DE112018006938T5 - Halbleitereinheit und leistungswandler - Google Patents

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conductor structure
semiconductor
semiconductor substrate
bonding wire
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Yusaku Ito
Yusuke Nakamatsu
Jun TOMISAWA
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

Es wird eine Halbleitereinheit angegeben, deren Verschlechterungs-Detektionsgenauigkeit durch Verwenden einer Induktivität eines Bonding-Drahts verbessert ist. Die Halbleitereinheit mit einer verbesserten Verschlechterungs-Detektionsgenauigkeit weist Folgendes auf: eine erste Leiterstruktur (5), die auf dem isolierenden Substrat (1) ausgebildet ist, wobei der Hauptstrom der Halbleitersubstrat (6)-Einheit durch die erste Leiterstruktur (5) fließt; eine zweite Leiterstruktur (3), die auf dem isolierenden Substrat (1) ausgebildet ist, um das Potential der Oberflächenelektrode (8) der Halbleitersubstrat (6)-Einheit zu messen; einen ersten Bonding-Draht (9), der die Oberflächenelektrode (8) und die erste Leiterstruktur (5) verbindet; einen zweiten Bonding-Draht (10), der die Oberflächenelektrode (8) und die zweite Leiterstruktur (3) verbindet; eine Spannungsmesseinheit (12), die mit der ersten Leiterstruktur (5) und der zweiten Leiterstruktur (3) verbunden ist, um eine Potentialdifferenz zwischen der ersten Leiterstruktur (5) und der zweiten Leiterstruktur (3) zum Zeitpunkt eines Schaltens der Halbleitersubstrat (6-Einheit zu messen; sowie eine Verschlechterungs-Detektionseinheit (13), um eine Verschlechterung des ersten Bonding-Drahts (9) durch Verwenden der gemessenen Potentialdifferenz zu detektieren.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitereinheit mit einer Verschlechterungs-Detektionsfunktion sowie auf einen Leistungswandler, der eine solche Halbleitereinheit aufweist.
  • STAND DER TECHNIK
  • Eine Halbleitereinheit weist üblicherweise Folgendes auf: ein Substrat mit einer Leiterstruktur; eine Halbleitersubstrat-Einheit, deren untere Seite an die Leiterstruktur gebondet ist und auf deren oberer Seite sich eine Oberflächenelektrode befindet; sowie einen Bonding-Draht, dessen eines Ende an die Oberflächenelektrode gebondet ist und dessen anderes Ende an die Leiterstruktur auf dem Substrat gebondet ist. Der Bonding-Draht verschlechtert sich durch wiederholte Temperaturänderungen während des Betriebs des Halbleitermoduls.
  • Ferner gibt es Informationen, dass ein Weg bei einer herkömmlichen Halbleitereinheit darin besteht, eine Spannung zwischen zwei Enden, bei denen es sich um eine Kelvin-Emitter-Elektrode und eine Messelektrode handelt, auf einem Substrat unter der Bedingung, dass ein Gleichstrom konstant durch ein Halbleitersubstrat fließt, durch Verwenden eines speziellen Mess-Bonding-Drahts zu messen, und die Verschlechterung des Bonding-Drahts wird detektiert, indem die Tatsache genutzt wird, dass sich die Spannung ändert, wenn sich der Mess-Bonding-Draht durch eine Verschlechterung im Vergleich zu dem Fall, wenn er sich noch nicht verschlechtert hat, von dem Substrat ablöst, siehe zum Beispiel das Patentdokument 1.
  • Ein weiterer Weg besteht darin, die Verschlechterung eines Bonding-Drahts durch die Spannungsänderung zwischen den beiden Enden des verschlechterten Bonding-Drahts unter der Bedingung zu detektieren, dass ein Gleichstrom konstant durch die Halbleitersubstrat-Einheit fließt, ohne irgendeinen speziellen Mess-Bonding-Draht zu erfordern, wie zum Beispiel im Patentdokument 2 offenbart.
  • LITERATURLISTE
  • Patentdokumente
    • Patentdokument 1: Ungeprüfte Patentanmeldungs-Veröffentlichung JP 2015-114149 A
    • Patentdokument 2: Ungeprüfte Patentanmeldungs-Veröffentlichung JP 2007-113983 A
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Mit der Erfindung zu lösende Probleme
  • Da die Verschlechterung eines Bonding-Drahts bei herkömmlichen Halbleitereinheiten jedoch durch eine Änderung des Widerstands des Bonding-Drahts detektiert wird, sollte der durch den Bonding-Draht hindurchfließende Strom hoch sein, um die Detektionsgenauigkeit für eine Verschlechterung zu verbessern, indem die Änderung der Spannung zum Zeitpunkt der Verschlechterung im Vergleich zu jener erhöht wird, wenn er nicht verschlechtert ist. Wenn dann der Strom zunimmt, nimmt der Spannungsabfall nur um einen Wert proportional zu der Zunahme des Stroms zu, was ein Problem darstellt.
  • Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die vorstehend erwähnten Probleme zu lösen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Halbleitereinheit mit einer Funktion anzugeben, bei der eine Verschlechterung eines Bonding-Drahts detektiert wird, ohne einen speziellen Mess-Bonding-Draht zu erfordern und ohne eine Erhöhung des Stroms zu erfordern, der durch die Halbleitersubstrat-Einheit fließt.
  • Mittel zum Lösen der Probleme
  • Die Halbleitereinheit gemäß der Erfindungweist Folgendes auf: ein isolierendes Substrat; eine Halbleitersubstrat-Einheit, die an dem isolierenden Substrat angebracht ist und eine Oberflächenelektrode an seiner oberen Seite aufweist; eine erste Leiterstruktur, die auf dem isolierenden Substrat ausgebildet ist, wobei der Hauptstrom der Halbleitersubstrat-Einheit durch die erste Leiterstruktur hindurchfließt; eine zweite Leiterstruktur, die auf dem isolierenden Substrat ausgebildet ist, um das Potential der Oberflächenelektrode der Halbleitersubstrat-Einheit zu messen; einen ersten Bonding-Draht, der die Oberflächenelektrode und die erste Leiterstruktur verbindet; einen zweiten Bonding-Draht, der die Oberflächenelektrode und die zweite Leiterstruktur verbindet; eine Spannungsmesseinheit, die mit der ersten Leiterstruktur und der zweiten Leiterstruktur verbunden ist, um eine Potentialdifferenz zwischen der ersten Leiterstruktur und der zweiten Leiterstruktur zum Zeitpunkt eines Schaltens der Halbleitersubstrat-Einheit zu messen; sowie eine Verschlechterungs-Detektionseinheit, um eine Verschlechterung des ersten Bonding-Drahts zu detektieren, indem die gemessene Potentialdifferenz verwendet wird.
  • Vorteilhafte Effekte der Erfindung
  • Gemäß der Halbleitereinheit der vorliegenden Erfindung kann die Detektionsgenauigkeit für die Verschlechterung des Bonding-Drahts verbessert werden.
  • Figurenliste
  • In den Figuren zeigen:
    • 1 ein schematisches Schaubild der Struktur einer Halbleitereinheit gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
    • 2 ein Schaltbild der Halbleitereinheit gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
    • 3 ein schematisches Schaubild der Struktur einer Halbleitereinheit gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung;
    • 4 ein schematisches Schaubild der Struktur einer Halbleitereinheit gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung;
    • 5 ein schematisches Schaubild der Struktur einer Halbleitereinheit gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung;
    • 6 ein Schaltbild der Halbleitereinheit gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung;
    • 7 ein Blockschaubild das eine Konfiguration eines Leistungswandlungssystems zeigt, bei dem ein Leistungswandler gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
  • AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachstehend sind Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Äquivalente oder entsprechende Bereiche sind in den Zeichnungen durchweg jeweils mit ihren gemeinsamen gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Möglich optionale Kombinationen von Bereichen von Ausführungsformen, die nachstehend beschrieben sind, gehören ebenfalls zur vorliegenden Erfindung.
  • Ausführungsform 1
  • Im Folgenden ist die Struktur einer Halbleitereinheit gemäß Ausführungsform 1 der vorliegen Erfindung beschrieben.
