WO2015098379A1 - 半導体装置およびその設計方法 - Google Patents

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length
heat source
semiconductor device
space
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光太郎 岩田
邦昌 田中
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ローム株式会社
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    • H01L27/0285—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection for MOS devices using field effect transistors as protective elements bias arrangements for gate electrode of field effect transistors, e.g. RC networks, voltage partitioning circuits

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device and a design method thereof, and particularly relates to a semiconductor device including a heat source element and a temperature sensitive element.
  • a heat source element generally corresponds to, for example, a bipolar type or MIS type power transistor in which several hundred mA to several A flows.
  • the temperature-sensitive element refers to a semiconductor element that detects the temperature of the semiconductor chip on which the power transistor is formed, particularly the junction temperature of the power transistor itself.
  • an active element such as a transistor or a passive element such as a diode or a resistor is used.
  • the heat source element and the temperature sensitive element are employed in, for example, a voltage regulator and a DC / DC converter.
  • a large current flows between the collector and the emitter of the transistor
  • a large current flows between the source and the drain. Consumes a lot of power. For example, when 200 mA flows between the source and drain of the MIS transistor and a voltage of 8 V is applied between both electrodes, the power consumption of the MIS transistor is 1.6 W.
  • a temperature sensitive element is arranged in the semiconductor chip, particularly in the vicinity of the power transistor, detects the temperature of the semiconductor chip, and when the temperature reaches a predetermined temperature, The operation of the semiconductor element or the entire semiconductor device is interrupted to prevent deterioration or destruction of the semiconductor device due to overheating.
  • Patent Document 1 discloses a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device and a semiconductor integrated circuit device.
  • a temperature detection circuit unit that detects the temperature during operation of the power MIS transistor and stops the operation of the power MIS transistor when the temperature is equal to or higher than a predetermined value.
  • a temperature detection circuit region is arranged in the center of the power MOSFET region. The temperature detection sensitivity can be improved by arranging the temperature detection circuit region in the center of the power MOSFET region where the temperature becomes highest during the operation of the power IC, and the protection operation of the power IC can be reliably performed at an appropriate time. I can do it.
  • Patent Document 2 discloses a temperature detection circuit and an overheat protection circuit.
  • a diode having temperature dependency is provided in the temperature detection circuit, and the output transistor is arranged so as to surround the diode.
  • the diode having temperature dependency is desired to be provided in the vicinity of the output transistor in terms of efficiency and accuracy, and the diode is arranged at the center of the output transistor (see Patent Document 2 and FIG. 5).
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 are common in that they have a heat source element and a temperature sensitive element, and the temperature sensitive element is arranged in the vicinity of the heat source element.
  • the reason for arranging both elements adjacent to each other is also the same. That is, this is to improve the temperature detection sensitivity of the heat source element (power transistor).
  • the inventor accounts for the ratio of the heat source element to the semiconductor chip as compared with the past.
  • the optimum arrangement of the heat source element and the temperature sensitive element disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 was examined. I tried to.
  • the present invention provides a semiconductor device capable of improving the temperature detection accuracy of the temperature sensing element and efficiently arranging the thermal protection circuit including the temperature sensing element on the semiconductor chip, and a design method thereof. is there.
  • the semiconductor device includes a heat source element and a temperature sensitive element.
  • the shape of the heat source element in plan view includes a first side (11) and a second side (12) extending in a direction away from the first side (11) by a first distance x3 on the same line as the first side (11).
  • the third side (13) has the second distance y1 and the same length as the first distance x3 in the substantially vertical direction of the first side (11) and the second side (12).
  • a fourth side (14) connecting one end of the first side (11) and one end of the third side (13), and a second side connecting the one end of the second side (12) and the other end of the third side (13).
  • the fifth side (15) and the 6th side shown by length y0 which is the same as the direction where the other end of the 1st side (11) is connected and the 4th side (14) extends, and is longer than that (16) is connected to the other end of the second side (12), and one end thereof is the same as the direction in which the fifth side (15) extends, and the seventh side indicated by a longer length y0 ( 17) and an eighth side (18) connecting the other ends of the sixth side (16) and the seventh side (17).
  • the eighth side (18) has a length x0, and the temperature sensitive element is disposed in the vicinity of the third side (13).
  • a semiconductor device includes a heat source element and a temperature sensitive element in a semiconductor chip, and the heat source element includes two opposing regions that sandwich the space portion and a connecting region that connects the two opposing regions.
  • the temperature sensing element is arranged in a space near the connection area.
  • a semiconductor device design method in which a concave heat source element having a space portion is divided into three regions, and the size and shape of the divided regions and space portions are determined.
  • a step, a second step of executing a heat distribution simulation of the heat source element and the space determined in the first step, a third step of analyzing a simulation result executed in the second step, and a simulation obtained in the third step And a fourth step of determining the size of the three regions and the space based on the result.
  • the concave heat source elements constituting the semiconductor device of the present invention are set to a predetermined shape size determined based on a heat distribution simulation.
  • a space portion having a predetermined shape and size is defined, the temperature sensitive element can be efficiently arranged in the space portion, and the temperature detection sensitivity and detection accuracy can be increased.
  • FIG. 1 is a schematic view of a semiconductor device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a layout view of a heat source element and a temperature sensitive element shown in FIG. 1.
  • transformation figure of FIG. FIG. 3 is another modified view of FIG. 2.
  • the temperature gradient figure of the heat distribution simulation shown in FIG. The temperature gradient figure of the heat distribution simulation shown in FIG.
  • FIG. 1 is a schematic view of a semiconductor device according to the present invention.
  • a heat source element HSE and a temperature sensitive element TE are formed on a semiconductor chip SCH having a silicon substrate.
  • the heat source element HSE in the present invention includes output transistors used in voltage regulators, DC / DC converters, and the like, bipolar transistors serving as heat sources such as power transistors, MIS transistors, and the like.
  • the temperature sensitive element TE includes a semiconductor element having a function of a so-called temperature sensor provided for monitoring the temperature of the heat source element HSE, in particular, a transistor, a diode, a resistor, and the like.
  • the planar view shape of the heat source element HSE is formed in a concave shape.
  • the heat source element HSE is configured by opposing regions hse1 and hse2 having a relatively large area and a connecting region hse3 having a relatively small area.
  • the areas of the opposing region hse1 and the opposing region hse2 are substantially the same.
  • the area of the opposing region hse1 is represented by a product of a length x1 and a length y0 extending in the direction X and the direction Y, respectively.
  • the area of the opposing region hse2 is represented by a product of a length x2 and a length y0 extending in the direction X and the direction Y, respectively.
  • the areas of the opposing region hse1 and the opposing region hse2 are the same.
  • the area of both is set to be the same, but for the convenience of various semiconductor elements and bonding pads arranged around the heat source element HSE, wiring connecting the semiconductor elements, the areas of both are set. It is possible that the will be different.
  • connection region hse3 The area of the connection region hse3 is represented by a product of a length x3 and a length y2 extending in the direction X and the direction Y, respectively.
  • the connection region hse3 is located between the opposing region hse1 and the opposing region hse2, and connects the two opposing regions hse1 and hse2.
  • the thermal protection circuit TSD is disposed in a space SP formed by providing the connection region hse3 between the opposing region hse1 and the opposing region hse2.
  • the temperature sensitive element TE functioning as a temperature sensor is one of the thermal protection circuits TSD.
  • the distance y3 from the center portion Tc of the temperature sensing element TE to one side of the connection region hse3 is set to be shorter than the shortest distances x31a and x31b from the center portion Tc of the temperature sensing element TE to the opposing regions hse1 and hse2. This is because heat is conducted from the three directions of the opposing region hse1, the opposing region hse2, and the coupling region hse3 to the entire temperature sensing element TE, but there is no heat source element HSE on the opposite side of the coupling region hse3. This is because the heat conduction in the direction Y is weaker than the heat conduction in the direction X.
  • the distance between one side of the connection region hse3 and the center portion Tc of the temperature sensing element TE is shortened. More preferably, the distance from the center of the connection region hse3 to the center Tc of the temperature sensing element TE is shorter than the distance from the center of the opposing regions hse1 and hse2 to the center Tc of the temperature sensing element TE. It is to be.
  • connection region hse3 and the opposing regions hse1 and hse2 is the highest, and the distance from the center portion of the connection region hse3 to the center portion Tc of the temperature sensing element TE is shortened. This is because heat conduction from the region hse3 to the temperature sensing element TE is increased and performed quickly.
  • the length y0 in the direction Y of the heat source element HSE is constant, the area of the connection region hse3 and the space portion SP are in an inversely proportional relationship. That is, if the length y1 is increased, the length y2 is decreased. Conversely, if the length y2 is increased, the length y1 is decreased.
  • the length y1 related to the space part SP is determined in preference to the length y2 related to the connection region hse3. This is because the size of the space SP is sufficiently secured in order to arrange the thermal protection circuit TSD. If the length y1 is determined giving priority to the size of the space SP, the area size of the connection region hse3 is affected. However, on the other hand, the size of the connection region hse3 requires a function of conducting heat to the temperature sensing element TE, and therefore requires a predetermined area or more, so that there is a limit in giving priority to the length y1.
  • the size of the front end of the space SP that is, the size of the length x3, needs to be a predetermined size in order to arrange the thermal protection circuit TSD.
  • the depth of the space SP that is, the size of the length y1
  • the relationship between the length y0 and the length y1 is preferably 0.25 ⁇ y1 / y0 ⁇ 0.75.
  • the other circuit OC is built in the semiconductor chip SCH.
  • the other circuit OC includes a reference voltage source, a driver for driving an output transistor (heat source element HSE), various control circuits, and the like.
  • FIG. 2 shows the arrangement of the heat source element HSE and the temperature sensitive element TE shown in FIG. 1, and is an enlarged view of the positional relationship of the overheat protection circuit TSD including the heat source element HSE and the temperature sensitive element TE.
  • FIG. 2 will be described using reference numerals.
  • the heat source element HSE has a concave shape.
  • the heat source element HSE includes a first side 11, a second side 12, a third side 13, a fourth side 14, a fifth side 15, a sixth side 16, a seventh side 17, and It is composed of an eighth side 18.
  • the first side 11 and the second side 12 are arranged on the same line and separated by a length x3, and the length x1 and the length x2 are substantially the same.
  • the second side 12 extends in a direction away from the direction in which the first side 11 extends.
  • the third side 13 is separated from the first side 11 and the second side 12 in the substantially vertical direction by a length y1, and the length is substantially equal to the length x3.
  • the fourth side 14 extends from the end a to the end b, and its length is substantially equal to the length y1.
  • the fifth side 15 extends from the end c to the end d, and its length is substantially equal to y1.
  • the sixth side 16 is parallel to the fourth side 14, but the length is longer than that and extends from the end g to the end h, and the length is indicated by y0.
  • the seventh side 17 is parallel to the fifth side 15 but is longer than that and extends from the end e to the end f, and the length is indicated by y0.
  • the eighth side 18 is substantially parallel to the first side 11, the second side 12, and the third side 13 and extends from the end f to the end g, and the length thereof is indicated by x0. Length x0 is equal to the length plus x1, x2 and x3.
  • the heat source element HSE is divided into three regions, the opposing regions hse1 and hse2, and the connecting region hse3 for convenience of explanation and for convenience of heat distribution simulation described later.
  • the fourth side 14 and the fifth side 15 are extended and divided so that there are two opposing regions and one connecting region. You may make it extend in the direction X and divide
  • the heat source element HSE is formed by two opposing regions sandwiching the space SP and one connection region connecting the two opposing regions.
