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JP2014013797A - One-chip igniter, and internal combustion engine ignition device - Google Patents

One-chip igniter, and internal combustion engine ignition device Download PDF

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gate
chip igniter
mos transistor
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Kenichi Ishii
憲一 石井
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

【課題】動作電圧の低電圧化、高ノイズ耐量化、小型化および低コスト化を実現できるワンチップイグナイタを提供する。
【解決手段】MOSトランジスタのゲートしきい値電圧Vtghを低下させ、電流制限回路、過熱検出回路、タイマー回路、過電圧保護回路及び入力ヒステリシス回路などの動作電圧を低電圧することで、ワンチップイグナイタ100の動作電圧を低電圧化することができる。MOSトランジスタの実効ゲートしきい値電圧が1V以上であり、前記IGBTのチャネル長う4μm以下とする。また、MOSトランジスタのゲート酸化膜の厚さを、5nm以上で、25nm未満とする。
【選択図】 図1
Provided is a one-chip igniter capable of realizing low operating voltage, high noise immunity, miniaturization and low cost.
A one-chip igniter is provided by lowering a gate threshold voltage Vtgh of a MOS transistor and lowering operating voltages of a current limiting circuit, an overheat detection circuit, a timer circuit, an overvoltage protection circuit, an input hysteresis circuit, and the like. The operating voltage can be lowered. The effective gate threshold voltage of the MOS transistor is 1 V or more, and the channel length of the IGBT is 4 μm or less. Further, the thickness of the gate oxide film of the MOS transistor is 5 nm or more and less than 25 nm.
[Selection] Figure 1

Description

この発明は、低電圧駆動のワンチップイグナイタ及びこのワンチップイグナイタを有する内燃機関点火装置に関する。   The present invention relates to a low-voltage driven one-chip igniter and an internal combustion engine ignition device having the one-chip igniter.

図8は、従来のワンチップイグナイタ501が搭載されている内燃機関点火装置500の要部構成図である。
内燃機関点火装置500は、主に、ワンチップイグナイタ501、点火コイル502、点火プラグ503、バッテリー504およびECU505(エンジンコントロールユニット)などで構成される。図中の符号で、75,76,77はワンチップイグナイタ501のコレクタ端子、ゲート端子、エミッタ端子である。また、51はセンスIGBTを含むIGBT、56はセンス抵抗である。
FIG. 8 is a configuration diagram of a main part of an internal combustion engine ignition device 500 on which a conventional one-chip igniter 501 is mounted.
The internal combustion engine ignition device 500 mainly includes a one-chip igniter 501, an ignition coil 502, a spark plug 503, a battery 504, an ECU 505 (engine control unit), and the like. Reference numerals 75, 76, and 77 in the figure denote a collector terminal, a gate terminal, and an emitter terminal of the one-chip igniter 501. Further, 51 is an IGBT including a sense IGBT, and 56 is a sense resistor.

図9は、図8に示す内燃機関点火装置500に搭載されている従来のワンチップイグナイタ501の要部回路図である。ここで示すワンチップイグナイタ501は一例である。
ワンチップイグナイタ501は、IGBT51と、第1MOSFET63と、第2MOSFET66と、電流制限回路57、過熱検出回路60、ツェナーダイオード69、抵抗72、コレクタ端子75、ゲート端子76およびエミッタ端子77で構成される。IGBT51のコレクタ52はコレクタ端子75に接続し、エミッタ54はエミッタ端子77にそれぞれ接続する。IGBT51のセンスエミッタ55はセンス抵抗56の一端に接続し、センス抵抗56の他端はグランド配線74に接続し、グランド配線74はグランド電位78であるエミッタ端子77に接続する。IGBT51のゲート53はゲート配線73でゲート端子76と接続する。このゲート配線73とグランド配線74の間に前記した電流制限回路57、過熱検出回路60、第1MOSFET63、第2MOSFET66、ツェナーダイオード69および抵抗72がそれぞれ接続する。前記の過熱検出回路60は図示するようにMOSFET(ア)とダイオード(イ)およびインバータ回路(ウ)で構成されている。また、前記の部品以外に、点線で示すように、ツェナーダイオード69のカソードと第2MOSFET66のソース間にIGBT51のターンオフを早めるためのスピードアップダイオード(エ)が接続され、コレクタ52とゲート53の間にツェナーダイオード(カ)がサージ保護用として接続されている。また、ゲート配線73に抵抗72とツェナダイオード69の間や電流制限回路57の高電位側と第2MOSFET66のドレインの間にサージ抑制用に抵抗(オ)が挿入されている。前記の各部位は同一の半導体基板81に形成される。
FIG. 9 is a circuit diagram of a main part of a conventional one-chip igniter 501 mounted on the internal combustion engine ignition apparatus 500 shown in FIG. The one-chip igniter 501 shown here is an example.
The one-chip igniter 501 includes an IGBT 51, a first MOSFET 63, a second MOSFET 66, a current limiting circuit 57, an overheat detection circuit 60, a Zener diode 69, a resistor 72, a collector terminal 75, a gate terminal 76, and an emitter terminal 77. The collector 52 of the IGBT 51 is connected to the collector terminal 75, and the emitter 54 is connected to the emitter terminal 77. The sense emitter 55 of the IGBT 51 is connected to one end of a sense resistor 56, the other end of the sense resistor 56 is connected to a ground wiring 74, and the ground wiring 74 is connected to an emitter terminal 77 having a ground potential 78. The gate 53 of the IGBT 51 is connected to the gate terminal 76 by a gate wiring 73. The current limiting circuit 57, the overheat detection circuit 60, the first MOSFET 63, the second MOSFET 66, the Zener diode 69, and the resistor 72 are connected between the gate wiring 73 and the ground wiring 74, respectively. The overheat detection circuit 60 includes a MOSFET (A), a diode (A), and an inverter circuit (C) as shown in the figure. In addition to the above components, as indicated by a dotted line, a speed-up diode (D) for speeding up the turn-off of the IGBT 51 is connected between the cathode of the Zener diode 69 and the source of the second MOSFET 66, and between the collector 52 and the gate 53. A Zener diode (f) is connected for surge protection. Further, a resistor (O) is inserted in the gate wiring 73 between the resistor 72 and the Zener diode 69 or between the high potential side of the current limiting circuit 57 and the drain of the second MOSFET 66 for surge suppression. Each of the above parts is formed on the same semiconductor substrate 81.

前記のセンス抵抗56の一端と第1MOSFET63のゲート64は電流制限回路57に接続し、第2MOSFET66のゲート67は過熱検出回路60に接続する。ECU505の出力電圧はゲート端子76にIGBT51のゲート電圧として入力される。このゲート電圧はゲート配線73を介して電流制限回路57と過熱検出回路60に供給され、これらの回路57,60を駆動する電源電圧となる。   One end of the sense resistor 56 and the gate 64 of the first MOSFET 63 are connected to the current limiting circuit 57, and the gate 67 of the second MOSFET 66 is connected to the overheat detection circuit 60. The output voltage of the ECU 505 is input to the gate terminal 76 as the gate voltage of the IGBT 51. This gate voltage is supplied to the current limiting circuit 57 and the overheat detection circuit 60 through the gate wiring 73, and becomes a power supply voltage for driving these circuits 57 and 60.

IGBT51と、第1、第2MOSFET63,66と、電流制限回路57、過熱検出回路60、抵抗72、ツェナーダイオード69、コレクタ端子75、エミッタ端子77およびゲート端子76は同一の半導体基板81に形成されワンチップイグナイタ501を構成する。前記の電流制限回路57は3段のnMOSで構成されたオペアンプからなる。また、ツェナーダイオード69と抵抗72はゲート端子76から侵入するサージ電圧を抑制するサージ保護用素子である。   The IGBT 51, the first and second MOSFETs 63 and 66, the current limiting circuit 57, the overheat detection circuit 60, the resistor 72, the Zener diode 69, the collector terminal 75, the emitter terminal 77, and the gate terminal 76 are formed on the same semiconductor substrate 81. The chip igniter 501 is configured. The current limiting circuit 57 is composed of an operational amplifier composed of three stages of nMOS. The Zener diode 69 and the resistor 72 are surge protection elements that suppress a surge voltage entering from the gate terminal 76.

また、従来のワンチップイグナイタ501の最低動作電圧は3.5Vであり、このワンチップイグナイタ501を構成するIGBT51、電流制限回路57および過熱検出回路60の各最低動作電圧は3.5V以下である。ここでは、IGBT51の最低動作電圧はIGBT51のゲートしきい値電圧のことを指す。また、この「3.5V」という電圧値はワンチップイグナイタに動作指令を与えるECUの信号の最低電圧値である。   The minimum operating voltage of the conventional one-chip igniter 501 is 3.5V, and the minimum operating voltages of the IGBT 51, the current limiting circuit 57, and the overheat detection circuit 60 that constitute the one-chip igniter 501 are 3.5V or less. . Here, the minimum operating voltage of the IGBT 51 indicates the gate threshold voltage of the IGBT 51. The voltage value of “3.5 V” is the lowest voltage value of the ECU signal that gives an operation command to the one-chip igniter.

図10は、図9のワンチップイグナイタ501の外形図である。リードフレームのダイ80(外部導出端子82の一つであるコレクタ端子(C)に接続する)上に搭載されたチップ(半導体基板81)と外部導出端子82(ゲート端子(G)、エミッタ端子(E))はボンディングワイヤ83でそれぞれ接続され、モールド樹脂84でパッケージされている。   FIG. 10 is an external view of the one-chip igniter 501 shown in FIG. A chip (semiconductor substrate 81) mounted on a die 80 (connected to a collector terminal (C) which is one of the external lead terminals 82) and an external lead terminal 82 (gate terminal (G), emitter terminal ( E)) are connected by bonding wires 83 and packaged by mold resin 84.

つぎに、図8で示す内燃機関点火装置500の動作を説明する。
ECU505からの出力信号がワンチップイグナイタ501のゲート端子76に入力信号(IGBTのゲート信号)として入力されると、その入力信号はゲート配線73を伝達してIGBT51のゲートに入力されて、IGBT51がオンする。IGBT51がオンするとバッテリー504の正極から点火コイル502、IGBT51を経由してグランド電位にあるエミッタ端子77に電流が流れる。
Next, the operation of the internal combustion engine ignition device 500 shown in FIG. 8 will be described.
When an output signal from the ECU 505 is input as an input signal (IGBT gate signal) to the gate terminal 76 of the one-chip igniter 501, the input signal is transmitted to the gate wiring 73 and input to the gate of the IGBT 51, and the IGBT 51 Turn on. When the IGBT 51 is turned on, a current flows from the positive electrode of the battery 504 to the emitter terminal 77 at the ground potential via the ignition coil 502 and the IGBT 51.

