JP2021196341A - パワーサイクル試験装置およびパワーサイクル試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パワーオン時に発生する内部応力の発生部位を自在に制御できるパワーサイクル試験装置およびパワーサイクル試験方法を提供する。【解決手段】熱ストレスを付与することで、パワー半導体装置１のパワーサイクル試験を行うパワーサイクル試験装置５０である。パワー半導体装置１を発熱させる発熱用電源２と、発熱用電源２がパワー半導体装置１に電流を流しているパワーオン期間中に、パワー半導体装置１を冷却するための冷却液が流れる第１冷却液循環経路２１と、発熱用電源２がパワー半導体装置１に電流を流していないパワーオフ期間中に、冷却液が流れる、パワー半導体装置１を経由して冷却液が流れる箇所が前記第１冷却液循環経路２１とは異なる、第２冷却液循環経路２０と、を備える。【選択図】図１

Description

この発明は、パワーサイクル試験装置およびパワーサイクル試験方法に関する。

パワーエレクトロニクス機器に搭載されるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）等のパワー半導体素子を搭載したパワー半導体モジュールは、大電流の制御を行うことによって発熱量が多いため、熱的耐久性が求められる。パワーエレクトロニクス機器を使用している間、パワー半導体モジュールには、電気的な負荷および熱的な負荷が繰り返し加わる。この場合、パワー半導体モジュールにおいて熱ストレスが最も集中する実装部分、具体的には、パワー半導体素子のワイヤボンディング部分およびはんだ接合部分に熱ストレスによる亀裂が発生することがある。このような亀裂の発生は、パワー半導体モジュールの動作寿命が短くなる一因である。

そこで、パワー半導体モジュールの信頼性の評価試験として、パワー半導体モジュールに電流を流す状態と流さない状態とを繰り返すことにより、パワー半導体モジュールの温度を予め定められた範囲内において繰り返し昇温および降温させるパワーサイクル試験が行われ、パワー半導体モジュールが熱ストレスによって故障に至る推移が評価される。

図７は、従来のパワーサイクル試験装置の構成図である。パワーサイクル試験を行うパワーサイクル試験装置１５０は、発熱用電源１０２、冷却液パイプ１０３、熱交換機１０４、冷却装置１０５、冷媒循環ポンプ１０７、弁１０９、タンク１４０を備えている。パワーサイクル試験では、パワー半導体モジュール１０１、例えば、ＩＧＢＴを搭載したＩＧＢＴモジュールに発熱用電源１０２から電流を流し、パワーオンさせ発熱させた後、電流を止め、パワーオフさせ、パワー半導体モジュール１０１に熱ストレスを与えて、故障寿命の評価を行っている。パワーオンおよびパワーオフの間、冷却液パイプ１０３中に冷却液を冷媒循環ポンプ１０７で循環させ、パワー半導体モジュール１０１を冷却し、また、パワー半導体モジュール１０１により、加熱された冷却液を、熱交換機１０４を通して冷却装置１０５で冷却している。冷却液は、冷却液循環路（符号１２０で示す矢印が連続する経路）を経由するようになる。

この際、実際に使用されている間に発生する故障モードによる寿命を評価することが必要であり、使用状況を再現した負荷状態をパワー半導体モジュール１０１に与えることによって、その評価を行うことが可能となる。このため、従来のパワーサイクル試験装置では、温度変化をごく短い周期で繰り返すことによって短時間で使用状況を再現した故障を発生させ、問題の摘出から解決までの時間短縮を図ることが行われている。

また、チラーと、試験ユニットと、制御ラックとを有し、チラーは、水温管理部と循環水パイプとを具備し、水温管理部により循環水パイプ内の水を水温−１０〜１００℃に制御して試験ユニットに供給し、定電流源により、試験ユニットの試験用ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間に測定用電流を流し、チラーを制御して水冷プレートにより、試験用ＩＧＢＴを加熱・冷却するパワーサイクル試験装置が知られている（下記、特許文献１参照）。

特開２０１４−２０８９２号公報

ここで、パワーサイクル試験での評価期間短縮のためには早期に故障させる必要があり、そのためには加熱のためにパワー半導体チップに大きな電流を流したり、冷媒の供給を制限したりする方法がある。しかし、これらの条件の違いによってパワー半導体モジュール内部に発生する熱歪みの分布が変化することで、故障部位が実際の使用で発生するものと異なってしまったり、寿命が正しく評価できないケースが発生することがある。

一例として、直接水冷式パワー半導体モジュールのパワーサイクル試験において、一定の水冷を行いながら試験を実施すると半導体チップの発熱だけではパワー半導体モジュール全体に十分に温度変化を与えることができず、半導体チップから離れた接合部の疲労破壊が生じにくいため半導体チップやチップ周辺の封止樹脂が先に破壊してしまうという問題がある。また、温度変化を与えるために冷却液を止めたり抜いたりすると、冷却器が先に破壊してしまうため、パワー半導体モジュールの疲労破壊に至らないという問題がある。

図８は、従来のパワーサイクル試験装置によるＩＧＢＴモジュール各部の温度変化を示すグラフである。図８において、Ｔｊは、ＩＧＢＴチップの温度であり、Ｔｃ１は、ＩＧＢＴチップ直下のベースプレートの位置での温度であり、Ｔｃ２は、キャリアコーナー部での温度である。また、ΔＴｃ１、ΔＴｃ２は、それぞれＩＧＢＴチップを発熱させた前後での、ＩＧＢＴチップ直下のベースプレートの位置、キャリアコーナー部での温度差を示している。

