单片式点火器和内燃机点火装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种单片式点火器，能够实现动作电压的低电压化、高噪声容量化、小型化和低成本化。使MOS晶体管的栅极阈值电压（Vtgh）降低，使电流限制电路、过热检测电路、计时器电路、过电压保护电路和输入滞后电路等的动作电压成为低电压，能够使单片式点火器（100）的动作电压低电压化。使MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以上，上述MOS晶体管的沟道长度为4μm以下。此外，使MOS晶体管的栅极氧化膜的厚度为5nm以上、不足25nm。

【技术实现步骤摘要】
单片式点火器和内燃机点火装置
本专利技术涉及低电压驱动的单片式点火器和具有该单片式点火器的内燃机点火装置。
技术介绍
图8是搭载了现有的单片式点火器501的内燃机点火装置500的主要部分结构图。内燃机点火装置500主要由单片式点火器501、点火线圈502、火花塞503、电池504和ECU505（发动机控制单元）等构成。图中的符号中，75、76、77是单片式点火器501的集电极端子、栅极端子、发射极端子。此外，51是包括传感IGBT的IGBT，56是传感电阻。图9是图8所示的内燃机点火装置500中搭载的现有的单片式点火器501的主要部分电路图。此处表示的单片式点火器501是一例。单片式点火器501由IGBT51、第一MOSFET63、第二MOSFET66、电流限制电路57、过热检测电路60、齐纳二极管69、电阻72、集电极端子75、栅极端子76和发射极端子77构成。IGBT51的集电极52与集电极端子75连接，发射极54与发射极端子77连接。IGBT51的传感发射极55与传感电阻56的一端连接，传感电阻56的另一端与接地配线74连接，接地配线74与作为接地电位78的发射极端子77连接。IGBT51的栅极53用栅极配线73与栅极端子76连接。在该栅极配线73与接地配线74之间分别连接上述电流限制电路57、过热检测电路60、第一MOSFET63、第二MOSFET66、齐纳二极管69和电阻72。上述过热检测电路60如图所示，由MOSFET（甲）、二极管（乙）和逆变器电路（丙）构成。此外，除了上述部件以外，在齐纳二极管69的阴极与第二MOSFET66的源极之间连接有用于加快IGBT51的关断的加速二极管（丁），在集电极52与栅极53之间连接有齐纳二极管（己）用于浪涌保护。此外，在栅极配线73中在电阻72与齐纳二极管69之间和电流限制电路57的高电位侧与第二MOSFET66的漏极之间插入电阻（戊）用于抑制浪涌。上述各部位在同一个半导体衬底81上形成。上述传感电阻56的一端和第一MOSFET63的栅极64与电流限制电路57连接，第二MOSFET66的栅极67与过热检测电路60连接。ECU505的输出电压作为IGBT的栅极电压对栅极端子76输入。该栅极电压通过栅极配线73对电流限制电路57和过热检测电路60供给，成为驱动这些电路57、60的电源电压。IGBT51、第一、第二MOSFET63、66、电流限制电路57、过热检测电路60、电阻72、齐纳二极管69、集电极端子75、发射极端子77和栅极端子76在同一个半导体衬底81上形成，构成单片式点火器501。上述电流限制电路57由三级的nMOS构成的运算放大器组成。此外，齐纳二极管69和电阻72是抑制从栅极端子76进入的浪涌电压的浪涌保护用元件。此外，现有的单片式点火器501的最低动作电压是3.5V，构成该单片式点火器501的IGBT51、电流限制电路57和过热检测电路60的各最低动作电压是3.5V以下。此处，IGBT51的最低动作电压指的是IGBT51的栅极阈值电压。此外，该“3.5V”的电压值是对单片式点火器施加动作指令的ECU的信号的最低电压值。图10是图9的单片式点火器501的外形图。引线框的裸片80（与作为外部导出端子82之一的集电极端子（C）连接）上搭载的芯片（半导体衬底81）与外部导出端子82（栅极端子（G）、发射极端子（E））用接合导线83分别连接，并用模塑树脂84封装。接着，说明图8所示的内燃机点火装置500的动作。将来自ECU505的输出信号作为输入信号（IGBT的栅极信号）输入单片式点火器501的栅极端子76时，该输入信号在栅极配线73中传播并被输入IGBT51的栅极，IGBT51接通。IGBT51接通时，电流从电池504的正极经由点火线圈502、IGBT51而在处于接地电位的发射极端子77中流动。