功率模块的劣化探测装置制造方法
【专利摘要】一种探测内置有半导体芯片(100)的功率模块的劣化的装置，具备劣化探测处理部(10)，该劣化探测处理部根据检测半导体芯片(100)的温度而得到的温度信号(S1)中包含的交流信号与检测半导体芯片(100)的电力损耗而得到的电力损耗信号(S3)中包含的交流分量之间的传递特性，进行劣化探测处理，排除其他发热源的温度干扰的影响而可靠地探测功率模块的劣化度。
【专利说明】功率模块的劣化探测装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及探测集成半导体芯片来进行电力变换动作的功率模块的劣化程度的 功率模块的劣化探测装置。
【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 集成半导体芯片而能够实施电力变换动作的电气组件。半导体芯片是对Si、SiC、GaN等原 材料进行微加工而制作为IGBT、MOSFET等电路元件的器件，电气地通过开关动作进行电力 变换动作。
[0003]关于这样的功率模块，不仅是上述半导体芯片，而且壳体、密封胶、电气布线、绝缘 基板、底座也被一体化。进而，根据功率模块的种类，连栅极驱动器电路、用于防止过热、过 电流的保护电路也被一体化，实现进行使用了功率模块的产品的设计、制造的用户的便利 性。
[0004]功率模块处置比较大的电力，所以与电力损耗相伴的功率模块内部的温度变化明 显。因此,构成功率模块的各部件根据该温度变化而伸缩,但根据各部件的材质,其伸缩的 程度不同。因此，在部件之间发生大的应力，对部件导致热疲劳。
[0005]特别是，由于由热疲劳引起的断裂（破裂）的发展，半导体芯片的正下方的焊料容 易发生破坏。由该半导体芯片下部的焊料的断裂所致的故障决定的功率模块寿命，被称为 所谓的功率循环寿命，作为功率模块的主要的故障模式之一而被熟知。另外，此处以后，将 半导体芯片下部的焊料的断裂的发展称为"劣化"。
[0006]功率模块的这样的突发的故障导致应用该功率模块的设备、装置停止，所以导致 经济损失等。因此，以往进行预检查功率模块的故障或者劣化度来推测或者预测寿命的尝 试（例如参照下述专利文献1)。
[0007]即，半导体芯片中发生的电力损耗变化为热而朝向下部的底座移动。热阻抗是热 的移动难易的参考值，如果半导体芯片的下部的焊料的断裂发展，则焊料中的热的路径裂 开而热阻抗上升。因此，相对于相同的电力损耗，温度上升越明显热阻抗越大，能够判断断 裂的发展。
[0008]因此，在专利文献1的以往技术中，着眼于该现象，通过温度传感器检测半导体芯 片的设置场所的温度，并且求出该半导体芯片的电力损耗，根据该电力损耗和检测出的温 度上升率，求出热阻抗的上升率，从而探测功率模块的故障或者劣化。
[0009] 专利文献1 :日本专利第3668708号
【发明内容】
[0010] 这样，在专利文献1记载的以往技术中，主要活用通过温度传感器得到的温度信 号来探测功率模块的故障或者劣化，但实际的功率模块内部内置有多个半导体芯片，它们 当然分别成为发热源。另外，从电气布线等也发生热，它们也成为发热源。因此，以多个半 导体芯片、电气布线为发热源的热同时到达配置有温度传感器的温度测定部位。
