功率模塊的劣化探測裝置制造方法
【專利摘要】一種探測內(nèi)置有半導(dǎo)體芯片(100)的功率模塊的劣化的裝置，具備劣化探測處理部(10)，該劣化探測處理部根據(jù)檢測半導(dǎo)體芯片(100)的溫度而得到的溫度信號(S1)中包含的交流信號與檢測半導(dǎo)體芯片(100)的電力損耗而得到的電力損耗信號(S3)中包含的交流分量之間的傳遞特性，進行劣化探測處理，排除其他發(fā)熱源的溫度干擾的影響而可靠地探測功率模塊的劣化度。
【專利說明】功率模塊的劣化探測裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及探測集成半導(dǎo)體芯片來進行電力變換動作的功率模塊的劣化程度的 功率模塊的劣化探測裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 交流馬達的驅(qū)動用逆變器、太陽能發(fā)電用的功率調(diào)節(jié)器等各種功率模塊是構(gòu)成為 集成半導(dǎo)體芯片而能夠?qū)嵤╇娏ψ儞Q動作的電氣組件。半導(dǎo)體芯片是對Si、SiC、GaN等原 材料進行微加工而制作為IGBT、MOSFET等電路元件的器件，電氣地通過開關(guān)動作進行電力 變換動作。
[0003]關(guān)于這樣的功率模塊，不僅是上述半導(dǎo)體芯片，而且殼體、密封膠、電氣布線、絕緣 基板、底座也被一體化。進而，根據(jù)功率模塊的種類，連柵極驅(qū)動器電路、用于防止過熱、過 電流的保護電路也被一體化，實現(xiàn)進行使用了功率模塊的產(chǎn)品的設(shè)計、制造的用戶的便利 性。
[0004]功率模塊處置比較大的電力，所以與電力損耗相伴的功率模塊內(nèi)部的溫度變化明 顯。因此,構(gòu)成功率模塊的各部件根據(jù)該溫度變化而伸縮,但根據(jù)各部件的材質(zhì),其伸縮的 程度不同。因此，在部件之間發(fā)生大的應(yīng)力，對部件導(dǎo)致熱疲勞。
[0005]特別是，由于由熱疲勞引起的斷裂（破裂）的發(fā)展，半導(dǎo)體芯片的正下方的焊料容 易發(fā)生破壞。由該半導(dǎo)體芯片下部的焊料的斷裂所致的故障決定的功率模塊壽命，被稱為 所謂的功率循環(huán)壽命，作為功率模塊的主要的故障模式之一而被熟知。另外，此處以后，將 半導(dǎo)體芯片下部的焊料的斷裂的發(fā)展稱為"劣化"。
[0006]功率模塊的這樣的突發(fā)的故障導(dǎo)致應(yīng)用該功率模塊的設(shè)備、裝置停止，所以導(dǎo)致 經(jīng)濟損失等。因此，以往進行預(yù)檢查功率模塊的故障或者劣化度來推測或者預(yù)測壽命的嘗 試（例如參照下述專利文獻1)。
[0007]即，半導(dǎo)體芯片中發(fā)生的電力損耗變化為熱而朝向下部的底座移動。熱阻抗是熱 的移動難易的參考值，如果半導(dǎo)體芯片的下部的焊料的斷裂發(fā)展，則焊料中的熱的路徑裂 開而熱阻抗上升。因此，相對于相同的電力損耗，溫度上升越明顯熱阻抗越大，能夠判斷斷 裂的發(fā)展。
[0008]因此，在專利文獻1的以往技術(shù)中，著眼于該現(xiàn)象，通過溫度傳感器檢測半導(dǎo)體芯 片的設(shè)置場所的溫度，并且求出該半導(dǎo)體芯片的電力損耗，根據(jù)該電力損耗和檢測出的溫 度上升率，求出熱阻抗的上升率，從而探測功率模塊的故障或者劣化。
[0009] 專利文獻1 :日本專利第3668708號


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 這樣，在專利文獻1記載的以往技術(shù)中，主要活用通過溫度傳感器得到的溫度信 號來探測功率模塊的故障或者劣化，但實際的功率模塊內(nèi)部內(nèi)置有多個半導(dǎo)體芯片，它們 當(dāng)然分別成為發(fā)熱源。另外，從電氣布線等也發(fā)生熱，它們也成為發(fā)熱源。因此，以多個半 導(dǎo)體芯片、電氣布線為發(fā)熱源的熱同時到達配置有溫度傳感器的溫度測定部位。