另一方面，来自ECU505的输出信号停止时，IGBT51关断。该IGBT51关断的瞬间，点火线圈502中蓄积的能量被释放，在点火线圈502中产生高电压，火花塞503点火。之后，点火线圈502中蓄积的能量消失时，火花塞503消弧。通过反复该动作，内燃机点火装置500持续动作。接着用图9说明。IGBT51中流过过电流时，因通过传感发射极55和传感电阻56流动的传感电流，在传感电阻56中产生电压。该电压被传递至电流限制电路57，电流限制电路57动作。从电流限制电路57对第一MOSFET63施加栅极信号，第一MOSFET63接通。第一MOSFET63接通时，IGBT51的栅极电压被限制而降低。IGBT51的栅极电压降低成为IGBT51的栅极阈值电压以下时，IGBT51关断，过电流被屏蔽，IGBT51被保护。另一方面，IGBT51过热时，过热检测电路60动作，与上述过电流的情况相同，IGBT51关断。通过关断IGBT51，IGBT51中流动的主电流被屏蔽，IGBT51被保护。IGBT51过热时，IGBT51中形成的温度检测用的未图示的pn二极管的正向电压降值降低。正向电压降值（电压）被输入过热检测电路60，在降低至极限值以下的阶段从过热检测电路60对第二MOSFET66的栅极施加接通信号，第二MOSFET66接通。之后的动作与电流限制电路57的情况相同。过热检测电路60和电流限制电路57均起到控制IGBT51的栅极电压的控制电路的作用。因为上述单片式点火器501用于内燃机点火装置500，所以使用环境非常严苛。对其具体说明，是即使对集电极端子75与发射极端子77之间施加30kV的浪涌电压，IGBT51也不损坏，此外，例如，在-55℃～205℃的温度范围内IGBT51正常动作（其指的是寄生成分不动作）等。为了使单片式点火器501在该严苛的条件下也正常动作，电流限制电路57和过热检测电路60全部仅由nMOS构成。这是由于pMOS和nMOS同时存在时，工艺变得复杂，导致成本上升。此外，是pMOS与nMOS的混合电路（互补电路等）时，易于在两者之间形成寄生成分，引起寄生动作（误动作）等。专利文献1中，在具备根据从内燃机用电子控制装置输出的点火控制信号对点火线圈中流动的一次电流进行通电/关断控制的开关元件、限制上述开关元件中流动的电流的电流限制电路，上述开关元件由绝缘栅型双极晶体管构成的内燃机用点火装置中，公开了上述电流限制电路由自隔离型N-MOS晶体管构成，上述绝缘栅型双极晶体管和上述自隔离型N-MOS晶体管在共用的半导体衬底上形成的单芯片化的单片式点火器。即，公开了电流限制电路由自隔离型N-MOS晶体管（nMOS）构成，并与IGBT在同一个半导体衬底上形成的单片式点火器。此外，专利文献2中，公开了在具备第一IGBT，通过上述第一IGBT对一次线圈中流动的一次电流根据点火控制信号进行通电和关断控制，使其二次侧产生电压的内燃机的点火装置中，单片式点火器的特征在于具备与上述第一IGBT并联地设置的第二IGBT、和检测该第二IGBT的电流的电流检测电路，并具备通过该电流检测电路检测到的电流值控制上述第一和第二IGBT的栅极电压而将一次电流限制为设定值的电流限制电路、和在异常时强制断开上述一次线圈中流动的电流的通电的热切断电路，将这些电路集成在一个芯片中构成。此外，专利本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单片式点火器，其在同一个半导体衬底配置有MOS晶体管、与该MOS晶体管的栅极电连接的栅极端子、限制该MOS晶体管的栅极电压的控制电路，该单片式点火器的特征在于：对所述单片式点火器的栅极端子输入的输入电压，成为所述控制电路的电源电压和所述MOS晶体管的控制信号，所述输入电压的最低电压不足3.5V。

【技术特征摘要】
2012.07.03 JP 2012-149811;2012.07.03 JP 2012-14981.一种单片式点火器，其在同一个半导体衬底配置有MOS晶体管、与该MOS晶体管的栅极电连接的栅极端子、限制该MOS晶体管的栅极电压的控制电路，该单片式点火器的特征在于：对所述单片式点火器的栅极端子输入的输入电压，成为所述控制电路的电源电压和所述MOS晶体管的控制信号，所述输入电压的最低电压不足3.5V，设构成所述单片式点火器的所述MOS晶体管的沟道长度为L(cm)，所述MOS晶体管的沟道区域的单位体积的杂质浓度为N(cm-3)时，L≤4×10-4×(10-17)1/3×N1/3。2.如权利要求1所述的单片式点火器，其特征在于：所述输入电压的最低电压不足2.5V。3.