DE112019007499T5 - Halbleiterbauelement und leistungswandleranordnung - Google Patents

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Yukihiko Wada
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Abstract

Ein Emitter-Hauptanschluss (3) ist mit einer Emitterelektrodenoberfläche (12) eines Leistungshalbleiterelements (1) durch eine Vielzahl von ersten Bonddrähten (15) verbunden. Ein Emitter-Referenzanschluss (4) ist über einen zweiten Bonddraht (16) mit der Emitterelektrodenoberfläche (12) des Leistungshalbleiterelements (1) verbunden. Eine Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit (9) bezieht sich auf eine Korrespondenzinformation, die einen verschlechterten Bereich einer Mehrzahl von Bondbereichen (20) zur Emitterelektrodenoberfläche (12) definiert, an die die ersten Bonddrähte (15) angeschlossen sind, für eine Kombination aus zeitlicher Änderung einer ersten Spannung, die eine Differenz zwischen einem Potential an einem Kollektor-Hauptanschluss (2) und einem Potential an dem Emitter-Hauptanschluss (3) ist, und zeitlicher Änderung einer zweiten Spannung, die eine Differenz zwischen einem Potential an dem Emitter-Referenzanschluss (4) und einem Potential an dem Emitter-Hauptanschluss (3) ist, und identifiziert den verschlechterten Bereich entsprechend einer Kombination aus zeitlicher Änderung der ersten Spannung, gemessen durch einen ersten Spannungsmesskreis (5), und zeitlicher Änderung der zweiten Spannung, gemessen durch einen zweiten Spannungsmesskreis (6).

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung und eine Leistungswandleranordnung.
  • STAND DER TECHNIK
  • Leistungsmodule zur Verwendung in Leistungswandleranordnungen und dergleichen haben eine Vielzahl von Bonddrähten, die mit einem Leistungshalbleiterelement verbunden sind.
  • Patentdokument 1 beschreibt beispielsweise ein Verfahren zur Erkennung des Bruchs einer Vielzahl von Bonddrähten. Die Vorrichtung in Patentdokument 1 misst die elektrischen Eigenschaften von vier ersten Drähten, indem sie den vier ersten Drähten einen schwachen Strom zuführt, und erkennt den Bruch der vier ersten Drähte, indem sie die gemessenen elektrischen Eigenschaften mit einem Referenzwert vergleicht.
  • STAND DER TECHNIK
  • Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2013-206 997A
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Mit der Erfindung zu lösende Probleme
  • Leider kann die im Patentdokument 1 beschriebene Technik nicht erkennen, welcher der Bondbereiche der Bonddrähte zu einem Leistungshalbleiterelement sich verschlechtert hat.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Halbleitervorrichtung und eine Leistungswandleranordnung bereitzustellen, die in der Lage ist, zu erkennen, welcher der Bondbereiche einer Vielzahl von Bonddrähten zu einem Leistungshalbleiterelement sich verschlechtert hat.
  • Mittel zum Lösen der Probleme
  • Eine Halbleitervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung enthält Folgendes: ein Leistungshalbleiterelement; ein Kollektorsubstrat, das elektrisch mit dem Leistungshalbleiterelement verbunden ist; einen Kollektor-Hauptanschluss, der elektrisch mit dem Kollektorsubstrat verbunden ist; einen Emitter-Hauptanschluss, der mit einer Emitterelektrodenoberfläche des Leistungshalbleiterelements durch eine Vielzahl von ersten Bonddrähten verbunden ist, einen Emitter-Referenzanschluss, der über einen zweiten Bonddraht mit der Emitterelektrodenoberfläche des Leistungshalbleiterelements verbunden ist; einen ersten Spannungsmesskreis zum Messen einer ersten Spannung, die eine Differenz zwischen einem Potenzial am Kollektor-Hauptanschluss und einem Potenzial am Emitter-Hauptanschluss ist; einen zweiten Spannungsmesskreis zur Messung einer zweiten Spannung, die eine Differenz zwischen einem Potential am Emitter-Referenzanschluss und einem Potential am Emitter-Hauptanschluss ist; und eine Verschlechterungsbereichs-Erkennungseinheit, um sich auf Korrespondenzinformationen zu beziehen, die einen verschlechterten Bereich einer Vielzahl von Bondbereichen zu der Emitterelektrodenoberfläche definieren, mit der die ersten Bonddrähte verbunden sind, für eine Kombination von zeitlicher Änderung der ersten Spannung und zeitlicher Änderung der zweiten Spannung, und um den verschlechterten Bereich zu identifizieren, der einer Kombination von zeitlicher Änderung der ersten Spannung, die durch den ersten Spannungsmesskreis gemessen wird, und zeitlicher Änderung der zweiten Spannung, die durch den zweiten Spannungsmesskreis gemessen wird, entspricht.
  • Effekt der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann für eine Kombination aus zeitlicher Änderung der ersten Spannung und zeitlicher Änderung der zweiten Spannung erkannt werden, welcher der Bondbereiche einer Mehrzahl von Bonddrähten zum Leistungshalbleiterelement sich verschlechtert hat, indem auf Korrespondenzinformationen Bezug genommen wird, die einen verschlechterten Bereich einer Mehrzahl von Bondbereichen zur Emitterelektrodenoberfläche definieren, mit der die ersten Bonddrähte verbunden sind.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Diagramm, das eine Gesamtkonfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt;
    • 2 ist ein Bild, das einen Querschnitt eines in der Halbleitervorrichtung enthaltenen Leistungsmoduls zeigt;
    • 3 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Verbindungszustand zwischen einem Leistungshalbleiterelement 1 und peripheren Elementen zeigt;
    • 4 ist ein Bild, das die Richtung, in der der Hauptstrom fließt, und einen Teil der Größe des Hauptstroms zeigt;
    • 5 ist ein Bild zur Erläuterung des Abstandes zwischen einem verschlechterten Bondbereich und einem Verbindungsbereich eines zweiten Bonddrahts 16;
    • 6 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels der Korrespondenzbeziehung zwischen einem ersten verschlechterten Bereich und einer Kombination aus zeitlicher Änderung ΔVce einer ersten Spannung Vce und zeitlicher Änderung ΔVee einer zweiten Spannung Vee;
    • 7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Nachschlagetabelle zur Identifizierung des ersten verschlechterten Bereichs zeigt;
    • 8 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Halbleiterbauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
    • 9 ist ein Diagramm, das die Korrespondenzbeziehung zwischen einem zweiten verschlechterten Bereich und einer Kombination aus zeitlicher Änderung der ersten Spannung Vce und zeitlicher Änderung der zweiten Spannung Vee in einem Fall zeigt, in dem der erste verschlechterte Bereich ein Bondbereich 20A ist;
    • 10 ist ein Diagramm, das eine Nachschlagetabelle zur Identifizierung des zweiten verschlechterten Bereichs in einem Fall zeigt, in dem der erste verschlechterte Bereich ein Bondbereich 20A ist;
    • 11 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Halbleiterbauelements gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt;
    • 12 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Konfiguration eines Halbleiterbauelements gemäß einer vierten Ausführungsform;
    • 13 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Kollektorstrom Ic und erster Spannung Vce in einem IGBT zeigt;
    • 14 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Korrektur der ersten Spannung Vce zu einem Zeitpunkt (n-1), der vor dem aktuellen Zeitpunkt n liegt;
    • 15 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Korrektur der ersten Spannung Vce zum aktuellen Zeitpunkt n;
    • 16 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Kollektorstrom Ic und der zweiten Spannung Vee in einem IGBT zeigt;
    • 17 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Korrektur der zweiten Spannung Vee zum Zeitpunkt (n-1);
    • 18 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Korrektur der zweiten Spannung Vee zum Zeitpunkt n;
    • 19 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Kollektorstrom Ic und der zweiten Spannung Vee bei drei Temperaturen Tk im Leistungshalbleiterelement 1 zeigt;
    • 20 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Halbleiterbauelements gemäß einer fünften Ausführungsform zeigt;
    • 21 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines spezifischen Verfahrens zur Abschätzung der Temperatur des Leistungshalbleiterelements 1 und zur Identifizierung eines beschädigten Bereichs gemäß der fünften Ausführungsform;
    • 22 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der zeitlichen Änderung der Standardspannung Vee0;
    • 23 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Halbleiterbauelements gemäß einer sechsten Ausführungsform zeigt;
    • 24 ist ein Flussdiagramm, das ein spezielles Verfahren zur Temperaturabschätzung des Leistungshalbleiterelements 1 und zur Identifizierung eines verschlechterten Bereichs gemäß der sechsten Ausführungsform zeigt;
    • 25 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Leistungswandlersystems gemäß einer siebten Ausführungsform zeigt;
    • 26 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung einer spezifischen Konfiguration einer Verschlechterungsüberwachungseinheit 205 gemäß der ersten bis sechsten Ausführungsform;
    • 27 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels, in dem eine Verarbeitungsschaltung 1001 durch Software implementiert ist;
    • 28 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel für die Korrespondenzbeziehung zwischen dem ersten verschlechterten Bereich und einer Kombination aus der zeitlichen Änderung ΔVce der ersten Spannung Vce und der zeitlichen Änderung ΔVce der zweiten Spannung Vee darstellt, und
    • 29 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel für die Nachschlagetabelle zur Identifizierung des ersten verschlechterten Bereichs zeigt.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
  • Ausführungsform 1
  • 1 ist ein Diagramm, das eine Gesamtkonfiguration einer Halbleiteranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
  • Das Halbleiterbauelement beinhaltet ein Leistungshalbleiterelement 1, einen Kollektor-Hauptanschluss 2, einen Emitter-Hauptanschluss 3, einen Emitter-Referenzanschluss 4 und eine Verschlechterungsüberwachungseinheit 205.
  • Die Verschlechterungsüberwachungseinheit 205 beinhaltet einen ersten Spannungsmesskreis 5, einen zweiten Spannungsmesskreis 6, eine Nachschlagetabellen-Speichereinheit 19, eine Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9, einen ersten Ausgangsanschluss 7, einen zweiten Ausgangsanschluss 8 und einen dritten Ausgangsanschluss 10.
  • Das Leistungshalbleiterelement 1 ist z.B. als Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) ausgebildet. Das Leistungshalbleiterelement 1 ist mit dem Kollektor-Hauptanschluss 2, dem Emitter-Hauptanschluss 3 und dem Emitter-Referenzanschluss 4 verbunden.
  • Der erste Spannungsmesskreis 5 ist zwischen Kollektor-Hauptanschluss 2 und Emitter-Hauptanschluss 3 angeschlossen. Der erste Spannungsmesskreis 5 gibt Informationen, die eine erste Spannung Vce darstellen, die eine Differenz zwischen einem Potenzial am Kollektor-Hauptanschluss 2 und einem Potenzial am Emitter-Hauptanschluss 3 ist, an den ersten Ausgangsanschluss 7 aus.
  • Der zweite Spannungsmesskreis 6 ist zwischen dem Emitter-Referenzanschluss 4 und dem Emitter-Hauptanschluss 3 angeschlossen. Der zweite Spannungsmesskreis 6 gibt Informationen, die eine zweite Spannung Vee darstellen, die eine Differenz zwischen einem Potential am Emitter-Referenzanschluss 4 und einem Potential am Emitter-Hauptanschluss 3 ist, an den zweiten Ausgangsanschluss 8 aus.
  • Die Nachschlagetabellen-Speichereinheit 19 speichert eine Nachschlagetabelle. Die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 bezieht sich auf die Korrespondenzinformationen in der Nachschlagetabelle, um einen verschlechterten Bereich zu identifizieren, der einer Kombination aus der zeitlichen Änderung ΔVce der vom ersten Spannungsmesskreis 5 gemessenen ersten Spannung und der zeitlichen Änderung ΔVee der vom zweiten Spannungsmesskreis 6 gemessenen zweiten Spannung entspricht. Die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 gibt Informationen, die den identifizierten verschlechterten Bereich darstellen, an den dritten Ausgangsanschluss 10 aus.
  • Wie die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 einen verschlechterten Bereich identifiziert, wird im Folgenden anhand der Funktionsweise des Leistungshalbleiterelements 1 beschrieben.
  • 2 ist ein Diagramm, das einen Querschnitt eines Leistungsmoduls zeigt, das in dem Halbleiterbauelement enthalten ist.
  • Das Leistungsmodul beinhaltet ein Leistungshalbleiterelement 1, ein Kollektorsubstrat 11, Lot 13, Kollektor-Hauptanschluss 2, Emitter-Hauptanschluss 3, Emitter-Referenzanschluss 4, einen Emitter-seitigen Hauptstrom-Bonddraht (im Folgenden erster Bonddraht) 15, einen Emitter-Referenz-Bonddraht (im Folgenden zweiter Bonddraht) 16 und einen kollektor-seitigen Hauptstrom-Bonddraht (im Folgenden dritter Bonddraht) 14.
