JP2013257248A

JP2013257248A - 回路基板及びその温度検出方法

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Publication number: JP2013257248A
Application number: JP2012134259A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Akimoto; 浩明秋本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2013-12-26

Abstract

【課題】安価で確実に基板温度を検出可能な回路基板を提供する。
【解決手段】絶縁性基板１の表面に配置された金属パッド２に半導体素子がはんだ３で接合されている。起電圧発生回路１０は、金属パッド２とはんだ３とに接続され、これらの間の熱起電圧を発生させる。増幅器２０はこの熱起電圧を増幅する。増幅器３０は、増幅器２０と同型であり、グラウンドで短絡され、自己のオフセット電圧を増幅する。誤差除去手段４０は、増幅器２０の出力電圧値と増幅器３０の出力電圧値との差分を求め、オフセット電圧による誤差を除去する。温度取得手段５０は、誤差除去手段４０で求めた電圧差分値を、予め取得した熱起電圧と基板温度との相関関係を示すデータと照合して、基板温度を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回路基板及びその温度検出方法に関する。

例えばＩＧＢＴやＦＷＤなどの半導体素子が搭載されたパワーモジュールと呼ばれる回路基板では、半導体素子の発熱によって基板温度が上昇する。基板温度が上昇すると、半導体素子が過熱され、誤作動や故障が生じるおそれがある。そのため、サーミスタや温度検出ＩＣ又は熱電対などを用いて、基板温度を測定している。

なお、特許文献１には、はんだリフロー方式のボンデング装置において、ボンデングチップ先端金属部と銅線（ワイヤ）との接触部における熱起電圧を差動増幅器で増幅することによって接触部の温度を検出する技術が記載されている。

特開昭５８−２２５３２８号公報

しかしながら、サーミスタや温度検出ＩＣなどを用いた場合、測定精度が優れたものを使用するほど、高価になる。さらに、熱電対を用いた場合、熱電対の温接点を基板に接触させた状態を確実に維持することは困難である。

本発明は、以上の点に鑑み、安価で確実に基板温度を検出可能な回路基板及びその温度検出方法を提供することを目的とする。

本発明の回路基板は、絶縁性基板の表面に配置された金属体に半導体素子がはんだで接合された回路基板であって、前記金属体と前記はんだとに接続され、これらの間の熱起電圧を発生させる起電圧発生回路と、前記熱起電圧を増幅する起電圧増幅器と、前記起電圧増幅器と同型であり、グラウンドで短絡され、自己のオフセット電圧を増幅するオフセット電圧増幅器と、前記起電圧増幅器の出力電圧値と前記オフセット電圧増幅器の出力電圧値との差分を求め、前記オフセット電圧による誤差を除去する誤差除去手段と、前記誤差除去手段で求めた電圧差分値を、予め取得した熱起電圧と基板温度との相関関係を示すデータと照合して、基板温度を求める温度取得手段とを備えることを特徴とする。

本発明の回路基板の温度検出方法は、絶縁性基板の表面に配置された金属体に半導体素子がはんだで接合された回路基板の温度検出方法であって、前記金属体と前記はんだとの間の熱起電圧を発生させる工程と、前記熱起電圧を起電圧増幅器で増幅する工程と、前記起電圧増幅器と同型であり、グラウンドで短絡されたオフセット電圧増幅器で自己のオフセット電圧を増幅する工程と、前記起電圧増幅器の出力電圧値と前記オフセット電圧増幅器の出力電圧値との差分を求め、前記オフセット電圧による誤差を除去する工程と、求めた電圧差分値を、予め取得した熱起電圧と基板温度との相関関係を示すデータと照合して、基板温度を求める工程とを備えることを特徴とする。

これら本発明では、金属体とはんだとの間で熱起電圧を発生させている。ただし、この熱起電圧は市販の熱電対を用いた際に生じる熱起電圧と比較して極めて小さいので、増幅器のオフセット電圧の影響を除去する必要がある。

そこで、本発明では、起電圧増幅器と同型であり、グラウンドで短絡され、自己のオフセット電圧を増幅するオフセット電圧増幅器を用意して、起電圧増幅器の出力電圧値とオフセット電圧増幅器の出力電圧値との差分を求め、オフセット電圧による誤差を除去している。これにより、オフセット電圧による誤差が除去された電圧値から基板温度を高精度に求めることが可能となる。

