JP4153513B2 - 半導体装置の温度測定方法および半導体装置の温度測定装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、ＧＴＯ(ゲート・ターンオフ・サイリスタ)等の半導体スイッチング素子の温度測定方法および温度測定装置に関する。

従来、半導体装置の接合部の温度を測定する方法としては、半導体装置の接合部に熱電対などの感熱素子を直接に接触させて接合部の温度を測定する方法がある。また、もう１つの測定方法としては、図１１に示すような半導体装置の所定電流に対するオン電圧の温度依存性をあらかじめ調べておき、このオン電圧の値により半導体装置の接合温度を間接的に求める方法が用いられている。

また、従来、インバータに組み込まれている半導体装置の点検は、インバータの定期点検時にダイオードや半導体スイッチング素子の各端子間の抵抗値を測定することにより行われている。この半導体装置の抵抗値を測定することにより、この半導体装置の異常の有無が判定され、この異常の有無の判定に基づいて、半導体装置の交換等の適当な処置がなされてきた。

ところで、前者の半導体装置の接合部に熱電対などの感熱素子を直接接触させて接合部の温度を測定する方法では、被供試体としての半導体装置のパッケージを開封し、感熱素子を取り付ける必要がある。この感熱素子の取り付けに起因して、通電状態での接合部の温度の計測が電気的絶縁の制約となったり、さらには感熱素子が吸熱源となって半導体装置の接合部の温度計測に誤差が生じる等の欠点があった。また、接合部の実際の温度上昇速度に感熱素子による温度検出が追い付かないため、感熱素子で検出した接合温度を半導体装置の加熱保護などに利用できないという問題がある。

また、後者のオン電圧の温度依存性を利用し、間接的に接合温度を計測する方法は、測定対象である半導体装置の構造により、本質的にオン電圧の温度依存性が無い場合には、測定が不可能であり、また、測定対象の温度変化が小さい場合には測定精度が悪くなる。このため、測定対象となる半導体装置の適用範囲が限定されていた。

従来のＳｉ半導体装置の使用限界温度の約１２５℃より大幅に高い温度まで使用可能であるＳｉＣ、窒化ガリウム、ダイヤモンドなどのワイドギャップ半導体を用いたバイポーラ半導体装置は、図１２に例示するように、低温から２００℃程度までは温度上昇に伴いオン電圧が徐々に低下する。

しかし、図１２に例示するように、これらのワイドギャップ半導体を用いたバイポーラ半導体装置のオン電圧は、接合温度が２００℃以上になると、ほとんど温度依存性がなくなる。そして、この接合温度がさらに高温になると、逆にオン電圧が上昇する。このような半導体装置の場合、２００℃以上の接合温度を精度よく計測することが不可能であったり、計測できたとしても精度が非常に悪くなる。

また、測定対象の半導体装置が圧接構造の大電力半導体装置であり、この大電力半導体装置の接合温度をオン電圧の温度依存性を利用して求める場合、オン電圧の変化が測定対象の接合全面にわたる平均的な接合温度を十分反映しないことがある。これは、圧接構造における圧接力の変化が内部電極の接触抵抗を変化させたり、オン電圧を得るための測定電流が測定対象の半導体装置の全体に均一に流れないことなどに起因して発生する。さらに、電流が瞬時に変化する場合、電流が変化することにより生ずる電圧の変化と、接合温度の変化により生ずる電圧の変化の判別が困難なため、接合温度を精度よく求められないという欠点もある。

さらに、インバータの構成部品の寿命は、周囲温度と使用条件により大きく左右される。これらの部品の劣化はある時期より急速に進むことが多く、従来のような定期点検では部品の異常を発見できず、インバータ装置の故障にまで至ってしまう場合がある。インバータに組み込まれているダイオードや半導体スイッチング素子の場合は、各端子間の抵抗値をチェックするだけでは異常や故障の判定はできないことが多い。
特開平０５−２１５８０９号公報 特許第３０５４４０４号公報

そこで、この発明の課題は、半導体装置の接合温度を精度よくかつ遅滞なく検知できる半導体装置の温度測定方法および半導体装置の温度測定装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の半導体装置の温度測定方法は、半導体スイッチング素子を所定の温度に設定し、この所定の温度になった上記半導体スイッチング素子をオン状態からターンオフさせて、このターンオフ時における所定のターンオフ特性時間を測定する特性測定を、上記温度を替えて複数回行って上記ターンオフ特性時間と上記半導体スイッチング素子の温度との関係特性を予め測定する第１の工程と、
上記半導体スイッチング素子をオン状態からターンオフさせ、このターンオフ時の上記ターンオフ特性時間を測定する第２の工程と、
上記第２の工程で測定した上記ターンオフ特性時間を、上記第１の工程で予め測定した上記関係特性に基づいて、上記半導体スイッチング素子の温度に換算する第３の工程とを備え、
上記半導体スイッチング素子は、ワイドギャップ半導体で作製されていると共に自己消弧型半導体素子であり、
上記半導体スイッチング素子は、ＳｉＣ ＧＴＯであり、
上記ターンオフ特性時間は、
ゲートターンオフ電流の立ち上がり開始時刻からアノード電流の減衰開始時刻までの蓄積時間もしくはアノード電流の減衰時間であることを特徴とする。

この発明の温度測定方法によれば、半導体スイッチング素子であるＳｉＣ ＧＴＯのターンオフ特性時間は温度依存性が大きいことを利用して、半導体スイッチング素子の温度を求めている。すなわち、この発明によれば、第１の工程で予め測定した上記半導体スイッチング素子のターンオフ特性時間と温度との関係特性に基づいて、第２の工程で測定したターンオフ特性時間を、上記半導体スイッチング素子の温度に換算している。したがって、この発明によれば、半導体装置としてのＳｉＣ ＧＴＯの接合温度を精度よくかつ遅滞なく検知できる。

