JP2006114575A - パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】半田層の劣化等によるパワー半導体素子の温度上昇を、簡単な比較演算のみによって早期に検出し、簡易な構造により低コストで寿命を推定可能としたパワーモジュールを提供する。
【解決手段】絶縁配線基板上に実装されたパワー半導体素子を有するパワーモジュールの寿命判定技術に関する。パワーモジュール内の温度を検出する少なくとも２個のダイオード１１ａ，１１ｂを備え、これらの温度特性を利用してパワー半導体素子１の表面等の２箇所の温度勾配（温度差）を検出し、その値を基準値と比較してパワー半導体素子１の寿命到来を推定する。温度検出手段としては、ダイオード以外にサーミスタや熱電対を使用することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ−ＦＥＴ等のパワー半導体素子をスイッチングして電力変換を行うパワーモジュールにおいて、パワー半導体素子の寿命を推定する技術に関するものである。

交流電動機駆動装置としてのインバータや無停電電源装置（ＵＳＰ）等の電力変換装置は、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ−ＦＥＴ等のパワー半導体素子をスイッチングすることにより電力変換を行っている。
図５は、交流電動機３を駆動する従来の三相インバータの回路構成を示している。図示するように、ＩＧＢＴ等のパワー半導体素子（以下、必要に応じてパワーデバイスという）１を２個直列に接続した直列回路が三相分形成され、これらの直列回路が直流電源５に対して並列に接続されると共に、各パワーデバイス１には環流ダイオード２がそれぞれ逆並列に接続されている。
パワーデバイス１を駆動回路４にて上下アーム交互にスイッチングすることにより、直流電力を三相交流電力に変換して負荷である交流電動機３に供給する。ここで、パワーデバイス１がオフした際には、負荷電流を環流ダイオード２側へ環流させてパワーデバイス１を保護している。

パワーデバイス１のスイッチング方法としては、制御回路７において、出力電圧指令７ａと基準三角波７ｂとの大小関係を比較演算部７ｃにより比較してスイッチングパターンを決定するＰＷＭ変調が一般的に行われている。制御回路７により決定されたスイッチングパターンは、パルス分配回路６によりインバータの三相各アーム分に分配され、更に駆動回路４を介してパワーデバイス１の駆動パルスが生成される。この駆動パルスによりパワーデバイス１をスイッチングして直流−交流間の電力変換を行っている。

図６は、上記電力変換装置に使用されるパワーデバイスを内蔵したパワーモジュールの分解斜視図、図７は図６におけるＡ−Ｂ断面図である。
図６に示すように、パワーモジュールの筐体となるケース１３には、電気配線及び接続のための複数の端子１２と、パワーモジュールを冷却体（図示せず）に取り付けるためのネジ孔１４等が設けられている。ここで、上記冷却体には、通常、熱伝導率が大きい金属が使用される。

いわゆるパワーモジュールにおいては、感電等による危険を防止するため、パワーモジュール内の電気回路部と冷却体とを絶縁する必要がある。一方では、パワーデバイスが大電流をスイッチングする際に発生する損失すなわち熱を、絶縁配線基板を介して金属ベース板やこの金属ベース板が取り付けられた冷却体へ速やかに放散させる必要がある。
このため、図６の従来技術では、冷却体に固定される金属ベース板１８上にセラミックス等からなる絶縁配線基板１７が半田付けされており、パワーデバイス１や環流ダイオード２を半田付けして実装するための回路パターン１６ａが前記配線基板１７上に形成されている。良質な絶縁体であるセラミックスを配線基板１７に用いれば、冷却体に固定される金属ベース板１８と回路パターン１６ａとを電気的に絶縁することが可能である。

また、ケース１３の上面に配置された端子１２と回路パターン１６ａとは、図７に示すようにアルミニウム製のワイヤー１５によって接続されている。
なお、図７において、１６ｂは配線基板１７の裏面に形成された回路パターン、１９ａ，１９ｂは半田層である。

