(57)【要約】【課題】半導体素子と金属端子とを接合したはんだ合金の信頼性を向上させることができる半導体装置の温度制御装置を提供する。【解決手段】半導体装置１の温度制御装置３０は、車両１００の１走行中における、インバータ１０を冷却する冷却水の水温と半導体素子３の温度との温度差における累積頻度Ｎを算出する累積頻度算出部３１と、はんだ合金５Ａ、５Ｂが破損する破損繰り返し数Ｎｆを決定する繰り返し数決定部３３と、累積頻度Ｎが破損繰り返し数Ｎｆよりも小さいと判定した場合、はんだ合金５Ａ、５Ｂの減少率を算出する減少率算出部３４と、はんだ合金５Ａ，５Ｂの結晶粒径が元の結晶粒径に回復するための加熱条件を決定する加熱条件決定部３６と、決定された加熱条件で、はんだ合金５Ａ，５Ｂに対して熱処理を行う熱処理実行部３７と、を備える。【選択図】図３
2018082598.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と金属端子とを鉛フリーのはんだ合金で接合した半導体装置の温度制御装置であって、
前記半導体装置は、車両の駆動用モータに接続されたインバータに備えられたものであり、
前記温度制御装置は、前記車両の１走行中における、前記インバータを冷却する冷却水の水温と前記半導体素子の温度との温度差を算出し、前記１走行中の前記温度差をヒストグラム化し、ヒストグラム化した各温度差における頻度を、任意の一定の温度差における頻度に換算し、換算した各頻度を累積した累積頻度を算出する累積頻度算出部と、
前記任意の一定の温度差における、前記半導体素子と前記はんだ合金との線膨張係数の差から、前記はんだ合金に作用する熱ひずみまたは熱応力を算出し、算出した前記熱ひずみまたは熱応力が前記はんだ合金に繰り返して作用したときに前記はんだ合金が破損する破損繰り返し数を決定する繰り返し数決定部と、
前記累積頻度算出部で算出した前記累積頻度が、前記繰り返し数決定部で決定した前記破損繰り返し数よりも小さいか否かを判定する条件判定部と、
前記条件判定部が、前記累積頻度が前記破損繰り返し数よりも小さいと判定した場合、前記任意の一定の温度差で前記はんだ合金に作用する頻度と、前記はんだ合金の結晶粒径が微細化する際の結晶粒径の減少率との関係を示す関係式を用いて、前記累積頻度算出部で算出した累積頻度から、前記はんだ合金の前記減少率を算出する減少率算出部と、
前記減少率で微細化された前記はんだ合金の結晶粒径が元の結晶粒径に回復するための前記はんだ合金への加熱時間および加熱温度の複数の加熱条件を予め記憶する加熱条件記憶部と、
前記減少率算出部で算出された前記減少率に基づいて、前記元の結晶粒径に回復するための加熱条件を、前記複数の加熱条件から選出して、前記加熱条件を決定する加熱条件決定部と、
前記加熱条件決定部で決定された前記加熱条件で、前記はんだ合金に対して熱処理を行う熱処理実行部と、
を少なくとも備えることを特徴とする半導体装置の温度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子と金属端子とを鉛フリーのはんだ合金で接合した半導体装置の温度制御装置に係り、特に、車両の駆動用モータに接続されたインバータに備えられた半導体装置の温度制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体装置の半導体素子と金属端子とは、鉛フリーのはんだ合金で接合されていることが多い。半導体素子と金属端子とは、その材料が異なるため、半導体装置に熱が発生または付与された際には、熱膨張係数差により、はんだ合金に熱応力が発生する。このような点を鑑みて、特許文献１には、特定の組成のはんだ合金を用いることにより、
半導体素子と金属端子との間の熱応力を緩和する半導体装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３２６１３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、例えば、車両の駆動用モータに接続されたインバータに備えられた半導体装置には、走行中に、繰り返して通電および通電の停止がされるため、半導体素子は昇温および降温を繰り返す。これにより、半導体素子と金属端子との間のはんだ合金には、熱負荷（具体的には熱応力）が繰り返し作用するため、はんだ合金が劣化し、はんだ合金の信頼性が低下することがある。
