本發(fā)明涉及一種開關(guān)裝置以及點(diǎn)火裝置。
背景技術(shù):
汽車等的發(fā)動機(jī)通過向燃燒室導(dǎo)入燃料和空氣的混合氣體,并使用火花塞點(diǎn)火,進(jìn)行燃燒而產(chǎn)生驅(qū)動力。在這里,每個(gè)火花塞均分配有點(diǎn)火線圈以及開關(guān)裝置(稱為點(diǎn)火器)。
以往,開關(guān)器件以及控制器件配置在同一芯片上的單芯片型點(diǎn)火器為眾所周知(例如,參照專利文獻(xiàn)1)。開關(guān)器件包括使通入點(diǎn)火線圈的初級線圈的電流斷續(xù)的絕緣柵雙極型晶體管(igbt)??刂破骷刂苅gbt的動作的控制電路。在這里,控制電路不僅從發(fā)動機(jī)控制單元(ecu)接收控制信號而導(dǎo)通或者關(guān)斷igbt,還具有檢測出igbt的故障而不依靠ecu的控制信號使igbt關(guān)斷的功能。
現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)1:日本專利文獻(xiàn)特開2011-119542號公報(bào)
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
技術(shù)問題
單芯片型點(diǎn)火器存在以下問題。例如,除了控制信號之外,ecu還向點(diǎn)火器輸入用于檢測ecu和點(diǎn)火器之間的斷開、點(diǎn)火器端子的腐蝕等的檢測信號。因此,如果將接收那些檢測信號的接口設(shè)置在點(diǎn)火器上,則會導(dǎo)致芯片的大型化,乃至制造成本的增加。另外,存在igbt的寄生電流流入控制器件的情況。因此,如果在開關(guān)器件和控制器件之間設(shè)置自分離區(qū),則會導(dǎo)致芯片的大型化,乃至制造成本的增加。因此,期望一種將開關(guān)器件和控制器件分別配置在不同的芯片上,并從與ecu相獨(dú)立的電源接收電源電壓的多芯片型點(diǎn)火器。
另一方面,多芯片型點(diǎn)火器存在場衰減耐量,即對場衰減浪涌那樣的負(fù)的浪涌電壓(簡稱為負(fù)浪涌)的耐性降低的問題。在這里,點(diǎn)火器在將igbt設(shè)為導(dǎo)通狀態(tài)而通電以后,將igbt設(shè)為關(guān)斷狀態(tài)而斷電。在該斷電時(shí),通過在點(diǎn)火線圈中生成的高電壓而使火花塞放電,對混合氣體點(diǎn)火。但是,在火花塞沒有放電時(shí)(即,沒有點(diǎn)火時(shí)),高電壓作為負(fù)浪涌施加到igbt上,并從igbt的發(fā)射極向集電極流通負(fù)的浪涌電流。此時(shí),如果芯片因切割而受到損壞,則浪涌電流會特別集中在n+緩沖層與p+型半導(dǎo)體基板之間的pn結(jié)。
在多芯片型點(diǎn)火器中,通過以開關(guān)器件以及控制器件來分割芯片,使各個(gè)芯片的周邊長度變短,浪涌電流更加集中在pn結(jié)的一部分,由此可能會導(dǎo)致對負(fù)浪涌的耐性的下降。
技術(shù)方案
本發(fā)明的第1方面,提供一種開關(guān)裝置,具備:導(dǎo)電體;開關(guān)器件,其在第1面與導(dǎo)電體接觸,并將第1面?zhèn)鹊牡?端子與第2面?zhèn)鹊牡?端子之間進(jìn)行開關(guān),第2面?zhèn)葹榈?面的相反側(cè);以及控制器件,其在第3面與導(dǎo)電體接觸,且具有設(shè)置于第4面?zhèn)鹊拈_關(guān)器件的控制電路以及從施加于導(dǎo)電體的過電壓中保護(hù)控制電路的第1耐壓結(jié)構(gòu)部,第4面?zhèn)葹榈?面的相反側(cè)。
本發(fā)明的第2方面,提供一種開關(guān)裝置,具備:導(dǎo)電體;開關(guān)器件,其在第1面與導(dǎo)電體接觸,并將第1面?zhèn)鹊牡?端子與第2面?zhèn)鹊牡?端子之間進(jìn)行開關(guān),第2面?zhèn)葹榈?面的相反側(cè);以及控制器件,其在第3面與導(dǎo)電體接觸,且具有設(shè)置于第4面?zhèn)鹊拈_關(guān)器件的控制電路,第4面?zhèn)葹榈?面的相反側(cè),其中,控制器件與開關(guān)器件相比,兩面之間的耐壓高。
另外,上述發(fā)明內(nèi)容并沒有列舉出本發(fā)明的所有特征。此外,這些特征組的子組合也可以成為發(fā)明。
附圖說明
圖1顯示點(diǎn)火器的整體構(gòu)成。
圖2顯示開關(guān)器件的電路構(gòu)成。
圖3顯示開關(guān)器件的俯視時(shí)的平面布局。
圖4是關(guān)于圖3的基準(zhǔn)線aa的剖視圖,且顯示開關(guān)器件的剖面結(jié)構(gòu)。
圖5顯示控制器件的電路構(gòu)成。
圖6顯示控制器件的俯視時(shí)的平面布局。
圖7是關(guān)于圖6的基準(zhǔn)線bb的剖視圖,且顯示控制器件的剖面結(jié)構(gòu)。
圖8顯示點(diǎn)火器的制造流程。
圖9顯示具備點(diǎn)火器的點(diǎn)火裝置的構(gòu)成。
符號說明
10:引線框架11:本體
11a:開口11b、12、13:端子
16、17、18:布線21:p+型半導(dǎo)體基板(p+型集電極區(qū)域)
22:n+型緩沖區(qū)域23:n-型漂移區(qū)域
24:絕緣層25:p+保護(hù)環(huán)
26:n+溝道截?cái)鄥^(qū)域28:截?cái)嚯姌O
29:鈍化膜30:開關(guān)器件
31:絕緣柵雙極型晶體管(igbt)
32:集電極-柵極間齊納二極管(cg間zd)
33:發(fā)射極焊盤34:電極焊盤
35:耐壓結(jié)構(gòu)部36:電流源
40:p+型區(qū)域41:p型基區(qū)
42:n+型發(fā)射極區(qū)域43:柵極
44:發(fā)射極45:集電極