また、一実施形態の半導体装置の温度測定方法では、上記半導体スイッチング素子はバイポーラ半導体素子である。
また、一実施形態の半導体装置の温度測定方法では、上記半導体スイッチング素子はＧＴＯであり、上記ターンオフ特性時間は、ゲートターンオフ電流の立ち上がり開始時刻からアノード電流の減衰開始時刻までの蓄積時間である。

この実施形態の半導体装置の温度測定方法によれば、半導体スイッチング素子としてのＧＴＯの蓄積時間を測定することで、このＧＴＯの温度(接合温度)を精度良く測定できる。

また、一参考例の半導体装置の温度測定方法では、上記半導体スイッチング素子はＧＴＯであり、上記ターンオフ特性時間は、アノード-カソード間電圧の立ち上がり時間である。

この参考例の半導体装置の温度測定方法によれば、半導体スイッチング素子としてのＧＴＯのアノード-カソード間電圧の立ち上がり時間を測定することで、このＧＴＯの温度(接合温度)を精度良く測定できる。

また、一実施形態の半導体装置の温度測定方法では、上記半導体スイッチング素子はＧＴＯであり、上記ターンオフ特性時間は、アノード電流の減衰時間である。

この実施形態の半導体装置の温度測定方法によれば、半導体スイッチング素子としてのＧＴＯのアノード電流の減衰時間を測定することで、このＧＴＯの温度(接合温度)を精度良く測定できる。
また、この発明の半導体装置の温度測定方法では、上記半導体スイッチング素子は、ＳｉＣ ＧＴＯである。特に、ＳｉＣ ＧＴＯのターンオフ特性は接合温度依存性が大きいことが実験で判明した。
また、一参考例の半導体装置の温度測定方法では、上記半導体スイッチング素子は、ＧａＮ ＧＴＯである。
また、一参考例の半導体装置の温度測定方法では、上記半導体スイッチング素子は、ダイヤモンド ＧＴＯである。

また、一実施形態の半導体装置の温度測定装置は、上記半導体装置の温度測定方法を用いて半導体装置の温度を測定する測定装置であって、
半導体スイッチング素子の出力端子間に直流電圧を印加する直流電源と、
上記半導体スイッチング素子の制御端子に制御信号を入力して、上記半導体スイッチング素子をターンオン,ターンオフさせる制御回路と、
上記半導体スイッチング素子のターンオフ波形を計測する波形計測部と、
上記波形計測部が計測したターンオフ波形に基づいて所定のターンオフ特性時間を演算する波形演算部と、
予め測定された上記半導体スイッチング素子のターンオフ特性時間と上記半導体スイッチング素子の温度との関係特性を表すデータが格納されていると共に上記波形演算部から入力された上記ターンオフ特性時間に対応する上記半導体スイッチング素子の温度を上記関係特性から求める温度算出部とを備える。

この実施形態の半導体装置の温度測定装置によれば、制御回路によって半導体スイッチング素子をターンオフさせ、波形計測部で上記ターンオフ波形を計測し、波形演算部で上記ターンオフ波形からターンオフ特性時間を演算する。そして、温度算出部は波形演算部から入力された上記ターンオフ特性時間に対応する上記半導体スイッチング素子の温度を予め測定されたターンオフ特性時間と温度との関係特性から求める。したがって、この実施形態によれば、半導体装置の接合温度を精度よくかつ遅滞なく検知できる。

また、一実施形態の半導体装置の温度測定装置では、上記波形計測部は、上記半導体スイッチング素子の出力端子間に流れる電流を測定する出力電流測定部と、上記制御端子に流れる電流を測定する制御電流測定部とのうちの少なくとも上記出力電流測定部を有する。

この実施形態の半導体装置の温度測定装置によれば、波形計測部としての出力電流測定部、制御電流測定部によって、出力電流、制御電流のターンオフ波形を計測できる。

また、一実施形態の半導体装置の熱抵抗測定方法は、上記半導体装置の温度測定方法を用いて半導体装置の熱抵抗を測定する方法であって、
上記第１の工程によって、半導体スイッチング素子のターンオフ特性時間と上記半導体スイッチング素子の温度との関係特性を予め測定する第１の測定工程と、
上記半導体スイッチング素子の第１の温度を測定し、次に、上記半導体スイッチング素子をオンさせ、このオンさせてから所定時間が経過してから、上記半導体スイッチング素子をターンオフさせ、上記第２、第３の工程によって、上記半導体スイッチング素子の第２の温度を測定する第２の測定工程と、
上記第２の温度から上記第１の温度を減算した値を、上記所定時間での上記半導体スイッチング素子の発熱量で除算した値を熱抵抗として算出する。

この実施形態の半導体装置の熱抵抗測定方法によれば、第２の測定工程でのオン期間中の損失(発熱量)と第１の温度から第２の温度への温度上昇幅から熱抵抗を導出でき、高温(例えばワイドギャップ半導体では２００℃以上)においても熱抵抗を高い精度で検出できる。なお、第２の測定工程での第１の温度の測定は、一例として、接触温度計で測定してもよく、この発明の半導体装置の温度測定方法の上記第２、第３の工程によって、測定することも可能である。

また、一実施形態の半導体装置の熱抵抗測定装置は、上記熱抵抗測定方法を用いて半導体装置の熱抵抗を測定する装置であって、半導体スイッチング素子の出力端子間に負荷を介して直流電圧を印加する直流電源と、
上記半導体スイッチング素子の制御端子にオン制御信号を入力して、上記半導体スイッチング素子をオフ状態からオンさせ、この半導体スイッチング素子がオンしてから所定時間が経過した後に、上記制御端子にオフ制御信号を入力して、上記半導体スイッチング素子をターンオフさせる制御回路と、
上記半導体スイッチング素子の上記ターンオフの波形を計測する波形計測部と、
上記波形計測部が計測した上記ターンオフの波形に基づいて上記ターンオフ特性時間を演算する波形演算部と、
予め測定された上記半導体スイッチング素子のターンオフ特性時間と上記半導体スイッチング素子の温度との関係特性を表すデータが格納されていると共に上記波形演算部から入力された上記所定のターンオフ特性時間に対応する上記半導体スイッチング素子の温度を上記関係特性から求める温度算出部と、
上記温度算出部が求めた上記半導体スイッチング素子の温度から、上記制御回路でオンされる前の上記半導体スイッチング素子の温度を減算した値を、上記所定時間に上記半導体スイッチング素子が発熱した発熱量で除算した値を熱抵抗として算出する熱抵抗算出部とを備えた。

