パワーＭＯＳＦＥＴと電池監視装置
【課題】信頼性と新規機能を実現したパワーＭＯＳＦＥＴと、部品点数の削減や多機能化を可能とした電池監視装置を提供する。
【解決手段】パワーＭＯＳＦＥＴは、半導体基板の第１主面と第２主面にソース，ドレインが形成され、半導体基板の厚み方向に流れる電流を制御するようゲート絶縁膜及び上記第１主面側に第１接続電極が設けられたゲート電極が形成され、上記第１主面側に一端が上記ソース電極に接続可能にされ、他端が第２接続電極に接続された抵抗素子が設けられる。ソース端子と上記ソースを接続し、ゲート端子と上記ゲート電極を接続し、上記検出端子と上記第２接続電極を接続する。電池監視装置の充放電経路に上記パワーＭＯＳＦＥＴを用い、上記抵抗素子を監視ＩＣやエラーアンプに必要な保護用に用いる。
【解決手段】パワーＭＯＳＦＥＴは、半導体基板の第１主面と第２主面にソース，ドレインが形成され、半導体基板の厚み方向に流れる電流を制御するようゲート絶縁膜及び上記第１主面側に第１接続電極が設けられたゲート電極が形成され、上記第１主面側に一端が上記ソース電極に接続可能にされ、他端が第２接続電極に接続された抵抗素子が設けられる。ソース端子と上記ソースを接続し、ゲート端子と上記ゲート電極を接続し、上記検出端子と上記第２接続電極を接続する。電池監視装置の充放電経路に上記パワーＭＯＳＦＥＴを用い、上記抵抗素子を監視ＩＣやエラーアンプに必要な保護用に用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パワーＭＯＳＦＥＴと電池監視装置に関し、例えば例えばリチウムイオン二次電池に利用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、電池の過充電及び過放電等を監視する電池監視装置が設けられる。本願出願人においては、先に特開２００６−２０８１５２号公報において、信頼性の改善に向けた電池監視装置を提案している。同公報に記載の電池監視装置は、細長の実装基板に監視ＩＣとパワーＭＯＳＦＥＴ及び抵抗やコンデンサ等が搭載されて構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２０８１５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１７には、本願発明に先立って検討された電池パックの概略ブロック図が示されている。抵抗Ｒ２は監視ＩＣを外部から過電圧が加えられたときに監視ＩＣに過電流が流れて破壊するのを防止する抵抗である。抵抗Ｒ３は電流検出用で、そこに発生する電圧をエラーアンプＡＭＰで検知し、充電器又は負荷側に検知信号ＳＯを出力する。この検知信号ＳＯは、例えば電池の残量を知るために用いられる。この抵抗Ｒ３は、監視ＩＣやパワーＭＯＳＦＥＴとは別に前記実装基盤に搭載された外部素子とされる。上記抵抗Ｒ３を監視ＩＣやパワーＭＯＳＦＥＴ上に取り込もうとした場合、抵抗Ｒ３には大きな電流（１Ａから１０Ａ程度）が流れることを考慮する必要があるので、モノリシックＩＣのチップに入れることは困難である。また、抵抗Ｒ２を監視ＩＣに内蔵することは、チップサイズの増大となり、コストが上がるデメリットがある。
【０００５】
上記抵抗Ｒ３は、半導体上に形成するのではなく、ボンディングワイヤを使用することを検討した。図１８において、１００はスイッチ素子としてのパッケージである。１０１は、上記パッケージ１００の裏面側に設けられるドレイン端子であり、１０２はソース端子であり、１０３はゲート端子である。２００はパワーＭＯＳＦＥＴを構成する半導体チップである。上記半導体チップ２００のゲート電極２０３は、ボンディングワイヤ１０６によって上記ゲート端子１０３に接続される。上記半導体チップ２００のソース電極２０２は、ボンディングワイヤ１０３によって上記ソース端子１０２に接続される。
【０００６】
図１８のように、パワーＭＯＳＦＥＴのソース電極２０２とソース端子１０２との間を接続するボンディングワイヤ１０５の抵抗成分を利用して電流検出抵抗Ｒ３として用いる。このようなボンディングワイヤ１０５を使用すると大電流を流すことが出来、さらに抵抗値をボンディングワイヤ１０５の長さで調整ができるメリットがある。このようなボンディングワイヤ１０５で抵抗Ｒ３を構成する場合には、検出端子１０４が設けられる。つまり、検出端子１０４とソース端子１０２の間の差電圧を高入力インピーダンスのエラーアンプＡＭＰで検出することができる。
【０００７】
しかしながら、パワーＭＯＳＦＥＴは大きな電流を流す能力を有するため、電池パック端子Ｐ＋，Ｐ−に、本来とは異なる充電器が接続される等によって予期しない過大な電圧が印加された場合など、上記パワーＭＯＳＦＥＴの検出端子１０４側にも大きな電流が流れることになる。このように検出端子１０４にも大きな電流が流れると、それに接続されるエラーアンプＡＭＰが壊れたり、検出用ワイヤ１０７が焼損したりしてしまう可能性がある。電池パックの信頼性を確保するためには、検出端子１０４とエラーアンプＡＭＰの間に電流制限用の抵抗が必要となるので、部品点数が増加してしまうという問題が生じる。また、前記のように電池監視装置は、電池パックの小型化や高機能化等に向けて部品点数の削減が有益である。
【０００８】
この発明の目的は、信頼性と新規機能を実現したパワーＭＯＳＦＥＴを提供することにある。この発明の他の目的は、部品点数の削減や多機能化を可能とした電池監視装置を提供することにある。この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願において開示される１つの実施例は、以下の通りである。パワーＭＯＳＦＥＴは、半導体基板の第１主面に形成されたソース領域となる半導体領域及びソース電極と、上記半導体基板の第２主面に形成されたドレイン領域となる半導体領域及びドレイン電極と、上記半導体基板の第１主面と第２主面間の厚み方向に流れる電流を制御するよう形成されたゲート絶縁膜及び上記第１主面側に第１接続電極が設けられたゲート電極を有する。上記第１主面側には、一端が上記ソース電極に接続可能にされ、他端が第２接続電極に接続された抵抗素子が設けられる。ソース端子と上記ソース電極とが第１ボンディングワイヤにより接続される。ゲート端子と上記ゲート電極の接続電極が第２ボンディングワイヤにより接続される。検出端子と上記第２接続電極とが第３ボンディングワイヤにより接続される。上記ソース端子、ゲート端子、ドレイン端子及び検出端子が外部端子とされる。
【００１０】
本願において開示される他の１つの実施例は、以下の通りである。電池監視装置は、実装基板に搭載された半導体装置とを有する。上記半導体装置は、監視すべき電池の充放電経路に挿入されたパワーＭＯＳＦＥＴが形成されたパワーＭＯＳＦＥＴチップと、上記パワーＭＯＳＦＥＴのスイッチ制御信号を形成し、かかるパワーＭＯＳＦＥＴで発生する電圧を検出する電圧検出電極を有する監視ＩＣチップが搭載基板に搭載される。上記パワーＭＯＳＦＥＴチップは、半導体基板の第１主面において形成されたソース領域となる半導体領域及びソース電極と、半導体基板の第２主面において形成されたドレイン領域となる半導体領域及びドレイン電極と、上記半導体基板の第１主面と第２主面間の厚み方向に流れる電流を制御するよう形成されたゲート絶縁膜及び上記第１主面側に第１接続電極が設けられたゲート電極とを有する。上記第１主面側には、一端が上記ソース電極に接続可能にされ、他端が第２接続電極に接続された抵抗素子が設けられる。搭載基板のソース端子と上記ソース電極が第１ボンディングワイヤにより接続され、上記第１接続電極と上記監視ＩＣの対応する制御信号が出力される電極とが第２ボンディングワイヤにより接続され、上記第２接続電極と上記検出端子とが第３ボンディングワイヤにより接続され、上記電圧検出電極と上記電圧検出端子とが第４ボンディングワイヤにより接続される。上記ソース端子、検出端子及び上記電圧検出端子は、それぞれ上記半導体装置の外部端子に接続され、上記検出端子と上記電圧検出端子とは半導体装置の外部で接続される。
【発明の効果】
【００１１】
第１ボンディングワイヤに流れる電流で発生した電圧を検出端子とソース端子を用いて検知可能としつつ、上記抵抗素子を、上記電圧検出を行うエラーアンプの保護抵抗等とするように信頼性と新規機能を実現したパワーＭＯＳＦＥＴが得られる。上記パワーＭＯＳＦＥＴを電池監視装置に適用して部品点数の削減や多機能化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明に係るパワーＭＯＳＦＥＴの一実施例の概略図である。
【図２】図１のパワーＭＯＳＦＥＴチップの一実施例の概略説明図である。
【図３】この発明に係るパワーＭＯＳＦＥＴを用いた電流スイッチ回路の一実施例の回路図である。
【図４】この発明に係るパワーＭＯＳＦＥＴチップの他の一実施例の概略平面図である。
【図５】図４のパワーＭＯＳＦＥＴチップを用いたパワーＭＯＳＦＥＴの一実施例の概略図である。
【図６】この発明に係る電池監視装置の一実施例の全体構成図である。
【図７】この発明に係る電池監視装置の他の一実施例の全体構成図である。
【図８】この発明に係る電池監視装置の他の一実施例の全体構成図である。
【図９】この発明に係る電池監視装置の他の一実施例の全体構成図である。
【図１０】この発明に係るパワーＭＯＳＦＥＴチップの更に他の一実施例の概略平面図である。
【図１１】この発明に係る電池監視装置の他の一実施例の全体構成図である。
【図１２】この発明に係る電池監視装置が搭載されたリチウムイオン二次電池パックの模式図である。
【図１３】この発明に係る電池監視装置の一実施例の説明図である。
【図１４】この発明が適用された電池監視装置が搭載された電池パックの一実施例のブロック図である。
【図１５】この発明が適用された電池監視装置が搭載された電池パックの他の一実施例のブロック図である。
【図１６】この発明に係る監視ＩＣの一実施例のブロック図である。
【図１７】本願発明に先立って検討された電池パックの概略ブロック図である。
【図１８】本願発明に先立って検討されたパワーＭＯＳＦＥＴの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
添付の図面に沿って、この発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【実施例】
【００１４】
図１には、この発明に係るパワーＭＯＳＦＥＴの一実施例の概略図が示されている。同図においては、パッケージ１００にパワーＭＯＳＦＥＴチップ２００を組み立てた状態が透視して表している。パワーＭＯＳＦＥＴチップ１００は、第１主面側にソース電極２０２、ゲート用の接続電極２０３、抵抗素子２０１、抵抗用の接続電極２０４が形成される。抵抗２０５は、一端が上記ソース電極２０２に接続され、他端が上記接続電極２０４に接続される。この抵抗２０５は、後述するような電流制限用であり、数ＫΩ〜数十ＫΩ程度の抵抗値にされる。
【００１５】
