(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源間に直列接続された半導体モジュールを有する半導体装置において、
前記直列接続された半導体素子に同時にオンパルスを与え、そのオンパルス期間での短絡電流値を検出することにより、半導体素子の劣化を検知可能にしたことを特徴とする半導体装置の劣化検出方法。
【請求項２】
前記検出された短絡電流値を予め設定した基準レベルと比較し、その短絡電流値が基準レベルと異なったとき、半導体素子の劣化を検出することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の劣化検出方法。
【請求項３】
前記基準レベルは、初期の短絡電流値に相当するレベルであることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の劣化検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パワー半導体素子を用いた電力変換装置、例えばインバータや無停電電源装置（ＵＰＳ）などにおいて、パワーモジュールの劣化、その中でも半導体チップや絶縁基板の接合に使用される半田の劣化を検出する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータやＵＰＳなどでは、一般にブリッジ接続されたバイポーラトランジスタやＭＯＳ−ＦＥＴ，ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などのパワー半導体素子をスイッチングすることにより電力変換を行なっている。
このような変換装置の例として、単相ブリッジインバータの構成例を図５に示す。これは、上下直列に接続されたパワー半導体素子（ＩＧＢＴ）３ａ，３ｂおよびダイオード（ＦＷＤ：還流ダイオード）４ａ，４ｂを交互にスイッチングすることで、負荷であるモータ５に電力を供給するものである。なお、１は直流電源、２はモジュール容器、２ａ〜２ｃは端子を示す。
【０００３】
このような回路に適用されるパワー半導体素子は、接続や冷却を簡便にするために複数の素子（チップ）を１つのパッケージ（モジュール）に収納して使用されるのが一般的であり、半導体を内蔵したパッケージを通常パワーモジュールと呼ぶ。
ブリッジ回路を構成するために、直列接続された２つのＩＧＢＴを収納したモジュールの外観例を図６に、また、そのモジュール断面図を図７にそれぞれ示す。
【０００４】
図６に示すモジュール容器２には、直流電源１からの入力端子２ａ，２ｂ、負荷への接続端子２ｃおよびオン，オフ信号を入力するためのゲート端子２ｄが設けられている。
図７に示すように、表面に回路パターン１２ａ〜１２ｃが形成されたセラミック製絶縁基板１２の回路パターン面（上面側）に、半導体チップ３ａ，３ｂが半田などのろう材により固着されており、各回路パターン１２ａ〜１２ｃと各チップとはアルミニウムワイヤ９ａ，９ｂによってボンディング接続され、図５のような回路が構成される。
【０００５】
また、セラミック製絶縁基板１２の裏面にもベタパターン１２ｄが設けられており、銅合金のような放熱板１１に半田などによりろう付けされる。半導体チップ３ａ，３ｂや配線パターン１２ａ〜１２ｃなどの電気回路側と放熱板１１は、セラミック基板１２で絶縁されているので、感電を防止する目的で放熱板１１を接地しても良く、使い勝手の良い構成にされる。
【０００６】
ところで、上記のように構成されるパワーモジュールには、装置の断続的な運転による急激な温度変化により、接合に使用されている半田材が変質，劣化し、クラック（ひび割れ）が発生し、半導体チップの熱伝達が阻害され、半導体チップの温度が上昇し、ついには素子破壊してしまうという問題がある。半導体チップは上述のように、主に半田材により電極へロウ付けされるが、半導体チップ（シリコン材）と電極（鋼材）とは線膨張係数が異なる（鋼材：１７×１０-6／℃、シリコン：８×１０-6／℃で、約３倍の差がある）ため、その間にはさまれた半田材にはせん断応力が発生する。
【０００７】
したがって、長期にわたる断続通電を行なわせると、その温度変化による繰り返しのせん断応力により、接合部に亀裂（クラック）が進行する。或る程度亀裂が進行すると、亀裂部分では熱伝導率が低下する（いわゆる熱抵抗が増大する）ため、半導体チップの放熱性が阻害され、チップが過熱し、ついには半導体チップの破壊が引き起こされる。この半導体チップの発熱の繰り返しによるパワーモジュールの劣化および寿命をパワーサイクル耐量（またはパワーサイクル寿命）と呼び、パワーモジュールの信頼性を判断するための、非常に重要な項目の１つになっている。
【０００８】
図８はパワーモジュールのパワーサイクル寿命特性曲線の例で、接合部の温度変化量（ΔＴｊ）が大きくなると、各部の変形（膨張）量も大きくなり、上述のせん断応力も増大するため、パワーサイクル回数が低下することを示している。