この実施形態の熱抵抗測定装置によれば、制御回路によって、半導体スイッチング素子を、オフ状態から、順に、オン、ターンオフさせ、波形計測部で上記ターンオフの波形を計測する。波形演算部は、上記ターンオフの波形に基づいて所定のターンオフ特性時間を演算し、温度算出部は、上記ターンオフ特性時間から上記半導体スイッチング素子の温度を求める。そして、熱抵抗算出部は、上記温度算出部が求めた上記半導体スイッチング素子の温度から上記制御回路でオンされる前の上記半導体スイッチング素子の温度を減算した値を、上記所定時間に上記半導体スイッチング素子が発熱した発熱量で除算した値を熱抵抗として算出する。これにより、高温(例えばワイドギャップ半導体では２００℃以上)においても半導体スイッチング素子の熱抵抗を高精度で検出できる。

また、一実施形態の半導体装置の劣化状況評価方法は、上記熱抵抗測定方法で測定した熱抵抗に基づいて、上記半導体スイッチング素子の劣化状況を評価することができる。

この発明の半導体装置の温度測定方法によれば、半導体スイッチング素子であるＳｉＣ ＧＴＯのターンオフ特性時間は温度依存性が大きいことを利用して、半導体スイッチング素子の温度を求めている。すなわち、この発明によれば、第１の工程で予め測定したターンオフ特性時間と温度との関係特性に基づいて、第２の工程で測定したターンオフ特性時間を、半導体スイッチング素子の温度に換算している。したがって、この発明によれば、半導体装置としてのＳｉＣ ＧＴＯの接合温度を精度よくかつ遅滞なく検知できる。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

(第１の実施の形態)
図１〜図３を参照して、この発明の第１実施形態としての半導体装置の温度測定方法を説明する。この第１実施形態は、半導体スイッチング素子の一例としてのＳｉＣ ＧＴＯ(ゲートターンオフサイリスタ)の接合温度を遅滞なく検知する方法である。なお、図３に、ＧＴＯの構造の一例を示す。図３において、１はゲート、２はカソード、３はアノード、４はＰエミッタ、５はＮベース、６はＰベース、７はＮエミッタである。

ＧＴＯは、アノード３の電位がカソード２の電位より高い状態で、ゲート１の電位をアノード３の電位より低くしてアノード３とゲート１との間に順バイアス電圧を印加すると、アノード３からゲート１にターンオン電流が流れ、さらに、アノード３からカソード２に電流が流れることにより、ターンオンしオン状態となる。

このオン状態において、上記アノード３とゲート１との間に逆バイアス電圧を印加すると、カソード２からアノード３に流れる電子流、あるいはアノード３からカソード２に流れるホールがゲート１に分流され、ゲートターンオフ電流が流れ、ＧＴＯはターンオフする。

図１に、上記ＧＴＯのターンオフ時の電流電圧波形を示す。図１において、Ｉａはアノード電流、Ｖａｋはアノード‐カソード間電圧、Ｉｇはゲートターンオフ電流である。また、図１において、ｔｓは蓄積時間と呼ばれる。この蓄積時間ｔｓは、ゲートターンオフ電流Ｉｇによって上記ＧＴＯがオン状態からオフ状態に切り替わる際に、ゲートターンオフ電流Ｉｇの立ち上がり開始時刻ｔ１からアノード電流Ｉａの減衰開始時刻ｔ２までの時間をいう。

なお、上記ゲートターンオフ電流Ｉｇの立ち上がり開始時刻ｔ１は、例えば、ゲートターンオフ電流Ｉｇがゲートターンオフ電流Ｉｇのピーク値の１０％に達した時点とする。また、上記アノード電流Ｉａの減衰開始時刻ｔ２とは、例えば、アノード電流Ｉａが最大値Ｉａｋから１０％だけ降下した値０.９Ｉａｋになった時点とする。また、上記立ち上がり開始時刻ｔ１としては、ゲートターンオフ電流Ｉｇがゲートターンオフ電流Ｉｇのピーク値の１０％に達した時点に限らないのは勿論であり、ピーク値の１０％未満(一例として、３％や５％や８％)になった時点でもよく、ピーク値の１０％以上(一例として、１２％や１５％)になった時点でもよい。また、減衰開始時刻ｔ２としては、アノード電流Ｉａが最大値Ｉａｋから１０％だけ降下した値０.９Ｉａｋになった時点に限らないのは勿論であり、最大値Ｉａｋから１０％を超えた値(一例として１２％や１５％)だけ下降した時点としてもよく、最大値Ｉａｋから１０％に達しない値(一例として５％や８％)だけ下降した時点としてもよい。

図２に示すように、上記蓄積時間ｔｓは、上記ＧＴＯの接合温度に対して、大きな温度依存性がある。図２は、上記ＧＴＯの接合温度と蓄積時間ｔｓとの関係特性を示す図である。

ところで、ＳｉＣの場合、ｐ型不純物として用いられるＡｌやＢ等は、アクセプタ準位が深く、温度が低いとその一部しかイオン化しないが、温度が上昇すると、イオン化率が上がる。ＧＴＯは、ｐｎｐｎ(ｐエミッタ、ｎベース、ｐベース、ｎエミッタ)の４層構造をしているので、アクセプタ準位の深い半導体を用いたＧＴＯの場合、温度が高いとｐ型のホール密度が高い状態になる。ＧＴＯのｐエミッタのホール密度が高くなると、オン時には、ｐエミッタからｎベースを通ってｐベースに注入されるホールが増える。その時、ｎエミッタからは電荷の中性条件により、電子がｐベースに注入されるので、ｐベース内のキャリアが増大する。また、温度が高くなると、小数キャリアのライフタイムが長くなる。これらの影響により、温度が高くなると、ｐベース中の余剰キャリアが多くなり、ターンオフ時の蓄積時間ｔｓが長くなる。

