第２の電子素子（２０）とを備える半導体装置において、ヒートシンク（３０）と、ヒートシンク（３０）の一面上に搭載され、それぞれ分離された第１の配線基板（４１）、第２の配線基板（４２）とを備え、第１の電子素子（１０）は、第１の配線基板（４１）の上に実装され、第２の電子素子（２０）は、第２の配線基板（４２）の上に実装されていることを特徴としている。
それによれば、第１の電子素子（１０）と第２の電子素子（２０）とを、分離されたそれぞれの配線基板（４１、４２）上に実装して、さらにヒートシンク（３０）上に搭載しているため、第１の電子素子（１０）と第２の電子素子（２０）との距離をさほど大きくしなくても、第２の電子素子（２０）の熱を第１の電子素子（１０）へ伝えにくくすることができる。
よって、本発明によれば、第１の電子素子（１０）と第２の電子素子（２０）とを備える半導体装置において、適切な放熱特性を実現することができる。
ところで、上記した手段では、第１の電子素子（１０）と第２の電子素子（２０）とを熱的に分離した構成とすることにより、適切な放熱特性を実現していた。
しかしながら、たとえば、この種の半導体装置を車載用途に適用した場合、走行環境等によっては、異常状態が常に起こりうるため、その異常状態に対処することが必要になってくる。
具体的には、モータのロックなどにより、異常電流が流れると装置の発熱が大きくなり、熱的破壊も想定されるため、異常電流が流れたら、瞬時に電流を停止したいような場合も起こってくる。
また、装置自体が全体的に高温になり、動作保証温度が低いマイコン等の制御素子の動作が正常でなくなる場合も想定され、このような場合には、電流を制限したり、動作クロックを落としたりして発熱を抑える制御が有効な場合もある。
つまり、上記した各手段に記載の半導体装置において、さらに、異常な高熱に対して瞬時に熱的な保護を行うことが必要となってくる。
そこで、請求項１に記載の発明では、第１の電子素子（１０）および第２の電子素子（２０）には、それぞれ、感温ダイオード（９０）が設けられており、この感温ダイオード（９０）によって、第１の電子素子（１０）および第２の電子素子（２０）が温度に応じて動作を制御されるようになっていることを特徴としている。
それによれば、異常な高熱状態となったことを感温ダイオード（９０）によって検出でき、その感温ダイオード（９０）からの信号に基づいて第１の電子素子（１０）および第２の電子素子（２０）の動作を制御できるため、異常な高熱に対して瞬時に熱的な保護を行うことができる。
ここで、請求項１０に記載の発明のように、請求項１に記載の半導体装置においては、第１の電子素子（１０）および第２の電子素子（２０）が半導体からなり、感温ダイオード（９０）は、各々の素子において酸化膜（１２ｃ、１２ｄ、２０ｂ）を介して当該素子における他のデバイスと電気的に分離されていることが好ましい。
それによれば、感温ダイオード（９０）の寄生動作がなくなり、高温での感温ダイオードの誤動作が抑制されることで精度のよい感温特性が実現されるとともに、各々の電子素子（１０、２０）において感温ダイオード（９０）が他のデバイスへ与える影響が少なくなり、好ましい。

また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の半導体装置において、ヒートシンク（３０）は、少なくとも第１の配線基板（４１）と第２の配線基板（４２）との間に位置する部位が鉄系金属からなるものであることを特徴としている。

それによれば、ヒートシンク（３０）のうち第１の配線基板（４１）と第２の配線基板（４２）との間に位置する部位を、Ｃｕなどの通常のヒートシンク材料に比べて熱伝導性が低く熱容量が大きい鉄系金属としているため、当該部位におけるヒートシンク（３０）の蓄熱性が向上し、第２の電子素子（２０）の熱が第１の電子素子（１０）へより伝わりにくくなる。

また、請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の半導体装置において、ヒートシンク（３０）は、第１の配線基板（４１）と第２の配線基板（４２）との間に位置する部位が、切り欠き部（３２）となっているものであることを特徴としている。

それによれば、ヒートシンク（３０）のうち第１の配線基板（４１）と第２の配線基板（４２）との間に位置する部位の熱抵抗を大きくすることができ、両配線基板（４１、４２）間の熱伝導性を低くできるため、第２の電子素子（２０）の熱が第１の電子素子（１０）へより伝わりにくくなる。

また、請求項４に記載の発明では、請求項１〜請求項３に記載の半導体装置において、第１の電子素子（１０）、第２の電子素子（２０）、第１の配線基板（４１）、第２の配線基板（４２）およびヒートシンク（３０）は、樹脂（７０）によってモールドされており、ヒートシンク（３０）の他面は、樹脂（７０）から露出していることを特徴としている。

それによれば、ヒートシンク（３０）のうち両電子素子（１０、２０）および両配線基板（４１、４２）が搭載されている一面とは反対側の他面を、樹脂（７０）から露出させているため、ヒートシンク（３０）に伝わった熱を外部へ適切に放熱してやることができる。

また、請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の半導体装置において、ヒートシンク（３０）における一面と他面との間の側面に、突起部（３１）が形成されており、突起部（３１）が樹脂（７０）に食い込んでいることを特徴としている。

それによれば、ヒートシンク（３０）における両配線基板（４１、４２）が搭載されている側の一面と樹脂（７０）からの露出面である他面との間の側面に、突起部（３１）を形成し、この突起部（３１）が樹脂（７０）に食い込んだ形となっているため、ヒートシンク（３０）と樹脂（７０）との剥離を防止するためには好ましい。

また、請求項６に記載の発明のように、請求項１〜請求項５に記載の半導体装置においては、第２の電子素子は、パワー素子（２０）であり、第１の電子素子は、パワー素子（２０）を制御するための制御素子（１０）であるものにできる。

このような場合、第１の電子素子である制御素子（１０）は、パワー素子（２０）に比べて動作温度が低いのが通常である。そして、本発明によれば、パワー素子（２０）に比べて高温側の動作保証温度が低い制御素子（１０）を、パワー素子（２０）の大きな発熱から保護することができる。

また、請求項７に記載の発明のように、請求項４または請求項５に記載の半導体装置において、第２の電子素子がパワー素子（２０）であり、第１の電子素子がパワー素子（２０）を制御するための制御素子（１０）である場合、樹脂（７０）のガラス転移温度は、パワー素子（２０）の動作可能な最高温度よりも高いことが好ましい。

樹脂固有の特性として、ガラス転移温度を超えると樹脂の熱膨張係数が急激に変化する。このように樹脂（７０）の熱膨張係数が大きく変化した場合、樹脂（７０）とヒートシンク（３０）との間の熱膨張係数の不一致が大きくなり、熱応力が大きくなって、樹脂（７０）とヒートシンク（３０）とが剥離しやすくなる。

その点、本発明のように、樹脂（７０）のガラス転移温度を、パワー素子（２０）の動作可能な最高温度すなわち半導体装置の動作可能な最高温度よりも高いものとすれば、半導体装置の動作時において、樹脂（７０）の熱膨張係数の大幅な変化を防止することができる。

よって、本発明によれば、ヒートシンク（３０）と樹脂（７０）との剥離を防止する点で、好ましい構成を実現することができる。

また、請求項８に記載の発明では、請求項６または請求項７に記載の半導体装置において、パワー素子（２１、２２、２３、２４）は複数個設けられており、複数個のパワー素子（２１〜２４）は、隣り合うパワー素子同士が同時にＯＮ状態とならないように配置されていることを特徴としている。

それによれば、複数個のパワー素子（２１〜２４）において隣り合うパワー素子同士が同時にＯＮ状態すなわち駆動状態（発熱状態）とならないため、局所的に熱がこもるのを極力防止することができ、好ましい。

