(57)【要約】【課題】  配線の剥離を予知すること。また、配線剥離によりパワー半導体モジュール及びパワー半導体モジュールを用いたモータ駆動装置の動作不良を予防すること。【解決手段】  モータ駆動装置において、パワー半導体モジュールの内部に配線の剥離を予知する手段を内蔵させることにより、配線が剥離する前に配線剥離の時期が近づいていることを予知する。これにより、モータ駆動装置等の電力機器に使用されるパワー半導体モジュールの交換時期を明確化し、モータ駆動装置の動作不良の発生を予防する。パワー半導体モジュール１は、パワー半導体チップ２を搭載するモジュールであり、パワー半導体チップ２はパワー半導体の電極３に主回路配線４とダミー配線５とを備え、ダミー配線の接続強度を弱く設定する。【選択図】  図１
2005286009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体チップを搭載するモジュールを備えたモータ駆動装置であって、
パワー半導体チップは、当該パワー半導体の電極に主回路配線とダミー配線とを備え、
前記パワー半導体チップモジュールによりモータを駆動するための整流動作及び／又はスイッチング動作を行うことを特徴とするモータ駆動装置。
【請求項２】
前記ダミー配線の接続強度は、前記主回路配線の接続強度より弱いことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
【請求項３】
同じ接続強度又は異なる接続強度の複数のダミー配線を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ駆動装置。
【請求項４】
前記主回路配線及び前記ダミー配線はワイヤボンディングにより電極に接続し、
前記主回路配線のボンディング条件と前記ダミー配線のボンディング条件とを異ならせることにより異なる接続強度とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のモータ駆動装置。
【請求項５】
前記ボンディング条件は、加圧力及び／又は印加する超音波のパワーであることを特徴とする請求項４に記載のモータ駆動装置。
【請求項６】
前記主回路配線及び前記ダミー配線は半田付けにより電極に接続し、
前記主回路配線の半田付け条件と前記ダミー配線の半田付け条件とが異なることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のモータ駆動装置。
【請求項７】
前記半田付け条件は、半田付け面積又は半田付け長さであることを特徴とする請求項６に記載のモータ駆動装置。
【請求項８】
前記ダミー配線と前記電極との接続状態を検出する検出手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
【請求項９】
前記検出手段は、フォトカプラを介して検出信号を出力することを特徴とする請求項８に記載のモータ駆動装置。
【請求項１０】
前記検出手段の検出信号に基づいて報知情報を出力することを特徴とする請求項８又は９に記載のモータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体チップに配線を施して形成されるパワー半導体モジュールを用いてモータ駆動を行うモータ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータ等の電力機器を駆動する駆動回路には、駆動電流を制御するためにパワー半導体チップを有したパワー半導体モジュールが用いられている。このパワー半導体チップを有するパワー半導体モジュールは、断続通電を行うことによって駆動電流の制御を行う。このような断続通電を長期に渡って行うと、電極とワイヤとの線膨張率差等によって、運転時の急激な温度変化の繰り返しに伴い、接合界面に線膨張率差等に起因する熱応力が発生し、特にワイヤの線径が太くなるとワイヤ自身の剛性も増すことから接合界面の熱応力が顕著に現れ、接合面におけるワイヤの剥離などのダメージが生じやすくなり、パワーサイクル、ヒートサイクルの耐量低下をもたらすという問題があることが指摘されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このように、パワー半導体モジュールの内部に接続されている主回路配線と半導体チップの接合面（電極面）が劣化して、配線が半導体チップの電極から剥離すると、電力機器への電力供給に支障が生じることになる。  
