(57)【要約】半導体チップ（１００）を内蔵したパワーモジュールの劣化を検知する装置であって、半導体チップ（１００）の温度を検出して得られる温度信号（Ｓ１）に含まれる交流信号と半導体チップ（１００）の電力損失を検出して得られる電力損失信号（Ｓ３）に含まれる交流成分との間の伝達特性に基づいて劣化検知処理を行う劣化検知処理部（１０）を備え、他の発熱源の温度干渉の影響を排除して確実にパワーモジュールの劣化度を検知する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップを内蔵したパワーモジュールの劣化を検知する装置であって、上記半導体チップの温度を検出して得られる温度信号に含まれる交流信号と上記半導体チップの電力損失を検出して得られる電力損失信号に含まれる交流成分との間の伝達特性に基づいて劣化検知処理を行う劣化検知処理部を備えたパワーモジュールの劣化検知装置。
【請求項２】
上記劣化検知処理部は、上記半導体チップの温度を検出して温度信号を出力する温度検出部と、上記半導体チップの電力損失を検出して電力損失信号を出力する電力損失検出部と、上記温度信号に含まれる各交流信号の周波数成分を解析する温度信号解析部と、上記電力損失信号に含まれる各交流信号の周波数成分を解析する電力損失信号解析部と、上記両解析部で解析された上記温度信号と上記電力損失信号の各交流信号の周波数成分に基づいて上記パワーモジュールの劣化を判定する劣化判定部と、を備えた請求項１に記載のパワーモジュールの劣化検知装置。
【請求項３】
上記劣化判定部は、上記温度信号と上記電力損失信号がそれぞれ所定の周波数帯域の交流成分を含む場合にのみ劣化判定を行うものである請求項２に記載のパワーモジュールの劣化検知装置。
【請求項４】
上記劣化判定部は、上記温度信号に含まれる交流成分と上記電力損失信号に含まれる交流成分との間の伝達特性を所定の基準値と比較することにより劣化判定を行うものである請求項２または請求項３に記載のパワーモジュールの劣化検知装置。
【請求項５】
上記パワーモジュールが上記半導体チップを複数個内蔵されたものである場合、上記劣化判定部は、上記半導体チップ毎に、上記温度信号に含まれる交流成分と上記電力損失信号に含まれる交流成分との間の伝達特性を求め、各半導体チップ間で上記伝達特性を比較することにより劣化判定を行うものである請求項２または請求項３に記載のパワーモジュールの劣化検知装置。
【請求項６】
上記劣化検知処理部は、上記半導体チップの温度を検出して温度信号を出力する温度検出部と、上記半導体チップに流れる電流を検出して電流信号を出力する電流検出部と、上記電流検出部で検出された電流信号をフーリエ解析の基準となる基底信号として用いて上記温度検出部で得られた上記温度信号に含まれる各交流信号のフーリエ係数の大きさを求めてこれを判定用信号として出力する判定用信号計算部と、上記判定用信号計算部で得られた判定用信号に基づいて上記パワーモジュールの劣化を判定する劣化判定部と、を備えた請求項１に記載のパワーモジュールの劣化検知装置。
【請求項７】
上記判定用信号計算部は、上記電流信号と上記温度信号がそれぞれ所定の周波数帯域の交流成分を含む場合にのみ判定信号を出力するものである請求項６に記載のパワーモジュールの劣化検知装置。
【請求項８】
上記半導体チップへのスイッチング指令の生成に用いるキャリア周波数に、上記所定の周波数帯域の交流成分を重畳するキャリア周波数補正部を設けた請求項３または請求項７に記載のパワーモジュールの劣化検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体チップを集積して電力変換動作を行うパワーモジュールの劣化度合いを検知するパワーモジュールの劣化検知装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
交流モータの駆動用インバータや、太陽光発電用のパワーコンディショナなどの各種のパワーモジュールは、半導体チップを集積して電力変換動作を実施できるよう構成された電気部品である。半導体チップは、ＳｉやＳｉＣ、ＧａＮなどの素材を微細加工してＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどの回路素子として作成されたものであり、電気的にはスイッチ動作により電力変換動作を行うものである。【０００３】
このようなパワーモジュールは、上記の半導体チップのみならず、ケース、封止ゲル、電気配線、絶縁基板、ベースプレートが一体化されている。さらに、パワーモジュールの種類によっては、ゲートドライバ回路や、過熱、過電流を防ぐための保護回路までもが一体化されており、パワーモジュールを用いた製品の設計、製造を行うユーザの利便性が図られている。【０００４】
パワーモジュールは、比較的大きな電力を取り扱うため、電力損失に伴うパワーモジュール内部の温度変化が著しい。そのため、パワーモジュールを構成する各部材はこの温度変化に応じて伸縮するが、各部材の材質によってその伸縮の度合いが異なる。このため、部材間で大きな応力が発生することとなり、部材に熱的な疲労をもたらす。【０００５】
特に、半導体チップの直下のハンダは、熱的な疲労に起因して生じるクラック（割れ）の進展によって破壊が発生しやすい。この半導体チップ下部のハンダのクラックによる故障で決定されるパワーモジュール寿命は、いわゆるパワーサイクル寿命と称され、パワーモジュールの主要な故障モードの一つとして知られている。なお、ここでは以降、半導体チップ下部のハンダのクラックの進展を「劣化」と称することとする。【０００６】
パワーモジュールのこのような突然の故障は、それを適用する設備や装置の停止につながるため、経済的な損失等をもたらす。このため、パワーモジュールの故障あるいは劣化度を予め調べて寿命を推定、あるいは予測する試みが従来よりなされている（例えば、下記の特許文献１参照）。【０００７】
すなわち、半導体チップに発生する電力損失は、熱に変化して下部のベースプレートに向かって移動していく。熱抵抗は熱の移動しにくさの目安であり、半導体チップの下部のハンダのクラックが進展すると、ハンダ中の熱の経路が寸断されて熱抵抗が上昇する。したがって、同じ電力損失に対して温度上昇が顕著なほど熱抵抗が大きく、クラックの進展を判断することができる。【０００８】
そこで、特許文献１の従来技術では、この現象に着目して、半導体チップの設置場所の温度を温度センサで検出するとともに、当該半導体チップの電力損失を求め、その電力損失と、検出した温度上昇率とから熱抵抗の上昇率を求めることで、パワーモジュールの故障あるいは劣化検知を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第３６６８７０８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このように、特許文献１記載の従来技術では、主に温度センサで得られる温度信号を活用してパワーモジュールの故障あるいは劣化検知を行っているが、実際のパワーモジュールは、内部に複数の半導体チップを内蔵しており、それらは当然ながら個々に発熱源となる。また、電気配線等からも熱が発生し、これらも発熱源となる。したがって、温度センサが配置された温度測定箇所には、複数の半導体チップや電気配線を発熱源とした熱が同時に到達する。【００１１】