一方、EUC505からの出力信号が停止するとIGBT51はオフする。このIGBT51がオフした瞬間に、点火コイル502に蓄えられたエネルギーが放出され、点火コイル502に高電圧が発生して、点火プラグ503は点火する。その後、点火コイル503に蓄積されたエネルギーが消失すると点火プラグ503は消弧する。この動作を繰り返すことで、内燃機関点火装置500は動作を継続する。つぎに図9を用いて説明する。   On the other hand, when the output signal from EUC 505 stops, IGBT 51 is turned off. At the moment when the IGBT 51 is turned off, the energy stored in the ignition coil 502 is released, a high voltage is generated in the ignition coil 502, and the spark plug 503 is ignited. Thereafter, when the energy stored in the ignition coil 503 disappears, the spark plug 503 extinguishes. By repeating this operation, the internal combustion engine ignition device 500 continues to operate. Next, a description will be given with reference to FIG.

IGBT51に過電流が流れると、センスエミッタ55とセンス抵抗56を通して流れるセンス電流により、センス抵抗56に電圧が発生する。その電圧が電流制限回路57に伝達されて電流制限回路57が動作する。電流制限回路57から第1MOSFET63にゲート信号が与えられ、第1MOSFET63はオンする。第1MOSFET63がオンするとIGBT51のゲート電圧が絞られて低下する。IGBT51のゲート電圧が低下してIGBT51のゲートしきい値電圧以下になるとIGBT51はオフし、過電流は遮断されて、IGBT51は保護される。   When an overcurrent flows through the IGBT 51, a voltage is generated in the sense resistor 56 due to a sense current flowing through the sense emitter 55 and the sense resistor 56. The voltage is transmitted to the current limiting circuit 57 and the current limiting circuit 57 operates. A gate signal is supplied from the current limiting circuit 57 to the first MOSFET 63, and the first MOSFET 63 is turned on. When the first MOSFET 63 is turned on, the gate voltage of the IGBT 51 is reduced and lowered. When the gate voltage of the IGBT 51 decreases and becomes equal to or lower than the gate threshold voltage of the IGBT 51, the IGBT 51 is turned off, the overcurrent is cut off, and the IGBT 51 is protected.

一方、IGBT51が過熱すると過熱検出回路60が動作して、前記の過電流の場合と同じようにIGBT51がオフする。IGBT51がオフすることで、IGBT51に流れている主電流が遮断されてIGBT51は保護される。IGBT51が過熱するとIGBT51に形成される温度検出用の図示しないpnダイオードの順電圧降下値が低下する。順電圧降下値(電圧)は過熱検出回路60に入力され、限界値以下に低下した段階で過熱検出回路60から第2MOSFET66のゲートへオン信号が与えられ第2MOSFET66はオンする。その後の動作は電流制限回路57の場合と同じである。過熱検出回路60及び電流制限回路57はともにIGBT51のゲート電圧を制御する制御回路として機能している。   On the other hand, when the IGBT 51 is overheated, the overheat detection circuit 60 operates and the IGBT 51 is turned off in the same manner as in the case of the overcurrent. When the IGBT 51 is turned off, the main current flowing through the IGBT 51 is interrupted and the IGBT 51 is protected. When the IGBT 51 is overheated, the forward voltage drop value of a pn diode (not shown) for temperature detection formed in the IGBT 51 is lowered. The forward voltage drop value (voltage) is input to the overheat detection circuit 60. When the forward voltage drop value (voltage) falls below the limit value, an ON signal is given from the overheat detection circuit 60 to the gate of the second MOSFET 66, and the second MOSFET 66 is turned on. The subsequent operation is the same as that of the current limiting circuit 57. Both the overheat detection circuit 60 and the current limiting circuit 57 function as a control circuit that controls the gate voltage of the IGBT 51.

前記したワンチップイグナイタ501は内燃機関点火装置500に用いられるため、使用環境が極めて厳しい。具体的に説明すると、コレクタ端子75とエミッタ端子77との
間に30kVのサージ電圧を印加してもIGBT51が破壊しないこと、また、例えば、−55℃〜205℃の温度範囲でIGBT51が正常動作すること(これは寄生素子が動作しないことを指す)などである。この厳しい条件下でもワンチップイグナイタ501が正常動作するために、電流制限回路57や過熱検出回路60は全てnMOSのみで構成される。これはpMOSとnMOSが混在するとプロセスが複雑になりコスト上昇を招く。また、pMOSとnMOSとの混成回路(コンプリメンタリー回路など)にすると、両者間で寄生素子が形成されて寄生動作(誤動作)を起こし易くなることなどによる。
Since the above-described one-chip igniter 501 is used in the internal combustion engine ignition device 500, the usage environment is extremely severe. More specifically, the IGBT 51 does not break even when a surge voltage of 30 kV is applied between the collector terminal 75 and the emitter terminal 77, and the IGBT 51 operates normally in a temperature range of −55 ° C. to 205 ° C., for example. (This means that the parasitic element does not operate). In order for the one-chip igniter 501 to operate normally even under such severe conditions, the current limiting circuit 57 and the overheat detection circuit 60 are all composed only of nMOS. When pMOS and nMOS are mixed, the process becomes complicated and the cost increases. Further, when a pMOS / nMOS hybrid circuit (complementary circuit or the like) is used, a parasitic element is formed between the two and a parasitic operation (malfunction) is likely to occur.

特許文献1では、内燃機関用電子制御装置から出力される点火制御信号に応じて点火コイルに流れる一次電流を通電・遮断制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子を流れる電流を制限する電流制限回路とを備え、前記スイッチング素子が絶縁ゲート形バイポーラトランジスタで構成された内燃機関用点火装置において、前記電流制限回路は自己分離形N−MOSトランジスタで構成され、前記絶縁ゲート形バイポーラトランジスタと前記自己分離形N−MOSトランジスタとが共通の半導体基板に形成されワンチップ化されたワンチップイグナイタが開示されている。つまり、電流制限回路が自己分離形N−MOSトランジスタ(nMOS)で構成され、IGBTと同一半導体基板に形成されたワンチップイグナイタが開示されている。   In Patent Document 1, a switching element that controls energization / cutoff of a primary current flowing through an ignition coil in response to an ignition control signal output from an electronic control device for an internal combustion engine, and a current limiting circuit that limits a current flowing through the switching element; An ignition device for an internal combustion engine in which the switching element is constituted by an insulated gate bipolar transistor, wherein the current limiting circuit is constituted by a self-separating N-MOS transistor, and the insulated gate bipolar transistor and the self-separating type are provided. A one-chip igniter is disclosed in which an N-MOS transistor is formed on a common semiconductor substrate and formed into one chip. That is, a one-chip igniter is disclosed in which the current limiting circuit is configured by a self-isolating N-MOS transistor (nMOS) and formed on the same semiconductor substrate as the IGBT.

また、特許文献2では、第1のIGBTを備え、前記第1のIGBTにより、一次コイルに流れる一次電流を点火制御信号に応じて通電及び遮断制御し、その二次側に電圧を発生させる内燃機関の点火装置において、前記第1のIGBTと並列に設けられた第2のIGBTと、この第2のIGBTの電流を検出する電流検出回路とを備え、この電流検出回路で検出された電流値によって前記第1と第2のIGBTのゲート電圧を制御して一次電流を設定値に制限する電流制限回路と、異常時に前記一次コイルに流れる電流の通電を強制的に遮断するサーマルシャットオフ回路とを備え、これら回路を1つのチップに集約して構成したことを特徴とするワンチップイグナイタが開示されている。   Further, in Patent Document 2, an internal combustion engine that includes a first IGBT, controls the energization and shut-off of the primary current flowing through the primary coil according to the ignition control signal, and generates a voltage on the secondary side of the primary IGBT. The engine ignition device includes a second IGBT provided in parallel with the first IGBT, and a current detection circuit that detects a current of the second IGBT, and a current value detected by the current detection circuit A current limiting circuit that controls the gate voltage of the first and second IGBTs to limit the primary current to a set value, and a thermal shut-off circuit that forcibly cuts off the current flowing through the primary coil in the event of an abnormality. There is disclosed a one-chip igniter characterized in that these circuits are integrated into one chip.

また、特許文献3では、内燃機関用点火装置において、一次側コイルに流れる低圧電流を断続するIGBTと、外部ゲート端子と外部コレクタ端子との間に定電圧回路と、保護用のツェナーダイオードとを備えている。定電圧回路は、IGBTの飽和電流値が所定の制限電流値となるような一定のゲート電圧を、IGBTに供給している。IGBTは、半導体装置の制限電流値の範囲に飽和電流値がある。定電圧回路では、並列に接続された複数のディプレッション型MOSFETとツェナーダイオードとが直列に接続されている。それぞれのディプレッション型MOSFETには選択スイッチが接続されており、全ての選択スイッチはセレクタ回路に接続されている。そして、工場出荷時に、セレクタ回路によって選択スイッチの開閉を行うことで、半導体装置製造上の電気的特性によって生じる電圧変動を調整している。これによって、IGBTを流れる電流波形の振動を抑える。半導体装置全体の小型化を図り、コストを低減させることが開示されている。ここで用いる半導体装置としてはトレンチゲート型IGBTとプレーナゲート型IGBTが記載されている。   Further, in Patent Literature 3, in an ignition device for an internal combustion engine, an IGBT that interrupts a low-voltage current flowing in a primary coil, a constant voltage circuit between an external gate terminal and an external collector terminal, and a protective Zener diode are provided. I have. The constant voltage circuit supplies a constant gate voltage to the IGBT such that the saturation current value of the IGBT becomes a predetermined limit current value. The IGBT has a saturation current value in the range of the limiting current value of the semiconductor device. In the constant voltage circuit, a plurality of depletion type MOSFETs connected in parallel and a Zener diode are connected in series. A selection switch is connected to each depletion type MOSFET, and all the selection switches are connected to a selector circuit. At the time of shipment from the factory, the selector switch is opened and closed by a selector circuit, thereby adjusting the voltage fluctuation caused by the electrical characteristics in manufacturing the semiconductor device. This suppresses the vibration of the current waveform flowing through the IGBT. It is disclosed to reduce the cost by reducing the size of the entire semiconductor device. As the semiconductor device used here, a trench gate type IGBT and a planar gate type IGBT are described.

特許第3192074号公報Japanese Patent No. 3192074 特許第3216972号公報Japanese Patent No. 3216972 特開2010−45141号公報JP 2010-45141 A

前記のワンチップイグナイタ501のコレクタ端子75は点火コイル502の内部抵抗を介してバッテリー504に接続し、エミッタ端子77はグランド電位78となる例えばエンジンルームのシャーシなどに接続されている。そのため、これらの端子75,77の電位は比較的安定している。   The collector terminal 75 of the one-chip igniter 501 is connected to the battery 504 through the internal resistance of the ignition coil 502, and the emitter terminal 77 is connected to a ground potential 78, for example, a chassis in the engine room. Therefore, the potentials of these terminals 75 and 77 are relatively stable.

