JP6543438B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、過熱保護回路を備えた半導体装置に関する。

図１０は、半導体装置の第１従来例を示す平面図である。第１従来例の半導体装置３００は、入力端子ＰＩＮ１１と出力端子ＰＩＮ１２との間に接続されたパワートランジスタ３１０の導通度を制御することにより、入力電圧Ｖｉから所望の出力電圧Ｖｏを生成するＬＤＯ［low drop-out］レギュレータＩＣである。なお、入力端子ＰＩＮ１１とパッド３１１との間、及び、出力端子ＰＩＮ１２とパッド３１２との間は、それぞれ、ワイヤＷ１１及びＷ１２を介してボンディングされている。

図１１は、半導体装置の第２従来例を示す平面図である。第２従来例の半導体装置４００は、入力端子ＰＩＮ２１と接地端子ＰＩＮ２２との間に直列接続された上側パワートランジスタ４１０Ｈ及び下側パワートランジスタ４１０Ｌをオン／オフさせることにより、スイッチ端子ＰＩＮ２３から矩形波状のスイッチ電圧Ｖｓｗを出力するスイッチングレギュレータＩＣである。なお、入力端子ＰＩＮ２１とパッド４１１との間、接地端子ＰＩＮ２２とパッド４１２との間、及び、スイッチ端子ＰＩＮ２３とパッド４１３との間は、それぞれ、ワイヤＷ２１〜Ｗ２３を介してボンディングされている。

上記のパワートランジスタ３１０、並びに、上側パワートランジスタ４１０Ｈ及び下側パワートランジスタ４１０Ｌは、それぞれ、半導体装置３００及び４００の動作時に発熱源となる。そのため、半導体装置３００及び４００には、ジャンクション温度が閾値温度を上回ったときに保護動作を掛ける過熱保護回路３２０及び４２０が組み込まれている。

なお、上記に関連する従来技術の一例としては、特許文献１を挙げることができる。

特開２００５−２７８３４４号公報

ところで、従来の半導体装置では、発熱源と過熱保護回路との距離を縮めることにより過熱保護回路の感度や精度を高めていた。

しかしながら、図１０で示したように、発熱源となるパワートランジスタ３１０の素子サイズが大きい場合には、パワートランジスタ３１０の内部で最も高温となる部分ＨＳからパワートランジスタ３１０の端縁部に至るまでの間に不可避的な温度勾配が生じる。そのため、パワートランジスタ３１０と過熱保護回路３２０との距離をいくら縮めても正確に熱検出を行うことができない場合があった。

また、図１１で示したように、発熱源となる上側パワートランジスタ４１０Ｈ及び下側パワートランジスタ４１０Ｌがオン／オフされる場合には、スイッチングノイズによる過熱保護回路４２０の誤動作を防ぐために、上側パワートランジスタ４１０Ｈ及び下側パワートランジスタ４１０Ｌと過熱保護回路４２０との距離を開けたり、両者の間に緩衝帯４３０を設置したりする必要があった。そのため、過熱保護回路４２０の感度や精度が低下してしまっていた。

なお、特許文献１の従来技術は、あくまで、回路基板（プリント配線基板）上に搭載されたディスクリート部品間（パワー素子（熱源部）から温度センサ（熱検出部））での温度伝達遅れや温度検出値オフセットを低減するものであり、半導体装置に集積化された過熱保護回路の感度や精度を向上するものではなかった。

本発明は、本願の発明者が見出した上記の課題に鑑み、半導体装置に集積化された過熱保護回路の感度や精度を向上し、安全性の高い半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、半導体基板上に形成された発熱源及び熱検出素子と、前記半導体基板よりも高い熱伝導率を持ち前記発熱源及び前記熱検出素子の双方に跨って形成された熱伝導部材と、を集積化して成る構成（第１の構成）とされている。

なお、第１の構成から成る半導体装置において、前記熱伝導部材は、前記発熱源と電気的に接続された配線パターンの一部を前記熱検出素子まで引き回して形成されている構成（第２の構成）にするとよい。

また、第２の構成から成る半導体装置において、前記熱伝導部材として流用される配線パターンは、前記発熱源と電気的に接続された複数の配線パターンのうち、最もノイズの重畳が少ない配線パターンである構成（第３の構成）にするとよい。

