功率模块的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及功率模块，特别涉及集成功率半导体元件来执行电力变换动作的功率 模块。
【背景技术】
[0002] 交流马达的驱动用逆变器、太阳能发电用的功率调节器等各种功率模块是构成为 能够集成半导体元件来实施电力变换动作的电气部件。
[0003] 关于这样的功率模块，不仅将半导体元件，还将壳体、密封胶、电气布线、绝缘基 板、基底板以及根据功率模块的种类而将栅极驱动器电路、用于防止过热、过电流的保护电 路也一体化来提供，实现使用了功率模块的产品的设计、进行制造的用户的便利性。
[0004] 功率模块的突然的故障导致应用该功率模块的设备、装置的停止，所以导致经济 性的损失等。因此，已知诊断功率模块的寿命的尝试。
[0005] 例如，在日本特开2011-196703号公报（专利文献1)记载的方法中，将由功率半 导体元件构成的半导体装置的全部动作温度范围分割为多个温度区域，使用将对该温度区 域内分别设定的基准温度差下的功率周期数进行加权而得到的值来计算周期数。进而，在 该方法中，根据在所分割的温度区域间中分别计算出的周期数使用迈因纳定律，计算累积 损伤，预测寿命。
[0006] 专利文献1 :日本特开2011-196703号公报
【发明内容】
[0007] 在日本特开2011-196703号公报（专利文献1)记载的功率模块的寿命预测方法 中，诊断单一的半导体芯片的寿命，所以设置了 1个温度传感器。
[0008] 但是，关于3相/2电平逆变器那样的功率模块，上支路的3个分别和下支路的基 准电位不同，所以存在合计4个基准电位。因此，需要将A/D转换器、绝缘元件最低设置各 4个，功率模块的规模变大。
[0009] 进而，在日本特开2011-196703号公报（专利文献1)记载的功率模块中，未记载 将寿命诊断的结果向外部输出的结构。
[0010] 因此，本发明的目的在于提供一种小规模且能够诊断寿命、并且能够将寿命诊断 的结果输出到外部的功率模块。
[0011] 为了解决上述课题，本发明的功率模块具备：多个半导体芯片；1个以上的温度传 感器，设置于多个半导体芯片的至少1个半导体芯片的周边；1个A/D转换器，将来自温度 传感器的输出变换为数字信号；诊断部，根据从A/D转换器输出的表示温度的信号，诊断功 率模块的寿命。本发明的功率模块还具备：输出部，生成表示诊断的结果的信号；以及输出 端子，将表示诊断的结果的信号输出到外部。
[0012] 根据本发明，能够以小规模诊断寿命。另外，能够将寿命诊断的结果输出到外部。
【附图说明】
[0013]图1是示出第1实施方式的功率模块的结构的图。
[0014] 图2是用于说明功率模块的布局的图。
[0015] 图3是用于说明功率模块的布局的图。
[0016] 图4是示出1个功率周期内的由温度传感器检测到的温度的变化的图。
[0017] 图5是示出第1实施方式的寿命诊断的动作步骤的流程图。
[0018] 图6是示出在第1实施方式中，从输出端子ro输出的信号的例子的图。
[0019] 图7是示出在第1实施方式的变形例1中，从输出端子ro输出的信号的例子的图。
[0020] 图8是示出第1实施方式的变形例2的功率模块的结构的图。
[0021] 图9是示出第1实施方式的变形例3的功率模块的结构的图。
[0022] 图10是示出第2实施方式的功率模块的结构的图。
[0023] 图11是示出第2实施方式的寿命诊断的动作步骤的流程图。
[0024]图12是示出第2实施方式中的选取信号SL和输出的劣化度的关系的图。
[0025]图13是示出第2实施方式的变形例2的功率模块的结构的图。
[0026]图14是示出第2实施方式的变形例3的功率模块的结构的图。
[0027] 图15是不出在第2实施方式的变形例3中，从输出端子F>D输出的信号的例子的 图。
[0028] 图16是示出在第2实施方式的变形例4中，在选取信号SL是"1"的情况下从输 出端子ro输出的信号的例子的图。
[0029]图17是示出第2实施方式的变形例5的功率模块的结构的图。
[0030] 图18是示出第2实施方式的变形例6的功率模块的结构的图。
[0031]图19是示出第3实施方式的功率模块的结构的图。
[0032] 图20是示出第3实施方式的寿命诊断的动作步骤的流程图。
[0033] 图21是示出第3实施方式的寿命诊断的动作步骤的流程图。
[0034]图22是示出第3实施方式中的选取信号SL和输出的劣化度的关系的图。
[0035]图23是示出第3实施方式的变形例2的功率模块的结构的图。
[0036]图24是示出第3实施方式的变形例3的功率模块的结构的图。
[0037] 图25是示出在第3实施方式的变形例3中，在选取信号SL是"1"的情况下从输 出端子ro输出的信号的例子的图。
