(57)【要約】【課題】パワーサイクル試験中の高温状態におけるパワーデバイスの放熱特性を評価できるパワーサイクル試験装置及びパワーサイクル試験方法を得る。【解決手段】パワーサイクル試験装置１００は、印加電力Ｐｗをパワーデバイス１に印加する電力供給部２と、印加電力Ｐｗを制御するサイクル制御信号Ｓｃｙｃを生成するサイクル制御信号生成回路部３と、ランダムなパルス幅の複数のパルスを有し、パワーデバイス１に熱擾乱を加える熱擾乱信号Ｓｐｎを生成する熱擾乱信号生成回路部６と、サイクル制御信号Ｓｃｙｃに熱擾乱信号Ｓｐｎを重畳する信号合成回路部７と、パワーデバイス１の温度揺らぎを計測し、温度揺らぎ信号ΔＴｐｎとして出力する温度揺らぎ計測部９と、温度揺らぎ信号ΔＴｐｎと熱擾乱信号Ｓｐｎの相関演算によってパワーデバイス１の放熱インピーダンスを算出する相関演算回路部８を備える。【選択図】図１
2018119867.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的な印加電力を供試体に印加して、前記供試体の温度を昇降させる電力供給部と、
前記周期的な印加電力を制御するサイクル制御信号を生成して出力するサイクル制御信号生成回路部と、
ランダムなパルス幅の複数のパルスを有し、前記供試体に熱擾乱を加える熱擾乱信号を生成して出力する熱擾乱信号生成回路部と、
前記サイクル制御信号に前記熱擾乱信号を重畳して前記電力供給部に出力する信号合成回路部と、
前記供試体の温度の温度揺らぎを計測し、該温度揺らぎを温度揺らぎ信号として出力する温度揺らぎ計測部と、
前記温度揺らぎ信号と前記熱擾乱信号の相関演算を行って、前記相関演算の演算結果から前記供試体の放熱インピーダンスを算出する相関演算回路部と
を備えたことを特徴とするパワーサイクル試験装置。
【請求項２】
前記サイクル制御信号生成回路部は、前記供試体が熱定常状態に達したときにトリガー信号を出力し、前記熱擾乱信号生成回路部は、前記トリガー信号を受信した後、前記熱擾乱信号を出力することを特徴とする請求項１に記載のパワーサイクル試験装置。
【請求項３】
前記熱擾乱信号生成回路部は、前記熱擾乱信号の周期を制御することにより、前記熱擾乱信号による前記供試体への入熱の熱拡散距離を前記供試体の特定部位までに留めることを特徴とする請求項１または２に記載のパワーサイクル試験装置。
【請求項４】
前記相関演算回路部は、前記温度揺らぎ信号と前記熱擾乱信号の相互相関から前記供試体の放熱インピーダンスを算出することを特徴とする請求項１または２に記載のパワーサイクル試験装置。
【請求項５】
前記相関演算回路部は、前記熱擾乱信号の自己相関から前記供試体の放熱インピーダンスを算出することを特徴とする請求項３に記載のパワーサイクル試験装置。
【請求項６】
予め定められた判定基準に従って、前記相関演算回路部が算出した前記供試体の放熱インピーダンスから前記供試体の劣化判定を行う劣化判定回路部をさらに備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のパワーサイクル試験装置。
【請求項７】
供試体の温度を昇降させる周期的な印加電力を制御するサイクル制御信号にランダムなパルス幅の複数のパルスを有し、前記供試体に熱擾乱を加える熱擾乱信号を重畳し、前記供試体の温度の温度揺らぎを示す温度揺らぎ信号と前記熱擾乱信号の相関演算を行って、前記相関演算の演算結果から前記供試体の放熱インピーダンスを算出することを特徴とするパワーサイクル試験方法。
【請求項８】
前記サイクル制御信号への前記熱擾乱信号の重畳は、前記供試体が熱定常状態に達したときに行うことを特徴とする請求項７に記載のパワーサイクル試験方法。
【請求項９】
前記熱擾乱信号の周期を制御することにより、前記熱擾乱信号による供試体への入熱の熱拡散距離を前記供試体の特定部位までに留めることを特徴とする請求項７または８に記載のパワーサイクル試験方法。
【請求項１０】
前記相関演算は、前記温度揺らぎ信号と前記熱擾乱信号の相互相関演算を含むことを特徴とする請求項７または８に記載のパワーサイクル試験方法。
【請求項１１】
前記相関演算は、前記熱擾乱信号の自己相関演算を含むことを特徴とする請求項９に記載のパワーサイクル試験方法。
【請求項１２】