  • Das Leistungshalbleiterelement 1 ist über das Lot 13 auf das Kollektorsubstrat 11 gebondet. Beim Leistungshalbleiterelement 1 fungiert eine dem Kollektorsubstrat 11 zugewandte Fläche als Kollektor und eine Fläche auf der der Fläche gegenüberliegenden Seite als Emitter. Die als Emitter fungierende Oberfläche ist eine Emitterelektrodenoberfläche 12. Auf einer Oberfläche der Emitterelektrodenoberfläche 12 ist eine Schicht aus Metall mit hoher Leitfähigkeit, wie Aluminium oder Kupfer, ausgebildet.
  • Kollektor-Hauptanschluss 2, Emitter-Hauptanschluss 3 und Emitter-Referenzanschluss 4 sind mit dem Leistungshalbleiterelement 1 durch eine Vielzahl von Bonddrähten 14, 15 und 16 verbunden. Der Kollektor-Hauptanschluss 2 ist über den dritten Bonddraht 14 mit dem Kollektorsubstrat 11 verbunden. Der Emitter-Hauptanschluss 3 ist über den ersten Bonddraht 15 mit der Emitterelektrodenoberfläche 12 verbunden. Der Emitter-Referenzanschluss 4 ist über den zweiten Bonddraht 16 mit der Emitterelektrodenoberfläche 12 verbunden.
  • Die Bondbereiche werden durch ein Verfahren fest mit dem Gegenmetall verbunden, das die Bondbereiche dieser Bonddrähte 14, 15 und 16 unter Anwendung von Ultraschall auf das Gegenmetall drückt.
  • Die Lebensdauer des Leistungsmoduls wird in der Regel durch die Lebensdauer der Bondbereiche dieser Bonddrähte 14, 15 und 16 bestimmt. Genauer gesagt, das Phänomen, das als erstes auftritt, ist, dass sich die Bindungsbereiche der Bonddrähte 14, 15 und 16 zum Gegenstückmetall verschlechtern und die Bindungsbereiche getrennt werden. Die Lebensdauer des Leistungshalbleiterelements 1 selbst, die vom Material der Bonddrähte 14, 15 und 16 abhängige Lebensdauer und die vom Metallmaterial abhängige Lebensdauer, das den Kollektor-Hauptanschluss 2, den Emitter-Hauptanschluss 3 und den Emitter-Referenzanschluss 4 bildet, sind weitaus länger als die Lebensdauer der Verbindungsbereiche der Bonddrähte 14, 15 und 16 mit dem Gegenstückmetall.
  • Die Lebensdauer des Lotes 13, das das Leistungshalbleiterelement 1 und das Kollektorsubstrat 11 verbindet, ist kürzer als die Lebensdauer in Abhängigkeit von den oben beschriebenen Materialien, aber länger als die Lebensdauer der Verbindungsbereiche der Bonddrähte 14, 15 und 16 mit dem Gegenstückmetall. Der Grund hierfür ist der folgende.
  • 2 zeigt einen Pfad 17 des vom Kollektor-Hauptanschluss 2 zum Emitter-Hauptanschluss 3 fließenden Hauptstroms. Der Hauptstrom durchläuft in dieser Reihenfolge die Bereiche: Kollektor-Hauptanschluss 2, dritter Bonddraht 14, Kollektorsubstrat 11, Lot 13, Leistungshalbleiterelement 1, erster Bonddraht 15 und Emitter-Hauptanschluss 3.
  • Im Pfad 17 des Hauptstroms ist das Leistungshalbleiterelement 1 das Teil, das Wärme erzeugt. Im Gegensatz zu den anderen Gliedern hat das Leistungshalbleiterelement 1 einen Widerstandswert, der sich mit der Gate-Steuerung zum Ein- und Ausschalten des Hauptstroms ändert. Da der Widerstand des Leistungshalbleiterelements 1 niedrig ist, hat das Leistungshalbleiterelement 1 die folgenden Eigenschaften. Wenn das Leistungshalbleiterelement 1 den Strom unterbricht, wird eine hohe Spannung an das Leistungshalbleiterelement 1 angelegt, aber es fließt kein Strom durch das Leistungshalbleiterelement 1. Wenn Strom durch das Leistungshalbleiterelement 1 fließt, fließt ein großer Strom durch das Leistungshalbleiterelement 1, aber es liegt fast keine Spannung am das Leistungshalbleiterelement 1 an.
  • Das heißt, das Leistungshalbleiterelement 1 verbraucht sowohl zum Zeitpunkt der Stromabschaltung als auch zum Zeitpunkt der Einschaltung fast keine Leistung. Da jedoch sowohl Strom als auch Spannung zum Zeitpunkt des Schaltens vorliegen, ist die Menge der Heizungsenergie des Leistungshalbleiterelements 1 zum Zeitpunkt des Schaltens groß. Diese Heizung tritt nur zum Zeitpunkt des Schaltens auf, und die Heizung ist geringer, wenn die Schaltfrequenz niedrig ist. Das Leistungshalbleiterelement 1 schaltet jedoch in der Regel mit einer hohen Frequenz von mehr als ein paar kHz und wiederholt die momentane Heizung mit einer extrem hohen Frequenz. 2 zeigt die Heizung 18.
  • Das Leistungshalbleiterelement 1 erwärmt sich wiederholt mit einer hohen Frequenz, wodurch die an das Leistungshalbleiterelement 1 angeschlossenen Bauteile wiederholt thermisch belastet werden. Infolgedessen werden die angeschlossenen Elemente beschädigt. Das Kollektorsubstrat 11 ist über das Lot 13 mit der Kollektorseite des Leistungshalbleiterelements 1 verbunden, und der erste Bonddraht 15 ist mit einer Oberfläche der Emitterelektrodenoberfläche 12 verbunden, die die Emitterseite des Leistungshalbleiterelements 1 ist. Dadurch wird eine thermische Spannung auf das Lot 13 und den ersten Bonddraht 15 ausgeübt.
  • 2 zeigt einen Bereich 119, in dem eine Verschlechterung aufgrund der Heizung 18 des Leistungshalbleiterelements 1 im Lot 13 auftreten kann. Ein Bereich 20, in dem eine Verschlechterung aufgrund der Heizung 18 auftreten kann, ist auch an dem Verbindungsbereich des ersten Bonddrahts 15 mit der Emitterelektrodenoberfläche 12 gezeigt.
  • Das Lot 13 ist mit der gesamten Fläche auf der Kollektorseite des Leistungshalbleiterelements 1 verbunden. Andererseits ist die Fläche des Bondbereichs des ersten Bonddrahts 15 zur Emitterelektrodenoberfläche 12 gleich der Querschnittsfläche des ersten Bonddrahts 15 oder höchstens um ein Mehrfaches größer als die Querschnittsfläche des ersten Bonddrahts 15. Mit anderen Worten: Die Stromdichte im Bondbereich des ersten Bonddrahts 15 ist größer als die im Lot 13. Aus diesem Grund und wegen des Elektromigrationseffekts aufgrund der hohen Stromdichte kommt der Bondbereich 20 des ersten Bonddrahts 15 zuerst an das Ende seiner Lebensdauer.
  • Um die Lebensdauer des Halbleiterbauelements abzuschätzen, muss man daher die Lebensdauer des Bondbereichs 20 des ersten Bonddrahts 15 auf der Emitterelektrodenoberfläche 12 abschätzen. In der tatsächlichen Halbleitervorrichtung ist eine Vielzahl von ersten Bonddrähten 15 an das Leistungshalbleiterelement 1 gebondet. Zum Beispiel sind in manchen Fällen mehr als 10 erste Bonddrähte 15 an das Leistungshalbleiterelement 1 gebondet.
  • 3 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Zustand der Verbindung zwischen Leistungshalbleiterelement 1 und Peripherieelementen zeigt. Hier sind vier erste Bonddrähte 15A bis 15D mit dem Leistungshalbleiterelement 1 in den Bondbereichen 20A bis 20D verbunden.
  • Wenn einige einer Vielzahl von Bondbereichen 20A bis 20D beschädigt werden, verschlechtert sich die Leistung des Halbleiterbauelements, aber das Halbleiterbauelement kann weiterhin in Betrieb sein. Das Kriterium zur Feststellung, dass das Halbleiterbauelement das Ende seiner Lebensdauer erreicht hat, wenn sich einige der Bondbereiche 20A bis 20D verschlechtern, hängt vom Verwendungszweck des Halbleiterbauelements ab. Es kann sofort bestimmt werden, dass die Halbleitervorrichtung das Ende ihrer Lebensdauer erreicht, wenn einige der Bondbereiche 20A bis 20D sich verschlechtern, oder es kann bestimmt werden, dass die Halbleitervorrichtung das Ende ihrer Lebensdauer erreicht, wenn die Verschlechterung zu einer vorbestimmten Anzahl oder mehr der Bondbereiche 20A bis 20D fortschreitet.
  • Wie in 3 gezeigt, ist dann, wenn eine Vielzahl von Bondbereichen 15A bis 15D angeordnet sind, die Lebensdauer des Halbleiterbauelements abzuschätzen, um zu bestimmen, wie lange das Leistungsmodul bis zum endgültigen Verschlechterungszustand verwendet werden kann, indem der Grad eines derzeitigen Verschlechterungszustands des Leistungsmoduls in Bezug auf den endgültigen Verschlechterungszustand, der als das Ende der Lebensdauer des Halbleiterbauelements betrachtet wird, bestimmt wird.
  • Wenn die Genauigkeit der Bestimmung des Verschlechterungszustands des Leistungsmoduls hoch ist, kann der Austausch des Leistungsmoduls zu einem gerade passenden Zeitpunkt erfolgen. Wenn die Genauigkeit der Bestimmung des Verschlechterungszustands des Leistungsmoduls niedrig ist, kann das Halbleiterbauelement plötzlich zu einem unerwarteten Zeitpunkt das Ende seiner Lebensdauer erreichen, was zu einer Störung des Betriebs des Benutzers der Leistungswandleranordnung führt.
  • Um den Verschlechterungszustand des Leistungsmoduls genau bestimmen zu können, muss die Verschlechterung der Bondbereiche 20A bis 20D der ersten Bonddrähte 15 genau erfasst werden. Die herkömmliche Technik hat jedoch ihre Grenzen bei der Genauigkeit der Verschlechterungserkennung. Dies liegt daran, dass sie nicht erkennen kann, welcher Teil der Bondbereiche 20A bis 20D der ersten Bonddrähte 15A bis 15D beschädigt ist. Die herkömmliche Technik kann die Verschlechterung einer Vielzahl von Bonddrähten als Ganzes erkennen, nicht aber die Verschlechterung jedes einzelnen Bonddrahts.
  • Wenn mehrere erste Bonddrähte 15 angebracht sind, ist die Reihenfolge ihrer Verschlechterung nicht immer festgelegt. Die Reihenfolge der Verschlechterung einer Vielzahl von ersten Bonddrähten 15 variiert mit dem Gebrauchszustand, d.h. mit dem Ansteuerungsverfahren des Leistungshalbleiterelements 1.
  • Zum Beispiel kann in einem ersten Ansteuerungsverfahren der Bondbereich 20C oder der Bondbereich 20D zuerst abgenutzt sein, und nach kurzer Zeit kann der Bondbereich 20D oder der Bondbereich 20C abgenutzt sein. In diesem Fall wird die Hälfte der verbleibenden ersten Bonddrähte 15 innerhalb kurze Zeit nach der ersten Verschlechterung beschädigt. Andererseits kann bei einem zweiten Betriebsverfahren der Bondbereich 20A oder der Bondbereich 20B zuerst beschädigt werden, und erst nach einer langen Zeit kann der Bondbereich 20B oder der Bondbereich 20A beschädigt werden.
  • In einem solchen Fall kann die Lebensdauer des Halbleiterbauelements nicht genau geschätzt werden, indem einfach festgestellt wird, dass einer der vier ersten Bonddrähte 15A bis 15D beschädigt ist. Selbst wenn festgestellt wird, dass die Lebensdauer des Halbleiterbauelements endet, wenn die Hälfte der ersten Bonddrähte beschädigt ist, gibt es einen Unterschied in der Dauer bis zum Ende der Lebensdauer zwischen dem Zeitpunkt, an dem der Bondbereich 20C zuerst abgenutzt ist, und dem, an dem der Bondbereich 20A zuerst abgenutzt ist.
  • Die herkömmliche Technik erfordert ein Verfahren wie die Überprüfung des Widerstandswerts durch Einspeisung von Strom in jeden einzelnen Bonddraht auf irgendeine Weise. Das heißt, eine Verschlechterung jedes einzelnen Bonddrahts kann nicht festgestellt werden, ohne ein teures Gerät und ein kompliziertes Prüfverfahren zu verwenden.
