JP4475069B2 - Semiconductor module non-defective product judgment method - Google Patents
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Description
この発明は半導体モジュールの良品判定方法に関し、特に放熱ベース板上の絶縁基板にパワー半導体素子が搭載された絶縁型パワーモジュールの良品判定方法に関するものであって、製造プロセスにおいて受けた各種のストレスによって絶縁基板にクラックが生じたか否かを製造工程の最終段階において確認する良品判定方法に関するものである。 It relates good determination method of the present invention is a semiconductor module, comprising in particular to non-defective judging process of isolated power module power semiconductor element is mounted on the insulating substrate of the heat radiating base plate, by various stresses received in the manufacturing process The present invention relates to a non- defective product determination method for confirming whether or not a crack has occurred in an insulating substrate at the final stage of the manufacturing process.
半導体モジュールに含まれるセラミック基板にクラックが生じているか否かを検出する方法として、たとえば特開2000−234993号公報(特許文献1)には半導体装置の周辺をシリコーンゲルで覆い、シリコーンゲルを硬化させた後に真空脱気又は加熱を行なうという方法が開示されている。この方法においては、クラック内部に閉じ込められた気泡をシリコーンゲル内に出現させることによってセラミック基板に生じたクラックが検出される。 As a method for detecting whether or not a ceramic substrate included in a semiconductor module is cracked, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-234993 (Patent Document 1), the periphery of a semiconductor device is covered with silicone gel and the silicone gel is cured. A method is disclosed in which vacuum degassing or heating is performed after the heating. In this method, a crack generated in the ceramic substrate is detected by causing bubbles confined in the crack to appear in the silicone gel.
また、半導体モジュールの製品最終試験として、クラックが生じた絶縁基板を含む半導体モジュールを選別するスクリーニング試験が慣例的に実施される。このスクリーニング試験では交流の高電圧が半導体モジュールに印加され、半導体モジュールに流れる電流の値が規定値以上であれば、絶縁基板はクラックを有すると判断される。
シリコーンゲル内の気泡の有無を確認する方法の場合、半導体モジュールの内部が透視できることが試験の必須条件になる。しかし、現状の半導体モジュールではケースの上部がエポキシ樹脂によって封止される。よって半導体モジュールの内部が確認できないので気泡を確認する方法は量産製品には適用できない。また、密閉容器にシリコーンゲルを充填して減圧する工程は長時間を要し、量産品の検査方法としては実用的でないという問題点がある。 In the method of confirming the presence or absence of air bubbles in the silicone gel, it is an essential condition for the test that the inside of the semiconductor module can be seen through. However, in the current semiconductor module, the upper part of the case is sealed with epoxy resin. Therefore, since the inside of the semiconductor module cannot be confirmed, the method for confirming bubbles cannot be applied to mass-produced products. In addition, the process of filling the sealed container with silicone gel and depressurizing requires a long time, and there is a problem that it is not practical as an inspection method for mass-produced products.
一方、慣例的に実施されている交流高電圧印加試験法では、絶縁基板が有するクラックを検出する感度を上げようとすれば印加電圧を高くする必要がある。ただし印加電圧を高くすると、クラック以外の原因によって絶縁基板に絶縁破壊が生じる。この絶縁破壊は沿面放電によって生じる沿面破壊である。よって交流高電圧印加試験法では沿面破壊によって製品の歩留まりが低下する可能性が生じるという問題点がある。 On the other hand, in the conventional AC high voltage application test method, it is necessary to increase the applied voltage in order to increase the sensitivity for detecting cracks in the insulating substrate. However, when the applied voltage is increased, dielectric breakdown occurs in the insulating substrate due to causes other than cracks. This dielectric breakdown is creeping breakdown caused by creeping discharge. Therefore, the AC high voltage application test method has a problem that the yield of the product may decrease due to creepage failure.
