(57)【要約】【課題】半導体素子を含む半導体装置において自己修復と寿命延伸を図ることができる半導体装置、半導体装置の制御装置を提供すること。【解決手段】本発明による半導体装置１は、パワー半導体２（半導体素子）と電極３と放熱器４とを接合材５、６を介して接合してなる半導体装置１であって、半導体素子２の温度検出値Ｔ（ｔ）（温度）を検出する検出手段９と、を含み、温度検出値Ｔ（ｔ）が予め設定された温度閾値Ｔａに到達すると半導体素子２に修復用の通電を行うＥＣＵ９（通電手段）に制御されることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と電極との間、前記電極と放熱器との間の少なくともいずれかを接合材を介して接合してなる半導体装置であって、前記半導体素子の温度を検出する検出手段と、を含み、前記温度が予め設定された温度閾値に到達すると前記半導体素子に前記接合材を溶融させる修復用の通電を行う通電手段に制御されることを特徴とする、半導体装置。
【請求項２】
前記通電手段は、前記温度が前記接合材の溶融温度と当該溶融温度よりも高い前記半導体素子の許容温度との間に収まるように前記修復用の通電を行うことを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記電極の前記半導体素子と対向する側である正面側に前記接合材の溶融時に当該接合材が濡れ広がる範囲を制限する制限手段を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
半導体素子と電極との間、前記電極と放熱器との間の少なくともいずれかを接合材を介して接合してなる半導体装置の前記半導体素子の温度が予め設定された温度閾値に到達すると前記半導体素子に前記接合材を溶融させる修復用の通電を行う通電手段を含むことを特徴とする、半導体装置の制御装置。
【請求項５】
半導体素子と電極との間、前記電極と放熱器との間の少なくともいずれかを接合する接合材と、システム電圧を制御することによって前記接合材を再溶融させる制御装置と、を備える半導体装置であって、
前記制御装置は、前記接合材を再溶融させる前に、前記システム電圧を、前記接合材が再溶融可能な電圧まで低下させる、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば乗用車、トラック、バス等の車両や家庭用機器又は産業用機器に適用されて好適な半導体装置、半導体装置の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＩＰＭ（Intelligent Power Module）等の半導体素子を含む半導体装置は電極、絶縁材、放熱器などを、接合材を介して積層する構造を有している。半導体素子はスイッチング制御により繰り返し通電される発熱部品であり、接合材に熱疲労によるクラックが入ることが懸念される。そこで以下の特許文献１に示されるように半導体素子に温度検知素子を設けて接合材にクラックが発生したか否かを検知する技術が開示されている。
【０００３】
又、熱膨張係数の異なる部材を含むベース板の外観の変化（はんだの脆化の進行状況に起因する変化）を観測することにより、半導体装置の製品寿命を予測し、適正に装置の交換を実施する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２１２２９４号公報
【特許文献２】特開２０１２−１９０８９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが上述した特許文献１に記載の従来技術では、クラックの発生の有無を検知するのみであり、クラックの修復を行って寿命の延長を図ることは開示されていない。
【０００６】
又、特許文献２には、放電制御により半導体素子に生じる発熱を利用してはんだを再溶融させ、熱による半導体素子の破損を防止する技術ついては、開示されていない。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑み、半導体素子を含む半導体装置において自己修復と寿命延伸を図ることができる半導体装置、半導体装置の制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
又、上記問題に鑑み、熱による半導体素子の破損を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、本発明による半導体装置は、半導体素子と電極との間、前記電極と放熱器との間の少なくともいずれかを接合材を介して接合してなる半導体装置であって、前記半導体素子の温度を検出する検出手段と、を含み、前記温度が予め設定された温度閾値に到達すると前記半導体素子に前記接合材を溶融させる修復用の通電を行う通電手段に制御されることを特徴とする。ここで、前記通電手段は、前記温度が前記接合材の溶融温度と当該溶融温度よりも高い前記半導体素子の許容温度との間に収まるように前記修復用の通電を行うこととし、前記電極の前記半導体素子と対向する側である正面側に前記接合材の溶融時に当該接合材が濡れ広がる範囲を制限する制限手段を含むこととしてもよい。
【００１０】