このため、ある特定の半導体チップ下部のハンダクラックの進展に伴う熱抵抗の変化の検出を目的として温度測定を実施しても、この測定温度には、他の発熱源からの温度情報も同時に含まれることとなり、温度干渉の影響によって正確な熱抵抗計算ができないという問題がある。【００１２】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、パワーモジュール内の半導体チップを始めとする他の発熱部品からの温度干渉の影響を排除して簡易な手順でパワーモジュールの劣化を確実に検知できる劣化検知装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明に係るパワーモジュールの劣化検知装置は、半導体チップを内蔵したパワーモジュールの劣化を検知する装置であって、上記半導体チップの温度を検出して得られる温度信号に含まれる交流信号と上記半導体チップの電力損失を検出して得られる電力損失信号に含まれる交流成分との間の伝達特性に基づいて劣化検知処理を行う劣化検知処理部を備える。
【発明の効果】
【００１４】
この発明のパワーモジュールの劣化検知装置によれば、熱抵抗等の情報を含む半導体チップの電力損失−温度間の伝達特性の抽出を、温度信号の交流成分と電力損失信号の交流成分に基づいて実施することで、他の発熱源からの温度干渉の影響を排除して高精度に熱抵抗情報の抽出を行うことができるため、パワーモジュールの劣化検知精度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】パワーモジュールの一例を示すもので、図１（Ａ）は３相・２レベルインバータの回路図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の回路図に対応した半導体チップのレイアウトを示す平面図である。
【図２】図１のパワーモジュールにおいて複数の半導体チップを含む周辺の構造を示す縦断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１におけるパワーモジュールの劣化検知装置が備える劣化検知処理部のブロック構成図である。
【図４】この発明の実施の形態１の劣化検知装置におけるパワーモジュールの劣化検知の原理説明図である。
【図５】この発明の実施の形態１の劣化検知装置の劣化検知動作の説明図である。
【図６】この発明の実施の形態１の劣化検知装置の劣化判定部による劣化判定処理動作の説明図である。
【図７】図１に示したパワーモジュールを用いてモータなどの３相交流負荷を駆動する場合の相電流、スイッチング素子の電力損失、および温度の各波形を示す図である。
【図８】図１に示したパワーモジュールを用いてモータなどの３相交流負荷を駆動する場合のスイッチング素子の温度信号の周波数解析結果を示す図である。
【図９】図３に示した構成の劣化検知処理部をパワーモジュールに実装した場合の一例を示す構成図である。
【図１０】この発明の実施の形態２のパワーモジュールの劣化検知装置における劣化検知の原理説明図である。
【図１１】この発明の実施の形態２のパワーモジュールの劣化検知装置における劣化検知の原理説明図である。
【図１２】この発明の実施の形態３におけるパワーモジュールの劣化検知装置が備える劣化検知処理部のブロック構成図である。
【図１３】図１に示したパワーモジュールを用いてモータなどの３相交流負荷を駆動する場合の電流周波数、相電流、スイッチング素子の温度、および判定用信号の各波形を示す図である。
【図１４】この発明の実施の形態３におけるパワーモジュールの劣化検知装置における劣化検知処理部の変形例を示すブロック構成図である。
【図１５】半導体チップに通電用のワイヤが接続された状態を示す平面図である。
【図１６】ワイヤの接続部近傍の温度分布を示す説明図である。
【図１７】この発明の実施の形態５におけるパワーモジュールの劣化検知装置の劣化判定部による劣化判定処理動作の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態１．
図１は劣化検知対象となるパワーモジュールの一例を示す図である。図１（Ａ）は３相・２レベルインバータの構成をもつパワーモジュールの回路図を、図１（Ｂ）は図１（Ｂ）のパワーモジュールを構成する半導体チップのレイアウトの平面図をそれぞれ示している。この３相・２レベルインバータは、スイッチング素子Ｑｕｐ〜Ｑｗｎが６個、電流還流用のダイオードＤｕｐ〜Ｄｗｎが６個それぞれ用いられている。したがって、合計１２個の半導体チップ１００からなる各素子Ｑｕｐ〜Ｑｗｎ、Ｄｕｐ〜Ｄｗｎがケース１１６の内部に集約して配置された構造となっている。
【００１７】
図２は、例えば図１のパワーモジュールにおいて、スイッチング素子ＱｕｐとダイオードＤｕｐの２つの半導体チップ１００を含む周辺の構造を示す縦断面図である。
【００１８】
半導体チップ１００の近傍は、部材接続用のハンダ１０１、１０２、電流を流す銅パターン１０５、１０６、電気的絶縁を担う絶縁基板１１０、放熱や部材保持のためのベースプレート１１２等が積層されている。なお、図２には、製品化されている多くのパワーモジュールでは付属していない、パワーモジュールに接続するヒートシンク１１４と接触熱抵抗低減用のグリス１１３も併せて記載している。また、ワイヤボンディング等の電気配線やケース・ゲル等は図示省略している。
【００１９】
前述したように、ある特定の半導体チップ下部のハンダクラックの進展に伴う熱抵抗の変化の検出を目的として温度測定を実施しても、この測定温度には、他の発熱源からの温度情報も同時に含まれることとなる。そのため、温度干渉の影響によって正確な熱抵抗計算ができない。
【００２０】
例えば、図２に示す場合、図中左側の半導体チップ１００（スイッチング素子Ｑｕｐ）の近傍の熱抵抗の計算のため、その温度センサ１で温度を検出する場合、図中右側の半導体チップ１００（ダイオードＤｕｐ）からの熱が到達して、これが半導体チップ１００（スイッチング素子Ｑｕｐ）の温度として計測される。そのため、半導体チップ１００（スイッチング素子Ｑｕｐ）近傍における熱抵抗、すなわち電力損失とそれに伴う温度変化の比の計算精度が低下し、劣化検知精度が低下する。
【００２１】
そこで、この発明に係る劣化検知装置は、パワーモジュール内部の半導体チップを始めとする他の発熱部品からの温度干渉の影響を排除して簡易な手順でパワーモジュールの劣化を確実に検知できるようにしたものである。以下、この実施の形態１における具体的な劣化検知装置の構成、原理、および作用効果について説明する。
【００２２】
図３はこの発明の実施の形態１におけるパワーモジュールの劣化検知装置が備える劣化検知処理部のブロック構成図である。
【００２３】
この実施の形態１のパワーモジュールの劣化検知装置は、パワーモジュールの劣化検知処理を行う劣化検知処理部１０を備える。この劣化検知処理部１０は、温度検出部１、電力損失検出部３、温度信号解析部５、電力損失信号解析部６、および劣化判定部９を有する。
【００２４】
ここに、温度検出部１は、図２に示したように、劣化検知対象となる半導体チップ１００に設置されて当該半導体チップ１００の温度を検出して温度信号Ｓ１を出力する。この温度検出部１としては、熱電対やサーミスタなどの温度センサを用いることができる。ただし、温度センサに限らず、例えばダイオードが一定電流で動作するときの電圧降下が温度に比例することを利用し、半導体チップ１００の製造のプロセスの過程でダイオードを作り込んで定電流回路を接続し、そのダイオード電圧を検出してもよい。ここでは温度信号Ｓ１の交流成分を活用するため、温度検出部１の検出応答特性は高い方が良い。なお、ここでは便宜上、これらの温度検出部１を以下単に温度センサと称する。
