(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気基板と、該電気基板に接合される半導体を備える半導体システムであって、
前記半導体のパッケージ表面温度を測定する温度測定手段と、
前記半導体に電源を供給する電源供給手段と、
前記温度測定手段の測定の結果に基づいて、前記半導体の再起動の可否を判定する再起動判定手段とを備え、
前記再起動判定手段は、前記温度測定手段の測定の結果、前記電源を供給前の前記パッケージ表面温度が第一の温度より低い場合において、前記電源を供給後に、前記パッケージ表面温度の、前記電源を供給前のパッケージ表面温度からの上昇分が所定の温度を超えた場合に半導体を再起動する
ことを特徴とする半導体システム。
【請求項２】
電気基板と、該電気基板に接合される半導体を備える半導体システムであって、
前記半導体のパッケージ表面温度を測定する温度測定手段と、
前記半導体に電源を供給する電源供給手段と、
前記温度測定手段の測定の結果に基づいて、前記半導体の再起動の可否を判定する再起動判定手段と、
前記半導体を外部から加熱する外部加熱手段とを備え、
前記再起動判定手段は、前記温度測定手段の測定の結果、
前記電源を供給前の前記パッケージ表面温度が第一の温度と第二の温度の間にあるときは、前記電源を供給させて、前記電源を供給後に、前記パッケージ表面温度の、前記電源を供給前のパッケージ表面温度からの上昇分が所定の温度を超えた場合に前記半導体を再起動し、
前記電源を供給前のパッケージ表面温度が前記第二の温度より低いときは、前記外部加熱手段を動作させて、前記パッケージ表面温度が第三の温度より高くなった場合に前記半導体に前記電源を供給させる
ことを特徴とする半導体システム。
【請求項３】
前記第一の温度は、前記半導体の最低動作保証温度である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体システム。
【請求項４】
前記再起動判定手段による前記半導体の再起動は、前記半導体への電源の再供給によって実行される
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体システム。
【請求項５】
前記再起動判定手段による前記半導体の再起動は、前記半導体が備えるリセット端子へのリセット信号の再供給によって実行される
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体システム。
【請求項６】
前記温度測定手段は、前記半導体のパッケージ表面温度の測定にかえて、前記半導体と前記電気基板との接合部の温度と相関のとれる、前記電気基板上の指定された位置の基板温度を、前記半導体のパッケージ表面温度として測定する
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体システム。
【請求項７】
電気基板と、該電気基板に接合される半導体を備える半導体システムを起動するための起動方法であって、
前記半導体のパッケージ表面温度を測定する温度測定工程と、
前記半導体に電源を供給する電源供給工程と、
前記温度測定工程の測定の結果に基づいて、前記半導体の再起動の可否を判定する再起動判定工程とを備え、
前記再起動判定工程は、前記温度測定工程の測定の結果、前記電源を供給前の前記パッケージ表面温度が第一の温度より低い場合において、前記電源を供給後に、前記パッケージ表面温度の、前記電源を供給前のパッケージ表面温度からの上昇分が所定の温度を超えた場合に半導体を再起動する
ことを特徴とする起動方法。
【請求項８】
電気基板と、該電気基板に接合される半導体を備える半導体システムを起動するための起動方法であって、
前記半導体のパッケージ表面温度を測定する温度測定工程と、
前記半導体に電源を供給する電源供給工程と、
前記温度測定工程の測定の結果に基づいて、前記半導体の再起動の可否を判定する再起動判定工程と、
前記半導体を外部から加熱する外部加熱工程とを備え、
前記再起動判定工程は、前記温度測定工程の測定の結果、
前記電源を供給前の前記パッケージ表面温度が第一の温度と第二の温度の間にあるときは、前記電源を供給させて、前記電源を供給後に、前記パッケージ表面温度の、前記電源を供給前のパッケージ表面温度からの上昇分が所定の温度を超えた場合に前記半導体を再起動し、
前記電源を供給前のパッケージ表面温度が前記第二の温度より低いときは、前記外部加熱工程を動作させて、前記パッケージ表面温度が第三の温度より高くなった場合に前記半導体に前記電源を供給させる
ことを特徴とする起動方法。
【請求項９】
