JPH0661414A - 半導体集積回路装置の温度異常検出回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体集積回路装置の温度異常を容易に検出
し、精度の高い温度設定が可能とされる半導体集積回路
装置の温度異常検出回路を提供する。 【構成】 半導体集積回路装置の半導体チップ上に形成
され、半導体チップの異常な温度上昇を検出し、異常温
度時に温度異常信号を出力する温度異常検出回路であっ
て、温度の状態を出力する温度検出回路１１と、設計お
よび製造段階で設定された温度設定回路１２と、温度検
出回路１１と温度設定回路１２の出力の比較回路１３
と、精度が低下する場合の補正回路とから構成されてい
る。そして、温度検出回路１１が設定温度以上になった
時に、温度検出回路１１と温度設定回路１２の温度の変
化による出力の変化係数の違いによって両回路１１，１
２の出力差が大きくなり、比較回路１３から温度異常信
号の割込み信号が出力される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路装置の
温度検出技術に関し、特に冷却系の故障などの原因で半
導体集積回路装置の異常な温度上昇を検出し、異常温度
による半導体集積回路の故障を防ぎ、保護することが可
能とされる半導体集積回路装置の温度異常検出回路に適
用して有効な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば、半導体集積回路装置におい
て、消費電力を高めることにより速度を速くしている高
速用半導体集積回路では、冷却系が故障すると瞬時に温
度が上昇する。これは、システム全体に大きな影響を与
えることにつながるため、温度異常時に瞬時に異常を検
出することが課題となっている。

【０００３】そこで、電気的に温度を検出する方法とし
て、たとえば温度ヒューズやサーモスタット、熱電対を
使用する方法、または半導体集積回路装置のチップ上に
設けたダイオードやトランジスタなどの素子特性が変化
することを利用してチップの温度を検出する方法、さら
にその応用として半導体集積回路装置のチップ上の設定
温度時の素子特性を半導体集積回路で記憶させ、素子の
出力と回路により記憶された出力との双方を比較して異
常温度を検出する方法などが知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記のよう
な従来技術においては、半導体集積回路の保護を目的に
適用した場合、それぞれに次のような問題点がある。

【０００５】(1).温度ヒューズを使用する方法は、保護
装置が作動する毎にヒューズを取替える必要があること
と、感熱部を半導体チップに接触させる必要があるた
め、ヒューズを取替える工程には、パッケージの開封
後、ヒューズ交換、再封止の工程となる。

【０００６】これでは、半導体集積回路装置自体を取替
えるコストと比べて安くならない。その上、バイメタル
は感熱部の熱膨張を利用するため、機械的に稼働可能な
状態で半導体チップ上に熱的に安定した状態に接触させ
続けることは困難である。

【０００７】(2).熱電対を使用する方法は、半導体チッ
プに接触させた感熱部と正確な温度を知ることのできる
温度定点との間を配線する必要があり、そのために実装
密度の低下やコスト増を招くことになる。

【０００８】このように、上記(1) の温度ヒューズを使
用する方法、上記(2) の熱電対を使用する方法では、実
装上、新たな工程が必要となる。

【０００９】(3).半導体集積回路装置のチップ上に設け
たダイオードなどの素子特性の温度変化を利用する方法
は、上記のような工程が増えることはないものの、素子
特性が温度変化だけでなく製造条件によってもばらつく
ため、半導体チップの１個１個について作動温度を校正
する必要がある。

【００１０】(4).半導体集積回路チップの温度異常を検
出する方法（たとえば特開昭６３−１２８２７６号公
報）は、校正を容易にし、図４に示すような温度の状態
を出力する温度検出回路１の出力Ｖa と、温度特性の違
う回路の出力Ｖb とをモニタ用端子で観測することによ
り行うものである。

【００１１】すなわち、割込み信号を出力すべき温度の
時に、温度検出回路１の出力Ｖc をＶa と同じ値になる
ように書込み端子によって抵抗値を変更することによっ
て電圧を分圧する。そして、この温度検出回路１と記憶
回路２との出力を比較回路３で比較することにより、異
常温度時に割込み信号を出力する方法である。