【００２５】
電力損失検出部３は、半導体チップ１００に流れる電流や半導体チップ１００に対するスイッチング指令などから電力損失を計算して電力損失信号Ｓ３を出力する。この電力損失には、スイッチング損失や導通損失が含まれており、これらの基本的なデータは電流に対するテーブルの形式でパワーモジュールメーカより提供されることが多く、これらの値を用いて計算を行う。なお、具体的な計算方式はパワーモジュールメーカが提供するアプリケーションノートや初学者向けテキストなどに記載されている公知の方法を適用すればよく、この実施の形態１では詳細な説明は割愛する。また、電力損失は、半導体チップ１００における電圧降下を測定して電流信号との積により計算してもよい。
【００２６】
温度検出部１からの温度信号Ｓ１は温度信号解析部５に入力され、電力損失検出部３からの電力損失信号Ｓ３は電力損失信号解析部６に入力される。各解析部５、６において各信号Ｓ１、Ｓ３に含まれる周波数成分の計算を行って、温度解析信号Ｓ５と電力損失解析信号Ｓ６をそれぞれ出力する。劣化判定部９は、温度解析信号Ｓ５と電力損失解析信号Ｓ６とに基づいてパワーモジュールの劣化判定を行って判定信号Ｓ９を出力する。
【００２７】
次に、この発明の原理について詳細に説明する。
一般的に、非定常熱伝導現象では、電力損失つまり発生する熱流束が交流成分を含む場合、それによる温度変化も同一の周波数を含む。また、熱の拡散長という指標の考え方に基づけば、発生する熱流束の周波数が高いほど、熱流束に対して所定の応答で追従して温度変化が発生する領域が狭くなるという現象が発生する。すなわち、周波数が一定ならば熱流束の流入箇所（電力損失の発生箇所）に近いほど、熱流束に応じた温度変化が顕著となる。また、熱流束の流入箇所からある一定の距離の場所では、熱流束の周波数が低いほど熱流束に応じた温度変化が顕著となる。
【００２８】
この傾向の単純な例として、１次元の非定常熱伝導の場合を下記に示す。（１）式は非定常熱伝導方程式である。ここでは温度をＴ、距離をｘ、時間をｔとして、ｘ≧０で定義される単一材料の半無限長物体を想定している。境界条件としてｘ＝０の地点に時間ｔに応じて変化する熱流束ｑ（ｔ）が入力され、（２）式はこの熱流束の条件を示している。      
【００２９】
【数１】
2013187207.tif 000003
【００３０】
【数２】
2013187207.tif 000004
【００３１】
上記の（１）式と（２）式を合わせて解くと次の（３）式が得られる。ここに、ｋは熱伝導率、Ｃｐは物体の熱容量、ρは物体の密度、ｓはラプラス変数である。（３）式は、半無限長物体の各ポイント（距離ｘ）での温度を示す式であり、距離ｘと時間ｔの関数となるものであるが、ラプラス変換によって距離Ｘとラプラス変数ｓの２変数の式となる。（３）式の左辺で与えられるゲイン（温度変化率）は、右辺に示すように、熱流束ｑを入力、温度Ｔを出力とする伝達関数となる。
【００３２】
【数３】
2013187207.tif 000005
【００３３】
図４（Ａ）は横軸を熱流束の周波数、縦軸を（３）式のゲインとしたボード線図の計算結果の一例である。熱流束の周波数が同じならば、熱流束が入力されるｘ＝０の地点からの距離が遠ざかるほどゲイン（温度変化率）が低下していく。すなわち、熱流束の入力地点からの距離をＬ１（実線）、Ｌ２（破線）、Ｌ３（点線）（ただしＬ１＜Ｌ２＜Ｌ３）としたとき、熱流束の周波数が同じならば、距離が遠ざかるほどゲイン（温度変化率）が低下する。また、距離が同じならば熱流束の周波数が高くなるほどゲインが低下していく結果となる。なお、図４（Ｂ）は横軸を熱流束の周波数、縦軸を電力損失信号Ｓ３に対する温度信号Ｓ１の位相差としたボード線図の計算結果の一例であり、図４（Ａ）と同様な傾向が見られる。
【００３４】
以上は非常に単純な構造での解析であり、また、熱の拡散長は単一の材質に対し定義される指標であるが、図２に示したように、複数の材質で構成される場合でも、前記の電力損失信号Ｓ３の周波数と距離やゲイン（温度変化率）の関係は同様の傾向となる。この発明では、このことを利用して、電力損失信号Ｓ３の交流成分と温度信号Ｓ１の交流成分との間の伝達特性、すなわち、電力損失信号Ｓ３の交流成分に対して温度信号Ｓ１の交流成分の振幅比を計算することで熱抵抗情報の抽出を行う。
【００３５】
一般的なパワーモジュールは、半導体チップ１００の近傍にはその半導体チップ１００以外に顕著に発熱する部材はない。そのため、前記の適切な周波数成分に着目すると、検知対象の半導体チップ１００の電力損失のみによる温度変化を、検知対象の半導体チップ１００に設けられた温度センサ１により取得することができる。その結果として、パワーモジュール内部の他の半導体チップ１００間の温度干渉の影響をキャンセルできる。逆に、特定の半導体チップ１００からの熱による温度成分は、その半導体チップ１００から距離が離れるのに従って減衰していくので、他の半導体チップ１００における温度センサ１の情報に影響を与えることがなくなるとも言える。このため、交流成分を利用することにより、パワーモジュール内部の半導体チップ１００間の温度干渉の影響をキャンセルすることができる。このため、熱抵抗の計算精度が向上し、高精度な劣化検知が可能となる。
【００３６】
ここで、前記の熱抵抗の計算に適した電力損失信号Ｓ３の周波数には、上限と下限が存在する。以下、この点について図５を参照して説明する。
【００３７】
図５は図２に示した左側の半導体チップ１００の近傍の構造を拡大して示す劣化検知動作の説明図である。ヒートシンク１１４の下部の温度を周囲温度Ｔａｉｒとすると、温度センサ１で取得できる温度Ｔｓｅｎは、次の（４）式に示すように各部材での温度差の和となる。
【００３８】
【数４】
2013187207.tif 000006
【００３９】
したがって、半導体チップ１００に隣接するハンダ１０１の劣化に伴う熱抵抗上昇により温度変化が顕著になった場合に、ΔＴ２の変化が顕著となり、Ｔｓｅｎにその兆候が含まれて検知できることとなる。電力損失は主に最上部の半導体チップ１００において発生し、その電力損失に対し所定の応答にて温度変化が発生する領域は、前述したように、電力損失信号Ｓ３の周波数が高くなるほど狭くなる。つまり、電力損失の発生元である半導体チップ１００に近くなっていく。熱抵抗による劣化検知においては、劣化検知の対象となるハンダ１０１の領域で電力損失に応じた十分な大きさの温度変化を生じさせる必要がある。
【００４０】
すなわち、図５に示すように、電力損失信号Ｓ３の周波数について、適切な周波数ｆｃよりも高い周波数ｆａ（＞ｆｃ）をもつ成分を検知すると、十分な温度変化が半導体チップ１００の内部のみに留まり、ハンダ１０１では発生しなくなる。その結果、交流成分に着目したとしても、劣化に伴う熱抵抗情報の変化を検知することは難しくなる。したがって、熱抵抗の計算に適した電力損失信号Ｓ３の周波数には上限が存在する。この電力損失信号Ｓ３の周波数の上限については、実験によって求めてもよいし、劣化検知対象となる半導体チップ１００の近傍の構造における非定常熱伝導方程式に基づく数値解析で求めてもよい。