ここで、一般にパワーデバイス等の半導体素子（半導体チップ）が許容できるジャンクション温度Ｔ_ｊの限界値Ｔ_{ｊｌｉｍｉｔ}は１５０℃であり、電力変換装置の最大負荷条件においてもジャンクション温度Ｔ_ｊが前記１５０℃以下となるようにパワーモジュールの定格を選定したり、電力変換装置の負荷運転条件を設計している。
しかし、パワーデバイスがスイッチングする時に発熱や温度上昇が発生し、これが装置の運転ごとに繰り返されることにより、パワーモジュール各部の接合、特にパワーデバイスや環流ダイオード等の半導体素子と絶縁配線基板との間の半田層、及び、絶縁配線基板と金属ベース板との間の半田層に応力が発生し、この応力が繰り返して半田層に加わる結果、これらの半田層に亀裂が生じるという問題がある。
上記の問題は、パワーモジュールを構成している材料（セラミックス・銅・シリコン等）の熱膨張係数がそれぞれ異なるため、温度が上昇すると熱膨張係数の違いが応力として内部に発生し、これが半田層に加わることに起因している。

上述した半田層の亀裂は、半導体素子において生じる熱の放散を妨げるものであり、温度上昇を繰り返すごとに亀裂が進展し、当初の素子温度設計値よりも高くなってしまうという現象を招く。
この結果、変換装置の運転に伴って半導体素子の温度が次第に高くなり、ついにはジャンクション温度が１５０℃を越えて素子の破壊に至ってしまう。なお、このような運転の繰り返し回数に応じた半導体素子の劣化（寿命）をパワーサイクル寿命と呼ぶ。装置の運転パターンと半導体素子のジャンクション温度Ｔ_ｊ及びその温度変化ΔＴ_ｊの一例を、タイミングチャートとして図８に示す。

電力変換装置の運転中に半導体素子が破壊すると、装置が異常停止することになり、停止原因を究明したり修理や復旧に時間がかかってしまうことが多い。このため、半導体素子が破壊する前に素子の劣化、特に半田層の劣化を検出することにより、装置が運転を停止しているときや定期点検時等に、劣化した素子をあらかじめ交換しておくことが望ましい。

また、半導体素子のパワーサイクル寿命は、ジャンクションの温度変化ΔＴ_ｊに反比例する特性がある。図９は、パワーサイクル寿命の一例を示しており、温度変化ΔＴ_ｊが大きいほど許容できる運転の繰り返し回数が少なくなり、パワーサイクル寿命が短くなる。すなわち、温度変化が大きいほど半田層に生ずる応力が大きくなり、これがパワーサイクル寿命を短縮させている。

このような半田層の劣化状態、ひいては半導体素子の劣化状態を検出して素子の破壊や装置の故障を未然に防止する従来技術としては、例えば後述の特許文献１，２に記載されたものがある。
特許文献１に記載された従来技術は、素子のベース板温度を直接測定または推定し、単位計測期間におけるベース板温度のリップル温度を温度範囲別に測定して各リップル温度に対する発生回数をカウントし、リップル温度に対する温度範囲別の寿命回数と実際の発生回数とを用いて所定の計算式により素子寿命を推定するものである。
しかし、この従来技術では、リップル温度の発生回数をカウントするためにカウンタ（マイコン等）及びカウント値を記憶する手段（メモリ）等が必要となり、寿命推定システムが複雑化する。

また、特許文献２に記載された従来技術は、半導体モジュール内に温度センサを設け、インバータの運転指令に基づいて素子温度を演算すると共に、通常時の温度上昇率と温度センサから得た温度上昇率との関係が所定の範囲を外れたら素子異常（寿命）と判断するものである。
しかしながら、この従来技術でも、素子温度演算手段や温度上昇率演算手段としてマイコン等が必要であり、パワーモジュールの内部に寿命判別機能を持たせることは困難である。

