(57)【要約】【課題】ＩＧＢＴのエミッタ電極の上面に半田でビームリードを接合する構造であっても半田の抵抗値を直接に計測してクラックを検出する。【解決手段】本発明の半田クラック検出装置７は、ＩＧＢＴ１１のケルビンエミッタ電極ＫＥとビームリード１５との間の電圧を測定する電圧検出部２３と、ＩＧＢＴ１１のエミッタ電流を検出する電流検出部２５と、ケルビンエミッタ電極ＫＥとビームリード１５との間の電圧とエミッタ電流とから抵抗値を算出し、この抵抗値に基づいてエミッタ電極Ｅとビームリード１５との間を接合する半田のクラックを検出する半田クラック検出部２７とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にＩＧＢＴを実装し、前記ＩＧＢＴのエミッタ電極の上面に半田でビームリードを接合した半導体装置の半田クラック検出装置（７）であって、
前記ＩＧＢＴ（１１、１３）のケルビンエミッタ電極（ＫＥ）と前記ビームリード（１５、１７）との間の電圧を測定する電圧検出手段（２３）と、
前記ＩＧＢＴ（１１、１３）のエミッタ電流を検出する電流検出手段（２５）と、
前記ＩＧＢＴ（１１、１３）のケルビンエミッタ電極（ＫＥ）と前記ビームリード（１５、１７）との間の電圧と前記エミッタ電流とから抵抗値を算出し、前記抵抗値に基づいて前記ＩＧＢＴ（１１、１３）のエミッタ電極（Ｅ）と前記ビームリード（１５、１７）との間を接合する半田のクラックを検出する半田クラック検出手段（２７）と
を備えたことを特徴とする半田クラック検出装置。
【請求項２】
前記半導体装置はインバータ（１）を構成するパワーモジュール（５）であり、
前記電流検出手段（２５）は、前記インバータ（１）の出力電流を前記エミッタ電流として検出することを特徴とする請求項１に記載の半田クラック検出装置。
【請求項３】
前記半導体装置はインバータ（１）を構成するパワーモジュール（５）であり、
前記電流検出手段(２５)は、前記インバータ（１）の制御目標電流値を前記エミッタ電流として検出することを特徴とする請求項１に記載の半田クラック検出装置。
【請求項４】
前記ＩＧＢＴ(１１、１３)がＯＮされているか否かを判定するＩＧＢＴ動作状態判定手段(２１)をさらに備え、
前記電圧検出手段(２３)は、前記ＩＧＢＴ動作状態判定手段(２１)によって前記ＩＧＢＴ（１１、１３）がＯＮされていると判定されたときに前記ＩＧＢＴ（１１、１３）のケルビンエミッタ電極（ＫＥ）と前記ビームリード（１５、１７）との間の電圧を測定し、
前記電流検出手段（２５）は、前記ＩＧＢＴ（１１、１３）のエミッタ電流を検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半田クラック検出装置。
【請求項５】
基板上にＩＧＢＴを実装し、前記ＩＧＢＴのエミッタ電極の上面に半田でビームリードを接合した半導体装置の半田クラック検出方法であって、
前記ＩＧＢＴ（１１、１３）のケルビンエミッタ電極（ＫＥ）と前記ビームリード（１５、１７）との間の電圧を測定する電圧検出ステップと、
前記ＩＧＢＴ（１１、１３）のエミッタ電流を検出する電流検出ステップと、
前記ＩＧＢＴ（１１、１３）のケルビンエミッタ電極（ＫＥ）と前記ビームリード（１５、１７）との間の電圧と前記エミッタ電流とから抵抗値を算出し、前記抵抗値に基づいて前記ＩＧＢＴ（１１、１３）のエミッタ電極（Ｅ）と前記ビームリード（１５、１７）との間を接合する半田のクラックを検出する半田クラック検出ステップと
を含むことを特徴とする半田クラック検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上にＩＧＢＴを実装し、ＩＧＢＴのエミッタ電極の上面に半田でビームリードを接合した半導体装置の半田クラック検出装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来では、半導体素子と絶縁基板とを固着する半田部の温度サイクル寿命を推定する半導体装置として、特許文献１が開示されている。
【０００３】
この特許文献１で開示された半導体装置では、絶縁基板上にクラック状態検知部を設け、このクラック状態検知部は線膨張係数の異なる抵抗部材を半田で貼り合わせて両端部の間の抵抗値を検出できる構造となっている。そして、クラック状態検知部の両端部の間に電流を流し、その抵抗値の変化をモニタすることによって半導体素子と絶縁基板とを固着する半田部の温度サイクル寿命を推定していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３４７０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来の半導体装置では、クラックが推定される半田部の抵抗値を直接計測しているわけではないので、あくまでも予測にしか過ぎないという問題点があった。