[0011]因此，存在如下問題：即使以檢測與某個特定的半導(dǎo)體芯片下部的焊料斷裂的發(fā) 展相伴的熱阻抗的變化為目的來實施溫度測定，在該測定溫度中，也同時包含來自其他發(fā) 熱源的溫度信息，由于溫度干擾的影響而無法正確地計算熱阻抗。
[0012] 本發(fā)明是為了解決上述那樣的課題而完成的，其目的在于提供一種劣化探測裝 置，該劣化探測裝置能夠排除來自以功率模塊內(nèi)的半導(dǎo)體芯片為首的其他發(fā)熱組件的溫度 干擾的影響而按照簡易的步驟可靠地探測功率模塊的劣化。
[0013] 本發(fā)明所涉及的功率模塊的劣化探測裝置，探測內(nèi)置有半導(dǎo)體芯片的功率模塊的 劣化，具備劣化探測處理部，該劣化探測處理部根據(jù)檢測所述半導(dǎo)體芯片的溫度而得到的 溫度信號中包含的交流信號、與檢測所述半導(dǎo)體芯片的電力損耗而得到的電力損耗信號中 包含的交流分量之間的傳遞特性，進行劣化探測處理。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的功率模塊的劣化探測裝置，通過根據(jù)溫度信號的交流分量和電力損 耗信號的交流分量，提取包括熱阻抗等信息的半導(dǎo)體芯片的電力損耗-溫度間的傳遞特 性，從而能夠排除來自其他發(fā)熱源的溫度干擾的影響，高精度地提取熱阻抗信息，所以能夠 提高功率模塊的劣化探測精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是示出功率模塊的一個例子的圖，圖I(A)是三相/二電平逆變器的電路圖， 圖I(B)是示出與圖I(A)的電路圖對應(yīng)的半導(dǎo)體芯片的布局的平面圖。
[0016] 圖2是示出在圖1的功率模塊中包括多個半導(dǎo)體芯片的周邊的構(gòu)造的縱剖面圖。
[0017] 圖3是本發(fā)明的實施方式1中的功率模塊的劣化探測裝置所具備的劣化探測處理 部的塊結(jié)構(gòu)圖。
[0018] 圖4是本發(fā)明的實施方式1的劣化探測裝置中的功率模塊的劣化探測的原理說明 圖。
[0019] 圖5是本發(fā)明的實施方式1的劣化探測裝置的劣化探測動作的說明圖。
[0020] 圖6是本發(fā)明的實施方式1的由劣化探測裝置的劣化判定部實施的劣化判定處理 動作的說明圖。
[0021] 圖7是示出使用圖1所示的功率模塊來驅(qū)動馬達等三相交流負載時的相電流、開 關(guān)元件的電力損耗以及溫度的各波形的圖。
[0022] 圖8是示出使用圖1所示的功率模塊來驅(qū)動馬達等三相交流負載時的開關(guān)元件的 溫度信號的頻率解析結(jié)果的圖。
[0023] 圖9是示出將圖3所示的結(jié)構(gòu)的劣化探測處理部安裝到功率模塊中時的一個例子 的結(jié)構(gòu)圖。
[0024] 圖10是本發(fā)明的實施方式2的功率模塊的劣化探測裝置中的劣化探測的原理說 明圖。
[0025] 圖11是本發(fā)明的實施方式2的功率模塊的劣化探測裝置中的劣化探測的原理說 明圖。
[0026] 圖12是本發(fā)明的實施方式3中的功率模塊的劣化探測裝置所具備的劣化探測處 理部的塊結(jié)構(gòu)圖。
[0027] 圖13是示出使用圖1所示的功率模塊來驅(qū)動馬達等三相交流負載時的電流頻率、 相電流、開關(guān)元件的溫度以及判定用信號的各波形的圖。
[0028] 圖14是示出本發(fā)明的實施方式3中的功率模塊的劣化探測裝置中的劣化探測處 理部的變形例的塊結(jié)構(gòu)圖。
[0029] 圖15是示出對半導(dǎo)體芯片連接了通電用的導(dǎo)線的狀態(tài)的平面圖。
[0030] 圖16是示出導(dǎo)線的連接部附近的溫度分布的說明圖。
[0031] 圖17是本發(fā)明的實施方式5中的由功率模塊的劣化探測裝置的劣化判定部實施 的劣化判定處理動作的說明圖。

【具體實施方式】
[0032] 實施方式1.
