DE112013007670B4 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

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Abstract

Halbleitervorrichtung, aufweisend:eine Basisplatte (16);ein isolierendes Substrat (29), das auf der Basisplatte (16) angebracht ist;ein Leistungsschaltelement (21), das mit einer Lötmittelschicht (31) mit dem isolierenden Substrat (29) verbunden ist;wobei die Basisplatte (16), das isolierende Substrat (29) und das Leistungsschaltelement (21) ein Modul bilden; undein Steuersubstrat (CS), das über dem Modul angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dassdas Steuersubstrat (CS) eine Schaltung (90) für eine variable Gate-Spannung aufweist, die eine Kollektor-Emitter-Spannung des Leistungsschaltelements (21) misst und eine Gate-Spannung so ändert, dass das Leistungsschaltelement (21) mit einer gegebenen Sollleistung versorgt wird, die durch ein Produkt der Kollektor-Emitter-Spannung und eines Kollektorstroms bestimmt wird,wobei die Schaltung (90) für die variable Gate-Spannung die Gate-Spannung so anpasst, dass eine Leistung zum Schmelzen der Lötmittelschicht (31) als die gegebene Sollleistung bereitgestellt wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung und insbesondere auf eine Halbleitervorrichtung, die in einer Leistungsausrüstung verwendet wird.
  • Stand der Technik
  • Konventionelle Halbleitervorrichtungen, die in einer Leistungsausrüstung verwendet werden, sind dafür bekannt, dass Lötmittelrisse auftreten, weil Wärme, die generiert wird, wenn ein Strom durch die Leistungshalbleiterelemente fließt, als eine thermische Belastung an den Leistungshalbleiterelementen ausgeübt wird, und somit wird eine Belastung auf Lötmittelbereiche ausgeübt, die auf unteren Oberflächen der Leistungshalbleiterelemente vorgesehen sind.
  • Ein Ausbreiten der Lötmittelrisse erhöht einen Wärmewiderstand der Leistungshalbleiterelemente, der ein Limit für eine Wärmebeständigkeit überschreitet, was möglicherweise zu einer Zerstörung der Leistungshalbleiterelemente führt.
  • Das Patentdokument 1 offenbart das Folgende. Eine Wärmebeständigkeit eines Leistungshalbleiterelements während einer Ein-/Aus-Steuerung wird durch eine Berechnung erhalten, die Produkt-Lebensdauer des Leistungshalbleiterelements wird basierend auf der erhaltenen Wärmebeständigkeit bestimmt, und ein Kollektorstromwert wird so gesteuert, dass er nach Bedarf begrenzt wird.
  • Dokumente des Stands der Technik
  • Patentliteratur
  • Patentdokument 1: Offengelegte, japanische Patentanmeldung JP 2003- 9 541 A Die US 2013 / 0 082 283 A1 offenbart eine Halbleitervorrichtung, welche eine Basisplatte, ein Leistungsschaltelement und ein Steuersubstrat aufweist. Ferner offenbart die US2008/0094037A1 eine Schaltung zur Regelung einer Verlustleistung.
  • Die US 2003 / 0 155 899 A1 offenbart eine Schaltung, welche dazu geeignet ist, Leistungselemente vor einer Überhitzung zu schützen. Aus der US 5 721 455 A ist eine Halbleitervorrichtung bekannt, welche eine Schaltung umfasst, durch welche ein thermischer Widerstand der Halbleitervorrichtung überwacht werden kann. Die JP 2007 - 40 817 A offenbart eine Vorrichtung, die dazu geeignet ist, Anomalien in Halbleitervorrichtungen zu detektieren und thermische Ermüdungen in Lötschichten zu detektieren. Die JP 2008 - 147 683 A offenbart eine Halbleitervorrichtung, welche dazu geeignet ist, Brüche in Lötschichten zu detektieren. Die US 2003 / 0 076 232 A1 offenbart ein Fehlerdetektionssystem, durch welches eine Temperaturüberwachung einer Halbleitervorrichtung ausgeführt wird. Die US 2009 / 0 046 405 A1 offenbart eine Vorrichtung, welche einen thermischen Widerstand eines Halbleiterchips errechnet. Die DE 10 2005 008 346 A1 offenbart eine Halbleitervorrichtung, bei der mehrere thermische Sensoren auf einem Halbleiterelement angeordnet sind.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Durch die Erfindung zu lösende Probleme
  • In dem vorstehend beschriebenen Patentdokument 1 wird durch Bestimmen der Lebensdauer des Leistungshalbleiterelements und Begrenzen des Kollektorstromwerts verhindert, dass das Leistungshalbleiterelement unbrauchbar wird, was die Leistungsfähigkeit der Halbleitervorrichtung einschränkt.
  • Die vorliegende Erfindung ist angesichts der vorstehend genannten Probleme entwickelt worden, und eine Aufgabe davon ist, eine Halbleitervorrichtung zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, kontinuierlich ohne eine Einschränkung der Leistungsfähigkeit der Halbleitervorrichtung selbst in einem Fall verwendet zu werden, in welchem Lötmittelrisse in einer Lötmittelschicht auftreten, die eine untere Oberfläche eines Leistungshalbleiterelements ist.
  • Mittel zum Lösen der Probleme
  • Eine Halbleitervorrichtung weist auf: eine Basisplatte; ein isolierendes Substrat, das auf der Basisplatte angebracht ist; ein Leistungsschaltelement, das mit einer Lötmittelschicht mit dem isolierenden Substrat verbunden ist; und die Basisplatte, das isolierende Substrat und das Leistungsschaltelement bilden ein Modul, wobei ein Steuersubstrat über dem Modul angeordnet ist. Das Steuersubstrat weist eine Schaltung für eine variable Gate-Spannung auf, die eine Kollektor-Emitter-Spannung des Leistungsschaltelements misst und eine Gate-Spannung so ändert, dass das Leistungsschaltelement mit einer vorgegebenen Sollleistung versorgt wird, die durch ein Produkt der Kollektor-Emitter-Spannung und eines Kollektorstroms bestimmt wird. Dabei passt die Schaltung für die variable Gate-Spannung die Gate-Spannung so an, dass eine Leistung zum Schmelzen der Lötmittelschicht als die gegebene Sollleistung bereitgestellt wird.
  • Wirkungen der Erfindung
  • In der vorstehenden Halbleitervorrichtung weist das Steuersubstrat die Schaltung für eine variable Gate-Spannung auf, sodass ein Verändern der Gate-Spannung einen Umfang an Leistung, die an das Leistungsschaltelement angelegt wird, ändert, und ein Steuern eines Erwärmungswerts des Leistungsschaltelements kann eine Temperatur des Leistungsschaltelements steuern. Somit erzeugt das Leistungsschaltelement, zum Beispiel in einem Fall, in welchem Risse in der Lötmittelschicht unter dem Leistungsschaltelement auftreten, Wärme, welche die Lötmittelschicht schmilzt, um dadurch die Risse selbst zu reparieren.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Anordnung einer Halbleitervorrichtung in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • 2 ist eine schematische Darstellung, die aus dem Stand der Technik bekannte statische Eigenschaften eines Leistungshalbleiterelements zeigt.
    • 3 ist eine Querschnittsansicht zum Beschreiben von Selbstreparatur-Abläufen für Lötmittelrisse.
    • 4 ist eine Querschnittsansicht zum Beschreiben der Selbstreparatur-Abläufe für die Lötmittelrisse.
    • 5 ist eine schematische Darstellung zum Beschreiben einer Anordnung einer Schaltung für eine variable Gate-Spannung in der ersten Ausführungsform.
    • 6 ist ein Flussdiagramm zum Beschreiben eines Lötmittelschmelzprozesses in der ersten Ausführungsform.
    • 7 ist eine Querschnittsansicht, die eine Anordnung einer Halbleitervorrichtung in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • 8 ist eine schematische Darstellung zum Beschreiben einer Anordnung einer Schaltung für eine variable Gate-Spannung in der zweiten Ausführungsform.
    • 9 ist eine schematische Darstellung, die aus dem Stand der Technik bekannte statische Eigenschaften einer Kollektor-Emitter-Spannung im Verhältnis zu einer Temperaturänderung zeigt.
    • 10 ist eine schematische Darstellung, die ein Zeitdiagramm einer Anpassung an eine Gate-Spannung zeigt.
    • 11 ist eine schematische Darstellung, die aus dem Stand der Technik bekannte Verhältnisse zwischen Kollektor-Emitter-Spannungen und Temperaturen eines Leistungshalbleiterelements zeigt.
    • 12 ist ein Flussdiagramm zum Beschreiben eines Schmelzprozesses in der zweiten Ausführungsform.
    • 13 ist eine schematische Darstellung, die aus dem Stand der Technik bekannte Eigenschaften einer Gate-Emitter-Spannung im Verhältnis zu einer Temperaturänderung zeigt.
    • 14 ist eine schematische Darstellung, die ein Zeitdiagramm einer Anpassung an eine Gate-Spannung zeigt.
    • 15 ist eine schematische Darstellung, die aus dem Stand der Technik bekannte Verhältnisse zwischen Gate-Emitter-Spannungen und Temperaturen eines Leistungshalbleiterelements zeigt
    • 16 ist eine schematische Darstellung, die eine Anordnung zeigt, in welcher Temperaturerfassungsdioden in vier Ecken einer oberen Oberfläche des Leistungshalbleiterelements vorgesehen sind.
    • 17 ist eine schematische Darstellung zum Beschreiben einer Anordnung einer Schaltung für eine variable Gate-Spannung in einer dritten Ausführungsform.
    • 18 ist eine Querschnittsansicht, die eine Anordnung einer Halbleitervorrichtung in einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • 19 ist eine Draufsicht, welche die Anordnung der Halbleitervorrichtung in der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • 20 ist eine Querschnittsansicht, die eine Anordnung einer Halbleitervorrichtung in einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • 21 ist eine Draufsicht, welche die Anordnung der Halbleitervorrichtung in der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • 22 ist eine Querschnittsansicht, welche die Anordnung der Halbleitervorrichtung in der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Erste Ausführungsform
  • Vorrichtungsanordnung
  • Eine erste Ausführungsform für eine Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 1 bis 6 beschrieben. 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Anordnung einer Halbleitervorrichtung 100 in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In 1 ist ein isolierendes Substrat 29 mit einer Hauptoberfläche einer Basisplatte 16 verbunden, die aus einem Kupfer- (Cu-) Material, einem Aluminium- (Al-) Material oder einem Legierungsmaterial, das Cu als Hauptkomponente enthält, ausgebildet ist.