  • Die vorliegende Ausführungsform kann feststellen, welcher der Bondbereiche einer Mehrzahl von ersten Bonddrähten 15 zur Emitterelektrodenoberfläche 12 des Leistungshalbleiterelements 1 sich verschlechtert hat, ohne dass eine spezielle Vorrichtung erforderlich ist. Das Prinzip wird nun im Detail beschrieben.
  • Die erste Spannung Vce ist die Differenz zwischen einem Potential am Kollektor-Hauptanschluss 2 und einem Potential am Emitter-Hauptanschluss 3. Die erste Spannung Vce ist die Spannung zwischen Kollektor-Hauptanschluss 2 und Emitter-Hauptanschluss 3, die ursprünglich im Leistungsmodul installiert sind. Somit kann die erste Spannung Vce gemessen werden, ohne dass das Leistungsmodul um eine spezielle Konfiguration erweitert werden muss. Die erste Spannung Vce wird gemessen, während das Leistungshalbleiterelement 1 unter Spannung steht. Das Leistungshalbleiterelement 1 ist in Reihe mit dem Bondbereich 20 des ersten Bonddrahts 15 zwischen dem Kollektor-Hauptanschluss 2 und dem Emitter-Hauptanschluss 3 angeschlossen. Somit ist der Betrag der ersten Spannung Vce gleich oder größer als die Summe aus dem Betrag der Spannung, die durch den Widerstand des Leistungshalbleiterelements 1 erzeugt wird, und dem Betrag der Spannung im Bondbereich 20 des ersten Bonddrahts 15.
  • Die zweite Spannung Vee ist die Differenz zwischen einem Potential am Emitter-Referenzanschluss 4 und einem Potential am Emitter-Hauptanschluss 3. Die zweite Spannung Vee ist die Spannung zwischen dem Emitter-Hauptanschluss und dem Emitter-Referenzanschluss 4, die ursprünglich im Leistungsmodul installiert sind. Der Gateanschluss 21 ist über einen Gate-Bonddraht 22 mit dem Gate des Leistungshalbleiterelements 1 verbunden. Der Emitter-Referenzanschluss 4 wird verwendet, um ein Referenzpotenzial bereitzustellen, das als Referenz für die an den Gateanschluss 21 angelegte Spannung dient. Dieses Referenzpotential muss gleich dem Potential an der Emitterelektrodenoberfläche 12 sein. Daher ist der Emitter-Referenzanschluss 4 über einen zweiten Bonddraht 16 mit der Emitterelektrodenoberfläche 12 verbunden.
  • Der Emitter-Hauptanschluss 3 kann nicht zur Bereitstellung dieses Bezugspotenzials verwendet werden. Dies liegt daran, dass der Hauptstrom durch die Speisung des Leistungshalbleiterelements 1 aufgrund des Widerstands des Pfads von der Emitterelektrodenoberfläche 12 zum Emitter-Hauptanschluss 3 einen Spannungsabfall verursacht und das Potenzial am Emitter-Hauptanschluss 3 das Potenzial an der Emitterelektrodenoberfläche 12 nicht korrekt wiedergibt. Da der Hauptstrom nicht durch den Emitter-Referenzanschluss 4 und den zweiten Bonddraht 16 fließt, gibt es fast keinen Unterschied zwischen dem Potenzial am Emitter-Referenzanschluss 4 und dem Potenzial an der Emitterelektrodenoberfläche 12. Der Emitter-Referenzanschluss 4 kann daher ein korrektes Bezugspotenzial liefern.
  • Außerdem tritt keine Elektromigration auf, weil kein Strom mit hoher Stromdichte durch den zweiten Bonddraht 16 fließt. Der zweite Bonddraht 16 wird typischerweise in der Nähe des Randes angeschlossen, wo die Temperatur des Leistungshalbleiterelements 1 tendenziell niedrig ist. Daher ist eine Verschlechterung des zweiten Bonddrahts 16 weniger wahrscheinlich. Was die zweiten Bonddrähte 16 betrifft, so können mehrere zweite Bonddrähte 16 vorgesehen werden, um Redundanz zu gewährleisten.
  • Da der Pfad der zweiten Spannung Vee nicht das Leistungshalbleiterelement 1 selbst beinhaltet, hat der Widerstandswert des Leistungshalbleiterelements 1 keinen Einfluss auf die Größe der zweiten Spannung Vee. Die zweite Spannung Vee wird als die Potenzialdifferenz zwischen der Emitterelektrodenoberfläche 12 und dem Emitter-Hauptanschluss 3 betrachtet, ist aber streng genommen nicht das gleiche. Dies wird später beschrieben.
  • Das Prinzip der Erzeugung der ersten Spannung Vce wird nun beschrieben. Wie oben beschrieben, ist die Größe der ersten Spannung Vce gleich oder größer als die Summe der Größe der Spannung, die durch den Widerstand des Leistungshalbleiterelements 1 erzeugt wird, und der Größe der Spannung im Bondbereich 20 des ersten Bonddrahts 15. Die erste Spannung Vce wird jedoch nicht nur durch den Widerstand des ersten Bonddrahts 15 beeinflusst, sondern auch durch den Widerstand aufgrund des Stroms, der durch das Innere der Emitterelektrodenoberfläche 12 fließt.
  • 4 ist ein Bild, das die Richtung, in der der Hauptstrom fließt, und einen Teil der Größe des Hauptstroms zeigt. Da der Hauptstrom vom Kollektor zum Emitter fließt, fließt der Hauptstrom vom Kollektorsubstrat 11 in das Leistungshalbleiterelement 1, fließt dann zur Emitterelektrodenoberfläche 12 des Leistungshalbleiterelements 1 und fließt weiter zum Emitter-Hauptanschluss 3 durch die ersten Bonddrähte 15A bis 15D. Dabei ist der Strom, der durch die ersten Bonddrähte 15A bis 15D fließt, nicht gleichmäßig. Zum Beispiel folgt ein Teil des Stroms, der unmittelbar unter dem Bondbereich 20A fließt, einem Pfad zum Emitter-Hauptanschluss 3 durch den ersten Bonddraht 15A.
  • Der verbleibende Teil des Stroms, der unmittelbar unter dem Bondbereich 20A fließt, fließt durch die Emitterelektrodenoberfläche 12 zum Bondbereich 20C und folgt dann einem Pfad zum Emitter-Hauptanschluss 3 durch den ersten Bonddraht 15C. Andererseits folgt der Strom, der unmittelbar unter dem Bondbereich 20C fließt, hauptsächlich einem Pfad zum Emitter-Hauptanschluss 3 durch den ersten Bonddraht 15C. Dies liegt daran, dass die anderen Pfade weit entfernt sind und die Widerstandswerte der anderen Pfade groß sind.
  • Infolgedessen ist zum Beispiel selbst dann, wenn sich der Bondbereich 20A verschlechtert und die Speisung des ersten Bonddrahts 15A aufhört, der Einfluss relativ gering. Selbst wenn kein Strom durch den ersten Bonddraht 15A fließen kann, kann der Strom, der zum Bondbereich 20A fließt, vom Bondbereich 20C zum Emitter-Hauptanschluss 3 durch den ersten Bonddraht 15C mit relativ geringen Verlusten fließen. Im Vergleich dazu ist der Einfluss relativ groß, wenn sich der Bondbereich 20C verschlechtert und die Speisung des ersten Bonddrahts 15C aufhört. Dies liegt daran, dass der Strom, der vom Bondbereich 20C direkt zum Emitter-Hauptanschluss 3 durch den ersten Bonddraht 15C fließt, von einem anderen Bondbereich zum Emitter-Hauptanschluss 3 durch einen Pfad mit einem größeren Widerstand fließen muss.
  • Mit anderen Worten, der Anstieg der ersten Spannung Vce, der verursacht wird, wenn sich der Bondbereich 20A des ersten Bonddrahts 15A verschlechtert, ist relativ gering. Auf der anderen Seite ist der Anstieg der ersten Spannung Vce, der verursacht wird, wenn sich der Bondbereich 20C des ersten Bonddrahts 15C verschlechtert, relativ groß. Wenn sich beispielsweise der Bondbereich 20A zuerst verschlechtert, steigt die erste Spannung Vce um 20 %, während sich die erste Spannung Vce um 30 % erhöht, wenn sich der Bondbereich 20C zuerst verschlechtert.
  • Der verschlechterte Bondbereich der ersten Bonddrähte 15A bis 15D kann jedoch nicht nur anhand der zeitlichen Änderung der ersten Spannung Vce identifiziert werden. Dies liegt daran, dass dann, wenn eine große Anzahl von ersten Bonddrähten 15A bis 15D angeordnet ist, es andere erste Bonddrähte unter dem gleichen Zustand geben kann. Wenn sich beispielsweise der Bondbereich 20B zuerst verschlechtert, kann sich die erste Spannung Vce um 20 % erhöhen, und wenn sich der Bondbereich 20D zuerst verschlechtert, kann sich die erste Spannung Vce ebenfalls um 30 % erhöhen. Daher kann der beschädigte Bondbereich nicht nur mit der ersten Spannung Vce identifiziert werden.
  • Die zweite Spannung Vee wird nun beschrieben.
  • Es wird oft angenommen, dass die zweite Spannung Vee die Widerstandswerte der ersten Bonddrähte 15A bis 15D widerspiegelt, weil sie die Differenz zwischen dem Potenzial am Emitter-Referenzanschluss 4 und dem Potenzial am Emitter-Hauptanschluss 3 ist, aber es gibt noch mehr. Die Oberfläche der Emitterelektrodenoberfläche 12 des Leistungshalbleiterelements 1 hat eine Widerstandskomponente, obwohl sie eine Metallschicht hat. Da, wie oben beschrieben, Strom durch das Innere der Emitterelektrodenoberfläche 12 fließt, spiegelt die zweite Spannung Vee auch die Potenzialdifferenz aufgrund der Widerstandskomponente wider. Aus einem anderen Blickwinkel betrachtet ist der Grund, warum das Potenzial am Emitter-Referenzanschluss 4 und das Potenzial am Emitter-Hauptanschluss 3 im Wesentlichen gleich sind, dass der Emitter-Referenzanschluss 4 und der Emitter-Hauptanschluss 3 durch den ersten Bonddraht 15 gekoppelt sind. Mit anderen Worten, ohne ersten Bonddraht 15 kann die Spannung zwischen Emitter-Referenzanschluss 4 und Emitter-Hauptanschluss 3 ansteigen. Daher hängt der Einfluss, den die Verschlechterung des ersten Bonddrahts 15 auf die zweite Spannung Vee hat, stark davon ab, wie nahe der Bondbereich des zweiten Bonddrahts 16 an dem verschlechterten Bereich der Bondbereiche 20A bis 25D des ersten Bonddrahts liegt.
  • 5 ist ein Bild zur Erläuterung des Abstands zwischen einem beschädigten Bondbereich und einem Verbindungsbereich des zweiten Bonddrahts 16. In 5 ist der Abstandsunterschied zwischen dem beschädigten Bondbereich und dem Verbindungsbereich des zweiten Bonddrahts 16 durch Pfeile dargestellt.
  • Der Bondbereich 20B des ersten Bonddrahts 15B liegt nahe dem Anschlussbereich des zweiten Bonddrahts 16 an die Emitterelektrodenoberfläche 12. Der Bondbereich 20A des ersten Bonddrahts 15A ist weit entfernt vom Anschlussbereich des zweiten Bonddrahts 16 an die Emitterelektrodenoberfläche 12. Wenn sich der Bondbereich 20B zuerst verschlechtert, steigt die zweite Spannung Vee deutlich an, während die zweite Spannung Vee nicht deutlich ansteigt, wenn sich der Bondbereich 20A zuerst verschlechtert. Mit anderen Worten, der Anstiegswert der zweiten Spannung Vee variiert in Abhängigkeit von dem verschlechterten Bondbereich des ersten Bonddrahts 15. Wenn sich beispielsweise der Bondbereich 20B zuerst verschlechtert, steigt die zweite Spannung Vee um 40 %, während sich die zweite Spannung Vee nur um 10 % erhöht, wenn sich der Bondbereich 20A zuerst verschlechtert.
  • Wenn es jedoch eine große Anzahl von ersten Bonddrähten 15 gibt, kann es andere erste Bonddrähte 15 unter der gleichen Bedingung geben. Im Fall von 4 beispielsweise steigt die zweite Spannung Vee um 40 %, wenn sich der Bondbereich 20D zuerst verschlechtert, und wenn sich der Bondbereich 20C zuerst verschlechtert, steigt die zweite Spannung Vee ebenfalls um 10 %. Der verschlechterte Bondbereich kann nicht nur mit der zweiten Spannung Vee identifiziert werden.
  • Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der herkömmlichen Technik dadurch, dass die Verschlechterungsüberwachungseinheit 205 in der vorliegenden Ausführungsform die Eigenschaften des Leistungshalbleiterelements 1 wie oben beschrieben berücksichtigt, dann die erste Spannung Vce und die zweite Spannung Vee misst und einen verschlechterten Bereich entsprechend ihrer zeitlichen Änderungen identifiziert.