  • a point P1 indicating the central part of the opposing regions hse1 and hse2 is estimated to be the highest temperature portion in the heat source element HSE.
  • the central portion of the connection region hse3 is indicated by a point P2, but it can be assumed that this point P2 is also placed at a temperature equivalent to the point P1 if the connection region hse3 is larger than a predetermined size.
  • One side of the connection region hse3, that is, the center of the third side 13 is indicated by a point P3.
  • the point P3 is a place closest to the center portion Tc of the temperature sensitive element in the heat source element HSE.
  • the point P4 is the same as the center portion Tc of the temperature sensitive element TE.
  • Point P4 The temperature detection value at the point P4 is extremely important for estimating the temperature of the heat source element HSE.
  • Point P5 corresponds to the front of space part SP and is a place where the temperature can be estimated to be the lowest in space part SP. Therefore, detecting the temperature of the point P5 is extremely useful for grasping the heat distribution and the thermal gradient of the entire thermal protection circuit TSD.
  • the size and shape of the space part SP are defined by the opposing regions hse1, hse2 and the connecting region hse3.
  • the front of the space SP is indicated by a length x3, and the depth is indicated by a length y1.
  • a thermal protection circuit TSD is disposed in the space SP.
  • the shortest distance y3 between the central portion Tc of the temperature sensing element TE and the third side 13 is the shortest distance x31a between the central portion Tc (point P4) and the fourth side 14 and the shortest distance between the central portion Tc and the fifth side 15. It is set to be shorter than the distance x31b.
  • the distance between the point P2 that is the central part of the connection region hse3 and the central part Tc (point P4) is shorter than the distance between the point P1 that is the central part of the opposing region hse1 and the central part Tc (point P4).
  • the third side 13 is arranged on a line segment P1-P1 that connects the points P1 that are the central portions of the opposing region hse1 and the opposing region hse2, and the temperature sensing element TE is connected to the line segment P1.
  • FIG. 3 shows one variation of FIG. 3 is different from FIG. 2 in that the depth of the space SP, that is, the ratio of the length y1 to the length y0 is increased.
  • the ratio y1 / y0 is increased, the area of the space part SP is increased.
  • the area of the connection region hse3 is reduced.
  • the circuit scale of the thermal protection circuit TSD increases, the area of the space SP is increased.
  • the connection region hse3 becomes smaller, the amount of heat conducted from the connection region hse3 to the temperature sensing element TE becomes weaker.
  • the shortest distance y3 between the central portion Tc (point P4) of the temperature sensing element TE and the connection region hse3 is shorter than the shortest distances x31a and x31b between the central portion Tc and the opposing regions hse1 and hse2. To do. Further, the distance between the center portion Tc and the point P2 is made shorter than the distance between the center portion Tc and the point P1. Thereby, the relative heat conduction intensity between the connection region hse3 and the opposing regions hse1 and hse2 can be corrected.
  • FIG. 4 shows another variation of FIG. 4 differs from FIGS. 2 and 3 in that the depth of the space SP, that is, the ratio of the length y1 to the length y0 is reduced.
  • the ratio y1 / y0 is reduced, the area of the space part SP is reduced.
  • the area of the connection region hse3 increases.
  • the thermal protection circuit TSD becomes smaller, the area of the space part SP becomes smaller. However, if it is made smaller than necessary, the thermal protection circuit TSD cannot be sufficiently disposed in the space SP.
  • the shortest distance y3 between the central portion Tc (point P4) of the temperature sensing element TE and the connection region hse3 is the shortest distance x31a between the central portion Tc and the opposing regions hse1 and hse2, regardless of the size of the space SP. , X31b. Further, the distance between the center portion Tc and the point P2 is made shorter than the distance between the center portion Tc and the point P1. This suppresses a decrease in the strength of heat conduction relative to the opposing regions hse1 and hse2 of the connection region hse3.
  • FIG. 5 shows a heat distribution simulation result of the concave heat source element HSE and the space SP shown in FIGS.
  • the concave heat source element HSE was divided into three parts. As shown in FIGS. 1 and 2, there are three division directions, ie, an opposing region hse10, hse20 and a connecting region hse30, along the direction X.
  • the area Y may be divided into three areas, ie, two connected areas having a relatively small area and one opposing area having a relatively large area.
  • the heat distribution simulation of the present invention is characterized in that the concave shape is divided into two opposing regions and one connecting region.
  • CAE Computer Aided Engineering
  • the semiconductor chip SCH is made of silicon, and the size thereof is, for example, in the range of 1.0 mm ⁇ 1.0 to 1.4 mm ⁇ 1.4 mm.
  • the area of the heat source element HSE was 9% to 33% of the entire area of the semiconductor chip SCH.
  • the lengths x10 and x20 of the opposing regions hse10 and hse20 are, for example, 250 ⁇ m, and the length y0 is 350 ⁇ m.
  • the length x30 of the connection region hse30 is 110 ⁇ m, a distance of 15 ⁇ m in size (separation width) is taken between the connection region hse30 and the opposing regions hse10 and hse20, and the connection region hse30 and the connection region hse30.
  • the opposing region hse20 are separated from each other, and the opposing regions hse10 and hse20 are also separated from each other.
  • 5A to 5C are different in length y1 and length y2.
  • the length y0 obtained by adding the length y1 and the length y2 is constant.
  • the power consumption in the heat source element HSE was adjusted so that the maximum temperature of the semiconductor chip SCH was 250 ° C. Specifically, 30 W of power was applied to the heat source element HSE. Note that the maximum temperature of 250 ° C. is not allowed in this type of semiconductor device, but was performed as one of the simulations. Further, the power consumption of 30 W applied to the heat source element HSE also deviates from the normal use state. However, simulations performed under conditions greatly deviating from the normal use state are expected to predict an unexpected state and to be suitable for estimating a specific value of the actual heat distribution.
  • FIG. 5A schematically shows a case where the length y1 and the length y2 are set to the same length.
  • the area of the space part SP is substantially the same as that of the connection region hse30.
  • the temperatures of the point P1 that is the center of the opposing regions hse10 and hse20 and the point P2 that is the center of the connecting region hse30 are both 250 ° C., and there is no difference between them.
  • the temperature at a point P3 facing a temperature sensing element TE (not shown) in a part of the connection region hse30 is around 230 ° C.
  • the temperature at a point P4 that is the center of the temperature sensing element TE is around 200 ° C. It was.
  • the temperature at a point P5 corresponding to the end of the space SP the temperature was around 150 ° C. Therefore, the temperature difference between points P1, P2 and P5 having the highest temperature is about 100 ° C., and the temperature difference from end to end of the space SP is about 80 ° C. This means that when the thermal protection circuit TSD is disposed in the space SP, a temperature difference of approximately 80 ° C.
  • the temperature difference of 80 ° C. is the magnitude when the temperature of the points P1 and P2 reaches 250 ° C. For example, if the allowable temperature of the points P1 and P2 is 150 ° C., the temperature difference of 80 ° C. is 50 Presumed to be around ° C.
  • FIG. 5B schematically shows a case where the area of the space portion SP is made larger than that of FIG. 5A, and conversely, the area of the connection region hse30 is made smaller.
  • the length y1 is 2/3 (67%) of the length y0
  • the length y2 of the connection region hse30 is 1/3 (33%) of the length y0.
  • the temperature distribution at the points P3 and P4 is not significantly different from that in FIG. 5A because the heat conduction from the opposing regions hse10 and hse20 and the connecting region hse30 is entangled with each other at these points. This is presumed to be because the dominating power of the opposing regions hse10 and hse20 is stronger than that of the connected region hse30.
  • the temperature at the point P5 was around 140 ° C., and no significant difference was observed from that in FIG.
  • FIG. 5C schematically shows a case where the area of the space SP is further increased than that of FIG. 5B, and conversely, the area of the connection region hse30 is reduced.
  • the length y1 is 9/10 of the length y0
  • the length y2 of the connection region hse30 is 1/10 of the length y0.
  • the temperature of the central portion Tc of the thermosensitive element TE is different from the maximum temperature of 250 ° C. around 60 ° C., and it has been found that the temperature detection sensitivity is lower than that in FIGS. 5 (A) and 5 (B).
  • the reason why the temperature detection sensitivity is lowered is that the area (volume) of the connection region hse30 is reduced and the thermal conductivity to the temperature sensing element TE is weakened, and the point P1 that is the center of the opposing regions hse10 and hse20 is felt. It is presumed that the distance to the temperature element TE is increasing.
  • FIG. 6 shows the heat distribution simulation result of the concave heat source element HSE shown in FIGS. 1 to 4 as in FIG.
  • the power applied to the entire heat source element HSE was viewed as 30 W, similar to that in FIG.
  • the length x12 and the length x22 of the opposing regions hse12 and hse22 are both 330 ⁇ m, the length y0 is 350 ⁇ m, the length x32 of the connection region hse32 is 110 ⁇ m, and the connection region hse32 and A distance of 15 ⁇ m is provided between the opposing regions hse12 and hse22, the connecting region hse32 and the opposing region hse12 are separated from each other, the connecting region hse32 and the opposing region hse22 are separated from each other, and the opposing regions hse12 and hse22 are also separated from each other. It was configured as follows. Accordingly, in FIGS.
  • the lengths x12 and x22 of the opposing regions hse12 and hse22 are three times the length x32 of the connection region hse32. This triple size is different from the almost double size shown in FIG.
  • 6A to 6C have different lengths y1 and y2. 6A to 6C, as in FIG. 5, the length y0 obtained by adding the length y1 and the length y2 is constant.
  • FIG. 6A shows a case where the area of the space SP is relatively small.
  • the heat distribution simulation of the heat source element HSE and the space part SP was carried out under such a configuration, when the temperature at the point P1 was 250 ° C., the temperature at the point P2 was also 250 ° C. At this time, the point P3 was around 240 ° C., and the temperature of the point P4, which is the central portion Tc of the temperature sensitive element TE, was around 220 ° C. Further, the temperature of the point P5 is around 210 ° C., and there is a temperature difference of around 40 ° C. from the temperature of the point P1, and it has been found that there is a great difference from that of FIG.
  • FIG. 6 (B) shows a case where the area of the space part SP is made larger than that of FIG. 6 (A).
  • the temperature at the point P1 was 250 ° C.
  • the temperature at the point P2 was also 250 ° C.
  • the temperature at point P3 was around 240 ° C.
  • that at point P4 was around 230 ° C. Therefore, the temperature at the point P4, which is the central portion Tc of the temperature sensitive element TE, is about 20 ° C. lower than the temperature at the point P1.
  • the temperature of the point P5 was around 200 degreeC.
  • the area of the space SP and the area of the connection region hse32 are set to be approximately equal.
  • the distance from the point P1 to the point P4 that is, the distance from the center of the opposing regions hse12 and hse22 to the center of the temperature sensing element TE (point P4) is the shortest distance. This shortest distance is shorter than that shown in FIG. For this reason, since heat with the highest temperature is efficiently conducted to the temperature sensing element TE, it is estimated that a part of the space SP is kept at a high temperature.
  • FIG. 6 (C) shows a case where the area of the space part SP is made larger than that of FIG. 6 (B).
  • the temperature at the point P1 is 250 ° C.
  • the temperature at the point P2 is around 240 ° C.
  • the temperature of the point P3 and the point P4 was around 230 degreeC.
