JP2005130568A

JP2005130568A - パワーモジュールの検査方法

Info

Publication number: JP2005130568A
Application number: JP2003361738A
Authority: JP
Inventors: Kyosuke Ohashi; 恭介大橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-10-22
Filing date: 2003-10-22
Publication date: 2005-05-19

Abstract

【課題】従来の装着物と被装着物との装着状態を判別する方法では、順方向電圧値の変化値が判定値よりも大きいか否かを判定するのみであったので、変化値が判定値よりも大幅に大きかった場合には、装着物である半導体素子が高温になり過ぎて破壊する恐れがあった。
【解決手段】複数のＩＧＢＴ素子１１を備え、冷却ユニット５に接合されるパワーモジュール１であって、自身の温度を検出する温度検出機能、および自身の温度が所定温度以上になると保護機能が作動する過熱保護機能が備えられたパワーモジュール１において、各ＩＧＢＴ素子１１に通電を行い、ＩＧＢＴ素子１１の温度が通電により上昇して、過熱保護機能が作動したか否かを判定するとともに、温度検出機能により検出されるＩＧＢＴ素子１１の温度の通電による変化が、予め定められた値よりも小さいか否かを判定することにより、パワーモジュール１と冷却ユニット５との密着状態の良否判断を行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、パワーモジュールと冷却ユニットとの密着状態の良否判断を行うためのパワーモジュールの検査方法に関する。

パワーモジュールは、ＩＧＢＴ素子などのパワー素子を高速スイッチングすることで、バッテリーから供給される高圧直流電流を交流電流に変換してモーターを駆動するものである。このパワーモジュールに搭載されるパワー素子は作動時の発熱が非常に大きいため、如何に放熱を行うかが重要な課題となる。

一般的に、パワーモジュールは、放熱板上に絶縁板を介してパワー素子を実装して構成されており、放熱板を冷却ユニット上に接合することで、パワー素子からの発熱を、放熱板を介して冷却ユニットへ放熱するようにしている。
そして、パワーモジュールの放熱板と冷却ユニットとの熱接触抵抗は、放熱性に大きく影響するため、放熱板と冷却ユニットとの間に、熱伝導率の高いゲル状の材料を介在させることが行われている。

ここで、放熱板と冷却ユニットとは全面にわたって密着することが重要であり、放熱グリスなどのゲル状の材料にエアの巻き込みが生じて、両者間に未着部位が残ると、その部分だけが他部よりも高温となるヒートスポットとなって、パワー素子破壊の原因となり得る。
しかし、近年ではパワーモジュールの大型化に伴って放熱板の面積が広くなり、放熱板と冷却ユニットとの密着性を全面にわたって確実に確保することが困難となってきているため、密着状態の検査を行うことによりパワーモジュールの放熱性の品質を保証することが必要となってきている。

装着物と被装着物との装着状態を判別する方法としては、例えば特許文献１に示すように、放熱板に装着された半導体素子の装着状態を判別する方法がある。
すなわち、特許文献１によれば、半導体素子を動作させて自己発熱させ、自己発熱により温度を上昇させたときの、保護ダイオードの順方向電圧値の変化を測定することで、半導体素子の装着状態を判別する方法が記載されている。

特開２０００−２９８１５６号公報

前述の特許文献１に示す方法では、保護ダイオードの順方向電圧値の変化値と予め決めておいた判定値とを比較して、変化値が判定値よりも大きければ半導体素子の装着状態が不良であると判定していた。
このように、変化値が判定値よりも大きければ半導体素子の装着状態が不良であると判定するのみでは、
変化値が判定値よりも大幅に大きかった場合、つまり不良品の温度が良品の温度に対して大幅に高かった場合には、半導体素子が高温になり過ぎて破壊する恐れがある。

パワーモジュールの場合、冷却ユニットとの密着が不十分であって不良であると判定された場合でも、リワークすれば良品とすることが可能であるので、検査中にパワー素子が破壊してしまうと、良品となり得るパワーモジュールが無駄となってしまう。
そこで、本発明では、パワーモジュールの放熱板と冷却ユニットとの未着度合いが大きい場合であっても、パワー素子を破壊することなく、確実に不良を判別することができる検査方法を提供する。

