JP2015092140A - Semiconductor module inspection method and semiconductor system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体モジュールの接合部の状態を検出する半導体モジュールの検査方法及び半導体システムに関する。 The present invention relates to a semiconductor module inspection method and a semiconductor system for detecting a state of a joint portion of a semiconductor module.
代表的な絶縁形パワー半導体モジュールとして、例えば、インバータ等の電力変換装置に用いられるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)モジュールがある。このIGBTモジュールに代表される「絶縁形パワー半導体モジュール」若しくは「Isolated power semiconductor devices」は、それぞれJEC−2407−2007、IEC60747−15にて規格が制定されている。 As a typical insulated power semiconductor module, for example, there is an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) module used in a power converter such as an inverter. Standards for “insulated power semiconductor modules” or “Isolated power semiconductor devices” represented by this IGBT module are established in JEC-2407-2007 and IEC60747-15, respectively.
一般的に、IGBTやダイオード等の半導体素子は、半導体素子の下面に設けられた電極層を介してDBC(Direct Bond Copper)基板の銅回路箔上にはんだ付けされ、半導体モジュールを構成する(例えば、非特許文献1)。DBC基板は、放熱性を向上させるために、はんだを介して銅ベース上に設けられる。なお、DBC基板は、セラミックス等の絶縁板に銅回路箔を直接接合したものである。 Generally, a semiconductor element such as an IGBT or a diode is soldered onto a copper circuit foil of a DBC (Direct Bond Copper) substrate via an electrode layer provided on the lower surface of the semiconductor element to constitute a semiconductor module (for example, Non-Patent Document 1). The DBC substrate is provided on the copper base via solder in order to improve heat dissipation. The DBC substrate is obtained by directly bonding a copper circuit foil to an insulating plate such as ceramics.
半導体素子の上面に設けられる電極層には、超音波ボンディング等の方法によりアルミワイヤが接続される。このアルミワイヤは、例えば、DBC基板上の銅回路箔に結線される。そして、DBC基板の銅回路箔から外部へ接続するための銅端子(リードフレームやブスバー)は、銅回路箔とはんだ付けや超音波ボンディング等により接続される。この周りは(スーパー)エンジニアリングプラスチックのケースで囲まれ、その中を電気絶縁のためのシリコーンゲルが充填される。 An aluminum wire is connected to the electrode layer provided on the upper surface of the semiconductor element by a method such as ultrasonic bonding. This aluminum wire is connected to, for example, a copper circuit foil on a DBC substrate. A copper terminal (lead frame or bus bar) for connecting to the outside from the copper circuit foil of the DBC substrate is connected to the copper circuit foil by soldering, ultrasonic bonding or the like. This area is surrounded by a (super) engineering plastic case, which is filled with silicone gel for electrical insulation.
はんだを用いた絶縁形パワー半導体モジュールの課題としては、RoHS(Restriction of Hazardous Substances)に対応するためのはんだの鉛フリー化に対応するという課題と、温度サイクルやパワーサイクル等の信頼性を向上するという課題の2つの課題がある。 Issues with insulated power semiconductor modules that use solder include the issue of responding to lead-free soldering to meet RoHS (Restriction of Hazardous Substances), and improving the reliability of temperature cycles, power cycles, etc. There are two issues:
はんだの鉛フリー化の課題に対しては、従来のはんだ材料に置換する材料である、金属系高温はんだ(Bi,Zn,Au)、化合物系高温はんだ(Sn−Cu)若しくは低温焼結金属(Agナノペースト)等が提案されている(例えば、特許文献1)。 To solve the problem of lead-free soldering, metal-based high-temperature solder (Bi, Zn, Au), compound-based high-temperature solder (Sn—Cu), or low-temperature sintered metal (materials to replace conventional solder materials) Ag nanopaste) and the like have been proposed (for example, Patent Document 1).
また、温度サイクルやパワーサイクル等の信頼性を向上する課題に対しては、半導体モジュールを構成する各部材(半導体、金属、セラミックス等)の熱膨張の違いにより生じる課題を解決する必要がある。例えば、DBC基板−銅ベース間、DBC基板−銅端子間において、銅とセラミックスの熱膨張係数の差から、部材間に設けられたはんだにせん断応力が働き、はんだに亀裂が生じるおそれがある。その結果、熱抵抗が増大したり、端子が剥離したりするおそれが生じることとなる。さらに、半導体素子−DBC基板間のはんだにも同様の理由により亀裂が生じるおそれがある。条件によっては、半導体素子上のアルミワイヤの接続部でも、アルミニウムと半導体素子との熱膨張係数の差から生じるせん断応力により、アルミワイヤが疲労破断することも考えられる。 Further, for the problem of improving the reliability such as the temperature cycle and the power cycle, it is necessary to solve the problem caused by the difference in thermal expansion of each member (semiconductor, metal, ceramics, etc.) constituting the semiconductor module. For example, between the DBC substrate and the copper base and between the DBC substrate and the copper terminal, shear stress acts on the solder provided between the members due to the difference in thermal expansion coefficient between copper and ceramics, and the solder may be cracked. As a result, the thermal resistance may increase or the terminal may be peeled off. Furthermore, the solder between the semiconductor element and the DBC substrate may be cracked for the same reason. Depending on the conditions, even at the connection portion of the aluminum wire on the semiconductor element, the aluminum wire may be fatigued and fractured due to the shear stress generated from the difference in thermal expansion coefficient between the aluminum and the semiconductor element.