【０００５】
本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであり、半導体素子と金属端子とを接合したはんだ合金の信頼性を向上させることができる半導体装置の温度制御装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を鑑みて、本発明に係る半導体装置の温度制御装置は、半導体素子と金属端子とを鉛フリーのはんだ合金で接合した半導体装置の温度制御装置であって、前記半導体装置は、車両の駆動用モータに接続されたインバータに備えられたものであり、前記温度制御装置は、前記車両の１走行中における、前記インバータを冷却する冷却水の水温と前記半導体素子の温度との温度差を算出し、前記１走行中の前記温度差をヒストグラム化し、ヒストグラム化した各温度差における頻度を、任意の一定の温度差における頻度に換算し、換算した各頻度を累積した累積頻度を算出する累積頻度算出部と、前記任意の一定の温度差における、前記半導体素子と前記はんだ合金との線膨張係数の差から、前記はんだ合金に作用する熱ひずみまたは熱応力を算出し、算出した前記熱ひずみまたは熱応力が前記はんだ合金に繰り返して作用したときに前記はんだ合金が破損する破損繰り返し数を決定する繰り返し数決定部と、前記累積頻度算出部で算出した前記累積頻度が、前記繰り返し数決定部で決定した前記破損繰り返し数よりも小さいか否かを判定する条件判定部と、前記条件判定部が、前記累積頻度が前記破損繰り返し数よりも小さいと判定した場合、前記任意の一定の温度差で前記はんだ合金に作用する頻度と、前記はんだ合金の結晶粒径が微細化する際の結晶粒径の減少率との関係を示す関係式を用いて、前記累積頻度算出部で算出した累積頻度から、前記はんだ合金の前記減少率を算出する減少率算出部と、前記減少率で微細化された前記はんだ合金の結晶粒径が元の結晶粒径に回復するための前記はんだ合金への加熱時間および加熱温度の複数の加熱条件を予め記憶する加熱条件記憶部と、前記減少率算出部で算出された前記減少率に基づいて、前記元の結晶粒径に回復するための加熱条件を、前記複数の加熱条件から選出して、前記加熱条件を決定する加熱条件決定部と、前記加熱条件決定部で決定された前記加熱条件で、前記はんだ合金に対して熱処理を行う熱処理実行部と、を少なくとも備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、車両の１走行中に、繰り返しの熱負荷（熱応力）により、半導体素子と金属端子を接合するはんだ合金の結晶粒径が微細化したとしても、この微細化の状態に応じて熱処理を行うので、はんだ合金の結晶を元の状態に戻す（回復する）ことができる。これにより、繰り返しの熱負荷によるはんだ合金の劣化を抑制し、半導体装置の信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の温度制御装置を備えた車両の模式的概念図である。
【図２】図１に示す半導体装置の模式的断面図である。
【図３】図１に示す温度制御装置のブロック図である。
【図４】図３に示す温度制御装置のフロー図である。
【図５】図３に示す累積頻度算出部による累積頻度の算出を説明するための図である。
【図６】図３に示す繰り返し数決定部による破損繰り返し数の決定を説明するためのはんだ合金のＳ−Ｎ線図である。
【図７】図３に示す加熱条件記憶部により記憶されたデータテーブルである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施形態に係る半導体装置の温度制御装置を図１〜図７を参照しながら詳述する。
【００１０】
図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置１の温度制御装置３０を備えた車両１００の模式的概念図である。図１に示すように、本実施形態は、車両１００は、車両１００を駆動するためのエンジン１６およびモータ（駆動用モータ）１３を備えており、運転者のブレーキペダル２１、アクセルペダル２２、およびシフトレバ２３等の操作により駆動する。
【００１１】