図９は亀裂の進行状態を説明するもので、チップ裏面と回路パターン間を接合している半田材１３に、亀裂１３aが発生していることを示している。図９（a）では、比較的温度が高くなるチップ中央部の劣化、図９（ｂ）では、チップ端部から広がるクラックの発生を示している。
【０００９】
図１０は、半導体チップ表面から金属ベース１１までの熱抵抗（Ｒｔｈ）の推移を示している。パワーサイクルの回数とともに熱抵抗値が漸増し、寿命末期においては初期値に対し４０％から６０％程度まで熱抵抗値が急増し、破壊に至ることが判明した。
このようなパワー半導体素子の劣化を検出し、素子が破壊する直前に交換を促すことにより、設備機器のトラブルを防止する予防保全機能の実現が要望されており、特性劣化の推定，検出技術が例えば特許文献１，２に開示されている。
【００１０】
特許文献１には、半導体チップの半田劣化を検出する方法として、半導体チップ表面およびケース部に熱電対などの温度センサを設け、その温度差を計測することにより熱抵抗を算出し、劣化を判定する技術が示されている。
しかし、チップ表面へのセンサ取り付けが必要であるため、組立工程が複雑になったり、センサからの微弱な信号を制御回路へ配線する必要があるため、配線に重畳されるノイズに対する注意が必要になる。また、長期にわたる使用過程において、万一センサが外れてしまった場合には温度検出が不可能となるため、寿命検出も不能になってしまうと言う問題がある。
【００１１】
一方、特許文献２には、図８のような予め求めてある半導体素子のパワーサイクル寿命特性曲線（温度変化幅に対するパワーサイクルの依存特性）と、実際の運転における温度，回数を比較し、特性曲線と照らし合わせて寿命推定を行なう技術が開示されている。しかし、ここでは単純な回数のみのカウントであり、実際の半田劣化状態を観測していないため、推定誤差が大きくなってしまう。通常、変換装置の負荷状態は一定ではなく、温度変化幅も運転状況によって様々に異なるため、単一の温度条件でのサイクル寿命数から実物のパワーサイクル寿命を推定することは極めて難しい。
また、予め半導体素子のパワーサイクル寿命特性曲線を求めておく必要があり、評価に時間が掛かる。さらに、メモリなどに寿命曲線および温度変化値、装置の運転履歴を記憶させておく必要があり、装置構成が複雑になる。
【００１２】
【特許文献１】特開２００３−１７２７６０号公報
【特許文献２】特開２００５−３５４８１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従って、この発明の解決しようとする課題は、パワーモジュールの半田接合部の劣化を効率よく正確に検出できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決すため、請求項１の発明では、直流電源間に直列接続された半導体モジュールを有する半導体装置において、
前記直列接続された半導体素子に同時にオンパルスを与え、そのオンパルス期間での短絡電流値を検出することにより、半導体素子の劣化を検知可能にしたことを特徴とする。
【００１５】
上記請求項１の発明においては、前記検出された短絡電流値を予め設定した基準レベルと比較し、その短絡電流値が基準レベルと異なったとき、半導体素子の劣化を検出することができ（請求項２の発明）、この請求項２の発明においては、前記基準レベルは、初期の短絡電流値に相当するレベルであることができる（請求項３の発明）。
【発明の効果】
【００１６】
この発明では、直流電源間にブリッジ接続された半導体モジュールの、直列に接続された対の素子を同時にオンさせて短絡電流を流し、これにより半導体チップを発熱させ、流れる短絡電流を計測する。負荷状態によらず一定の短絡電流を流せるので、正確に熱抵抗の劣化を検出でき、パワーモジュールの破壊前に寿命を把握することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１はこの発明の実施の形態を示す回路図で、ＩＧＢＴ３ａ，３ｂが直列に接続されたブリッジ回路の１相分を示す。ＩＧＢＴ３ａ，３ｂには駆動回路８ａ，８ｂが接続されており、制御回路１０から発生される駆動信号１５ａ，１５ｂを増幅してＩＧＢＴを駆動するものである。そして、このように駆動されるＩＧＢＴ３ａに流れる電流を、電流検出器１６により検出する。
電流検出器１６により検出された電流信号は比較器６により基準電圧値７と比較され、短絡電流値が基準レベル以下または以上になったとき（基準レベルと異なるとき）は比較器６の出力１４が反転する。この出力を寿命到達信号として検出することにより、パワーモジュールが破壊する前に寿命到達の検出が可能となる。
【００１８】