この配線の電極からの剥離は、半導体チップの温度変化量と温度変化回数に依存し、また、これらは通電の断続状態や使用環境にも依存するため、使い手の使い方による差が大きく、発生時期を特定することは困難であった。  
そこで、従来ではパワー半導体チップに課せられる最大負荷を、ある一定サイクルで使用されるものと仮定し、寿命を算出していた。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３０３８４５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記したように、パワー半導体チップに課せられる最大負荷に基づいてパワー半導体モジュールの寿命を算出する場合には、実際に課せられる負荷が想定した負荷あるいはパワーサイクルよりも軽ければ、パワー半導体チップが未だ十分使用できる状態であるにもかかわらず交換することとなり、また、実際に課せられる負荷が反対に想定した負荷あるいはパワーサイクルより厳しい使用状況であった場合には、算出した寿命に基づいて交換を行う前に破損に至る結果となるという問題がある。
【０００６】
このように、パワー半導体チップのパワーサイクル寿命を正確に判定することにより、半導体寿命末期まで有効に使用し、かつ不具合が発生する前にパワー半導体モジュールを交換して予防保全を行うことが望まれている。  
そこで、本発明は、配線の剥離を予知することを目的とし、配線剥離によりパワー半導体モジュール及びパワー半導体モジュールを用いたモータ駆動装置の動作不良を予防することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、パワー半導体モジュールの内部に配線の剥離を予知する手段を内蔵させることにより、配線が剥離する前に配線剥離の時期が近づいていることを予知する。これにより、モータ駆動装置等の電力機器に使用されるパワー半導体モジュールの交換時期を明確化し、モータ駆動装置の動作不良の発生を予防する。
【０００８】
本発明のモータ駆動装置は、パワー半導体チップを搭載するモジュールを備えたモータ駆動装置であって、パワー半導体チップはパワー半導体の電極に主回路配線とダミー配線とを備えた構成とし、パワー半導体チップモジュールによりモータを駆動するための整流動作及び／又はスイッチング動作を行う。
【０００９】
主回路配線は、パワー半導体チップの電極に接続され、パワー半導体チップと外部との間を通電する配線である。一方、ダミー配線は、主回路配線の剥離を予知するために設けた配線であって、主回路配線の通電に影響を与えるものではなく、このダミー配線が電極から剥離した場合であっても、主回路配線が行う通電に支障が発生するものではない。
ダミー配線は、主回路配線が接続される電極と同一の電極に接続するほか、同様の温度変化を呈する環境と見なせる場合には、主回路配線が接続された電極と異なる電極に接続してもよい。
【００１０】
温度変化などの使用環境が同様である主回路配線とダミー配線は、配線と電極との接続における劣化は、同様の状況で進むものと想定される。このとき、ダミー配線の剥離から主回路配線の剥離を予知する。  
本発明のダミー配線は、電極との接続強度を主回路配線と電極との接続強度よりも弱く設定する。配線は、接続強度が弱いものから先に剥離するため、ダミー配線の接続強度を弱く設定することによって主回路配線よりも先に剥離させ、これによって、主回路配線が剥離する前に確実に配線剥離を予知する。  
また、ダミー配線を複数本接続し、これらのダミー配線の接続強度を同じ又は異なるものとする。
【００１１】