以上のように、本発明によれば、金属体とはんだとに接続された起電圧発生回路で発生させた熱起電圧を用いて基板温度を検出するので、サーミスタ、温度検出ＩＣ、熱電対などの市販の温度測定装置を必要としない。よって、これらの高価な温度測定装置を用いる場合と比較して、安価に基板温度を測定することができる。また、起電圧発生回路は金属体とはんだとを接続すればよく、これらを接続させた状態を確実に維持するように構成することは容易である。

本発明の実施形態に係る回路基板を示す説明図。熱起電圧と基板温度との関係を示すグラフ。

本発明の実施形態に係る回路基板１００について図面を参照して説明する。

回路基板１００は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ： Insulated Gate Bipolar Transistor）やＦＷＤ（フリーホイール・ダイオード：Free Wheeling Diode）などの図示しない半導体素子が搭載されたパワーモジュールである。

図１に示すように、回路基板１００においては、絶縁性基板１の表面に配置された金属パッド２に半導体素子がはんだ３で接合されている。絶縁性基板１は、例えば熱伝導性の高いセラミックス材料から形成されており、半導体素子が発生して伝導された熱を素早く拡散させることができる。金属パッド２は、銅など、はんだ３と異なる金属から形成されている。

さらに、回路基板１００においては、絶縁性基板１の表面に金属箔による図示しない回路パターンが形成されている。金属箔は、例えば銅箔である。この回路パターンには、図示しない各種回路が実装されている。

半導体素子の端子は、はんだ３を用いて金属パッド２に接続されている。接続方法は限定されないが、金属パッド２上にはんだペーストを印刷し、その上に半導体素子の端子を載せてから加熱してはんだを溶かすリフロー方式であることが好ましい。また、フロー方式であってもよい。

回路基板１００において、特に発熱が大きい半導体素子の近傍に起電圧発生回路１０を設けている。例えば、Ｖ相電流を出力する回路基板が搭載する２個のＩＧＢＴによりＨｉアームとＬｏｗアームを構成する場合、ＬｏｗアームのＩＧＢＴの近傍に起電圧発生回路１０を配置する。

起電圧発生回路１０は、金属パッド２とはんだ３とをいわば通常の熱電対のプローブ（脚）に相当するものとして用いており、熱電対に類似した構成で、温接点（金属パッド２とはんだ３との接続点）と冷接点との間の温度差に応じたゼーベック効果による直流電圧を発生する。これにより、温接点側の温度を測定することが可能となる。

起電圧発生回路１０は、回路パターンの一部として形成された、２本の導体１１，１２からなる。導体１１の一端は金属パッド２に、導体１２の一端ははんだ３に接続されている。なお、起電圧発生回路１０は、はんだ３の下側、及び金属パッド２のはんだ３側、すなわち内側から回路パターンが延びるように形成することが好ましい。

そして、回路基板１００には、２つの同型の増幅器（オペアンプ）２０，３０が配置されている。

一方の増幅器２０は、起電圧発生回路１０で発生した直流電圧を所定の増幅率（ゲイン）Ｎで増幅する。増幅器２０の２つの入力端子には、起電圧発生回路１０の２つの出力端子、すなわち導体１１，１２の他端がそれぞれ接続されている。増幅器２０は、本発明の起電圧増幅器に相当する。

図２に一例を示すように、起電圧発生回路１０が発生する熱起電圧（図２の実線）は、市販の熱電対を用いた際に生じる熱起電圧（図２の点線）と比較して極めて小さい。そのため、増幅器２０のオフセット電圧が測定精度に大きく影響するので、オフセット電圧の影響を除去する必要がある。増幅器２０への入力電圧が０Ｖであっても出力電圧は０Ｖとならず、この入力に対する出力の誤差がオフセット電圧である。

オフセット電圧には、増幅器２０の回路構成に起因する誤差と、増幅器２０の製造プロセスに起因する誤差とがある。回路構成に起因する誤差は、同型の増幅器であれば同一になる。製造プロセスに起因する誤差は、特に半導体製造プロセスに起因するので、同じウエハを用いて同時に製造された増幅器であれば、酷似としたものとなる。