予め定められた判定基準に従って、算出した前記供試体の放熱インピーダンスから前記供試体の劣化判定を行うことを特徴とする請求項７から１１のいずれか１項に記載のパワーサイクル試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パワーデバイスのパワーサイクル評価試験に用いるパワーサイクル試験装置及びパワーサイクル試験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーデバイスは、パワーエレクトロニクス機器の寿命に影響する主要部品の一つである。パワーデバイスは、発熱部となる半導体チップと、放熱部の多層構造からなり、放熱部は半導体チップに接合されるはんだ接合層、セラミック材、ベースプレートを含んでいる。また、半導体チップの上面にはワイヤボンド部が接合されている。このようなパワーデバイスの設計においては、パワーサイクル中の放熱サイクルストレスによる疲労蓄積がはんだ接合層及びワイヤボンド部に集中し、はんだ接合層の亀裂の発生やワイヤボンディングリフトオフ、放熱グリースの変質や漏出を引き起こす。これらは放熱部の放熱性低下を引き起こし、最終的にはゲート電極破損等のチップ破壊といったパワーデバイスの故障につながる劣化症状なので、早期に発見・観測する必要がある。このため、パワーデバイスの製造開発においては、放熱サイクルストレスを考慮したデバイス放熱設計と、パワーサイクル試験による事前評価が求められる。
【０００３】
デバイス放熱設計及びパワーサイクル試験においては、デバイスの放熱特性を知る必要がある。そして、デバイスの放熱特性を示す支配的な指標の一つが放熱インピーダンスである。放熱インピーダンスとは、パワーデバイスに対してステップ入熱があったときの半導体チップの上昇温度を入熱量で除したものであり、ステップ入熱後の半導体チップのチップ温度を決定する。放熱インピーダンスの検査装置自体は従来から存在し、検査装置による放熱インピーダンスの測定は、一般的に常温あるいは高温域（６０℃から８０℃の範囲）で行われている。
一方、放熱インピーダンスはデバイス温度によって変化するという性質がある。これは、放熱インピーダンスを構成する熱伝導率や熱容量がデバイス温度によって変化するためであり、例えばシリコンの場合、その熱伝導率は常温から１００℃の上昇により約３０％、２００℃の上昇により約５０％変化する（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
パワーサイクル試験は、発熱部となる半導体チップの温度を繰り返し昇降させ、はんだ接合層などに放熱サイクルストレスを加えながらパワーデバイスの放熱負荷状態のモニタリングを行うものである。パワーサイクル試験中のデバイス温度のモニタリングにおいては、サイクル電力パルスによって発熱した半導体チップの温度有感変数を測定する。例えばＩＧＢＴの場合、温度有感変数としてコレクタ・エミッタ間電位が用いられることが知られている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００５】
パワーサイクル試験では、加速評価のため、１５０℃前後という供用期間中よりも高い温度にまでデバイス温度を昇温させる。また、パワーサイクル試験は外部環境温度などが実際の動作環境に近い状態で行う必要があるとともに、試験時間のさらなる短縮が望まれている。そこで、より実際の動作環境下に近づけるために長周期のサーマルサイクル電力と短周期のパワーサイクル電力を重畳させた条件下でパワーサイクル試験を行うパワーサイクル試験装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、試験時間短縮のために、複数のＭＯＳＦＥＴに同一のゲート電圧を印加することにより複数のＭＯＳＦＥＴに対して同時にパワーサイクル試験を行うパワーサイクル試験方法及びパワーサイクル試験装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
ところで、通信システム分野において「スペクトル拡散通信方式」という技術が知られ
ている。この技術は、Ｇｏｌｄ符号やＭ系列（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｌｅｎｇｔｈ  Ｓｅｑｕｅｎｃｅ）符号のような疑似ランダム２値符号化信号（ＰＮ信号）を擾乱としてプロセスの入力に重畳させ、対応する出力の擾乱との相関を計算することでシステムのパラメータを評価するものである（例えば、非特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−２０８９３号公報
【特許文献２】特開２０１２−９８２２４号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】”A Temperature-dependent Thermal Model of IGBT Module Suitable for Circuit-level Simulations” Rui et al., IEEE transactions on industry applications 2016 Vol.52 Issue 4 PP3306-3314