  • 6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Korrespondenzbeziehung zwischen dem ersten verschlechterten Bereich und einer Kombination der zeitlichen Änderung ΔVce der ersten Spannung Vce und der zeitlichen Änderung ΔVce der zweiten Spannung Vee zeigt.
  • Wenn der erste verschlechterte Bereich der Bondbereich 20A ist, steigt die erste Spannung Vce um 20 % ± ΔV2 und die zweite Spannung Vee steigt um 10 % ± ΔV1. Wenn der erste verschlechterte Bereich der Bondbereich 20B ist, steigt die erste Spannung Vce um 20 % ± ΔV2 und die zweite Spannung Vee um 40 % ± ΔV4. Wenn der erste verschlechterte Bereich der Bondbereich 20C ist, steigt die erste Spannung Vce um 30 % ± ΔV3 und die zweite Spannung Vee um 10 % ± ΔV1. Wenn der erste verschlechterte Bereich der Bondbereich 20D ist, steigt die erste Spannung Vce um 30 % ± ΔV3 und die zweite Spannung Vee um 40 % ± ΔV4. Zum Beispiel ist ΔV1 gleich 1 %, ΔV2 gleich 2 %, ΔV3 gleich 3 % und ΔV4 gleich 4 %.
  • 7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Nachschlagetabelle zur Identifizierung des ersten verschlechterten Bereichs zeigt. Diese Nachschlagetabelle kann aus der Korrespondenzbeziehung in 6 abgeleitet werden.
  • Die Nachschlagetabelle enthält Korrespondenzinformationen, die einen verschlechterten Bereich einer Mehrzahl von Bondbereichen an der Emitterelektrodenoberfläche 12, an die eine Mehrzahl von ersten Bonddrähten 15 angeschlossen sind, für eine Kombination von zeitlicher Änderung ΔVce der ersten Spannung und zeitlicher Änderung ΔVee der zweiten Spannung definiert.
  • Wie in 7 gezeigt, ist definiert, dass der erste verschlechterte Bereich der Bondbereich 20A ist, wenn die erste Spannung Vce um 20 % ± ΔV2 und die zweite Spannung Vee um 10 % ± ΔV1 ansteigt. Es wird definiert, dass der erste verschlechterte Bereich der Bondbereich 20B ist, wenn die erste Spannung Vce um 20 % ± ΔV2 und die zweite Spannung Vee um 40 % ± ΔV4 ansteigt. Es wird definiert, dass der erste verschlechterte Bereich der Bondbereich 20C ist, wenn die erste Spannung Vce um 30 % ± ΔV3 und die zweite Spannung Vee um 10 % ± ΔV1 ansteigt. Es ist definiert, dass der erste verschlechterte Bereich der Bondbereich 20D ist, wenn die erste Spannung Vce um 30 % ± ΔV3 und die zweite Spannung Vee um 40 % ± ΔV4 ansteigt.
  • Wie in der folgenden Gleichung (1) angegeben, berechnet die Verschlechterungsbereichs-Erkennungseinheit 9 die zeitliche Änderung ΔVce zwischen der ersten Spannung Vce(n) zum aktuellen Zeitpunkt n und der ersten Spannung Vce(n-1) zum vorherigen Zeitpunkt (n-1). Wie in der folgenden Gleichung (2) angegeben, berechnet die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 die zeitliche Änderung ΔVee zwischen der zweiten Spannung Vee(n) zum aktuellen Zeitpunkt n und der zweiten Spannung Vee(n-1) zum vorhergehenden Zeitpunkt (n-1). Δ Vce = Vce ( n ) − Vce ( n − 1 )
    Figure DE112019007499T5_0001
     Δ Vee = Vee ( n ) − Vee ( n − 1 )
    Figure DE112019007499T5_0002
  • Alternativ kann die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9, wie in der folgenden Gleichung (1A) angegeben, die zeitliche Änderung ΔVce zwischen der ersten Spannung Vce(n) zum aktuellen Zeitpunkt n und der ersten Spannung Vce(n-1) zum vorherigen Zeitpunkt (n-1) berechnen. Wie in der folgenden Gleichung (2A) angegeben, kann die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 die zeitliche Änderung ΔVee zwischen der zweiten Spannung Vee(n) zum aktuellen Zeitpunkt n und der zweiten Spannung Vee(n-1) zum vorhergehenden Zeitpunkt (n-1) berechnen. Δ Vce = { Vce ( n ) − Vce ( n − 1 ) } / Vce ( n − 1 )
    Figure DE112019007499T5_0003
     Δ Vee = { Vee ( n ) − Vee ( n − 1 ) } / Vee ( n − 1 )
    Figure DE112019007499T5_0004
  • Die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 bezieht sich auf die Nachschlagetabelle und identifiziert den verschlechterten Bereich, der der Kombination der zeitlichen Änderung ΔVce der ersten Spannung Vce und der zeitlichen Änderung ΔVce der zweiten Spannung Vee entspricht. Wenn die Kombination der zeitlichen Änderung ΔVce der ersten Spannung Vce und der zeitlichen Änderung ΔVce der zweiten Spannung Vee nicht in der Nachschlagetabelle enthalten ist, bestimmt die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9, dass mehrere Bondbereiche der Emitterelektrodenoberfläche 12, an die mehrere erste Bonddrähte 15 angeschlossen sind, keinen verschlechterten Bereich aufweisen.
  • Wie oben beschrieben, kann die Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform erkennen, welcher der Bondbereiche einer Vielzahl von ersten Bonddrähten 15 an das Leistungshalbleiterelement 1 sich verschlechtert hat, indem die Spannung zwischen zwei vorhandenen Anschlüssen gemessen und auf die im Voraus gespeicherte Nachschlagetabelle Bezug genommen wird, ohne eine spezielle Struktur hinzuzufügen. Dadurch kann die Lebensdauer des Halbleiterelements genau abgeschätzt werden.
  • Ausführungsform 2
  • Bei einer großen Anzahl von ersten Bonddrähten kann die Reihenfolge, in der sich die Bondbereiche der ersten Bonddrähte verschlechtern, je nach Einsatzbedingung und letztem Zustand des Leistungsmoduls, d.h. des Ansteuerungsverfahrens, variieren. Der nächste verschlechterte Bereich kann in einigen Fällen anhand der Historie der verschlechterten Bondbereiche genau abgeschätzt werden. Eine zweite Ausführungsform verwendet eine Nachschlagetabelle, die der Historie der verschlechterten Bondbereiche entspricht.
  • 8 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. Ein Halbleiterbauelement gemäß der zweiten Ausführungsform enthält zusätzlich zu den Komponenten des Halbleiterbauelements gemäß der ersten Ausführungsform eine Verschlechterungsbereichshistorien- Aufzeichnungseinheit 23.
  • Die Verschlechterungsbereichshistorien-Aufzeichnungseinheit 23 zeichnet die Historie der verschlechterten Bondbereiche der ersten Bonddrähte auf.
    Wenn sich keiner von mehreren Bondbereichen verschlechtert, verweist die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 auf eine in 7 dargestellte Nachschlagetabelle für keine Verschlechterung und identifiziert den verschlechterten Bereich. Wenn sich einer von mehreren Bondbereichen verschlechtert, verweist die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 auf eine Nachschlagetabelle, die einem verschlechterten Bereich entspricht, und identifiziert den verschlechterten Bereich.
  • 9 ist ein Diagramm, das die Korrespondenzbeziehung zwischen einem zweiten verschlechterten Bereich und einer Kombination der zeitlichen Änderung ΔVee der ersten Spannung Vce und der zeitlichen Änderung der zweiten Spannung Vee in einem Fall zeigt, in dem der erste verschlechterte Bereich der Bondbereich 20A ist.
  • Wenn der zweite verschlechterte Bereich der Bondbereich 20B ist, steigt die erste Spannung Vce um 40 % ± ΔV4 und die zweite Spannung Vee steigt um 80 % ± ΔV8. Wenn der zweite verschlechterte Bereich der Bondbereich 20C ist, steigt die erste Spannung Vce um 60 % ± ΔV6 und die zweite Spannung Vee um 20 % ± ΔV2. Wenn der zweite verschlechterte Bereich der Bondbereich 20D ist, steigt die erste Spannung Vce um
    60 % ± ΔV6 und die zweite Spannung Vee um 80 % ± ΔV8. Zum Beispiel ist ΔV2 gleich 2 %, ΔV4 gleich 4 %, ΔV6 gleich 6 % und ΔV8 gleich 8 %.
  • 10 ist ein Diagramm, das eine Nachschlagetabelle zur Identifizierung des zweiten verschlechterten Bereichs für den Fall zeigt, dass der erste verschlechterte Bereich der Bondbereich 20A ist. Diese Nachschlagetabelle kann aus der Korrespondenzbeziehung in 9 abgeleitet werden.
  • Es ist definiert, dass der zweite verschlechterte Bereich der Bondbereich 20B ist, wenn die erste Spannung Vce um 40 % ± ΔV4 und die zweite Spannung Vee um 80 % ± ΔV8 ansteigt. Es wird definiert, dass der zweite verschlechterte Bereich der Bondbereich 20C ist, wenn die erste Spannung Vce um 60 % ± ΔV6 und die zweite Spannung Vee um 20 % ± ΔV2 ansteigt. Es ist definiert, dass der zweite verschlechterte Bereich der Bondbereich 20D ist, wenn die erste Spannung Vce um 60 % ± ΔV6 und die zweite Spannung Vee um 80 % ± ΔV8 ansteigt.
  • Wenn der erste verschlechterte Bereich der Bondbereich 20A ist, bezieht sich die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 auf die in 10 gezeigte Nachschlagetabelle und identifiziert den zweiten verschlechterten Bereich entsprechend den gemessenen ΔVce und ΔVee. Ähnlich verhält es sich, wenn es sich bei den ersten Verschlechterungsbereichen um die Bondbereiche 20B, 20C und 20D handelt: Die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 bezieht sich auf die Nachschlagetabellen, die den Bereichen 20B, 20C und 20D entsprechen, und identifiziert den zweiten verschlechterten Bereich, der den gemessenen ΔVce und ΔVee entspricht.
  • Die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 kann den i-ten verschlechterten Bereich identifizieren, indem sie sich auf die Nachschlagetabelle zur Identifizierung des i-ten verschlechterten Bereichs bezieht, der dem ersten bis (i-1)-ten Verschlechterungsbereich entspricht.
  • Wie oben beschrieben, kann die vorliegende Ausführungsform den nächsten verschlechterten Bereich in Übereinstimmung mit der Historie der Verschlechterungsbereiche identifizieren.
  • Ausführungsform 3
  • Das Halbleiterbauelement gemäß einer dritten Ausführungsform schätzt die Lebensdauer des Halbleiterbauelements und schlägt vor, das Ansteuerungsverfahren zu ändern, basierend auf der Historie der verschlechterten Bondbereiche und dem verwendeten Ansteuerungsverfahren.
  • 11 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Halbleiteranordnung gemäß der dritten Ausführungsform zeigt. Die Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform enthält zusätzlich zu den Komponenten der Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform eine Lebensdauer-Schätzungseinheit 25.
  • Die von der Verschlechterungsbereichshistorien-Aufzeichnungseinheit 23 ausgegebene Historie der Verschlechterungsbereiche wird an die Lebensdauer-Schätzungseinheit 25 gesendet. Die Lebensdauer-Schätzungseinheit 25 schätzt die Lebensdauer des Halbleiterbauelements bei Verwendung des aktuellen Ansteuerungsverfahrens auf der Grundlage der Historie der verschlechterten Bondbereiche und des Ansteuerungsverfahrens des Leistungshalbleiterelements 1.
  • Das Ansteuerungsverfahren wird durch eine Kombination von Schaltzuständen des Leistungshalbleiterelements 1 dargestellt. Insbesondere beinhaltet das Ansteuerungsverfahren die Kollektorspannung, den Kollektorstrom, die Gatespannung, den Gatestrom und die Schaltfrequenz, die an das Leistungshalbleiterelement 1 angelegt werden.
  • Wie unten beschrieben, kann die Lebensdauer des Halbleiterbauelements mit dem Ansteuerungsverfahren variieren.
  • Bei einem Ansteuerungsverfahren A ist der Leistungswirkungsgrad hoch, aber auch das elektromagnetische Rauschen ist groß. Wenn das Ansteuerungsverfahren A verwendet wird, verschlechtert sich zuerst einer der Bondbereiche 20C oder 20D. Wenn dann eine Verschlechterung in einem der Bondbereiche 20C oder 20D auftritt, kommt es nach kurzer Zeit zu einer Verschlechterung in dem anderen Bondbereich 20C oder 20D, und das Halbleiterbauelement erreicht das Ende seiner Lebensdauer. In einem Ansteuerungsverfahren B ist der Leistungswirkungsgrad etwas niedrig, aber das elektromagnetische Rauschen ist gering. Wenn das Ansteuerungsverfahren B verwendet wird, verschlechtert sich zuerst einer der Bondbereiche 20A oder 20B. Wenn dann eine Verschlechterung in einem der Bondbereiche 20A oder 20B auftritt, kommt es nach langer Zeit zu einer Verschlechterung in dem anderen Bondbereich 20A oder 20B, und das Halbleiterbauelement erreicht das Ende seiner Lebensdauer.
