半導體裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體裝置，更詳細地說，涉及在內燃機的點火系統中利用開關元件對電感負載進行驅動的半導體裝置。
【背景技術】
[0002]在內燃機、例如汽車的發動機的點火系統中，使用變壓器等電感負載，使發動機點火。變壓器由半導體裝置的開關元件驅動。開關元件基于從發動機控制用計算機輸出的著火信號，利用驅動電路而進行動作。
[0003]在用于點火系統的半導體裝置中搭載保護功能(例如參照專利文獻I?4)。例如，在半導體裝置中，為了避免燒毀破壞，搭載下述功能，g卩，在大于或等于預先確定的時間持續地施加接通信號時，將負載電流切斷。將負載電流切斷的動作是通過半導體裝置的自身保護而進行的切斷動作，因此，原本在與從發動機控制用計算機輸出著火信號的定時(timing)不同的定時進行的可能性極高。
[0004]根據切斷動作的定時的不同，發生發動機的逆火及爆震等問題。在最壞的情況下，還存在下述問題，即，可能導致發動機的機械機構的破損。為了防止這些問題，在半導體裝置中搭載下述功能，即，實現負載電流的緩慢的切斷，防止不必要的點火動作。除此以外，在半導體裝置中，還作為自身保護而進行針對異常溫度及過電流的對策。如上所述，半導體裝置以盡可能避免誤點火的風險的方式構成。
[0005]另外，對于在點火系統中與作為半導體裝置而使用的電力用半導體裝置連接的功率半導體用接地(以下有時稱為“功率GND”)，在從驅動電路輸出的輸出信號的信號電平是低(Low)電平時，電位有可能由于電涌等的施加而下降至一 60V左右。這是直至與電池連接的電池接地(以下有時稱為“電池GND”)為止的配線的影響。
[0006]在從驅動電路輸出的輸出信號的信號電平為低電平時，如果功率GND的電位下降至一 60V左右，則有可能半導體裝置進行誤動作，開關元件再次進行接通(ON)動作。為了防止上述情況，在半導體裝置中作為保護功能而搭載下述功能，即，防止不必要的點火動作，以在電涌等的較短的脈沖信號下不進行動作。
[0007]專利文獻1:日本特開平9 - 172358號公報
[0008]專利文獻2:日本特開平11 一 205112號公報
[0009]專利文獻3:日本特開平7 - 142711號公報
[0010]專利文獻4:日本特開2010 - 226835號公報
【發明內容】
[0011]如前述的專利文獻I?4等公開的那樣，在用于點火系統的半導體裝置中搭載保護功能。保護功能使半導體裝置的電路規模增大，是阻礙低成本化及小型化的主要原因。
[0012]本發明的目的在于，提供一種具有保護功能且能夠實現小型化及低成本化的半導體裝置。
[0013]本發明的半導體裝置的特征在于，具有:開關元件；驅動電路，其基于從外部的控制裝置提供的控制信號，輸出用于驅動所述開關元件的驅動控制信號；以及控制電路，其基于從所述驅動電路輸出的所述驅動控制信號，對所述開關元件的驅動進行控制，所述驅動電路在所述控制信號是用于驅動所述開關元件的信號的情況下，將信號電平相對較低的低電平的所述驅動控制信號輸出，所述驅動電路在所述控制信號是用于使所述開關元件的驅動停止的信號的情況下，將信號電平相對較高的高電平的所述驅動控制信號輸出，所述控制電路具有用于蓄積電荷的電荷蓄積用電容器，所述控制電路在從所述驅動電路輸出的所述驅動控制信號為高電平時，使所述開關元件的驅動停止，并對所述電荷蓄積用電容器進行充電，所述控制電路在從所述驅動電路輸出的所述驅動控制信號為低電平時，使用蓄積在所述電荷蓄積用電容器中的電荷，對所述開關元件進行驅動。
[0014]發明的效果
[0015]根據本發明的半導體裝置，如果從驅動電路輸出高電平的驅動控制信號，則通過控制電路，使開關元件的驅動停止，對電荷蓄積用電容器進行充電。如果從驅動電路輸出低電平的驅動控制信號，則通過控制電路，使用蓄積在電荷蓄積用電容器中的電荷，對開關元件進行驅動。
[0016]如上所述，在開關元件的驅動中，由于使用蓄積在控制電路的電荷蓄積用電容器中的電荷，因此如果開關元件連續地通電，則電荷蓄積用電容器由于控制電路的消耗電力而進行放電。與該放電相伴，用于將開關元件設置為流過電流的導通狀態的驅動電壓逐漸下降。由此，由于能夠緩慢地將流過開關元件的電流切斷，因此能夠保護半導體裝置。另夕卜，由于在從驅動電路輸出的驅動控制信號為高電平時，僅對電荷蓄積用電容器進行充電，且不對開關元件進行驅動，因此能夠防止開關元件意外地變為導通狀態，保護半導體裝置。