これに対し、ゲート端子76の電位は、ECU505の低い出力電圧(5V)とIGBT51の小さなゲート容量で決まる低い電位になる。また、ワンチップイグナイタ501の直近ではイグニッションパルス(数10kV)を発生させているために、ワンチップイグナイタ501はノイズにより誤動作する恐れがり、また、ECU505の出力電圧がノイズで低下することがある。さらに、IGBT51通電時にハーネスなどのグランド配線抵抗と通電電流の積で電圧が発生し、その電圧によりワンチップイグナイタ501のグランド電位78が上昇する(GND浮き)場合が生じる。具体的には例えば、IGBTの定格通電電流が10Aであって、IGBTとECUのグランド間にあるハーネス類のグランド配線抵抗が大きめにみて0.1Ωあった場合、この抵抗と通電電流の積は1Vに達し、この1Vがグランド電位の上昇(GND浮き)となる。GND浮きが発生すると、ワンチップイグナイタ501のゲート端子76とグランド電位78にあるエミッタ端子77の間の電圧(ゲート信号電圧)は3.5V以下になる場合が発生し、ワンチップイグナイタ501の動作が不安定になる。   On the other hand, the potential of the gate terminal 76 is a low potential determined by the low output voltage (5 V) of the ECU 505 and the small gate capacity of the IGBT 51. In addition, since an ignition pulse (several tens of kV) is generated in the immediate vicinity of the one-chip igniter 501, the one-chip igniter 501 may malfunction due to noise, and the output voltage of the ECU 505 may decrease due to noise. Further, when the IGBT 51 is energized, a voltage is generated by the product of the ground wiring resistance of the harness or the like and the energized current, and the ground potential 78 of the one-chip igniter 501 is raised (GND floating) by the voltage. Specifically, for example, when the rated energization current of the IGBT is 10A and the ground wiring resistance of the harnesses between the IGBT and the ECU ground is about 0.1Ω, the product of this resistance and the energization current is 1V is reached, and this 1V is the ground potential rise (GND floating). When the GND float occurs, the voltage (gate signal voltage) between the gate terminal 76 of the one-chip igniter 501 and the emitter terminal 77 at the ground potential 78 may be 3.5 V or less, and the operation of the one-chip igniter 501 Becomes unstable.

つぎに、電圧低下に対応する従来技術について以下に説明する。
図11は、ハイブリット型のイグナイタ600の要部構成図である。ハイブリッド型のイグナイタ600は、IGBT51aとIGBT駆動回路90を備え、IGBT駆動回路90には電流制限回路、過熱検出回路およびセンス抵抗56aなどが含まれる。これらの各部品はプリント基板91やセラミック基板などに固定される。
Next, the prior art corresponding to the voltage drop will be described below.
FIG. 11 is a configuration diagram of a main part of a hybrid type igniter 600. The hybrid igniter 600 includes an IGBT 51a and an IGBT drive circuit 90, and the IGBT drive circuit 90 includes a current limiting circuit, an overheat detection circuit, a sense resistor 56a, and the like. Each of these components is fixed to a printed board 91, a ceramic board, or the like.

ECU505からの出力電圧がノイズなどにより3.5V未満に低下した場合やGND浮きが発生してIGBT51aのゲート・エミッタ間の電圧が3.5V未満に低下する場合がある。そのとき、この電圧低下を補償してIGBT51aのゲート・エミッタ間の電圧を常に3.5V以上に保持する必要がある。このIGBT駆動回路90はECU505から入力される入力電圧(ゲート電圧)に落ち込みのノイズが重畳した場合やGND浮きが発生した場合に、それを補償して正規のゲート電圧をIGBT51aのゲートに伝送する機能を有している。   There are cases where the output voltage from the ECU 505 decreases to less than 3.5V due to noise or the like, or GND floating occurs and the voltage between the gate and the emitter of the IGBT 51a decreases to less than 3.5V. At this time, it is necessary to compensate for this voltage drop and to keep the voltage between the gate and the emitter of the IGBT 51a at 3.5V or higher at all times. The IGBT drive circuit 90 compensates for a drop noise superimposed on an input voltage (gate voltage) input from the ECU 505 or a GND float and transmits a normal gate voltage to the gate of the IGBT 51a. It has a function.

図11のハイブリッド型のイグナイタ600の構成では、多数の個別部品をプリント基板91などに搭載する必要があり、部品点数が多くなる。そのため外形寸法が大きくなり、製造コストが増大する。   In the configuration of the hybrid igniter 600 shown in FIG. 11, it is necessary to mount a large number of individual parts on the printed circuit board 91 and the like, and the number of parts increases. As a result, the outer dimensions increase and the manufacturing cost increases.

また、前記の特許文献1〜3では、本発明のポイントとなる内燃機関点火装置に用いられるワンチップイグナイタの動作電圧を低電圧化させるための方策について示唆する記述は見当たらない。   Moreover, in the said patent documents 1-3, the description which suggests about the policy for reducing the operating voltage of the one-chip igniter used for the internal combustion engine ignition device used as the point of this invention is not found.

この発明の目的は、前記課題を解決して、動作電圧の低電圧化、高ノイズ耐量化、高サージ耐量、小型化および低コスト化を実現できるワンチップイグナイタおよびそのワンチップイグナイタを有する内燃機関点火装置を提供することである。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to realize a one-chip igniter capable of realizing a low operating voltage, high noise immunity, high surge immunity, downsizing and cost reduction, and an internal combustion engine having the one-chip igniter It is to provide an ignition device.

前記の目的を達成するために、特許請求の範囲の請求項1に記載の発明によれば、MOSトランジスタと、該MOSトランジスタのゲートと電気的に接続するゲート端子と、該MOSトランジスタのゲート電圧を制限する制御回路とを、同一半導体基板に配置したワンチップイグナイタにおいて、前記ワンチップイグナイタのゲート端子に入力される入力電圧が、前記制御回路の電源電圧及び前記MOSトランジスタの制御信号となり、前記入力電圧の最低電圧が3.5V未満であり、前記制御回路の最低動作電圧が1.5V以下であり、前記制御回路が、直列接続された2段のMOSFETから構成されるインバータ回路が2個直列にされる構成とするとよい。   In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a MOS transistor, a gate terminal electrically connected to the gate of the MOS transistor, and a gate voltage of the MOS transistor are provided. In a one-chip igniter arranged on the same semiconductor substrate with a control circuit for limiting the input voltage, an input voltage input to the gate terminal of the one-chip igniter becomes a power supply voltage for the control circuit and a control signal for the MOS transistor, The minimum voltage of the input voltage is less than 3.5V, the minimum operating voltage of the control circuit is 1.5V or less, and the control circuit is composed of two inverter circuits composed of two-stage MOSFETs connected in series. It is good to have a configuration in series.

また、特許請求の範囲の請求項2記載の発明によれば、請求項1に記載の発明において、前記入力電圧の最低電圧を2.5V未満とするとよい。
また、特許請求の範囲の請求項3記載の発明によれば、請求項1に記載の発明において、前記入力電圧の最低電圧を2.0V未満とするとよい。
According to the second aspect of the present invention, the minimum voltage of the input voltage is preferably less than 2.5V in the first aspect of the invention.
According to the invention described in claim 3, it is preferable that the minimum voltage of the input voltage is less than 2.0V in the invention described in claim 1.

また、特許請求の範囲の請求項4記載の発明によれば、請求項1〜3のいずれか一項に記載の発明において、前記ワンチップイグナイタを構成する前記MOSトランジスタ実効のゲートしきい値電圧が1V以上であり、前記IGBTのチャネル領域の単位体積当たりの不純物量が、1×1017/cm3以下であるとよい。 According to the invention as set forth in claim 4, the effective gate threshold voltage of the MOS transistor constituting the one-chip igniter according to any one of claims 1 to 3. Is 1 V or more, and the amount of impurities per unit volume of the channel region of the IGBT is preferably 1 × 10 17 / cm 3 or less.

また、特許請求の範囲の請求項5記載の発明によれば、請求項1〜4のいずれか一項に記載の発明において、前記ワンチップイグナイタを構成する前記MOSトランジスタの実効ゲートしきい値電圧が1V以上であり、前記IGBTのチャネル長が、4μm以下であるとよい。   According to the invention described in claim 5, the effective gate threshold voltage of the MOS transistor constituting the one-chip igniter according to any one of claims 1 to 4. Is 1 V or more, and the channel length of the IGBT is preferably 4 μm or less.

また、特許請求の範囲の請求項6に記載の発明によれば、請求項1〜5のいずれか一項に記載の発明において、前記ワンチップイグナイタを構成する前記MOSトランジスタのチャネル長さをL(cm)とし、前記IGBTのチャネル領域の単位体積当たりの不純物濃度をN(cm-3)としたとき、L≦4×10-4×(10-171/3×N1/3であるとよい。 According to the invention described in claim 6, the channel length of the MOS transistor constituting the one-chip igniter is set to L in the invention described in any one of claims 1 to 5. (Cm), and the impurity concentration per unit volume of the channel region of the IGBT is N (cm −3 ), L ≦ 4 × 10 −4 × (10 −17 ) 1/3 × N 1/3 There should be.

また、特許請求の範囲の請求項7に記載の発明によれば、請求項1〜6のいずれか一項に記載の発明において、前記ワンチップイグナイタを構成する前記MOSトランジスタの実効ゲートしきい値電圧が1V以上であり、前記MOSトランジスタのゲート酸化膜の厚さが、5nm以上で、25nm未満であるとよい。   According to the invention described in claim 7, the effective gate threshold value of the MOS transistor constituting the one-chip igniter in the invention described in any one of claims 1-6. The voltage is preferably 1 V or more, and the thickness of the gate oxide film of the MOS transistor is preferably 5 nm or more and less than 25 nm.

また、特許請求の範囲の請求項8に記載の発明によれば、請求項1〜7のいずれか一項に記載の発明において、前記ワンチップイグナイタを構成する前記MOSトランジスタの実効ゲートしきい値電圧が1V以上であり、前記MOSトランジスタのセルがストライプ状の場合、ストライプ状のセルの長手方向に直角方向の1cm当たりのセル本数(セル密度)が、5×102本以上であるとよい。 According to the invention as set forth in claim 8, the effective gate threshold value of the MOS transistor constituting the one-chip igniter according to the invention as set forth in any one of claims 1 to 7. When the voltage is 1 V or more and the cells of the MOS transistor are striped, the number of cells per 1 cm (cell density) in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the striped cells may be 5 × 10 2 or more. .

また、特許請求の範囲の請求項9に記載の発明によれば、請求項1〜8のいずれか一項に記載の発明において、前記ワンチップイグナイタを構成するMOSトランジスタが、プレーナゲート構造またはトレンチ構造であるとよい。   According to the invention described in claim 9, the MOS transistor constituting the one-chip igniter has a planar gate structure or a trench in the invention described in any one of claims 1-8. The structure should be good.

