(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板に機械的かつ電気的に取り付けられた少なくとも１つのダイを備えるパワー半導体モジュールの損傷レベル又は寿命予測を推定する方法であって、
前記セラミック基板は、圧電特性を有し、
該方法は、
前記少なくとも１つのパワーダイを制御するステップであって、該少なくとも１つのパワーダイの該制御により、前記セラミック基板にわたる電位の変化が生成される、ステップと、
前記セラミック基板の機械的変形を表す情報を得るステップと、
前記得られた情報及び基準情報に従って、前記損傷レベル又は前記寿命予測を示す通知が行われなくてはならないか否かを判断するステップと、
前記判断するステップが、前記通知が行われなくてはならないと判断する場合、前記損傷レベル又は前記寿命予測を通知するステップと、
を含むことを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記セラミック基板の前記機械的変形を表す情報が、前記セラミック基板にわたって流れるコモンモード電流である
ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記コモンモード電流は、直接測定される
ことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記コモンモード電流は、間接的に測定される
ことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記セラミック基板の前記機械的変形を表す情報は、前記セラミック基板の上面に取り付けられた銅パッドを用いて得られる
ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記セラミック基板の前記機械的変形を表す情報は、前記銅パッドと、前記セラミック基板の前記底部における銅層との間の電圧である
ことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
ＤＣ電圧が、電極として用いられる前記銅パッドと、前記セラミック基板の底部における銅層との間に印加され、
前記セラミック基板の前記機械的変形を表す情報は、前記銅パッドを通って流れる電流である
ことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記セラミック基板の前記機械的変形を表す情報は、前記パワー半導体モジュールに一体化された電気機械レセプターを用いて得られる
ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記セラミック基板の前記機械的変形を表す情報は、前記セラミック基板の前記表面によって反射され、光センサーによって受信されるビームを生成する光源を用いて得られる
ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記損傷レベル又は前記寿命予測を示す通知を行わなくてはならないか否かを前記判断するステップは、周波数領域において高速フーリエ変換によって前記機械的変形を表す前記情報を転置することによって実行される
ことを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記損傷レベル又は前記寿命予測を示す通知を行わなくてはならないか否かを前記判断するステップは、優位周波数と優位周波数の初期の組との間の距離を求めることによって実行される
ことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
距離は、所定の周波数における振幅、及び該所定の周波数における初期振幅に基づく
ことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
セラミック基板に機械的かつ電気的に取り付けられた少なくとも１つのダイを備えるパワー半導体モジュールの損傷レベル又は寿命予測を推定するデバイスであって、
前記セラミック基板は、圧電特性を有し、
該デバイスは、
