JP2015114149A - ボンディングワイヤ劣化検出装置及びボンディングワイヤ劣化検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】正常時の電圧と劣化時の電圧との間の変動幅を大きくして容易にボンディングワイヤの劣化を検出する。【解決手段】本発明のボンディングワイヤ劣化検出装置１は、基板３のエミッタ電極Ｅｂとチップ５のエミッタ電極Ｅとを接続するエミッタ信号用ボンディングワイヤ７Ｔを検査用電極Ｔに接続し、チップ５のケルビンエミッタ電極ＫＥを基板３のケルビンエミッタ電極ＫＥｂに接続し、ケルビンエミッタ電極ＫＥｂと検査用電極Ｔとの間の電圧を検出してエミッタ信号用ボンディングワイヤ７の劣化を検出する。【選択図】図１

Description

本発明は、基板と基板上に実装された半導体素子とを接続するボンディングワイヤの劣化を検出するボンディングワイヤ劣化検出装置及びその方法に関する。

従来では、インバータ装置に実装されたＩＧＢＴ等の電力用半導体素子の劣化を判断する方法として特許文献１が開示されている。

この特許文献１では、ある時間にＩＧＢＴに電流Ｉｃを流したときの電圧Ｖｃｅ１と、所定時間経過後にＩＧＢＴに電流Ｉｃを流したときの電圧Ｖｃｅ２との差を測定し、その差が基準値以上になると、ＩＧＢＴに半田クラック等の劣化が発生したと判断していた。

また、従来では、基板上にＩＧＢＴ等のチップが実装された半導体装置において、チップのエミッタ電極から複数のボンディングワイヤを基板のエミッタ電極へ接続している場合に、チップ中央付近のボンディングワイヤが熱サイクルでエミッタ電極から剥離してしまうことがあった。

そこで、このようなボンディングワイヤの剥離を検出するために、基板のエミッタ電極と基板のケルビンエミッタ電極との間の電圧を測定することが行われていた。基板のケルビンエミッタ電極はチップのケルビンエミッタ電極に接続され、チップのケルビンエミッタ電極はチップのエミッタ電極と同一電位である。したがって、この場合には基板のエミッタ電極とチップのエミッタ電極との間の電圧を測定してボンディングワイヤの剥離を検出している。

特開２００２−５９８９号公報

しかしながら、上述した従来の電力用半導体素子の劣化判断方法では、半田クラックが進行しても正常時の電圧Ｖｃｅと劣化時の電圧Ｖｃｅとの間の変動幅が小さいので、劣化時に電圧Ｖｃｅの変動を検出することが困難であるという問題点があった。例えば、電流Ｉｃが５０Ａで初期の電圧Ｖｃｅが１．８Ｖである場合に、検出したい変動幅は１３ｍＶ程度であった。したがって、変動幅は１％程度となり、極めて小さかった。

また、基板のエミッタ電極と基板のケルビンエミッタ電極との間の電圧を測定してボンディングワイヤの剥離を検出する場合でも、正常時が０．６Ｖであるのに対して、ボンディングワイヤの剥離時には０．６７Ｖに変化するだけなので変動幅は小さかった。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、正常時の電圧と劣化時の電圧との間の変動幅が大きく、容易にボンディングワイヤの劣化を検出することのできるボンディングワイヤ劣化検出装置及びその方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、基板と前記基板上に実装された半導体素子とを接続するボンディングワイヤの劣化を検出するボンディングワイヤ劣化検出装置において、前記基板のエミッタ電極と前記半導体素子のエミッタ電極とを接続するエミッタ信号用ボンディングワイヤを、前記半導体素子のエミッタ電極から前記基板のエミッタ電極とは反対方向に延長して接続された検査用電極と、前記半導体素子のケルビンエミッタ電極に接続された前記基板のケルビンエミッタ電極と前記検査用電極との間の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段によって検出された前記基板のケルビンエミッタ電極と前記検査用電極との間の電圧を監視して、前記エミッタ信号用ボンディングワイヤの劣化を検出する劣化検出手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明であって、前記検査用電極には複数の前記エミッタ信号用ボンディングワイヤが接続されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明であって、前記検査用電極に接続されるエミッタ信号用ボンディングワイヤは、前記半導体素子の中央付近に接続されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、基板と前記基板上に実装された半導体素子とを接続するボンディングワイヤの剥離を検出するボンディングワイヤ劣化検出方法において、前記基板のエミッタ電極と前記半導体素子のエミッタ電極とを接続するエミッタ信号用ボンディングワイヤを、前記半導体素子のエミッタ電極から前記基板のエミッタ電極とは反対方向に延長して接続された検査用電極と、前記半導体素子のケルビンエミッタ電極に接続された前記基板のケルビンエミッタ電極との間の電圧を検出する電圧検出ステップと、前記電圧検出ステップで検出された前記基板のケルビンエミッタ電極と前記検査用電極との間の電圧を監視して、前記エミッタ信号用ボンディングワイヤの劣化を検出する劣化検出ステップとを含むことを特徴とする。

