专利名称：使用背面高耐压集成电路的半导体装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用背面高耐压集成电路的半导体装置，特别涉及搭载 在汽车的发动机点火系统等中的半导体装置。
背景技术：
以绝缘栅双极型晶体管(IGBT )为代表的功率半导体元件广泛应用 于汽车的发动机点火系统或电动机等的控制中(例如，参照专利文献 1)。
图7示出汽车的发动机点火系统中所使用的半导体装置的结构。使 用导电体2构成半导体装置1,在导电体2上分离地设置功率用半导体 元件3以及绝缘衬底5。在绝缘衬底5上设置有集成电路用半导体元件 41、电容器或者电阻等无源元件部6。通过布线8连接功率用半导体元 件3与绝缘衬底5。此外，在绝缘衬底5上连接有输入输出用布线7a， 在导电体2上连接有输入输出用布线？b。作为功率用半导体元件3，使 用IGBT等开关元件。功率用半导体元件3经由布线8连接于集成电路 用半导体元件41上。集成电路用半导体元件41具有用于控制功率用半 导体元件3的导通、截止的控制电路。
专利文献1日本专利公开2000-183341号公报
在上述现有的半导体装置中，在对功率用半导体元件3进行驱动 时，在导电体2上产生高电位。因此，以在绝缘衬底5上形成集成电路 用半导体元件41并在低电压下进行工作的方式来构成。这样，存在使 集成电路用半导体元件41的控制电路或封装小型化困难的问题。
发明内容
本发明是为解决上述问题而进行的，其目的在于，在具有功率半导 体元件和控制该功率半导体元件用的集成电路用半导体元件的半导体 装置中，实现高功能化和小型化。
本发明的半导体装置具有导电体；开关元件，在所述导电体上与 所述导电体电连接，表面与背面之间的耐压为第一耐压；背面高耐压集成电路，在所述导电体上与所述开关元件分离地(separately)设置，搭载 有对所述开关元件的导通、截止进行控制的控制电路，表面与背面的耐 压是比所述第一耐压大的第二耐压；绝缘衬底，在所述导电体上与所述 开关元件和所述背面高耐压集成电路分离地设置；连接于所述绝缘衬底 上的输入输出用的布线；第一布线，连接所述绝缘衬底和所述开关元 件；以及第二布线，连接所述绝缘衬底和所述背面高耐压集成电路。
按照本发明，可在具有功率半导体元件和用于控制该功率半导体元 件的集成电路用半导体元件的半导体装置中，实现高功能化和小型化。
图1是实施方式1的半导体装置的平面图。
图2是实施方式1的半导体装置的平面图。
图3是实施方式2的半导体装置的电路图。
图4是实施方式3的半导体装置的电路图。
图5是实施方式4的半导体装置的平面图。
图6是实施方式4的半导体装置的电路图。
图7是现有的半导体装置的平面图。
具体实施例方式
下面，参照附图的同时对本发明的实施方式进行说明。并且，在各 图中，对相同或者相当的部分使用相同的附图标记，简化以至省略其说 明。
实施方式1.
对本实施方式1的半导体装置进行说明。如图1所示，使用导电体 2形成半导体装置1。在导电体2上设置有作为功率半导体元件的第一 开关元件3，与导电体2电连接。在导电体2上，与第一开关元件3分离地设置有背面高耐压集成电路4。
在背面高耐压集成电路4的表面上设置有用于对第一开关元件3的导通、截止进行控制的控制电路(在此未图示)。以形成有背面高耐压 集成电路4的控制电路的区域(表面侧)与背面侧之间的耐压比第一开 关元件3的表面-背面间的耐压大的方式构成。即，若将第一开关元件3 的耐压设为Vb将背面高耐压集成电路4的表面与背面之间的耐压设为V2,则V1〈V2的关系成立。这样，半导体装置1以如下方式构成即 使对背面高耐压集成电路4的表面-背面间施加比第 一 开关元件3的表 面-背面间的耐压大的电压，也可维持背面高耐压集成电路4的绝缘性。
在导电体2上，与第一开关元件3和背面高耐压集成电路4分离地 设置有绝缘衬底5。在绝缘衬底5上设置有包括电容器、电阻元件等的 无源元件部6。在绝缘衬底5上连接有两条输入输出用布线7a，在导电 体2上连接有一条输入输出用布线7b。利用两条第一布线8a连接绝缘 衬底5与第一开关元件3，利用两条第二布线8b连接绝缘衬底5与背面 高耐压集成电路4。
在图1所示的半导体装置1中，在同一导电体上，可使用导电性的 接合部件搭载第一开关元件3和搭载有对该开关元件的导通、截止进行 控制的控制电路的集成电路。由此，能够使绝缘衬底5的尺寸缩小，能 够使上述控制电路高集成化。因此，可使半导体装置l小型化，实现向 封装(package)内的高密度安装。进而，通过在同一导电体上搭载功率用 半导体元件和上述集成电路，从而能够得到热结合性高、可提高过热切 断的精度的半导体装置。
接着，对图1所示的半导体装置1的其他结构例进行说明。如图2 所示，利用一条第一布线8a连接绝缘衬底5和第一开关元件3。此外， 利用一条第三布线8c连接第一开关元件3和背面高耐压集成电路4。其 他与图l相同。根据图2的结构也可得到与图l的结构相同的效果。
如上所述，按照本实施方式1的半导体装置，可在具有功率半导体 元件和用于控制该功率半导体元件的集成电路用半导体元件的半导体 装置中，实现高功能化和小型化。
实施方式2.
