JP6315190B2 - Driving device for vehicle ignition device - Google Patents
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Description
本発明は、改善されたサージ耐量を有する車両用点火装置の駆動装置に関する。 The present invention relates to a drive device for a vehicle ignition device having improved surge resistance.
特許文献1は、制御回路とスイッチング素子と電源保護素子とで構成される従来の車両用点火装置の駆動装置を開示する。制御回路は、内燃機関の運転状況に応じて、外部に設けた電子制御装置から発信された点火信号にしたがって、スイッチング素子を開閉駆動制御する。電源保護素子は、高圧側配線と接地側配線との間に設けられ、少なくとも、ツェナーダイオードやアバランシェダイオード等の電圧制限機能を有する半導体素子を含む。また、電源保護素子は、駆動装置の外部の電源から印加されるバッテリ電圧を制御回路に入力する際に、入力電圧を制限したり、スイッチング素子の開閉時に発生するサージ電圧を除去したりして、制御回路を保護する。
また、駆動装置の小型化を図るべく、制御回路、スイッチング素子及び電源保護素子を単一の半導体集積回路として形成しても良いことが、特許文献1に記載される。
Further,
しかしながら、特許文献1は、制御回路、スイッチング素子及び電源保護素子を半導体集積回路内に形成する具体的な手法を開示しない。本発明は、電源保護素子を備え、改善されたサージ耐量を有する車両用点火装置の駆動装置を提供する。
However,
本発明の一態様によれば、車両用点火装置の駆動装置は、スイッチング素子と該スイッチング素子を駆動する半導体集積回路とを備え、前記半導体集積回路は、駆動回路と該駆動回路をサージから保護する電源保護素子と該駆動回路と該電源保護素子とを分断する素子分離領域とを備え、前記電源保護素子は、互いに対向する第1及び第2の主面を含む半導体基板に設けられた第1導電型のアノード領域と、前記アノード領域と接するように設けられた第2導電型のカソード領域と、前記アノード領域と電気的に接続されるとともに前記第1の主面に露出するように設けられた前記第1導電型のアノードコンタクト領域と、前記カソード領域と電気的に接続されるとともに前記第1の主面に露出するように設けられた前記第2導電型のカソードコンタクト領域と、を備え、前記アノード領域の不純物濃度は、前記カソード領域の不純物濃度と等しく、前記アノードコンタクト領域の不純物濃度は、前記アノード領域の不純物濃度の100倍以上であり、前記素子分離領域は第1導電型を有し、前記素子分離領域を挟んだ前記電源保護素子と反対側の前記第1の主面には、前記素子分離領域と第1導電型の第1の半導体領域との間に第1導電型と反対の第2導電型の領域を有し、前記素子分離領域の前記第1の主面に露出する半導体領域と前記第1の半導体領域との距離を、前記アノード領域と前記カソード領域と前記半導体基板の第2の主面に露出した第2の半導体領域とで生じる寄生のPNPトランジスタの電流増幅率と、前記カソード領域と前記第2の半導体領域と前記第1の半導体領域と接続した第2導電型の第3の半導体領域とで生じる寄生のNPNトランジスタの電流増幅率との積が1以下となるようにすることを特徴とする。 According to one aspect of the present invention, a drive device for a vehicle ignition device includes a switching element and a semiconductor integrated circuit that drives the switching element, and the semiconductor integrated circuit protects the drive circuit and the drive circuit from surges. A power source protection element, a drive circuit, and an element isolation region that divides the power source protection element, wherein the power source protection element is provided on a semiconductor substrate including first and second main surfaces facing each other. An anode region of one conductivity type, a cathode region of a second conductivity type provided so as to be in contact with the anode region, and provided so as to be electrically connected to the anode region and exposed to the first main surface The first conductivity type anode contact region and the second conductivity type cathode provided so as to be electrically connected to the cathode region and exposed to the first main surface Comprising a contact region, the impurity concentration of the anode region is equal to the impurity concentration of the cathode region, the impurity concentration of the anode contact region state, and are more than 100 times the impurity concentration of the anode region, said isolation The region has a first conductivity type, and on the first main surface opposite to the power protection element across the element isolation region, the element isolation region, the first conductivity type first semiconductor region, and Having a second conductivity type region opposite to the first conductivity type between the semiconductor region exposed to the first main surface of the element isolation region and the first semiconductor region, the distance between the anode region and the anode region. A parasitic PNP transistor current amplification factor generated in the region, the cathode region, and the second semiconductor region exposed on the second main surface of the semiconductor substrate; the cathode region; the second semiconductor region; of The product of the current amplification factor of the parasitic NPN transistor produced by the third semiconductor region of the second conductivity type which is connected to the conductor region is characterized to Rukoto to be 1 or less.
