CN104380126B - 功率模块的劣化探测装置 - Google Patents

Abstract

一种探测内置有半导体芯片(100)的功率模块的劣化的装置，具备劣化探测处理部(10)，该劣化探测处理部根据检测半导体芯片(100)的温度而得到的温度信号(S1)中包含的交流信号与检测半导体芯片(100)的电力损耗而得到的电力损耗信号(S3)中包含的交流分量之间的传递特性，进行劣化探测处理，排除其他发热源的温度干扰的影响而可靠地探测功率模块的劣化度。

Description

功率模块的劣化探测装置

技术领域

本发明涉及探测集成半导体芯片来进行电力变换动作的功率模块的劣化程度的功率模块的劣化探测装置。

背景技术

交流马达的驱动用逆变器、太阳能发电用的功率调节器等各种功率模块是构成为集成半导体芯片而能够实施电力变换动作的电气组件。半导体芯片是对Si、SiC、GaN等原材料进行微加工而制作为IGBT、MOSFET等电路元件的器件，电气地通过开关动作进行电力变换动作。

关于这样的功率模块，不仅是上述半导体芯片，而且壳体、密封胶、电气布线、绝缘基板、底座也被一体化。进而，根据功率模块的种类，连栅极驱动器电路、用于防止过热、过电流的保护电路也被一体化，实现进行使用了功率模块的产品的设计、制造的用户的便利性。

功率模块处置比较大的电力，所以与电力损耗相伴的功率模块内部的温度变化明显。因此，构成功率模块的各部件根据该温度变化而伸缩，但根据各部件的材质，其伸缩的程度不同。因此，在部件之间发生大的应力，对部件导致热疲劳。

特别是，由于由热疲劳引起的断裂(破裂)的发展，半导体芯片的正下方的焊料容易发生破坏。由该半导体芯片下部的焊料的断裂所致的故障决定的功率模块寿命，被称为所谓的功率循环寿命，作为功率模块的主要的故障模式之一而被熟知。另外，此处以后，将半导体芯片下部的焊料的断裂的发展称为“劣化”。

功率模块的这样的突发的故障导致应用该功率模块的设备、装置停止，所以导致经济损失等。因此，以往进行预检查功率模块的故障或者劣化度来推测或者预测寿命的尝试(例如参照下述专利文献1)。

即，半导体芯片中发生的电力损耗变化为热而朝向下部的底座移动。热阻抗是热的移动难易的参考值，如果半导体芯片的下部的焊料的断裂发展，则焊料中的热的路径裂开而热阻抗上升。因此，相对于相同的电力损耗，温度上升越明显热阻抗越大，能够判断断裂的发展。

因此，在专利文献1的以往技术中，着眼于该现象，通过温度传感器检测半导体芯片的设置场所的温度，并且求出该半导体芯片的电力损耗，根据该电力损耗和检测出的温度上升率，求出热阻抗的上升率，从而探测功率模块的故障或者劣化。

专利文献1：日本专利第3668708号

发明内容

这样，在专利文献1记载的以往技术中，主要活用通过温度传感器得到的温度信号来探测功率模块的故障或者劣化，但实际的功率模块内部内置有多个半导体芯片，它们当然分别成为发热源。另外，从电气布线等也发生热，它们也成为发热源。因此，以多个半导体芯片、电气布线为发热源的热同时到达配置有温度传感器的温度测定部位。

因此，存在如下问题：即使以检测与某个特定的半导体芯片下部的焊料断裂的发展相伴的热阻抗的变化为目的来实施温度测定，在该测定温度中，也同时包含来自其他发热源的温度信息，由于温度干扰的影响而无法正确地计算热阻抗。

本发明是为了解决上述那样的课题而完成的，其目的在于提供一种劣化探测装置，该劣化探测装置能够排除来自以功率模块内的半导体芯片为首的其他发热组件的温度干扰的影响而按照简易的步骤可靠地探测功率模块的劣化。

本发明所涉及的功率模块的劣化探测装置，探测内置有半导体芯片的功率模块的劣化，具备劣化探测处理部，该劣化探测处理部根据检测所述半导体芯片的温度而得到的温度信号中包含的交流信号、与检测所述半导体芯片的电力损耗而得到的电力损耗信号中包含的交流分量之间的传递特性，进行劣化探测处理。

根据本发明的功率模块的劣化探测装置，通过根据温度信号的交流分量和电力损耗信号的交流分量，提取包括热阻抗等信息的半导体芯片的电力损耗-温度间的传递特性，从而能够排除来自其他发热源的温度干扰的影响，高精度地提取热阻抗信息，所以能够提高功率模块的劣化探测精度。

附图说明

图1是示出功率模块的一个例子的图，图1(A)是三相/二电平逆变器的电路图，图1(B)是示出与图1(A)的电路图对应的半导体芯片的布局的平面图。

图2是示出在图1的功率模块中包括多个半导体芯片的周边的构造的纵剖面图。

图3是本发明的实施方式1中的功率模块的劣化探测装置所具备的劣化探测处理部的块结构图。

图4是本发明的实施方式1的劣化探测装置中的功率模块的劣化探测的原理说明图。

图5是本发明的实施方式1的劣化探测装置的劣化探测动作的说明图。

图6是本发明的实施方式1的由劣化探测装置的劣化判定部实施的劣化判定处理动作的说明图。

图7是示出使用图1所示的功率模块来驱动马达等三相交流负载时的相电流、开关元件的电力损耗以及温度的各波形的图。

图8是示出使用图1所示的功率模块来驱动马达等三相交流负载时的开关元件的温度信号的频率解析结果的图。

图9是示出将图3所示的结构的劣化探测处理部安装到功率模块中时的一个例子的结构图。

图10是本发明的实施方式2的功率模块的劣化探测装置中的劣化探测的原理说明图。

图11是本发明的实施方式2的功率模块的劣化探测装置中的劣化探测的原理说明图。

图12是本发明的实施方式3中的功率模块的劣化探测装置所具备的劣化探测处理部的块结构图。

图13是示出使用图1所示的功率模块来驱动马达等三相交流负载时的电流频率、相电流、开关元件的温度以及判定用信号的各波形的图。

图14是示出本发明的实施方式3中的功率模块的劣化探测装置中的劣化探测处理部的变形例的块结构图。

图15是示出对半导体芯片连接了通电用的导线的状态的平面图。

图16是示出导线的连接部附近的温度分布的说明图。

图17是本发明的实施方式5中的由功率模块的劣化探测装置的劣化判定部实施的劣化判定处理动作的说明图。

具体实施方式

实施方式1.

