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WO2016117030A1 - 半導体装置 - Google Patents

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WO2016117030A1
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英夫 河面
晃一 田口
武志 王丸
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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    • H10F55/20—Radiation-sensitive semiconductor devices covered by groups H10F10/00, H10F19/00 or H10F30/00 being structurally associated with electric light sources and electrically or optically coupled thereto wherein the electric light source controls the radiation-sensitive semiconductor devices, e.g. optocouplers
    • H10F55/25—Radiation-sensitive semiconductor devices covered by groups H10F10/00, H10F19/00 or H10F30/00 being structurally associated with electric light sources and electrically or optically coupled thereto wherein the electric light source controls the radiation-sensitive semiconductor devices, e.g. optocouplers wherein the radiation-sensitive devices and the electric light source are all semiconductor devices

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device capable of monitoring the temperature of a substrate without adding parts.
  • Semiconductor device control systems are required to have high precision, high functionality, and high density, and must be realized at low cost.
  • increasing the accuracy of various sensing functions is an important issue for achieving higher efficiency of semiconductor devices.
  • One of the factors that hinders high accuracy is the variation in performance due to the temperature characteristics of electronic components, and countermeasures are required.
  • a photocoupler is an electronic component that is generally used to transmit signals of both while isolating a logic part and a semiconductor element.
  • a technique for detecting abnormal heat generation of the photocoupler itself using a light-emitting diode of the photocoupler has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
  • thermocouple or a thermistor In order to suppress the performance variation of the sensing function due to the temperature characteristics of electronic components, it is necessary to monitor and feed back the substrate temperature. Therefore, when the substrate temperature is monitored using a thermocouple or a thermistor, there is a problem that the number of parts and cost increase.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain a semiconductor device capable of monitoring the temperature of a substrate without adding parts.
  • a semiconductor device converts a substrate, first and second circuits formed on the substrate, and an electric signal formed on the substrate and input from the first circuit into an optical signal.
  • a photocoupler having a light emitting diode and a light receiving element that converts the optical signal into an electrical signal and outputs the electric signal to the second circuit; and reading a Vf voltage value of the light emitting diode of the photocoupler to detect the temperature of the substrate And a substrate temperature monitor circuit for monitoring the above.
  • the substrate temperature monitor circuit monitors the substrate temperature by reading the Vf voltage value of the light-emitting diode of the photocoupler. As a result, the temperature of the substrate can be monitored without adding components such as a thermocouple and a thermistor.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. It is a figure which shows the Vf voltage characteristic of the light emitting diode of a photocoupler. It is a figure which shows the semiconductor device which concerns on Embodiment 2 of this invention. It is a figure which shows the semiconductor device which concerns on Embodiment 3 of this invention. It is a figure which shows the semiconductor device which concerns on Embodiment 4 of this invention. It is a figure which shows the semiconductor device which concerns on Embodiment 5 of this invention. It is a figure which shows the semiconductor device which concerns on Embodiment 6 of this invention. It is a figure which shows the lifetime curve of an aluminum electrolytic capacitor. It is a figure which shows the semiconductor device which concerns on Embodiment 7 of this invention. It is a figure which shows the semiconductor device which concerns on Embodiment 8 of this invention.
  • FIG. FIG. 1 is a diagram showing a semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the photocoupler 4 includes a primary side light emitting diode 6 that converts an electrical signal input from the first circuit 2 into an optical signal, and a light receiving element 7 that converts the optical signal into an electrical signal and outputs the electrical signal to the second circuit 3.
  • the photocoupler 4 transmits both signals while insulating between the first circuit 2 and the second circuit 3.
  • FIG. 2 is a diagram showing the Vf voltage characteristics of the light-emitting diode of the photocoupler.