  • Wenn beispielsweise das „Ansteuerungsverfahren A“ von Anfang an kontinuierlich verwendet wird und eine Verschlechterung des Bondbereichs 20C des ersten Bonddrahts 15C nach 10.000 Stunden festgestellt wird, schätzt die Lebensdauer-Schätzungseinheit 25 beispielsweise, dass sich bei der Verwendung des Ansteuerungsverfahrens A die Hälfte der Bondbereiche des ersten Bonddrahts 15 nach weiteren 100 Stunden verschlechtert und das Halbleiterbauelement dann das Ende seiner Lebensdauer erreicht. Alternativ, wenn das „Ansteuerungsverfahren B“ von Anfang an kontinuierlich verwendet wird und eine Verschlechterung des Bondbereichs 20A des ersten Bonddrahts 15D nach 10.000 Stunden festgestellt wird, schätzt die Lebensdauer-Schätzungseinheit 25 beispielsweise, dass sich bei der Verwendung des Ansteuerungsverfahrens B die Hälfte der Bondbereiche des ersten Bonddrahts 15 nach weiteren 1.000 Stunden verschlechtert und das Halbleiterbauelement dann das Ende seiner Lebensdauer erreicht.
  • Auf diese Weise ist die Geschichte der Verschlechterungsbereiche einer Vielzahl von Bondbereichen manchmal mit der nachfolgenden Verschlechterungsgeschwindigkeit verbunden, und dies kann verwendet werden, um die Genauigkeit bei der Vorhersage der Lebensdauer des Halbleiterbauelements zu verbessern.
  • Die Lebensdauer-Schätzungseinheit 25 gibt dem Benutzer einen Hinweis, um ihm den Wechsel zu einem Ansteuerungsverfahren zu empfehlen, das die Lebensdauer verlängert. Wenn beispielsweise das Ansteuerungsverfahren A verwendet wird und zuerst eine Verschlechterung des Bondbereichs 20C oder 20D festgestellt wird, empfiehlt die Lebensdauer-Schätzungseinheit 25 den Wechsel zu einem Ansteuerungsverfahren B, bei dem die Zeit bis zum Erreichen des Lebensendes länger ist.
  • Die Lebensdauer-Schätzungseinheit 25 kann ferner eine automatische Umschaltung auf ein Ansteuerungsverfahren durchführen, das die Lebensdauer verlängert, zusammen mit einer nicht angezeigten Steuerschaltung. Wenn zum Beispiel das Ansteuerungsverfahren A verwendet wird und eine Verschlechterung des Bondbereichs 20C oder 20D zuerst erkannt wird, weist die Lebensdauer-Schätzungseinheit 25 die Steuerschaltung an, auf das Ansteuerungsverfahren B umzuschalten, und die Steuerschaltung steuert das Umschalten auf das Ansteuerungsverfahren B.
  • Wie oben beschrieben, kann die Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform die Lebensdauer der Halbleitervorrichtung abschätzen und ein Ansteuerungsverfahren vorschlagen, das die Lebensdauer verlängert, basierend auf der Historie der verschlechterten Bondbereiche und dem Ansteuerungsverfahren der Leistungshalbleitervorrichtung.
  • Ausführungsform 4
  • 12 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt. Die Halbleitervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform enthält zusätzlich zu den Komponenten der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform einen Temperatursensor 27.
  • Der Temperatursensor 27 misst die Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1. Der Temperatursensor 27 kann ein separates Element sein, das einen Thermistor oder ein Thermoelement verwendet, oder er kann eine in das Leistungshalbleiterelement 1 integrierte Temperaturmessdiode sein.
  • 13 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Kollektorstrom Ic und der ersten Spannung Vce im IGBT zeigt.
  • Die erste Spannung Vce ändert sich mit dem Kollektorstrom Ic und der Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1.
  • Selbst wenn das Leistungshalbleiterelement 1 mit demselben Kollektorstrom Ic bestromt wird, ändert sich der Widerstandswert des Leistungshalbleiterelements 1 mit der Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1. Infolgedessen unterscheidet sich beispielsweise die erste Spannung Vce, die bei 25 °C erzeugt wird, von dem Wert der ersten Spannung Vce, die bei 125 °C erzeugt wird.
  • Daher ändert sich der Wert der ersten Spannung Vce mit der Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1, selbst wenn sich der Grad der Verschlechterung des ersten Bonddrahts 15 überhaupt nicht ändert. Wenn dies nicht berücksichtigt wird, kann fälschlicherweise angenommen werden, dass sich der erste Bonddraht 15 verschlechtert, obwohl er sich nicht verschlechtert. Wie in 13 gezeigt, hat ein IGBT normalerweise einen Kollektorstrom Ic_nd, bei dem sich die erste Spannung Vce nicht ändert, selbst wenn sich die Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 in einem bestimmten Temperaturbereich ändert. Wenn die Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 zwischen 25 °C und 125 °C liegt, ist die erste Spannung Vce, die mit dem Kollektorstrom Ic_nd gemessen wird, ein fester Wert Vce nd, und daher kann eine Änderung der Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 vermieden werden. Wenn jedoch die Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 außerhalb des Temperaturbereichs (25 °C bis 125 °C) liegt, ist die mit dem Kollektorstrom Ic nd gemessene erste Spannung Vce manchmal nicht Vce_nd.
  • Die in der ersten Ausführungsform beschriebene Nachschlagetabelle in 10 definiert den verschlechterten Bereich der Bondbereiche der ersten Bonddrähte zum Leistungshalbleiterelement 1, für die Änderung ΔVce der ersten Spannung und die Änderung ΔVee der zweiten Spannung, wobei die Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 Standardtemperatur (25 °C) ist. Wenn also die Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 von der Standardtemperatur abweicht, müssen die Änderung ΔVce der ersten Spannung und die Änderung ΔVee der zweiten Spannung korrigiert werden, um die Nachschlagetabelle zu verwenden.
  • In der vorliegenden Ausführungsform korrigiert die Verschlechterungsbereichs-Erkennungseinheit 9 die zeitliche Änderung ΔVce der ersten Spannung Vce in Abhängigkeit von der Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1.
  • 14 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Korrektur der ersten Spannung Vce zu einem Zeitpunkt (n-1), der vor dem aktuellen Zeitpunkt n liegt.
  • Wenn die Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 125 °C beträgt und die erste Spannung Vce gleich Vce (n-1, 125 °C) zum Zeitpunkt (n-1) ist, wie in 14 gezeigt, bestimmt die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 die erste Spannung Vce (n-1, 25 °C), wenn die Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 25 °C beträgt, unter der Bedingung, dass der Kollektorstrom Ic gleich ist.
  • 15 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Korrektur der ersten Spannung Vce zum aktuellen Zeitpunkt n.
  • Wenn die Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 75 °C beträgt und die erste Spannung Vce zum Zeitpunkt n, wie in 15 gezeigt, Vce (n, 75 °C) ist, bestimmt die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 die erste Spannung Vce (n, 25 °C), wenn die Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 25 °C beträgt, unter der Bedingung, dass der Kollektorstrom Ic gleich ist.
  • Die zeitliche Änderung ΔVce der ersten Spannung ohne Korrektur mit der Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 ist wie folgt gegeben. Δ Vce = Vce ( n , 75 ° C ) − Vce ( n − 1, 125 ° C )
    Figure DE112019007499T5_0005
  • Demgegenüber ermittelt die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die zeitliche Änderung ΔVce (25 °C) der ersten Spannung anhand von Vce (n, 25 °C) und Vce (n-1, 25 °C). Δ Vce ( 25 ° C ) = Vce ( n , 25 ° C ) − Vce ( n − 1, 25 ° C )
    Figure DE112019007499T5_0006
  • 16 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen Kollektorstrom Ic und zweiter Spannung Vee in einem IGBT.
  • Die zweite Spannung Vee ändert sich mit dem Kollektorstrom Ic und der Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1.
  • Auch wenn das Leistungshalbleiterelement 1 mit demselben Kollektorstrom Ic bestromt wird, ändert sich der Widerstandswert der Metallschicht auf der Oberfläche der Emitterelektrodenoberfläche 12 des Leistungshalbleiterelements 1 mit der Temperatur Tk. Dadurch unterscheidet sich z.B. die zweite Spannung Vee, die bei 25 °C erzeugt wird, von der zweiten Spannung Vee, die bei 125 °C erzeugt wird.
  • In der vorliegenden Ausführungsform korrigiert die Verschlechterungsbereichs-Erkennungseinheit 9 die zeitliche Änderung ΔVee der zweiten Spannung Vee in Abhängigkeit von der Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1.
  • 17 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Korrektur der zweiten Spannung Vee zum Zeitpunkt (n-1).
  • Wenn die Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 125 °C beträgt und die zweite Spannung Vee gleich Vee (n-1, 125 °C) zum Zeitpunkt (n-1) ist, wie in 17 gezeigt, bestimmt die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 die zweite Spannung Vee (n-1, 25 °C), wenn die Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 25 °C beträgt, unter der Bedingung, dass der Kollektorstrom Ic gleich ist.
    18 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Korrektur der zweiten Spannung Vee zum Zeitpunkt n.
  • Wenn die Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 75 °C beträgt und die zweite Spannung Vee zum Zeitpunkt n Vee (n, 75 °C) ist, wie in 18 gezeigt, bestimmt die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 die zweite Spannung Vee (n, 25 °C), wenn die Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 25 °C beträgt, unter der Bedingung, dass der Kollektorstrom Ic gleich ist.
  • Die zeitliche Änderung ΔVee der zweiten Spannung ohne Korrektur mit der Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 ist wie folgt gegeben. Δ Vee = Vee ( n , 75 ° C ) − Vee ( n − 1, 125 ° C )
    Figure DE112019007499T5_0007
    Demgegenüber ermittelt die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 nach der vorliegenden Ausführungsform die zeitliche Änderung ΔVee (25 °C) der zweiten Spannung anhand von Vee (n, 25 °C) und Vee (n-1, 25 °C). Δ Vee ( 25 ° C ) = Vee ( n , 25 ° C ) − Vee ( n − 1, 25 ° C )
    Figure DE112019007499T5_0008
  • Die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 verwendet die Nachschlagetabelle in 9 und identifiziert den verschlechterten Bereich, der der Kombination aus der korrigierten Änderung ΔVce (25 °C) der ersten Spannung in Gleichung (4) und der korrigierten Änderung ΔVee (25 °C) der zweiten Spannung in Gleichung (6) entspricht.
  • Wie oben beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform selbst dann, wenn die Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 von der durch die Nachschlagetabelle vorausgesetzten Standardtemperatur abweicht, der verschlechterte Bereich unter Verwendung der Nachschlagetabelle für die Standardtemperatur durch Korrektur der Änderung ΔVce der ersten Spannung und der Änderung ΔVee der zweiten Spannung auf der Grundlage der Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 ermittelt werden.
  • Ausführungsform 5
  • In einer fünften Ausführungsform werden die Änderung ΔVce der ersten Spannung und die Änderung ΔVee der zweiten Spannung aufgrund der Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 auf die gleiche Weise korrigiert wie in der vierten Ausführungsform, jedoch wird die Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 ohne Verwendung des Temperatursensors 27 geschätzt.
  • 19 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Kollektorstrom Ic und der zweiten Spannung Vee bei drei Temperaturen Tk im Leistungshalbleiterelement 1 zeigt.
  • Wie in 19 gezeigt, weist die zweite Spannung Vee bei konstantem Kollektorstrom Ic eine gewisse Änderung in Abhängigkeit von der Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 auf, solange keine Verschlechterung in den ersten Bonddrähten 15 auftritt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Elemente der zweiten Spannung Vee nur mit Metall wie Emitterelektrodenoberfläche 12 und Bonddrähte 15 konfiguriert sind.
  • Wenn der Kollektorstrom Ic konstant ist, ändert sich die zweite Spannung Vee mit einer vorbestimmten Rate in Übereinstimmung mit der Änderung der Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1.
  • Es wird zum Beispiel angenommen, dass die zweite Spannung bei 25 °C des Leistungshalbleiterelements 1 Vee (25 °C) ist, wenn der Kollektorstrom Ic gleich Ic0 ist. Wenn der Kollektorstrom Ic gleich Ic0 ist, ist die zweite Spannung Vee (75 °C) bei 75 °C des Leistungshalbleiterelements 1 1,2×Vee (25 °C) und die zweite Spannung Vee (125 °C) bei 125 °C des Leistungshalbleiterelements 1 1,4×Vee (25 °C).