また、第２または第３の構成から成る半導体装置において、前記熱伝導部材として流用される配線パターンは、前記熱検出素子と電気的に接続されていない構成（第４の構成）にするとよい。

また、第１の構成から成る半導体装置において、前記熱伝導部材は、前記発熱源及び前記熱検出素子のいずれとも電気的に接続されていないダミー配線パターンを用いて形成されている構成（第５の構成）にするとよい。

また、第５の構成から成る半導体装置において、前記熱伝導部材は、接地端に接続されている構成（第６の構成）にするとよい。

また、第１〜第６いずれかの構成から成る半導体装置において、前記熱伝導部材は、前記半導体基板上に積層形成された複数の配線層のうち、少なくとも１層の配線層を用いて形成されている構成（第７の構成）にするとよい。

また、第１〜第７いずれかの構成から成る半導体装置において、前記熱伝導部材は、前記半導体基板上に積層形成された複数の配線層のうち、最も熱伝導率の高い配線層を用いて形成されている構成（第８の構成）にするとよい。

また、第１〜第８いずれかの構成から成る半導体装置において、前記発熱源は、パワートランジスタである構成（第９の構成）にするとよい。

また、本発明に係る電子機器は、第１〜第９いずれかの構成から成る半導体装置を有する構成（第１０の構成）とされている。

本発明によれば、半導体装置に集積化された過熱保護回路の感度や精度を向上することが可能となり、延いては、半導体装置の安全性を高めることが可能となる。

半導体装置の第１実施形態を示す模式図 過熱保護回路３０の一構成例を示す回路図 配線パターンの第１例（２層型）を示す縦断面図 配線パターンの第２例（３層型）を示す平面図 配線パターンの第２例（３層型）を示す縦断面図 第１実施形態の一変形例を示す平面図 半導体装置の第２実施形態を示す模式図 パーソナルコンピュータの外観図 テレビの外観図 半導体装置の第１従来例を示す平面図 半導体装置の第２従来例を示す平面図

＜第１実施形態＞
図１は、半導体装置の第１実施形態（ＬＤＯレギュレータＩＣへの適用）を示す模式図である。なお、本図の（Ａ）欄は半導体装置１の平面図（上面図）であり、（Ｂ）欄は半導体装置１のブロック図である。

第１実施形態の半導体装置１は、Ｐチャネル型ＭＯＳ［metal oxide semiconductor］電界効果トランジスタ１０と、オペアンプ２０と、過熱保護回路３０と、抵抗４０ａ及び４０ｂと、配線パターン５０及び６０と、パッド７０及び８０と、を有する。

トランジスタ１０は、半導体基板に集積化されたパワートランジスタであり、パッド７０（入力電圧Ｖｉの入力端）とパッド８０（出力電圧Ｖｏの出力端）との間に接続されている。接続関係について具体的に説明すると、トランジスタ１０のソースは、配線パターン５０を介してパッド７０と接続されている。トランジスタ１０のドレインは、配線パターン６０を介してパッド８０と接続されている。トランジスタ１０のゲートは、オペアンプ２０の出力端に接続されている。

オペアンプ２０は、非反転入力端（＋）に印加される帰還電圧Ｖｆｂ（出力電圧Ｖｏの分圧電圧）と、反転入力端（−）に印加される基準電圧Ｖｒｅｆとが一致（イマジナリーショート）するように、トランジスタ１０のゲート電圧を生成する。このような出力帰還制御を行うことにより、入力電圧Ｖｉから所望の出力電圧Ｖｏを生成することができる。

過熱保護回路３０は、半導体基板に集積化された熱検出素子３１を含み、ジャンクション温度Ｔｊが所定の閾値温度Ｔｊｍａｘ（例えば１５０℃や１７５℃）を上回っているか否かを監視して過熱保護信号Ｓ１を生成する。オペアンプ２０は、過熱保護信号Ｓ１が過熱検出時の論理レベル（例えばローレベル）になると、帰還電圧Ｖｆｂに依ることなくトランジスタ１０のゲート電圧を引き上げてトランジスタ１０を強制的にオフさせる。このような過熱保護動作により、半導体装置１の安全性を高めることができる。