【００４１】
一方、電力損失信号Ｓ３の周波数について、適切な周波数ｆｃよりも低い周波数ｆｂ（＜ｆｃ）をもつ成分を検知すると、半導体チップ１００の近傍以外にもある程度温度変化が現れるようになり、パワーモジュール内の半導体チップ１００間の温度干渉の影響を受けることになる。したがって、温度干渉の影響を排除する上で、熱抵抗の計算に適した電力損失信号Ｓ３の周波数には下限が存在する。この周波数の下限を設定するには、パワーモジュール内部構造や半導体チップ１００のレイアウトを決定して各々の配置距離を把握し、非定常熱伝導方程式に基づく数値解析や実機試験等で周波数の下限値を設定する。
【００４２】
この下限値を適切な値に設定すると、温度変化の中の周波数帯域条件を満たす周波数成分には、図２に示したようなグリス１１３やヒートシンク１１４の熱抵抗情報を含まないようにすることができる。一般に、パワーモジュールでは、ユーザがヒートシンク１１４の設計や接続、グリス１１３の塗布を実施するが、上記のように電力損失信号Ｓ３の周波数に対して適切な下限を設定することで、グリス１１３やヒートシンク１１４の特性を考慮することなく劣化検知が実施できる。これはユーザでのヒートシンク１１４の設計データを前もって入手したり、また想定することが困難な汎用パワーモジュールにおいて特に有効である。
【００４３】
このように、電力損失信号Ｓ３の交流成分と温度信号Ｓ１の交流成分との間の伝達特性に基づいて熱抵抗情報を抽出する際に、適切な周波数帯域（上限および下限の範囲）を設定してその周波数成分を利用することにより、熱抵抗の計算精度が向上し、高精度な劣化検知が可能となる。
【００４４】
なお、劣化検知に用いる周波数の特性を考慮して、複数の周波数成分を用いると、図２や図５に示した半導体チップ１００に隣接するハンダ１０１以外の部材の劣化（熱伝導率の低下）を検知できる。例えば、図５に示すように、周波数がｆ１の下でハンダ１０１に関する電力損失信号Ｓ３と温度信号Ｓ１についての熱抵抗情報を取得し、また、周波数がｆ２の下でハンダ１０１とその下方のハンダ１０２に関する電力損失信号Ｓ３と温度信号Ｓ１についての熱抵抗情報を取得する。後者の熱抵抗情報には２つのハンダ１０１、１０２の熱抵抗情報が共に含まれるため、周波数ｆ１の下で得られた熱抵抗情報と周波数ｆ２の下で得られた熱抵抗情報との差分を計算することで、下方のハンダ１０２の劣化検知も可能となる。これに限らず複数の周波数を利用することにより、他の部材の劣化を検知することができる。
【００４５】
以上説明した発明の原理に基づき、図３に示す温度信号解析部５および電力損失信号解析部６において温度信号Ｓ１と電力損失信号Ｓ３に含まれる各周波数成分の解析をそれぞれ実施し、その振幅や位相情報を温度解析信号Ｓ５や電力損失解析信号Ｓ６として出力する。各周波数成分の解析の具体的な手法としては、フーリエ解析など公知の手法を用いることができる。
【００４６】
劣化判定部９は、温度解析信号Ｓ５と電力損失解析信号Ｓ６に基づいて劣化判定を実施して判定信号Ｓ９を出力する。すなわち、前記の周波数帯域（上限および下限の範囲）に含まれる周波数成分を取り出し、その電力損失と温度変化の振幅比を計算し、これによって熱抵抗情報を取り出して劣化判定を実施する。なお、周波数帯域内に熱抵抗情報を抽出するための適切な周波数成分が存在しない場合には劣化判定処理を停止する。
【００４７】
劣化判定部９による具体的な劣化判定の仕方としては、例えば図６（Ａ）に示すように、温度解析信号Ｓ５と電力損失解析信号Ｓ６について、複数回サンプリングを行って両信号Ｓ５、Ｓ６の振幅比（傾き）を計算する。ハンダ１０１のクラックが進展して熱抵抗が上昇すると、電力損失に対する温度上昇が顕著になるので、劣化が進行すると両信号Ｓ５、Ｓ６の振幅比（傾き）も大きくなる。このため、その傾きがある閾値ｋ０を超えた場合に劣化有りと判断して判定信号Ｓ９を出力する。
【００４８】
あるいは、図６（Ｂ）に示すように、温度解析信号Ｓ５と電力損失解析信号Ｓ６の振幅比と劣化度との関係を予め規定したテーブルを準備しておき、テーブルを参照して振幅比に応じた劣化度を示す判定信号Ｓ９を出力するようにしてもよい。パワーモジュールのパワーサイクル寿命における劣化度は、一般的に定義されていないが、例えば、０［％］をパワーモジュールの初期状態、１００［％］を完全な劣化状態と定義する。ここで完全な劣化状態とは、クラックにより半導体チップ１００下部のハンダ１０１における通電が不可能になった状態を指す。図６（Ｂ）に示すような劣化度を示すテーブルを参照することで、例えばパワーモジュールの使用履歴と比較して残りの寿命を推定することができ、これによって、代替部品の手配を行うなど、最終ユーザの利便を図ることができる。
【００４９】
図６（Ａ）に示した閾値ｋ０や図６（Ｂ）に示したテーブルは、非定常熱伝導方程式による数値解析や実機試験により予め求めておいて劣化判定部９に保持しておく。このように、所定の絶対的な判断基準で劣化判定を行うと、パワーモジュールの半導体チップ１００ごとに高精度な劣化判定を実施することができる。
【００５０】
なお、以上の説明では熱抵抗の増加に伴う電力損失に対する温度の振幅比の変化について計算を行ったが、熱抵抗の変化に伴って熱時定数も変化するので、電力損失信号Ｓ３に対する温度信号Ｓ１の位相差の変化によって劣化判定を行ってもよい。この場合、熱抵抗の上昇により電力損失信号Ｓ３に対する温度信号Ｓ１の位相遅れが広がることとなる。
【００５１】
ところで、パワーモジュール内部の各半導体チップ１００とその周辺の構造が互いに類似している場合（例えば、図１に示した３相・２レベルインバータの構成をもつパワーモジュールにおける各スイッチング素子Ｑｕｐ〜Ｑｗｎのような場合）、劣化判定部９においては、図６（Ａ）に示した閾値ｋ０などの絶対的な判断基準の代わりに、パワーモジュール内部の各半導体チップ１００について上記の振幅比を計算しておき、半導体チップ１００間で振幅比の比較を行って劣化検知を実施してもよい。
【００５２】
例えば、図６（Ｃ）に示すように、各位置ｐ１、ｐ２、ｐ３、…に配置されている各半導体チップ１００について、それぞれ温度解析信号Ｓ５と電力損失解析信号Ｓ６の振幅比を計算する。そして、各半導体チップ１００間で振幅比の比較を行い、平均値から大きく外れた振幅比を示す位置（この例ではｐ４の位置）にある半導体チップ１００は劣化していると判定する。あるいは、温度解析信号Ｓ５と電力損失解析信号Ｓ６の振幅比が最大値となる振幅比を除いた残りの振幅比群で算術平均値と標準偏差とを計算する。そして、それらの値を用いて｛（最大値−平均値）／標準偏差｝＝Ｍａを求め、このＭａの値が基準値を超えたときに劣化と判定する。あるいは、振幅比群の中央値（メディアン）とその平均偏差を計算し、｛（最大値−中央値）／平均偏差｝＝Ｍｂを求め、このＭｂの値が基準値を超えたとき劣化と判定する。また、これらに限らず、各半導体チップ１００毎に求めた振幅比のうち、最大値のものが他の振幅比群に対してどれくらい乖離しているかが分かる指標であれば、特に具体的な計算手段としては何でもよい。さらにまた、図６（Ｄ）に示すように、上述の｛（最大値−平均値）／標準偏差｝＝Ｍａと劣化度との関係を予め規定したテーブルを準備しておき、テーブルを参照してＭａの値に応じた劣化度を示す判定信号Ｓ９を出力するようにしてもよい。
【００５３】