  • Wenn der Kollektorstrom Ic gleich ist und wenn die zweite Spannung Vee bei der Standardtemperatur T0 des Leistungshalbleiterelements 1 die Standardspannung Vee0 ist, hat die zweite Spannung Vee, die gemessen wird, wenn die Temperatur des Leistungshalbleiterelements 1 Tk ist, die folgende Beziehung. Vee = K 1 ( Tk − T 0 ) + Vee 0
    Figure DE112019007499T5_0009
  • Der Widerstand Ree (= Vee/Ic) (im Folgenden zweiter Widerstand) eines Strompfads zwischen Emitter-Referenzanschluss 4 und Emitter-Hauptanschluss 3, der durch den Wert dargestellt wird, der sich aus der Division der zweiten Spannung Vee durch den Kollektorstrom Ic ergibt, hängt nicht vom Kollektorstrom Ic ab, und der zweite Widerstand Ree ändert sich mit einer vorbestimmten Rate in Übereinstimmung mit der Änderung der Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1.
  • Zum Beispiel ist der zweite Widerstand bei 25 °C des Leistungshalbleiterelements 1 Ree (25 °C). Der zweite Widerstand Ree (75 °C) bei 75 °C des Leistungshalbleiterelements 1 ist 1,2×Ree (25 °C), und die zweite Spannung Vee (125 °C) bei 125 °C des Leistungshalbleiterelements 1 ist 1,4×Ree (25 °C).
  • Wenn der zweite Widerstand Ree bei der Standardtemperatur T0 des Leistungshalbleiterelements 1 der Standardwiderstand Ree0 ist, hat der zweite Widerstand Ree, der gemessen wird, wenn die Temperatur des Leistungshalbleiterelements 1 Tk ist, die folgende Beziehung. Ree = K 2 ( Tk − T 0 ) + Ree 0
    Figure DE112019007499T5_0010
  • Die obige Bedingung gilt nicht, wenn die Verschlechterung im Bondbereich 20 des ersten Bonddrahts 15 auftritt.
  • Typischerweise tritt der Einfluss der Verschlechterung des Bondbereichs 20 des ersten Bonddrahts 15 auf die zweite Spannung Vee sofort auf. Die Verschlechterung des Bondbereichs 20 des ersten Bonddrahts 15 wird durch Trennung (Abheben) des Bondbereichs verursacht. Selbst wenn die teilweise Trennung des Bondbereichs 20 allmählich voranschreitet und der Bondbereich sich allmählich verkleinert, ändert sich die zweite Spannung Vee bis zur vollständigen Trennung kaum. Dies liegt daran, dass der Bondbereich 20 extrem dünn ist und der Widerstandswert des Bondbereichs 20 ursprünglich extrem klein ist.
  • Zur Erläuterung ein einfaches Beispiel: Angenommen, die Querschnittsfläche des Bondbereichs 20 ist die gleiche wie die Querschnittsfläche des ersten Bonddrahts 15, die Dicke des Bondbereichs 20 (die Dicke eines vom Rand ausgehenden Risses) beträgt 1 nm, und der vom Rand des Bondbereichs 20 ausgehende Riss verringert die Querschnittsfläche des Bondbereichs 20 auf 1/1000. Die Widerstandszunahme entspricht der Widerstandszunahme, wenn die Länge des ersten Bonddrahts 15 1000 mal so groß ist wie 1 nm, also 1 µm. Die Zunahme des Widerstands, wenn die Fläche des Bondbereichs 20 auf ein Millionstel abnimmt, entspricht der Zunahme des Widerstands, wenn die Länge des ersten Bonddrahts 15 um 1 mm zunimmt.
  • Die Trennung des Bondbereichs 20 erfolgt vollständig, und in dem Moment, in dem sich der erste Bonddraht 15 vollständig von der Emitterelektrodenoberfläche 12 löst, wird der Widerstand des Bondbereichs 20 augenblicklich unendlich und die zweite Spannung Vee schwankt erheblich. Das heißt, die Änderung der zweiten Spannung Vee erfolgt augenblicklich. Unter der Annahme, dass die Temperatur unmittelbar vor dem momentanen Anstieg der zweiten Spannung Vee die gleiche ist wie die Temperatur unmittelbar nach dem momentanen Anstieg, kann die Standardspannung Vee0 oder der Standardwiderstand Ree0 korrigiert werden, wenn die Schwankungen der zweiten Spannung Vee immer aufgezeichnet werden.
  • 20 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform zeigt. Das Halbleiterbauelement gemäß der fünften Ausführungsform beinhaltet zusätzlich zu den Komponenten des Halbleiterbauelements gemäß der ersten Ausführungsform eine Spannungshistorien-Aufzeichnungseinheit 31 und eine Temperaturschätzungseinheit 32.
  • Die Spannungshistorien-Aufzeichnungseinheit 31 speichert die Historie der zweiten Spannung Vee.
  • Wenn der durch das Leistungshalbleiterelement 1 fließende Kollektorstrom Ic konstant ist, schätzt die Temperaturschätzungseinheit 32 die Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements auf der Grundlage der zweiten Spannung Vee, der Standardtemperatur T0 und der Standardspannung Vee0, also der zweiten Spannung Vee bei der Standardtemperatur T0. Wenn die zeitliche Änderungsrate dVee der zweiten Spannung gleich oder größer als ein Referenzwert TH1 ist, aktualisiert die Temperaturschätzungseinheit 32 die Standardspannung Vee0 in Übereinstimmung mit der zeitlichen Änderungsrate dVee der zweiten Spannung.
  • 21 ist ein Flussdiagramm, das ein spezifisches Verfahren der Temperaturschätzung des Leistungshalbleiterelements 1 und der Identifizierung eines verschlechterten Bereichs gemäß der fünften Ausführungsform zeigt.
  • In Schritt S101 setzt die Temperaturschätzungseinheit 32 die Standardspannung Vee0, d.h. die zweite Spannung Vee für die Standardtemperatur T0 des Leistungshalbleiterelements 1 auf einen Anfangswert V0. Die Temperaturschätzungseinheit 32 setzt den Kollektorstrom Ic auf einen bestimmten Wert Ic0.
  • In Schritt S102 erfasst die Temperaturschätzungseinheit 32 die vom ersten Spannungsmesskreis 5 gemessene erste Spannung Vce und die vom zweiten Spannungsmesskreis 6 gemessene zweite Spannung Vee.
  • In Schritt S103 berechnet die Temperaturschätzungseinheit 32 die zeitliche Änderungsrate dVee der zweiten Spannung. Genauer gesagt, wenn die jüngste zweite Spannung Vee(n) ist und die zweite Spannung, die zu einem früheren Zeitpunkt in der Spannungshistorien-Aufzeichnungseinheit 31 aufgezeichnet wurde, Vee(n-1) ist, berechnet die Temperaturschätzungseinheit 32 die zeitliche Änderungsrate dVee der zweiten Spannung Vee gemäß der folgenden Gleichung. dVee = { Vee ( n ) − Vee ( n − 1 ) } / Vee ( n − 1 )
    Figure DE112019007499T5_0011
  • In Schritt S104, wenn die zeitliche Änderungsrate dVee der zweiten Spannung gleich oder größer als der Referenzwert TH1 ist, fährt das Verfahren mit Schritt S105 fort, und wenn die zeitliche Änderungsrate dVee der zweiten Spannung kleiner als der Referenzwert TH1 ist, fährt das Verfahren mit Schritt S106 fort.
  • In Schritt S105 aktualisiert die Temperaturschätzungseinheit 32 die Standardspannung Vee0. Genauer gesagt setzt die Temperaturschätzungseinheit 32 einen Wert, der sich aus der Multiplikation der aktuellen Standardspannung Vee0 mit (1+dVee) ergibt, als neue Standardspannung Vee0 fest.
  • In Schritt S106 schätzt die Temperaturschätzungseinheit 32, wie in der folgenden Gleichung angegeben, die Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 auf der Grundlage der Standardtemperatur T0, der Standardspannung Vee0 und der zweiten Spannung Vee. Tk = ( Vee − Vee 0 ) / K 1 + T 0
    Figure DE112019007499T5_0012
  • In Schritt S107 korrigiert die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 die Änderung ΔVce der ersten Spannung und die Änderung ΔVee der zweiten Spannung, basierend auf der Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1, in der gleichen Weise wie in der vierten Ausführungsform.
  • In Schritt S108 bezieht sich die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 auf die Nachschlagetabelle und identifiziert den verschlechterten Bereich unter Verwendung der korrigierten Änderung ΔVce der ersten Spannung und der korrigierten Änderung ΔVee der zweiten Spannung.
  • 22 ist ein Diagramm, das die zeitliche Änderung der Standardspannung Vee0 zeigt.
  • Wenn sich keiner der Bondbereiche einer Mehrzahl von ersten Bonddrähten 15 verschlechtert, wird die Standardspannung Vee0 auf den Anfangswert V0 gesetzt. Wenn sich ein erster der Bondbereiche der Bonddrähte 15 verschlechtert, wird Schritt S105 zum ersten Mal ausgeführt und die Standardspannung Vee0 auf V1 gesetzt. Wenn sich ein zweiter Bondbereich der Bonddrähte 15 verschlechtert, wird Schritt S105 zum zweiten Mal ausgeführt und die Standardspannung Vee0 wird auf V2 gesetzt. Wenn sich ein dritter Bondbereich der Bonddrähte 15 verschlechtert, wird Schritt S105 ein drittes Mal ausgeführt, und die Standardspannung Vee0 wird auf V3 gesetzt.
  • Auf diese Weise wird die Standardspannung Vee0 in Übereinstimmung mit der Verschlechterung des ersten Bonddrahts 15 aktualisiert, wodurch der Temperatureinfluss immer richtig korrigiert werden kann.
  • Um einen momentanen Anstieg der zweiten Spannung Vee nicht zu verpassen, wird die zweite Spannung Vee in kurzen Zeitabständen abgetastet. Die Spannungshistorien-Aufzeichnungseinheit 31 kann die zweite Spannung Vee zu einem früheren Zeitpunkt speichern.
  • Wie oben beschrieben, kann die Halbleitervorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform die Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 auf der Grundlage des Messwerts der zweiten Spannung Vee abschätzen, ohne einen Temperatursensor zu installieren.
  • Ausführungsform 6
  • 23 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform zeigt.
  • Die Halbleitervorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform enthält zusätzlich zu den Komponenten der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform eine Widerstandshistorien-Aufzeichnungseinheit 131 und eine Temperaturschätzungseinheit 132.
  • Die Widerstandshistorien-Aufzeichnungseinheit 131 speichert die Historie des zweiten Widerstands Ree.
  • Die Temperaturschätzungseinheit 132 schätzt die Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements, basierend auf dem zweiten Widerstand Ree, der Standardtemperatur T0 und dem Standardwiderstand Ree0, d.h. dem zweiten Widerstand Ree bei der Standardtemperatur T0. Wenn die zeitliche Änderungsrate dRee des zweiten Widerstands gleich oder größer als ein Referenzwert TH2 ist, aktualisiert die Temperaturschätzungseinheit 132 den Standardwiderstand Ree0 in Übereinstimmung mit der zeitlichen Änderungsrate dRee des zweiten Widerstands.
  • 24 ist ein Flussdiagramm, das ein spezifisches Verfahren der Temperaturschätzung des Leistungshalbleiterelements 1 und der Identifizierung eines verschlechterten Bereichs gemäß der sechsten Ausführungsform zeigt.
  • In Schritt S201 setzt die Temperaturschätzungseinheit 132 den Standardwiderstand Ree0, d.h. den Widerstand Ree für die Standardtemperatur T0 des Leistungshalbleiterelements 1 auf einen Anfangswert R0.
  • In Schritt S202 erfasst die Temperaturschätzungseinheit 132 die vom ersten Spannungsmesskreis 5 gemessene erste Spannung Vce und die vom zweiten Spannungsmesskreis 6 gemessene zweite Spannung Vee.
  • In Schritt S203 berechnet die Temperaturschätzungseinheit 132 den zweiten Widerstand Ree(Vee/Ic) durch Division der zweiten Spannung Vee durch den Kollektorstrom Ic.
  • In Schritt S204 berechnet die Temperaturschätzungseinheit 132 die zeitliche Änderungsrate dRee des zweiten Widerstands Ree. Das heißt, wenn der letzte zweite Widerstand Ree(n) ist und der zweite Widerstand zu einem früheren Zeitpunkt Ree(n-1) ist, berechnet die Temperaturschätzungseinheit 132 die zeitliche Änderungsrate dRee des zweiten Widerstands Ree gemäß der folgenden Gleichung. dRee = { Ree ( n ) − Ree ( n − 1 ) } / Ree ( n − 1 )
    Figure DE112019007499T5_0013
  • In Schritt S205, wenn die zeitliche Änderungsrate dRee des zweiten Widerstands Ree gleich oder größer als der Referenzwert TH2 ist, fährt das Verfahren mit Schritt S206 fort, und wenn die zeitliche Änderungsrate dRee des zweiten Widerstands Ree kleiner als der Referenzwert TH2 ist, fährt das Verfahren mit Schritt S207 fort.