前記少なくとも１つのパワーダイを制御する手段であって、該少なくとも１つのパワーダイの該制御により、前記セラミック基板にわたる電位の変化が生成される、手段と、
前記セラミック基板の機械的変形を表す情報を得る手段と、
前記得られた情報及び基準情報に従って、前記損傷レベル又は前記寿命予測を示す通知が行われなくてはならないか否かを判断する手段と、
前記判断するステップが、前記通知が行われなくてはならないと判断する場合、前記損傷レベル又は前記寿命予測を通知する手段と、
を備えることを特徴とする、デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には、機械的に、熱的に、及び電気的にセラミック基板に取り付けられた少なくとも１つのダイを含むパワー半導体モジュールの損傷レベル又は寿命予測を推定する方法及びデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーエレクトロニクスの分野において、いくつかのコンポーネントは、脆弱であると知られており、パワー半導体モジュールはその１つである。
【０００３】
パワー半導体モジュールにおいて、１つ又はいくつかのパワー半導体ダイは、機械的に、熱的に、及び電気的に基板に取り付けられる。例えば、シリコン、炭化ケイ素、窒化ガリウム、はんだ、焼成用ペースト、銅、セラミック、アルミニウムのような、構造内の異なる材料間の熱膨張率の不一致に起因して、機械的応力が生じる。機械的応力は、例えば、材料及び／又は界面のひび、隙間、剥離のように、パワー半導体モジュールの構造に影響を及ぼす場合があり、パワー半導体モジュールの故障につながる場合がある。
【０００４】
例えば、電気自動車において電気アセンブリが用いられるとき、いずれの車両上で、電気アセンブリが重大な損傷レベルに達したかを特定することが重要である。製造業者は、顧客に警告し、損傷を受けそうな電気アセンブリの制御／交換を提案することができる。このサービスにより、車両群のより高品質の制御がもたらされる。
【０００５】
同じことは、メンテナンスコストが非常に高く、アクセスが制限されている洋上風車群についても当てはまる。
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、製造業者及び／又は顧客のための重要な機能である、電気アセンブリの損傷レベルの推定を目的とする。
【０００７】
このために、本発明は、セラミック基板に機械的かつ電気的に取り付けられた少なくとも１つのダイを備えるパワー半導体モジュールの損傷レベル又は寿命予測を推定する方法であって、前記セラミック基板は、圧電特性を有し、該方法は、
前記少なくとも１つのパワーダイを制御するステップであって、該少なくとも１つのパワーダイの該制御により、前記セラミック基板にわたる電位の変化が生成される、ステップと、
前記セラミック基板の機械的変形を表す情報を得るステップと、
前記得られた情報及び基準情報に従って、前記損傷レベル又は前記寿命予測を示す通知が行われなくてはならないか否かを判断するステップと、
前記判断するステップが、前記通知が行われなくてはならないと判断する場合、前記損傷レベル又は前記寿命予測を通知するステップと、
を含むことを特徴とする、方法に関する。
【０００８】
本発明は、また、セラミック基板に機械的かつ電気的に取り付けられた少なくとも１つのダイを備えるパワー半導体モジュールの損傷レベル又は寿命予測を推定するデバイスであって、前記セラミック基板は、圧電特性を有し、該デバイスは、
前記少なくとも１つのパワーダイを制御する手段であって、該少なくとも１つのパワーダイの該制御により、前記セラミック基板にわたる電位の変化が生成される、手段と、
前記セラミック基板の機械的変形を表す情報を得る手段と、
前記得られた情報及び基準情報に従って、前記損傷レベル又は前記寿命予測を示す通知が行われなくてはならないか否かを判断する手段と、
前記判断するステップが、前記通知が行われなくてはならないと判断する場合、前記損傷レベル又は前記寿命予測を通知する手段と、
を備えることを特徴とする、デバイスに関する。
【０００９】
このため、セラミック基板の機械的変形を用いてパワー半導体モジュールの劣化のレベルに関する情報を提供する。このため、損傷のレベルを推定することができる。