そこで、半導体モジュールの接合部(例えば、はんだ接合部、超音波接合部、溶接部、接着剤による接合部)の信頼性が、高温放置試験、サーマル(熱)サイクル負荷試験、あるいはパワーサイクル負荷(通電負荷)試験等により評価されている。これらの試験では、一定時間経過後(サイクル後)の半導体素子とモジュールケースとの間の熱抵抗の変化を計測する方法、はんだ接合部内のボイドをX線や超音波等で可視化する方法、あるいは接合部の電気特性の変動を評価する方法等により接合部の信頼性の評価が行われる。 Therefore, the reliability of the joint part of the semiconductor module (for example, solder joint part, ultrasonic joint part, welded part, joint part by adhesive) is determined as a high temperature standing test, thermal cycle load test, or power cycle load ( (Electrical load) is evaluated by tests. In these tests, a method of measuring the change in thermal resistance between the semiconductor element and the module case after a certain time (after the cycle), a method of visualizing voids in the solder joints with X-rays, ultrasonic waves, or the like, or The reliability of the joint is evaluated by a method for evaluating the variation in the electrical characteristics of the joint.
しかしながら、半導体モジュール内の劣化する可能性のある接合箇所は多数あり、これらを同時に短時間で行うことは困難となるおそれがある。また、劣化する可能性のある接合箇所を同時に検出する場合は、計測設備が高価となるおそれがある。 However, there are many joint portions in the semiconductor module that may be deteriorated, and it may be difficult to carry out these simultaneously in a short time. Moreover, when detecting the joint location which may deteriorate, measuring equipment may become expensive.
図1に、半導体モジュール1の断面構造を示す。半導体モジュール1底辺のベース10には、サーマルグリース17を介して冷却器11が接合されている。半導体モジュール1に対して、熱サイクルあるいはパワーサイクル(通電サイクル)負荷を加えたり、実動作環境で動作させたりした場合、劣化するおそれのある接合部は、(1)半導体チップ2〜5表面上のワイヤ13,15接合部、(2)半導体チップ2〜5下のはんだ層12,14、(3)絶縁基板9下のはんだ層16、及び(4)半導体モジュール1のベース10と冷却器11の接合面に存在するグリース層17が主に想定される。
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of the
例えば、熱抵抗を評価する方法で、個々の接合の劣化を評価する場合、冷却器11の温度、ベース10の温度、絶縁基板9の温度及び半導体チップ2〜5のいずれか温度と、最低4箇所の温度を計測する必要がある。これら各箇所に熱電対等の接触式温度センサを省スペースで取り付けることは困難であるため、これらすべての温度を計測することは一般的に困難である。一方、半導体チップ2〜5の温度のみを計測するのであれば、オンチップセンサで計測することができる。オンチップセンサは、例えば、半導体素子(IGBTやダイオード)の静特性(オン抵抗)が温度に依存することを利用して、一定の電流を通電したときに半導体素子で発生する電圧降下に基づいて温度を計測する計測器である。すなわち、半導体チップ2〜5から冷却器11のトータルの熱抵抗(冷却器11−半導体チップ2〜5間の熱抵抗)は、現技術で計測することができる。
For example, when evaluating deterioration of individual junctions by a method of evaluating thermal resistance, the temperature of the
また、X線や超音波等によりはんだ層12,14,16の接合部を計測し、熱負荷によるボイド率の変動による損傷を評価することができる。しかし、X線や超音波等の測定には、前処理が必要である(例えば、超音波探査測定は水中で計測するため、半導体モジュール1の防水処理が必要となる)。また、半導体チップ2〜5下のはんだ層12,14と絶縁基板9の下のはんだ層16といった個々のはんだ層12,14,16の像を十分な解像度で分離して取得するには、特定の方向からX線を照射する必要がある。これらの理由により、接合部をX線や超音波により測定するためには、技術と経験が必要となる場合がある。
Moreover, the junction part of the
また、電気特性(静特性やスイッチング特性等)の変動ではんだ層12,14を評価する試験は、その場で簡便に測定を行うことができるが、通電箇所の接合状態しか把握することができない。つまり、絶縁基板9下のはんだ層16やグリース層17の疲労を評価することが困難となるおそれがある。さらに、はんだ層12,14のボイド率がかなり増大した状態や、はんだ層12,14が剥がれた状態、あるいははんだ層12,14層内に亀裂がかなり進展した状態にならないと、はんだ層12,14の異常を電気特性の変動としてとらえることができない場合が少なくない。つまり、初期のはんだ層12,14の劣化、すなわち、はんだ層12,14の低疲労時の劣化を把握することが困難となるおそれがある。
In addition, the test for evaluating the
これらの理由により、従来、半導体モジュール1の接合部の評価(試験)は、これら3種の評価手法を組み合わせて、あるいはその他の評価手法も併用して、各接合部の疲労程度(信頼性)を評価している。
For these reasons, conventionally, the evaluation (test) of the joint portion of the
上記事情に鑑み、本発明は、半導体モジュールの接合部の状態を短時間で評価することに貢献する技術を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a technique that contributes to evaluating the state of a joint portion of a semiconductor module in a short time.
