JP2023109224A - Deterioration detection device, power conversion device, and deterioration detection method - Google Patents

Deterioration detection device, power conversion device, and deterioration detection method Download PDF

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Abstract

To detect deterioration of a bonding material under a semiconductor chip with accuracy.SOLUTION: A deterioration detection device comprises: a conductor layer; a semiconductor chip whose rear face is bonded with a front face of the conductor layer with a bonding material; a wire bonded with a front face of the semiconductor chip; a first terminal electrically connected with the rear face of the semiconductor chip via the bonding material and the conductor layer; a second terminal electrically connected with the front face of the semiconductor chip via the wire; a third terminal electrically connected with the bonding material in the vicinity of the semiconductor chip; and a monitoring part that monitors an electric resistance between the first and third terminals, and when the electric resistance becomes larger than a predetermined value, outputs a predetermined signal.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本開示は、劣化検出装置、電力変換装置及び劣化検出方法に関する。 The present disclosure relates to a deterioration detection device, a power conversion device, and a deterioration detection method.

従来、半導体素子に一定のコレクタ電流が流れているときのコレクタ-エミッタ間の電圧Vceを測定し、電圧Vceの測定値と初期値との差が判定値を超えた場合、半導体素子の寿命が近いと判定する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, the collector-emitter voltage Vce is measured when a constant collector current is flowing through the semiconductor element. A technique for determining closeness is known (see Patent Document 1, for example).

特開2011-200033号公報Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2011-200033

しかしながら、上述の電圧Vceの測定値は、半導体チップ下の接合材(例えば、はんだ等)の劣化によって上昇するだけでなく、半導体チップとボンディングワイヤとの接合部の劣化によっても上昇する。そのため、電圧Vceの測定値をモニタする上述の方法では、半導体チップ下の接合材の劣化を精度良く検出できない場合がある。 However, the measured value of the voltage Vce described above increases not only due to deterioration of the bonding material (for example, solder) under the semiconductor chip, but also due to deterioration of the bonding portion between the semiconductor chip and the bonding wire. Therefore, the above-described method of monitoring the measured value of the voltage Vce may not be able to accurately detect the deterioration of the bonding material under the semiconductor chip.

本開示は、半導体チップ下の接合材の劣化を精度良く検出可能な、劣化検出装置、電力変換装置及び劣化検出方法を提供する。 The present disclosure provides a deterioration detection device, a power conversion device, and a deterioration detection method capable of accurately detecting deterioration of a bonding material under a semiconductor chip.

本開示の一態様では、
導体層と、
前記導体層の表面に接合材によって裏面が接合された半導体チップと、
前記半導体チップの表面に接合されたワイヤと、
前記半導体チップの裏面に前記接合材及び前記導体層を介して電気的に接続された第1端子と、
前記半導体チップの表面に前記ワイヤを介して電気的に接続された第2端子と、
前記半導体チップの付近で前記接合材に電気的に接続された第3端子と、
前記第1端子と前記第3端子との間の電気抵抗を監視し、前記電気抵抗が所定値を超えると、所定の信号を出力する監視部と、を備える、劣化検出装置が提供される。
In one aspect of the present disclosure,
a conductor layer;
a semiconductor chip whose back surface is bonded to the surface of the conductor layer with a bonding material;
a wire bonded to the surface of the semiconductor chip;
a first terminal electrically connected to the back surface of the semiconductor chip via the bonding material and the conductor layer;
a second terminal electrically connected to the surface of the semiconductor chip via the wire;
a third terminal electrically connected to the bonding material near the semiconductor chip;
and a monitoring unit that monitors electrical resistance between the first terminal and the third terminal and outputs a predetermined signal when the electrical resistance exceeds a predetermined value.

本開示の他の一態様では、
電力変換用の複数の半導体装置と、
前記複数の半導体装置のスイッチングを制御する制御部と、を備え、
前記複数の半導体装置は、それぞれ、
導体層と、
前記導体層の表面に接合材によって裏面が接合された半導体チップと、
前記半導体チップの表面に接合されたワイヤと、
前記半導体チップの裏面に前記接合材及び前記導体層を介して電気的に接続された第1端子と、
前記半導体チップの表面に前記ワイヤを介して電気的に接続された第2端子と、
前記半導体チップの付近で前記接合材に電気的に接続された第3端子と、を有し、
前記制御部は、前記第1端子と前記第3端子との間の電気抵抗を監視し、前記電気抵抗が所定値を超えると、所定の信号を出力する、電力変換装置が提供される。
In another aspect of the present disclosure,
a plurality of semiconductor devices for power conversion;
a control unit that controls switching of the plurality of semiconductor devices,
Each of the plurality of semiconductor devices includes:
a conductor layer;
a semiconductor chip whose back surface is bonded to the surface of the conductor layer with a bonding material;
a wire bonded to the surface of the semiconductor chip;
a first terminal electrically connected to the back surface of the semiconductor chip via the bonding material and the conductor layer;
a second terminal electrically connected to the surface of the semiconductor chip via the wire;
a third terminal electrically connected to the bonding material near the semiconductor chip;
The power conversion device is provided, wherein the control unit monitors electrical resistance between the first terminal and the third terminal, and outputs a predetermined signal when the electrical resistance exceeds a predetermined value.

本開示の他の一態様では、
導体層と、前記導体層の表面に接合材によって裏面が接合された半導体チップと、前記半導体チップの表面に接合されたワイヤと、前記半導体チップの裏面に前記接合材及び前記導体層を介して電気的に接続された第1端子と、前記半導体チップの表面に前記ワイヤを介して電気的に接続された第2端子と、前記半導体チップの付近で前記接合材に電気的に接続された第3端子とを備える半導体装置の劣化判定方法であって、
前記第1端子と前記第3端子との間の電気抵抗を監視し、前記電気抵抗が所定値を超えると、所定の信号を出力する、劣化検出方法が提供される。
In another aspect of the present disclosure,
A conductor layer, a semiconductor chip whose back surface is bonded to the surface of the conductor layer with a bonding material, a wire bonded to the surface of the semiconductor chip, and a back surface of the semiconductor chip via the bonding material and the conductor layer. A first terminal electrically connected, a second terminal electrically connected to the surface of the semiconductor chip via the wire, and a second terminal electrically connected to the bonding material near the semiconductor chip. A deterioration determination method for a semiconductor device having three terminals,
A deterioration detection method is provided, wherein the electrical resistance between the first terminal and the third terminal is monitored, and a predetermined signal is output when the electrical resistance exceeds a predetermined value.

本開示によれば、半導体チップ下の接合材の劣化を精度良く検出できる。 According to the present disclosure, it is possible to accurately detect the deterioration of the bonding material under the semiconductor chip.

ワイヤ接合部の劣化時におけるパワー半導体モジュールの一部分の断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a portion of the power semiconductor module when wire joints are degraded; 半導体チップ下の接合材の劣化時におけるパワー半導体モジュールの一部分の断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a part of the power semiconductor module when the bonding material under the semiconductor chip is deteriorated; 半導体チップの例(IGBTチップとダイオードチップ)を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing examples of semiconductor chips (an IGBT chip and a diode chip); パワー半導体モジュールが導通状態にあるときの主端子間の電圧Vce_onと、パワー半導体モジュールの運転時間との関係を例示する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a voltage Vce_on between main terminals when the power semiconductor module is in a conducting state and an operating time of the power semiconductor module; 本実施形態に係る劣化検出装置の一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows an example of the degradation detection apparatus which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るパワー半導体モジュールの一部分の断面図である。It is a cross-sectional view of part of the power semiconductor module according to the present embodiment. 本実施形態に係るパワー半導体モジュールの等価回路図である。1 is an equivalent circuit diagram of a power semiconductor module according to this embodiment; FIG. 監視部の一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows an example of a monitoring part. 本実施形態に係る電力変換装置の全体構成を示す図である。It is a figure which shows the whole structure of the power converter device which concerns on this embodiment. オン状態での電圧Vcc_1の検出動作に伴う各部の波形を例示する図である。FIG. 10 is a diagram illustrating waveforms of respective parts accompanying detection operation of voltage Vcc_1 in an ON state; 電気抵抗R1による接合材の劣化検出方法を説明するためのタイミングチャートである。4 is a timing chart for explaining a method of detecting deterioration of a bonding material using electrical resistance R1;

以下、実施形態について説明する。 Embodiments will be described below.

