JP6028407B2

JP6028407B2 - 半導体集積回路およびその制御方法

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Publication number: JP6028407B2
Application number: JP2012135955A
Authority: JP
Inventors: 成人円谷
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2032-06-15
Also published as: JP2014003078A

Description

本発明は、半導体集積回路およびその制御方法に関し、特に高温下での使用状況を記憶し、読み出すことができる半導体集積回路およびその制御方法に関する。

半導体集積回路においては、デバイスメーカは温度の上限を設けてユーザ側へ推奨することにより、半導体集積回路の高温下での使用を制限している。それは、デバイスメーカが想定した使用環境を超えるような高温下で半導体集積回路を動作させた場合、疲労が蓄積しプロセスの劣化が加速して、故障に至る故障モードがあるためである。

しかしながら、実際にはデバイスメーカがユーザ側の使用環境を把握することは難しいという課題がある。また、故障が発生した後に故障解析を実施しても原因を推定することしかできないため、実際の故障に至るまでの使用状況に問題がなかったかを判断することは困難であった。

特許文献１、特許文献２や特許文献３では、監視している温度を温度上昇要因にフィードバックコントロールをすることにより、一定の温度を超えないように使用することを目的とした、温度センサを持つ半導体あるいはモジュールの構成が提案されている。

特許文献４では、機能毎に端子を集中して配置することで電源を機能毎に割り当てることが提案されている。

特開２０１０−２８７２４２号公報特開２００７−２６５３９３号公報特開２００１−１４４２４３号公報特開２００８−１９３０５２号公報

半導体集積回路の動作に際し故障に至ることがあるが、その故障原因を特定するためには高価な解析設備や多大な解析工数が必要になる場合が多く、そのような調査を実施して故障状態から故障原因は判別できても、その故障に至る要因は推測するしかなかった。

一方、半導体集積回路は動作温度が高い環境下で使用された場合に著しく信頼性を悪化させ早期に故障に至る特性を持つことが知られているが、上記のような故障解析を行っても、高温下で使用されたことによる故障か否かは推測に頼るしかなかった。特許文献１ないし特許文献４で提案された技術を用いても、このような課題を解決することは難しい。

したがって、本発明の目的は、故障に至った要因の特定に役立つ判断材料を容易に得ることが可能な半導体集積回路およびその制御方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係る半導体集積回路は、集積回路と、前記集積回路に接続された第１の入出力部と、集積回路の動作温度に関する情報を収集する温度センサと、記憶素子と、前記温度センサからの前記動作温度に関する情報を収集して前記記憶素子に記憶させる制御回路と、前記制御回路に接続された第２の入出力部とを有することを特徴とする。

本発明に係る半導体集積回路の制御方法は、集積回路の動作温度に関する情報を収集し、記憶素子に記憶させる半導体集積回路の制御方法であって、
前記記憶素子に記憶された前記動作温度に関する情報は、前記集積回路に接続された第１の入出力部とは別の第２の入出力部から読み出されることを特徴とする。

本発明は、実際の動作時の使用温度状況が確認でき、故障内容との因果関係を診断する判断材料を得ることができる。

本発明の第１実施形態の半導体集積回路を説明するためのブロック図である。本発明の第１実施形態の半導体集積回路の動作を説明するためのフローチャートである。本発明の第２実施形態の半導体集積回路を説明するためのブロック図である。本発明の第３実施形態の半導体集積回路を説明するためのブロック図である。

本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
初めに、本発明の第１実施形態の半導体集積回路およびその制御方法について、説明する。図１は、本発明の第１実施形態の半導体集積回路を説明するためのブロック図である。図２は、図１の第１実施形態の半導体集積回路の動作を説明するためのフローチャートである。

本実施形態の半導体集積回路１００は、図１に示すように、本来の具備させるべき機能を構成する回路部分である集積回路１０１と、この集積回路１０１に接続された第１の入出力部の一例としての入出力部１０２とを有している。さらに、集積回路１０１の動作温度に関する情報を収集する温度センサ１０５と、記憶素子１０６と、温度センサ１０５からの上記動作温度に関する情報を収集して記憶素子１０６に記憶させる制御回路１０３と、制御回路に接続された第２の入出力部の一例としての入出力部１０４とを有している。