[0017]如上所述，根據本發明，無需另外設置保護電路即可實現保護功能。因此，能夠實現具有保護功能且能夠實現小型化及低成本化的半導體裝置。
[0018]通過以下的詳細說明和附圖，使得本發明的目的、特征、方面、以及優點更清楚。
【附圖說明】
[0019]圖1是表示點火裝置10的結構的一個例子的圖。
[0020]圖2是表示半導體裝置I的動作的時序圖。
[0021]圖3是表示本發明的前提技術即半導體裝置I的控制電路12及開關元件部3的結構的圖。
[0022]圖4是表示本發明的第I實施方式即半導體裝置30的控制電路31及開關元件部3的結構的圖。
[0023]圖5是表不圖4的控制電路31及開關兀件部3的動作的時序圖。
[0024]圖6是表示本發明的第2實施方式即半導體裝置35的控制電路36及開關元件部3的結構的圖。
[0025]圖7是表示本發明的第3實施方式即半導體裝置40的控制電路41及開關元件3的結構的圖。
[0026]圖8是表示本發明的第4實施方式即半導體裝置45的控制電路46及開關元件部3的結構的圖。
[0027]圖9是表示本發明的第5實施方式即半導體裝置50的控制電路51及開關元件部3的結構的圖。
[0028]圖10是表示本發明的第6實施方式即半導體裝置55的控制電路56及開關元件部3的結構的圖。
[0029]圖11是表示本發明的第7實施方式即半導體裝置60的控制電路61及開關元件部3的結構的圖。
[0030]圖12是表示本發明的第8實施方式即半導體裝置65的控制電路66及開關元件部3的結構的圖。
[0031]圖13是表示本發明的第9實施方式即半導體裝置70的控制電路71及開關元件部3的結構的圖。
[0032]圖14是表示本發明的第10實施方式即半導體裝置75的控制電路76及開關元件部3的結構的圖。
[0033]圖15是表示本發明的第11實施方式即半導體裝置80的控制電路81及開關元件部3的結構的圖。
[0034]圖16是表示本發明的第11實施方式的變形例即半導體裝置85的控制電路86及開關元件部3的結構的圖。
[0035]圖17是表示本發明的第12實施方式即半導體裝置90的控制電路91及開關元件部3的結構的圖。
[0036]圖18是表示本發明的第12實施方式的變形例即半導體裝置95的控制電路96及開關元件部3的結構的圖。
[0037]圖19是表示本發明的前提技術即半導體裝置I的驅動電路11的結構的圖。
[0038]圖20是表示本發明的第13實施方式中的驅動電路100的結構的圖。
[0039]圖21是表示本發明的第14實施方式中的驅動電路105的結構的圖。
[0040]圖22是表示本發明的第15實施方式中的驅動電路110的結構的圖。
[0041]圖23是表示本發明的第16實施方式中的驅動電路115的結構的圖。
[0042]圖24是表示本發明的第17實施方式中的驅動電路120的結構的圖。
[0043]圖25是表示本發明的第18實施方式中的驅動電路125的結構的圖。
【具體實施方式】
[0044]<第I實施方式>
[0045]圖1是表示點火裝置10的結構的一個例子的圖。點火裝置10設置于內燃機例如汽車的發動機的點火系統(即，Ignit1n System)。點火裝置10具有下述部件而構成，即:半導體裝置I ;點火用變壓器4 ;火花塞5 ;電子控制單元(Electronic Control Unit ；簡稱:ECU)6 ;以及電源9。
[0046]半導體裝置I具有集成電路2及開關元件部3。集成電路2具有驅動電路11、控制電路12以及電流檢測電阻Rsl。開關元件部3具有電力用半導體元件作為開關元件，具體地說，具有絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor ;簡稱:IGBT)Q1。另外，開關元件部3具有齊納二極管Zdl。點火用變壓器4具有一次側線圈13及二次側線圈14。