接続強度が同じダミー配線を複数本接続する場合には、実際の接続強度や剥離現象のばらつきによって各ダミー配線の剥離が変動したとしても、いずれかのダミー配線が剥離することを検出することによって確実に主回路配線の剥離を予知することができる。
また、接続強度が異なるダミー配線を複数本接続する場合には、ダミー配線の剥離を順に検出することで、劣化の状態を知ることができる。
【００１２】
配線と電極との接続は、ワイヤボンディングあるいは半田付けによって行うことができる。  
配線と電極との接続をワイヤボンディングで行う場合の形態は、主回路配線及びダミー配線をワイヤボンディングにより電極に接続し、主回路配線のボンディング条件とダミー配線のボンディング条件とを異ならせることにより異なる接続強度とする。  
また、このボンディング条件は、加圧力及び／又は印加する超音波のパワーである。ボンディング条件を調整することによって、ダミー配線の接続強度を主回路配線の接続強度よりも弱く設定する。  
また、接続強度を調整する方法として、主回路配線及びダミー配線をワイヤボンディングにより電極に接続し、主回路配線の線径とダミー配線の線径とを異ならせる。
同じボンディング条件のもとで異なる線径の配線をワイヤボンディングした場合、その線径によって接続強度に差異が生じる。ダミー配線の線径を主回路配線の線径よりも太くすることにより、ダミー配線の接続強度を弱く設定する。
【００１３】
また、配線と電極との接続を半田付けで行う場合の形態は、主回路配線及びダミー配線を半田付けにより電極に接続し、主回路配線の半田付け条件とダミー配線の半田付け条件とを異ならせることにより異なる接続強度とする。  
また、半田付け条件は、半田付け面積又は半田付け長さとすることができる。ダミー配線の半田付け面積を狭く設定し、半田付け長さを短く設定することによって、ダミー配線の接続強度を弱く設定することができる。
【００１４】
本発明のモータ駆動装置は、ダミー配線と電極との接続状態を検出する検出手段を備える。検出手段は、フォトカプラを介して検出信号を出力する。この検出信号により、パワー半導体モジュール中に設けたダミー配線が電極から剥離したことを知ることができ、これによって主回路配線の電極からの剥離を予知する。この予知によって、パワー半導体モジュール交換時期を把握，管理することができる。
【００１５】
また、本発明のモータ駆動装置は、検出信号に基づいてメッセージを報知し、寿命が近づいたことやパワー半導体モジュールの交換時期を知らせることができる。  
モータ駆動装置は、ダミー配線の剥離検出によって主回路配線の剥離を予知することができるため、モータ駆動の動作不良が生じる前にパワー半導体モジュールを交換して、動作不良を予防することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、配線の剥離を予知することができる。また、配線剥離によりパワー半導体モジュール及びパワー半導体モジュールを用いたモータ駆動装置の動作不良を予防することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。  
図１は本発明のモータ駆動装置のパワー半導体モジュールの概略を説明するための図である。図１において、パワー半導体チップ２は配線を接続するための電極３を備える。この電極３には、パワー半導体チップ２と外部との間で通電を行う主回路配線４と、主回路配線４の剥離を予知するために設けるダミー配線５が接続される。ダミー配線５は、主回路配線４の通電に影響を与えるものではなく、このダミー配線５が電極３から剥離しても主回路配線４の通電に支障がないような回路構成としている。
【００１８】
ここで、ダミー配線５と電極３との間の接続強度は、主回路配線４と電極３との間に接続強度よりも弱く設定されている。パワー半導体モジュールは、パワー半導体チップ２に対する通電を断続させるパワーサイクルによる温度変化によって接続部分に熱応力が発生し、接続部分の接続強度が低下する。この接続強度の低下は、パワー半導体チップの温度変化量と温度変化数に依存するため、弱い接続強度で取り付けられたダミー配線は、主回路配線よりも早い時期に電極から剥離することになる。
【００１９】