また、負荷の状態によらず、安定してＩＧＢＴを発熱させるため、この発明では上下アームのＩＧＢＴ３ａ，３ｂに対し、短絡により破壊しない程度の、ごく短時間同時にオンさせるパルス（寿命計測用パルス）を入力し、大電流の短絡電流を流すことにより、その短絡電流値の温度依存性を利用することで、熱抵抗を計測できるようにしている。
【００１９】
図２に、ＩＧＢＴの出力特性曲線（コレクタ・エミッタ間電圧−コレクタ電流）を示す。短絡時に流れる短絡電流値は、この出力特性曲線上に黒丸印で示す動作点で決定される。すなわち、ＩＧＢＴに流れる短絡電流値はコレクタ・エミッタ間電圧、つまり直流電源１の電圧値、接合部温度Ｔｊ、およびゲート電圧値により決定される。一般的には、短絡電流値は正の温度係数を持っており、接合部温度が高いほど短絡電流は低くなる傾向があることが分かる。
【００２０】
図３に、寿命計測用パルスのタイミングチャートを示す。
ここでは、ＩＧＢＴ３ａおよび３ｂに対し、それぞれ図３（ａ）に示すような、短時間の同時オンパルス信号を入力している。これに伴い、ＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ端子間には直流電源電圧が直接印加されるため、図２に示したようにＩＧＢＴには大電流のパルス状短絡電流が流れる（図３（ｃ）参照）。このパルス電流のピークは一般的に、ＩＧＢＴ定格の５〜１０倍程度の電流となる。
【００２１】
短絡電流が流れると、ＩＧＢＴでは大きな損失が発生し、図３（ｂ）に示すように、接合部温度Ｔｊは急激に上昇する。一方、短絡電流（ＩＧＢＴのコレクタ電流値）は、短絡期間中のＴｊの上昇に伴い漸減するが、熱抵抗が劣化、すなわち半田接合部が劣化している場合には、上述のように放熱がクラックにより阻害されるため、正常な状態と比較すると接合部温度Ｔｊの上昇も高くなり（図３（ｂ）の点線参照）、結果として短絡電流値は図３（ｃ）に点線で示すように、正常時に比較して低くなる。
【００２２】
上記短絡電流値を、比較器６において基準レベル７（正常時の短絡電流値）と比較し、基準レベル以下の場合は温度上昇が高い、すなわち半田接合部が劣化しているものと判断する。
一方、ＩＧＢＴの温度係数が負の場合には、温度が高くなると短絡電流値は上昇するため、基準レベル以上の短絡電流が流れた場合には、熱抵抗が劣化したものと判断するようにする。
【００２３】
図４に、この発明の別の実施の形態を示す。これは、コレクタ電流を検出する手段として、ＩＧＢＴ３ａに設けられた電流検出用エミッタ端子を利用するものである。この電流検出用エミッタ端子に、コレクタ電流の数１００ないし数１０００分の１の電流を流すと、電流検出抵抗１７にはコレクタ電流に比例する電流信号が発生する。この電流信号の大小比較をすることにより、図１と同様にして半田接合部の劣化を検出することができる。
なお、ＩＧＢＴの短絡耐量（時間）は、一般的には１０マイクロ秒程度であり、この時間以下の寿命計測パルスを入力すれば良い。
【００２４】
寿命計測パルスは必要に応じ、運転開始時や一定の累積期間毎に入力させれば良い。さらに、上下アームパルス１５ａ，１５ｂは、短絡電流が流れる期間が確保されれば、上下同じタイミングやパルス時間幅である必要も無い。
また、寿命計測パルス発生中には、ＩＧＢＴのゲート電圧を低減させることにより、短絡電流を抑制して計測時間を延長することも可能である。
【００２５】
以上では、直流電源間に２つのＩＧＢＴを接続した２レベルインバータの例を説明したが、多数のＩＧＢＴを直列に接続した３レベル以上のインバータについても、全てのＩＧＢＴを同時にオンさせることで、同様の効果が得られることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の実施の形態を示す構成図
【図２】ＩＧＢＴの出力特性曲線図
【図３】図１の動作説明図
【図４】この発明の別の実施の形態を示す構成図
【図５】一般的なインバータ回路を示す回路図
【図６】パワーモジュールの外観図
【図７】図６の断面図
【図８】パワーサイクル寿命を示す特性曲線図
【図９】半田接合部の亀裂の説明図
【図１０】パワーサイクルにおける熱抵抗（Ｒｔｈ）の推移説明図
【符号の説明】
【００２７】
１…直流電源、２…モジュール容器、２ａ〜２ｄ…端子、３ａ，３ｂ…ＩＧＢＴ、４ａ，４ｂ…ダイオード、５…負荷（モータ）、６…比較器、７…基準値、８ａ，８ｂ…駆動回路、９ａ，９ｂ…ワイヤ配線、１０…制御回路、１１…放熱板、１２…絶縁基板、１２ａ〜１２ｃ…配線パターン、１３…半田材、１３ａ…亀裂、１５ａ，１５ｂ…駆動信号（上下アームパルス）、１６…電流検出器、１７…電流検出抵抗。
【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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