【非特許文献２】”Online Vce measurement method for wear-out monitoring of high power IGBT modules” Szymon Beczkowski et al., Proceedings of the 15th European Conference on power Electronics and Applications,EPE2013
【非特許文献３】「２値系列」  共立出版  G. Hoffmann  訳  伊理正夫
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
パワーデバイスの放熱特性を示す主要パラメータである放熱インピーダンスは、上記のように温度によって変化するため、パワーサイクル試験中の放熱特性を評価するためにはパワーサイクル試験の高温状態において放熱インピーダンスを求めるべきである。しかしながら、特許文献１及び特許文献２のパワーサイクル試験装置ないしパワーサイクル試験方法では、パワーサイクル試験中の高温状態における放熱インピーダンスを計測することは考慮されておらず、正確な放熱特性に基づいた信頼性評価を行うことができないおそれがある。また、多層構造を持つパワーデバイスにおいては、放熱回路の構成上、それぞれの層の放熱インピーダンスを単純合算してパワーデバイス全体の放熱インピーダンスを求めることはできないため、温度と材質によって決まるそれぞれの層の放熱インピーダンスからパワーデバイス全体の放熱インピーダンスを求めることは困難である。
【００１０】
この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたもので、パワーサイクル試験中の高温状態におけるパワーデバイスの放熱特性を評価できるパワーサイクル試験装置及びパワーサイクル試験方法を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明のパワーサイクル試験装置は、周期的な印加電力を供試体に印加して、供試体の温度を昇降させる電力供給部と、周期的な印加電力を制御するサイクル制御信号を生成して出力するサイクル制御信号生成回路部と、ランダムなパルス幅の複数のパルスを有し、供試体に熱擾乱を加える熱擾乱信号を生成して出力する熱擾乱信号生成回路部と、サイクル制御信号に熱擾乱信号を重畳して電力供給部に出力する信号合成回路部と、供試体の温度の温度揺らぎを計測し、温度揺らぎを温度揺らぎ信号として出力する温度揺らぎ計測部と、温度揺らぎ信号と熱擾乱信号の相関演算を行って、相関演算の演算結果から供試体の放熱インピーダンスを算出する相関演算回路部とを備えたものである。
【００１２】
また、この発明のパワーサイクル試験方法は、供試体の温度を昇降させる周期的な印加電力を制御するサイクル制御信号にランダムなパルス幅の複数のパルスを有し、供試体に熱擾乱を加える熱擾乱信号を重畳し、供試体の温度の温度揺らぎを示す温度揺らぎ信号と熱擾乱信号の相関演算を行って、相関演算の演算結果から供試体の放熱インピーダンスを
算出するものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、パワーサイクル試験中の高温状態におけるパワーデバイスの放熱特性を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施の形態１におけるパワーサイクル試験装置を示す機能ブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るパワーデバイスの断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るパワーデバイスの熱構造モデル図である。
【図４】ステップ入熱に対するシリコン材入熱面の温度上昇曲線を示す図である。
【図５】ステップ入熱に対する各種デバイス材料単体の温度分布を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係るパワーデバイスの過渡熱抵抗曲線を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係るパワーデバイスの放熱等価回路図である。
【図８】実施の形態１における熱擾乱信号と温度揺らぎの関係を示す機能ブロック図である。
【図９】この発明の実施の形態１に係るパワーデバイスへの熱入力と応答出力の関係を説明する図である。