本発明のモータ駆動装置は、パワー半導体モジュールのダミー配線が電極から剥離したことを検出することによって、主回路配線が電極から剥離する前にその剥離を予知し、パワー半導体モジュールの寿命を予測する。  
図２は、主回路配線とダミー配線の接続状態を説明するための図である。図２（ａ）は電極３に主回路配線４とダミー配線５が接続された状態を示している。主回路配線４はその接続部４ａを電極３に接合させることによって接続され、また、ダミー配線５はその接続部５ａを電極３に接合させることによって接続されている。ダミー配線５の接続部５ａの接続強度は主回路配線４の接続部４ａの接続強度よりも弱いため、パワー半導体チップの断続通電のパワーサイクルにより温度変化が繰り返されると、ダミー配線５は主回路配線４よりも先に電極３から剥離する（図２（ｂ））。
【００２０】
図３は、複数本のダミー配線を設けた例である。ここで、複数本のダミー配線の接続強度を異ならせておくことによって、主回路配線の接続の寿命を段階的に予知することができる。  
図３（ａ）は、電極３に主回路配線４と２本のダミー配線５Ａ，５Ｂを接続した構成例であり、それぞれ接続部４ａ，５ａ，５ｂにより電極３に接続されている。
【００２１】
ここで、各接続部４ａ，５ａ，５ｂの接続強度は順に弱く設定され、主回路配線４の接続強度が最も強く、ダミー配線５Ａ、５Ｂの順で接続強度が弱く設定されている。パワー半導体チップの断続通電のパワーサイクルにより温度変化が繰り返されると、はじめに、最も接続強度が弱いダミー配線５Ａの接続部５ａが電極３から剥離し（図３（ｂ））、その後の温度変化により、次に接続強度が弱いダミー配線５Ｂの接続部５ｂが電極３から剥離する（図３（ｃ））。さらに、パワー半導体チップの断続通電のパワーサイクルにより温度変化が繰り返されると、主回路配線４も電極３から剥離することになる。
【００２２】
接続強度の順に配線が剥離することから、ダミー配線５Ａ，５Ｂの剥離を検知することによって、主回路配線４の接続の寿命を段階的に予知することができる。  
また、複数本のダミー配線の接続強度を同等とする構成とすることもできる。実際の接続強度や剥離現象にはばらつきがあり、ダミー配線は想定した劣化状態時に剥離するとはかぎらない。そこで、このようにダミー配線の剥離が変動したとしても、いずれかのダミー配線が剥離することを検出することによって確実に主回路配線の剥離を予知する。
【００２３】
配線を電極に接続する方法として、例えば、ワイヤボンディングや半田付けが知られている。また、ワイヤボンディングには、ワイヤ先端を溶融して作成したボールによって接合を行うボールボンディング（熱と超音波を用いたサーモソニックボンディング）と、接合ツールを使用して、直接ワイヤを接合するウエッジボンディング（超音波ボンディング）等が知られている。
【００２４】
ボールボンディングは、キャピラリ中のガイドを通って送出されたワイヤの先端をスパークで溶かしてボール形状とし、当該ボールを半導体チップ側のパッドにボンディングし、超音波エネルギーとステージからの加熱によって接合を完了させるものである。
また、ウエッジボンディングは、超音波振動子で加振されるホーンの先端にウエッジツールを取り付けた構成とし、ウエッジツールの先端でワイヤフィーダから繰り出されたワイヤをボンディング箇所に押さえ込み、この状態でウエッジツールを介してワイヤに加圧力すると共に超音波振動を印加することにより、ワイヤとボンディング箇所との間の摩擦で接合面の発熱でワイヤを塑性変形させてボンディング箇所に接続させる。
【００２５】
本発明において、ダミー配線の接続強度の調整は、配線を電極に接続する際の接続方法に応じて種々の態様で行うことができる。  
例えば、ワイヤボンディングによって配線接続を行う場合には、そのボンディング条件によりダミー配線の接続強度を調整することができる。  
ボールボンディングによる場合には、ボンディング条件として電極や配線の加熱温度、印加する超音波の印加時間、ワイヤを塑性変形させる超音波の印加パワー、ワイヤを押さえつけるキャピラリからの荷重等がある。
【００２６】