[0033] 圖1是示出成為劣化探測對象的功率模塊的一個例子的圖。圖I(A)示出具有三相 /二電平逆變器的結(jié)構(gòu)的功率模塊的電路圖，圖I(B)示出構(gòu)成圖I(B)的功率模塊的半導(dǎo)體 芯片的布局的平面圖。在該三相/二電平逆變器中分別使用了 6個開關(guān)元件Qup?Qwn、6 個電流回流用的二極管Dup?Dwn。因此，成為將由合計12個半導(dǎo)體芯片100構(gòu)成的各元 件Qup?Qwn、Dup?Dwn匯總配置于殼體116的內(nèi)部的構(gòu)造。
[0034] 圖2是示出在例如圖1的功率模塊中，包括開關(guān)元件Qup和二極管Dup這2個半 導(dǎo)體芯片100在內(nèi)的周邊的構(gòu)造的縱剖面圖。
[0035] 在半導(dǎo)體芯片100的附近，層疊有部件連接用的焊料101、102、流過電流的銅圖案 105、106、承擔(dān)電氣絕緣的絕緣基板110、用于散熱、保持部件的底座112等。另外，在圖2 中，還一并記載了并未附屬在產(chǎn)品化了的多個功率模塊中的、與功率模塊連接的散熱器114 和接觸熱阻抗降低用的潤滑油113。另外，省略了引線接合等電氣布線、殼體/膠等的圖示。
[0036] 如上所述，即使以檢測與某個特定的半導(dǎo)體芯片下部的焊料斷裂的發(fā)展相伴的熱 阻抗的變化為目的而實施溫度測定，在該測定溫度中，也同時包括來自其他發(fā)熱源的溫度 信息。因此，由于溫度干擾的影響而無法正確地計算熱阻抗。
[0037] 例如，在圖2所示的情況下，在為了計算圖中左側(cè)的半導(dǎo)體芯片100(開關(guān)元件 Qup)的附近的熱阻抗，而用其溫度傳感器1檢測溫度的情況下，來自圖中右側(cè)的半導(dǎo)體芯 片100 (二極管Dup)的熱到達，該熱將被測量為半導(dǎo)體芯片100 (開關(guān)元件Qup)的溫度。因 此，半導(dǎo)體芯片100 (開關(guān)元件Qup)附近處的熱阻抗、即電力損耗和與其相伴的溫度變化的 比的計算精度降低，劣化探測精度降低。
[0038]因此，本發(fā)明的劣化探測裝置能夠排除來自以功率模塊內(nèi)部的半導(dǎo)體芯片為首的 其他發(fā)熱組件的溫度干擾的影響而按照簡易的步驟可靠地探測功率模塊的劣化。以下，說 明該實施方式1中的具體的劣化探測裝置的結(jié)構(gòu)、原理以及作用效果。
[0039] 圖3是本發(fā)明的實施方式1中的功率模塊的劣化探測裝置具備的劣化探測處理部 的塊結(jié)構(gòu)圖。
[0040] 該實施方式1的功率模塊的劣化探測裝置具備進行功率模塊的劣化探測處理的 劣化探測處理部10。該劣化探測處理部10具有溫度檢測部1、電力損耗檢測部3、溫度信號 解析部5、電力損耗信號解析部6以及劣化判定部9。
[0041] 此處，如圖2所示，溫度檢測部1設(shè)置在成為劣化探測對象的半導(dǎo)體芯片100上來 探測該半導(dǎo)體芯片100的溫度，輸出溫度信號S1。作為該溫度檢測部1，能夠使用熱電偶、 熱敏電阻等溫度傳感器。但是，不限于溫度傳感器，也可以利用例如二極管以恒定電流動作 時的電壓降與溫度成比例的關(guān)系，在半導(dǎo)體芯片100的制造的工藝的過程中作入二極管并 連接恒定電流電路，而檢測其二極管電壓。此處，活用溫度信號Sl的交流分量，所以溫度檢 測部1的檢測響應(yīng)特性越高越好。另外，此處，為便于說明，以下將這些溫度檢測部1簡稱 為溫度傳感器。
[0042] 電力損耗檢測部3根據(jù)半導(dǎo)體芯片100中流過的電流、針對半導(dǎo)體芯片100的開 關(guān)指令等，計算電力損耗，輸出電力損耗信號S3。該電力損耗中包括開關(guān)損失、導(dǎo)通損失，從 功率模塊廠商，以針對電流的表格的形式來提供這些基本的數(shù)據(jù)的情況較多，也可以使用 這些值來進行計算。另外，關(guān)于具體的計算方式，應(yīng)用功率模塊廠商提供的應(yīng)用筆記、面向 初學(xué)者的文本等中記載的公知的方法即可，在該實施方式1中，省略了詳細的說明。另外， 關(guān)于電力損耗，也可以測定半導(dǎo)體芯片100中的電壓降，通過與電流信號之積來計算。
[0043] 來自溫度檢測部1的溫度信號Sl被輸入到溫度信號解析部5,來自電力損耗檢測 部3的電力損耗信號S3被輸入到電力損耗信號解析部6。在各解析部5、6中，計算各信號 S1、S3中包含的頻率分量，分別輸出溫度解析信號S5和電力損耗解析信號S6。劣化判定部 9根據(jù)溫度解析信號S5和電力損耗解析信號S6,進行功率模塊的劣化判定，輸出判定信號 S9〇
[0044] 接下來，詳細說明本發(fā)明的原理。