[0011]因此，存在如下问题：即使以检测与某个特定的半导体芯片下部的焊料断裂的发 展相伴的热阻抗的变化为目的来实施温度测定，在该测定温度中，也同时包含来自其他发 热源的温度信息，由于温度干扰的影响而无法正确地计算热阻抗。
[0012] 本发明是为了解决上述那样的课题而完成的，其目的在于提供一种劣化探测装 置，该劣化探测装置能够排除来自以功率模块内的半导体芯片为首的其他发热组件的温度 干扰的影响而按照简易的步骤可靠地探测功率模块的劣化。
[0013] 本发明所涉及的功率模块的劣化探测装置，探测内置有半导体芯片的功率模块的 劣化，具备劣化探测处理部，该劣化探测处理部根据检测所述半导体芯片的温度而得到的 温度信号中包含的交流信号、与检测所述半导体芯片的电力损耗而得到的电力损耗信号中 包含的交流分量之间的传递特性，进行劣化探测处理。
[0014] 根据本发明的功率模块的劣化探测装置，通过根据温度信号的交流分量和电力损 耗信号的交流分量，提取包括热阻抗等信息的半导体芯片的电力损耗-温度间的传递特 性，从而能够排除来自其他发热源的温度干扰的影响，高精度地提取热阻抗信息，所以能够 提高功率模块的劣化探测精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是示出功率模块的一个例子的图，图I(A)是三相/二电平逆变器的电路图， 图I(B)是示出与图I(A)的电路图对应的半导体芯片的布局的平面图。
[0016] 图2是示出在图1的功率模块中包括多个半导体芯片的周边的构造的纵剖面图。
[0017] 图3是本发明的实施方式1中的功率模块的劣化探测装置所具备的劣化探测处理 部的块结构图。
[0018] 图4是本发明的实施方式1的劣化探测装置中的功率模块的劣化探测的原理说明 图。
[0019] 图5是本发明的实施方式1的劣化探测装置的劣化探测动作的说明图。
[0020] 图6是本发明的实施方式1的由劣化探测装置的劣化判定部实施的劣化判定处理 动作的说明图。
[0021] 图7是示出使用图1所示的功率模块来驱动马达等三相交流负载时的相电流、开 关元件的电力损耗以及温度的各波形的图。
[0022] 图8是示出使用图1所示的功率模块来驱动马达等三相交流负载时的开关元件的 温度信号的频率解析结果的图。
[0023] 图9是示出将图3所示的结构的劣化探测处理部安装到功率模块中时的一个例子 的结构图。
[0024] 图10是本发明的实施方式2的功率模块的劣化探测装置中的劣化探测的原理说 明图。
[0025] 图11是本发明的实施方式2的功率模块的劣化探测装置中的劣化探测的原理说 明图。
[0026] 图12是本发明的实施方式3中的功率模块的劣化探测装置所具备的劣化探测处 理部的块结构图。
[0027] 图13是示出使用图1所示的功率模块来驱动马达等三相交流负载时的电流频率、 相电流、开关元件的温度以及判定用信号的各波形的图。
[0028] 图14是示出本发明的实施方式3中的功率模块的劣化探测装置中的劣化探测处 理部的变形例的块结构图。
[0029] 图15是示出对半导体芯片连接了通电用的导线的状态的平面图。
[0030] 图16是示出导线的连接部附近的温度分布的说明图。
[0031] 图17是本发明的实施方式5中的由功率模块的劣化探测装置的劣化判定部实施 的劣化判定处理动作的说明图。
【具体实施方式】
[0032] 实施方式1.