また、特許請求の範囲の請求項10に記載の発明によれば、請求項1〜9のいずれか一項に記載の発明において、前記過熱検出回路の最低動作電圧が1V以上であり、該過熱検出回路が2段のインバータ回路で構成されるとよい。   According to the invention described in claim 10 of the claims, in the invention described in any one of claims 1 to 9, a minimum operating voltage of the overheat detection circuit is 1 V or more, and the overheat is detected. The detection circuit may be composed of a two-stage inverter circuit.

また、特許請求の範囲の請求項11に記載の発明によれば、請求項1〜10のいずれか一項に記載の発明において、前記制御回路が、電流制限回路、過熱検出回路、タイマー回路、過電圧保護回路及び入力ヒステリシス回路から選択された一つ乃至複数の回路であるるとよい。   According to the invention described in claim 11 of the claims, in the invention described in any one of claims 1 to 10, the control circuit includes a current limiting circuit, an overheat detection circuit, a timer circuit, It may be one or more circuits selected from an overvoltage protection circuit and an input hysteresis circuit.

また、特許請求の範囲の請求項12に記載の発明によれば、請求項1〜11のいずれか一項に記載の発明において、前記のMOSトランジスタが絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであるとよい。   According to the invention described in claim 12 of the claims, in the invention described in any one of claims 1 to 11, the MOS transistor may be an insulated gate bipolar transistor.

また、特許請求の範囲13に記載の発明によれば、請求項1〜12のいずれか一項に記載の発明において記載したワンチップイグナイタを用いた内燃機関点火装置であって良い。     Further, according to the invention described in claim 13, the internal combustion engine ignition device using the one-chip igniter described in any one of claims 1 to 12 may be used.

この発明によれば、MOSトランジスタのゲートしきい値電圧を低電圧(1.5V以下)にし、電流制限回路および過熱検出回路の動作電圧を低電圧(1V以上)にする事で、内燃機関点火装置に用いられるワンチップイグナイタの動作電圧を低電圧化(1V〜3.5V未満)することができる。   According to the present invention, the gate threshold voltage of the MOS transistor is set to a low voltage (1.5 V or less), and the operating voltage of the current limiting circuit and the overheat detection circuit is set to a low voltage (1 V or more). The operating voltage of the one-chip igniter used in the apparatus can be lowered (1V to less than 3.5V).

また、ゲート端子とMOSトランジスタのゲートを結ぶゲート配線とグランド配線の間にコンデンサを挿入することで、ノイズ耐量およびサージ耐量を高くすることができる。
また、電流制限回路および過熱検出回路を2段のインバータ回路で構成することで、これらの回路の動作電圧を低電圧化できる。
Also, noise resistance and surge resistance can be increased by inserting a capacitor between the gate wiring connecting the gate terminal and the gate of the MOS transistor and the ground wiring.
Further, by configuring the current limiting circuit and the overheat detection circuit with two-stage inverter circuits, the operating voltages of these circuits can be lowered.

また、ハイブリット型イグナイタに比べると、電圧変換回路を設けていないので、パッケージを小型化でき低コスト化できる。   Further, as compared with the hybrid igniter, since the voltage conversion circuit is not provided, the package can be downsized and the cost can be reduced.

この発明の第1実施例に係る内燃機関点火装置に用いられるワンチップイグナイタ100の構成図であり、(a)は全体の回路構成図、(b)は半導体基板31に形成されたIGBT1の要部断面図である。1 is a configuration diagram of a one-chip igniter 100 used in an internal combustion engine ignition device according to a first embodiment of the present invention, where (a) is an overall circuit configuration diagram, and (b) is an essential part of an IGBT 1 formed on a semiconductor substrate 31. FIG. この発明の第1実施例に係る内燃機関点火装置に用いられるワンチップイグナイタ100について半導体基板31に形成されたIGBT1の要部断面図である。1 is a cross-sectional view of a main part of an IGBT 1 formed on a semiconductor substrate 31 for a one-chip igniter 100 used in an internal combustion engine ignition device according to a first embodiment of the present invention. IGBT1のチャネル領域32付近の各部位に付した符号を示す図である。It is a figure which shows the code | symbol attached | subjected to each site | part of the channel region 32 vicinity of IGBT1. ゲートしきい値電圧Vgth,チャネル領域32の不純物濃度N、チャネル抵抗R、チャネル長Lの関係を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the relationship between gate threshold voltage Vgth, impurity concentration N of channel region 32, channel resistance R, and channel length L. この発明の第2実施例に係る内燃機関点火装置に用いられるワンチップイグナイタ100の要部構成図である。It is a principal part block diagram of the one-chip igniter 100 used for the internal combustion engine ignition device which concerns on 2nd Example of this invention. 制御回路に関する従来例の構成(a)と、本発明の構成(b)。The configuration (a) of the conventional example regarding the control circuit and the configuration (b) of the present invention. この発明の第3実施例に係る内燃機関点火装置に用いられるワンチップイグナイタ100の要部構成図である。It is a principal part block diagram of the one-chip igniter 100 used for the internal combustion engine ignition device which concerns on 3rd Example of this invention. 従来のワンチップイグナイタ501が搭載されている内燃機関点火装置500の要部構成図である。It is a principal part block diagram of the internal combustion engine ignition device 500 by which the conventional one-chip igniter 501 is mounted. 図8に示す内燃機関点火装置500に搭載されている従来のワンチップイグナイタ501の要部回路図である。FIG. 9 is a circuit diagram of a main part of a conventional one-chip igniter 501 mounted on the internal combustion engine ignition device 500 shown in FIG. 8. 図9のワンチップイグナイタ501の外形図である。FIG. 10 is an external view of the one-chip igniter 501 in FIG. 9. ハイブリット型のイグナイタ600の要部構成図である。2 is a configuration diagram of a main part of a hybrid igniter 600. FIG.

この発明は、内燃機関点火装置を構成するワンチップインダクタにおいて、従来のゲート端子から入力される入力電圧(ゲート電圧:3.5V〜5V)より低い入力電圧(ゲート電圧:1V〜3.5V未満)まで駆動できるようにしたことである。   The present invention relates to an input voltage (gate voltage: 1 V to less than 3.5 V) lower than an input voltage (gate voltage: 3.5 V to 5 V) input from a conventional gate terminal in a one-chip inductor constituting an internal combustion engine ignition device. ).

その方策としては、1)MOSトランジスタのゲートしきい値を低下させること、2)電流制限回路および過熱検出回路の動作電圧を低下させること、3)動作電圧の低下に伴って影響され易くなったノイズに対する対策を施すことの3項目が含まれる。この発明においてはワンチップイグナイタの最低動作電圧を1V及びこれを越える付近(1V〜3.5V未満)にすることである。そのため、MOSトランジスタのゲートしきい値電圧Vgth、電流制限回路の最低動作電圧、加熱検出回路の最低動作電圧を1Vにする必要がある。つまり、本発明のワンチップイグナイタの動作電圧を1V〜5Vの電圧範囲とすることである。つぎに、前記の各項目について以下の実施例で順次説明する。
<実施例1>(IGBT)
図1は、この発明の第1実施例に係る内燃機関点火装置に用いられるワンチップイグナイタ100の構成図であり、同図(a)は全体の回路構成図、図2(a)は半導体基板31に形成されたIGBT1の要部断面図である。この図2(a)では1セルの要部断面図を示した。また、IGBT1のゲート構造はここではプレーナ型で示したが、図示しないトレンチ型の場合もある。また、図1ではパワーデバイスとしてIGBT1を例に挙げたが、パワーMOSFETの場合もある。このパワーMOSFETとしてはセンスエミッタ4に相当するセンスソースが形成されているものを用いるとよい。
The measures are: 1) lowering the gate threshold of the MOS transistor, 2) lowering the operating voltage of the current limiting circuit and the overheat detection circuit, and 3) becoming more susceptible to the decrease in operating voltage. Three items for taking measures against noise are included. In the present invention, the minimum operating voltage of the one-chip igniter is set to 1 V and in the vicinity thereof (1 V to less than 3.5 V). Therefore, it is necessary to set the gate threshold voltage Vgth of the MOS transistor, the minimum operating voltage of the current limiting circuit, and the minimum operating voltage of the heating detection circuit to 1V. That is, the operating voltage of the one-chip igniter of the present invention is set to a voltage range of 1V to 5V. Next, each of the above items will be sequentially described in the following examples.
<Example 1> (IGBT)
FIG. 1 is a block diagram of a one-chip igniter 100 used in an internal combustion engine ignition device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) is an overall circuit configuration diagram, and FIG. 2 (a) is a semiconductor substrate. 3 is a cross-sectional view of the main part of the IGBT 1 formed in FIG. FIG. 2A shows a cross-sectional view of the main part of one cell. The gate structure of the IGBT 1 is shown here as a planar type, but may be a trench type (not shown). Moreover, although IGBT1 was mentioned as an example in FIG. 1 as a power device, it may be power MOSFET. As the power MOSFET, a power MOSFET in which a sense source corresponding to the sense emitter 4 is formed may be used.

同図において、このワンチップイグナイタ100は、センスエミッタ5を有するIGBT1、センス抵抗6、電流制限回路7、過熱検出回路10、サージ保護用のツェナーダイオード19と抵抗22、第1MOSFET13、第2MOSFET16、コレクタ端子25、ゲート端子26およびエミッタ端子27で構成される。ここでは図示しないが、前記の過熱検出回路10の回路構成は従来の過熱検出回路60の回路構成と同じである。   In this figure, this one-chip igniter 100 includes an IGBT 1 having a sense emitter 5, a sense resistor 6, a current limiting circuit 7, an overheat detection circuit 10, a surge protection Zener diode 19 and a resistor 22, a first MOSFET 13, a second MOSFET 16, and a collector. A terminal 25, a gate terminal 26, and an emitter terminal 27 are included. Although not shown here, the circuit configuration of the overheat detection circuit 10 is the same as that of the conventional overheat detection circuit 60.