各要素について、より具体的に説明すると、入出力部１０２は集積回路１０１と外部との電気的な信号受け渡しを行う端子部分に相当する。入出力部１０４は制御回路１０３と外部との電気的な信号受け渡しを行う端子部分に相当し、入出力部１０２とは分離されている。

制御回路１０３は、温度センサ１０５と記憶素子１０６とに接続され、温度センサ１０５から温度情報を得たり、記憶素子１０６に温度情報を書き込むあるいは書き込まれた温度情報を読み出すことができる。さらに、制御回路１０３は、半導体集積回路１００の外部に対し、入出力部１０４の端子から入出力部１０２と同様に信号出力することができる。

温度センサ１０５は集積回路１０１上あるいは集積回路１０１近傍に配置され、これにより集積回路１０１の温度を測定し、集積回路１０１の動作温度に関する情報を収集する。温度センサ１０５に関し、集積回路１０１上に構成できるものとしては、サーマルダイオードが知られている。記憶素子１０６は電源供給がなくなっても記憶内容が消えない不揮発性の書き換え可能メモリとし、フラッシュメモリの使用を想定している。またこの記憶素子１０６は、数値情報として「警告温度経過時間」と「最高検知温度」を記憶する領域を持ち、制御回路１０３により書き込みおよび読み出しができる。

次に、図２のフローチャートを参照して、本実施形態の半導体集積回路の動作について説明する。初期状態として、記憶素子１０６の内容は”０”を書き込んでおく。また集積回路の信頼性を低下させる影響が顕著になると想定される温度を「設定警告温度」として、あらかじめ定義しておく。

初めに、半導体集積回路１００全体に電源投入されて、集積回路１０１および入出力部１０２の動作により、半導体集積回路１００に本来要求される機能が遂行開始される。同時に制御回路１０３も動作を開始する。すなわち、この半導体集積回路１００に電源投入されることで、制御回路１０３は動作を開始する（ステップＳ２０１）。その後、制御回路１０３は記憶素子１０６に書き込まれている「最高検知温度」の値を読み取って、制御回路１０３内に取得する（ステップＳ２０２）。次に、一定の単位時間経過（ステップＳ２０３）した後、温度センサ１０５から集積回路１０１部分の温度情報を制御回路１０３は取得する（ステップＳ２０４）。

取得した温度情報の値が設定警告温度を超えていないか、制御回路１０３は評価する（ステップＳ２０５）。もし超えていない場合はステップＳ２０３に戻り、同様の処理を繰り返す。もしステップＳ２０５にて設定警告温度を超過している場合には、記憶素子１０６の「警告温度経過時間」の値を１繰り上げた値を上書きする（ステップＳ２０６）。さらに取得した温度と「最高検知温度」との比較を行い、「最高検知温度」より低い場合にはステップＳ２０３に戻る。もし「最高検知温度」よりも高い温度であった場合には記憶素子１０６の「最高検知温度」の内容を取得した温度値に上書きし書き換えて（ステップＳ２０８）、この値をあらたな「最高検知温度」とし、ステップＳ２０２に戻る。以降、半導体集積回路１００に電源投入されている期間に、同様の処理を継続し、繰り返す。

上で説明した動作から、本発明の半導体集積回路１００内の記憶素子１０６には、動作の過程で「警告温度超過時間」領域には警告温度を超えて動作した時間が単位時間の回数として記録され、また、「最高検知温度」領域には動作中に最も高温になった際の温度値が記録される。もし、この半導体集積回路１００個体が故障し動作不良となった際には、入出力部１０４を介して制御回路１０３により記憶素子１０６の「警告温度超過時間」や「最高検知温度」領域の情報を読み出す。これにより、実際の動作時の使用温度状況が確認でき、故障内容との因果関係を診断する判断材料を得ることができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態の半導体集積回路およびその制御方法について、説明する。図３は、本発明の第２実施形態の半導体集積回路を説明するためのブロック図である。

上述した第１実施形態の半導体集積回路１００において、本来の集積回路１０１部分が故障し、その影響によって仮に制御回路１０３や記憶素子１０６も動作不能になってしまった場合、記録された動作温度情報の内容を読み出せなくなってしまう。よって、集積回路１０１と制御回路１０３とはできる限り、電気回路構成が独立した構造になっていることが好ましい。本実施形態は、このような電気回路構成を独立させた構造に関するものである。