また、請求項９に記載の発明のように、請求項１〜請求項８に記載の半導体装置においては、第１の配線基板（４１）および第２の配線基板（４２）は、アルミナからなるアルミナ基板であることが好ましい。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る第１の電子素子１０と第２の電子素子２０とを備える半導体装置１００の概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

限定するものではないが、本実施形態では、半導体装置１００は、上記図５に示したものと同様に、自動車のパワーウィンドウの駆動モータを駆動するＨＩＣに適用されるものとして説明する。

［装置構成等］
本例では、第１の電子素子１０は、制御素子としてのマイコン１１および制御ＩＣ１２からなる。これらは、シリコン半導体などの半導体基板（半導体チップ）に対して半導体プロセスを用いて、トランジスタなどの素子を形成してなるものである。

また、第２の電子素子２０は、第１の電子素子よりも大きい電流が流れ且つ大きい発熱を行うものであり、パワーＭＯＳ素子やＩＧＢＴ素子などのパワー素子からなるものである。

本例では、第２の電子素子２０は、パワー素子としての４個のパワーＭＯＳ素子２０（２１、２２、２３、２４）から構成されている。このパワーＭＯＳ素子２０は、上記制御素子１０によって制御されるものであるとともに上記モータを駆動する駆動素子として構成されている。

また、この半導体装置１００は、ヒートシンク３０を備えている。このヒートシンク３０は矩形板状のもので、本例では、図１においてヒートシンク３０の平面サイズは、たとえば５０ｍｍ□程度であり、ヒートシンク３０の厚さｔｈ（図１（ｂ）参照）は、１．５ｍｍ程度である。

本実施形態では、このヒートシンク３０は、全体が鉄系金属からなるものであり、本例では、純鉄（Ｆｅ）からなるものである。また、図１（ｂ）に示されるように、ヒートシンク３０の上面と下面との間の側面には、いわゆるコイニングといわれる突起部３１が設けられている。

そして、ヒートシンク３０の上面には、それぞれ分離された第１の配線基板４１、第２の配線基板４２が搭載されている。これら第１および第２の配線基板４１、４２は、たとえば、図示しないが、電気絶縁性を有し且つ熱伝導性に優れた樹脂などからなる接着剤により、ヒートシンク３０の上面に固定されている。

ここで、第１の配線基板４１としては、３層以上の層が積層されたセラミック積層基板またはプリント配線基板などを採用することができる。一方、第２の配線基板４２としては、単層または２層程度のセラミック層が積層されてなる厚膜配線基板などを採用することができる。

具体的には、両配線基板４１、４２は、アルミナからなるアルミナ基板であることが好ましい。本例では、第１の配線基板４１は、アルミナからなる積層配線基板、第２の配線基板４２としては、アルミナの単層配線基板を採用することができる。

そして、第１の電子素子としての制御素子１０は、第１の配線基板４１の上に実装され、第２の電子素子としてのパワーＭＯＳ素子２０は、第２の配線基板４２の上に実装されている。ここで、各制御素子１０、パワーＭＯＳ素子２０は、各配線基板４１、４２の上に、たとえば図示しないはんだなどを介して固定されている。

また、図１に示されるように、ヒートシンク３０の外周において制御素子１０の周囲には、複数本の信号端子５１が設けられており、パワーＭＯＳ素子２０の周囲には、複数本の電流端子５２が設けられている。

これらリード部材５１、５２すなわち信号端子５１および電流端子５２は、たとえばＣｕや４２アロイなどのリードフレームを用いて形成することができる。

信号端子５１は、制御端子１０であるマイコン１１や制御ＩＣ１２と電気的に接続されるものであり、電流端子５２は、パワー素子である各パワーＭＯＳ素子２０と電気的に接続されるものである。

そして、これら端子５１、５２と各素子１０、２０とは、図１（ｂ）に示されるように、ボンディングワイヤ６０により結線され、電気的に接続されている。なお、このボンディングワイヤ６０は、図１（ａ）では、省略してある。

そして、制御素子１０、パワーＭＯＳ素子２０、第１の配線基板４１、第２の配線基板４２、ボンディングワイヤ６０、各端子５１、５２におけるボンディングワイヤ６０との接続部、および、ヒートシンク３０は、樹脂７０によってモールドされている。

この樹脂７０は、通常の半導体パッケージに用いられるエポキシ系樹脂などのモールド樹脂材料からなり、成形型を用いたトランスファーモールド法などにより成形されるものである。

ここで、図１（ｂ）に示されるように、ヒートシンク３０のうち両電子素子１０、２０および両配線基板４１、４２が搭載されている上面とは反対側の下面は、樹脂７０から露出している。そして、上記したヒートシンク３０の突起部３１は、樹脂７０に食い込んだ形となっている。

また、この半導体装置１００は、図１（ｂ）に示されるように、ケース２００に搭載されている。このケース２００は、上記したパワーウィンドウを駆動するためのモータ８０（図５参照）が収納された金属などからなるモータ筐体として構成されている。

たとえば、半導体装置１００は、ヒートシンク３０の下面とケース２００との間に、電気絶縁性を有し且つ熱伝導性に優れたグリスなどを介在させて、ケース２００に接している。そして、半導体装置１００の熱は、ヒートシンク３０を介してケース２００に放熱されるようになっている。

このような半導体装置１００は、たとえば、制御素子１０が実装された第１の配線基板４１およびパワー素子２０が実装された第２の配線基板４２を、ヒートシンク３０上に搭載し、その周囲にリード部材５１、５２を配置してワイヤボンディングを行った後、これを樹脂モールドすることにより、製造することができる。

［回路構成および作動等］
また、本実施形態の半導体装置１００回路構成は、上記図５に示されるものと同様である。多少繰り返しになるが、本実施形態の半導体装置１００の回路構成等について、上記図５および上記図６を参照して簡単に述べておく。

図５に示されるように、本半導体装置１００において、第１の電子素子としての制御素子１０は、マイコン１１と、制御回路１３、駆動回路１４、コンパレータ１５を含む制御ＩＣ１２から構成されており、第２の電子素子としてのパワー素子は、４個のパワーＭＯＳ素子２０（２１〜２４）により構成されている。

ここで、４個のパワーＭＯＳ素子２１、２２、２３、２４は、Ｈブリッジ回路を構成している。また、本半導体装置１００において、窓ガラスを駆動させるための上記モータ８０や装置の電源８１が設けられている。

このような半導体装置１００においては、図示しないマイコンから通信（たとえばＬＩＮ）によってマイコン１１に信号を伝え、その指示に従い、マイコン１１は制御回路１３と駆動回路１４を介して、各パワーＭＯＳ素子２１〜２４を制御する。駆動回路１４の出力は、各パワーＭＯＳ素子２１〜２４のゲートに入力される。

ここで、車の窓ガラスを上昇・下降するのがモータ８０であり、モータ停止時、窓ガラスの上昇時、窓ガラスの下降時の各時におけるゲート入力の状態は、図６に示されるようなものになる。

すなわち、図６に示されるように、モータ停止時では、４個のパワーＭＯＳ素子２１〜２４のすべてがＯＦＦ状態であり、上昇時では、Ｈブリッジにおける一方の対角線上に位置する２個のパワーＭＯＳ素子２１、２３がＯＮ状態、他方の対角線上に位置する２個のパワーＭＯＳ素子２２、２４がＯＦＦ状態となる。

また、下降時では、Ｈブリッジにおける一方の対角線上に位置する２個のパワーＭＯＳ素子２１、２３がＯＦＦ状態、他方の対角線上に位置する２個のパワーＭＯＳ素子２２、２４がＯＮ状態となる。つまり、上昇時と下降時とでは、Ｈブリッジ回路によってモータ８０へ流れる電流が逆転し、モータ８０の回転も逆転する。