  • 1 ist ein schematisches Schaubild der Struktur einer Halbleitereinheit gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. In 1 weist eine Halbleitereinheit 100 Folgendes auf: ein isolierendes Substrat 1, eine Leiterstruktur 2, eine Leiterstruktur 3 als zweite Leiterstruktur, eine Leiterstruktur 4, eine Leiterstruktur 5 als erste Leiterstruktur, ein Halbleitersubstrat 6, eine Gate-Elektrode 7, eine Oberflächenelektrode 8 des Halbleitersubstrats 6, einen Bonding-Draht 9 als ersten Bonding-Draht, einen Bonding-Draht 10 als zweiten Bonding-Draht, einen Bonding-Draht 11, eine Spannungsmesseinheit 12 zum Messen einer Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 3 und der Leiterstruktur 5 sowie eine Verschlechterungs-Detektionseinheit 13 zum Detektieren einer Verschlechterung des ersten Bonding-Drahts.
  • Eine Verschlechterungs-Detektionsvorrichtung 14 weist Folgendes auf: die Spannungsmesseinheit 12 zum Messen einer Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 3 und der Leiterstruktur 5 sowie die Verschlechterungs-Detektionseinheit 13 zum Bestimmen der Verschlechterung des Bonding-Drahts 9 aus der Potentialdifferenz, die von der Spannungsmesseinheit 12 gemessen wird. Die Verschlechterungs-Detektionsvorrichtung 14 kann in der Halbleitereinheit 100 zum Beispiel auf dem isolierenden Substrat 1 aufgebaut sein, oder die Verschlechterungs-Detektionsvorrichtung 14 kann außerhalb der Halbleitereinheit angeordnet sein.
  • Bei möglichen Materialien für das isolierende Substrat 1 handelt es sich zum Beispiel um Aluminiumoxid (Al2O3), Aluminiumnitrid (AlN) oder dergleichen. Die Leiterstrukturen 2, 3, 4 und 5 sind auf der Oberseite des isolierenden Substrats 1 ausgebildet.
  • Bei einem möglichen Material für die Leiterstrukturen 2, 3, 4 und 5, die Gate-Elektrode 7 sowie die Oberflächenelektrode 8 der Halbleitersubstrat 6-Einheit handelt es sich zum Beispiel um Kupfer (Cu) oder Aluminium (Al). Die Leiterstruktur 2 ist mit der Unterseite der Halbleitersubstrat 6-Einheit verbunden. Die Leiterstruktur 3 ist über den Bonding-Draht 10 mit der Oberflächenelektrode 8 der Halbleitersubstrat 6-Einheit verbunden. Die Leiterstruktur 3 wird dazu verwendet, das Potential der Oberflächenelektrode 8 der Halbleitersubstrat 6-Einheit zu messen.
  • Die Leiterstruktur 4 ist über den Bonding-Draht 11 mit der Gate-Elektrode 7 der Halbleitersubstrat 6-Einheit verbunden. Die Leiterstruktur 5 ist über den Bonding-Draht 9 mit der Oberflächenelektrode 8 der Halbleitersubstrat 6-Einheit verbunden. Der Hauptstrom der Halbleitersubstrat 6-Einheit fließt durch die Leiterstruktur 5.
  • Die Halbleitersubstrat 6-Einheit weist zum Beispiel Folgendes auf: eine Schalteinheit, wie beispielsweise einen IGBT (einen bipolaren Transistor mit isoliertem Gate) und einen vertikalen MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), oder eine Gleichrichtereinheit, wie beispielsweise eine Schottky-Barrieren-Diode.
  • Bei der Halbleitersubstrat 6-Einheit handelt es sich zum Beispiel um eine Leistungshalbleitereinheit mit einer vertikalen Struktur, bei welcher der Strom von der unteren Seite zu der oberen Seite derselben fließt. Die Halbleitersubstrat 6-Einheit besteht zum Beispiel aus einkristallinem Silicium (Si). Die Halbleitermaterialkandidaten für die Halbleitersubstrat 6-Einheit sind jedoch nicht auf dieses beschränkt. Es kann sich auch um ein Halbleitermaterial mit einer großen Bandlücke handeln, wie zum Beispiel um Siliciumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN).
  • Mögliche Materialien für die Bonding-Drähte 9, 10 und 11 sind zum Beispiel Gold (Au), Kupfer (Cu), Aluminium (Al) oder dergleichen. Jeder der Bonding-Drähte 9, 10 und 11 ist zum Beispiel durch Ultraschall-Bonding an geeignete Komponenten von den Leiterstrukturen 3, 4, 5, der Oberflächenelektrode 8 und der Gate-Elektrode 7 gebondet.
  • Der Bonding-Draht 9 verbindet die Oberflächenelektrode 8 der Halbleitersubstrat 6-Einheit und die Leiterstruktur 5. Es kann eine Mehrzahl von Bonding-Drähten 9 verwendet werden. Der Bonding-Draht 10 verbindet die Oberflächenelektrode 8 der Halbleitersubstrat 6-Einheit und die Leiterstruktur 3. Da der Bonding-Draht 10 dem Messen des Potentials der Oberflächenelektrode 8 der Halbleitersubstrat 6-Einheit dient, kann für den Bonding-Draht 10 ein Bonding-Draht verwendet werden, dessen Durchmesser geringer als jener des Bonding-Drahts 9 ist. Der Bonding-Draht 11 verbindet die Gate-Elektrode 7 der Halbleitersubstrat 6-Einheit und die Leiterstruktur 4.
  • 2 ist ein Schaltbild der Halbleitereinheit gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. 2 zeigt ein Schaltbild, bei dem es sich um eine mögliche Ausführungsform der Spannungsmesseinheit 12 und der Verschlechterungs-Detektionseinheit 13 handelt. Wie in 2 gezeigt, weist die Spannungsmesseinheit 12 eine Diode 15, einen Kondensator 16 sowie einen Schalter 17 auf. Die Verschlechterungs-Detektionseinheit 13 weist einen Komparator 18 zum Vergleichen von Spannungen sowie einen Referenzspannungsgenerator 19 zum Erzeugen einer Referenzspannung auf.
  • Die Spannungsmessung zum Zeitpunkt eines Schaltens der Halbleitersubstrat 6-Einheit wird in folgende klassifiziert, um genauer zu sein, jene drei Zeitpunkte, die jeweils beim Zeitpunkt ihres Einschaltens, beim Zeitpunkt ihres Ausschaltens und bei dem Zeitpunkt liegen, bei dem ein Einschalt-Erholungsstrom fließt. Wenngleich 2 eine Schaltungskonfiguration zeigt, die der Detektion der Verschlechterung entspricht, wenn die Halbleitersubstrat 6-Einheit ausgeschaltet wird, kann die Detektion der Verschlechterung des Bonding-Drahts auch durchgeführt werden, wenn die Halbleitersubstrat 6-Einheit eingeschaltet wird, indem die Verbindungen der Diode 15 und des Komparators 18 umgekehrt werden.
  • Auch mit der in 2 gezeigten Schaltungskonfiguration kann die Spannung zum Zeitpunkt des Fließens des Einschalt-Erholungsstroms detektiert werden, so dass die Verschlechterung des Bonding-Drahts 9 detektiert werden kann, indem die Spannung zum Zeitpunkt des Erholungs-Stromflusses überwacht wird. Diese Schaltungskonfiguration ermöglicht ein präzises Detektieren allgemeiner Arten von Verschlechterungen eines Bonding-Drahts, wie beispielsweise eines Falls, in dem sich ein Bonding-Draht durch die Entwicklung eines Risses in der Nähe der Grenzschicht zwischen dem Bonding-Draht und der Oberflächenelektrode von der Halbleitersubstrat-Einheit ablöst, und eines Falls, in dem ein sich entwickelnder Riss in einem Bonding-Draht an dessen Biegung bewirkt, dass der Bonding-Draht halb abgetrennt wird.
  • Die Diode 15 weist ein mit der Leiterstruktur 3 verbundenes erstes Ende und ein mit dem Komparator 18 verbundenes zweites Ende auf. Ein erstes Ende des Kondensators 16 ist mit dem zweiten Ende der Diode 15 verbunden, und ein zweites Ende des Kondensators 16 ist mit der Leiterstruktur 5 verbunden. Das eine Ende des Schalters 17 ist mit dem zweiten Ende der Diode 15 verbunden, und das andere Ende des Schalters 17 ist mit der Leiterstruktur 5 verbunden, so dass der Schalter 17 mit dem Kondensator 16 parallel geschaltet ist. Die Ausgabe der Spannungsmesseinheit 12 und die Ausgabe des Referenzspannungsgenerators 19 treten in den Komparator 18 ein. Als Schalter 17 kann zum Beispiel eine Halbleitereinheit verwendet werden.