50:控制器件51:感測igbt
52:柵極-發(fā)射極間齊納二極管(ge間zd)
53:柵極焊盤54:電極焊盤
55:耐壓結(jié)構(gòu)部56、57:控制電路
56a、57a:電路部56b、57b:有源元件
60:p+型區(qū)域61:p型基區(qū)
62:n+型發(fā)射極區(qū)域63:柵極
64:發(fā)射極65:p型基區(qū)
66:n+型源極區(qū)域67:n+型漏極區(qū)域
68:n-型區(qū)域69a:柵極
69b:源極69c:漏極
70:封裝71:p+型半導(dǎo)體基板(p+型集電極區(qū)域)
72:n+型緩沖區(qū)域73:n-型漂移區(qū)域
74:絕緣層75:p+保護(hù)環(huán)
76:n+溝道截?cái)鄥^(qū)域78:截?cái)嚯姌O
79:鈍化膜100:點(diǎn)火器
200:點(diǎn)火裝置210:ecu
214:二極管220:點(diǎn)火線圈
230:火花塞d2:二極管
l1:初級線圈l2:次級線圈
r1、r2、rge:電阻r51:感測電阻
s1、s3、t1、t3:焊盤
具體實(shí)施方式
以下,通過發(fā)明的實(shí)施方式說明本發(fā)明,但以下實(shí)施方式并不限定權(quán)利要求書所涉及的發(fā)明。此外,在實(shí)施方式中說明的特征的全部組合不一定是發(fā)明的技術(shù)方案所必需的。
圖1顯示點(diǎn)火器100的整體構(gòu)成。點(diǎn)火器100是開關(guān)裝置的一個(gè)示例,其目的在于,在多芯片型點(diǎn)火器中,使芯片尺寸最小,并且確保場衰減耐量,特別是保護(hù)控制電路。
點(diǎn)火器100具備:作為導(dǎo)電體的引線框架10;開關(guān)器件30;控制器件50;布線16、17、18以及封裝70。
引線框架10搭載并支撐開關(guān)器件30以及控制器件50。引線框架10為了使這些器件發(fā)出的熱量散發(fā),使用例如熱導(dǎo)率高的金屬而形成為板狀。引線框架10具有本體11以及1個(gè)或者多個(gè)端子11b、12、13。
作為一個(gè)示例,本體11具有將單軸方向(即,圖1中的上下方向)作為長度方向的矩形形狀。對于本體11的長度方向的一側(cè),在其上支撐開關(guān)器件30以及控制器件50,并在這些器件中作為共同的集電極發(fā)揮作用。在本體11的長度方向的另一側(cè),作為一個(gè)示例形成有圓形的開口11a。
1個(gè)或者多個(gè)端子11b、12、13是在安裝點(diǎn)火器100時(shí),將包含于點(diǎn)火器100中的開關(guān)器件30、控制器件50等電路元件與外部元件連接的端子。在本實(shí)施方式中,作為一個(gè)示例,包括3個(gè)端子11b、12、13。
端子11b具有將單軸方向作為長度方向,但是相對于本體11寬度較窄的矩形形狀,端子11b的基端一體地連接在本體11的長度方向的一側(cè)的端部中央。由此,端子11b與本體11,即開關(guān)器件30以及控制器件50的集電極連接,并作為集電極端子發(fā)揮作用。另外,端子11b可以與本體11分別形成,并通過布線等連接于本體11。
端子12、13具有將單軸方向作為長度方向的矩形形狀,并夾著端子11b與端子11b平行且它們的前端與端子11b的前端對齊地配設(shè)在圖的左右方向的一側(cè)以及另一側(cè)。端子12通過后述的布線17連接到開關(guān)器件30(所包括的發(fā)射極焊盤33),并作為發(fā)射極端子發(fā)揮作用。端子13通過后述的布線18連接到控制器件50(所包括的柵極焊盤53),并作為柵極端子發(fā)揮作用。
另外,端子11b、12、13的數(shù)量并不限于3個(gè),也可為4個(gè)以上。例如,也可以將端子13并列地設(shè)置2個(gè),并在它們之間連接保護(hù)元件。作為保護(hù)元件,可以列舉出吸收浪涌電壓的電容、電阻等。另外,也可以將其他端子連接于控制器件50的接地電位,而將開關(guān)器件30以及控制器件50分別地鉗位于接地電位。另外,在接收來自ecu以及獨(dú)立的電源的電源電壓時(shí),也可以再增加1個(gè)以上的電源用端子,將這些電源用端子連接于各電源,而向控制器件50所包括的控制電路供給電源電壓。
開關(guān)器件30是將端子11b(即,集電極端子)與端子12(即,發(fā)射極端子)之間進(jìn)行開關(guān)的半導(dǎo)體器件。開關(guān)器件30構(gòu)成為包括例如絕緣柵雙極型晶體管(igbt)。另外,并不限于igbt,也可以包括例如電流從芯片的背面流向表面的縱向型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(縱向型mosfet)。開關(guān)器件30在引線框架10的本體11上,靠近端子12的基端而設(shè)置。關(guān)于開關(guān)器件30的詳細(xì)構(gòu)成將在下文中描述。
控制器件50是具有控制開關(guān)器件30的動作的控制電路的半導(dǎo)體器件。控制電路構(gòu)成為包括例如金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(mosfet)??刂破骷?0在引線框架10的本體11上,靠近端子13的基端而設(shè)置??刂破骷?0通過后述的多個(gè)布線16而連接于開關(guān)器件30,例如,將用于控制igbt的控制信號發(fā)送給開關(guān)器件30、感測igbt的集電極電位、和/或共有igbt的發(fā)射極電位。關(guān)于控制器件50的詳細(xì)構(gòu)成將在下文中描述。