  • the temperature difference at the point P4 which is the center portion Tc of the temperature sensitive element TE, was about 20 ° C. from the maximum temperature. Therefore, compared with FIG. 6B, the temperature difference between the maximum temperature of the heat source element HSE and the temperature detected by the temperature sensitive element TE is substantially the same.
  • the structure of the heat source element HSE shown in FIG. 6 is obtained by dividing the concave shape into three parts, that is, two opposing regions and one connecting region, as shown in FIG.
  • the third side 13 shown in FIG. 2 is extended until it contacts the sixth side 16 and the seventh side 17, so that three regions, that is, two opposing regions
  • the simulation may be performed by dividing into one connected region. Even in such a configuration, the two opposing regions are arranged with the space SP interposed therebetween, and the connecting region is formed so as to connect these two opposing regions.
  • FIG. 7 is a temperature gradient diagram showing the thermal distribution simulation result shown in FIG. 5 from another viewpoint.
  • the horizontal axis in FIG. 7 indicates the points P1 to P5, and the vertical axis indicates the maximum temperature, that is, the temperature difference from the point P1.
  • the point P1 indicates the center of the opposing areas hse10 and hse20.
  • the point P1 was found to be around 250 ° C. regardless of the parameters.
  • the point P3 corresponds to a part of one side of the connection area hse30. That is, it is a place where it can be estimated that the temperature becomes the highest in the space portion SP near the end of the depth of the space portion SP.
  • the point P4 corresponds to the center portion Tc of the temperature sensing element TE.
  • the point P4 is 30 ⁇ m to 60 ⁇ m away from the point P3, but is about 20 ° C. lower than the temperature of the point P3.
  • the temperature difference at the point P4 was reduced compared to the point P3.
  • the point P5 is the so-called frontage of the space SP, and it can be estimated that the temperature is the lowest in the space.
  • y1 / y0 is in the range of 0.5 to 0.9 and the maximum temperature is around 110 ° C. There was a difference.
  • the temperature difference at point P5 was reduced as compared with point P2.
  • what can be said from the characteristics shown in FIG. 7 is that there was no significant difference in temperature at each point in the range of y1 / y0 in the range of 0.67 to 0.5.
  • FIG. 8 is a temperature gradient diagram showing the thermal distribution simulation result shown in FIG. 6 from another viewpoint.
  • the horizontal axis in FIG. 8 indicates points P1 to P5, and the vertical axis indicates the maximum temperature, that is, the temperature difference from the point P1.
  • the depth of the space portion SP that is, the ratio y1 / y0 is shown.
  • the point P1 indicates the center of the opposing areas hse12 and hse22.
  • Point P1 had a temperature of about 250 ° C. regardless of the parameters.
  • the characteristic shown in FIG. 8 has a smaller temperature difference than that shown in FIG. 7, and a favorable result was obtained.
  • FIG. 8 shows that the temperature difference at each point is reduced as compared with FIG. 7, and the absolute value thereof is reduced to almost 1 ⁇ 2.
  • the point P2 is the central part of the connection region hse32, but the temperature of the point P2 is almost the same regardless of the size of the ratio y1 / y0, and is almost the same as the maximum temperature of 250 ° C.
  • the point P3 corresponds to a part of one side of the connection area hse32. That is, it is a place where it can be estimated that the temperature becomes the highest in the space portion SP near the end of the depth of the space portion SP.
  • the temperature difference at the point P3 was almost the same regardless of the depth of the space SP, and was around 240 ° C.
  • the point P4 corresponds to the center portion Tc of the temperature sensing element TE.
  • the point P4 is 30 ⁇ m to 60 ⁇ m away from the point P3, but is about 10 ° C. lower than the temperature of the point P3.
  • Point P5 hits the front of space SP, and it can be estimated that the temperature is the lowest in the space, but in the simulation results, it is about 50 ° C. lower than the maximum temperature in the range of 0.25 ⁇ y1 / y0 ⁇ 0.75. It was. However, the temperature difference at the point P5 is almost 1 ⁇ 2 compared to FIG. 7, and the temperature difference from the point P1 is greatly reduced.
  • Fig. 8 The summary of Fig. 8 is as follows. That is, by making the area (volume) of the opposing regions hse12 and hse22 larger than that of the connection region hse32, the temperature gradient in the space SP is reduced, which is preferable for arranging the temperature sensitive element TE. It is.
  • FIG. 9 is a temperature gradient diagram in which the temperature difference at point P4 shown in FIGS. 7 to 8, particularly the maximum temperature of 250 ° C., is plotted.
  • the point P4 corresponds to the central portion Tc of the temperature sensing element TE and is a particularly important part for monitoring the temperature of the heat source element HSE. That is, the temperature detection sensitivity can be increased as the temperature at the point P4 is closer to the temperature at the point P1.
  • Fig. 9 is plotted with two parameters.
  • it is a comparison of the temperature detection sensitivity when the width of the opposing region is twice that of the connected region and three times that of the connected region.
  • FIG. 9 shows a case where the widths of the opposing regions hse10, hse20, hse12, and hse22 are twice or three times as large as the connected regions hse30 and hse32.
  • the same effect can be obtained even if the width of the opposing region and the width of the connecting region are the same, not only twice or three times.
  • the heat conduction to the space SP is far from the center (point P1) of the opposing regions hse10 and hse20. It is not enough because it is far away.
  • connection region hse30 increases as the area of the connection region hse30 increases and increases to some extent as shown in FIG.
  • Such a state means that the connection region hse30 is dominant in the heat conduction to the space SP when the view is changed.
  • the width of the connection region hse30 is 1 ⁇ 2 of the opposing regions hse10 and hse20. Accordingly, it can be understood that the same effect can be obtained even if the widths of the opposing regions hse10 and hse20 are the same as those of the connection region hse30.
  • the heat source element HSE when the heat source element HSE is formed in a concave shape and the space portion SP having a predetermined size is provided, the heat source element HSE is divided into two opposed regions and one connected region and is divided into three regions. To do. Thereafter, predetermined power consumption is applied to the heat source element HSE, and the maximum temperature is monitored and managed to simulate the heat distribution and the thermal gradient of the heat source element HSE and the space SP. The simulation results are then analyzed. The analysis examines the maximum temperature of the heat source element HSE, the temperature distribution of the temperature sensitive element TE, the heat distribution of the space SP and the thermal gradient.
  • the semiconductor device 10 suitable for exhibiting the area required for the heat source element HSE and the function of the thermal protection circuit TSD may be designed.
  • FIG. 10 is a simulation diagram showing the relationship between power consumption and temperature detection sensitivity in the heat source element HSE. That is, a heat distribution simulation result showing a temperature difference between the point P1 and the point P4, that is, the center portion Tc of the temperature sensitive element TE when the power consumption in the heat source element HSE is changed is shown.
  • the horizontal widths x10 and x20 of the opposing regions hse10 and hse20 are twice the horizontal width x30 of the connecting region 30, and the horizontal widths of the opposing regions hse12 and hse22 as shown in FIG.
  • FIGS. 5 to 9 described so far are cases where the power consumption of the heat source element HSE is 30 W.
  • FIG. FIG. 10 is a characteristic diagram obtained from the heat distribution simulation result when the power consumption is 30 W and the power consumption is 60 W.
  • the horizontal axis indicates the power consumption and the vertical axis indicates the temperature difference.
  • the heat distribution simulation result shown in FIG. 10 is extremely useful in designing and manufacturing this type of semiconductor device and semiconductor integrated circuit device. This is because the temperature detection sensitivity of the temperature sensing element TE for a wide range of power consumption consumed by the heat source element HSE can be analogized.
  • the temperature detection sensitivity of the temperature sensing element TE when the power consumption of the heat source element HSE is 5 W can be estimated. It can be seen that the temperature difference is about 8 ° C. when the width of the opposing region is twice that of the connected region, and is about 4 ° C. when the width ratio is three times. Therefore, it can be seen that when the power consumption of the heat source element HSE is 5 W, the detection sensitivity of the temperature sensitive element TE is 10 ° C. or less. Moreover, when power consumption is 10 W, it turns out that it is around 16 degreeC and around 8 degreeC, respectively.
  • the characteristic diagram shown in FIG. 10 shows the thermal conductivity [W / m ⁇ ° C.] and density [kg / m 3 ] of so-called constituent materials such as lead frames, die bonding materials, wires, and resins on which the semiconductor device 10 is mounted.
  • constituent materials such as lead frames, die bonding materials, wires, and resins on which the semiconductor device 10 is mounted.
  • J / kg ⁇ ° C.] etc. if several combinations are prepared in advance, the design period of the semiconductor device 10 can be shortened and the product quality can be improved.
  • FIG. 11 shows an area ratio between the area of the heat source element HSE and that of the space SP.
  • FIG. 3 is a diagram obtained by using the size of the frontage (length x3) and depth (length y1) and the widths (lengths x1 and x2) of the opposing areas hse1 and hse2 described in FIG. 2 as parameters.
  • FIG. 5A applies to this case.
  • FIG. 6B applies to this case.
  • the area of the space SP is 1/3 of the area of the heat source element HSE.
  • the area ratio is 33.3%.
  • the ratio of the area of the space SP to the heat source element HSE is often in the range of 3.7% to 33.3% shown in FIG. That is, assuming that the areas of the heat source element HSE and the space SP in the plan view are S1 and S2, respectively, S2 is approximately in the range of 0.037 ⁇ S1 to 0.333 ⁇ S1.
  • FIG. 12 shows an example of a specific circuit configuration of the thermal protection circuit TSD arranged in the space SP.
  • the thermal protection circuit TSD is well known in the past.
  • the thermal protection circuit TSD includes, for example, constant current sources CC1 and CC2, resistors R1 and R2, a transistor Q, a comparator COM, and an inverter INV in addition to the temperature sensing element TE.
  • the temperature sensing element TE for example, a diode-connected transistor is used.
  • the temperature sensing element TE is, for example, a diode
  • the forward voltage of the diode has a temperature coefficient of, for example, ⁇ 2 mV with respect to the temperature change.
  • the temperature of the heat source element HSE can be detected.
  • the thermal protection circuit TSD is turned on / off by the TSD on / off signal output from the comparator COM.
  • a semiconductor diffusion resistance, a polysilicon resistance, or the like can be used as the temperature sensing element TE.
  • the thermal protection circuit TSD shown in FIG. 12 is an example, and the circuit configuration may be further complicated and the degree of integration may be increased, or the circuit configuration may be further simplified.
  • the size of the opening and the depth of the space SP may be set according to the circuit configuration and the number of circuit elements.
  • the semiconductor device and the design method thereof according to the present invention can detect a temperature close to the temperature of the heat source element based on the heat distribution simulation with the temperature sensitive element, the semiconductor device using the power transistor, the thermal monitoring of the semiconductor integrated circuit device, Since it is extremely suitable for thermal management, its industrial applicability is very high.