近年、電力変換装置は、高信頼化が求められる用途(電力系統、または、電車もしくは自動車等の移動体など)に拡大し、それに伴い、電力変換装置の高信頼化の要求が高まっている。この要求に対して、故障を予知して事前に対策を講ずる予知保全の実現への期待が高まっている。 In recent years, power converters have been used in applications that require high reliability (power systems, mobile bodies such as trains and automobiles, etc.), and along with this, the demand for high reliability of power converters is increasing. In response to this demand, expectations are rising for the realization of predictive maintenance that predicts failures and takes countermeasures in advance.

電力変換装置の主な故障要因の一つとしてパワー半導体モジュールが挙げられる。パワー半導体モジュールの主な故障は、電流導通やスイッチング動作によって繰り返し発生する熱応力ストレスがボンディングワイヤ及びはんだを劣化させることで生ずる。ボンディングワイヤ及びはんだの劣化が進むと、パワー半導体モジュールがオン状態(導通状態)にあるときの主端子間の導通抵抗は増加するので、パワー半導体モジュールが導通状態にあるときの主端子間の電圧Vonは上昇する。したがって、電圧Vonの上昇を検出することで、パワー半導体モジュールの劣化が検出可能である。 A power semiconductor module is one of the main failure factors of power converters. A major failure of power semiconductor modules is caused by thermal stress stress caused by repeated current conduction and switching operations that degrade bonding wires and solder. As the bonding wires and solder deteriorate, the conduction resistance between the main terminals increases when the power semiconductor module is in the ON state (conducting state). Von rises. Therefore, deterioration of the power semiconductor module can be detected by detecting an increase in the voltage Von.

図1は、ワイヤ接合部の劣化時におけるパワー半導体モジュールの一部分の断面図である。図2は、半導体チップ下の接合材の劣化時におけるパワー半導体モジュールの一部分の断面図である。図1及び図2において、パワー半導体モジュールは、半導体チップ11と、半導体チップ11を外部と接続するためのワイヤ16と、半導体チップ11を不図示の基板と接合するための接合材8とを備える半導体装置である。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a portion of a power semiconductor module when a wire joint deteriorates. FIG. 2 is a cross-sectional view of a portion of the power semiconductor module when the bonding material under the semiconductor chip has deteriorated. 1 and 2, the power semiconductor module includes a semiconductor chip 11, wires 16 for connecting the semiconductor chip 11 to the outside, and a bonding material 8 for bonding the semiconductor chip 11 to a substrate (not shown). It is a semiconductor device.

ワイヤ16は、その一端が半導体チップ11の表面12に接合される導体である。ワイヤ16は、例えば、アルミワイヤ等のボンディングワイヤである。接合材8は、半導体チップ11の裏面13に接触する導体である。接合材8は、典型的には、はんだであるが、接着剤等の他の接合材でもよい。半導体チップ11の繰り返しの導通/遮断動作によって発生する熱ストレスは、ワイヤ16の半導体チップ11との接合部、及び、はんだ等の接合材8を劣化させる。 Wire 16 is a conductor whose one end is bonded to surface 12 of semiconductor chip 11 . The wire 16 is, for example, a bonding wire such as an aluminum wire. The bonding material 8 is a conductor that contacts the back surface 13 of the semiconductor chip 11 . The bonding material 8 is typically solder, but may be another bonding material such as an adhesive. Thermal stress generated by repeated conduction/interruption operations of the semiconductor chip 11 degrades the bonding portion between the wire 16 and the semiconductor chip 11 and the bonding material 8 such as solder.

ワイヤ16の劣化が進むと、例えば、亀裂9がワイヤ16の表面12との接合部に発生し、当該接合部の抵抗が増加する。一方、接合材8の劣化が進むと、例えば、亀裂9が接合材8に発生し、接合材8の抵抗が増加する。したがって、ワイヤ16及び接合材8の劣化が進むと、パワー半導体モジュールの導通状態での主端子間の電圧Von(図3参照。パワー半導体モジュールがIGBTの場合、導通状態でのコレクタ-エミッタ間の電圧Vce_on)は、緩やかに増加する(図4参照)。この電圧Von(Vce_on)の上昇をモニタすることで、パワー半導体モジュールの故障予兆を検出することができる。 As the deterioration of the wire 16 progresses, for example, a crack 9 occurs at the junction between the wire 16 and the surface 12, increasing the resistance of the junction. On the other hand, if the deterioration of the bonding material 8 progresses, for example, a crack 9 will occur in the bonding material 8 and the resistance of the bonding material 8 will increase. Therefore, as the deterioration of the wire 16 and the bonding material 8 progresses, the voltage Von between the main terminals of the power semiconductor module in the conducting state (see FIG. 3. If the power semiconductor module is an IGBT, the voltage Von between the collector and the emitter in the conducting state The voltage Vce_on) increases slowly (see FIG. 4). By monitoring the rise of this voltage Von (Vce_on), it is possible to detect a sign of failure of the power semiconductor module.

しかしながら、パワー半導体モジュールの導通状態での主端子間の電圧Von(Vce_on)の上昇には、上述の通り、ワイヤ16の接合部の劣化に起因する上昇分と、接合材8の劣化に起因する上昇分とが含まれる。そのため、電圧Von(Vce_on)の上昇をモニタしても、半導体チップ11下の接合材8の劣化を精度良く検出できない場合が考えられる。 However, the increase in the voltage Von (Vce_on) between the main terminals in the conductive state of the power semiconductor module is due to the deterioration of the bonding portion of the wire 16 and the deterioration of the bonding material 8, as described above. and the rising portion. Therefore, even if the rise of the voltage Von (Vce_on) is monitored, it may not be possible to accurately detect the deterioration of the bonding material 8 under the semiconductor chip 11 .

本実施形態に係る劣化検出装置及び電力変換装置は、半導体チップ下の接合材の劣化を精度良く検出する構成を有する。以下、本実施形態に係る劣化検出装置及び電力変換装置の構成、及び、本実施形態に係る劣化検出装置又は電力変換装置が実行する劣化検出方法について、説明する。 The deterioration detection device and the power conversion device according to the present embodiment are configured to accurately detect the deterioration of the bonding material under the semiconductor chip. The configuration of the deterioration detection device and the power conversion device according to this embodiment, and the deterioration detection method executed by the deterioration detection device or power conversion device according to this embodiment will be described below.

図5は、本実施形態に係る劣化検出装置の一例を示す構成図である。図5に示す劣化検出装置200は、パワー半導体モジュール100の劣化を検出する装置である。劣化検出装置200は、パワー半導体モジュール100と監視部40を有する。 FIG. 5 is a configuration diagram showing an example of the deterioration detection device according to this embodiment. A deterioration detection device 200 shown in FIG. 5 is a device for detecting deterioration of the power semiconductor module 100 . The deterioration detection device 200 has a power semiconductor module 100 and a monitoring section 40 .

パワー半導体モジュール100は、半導体装置の一例である。図5は、パワー半導体モジュール100を平面視で示す。パワー半導体モジュール100は、絶縁基板1、半導体チップ11、コレクタ端子C、エミッタ端子E、ゲート端子G、補助エミッタ端子EA、補助コレクタ端子CA及びワイヤ16,17,18,19を備える。 Power semiconductor module 100 is an example of a semiconductor device. FIG. 5 shows the power semiconductor module 100 in plan view. The power semiconductor module 100 includes an insulating substrate 1, a semiconductor chip 11, a collector terminal C, an emitter terminal E, a gate terminal G, an auxiliary emitter terminal EA, an auxiliary collector terminal CA, and wires 16, 17, 18, 19.