对本实施方式2的半导体装置进行说明。此处，以与实施方式l的不同点为中心进行说明。
在作为汽车发动机的内燃机用点火系统的发动机点火用半导体装置中，搭载有功率半导体元件和连接于其上的电感负载，由计算机控制 点火的定时。此处，因为当控制信号保持导通不变时，功率半导体元件 持续导通，所以，存在由于发热而破坏元件本身的可能性。为了防止这 种情况，在上述的半导体装置中，使用从导通动作开始后经一定时间之后进行动作的定时器电路，具有强制切断功率半导体元件的功能。但 是，在上述强制切断时，因为在电感负载中会产生较大的电动势，所以， 在计算机非本意的定时产生点火的情况下，还存在由于误点火而破坏元 件的可能性。
对于本实施方式2的半导体装置来说，在实施方式1所说明的背面 高耐压集成电路中附加晶闸管(thyristor)和齐纳二极管(Zener diode),对 上述误点火进行抑制。图3示出该半导体装置的电路图。
如图3所示，半导体装置9具有背面高耐压集成电路4和连接于其 上的第一开关元件3。在第一开关元件3的集电极端子(输出端子3b) 侧，连接有负载线圈IO。负载线圏IO连接在发动机的火花塞11和电池 12上。负载线圏10具有输入侧线圈10a和输出侧线圏10b。当在输入 侧线圏10a上施加预定的第一电压(V!)以上的电压时，在输出侧线圈 10b中流过电流，火花塞ll进行工作。此外，在第一开关元件3的栅极 -集电极间连接有双向二极管13。当在该二极管上施加预定值以上的电 压时，流过电流，可保护第一开关元件3。
此处，第一开关元件3具有输入端子3a和输出端子3b。输出端子 3b连接于负载线圏IO的输入侧线圈10a的下端(输出端子14)上。当 在输入端子3a上施加预定的电压、使第一开关元件3变为导通状态时， 在负载线圈10的输入侧线圏10a上施加高电压。在输出端子14上，连 接于背面高耐压集成电路4的背面侧上，输出背面高耐压集成电路4的 背面侧的电压(背面电压)。
背面高耐压集成电路4具有控制电路15。控制电路15连接于第一 开关元件3的输入端子3a上。并且，根据从外部端子16输入的导通、 截止的输入信号，控制第一开关元件3的导通、截止。
进而，背面高耐压集成电路4具有PMOS晶体管17、电阻18和 NMOS晶体管19。 PMOS晶体管17连接于第一开关元件3的输入端子 (栅极)3a上。NMOS晶体管19的栅极和控制电路15连接于定时器电 路20上。当定时器电路20在第一开关元件3开始导通动作之后经过预 定时间时，就强制地使第一开关元件3截止。
背面高耐压集成电路4具有由p叩晶体管21和npn晶体管22构成 的晶闸管23。晶闸管23具有集电极端子(C)、发射极端子(E)、以 及基极端子(B)。集电极端子(C)经由输出端子14连接于负载线圈10的输入侧线圈10a上。发射极端子(E)经由电阻26接地。基极端子 (B)连接于齐纳二极管24上。当晶闸管23导通并流过电流时，对基 极端子(B)输出负载线圈IO的输入侧线圏10a的电压。
上述的齐纳二极管24的上端连接于晶闸管23的基极端子(B)上， 下端经由齐納二极管25接地。在齐纳二极管24与齐纳二极管25的连 接点上连接有PMOS晶体管17和电阻18。
在图3所示的半导体装置9中，在第一开关元件3为导通状态的情 况下，齐纳二极管24的阴极侧(上端侧)变为与输出端子14的电位大 致相同的电位。并且，在齐纳二极管24的阴极侧的电压值为预定值(例 如，500V)以上的情况下，从输出端子14向齐纳二极管24的阳极侧(下 端侧)流过电流。齐纳二极管24的阴极侧的电压值小于所述预定值时， 从输出端子l4经由npn晶体管22以及电阻26流过电流。这样，能够 确保输出端子14的电压值为预定值以下。即，在第一开关元件3导通 的期间，由晶闸管23检测输出端子14的电压，由齐纳二极管24将输 出端子14的电压控制为预定值以下。