請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体システムとしてコンピュータを機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気基板に接合される半導体を起動する半導体システム、及びその起動方法、プログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気基板及び電気基板システムでは半導体が使用されている。半導体には動作保証温度範囲が規定されており、この動作保証温度範囲から外れた温度環境下では、その動作は保証されない。動作保証温度範囲から外れた低温度環境下では、電気基板と半導体との接合部温度が最低動作保証温度に達した状態で半導体を起動する必要がある。このためには、半導体の接合部温度を測定する必要があるが、接合部温度の測定は困難であり、通常は、半導体パッケージの表面温度を測定し、ここから接合部温度を換算する。図５（Ａ）は、この換算を説明するための図であり、接合部温度の換算式は次の通りである。
【０００３】
Ｔｊ＝Ｔｃ＋Ｐ×θｊｃ
Ｔｊ（℃）        ：接合部温度
Ｔｃ（℃）        ：半導体パッケージ表面温度
Ｐ（Ｗ）          ：接合部の電力損失
θｊｃ（℃／Ｗ）  ：半導体パッケージの熱抵抗
低温時に半導体を早く動作保証温度範囲に入れるための先行技術として、特許文献１がある。半導体内部に加熱回路を備え、低温時は加熱回路により半導体を温め、接合部温度が所定の温度に達したら当該半導体の動作を開始させるというものである。また、半導体外部に備えた加熱部により半導体を温め、温度測定箇所の温度が所定の温度に達したら、当該半導体の動作を開始させるというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２５８２１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の特許文献１に開示された従来技術では、温度測定箇所と接合部温度の関係について説明が記載されていない。一般的に、温度測定箇所である半導体パッケージ表面温度（Ｔｃ）は接合部温度に対して以下の式に従って徐々に上昇することになる。
【０００６】
Ｔｃ＝（Ｔ１−Ｔ２−Ｐ×θｊｃ）（１−ｅｘｐ-kt）＋Ｔ２
Ｔ１（℃）       ：半導体接合部（ジャンクション）の飽和温度
Ｔ２（℃）       ：半導体周囲温度
Ｐ（W）          ：半導体の電力損失
θｊｃ（℃／Ｗ） ：半導体パッケージの熱抵抗
ｋ               ：熱伝達係数
ｔ               ：時間
即ち、半導体接合部が所定の温度になったことを半導体パッケージ表面温度で判定する場合、半導体接合部から半導体パッケージ表面への熱伝達に要する時間だけ待機しなければならない。
【０００７】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、半導体の接合部温度が動作保証下限温度よりも低い低温時から動作保証下限温度に達したことを早く判定して、正常起動を早く行える半導体システム、起動方法、プログラムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するための本発明による半導体システムは以下の構成を備える。即ち、
電気基板と、該電気基板に接合される半導体を備える半導体システムであって、
前記半導体のパッケージ表面温度を測定する温度測定手段と、
前記半導体に電源を供給する電源供給手段と、
前記温度測定手段の測定の結果に基づいて、前記半導体の再起動の可否を判定する再起動判定手段とを備え、
前記再起動判定手段は、前記温度測定手段の測定の結果、前記電源を供給前の前記パッケージ表面温度が第一の温度より低い場合において、前記電源を供給後に、前記パッケージ表面温度の、前記電源を供給前のパッケージ表面温度からの上昇分が所定の温度を超えた場合に半導体を再起動する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半導体の接合部温度が動作保証下限温度よりも低い低温時において、動作保証下限温度に達したことを早く判定して、正常動作開始を早く行える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態１のシステムを示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態１の再起動判定部の処理を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態２のシステムを示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態２の再起動判定部の処理を示すフローチャートである。