絶縁基板1は、半導体チップ11が実装される基板であり、例えばDCB(Direct Copper Bonding)基板、AMB(Active Metal Blazing)基板等を採用することができる。絶縁基板1は、例えば、はんだ等の接合材(不図示)を介して、パワー半導体モジュール100の筐体の底面に形成されたベース基板(不図示)上に固定される。 The insulating substrate 1 is a substrate on which a semiconductor chip 11 is mounted, and for example, a DCB (Direct Copper Bonding) substrate, an AMB (Active Metal Blazing) substrate, or the like can be adopted. The insulating substrate 1 is fixed onto a base substrate (not shown) formed on the bottom surface of the housing of the power semiconductor module 100 via a bonding material (not shown) such as solder.

絶縁基板1は、その表面に形成された導体層2~6を含む。導体層2~6は、銅、アルミニウム等の導電性金属を用いて、絶縁基板1の絶縁層の上面に設けられている。導体層2~6は、導体板でも導体箔でもよい。 The insulating substrate 1 includes conductor layers 2-6 formed on its surface. The conductor layers 2 to 6 are provided on the upper surface of the insulating layer of the insulating substrate 1 using a conductive metal such as copper or aluminum. The conductor layers 2 to 6 may be conductor plates or conductor foils.

導体層2は、半導体チップ11の平面視で、半導体チップ11の裏面側の領域に配置された矩形状の平面導体である。導体層3は、半導体チップ11の平面視で、半導体チップ11に対して第1方向(図面上、下方向)の領域に配置された矩形状の平面導体であり、導体層2から第1方向に離れて位置する。導体層4及び導体層5は、半導体チップ11の平面視で、半導体チップ11に対して第2方向(第1方向とは反対方向。図面上、上方向)の領域に配置された矩形状の平面導体であり、導体層2から第2方向に離れて位置する。導体層6は、半導体チップ11の平面視で、半導体チップ11に対して第3方向(第1方向及び第2方向に直交する方向。図面上、左方向)の領域に配置された矩形状の平面導体であり、導体層2から第3方向に離れて位置する。なお、導体層2~6の、大きさ、形状及び配置位置は、図示の形態に限られない。 The conductor layer 2 is a rectangular planar conductor arranged in a region on the back surface side of the semiconductor chip 11 in plan view of the semiconductor chip 11 . The conductor layer 3 is a rectangular planar conductor arranged in a region in a first direction (downward direction in the drawing) with respect to the semiconductor chip 11 in a plan view of the semiconductor chip 11, and extends from the conductor layer 2 in the first direction. located away from. The conductor layers 4 and 5 are rectangular conductor layers arranged in a region in a second direction (a direction opposite to the first direction, an upward direction in the drawing) with respect to the semiconductor chip 11 in plan view of the semiconductor chip 11 . It is a planar conductor and is located away from the conductor layer 2 in the second direction. The conductor layer 6 is arranged in a region of a third direction (a direction perpendicular to the first direction and the second direction, leftward direction in the drawing) with respect to the semiconductor chip 11 in a plan view of the semiconductor chip 11 . It is a planar conductor and is located away from the conductor layer 2 in the third direction. The sizes, shapes and positions of the conductor layers 2 to 6 are not limited to those shown in the drawings.

半導体チップ11は、パワー半導体モジュール100に組み込まれる半導体素子であり、例えば、表面及び裏面のそれぞれに電極を有する半導体スイッチング素子である。半導体チップ11は、Si半導体素子でもSiC半導体素子でもよい。図5は、半導体チップ11が絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)チップの場合を例示する。 The semiconductor chip 11 is a semiconductor element incorporated in the power semiconductor module 100, and is, for example, a semiconductor switching element having electrodes on each of its front and back surfaces. The semiconductor chip 11 may be either a Si semiconductor element or a SiC semiconductor element. FIG. 5 illustrates a case where the semiconductor chip 11 is an insulated gate bipolar transistor (IGBT) chip.

図6は、本実施形態に係るパワー半導体モジュールの一部分の断面図である。半導体チップ11は、エミッタ電極11e及びゲート電極11g(図5参照)が配置された表面12と、コレクタ電極11cが配置された裏面13とを有する。コレクタ電極11cは、半導体チップ11が有する第1主電極の一例であり、この例では、裏面13に形成されている。エミッタ電極11eは、半導体チップ11が有する第2主電極の一例であり、表面12に形成されている。ゲート電極11gは、半導体チップ11が有する制御電極の一例であり、表面12に形成されている。半導体チップ11は、コレクタ電極11cをはんだ等の接合材8により導体層2と接合することで、裏面13にて絶縁基板1(図5参照)上に固定される。 FIG. 6 is a cross-sectional view of part of the power semiconductor module according to this embodiment. The semiconductor chip 11 has a front surface 12 on which an emitter electrode 11e and a gate electrode 11g (see FIG. 5) are arranged, and a back surface 13 on which a collector electrode 11c is arranged. The collector electrode 11c is an example of a first main electrode that the semiconductor chip 11 has, and is formed on the rear surface 13 in this example. The emitter electrode 11 e is an example of a second main electrode that the semiconductor chip 11 has and is formed on the surface 12 . The gate electrode 11g is an example of a control electrode that the semiconductor chip 11 has and is formed on the surface 12. As shown in FIG. The semiconductor chip 11 is fixed on the insulating substrate 1 (see FIG. 5) at the rear surface 13 by bonding the collector electrode 11c to the conductor layer 2 with a bonding material 8 such as solder.

図5において、コレクタ端子C、エミッタ端子E、ゲート端子G、補助エミッタ端子EA及び補助コレクタ端子CAは、パワー半導体モジュール100の外部と接続するための外部端子である。これらの各外部端子は、例えば、銅、アルミニウム等の導電性金属を用いて円柱状又は平板状に成形されている。 In FIG. 5, a collector terminal C, an emitter terminal E, a gate terminal G, an auxiliary emitter terminal EA, and an auxiliary collector terminal CA are external terminals for connecting the power semiconductor module 100 to the outside. Each of these external terminals is made of a conductive metal such as copper or aluminum and formed into a cylindrical shape or a flat plate shape.

コレクタ端子Cは、導体層2及び接合材8を介して、半導体チップ11のコレクタ電極11c(図6参照)に電気的に接続される主端子である。エミッタ端子Eは、導体層3及びワイヤ16を介して、半導体チップ11のエミッタ電極11eに電気的に接続される主端子である。ゲート端子Gは、導体層4及びワイヤ17を介して、半導体チップ11のゲート電極11gに電気的に接続される制御端子である。補助エミッタ端子EAは、導体層5及びワイヤ18を介して、半導体チップ11のエミッタ電極11eに電気的に接続される補助端子である。補助コレクタ端子CAは、導体層6及びワイヤ19を介して、半導体チップ11の付近で接合材8に電気的に接続される補助端子である。 The collector terminal C is a main terminal electrically connected to the collector electrode 11c (see FIG. 6) of the semiconductor chip 11 via the conductor layer 2 and the bonding material 8. As shown in FIG. The emitter terminal E is a main terminal electrically connected to the emitter electrode 11 e of the semiconductor chip 11 via the conductor layer 3 and wire 16 . The gate terminal G is a control terminal electrically connected to the gate electrode 11g of the semiconductor chip 11 via the conductor layer 4 and the wire 17. As shown in FIG. The auxiliary emitter terminal EA is an auxiliary terminal electrically connected to the emitter electrode 11 e of the semiconductor chip 11 via the conductor layer 5 and the wire 18 . The auxiliary collector terminal CA is an auxiliary terminal electrically connected to the bonding material 8 near the semiconductor chip 11 via the conductor layer 6 and the wire 19 .