そして、本半導体装置１００においては、この防止機能は、具体的には次の通りである。窓ガラスを上昇させ、上昇しきった時にパワーＭＯＳ素子２１、２３がＯＮ状態を保持すると、モータ８０に過大な電流が流れるので、モータ８０に大きなトルクが発生し、挟み込み状態となる。

このとき、モータ８０の回転を、たとえば図示しないホールセンサなどにより検出して、検出されたモータ回転状態とマイコン１１の指令とを比較し、コンパレータ１５にて挟み込み状態と判断する。すると、制御回路１３は、電流カットと復帰の繰り返しを行うＰＷＭ動作（パルス幅変調制御動作）を行うように信号を切り替える。

これにより、モータ８０のトルクは下がり、窓ガラスによる挟み込みによってケガをすることを防止できる。そして、一定の挟み込み状態が一定時間継続すると、各パワーＭＯＳ素子２１〜２４のゲート入力を、モータ停止時の状態にして、モータ８０への通電をストップする。

このような動作においては、上述したように、窓ガラスの上昇および下降時には、パワーＭＯＳ素子２０におけるＤＳ間電圧は十分小さく、消費電力も小さい。しかし、ＰＷＭ制御時においては、ＤＳ間電圧がけた違いに大となり、電力消費が大きくなる。

［効果等］
このように、本半導体装置１００においては、制御素子１０に対して、それよりも電流量および発熱量の大きいパワー素子２０から、大きな熱が伝わる。

特に、本実施形態のような半導体装置１００では、電力消費が大きいＰＷＭ制御時の継続時間は小さく、定常的な発熱よりも、上述したＰＷＭ制御においてパワー素子２０からの過渡的な発熱による影響が、大きい。

制御素子１０としてのマイコン１１等を構成するＬＳＩは、ロジックの駆動電流が微小であることから、高温環境において少ないリーク電流によって誤動作を起こしやすく、複雑な動作保証が困難である。

そのことから、制御素子１０は、パワー素子２０に比較して高温での動作保証温度が低い設定となる。そのため、上述したようなパワー素子２０からの制御素子１０への熱の影響を抑制することは重要である。

このようなパワー素子２０からの制御素子１０への熱の影響を抑制し、適切な放熱特性を実現するために、本実施形態では、上述したように、制御素子１０とそれによって制御されるパワー素子２０とを備える半導体装置１００において、ヒートシンク３０と、ヒートシンク３０の一面上に搭載され、それぞれ分離された第１の配線基板４１、第２の配線基板４２とを備え、制御素子１０は第１の配線基板４１の上に実装され、パワー素子２０は第２の配線基板４２の上に実装されていることを特徴とする半導体装置１００を提供している。

それによれば、制御素子１０とパワー素子２０とを、離間配置されたそれぞれの配線基板４１、４２上に実装して、さらにヒートシンク３０上に搭載しているため、制御素子１０とパワー素子２０との距離Ｌ（図１（ｂ）参照）をさほど大きくしなくても、パワー素子２０の熱を制御素子１０へ伝えにくくできる。

よって、本実施形態によれば、制御素子１０とそれよりも大きい電流が流れ且つ大きい発熱を行うパワー素子２０とを備える半導体装置１００において、装置の大型化を極力抑えつつ適切な放熱特性を実現することができる。

特に、本実施形態では、第２の電子素子としてパワー素子２０を採用し、第１の電子素子としてパワー素子２０を制御するための制御素子１０を採用している。

そのため、上述したように、本実施形態によれば、パワー素子２０に比べて高温側の動作保証温度が低い制御素子１０を、パワー素子２０の過渡的な大きな発熱から、保護することができる。

また、本実施形態では、ヒートシンク３０を鉄系金属から構成することにより、パワー素子２０の熱が制御素子１０へ伝わることを、より適切に抑制している。鉄系金属の採用は、上述したパワー素子２０からの過渡的な発熱に対応すべくヒートシンク３０において熱伝導よりも熱容量を重視すること、および、大規模回路化に対応することを考慮したものである。

鉄系金属は、Ｃｕなどの通常のヒートシンク材料に比べて熱伝導性が低く且つ熱容量が大きいため、ヒートシンク３０の蓄熱性が向上し、パワー素子２０の熱が制御素子１０へより伝わりにくくなる。

ここで、ＣｕとＦｅとの具体的な特性をみてみると、たとえば、Ｃｕについては、密度：０．００８８９ｇ／ｍｍ³、モル比熱：２４．５Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ、比熱：０．３８Ｊ／ｇ・Ｋ、密度＊比熱（すなわち熱容量）：０．００３４Ｊ／ｍｍ³・Ｋ、熱伝導率：０．３９１Ｗ／ｍｍ・Ｋ、熱膨張係数α：１７×１０^-6／℃である。

また、Ｆｅについては、密度：０．００７８５ｇ／ｍｍ³、モル比熱：２５．２Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ、比熱：０．４６Ｊ／ｇ・Ｋ、密度＊比熱（すなわち熱容量）：０．００３６Ｊ／ｍｍ³・Ｋ、熱伝導率：０．０７１Ｗ／ｍｍ・Ｋ、熱膨張係数α：１２×１０^-6／℃である。

このように、ＦｅはＣｕに比べて、熱伝導性が低く且つ熱容量がやや大きいため、Ｆｅからなるヒートシンク３０とすれば、蓄熱性が向上する。

上述したが、本半導体装置１００においては、定常的な発熱よりも、上述したＰＷＭ制御においてパワー素子２０からの過渡的な発熱による影響が、大きい傾向にある。そのため、本実施形態においては、全体の放熱性（すなわち定常熱抵抗）を確保する構造よりも、一時的な蓄熱（すなわち過渡熱抵抗）を確保する構造の方が適する。

そこで、本実施形態の半導体装置１００においては、配線基板４１、４２を分離し且つＦｅからなるヒートシンク３０とすることによって、ヒートシンク３０を、熱伝導を抑えた上で熱容量を持たせた構造とすることができ、パワー素子２０の熱が制御素子１０に伝わりにくい構成としている。

ここで、図２は、本実施形態の半導体装置１００における熱抵抗モデルを示す図である。上述したように、ＦｅはＣｕに比べて熱伝導は劣るが、密度＊比熱（すなわち熱容量）は同等以上の物性を持つ。

発熱体であるパワー素子２０からの熱は、第２の配線基板４２、ヒートシンク３０を介して、さらに第１の配線基板４１を介して制御素子１０に伝わろうとする。

このとき、パワー素子２０を実装するアルミナ基板４２と制御素子１０を実装するアルミナ基板４１とは、分離した構造としているため、アルミナ基板４１、４２を介した熱伝導は少ない。

また、図２に示される熱抵抗モデルにおいて、各部の間の熱抵抗同士を相対的に比較したとき、樹脂７０の熱抵抗Ｒｊは十分大きく、ヒートシンク３０の熱抵抗Ｒｈは比較的大きく、ヒートシンク３０のケース２００に対する熱容量Ｃも比較的大きい。

そのため、パワー素子２０の熱は、制御素子１０へ伝わりにくく、主として、ヒートシンク３０に蓄熱されてケース２００へ放熱される。このように、本実施形態では、発熱源であるパワー素子２０からの一時的な発熱を、直下のアルミナ基板４２とヒートシンク３０とで蓄熱することにより、制御素子１０への熱伝達を防止している。

