JP3084857B2 - 電力用半導体装置の熱抵抗測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電力用トランジスタ等の
個別形の電力用半導体装置をモジュールに組み立てない
しはチップ実装した状態ではんだ付け実装や電力用半導
体装置自身の良否等を判定するための電力用半導体装置
の熱抵抗を測定する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように個別の電力用半導体装置は
パッケージに収納しないしはモジュールに組み込んだ状
態で使用され、このためそのチップをパッケージやモジ
ュールの導体にはんだ付け等の手段で接合する必要があ
るので、電力用半導体装置の試験がチップ状態で済んで
いても実際の使用に供する前にかかる接合ないしチップ
実装後の状態で試験を行なって良否を確かめておく必要
がある。

【０００３】この際の電力用半導体装置の電気的特性試
験はチップやウエハ状態での試験と同様に行なうことが
できるが、あくまでそのチップに対する特性試験に過ぎ
ないので、小容量の半導体素子の場合は別として電力用
半導体装置ではそのチップの前述の導体への接合や実装
の良否を確かめる必要があり、このため本発明が対象と
する熱抵抗の測定を行なうのが通例である。以下、この
熱抵抗を測定する要領の従来からの代表例の概要を説明
する。

【０００４】電力用半導体装置が例えばバイポーラトラ
ンジスタの場合、そのベース・エミッタ間電圧が周知の
ように２mV／℃の温度係数ｋをもっているので、熱抵抗
をこの性質を利用して測定する。まず最初にトランジス
タのコレクタ・エミッタ間に小さな試験電流を流した状
態でベース・エミッタ間電圧を測定してこれをＶ_be１と
し、次に所定のコレクタ損失が発生するようトランジス
タに所定時間そのコレクタ・ベース間に電圧Ｖ_cbを掛け
かつエミッタ電流Ｉ_e を流してその温度を上昇させ、そ
の直後に前と全く同じ条件でベース・エミッタ間電圧Ｖ
_be２を再び測定する。これにより、熱抵抗Rtは次式で与
えられる。 Rt＝ΔＶ_be／ｋＶ_cbＩ_e ただし、ΔＶ_be＝Ｖ_be１−Ｖ_be２で、ｋ＝２mV／℃であ
り、Ｖ_cbの単位がＶで,Ｉ_e の単位がＡのとき、熱抵抗R
tは℃／Ｗの単位をもつ。

【０００５】なお、Ｖ_be１やＶ_be２の測定時には電力用
半導体装置の無用な温度上昇を避けるため試験電流はベ
ース・エミッタ間電圧を測定できる必要最低限の小さな
値,例えば10〜100 mAとされる。一方、電力用半導体装
置を温度上昇させる加熱工程ではこれよりずっと大きな
加熱電流, 例えば定格電流が20Ａのとき半分程度の10Ａ
のエミッタ電流Ｉ_e が流される。また、この間にコレク
タ損失を所定値に保つために上述のコレクタ・ベース間
電圧Ｖ_cbは加熱工程を通じて所定値, 例えば定格電圧よ
りは低いがコレクタ損失を発生させるに充分な例えば10
〜50Ｖに一定に制御される。このようにして電力用半導
体装置に過大な熱負荷を掛けることなく熱抵抗Rtを測定
し、はんだ付け等の良否を判定する正確な尺度とするこ
とができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、モジュール
内に複数個の電力用半導体装置が組み込まれている場合
に前述の要領で熱抵抗を測定すると、測定結果が不正確
になったり電力用半導体装置が損傷を受ける等のトラブ
ルが発生することがある。熱抵抗測定はモジュール内の
電力用半導体装置ごとに順次に, 自動測定の場合はスキ
ャナで切り換えながら行なわれるが、特定の電力用半導
体装置に対する熱抵抗測定中にモジュール内でそれと接
続されている他の電力用半導体装置ないしは半導体回路
にも電圧が掛かり電流が流れてなにがしかの動作を起こ
し、肝心の測定中の電力用半導体装置までその影響を受
けてその測定結果が狂って来やすいからである。著しい
場合は、他の半導体回路内で発振が起こってそれに含ま
れる電力用半導体装置が損傷を受けることがある。