パッケージ１００は、同図の表面側である第１主面側にソース端子１０２、ゲート端子１０３及び検出端子１０４を有する。同図の裏面側である第２主面側には、点線で示したようにドレイン端子１０１が設けられる。上記ソース電極と上記ソース端子との間は、パワーＭＯＳＦＥＴのソース−ドレイン間に流れる大きな電流を流すことができるよう複数本からなるボンディングワイヤ１０５が設けられる。上記ゲート用の接続電極２０３と上記ゲート端子１０３との間は、ボンディングワイヤ１０６により接続される。そして、上記抵抗用の接続電極２０４と検出端子１０４との間は、ボンディングワイヤ１０７により接続される。上記ソース端子１０２、ゲート端子１０３及び検出端子１０４と、裏面側のドレイン端子１０１は、それぞれがパッケージ１００の外部端子に接続されている。
【００１６】
図２には、図１のパワーＭＯＳＦＥＴチップの一実施例の概略説明図が示されている。図２（Ａ）は、概略断面図であり、図２（Ｂ）は、その等価回路図である。図２（Ａ）において、パワーＭＯＳＦＥＴは、特に制限されないが、トレンチ構造のＭＯＳＦＥＴとされる。ＭＯＳＦＥＴのドレイン領域となる単結晶シリコンのようなＮ型半導体基板２１０上に、ＭＯＳＦＥＴのチャネル層となるＰ型拡散層２１１が形成される。このＰ型拡散層２１１の上には、ＭＯＳＦＥＴのソース領域となるＮ型拡散層２１２が形成される。特に制限されないが、高濃度にされるＮ型半導体基板上に、低濃度Ｎ型エピタキシャル層が形成され、このエピタキシャル層に、上記Ｐ型拡散層２１１が形成され、更にその上部に高濃度のＮ型拡散層２１２が拡散形成される。ドレイン領域２１０は、高耐圧化等のために上記高濃度のＮ型半導体基板及びその上に形成された上記低濃度Ｎ型エピタキシャル層とで構成される。
【００１７】
上記チャネル層としてのＰ型拡散層２１１を貫通し、上記ドレイン領域（エピタキシャル層）２１０に達するよう溝（トレンチ）が形成され、この溝の内側に熱酸化により薄いゲート酸化膜２１３が形成される。そして、上記溝のゲート絶縁膜２１３の内側に導電性のポリシリコンが充填されて、所定の形状にパターンニングされてゲート電極２１４が形成される。このゲート電極２１４は、図示しないが、平面的にみるとストライプ状ハニカム形状、あるいは櫛形状や格子状に形成される。
【００１８】
この実施例では、上記ゲート電極２１４とソース領域２１２の間には、保護素子としてのツェナーダイオード２０６が設けられる。また、上記ソース領域２１２にはポリシリコンで形成された抵抗２０５の一端が接続される。電極２０２，２０３は、アルミニュウム等で構成され、電極及び接続配線とされる。上記ストライプ状ハニカム形状、あるいは櫛形状や格子状部において、ゲート電極２１４同士を接続する配線（２０２）と、ソース領域２１２同士を接続する配線（２０３）は、窒化シリコン膜のような絶縁膜により電気的に分離されている。半導体基板２１０は、ドレイン領域として用いられ、裏面側にドレイン電極となる導体層２０１が全体的に形成されている。図示しないけれども、ＭＯＳＦＥＴのチャネル層となるＰ型拡散層２１１は、上記ソース電極２０２に接続されてチャネル層にバイアス電圧が与えられる。
【００１９】
図２（Ｂ）の等価回路図に示されているように、この実施例のパワーＭＯＳＦＥＴチップは、ＭＯＳＦＥＴを構成するドレイン電極２０１、ゲート接続電極２０３、及びソース接続電極２０２の他に、ゲート，ソース間に設けられたツェナーダイオード２０６、及びソースと検出電極２０４の間に設けられた抵抗２０５（Ｒ２）を有する。なお、このパワーＭＯＳＦＥＴが図１のような搭載基板１００に搭載されたときには、外部端子であるソース端子と上記ソース接続電極２０２との間にボンディングワイヤ１０５が設けられるので、かかるボンディングワイヤ２０５が前記抵抗Ｒ３に利用される。
【００２０】
この実施例では、パワーＭＯＳＦＥＴチップ上に検出端子に接続される新たなパッド２０４が設けられ、電流制限抵抗２０５を介してパワーＭＯＳＦＥＴのソース２０２に繋がる。この電流制限抵抗２０５は、トレンチ構造のパワーＭＯＳＦＥＴの製造プロセスにおけるポリシリコンや半導体の拡散抵抗等を用いて容易に実現できる。
【００２１】
前記図１８に示したように、トレンチ構造のパワーＭＯＳＦＥＴは、ソースパッド２０２は多数のＭＯＳＦＥＴのセルのソース電極をアルミニュウム（ＡＬ）等のような配線で一つに接続した構造である。このソース２０２電極に対して、新たに設けられた検出端子２０４に接続するワイヤをボンディングすることは容易である。しかし、このようにすると前述した検出端子の過電流による破壊に対する保護効果は得られない。このため、この実施例では、パワーＭＯＳＦＥＴチップ２００において、ソースパッド２０２と検出用パッド２０４との間に電流制限抵抗２０５が内蔵される。
【００２２】
図３には、この発明に係るパワーＭＯＳＦＥＴを用いた電流スイッチ回路の一実施例の回路図が示されている。この実施例のパワーＭＯＳＦＥＴは、ドレイン端子１０１、ゲート端子１０３、及びソース端子１０２の他に、センス（検出）端子１０４を備えており、ＭＯＳＦＥＴのソース電極２０２とソース端子１０２との間には、前記ボンディングワイヤ１０５で構成された抵抗Ｒ３が設けられる。また、上記センス端子１０４と上記ソース電極２０２との間には、電流制限抵抗Ｒ２（２０５）が設けられる。
【００２３】
上記ＭＯＳＦＥＴのドレイン（１０１）−ソース（１０２）経路に流れる電流は、上記ボンディングワイヤ１０７で構成された抵抗Ｒ３の電圧降下を、上記ソース端子１０２とセンス端子１０４との間に設けられたエラーアンプＡＭＰで検出することにより監視することができる。例えば、前記のように電池の残量を知るために用いられる。電池の残量が少なくなり、それに対応して流れる電流が小さくなることを検出することができる。逆に、エラーアンプＡＭＰの設定により、上記パワーＭＯＳＦＥＴの許容電流を超えるような電流が流れることを検知し、この検出信号を負荷回路側に伝えて電流経路を遮断させる等のような機能を付加することもできる。
【００２４】
この実施例のように、パワーＭＯＳＦＥＴに流れる電流を検知するための抵抗Ｒ３を半導体上に作成するのではなく、パッケージのボンディングワイヤを使用することにより、ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース経路を通して大電流を流すことが出来、さらに抵抗値をボンディングワイヤ２０５の長さで調整ができるメリットがある。そして、前記電流制限抵抗Ｒ２（２０５）を内蔵させることにより、誤って予期しない過大な電圧が印加された場合などにおいても、エラーアンプＡＭＰが壊れたり、検出用ワイヤ１０７が焼損したりしてしまうことが防止できる。
【００２５】
図４には、この発明に係るパワーＭＯＳＦＥＴチップの他の一実施例の概略平面図が示されている。この実施例では、１つの半導体基板上に２つのパワーＭＯＳＦＥＴが形成される。１つのパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１）は、前記図１と同様なゲート電極Ｇ１（２０３）、ソース電極Ｓ１（２０２）とセンス電極ＳＮ（２０４）及びセンス電極ＳＮ（２０４）とゲート電極（２０２）との間に設けられた抵抗Ｒ（２０５）を有している。他の１つのＭＯＳＦＥＴ（Ｍ２）は、上記図１と同様なゲート電極Ｇ２（３０３）、ソース電極Ｓ２（３０２）を有している。上記２つのＭＯＳＦＥＴＭ１とＭ２のドレイン同士は、共通にされた半導体基板及び裏面側のソース電極で相互に接続されている。このようにドレイン同士が接続された２つのＭＯＳＦＥＴＭ１とＭ２により、双方向に流れる電流を選択的にスイッチ（遮断）することができる。
【００２６】
図５には、上記図４のパワーＭＯＳＦＥＴチップを用いたパワーＭＯＳＦＥＴの一実施例の概略図が示されている。この実施例では上記図４のような２つのパワーＭＯＳＦＥＴに対応してパッケージ１００には次のような外部端子が設けられている。パッケージ１００の右側にはＭＯＳＦＥＴＭ１に対応してゲート端子１０３、検出端子１０４及びソース端子１０２が設けられる。パッケージの左側には追加されたＭＯＳＦＥＴＭ２に対応してゲート端子１１３及びソース端子１１２が設けられる。上記ソース電極Ｓ１（２０２）と上記ソース端子１０２との間はボンディングワイヤ１０５により接続され、上記ソース電極Ｓ２（３０２）と上記ソース端子１１２との間はボンディングワイヤ１１５により接続される。上記ゲート用の接続電極Ｇ１（２０３）とゲート端子１０３との間はボンディングワイヤにより接続され、ゲート用の接続電極Ｇ２（３０３）と上記ゲート端子１１３との間もボンディングワイヤにより接続される。そして、上記抵抗用の接続電極ＳＮ（２０４）と検出端子１０４との間も同様にボンディングワイヤにより接続される。
【００２７】
リチウムイオン電池では充電スイッチ用と放電スイッチ用の２個のパワーＭＯＳＦＥＴを、それぞれのドレインを共通として直列に接続して使用する。この実施例のパワーＭＯＳＦＥＴにおいては、電流のセンス端子はどちらか一方にあれば良いので、ＭＯＳＦＥＴＭ１側に電流のセンス端子１０４が設けられている。制限用抵抗Ｒ２（２０５）が接続されたソース電極Ｓ１（２０２）とソース端子１０２をつなぐボンディングワイヤ１０５が電池を流れる電流を検出するセンス抵抗Ｒ３となる。双方のパワーＭＯＳＦＥＴＭ１、Ｍ２にセンス端子を設けるのに比較してパワーＭＯＳＦＥＴのチップサイズを小さくすることができる。
【００２８】
図６には、この発明に係る電池監視装置の一実施例の全体構成図が示されている。この実施例の電池監視装置は、特に制限されないが、細長の実装基板に搭載された１つの半導体装置１ＰＫＧ、抵抗素子Ｒ１、コンデンサＣ１，Ｃ２及びエラーアンプＡＭＰ及びそれらを接続する配線により構成される。実装基板は、例えば、ガラス・エポキシ樹脂基板等からなる配線基板であり、電池パックの側面に搭載可能となるように細長くなっている。実装基板は、リチウムイオン二次電池等の電池パック側に接続される端子Ｂ＋、Ｂ−と、充電器又はラップトップ型マイクロコンピュータや携帯電話装置のような負荷側に接続される端子Ｐ＋，Ｐ−を有している。
【００２９】
上記半導体装置１ＰＫＧは、１つの搭載基板に監視ＩＣチップ（ＣＯＮＴ）とパワーＭＯＳＦＥＴチップ（ＳＷ）とが搭載され、ボンディングワイヤにより２つのチップ間及びチップと外部端子との間が接続される。上記パワーＭＯＳＦＥＴチップは、前記図５の実施例のパワーＭＯＳＦＥＴチップと同様に、直列形態に接続されたパワーＭＯＳＦＥＴＭ１，Ｍ２及び電流制限抵抗Ｒ２を有している。
【００３０】
監視ＩＣは、電源端子ＶＣＣと接地端子ＧＮＤを有する。ＩＤＴ端子は、過電流電圧検出入力、充電過電流検出入力及びＣＨＧ出力の負極（接地電位）側電源端子であり、放電電流が増加してＩＤＴ端子の入力電圧が過電流検出電圧、又は短絡電流検知電圧を超えると、ＤＣＨ出力がロウレベル（接地側電圧）になり、放電経路遮断用のＭＯＳＦＥＴＭ２のゲートをロウレベルにしてオフ状態にする。その後、入力電圧が上記過電流検出電圧以下になるとＤＣＨ出力がハイレベル（電源電圧）になり、上記ＭＯＳＦＥＴＭ２がオン状態になって過電流状態から復帰する。ＣＨＧ端子は、充電経路遮断用のＭＯＳＦＥＴＭ１のゲートに供給される制御信号を出力し、端子Ｂ＋，Ｂ−に接続される電池セルの電圧が正常のときにはハイレベル（ＶＣＣ）となり、上記ＭＯＳＦＥＴＭ１をオン状態にし、過充電状態または過大な充電電圧が検出されるとロウレベル（ＩＤＴ）になり、上記ＭＯＳＦＥＴＭ１をオフ状態にする。