【図１０】熱擾乱信号を重畳したサイクル制御信号の波形を示す図である。
【図１１】二値符号化信号の波形の例を示す図である。
【図１２】熱擾乱信号のパルス幅の頻度を示す図である。
【図１３】この発明の実施の形態２おけるパワーサイクル試験装置を示す機能ブロック図である。
【図１４】この発明の実施の形態２における熱擾乱信号の出力タイミングを説明する図である。
【図１５】この発明の実施の形態３に係るパワーデバイスの放熱等価回路図である。
【図１６】この発明の実施の形態３における入力熱パルスとチップ温度の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
以下に、この発明の実施の形態１を図１から図１２に基づいて説明する。図１は、実施の形態１のパワーサイクル試験装置を示す機能ブロック図である。パワーサイクル試験装置１００において、主配線４によって供試体としてのパワーデバイス１と接続された電力供給部２は、信号合成回路部７から受信する制御信号に従って一定周期の印加電力Ｐｗをパワーデバイス１に印加し、パワーデバイス１の温度を周期的に昇降させる。信号合成回路部７は、サイクル制御信号生成回路部３からのサイクル制御信号Ｓｃｙｃ及び熱擾乱信号生成回路部６からの熱擾乱信号Ｓｐｎを単純加算することで２つの信号を合成し、合成された信号（Ｐｃｙｃ＋Ｓｐｎ）を電力供給部２に送信している。このため、印加電力Ｐｗは、サイクル制御信号Ｓｃｙｃに対応するサイクルパルス電力Ｐｃｙｃと熱擾乱信号Ｓｐｎに対応する熱擾乱電力ΔＰｐｎを合成したもの（Ｐｗ＝Ｐｃｙｃ＋ΔＰｐｎ）となっている。パワーデバイス１のチップ温度Ｔｃｈｉｐは、温度揺らぎ計測部９によって測定されている。温度揺らぎ計測部としては、デバイスチップに実装した熱電対であってもよいし、ＩＧＢＴの場合なら、コレクタ・エミッタ間電圧を検知する電圧計であってもよい。
【００１６】
熱擾乱信号生成回路部６は、生成した熱擾乱信号Ｓｐｎを信号合成回路部７に送るとともに、相関演算回路部８にも送信している。また、温度揺らぎ計測部９は、測定したチッ
プ温度Ｔｃｈｉｐの揺らぎを計測し、温度揺らぎ信号ΔＴｐｎとして相関演算回路部８に送信している。熱擾乱信号Ｓｐｎ及び温度揺らぎ信号ΔＴｐｎを受信した相関演算回路部８は、熱擾乱信号Ｓｐｎと温度揺らぎ信号ΔＴｐｎの相関演算を行いパワーデバイス１の放熱インピーダンスを算出して、得られた結果を放熱インピーダンス信号Ｓｃｏｒｒとして劣化判定回路部５に送信する。劣化判定回路部５は、受信した放熱インピーダンス信号Ｓｃｏｒｒについて、予め定められた判定基準に従って良否判定を行い、良否判定信号Ｆｌｇを出力する。なお、予め定められた判定基準とは、例えば、計算結果と初期値との差異が一定のしきい値以内であるか否か、計算結果が一定の範囲内にあるか否か等が考えられる。以下、パワーサイクル試験装置１００の構成についてより詳細に説明する。
【００１７】
図２はパワーデバイス１の断面図であり、図３は熱構造モデル図である。パワーデバイス１は、図に示すように発熱部としてのシリコンあるいはＳｉＣ等半導体のデバイスチップ１１と、放熱部１２を備えている。デバイスチップ１１にはワイヤボンド部ｗｂが接続され、放熱部１２の上部に載置されている。放熱部１２は、放熱多層部１２１と放熱フィン１２２を有している。放熱多層部１２１は、第１はんだ層ｍ１、セラミック層ｍ２、第２はんだ層ｍ３、ベースプレートｍ４が積層されたものである。電力供給部２から印加電力Ｐｗが印加されると、デバイスチップ１１の発熱面１１ａが発熱し、発熱面１１ａを入熱面として放熱部１２に向かって熱拡散する。放熱部１２に達した熱は放熱部１２内に入熱し、入熱Ｑｉｎは放熱フィン１２２に向かって放熱多層部１２１内を熱拡散して、放熱フィン１２２から外部に放熱される。なお、ここでの入熱Ｑｉｎは、サイクル制御信号Ｓｃｙｃによるサイクルパルス熱Ｑｃｙｃと熱擾乱信号Ｓｐｎによる擾乱熱ΔＱｐｎを含んだものである。デバイスチップ１１の発熱及び放熱部１２からの放熱が行われている間、デバイスチップ１１のチップ温度Ｔｃｈｉｐは温度揺らぎ計測部９によって測定される。チップ温度Ｔｃｈｉｐには、上記熱拡散による温度揺らぎが含まれる。
【００１８】
チップ温度Ｔｃｈｉｐは、入熱量及び入熱からの経過時間に依存する。図４では、シリコン材単体の場合について、３００Ｋ及び６００Ｋのステップ入熱に対する入熱面温度の上昇（熱拡散曲線）を示している。図４は、入熱面温度が時間経過による熱拡散に伴って上昇すること及び熱拡散曲線が入熱量に依存することを示している。
【００１９】