【０００７】かかるトラブルはモジュールに電界効果ト
ランジスタや絶縁ゲートバイポーラトランジスタ等の絶
縁ゲートを備える電力用半導体装置が含まれる場合にと
くに起こりやすい。また、最近ではかかるトランジスタ
類の動作が高速化され、それに伴い寄生容量も減少して
来ているので、モジュール内の配線路がもつ僅かな浮遊
インダクタンスによって高周波の発振が誘発され、電力
用半導体装置が損傷を受けやすい。本発明は、かかる問
題点を解決して、モジュールに組み立てられた電力用半
導体装置の熱抵抗を正確にかつモジュール内の関連回路
の発振のおそれなく測定する方法を提供することを目的
とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の目的は本発明方法
によれば、電力用半導体装置と他の電力用半導体装置あ
るいは電力用半導体装置と半導体回路がパッケージある
いはモジュールに組み立てられた状態の電力用半導体装
置に所定の試験電流を流した状態でその２個の測定端子
間の電圧を第１測定値として測定する第１の測定工程
と、電力用半導体装置にその飽和電流値に相当する加熱
電流を所定時間内流す加熱工程と、第１の測定工程と同
じ試験電流を電力用半導体装置に流した状態で同じ測定
端子間電圧を第２測定値として測定する第２の測定工程
とを含み、第１測定値と第２測定値の差と加熱工程中に
電力用半導体装置に与えた電力と測定端子間電圧の所定
の温度係数から熱抵抗を得る熱抵抗測定方法により達成
される。

【０００９】なお上記構成中の加熱工程では、加熱電流
を電力用半導体装置の飽和電流に相当する値にもちろん
一定に制御するのがよく、かつ電力用半導体装置をほぼ
完全なオン状態に置いて加熱電流をその定格電流値程度
に設定するとともに、電力用半導体装置に掛かる電圧を
そのオン電圧程度あるいは熱抵抗の測定に必要な最低発
熱量が得られかつこのオン電圧に近い極力低い値に設定
するのが発振を防止する上で有利である。本発明方法は
電力用半導体装置が絶縁ゲート形の半導体素子である場
合にとくに有利であるが、この際の加熱工程中ではその
ゲート電圧をほぼ一定に維持し、さらにはこれを電力用
半導体装置に掛かる電圧に応じて調節することにより電
力用半導体装置に与える電力ないし発熱量を一定に制御
するのが望ましい。

【００１０】

【作用】本発明は、従来の問題点の原因が熱抵抗測定中
の電力用半導体装置とモジュール内の他の電力用半導体
装置ないし半導体回路との間の動作上の干渉ないしは相
互結合による発振にある点に着目し、測定対象の電力用
半導体装置の動作状態を加熱工程中では完全オン状態な
いしそれに近い飽和状態にして加熱電流を従来より増加
させ、従って熱抵抗測定に必要な発熱量ないし電力を得
るため電力用半導体装置に掛ける電圧を従来より低める
ことにより、測定対象を含むモジュール内の電力用半導
体装置の動作ゲインを全般的に下げ，相互干渉を減らし
て測定精度を向上し、さらにモジュール内の電源線や測
定用配線の浮遊インダクタンス等による相互結合を減ら
して無用かつ有害な発振を防止するものである。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１は本発明による熱抵抗測定方法の実施に適す
る測定回路を測定対象である電力用半導体装置とともに
例示するもので、図２にそれに関連する電流と電圧が工
程ごとに変化する様子が示されている。以下説明する実
施例では、測定対象の電力用半導体装置は絶縁ゲートバ
イポーラトランジスタ（以下、IGBTという）であり、ゲ
ート・エミッタ間電圧の変化からその熱抵抗が測定され
るものとする。

【００１２】図１の中央に示された熱抵抗測定の対象で
ある電力用半導体装置１はモジュール10内にその関連回
路11とともに組み込まれたIGBTであり、コレクタ端子Ｃ
とエミッタ端子Ｅとゲート端子Ｇを備えるが、図示の例
では後者の２端子がモジュール10の端子として導出さ
れ、コレクタ端子Ｃは関連回路11を介してモジュール10
の電源端子Ｖと接続されている。図では省略されている
が、関連回路11内の他の電力用半導体装置も熱抵抗が順
次測定される。モジュール10の量産時の熱抵抗測定には
それを図では細線で示した試験用治具20に装入した状態
で行なうのがよく、測定回路はこの治具20を介し半導体
装置１のエミッタ端子Ｅとゲート端子Ｇに接続されるが
コレクタ端子Ｃとはそのモジュール10の内部端子に直接
に接続される。治具20内にはモジュール10の発振しやす
い回路との接続端子を接地ないし短絡する接続線や発振
防止フィルタを組み込んでおくのが望ましい。