图1是示出成为劣化探测对象的功率模块的一个例子的图。图1(A)示出具有三相/二电平逆变器的结构的功率模块的电路图，图1(B)示出构成图1(B)的功率模块的半导体芯片的布局的平面图。在该三相/二电平逆变器中分别使用了6个开关元件Qup～Qwn、6个电流回流用的二极管Dup～Dwn。因此，成为将由合计12个半导体芯片100构成的各元件Qup～Qwn、Dup～Dwn汇总配置于壳体116的内部的构造。

图2是示出在例如图1的功率模块中，包括开关元件Qup和二极管Dup这2个半导体芯片100在内的周边的构造的纵剖面图。

在半导体芯片100的附近，层叠有部件连接用的焊料101、102、流过电流的铜图案105、106、承担电气绝缘的绝缘基板110、用于散热、保持部件的底座112等。另外，在图2中，还一并记载了并未附属在产品化了的多个功率模块中的、与功率模块连接的散热器114和接触热阻抗降低用的润滑油113。另外，省略了引线接合等电气布线、壳体/胶等的图示。

如上所述，即使以检测与某个特定的半导体芯片下部的焊料断裂的发展相伴的热阻抗的变化为目的而实施温度测定，在该测定温度中，也同时包括来自其他发热源的温度信息。因此，由于温度干扰的影响而无法正确地计算热阻抗。

例如，在图2所示的情况下，在为了计算图中左侧的半导体芯片100(开关元件Qup)的附近的热阻抗，而用其温度传感器1检测温度的情况下，来自图中右侧的半导体芯片100(二极管Dup)的热到达，该热将被测量为半导体芯片100(开关元件Qup)的温度。因此，半导体芯片100(开关元件Qup)附近处的热阻抗、即电力损耗和与其相伴的温度变化的比的计算精度降低，劣化探测精度降低。

因此，本发明的劣化探测装置能够排除来自以功率模块内部的半导体芯片为首的其他发热组件的温度干扰的影响而按照简易的步骤可靠地探测功率模块的劣化。以下，说明该实施方式1中的具体的劣化探测装置的结构、原理以及作用效果。

图3是本发明的实施方式1中的功率模块的劣化探测装置具备的劣化探测处理部的块结构图。

该实施方式1的功率模块的劣化探测装置具备进行功率模块的劣化探测处理的劣化探测处理部10。该劣化探测处理部10具有温度检测部1、电力损耗检测部3、温度信号解析部5、电力损耗信号解析部6以及劣化判定部9。

此处，如图2所示，温度检测部1设置在成为劣化探测对象的半导体芯片100上来探测该半导体芯片100的温度，输出温度信号S1。作为该温度检测部1，能够使用热电偶、热敏电阻等温度传感器。但是，不限于温度传感器，也可以利用例如二极管以恒定电流动作时的电压降与温度成比例的关系，在半导体芯片100的制造的工艺的过程中作入二极管并连接恒定电流电路，而检测其二极管电压。此处，活用温度信号S1的交流分量，所以温度检测部1的检测响应特性越高越好。另外，此处，为便于说明，以下将这些温度检测部1简称为温度传感器。

电力损耗检测部3根据半导体芯片100中流过的电流、针对半导体芯片100的开关指令等，计算电力损耗，输出电力损耗信号S3。该电力损耗中包括开关损失、导通损失，从功率模块厂商，以针对电流的表格的形式来提供这些基本的数据的情况较多，也可以使用这些值来进行计算。另外，关于具体的计算方式，应用功率模块厂商提供的应用笔记、面向初学者的文本等中记载的公知的方法即可，在该实施方式1中，省略了详细的说明。另外，关于电力损耗，也可以测定半导体芯片100中的电压降，通过与电流信号之积来计算。

来自温度检测部1的温度信号S1被输入到温度信号解析部5，来自电力损耗检测部3的电力损耗信号S3被输入到电力损耗信号解析部6。在各解析部5、6中，计算各信号S1、S3中包含的频率分量，分别输出温度解析信号S5和电力损耗解析信号S6。劣化判定部9根据温度解析信号S5和电力损耗解析信号S6，进行功率模块的劣化判定，输出判定信号S9。

接下来，详细说明本发明的原理。

一般，在非稳定热传导现象中，在电力损耗即所发生的热流束包含交流分量的情况下，其所致的温度变化也包含同一频率。另外，根据热的扩散长度这样的指标的观点，发生如下现象：所发生的热流束的频率越高，针对热流束以规定的响应追踪而发生温度变化的区域越窄。即，如果频率恒定，则越接近热流束的流入部位(电力损耗的发生部位)，与热流束对应的温度变化越明显。另外，在离热流束的流入部位某一定的距离的场所，热流束的频率越低，与热流束对应的温度变化越明显。

作为该倾向的简单的例子，以下示出一维的非稳定热传导的情况。(1)式是非稳定热传导方程式。此处，设想了将温度设为T、将距离设为x、将时间设为t，用x≥0定义的单一材料的半无限长物体。作为边界条件，输入在x＝0的地点根据时间t变化的热流束q(t)，(2)式表示该热流束的条件。

[式1]

[式2]