【００１２】しかしながら、この方法では、記憶回路２
に変化量の違う同タイプの温度検出回路１の出力を使用
しているため、温度による変化量は、 ΔＶa ／ΔＴ＜ΔＶc ／ΔＴ＜０ であるため、温度による変化の傾きが同じとなるため、
設定温度付近では双方の出力の差は少なくなる。従っ
て、比較回路３の微妙な特性の変化がばらつくことに伴
い、温度異常時の割込み信号が出力される時の温度にば
らつきが生じ、また温度を記憶する際には、半導体チッ
プの温度が判る環境に入れる必要がある。

【００１３】以上のように、従来の電気的に温度を検出
する方法においては、それぞれに実装上の工程増、素子
特性のばらつき、回路特性の変化などが問題となり、精
度の高い温度検出ができないという問題がある。

【００１４】そこで、本発明の目的は、半導体集積回路
装置の温度異常を容易に検出し、精度の高い温度設定を
行うことができる半導体集積回路装置の温度異常検出回
路を提供することにある。

【００１５】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
下記のとおりである。

【００１７】すなわち、本発明の半導体集積回路装置の
温度異常検出回路は、半導体集積回路装置の異常な温度
上昇を検出し、異常温度時に論理的に意味のある温度異
常信号を出力する半導体集積回路装置の温度異常検出回
路であって、半導体チップ上に設けられ、温度の変化に
より出力が変化する温度検出回路と、設定温度時の温度
検出回路の出力を算出し、設計および製造段階で、算出
した出力と同じレベルの出力になるように定電流回路と
抵抗を利用して設定した温度設定回路と、温度検出回路
の出力と温度設定回路の出力を比較し、半導体チップが
設定温度以上の温度の状態にあるときに温度異常信号を
出力する比較回路とを備えるものである。

【００１８】

【作用】前記した半導体集積回路装置の温度異常検出回
路によれば、温度検出回路、温度設定回路および比較回
路が備えられることにより、温度検出回路と温度設定回
路の温度の変化による出力の変化係数の違いによって設
定温度以外の温度で温度検出回路と温度設定回路の出力
差を大きくすることができる。

【００１９】これにより、比較回路の回路特性のばらつ
きなどに影響されることなく、検出精度の高い温度異常
信号を出力することができる。

【００２０】また、温度設定回路の出力を製造後に変更
可能とすることにより、温度設定回路の電流量の変化に
よって温度設定回路の出力を変化させ、製造ばらつきな
どの影響を除き、設定温度の補正を行うことができる。

【００２１】さらに、温度設定回路における定電流回路
の構成上、電流量の変化が困難な場合には、補正回路を
設けることにより抵抗値を変化可能とすることができ
る。

【００２２】

【実施例】図１は本発明の一実施例である半導体集積回
路装置の温度異常検出回路を示すブロック図、図２は本
実施例の温度異常検出回路の構成図、図３は図２に補正
回路を追加した場合の構成図である。

【００２３】まず、図１により本実施例の半導体集積回
路装置の温度異常検出回路の構成を説明する。

【００２４】本実施例の温度異常検出回路は、たとえば
半導体集積回路装置の半導体チップ上に形成され、半導
体チップの異常な温度上昇を検出し、異常温度時に温度
異常信号を出力する温度異常検出回路とされ、温度の状
態を出力する温度検出回路１１と、設計および製造段階
で設定された温度設定回路１２と、温度検出回路１１と
温度設定回路１２の出力の比較回路１３と、精度が低下
する場合の補正回路１４とから構成されている。

【００２５】そして、設定温度以上の温度状態、すなわ
ち温度検出回路１１が設定温度になった時、または設定
温度に近づいた時に比較回路１３から温度異常信号の割
込み信号（ＩＮＴ）が出力される。すなわち、温度検出
回路１１と温度設定回路１２の温度の変化による出力の
変化係数の違いが利用され、設定温度以外の温度で温度
検出回路１１と温度設定回路１２の出力差が大きくなる
ことにより比較回路１３の設定温度の検出精度が向上さ
れるようになっている。