【００３１】
上記半導体装置１ＰＫＧにおいて、監視ＩＣ（ＣＯＮＴ）の電源端子（電極）ＶＣＣと、それに対応した外部端子４０１は、ボンディングワイヤにより接続される。また、監視ＩＣの接地端子（電極）ＧＮＤと、それに対応した外部端子４０３は、ボンディングワイヤにより接続される。上記監視ＩＣのＤＣＨ出力（電極）は、ボンディングワイヤによりパワーＭＯＳＦＥＴチップ（ＳＷ）の放電経路遮断用のＭＯＳＦＥＴ（Ｍ２）のゲート電極３０３に直接接続される。上記監視ＩＣのＣＨＧ出力（電極）は、ボンディングワイヤによりパワーＭＯＳＦＥＴチップ（ＳＷ）の充電経路遮断用のＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１）のゲート電極２０３に直接接続される。
【００３２】
パワーＭＯＳＦＥＴチップ（ＳＷ）の放電経路遮断用のＭＯＳＦＥＴ（Ｍ２）のソース電極３０２は、電池パッグ側端子Ｂ−に接続されるソース端子１１２と複数のボンディングワイヤにより接続される。パワーＭＯＳＦＥＴチップ（ＳＷ）の充電経路遮断用のＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１）のソース電極２０２は、充電器／負荷側端子Ｐ−に接続されるソース端子１０２と複数のボンディングワイヤにより接続される。このボンディングワイヤは、抵抗Ｒ３としても用いられる。上記ＭＯＳＦＥＴＭ１のソース電極には、前記抵抗（Ｒ２）の一端と接続されており、抵抗（Ｒ２）他端側に接続された電極２０４は、ボンディングワイヤにより検出端子１０４に接続される。
【００３３】
上記監視ＩＣのＩＤＴ端子は、ボンディングワイヤにより電圧検出端子４０２に接続される。そして、外部において上記電圧検出端子４０２と上記検出端子１０４とが相互に接続される。また、上記検出端子１０４と上記ソース端子１０２との間の電圧は、エラーアンプＡＭＰに入力される。このエラーアンプＡＭＰの出力信号は、充電器／負荷側に設けられたセンス端子ＳＯに伝えられる。このセンス端子ＳＯの検知信号は、例えば前記のように電池の残量を知る等のために用いられる。
【００３４】
この実施例では、上記パワーＭＯＳＦＥＴ（ＳＷ）に内蔵された抵抗Ｒ２は、一方において上記エラーアンプＡＭＰの電流制限用抵抗としての役割と、上記監視ＩＣの保護抵抗としての役割とを持つようにされる。これによって、実装基板には、上記監視ＩＣのＩＤＴ端子に接続される保護抵抗を省略することができる。
【００３５】
上記監視ＩＣの電源端子４０１と接地端子４０３との間には、電源安定化のためのコンデンサＣ１が接続される。実装基板のＢ−とＰ−との間には、コンデンサＣ２が接続される。抵抗Ｒ１は、電圧端子Ｂ＋（Ｐ＋）と上記半導体装置１ＰＫＧの電源端子４０１の間に設けられる。
【００３６】
この実施例のように、監視ＩＣとパワーＭＯＳＦＥＴのパッケージ内での配置およびボンディングは、パワーＭＯＳＦＥＴチップ（ＳＷ）ゲート電極２０３，３０３は監視ＩＣ（ＣＯＮＴ）を配置する側にあるほうがボンディングがしやすくなる。センス端子１０４も監視ＩＣ側と接続する場合があるため、センス電極２０４とゲート電極２０３もパワーＭＯＳＦＥＴの同じ辺に配置するとボンディングがやりやすくなる。前記図４のパワーＭＯＳＦＥＴチップのように電流制限用抵抗Ｒ（２０５）をセンス電極２０４とゲート電極２０３付近に配置することでセンス電極２０４からパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１）のソース電極２０２までの配線の引き回しが少なく、パワーＭＯＳＦＥＴのチップサイズが最小となる設計が可能となる。
【００３７】
図７には、この発明に係る電池監視装置の他の一実施例の全体構成図が示されている。この実施例では上記図６にあるエラーアンプＡＭＰ及び充電器／負荷側に設けられたセンス端子ＳＯが取り除かれている。すなわち、電池残量を検出する機能が不要とされる電池パックに対応している。このとき、上記パワーＭＯＳＦＥＴチップ（ＳＷ）に内蔵された抵抗（Ｒ２）は、外部端子４０２と１０４同士を接続することによって監視ＩＣの保護抵抗としての役割を果たす。
【００３８】
この実施例のように、パワーＭＯＳＦＥＴとそれを制御する監視ＩＣとを一つのパッケージに搭載した場合、ＭＯＳＦＥＴを外部から直接制御することができない。しかし、上記外部端子４０２と１０４は実装基板に形成された配線により接続される構成では、半導体装置１ＰＫＧが組み立てられた時においては外部端子４０２と１０４は分離されている。これにより外部端子４０２からテスト用信号を入力することによってＭＯＳＦＥＴＭ１のオン／オフを制御する等が可能になり、ＭＯＳＦＥＴＭ１、Ｍ２に流れる電流が所望の特性を有するか否か試験等のために測定したい設定条件（ＭＯＳＦＥＴＭ１、Ｍ２のオン／オフ状態）を作り出すことができる。
【００３９】
つまり、監視ＩＣはＶＣＣ端子とＩＤＴ端子の予め設定された電圧を検出して、それぞれの状態に応じてＤＣＨ出力、ＣＨＧ出力のハイレベル／ロウレベルを形成してそれぞれＭＯＳＦＥＴＭ２、Ｍ１のゲートに供給する。この２端子（ＶＣＣ、ＩＤＴ）で多くの検出電圧（１０個前後）と各検出電圧に対するスパイク回避時間が設定されており、これらの入出力関係は複雑である。この実施例では監視ＩＣのＩＤＴパッドの繋ぎがないので殆どの項目の特性を測定することが可能となる。このことは前記図６の実施例の半導体装置１ＰＫＧにおいても同様である。上記のような全試験を実施することにより、小型化を図りつつ、高信頼性の電池監視装置を得ることができる。
【００４０】
図８には、この発明に係る電池監視装置の更に他の一実施例の全体構成図が示されている。この実施例では上記図７の実施例における上記検出端子１０４が削除されている。電極２０４は半導体装置１ＰＫＧの内部においてボンディングワイヤにより電圧検出端子４０２に接続される。これにより、検出端子１０４を削除しつつ上記図７同様の回路が実現される。この実施例では上記７図と比べて外部端子の数が少なくなり、かつ上記検出端子１０４と接続するための配線も必要でなくなるため、その分のコストが削減される。また、一つの端子に接続することで足りるため、製造により生じる不良の発生も抑えられる。また、テストも前期同様に可能である。
【００４１】
図９には、この発明に係る電池監視装置の更に他の一実施例の全体構成図が示されている。この実施例の電池監視装置は、上記半導体装置１ＰＫＧにおいて、監視ＩＣ（ＣＯＮＴ）の接地端子（電極）ＧＮＤに対応した外部端子４０３が省略される。つまり、監視ＩＣの接地電極ＧＮＤには、ボンディングワイヤを介してパワーＭＯＳＦＥＴ（ＳＷ）のソース端子１１２から接地電位が与えられる。このような半導体装置１ＰＫＧ内にて上記のような接続を行うことにより、前記図６〜図８等の実施例のように、上記監視ＩＣに対応した外部端子４０３と、それをパワーＭＯＳＦＥＴ（ＳＷ）のソース端子１１２に接続するような外部配線とを省略することができる。これにより、実装基板の更なる小型化等が可能になる。
【００４２】
図１０には、この発明に係るパワーＭＯＳＦＥＴチップの更に他の一実施例の概略平面図が示されている。この実施例では、前記図４と同様に１つの半導体基板上に２つのパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１）（Ｍ２）が形成される。この実施例では、前記図４と同様なセンス電極ＳＮ（２０４）に一端が接続された抵抗Ｒ（２０５）の他端には、接続電極ＳＮ２（２０７）に接続される。つまり、抵抗Ｒ（２０５）の上記他端を前記図４の実施例のように固定的にソース電極Ｓ１（２０２）に接続されるのではなく、上記のように新たに設けられた接続電極ＳＮ２（２０７）に接続される。前記図４と同じような構成する場合には、この接続電極ＳＮ２（２０７）は、ボンディングワイヤにより上記ゲート電極Ｓ１と接続される。
【００４３】
この実施例では、上記ボンディングワイヤにより上記抵抗Ｒ（２０５）の両端電極ＳＮ１（２０４）とＳＮ２（２０７）を任意の個所に接続することができる。つまり、パワーＭＯＳＦＥＴチップを他の制御用ＩＣ等と１つの半導体装置１ＰＫＧに組み込むときに、ボンディングワイヤの接続個所の選択により他の任意の役割を持たせることができる。
【００４４】
図１１には、この発明に係る電池監視装置の更に他の一実施例の全体構成図が示されている。この実施例の電池監視装置は、上記半導体装置１ＰＫＧにおいて、前記監視ＩＣ（ＣＯＮＴ）と前記図１０に示したようなパワーＭＯＳＦＥＴチップ（ＳＷ）とが組み込まれる。つまり、抵抗の一端の接続電極２０７は、ボンディングワイヤによりＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１）のゲート電極２０３に接続される。そして、抵抗の他端の接続電極２０４は、ボンディングワイヤにより監視ＩＣのＣＨＧ出力（電極）に接続される。
【００４５】
このようにパワーＭＯＳＦＥＴチップに設けられた抵抗を前記ＭＯＳＦＥＴＭ１のゲート電極に接続する保護抵抗として用いたので、監視ＩＣのＩＤＴ電極に接続された外部端子４０２と、上記ＭＯＳＦＥＴＭ１のソース端子１０２の間には、外部抵抗Ｒ２が設けられる。他の構成は、前記実施例７等と同様である。この実施例では、パワーＭＯＳＦＥＴＭ１のゲート保護のために抵抗を設ける場合に実装基板上に搭載される抵抗素子を削減することができる。
【００４６】
前記のような双方向の電流経路をスイッチするパワーＭＯＳＦＥＴにおいて、パワーＭＯＳＦＥＴチップに内蔵した抵抗素子を、１つの用途では前記パワーＭＯＳＦＥＴに流れる電流をセンスする場合のセンス端子に接続して、センス端子に接続されるエラーアンプ等の保護や、監視ＩＣと組み合わせたときのＩＤＴ端子に接続される電流制限抵抗として利用できる。他の１つの用途では、パワーＭＯＳＦＥＴのゲート保護抵抗に利用することができる。
【００４７】
図１２には、この発明に係る電池監視装置が搭載されたリチウムイオン二次電池パックの模式図が示されている。電池監視装置は、実装基板の裏面側に前記監視ＩＣと上記パワーＭＯＳＦＥＴチップが搭載された半導体装置１ＰＫＧと、前記抵抗及びコンデンサとが搭載される。表面側には、充電器／負荷に接続される電極Ｐ＋，Ｐ−が設けられる。また、前記図６の実施例のようにセンス端子ＳＯを持つものは、それに対応した電極が設けられる。
【００４８】
特に制限されないが、偏平形状のリチュウムイオン二次電池パックの上側側面に、前記電池監視装置が搭載される。電池監視装置の実装基板の裏面側の電極Ｂ＋，Ｂ−は、例えば薄い細長のアルミニュウム等からなる配線手段によりリチュウムイオン二次電池パック４１の正極と負極に接続される。電池パックの小型や薄型化のために、上記実装基板は小型あるいはより細長く形成される傾向にある。このため、前記のような実装基板に搭載される電子部品点数が少なくなること、及び配線が少なくなることは極めて有益である。
【００４９】