上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの検査方法の一態様は、半導体素子と、前記半導体素子で構成される回路と、該回路と外部の回路とを接続する複数の電極端子と、を有する半導体モジュールの接合部の検査方法であって、前記電極端子間の寄生抵抗を計測し、各電極端子間で計測された寄生抵抗の経時変化を比較して、前記半導体モジュールの接合部の状態を検出することを特徴としている。 One aspect of the inspection method of a semiconductor module of the present invention that achieves the above object includes a semiconductor element, a circuit constituted by the semiconductor element, and a plurality of electrode terminals that connect the circuit and an external circuit. A method for inspecting a junction portion of a semiconductor module, wherein the parasitic resistance between the electrode terminals is measured, and the time-dependent change of the parasitic resistance measured between the electrode terminals is compared to determine the state of the junction portion of the semiconductor module. It is characterized by detecting.
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの検査方法の他の態様は、上記半導体モジュールの検査方法において、前記半導体素子の温度を計測し、各電極端子間で計測された寄生抵抗の経時変化と、前記半導体素子の温度の相関性に基づいて、前記半導体モジュールの接合部の異常が発生した箇所を特定することを特徴としている。 According to another aspect of the semiconductor module inspection method of the present invention for achieving the above object, in the semiconductor module inspection method, the temperature of the semiconductor element is measured, and the time of the parasitic resistance measured between the electrode terminals is measured. Based on the correlation between the change and the temperature of the semiconductor element, the location where the abnormality of the junction of the semiconductor module occurs is specified.
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの検査方法の他の態様は、半導体素子と、前記半導体素子で構成される回路と、該回路と外部の回路とを接続する複数の電極端子と、前記半導体素子を冷却する冷却器と、を有する半導体モジュールの接合部の検査方法であって、前記電極端子のいずれかと前記冷却器との間の静電容量と、該静電容量に対して直列に寄生する寄生抵抗と、を計測し、計測された静電容量の経時変化または計測された静電容量及び寄生抵抗の経時変化に基づいて、前記半導体モジュールの接合部の状態を検出することを特徴としている。 In another aspect of the semiconductor module inspection method of the present invention that achieves the above object, a semiconductor element, a circuit composed of the semiconductor element, and a plurality of electrode terminals that connect the circuit to an external circuit are provided. A method of inspecting a junction portion of a semiconductor module having a cooler that cools the semiconductor element, the capacitance between any of the electrode terminals and the cooler, and the capacitance And measuring the parasitic resistance that is parasitic in series and detecting the state of the junction of the semiconductor module based on the time-dependent change in the measured capacitance or the time-dependent change in the measured capacitance and parasitic resistance. It is characterized by.
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの検査方法の他の態様は、上記半導体モジュールの検査方法において、予め正常時における前記電極端子間の寄生抵抗を異なる測定周波数で計測しておき、検査対象となる半導体モジュールの電極端子間の寄生抵抗を測定周波数を変化させて計測し、計測された寄生抵抗と、該寄生抵抗が計測された測定周波数と同じ測定周波数で計測された正常時の寄生抵抗と、を比較して、前記半導体モジュールの接合部の状態を検出することを特徴としている。 In another aspect of the semiconductor module inspection method of the present invention that achieves the above object, in the semiconductor module inspection method, the parasitic resistance between the electrode terminals in a normal state is previously measured at different measurement frequencies. The parasitic resistance between the electrode terminals of the semiconductor module to be inspected is measured by changing the measurement frequency, and the measured parasitic resistance is measured at the same measurement frequency as the measured frequency. The parasitic resistance is compared to detect the state of the junction of the semiconductor module.
また、上記目的を達成する本発明の半導体システムの一態様は、半導体素子と、前記半導体素子で構成される回路と、該回路と外部の回路とを接続する複数の電極端子と、前記電極端子間の寄生抵抗を計測する計測手段と、各電極端子間で計測された寄生抵抗の経時変化を比較して、前記半導体モジュールの接合部の状態を検出する制御手段と、を有する
ことを特徴としている。
Another embodiment of the semiconductor system of the present invention that achieves the above object is to provide a semiconductor element, a circuit composed of the semiconductor element, a plurality of electrode terminals that connect the circuit and an external circuit, and the electrode terminal. Measuring means for measuring the parasitic resistance between, and control means for detecting the state of the junction part of the semiconductor module by comparing the time-dependent changes in the parasitic resistance measured between the respective electrode terminals. Yes.