  • Bezugnehmend auf die 1 und 2 wird das Verfahren der Spannungsmessung und der Verschlechterungs-Detektion zum Zeitpunkt eines Ausschaltens der Halbleitersubstrat 6-Einheit beschrieben.
  • Wenn sich zunächst die Halbleitersubstrat 6-Einheit ihrem EIN-Zustand befindet, fließt ein Strom in der Halbleitersubstrat 6-Einheit von der Unterseite der Halbleitersubstrat 6-Einheit zu ihrer Oberseite, mit anderen Worten entlang der vertikalen Richtung von der Leiterstruktur 2 zu der Oberflächenelektrode 8 der Halbleitersubstrat 6-Einheit. Dabei befindet sich der Schalter 17 der Spannungsmesseinheit 12 in seinem AUS-Zustand. Die Oberflächenelektrode 8 der Halbleitersubstrat 6-Einheit ist über den Bonding-Draht 10 mit der Leiterstruktur 3 auf dem isolierenden Substrat 1 verbunden. Demzufolge ist das Potential der Leiterstruktur 3 gleich jenem der Oberflächenelektrode 8 der Halbleitersubstrat 6-Einheit.
  • Als Nächstes fließt der Strom, der von der Leiterstruktur 2 zu der Oberflächenelektrode 8 der Halbleitersubstrat 6-Einheit fließt, über die mit der Oberflächenelektrode 8 der Halbleitersubstrat 6-Einheit verbundenen Bonding-Drähte 9 zu der Leiterstruktur 5 auf dem isolierenden Substrat 1. Da ein Bonding-Draht 9 einen Widerstand und eine Induktivität aufweist, weist er eine Potentialdifferenz zwischen seinen beiden Enden auf, der durch die Summe der Potentialdifferenz durch den Widerstand, die durch das Produkt des Widerstands und des Stroms gegeben ist, und der Potentialdifferenz durch die Induktivität widergegeben wird, die durch das Produkt der Induktivität und der zeitlichen Ableitung des Stroms gegeben ist.
  • Das eine Ende eines Bonding-Drahts 9 weist das gleiche Potential wie die auf dem isolierenden Substrat 1 ausgebildete Leiterstruktur 3 auf, und an dem anderen Ende ist die Leiterstruktur 5 ausgebildet. Demzufolge liegt in 2 eine Potentialdifferenz, die durch die Summe der Potentialdifferenz aufgrund des Widerstands der Bonding-Drähte 9 und der Potentialdifferenz aufgrund der Induktivität der Bonding-Drähte 9 gegeben ist, zwischen der Leiterstruktur 3 und der Leiterstruktur 5 vor, die auf dem isolierenden Substrat 1 ausgebildet sind.
  • In dem Moment, in dem der Strom konstant fließt (EIN-Zustand), ist die zeitliche Ableitung des Stroms gleich Null, demzufolge ist die Potentialdifferenz aufgrund der Induktivität gleich Null. Die Potentialdifferenz aufgrund des Widerstands ist ebenfalls gering, da der Widerstand der Bonding-Drähte 9 gering ist.
  • Wenn die Halbleitersubstrat 6-Einheit aus diesem Zustand (EIN-Zustand) ausgeschaltet wird (in ihren AUS-Zustand geschaltet wird), nimmt der durch die Halbleitersubstrat 6-Einheit fließende Strom rasch ab, und der durch die Bonding-Drähte 9 fließende Strom nimmt in einer ähnlichen Weise ab. Dabei wird eine Potentialdifferenz, die durch das Produkt der Induktivität der Bonding-Drähte 9 und die zeitliche Ableitung des Stroms gegeben ist, zwischen der Leiterstruktur 3 und der Leiterstruktur 5 induziert.
  • Wenngleich die Potentialdifferenz aufgrund des Widerstands der Bonding-Drähte 9 zur gleichen Zeit ebenfalls existiert, ist der Widerstand der Bonding-Drähte 9 im Allgemeinen gering. Daher ist die Potentialdifferenz aufgrund des Widerstands im Vergleich zu der Potentialdifferenz aufgrund der Induktivität vernachlässigbar.
  • Die Leiterstruktur 3 ist durch den Bonding-Draht 10 mit der Oberflächenelektrode 8 verbunden und weist demzufolge das gleiche Potential wie jenes der Oberflächenelektrode 8 auf. Da der Strom, der in der „positiven“ Richtung fließt, was hier eine Richtung bedeutet, die von der Oberflächenelektrode 8 zu der Leiterstruktur 5 verläuft, während der Zeit des EIN-Zustands der Halbleitersubstrat 6-Einheit abnimmt, wird das Potential der Leiterstruktur 5 aufgrund der Induktivität der Bonding-Drähte 9 in Bezug auf die Spannung zwischen der Leiterstruktur 3 und der Leiterstruktur 5, die auf dem isolierenden Substrat 1 ausgebildet sind, höher als jenes der Leiterstruktur 3.
  • Im Allgemeinen ist der Absolutwert der zeitlichen Ableitung des Stroms während der Zeitspanne des Ausschaltens nicht konstant. Er weist an einem bestimmten Zeitpunkt während der Dauer seinen maximalen Spitzenwert auf.
  • Wie in 2 gezeigt, ist das eine Ende des Kondensators 16 mit der Seite der Leiterstruktur 3 verbunden, und das andere Ende desselben ist mit der Seite der Leiterstruktur 5 verbunden.
  • Der Schalter 17 befindet sich in seinem AUS-Zustand, und die elektrische Ladung, die der induzierten Spannung entspricht, die in der Induktivität der Bonding-Drähte 9 begründet ist und die sich zwischen der Leiterstruktur 3 und der Leiterstruktur 5 befindet, akkumuliert zum Zeitpunkt eines Ausschaltens der Halbleitersubstrat 6-Einheit bei dem Kondensator 16. Die Diode 15 ist zwischen dem einen Ende des Kondensators 16 und der Leiterstruktur 3 angeordnet, und die maximale Spannung, die an dem Kondensator 16 in Erscheinung tritt, wird zwischen beiden Enden des Kondensators 16 gehalten. Diese Spannung, die an dem Kondensator 16 gehalten wird, rührt von der maximalen Spannung her, die aufgrund der Induktivität der Bonding-Drähte 9 zwischen den beiden Enden der Bonding-Drähte 9 in Erscheinung tritt.
  • Das eine Ende des Kondensators 16 ist mit der Eingangsseite des Komparators 18 verbunden. Der Komparator 18 vergleicht die Spannung, die an dem Kondensator 16 gehalten wird, zur Bestimmung der Verschlechterung mit der Referenzspannung von dem Referenzspannungsgenerators 19. Wenn die an dem Kondensator 16 gehaltene Spannung über die Referenzspannung hinausgeht, so ergibt dies, dass sich einer oder einige der Bonding-Drähte 19 verschlechtert haben, und es erfolgt eine Ausgabe eines Fehlersignals, das die Verschlechterung zeigt.
  • Da es möglich ist, zu bewirken, dass die zeitliche Ableitung des Stroms zum Zeitpunkt des Ausschaltens der Halbleitersubstrat 6-Einheit unter der gleichen Schaltbedingung konstant wird, nimmt die Spannung zwischen der Leiterstruktur 3 und der Leiterstruktur 5 aufgrund der Verschlechterung der Bonding-Drähte 9 monoton zu. Dies liegt an der Zunahme der Induktivität der Bonding-Drähte 9 aufgrund der Verschlechterung der Bonding-Drähte 9.
  • Wenn die Referenzspannung zum Bestimmen der Verschlechterung im Voraus vorgegeben wird, ist es dann möglich, die Verschlechterung in dem Moment zu bestimmen, wenn der Spitzenwert der Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 3 und der Leiterstruktur 5 zum Zeitpunkt eines Ausschaltens der Halbleitersubstrat 6-Einheit über die Referenzspannung hinausgeht.
  • Wenngleich es möglich ist, nur einen Referenzspannungswert zu verwenden, ist es auch möglich, die Bestimmung für eine Vielzahl von Ausschaltvorgängen der Halbleitersubstrat 6-Einheit zu ermöglichen, indem die Referenzspannungswerte erstellt werden, die unter verschiedenen Bedingungen erhalten werden, wie beispielsweise jene, die durch Ändern der Temperatur erhalten werden, jene, die durch Ändern des Stroms der Halbleitersubstrat 6-Einheit im EIN-Zustand erhalten werden, und jene, die durch Ändern des Gate-Widerstands erhalten werden, und dergleichen.
