JP2015081786A - 半導体素子の熱抵抗評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子の熱抵抗を一層精確に評価する。【解決手段】半導体素子に対して第１の電圧測定用電流の通電を開始し、その開始直後の順方向電圧を第１の順方向電圧Ｖｃｅ１とする。次に、第１の電圧測定用電流の通電を継続しながら第２の電圧測定用電流の通電を開始し、順方向電圧が飽和したときの飽和順方向電圧Ｖｃｅｓａｔを求める。さらに、第２の電圧測定用電流のみ通電を停止し、その後、経時変化する順方向電圧を測定する。順方向電圧の経時変化に基づき、例えば、最小自乗法によって近似直線を求める等して、第２の電圧測定用電流の通電を停止した際の順方向電圧の推定値を求める。この推定値を第２の順方向電圧Ｖｃｅ２として評価し、Ｖｃｅ１、Ｖｃｅｓａｔ及びＶｃｅ２に基づいて半導体素子の熱抵抗を求める。【選択図】図３

Description

本発明は、順方向電圧に基づいて半導体素子の熱抵抗を求める半導体素子の熱抵抗評価方法に関する。

トランジスタ等の半導体素子は、装置基板に対してハンダ等を介して接合される。この接合が不十分であると、ヒートシンク等への放熱が十分になされなくなり、該半導体素子が過熱に起因して劣化することがある。これを回避するべく、半導体素子について熱抵抗が求められる（例えば、特許文献１参照）。熱抵抗の値の大小により、速やかな放熱がなされているか否かを評価することができるからである。例えば、熱抵抗の値が小さいときには、速やかな放熱がなされていると判断することができる。

半導体素子の熱抵抗は、一般的には次のようにして求められる。すなわち、先ず、比較的微弱な第１の電圧測定用電流を半導体素子に通電し、このときの第１の順方向電圧値Ｖｃｅ１を測定する。

次に、半導体素子に対し、第１の電圧測定用電流の通電を継続しながら、該第１の電圧測定用電流に比して電流値が大きな第２の電圧測定用電流を通電する。この通電により順方向電圧が上昇し、時間の経過とともに一定値となる。すなわち、順方向電圧が飽和する。このときの飽和順方向電圧値Ｖｃｅｓａｔを求める。

次に、第１の電圧測定用電流の通電を継続しながら、第２の電圧測定用電流のみ通電を停止する。このとき、順方向電圧が急激に低減する。このときの第２の順方向電圧値Ｖｃｅ２を求める。Ｖｃｅ２は、Ｖｃｅ１よりも小さな値である。

そして、下記の式に基づき、Ｖｃｅ１からＶｃｅ２を差し引くことで電圧変化量ΔｍＶを算出する。

熱抵抗をＲｔｈとすると、Ｒｔｈは、ΔｍＶ、予め求められる温度係数α、Ｖｃｅｓａｔから、下記の式によって求められる。

なお、式中のＩｃは、第２の電圧測定用電流の電流値である。

特開平６−２８１６９３号公報

本来は、第２の電圧測定用電流の通電を停止した直後の順方向電圧の測定値が第２の順方向電圧値Ｖｃｅ２として評価されるべきである。しかしながら、第２の電圧測定用電流の通電を停止すると、図４に示すように、極短時間ではあるものの、順方向電圧の値が脈動するように上下する。すなわち、リプル電圧が発生する。このため、順方向電圧の値が安定しない。

順方向電圧の値の脈動は、第２の電圧測定用電流の通電を停止して０．５秒（５００μ秒）を超えるまでには終了する。そこで、通電を停止して０．５秒後の順方向電圧を測定し、そのときの値を第２の順方向電圧値Ｖｃｅ２とするようにしている。