また、上記目的を達成する本発明の半導体システムの他の態様は、半導体素子と、前記半導体素子で構成される回路と、該回路と外部の回路とを接続する複数の電極端子と、前記半導体素子を冷却する冷却器と、前記電極端子のいずれかと前記冷却器との間の静電容量と、該静電容量に対して直列に寄生する寄生抵抗とを計測する計測手段と、計測された静電容量の経時変化または計測された静電容量及び寄生抵抗の経時変化に基づいて、前記半導体モジュールの接合部の状態を検出する制御手段と、を有することを特徴としている。 According to another aspect of the semiconductor system of the present invention for achieving the above object, a semiconductor element, a circuit constituted by the semiconductor element, a plurality of electrode terminals connecting the circuit and an external circuit, and the semiconductor A cooling device that cools the device, a measuring unit that measures a capacitance between one of the electrode terminals and the cooling device, and a parasitic resistance that is parasitic in series with the capacitance, and was measured. And control means for detecting the state of the junction of the semiconductor module based on a change in capacitance with time or a change in measured capacitance and parasitic resistance with time.
以上の発明によれば、半導体モジュールの接合部の状態を短時間で評価することに貢献することができる。 According to the above invention, it can contribute to evaluating the state of the junction part of a semiconductor module in a short time.
本発明の半導体モジュールの検査方法及び半導体システムについて、図面を参照して詳細に説明する。なお、図1,6に示す半導体モジュールの断面図は、本発明の実施形態に係る半導体モジュールを模式的に示したものであり、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致するものではない。 A semiconductor module inspection method and a semiconductor system according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The cross-sectional views of the semiconductor module shown in FIGS. 1 and 6 schematically show the semiconductor module according to the embodiment of the present invention, and the dimensional ratio on the drawings and the actual dimensional ratio do not necessarily match. is not.
まず、図1に示す半導体モジュール(2in1モジュール)の接合部の検査を行う例を示して、本発明の実施形態に係る半導体モジュールの検査方法について説明する。 First, an inspection method for a semiconductor module according to an embodiment of the present invention will be described by showing an example in which a joint portion of the semiconductor module (2 in 1 module) shown in FIG. 1 is inspected.
図1に示す半導体モジュール1は、半導体チップ2〜5、主端子(P端子6、N端子7、AC端子8)、絶縁基板9、ベース10、冷却器11とを備える。
A
半導体チップ2〜5は、例えば、IGBTやMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等のスイッチング素子と、このスイッチング素子に逆並列に接続されるFWD(Free Wheeling Diode)とにより構成される。半導体チップ2〜5の上面及び下面には、それぞれ主端子6〜8のいずれかと接続される図示省略の電極層が形成されている。なお、実施形態の説明では、便宜上、上面及び下面とするが、上下方向は、本発明をなんら限定するものではない。
The
P端子6は、絶縁基板9の回路箔9a上に設けられる。回路箔9aには、それぞれはんだ層12を介して半導体チップ2,3が設けられており、半導体チップ2,3が、はんだ層12及び回路箔9aを介してP端子6と接続される。半導体チップ2,3の上面の電極層には、ワイヤ13の一端が超音波接合等により接合され、ワイヤ13の他端は、回路箔9aを介して(若しくは、直接)AC端子8に接合される。
The P terminal 6 is provided on the
AC端子8は、絶縁基板9の回路箔9a上に設けられる。回路箔9aには、それぞれはんだ層14を介して半導体チップ4,5が設けられており、半導体チップ4,5が、はんだ層14及び回路箔9aを介してAC端子8と接続される。半導体チップ4,5の上面の電極層には、ワイヤ15の一端が超音波接合やはんだ付け等により接合され、ワイヤ15の他端はN端子7に接合される。
The
絶縁基板9は、例えば、DBC基板等であり、その上面には回路箔9aにより回路が形成されている。
The insulating
ベース10は、半導体モジュール1の放熱性を向上させるために絶縁基板9の下にはんだ層16を介して設けられる。ベース10は、熱伝導性の高い材料(例えば、銅等)により構成される。
The
冷却器11は、ベース10の下にグリース層17を介して設けられ、半導体チップ2〜5で発生した熱を外部に放出する。冷却器11には、冷却器端子11a(プローブ)が設けられ、冷却器端子11aと主端子6〜8と間の静電容量やこの静電容量に直列に寄生する寄生抵抗が計測される。各端子(主端子6〜8や冷却器端子11a)間の静電容量及びこの静電容量に直列に寄生する寄生抵抗は、LCRメータ若しくはインピーダンス・アナライザ等のインピーダンス計測器により計測される。
The cooler 11 is provided under the
なお、本発明の半導体システムは、半導体モジュール1と、半導体モジュール1の各主端子6〜8間または各主端子6〜8と冷却器端子11a間の静電容量及び寄生抵抗を計測するインピーダンス計測器(図示省略)と、インピーダンス計測器の計測値の経時変化を評価する(または表示させる)制御部(図示省略)と、により構成される。