本発明では、基板のエミッタ電極と半導体素子のエミッタ電極とを接続するエミッタ信号用ボンディングワイヤを検査用電極に接続し、半導体素子のケルビンエミッタ電極を基板のケルビンエミッタ電極に接続する。そして、検査用電極と基板のケルビンエミッタ電極との間の電圧を検出して監視することでエミッタ信号用ボンディングワイヤの劣化を検出する。これにより、検出された電圧は正常時と劣化時との間で変動幅が大きくなるので、容易にボンディングワイヤの劣化を検出することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るボンディングワイヤ劣化検出装置の構成及び接続を示す図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係るボンディングワイヤ劣化検出装置によるボンディングワイヤの劣化検出処理の処理手順を示すフローチャートである。 図３は、本発明の第２実施形態に係るボンディングワイヤ劣化検出装置の構成及び接続を示す図である。

以下、本発明を適用した第１及び第２実施形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
［ボンディングワイヤ劣化検出装置の構成］
図１は、本実施形態に係るボンディングワイヤ劣化検出装置の構成及び接続を示す図であり、図１（ａ）はブロック図、図１（ｂ）は回路図である。

図１に示すように、本実施形態に係るボンディングワイヤ劣化検出装置１は、インバータ等に搭載された基板３に接続されている。

基板３は、インバータのパワーモジュール等を構成するＩＧＢＴのチップ５が実装され、エミッタ電極Ｅｂと、コレクタ電極Ｃｂと、ケルビンエミッタ電極ＫＥｂとを備えている。

チップ５は、基板３上に実装されたＩＧＢＴ等の半導体素子であり、ゲート電極Ｇと、コレクタ電極Ｃと、エミッタ電極Ｅと、ケルビンエミッタ電極ＫＥとを備えている。尚、ケルビンエミッタ電極ＫＥは、エミッタ電極Ｅに接続されており、同一電位となっている。また、コレクタ電極Ｃはチップ５の裏面に形成されている。

ここで、基板３のエミッタ電極Ｅｂとチップ５のエミッタ電極Ｅとの間は複数のエミッタ信号用ボンディングワイヤ７で接続され、チップ５のケルビンエミッタ電極ＫＥと基板３のケルビンエミッタ電極ＫＥｂとの間はボンディングワイヤ９で接続されている。したがって、基板３のケルビンエミッタ電極ＫＥｂは、チップ５のケルビンエミッタ電極ＫＥと同一電位であり、これによってチップ５のエミッタ電極Ｅとも同一電位となる。

このような構成の基板３とチップ５に対して、本実施形態に係るボンディングワイヤ劣化検出装置１は、検査用電極Ｔと、電圧検出部１１と、劣化検出部１３とを備えている。

検査用電極Ｔは、基板３上に設置された電極であり、複数のエミッタ信号用ボンディングワイヤ７のうちの１本のエミッタ信号用ボンディングワイヤ７Ｔを、エミッタ電極Ｅからエミッタ電極Ｅｂとは反対方向に延長して接続されている。したがって、正常時には、検査用電極Ｔの電位は、エミッタ電極Ｅと同一になっている。また、エミッタ信号用ボンディングワイヤ７Ｔは、複数あるエミッタ信号用ボンディングワイヤ７のうちチップ５の中央付近に接続されていることが好ましい。これは、チップ５の中央付近は高温になるので、熱ひずみ応力でワイヤが剥離する可能性が高いためである。