【図５】半導体接合部温度とパッケージ表面温度の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００１２】
＜実施形態１＞
図１は本発明の実施形態１の半導体システムを示すブロック図である。
【００１３】
図１において、１０１は半導体である。１０２は半導体１０１に供給される電源部である。１０３は半導体１０１への電源部１０２の供給を制御するスイッチである。電源部１０２とスイッチ１０３で電源供給部を構成している。１０４は温度測定用の温度検知素子であり、熱電対やサーミスタ、半導体温度センサー等で構成される。１０５は温度検知素子１０４からの信号を受けて、測定箇所の温度を測定する温度測定部である。温度検知素子１０４と温度測定部１０５で温度測定部を構成している。１０６は再起動判定部であり、半導体の再起動の可否を、温度測定部１０５での測定温度を元に判定し、その判定結果に基づいて、所定の制御フローに則ってスイッチ１０３を制御し、半導体１０１への電源の供給を制御する。
【００１４】
尚、再起動判定部１０６は、半導体システムの各種構成要素を制御するためのＣＰＵ、半導体システムに係る各種プログラムを記憶するＲＯＭ、ＲＯＭから読み出したプログラムを展開して実行するためのＲＯＭ等で実現される。また、再起動判定部１０６は、専用のハードウェア、あるいはソフトウェア、あるいはそれらの組み合わせに基づいて実現することもできる。
【００１５】
実施形態１の半導体システムの動作について、図２の再起動判定部の再起動フローチャートに従って説明する。尚、実施形態１では、半導体１０１（あるいはＩＣ）の動作保証温度を−１０℃〜＋８５℃とし、最低動作保証温度を−１０℃（第一の温度）としている。また、図中の記号は以下を示している。
【００１６】
Ｔｃ（℃）            ：半導体パッケージの表面温度
ΔＴｃ（℃）          ：半導体に電源が供給されて、接合部温度Ｔｊが上昇したと判断するための温度上昇値
Ｔc_NoPower（℃／Ｗ） ：半導体への電源供給前のＴｃ
まず、半導体１０１に電源を供給する前に半導体１０１のパッケージ表面温度（以下、Ｔｃ）を温度測定部１０５によって測定する（ステップＳ２０１）。Ｔｃが『第一の温度（最低動作保証温度の−１０℃）』以上である場合、半導体１０１の接合部温度（以下、Ｔｊ）も同じく−１０℃以上であり、半導体１０１は既に正常に動作できる温度状態にある。よって、再起動判定部１０６は半導体１０１に電源を供給するためにスイッチ１０３をＯＮにして、半導体１０１に通電する（ステップＳ２０２）。これにより、電源部１０２から半導体１０１に電源が供給され、半導体１０１は通常動作を行うことになる（ステップＳ２０３）。
【００１７】
一方、Ｔｃが『第一の温度（最低動作保証温度の−１０℃）』よりも低い場合、この電源供給前の半導体１０１のＴｃをTc_NoPowerとして一旦保持する（ステップＳ２０４）。次に、半導体１０１に電源を供給するためにスイッチ１０３をＯＮにして、半導体１０１に通電する（ステップＳ２０５）。電源を供給された半導体１０１の接合部では電力が消費され、Ｔｊの温度は急激に上昇する。Ｔｊの温度飽和には１秒とかからない。但し、Ｔｃは、接合部と半導体１０１のパッケージ表面の間の熱伝導率の低いパッケージ材料の伝達時間だけ遅れて徐々に上昇し出す。これついて、図５（Ｂ）で説明する。図５（Ｂ）のＴｃのカーブは、以下の関係式に従って上昇する。
【００１８】
Ｔｃ＝（Ｔ１−Ｔ２−Ｐ×θｊｃ）（１−ｅｘｐ-kt）＋Ｔ２
Ｔ１（℃）      ：半導体接合部の飽和温度（ここでは、−２℃）
Ｔ２（℃）      ：半導体周囲温度（ここでは、−３０℃）
Ｐ（Ｗ）        ：半導体の電力損失（ここでは、０.５Ｗ）
θｊｃ（℃／Ｗ）：半導体パッケージの熱抵抗（３０℃／Ｗ）
ｋ              ：熱伝達係数
ｔ              ：時間
半導体周囲温度−３０℃の環境の中で、半導体１０１に電源を供給する前は、Ｔ２＝Ｔｊ＝Ｔｃ＝−３０℃である。Ｐ＝０.５Ｗ、θｊｃ＝３０℃／Ｗとしたとき、Ｐｘθｊｃ＝１５℃となる。また、事前の検討結果から、半導体１０１に電源を供給することでＴｊは２８℃上昇する（ΔＴｊ＝電源の供給前後のＴｃの飽和値の差より）ことがわかっていることから、Ｔ１＝−２℃（＝Ｔ２＋ΔＴｊ）となる。即ち、半導体１０１に電源を供給することで、Ｔｊは動作保証温度より低い−３０℃から動作保証温度である−２℃まで１秒も経たずに上昇する。この時点で、半導体１０１を再起動することで通常動作が行えるわけである。
【００１９】