なお、本発明において、アノード領域の不純物濃度は、カソード領域の不純物濃度の0.5倍から2.0倍までの範囲であれば、カソード領域の不純物濃度と等しいと定義される。 In the present invention, the impurity concentration in the anode region is defined to be equal to the impurity concentration in the cathode region if it is in the range of 0.5 to 2.0 times the impurity concentration in the cathode region.
本発明によれば、電源保護素子を備え、改善されたサージ耐量を有する車両用点火装置の駆動装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the drive device of the ignition device for vehicles which has a power supply protection element and has the improved surge tolerance can be provided.
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic. Further, the embodiments described below exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the embodiments of the present invention have the following structure and arrangement of components. It is not something specific. The embodiment of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る車両用点火装置の駆動装置の構成を示す回路図である。本実施形態に係る車両用点火装置100は、直流電源VBとトランスTRと駆動装置10と制御部MCUとを備える。本実施形態に係る駆動装置10は、スイッチング素子SWと半導体集積回路ICとを備える。直流電源VBとトランスTRの一次巻線とスイッチング素子SWとは直列接続される。半導体集積回路ICは、直流電源VBと制御部MCUとスイッチング素子SWとに接続され、直流電源VBから駆動電力を得るとともに、制御部MCUからの制御信号に基づきスイッチング素子SWを駆動する。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a drive device for a vehicle ignition device according to a first embodiment of the present invention. The
半導体集積回路ICは、単一の半導体基板上に駆動回路DRVと電源保護素子ZD1と入力保護素子ZD2とを備える。駆動回路DRVは、直流電源VBと制御部MCUとスイッチング素子SWとに接続される。電源保護素子ZD1は、ツェナーダイオードからなり、直流電源VBと駆動回路DRVとに接続され、駆動回路DRVをサージから保護する。入力保護素子ZD2は、ツェナーダイオードからなり、制御部MCUと駆動回路DRVとに接続され、駆動回路DRVをサージから保護する。 The semiconductor integrated circuit IC includes a drive circuit DRV, a power supply protection element ZD1, and an input protection element ZD2 on a single semiconductor substrate. Drive circuit DRV is connected to DC power supply VB, control unit MCU, and switching element SW. The power supply protection element ZD1 is formed of a Zener diode, is connected to the DC power supply VB and the drive circuit DRV, and protects the drive circuit DRV from a surge. The input protection element ZD2 includes a Zener diode, is connected to the control unit MCU and the drive circuit DRV, and protects the drive circuit DRV from a surge.
図2は、本発明の第1の実施形態に係る半導体集積回路の構成を示す断面図である。電源保護素子ZD1は、互いに対向する第1及び第2の主面S1,S2を含む半導体基板SUBに設けられた、アノード領域17とカソード領域13とアノードコンタクト領域18とカソードコンタクト領域20とを備える。アノード領域17の不純物濃度は、カソード領域13の不純物濃度と等しく、アノードコンタクト領域18の不純物濃度は、アノード領域の不純物濃度の100倍以上である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor integrated circuit according to the first embodiment of the present invention. The power supply protection element ZD1 includes an