【０００６】
また、ＩＧＢＴのエミッタ電極の上面に半田でビームリードを接合する構造では、半田の抵抗値を直接計測しようとしても、エミッタ電極の上面全てをビームリードが覆ってしまうので、エミッタ電極の電位を測定することはできなかった。したがって、ビームリードとエミッタ電極との間に設けられた半田の抵抗値を測定することはできなかった。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、ＩＧＢＴのエミッタ電極の上面に半田でビームリードを接合する構造であっても、半田の抵抗値を直接に計測してクラックを検出できる半田クラック検出装置及びその方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、基板上にＩＧＢＴを実装し、前記ＩＧＢＴのエミッタ電極の上面に半田でビームリードを接合した半導体装置の半田クラック検出装置であって、前記ＩＧＢＴのケルビンエミッタ電極と前記ビームリードとの間の電圧を測定する電圧検出手段と、前記ＩＧＢＴのエミッタ電流を検出する電流検出手段と、前記ＩＧＢＴのケルビンエミッタ電極と前記ビームリードとの間の電圧と前記エミッタ電流とから抵抗値を算出し、前記抵抗値に基づいて前記ＩＧＢＴのエミッタ電極と前記ビームリードとの間を接合する半田のクラックを検出する半田クラック検出手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明であって、前記半導体装置はインバータを構成するパワーモジュールであり、前記電流検出手段は、前記インバータの出力電流を前記エミッタ電流として検出することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明であって、前記半導体装置はインバータを構成するパワーモジュールであり、前記電流検出手段は、前記インバータの制御目標電流値を前記エミッタ電流として検出することを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発明であって、前記ＩＧＢＴがＯＮされているか否かを判定するＩＧＢＴ動作状態判定手段をさらに備え、前記電圧検出手段は、前記ＩＧＢＴ動作状態判定手段によって前記ＩＧＢＴがＯＮされていると判定されたときに前記ＩＧＢＴのケルビンエミッタ電極と前記ビームリードとの間の電圧を測定し、前記電流検出手段は、前記ＩＧＢＴのエミッタ電流を検出することを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、基板上にＩＧＢＴを実装し、前記ＩＧＢＴのエミッタ電極の上面に半田でビームリードを接合した半導体装置の半田クラック検出方法であって、前記ＩＧＢＴのケルビンエミッタ電極と前記ビームリードとの間の電圧を測定する電圧検出ステップと、前記ＩＧＢＴのエミッタ電流を検出する電流検出ステップと、前記ＩＧＢＴのケルビンエミッタ電極と前記ビームリードとの間の電圧と前記エミッタ電流とから抵抗値を算出し、前記抵抗値に基づいて前記ＩＧＢＴのエミッタ電極と前記ビームリードとの間を接合する半田のクラックを検出する半田クラック検出ステップとを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、ＩＧＢＴのケルビンエミッタ電極とビームリードとの間の電圧を測定し、この電圧から抵抗値を算出してエミッタ電極とビームリードとの間を接合する半田のクラックを検出する。これにより、ＩＧＢＴのエミッタ電極の上面に半田でビームリードを接合する構造であっても、エミッタ電極とビームリードとの間を接合する半田の抵抗値を直接に計測して確実にクラックを検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る半田クラック検出装置を備えたインバータの構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態に係る半田クラック検出装置を備えたインバータの回路構成を示す回路図である。
【図３】図３は、本発明の第１実施形態に係る半田クラック検出装置による半田クラック検出処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】図４は、本発明の第１実施形態に係る半田クラック検出装置を備えたインバータを構成するパワーモジュールの構造を説明するための斜視図である。
【図５】図５は、本発明の第１実施形態に係る半田クラック検出装置を備えたインバータを構成するパワーモジュールの構造を説明するための図である。