よって、このような熱抵抗モデルに鑑みて、Ｃｕよりも蓄熱効果でやや優れ且つ熱伝導で１／５程度とかなり劣っている物性を持つＦｅを、ヒートシンク３０の構成材料としたことは、適切な処置である。

さらに、上述したように、ヒートシンク３０の平面サイズがたとえば５０ｍｍ□であるのに対して、ヒートシンク３０の厚さｔｈ（図１（ｂ）参照）は、たかだか１．５ｍｍである。そのため、ヒートシンク３０の下のケース（モータ筐体）２００へ熱を伝える際の熱抵抗の寄与は、十分に小さいものである。

しかし、制御素子１０とパワー素子２０との距離Ｌ（図１（ｂ）参照）は、ボンディングワイヤ６０の接続等のために、たとえば１０ｍｍ以上要する。

熱抵抗の寄与についていうならば、パワー素子２０からケース２００への熱伝導に対して、制御素子１０への熱伝導は約１０倍の寄与率がある。よって、ヒートシンク３０をＦｅにして、ヒートシンク３０の熱伝導をＣｕの１／５にしても、その効果の大半は、制御素子１０への熱伝導を低減することになる。

また、本実施形態では、上記図１に示したように、第１の電子素子である制御素子１０、第２の電子素子であるパワー素子２０、第１の配線基板４１、第２の配線基板４２およびヒートシンク３０は、樹脂７０によってモールドされており、ヒートシンク３０の下面（他面）が、樹脂７０から露出していることも特徴点である。

それによれば、ヒートシンク３０のうち両電子素子１０、２０および両配線基板４１、４２が搭載されている上面とは反対側の下面を、樹脂７０から露出させているため、ヒートシンク３０に伝わった熱を外部のケース２００へ適切に放熱することができる。

［耐ヒートサイクル性の向上などについて］
ここで、本実施形態の半導体装置１００のように、制御素子１０とパワー素子２０とを内蔵した大規模トランスファーモールドにおいては、耐ヒートサイクル性に関連する熱応力が課題となる。

つまり、本実施形態のような半導体装置１００においては、大規模な回路となり、また、パッケージが大きくなるため、耐ヒートサイクル性向上のために熱ひずみを改善する必要が生じる。

そこで、本実施形態では、この耐ヒートサイクル性（耐冷熱サイクル性）に関連する熱応力への対策として、次に述べるような種々の構成を採用している。

上述したように、本実施形態では、好ましい例としてヒートシンク３０をＦｅから構成している。ここで、制御素子１０やパワー素子２０を構成するＳｉの熱膨張係数α（×１０^-6／℃）は、４程度である。このとき、上述したように、熱膨張係数α（×１０^-6／℃）は、Ｃｕが１７、Ｆｅが１２であり、Ｆｅの方がＳｉに熱膨張係数が近い。

そして、本実施形態では、樹脂７０の熱膨張係数α（×１０^-6／℃）を、Ｆｅに近い１１程度とすることが好ましい。ここで、樹脂７０の硬化収縮と硬化温度などを考慮し、樹脂７０の熱膨張係数αをＦｅと同等もしくはやや小さくすることが好ましい。

このように半導体装置１００の各部の熱膨張係数を互いに近いものにすることにより、樹脂７０とヒートシンク３０との間など各部の間における熱膨張の差を小さくすることができ、ヒートサイクルによる樹脂７０の剥離防止の対策となる。

ちなみに、本実施形態の樹脂７０としては、エポキシ系樹脂にシリカフィラーを含有させたものを採用することができる。このような樹脂７０においては、フィラーの量を制御することなどにより熱膨張係数αを制御することが可能である。具体的には、樹脂７０として、熱伝導率：０．０００６Ｗ／ｍｍ・Ｋ、熱膨張係数α：１１×１０^-6／℃程度のものを採用できる。

また、上述したように、本実施形態では、第１の配線基板４１および第２の配線基板４２は、アルミナからなるアルミナ基板であることが好ましいとしている。

これは、アルミナは、熱膨張係数αがＳｉとＦｅの間の大きさであることから、ヒートシンク３０、配線基板４１、４２および各素子１０、２０間の熱膨張バランスをととのえ、樹脂７０の剥離防止に対して効果的であるためである。また、アルミナは、比較的熱伝導性が良好であることも利点である。

たとえば、両配線基板４１、４２に採用されるアルミナ基板としては、密度：０．００３５ｇ／ｍｍ³、モル比熱：７９Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ、比熱：０．７７Ｊ／ｇ・Ｋ、密度＊比熱（すなわち熱容量）：０．００２７Ｊ／ｍｍ³・Ｋ、熱伝導率：０．０２１Ｗ／ｍｍ・Ｋ、熱膨張係数α：７×１０^-6／℃のものを使用できる。

また、本実施形態においては、樹脂７０のガラス転移温度すなわちガラス転移点（Ｔｇ点）を、パワー素子２０の動作可能な最高温度Ｔｊｍａｘよりも高いものにすることが好ましい。

この温度Ｔｊｍａｘは、Ｓｉジャンクション温度であり、半導体装置１００の実動作の最高温度に相当する。たとえば、本実施形態において、Ｔｇ点は１６５℃程度、Ｔｊｍａｘは１５０℃程度にできる。

一般に、樹脂においては、Ｔｇ点以上の高温域は弾性率が急激に低下する領域であって、熱膨張係数αが急激に大きくなる領域である。つまり、樹脂の弾性率または熱膨張係数の温度特性において、変曲点がＴｇ点である。

そのＴｇ点の温度が、半導体装置１００の動作可能最高温度Ｔｊｍａｘよりも小さいと、高温時に樹脂７０の熱膨張係数αが極端に大きくなる。すると、熱歪の影響が大きくなり、Ｆｅからなるヒートシンク３０と樹脂７０との熱膨張係数のミスマッチが大きくなり、結果として、これが樹脂７０の剥離の原因となり、装置の信頼性が低下する。

たとえば、本実施形態に用いる樹脂７０では、Ｔｇ点以下（たとえば１６５℃以下）では、熱膨張係数α（×１０^-6／℃）は１１であったのが、Ｔｇ点以上では熱膨張係数α（×１０^-6／℃）は４８となり、約４倍となってしまう。

パワー素子２０の周囲温度がＴｇ点を超えると、その周辺の樹脂７０の熱膨張係数αが大きくなり、ヒートシンク３０との間で熱膨張係数αのアンバランスが大きくなり、熱応力が大きくなる。

これを避けるため、本実施形態では、Ｔｇ＞Ｔｊｍａｘの関係を保持することが望ましい。なお、Ｔｊｍａｘの保証は過電流制限と温度検出機能が担保する。

そして、Ｔｇ＞Ｔｊｍａｘの関係を保持することにより、半導体装置１００の動作時において、樹脂７０の熱膨張係数αが大幅に変化するのを防止することができる。このことは、ヒートシンク３０と樹脂７０との剥離を防止する点で、好ましい
また、本実施形態では、上記図１（ｂ）に示したように、ヒートシンク３０における一面と他面との間の側面に、突起部３１が形成されており、突起部３１が樹脂７０に食い込んでいる。そして、このことも、耐ヒートサイクル性に関連する熱応力に対する対策の１つである。

それによれば、ヒートシンク３０における突起部３１が樹脂７０に食い込んだ形となっているため、樹脂７０とヒートシンク３０との食いつきを良くし、湿気の進入や樹脂７０の剥離を防止し、耐冷熱サイクル性を向上することができる。

樹脂７０中には、Ｓｉなどからなる各素子１０、２０やアルミナ基板などからなる各配線基板４１、４２といった熱膨張係数αが異なる材料が含まれている。そのため、上述したように樹脂７０とヒートシンク３０とで熱膨張係数αを整合させても、ヒートサイクルによる樹脂７０の剥離防止の対策としては十分とは言えない可能性がある。