しかしながら、図４から諒解されるように、順方向電圧は、第２の電圧測定用電流の通電を停止した後、緩やかに上昇する。必然的に、通電を停止して０．５秒後の順方向電圧の値は、通電停止直後の順方向電圧の値よりも高い値である。従って、通電を停止して０．５秒後の順方向電圧の値を第２の順方向電圧値Ｖｃｅ２として求められた熱抵抗Ｒｔｈには、精確な評価であるとは言い難い側面がある。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、半導体素子の熱抵抗を一層精確に評価することが可能な半導体素子の熱抵抗評価方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、半導体素子に対し、第１の電圧測定用電流を通電して第１の順方向電圧を測定する工程と、
前記半導体素子に対し、前記第１の電圧測定用電流の通電を継続しながら、該第１の電圧測定用電流に比して電流値が大きな第２の電圧測定用電流を通電し、飽和順方向電圧を測定する工程と、
前記第２の電圧測定用電流のみ通電を停止し、その後、前記第１の電圧測定用電流の通電を継続しながら、リプル電圧が収束した後に経時変化する順方向電圧を測定する工程と、
経時変化した順方向電圧に基づいて、経過時間に対する順方向電圧の変化量を求める工程と、
前記変化量に基づいて、前記第２の電圧測定用電流の通電を停止したときの第２の順方向電圧を推測する工程と、
前記第１の順方向電圧、前記飽和順方向電圧及び前記第２の順方向電圧に基づき、前記半導体素子の熱抵抗を算出する工程と、
を有することを特徴とする。

すなわち、本発明においては、第２の電圧測定用電流の通電を停止してから順方向電圧の脈動が収束した後に順方向電圧の経時変化を求め、このときの変化量に基づいて、第２の電圧測定用電流の通電を停止したときの第２の順方向電圧を推測するようにしている。

この場合、第２の電圧測定用電流の通電を停止したときに遡って第２の順方向電圧が求められる。従って、通電停止から所定の時間が経過した後の順方向電圧を第２の電圧測定用電流として評価する場合に比して、第２の順方向電圧の見積もり値が精確となる。このため、熱抵抗を一層精確に評価することができるようになる。

第２の順方向電圧を見積もるには、例えば、第２の電圧測定用電流のみ通電を停止した後、順方向電圧を断続的に測定する。すなわち、経時変化に対する順方向電圧の値が複数個得られる。その後、これらの値に基づき、最小自乗法を用いて、順方向電圧を時間の関数とした近似直線を求めればよい。これにより、経過時間に対する順方向電圧の変化量を容易に求めることができる。

そして、前記近似直線を、第２の電圧測定用電流の通電を停止した時間まで外挿する。この外挿値を、第２の電圧測定用電流の通電を停止したときの順方向電圧として評価すればよい。

なお、半導体素子の好適な例としては、絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ（ＩＧＢＴ）が挙げられる。

本発明によれば、半導体素子に対する第１の電圧測定用電流の通電を継続する一方で第２の電圧測定用電流の通電を停止した際に発生するリプル電圧が収束した後、経時変化する順方向電圧の変化量に基づいて、第２の電圧測定用電流の通電を停止したときの第２の順方向電圧を推測するようにしている。すなわち、第２の電圧測定用電流の通電を停止したときに遡って第２の順方向電圧を求めている。

このため、第２の順方向電圧を一層精確に評価することができる。従って、第２の順方向電圧をパラメータの１つとする前記半導体素子の熱抵抗を、一層精確に評価することができる。

本発明の実施の形態に係る半導体素子の熱抵抗評価方法を実施するための電気回路図である。 第１の電圧測定用電流、第２の電圧測定用電流の通電又は通電停止に伴う順方向電圧の変化を示したグラフである。 第２の電圧測定用電流のみ通電を停止する直前から、通電を停止して所定の時間が経過するまでの順方向電圧の経時変化を拡大して示したグラフである。 従来技術に係る半導体素子の熱抵抗評価方法において、第２の電圧測定用電流のみ通電を停止した際の順方向電圧（第２の順方向電圧）の評価値の求め方を示すグラフである。

以下、本発明に係る半導体素子の熱抵抗評価方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係る熱抵抗評価方法を実施するための電気回路図である。この熱抵抗評価回路には、半導体素子としての絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ（ＩＧＢＴ）１０と、該ＩＧＢＴ１０に電圧を印加するための電圧印加用電源１２とが組み込まれる。

周知の通り、ＩＧＢＴ１０は、エミッタ電極１４、ゲート電極１６、コレクタ電極１８を有し、エミッタ電極１４側からコレクタ電極１８側に向かう方向が順方向である。この電気回路においては、エミッタ電極１４はアース２０に接続されている。