  • Ein weiterer möglicher Weg besteht darin, eine CPU mit einem eingebauten Speicher zu verwenden, um die Spannung des Kondensators 16 zu speichern, anstatt den Komparator 18 zu verwenden. In diesem Fall kann der erste Schritt zum Beispiel in der Erfassung des Spitzenwerts der Potentialdifferenz zum Zeitpunkt Ausschaltens der Halbleitersubstrat 6-Einheit unter einer bestimmten Bedingung, gefolgt von dem zweiten und späteren Schritten, die den Schalter 17 einschalten können, um die Potentialdifferenz zwischen den beiden Enden des Kondensators 16 auf Null zurückzusetzen, und zu einem zweiten Zeitpunkt in der Erfassung des Spitzenwerts der Potentialdifferenz zum Zeitpunkt eines Ausschaltens unter einer zweiten Bedingung bestehen.
  • Diese Schritte ergeben die Spitzenwerte für die Potentialdifferenz zum Zeitpunkt eines Ausschaltens, die unter einer Mehrzahl von Bedingungen als Werte für einen Vergleich erhalten werden, und es ist möglich, die Verschlechterung der Bonding-Drähte 9 durch Vergleichen dieser Vergleichswerte mit der Referenzspannung umfassend zu bestimmen.
  • Ein weiterer möglicher Weg besteht darin, einen Stromsensor zur Überwachung des Stroms während der Zeit des Ausschaltens sowie einen Spannungssensor zu verwenden, der in der Lage ist, die Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 3 und der Leiterstruktur 5 kontinuierlich zu überwachen. Auf diese Weise werden die zeitliche Ableitung des Stroms und die Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 3 und der Leiterstruktur 5 kontinuierlich überwacht, und indem die Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 3 und der Leiterstruktur 5 durch die zeitliche Ableitung des Stroms dividiert wird, kann die Induktivität der Bonding-Drähte 9 erhalten werden. Die Verschlechterung kann aus der Änderung dieser erhaltenen Induktivität detektiert werden.
  • Da die Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 3 und der Leiterstruktur 5 zum Zeitpunkt eines Schaltens der Halbleitersubstrat 6-Einheit durch die Spannungsmesseinheit 12 gemessen wird, die mit der Leiterstruktur 3 und der Leiterstruktur 5 in der Halbleitereinheit 100 mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration verbunden ist, kann die Detektionsgenauigkeit für die Verschlechterung des Bonding-Drahts 9 verbessert werden. Da diese Konfiguration verwendet wird, ist es möglich, die Änderung der Spannung zwischen beiden Enden der Bonding-Drähte 9 im Fall der Verschlechterung eines Bonding-Drahts 9 problemlos zu vergrößern, indem einfach die zeitliche Ableitung des Stroms während des Schaltens vergrößert wird, anstatt den Stromfluss durch die Bonding-Drähte 9 zu vergrößern.
  • Dadurch wird eine Verbesserung der Detektionsgenauigkeit für die Verschlechterung ermöglicht. Das heißt, es wird die Tatsache genutzt, dass dann, wenn sich die Stärke des durch ein Objekt fließenden Stroms in Abhängigkeit von der Zeit ändert, die Potentialdifferenz zwischen beiden Enden des Objekts durch das Produkt der zeitlichen Ableitung des Stroms und der Induktivität des Objekts gegeben ist.
  • Da keine Notwendigkeit besteht, den Strom in dieser Konfiguration zu erhöhen, ist es möglich, den Temperaturanstiegt der Halbleitersubstrat 6-Einheit aufgrund der Wärmeerzeugung in der Halbleitersubstrat 6-Einheit gering zu halten. Darüber hinaus ist es bei dem Vergleich der Spannungsänderung aufgrund des Widerstands mit der Spannungsänderung aufgrund der Induktivität für verschlechterte und nicht verschlechterte Bonding-Drähte 9 und der Bedingung eines gemeinsamen maximalen Stroms leicht, die Spannungsänderung aufgrund der Induktivität größer als die Spannungsänderung aufgrund des Widerstands zu gestalten. Durch Verwenden der Spannungsänderung aufgrund der Induktivität kann dann die Detektionsgenauigkeit für die Verschlechterung des Bonding-Drahts 9 durch die Änderung der Spannung verbessert werden.
  • Ausführungsform 2
  • Im Folgenden wird die Struktur einer Halbleitereinheit gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Die Ausführungsform 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform 1 dahingehend, dass eine Mehrzahl der Halbleitersubstrat 6-Einheiten, bei denen es sich jeweils um die gleiche wie jene bei der Ausführungsform 1 handelt, mit der Leiterstruktur 5 parallel geschaltet ist. Auch bei einer Konfiguration mit einer Mehrzahl der Halbleitersubstrat 6-Einheiten, die auf diese Weise parallelgeschaltet sind, kann die Detektionsgenauigkeit für die Verschlechterung des Bonding-Drahts 9 verbessert werden. Die sonstigen Merkmale der Konfiguration sind die gleichen wie jene bei der Ausführungsform 1, so dass die detaillierte Beschreibung weggelassen ist.
  • 3 ist ein schematisches Schaubild der Struktur der Halbleitereinheit gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung. In 3 weist eine Halbleitereinheit 200 Folgendes auf: ein isolierendes Substrat 1, eine Leiterstruktur 2, Leiterstrukturen 3a und 3b (die nachstehend auch insgesamt als eine Leiterstruktur 3 bezeichnet werden, was auch für andere Komponenten mit Bezugszeichen-Suffixen a und b gilt) als zweite Leiterstrukturen, Leiterstrukturen 4a und 4b, eine Leiterstruktur 5 als erste Leiterstruktur, Halbleitersubstrate 6a und 6b, Gate-Elektroden 7a und 7b, Oberflächenelektroden 8a und 8b des Halbleitersubstrats 6, Bonding-Drähte 9a und 9b als erste Bonding-Drähte, Bonding-Drähte 10a und 10b als zweite Bonding-Drähte, Bonding-Drähte 1 1a und 1 1b, eine Spannungsmesseinheit 12 zum Messen einer Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 3 und der Leiterstruktur 5 sowie eine Verschlechterungs-Detektionseinheit 13 zum Detektieren einer Verschlechterung des Bonding-Drahts 9.
  • Eine Verschlechterungs-Detektionsvorrichtung 14 weist die Spannungsmesseinheit 12 zum Messen von Potentialdifferenzen zwischen den Leiterstrukturen 3a, 3b und der Leiterstruktur 5 sowie die Verschlechterungs-Detektionseinheit 13 zum Bestimmen der Verschlechterung der Bonding-Drähte 9a, 9b aus den Potentialdifferenzen auf, die durch die Spannungsmesseinheit 12 gemessen werden.
  • Wie in 3 gezeigt, ist gemäß derAusführungsform 2 eine Mehrzahl der Halbleitersubstrat 6-Einheiten parallel zu der Leiterstruktur 5 so angeordnet, dass Komponenten, die sich von jenen für eine übliche Verwendung unterscheiden, gemäß der Anzahl der Halbleitersubstrat 6-Einheiten angeordnet sind.
  • Dann sind die Halbleitersubstrat 6a-Einheit und die Halbleitersubstrat 6b-Einheit elektrisch parallel geschaltet, und durch Messen jeweils der Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 3a und der Leiterstruktur 5 und der Potentialdifferenz zwischen Leiterstruktur 3b und der Leiterstruktur 5 durch die Spannungsmesseinheit 12 ist es für die Verschlechterungs-Detektionseinheit 13 zur Bestimmung der Verschlechterung möglich, die Verschlechterung entweder des Bonding-Drahts 9a oder des Bonding-Drahts 9b zu detektieren.
  • In Bezug auf die Leiterstruktur 5 ist es möglich, dass der eine Bereich derselben, mit dem die Bonding-Drähte 9a verbunden sind, in Bezug auf den anderen Bereich derselben elektrisch getrennt ist, mit dem die Bonding-Drähte 9b verbunden sind, und es ist möglich, dass diese einzelnen getrennten Bereiche der Leiterstruktur 5 jeweils mit der Spannungsmesseinheit 12 verbunden sind. In diesem Fall kann die Verschlechterung von jedem der Bonding-Drähte 9a und 9b separat detektiert werden.