電圧検出部１１は、基板３のケルビンエミッタ電極ＫＥｂと検査用電極Ｔに接続され、ケルビンエミッタ電極ＫＥｂと検査用電極Ｔとの間の電圧Ｖｔを検出する。

劣化検出部１３は、電圧検出部１１で検出されたケルビンエミッタ電極ＫＥｂと検査用電極Ｔとの間の電圧ＶＴを監視して、エミッタ信号用ボンディングワイヤ７Ｔの劣化を検出する。具体的には、予め設定された所定の閾値と電圧ＶＴを比較して、電圧ＶＴが閾値を超えていた場合には、エミッタ信号用ボンディングワイヤ７Ｔに剥離等の劣化が発生したと判定する。

尚、ボンディングワイヤ劣化検出装置１は、例えば基板３上に実装されており、マイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ、ＣＰＵを含む汎用の電子回路と周辺機器から構成されている。そして、特定のプログラムを実行することにより、電圧検出部１１及び劣化検出部１３として動作する。

［ボンディングワイヤの劣化検出処理の手順］
次に、本実施形態に係るボンディングワイヤ劣化検出装置１によるボンディングワイヤの劣化検出処理の手順を、図２のフローチャートを参照して説明する。

図２に示すように、ステップＳ１０において、電圧検出部１１は、チップ５のスイッチがＯＮのときに、チップ５のケルビンエミッタ電極ＫＥに接続されている基板３のケルビンエミッタ電極ＫＥｂと検査用電極Ｔとの間の電圧ＶＴを検出する。

次に、ステップＳ２０において、劣化検出部１３は、電圧検出部１１で検出された電圧ＶＴを所定の閾値と比較して監視する。

ここで、エミッタ信号用ボンディングワイヤ７Ｔが正常な状態では、検査用電極Ｔはチップ５のエミッタ電極Ｅと同じ電位である。一方、基板３のケルビンエミッタ電極ＫＥｂもエミッタ電極Ｅと同じ電位である。したがって、ケルビンエミッタ電極ＫＥｂ（＝ＫＥ＝Ｅ）と検査用電極Ｔとの間の電位差である電圧ＶＴは０Ｖとなる。この際、エミッタ信号用ボンディングワイヤ７Ｔには抵抗があるものの電流がほとんど流れないので、電圧降下は０となる。

一方、図１のＰの位置でエミッタ信号用ボンディングワイヤ７Ｔがエミッタ電極Ｅから剥離すると、検査用電極Ｔの電圧は基板３のエミッタ電極Ｅｂと同一の電圧となる。このとき複数のエミッタ信号用ボンディングワイヤ７には大電流が流れているので、検査用電極Ｔとケルビンエミッタ電極ＫＥｂとの間には電圧降下が発生する。

例えば、エミッタ信号用ボンディングワイヤ７が１０本あり、２５０Ａの電流が流れている場合に、チップ５の電圧降下は１．６Ｖ、１０本のエミッタ信号用ボンディングワイヤ７の電圧降下は０．６Ｖとなる。この場合に１本のボンディングワイヤが剥離すると、抵抗は１０／９倍になるので、検査用電極Ｔの電圧ＶＴ、すなわちケルビンエミッタ電極ＫＥｂ（＝ＫＥ＝Ｅ）と検査用電極Ｔとの間の電位差は、０．６×（１０／９）≒０．６７によって０．６７Ｖとなる。

したがって、エミッタ信号用ボンディングワイヤ７Ｔが剥離する前後で、電圧ＶＴは０Ｖから０．６７Ｖへと変化する。そこで、所定の閾値として０〜０．６７Ｖの間の値を設定しておけば、エミッタ信号用ボンディングワイヤ７Ｔに剥離等の劣化が発生していることを検出することができる。

このようにして劣化検出部１３は、所定の閾値と電圧ＶＴとを比較して、電圧ＶＴが閾値以下の場合にはステップＳ１０に戻り、電圧ＶＴが閾値を超えた場合にはステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０では、劣化検出部１３が、エミッタ信号用ボンディングワイヤ７に劣化が検出されたと判定して、本実施形態に係るボンディングワイヤの劣化検出処理を終了する。

［第１実施形態の効果］
次に、本実施形態に係るボンディングワイヤ劣化検出装置１による効果を説明する。上述したように、本実施形態に係るボンディングワイヤ劣化検出装置１では、エミッタ信号用ボンディングワイヤ７Ｔが剥離する前後で、電圧ＶＴは０Ｖから０．６７Ｖへと変化する。