布線16、17、18是將開關(guān)器件30、控制器件50以及端子11b、12、13電連接的導(dǎo)體,作為一個(gè)示例可以使用鋁導(dǎo)線。布線16設(shè)有多個(gè),分別將開關(guān)器件30與控制器件50之間進(jìn)行連接。布線17將端子12連接到開關(guān)器件30(所包括的發(fā)射極焊盤33)。布線18將端子13連接到控制器件50(所包括的柵極焊盤53)。
封裝70將上述各個(gè)構(gòu)件密封在其內(nèi)部進(jìn)行保護(hù)。作為一個(gè)示例,封裝70除了引線框架10所具有的本體11的一側(cè)(即,圖1中的上側(cè))以及3個(gè)端子11b、12、13的前端之外,將本體11的另一側(cè)、設(shè)置于該另一側(cè)上的開關(guān)器件30和控制器件50、以及3個(gè)端子11b、12、13的基端密封在其內(nèi)部。封裝70通過使用例如環(huán)氧樹脂等絕緣性良好的樹脂進(jìn)行模壓成型,而形成為長方體形狀。
對開關(guān)器件30進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。
圖2顯示開關(guān)器件30的電路構(gòu)成。開關(guān)器件30的電路構(gòu)成為包括igbt31、集電極-柵極間齊納二極管32以及電流源36。這些各個(gè)構(gòu)件連接在焊盤t1、t3、發(fā)射極焊盤33以及前述的引線框架10的本體11(即,集電極45)之間。但是,焊盤t3短接于發(fā)射極焊盤33。
igbt31是接收來自控制器件50的控制信號而使從集電極流向發(fā)射極的電流斷續(xù)的開關(guān)元件。igbt31連接在焊盤t1、發(fā)射極焊盤33以及引線框架10的本體11之間。也就是說,igbt31的柵極端子(g)、發(fā)射極端子(e)以及集電極端子(c)分別連接于焊盤t1、發(fā)射極焊盤33(以及焊盤t3)、以及引線框架10的本體11。
集電極-柵極間齊納二極管(稱為cg間zd)32是確保igbt31的耐壓的齊納二極管。cg間zd32連接在焊盤t1以及引線框架10的本體11之間,即,被配置在igbt31的柵極端子(g)與集電極端子(c)之間。cg間zd32通過將所需數(shù)量的齊納二極管串聯(lián)而得到所期望的耐壓。據(jù)此,在柵極端子(g)與集電極端子(c)之間的電壓超過耐壓時(shí),通過cg間zd32將igbt31的柵極上拉,并在集電極端子(c)與發(fā)射極端子(e)之間流通電流,使集電極電位下降。
電流源36是用于使igbt31的集電極電位穩(wěn)定的元件。電流源36與cg間zd32并列地連接在焊盤t1與引線框架10的本體11之間,即,被配置在igbt31的柵極端子(g)與集電極端子(c)之間。電流源36在由于電流量的過量而對點(diǎn)火器100限制電流時(shí),通過使電流從igbt31的集電極端子(c)流向柵極端子(g),來抑制由于igbt31的急劇的開關(guān)而產(chǎn)生的電流量的過沖。
圖3顯示開關(guān)器件30的俯視時(shí)的平面布局。開關(guān)器件30包括igbt31、cg間zd32、發(fā)射極焊盤33、多個(gè)電極焊盤34、耐壓結(jié)構(gòu)部35以及電流源36(圖3中未圖示,參照圖2)。
igbt31形成于除開關(guān)器件30的芯片端部(即,圖3中的右端)的中央以外的芯片內(nèi)部。關(guān)于igbt31的構(gòu)成,特別是剖面構(gòu)成將在下文中描述。
cg間zd32設(shè)置于在開關(guān)器件30的芯片外周設(shè)置的截?cái)嚯姌O28(參照圖4)與igbt31之間的耐壓結(jié)構(gòu)部35上。
發(fā)射極焊盤33,如上所述,是連接于igbt31的發(fā)射極端子(e)的電極焊盤。發(fā)射極焊盤33設(shè)置于開關(guān)器件30的芯片中央的上表面。發(fā)射極焊盤33使用上述的布線17(參照圖1)連接于端子12。
多個(gè)電極焊盤34是用于在與控制器件50之間發(fā)送或接收控制信號、檢測信號等的電極焊盤。作為一個(gè)示例,包括連接于igbt31的柵極端子(g)以及發(fā)射極端子(e)的上述的焊盤t1、t3。多個(gè)電極焊盤34并列地設(shè)置于開關(guān)器件30的芯片端部(即,圖3中的左端)附近的上表面。多個(gè)電極焊盤34使用上述的布線16分別連接于設(shè)置在控制器件50的對應(yīng)的電極焊盤54。據(jù)此,可以將igbt31的柵極端子(g)以及發(fā)射極端子(e)連接到控制器件50。
耐壓結(jié)構(gòu)部35是從施加于引線框架10的本體11的過電壓中保護(hù)igbt31以及設(shè)置于開關(guān)器件30的芯片的上表面?zhèn)鹊碾娐?、電路元件等的結(jié)構(gòu)。耐壓結(jié)構(gòu)部35設(shè)置于包圍igbt31的開關(guān)器件30的芯片周圍以及芯片上表面的邊緣部。關(guān)于耐壓結(jié)構(gòu)部35的構(gòu)成,特別是剖面構(gòu)成將在下文中描述。
電流源36(圖3中未圖示,參照圖2)可以使用例如耗盡型igbt來構(gòu)成。在這里,耗盡型igbt的集電極端子連接于igbt31的集電極端子(c),柵極端子鉗位于發(fā)射極端子并連接于igbt31的柵極端子(g)。
另外,也可以進(jìn)一步在開關(guān)器件30設(shè)置測定芯片溫度的溫度傳感器、檢測igbt31的集電極電流的電流傳感器、檢測igbt31的集電極-發(fā)射極間的電壓的電壓傳感器等檢測開關(guān)器件30的異常的各種傳感器。另外,還可以設(shè)置以導(dǎo)通信號基準(zhǔn)來測量igbt31的導(dǎo)通時(shí)間的電路,使開關(guān)器件30定時(shí)動作。