第1の半導体層11は、P型の導電型を有し、半導体基板SUBの第2の主面S2に露出し、接地される。第2の半導体層12は、N型の導電型を有し、第1の半導体層11に接し、半導体基板SUBの第1の主面S1に露出する。第1の半導体領域(カソード領域)13は、N型の導電型を有し、第1の半導体層11と第2の半導体層12とに接する。第2の半導体領域14は、N型の導電型を有し、第1の半導体領域13の内部に形成される。第3の半導体領域15は、P型の導電型を有し、第1の半導体層11と第2の半導体層12とに接する。第4の半導体領域16は、P型の導電型を有し、第1の半導体層11と第2の半導体層12とに接する。第5の半導体領域(アノード領域)17は、P型の導電型を有し、第1の半導体領域13に接し、半導体基板SUBの第1の主面S1に露出する。第6の半導体領域(アノードコンタクト領域)18は、P型の導電型を有し、第5の半導体領域17と電気的に接続され、半導体基板SUBの第1の主面S1に露出する。第7の半導体領域19は、N型の導電型を有し、第2の半導体領域14に接し、半導体基板SUBの第1の主面S1に露出する。第8の半導体領域(カソードコンタクト領域)20は、第2及び第7の半導体領域14,19を介して第1の半導体領域13と電気的に接続され、半導体基板SUBの第1の主面S1に露出する。第9の半導体領域21は、P型の導電型を有し、第3の半導体領域15に接し、半導体基板SUBの第1の主面S1に露出する。第10の半導体領域22は、P型の導電型を有し、第9の半導体領域21を介して第3の半導体領域15と電気的に接続され、半導体基板SUBの第1の主面S1に露出する。第11の半導体領域23は、P型の導電型を有し、第4の半導体領域16に接し、半導体基板SUBの第1の主面S1に露出する。第12の半導体領域24は、P型の導電型を有し、第11の半導体領域23を介して第4の半導体領域16と電気的に接続され、半導体基板SUBの第1の主面S1に露出する。第13の半導体領域25は、N型の導電型を有し、第2の半導体層12と接し、半導体基板SUBの第1の主面S1に露出する。第1乃至12の半導体領域は、半導体基板SUBにP型又はN型の不純物が導入されて形成される不純物拡散領域である。絶縁膜26は、半導体基板SUBの第1の主面S1を部分的に覆う。
The
第1の半導体領域13の不純物濃度は、1×1017〜1×1018cm−3である。第5の半導体領域17の不純物濃度は、1×1017〜1×1018cm−3であり、第1の半導体領域13の不純物濃度の0.5倍から2.0倍に設定される。第2の半導体領域14の不純物濃度は、1〜5×1019cm−3である。第3及び第4の半導体領域15,16の不純物濃度は、5×1017cm−3〜5×1018cm−3である。第6の半導体領域18の不純物濃度は、5×1018〜1×1020cm−3である。第6の半導体領域18の不純物濃度は、第5の半導体領域17の不純物濃度の100倍以上に設定される。第7の半導体領域19の不純物濃度は、1〜5×1019cm−3である。第8の不純物領域20の不純物濃度は、2〜8×1020cm−3である。第9及び第11の半導体領域21,23の不純物濃度は、1×1018〜1×1019cm−3である。第10及び第12の半導体領域22,24の不純物濃度は、5×1018〜1×1020cm−3であり、第6の半導体領域18の不純物濃度と等しい。第13の半導体領域25の不純物濃度は、2〜8×1020cm−3であり、第8の不純物領域20の不純物濃度と等しい。
The impurity concentration of the
第1の半導体領域13と第5の半導体領域17とを含む半導体領域は、半導体基板SUBの主面に平行な主電流経路を有する横型の電源保護素子ZD1を構成する。また、第9及び第10の半導体領域21,22は、電源保護素子ZD1の外周端を規定する領域であり、その他の回路素子との間を電気的に分離する素子分離領域を構成する。また、半導体集積回路ICは、電源保護素子ZD1が形成される領域において、破線で示されるような寄生素子を備える。寄生素子は、PNPトランジスタTR1とNPNトランジスタTR2と第1及び第2の抵抗R1,R2とからなり、全体としてサイリスタを構成する。電源保護素子ZD1は、車両用点火装置の駆動装置10として、種々のサージ電圧を吸収することが求められる。そのため、電源保護素子ZD1を半導体集積回路ICに設けるために、当該サイリスタのラッチアップを抑制しなければならない。本実施形態に係る半導体集積回路ICは、第9の半導体領域21と第12の半導体領域24との距離DをPNPトランジスタTR1のhfe(電流増幅率)とNPNトランジスタTR2のhfeとの積が1以下となる距離以上とした。そのため、サージ電圧に起因する寄生サイリスタの動作が抑制され、電源保護素子ZD1の破壊は防止される。従って、本実施形態に係る半導体集積回路ICによって、電源保護素子を備え、改善されたサージ耐量を有する車両用点火装置の駆動装置が提供される。
The semiconductor region including the
なお、種々のサージ電圧とは、気中ESD、接触ESD、フィールドディケイやロードダンプ等の高周波又は低周波のサージ電圧である。また、電源保護素子ZD1と同様の構成を有する保護素子を逆直列に接続することで、正方向及び負方向のサージ電圧耐量を改善することができる。 The various surge voltages are high-frequency or low-frequency surge voltages such as air ESD, contact ESD, field decay, and load dump. Moreover, the surge voltage tolerance of positive direction and negative direction can be improved by connecting the protection element which has the structure similar to power supply protection element ZD1 in anti-series.