電気回路には、さらに、第１の電圧測定用電流Ｉｍを通電するための第１電源２２と、第２の電圧測定用電流Ｉｃを通電するための第２電源２４とが組み込まれる。第１の電圧測定用電流Ｉｍ、第２の電圧測定用電流Ｉｃの通電又は通電停止は、第１電源２２又は第２電源２４の各近傍に配設される図示しないスイッチを開閉することによって切り換えることが可能である。

第１の電圧測定用電流Ｉｍ、第２の電圧測定用電流Ｉｃ及び順方向電圧Ｖｃｅは、第１電流計２６、第２電流計２８及び電圧計３０の各々に表示され且つ記録される。

本実施の形態に係る熱抵抗評価方法は、以下のように実施される。すなわち、図２に示すように、電圧印加用電源１２によって電圧が印加されたＩＧＢＴ１０に対し、時間Ｔ１において、第１電源２２を源とする第１の電圧測定用電流Ｉｍが通電される。これにより、順方向電圧Ｖｃｅが所定の値を示す。この際の順方向電圧Ｖｃｅを、第１の順方向電圧Ｖｃｅ１とする。すなわち、第１の順方向電圧Ｖｃｅ１は、第１の電圧測定用電流Ｉｍの通電が開始された瞬間の、換言すれば、時間Ｔ１における順方向電圧である。

第１の電圧測定用電流Ｉｍの通電を開始して所定時間が経過した後、時間Ｔ２において、第１の電圧測定用電流Ｉｍの通電を継続しながら、第２電源２４を源とする第２の電圧測定用電流Ｉｃの通電を開始する。第２の電圧測定用電流Ｉｃは第１の電圧測定用電流Ｉｍよりも大電流であり、このため、順方向電圧Ｖｃｅは、第２の電圧測定用電流Ｉｃの通電が開始された瞬間に上昇する。

第２の電圧測定用電流Ｉｃの通電を継続すると、順方向電圧Ｖｃｅは略一定値に収束する。このときの順方向電圧Ｖｃｅを、飽和順方向電圧Ｖｃｅｓａｔとする。

次に、時間Ｔ３において、第１の電圧測定用電流Ｉｍの通電を継続しながら、第２の電圧測定用電流Ｉｃの通電を停止する。この通電停止に伴い、順方向電圧Ｖｃｅが瞬間に下降する。その後、順方向電圧Ｖｃｅが徐々に上昇する。

ここで、時間Ｔ３の近傍における順方向電圧Ｖｃｅを拡大して図３に示す。この図３に示すように、順方向電圧Ｖｃｅは、第２の電圧測定用電流Ｉｃの通電を停止した直後から所定の時間が経過するまで上昇と下降を繰り返す。すなわち、脈動する。要するに、リプル電圧が観測される時間帯がある。

従来技術においては、図４に示すように、第２の電圧測定用電流Ｉｃの通電を停止して所定時間（例えば、０．５秒）が経過し、リプル電圧が観測されなくなった後の順方向電圧Ｖｃｅを第２の順方向電圧Ｖｃｅ２と評価し、この値に基づいてＩＧＢＴ１０の熱抵抗を求めるようにしているが、このときの順方向電圧Ｖｃｅの値は、第２の電圧測定用電流Ｉｃの通電を停止した直後の順方向電圧Ｖｃｅの値に比して大きい。従って、熱抵抗の評価が精確であるとは言い難い。

そこで、本実施の形態では、第２の電圧測定用電流Ｉｃの通電を停止した後、所定時間（例えば、０．５秒）が経過する度に順方向電圧Ｖｃｅを測定する。測定回数は、３〜５回程度で十分である。図３には、４回測定した際の各回の順方向電圧Ｖｃｅのプロットを黒丸（●）として表している。

図３に示すように、順方向電圧Ｖｃｅは、時間の経過とともに上昇する。次に、この際の経過時間に対する順方向電圧の変化量を求める。このためには、各プロットから最小自乗法によって近似直線を求めればよい。最小自乗法による近似直線の求め方は周知であるので、その説明は省略する。