図８に示すように、パワーオン時、ＩＧＢＴチップは発熱により、１４０℃近くにまで加熱され、ＩＧＢＴチップ直下のベースプレートの位置では８０℃近く加熱されているのに対して、キャリアコーナー部では２５℃程度しか加熱されていない。このように、従来のパワーサイクル試験では、試験中は冷却液により、ＩＧＢＴモジュールを常に冷却しているため、パワーオン時に半導体チップは加熱されるが、半導体チップから離れたキャリアコーナー部等では、十分に加熱されない。このため、半導体チップから離れたキャリアコーナー部等の温度変化が十分ではなく、半導体チップ下部に設けられたキャリア下のはんだの寿命評価が難しいという問題がある。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、パワーオン時に発生する内部応力の発生部位を自在に制御して実際の使用状況を再現して試験できるパワーサイクル試験装置およびパワーサイクル試験方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかるパワーサイクル試験装置は、次の特徴を有する。熱ストレスを付与することで、パワー半導体装置のパワーサイクル試験を行うパワーサイクル試験装置である。パワーサイクル試験装置は、前記パワー半導体装置を発熱させる発熱用電源と、前記発熱用電源が前記パワー半導体装置に電流を流しているパワーオン期間中に、前記パワー半導体装置を冷却するための冷却液が流れる第１冷却液循環経路と、前記発熱用電源が前記パワー半導体装置に電流を流していないパワーオフ期間中に前記冷却液が流れる、前記パワー半導体装置を経由して前記冷却液が流れる箇所が前記第１冷却液循環経路とは異なる、第２冷却液循環経路と、を備える。

また、この発明にかかるパワーサイクル試験装置は、上述した発明において、前記冷却液を冷却する冷却装置を備え、前記第１冷却液循環経路では、前記冷却液が前記冷却装置を経由せずに流れ、前記第２冷却液循環経路では、前記冷却液が前記冷却装置を経由して流れることを特徴とする。

また、この発明にかかるパワーサイクル試験装置は、上述した発明において、前記第１冷却液循環経路内を流れる前記冷却液の液量は、前記第２冷却液循環経路内を流れる前記冷却液の液量より少ないことを特徴とする。

また、この発明にかかるパワーサイクル試験装置は、上述した発明において、前記パワーオン期間に、前記第１冷却液循環経路内を流れる前記冷却液の液量を調整する液量調整装置をさらに備えることを特徴とする。

また、この発明にかかるパワーサイクル試験装置は、上述した発明において、前記第２冷却液循環経路と前記冷却装置を経由して前記冷却液が流れる箇所が共通している、第３冷却液循環経路を備え、前記パワーオフ期間の初期から一定期間中、前記冷却液が前記第３冷却液循環経路内を流れ、前記第２冷却液循環経路の前記パワー半導体装置を経由する前記冷却液の流量が、前記冷却液が前記第３冷却液循環経路内を流れない時より少ないことを特徴とする。

また、この発明にかかるパワーサイクル試験装置は、上述した発明において、前記第１冷却液循環経路には、前記冷却装置を経由しない経路に第１切替弁を有し、前記第２冷却液循環経路には、前記冷却装置を経由する経路に第２切替弁を有することを特徴とする。

また、この発明にかかるパワーサイクル試験装置は、前記第１冷却液循環経路と前記第２冷却液循環経路とに共通する経路に循環ポンプを備えたことを特徴とする。

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかるパワーサイクル試験方法は、次の特徴を有する。熱ストレスを付与することで、パワー半導体装置のパワーサイクル試験を行うパワーサイクル試験方法である。まず、前記パワー半導体装置に電流を流しているパワーオン期間中に、前記パワー半導体装置を冷却するための冷却液を第１冷却液循環経路に流す第１ステップを行う。次に、前記パワー半導体装置に電流を流していないパワーオフ期間中に、前記パワー半導体装置を経由して前記冷却液が流れる箇所が前記第１冷却液循環経路とは異なる、第２冷却液循環経路に、前記冷却液を流す第２ステップを行う。

また、この発明にかかるパワーサイクル試験方法は、上述した発明において、前記第１冷却液循環経路内を流れる前記冷却液の液量は、前記第２冷却液循環経路内を流れる前記冷却液の液量より少ないことを特徴とする。

また、この発明にかかるパワーサイクル試験方法は、上述した発明において、前記第１ステップでは、前記冷却液を冷却する冷却装置を経由せずに前記冷却液を流し、前記第２ステップでは、前記冷却装置を経由して前記冷却液を流すことを特徴とする。

また、この発明にかかるパワーサイクル試験方法は、上述した発明において、前記第１ステップでは、前記第１冷却液循環経路内を流れる前記冷却液の液量を調整する液量調整装置により、前記パワーオン期間に前記冷却液の液量を調整することを特徴とする。

また、この発明にかかるパワーサイクル試験方法は、上述した発明において、前記第２ステップでは、前記パワーオフ期間の初期から一定期間中、前記冷却装置を経由して前記冷却液が流れる箇所が前記第２冷却液循環経路と共通している第３冷却液循環経路に前記冷却液を流すことで、前記第２冷却液循環経路の前記パワー半導体装置を経由する前記冷却液の流量を、前記第３冷却液循環経路内に前記冷却液を流さない時に比べて少なくすることを特徴とする。

また、この発明にかかるパワーサイクル試験方法は、上述した発明において、前記第１ステップでは、前記冷却液を冷却する冷却装置を経由しない経路上の第１切替弁を開け、前記冷却装置を経由する経路上の第２切替弁を閉め、前記第２ステップでは、前記第１切替弁を閉め、前記第２切替弁を開けることを特徴とする。