図3は、本発明の第1の実施形態に係る半導体集積回路の構成を示す断面図である。入力保護素子ZD2は、電源保護素子ZD1と同様に、半導体基板SUBに設けられる。入力保護素子ZD2は、アノード領域28とカソード領域27とアノードコンタクト領域30とカソードコンタクト領域32とを備える。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor integrated circuit according to the first embodiment of the present invention. The input protection element ZD2 is provided on the semiconductor substrate SUB similarly to the power supply protection element ZD1. The input protection element ZD2 includes an
第14の半導体領域(カソード領域)27は、N型の導電型を有し、第1の半導体層11と第2の半導体層12とに接する。第15の半導体領域(アノード領域)28は、P型の導電型を有し、第14の半導体領域27に接する。第16の半導体領域29は、P型の導電型を有し、第15の半導体領域28に接し、半導体基板SUBの第1の主面S1に露出する。第17の半導体領域30(アノードコンタクト領域)は、P型の導電型を有し、第16の半導体領域29に接し、半導体基板SUBの第1の主面S1に露出する。第18の半導体領域31は、N型の導電型を有し、第14の半導体領域27に接し、半導体基板SUBの第1の主面S1に露出する。第19の半導体領域32(カソードコンタクト領域)は、N型の導電型を有し、第18の半導体領域31に接し、半導体基板SUBの第1の主面S1に露出する。
The fourteenth semiconductor region (cathode region) 27 has an N-type conductivity type and is in contact with the
第14の半導体領域27の不純物濃度は、第2の半導体領域14のそれと等しく、1〜5×1019cm−3である。第15の半導体領域28の不純物濃度は、第3及び第4の半導体領域15,16のそれ以下であり、1×1017cm−3〜5×1018cm−3である。第16の半導体領域29の不純物濃度は、1×1018〜5×1019cm−3である。第17の半導体領域30の不純物濃度は、第6の半導体領域18のそれと等しく、5×1018〜1×1020cm−3である。第18の半導体領域31の不純物濃度は、第7の半導体領域19のそれと等しく、1〜5×1019cm−3である。第19の半導体領域32の不純物濃度は、第8の不純物領域20のそれと等しく、2〜8×1020cm−3である。
The impurity concentration of the
本実施形態に係る半導体集積回路ICは、電源保護素子ZD1に加え、上記のように構成される入力保護素子ZD2を備えるため、改善されたサージ耐量を有する車両用点火装置の駆動装置が提供される。 Since the semiconductor integrated circuit IC according to this embodiment includes the input protection element ZD2 configured as described above in addition to the power supply protection element ZD1, a drive device for a vehicle ignition device having improved surge resistance is provided. The
図4は、本発明の第2の実施形態に係る半導体集積回路の構成を示す断面図である。本実施形態に係る半導体集積回路は、第20の半導体領域(アノード中間領域)33を備える点において第1の実施形態に係る半導体集積回路と異なる。第20の半導体領域33は、P型の導電型を有し、第5の半導体領域17と第6の半導体領域18とに介在し、半導体基板SUBの第1の主面S1に露出する。第20の半導体領域33の不純物濃度は、1×1016〜1×1017cm−3であり、第5の半導体領域17の不純物濃度の0.1倍程度に設定される。第20の半導体領域33が設けられることで、電源保護素子ZD1のインピーダンスは低くなる。そのため、本実施形態に係る半導体集積回路ICは、さらに改善されたサージ耐量を有する車両用点火装置の駆動装置が提供される。
FIG. 4 is a sectional view showing a configuration of a semiconductor integrated circuit according to the second embodiment of the present invention. The semiconductor integrated circuit according to the present embodiment is different from the semiconductor integrated circuit according to the first embodiment in that it includes a twentieth semiconductor region (anode intermediate region) 33. The
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。例えば、半導体集積回路ICは、スイッチング素子SWを含んでも良い。また、駆動装置10は、制御部MCUを含んでも良い。
As mentioned above, although this invention was described by embodiment, it should not be understood that the description and drawing which form a part of this indication limit this invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art. That is, it goes without saying that the present invention includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description. For example, the semiconductor integrated circuit IC may include a switching element SW. Further, the driving
10 駆動装置
100 車両用点火装置
SW スイッチング素子
MCU 制御部
IC 半導体集積回路
DRV 駆動回路
ZD1 電源保護素子
ZD2 入力保護素子
13 第1の半導体領域(カソード領域)
17 第5の半導体領域(アノード領域)
18 第6の半導体領域(アノードコンタクト領域)
20 第8の半導体領域(カソードコンタクト領域)