圖4是關(guān)于圖3的基準(zhǔn)線aa的剖視圖,且顯示開關(guān)器件30,特別是igbt31以及耐壓結(jié)構(gòu)部35的剖面結(jié)構(gòu)。開關(guān)器件30的芯片包括引線框架10的本體11(即,集電極45)以及在集電極45上依次層疊的成為p+型集電極區(qū)域的p+型半導(dǎo)體基板21、n+型緩沖區(qū)域22和n-型漂移區(qū)域23。在n-型漂移區(qū)域23的上表面,即芯片的表面層的中央設(shè)有igbt31的表面元件結(jié)構(gòu),并且在芯片周圍與表面層的邊緣部上設(shè)置有耐壓結(jié)構(gòu)部35。
igbt31的表面元件結(jié)構(gòu)包括p+型區(qū)域40、p型基區(qū)41、n+型發(fā)射極區(qū)域42、柵極43、發(fā)射極44。p+型區(qū)域40是作為igbt31的接觸區(qū)域的p+型阱,被配置在表面元件的中心。p型基區(qū)41夾著p+型區(qū)域40而配置在兩側(cè)(即,圖4中的左側(cè)以及右側(cè))。n+型發(fā)射極區(qū)域42配置在各個(gè)p型基區(qū)41與p+型區(qū)域40之間。p+型區(qū)域40、p型基區(qū)41以及n+型發(fā)射極區(qū)域42的上表面與n-型漂移區(qū)域23的上表面共同在同一平面上形成芯片的表面。柵極43被柵極絕緣膜覆蓋,并被配置在一個(gè)p型基區(qū)41之上。發(fā)射極44分別與p+型區(qū)域40、p型基區(qū)41以及n+型發(fā)射極區(qū)域42相接觸,并被配置在p+型區(qū)域40、p型基區(qū)41以及n+型發(fā)射極區(qū)域42之上。
另外,集電極45是引線框架10的本體11的一部分,與芯片的整個(gè)背面相接觸。發(fā)射極44配置在芯片的表面?zhèn)?,與此相對應(yīng),包括p+型區(qū)域40(即,p+型阱)的igbt31的表面元件結(jié)構(gòu)設(shè)置在芯片的表面?zhèn)取?/p>
另外,在開關(guān)器件30具有多個(gè)igbt31時(shí),如圖4所示,可以將柵極43配置在經(jīng)由n-型漂移區(qū)域23而相鄰的2個(gè)igbt31的表面元件結(jié)構(gòu)各自所包括的一個(gè)p型基區(qū)41之上。
另外,在本實(shí)施方式中,雖然將igbt31的集電極區(qū)域、設(shè)置有p+型區(qū)域40的區(qū)域以及基區(qū)設(shè)為p型,將緩沖區(qū)域、漂移區(qū)域以及發(fā)射極區(qū)域設(shè)為n型,但這是一個(gè)示例,相反地,也可以將igbt31的集電極區(qū)域、設(shè)置有p+型區(qū)域40的區(qū)域以及基區(qū)設(shè)為n型,將緩沖區(qū)域、漂移區(qū)域以及發(fā)射極區(qū)域設(shè)為p型。
耐壓結(jié)構(gòu)部35通過在芯片的周圍設(shè)置包圍igbt31的表面元件結(jié)構(gòu)的固定寬度的周邊區(qū)域而形成。在該區(qū)域中不包括構(gòu)成表面元件結(jié)構(gòu)的p+型區(qū)域40等載流子區(qū)域。據(jù)此,在由于產(chǎn)生負(fù)浪涌而從發(fā)射極44經(jīng)由芯片外緣向集電極45流通浪涌電流時(shí),特別地,通過使足夠?qū)挾鹊膎-型漂移區(qū)域23介于發(fā)射極44下的p+型區(qū)域40和芯片外緣之間,可以得到足夠的耐性。
作為一個(gè)示例,耐壓結(jié)構(gòu)部35通過在芯片上表面的邊緣部進(jìn)一步設(shè)置p+保護(hù)環(huán)25、n+溝道截?cái)鄥^(qū)域26、絕緣層24、截?cái)嚯姌O28以及鈍化膜29而形成。
p+保護(hù)環(huán)25以包圍igbt31的表面元件結(jié)構(gòu)的方式在芯片的表面層的周圍設(shè)置為環(huán)狀。另外,p+保護(hù)環(huán)25不限于一個(gè),也可以配設(shè)多個(gè),例如,如圖4所示,可以配設(shè)為雙重。n+溝道截?cái)鄥^(qū)域26以包圍p+保護(hù)環(huán)25的方式設(shè)置在芯片的表面層的最外緣。另外,在介于多個(gè)p+保護(hù)環(huán)25以及n+溝道截?cái)鄥^(qū)域26中彼此相鄰的它們之間的n-型漂移區(qū)域23上設(shè)置有絕緣層24。截?cái)嚯姌O28設(shè)置在n+溝道截?cái)鄥^(qū)域26之上。鈍化膜29例如使用氮化硅(si3n4)形成,覆蓋p+保護(hù)環(huán)25、n+溝道截?cái)鄥^(qū)域26、絕緣層24以及截?cái)嚯姌O28,并保護(hù)p+保護(hù)環(huán)25、n+溝道截?cái)鄥^(qū)域26、絕緣層24以及截?cái)嚯姌O28。
通過在芯片的周圍設(shè)置固定寬度的周邊區(qū)域,或者除此之外還設(shè)置上述的結(jié)構(gòu),在從集電極45經(jīng)由芯片外緣向發(fā)射極44施加浪涌電壓時(shí),或者從發(fā)射極44經(jīng)由芯片外緣向集電極45施加浪涌電壓時(shí),會經(jīng)由周邊區(qū)域、或者多個(gè)p+保護(hù)環(huán)25以及截?cái)嚯姌O28,由此使芯片表面上的電位穩(wěn)定。
以下,對控制器件50進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。
圖5顯示控制器件50的電路構(gòu)成??刂破骷?0的電路構(gòu)成為包括:感測igbt51(感測電阻r51);柵極-發(fā)射極間齊納二極管52;控制電路56、57(電阻r1、r2、二級管d2);以及電阻rge。這些各個(gè)構(gòu)件連接在焊盤s1、s3、柵極焊盤53以及上述的引線框架10的本體11(即,集電極45)之間。