上記課題を解決するパワーモジュールの検査方法は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載の如く、複数のパワー素子を備え、冷却ユニットに接合されるパワーモジュールであって、各パワー素子に、自身の温度を検出する温度検出機能、および自身の温度が所定温度以上になると保護機能が作動する過熱保護機能が備えられたパワーモジュールにおいて、各パワー素子に通電を行い、パワー素子の温度が通電により上昇して、過熱保護機能が作動したか否かを判定するとともに、温度検出機能により検出されるパワー素子の温度の通電による変化が、予め定められた値よりも小さいか否かを判定することにより、パワーモジュールと冷却ユニットとの密着状態の良否判断を行う。
このように、過熱保護機能の作動による判定と、通電開始前後での温度変化による判定を行うことにより、ＩＧＢＴ素子の過熱による破壊を防止しながら大きな未着部位の検出を行うことが可能となるとともに、過熱保護機能が作動する程ではないが正常範囲を超えた未着部位の検出を、ＩＧＢＴ素子の温度変化により行うことができ、パワーモジュールを破損させることなく、放熱板と冷却ユニットとの密着性を検査して、確実に良品と不良品とを判別することが可能となる。

また、請求項２記載の如く、複数のパワー素子を備え、冷却ユニットに接合されるパワーモジュールであって、各パワー素子に、自身の温度を検出する温度検出機能、および自身の温度が所定温度以上になると保護機能が作動する過熱保護機能が備えられたパワーモジュールにおいて、各パワー素子に通電を行い、パワー素子の温度が通電により上昇して、過熱保護機能が作動したか否かを判定するとともに、温度検出機能により検出された、パワーモジュールの温度が、予め定められた値に達するまでの時間が、予め定められた基準時間に対して長いか否かを判定することにより、パワーモジュールと冷却ユニットとの密着状態の良否判断を行う。
このように、過熱保護機能の作動による判定と、通電開始前後での温度変化による判定を行うことにより、ＩＧＢＴ素子の過熱による破壊を防止しながら大きな未着部位の検出を行うことが可能となるとともに、過熱保護機能が作動する程ではないが正常範囲を超えた未着部位の検出を、パワーモジュールの温度が予め定められた値に達するまでの時間を用いて行うことができ、パワーモジュールを破損させることなく、放熱板と冷却ユニットとの密着性を検査して、確実に良品と不良品とを判別することが可能となる。

また、請求項３記載の如く、複数のパワー素子を備え、冷却ユニットに接合されるパワーモジュールであって、各パワー素子に、自身の温度が所定温度以上になると保護機能が作動する過熱保護機能が備えられたパワーモジュールにおいて、各パワー素子に通電を行い、通電によるパワーモジュールの温度上昇により過熱保護機能が動作するまでの時間が、予め定められた基準時間に対して長いか否かを判定することにより、パワーモジュールと冷却ユニットとの密着状態の良否判断を行う。
これにより、ＩＧＢＴ素子の過熱による破壊を防止しながら未着部位の検出を行うことができ、パワーモジュールを破損させることなく、放熱板と冷却ユニットとの密着性を検査して、確実に良品と不良品とを判別することが可能となる。

また、請求項４記載の如く、前記過熱保護機能が作動したか否かの判定においては、複数のパワー素子のうち、何れか一つのパワー素子にて過熱保護機能が作動すれば、作動したと判定され、温度検出機能により検出された温度を用いた判定においては、複数のパワー素子のうち、特定の一つのパワー素子から検出された温度が常時用いられる。
これにより、過熱保護機能が作動していない状態で、温度変化が基準温度よりも大きかったために不良判定となった場合には、温度検出が行われている選択されたＩＧＢＴ素子の実装箇所に密着不良が存在していることがわかり、密着不良箇所を特定することが可能である。