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Abstract

　半導体装置１０は、半導体チッップＳＣＨに熱源素子ＨＳＥと感温素子ＴＥを有する。熱源素子ＨＳＥの平面視形状は凹型を成し、凹字状の空間部ＳＰの奥行きｙ１を全体の長さのｙ０の０．７５倍から０．２５倍の大きさに設定し、感温素子ＴＥの中心部Ｔｃを連結領域ｈｓｅ３の一辺の近傍に設け、長さｙ３が長さｘ３１ａ，長さｘ３１ｂよりも短くなるように空間部ＳＰに配置する。これにより、熱源素子の温度検出感度および半導体素子の効率的な配置が実現できる。

Description

半導体装置およびその設計方法
　本発明は、半導体装置およびその設計方法に関し、特に熱源素子と感温素子を備えたものに関する。
　半導体装置において、熱源素子は広くは数百ｍＡから数Ａが流れるたとえばバイポーラ型やＭＩＳ型のパワートランジスタが相当する。感温素子とはパワートランジスタが形成された半導体チップの温度、とりわけパワートランジスタ自体の接合温度を検知する半導体素子を指し、たとえばトランジスタなどの能動素子やダイオード、抵抗などの受動素子が用いられる。
　熱源素子、感温素子はたとえばボルテージレギュレータやＤＣ／ＤＣコンバータに採用されている。バイポーラ型の場合は、トランジスタのコレクタ・エミッタ間に、ＭＩＳ型の場合にはソース・ドレイン間にそれぞれ大きな電流が流れ、さらに、これらの両電極間に大きな電圧が印加されると、これらパワートランジスタは多大な電力を消費する。たとえばＭＩＳ型トランジスタのソース・ドレイン間に２００ｍＡが流れ、両電極間に８Ｖの電圧が印加された場合にはＭＩＳ型トランジスタの電力消費量は１．６Ｗとなる。
　消費電力が大きくなるにつれパワートランジスタの接合温度は上昇し、さらにその周辺に作り込まれた各半導体素子の接合温度も上昇する。接合温度が異常に高くなると、半導体装置は劣化または破壊の危険に晒される。こうした不具合を解消するために感温素子が半導体チップ内に配置され、特にパワートランジスタの近傍に配置され、半導体チップの温度を検知し、所定の温度に至った場合には、パワートランジスタおよび各種の半導体素子、または半導体装置全体の動作を遮断させ、過熱による半導体装置の劣化または破壊を防止する。
　特許文献１は、半導体集積回路装置の製造方法および半導体集積回路装置を開示する。パワーＭＩＳトランジスタの動作時の温度を検出し、その温度が所定値以上の場合にはパワーＭＩＳトランジスタの動作を停止させる温度検出回路部を有する。パワーＭＯＳＦＥＴ領域の中央には温度検出回路領域を配置している。パワーＩＣの動作時に温度が最も高くなるパワーＭＯＳＦＥＴ領域の中央に温度検出回路領域を配置することによって温度検出感度を向上させることができ、パワーＩＣの保護動作を適正なときに確実に行うことができるとしている。
　特許文献２は、温度検知回路及び過熱保護回路を開示する。温度依存性を有するダイオードが温度検知回路に備えられ、出力トランジスタはダイオードを取り囲むように配置されている。温度依存性を有するダイオードは効率的にも精度的にも出力トランジスタの近傍に設けることが望まれるとしており、出力トランジスタの中央部にダイオードを配置している（特許文献２、図５参照）。
特開平１１－１７７０８７号公報 特開２００２－１０８４６５号公報
　特許文献１や特許文献２は、熱源素子と感温素子を有し、感温素子を熱源素子の近傍に配置する点で共通する。両素子を互いに隣接して配置させる理由も同じである。すなわち、熱源素子（パワートランジスタ）の温度検出感度を向上させるためである。
　本発明者は、昨今の半導体装置全体の微細化さらには熱源素子の微細化、小型化に伴い、発熱源の面積、体積が小さくなるにつれ、熱源素子が半導体チップに占める割合が従前に比べて小さくなり発熱密度が増加し、半導体チップの熱勾配がより顕著に生じやすくなってきていることに鑑み、特許文献１、特許文献２に開示された熱源素子と感温素子の最適な配置について吟味してみた。その結果、半導体素子同士を近くに配置しても特許文献１、特許文献２に示唆されるように両素子を互いに近接して配置するという対策では十分に熱保護が果たせないということを知見した。こうした知見に基づき本発明は、感温素子の温度検出精度を向上させるとともに、感温素子を含む熱保護回路を半導体チップに効率よく配置することができる半導体装置およびその設計方法を提供するものである。
　本発明にかかる一態様の半導体装置は、熱源素子と感温素子を備える。熱源素子の平面視形状は、第１辺（１１）と、第１辺（１１）と同一線上に第１の距離ｘ３離れ第１辺（１１）から遠ざかる方向に延びる第２辺（１２）と、第１辺（１１）および第２辺（１２）のほぼ垂直方向に第２の距離ｙ１離れ第１の距離ｘ３と同じ長さを有する第３辺（１３）を有する。また、第１辺（１１）の一端と第３辺（１３）の一端を結ぶ第４辺（１４）と、第２辺（１２）の一端と第３辺（１３）の他端を結ぶ第５辺（１５）と、第１辺（１１）の他端にその一端が接続され第４辺（１４）が延びる方向と同じであってかつそれよりも長い長さｙ０で示される第６辺（１６）と、第２辺（１２）の他端に接続されその一端が、第５辺（１５）が延びる方向と同じであってかつそれよりも長い長さｙ０で示される第７辺（１７）と、第６辺（１６）および第７辺（１７）の他端同士を結ぶ第８辺（１８）を備える。第８辺（１８）は長さｘ０を有しており、感温素子は第３辺（１３）の近傍に配置されている。
　また本発明にかかる別の態様の半導体装置は、半導体チップ内に熱源素子と感温素子を有し、熱源素子は空間部を挟む２つの対向領域と、２つの対向領域をつなぐ連結領域を備えて凹字状を成し、感温素子は連結領域の近傍の空間部に配置されている。
　また本発明の別の発明の半導体装置の設計方法は、空間部を有する凹字状の熱源素子を３つの領域に分割すると共にそれら分割した領域および空間部の大きさ、形状を決定する第１ステップと、第１ステップで決定した熱源素子および空間部の熱分布シミュレーションを実行する第２ステップと、第２ステップで実行したシミュレーション結果を分析する第３ステップと、第３ステップで得られたシミュレーション結果に基づき前記３つの領域と前記空間部の大きさを決定する第４ステップとを有する。
　本発明の半導体装置を構成する凹字状の熱源素子は熱分布シミュレーションに基づき決定された所定の形状の大きさに設定される。併せて、所定形状と大きさを有する空間部を画定され、その空間部に感温素子を効率よく配置することができ、かつ温度の検知感度、検知精度を高めることができる。
本発明にかかる半導体装置の概略図。 図１に示した熱源素子および感温素子の配置図。 図２の変形図。 図２の別の変形図。 本発明にかかる半導体装置の熱分布シミュレーション図。 本発明にかかる半導体装置の別の熱分布シミュレーション図。 図５に示した熱分布シミュレーションの温度勾配図。 図６に示した熱分布シミュレーションの温度勾配図。 本発明にかかる感温素子ＴＥの中心部Ｔｃの温度をシミュレーションで求めた温度勾配図。 本発明にかかる熱源素子ＨＳＥでの消費電力と温度検知感度との関係を示すシミュレーション図。 本発明にかかる熱源素子ＨＳＥと空間部ＳＰとの面積比率を示す図。 本発明にかかる空間部ＳＰに配置される熱保護回路ＴＳＤの具体的な回路の一例図。
　図１は本発明にかかる半導体装置の概略図を示す。半導体装置１０は基板がシリコンの半導体チップＳＣＨに熱源素子ＨＳＥ、感温素子ＴＥが作り込まれている。本発明での熱源素子ＨＳＥの中にはボルテージレギュレータ、ＤＣ／ＤＣコンバータなどに用いられる出力トランジスタ、パワートランジスタなど発熱の源となるバイポータトランジスタ、ＭＩＳトランジスタなどが含まれる。また、感温素子ＴＥの中には熱源素子ＨＳＥの温度を監視するために設けられるいわゆる温度センサーの機能を有する半導体素子、とりわけトランジスタ、ダイオード、抵抗などが含まれる。
　熱源素子ＨＳＥの平面視形状は凹字状に形成される。熱源素子ＨＳＥは比較的面積の大きな対向領域ｈｓｅ１,ｈｓｅ２と、比較的面積の小さな連結領域ｈｓｅ３で構成される。対向領域ｈｓｅ１と対向領域ｈｓｅ２の面積はほぼ同じである。対向領域ｈｓｅ１の面積は、方向Ｘおよび方向Ｙにそれぞれに延びる長さｘ１および長さｙ０の積で表される。対向領域ｈｓｅ２の面積は、方向Ｘおよび方向Ｙにそれぞれに延びる長さｘ２および長さｙ０の積で表される。長さｘ１と長さｘ２とを同じに大きさに設定すれば対向領域ｈｓｅ１と対向領域ｈｓｅ２の面積は同じになる。通常、両者の面積は同じになるように設定されるが、熱源素子ＨＳＥの周囲に配置される各種の半導体素子やボンディングパッドの位置、各半導体素子同士を結ぶ配線などの都合上、両者の面積が異なる場合も起こりうる。
　連結領域ｈｓｅ３の面積は、方向Ｘおよび方向Ｙにそれぞれに延びる長さｘ３および長さｙ２の積で表される。連結領域ｈｓｅ３は、対向領域ｈｓｅ１と対向領域ｈｓｅ２との中間に位置し、２つの対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２を連結する。連結領域ｈｓｅ３を対向領域ｈｓｅ１と対向領域ｈｓｅ２との間に設けてできる空間部ＳＰに熱保護回路ＴＳＤが配置される。温度センサーとしての機能を有する感温素子ＴＥは熱保護回路ＴＳＤの１つである。感温素子ＴＥの中心部Ｔｃから連結領域ｈｓｅ３の一辺までの距離ｙ３は、感温素子ＴＥの中心部Ｔｃから対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２までの最短距離ｘ３１ａ，ｘ３１ｂよりも短くなるように設定する。なぜならば、感温素子ＴＥ全体へは、対向領域ｈｓｅ１と対向領域ｈｓｅ２と連結領域ｈｓｅ３の３方向から熱が伝導されるが、連結領域ｈｓｅ３の反対側には熱源素子ＨＳＥが存在していないため、方向Ｙでの熱伝導が、方向Ｘでの熱伝導に比べて弱くなるからである。このため、連結領域ｈｓｅ３の熱伝導を強くするために連結領域ｈｓｅ３の一辺と感温素子ＴＥの中心部Ｔｃとの距離を短くする。なお、さらに好ましいことは、連結領域ｈｓｅ３の中心部から感温素子ＴＥの中心部Ｔｃまでの距離は、対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２の中心部から感温素子ＴＥの中心部Ｔｃまでの距離よりも短くすることである。なぜならば、連結領域ｈｓｅ３および対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２の中心部が最も温度が高いと推測できるからであり、連結領域ｈｓｅ３の中心部から感温素子ＴＥの中心部Ｔｃまでの距離を短くして連結領域ｈｓｅ３から感温素子ＴＥへの熱伝導を大きくしかつ迅速に行うためである。