抵抗４０ａ及び４０ｂは、パッド８０（出力電圧Ｖｏの出力端）と接地端との間に接続されており、互いの接続ノードから帰還電圧Ｖｆｂを出力する抵抗分圧回路を形成する。

配線パターン５０は、トランジスタ１０のソースとパッド７０とを電気的に接続する導電部材（入力ライン）である。また、配線パターン６０は、トランジスタ１０のドレインとパッド８０とを電気的に接続する導電部材（出力ライン）である。なお、配線パターン５０及び６０は、いずれも、導電率の高い金属（アルミニウム、銅、銀、または、金）をパターニングすることによって形成される。

パッド７０は、入力電圧Ｖｉの入力端に相当する金属電極であり、不図示の入力端子にワイヤボンディングされている。また、パッド８０は、出力電圧Ｖｏの出力端に相当する金属電極であり、不図示の出力端子にワイヤボンディングされている。

ここで、第１実施形態の半導体装置１では、過熱保護回路３０の回路構成ではなく、半導体基板上の配線レイアウトパターンに工夫を凝らすことにより、過熱保護回路３０の感度や精度を向上している。より具体的に述べると、第１実施形態の半導体装置１では、発熱源となるトランジスタ１０のドレインと電気的に接続された配線パターン６０の一部を熱検出素子３１まで引き回すことにより、熱検出素子３１にオーバーラップした熱伝導部材６０Ｘが形成されている。なお、熱伝導部材６０Ｘは、必ずしも熱検出素子３１と電気的に接続する必要はない。

従来、配線パターンを介した熱伝導については特に注目されておらず、熱は、主にシリコン製の半導体基板（熱伝導率λ＝１１５［Ｗ／ｍ・Ｋ］＠１００℃）を伝わって発熱源から熱検出部に届いていた。

一方、第１実施形態の半導体装置１では、シリコンよりも熱伝導率の高いアルミニウム（λ＝２３２［Ｗ／ｍ・Ｋ］＠１００℃）で形成された配線パターン６０及び熱伝導部材６０Ｘを伝わってトランジスタ１０から熱検出素子３１に熱が届くので、従来よりも熱が速く伝わるようになる。また、アルミニウムを始めとする金属の熱伝導率は一般に正の温度依存性を持つので、過熱保護回路３０の閾値温度Ｔｊｍａｘ（１５０℃や１７５℃）付近では、アルミニウムの熱伝導率がシリコンの熱伝導率の２〜４倍になる。従って、過熱保護回路３０では、正確かつ迅速にトランジスタ１０の発熱を検出することができるようになるので、過熱保護回路３０の感度や精度を向上することが可能となる。

また、第１実施形態の半導体装置１では、トランジスタ１０と電気的に接続された配線パターン６０を一部流用して熱伝導部材６０Ｘが形成されている。このような構成とすることにより、配線パターン５０及び６０の既存設計を殆ど変えることなく、熱伝導部材６０Ｘを形成することが可能となる。

なお、本明細書中では、説明の便宜上、配線パターン６０の一部（熱検出素子３１に引き回された延伸部分）を指して熱伝導部材６０Ｘと呼称しているが、配線パターン６０と熱伝導部材６０Ｘは、あくまで一体的に成型された一つの部材であり、トランジスタ１０で発生した熱は、配線パターン６０及び熱伝導部材６０Ｘの双方を伝わって熱検出素子３１に達する。従って、熱伝導部材６０Ｘのみならず、これと一体的に成型された配線パターン６０自体も熱伝導部材として機能することは言うまでもない。

また、第１実施形態の半導体装置１では、トランジスタ１０と電気的に接続された配線パターン５０及び６０のうち、よりノイズの重畳が少ない配線パターン６０を一部流用して熱伝導部材６０Ｘが形成されている。このような構成とすることにより、ノイズによる過熱保護回路３０の誤動作を低減することが可能となる。なお、配線パターン５０及び６０のノイズ重畳量にさほど変わりがないのであれば、いずれを流用して熱伝導部材を形成しても構わない。

また、熱伝導部材６０Ｘ（延いては配線パターン６０）の素材は、先に例示したアルミニウム（λ＝２３２［Ｗ／ｍ・Ｋ］＠１００℃）に限定されるものではなく、より熱伝導率の高い他金属（例えば、銅（λ＝３９５［Ｗ／ｍ・Ｋ］＠１００℃）、銀（λ＝４２２［Ｗ／ｍ・Ｋ］＠１００℃）、ないしは、金（λ＝３１３［Ｗ／ｍ・Ｋ］＠１００℃）など）を用いても構わない。