図６（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、パワーモジュール内部の半導体チップ１００間の相対比較を用いると、図６（Ａ）、（Ｂ）のようにして電力損失と温度変化の振幅比の閾値ｋ０や、振幅比と劣化度との関係を示すテーブルなどを予め準備する必要がなくなり、劣化判定部９の設計労力が大幅に低減する。このため、多品種展開を行う汎用パワーモジュールでは、劣化検知可能な品種の拡大が容易に実施できるメリットがある。
【００５４】
以上説明したように、この実施の形態１では、電力損失信号Ｓ３の交流成分と温度信号Ｓ１の交流成分との間の伝達特性を利用することで半導体チップ１００間の温度干渉を排除して、劣化検知精度を向上することができる。なお、この半導体チップ１００間の温度干渉に対しては、直流成分を検出することでも温度干渉を排除する処理は実施可能であるが、各半導体チップ１００間の熱伝達特性を計算する必要があるため、計算量が膨大になるという欠点があり、また、各半導体チップ１００間の熱伝達特性データの取得にも労力を要する。また、図１の半導体チップ１００のレイアウトが変更されると、再度、熱伝達特性を取得する必要があり、直流成分を用いるのは得策ではない。これに対して、この発明のように交流成分を用いることで、本質的に温度干渉を排除するための特別な処理が不要となり、劣化検知処理の大幅な簡易化や、その準備労力の低減を図ることができる。
【００５５】
最後に具体的な波形の例について示す。
図７は図１に示した３相・２レベルインバータのパワーモジュールを用いて交流モータなどの３相交流負荷を駆動する場合の各相電流と電力損失の波形の一例である。なお、各相電流の検出箇所は図１（Ａ）の符号ｐｄで示す箇所であり、その極性の取り方については３相・２レベルインバータから負荷への出力を正としている。電力損失は相電流の大きさに応じて変化する。また、相電流の極性によりスイッチング素子Ｑｕｐ〜ＱｖｎとダイオードＤｕｐ〜Ｄｗｎを通過する電流が異なるので、電流極性に応じ電力損失波形が変化する。
【００５６】
図７（Ｂ）は、Ｐ側のスイッチング素子Ｑｕｐ、Ｑｖｐ、Ｑｗｐである各半導体チップ１００の電力損失信号Ｓ３を示しており、図７（Ａ）に示す相電流が正の場合に主に電力損失を生じる。このため、電力損失信号Ｓ３には交流成分が含まれ、特に相電流の周波数と同じ周波数成分を含む。さらに、この電力損失に応じて温度変化が発生するので、図７（Ｃ）に示すように温度信号Ｓ１にも同じ周波数成分が含まれる。
【００５７】
すなわち、周波数帯域の条件を満たせば、３相交流負荷等を駆動する場合、通常の運転状態で半導体チップ１００に関して得られる電力損失信号Ｓ３と温度信号Ｓ１には共に交流成分が含まれ、これらに基づいて劣化検知処理が実施できる。このため、特別な劣化検知用の運転パターンを必要とせず、パワーモジュールを利用した製品の設計・製造を行うユーザやその製品を使用する最終ユーザに意識させることなく劣化検知が可能となる。
【００５８】
ここでは、Ｕ相Ｐ側のスイッチング素子Ｑｕｐである半導体チップ１００のハンダ１０１の部分に劣化が発生して熱伝導率の低下を生じている。そのため、図７（Ｃ）に見られるように、温度変化が顕著となり、他の相よりも平均温度が上昇する。
【００５９】
図８（Ａ）はＰ側のスイッチング素子Ｑｕｐ、Ｑｖｐ、Ｑｗｐである各半導体チップ１００の温度信号Ｓ１について、温度信号解析部５で周波数解析結果を行った結果を示すものであり、また、図８（Ｂ）は図８（Ａ）の符号ｐｅで示す箇所の拡大図である。図７に示した例のように、Ｕ相Ｐ側のスイッチング素子Ｑｕｐである半導体チップ１００のハンダ１０１の部分に劣化が発生して熱伝導率の低下を生じると、図８（Ｂ）に見られるように、電力損失に応じて温度解析信号Ｓ５として得られる交流成分の振幅も増加するので、劣化検知が可能となる。
【００６０】
なお、半導体チップ１００のスイッチングパターンの影響はあるが、概ね図７に示すように、半導体チップ１００に流れる相電流に応じた電力損失が発生するため、電力損失信号Ｓ３を用いる代わりに相電流を検出し、この検出信号を用いてもよい。この場合、電力損失の計算が不要となり処理量の低減が実現できる。
【００６１】
また、図７（Ｂ）に示す電力損失の波形は、スイッチング素子Ｑｕｐ、Ｑｖｐ、Ｑｗｐと電流還流用のダイオードＤｕｐ、Ｄｖｐ、Ｄｗｐの各半導体チップ１００が共に電流極性に応じて電力損失波形が変化するため正弦波状とはならず、図８（Ａ）に示すように、主に相電流の周波数ｆ０に対して２倍の周波数２・ｆ０の高調波成分を含む。したがって、この高調波成分が前記した周波数帯域の条件を満たせば、この高調波成分と同じ周波数成分を用いて劣化検知を行ってもよい。交流モータなどの３相交流負荷を駆動する場合、速度が可変の場合は相電流の周波数ｆ０も変化する。低速運転時など相電流の周波数ｆ０が劣化検知条件を満たしていなくても、その高調波成分を用いて劣化検知ができる場合があり、劣化検知における制約条件の緩和が実現できる。
【００６２】
図９は図３に示した劣化検知処理部１０をパワーモジュールに実装した場合の一例を示す。
【００６３】
このパワーモジュール２００は、複数の半導体チップ１００を含むインバータ２０１の部分と、劣化検知処理部１０が実装されたロジックＩＣ２０２の部分とを含んでいる。また、劣化判定部９の出力端子Ａを設けている。半導体チップ１００の温度は、図示しない温度検出器で検出され、ロジックＩＣ２０２内の温度検出部１に入力される。また、パワーモジュール２００のＵＶＷ各相の出力電流は、図示しない電流検出器で検出され、ロジックＩＣ２０２内の電力損失検出部３が、上記インバータ２０１に入力されるゲート信号情報を用いて電力損失を検出する。これにより、パワーモジュール２００において劣化判定を行うことができる。なお、図９に示した例では、ロジックＩＣ２０２は、パワーモジュール２００に内蔵する構成としているが、これに限らず、パワーモジュール２００の外部に接続して劣化判定を行う構成としてもよい。
【００６４】
実施の形態２．
実施の形態１においては、半導体チップ１００の上に劣化検知用の温度センサ１を設けているが、必ずしも常に半導体チップ１００の上に設ける場合に限らず、図２の破線で示すように、劣化検知対象となる例えば左側の半導体チップ１００に隣接して温度センサ１を設置することが必要となる場合もある。
【００６５】
このような場合でも、他の半導体チップ１００からの温度干渉を受けないようにするためには、劣化検知対象となる半導体チップ１００の極近傍に温度センサ１を設置することは当然必要であるが、さらに、次のようにすれば、劣化検知が可能である。これを図１０および図１１を用いて説明する。
【００６６】
図１０は図２の左側の劣化検知対象となる半導体チップ１００近傍における解析結果のボード線図であり、電力損失に基づく熱流束を入力とし、半導体チップ１００とハンダ１０２間における温度変化の和（図５のΔＴ１〜ΔＴ６までの和）を出力としたものである。図４の場合と同様、図１０（Ａ）は横軸を熱流束の周波数、縦軸を（３）式のゲインとし、また、図１０（Ｂ）は横軸を熱流束の周波数、縦軸を電力損失信号Ｓ３に対する温度信号Ｓ１の位相差としている。また、図１１は、同様に電力損失に基づく熱流束を入力とし、ハンダ１０２下部とベースプレート１１２との間の境界面における熱流束を出力としたものである。図４の場合と同様、図１１（Ａ）は横軸を熱流束の周波数、縦軸をゲインとし、また、図１１（Ｂ）は横軸を熱流束の周波数、縦軸を電力損失信号Ｓ３に対する温度信号Ｓ１の位相差としている。なお、図１０、図１１共に、図中、実線で示す曲線がハンダ１０２の劣化が無い場合を、破線で示す曲線がハンダ１０２の劣化が有る場合をそれぞれ示している。