  • Das isolierende Substrat 29 weist Aluminiumnitrid (AIN) oder Siliziumnitrid (SiN) als ein isolierendes Basismaterial 26 auf, und eine leitfähige Platte 27, die zum Beispiel aus Cu besteht, ist auf einer unteren Hauptoberfläche des isolierenden Basismaterials 26, nämlich einer Hauptoberfläche davon, die der Basisplatte 16 gegenüberliegt, angeordnet.
  • Eine leitfähige Platte 28, die zum Beispiel aus Cu besteht, ist auf einer oberen Hauptoberfläche des isolierenden Basismaterials 26, nämlich einer Hauptoberfläche gegenüber der unteren Hauptoberfläche davon, angeordnet. Die leitfähigen Platten 27, 28 sind mit dem isolierenden Basismaterial 26 verbunden.
  • Das isolierende Substrat 29 ist mit einer unter dem isolierenden Substrat liegenden Lötmittelschicht 30 dazwischen mit einem leitfähigen Muster M42 verbunden, das auf der Basisplatte 16 angeordnet ist. Genauer ist ein leitfähiges Muster M41, das auf der unteren Hauptoberfläche der leitfähigen Platte 27 angeordnet ist, mit der unter dem Substrat liegenden Lötmittelschicht 30 dazwischen mit dem leitfähigen Muster M42 verbunden, um dadurch das isolierende Substrat 29 an der Basisplatte 16 zu fixieren.
  • Ein Leistungshalbleiterelement 21 und ein Leistungshalbleiterelement 22 sind jeweils mit einer unter dem Halbleiterelement liegenden Lötmittelschicht 31 und einer unter dem Halbleiterelement liegenden Lötmittelschicht 41 dazwischen mit der leitfähigen Platte 28 verbunden. Genauer ist ein leitfähiges Muster M2, das auf einer oberen Hauptoberfläche der leitfähigen Platte 28 angeordnet ist, mit der unter dem Halbleiterelement liegenden Lötmittelschicht 31 dazwischen mit einem leitfähigen Muster M1 verbunden, das auf einer unteren Hauptoberfläche des Leistungshalbleiterelements 21 angeordnet ist, während ein leitfähiges Muster M12, das auf der oberen Hauptoberfläche der leitfähigen Platte 28 angeordnet ist, mit der unter dem Halbleiterelement liegenden Lötmittelschicht 41 dazwischen mit einem leitfähigen Muster M11 verbunden ist, das auf einer unteren Hauptoberfläche des Leistungshalbleiterelements 22 angeordnet ist.
  • Ein isolierendes Substrat 53, das getrennt von dem isolierenden Substrat 29 vorgesehen ist, ist mit der Hauptoberfläche der Basisplatte 16 verbunden.
  • Das isolierende Substrat 53 weist AIN oder SiN als ein keramisches Basismaterial 52 auf, und eine leitfähige Platte 51, die zum Beispiel aus Cu besteht, ist auf einer unteren Hauptoberfläche des keramischen Basismaterials 52, nämlich einer Hauptoberfläche davon, die der Basisplatte 16 gegenüberliegt, angeordnet.
  • Ein Steueranschluss 33 ist auf einer oberen Hauptoberfläche des keramischen Basismaterials 52, nämlich einer Hauptoberfläche gegenüber der unteren Hauptoberfläche davon angeordnet. Hierbei sind die leitfähige Platte 51 und der Steueranschluss 33 mit dem keramischen Basismaterial 52 verbunden.
  • Das isolierende Substrat 53 ist mit einem leitfähigen Muster M32 verbunden, das mit einer unter dem isolierenden Substrat liegenden Lötmittelschicht 50 dazwischen auf der Basisplatte 16 angeordnet ist. Genauer ist ein leitfähiges Muster M31, das auf einer unteren Hauptoberfläche der leitfähigen Platte 51 angeordnet ist, mit der unter dem Substrat liegenden Lötmittelschicht 50 dazwischen mit dem leitfähigen Muster M32 verbunden, um dadurch das isolierende Substrat 53 an der Basisplatte 16 zu fixieren.
  • Die Basisplatte 16 ist von einem Harzgehäuse 42 umgeben, und eine Gehäuseeinheit 20, welche die Basisplatte 16 als eine untere Oberfläche aufweist und eine Öffnung gegenüber der unteren Oberfläche aufweist, ist ausgebildet.
  • Ein Hauptelektrodenanschluss 24 ist innerhalb einer Wandoberfläche des Harzgehäuses 42 eingelassen und weist einen Endbereich auf, der von der inneren Wandoberfläche des Harzgehäuses 42 exponiert ist, wobei der eine Endbereich elektrisch mit einem internen Metalldraht WR mit einer Hauptelektrode des Leistungshalbleiterelements 22 verbunden ist. Zusätzlich weist der Hauptelektrodenanschluss 24 einen anderen Endbereich auf, der von einer oberen Endfläche der Wandoberfläche des Harzgehäuses 42 nach außen exponiert ist.
  • Ein Hauptelektrodenanschluss 25 (P-seitiger Hauptelektrodenanschluss) ist innerhalb einer Wandoberfläche gegenüber der Wandoberfläche eingelassen, in welcher der Hauptelektrodenanschluss 24 (N-seitiger Hauptelektrodenanschluss) eingelassen ist. Der Hauptelektrodenanschluss 25 weist einen Endbereich auf, der von der inneren Wandoberfläche des Harzgehäuses 42 exponiert ist, wobei der eine Endbereich mit dem internen Metalldraht WR elektrisch mit der leitfähigen Platte 28 verbunden ist. Zusätzlich weist der Hauptelektrodenanschluss 25 einen anderen Endbereich auf, der von einer oberen Endfläche der Wandoberfläche des Harzgehäuses 42 nach außen exponiert ist.
  • Die Hauptelektrode des Leistungshalbleiterelements 22 ist mit dem internen Metalldraht WR elektrisch mit einer Hauptelektrode des Leistungshalbleiterelements 21 verbunden.
  • Eine Gate-Elektrode des Leistungshalbleiterelements 22 ist mit dem internen Metalldraht WR elektrisch mit dem Steueranschluss 33 verbunden. Der Steueranschluss 33 erstreckt sich vertikal zu der Hauptoberfläche der Basisplatte 16 und durchdringt eine Störungsabschirmungsplatte 23, die so angeordnet ist, dass sie die Öffnung der Gehäuseeinheit 20 verschließt.
  • Die Störungsabschirmungsplatte 23 ist aus einer Metallplatte aus Al, Cu oder dergleichen ausgebildet. Die Leistungshalbleiterelemente 21, 22 und dergleichen sind in einem Raum eingeschlossen, der von der Gehäuseeinheit 20 und der Störungsabschirmungsplatte 23 umgeben ist, um dadurch ein Modul zu bilden.
  • Ein Kollektor-Emitter-Spannungsausgangsanschluss 34, der sich vertikal zu der Hauptoberfläche der leitfähigen Platte 28 erstreckt und die Störungsabschirmungsplatte 23 durchdringt, ist auf der Hauptoberfläche der leitfähigen Platte 28 vorgesehen.
  • Der Steueranschluss 33 und der Kollektor-Emitter-Spannungsausgangsanschluss 34 durchdringen auch ein Steuersubstrat CS, das über der Störungsabschirmungsplatte 23 angeordnet ist, und sind jeder elektrisch mit vorbestimmten Bereichen einer Steuerschaltung (nicht gezeigt) verbunden, die auf dem Steuersubstrat CS angebracht sind.
  • Weiter sind nicht nur der Steueranschluss 33 sondern auch eine Mehrzahl von Signalanschlüssen auf dem keramischen Basismaterial 52 angeordnet. Die Mehrzahl von Signalanschlüssen erstreckt sich vertikal zu der Hauptoberfläche der Basisplatte 16 und durchdringt die Störungsabschirmungsplatte 23 und das Steuersubstrat CS, sodass jeder elektrisch mit vorbestimmten Bereichen der Steuerschaltung ähnlich dem Steueranschluss 33 verbunden ist, aber die Mehrzahl von Signalanschlüssen ist nicht gezeigt.
  • Nachfolgend werden Beschreibungen unter der Annahme gegeben, dass die Halbleitervorrichtung 100 eine Halbleitervorrichtung ist, die in einem Inverter angewendet wird, das Leistungshalbleiterelement 21 ein Schaltelement wie ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) ist und das Leistungshalbleiterelement 22 ein Diodenelement ist, das als eine Freilaufdiode fungiert.
  • 2 ist eine schematische Darstellung, die statische Eigenschaften des Leistungshalbleiterelements 21 zeigt, wobei die horizontale Achse eine Kollektor-Emitter-Spannung VCE anzeigt und die vertikale Achse einen Kollektorstrom IC anzeigt.
  • Eine Leistungsmenge, die dem Leistungshalbleiterelement 21 zugeführt wird, wird durch ein Produkt des Kollektorstroms IC und der Kollektor-Emitter-Spannung VCE bestimmt, wobei eine Gate-Spannung VGE mit in 2 gezeigten statischen Eigenschaften ein Parameter des Kollektorstroms IC ist.
  • In der Halbleitervorrichtung 100 weist die auf dem Steuersubstrat CS angebrachte Steuerschaltung eine Schaltung für eine variable Gate-Spannung auf, sodass ein Verändern der Gate-Spannung VGE die dem Leistungshalbleiterelement 21 zugeführte Leistungsmenge frei verändern kann, und ein Steuern eines Erwärmungswerts des Leistungshalbleiterelements 21 kann eine Temperatur des Leistungshalbleiterelements 21 steuern.
  • Als eine Folge der Steuerung erzeugt selbst in einem Fall, in welchem Risse CR in der unter dem Halbleiterelement liegenden Lötmittelschicht 31 auftreten, wie in 3 gezeigt, ein Anlegen der Gate-Spannung, die durch die Schaltung für die variable Gate-Spannung gesteuert wird, an das Leistungshalbleiterelement 21 Wärme in dem Leistungshalbleiterelement 21, die größer ist als Wärme in einem gewöhnlichen Betrieb, wie in 4 gezeigt. Dann schmilzt die erzeugte Wärme die unter dem Halbleiterelement liegende Lötmittelschicht 31, die anschließend fest wird, um dadurch die Lötmittelrisse selbst zu reparieren. Dies kann die Produktlebensdauer der Halbleitervorrichtung 100 verlängern.