【００１０】
特定の特徴によれば、前記セラミック基板の前記機械的変形を表す情報が、前記セラミック基板にわたって流れるコモンモード電流である。
【００１１】
このため、パワー半導体モジュールの外側で、例えばパワー半導体モジュールのヒートシンクとグラウンドとの間でコモンモード電流を測定することができる。パワー半導体モジュールは、追加のセンサーを必要としない。
【００１２】
特定の特徴によれば、前記コモンモード電流は、直接測定される。
【００１３】
このため、例えば、ヒートシンクとグラウンド電位との間で単純な電流センサーを用いることができる。
【００１４】
特定の特徴によれば、前記コモンモード電流は、間接的に測定される。
【００１５】
このため、例えば電力をパワー半導体モジュールに供給する２つの導体間で差動電流センサーを用いることができる。
【００１６】
特定の特徴によれば、前記セラミック基板の前記機械的変形を表す情報は、前記セラミック基板の上面に取り付けられた銅パッドを用いて得られる。
【００１７】
このため、基板上の小さなエリアが、低コストの電気機械センサーとして用いられる。
【００１８】
特定の特徴によれば、前記セラミック基板の前記機械的変形を表す情報は、前記銅パッドと、前記セラミック基板の前記底部における銅層との間の電圧である。
【００１９】
このため、単純な差動電圧センサーを用いることができる。
【００２０】
特定の特徴によれば、ＤＣ電圧が、電極として用いられる前記銅パッドと、前記セラミック基板の底部における銅層との間に印加され、前記セラミック基板の前記機械的変形を表す情報は、前記銅パッドを通って流れる電流である。
【００２１】
特定の特徴によれば、前記セラミック基板の前記機械的変形を表す情報は、前記パワー半導体モジュールに一体化された電気機械レセプターを用いて得られる。
【００２２】
このため、より感度が高く及び／又は選択的な測定を実行することができる。
【００２３】
特定の特徴によれば、前記セラミック基板の前記機械的変形を表す情報は、前記セラミック基板の前記表面によって反射され、光センサーによって受信されるビームを生成する光源を用いて得られる。
【００２４】
このため、基板の表面上で、より小さなエリアを用いて、より感度が高く及び／又は選択的な尺度が生成される。
【００２５】
特定の特徴によれば、前記損傷レベル又は前記寿命予測を示す通知を行わなくてはならないか否かを前記判断するステップは、周波数領域において高速フーリエ変換によって前記機械的変形を表す前記情報を転置することによって実行される。
【００２６】
このため、周波数変更及び／又は減衰／増幅をより容易に検出することができる。
【００２７】
特定の特徴によれば、前記損傷レベル又は前記寿命予測を示す通知を行わなくてはならないか否かを前記判断するステップは、優位周波数と優位周波数の初期の組との間の距離を求めることによって実行される。
【００２８】
このため、共振周波数の展開を定量化することができる。
【００２９】
特定の特徴によれば、距離は、所定の周波数における振幅、及び該所定の周波数における初期振幅に基づく。
【００３０】
このため、共振周波数の減衰を定量化することができる。本発明の特徴は、例示の実施形態の以下の説明を読むことによってより明らかになる。この説明は、添付図面に関して作成されたものである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による、パワー半導体モジュールの損傷評価を求めるシステムのアーキテクチャの例を表す図である。
【図２ａ】本発明の第１の実現モードによるパワー半導体モジュールのアーキテクチャの例を表す図である。
【図２ｂ】本発明の第２の実現モードによるパワー半導体モジュールのアーキテクチャの例を表す図である。
【図２ｃ】本発明の第３の実現モードによるパワー半導体モジュールのアーキテクチャの例を表す図である。
【図２ｄ】本発明の第４の実現モードによるパワー半導体モジュールのアーキテクチャの例を表す図である。
【図３】本発明による、パワー半導体モジュールの損傷レベルを推定するデバイスの例を表す図である。