  • Da die Potentialunterschiede zwischen den Leiterstrukturen 3a, 3b und der Leiterstruktur 5 zum Zeitpunkt eines Schaltens der Halbleitersubstrat 6-Einheiten durch die Spannungsmesseinheit 12 gemessen werden, die mit den Leiterstrukturen 3a, 3b und der Leiterstruktur 5 in der Halbleitereinheit 200 mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration verbunden ist, kann die Detektionsgenauigkeit für die Verschlechterung der Bonding-Drähte 9a und 9b verbessert werden. Da diese Konfiguration verwendet wird, ist es möglich, die Änderungen der Spannungen zwischen beiden Enden der Bonding-Drähte 9a und zwischen beiden Enden der Bonding-Drähte 9b im Fall der Verschlechterung eines Bonding-Drahts 9a und eines Bonding-Drahts 9b problemlos zu vergrößern, indem einfach die zeitliche Ableitung des Stroms während des Schaltens vergrößert wird, anstatt den Stromfluss durch die Bonding-Drähte 9a und den Stromfluss durch die Bonding-Drähte 9b zu vergrößern.
  • Dadurch wird eine Verbesserung der Detektionsgenauigkeit für die Verschlechterung ermöglicht. Das heißt, es wird die Tatsache genutzt, dass dann, wenn sich die Stärke des durch ein Objekt fließenden Stroms in Abhängigkeit von der Zeit ändert, die Potentialdifferenz zwischen beiden Enden des Objekts durch das Produkt der zeitlichen Ableitung des Stroms und der Induktivität des Objekts gegeben ist.
  • Auch in einem Fall, in dem darüber hinaus eine Mehrzahl von Halbleitersubstrat 6-Einheiten parallelgeschaltet ist, kann die Detektionsgenauigkeit für die Verschlechterung der Bonding-Drähte 9a und 9b verbessert werden.
  • Ausführungsform 3
  • Im Folgenden ist die Struktur einer Halbleitereinheit gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Die Ausführungsform 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform 1 dahingehend, dass eine Halbleitersubstrat 6-Einheit, bei der es sich um die gleiche wie jene bei Ausführungsform 1 handelt, und eine zweite Halbleitersubstrat 20-Einheit sowie die Leiterstruktur 5 in Reihe geschaltet sind. Bei einer Konfiguration, bei der eine Mehrzahl von Halbleitersubstrat-Einheiten in Reihe geschaltet ist, wobei die Halbleitersubstrat 6-Einheit mit der zweiten Halbleitersubstrat 20-Einheit ähnlich wie diese verwendet wird, kann die Detektionsgenauigkeit für die Verschlechterung des Bonding-Drahts 9 ebenfalls verbessert werden. Die sonstigen Merkmale der Konfiguration sind die gleichen wie jene der Ausführungsform 1, so dass eine detaillierte erneute Beschreibung weggelassen ist.
  • 4 ist ein schematisches Schaubild der Struktur der Halbleitereinheit gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung. In 4 weist eine Halbleitereinheit 300 Folgendes auf: ein isolierendes Substrat 1, eine Leiterstruktur 2, eine Leiterstruktur 3 als zweite Leiterstruktur, eine Leiterstruktur 4, eine Leiterstruktur 5 als erste Leiterstruktur, Halbleitersubstrate 6 und 20, eine Gate-Elektrode 7, eine Oberflächenelektrode 8 des Halbleitersubstrats 6, eine Oberflächenelektrode 21 des Halbleitersubstrats 20, einen Bonding-Draht 9 als ersten Bonding-Draht, einen Bonding-Draht 10 als zweiten Bonding-Draht, einen Bonding-Draht 11, einen Bonding-Draht 22 als dritten Bonding-Draht, eine Spannungsmesseinheit 12 zum Messen einer Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 3 und der Leiterstruktur 5 sowie eine Verschlechterungs-Detektionseinheit 31 zum Detektieren einer Verschlechterung des Bonding-Drahts 9.
  • Eine Verschlechterungs-Detektionsvorrichtung 14 weist die Spannungsmesseinheit 12 zum Messen einer Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 3 und der Leiterstruktur 5 sowie die Verschlechterungs-Detektionseinheit 13 zum Bestimmen der Verschlechterung des Bonding-Drahts 9 aus der Potentialdifferenz auf, die durch die Spannungsmesseinheit 12 gemessen wird.
  • Bei der Halbleitersubstrat 20-Einheit handelt es sich zum Beispiel um eine Gleichrichtereinheit, wie beispielsweise um eine Schottky-Barrieren-Diode. Die Halbleitersubstrat 20-Einheit besteht zum Beispiel aus einkristallinem Silicium (Si). Der Halbleitermaterial-Kandidat für die Halbleitersubstrat 20-Einheit ist jedoch nicht auf dieses beschränkt. Es kann sich um ein Halbleitermaterial mit einer großen Bandlücke handeln, wie zum Beispiel Siliciumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN).
  • Bei möglichen Materialien für den Bonding-Draht 22 handelt es sich zum Beispiel um Gold (Au), Kupfer (Cu), Aluminium (A1) oder dergleichen. Bei einem möglichen Material für die Oberflächenelektrode 21 handelt es sich zum Beispiel um Kupfer (Cu), Aluminium (A1) oder dergleichen.
  • Wie in 4 gezeigt, ist die Oberflächenelektrode 8 der Halbleitersubstrat 6-Einheit über die Bonding-Drähte 9, die Oberflächenelektrode 21 der Halbleitersubstrat 20-Einheit und die Bonding-Drähte 22 mit der Leiterstruktur 5 elektrisch verbunden. Auf diese Weise sind die Halbleitersubstrat 6-Einheit und die Halbleitersubstrat (20-Einheit in Reihe geschaltet.
  • Eine Verschlechterung eines Bonding-Drahts 9 und eines Bonding-Drahts 22 kann detektiert werden, indem zum Zeitpunkt eines Ausschaltens eine Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 3 und der Leiterstruktur 5 aufgrund der Induktivität der Bonding-Drähte 9 und der Bonding-Drähte 22 gemessen wird. In Bezug auf die Konfiguration der Halbleitersubstrat 6-Einheiten auf dem isolierenden Substrat 1 im Fall einer bei der Ausführungsform 2 gezeigten Parallelschaltung kann das gleiche Resultat erzielt werden, indem die Halbleitersubstrat 20-Einheiten mit den Halbleitersubstrat 6-Einheiten nacheinander in Reihe geschaltet werden.
  • Da die Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 3 und der Leiterstruktur 5 zum Zeitpunkt eines Schaltens der Halbleitersubstrat 6-Einheit durch die Spannungsmesseinheit 12 gemessen wird, die mit der Leiterstruktur 3 und der Leiterstruktur 5 in der Halbleitereinheit 300 mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration verbunden ist, kann die Detektionsgenauigkeit für die Verschlechterung des Bonding-Drahts 9 und des Bonding-Drahts 22 verbessert werden.
  • Da diese Konfiguration verwendet wird, ist es möglich, die Änderung der Potentialdifferenz zwischen beiden Enden eines Satzes der Bonding-Drähte 9 und 22 in einem Fall der Verschlechterung eines Bonding-Drahts 9 oder eines Bonding-Drahts 22 problemlos zu vergrößern, indem einfach die zeitliche Ableitung des Stroms während des Schaltens vergrößert wird, anstatt den Stromfluss durch die Bonding-Drähte 9 und 22 zu vergrößern.
  • Dadurch wird eine Verbesserung der Detektionsgenauigkeit für die Verschlechterung ermöglicht. Das heißt, es wird die Tatsache genutzt, dass dann, wenn sich die Stärke des durch ein Objekt fließenden Stroms in Abhängigkeit von der Zeit ändert, die Potentialdifferenz zwischen beiden Enden des Objekts durch das Produkt der zeitlichen Ableitung des Stroms und der Induktivität des Objekts gegeben ist.
  • Da keine Notwendigkeit besteht, den Strom bei dieser Konfiguration zu erhöhen, ist es möglich, den Temperaturanstieg der Halbleitersubstrat 6-Einheit aufgrund der Wärmeerzeugung in der Halbleitersubstrat 6-Einheit gering zu halten.
  • Ausführungsform 4
  • Im Folgenden wird die Struktur einer Halbleitereinheit gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Bei den Ausführungsformen 1 bis 3 wird angenommen, dass die zeitliche Ableitung des Stroms zum Zeitpunkt eines Schaltens der Halbleitersubstrat 6-Einheit zum Detektieren der Verschlechterung des Bonding-Drahts ungeachtet der Verschlechterung des Bonding-Drahts 9 nahezu konstant ist. Tatsächlich ändern sich die zeitlichen Ableitungen der Ströme dann nicht, wenn die Ausschalt-Tests mit verschlechterten Bonding-Drähten 9 zum Beispiel in IGBTs als Halbleitersubstrat 6-Einheiten durchgeführt werden.