また、請求項５記載の如く、前記過熱保護機能が作動したか否かの判定においては、複数のパワー素子のうち、何れか一つのパワー素子にて過熱保護機能が作動すれば、作動したと判定され、パワーモジュールと冷却ユニットとの密着状態の良否判断には、温度検出機能により検出された温度が最も高温であるパワー素子の検出温度が用いられる。
これにより、過熱保護機能が作動する程度の密着不良が存在している場合には、過熱保護機能が作動するＩＧＢＴ素子と、温度検出が行われるＩＧＢＴ素子とを一致させることができる。

本発明によれば、パワーモジュールを破損させることなく、放熱板と冷却ユニットとの密着性を検査して、確実に良品と不良品とを判別することが可能となる。
また、密着不良箇所を特定することが可能である。
さらに、過熱保護機能が作動する程度の密着不良が存在している場合には、過熱保護機能が作動するＩＧＢＴ素子と、温度検出が行われるＩＧＢＴ素子とを一致させることができる。

次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。
図１に示すように、パワーモジュール１は、パワー素子であるＩＧＢＴ素子１１・１１・・・を複数具備しており、例えばモーター２の駆動用に用いられている。
また、パワーモジュール１は、各ＩＧＢＴ素子１１・１１・・・の温度検出機能、および過熱保護機能（自己保護機能）を備えたＩＰＭ（ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＰｏｗｅｒＭｏｄｕｌｅ）に構成されている。

ここで、過熱保護機能とは、パワーモジュール１に具備される過熱検出回路が、各ＩＧＢＴ素子１１の過熱を検出すると、各ＩＧＢＴ素子１１・１１・・・を一定時間ターンオフするとともに、異常信号を出力するものである。
また、パワーモジュール１には、コントローラ３が接続されている。

図２に示すように、パワーモジュール１は、絶縁板を介して放熱板１２に実装されるＩＧＢＴ素子１１・１１・・・を筐体１３にて覆って構成されており、放熱板１２は冷却ユニット５上に接合されている。
放熱板１２と冷却ユニット５との間には、高熱伝動性グリスなどの熱伝導率の高いゲル状の材料が介在されており、ＩＧＢＴ素子１１・１１・・・からの発熱を、放熱板１２を介して冷却ユニット５へ効率良く放熱するようにしている。

放熱板１２と冷却ユニット５との接合においては、両者を全面にわたって密着させることが重要であるが、両者間に介在される放熱グリスなどのゲル状の材料にエアの巻き込みが生じるなどの理由により、両者間に未着部位が残る場合がある。
このような未着部位は、パワーモジュール１の作動時に他部よりも高温となるヒートスポットとなって、パワー素子破壊の原因となり得る。
従って、本発明では、次のように放熱板１２と冷却ユニット５との密着状態を検査して、パワーモジュール１の放熱性の品質を保証するようにしている。

パワーモジュール１の検査方法の第一実施形態について説明する。
図３に示すように、まず、ＩＧＢＴ素子１１が備える温度検出機能を用いて初期のＩＧＢＴ素子１１の温度Ｔ０を検出する（Ｓ１０１）。
初期温度Ｔ０を検出後、コントローラ３によりパワーモジュール１に通電を開始する（Ｓ１０２）。

その後、通電によりパワーモジュール１の過熱保護機能が作動したか否かの判定を行い（Ｓ１０３）、過熱保護機能が作動しなければ、所定時間通電した後に通電を終了する（Ｓ１０４）。通電途中で過熱保護機能が作動すれば、放熱板１２と冷却ユニット５との間に未着部位が存在していると判断されて不良判定がなされる（Ｓ１１１）。
また、通電終了時には、温度検出機能を用いてＩＧＢＴ素子１１の温度Ｔ１が検出される（Ｓ１０５）。

コントローラ３により、検出されたＩＧＢＴ素子１１の初期温度Ｔ０と通電終了時温度Ｔ１との差が算出され、通電開始前後でのＩＧＢＴ素子１１の温度変化ΔＴが求められる（Ｓ１０６）。
そして、求められた温度変化ΔＴの値が、予め設定されている基準温度Ｔｔの値以上か否かが判定され（Ｓ１０７）、温度変化ΔＴが基準温度Ｔｔ以上であれば、放熱板１２と冷却ユニット５との間に未着部位が存在していると判断されて不良判定がなされる（Ｓ１２１）。
ステップＳ１０７にて温度変化ΔＴが基準温度Ｔｔ未満であれば冷却ユニット５との間に未着部位は存在しないとして良品判定がなされる（Ｓ１０８）。