【００２６】温度検出回路１１は、たとえば図２に示す
ようにダイオードの順方向降下電圧の温度依存性などの
温度特性が利用され、温度の変化により温度に依存する
信号が出力される。

【００２７】温度設定回路１２は、たとえば定電流回路
と抵抗が利用され、設定温度時の温度検出回路１１の出
力が算出され、設計および製造段階で、算出された出力
と同じレベルの出力になるように設定される。

【００２８】比較回路１３は、温度検出回路１１の出力
と温度設定回路１２の出力が比較され、半導体チップが
設定温度以上の温度の状態にあるときに温度異常信号が
出力される。

【００２９】補正回路１４は、たとえば製造ばらつきな
どによって精度が低下する場合に、割込み信号が出力さ
れる温度に誤差ができるので、温度設定回路１２におけ
る定電流回路の構成上、温度設定回路１２の電流量の変
化が困難な場合に抵抗値が変化可能とされる。

【００３０】次に、本実施例の作用について、始めに温
度異常検出動作を説明する。

【００３１】まず、ダイオードの順方向降下電圧の温度
特性を利用した温度検出回路１１の出力は、温度が高く
なることによって出力電圧は低くなる。一方、温度設定
回路１２では、定電流回路と抵抗によって構成されるた
め、その出力は電流値と抵抗値が変化しない限り一定と
なる。

【００３２】この場合に、定電流回路はトランジスタと
抵抗で構成され、従って定電流回路の電流値は、印加電
圧値（Ｖee，Ｖbb）の差からトランジスタのベース、エ
ミッタ間の電圧値Ｖbeを引いた電圧値と、抵抗値Ｒで決
定される。

【００３３】よって、電流値Ｉf は、 Ｉf ＝（Ｖee−Ｖbb−Ｖbe）／Ｒ となる。

【００３４】また、温度設定回路１２の出力電圧値Ｖf
は、 Ｖf ＝Ｉf ×Ｒf ＝（Ｖee−Ｖbb−Ｖbe）×Ｒf ／Ｒ となる。

【００３５】さらに、抵抗値も温度に依存するが、同プ
ロセスにおいて作成された抵抗は、温度による変化率が
ほぼ等しいのでＲf ／Ｒは一定となる。これにより、設
定温度の電圧値Ｖｆは、抵抗の温度特性によって影響を
受けない。

【００３６】しかし、トランジスタのベース、エミッタ
間の電圧値Ｖbeは温度に依存するため、温度設定回路１
２の電圧値Ｖf は温度により（−Ｖbe）×Ｒf ／Ｒだけ
変化する。また、温度検出回路１１にも同様の定電流回
路を使用しているが、ダイオードの電流特性は電圧に対
して指数的に変化するので、定電流回路の電流変化量に
はほとんど影響を受けない。

【００３７】そこで、本実施例における温度検出回路１
１と温度設定回路１２の出力は、設定温度より低い温度
のときには温度検出回路１１の電圧値Ｖe が温度設定回
路１２の電圧値Ｖf より低い状態にある。一方、設定温
度を超えると、温度設定回路１２の電圧値Ｖf が温度検
出回路１１の電圧値Ｖe より高くなる。

【００３８】これにより、この２つの電圧値Ｖf ，Ｖe
を比較し、温度設定回路１２の電圧値Ｖf が温度検出回
路１１の電圧値Ｖe を超えるか、または超えそうになっ
たときに比較回路１３により割込み信号を出力する。

【００３９】次に、製造ばらつきなどによって精度が低
下する場合に割込み信号が出力される温度に誤差ができ
るので、それを補正する方法について説明する。

【００４０】この補正には、抵抗値を変更する方法と電
流量を変更する方法があり、定電流回路の電流値が変化
できない場合には抵抗値で補正する。

【００４１】この抵抗値で補正する方法は、たとえば検
査工程内の恒温槽を使用する検査時など、半導体チップ
の温度が半導体集積回路装置外で確認できる環境下で、
補正回路１４にて温度設定回路１２の設定温度を補正す
れば、設定温度時の特性ばらつきなどは除外できること
になる。また、温度設定回路１２には温度検出回路１１
を使用しない構成のため、比較回路１３が割込み信号を
出力する温度は従来の回路より設定値に近い温度で出力
される。