図１３には、この発明に係る電池監視装置の一実施例の説明図が示されている。図１３において、（Ａ）に裏面側が示され、（Ｂ）に上面側が示されている。（Ａ）の裏面図において、細長の実装基板の中央部分に前記監視ＩＣとパワーＭＯＳＦＥＴチップが搭載された半導体装置１ＰＫＧが搭載される。実装基板の両側には電池との接続に用いられる電極Ｂ−とＢ＋が設けられる。そして、上記電極Ｂ−，Ｂ＋と上記半導体装置１ＰＫＧの間のスペースに前記コンデンサＣ１，Ｃ２あるいは抵抗Ｒ１が搭載される。実際には、上記電極Ｂ−，Ｂ＋、コンデンサＣ１，Ｃ２及び抵抗Ｒ１と上記半導体装置１ＰＫＧとの間を接続するプリント配線も設けられが、同図ではプリント配線が省略されている。（Ｂ）の上側には、前記充電器／負荷に接続される電極Ｐ＋，Ｐ−が形成されている。
【００５０】
図１４には、この発明が適用された電池監視装置が搭載された電池パックの一実施例のブロック図示されている。この実施例は、リチウムイオン二次電池等の電池パックに適用される。この実施例の電池パックは、電池セルＣＥＬＬ、ヒューズＦＵＳと電池監視装置から構成される。電池監視装置は、前記監視ＩＣチップ（ＣＯＮＴ）とパワーＭＯＳＦＥＴチップ（ＳＷ）とが搭載された１つの半導体装置１ＰＫＧと、それに抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１，Ｃ２が接続されて構成される。上記パワーＭＯＳＦＥＴチップ（ＳＷ）は、直列形態に接続された２つのパワーＭＯＳＦＥＴＭ１、Ｍ２と前記電流制限用抵抗Ｒ２を有している。電池セルＣＥＬＬの正極＋は、ヒューズＦＵＳを介して電池パックの正極端子Ｐ＋に接続される。電池セルＣＥＬＬの負極−は、パワーＭＯＳＦＥＴＭ２のソースと、監視ＩＣの接地端子ＧＮＤに接続される。パワーＭＯＳＦＥＴＭ２のドレインは、パワーＭＯＳＦＥＴＭ１のドレインと接続される。パワーＭＯＳＦＥＴＭ１のソースは、電池パックの負極端子Ｐ−に接続される。電池パックの正極端子Ｐ＋と負極端子Ｐ−には、充電器あるいは負荷が接続される。
【００５１】
図１５には、この発明が適用された電池監視装置が搭載された電池パックの他の一実施例のブロック図示されている。電池残量の検知出力ＳＯが設けられる。前記図６のような実施例とは異なり、ＭＯＳＦＥＴＭ１とＭ２の位置が入れ換えられる。この場合、ＭＯＳＦＥＴＭ１のソースに挿入された抵抗Ｒ３は、電池セルＣＥＬＬの負極−側に接続されることになる。これに対応して、エラーアンプＡＭＰの両入力には、上記抵抗Ｒ３の電圧降下を検知すべく、上記負極−側と、上記ＭＯＳＦＥＴＭ１のソースとの間の電圧差を抵抗Ｒ（前記電流制限抵抗２０５）を介した電圧が供給される。この実施例では、上記抵抗Ｒは、エラーアンプＡＭＰの保護抵抗としての役割しか持たないので、監視ＩＣのＩＤＴ端子には、保護用抵抗Ｒ２が外付部品として設けられる。
【００５２】
図１６は、前記監視ＩＣの一実施例のブロック図が示されている。この実施例の監視ＩＣは、特に制限されないが、基準電圧発生回路、制御回路、前記ＤＣＨ端子、ＣＨＧ端子に対応した駆動回路、上限電圧検山回路、下限電圧検出回路、発振器、発振器の発振パルスで動作する過充電タイマ、過放電タイマ、過電流タイマ、充電器電圧検出回路、放電電流，充電電流検出回路などから構成される。前記基準電圧発生回路で形成された基準電圧は、上記上限電圧検出回路、下限電圧検出回路、充電器電圧、放電電流、充電電流の各電圧検出回路の検出動作の基準として用いられる。
【００５３】
この監視ＩＣは、電池側の過大な充電状態を上限電圧検出回路で監視し、過大な放電状態を下限電圧検出回路で監視している。充電器の異常状態を充電器電圧検出回路、充電電流検出回路で監視し、負荷側の異常状態を放電電流検出回路で監視している。このような異常状態を検知すると、異常状態に応じた遅延時間をタイマ（過充電タイマ、過放電タイマ、過電流タイマ）で形成し、制御回路によりＤＣＨ信号を形成し、駆動回路を通してＤＣＨ出力を前記パワーＭＯＳＦＥＴＭ２のゲートに伝えてオフ状態にし、あるいはＣＨＧ信号を形成し、駆動回路を通してＣＨＧ出力を前記パワーＭＯＳＦＥＴＭ１のゲートに伝えてオフ状態にする。
【００５４】
以上説明した本願発明に係る電池監視装置は、監視ＩＣチップと上記パワーＭＯＳＦＥＴチップを一つのパッケージに封止することで、実装基板での配線が少なくなり実装基板の配線パターンの引き回しが容易となる。この結果、実装不良の低減が可能となり信頼性の向上が図られる。そして、監視ＩＣやエラーアンプＡＭＰに対して異常電圧が印加されることによる破壊を防止する外付部品数が減り、かかる電流制限抵抗Ｒ２を半導体装置１ＰＫＧ内で接続する構成とするために、実装基板と監視ＩＣ等との接続数が減ることとなり、素子トータルコストの低減が実現できる。この構成は、監視ＩＣやパワーＭＯＳＦＥＴの端子を半導体装置１ＰＫＧの外部ピンに出す必要が無くなる。あるいは外部ピンを出した場合でも配線長が短くなる。この結果、監視ＩＣやパワーＭＯＳＦＥＴが外部からのノイズ（静電気、電波ノイズ等）の影響を受けにくいという利点ももたらす。また、実装基板の軽量化、小型化が可能になる。
【００５５】
パワーＭＯＳＦＥＴは、前記のような監視ＩＣと組み合わせるものの他、単独のパワーＭＯＳＦＥＴとしても利用できる。この場合、図１の実施例ではＭＯＳＦＥＴに流れる電流を検知する機能を有するので、エラーアンプ等を付加することにより、ＭＯＳＦＥＴに流れる電流を簡単に検知できる。パワーＭＯＳＦＥＴとしては、各種保護回路を内蔵したものも存在するが、保護回路をパワーＭＯＳＦＥＴに搭載すると検知電流が限定される等ように用途が限定される。これに対して、エラーアンプ等を付加する構成では、前記のような微小電流を検知するために用いることができるし、その反対にＭＯＳＦＥＴを破壊してしまうような過大電流を検知するためにも用いることができる。
【００５６】
以上本発明者によってなされた発明を、前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。電池監視装置は、前記監視ＩＣと２つのパワーＭＯＳＦＥＴチップとの組み合わせであってもよい。このうちの１つのパワーＭＯＳＦＥＴチップは、前記図１のようなセンス端子を持つものとすればよい。監視ＩＣは、前記のような充放電制御を行うものであれば何であってもよい。パワーＭＯＳＦＥＴチップ又はパワーＭＯＳＦＥＴは、前記電池監視装置の他、電流検知機能を持つパワーＭＯＳＦＥＴチップ又はパワーＭＯＳＦＥＴとして広く利用できる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
電流センス機能を持つパワーＭＯＳＦＥＴ及びリチウムイオン二次電池等のような各種二次電池に設けられる電池監視装置として広く利用できる。
【符号の説明】
【００５８】
１００…パッケージ、１０１…ドレイン端子、１０２，１１２…ソース端子、１０３，１１３…ゲート端子、１０４…検出端子、１０５〜１０７，１１５…ボンディングワイヤ、２００，ＳＷ…パワーＭＯＳＦＥＴチップ、２０１，２０５，Ｒ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３…抵抗素子、２０２，３０２，Ｓ１，Ｓ２…ソース電極、２０３，３０３，Ｇ１，Ｇ２…ゲート電極、２０４，ＳＮ…抵抗用の接続電極、２０６…ツェナーダイオード、２０７，ＳＮ２…接続電極、２１０…半導体基板、２１１…Ｐ型拡散層、２１２…Ｎ型拡散層、２１３…ゲート絶縁膜、２１４…ゲート電極、４０１，４０３…外部端子、４０２…電圧検出端子、ＡＭＰ…エラーアンプ、Ｍ１，Ｍ２…パワーＭＯＳＦＥＴ、Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ、Ｂ＋，Ｂ−…電極、Ｐ＋…正極端子、Ｐ−…負極端子、ＣＯＮＴ…監視ＩＣチップ、ＶＣＣ…電源端子、ＧＮＤ…接地端子、ＳＯ…センス端子、ＣＥＬＬ…電池セル、ＦＵＳ…ヒューズ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パワーＭＯＳＦＥＴと電池監視装置に関し、例えば例えばリチウムイオン二次電池に利用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、電池の過充電及び過放電等を監視する電池監視装置が設けられる。本願出願人においては、先に特開２００６−２０８１５２号公報において、信頼性の改善に向けた電池監視装置を提案している。同公報に記載の電池監視装置は、細長の実装基板に監視ＩＣとパワーＭＯＳＦＥＴ及び抵抗やコンデンサ等が搭載されて構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２０８１５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１７には、本願発明に先立って検討された電池パックの概略ブロック図が示されている。抵抗Ｒ２は監視ＩＣを外部から過電圧が加えられたときに監視ＩＣに過電流が流れて破壊するのを防止する抵抗である。抵抗Ｒ３は電流検出用で、そこに発生する電圧をエラーアンプＡＭＰで検知し、充電器又は負荷側に検知信号ＳＯを出力する。この検知信号ＳＯは、例えば電池の残量を知るために用いられる。この抵抗Ｒ３は、監視ＩＣやパワーＭＯＳＦＥＴとは別に前記実装基盤に搭載された外部素子とされる。上記抵抗Ｒ３を監視ＩＣやパワーＭＯＳＦＥＴ上に取り込もうとした場合、抵抗Ｒ３には大きな電流（１Ａから１０Ａ程度）が流れることを考慮する必要があるので、モノリシックＩＣのチップに入れることは困難である。また、抵抗Ｒ２を監視ＩＣに内蔵することは、チップサイズの増大となり、コストが上がるデメリットがある。
【０００５】
上記抵抗Ｒ３は、半導体上に形成するのではなく、ボンディングワイヤを使用することを検討した。図１８において、１００はスイッチ素子としてのパッケージである。１０１は、上記パッケージ１００の裏面側に設けられるドレイン端子であり、１０２はソース端子であり、１０３はゲート端子である。２００はパワーＭＯＳＦＥＴを構成する半導体チップである。上記半導体チップ２００のゲート電極２０３は、ボンディングワイヤ１０６によって上記ゲート端子１０３に接続される。上記半導体チップ２００のソース電極２０２は、ボンディングワイヤ１０３によって上記ソース端子１０２に接続される。
【０００６】
図１８のように、パワーＭＯＳＦＥＴのソース電極２０２とソース端子１０２との間を接続するボンディングワイヤ１０５の抵抗成分を利用して電流検出抵抗Ｒ３として用いる。このようなボンディングワイヤ１０５を使用すると大電流を流すことが出来、さらに抵抗値をボンディングワイヤ１０５の長さで調整ができるメリットがある。このようなボンディングワイヤ１０５で抵抗Ｒ３を構成する場合には、検出端子１０４が設けられる。つまり、検出端子１０４とソース端子１０２の間の差電圧を高入力インピーダンスのエラーアンプＡＭＰで検出することができる。
【０００７】
しかしながら、パワーＭＯＳＦＥＴは大きな電流を流す能力を有するため、電池パック端子Ｐ＋，Ｐ−に、本来とは異なる充電器が接続される等によって予期しない過大な電圧が印加された場合など、上記パワーＭＯＳＦＥＴの検出端子１０４側にも大きな電流が流れることになる。このように検出端子１０４にも大きな電流が流れると、それに接続されるエラーアンプＡＭＰが壊れたり、検出用ワイヤ１０７が焼損したりしてしまう可能性がある。電池パックの信頼性を確保するためには、検出端子１０４とエラーアンプＡＭＰの間に電流制限用の抵抗が必要となるので、部品点数が増加してしまうという問題が生じる。また、前記のように電池監視装置は、電池パックの小型化や高機能化等に向けて部品点数の削減が有益である。