  • In Bezug auf die Einschalt-Tests mit verschlechterten Bonding-Drähten 9 zum Beispiel in IGBTs als den Halbleitersubstrat 6-Einheiten wird jedoch beobachtet, dass sich die zeitlichen Ableitungen der Ströme zwischen den Tests mit nicht verschlechterten Bonding-Drähten 9 und den Tests mit verschlechterten Bonding-Drähten 9 auch unter üblichen Bedingungen etwas ändern, wie beispielsweise einem festen Gate-Widerstand und einer festen Temperatur. Demzufolge wird sich die zu messende Potentialdifferenz ändern, wenn sich die zeitliche Ableitung des Stroms ändert, auch wenn sich die Induktivität nicht ändern.
  • Dann besteht ein möglicher Weg darin, eine Feineinstellung der Schaltbedingung zwischen einem Fall mit den nicht verschlechterten Bonding-Drähten 9 und einem Fall mit einem verschlechterten Bonding-Draht 9 durchzuführen, um den Einfluss der Änderung der zeitlichen Ableitung des Stroms zu eliminieren, so dass es möglich wird, dass bloß die Änderung der Induktivität aufgrund der Verschlechterung des Bonding-Drahts 9 die Potentialdifferenz beeinflusst, so dass die Detektionsgenauigkeit für die Verschlechterung verbessert wird.
  • Es gibt jedoch einen weiteren Weg, die Detektionsgenauigkeit für die Verschlechterung zu verbessern, ohne dass eine derartige Feineinstellung erforderlich ist, der im Folgenden hier als Ausführungsform 4 präsentiert wird.
  • Die Ausführungsform 4 unterscheidet sich von der Ausführungsform 1 dahingehend, dass eine Leiterstruktur 23 mit der Halbleitersubstrat 6-Einheit in Reihe geschaltet ist, bei der es sich um die gleiche wie bei Ausführungsform 1 handelt, um eine Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 3 und der Leiterstruktur 23 sowie eine Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 23 und der Leiterstruktur 5 zum Zeitpunkt eines Schaltens der Halbleitersubstrat 6-Einheit zu messen.
  • Auch bei einer Konfiguration, bei der die Leiterstruktur 23 und die Halbleitersubstrat 6-Einheit ähnlich wie hier in Reihe geschaltet sind, kann die Detektionsgenauigkeit für die Verschlechterung des Bonding-Drahts 9 ebenfalls verbessert werden. Die sonstigen Merkmale der Konfiguration sind die gleichen wie jene gemäß Ausführungsform 1, so dass eine detaillierte erneute Beschreibung weggelassen ist.
  • 5 ist ein schematisches Schaubild der Struktur der Halbleitereinheit gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung. In 5 weist eine Halbleitereinheit 400 Folgendes auf: ein isolierendes Substrat 1, eine Leiterstruktur 2, eine Leiterstruktur 3 als zweite Leiterstruktur, eine Leiterstruktur 4, eine Leiterstruktur 5 als erste Leiterstruktur, eine Leiterstruktur 23 als dritte Leiterstruktur, ein Halbleitersubstrat 6, eine Gate-Elektrode 7, eine Oberflächenelektrode 8 des Halbleitersubstrats 6, einen Bonding-Draht 9 als ersten Bonding-Draht, einen Bonding-Draht 10 als zweiten Bonding-Draht, einen Bonding-Draht 11, einen Bonding-Draht 22 als dritten Bonding-Draht, eine Spannungsmesseinheit 12 zum Detektieren einer Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 3 und der Leiterstruktur 23 sowie einer Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 23 und der Leiterstruktur 5 sowie eine Verschlechterungs-Detektionseinheit 13 zum Detektieren einer Verschlechterung des Bonding-Drahts 9.
  • Der Bonding-Draht 9 verbindet die Oberflächenelektrode 8 und die Leiterstruktur 23. Der Bonding-Draht 22 verbindet die Leiterstruktur 23 und die Leiterstruktur 5.
  • 6 ist ein Schaltbild der Halbleitereinheit gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung. 6 zeigt ein Schaltbild, bei dem es sich um eine mögliche Ausführungsform einer Schaltung auf dem isolierenden Substrat 1 handelt. Wie in 6 gezeigt, sind der Bonding-Draht 9 und der Bonding-Draht 22 über die Leiterstruktur 23 in Reihe geschaltet. Die Verbindungsbereiche der Leiterstrukturen 3 und 5 sind ebenso wie der Verbindungspunkt 23a der Leiterstruktur 23 jeweils mit der Spannungsmesseinheit 12 verbunden. Diese Konfiguration weist die Induktivitäten des Bonding-Drahts 9, der Leiterstruktur 23 sowie des Bonding-Drahts 22 auf.
  • Bezugnehmend auf 5 wird ein Verfahren für die Spannungsmessung und die Verschlechterungsdetektion zum Zeitpunkt eines Ausschaltens der Halbleitersubstrat 6-Einheit beschrieben.
  • Wenn sich die Halbleitersubstrat 6-Einheit zunächst in ihrem EIN-Zustand befindet, fließt der Strom von der Leiterstruktur 2 durch die Halbleitersubstrat 6-Einheit, die Oberflächenelektrode 8, die Bonding-Drähte 9, die Leiterstruktur 23 und die Bonding-Drähte 22 in dieser Reihenfolge zu der Leiterstruktur 5. In dem Moment, in dem die Halbleitersubstrat 6-Einheit wie bei der Ausführungsform 1 ausgeschaltet wird, wird nicht nur durch die Induktivität der Bonding-Drähte 9, sondern auch durch die Induktivitäten der Leiterstruktur 23 und der Bonding-Drähte 22 eine Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 3 und der Leiterstruktur 5 induziert.
  • Wie in den 5 und 6 gezeigt, misst (überwacht) die Spannungsmesseinheit 12 zwei Potentialdifferenzen, wobei es sich bei der einen um die Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 3 und dem Verbindungsbereich der Leiterstruktur 23, bei dem es sich um deren Seite in der Nähe der Halbleitersubstrat 6-Einheit handelt, mit den Bonding-Drähten 9 und bei der anderen um die Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 5 und dem Verbindungsbereich der Leiterstruktur 23 mit den Bonding-Drähten 9 handelt.
  • Die Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 3 und dem Verbindungsbereich der Leiterstruktur 23 mit den Bonding-Drähten 9 wird durch das Produkt der Induktivität der Bonding-Drähte 9 und der zeitlichen Ableitung des Stroms wiedergegeben. Die Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 5 und dem Verbindungsbereich der Leiterstruktur 23 mit den Bonding-Drähten 9 wird durch das Produkt der Summe aus der Induktivität der Leiterstruktur 23 und der Bonding-Drähte 22 und der zeitlichen Ableitung des Stroms wiedergegeben.
  • Sodann ist es durch Berechnen des Verhältnisses der Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 3 und dem Verbindungsbereich der Leiterstruktur 23 mit den Bonding-Drähten 9 zu der Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 5 und dem Verbindungsbereich der Leiterstruktur 23 mit den Bonding-Drähten 9 möglich, das Verhältnis der Induktivität der Bonding-Drähte 9 zu der Summe der Induktivitäten der Leiterstruktur 23 und der Bonding-Drähte 22 zum Zeitpunkt eines Ausschaltens der Halbleitersubstrat 6-Einheit ungeachtet der zeitlichen Ableitung des Stroms zu berechnen.
  • Da nur die Halbleitersubstrat 6-Einheiten und ihre umgebenden Komponenten hohen Temperaturänderungen in Halbleitereinheiten im Allgemeinen unterworfen sind, verschlechtern sich die Leiterstruktur 23 und die Bonding-Drähte 22 kaum, die von der Halbleitersubstrat 6-Einheit getrennt angeordnet sind, und demzufolge ändern sich deren Induktivitäten nicht. Dann ändert sich das Verhältnis der Induktivität der Bonding-Drähte 9 zu der Summe der Induktivitäten der Leiterstruktur 23 und der Bonding-Drähte 22 durch die Verschlechterung eines Bonding-Drahts 9 monoton, so dass eine Detektion der Verschlechterung des Bonding-Drahts 9 durch diesen Wert ermöglicht wird. Das gleiche Resultat kann im Fall einer Mehrzahl eines Satzes von Komponenten mit der Konfiguration gemäß Ausführungsform 4 erhalten werden, die parallel geschaltet sind, wie in Ausführungsform 2 gezeigt.