【００４２】たとえば、図３に示すような回路構成の補
正回路１４を使用し、温度設定回路１２の出力は温度設
定回路１２と補正回路１４の抵抗値の合計で決定される
ことになる。すなわち、補正回路１４の全体の抵抗値
は、割込み信号を出力する温度のばらつきを補正できる
範囲になっている必要がある。

【００４３】本実施例の補正の場合は、温度検出回路１
１の温度特性と共に温度設定回路１２も温度特性を持っ
ているため、双方の特性を補正する必要がある。

【００４４】そこで、補正回路１４の抵抗値を考慮し、
補正回路１４の抵抗値をＲg とすると、温度設定回路１
２の出力電圧値Ｖfgは、 Ｖfg＝Ｉfg×（Ｒf ＋Ｒg ）＝（Ｖee−Ｖbb−Ｖbe）×（Ｒf ＋Ｒg ）／Ｒ となる。

【００４５】また、補正回路１４の抵抗値Ｒg は、図３
の電圧値Ｖe ，Ｖfgの電圧をモニタ端子で観測し、Ｖe
とＶfg が一致するような抵抗の組合せで補正用端子に
電圧を加え、ヒューズを切ることで抵抗値Ｒg を設定で
きる。なお、これらの端子は温度補正時のみ必要となる
ので、温度設定時か否かを設定する信号ピンを設ければ
他のピンと共用することができる。

【００４６】続いて、電流値を変化させて補正する方法
は、定電流回路の構成によって異なるが、定電流回路の
電流値の設定精度で補正可能となる。たとえば、図２の
回路構成で補正可能であり、温度設定回路１２の電流値
Ｉf と出力電圧値Ｖf は、 Ｉf ＝（Ｖee−Ｖbb−Ｖbe）／Ｒ Ｖf ＝（Ｖee−Ｖbb−Ｖbe）×Ｒf ／Ｒ であり、設定温度時にトランジスタのベース、エミッタ
間の電圧値Ｖbeは一定となるから、（Ｖee−Ｖbb）の電
圧差の変化で電流値が変更できる。

【００４７】これにより、電流値が変化することによっ
て温度設定回路１２の出力電圧値Ｖf も変化するため、
電圧差を変更すれば補正が可能となる。

【００４８】従って、本実施例の半導体集積回路装置の
温度異常検出回路によれば、温度検出回路１１と温度設
定回路１２の温度の変化による出力の変化係数の違いに
より、設定温度以外の温度で温度検出回路１１と温度設
定回路１２の出力差を大きくし、検出精度の高い温度異
常信号を出力することができる。

【００４９】この場合に、温度設定回路１２の電流量を
変化させたり、または抵抗値の変化可能な補正回路１４
を設けることにより、製造ばらつきなどの影響を除き、
設定温度を補正することができる。

【００５０】以上、本発明者によってなされた発明を実
施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例
に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲
で種々変更可能であることはいうまでもない。

【００５１】たとえば、本実施例の補正回路１４につい
ては、ヒューズを用いた場合について説明したが、本発
明は前記実施例に限定されるものではなく、ヒューズの
代わりにトランジスタなどの電気的なスイッチング素子
を用いる場合についても広く適用可能である。

【００５２】このように、スイッチの機能を有するもの
を使用すれば、設定温度がずれた場合に再度設定可能と
なり、またスイッチのＯＮ／ＯＦＦの記憶については、
不揮発性のメモリなどを使用すれば記憶可能となる。さ
らに、補正する精度は抵抗の数が多いほど向上する。

【００５３】また、温度設定回路１２の抵抗値も補正回
路１４と同様に変更可能な構成にすれば、設定温度も変
更可能となり、この場合は温度設定回路１２の抵抗値で
温度の大まかな設定をし、補正回路１４の抵抗値で厳密
な設定をする。また、補正回路１４を複数設ければ、温
度の補正範囲を広くすることも、厳密な補正をすること
も可能となる。