＜過熱保護回路＞
図２は、過熱保護回路３０の一構成例を示す回路図である。本構成例の過熱保護回路３０は、ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ３１（先の熱検出素子３１に相当するので、以下では同符号を付して説明する）と、バンドギャップ電源部３２と、抵抗３３〜３５と、インバータ３６及び３７と、を含む。

バンドギャップ電源部３２は、電源電圧Ｖｃｃや周囲温度に依存しない一定のバンドギャップ電圧ＶＢＧを生成する。抵抗３３及び３４は、バンドギャップ電圧ＶＢＧの印加端と接地端との間に直列接続されており、互いの接続ノードから分圧電圧Ｖｄを出力する抵抗分圧回路を形成している。

トランジスタ３１のベースは、分圧電圧Ｖｄの印加端に接続されている。トランジスタ３１のエミッタは、接地端に接続されている。トランジスタ３１のコレクタは、抵抗３５の第１端とインバータ３６の入力端に接続されている。抵抗３５の第２端は、電源電圧Ｖｃｃの印加端に接続されている。インバータ３６の出力端は、インバータ３７の入力端に接続されている。インバータ３７の出力端は、過熱保護信号Ｓ１の出力端に相当する。

本構成例の過熱保護回路３０では、トランジスタ３１のベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅ（ダイオードの順方向降下電圧Ｖｆに相当）が負の温度特性を持つことを利用して、過熱保護信号Ｓ１の論理レベルが切り替えられる。以下では、より具体的な動作説明を行う。

半導体装置１のジャンクション温度Ｔｊが高いほど、トランジスタ１０のベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅが低くなる。従って、半導体装置１のジャンクション温度Ｔｊが高いほど、トランジスタ１０に流れるコレクタ電流が増大して、抵抗３５での電圧降下量が大きくなり、トランジスタ１０のコレクタ電圧（インバータ３６の入力端電圧）が低下する。

ここで、過熱保護回路３０は、半導体装置１のジャンクション温度Ｔｊが閾値温度Ｔｊｍａｘよりも低いときには、トランジスタ３１のコレクタ電圧がインバータ３６の閾値電圧を上回るように設計されている。従って、過熱未検出時（Ｔｊ＜Ｔｊｍａｘ）には、過熱保護信号Ｓ１がハイレベルとなる。

一方、半導体装置１のジャンクション温度Ｔｊが閾値温度Ｔｊｍａｘを上回り、トランジスタ３１のコレクタ電圧がインバータ３６の閾値電圧を下回ると、インバータ３６及び３７の出力論理レベルが切り替わる。従って、過熱検出時（Ｔｊ≧Ｔｊｍａｘ）には、過熱保護信号Ｓ１がハイレベルからローレベルに切り替わる。

このように、熱検出素子としてトランジスタ３１を用いる場合には、当該トランジスタ３１とオーバーラップするように、先述の熱伝導部材６０Ｘを形成すればよい。

＜縦構造＞
図３は、配線パターンの第１例（２層型）を示す模式図である。なお、本図の（Ａ）欄は半導体装置１の平面図（上面図）であり、（Ｂ）欄は半導体装置１のＡ１−Ａ２縦断面図である。本図で示した第１例では、半導体基板上に２層の配線層Ｌ１及びＬ２が積層形成されている。１層目（下層）の配線層Ｌ１は、トランジスタ１０（発熱源）と電気的に接続された配線パターン１０１と、トランジスタ３１（熱検出素子）と電気的に接続された配線パターン１０２を含む。２層目（上層）の配線層Ｌ２は、トランジスタ１０（発熱源）とトランジスタ３１（熱検出素子）の双方に跨って形成された配線パターン１０３を含む。配線パターン１０１と配線パターン１０３とは、ビア１０４を介して電気的に接続されている。配線パターン１０２と配線パターン１０３とは電気的に接続されていない。