  • Da die Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 3 und dem Verbindungsbereich der Leiterstruktur 23 mit den Bonding-Drähten 9 und eine Potentialdifferenz zwischen der Leiterstruktur 5 und dem Verbindungsbereich der Leiterstruktur 23 mit den Bonding-Drähten 9 zum Zeitpunkt eines Schaltens der Halbleitersubstrat 6-Einheit durch die Spannungsmesseinheit 12 gemessen wird, die mit der Leiterstruktur 3, der Leiterstruktur 5 sowie der Leiterstruktur 23 in der Halbleitereinheit 400 mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration verbunden ist, kann die Detektionsgenauigkeit für die Verschlechterung des Bonding-Drahts 9 verbessert werden.
  • Das heißt, es wird die Tatsache genutzt, dass dann, wenn sich die Stärke des durch ein Objekt fließenden Stroms in Abhängigkeit von der Zeit ändert, die Potentialdifferenz zwischen beiden Enden des Objekts durch das Produkt der zeitlichen Ableitung des Stroms und der Induktivität des Objekts gegeben ist.
  • Da keine Notwendigkeit besteht, den Strom in dieser Konfiguration zu erhöhen, ist es möglich, den Temperaturanstieg der Halbleitersubstrat 6-Einheit aufgrund der Wärmeerzeugung in der Halbleitersubstrat 6-Einheit gering zu halten.
  • Ausführungsform 5
  • Bei Ausführungsform 5 handelt es um den Einsatz der Halbleitereinheit gemäß den Ausführungsformen 1 bis 4 bei einem Leistungswandler. Wenngleich die vorliegende Ausführungsform nicht auf einen speziellen Leistungswandler beschränkt ist, ist im Folgenden als Ausführungsform 5 ein Fall beschrieben, in dem eine oder mehrere der Ausführungsformen 1 bis 4 bei einem Dreiphasen-Wechselrichter eingesetzt werden.
  • 7 ist ein Blockschaubild, das eine Konfiguration eines Leistungswandlungssystems zeigt, bei dem ein Leistungswandler gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
  • Das in 7 gezeigte Leistungswandlungssystem weist eine Stromversorgung 1000, einen Leistungswandler 2000 sowie eine Last 3000 auf. Bei der Stromversorgung 1000 handelt es sich um eine Gleichstromquelle, und sie führt dem Leistungswandler 2000 einen Gleichstrom zu. Es gibt eine Vielzahl von möglichen Stromversorgungen 1000, wie beispielsweise eine kommerzielle Gleichstromquelle, eine Solarzelle sowie eine Speicherbatterie oder wie beispielsweise eine Gleichrichterschaltung, einen Wechselstrom-/Gleichstrom-Wandler etc., die mit einer kommerziellen Wechselstromquelle verbunden sind. Es ist außerdem möglich, als Stromversorgung 1000 einen Gleichstrom-/Gleichstrom-Wandler zu verwenden, der dazu dient, einen Gleichstrom, bei dem es sich um die Ausgabe einer kommerziellen Gleichstromquelle handelt, in einen gewünschten Strom umzuwandeln.
  • Bei dem Leistungswandler 2000 handelt es sich um einen Dreiphasen-Wechselrichter, der zwischen der Stromversorgung 1000 und der verbundenen Last 3000 angeordnet ist. Er wandelt einen von der Stromversorgung 1000 zugeführten Gleichstrom in einen Wechselstrom um, welcher der Last 3000 zugeführt wird.
  • Wie in 7 gezeigt, weist der Leistungswandler 2000 eine Hauptwandlerschaltung 2001 auf, um einen Gleichstrom, bei dem es sich um die Eingabe von der Stromversorgung 1000 handelt, in einen Wechselstrom umzuwandeln, der auszusenden ist, und weist eine Steuerschaltung 2003 auf, um Steuersignale zur Steuerung der Hauptwandlerschaltung 2001 an die Hauptwandlerschaltung 2001 zu senden.
  • Bei der Last 3000 handelt es sich um einen Dreiphasen-Elektromotor, der durch einen von dem Leistungswandler 2000 zugeführten Wechselstrom angetrieben wird. Die Last 3000 ist nicht auf jene für eine spezielle Anwendung beschränkt, sondern umfasst möglicherweise Elektromotoren, die für verschiedene elektrische Vorrichtungen ausgestattet sind, wie beispielsweise ein Hybrid-Fahrzeug, ein Elektrofahrzeug, einen Eisenbahnwagen, einen Fahrstuhl sowie ein Klimaanlagensystem.
  • Im Folgenden sind die Details des Leistungswandlers 2000 beschrieben. Die Hauptwandlerschaltung 2001 weist eine Schalteinheit sowie eine (nicht gezeigte) Schutzdiode auf, die in einer Halbleitereinheit 2002 eingebaut sind, und sie wandelt den von der Stromversorgung 1000 zugeführten Gleichstrom durch ein Schalten ihrer Schalteinheit in einen Wechselstrom um, welcher der Last 3000 zuzuführen ist. Wenngleich es eine Vielzahl möglicher tatsächlicher Schaltungskonfigurationen für die Hauptwandlerschaltung 2001 gibt, handelt es sich bei der zu beschreibenden Hauptwandlerschaltung 2001 gemäß der vorliegenden Ausführungsform um eine zweistufige Dreiphasen-Vollbrückenschaltung, die möglicherweise durch sechs Schalteinheiten und sechs Schutzdioden gebildet wird, die jeweils antiparallel zu ihrer entsprechenden Schalteinheit geschaltet sind.
  • Die Hauptwandlerschaltung 2001 weist Halbleitereinheiten 2002 auf, die jeweils einer der Halbleitereinheiten 2002 gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 4 entsprechen und jeweils in ihrem Inneren ihre eigene Schalteinheit mit entsprechender Schutzdiode etc. aufweisen. Jeweils zwei der sechs Schalteinheiten sind wechselseitig in Reihe geschaltet und bilden einen Einheitszweig-Aufbau aus einem oberen Zweig und einem unteren Zweig, und jede Einheit aus einem oberen und einem unteren Zweig entspricht nacheinander Phasen (U-Phase, V-Phase, W-Phase) der Vollbrückenschaltung. Ausgangsanschlüsse der Einheiten aus einem oberen und einem unteren Zweig, d.h. drei Ausgangsanschlüsse der Hauptwandlerschaltung 2001, sind mit der Last 3000 verbunden.
  • Die Hauptwandlerschaltung 2001 weist außerdem eine (nicht gezeigte) Treiberelektronik auf, um Schalteinheiten zu treiben. Die Treiberelektronik kann in der Halbleitereinheit 2002 eingebaut sein oder kann separat von der Halbleitereinheit 2002 angeordnet sein. Die Treiberelektronik erzeugt Treibersignale, um die Schalteinheiten in der Hauptwandlerschaltung 2001 zu treiben, und führt diese Steuerelektroden der Schalteinheiten in der Hauptwandlerschaltung 2001 zu. Insbesondere sendet die Treiberelektronik den Steuersignalen von der Steuerschaltung 2003 folgend, die nachstehend zu beschreiben ist, Treibersignale zum Einschalten der Schalteinheiten sowie Treibersignale zum Ausschalten der Schalteinheiten an die Steuerelektroden jeder einzelnen Schalteinheit.
  • Um eine Schalteinheit in ihrem EIN-Zustand zu halten, sollte es sich bei dem Treibersignal um ein Spannungssignal (ein EIN-Signal) handeln, dessen Spannung gleich oder höher als die Schwellenspannung der Schalteinheit ist. Um eine Schalteinheit in ihrem AUS-Zustand zu halten, sollte es sich bei dem Treibersignal um ein Spannungssignal (ein AUS-Signal) handeln, dessen Spannung geringer als die Schwellenspannung der Schalteinheit ist.
  • Die Steuerschaltung 2003 steuert die Schalteinheiten der Hauptwandlerschaltung 2001 derart, dass der Last 3000 der gewünschte Strom zugeführt werden kann. Insbesondere berechnet sie die Zeitdauern (die EIN-Zeit), während der jede Schalteinheit der Hauptwandlerschaltung 2001 in ihrem EIN-Zustand zu halten ist, basierend auf dem Strom, welcher der Last 3000 zugeführt werden soll, was bedeutet, dass sie die Hauptwandlerschaltung 2001 durch eine PWM-Steuerung steuern kann, bei der es sich um eine Art einer Steuerung handelt, bei der die EIN-Zeitdauern einer Schalteinheit gemäß der erforderlichen Ausgangsspannung moduliert werden.