本実施形態の半導体集積回路３００は、図３に示すように、本来の具備させるべき機能を構成する回路部分である集積回路３０１と、この集積回路３０１に接続された第１の入出力部の一例としての入出力部３０２とを有している。さらに、集積回路３０１の動作温度に関する情報を収集する温度センサ３０５と、記憶素子３０６と、温度センサ３０５からの上記動作温度に関する情報を収集して記憶素子３０６に記憶させる制御回路３０３と、制御回路に接続された第２の入出力部の一例としての入出力部３０４とを有している。

さらに本実施形態では、図３に示すように、集積回路３０１と入出力部３０２とそのための電源系統とを第１領域の一例としての領域３００ａにまとめ、さらに制御回路３０３と記憶素子３０６と入出力部３０４とそのための電源系統とを第２領域の一例としての領域３００ｂにまとめて、明確に分離した構造としている。

本実施形態の半導体集積回路３００の動作は、上述した第１実施形態の半導体集積回路１００の動作とほぼ同じである。温度センサ３０５は集積回路３０１上あるいは集積回路３０１近傍に配置され、これにより集積回路３０１の温度を測定し、集積回路３０１の動作温度に関する情報を収集する。本発明の半導体集積回路３００内の記憶素子３０６には、動作の過程で「警告温度超過時間」領域には警告温度を超えて動作した時間が単位時間の回数として記録され、また、「最高検知温度」領域には動作中に最も高温になった際の温度値が記録される。

本実施形態の半導体集積回路３００によれば、例えば集積回路３０１において電源とグランド間短絡による故障が発生した場合においても、領域３００ｂの制御回路３０３や記憶素子３０６は影響を受けにくく、正常動作できる。これにより、集積回路３０１において電源とグランド間短絡による故障が発生した場合においても、記憶素子３０６に記録された「警告温度超過時間」や「最高検知温度」などの集積回路３０１の動作温度に関する情報を読み出すことができる。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態の半導体集積回路およびその制御方法について、説明する。図４は、本発明の第３実施形態の半導体集積回路を説明するためのブロック図である。

本来の集積回路部分が故障した際に、仮に制御回路や記憶素子もその影響により動作不能になってしまうと記憶された動作温度情報の内容を読み出せなくなってしまい、本発明の効果を発揮できない。このことから、できる限り集積回路部分と制御回路とは電気回路構成は独立した構造になっていることが好ましい。この観点から、本実施形態では図４に示すように集積回路４０１と入出力部４０２を配置する領域と電源系統を第１領域の一例としての領域４００ａにまとめ、このプレーンに対しては専用の電源端子Ｖ_ＣＣ１から電源を供給可能としている。さらに制御回路４０３と記憶素子４０６と入出力部４０４を配置する領域と電源系統を第２領域の一例としての領域４００ｂにまとめ、このプレーンに対しては専用の電源端子Ｖ_ＣＣ２から電源を供給可能としている。このように、おのおのを独立した電源プレーンで構成される構造としている。

さらに両電源プレーン間を電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）４０７にて接続し、そのゲート電圧は領域４００ａのプレーンと接続してその電源電圧が供給される構成とする。このＦＥＴ４０７はゲートにＶ_ＣＣ１電圧を印加することでソース・ドレイン間がオン状態となり、ゲート電圧が低下した場合にはソース・ドレイン間がオフ状態となる特性のものとする。

本実施形態の半導体集積回路４００の基本的な動作は、上述した第１実施形態や第２実施形態の半導体集積回路の動作とほぼ同じである。温度センサ４０５は集積回路４０１上あるいは集積回路４０１近傍に配置され、これにより集積回路４０１の温度を測定し、集積回路４０１の動作温度に関する情報を収集する。