  • Zusätzlich muss, um die unter dem Halbleiterelement liegende Lötmittelschicht 31 durch die vorstehend beschriebene Technik zu schmelzen, die unter dem Halbleiterelement liegende Lötmittelschicht 31 aus einem bleifreien Lötmittel bestehen, das einen Schmelzpunkt von ungefähr 200 bis 300°C aufweist, und die Temperatur des Leistungshalbleiterelements 21 muss entsprechend eingestellt werden.
  • Als Nächstes wird mit Bezug auf 5 eine Anordnung einer Schaltung 90 für eine variable Gate-Spannung beschrieben, die auf dem Steuersubstrat CS angebracht ist.
  • Um das Leistungshalbleiterelement 21 mit einer vorgegeben Sollleistung zu versorgen, misst die Schaltung 90 für die variable Gate-Spannung eine Kollektor-Emitter-Spannung und ändert eine Gate-Spannung, welche einen Kollektorstromwert verändert, was bewirkt, dass die Sollleistung erreicht wird.
  • Wie in 5 gezeigt, ist ein IGBT, der das Leistungshalbleiterelement 21 ist, zwischen einer Stromleitung P und einer Masseleitung N angeschlossen, und eine Freilaufdiode, welche das Leistungshalbleiterelement 22 ist, ist dazwischen anti-parallel zu dem IGBT angeschlossen. Die Schaltung 90 für die variable Gate-Spannung verändert die Leistung, die an ein Gate des IGBTs angelegt wird.
  • Wie in 5 gezeigt, weist die Schaltung 90 für die variable Gate-Spannung einen Gate-Widerstand GR, der an das Gate des Leistungshalbleiterelements 21 angeschlossen ist, eine Kollektor-Emitter-Spannungserfassungsschaltung 3, einen Stromerfassungswiderstand 4, einen Pufferverstärker 5, eine Schaltung für eine variable Referenzspannung 6, einen Gate-Spannungsanpassungskomparator 7 und eine Erfassungsbetriebsumschaltschaltung 8 auf.
  • Die Kollektor-Emitter-Spannungserfassungsschaltung 3 weist einen Widerstand R11 und einen Widerstand R12 auf, die in Serie zwischen einem Kollektor und einem Emitter des Leistungshalbleiterelements 21 angeschlossen sind, und beide Widerstände R11 und R12 weisen einen Verbindungsknoten auf, der mit einem invertierenden Eingang (-) des Pufferverstärkers 5 verbunden ist.
  • Ein Ausgang des Pufferverstärkers 5 ist mit einem nichtinvertierenden Eingang (+) desselben verbunden und wird auch an einen Mikro-Computer 61 der Schaltung 6 für die variable Referenzspannung gegeben.
  • Die Schaltung 6 für die variable Referenzspannung weist den Mikro-Computer 61, einen DC-DC-Wandler 62 und eine Gleichstromleistungsversorgung 63 auf.
  • Der Mikro-Computer 61 empfängt ein Ausgangssignal von dem Pufferverstärker 5, steuert den DC-DC-Wandler 62 basierend auf einer Kollektor-Emitter-Spannung und passt einen Ausgang des DC-DC-Wandlers 62 an. Der Mikro-Computer 61 führt basierend auf der Kollektor-Emitter-Spannung auch eine Ein-/Aus-Steuerung der Erfassungsbetriebsumschaltschaltung 8 aus.
  • Der DC-DC-Wandler 62 wird mit einer Leistung von der Gleichstromleistungsversorgung 63 versorgt, erzeugt eine Gleichstromreferenzspannung basierend auf einem Pulsweitenmodulations- (PWM-) Signal von dem Mikro-Computer 61 und stellt die Gleichstromreferenzspannung an einen nichtinvertierenden Eingang (+) des Gate-Spannungsanpassungskomparators 7 bereit.
  • Der Gate-Spannungsanpassungskomparator 7 empfängt von einem invertierenden Eingang (-) einen Emitterstrom (als ein Spannungswert bereitgestellt), der durch den Stromerfassungswiderstand 4 erfasst wird, welcher zwischen einem Stromerfassungsemitter und der Masseleitung N des Leistungshalbleiterelements 21 angeschlossen ist. Der Gate-Spannungsanpassungskomparator 7 vergleicht dann den Emitterstrom mit dem Ausgangssignal der Schaltung 6 für die variable Referenzspannung und passt eine Gate-Spannung an, um einen Kollektorstrom auf einen Sollwert einzustellen.
  • Zusätzlich ist eine Verdrahtung zum Verbinden des Stromerfassungsemitters und des Stromerfassungswiderstands 4 in 1 nicht gezeigt, aber die Verdrahtung ist mit einem der Mehrzahl von Signalanschlüssen, die auf dem keramischen Basismaterial 52 angeordnet sind, verbunden, wie vorstehend beschrieben, und ist in dem Steuersubstrat CS enthalten.
  • Die Erfassungsbetriebsumschaltschaltung 8 weist einen MOSFET 81 und einen MOSFET 82 auf, wobei der MOSFET 81 auswählt, ob ein von dem Stromerfassungswiderstand 4 erfasster Emitterstrom an eine Überstromerfassungsschaltung OC bereitgestellt wird, die während eines normalen Betriebs des Leistungshalbleiterelements 21 verwendet wird, oder ob der Emitterstrom an den Gate-Spannungsanpassungskomparator 7 gegeben wird, wobei der MOSFET 82 auswählt, ob eine durch die Kollektor-Emitter-Spannungserfassungsschaltung 3 erfasste Kollektorspannung an eine Überspannungserfassungsschaltung VC gegeben wird oder nicht, die während des normalen Betriebs des Leistungshalbleiterelements 21 verwendet wird. Der MOSFET 81 und der MOSFET 82 weisen Gates auf, die mit einem Steuersignal von der Schaltung 6 für die variable Referenzspannung versorgt werden.
  • Hierbei ist der Kollektor-Emitter-Spannungsausgangsanschluss 34 der Anschluss zum Verbinden des Kollektors des Leistungshalbleiterelements 21 und der Kollektor-Emitter-Spannungserfassungsschaltung 3.
  • Der Gate-Widerstand GR ist mit einer Gate-Treiberschaltung GD verbunden, und das Gate des Leistungshalbleiterelements 21 wird während des normalen Betriebs des Leistungshalbleiterelements 21 mit einem Gate-Signal von der Gate-Treiberschaltung GD versorgt und wird während eines Betriebs der Schaltung 90 für die variable Gate-Spannung mit einem Gate-Signal von dem Gate-Spannungsanpassungskomparator 7 versorgt.
  • Vorrichtungsbetrieb
  • Der Selbstreparaturbetrieb (Lötmittelschmelzprozess) für die Lötmittelrisse in der Halbleitervorrichtung 100, welche die vorstehend beschriebene Schaltung 90 für die variable Gate-Spannung aufweist, wird mit Bezug auf 1 bis 5 mit einem in 6 gezeigten Flussdiagramm beschrieben.
  • Wenn die Halbleitervorrichtung 100 zu arbeiten beginnt, sind die MOSFETs 81, 82 der Erfassungsbetriebsumschaltschaltung 8 zuerst ausgeschaltet (Schritt S1), um so zu verhindern, dass die Überstromerfassungsschaltung OC und die Überspannungserfassungsschaltung VC Erfassungsoperationen ausführen, während ermöglicht wird, dass der Gate-Spannungsanpassungskomparator 7 Vergleichsoperationen ausführt.
  • In dem Lötmittelschmelzprozess misst die Kollektor-Emitter-Spannungserfassungsschaltung 3 der Schaltung 90 für die variable Gate-Spannung zuerst eine Kollektor-Emitter-Spannung des Leistungshalbleiterelements 21 (Schritt S2).
  • Dann wird die erhaltene Kollektor-Emitter-Spannung durch den Pufferverstärker 5 in den Mikro-Computer 61 der Schaltung 6 für die variable Referenzspannung gegeben (Schritt S3).
  • Der Mikro-Computer 61 berechnet einen Kollektorstromwert, der zum Lötmittelschmelzen der unter dem Halbleiterelement liegenden Lötmittelschicht 31 des Leistungshalbleiterelements 21 benötigt wird, und gibt an den DC-DC-Wandler 62 ein PWM-Signal zum Generieren einer Referenzspannung, sodass der Gate-Spannungsanpassungskomparator 7 eine Gate-Spannung ausgeben kann, von welcher der Kollektorstromwert erhalten werden kann (Schritt S4).
  • Der DC-DC-Wandler 62 generiert basierend auf dem PWM-Signal von dem Mikro-Computer 61 die Referenzspannung, sodass der Gate-Spannungsanpassungskomparator 7 eine Gate-Spannung ausgeben kann, von welcher der für das Lötmittelschmelzen benötigte Kollektorstrom erhalten werden kann (Schritt S5).
  • Dann werden die Referenzspannung, die von der Schaltung 6 für die variable Referenzspannung ausgegeben wird, und ein Emitterstrom (als ein Spannungswert bereitgestellt und im Folgenden als ein Kollektorstrom bezeichnet), der durch den Stromerfassungswiderstand 4 erfasst wird, in den Gate-Spannungsanpassungskomparator 7 gegeben (Schritt S6).
  • Der Gate-Spannungsanpassungskomparator 7 vergleicht den Kollektorstromwert mit der Referenzspannung. In einem Fall, in welchem der Kollektorstromwert den zum Lötmittelschmelzen benötigten Sollwert nicht erreicht hat, wird die Gate-Spannung, die ein Ausgangssignal ist, erhöht, um den Kollektorstromwert zu erhöhen, und eine dem Leistungshalbleiterelement 21 zugeführte Leistung wird somit erhöht. Andererseits wird in einem Fall, in welchem der Kollektorstromwert den zum Lötmittelschmelzen benötigten Sollwert erreicht hat, die Gate-Spannung so eingestellt, dass die Gate-Spannung beibehalten wird (Schritt S7).
  • Wenn der Kollektorstromwert den Sollwert erreicht, erreicht die Leistung die Sollleistung zum Lötmittelschmelzen und eine Zeitmessung beginnt unter der Annahme, dass das Lötmittelschmelzen beginnt (Schritt S8).