[0033] 图1是示出成为劣化探测对象的功率模块的一个例子的图。图I(A)示出具有三相 /二电平逆变器的结构的功率模块的电路图，图I(B)示出构成图I(B)的功率模块的半导体 芯片的布局的平面图。在该三相/二电平逆变器中分别使用了 6个开关元件Qup?Qwn、6 个电流回流用的二极管Dup?Dwn。因此，成为将由合计12个半导体芯片100构成的各元 件Qup?Qwn、Dup?Dwn汇总配置于壳体116的内部的构造。
[0034] 图2是示出在例如图1的功率模块中，包括开关元件Qup和二极管Dup这2个半 导体芯片100在内的周边的构造的纵剖面图。
[0035] 在半导体芯片100的附近，层叠有部件连接用的焊料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、保持部件的底座112等。另外，在图2 中，还一并记载了并未附属在产品化了的多个功率模块中的、与功率模块连接的散热器114 和接触热阻抗降低用的润滑油113。另外，省略了引线接合等电气布线、壳体/胶等的图示。
[0036] 如上所述，即使以检测与某个特定的半导体芯片下部的焊料断裂的发展相伴的热 阻抗的变化为目的而实施温度测定，在该测定温度中，也同时包括来自其他发热源的温度 信息。因此，由于温度干扰的影响而无法正确地计算热阻抗。
[0037] 例如，在图2所示的情况下，在为了计算图中左侧的半导体芯片100(开关元件 Qup)的附近的热阻抗，而用其温度传感器1检测温度的情况下，来自图中右侧的半导体芯 片100 (二极管Dup)的热到达，该热将被测量为半导体芯片100 (开关元件Qup)的温度。因 此，半导体芯片100 (开关元件Qup)附近处的热阻抗、即电力损耗和与其相伴的温度变化的 比的计算精度降低，劣化探测精度降低。
[0038]因此，本发明的劣化探测装置能够排除来自以功率模块内部的半导体芯片为首的 其他发热组件的温度干扰的影响而按照简易的步骤可靠地探测功率模块的劣化。以下，说 明该实施方式1中的具体的劣化探测装置的结构、原理以及作用效果。
[0039] 图3是本发明的实施方式1中的功率模块的劣化探测装置具备的劣化探测处理部 的块结构图。
[0040] 该实施方式1的功率模块的劣化探测装置具备进行功率模块的劣化探测处理的 劣化探测处理部10。该劣化探测处理部10具有温度检测部1、电力损耗检测部3、温度信号 解析部5、电力损耗信号解析部6以及劣化判定部9。
[0041] 此处，如图2所示，温度检测部1设置在成为劣化探测对象的半导体芯片100上来 探测该半导体芯片100的温度，输出温度信号S1。作为该温度检测部1，能够使用热电偶、 热敏电阻等温度传感器。但是，不限于温度传感器，也可以利用例如二极管以恒定电流动作 时的电压降与温度成比例的关系，在半导体芯片100的制造的工艺的过程中作入二极管并 连接恒定电流电路，而检测其二极管电压。此处，活用温度信号Sl的交流分量，所以温度检 测部1的检测响应特性越高越好。另外，此处，为便于说明，以下将这些温度检测部1简称 为温度传感器。
[0042] 电力损耗检测部3根据半导体芯片100中流过的电流、针对半导体芯片100的开 关指令等，计算电力损耗，输出电力损耗信号S3。该电力损耗中包括开关损失、导通损失，从 功率模块厂商，以针对电流的表格的形式来提供这些基本的数据的情况较多，也可以使用 这些值来进行计算。另外，关于具体的计算方式，应用功率模块厂商提供的应用笔记、面向 初学者的文本等中记载的公知的方法即可，在该实施方式1中，省略了详细的说明。另外， 关于电力损耗，也可以测定半导体芯片100中的电压降，通过与电流信号之积来计算。
[0043] 来自温度检测部1的温度信号Sl被输入到温度信号解析部5,来自电力损耗检测 部3的电力损耗信号S3被输入到电力损耗信号解析部6。在各解析部5、6中，计算各信号 S1、S3中包含的频率分量，分别输出温度解析信号S5和电力损耗解析信号S6。劣化判定部 9根据温度解析信号S5和电力损耗解析信号S6,进行功率模块的劣化判定，输出判定信号 S9〇