【００５４】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、
下記のとおりである。

【００５５】(1).半導体チップ上に設けられ、温度の変
化により出力が変化する温度検出回路と、設定温度時の
温度検出回路の出力を算出し、設計および製造段階で、
算出した出力と同じレベルの出力になるように定電流回
路と抵抗を利用して設定した温度設定回路と、温度検出
回路の出力と温度設定回路の出力を比較し、半導体チッ
プが設定温度以上の温度の状態にあるときに温度異常信
号を出力する比較回路とを備えることにより、温度検出
回路と温度設定回路の温度の変化による出力の変化係数
の違いによって設定温度以外の温度で温度検出回路と温
度設定回路の出力差を大きくすることができるので、比
較回路の回路特性のばらつきなどに影響されることな
く、検出精度の高い温度異常信号の出力が可能となる。

【００５６】(2).前記(1) により、温度設定回路の出力
を製造後に変更可能とすることにより、温度設定回路の
電流量の変化によって温度設定回路の出力を変化させる
ことができるので、製造ばらつきなどの影響を除き、設
定温度の補正が可能となる。

【００５７】(3).前記(1) により、温度設定回路におけ
る定電流回路の構成上、電流量の変化が困難な場合に
は、抵抗値を変化可能とする補正回路を設けることによ
り、前記(2) と同様に設定温度の補正により精度の高い
温度設定が可能となる。

【００５８】(4).前記(1) により、補正を必要としない
条件下では、設計段階で温度が設定できるので、製造後
の校正を必要とすることのない温度異常検出回路を得る
ことができる。

【００５９】(5).前記(1) 〜(3) により、半導体集積回
路装置の温度異常を容易に検出することができ、設定温
度の補正により高精度な温度設定が可能とされる半導体
集積回路装置の温度異常検出回路を得ることができる。

【００６０】(6).前記(1) 〜(3) により、半導体集積回
路装置内の温度異常検出回路の面積を増加させる必要も
なく、温度異常の検出精度の向上が可能とされる半導体
集積回路装置の温度異常検出回路を得ることができる。

【００６１】(7).前記(1) 〜(3) により、半導体集積回
路装置の異常な温度上昇を検出し、異常温度による半導
体集積回路の故障を防ぎ、保護することが可能とされる
半導体集積回路装置の温度異常検出回路を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である半導体集積回路装置の
温度異常検出回路を示すブロック図である。

【図２】本実施例の温度異常検出回路を示す構成図であ
る。

【図３】本実施例の温度異常検出回路において、図２に
補正回路を追加した場合の構成図である。

【図４】従来技術の一例である半導体集積回路装置の温
度異常検出回路を示す構成図である。

【符号の説明】

１ 温度検出回路 ２ 記憶回路 ３ 比較回路 １１ 温度検出回路 １２ 温度設定回路 １３ 比較回路 １４ 補正回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西川 秀樹 神奈川県秦野市堀山下１番地 株式会社日 立製作所神奈川工場内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体集積回路装置の異常な温度上昇を
   検出し、異常温度時に論理的に意味のある温度異常信号
   を出力する半導体集積回路装置の温度異常検出回路であ
   って、半導体チップ上に設けられ、温度の変化により出
   力が変化する温度検出回路と、設定温度時の前記温度検
   出回路の出力を算出し、設計および製造段階で、算出し
   た出力と同じレベルの出力になるように定電流回路と抵
   抗を利用して設定した温度設定回路と、前記温度検出回
   路の出力と前記温度設定回路の出力を比較し、前記半導
   体チップが設定温度以上の温度の状態にあるときに温度
   異常信号を出力する比較回路とを備え、前記温度検出回
   路と前記温度設定回路の温度の変化による出力の変化係
   数の違いにより、設定温度以外の温度で前記温度検出回
   路と前記温度設定回路の出力差を大きくして前記比較回
   路から温度異常信号を出力することを特徴とする半導体
   集積回路装置の温度異常検出回路。