具体的には、車両１００は、ブレーキペダル２１、アクセルペダル２２、およびシフトレバ２３等の操作により得られた信号に基づいて、主制御装置１４により、エンジン１６による駆動またはモータ１３による駆動が選択される。エンジン１６を駆動する際には、主制御装置１４からエンジン制御装置１５に指令が送られ、エンジン制御装置１５により燃料噴射量等が制御される。
【００１２】
一方、モータ１３を駆動する際またはモータ１３で発電を行う際には、主制御装置１４からモータ制御装置１２に指令が送られる。モータ１３には、インバータ１０が接続されており、モータ制御装置１２は、インバータ１０を介してモータ１３を制御する。本実施形態では、温度制御装置３０は、このインバータ１０に備えられた半導体装置１の温度を制御するものであり、主制御装置１４に含まれるものである。
【００１３】
図２は、図１に示す半導体装置１の模式的断面図である。半導体装置１は、半導体素子３と、リードフレームの一部である金属端子２Ａ、２Ｂと、電極となる金属端子４と、を備えている。
【００１４】
半導体素子３は、金属端子２Ａと金属端子４の間に配置され、半導体素子３と、金属端子２Ａ、４とは、鉛フリーのはんだ合金５Ａ、５Ｂを介して接合されている。一方、金属端子４と、金属端子２Ｂとは、鉛フリーのはんだ合金５Ｃを介して接合されている。これらの接合した状態で、半導体素子３と金属端子２Ａ、２Ｂ、４は、樹脂６で覆われている。
【００１５】
本実施形態では、半導体素子３とはんだ合金５Ａ、５Ｂとの熱膨張差が大きいため、はんだ合金５Ａ、５Ｂは劣化し易い。したがって、本実施形態では、はんだ合金５Ａ、５Ｂに対して温度制御を行う（具体的には、熱処理を行う）。
【００１６】
図３は、図１に示す温度制御装置３０のブロック図である。図１に示すように、温度制御装置３０は、冷却水の水温、半導体素子３の温度等が入力され、はんだ合金５Ａ、５Ｂに熱処理を行うための制御信号を、モータ制御装置等の各機器に出力する。
【００１７】
温度制御装置３０は、ハードウエアの構成として、演算装置（図示せず）と記憶装置（図示せず）とを備えており、演算装置では、以下に示す、累積頻度および結晶粒径の減少率の計算、破損繰り返し数および加熱条件の決定、および条件の判定などを行う。一方、記憶装置では、複数の加熱条件、Ｓ−Ｎ線図に相当するデータが記憶されている。なお、温度差ΔＴが一定値である場合、この値が記憶されるとともに、後述する繰り返し数決定部３３では、この値に相当する破損繰り返し数Ｎｆが記憶されている。
【００１８】
温度制御装置３０は、ソフトウエアの構成として、累積頻度算出部３１、条件判定部３２、繰り返し数決定部３３、減少率算出部３４、加熱条件記憶部３５、加熱条件決定部３６、および熱処理実行部３７を備えている。以下に、図４を参照しながら、各構成を説明する。図４は、図３に示す温度制御装置３０のフロー図である。
【００１９】
累積頻度算出部３１は、車両１００の１走行中において、インバータ１０を冷却する冷却水の水温と半導体素子３の温度との任意の一定の温度差ΔＴとなる累積頻度を算出する。ここで、本実施形態では、冷却水は、インバータ１０およびエンジン１６を冷却する冷却水である。冷却水を測定する温度計（図示せず）および半導体素子３の温度を測定する温度計（図示せず）の出力値が、累積頻度算出部３１に入力される。
【００２０】
累積頻度算出部３１は、ステップＳ４１に示すように、車両１００の１走行中における、インバータ１０を冷却する冷却水の水温と半導体素子３の温度との温度差を算出する。たとえば、この温度差は、以下のようにして算出することができる。
【００２１】
具体的には、半導体素子３のスイッチングにより半導体素子３の温度が上昇し、非通電となってこれらの温度が低下するので、これらの期間を１回分の温度変化としてカウントする。この他にも、半導体素子３のスイッチングにより、冷却水の水温と半導体素子３の温度との温度差が連続して増加するまでの期間を、１回分の温度差としてカウントしてもよい。
【００２２】
次に、累積頻度算出部３１は、ステップＳ４２において、図５の左側のグラフに示すように、１走行中の冷却水の水温と半導体装置１の温度の温度差をヒストグラム化する。さらに、ヒストグラム化した各温度差における頻度を、任意の一定の温度差における頻度に換算し、図５の右側のグラフに示すように、換算した各頻度を累積した累積頻度Ｎを算出する。
【００２３】