配線層Ｌ２の配線パターン１０３に着目すると、トランジスタ１０とのオーバーラップ部分が先の配線パターン６０に相当し、トランジスタ１０の端縁部からトランジスタ３１に向けて引き回されている延出部分が先の熱伝導部材６０Ｘに相当する。このように、熱伝導部材６０Ｘは、半導体基板上に積層形成された配線層Ｌ１及びＬ２のうち、少なくとも１層の配線層を用いて形成すればよい。

図４は、配線パターンの第２例（３層型）を示す平面図である。なお、本図の（Ａ）欄では、半導体基板上に形成されたトランジスタ１０及び３１が描写されている。トランジスタ１０は、ソース領域１０Ｓ、ドレイン領域１０Ｄ、及び、ゲート酸化膜１０Ｇによって形成される単位トランジスタを複数並列に接続したものである。

本図（Ｂ）欄では、トランジスタ１０及び３１の上部に形成された１層目（下層）の配線層Ｌ１が描写されている。ソース領域１０Ｓの上部には、当該領域とコンタクトが取られたソース配線パターンＬ１Ｓが形成されている。ドレイン領域１０Ｄの上部には、当該領域とコンタクトが取られたドレイン配線パターンＬ１Ｄが形成されている。また、トランジスタ１０の周縁部分には、ゲート絶縁膜１０Ｇとコンタクトが取られたゲート配線パターンＬ１Ｇが環状に形成されている。また、トランジスタ３１の上部には、コレクタ配線パターンＬ１Ｃ、エミッタ配線パターンＬ１Ｅ、及び、ベース配線パターンＬ１Ｂがそれぞれ形成されている。

本図（Ｃ）欄では、配線層Ｌ１の上部に形成された２層目（中層）の配線層Ｌ２が描写されている。配線層Ｌ２には、ソース配線パターンＬ２Ｓ及びドレイン配線パターンＬ２Ｄが形成されている。ソース配線パターンＬ１Ｓ及びドレイン配線パターンＬ１Ｄと、ソース配線パターンＬ２Ｓ及びドレイン配線パターンＬ２Ｄとは、各々の延伸方向が互いに直交している。ソース配線パターンＬ１Ｓとソース配線パターンＬ２Ｓとの間には、互いのオーバーラップ箇所を電気的に接続するビアＶ１Ｓが形成されている。ドレイン配線パターンＬ１Ｄとドレイン配線パターンＬ２Ｄとの間には、互いのオーバーラップ箇所を電気的に接続するビアＶ１Ｄが形成されている。また、コレクタ配線パターンＬ１Ｃ、エミッタ配線パターンＬ１Ｅ、及び、ベース配線パターンＬ１Ｂの上部には、熱伝導部材Ｌ２Ｘが形成されている。ただし、各配線パターンＬ１（Ｃ、Ｅ、Ｂ）と熱伝導部材Ｌ２Ｘとの間は電気的に接続されていない。

本図（Ｄ）欄では、配線層Ｌ２の上部に形成された３層目（上層）の配線層Ｌ３が描写されている。配線層Ｌ３には、ソース配線パターンＬ３Ｓ及びドレイン配線パターンＬ３Ｄが形成されている。ソース配線パターンＬ３Ｓは、半導体装置１０の一方の半面を覆うように形成されており、ビアＶ２Ｓを介してソース配線パターンＬ２Ｓと電気的に接続されている。ドレイン配線パターンＬ３Ｄは、半導体装置１０の他方の半面を覆うように形成されており、ビアＶ２Ｄを介してドレイン配線パターンＬ２Ｄと電気的に接続されている。また、ドレイン配線パターンＬ３Ｄの一部は、熱伝導部材Ｌ３Ｘとして、熱伝導部材Ｌ２Ｘとオーバーラップする領域まで引き回されている。なお、熱伝導部材Ｌ３Ｘと熱伝導部材Ｌ２Ｘとの間には、互いを連結するビアＶ２Ｘが形成されている。