【００１３】測定回路として小さな試験電流Imを供給す
る直流電源30と大きな加熱電流Ihを供給する直流電源40
が設けられ、それぞれスイッチ31,41とダイオード32, 4
2を介して電力用半導体装置１のコレクタ端子Ｃと接続
される。エミッタ端子Ｅは電流検出抵抗51を介して接地
され、この実施例ではディジタル形の電流検出回路50が
その電圧降下を受けるように接続される。また、同じく
ディジタル形でとくに高入力インピーダンスの精密な電
圧検出回路60がゲート端子Ｇとエミッタ端子Ｅの間に接
続される。さらに、加熱工程中に電力用半導体装置１の
ゲート電圧を制御するためのゲート制御回路70がゲート
端子Ｇに接続される。

【００１４】この実施例では量産時の熱抵抗測定を能率
化するためにマイクロコンピュータである測定制御回路
80を設け、電流検出回路50と電圧検出回路60から検出デ
ータをその入力ポート81に受けさせ、出力ポート82から
は直流電源30, 40等に対してそれぞれ制御信号S3, S4を
発生させるとともに、ゲート制御回路70に対して制御信
号S7を発生させる。また、この測定制御回路80に付随し
て測定開始を指令するスイッチ83と, 熱抵抗値等の測定
データや良否判定結果を記録するプリンタ84を接続して
おくのが便利である。

【００１５】ゲート制御回路70により端子Ｇに対して設
定するゲート電圧は、最も簡単には電源電圧Vdを抵抗71
と調整抵抗72で分圧して数μＦのキャパシタ73で安定化
した電圧でよいが、この実施例では１対の抵抗74と75に
よりコレクタ端子Ｃの電圧の実際値を検出してこの設定
電圧とともに演算増幅器76に与え、ゲートＧに与える電
圧をコレクタ端子Ｃの電圧に応じ若干調整することによ
り加熱工程中の電力用半導体装置１に対する加熱量を正
確に一定制御するようになっている。このゲート制御回
路70は加熱工程時には制御信号S7に応じてゲート電圧を
出力するが、電圧検出回路60による電力用半導体装置１
のゲート・エミッタ間電圧の測定中にはゲート端子Ｇか
ら切り離されるようにするのがよい。

【００１６】以上で図１の測定回路の構成の説明を終え
たので、図２を参照して本発明方法により熱抵抗を測定
する要領を説明する。図２の上部に第１の測定工程T1と
加熱工程Thと第２の測定工程T2がそれぞれ便宜上期間で
示されており、第１と第２の測定工程T1とT2の時間はと
もに１〜数mSのごく短時間とされ、加熱工程Thの時間は
ふつう 100〜500 mSの範囲内に設定される。これらの工
程は測定制御回路80によりもちろん切り換えられるが、
加熱工程Thの時間の設定は電力用半導体装置１の種類や
定格に応じて適宜に変更できるようにされる。

【００１７】測定はスイッチ83の操作により開始され、
測定制御回路80は直ちにこれに応じ直流電源30等に制御
信号S3を送ってスイッチ31をオンさせ、図２(a) に示す
試験電流Imを電力用半導体装置１のコレクタ・エミッタ
間に流す。この第１の測定工程T1中に流す試験電流Imは
ふつう数十mA程度の小電流でよく、この際にコレクタ端
子Ｃに掛ける図２(c) の電圧Ｖc は20Ｖ以下がよいが、
できるだけ低めの５〜10Ｖとするのがとくに望ましい。
このため制御信号S3にこの電圧Ｖ_c の指定データを含ま
せておいて直流電源30に与えるのがよい。電圧検出回路
60は電力用半導体装置１のふつう１〜数Ｖの図２(d) の
ゲート・エミッタ間電圧Ｖ_geを測定しているので、第１
の測定工程T1の終期に近いタイミングt1で測定データを
測定制御回路80内に読み込んで第１測定値Ｖ_ge１として
記憶する。

【００１８】この読み込み時刻t1の直後, 例えば 100μ
Ｓ後に測定制御回路80は制御信号をS3からS4に切り換え
てスイッチ41をオンさせ、今度は直流電源40から図２
(b) の加熱電流Ihを電力用半導体装置１に流して測定回
路の動作を加熱工程Thに入れるとともにゲート制御回路
70に制御信号S7を与えてゲート端子Ｇに対し前述のよう
に設定されたゲート電圧を出力させる。本発明方法では
この加熱工程Thの加熱電流Ihは電力用半導体装置１の飽
和電流に相当する値, 例えばその定格電流値と同じ20Ａ
に設定され、同時に電力用半導体装置１に掛ける図２
(c) のコレクタ電圧Ｖ_c は熱抵抗測定に必要な最低発熱
量が得られかつそのオン電圧に近い極力低い値, 例えば
２〜４Ｖに設定される。ゲート制御回路70内の前述の調
整抵抗72はゲート端子Ｇに与えるゲート電圧がかかるコ
レクタ電圧Ｖ_c を電力用半導体装置１に掛けるに適した
値になるように調整ないし設定される。