这样，在第一开关元件3导通，齐纳二极管24的上方的端子所输 出的电压是比第一电压Vi ( 负载线圈IO的输出侧线圈10b中流过电 流时施加在输入侧线圈10a上的电压)高的第二电压V2以上的情况下， 从齐纳二极管24的上方的端子向下方的端子流过电流。由此，将输出 端子14的电压控制为所述第二电压V2以下。
根据以上的结构，半导体装置9使用晶闸管23检测背面高耐压集 成电路4的背面电压，使用齐纳二极管24将所述背面电压控制为预定 值以下，可抑制在负载线圈10中产生较大的电动势。由此，可防止火 花塞11处的误点火。因此，能够在保持构成半导体装置的面积较小的 状态下抑制误点火，进行发动机的保护和半导体装置的自我保护。
按照本实施方式2的半导体装置，能够在保持构成半导体装置的面 积较小的状态下抑制误点火，进行发动机的保护和半导体装置的自我保 护。
实施方式3.
对本实施方式3的半导体装置进行说明。此处，以与实施方式2的 不同点为中心进行说明。
对实施方式2中示出的半导体装置的开关元件进行驱动时，从计算机经由控制电路向开关元件传送导通信号。此时，需要在半导体装置上 连接用于驱动开关元件的电源。
对本实施方式3的半导体装置来说，在实施方式2所说明的第一开 关元件3为截止状态时，取出驱动该开关元件所需的电流并存储在电容
器中，由此，不需要上述电源。图4示出该半导体装置27的电路图。
如图4所示，输出端子14连接于负载线圈10上。负载线圈10的
输入侧线圈10a的上方的端部连接于电池12上。
背面高耐压集成电路4具有连接在晶闸管23与输出端子14之间的
IGBT 28。在IGBT 28与输出端子14之间连接有齐纳二极管19和电阻30。
IGBT 28起到驱动晶闸管23用的第二开关元件的作用。IGBT 28具 有输入端子28a和输出端子28b。输入端子28a经由负载线圏10的输入 侧线圏10a连接于电池12上。输出端子28b连接于晶闸管23的集电极 端子(C)上。
此处，在第一开关元件3导通的期间，输出端子14变为高电位。 因此，可通过使电阻30的电阻值变大来降低施加在IGBT 28的栅极上 的电压。并且，可通过设置齐纳二极管29使施加在IGBT 28的栅极上 的电压为预定值以下，保护IGBT28。
进而，在npn晶体管22的发射极端子(E)与电阻26的连接点上 连接有二极管31。经由该二极管31,晶闸管23的发射极端子(E)连 接于电容器32的上端。此外，控制电路15也连接在电容器32的上端。 电容器32的下端接地。
根据上述结构，在第一开关元件3为截止状态时，输出端子14的 电压与电池12的电压相等。并且，利用从电池12供给的电压，IGBT28 变为导通状态，晶闸管23导通。于是，从电池12经由输出端子14、晶 闸管23、 二极管31流过电流，对电容器32进行充电。
这样，在第一开关元件3为截止状态的情况下，根据从电池12供 给的电压，IGBT28导通。并且，从电池12经由晶闸管23朝向电容器 32流过电流，由此，电容器32被充电。
并且，对于控制电路15来说，可将充电后的电容器32作为电源， 进行第一开关元件3的导通、截止的控制。其他结构与实施方式2相同。
通过成为上述结构，就无需第一开关元件3的驱动用电源。由此，能够使半导体装置27小型化。
另外，在图4所示的电路结构中，在第一开关元件3处于截止状态
时，若从电池12输入电涌，则IGBT3的栅极电位会浮动。因此，认为 也有IGBT3驱动并误动作的可能性。但是，因为半导体装置27只起到 保护电路的作用，所以，不存在电涌引起的误动作的可能，能够更安全地工作。
按照本实施方式3的半导体装置，除了实施方式1的效果之外，因 为无需对第一开关元件3进行驱动的电源，所以，能够使半导体装置小 型化。
实施方式4.