【図４】本発明による、パワー半導体モジュールの損傷評価レベルを求めるアルゴリズムの例を表す図である。
【図５】セラミック基板の様々な損傷レベルについて、セラミック基板にわたって流れるコモンモード電流の例を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１は、本発明による、パワー半導体モジュールの損傷評価を求めるシステムのアーキテクチャの例を表す。
【００３３】
パワー半導体モジュールの損傷評価を求めるシステムは、例えば、電気自動車又は列車又は洋上風車において実施される。
【００３４】
損傷評価デバイス２０は、少なくとも１つのパワー半導体モジュールの損傷レベルを求めるために用いられる。
【００３５】
図１の例において、損傷評価デバイス２０は、パワー半導体モジュール１０の損傷レベルを求めるために用いられる。
【００３６】
損傷評価デバイス２０は、１つ以上のパワー半導体ダイを含むパワー半導体モジュール１０の健康状態を評価する。損傷評価デバイス２０は、パワーモジュールのパワーダイが電気的に励起されるときにセラミック基板電気機械応答に基づいてオンライン劣化位置特定を行う。換言すれば、パワー半導体モジュール１０の基板のセラミック基板電気機械応答は、リアルタイムで更新され、セラミック基板電気機械応答の展開は、パワー半導体モジュール１０における構造変化のインジケーターとして用いられる。
【００３７】
より厳密には、窒化アルミニウムの基板、又は二酸化ジルコニウムをドープされたアルミナの基板のようなセラミック基板は、圧電特性を有する。セラミック基板に接続される電力の高スイッチング過渡現象に起因して、基板内に機械的衝撃が生じる。機械的衝撃は、障害が生じる場合、異なる形で伝播及び／又は共振する。
【００３８】
パワー半導体モジュールのセラミック基板は、固有の電気機械特性を有する。１つの例は、その優れた熱特性のためにハイパワーデバイスにおいて一般的に用いられ、圧電特性を有する、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）ダイレクトボンド銅（ＤＢＣ：Direct Bonded Copper）セラミック基板である。パワー半導体モジュールの動作中、セラミック基板にわたる電位は高ｄＶ／ｄｔ（１Ｖ／ｎｓ〜１００Ｖ／ｎｓ程度）で変化する。この高電圧過渡現象は、セラミック基板において機械的変形／励起を引き起こし、これはパワー半導体モジュールの全体の中を、その構造の機械的特性に従って伝播する。
【００３９】
例えば、パワー半導体モジュールが、ひび、隙間又は剥離を含むとき、その機械的特性が変更され、機械的変形／励起が異なる形で伝播し、例えば、機械的変形の周波数成分及び／又は減衰が変化する。この機械的変形は、セラミック基板の電気機械特性によって生じるため、ここでは、「セラミック基板電気機械応答」と呼ばれる。
【００４０】
本発明の第１の実現モードによれば、損傷評価デバイス２０は、セラミック基板にわたって流れるコモンモード電流を監視し、セラミック基板は電気機械センサーとして用いられる。以下で開示されるように、コモンモード電流は、直接又は間接的に測定することができる。
【００４１】
本発明の第２の実現モードによれば、損傷評価デバイス２０は、セラミック基板上に取り付けられた銅パッドを用いる。例えば、銅パッドは、セラミック基板の上面上に位置決めされる。例えば、銅パッドと底面銅層との間の電圧が測定される。第２の実現モードの実現の一変形において、電極として用いられる銅パッドと底面銅層との間に高ＤＣ電圧が印加され、銅パッドを通って流れる電流は、例えば、シャントレジスタ又は他の高周波数応答機能センサーのような電流センサーを用いて直接測定される。
【００４２】
本発明の第３の実現モードによれば、損傷評価デバイス２０は、パワー半導体モジュール内に一体化された特定の電気機械レセプター（electromechanical receptor）を用いる。電気機械レセプターは、異なる種類のものとすることができる電気機械デバイスである。例えば、電気機械レセプターは、少なくとも電歪材料で構成されるサブアセンブリである。セラミックキャパシタ等の圧電デバイスは、そのようなサブアセンブリの１つの例である。例えば、電気機械レセプターは、少なくとも磁歪材料で構成されるサブアセンブリである。磁化コイル及び磁歪強磁性材料で構成されるインダクタは、そのようなサブアセンブリの１つの例である。