本実施形態では、図５の左側のグラフで得た各温度差における頻度を、温度差ΔＴが８０℃における頻度に換算する。たとえば、ヒストグラムにおいて、温度差３０℃がｎ３０回である場合、温度差３０℃、ｎ３０回を、同様の熱負荷が作用したと想定したときの温度差ΔＴ（８０℃）における頻度Ｎ３０に換算する。本実施形態では、温度差３０℃、ｎ３０回（熱履歴）を、温度差８０℃の頻度Ｎ３０回（熱履歴）に換算する換算式を用いる。累積頻度算出部３１は、ヒストグラムで得られた各温度差において換算した各頻度を累積し、この値を、温度差ΔＴが８０℃における累積頻度Ｎとして算出する。すなわち、すべての温度差における頻度が、温度差ΔＴが８０℃における頻度に集約される。
【００２４】
ここでは、非通電時において、はんだ合金５Ａ、５Ｂは、冷却水の水温に略等しく、また、はんだ合金の厚さはごく薄いことから、冷却水の水温と半導体素子３の温度との温度差と、はんだ合金５Ａ、５Ｂと半導体素子３の温度差とは、略等しい。したがって、繰り返し数決定部３３は、ステップＳ４３で、任意の一定の温度差ΔＴ（たとえば８０℃）における、半導体素子３とはんだ合金５Ａ，５Ｂとの線膨張係数の差Δαから、はんだ合金５Ａ，５Ｂに作用する熱ひずみΔεを算出する。
【００２５】
本実施形態では、その一例として、半導体素子３の線膨張係数は、７．６×１０−６／Ｋであり、はんだ合金５Ａ、５Ｂの線膨張係数は、２３．５×１０−６／Ｋであり、これらの値から、線膨張係数の差Δαを算出し、これに任意の一定の温度差ΔＴである８０℃を乗算して、熱ひずみΔεを算出する。
【００２６】
次に、繰り返し数決定部３３は、ステップＳ４４で、算出した熱ひずみΔεがはんだ合金５Ａ、５Ｂに繰り返して作用したときに、はんだ合金５Ａ、５Ｂが破損する破損繰り返し数Ｎｆを決定する。具体的には、図６に示すように、熱ひずみΔεと繰り返し数との関係を示すＳ−Ｎ線図から、破損繰り返し数Ｎｆを算出することができる。
【００２７】
なお、繰り返し数決定部３３において、半導体素子３とはんだ合金５Ａ，５Ｂとの線膨張係数の差Δαから、はんだ合金５Ａ，５Ｂに作用する熱応力を算出し、熱応力と繰り返し数との関係を示すＳ−Ｎ線図から、破損繰り返し数Ｎｆを算出してもよい。
【００２８】
また、予め任意の一定の温度差ΔＴが、一定の温度として記憶されている場合には、繰り返し数決定部３３は、予めＳ−Ｎ線図から決定された破損繰り返し数Ｎｆ（一定の値）を記憶しておいてもよい。
【００２９】
条件判定部３２は、ステップＳ４５で、累積頻度算出部３１で算出した累積頻度Ｎが、繰り返し数決定部３３で決定した破損繰り返し数Ｎｆよりも小さいか否かを判定する。ここで、累積頻度Ｎが、破損繰り返し数Ｎｆ以上である場合（判定がＮｏである場合）には、はんだ合金５Ａ、５Ｂが熱疲労により劣化が進行し過ぎていると判断し、警告ランプを点灯させる。
【００３０】
ここで、Ｓｎを主材とした一般的な鉛フリーのはんだ合金に、繰り返しの熱負荷（熱応力）が作用した場合には、はんだ合金の結晶粒径が減少し、その結晶が微細化する。この微細化が進行し過ぎると、はんだ合金が劣化する。一方、所定の加熱温度および加熱時間の加熱条件で、結晶が微細化したはんだ合金を加熱する（熱処理する）と、微細化した結晶の粒径が元の粒径に回復する。
【００３１】
そこで、ステップＳ４５で、条件判定部３２が、累積頻度Ｎが破損繰り返し数Ｎｆよりも小さいと判定した場合（判定がＹｅｓである場合）、減少率算出部３４は、ステップＳ４６で、以下の演算を行う。この演算では、任意の一定の温度差ΔＴではんだ合金５Ａ、５Ｂに作用する頻度と、はんだ合金５Ａ、５Ｂの結晶粒径が微細化する際の結晶粒径の減少率との関係を示す関係式（予測式）を用いる。
【００３２】
具体的には、本実施形態では、はんだ合金５Ａ、５Ｂは、所定の組成の鉛フリーのＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｐからなり、温度差ΔＴ８０℃における、はんだ合金５Ａ、５Ｂの結晶粒径の減少率は、累積頻度Ｎを用いて以下の関係式で表すことができる。たとえば、温度差ΔＴ８０℃の熱負荷（熱応力）が、累積頻度Ｎで１００００回作用した場合、下記の式から、はんだ合金５Ａ、５Ｂの結晶粒径の減少率は、１．２％となる。
結晶粒径の減少率（％）＝１．１５６×１０−６×Ｎ×１００
【００３３】