　ここで熱源素子ＨＳＥの方向Ｙでの長さｙ０を一定とすると、連結領域ｈｓｅ３の面積と空間部ＳＰのそれとは逆比例の関係に置かれる。すなわち、長さｙ１を大きくすれば長さｙ２は小さくなり、逆に長さｙ２を大きくすれば長さｙ１は小さくなる。本発明では空間部ＳＰに関わる長さｙ１を連結領域ｈｓｅ３に関わる長さｙ２よりも優先して決定する。なぜならば、熱保護回路ＴＳＤを配置させるために空間部ＳＰの大きさを十分に確保するためである。空間部ＳＰの大きさを優先して長さｙ１を決定すると連結領域ｈｓｅ３の面積の大きさに影響を与える。しかし、一方では連結領域ｈｓｅ３の大きさには感温素子ＴＥに熱を伝導する働きが要求されているため所定以上の面積が必要であるので長さｙ１を優先させるには限界が生じる。
　空間部ＳＰの間口の大きさ、すなわち長さｘ３の大きさは熱保護回路ＴＳＤを配置するためにも所定の大きさが必要となる。これに加えて、空間部ＳＰの奥行き、すなわち長さｙ１の大きさには熱保護回路ＴＳＤを配置するために十分な長さ、面積が確保できることに加え、連結領域ｈｓｅ３から感温素子ＴＥに熱を十分に伝導させに十分な大きさが要求される。本発明で行った種々の熱分布シミュレーションによれば、長さｙ０と長さｙ１との関係は、０．２５≦ｙ１／ｙ０≦０．７５であることが好ましいことを知見した。したがって、ｙ１／ｙ０＝０．２５に設定したときには、ｙ２／ｙ０＝０．７５となり、ｙ１／ｙ０＝０．７５に設定したときには、ｙ２／ｙ０＝０．２５となる。こうした数値の出所の根拠については後述する。なお、長さｙ０，ｙ１，ｙ２の具体的な大きさは、たとえば、ｙ０＝３５０μｍ、ｙ１＝ｙ２＝１７５μｍであり、これらの大きさは熱源素子ＨＳＥに許容される電流、電力などで決定される。
　熱源素子ＨＳＥおよび空間部ＳＰの方向Ｘでの大きさ、長さｘ１，ｘ２，ｘ３の設定も基本的には長さｙ１，ｙ２を決定したのとほぼ同じ理由で決定される。すなわち、長さｘ０，ｘ１，ｘ２は熱源素子ＨＳＥに許容される電流、電力などから決定される。たとえば、長さｘ１＝ｘ２＝２５０μｍ、長さｘ３＝１４０μｍに設定される。なお、長さｘ１，ｘ２の大きさを決定するにあたっては、熱保護回路ＴＳＤの収容スペースを確保するという観点ではなく、熱源素子ＨＳＥに要求される電流、電力の大きさから決定されることが多い。
　本発明で行った種々の熱分布シミュレーションによれば、長さｘ０，ｘ１，ｘ２およびｘ３の長さの関係は、ｘ３≦ｘ１＝ｘ２≦３×ｘ３の関係であることが好ましいことを知見した。したがって、たとえば長さｘ３＝１４０μｍとすると、１４０μｍ≦ｘ１＝ｘ２≦４２０μｍとなる。
　半導体チップＳＣＨの中には熱源素子ＨＳＥ、熱保護回路ＴＳＤの他にその他回路ＯＣが作り込まれている。その他回路ＯＣは、たとえば、半導体装置１０がＬＤＯ（Ｌｏｗ　Ｄｒｏｐ　Ｏｕｔ）レギュレータを有するのであれば、基準電圧源、出力トランジスタ（熱源素子ＨＳＥ）を駆動するドライバおよび各種制御回路などを含むものとなる。
　図２は図１に示した熱源素子ＨＳＥおよび感温素子ＴＥの配置を示し、特に熱源素子ＨＳＥ、感温素子ＴＥを含む過熱保護回路ＴＳＤの位置関係を拡大した図である。なお、これらの位置関係を詳しく説明するために、図１よりは参照符号を多く付している。以下参照符号を用いて図２について説明する。
　図２において熱源素子ＨＳＥは凹字状を成す。凹字状を形成するために、熱源素子ＨＳＥは、第１辺１１、第２辺１２、第３辺１３、第４辺１４、第５辺１５、第６辺１６、第７辺１７、および第８辺１８で構成される。第１辺１１と第２辺１２は同一線上に長さｘ３離れて配置され、それらの長さｘ１と長さｘ２はほぼ同じである。第２辺１２は第１辺１１の延びる方向から遠ざかる方向に延びる。第３辺１３は、第１辺１１および第２辺１２のほぼ垂直方向に長さｙ１離れ、その長さはほぼ長さｘ３に等しい。第４辺１４は端部ａから端部ｂまで延び、その長さはほぼ長さｙ１に等しい。第５辺１５は端部ｃから端部ｄまで延び、その長さはｙ１にほぼ等しい。第６辺１６は第４辺１４と並行させるがそれよりは長さは長く、端部ｇから端部ｈまで延びその長さはｙ０で示される。第７辺１７は第５辺１５と並行させるがそれよりは長さは長く、端部ｅから端部ｆまで延びその長さはｙ０で示される。第８辺１８は、第１辺１１、第２辺１２、第３辺１３とほぼ並行し、端部ｆから端部ｇまで延び、その長さはｘ０で示される。長さｘ０は長さｘ１，ｘ２およびｘ３を加えた長さに等しい。
　熱源素子ＨＳＥは説明の便宜上および後述する熱分布シミュレーションの都合上、対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２および連結領域ｈｓｅ３の３つに分けている。なお、図２に示した一実施形態では対向領域が２つであり連結領域が１つになるように第４辺１４および第５辺１５を延長させて分割させたが、第３辺１３を方向Ｘに延長させて分割するようにしてもかまわない。こうした構成下であっても熱源素子ＨＳＥは空間部ＳＰを挟む２つの対向領域と、その２つの対向領域をつなぐ１つの連結領域で形成されることになる。
　図２において、対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２の中心部を示すポイントＰ１は熱源素子ＨＳＥの中でも最も温度が高い箇所であると推測される。連結領域ｈｓｅ３の中心部はポイントＰ２で示されるが、このポイントＰ２も連結領域ｈｓｅ３が所定以上の大きさであればポイントＰ１と同等の温度に置かれていると推測できる。連結領域ｈｓｅ３の一辺すなわち第３辺１３の中心部はポイントＰ３で示される。ポイントＰ３は、熱源素子ＨＳＥの中で最も感温素子の中心部Ｔｃに近い箇所である。ポイントＰ４は感温素子ＴＥの中心部Ｔｃと同じである。ポイントＰ４での温度検知値が熱源素子ＨＳＥの温度を推測する上で極めて重要となる。ポイントＰ５は、空間部ＳＰの間口にあたり、空間部ＳＰの中では最も温度が低いと推測できる箇所である。したがって、このポイントＰ５の温度を検知することは熱保護回路ＴＳＤ全体の熱分布および熱勾配を把握する上で極めて有用である。
　空間部ＳＰの大きさと形状は、対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２および連結領域ｈｓｅ３で画定される。空間部ＳＰの間口は長さｘ３で、奥行きは長さｙ１でそれぞれ示される。空間部ＳＰの中に熱保護回路ＴＳＤが配置される。特に感温素子ＴＥの中心部Ｔｃと第３辺１３との最短距離ｙ３は、中心部Ｔｃ（ポイントＰ４）と第４辺１４との最短距離ｘ３１ａ、中心部Ｔｃと第５辺１５との最短距離ｘ３１ｂよりも短くなるように設定される。また、連結領域ｈｓｅ３の中心部であるポイントＰ２と中心部Ｔｃ（ポイントＰ４）との距離は、対向領域ｈｓｅ１の中心部であるポイントＰ１と中心部Ｔｃ（ポイントＰ４）との距離よりも短くなるように設定されている。すなわち、感温素子ＴＥを挟む連結領域ｈｓｅ３の反対側には熱源となる半導体素子が存在していないため、方向Ｙにおける熱伝導が方向Ｘに比べて弱くなるが、上記の構成によってこうした不具合の程度を低減させることができる。
　図２には空間部ＳＰと連結領域ｈｓｅ３とはほぼ同じ大きさのものを示した。すなわち、長さｙ０,ｙ１,ｙ２の間には、比率ｙ１／ｙ０＝０．５、比率ｙ２／ｙ０＝０．５とし、長さｙ１と長さｙ２を同じ長さとした。また、空間部ＳＰの間口すなわち長さｘ３は長さｘ１，ｘ２のほぼ１／２としたものである。こうした構成では連結領域ｈｓｅ３の面積が占める比率は、対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２の１／８（１２．５％）となる。また、空間部ＳＰの面積と熱源素子ＨＳＥの面積との比率はほぼ１／９（１１．１％）となる。
　また図２に示した構成下では、対向領域ｈｓｅ１と対向領域ｈｓｅ２の中心部であるポイントＰ１同士を結ぶ線分Ｐ１－Ｐ１上に第３辺１３を配置させ、感温素子ＴＥを線分Ｐ１－Ｐ１上から少し離したものを示した。しかし、比率ｙ１／ｙ０＝０．５をたとえば少し大きくしてたとえば０．５５に設定し、感温素子ＴＥを線分Ｐ１－Ｐ１上に配置するようにしてもよい。
　図３は図２の変形例の１つを示す。図３が図２と異なる箇所は、空間部ＳＰの奥行き、すなわち長さｙ１の長さｙ０に占める比率を大きくしたものである。なお、図３は長さｙ０と長さｙ１との比率ｙ１／ｙ０＝０．７５に設定したものを模式的に示している。比率ｙ１／ｙ０を大きくすると空間部ＳＰの面積は大きくなる。一方、連結領域ｈｓｅ３の面積は小さくなる。熱保護回路ＴＳＤの回路規模が大きくなってくるにつれ、空間部ＳＰの面積を大きく取ることになる。しかし連結領域ｈｓｅ３が小さくなるにつれ連結領域ｈｓｅ３から感温素子ＴＥに伝導される熱量が弱くなる。併せて対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２の中心部であるポイントＰ１と連結領域ｈｓｅ３の中心部であるポイントＰ２との温度差は拡がることが推測される。したがって、連結領域ｈｓｅ３の面積を小さくすることは、感温素子ＴＥの温度検知感度を低下させることになり好ましいとは言いがたい。
　空間部ＳＰの面積の大小に関わらず感温素子ＴＥの中心部Ｔｃ（ポイントＰ４）と連結領域ｈｓｅ３との最短距離ｙ３は中心部Ｔｃと対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２の最短距離ｘ３１ａ，ｘ３１ｂよりも短くする。さらに中心部ＴｃとポイントＰ２との距離は、中心部ＴｃとポイントＰ１との距離よりも短くする。これによって、連結領域ｈｓｅ３と対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２との相対的な熱伝導の強度を補正することができる。
　長さｙ１と長さｙ０との比率ｙ１／ｙ０＝０．７５に設定したときには、空間部ＳＰの奥行きは大きくなるが、連結領域ｈｓｅ３の長さｙ２と長さｙ０との比率ｙ２／ｙ０＝０．２５となり連結領域ｈｓｅ３の面積は減少する。
　図４は図２の変形例のもう１つを示す。図４が図２、図３と異なる箇所は、空間部ＳＰの奥行き、すなわち長さｙ１の長さｙ０に占める比率を小さくしたことである。なお、図４は長さｙ０と長さｙ１との比率ｙ１／ｙ０＝０．２５に設定したものを模式的に示している。比率ｙ１／ｙ０を小さくすると空間部ＳＰの面積は小さくなる。一方、連結領域ｈｓｅ３の面積は大きくなる。熱保護回路ＴＳＤの回路規模が小さくなってくるにつれ、空間部ＳＰの面積は小さくて済むようになる。しかし必要以上に小さくすると熱保護回路ＴＳＤを十分に空間部ＳＰの中に配置することができなくなる。一般的に連結領域ｈｓｅ３を大きくすることは熱伝導の観点では何ら支障が生じないものと推測できる。一方、連結領域ｈｓｅ３の中心部であるポイントＰ２から感温素子ＴＥの中心部Ｔｃ（ポイントＰ４）までの距離は長くなるので、連結領域ｈｓｅ３からの熱伝導効率は低下することも推測することができる。