对本实施方式4的半导体装置进^f亍说明。此处，以与实施方式3的
不同点为中心进行说明。
图5示出本实施方式4的半导体装置33的平面图。此外，图6示 出包括图5的半导体装置33的电路图。在电容器32和控制电路15上 连接有用于对控制电路15提供输入信号的无线模块34。并且，无线模 块34与实施方式3相同地将充电后的电容器32用作电源，可向控制电 路15提供输入信号。其他结构与实施方式3相同。
根据上述结构，可从背面高耐压集成电路4的背面电压取出驱动无 线模块所需的电流，并将其提供给无线模块34。由此，无需设置对无线 模块34进行驱动用的电源。此外，利用无线模块34，能够以无线的方 式传送来自计算机的输入信号，所以，能够使输入布线无线化，使半导 体装置小型化。进而，通过输入布线的无线化，就难以受到噪声影响， 可实现可靠性比现有技术高的半导体装置。
按照本实施方式4的半导体装置，除了实施方式3的效果以外，还
能够使半导体装置小型化，并且，能够提高可靠性。
权利要求
1.一种半导体装置，其特征在于，具有导电体；开关元件，在所述导电体上与所述导电体电连接，表面与背面之间的耐压为第一耐压；背面高耐压集成电路，在所述导电体上与所述开关元件分离地设置，搭载有对所述开关元件的导通、截止进行控制的控制电路，表面与背面的耐压是比所述第一耐压大的第二耐压；绝缘衬底，在所述导电体上与所述开关元件和所述背面高耐压集成电路分离地设置；连接于所述绝缘衬底上的输入输出用的布线；第一布线，连接所述绝缘衬底和所述开关元件；以及第二布线，连接所述绝缘衬底和所述背面高耐压集成电路。
2. —种半导体装置，其特征在于，包括负载线圏，具有输入侧线圏和输出侧线圏，当向所述输入侧线圏施 加第 一 电压以上的电压时，电流流过所述输出侧线圈；第一开关元件，具有输入端子和输出端子，所述输出端子连接于所 述负载线圈的所述输入侧线圏的一端上，向所述负载线圏的所述输入侧 线圏施加电压；控制电路，连接于所述第一开关元件的所述输入端子上，对所述第 一开关元件的导通、截止进行控制；晶闸管，具有连接于所述负载线圏的所述输入侧线圈上的集电极、 接地的发射极、以及输出所述负载线圏的所述输入侧线圈的电压的基 极；以及齐纳二极管， 一个端子连接于所述晶闸管的所述基极上，另一个端 子接地，在所述第一开关元件导通、向所述齐纳二极管的所述一个端子输出 的电压是比所述第一电压高的第二电压以上的情况下，从所述齐纳二极 管的所述一个端子向所述齐纳二极管的所述另一个端子流过电流。
3. 如权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，还包括外部电源，连接于所述负载线圈的所述输入侧线圈的另 一端上； 第二开关元件，具有经由所述负载线圈的所述输入侧线圏连接于所 述外部电源上的输入端子、和连接于所述晶闸管的所述集电极上的输出 端子；以及电容器， 一端连接于所述控制电路和所述晶闸管的所述发射极上， 另一端接地，在所述第一开关元件截止的情况下，通过从所述外部电源供给的电 压使所述第二开关元件导通，从所述外部电源经由所述晶闸管向所述电 容器流过电流，对所述电容器进行充电，所述控制电路将所述充电后的电容器作为电源对所述第一开关元 件的导通、截止进行控制。
4.如权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，在所述电容器上连接有用于向所述控制电路提供输入信号的无线模块，所述无线模块将所述电容器用作电源。
全文摘要
本发明的目的在于在具有用于控制功率半导体元件的控制电路的半导体装置中，使半导体装置小型化。在导电体(2)上彼此分离地设置有第一开关元件(3)、表面-背面间的耐压比第一开关元件(3)高的背面高耐压集成电路(4)、和绝缘衬底(5)。在背面高耐压集成电路(4)的表面上搭载有对第一开关元件(3)的导通、截止进行控制的控制电路。在绝缘衬底(5)上设置有无源元件部(6)。利用第一布线(8a)连接绝缘衬底(5)和第一开关元件(3)，利用第二布线(8b)连接绝缘衬底(5)和背面高耐压集成电路(4)。根据上述结构，无需在绝缘衬底(5)上设置用于控制第一开关元件(3)的集成电路。由此，能够使绝缘衬底(5)缩小，能够使半导体装置(1)小型化和高功能化。
文档编号H01L25/16GK101174618SQ20071016227
公开日2008年5月7日 申请日期2007年10月8日 优先权日2006年10月30日
发明者西村一广 申请人:三菱电机株式会社