加熱温度が高い場合には、例えば、金ワイヤでは電極との相互の金の拡散結合が活発になって接合が良くなる。また、樹脂基板の場合には、基板の軟化でボンディング性が劣化するといわれている。また、接合は、熱と超音波エネルギーとの併用による拡散現象であり、超音波の印加時間が短時間では接合が不足する。また、超音波印加パワーは、超音波印加時間との相乗でワイヤの塑性変形のための超音波エネルギーとして寄与し、大きすぎるパワーはワイヤを必要以上に変形させて強度低下を招く。また、荷重が不足すると、超音波エネルギーの印加時のワイヤの押さえつけが不足し、接合不良となる（例えば、特開２０００−１８３１１７公報）。また、超音波ボンディングのボンディング条件として、超音波印加時間、超音波印加出力、荷重がある（例えば、特開平５−７４８７６号公報）。
【００２７】
このように、ワイヤボンディングによって配線接続を行う場合には、ボンディング条件である加圧力や超音波のパワーによってダミー配線の接続強度を設定することができ、ボンディング装置の電流及び／又は印加時間によりこれら加圧力や超音波のパワーを調整することができる。
【００２８】
また、主回路配線の線径とダミー配線の線径とを異ならせることにより、接続強度を異ならせてもよい。図４は配線の線径を異にするダミー配線の例を示す図である。図４は、電極３に主回路配線４とダミー配線５を接続した構成例であり、それぞれ接続部４ａ，５ａにより電極３に接続されている。ここで、ダミー配線５の線径を主回路配線４の線径と異ならせることにより接続強度を異ならせる。同一のボンディング条件で線径の異なる配線を接続した場合、その線径によって、例えば線材の塑性変形の程度が異なり、電極との接続強度に差が生じる。これによって、ダミー配線５の接続強度を主回路配線４の接続強度よりも弱く設定する。
【００２９】
また、図示していないが、接続部での配線の長さを異ならせることによって接続強度を調整するようにしてもよい。  
また、主回路配線及びダミー配線を半田付けにより電極に接続することもでき、同様に、半田付け条件を異ならせることにより接続強度を異ならせることができる。半田付け条件としては、例えば、半田付け面積又は半田付け長さとすることができる。
【００３０】
なお、パワー半導体モジュールにおいて、主回路配線とダミー配線を接続する電極は同一の電極とすることも、異なる電極とすることもできる。異なる電極とする場合には、ダミー配線は、パワー半導体モジュール内において、主回路配線と同様な温度変化となる環境の電極に接続することが望ましい。
【００３１】
次に、ダミー配線の接続状態を検出し、ダミー配線が電極から剥離したことを検知する回路構成例について図５〜図７を用いて説明する。  
図５は、検出回路の一構成例を説明するための図である。図５において、パワー半導体モジュール１には、パワー半導体チップ２の電極３に主回路配線４とダミー配線５が接続されている。
このダミー配線５の接続状態を検出する検出回路６は、抵抗６ａ及びフォトカプラ６ｂにより構成することができる。抵抗６ａの一端は電源Ｖccに接続され、他端にはダミー配線５の一方の端部が接続される。これにより、ダミー配線５が電極３に接続されている場合には、抵抗６ａの両端に所定電圧が発生する。また、ダミー配線５が電極３から剥離した場合には、抵抗６ａの両端には電圧は発生しない。フォトカプラ６ｂは、この抵抗６ａの両端電圧を検出することによって、寿命検出信号を出力する。
【００３２】
本発明のモータ駆動装置は、検出回路６から出力された寿命検出信号に基づいて報知することができる。報知は、パワー半導体モジュールの寿命が近づいている旨や、パワー半導体モジュールの交換を促す旨のメッセージとすることができ、音声、文字、画像、ランプ表示等により行うことができる。
なお、図５の構成によれば、ダミー配線５の剥離が行われる前に主回路配線４が電極３から剥離した場合にも、検出することができる。
図６，７，８は、検出回路の他の構成例を説明するための図であり、複数のダミー配線を備えた構成例である。
【００３３】
図６において、パワー半導体モジュール１には、パワー半導体チップ２の電極３に主回路配線４と二本のダミー配線５Ａ，５Ｂが接続されている。  