ステップ入熱時の熱拡散は、材質にも依存する。図５は、ステップ入熱後のある時刻Ｔｉにおける各種デバイス材料単体の一次元温度分布を示している。なお、具体的な数値は省略しているが、図５における横軸（熱拡散距離）は対数目盛としている。図５より、所定時間経過後の熱拡散距離の長さに注目すると銅、シリコン、アルミは熱良導体であり、はんだ、セラミック材（アルミナ）は熱不良導体であることが分かる。このことは、パワーデバイス１におけるデバイスチップ１１や放熱多層部１２１の各層において熱拡散のしやすさに差異があること示しており、図５は、熱拡散距離が短い熱不良導体の方がある時刻Ｔｉにおける入熱面での温度が高くなることを示している。
【００２０】
ここで、パワーデバイス１の放熱特性について説明する。図６は、パワーデバイス１の過渡熱抵抗曲線を示す図である。図６では、パワーデバイス１にステップ入熱があった場合の放熱特性を表すもので、横軸は入熱開始時刻からの経過時間を表し、縦軸は入熱量をチップ温度の上昇値で除した放熱インピーダンスを示す。図６に示すように、ステップ入熱開始後、遷移時間Ｔｄを経過するまでは放熱インピーダンスが増加し続ける過渡状態となり、遷移時間Ｔｄ経過後は放熱インピーダンスが安定して一定となる熱定常状態となる。過渡状態における放熱インピーダンスを過渡熱抵抗ｒｔｈ、熱定常状態における放熱インピーダンスを定常熱インピーダンスＲｔｈと呼ぶ。
【００２１】
放熱インピーダンスは、熱抵抗と熱容量によって決まる。図７は、パワーデバイス１の放熱等価回路図であり、放熱多層部１２１の各層ｍ１〜ｍ４がそれぞれの材質に応じた熱
抵抗Ｒ１〜Ｒ４及び熱容量Ｃ１〜Ｃ４を持つことを示している。なお、熱抵抗Ｒｘは放熱多層部１２１と外部間との熱抵抗である。放熱多層部１２１の各層ｍ１〜ｍ４は、それぞれ熱抵抗及び熱容量を持つため、これらから決まる放熱インピーダンスも各層でそれぞれ持っている。また、ここでは図示していないが、デバイスチップ１１もその材質（シリコン）に応じた熱抵抗及び熱容量、及びこれらにより決まる放熱インピーダンスを持つ。このように、パワーデバイス１は各層において材質に応じた放熱インピーダンスをそれぞれ持つが、上述したようにパワーデバイス１全体の放熱インピーダンスは各部の放熱インピーダンスを単純加算したものではないため、各層単体における放熱インピーダンスを実験等により測定しても、パワーデバイス１全体の放熱インピーダンスは単純加算で求められるわけではない。
【００２２】
次に、そこで、本実施の形態ではパワーサイクル試験におけるサイクルパルス電力とともに、線形システムとしての重畳原理が成立する程度に小さな熱擾乱電力を印加し、この熱擾乱電力に対する応答出力である温度揺らぎを用いることでパワーデバイス１の放熱インピーダンスを求める。図８は実施の形態１における熱擾乱信号と温度揺らぎの関係を示す機能ブロック図であり、サイクルパルス電力による影響は図示省略して熱擾乱電力による影響のみを図示している図８に示すように、熱擾乱信号生成回路部６から出力された熱擾乱信号Ｓｐｎは、電力供給部２に受信され、電力供給部２は、熱擾乱信号Ｓｐｎに応じた熱擾乱電力ΔＰｐｎをデバイスチップ１１に印加する。デバイスチップ１１は熱擾乱電力ΔＰｐｎに応じて発熱し、放熱部１２への熱拡散が起こる。熱擾乱電力ΔＰｐｎからの発熱によるチップ温度Ｔｃｈｉｐの揺らぎは温度揺らぎ計測部９に計測され、温度揺らぎ信号ΔＴｐｎとして出力される。図８に示す熱擾乱信号Ｓｐｎと温度揺らぎ信号ΔＴｐｎの関係を通常のサイクルパルス電力の影響と合わせて図示したのが図９である。図９では、入熱Ｑｉｎをサイクルパルス電力から生じたサイクルパルス熱Ｑｃｙｃと熱擾乱電力ΔＰｐｎから生じた擾乱熱ΔＱｐｎとに分けて図示している。図９に示すように、デバイスチップ１１にはサイクルパルス熱Ｑｃｙｃと擾乱熱ΔＱｐｎの２種類の入熱が生じ、チップ温度Ｔｃｈｉｐは両方の入熱により決まるが、熱擾乱電力ΔＰｐｎ同様、擾乱熱ΔＱｐｎも重畳原理が成立する程度に小さく、線形システムとして成立するため、チップ温度Ｔｃｈｉｐを測定する温度揺らぎ計測部９はチップ温度Ｔｃｈｉｐの揺らぎを計測し、温度揺らぎ信号ΔＴｐｎとして出力できる。
【００２３】
図１０は、熱擾乱信号Ｓｐｎが重畳されたサイクル制御信号Ｓｃｙｃの波形及び熱擾乱信号Ｓｐｎの波形の例を示している。熱擾乱信号Ｓｐｎは、図１０に示すようにサイクル制御信号Ｓｃｙｃに一定の周期で重畳された、Ｍ系列符号である。なお、本実施の形態では熱擾乱信号としてＭ系列符号を用いているが、Ｇｏｌｄ符号など、他の疑似ランダム２値化符号を用いてもよい。
【００２４】