【図６】図６は、本発明の第１実施形態に係る半田クラック検出装置を備えたインバータを構成するパワーモジュールの構造を説明するための上面図である。
【図７】図７は、本発明の第２実施形態に係る半田クラック検出装置を備えたインバータの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を適用した第１及び第２実施形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
［第１実施形態］
［半田クラック検出装置を備えたインバータの構成］
図１は、本実施形態に係る半田クラック検出装置を備えたインバータの構成を示すブロック図である。図１に示すように、インバータ１は、インバータ制御部３と、パワーモジュール５と、半田クラック検出装置７とを備えている。
【００１７】
インバータ１は、図２に示すように６個のＩＧＢＴから構成され、電源から供給された直流電力を３相の交流電力に変換してモータ９に供給している。
【００１８】
インバータ制御部３は、パワーモジュール５を駆動するためのＰＷＭ信号を出力して、パワーモジュール５を構成するＩＧＢＴのＯＮ、ＯＦＦを制御する。
【００１９】
パワーモジュール５は、スイッチング素子であるＩＧＢＴを備え、インバータ制御部３からのＰＷＭ信号によってＩＧＢＴが制御されて３相交流をモータ９へ出力する。図１では、１つのアームを構成するＩＧＢＴ１１、１３を示しており、ＩＧＢＴ１１、１３は、それぞれゲート電極Ｇと、コレクタ電極Ｃと、エミッタ電極Ｅと、ケルビンエミッタ電極ＫＥとを備えている。ケルビンエミッタ電極ＫＥは、エミッタ電極Ｅと電圧が等しい電極である。また、エミッタ電極Ｅには半田でビームリード１５、１７が接続されており、ビームリード１５、１７の他端は半田で基板パターン１９に接続されている。
【００２０】
半田クラック検出装置７は、パワーモジュール５を構成するＩＧＢＴのエミッタ電極とビームリードとの間を接合する半田のクラックを検出するための装置である。図１に示すように、半田クラック検出装置７は、ＩＧＢＴ１１、１３のケルビンエミッタ電極ＫＥと、ビームリード１５、１７が接続された先の基板パターン１９に接続されている。そして、半田クラック検出装置７は、ＩＧＢＴ動作状態判定部２１と、電圧検出部２３と、電流検出部２５と、半田クラック検出部２７とを備えている。
【００２１】
ＩＧＢＴ動作状態判定部２１は、インバータ制御部３から出力されるパワーモジュール５を駆動するためのＰＷＭ信号を取得してＩＧＢＴ１１、１３がＯＮされているか否かを判定する。
【００２２】
電圧検出部２３は、ＩＧＢＴ１１、１３のケルビンエミッタ電極ＫＥとビームリード１５、１７との間の電圧を測定し、この電圧をＩＧＢＴ１１、１３のエミッタ電極Ｅとビームリード１５、１７との間を接合する半田の電圧として検出する。尚、図１では、電圧検出部２３は、ビームリード１５、１７が接続された先の基板パターン１９に接続されているが、ビームリード１５、１７の電圧を測定できれば他の場所でもよく、例えばビームリード１５、１７に直接接続されていてもよい。また、電圧検出部２３は、図１に示すようにアッパー側のＩＧＢＴ１１の電圧を検出するときとロウアー側のＩＧＢＴ１３の電圧を検出するときをスイッチによって切り替えて検出している。ただし、この他の方法で切り替えてもよいし、アッパー側とロウアー側のケルビンエミッタ電極ＫＥと基板パターン１９にそれぞれ別々に４本の配線で接続されていてもよい。
【００２３】
電流検出部２５は、ＩＧＢＴ１１、１３のエミッタ電流を検出する。本実施形態では、インバータ１から出力される３相交流の電流値を電流センサ３１から取得し、この出力電流をＩＧＢＴ１１、１３のエミッタ電流として検出する。
【００２４】
半田クラック検出部２７は、電圧検出部２３で検出されたＩＧＢＴ１１、１３のケルビンエミッタ電極ＫＥとビームリード１５、１７との間の電圧と電流検出部２５で検出されたエミッタ電流とから抵抗値を算出する。そして、この抵抗値に基づいてＩＧＢＴ１１、１３のエミッタ電極Ｅとビームリード１５、１７との間を接合する半田のクラックを検出する。
【００２５】
尚、半田クラック検出装置７は、例えばドライバー基板上に実装されており、マイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ、ＣＰＵを含む汎用の電子回路と周辺機器から構成されている。そして、特定のプログラムを実行することにより、ＩＧＢＴ動作状態判定部２１、電圧検出部２３、電流検出部２５及び半田クラック検出部２７として動作する。
【００２６】
［半田クラック検出処理の手順］