IGBT1のコレクタ2はワンチップイグナイタ100のコレクタ端子25に接続し、ゲート3はゲート端子26に接続し、エミッタ4はエミッタ端子27にそれぞれ接続する。センスエミッタ5はセンス抵抗6に接続し、IGBT1のゲート3とゲート端子26はゲート配線23で接続する。このゲート配線23には電流制限回路7の高電位側8が接続し電流制限回路7の電源となる。また、このゲート配線23には過熱検出回路10の高電位側11が接続し過熱検出回路10の電源となる。また、電流制限回路7の低電位側9と過熱検出回路10の低電位側12はグランド配線24に接続する。また、このゲート配線23には、第1MOSFET13のドレイン15、第2MOSFET16のドレイン18が接続し、それぞれのソースはグランド配線24に接続する。また、このゲート配線23にはサージ対策用のツェナーダイオード19のカソード20が接続しアノード21はグランド配線24に接続する。さらに、このゲート配線23とグランド配線24の間にはサージ対策用の抵抗22が接続する。また、グランド配線24はエミッタ端子27を介してグランド電位28となる。センス抵抗6で発生した電圧は電流制限回路7に入力される。電流制限回路7の出力信号は第1MOSFET13のゲート14に入力される。前記の各部位は同一の半導体基板31に形成される。また、前記のツェナーダイオード19は複数個直列されることもある。   The collector 2 of the IGBT 1 is connected to the collector terminal 25 of the one-chip igniter 100, the gate 3 is connected to the gate terminal 26, and the emitter 4 is connected to the emitter terminal 27. The sense emitter 5 is connected to the sense resistor 6, and the gate 3 of the IGBT 1 and the gate terminal 26 are connected by a gate wiring 23. The gate line 23 is connected to the high potential side 8 of the current limiting circuit 7 and serves as a power source for the current limiting circuit 7. Further, the high potential side 11 of the overheat detection circuit 10 is connected to the gate wiring 23 and serves as a power source for the overheat detection circuit 10. The low potential side 9 of the current limiting circuit 7 and the low potential side 12 of the overheat detection circuit 10 are connected to the ground wiring 24. Further, the drain 15 of the first MOSFET 13 and the drain 18 of the second MOSFET 16 are connected to the gate wiring 23, and the respective sources are connected to the ground wiring 24. Further, the cathode wiring 20 of the surge countermeasure Zener diode 19 is connected to the gate wiring 23, and the anode 21 is connected to the ground wiring 24. Furthermore, a surge countermeasure resistor 22 is connected between the gate wiring 23 and the ground wiring 24. In addition, the ground wiring 24 becomes the ground potential 28 through the emitter terminal 27. The voltage generated at the sense resistor 6 is input to the current limiting circuit 7. The output signal of the current limiting circuit 7 is input to the gate 14 of the first MOSFET 13. Each of the above parts is formed on the same semiconductor substrate 31. A plurality of the Zener diodes 19 may be connected in series.

また、図1の回路については、上述の部品以外に、図示しないが図9おけるものと同様に、ツェナーダイオード19のカソードと第2MOSFET16のソース間にサージ保護用にダイオードが接続され、コレクタ2とゲート3の間にツェナーダイオードがサージ保護用として接続されている。さらに、ゲート配線23で抵抗22とツェナーダイオード19の間や電流制限回路17の高電位側と第2MOSFET16のドレインの間にサージ保護用に抵抗が挿入されている。   In addition to the components described above, the circuit of FIG. 1 has a diode connected for surge protection between the cathode of the Zener diode 19 and the source of the second MOSFET 16, as shown in FIG. A Zener diode is connected between the gates 3 for surge protection. Further, a resistor is inserted in the gate wiring 23 between the resistor 22 and the Zener diode 19 or between the high potential side of the current limiting circuit 17 and the drain of the second MOSFET 16 for surge protection.

図2(a)において、半導体基板31の一方の主面にストライプ状のチャネル領域32(=ウェル領域)を配置し、チャネル領域32の表面層にストライプ状のエミッタ領域33を配置した例を図2(b)及び図2(c)に示す。   2A shows an example in which a striped channel region 32 (= well region) is disposed on one main surface of the semiconductor substrate 31 and a striped emitter region 33 is disposed on the surface layer of the channel region 32. FIG. 2 (b) and FIG. 2 (c).

半導体基板31の他方の主面にコレクタ領域38を配置し、コレクタ領域38上にコレクタ電極39を配置する。
前記のゲート電極35が図1のIGBT1のゲート3となりゲート端子26にゲート配線23を介して接続する。コレクタ電極39がコレクタ2となりコレクタ端子25に接続する。エミッタ電極37がエミッタ4となりエミッタ端子27に接続する。また、図1に示すセンスエミッタ5は図2(a)では省略されている。
A collector region 38 is disposed on the other main surface of the semiconductor substrate 31, and a collector electrode 39 is disposed on the collector region 38.
The gate electrode 35 becomes the gate 3 of the IGBT 1 in FIG. 1 and is connected to the gate terminal 26 through the gate wiring 23. The collector electrode 39 becomes the collector 2 and is connected to the collector terminal 25. The emitter electrode 37 becomes the emitter 4 and is connected to the emitter terminal 27. Further, the sense emitter 5 shown in FIG. 1 is omitted in FIG.

図3は、IGBT1のチャネル領域32付近の各部位に付した符号を示す図である。この図は、図2(a)と同じである。
ゲート酸化膜34の厚さをt、チャネル領域32に形成されるチャネルの長さであるチャネル長をL、チャネル領域32の拡散深さをT、セル幅をWの符号を付した。図にはチャネル領域32の不純物濃度の符号をN、IGBT1のゲートしきい値電圧の符号をVgth、チャネル抵抗の符号をR、このチャネル抵抗Rで発生する電圧降下をEとして( )内に示した。なお、ここで、ゲートしきい値電圧について説明しておく。本願におけるゲートしきい値電圧は、例えばコレクタ−エミッタ間電圧に数Vの電圧を印加しつつゲート電圧を0Vから増加させたときに、エミッタ4に流れる電流が定格電流の1/1000となったときのゲート電圧とする。他に、周知のDMOS構造において、pベース層のMOSゲートに接する箇所に電子の反転層チャネルが形成されるゲート電圧についてもゲートしきい値と呼ばれる。この周知のゲートしきい値電圧は、pベース層の濃度とゲート酸化膜厚さで決まるものであり、本願では意味を区別するために、この周知のゲートしきい値電圧を、実効ゲートしきい値電圧と呼ぶことにする。
FIG. 3 is a diagram showing the reference numerals assigned to the respective portions near the channel region 32 of the IGBT 1. This figure is the same as FIG.
The thickness of the gate oxide film 34 is denoted by t, the channel length, which is the length of the channel formed in the channel region 32, is denoted by L, the diffusion depth of the channel region 32 is denoted by T, and the cell width is denoted by W. In the figure, the sign of the impurity concentration in the channel region 32 is N, the sign of the gate threshold voltage of the IGBT 1 is Vgth, the sign of the channel resistance is R, and the voltage drop generated in the channel resistance R is shown in parentheses. It was. Here, the gate threshold voltage will be described. As for the gate threshold voltage in the present application, for example, when the gate voltage is increased from 0 V while applying a voltage of several volts to the collector-emitter voltage, the current flowing through the emitter 4 becomes 1/1000 of the rated current. When the gate voltage. In addition, in a known DMOS structure, a gate voltage at which an inversion layer channel of electrons is formed at a position in contact with the MOS gate of the p base layer is also called a gate threshold. This known gate threshold voltage is determined by the concentration of the p base layer and the thickness of the gate oxide film. For the purpose of distinguishing the meaning in this application, this known gate threshold voltage is set to an effective gate threshold. It will be called a value voltage.

図3を用いて、IGBT1のしきい値電圧Vgthを低下させる方策についで説明する。前記したように要求されるワンチップイグナイタ100の最低動作電圧は1Vである。そのためIGBT1のゲートしきい値電圧Vgthは高くとも1Vにする必要がある。   A measure for reducing the threshold voltage Vgth of the IGBT 1 will be described with reference to FIG. As described above, the required minimum operating voltage of the one-chip igniter 100 is 1V. Therefore, the gate threshold voltage Vgth of the IGBT 1 needs to be at most 1V.

シミュレーションによれば、ゲート酸化膜の厚さtを50nmにした場合、IGBT1のゲートしきい値電圧Vgthを1Vにするためには、チャネル領域32の不純物濃度Nを1×1017/cm3にする必要がある。ゲート酸化膜34の厚tさはサージ電圧がゲート端子26に印加される際にゲート3に印加される電圧に対して絶縁破壊しない厚さとする。そのため、サージ保護用のツェナーダイオード19の動作抵抗を下げることで、ゲート端子26に印加されるサージ電圧を抑制できれば、ゲート酸化膜34の厚さtを減じることができて、ゲートしきい値電圧Vgthを低下させることができる。 According to the simulation, when the thickness t of the gate oxide film is 50 nm, the impurity concentration N of the channel region 32 is set to 1 × 10 17 / cm 3 in order to set the gate threshold voltage Vgth of the IGBT 1 to 1V. There is a need to. The thickness t of the gate oxide film 34 is set to a thickness that does not cause dielectric breakdown with respect to the voltage applied to the gate 3 when a surge voltage is applied to the gate terminal 26. Therefore, if the surge voltage applied to the gate terminal 26 can be suppressed by reducing the operating resistance of the surge protection Zener diode 19, the thickness t of the gate oxide film 34 can be reduced and the gate threshold voltage can be reduced. Vgth can be reduced.

このゲート酸化膜34の厚さtは、5nm〜25nm未満の範囲とするとよい。5nm未満にすると、サージ電圧でゲート酸化膜34が破壊する割合が増えるので好ましくない。ゲート酸化膜34の厚さtは、10nm以上であるとサージ電圧でゲート酸化膜34が破壊される割合が少なく好ましい。一方、25nmを越えると、チャネル領域32の不純物濃度Nを制御しても、ゲートしきい値Vgthを1Vに低下させることが難しい。   The thickness t of the gate oxide film 34 is preferably in the range of 5 nm to less than 25 nm. If the thickness is less than 5 nm, the rate at which the gate oxide film 34 is destroyed by the surge voltage increases, which is not preferable. The thickness t of the gate oxide film 34 is preferably 10 nm or more since the ratio of the gate oxide film 34 being destroyed by a surge voltage is small. On the other hand, if it exceeds 25 nm, it is difficult to lower the gate threshold Vgth to 1 V even if the impurity concentration N of the channel region 32 is controlled.

また、サージ保護用のツェナーダイオード19の接合面積を、例えば、10%大きくして動作抵抗を10%小さくすることで、ゲート端子26にサージ電圧が印加される際にゲート3に印加され電圧を従来より数%低下させることができる。その結果、ゲート酸化膜34の厚さtを従来より数%減じることができる。ゲートしきい値電圧Vgthはゲート酸化膜34の厚さtに比例するため、ゲート酸化膜34の厚さtを数%減じることで。ゲートしきい値電圧Vgthを数%程度低減することができる。例えば、ゲート酸化膜34の厚さtを従来より5〜15%減じることができ、これによりゲートしきい値電圧Vgthを25〜75%程度低減することができる。   Further, by increasing the junction area of the zener diode 19 for surge protection by, for example, 10% and reducing the operating resistance by 10%, the voltage applied to the gate 3 when the surge voltage is applied to the gate terminal 26 is reduced. It can be reduced by several percent from the conventional level. As a result, the thickness t of the gate oxide film 34 can be reduced by several percent as compared with the prior art. Since the gate threshold voltage Vgth is proportional to the thickness t of the gate oxide film 34, the thickness t of the gate oxide film 34 is reduced by several percent. The gate threshold voltage Vgth can be reduced by several percent. For example, the thickness t of the gate oxide film 34 can be reduced by 5 to 15% as compared with the conventional case, whereby the gate threshold voltage Vgth can be reduced by about 25 to 75%.