そこで、同じウエハを用いて同時に製造された同型の増幅器を２個用意して、一方の増幅器２０の入力端子に起電圧発生回路１０の両端を接続したときの測定値から、他方の増幅器３０の入力端子を短絡したときの測定値を差し引けば、オフセット電圧の影響を除去して高精度に温度測定することが可能となる。

同じウエハを用いて同時に製造された同型の増幅器は、複数個入りのパッケージで市販されており、これら複数個の増幅器のうちの２つの増幅器を増幅器２０，３０として使用すればよい。

増幅器３０は、自己のオフセット電圧を増幅器２０と同じ増幅率Ｎで増幅する。増幅器３０は、その２つの入力端子が短絡され、グランドに接続されている。これにより、増幅器３０への入力電圧は０Ｖとなる。なお、オフセット電圧を正確に求めるために、短絡線やグランドまでの距離はできる限り短くすることが好ましい。増幅器３０は、本発明のオフセット電圧増幅器に相当する。

誤差除去手段４０は、増幅器２０の出力電圧と増幅器３０の出力電圧との差分値を求め、増幅器２０による誤差を除去する。

誤差除去手段４０は、例えば、増幅器２０，３０の出力電圧をそれぞれデジタル変換して出力電圧値を記憶し、これらの差分から電圧差値を算出してもよい。また、誤差除去手段４０は、例えば、増幅器２０，３０のそれぞれの出力電圧の差分をデジタル変換して電圧差値を算出してもよい。このようにして求めた電圧差値は、増幅器２０の出力電圧からオフセット電圧分をキャンセルしてオフセット電圧の電圧誤差を解消した、熱起電圧を増幅した電圧値である。

温度取得手段５０は、誤差除去手段４０が求めた電圧差値を、予め取得した熱起電圧に対応した基板温度との相関関係と照合して、検出時の基板温度を求める。なお、基板温度、詳細には起電圧発生回路１０が設けられた付近の基板温度は、金属パッド２とはんだ３との接続部（温接点）の温度と相関関係を有しており、誤差除去手段４０で求めた電圧値から基板温度を求めることができる。温度取得手段５０が求めた基板温度は、図示しないがＭＣＵ（マイクロコントローラユニット）やＩ／Ｆ回路に入力される。

温度取得手段５０は、図示しないＣＰＵ、ＣＰＵが実行するプログラム及び各種設定値のデータ等を記憶したＲＯＭ、ＣＰＵが処理するプログラムやデータを一時的に記憶するＲＡＭ等を備え、ＣＰＵがプログラムを実行することによって基板温度を求める。

例えば、図２に実線で示すような熱起電圧の温度特性を熱起電圧値に応じた基板温度値が格納されたテーブルをＲＯＭに記憶させておく。そして、温度取得手段５０は、誤差除去手段４０が求めた電圧差値に対応する温度をテーブルから読み出し、この読み出した温度を基板温度とする。

あるいは、図２に実線で示すような熱起電圧の温度特性を多項式等で近似した曲線式をプログラムに入れておく。そして、温度取得手段５０は、誤差除去手段４０が求めた電圧差値を曲線式に当てはめて、基板温度を求めてもよい。なお、図２に示すように、熱起電圧の温度特性は大略直線であるので、この直線の式を用いて基板温度を求めてもよい。

ところで、増幅器２０，３０には、周囲温度や自己発熱等の環境温度の変化で温度変化分の電圧誤差が生じる。温度変化分の電圧誤差を解消するために、このような電圧誤差が小さい高価な増幅器を使用することも考えられる。しかし、このような増幅器は、高価であり、回路基板１００全体の製品コストが増大する。

そこで、温度変化分を考慮して、基板温度を求めることが好ましい。

以下、温度検出方法の一例について説明する。

起電圧発生回路１０での熱起電圧Ｖthは、増幅器２０で、増幅器２０自体のオフセット電圧Ｖoffsetと共に増幅率Ｎで増幅される。よって、増幅器２０の出力電圧Ｖout1は、式（１）のように表される。
Ｖout1＝Ｎ（Ｖth＋Ｖoffset) ・・・（１）