本発明にかかるパワーサイクル試験装置およびパワーサイクル試験方法によれば、パワーオン時に発生する内部応力の発生部位を自在に制御できるという効果を奏する。

実施の形態１にかかるパワーサイクル試験装置の構成図である。 パワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。 実施の形態１にかかるパワーサイクル試験装置の加熱冷却制御タイムチャートである。 実施の形態１にかかるパワーサイクル試験装置によるＩＧＢＴモジュール各部の温度変化を示すグラフである（その１）。 実施の形態１にかかるパワーサイクル試験装置によるＩＧＢＴモジュール各部の温度変化を示すグラフである（その２）。 実施の形態２にかかるパワーサイクル試験装置の構成図である。 従来のパワーサイクル試験装置の構成図である。 従来のパワーサイクル試験装置によるＩＧＢＴモジュール各部の温度変化を示すグラフである。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかるパワーサイクル試験装置およびパワーサイクル試験方法の好適な実施の形態１を詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１にかかるパワーサイクル試験装置の構成図である。図１に示すパワーサイクル試験装置５０は、試験対象であるパワー半導体モジュール１を加熱するための発熱用電源２と、パワー半導体モジュール１を冷却するための冷却液が循環する冷却液パイプ３と、冷却液の熱を移動させる熱交換機４と、熱交換機４を介して冷却液を冷却する冷却装置５と、冷却液を循環させる複数の冷媒循環ポンプ７、８と、冷却液の循環を開始、終了、または、冷却液の循環経路を変更するための複数の弁９〜１２、１５と、タンク４０と、を備えている。図１では、パワー半導体モジュール１が２台の場合を示す。冷却液の循環経路は、２台のパワー半導体モジュール１に並列に冷却液が流れるように設けられているが、並列でなくてもよい。１台のパワー半導体モジュール１に１台の発熱用電源２が設けられているが、２台のパワー半導体モジュール１に１台の発熱用電源２を設けてもよい。また、試験対象であるパワー半導体モジュール１は２台以外であってもよい。タンク４０に貯槽された冷却液は、冷却液循環ポンプ７によりタンク４０底部より冷却パイプ３に引き込まれ冷却装置５で冷却後にタンク４０へ戻る。

図２は、パワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。パワー半導体モジュール１は、パワー半導体チップ３０と、絶縁基板３３と、導電性板３２と、ベースプレート３４と、冷却フィン３５と、を備える。パワー半導体チップ３０は、ＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体チップであり、銅（Ｃｕ）などの導電性板３２上に搭載される。ＳｉＮ等の絶縁基板３３のおもて面および裏面に導電性板３２が備えられる。パワー半導体チップ３０は、絶縁基板３３のおもて面にはんだ等の接合材３１で接合される。パワー半導体チップ３０は、絶縁基板３３のおもて面に導電性板３２を介して接合されている。絶縁基板３３の裏面にはベースプレート３４が接合材３１で接合され、ベースプレート３４には、放熱用の冷却フィン３５が設けられている。ベースプレート３４は、絶縁基板３３の裏面に導電性板３２を介して接合されている。

発熱用電源２は、例えば、パワー半導体チップ３０がＩＧＢＴの場合、ゲート電位を高電位に設定して、ゲートをオンの状態にして、コレクタ−エミッタ間に電流を流して、パワー半導体チップ３０を発熱させる装置である。パワーサイクル試験中は、ゲートを常にオンの状態にしておく。熱交換機４は、温度の高い流体から低い流体へ熱エネルギーを移動させる装置である。冷却装置５は、パワー半導体モジュール１により加熱された冷却液について熱交換機４を介して冷却する装置である。例えば、水（液）を循環させて目的の試料や装置（装置の一部）を冷却または加熱、温度制御するチラー（冷却液循環装置）である。この場合、冷却液パイプ３の冷却液の熱エネルギーを熱交換機４でチラー内の冷却液へ移動させ、冷却液パイプ３の冷却液を冷却する。放熱用の冷却フィン３５は、冷却液パイプ３の冷却液に浸漬しており、この冷却液により、パワー半導体モジュール１が冷却される。

また、冷媒循環ポンプ７、８は、冷却液パイプ３内に冷却液を循環させるためのポンプであり、パワーサイクル試験中、冷媒循環ポンプ７、８により、冷却液パイプ３は常に冷却液が循環している。また、１台用切替調節弁９は、閉めることにより冷却液の流れを遮断して、開けることにより冷却液の流れを通過させることができ、さらに、冷却液の液量を調節することも可能である。また、加熱冷却切替弁１０は、三方弁となっており、冷却液の流れる方向を変更することができる。例えば、加熱冷却切替弁１０は、弁を切り替えることにより、冷却液を図１のＡ方向（パワー半導体モジュール１から熱交換機４の方向）のみに流すこと、または、Ｂ方向（対向する加熱冷却切替弁１０から熱交換機４の方向）のみに流すことが可能になっている。初期冷却強度切替調節弁１１および１台用切替調節弁１２は、１台用切替調節弁９と同様の機能を有している。１台用切替調節弁９、初期冷却強度切替調節弁１１および１台用切替調節弁１２は、電磁弁であることが好ましい。

実施の形態１のパワーサイクル試験装置５０では、パワー半導体チップ３０に発熱用電源２から電流を流しているパワーオンによる加熱時と、パワー半導体チップ３０に発熱用電源２から電流を流さないパワーオフ時とでは、パワー半導体モジュール１の冷却に寄与する冷却液の循環経路を異なる経路に切り替えている。