ワイヤ16~19は、例えば、銅、アルミニウム等の導電性金属又は鉄アルミ合金等の導電性合金を用いて、直径300~500μmで形成された線状部材である。ワイヤ16は、半導体チップ11の表面電極であるエミッタ電極11eを導体層3に接続する一又は複数(この例では、4本)のワイヤである。ワイヤ17は、半導体チップ11の表面電極であるゲート電極11gを導体層4に接続する一又は複数(この例では、1本)のワイヤである。ワイヤ18は、半導体チップ11の表面電極であるエミッタ電極11eを導体層5に接続する一又は複数(この例では、1本)のワイヤである。ワイヤ19は、接合材8を導体層6に接続する一又は複数(この例では、1本)のワイヤである。ワイヤ19は、半導体チップ11の付近で接合材8に接続される一端と、導体層6に接続される他端とを有する。 The wires 16 to 19 are linear members formed with a diameter of 300 to 500 μm using, for example, a conductive metal such as copper or aluminum or a conductive alloy such as an iron-aluminum alloy. The wire 16 is one or more (four in this example) wires that connect the emitter electrode 11 e , which is the surface electrode of the semiconductor chip 11 , to the conductor layer 3 . The wire 17 is one or more (in this example, one) wire that connects the gate electrode 11g, which is the surface electrode of the semiconductor chip 11, to the conductor layer 4. FIG. The wire 18 is one or a plurality of (in this example, one) wire that connects the emitter electrode 11 e , which is the surface electrode of the semiconductor chip 11 , to the conductor layer 5 . The wire 19 is one or more (in this example, one) wire that connects the bonding material 8 to the conductor layer 6 . The wire 19 has one end connected to the bonding material 8 near the semiconductor chip 11 and the other end connected to the conductor layer 6 .

この例では、ワイヤ19の一端は、接合材8の上面に導通可能に接する導体板7に電気的に接合されている。導体板7は、半導体チップ11の付近(この例では、半導体チップ11の角の近傍)に設けられている。導体板7は、半導体チップ11の辺の近傍に設けられてもよい。導体板7は、ワイヤ19の一端が接合される電極として機能する。導体板7は、銅、アルミニウム等の導電性金属を用いて形成された板状又は箔状の導体である。導体板7は、補助コレクタ端子CAに少なくとも一本のワイヤ19を介して接続される。導体板7が設置される箇所は、1つに限らず、複数でもよい。 In this example, one end of the wire 19 is electrically joined to the conductor plate 7 in contact with the upper surface of the joining material 8 so as to be conductive. The conductor plate 7 is provided near the semiconductor chip 11 (in this example, near the corner of the semiconductor chip 11). The conductor plate 7 may be provided near the sides of the semiconductor chip 11 . The conductor plate 7 functions as an electrode to which one end of the wire 19 is joined. The conductor plate 7 is a plate-like or foil-like conductor made of a conductive metal such as copper or aluminum. The conductor plate 7 is connected via at least one wire 19 to the auxiliary collector terminal CA. The place where the conductor plate 7 is installed is not limited to one, and may be plural.

図6において、半導体チップ11は、導体層2の表面に接合材8によって裏面13が接合されている。ワイヤ16の一端は、半導体チップ11の表面12のエミッタ電極11eに接合されている。コレクタ端子Cは、半導体チップ11の裏面13に接合材8及び導体層2を介して電気的に接続された第1端子の一例である。エミッタ端子Eは、半導体チップ11の表面12にワイヤ16を介して電気的に接続された第2端子の一例である。補助コレクタ端子CAは、半導体チップ11の付近で接合材8に電気的に接続される第3端子の一例である。 In FIG. 6, a semiconductor chip 11 has a rear surface 13 bonded to a surface of a conductor layer 2 with a bonding material 8 . One end of the wire 16 is joined to the emitter electrode 11 e on the surface 12 of the semiconductor chip 11 . The collector terminal C is an example of a first terminal electrically connected to the back surface 13 of the semiconductor chip 11 via the bonding material 8 and the conductor layer 2 . Emitter terminal E is an example of a second terminal electrically connected to surface 12 of semiconductor chip 11 via wire 16 . The auxiliary collector terminal CA is an example of a third terminal electrically connected to the bonding material 8 near the semiconductor chip 11 .

半導体チップ11がコレクタ電極11cとエミッタ電極11eとの間で導通状態になると、電流Icが、コレクタ端子C、導体層2、接合材8、半導体チップ11、ワイヤ16及びエミッタ端子Eの順に流れる。電流Icのオンオフが繰り返されると、接合材8の劣化が進行する。 When the semiconductor chip 11 becomes conductive between the collector electrode 11c and the emitter electrode 11e, the current Ic flows through the collector terminal C, the conductor layer 2, the bonding material 8, the semiconductor chip 11, the wire 16 and the emitter terminal E in this order. When the current Ic is repeatedly turned on and off, the deterioration of the bonding material 8 progresses.

接合材8の劣化に伴って、亀裂9(特に、半導体チップ11の裏面13に略平行な亀裂9)が接合材8に生じると、接合材8に流れる電流Icが、導体層2とコレクタ電極11cとが対向する縦方向に流れにくくなる。このため、コレクタ端子Cと補助コレクタ端子CAとの間の電気抵抗R1(図7参照)は、大きくなる。図6において、導体層2及びコレクタ端子Cは、接合材8に比べて劣化しにくいので、導体層2及びコレクタ端子Cの電気抵抗の劣化による増加は、極めて小さい。そのため、電気抵抗R1の増加は、接合材8の劣化を起因とする増加分でほとんど占められる。 When a crack 9 (particularly, a crack 9 substantially parallel to the back surface 13 of the semiconductor chip 11) occurs in the bonding material 8 as the bonding material 8 deteriorates, the current Ic flowing through the bonding material 8 will flow through the conductor layer 2 and the collector electrode. 11c becomes difficult to flow in the vertical direction facing each other. Therefore, the electric resistance R1 (see FIG. 7) between the collector terminal C and the auxiliary collector terminal CA becomes large. In FIG. 6, since the conductor layer 2 and the collector terminal C are less likely to deteriorate than the bonding material 8, the increase in the electrical resistance of the conductor layer 2 and the collector terminal C due to deterioration is extremely small. Therefore, the increase in the electrical resistance R1 is mostly accounted for by the increase caused by the deterioration of the bonding material 8. FIG.

この点に着目し、監視部40(図5参照)は、コレクタ端子Cと補助コレクタ端子CAとの間の電気抵抗R1を監視し、コレクタ端子C及びエミッタ端子Eの両端子間のオン状態での電気抵抗R1が所定値を超えると、所定の信号を出力する。所定の信号の出力は、接合材8の劣化検出を表す。このように、劣化検出装置200は、監視対象の電気抵抗R1が所定値を超えると所定の信号を出力する監視部40を備えるので、半導体チップ11下の接合材8の劣化を精度良く検出できる。 Focusing on this point, the monitoring unit 40 (see FIG. 5) monitors the electrical resistance R1 between the collector terminal C and the auxiliary collector terminal CA, and in the ON state between the collector terminal C and the emitter terminal E When the electrical resistance R1 of the circuit exceeds a predetermined value, it outputs a predetermined signal. Output of a predetermined signal represents detection of deterioration of the bonding material 8 . As described above, the deterioration detection device 200 includes the monitoring unit 40 that outputs a predetermined signal when the electrical resistance R1 to be monitored exceeds a predetermined value, so deterioration of the bonding material 8 under the semiconductor chip 11 can be accurately detected. .

監視部40は、例えば、コレクタ端子C及び補助コレクタ端子CAの両端子間の電圧Vccを監視し、当該両端子間のオン状態での電圧Vccであるオン電圧Vcc_onを検出するとともに、当該両端子間にオン状態で流れる電流Icであるオン電流Ic_onを測定する。監視部40は、オン電圧Vcc_onの検出値をオン電流Ic_onの測定値で除算することで得られた値を電気抵抗R1として監視してもよい。監視部40は、このような除算を行うことで、電気抵抗R1を簡易的に導出できる。 The monitoring unit 40 monitors, for example, the voltage Vcc between both terminals of the collector terminal C and the auxiliary collector terminal CA, detects the on-voltage Vcc_on that is the voltage Vcc between the two terminals in the on state, and An on-current Ic_on, which is the current Ic flowing in the on-state during the period, is measured. The monitoring unit 40 may monitor a value obtained by dividing the detected value of the on-voltage Vcc_on by the measured value of the on-current Ic_on as the electrical resistance R1. By performing such division, the monitoring unit 40 can easily derive the electrical resistance R1.