そこで、このようにヒートシンク３０に突起部３１を設けた構成を採用することにより、樹脂７０の剥離防止を図ることは好ましい。

また、本実施形態においては、上記図１（ｂ）に示されるように、電子素子１０、２０、両配線基板４１、４２およびヒートシンク３０の積層方向すなわち半導体装置１００の厚さ方向における両電子素子１０、２０よりも上側の樹脂７０の厚さｔｊと、ヒートシンク３０の厚さｔｈとが、実質的に同じであることが好ましい。

それによれば、上記積層方向における樹脂７０とヒートシンク３０との熱膨張のバランスを良くし、耐冷熱サイクル性を向上させることができる。具体的には、装置の各部における熱応力の均等化、ヒートサイクルでの伸び縮みによるそりの防止などが図られ、結果として、ヒートシンク３０と樹脂７０との間等の異種材料間での歪を低減することができる。

これらの耐ヒートサイクル性に関連する熱応力への対策は、マイコンを内蔵してインテリジェント化しモータ（アクチュエータ）と一体化する本半導体装置１００のようなものにおいては、温度環境が厳しくなる方向のニーズに対し、重要である。

また、本実施形態のように、動作保証がなされる温度環境が低い（つまり、厳しい）制御素子１０と比較的温度環境が高いパワー素子２０とを、同一パッケージとする構成においては、熱設計に係る構造設計もまた重要となる。

半導体装置１００を小型化する例として、半導体装置１００の総厚さを５ｍｍとしたとき、ｔｊ＝ｔｈ≒１．５ｍｍ程度とすることが目安である。また、製品に合せて、熱容量が必要なものについては、さらに厚みを大きくし、さらに小型化が要求されるものについては、さらに薄くすることができる。

また、上述したように、本実施形態の半導体装置１００においては、モータ停止時では、Ｈブリッジ構成となっている４個のパワーＭＯＳ素子２１〜２４のすべてがＯＦＦ状態であり、上昇時（下降時）では、２個のパワーＭＯＳ素子２１、２３がＯＮ状態（下降時ではＯＦＦ状態）、２個のパワーＭＯＳ素子２２、２４がＯＦＦ状態（下降時ではＯＮ状態）となる。

このような作動状態を鑑みて、本半導体装置１００においては、図１（ａ）に示されるように、４個のパワーＭＯＳ素子２１〜２４は、隣り合うパワー素子同士が同時にＯＮ状態とならないように配置されている。

つまり、図１（ａ）に示されるように、上昇時および下降時において、ＯＮ状態となるパワーＭＯＳ素子とＯＦＦ状態となるパワーＭＯＳ素子とが、交互に配置された形となっている。

この配置形態について、さらに言うならば、本実施形態では、４個のパワー素子２１〜２４の少なくとも１つの素子をＯＮさせるときにおいて、同時期に隣り合うパワー素子同士の一方がＯＮ状態、他方がＯＦＦ状態となるように、４個のパワー素子２１〜２４の配置がなされている。

それによれば、４個のパワーＭＯＳ素子２１〜２４において隣り合うパワーＭＯＳ素子同士が同時にＯＮ状態とならないため、局所的に熱がこもるのを極力防止することができる。そして、パワーＭＯＳ素子２１〜２４の熱を第２の配線基板４２に広く分散させ、ヒートシンク３０に放熱可能な構成を実現することができ、好ましい。

［変形例等］
ここで、本実施形態の種々の変形例について述べておく。図３は、上記図１に示したヒートシンク３０以外に、本実施形態に適用可能なヒートシンク３０の種々の例を示す概略断面図である。

この図３に示される各ヒートシンク３０は、上記図１に示したヒートシンク３０と同様に、制御素子１０とパワー素子２０との熱的分離、およびケース２００への熱伝導を考慮したものである。

上記図１に示されるヒートシンク３０は、全体がＦｅからなる矩形板状のものであったが、本実施形態のヒートシンク３０としては、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示されるように、少なくとも第１の配線基板４１と第２の配線基板４２との間に位置する部位が鉄系金属からなるものであればよい。

図３（ａ）に示されるヒートシンク３０では、当該ヒートシンク３０のうち第２の配線基板４２の下すなわちパワー素子２０の下に位置する部位を、ＦｅからなるＦｅ構成部３０ａとＣｕからなるＣｕ構成部３０ｂの２層としている。

このようなヒートシンク３０は、ＦｅとＣｕのクラッド材を用いることなどにより形成することができる。そして、このヒートシンク３０においては、下層のＣｕ構成部３０ｂはケース２００への熱伝導を良好としつつ、樹脂７０と接触しないものにすることで、熱膨張のアンバランスによる剥離に対し、考慮がなされている。

図３（ｂ）に示されるヒートシンク３０では、当該ヒートシンク３０のうちパワー素子２０の下に位置する部位において、Ｆｅ構成部３０ａにＣｕ構成部３０ｂを埋め込んだ構成としており、ヒートシンク３０においてパワー素子２０の下部における縦方向の熱伝導性を向上したものである。

図３（ｃ）に示されるヒートシンク３０では、上記図３（ｂ）に示されるヒートシンク３０において、さらに、制御素子１０の下に位置する部位においても、Ｆｅ構成部３０ａにＣｕ構成部３０ｂを埋め込んだ構成としたものである。

これら図３に示されるヒートシンク３０では、ヒートシンク３０のうち第１の配線基板４１と第２の配線基板４２との間に位置する部位が、Ｃｕなどの通常のヒートシンク材料に比べて熱伝導性が低く熱容量が大きい鉄系金属となっている。

そのため、これらのヒートシンク３０においては、当該部位におけるヒートシンク３０の蓄熱性が向上し、上記図１に示したヒートシンク３０と同様に、パワー素子２０の熱が制御素子１０へより伝わりにくくなる。

図３（ｄ）に示されるヒートシンク３０では、第１の配線基板４１と第２の配線基板４２との間に位置する部位が、切り欠き部３２となっている。それにより、ヒートシンク３０のうち両配線基板４１、４２の間に位置する部位は、ヒートシンク３０のその他の部位に比べて薄肉部となっている。

このヒートシンク３０によれば、ヒートシンク３０のうち第１の配線基板４１と第２の配線基板４２との間に位置する部位、すなわち、切り欠き部３２の熱抵抗を大きくすることができ、両配線基板４１、４２間の熱伝導性を低くできるため、パワー素子２０の熱が制御素子１０へより伝わりにくくなる。

そのため、この図３（ｄ）に示されるヒートシンク３０は、Ｃｕからなるものとすることができる。しかしながら、本ヒートシンク３０もＦｅからなるものとしてもよいことは、もちろんである。

また、図４は、本実施形態の半導体装置において、平面配置構成を変形した例を示す概略平面図である。この図４に示される半導体装置においては、装置の平面方向すなわちヒートシンク３０の平面方向の熱応力バランスを考慮した平面構成を採用している。

図４では、第１の配線基板４１と第２の配線基板４２とで平面サイズを同等としており、さらに、信号端子５１、電流端子５２といったリード部材を、矩形板状のヒートシンク３０における４辺のそれぞれに設けた構成としている。それにより、半導体装置における構成の対称性が良くなり、熱応力バランスに優れたものになる。

（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態に係る第１の電子素子１０と第２の電子素子２０とを備える半導体装置１１０の概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

また、図８（ａ）は、図７に示される半導体装置１１０における制御ＩＣ１２に形成された感温ダイオード９０の概略断面図であり、図８（ｂ）は、図７に示される半導体装置１１０におけるパワーＭＯＳ素子２１、２４に形成された感温ダイオード９０の概略断面図である。