そこで、この実施形態では、上記ＧＴＯのターンオフ時の蓄積時間ｔｓを計測する(第２の工程)ことで、ＧＴＯの接合温度を検知する(第３の工程)。このためには、事前に、図２の関係特性図に示すような蓄積時間ｔｓの温度依存性を測定する(第１の工程)必要がある。

この蓄積時間ｔｓの温度依存性は、一例として、次のようにして測定する。

上記ＧＴＯとこのＧＴＯを収容するパッケージとで半導体装置を構成するが、このＧＴＯを収容したパッケージをヒーターで加熱するか、あるいは、恒温槽内に入れて、上記ＧＴＯのパッケージの温度が所定の温度に安定するまで待つ。この温度が安定したときに、上記ＧＴＯの接合の温度も上記所定の温度に安定する。この安定した時点で、上記ＧＴＯを、所定の時間だけオンさせた後、オフさせる。このオンさせる所定の時間は、上記ＧＴＯの接合温度が上昇しない程度の短時間(例えば、１０μ秒から２００μ秒程度)とする。

そして、上述の如く、図１に例示するような、上記オフ時のゲートターンオフ電流Ｉｇおよびアノード電流Ｉａの波形から、蓄積時間ｔｓを計測する。そして、上記ＧＴＯのパッケージの異なる複数の温度において、上記蓄積時間ｔｓの計測を行う。これにより、図２に例示されるような、ＧＴＯの蓄積時間ｔｓと接合温度との関係特性(温度依存特性)が得られる。上記関係特性の測定が第１の工程をなす。

図２に示すような蓄積時間ｔｓの温度依存特性は、測定した蓄積時間ｔｓをＧＴＯの接合温度に換算する換算曲線として利用される。すなわち、蓄積時間ｔｓはＧＴＯの接合温度を反映している。よって、上記換算曲線を利用することで、蓄積時間ｔｓからＧＴＯの接合温度を時間遅れなく検知することができる。また、蓄積時間ｔｓの温度依存性が大きいので、ＧＴＯの接合温度を精度よく測定可能である。したがって、ＧＴＯの定格決定を高い信頼性を保持して、安定に行える。さらに、ＧＴＯの断続動作試験などでは、ＧＴＯの接合温度を高精度に応答性よく測定可能である。

なお、この第１実施形態では、図１に示すようなＧＴＯの蓄積時間ｔｓの温度依存特性を利用して、ＧＴＯの接合温度を測定したが、図１に示すＧＴＯのアノード-カソード間電圧Ｖａｋの立ち上がり時間ｔｖと温度との関係特性(依存特性)をＧＴＯの接合温度の換算に利用する場合は参考例となる。このアノード-カソード間電圧Ｖａｋの立ち上がり時間ｔｖとは、例えば、電圧Ｖａｋがピーク値の１０％のときから９０％に達するまでの時間とする。このＧＴＯのアノード-カソード間電圧Ｖａｋの立ち上がり時間ｔｖと温度との関係特性(温度依存特性)の一例を、図４に示す。また、図１に示すＧＴＯのアノード電流Ｉａの減衰時間ｔｉの温度依存特性をＧＴＯの接合温度の換算に利用してもよい。このアノード電流Ｉａの減衰時間ｔｉとは、例えば、アノード電流Ｉａが最大値Ｉａｋの９０％のときから１０％まで低下するまでの時間とする。このＧＴＯのアノード電流Ｉａの減衰時間ｔｉと温度との関係特性(温度依存特性)を、図５に示す。
なお、上記アノード-カソード間電圧Ｖａｋの立ち上がり時間ｔｖは、電圧Ｖａｋがピーク値の１０％のときから９０％に達するまでの時間に限らず、ピーク値の５％のときから９５％に達するまでの時間や、ピーク値の１５％のときから８５％に達するまでの時間等の様々な範囲に設定することが可能であるのは勿論である。また、上記アノード電流Ｉａの減衰時間ｔｉとは、アノード電流Ｉａが最大値Ｉａｋの９０％のときから１０％まで低下するまでの時間に限らず、ピーク値の９５％のときから５％に達するまでの時間や、ピーク値の８５％のときから１５％に達するまでの時間等の様々な範囲に設定することが可能であるのは勿論である。

また、上記蓄積時間ｔｓは、前述の如く、ゲートターンオフ電流Ｉｇの立ち上がり時からアノード電流Ｉａが減少し始める時までの時間として定義したが、ゲート配線上、ＣＴ(カレント・トランスフォーマ)を取り付けられない場合や、ゲート配線のインダクタンスが問題になる場合には、ゲート電圧を制御電圧測定部としてのゲート電圧測定部(図示せず)で計測することにより、蓄積時間ｔｓを求めてもよい。例えば、ゲート逆電圧の立ち上がりから、アノード−カソード間電圧Ｖａｋが電源電圧と等しくなるまでの時間を蓄積時間と定義し、この蓄積時間の温度依存特性をＧＴＯの接合温度の換算曲線として利用してもよい。

また、上記実施形態では、半導体スイッチング素子がＳｉＣ ＧＴＯである場合を説明したが、ＳｉＣバイポーラ半導体素子、例えば、ＳｉＣ ＩＧＢＴ(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)等のターンオフ期間の各波形の温度依存性の大きな半導体スイッチング素子である場合は参考例となる。また、半導体スイッチング素子をＳｉＣ ＧＴＯ以外の他のＧＴＯ、ＳｉＣバイポーラ半導体素子、他のバイポーラ半導体素子とした場合は参考例となる。