33 第20の半導体領域(アノード中間領域)
DESCRIPTION OF
17 Fifth semiconductor region (anode region)
18 Sixth semiconductor region (anode contact region)
20 Eighth semiconductor region (cathode contact region)
33 20th semiconductor region (anode intermediate region)
Claims (1)
前記半導体集積回路は、駆動回路と該駆動回路をサージから保護する電源保護素子と該駆動回路と該電源保護素子とを分断する素子分離領域とを備え、
前記電源保護素子は、互いに対向する第1及び第2の主面を含む半導体基板に設けられた第1導電型のアノード領域と、
前記アノード領域と接するように設けられた第2導電型のカソード領域と、
前記アノード領域と電気的に接続されるとともに前記第1の主面に露出するように設けられた前記第1導電型のアノードコンタクト領域と、
前記カソード領域と電気的に接続されるとともに前記第1の主面に露出するように設けられた前記第2導電型のカソードコンタクト領域と、を備え、
前記アノード領域の不純物濃度は、前記カソード領域の不純物濃度と等しく、前記アノードコンタクト領域の不純物濃度は、前記アノード領域の不純物濃度の100倍以上であり、
前記素子分離領域は第1導電型を有し、
前記素子分離領域を挟んだ前記電源保護素子と反対側の前記第1の主面には、前記素子分離領域と第1導電型の第1の半導体領域との間に第1導電型と反対の第2導電型の領域を有し、
前記素子分離領域の前記第1の主面に露出する半導体領域と前記第1の半導体領域との距離を、
前記アノード領域と前記カソード領域と前記半導体基板の第2の主面に露出した第2の半導体領域とで生じる寄生のPNPトランジスタの電流増幅率と、前記カソード領域と前記第2の半導体領域と前記第1の半導体領域と接続した第2導電型の第3の半導体領域とで生じる寄生のNPNトランジスタの電流増幅率との積が1以下となるようにすることを特徴とする車両用点火装置の駆動装置。 A switching element and a semiconductor integrated circuit for driving the switching element,
The semiconductor integrated circuit includes a drive circuit, a power protection element that protects the drive circuit from a surge , and an element isolation region that divides the drive circuit and the power protection element .
The power protection element includes a first conductivity type anode region provided on a semiconductor substrate including first and second main surfaces facing each other;
A cathode region of a second conductivity type provided in contact with the anode region;
An anode contact region of the first conductivity type provided so as to be electrically connected to the anode region and exposed to the first main surface;
A cathode contact region of the second conductivity type provided so as to be electrically connected to the cathode region and exposed to the first main surface,
The impurity concentration of the anode region is equal to the impurity concentration of the cathode region, the impurity concentration of the anode contact region state, and are more than 100 times the impurity concentration of the anode region,
The element isolation region has a first conductivity type,
The first main surface opposite to the power protection element across the element isolation region is opposite to the first conductivity type between the element isolation region and the first conductivity type first semiconductor region. Having a second conductivity type region;
The distance between the semiconductor region exposed on the first main surface of the element isolation region and the first semiconductor region is
A current amplification factor of a parasitic PNP transistor generated in the anode region, the cathode region, and the second semiconductor region exposed on the second main surface of the semiconductor substrate; the cathode region; the second semiconductor region; first second conductivity type which is connected to the semiconductor region the third semiconductor region and the vehicle ignition device for the product of the current amplification factor of the parasitic NPN transistor produced is characterized to Rukoto to be 1 or less in the Drive device.
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