如果将上述(1)式和(2)式合起来求解，则得到接下来的(3)式。此处，k是热传导率、Cp是物体的热容量、ρ是物体的密度、s是拉普拉斯变量。(3)式是表示半无限长物体的各点(距离x)处的温度的式子，为距离x和时间t的函数，但通过拉普拉斯变换，成为距离X和拉普拉斯变量s这2个变量的式子。如(3)式的右边所示，(3)式的左边提供的增益(温度变化率)，成为以热流束q为输入、以温度T为输出的传递函数。

[式3]

图4(A)是将横轴设为热流束的频率、将纵轴设为(3)式的增益的波特线图的计算结果的一个例子。如果热流束的频率相同，距离输入热流束的x＝0的地点的距离越远，增益(温度变化率)越降低。即，在将离热流束的输入地点的距离设为L1(实线)、L2(虚线)、L3(点线)(其中L1<L2<L3)时，如果热流束的频率相同，则距离越远，增益(温度变化率)越降低。另外，如果距离相同，则成为热流束的频率越高，增益越降低的结果。另外，图4(B)是将横轴设为热流束的频率、将纵轴设为温度信号S1相对于电力损耗信号S3的相位差的波特线图的计算结果的一个例子，发现与图4(A)相同的倾向。

以上是非常简单的构造中的解析，并且，热的扩散长度是针对单一的材质定义的指标，但如图2所示，即使在用多种材质构成的情况下，上述的电力损耗信号S3的频率与距离、增益(温度变化率)的关系也为同样的倾向。在本发明中，利用这一关系，计算电力损耗信号S3的交流分量与温度信号S1的交流分量之间的传递特性、即温度信号S1的交流分量相对于电力损耗信号S3的交流分量的振幅比，从而提取热阻抗信息。

在一般的功率模块中，在半导体芯片100的附近，除了该半导体芯片100以外，无明显发热的部件。因此，在着眼于上述适当的频率分量时，能够通过设置于探测对象的半导体芯片100上的温度传感器1，取得仅由探测对象的半导体芯片100的电力损耗所致的温度变化。作为其结果，能够消除功率模块内部的其他半导体芯片100之间的温度干扰的影响。相反地，来自特定的半导体芯片100的热所致的温度分量，随着从该半导体芯片100离开距离而衰减，所以可以说不会对其他半导体芯片100的温度传感器1的信息造成影响。因此，通过利用交流分量，能够消除功率模块内部的半导体芯片100之间的温度干扰的影响。因此，热阻抗的计算精度提高，能够实现高精度的劣化探测。

此处，在适合于上述热阻抗的计算的电力损耗信号S3的频率中，存在上限和下限。以下，参照图5，说明该点。

图5是将图2所示的左侧的半导体芯片100的附近的构造放大而示出的劣化探测动作的说明图。如果将散热器114的下部的温度设为周围温度Tair，则如接下来的(4)式所示，可用温度传感器1取得的温度Tsen成为各部件中的温度差之和。

[式4]

T_sen＝ΔT₁+ΔT₂+ΔT₃+ΔT₄+ΔT₅+ΔT₆+ΔT₇+ΔT₈+ΔT₉+T_air···(4)

因此，在由于与和半导体芯片100邻接的焊料101的劣化相伴的热阻抗上升而温度变化变得明显的情况下，ΔT2的变化变得明显，Tsen中包含该征兆而能够探测。电力损耗主要在最上部的半导体芯片100中发生，关于针对该电力损耗以规定的响应发生温度变化的区域，如上所述，电力损耗信号S3的频率越高，该区域越窄。即，接近作为电力损耗的发生源的半导体芯片100。在利用热阻抗的劣化探测中，需要在成为劣化探测的对象的焊料101的区域中产生与电力损耗对应的足够的大小的温度变化。

即，如图5所示，如果针对电力损耗信号S3的频率，探测到具有比适当的频率fc高的频率fa(>fc)的分量，则足够的温度变化仅驻留于半导体芯片100的内部，不在焊料101中发生。其结果，即使着眼于交流分量，也难以探测与劣化相伴的热阻抗信息的变化。因此，在适合于热阻抗的计算的电力损耗信号S3的频率中存在上限。关于该电力损耗信号S3的频率的上限，既可以通过实验求出，也可以通过基于成为劣化探测对象的半导体芯片100的附近的构造中的非稳定热传导方程式的数值解析来求出。

另一方面，如果针对电力损耗信号S3的频率，探测到具有比适当的频率fc低的频率fb(<fc)的分量，则除了半导体芯片100的附近以外，也出现某种程度的温度变化，受到功率模块内的半导体芯片100之间的温度干扰的影响。因此，在排除温度干扰的影响的方面，在适合于热阻抗的计算的电力损耗信号S3的频率中存在下限。为了设定该频率的下限，决定功率模块内部构造、半导体芯片100的布局来掌握各个配置距离，通过基于非稳定热传导方程式的数值解析、实机试验等来设定频率的下限值。

如果将该下限值设定为适当的值，则能够防止在满足温度变化的过程中的频带条件的频率分量中，包含图2所示那样的润滑油113、散热器114的热阻抗信息。一般，在功率模块中，用户实施散热器114的设计、连接、润滑油113的涂覆，但通过如上所述地对电力损耗信号S3的频率设定适当的下限，无需考虑润滑油113、散热器114的特性而能够实施劣化探测。这一点在难以事先获得或设想用户处的散热器114的设计数据的通用功率模块中特别有效。

这样，在根据电力损耗信号S3的交流分量与温度信号S1的交流分量之间的传递特性来提取热阻抗信息时，通过设定适当的频带(上限以及下限的范围)并利用其频率分量，热阻抗的计算精度提高，能够实现高精度的劣化探测。