(第２の実施の形態)
次に、図６〜図８を参照して、この発明の第２実施形態としての半導体装置の温度測定装置を説明する。

この接合温度測定装置３０は、直流電源３１と、この直流電源３１と並列に接続されたコンデンサ３２と、第１端子３３と第２端子３４と第３端子３５を有する。この第１端子３３と直流電源３１の一端との間には、負荷リアクトル３６と出力電流測定部としての第１変成器３８とが直列に接続されている。また、第３端子３５は直流電源３１の他端に接続されている。また、負荷リアクトル３６と並列に還流用ダイオード３７が接続されている。

また、第１端子３３と第３端子３５との間に出力電圧測定部としての電圧計４０が接続されている。また、第１端子３３にゲート回路４１の一端が接続され、第２端子３４にゲート回路４１の他端が接続されている。このゲート回路４１の他端と第２端子３４との間には制御電流測定部としての第２変成器４２が接続されている。

一方、第１端子３３には第１接続部材４３が接続され、第２端子３４には第２接続部材４４が接続され、第３端子３５には第３接続部材４５が接続される。そして、この第１接続部材４３は接合温度測定対象としてのＳｉＣ ＧＴＯ４７のカソード４７ａに接続され、第２接続部材４４はＳｉＣ ＧＴＯ４７のゲート４７ｂに接続され、第３端子３５はＳｉＣ ＧＴＯ４７のアノード４７ｃに接続される。上記直流電源３１は、上記ＧＴＯ４７のアノード４７ｃ側に正の電圧が印加される方向に接続されている。

また、接合温度測定装置３０は、図７のブロック図に示すように、上記直流電源３１、温度センサ部５０、制御回路５１、波形計測部５２、波形記録部５３、波形演算部５４、温度算出部としての時間比較器５５、温度表示(記録)部５６を有する。温度センサ部５０は、上記ゲート回路４１と第１〜第３端子３３〜３５、第１〜第３接続部材４３〜４５を有している。また、波形計測部５２は、上記第１変成器３８と第２変成器４２と電圧計４０を有している。

次に、図８のフローチャートを参照して、この接合温度測定装置３０の動作を説明する。

まず、ステップＳ１で、直流電源３１から第１端子３３,第３端子３５,第１接続部材４３,第３接続部材４５を経由して、ＳｉＣ ＧＴＯ４７のアノード４７ｃとカソード４７ａとの間に、アノード４７ｃ側が正となる直流電圧を印加する。

次に、ステップＳ２で、制御回路５１は温度センサ部５０のゲート回路４１を制御し、ゲート回路４１から第２端子３４,第２接続部材４４を経由してＧＴＯ４７のゲート４７ｂにオン制御信号を入力して、ＧＴＯ４７をオンさせる。これにより、直流電源３１から、第３端子３５、ＧＴＯ４７、第１端子３３を経由して、負荷リアクトル３６に電流が流れる。

その後、所定の短い時間が経過した後に、ステップＳ３に進み、制御回路５１は、ゲート回路４１を制御して、ゲート回路４１からＧＴＯ４７のゲート４７ｂにオフ制御信号を入力して、ＧＴＯ４７をオフさせる。

上記所定の短い時間とは、例えば、負荷リアクトル３６に流れる電流が所定の値となるまでの時間とする。すなわち、ＧＴＯ４７のオン時間は、オン電流により接合温度が上昇しないような十分短い時間に設定する。なお、この負荷リアクトル３６に流れる電流は、波形計測部５２が有する第１変成器３８を用いて検出される。

次に、ステップＳ４に進み、上記波形計測部５２は、第２変成器４２によって、図１に例示されるようなゲートターンオフ電流Ｉｇを計測する。また、波形計測部５２は、第１変成器３８によって、図１に例示されるような出力電流であるアノード電流Ｉａを計測する。また、波形計測部５２は、電圧計４０によって、図１に例示されるような出力電圧であるアノード-カソード間電圧Ｖａｋを計測する。なお、このとき、ゲート回路４１でゲート電圧を計測してもよい。

波形計測部５２が計測したゲートターンオフ電流Ｉｇ,アノード電流Ｉａ,アノード-カソード間電圧Ｖａｋは、波形記録部５３に入力され、ゲートターンオフ電流Ｉｇの波形,アノード電流Ｉａのターンオフ波形,アノード-カソード間電圧Ｖａｋのターンオフ波形が記録される。そして、この波形記録部５３が記録したターンオフ波形は、波形演算部５４に入力される。

この波形演算部５４は、波形記録部５３から入力されたゲートターンオフ電流Ｉｇの波形とアノード電流Ｉａのターンオフ波形とに基づいて、前述の第１実施形態で説明した蓄積時間ｔｓを演算して、時間比較器５５に入力する。この時間比較器５５には、図２に例示する蓄積時間ｔｓとＧＴＯ４７の接合温度との関係特性を表すデータが予め格納されている。なお、この蓄積時間ｔｓと接合温度との関係特性(温度依存特性)は、前述の第１実施形態で述べたのと同様にして、事前に測定される。

また、この波形演算部５４は、波形記録部５３から入力されたアノード-カソード間電圧Ｖａｋのターンオフ波形から、前述の第１実施形態で述べたアノード-カソード間電圧Ｖａｋの立ち上がり時間ｔｖを演算して、時間比較器５５に入力する。この時間比較器５５には、図４に例示する電圧立ち上がり時間ｔｖとＧＴＯ４７の接合温度との関係特性を表すデータが予め格納されている。なお、この電圧立ち上がり時間ｔｖと接合温度との関係特性は、蓄積時間ｔｓと接合温度との関係特性と同様、事前に測定される。

また、この波形演算部５４は、波形記録部５３から入力されたアノード電流Ｉａの波形から、前述の第１実施形態で述べたアノード電流Ｉａの減衰時間ｔｉを演算して、時間比較器５５に入力する。この時間比較器５５には、図５に例示する電流減衰時間ｔｉとＧＴＯ４７の接合温度との関係特性を表すデータが予め格納されている。なお、この電流減衰時間ｔｉとＧＴＯ４７の接合温度との関係特性は、蓄積時間ｔｓと接合温度との関係特性と同様、事前に測定される。