また上記の課題を解決するため、本発明による半導体装置の制御装置は、半導体素子と電極との間、前記電極と放熱器との間の少なくともいずれかを接合材を介して接合してなる半導体装置の前記半導体素子の温度が予め設定された温度閾値に到達すると前記半導体素子に前記接合材を溶融させる修復用の通電を行う通電手段を含むことを特徴とする。
【００１１】
また上記の課題を解決するため、本発明による半導体装置は、半導体素子と電極との間、前記電極と放熱器との間の少なくともいずれかを接合する接合材と、システム電圧を制御することによって前記接合材を再溶融させる制御装置と、を備える半導体装置であって、前記制御装置は、前記接合材を再溶融させる前に、前記システム電圧を、前記接合材が再溶融可能な電圧まで低下させる、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、前記インサート部品と前記樹脂との接合性をより有効に高めることができる。又、熱による半導体素子の破損を防止することで、半導体装置の製品寿命を良好に維持できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る実施例１の半導体装置１の一実施形態を構成要素の配置形態（ａ）と積層形態（ｂ）で示す模式図である。
【図２】実施例１の半導体装置１における発熱の形態を素子側斜視（ａ）と半導体素子を含む断面（ｂ）にて示す模式図である。
【図３】実施例１の半導体装置１における接合材の修復及び初期接合時の広がりを防止する構造を示す模式図である。
【図４】実施例１の半導体装置１における接合材の修復及び初期接合時の広がりを防止する構造を示す模式図である。
【図５】実施例１の半導体装置１における修復開始電流閾値Ｔａ（温度閾値）の設定態様を説明する模式図である。
【図６】実施例１の半導体装置１の制御内容の詳細を示すフローチャートである。
【図７】実施例２の半導体モジュールを例示する図である。
【図８】実施例２の半導体モジュールの過渡熱特性を例示するグラフである。
【図９】実施例２の半導体装置を例示する図である。
【図１０】実施例２の半導体装置の再溶融に係る処理手順を示すフローチャートである。
【図１１】実施例２の半導体装置を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態について、上述した図１〜図６の添付図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１５】
本実施例の半導体装置１は、図１（ａ）に示すように、パワー半導体２（半導体素子）と電極３（例えば半導体素子２のコレクタ電極又はドレイン電極に接続される電極）と放熱器４とを例えば半田層よりなる接合材５、６を介して接合してなる半導体装置１であり、電極３の背面側には絶縁材７が配置される。
【００１６】
半導体装置１は、パワー半導体２の正面側の温度検出値Ｔ（温度）を検出する温度検出素子８（検出手段）を含み、温度検出素子８の出力端子はＥＣＵ９（Electronic Control Unit）の温度検出用入力端子に接続される。半導体装置１のパワー半導体２の図示しないベース電極又はゲート電極はＥＣＵ９の制御用端子に接続される。ＥＣＵ９（通電手段：半導体装置の制御装置）は、温度検出値Ｔが予め設定された温度閾値Ｔａに到達するとパワー半導体２に以下に述べる修復用の通電を行う制御を行う。
【００１７】
ＥＣＵ９は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ等及びそれらを相互に接続するデータバスと入出力インターフェースから構成される。ＥＣＵ９は、ＲＯＭ又はフラッシュメモリに格納されたプログラムに従い、以下に述べるそれぞれの制御を行う。
【００１８】
本実施例では、ＥＣＵ９は、温度検出値Ｔが接合材５、６の溶融温度Ｔｂ（Ｔａ＜Ｔｂ）と溶融温度Ｔｂよりも高いパワー半導体２の許容温度Ｔｃ（パワー半導体２が含む材料の使用上の温度上限値により定まる）との間に収まるように修復用の通電のフィードバック制御を行う。なお、温度検出素子８はパワー半導体２の正面のほぼ中央に配置される。なお接合材５、６は同一の材質でも異なる材質でもよいが、異なる材質であればそれぞれの溶融温度Ｔｂがともに許容温度Ｔｃより低いことが必要である。
【００１９】
温度検出素子８をこの領域に配置する理由は以下の通りである。つまり、図２（ａ）のパワー半導体２の正面の矢視図で示すように、パワー半導体２は中央近傍領域Ｃにおける発熱が大きく、積層方向において放熱器４に向かうにつれて発熱による熱集中が小さくなる。
【００２０】
ここで、上述した図１（ａ）はパワー半導体２の正面側を斜めに見て示す斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）中のＡＡ断面を示しているが、熱集中起因の熱疲労によるクラックが生じる先後関係も放熱器４に隣接する接合材６よりもパワー半導体２に隣接する接合材５の方が先となり、接合材５の中でもやはり中央近傍領域Ｃにおいて発生しやすい。
【００２１】
このことを考慮すると、なるべく熱源に近い位置の温度検出値Ｔを取得して、パワー半導体２の背面側に位置する接合材５の温度とみなすことが修復用の通電における閾値制御の正確性を高める点で好ましいため、温度検出素子８はパワー半導体２の正面の中央近傍に配置することとしている。