【００６７】
図１０（Ａ）から分かるように、ハンダ１０１の劣化により熱伝導率が低下して温度変化が大きくなり、その結果、ゲインが上昇する。また、図１１（Ａ）では熱伝導率の低下により熱が伝わりにくくなってゲインが低下する現象が確認できる。したがって、半導体チップ１００の極近傍に設置される温度センサ１は、図１１の特性の伝達特性を経た電力損失に応じて生じる温度変化が観測される。このため、温度センサ１で測定できる温度の交流成分の振幅は劣化がない場合と比較して小さくなる。これを利用すれば、実施の形態１と同じくパワーモジュールの劣化検知を実施することができる。
【００６８】
ただし、実施の形態１の場合とは異なり、劣化に伴って温度上昇が顕著になるのではなく逆に減少していくので、これに対応する必要がある。例えば、実施の形態１では、図６に示したように、電力損失に対する温度変化の交流成分の振幅比が所定値以上となる場合に劣化と判定していたが、この実施の形態２では、振幅比が所定値以下で劣化と判定する。
【００６９】
以上のように、この実施の形態２では、絶縁などの制約により半導体チップ１００の上に温度センサ１が設置できない場合でも、交流成分に着目した劣化検知の原理を利用でき、高精度な劣化検知を実現できる。
【００７０】
実施の形態３．
図１２はこの発明の実施の形態３におけるパワーモジュールの劣化検知装置が備える劣化検知処理部のブロック構成図である。
【００７１】
実施の形態１では、電力損失信号Ｓ３とそれに伴う温度信号Ｓ１の交流成分をフーリエ解析等の公知手法を用いて取り出して両者の振幅比を用いて劣化検知を実施する場合について説明した。この実施の形態３においても、パワーモジュールの劣化検知の原理は、実施の形態１で説明したものと本質的には同じである。ただし、その場合のフーリエ解析の基準となる基底信号はパワーモジュールの負荷電流とする。なお、この実施の形態３の場合は、オンライン、すなわちパワーモジュールの通常使用状態での劣化検知、特に、交流モータなどの３相交流負荷を駆動するパワーモジュールの運転条件が時間に応じて変化する場合の劣化検知に適している。
【００７２】
図１２において、１１は電流検出部であり、図１（Ａ）で示すように交流モータの駆動用インバータの出力側の位置ｐｄに設けられている。そして、電流検出部１１は、交流モータに供給される３相電流（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）を検出して電流信号Ｓ１１として出力する。座標変換部１３は、この電流信号Ｓ１１に対して次の（５）式の計算を実施して、互いに９０度位相がずれた２相の電流信号Ｉα、Ｉβを出力する。
【００７３】
【数５】
2013187207.tif 000007
【００７４】
バンドパスフィルタ１４は、電流信号Ｉα、Ｉβの通過周波数帯域が実施の形態１で説明したような劣化検知に適した周波数帯域に含まれるように設定されており、バンドパスフィルタ１４を通過した電流信号Ｉα、Ｉβがフーリエ解析のフーリエ係数を求めるための基底信号として利用される。そして、この基底信号Ｉα、Ｉβは、後述の各判定用信号計算部１６に与えられる。
【００７５】
なお、このバンドパスフィルタ１４の動作により、劣化検知に不適な周波数成分は除去されるが、劣化検知に適した周波数成分が存在しない場合は、バンドパスフィルタ１４の出力信号Ｉα、Ｉβはゼロとなり、後述する振幅比相当の信号計算が自動的に停止する。このため、電流や温度に含まれる周波数を検知して把握する処理を省略できる。
【００７６】
判定用信号計算部１６は、温度センサ（温度検出部）１で検出された温度信号Ｓ１を入力して判定用信号Ｓ２５を計算する。この判定用信号計算部１６は、劣化検知を行いたい箇所、すなわち温度センサ１の設置箇所に個別に対応して設けられており、バンドパスフィルタ１５、乗算器１９、２０、積分器２１、２２、およびノルム計算部２５を備えている。
【００７７】
バンドパスフィルタ１５は、前記の電流信号に対するバンドパスフィルタ１４と同一の通過周波数帯域を持ち、温度信号Ｓ１に対して周波数帯域を制限して出力する。また、直流成分を除去することにより、後段の積分器２１、２２の出力である積分信号Ｓ２１、Ｓ２２の振動を防止でき、後段の劣化判定処理動作の精度を向上させる働きを持つ。
【００７８】
フーリエ解析におけるフーリエ係数は、対象信号に基底信号を掛けて所定の期間にわたって積分を実施することで得られる。そのため、ここでは温度信号Ｓ１に対して基底信号Ｉα、Ｉβをそれぞれ乗算器１９、２０により乗算する。そして、乗算後の信号Ｓ１７、Ｓ１８を次段の積分器２１、２２で積分して積分信号Ｓ２１、Ｓ２２として出力する。
【００７９】
次いで、ノルム計算部２５は、積分信号Ｓ２１、Ｓ２１を入力してノルムの計算を行う。具体的には次の（６）式の計算を実施する。この（６）式の演算結果はフーリエ係数の振幅に相当し、これが判定用信号Ｓ２５として次段の劣化判定部９に出力される。なお、（６）式において、符号Ｓｉｇ２３が積分信号Ｓ２１に、Ｓｉｇ２４が積分信号Ｓ２２に、Ｓｉｇ２６がノルム計算部２５から出力される判定用信号Ｓ２５にそれぞれ対応している。
【００８０】
【数６】
2013187207.tif 000008
【００８１】
以上の手順で得た判定用信号Ｓ２５は、温度信号Ｓ１に含まれる交流成分の振幅が大きくなるに従って大きくなる。実施の形態１で説明したように、ハンダ１０１が劣化すると熱伝導率が低下するので、温度信号Ｓ１の交流成分は、同じ電力損失に対してその振幅が増大する。このため、判定用信号Ｓ２５はハンダ劣化が存在すると、ハンダ劣化が存在しない健全な箇所の判定用信号Ｓ２５と比較して大きくなり、劣化検知を実施することができる。
【００８２】
具体的な劣化判定部９の動作としては、実施の形態１の図６（Ｃ）について説明したパワーモジュール内の半導体チップ１００同士での信号比較により実施することができる。その場合、図６（Ｃ）において縦軸である温度解析信号Ｓ５と電力損失解析信号Ｓ６の振幅比（Ｓ５／Ｓ６）を、判定用信号Ｓ２５の大きさに置き換えればよい。
【００８３】
図１３は、交流モータの加速・減速時の電流周波数（図１３（Ａ））、その場合のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相電流波形（図１３（Ｂ））、Ｐ側のスイッチング素子Ｑｕｐ、Ｑｖｐ、Ｑｗｐである各半導体チップ１００の温度波形（図１３（Ｃ））、および各判定用信号計算部１６から出力される各相に対応した判定用信号Ｓ２５の計算結果（図１３（Ｄ））をそれぞれ対比して示している。そして、ここでは、Ｕ相のスイッチング素子Ｑｕｐの下部のハンダ１０１に劣化が生じて熱伝導率の低下が発生した状態を示している。
【００８４】
交流モータの電流周波数は、モータ速度に比例するので、交流モータの加減速に応じて周波数も変化する。図１３（Ｄ）において、符号Ｔ１で示す区間では相電流が小さく、温度変化も小さいため、判定用信号Ｓ２５は殆ど変化しない。また、符号Ｔ２で示す区間では、相電流が直流となり、バンドパスフィルタ１５によって温度信号Ｓ１や基底信号Ｉα、Ｉβが阻止されるため、判定用信号Ｓ２５は殆ど変化しない。その他の区間では判定用信号Ｓ２５がＵ・Ｖ・Ｗ相の各相電流に応じて増加していく。