以上のように、本実施形態における検査方法では、ステップＳ１０３にて行われる過熱保護機能が作動したか否かの判定と、ステップＳ１０７にて行われるＩＧＢＴ素子１１の通電開始前後での温度変化ΔＴが基準温度Ｔｔ以上であるか否かの判定といったように、二段階にわたって放熱板１２と冷却ユニット５との間の密着性についての検査が行われている。
つまり、一段階目の検査である過熱保護機能の作動による判定により、大きな範囲の未着部位の存在、または多くの未着部位の存在を検査し、二段階目の検査である通電開始前後での温度変化ΔＴによる判定により、小さな範囲の未着部位の存在、または少数の未着部位の存在を検査することが可能となっている。

例えば、図４に示す温度曲線５１のように、通電開始から上昇していくＩＧＢＴ素子１１の温度が、予め定められている過熱保護機能作動温度領域Ｔｐに達すると、過熱保護機能が作動してパワーモジュール１の機能が停止する。
このように、通電時のＩＧＢＴ素子１１の温度が、過熱保護機能の作動温度以上の、かなり高い温度の過熱保護機能作動温度領域Ｔｐまで達した場合には、パワーモジュール１から冷却ユニット５への放熱がうまく行われておらず、放熱板１２と冷却ユニット５との間に大きな未着部位があるか多くの未着部位があると判断される。

一方、温度曲線５２のように、通電時間内での最高温度が前記過熱保護機能作動温度領域Ｔｐよりも低いが、通電開始から終了までの温度変化ΔＴ１が、基準温度Ｔｔよりも大きい場合には、異常な温度上昇であると判定される。
この場合は、異常な温度上昇が生じるのは、それほど大きくはない、または多くはないが未着部位があり、その未着部位の大きさまたは数が正常レベルを超えているためであると判断される。

また、温度曲線５３のように、通電時間内での最高温度が前記過熱保護機能作動温度領域Ｔｐよりも低く、通電開始から終了までの温度変化ΔＴ２が、基準温度Ｔｔよりも小さい場合には、正常範囲内の温度上昇であると判定される。
つまり、本検査方法では、通電時のＩＧＢＴ素子１１の温度が、過熱保護機能が作動する温度にまで達せず、且つ通電開始から終了までの温度変化ΔＴが基準温度Ｔｔよりも小さい場合のみ、良品と判定される。

このように、過熱保護機能の作動の有無を判定することにより、ＩＧＢＴ素子１１の過熱による破壊を防止しながら大きな未着部位の検出を行いつつ、ＩＧＢＴ素子１１の温度変化ΔＴにより小さな未着部位の検出を行うことができ、パワーモジュール１を破損させることなく、放熱板１２と冷却ユニット５との密着性を検査して、確実に良品と不良品とを判別することが可能となる。

また、本検査方法により検査を行う場合、複数のＩＧＢＴ素子１１のうち、何れか一つのＩＧＢＴ素子１１を予め選択しておき、選択したＩＧＢＴ素子１１の温度を常時検出するようにしている。
これにより、全てのＩＧＢＴ素子１１の温度を検出するようにした場合に比べて、検出値の処理量を少なくすることができ、コントローラ３の負担を軽減することができる。
なお、過熱保護機能が作動したか否かの判定においては、複数のＩＧＢＴ素子１１の全てが判定の対象となっており、何れか一つのＩＧＢＴ素子１１にて過熱保護機能が作動すれば、作動したと判定される。

このように、選択した一つのＩＧＢＴ素子１１の温度を検出することで、過熱保護機能が作動していない状態で、温度変化ΔＴが基準温度Ｔｔよりも大きかったために不良判定となった場合には、温度検出が行われている選択されたＩＧＢＴ素子１１の実装箇所に密着不良が存在していることがわかり、密着不良箇所を特定することが可能である。