しかし、従来の方式では、Ｔｃ＝−２５℃（＝最低動作保証温度（−１０℃）−Ｐｘθｊｃ）になるまでの時間ｔ１だけ待たなければならなかった。この時間は数分から数十分に相当する。この待ち時間を無くし、半導体１０１の正常動作を少しでも早くするため、Ｔｃが電源供給前の温度（Ｔc_NoPower）より所定の温度ΔＴｃ上昇した場合（ステップＳ２０６でＹＥＳ）、Ｔｊは最低動作保証温度に達したと判断するようにする。この場合、半導体１０１の電源を供給し直す（再供給する）ために、スイッチ１０３を一旦ＯＦＦにして、再度ＯＮにする（ステップＳ２０７）。つまり、半導体１０１を再起動する。この後、半導体１０１はこのまま通常動作を続けることができる（ステップＳ２０３）。
【００２０】
尚、電源を供給後、Ｔｃにかかわらず半導体を再起動することも考えられるが、半導体が発熱し出したことを確認してから行うようにしている。また、所定の温度ΔＴｃは定数であり、実施形態１において、２℃に設定している。前述したように発熱したことを確認するためである。別の実施形態として、ΔＴｃを２℃以下にすることも考えられるが、温度検出のＡＤ変換誤差等を考えると２℃程度が適切な値である。
【００２１】
以上説明したように、実施形態１によれば、半導体パッケージの表面温度が電源供給前の温度（Ｔc_NoPower）より、動作保証温度に達したとみなせる所定の温度ΔＴｃ上昇した場合に、接合部温度Ｔｊが最低動作保証温度に達したと判断するようにする。これにより、半導体パッケージの表面温度が最低動作保証温度に達する前よりも早く、半導体を起動することができる。
【００２２】
＜実施形態２＞
図３は実施形態２の半導体システムを示すブロック図である。
【００２３】
図３において、１０１から１０６は図１と同一の構成要素であるため、その詳細説明は省略する。図３では、図１の構成に加えて、半導体を温めるための外部ヒーター３０１と、外部ヒーター３０１の熱を半導体１０１まで送るためのファン３０２を備えている。
【００２４】
実施形態２の半導体システムの動作について、図４の再起動判定部の再起動フローチャートに従って説明する。尚、実施形態２では、半導体１０１（あるいはＩＣ）の動作保証温度を−１０℃〜＋８５℃とし、最低動作保証温度を−１０℃（第一の温度）としている。また、図中の記号は以下を示している。
【００２５】
Ｔｃ（℃）            ：半導体パッケージの表面温度
ΔＴｃ（℃）          ：半導体に電源が供給されて、接合部温度Ｔｊが上昇したと判断するための温度上昇値
Ｔc_NoPower（℃／Ｗ） ：半導体への電源供給前のＴｃ
ΔＴｊ（℃）          ：半導体に通電することによるＴｊでの温度上昇値（例えば、２８℃）
Ｐ（Ｗ）              ：半導体の電力損失（例えば、０.５Ｗ）
θｊｃ（℃／Ｗ）      ：半導体パッケージの熱抵抗（例えば、３０℃／Ｗ）
Ｐｘθｊｃ（℃）      ：飽和したＴｃとＴｊの温度差
まず、半導体１０１に電源を供給する前に半導体１０１のパッケージ表面温度Ｔｃを温度測定部１０５によって測定する（ステップＳ４０１）。Ｔｃが『第一の温度（最低動作保証温度の−１０℃）』以上である場合、半導体１０１の接合部温度Ｔｊも同じく−１０℃以上であり、半導体１０１は既に正常に動作できる温度状態にある。よって、再起動判定部１０６は半導体１０１に電源を供給するためにスイッチ１０３をＯＮにして、半導体１０１に通電する（ステップＳ４０２）。これにより、電源部１０２から半導体１０１に電源が供給され、半導体１０１は通常動作を行うことになる（ステップＳ４０３）。
【００２６】
一方、Ｔｃが『第一の温度』よりも低くかつ『第二の温度』よりも高い場合、ステップＳ４０４〜ステップＳ４０７の動作を実行する。この動作は、図２のフローチャートのステップＳ２０４〜ステップＳ２０７と同じである。
【００２７】
尚、ここで、第一の温度とは、例えば、最低動作保証温度の−１０℃である。
【００２８】
また、第二の温度とは、最低動作保証温度（−１０℃）−ΔＴｊ（半導体に電源を供給することで上昇する接合部での温度上昇分＝電源の供給前後の半導体表面の飽和温度の差分値（差分温度））である。
【００２９】
Ｔｃが『第二の温度（最低動作保証温度（−１０℃）−ΔＴｊ）』以下の場合、半導体１０１に電源を供給して接合部温度Ｔｊが上昇しても接合部は最低動作保証温度の−１０℃に達しない。このときは、外部ヒーター３０１及びファン３０２を用いて半導体１０１の周囲温度を上昇させる必要がある。
【００３０】
半導体１０１に電源を供給した時に接合部温度が最低動作保証温度（−１０℃）になる周囲温度は、『第三の温度（最低動作保証温度（−１０℃）−ΔＴｊ（２８℃）＋Ｐｘθｊｃ（１５℃））』である。Ｐｘθｊｃは半導体１０１の接合部で消費される電力（Ｐ）と半導体パッケージの熱抵抗（θｊｃ）の積で算出される、接合部−半導体パッケージ表面間の飽和温度の差分値（差分温度）である。
【００３１】