【０００８】
この発明の目的は、信頼性と新規機能を実現したパワーＭＯＳＦＥＴを提供することにある。この発明の他の目的は、部品点数の削減や多機能化を可能とした電池監視装置を提供することにある。この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願において開示される１つの実施例は、以下の通りである。パワーＭＯＳＦＥＴは、半導体基板の第１主面に形成されたソース領域となる半導体領域及びソース電極と、上記半導体基板の第２主面に形成されたドレイン領域となる半導体領域及びドレイン電極と、上記半導体基板の第１主面と第２主面間の厚み方向に流れる電流を制御するよう形成されたゲート絶縁膜及び上記第１主面側に第１接続電極が設けられたゲート電極を有する。上記第１主面側には、一端が上記ソース電極に接続可能にされ、他端が第２接続電極に接続された抵抗素子が設けられる。ソース端子と上記ソース電極とが第１ボンディングワイヤにより接続される。ゲート端子と上記ゲート電極の接続電極が第２ボンディングワイヤにより接続される。検出端子と上記第２接続電極とが第３ボンディングワイヤにより接続される。上記ソース端子、ゲート端子、ドレイン端子及び検出端子が外部端子とされる。
【００１０】
本願において開示される他の１つの実施例は、以下の通りである。電池監視装置は、実装基板に搭載された半導体装置とを有する。上記半導体装置は、監視すべき電池の充放電経路に挿入されたパワーＭＯＳＦＥＴが形成されたパワーＭＯＳＦＥＴチップと、上記パワーＭＯＳＦＥＴのスイッチ制御信号を形成し、かかるパワーＭＯＳＦＥＴで発生する電圧を検出する電圧検出電極を有する監視ＩＣチップが搭載基板に搭載される。上記パワーＭＯＳＦＥＴチップは、半導体基板の第１主面において形成されたソース領域となる半導体領域及びソース電極と、半導体基板の第２主面において形成されたドレイン領域となる半導体領域及びドレイン電極と、上記半導体基板の第１主面と第２主面間の厚み方向に流れる電流を制御するよう形成されたゲート絶縁膜及び上記第１主面側に第１接続電極が設けられたゲート電極とを有する。上記第１主面側には、一端が上記ソース電極に接続可能にされ、他端が第２接続電極に接続された抵抗素子が設けられる。搭載基板のソース端子と上記ソース電極が第１ボンディングワイヤにより接続され、上記第１接続電極と上記監視ＩＣの対応する制御信号が出力される電極とが第２ボンディングワイヤにより接続され、上記第２接続電極と上記検出端子とが第３ボンディングワイヤにより接続され、上記電圧検出電極と上記電圧検出端子とが第４ボンディングワイヤにより接続される。上記ソース端子、検出端子及び上記電圧検出端子は、それぞれ上記半導体装置の外部端子に接続され、上記検出端子と上記電圧検出端子とは半導体装置の外部で接続される。
【発明の効果】
【００１１】
第１ボンディングワイヤに流れる電流で発生した電圧を検出端子とソース端子を用いて検知可能としつつ、上記抵抗素子を、上記電圧検出を行うエラーアンプの保護抵抗等とするように信頼性と新規機能を実現したパワーＭＯＳＦＥＴが得られる。上記パワーＭＯＳＦＥＴを電池監視装置に適用して部品点数の削減や多機能化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明に係るパワーＭＯＳＦＥＴの一実施例の概略図である。
【図２】図１のパワーＭＯＳＦＥＴチップの一実施例の概略説明図である。
【図３】この発明に係るパワーＭＯＳＦＥＴを用いた電流スイッチ回路の一実施例の回路図である。
【図４】この発明に係るパワーＭＯＳＦＥＴチップの他の一実施例の概略平面図である。
【図５】図４のパワーＭＯＳＦＥＴチップを用いたパワーＭＯＳＦＥＴの一実施例の概略図である。
【図６】この発明に係る電池監視装置の一実施例の全体構成図である。
【図７】この発明に係る電池監視装置の他の一実施例の全体構成図である。
【図８】この発明に係る電池監視装置の他の一実施例の全体構成図である。
【図９】この発明に係る電池監視装置の他の一実施例の全体構成図である。
【図１０】この発明に係るパワーＭＯＳＦＥＴチップの更に他の一実施例の概略平面図である。
【図１１】この発明に係る電池監視装置の他の一実施例の全体構成図である。
【図１２】この発明に係る電池監視装置が搭載されたリチウムイオン二次電池パックの模式図である。
【図１３】この発明に係る電池監視装置の一実施例の説明図である。
【図１４】この発明が適用された電池監視装置が搭載された電池パックの一実施例のブロック図である。
【図１５】この発明が適用された電池監視装置が搭載された電池パックの他の一実施例のブロック図である。
【図１６】この発明に係る監視ＩＣの一実施例のブロック図である。
【図１７】本願発明に先立って検討された電池パックの概略ブロック図である。
【図１８】本願発明に先立って検討されたパワーＭＯＳＦＥＴの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
添付の図面に沿って、この発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【実施例】
【００１４】
図１には、この発明に係るパワーＭＯＳＦＥＴの一実施例の概略図が示されている。同図においては、パッケージ１００にパワーＭＯＳＦＥＴチップ２００を組み立てた状態が透視して表している。パワーＭＯＳＦＥＴチップ１００は、第１主面側にソース電極２０２、ゲート用の接続電極２０３、抵抗素子２０１、抵抗用の接続電極２０４が形成される。抵抗２０５は、一端が上記ソース電極２０２に接続され、他端が上記接続電極２０４に接続される。この抵抗２０５は、後述するような電流制限用であり、数ＫΩ〜数十ＫΩ程度の抵抗値にされる。
【００１５】
パッケージ１００は、同図の表面側である第１主面側にソース端子１０２、ゲート端子１０３及び検出端子１０４を有する。同図の裏面側である第２主面側には、点線で示したようにドレイン端子１０１が設けられる。上記ソース電極と上記ソース端子との間は、パワーＭＯＳＦＥＴのソース−ドレイン間に流れる大きな電流を流すことができるよう複数本からなるボンディングワイヤ１０５が設けられる。上記ゲート用の接続電極２０３と上記ゲート端子１０３との間は、ボンディングワイヤ１０６により接続される。そして、上記抵抗用の接続電極２０４と検出端子１０４との間は、ボンディングワイヤ１０７により接続される。上記ソース端子１０２、ゲート端子１０３及び検出端子１０４と、裏面側のドレイン端子１０１は、それぞれがパッケージ１００の外部端子に接続されている。
【００１６】
図２には、図１のパワーＭＯＳＦＥＴチップの一実施例の概略説明図が示されている。図２（Ａ）は、概略断面図であり、図２（Ｂ）は、その等価回路図である。図２（Ａ）において、パワーＭＯＳＦＥＴは、特に制限されないが、トレンチ構造のＭＯＳＦＥＴとされる。ＭＯＳＦＥＴのドレイン領域となる単結晶シリコンのようなＮ型半導体基板２１０上に、ＭＯＳＦＥＴのチャネル層となるＰ型拡散層２１１が形成される。このＰ型拡散層２１１の上には、ＭＯＳＦＥＴのソース領域となるＮ型拡散層２１２が形成される。特に制限されないが、高濃度にされるＮ型半導体基板上に、低濃度Ｎ型エピタキシャル層が形成され、このエピタキシャル層に、上記Ｐ型拡散層２１１が形成され、更にその上部に高濃度のＮ型拡散層２１２が拡散形成される。ドレイン領域２１０は、高耐圧化等のために上記高濃度のＮ型半導体基板及びその上に形成された上記低濃度Ｎ型エピタキシャル層とで構成される。
【００１７】
上記チャネル層としてのＰ型拡散層２１１を貫通し、上記ドレイン領域（エピタキシャル層）２１０に達するよう溝（トレンチ）が形成され、この溝の内側に熱酸化により薄いゲート酸化膜２１３が形成される。そして、上記溝のゲート絶縁膜２１３の内側に導電性のポリシリコンが充填されて、所定の形状にパターンニングされてゲート電極２１４が形成される。このゲート電極２１４は、図示しないが、平面的にみるとストライプ状ハニカム形状、あるいは櫛形状や格子状に形成される。
【００１８】
この実施例では、上記ゲート電極２１４とソース領域２１２の間には、保護素子としてのツェナーダイオード２０６が設けられる。また、上記ソース領域２１２にはポリシリコンで形成された抵抗２０５の一端が接続される。電極２０２，２０３は、アルミニュウム等で構成され、電極及び接続配線とされる。上記ストライプ状ハニカム形状、あるいは櫛形状や格子状部において、ゲート電極２１４同士を接続する配線（２０２）と、ソース領域２１２同士を接続する配線（２０３）は、窒化シリコン膜のような絶縁膜により電気的に分離されている。半導体基板２１０は、ドレイン領域として用いられ、裏面側にドレイン電極となる導体層２０１が全体的に形成されている。図示しないけれども、ＭＯＳＦＥＴのチャネル層となるＰ型拡散層２１１は、上記ソース電極２０２に接続されてチャネル層にバイアス電圧が与えられる。
【００１９】
図２（Ｂ）の等価回路図に示されているように、この実施例のパワーＭＯＳＦＥＴチップは、ＭＯＳＦＥＴを構成するドレイン電極２０１、ゲート接続電極２０３、及びソース接続電極２０２の他に、ゲート，ソース間に設けられたツェナーダイオード２０６、及びソースと検出電極２０４の間に設けられた抵抗２０５（Ｒ２）を有する。なお、このパワーＭＯＳＦＥＴが図１のような搭載基板１００に搭載されたときには、外部端子であるソース端子と上記ソース接続電極２０２との間にボンディングワイヤ１０５が設けられるので、かかるボンディングワイヤ２０５が前記抵抗Ｒ３に利用される。
【００２０】
この実施例では、パワーＭＯＳＦＥＴチップ上に検出端子に接続される新たなパッド２０４が設けられ、電流制限抵抗２０５を介してパワーＭＯＳＦＥＴのソース２０２に繋がる。この電流制限抵抗２０５は、トレンチ構造のパワーＭＯＳＦＥＴの製造プロセスにおけるポリシリコンや半導体の拡散抵抗等を用いて容易に実現できる。
【００２１】
前記図１８に示したように、トレンチ構造のパワーＭＯＳＦＥＴは、ソースパッド２０２は多数のＭＯＳＦＥＴのセルのソース電極をアルミニュウム（ＡＬ）等のような配線で一つに接続した構造である。このソース２０２電極に対して、新たに設けられた検出端子２０４に接続するワイヤをボンディングすることは容易である。しかし、このようにすると前述した検出端子の過電流による破壊に対する保護効果は得られない。このため、この実施例では、パワーＭＯＳＦＥＴチップ２００において、ソースパッド２０２と検出用パッド２０４との間に電流制限抵抗２０５が内蔵される。
【００２２】
図３には、この発明に係るパワーＭＯＳＦＥＴを用いた電流スイッチ回路の一実施例の回路図が示されている。この実施例のパワーＭＯＳＦＥＴは、ドレイン端子１０１、ゲート端子１０３、及びソース端子１０２の他に、センス（検出）端子１０４を備えており、ＭＯＳＦＥＴのソース電極２０２とソース端子１０２との間には、前記ボンディングワイヤ１０５で構成された抵抗Ｒ３が設けられる。また、上記センス端子１０４と上記ソース電極２０２との間には、電流制限抵抗Ｒ２（２０５）が設けられる。