また、温度検出は、複数のＩＧＢＴ素子１１のなかから、検出時点で最も高温になっているＩＧＢＴ素子１１を選択して、行うこともできる。
この場合は、放熱板１２と冷却ユニット５との密着不良がある位置に応じて温度検出を行うＩＧＢＴ素子１１が変化し、密着不良がある位置に装着されているＩＧＢＴ素子１１の温度が検出されることとなる。
一方、過熱保護機能も、密着不良がある位置に装着されているＩＧＢＴ素子１１の過熱保護機能が作動するため、過熱保護機能が作動する程度の密着不良が存在している場合には、過熱保護機能が作動するＩＧＢＴ素子１１と、温度検出が行われるＩＧＢＴ素子１１とが一致することとなる。

次に、パワーモジュール１の検査方法の第二実施形態について説明する。
図５に示すように、まず、ＩＧＢＴ素子１１が備える温度検出機能を用いて初期のＩＧＢＴ素子１１の温度Ｔ０を検出する（Ｓ２０１）。
初期温度Ｔ０を検出後、コントローラ３によりパワーモジュール１に通電を開始する（Ｓ２０２）。

その後、通電によりパワーモジュール１の過熱保護機能が作動したか否かの判定を行い（Ｓ２０３）、通電途中で過熱保護機能が作動すれば、放熱板１２と冷却ユニット５との間に未着部位が存在していると判断されて不良判定がなされる（Ｓ２１１）。
通電中、ＩＧＢＴ素子１１の温度は継続して検出されており、過熱保護機能が作動しなければ、ＩＧＢＴ素子１１の検出温度が予め設定された目標温度Ｔａｉｍに達するまで通電を行い（Ｓ２０４）、検出温度が目標温度Ｔａｉｍに達すると、通電を終了する（Ｓ２０５）。なお、通電開始から通電終了までの通電時間がコントローラ３により計測されている。

その後、パワーモジュール１への通電時間が、予め設定されている基準時間以上であったか否かの判定がなされ（Ｓ２０６）、通電時間が基準時間以上であった場合は良品であると判定され（Ｓ２０７）、基準時間未満であれば不良品であると判定される（Ｓ２２１）。

つまり、通電開始から、ＩＧＢＴ素子１１の温度が目標温度に達するまでの時間が、基準時間以上であれば、放熱板１２と冷却ユニット５との間の密着状態が良好であって密着不良はなく、良品であると判断する。
逆に、ＩＧＢＴ素子１１の温度が目標温度に達するまでの、通電開始からの時間が基準時間より短ければ、放熱板１２と冷却ユニット５との間に密着不良箇所が存在するため、ＩＧＢＴ素子１１の温度上昇が早くなると考えられ、不良品との判断がなされる。

このような方法で密着状態の検査を行っても、ＩＧＢＴ素子１１の過熱による破壊を防止しながら大きな未着部位の検出を行いつつ、パワーモジュール１への通電時間により小さな未着部位の検出を行うことができ、パワーモジュール１を破損させることなく、放熱板１２と冷却ユニット５との密着性を検査して、確実に良品と不良品とを判別することが可能となる。

次に、パワーモジュール１の検査方法の第三実施形態について説明する。
図６に示すように、まず、ＩＧＢＴ素子１１が備える温度検出機能を用いて初期のＩＧＢＴ素子１１の温度Ｔ０を検出する（Ｓ３０１）。
初期温度Ｔ０を検出後、コントローラ３によりパワーモジュール１に通電を開始する（Ｓ３０２）。

パワーモジュール１に対する通電は、過熱保護機能が作動するまで継続され（Ｓ３０３）、過熱保護機能が作動すると通電が終了する（Ｓ３０４）。
なお、通電開始から通電終了までの通電時間がコントローラ３により計測されている。

その後、パワーモジュール１への通電時間が、予め設定されている基準時間以上であったか否かの判定がなされ（Ｓ３０５）、通電時間が基準時間以上であった場合は良品であると判定され（Ｓ３０６）、基準時間未満であれば不良品であると判定される（Ｓ３１１）。