図３は、実施の形態１にかかるパワーサイクル試験装置の加熱冷却制御タイムチャートである。パワーサイクル試験開始前は、初期冷却強度切替調節弁１１、１台用切替調節弁９および１台用切替調節弁１２は閉じたままであり、加熱冷却切替弁１０は、冷却液はＡ方向に流れるようになっている。パワーサイクル試験方法では、まず、冷媒循環ポンプ７で冷却液パイプ３中に冷却液を循環させる。なお、後で説明する初期冷却強度切替調節弁１１、１台用切替調節弁９および１台用切替調節弁１２は、閉じたままにしている。この際、加熱時循環ポンプ８も冷却液を循環していてよい。

次に、パワーサイクル試験の加熱開始時に、２台の加熱冷却切替弁１０を冷却液が図１のＢ方向に流れるように同時に開いた状態となり、冷媒循環ポンプ７および加熱時循環ポンプ８で冷却液を循環させる。この状態では、加熱冷却切替弁１０により、冷却液の循環が分断されるため、パワー半導体モジュール１を通過する冷却液は、加熱中循環路（第１冷却液循環経路、符号２１で示す矢印が連続する経路、以下加熱中循環路２１とする）を経由して、パワー半導体モジュール１を通過しない冷却液は、加熱中循環路（符号２１’で示す矢印が連続する経路、以下加熱中循環路２１’とする）を経由するようになる。この時の加熱中循環路２１および加熱中循環路２１’の冷却液の流量は、例えば、１〜５０リットル／分である。加熱中循環路２１の冷却液の流量と加熱中循環路２１’の冷却液の流量は異なっていてよい。

次に、パワーサイクル試験の加熱期間中、パワー半導体モジュール１に、発熱用電源２から電流を流してパワーオンすることにより、パワー半導体モジュール１を加熱する。この加熱を、所定期間、例えば、６０秒間続ける。

次に、所定期間後、発熱用電源２からの電流を止めパワーオフしパワー半導体モジュール１を冷却する。パワー半導体モジュール１の冷却は、２台の加熱冷却切替弁１０を冷却液が図１のＡ方向に流れるように同時に開き、冷媒循環ポンプ７で冷却液を循環させる。この際、加熱時循環ポンプ８も冷却液を循環していてもよい。この状態では、冷却液はパワー半導体モジュール１から熱交換機４に行くことができ、冷却液は冷却中循環路（第２冷却液循環経路、符号２０で示す矢印が連続する経路、以下冷却中循環路２０とする）を経由するようになる。この時の冷却中循環路２０の冷却液の流量は、例えば、１〜５０リットル／分である。

パワーオフからの一定期間中には、初期冷却強度切替調節弁１１を開いてもよい。パワーオフからの一定期間とは、例えば２０秒間である。この状態では、パワー半導体モジュール１が存在する経路に加え、初期冷却強度切替調節弁１１が存在する経路にも冷却液が流れることができるため、パワー半導体モジュール１が存在する経路を通過する冷却液の流量を減らすことができる。これによって、急激な温度変化によって故障モードが変わってしまうのを防ぐことができる。初期冷却強度切替調節弁１１を通過する冷却液は、初期冷却時循環路（第３冷却液循環経路、符号２２で示す矢印が連続する経路、以下初期冷却時循環路２２とする）を経由するようになる。

この後、上記の発熱用電源２によりパワー半導体モジュール１のパワーオン、パワーオフを行い、上記した加熱と冷却を繰り返す。パワーオンおよびパワーオフは、パワー半導体モジュール１が故障するまで繰り返す。パワー半導体モジュール１の故障を検出したら、発熱用電源２によりパワーオフを行い、試験を終了する。図３の例では、最初の加熱から、２７０秒後にパワー半導体モジュール１が故障して、試験が終了している。ここで、パワー半導体モジュール１の故障は、例えば、パワー半導体モジュール１にかかる電圧が急激に変化する、パワー半導体モジュール１の温度が変化しなくなる等により後述する制御装置で検出することができる。

図１に示すように、加熱中循環路２１の経路は、冷却中循環路２０の経路および初期冷却時循環路２２の経路より短い。このため、発熱用電源２によるパワーオン中に冷却液が流れる加熱中循環路２１は、冷却中循環路２０および初期冷却時循環路２２より、循環路中の冷却液の液量が少なくなっている。

このように、実施の形態１では、発熱用電源２によるパワーオン中と、発熱用電源２によるパワーオフ中では、冷却液の流れる経路を変更している。このため、発熱用電源２によるパワーオン中は、パワー半導体チップ３０の発熱によって冷却液を含めたパワー半導体モジュール１の温度が所定の時間で所定の温度まで上昇するのに見合う冷却液を循環させることができる。図１の例は、発熱用電源２によるパワーオン中、パワー半導体モジュール１を通過する冷却液は、加熱中循環路２１を経由して、冷却装置５を経由していない。一方、パワー半導体モジュール１を通過しない冷却液は、加熱中循環路２１’を経由して、冷却装置５を経由している。これにより、パワー半導体モジュール１を通過する冷却液は、冷却装置５により冷却液が冷却されることがないため、パワー半導体モジュール１の温度を所定の温度まで上昇させる時間を短くすることができる。

発熱用電源２によるパワーオフ中には、パワー半導体モジュール１の温度が所定の時間で所定の温度まで低下するのに見合う冷却液の液量を循環させることができる。図１の例では、冷却中循環路２０で、冷却装置５により冷却された冷却液を循環させることで、また加熱中循環路２１より冷却液の液量を多くすることで、パワー半導体モジュール１の温度を所定の時間で所定の温度に下げることができる。所定の温度は、例えば２２℃である。この際、冷却強度調整弁１５に流れる冷却液の量を調節し、冷却の強さを調節してもよい。冷却強度調整弁１５に流れる冷却液の量を多くすると、冷却装置５に流れる冷却液の量が少なくなり、冷却が弱くなり、冷却強度調整弁１５に流れる冷却液の量を少なくすると、冷却装置５に流れる冷却液の量が多くなり、冷却が強くなる。