[0047]E⑶6與驅動電路11及控制用接地7連接。E⑶6是控制用計算機，具有中央運算處理裝置(Central Processing Unit ;簡稱:CPU)而構成。EQJ6相當于控制裝置。
[0048]E⑶6將對開關元件部3的開關元件即IGBT Ql進行控制的控制信號Sd提供給驅動電路11。驅動電路11與控制電路12及控制用接地7連接。驅動電路11將從E⑶6提供的控制信號Sd向控制電路12提供。從驅動電路11向控制電路12輸出的控制信號Sd相當于驅動控制信號。
[0049]控制電路12與構成開關元件部3的IGBT Ql及齊納二極管Zdl、電流檢測電阻Rsl及功率半導體用接地8連接。具體地說，控制電路12分別與IGBT Ql的柵極、以及齊納二極管Zdl的陽極連接。
[0050]控制電路12基于從驅動電路11提供的控制信號Sd、和預先確定的動作條件，生成對開關元件部3的IGBT Ql進行驅動的驅動信號Vge。控制電路12將生成的驅動信號Vge向IGBT Ql的柵極提供。由此，控制電路12對IGBT Ql的驅動進行控制。
[0051]IGBT Ql的集電極與點火用變壓器4的一次側線圈13的一端及齊納二極管Zdl的陰極連接。點火用變壓器4的一次側線圈13的另一端與電源9連接。齊納二極管Zdl的陽極與IGBT Ql的柵極及控制電路12連接。點火用變壓器4的二次側線圈14的一端與電源9連接。點火用變壓器4的二次側線圈14的另一端與火花塞5的一端連接。火花塞5的另一端與功率半導體用接地8連接。
[0052]為了防止構成點火用變壓器4的一次側線圈13及二次側線圈的繞組的絕緣破壞，齊納二極管Zdl設置在IGBT Ql的集電極和柵極之間。齊納二極管Zdl是用于將IGBT Ql的集電極和發射極之間的電壓(以下有時稱為“集電極一發射極間電壓”)Vce固定(鉗位(clamp))于預先確定的電壓的鉗位齊納。齊納二極管Zdl將IGBT Ql的集電極一發射極間電壓Vce鉗位于例如500V左右。
[0053]IGBT Ql的發射極與電流檢測電阻Rsl的一端連接。電流檢測電阻Rsl的另一端與功率半導體用接地8連接。電流檢測電阻Rsl的一端與控制電路12連接。控制電路12利用電流檢測電阻Rsl，將在IGBT Ql的發射極中流動的發射極電流變換為感測電壓Vsense并進行檢測。
[0054]具體地說，控制電路12將電流檢測電阻Rsl的一端和功率半導體用接地8之間的電位差作為感測電壓Vsense進行檢測。控制電路12基于檢測到的感測電壓VsensejPi流檢測電阻Rsl的電阻值，求出在IGBT Ql的發射極中流動的發射極電流。在下面的說明中，將以上述方式求出的發射極電流稱為感測電流I sense。
[0055]點火裝置10以下述方式進行動作。對于點火裝置10的半導體裝置1，如果作為控制信號Sd而從ECU6提供用于使開關元件部3的IGBT Ql導通的導通信號，則經由驅動電路11，利用控制電路12的控制端子對來自ECU6的導通信號進行接收。控制電路12基于接收到的導通信號，對IGBT Ql進行驅動。由此，半導體裝置I使電流向作為負載的點火用變壓器4流動。
[0056]在點火定時，作為控制信號Sd而從E⑶6提供用于使IGBT Ql截止的截止信號。半導體裝置I經由驅動電路11，利用控制電路12的控制端子對來自ECU6的截止信號進行接收。控制電路12基于接收到的截止信號，將IGBT Ql斷開，將IGBT Ql的集電極和發射極之間的導通切斷。
[0057]通過將IGBT Ql的集電極一發射極間的導通切斷，由此，IGBT Ql的集電極一發射極間電壓Vce上升，在點火用變壓器4的二次側線圈14中激勵出匝數比倍的高電壓，并作為點火用電壓V2施加至火花塞5。點火用電壓V2例如大于或等于負(一)30kV。
[0058]圖2是表示半導體裝置I的動作的時序圖。在圖2中，為了示出半導體裝置I的動作，示出表示從ECU6經由驅動電路11向控制電路12提供的控制信號Sd (V)、從控制電路12向IGBT Ql的柵極提供的驅動信號Vge (V)、從點火用變壓器4向IGBT Ql流動的負載電流Ic (A)、IGBT Ql的集電極一發射極間電壓Vce (V)、以及點火用電壓V2 (V)的變化的時序圖。驅動信號Vge (V)為IGBT Ql的柵極和發射極之間的電壓(以下有時稱為“柵極一發射極間電壓”)。圖2的橫軸為時間T (sec)。