【００２３】
上記ＭＯＳＦＥＴのドレイン（１０１）−ソース（１０２）経路に流れる電流は、上記ボンディングワイヤ１０７で構成された抵抗Ｒ３の電圧降下を、上記ソース端子１０２とセンス端子１０４との間に設けられたエラーアンプＡＭＰで検出することにより監視することができる。例えば、前記のように電池の残量を知るために用いられる。電池の残量が少なくなり、それに対応して流れる電流が小さくなることを検出することができる。逆に、エラーアンプＡＭＰの設定により、上記パワーＭＯＳＦＥＴの許容電流を超えるような電流が流れることを検知し、この検出信号を負荷回路側に伝えて電流経路を遮断させる等のような機能を付加することもできる。
【００２４】
この実施例のように、パワーＭＯＳＦＥＴに流れる電流を検知するための抵抗Ｒ３を半導体上に作成するのではなく、パッケージのボンディングワイヤを使用することにより、ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース経路を通して大電流を流すことが出来、さらに抵抗値をボンディングワイヤ２０５の長さで調整ができるメリットがある。そして、前記電流制限抵抗Ｒ２（２０５）を内蔵させることにより、誤って予期しない過大な電圧が印加された場合などにおいても、エラーアンプＡＭＰが壊れたり、検出用ワイヤ１０７が焼損したりしてしまうことが防止できる。
【００２５】
図４には、この発明に係るパワーＭＯＳＦＥＴチップの他の一実施例の概略平面図が示されている。この実施例では、１つの半導体基板上に２つのパワーＭＯＳＦＥＴが形成される。１つのパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１）は、前記図１と同様なゲート電極Ｇ１（２０３）、ソース電極Ｓ１（２０２）とセンス電極ＳＮ（２０４）及びセンス電極ＳＮ（２０４）とゲート電極（２０２）との間に設けられた抵抗Ｒ（２０５）を有している。他の１つのＭＯＳＦＥＴ（Ｍ２）は、上記図１と同様なゲート電極Ｇ２（３０３）、ソース電極Ｓ２（３０２）を有している。上記２つのＭＯＳＦＥＴＭ１とＭ２のドレイン同士は、共通にされた半導体基板及び裏面側のソース電極で相互に接続されている。このようにドレイン同士が接続された２つのＭＯＳＦＥＴＭ１とＭ２により、双方向に流れる電流を選択的にスイッチ（遮断）することができる。
【００２６】
図５には、上記図４のパワーＭＯＳＦＥＴチップを用いたパワーＭＯＳＦＥＴの一実施例の概略図が示されている。この実施例では上記図４のような２つのパワーＭＯＳＦＥＴに対応してパッケージ１００には次のような外部端子が設けられている。パッケージ１００の右側にはＭＯＳＦＥＴＭ１に対応してゲート端子１０３、検出端子１０４及びソース端子１０２が設けられる。パッケージの左側には追加されたＭＯＳＦＥＴＭ２に対応してゲート端子１１３及びソース端子１１２が設けられる。上記ソース電極Ｓ１（２０２）と上記ソース端子１０２との間はボンディングワイヤ１０５により接続され、上記ソース電極Ｓ２（３０２）と上記ソース端子１１２との間はボンディングワイヤ１１５により接続される。上記ゲート用の接続電極Ｇ１（２０３）とゲート端子１０３との間はボンディングワイヤにより接続され、ゲート用の接続電極Ｇ２（３０３）と上記ゲート端子１１３との間もボンディングワイヤにより接続される。そして、上記抵抗用の接続電極ＳＮ（２０４）と検出端子１０４との間も同様にボンディングワイヤにより接続される。
【００２７】
リチウムイオン電池では充電スイッチ用と放電スイッチ用の２個のパワーＭＯＳＦＥＴを、それぞれのドレインを共通として直列に接続して使用する。この実施例のパワーＭＯＳＦＥＴにおいては、電流のセンス端子はどちらか一方にあれば良いので、ＭＯＳＦＥＴＭ１側に電流のセンス端子１０４が設けられている。制限用抵抗Ｒ２（２０５）が接続されたソース電極Ｓ１（２０２）とソース端子１０２をつなぐボンディングワイヤ１０５が電池を流れる電流を検出するセンス抵抗Ｒ３となる。双方のパワーＭＯＳＦＥＴＭ１、Ｍ２にセンス端子を設けるのに比較してパワーＭＯＳＦＥＴのチップサイズを小さくすることができる。
【００２８】
図６には、この発明に係る電池監視装置の一実施例の全体構成図が示されている。この実施例の電池監視装置は、特に制限されないが、細長の実装基板に搭載された１つの半導体装置１ＰＫＧ、抵抗素子Ｒ１、コンデンサＣ１，Ｃ２及びエラーアンプＡＭＰ及びそれらを接続する配線により構成される。実装基板は、例えば、ガラス・エポキシ樹脂基板等からなる配線基板であり、電池パックの側面に搭載可能となるように細長くなっている。実装基板は、リチウムイオン二次電池等の電池パック側に接続される端子Ｂ＋、Ｂ−と、充電器又はラップトップ型マイクロコンピュータや携帯電話装置のような負荷側に接続される端子Ｐ＋，Ｐ−を有している。
【００２９】
上記半導体装置１ＰＫＧは、１つの搭載基板に監視ＩＣチップ（ＣＯＮＴ）とパワーＭＯＳＦＥＴチップ（ＳＷ）とが搭載され、ボンディングワイヤにより２つのチップ間及びチップと外部端子との間が接続される。上記パワーＭＯＳＦＥＴチップは、前記図５の実施例のパワーＭＯＳＦＥＴチップと同様に、直列形態に接続されたパワーＭＯＳＦＥＴＭ１，Ｍ２及び電流制限抵抗Ｒ２を有している。
【００３０】
監視ＩＣは、電源端子ＶＣＣと接地端子ＧＮＤを有する。ＩＤＴ端子は、過電流電圧検出入力、充電過電流検出入力及びＣＨＧ出力の負極（接地電位）側電源端子であり、放電電流が増加してＩＤＴ端子の入力電圧が過電流検出電圧、又は短絡電流検知電圧を超えると、ＤＣＨ出力がロウレベル（接地側電圧）になり、放電経路遮断用のＭＯＳＦＥＴＭ２のゲートをロウレベルにしてオフ状態にする。その後、入力電圧が上記過電流検出電圧以下になるとＤＣＨ出力がハイレベル（電源電圧）になり、上記ＭＯＳＦＥＴＭ２がオン状態になって過電流状態から復帰する。ＣＨＧ端子は、充電経路遮断用のＭＯＳＦＥＴＭ１のゲートに供給される制御信号を出力し、端子Ｂ＋，Ｂ−に接続される電池セルの電圧が正常のときにはハイレベル（ＶＣＣ）となり、上記ＭＯＳＦＥＴＭ１をオン状態にし、過充電状態または過大な充電電圧が検出されるとロウレベル（ＩＤＴ）になり、上記ＭＯＳＦＥＴＭ１をオフ状態にする。
【００３１】
上記半導体装置１ＰＫＧにおいて、監視ＩＣ（ＣＯＮＴ）の電源端子（電極）ＶＣＣと、それに対応した外部端子４０１は、ボンディングワイヤにより接続される。また、監視ＩＣの接地端子（電極）ＧＮＤと、それに対応した外部端子４０３は、ボンディングワイヤにより接続される。上記監視ＩＣのＤＣＨ出力（電極）は、ボンディングワイヤによりパワーＭＯＳＦＥＴチップ（ＳＷ）の放電経路遮断用のＭＯＳＦＥＴ（Ｍ２）のゲート電極３０３に直接接続される。上記監視ＩＣのＣＨＧ出力（電極）は、ボンディングワイヤによりパワーＭＯＳＦＥＴチップ（ＳＷ）の充電経路遮断用のＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１）のゲート電極２０３に直接接続される。
【００３２】
パワーＭＯＳＦＥＴチップ（ＳＷ）の放電経路遮断用のＭＯＳＦＥＴ（Ｍ２）のソース電極３０２は、電池パッグ側端子Ｂ−に接続されるソース端子１１２と複数のボンディングワイヤにより接続される。パワーＭＯＳＦＥＴチップ（ＳＷ）の充電経路遮断用のＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１）のソース電極２０２は、充電器／負荷側端子Ｐ−に接続されるソース端子１０２と複数のボンディングワイヤにより接続される。このボンディングワイヤは、抵抗Ｒ３としても用いられる。上記ＭＯＳＦＥＴＭ１のソース電極には、前記抵抗（Ｒ２）の一端と接続されており、抵抗（Ｒ２）他端側に接続された電極２０４は、ボンディングワイヤにより検出端子１０４に接続される。
【００３３】
上記監視ＩＣのＩＤＴ端子は、ボンディングワイヤにより電圧検出端子４０２に接続される。そして、外部において上記電圧検出端子４０２と上記検出端子１０４とが相互に接続される。また、上記検出端子１０４と上記ソース端子１０２との間の電圧は、エラーアンプＡＭＰに入力される。このエラーアンプＡＭＰの出力信号は、充電器／負荷側に設けられたセンス端子ＳＯに伝えられる。このセンス端子ＳＯの検知信号は、例えば前記のように電池の残量を知る等のために用いられる。
【００３４】
この実施例では、上記パワーＭＯＳＦＥＴ（ＳＷ）に内蔵された抵抗Ｒ２は、一方において上記エラーアンプＡＭＰの電流制限用抵抗としての役割と、上記監視ＩＣの保護抵抗としての役割とを持つようにされる。これによって、実装基板には、上記監視ＩＣのＩＤＴ端子に接続される保護抵抗を省略することができる。
【００３５】
上記監視ＩＣの電源端子４０１と接地端子４０３との間には、電源安定化のためのコンデンサＣ１が接続される。実装基板のＢ−とＰ−との間には、コンデンサＣ２が接続される。抵抗Ｒ１は、電圧端子Ｂ＋（Ｐ＋）と上記半導体装置１ＰＫＧの電源端子４０１の間に設けられる。
【００３６】
この実施例のように、監視ＩＣとパワーＭＯＳＦＥＴのパッケージ内での配置およびボンディングは、パワーＭＯＳＦＥＴチップ（ＳＷ）ゲート電極２０３，３０３は監視ＩＣ（ＣＯＮＴ）を配置する側にあるほうがボンディングがしやすくなる。センス端子１０４も監視ＩＣ側と接続する場合があるため、センス電極２０４とゲート電極２０３もパワーＭＯＳＦＥＴの同じ辺に配置するとボンディングがやりやすくなる。前記図４のパワーＭＯＳＦＥＴチップのように電流制限用抵抗Ｒ（２０５）をセンス電極２０４とゲート電極２０３付近に配置することでセンス電極２０４からパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１）のソース電極２０２までの配線の引き回しが少なく、パワーＭＯＳＦＥＴのチップサイズが最小となる設計が可能となる。
【００３７】
図７には、この発明に係る電池監視装置の他の一実施例の全体構成図が示されている。この実施例では上記図６にあるエラーアンプＡＭＰ及び充電器／負荷側に設けられたセンス端子ＳＯが取り除かれている。すなわち、電池残量を検出する機能が不要とされる電池パックに対応している。このとき、上記パワーＭＯＳＦＥＴチップ（ＳＷ）に内蔵された抵抗（Ｒ２）は、外部端子４０２と１０４同士を接続することによって監視ＩＣの保護抵抗としての役割を果たす。
【００３８】
この実施例のように、パワーＭＯＳＦＥＴとそれを制御する監視ＩＣとを一つのパッケージに搭載した場合、ＭＯＳＦＥＴを外部から直接制御することができない。しかし、上記外部端子４０２と１０４は実装基板に形成された配線により接続される構成では、半導体装置１ＰＫＧが組み立てられた時においては外部端子４０２と１０４は分離されている。これにより外部端子４０２からテスト用信号を入力することによってＭＯＳＦＥＴＭ１のオン／オフを制御する等が可能になり、ＭＯＳＦＥＴＭ１、Ｍ２に流れる電流が所望の特性を有するか否か試験等のために測定したい設定条件（ＭＯＳＦＥＴＭ１、Ｍ２のオン／オフ状態）を作り出すことができる。
【００３９】