In addition, the semiconductor system of this invention is the impedance measurement which measures the electrostatic capacitance and parasitic resistance between the
図2は、図1に示した半導体モジュール1の等価回路を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit of the
この等価回路の静電容量成分は、半導体チップ2〜5の静電容量(上アーム側の半導体チップ2,3の静電容量C1、下アーム側の半導体チップ4,5の静電容量C2)、絶縁基板9の静電容量(P端子6面とベース10間の静電容量C3、AC端子8面とベース10間の静電容量C4及びN端子7面とベース10間の静電容量C5)、グリース層17の静電容量C6の6箇所に存在する。なお、図1に示した半導体モジュール1では図示省略しているが、N端子7の下部には、P端子6やAC端子8と同様に、回路箔9aや絶縁基板9が存在しており、静電容量C5は、この図示していないN端子7の下部の絶縁基板9の静電容量を示す。
The capacitance component of the equivalent circuit is the capacitance of the
一方、この等価回路の静電容量成分に対して直列に寄生する寄生抵抗として、上アーム側の半導体チップ2,3の下に設けられるはんだ層12の損傷を反映する寄生抵抗r1、上アーム側の半導体チップ2,3の上面電極層とワイヤ13の接合状態を反映する寄生抵抗r2、下アーム側の半導体チップ4,5の下に設けられるはんだ層14の損傷を反映する寄生抵抗r3、下アーム側の半導体チップ4,5の上面電極層とワイヤ15の接合状態を反映する寄生抵抗r4が存在する。また、主端子6〜8と冷却器端子11aとの間には、それぞれ絶縁基板9下のはんだ層16の損傷を反映する寄生抵抗r5,r6,r7が存在する。
On the other hand, the parasitic resistance r 1 reflecting the damage of the
次に、本発明の実施形態に係る半導体モジュール1の検査方法及び半導体システムにより、具体的な損傷個所を特定する方法について詳細に説明する。
Next, a detailed description will be given of a method for identifying a specific damaged portion by the
実施形態に係る半導体モジュール1の検査方法及び半導体システムでは、P端子6−N端子7間、P端子6−AC端子8間、N端子7−AC端子8間、P端子6−冷却器端子11a間、N端子7−冷却器端子11a間、AC端子8−冷却器端子11a間、の6つの端子間の静電容量とこの静電容量に直列に寄生する寄生抵抗とを、LCRメータ若しくはインピーダンス・アナライザ等のインピーダンス計測器を用いて計測する。
In the inspection method and semiconductor system of the
静電容量及び寄生抵抗の計測は、表皮効果が支配的となる周波数(例えば、100kHzより高い周波数で行う。測定周波数を上げるほど、電流は各部材の表面または界面(例えば、はんだ下の配線層とはんだ層の界面)を経由して流れるため、寄生抵抗の計測値は、はんだ層表面の電気抵抗、表面のマクロな凹凸、合金層形成等による材料の抵抗率の変化を反映することとなる。 Capacitance and parasitic resistance are measured at a frequency at which the skin effect is dominant (for example, a frequency higher than 100 kHz. The higher the measurement frequency, the more current flows on the surface or interface of each member (for example, the wiring layer under the solder). The measured value of the parasitic resistance reflects the change in the resistivity of the material due to the electrical resistance of the solder layer surface, macro unevenness of the surface, alloy layer formation, etc. .
さらに、半導体チップ2〜5に、図示省略のオンチップセンサ(温度により特性が変化するセンサ、例えば、ダイオード)を設け、半導体チップ2〜5の温度を計測する。なお、オンチップセンサは、半導体チップ2〜5の内部または半導体チップ2〜5の近傍に設けてもよい。
Furthermore, on-chip sensors (not shown) (sensors whose characteristics change with temperature, for example, diodes) are provided on the
[グリース層17の検査]
グリース層17の劣化(損傷)は、例えば、図3に示すように、P端子6(またはN端子7、AC端子8)と冷却器端子11a間の静電容量を常時モニタ(或いは定期的にモニタ)し、初期に計測された静電容量からの低下度合いにより把握することができる。
[Inspection of grease layer 17]
For example, as shown in FIG. 3, the
グリース層17内でのボイド(空隙)が発生したり、グリース抜け(ポンプアウト)が生じたりすると、グリース層17の静電容量が低下する。したがって、P端子6−冷却器端子11a間、N端子7−冷却器端子11a間、及びAC端子8−冷却器端子11a間の静電容量と寄生抵抗を計測し、各端子間で計測された寄生抵抗のいずれにも変化がなく、各端子間で計測された静電容量の低下が確認された場合、グリース層17の劣化が起こったと判断することができる。つまり、各端子間で計測された寄生抵抗の変化がないことで、はんだ層16やワイヤ15の接合部における劣化が起こっていないと判断することができるので、各端子間で計測された静電容量の低下が、グリース層17の劣化を反映していると判断できる。
If a void (gap) is generated in the
[はんだ層12,14,16の検査(劣化位置の特定)]
はんだ層12,14,16の劣化(損傷)箇所は、例えば、図4に示すように、各端子6〜8,11a間で計測される寄生抵抗(静電容量に対して直列に寄生する寄生抵抗)をモニタしておき、初期に計測された寄生抵抗からの増加の度合いに基づいて把握する。
[Inspection of solder layers 12, 14, 16 (determination of deterioration position)]
For example, as shown in FIG. 4, the deterioration (damage) portion of the solder layers 12, 14, 16 is a parasitic resistance measured between the terminals 6-8, 11a (parasitism in series with respect to the capacitance). Resistance) is monitored and grasped based on the degree of increase from the parasitic resistance measured in the initial stage.