[0059]在時刻tl，如果向控制電路12提供的控制信號Sd的信號電平從低(Low)電平切換為高(Hi)電平，則向IGBT Ql的柵極施加的驅動信號Vge的信號電平從低電平變為高電平。由此，負載電流Ic開始從作為負載的點火用變壓器4向IGBT Ql流動。負載電流Ic逐漸增加。
[0060]在作為點火定時Tig的時刻t2，如果控制信號Sd的信號電平從高電平切換為低電平，則驅動信號Vge從高電平變為低電平。由此，切斷負載電流Ic。
[0061]之后，在時刻t3，與時刻tl同樣地，如果控制信號Sd的信號電平從低電平切換為高電平，則驅動信號Vge的信號電平從低電平變為高電平，負載電流Ic開始流動。
[0062]負載電流Ic的值依賴于控制信號Sd的接通時間即作為控制信號Sd而提供接通信號的時間、以及電源9的電壓Vp而變動。對于IGBT Q1，為了避免如果負載電流Ic大于或等于某個值，則構成點火用變壓器4的一次側線圈13及二次側線圈的繞組的熔斷、以及點火用變壓器4的磁飽和的風險，對負載電流Ic進行控制，以使其不超過上限。將該最大容許電流值定義為“限流值”，以IcO表示。
[0063]例如，在時刻t4，驅動信號Vge的信號電平從高電平下降，負載電流Ic進一步增加，在時刻t5，如果負載電流Ic達到限流值IcO，則IGBT Ql由控制電路12進行控制，以使得集電極一發射極間電壓Vce增加。由此，負載電流Ic被限制于限流值IcO。
[0064]之后，在作為點火定時Tig的時刻t6，如果控制信號Sd的信號電平從高電平切換為低電平，則驅動信號Vge從高電平變為低電平，切斷負載電流Ic。
[0065]在參照標號“15”所示的動作點，在作為開關元件的IGBT Ql處產生較大的焦耳損耗。
[0066]圖3是表示本發明的前提技術即半導體裝置I的控制電路12及開關元件部3的結構的圖。控制電路12具有下述部件而構成，即:內部電源20 ;施密特觸發器電路21 ;延遲計時器22 ;直流電流源23 ;基準電壓源24 ;比較器25 ;電壓一電流變換電路(簡稱:V —I變換電路)26 ;第I肖特基勢皇二極管Dsl ;第2肖特基勢皇二極管Ds2 ;控制電路用齊納二極管 Zd2 ;第 I 電阻 Rl ;第2 電阻 R2 ;第 I P 溝道型 MOSFET (Metal-Oxide SemiconductorField-Effect Transistor) PMl ;第 2 P 溝道型 MOSFET PM2 ;第 3 P 溝道型 MOSFET PM3 ；第4 P溝道型MOSFET PM4;以及第5 P溝道型MOSFET PM5。在以下的說明中，將P溝道型MOSFET稱為“PM0S晶體管”。
[0067]開關元件部3具有IGBT Ql及齊納二極管Zdl而構成。在以下的說明中，有時將構成開關元件部3的齊納二極管Zdl稱為“元件部用齊納二極管Zdl”。IGBT Ql具有輸出與集電極電流成正比的感測電流Isense的感測端子。
[0068]控制電路用齊納二極管Zd2的陰極與驅動電路11的輸出端子G連接。控制電路用齊納二極管Zd2的陽極與功率半導體用接地8的接地端子GND連接。第I肖特基勢皇二極管Dsl的陽極與驅動電路11的輸出端子G連接。第I肖特基勢皇二極管Dsl的陰極與第2肖特基勢皇二極管Ds2的陰極連接。第2肖特基勢皇二極管Ds2的陽極與功率半導體用接地8的接地端子GND連接。
[0069]第I肖特基勢皇二極管Dsl的陰極與第2肖特基勢皇二極管Ds2的陰極之間的連接點分別與內部電源20、第I電阻Rl的一端、施密特觸發器電路21的輸入端子、第I PMOS晶體管PMl的源極、第2 PMOS晶體管PM2的源極、第3 PMOS晶體管PM3的源極、第4 PMOS晶體管PM4的源極、第5 PMOS晶體管PM5的源極連接。
[0070]第I電阻Rl的一端與內部電源20連接。第I電阻Rl的另一端與功率半導體用接地8的接地端子GND連接。
[0071]施密特觸發器電路21的輸出端子與延遲計時器22的一端連接。延遲計時器22的另一端與第I PMOS晶體管PMl的柵極連接。第I PMOS晶體管PMl的漏極與第2 PMOS晶體管PM2的漏極及第4 PMOS