【００２２】
なお上述した修復用の通電を実施すると接合材５、６はともに再溶融されることとなるが、特に接合材５は電極３の正面側に位置しており、再溶融時の半田の濡れ性により、正面側の面内において中心よりも外側に広がること（流動）を招く。
【００２３】
このため、本実施例では、電極３の正面側（半導体素子と対向する側）に接合材５の溶融時に接合材５を構成する半田が濡れ広がる範囲を制限する制限手段として図３に示すように部分メッキによる反応活性面１１を電極３の正面側が含むこととしている。この場合、図３に示すようにパワー半導体２及び接合材５の投影面に対して四角枠状に反応活性面１１を形成するものとする。
【００２４】
なお、制限手段としては他の手段を用いてもよく、図４に示すように、電極３の正面側に全面メッキ１２を施し、さらにパワー半導体２と接合材５の投影面よりも大きい外枠に半田の濡れ性を阻害する成分１３を塗布又は形成することとしてもよい。
【００２５】
次に上述した温度閾値Ｔａの設定手法について説明する。温度閾値Ｔａはパワー半導体２により定まる定数であり、図５中横軸である車両使用時間に係わらず一定の値となる。図１では図示を省略しているがパワー半導体２に対応する放熱器４内部又は背面側近傍にはこれを冷却する冷却水又は冷却液の冷却経路が配置されている。
【００２６】
この冷却水又は冷却液の温度検出値Ｔｗとパワー半導体２の温度検出値Ｔとの関係式、{（Ｔ（ｔ）−Ｔｗ（ｔ））−（Ｔ（０）−Ｔｗ（０））}／（Ｔ（０）−Ｔｗ（０））が例えば数十パーセントである劣化設計値となるＴ（ｔ）として温度閾値Ｔａは求められる。なお（ｔ）は経過時間を指し（０）は初期値であることを示す。すなわちパワー半導体２と冷却水又は冷却液の温度差の時間経過（ｔ）による変化を温度差の初期値で除した値が劣化設計値とするようにする値が温度閾値Ｔａである。
【００２７】
図５に示すように、車両使用時間つまり経過時間（ｔ）が増大するとパワー半導体２の温度検出値Ｔ（ｔ）は素子自体の抵抗損失とスイッチング損失により発熱に伴って上昇する。この温度検出値Ｔ（ｔ）が温度閾値Ｔａ以上となると、劣化設計値を超えるため接合材５、６ともに熱疲労によるクラックが発生するおそれが生じる「修復領域」に状態が遷移する。
【００２８】
そこで本実施例ではこの「修復領域」に状態遷移した場合には通常の連続定格の電流よりも大きい修復用の通電電流（例えば短時間連続定格の通電）をパワー半導体２に流すように、ＥＣＵ９がベース電極又はゲート電極への印加電圧のデューティ比を連続定格よりも増大させる通電制御を行う。この通電制御は上述したようにパワー半導体２の温度検出値Ｔを溶融温度Ｔｂより大きくする制御であるので、接合材５、６はともに再溶融して、クラックが発生していた場合にはクラック箇所も溶融させて、クラック箇所の閉塞を行って自己修復を行う。なお、ＥＣＵ９は後述するように通常の連続定格に対応する通電制御を行ってもよい。
【００２９】
以下本実施例の半導体装置１の修復用の通電と通常の通電についてのＥＣＵ９の制御内容について図６のフローチャートを用いて説明する。本実施例では修復用の通電や通常の通電とは別に検査用の通電を行って温度検出値Ｔ（ｔ）が温度閾値Ｔａ以上となるか否かの判定により、修復用の通電と通常の通電をＥＣＵ９の制御に基づいて使い分ける形態を説明する。
【００３０】
すなわち図６のステップＳ１に示すように（１）車両起動時又はステップＳ３の修復電流Ｉ（ｔ）を通電した後の双方において、検査電流ｉ（ｔ）をＥＣＵ９はパワー半導体２に通電する。なお検査電流ｉ（ｔ）は例えば通常の通電電流に相当する値に設定する。
【００３１】
続いてステップＳ２に示すように、ＥＣＵ９は、温度検出値Ｔ（ｔ）が温度閾値Ｔａ以上であるか否かを判定し、判定結果が肯定であればステップＳ３にすすみ、否定であればステップＳ４にすすむ。
【００３２】
ステップＳ３（４）において、ＥＣＵ９は修復電流Ｉ（ｔ）をパワー半導体２に通電し、修復電流Ｉ（ｔ）を通電した場合に温度検出素子８が検出する温度検出値Ｔ（ｔ）が溶融温度Ｔｂより大きく、許容温度Ｔｃより小さくなるように修復電流Ｉ（ｔ）のフィードバック制御を行う。
【００３３】
ステップＳ４（２）において、ＥＣＵ９はステップＳ２において判定結果が否定となる、つまり温度検出値Ｔ（ｔ）が温度閾値Ｔａ未満となった場合の温度検出値Ｔ（ｔ）を保存して、ステップＳ５において、ＥＣＵ９は通常の車両走行に用いる連続定格の通常の通電を行う。
【００３４】
以上述べた本実施例の半導体装置１によれば以下の作用効果を得ることができる。つまり温度検出値Ｔ（ｔ）が温度閾値Ｔａ以上となり、接合材５、６にクラックが発生するおそれがある図５に示す修復領域に状態が遷移した場合に、ＥＣＵ９は接合材５、６に修復用の通電を行って再溶融させて、クラックを閉塞し自己修復を図ることができる。
【００３５】
この際、上述したように特にパワー半導体２に隣接する接合材５について、背面側の電極３の正面側に再溶融した半田が中央領域から外側に濡れ広がる流動が発生することを図３に示す反応活性面１１又は図４に示す接合材濡れ阻害成分１３によって制限することができる。従って再溶融時のパワー半導体２の位置決めをより確実なものとすることができる。
【００３６】