図4に示す例では、P端子6−N端子7間と、P端子6−AC端子8間の寄生抵抗が増大し、その他端子間の寄生抵抗が増大していない。この場合、上アーム側の半導体チップ2,3の下に設けられるはんだ層12の損傷、あるいは上アーム側の半導体チップ2,3の上面電極層とワイヤ13の接合部の損傷が疑われる。
In the example shown in FIG. 4, the parasitic resistance between the P terminal 6 and the
はんだ層12の損傷は、ワイヤ13の接合部の損傷と比較して、半導体チップ2,3の温度との相関が高い。よって、オンチップセンサ(図示せず)で半導体チップ2,3の温度を計測し、半導体チップ2,3の温度上昇が確認できなかった場合、主としてワイヤ13の接合部の損傷がおきていると判断できる。
The damage of the
なお、半導体チップ2〜5下のはんだ層12,14や絶縁基板9の下はんだ層16の剥がれが一定以上進行すると、図3に示したグリース層17の静電容量の経時変化と同様に、はんだ層12,14,16の剥がれが、各端子6〜8,11a間の静電容量の低下として検出される。よって、各端子6〜8,11a間の寄生抵抗の増大だけでなく、各端子6〜8,11a間の静電容量の低下の検出をはんだ層12,14,16の劣化指標として用いることができる。
When the peeling of the solder layers 12 and 14 below the
[はんだ層12,14,16の検査(深さ方向の特定)]
はんだ層12,14,16の深さ方向の劣化は、例えば、図5に示すように、各端子6〜8,11a間の寄生抵抗を測定周波数を変えて計測し、各測定周波数で計測された寄生抵抗と、接合正常時に各測定周波数で計測された寄生抵抗(例えば、初期に各測定周波数で計測された寄生抵抗)とを、比較することで把握する。
[Inspection of solder layers 12, 14, 16 (specification of depth direction)]
Degradation in the depth direction of the solder layers 12, 14, and 16 is measured at each measurement frequency by measuring the parasitic resistance between the terminals 6 to 8 and 11a by changing the measurement frequency, for example, as shown in FIG. By comparing the parasitic resistance measured with the parasitic resistance measured at each measurement frequency when the junction is normal (for example, the parasitic resistance measured at each measurement frequency in the initial stage).
図5に示すように、正常な接合形成時には、表皮効果が始まる周波数域(例えば、100kHz以上)で測定周波数の増大とともに線形に寄生抵抗が増大する。これに対して、表面からある深さ内ではんだ層12,14,16の剥がれ(接触電気抵抗の増大)、亀裂進展、若しくは変質(合金層の形成)が起こった場合、その深さ以内で電流が流れる測定周波数で計測した寄生抵抗に変極点(周波数と寄生抵抗の関係における傾きの増大)が発生する。この傾きの変化が発生した測定周波数に基づいて、損傷領域(表面からの深さ)を類推することができる。 As shown in FIG. 5, at the time of normal junction formation, the parasitic resistance increases linearly with the increase of the measurement frequency in the frequency range where the skin effect starts (for example, 100 kHz or more). On the other hand, if the solder layers 12, 14, and 16 are peeled (increased contact electric resistance), crack progress, or alteration (formation of alloy layer) occurs within a certain depth from the surface, within that depth An inflection point (increase in slope in the relationship between frequency and parasitic resistance) occurs in the parasitic resistance measured at the measurement frequency through which the current flows. The damaged area (depth from the surface) can be inferred based on the measurement frequency at which this change in inclination occurs.