另外，考虑劣化探测中所使用的频率的特性，如果使用多个频率分量，则能够探测图2、图5所示的与半导体芯片100邻接的焊料101以外的部件的劣化(热传导率的降低)。例如，如图5所示，在频率f1下，取得与焊料101有关的关于电力损耗信号S3和温度信号S1的热阻抗信息，并且，在频率f2下，取得与焊料101及其下方的焊料102有关的关于电力损耗信号S3和温度信号S1的热阻抗信息。在后者的热阻抗信息中同时包含2个焊料101、102的热阻抗信息，所以通过计算在频率f1下得到的热阻抗信息和在频率f2下得到的热阻抗信息的差分，还能够探测下方的焊料102的劣化。不限于此，通过利用多个频率，能够探测其他部件的劣化。

根据以上说明的发明的原理，在图3所示的温度信号解析部5以及电力损耗信号解析部6中，分别对温度信号S1和电力损耗信号S3中包含的各频率分量实施解析，作为温度解析信号S5、电力损耗解析信号S6而输出其振幅、相位信息。作为各频率分量的解析的具体的手法，能够使用傅立叶解析等公知的手法。

劣化判定部9根据温度解析信号S5和电力损耗解析信号S6，实施劣化判定，输出判定信号S9。即，取出上述的频带(上限以及下限的范围)中包含的频率分量，计算其电力损耗和温度变化的振幅比，由此，取出热阻抗信息来实施劣化判定。另外，在频带内不存在用于提取热阻抗信息的适当的频率分量的情况下，停止劣化判定处理。

作为由劣化判定部9实施的具体的劣化判定的方法，例如如图6(A)所示，针对温度解析信号S5和电力损耗解析信号S6，进行多次采样而计算两个信号S5、S6的振幅比(斜率)。如果焊料101的断裂发展而热阻抗上升，则针对电力损耗的温度上升变得明显，所以如果劣化进展，则两个信号S5、S6的振幅比(斜率)也变大。因此，在该斜率超过了某个阈值k0的情况下，判断为有劣化，输出判定信号S9。

或者，也可以如图6(B)所示，准备好预先规定了温度解析信号S5和电力损耗解析信号S6的振幅比与劣化度的关系的表格，参照表格来输出表示与振幅比对应的劣化度的判定信号S9。关于功率模块的功率循环寿命中的劣化度，一般未定义，但例如，将0[％]定义为功率模块的初始状态、将100[％]定义为完全的劣化状态。此处，完全的劣化状态是指，由于断裂而半导体芯片100下部的焊料101中的通电变得不可能的状态。通过参照图6(B)所示那样的表示劣化度的表格，例如能够与功率模块的使用历史进行比较来推测剩余的寿命，由此，进行替代组件的配备等，能够实现最终用户的便利。

关于图6(A)所示的阈值k0、图6(B)所示的表格，通过利用非稳定热传导方程式的数值解析、实机试验预先求出并保持于劣化判定部9。这样，如果以规定的绝对的判断基准进行劣化判定，则能够针对功率模块的每个半导体芯片100，实施高精度的劣化判定。

另外，在以上的说明中，计算了与热阻抗的增加相伴的相对于电力损耗的温度的振幅比的变化，但由于热时间常数也伴随热阻抗的变化而变化，所以也可以通过温度信号S1相对于电力损耗信号S3的相位差的变化来进行劣化判定。在该情况下，由于热阻抗的上升，温度信号S1相对于电力损耗信号S3的相位延迟扩大。

但是，在功率模块内部的各半导体芯片100及其周边的构造相互类似的情况下(例如具有图1所示的三相/二电平逆变器的结构的功率模块中的各开关元件Qup～Qwn那样的情况下)，也可以在劣化判定部9中，代替图6(A)所示的阈值k0等绝对的判断基准，而关于功率模块内部的各半导体芯片100计算出上述的振幅比，在半导体芯片100之间比较振幅比来实施劣化探测。

例如，如图6(C)所示，关于配置在各位置p1、p2、p3、…的各半导体芯片100，分别计算温度解析信号S5和电力损耗解析信号S6的振幅比。然后，在各半导体芯片100之间，比较振幅比，判定为处于表示大幅偏离平均值的振幅比的位置(在该例子中为p4的位置)的半导体芯片100劣化。或者，在去掉了温度解析信号S5和电力损耗解析信号S6的振幅比为最大值的振幅比之后的剩余的振幅比群中计算算术平均值和标准偏差。然后，使用这些值来求出{(最大值-平均值)/标准偏差}＝Ma，在该Ma的值超过了基准值时，判定为劣化。或者，计算振幅比群的中央值(中间值)和其平均偏差，求出{(最大值-中央值)/平均偏差}＝Mb，在该Mb的值超过基准值时判定为劣化。另外，不限于此，只要是能够得知针对各半导体芯片100的每一个求出的振幅比中的最大值的振幅比相对其他振幅比群偏离何种程度的指标，则作为具体的计算手段没有特别限定。进而，也可以如图6(D)所示，准备预先规定了上述的{(最大值-平均值)/标准偏差}＝Ma和劣化度的关系的表格，参照表格来输出表示与Ma的值对应的劣化度的判定信号S9。

如图6(C)、(D)所示，如果使用了功率模块内部的半导体芯片100之间的相对比较，则无需如图6(A)、(B)那样预先准备电力损耗与温度变化的振幅比的阈值k0、表示振幅比和劣化度的关系的表格等，劣化判定部9的设计劳力大幅降低。因此，具有如下优点：在进行多品种展开的通用功率模块中，能够容易地扩大可探测劣化的品种。

如以上说明，在该实施方式1中，通过利用电力损耗信号S3的交流分量与温度信号S1的交流分量之间的传递特性，能够排除半导体芯片100之间的温度干扰，提高劣化探测精度。另外，针对该半导体芯片100之间的温度干扰，通过检测直流分量，也能够实施排除温度干扰的处理，但需要计算各半导体芯片100之间的热传递特性，所以存在计算量变得庞大这样的缺点，并且，为了取得各半导体芯片100之间的热传递特性数据也需要劳力。另外，如果图1的半导体芯片100的布局被变更，则需要再次取得热传递特性，使用直流分量并非上策。相对于此，通过如本发明那样使用交流分量，本质上不需要用于排除温度干扰的特别的处理，能够实现劣化探测处理的大幅的简化、其准备劳力的降低。