図8は、監視部の一例を示す構成図である。図8に示す監視部40は、オン電圧Vcc_onの検出値をオン電流Ic_onの測定値で除算することで得られた電気抵抗R1を用いて、接合材8の劣化検出を表す所定の信号を出力する機能を有する。図8に示す機能は、回路等のハードウェア資源のみによって実現されてもよいし、ハードウェア資源とソフトウェアとの協働によって実現されてもよい。 FIG. 8 is a configuration diagram showing an example of a monitoring unit. The monitoring unit 40 shown in FIG. 8 outputs a predetermined signal indicating detection of deterioration of the bonding material 8 using the electrical resistance R1 obtained by dividing the detected value of the on-voltage Vcc_on by the measured value of the on-current Ic_on. It has the function to The functions shown in FIG. 8 may be realized only by hardware resources such as circuits, or may be realized by cooperation between hardware resources and software.

監視部40は、例えば、CPU(Central Processing Unit)等のプロセッサ及びメモリを備える制御装置又はその一部でもよい。監視部40の機能は、メモリに記憶されたプログラムによって、プロセッサが動作することにより実現される。監視部40の機能は、FPGA(Field Programmable Gate Array)又はASIC(Application Specific Integrated Circuit)によって実現されてもよい。 The monitoring unit 40 may be, for example, a control device including a processor such as a CPU (Central Processing Unit) and a memory, or a part thereof. The function of the monitoring unit 40 is implemented by the processor operating according to the program stored in the memory. The function of the monitoring unit 40 may be realized by FPGA (Field Programmable Gate Array) or ASIC (Application Specific Integrated Circuit).

サンプルタイミング生成部41は、コレクタ端子Cとエミッタ端子Eとの間に流れる電流iの指令値が予め定められた所定の非零の電流値Ithを通過するタイミングに応じて、電圧Vccの検出値及び電流iの測定値をサンプルするタイミングを生成する。 The sample timing generator 41 generates the detected value of the voltage Vcc according to the timing when the command value of the current i flowing between the collector terminal C and the emitter terminal E passes through a predetermined non-zero current value Ith. and generate a timing to sample the measured value of current i.

電圧Vccの検出値は、サンプルタイミング生成部41により生成されたタイミングで、サンプルアンドホールド部42によりサンプルアンドホールドされる。サンプルアンドホールド部42により得られたサンプルアンドホールド値は、オン電圧Vcc_onの検出値に相当する。電流iの測定値は、サンプルタイミング生成部41により生成されたタイミングで、サンプルアンドホールド部43によりサンプルアンドホールドされる。サンプルアンドホールド部43により得られたサンプルアンドホールド値は、オン電流Ic_onの測定値に相当する。オン電流Ic_onの測定値は、演算器45により、オン電流Ic_onの測定値の逆数が算出される。オン電圧Vcc_onの検出値とオン電流Ic_onの測定値の逆数とが乗算器44により乗算されることで、電気抵抗R1が算出される。 The detected value of the voltage Vcc is sampled and held by the sample and hold section 42 at the timing generated by the sample timing generation section 41 . The sample-and-hold value obtained by the sample-and-hold unit 42 corresponds to the detected value of the ON voltage Vcc_on. The measured value of the current i is sampled and held by the sample and hold section 43 at the timing generated by the sample timing generation section 41 . The sample-and-hold value obtained by the sample-and-hold unit 43 corresponds to the measured value of the on-current Ic_on. As for the measured value of the on-current Ic_on, the calculator 45 calculates the reciprocal of the measured value of the on-current Ic_on. The electric resistance R1 is calculated by multiplying the detected value of the on-voltage Vcc_on and the reciprocal of the measured value of the on-current Ic_on by the multiplier 44 .

電気抵抗R1は、オン状態での半導体チップ11の温度Tjの推定値により補正されてもよい。温度補正部46は、オン状態での半導体チップ11の温度Tjを推定し、接合材8の劣化検出を表す所定の信号の出力タイミングを温度Tjの推定値に応じて補正する。これにより、半導体チップ11の温度Tjの変化による劣化検出の精度低下を抑制できる。 The electrical resistance R1 may be corrected by an estimated value of the temperature Tj of the semiconductor chip 11 in the ON state. The temperature correction unit 46 estimates the temperature Tj of the semiconductor chip 11 in the ON state, and corrects the output timing of a predetermined signal representing deterioration detection of the bonding material 8 according to the estimated value of the temperature Tj. As a result, it is possible to suppress deterioration in the accuracy of deterioration detection due to changes in the temperature Tj of the semiconductor chip 11 .

温度補正部46は、例えば、サンプルタイミング生成部41により生成されたタイミングで半導体チップ11のヒートシンクの温度検出値Thを取得し、取得した温度検出値Thから、半導体チップ11の温度Tjを推定する。温度補正部46は、温度Tjの推定値と補正値ΔRとの関係則(例えば、マップ又は演算式など)に基づいて、温度Tjの推定値に対応する補正値ΔRを導出する。補正値ΔRは、半導体チップ11の温度Tjの変化による電気抵抗R1の変動分を取り除くための値である。乗算器44により算出された電気抵抗R1_0(温度補正前の電気抵抗R1)と、温度補正部46により導出された補正値ΔRとは、加算器47により加算されることで、温度補正後の電気抵抗R1が導出される。 The temperature correction unit 46 acquires the temperature detection value Th of the heat sink of the semiconductor chip 11 at the timing generated by the sample timing generation unit 41, for example, and estimates the temperature Tj of the semiconductor chip 11 from the acquired temperature detection value Th. . The temperature correction unit 46 derives a correction value ΔR corresponding to the estimated value of the temperature Tj based on a relational rule (for example, a map or an arithmetic expression) between the estimated value of the temperature Tj and the correction value ΔR. The correction value .DELTA.R is a value for removing the variation in the electrical resistance R1 caused by the change in the temperature Tj of the semiconductor chip 11. FIG. The electric resistance R1_0 (electric resistance R1 before temperature correction) calculated by the multiplier 44 and the correction value ΔR derived by the temperature correction unit 46 are added by the adder 47 to obtain the electric resistance after temperature correction. A resistor R1 is derived.

故障予兆判定部48は、電気抵抗R1を判定閾値と比較し、電気抵抗R1と判定閾値との大小関係に応じて、劣化検出信号を出力する。判定閾値は、予め決められた値(例えば、電気抵抗R1の初期値R1_sの所定倍(例えば、1.05倍))に設定される。劣化検出信号は、ラッチ回路49に入力される。ラッチ回路49は、劣化検出信号の入力をトリガに、パワー半導体モジュール100において接合材8の劣化による故障予兆があることを表す判定値(所定の信号の一例)を出力する。 The failure sign determination unit 48 compares the electrical resistance R1 with a determination threshold, and outputs a deterioration detection signal according to the magnitude relationship between the electrical resistance R1 and the determination threshold. The determination threshold is set to a predetermined value (eg, a predetermined multiple (eg, 1.05 times) of the initial value R1_s of the electrical resistance R1). A deterioration detection signal is input to the latch circuit 49 . Triggered by the input of the deterioration detection signal, the latch circuit 49 outputs a determination value (an example of a predetermined signal) indicating that there is a sign of failure due to deterioration of the bonding material 8 in the power semiconductor module 100 .