  • Nach einer vorbestimmten Zeitspanne wird der Lötmittelschmelzprozess durch Reduzieren der Gate-Spannung auf eine Spannung in einem normalen Betriebszustand oder durch temporäres Stoppen des Lötmittelschmelzprozesses beendet (Schritt S9).
  • Anschließend werden in einem Schritt S10 die MOSFETs 81, 82 der Erfassungsbetriebsumschaltschaltung 8 eingeschaltet, sodass sie bewirken, dass die Überstromerfassungsschaltung OC und die Überspannungserfassungsschaltung VC jede den Erfassungsbetrieb ausführen, während verhindert wird, dass der Gate-Spanungsanpassungskomparator 7 den Vergleichsbetrieb ausführt. Danach wird der normale Betrieb beibehalten, bis die Halbleitervorrichtung 100 stoppt (Schritt S11).
  • Wie vorstehend beschrieben, weist in der Halbleitervorrichtung 100 in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die auf dem Steuersubstrat CS angebrachte Steuerschaltung die Schaltung für die variable Gate-Spannung auf, sodass ein Verändern der Gate-Spannung den Umfang an Leistung, die dem Leistungshalbleiterelement 21 zugeführt wird, verändern kann, und ein Steuern des Wärmewerts des Leistungshalbleiterelements 21 kann die Temperatur des Leistungshalbleiterelements 21 steuern.
  • Als eine Folge der Steuerung erzeugt selbst in einem Fall, in welchem Risse in der unter dem Halbleiterelement liegenden Lötmittelschicht 31 auftreten, ein Anlegen der Gate-Spannung, die durch die Schaltung für die variable Gate-Spannung gesteuert wird, an das Leistungshalbleiterelement 21 die Wärme in dem Leistungshalbleiterelement 21, die größer ist als die Wärme in dem normalen Betrieb. Dann schmilzt die erzeugte Wärme die unter dem Halbleiterelement liegende Lötmittelschicht 31, die anschließend fest wird, und somit können die Lötmittelrisse entfernt werden. Dies kann die Produktlebensdauer der Halbleitervorrichtung 100 verlängern.
  • Ob die Risse in der unter dem Halbleiterelement liegenden Lötmittelschicht 31 auftreten oder nicht, kann nicht direkt von außen erkannt werden, aber in einem Fall, in welchem Leistungsverluste durch Berechnen von Strömen und Spannungswellenformen des Leistungshalbleiterelements 21 abrupt ansteigen, wird ein Auftreten von Rissen vermutet, sodass ein Ausführen des Lötmittelschmelzprozesses wirksam wird.
  • Zweite Ausführungsform
  • Eine zweite Ausführungsform für eine Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 7 bis 11 beschrieben.
  • Vorrichtungsanordnung
  • 7 ist eine Querschnittsansicht, die eine Anordnung einer Halbleitervorrichtung 200 in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In 7 sind die gleichen Komponenten wie diejenigen der Halbleitervorrichtung 100, die mit Bezug auf 1 beschrieben sind, durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und redundante Beschreibungen sind weggelassen.
  • Wie in 7 gezeigt, weist die Halbleitervorrichtung 200 eine Temperaturerfassungsdiode TD1 (erstes Temperaturerfassungselement) auf, die auf der oberen Oberfläche des Leistungshalbleiterelements 21 angeordnet ist, und weist einen Temperaturdetektor TD2 (zweites Temperaturerfassungselement) auf, das auf der Hauptoberfläche der Basisplatte 16 in der Gehäuseeinheit 20 angeordnet ist, wobei der Temperaturdetektor TD2 zum Beispiel aus einem Heißleiter gebildet ist.
  • Ausgänge der Temperaturerfassungsdiode TD1 und des Temperaturdetektors TD2 sind jeder mit einer Mehrzahl von Signalanschlüssen verbunden, welche nicht gezeigt sind, welche durch korrespondierende interne Metalldrähte WR auf dem Keramikbasismaterial 52 angeordnet sind.
  • Als Nächstes wird eine Schaltung 90A für eine variable Gate-Spannung, die auf dem Steuersubstrat CS angebracht ist, mit Bezug auf 8 beschrieben. In 8 sind die gleichen Komponenten wie diejenigen der Schaltung 90 für die variable Gate-Spannung, die mit Bezug auf 5 beschrieben ist, durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und redundante Beschreibungen sind weggelassen.
  • Um das Leistungshalbleiterelement 21 mit einer Sollleistung zu versorgen, misst die Schaltung 90A für die variable Gate-Spannung eine Kollektor-Emitter-Spannung und verändert eine Gate-Spannung, die einen Kollektorstromwert verändert, was bewirkt, dass die Leistung die Sollleistung erreicht. Die Schaltung 90A für die variable Gate-Spannung berechnet eine Wärmebeständigkeit eines unteren Bereichs des Leistungshalbleiterelements 21 basierend auf den Ausgangssignalen der Temperaturerfassungsdiode TD1 und des Temperaturdetektors TD2 und weist auch die Funktion eines Erkennens auf, ob basierend auf der Wärmebeständigkeit der Lötmittelschmelzprozess notwendig ist oder nicht.
  • Wie in 8 gezeigt, weist die Schaltung 90A für die variable Gate-Spannung zusätzlich zu der in 5 gezeigten Anordnung der Schaltung 90 für die variable Gate-Spannung eine Konstantstromschaltung CC, die mit der Temperaturerfassungsdiode TD1 verbunden ist, und eine Konstantspannungsschaltung CV auf, die mit dem Temperaturdetektor TD2 verbunden ist.
  • Die Temperaturerfassungsdiode TD1 weist einen veränderten Widerstand gemäß der Temperatur auf, sodass die Temperaturerfassungsdiode TD1, die mit einem konstanten Strom von der Konstantstromschaltung CC versorgt wird, einen Spannungswert ausgibt, der zu einer erfassten Temperatur korrespondiert. Die Temperaturerfassungsdiode TD1 ist auf dem Leistungshalbleiterelement 21 angeordnet, was ein Erfassen eines Wertes ermöglicht, der extrem nah an einer Temperatur des Leistungshalbleiterelements 21 liegt.
  • Ein Ausgangsknoten ist auf einer Anodenseite der Temperaturerfassungsdiode TD1 angeordnet und ein Ausgangssignal von dem Ausgangsknoten wird in den Mikro-Computer 61 der Schaltung 6 für die variable Referenzspannung gegeben.
  • Der Temperaturdetektor TD2 wird mit einer Konstantspannung von der Konstantspannungsschaltung CV versorgt und ist durch einen Widerstand R10 in Serie zwischen der Konstantspannungsschaltung CV und einem Massepotential angeschlossen.
  • Der Widerstand R10 ist angeordnet, um Ausgangsspannungseigenschaften zu linearisieren. Ein Verbindungsknoten zwischen dem Widerstand R10 und dem Temperaturdetektor TD2 ist ein Ausgangsknoten, und ein Ausgangssignal von dem Ausgangsknoten wird in den Mikro-Computer 61 der Schaltung 6 für die variable Referenzspannung gegeben.
  • Vorrichtungsbetriebe
  • Als Nächstes wird mit Bezug auf 9 bis 11 eine Technik zum Berechnen einer Wärmebeständigkeit des unteren Bereichs des Leistungshalbleiterelements 21, um zu bestimmen, ob ein Lötmittelschmelzprozess notwendig ist oder nicht, beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung wird eine Wärmebeständigkeit des unteren Bereichs des Leistungshalbleiterelements 21 unter Verwendung von ΔVCE(sat) berechnet.
  • ΔVCE(sat) ist eine Technik zum Berechnen einer Wärmebeständigkeit einer unteren Oberfläche eines Halbleiterelements aus einem Unterschied einer Kollektor-Emitter-Spannung, bevor und nachdem das Halbleiterelement für eine vorbestimmte Zeit mit einem konstanten Kollektorstrom versorgt wird, wenn ein Strom durch das Halbleiterelement fließt.
  • Zuerst misst die Temperaturerfassungsdiode TD1 eine Temperaturänderung des Elements, während eine Gate-Spannung so angepasst wird, dass ein konstanter Kollektorstrom (dessen Wert einen Kollektorstromwert während eines normalen Betriebs annehmen kann) vorab durch das Leistungshalbleiterelement 21 fließt, und eine Kollektor-Emitter-Spannung wird im Verhältnis zu der Temperaturänderung in dem Mikro-Computer 61 der Schaltung 6 für die variable Referenzspannung aufgezeichnet. Der Mikro-Computer 61 weist eine Aufzeichnungseinheit wie einen Speicher auf.
  • 9 zeigt ein Beispiel der Temperatureigenschaften, die auf solche Weise erhalten werden. In 9 zeigt die horizontale Achse eine Temperatur Tj (K) an und die vertikale Achse zeigt eine Kollektor-Emitter-Spannung VCE (V) an. In 9 sinkt die Kollektor-Emitter-Spannung VCE, wenn die Temperatur steigt.
  • Als Nächstes wird der Unterschied der Kollektor-Emitter-Spannung bestimmt, bevor und nachdem der konstante Kollektorstrom für die vorbestimmte Zeit bereitgestellt worden ist. 10 zeigt ein Zeitdiagramm, in welchem Abschnitte der Zeiten t0 bis t6 in Abschnitte der Zeiten t0 bis t1, der Zeiten t1 bis t2, der Zeiten t2 bis t3, der Zeiten t3 bis t4, der Zeiten t4 bis t5 und der Zeiten t5 bis t6 aufgeteilt sind, eine Gate-Spannung so angepasst wird, dass ein konstanter Kollektorstrom I (dessen Wert ein Kollektorstromwert sein kann, der fließt, um die Eigenschaften in 9 zu erhalten und der höher oder niedriger sein kann als derselbe) während des Zeitabschnitts t3 bis t4 fließt, und im Gegensatz wird eine Gate-Spannung so angepasst, dass ein Strom l/m (wobei m eine ganze Zahl ist) während der Zeitabschnitte t1 bis t2 und t3 bis t6 fließt.
  • Der Mikro-Computer 61 zeichnet Kollektor-Emitter-Spannungen VCE1, VCE2 während der jeweiligen Zeitabschnitte t1 bis t2 und t5 bis t6 auf, wenn der Kollektorstrom von l/m gemäß dem Zeitdiagramm fließt.