次に、ステップＳ５に進み、時間比較器５５は、波形演算部５４から入力された蓄積時間ｔｓと、上記蓄積時間と接合温度との関係特性を表すデータとを比較し、入力された蓄積時間ｔｓに対応する接合温度を表す第１データを温度表示(記録)部５６に入力する。

また、時間比較器５５は、波形演算部５４から入力された立ち上がり時間ｔｖと、上記電圧立ち上がり時間ｔｖとＧＴＯ４７の接合温度との関係特性を表すデータとを比較し、入力された立ち上がり時間ｔｖに対応する接合温度を表す第２データを温度表示(記録)部５６に入力する。

また、時間比較器５５は、波形演算部５４から入力されたアノード電流Ｉａの減衰時間ｔｉと、電流減衰時間ｔｉとＧＴＯ４７の接合温度との関係特性を表すデータとを比較し、入力されたアノード電流Ｉａの減衰時間ｔｉに対応する接合温度を表す第３データを温度表示(記録)部５６に入力する。

これにより、温度表示(記録)部５６は、上記接合温度を表す第１〜第３データに応じた温度を表示し記録する。例えば、この温度表示(記録)部５６は、上記３つのデータのうちの１つを選択して、選択したデータの温度を表示してもよいし、３つのデータの温度の平均値を表示してもよい。また、３つのデータの温度をそのまま表示してもよい。

なお、この実施形態では、上記蓄積時間ｔｓ、電圧立ち上がり時間ｔｖ、電流減衰時間ｔｉ、という接合温度に対して比較的強い相関がある３つの時間を用いたが、これらのうちの１つまたは２つを選択して接合温度を求めてもよい。さらには、ゲート回路４１で計測したゲート逆電圧の立ち上がり時点からアノード−カソード間電圧Ｖａｋが直流電源３１の電源電圧と等しくなるまでの時間と接合温度との関係特性を利用して、接合温度を求めてもよい。また、この実施形態では、負荷としてリアクトル３６を用いたが、リアクトル３６に替えて、抵抗、もしくはリアクトルと抵抗との直列体などを負荷としてもかまわない。また、この実施形態では、ゲート回路４１として、チョッパ回路を用いたが、ＳｉＣ ＧＴＯに通電し、遮断させる回路であれば、チョッパ回路以外でも適用可能である。

(第３の実施の形態)
次に、この発明の第３の実施の形態としての半導体装置の熱抵抗測定方法を説明する。この第３実施形態の熱抵抗測定方法は、上述した第１実施形態の接合温度測定方法を利用している。

この第３実施形態では、まず、図９のステップＳ１１に示すように、第１実施形態で述べたのと同様にして、熱抵抗を測定する対象となる半導体スイッチング素子の一例としてのＳｉＣ ＧＴＯ(ゲートターンオフサイリスタ)について、図１に例示した各ターンオフ波形(ゲートターンオフ電流Ｉｇ,アノード電流Ｉａ,アノード-カソード間電圧Ｖａｋ)から、図２,図４,図５に例示した蓄積時間ｔｓと接合温度との関係特性,電圧立ち上がり時間ｔｖと接合温度との関係特性,電流減衰時間ｔｉと接合温度との関係特性を求める。

次に、ステップＳ１２に進み、まず、上記ＧＴＯの接合温度を測定し、この測定した接合温度を第１の接合温度Ｔ１とする。この接合温度の測定は、一例として、接触温度計で測定してもよく、前述の第１実施形態の温度測定方法で測定してもよい。
次に、図１０の波形図に示すように、ＧＴＯのゲートに、ゲート信号としてオン制御信号を入力して上記ＧＴＯをオンさせる。このオンしてから一定期間ｔ１０が経過してから、上記ＧＴＯのゲートに、ゲート信号としてオフ制御信号を入力して上記ＧＴＯをオン状態からオフさせる。このＧＴＯのターンオフ時のターンオフ波形(ゲートターンオフ電流Ｉｇ,アノード電流Ｉａ,アノード-カソード間電圧Ｖａｋ)から、第１実施形態と同様の方法で、上記ＧＴＯの接合温度を測定し、この測定した接合温度を第２の接合温度Ｔ２とする。

上記オンの一定期間ｔ１０に、上記ＧＴＯに加わるアノード-カソード間電圧Ｖａｋによって上記ＧＴＯの接合温度が(Ｔ２−Ｔ１＝ΔＴ)だけ上昇する。上記期間ｔ１０での接合温度の上昇幅ΔＴを、上記期間ｔ１０でのＧＴＯの発熱量Ｑを除算した値(ΔＴ/Ｑ)が熱抵抗である。

なお、上記ＧＴＯの発熱量Ｑは、オン期間ｔ１０(秒)と、オン期間ｔ１０のアノード-カソード間電圧Ｖａｋon(Ｖ)と、オン期間ｔ１０のアノード電流Ｉａｋ(Ａ)とから算出される。つまり、発熱量Ｑ(Ｊ)＝Ｖａｋon×Ｉａｋ×ｔ１０となる。

上述の如く、半導体スイッチング素子の一例としてのＧＴＯのターンオフ波形における蓄積時間ｔｓ,電圧立ち上がり時間ｔｖ,電流減衰時間ｔｉが接合温度に対して依存性が大きい。したがって、この実施形態の熱抵抗測定方法によれば、従来のオン電圧の温度依存性を利用して求めた接合温度で熱抵抗を算出する場合に比べて、ＧＴＯの熱抵抗を高い精度で測定できる。また、オン電圧の温度依存性がほとんどない高温においても熱抵抗を測定できる。さらに、上記蓄積時間ｔｓ(電圧立ち上がり時間ｔｖ,電流減衰時間ｔｉ)は、ＧＴＯの接合温度を反映しているので、接合温度を時間的な遅れ無く測定することが可能であり、過渡的な熱抵抗を精度よく測定できる。なお、ターンオフ特性時間としては、蓄積時間ｔｓ,電圧立ち上がり時間ｔｖ,電流減衰時間ｔｉの３つの時間うちのいずれか１つを用いてもよく、各特性時間から３つの温度を求めて平均をとってもよい。蓄積時間ｔｓまたは電流減衰時間ｔｉを用いる場合に本発明の実施形態となる。