これに対して、従来の特許文献１では、ＩＧＢＴの電圧Ｖｃｅが１．６Ｖで電流Ｉｃが２５０Ａの場合に、ボンディングワイヤが剥離する前後で、電圧Ｖｃｅは１．６Ｖから１．６７Ｖへと変化する。

また、基板のエミッタ電極と基板のケルビンエミッタ電極との間の電圧を測定してボンディングワイヤの剥離を検出する従来技術では、ボンディングワイヤが剥離する前後で、電圧は０．６Ｖから０．６７Ｖへと変化する。

したがって、いずれの従来技術と比較しても、本実施形態のボンディングワイヤ劣化検出装置１のほうが正常時と劣化時との間の変動幅が大きくなるので、容易にボンディングワイヤの劣化を検出できることが分かる。特に、本実施形態では、０Ｖからの変化を検出できるので、ボンディングワイヤの劣化をより確実に検出することができる。

以上詳細に説明したように、本実施形態に係るボンディングワイヤ劣化検出装置１では、エミッタ信号用ボンディングワイヤ７Ｔを検査用電極Ｔに接続し、チップ５のケルビンエミッタ電極ＫＥを基板３のケルビンエミッタ電極ＫＥｂに接続する。そして、検査用電極Ｔと基板３のケルビンエミッタ電極ＫＥｂとの間の電圧ＶＴを検出して監視することでエミッタ信号用ボンディングワイヤの劣化を検出する。これにより、検出された電圧ＶＴは正常時と劣化時との間で変動幅が大きくなるので、容易にボンディングワイヤの劣化を検出することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係るボンディングワイヤ劣化検出装置について図面を参照して説明する。尚、第１実施形態と同一の構成要素には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。

［ボンディングワイヤ劣化検出装置の構成］
図３は、本実施形態に係るボンディングワイヤ劣化検出装置の構成及び接続を示す図であり、図３（ａ）はブロック図、図３（ｂ）は回路図である。

図３に示すように、本実施形態では、検査用電極Ｔに複数のエミッタ信号用ボンディングワイヤが接続されていることが第１実施形態と相違している。図３では、１０本あるエミッタ信号用ボンディングワイヤ７のうち、４本のエミッタ信号用ボンディングワイヤ７Ｔａ〜７Ｔｄが検査用電極Ｔに接続されている。

通常、ＩＧＢＴのチップ５に通電すると、図３のＡに示すチップ５の中央付近の領域が高温になるため、ボンディングワイヤはチップ５の中央付近から先に剥離していく。そこで、チップ５の中央付近に接続されている複数のエミッタ信号用ボンディングワイヤ７Ｔａ〜７Ｔｄを検査用電極Ｔに接続しておくことによって、劣化の起こりやすい領域を監視することが可能となる。また、複数のエミッタ信号用ボンディングワイヤ７Ｔａ〜７Ｔｄを同時に監視することも可能となる。

［第２実施形態の効果］
次に、本実施形態に係るボンディングワイヤ劣化検出装置３１による効果を説明する。本実施形態に係るボンディングワイヤ劣化検出装置３１では、エミッタ信号用ボンディングワイヤ７Ｔａ〜７Ｔｄのうちの１本が剥離すると、検査用電極Ｔの電位は基板３のエミッタ電極Ｅｂとチップ５のエミッタ電極Ｅとの間の電圧となる。このとき、剥離した１本のボンディングワイヤと剥離していない３本のボンディングワイヤとの間の抵抗分圧が６：１とすると、検査用電極Ｔの電位は、０．６７×（１／７）≒０．１０によってエミッタ電極Ｅより０．１０Ｖ低くなる。したがって、電圧ＶＴは、エミッタ信号用ボンディングワイヤ７Ｔａ〜７Ｔｄのうちの１本が剥離する前後で、０Ｖから０．１０Ｖへと変化する。

これに対して、従来の特許文献１では、第１実施形態で説明したようにボンディングワイヤが剥離する前後で電圧Ｖｃｅは１．６Ｖから１．６７Ｖへと変化する。また、基板のエミッタ電極と基板のケルビンエミッタ電極との間の電圧を測定してボンディングワイヤの剥離を検出する従来技術では、ボンディングワイヤが剥離する前後で、電圧は０．６Ｖから０．６７Ｖへと変化する。