本実施形態においても、制御素子１０とそれによって制御されるパワー素子２０とを備える半導体装置１１０において、ヒートシンク３０と、ヒートシンク３０の一面上に搭載され、それぞれ分離された第１の配線基板４１、第２の配線基板４２とを備え、制御素子１０は第１の配線基板４１の上に実装され、パワー素子２０は第２の配線基板４２の上に実装されていることを特徴とする半導体装置１１０が提供される。

それによれば、上記第１実施形態と同様に、制御素子１０とパワー素子２０との距離をさほど大きくしなくても、パワー素子２０の熱を制御素子１０へ伝えにくくでき、装置の大型化を極力抑えつつ適切な放熱特性を実現することができる。

また、本実施形態においても、第２の電子素子としてパワー素子２０を採用し、第１の電子素子としてパワー素子２０を制御するための制御素子１０を採用しており、パワー素子２０に比べて高温側の動作保証温度が低い制御素子１０を、パワー素子２０の過渡的な大きな発熱から、保護することができる。

また、本実施形態でも、ヒートシンク３０を鉄系金属から構成することが好ましく、それにより、ヒートシンク３０を、熱伝導を抑えた上で熱容量を持たせた構造とすることができ、パワー素子２０の熱が制御素子１０に伝わりにくい構成としている。

また、本実施形態でも、上記第１実施形態と同様に、ヒートシンク３０のうち両電子素子１０、２０および両配線基板４１、４２が搭載されている上面とは反対側の下面を、樹脂７０から露出させているため、ヒートシンク３０に伝わった熱を外部のケース２００へ適切に放熱することができる。

そして、本実施形態においても、ヒートサイクルによる樹脂７０の剥離防止の対策として、樹脂７０の熱膨張係数α（×１０^-6／℃）をＦｅと同等もしくはやや小さくすることが好ましい。

また、第１の配線基板４１および第２の配線基板４２は、熱膨張係数αがＳｉとＦｅの間の大きさであるアルミナからなるアルミナ基板であることが好ましいことも、上記第１実施形態と同様である。

さらに、本実施形態においても、樹脂７０のガラス転移温度（Ｔｇ点）を上記Ｓｉジャンクション温度Ｔｊｍａｘよりも高くすること、ヒートシンク３０に突起部３１を設けること、樹脂７０の厚さｔｊとヒートシンク３０の厚さｔｈ（上記図１（ｂ）参照）とが実質的に同じであることが好ましい。

また、４個のパワーＭＯＳ素子２１〜２４は隣り合うパワー素子同士が同時にＯＮ状態とならないように配置されていること、さらには、上記第１実施形態に示されるヒートシンク３０の種々の例も適用可能である。

このように、本実施形態においても、上記第１実施形態と同様の各種の特徴点を備えた半導体装置１１０となっているが、本実施形態では、さらに、次のような特徴点を備えたものとなっている。

本実施形態の半導体装置１１０は、図７および図８に示されるように、半導体基板からなる制御ＩＣ１２とパワーＭＯＳ素子２１、２４とのそれぞれに、感温ダイオード９０が内蔵されていることを特徴としている。感温ダイオード９０は、周知のものであるが、一定電流を流した状態で使用し、温度が上がるとダイオードの電圧が下がるものである。

制御ＩＣ１２は、図８（ａ）に示されるように、２つのＳｉ層１２ａ、１２ｂで酸化膜１２ｃを挟んで成るＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）構成である。ここで、上側のＳｉ層１２ｂには、制御ＩＣ１２を構成する図示しない各種のデバイスが、形成されている。

このように制御ＩＣ１２は、ＳＯＩ構成の例としている。車載でバッテリー電圧が印加される構成においては、過電圧が印加され、また０Ｖ以下の負電圧が印加される場合も想定されることから、ＳＯＩ構成が有効である。

ここで、図８（ａ）に示されるように、制御ＩＣ１２において、上側のＳｉ層１２ｂには、トレンチに酸化膜を設けてなるトレンチ酸化膜１２ｄが設けられている。そして、制御ＩＣ１２に設けられている感温ダイオード９０は、上側のＳｉ層１２ｂにおいて酸化膜１２ｃおよびトレンチ酸化膜１２ｄにて分離された領域に形成されている。

この制御ＩＣ１２の感温ダイオード９０は、ＮＰＮトランジスタの例を示しており、そのコレクタＣ、ベースＢ、エミッタＥの端子をＣＢ間結線して、Ｅとの間でダイオードとして使用するものの例である。

このように半導体からなる制御ＩＣ１２において、感温ダイオード９０は、酸化膜１２ｃ、１２ｄを介して制御ＩＣ１２における他のデバイスと電気的に分離されたものになっている。

それによれば、感温ダイオード９０の寄生動作がなくなり、高温での感温ダイオード９０の誤動作が抑制されることで精度のよい感温特性を実現することができる。それとともに、制御ＩＣ１２において感温ダイオード９０が他のデバイスへ与える影響が少なくなり、好ましい。

一方、図８（ｂ）に示されるように、パワーＭＯＳ素子２１、２４においては、このパワーＭＯＳ素子を構成するシリコン基板２０ａに図示しないデバイスが形成されており、このデバイスの上に酸化膜２０ｂが形成されている。

そして、パワーＭＯＳ素子２１、２４に設けられている感温ダイオード９０は、このデバイス上の酸化膜２０ｂの上に形成された、Ｐ型とＮ型のポリシリコンを形成してなるポリシリコンダイオードである。

このように半導体からなるパワーＭＯＳ素子２１、２４において、感温ダイオード９０は、酸化膜２０ｂを介してパワーＭＯＳ素子２１、２４における他のデバイスと電気的に分離されている。

それによれば、感温ダイオード９０の寄生動作がなくなり、高温での感温ダイオード９０の誤動作が抑制されることで精度のよい感温特性を実現することができる。それとともに、制御ＩＣ１２において感温ダイオード９０が他のデバイスへ与える影響が少なくなり、好ましい。

たとえば、パワーＭＯＳ素子２１、２４の感温ダイオード９０においては、１５０℃において、数十Ａ程度の大電流動作時に、耐圧に近い電圧が印加されても誤動作しない。つまり、熱破壊される手前の高温まで動作させることが可能で、その時点で電流を停止できれば、制御性が向上する。１７５℃まで動作保障できれば、１７５℃で電流停止してもよい。

なお、制御ＩＣ１２の感温ダイオード９０も、パワーＭＯＳ素子２１、２４の感温ダイオード９０と同様にポリシリコンダイオードとすることができる。また、パワーＭＯＳ素子の感温ダイオードは、パワーＭＯＳ素子２２、２３に設けてもよい。

このように本実施形態の半導体装置１１０においては、配線基板４１、４２が分離され、温度的にも分離された実装構成であり、それぞれの素子１２、２１、２４の温度をより精度よく検出することができる。また、感温ダイオード９０は素子１２、２１、２４に内蔵されているので、熱伝導などによる時間の遅れを生じることなく、温度検出を行うことができる。

図９は、本実施形態の半導体装置１１０における感温ダイオード９０の信号すなわち感温信号に着目した制御の流れを示すブロック図である。

パワーＭＯＳ素子２０（２１、２３）内の感温信号は、制御ＩＣ１２内の駆動回路１４を介してパワーＭＯＳ素子２０のゲートを制御するものであり、過熱を検出して、即時に電流の停止を行うものである。つまり、パワーＭＯＳ素子２０の感温ダイオード９０からの感温信号により、パワーＭＯＳ素子２０を加熱限界まで動作させることが可能となっている。