熱擾乱信号Ｓｐｎとして用いられるＭ系列符号を図１１に示す。図１１（ａ）はＭ系列符号の波形全体を表し、図１１（ｂ）は１つのパルスセットを拡大したものである。図１１に示すように、本実施の形態で用いるＭ系列符号は、強度が１であり、パルスセットの平均符号化周期がＷｐｔｎとなっている。パルスセットを構成する複数のパルスは、ΔｔｍｉｎからΔｔｍａｘのパルス時間幅を持つ。パルス幅の最小値Δｔｍｉｎは熱擾乱信号生成回路部６で制御可能である。そして、パルス群内のパルスのパルス幅の分布は、図１２に示すようにΔｔｍｉｎからｔｍａｘの間で広がりを持っている。
【００２５】
次に、パワーデバイス１の放熱インピーダンスの算出について説明する。本実施の形態の原理は、放熱システムとしてのパワーデバイス１に白色雑音を入力し、入力としての熱擾乱信号Ｓｐｎと出力としての温度揺らぎ信号ΔＴｐｎとの相関演算処理を通じて、インパルス応答時間関数として放熱インピーダンスを算出することにある。入力でとしての熱擾乱信号Ｓｐｎ及び出力としての温度揺らぎ信号ΔＴｐｎを受信した相関演算回路部８は
、熱擾乱信号Ｓｐｎを入力ｘ（ｔ）、温度揺らぎ信号ΔＴｐｎを出力ｙ（ｔ）とし、時間変数τに関する相互相関Φｘｙ（τ）を以下の式（１）ように計算する。
【数１】
2018119867.tif 000003
また、入力ｘ（ｔ）について、自己相関Φｘｘ（τ）を以下の式（２）のように計算する。
【数２】
2018119867.tif 000004
そして、相互相関Φｘｙ（τ）及び自己相関Φｘｘ（τ）を用いて以下の式（３）のように相互相関演算を行うと放熱システムのインパルス応答ｈ（ｓ）が導かれる。
【数３】
2018119867.tif 000005
式（３）の導出過程から明らかなように、出力ｙ（ｔ）に対応する温度揺らぎ信号ΔＴｐｎと入力ｘ（ｔ）に対応する熱擾乱信号Ｓｐｎとの関係から、インパルス応答ｈ（ｓ）は放熱システムとしてのパワーデバイス１の放熱インピーダンスである。
【００２６】
式（３）の計算をさらに進めると以下の式（４）となる。
【数４】
2018119867.tif 000006
ここで、Ｐ０は入力電力の平均値である。式（４）から明らかなように、パワーデバイス１の放熱インピーダンスは、相互相関Φｘｙ（τ）を入力電力の平均値Ｐ０で除したものとなる。また、疑似ランダム２値化符号の自己相関特性により、相互相関Φｘｙ（τ）は自己相関Φｘｘ（τ）に正規化されて下記の式（５）のようになる。
【数５】
2018119867.tif 000007
式（５）より、時間の関数としてのインパルス応答ｈ（τ）は、相互相関Φｘｙ（τ）に比例する。これは、入力である熱擾乱信号Ｓｐｎと出力である温度揺らぎ信号ΔＴｐｎの相互相関を演算することで、得られた演算結果からパワーデバイス１の放熱インピーダンスを容易に算出されることを意味する。
【００２７】
また、式（５）の右辺の分母である自己相関Φｘｘ（τ）は、入力ｘ（ｔ）の自己相関であり、入力ｘ（ｔ）はＭ系列符号である熱擾乱信号Ｓｐｎである。そして、熱擾乱信号Ｓｐｎは“０”と“１”のビットパターンから構成されて自己相関特性に優れており、熱擾乱信号Ｓｐｎのビットパターンを“０”と“−１”に置き換えることにより、Φｘｘ（０）＝１及びΦｘｘ（τ）＝−１／Ｎ（ただし、τ≠０）とすることができる。このように、相関強度の最大値を１に規格化できるため、相関演算回路部８からの出力である放熱インピーダンス信号Ｓｃｏｒｒの変動が抑えられ、劣化判定回路部５では判定基準のしきい値を固定値として設定することができる。
【００２８】
実施の形態１によれば、パワーサイクルにおけるサイクル制御信号にＭ系列符号である熱擾乱信号を重畳し、熱擾乱信号と温度揺らぎの相互相関から放熱インピーダンスを算出する。このため、パワーサイクル試験中の高温状態におけるパワーデバイスの放熱特性を評価することができる。
【００２９】
また、サイクル制御信号に重畳する熱擾乱信号は、線形システムとしての重畳原理が成立する程度に小さいため、パワーサイクル評価試験に与える影響を抑制し、パワーサイクルプロセスを中断することなく放熱負荷をモニタリングすることが可能となる。
【００３０】
また、パワーデバイスを放熱システムとみなし、この放熱システムのインパルス応答をパワーデバイスの放熱インピーダンスとして取得するため、熱擾乱による過渡現象の鎮静化を待つことなくパワーデバイスの放熱特性を評価できる。
【００３１】
また、放熱システムとしてのパワーデバイスに対する入力は２値信号であるため、相関演算が簡単である。
【００３２】
実施の形態２．
以下に、この発明の実施の形態２を図１３及び図１４に基づいて説明する。なお、図１から図１２と同一又は相当部分については同一の符号を付し、その説明を省略する。実施の形態２は、パワーデバイスが熱定常状態に達するのを待って熱擾乱信号生成回路部が熱擾乱信号を出力する点が実施の形態１と異なる。