感測igbt51是模擬開關(guān)器件30內(nèi)的igbt31來檢測igbt31的集電極電流的量的感測用igbt。感測igbt51連接在引線框架10的本體11與焊盤s1、s3之間。即,感測igbt51的柵極端子以及集電極端子分別連接于焊盤s1以及引線框架10的本體11,感測igbt51的發(fā)射極端子經(jīng)由感測電阻r51連接于焊盤s3。
柵極-發(fā)射極間齊納二極管(稱為ge間zd)52是保護(hù)igbt31的柵極的齊納二極管。ge間zd52連接在焊盤s1、s3之間。即,如以下所述,經(jīng)由電極焊盤34、54以及布線16,配置于開關(guān)器件30的igbt31的柵極端子(g)和發(fā)射極端子(e)之間。ge間zd52通過將所需數(shù)量的齊納二極管串聯(lián)而得到所期望的耐壓。
控制電路56、57是檢測開關(guān)器件30內(nèi)的igbt31、或者點(diǎn)火器100的各個(gè)構(gòu)件的異常而保護(hù)控制器件50的電路。
控制電路56在igbt31的集電極電流的量超過基準(zhǔn)時(shí)將該集電極電流的量控制為固定。作為一個(gè)示例,控制電路56構(gòu)成為包括電路部56a以及有源元件56b。控制電路56與電阻r1、r2以及二級管d2一同連接在焊盤s1、s3以及柵極焊盤53之間。電路部56a連接在柵極焊盤53與焊盤s3之間,但在電路部56a和柵極焊盤53之間經(jīng)由電阻r1而連接。此外,在電路部56a連接有感測igbt51的發(fā)射極端子。有源元件56b連接在焊盤s1、s3之間。此外,有源元件56b的一端(即,漏極)經(jīng)由并聯(lián)的電阻r2和二級管d2而連接于電阻r1。
電路部56a在從感測igbt51接收igbt31的集電極電流的量的檢測結(jié)果,且將該檢測結(jié)果與基準(zhǔn)相比較為大(或者小)的情況下,向有源元件56b發(fā)送導(dǎo)通信號(關(guān)斷信號)。有源元件56b在從電路部56a接收到導(dǎo)通信號時(shí),輸出將igbt31的柵極下拉(維持)的控制信號。控制電路56的控制信號輸入到開關(guān)器件30的igbt31的柵極端子(g)。igbt31通過接收控制信號而導(dǎo)通或關(guān)斷,據(jù)此集電極電流的量增大或減小至基準(zhǔn),從而控制為固定。
控制電路57在開關(guān)器件30異常的情況下關(guān)斷igbt31。作為一個(gè)示例,控制電路57構(gòu)成為包括電路部57a以及有源元件57b。電路部57a連接在柵極焊盤53與焊盤s3之間,但在電路部57a和柵極焊盤53之間經(jīng)由電阻r1而連接。有源元件57b連接在焊盤s1、s3之間。
電路部57a利用例如設(shè)置在開關(guān)器件30的溫度傳感器來檢測開關(guān)器件30的芯片溫度?;蛘?,也可以利用設(shè)置在控制器件50的溫度傳感器來檢測控制器件50的芯片溫度。在芯片溫度高于基準(zhǔn)的情況下,電路部57a視開關(guān)器件30為異常狀態(tài),向有源元件57b發(fā)送導(dǎo)通信號。有源元件57b在從電路部57a接收到導(dǎo)通信號時(shí),輸出將igbt31的柵極下拉的控制信號??刂齐娐?7的控制信號輸入到開關(guān)器件30的igbt31的柵極端子(g)。igbt31通過接收控制信號而關(guān)斷,由此切斷集電極電流。
另外,對于開關(guān)器件30的異常,不限于從芯片溫度檢測,也可以從其它的芯片的狀態(tài)量,或者igbt31的狀態(tài)量進(jìn)行檢測。作為igbt31的狀態(tài)量,可以列舉出例如:igbt31的導(dǎo)通時(shí)間的長度、igbt31的集電極電流的量,igbt31的集電極-發(fā)射極間的電壓??刂齐娐?7可以從設(shè)置在開關(guān)器件30的各種傳感器獲得這些狀態(tài)量。
另外,控制電路56、57可以將由ecu供給的控制信號的信號電壓作為電源電壓使用,也可以使用由與ecu獨(dú)立的電源供給的電源電壓。
電阻rge連接在柵極焊盤53和多個(gè)電極焊盤54所包括的焊盤s3之間。
其它,也可以設(shè)置防噪用的電容、電源保護(hù)用的電阻或者齊納二極管等。另外,也可以設(shè)置與開關(guān)器件30獨(dú)立的接地用的端子。
圖6顯示控制器件50的俯視時(shí)的平面布局??刂破骷?0包括:感測igbt51、柵極-發(fā)射極間齊納二極管52、柵極焊盤53、多個(gè)電極焊盤54、耐壓結(jié)構(gòu)部55以及控制電路56、57。
感測igbt51形成于控制器件50的芯片中央的靠一側(cè)(即,圖6中的左側(cè))的芯片內(nèi)部。關(guān)于感測igbt51的構(gòu)成,特別是剖面構(gòu)成將在下文中描述。
另外,在本實(shí)施方式中,為了有效利用開關(guān)器件30的芯片尺寸,并且以免檢測出igbt31的寄生電流,而將感測igbt51設(shè)置在控制器件50,但并不限于此,也可以根據(jù)需要將感測igbt51與切斷igbt31的寄生電流的結(jié)構(gòu)一同設(shè)置在開關(guān)器件30,并經(jīng)由電極焊盤34、54以及布線16將感測igbt51的檢測結(jié)果發(fā)送到控制器件50內(nèi)的控制電路。
ge間zd52設(shè)置于控制器件50的芯片中央的靠一側(cè)(即,圖6中的下側(cè))的芯片表面上。另外,ge間zd52可以設(shè)置于開關(guān)器件30。
柵極焊盤53是經(jīng)由電極焊盤34、54以及布線16而連接于開關(guān)器件30的igbt31的柵極端子(g)的電極焊盤。柵極焊盤53設(shè)置于控制器件50的芯片角部(即,圖6中的左下角部)附近的上表面。柵極焊盤53使用上述的布線18(參照圖1)而連接于端子13。