図５は、配線パターンの第２例（３層型）を示す縦断面図であり、図４で示した配線パターンの縦断面図に相当する。本図の第２例では、半導体基板上に３層の配線層Ｌ１〜Ｌ３が積層形成されている。１層目（下層）の配線層Ｌ１は、トランジスタ１０（発熱源）と電気的に接続された配線パターン１１１と、トランジスタ３１（熱検出素子）と電気的に接続された配線パターン１１２を含む。２層目（中層）の配線層Ｌ２は、配線パターン１１１の上部に形成された配線パターン１１３と、配線パターン１１２の上部に形成された配線パターン１１４を含む。３層目（上層）の配線層Ｌ３は、トランジスタ１０（発熱源）とトランジスタ３１（熱検出素子）の双方に跨って形成された配線パターン１１５を含む。なお、配線パターン１１１と配線パターン１１３との間、配線パターン１１３と配線パターン１１５との間、及び、配線パターン１１４と配線パターン１１５との間は、それぞれ、ビア１１６〜１１８を介して電気的に接続されている。一方、配線パターン１１２と配線パターン１１４とは、電気的に接続されていない。

配線層Ｌ３の配線パターン１１５に着目すると、トランジスタ１０とのオーバーラップ部分が先のドレイン配線パターンＬ３Ｄに相当し、トランジスタ１０の端縁部からトランジスタ３１の上部まで引き回されている延出部分が先の熱伝導部材Ｌ３Ｘに相当する（図４（Ｄ）を参照）。また、配線層Ｌ２の配線パターン１１４は、先の熱伝導部材Ｌ２Ｘに相当する（図４（Ｃ）を参照）。このように、３層（ないしはそれ以上）の配線層を有する半導体装置では、最上層の配線層と熱検出素子との縦方向距離が大きくなるので、中層以下の配線層も用いて縦方向に熱伝導部材を積層形成することが望ましい。

また、複数の配線層が別々の素材で形成されている場合、熱伝導部材は、最も熱伝導率の高い配線層を用いて形成することが望ましい。例えば、配線層Ｌ１がアルミニウムで形成されており、配線層Ｌ２及びＬ３が銅で形成されている場合には、より熱伝導率の高い配線層Ｌ２及びＬ３を用いて熱伝導部材Ｌ２Ｘ及びＬ３Ｘを形成することが望ましい。言い換えると、熱伝導部材として用いられる配線層は、他の配線層よりも熱伝導率の高い素材で形成することが望ましい。

図６は、第１実施形態の一変形例を示す平面図である。本図（Ａ）欄の熱伝導部材９０は、トランジスタ１０と電気的に接続された配線パターン６０を流用したものではなく、トランジスタ１０及び熱検出素子３１のいずれとも電気的に接続されていないダミー配線パターンを用いて形成されている。

このような構成とすることにより、配線パターン６０と熱伝導部材９０を異なる電位点に接続することが可能となる。例えば、本図（Ａ）欄で示したように、熱伝導部材９０を接地端に接続しておけば、熱伝導部材９０が受けたノイズを接地端に素早く逃がすことができるので、ノイズによる過熱保護回路３０の誤動作を低減することが可能となる。

なお、熱伝導部材９０は、本図（Ｂ）欄で示したように、発熱源であるトランジスタ１０の少なくとも一部とオーバーラップしていればよい。このような構成であれば、配線パターン５０及び６０のサイズを不必要に縮小することなく、配線パターン５０及び６０から電位的に独立した熱伝導部材９０を形成することが可能となる。

＜第２実施形態＞
図７は、半導体装置の第２実施形態（スイッチングレギュレータＩＣへの適用）を示す模式図である。なお、本図の（Ａ）欄は半導体装置２の平面図（上面図）であり、（Ｂ）欄は半導体装置２のブロック図である。

第２実施形態の半導体装置２は、Ｐチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ２１０Ｈ及びＮチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ２１０Ｌと、ドライバ２２０と、過熱保護回路２３０と、配線パターン２４０〜２６０と、パッド２７０〜２９０と、を有する。

トランジスタ２１０Ｈは、半導体基板に集積化された上側パワートランジスタであり、パッド２７０（入力電圧Ｖｉの入力端）とパッド２８０（スイッチ電圧Ｖｓｗの出力端）との間に接続されている。接続関係について具体的に説明すると、トランジスタ２１０Ｈのソースは、配線パターン２４０を介してパッド２７０と接続されている。トランジスタ２１０Ｈのドレインは、配線パターン２５０を介してパッド２８０と接続されている。トランジスタ２１０Ｈのゲートは、ドライバ２２０の第１出力端に接続されている。