図１３は、実施の形態２のパワーサイクル試験装置を示す機能ブロック図である。図１４は、実施の形態２における熱擾乱信号の出力タイミングを説明する図であり、サイクルパルス熱Ｑｃｙｃ、トリガー信号Ｓｔｒｇ、熱擾乱信号Ｓｐｎの出力タイミングを表している。パワーサイクル試験装置２００において、サイクル制御信号生成回路部３１は、遷移時間Ｔｄが経過してパワーデバイス１が熱定常状態に達したときにトリガー信号Ｓｔｒｇを出力し、熱擾乱信号生成回路部６１は、トリガー信号Ｓｔｒｇの受信を待って熱擾乱信号Ｓｐｎを出力している。このように、パワーデバイス１の遷移時間Ｔｄが経過するのを待ち、パワーサイクル時の過渡熱期間を避けて熱擾乱信号Ｓｐｎを出力することにより、出力としての温度揺らぎ信号ΔＴｐｎは熱定常状態における温度揺らぎとなる。熱定常状態においては、チップ温度Ｔｃｈｉｐの変動におけるサイクルパルス熱Ｑｃｙｃの影響は非常に小さくなるので、温度揺らぎ計測部９は温度揺らぎ信号ΔＴｐｎをより正確に取得できる。
その他については実施の形態１のパワーサイクル試験装置１００と同様であるので、その説明を省略する。
【００３３】
実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００３４】
また、パワーサイクル時の過渡熱期間を避けて熱擾乱信号を出力することにより、熱擾乱信号による温度揺らぎがより正確に取得可能となるため、パワーデバイスの放熱特性をより正確に評価することができる。
【００３５】
実施の形態３．
以下に、この発明の実施の形態３を図１５及び図１６に基づいて説明する。なお、図１から図１２と同一又は相当部分については同一の符号を付し、その説明を省略する。実施の形態３は、パワーデバイスの特定部位、より具体的には放熱多層部の各層の放熱インピーダンスを求める点が実施の形態１と異なる。
図１５は、実施の形態３に係るパワーデバイスの放熱等価回路図であり、図１５（ａ）〜図１５（ｄ）で、１段〜４段の放熱多層を示している。例えば、図２の第１はんだ層ｍ１のみを考慮する場合は図１５（ａ）を適用し、セラミック層ｍ２まで（第１はんだ層ｍ１及びセラミック層ｍ２）考慮する場合は、図１５（ｂ）をするように、どの層まで考慮するかによって適用する放熱等価回路図が異なってくる。
放熱多層部１２１内における熱拡散は、熱拡散距離Ｌｋ及び熱拡散時間ｔｄと密接に関係している。デバイスチップ１１の近傍において、熱拡散距離Ｌｋは、下記の式（６）によって近似できる。
【数６】
2018119867.tif 000008
ここで、Ｄａは熱拡散係数であり、材質により異なる。なお、熱拡散がさらに広範囲に及ぶ場合は、２次元・３次元解析により熱拡散距離Ｌｋを計算することとなる。
また、パワーデバイス１に対する入力熱パルスがあった場合の、入力熱パルスとチップ温度Ｔｃｈｉｐの関係は図１６になることが知られている。図１６（ａ）は一定パルス幅の入力熱パルスがあった場合のチップ温度Ｔｃｈｉｐの時間波形を示し、図１６（ｂ）では、入力熱パルスのパルス時間幅を０．０５〜１秒の範囲で変化させた場合の各パルス時間幅でのチップ温度Ｔｃｈｉｐを示している。図６では、経過時間０が入力熱パルスの印加開始時刻となっているので、図中の経過時間は熱拡散時間ｔｄと等しい。そして、式（６）で示したように、熱拡散距離Ｌｋは熱拡散時間ｔｄによって近似的に計算可能である。このことから、図６の横軸「経過時間」は、「熱拡散距離」に置き換えることができる。また、チップ温度Ｔｃｈｉｐは、パワーデバイス１を放熱システムとみなした場合の出力応答であるので、図１６は、所定のパルス時間幅の入力熱パルスに対する出力応答から熱拡散距離Ｌｋが一意に決まることが示唆されている。
【００３６】
さらに、図１６（ｂ）に示すように、チップ温度Ｔｃｈｉｐの時間波形は入力熱パルスのパルス時間幅により異なる。これは、熱擾乱ΔＱｐｎのパルス時間幅を変化させることで出力応答である温度揺らぎ信号ΔＴｐｎの時間波形も変化させることができることを示す。熱擾乱ΔＱｐｎのパルス時間幅は、熱擾乱信号Ｓｐｎのパルスセットの平均符号化周期Ｗｐｔｎと等しいので、熱擾乱ΔＱｐｎのパルス時間幅を長くして熱拡散距離を長くするためには、平均符号化周期Ｗｐｔｎを長くすればよい。図１１で示したように、１つのパルスセットは複数のパルスから構成され、それぞれのパルスはΔｔｍｉｎからΔｔｍａｘのパルス時間幅を持つが、上述したようにΔｔｍｉｎは熱擾乱信号生成回路部６により制御可能であるので、ｔｍｉｎを制御することを通じて平均符号化周期Ｗｐｔｎを制御できる。そして、異なる平均符号化周期Ｗｐｔｎ１、Ｗｐｔｎ２をそれぞれ持つ熱擾乱信号Ｓｐｎ１、Ｓｐｎ２に対する出力である温度揺らぎ信号ΔＴｐｎ１、ΔＴｐｎ２は、それぞれ異なる熱拡散距離に対応するので、温度揺らぎ信号ΔＴｐｎ１が対応する熱拡散距離は第１はんだ層ｍ１までとし、温度揺らぎ信号ΔＴｐｎ２が対応する熱拡散距離はセラミック層ｍ２とすることが可能である。この場合、ΔＴｐｎ１には第１はんだ層ｍ１の放熱特性が反映され、温度揺らぎ信号ΔＴｐｎ２には第１はんだ層ｍ１及びセラミック層ｍ２の放熱特性が反映される。