所定の通知装置は、故障予兆があることを表す判定値がラッチ回路49から出力されると、パワー半導体モジュール100の接合材8の劣化による故障予兆があることを、所定の外部機器やユーザへ通知する。故障予兆があることが通知されることで、パワー半導体モジュール100の故障が発生する前に、保全対応を行うことが可能となる。 When the latch circuit 49 outputs a determination value indicating that there is a sign of failure, the predetermined notification device notifies a predetermined external device or user that there is a sign of failure due to deterioration of the bonding material 8 of the power semiconductor module 100. Notice. By notifying that there is a sign of failure, it is possible to take maintenance measures before failure of the power semiconductor module 100 occurs.

図9は、本実施形態に係る電力変換装置の全体構成例を示す図である。図9に示す電力変換装置101は、直流の電源33から供給される直流電力を、負荷14に供給する交流電力に変換する主回路部10と、主回路部10の電力変換動作を制御する制御部20とを備える。図9は、主回路部10が直流電力を三相の交流電力に変換する形態を例示する。 FIG. 9 is a diagram showing an example of the overall configuration of the power converter according to this embodiment. The power converter 101 shown in FIG. 9 includes a main circuit unit 10 that converts DC power supplied from a DC power supply 33 into AC power that is supplied to a load 14, and control for controlling the power conversion operation of the main circuit unit 10. a part 20; FIG. 9 illustrates a form in which the main circuit unit 10 converts DC power into three-phase AC power.

主回路部10は、複数のパワー半導体モジュール111~116、複数のゲート駆動部121~126及び電流検出部30を備える。パワー半導体モジュール111~116は、電力変換用の半導体装置の一例である。 The main circuit section 10 includes a plurality of power semiconductor modules 111-116, a plurality of gate driving sections 121-126, and a current detecting section 30. FIG. The power semiconductor modules 111 to 116 are examples of semiconductor devices for power conversion.

なお、図9には、パワー半導体モジュールとして、インバータの1アーム分のIGBTチップ及びそれと逆並列に接続されたダイオードチップ(FWDチップ)が組み込まれた1in1パッケージのIGBTモジュールが例示されている。IGBTは、Insulated Gate Bipolar Transistorの略語であり、IGBTチップは、パワー半導体素子の一例であり、FWDチップは、整流素子の一例である。しかしながら、パワー半導体モジュールのパッケージ構成は、6in1などの他の種類のパッケージ構成でもよいし、パワー半導体モジュールに構成されるパワー半導体素子は、MOSFETなどの他の種類のパワー半導体素子でもよい。MOSFETは、Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistorの略語である。さらに、複数のパワー半導体モジュール111~116は、それぞれ同じ構成であり、複数のゲート駆動部121~126は、それぞれ同じ構成である。そのため、以下では、便宜上、u相の上アームを例に挙げて説明する。 Note that FIG. 9 illustrates, as a power semiconductor module, a 1-in-1 package IGBT module incorporating an IGBT chip for one arm of an inverter and a diode chip (FWD chip) connected in anti-parallel thereto. IGBT is an abbreviation for Insulated Gate Bipolar Transistor, an IGBT chip is an example of a power semiconductor device, and an FWD chip is an example of a rectifying device. However, the package configuration of the power semiconductor module may be another type of package configuration such as 6in1, and the power semiconductor element configured in the power semiconductor module may be another type of power semiconductor element such as MOSFET. MOSFET is an abbreviation for Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Further, the plurality of power semiconductor modules 111-116 have the same configuration, and the plurality of gate driving units 121-126 have the same configuration. Therefore, for the sake of convenience, the u-phase upper arm will be described below as an example.

図9に示す例では、u相の上アームのパワー半導体モジュール111は、IGBTチップQ1及びFWDチップD1を有する。また、パワー半導体モジュール111は、コレクタ端子C、エミッタ端子E、ゲート端子G、補助エミッタ端子EA及び補助コレクタ端子CAを有する。コレクタ端子Cは、第1端子の一例であり、エミッタ端子Eは、第2端子の一例であり、補助コレクタ端子CAは、第3端子の一例であり、ゲート端子Gは、制御端子の一例である。 In the example shown in FIG. 9, the u-phase upper arm power semiconductor module 111 has an IGBT chip Q1 and a FWD chip D1. The power semiconductor module 111 also has a collector terminal C, an emitter terminal E, a gate terminal G, an auxiliary emitter terminal EA and an auxiliary collector terminal CA. The collector terminal C is an example of a first terminal, the emitter terminal E is an example of a second terminal, the auxiliary collector terminal CA is an example of a third terminal, and the gate terminal G is an example of a control terminal. be.

IGBTチップQ1は、コレクタ電極11c、エミッタ電極11e及びゲート電極11gを有するスイッチング素子(半導体素子)の一例である。コレクタ電極11cは、第1主電極の一例であり、エミッタ電極11eは、第2主電極の一例であり、ゲート電極11gは、制御電極の一例である。 The IGBT chip Q1 is an example of a switching element (semiconductor element) having a collector electrode 11c, an emitter electrode 11e and a gate electrode 11g. The collector electrode 11c is an example of a first main electrode, the emitter electrode 11e is an example of a second main electrode, and the gate electrode 11g is an example of a control electrode.

FWDチップD1は、アノード電極11a及びカソード電極11kを有する整流素子(半導体素子)の一例である。 The FWD chip D1 is an example of a rectifying device (semiconductor device) having an anode electrode 11a and a cathode electrode 11k.

コレクタ端子Cは、コレクタ電極11c及びカソード電極11kに電気的に接続されている。エミッタ端子Eは、エミッタ電極11e及びアノード電極11aに電気的に接続される。ゲート端子Gは、ゲート電極11gに電気的に接続されている。補助エミッタ端子EAは、エミッタ電極11e及びアノード電極11aに電気的に接続されている。補助コレクタ端子CAは、コレクタ電極11c及びカソード電極11kに電気的に接続されている。 The collector terminal C is electrically connected to the collector electrode 11c and the cathode electrode 11k. The emitter terminal E is electrically connected to the emitter electrode 11e and the anode electrode 11a. The gate terminal G is electrically connected to the gate electrode 11g. The auxiliary emitter terminal EA is electrically connected to the emitter electrode 11e and the anode electrode 11a. The auxiliary collector terminal CA is electrically connected to the collector electrode 11c and the cathode electrode 11k.

ゲート駆動部121は、プリドライバーPD1及び電圧検出回路Vcc1を備える駆動回路である。 The gate drive unit 121 is a drive circuit that includes a predriver PD1 and a voltage detection circuit Vcc1.

プリドライバーPD1は、制御部20から供給されるオン又はオフのスイッチング指令S_1に応じて、IGBTチップQ1のゲート電極11gを駆動する回路である。 The pre-driver PD1 is a circuit that drives the gate electrode 11g of the IGBT chip Q1 according to the ON or OFF switching command S_1 supplied from the control unit 20. FIG.

電圧検出回路Vcc1は、パワー半導体モジュール111のIGBTチップQ1のコレクタ端子Cと補助コレクタ端子CAとの間の電圧Vcc_1を検出し、Vcc_1の検出値を制御部20へ送信する。 Voltage detection circuit Vcc1 detects voltage Vcc_1 between collector terminal C and auxiliary collector terminal CA of IGBT chip Q1 of power semiconductor module 111 and transmits the detected value of Vcc_1 to control unit 20 .

電流検出部30は、パワー半導体モジュール111~116と負荷14との間に流れる三相の交流電流iu,iv,iwを検出して制御部20へ送信する電流センサである。 The current detection unit 30 is a current sensor that detects three-phase alternating currents iu, iv, and iw flowing between the power semiconductor modules 111 to 116 and the load 14 and transmits the detected three-phase alternating currents iu, iv, and iw to the control unit 20 .

制御部20は、例えば、CPU(Central Processing Unit)等のプロセッサ及びメモリを備える制御装置である。制御部20の機能は、メモリに記憶されたプログラムによって、プロセッサが動作することにより実現される。制御部20の機能は、FPGA(Field Programmable Gate Array)又はASIC(Application Specific Integrated Circuit)によって実現されてもよい。 The control unit 20 is, for example, a control device including a processor such as a CPU (Central Processing Unit) and a memory. The functions of the control unit 20 are implemented by the processor operating according to the programs stored in the memory. The functions of the control unit 20 may be realized by FPGA (Field Programmable Gate Array) or ASIC (Application Specific Integrated Circuit).