  • In Schritt S206 aktualisiert die Temperaturschätzungseinheit 132 den Standardwiderstand Ree0. Genauer gesagt setzt die Temperaturschätzungseinheit 132 einen Wert, der sich aus der Multiplikation des aktuellen Standardwiderstands Ree0 mit (1+dRee) ergibt, als neuen Standardwiderstand Ree0 fest.
  • In Schritt S207 schätzt die Temperaturschätzungseinheit 132 die Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1, basierend auf der Standardtemperatur T0, dem Standardwiderstand Ree0 und dem zweiten Widerstand Ree. Tk = ( Ree − Ree 0 ) / K 2 + T 0
    Figure DE112019007499T5_0014
  • In Schritt S208 korrigiert die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 die Änderung ΔVce der ersten Spannung und die Änderung ΔVee der zweiten Spannung, basierend auf der Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1, auf die gleiche Weise wie in der vierten Ausführungsform.
  • In Schritt S209 bezieht sich die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 auf die Nachschlagetabelle und identifiziert den verschlechterten Bereich unter Verwendung der korrigierten Änderung ΔVce der ersten Spannung und der korrigierten Änderung ΔVee der zweiten Spannung.
  • Wie oben beschrieben, kann die Halbleitervorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform die Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 auf der Grundlage des gemessenen Werts der zweiten Spannung Vee und des aus dem Kollektorstrom Ic erhaltenen zweiten Widerstands Ree schätzen, ohne einen Temperatursensor zu installieren. Das Halbleiterbauelement gemäß der fünften Ausführungsform erfordert, dass der Kollektorstrom Ic konstant ist, um die Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 abzuschätzen. Im Vergleich dazu kann die Halbleitervorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform die Temperatur Tk des Leistungshalbleiterelements 1 auch dann schätzen, wenn der Kollektorstrom Ic nicht konstant ist.
  • Ausführungsform 7
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird die Halbleitervorrichtung gemäß den vorangehenden ersten bis sechsten Ausführungsformen auf eine Leistungswandleranordnung angewendet. Obwohl die vorliegende Ausführungsform nicht auf eine bestimmte Leistungswandleranordnung beschränkt ist, wird im Folgenden ein dreiphasiger Wechselrichter beschrieben, auf den die erste bis sechste Ausführungsform angewendet wird.
  • 25 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Leistungswandlersystems gemäß einer siebten Ausführungsform zeigt.
  • Das Leistungswandlersystem beinhaltet eine Stromversorgung 100, eine Leistungswandleranordnung 200 und eine Last 300.
  • Die Stromversorgung 100 ist eine Gleichstrom-Stromversorgung und versorgt die Leistungswandleranordnung 200 mit Gleichstrom. Die Stromversorgung 100 kann mit einer Vielzahl von Stromversorgungen konfiguriert werden. Die Stromversorgung 100 kann z.B. mit einem Gleichstromsystem, einer Solarzelle oder einer Speicherbatterie konfiguriert werden. Die Stromversorgung 100 kann mit einer Gleichrichterschaltung oder einem AC/DC-Wandler konfiguriert werden, der an ein AC-System angeschlossen ist. Die Stromversorgung 100 kann mit einem DC/DC-Wandler konfiguriert sein, der die von einem Gleichstromsystem abgegebene Gleichstromleistung in eine vorgegebene Leistung umwandelt.
  • Die Leistungswandleranordnung 200 ist ein dreiphasiger Wechselrichter, der zwischen die Stromversorgung 100 und die Last 300 geschaltet ist. Die Leistungswandleranordnung 200 wandelt die von der Stromversorgung 100 gelieferte Gleichstromleistung in Wechselstromleistung um und liefert die Wechselstromleistung an die Last 300. Die Leistungswandleranordnung 200 beinhaltet eine Hauptwandlerschaltung 201 zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom und zur Ausgabe des Wechselstroms sowie eine Steuerschaltung 203 zur Ausgabe eines Steuersignals zur Steuerung der Hauptwandlerschaltung 201 an die Hauptwandlerschaltung 201.
  • Die Last 300 ist ein Drehstrommotor, der durch die von der Leistungswandleranordnung 200 gelieferte Wechselspannung angesteuert wird. Die Last 300 ist nicht auf bestimmte Anwendungen beschränkt und ist z.B. ein Motor, der in eine Vielzahl von elektrischen Geräten eingebaut wird. Die Last 300 ist ein Motor, der z.B. in einem Hybridfahrzeug, einem Elektrofahrzeug, einem Schienenfahrzeug, einem Aufzug oder einer Klimaanlage eingebaut ist.
  • Die Details der Leistungswandleranordnung 200 werden im Folgenden beschrieben.
  • Die Hauptwandlerschaltung 201 beinhaltet ein Halbleitermodul 202. Das Halbleitermodul 202 enthält Schaltelemente und Freilaufdioden (nicht dargestellt). Die Schaltelemente werden geschaltet, um die von der Stromversorgung 100 gelieferte Gleichspannung in Wechselspannung umzuwandeln, die wiederum der Last 300 zugeführt wird. Wie in 25 gezeigt, kann die Verschlechterungsüberwachungseinheit 205 in der ersten bis sechsten Ausführungsform innerhalb des Halbleitermoduls 202 angeordnet sein. Alternativ kann die Verschlechterungsüberwachungseinheit 205 auch außerhalb des Halbleitermoduls 202 angeordnet sein.
  • Es gibt eine Vielzahl von spezifischen Schaltungskonfigurationen der Hauptwandlerschaltung 201. Die Hauptwandlerschaltung 201 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist eine zweistufige dreiphasige Vollbrückenschaltung. Diese Schaltung kann mit sechs Schaltelementen und sechs Freilaufdioden konfiguriert werden, die antiparallel zu den jeweiligen Schaltelementen geschaltet sind. Jedes Schaltelement in der Hauptwandlerschaltung 201 entspricht dem Leistungshalbleiterelement 1 gemäß den vorstehenden ersten bis sechsten Ausführungsformen. Das Halbleitermodul 202 entspricht dem Leistungsmodul gemäß den vorgenannten ersten bis sechsten Ausführungsformen. Jeweils zwei Schaltelemente der sechs Schaltelemente sind in Reihe geschaltet und bilden Ober- und Unterzweige. Die Ober- und Unterzweige bilden jeweils eine Phase (U-Phase, V-Phase, W-Phase) der Vollbrückenschaltung. Die Ausgangsklemmen des oberen und unteren Zweigs, d.h. drei Ausgangsklemmen der Hauptwandlerschaltung 201, sind mit der Last 300 verbunden.
  • Die Hauptwandlerschaltung 201 enthält eine Treiberschaltung bzw. Ansteuerungsschaltung (nicht dargestellt) zur Ansteuerung der einzelnen Schaltelemente. Die Ansteuerungsschaltung kann jedoch im Halbleitermodul 202 enthalten sein oder die Ansteuerungsschaltung kann separat vom Halbleitermodul 202 vorgesehen sein. Die Ansteuerschaltung erzeugt ein Ansteuersignal zur Ansteuerung eines Schaltelements der Hauptwandlerschaltung 201 und liefert das Ansteuersignal an die Steuerelektrode des Schaltelements der Hauptwandlerschaltung 201. Insbesondere gibt die Ansteuerschaltung ein Ansteuersignal zum Einschalten eines Schaltelements und ein Ansteuersignal zum Ausschalten eines Schaltelements an die Steuerelektrode jedes Schaltelements aus, und zwar in Übereinstimmung mit einem Steuersignal von der Steuerschaltung 203. Wenn das Schaltelement eingeschaltet bleiben soll, ist das Ansteuersignal ein Spannungssignal (EIN-Signal), das gleich oder höher ist als eine Schwellenspannung des Schaltelements. Wenn das Schaltelement ausgeschaltet bleiben soll, ist das Ansteuersignal ein Spannungssignal (AUS-Signal), das gleich oder niedriger als die Schwellenspannung des Schaltelements ist.
  • Die Steuerschaltung 203 steuert die Schaltelemente der Hauptwandlerschaltung 201 so, dass der Last 300 eine gewünschte Leistung zugeführt wird. Insbesondere wird die Zeit (EIN-Zeit), während der sich jedes Schaltelement der Hauptwandlerschaltung 201 im EIN-Zustand befinden soll, auf der Grundlage der an die Last 300 zu liefernden Leistung berechnet. Beispielsweise kann die Steuerschaltung 203 die Hauptwandlerschaltung 201 durch Pulsweitenmodulation (PWM) steuern, die die EIN-Zeit der Schaltelemente in Abhängigkeit von einer auszugebenden Spannung moduliert. Die Steuerschaltung 203 gibt einen Steuerbefehl (Steuersignal) an eine Ansteuerschaltung in der Hauptwandlerschaltung 201 aus, so dass zum jeweiligen Zeitpunkt ein EIN-Signal an ein einzuschaltendes Schaltelement und ein AUS-Signal an ein auszuschaltendes Schaltelement ausgegeben wird. Die Ansteuerschaltung gibt entsprechend diesem Steuersignal ein EIN-Signal oder ein AUS-Signal als Ansteuersignal an die Steuerelektrode eines jeden Schaltelements aus.
  • Das Leistungsmodul der Leistungswandleranordnung gemäß der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet in der ersten bis sechsten Ausführungsform eine Verschlechterungsüberwachungseinheit 205. Diese Anordnung kann erkennen, welcher der Bondbereiche einer Mehrzahl von ersten Bonddrähten 15 zum Leistungshalbleiterelement 1 sich verschlechtert und die Lebensdauer des Leistungshalbleiterelements 1 und des Halbleitermoduls 202 abschätzen. Die Verschlechterungsüberwachungseinheit 205 gibt die Information über die Verschlechterung bzw. Lebensdauer an die Steuerschaltung 203 aus und modifiziert gegebenenfalls ein von der Antriebseinrichtung ausgegebenes Ansteuersignal.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform ist ein Beispiel beschrieben, bei dem die erste bis sechste Ausführungsform auf einen zweistufigen dreiphasigen Wechselrichter angewendet wird. Die ersten bis sechsten Ausführungsformen können jedoch auf eine Vielzahl von Leistungswandleranordnungen angewendet werden. Obwohl es sich bei der vorliegenden Ausführungsform um eine zweistufige Leistungswandleranordnung handelt, kann es sich um eine dreistufige oder mehrstufige Leistungswandleranordnung handeln. Die erste bis sechste Ausführungsform kann auf einen einphasigen Wechselrichter angewandt werden, wenn eine einphasige Last mit Strom versorgt wird. Wenn eine Gleichstrom-Last oder eine ähnliche Last mit Strom versorgt wird, können die ersten bis sechsten Ausführungsformen auf einen DC/DC-Wandler oder einen AC/DC-Wandler angewendet werden.
  • Die mit der Leistungswandleranordnung 200 verbundene Last 300 ist nicht auf einen Motor beschränkt. Die Leistungswandleranordnung 200 kann beispielsweise als Stromversorgungseinrichtung für eine Elektroerosionsmaschine, eine Laserstrahlmaschine, einen Induktionsheizungsherd oder ein drahtloses Ladesystem verwendet werden. Die Leistungswandleranordnung 200 kann als Leistungsaufbereiter für eine Photovoltaikanlage oder ein Stromspeichersystem eingesetzt werden.
  • 26 ist ein Diagramm, das eine spezifische Konfiguration der Verschlechterungsüberwachungseinheit 205 gemäß der ersten bis sechsten Ausführungsform zeigt.
  • Zum Beispiel werden die Funktionen der Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 und der Nachschlagetabellen-Speichereinheit 19 aus 1 durch eine Verarbeitungsschaltung 1001 realisiert.
  • Die Verarbeitungsschaltung 1001 kann durch dedizierte Hardware implementiert werden. Die Verarbeitungsschaltung entspricht einer einzelnen Schaltung, einer zusammengesetzten Schaltung, einem programmierten Prozessor, einem parallel programmierten Prozessor, einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), einem Field Programmable Gate Array (FPGA) oder einer Kombination davon.
  • 27 ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, in dem die Verarbeitungsschaltung 1001 durch Software implementiert ist.
  • Wie in 27 gezeigt, kann die Verarbeitungsschaltung 1001 die Funktion jeder Einheit durch einen Prozessor 1002 implementieren, der ein in einem Speicher 1003 gespeichertes Programm liest und ausführt. Der Prozessor 1002 entspricht einer Zentraleinheit (CPU), einer Verarbeitungseinrichtung, einer Recheneinrichtung, einem Mikroprozessor, einem Mikrocomputer oder einem digitalen Signalprozessor (DSP).