  • the Vf voltage of the primary side light emitting diode 6 has temperature dependency. Therefore, the substrate temperature monitor circuit 5 monitors the temperature of the substrate 1 by reading the Vf voltage value of the primary side light emitting diode 6 of the photocoupler 4. Since the photocoupler 4 is originally provided in the apparatus, the temperature of the substrate 1 can be monitored without adding components such as a thermocouple and a thermistor. Also, by feeding back the monitored temperature to various sensing circuits, variations in circuit characteristics due to temperature can be canceled, and the sensing function can be highly accurate.
  • FIG. FIG. 3 is a diagram showing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
  • a constant current circuit 8 is used as a drive circuit for the primary side light emitting diode 6. Thereby, accurate substrate temperature information can be monitored.
  • FIG. FIG. 4 is a diagram showing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
  • the power supply circuit 9 supplies a voltage to the first and second circuits 2 and 3.
  • the substrate temperature monitor circuit 5 corrects the temperature variation of the output voltage value of the power supply circuit 9 according to the monitored temperature of the substrate 1.
  • the accuracy of the drive system of the semiconductor device can be improved by feeding back the temperature information to the power supply circuit 9 and correcting the variation due to the temperature characteristic of the power supply voltage value.
  • FIG. FIG. 5 is a diagram showing a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the substrate temperature monitor circuit 5 outputs an error signal when the monitored temperature of the substrate 1 reaches a threshold value.
  • the control circuit 10 stops the operations of the first and second circuits 2 and 3.
  • the semiconductor device can be accurately protected.
  • FIG. FIG. 6 is a diagram showing a semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the signal output circuit 11 outputs a pulse width modulation (PWM) signal.
  • PWM pulse width modulation
  • the substrate temperature monitor circuit 5 corrects the PWM signal according to the monitored temperature of the substrate 1 and supplies it to the photocoupler 4. In this way, by monitoring and feeding back the temperature using the substrate temperature monitor circuit 5, it is possible to correct the duty transmission variation of the PWM signal of the photocoupler 4 caused by the temperature characteristics.
  • FIG. 7 is a diagram showing a semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the power supply circuit 9 has an aluminum electrolytic capacitor 12.
  • the substrate temperature monitor circuit 5 refers to the life curve of the aluminum electrolytic capacitor 12 stored in advance, and accumulates the thermal history of the aluminum electrolytic capacitor 12 from the monitored temperature of the substrate 1 to thereby determine the life of the aluminum electrolytic capacitor 12.
  • FIG. 8 is a diagram showing a life curve of an aluminum electrolytic capacitor. Thereby, the lifetime of the aluminum electrolytic capacitor 12 can be accurately predicted.
  • the substrate temperature monitor circuit 5 outputs an error signal when the predicted lifetime of the aluminum electrolytic capacitor 12 reaches the lifetime criteria. Upon receiving the error signal, the error output unit 13 notifies the user of the error by display or voice. As a result, the semiconductor device can be accurately protected, and the replacement time of the semiconductor device can be detected.
  • FIG. FIG. 9 shows a semiconductor device according to Embodiment 7 of the present invention.
  • a plurality of photocouplers 4 are formed on the substrate 1.
  • the first and second circuits 2 and 3 are not shown, they have the same configuration as that of any of the first to sixth embodiments.
  • the substrate temperature monitor circuit 5 monitors the temperature of the substrate 1 by reading and averaging the Vf voltage value of the primary side light emitting diode 6 of each of the plurality of photocouplers 4. In this way, by monitoring the temperature by the plurality of photocouplers 4, the temperature of the substrate 1 can be monitored more accurately.
  • FIG. 10 is a diagram showing a semiconductor device according to the eighth embodiment of the present invention.
  • a plurality of photocouplers 4 are formed on the substrate 1.
  • the first and second circuits 2 and 3 are not shown, they have the same configuration as that of any of the first to sixth embodiments.
  • the substrate temperature monitoring circuit 5 monitors the temperature of the substrate 1 by reading the Vf voltage value of the primary side light emitting diode 6 of the photocoupler 4 at the highest temperature of the substrate 1 among the plurality of photocouplers 4.
  • Substrate 2. First circuit, 3. Second circuit, 4. Photocoupler, 5. Substrate temperature monitor circuit, 6. Primary light emitting diode, 7. Light receiving element, 8. Constant current circuit, 9. Power supply circuit, 10. Control circuit, 11. Signal. Output circuit, 12 aluminum electrolytic capacitor