特に図１に示す半導体装置１においては図示していないが、外部をモールド樹脂にて覆う場合に、モールド樹脂がパワー半導体２を位置決めする強度を有していない場合に、再溶融によって位置決めが不確実となることを防止することができる。なお、このような制限手段を設けていることにより、半導体装置１の製造時における半田層の初期溶融においいてもパワー半導体２の位置決めをより確実なものとすることができる。
【００３７】
なお半導体装置１は製造上の品質のバラツキを有しており、温度検出値Ｔ（ｔ）が温度閾値Ｔａ以上となっても必ずしもクラックを発生するものではないが、図５に示す「修復領域」に状態が遷移すると半田層による接合箇所の接合に隙間が生じる、あるいは、製造初期に発生する虞のあるボイドと呼ばれる隙間が拡大又は隙間の箇所数が増大する方向に特性が変化する。
【００３８】
本実施例に示すように、温度検出値Ｔ（ｔ）が温度閾値Ｔａ以上となった場合には修復用の通電を行って半田層である接合層５、６を再溶融することにより、接合箇所の隙間を埋める方向に特性を戻すことができる。これにより、パワー半導体２から最も背面側に位置する放熱器４までの熱伝導性を高めて半導体装置１全体としての冷却性能を高めることができる。従って本実施例では半導体装置１の半田層の自己修復を可能とし寿命延伸をも図ることができる。
【００３９】
以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。
【００４０】
例えば実施例においてはパワー半導体２の背面側に電極３を設けているが、正面側と背面側にも電極を設ける構成としてもよい。この場合正面側に配置される電極の背面側にも対応する接合材の溶融時に接合材を構成する半田が濡れ広がる範囲を制限する制限手段として上述した部分メッキによる反応活性面を含むこととすることができる。
【実施例２】
【００４１】
本実施例では、本実施例に係る半導体装置、半導体装置に搭載される半導体モジュール、半田再溶融プロセスの処理手順について説明する。
【００４２】
＜半導体モジュールの構成＞
図７に、本実施例に係る半導体装置１００に搭載される半導体モジュール２００の一例を示す。
【００４３】
半導体モジュール２００は、半導体素子２０１、半田（接合材）２０２、配線（電極）２０３、絶縁基板２０４、半田（接合材）２０５、冷却装置（放熱器）２０６を含む。
【００４４】
半導体素子２０１と配線２０３とは、半田２０２により接合され、絶縁基板２０４と冷却装置２０６とは、半田２０５により接合される。
【００４５】
半導体モジュール２００を、例えば、ＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）主機回路へ適用する場合、絶縁基板２０４としては、信頼性の高いＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum）基板を用いることが好ましい。ＤＢＡ基板は、純アルミ（Ａｌ）とセラミックス(ＡｌＮ：窒化アルミ)とが接合され、温度変化が非常に大きい過酷な環境下においても高い信頼性を維持できる基板である。
【００４６】
表１に、半導体モジュール２００の各部における熱抵抗概算の一例を示す。なお、各熱抵抗は、チップ面積での伝熱結果である。
【００４７】
【表１】
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チップ（半導体素子）の各部熱抵抗は、０．００６℃／Ｗ、ダイボンド材（半田）の各部熱抵抗は、０．００７℃／Ｗ、ヒートシンク（Ａｌ）の各部熱抵抗は、０．００７℃／Ｗ、ヒートシンク（ＡｌＮ）の各部熱抵抗は、０．０１７℃／Ｗである。又、チップ（半導体素子）の累積熱抵抗は、０．００６℃／Ｗ、ダイボンド材（半田）の累積熱抵抗は、０．０１３℃／Ｗ、ヒートシンク（Ａｌ）の累積熱抵抗は、０．０２１℃／Ｗ、ヒートシンク（ＡｌＮ）の累積熱抵抗は、０．０３７℃／Ｗである。
【００４８】
表１より、チップの各部熱抵抗は、ヒートシンク（ＡｌＮ）の各部熱抵抗の１／３程度、チップの累積熱抵抗は、ヒートシンク（ＡｌＮ）の累積熱抵抗の１／６程度であることがわかる。
【００４９】
次に、図８に、半導体モジュール２００の過渡熱特性のグラフの一例を示す。
【００５０】
図８より、過渡熱特性のグラフは、時間８ｍｓの時、熱抵抗０．０２℃／Ｗであることがわかる。即ち、図８より、時間１０ｍｓ程度で、十分に、半田全体は伝熱されることが示唆される。
【００５１】
ここで、熱抵抗０．０２℃／Ｗの場合、半田再溶融に必要なエネルギーは、４０Ｊ程度と試算される。（∵損失４ｋＷと時間１０ｍｓとの積は、４０Ｊであるため。）又、損失４ｋＷ、時間１０ｍｓの制御装置による通電制御で、ΔＴ＝２００℃となる。
【００５２】
従って、半導体装置は、ベース温度が室温でも、半田再溶融温度（温度２２５℃）に、十分到達することが示唆される。例えば、コンデンサ容量１０００μＦの場合、直流電圧ＶＤＣ（半導体装置のシステム電圧）は、２００Ｖ〜３００Ｖ程度となる。直流電圧ＶＤＣは、制御装置により制御され、半導体装置に搭載される電圧検出部より検出される。具体的には、後述する平滑コンデンサＣ２の両端子に生じる電圧である。直流電圧ＶＤＣにより、半導体素子２０１の温度は定まる。即ち、直流電圧ＶＤＣが高ければ、半導体素子２０１の温度は高くなり、直流電圧ＶＤＣが低ければ、半導体素子２０１の温度は低くなる。