このダミー配線５Ａ，５Ｂの接続状態を検出する検出回路６は、抵抗６ａ及びフォトカプラ６ｂにより構成することができる。抵抗６ａの一端は電源Ｖccに接続され、他端にはダミー配線５Ｂの一方の端部が接続され、また、ダミー配線５Ａの一方の端部はフォトカプラ６ｂに接続されている。
【００３４】
これにより、ダミー配線５Ａ，５Ｂが電極３に接続されている場合には、抵抗６ａの両端に所定電圧が発生する。一方、ダミー配線５Ａが電極３から剥離した場合には、フォトカプラ６ｂは、電圧を検出することができない。また、ダミー配線５Ｂが電極３から剥離した場合には、抵抗６ａの両端には電圧は発生しない。フォトカプラ６ｂは、この抵抗６ａの両端電圧あるいは通電を検出することによって、寿命検出信号を出力する。  
また、図７において、パワー半導体モジュール１には、パワー半導体チップ２の電極３に主回路配線４と二本のダミー配線５Ａ，５Ｂが接続されている。
【００３５】
このダミー配線５Ａ，５Ｂの接続状態を検出する検出回路６は、抵抗６Ａ，６Ｂ及びフォトカプラ６ｂにより構成することができる。抵抗６Ａの一端は電源Ｖccに接続され、他端にはダミー配線５Ａの一方の端部が接続される。また、抵抗６Ｂの一端は電源Ｖccに接続され、他端にはダミー配線５Ｂの一方の端部が接続される。ダミー配線５Ａ，５Ｂが電極３に接続されている場合には、抵抗６Ａ、６Ｂの両端に所定電圧が発生する。一方、ダミー配線５Ａが電極３から剥離した場合には、抵抗６Ａの両端電圧は発生せず、また、ダミー配線５Ｂが電極３から剥離した場合には、抵抗６Ｂの両端電圧は発生しない。フォトカプラ６ｂは、この抵抗６Ａ，６Ｂの両端電圧を検出することによって、寿命検出信号を出力する。
【００３６】
なお、図８は図７中の検出回路６の詳細を説明するための回路図である。フォトカプラ６ｂは２組のフォトカプラ部を備え、それぞれ抵抗６Ａ、６Ｂの両端電圧により駆動され、各出力ＯＵＴ１，ＯＵＴ２はＯＲ回路を通して寿命検出信号出力を出力する。  
検出回路６で検出した寿命検出信号はモータ駆動装置に送り、パワー半導体モジュールの主回路配線の剥離を予知し、警告表示等を行うことができる。この警告表示により、パワー半導体モジュールの主回路配線剥離による動作不良が発生する前に、パワー半導体モジュールを交換あるいは修理することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の技術は、モータ駆動装置に限らず、パワー半導体モジュールを用いて電力の供給を受ける電力機器に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明のパワー半導体モジュールの概略を説明するための図である。
【図２】本発明の主回路配線とダミー配線の接続状態を説明するための図である。
【図３】本発明の複数本のダミー配線を設けた例である。
【図４】配線の線径を異にするダミー配線の例を示す図である。
【図５】本発明の検出回路の構成例を説明するための図である。
【図６】本発明の検出回路の他の構成例を説明するための図である。
【図７】本発明の検出回路の他の構成例を説明するための図である。
【図８】本発明の検出回路の詳細を説明するための回路図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  パワー半導体モジュール
２  パワー半導体チップ
３  電極
４  主回路配線
４ａ  接続部
５，５Ａ，５Ｂ  ダミー配線
５ａ，５ｂ  接続部
６  検出回路
６ａ，６Ａ，６Ｂ  抵抗
６ｂ  フォトカプラ
【図１】
2005286009.tif 000003
【図２】
2005286009.tif 000004
【図３】
2005286009.tif 000005
【図４】
2005286009.tif 000006
【図５】
2005286009.tif 000007
【図６】
2005286009.tif 000008
【図７】
2005286009.tif 000009
【図８】
2005286009.tif 000010