多個(gè)電極焊盤54是用于在與開關(guān)器件30之間發(fā)送或接收控制信號、檢測信號等的電極焊盤。作為一個(gè)示例,包括上述的焊盤s1、s3。多個(gè)電極焊盤54并列地設(shè)置于控制器件50的芯片端部(即,圖6中的右端)附近的上表面。多個(gè)電極焊盤54(所包括的焊盤s1、s3)通過多個(gè)布線16,分別連接于設(shè)置在開關(guān)器件30的對應(yīng)的電極焊盤34(即,焊盤t1、t3)。據(jù)此,多個(gè)電極焊盤54所包括的焊盤s1、s3分別連接于開關(guān)器件30所包括的igbt31的柵極端子(g)以及發(fā)射極端子(e)。
耐壓結(jié)構(gòu)部55是從施加于引線框架10的本體11的過電壓中保護(hù)設(shè)置于控制器件50的芯片的上表面?zhèn)鹊母鞣N控制電路等的結(jié)構(gòu)。耐壓結(jié)構(gòu)部55設(shè)置于包圍感測igbt51等的控制器件50的芯片周圍以及芯片上表面的邊緣部。關(guān)于耐壓結(jié)構(gòu)部55的構(gòu)成,特別是剖面構(gòu)成將在下文中描述。
作為一個(gè)示例,控制電路56、57形成于控制器件50的芯片中央,即,感測igbt51的圖右側(cè)的芯片內(nèi)部。關(guān)于構(gòu)成控制電路56、57的有源元件的構(gòu)成,特別是剖面構(gòu)成將在下文中描述。
另外,在從與ecu獨(dú)立的電源接收電源電壓的情況下,可以設(shè)置用于連接電源而向控制電路56、57供給電源電壓的接口用電極焊盤(未圖示)。接口用電極焊盤可以經(jīng)由布線(未圖示)連接到與端子11b、12、13并列地設(shè)置的電源用端子。
圖7是關(guān)于圖6的基準(zhǔn)線bb的剖視圖,且顯示控制器件50,特別是感測igbt51、構(gòu)成控制電路56、57的有源元件以及耐壓結(jié)構(gòu)部55的剖面結(jié)構(gòu)??刂破骷?0的芯片與開關(guān)器件30的芯片相同,包括引線框架10的本體11(即,集電極45)以及在集電極45上依次層疊的成為p+型集電極區(qū)域的p+型半導(dǎo)體基板71、n+型緩沖區(qū)域72和n-型漂移區(qū)域73。此外,在芯片的表面層的中央右側(cè),在n-型漂移區(qū)域73上設(shè)置有p型基區(qū)65。在芯片的表面層的左側(cè),即n-型漂移區(qū)域73上設(shè)有感測igbt51的表面元件結(jié)構(gòu),在芯片的表面層的右側(cè),即p型基區(qū)65上設(shè)有構(gòu)成控制電路56、57的有源元件、并且在芯片周圍與表面層的邊緣部上設(shè)置有耐壓結(jié)構(gòu)部55。
感測igbt51的表面元件結(jié)構(gòu)包含p+型區(qū)域(即,p+型阱)60、p型基區(qū)61、n+型發(fā)射極區(qū)域62、柵極63、發(fā)射極64。除了以下幾點(diǎn)之外,這些各部分與開關(guān)器件30的igbt31相同地形成。
p+型區(qū)域60的擴(kuò)散深度d60小于開關(guān)器件30的p+型區(qū)域40的擴(kuò)散深度d40(即,d60<d40)。換言之,在p+型區(qū)域60和n+型緩沖區(qū)域72之間的n-型漂移區(qū)域73的厚度大于開關(guān)器件30中的p+型區(qū)域40和n+型緩沖區(qū)域22之間的n-型漂移區(qū)域23的厚度。從而,控制器件50的耐壓變得與開關(guān)器件30的耐壓為相同程度(例如,600v)或者更高(例如,700v)。因此,在產(chǎn)生正的浪涌電壓時(shí),與感測igbt51相比igbt31先擊穿,浪涌電流選擇性地流向擊穿耐量高的開關(guān)器件30(即,閂鎖),由此保護(hù)控制器件50的特別是擊穿耐量低的控制電路56、57。這在特別是如靜電浪涌(esd浪涌)那樣的施加比cg間zd32等保護(hù)電路動作更急劇的浪涌電壓的情況下有效。
另外,n+型緩沖區(qū)域72的雜質(zhì)濃度低于開關(guān)器件30的n+型緩沖區(qū)域22的雜質(zhì)濃度。據(jù)此,控制器件50的發(fā)射極-集電極間的耐壓變得與開關(guān)器件30的發(fā)射極-集電極間的耐壓相同或者更高。因此,在產(chǎn)生負(fù)浪涌時(shí),浪涌電流選擇性地流向擊穿耐量高的開關(guān)器件30,由此保護(hù)控制器件50的特別是擊穿耐量低的控制電路56、57。
控制電路56、57的有源元件例如包括耗盡型mosfet,具有n+型源極區(qū)域66、n+型漏極區(qū)域67、n-型區(qū)域68、柵極69a、源極69b、漏極69c。n+型源極區(qū)域66以及n+型漏極區(qū)域67分別配置在p型基區(qū)65的表面上的一側(cè)以及另一側(cè)(即,圖7的右側(cè)以及左側(cè))。n-型區(qū)域68是與n+型源極區(qū)域66以及n+型漏極區(qū)域67相比雜質(zhì)濃度低的n型的區(qū)域,配置在p型基區(qū)65的表面上,且n+型源極區(qū)域66與n+型漏極區(qū)域67之間。柵極69a被柵極絕緣膜覆蓋而配置在n-型區(qū)域68之上。源極69b以與n+型源極區(qū)域66接觸的方式配置在n+型源極區(qū)域66上。漏極69c以與n+型漏極區(qū)域67接觸的方式配置在n+型漏極區(qū)域67上。
另外,集電極45是引線框架10的本體11的一部分,與芯片的整個(gè)背面接觸。集電極45是與開關(guān)器件30共有的。發(fā)射極64配置在芯片的表面?zhèn)龋c此對應(yīng)地,包括p+型區(qū)域60(p+型阱)的感測igbt51的表面元件結(jié)構(gòu)以及構(gòu)成控制電路56、57的有源元件設(shè)置在芯片的表面?zhèn)取?/p>