【００５３】
つまり、ＨＥＶ主機回路のシステムで予想される平滑コンデンサへの蓄積エネルギーは、直流電圧ＶＤＣが、２００Ｖ〜３００Ｖ程度であれば、半田再溶融に最低限必要なエネルギー（４０Ｊ程度）を担保できる。
【００５４】
従来の半導体装置では、初期電圧として、６５０Ｖ程度を放電させていたため、従来の半導体装置と比較すると、本実施例に係る半導体装置は、極めて低ストレス（直流電圧ＶＤＣが２００Ｖ〜３００Ｖ程度）で、半田再溶融を実現可能であることがわかる。
【００５５】
＜半導体装置のＨＥＶ主機回路への適用例＞
次に、本実施例に係る半導体装置をＨＥＶ主機回路へ適用した場合について説明する。図９は、本実施の形態に係る半導体装置１００を備えるＨＥＶ主機回路の一例を示す概略構成図である。
【００５６】
半導体装置１００は、外部負荷としてモータジェネレータ（ＭＧ）１１０と電気的に接続される。半導体装置１００は、直流電力を三相交流電力に変換し、変換した三相交流電力をモータジェネレータ１１０へ供給する。
【００５７】
半導体装置１００は、電源部１２０と、平滑コンデンサＣ２と、平滑コンデンサ電圧検出部１３０と、正極母線１３１と、負極母線１３２と、インバータ部１４０と、制御装置１５０と、を含む。電源部１２０は、蓄電装置１２１と、システムリレーＳＭＲ０、システムリレーＳＭＲ１と、専用制限抵抗Ｒ２と、平滑コンデンサＣ１と、コンバータ部１２４と、を含む。
【００５８】
図９に示す実線楕円部、即ち、トランジスタＱ１、トランジスタＱ２、トランジスタＱ１１、トランジスタＱ１２、トランジスタＱ２１、トランジスタＱ２２、トランジスタＱ３１、トランジスタＱ３２は、半田再溶融対象素子である。図９に示す点線楕円部、即ち、平滑コンデンサＣ２は、半田再溶融に必要なエネルギーを蓄積する蓄積エネルギー源である。
【００５９】
電源部１２０は、制御装置１５０から出力されるシステム信号ＳＥに応じて、直流電力を、インバータ部１４０へ供給する。
【００６０】
平滑コンデンサＣ１は、蓄電装置１２１と並列に接続され、蓄電装置１２１の充電電圧、放電電圧を平滑化する。
【００６１】
蓄電装置１２１は、直流電力による充放電を行う。蓄電装置１２１としては、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等の二次電池、電気二重層キャパシタ等の蓄電素子が挙げられる。
【００６２】
システムリレーＳＭＲ０は、制御装置１５０から出力されるシステム信号ＳＥに応じて、蓄電装置１２１と平滑コンデンサＣ１との間の接続／非接続を制御する。又、システムリレーＳＭＲ１も同様に、制御装置１５０からのシステム信号ＳＥに応じて、専用制限抵抗Ｒ２を介した蓄電装置１２１と平滑コンデンサＣ１との間の接続／非接続を制御する。なお、システムリレーＳＭＲ０、システムリレーＳＭＲ１のオン時には、平滑コンデンサＣ１により、インバータ部１４０へ供給される直流電圧が平滑化される。
【００６３】
コンバータ部１２４は、トランジスタＱ１、Ｑ２と、ダイオードＤ１、Ｄ２と、インダクタＬ１と、を含むチョッパ回路である。トランジスタＱ１とトランジスタＱ２とは、正極母線１３１と負極母線１３２との間に直列に接続される。トランジスタＱ１とダイオードＤ１とは、並列に接続され、トランジスタＱ２とダイオードＤ２とは、並列に接続される。
【００６４】
コンバータ部１２４は、蓄電装置１２１から放電される直流電力を昇圧し、インバータ部１４０へ供給する。又、コンバータ部１２４は、インバータ部１４０から返還される直流電力を降圧し、蓄電装置１２１へ供給する。コンバータ部１２４における直流電力の昇圧動作、又は降圧動作は、トランジスタＱ１及びトランジスタＱ２のスイッチング動作に応じて生じる電流に基づいて、インダクタＬ１が電磁エネルギーの蓄積、放出を繰返すことにより実現される。
【００６５】
トランジスタＱ１、Ｑ２としては、例えば、ＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor）、ＧＴＯ（Gate Turn Off thyristor）等を用いることができる。
【００６６】
平滑コンデンサＣ２は、正極母線１３１と、負極母線１３２との間に接続され、半田再溶融に必要なエネルギーを蓄積する。平滑コンデンサＣ２に蓄積されるエネルギーは、平滑コンデンサＣ２の両端子に生じる直流電圧ＶＤＣ（半導体装置のシステム電圧）に依存する。直流電圧ＶＤＣが、制御装置１５０により制御されることで、半導体素子２０１の温度は、調整される。例えば、平滑コンデンサＣ２に蓄積されるエネルギーが、半田再溶融に最低限必要なエネルギーとなる様に、直流電圧ＶＤＣを制御装置１５０により制御し、半導体素子２０１の温度を、駆動可能温度（例えば、１７５℃程度）に調整することで、熱による半導体素子の破損を防止できる。
【００６７】
平滑コンデンサ電圧検出部１３０は、平滑コンデンサＣ２の両端子に生じる直流電圧ＶＤＣを検出し、制御装置１５０へ出力する。平滑コンデンサ電圧検出部１３０により検出された直流電圧ＶＤＣに基づいて、制御装置１５０は半導体素子２０１の温度を調整し、半田（接合材）２０２、２０５を再溶融させることができる。
【００６８】