また、制御ＩＣ１２内の感温信号は、マイコン１１に送られ、制御ＩＣ１２内の制御回路１３および駆動回路１４を介して、パワーＭＯＳ素子２０のゲート制御を行うものである。

ここでは、制御ＩＣ１２内の感温信号によって、パワーＭＯＳ素子２０の電流を制限したり、ときには電流停止（つまりオフ）することも想定されるが、基本的には、発熱を低減する動作を行う。また、マイコン１１の動作クロックを下げて発熱を低減したり、ＬＩＮ通信を介してマスタＥＣＵに情報を送って車全体の過熱保護制御を行うことも可能である。

つまり、制御ＩＣ１２の感温ダイオード９０からの感温信号により、パワーＭＯＳ素子２０の電流を制限して発熱を抑制し、その結果、制御ＩＣ１２やマイコン１１の温度を下げることが可能となっている。

この感温信号の流れについて、図１０、図１１を参照して、より具体的に述べることとする。

図１０は、パワーＭＯＳ素子２０内の感温信号の制御回路の一例を示す図であり、図１１は、制御ＩＣ１２内の感温信号の制御回路の一例を示す図である。

図１０には、パワーＭＯＳ素子２０内の感温ダイオード９０と、この感温ダイオード９０に接続された制御ＩＣ１２内の接続部１６（図９参照）とにより構成される制御回路の一例が示されている。

図１０に示されるように、この接続部１６は、コンパレータ１６ａと定電流回路１６ｂと基準電圧１６ｃとを備えて構成されている。そして、パワーＭＯＳ素子２０の感温ダイオード９０は、定電流回路１６ｂおよびコンパレータ１６ａの入力部に電気的に接続されている。

この例では、感温ダイオード９０は、直列接続する数が多いほど温度に対する感度が向上するが、３個直列接続されたものとなっており、定電流回路１６ｂにより定電流Ｉｃが供給される。これにより、温度に対してリニアなダイオード電圧Ｖｄが得られる。

そして、この感温信号としての電圧Ｖｄが、コンパレータ１６ａの入力部（＋側）に入力され、ある基準電圧Ｖｒｅｆ以下になれば、駆動回路１４を介して即時にパワーＭＯＳ素子２０のゲートを制御してオフするという制御を行う。なお、基準電圧Ｖｒｅｆは、たとえば１５０℃に相当する電圧とすることができる。

また、図１１には、制御ＩＣ１２内の感温ダイオード９０と、この感温ダイオード９０に接続された制御ＩＣ１２内の接続部１７（図９参照）とにより構成される制御回路の一例が示されている。

図１１に示されるように、この接続部１７は、オペアンプ１７ａと定電流回路１７ｂとを備えて構成されている。そして、制御ＩＣ１２の感温ダイオード９０は、定電流回路１７ｂおよびオペアンプ１７ａの入力部に電気的に接続されており、オペアンプ１７ａの出力部は、マイコン１１のＡＤ変換部１１ａに接続されている。

このＡＤ変換部（ＡＤＣ、アナログ−デジタル−コンバータ）１１ａは、アナログ信号をデジタル信号に変換するものである。また、この例では、感温ダイオード９０は、３個直列接続されたものとなっており、定電流回路１７ｂから定電流Ｉｃが供給される。これにより、温度に対してリニアなダイオード電圧Ｖｄが得られる。

そして、この感温ダイオード９０の電圧をオペアンプ１７ａでインピーダンス変換して感温信号としての電圧Ｖｄとして、マイコン１１のＡＤ変換部１１ａへ送る。すると、この信号は、ＡＤ変換部１１ａでデジタル信号に変換されて演算部１１ｂに送られ、演算部１１ｂにてレベル判定される。

そして、演算部１１ｂにて作られた信号が、制御ＩＣ１２内の制御回路１３および駆動回路１４を介してパワーＭＯＳ素子２０のゲート制御を行う。この制御ＩＣ１２の感温信号による制御は、上述したように、パワーＭＯＳ素子２０をオフ制御するだけでなく、パワーＭＯＳ素子２０を低消費電力モードにすることもある。

たとえば、制御ＩＣ１２の感温ダイオード９０が１００℃程度になったとき、パワーＭＯＳ素子２０のゲート電圧を下げ、ドレイン電流を増やしてオン電圧を下げたり、電流制限を行ったり、ＰＷＭのデューティを減少させたりすることなどが行われる。また、上述したように、マイコン１１内のクロック周波数を下げたり、メモリーへの書き込み制限を行ったりする。

このように、本実施形態独自の半導体装置として、第１の電子素子１０である制御ＩＣ１２および第２の電子素子２０であるパワーＭＯＳ素子２０に、それぞれ、感温ダイオード９０が設けられており、この感温ダイオード９０によって、制御ＩＣ１２およびパワーＭＯＳ素子２０が温度に応じて動作を制御されるようになっていることを特徴とする半導体装置１１０が提供される。

それによれば、異常な高熱状態となったことを感温ダイオード９０によって検出することができ、その感温ダイオード９０からの信号に基づいて制御ＩＣ１２およびパワーＭＯＳ素子２０の動作を制御できるため、異常な高熱に対して瞬時に熱的な保護を行うことができる。

ここで、本実施形態の半導体装置１１０においては、上記図８に示したように、制御ＩＣ１２およびパワーＭＯＳ素子２０（２１、２４）が半導体からなり、感温ダイオード９０は、各々の素子１２、２０において酸化膜１２ｃ、１２ｄ、２０ｂを介して当該素子における他のデバイスと電気的に分離されている。

それによれば、感温ダイオード９０による寄生動作がなくなり、高温での感温ダイオード９０の誤動作が抑制されることで精度のよい感温特性が実現されるとともに、各々の電子素子１２、２０において感温ダイオード９０が他のデバイスへ与える影響が少なくなり、好ましい。

なお、上記図１１において、マイコン１１内に感温信号用のＡＤ変換部１１ａおよび演算部１１ｂが設けられているが、この感温信号用のＡＤ変換部および演算部は、制御ＩＣ１２内に設けてもよい。

しかし、マイコン１１内に感温信号用のＡＤ変換部１１ａおよび演算部１１ｂを設けるのは、マイコン１１の方が制御ＩＣ１２よりも素子の微細化が進んでいる場合が多いし、マイコン１１内でのソフト処理が容易であることによる。

［変形例］
上記した図７に示される例では、制御ＩＣ１２およびパワーＭＯＳ素子２０に、それぞれ、感温ダイオード９０が設けられており、この感温ダイオード９０によって、制御ＩＣ１２およびパワーＭＯＳ素子２０が温度に応じて動作を制御されるようになっていたが、さらに第１の電子素子１０であるマイコン１１にも感温ダイオード９０が設けられていてもよい。

図１２は、本実施形態の変形例としての半導体装置における感温ダイオード９０の信号すなわち感温信号に着目した制御の流れを示すブロック図である。

本例において、パワーＭＯＳ素子２０（２１、２３）内の感温信号による制御の流れ、および、制御ＩＣ１２内の感温信号による制御の流れは、上記図９に示されるものと同様である。

ここで、マイコン１１内に設けられる感温ダイオード９０は、マイコン１１内で回路の一部として構成されている。そして、この感温ダイオード９０は、上記したポリシリコンダイオードとすることもできる。

それにより、上述した制御ＩＣ１２の感温ダイオード９０およびパワーＭＯＳ素子２０の感温ダイオード９０と同様に、マイコン１１において、感温ダイオード９０は酸化膜を介して他のデバイスと電気的に分離されたものにできる。