つぎに、チャネル長Lとチャネル領域32の不純物濃度の関係について説明する。
チャネル領域32の不純物濃度N(≦1017cm-3)を低下させると、チャネル抵抗Rが大きくなりチャネル抵抗Rで発生する電圧降下Eが大きくなる。この電圧降下Eが大きくなるとIGBTのオン電圧が増加する不具合を生じる。特にIGBTをゲートしきい値電圧Vgth付近で動作させた場合である。そのため、チャネル領域32の不純物濃度Nを低下させてもチャネル抵抗Rで発生する電圧降下Eが変らないようにする必要がある。
Next, the relationship between the channel length L and the impurity concentration of the channel region 32 will be described.
When the impurity concentration N (≦ 10 17 cm −3 ) of the channel region 32 is lowered, the channel resistance R increases and the voltage drop E generated at the channel resistance R increases. When this voltage drop E becomes large, there is a problem that the on-voltage of the IGBT increases. This is particularly the case when the IGBT is operated near the gate threshold voltage Vgth. Therefore, it is necessary to prevent the voltage drop E generated by the channel resistance R from changing even if the impurity concentration N of the channel region 32 is decreased.

チャネル抵抗Rで発生する電圧降下Eを一定にした場合(=チャネル抵抗Rを一定にした場合)、ゲートしきい値電圧Vtghを1Vにするためのチャネル領域32の不純物濃度Nとチャネル長Lとの関係をつぎに説明する。   When the voltage drop E generated in the channel resistance R is constant (= when the channel resistance R is constant), the impurity concentration N and the channel length L of the channel region 32 for setting the gate threshold voltage Vtgh to 1 V Next, the relationship will be described.

ゲートしきい値電圧Vtghを低下させるためにチャネル領域32の不純物濃度Nを低下させると、前記したようにチャネル抵抗Rが増大する。このチャネル抵抗Rの増大を抑えるためにはチャネル長Lを短くする必要がある。つまり、相互に依存するチャネル領域の不純物濃度Nとチャネル長Lを最適化する必要がある。   When the impurity concentration N of the channel region 32 is reduced to reduce the gate threshold voltage Vtgh, the channel resistance R increases as described above. In order to suppress the increase in the channel resistance R, it is necessary to shorten the channel length L. That is, it is necessary to optimize the impurity concentration N and the channel length L of the channel regions that are dependent on each other.

図4は、ゲートしきい値電圧Vgth,チャネル領域32の不純物濃度N、チャネル抵抗R、チャネル長Lの関係を示す図である。図中のイ、ロ、・・・はチャネル領域32の不純物濃度Nとチャネル長Lを最適化するための手順を示す。   FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the gate threshold voltage Vgth, the impurity concentration N of the channel region 32, the channel resistance R, and the channel length L. In the figure, a, b,... Indicate procedures for optimizing the impurity concentration N and the channel length L of the channel region 32.

図4(a)がゲートしきい値電圧Vgthとチャネル領域32の不純物濃度Nの関係を示す図である。ゲートしきい値電圧Vgthの減少(手順イ)はチャネル領域32の不純物濃度Nの平方根に比例して減じる(手順ロ)。図4(b)はチャネル領域32の不純物濃度Nとチャネル抵抗Rの関係を示す図であり、チャネル抵抗Rはチャネル領域32の不純物濃度を減じると(手順ロ)、チャネル内の電子濃度が減少し、移動度が増大する。これらが絡み合って。チャネル抵抗は概略不純物濃度の3乗根に反比例して増大する(手順ハ)。これは最低動作電圧であるゲートしきい値電圧Vgth付近でIGBTを動作させた場合である。同図(c)はチャネル長Lとチャネル抵抗Rの関係を示す図であり、チャネル長Lはチャネル抵抗Rの減少に比例して増大する。チャネル抵抗Rを元の値まで減少させるには(手順ニ)、チャネル長Lを短縮する必要がある(手順ホ)。同図(d)はチャネル抵抗Rで発生する電圧降下Eを一定にした場合のチャネル領域32の不純物濃度Nとゲート長Lの関係を示す図である。チャネル長Lはチャネル領域32の不純物濃度Nの3乗根に比例して減少する。チャネル領域32の不純物濃度Nを減じることで、このチャネル長Lを減少させる。このチャネル長Lの減少によって、増大したチャネル抵抗R(手順ハの段階)を元の値に戻すことができる(手順ヘ)。つまり、チャネル領域34の不純物濃度Nをチャネル長Lを減じることで、ゲートしきい値電圧Vgthを1Vに低減して、且つ、チャネル抵抗Rを一定にすることができる。   FIG. 4A is a diagram showing the relationship between the gate threshold voltage Vgth and the impurity concentration N of the channel region 32. The decrease in the gate threshold voltage Vgth (procedure A) decreases in proportion to the square root of the impurity concentration N of the channel region 32 (procedure B). FIG. 4B is a diagram showing the relationship between the impurity concentration N of the channel region 32 and the channel resistance R. When the channel resistance R decreases the impurity concentration of the channel region 32 (procedure B), the electron concentration in the channel decreases. However, the mobility increases. These are intertwined. The channel resistance increases in inverse proportion to the third root of the impurity concentration (procedure c). This is a case where the IGBT is operated in the vicinity of the gate threshold voltage Vgth which is the lowest operating voltage. FIG. 3C shows the relationship between the channel length L and the channel resistance R, and the channel length L increases in proportion to the decrease in the channel resistance R. In order to reduce the channel resistance R to the original value (procedure d), it is necessary to shorten the channel length L (procedure e). FIG. 4D shows the relationship between the impurity concentration N of the channel region 32 and the gate length L when the voltage drop E generated by the channel resistance R is constant. The channel length L decreases in proportion to the third root of the impurity concentration N of the channel region 32. By reducing the impurity concentration N of the channel region 32, the channel length L is reduced. By reducing the channel length L, the increased channel resistance R (step C) can be returned to the original value (step F). That is, by reducing the impurity concentration N of the channel region 34 and the channel length L, the gate threshold voltage Vgth can be reduced to 1 V and the channel resistance R can be made constant.

しかし、チャネル長Lは微細加工精度に依存するため極端に短くすることはプロセス上困難である。さらに、チャネル領域32の不純物濃度Nが低くなるとチャネル領域32に広がる空乏層の伸びが大きくなり、チャネル長Lが短くなり過ぎるとIGBT1の耐圧の確保が困難になる。そのため、チャネル領域32の不純物濃度Nを極端に低くして、チャネル長Lを極端に短縮することはできない。   However, since the channel length L depends on the fine processing accuracy, it is difficult in the process to make it extremely short. Further, when the impurity concentration N of the channel region 32 is lowered, the depletion layer extending in the channel region 32 is elongated, and when the channel length L is too short, it is difficult to ensure the breakdown voltage of the IGBT 1. For this reason, the channel length L cannot be extremely shortened by extremely reducing the impurity concentration N of the channel region 32.

尚、図4に示す各諸元の相互関係は、文献や実験から得られた知見を基づいて推定したものである。
つぎに、上記の内容を数式で示すと次のように表される。
Vtgh∝√N×t
R∝1/N1/3(N≦1017cm-3)、E∝R、R∝L(N≦1017cm-3
L/N1/3∝L・R∝R2∝E2
つまり、L/N1/3は一定になる。そのためL=G×N1/3の関係式が成立する。但し、Gは比例定数であり、N≦1017cm-3の範囲である。
In addition, the mutual relationship of each specification shown in FIG. 4 is estimated based on the knowledge acquired from literature and experiment.
Next, the above content is expressed as follows.
Vtgh∝√N × t
R∝1 / N 1/3 (N ≦ 10 17 cm −3 ), E∝R, R∝L (N ≦ 10 17 cm −3 )
L / N 1/3 ∝L ・ R∝R 2 ∝E 2
That is, L / N 1/3 is constant. Therefore, the relational expression of L = G × N 1/3 is established. However, G is a proportionality constant and is in the range of N ≦ 10 17 cm −3 .

シミュレーションにより、従来素子と同じチャネル抵抗Rでゲートしきい値電圧Vgthが1Vなるチャネル長Lとチャネル領域32の不純物濃度Nを求めると、チャネル長Lは4μm、チャネル領域32の不純物濃度Nは1×1017cm-3となる。 When the channel length L and the impurity concentration N of the channel region 32 with the same channel resistance R as the conventional element and the gate threshold voltage Vgth of 1 V are obtained by simulation, the channel length L is 4 μm and the impurity concentration N of the channel region 32 is 1. × 10 17 cm -3

この数値を用いると、ゲートしきい値電圧Vgthを1V以下にして、チャネル抵抗Rでの発生する電圧降下Eを従来の電圧降下以下にするためには、チャネル領域32の不純物濃度N≦1017cm-3、チャネル長L≦4×10-4cm(=4μm)の条件で、チャネル領域32の不純物濃度Nを低下させ、チャネル長L(cm)≦4×10-4×(10-171/3×(チャネル領域32の不純物濃度N(cm-3))1/3の範囲に入るようにチャネル長Lを決めるとよい。 Using this numerical value, in order to set the gate threshold voltage Vgth to 1 V or less and the voltage drop E generated in the channel resistance R to be less than the conventional voltage drop, the impurity concentration N ≦ 10 17 in the channel region 32. Under the conditions of cm −3 and channel length L ≦ 4 × 10 −4 cm (= 4 μm), the impurity concentration N of the channel region 32 is decreased, and the channel length L (cm) ≦ 4 × 10 −4 × (10 −17 ) 1/3 × (impurity concentration N (cm −3 ) of channel region 32) The channel length L may be determined so as to fall within the range of 1/3 .

実際、ワンチップイグナイタを製作する場合は、上式を満足させながら、チャネル長Lとチャネル領域32の不純物濃度Nを最適化する。しかし、チャネル長Lについては、高精度な微細加工が必要となるので、チャネル長Lを上記の条件内で所定の長さに固定して、チャネル領域32の不純物濃度Nを低減しても構わない。   Actually, when manufacturing a one-chip igniter, the channel length L and the impurity concentration N of the channel region 32 are optimized while satisfying the above equation. However, since the channel length L requires fine processing with high accuracy, the channel length L may be fixed to a predetermined length within the above conditions to reduce the impurity concentration N of the channel region 32. Absent.

しかし、この場合はチャネル抵抗Rで発生する電圧降下Eはチャネル領域32の不純物濃度Nを下げるにつれて大きくなる。但し、IGBTのオン電圧に占めるチャネル抵抗Rで発生する電圧降下Eの割合は小さいため、オン電圧の上昇は小さい。   However, in this case, the voltage drop E generated at the channel resistance R increases as the impurity concentration N of the channel region 32 is lowered. However, since the ratio of the voltage drop E generated by the channel resistance R in the on-voltage of the IGBT is small, the rise of the on-voltage is small.