次に、本実施形態に係る半田クラック検出装置７による半田クラック検出処理の手順を図３のフローチャートを参照して説明する。
【００２７】
図３に示すように、ステップＳ１０においてＩＧＢＴ動作状態判定部２１がＩＧＢＴの動作状態がＯＮであるか否かを判定する。ＩＧＢＴ動作状態判定部２１は、インバータ制御部３が出力するパワーモジュール駆動用のＰＷＭ信号を取得し、これによりＩＧＢＴの動作状態がＯＮであるか否かを判定する。ＩＧＢＴの動作状態を判定する理由は、ＩＧＢＴがＯＦＦのときに以下に示すエミッタ電極とビームリードとの間の電圧を測定しても正確な電圧値を計測できないためである。そこで、ＩＧＢＴ動作状態判定部２１は、ＩＧＢＴの動作状態がＯＮでないときにはステップＳ１０においてＩＧＢＴの動作状態を継続して監視し、ＩＧＢＴの動作状態がＯＮになるとステップＳ２０に進む。
【００２８】
次に、ステップＳ２０では、電圧検出部２３が、ＩＧＢＴ１１、１３のケルビンエミッタ電極ＫＥとビームリード１５、１７との間の電圧を測定し、この電圧をＩＧＢＴ１１、１３のエミッタ電極Ｅとビームリード１５、１７との間を接合する半田の電圧として検出する。
【００２９】
ここで、電圧検出部２３が電圧を検出する基板上の構造を、図４を参照して説明する。図４に示すように、セラミック基板４１上にはＩＧＢＴ４３が実装され、ＩＧＢＴ４３にはエミッタ電極Ｅとゲート電極Ｇとケルビンエミッタ電極ＫＥとが設けられている。このケルビンエミッタ電極ＫＥはエミッタ電極Ｅと電圧の等しい電極である。そして、エミッタ電極Ｅにはチップ上半田４５を介してビームリード４７の一端が接合され、ビームリード４７の他端は半田４８を介してセラミック基板４１の基板パターン４９に接合されている。
【００３０】
次に、ビームリード４７をエミッタ電極Ｅに接合したときの基板上の構造を、図５を参照して説明する。図５（ａ）はセラミック基板４１上の構造を示す斜視図、図５（ｂ）は上面図、図５（ｃ）は図５（ｂ）のＡ−Ａ線の断面図である。
【００３１】
図５（ｃ）に示すように、セラミック基板４１は絶縁層５１の上下両面に基板パターン４９、５２、５３が形成され、さらにそのセラミック基板４１の上にはＩＧＢＴ４３がチップ下半田５５によって基板パターン５２に接合されている。そして、ＩＧＢＴ４３の上にはチップ上半田４５によってビームリード４７が接合されている。一方、セラミック基板４１の下には基板下半田５７によって冷却器５９が接合されている。
【００３２】
ここで、本実施形態に係る半田クラック検出装置７によってクラックの有無が検出される半田は、チップ上半田４５になるので、その両端のエミッタ電極Ｅとビームリード４７との間の電圧を検出する必要がある。しかし、図５（ａ）に示すように、ビームリード４７がＩＧＢＴ４３のエミッタ電極Ｅに接合されると、エミッタ電極Ｅの上面はビームリード４７によって覆われてしまうので、通常はエミッタ電極Ｅの電位を直接測定することはできない。そこで、本実施形態に係る半田クラック検出装置７ではケルビンエミッタ電極ＫＥとビームリード４７との間の電圧を測定することによって、エミッタ電極Ｅとビームリード４７との間の電圧と等しい電圧を測定する。
【００３３】
一方、ビームリード４７の電位は、ビームリード４７の他端が基板パターン４９に接合されているので、図６に示すように基板パターン４９から配線６１を経由して電極６３から取り出せばよい。
【００３４】
したがって、電圧検出部２３は、図６に示す電極６３とＩＧＢＴ４３のケルビンエミッタ電極ＫＥに接続された電極６５との間の電圧を測定することによって、ＩＧＢＴ４３のエミッタ電極Ｅとビームリード４７との間の電圧を検出する。ただし、ビームリード４７の電位は、基板パターン４９を介して測定する必要はなく、例えばビームリード４７に直接接続する等、その他の位置で測定してもよい。
【００３５】
次に、ステップＳ３０において、電流検出部２５は、インバータ１から出力される３相交流の電流値を電流センサ３１から取得し、この出力電流をＩＧＢＴ１１、１３のエミッタ電流として検出する。また、図示していないがＩＧＢＴ１１、１３のミラーエミッタ電極を流れる電流を測定するための電流センサから電流値を取得し、この電流値をＩＧＢＴ１１、１３のエミッタ電流として検出してもよい。
【００３６】
次に、ステップＳ４０において、半田クラック検出部２７が、ステップＳ２０で検出されたＩＧＢＴのケルビンエミッタ電極とビームリードとの間の電圧と、ステップＳ３０で検出されたエミッタ電流とを取得する。そして、これらの電圧と電流からＩＧＢＴのエミッタ電極とビームリードとの間の抵抗値、すなわちエミッタ電極とビームリードとの間を接合する半田の抵抗値を算出する。
【００３７】