本実施形態の半導体集積回路４００の場合には、電源端子Ｖ_ＣＣ１から領域４００ａの電源系統へ電源電圧が供給されると、ＦＥＴ４０７がオン状態となり、ＦＥＴ４０７のゲート・ソース間電圧だけ降下した電圧がこのＦＥＴ４０７を介して、領域４００ａの電源系統へ供給される。こうして、半導体集積回路４００内の各要素に対して動作電圧が供給されて、半導体集積回路４００に本来要求される機能が遂行されると共に、記憶素子４０６には、動作の過程で「警告温度超過時間」領域には警告温度を超えて動作した時間が単位時間の回数として記録され、また、「最高検知温度」領域には動作中に最も高温になった際の温度値が記録される。

電源端子Ｖ_ＣＣ１から領域４００ａの電源系統へ電源電圧が供給されていないときあるいは供給されない状態になったときには、ＦＥＴ４０７はオフ状態となっており、領域４００ａの電源系統と領域４００ｂの電源系統とは切り離される。このＦＥＴ４０７の効果により、例えば集積回路４０１において電源とグランド間短絡による故障が発生した場合にはＦＥＴ４０７のゲート電圧が低下しオフ状態となる。その場合においては、電源端子Ｖ_ＣＣ２から領域４００ｂの電源系統へ動作電圧を供給することにより、制御回路４０３や記憶素子４０６は正常動作できる。これにより、集積回路４０１において電源とグランド間短絡による故障が発生した場合においても、記憶素子４０６に記録された「警告温度超過時間」や「最高検知温度」などの集積回路４０１の動作温度に関する情報を読み出すことができる。

以上、本発明について好ましい実施形態と共に説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。例えば、図３に示される、第２実施形態の半導体集積回路３００の領域３００ａの部分と領域３００ｂの部分とを別のチップとし、１つのパッケージにマルチチップ実装することも考えられる。この場合にも、同様の効果が得られる。この場合、各チップはそれぞれ最適な製造プロセスで製造することができるので、領域３００ｂにおいては制御回路３０３や記憶素子３０６を構成するデジタル動作用プロセスで製造したチップとし、領域３００ａに相当するチップは大電力用やアナログ用等の領域３００ｂとは異なるプロセスで製造したチップとし、これらを組み合わせて構成することも容易に実現できる。

なお、上記の実施形態の一部または全部は、新規な技術として以下のようにまとめられるが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではない。
（付記１）集積回路と、前記集積回路に接続された第１の入出力部と、集積回路の動作温度に関する情報を収集する温度センサと、記憶素子と、前記温度センサからの前記動作温度に関する情報を収集して前記記憶素子に記憶させる制御回路と、前記制御回路に接続された第２の入出力部とを有することを特徴とする半導体集積回路。
（付記２）前記第１の入出力部と前記第２の入出力部とはお互いに分離されていることを特徴とする、付記１記載の半導体集積回路。
（付記３）前記集積回路と前記第１の入出力部とそのための電源系統は、第１領域にまとめられており、前記制御回路と前記第２入出力部とそのための電源系統は、前記第１領域とは異なる第２領域にまとめられていることを特徴とする、付記２記載の半導体集積回路。
（付記４）前記記憶素子もまた前記第２領域にまとめられていることを特徴とする、付記３記載の半導体集積回路。
（付記５）前記第１領域の部分と前記第２領域の部分とが別のチップとされて、１つのパッケージにマルチチップ実装されていることを特徴とする、付記３または付記４記載の半導体集積回路。
（付記６）前記第１領域の前記電源系統と前記第２領域の前記電源系統との間に接続され、前記電源系統間の電位差に応じてオン／オフするスイッチを有することを特徴とする、付記３ないし付記５のいずれかに記載の半導体集積回路。
（付記７）前記第１領域の前記電源系統に動作電源が供給されると前記スイッチはオン状態となって、所定電圧だけ降下した電圧を前記第２領域の前記電源系統に供給することを特徴とする、付記６記載の半導体集積回路。
（付記８）前記スイッチは、ソース・ドレイン間が前記第１領域の前記電源系統と前記第２領域の前記電源系統との間に接続され、ゲートが前記第１領域の前記電源系統に接続されたトランジスタを含んでいることを特徴とする、付記６または付記７記載の半導体集積回路。
（付記９）前記動作温度に関する情報は、予め設定された警告温度を超過した時間に関わる警告温度経過時間と、検知された最高温度に関わる最高検知温度とを含んでいることを特徴とする、付記１ないし付記８のいずれかに記載の半導体集積回路。
（付記１０）前記制御回路は一定の単位時間ごとに、前記温度センサから前記集積回路の前記動作温度に関する情報を取得して、前記予め設定された警告温度を超過している場合は、前記警告温度経過時間を示す情報を更新することを特徴とする、付記９記載の半導体集積回路。
（付記１１）集積回路の動作温度に関する情報を収集し、記憶素子に記憶させる半導体集積回路の制御方法であって、前記記憶素子に記憶された前記動作温度に関する情報は、前記集積回路に接続された第１の入出力部とは別の第２の入出力部から読み出されることを特徴とする半導体集積回路の制御方法。