  • Dann werden eine Temperatur Tj1 und eine Temperatur Tj2 des Leistungshalbleiterelements 21 bestimmt, die jeweils zu der Kollektor-Emitter-Spannung VCE1 und der Kollektor-Emitter-Spannung VCE2 korrespondieren, die von den in 9 gezeigten Temperatureigenschaften bestimmt worden sind, und eine Temperaturdifferenz Tj2-Tj1, die durch Hindurchleiten des Kollektorstroms verursacht wird, wird berechnet. 11 zeigt die Verhältnisse zwischen der Kollektor-Emitter-Spannung VCE1 und der Temperatur Tj1 sowie der Kollektor-Emitter-Spannung VCE2 und der Temperatur Tj2, die auf eine solche Weise bestimmt worden sind. In 11 zeigt die horizontale Achse eine Kollektor-Emitter-Spannung an und die vertikale Achse zeigt eine Temperatur des Leistungshalbleiterelements 21 an.
  • Weiter misst der auf der Hauptoberfläche der Basisplatte 16 angeordnete Temperaturdetektor TD2 eine Temperatur der Gehäuseeinheit 20, um eine Gehäusetemperatur Tc1 zu der Zeit t2 und eine Gehäusetemperatur Tc2 zu der Zeit t6 zu erhalten, welche in dem Mikro-Computer 61 aufgezeichnet werden.
  • Dann berechnet der Mikro-Computer 61 die Wärmebeständigkeit des unteren Bereichs des Leistungshalbleiterelements 21 aus nachfolgender Gleichung (1) basierend auf Informationen der Temperaturen Tj1 und Tj2 des Leistungshalbleiterelements 21, der Temperaturen Tc1 und Tc2 der Gehäuseeinheit 20, des Kollektorstroms I, der Kollektor-Emitter-Spannung VCE, wenn der Kollektorstrom I fließt, und eines Zeitabschnitts (t4- t3), in welchem der Kollektorstrom I fließt.
  • W a ¨ rmebest a ¨ ndigkeit [ K / W ] = ( T j 2 − T j 1 ) − ( T c 2 − T c 1 ) I × V C E × ( t 4 − t 3 )
    Figure DE112013007670B4_0001
  • In einem Fall, in welchem die durch die vorstehende Technik erhaltene Wärmebeständigkeit größer ist als ein vorbestimmter Schwellenwert, beginnt der Lötmittelschmelzprozess.
  • Der Mikro-Computer 61 in der Schaltung 6 für die variable Referenzspannung in der Schaltung 90A für die variable Gate-Spannung passt eine Steuerung des Kollektorstroms an, um die Wärmebeständigkeit ähnlich dem Lötmittelschmelzprozess zu messen.
  • Wie vorstehend beschrieben, wird die Wärmebeständigkeit des unteren Bereichs des Leistungshalbleiterelements 21 unter Verwendung von ΔVCE(sat) berechnet, was eine genaue Bestimmung erlaubt, ob der Lötmittelschmelzprozess notwendig ist oder nicht.
  • Nachfolgend werden Selbstreparaturoperationen für Lötmittelrisse in der Halbleitervorrichtung 200, welche die Schaltung 90A für die variable Gate-Spannung aufweist, mit einem in 12 gezeigten Flussdiagramm und mit Bezug auf 7 und 8 beschrieben.
  • Wenn die Halbleitervorrichtung 200 zu arbeiten beginnt, sind die MOSFETs 81, 82 der Erfassungsbetriebsumschaltschaltung 8 zuerst ausgeschaltet (Schritt S21), sodass sie die Überstromerfassungsschaltung OC und die Überspannungserfassungsschaltung VC daran hindern, Erfassungsoperationen auszuführen, während ermöglicht wird, dass der Gate-Spannungsanpassungskomparator 7 Vergleichsoperationen ausführt.
  • Als Nächstes beginnt eine Messung einer Wärmebeständigkeit des unteren Bereichs des Leistungshalbleiterelements 21 (Schritt S22). Die Wärmebeständigkeit ist eine Wärmebeständigkeit (Rth(j - c)) zwischen einer Verbindung (Kanal) des Leistungshalbleiterelements 21 und dem Harzgehäuse 42 und wird unter Verwendung von ΔVCE(sat) basierend auf Ausgangssignalen der Temperaturerfassungsdiode TD1 und des Temperaturdetektors TD2 berechnet.
  • Als Nächstes wird die erhaltene Rth(j - c) mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen (Schritt S23). Dann werden in einem Fall, in welchem erkannt wird, dass Rth(j - c) größer als der Schwellenwert ist, der Lötmittelschmelzprozess von Schritt S24 und die folgenden Schritte ausgeführt. Wenn Rth(j - c) kleiner oder gleich dem Schwellenwert ist, wird bei Schritt S34 fortgefahren.
  • Hierbei zeigt der Fall, in welchem Rth(j - c) größer ist als der Schwellenwert, einen Zustand an, in welchem Lötmittelrisse in der unter dem Halbleiterelement liegenden Lötmittelschicht 31 (7) des Leistungshalbleiterelements 21 auftreten, und die Wärmebeständigkeit steigt, und wenn der Zustand unverändert gelassen wird, kann die Lebensdauer des Leistungshalbleiterelements 21 verkürzt werden. Deshalb kann der Schwellenwert als ein Lebensdauerbestimmungswert des Leistungshalbleiterelements 21 bezeichnet werden.
  • Zusätzlich werden die vorstehend beschriebenen Schritte S21 bis S23 in der Schaltung 90A für die variable Gate-Spannung, die auf dem Steuersubstrat CS angeordnet ist (7), ausgeführt.
  • Wenn der Ablauf zu dem Lötmittelschmelzprozess fortschreitet, misst zuerst die Kollektor-Emitter-Spannungserfassungsschaltung 3 der Schaltung 90A für die variable Gate-Spannung eine Kollektor-Emitter-Spannung des Leistungshalbleiterelements 21 (Schritt S24).
  • Dann wird die erhaltene Kollektor-Emitter-Spannung durch den Pufferverstärker 5 in den Mikro-Computer 61 der Schaltung 6 für die variable Referenzspannung gegeben (Schritt S25).
  • Der Mikro-Computer 61 berechnet einen Kollektorstromwert, der zum Lötmittelschmelzen der unter dem Halbleiterelement liegenden Lötmittelschicht 31 des Leistungshalbleiterelements 21 benötigt wird, und gibt an den DC-DC-Wandler 62 ein PWM-Signal zum Generieren einer Referenzspannung aus, sodass der Gate-Spannungsanpassungskomparator 7 eine Gate-Spannung ausgeben kann, von welcher der Kollektorstrom erhalten werden kann (Schritt S26).
  • Der DC-DC-Wandler 62 generiert basierend auf dem PWM-Signal von dem Mikro-Computer 61 die Referenzspannung so, dass der Gate-Spannungsanpassungskomparator 7 die Gate-Spannung ausgeben kann, von welcher der für das Lötmittelschmelzen benötigte Kollektorstromwert erhalten werden kann (Schritt S27).
  • Dann werden die von der Schaltung 6 für die variable Referenzspannung ausgegebene Referenzspannung und ein Emitterstrom (fast gleich einem Kollektorstrom und als ein Spannungswert bereitgestellt), der durch den Stromerfassungswiderstand 4 erfasst wird, in den Gate-Spannungsanpassungskomparator 7 gegeben (Schritt S28).
  • Der Gate-Spannungsanpassungskomparator 7 vergleicht den Kollektorstromwert mit der Referenzspannung. In einem Fall, in welchem der Kollektorstromwert den Sollwert, der zum Lötmittelschmelzen benötigt wird, nicht erreicht hat, wird die Gate-Spannung, welche ein Ausgangssignal ist, erhöht, um den Kollektorstromwert zu erhöhen, und somit wird eine dem Leistungshalbleiterelement 21 zugeführte Leistung erhöht. Andererseits wird in einem Fall, in welchem der Kollektorstromwert den Sollwert, der zum Lötmittelschmelzen benötigt wird, erreicht hat, die Gate-Spannung eingestellt, um die Gate-Spannung beizubehalten (Schritt S29).
  • Wenn der Kollektorstromwert den Sollwert erreicht, beginnt eine Zeitmessung unter der Annahme, dass das Lötmittelschmelzen beginnt (Schritt S30).
  • Nach einer vorbestimmten Zeitspanne wird der Lötmittelschmelzprozess durch Reduzieren der Gate-Spannung auf eine Spannung in einem normalen Betriebszustand oder durch temporäres Beenden des Lötmittelschmelzprozesses beendet (Schritt S31).
  • Anschließend wird, wenn das Lötmittel fest wird, das Leistungshalbleiterelement 21 durch die Gate-Spannung in dem normalen Betrieb gesteuert, um eine Messung der Wärmebeständigkeit des unteren Bereichs des Leistungshalbleiterelements 21 zu beginnen (Schritt S32).
  • Als Nächstes wird die erhaltene Rth(j - c) mit dem vorbestimmten Schwellenwert verglichen (Schritt S33). In einem Fall, in welchem erkannt wird, dass Rth(j - c) nicht größer ist als der Schwellenwert (kleiner oder gleich dem Schwellenwert), sind die MOSFETs 81, 82 der Erfassungsbetriebsumschaltschaltung 8 in Schritt S34 eingeschaltet, sodass sie bewirken, dass die Überstromerfassungsschaltung OC und die Überspannungserfassungsschaltung VC jede die Erfassungsoperationen ausführen, während verhindert wird, dass der Gate-Spannungsanpassungskomparator 7 die Vergleichsoperationen ausführt. Danach wird der normale Betrieb beibehalten, bis die Halbleitervorrichtung 200 stoppt (Schritt S35).
  • In einem Fall, in welchem wieder in Schritt S33 erkannt wird, dass Rth(j - c) größer ist als der Schwellenwert, wird ein Fehlersignal nach außen ausgegeben (Schritt S36). Weiter wird der normale Betrieb beibehalten, bis die Halbleitervorrichtung 100 aufgrund des Fehlersignals von außen gestoppt wird, oder das Ausgeben des Fehlersignals kann die Halbleitervorrichtung 100 zwingen zu stoppen.
  • Erste Modifikation
  • Die vorstehend beschriebene zweite Ausführungsform zeigt das Beispiel des Verwendens von ΔVCE(sat), um die Wärmebeständigkeit des unteren Bereichs des Leistungshalbleiterelements 21 für die Bestimmung zu berechnen, ob der Lötmittelschmelzprozess notwendig ist oder nicht, und ΔVGE, wie nachfolgend beschrieben, kann ebenso verwendet werden.