　図４においても、空間部ＳＰの面積の大小に関わらず感温素子ＴＥの中心部Ｔｃ（ポイントＰ４）と連結領域ｈｓｅ３との最短距離ｙ３は中心部Ｔｃと対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２の最短距離ｘ３１ａ，ｘ３１ｂよりも短くする。さらに中心部ＴｃとポイントＰ２との距離は、中心部ＴｃとポイントＰ１との距離よりも短くする。これによって、連結領域ｈｓｅ３の対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２との相対的な熱伝導の強度の低下を抑制する。
　長さｙ１と長さｙ０との比率ｙ１／ｙ０＝０．２５に設定したときには、空間部ＳＰの奥行きは小さくなるが、連結領域ｈｓｅ３の長さｙ２と長さ／ｙ０との比率ｙ２／ｙ０＝０．７５と成り連結領域ｈｓｅ３の面積は増加する。
　図５は、図１～図４に示した凹字状の熱源素子ＨＳＥおよび空間部ＳＰの熱分布シミュレーション結果を示す。なお、シミュレーションにあたっては凹字状の熱源素子ＨＳＥを３つに分割して行った。分割方向は図１、図２に示したように方向Ｘに添い、対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０および連結領域ｈｓｅ３０の３つとした。なお、こうした分割方向とは別に方向Ｙに添って、比較的面積が小さな連結領域が２つと、比較的面積の大きな対向領域が１つの、合わせて３つの領域に分割してもかまわない。いずれにしても本発明の熱分布シミュレーションは凹字状を２つの対向領域と１つの連結領域に分割することが特徴の１つである。
　熱分布解析のシミュレーションにはＣＡＥ（Computer Aided Engineering）を用いた。また、熱分布のシミュレーションにあたっては、半導体装置１０の半導体チップＳＣＨの大きさ、熱源素子ＨＳＥの大きさはもちろんのこと、半導体装置１０が実装されるリードフレーム、ダイスボンディング材、ワイヤー、封止樹脂などのいわゆる構成材料の熱伝導率［Ｗ／ｍ・℃］、密度［ｋｇ／ｍ3］、比熱［Ｊ／ｋｇ・℃］の定数値を基にして求めた。
　本発明での熱分布シミュレーションでは半導体チップＳＣＨはシリコンとし、その大きさは、たとえば１．０ｍｍ×１．０～１．４ｍｍ×１．４ｍｍの範囲である。熱源素子ＨＳＥの面積は半導体チップＳＣＨ全体の面積の９％～３３％とした。
　図５（Ａ）～（Ｃ）において、対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０の長さｘ１０，ｘ２０はたとえば２５０μｍとし、長さｙ０はいずれも３５０μｍとした。連結領域ｈｓｅ３０の長さｘ３０は１１０μｍとし、連結領域ｈｓｅ３０と対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０との間に大きさ１５μｍの距離（分離幅）を採り、連結領域ｈｓｅ３０と対向領域ｈｓｅ１０との間および連結領域ｈｓｅ３０と対向領域ｈｓｅ２０とを互いに分離させ、かつ対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０も互いに分離されるように構成した。
　図５（Ａ）～（Ｃ）のそれぞれは、長さｙ１および長さｙ２が異なる。なお、図５（Ａ）～（Ｃ）はいずれも長さｙ１と長さｙ２を加えた長さｙ０は一定とした。
　本発明にかかる熱分布シミュレーションを行うにあたっては、半導体チップＳＣＨの最高温度が２５０℃になるように熱源素子ＨＳＥでの消費電力を調整した。具体的には熱源素子ＨＳＥに３０Ｗの電力を印加した。なお、最高温度の２５０℃は、この種の半導体装置で許容されるものではないが、シミュレーションの１つとして行ったものである。また、熱源素子ＨＳＥに印加した３０Ｗの消費電力も通常の使用状態からは逸脱することになる。しかし、こうした通常の使用状態から大きく外れた条件下で行うシミュレーションは予想外の状態を予見させ、また実際の熱分布の具体的な値を推測するにも好適であると思料する。
　図５（Ａ）は、長さｙ１と長さｙ２を同じ長さに設定した場合を模式的に示す。長さｙ１と長さｙ２を同じ長さとした場合には、空間部ＳＰの面積はほぼ連結領域ｈｓｅ３０と同じになる。こうした構成下では、対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０の中心部であるポイントＰ１と連結領域ｈｓｅ３０の中心部であるポイントＰ２の温度は共に２５０℃であり、両者の差はなかった。連結領域ｈｓｅ３０の一部で感温素子ＴＥ（図示せず）と対向するポイントＰ３での温度は２３０℃前後であり、感温素子ＴＥの中心部であるポイントＰ４の温度は２００℃前後であった。空間部ＳＰの端にあたるポイントＰ５では温度が１５０℃前後であった。したがって、最も温度が高いポイントＰ１，Ｐ２とポイントＰ５との温度差は１００℃前後であること、また空間部ＳＰの端から端までの温度差は８０℃前後であった。このことは空間部ＳＰに熱保護回路ＴＳＤを配置したとき、空間部ＳＰのポイントＰ３とポイントＰ５に配置された素子同士にほぼ８０℃の温度差が生じていることになる。なお、８０℃という温度差はポイントＰ１，Ｐ２の温度が２５０℃に達したときの大きさであり、たとえばポイントＰ１，Ｐ２の許容温度が仮に１５０℃とすると、先の温度差８０℃は５０℃前後であると推測される。
　図５（Ｂ）は、図５（Ａ）よりも空間部ＳＰの面積を大きくし、逆に連結領域ｈｓｅ３０の面積を小さくした場合を模式的に示す。具体的には長さｙ１を長さｙ０の２／３（６７％）とし、連結領域ｈｓｅ３０の長さｙ２を長さｙ０の１／３（３３％）とした場合である。こうした構成下では、ポイントＰ１の温度が２５０℃であるとき、連結領域ｈｓｅ３０の中心部であるポイントＰ２の温度はそれより少し低く２４０℃前後であった。またポイントＰ３の温度は２２０℃前後であり、ポイントＰ４の温度は２１０℃前後であった。ポイントＰ３，Ｐ４の温度分布は図５（Ａ）のものと大きくは変わらなかった。
　図５（Ｂ）において、ポイントＰ３，Ｐ４の温度分布が図５（Ａ）と大きく変わらなかった理由は、これらのポイントでは対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０、および連結領域ｈｓｅ３０からの熱伝導が互いに絡み合うが、対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０の支配力が連結領域ｈｓｅ３０に比べて強いからであると推測される。ポイントＰ５の温度は１４０℃前後であり、図５（Ａ）のものとは大きな差は見られなかった。この理由は、ポイントＰ５の箇所では対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０の中心部であるポイントＰ１および連結領域ｈｓｅ３０の中心部であるポイントＰ２から遠ざかっているため熱伝導の支配力が弱いからであると推測される。
　図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）よりも空間部ＳＰの面積をさらに大きくし、逆に連結領域ｈｓｅ３０の面積を小さくした場合を模式的に示す。具体的には長さｙ１を長さｙ０の９／１０とし、連結領域ｈｓｅ３０の長さｙ２を長さｙ０の１／１０とした場合である。こうした構成下では、ポイントＰ１，Ｐ２の温度が２５０℃であるとき、連結領域ｈｓｅ３０の中心部であるポイントＰ２およびポイントＰ３の温度は２００℃前後であった。またポイントＰ４すなわち感温素子ＴＥの中心部Ｔｃの温度は１９０℃前後であり、図５（Ｂ）よりも２０℃程度低かった。いずれにしても感温素子ＴＥの中心部Ｔｃの温度は最高温度の２５０℃とは６０℃前後異なり、温度検知感度が図５（Ａ），（Ｂ）に比べて低下することが分かった。温度検知感度が低下する理由は、連結領域ｈｓｅ３０の面積（体積）が小さくなり感温素子ＴＥまでの熱伝導力が弱くなったこと、および対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０の中心部であるポイントＰ１から感温素子ＴＥまでの距離が遠ざかっていることによるものと推測される。
　図６は図５と同様に図１～図４に示した凹字状の熱源素子ＨＳＥの熱分布シミュレーション結果を示す。熱源素子ＨＳＥ全体に印加する電力は図５のものと同様に３０Ｗとして見た。
　図６（Ａ）～（Ｃ）において、対向領域ｈｓｅ１２，ｈｓｅ２２の長さｘ１２および長さｘ２２はいずれも３３０μｍ、長さｙ０は３５０μｍ、連結領域ｈｓｅ３２の長さｘ３２＝１１０μｍとし、連結領域ｈｓｅ３２と対向領域ｈｓｅ１２，ｈｓｅ２２との間に１５μｍの距離を取り、連結領域ｈｓｅ３２と対向領域ｈｓｅ１２との間および連結領域ｈｓｅ３２と対向領域ｈｓｅ２２とを互いに分離させ、かつ対向領域ｈｓｅ１２，ｈｓｅ２２も互いに分離されるように構成した。したがって、図６（Ａ）～（Ｃ）は、対向領域ｈｓｅ１２，ｈｓｅ２２の長さｘ１２，ｘ２２を連結領域ｈｓｅ３２の長さｘ３２の３倍としたものである。この３倍の大きさは図５に示したほぼ２倍のものと相違する。
　図６（Ａ）～（Ｃ）のそれぞれは、長さｙ１およびｙ２が異なる。なお、図６（Ａ）～（Ｃ）は図５と同様に、いずれも長さｙ１と長さｙ２を加えた長さｙ０は一定とした。
　図６（Ａ）は、空間部ＳＰの面積を比較的小さく取った場合である。長さｙ１と長さｙ０との比率はｙ１／ｙ０＝０．２５とし、長さｙ２と長さｙ０との比率はｙ２／ｙ０＝０．７５とした。こうした構成下で熱源素子ＨＳＥおよび空間部ＳＰの熱分布シミュレーションを実施して見ると、ポイントＰ１の温度が最も高い２５０℃であるとき，ポイントＰ２の温度も２５０℃であった。このとき、ポイントＰ３は２４０℃前後であり、感温素子ＴＥの中心部ＴｃであるポイントＰ４の温度は２２０℃前後であった。またポイントＰ５の温度は２１０℃前後であり、ポイントＰ１の温度とは４０℃前後の温度差があり、図５のものとは大きな差が生じていることが分かった。
　図６（Ｂ）は、空間部ＳＰの面積を図６（Ａ）のものよりもさらに大きくした場合である。長さｙ１と長さｙ０との比率をｙ１／ｙ０＝０．５とし、長さｙ２と長さｙ０との比率ｙ２／ｙ０＝０．５とした。こうした構成下で熱源素子ＨＳＥおよび空間部ＳＰの熱分布をシミュレーションした結果、ポイントＰ１の温度が最も高い２５０℃であるとき，ポイントＰ２の温度も２５０℃であった。このとき、ポイントＰ３の温度は２４０℃前後であり、ポイントＰ４のそれは２３０℃前後であった。したがって、感温素子ＴＥの中心部ＴｃであるポイントＰ４の温度はポイントＰ１の温度よりも２０℃前後低かった。また、ポイントＰ５の温度は２００℃前後であった。