一方、増幅器３０では、増幅器３０自体のオフセット電圧Ｖoffsetが増幅率Ｎで増幅される。よって、増幅器３０の出力電圧Ｖout2は、式（２）のように表される。
Ｖout2＝Ｎ（Ｖoffset) ・・・（２）

よって、誤差除去手段４０から出力される差電圧値Ｖoutは、式（３）のように表される。
Ｖout＝Ｖout1−Ｖout2＝Ｎ・Ｖth ・・・（３）

ここで、定電流回路を用いて抵抗Ｒに発生する電圧を検出するように誤差除去手段４０を構成した場合、誤差除去手段４０による誤差成分には許容誤差や温度特性が存在する。

抵抗Ｒを３００Ω、２５℃での抵抗Ｒの許容誤差を５％、抵抗Ｒの温度特性２００ｐｐｍ／℃、定電流値を１ｍＡとすると、定電流回路での理想出力電圧値は、
３００（Ω）×１（ｍＡ）＝０．３（Ｖ）
となり、２５℃での許容誤差は、
３００（Ω）×（１±０．０５）×１（ｍＡ）＝０．２８５〜０．３１５（Ｖ）
となる。

さらに温度特性を考慮すると、例えば８５℃での許容誤差を含めた電圧値は、
０．２８５〜０．３１５（Ｖ）×
（１＋（２００（ｐｐｍ／℃）×（８５−２５）（℃）））
＝０．２８８４２〜０．３１８７８（Ｖ）
となり誤差が拡大する。

そこで、先に検出した熱起電圧Ｖthを用いて温度特性による影響を除去する。具体的には、熱起電圧Ｖthより図２の温度特性曲線に照らして求めた基板温度をＴhとすると、温度特性影響分の抵抗誤差△Ｒthは、
△Ｒth＝３００（Ω）×（２００（ｐｐｍ／℃）×（Ｔh−２５）（℃））
で求めることができる。
よって、温度特性を考慮した８５℃での許容誤差は、
（３００−△Ｒth）（Ω）×（１±０．０５）×（２００（ｐｐｍ／℃）×（８５−２５）（℃））×１（ｍＡ）
と小さくなる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。

１…絶縁性基板、２…金属パッド（金属体）、３…はんだ、１０…起電圧発生回路、２０…増幅器（起電圧増幅器）、３０…増幅器（オフセット電圧増幅器）、４０…誤差除去手段、５０…温度取得手段、１００…回路基板。

Claims

絶縁性基板の表面に配置された金属体に半導体素子がはんだで接合された回路基板であって、
前記金属体と前記はんだとに接続され、これらの間の熱起電圧を発生させる起電圧発生回路と、
前記熱起電圧を増幅する起電圧増幅器と、
前記起電圧増幅器と同型であり、グラウンドで短絡され、自己のオフセット電圧を増幅するオフセット電圧増幅器と、
前記起電圧増幅器の出力電圧値と前記オフセット電圧増幅器の出力電圧値との差分を求め、前記オフセット電圧による誤差を除去する誤差除去手段と、
前記誤差除去手段で求めた電圧差分値を、予め取得した熱起電圧と基板温度との相関関係を示すデータと照合して、基板温度を検出する温度取得手段とを備えることを特徴とする回路基板。
絶縁性基板の表面に配置された金属体に半導体素子がはんだで接合された回路基板の温度検出方法であって、
前記金属体と前記はんだとの間の熱起電圧を発生させる工程と、
前記熱起電圧を起電圧増幅器で増幅する工程と、
前記起電圧増幅器と同型であり、グラウンドで短絡されたオフセット電圧増幅器で自己のオフセット電圧を増幅する工程と、
前記起電圧増幅器の出力電圧値と前記オフセット電圧増幅器の出力電圧値との差分を求め、前記オフセット電圧による誤差を除去する工程と、
求めた電圧差分値を、予め取得した熱起電圧と基板温度との相関関係を示すデータと照合して、基板温度を検出する工程とを備えることを特徴とする回路基板の温度検出方法。