  • ΔVGE ist eine Technik zum Berechnen einer Wärmebeständigkeit einer unteren Oberfläche eines Halbleiterelements aus einem Unterschied einer Gate-Spannung, bevor und nachdem das Halbleiterelement für eine bestimmte Zeitdauer mit einem konstanten Kollektorstrom (dessen Wert einen Kollektorstromwert während eines normalen Betriebs annehmen kann) versorgt wird, wenn ein Strom durch das Halbleiterelement fließt.
  • Zuerst misst die Temperaturerfassungsdiode TD1 eine Temperaturänderung des Elements, während eine Gate-Spannung vorab so angepasst wird, dass ein konstanter Kollektorstrom durch das Leistungshalbleiterelement 21 fließt, und eine Änderung der Gate-Spannung im Verhältnis zu der Temperaturänderung wird in dem Mikro-Computer 61 der Schaltung 6 für die variable Referenzspannung aufgezeichnet.
  • 13 zeigt ein Beispiel der Temperatureigenschaften, die auf eine solche Weise erhalten werden. In 13 zeigt die horizontale Achse eine Temperatur Tj (K) an, und die vertikale Achse zeigt eine Gate-Emitter-Spannung VGE (V) an. In 13 sinkt die Gate-Emitter-Spannung VGE, wenn die Temperatur steigt.
  • Als Nächstes wird der Unterschied der Gate-Emitter-Spannung, bevor und nachdem der konstante Kollektorstrom für die vorbestimmte Zeitdauer zugeführt wird, bestimmt. 14 zeigt ein Zeitdiagramm, in welchem Abschnitte der Zeiten t0 bis t6 in Abschnitte der Zeiten t0 bis t1, der Zeiten t1 bis t2, der Zeiten t2 bis t3, der Zeiten t3 bis t4, der Zeiten t4 bis t5 und der Zeiten t5 bis t6 aufgeteilt sind, eine Gate-Spannung so angepasst wird, dass ein konstanter Kollektorstrom I (dessen Wert ein Kollektorstromwert sein kann, der fließt, um die Eigenschaften in 13 zu erhalten und der höher oder niedriger sein kann als derselbe) während des Zeitabschnitts t3 bis t4 fließt, und im Gegensatz wird eine Gate-Spannung so angepasst, dass ein Strom l/m (wobei m eine ganze Zahl ist) während der Zeitabschnitte t1 bis t2 und t3 bis t6 fließt.
  • Der Mikro-Computer 61 zeichnet jeweilige Gate-Emitter-Spannungen VGE1, VGE2 während der jeweiligen Abschnitte der Zeiten t1 bis t2 und der Zeiten t5 bis t6 auf, wenn der Kollektorstrom von l/m gemäß dem Zeitdiagramm fließt.
  • Dann werden eine Temperatur Tj1 und eine Temperatur Tj2 des Leistungshalbleiterelements 21, die jeweils zu der erhaltenen Gate-Emitter-Spannung VGE1 und der erhaltenen Gate-Emitter-Spannung VGE2 korrespondieren, aus den in 13 gezeigten Temperatureigenschaften bestimmt, und eine Temperaturdifferenz Tj2 - Tj1, die durch Hindurchleiten des Kollektorstroms I verursacht wird, wird berechnet. 15 zeigt die Verhältnisse zwischen der Gate-Emitter-Spannung VGE1 und der Temperatur Tj1 sowie der Gate-Emitter-Spannung VGE2 und der Temperatur Tj2, die auf eine solche Weise bestimmt worden sind. In 15 zeigt die horizontale Achse eine Gate-Emitter-Spannung an und die vertikale Achse zeigt eine Temperatur des Leistungshalbleiterelements 21 an.
  • Weiter misst der auf der Hauptoberfläche der Basisplatte 16 angeordnete Temperaturdetektor TD2 eine Temperatur der Gehäuseeinheit 20, um eine Gehäusetemperatur Tc1 zu der Zeit t2 und eine Gehäusetemperatur Tc2 zu der Zeit t6 zu erhalten, welche in dem Mikro-Computer 61 aufgezeichnet werden.
  • Dann berechnet der Mikro-Computer 61 die Wärmebeständigkeit des unteren Teils des Leistungshalbleiterelements 21 aus der vorstehend beschriebenen Gleichung (1) basierend auf Informationen der Temperaturen Tj1 und Tj2 des Leistungshalbleiterelements 21, der Temperaturen Tc1 und Tc2 der Gehäuseeinheit 20, des Kollektorstroms I, der Kollektor-Emitter-Spannung VCE, wenn der Kollektorstrom I fließt, und einer Dauer (t4- t3), während der der Kollektorstrom I fließt.
  • Wie vorstehend beschrieben, wird die Wärmebeständigkeit des unteren Bereichs des Leistungshalbleiterelements 21 unter Verwendung von ΔVGE berechnet, was eine genaue Bestimmung ermöglicht, ob der Lötmittelschmelzprozess notwendig ist oder nicht.
  • Zweite Modifikation
  • In der vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform wird die Anordnung zur Berechnung der Wärmebeständigkeit des unteren Bereichs des Leistungshalbleiterelements 21 für die Bestimmung beschrieben, ob der Lötmittelschmelzprozess notwendig ist oder nicht. Einfacher kann basierend auf einer Temperatur der oberen Oberfläche des Leistungshalbleiterelements 21 durch die auf der oberen Oberfläche des Leistungshalbleiterelements 21 angeordnete Temperaturerfassungsdiode TD1 bestimmt werden, ob der Lötmittelschmelzprozess notwendig ist oder nicht.
  • Die Temperaturerfassungsdiode TD1 ist auf der oberen Oberfläche des Leistungshalbleiterelements 21 angeordnet, sodass die Temperaturerfassungsdiode TD1 einen Wert sehr nahe der Temperatur des unteren Bereichs des Leistungshalbleiterelements 21 aufweist und eine ausreichende Genauigkeit zum Bestimmen aufweist, ob der Lötmittelschmelzprozess notwendig ist oder nicht.
  • Dies eliminiert auch die Notwendigkeit, den Temperaturdetektor TD2 auf der Hauptoberfläche der Basisplatte 16 vorzusehen, was zu dem Vorteil einer weiteren Vereinfachung der Vorrichtungsanordnung führt.
  • Weiter kann die Temperaturerfassungsdiode TD1 eine Mehrzahl von Temperaturerfassungsdioden TD1 aufweisen, um eine Erfassungsgenauigkeit zu erhöhen.
  • 16 zeigt ein Beispiel der Temperaturerfassungsdioden TD1, die in vier Ecken der oberen Oberfläche des Leistungshalbleiterelements 21 vorgesehen sind.
  • Mit anderen Worten treten leicht Risse in der unter dem Halbleiterelement liegenden Lötmittelschicht 31 in den vier Ecken auf, wenn das Leistungshalbleiterelement 21 in einer Draufsicht eine rechteckige Form aufweist, sodass ein Erfassen von Temperaturen der vier Ecken des Leistungshalbleiterelements 21 die Lebensdauer des Leistungshalbleiterelements 21 genauer bestimmen kann.
  • In diesem Fall werden, während ein vorbestimmter Kollektorstrom durch das Leistungshalbleiterelement 21 fließt, Temperaturinformationen von jeder der Temperaturerfassungsdioden TD1 in den vier Ecken an den Mikro-Computer 61 der Schaltung 6 für die variable Referenzspannung gegeben. Wenn die Temperaturinformation, welche die höchste Temperatur anzeigt, größer ist als ein vorbestimmter Schwellenwert, kann der Lötmittelschmelzprozess beginnen.
  • Alternativ wird ein Durchschnittswert einer Mehrzahl von Teilen der Temperaturinformationen berechnet, und wenn der Durchschnittswert größer ist als der vorbestimmte Schwellenwert, kann der Lötmittelschmelzprozess beginnen.
  • Die Temperaturerfassungsdioden TD1 können in zwei Ecken vorgesehen sein, welche diagonal zueinander angeordnet sind, oder in zwei Ecken, welche parallel zueinander angeordnet sind, anstelle von vier Ecken.
  • Dritte Ausführungsform
  • Die erste Ausführungsform und die zweite Ausführungsform für die Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung, die vorstehend beschrieben sind, zeigen das Beispiel des Erfassens eines Emitterstroms mit dem Stromerfassungswiderstand 4, der zwischen dem Stromerfassungsemitter und der Masseleitung N des Leistungshalbleiterelements 21 angeschlossen ist, und kann auch eine in 17 gezeigte Anordnung einer Schaltung 90B für eine variable Gate-Spannung einsetzen. In 17 sind die gleichen Komponenten wie diejenigen der Schaltung 90 für die variable Gate-Spannung, die mit Bezug auf 5 beschrieben ist, durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und redundante Beschreibungen sind weggelassen.
  • Wie in 17 gezeigt, erfasst ein Shunt-Widerstand SR, der zwischen dem Emitter und der Masseleitung N des Leistungshalbleiterelements 21 angeschlossen ist, direkt einen Emitterstrom (fast gleich einem Kollektorstrom).
  • Der Gate-Spannungsanpassungskomparator 7 kann den Emitterstromwert als den Kollektorstromwert von dem invertierenden Eingang (-) empfangen und kann den Emitterstrom mit dem Ausgangssignal der Schaltung 6 für die variable Referenzspannung vergleichen, wodurch eine Gate-Spannung angepasst wird, um den Kollektorstrom auf einen Sollwert einzustellen.
  • Ein Ausgangssignal des Emitters, welches erheblich größer ist als das Ausgangssignal des Stromerfassungsemitters weist die Vorteile auf, dass es kaum von Störsignalen oder dergleichen beeinflusst wird, und dass ein genauer Emitterstrom erhalten wird.
  • Vierte Ausführungsform
  • In der ersten bis dritten Ausführungsform, die vorstehend beschrieben sind, ist die Technik des Selbstreparierens von Rissen in der unter dem Halbleiterelement liegenden Lötmittelschicht 31 durch Anpassen der Gate-Spannung zum Schmelzen der unter dem Halbleiterelement liegenden Lötmittelschicht 31 beschrieben. Eine in 18 gezeigte Anordnung kann verwendet werden, um zu verhindern, dass geschmolzenes Lötmittel von der leitfähigen Platte 28 des isolierenden Substrats 29 überfließt und abtropft, sodass es das isolierendes Basismaterial 26 erreicht, wenn die unter dem Halbleiterelement liegende Lötmittelschicht 31 geschmolzen wird.