また、パワーオフからの一定期間中に、初期冷却強度切替調節弁１１を開いて、初期冷却時循環路２２で冷却液の一部を循環させ、一時的にパワー半導体モジュール１を流れる冷却液の流量を制限してもよい。この場合、冷却装置５および熱交換器４により冷却された冷却液が流れる量を少なくできるため、パワー半導体モジュール１の温度を急激に低下させることを防止することができる。

また、冷却中循環路２０より少ない冷却液が加熱中循環路２１を循環することで、パワー半導体モジュール１の温度が上昇しやすくなり、パワー半導体チップ３０以外の部分でも温度を上昇させることができる。ここで、冷却液の量を少量として温度変化しやすくするとパワー半導体モジュール１全体で温度が上昇する一方、冷却液の量を多量とするとパワー半導体チップ３０にごく近い部分だけが大きく温度上昇する。このため、冷却液の液量の多少と付加する熱量によって、パワー半導体モジュール１内部の熱応力の発生する部位を制御することが可能である。

また、実施の形態１にかかるパワーサイクル試験装置５０は、液量調節容器６を備えていてもよい。液量調節容器６の内容量を変更することにより、パワーオン中の冷却液の循環路中の液量を変更できるようになる。この液量変更によって冷却液の温度の変化レートを調節することでパワー半導体モジュール１内部での熱広がりを調節して、内部応力の発生状況をコントロールすることが可能になる。

例えば、液量調節容器（液量調整装置）６は、加熱中循環路２１中に適当な容量の容器（フィルターハウジング等）を接続することで実現できる。０．３〜１リットル程度の間の容量の異なる複数の容器を用意しておいて、冷却液の温度の変化レートに適切な容量を選択することができる。また、容器中に樹脂製の玉を入れ、容量を小さくして冷却液の温度の変化レートを微調整することもできる。また、液量調節容器６は、加熱中循環路２１中に適当な長さのホースを接続することでも実現できる。ホースの太さ・長さで液量調節容器６の容量を調節することができる。

図４および図５は、実施の形態１にかかるパワーサイクル試験装置によるＩＧＢＴモジュール各部の温度変化を示すグラフである。図４は、パワーオンによる加熱中の冷却液の循環量が少ない場合の温度変化を示し、図５は、パワーオンによる加熱中の冷却液の循環量が図４より多い場合の温度変化を示す。図４および図５では、パワー半導体モジュール１として、ＩＧＢＴモジュールを用いて、接合材３１として、はんだを用いた場合の例である。

図４および図５で、横軸は、パワーサイクル試験開始からの時間を示し、単位は秒である。縦軸は、冷却液およびパワー半導体モジュール１の各部の温度を示し、単位は℃である。パワー半導体モジュール１の各部の温度は、パワー半導体チップ３０の温度Ｔｊ、パワー半導体モジュール１直下のベースプレート３４の温度Ｔｃ１、キャリアコーナー部の温度Ｔｃ２を示す。ここで、半導体モジュール１直下のベースプレート３４は、図２のＡで示す位置であり、キャリアコーナー部とは、半導体モジュール１を搭載した絶縁基板３３の端部であり、例えば、絶縁基板３３の裏面に設けられた接合材３１の端部であり、図２のＢで示す位置である。パワー半導体モジュール１直下のベースプレート３４の温度Ｔｃ１の加熱開始時から加熱終了時までの温度変化をΔＴｃ１で示し、キャリアコーナー部の温度Ｔｃ２の加熱開始時から加熱終了時までの温度変化をΔＴｃ２で示す。パワー半導体モジュール１を加熱する発熱用電源２から流れる電流は、評価したい部位が所望の温度になるよう適宜調整してもよい。例えば、発熱用電源２から流れる電流は、パワー半導体モジュール１のパワー半導体チップ３０の温度Ｔｊが１４０℃以下になるよう調整する。

図４に示すように、パワーオンによる加熱中の冷却液は熱交換機４を経由しないため、冷却液の液量を少なくすると冷却液温度が上昇して冷却液温度の変動幅が大きくなり、パワー半導体チップ３０から離れたキャリアコーナー部等の温度変化量も大きくなる。図４の例では、キャリアコーナー部の温度変化ΔＴｃ２は、５０℃と大きくなっている。このため、キャリア下接合部への熱ストレスを十分に与えることが可能となり、接合材３１のはんだ寿命の評価に適した試験条件が得られる。

図５に示すように、パワーオンによる加熱中の冷却液の循環量を調節することにより、パワー半導体モジュール１内の特定の部位に絞って温度変化量を調節することができる。例えば、液量調節容器６の容量を大きくして、冷却液の液量を増やすことで温度変化量を調節することができる。図５の例では、キャリアコーナー部の温度変化ΔＴｃ２は、３０℃と図４の場合より小さくなっている。このため、キャリアコーナー部以外の他の部位にストレスを十分に与え、この部位の試験を行うことができる。

上述の例では、キャリアコーナー部のはんだ寿命の評価を行っていたが、パワーサイクル試験では、他の部分のはんだ寿命の評価も行うことができる。例えば、パワー半導体チップ３０と導電性板３２との間の接合材３１のはんだ寿命の評価も行うことができる。また、図２には記載されていないが、パワー半導体チップ３０とリードフレーム（不図示）とを接合するはんだの寿命の評価も行うことができる。