一方、特許文献３には、半導体素子のオン作動時における電極近傍の２箇所の温度を熱電対により検出し、これらの検出温度を判定基準値と比較して半田層の劣化による半導体素子の寿命を判定し、寿命予告信号を出力するようにした半導体装置の異常検出装置が記載されている。
より具体的には、前記２箇所の温度差を求めて検出温度とし、この検出温度の過渡期の温度上昇率及び温度安定期の検出温度をそれぞれ判定基準値と比較して半導体素子の寿命を判定するものである。

特開２００２−１０１６６８号公報（段落［００１６］〜［００３０］、図１等） 特開２００３−１３４７９５号公報（段落［００３１］〜［００４２］、図７〜図１１等） 特開２００３−１７２７６０号公報（請求項１，請求項６、段落［００１５］〜［００２０］，［００６９］，［００７５］，［００７６］、図１、図４等）

前述したように、特許文献１，２の従来技術では寿命推定や寿命判定のためのハードウェア構成が複雑化する問題がある。
また、特許文献３の従来技術では、温度が安定するまでの過渡期の温度上昇率と温度安定期の検出温度との双方を用いて寿命判定を行うので、判定部における演算量が多くなり、判定に要する時間も長くなるという問題がある。

そこで本発明の解決課題は、半田層の劣化等によるパワー半導体素子の温度上昇を、簡単な比較演算によって早期に推定し、簡易な構造により低コストでパワー半導体素子の寿命到来を推定可能としたパワーモジュールを提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、絶縁配線基板上に実装されたパワー半導体素子を有するパワーモジュールにおいて、
このパワーモジュール内の温度を検出する少なくとも２個の温度検出手段を備え、これらの温度検出手段による検出温度の温度勾配（温度差）に基づいてパワー半導体素子の寿命を推定するものである。

請求項２に記載した発明は、請求項１において、
パワーモジュール内の半田層（パワー半導体素子と絶縁配線基板との間の半田層や、絶縁配線基板と金属ベース板との間の半田層など）の亀裂に起因する前記温度勾配を基準値と比較した結果により、パワー半導体素子の寿命を推定するものである。

請求項３に記載した発明は、請求項１または２において、
第１の温度検出手段をパワー半導体素子の表面中央部近傍に配置し、第２の温度検出手段をパワー半導体素子の表面端部近傍に配置したものである。

請求項４に記載した発明は、請求項１または２において、
第１の温度検出手段をパワー半導体素子の表面中央部近傍に配置し、第２の温度検出手段を、前記絶縁配線基板が載置された金属ベース板の表面に配置したものである。

請求項５に記載した発明は、請求項１〜４の何れか１項において、
前記温度勾配に基づいてパワー半導体素子の寿命を推定し、かつ、その寿命到来を寿命信号として外部に出力する寿命推定回路を備えたものである。

なお、前記温度検出手段としては、請求項６に記載したように温度に応じてオン電圧が変化する温度特性を備えたダイオードや、請求項７、請求項８に記載したようにサーミスタまたは熱電対を使用することができる。

本発明によれば、パワー半導体素子の表面や金属ベース板等に少なくとも２個の温度検出手段を配置し、これらによる検出温度の温度勾配を基準値と比較演算することにより、パワーモジュール内の半田層の劣化等による温度上昇を検出する。これにより、電力変換装置に故障が発生する前段階でパワー半導体素子の劣化状態を推定することができ、パワー半導体素子の寿命を早期かつ適切に推定することが可能になる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。まず、図１は本発明の第１実施形態を示す回路図、図２，図３はパワーモジュールの概略断面図である。
図１において、ＩＧＢＴ等のパワーデバイス１のチップ表面には温度検出手段としてのダイオード１１ａ，１１ｂが配置されている。これらのダイオード１１ａ，１１ｂのアノードは寿命推定回路１０に接続されていると共に、カソードはパワーデバイス１のエミッタに接続されている。
また、パワーデバイス１の駆動回路４に電源を供給する駆動回路電源８の正極と前記ダイオード１１ａ，１１ｂのアノードとの間には、直流定電流源９ａ，９ｂがそれぞれ接続されている。