【００８５】
上記のように、ここではＵ相のスイッチング素子Ｑｕｐの下部のハンダ１０１に劣化が生じて熱伝導率の低下が発生しているので、その結果、図１３（Ｄ）に示すように、Ｕ相における判定用信号Ｓ２５は、Ｖ・Ｗ相と比較して大きな値に収束し、劣化検知が可能となる。
【００８６】
以上のように、この実施の形態３においても、劣化検知に不適な条件を省いて判定用信号Ｓ２５に基づいて劣化判定部９で判定信号Ｓ９が得られるため、電流の大きさや周波数が時間によって変化する交流モータを駆動するような場合でも、パワーモジュールの劣化検知を実施することができる。この実施の形態３の特徴により、パワーモジュールの劣化検知をオフラインだけでなく、オンラインでも特に問題なく実施することができる。
【００８７】
なお、判定用信号計算部１７の積分器２１、２２における積分区間であるが、十分に長い期間を取る。例えば図１３に示すように、電流の大きさや周波数が変化する場合、電流の位相や運転パターンによっては、判定用信号Ｓ２５の大小が瞬間的に入れ替わる場合がある。すなわち、半導体チップ１００の下部のハンダ劣化がない箇所の判定用信号Ｓ２５の振幅がハンダ劣化が存在する箇所の判定用信号Ｓ２５の振幅よりも大きくなる場合がある。そこで、積分区間を長くとることでこのような誤差を解消することができ、高精度な劣化検知を実現できる。例えば、図１３（Ａ）に示すように、台形波状の運転パターンが繰り返される場合には、その台形波が少なくとも十〜数十サイクル以上繰り返される区間とする。このように可能な限り積分区間を長く取ることで劣化検知精度を向上させることができる。
【００８８】
なお、図１２に示した構成では、劣化検知を行いたい箇所に個別に配置された温度センサ（温度検出部）１によって検出された温度信号Ｓ１が判定用信号計算部１６に入力されるようにしているが、このような構成に限らず、例えば、図１４に示すように、温度信号Ｓ１が入力される判定用信号計算部１６と、電力損失信号Ｓ３が入力される判定用信号計算部１７とを共に、劣化検知を行いたい箇所に個別に対応して配置した構成としてもよい。この場合、判定用信号計算部１７は、温度信号Ｓ１が入力される判定用信号計算部１６と同じ構成である。
【００８９】
図１４に示した構成の場合、ハンダ劣化により熱伝導率低下が発生すると電力損失に対する温度変化が増加する。そのため、劣化判定部９では、判定用信号計算部１６で温度信号Ｓ１に基づいて得られる判定用信号Ｓ２５と、判定用信号計算部１７で電力損失信号Ｓ３に基づいて得られる判定用信号Ｓ２６との比を比較することで劣化検知を実施することができる。
【００９０】
具体的な劣化判定部９の動作としては、実施の形態１の図６（Ａ）について説明した温度解析信号Ｓ５の振幅（縦軸）と電力損失解析信号Ｓ６の振幅（横軸）との比（傾き）を計算して劣化判定を行う場合と同様に、判定用信号計算部１６で温度信号Ｓ１に基づいて得られる判定用信号Ｓ２５を縦軸に、判定用信号計算部１７で電力損失信号Ｓ３に基づいて得られる判定用信号Ｓ２６を横軸にして、両者Ｓ２５、Ｓ２６の比（傾き）を計算してその傾きがある閾値を超えた場合に劣化有りと判断して判定信号Ｓ９を出力する。
【００９１】
実施の形態４．
前述の実施の形態１〜３では、半導体チップ１００に関する電力損失信号Ｓ３と温度信号Ｓ１とにパワーモジュールの劣化検知に適した周波数成分が含まれることを前提としている。しかし、これに限らず、半導体チップ１００のスイッチング指令の生成に用いるキャリア周波数に対して所定帯域の周波数成分を重畳するキャリア周波数補正部を設け、これによってパワーモジュールのキャリア周波数を制御することにより、電力損失信号Ｓ３に対して劣化検知に適した目的の周波数成分を含ませるようにしてもよい。
【００９２】
通常、キャリア周波数は一定値であるが、以下の（７）式に示すように、交流成分を重畳することでスイッチング損失が増減し、半導体チップ１００の電力損失信号Ｓ３に所定の周波数成分を含ませることができる。
【００９３】
【数７】
2013187207.tif 000009
【００９４】
ここに、ｆｃはキャリア周波数、ｆｃ＿ｃｏｎｓｔは基準となる一定キャリア周波数、ｆＡｍｐはキャリア周波数の増減の大きさ、ｆｄが目的となる劣化検知に適した周波数である。
【００９５】
太陽光発電のパワーコンディショナなど、電源系統に同期した一定の周波数で動作するパワーモジュールでは、電流の周波数も電源系統と同じ値で一定となる。この周波数が劣化検知に不適な周波数である場合は、劣化検知ができないが、前記の手順のようにスイッチング損失を増減させることにより、半導体チップ１００の電力損失の劣化検知に適した周波数成分を含ませることができるので、劣化検知処理が実現できる。
【００９６】
実施の形態５．
上記の各実施の形態１〜４では、パワーモジュールの劣化検知対象として、半導体チップ１００の下部のハンダ劣化を検知するのを目的とした。しかし、実施の形態１で説明した本発明の原理によれば、ハンダ劣化のみを検知対象とする場合に限らず、電流あるいは電力損失に対する温度変化の割合が変化する故障モードならば、半導体チップ１００間の温度干渉の影響を受けることなく故障の有無を検知することが可能である。その一例として、この実施の形態５では、半導体チップ１００への電気配線となるワイヤボンディングの接続不良を検知する場合について説明する。
【００９７】
図１５は半導体チップの平面図であり、一例として半導体チップ１００に対して３本のワイヤ１１８が接続されている。ここでは、各ワイヤ１１８の各接続部（ボンディング部）をＰ１、Ｐ２、Ｐ３とする。また、ここでは中央のワイヤ１１８の接続部Ｐ２の近傍に温度センサ１が設置されているものとする。
【００９８】
実施の形態１において述べたように、温度変化によりハンダに応力が発生して劣化する。ワイヤボンディングでは、このようにハンダ劣化が進展すると、最終的にはワイヤ１１８が半導体チップ１００から外れることとなる。
【００９９】
ここで、半導体チップ１００の電流は、この３本のワイヤ１１８を通して均等に流れるものとする。各ワイヤ１１８の各接続部Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３にハンダ劣化が発生していない場合、図１６（Ａ）に示すように、３本のワイヤ１１８より供給された電流は、ワイヤ１１８の各接続部Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３に近い程電流密度が高いので、電流に伴う電力損失により発熱が顕著になり、各接続部Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３から離れる程、温度が次第に低下するような温度分布が生じる。
【０１００】
ここで、例えば図１５において、左側のワイヤ１１８の接続部Ｐ１がハンダ劣化によって半導体チップ１００から外れると、電流は残りのワイヤ１１８を流れるようになり、残りのワイヤ１１８の１本当たりの電流が増加する。このため、図１６（Ｂ）に示すように、半導体チップ１００への同一の電流に対し、温度センサ１により検出される温度変化が顕著となる。また、図１５において、温度センサ１近傍の中央のワイヤ１１８の接続部Ｐ２がハンダ劣化によって半導体チップ１００から外れると、その接続部Ｐ２の発熱が無くなるため、図１６（Ｃ）に示すように、温度センサ１で検出される温度変化は逆に小さくなる。