[0044] 接下来，详细说明本发明的原理。
[0045]一般，在非稳定热传导现象中，在电力损耗即所发生的热流束包含交流分量的情 况下，其所致的温度变化也包含同一频率。另外，根据热的扩散长度这样的指标的观点，发 生如下现象：所发生的热流束的频率越高，针对热流束以规定的响应追踪而发生温度变化 的区域越窄。即，如果频率恒定，则越接近热流束的流入部位（电力损耗的发生部位），与热 流束对应的温度变化越明显。另外，在离热流束的流入部位某一定的距离的场所，热流束的 频率越低，与热流束对应的温度变化越明显。
[0046]作为该倾向的简单的例子，以下示出一维的非稳定热传导的情况。（1)式是非稳定 热传导方程式。此处，设想了将温度设为T、将距离设为X、将时间设为t，用X> 0定义的 单一材料的半无限长物体。作为边界条件，输入在X= 〇的地点根据时间t变化的热流束 q(t)，（2)式表示该热流束的条件。
【权利要求】
1. 一种功率模块的劣化探测装置，探测内置有半导体芯片的功率模块的劣化， 具备劣化探测处理部，该劣化探测处理部根据检测所述半导体芯片的温度而得到的温 度信号中包含的交流信号、与检测所述半导体芯片的电力损耗而得到的电力损耗信号中包 含的交流分量之间的传递特性，进行劣化探测处理。
2. 根据权利要求1所述的功率模块的劣化探测装置，其特征在于， 所述劣化探测处理部具备： 温度检测部，检测所述半导体芯片的温度，输出温度信号； 电力损耗检测部，检测所述半导体芯片的电力损耗，输出电力损耗信号； 温度信号解析部，解析所述温度信号中包含的各交流信号的频率分量； 电力损耗信号解析部，解析所述电力损耗信号中包含的各交流信号的频率分量；以及 劣化判定部，根据由所述两个解析部电力损耗解析出的所述温度信号和所述电力损耗 信号的各交流信号的频率分量，判定所述功率模块的劣化。
3. 根据权利要求2所述的功率模块的劣化探测装置，其特征在于， 所述劣化判定部仅在所述温度信号和所述电力损耗信号分别包含规定的频带的交流 分量的情况下进行劣化判定。
4. 根据权利要求2或者3所述的功率模块的劣化探测装置，其特征在于， 所述劣化判定部通过将所述温度信号中包含的交流分量和所述电力损耗信号中包含 的交流分量之间的传递特性与规定的基准值进行比较来进行劣化判定。
5. 根据权利要求2或者3所述的功率模块的劣化探测装置，其特征在于， 在所述功率模块内置有多个所述半导体芯片的情况下，所述劣化判定部针对每个所述 半导体芯片，求出所述温度信号中包含的交流分量和所述电力损耗信号中包含的交流分量 之间的传递特性，在各半导体芯片之间比较所述传递特性，从而进行劣化判定。
6. 根据权利要求1所述的功率模块的劣化探测装置，其特征在于， 所述劣化探测处理部具备： 温度检测部，检测所述半导体芯片的温度，输出温度信号； 电流检测部，检测所述半导体芯片中流过的电流，输出电流信号； 判定用信号计算部，将由所述电流检测部检测到的电流信号用作成为傅立叶解析的基 准的基底信号，求出由所述温度检测部得到的所述温度信号中包含的各交流信号的傅立叶 系数的大小，并将其作为判定用信号而输出；以及 劣化判定部，根据由所述判定用信号计算部得到的判定用信号，判定所述功率模块的 劣化。
7. 根据权利要求6所述的功率模块的劣化探测装置，其特征在于， 所述判定用信号计算部仅在所述电流信号和所述温度信号分别包含规定的频带的交 流分量的情况下输出判定信号。
8. 根据权利要求3或者7所述的功率模块的劣化探测装置，其特征在于， 设置有载波频率校正部，该载波频率校正部对在向所述半导体芯片的开关指令的生成 中所使用的载波频率，重叠所述规定的频带的交流分量。
【文档编号】H02M7/48GK104380126SQ201380031019
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年5月23日 优先权日:2012年6月14日
【发明者】古谷真一, 田中辉明 申请人:三菱电机株式会社