另外,在本實(shí)施方式中,雖然將感測igbt51的集電極區(qū)域、設(shè)置有p+型區(qū)域60的區(qū)域以及基區(qū)設(shè)為p型,將緩沖區(qū)域、漂移區(qū)域以及發(fā)射極區(qū)域設(shè)為n型,但這是一個(gè)示例,相反地,也可以將感測igbt51的集電極區(qū)域、設(shè)置有p+型區(qū)域60的區(qū)域以及基區(qū)設(shè)為n型,將緩沖區(qū)域、漂移區(qū)域以及發(fā)射極區(qū)域設(shè)為p型。另外,雖然將控制電路56、57的有源元件的基區(qū)設(shè)為p型,將源極區(qū)域、漏極區(qū)域以及設(shè)置有n-型區(qū)域68的區(qū)域設(shè)為n型,但這是一個(gè)示例,相反地,也可以將控制電路56、57的有源元件的基區(qū)設(shè)為n型,將源極區(qū)域、漏極區(qū)域以及設(shè)置有n-型區(qū)域68的區(qū)域設(shè)為p型。
在控制器件50中,構(gòu)成控制電路56、57的有源元件設(shè)置于在引線框架10的本體11(即,集電極45)上依次層疊的p+型半導(dǎo)體基板71、n+型緩沖區(qū)域72以及n-型漂移區(qū)域73之上。這些區(qū)域與開關(guān)器件30的p+型半導(dǎo)體基板21、n+型緩沖區(qū)域22以及n-型漂移區(qū)域23是共同的。因此,控制器件50通過具有這些區(qū)域,可以得到至少與開關(guān)器件30的耐性相同程度的耐性,特別是相對于施加于發(fā)射極與集電極之間的過電壓的耐性。
耐壓結(jié)構(gòu)部55通過在芯片的周圍設(shè)置包圍感測igbt51的表面元件結(jié)構(gòu)以及控制電路56、57的有源元件等的固定寬度的周邊區(qū)域而形成。在該區(qū)域中不包括構(gòu)成表面元件結(jié)構(gòu)的p+型區(qū)域60等載流子區(qū)域。從而,在由于產(chǎn)生負(fù)浪涌而從發(fā)射極64經(jīng)由芯片外緣向集電極45流通浪涌電流時(shí),特別地,通過使足夠?qū)挾鹊膎-型漂移區(qū)域73介于發(fā)射極64下的p+型區(qū)域60和芯片外緣之間,可以得到足夠的耐性。
作為一個(gè)示例,耐壓結(jié)構(gòu)部55通過在芯片上表面的邊緣部進(jìn)一步設(shè)置p+保護(hù)環(huán)75、n+溝道截?cái)鄥^(qū)域76、絕緣層74、截?cái)嚯姌O78以及鈍化膜79而形成。這些各部分與開關(guān)器件30的耐壓結(jié)構(gòu)部35相同地形成。從而,在從集電極45經(jīng)由芯片外緣向發(fā)射極64施加浪涌電壓時(shí),或者從發(fā)射極64經(jīng)由芯片外緣向集電極45施加浪涌電壓時(shí),會經(jīng)由周邊區(qū)域或者多個(gè)p+保護(hù)環(huán)75以及截?cái)嚯姌O78,由此使芯片表面上的電位穩(wěn)定。
通過在控制器件50與開關(guān)器件30同樣地設(shè)置耐壓結(jié)構(gòu)部,能夠?qū)⒓姌O45在控制器件50與開關(guān)器件30中共有,即能夠共用集電極電位。從而,不需要用于分離各個(gè)芯片的電位的分割框架、絕緣層等,可以簡單地構(gòu)成各個(gè)芯片。
進(jìn)一步地,通過例如將周邊區(qū)域的寬度規(guī)定得大,使耐壓結(jié)構(gòu)部55構(gòu)成為相對于開關(guān)器件30的耐壓結(jié)構(gòu)部35具有高的耐壓。從而,控制器件50與開關(guān)器件30相比,相對于施加到發(fā)射極64與集電極45之間的過電壓的耐性變高,例如在產(chǎn)生負(fù)浪涌時(shí),浪涌電流選擇性地流向擊穿耐量高的開關(guān)器件30,由此保護(hù)控制器件50的特別是擊穿耐量低的控制電路56、57。
另外,cg間zd32對于低的浪涌電壓發(fā)揮作用,由p+型區(qū)域40與60的擴(kuò)散深度之差產(chǎn)生的耐壓對于中等程度的浪涌電壓發(fā)揮作用,耐壓結(jié)構(gòu)部35與55的耐壓之差對于高的浪涌電壓發(fā)揮作用,而保護(hù)控制電路56、57。
圖8顯示點(diǎn)火器100所包括的開關(guān)器件30以及控制器件50的制造流程。但是,因?yàn)殚_關(guān)器件30和控制器件50的制造流程基本相同,因此在這里對開關(guān)器件30的制造流程進(jìn)行說明。
在步驟s1,形成外延基板。外延基板通過在成為p+型集電極區(qū)域的p+型半導(dǎo)體基板21的上表面依次外延生長n+型緩沖區(qū)域22以及n-型漂移區(qū)域23而形成。另外,在外延基板(即,n-型漂移區(qū)域23)上,形成igbt31的表面元件結(jié)構(gòu)。
在步驟s2,例如通過熱氧化,在外延基板的上表面(即,n-型漂移區(qū)域23的上表面)上形成初期氧化膜。
在步驟s3,形成p型基區(qū)41。對于p型基區(qū)41,通過光刻以及蝕刻而形成具有與p型基區(qū)41的形狀對應(yīng)的開口的抗蝕劑掩模,并利用該抗蝕劑掩模注入p型雜質(zhì),通過熱處理(溝道驅(qū)動(channeldrive))使p型雜質(zhì)活化,從而形成。
在步驟s4,形成p+型區(qū)域40。對于p+型區(qū)域40,通過對初期氧化膜進(jìn)行圖案化而形成具有與p+型區(qū)域40的形狀對應(yīng)的開口的氧化膜掩模,并利用該氧化膜掩模注入p型雜質(zhì),通過熱處理(阱驅(qū)動(welldrive))使p型雜質(zhì)活化,從而形成?;罨螅コ趸ぱ谀?。
在步驟s5,在igbt31的各個(gè)元件之間,通過locos氧化來形成locos膜。
在步驟s6,在外延基板上形成柵極氧化膜。