トランジスタ２１０Ｌは、半導体基板に集積化された下側パワートランジスタであり、パッド２８０とパッド２９０（接地端）との間に接続されている。接続関係について具体的に説明すると、トランジスタ２１０Ｌのドレインは、配線パターン２５０を介してパッド２８０と接続されている。トランジスタ２１０Ｌのソースは、配線パターン２６０を介してパッド２９０と接続されている。トランジスタ２１０Ｌのゲートは、ドライバ２２０の第２出力端に接続されている。

ドライバ２２０は、トランジスタ２１０Ｈ及び２１０Ｌを相補的にオン／オフさせるように、トランジスタ２１０Ｈ及び２１０Ｌのゲート電圧を各々生成する。なお、ここでの「相補的」とは、トランジスタ２１０Ｈ及び２１０Ｌのオン／オフ状態が完全に逆転している場合だけでなく、貫通電流防止の観点から、トランジスタ２１０Ｈ及び２１０Ｌの同時オフ期間が設けられている場合も含む。このようなオン／オフ制御を行うことにより、入力電圧Ｖｉと接地電圧ＧＮＤとの間でパルス駆動される矩形波状のスイッチ電圧Ｖｓｗを生成することができる。なお、半導体装置２の外部において、スイッチ電圧Ｖｓｗを平滑化することにより、所望の出力電圧Ｖｏを生成することができる。

過熱保護回路２３０は、半導体基板に集積化された熱検出素子２３１を含み、ジャンクション温度Ｔｊが所定の閾値温度Ｔｊｍａｘ（例えば１５０℃や１７５℃）を上回っているか否かを監視して過熱保護信号Ｓ２を生成する。ドライバ２２０は、過熱保護信号Ｓ２が過熱検出時の論理レベル（例えばローレベル）になると、トランジスタ２１０Ｈ及び２１０Ｌをいずれも強制的にオフさせる。このような過熱保護動作により、半導体装置２の安全性を高めることができる。

なお、第２実施形態の半導体装置２では、トランジスタ２１０Ｈ及び２１０Ｌのオン／オフに伴うスイッチングノイズが発生しやすい。そのため、スイッチングノイズによる過熱保護回路２３０の誤動作を防ぐための手段として、トランジスタ２１０Ｈ及び２１０Ｌと過熱保護回路４２０との間に緩衝帯２００を設置することが望ましい。

配線パターン２４０は、トランジスタ２１０Ｈのソースとパッド２７０とを電気的に接続する導電部材（入力ライン）である。配線パターン２５０は、トランジスタ２１０Ｈ及び２１０Ｌのドレインとパッド２８０とを電気的に接続する導電部材（出力ライン）である。また、配線パターン２６０は、トランジスタ２１０Ｌのソースとパッド２９０とを電気的に接続する導電部材（接地ライン）である。なお、配線パターン２４０〜２６０は、いずれも、導電率の高い金属（アルミニウム、銅、銀、または、金）をパターニングすることによって形成される。

パッド２７０は、入力電圧Ｖｉの入力端に相当する金属電極であり、不図示の入力端子にワイヤボンディングされている。パッド２８０は、スイッチ電圧Ｖｓｗの出力端に相当する金属電極であり、不図示のスイッチ端子にワイヤボンディングされている。また、パッド２９０は、接地電圧ＧＮＤの印加端に相当する金属電極であり、不図示の接地端子にワイヤボンディングされている。

第２実施形態の半導体装置２においても、先の第１実施形態と同様、過熱保護回路２３０の回路構成ではなく、半導体基板上の配線レイアウトパターンを工夫することにより、過熱保護回路２３０の感度や精度を向上している。より具体的に述べると、第２実施形態の半導体装置２では、発熱源の一つとなるトランジスタ２１０Ｌのソースと電気的に接続された配線パターン２６０の一部を熱検出素子２３１まで引き回すことにより、熱検出素子２３１にオーバーラップした熱伝導部材２６０Ｘが形成されている。

このような構成とすることにより、過熱保護回路２３０では、正確かつ迅速にトランジスタ１０の発熱を検出することができるようになるので、過熱保護回路２３０の感度や精度を向上することが可能となる。