また、図１では、パワー半導体モジュール１が２台の場合のパワーサイクル試験装置５０を示している。しかしながら、パワー半導体モジュール１が１台のパワーサイクル試験を行うことも可能である。例えば、パワー半導体モジュール１が１台の場合は、２台並列に接続した場合よりも冷却液の流量が大きくなるため、冷却時に１台用切替調節弁９を閉じて１台用切替調節弁１２を開いて、加熱時に１台用切替調節弁９を開いて１台用切替調節弁１２を閉じることで、パワー半導体モジュール１に流れる冷却液の流量を減らし、パワー半導体モジュール１が２台の場合の冷却液の流量とほぼ同じにすることにより試験精度をより向上できる。

また、パワーサイクル試験装置５０は、コンピュータが搭載された制御装置（不図示）を備え、制御装置により発熱用電源２を制御して、パワー半導体モジュール１をパワーオン、パワーオフすることができる。また、制御装置により、冷媒循環ポンプ７、加熱時循環ポンプ８、１台用切替調節弁９、加熱冷却切替弁１０、および初期冷却強度切替調節弁１１等を制御することもできる。また、制御装置は、パワー半導体モジュール１の電圧等を監視して、パワー半導体チップ３０が故障したことを検出することもできる。

以上、説明したように、実施の形態１によれば、パワーオンによる加熱時とパワーオフによる冷却時とで、冷却液の流れる経路を変更している。これにより、パワーオン時のパワー半導体モジュールの加熱が効率的に行える。また、パワー半導体モジュールを通過する冷却液の液量を変更し、パワーオンにより加熱中に、パワー半導体チップの発熱によって冷却液を含めたパワー半導体モジュールの温度が所定の時間で所定の温度まで上昇するのに見合う冷却液を循環させることができる。このため、液量の調節により熱応力が発生する部位を選択することができ、任意の部位の故障耐量を評価することができる。実際の使用状況でモジュール内部に発生する熱応力の分布状態を適切に模擬することができるため、使用状況毎の正確な寿命予測が可能となる。

（実施の形態２）
図６は、実施の形態２にかかるパワーサイクル試験装置の構成図である。図６に示すパワーサイクル試験装置５０は、試験対象であるパワー半導体モジュール１を加熱するための発熱用電源２と、パワー半導体モジュール１を冷却するための冷却液が循環する冷却液パイプ３と、冷却液の熱を移動させる熱交換機４と、熱交換機４を介して冷却液を冷却する冷却装置５と、冷却液を循環させる循環ポンプ４２と、冷却液の循環経路を変更するための複数の弁１３〜１５と、を備えている。図６では、パワー半導体モジュール１が２台の場合を示す。冷却液の循環経路は、２台のパワー半導体モジュール１に並列に冷却液が流れるように設けられているが、並列でなくてもよい。１台のパワー半導体モジュール１に１台の発熱用電源２が設けられているが、２台のパワー半導体モジュール１に１台の発熱用電源２を設けてもよい。また、試験対象であるパワー半導体モジュール１は２台以外であってもよい。

パワー半導体チップ３０の構成、発熱用電源２、熱交換機４および冷却装置５は、実施の形態１と同じであるため、詳細な説明は省略する。第１加熱冷却切替弁１３および第２加熱冷却切替弁１４は、閉めることにより冷却液の流れを遮断して、開けることにより冷却液の流れを通過させることができる。これらの弁は、電磁弁であることが好ましい。第１加熱冷却切替弁１３は、冷却装置５を経由しない経路上に設けられ、第２加熱冷却切替弁１４は、冷却装置５を経由する経路上に設けられる。循環ポンプ４２は、冷却中循環経路２０と加熱中循環経路２１とに共通する経路に配置され、冷却液をタンク４０の底部からパイプ３に引き込み、第１加熱冷却切替弁１３もしくは第２加熱冷却切替弁１４を経由してタンク４０へ戻す。

実施の形態２のパワーサイクル試験装置５０では、実施の形態１と同様に、パワー半導体チップ３０に発熱用電源２から電流を流しているパワーオンによる加熱時と、パワー半導体チップ３０に発熱用電源２から電流を流さないパワーオフ時とでは、パワー半導体モジュール１の冷却に寄与する冷却液の循環経路を異なる経路に切り替えている。

実施の形態２では、パワーサイクル試験開始前は、第１加熱冷却切替弁１３は閉じたままであり、第２加熱冷却切替弁１４は開けたままであり、冷却液は冷却中循環路２０を流れるようになっている。パワーサイクル試験方法では、まず、循環ポンプ４２で冷却液パイプ３中に冷却液を循環させる。冷却中循環路２０の冷却液の流量は、例えば、２〜２０リットル／分である。なお、後で説明する冷却強度調整弁１５は、閉じたままにしている。

次に、パワーサイクル試験の加熱開始時に、第１加熱冷却切替弁１３を開き、第２加熱冷却切替弁１４を閉じる。これにより、冷却液は加熱中循環路２１を循環する。加熱中循環路２１を冷却液が循環する際も循環ポンプ４２により循環させる。

次に、パワーサイクル試験の加熱期間中、パワー半導体モジュール１に、発熱用電源２から電流を流してパワーオンすることにより、パワー半導体モジュール１を加熱する。この加熱を、所定期間、例えば、６０秒間続ける。