(第４の実施の形態)
次に、この発明の第４実施形態としての熱抵抗測定装置を説明する。この第４実施形態の熱抵抗測定装置は、前述の第３実施形態の熱抵抗測定方法を利用している。また、この第４実施形態の熱抵抗測定装置は、前述の第２実施形態の接合温度測定装置３０において、負荷リアクトル３６に替えて抵抗とした回路を有する。また、この第４実施形態は、ＧＴＯをオンさせる時間を、前述の第２実施形態の接合温度測定装置３０よりも長くし、第３実施形態でのオン期間ｔ１０としている。このオン期間ｔ１０に、ＧＴＯを発熱させ、接合温度を上昇させる。

この実施形態の熱抵抗測定装置では、上記期間ｔ１０での接合温度の上昇幅ΔＴと、上記期間ｔ１０でのＧＴＯの発熱量Ｑとから、上記ＧＴＯの熱抵抗(ΔＴ/Ｑ)を算出し、この算出して熱抵抗を表示部に表示する。

この実施形態の熱抵抗測定装置によれば、従来のオン電圧の温度依存性から熱抵抗を算出する装置に比べ、精度よく熱抵抗を計測できる。また、オン電圧の温度依存性のほとんどない高温においても熱抵抗を測定できる。

(第５の実施の形態)
次に、この発明の第５実施形態としての半導体装置の劣化状況評価方法を説明する。この第５実施形態は、前述の第３実施形態の熱抵抗測定方法を利用している。つまり、この第５実施形態は、前述の第３実施形態の熱抵抗測定方法によって、測定したＧＴＯの熱抵抗の値によって、このＧＴＯの不良もしくは劣化状況を評価する。

ＧＴＯをなす半導体チップとパッケージとで半導体装置を構成するが、このＧＴＯをなす半導体チップとパッケージとの密着性が悪い場合には、上記半導体装置に通電すると、ＧＴＯの接合温度が上昇し易く、蓄積時間ｔｓが長くなる。したがって、熱抵抗が大きくなる。また、長期間の使用により、半導体チップとパッケージとの密着性が悪くなり、一部剥離などが発生した場合にも、同様に、接合温度が上昇し易くなり、蓄積時間ｔｓが長くなり、熱抵抗が大きくなる。

また、半導体チップとパッケージとの密着性に問題がない場合にも、蓄積時間ｔｓが短くなる場合がある。この場合は、半導体チップ内部の欠陥が増え、少数キャリアのライフタイムが短くなった場合である。この場合、蓄積時間ｔｓが初期値より短くなる。この場合には、前述の第３実施形態の熱抵抗測定方法において、蓄積時間ｔｓの温度依存曲線(図２)として欠陥の少ない初期の温度依存曲線を用いると、測定した接合温度は実際の接合温度よりも低くなる。このため、測定した接合温度から算出した熱抵抗は、初期の熱抵抗よりも小さくなる。つまり、測定した接合温度から算出した熱抵抗の値が、初期に測定した接合温度から算出した熱抵抗の値から減少した減少幅によって、半導体チップ(ＧＴＯ)の劣化の度合いを評価することができる。

また、この実施形態の劣化状況評価方法では、半導体装置の主電極間(つまりアノード-カソード間)に電圧を印加し、主電極に流れ込む電流(つまりアノード電流Ｉａ)および主電極間の電圧(つまりアノード-カソード間電圧Ｖａｋ)およびそのゲート電流あるいはゲート電圧を計測することにより、半導体装置の劣化状況を把握可能である。よって、半導体装置をスタックから取り外す必要がなく、定期点検の工期を短くできる。また、半導体装置をスタックから取り外すことなく劣化の進行を把握でき、半導体スイッチング素子が破壊する前に、半導体スイッチング素子を交換して、突発事故を未然に防止できる。かつ、素子劣化の進行を事前に把握し、必要以上に素子の交換を行わないようにすることができ、コスト低減できる。

なお、上記第１〜第５実施形態では、半導体スイッチング素子がＳｉＣ ＧＴＯである場合を説明したが、他のＳｉＣバイポーラ半導体素子、例えば、ＳｉＣ ＩＧＢＴ(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)等のターンオフ期間の各波形の温度依存性の大きな半導体スイッチング素子である場合は参考例となる。また、上記第１〜第５実施形態では、ワイドギャップ半導体としてＳｉＣを取り上げたが、窒化ガリウム、ダイヤモンドなどのワイドギャップ半導体について適用した場合は参考例となる。すなわち、この発明は、ＳｉＣ ＧＴＯに適用され、ＧａＮ ＧＴＯやダイヤモンド ＧＴＯ等の他のＧＴＯ、ＳｉＣバイポーラ半導体素子の他のバイポーラ半導体素子では参考例となる。

この発明の第１実施形態で説明するＳｉＣ ＧＴＯのターンオフ波形を示す波形図である。 上記第１実施形態で説明する上記ＳｉＣ ＧＴＯのターンオフ特性時間としての蓄積時間と接合温度との関係を示す特性図である。 上記ＳｉＣ ＧＴＯの構造を模式的に示す図である。 上記ＳｉＣ ＧＴＯのアノード-カソード間電圧Ｖａｋの立ち上がり時間ｔｖと温度との関係特性の一例を示す図である。 上記ＳｉＣ ＧＴＯのアノード電流Ｉａの減衰時間ｔｉと温度との関係特性の一例を示す図である。 この発明の第２実施形態としての半導体装置の温度測定装置を示す回路図である。 上記第２実施形態の信号処理系統を示すブロック図である。 上記第２実施形態の動作を説明するフローチャートである。 この発明の第３実施形態としての半導体装置の熱抵抗測定方法を説明する工程図である。 上記第３実施形態を説明する波形図である。 従来例で利用する半導体装置のオン電圧と接合温度との関係を示す図である。 ワイドギャップ半導体を用いたバイポーラ半導体装置のオン電圧と接合温度との関係を示す図である。