[0045]一般，在非穩(wěn)定熱傳導(dǎo)現(xiàn)象中，在電力損耗即所發(fā)生的熱流束包含交流分量的情 況下，其所致的溫度變化也包含同一頻率。另外，根據(jù)熱的擴散長度這樣的指標(biāo)的觀點，發(fā) 生如下現(xiàn)象：所發(fā)生的熱流束的頻率越高，針對熱流束以規(guī)定的響應(yīng)追蹤而發(fā)生溫度變化 的區(qū)域越窄。即，如果頻率恒定，則越接近熱流束的流入部位（電力損耗的發(fā)生部位），與熱 流束對應(yīng)的溫度變化越明顯。另外，在離熱流束的流入部位某一定的距離的場所，熱流束的 頻率越低，與熱流束對應(yīng)的溫度變化越明顯。
[0046]作為該傾向的簡單的例子，以下示出一維的非穩(wěn)定熱傳導(dǎo)的情況。（1)式是非穩(wěn)定 熱傳導(dǎo)方程式。此處，設(shè)想了將溫度設(shè)為T、將距離設(shè)為X、將時間設(shè)為t，用X> 0定義的 單一材料的半無限長物體。作為邊界條件，輸入在X= 〇的地點根據(jù)時間t變化的熱流束 q(t)，（2)式表示該熱流束的條件。

【權(quán)利要求】
1. 一種功率模塊的劣化探測裝置，探測內(nèi)置有半導(dǎo)體芯片的功率模塊的劣化， 具備劣化探測處理部，該劣化探測處理部根據(jù)檢測所述半導(dǎo)體芯片的溫度而得到的溫 度信號中包含的交流信號、與檢測所述半導(dǎo)體芯片的電力損耗而得到的電力損耗信號中包 含的交流分量之間的傳遞特性，進行劣化探測處理。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊的劣化探測裝置，其特征在于， 所述劣化探測處理部具備： 溫度檢測部，檢測所述半導(dǎo)體芯片的溫度，輸出溫度信號； 電力損耗檢測部，檢測所述半導(dǎo)體芯片的電力損耗，輸出電力損耗信號； 溫度信號解析部，解析所述溫度信號中包含的各交流信號的頻率分量； 電力損耗信號解析部，解析所述電力損耗信號中包含的各交流信號的頻率分量；以及 劣化判定部，根據(jù)由所述兩個解析部電力損耗解析出的所述溫度信號和所述電力損耗 信號的各交流信號的頻率分量，判定所述功率模塊的劣化。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率模塊的劣化探測裝置，其特征在于， 所述劣化判定部僅在所述溫度信號和所述電力損耗信號分別包含規(guī)定的頻帶的交流 分量的情況下進行劣化判定。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或者3所述的功率模塊的劣化探測裝置，其特征在于， 所述劣化判定部通過將所述溫度信號中包含的交流分量和所述電力損耗信號中包含 的交流分量之間的傳遞特性與規(guī)定的基準(zhǔn)值進行比較來進行劣化判定。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2或者3所述的功率模塊的劣化探測裝置，其特征在于， 在所述功率模塊內(nèi)置有多個所述半導(dǎo)體芯片的情況下，所述劣化判定部針對每個所述 半導(dǎo)體芯片，求出所述溫度信號中包含的交流分量和所述電力損耗信號中包含的交流分量 之間的傳遞特性，在各半導(dǎo)體芯片之間比較所述傳遞特性，從而進行劣化判定。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊的劣化探測裝置，其特征在于， 所述劣化探測處理部具備： 溫度檢測部，檢測所述半導(dǎo)體芯片的溫度，輸出溫度信號； 電流檢測部，檢測所述半導(dǎo)體芯片中流過的電流，輸出電流信號； 判定用信號計算部，將由所述電流檢測部檢測到的電流信號用作成為傅立葉解析的基 準(zhǔn)的基底信號，求出由所述溫度檢測部得到的所述溫度信號中包含的各交流信號的傅立葉 系數(shù)的大小，并將其作為判定用信號而輸出；以及 劣化判定部，根據(jù)由所述判定用信號計算部得到的判定用信號，判定所述功率模塊的 劣化。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的功率模塊的劣化探測裝置，其特征在于， 所述判定用信號計算部僅在所述電流信號和所述溫度信號分別包含規(guī)定的頻帶的交 流分量的情況下輸出判定信號。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3或者7所述的功率模塊的劣化探測裝置，其特征在于， 設(shè)置有載波頻率校正部，該載波頻率校正部對在向所述半導(dǎo)體芯片的開關(guān)指令的生成 中所使用的載波頻率，重疊所述規(guī)定的頻帶的交流分量。
【文檔編號】H02M7/48GK104380126SQ201380031019
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年5月23日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月14日
【發(fā)明者】古谷真一, 田中輝明 申請人:三菱電機株式會社