以上のような本発明の実施形態に係る半導体モジュール1の検査方法及び半導体システムによれば、主端子6〜8間(若しくは主端子6〜8と冷却器端子11a間)の静電容量やこの静電容量に対して直列に寄生する寄生抵抗を、特定の測定周波数あるいは測定周波数を変化させて計測することで、損傷が発生した接合箇所を簡易的に検出することができる。また、主端子6〜8間(若しくは主端子6〜8と冷却器端子11a間)の静電容量及びこの静電容量に対して直列に寄生する寄生抵抗の経時変化を評価することで、半導体チップ2〜5下のはんだ層12,14、半導体チップ2〜5上のワイヤ13,15接合部、グリース層17、絶縁基板9下のはんだ層16等の各接合の損傷具合を切り分けて評価することができる。
According to the inspection method and the semiconductor system of the
また、本発明の実施形態に係る半導体モジュール1の検査方法及び半導体システムによれば、その場で、特別な事前処理等なしに、短時間に、半導体モジュール1の信頼性の評価や疲労度の評価を行うことができる。つまり、半導体モジュール1の信頼性試験中あるいは実動作中にオンライン若しくはオフラインで(定期的に)端子間の静電容量や寄生抵抗を計測して半導体モジュール1の接合部を評価することができる。つまり、半導体モジュール1の接合部の信頼性を監視したり、検査したりすることができる。
Moreover, according to the inspection method and the semiconductor system of the
また、半導体チップ2〜5の温度の計測値あるいは周囲環境と半導体チップ2〜5間の熱抵抗の評価と組み合わせることで、より正確に接合の不良箇所を同定することができる。
Further, by combining the measurement value of the temperature of the
また、各端子6〜8,11a間の静電容量及び寄生抵抗を測定周波数を変えて(例えば、100kHz〜10MHz)計測し、各端子6〜8,11a間の寄生抵抗成分等を評価することで、損傷、亀裂、あるいは変質(合金層の形成等)が表面からどの程度の深さの領域まで発生しているかを予測することができる。つまり、不良発生の空間的な位置を具体的に類推することができる。はんだ層12,14,16の劣化(亀裂発生等)は、表面や界面から発生することが知られており、測定周波数をかえることによる寄生抵抗の変化をモニタ、正常接合形成時と比較することで、損傷発生位置の表面からの深さを類推することができる。 Further, the capacitance and parasitic resistance between the terminals 6 to 8 and 11a are measured by changing the measurement frequency (for example, 100 kHz to 10 MHz), and the parasitic resistance component between the terminals 6 to 8 and 11a is evaluated. Thus, it is possible to predict to what extent the damage, crack, or alteration (formation of alloy layer, etc.) has occurred from the surface. That is, it is possible to specifically estimate the spatial position where the defect occurs. Degradation (cracking etc.) of the solder layers 12, 14, 16 is known to occur from the surface or interface, and the change in the parasitic resistance due to changing the measurement frequency is monitored and compared with the normal junction formation. Thus, the depth from the surface of the damage occurrence position can be analogized.
本発明の実施形態に係る半導体モジュール1の検査方法及び半導体システムによれば、ダメージレスの簡易的な評価で、任意の使用条件における接合のウィークポイントの把握が可能となる。よって、半導体モジュール1の使い方の改善(制御、冷却)、半導体モジュール1の使用材料、構成、構造の対策を考案するスピードが速くなり、半導体モジュール1の開発工程を加速させることができる。
According to the inspection method and semiconductor system of the
以上、本発明の半導体モジュールの検査方法及び半導体システムについて、具体例を示して詳細に説明したが、本発明の半導体モジュールの検査方法及び半導体システムは、上述した実施形態に限らず、本発明の特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能である。 The semiconductor module inspection method and semiconductor system of the present invention have been described in detail with specific examples. However, the semiconductor module inspection method and semiconductor system of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and Design changes can be made as appropriate without departing from the characteristics.
例えば、スイッチングデバイスを検査する場合には、制御端子と各端子(主端子(P端子、N端子またはAC端子若しくは冷却器端子)間の静電容量や寄生抵抗を計測することで、実施形態に係る半導体モジュール1の検査方法と同様の方法で、制御用ワイヤ内の接合の損傷(信頼性)も評価することができる。
For example, when a switching device is inspected, the capacitance and parasitic resistance between the control terminal and each terminal (main terminal (P terminal, N terminal, AC terminal, or cooler terminal)) are measured. The damage (reliability) of the joint in the control wire can be evaluated by the same method as the inspection method of the
また、半導体チップの温度の計測は、オンチップセンサに限定されるものではなく、例えば、熱電対や放射温度計を用いて計測することもできる。 Further, the measurement of the temperature of the semiconductor chip is not limited to the on-chip sensor, and for example, it can be measured using a thermocouple or a radiation thermometer.
また、実施形態の説明では、2in1の半導体モジュール1を例として説明しているが、半導体モジュールの回路構成は、適宜使用態様に応じて設計変更が可能であり、半導体チップの数や種類等は任意に設定可能である。
In the description of the embodiment, the 2-in-1
また、図6に示すように、半導体チップ18,19の上下に冷却器20,21を設け、冷却器20,21をボルト22とナット23で締結して、主端子24,25を半導体チップ18,19に圧接する圧接型の半導体モジュール26の検査を行う場合に、本発明の半導体モジュールの検査方法を適用することもできる。この場合、上下の冷却器20,21にそれぞれ冷却器端子(図示省略)を設け、各冷却器端子と主端子24,25(若しくは制御端子27)との間の静電容量とこの静電容量に直列に寄生する寄生抵抗とを計測することで、実施形態の半導体モジュールの検査方法及び半導体システムと同様に、各接合部を評価することができる。
Further, as shown in FIG. 6,
1,26…半導体モジュール
2〜5,18,19…半導体チップ(半導体素子)
6…P端子(電極端子)
7…N端子(電極端子)
8…AC端子(電極端子)
9…絶縁基板
9a…回路箔
10…ベース
11,20,21…冷却器
11a…冷却器端子
24,25…主端子
27…制御端子
1, 26 ...