最后，示出具体的波形的例子。

图7是使用图1所示的三相/二电平逆变器的功率模块来驱动交流马达等三相交流负载时的各相电流和电力损耗的波形的一个例子。另外，各相电流的检测部位是图1(A)的符号pd所示的部位，关于其极性的获取方法，将从三相/二电平逆变器向负载的输出设为正。电力损耗根据相电流的大小而变化。另外，根据相电流的极性而通过开关元件Qup～Qvn和二极管Dup～Dwn的电流不同，所以根据电流极性，电力损耗波形变化。

图7(B)示出作为P侧的开关元件Qup、Qvp、Qwp的各半导体芯片100的电力损耗信号S3，在图7(A)所示的相电流为正的情况下，主要产生电力损耗。因此，电力损耗信号S3中包含交流分量，特别包含与相电流的频率相同的频率分量。进而，根据该电力损耗而发生温度变化，所以如图7(C)所示，在温度信号S1中也包含相同的频率分量。

即，如果满足频带的条件，则在驱动三相交流负载等的情况下，在通常的运转状态下关于半导体芯片100得到的电力损耗信号S3和温度信号S1中都包含交流分量，能够根据它们实施劣化探测处理。因此，不需要特别的劣化探测用的运转图案，不让利用功率模块进行产品的设计/制造的用户、使用该产品的最终用户意识到就能实施劣化探测。

此处，在作为U相P侧的开关元件Qup的半导体芯片100的焊料101的部分发生劣化而产生热传导率的降低。因此，如观察图7(C)可知，温度变化变得明显，与其他相相比，平均温度上升。

图8(A)是示出针对作为P侧的开关元件Qup、Qvp、Qwp的各半导体芯片100的温度信号S1，在温度信号解析部5中进行频率解析而得到的结果的图，并且，图8(B)是图8(A)的符号pe所示的部位的扩大图。如图7所示的例子那样，如果在作为U相P侧的开关元件Qup的半导体芯片100的焊料101的部分发生劣化而产生了热传导率的降低，则从图8(B)可知，根据电力损耗作为温度解析信号S5而得到的交流分量的振幅也增加，所以能够实施劣化探测。

另外，虽然有半导体芯片100的开关图案的影响，但大致如图7所示，发生与半导体芯片100中流过的相电流对应的电力损耗，所以也可以代替使用电力损耗信号S3而检测相电流，并使用该检测信号。在该情况下，不需要电力损耗的计算，能够实现处理量的降低。

另外，关于图7(B)所示的电力损耗的波形，开关元件Qup、Qvp、Qwp和电流回流用的二极管Dup、Dvp、Dwp的各半导体芯片100的电力损耗波形都根据电流极性而发生变化，所以不会成为正弦波状，如图8(A)所示，主要针对相电流的频率f0而包含2倍的频率2·f0的高次谐波分量。因此，如果该高次谐波分量满足上述频带的条件，则也可以使用与该高次谐波分量相同的频率分量来进行劣化探测。在驱动交流马达等三相交流负载的情况下，在速度可变的情况下，相电流的频率f0也变化。即使低速运转时等相电流的频率f0不满足劣化探测条件，有时也能够使用该高次谐波分量来实施劣化探测，能够放宽劣化探测中的制约条件。

图9示出将图3所示的劣化探测处理部10安装到功率模块时的一个例子。

该功率模块200包括包含多个半导体芯片100的逆变器201的部分、和安装了劣化探测处理部10的逻辑IC202的部分。另外，设置了劣化判定部9的输出端子A。用未图示的温度检测器检测半导体芯片100的温度，输入到逻辑IC202内的温度检测部1。另外，用未图示的电流检测器检测功率模块200的UVW各相的输出电流，逻辑IC202内的电力损耗检测部3使用输入到上述逆变器201的栅极信号信息来检测电力损耗。由此，能够在功率模块200中进行劣化判定。另外，在图9所示的例子中，逻辑IC202为内置在功率模块200中的结构，但不限于此，也可以为连接到功率模块200的外部来进行劣化判定的结构。

实施方式2.

在实施方式1中，在半导体芯片100上设置了劣化探测用的温度传感器1，但不限于必须始终设置于半导体芯片100上的情况，还有时如图2的虚线所示，需要与成为劣化探测对象的例如左侧的半导体芯片100邻接地设置温度传感器1。

即使在这样的情况下，为了防止受到来自其他半导体芯片100的温度干扰，当然需要在成为劣化探测对象的半导体芯片100的极附近设置温度传感器1，进而，如果能够如下述那样，则能够实施劣化探测。使用图10以及图11而对这一情况进行说明。

图10是图2的左侧的成为劣化探测对象的半导体芯片100附近处的解析结果的波特线图，以基于电力损耗的热流束为输入，以半导体芯片100与焊料102之间的温度变化的和(图5的ΔT1～ΔT6的和)为输出。与图4的情况同样地，在图10(A)中，将横轴设为热流束的频率，将纵轴设为(3)式的增益，并且，在图10(B)中，将横轴设为热流束的频率，将纵轴设为温度信号S1相对于电力损耗信号S3的相位差。另外，图11是同样地以基于电力损耗的热流束为输入，以焊料102下部与底座112之间的边界面中的热流束为输出的图。与图4的情况同样地，在图11(A)中，将横轴设为热流束的频率，将纵轴设为增益，并且，在图11(B)中，将横轴设为热流束的频率，将纵轴设为温度信号S1相对于电力损耗信号S3的相位差。另外，在图10、图11中，实线所示的曲线都表示焊料102无劣化的情况，虚线所示的曲线都表示焊料102有劣化的情况。