インバータ部１４０は、コンバータ部１２４から供給される直流電力を安定化させる。又、インバータ部１４０は、直流電力を三相交流電力（例えば、相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）に変換して、三相交流電力を電源部１２０からモータジェネレータ１１０へ供給し、更に、三相交流電力を直流電力に変換して、直流電力をモータジェネレータ１１０から電源部１２０へ供給する。
【００６９】
インバータ部１４０は、トランジスタＱ１１、Ｑ１２、Ｑ２１、Ｑ２２、Ｑ３１、Ｑ３２と、ダイオードＤ１１、Ｄ１２、Ｄ２１、Ｄ２２、Ｄ３１、Ｄ３２と、ゲート駆動部１４７、温度検出部１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６等を含む。
【００７０】
温度検出部１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６は、トランジスタＱ１１、Ｑ１２、Ｑ２１、Ｑ２２、Ｑ３１、Ｑ３２に近接して配置されることが好ましい。
【００７１】
温度検出部１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６は、トランジスタＱ１１、Ｑ１２、Ｑ２１、Ｑ２２、Ｑ３１、Ｑ３２の素子温度Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ３１、Ｔ３２を検出し、制御装置１５０へ出力する。ゲート電圧Ｖｇ１１、Ｖｇ１２、Ｖｇ２１、Ｖｇ２２、Ｖｇ３１、Ｖｇ３２は、素子温度Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ３１、Ｔ３２に基づいて、制御装置１５０により制御される。対象のトランジスタについて、所定の抵抗を生じさせるために必要なゲート電圧は、素子温度に対応付けて格納され、格納されたゲート電圧の中から最適な電圧が制御装置１５０により選択される。最適な電圧に基づいて、制御装置１５０は調整指令ＡＤＪをゲート駆動部１４７へ出力する。
【００７２】
トランジスタＱ１１、Ｑ１２、Ｑ２１、Ｑ２２、Ｑ３１、Ｑ３２としては、特に限定されないが、例えば、ＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor）、ＧＴＯ（Gate Turn Off thyristor）等を用いることができる。
【００７３】
トランジスタＱ１１、Ｑ１２、Ｑ２１、Ｑ２２、Ｑ３１、Ｑ３２が、ＩＧＢＴで構成される場合、トランジスタＱ１１、Ｑ１２は、ゲート駆動部１４７から出力される制御信号（例えば、ゲート電圧Ｖｇ１１、Ｖｇ１２）に基づいて、スイッチング動作し、自身の抵抗（例えば、Ｒ１１、Ｒ１２）を変化させる。トランジスタＱ１１、Ｑ１２のスイッチング動作により、ノードＮ１に、三相交流電力のＵ相電圧Ｖｕが生成される。つまり、トランジスタＱ１１、Ｑ１２、及びダイオードＤ１１、Ｄ１２によりＵ相の相電圧生成部が構成される。
【００７４】
又、トランジスタＱ２１、Ｑ２２は、ゲート駆動部１４７から出力される制御信号（例えば、ゲート電圧Ｖｇ２１、Ｖｇ２２）に基づいて、スイッチング動作し、自身の抵抗（例えば、Ｒ２１、Ｒ２２）を変化させる。トランジスタＱ２１、Ｑ２２のスイッチング動作により、ノードＮ２に、三相交流電力のＶ相電圧Ｖｖが生成される。つまり、トランジスタＱ２１、Ｑ２２、及びダイオードＤ２１、Ｄ２２によりＶ相の相電圧生成部が構成される。
【００７５】
又、トランジスタＱ３１、Ｑ３２は、ゲート駆動部１４７から出力される制御信号（例えば、ゲート電圧Ｖｇ３１、Ｖｇ３２）に基づいて、スイッチング動作し、自身の抵抗（例えば、Ｒ３１、Ｒ３２）を変化させる。トランジスタＱ３１、Ｑ３２のスイッチング動作により、ノードＮ３に、三相交流電力のＷ相電圧Ｖｗが生成される。つまり、トランジスタＱ３１、Ｑ３２、及びダイオードＤ３１、Ｄ３２によりＷ相の相電圧生成部が構成される。
【００７６】
ゲート駆動部１４７は、制御装置１５０から受けるスイッチング指令ＰＷＭ１１、ＰＷＭ１２、ＰＷＭ２１、ＰＷＭ２２、ＰＷＭ３１、ＰＷＭ３２に応じて、ゲート電圧Ｖｇ１１、Ｖｇ１２、Ｖｇ２１、Ｖｇ２２、Ｖｇ３１、Ｖｇ３２を生成する。
【００７７】
又、ゲート駆動部１４７は、制御装置１５０から出力される調整指令ＡＤＪに応じて、トランジスタＱ１１、Ｑ１２、Ｑ２１、Ｑ２２、Ｑ３１、Ｑ３２のゲート電圧Ｖｇ１１、Ｖｇ１２、Ｖｇ２１、Ｖｇ２２、Ｖｇ３１、Ｖｇ３２を調整する。
【００７８】
又、ゲート駆動部１４７は、制御装置１５０から出力される放電指令ＤＩＳに応じて、対象トランジスタのゲート電圧を中間電圧（ハイレベルとロウレベルとの間の電圧）へ低下させる。
【００７９】
制御装置１５０は、走行状況、走行距離、使用時間、使用時間とΔＴの積、アクセル開度の変化率、格納されているマップ、ユーザ要求、運転者からの指令、車両状態、等に基づいて、スイッチング指令ＰＷＣ、スイッチング指令ＰＷＭ１１、ＰＷＭ１２、ＰＷＭ２１、ＰＷＭ２２、ＰＷＭ３１、ＰＷＭ３２、システム信号ＳＥ、調整指令ＡＤＪ、放電指令ＤＩＳ、等を生成する。これにより、システムリレーＳＭＲ０、システムリレーＳＭＲ１のオンオフ、コンバータ部１２４、インバータ部１４０の動作は、制御される。
【００８０】