主回路部10は、ヒートシンク温度検出部80を備えてもよい。ヒートシンク温度検出部80は、パワー半導体モジュール111~116を冷却するためのヒートシンク(例えば、フィンなど)の温度を検出し、ヒートシンクの温度検出値Thを制御部20に送信する温度センサである。 The main circuit section 10 may include a heat sink temperature detection section 80 . The heat sink temperature detection unit 80 is a temperature sensor that detects the temperature of heat sinks (for example, fins) for cooling the power semiconductor modules 111 to 116 and transmits the heat sink temperature detection value Th to the control unit 20 .

次に、IGBTチップがオン状態のときの電圧Vcc_1の検出方法の一例について説明する。 Next, an example of a method for detecting the voltage Vcc_1 when the IGBT chip is on will be described.

図10は、オン状態での電圧Vcc_1の検出動作に伴う各部の波形を例示する図である。この例では、iuは正弦波電流であり、U相電圧指令は正弦波電圧である。U相の上下アームのオン状態とオフ状態は、U相電圧指令とキャリア波の大小関係によって決まる。この例では、制御部20は、U相電圧指令がキャリア波よりも大きい期間では、Q1をオン且つQ2をオフとするスイッチング指令S_1を出力する。一方、制御部20は、U相電圧指令がキャリア波よりも小さい期間では、Q1をオフ且つQ2をオンとするスイッチング指令S_1を出力する。 FIG. 10 is a diagram exemplifying the waveforms of each part accompanying the detection operation of the voltage Vcc_1 in the ON state. In this example, iu is a sinusoidal current and the U-phase voltage command is a sinusoidal voltage. The ON state and OFF state of the U-phase upper and lower arms are determined by the magnitude relationship between the U-phase voltage command and the carrier wave. In this example, the control unit 20 outputs a switching command S_1 that turns on Q1 and turns off Q2 during a period in which the U-phase voltage command is greater than the carrier wave. On the other hand, the control unit 20 outputs a switching command S_1 to turn off Q1 and turn on Q2 during a period in which the U-phase voltage command is smaller than the carrier wave.

Q1がオン且つiuが正のときに、iuと同じ電流Ic1がQ1に流れる。Q2がオフ且つiuが負のときに、iuと同じ電流がD1に流れる。これらの電流と、Q1又はD1のそれぞれのチップ温度とに依存して、Q1又はD1のそれぞれが導通状態にあるときの電圧Vcc1_onが決まる。電圧Vcc1_onは、離散値として、キャリア波の周波数で、電圧検出回路Vcc1から制御部20へ送信される。図の例では、Vcc1_onのサンプリングタイミングは、キャリア波の各ボトムである。制御部20は、電流検出部30により検出された電流iuの検出値をキャリア波の各ボトムでサンプリングして電流検出部30から取得する。 When Q1 is on and iu is positive, the same current Ic1 as iu flows through Q1. When Q2 is off and iu is negative, the same current as iu flows through D1. These currents and the chip temperature of Q1 or D1 respectively determine the voltage Vcc1_on when Q1 or D1 respectively is in a conductive state. The voltage Vcc1_on is transmitted as a discrete value from the voltage detection circuit Vcc1 to the control unit 20 at the frequency of the carrier wave. In the illustrated example, the sampling timing of Vcc1_on is each bottom of the carrier wave. The control unit 20 samples the detected value of the current iu detected by the current detection unit 30 at each bottom of the carrier wave and acquires the values from the current detection unit 30 .

なお、オン状態のときの主端子間の電圧Vcc_on1の検出方法は、これに限られない。 Note that the method of detecting the voltage Vcc_on1 between the main terminals in the ON state is not limited to this.

制御部20は、上述の監視部40の機能を有する。制御部20は、電圧Vcc_on1の検出値及び電流Ic1の測定値を同じタイミングで取得し、電圧Vcc_on1の検出値を電流Ic1の測定値で除算することで、Q1の接合材8の電気抵抗R1_1を算出する。 The control unit 20 has the function of the monitoring unit 40 described above. The control unit 20 acquires the detected value of the voltage Vcc_on1 and the measured value of the current Ic1 at the same timing, and divides the detected value of the voltage Vcc_on1 by the measured value of the current Ic1 to obtain the electric resistance R1_1 of the bonding material 8 of Q1. calculate.

制御部20は、故障予兆があることを表す判定値がラッチ回路49から出力されると、パワー半導体モジュール111の接合材8の劣化による故障予兆があることを、電力変換装置101の外部機器やユーザへ通知する。制御部20は、パワー半導体モジュール111を搭載する主回路部10の故障予兆があることを通知しても、主回路部10を搭載する電力変換装置101の故障予兆があることを通知してもよい。故障予兆があることが通知されることで、パワー半導体モジュール111の故障が発生する前に、保全対応を行うことが可能となる。 When the determination value indicating that there is a failure sign is output from the latch circuit 49, the control unit 20 notifies the external device of the power conversion device 101 or the power converter 101 that there is a failure sign due to the deterioration of the bonding material 8 of the power semiconductor module 111. Notify the user. Even if the control unit 20 notifies that there is a failure sign of the main circuit unit 10 in which the power semiconductor module 111 is mounted, or notifies that there is a failure sign of the power conversion device 101 in which the main circuit unit 10 is mounted. good. By notifying that there is a sign of failure, it becomes possible to take maintenance measures before failure of the power semiconductor module 111 occurs.

このように、電力変換装置101は、監視部40の機能を有する制御部20を備える。したがって、制御部20は、上記のような劣化判定方法を実行することで、接合材8の劣化を検出(判定)できる。 Thus, the power conversion device 101 includes the control section 20 having the function of the monitoring section 40 . Therefore, the control unit 20 can detect (determine) the deterioration of the bonding material 8 by executing the deterioration determination method as described above.

図11は、電気抵抗R1による接合材の劣化検出方法を説明するためのタイミングチャートである。初期時は、印加電圧と流れる電流によらず、コレクタ端子Cと補助コレクタ端子CAとの間の電気抵抗R1は、ほぼ一定である。繰り返しの熱ストレスによって、接合材8の劣化が進行すると、電気抵抗R1は緩やかに上昇する。電気抵抗R1の上昇は、接合材8の劣化(熱抵抗の増加)に起因する。監視部40は、オンラインで観測している電気抵抗R1が判定閾値Rtを超えると、接合材8の劣化と判定する。判定閾値Rtは、例えば、電気抵抗R1の初期値R1_sの1.05倍に設定される。 FIG. 11 is a timing chart for explaining a method of detecting deterioration of a bonding material using an electrical resistance R1. At the initial stage, the electrical resistance R1 between the collector terminal C and the auxiliary collector terminal CA is substantially constant regardless of the applied voltage and the flowing current. As the deterioration of the bonding material 8 progresses due to repeated thermal stress, the electrical resistance R1 gradually increases. The increase in electrical resistance R1 results from deterioration of the bonding material 8 (increase in thermal resistance). The monitoring unit 40 determines that the bonding material 8 has deteriorated when the electrical resistance R1 observed online exceeds the determination threshold value Rt. The determination threshold Rt is set, for example, to 1.05 times the initial value R1_s of the electrical resistance R1.

以上、実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が可能である。 Although the embodiments have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments. Various modifications and improvements such as combination or replacement with part or all of other embodiments are possible.

例えば、半導体チップは、IGBT等のパワートランジスタに限られず、ダイオード、サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ、トライアックなどでもよい。 For example, semiconductor chips are not limited to power transistors such as IGBTs, but may be diodes, thyristors, gate turn-off thyristors, triacs, and the like.