根据图10(A)可知，由于焊料101的劣化，热传导率降低而温度变化增大，其结果，增益上升。另外，在图11(A)中，能够确认由于热传导率的降低，难以传递热而增益降低的现象。因此，设置在半导体芯片100的极附近的温度传感器1观测根据经由图11的特性的传递特性的电力损耗产生的温度变化。因此，关于可用温度传感器1测定的温度的交流分量的振幅，与无劣化的情况相比，该振幅变小。如果利用这一点，则能够与实施方式1同样地实施功率模块的劣化探测。

但是，与实施方式1的情况不同，伴随劣化，温度上升并不明显，相反地减少，所以需要对此采取措施。例如，在实施方式1中，如图6所示，在温度变化相对于电力损耗的交流分量的振幅比成为规定值以上的情况下，判定为劣化，但在该实施方式2中，振幅比是规定值以下而判定为劣化。

如以上那样，在该实施方式2中，即使在由于绝缘等的制约而无法在半导体芯片100上设置温度传感器1的情况下，也能够利用着眼于交流分量的劣化探测的原理，能够实现高精度的劣化探测。

实施方式3.

图12是本发明的实施方式3中的功率模块的劣化探测装置所具备的劣化探测处理部的块结构图。

在实施方式1中，说明了使用傅立叶解析等公知手法取出电力损耗信号S3和与其相伴的温度信号S1的交流分量，并使用两者的振幅比来实施劣化探测的情况。在该实施方式3中，功率模块的劣化探测的原理也与实施方式1的说明本质上相同。但是，将此时的成为傅立叶解析的基准的基底信号设为功率模块的负载电流。另外，在该实施方式3的情况下，适合于联机、即功率模块的通常使用状态下的劣化探测、特别是驱动交流马达等三相交流负载的功率模块的运转条件根据时间而变化时的劣化探测。

在图12中，11是电流检测部，如图1(A)所示，设置于交流马达的驱动用逆变器的输出侧的位置pd。而且，电流检测部11检测对交流马达供给的三相电流(Iu、Iv、Iw)，输出为电流信号S11。坐标变换部13对该电流信号S11实施接下来的(5)式的计算，输出相位相互错开了90度的2相的电流信号Iα、Iβ。

[式5]

带通滤波器14被设定为电流信号Iα、Iβ的通过频带包含于如实施方式1说明的那样的适合于劣化探测的频带，通过了带通滤波器14的电流信号Iα、Iβ被用作用于求出傅立叶解析的傅立叶系数的基底信号。然后，该基底信号Iα、Iβ被提供给后述的各判定用信号计算部16。

另外，通过该带通滤波器14的动作去除了不适合于劣化探测的频率分量，但在不存在适合于劣化探测的频率分量的情况下，带通滤波器14的输出信号Iα、Iβ成为零，后述的与振幅比相当的信号计算自动地停止。因此，能够省略探测并掌握电流、温度中包含的频率的处理。

判定用信号计算部16输入由温度传感器(温度检测部)1检测到的温度信号S1来计算判定用信号S25。该判定用信号计算部16与希望进行劣化探测的部位、即温度传感器1的设置部位个别地对应地设置，具备带通滤波器15、乘法器19、20、积分器21、22以及范数计算部25。

带通滤波器15具有与针对上述电流信号的带通滤波器14相同的通频带，针对温度信号S1限制频带而输出。另外，通过去除直流分量，能够防止作为后级的积分器21、22的输出的积分信号S21、S22的振动，具有提高后级的劣化判定处理动作的精度的作用。

傅立叶解析中的傅立叶系数是通过对对象信号乘以基底信号并在规定的期间内实施积分而得到的。因此，此处，通过乘法器19、20对温度信号S1分别乘以基底信号Iα、Iβ。然后，利用下级的积分器21、22对乘法运算后的信号S17、S18进行积分而输出为积分信号S21、S22。

接下来，范数计算部25以积分信号S21、S21为输入，而进行范数计算。具体而言，实施接下来的(6)式的计算。该(6)式的运算结果相当于傅立叶系数的振幅，将其作为判定用信号S25输出到下级的劣化判定部9。另外，在(6)式中，符号Sig₂₃对应于积分信号S21，Sig₂₄对应于积分信号S22，Sig₂₆对应于从范数计算部25输出的判定用信号S25。

[式6]

随着温度信号S1中包含的交流分量的振幅变大，按照以上的步骤得到的判定用信号S25变大。如实施方式1中说明的那样，如果焊料101劣化则热传导率降低，所以温度信号S1的交流分量相对于相同的电力损耗，其振幅增大。因此，关于判定用信号S25，如果存在焊料劣化，则相比于不存在焊料劣化的健全的部位的判定用信号S25变大，能够实施劣化探测。

作为具体的劣化判定部9的动作，能够通过关于实施方式1的图6(C)而说明了的功率模块内的半导体芯片100彼此间的信号比较来实施。在该情况下，将在图6(C)中作为纵轴的温度解析信号S5与电力损耗解析信号S6的振幅比(S5/S6)置换为判定用信号S25的大小即可。

在图13中，分别对比地示出交流马达的加速/减速时的电流频率(图13(A))、此时的U相、V相、W相的各相电流波形(图13(B))、作为P侧的开关元件Qup、Qvp、Qwp的各半导体芯片100的温度波形(图13(C))、以及从各判定用信号计算部16输出的与各相对应的判定用信号S25的计算结果(图13(D))。另外，此处，示出在U相的开关元件Qup的下部的焊料101处产生劣化而发生了热传导率的降低的状态。

交流马达的电流频率与马达速度成比例，所以根据交流马达的加减速，频率也发生变化。在图13(D)中，在符号T1所示的区间中，相电流小，温度变化也小，所以判定用信号S25几乎不变化。另外，在符号T2所示的区间中，相电流成为直流，通过带通滤波器15，温度信号S1、基底信号Iα、Iβ被阻止，所以判定用信号S25几乎不变化。在其他区间中，判定用信号S25根据U/V/W相的各相电流而增加。