在步驟s7,形成柵極43。在柵極氧化膜上沉積未摻雜的多晶硅膜,并將外延基板置于例如三氯氧磷(pocl3)氣體氛圍下,使多晶硅膜成為n型。另外,例如也可以通過沉積被摻雜為n型的多晶硅來形成n型摻雜的多晶硅膜。通過對該多晶硅膜進(jìn)行圖案化,形成柵極43。
在步驟s8,形成n+型發(fā)射極區(qū)域42。對于n+型發(fā)射極區(qū)域42,通過光刻以及蝕刻而形成具有與n+型發(fā)射極區(qū)域42的形狀對應(yīng)的開口的抗蝕劑掩模,并利用該抗蝕劑掩模注入n型雜質(zhì),通過熱處理使n型雜質(zhì)活化,從而形成。
在步驟s9,在外延基板的上表面,形成如bpsg(boro-phosphosilicateglass:硼磷硅玻璃)那樣的層間絕緣膜。
在步驟s10,形成表面電極。選擇性地去除層間絕緣膜,形成露出p+保護(hù)環(huán)25等的接觸孔。在外延基板的整個(gè)上表面沉積例如鋁硅(al-si)膜。通過對鋁硅膜進(jìn)行圖案化,形成igbt31的發(fā)射極44、截?cái)嚯姌O28等表面電極。
在步驟s11,以鈍化膜(保護(hù)膜)覆蓋外延基板的整個(gè)上表面。
在步驟s12,研磨外延基板的背面(即,p+型半導(dǎo)體基板21),確定基板的厚度。
在步驟s13,形成背面結(jié)構(gòu)。將外延基板設(shè)置于引線框架10的本體11上,在基板的整個(gè)背面形成集電極45。從而,完成開關(guān)器件30。
圖9顯示具備點(diǎn)火器100的點(diǎn)火裝置200的構(gòu)成。作為一個(gè)示例,點(diǎn)火裝置200,設(shè)置于汽車發(fā)動機(jī)的內(nèi)燃機(jī),并構(gòu)成為包括點(diǎn)火器100、ecu210、點(diǎn)火線圈220以及火花塞230。
點(diǎn)火器100是上述的一個(gè)示例的開關(guān)裝置,通過其所包括的開關(guān)器件30來切換是否使電流在點(diǎn)火線圈220的初級線圈l1中流通。點(diǎn)火器100的端子(柵極端子)13連接于ecu210,端子(集電極端子)11b連接于點(diǎn)火線圈220的初級線圈l1,端子(發(fā)射極端子)12連接于成為接地的車體。
ecu210向點(diǎn)火器100發(fā)送控制信號來控制其動作即發(fā)動機(jī)的動作。
另外,作為點(diǎn)火器100的接口用電源,可以進(jìn)一步設(shè)置外部電源(未圖示)。在ecu的控制信號的信號電壓低的情況下、ecu的控制信號的信號電壓顯著降低的情況下、需要向多個(gè)接口供電的情況下等,可以根據(jù)需要來使用外部電源。外部電源連接于點(diǎn)火器100的控制器件50的接口用電極焊盤(未圖示),向控制電路56、57等供給電源電壓。
點(diǎn)火線圈220是生成在火花塞230放電的高電壓的變壓器。點(diǎn)火線圈220具有初級線圈l1以及次級線圈l2。初級線圈l1的一端連接于電源222,另一端連接于點(diǎn)火器100的端子(集電極端子)11b,即開關(guān)器件30。次級線圈l2的一端連接于電源222,另一端經(jīng)由二級管224連接于火花塞230。
火花塞230設(shè)置于內(nèi)燃機(jī)的燃燒室,將由點(diǎn)火線圈220供給的高電壓進(jìn)行放電,對燃料和空氣的混合氣體點(diǎn)火。
在點(diǎn)火裝置200中,點(diǎn)火器100從ecu210接收控制信號(on信號),使開關(guān)器件30內(nèi)的igbt31導(dǎo)通。從而,點(diǎn)火線圈220的初級線圈l1通電。點(diǎn)火器100從ecu接收控制信號(off信號),使igbt31關(guān)斷。從而,點(diǎn)火線圈220的初級線圈l1的通電被切斷。在該通電被切斷時(shí),在點(diǎn)火線圈220的初級線圈l1產(chǎn)生300v左右的電壓,據(jù)此在次級線圈l2產(chǎn)生30kv左右的電壓,并通過火花塞230放電。
根據(jù)本實(shí)施方式的點(diǎn)火器100,通過將開關(guān)器件30以及控制器件50形成為獨(dú)立的芯片,開關(guān)器件30所包括的igbt31的寄生電流不在控制器件50流通,控制器件50所包括的控制電路變得不會由于寄生電流而引起動作不良。另外,不需要用于切斷igbt的寄生電流的自分離區(qū),因此也可以小型地構(gòu)成芯片。
另外,本實(shí)施方式的開關(guān)裝置,作為一個(gè)示例,雖然列舉了用于在汽車發(fā)動機(jī)中使用火花塞對混合氣體點(diǎn)火的點(diǎn)火器,但是并不限于此,也可以作為用于例如驅(qū)動電機(jī)那樣的功率器件的開關(guān)裝置來使用。
以上,使用實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行了說明,但本發(fā)明的技術(shù)范圍并不限于上述實(shí)施方式所述的范圍。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說,可以對上述實(shí)施方式實(shí)施各種變更或者改進(jìn)是顯而易見的。通過權(quán)利要求書所述可以明確,實(shí)施這種變更或者改進(jìn)的方式也可以均包含在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。
需要注意的是,權(quán)利要求書、說明書以及附圖中所示的裝置、系統(tǒng)、程序以及方法中的動作、順序、步驟以及階段等各種處理的執(zhí)行順序只要未特別地明示為“比……之前”“先于”等,另外,未將前處理的輸出使用于后處理中,則可以通過任意順序來實(shí)現(xiàn)。關(guān)于權(quán)利要求書、說明書以及附圖中的動作流程,為了方便起見,使用“首先”“然后”等進(jìn)行了說明,但并不意味著必須按照這個(gè)順序?qū)嵤?/p>