【００１９】なお、この加熱工程Thを通じて電流測定回
路50は付属の電流検出抵抗51を流れる半導体装置１のエ
ミッタ電流Ｉ_e の値を検出しているので、これを一定に
保つよう直流電源40を制御信号S4により制御するのが望
ましい。さらに、この実施例ではゲート制御回路70は前
述のようにコレクタ電圧Ｖc の実際値を抵抗対74と75に
より検出してその変化に応じて電力用半導体装置１に対
する加熱量を正確に一定制御するようにゲート端子Ｇに
与える電圧を自動調整する。また、測定制御回路80はこ
のように制御調整されたエミッタ電流Ｉ_e とコレクタ電
圧Ｖ_c の加熱工程Th内の測定データを読み込んで記憶す
る。

【００２０】前述の所定時間に設定されたこの加熱工程
Thの終了後、測定制御回路80は制御信号をS4からS3に切
り換えて加熱電流Ihを切り試験電流Imを再び直流電源30
から電力用半導体装置１に与えて第２の測定工程T2に入
るが、実際には加熱電流Ihを切る少し前から試験電流Im
を流し始めるのが第２の測定工程T2の測定値を正確にす
る上で望ましい。図１のダイオード32と42はかかる電流
の重複時間内に両電流間の逆流を防止する役目を果た
す。ゲート制御回路70に対する制御信号S7はもちろん制
御信号S4と同時に消失させる。

【００２１】この第２の測定工程T2に入ると図２(d) に
示すように電力用半導体装置１のゲート・エミッタ間電
圧Ｖ_geがかなり急速に変化するので、加熱電流Ihを切っ
た後できるだけ早く, 図でt2で示す例えば 100μＳ後の
タイミングでこのゲート・エミッタ間電圧Ｖ_geを電圧測
定回路60から測定制御回路80に読み込んで第２測定値Ｖ
_ge２として記憶させる。この第２測定値Ｖ_ge２の読み込
み時の試験電流Imはもちろん第１測定値Ｖ_ge１の読み込
み時と同じにされる。

【００２２】以上により必要な測定値の読み込みと記憶
が終了したので、以降は次式により熱抵抗Rtを直ちに算
出できる。 Rt＝ΔＶ_ge／ｋＶc Ｉe ただし、ΔＶ_ge＝Ｖ_ge１−Ｖ_ge２であって、電力用半導
体装置１のゲート・エミッタ間電圧Ｖ_geの温度係数ｋは
電力用半導体装置１としての絶縁ゲート素子の種類によ
り若干異なるが５〜10mV／℃の範囲内の固有の値をも
つ。コレクタ電圧Ｖ_c とエミッタ電流Ｉ_e は加熱工程Th
で測定記憶された値であり、両者の積が加熱電力であっ
て、熱抵抗Rtは前述のように℃／Ｗの単位をもつ。量産
時にはこの熱抵抗Rtに対する管理値が測定制御回路80内
に装荷されており、これとかかる算出結果を比較して良
否を判定した後に必要な測定データや算出データととも
に付属のプリンタ84により印字され測定記録として残さ
れる。

【００２３】以上説明した実施例のように本発明方法で
は、加熱工程Th中に電力用半導体装置１に飽和電流値に
相当する加熱電流Ihを流すことにより、完全なオン状態
に近い低いコレクタ電圧Ｖ_c 下で熱抵抗測定に必要な発
熱量を与えることができる。また、第１と第２の測定工
程T1とT2では元々低い電圧でゲート・エミッタ間電圧Ｖ
_geを測定できる。従って、本発明ではモジュール内の電
力用半導体装置の動作ゲインが低く相互干渉がほぼ皆無
な状態で熱抵抗Rtを測定できる。実施例の要領によりIG
BTの熱抵抗を実際に測定した結果、本発明方法による測
定精度は良好でとくに再現性が従来より向上することが
証明されている。また、モジュール内の回路の発振は全
く認められず、従って電力用半導体装置の損傷は皆無で
あった。