つまり、制御装置１５０により、平滑コンデンサＣ２の両端子に生じる直流電圧ＶＤＣ、半導体素子２０１の温度、半田２０２（２０５）の再溶融、等は制御される。又、制御装置１５０により、コンバータ部１２４及びインバータ部１４０における昇圧動作、降圧動作、電力変換動作、モータジェネレータ１１０のトルク及び回転数、等は制御される。
【００８１】
制御装置１５０は、Ｒｅａｄｙ信号のオン、又はオフに応じて、適宜、システム信号ＳＥ、スイッチング指令ＰＷＣ等を出力する。例えば、Ｒｅａｄｙ信号がオンに設定されると、制御装置１５０は、システム信号ＳＥをハイレベルにして、システムリレーＳＭＲ０を導通状態にして、蓄電装置１２１とコンバータ部１２４とを電気的に接続する。又、例えば、スイッチング指令ＰＷＣをハイレベルにして、コンバータ部１２４からインバータ部１４０へ直流電力を供給する。一方、Ｒｅａｄｙ信号がオフに設定されると、制御装置１５０は、システム信号ＳＥをロウレベルにして、システムリレーＳＭＲ０、システムリレーＳＭＲ１を非導通状態にして、蓄電装置１２１とコンバータ部１２４とを電気的に非接続する。又、スイッチング指令ＰＷＣをロウレベルにして、コンバータ部１２４からインバータ部１４０への直流電力の供給を停止する。
【００８２】
本実施例に係る半導体装置は、制御装置１５０により、半田再溶融を必要とする場合のみ放電制御が行われる様に制御され、該放電制御により平滑コンデンサＣ２の両端子に生じる直流電圧ＶＤＣが適切に調整される（制御装置１５０は、直流電圧ＶＤＣを、半田が再溶融可能な電圧となるまで低下させる）。従って、半導体装置は、放電制御による素子損失で生じる発熱を利用して半田を再溶融させ、熱による半導体素子及び素子周辺部品の破損を防止することができる。信頼性の高い半導体装置を、ＨＥＶ主機回路へ適用することで、車両の信頼性及び安全性を高められる。
【００８３】
＜制御フローチャート＞
図１０は、本実施の形態に係る半導体装置の再溶融に係る処理手順を示すフローチャートである。
【００８４】
最初に、制御装置１５０は、処理を開始する（ＳＴＡＲＴ）。
【００８５】
ステップＳ２００において、制御装置１５０は、Ｒｅａｄｙ信号がオンからオフに変更されたか否かを判断する。制御装置１５０は、Ｒｅａｄｙ信号がオンからオフに変更されたと判断する場合（ＹＥＳ）、ステップＳ２０１へと進む。制御装置１５０は、Ｒｅａｄｙ信号がオンからオフに変更されなかったと判断する場合（ＮＯ）、ＳＴＡＲＴへ戻る（Ｒｅａｄｙ信号がオンからオフに変更されるまで待つ）。
【００８６】
ステップＳ２０１において、制御装置１５０は、半田再溶融が必要であるか否かを判断する。制御装置１５０は、半田再溶融が必要であると判断する場合（ＹＥＳ）、ステップＳ２０２へと進む。制御装置１５０は、半田再溶融が必要でないと判断する場合（ＮＯ）、ステップＳ２０１へと戻る。
【００８７】
ステップＳ２０２における、半田再溶融が必要であるか否かの判断は、使用時間、使用時間とΔＴの積、走行距離等、実際に使用するモジュールで有効な履歴を参考にして、制御装置１５０により判断される。
【００８８】
ステップＳ２０２において、制御装置１５０は、通常放電制御を実施する。該放電制御により半導体素子に通電損失を生じさせ、通電損失による素子発熱を利用して、半田（接合材）を再溶融させるためである。又、制御装置１５０は、半導体素子の温度に依存する平滑コンデンサＣ２の両端子に生じる直流電圧ＶＤＣ（半導体装置のシステム電圧）をモニタする。
【００８９】
ステップＳ２０３において、制御装置１５０は、温度検出部１４１からトランジスタ（例えば、トランジスタＱ１１）の素子温度（例えば、素子温度Ｔ１１）を取得する。
【００９０】
ステップＳ２０４において、制御装置１５０は、取得した素子温度（例えば、素子温度Ｔ１１）に基づいて、トランジスタ（例えば、トランジスタＱ１１）に所定の抵抗（例えば、抵抗Ｒ１１）が現れるために必要なゲート電圧を決定する。
【００９１】
ステップＳ２０５において、制御装置１５０は、直流電圧ＶＤＣを、半田再溶融に必要な（半田が再溶融可能な）直流電圧ＶＤＣまで、低下させる。システム電圧が半田再溶融可能な電圧に達すると、制御装置１５０は、通常放電制御を終了する（シャットダウン動作）。半田再溶融に最低限必要なエネルギーに合わせて、システム電圧を低下させることにより、半導体素子の温度を適切に調整することができる。
【００９２】
ステップＳ２０６において、制御装置１５０は、動作温度が検出温度以上の場合、過熱シャットダウン機能つきＩＰＭ(Intelligent Power Module)を利用して、シャットダウン動作を解除する。
【００９３】
ステップＳ２０７において、制御装置１５０は、決定したゲート電圧が生成されるように、調整指令ＡＤＪをゲート駆動部１４７へ出力する。
【００９４】
ステップＳ２０８において、制御装置１５０は、スイッチング指令ＰＷＭ１１及びＰＷＭ１２をハイレベルに設定する。なお、この際、制御装置１５０は、スイッチング指令ＰＷＭ２１、ＰＷＭ２２、ＰＷＭ３１、ＰＷＭ３２をロウレベルに設定する。
【００９５】
ステップＳ２０９において、制御装置１５０は、放電指令ＤＩＳをハイレベルに設定する。
【００９６】