なお、第２実施形態の半導体装置２では、トランジスタ２１０Ｈ及び２１０Ｌと電気的に接続された配線パターン２４０〜２６０のうち、最もノイズの重畳が少ない配線パターン２６０（接地ライン）を一部流用して熱伝導部材２６０Ｘが形成されている。このような構成とすることにより、ノイズによる過熱保護回路２３０の誤動作を低減することが可能となる。特に、矩形波状のスイッチ電圧Ｖｓｗが印加される配線パターン２５０には、スイッチングノイズが重畳しやすいので、配線パターン２５０を熱伝導部材として流用することは避けた方が良い。

＜電子機器への適用例＞
図８はパーソナルコンピュータＸの外観図であり、図９はテレビＹの外観図である。このような電子機器の電源ＩＣとして、先述の半導体装置１ないし２を用いれば、電子機器の安全性や信頼性を高めることが可能となる。

＜その他の変形例＞
ただし、本発明の適用対象は上記に限定されるものではなく、過熱保護回路を備えた半導体装置全般（例えば、電源ＩＣ、電源ドライバＩＣ、パワーマネジメントＩＣ、ロードスイッチＩＣ、モータドライバＩＣ、及び、リセットＩＣなどのパワーデバイス全般）に本発明を適用することが可能である。

また、本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

本発明は、半導体装置の安全性や信頼性を高めるために利用することが可能である。

１、２ 半導体装置
１０ Ｐチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ（発熱源）
１０Ｓ ソース領域
１０Ｄ ドレイン領域
１０Ｇ ゲート酸化膜
２０ オペアンプ
３０ 過熱保護回路
３１ ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ（熱検出素子）
３２ バンドギャップ電源部
３３〜３５ 抵抗
３６、３７ インバータ
４０ａ、４０ｂ 抵抗
５０、６０ 配線パターン
６０Ｘ 熱伝導部材（配線パターン６０の一部を流用）
７０、８０ パッド
９０ 熱伝導部材（ダミー配線パターン）
１０１〜１０３、１１１〜１１５ 配線パターン
１０４、１１６〜１１８ ビア
２００ 緩衝帯
２１０Ｈ Ｐチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ（発熱源）
２１０Ｌ Ｎチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ（発熱源）
２２０ ドライバ
２３０ 過熱保護回路
２３１ 熱検出素子
２４０、２５０、２６０ 配線パターン
２６０Ｘ 熱伝導部材（配線パターン２６０の一部を流用）
２７０、２８０、２９０ パッド
Ｌ１〜Ｌ３ 配線層
Ｘ パーソナルコンピュータ
Ｙ テレビ

Claims (5)

1. 半導体基板上に形成された発熱源及び熱検出素子と、
   前記半導体基板よりも高い熱伝導率を持ち前記発熱源及び前記熱検出素子の双方に跨って形成された熱伝導部材と、
   を集積化して成り、
   前記発熱源は、スイッチング制御されるパワートランジスタであり、
   前記熱伝導部材は、前記発熱源と電気的に接続された複数の配線パターンのうち、前記熱検出素子と電気的に接続されておらず、かつ、最もノイズの重畳が少ない接地ラインの一部を前記熱検出素子まで引き回して形成されるものであって、前記半導体基板上に形成された第１配線層及びその上層に積層形成された第２配線層のうち、より熱伝導率の高い前記第２配線層を用いて形成されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記第１配線層は、前記発熱源と電気的に接続された第１配線パターンと、前記熱検出素子と電気的に接続された第２配線パターンと、を含み、
   前記第２配線層は、前記発熱源と前記熱検出素子の双方に跨って形成された第３配線パターンを含み、
   前記第１配線パターンと前記第３配線パターンは、電気的に接続されている一方、前記第２配線パターンと前記第３配線パターンは、電気的に接続されておらず、
   前記第３配線パターンのうち、前記発熱源の端縁部から前記熱検出素子に向けて引き回されている延出部分が前記熱伝導部材に相当することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記パワートランジスタと前記熱検出素子を含む過熱保護回路との間に設置されて前記パワートランジスタのオン／オフに伴うスイッチングノイズによる前記過熱保護回路の誤動作を防ぐ緩衝帯をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記パワートランジスタとして、電源端と接地端との間に直列接続される上側パワートランジスタ及び下側パワートランジスタを有し、
   前記熱伝導部材は、前記下側パワートランジスタと前記接地端との間に敷設された前記接地ラインの一部を前記熱検出素子の上部まで引き回して形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置を有する電子機器。