そして、感温ダイオード９０をマイコン９０内の他のデバイスに対して寄生フリーとし、感温ダイオード９０の寄生動作がなくなり、高温での感温ダイオード９０の誤動作が抑制されることで精度のよい感温特性が実現されるとともに、感温ダイオード９０が他のデバイスへ与える影響が少なくなる。

このようにすることは、マイコン１１が、制御ＩＣ１２を介して電源供給されるにしても、微弱な寄生でも誤動作が引き起こされる可能性があることに鑑みて、好ましいことである。

そして、このマイコン１１内の感温信号により、たとえば８０℃程度になったとき、マイコン１１内のクロック周波数を下げたり、メモリーへの書き込みを制限したりすることで書き込みエラーなどを防止する。これにより、マイコン１１の誤動作防止と温度上昇時の制御性が向上する。

図１３は、本変形例におけるマイコン１１および制御ＩＣ１２内の感温信号の制御回路の一例を示す図である。ここで、制御ＩＣ１２内の感温信号の制御回路については、上記図１１に示されるものと同様である。

図１３に示される例では、マイコン１１内にもオペアンプ１７ａと定電流回路１７ｂとが備えられている。そして、マイコン１１内にて、感温ダイオード９０はオペアンプ１７ａの入力部と定電流回路１７ｂとに電気的に接続されており、オペアンプ１７ａの出力部は、もう一つのＡＤ変換部１１ａに接続されている。

この例では、マイコン１１の感温ダイオード９０は、３個直列接続されたものとなっており、定電流回路１７ｂから定電流Ｉｃが供給される。これにより、温度に対してリニアなダイオード電圧Ｖｄが得られる。

そして、この感温ダイオード９０の電圧をオペアンプ１７ａでインピーダンス変換して感温信号としての電圧Ｖｄとして、ＡＤ変換部１１ａへ送る。すると、この信号は、ＡＤ変換部１１ａでデジタル信号に変換されて演算部１１ｂに送られ、演算部１１ｂにてレベル判定される。

そして、演算部１１ｂにて作られた信号によって、マイコン１１内のクロック周波数を下げたり、メモリーへの書き込みを制限したりすることで書き込みエラーなどを防止するように制御が行われる。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、第１の電子素子が制御素子であり、第２の電子素子がパワー素子であったが、本発明における各電子素子としては、第２の電子素子が第１の電子素子よりも大電流が流れ且つ大きい発熱を行うものであればよく、制御素子やパワー素子などに限定されない。

また、上記実施形態に示される半導体装置では、樹脂７０にてモールドされた装置構成を採用しているが、樹脂モールドされない構成であってもよい。たとえば、上記図１に示される半導体装置１００において上記樹脂７０を省略した構成を採用してもよい。

また、上記実施形態では、本発明の半導体装置を、パワーウィンドウの駆動モータを駆動するＨＩＣに適用したものとして説明したが、本発明の半導体装置の用途は、これに限定されるものではない。

要するに、本発明は、第１の電子素子と第１の電子素子よりも大電流が流れ且つ大きい発熱を行う第２の電子素子とを備える半導体装置において、第１の電子素子、第２の電子素子を分離されたそれぞれの配線基板上に実装し、さらに各配線基板を離間させてヒートシンク上に搭載した構成を採用することを要部とするものであり、その他の部分については、適宜設計変更が可能である。

本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ断面図である。 図１に示される半導体装置における熱抵抗モデルを示す図である。 上記実施形態におけるヒートシンクの種々の変形例を示す概略断面図である。 上記実施形態の半導体装置において、平面配置構成を変形した例を示す概略平面図である。 パワーウィンドウの駆動モータを駆動するための半導体装置の一般的な回路構成を示す回路ブロック図である。 図５中のモータの作動状態における各パワーＭＯＳ素子のゲート入力のＯＮ・ＯＦＦ状態を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中のＢ−Ｂ断面図である。 （ａ）は図７に示される半導体装置における制御ＩＣに形成された感温ダイオードの概略断面図、（ｂ）は同半導体装置におけるパワーＭＯＳ素子に形成された感温ダイオードの概略断面図である。 上記第２実施形態の半導体装置における感温信号に着目した制御の流れを示すブロック図である。 パワーＭＯＳ素子内の感温信号の制御回路の一例を示す図である。 制御ＩＣ内の感温信号の制御回路の一例を示す図である。 上記第２実施形態の変形例としての半導体装置における感温信号に着目した制御の流れを示すブロック図である。 図１２に示される変形例におけるマイコンおよび制御ＩＣ内の感温信号の制御回路の一例を示す図である。

符号の説明

１０…制御素子、１２ｃ、１２ｄ、２０ｂ…酸化膜、
２０、２１、２２、２３、２４…パワーＭＯＳ素子、
３０…ヒートシンク、３１…ヒートシンクの突起部、４１…第１の配線基板、
４２…第２の配線基板、７０…樹脂、９０…感温ダイオード。

Claims (10)

1. 第１の電子素子（１０）と前記第１の電子素子（１０）よりも大きい電流が流れ且つ大きい発熱を行う第２の電子素子（２０）とを備える半導体装置において、
   ヒートシンク（３０）と、
   前記ヒートシンク（３０）の一面上に搭載され、それぞれ分離された第１の配線基板（４１）、第２の配線基板（４２）とを備え、
   前記第１の電子素子（１０）は、前記第１の配線基板（４１）の上に実装され、前記第２の電子素子（２０）は、前記第２の配線基板（４２）の上に実装されているものであって、
   前記第１の電子素子（１０）および前記第２の電子素子（２０）には、それぞれ、感温ダイオード（９０）が設けられており、
   前記感温ダイオード（９０）によって、前記第１の電子素子（１０）および前記第２の電子素子（２０）が温度に応じて動作を制御されるようになっていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記ヒートシンク（３０）は、少なくとも前記第１の配線基板（４１）と前記第２の配線基板（４２）との間に位置する部位が鉄系金属からなるものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記ヒートシンク（３０）は、前記第１の配線基板（４１）と前記第２の配線基板（４２）との間に位置する部位が、切り欠き部（３２）となっているものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記第１の電子素子（１０）、前記第２の電子素子（２０）、前記第１の配線基板（４１）、前記第２の配線基板（４２）および前記ヒートシンク（３０）は、樹脂（７０）によってモールドされており、
   前記ヒートシンク（３０）の他面は、前記樹脂（７０）から露出していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体装置。
5. 前記ヒートシンク（３０）における前記一面と前記他面との間の側面に、突起部（３１）が形成されており、前記突起部（３１）が前記樹脂（７０）に食い込んでいることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記第２の電子素子は、パワー素子（２０）であり、
   前記第１の電子素子は、前記パワー素子（２０）を制御するための制御素子（１０）であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の半導体装置。
7. 前記第２の電子素子は、パワー素子（２０）であり、
   前記第１の電子素子は、前記パワー素子（２０）を制御するための制御素子（１０）であり、
   前記樹脂（７０）のガラス転移温度が、前記パワー素子（２０）の動作可能な最高温度よりも高いことを特徴とする請求項４または５に記載の半導体装置。
8. 前記パワー素子（２１、２２、２３、２４）は複数個設けられており、
   前記複数個のパワー素子（２１〜２４）は、隣り合うパワー素子同士が同時にＯＮ状態とならないように配置されていることを特徴とする請求項６または７に記載の半導体装置。
9. 前記第１の配線基板（４１）および前記第２の配線基板（４２）は、アルミナからなるアルミナ基板であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の半導体装置。
10. 前記第１の電子素子（１０）および前記第２の電子素子（２０）は、半導体からなり、
    前記感温ダイオード（９０）は、各々の素子において酸化膜（１２ｃ、１２ｄ、２０ｂ）を介して当該素子における他のデバイスと電気的に分離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。

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