【００４３】
本発明の第４の実現モードによれば、損傷評価デバイス２０は、セラミック基板の表面によって反射され、光センサーによって受信されるビームを生成する光源を用いる。セラミック基板内で作製される機械的衝撃に従って、光センサーによって受信される光信号が変更される。
【００４４】
第４の実施モードの場合、損傷評価デバイスは、少なくともアナログ回路及びプロセッサを備え、これについては後に説明される。
【００４５】
図２ａは、本発明の第１の実現モードによるパワー半導体モジュールのアーキテクチャの例を表す。
【００４６】
パワー半導体モジュール１０は、１００ａ及び１００ｂで表される２つのダイを含む。ダイ１００ａは、はんだ層１０１ａを通じて銅層１０２ａに、そしてワイヤボンド１０３ａを通じて別の銅層１０２ｃに接続される。ダイ１００ｂは、はんだ層１０１ｂを通じて銅層１０２ｂに、そしてワイヤボンド１０３ｂを通じて銅層１０２ａに接続される。銅層１０２は、セラミック基板１０４上にある。
【００４７】
銅層１０５は、セラミック基板１０４の底部にある。銅層１０２、１０５及び基板１０４は、ダイレクトボンド銅（ＤＢＣ）を形成する。
【００４８】
ＤＢＣは、熱界面１０８を通じてヒートシンク１０９に固定されるベースプレート１０７上にはんだ付けされる。
【００４９】
第１の実現モードによれば、セラミック基板を通って接地されたヒートシンク１０９に向かって流れるコモンモード電流が直接測定される。例えば、ヒートシンク１０９は、電流センサーを通じてグラウンド電位に接続される。一変形形態では、コモンモード電流は、パワー半導体モジュールに正の電力供給及び負の電力供給を与える２つの導体を通る電流の差として求められる。
【００５０】
図２ｂは、本発明の第２の実現モードによるパワー半導体モジュールのアーキテクチャの例を表す。
【００５１】
パワー半導体モジュール１０は、１００ａ及び１００ｂで表される２つのダイを含む。ダイ１００ａは、はんだ層１０１ａを通じて銅層１０２ａに、そしてワイヤボンド１０３ａを通じて別の銅層１０２ｃに接続される。ダイ１００ｂは、はんだ層１０１ｂを通じて銅層１０２ｂに、そしてワイヤボンド１０３ｂを通じて別の銅層１０２ａに接続される。銅層１０２は、セラミック基板１０４上にある。
【００５２】
銅層１０５は、セラミック基板１０４の底部にある。銅層１０２、１０５及び基板１０４は、ダイレクトボンド銅（ＤＢＣ）を形成する。
【００５３】
ＤＢＣは、熱界面１０８を通じてヒートシンク１０９に固定されるベースプレート１０７上にはんだ付けされる。
【００５４】
第２の実現モードによれば、銅パッド２００がセラミック基板１０４上に取り付けられる。例えば、銅パッド２００は、セラミック基板１０４の上面上に位置決めされる。例えば、銅パッド２００と銅層１０５又はヒートシンク１０９との間の電圧が測定される。第２の実現モードの実現の一変形において、電極として用いられる銅パッド２００と銅層１０５又はヒートシンク１０９との間に高ＤＣ電圧が印加され、銅パッド２００を通って流れる電流は、例えば、シャントレジスタ又は他の高周波数応答機能センサーのような電流センサーを用いて直接測定される。
【００５５】
図２ｃは、本発明の第３の実現モードによるパワー半導体モジュールのアーキテクチャの例を表す。
【００５６】
パワー半導体モジュール１０は、１００ａ及び１００ｂで表される２つのダイを含む。ダイ１００ａは、はんだ層１０１ａを通じて銅層１０２ａに、そしてワイヤボンド１０３ａを通じて別の銅層１０２ｃに接続される。ダイ１００ｂは、はんだ層１０１ｂを通じて銅層１０２ｂに、そしてワイヤボンド１０３ｂを通じて銅層１０２ａに接続される。銅層１０２は、セラミック基板１０４上にある。
【００５７】
銅層１０５は、セラミック基板１０４の底部にある。銅層１０２、１０５及び基板１０４は、ダイレクトボンド銅（ＤＢＣ）を形成する。
【００５８】
ＤＢＣは、熱界面１０８を通じてヒートシンク１０９に固定されるベースプレート１０７上にはんだ付けされる。