次に、所定期間後、発熱用電源２からの電流を止めパワーオフしパワー半導体モジュール１を冷却する。パワー半導体モジュール１の冷却は、第１加熱冷却切替弁１３を閉め、第２加熱冷却切替弁１４を開けることにより、循環ポンプ４２で冷却液を冷却中循環路２０に循環させる。この際、冷却強度調整弁１５に流れる冷却液の量を調節し、冷却の強さを調節してもよい。冷却強度調整弁１５に流れる冷却液の量を多くすると、冷却装置５に流れる冷却液の量が少なくなり、冷却が弱くなり、冷却強度調整弁１５に流れる冷却液の量を少なくすると、冷却装置５に流れる冷却液の量が多くなり、冷却が強くなる。

この後、上記の発熱用電源２によりパワー半導体モジュール１のパワーオン、パワーオフを行い、上記した加熱と冷却を繰り返す。パワーオンおよびパワーオフは、パワー半導体モジュール１が故障するまで繰り返す。パワー半導体モジュール１の故障を検出したら、発熱用電源２によりパワーオフを行い、試験を終了する。

図６に示すように、加熱中循環路２１の経路は、冷却中循環路２０の経路より短い。このため、発熱用電源２によるパワーオン中に冷却液が流れる加熱中循環路２１は、冷却中循環路２０より、循環路中の冷却液の液量が少なくなっている。

このように、実施の形態２では、パワーオンによる加熱時とパワーオフによる冷却時とで、冷却液の流れる経路を変更している。このため、発熱用電源２によるパワーオン中は、パワー半導体チップ３０の発熱によって冷却液を含めたパワー半導体モジュール１の温度が所定の時間で所定の温度まで上昇するのに見合う冷却液を循環させることができる。図６の例は、発熱用電源２によるパワーオン中、パワー半導体モジュール１を通過する冷却液は、加熱中循環路２１を経由して、冷却装置５を経由していない。これにより、パワー半導体モジュール１を通過する冷却液は、冷却装置５により冷却されることがないため、パワー半導体モジュール１の温度を所定の温度まで上昇させる時間を短くすることができる。

また、冷却中循環路２０より少ない冷却液が加熱中循環路２１を循環することで、パワー半導体モジュール１の温度が上昇しやすくなり、パワー半導体チップ３０以外の部分でも温度を上昇させることができる。

ここで、冷却液の量を少量として温度変化しやすくするとパワー半導体モジュール１全体で温度が上昇する一方、冷却液の量を多量とするとパワー半導体チップ３０にごく近い部分だけが大きく温度上昇する。このため、冷却液の液量の多少と付加する熱量によって、パワー半導体モジュール１内部の熱応力の発生する部位を制御することが可能である。

発熱用電源２によるパワーオフ中には、パワー半導体モジュール１の温度が所定の時間で所定の温度まで低下するのに見合う冷却液の液量を循環させることができる。図６の例では、冷却中循環路２０で、冷却装置５により冷却された冷却液を循環させることで、また、加熱中循環路２１より冷却液の液量を多くすることで、パワー半導体モジュール１の温度を所定の時間で所定の温度に下げることができる。所定の温度は、例えば２２℃である。

また、実施の形態２にかかるパワーサイクル試験装置５０は、液量調節容器６を備えていてもよい。液量調節容器６の内容量を変更することにより、パワーオン中の冷却液の循環路中の液量を変更できるようになる。この液量変更によって冷却液の温度の変化レートを調節することでパワー半導体モジュール１内部での熱広がりを調節して、内部応力の発生状況をコントロールすることが可能になる。

例えば、液量調節容器（液量調整装置）６は、加熱中循環路２１中に適当な容量の容器（フィルターハウジング等）を接続することで実現できる。０．３〜１リットル程度の間の容量の異なる複数の容器を用意しておいて、冷却液の温度の変化レートに適切な容量を選択することができる。また、容器中に樹脂製の玉を入れ、容量を小さくして冷却液の温度の変化レートを微調整することもできる。また、液量調節容器６は、加熱中循環路２１中に適当な長さのホースを接続することでも実現できる。ホースの太さ・長さで液量調節容器６の容量を調節することができる。

また、パワーサイクル試験装置５０は、コンピュータが搭載された制御装置（不図示）を備え、制御装置により発熱用電源２を制御して、パワー半導体モジュール１をパワーオン、パワーオフすることができる。また、制御装置により、循環ポンプ４２、第１加熱冷却切替弁１３、第２加熱冷却切替弁１４および冷却強度調整弁１５等を制御することもできる。また、制御装置は、パワー半導体モジュール１の電圧等を監視して、パワー半導体チップ３０が故障したことを検出することもできる。

以上、説明したように、実施の形態２によれば、パワーオンによる加熱時とパワーオフによる冷却時とで、冷却液の流れる経路を変更している。これにより、実施の形態１と同様の効果を有する。実施の形態２にかかるパワーサイクル試験装置は、従来のパワーサイクル試験装置に第１加熱冷却切替弁を追加することで、実現できる。このため、実施の形態１よりも低コストで実現することができる。また、実施の形態１では、ポンプを２台使用していたが、実施の形態２では、ポンプが１台であるため、低コストで実現することができる。以上の実施の形態では、加熱中循環路２０と冷却中循環路２１で液量を変えるものについて説明したが、加熱中循環路２０と冷却中循環路２１で液量が同じであってもよい。

以上において本発明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であり、上述した各実施の形態において、例えば各部の寸法や不純物濃度等は要求される仕様等に応じて種々設定される。また、上述した各実施の形態では、ＩＧＢＴを例に説明しているが、ＭＯＳＦＥＴ等の他の半導体装置にも適用可能である。