符号の説明

１ ゲート
２ カソード
３ アノード
４ Ｐエミッタ
５ Ｎベース
６ Ｐベース
７ Ｎエミッタ
Ｉａ アノード電流
Ｖａｋ アノード-カソード間電圧
Ｉｇ ゲートターンオフ電流
ｔｓ 蓄積時間
ｔ１ 立ち上がり開始時刻
ｔ２ 減衰開始時刻
３０ 接合温度測定装置
３１ 直流電源
３２ コンデンサ
３３ 第１端子
３４ 第２端子
３５ 第３端子
３６ 負荷リアクトル
３７ 還流用ダイオード
３８ 第１変成器
４０ 電圧計
４１ ゲート回路
４７ ＳｉＣ ＧＴＯ
４７ａ カソード
４７ｂ ゲート
４７ｃ アノード
５０ 温度センサ部
５１ 制御回路
５２ 波形計測部
５３ 波形記録部
５４ 波形演算部
５５ 時間比較器
５６ 温度表示(記録)部

Claims (6)

1. 半導体スイッチング素子を所定の温度に設定し、この所定の温度になった上記半導体スイッチング素子をオン状態からターンオフさせて、このターンオフ時における所定のターンオフ特性時間を測定する特性測定を、上記温度を替えて複数回行って上記ターンオフ特性時間と上記半導体スイッチング素子の温度との関係特性を予め測定する第１の工程と、
   上記半導体スイッチング素子をオン状態からターンオフさせ、このターンオフ時の上記ターンオフ特性時間を測定する第２の工程と、
   上記第２の工程で測定した上記ターンオフ特性時間を、上記第１の工程で予め測定した上記関係特性に基づいて、上記半導体スイッチング素子の温度に換算する第３の工程とを備え、
   上記半導体スイッチング素子は、ワイドギャップ半導体で作製されていると共に自己消弧型半導体素子であり、
   上記半導体スイッチング素子は、ＳｉＣ ＧＴＯであり、
   上記ターンオフ特性時間は、
   ゲートターンオフ電流の立ち上がり開始時刻からアノード電流の減衰開始時刻までの蓄積時間もしくはアノード電流の減衰時間であることを特徴とする半導体装置の温度測定方法。
2. 請求項１に記載の半導体装置の温度測定方法を用いて半導体装置の温度を測定する測定装置であって、
   上記半導体スイッチング素子の出力端子間に直流電圧を印加する直流電源と、
   上記半導体スイッチング素子の制御端子に制御信号を入力して、上記半導体スイッチング素子をターンオン,ターンオフさせる制御回路と、
   上記半導体スイッチング素子のターンオフ波形を計測する波形計測部と、
   上記波形計測部が計測したターンオフ波形に基づいて所定のターンオフ特性時間を演算する波形演算部と、
   予め測定された上記半導体スイッチング素子のターンオフ特性時間と上記半導体スイッチング素子の温度との関係特性を表すデータが格納されていると共に上記波形演算部から入力された上記ターンオフ特性時間に対応する上記半導体スイッチング素子の温度を上記関係特性から求める温度算出部とを備えることを特徴とする半導体装置の温度測定装置。
3. 請求項２に記載の半導体装置の温度測定装置において、
   上記波形計測部は、
   上記半導体スイッチング素子の出力端子間に流れる電流を測定する出力電流測定部と、上記制御端子に流れる電流を測定する制御電流測定部とのうちの少なくとも上記出力電流測定部を有することを特徴とする半導体装置の温度測定装置。
4. 請求項１に記載の半導体装置の温度測定方法を用いて半導体装置の熱抵抗を測定する方法であって、
   上記第１の工程によって、半導体スイッチング素子のターンオフ特性時間と上記半導体スイッチング素子の温度との関係特性を予め測定する第１の測定工程と、
   上記半導体スイッチング素子の第１の温度を測定し、次に、上記半導体スイッチング素子をオンさせ、このオンさせてから所定時間が経過してから、上記半導体スイッチング素子をターンオフさせ、上記第２、第３の工程によって、上記半導体スイッチング素子の第２の温度を測定する第２の測定工程と、
   上記第２の温度から上記第１の温度を減算した値を、上記所定時間での上記半導体スイッチング素子の発熱量で除算した値を熱抵抗として算出することを特徴とする半導体装置の熱抵抗測定方法。
5. 請求項４に記載の半導体装置の熱抵抗測定方法を用いて半導体装置の熱抵抗を測定する装置であって、
   半導体スイッチング素子の出力端子間に負荷を介して直流電圧を印加する直流電源と、
   上記半導体スイッチング素子の制御端子にオン制御信号を入力して、上記半導体スイッチング素子をオフ状態からオンさせ、この半導体スイッチング素子がオンしてから所定時間が経過した後に、上記制御端子にオフ制御信号を入力して、上記半導体スイッチング素子をターンオフさせる制御回路と、
   上記半導体スイッチング素子の上記ターンオフの波形を計測する波形計測部と、
   上記波形計測部が計測した上記ターンオフの波形に基づいて上記ターンオフ特性時間を演算する波形演算部と、
   予め測定された上記半導体スイッチング素子のターンオフ特性時間と上記半導体スイッチング素子の温度との関係特性を表すデータが格納されていると共に上記波形演算部から入力された上記ターンオフ特性時間に対応する上記半導体スイッチング素子の温度を上記関係特性から求める温度算出部と、
   上記温度算出部が求めた上記半導体スイッチング素子の温度から、上記制御回路でオンされる前の上記半導体スイッチング素子の温度を減算した値を、上記所定時間に上記半導体スイッチング素子が発熱した発熱量で除算した値を熱抵抗として算出する熱抵抗算出部とを備えたことを特徴とする半導体装置の熱抵抗測定装置。
6. 請求項４に記載の半導体装置の熱抵抗測定方法で測定した熱抵抗に基づいて、上記半導体スイッチング素子の劣化状況を評価する半導体装置の劣化状況評価方法。

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