[0038] 图26是示出在第3实施方式的变形例4中，在选取信号SL是"1"的情况下从输 出端子ro输出的信号的例子的图。
[0039]图27是示出第3实施方式的变形例5的功率模块的结构的图。
[0040] 图28是示出第3实施方式的变形例6的功率模块的结构的图。
[0041] 图29是示出第4实施方式的功率模块的结构的图。
[0042] 图30是示出第4实施方式的寿命诊断的动作步骤的流程图。
[0043] 图31是示出第4实施方式的寿命诊断的动作步骤的流程图。
[0044] (符号说明）
[0045] lun、lvn、lwn:温度传感器；2、52、62 :A/D转换器；3 :绝缘元件；4 :寿命诊断部； 5 :输出部；7u、7v:温度传感器；10、20、30、40:功率模块；11:元件部；12 :控制部；91:劣化 程度计算部；92 :劣化量计算部；93 :劣化度计算部；101、102 :焊锡；105、106 :铜图案；110 : 绝缘基板；112 :基底板；114 :散热器；116 :壳体；500 :外部控制器；501 :驱动部；PD、H)S、 PT、POl、P02、P03 :输出端子；PDS、PS:选取端子；PV1、PV2 :电压端子；Qup、Qvp、Qwp、Qun、 Qvn、Qwn:开关元件；Dup、Dvp、Dwp、Dun、Dvn、Dwn:二极管元件。
【具体实施方式】
[0046] 以下，使用附图，说明本发明的实施方式。
[0047][第1实施方式]
[0048]图1是示出第1实施方式的功率模块的结构的图。
[0049] 图2以及图3是用于说明功率模块的布局的图。
[0050] 如图1所示，该功率模块具备元件部11、温度传感器lvn以及控制部12。
[0051] 元件部11是被使用于将输入的直流电力变换为三相交流电力的逆变器中的、由 IGBT芯片和二极管芯片的合计12个元件构成的部分。
[0052] 元件部11具备开关元件Qup、Qvp、Qwp、Qun、Qvn、Qwn和电流环流用的二极管元 件Dup、Dvp、Dwp、Dun、Dvn、Dwn。开关元件Qup、Qvp、Qwp、Qun、Qvn、Qwn以及电流环流用 的二极管元件Dup、Dvp、Dwp、Dun、Dvn、Dwn分别由独立的半导体芯片构成。开关元件Qup、 Qvp、Qwp、Qun、Qvn、Qwn是IGBT(Insulated-GateBipolarTransistors:绝缘概双极型晶 体管）。
[0053] 元件部11的正极侧节点与电压端子PV1连接，负极侧节点与电压端子PV2连接。 元件部11的U相的输出与输出端子P01连接，V相的输出与输出端子P02连接，W相的输出 与输出端子P03连接。
[0054] 开关元件Qup、Qun(U相支路）在正极侧节点与负极侧节点之间按照该顺序串联地 连接。开关元件Qvp、Qvn(V相支路）在正极侧节点与负极侧节点之间按照该顺序串联地 连接，并与U相支路并联地连接。开关元件Qwp、Qwn(W相支路）在正极侧节点与负极侧节 点之间按照该顺序串联地连接，并与U相以及V相支路并联地连接。二极管元件Dup、Dun、 Dvp、Dvn、Dwp、Dwn与开关元件Qup、Qun、Qvp、Qvn、Qwp、Qwn分别并联地在逆偏置方向上连 接。
[0055] 开关元件Qup、Qvp、Qwp和二极管元件Dup、Dvp、Dwp构成上支路。开关元件Qun、 Qvn、Qwn和二极管元件Dun、Dvn、Dwn构成下支路。
[0056] 如图3所示，在开关元件Qvn以及二极管元件Dvn的附近，分别层叠有连接构件的 焊锡101、102、流过电流的铜图案105、106、承担电气绝缘的绝缘基板110、用于散热和构件 保持的基底板112等。另外，在图3中，还一并记载有与功率模块连接的散热器114和接触 热电阻降低用的润滑油113。另外，引线接合等电气布线、壳体/胶等的图示省略。除了未 设置温度传感器的点以外，开关元件Qup以及二极管元件Dup的布局、开关元件Qvp以及二 极管元件Dvp的布局、开关元件Qwp以及二极管元件Dwp的布局、开关元件Qun以及二极管 元件Dun的布局、开关元件Qwn以及二极管元件Dwn的布局与图3的布局相同。
[0057] 功率模块处理比较大的电力，所以与电力损失相伴的功率模块内部的温度变化显 著。因此，各构件根据该温度变化而伸缩，但根据各构件的材质，其伸缩的程度不同。因此， 在构件间发生大的应力，对构件带来热疲劳。特别，作为半导体芯片的开关元件Qup以及二 极管元件Dup的正下的焊锡101由于起因于热疲劳而产生的裂纹（破裂）的发展而易于发 生破坏。另外，作为半导体芯片的开关元件Qup和接合线（未图示）的接合部也易于引起 热疲劳。
[0058]由焊锡101的裂纹所致的故障以及开关元件与接合线的接合部的故障决定的功 率模块的寿命被称为所谓功率周期寿命，是功率模块的主要的故障模式之一。另外，此处， 以后，有时将焊锡101的裂纹的发展以及开关元件与接合线的接合部的剥离称为"劣化"。