以上のように、本発明にかかるパワーサイクル試験装置およびパワーサイクル試験方法は、インバータなどの電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置や自動車のイグナイタなどに使用されるパワー半導体装置に有用である。

１、１０１ パワー半導体モジュール
２、１０２ 発熱用電源
３、１０３ 冷却液パイプ
４、１０４ 熱交換機
５、１０５ 冷却装置
６ 液量調節容器
７、１０７ 冷媒循環ポンプ
８ 加熱時循環ポンプ
９ １台用切替調節弁
１０ 加熱冷却切替弁
１１ 初期冷却強度切替調節弁
１２ １台用切替調節弁
１３ 第１加熱冷却切替弁
１４ 第２加熱冷却切替弁
１５ 冷却強度調整弁
２０ 冷却中循環路
２１、２１’ 加熱中循環路
２２ 初期冷却時循環路
３０ パワー半導体チップ
３１ 接合材
３２ 導電性板
３３ 絶縁基板
３４ ベースプレート
３５ 冷却フィン
４０、１４０ タンク
４２ 循環ポンプ
５０、１５０ パワーサイクル試験装置
１０９ 弁
１２０ 冷却液循環路

Claims (13)

1. 熱ストレスを付与することで、パワー半導体装置のパワーサイクル試験を行うパワーサイクル試験装置であって、
   前記パワー半導体装置を発熱させる発熱用電源と、
   前記発熱用電源が前記パワー半導体装置に電流を流しているパワーオン期間中に、前記パワー半導体装置を冷却するための冷却液が流れる第１冷却液循環経路と、
   前記発熱用電源が前記パワー半導体装置に電流を流していないパワーオフ期間中に前記冷却液が流れる、前記パワー半導体装置を経由して前記冷却液が流れる箇所が前記第１冷却液循環経路とは異なる、第２冷却液循環経路と、
   を備えることを特徴とするパワーサイクル試験装置。
2. 前記冷却液を冷却する冷却装置を備え、
   前記第１冷却液循環経路では、前記冷却液が前記冷却装置を経由せずに流れ、
   前記第２冷却液循環経路では、前記冷却液が前記冷却装置を経由して流れることを特徴とする請求項１に記載のパワーサイクル試験装置。
3. 前記第１冷却液循環経路内を流れる前記冷却液の液量は、前記第２冷却液循環経路内を流れる前記冷却液の液量より少ないことを特徴とする請求項１または２に記載のパワーサイクル試験装置。
4. 前記パワーオン期間に、前記第１冷却液循環経路内を流れる前記冷却液の液量を調整する液量調整装置をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のパワーサイクル試験装置。
5. 前記第２冷却液循環経路と前記冷却装置を経由して前記冷却液が流れる箇所が共通している、第３冷却液循環経路を備え、
   前記パワーオフ期間の初期から一定期間中、前記冷却液が前記第３冷却液循環経路内を流れ、
   前記第２冷却液循環経路の前記パワー半導体装置を経由する前記冷却液の流量が、前記冷却液が前記第３冷却液循環経路内を流れない時より少ないことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のパワーサイクル試験装置。
6. 前記第１冷却液循環経路には、前記冷却装置を経由しない経路に第１切替弁を有し、
   前記第２冷却液循環経路には、前記冷却装置を経由する経路に第２切替弁を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のパワーサイクル試験装置。
7. 前記第１冷却液循環経路と前記第２冷却液循環経路とに共通する経路に循環ポンプを備えたことを特徴とする請求項１〜４、６のいずれか一つに記載のパワーサイクル試験装置。
8. 熱ストレスを付与することで、パワー半導体装置のパワーサイクル試験を行うパワーサイクル試験方法であって、
   前記パワー半導体装置に電流を流しているパワーオン期間中に、前記パワー半導体装置を冷却するための冷却液を第１冷却液循環経路に流す第１ステップと、
   前記パワー半導体装置に電流を流していないパワーオフ期間中に、前記パワー半導体装置を経由して前記冷却液が流れる箇所が前記第１冷却液循環経路とは異なる、第２冷却液循環経路に、前記冷却液を流す第２ステップと、
   を含むことを特徴とするパワーサイクル試験方法。
9. 前記第１冷却液循環経路内を流れる前記冷却液の液量は、前記第２冷却液循環経路内を流れる前記冷却液の液量より少ないことを特徴とする請求項８に記載のパワーサイクル試験方法。
10. 前記第１ステップでは、前記冷却液を冷却する冷却装置を経由せずに前記冷却液を流し、
    前記第２ステップでは、前記冷却装置を経由して前記冷却液を流すことを特徴とする請求項８または９に記載のパワーサイクル試験方法。
11. 前記第１ステップでは、前記第１冷却液循環経路内を流れる前記冷却液の液量を調整する液量調整装置により、前記パワーオン期間に前記冷却液の液量を調整することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一つに記載のパワーサイクル試験方法。
12. 前記第２ステップでは、前記パワーオフ期間の初期から一定期間中、前記冷却装置を経由して前記冷却液が流れる箇所が前記第２冷却液循環経路と共通している第３冷却液循環経路に前記冷却液を流すことで、前記第２冷却液循環経路の前記パワー半導体装置を経由する前記冷却液の流量を、前記第３冷却液循環経路内に前記冷却液を流さない時に比べて少なくすることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一つに記載のパワーサイクル試験方法。
13. 前記第１ステップでは、前記冷却液を冷却する冷却装置を経由しない経路上の第１切替弁を開け、前記冷却装置を経由する経路上の第２切替弁を閉め、
    前記第２ステップでは、前記第１切替弁を閉め、前記第２切替弁を開けることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一つに記載のパワーサイクル試験方法。

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