如上所述，在此处U相的开关元件Qup的下部的焊料101处产生劣化而发生热传导率的降低，所以其结果，如图13(D)所示，U相中的判定用信号S25与V/W相相比收敛于更大的值，能够实施劣化探测。

如以上那样，在该实施方式3中，也省略不适合于劣化探测的条件而根据判定用信号S25在劣化判定部9中得到判定信号S9，所以即使对电流的大小、频率随着时间而变化的交流马达进行驱动那样的情况下，也能够实施功率模块的劣化探测。通过该实施方式3的特征，不仅是离线，而且即便是联机，也能够无特别问题地实施功率模块的劣化探测。

另外，虽然是判定用信号计算部17的积分器21、22的积分区间，但取足够长的期间。例如如图13所示，在电流的大小、频率发生变化的情况下，根据电流的相位、运转图案，判定用信号S25的大小有时瞬间地更换。即，有时半导体芯片100的下部的无焊料劣化的部位的判定用信号S25的振幅大于有焊料劣化的部位的判定用信号S25的振幅。因此，通过延长积分区间，能够消除这样的误差，能够实现高精度的劣化探测。例如，在如图13(A)所示，重复梯形波状的运转图案的情况下，设为该梯形波至少重复十～几十周期以上的区间。这样，通过尽可能延长积分区间，能够提高劣化探测精度。

另外，在图12所示的结构中，由个别地配置在希望进行劣化探测的部位的温度传感器(温度检测部)1检测到的温度信号S1被输入到判定用信号计算部16，但不限于这样的结构，例如，也可以如图14所示地构成为将输入温度信号S1的判定用信号计算部16、和输入电力损耗信号S3的判定用信号计算部17都个别地对应配置在希望进行劣化探测的部位。在该情况下，判定用信号计算部17是与输入温度信号S1的判定用信号计算部16相同的结构。

在图14所示的结构的情况下，如果由于焊料劣化而发生了热传导率降低，则针对电力损耗的温度变化增加。因此，在劣化判定部9中，通过比较在判定用信号计算部16中根据温度信号S1得到的判定用信号S25、和在判定用信号计算部17中根据电力损耗信号S3得到的判定用信号S26之比，能够实施劣化探测。

作为具体的劣化判定部9的动作，与关于实施方式1的图6(A)说明过的计算温度解析信号S5的振幅(纵轴)和电力损耗解析信号S6的振幅(横轴)之比(斜率)来进行劣化判定的情况同样地，以在判定用信号计算部16中根据温度信号S1得到的判定用信号S25为纵轴，以在判定用信号计算部17中根据电力损耗信号S3得到的判定用信号S26为横轴，计算两者S25、S26之比(斜率)，在其斜率超过某个阈值的情况下，判断为有劣化，输出判定信号S9。

实施方式4.

在上述实施方式1～3中，以与半导体芯片100有关的电力损耗信号S3和温度信号S1中包括适合于功率模块的劣化探测的频率分量为前提。但是，不限于此，也可以设置对半导体芯片100的开关指令的生成中所使用的载波频率重叠规定频带的频率分量的载波频率校正部，由此通过控制功率模块的载波频率，使电力损耗信号S3包含适合于劣化探测的目的的频率分量。

通常，载波频率是恒定值，但如以下的(7)式所示，通过重叠交流分量而开关损失增减，能够使半导体芯片100的电力损耗信号S3中包含规定的频率分量。

[式7]

fc＝fc_{_const}+f_Amp·COS(f_d·2π·t)···(7)

此处，fc是载波频率，fc_{_const}是成为基准的恒定载波频率，f_Amp是载波频率的增减的大小，f_d是适合于作为目的的劣化探测的频率。

在太阳能发电的功率调节器等以与电源系统同步的恒定的频率动作的功率模块中，电流的频率也以与电源系统相同的值成为恒定。在该频率是不适合于劣化探测的频率的情况下，虽然无法实施劣化探测，但通过如上述的步骤那样使开关损失增减，能够使之包含适合于半导体芯片100的电力损耗的劣化探测的频率分量，所以能够实现劣化探测处理。

实施方式5.

在上述各实施方式1～4中，以作为功率模块的劣化探测对象而探测半导体芯片100的下部的焊料劣化为目的。但是，根据实施方式1中说明的本发明的原理，不限于仅将焊料劣化作为探测对象的情况，只要是温度变化相对于电流或者电力损耗的比例发生变化的故障模式，都能够探测有无故障而不会受到半导体芯片100之间的温度干扰的影响。作为其一个例子，在该实施方式5中，说明探测成为向半导体芯片100的电气布线的引线接合的连接不良的情况。

图15是半导体芯片的平面图，作为一个例子，对半导体芯片100连接有3根导线118。此处，将各导线118的各连接部(接合部)设为P1、P2、P3。另外，此处，设为在中央的导线118的连接部P2的附近设置有温度传感器1。

如实施方式1所叙述的那样，由于温度变化，在焊料中发生应力而劣化。在引线接合中，如果焊料劣化这样地发展，则最终导线118将从半导体芯片100脱落。

此处，设为半导体芯片100的电流通过该3根导线118均匀地流过。在各导线118的各连接部P1、P2、P3中未发生焊料劣化的情况下，如图16(A)所示，关于由3根导线118供给的电流，越接近导线118的各连接部P1、P2、P3，电流密度越高，所以产生如下的温度分布：由于与电流相伴的电力损耗，发热变得明显，越远离各连接部P1、P2、P3，温度越逐渐降低。

此处，例如在图15中，如果左侧的导线118的连接部P1由于焊料劣化而从半导体芯片100脱落，则电流流入剩余的导线118，剩余的每1根导线118的电流增加。因此，如图16(B)所示，相对向半导体芯片100的同一电流，由温度传感器1检测的温度变化变得明显。另外，在图15中，如果温度传感器1附近的中央的导线118的连接部P2由于焊料劣化而从半导体芯片100脱落，则该连接部P2的发热消失，所以如图16(C)所示，由温度传感器1检测的温度变化相反地变小。