　図６（Ｂ）の構成下では空間部ＳＰの面積と連結領域ｈｓｅ３２の面積がほぼ等しく設定される。このときポイントＰ１からポイントＰ４までの距離すなわち対向領域ｈｓｅ１２，ｈｓｅ２２の中心部から感温素子ＴＥの中心部（ポイントＰ４）までの距離が最短距離となる。この最短距離は図６（Ａ）に示したそれよりも短い。このため最も温度の高い熱が感温素子ＴＥまで効率よく伝導されるため、空間部ＳＰの一部まで高い温度に保持されるものと推測される。
　図６（Ｃ）は、空間部ＳＰの面積を図６（Ｂ）のものよりもさらに大きくした場合である。長さｙ１と長さｙ０との比率をｙ１／ｙ０＝０．７５とし、長さｙ２と長さｙ０との比率はｙ２／ｙ０＝０．２５とした。こうした構成下で熱源素子ＨＳＥおよび空間部ＳＰの熱分布をシミュレーションした結果、ポイントＰ１の温度が最も高い２５０℃であるとき，ポイントＰ２の温度は２４０℃前後であった。このとき、ポイントＰ３およびポイントＰ４の温度は２３０℃前後であった。すなわち感温素子ＴＥの中心部ＴｃであるポイントＰ４の温度は最高温度とは２０℃前後の温度差が見られた。したがって、図６（Ｂ）に比べると、熱源素子ＨＳＥの最高温度と感温素子ＴＥが検知する温度の温度差はほぼ同じであった。
　図６に示した熱源素子ＨＳＥの構造は図５に示したものと同様に凹字状を２つの対向領域と１つの連結領域の３つの部分に分割したものである。なお、図６に示した分割構造とは異なるように、たとえば図２に示した第３辺１３を、第６辺１６および第７辺１７に接するまで延長させて３つの領域すなわち２つの対向領域と１つの連結領域に分割してシミュレーションを行ってもよい。こうした構成下においても２つの対向領域は空間部ＳＰを挟んで配置され、連結領域はこれら２つの対向領域を連結するように形成される。
　図７は、図５に示した熱分布シミュレーション結果を別の視点で表した温度勾配図である。図７の横軸にはポイントＰ１からポイントＰ５を示し、その縦軸は最高温度すなわちポイントＰ１との温度差を示す。熱分布のパラメータとしては空間部ＳＰの奥行き、すなわち比率ｙ１／ｙ０を示し、ｙ１／ｙ０＝０．９０、ｙ１／ｙ０＝０．６７、ｙ１／ｙ０＝０．５０の３つを採っている。
　図７においてポイントＰ１は対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０の中心部を示す。ポイントＰ１は各パラメータに関わらず温度は２５０℃前後であることが分かった。
　ポイントＰ２は連結領域ｈｓｅ３０の中心部にあたるが、ポイントＰ２の温度はポイントＰ１のそれとは少し異なり、最も温度差が小さかったのは比率ｙ１／ｙ０＝０．５のときであり、そのときの温度差は０℃であり、ポイントＰ１と同じ温度であった。最も温度差が大きかったのは比率ｙ１／ｙ０＝０．９のときであり、空間部ＳＰの面積が今回のシミュレーションで最も大きく設定され、連結領域ｈｓｅ３０が最も小さく設定されたときである。このときのポイントＰ２の温度はポイントＰ１よりも５０℃前後低かった。
　ポイントＰ３は連結領域ｈｓｅ３０の一辺の一部にあたる。すなわち、空間部ＳＰの奥行きの端部にあたり空間部ＳＰの中では最も温度が高くなると推測できる箇所である。ポイントＰ３での温度差はポイントＰ２と同様に比率ｙ１／ｙ０＝０．５が最も小さく温度差は２０℃前後であった。次に小さかったのは比率ｙ１／ｙ０＝０．６７であり、最も温度差が大きかったのは比率ｙ１／ｙ０＝０．９のときであり、そのときの温度差は５０℃前後であった。
　ポイントＰ４は感温素子ＴＥの中心部Ｔｃにあたる。ポイントＰ４はポイントＰ３から３０μｍ～６０μｍ離れているが、ポイントＰ３の温度よりも２０℃前後低かった。しかし比率ｙ１／ｙ０＝０．５と比率ｙ１／ｙ０＝０．６７との温度差に大きな差異は見られなかった。しかし、比率ｙ１／ｙ０＝０．９ではそれらと２０℃前後の差が生じていた。しかし、ポイントＰ４の温度差はポイントＰ３に比べると縮小されていた。
　ポイントＰ５は空間部ＳＰのいわゆる間口にあたり空間部の中では最も温度が低い箇所であると推測できるが、シミュレーション結果ではｙ１／ｙ０は０．５～０．９の範囲で最高温度と１１０℃前後の差が生じていた。しかし、ポイントＰ５の温度差はポイントＰ２に比べると縮小されていた。なお、図７に示した特性から言えることは、ｙ１／ｙ０は、０．６７～０．５の範囲では各ポイントでの温度に大きな差は見られなかったことである。なお、比率ｙ１／ｙ０＝０．５未満についてのシミュレーションは行っていないが、比率ｙ１／ｙ０＝０．６７とほぼ同じ特性になるものと推測される。
　図８は、図６に示した熱分布シミュレーション結果を別の視点で表した温度勾配図である。図８の横軸にはポイントＰ１からポイントＰ５を示し、その縦軸は最高温度すなわちポイントＰ１との温度差を示す。熱分布パラメータとしては空間部ＳＰの奥行き、すなわち比率ｙ１／ｙ０を示す。比率ｙ１／ｙ０＝０．７５、ｙ１／ｙ０＝０．５０、ｙ１／ｙ０＝０．２５の３つを採っている。
　図８においてポイントＰ１は対向領域ｈｓｅ１２，ｈｓｅ２２の中心部を示す。ポイントＰ１は各パラメータに関わらず温度はほぼ２５０℃であった。図８に示す特性は、図７に示したものよりは温度差が小さくなり、好ましい結果が得られた。また、空間部ＳＰの奥行きを変えたときの各ポイントの温度は図７のものとほぼ傾向を示すことが分かった。すなわち、比率ｙ１／ｙ０＝０．５のときに最も温度差が小さく、それ以上であってもそれ以下であってもポイントＰ１と各ポイントの温度差は大きくなる傾向が見られた。しかし図８は図７に比べると各ポイントの温度差は縮小され、それらの絶対値はほぼ１／２まで縮小されることが分かった。
　ポイントＰ２は連結領域ｈｓｅ３２の中心部であるが、ポイントＰ２の温度は比率ｙ１／ｙ０の大きさに関わらずほぼ同じであり、しかも最高温度の２５０℃とほぼ同じであった。
　ポイントＰ３は連結領域ｈｓｅ３２の一辺の一部にあたる。すなわち、空間部ＳＰの奥行きの端部にあたり空間部ＳＰの中では最も温度が高くなると推測できる箇所である。ポイントＰ３での温度差は空間部ＳＰの奥行きの大きさに関わらずほぼ同じであり、２４０℃前後であった。
　ポイントＰ４は感温素子ＴＥの中心部Ｔｃにあたる。ポイントＰ４はポイントＰ３から３０μｍ～６０μｍ離れているが、ポイントＰ３の温度よりも１０℃前後低かった。ｙ１／ｙ０＝０．５と、ｙ１／ｙ０＝０．２５、ｙ１／ｙ０＝０．７５との温度差は１０℃前後であり、その差はポイントＰ３とほぼ同じであった。
　ポイントＰ５は空間部ＳＰの間口にあたり空間部の中では最も温度が低い箇所であると推測できるがシミュレーション結果では、０．２５≦ｙ１／ｙ０≦０．７５の範囲で最高温度より５０℃前後低かった。しかしポイントＰ５の温度は図７に比べると、その温度差はほぼ１／２となり、ポイントＰ１との温度差は大幅に縮小されていた。
　図８についてまとめると次のとおりである。すなわち、対向領域ｈｓｅ１２，ｈｓｅ２２の面積（体積）を連結領域ｈｓｅ３２のそれよりも大きくすることによって、空間部ＳＰ内での温度勾配は小さくなり、感温素子ＴＥを配置するには好ましくなるということである。
　図９は図７～図８に示したポイントＰ４の温度、とりわけ最高温度２５０℃との温度差をプロットした温度勾配図である。ポイントＰ４は言うまでもなく、感温素子ＴＥの中心部Ｔｃにあたり、熱源素子ＨＳＥの温度を監視するために特に重要な箇所である。すなわち、ポイントＰ４の温度がポイントＰ１の温度に近ければ近いほど温度検知感度を高めることができる。
　図９は２つのパラメータでプロットしている。１つは、図５に示した連結領域ｈｓｅ３０の方向Ｘの長さｘ３０と長さｘ１０（ｘ２０）の比率すなわち、ｘ１０（ｘ２０）／ｘ３０＝２とした場合である。もう１つは図６に示した方向Ｘの長さｘ３２と長さｘ１２（ｘ２２）との比率すなわちで、ｘ１２（ｘ２２）／ｘ３２＝３とした場合である。簡約すれば、対向領域の幅を連結領域のそれの２倍にしたときと３倍にしたときの温度検知感度の比較である。
　図９から明らかになることは、対向領域の幅を連結領域のそれよりも大きくすると温度差は小さくなり温度検知感度が高くなるということである。こうした傾向は、空間部ＳＰの奥行きを示す比率（ｙ１／ｙ０）に関わらず同じ傾向を示した。たとえば、比率ｙ１／ｙ０＝０．５であるとき、幅が３倍のときの温度差は２０℃前後であったが幅を２倍にしたときの温度差は４０℃前後となり、両者にはほぼ２倍の温度差が見られた。
　また図９から明らかになることは、空間部ＳＰの奥行きの比率を示す、ｙ１／ｙ０の大きさは比率ｙ１／ｙ０＝０．５の近傍が良く、好ましい範囲はたとえば０．２５～０．７５であった。
　図９には、対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０，ｈｓｅ１２，ｈｓｅ２２の幅が連結領域ｈｓｅ３０，ｈｓｅ３２の２倍または３倍の比率である場合を示した。しかし、本発明では２倍、３倍だけではなく、１倍すなわち対向領域の幅と連結領域の幅が同じであっても同等の効果が奏されると類推される。ここで再度、図５（Ａ）～（Ｃ）を参照するが、図５（Ｃ）から分かるように、空間部ＳＰへの熱伝導は対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０の中心部（ポイントＰ１）から遠く離れているため十分ではない。しかし、連結領域ｈｓｅ３０の面積が大きくなり、図５（Ａ）に示すようにある程度大きくなると空間部ＳＰの温度は上昇していることが分かる。こうした状態は、見方を変えると空間部ＳＰへの熱伝導は連結領域ｈｓｅ３０が支配的になっているということである。このときの連結領域ｈｓｅ３０の幅は対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０の１／２である。してみれば、対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０の幅を連結領域ｈｓｅ３０と同じにしても同等の効果が奏されると解することができる。
　本発明の半導体装置１０は熱源素子ＨＳＥを凹字状に構成し、かつ所定の大きさの空間部ＳＰを設けるにあたっては、２つの対向領域と１つの連結領域に分類して３つの領域に分割する。その後、熱源素子ＨＳＥに所定の消費電力を印加し、かつ最高温度を監視、管理して熱源素子ＨＳＥおよび空間部ＳＰの熱分布や熱勾配のシミュレーションを行う。その後シミュレーション結果を分析する。分析は熱源素子ＨＳＥの最高温度、感温素子ＴＥの温度分布、空間部ＳＰの熱分布と熱勾配について吟味する。その後、分析結果に基づき、空間部ＳＰに熱保護回路ＴＳＤを配置するに必要な面積を決め、最終的に熱源素子ＨＳＥと空間部ＳＰの形状と大きさを決定する。こうした各ステップに基づき、熱源素子ＨＳＥに要求される面積と熱保護回路ＴＳＤの機能を発揮するに好適な半導体装置１０を設計するとよい。