【００５９】
第３の実現モードによれば、電気機械レセプター２２０がセラミック基板１０４上に取り付けられる。電気機械レセプターは、少なくとも、例えばセラミックキャパシタのような電歪材料、又は例えば、磁化コイル及び磁歪強磁性材料で構成されるインダクタのような磁歪材料で構成されるサブアセンブリである。そのような電気機械レセプターにわたる電圧又は電流が測定される。
【００６０】
図２ｄは、本発明の第４の実現モードによるパワー半導体モジュールのアーキテクチャの例を表す。
【００６１】
パワー半導体モジュール１０は、１００ａ及び１００ｂで表される２つのダイを含む。ダイ１００ａは、はんだ層１０１ａを通じて銅層１０２ａに、そしてワイヤボンド１０３ａを通じて別の銅層１０２ｃに接続される。ダイ１００ｂは、はんだ層１０１ｂを通じて銅層１０２ｂに、そしてワイヤボンド１０３ｂを通じて銅層１０２ａに接続される。銅層１０２は、セラミック基板１０４上にある。
【００６２】
銅層１０５は、セラミック基板１０４の底部にある。銅層１０２、１０５及び基板１０４は、ダイレクトボンド銅（ＤＢＣ）を形成する。
【００６３】
ＤＢＣは、熱界面１０８を通じてヒートシンク１０９に固定されるベースプレート１０７上にはんだ付けされる。
【００６４】
第４の実現モードによれば、光源２４０は、セラミック基板１０４の表面によって反射され、光センサー２６０によって受信されるビームを生成する。セラミック基板１０４内で生成される機械的衝撃に従って、光センサー２６０によって受信される光信号が変更される。
【００６５】
図３は、本発明による、パワー半導体モジュールの損傷レベルを推定するデバイスの例を表す。
【００６６】
損傷評価デバイス２０は、例えば、バス３０１によって互いに接続されたコンポーネントと、図４に開示されるようなプログラムによって制御されるプロセッサ３００とに基づくアーキテクチャを有する。
【００６７】
バス３０１は、プロセッサ３００を、読み出し専用メモリＲＯＭ３０２、ランダムアクセスメモリＲＡＭ３０３、入出力Ｉ／Ｏ  ＩＦインターフェース３０５及び通知手段３０７にリンクする。
【００６８】
メモリ３０３は、変数と、図４に開示されるようなアルゴリズムに関連したプログラムの命令とを収容するように意図されたレジスタを含む。
【００６９】
プロセッサ３００は、入出力Ｉ／Ｏ  ＩＦ３０５を通じて、例えば、検知温度、又はパワー半導体モジュール１０のセラミック基板電気機械応答を表す検知された電圧又は電流を受信する。入出力Ｉ／Ｏ  ＩＦ３０５はアナログコンポーネントを含む。
【００７０】
プロセッサ３００は、パワー半導体モジュール１０の損傷レベルを通知するように通知手段３０７に命令することができるか、又はパワー半導体モジュール１０の寿命予測を通知するように通知手段３０７に命令することができる。
【００７１】
読み出し専用メモリ、又は場合によっては、フラッシュメモリ３０２は、図４に開示されるようなアルゴリズムに関連したプログラムの命令を含む。これらの命令は、損傷評価デバイス２０に電源が投入されると、ランダムアクセスメモリ３０３に転送される。
【００７２】
損傷評価デバイス２０は、ＰＣ（パーソナルコンピューター）、ＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）又はマイクロコントローラー等のプログラマブルコンピューティングマシンによる一組の命令又はプログラムの実行によってソフトウェアで実施することもできるし、それ以外にＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）又はＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）等のマシン又は専用コンポーネントによってハードウェアで実施することもできる。
【００７３】
換言すれば、損傷評価デバイス２０は、図４に開示されるようなアルゴリズムに関連したプログラムを損傷評価デバイス２０に実行させる、回路部又は回路部を含むデバイスを備える。
【００７４】
図４は、本発明による、パワー半導体モジュールの損傷評価レベルを求めるアルゴリズムの例を表す。
【００７５】