这样，即使在导线118的连接部P1、P2、P3由于焊料劣化而产生了连接不良的情况下，由于在温度分布中产生变化，所以也能够通过与在实施方式1等中说明过的步骤同样的步骤，探测其故障。

例如，如果图15的左侧的导线118的连接部P1由于焊料劣化而从半导体芯片100脱落，则如图16(B)所示，由温度传感器1检测的温度变化变得明显。因此，如图17(A)所示，针对温度解析信号S5和电力损耗解析信号S6，进行多次采样来计算两个信号S5、S6的振幅比(斜率)，在该斜率超过某个阈值k1的情况下，判断为产生了导线118的连接部P1从半导体芯片100脱落的故障。或者，如图17(C)所示，针对模块内部的各半导体芯片100求出温度解析信号S5与电力损耗解析信号S6的振幅比，计算除了该振幅比的最大值和最小值以外的平均值，在振幅比的最大值大幅高于平均值的情况下，判断为在与该振幅比的最大值相应的部位，产生了导线118的连接部P1从半导体芯片100脱离的故障。

另外，如果图15的中央的导线118的连接部P2由于焊料劣化从半导体芯片100脱落，则如图16(C)所示，由温度传感器1检测的温度变化降低。因此，如图17(A)所示，在温度解析信号S5与电力损耗解析信号S6的振幅比(斜率)低于了某个阈值k2(<k1)的情况下，判断为产生了导线118的连接部P2从半导体芯片100脱落的故障。或者，如图17(C)所示，针对模块内部的各半导体芯片100求出温度解析信号S5与电力损耗解析信号S6的振幅比，计算除了最大值和最小值以外的平均值，在振幅比的最小值大幅低于平均值的情况下，判断为在与该振幅比的最小值相应的部位，产生了导线118的连接部P2从半导体芯片100脱落的故障。

另外，如图17(B)所示，准备好预先规定了温度解析信号S5和电力损耗解析信号S6的振幅比与劣化度的关系的表格，能够参照该表格来判定与振幅比对应的劣化度。另外，如图17(D)所示，通过除了温度解析信号S5与电力损耗解析信号S6的振幅比为最大值的振幅比以外的剩余的振幅比群，计算算术平均值和标准偏差，使用这些值求出{(最大值-平均值)/标准偏差}＝Ma，准备好预先规定了该Ma的值和劣化度的关系的表格。于是，在参照该表格来判定与Ma的值对应的劣化度的情况下，也能够同样地探测导线118的连接部P1、P2、P3的焊料劣化所致的连接不良。另外，通过与实施方式1的图6比较可知，该实施方式5的劣化探测的判断方法还能够应用于探测半导体芯片100的下部的焊料劣化的情况。

如以上那样，在该实施方式5中，不仅能够探测半导体芯片100的下部的焊料劣化，而且还能够探测半导体芯片100的引线接合的不良(导线脱离)，能够实现准确度更高的功率模块的劣化探测。

另外，本发明不仅限于上述的各实施方式1～5的结构，能够在不脱离本发明的要旨的范围内组合各实施方式1～5、或者对各实施方式1～5的结构施加适当的变形或者省略。

Claims (6)

1.一种功率模块的劣化探测装置，探测内置有半导体芯片的功率模块的劣化，

具备劣化探测处理部，该劣化探测处理部根据检测所述半导体芯片的温度而得到的温度信号中包含的特定的频带的交流分量与检测所述半导体芯片的电力损耗而得到的电力损耗信号中包含的特定的频带的交流分量之间的传递特性，进行劣化探测处理。

2.根据权利要求1所述的功率模块的劣化探测装置，其特征在于，

所述劣化探测处理部具备：

温度检测部，检测所述半导体芯片的温度，输出温度信号；

电力损耗检测部，检测所述半导体芯片的电力损耗，输出电力损耗信号；

温度信号解析部，解析所述温度信号中包含的各交流信号的频率分量；

电力损耗信号解析部，解析所述电力损耗信号中包含的各交流信号的频率分量；以及

劣化判定部，根据由所述温度信号解析部和所述电力损耗信号解析部解析出的所述温度信号和所述电力损耗信号的各交流信号的频率分量，判定所述功率模块的劣化。

3.根据权利要求1所述的功率模块的劣化探测装置，其特征在于，

所述劣化探测处理部具备：

温度检测部，检测所述半导体芯片的温度，输出温度信号；

电流检测部，检测所述半导体芯片中流过的电流，输出电流信号；

判定用信号计算部，将由所述电流检测部检测到的电流信号用作成为傅立叶解析的基准的基底信号，求出由所述温度检测部得到的所述温度信号中包含的各交流信号的傅立叶系数的大小，并将其作为判定用信号而输出；以及

劣化判定部，根据由所述判定用信号计算部得到的判定用信号，判定所述功率模块的劣化。

4.根据权利要求2所述的功率模块的劣化探测装置，其特征在于，

设置有载波频率校正部，该载波频率校正部对在向所述半导体芯片的开关指令的生成中所使用的载波频率，重叠所述特定的频带的交流分量。

5.根据权利要求2至4中任意一项所述的功率模块的劣化探测装置，其特征在于，

所述劣化判定部通过将所述温度信号中包含的交流分量和所述电力损耗信号中包含的交流分量之间的传递特性与基准值进行比较来进行劣化判定。

6.根据权利要求2至4中任意一项所述的功率模块的劣化探测装置，其特征在于，

在所述功率模块内置有多个所述半导体芯片的情况下，所述劣化判定部针对每个所述半导体芯片，求出所述温度信号中包含的交流分量和所述电力损耗信号中包含的交流分量之间的传递特性，在各半导体芯片之间比较所述传递特性，从而进行劣化判定。