  • Die Funktionen der Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 und der Nachschlagetabellen-Speichereinheit 19 werden durch Software, Firmware oder eine Kombination aus Software und Firmware realisiert. Die Software oder Firmware wird als Programm beschrieben und im Speicher 1003 gespeichert. Der Speicher 1003 entspricht beispielsweise einem flüchtigen oder nichtflüchtigen Halbleiterspeicher wie einem Random-Access-Speicher (RAM), einem Nur-Lese-Speicher (ROM), einem Flash-Speicher, einem löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EPROM) oder einem elektrisch löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EEPROM), einer Magnetplatte, einer flexiblen Platte, einer optischen Platte, einer Compact Disc, einer Mini-Disc oder einer Digital Versatile Disc (DVD).
  • Einige der Funktionen der Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 und der Nachschlagetabellen-Speichereinheit 19 können durch spezielle Hardware implementiert werden, und einige von ihnen können durch Software oder Firmware implementiert werden.
  • Auf diese Weise kann die Verarbeitungsschaltung 1001 die oben beschriebenen Funktionen durch Hardware, Software, Firmware oder eine Kombination davon implementieren.
  • Modifikationen
    • (1) In den vorangegangenen Ausführungsformen wird ein IGBT als Leistungshalbleiterelement 1 verwendet. Die Art des Leistungshalbleiterelements ist jedoch nicht auf einen IGBT beschränkt, sondern es kann beispielsweise auch ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) verwendet werden. In diesem Fall sollte „Kollektor“ als „Drain“ und „Emitter“ als „Source“ gelesen werden, so dass die Ausführungsformen in gleicher Weise angewendet werden können. In ähnlicher Weise sollte „Vce“ als „Vds“ und „Vee“ als „Vss“ gelesen werden.
    • (2) 28 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel für die Korrespondenzbeziehung zwischen dem ersten verschlechterten Bereich und einer Kombination der zeitlichen Änderung ΔVce der ersten Spannung Vce und der zeitlichen Änderung ΔVce der zweiten Spannung Vee zeigt.
  • Wenn der erste verschlechterte Bereich der Bondbereich 20A ist, steigt die erste Spannung Vce um 20 % oder mehr und die zweite Spannung Vee um 10 % oder mehr. Wenn der erste verschlechterte Bereich der Bondbereich 20B ist, steigt die erste Spannung Vce um 20 % oder mehr und die zweite Spannung Vee um 40 % oder mehr. Wenn der erste verschlechterte Bereich der Bondbereich 20C ist, steigt die erste Spannung Vce um 30 % oder mehr und die zweite Spannung Vee um 10 % oder mehr. Wenn der erste verschlechterte Bereich der Bondbereich 20D ist, steigt die erste Spannung Vce um 30 % oder mehr und die zweite Spannung Vee steigt um 40 % oder mehr.
  • 29 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel für die Nachschlagetabelle zur Identifizierung des ersten verschlechterten Bereichs zeigt. Diese Nachschlagetabelle kann aus der Korrespondenzbeziehung in 28 abgeleitet werden.
  • Es ist definiert, dass der erste verschlechterte Bereich der Bondbereich 20A ist, wenn die erste Spannung Vce um 20 % oder mehr und weniger als 30 % steigt und die zweite Spannung Vee um 10 % oder mehr und weniger als 40 % steigt. Es ist definiert, dass der erste verschlechterte Bereich die Bondbereiche 20A und 20C ist, wenn die erste Spannung Vce um 30 % oder mehr und die zweite Spannung Vee um 10 % oder mehr und weniger als 40 % ansteigt. Es ist definiert, dass der erste verschlechterte Bereich die Bondbereiche 20A und 20B ist, wenn die erste Spannung Vce um 20 % oder mehr und weniger als 30 % steigt und die zweite Spannung Vee um 40 % oder mehr steigt. Es ist definiert, dass der erste verschlechterte Bereich die Bondbereiche 20A, 20B, 20C und 20D ist, wenn die erste Spannung Vce um 30 % oder mehr steigt und die zweite Spannung Vee um 40 % oder mehr steigt.
  • Die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9 bezieht sich auf die Nachschlagetabelle in 29 und identifiziert den verschlechterten Bereich entsprechend der Kombination der zeitlichen Änderung ΔVce der ersten Spannung Vce und der zeitlichen Änderung ΔVce der zweiten Spannung Vee. Wenn die Kombination der zeitlichen Änderung ΔVce der ersten Spannung Vce und der zeitlichen Änderung ΔVce der zweiten Spannung Vee nicht in der Nachschlagetabelle enthalten ist, bestimmt die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit 9, dass mehrere Bondbereiche der Emitterelektrodenoberfläche 12, an die mehrere erste Bonddrähte 15 angeschlossen sind, keinen verschlechterten Bereich aufweisen.
  • Die hier beschriebenen Ausführungsformen sollten lediglich als illustrativ und in jeder Hinsicht als nicht einschränkend verstanden werden. Der Umfang der vorliegenden Erfindung soll alle Modifikationen innerhalb der Bedeutung und des Äquivalenzbereichs umfassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Leistungshalbleiterelement
    2
    Kollektor-Hauptanschluss
    3
    Emitter-Hauptanschluss
    4
    Emitter-Referenzanschluss
    5
    erster Spannungsmesskreis
    6
    zweiter Spannungsmesskreis
    7
    erster Ausgangsanschluss
    8
    zweiter Ausgangsanschluss
    9
    Verschlechterungsbereichs-Erkennungseinheit
    10
    dritter Ausgangsanschluss
    11
    Kollektorsubstrat
    12
    Emitterelektrodenoberfläche
    13
    Lot
    14
    dritter Bonddraht
    15, 15A - 15D
    erster Bonddraht
    16
    zweiter Bonddraht
    17
    Hauptstromflusspfad
    18
    Heizung
    19
    Nachschlagetabellen-Speichereinheit
    20A - 20D
    Bondbereich
    21
    Gateanschluss
    22
    Gate-Bonddraht
    23
    Verschlechterungsbereichshistorien-Aufzeichnungseinheit
    25
    Lebensdauer-Schätzungseinheit
    27
    Temperatursensor
    31
    Spannungshistorien-Aufzeichnungseinheit
    32, 132
    Temperaturschätzungseinheit
    100
    Stromversorgung
    119
    Verschlechterungsbereich
    131
    Widerstandshistorien-Aufzeichnungseinheit
    200
    Leistungswandleranordnung
    201
    Hauptwandlerschaltung
    202
    Halbleitermodul
    203
    Steuerschaltung
    205
    Verschlechterungsüberwachungseinheit
    300
    Last
    1001
    Verarbeitungsschaltung
    1002
    Prozessor
    1003
    Speicher
  • 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 2013206997 A [0004]

Claims (15)

  1. Halbleiterbauelement, das Folgendes aufweist: ein Leistungshalbleiterelement; ein Kollektorsubstrat, das elektrisch mit dem Leistungshalbleiterelement verbunden ist, einen Kollektor-Hauptanschluss, der elektrisch mit dem Kollektorsubstrat verbunden ist, einen Emitter-Hauptanschluss, der über mehrere erste Bonddrähte mit einer Emitterelektrodenoberfläche des Leistungshalbleiterelements verbunden ist; einen Emitter-Referenzanschluss, der über einen zweiten Bonddraht mit der Emitterelektrodenoberfläche des Leistungshalbleiterelements verbunden ist; einen ersten Spannungsmesskreis zum Messen einer ersten Spannung, die eine Differenz zwischen einem Potential am Kollektor-Hauptanschluss und einem Potential am Emitter-Hauptanschluss ist; einen zweiten Spannungsmesskreis zur Messung einer zweiten Spannung, die eine Differenz zwischen einem Potential am Emitter-Referenzanschluss und einem Potential am Emitter-Hauptanschluss ist; und eine Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit, um sich auf Korrespondenzinformationen zu beziehen, die einen verschlechterten Bereich einer Vielzahl von Bondbereichen an der Emitterelektrodenoberfläche definieren, mit der die ersten Bonddrähte verbunden sind, für eine Kombination aus zeitlicher Änderung der ersten Spannung und zeitlicher Änderung der zweiten Spannung, und um den verschlechterten Bereich zu identifizieren, der einer Kombination aus zeitlicher Änderung der ersten Spannung, gemessen durch den ersten Spannungsmesskreis, und zeitlicher Änderung der zweiten Spannung, gemessen durch den zweiten Spannungsmesskreis, entspricht.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, das ferner mit einer Aufzeichnungseinheit zur Aufzeichnung der Historie des identifizierten verschlechterten Bereichs ausgestattet ist.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, wobei dann, wenn sich keiner der Bondbereiche verschlechtert, die Verschlechterungsbereichs-Erkennungseinheit auf die erste Korrespondenzinformation für keine Verschlechterung als die Korrespondenzinformation Bezug nimmt und den verschlechterten Bereich identifiziert, und dann, wenn sich einer der Bondbereiche verschlechtert, die Verschlechterungsbereichs-Erkennungseinheit auf die zweite Korrespondenzinformation, die dem verschlechterten Bereich entspricht, als die Korrespondenzinformation verweist und den verschlechterten Bereich identifiziert.
  4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2 oder 3, die ferner eine Lebensdauer-Schätzungseinheit aufweist zur Abschätzung der Lebensdauer des Halbleiterbauelements, basierend auf der Historie des verschlechterten Bereichs und einem Ansteuerungsverfahren des Leistungshalbleiterelements.
  5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, wobei die Lebensdauer-Schätzungseinheit ein Ansteuerungsverfahren des Leistungshalbleiterelements auf der Grundlage der geschätzten Lebensdauer schaltet.
  6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, wobei die Lebensdauer-Schätzungseinheit einem Benutzer einen Hinweis gibt, um das Umschalten eines Ansteuerungsverfahrens des Leistungshalbleiterelements auf der Grundlage der geschätzten Lebensdauer zu empfehlen.
  7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das ferner einen Temperatursensor aufweist zur Messung der Temperatur des Leistungshalbleiterelements.
  8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das ferner eine Temperaturschätzungseinheit aufweist, zur Schätzung der Temperatur des Leistungshalbleiterelements auf der Grundlage der zweiten Spannung, einer Standardtemperatur und einer Standardspannung, die die zweite Spannung bei der Standardtemperatur ist, wenn der durch das Leistungshalbleiterelement fließende Kollektorstrom konstant ist.
  9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, wobei die Temperaturschätzungseinheit die Standardspannung in Übereinstimmung mit der Rate der zeitlichen Änderung der zweiten Spannung aktualisiert, wenn eine Rate der zeitlichen Änderung der zweiten Spannung gleich oder größer als ein Referenzwert ist.
  10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, wobei die Temperaturschätzungseinheit dann, wenn die Rate der zeitlichen Änderung der zweiten Spannung ΔVee beträgt, einen Wert, der durch Multiplikation der aktuellen Standardspannung mit (1+ΔVee) erhalten wird, als neue Standardspannung einstellt.
  11. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das ferner mit einer Temperaturschätzungseinheit versehen ist, zum Schätzen der Temperatur des Leistungshalbleiterelements auf der Grundlage eines zweiten Widerstands, der durch Dividieren der zweiten Spannung durch den durch das Leistungshalbleiterelement fließenden Kollektorstrom erhalten wird, einer Standardtemperatur und eines Standardwiderstands, der der zweite Widerstand bei der Standardtemperatur ist.
  12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, wobei die Temperaturschätzungseinheit den Standardwiderstand in Übereinstimmung mit der Rate der zeitlichen Änderung des zweiten Widerstands aktualisiert, wenn eine Rate der zeitlichen Änderung des zweiten Widerstands gleich oder größer als ein Referenzwert ist.
  13. Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, wobei die Temperaturschätzungseinheit dann, wenn die zeitliche Änderungsrate des zweiten Widerstands ΔRee beträgt, einen Wert, der durch Multiplikation des aktuellen Standardwiderstands mit (1+ARee) erhalten wird, als neuen Standardwiderstand festlegt.
  14. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei die Korrespondenzinformation einen verschlechterten Bereich der Bondbereiche definiert, für eine Kombination aus zeitlicher Änderung der ersten Spannung und zeitlicher Änderung der zweiten Spannung bei einer Standardtemperatur, und die Verschlechterungsbereichs- Erkennungseinheit die zeitliche Änderung der gemessenen ersten Spannung und die zeitliche Änderung der gemessenen zweiten Spannung in Abhängigkeit von der Temperatur des Leistungshalbleiterelements korrigiert und auf die Korrespondenzinformation Bezug nimmt, um den verschlechterten Bereich zu identifizieren, der einer Kombination aus der korrigierten zeitlichen Änderung der ersten Spannung und der korrigierten zeitlichen Änderung der zweiten Spannung entspricht.
  15. Leistungswandleranordnung, die Folgendes aufweist: - ein Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14; - eine Hauptwandlerschaltung zur Umwandlung der Eingangsleistung und zur Ausgabe der umgewandelten Leistung; und - eine Steuerschaltung zur Ausgabe eines Steuersignals zur Steuerung der Hauptwandlerschaltung an die Hauptwandlerschaltung.
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