半導体チップは、縦型のパワー金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(パワーMOSFET)でもよい。上述の実施形態において、半導体チップがMOSFETチップの場合、コレクタはドレインに、エミッタはソースに、置換されることで、MOSFETチップ下の接合材の劣化を精度良く検出可能となる。 The semiconductor chip may be a vertical power metal oxide semiconductor field effect transistor (power MOSFET). In the above-described embodiments, when the semiconductor chip is a MOSFET chip, the collector is replaced with the drain and the emitter is replaced with the source, so that deterioration of the bonding material under the MOSFET chip can be detected with high accuracy.

半導体チップは、ダイオードでもよい。ダイオードは、IGBT等のスイッチング素子に逆並列に接続されるダイオードでもよい。上述の実施形態において、半導体チップがダイオードチップの場合、コレクタはカソードに、エミッタはアノードに、置換されることで、ダイオードチップ下の接合材の劣化を精度良く検出可能となる。 A semiconductor chip may be a diode. The diode may be a diode connected in antiparallel to a switching element such as an IGBT. In the above-described embodiment, when the semiconductor chip is a diode chip, the collector is replaced with the cathode and the emitter is replaced with the anode, so that deterioration of the bonding material under the diode chip can be detected with high accuracy.

また、温度検出部は、ヒートシンクの温度から半導体チップの温度を間接的に推定するのではなく、半導体チップの温度を直接観測して推定してもよい。 Also, the temperature detection unit may directly observe and estimate the temperature of the semiconductor chip instead of indirectly estimating the temperature of the semiconductor chip from the temperature of the heat sink.

1 絶縁基板
2~6 導体層
7 導体板
8 接合材
9 亀裂
10 主回路部
11 半導体チップ
11a アノード電極
11c コレクタ電極
11e エミッタ電極
11g ゲート電極
11k カソード電極
12 表面
13 裏面
14 負荷
16,17,18,19 ワイヤ
20 制御部
30 電流検出部
33 電源
40 監視部
80 ヒートシンク温度検出部
100 パワー半導体モジュール
101 電力変換装置
111~116 パワー半導体モジュール
121~126 ゲート駆動部
200 劣化検出装置
C コレクタ端子
CA 補助コレクタ端子
E エミッタ端子
EA 補助エミッタ端子
G ゲート端子
Reference Signs List 1 insulating substrate 2 to 6 conductor layer 7 conductor plate 8 bonding material 9 crack 10 main circuit section 11 semiconductor chip 11a anode electrode 11c collector electrode 11e emitter electrode 11g gate electrode 11k cathode electrode 12 front surface 13 rear surface 14 load 16, 17, 18, 19 wire 20 control unit 30 current detection unit 33 power supply 40 monitoring unit 80 heat sink temperature detection unit 100 power semiconductor module 101 power conversion device 111 to 116 power semiconductor module 121 to 126 gate drive unit 200 deterioration detection device C collector terminal CA auxiliary collector terminal E Emitter terminal EA Auxiliary emitter terminal G Gate terminal

Claims (6)

導体層と、
前記導体層の表面に接合材によって裏面が接合された半導体チップと、
前記半導体チップの表面に接合されたワイヤと、
前記半導体チップの裏面に前記接合材及び前記導体層を介して電気的に接続された第1端子と、
前記半導体チップの表面に前記ワイヤを介して電気的に接続された第2端子と、
前記半導体チップの付近で前記接合材に電気的に接続された第3端子と、
前記第1端子と前記第3端子との間の電気抵抗を監視し、前記電気抵抗が所定値を超えると、所定の信号を出力する監視部と、を備える、劣化検出装置。
a conductor layer;
a semiconductor chip whose back surface is bonded to the surface of the conductor layer with a bonding material;
a wire bonded to the surface of the semiconductor chip;
a first terminal electrically connected to the back surface of the semiconductor chip via the bonding material and the conductor layer;
a second terminal electrically connected to the surface of the semiconductor chip via the wire;
a third terminal electrically connected to the bonding material near the semiconductor chip;
a monitoring unit that monitors electrical resistance between the first terminal and the third terminal and outputs a predetermined signal when the electrical resistance exceeds a predetermined value.
前記電気抵抗は、前記第1端子及び前記第2端子の両端子間のオン状態での抵抗である、請求項1に記載の劣化検出装置。 2. The deterioration detection device according to claim 1, wherein said electrical resistance is a resistance in an ON state between both terminals of said first terminal and said second terminal. 前記監視部は、前記両端子間の前記オン状態での電圧であるオン電圧と、前記両端子間に前記オン状態で流れる電流であるオン電流とを検出し、前記オン電圧を前記オン電流で除算することで得られた値を前記電気抵抗として監視する、請求項2に記載の劣化検出装置。 The monitoring unit detects an ON voltage, which is a voltage between the terminals in the ON state, and an ON current, which is a current flowing between the terminals in the ON state, and detects the ON voltage as the ON current. 3. The deterioration detection device according to claim 2, wherein a value obtained by division is monitored as said electrical resistance. 前記監視部は、前記第1端子及び前記第2端子の両端子間のオン状態での前記半導体チップの温度を推定し、前記所定の信号の出力タイミングを前記温度の推定値に応じて補正する、請求項1から3のいずれか一項に記載の劣化検出装置。 The monitoring unit estimates the temperature of the semiconductor chip in an ON state between both terminals of the first terminal and the second terminal, and corrects the output timing of the predetermined signal according to the estimated value of the temperature. 4. The deterioration detection device according to any one of claims 1 to 3. 電力変換用の複数の半導体装置と、
前記複数の半導体装置のスイッチングを制御する制御部と、を備え、
前記複数の半導体装置は、それぞれ、
導体層と、
前記導体層の表面に接合材によって裏面が接合された半導体チップと、
前記半導体チップの表面に接合されたワイヤと、
前記半導体チップの裏面に前記接合材及び前記導体層を介して電気的に接続された第1端子と、
前記半導体チップの表面に前記ワイヤを介して電気的に接続された第2端子と、
前記半導体チップの付近で前記接合材に電気的に接続された第3端子と、を有し、
前記制御部は、前記第1端子と前記第3端子との間の電気抵抗を監視し、前記電気抵抗が所定値を超えると、所定の信号を出力する、電力変換装置。
a plurality of semiconductor devices for power conversion;
a control unit that controls switching of the plurality of semiconductor devices,
Each of the plurality of semiconductor devices includes:
a conductor layer;
a semiconductor chip whose back surface is bonded to the surface of the conductor layer with a bonding material;
a wire bonded to the surface of the semiconductor chip;
a first terminal electrically connected to the back surface of the semiconductor chip via the bonding material and the conductor layer;
a second terminal electrically connected to the surface of the semiconductor chip via the wire;
a third terminal electrically connected to the bonding material near the semiconductor chip;
The power conversion device, wherein the control unit monitors electrical resistance between the first terminal and the third terminal, and outputs a predetermined signal when the electrical resistance exceeds a predetermined value.
導体層と、前記導体層の表面に接合材によって裏面が接合された半導体チップと、前記半導体チップの表面に接合されたワイヤと、前記半導体チップの裏面に前記接合材及び前記導体層を介して電気的に接続された第1端子と、前記半導体チップの表面に前記ワイヤを介して電気的に接続された第2端子と、前記半導体チップの付近で前記接合材に電気的に接続された第3端子とを備える半導体装置の劣化判定方法であって、
前記第1端子と前記第3端子との間の電気抵抗を監視し、前記電気抵抗が所定値を超えると、所定の信号を出力する、劣化検出方法。
A conductor layer, a semiconductor chip whose back surface is bonded to the surface of the conductor layer with a bonding material, a wire bonded to the surface of the semiconductor chip, and a back surface of the semiconductor chip via the bonding material and the conductor layer. A first terminal electrically connected, a second terminal electrically connected to the surface of the semiconductor chip via the wire, and a second terminal electrically connected to the bonding material near the semiconductor chip. A deterioration determination method for a semiconductor device having three terminals,
A deterioration detection method, comprising: monitoring an electrical resistance between the first terminal and the third terminal; and outputting a predetermined signal when the electrical resistance exceeds a predetermined value.
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