　図１０は、熱源素子ＨＳＥでの消費電力と温度検知感度との関係を示すシミュレーション図である。すなわち、熱源素子ＨＳＥでの消費電力を変えたときのポイントＰ１とポイントＰ４すなわち感温素子ＴＥの中心部Ｔｃとの温度差を示した熱分布シミュレーション結果を示す。パラメータとしては図５に示したように、対向領域ｈｓｅ１０，ｈｓｅ２０の横幅ｘ１０，ｘ２０を連結領域３０の横幅ｘ３０の２倍としたものと、図６に示したように対向領域ｈｓｅ１２，ｈｓｅ２２の横幅ｘ１２，ｘ２２を連結領域３２の横幅ｘ３２の３倍とした２通りである。このとき両者とも、長さｙ１／ｙ０およびｙ２／ｙ０の大きさはそれぞれｙ１／ｙ０＝０．５、ｙ２／ｙ０＝０．５とし、空間部ＳＰと連結領域ｈｓｅ３０（ｈｓｅ３２）の大きさがほぼ同じ場合である。
　さて、これまで説明してきた図５～図９は熱源素子ＨＳＥでの消費電力が３０Ｗの場合であった。図１０はこの３０Ｗの消費電力と、６０Ｗの消費電力のときの熱分布シミュレーション結果から得られる特性図であり、横軸に消費電力を、縦軸に温度差をそれぞれ示す。
　温度差は、横幅が２倍の場合すなわちｘ１０（ｘ２０）／ｘ３０＝２に設定したときには、消費電力が３０Ｗの場合、ポイントＰ１とポイントＰ４との温度差は４４℃であった。同条件で、消費電力を６０Ｗに増大すると、両者の温度差は８８℃まで拡がった。
　また、温度差は、横幅が３倍の場合すなわちｘ１２（ｘ２２）／ｘ３２＝３に設定したときには、消費電力が３０Ｗの場合は、ポイントＰ１とポイントＰ４とのは２２℃であった。同条件で、消費電力を６０Ｗに増大させると、両者の温度差は４８℃まで拡がった。しかし、横幅を３倍にした場合には２倍のものに比べて、ポイントＰ１とポイントＰ４との温度差は大幅に縮小することが分かった。このことは感温素子ＴＥの温度検知感度を示すバロメータとして、対向領域（ｘ１０，ｘ２０，ｘ１２，ｘ２２）の横幅と連結領域（ｈｓｅ３０，ｈｓｅ３２）の横幅との比率が大きく関わっていることを示唆している。
　図１０に示した熱分布シミュレーション結果は、この種の半導体装置、半導体集積回路装置を設計、製造する上で極めて有用である。なぜならば、熱源素子ＨＳＥで消費する広範囲の消費電力に対する感温素子ＴＥの温度検知感度を類推することができるからである。
　図１０を参照すると、たとえば、熱源素子ＨＳＥの消費電力が５Ｗのときの感温素子ＴＥの温度検知感度を推測することができる。対向領域の横幅が連結領域の２倍であるときの温度差は８℃前後であり、横幅の比率が３倍であるときには４℃前後であることがわかる。したがって、熱源素子ＨＳＥの消費電力が５Ｗの場合には感温素子ＴＥの検知感度は１０℃以下であることが分かる。また、消費電力が１０Ｗであるときには、それぞれ１６℃前後，８℃前後であることが分かる。
　図１０に示した特性図は、半導体装置１０が実装されるリードフレーム、ダイスボンディング材、ワイヤー、樹脂などのいわゆる構成材料の熱伝導率［Ｗ／ｍ・℃］、密度［ｋｇ／ｍ3］、比熱［Ｊ／ｋｇ・℃］等によって違ったものになるので幾つかの組み合わせをあらかじめ用意しておけば半導体装置１０の設計期間の短縮、製品品質の向上化が図れる。
　図１１は熱源素子ＨＳＥの面積と空間部ＳＰのそれとの面積比率示す。図２で説明した空間部ＳＰの間口（長さｘ３）と奥行き（長さｙ１）の大きさと、対向領域ｈｓｅ１，ｈｓｅ２の幅（長さｘ１，ｘ２）をパラメータにして求めた図である。
　図１１において、たとえば、ｘ１（ｘ２）／ｘ３＝２、ｙ１／ｙ０＝０．５０の場合には、空間部ＳＰの面積は熱源素子ＨＳＥの面積の１／９（＝０．１１）となり、面積比率は１１．１％となる。このケースに当てはまるのが図５（Ａ）である。また、ｘ１（ｘ２）／ｘ３＝３、ｙ１／ｙ０＝０．５０の場合には空間部ＳＰの面積は熱源素子の１／１３となり、面積比率は７．７％となる。このケースに当てはまるのが図６（Ｂ）である。また、これまでの図には示していないが、ｘ１（ｘ２）／ｘ３＝１、ｙ１／ｙ０＝０．７５の場合には空間部ＳＰの面積は熱源素子ＨＳＥの面積の１／３となり、面積比率は３３．３％となる。本発明では空間部ＳＰの面積の熱源素子ＨＳＥに占める面積比率は図１１に示した３．７％～３３．３％の範囲である場合が多くなる。すなわち、熱源素子ＨＳＥおよび空間部ＳＰの平面視形状の面積をそれぞれＳ１，Ｓ２とすると、Ｓ２は、おおよそ、０．０３７×Ｓ１～０．３３３×Ｓ１の範囲になる。
　図１２は、空間部ＳＰに配置される熱保護回路ＴＳＤの具体的な回路構成の一例を示す。熱保護回路ＴＳＤは従前よく知られたものである。熱保護回路ＴＳＤは、感温素子ＴＥの他にたとえば、定電流源ＣＣ１,ＣＣ２、抵抗Ｒ１，Ｒ２、トランジスタＱ、コンパレータＣＯＭ、インバータＩＮＶを有する。感温素子ＴＥはたとえばトランジスタをダイオード接続したものを用いる。感温素子ＴＥがたとえばダイオードであるときダイオードの順方向電圧は温度変化に対してたとえば－２ｍＶの温度係数を有しているので、感温素子ＴＥに生じた電圧をコンパレータＣＯＭで比較することで熱源素子ＨＳＥの温度を検知することができる。コンパレータＣＯＭから出力されるＴＳＤオンオフ信号によって熱保護回路ＴＳＤをオンオフさせる。感温素子ＴＥとしては半導体の拡散抵抗、ポリシリコン抵抗などを用いることもできる。図１２に示した熱保護回路ＴＳＤは一例であり、回路構成はさらに複雑になり集積度が増加し、あるいは回路構成はさらに簡素化される場合もある。回路構成、回路素子の数によって空間部ＳＰの間口と奥行きの大きさを設定するとよい。
　本発明の半導体装置およびその設計方法は、熱分布シミュレーションに基づき熱源素子の温度に近い温度を感温素子で検知することができるので、パワートランジスタを用いる半導体装置、半導体集積回路装置の熱監視、熱管理に極めて好適であるのでその産業上の利用可能性は極めて高い。
　１０　半導体装置
　１１　第１辺
　１２　第２辺
　１３　第３辺
　１４　第４辺
　１５　第５辺
　１６　第６辺
　１７　第７辺
　１８　第８辺
　ＣＣ１，ＣＣ２　定電流源
　ＣＯＭ　コンパレータ
　ＨＳＥ　熱源素子
　ｈｓｅ１，ｈｓｅ２，ｈｓｅ１０，ｈｓｅ１２，ｈｓｅ２０，ｈｓｅ２２　対向領域
　ｈｓｅ３，ｈｓｅ３０，ｈｓｅ３２　連結領域
　ＯＣ　その他回路
　Ｐ１～Ｐ５　ポイント
　Ｑ　トランジスタ
　ＳＣＨ　半導体チップ
　ＳＰ　空間部
　ＴＥ　感温素子
　ＴＳＤ　熱保護回路

Claims (11)

  1. 　熱源素子と感温素子を備えた半導体装置であって、前記熱源素子の平面視形状は、第１の距離ｘ１を有する第１辺と、前記第１辺と同一線上に第２の距離ｘ３離れ前記第１辺から遠ざかる方向に第３の距離ｘ２延びる第２辺と、前記第１辺および前記第２辺の垂直方向に第４の距離ｙ１離れ前記第２の距離ｘ３と同じ長さを有する第３辺と、前記第１辺の一端と前記第３辺の一端を結ぶ第４辺と、前記第２辺の一端と前記第３辺の他端を結ぶ第５辺と、前記第１辺の他端にその一端が接続され前記第４辺が延びる方向と同じであってかつそれよりも長さが長く長さｙ０で示される第６辺と、前記第２辺の他端に接続されその一端が前記第５辺が延びる方向と同じであってかつそれよりも長い長さｙ０で示される第７辺と、前記第６辺および前記第７辺の他端同士を結ぶ第８辺を備えており、前記第８辺は長さｘ０を有しており、前記感温素子は前記第３辺の近傍に配置されていることを特徴する半導体装置。
  2. 　前記感温素子の中心部は前記第４辺および第５辺よりも前記第３辺の近傍に配置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。
  3. 　前記第４の距離ｙ１と前記長さｙ０との間は、０．２５≦ｙ１／ｙ０≦０．７５であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 　前記第４の距離ｙ１はほぼ、ｙ１／ｙ０＝０．５であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
  5. 　前記第１の距離ｘ１と前記第３の距離ｘ２はほぼ、ｘ３≦ｘ１＝ｘ２≦３×ｘ３であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
  6. 　前記熱源素子および前記感温素子は、前記第１辺，第２辺，第３辺，第４辺および前記第５辺で画定された空間部に配置され、前記熱源素子の平面視上の面積をＳ１とし、前記空間部の面積をＳ２としたときに、０．０３７×Ｓ１≦Ｓ２≦０．３３３×Ｓ１であることを特徴する請求項１～５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 　前記感温素子は熱保護回路の一部を成し、前記熱保護回路は前記感温素子および基準電圧回路に定電流を供給する定電流源と前記基準電圧回路の基準電圧と前記感温素子に生じた電圧を比較するコンパレータを有し、前記熱保護回路は前記空間部に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
  8. 　半導体チップ内に熱源素子と感温素子を有する半導体装置であって、前記熱源素子は空間部を挟む２つの対向領域と、前記２つの対向領域をつなぐ連結領域を備えて凹字状を成し、前記感温素子は前記連結領域の近傍の前記空間部に配置されていることを特徴とする半導体装置。
  9. 　前記感温素子の中心部と前記連結領域の中心部との間の距離は、前記感温素子の中心部と前記対向領域の１つの領域の中心部との間の距離よりも短いことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
  10. 　請求項８～９のいずれか１項に記載の半導体装置を設計するにあたり、前記凹字状の熱源素子を３つの領域に分割すると共にそれら分割した領域および前記空間部の大きさ、形状を決定する第１ステップと、前記第１ステップで決定した前記熱源素子および前記空間部の熱分布シミュレーションを実行する第２ステップと、前記第２ステップで実行したシミュレーション結果を分析する第３ステップと、前記第３ステップで得られたシミュレーション結果に基づき前記３つの領域と前記空間部の大きさを決定する第４ステップを有することを特徴とする半導体装置の設計方法。
  11. 　前記３つの領域の２つは前記対向領域であり、前記３つの領域の１つは前記連結領域であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の設計方法。
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