本発明は、半導体集積回路製品において、高温下での動作が信頼性に影響を与える部品での利用が考えられる。

１００、３００、４００半導体集積回路
３００ａ、３００ｂ、４００ａ、４００ｂ領域
１０１、３０１、４０１集積回路
１０２、１０４、３０２、３０４、４０２、４０４入出力部
１０３、３０３、４０３制御回路
１０５、３０５、４０５温度センサ
１０６、３０６、４０６記憶素子
４０７電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）

Claims

集積回路と、前記集積回路に接続された第１の入出力部と、集積回路の動作温度に関する情報を収集する温度センサと、記憶素子と、前記温度センサからの前記動作温度に関する情報を収集して前記記憶素子に記憶させる制御回路と、前記制御回路に接続された第２の入出力部とを有し、
前記集積回路と前記第１の入出力部とそのための電源系統は、第１領域にまとめられており、前記制御回路と前記第２入出力部とそのための電源系統は、前記第１領域とは異なる第２領域にまとめられており、
前記第１領域の前記電源系統と前記第２領域の前記電源系統との間に接続され、前記電源系統間の電位差に応じてオン／オフするスイッチを有することを特徴とする半導体集積回路。
前記第１の入出力部と前記第２の入出力部とはお互いに分離されていることを特徴とする、請求項１記載の半導体集積回路。
前記記憶素子もまた前記第２領域にまとめられていることを特徴とする、請求項１または請求項２記載の半導体集積回路。
前記第１領域の前記電源系統に動作電源が供給されると前記スイッチはオン状態となって、所定電圧だけ降下した電圧を前記第２領域の前記電源系統に供給することを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の半導体集積回路。
前記スイッチは、ソース・ドレイン間が前記第１領域の前記電源系統と前記第２領域の前記電源系統との間に接続され、ゲートが前記第１領域の前記電源系統に接続されたトランジスタを含んでいることを特徴とする、請求項４記載の半導体集積回路。
前記動作温度に関する情報は、予め設定された警告温度を超過した時間に関わる警告温度経過時間と、検知された最高温度に関わる最高検知温度とを含んでいることを特徴とする、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の半導体集積回路。
前記制御回路は一定の単位時間ごとに、前記温度センサから前記集積回路の前記動作温度に関する情報を取得して、前記予め設定された警告温度を超過している場合は、前記警告温度経過時間を示す情報を更新することを特徴とする、請求項６記載の半導体集積回路。
集積回路の動作温度に関する情報を収集し、記憶素子に記憶させる半導体集積回路の制御方法であって、
前記半導体集積回路は、集積回路と、前記集積回路に接続された第１の入出力部と、集積回路の動作温度に関する情報を収集する温度センサと、記憶素子と、前記温度センサからの前記動作温度に関する情報を収集して前記記憶素子に記憶させる制御回路と、前記制御回路に接続された第２の入出力部とを有し、
前記集積回路と前記第１の入出力部とそのための電源系統は、第１領域にまとめられており、前記制御回路と前記第２入出力部とそのための電源系統は、前記第１領域とは異なる第２領域にまとめられており、
前記半導体集積回路は、前記第１領域の前記電源系統と前記第２領域の前記電源系統との間に接続され、前記電源系統間の電位差に応じてオン／オフするスイッチをさらに有し、
前記記憶素子に記憶された前記動作温度に関する情報は、前記集積回路に接続された第１の入出力部とは別の第２の入出力部から読み出されることを特徴とする半導体集積回路の制御方法。