【００３７】
次に、温度揺らぎ信号ΔＴｐｎ１、ΔＴｐｎ２を用いた各層の放熱インピーダンスの計算について説明する。まず、あるパルス時間幅の熱擾乱信号Ｓｐｎに対する温度揺らぎ信号ΔＴｐｎの自己相関関数をΦ（τ）とした場合、ウイーナーヒンチンの公式から、以下の式（７）のようになる。なお、式（７）中のＣ１、Ｒ１は、それぞれ熱容量Ｃ１の熱量容量値、熱抵抗Ｒ１の熱抵抗値である。
【数７】
2018119867.tif 000009
ここで、Ｐ０は、熱擾乱信号Ｓｐｎに対応する熱拡散時間ｔｄから一意的に決まる熱拡散距離Ｌｋに相当する放熱等価回路図に投入される熱量であり、例えば、温度揺らぎ信号ΔＴｐｎ１の場合は図１５（ａ）の放熱等価回路図に投入される熱量である。このことから、熱擾乱信号生成回路部６においてパルス時間幅の最小値ｔｍｉｎを制御することを通じて平均符号化周期Ｗｐｔｎを制御し、熱拡散距離を制限することにより、デバイスチップ１１を含む第１はんだ層ｍ１の放熱特性が得られる。この場合、放熱フィン１２２やグリース、周囲温度の影響は排除されている。
【００３８】
セラミック層ｍ２の放熱特性を求める場合は、温度揺らぎ信号ΔＴｐｎ２について上述のように自己相関を計算する。この場合に得られる放熱インピーダンスは以下の式（８）のようになる。なお、ここでは放熱インピーダンスとして過渡熱インピーダンスｒｔｈ（τ）を求めているが、定常熱インピーダンスＲｔｈを求める場合も同様である。なお式（８）中のτ１、τ２は、各層の材料単体に対する実験データから得られる係数である。またＰ１、Ｐ２は、予め得た実験データを用いて過渡熱抵抗曲線をフィッティングする際に得られる係数である。
【数８】
2018119867.tif 000010
式（８）において、右辺第１項はデバイスチップ１１を含む第１はんだ層ｍ１の寄与を示し、右辺第２項はセラミック層ｍ２の寄与を示す。式中のτ１及びτ２は、第１はんだ層ｍ１の寄与は、第１はんだ層ｍ１の放熱特性として既に求めているため、第１はんだ層ｍ１の寄与を差し引くことでセラミック層ｍ２の放熱特性を得ることができる。
その他については実施の形態１のパワーサイクル試験装置１００と同様であるので、そ
の説明を省略する。
なお、ここでは実施の形態１を前提として実施の形態３の説明を行っているが、実施の形態２と実施の形態３を組み合わせてもよい。
【００３９】
実施の形態３によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
また、熱擾乱信号生成回路部は、放熱多層部の特定の層までで熱拡散距離が制限さるように熱擾乱信号の平均符号化周期を制御するので、特定の放熱層の放熱特性を評価し、モニタリングすることができる。
【００４１】
なお、ここでは実施の形態１を前提として実施の形態３の説明を行ったが、実施の形態２と実施の形態３を組み合わせてもよい。
【００４２】
また、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１  パワーデバイス、２  電力供給部、３、３１  サイクル制御信号生成回路部、５  劣化判定回路部、６、６１  熱擾乱信号生成回路部、７  信号合成回路部、８  相関演算回路部、９  温度揺らぎ計測部、１１  デバイスチップ、１１ａ  発熱面、１２  放熱部、１２１  放熱多層部、１２２  放熱フィン、ｍ１  第１はんだ層、ｍ２セラミック層、ｍ３  第２はんだ層、ｍ４  ベースプレート、Ｓｃｙｃ  サイクル制御信号、Ｐｗ  印加電力、Ｑｃｙｃ  サイクルパルス熱、ΔＱｐｎ  擾乱熱、Ｓｐｎ  熱擾乱信号、Ｓｔｒｇ  トリガー信号、Ｔｃｈｉｐ  チップ温度、ΔＴｐｎ  温度揺らぎ信号、Ｓｃｏｒｒ  放熱インピーダンス信号、Ｆｌｇ  良否判定信号、１００、２００  パワーサイクル試験装置
【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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【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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