ステップＳ２１０において、制御装置１５０は、平滑コンデンサ電圧検出部１２より、平滑コンデンサＣ２の両端子に生じる直流電圧ＶＤＣを取得する。
【００９７】
ステップＳ２１１において、制御装置１５０は、放電時定数に応じて、取得した直流電圧ＶＤＣが、所定のしきい値電圧Ｖｔｈを下回るのに要する放電期間を決定する。
【００９８】
ステップＳ２１２において、制御装置１５０は、決定された放電期間が経過するまで待つ。
【００９９】
ステップＳ２１３において、制御装置１５０は、放電期間の経過後、直流電圧ＶＤＣが、所定のしきい値電圧Ｖｔｈを下回っているか否かを判断する。制御装置１５０は、直流電圧ＶＤＣが、所定のしきい値電圧Ｖｔｈを下回っていると判断する場合（ＹＥＳ）、ステップＳ２１４へと進む。制御装置１５０は、直流電圧ＶＤＣが、所定のしきい値電圧Ｖｔｈを下回っていないと判断する場合（ＮＯ）、ステップＳ２０１へと戻る。直流電圧ＶＤＣが、所定のしきい値電圧Ｖｔｈより大きい場合、制御装置１５０は、ステップＳ２０１からステップＳ２１３までの処理を再度実行する。
【０１００】
ステップＳ２１４において、制御装置１５０は、スイッチング指令ＰＷＭ１１、ＰＷＭ１２、放電指令ＤＩＳをロウレベルに設定する。
【０１０１】
最後に、制御装置１５０は、処理を終了する（ＥＮＤ）。
【０１０２】
上述の処理手順によれば、制御装置１５０は、半田再溶融の必要時のみ、通常放電制御（ＤＣ通電制御）を実施し、システム電圧を半田再溶融可能な電圧（半田再溶融に最低限必要なエネルギーに合わせた電圧）まで低下させ、半導体素子の温度を駆動可能温度以下に調整することができる。これにより、半田を再溶融させる際、熱による半導体素子の破損を防止することができる。従って、製品寿命を良好に維持できる信頼性の高い半導体装置を実現できる。又、制御装置１５０によるＤＣ通電制御により、半導体装置のラッチアップ破壊を、回避できる。
【０１０３】
なお、半導体装置は、図９に示す構成に特に限定されるものでは無い。例えば、図１１に示す構成とすることも可能である。つまり、半導体装置において、図９に示す平滑コンデンサＣ２の蓄積エネルギー（残電荷）を、半田再溶融に活用する構成とすることは必須ではなく、図１１に示す蓄電装置１２１における電池電力を、半田再溶融に活用する構成としても良い。
【０１０４】
この場合、図９に示す半導体装置１００に、専用制限抵抗Ｒ２、及びシステムリレーＳＭＲ２を追加して、図１１に示す半導体装置３００とすれば良い。図１１に示す実線楕円部、即ち、トランジスタＱ２、トランジスタＱ１１、トランジスタＱ１２、トランジスタＱ２１、トランジスタＱ２２、トランジスタＱ３１、トランジスタＱ３２は、半田再溶融対象素子である。図１１に示す点線楕円部、即ち、蓄電装置１２１は、半田再溶融に必要なエネルギーを蓄積する蓄積エネルギー源である。
【０１０５】
専用制限抵抗Ｒ２の抵抗としては、素子発熱を発生させることが可能な抵抗を選定すれば良く、特に限定されるものでは無い。制御装置１５０は、専用制限抵抗Ｒ２を介して、各半導体素子を通電制御し、各半田（接合材）を、再溶融させる。例えば、電池電圧が２００Ｖの場合、損失４ｋＷであれば、専用制限抵抗Ｒ２の抵抗は、１０Ω程度とすることができる。
【０１０６】
なお、本実施例では、半導体装置をＨＥＶ主機回路へ適用する場合を一例に挙げて説明したが、半導体装置の適用は、ＨＥＶ主機回路への適用に限定されるものではない。あらゆる製品に本実施例に係る半導体装置を適用することで、製品の信頼性を高めることが可能である。
【０１０７】
以上、本発明を実施するための形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明は、半導体装置に関するものであり、半導体装置を構成する構成要素においてクラックや接合箇所の隙間が生じた場合に半導体装置や構成要素を交換することなく自己修復を行い寿命延伸も図ることができるので種々の半導体関連の装置に適用して有益なものである。もちろん、乗用車、トラック、バス等の様々な車両のインバータ等に適用される半導体装置に適用しても有益なものである。
【符号の説明】
【０１０９】
１      半導体装置
２      パワー半導体（半導体素子）
３      電極
４      放熱器
５      接合材
６      接合材
７      絶縁材
８      温度検出素子（検出手段）
９      ＥＣＵ（通電手段：半導体装置の制御装置）
１００  半導体装置
１５０  制御装置
２０１  半導体素子
２０２  半田（接合材）
２０３  配線（電極）
２０５  半田（接合材）
２０６  冷却装置（放熱器）
３００  半導体装置
【図１】
2014160804.tif 000004
【図２】
2014160804.tif 000005
【図３】
2014160804.tif 000006
【図４】
2014160804.tif 000007
【図５】
2014160804.tif 000008
【図６】
2014160804.tif 000009
【図７】
2014160804.tif 000010
【図８】
2014160804.tif 000011
【図９】
2014160804.tif 000012
【図１０】
2014160804.tif 000013
【図１１】
2014160804.tif 000014