  • Mit anderen Worten kann eine Vertiefung PC, die eine Grabenform aufweist, in der Hauptoberfläche der leitfähigen Platte 28 ähnlich einer in 18 gezeigten Halbleitervorrichtung 300 vorgesehen sein. 19 ist eine Draufsicht, die das isolierende Substrat 29 von der Seite des Steuersubstrats CS aus gesehen zeigt, und die Vertiefung PC ist so vorgesehen, dass sie das Leistungshalbleiterelement 21 umgibt.
  • Die Vertiefung PC stoppt den Lötmittelfluss, welcher in die Vertiefung fließt, wenn die unter dem Halbleiterelement liegende Lötmittelschicht 31 geschmolzen wird, um dadurch zu verhindern, dass das Lötmittel von der leitfähigen Platte 28 überfließt und abtropft. Die Vertiefung PC kann durch Ätzen der leitfähigen Platte 28 ausgebildet werden, und die Vertiefung PC weist eine Tiefe und eine Breite auf, die unter Berücksichtigung des Volumens der unter dem Halbleiterelement liegenden Lötmittelschicht 31 gewählt sind.
  • Fünfte Ausführungsform
  • In der ersten bis dritten Ausführungsform, die vorstehend beschrieben sind, ist die Technik des Selbstreparierens von Rissen in der unter dem Halbleiterelement liegenden Lötmittelschicht 31 durch Anpassen der Gate-Spannung zum Schmelzen der unter dem Halbleiterelement liegenden Lötmittelschicht 31 beschrieben. Eine in 20 gezeigte Anordnung kann verwendet werden, um zu verhindern, dass geschmolzenes Lötmittel von der leitfähigen Platte 28 des isolierenden Substrats 29 überfließt und abtropft, sodass es das isolierende Basismaterial 26 erreicht, wenn die unter dem Halbleiterelement liegende Lötmittelschicht 31 geschmolzen wird.
  • Mit anderen Worten kann ein Vorsprung PP, der eine Wandform aufweist, auf der Hauptoberfläche der leitfähigen Platte 28 ähnlich einer in 20 gezeigten Halbleitervorrichtung 400 vorgesehen sein. 21 ist eine Draufsicht, die das isolierende Substrat 29 von dem Steuersubstrat CS aus gesehen zeigt, und der Vorsprung PP ist so vorgesehen, dass er das Leistungshalbleiterelement 21 umgibt.
  • Der Vorsprung PP stoppt den Lötmittelfluss, wenn die unter dem Halbleiterelement liegende Lötmittelschicht 31 geschmolzen wird, um dadurch zu verhindern, dass das Lötmittel von der leitfähigen Platte 28 überfließt und abtropft. Der Vorsprung PP kann durch Ätzen der leitfähigen Platte 28 bis auf einen Bereich des Vorsprungs PP ausgebildet werden, und der Vorsprung PP weist eine Höhe auf, die unter Berücksichtigung des Volumens der unter dem Halbleiterelement liegenden Lötmittelschicht 31 gewählt ist.
  • Sechste Ausführungsform
  • In der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform ist die Anordnung der Halbleitervorrichtung der Wire-Bonding-Modulart, in welcher die unter dem Halbleiterelement liegende Lötmittelschicht 31 geschmolzen wird, beschrieben und ist ebenso bei einer in 22 gezeigten Direct-Lead-Bonding- (DLB-) Halbleitervorrichtung einsetzbar.
  • 22 ist eine Querschnittsansicht, die eine Anordnung einer Halbleitervorrichtung 500 in einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In 22 sind ein Leistungshalbleiterelement 21 und ein Leistungshalbleiterelement 22 jeweils mit einer unter dem Halbleiterelement liegenden Lötmittelschicht 31 und einer unter dem Halbleiterelement liegenden Lötmittelschicht 41 dazwischen mit einer Hauptoberfläche eines Wärmeverteilers 351 verbunden, wobei der Wärmeverteiler 351 aus einem Kupfer- (Cu-) Material, einem Aluminium- (Al-) Material oder einem Legierungsmaterial besteht, das Kupfer als eine Hauptkomponente aufweist. Genauer ist ein leitfähiges Muster M2, das auf der oberen Hauptoberfläche des Wärmeverteilers 351 angeordnet ist, mit der unter dem Halbleiterelement liegenden Lötmittelschicht 31 dazwischen mit einem leitfähigen Muster M1 verbunden, das auf einer unteren Hauptoberfläche des Leistungshalbleiterelements 21 angeordnet ist, und ein leitfähiges Muster M12, das auf der oberen Hauptoberfläche des Wärmeverteilers 351 angeordnet ist, mit der unter dem Halbleiterelement liegenden Lötmittelschicht 41 dazwischen mit einem leitfähigen Muster M11 verbunden, das auf einer unteren Hauptoberfläche des Leistungshalbleiterelements 22 angeordnet ist.
  • Der Wärmeverteiler 351 weist einen Teil eines Endbereichs an einer Seite auf, auf welcher das Leistungshalbleiterelement 21 angebracht ist, wobei der Teil des Endbereichs in eine L-Form gebogen ist, die sich nach oben erstreckt, und als ein Hauptelektrodenanschluss 35 (P-seitiger Hauptelektrodenanschluss) fungiert.
  • Das Leistungshalbleiterelement 21 und das Leistungshalbleiterelement 22 weisen obere Oberflächen auf, die jeweils mit einer über dem Halbleiterelement liegenden Lötmittelschicht 311 und einer über dem Halbleiterelement liegenden Lötmittelschicht 411 dazwischen mit einer unteren Hauptoberfläche einer Hauptelektrodenanschlussplatte 381 verbunden sind.
  • Die Hauptelektrodenanschlussplatte 381 weist einen Endbereich an einer Seite auf, auf welcher das Leistungshalbleiterelement 22 angebracht ist, wobei der Endbereich in eine L-Form gebogen ist, die sich nach oben erstreckt, und als ein Hauptelektrodenanschluss 38 (N-seitiger Hauptelektrodenanschluss) fungiert.
  • Weiter ist ein Kollektor-Emitter-Spannungsausgangsanschluss 37, der sich vertikal zu der Hauptoberfläche des Wärmeverteilers 351 erstreckt, auf der Hauptoberfläche davon vorgesehen.
  • Der Wärmeverteiler 351 ist auf einer isolierenden Schicht 45 angebracht, die aus einem isolierenden Material aus Siliziumgummi oder dergleichen ausgebildet ist. Eine Steueranschlussplatte 361, die getrennt von dem Wärmeverteiler 351 vorgesehen ist, ist auf der isolierenden Schicht 45 angebracht. Eine Gate-Elektrode des Leistungshalbleiterelements 21 ist mit einem internen Metalldraht WR elektrisch mit der Steueranschlussplatte 361 verbunden. Ein Steueranschluss 36 ist auf der Hauptoberfläche der Steueranschlussplatte 361 vorgesehen. Eine Kupferschicht 46 ist mit einer unteren Hauptoberfläche der isolierenden Schicht 45 verbunden.
  • Die vorstehend beschriebene Anordnung von der isolierenden Schicht 45 bis zu der Hauptelektrodenanschlussplatte 381 ist mit einem Harz versiegelt und bildet ein Harzmodul 47, das eine Kastenform aufweist. Der Hauptelektrodenanschluss 35 und der Hauptelektrodenanschluss 38 stehen von den Seitenoberflächen des Harzmoduls 47 gegenüber voneinander hervor und erstrecken sich entlang jeder der Seitenoberflächen nach oben.
  • Ein oberer Bereich des Harzmoduls 47 ist mit einer Störsignalabschirmungsplatte 39 bedeckt, die aus einer Metallplatte aus Al, Cu oder dergleichen ausgebildet ist, und ein Steuersubstrat CS ist auf der Störsignalabschirmungsplatte 39 angeordnet.
  • Der Steueranschluss 36 und der Kollektor-Emitter-Spannungsausgangsanschluss 37 durchdringen die Störsignalabschirmungsplatte 39 und das Steuersubstrat CS und sind jede elektrisch mit vorbestimmten Bereichen einer Steuerschaltung (nicht gezeigt) verbunden, die auf dem Steuersubstrat CS angebracht ist.
  • Anwendung des Halbleiterelements
  • Die erste bis sechste Ausführungsform, die vorstehend beschrieben sind, beschränken die Arten von Halbleitern des Leistungshalbleiterelements 21 nicht im Besonderen. Das Leistungshalbleiterelement 21 ist nicht auf einen Siliziumhalbleiter beschränkt, der ein Silizium- (Si-) Substrat als ein Halbleitersubstrat aufweist, und kann ein Siliziumkarbid-Halbleiter sein, der ein Siliziumkarbid- (SiC-) Substrat als ein Halbleitersubstrat aufweist, oder kann ein anderer Halbleiter mit einer breiten Bandlücke sein, der ein Substrat aufweist, das zum Beispiel aus einem auf Galliumnitrid basierenden Material oder Diamant besteht.
  • Schaltelemente und Diodenelemente, die aus solchen Halbleitern mit breiter Bandlücke ausgebildet sind, weisen eine hohe Spannungsfestigkeit und einen zulässigen Strom von hoher Dichte auf, was eine Größenreduzierung im Vergleich zu Siliziumhalbleitern ermöglicht. Halbleitervorrichtungsmodule, die eingebaute Elemente aufweisen, welche die verkleinerten Schaltelemente und die verkleinerten Diodenelemente sind, können in der Größe reduziert werden. Die Halbleitervorrichtungsmodule weisen einen hohen Widerstand auf und ermöglichen die Verwendung eines Lötmittels mit hohem Schmelzpunkt.
  • Obwohl die Erfindung detailliert gezeigt und beschrieben worden ist, ist die vorstehende Beschreibung in allen Aspekten darstellend und nicht einschränkend. Die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Es wird daher verstanden, dass zahlreiche Modifikationen und Variationen entworfen werden können, ohne den Gültigkeitsumfang der Erfindung zu verlassen.
  • Zusätzlich können gemäß der vorliegenden Erfindung die vorstehenden Ausführungsformen beliebig kombiniert werden oder jede Ausführungsform kann innerhalb des Gültigkeitsumfangs der Erfindung geeignet variiert oder weggelassen werden.