図３中に実線で示した直線Ｌ１は、最小自乗法によって求められた近似直線である。この直線Ｌ１の傾きから、経過時間に対する順方向電圧Ｖｃｅの変化量が分かる。

そして、直線Ｌ１を、破線で示すように時間Ｔ３の箇所まで外挿する。本実施の形態においては、このときの直線Ｌ１の外挿値を第２の順方向電圧Ｖｃｅ２と評価する。これにより、第１の順方向電圧Ｖｃｅ１、飽和順方向電圧Ｖｃｅｓａｔ、第２の順方向電圧Ｖｃｅ２（推定値）の各値の取得が終了する。

このように、本実施の形態によれば、第２の電圧測定用電流Ｉｃの通電を停止した後、経時変化する順方向電圧Ｖｃｅを断続的に測定し、その測定結果に基づいて近似直線を求めるとともに、該近似直線の外挿値から、第２の順方向電圧Ｖｃｅ２を推測するようにしている。このようにすることにより、第２の電圧測定用電流Ｉｃの通電を停止した直後の順方向電圧の値を一層精確に評価することが可能となる。

その後、図２に示す時間Ｔ４において、第２の電圧測定用電流Ｉｃの通電を停止する。そして、上記のようにして取得された第１の順方向電圧Ｖｃｅ１及び第２の順方向電圧Ｖｃｅ２に基づき、下記の式によって電圧変化量ΔｍＶを算出する。

熱抵抗Ｒｔｈは、ΔｍＶ、予め求められる温度係数α、Ｖｃｅｓａｔに基づいて下記の式によって求められる。

なお、式中のＩｃは、第２の電圧測定用電流Ｉｃの電流値である。

第２の順方向電圧Ｖｃｅ２の評価が従来技術に比して精確であるので、熱抵抗Ｒｔｈを一層精確に評価することができる。このことから、本実施の形態によれば、ＩＧＢＴ１０を組み込んだ電気回路において、速やかな放熱がなされているか否かを精度よく評価することができる。

本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、この実施の形態では、第２の電圧測定用電流Ｉｃの通電を停止した後、順方向電圧Ｖｃｅを断続的に測定するようにしているが、連続的に測定して直線を得、この直線の外挿値を、第２の順方向電圧Ｖｃｅ２として評価するようにしてもよい。

また、半導体素子はＩＧＢＴ１０に特に限定されるものではなく、電解効果型トランジスタ等であってもよい。

１０…絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ １２…電圧印加用電源
１４…エミッタ電極 １６…ゲート電極
１８…コレクタ電極 ２０…アース
２２…第１電源 ２４…第２電源
２６…第１電流計 ２８…第２電流計
３０…電圧計

Claims (3)

1. 半導体素子に対し、第１の電圧測定用電流を通電して第１の順方向電圧を測定する工程と、
   前記半導体素子に対し、前記第１の電圧測定用電流の通電を継続しながら、該第１の電圧測定用電流に比して電流値が大きな第２の電圧測定用電流を通電し、飽和順方向電圧を測定する工程と、
   前記第２の電圧測定用電流のみ通電を停止し、その後、前記第１の電圧測定用電流の通電を継続しながら、リプル電圧が収束した後に経時変化する順方向電圧を測定する工程と、
   経時変化した順方向電圧に基づいて、経過時間に対する順方向電圧の変化量を求める工程と、
   前記変化量に基づいて、前記第２の電圧測定用電流の通電を停止したときの第２の順方向電圧を推測する工程と、
   前記第１の順方向電圧、前記飽和順方向電圧及び前記第２の順方向電圧に基づき、前記半導体素子の熱抵抗を算出する工程と、
   を有することを特徴とする半導体素子の熱抵抗評価方法。
2. 請求項１記載の評価方法において、前記第２の電圧測定用電流のみ通電を停止した後に順方向電圧を断続的に測定し、複数個の値から最小自乗法を用いて経過時間に対する順方向電圧の変化量を求めることを特徴とする半導体素子の熱抵抗評価方法。
3. 請求項１又は２記載の評価方法において、前記半導体素子として絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタを用いることを特徴とする半導体素子の熱抵抗評価方法。

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