この実施形態は、ダイオードのオン電圧が絶対温度に比例して変化する温度特性を利用してパワーデバイス１の寿命を推定するものである。
すなわち、直流定電流源９ａ，９ｂからダイオード１１ａ，１１ｂに定電流を流し、寿命推定回路１０が、そのときのダイオード１１ａ，１１ｂのオン電圧の差を求めることにより、ダイオード１１ａ，１１ｂが配置されているパワーデバイス１の表面位置における温度勾配（温度差）を検出し、この温度勾配に基づいてパワーデバイス１の劣化ひいては寿命の到来を推定する。そして、寿命推定回路１０から外部（例えば図５における制御回路7）に寿命信号を出力して装置の運転を停止させたり、警報を発するように構成されている。

図２は、本実施形態におけるパワーモジュールの概略断面図であり、パワーデバイス１は、絶縁配線基板１７上の回路パターン１６ａの表面に半田層１９ａを介して固着されている。また、ダイオード１１ａ，１１ｂのうち一方のダイオード１１ａはパワーデバイス１の表面中央部に、他方のダイオード１１ｂは表面端部にそれぞれ配置されている。
パワーモジュールの正常時には、パワーデバイス１の熱は半田層１９ａ、回路パターン１６ａ及び配線基板１７を介して金属ベース板（図示せず）側へ放散されている。このとき、ダイオード１１ａ，１１ｂの位置に対応する温度分布は図２の下段に示すとおりであり、端部のダイオード１１ｂによって検出される位置（外気への熱の放散量が中央部より大きい）の温度Ｔ２は、中央部のダイオード１１ａによって検出される温度Ｔ１よりも低くなっている。

しかし、前述したように電力変換装置の運転・停止の繰り返しによる温度変化（パワーサイクル）に起因して、図３に示すように半田層１９ａに亀裂１９ｃ，１９ｃ’が生じると、パワーデバイス１の表面の温度分布に変化が生じる。すなわち、図３に示す如く亀裂１９ｃ’がパワーデバイス１から配線基板１７方向に至る熱の放散経路上に発生すると、この経路上の熱抵抗が大きくなって熱の放散が阻害される結果、中央部の温度Ｔ１に比べて端部の温度Ｔ２が高くなるという逆転現象が生じる。
このような亀裂１９ｃ，１９ｃ’の発生が進行すると、パワーデバイス１の温度が次第に上昇していき、ついには過熱による素子破壊に至ってしまう。

そこで本実施形態では、パワーデバイス１の表面中央部と端部との温度差に着目し、寿命推定回路１０が、ダイオード１１ａ，１１ｂのオン電圧に基づいて上記温度差が基準値を超えたことを検出してパワーデバイス１が劣化したと推定し、寿命信号を図５の制御回路７等へ送出する。前述したごとく、制御回路７は、電力変換装置の運転を停止したり、警報を出力してパワーデバイス１の交換を促す等の保護動作を実行すればよい。

次に、図４は本発明の第２実施形態を示したものである。
この実施形態では、温度検出手段としての一方のダイオード１１ａがパワーデバイス１の表面中央部に配置され、他方のダイオード１１ｂが金属ベース板１８の表面端部に配置されている。
また、絶縁配線基板１７の裏面（パワーデバイス１側と反対側の面）には、表面と同様に回路パターン１６ｂが形成されており、配線基板１７は回路パターン１６ｂを介して半田層１９ｂにより金属ベース板１８の表面に固着されている。

上記半田層１９ｂにも、温度変化の繰り返し（パワーサイクル）に伴う応力によって亀裂１９ｃ，１９ｃ’が生じる場合があり、これらの亀裂１９ｃ，１９ｃ’の発生が進行すると、前記同様にパワーデバイス１の放熱効果が低下して素子の温度が次第に上昇し、ついには素子の過熱破壊に至る。