Claims (8)

  1. Halbleitervorrichtung, aufweisend: eine Basisplatte (16); ein isolierendes Substrat (29), das auf der Basisplatte (16) angebracht ist; ein Leistungsschaltelement (21), das mit einer Lötmittelschicht (31) mit dem isolierenden Substrat (29) verbunden ist; wobei die Basisplatte (16), das isolierende Substrat (29) und das Leistungsschaltelement (21) ein Modul bilden; und ein Steuersubstrat (CS), das über dem Modul angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersubstrat (CS) eine Schaltung (90) für eine variable Gate-Spannung aufweist, die eine Kollektor-Emitter-Spannung des Leistungsschaltelements (21) misst und eine Gate-Spannung so ändert, dass das Leistungsschaltelement (21) mit einer gegebenen Sollleistung versorgt wird, die durch ein Produkt der Kollektor-Emitter-Spannung und eines Kollektorstroms bestimmt wird, wobei die Schaltung (90) für die variable Gate-Spannung die Gate-Spannung so anpasst, dass eine Leistung zum Schmelzen der Lötmittelschicht (31) als die gegebene Sollleistung bereitgestellt wird.
  2. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Modul weiter mindestens ein Temperaturerfassungselement (TD1) aufweist, das auf einer oberen Oberfläche des Leistungsschaltelements (21) angeordnet ist, und die Schaltung (90) für die variable Gate-Spannung einen Mikro-Computer (61) aufweist, der eingerichtet ist, die Gate-Spannung so anzupassen, dass das Leistungsschaltelement (21) in einem Fall mit der gegebenen Sollleistung versorgt wird, in welchem eine Temperatur der oberen Oberfläche des Leistungsschaltelements (21) während normalem Betrieb, die durch das mindestens eine Temperaturerfassungselement (TD1) erfasst wird, mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen wird und die Temperatur der oberen Oberfläche größer ist als der Schwellenwert.
  3. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei das Leistungsschaltelement (21) in Draufsicht eine rechteckige Form aufweist, und das mindestens eine Temperaturerfassungselement (TD1) in jeder von vier Ecken der oberen Oberfläche des Leistungsschaltelements (21) angeordnet ist.
  4. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Modul weiter aufweist: ein erstes Temperaturerfassungselement (TD1), das auf einer oberen Oberfläche des Leistungsschaltelements (21) angeordnet ist; und ein zweites Temperaturerfassungselement (TD2), das auf einer Hauptoberfläche der Basisplatte (16) in dem Modul angeordnet ist, und die Schaltung (90) für die variable Gate-Spannung einen Mikro-Computer (61) aufweist, der eingerichtet ist: eine Gate-Spannung anzupassen, sodass ein konstanter Kollektorstrom durch das Leistungsschaltelement (21) fließt, während das erste Temperaturerfassungselement (TD1) eine Temperatur der oberen Oberfläche des Leistungsschaltelements (21) misst, und Kollektor-Emitter-Spannungseigenschaften in Abhängigkeit von einer Temperaturänderung zu erhalten, jeweils eine erste Kollektor-Emitter-Spannung und eine zweite Kollektor-Emitter-Spannung durch Hindurchleiten während einer ersten Zeitspanne vor dem Hindurchleiten eines ersten Kollektorstroms und während einer zweiten Zeitspanne nach dem Hindurchleiten des Kollektorstroms zu erhalten, wobei ein zweiter Strom 1/m (wobei m eine ganze Zahl ist) des ersten Stroms ist, aus den Kollektor-Emitter-Spannungseigenschaften eine erste Temperatur der oberen Oberfläche und eine zweite Temperatur der oberen Oberfläche (Tj1, Tj2) des Leistungsschaltelements (21) zu berechnen, die jeweils zu der ersten Kollektor-Emitter-Spannung und der zweiten Kollektor-Emitter-Spannung korrespondieren, unter Verwendung des zweiten Temperaturerfassungselements (TD2) eine erste Basisplattentemperatur und eine zweite Basisplattentemperatur (Tc1, Tc2) zu erhalten, die jeweils eine Temperatur der Basisplatte (16) in der ersten Zeitspanne und eine Temperatur der Basisplatte (16) in der zweiten Zeitspanne sind, eine Wärmebeständigkeit eines unteren Bereichs des Leistungsschaltelements (21) aus Gleichung (1) basierend auf Informationen der ersten und zweiten Temperaturen (Tj1, Tj2) der oberen Oberfläche, der ersten und zweiten Basisplattentemperaturen, des ersten Kollektorstroms, einer Kollektor-Emitter-Spannung (VCE), wenn der erste Kollektorstrom fließt, und einer dritten Zeitspanne (t4- t3), in welcher der erste Kollektorstrom bereitgestellt wird, zu berechnen W a ¨ rmebest a ¨ ndigkeit [ K / W ] = ( T j 2 − T j 1 ) − ( T c 2 − T c 1 ) I × V C E × ( t 4 − t 3 )
    Figure DE112013007670B4_0002
    wobei I einen ersten Kollektorstrom repräsentiert, VCE eine Kollektor-Emitter-Spannung repräsentiert, Tj1 eine erste Temperatur der oberen Oberfläche repräsentiert, Tj2 eine zweite Temperatur der oberen Oberfläche repräsentiert, Tc1 eine erste Basisplattentemperatur repräsentiert, Tc2 eine zweite Basisplattentemperatur repräsentiert und t4- t3 eine dritte Zeitspanne repräsentiert, und die Gate-Spannung so anzupassen, dass das Leistungsschaltelement (21) mit der gegebenen Sollleistung in einem Fall versorgt wird, in welchem die Wärmebeständigkeit mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen wird und die Wärmebeständigkeit größer ist als der Schwellenwert.
  5. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Modul weiter aufweist: ein erstes Temperaturerfassungselement (TD1), das auf einer oberen Oberfläche des Leistungsschaltelements (21) angeordnet ist; und ein zweites Temperaturerfassungselement (TD2), das auf einer Hauptoberfläche der Basisplatte (16) in dem Modul angeordnet ist, und die Schaltung (90) für die variable Gate-Spannung einen Mikro-Computer (61) aufweist, der eingerichtet ist: eine Gate-Spannung so anzupassen, dass ein konstanter Kollektorstrom durch das Leistungsschaltelement (21) fließt, während das erste Temperaturerfassungselement (TD1) eine Temperatur der oberen Oberfläche des Leistungsschaltelements (21) misst, und Gate-Emitter-Spannungseigenschaften in Abhängigkeit von einer Temperaturänderung zu erhalten, jeweils eine erste Gate-Emitter-Spannung und eine zweite Gate-Emitter-Spannung durch Hindurchleiten während einer ersten Zeitspanne vor dem Hindurchleiten eines ersten Kollektorstroms und während einer zweiten Zeitspanne nach dem Hindurchleiten des Kollektorstroms zu erhalten, wobei ein zweiter Strom 1/m (wobei m eine ganze Zahl ist) des ersten Kollektorstroms ist, aus den Gate-Emitter-Spannungseigenschaften eine erste Temperatur der oberen Oberfläche und eine zweite Temperatur der oberen Oberfläche (Tj1, Tj2) des Leistungsschaltelements (21) zu berechnen, die jeweils zu der ersten Gate-Emitter-Spannung und der zweiten Gate-Emitter-Spannung korrespondieren, unter Verwendung des zweiten Temperaturerfassungselements (TD2) eine erste Basisplattentemperatur und eine zweite Basisplattentemperatur (Tc1, Tc2) zu erhalten, die jeweils eine Temperatur der Basisplatte (16) in der ersten Zeitspanne und eine Temperatur der Basisplatte (16) in der zweiten Zeitspanne sind, eine Wärmebeständigkeit eines unteren Bereichs des Leistungsschaltelements (21) aus Gleichung (1) basierend auf Informationen der ersten und zweiten Temperaturen (Tj1, Tj2) der oberen Oberfläche, der ersten und zweiten Basisplattentemperaturen, des ersten Kollektorstroms, einer Kollektor-Emitter-Spannung (VCE), wenn der erste Kollektorstrom fließt, und einer dritten Zeitspanne (t4- t3), in welcher der erste Kollektorstrom bereitgestellt wird, zu berechnen W a ¨ rmebest a ¨ ndigkeit [ K / W ] = ( T j 2 − T j 1 ) − ( T c 2 − T c 1 ) I × V C E × ( t 4 − t 3 )
    Figure DE112013007670B4_0003
    wobei I einen ersten Kollektorstrom repräsentiert, VCE eine Kollektor-Emitter-Spannung repräsentiert, Tj1 eine erste Temperatur der oberen Oberfläche repräsentiert, Tj2 eine zweite Temperatur der oberen Oberfläche repräsentiert, Tc1 eine erste Basisplattentemperatur repräsentiert, Tc2 eine zweite Basisplattentemperatur repräsentiert und t4- t3 eine dritte Zeitspanne repräsentiert, und die Gate-Spannung so anzupassen, dass das Leistungsschaltelement (21) mit der gegebenen Sollleistung in einem Fall versorgt wird, in welchem die Wärmebeständigkeit mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen wird und die Wärmebeständigkeit größer ist als der Schwellenwert.
  6. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das isolierende Substrat (29) eine leitfähige Platte (28) aufweist, die auf einem isolierenden Basismaterial (26) angeordnet ist, das Leistungsschaltelement (21) mit der Lötmittelschicht (31) mit der leitfähigen Platte (28) verbunden ist, und das isolierende Substrat (29) weiter eine Vertiefung (PC), die eine Grabenform aufweist, in einer Hauptoberfläche der leitfähigen Platte (28) aufweist, wobei die Vertiefung so vorgesehen ist, dass sie das Leistungsschaltelement (21) umgibt.
  7. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das isolierende Substrat (29) eine leitfähige Platte (28) aufweist, die auf einem isolierenden Basismaterial (26) angeordnet ist, das Leistungsschaltelement (21) mit der Lötmittelschicht (31) mit der leitfähigen Platte (28) verbunden ist, und das isolierende Substrat (29) weiter einen Vorsprung (PP), der eine Wandform aufweist, auf einer Hauptoberfläche der leitfähigen Platte (28) aufweist, wobei der Vorsprung so vorgesehen ist, dass er das Leistungsschaltelement (21) umgibt.
  8. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Leistungsschaltelement (21) ein Schaltelement mit breiter Bandlücke aufweist, das auf einem Halbleitersubstrat mit breiter Bandlücke ausgebildet ist.
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