つまり、監視ＩＣはＶＣＣ端子とＩＤＴ端子の予め設定された電圧を検出して、それぞれの状態に応じてＤＣＨ出力、ＣＨＧ出力のハイレベル／ロウレベルを形成してそれぞれＭＯＳＦＥＴＭ２、Ｍ１のゲートに供給する。この２端子（ＶＣＣ、ＩＤＴ）で多くの検出電圧（１０個前後）と各検出電圧に対するスパイク回避時間が設定されており、これらの入出力関係は複雑である。この実施例では監視ＩＣのＩＤＴパッドの繋ぎがないので殆どの項目の特性を測定することが可能となる。このことは前記図６の実施例の半導体装置１ＰＫＧにおいても同様である。上記のような全試験を実施することにより、小型化を図りつつ、高信頼性の電池監視装置を得ることができる。
【００４０】
図８には、この発明に係る電池監視装置の更に他の一実施例の全体構成図が示されている。この実施例では上記図７の実施例における上記検出端子１０４が削除されている。電極２０４は半導体装置１ＰＫＧの内部においてボンディングワイヤにより電圧検出端子４０２に接続される。これにより、検出端子１０４を削除しつつ上記図７同様の回路が実現される。この実施例では上記７図と比べて外部端子の数が少なくなり、かつ上記検出端子１０４と接続するための配線も必要でなくなるため、その分のコストが削減される。また、一つの端子に接続することで足りるため、製造により生じる不良の発生も抑えられる。また、テストも前期同様に可能である。
【００４１】
図９には、この発明に係る電池監視装置の更に他の一実施例の全体構成図が示されている。この実施例の電池監視装置は、上記半導体装置１ＰＫＧにおいて、監視ＩＣ（ＣＯＮＴ）の接地端子（電極）ＧＮＤに対応した外部端子４０３が省略される。つまり、監視ＩＣの接地電極ＧＮＤには、ボンディングワイヤを介してパワーＭＯＳＦＥＴ（ＳＷ）のソース端子１１２から接地電位が与えられる。このような半導体装置１ＰＫＧ内にて上記のような接続を行うことにより、前記図６〜図８等の実施例のように、上記監視ＩＣに対応した外部端子４０３と、それをパワーＭＯＳＦＥＴ（ＳＷ）のソース端子１１２に接続するような外部配線とを省略することができる。これにより、実装基板の更なる小型化等が可能になる。
【００４２】
図１０には、この発明に係るパワーＭＯＳＦＥＴチップの更に他の一実施例の概略平面図が示されている。この実施例では、前記図４と同様に１つの半導体基板上に２つのパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１）（Ｍ２）が形成される。この実施例では、前記図４と同様なセンス電極ＳＮ（２０４）に一端が接続された抵抗Ｒ（２０５）の他端には、接続電極ＳＮ２（２０７）に接続される。つまり、抵抗Ｒ（２０５）の上記他端を前記図４の実施例のように固定的にソース電極Ｓ１（２０２）に接続されるのではなく、上記のように新たに設けられた接続電極ＳＮ２（２０７）に接続される。前記図４と同じような構成する場合には、この接続電極ＳＮ２（２０７）は、ボンディングワイヤにより上記ゲート電極Ｓ１と接続される。
【００４３】
この実施例では、上記ボンディングワイヤにより上記抵抗Ｒ（２０５）の両端電極ＳＮ１（２０４）とＳＮ２（２０７）を任意の個所に接続することができる。つまり、パワーＭＯＳＦＥＴチップを他の制御用ＩＣ等と１つの半導体装置１ＰＫＧに組み込むときに、ボンディングワイヤの接続個所の選択により他の任意の役割を持たせることができる。
【００４４】
図１１には、この発明に係る電池監視装置の更に他の一実施例の全体構成図が示されている。この実施例の電池監視装置は、上記半導体装置１ＰＫＧにおいて、前記監視ＩＣ（ＣＯＮＴ）と前記図１０に示したようなパワーＭＯＳＦＥＴチップ（ＳＷ）とが組み込まれる。つまり、抵抗の一端の接続電極２０７は、ボンディングワイヤによりＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１）のゲート電極２０３に接続される。そして、抵抗の他端の接続電極２０４は、ボンディングワイヤにより監視ＩＣのＣＨＧ出力（電極）に接続される。
【００４５】
このようにパワーＭＯＳＦＥＴチップに設けられた抵抗を前記ＭＯＳＦＥＴＭ１のゲート電極に接続する保護抵抗として用いたので、監視ＩＣのＩＤＴ電極に接続された外部端子４０２と、上記ＭＯＳＦＥＴＭ１のソース端子１０２の間には、外部抵抗Ｒ２が設けられる。他の構成は、前記実施例７等と同様である。この実施例では、パワーＭＯＳＦＥＴＭ１のゲート保護のために抵抗を設ける場合に実装基板上に搭載される抵抗素子を削減することができる。
【００４６】
前記のような双方向の電流経路をスイッチするパワーＭＯＳＦＥＴにおいて、パワーＭＯＳＦＥＴチップに内蔵した抵抗素子を、１つの用途では前記パワーＭＯＳＦＥＴに流れる電流をセンスする場合のセンス端子に接続して、センス端子に接続されるエラーアンプ等の保護や、監視ＩＣと組み合わせたときのＩＤＴ端子に接続される電流制限抵抗として利用できる。他の１つの用途では、パワーＭＯＳＦＥＴのゲート保護抵抗に利用することができる。
【００４７】
図１２には、この発明に係る電池監視装置が搭載されたリチウムイオン二次電池パックの模式図が示されている。電池監視装置は、実装基板の裏面側に前記監視ＩＣと上記パワーＭＯＳＦＥＴチップが搭載された半導体装置１ＰＫＧと、前記抵抗及びコンデンサとが搭載される。表面側には、充電器／負荷に接続される電極Ｐ＋，Ｐ−が設けられる。また、前記図６の実施例のようにセンス端子ＳＯを持つものは、それに対応した電極が設けられる。
【００４８】
特に制限されないが、偏平形状のリチュウムイオン二次電池パックの上側側面に、前記電池監視装置が搭載される。電池監視装置の実装基板の裏面側の電極Ｂ＋，Ｂ−は、例えば薄い細長のアルミニュウム等からなる配線手段によりリチュウムイオン二次電池パック４１の正極と負極に接続される。電池パックの小型や薄型化のために、上記実装基板は小型あるいはより細長く形成される傾向にある。このため、前記のような実装基板に搭載される電子部品点数が少なくなること、及び配線が少なくなることは極めて有益である。
【００４９】
図１３には、この発明に係る電池監視装置の一実施例の説明図が示されている。図１３において、（Ａ）に裏面側が示され、（Ｂ）に上面側が示されている。（Ａ）の裏面図において、細長の実装基板の中央部分に前記監視ＩＣとパワーＭＯＳＦＥＴチップが搭載された半導体装置１ＰＫＧが搭載される。実装基板の両側には電池との接続に用いられる電極Ｂ−とＢ＋が設けられる。そして、上記電極Ｂ−，Ｂ＋と上記半導体装置１ＰＫＧの間のスペースに前記コンデンサＣ１，Ｃ２あるいは抵抗Ｒ１が搭載される。実際には、上記電極Ｂ−，Ｂ＋、コンデンサＣ１，Ｃ２及び抵抗Ｒ１と上記半導体装置１ＰＫＧとの間を接続するプリント配線も設けられが、同図ではプリント配線が省略されている。（Ｂ）の上側には、前記充電器／負荷に接続される電極Ｐ＋，Ｐ−が形成されている。
【００５０】
図１４には、この発明が適用された電池監視装置が搭載された電池パックの一実施例のブロック図示されている。この実施例は、リチウムイオン二次電池等の電池パックに適用される。この実施例の電池パックは、電池セルＣＥＬＬ、ヒューズＦＵＳと電池監視装置から構成される。電池監視装置は、前記監視ＩＣチップ（ＣＯＮＴ）とパワーＭＯＳＦＥＴチップ（ＳＷ）とが搭載された１つの半導体装置１ＰＫＧと、それに抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１，Ｃ２が接続されて構成される。上記パワーＭＯＳＦＥＴチップ（ＳＷ）は、直列形態に接続された２つのパワーＭＯＳＦＥＴＭ１、Ｍ２と前記電流制限用抵抗Ｒ２を有している。電池セルＣＥＬＬの正極＋は、ヒューズＦＵＳを介して電池パックの正極端子Ｐ＋に接続される。電池セルＣＥＬＬの負極−は、パワーＭＯＳＦＥＴＭ２のソースと、監視ＩＣの接地端子ＧＮＤに接続される。パワーＭＯＳＦＥＴＭ２のドレインは、パワーＭＯＳＦＥＴＭ１のドレインと接続される。パワーＭＯＳＦＥＴＭ１のソースは、電池パックの負極端子Ｐ−に接続される。電池パックの正極端子Ｐ＋と負極端子Ｐ−には、充電器あるいは負荷が接続される。
【００５１】
図１５には、この発明が適用された電池監視装置が搭載された電池パックの他の一実施例のブロック図示されている。電池残量の検知出力ＳＯが設けられる。前記図６のような実施例とは異なり、ＭＯＳＦＥＴＭ１とＭ２の位置が入れ換えられる。この場合、ＭＯＳＦＥＴＭ１のソースに挿入された抵抗Ｒ３は、電池セルＣＥＬＬの負極−側に接続されることになる。これに対応して、エラーアンプＡＭＰの両入力には、上記抵抗Ｒ３の電圧降下を検知すべく、上記負極−側と、上記ＭＯＳＦＥＴＭ１のソースとの間の電圧差を抵抗Ｒ（前記電流制限抵抗２０５）を介した電圧が供給される。この実施例では、上記抵抗Ｒは、エラーアンプＡＭＰの保護抵抗としての役割しか持たないので、監視ＩＣのＩＤＴ端子には、保護用抵抗Ｒ２が外付部品として設けられる。
【００５２】
図１６は、前記監視ＩＣの一実施例のブロック図が示されている。この実施例の監視ＩＣは、特に制限されないが、基準電圧発生回路、制御回路、前記ＤＣＨ端子、ＣＨＧ端子に対応した駆動回路、上限電圧検山回路、下限電圧検出回路、発振器、発振器の発振パルスで動作する過充電タイマ、過放電タイマ、過電流タイマ、充電器電圧検出回路、放電電流，充電電流検出回路などから構成される。前記基準電圧発生回路で形成された基準電圧は、上記上限電圧検出回路、下限電圧検出回路、充電器電圧、放電電流、充電電流の各電圧検出回路の検出動作の基準として用いられる。
【００５３】
この監視ＩＣは、電池側の過大な充電状態を上限電圧検出回路で監視し、過大な放電状態を下限電圧検出回路で監視している。充電器の異常状態を充電器電圧検出回路、充電電流検出回路で監視し、負荷側の異常状態を放電電流検出回路で監視している。このような異常状態を検知すると、異常状態に応じた遅延時間をタイマ（過充電タイマ、過放電タイマ、過電流タイマ）で形成し、制御回路によりＤＣＨ信号を形成し、駆動回路を通してＤＣＨ出力を前記パワーＭＯＳＦＥＴＭ２のゲートに伝えてオフ状態にし、あるいはＣＨＧ信号を形成し、駆動回路を通してＣＨＧ出力を前記パワーＭＯＳＦＥＴＭ１のゲートに伝えてオフ状態にする。
【００５４】
以上説明した本願発明に係る電池監視装置は、監視ＩＣチップと上記パワーＭＯＳＦＥＴチップを一つのパッケージに封止することで、実装基板での配線が少なくなり実装基板の配線パターンの引き回しが容易となる。この結果、実装不良の低減が可能となり信頼性の向上が図られる。そして、監視ＩＣやエラーアンプＡＭＰに対して異常電圧が印加されることによる破壊を防止する外付部品数が減り、かかる電流制限抵抗Ｒ２を半導体装置１ＰＫＧ内で接続する構成とするために、実装基板と監視ＩＣ等との接続数が減ることとなり、素子トータルコストの低減が実現できる。この構成は、監視ＩＣやパワーＭＯＳＦＥＴの端子を半導体装置１ＰＫＧの外部ピンに出す必要が無くなる。あるいは外部ピンを出した場合でも配線長が短くなる。この結果、監視ＩＣやパワーＭＯＳＦＥＴが外部からのノイズ（静電気、電波ノイズ等）の影響を受けにくいという利点ももたらす。また、実装基板の軽量化、小型化が可能になる。
【００５５】