[0059] 温度传感器lvn配置于开关元件Qvn的周边，即能够检测焊锡101以及开关元件 Qvn与接合线的接合部的温度的周边，检测其周边的温度。
[0060] 如图2(a)所示，6个开关元件Qup、Qvp、Qwp、Qun、Qvn、Qwn和6个二极管元件Dup、 Dvp、Dwp、Dun、Dvn、Dwn集成配置在壳体116的内部。
[0061] 如图2(b)所示，在元件部11的上层中配置有控制部12。
[0062] 如图1所示，控制部12具备驱动部501、A/D转换器2、绝缘元件3、寿命诊断部4、 输出部5以及输出端子H)。寿命诊断部4包括劣化程度计算部91、劣化量计算部92以及 劣化度计算部93。
[0063] 驱动部501输出向开关元件Qup、Qun、Qvp、Qvn、Qwp、Qwn的控制信号Gup、Gun、 Gvp、Gvn、Gwp、Gwn〇
[0064] A/D转换器2将从温度传感器lvn送来的表示温度的模拟信号变换为数字信号。
[0065] 将从A/D转换器2输出的表示时刻t的温度的数字信号Tvn(t)经由绝缘元件3 送到寿命诊断部4。绝缘元件3是为了防止寿命诊断部4的误动作以及故障而设置的。
[0066] 寿命诊断部4由FPGA(FieldProgrammableGateArray:现场可编程门阵列）、 ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit:专用集成电路）、微型处理器或者它们 的组合构成。
[0067] 如图4所示，劣化程度计算部91从1个功率周期内的各时刻t的温度Tvn(t)，导 出1个功率周期中的最大温度MAXTvn和最小温度MINTvn。进而，劣化程度计算部91通过 计算最大温度MAXTvn和最小温度MINTvn的差，导出1个功率周期中的脉动温度ATvn。此 处，1个功率周期相应于半导体芯片的温度变化的1个周期。
[0068] ATvn=MAXTvn-MINTvn…(A1)
[0069] 劣化程度计算部91根据1个功率周期中的最大温度MAXTvn、最小温度MINTvn以 及脉动温度ATvn，依照以下的阿伦尼乌斯形的算式（A2)，计算开关元件Qvn的期待寿命的 功率周期次数Nvnf。（A2)的阿伦尼乌斯形的算式表示开关元件Qvn(半导体芯片）的功率 周期中的寿命特性。
[0070] [式 1]
[0071]
[0072] 此处，A、B以及a是系数，由开关元件Qvn的功率周期的期待寿命决定。
[0073]劣化程度计算部91依照以下的算式（A3)，计算1个功率周期中的开关元件Qvn的 劣化程度Rvn。
[0074] Rvn= 1/Nvnf... (A3)
[0075]劣化量计算部92依照以下的算式（A4)，计算作为开关元件Qvn的劣化量的劣化量 Svn〇
[0076] Svn=Svn+Rvn*** (A4)
[0077] 劣化度计算部93通过依照算式（A5)，将开关元件Qvn的劣化量Svn除以达到期待 寿命时的劣化量SMAX，从而计算开关元件Qvn的劣化度Svns。劣化度Svns表示开关元件 Qvn消耗掉的寿命相对期待寿命的比例。
[0078] Svns=Svn/SMAX(A5)
[0079] 在本实施方式中，将1个开关元件Qvn的寿命（劣化度）视为功率模块全体的寿 命（劣化），这利用了如果是一般的功率模块，则电流均衡地流过全部元件，全部元件的温 度同样地变化这样的特征。
[0080] (寿命诊断的动作）
[0081] 图5是示出第1实施方式的寿命诊断的动作步骤的流程图。
[0082] 参照图5,首先，劣化程度计算部91从A/D转换器2取得温度Tvn(t)(步骤S101)。
[0083] 接下来，劣化程度计算部91在1个功率周期结束的情况下（在步骤S102中"是")， 导出1个功率周期内的温度Tvn(t)的最大温度MAXTvn、最小温度MINTvn以及脉动温度 八1>11(步骤5103)。
[0084] 接下来，劣化程度计算部91依照算式（A2)以及算式（A3)，计算1个功率周期中的 开关元件Qvn的劣化程度Rvn(步骤S104)。
[0085] 接下来，劣化量计算部92依照算式（A4)，将每个功率周期的劣化程度Rvn的累计 计算为开关元件Qvn的劣化量Svn(步骤S105)。
[0086]接下来，劣化度计算部93依照算式（A5)，将开关元件Qvn的劣化量Svn除以达到 期待寿命时的劣化量SMAX，从而计算开关元件Qvn的劣化度Svns(步骤S106)。
[0087] 在电源导通（0N)的情况下（在步骤S110中"否"），重复从步骤S101起的处理。 另外，如果电源断开（OFF)(在步骤S110中"是"），则处理结束。
[0088] 如图6所示，输出部5针对每个功率周期生成将开关元件Qvn的劣化度Svns作为 导通脉冲的占空比的信号，从输出端子ro输出。也可以不用