本アルゴリズムは、プロセッサ３００によって実行される例において開示される。
【００７６】
ステップＳ４００において、プロセッサ３００は、パワー半導体モジュール１０の損傷評価レベルを評価する時間であるか否かをチェックする。
【００７７】
セラミック基板電気機械応答は、パワー半導体モジュールのスイッチング動作がセラミック基板にわたる電圧過渡現象によって行われるときに、この動作中に生じるので、セラミック基板電気機械応答は、通常連続して測定され、測定データは、健康状態評価を行う周期的間隔で記憶され、処理される。このため、限られた量のデータが用いられ、記憶及び処理の労力が低減される。
【００７８】
通常、セラミック基板電気機械応答損傷評価の時点は、最後の損傷評価の判定から経過した時間、及び／又は最後の損傷評価の判定からの温度変動又は振動として定義される応力サイクル数、パワー半導体モジュールの温度、パワー半導体モジュールによって提供される負荷電流のレベル、パワー半導体モジュールによって提供される又は単に各起動時の電圧レベル等のパラメーターに関する情報に基づいて記述される。このため、損傷評価の判定は、劣化が生じた可能性が最も高いときに行われ、記憶及び処理の労力が低減される。
【００７９】
例えば、損傷評価判定は、外部振動がない状態で所与の負荷電流及び電圧についてパワー半導体モジュール内の温度が既知であり安定しているときに、毎日行われる。
【００８０】
例えば、パワー半導体モジュールが洋上風車に含まれているとき、損傷評価判定は、風車が停止するたびに行われるか、又は最後の測定からの応力サイクル数が所定の閾値よりも高い場合に行われ、温度が監視されて、データ処理によって補償される。
【００８１】
パワー半導体モジュール２０の損傷評価レベルを評価する時間である場合、プロセッサ３００は、ステップＳ４０１に移る。そうでない場合、プロセッサ３００は、ステップＳ４００に戻る。
【００８２】
ステップＳ４０１において、プロセッサ３００は、測定値を得るように入出力Ｉ／Ｏ  ＩＦインターフェース３０５に命令する。
【００８３】
第１の実現モードによれば、プロセッサ３００は、接地されたヒートシンク１０９に向かうコモンモード電流の直接的な尺度を得るか、又はプロセッサ３００は、パワー半導体モジュールに正の電力及び負の電力供給を与える２つの導体を通る測定電流を得て、測定電流の差を求める。
【００８４】
第２の実現モードによれば、プロセッサ３００は、銅パッド２００と銅層１０５又はヒートシンク１０９との間の測定電圧を得るか、又はプロセッサ３００は、電極として用いられる銅パッド２００と、銅層１０５又はヒートシンク１０９との間に印加される高ＤＣ電圧の生成を命令し、銅パッド２００を通って流れる測定電流を得る。
【００８５】
第３の実現モードによれば、プロセッサ３００は、電気機械レセプター２２０の信号応答を得る。
【００８６】
第４の実現モードによれば、プロセッサ３００は、セラミック基板１０４の表面によって反射されるビームを生成する光源２４０に命令し、光センサー２６０から受信ビームを表す電気信号を得る。
【００８７】
次のステップＳ４０２において、プロセッサ３００は、ステップＳ４０１によって得られた測定値を処理する。
【００８８】
データ処理は、老朽化したパワー半導体モジュールの取得したセラミック基板電気機械応答を、その健康な状態におけるパワー半導体モジュールの初期セラミック基板電気機械応答尺度と比較することにある。健康なセラミック基板電気機械応答尺度は、最初の基板電気機械応答取得中に生成することができるか、又はパワー半導体モジュールにおいてメンテナンス調査／作業が行われる度に再生成することができる。データ処理は、データ変換及び／又は選択の第１のステップを含む。例えば、信号は、高速フーリエ変換によって周波数領域に転置される。このため、パワーモジュールの可能な自己共振モードに対応する特定の周波数範囲を選択することができる。データ処理は、データ比較の第２のステップを含む。例えば、特定の周波数範囲内の優位周波数が特定され、これらの優位周波数を初期優位周波数と比較する距離が定義される。距離は、通常、二乗平均平方根関数である。別の例では、特定の周波数におけるスペクトルの振幅が特定され、この振幅をこの同じ周波数におけるスペクトルの初期振幅と比較する距離が定義される。