【００２４】本発明方法による熱抵抗の測定結果から不
良ないしはそれに近いと判定されたモジュールを分解調
査したところ、電力用半導体装置チップと導体とのはん
だ付け個所のボイドと熱抵抗値との間に高い相関性が認
められ、本発明方法による測定結果がモジュール組み立
ての良否判定の正確な尺度として信頼できることが判明
した。なお、上述の実施例では熱抵抗を測定すべき電力
用半導体装置をIGBTとしたが、本発明方法はもちろん絶
縁ゲート素子全般に対して実施例とほぼ同じ要領で適用
でき、かつバイポーラトランジスタに対して実施例より
むしろ簡単な態様で容易に適用することができる。

【００２５】

【発明の効果】以上のとおり本発明の熱抵抗測定方法で
は、第１の測定工程でモジュール内の電力用半導体装置
に所定の試験電流を流した状態でその２個の測定端子間
の電圧を第１測定値として測定し、加熱工程で電力用半
導体装置に飽和電流値に相当する加熱電流を流した後、
第２の測定工程で前と同じ試験電流を流した状態で測定
端子間電圧を第２測定値として測定した上で、第１測定
値と第２測定値の差と,加熱工程中に電力用半導体装置
に与えた電力と, 測定端子間電圧に固有な温度係数から
熱抵抗を算出することにより、次の効果を得ることがで
きる。

【００２６】(a) 電力用半導体装置にとくに加熱工程中
に従来より低い電圧を掛け、モジュール内の電力用半導
体装置の動作ゲインが低く相互干渉がほぼ皆無な状態で
熱抵抗を従来より正確に再現性よく測定でき、この測定
結果からモジュールの良否や品質を正当に評価してとく
に量産品に対する管理レベルを向上できる。 (b) モジュール内や測定回路の配線の浮遊インダクタン
ス等による回路発振をほぼ完全に防止できるので、量産
モジュール内の複数個の電力用半導体装置を切り換えな
がら熱抵抗を順次能率よく測定でき、かつ従来のように
発振により電力用半導体装置が損傷を受けるおそれをほ
ぼ皆無にすることができる。なお、本発明は電力用半導
体装置の動作が今後益々高速化されるに伴い上述の特長
をとくに有利に発揮し得るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による熱抵抗測定方法の実施に適する測
定回路を測定対象である電力用半導体装置とともに例示
する回路図である。

【図２】図１の実施例に関連する電流と電圧を工程ごと
に変化させる要領を示す波形図であり、同図(a) は試験
電流, 同図(b) は加熱電流, 同図(c) はコレクタ電圧,
同図(d) はゲート・エミッタ間電圧の波形図である。

【符号の説明】

１ 電力用半導体装置としての絶縁ゲートバイポー
ラトランジスタ 10 モジュール 20 試験用治具 30 試験電流用の直流電源 40 加熱電流用の直流電源 50 電流測定回路 60 電圧測定回路 70 ゲート制御回路 80 測定制御回路 Ih 加熱電流 Im 試験電流 Th 加熱工程ないしはその期間 T1 第１の測定工程ないしはその期間 T2 第２の測定工程ないしはその期間 Ｖ_ge１ 第１測定値としてのゲート・エミッタ間電圧 Ｖ_ge２ 第２測定値としてのゲート・エミッタ間電圧

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電力用半導体装置と他の電力用半導体装置
   あるいは電力用半導体装置と半導体回路がパッケージあ
   るいはモジュールに組み立てられた状態で電力用半導体
   装置の熱抵抗を測定する方法であって、電力用半導体装
   置に所定の試験電流を流した状態でその２個の測定端子
   間の電圧を第１測定値として測定する第１の測定工程
   と、電力用半導体装置にその飽和電流値に相当する加熱
   電流を所定時間内流す加熱工程と、第１の測定工程時と
   同じ試験電流を電力用半導体装置に流した状態で同じ測
   定端子間電圧を第２測定値として測定する第２の測定工
   程とを含み、第１測定値と第２測定値の差と加熱工程中
   に電力用半導体装置に与えた電力と測定端子間電圧の所
   定の温度係数とから熱抵抗を得るようにしたことを特徴
   とする電力用半導体装置の熱抵抗測定方法。
2. 【請求項２】請求項１に記載の方法において、加熱工程
   中に加熱電流が一定に制御されることを特徴とする電力
   用半導体装置の熱抵抗測定方法。
3. 【請求項３】請求項１に記載の方法において、電力用半
   導体装置が絶縁ゲート形の半導体素子であり、加熱工程
   中にそのゲート電圧がほぼ一定に制御されることを特徴
   とする電力用半導体装置の熱抵抗測定方法。