つまり、本検査方法では、過熱保護機能が作動するまでパワーモジュール１に対する通電が継続され、通電開始から過熱保護機能が作動するまでの時間が基準時間以上であれば、放熱板１２と冷却ユニット５との間の密着状態が良好であって密着不良はなく、良品であると判断する。
逆に、通電開始から過熱保護機能が作動するまでの時間が基準時間より短ければ、放熱板１２と冷却ユニット５との間に密着不良箇所が存在するため、ＩＧＢＴ素子１１の温度上昇が早くなると考えられ、不良品との判断がなされる。

このような方法で密着状態の検査を行った場合も、ＩＧＢＴ素子１１の過熱による破壊を防止しながら未着部位の検出を行うことができ、パワーモジュール１を破損させることなく、放熱板１２と冷却ユニット５との密着性を検査して、確実に良品と不良品とを判別することが可能となる。

本発明のパワーモジュールの検査方法により検査が行われるパワーモジュールを示す平面図である。同じくパワーモジュールを示す側面図である。パワーモジュールの検査方法の第一実施形態のフローを示す図である。ＩＧＢＴ素子の過熱保護機能作動温度領域およびＩＧＢＴ素子の検出温度変化を示す図である。パワーモジュールの検査方法の第二実施形態のフローを示す図である。パワーモジュールの検査方法の第三実施形態のフローを示す図である。

符号の説明

１パワーモジュール
５冷却ユニット
１１ＩＧＢＴ素子
１２放熱板

Claims

複数のパワー素子を備え、冷却ユニットに接合されるパワーモジュールであって、各パワー素子に、自身の温度を検出する温度検出機能、および自身の温度が所定温度以上になると保護機能が作動する過熱保護機能が備えられたパワーモジュールにおいて、
各パワー素子に通電を行い、
パワー素子の温度が通電により上昇して、過熱保護機能が作動したか否かを判定するとともに、
温度検出機能により検出されるパワー素子の温度の通電による変化が、予め定められた値よりも小さいか否かを判定することにより、
パワーモジュールと冷却ユニットとの密着状態の良否判断を行う
ことを特徴とするパワーモジュールの検査方法。
複数のパワー素子を備え、冷却ユニットに接合されるパワーモジュールであって、各パワー素子に、自身の温度を検出する温度検出機能、および自身の温度が所定温度以上になると保護機能が作動する過熱保護機能が備えられたパワーモジュールにおいて、
各パワー素子に通電を行い、
パワー素子の温度が通電により上昇して、過熱保護機能が作動したか否かを判定するとともに、
温度検出機能により検出された、パワーモジュールの温度が、予め定められた値に達するまでの時間が、
予め定められた基準時間に対して長いか否かを判定することにより、
パワーモジュールと冷却ユニットとの密着状態の良否判断を行う
ことを特徴とするパワーモジュールの検査方法。
複数のパワー素子を備え、冷却ユニットに接合されるパワーモジュールであって、各パワー素子に、自身の温度が所定温度以上になると保護機能が作動する過熱保護機能が備えられたパワーモジュールにおいて、
各パワー素子に通電を行い、
通電によるパワーモジュールの温度上昇により過熱保護機能が動作するまでの時間が、予め定められた基準時間に対して長いか否かを判定することにより、
パワーモジュールと冷却ユニットとの密着状態の良否判断を行う
ことを特徴とするパワーモジュールの検査方法。
前記過熱保護機能が作動したか否かの判定においては、複数のパワー素子のうち、何れか一つのパワー素子にて過熱保護機能が作動すれば、作動したと判定され、
温度検出機能により検出された温度を用いた判定においては、複数のパワー素子のうち、特定の一つのパワー素子から検出された温度が常時用いられる
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワーモジュールの検査方法。
前記過熱保護機能が作動したか否かの判定においては、複数のパワー素子のうち、何れか一つのパワー素子にて過熱保護機能が作動すれば、作動したと判定され、
パワーモジュールと冷却ユニットとの密着状態の良否判断には、温度検出機能により検出された温度が最も高温であるパワー素子の検出温度が用いられる
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワーモジュールの検査方法。