次に、ステップＳ５０において、半田クラック検出部２７は、ステップＳ４０で算出した抵抗値と予め設定されている所定値とを比較し、抵抗値が所定値以上であるか否かを判定することによってクラックの有無を検出する。ここで、判定閾値となる所定値については、半田にクラックや剥離が存在すると抵抗値は上昇するので、予め実験やシミュレーションによって半田にクラックが存在した場合の抵抗値を求めて設定すればよい。
【００３８】
そして、半田クラック検出部２７は、抵抗値が所定値未満となった場合にはクラックは存在しないと判定してステップＳ１０に戻り、抵抗値が所定値以上となった場合にはクラックが存在すると判定してステップＳ６０に進む。
【００３９】
ステップＳ６０では、半田クラック検出部２７が、半田にクラックが存在することを警告するための警報を出力する。例えば、本実施形態に係る半田クラック検出装置７が車両に搭載されている場合には、運転者に対して警告ランプを点灯させたり、ディスプレイに警告メッセージを表示させるために車載システムに警報を出力する。
【００４０】
こうして半田クラックを検出して警報が出力されると、本実施形態に係る半田クラック検出処理を終了する。
【００４１】
以上詳細に説明したように、本実施形態に係る半田クラック検出装置７では、ＩＧＢＴのケルビンエミッタ電極とビームリードとの間の電圧を測定し、この電圧から抵抗値を算出してエミッタ電極とビームリードとの間を接合する半田のクラックを検出する。これにより、ＩＧＢＴのエミッタ電極の上面に半田でビームリードを接合する構造であっても、エミッタ電極とビームリードとの間を接合する半田の抵抗値を直接に計測して確実にクラックを検出することができる。
【００４２】
また、本実施形態に係る半田クラック検出装置７によれば、インバータ１の出力電流をエミッタ電流として検出するので、電流センサを新たに設置しなくても既存の電流センサを用いてエミッタ電流を検出することができる。
【００４３】
さらに、本実施形態に係る半田クラック検出装置７では、ＩＧＢＴがＯＮされていると判定されたときにＩＧＢＴのエミッタ電極とビームリードとの間の電圧及びエミッタ電流を検出する。これにより、ＩＧＢＴがＯＮされているときのみ半田クラックの検出を行うので、正確に半田クラックを検出することができる。
【００４４】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る半田クラック検出装置について図面を参照して説明する。尚、第１実施形態と同一の構成要素には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。
【００４５】
［半田クラック検出装置を備えたインバータの構成］
図７は本実施形態に係る半田クラック検出装置を備えたインバータの構成を示すブロック図である。図７に示すように、本実施形態に係る半田クラック検出装置７１は、電流検出部２５が、インバータ１の制御目標電流値をエミッタ電流として検出するようにしたことが第１実施形態と相違している。
【００４６】
第１実施形態では、インバータ１から出力される３相交流の電流値をＩＧＢＴ１１、１３のエミッタ電流として検出していた。しかし、本実施形態の電流検出部２５では、インバータ制御部３からインバータ１の制御目標電流値を取得し、この制御目標電流値をＩＧＢＴ１１、１３のエミッタ電流として検出する。
【００４７】
このように、本実施形態に係る半田クラック検出装置７１によれば、インバータ１の制御目標電流値をエミッタ電流として検出するので、電流センサを新たに設置しなくてもエミッタ電流を検出することができる。
【００４８】
なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計などに応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００４９】
１  インバータ
３  インバータ制御部
５  パワーモジュール
７、７１  半田クラック検出装置
９  モータ
１１、１３、４３  ＩＧＢＴ
１５、１７、４７  ビームリード
１９、４９、５２、５３  基板パターン
２１  ＩＧＢＴ動作状態判定部
２３  電圧検出部
２５  電流検出部
２７  半田クラック検出部
４１  セラミック基板
４５  チップ上半田
４８  半田
５１  絶縁層
５５  チップ下半田
５７  基板下半田
５９  冷却器
６１  配線
６３、６５  電極
Ｃ  コレクタ電極
Ｅ  エミッタ電極
Ｇ  ゲート電極
ＫＥ  ケルビンエミッタ電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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