6 ... P terminal (electrode terminal)
7. N terminal (electrode terminal)
8 ... AC terminal (electrode terminal)
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記電極端子間の寄生抵抗を計測し、
各電極端子間で計測された寄生抵抗の経時変化を比較して、前記半導体モジュールの接合部の状態を検出する
ことを特徴とする半導体モジュールの検査方法。 A method for inspecting a junction part of a semiconductor module comprising a semiconductor element, a circuit constituted by the semiconductor element, and a plurality of electrode terminals connecting the circuit and an external circuit,
Measure the parasitic resistance between the electrode terminals,
A method for inspecting a semiconductor module, comprising comparing a time-dependent change in parasitic resistance measured between each electrode terminal and detecting a state of a junction of the semiconductor module.
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体モジュールの検査方法。 Measure the temperature of the semiconductor element, and identify the location where the abnormality of the junction part of the semiconductor module occurred based on the correlation between the time-dependent change of the parasitic resistance measured between each electrode terminal and the temperature of the semiconductor element The method for inspecting a semiconductor module according to claim 1.
前記電極端子のいずれかと前記冷却器との間の静電容量と、該静電容量に対して直列に寄生する寄生抵抗と、を計測し、
計測された静電容量の経時変化または計測された静電容量及び寄生抵抗の経時変化に基づいて、前記半導体モジュールの接合部の状態を検出する
ことを特徴とする半導体モジュールの検査方法。 A method for inspecting a junction part of a semiconductor module, comprising: a semiconductor element; a circuit composed of the semiconductor element; a plurality of electrode terminals that connect the circuit to an external circuit; and a cooler that cools the semiconductor element. Because
A capacitance between any of the electrode terminals and the cooler, and a parasitic resistance parasitic in series with the capacitance;
A method for inspecting a semiconductor module, comprising: detecting a state of a junction portion of the semiconductor module based on a change with time of measured capacitance or a change with time of measured capacitance and parasitic resistance.
検査対象となる半導体モジュールの電極端子間の寄生抵抗を測定周波数を変化させて計測し、
計測された寄生抵抗と、該寄生抵抗が計測された測定周波数と同じ測定周波数で計測された正常時の寄生抵抗と、を比較して、前記半導体モジュールの接合部の状態を検出する
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の半導体モジュールの検査方法。 Preliminarily measure the parasitic resistance between the electrode terminals at normal times at different measurement frequencies,
Measure the parasitic resistance between the electrode terminals of the semiconductor module to be inspected by changing the measurement frequency,
Comparing the measured parasitic resistance with a normal parasitic resistance measured at the same measurement frequency as the measurement frequency of the parasitic resistance, and detecting the state of the junction of the semiconductor module A method for inspecting a semiconductor module according to any one of claims 1 to 3.
前記半導体素子で構成される回路と、
該回路と外部の回路とを接続する複数の電極端子と、
前記電極端子間の寄生抵抗を計測する計測手段と、
各電極端子間で計測された寄生抵抗の経時変化を比較して、前記半導体モジュールの接合部の状態を検出する制御手段と、を有する
ことを特徴とする半導体システム。 A semiconductor element;
A circuit composed of the semiconductor element;
A plurality of electrode terminals connecting the circuit and an external circuit;
Measuring means for measuring the parasitic resistance between the electrode terminals;
And a control means for detecting a state of a joint portion of the semiconductor module by comparing a time-dependent change in parasitic resistance measured between the electrode terminals.
前記半導体素子で構成される回路と、
該回路と外部の回路とを接続する複数の電極端子と、
前記半導体素子を冷却する冷却器と、
前記電極端子のいずれかと前記冷却器との間の静電容量と、該静電容量に対して直列に寄生する寄生抵抗とを計測する計測手段と、
計測された静電容量の経時変化または計測された静電容量及び寄生抵抗の経時変化に基づいて、前記半導体モジュールの接合部の状態を検出する制御手段と、を有する
ことを特徴とする半導体システム。 A semiconductor element;
A circuit composed of the semiconductor element;
A plurality of electrode terminals connecting the circuit and an external circuit;
A cooler for cooling the semiconductor element;
A measuring means for measuring a capacitance between any of the electrode terminals and the cooler, and a parasitic resistance parasitic in series with the capacitance;
Control means for detecting a state of a junction portion of the semiconductor module based on a time-dependent change of the measured capacitance or a time-dependent change of the measured capacitance and parasitic resistance. .
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