【０１０１】
このように、ワイヤ１１８の接続部Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３がハンダ劣化により接続不良が生じた場合でも、温度分布に変化が生じるので、実施の形態１等で説明したのと同様な手順によってその故障を検知することができる。
【０１０２】
例えば、図１５の左側のワイヤ１１８の接続部Ｐ１がハンダ劣化によって半導体チップ１００から外れると、図１６（Ｂ）に示したように、温度センサ１により検出される温度変化が顕著となる。したがって、図１７（Ａ）に示すように、温度解析信号Ｓ５と電力損失解析信号Ｓ６について、複数回サンプリングを行って両信号Ｓ５、Ｓ６の振幅比（傾き）を計算し、その傾きがある閾値ｋ１を超えた場合にワイヤ１１８の接続部Ｐ１が半導体チップ１００から外れる故障が生じたと判断する。あるいは、図１７（Ｃ）に示すように、モジュール内部の各半導体チップ１００について温度解析信号Ｓ５と電力損失解析信号Ｓ６の振幅比を求め、この振幅比の最大値と最小値を除いた平均値を計算し、振幅比の最大値が平均値を大きく上回った場合には、当該振幅比の最大値に該当する箇所でワイヤ１１８の接続部Ｐ１が半導体チップ１００から外れる故障が生じたと判断する。
【０１０３】
また、図１５の中央のワイヤ１１８の接続部Ｐ２がハンダ劣化によって半導体チップ１００から外れると、図１６（Ｃ）に示したように、温度センサ１により検出される温度変化が低下する。したがって、図１７（Ａ）に示すように、温度解析信号Ｓ５と電力損失解析信号Ｓ６の振幅比（傾き）がある閾値ｋ２（＜ｋ１）よりも低下した場合にワイヤ１１８の接続部Ｐ２が半導体チップ１００から外れる故障が生じたと判断する。あるいは、図１７（Ｃ）に示すように、モジュール内部の各半導体チップ１００について温度解析信号Ｓ５と電力損失解析信号Ｓ６の振幅比を求めて最大値と最小値を除いた平均値を計算し、振幅比の最小値が平均値から大きく下回った場合には、当該振幅比の最小値に該当する箇所でワイヤ１１８の接続部Ｐ２が半導体チップ１００から外れる故障が生じたと判断する。
【０１０４】
なお、図１７（Ｂ）に示すように、温度解析信号Ｓ５と電力損失解析信号Ｓ６の振幅比と劣化度との関係を予め規定したテーブルを準備しておき、このテーブルを参照して振幅比に応じた劣化度を判定することができる。また、図１７（Ｄ）に示すように、温度解析信号Ｓ５と電力損失解析信号Ｓ６の振幅比が最大値となる振幅比を除いた残りの振幅比群により算術平均値と標準偏差とを計算し、それらの値を用いて｛（最大値−平均値）／標準偏差｝＝Ｍａを求めて、このＭａの値と劣化度との関係を予め規定したテーブルを準備しておく。そして、このテーブルを参照してＭａの値に応じた劣化度を判定する場合も、同様にして、ワイヤ１１８の接続部Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３のハンダ劣化による接続不良を検知することができる。なお、実施の形態１の図６との比較で分かるように、この実施の形態５の劣化検知の判断方法は、半導体チップ１００の下部のハンダ劣化を検知する場合にも適用可能である。
【０１０５】
以上のように、この実施の形態５では、半導体チップ１００の下部のハンダ劣化の検知のみならず、半導体チップ１００のワイヤボンディングの不良(ワイヤ外れ)を検知することができ、より正確度が高いパワーモジュールの劣化検知を実現することができる。
【０１０６】
なお、この発明は上記の各実施の形態１〜５の構成のみに限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態１〜５を組み合わせたり、各実施の形態１〜５の構成について適宜の変形を加えたり、省略することが可能である。
【図１】
2013187207.tif 000010
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年10月21日(2014.10.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップを内蔵したパワーモジュールの劣化を検知する装置であって、上記半導体チップの温度を検出して得られる温度信号に含まれる交流信号と上記半導体チップの電力損失を検出して得られる電力損失信号に含まれる交流成分との間の伝達特性に基づいて劣化検知処理を行う劣化検知処理部を備えたパワーモジュールの劣化検知装置。
【請求項２】
上記劣化検知処理部は、上記半導体チップの温度を検出して温度信号を出力する温度検出部と、上記半導体チップの電力損失を検出して電力損失信号を出力する電力損失検出部と、上記温度信号に含まれる各交流信号の周波数成分を解析する温度信号解析部と、上記電力損失信号に含まれる各交流信号の周波数成分を解析する電力損失信号解析部と、上記温度信号解析部と上記電力損失信号解析部で解析された上記温度信号と上記電力損失信号の各交流信号の周波数成分に基づいて上記パワーモジュールの劣化を判定する劣化判定部と、を備えた請求項１に記載のパワーモジュールの劣化検知装置。
【請求項３】
上記劣化判定部は、上記温度信号と上記電力損失信号がそれぞれ所定の周波数帯域の交流成分を含む場合にのみ劣化判定を行うものである請求項２に記載のパワーモジュールの劣化検知装置。
【請求項４】
上記劣化判定部は、上記温度信号に含まれる交流成分と上記電力損失信号に含まれる交流成分との間の伝達特性を所定の基準値と比較することにより劣化判定を行うものである請求項２または請求項３に記載のパワーモジュールの劣化検知装置。
【請求項５】
上記パワーモジュールが上記半導体チップを複数個内蔵されたものである場合、上記劣化判定部は、上記半導体チップ毎に、上記温度信号に含まれる交流成分と上記電力損失信号に含まれる交流成分との間の伝達特性を求め、各半導体チップ間で上記伝達特性を比較することにより劣化判定を行うものである請求項２または請求項３に記載のパワーモジュールの劣化検知装置。
【請求項６】
上記劣化検知処理部は、上記半導体チップの温度を検出して温度信号を出力する温度検出部と、上記半導体チップに流れる電流を検出して電流信号を出力する電流検出部と、上記電流検出部で検出された電流信号をフーリエ解析の基準となる基底信号として用いて上記温度検出部で得られた上記温度信号に含まれる各交流信号のフーリエ係数の大きさを求めてこれを判定用信号として出力する判定用信号計算部と、上記判定用信号計算部で得られた判定用信号に基づいて上記パワーモジュールの劣化を判定する劣化判定部と、を備えた請求項１に記載のパワーモジュールの劣化検知装置。
【請求項７】
上記判定用信号計算部は、上記電流信号と上記温度信号がそれぞれ所定の周波数帯域の交流成分を含む場合にのみ判定信号を出力するものである請求項６に記載のパワーモジュールの劣化検知装置。
【請求項８】
上記半導体チップへのスイッチング指令の生成に用いるキャリア周波数に、上記所定の周波数帯域の交流成分を重畳するキャリア周波数補正部を設けた請求項３または請求項７に記載のパワーモジュールの劣化検知装置。
【国際調査報告】
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