外部ヒーター３０１で加熱する場合は、半導体１０１の外部から温めてＴｊを上昇させることになるため、Ｐｘθｊｃの温度差分が加えられた値になる。即ち、外部ヒーター３０１及びファン３０２をＯＮにする（ステップＳ４０８）。そして、Ｔｃが『第三の温度（最低動作保証温度（−１０℃）−ΔＴｊ＋Ｐｘθｊｃ）』より高くなった場合（ステップＳ４０９でＹＥＳ）、半導体１０１に電源を供給する（ステップＳ４１０）。電源を供給することで接合部は最低動作保証温度（−１０℃）に達することができるため、半導体１０１はこのまま通常動作を続けることができる。
【００３２】
この後、Ｔｃが『最低動作保証温度（−１０℃）−Ｐｘθｊｃ』に達した場合（ステップＳ４１１でＹＥＳ）、外部ヒーター３０１及びファン３０２をＯＦＦにする（ステップＳ４１２）。その後、通常動作を続けることになる（ステップＳ４０３）。
【００３３】
尚、所定の温度ΔＴｃについては実施形態１と同様に２℃に設定している。別の実施形態としてΔＴｃを２℃以下にすることも考えられるが、温度検出のＡＤ変換誤差を考えると２℃程度が適切な値である。また、ステップＳ４０９において、Ｔｃが『第三の温度（最低動作保証温度（−１０℃）−ΔＴｊ＋Ｐｘθｊｃ）』より高くなった場合、本来であればこのＴｃの温度によりＴｊが『最低動作保証温度（−１０℃）−ΔＴｊ』に達するまで待つ必要がある。しかしながら、実施形態２では、この時間を組み入れていない。
【００３４】
これは、外部ヒーター３０１による温度上昇が徐々に行われることを想定しているため、半導体１０１のパッケージ表面と接合部はほぼ同時に温まっていくとして制御しているためである。外部からの温め方で、半導体１０１のパッケージ表面と接合部の温まり方に差が出る場合は、この熱の伝達時間だけ待つことになる。この待ち時間はシステムの事前検討において算出しておくことになる。また、ステップＳ４１２で、外部ヒーター３０１をＯＦＦにしたため、周囲温度が低い状態が継続するとＴｃもいずれ『最低動作保証温度（−１０℃）−Ｐｘθｊｃ』を下回ることなる。このときは外部ヒーター３０１やファン３０２を再びＯＮにする制御が別途必要になる。
【００３５】
更に、初めは『第一の温度（最低動作保証温度（−１０℃））』以上あった半導体１０１の接合部温度が、その後、環境温度の変化により『第一の温度（最低動作保証温度（−１０℃））』以下になることもありえる。このときは、Ｔｃの温度から事前にこれを検知して外部ヒーター３０１を別途制御することになる。
【００３６】
実施形態２では半導体を温める外部装置として外部ヒーターとファンを記載したが、これに限定されるものではなく、ペルチェ素子や温水循環、光照射等、半導体を温める外部加熱部であれば何でもよい。
【００３７】
以上、実施形態２では、半導体１０１の再起動に際しては電源を供給し直す（再供給する）ことで行っているが、場合によっては半導体１０１が備えるリセット端子へのリセット信号の再供給を制御してもよい。
【００３８】
更に、半導体１０１の接合部温度Ｔｊの判定のために半導体パッケージ表面温度Ｔｃを測定しているが、これに限定されない。例えば、半導体１０１の接合部温度Ｔｊと温度相関のとれる電気基板上の場所（位置）の基板温度で有れば半導体パッケージ表面温度Ｔｃに限定されるものではない。例えば、半導体１０１の直下の電気基板の表面温度がある。また、半導体１０１の端部から指定された距離離れた位置（例えば、１ｍｍ）での電気基板の表面温度であったり、半導体１０１が実装されている電気基板の真裏（半導体１０１の裏面）の表面温度でも、事前に温度相関を取れさえすればよい。
【００３９】
また、測定温度が、周りのノイズや温度検出素子の感度の高さ、測定間隔の早さ等によって敏感に変動するときは、測定温度をそのまま判定に使用するのではなく、過去の一定時間の測定値の加算平均を取るなどして平滑化した値を用いるとよい。
【００４０】
以上説明したように、実施形態２によれば、実施形態１で説明した効果に加えて、環境温度の状況に応じて、外部の外部加熱部（外部ヒーターとファン）を用いて、より早く半導体を起動することが可能となる。
【００４１】
尚、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述しているが、これら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。
【００４２】
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステムまたは装置に供給し、そのシステムまたは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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