図４の下段に示すように、正常時には、ダイオード１１ｂにより検出される金属ベース板１８の温度Ｔ２が、ダイオード１１ａにより検出されるパワーデバイス１の表面中央部の温度Ｔ１より僅かに低くなっている。
しかし、半田層１９ｂが劣化して亀裂１９ｃ，１９ｃ’の発生が進行すると、半田層１９ｂの熱抵抗が増加してパワーデバイス１から金属ベース板１８への熱放散が阻害されるため温度差が変化し、図示するように温度Ｔ１，Ｔ２の差が大きくなる。
従って、寿命推定回路１０では、第１実施形態と同様に、ダイオード１１ａ，１１ｂのオン電圧に基づいて上記温度差が基準値を超えたことを検出してパワーデバイス１の劣化を推定し、寿命信号を発生するものである。

以上説明したように、各実施形態ではダイオードの温度特性を使用してパワーデバイス１の寿命推定を行っているが、他の温度検出手段によっても同様の目的を達成できることは明らかである。
例えば、ダイオードの代わりにサーミスタを使用し、その抵抗値変化を検出することによってもパワーモジュール各部の温度勾配を検出することができる。また、サーミスタの代わりに熱電対を使用して温度を検出してもよい。
なお、寿命推定回路１０は、パワーモジュールの内外いずれに配置しても良い。

本発明の第１実施形態を示す回路図である。 第１実施形態におけるパワーモジュールの概略断面図である。 第１実施形態におけるパワーモジュールの概略断面図である。 本発明の第２実施形態を示す概略断面図である。 従来の三相インバータの回路構成図である。 従来のパワーモジュールの分解斜視図である。 図６におけるＡ−Ｂ断面図である。 装置の運転パターンと半導体素子のジャンクション温度及び温度変化の一例を示すタイミングチャートである。 半導体素子のパワーサイクル寿命の一例を示す図である。

符号の説明

１：パワーデバイス
２：環流ダイオード
３：交流電動機
４：駆動回路
５：直流電源
６：パルス分配回路
７：制御回路
７ａ：出力電圧指令
７ｂ：基準三角波
７ｃ：比較演算部
８：駆動回路電源
９ａ，９ｂ：直流定電流源
１０：寿命推定回路
１１ａ，１１ｂ：ダイオード（温度検出手段）
１２：端子
１３：ケース
１４：ネジ孔
１５：ワイヤー
１６ａ，１６ｂ：回路パターン
１７：絶縁配線基板
１８：金属ベース板
１９ａ，１９ｂ：半田層
１９ｃ，１９ｃ’：亀裂

Claims (8)

1. 絶縁配線基板上に実装されたパワー半導体素子を有するパワーモジュールにおいて、
   このパワーモジュール内の温度を検出する少なくとも２個の温度検出手段を備え、これらの温度検出手段による検出温度の温度勾配に基づいてパワー半導体素子の寿命を推定することを特徴とするパワーモジュール。
2. 請求項１に記載したパワーモジュールにおいて、
   パワーモジュール内の半田層の亀裂に起因する前記温度勾配を基準値と比較した結果により、パワー半導体素子の寿命を推定することを特徴とするパワーモジュール。
3. 請求項１または２に記載したパワーモジュールにおいて、
   第１の温度検出手段をパワー半導体素子の表面中央部近傍に配置し、第２の温度検出手段をパワー半導体素子の表面端部近傍に配置したことを特徴とするパワーモジュール。
4. 請求項１または２に記載したパワーモジュールにおいて、
   第１の温度検出手段をパワー半導体素子の表面中央部近傍に配置し、第２の温度検出手段を、前記絶縁配線基板が載置された金属ベース板の表面に配置したことを特徴とするパワーモジュール。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載したパワーモジュールにおいて、
   前記温度勾配に基づいてパワー半導体素子の寿命を推定し、かつ、その寿命到来を寿命信号として外部に出力する寿命推定回路を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載したパワーモジュールにおいて、
   温度検出手段が、温度に応じてオン電圧が変化する温度特性を備えたダイオードであることを特徴とするパワーモジュール。
7. 請求項１〜５の何れか１項に記載したパワーモジュールにおいて、
   温度検出手段がサーミスタであることを特徴とするパワーモジュール。
8. 請求項１〜５の何れか１項に記載したパワーモジュールにおいて、
   温度検出手段が熱電対であることを特徴とするパワーモジュール。

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