如权利要求1所述的单片式点火器，其特征在于：所述输入电压的最低电压不足2.0V。4.如权利要求1～3中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：构成所述单片式点火器的所述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以下，所述MOS晶体管的沟道区域的单位体积的杂质量为1×1017/cm3以下。5.如权利要求1～3中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：构成所述单片式点火器的所述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以下，所述MOS晶体管的沟道长度为4μm以下。6.如权利要求1～3中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：构成所述单片式点火器的所述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以下，所述MOS晶体管的栅极氧化膜的厚度为5nm以上且不足25nm。7.如权利要求1～3中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：构成所述单片式点火器的所述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以下，所述MOS晶体管的单元是条状的情况下，条状的单元的在与长边方向垂直的方向上的每1cm的单元个数为5×102个以上。8.如权利要求1～3中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：构成所述单片式点火器的MOS晶体管是平面栅结构或沟槽结构。9.如权利要求1～3中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：所述控制电路是从电流限制电路、过热检测电路、计时器电路、过电压保护电路和输入滞后电路中选择的一个或多个电路。10.如权利要求1～3中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：所述MOS晶体管是绝缘栅型双极晶体管。11.一种内燃机点火装置，其特征在于：使用权利要求1～10所述的单片式点火器。12.一种单片式点火器，其在同一个半导体衬底配置有MOS晶体管、与该MOS晶体管的栅极电连接的栅极端子、限制该MOS晶体管的栅极电压的控制电路，该单片式点火器的特征在于：对所述单片式点火器的栅极端子输入的输入电压，成为所述控制电路的电源电压和所述MOS晶体管的控制信号，所述输入电压的最低电压不足3.5V，所述控制电路的最低动作电压为1.5V以下，串联两个由串联连接的两级的MOSFET构成的逆变器电路来构成所述控制电路，设构成所述单片式点火器的所述MOS晶体管的沟道长度为L(cm)，所述MOS晶体管的沟道区域的单位体积的杂质浓度为N(cm-3)时，L≤4×10-4×(10-17)1/3×N1/3。13.如权利要求12所述的单片式点火器，其特征在于：所述输入电压的最低电压不足2.5V。14.如权利要求12所述的单片式点火器，其特征在于：所述输入电压的最低电压不足2.0V。15.如权利要求12～14中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：构成所述单片式点火器的所述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以下，所述MOS晶体管的沟道区域的单位体积的杂质量为1×1017/cm3以下。16.如权利要求12～14中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：构成所述单片式点火器的所述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以下，所述MOS晶体管的沟道长度为4μm以下。17.如权利要求12～14中任一项所述的单片式点火器，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：石井宪一，
申请(专利权)人：富士电机株式会社，
类型：发明
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