ここで、累積頻度Ｎの係数は、はんだ合金の組成および温度差ΔＴによって、決定されるものであり、実際の実験等により求めることができる。得られた減少率は、車両１００の１走行中のはんだ合金５Ａ、５Ｂの結晶粒径の減少率に相当する。
【００３４】
結晶粒径の減少率は、熱応力が繰り返し作用する前とその後における、はんだ合金５Ａ、５Ｂの結晶粒径の変化率（減少率）であり、結晶粒径は、はんだ合金を顕微鏡で観察し、所定の個数の結晶の粒径を測定した平均値である。
【００３５】
加熱条件記憶部３５は、微細化されたはんだ合金の結晶粒径が元の結晶粒径に回復するためのはんだ合金への加熱時間および加熱温度の複数の加熱条件を予め記憶している。具体的には、図７に示すように、加熱条件である加熱時間と加熱温度とに対応した、はんだ合金の結晶粒径の減少率（回復率）が記憶されている。
【００３６】
たとえば、加熱条件が、加熱温度２５℃、加熱時間６時間である場合、この加熱条件で、減少率が１．１％のはんだ合金を元の結晶粒径まで回復することができる。なお、これらの熱処理条件は、予め実験等を行うことにより求めることができる。
【００３７】
加熱条件決定部３６は、ステップＳ４７で、減少率算出部３４で算出された減少率に基づいて、図７に示す結晶粒の回復のデータテーブル（複数の加熱条件）から、結晶粒径が元の状態に回復するための加熱条件を選出して、加熱条件を決定する。
【００３８】
たとえば、減少率算出部３４で算出された減少率が１．２％である場合には、図７から、加熱温度５０℃、加熱時間５時間の加熱条件、加熱温度７５℃、加熱時間３時間の加熱条件等が選出される。なお、選出された条件が複数ある場合には、加熱時間が最も短い条件など、別の条件を設定することにより、最適な１つの加熱条件を選出する。
【００３９】
熱処理実行部３７は、ステップＳ４８において、加熱条件決定部３６で決定された加熱条件で、はんだ合金５Ａ、５Ｂに対して熱処理を行う。具体的には、熱処理において、半導体素子３への連続通電または冷却水の温度制御などを行う。
【００４０】
たとえば、半導体素子３への連続通電を行う場合には、主制御装置１４からモータ制御装置１２に向けて、半導体素子３への通電流量および通電時間、通電時の半導体素子３の上限温度等が指令として出力される。これらの指令に基づいて、モータ制御装置１２は半導体素子３に電流を通電する。また、冷却水で温度制御を行う場合には、エンジン制御装置１５に向けて、冷却水の水温の制御指令が出力される。
【００４１】
このような結果、繰り返しの熱負荷（熱応力）が作用したはんだ合金５Ａ、５Ｂの結晶粒が微細したとしても、熱処理実行部３７の熱処理により、元の結晶粒径に回復する（粗大化する）。これにより、はんだ合金５Ａ、５Ｂに蓄積されたストレスを開放することができ、はんだ合金５Ａ、５Ｂによる接合の信頼性を向上することができる。
【００４２】
以上、本発明のいくつか実施形態について詳述したが、本発明は、前記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精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【００４３】
たとえば、本実施形態では、条件判定部の判定結果により、減少率算出部が、半導体素子の結晶粒径の減少率の算出を行うか否かを決定した。この他にも、例えば、条件判定部の判定結果により、熱処理実行部が、熱処理の実行を行うか否かを決定してもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１：半導体装置、２Ａ、２Ｂ：金属端子、３：半導体素子、４：金属端子、５Ａ〜５Ｃ：はんだ合金、１０：インバータ、３０：温度制御装置、３１：累積頻度算出部、３２：条件判定部、３３：繰り返し数決定部、３４：減少率算出部、３５：加熱条件記憶部、３６：加熱条件決定部、３７：熱処理実行部、１００：車両
【図１】
2018082598.tif 000003
【図２】
2018082598.tif 000004
【図３】
2018082598.tif 000005
【図４】
2018082598.tif 000006
【図５】
2018082598.tif 000007
【図６】
2018082598.tif 000008
【図７】
2018082598.tif 000009