尚、ここで示すチャネル領域32の不純物濃度Nとはチャネル領域32の拡散深さに対する平均の不純物濃度のことである。これは、チャネル領域32の不純物のドーズ量を拡散深さTで割った値である。   The impurity concentration N of the channel region 32 shown here is an average impurity concentration with respect to the diffusion depth of the channel region 32. This is a value obtained by dividing the impurity dose of the channel region 32 by the diffusion depth T.

ゲートしきい値電圧Vtghを低下させるために、チャネル領域32の不純物濃度Nを低下させ、チャネル長Lを短縮すると、セルサイズを小型化できる(セル幅Wを縮小できる)。その結果、セル密度が増大し、IGBT1の通電能力を高めることができる。   If the impurity concentration N of the channel region 32 is decreased to reduce the gate threshold voltage Vtgh and the channel length L is shortened, the cell size can be reduced (the cell width W can be reduced). As a result, the cell density is increased and the current carrying capacity of the IGBT 1 can be increased.

尚、セル密度とは、セルがストライプ状のセルの場合は、セルの長手方向に対して直角方向の1cmの長さに入るストライプ状のチャネル領域32(ウェル領域)の本数のことである。   The cell density is the number of stripe-shaped channel regions 32 (well regions) having a length of 1 cm perpendicular to the longitudinal direction of the cells when the cells are stripe-shaped cells.

また、セル密度が増大すると、IGBTのI−V特性で動作抵抗が小さくなる。そのため、所定の電流でのオン電圧は低下して、見かけ上、ゲートしきい値電圧Vgthが低下した場合と同等の動作になる。つまり、セル密度を増大させることで、ゲートしきい値電圧Vgthを見かけ上低下させることができる。そのため、セル密度を従来より増加させ、具体的にはストライプ状のセルの場合には1×103本/cm以上とすると効果がでてくる。 Further, when the cell density increases, the operating resistance decreases due to the IV characteristics of the IGBT. For this reason, the on-voltage at a predetermined current is lowered, and apparently the operation is the same as when the gate threshold voltage Vgth is lowered. In other words, the gate threshold voltage Vgth can be apparently decreased by increasing the cell density. For this reason, the cell density is increased as compared with the prior art. Specifically, in the case of a striped cell, the effect is obtained when the cell density is 1 × 10 3 cells / cm or more.

また、ゲート絶縁膜の材質として酸化膜より誘電率の高い材質を使用することで、ゲート容量を増加させて、ゲートしきい値電圧Vtghを低下させることができる。
<実施例2>(回路)
図5は、この発明の第2実施例に係る内燃機関点火装置に用いられるワンチップイグナイタ100の要部構成図である。この図はワンチップイグナイタ100を構成する電流制限回路7の要部回路図である。
Further, by using a material having a dielectric constant higher than that of the oxide film as the material of the gate insulating film, the gate capacitance can be increased and the gate threshold voltage Vtgh can be lowered.
<Example 2> (Circuit)
FIG. 5 is a block diagram of a main part of a one-chip igniter 100 used in the internal combustion engine ignition device according to the second embodiment of the present invention. This figure is a principal circuit diagram of the current limiting circuit 7 constituting the one-chip igniter 100.

電流制限回路7や図示しない過熱検出回路10の動作電圧を低下させるためには、これらの回路7、10を構成するMOSFET(nMOS)のゲートしきい値を低下させる必要がある。その方策は前記したIGBT1で採用した方策と同様である。   In order to reduce the operating voltage of the current limiting circuit 7 and the overheat detection circuit 10 (not shown), it is necessary to reduce the gate threshold value of the MOSFET (nMOS) constituting these circuits 7 and 10. The policy is the same as the policy adopted in the IGBT 1 described above.

また、回路構成を工夫することで動作電圧を低減することができる。その例を電流制限回路7を用いて説明する。
従来の図9に示す電流制限回路57は、図6(a)に示すように直列3段構成のnMOS回路で構成されるオペアンプを用いて形成されていた。具体的にはこの3段構成のnMOS回路で構成される回路が電圧増幅段600である。ここでVHは電源の高圧側、VLは電源の低圧側を示す。Vinは入力電圧端子、Vrefは参照電圧入力端子である。「MD」及び数字で記載された素子はデプレッション型MOSFETであり、単に「M」及び数字で記載された素子はエンハンスメント型MOSFETである。これを図5に示す電流制限回路7ように、直列2段構成のインバータ回路41に変更することで、電流制限回路7の最低動作電圧を1V以下とすることができる。これは、インバータ回路41にあるそれぞれのインバータが直列2段構成のnMOS(上段のnMOSはゲートとソースを短絡して抵抗として使用される)で構成されるためである。このnMOSを2段構成とした具体的な回路を図6(b)に示す。またこのインバータ回路は、抵抗とnMOSを直列接続しても形成できる。ここでnMOSはnチャネルMOSFETのことであり、nMOSの動作電圧はゲートしきい値電圧を低下することで1素子当たり0.7V程度以下にできる。電源電圧を2Vとした場合、MOSFETの閾値は2Vから0.7Vの間でなるべく0.7Vに近いことが望ましい。
Further, the operating voltage can be reduced by devising the circuit configuration. An example of this will be described using the current limiting circuit 7.
The conventional current limiting circuit 57 shown in FIG. 9 is formed by using an operational amplifier constituted by an nMOS circuit having a three-stage configuration in series as shown in FIG. More specifically, the voltage amplification stage 600 is a circuit composed of the three-stage nMOS circuit. Here, VH indicates the high voltage side of the power supply, and VL indicates the low voltage side of the power supply. Vin is an input voltage terminal, and Vref is a reference voltage input terminal. A device described with “MD” and a number is a depletion type MOSFET, and a device described with only “M” and a number is an enhancement type MOSFET. By changing this to an inverter circuit 41 having a two-stage configuration like a current limiting circuit 7 shown in FIG. 5, the minimum operating voltage of the current limiting circuit 7 can be reduced to 1 V or less. This is because each inverter in the inverter circuit 41 is configured by an nMOS having a two-stage configuration in series (the upper nMOS is used as a resistor by short-circuiting the gate and the source). A specific circuit in which this nMOS has a two-stage configuration is shown in FIG. The inverter circuit can also be formed by connecting a resistor and an nMOS in series. Here, nMOS is an n-channel MOSFET, and the operating voltage of nMOS can be reduced to about 0.7 V or less per element by lowering the gate threshold voltage. When the power supply voltage is 2V, the threshold value of the MOSFET is preferably as close to 0.7V as possible between 2V and 0.7V.

また、過熱検出回路10の場合も図5のように2段のインバータ回路41を適用することで、電流制限回路7と同様に最低動作電圧を1V以下とすることができる。
図5のワンチップイグナイタ100の製造方法の一例を説明する。
In the case of the overheat detection circuit 10 as well, the lowest operating voltage can be reduced to 1 V or less as in the current limiting circuit 7 by applying the two-stage inverter circuit 41 as shown in FIG.
An example of a method for manufacturing the one-chip igniter 100 in FIG. 5 will be described.

先ず、IGBT1などを形成する半導体基板31に、電流制限回路7および過熱検出回路10を構成する2段のインバータ回路41をそれぞれの回路7,10内に複数組形成しておく。   First, a plurality of sets of two-stage inverter circuits 41 constituting the current limiting circuit 7 and the overheat detection circuit 10 are formed in the respective circuits 7 and 10 on the semiconductor substrate 31 that forms the IGBT 1 and the like.

つぎに、ウェハ試験機でセンス抵抗5で発生する電圧(センス信号)もしくは過熱を検出して発生する検出電圧(ダイオードの順電圧降下)と、電流制限回路7および過熱検出回路10内に複数組形成されたそれぞれの2段のインバータ回路41の特性を比較して、最適な組み合わせでそれぞれの2段のインバータ回路41を選定する。この選定の方法は、2段のインバータ回路41、具体的にはこのインバータ回路を構成する図6(b)に示すような回路をたとえばグランド側配線を接続しない状態で多数並列して形成しておき、その多数の中から適当な特性のものを選別して、その選別した回路についてグランド側配線を行うことで達成できる。グランド側配線を接続しない状態で形成した多数の回路は、グランド側はあらかじめ配線しておき、電源側を接続しない構成としても良い。   Next, in the wafer tester, a voltage (sense signal) generated at the sense resistor 5 or a detection voltage (diode forward voltage drop) generated by detecting overheating, a plurality of sets in the current limit circuit 7 and the overheat detection circuit 10 The characteristics of the formed two-stage inverter circuits 41 are compared, and the two-stage inverter circuits 41 are selected in an optimum combination. For this selection method, a two-stage inverter circuit 41, more specifically, a circuit as shown in FIG. 6B constituting this inverter circuit is formed in parallel, for example, without connecting the ground side wiring. In addition, this can be achieved by selecting one having a suitable characteristic from the large number and performing ground wiring for the selected circuit. A large number of circuits formed in a state where the ground side wiring is not connected may be configured such that the ground side is wired in advance and the power source side is not connected.

これによって、最低動作電圧が1V以下の電流制限回路7および過熱検出回路10を高い精度で形成することができる。
<実施例3>(ノイズ対策とサージ保護)
図7は、この発明の第3実施例に係る内燃機関点火装置に用いられるワンチップイグナイタ100の要部構成図である。
As a result, the current limiting circuit 7 and the overheat detection circuit 10 having a minimum operating voltage of 1 V or less can be formed with high accuracy.
<Example 3> (Measures against noise and surge protection)
FIG. 7 is a block diagram showing a main part of a one-chip igniter 100 used in the internal combustion engine ignition apparatus according to the third embodiment of the present invention.

図7ではゲート配線23とグランド配線24の間にコンデンサ42を接続している。このコンデンサ42を設置することで、ゲート端子26に入力されるゲート電圧が最低動作電圧である1.5Vに低下した状態で、マイナス極性のノイズが重畳しても、コンデンサ電圧によってこのゲート電圧の落ち込みが防止される。その結果、電流制限回路7、過熱検出回路10およびIGBT1を安定に動作させることができる。つまり、コンデンサ42を設置することでワンチップイグナイタ100のノイズ耐量を高めることができる。   In FIG. 7, a capacitor 42 is connected between the gate wiring 23 and the ground wiring 24. By installing this capacitor 42, even if a negative polarity noise is superimposed in a state where the gate voltage input to the gate terminal 26 is lowered to the minimum operating voltage of 1.5V, the gate voltage is reduced by the capacitor voltage. Depression is prevented. As a result, the current limiting circuit 7, the overheat detection circuit 10, and the IGBT 1 can be stably operated. That is, the noise immunity of the one-chip igniter 100 can be increased by installing the capacitor 42.