したがって、いずれの従来技術と比較しても、本実施形態のボンディングワイヤ劣化検出装置３１のほうが正常時と劣化時との間の変動幅が大きくなるので、容易にボンディングワイヤの劣化を検出できることが分かる。特に、本実施形態では、０Ｖからの変化を検出できるので、ボンディングワイヤの劣化をより確実に検出することができる。

以上詳細に説明したように、本実施形態に係るボンディングワイヤ劣化検出装置３１では、検査用電極Ｔに複数のエミッタ信号用ボンディングワイヤ７Ｔａ〜７Ｔｄを接続する。これにより、複数のボンディングワイヤが接続されているチップ５の広い領域を同時に監視することができる。

また、本実施形態に係るボンディングワイヤ劣化検出装置３１では、複数あるエミッタ信号用ボンディングワイヤ７のうちチップ５の中央付近に接続されているエミッタ信号用ボンディングワイヤ７Ｔａ〜７Ｔｄを検査用電極Ｔに接続する。これにより、高温になって劣化の起こりやすいチップ５の中央付近の領域を監視することができる。

なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計などに応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

１、３１ ボンディングワイヤ劣化検出装置
３ 基板
５ チップ
７、７Ｔ、７Ｔａ〜７Ｔｄ エミッタ信号用ボンディングワイヤ
９ ボンディングワイヤ
Ｃ、Ｃｂ コレクタ電極
Ｅ、Ｅｂ エミッタ電極
Ｇ ゲート電極
ＫＥ、ＫＥｂ ケルビンエミッタ電極
Ｔ 検査用電極
１１ 電圧検出部
１３ 劣化検出部

Claims (4)

1. 基板（３）と前記基板（３）上に実装された半導体素子（５）とを接続するボンディングワイヤの劣化を検出するボンディングワイヤ劣化検出装置（１）において、
   前記基板（３）のエミッタ電極（Ｅｂ）と前記半導体素子（５）のエミッタ電極（Ｅ）とを接続するエミッタ信号用ボンディングワイヤ（７Ｔ）を、前記半導体素子（５）のエミッタ電極（Ｅ）から前記基板（３）のエミッタ電極（Ｅｂ）とは反対方向に延長して接続された検査用電極（Ｔ）と、
   前記半導体素子（５）のケルビンエミッタ電極(ＫＥ)に接続された前記基板（３）のケルビンエミッタ電極(ＫＥｂ)と前記検査用電極（Ｔ）との間の電圧を検出する電圧検出手段（１１）と、
   前記電圧検出手段（１１）によって検出された前記基板（３）のケルビンエミッタ電極(ＫＥｂ)と前記検査用電極（Ｔ）との間の電圧を監視して、前記エミッタ信号用ボンディングワイヤ（７Ｔ）の劣化を検出する劣化検出手段（１３）と
   を備えたことを特徴とするボンディングワイヤ劣化検出装置。
2. 前記検査用電極（Ｔ）には複数の前記エミッタ信号用ボンディングワイヤ（７Ｔａ〜７Ｔｄ）が接続されていることを特徴とする請求項１に記載のボンディングワイヤ劣化検出装置。
3. 前記検査用電極（Ｔ）に接続されるエミッタ信号用ボンディングワイヤ（７Ｔ、７Ｔａ〜７Ｔｄ）は、前記半導体素子（５）の中央付近に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のボンディングワイヤ劣化検出装置。
4. 基板（３）と前記基板（３）上に実装された半導体素子（５）とを接続するボンディングワイヤの劣化を検出するボンディングワイヤ劣化検出方法において、
   前記基板（３）のエミッタ電極（Ｅｂ）と前記半導体素子（５）のエミッタ電極（Ｅ）とを接続するエミッタ信号用ボンディングワイヤ（７Ｔ）を、前記半導体素子（５）のエミッタ電極（Ｅ）から前記基板（３）のエミッタ電極（Ｅｂ）とは反対方向に延長して接続された検査用電極（Ｔ）と、前記半導体素子（５）のケルビンエミッタ電極（ＫＥ）に接続された前記基板（３）のケルビンエミッタ電極（ＫＥｂ）との間の電圧を検出する電圧検出ステップと、
   前記電圧検出ステップで検出された前記基板（３）のケルビンエミッタ電極（ＫＥｂ）と前記検査用電極（Ｔ）との間の電圧を監視して、前記エミッタ信号用ボンディングワイヤ（７Ｔ）の劣化を検出する劣化検出ステップと
   を含むことを特徴とするボンディングワイヤ劣化検出方法。

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