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Abstract

　基板（１）上に、第１及び第２の回路（２，３）、フォトカプラ（４）、及び基板温度モニタ回路（５）が形成されている。フォトカプラ（４）は、第１の回路（２）から入力した電気信号を光信号に変換する一次側発光ダイオード（６）と、その光信号を電気信号に変換して第２の回路（３）に出力する受光素子（７）とを有する。基板温度モニタ回路（５）は、フォトカプラ（４）の一次側発光ダイオード（６）のＶｆ電圧値を読み取ることで基板（１）の温度をモニタする。

Description

半導体装置
　本発明は、部品を追加することなく、基板の温度をモニタすることができる半導体装置に関する。
　半導体装置の制御システムは高精度化・高機能化・高密度化が求められており、低コストで実現する必要がある。制御システムの中でも各種センシング機能の高精度化は半導体装置の高効率化を実現するための重要な課題である。高精度化阻害要因の一つとして電子部品の温度特性による性能ばらつきが挙げられ、対策が必要となっている。
　なお、フォトカプラは、ロジック部と半導体素子間を絶縁しつつ、双方の信号を伝達するために一般的に使われている電子部品である。フォトカプラの発光ダイオードでフォトカプラ自身の異常発熱を検出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
日本特開２００７－２０１１６９号公報
　電子部品の温度特性によるセンシング機能の性能ばらつきを抑制するためには、基板の温度をモニタしてフィードバックする必要がある。そのために熱電対やサーミスタを用いて基板温度をモニタリングすると、部品点数・コストが増加するという問題があった。
　本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は部品を追加することなく、基板の温度をモニタすることができる半導体装置を得るものである。
　本発明に係る半導体装置は、基板と、前記基板上に形成された第１及び第２の回路と、前記基板上に形成され、前記第１の回路から入力した電気信号を光信号に変換する発光ダイオードと、前記光信号を電気信号に変換して前記第２の回路に出力する受光素子とを有するフォトカプラと、前記フォトカプラの前記発光ダイオードのＶｆ電圧値を読み取ることで前記基板の温度をモニタする基板温度モニタ回路とを備えることを特徴とする。
　本発明では、基板温度モニタ回路がフォトカプラの発光ダイオードのＶｆ電圧値を読み取ることで基板の温度をモニタする。これにより、熱電対やサーミスタ等の部品を追加することなく、基板の温度をモニタすることができる。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す図である。 フォトカプラの発光ダイオードのＶｆ電圧特性を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態５に係る半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態６に係る半導体装置を示す図である。 アルミ電解コンデンサの寿命曲線を示す図である。 本発明の実施の形態７に係る半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態８に係る半導体装置を示す図である。
　本発明の実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す図である。基板１上に、第１及び第２の回路２，３、フォトカプラ４、及び基板温度モニタ回路５が形成されている。フォトカプラ４は、第１の回路２から入力した電気信号を光信号に変換する一次側発光ダイオード６と、その光信号を電気信号に変換して第２の回路３に出力する受光素子７とを有する。フォトカプラ４は、第１の回路２と第２の回路３との間を絶縁しつつ、双方の信号を伝達する。
　図２は、フォトカプラの発光ダイオードのＶｆ電圧特性を示す図である。このように一次側発光ダイオード６のＶｆ電圧には温度依存性がある。そこで、基板温度モニタ回路５は、フォトカプラ４の一次側発光ダイオード６のＶｆ電圧値を読み取ることで基板１の温度をモニタする。フォトカプラ４はもともと装置に備わっているものであるため、熱電対やサーミスタ等の部品を追加することなく、基板１の温度をモニタすることができる。また、モニタした温度を各種センシング回路へフィードバックすることで、温度による回路特性のばらつきをキャンセルし、センシング機能の高精度化を実現することができる。
実施の形態２．
　図３は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す図である。一次側発光ダイオード６の駆動回路として定電流回路８を用いる。これにより、正確な基板温度情報をモニタすることができる。
実施の形態３．
　図４は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す図である。電源回路９が第１及び第２の回路２，３に電圧を供給する。基板温度モニタ回路５は、モニタした基板１の温度に応じて電源回路９の出力電圧値の温度バラつきを補正する。このように電源回路９に温度情報をフィードバックして電源電圧値の温度特性によるばらつきを補正することにより、半導体装置の駆動系の精度を向上することができる。
実施の形態４．
　図５は、本発明の実施の形態４に係る半導体装置を示す図である。基板温度モニタ回路５は、モニタした基板１の温度が閾値に到達した際にエラー信号を出力する。エラー信号を受けた制御回路１０は第１及び第２の回路２，３の動作を停止させる。このように基板１の異常発熱時にエラー信号を出力することで、半導体装置の正確な保護が可能となる。
実施の形態５．
　図６は、本発明の実施の形態５に係る半導体装置を示す図である。信号出力回路１１はパルス幅変調（PWM: Pulse Width Modulation）信号を出力する。そして、基板温度モニタ回路５は、モニタした基板１の温度に応じてＰＷＭ信号を補正してフォトカプラ４に供給する。このように基板温度モニタ回路５を用いて温度をモニタしてフィードバックすることで、温度特性により発生するフォトカプラ４のＰＷＭ信号のデューティー伝達バラツキを補正することができる。
実施の形態６．
　図７は、本発明の実施の形態６に係る半導体装置を示す図である。電源回路９はアルミ電解コンデンサ１２を有する。そして、基板温度モニタ回路５は、予め記憶されているアルミ電解コンデンサ１２の寿命曲線を参照し、モニタした基板１の温度からアルミ電解コンデンサ１２の熱履歴を累積することでアルミ電解コンデンサ１２の寿命を予測する。図８は、アルミ電解コンデンサの寿命曲線を示す図である。これにより、アルミ電解コンデンサ１２の寿命を正確に予測することができる。
　基板温度モニタ回路５は、予測したアルミ電解コンデンサ１２の寿命が寿命クライテリアに到達した際にエラー信号を出力する。エラー信号を受けたエラー出力部１３は表示又は音声などで使用者にエラーを伝える。これにより、半導体装置の正確な保護が可能となり、半導体装置の交換時期を検知することができる。
実施の形態７．
　図９は、本発明の実施の形態７に係る半導体装置を示す図である。基板１上に複数のフォトカプラ４が形成されている。第１及び第２の回路２，３等は図示を省略するが、実施の形態１～６の何れかと同様の構成である。
　基板温度モニタ回路５は、複数のフォトカプラ４のそれぞれの一次側発光ダイオード６のＶｆ電圧値を読み取って平均化することで基板１の温度をモニタする。このように複数のフォトカプラ４により温度をモニタすることで、より正確に基板１の温度をモニタすることができる。
実施の形態８．
　図１０は、本発明の実施の形態８に係る半導体装置を示す図である。基板１上に複数のフォトカプラ４が形成されている。第１及び第２の回路２，３等は図示を省略するが、実施の形態１～６の何れかと同様の構成である。
　基板温度モニタ回路５は、複数のフォトカプラ４のうち基板１の温度が最も高い箇所のフォトカプラ４の一次側発光ダイオード６のＶｆ電圧値を読み取ることで基板１の温度をモニタする。このようにモニタするフォトカプラ４を１つにすることで、コストやセンシングの処理を最小にすることができる。
１　基板、２　第１の回路、３　第２の回路、４　フォトカプラ、５　基板温度モニタ回路、６　一次側発光ダイオード、７　受光素子、８　定電流回路、９　電源回路、１０　制御回路、１１　信号出力回路、１２　アルミ電解コンデンサ