  • Die Steuerschaltung 2003 sendet außerdem Steuerbefehlsausgaben (Steuersignalausgaben) an die Treiberelektronik, die für die Hauptwandlerschaltung 2001 so ausgestattet ist, dass zu jedem speziellen Zeitpunkt die EIN-Signale an die Schalteinheiten gesendet werden, die in ihrem EIN-Zustand sein sollten, und die AUS-Signale an die Schalteinheiten gesendet werden, die in ihrem AUS-Zustand sein sollten. Die Treiberelektronik sendet den Steuersignalen folgend EIN-Signal- oder AUS-Signal-Ausgaben als Treibersignale an die Steuerelektroden einer einzelnen Schalteinheit.
  • Da die Halbleitereinheiten gemäß den Ausführungsformen 1 bis 4 als die Halbleitereinheiten 2002 der Hauptwandlerschaltung 2001 bei dem Leistungswandler gemäß Ausführungsform 5 mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration eingesetzt werden, kann die Zuverlässigkeit verbessert werden.
  • Wenngleich ein Fall, in dem die vorliegende Erfindung bei einem zweistufigen Dreiphasen-Wechselrichter eingesetzt wird, in der vorliegenden Ausführungsform wiedergegeben ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen beschränkt. Sie kann bei verschiedenen Leistungswandlern eingesetzt werden. Zum Beispiel kann es sich bei einem Leistungswandler um einen dreistufigen oder mehrstufigen Leistungswandler handeln, auch wenn der zweistufige in der vorliegenden Ausführungsform wiedergegeben ist.
  • In einem Fall, in dem ein Strom einer einphasigen Last zugeführt wird, kann die vorliegende Erfindung auch bei einem einphasigen Wechselrichter eingesetzt werden. In einem Fall, in dem einer Gleichstrom-Last ein Strom zugeführt wird, oder dergleichen, ist es außerdem möglich, dass die vorliegende Erfindung bei einem Gleichstrom-/Gleichstrom-Wandler, bei einem Wechselstrom-/Gleichstrom-Wandler etc. eingesetzt wird.
  • Darüber hinaus ist die Verwendung des Leistungswandlers, bei dem die vorliegende Erfindung eingesetzt wird, nicht auf den Fall beschränkt, in dem es sich bei der Last um einen Elektromotor handelt, wie vorstehend beschrieben. Er wird möglicherweise zum Beispiel als eine Stromversorgung etc. für eine elektrische Entladungsvorrichtung, eine Laserprozessbearbeitungsvorrichtung, ein Induktionskochfeld, ein drahtloses Leistungsübertragungssystem verwendet. Er wird außerdem möglicherweise als ein Leistungskonditionierer für ein Photovoltaiksystem, ein Stromspeichersystem oder dergleichen verwendet.
  • Jede der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist in sämtlicher Hinsicht lediglich als ein Beispiel und nicht als eine Beschränkung zu verstehen. Der Umfang der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern wird durch die Ansprüche wiedergegeben und umfasst sämtliche Modifikationen, die in ihrer Bedeutung äquivalent zu dem Umfang der Ansprüche sind und innerhalb dieses Umfangs der Ansprüche liegen. Es ist außerdem möglich, durch Herstellen einer optionalen Kombination einer Mehrzahl von Komponenten, die in den vorstehenden Ausführungsformen offenbart sind, eine Ausführungsform innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung zu bilden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    isolierendes Substrat
    2, 3, 3a, 3b
    Leiterstruktur
    4, 4a, 4b
    Leiterstruktur
    5, 23
    Leiterstruktur
    6, 20
    Halbleitersubstrat
    7, 7a, 7b
    Gate-Elektrode
    8, 8a, 8b
    Oberflächenelektrode
    21
    Oberflächenelektrode
    9, 9a, 9b
    Bonding-Draht
    10
    Bonding-Draht
    10a, 10b
    Bonding-Draht
    11
    Bonding-Draht
    11a, 11b
    Bonding-Draht
    22
    Bonding-Draht
    12
    Spannungsmesseinheit
    13
    Verschlechterungs-Detektionseinheit
    14
    Verschlechterungs-Detektionsvorrichtung
    15
    Diode
    16
    Kondensator
    17
    Schalter
    18
    Komparator
    19
    Referenzspannungsgenerator
    23a
    Verbindungspunkt
    100
    Halbleitereinheit
    200
    Halbleitereinheit
    300
    Halbleitereinheit
    400
    Halbleitereinheit
    410
    Halbleitereinheit
    500
    Halbleitereinheit
    600
    Halbleitereinheit
    2002
    Halbleitereinheit
    1000
    Stromversorgung
    2000
    Leistungswandler
    2001
    Hauptwandlerschaltung
    2003
    Steuerschaltung
    3000
    Last
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2015114149 A [0004]
    • JP 2007113983 A [0004]

Claims (7)

  1. Halbleitereinheit, die Folgendes aufweist: - ein isolierendes Substrat; - eine Halbleitersubstrat-Einheit, die an dem isolierenden Substrat angebracht ist und eine Oberflächenelektrode auf ihrer oberen Seite aufweist; - eine erste Leiterstruktur, die auf dem isolierenden Substrat ausgebildet ist, wobei der Hauptstrom der Halbleitersubstrat-Einheit durch die erste Leiterstruktur fließt; - - eine zweite Leiterstruktur, die auf dem isolierenden Substrat ausgebildet ist, um das Potential der Oberflächenelektrode der Halbleitersubstrat-Einheit zu messen; - einen ersten Bonding-Draht, der die Oberflächenelektrode und die erste Leiterstruktur verbindet; - einen zweiten Bonding-Draht, der die Oberflächenelektrode und die zweite Leiterstruktur verbindet; - eine Spannungsmesseinheit, die mit der ersten Leiterstruktur und der zweiten Leiterstruktur verbunden ist, um eine Potentialdifferenz zwischen der ersten Leiterstruktur und der zweiten Leiterstruktur zum Zeitpunkt eines Schaltens der Halbleitersubstrat-Einheit zu messen; und - eine Verschlechterungs-Detektionseinheit, um eine Verschlechterung des ersten Bonding-Drahts durch Verwenden der gemessenen Potentialdifferenz zu detektieren.
  2. Halbleitereinheit nach Anspruch 1, wobei die Spannungsmesseinheit die Potentialdifferenz aufgrund der Induktivität des ersten Bonding-Drahts misst.
  3. Halbleitereinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verschlechterungs-Detektionseinheit einen Referenzspannungsgenerator und einen Komparator aufweist, wobei der Komparator die Potentialdifferenz mit einer durch den Referenzspannungsgenerator erzeugten Referenzspannung vergleicht, wobei die Verschlechterungs-Detektionseinheit ein Fehlersignal sendet, das ausgegeben wird, wenn die Potentialdifferenz über die Referenzspannung hinausgeht.
  4. Halbleitereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Halbleitereinheit eine Mehrzahl von Halbleitersubstrat-Einheiten aufweist, wobei die Mehrzahl von Halbleitersubstrat-Einheiten mit der ersten Leiterstruktur parallelgeschaltet ist.
  5. Halbleitereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Halbleitereinheit eine Mehrzahl von Halbleitersubstrat-Einheiten aufweist, wobei zumindest zwei der Mehrzahl von Halbleitersubstrat-Einheiten und die erste Leiterstruktur in Reihe geschaltet sind.
  6. Halbleitereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, - wobei die Oberflächenelektrode und die erste Leiterstruktur über eine dritte Leiterstruktur verbunden sind, mit welcher der erste Bonding-Draht und ein dritter Bonding-Draht verbunden sind, und - wobei die Spannungsmesseinheit eine Potentialdifferenz zwischen der ersten Leiterstruktur und der dritten Leiterstruktur sowie eine Potentialdifferenz zwischen der zweiten Leiterstruktur und der dritten Leiterstruktur misst.
  7. Leistungswandler, der Folgendes aufweist: - eine Hauptwandlerschaltung, welche eine Halbleitereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist, um einen Eingangsstrom umzuwandeln und den umgewandelten Ausgangsstrom abzugeben; und - eine Steuerschaltung, um ein Steuersignal zu senden, das zur Steuerung der Hauptwandlerschaltung an die Hauptwandlerschaltung ausgegeben wird.
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