【００８９】
通常、プロセッサ３００は、距離メトリックを用いて、老朽化したパワー半導体モジュールの取得されたセラミック基板電気機械応答を初期セラミック基板電気機械応答尺度と比較する。１つの例は、二乗平均平方根偏差等の二次距離である。
【００９０】
データ処理は、損傷評価の第３のステップを含む。
【００９１】
第１の実地形態において、プロセッサ３００は、距離メトリックを閾値と比較する。距離が閾値よりも高い場合、損傷が検出され、次の通知ステップにおいて警告を生成することができ、例えば、半導体パワーモジュールの特定の共振モードに対応する周波数が少なくとも５％シフトした場合、損傷が特定される。
【００９２】
別の実施形態において、老朽化したパワー半導体モジュールの取得したセラミック基板の電気機械応答と、初期セラミック基板の電気機械応答との間の距離が、様々な形態をとることができるアルゴリズムによって処理される。例えば、プロセッサ４００は、距離と閾値との間の交点の時間を定義するために、時間を用いた距離の外挿を行う。
【００９３】
この場合、メモリに記憶された求められた距離の履歴が用いられる。例えば、求められた距離の選択が用いられる。求められた距離の選択の展開は、距離の通常の展開のモデルに当てはめることができる。
【００９４】
外挿は、パワー半導体モジュールの損傷評価を求めるためのモデルに基づく。モデルは、物理的又は経験的とすることができ、すなわち、他のシステムによって提供されるデータからのものとすることができる。
【００９５】
モデルは、基準パワー半導体モジュールに対するパワーサイクル実験を用いて予め確立することができる。モデルは、製品の動作中に更新することができる。
【００９６】
例えば、プロセッサ３００は、距離を閾値と比較し、距離のうちの少なくとも１つが閾値より高い場合、プロセッサ３００は、警告又は残りの寿命の推定のいずれかを生成するためにステップＳ４０３に移る。
【００９７】
ステップＳ４０３において、プロセッサ３００は、パワー半導体モジュール１０の損傷レベルを通知するように通知手段３０７に命令するか、又はパワー半導体モジュール１０の寿命予測を通知するように通知手段３０７に命令することができる。
【００９８】
通知は、ユーザー又は製品の主要コントローラーに送信することができる電気信号の形態をとることができる。この電気信号は、故障の出現、又は故障前の残り時間に関する情報を提供する。
【００９９】
図５は、セラミック基板の様々な損傷レベルについて、セラミック基板にわたって流れるコモンモード電流の例を表す。
【０１００】
水平軸は、時間をマイクロ秒単位で表し、垂直軸は、電流をｍＡ単位で表す。
【０１０１】
曲線５０、５２及び５４は、１ＫＶの電圧過渡現象後のコモンモード電流変動を１００ｎｓ単位で表す。
【０１０２】
図５に示すように、電圧過渡現象後、数ｍＡ及び１Ｍｈｚ〜１０Ｍｈｚの範囲の振動が生じる。
【０１０３】
５０で示される曲線は、パワーダイを銅層１０２ａに連結するはんだ層１０１ａ上に４ｍｍのひびが現れているときにセラミック基板にわたって流れるコモンモード電流を表す。
【０１０４】
５２で示される曲線は、パワーダイを銅層１０２ａに連結するはんだ層１０１ａ上にひびがないときにセラミック基板にわたって流れるコモンモード電流を表す。
【０１０５】
５４で示される曲線は、パワーダイを銅層１０２ａに連結するはんだ層１０１ａ上に２ｍｍのひびが現れているときにセラミック基板にわたって流れるコモンモード電流を表す。
【０１０６】
図５に示されるように、このとき、セラミック基板に機械的、熱的かつ電気的に取り付けられた少なくとも１つのダイを含むパワー半導体モジュールの損傷レベル又は寿命予測を推定することが可能である。
【０１０７】
当然のことながら、本発明の範囲から逸脱することなく、上記で説明した本発明の実施形態に対して多くの変更を行うことができる。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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