Claims (9)

  1. 　基板と、
    　前記基板上に形成された第１及び第２の回路と、
    　前記基板上に形成され、前記第１の回路から入力した電気信号を光信号に変換する発光ダイオードと、前記光信号を電気信号に変換して前記第２の回路に出力する受光素子とを有するフォトカプラと、
    　前記フォトカプラの前記発光ダイオードのＶｆ電圧値を読み取ることで前記基板の温度をモニタする基板温度モニタ回路とを備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 　前記発光ダイオードの駆動回路として定電流回路を備え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１及び第２の回路に電圧を供給する電源回路を更に備え、
    　前記基板温度モニタ回路は、モニタした前記基板の温度に応じて前記電源回路の出力電圧値の温度バラつきを補正することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 　前記基板温度モニタ回路は、モニタした前記基板の温度が閾値に到達した際にエラー信号を出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  5. 　パルス幅変調信号を出力する信号出力回路を更に備え、
    　前記基板温度モニタ回路は、モニタした前記基板の温度に応じて前記パルス幅変調信号を補正して前記フォトカプラに供給することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  6. 　前記第１及び第２の回路に電圧を供給する電源回路を更に備え、
    　前記電源回路はアルミ電解コンデンサを有し、
    　前記基板温度モニタ回路は、モニタした前記基板の温度から前記アルミ電解コンデンサの熱履歴を累積することで前記アルミ電解コンデンサの寿命を予測することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  7. 　前記基板温度モニタ回路は、予測した前記アルミ電解コンデンサの寿命が寿命クライテリアに到達した際にエラー信号を出力することを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
  8. 　前記フォトカプラは複数のフォトカプラを有し、
    　前記基板温度モニタ回路は、前記複数のフォトカプラのそれぞれの前記発光ダイオードのＶｆ電圧値を読み取って平均化することで前記基板の温度をモニタすることを特徴とする請求項１～７の何れか１項に記載の半導体装置。
  9. 　前記フォトカプラは複数のフォトカプラを有し、
    　前記基板温度モニタ回路は、前記複数のフォトカプラのうち前記基板の温度が最も高い箇所のフォトカプラの前記発光ダイオードのＶｆ電圧値を読み取ることで前記基板の温度をモニタすることを特徴とする請求項１～７の何れか１項に記載の半導体装置。
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