パワーＭＯＳＦＥＴは、前記のような監視ＩＣと組み合わせるものの他、単独のパワーＭＯＳＦＥＴとしても利用できる。この場合、図１の実施例ではＭＯＳＦＥＴに流れる電流を検知する機能を有するので、エラーアンプ等を付加することにより、ＭＯＳＦＥＴに流れる電流を簡単に検知できる。パワーＭＯＳＦＥＴとしては、各種保護回路を内蔵したものも存在するが、保護回路をパワーＭＯＳＦＥＴに搭載すると検知電流が限定される等ように用途が限定される。これに対して、エラーアンプ等を付加する構成では、前記のような微小電流を検知するために用いることができるし、その反対にＭＯＳＦＥＴを破壊してしまうような過大電流を検知するためにも用いることができる。
【００５６】
以上本発明者によってなされた発明を、前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。電池監視装置は、前記監視ＩＣと２つのパワーＭＯＳＦＥＴチップとの組み合わせであってもよい。このうちの１つのパワーＭＯＳＦＥＴチップは、前記図１のようなセンス端子を持つものとすればよい。監視ＩＣは、前記のような充放電制御を行うものであれば何であってもよい。パワーＭＯＳＦＥＴチップ又はパワーＭＯＳＦＥＴは、前記電池監視装置の他、電流検知機能を持つパワーＭＯＳＦＥＴチップ又はパワーＭＯＳＦＥＴとして広く利用できる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
電流センス機能を持つパワーＭＯＳＦＥＴ及びリチウムイオン二次電池等のような各種二次電池に設けられる電池監視装置として広く利用できる。
【符号の説明】
【００５８】
１００…パッケージ、１０１…ドレイン端子、１０２，１１２…ソース端子、１０３，１１３…ゲート端子、１０４…検出端子、１０５〜１０７，１１５…ボンディングワイヤ、２００，ＳＷ…パワーＭＯＳＦＥＴチップ、２０１，２０５，Ｒ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３…抵抗素子、２０２，３０２，Ｓ１，Ｓ２…ソース電極、２０３，３０３，Ｇ１，Ｇ２…ゲート電極、２０４，ＳＮ…抵抗用の接続電極、２０６…ツェナーダイオード、２０７，ＳＮ２…接続電極、２１０…半導体基板、２１１…Ｐ型拡散層、２１２…Ｎ型拡散層、２１３…ゲート絶縁膜、２１４…ゲート電極、４０１，４０３…外部端子、４０２…電圧検出端子、ＡＭＰ…エラーアンプ、Ｍ１，Ｍ２…パワーＭＯＳＦＥＴ、Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ、Ｂ＋，Ｂ−…電極、Ｐ＋…正極端子、Ｐ−…負極端子、ＣＯＮＴ…監視ＩＣチップ、ＶＣＣ…電源端子、ＧＮＤ…接地端子、ＳＯ…センス端子、ＣＥＬＬ…電池セル、ＦＵＳ…ヒューズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の第１主面に形成されたソース領域となる半導体領域及びソース電極と、
上記半導体基板の第２主面に形成されたドレイン領域となる半導体領域及びドレイン電極と、
上記半導体基板の第１主面と第２主面間の厚み方向に流れる電流を制御するよう形成されたゲート絶縁膜及び上記第１主面側に第１接続電極が設けられたゲート電極と、
上記第１主面側に設けられ、一端が上記ソース電極に接続可能にされ、他端が第２接続電極に接続された抵抗素子と、
ソース端子、ゲート端子、ドレイン端子及び検出端子と、
上記ソース端子と上記ソース電極を接続する第１ボンディングワイヤと、
上記ゲート端子と上記ゲート電極の接続電極を接続する第２ボンディングワイヤと、
上記検出端子と上記第２接続電極を接続する第３ボンディングワイヤとを有し、
上記ソース端子、ゲート端子、ドレイン端子及び検出端子が外部端子とされる、
パワーＭＯＳＦＥＴ。
【請求項２】
請求項１において、
上記半導体主面には、上記第２主面において形成されたドレイン領域となる半導体領域及びドレイン電極を共通とし、
上記半導体基板の第１主面において形成されたソース領域となる半導体領域及びソース電極及び上記半導体基板の第１主面と第２主面間の厚み方向に流れる電流を制御するよう形成されたゲート絶縁膜及び上記第１主面側に第１接続電極が設けられたゲート電極がそれぞれ２組設けられ、一方の組のゲート電極及びソース電極に対応して上記抵抗素子と上記検出端子とが設けられ、
上記１組のソース端子、ゲート端子及び検出端子が外部端子とされ、
上記１組のソース端子間において双方向に電流を流すようにされる、
パワーＭＯＳＦＥＴ。
【請求項３】
実装基板と、
上記実装基板に搭載された半導体装置とを有し、
上記半導体装置は、
監視すべき電池の充放電経路に挿入されたパワーＭＯＳＦＥＴが形成されたパワーＭＯＳＦＥＴチップと、
上記パワーＭＯＳＦＥＴのスイッチ制御信号を形成し、かかるパワーＭＯＳＦＥＴで発生する電圧を検出する電圧検出電極を有する監視ＩＣチップと、
上記パワーＭＯＳＦＥＴチップと上記監視ＩＣチップが搭載された搭載基板を含み、
上記パワーＭＯＳＦＥＴチップは、
半導体基板の第１主面において形成されたソース領域となる半導体領域及びソース電極と、
半導体基板の第２主面において形成されたドレイン領域となる半導体領域及びドレイン電極と、
上記半導体基板の第１主面と第２主面間の厚み方向に流れる電流を制御するよう形成されたゲート絶縁膜及び上記第１主面側に第１接続電極が設けられたゲート電極と、
上記第１主面側に設けられ、一端が上記ソース電極に接続可能にされ、他端が第２接続電極に接続された抵抗素子とを含み、
上記搭載基板は、ソース端子、検出端子及び電圧検出端子を含み、
上記ソース端子と上記ソース電極は、第１ボンディングワイヤにより接続され、
上記第１接続電極と上記監視ＩＣの対応する制御信号が出力される電極とが第２ボンディングワイヤにより接続され、
上記第２接続電極と上記検出端子とが第３ボンディングワイヤにより接続され、
上記電圧検出電極と上記電圧検出端子とが第４ボンディングワイヤにより接続され、
上記ソース端子、検出端子及び上記電圧検出端子は、それぞれ上記半導体装置の外部端子に接続され、
上記検出端子と上記電圧検出端子とは半導体装置の外部で接続される、
電池監視装置。
【請求項４】
請求項３において、
上記検出端子と上記ソース端子との間の電圧を検出するエラーアンプを更に有する、
電池監視装置。
【請求項５】
請求項３において、
上記検出端子と上記電圧検出端子とは、１つの外部端子で共用される、
電池監視装置。
【請求項６】
請求項５において、
上記実装基板は、電池監視に必要なコンデンサ及び抵抗素子を更に有する、
電池監視装置。
【請求項１】
半導体基板の第１主面に形成されたソース領域となる半導体領域及びソース電極と、
上記半導体基板の第２主面に形成されたドレイン領域となる半導体領域及びドレイン電極と、
上記半導体基板の第１主面と第２主面間の厚み方向に流れる電流を制御するよう形成されたゲート絶縁膜及び上記第１主面側に第１接続電極が設けられたゲート電極と、
上記第１主面側に設けられ、一端が上記ソース電極に接続可能にされ、他端が第２接続電極に接続された抵抗素子と、
ソース端子、ゲート端子、ドレイン端子及び検出端子と、
上記ソース端子と上記ソース電極を接続する第１ボンディングワイヤと、
上記ゲート端子と上記ゲート電極の接続電極を接続する第２ボンディングワイヤと、
上記検出端子と上記第２接続電極を接続する第３ボンディングワイヤとを有し、
上記ソース端子、ゲート端子、ドレイン端子及び検出端子が外部端子とされる、
パワーＭＯＳＦＥＴ。
【請求項２】
請求項１において、
上記半導体主面には、上記第２主面において形成されたドレイン領域となる半導体領域及びドレイン電極を共通とし、
上記半導体基板の第１主面において形成されたソース領域となる半導体領域及びソース電極及び上記半導体基板の第１主面と第２主面間の厚み方向に流れる電流を制御するよう形成されたゲート絶縁膜及び上記第１主面側に第１接続電極が設けられたゲート電極がそれぞれ２組設けられ、一方の組のゲート電極及びソース電極に対応して上記抵抗素子と上記検出端子とが設けられ、
上記１組のソース端子、ゲート端子及び検出端子が外部端子とされ、
上記１組のソース端子間において双方向に電流を流すようにされる、
パワーＭＯＳＦＥＴ。
【請求項３】
実装基板と、
上記実装基板に搭載された半導体装置とを有し、
上記半導体装置は、
監視すべき電池の充放電経路に挿入されたパワーＭＯＳＦＥＴが形成されたパワーＭＯＳＦＥＴチップと、
上記パワーＭＯＳＦＥＴのスイッチ制御信号を形成し、かかるパワーＭＯＳＦＥＴで発生する電圧を検出する電圧検出電極を有する監視ＩＣチップと、
上記パワーＭＯＳＦＥＴチップと上記監視ＩＣチップが搭載された搭載基板を含み、
上記パワーＭＯＳＦＥＴチップは、
半導体基板の第１主面において形成されたソース領域となる半導体領域及びソース電極と、
半導体基板の第２主面において形成されたドレイン領域となる半導体領域及びドレイン電極と、
上記半導体基板の第１主面と第２主面間の厚み方向に流れる電流を制御するよう形成されたゲート絶縁膜及び上記第１主面側に第１接続電極が設けられたゲート電極と、
上記第１主面側に設けられ、一端が上記ソース電極に接続可能にされ、他端が第２接続電極に接続された抵抗素子とを含み、
上記搭載基板は、ソース端子、検出端子及び電圧検出端子を含み、
上記ソース端子と上記ソース電極は、第１ボンディングワイヤにより接続され、
上記第１接続電極と上記監視ＩＣの対応する制御信号が出力される電極とが第２ボンディングワイヤにより接続され、
上記第２接続電極と上記検出端子とが第３ボンディングワイヤにより接続され、
上記電圧検出電極と上記電圧検出端子とが第４ボンディングワイヤにより接続され、
上記ソース端子、検出端子及び上記電圧検出端子は、それぞれ上記半導体装置の外部端子に接続され、
上記検出端子と上記電圧検出端子とは半導体装置の外部で接続される、
電池監視装置。
【請求項４】
請求項３において、
上記検出端子と上記ソース端子との間の電圧を検出するエラーアンプを更に有する、
電池監視装置。
【請求項５】
請求項３において、
上記検出端子と上記電圧検出端子とは、１つの外部端子で共用される、
電池監視装置。
【請求項６】
請求項５において、
上記実装基板は、電池監視に必要なコンデンサ及び抵抗素子を更に有する、
電池監視装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１０−２６７６４０（Ｐ２０１０−２６７６４０Ａ）
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１５１３６（Ｐ２００９−１１５１３６）
【出願日】平成２１年５月１２日（２００９．５．１２）
【出願人】（０００２３３１６９）株式会社日立超エル・エス・アイ・システムズ (327)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１２日（２００９．５．１２）
【出願人】（０００２３３１６９）株式会社日立超エル・エス・アイ・システムズ (327)
【Ｆターム（参考）】
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