また、電流制限回路7や過熱検出回路10にコンデンサ43,44をそれぞれ設けても同様の効果がある。これらコンデンサは、電流制限回路7、過熱検出回路10において電流や熱を検出するたとえば直列2段構成のMOSFET回路のノイズ耐量を向上させるようコンデンサを同nMOS回路直近に設置するものである。具体的にはたとえば図6(b)において電源・グランド間、Vin・グランド間、M11のゲート・グランド間にコンデンサを設置するものである。このようにコンデンサを設置することでMOSFETの接合容量を増加させる効果がありノイズ耐量を向上できる。   The same effect can be obtained by providing capacitors 43 and 44 in the current limiting circuit 7 and the overheat detection circuit 10, respectively. These capacitors are provided in the immediate vicinity of the nMOS circuit so as to improve noise immunity of, for example, a two-stage MOSFET circuit that detects current and heat in the current limiting circuit 7 and the overheat detection circuit 10. Specifically, for example, in FIG. 6B, a capacitor is installed between the power source and ground, between Vin and ground, and between the gate and ground of M11. By installing the capacitor in this way, there is an effect of increasing the junction capacitance of the MOSFET, and the noise tolerance can be improved.

サージ電圧がゲート端子26に印加されたとき、このサージ電圧を抑制するためにA部に抵抗29が挿入される。この挿入された抵抗29とツェナダイオード19でサージ電圧は分圧され、その分圧された電圧がIGBT1のゲートに印加されるため、抵抗29を設置することでサージ電圧を抑制できる。しかし、この抵抗29はゲート配線23に直列に挿入されるため、ゲート端子26に入力されるゲート電圧はIGBT1のゲートに到達した時点では低い電圧になる。そのため、この抵抗29をできるだけ小さくしてゲート端子26に入力されるゲート電圧の減衰を抑える必要がある。   When a surge voltage is applied to the gate terminal 26, a resistor 29 is inserted in the A portion in order to suppress this surge voltage. The surge voltage is divided by the inserted resistor 29 and the Zener diode 19, and the divided voltage is applied to the gate of the IGBT 1. Therefore, the surge voltage can be suppressed by installing the resistor 29. However, since the resistor 29 is inserted in series with the gate wiring 23, the gate voltage input to the gate terminal 26 becomes a low voltage when it reaches the gate of the IGBT 1. Therefore, it is necessary to reduce the resistance 29 as much as possible to suppress the attenuation of the gate voltage input to the gate terminal 26.

前記のコンデンサ42はスナバコンデンサと同様の働きをして、サージ電圧を抑制する効果がある。そのため、コンデンサ42を設置することで、A部に設置される抵抗29を小さくすることができる。なお、図7においてIGBTのコレクタ2とゲート配線23との間に挿入された双方向ダイオードは複数のダイオードが直列に接続されてものを省略した記載になっている。   The capacitor 42 functions in the same manner as a snubber capacitor and has an effect of suppressing a surge voltage. Therefore, by installing the capacitor 42, it is possible to reduce the resistance 29 installed in the portion A. In FIG. 7, the bidirectional diode inserted between the IGBT collector 2 and the gate wiring 23 is not shown even if a plurality of diodes are connected in series.

前記の実施例1〜実施例3を組み合わせることで、ゲート端子26に入力されるゲート電圧を低電圧化してもワンチップイグナイタ100は安定に動作し、さらに、ノイズ耐量が向上でき、また、低ゲート電圧での動作でもIGBT1の通電能力は十分確保される。   By combining the first to third embodiments, the one-chip igniter 100 can operate stably even when the gate voltage input to the gate terminal 26 is lowered, and the noise tolerance can be improved. Even in the operation with the gate voltage, the current-carrying capacity of the IGBT 1 is sufficiently secured.

さらに、ハイブリッド型イグナイタに比べて、パッケージの小型化、低コスト化を図ることができる。   Furthermore, the package can be reduced in size and cost as compared with the hybrid igniter.

1 IGBT
2 コレクタ
3 ゲート
4 エミッタ
5 センスエミッタ
6 センス抵抗
7 電流制限回路
8、11 高電位側
9、12 低電位側
10 過熱検出回路
13 第1MOSFET
14、17 ゲート
15、18 ドレイン
16 第2MOSFET
19 ツェナーダイオード
20 カソード
21 アノード
22、29 抵抗
23 ゲート配線
24 グランド配線
25 コレクタ端子
26 ゲート端子
27 エミッタ端子
28 グランド電位
31 半導体基板
32 チャネル領域(ウェル領域)
33 エミッタ領域
34 ゲート酸化膜
35 ゲート電極
36 層間絶縁膜
37 エミッタ電極
38 コレクタ領域
39 コレクタ電極
42,43,44 コンデンサ
100 ワンチップイグナイタ
1 IGBT
2 collector 3 gate 4 emitter 5 sense emitter 6 sense resistor 7 current limiting circuit 8, 11 high potential side 9, 12 low potential side 10 overheat detection circuit 13 first MOSFET
14, 17 Gate 15, 18 Drain 16 Second MOSFET
19 Zener diode 20 Cathode 21 Anode 22, 29 Resistance 23 Gate wiring 24 Ground wiring 25 Collector terminal 26 Gate terminal 27 Emitter terminal 28 Ground potential 31 Semiconductor substrate 32 Channel region (well region)
33 Emitter region 34 Gate oxide film 35 Gate electrode 36 Interlayer insulating film 37 Emitter electrode 38 Collector region 39 Collector electrode 42, 43, 44 Capacitor 100 One-chip igniter

Claims (13)

MOSトランジスタと、該MOSトランジスタのゲートと電気的に接続するゲート端子と、該MOSトランジスタのゲート電圧を制限する制御回路とを、同一半導体基板に配置したワンチップイグナイタにおいて、
前記ワンチップイグナイタのゲート端子に入力される入力電圧が、前記制御回路の電源電圧および前記MOSトランジスタの制御信号となり、前記入力電圧の最低電圧が3.5V未満であり、
前記制御回路の最低動作電圧が1.5V以下であり、前記制御回路が、直列接続された2段のMOSFETから構成されるインバータ回路が2個直列にされて構成されることを特徴とするワンチップイグナイタ。
In a one-chip igniter in which a MOS transistor, a gate terminal electrically connected to the gate of the MOS transistor, and a control circuit for limiting the gate voltage of the MOS transistor are arranged on the same semiconductor substrate,
The input voltage input to the gate terminal of the one-chip igniter becomes the power supply voltage of the control circuit and the control signal of the MOS transistor, and the minimum voltage of the input voltage is less than 3.5V,
The minimum operating voltage of the control circuit is 1.5 V or less, and the control circuit is configured by connecting two inverter circuits including two-stage MOSFETs connected in series. Chip igniter.
前記入力電圧の最低電圧が2.5V未満であることを特徴とする請求項1に記載のワンチップイグナイタ。   The one-chip igniter according to claim 1, wherein a minimum voltage of the input voltage is less than 2.5V. 前記入力電圧の最低電圧が2.0V未満であることを特徴とする請求項1に記載のワンチップイグナイタ。   The one-chip igniter according to claim 1, wherein the minimum voltage of the input voltage is less than 2.0V. 前記ワンチップイグナイタを構成する前記MOSトランジスタのゲートしきい値電圧が1V以上であり、前記MOSトランジスタのチャネル領域の単位体積当たりの不純物量が、1×1017/cm3以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のワンチップイグナイタ。 The gate threshold voltage of the MOS transistor constituting the one-chip igniter is 1 V or more, and the impurity amount per unit volume of the channel region of the MOS transistor is 1 × 10 17 / cm 3 or less. The one-chip igniter according to any one of claims 1 to 3. 前記ワンチップイグナイタを構成する前記MOSトランジスタのゲートしきい値電圧が1V以上であり、前記MOSトランジスタのチャネル長が、4μm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のワンチップイグナイタ。   The gate threshold voltage of the MOS transistor constituting the one-chip igniter is 1 V or more, and the channel length of the MOS transistor is 4 μm or less. One-chip igniter described. 前記ワンチップイグナイタを構成する前記MOSトランジスタのチャネル長さをL(cm)とし、前記MOSトランジスタのチャネル領域の単位体積当たりの不純物濃度をN(cm-3)としたとき、L≦4×10-4×(10-171/3×N1/3であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のワンチップイグナイタ。 When the channel length of the MOS transistor constituting the one-chip igniter is L (cm) and the impurity concentration per unit volume of the channel region of the MOS transistor is N (cm −3 ), L ≦ 4 × 10 The one-chip igniter according to claim 1, wherein the one-chip igniter is −4 × (10 −17 ) 1/3 × N 1/3 . 前記ワンチップイグナイタを構成する前記MOSトランジスタのゲートしきい値電圧が1.5V以下であり、前記MOSトランジスタのゲート酸化膜の厚さが、5nm以上で、25nm未満であることを特徴とする請求項1〜6に記載のワンチップイグナイタ。   The gate threshold voltage of the MOS transistor constituting the one-chip igniter is 1.5 V or less, and the thickness of the gate oxide film of the MOS transistor is 5 nm or more and less than 25 nm. Item 7. A one-chip igniter according to items 1 to 6. 前記ワンチップイグナイタを構成する前記MOSトランジスタのゲートしきい値電圧が1V以上であり、前記MOSトランジスタのセルがストライプ状の場合、ストライプ状のセルの長手方向に直角方向の1cm当たりのセル本数が、5×102本以上であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のワンチップイグナイタ。 When the gate threshold voltage of the MOS transistor constituting the one-chip igniter is 1 V or more and the cells of the MOS transistor are striped, the number of cells per 1 cm perpendicular to the longitudinal direction of the striped cells is The one-chip igniter according to claim 1, wherein the number is 5 × 10 2 or more. 前記ワンチップイグナイタを構成するMOSトランジスタが、プレーナゲート構造またはトレンチ構造であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載のワンチップイグナイタ。   9. The one-chip igniter according to claim 1, wherein the MOS transistor constituting the one-chip igniter has a planar gate structure or a trench structure. 前記過熱検出回路の最低動作電圧が1V以上であり、該過熱検出回路が2段のインバータ回路で構成されることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載のワンチップイグナイタ。   The one-chip igniter according to any one of claims 1 to 9, wherein a minimum operating voltage of the overheat detection circuit is 1 V or more, and the overheat detection circuit is configured by a two-stage inverter circuit. 前記制御回路が、電流制限回路、過熱検出回路、タイマー回路、過電圧保護回路及び入力ヒステリシス回路から選択された一つ乃至複数の回路であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載のワンチップイグナイタ。   11. The control circuit according to claim 1, wherein the control circuit is one or more circuits selected from a current limiting circuit, an overheat detection circuit, a timer circuit, an overvoltage protection circuit, and an input hysteresis circuit. One-chip igniter as described in 1. 前記のMOSトランジスタが絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載のワンチップイグナイタ。   The one-chip igniter according to claim 1, wherein the MOS transistor is an insulated gate bipolar transistor. 請求項1〜12に記載したワンチップイグナイタを用いた内燃機関点火装置。   An internal combustion engine ignition device using the one-chip igniter according to claim 1.
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