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、量産品に適用できる簡便な方法でありながら絶縁基板のクラック検出感度を高めることを可能にし、さらに、絶縁基板の沿面破壊を防止できる半導体モジュールの良品判定方法を得ることを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is possible to increase the crack detection sensitivity of an insulating substrate while being a simple method applicable to mass-produced products. The object is to obtain a non- defective determination method for a semiconductor module that can prevent creeping damage.
この発明は、要約すれば、表面電極と裏面電極とを有する絶縁基板と、裏面電極に接続されるベース板と、表面電極に実装される半導体チップとを有する半導体モジュールの良品判定方法であって、半導体モジュールを所定の温度に加温するステップと、表面電極と半導体チップのパッドとにベース板の電圧よりも低い負極性電圧を印加するステップと、負極性電圧を印加したときに絶縁基板に流れる電流を測定し、測定結果が上限値以下の場合には半導体モジュールが良品であると判定するステップとを備える。 In summary, the present invention is a non- defective method for determining a semiconductor module having an insulating substrate having a front electrode and a back electrode, a base plate connected to the back electrode, and a semiconductor chip mounted on the front electrode. A step of heating the semiconductor module to a predetermined temperature; a step of applying a negative voltage lower than the voltage of the base plate to the surface electrode and the pad of the semiconductor chip; and a step of applying a negative voltage to the insulating substrate. Measuring a flowing current, and determining that the semiconductor module is non-defective when the measurement result is equal to or lower than the upper limit value.
この発明の良品判定方法によれば、高温環境下で半導体モジュールに負極性直流電圧を印加してクラックを検出する感度を上げるので、従来よりも低い電圧でクラックを検出することが可能になるとともに、沿面放電によって絶縁基板沿面に生じる損傷を防ぐことが可能になる。 According to the non- defective product determination method of the present invention, the negative DC voltage is applied to the semiconductor module in a high-temperature environment to increase the sensitivity of detecting cracks, so that it becomes possible to detect cracks at a lower voltage than before. This makes it possible to prevent damage caused to the creeping surface of the insulating substrate due to creeping discharge.
以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
[実施の形態1]
図1は、実施の形態1による半導体モジュールの良品判定方法の具体例を示す図である。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram showing a specific example of a non- defective product determination method for a semiconductor module according to the first embodiment.
図1を参照して、半導体モジュール1は高電圧電源2および電流計3に接続される。高電圧電源2は半導体モジュール1に負極性の直流電圧を印加する。負極性直流電圧を印加する条件については後述する。電流計3は半導体モジュール1に流れる電流を測定する。測定結果を用いて半導体モジュール1の選別が行なわれる。測定結果が上限値以下であれば半導体モジュール1は良品と判定される。半導体モジュール1に含まれる絶縁基板がクラックを有している場合、測定結果は上限値を上回るので半導体モジュール1は不良品と判定される。
Referring to FIG. 1, a
半導体モジュール1は図示されない高温槽等によってあらかじめ加温され、試験時にはホットプレート4上に設置される。ホットプレート4は半導体モジュール1を所定の温度で加温する。
The
半導体モジュール1はベース板11と、絶縁基板12と、はんだ13とを含む。ベース板11は、たとえば銅やアルミなど導電性、熱伝導性に優れた材料からなる。絶縁基板12は、アルミナ(Al2O3)や窒化アルミ(AlN)等からなる、絶縁性および熱伝導性に優れるセラミック122と、セラミック122に接合される表電極121および裏電極123とを含む。裏電極123は、はんだ13によって電気的および機械的にベース板11に接続される。
The
半導体モジュール1は、さらに、半導体モジュール1の主要な構成要素である半導体チップ14と、たとえばアルミからなるワイヤー15と、外部電極端子16と、ケース17とを含む。半導体チップ14は、たとえばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)やバイポーラトランジスタなどである。
The
半導体チップ14は、はんだ(図示せず)によって表電極121上に実装される。表電極121は半導体チップ14の基板電圧を設定するための電極である。外部電極端子16はワイヤー15によって半導体チップ14の表面に形成されたパッド(図示せず)あるいは表電極121と電気的に接続される。絶縁基板12および半導体チップ14が搭載されたベース板11とケース17とが組み立てられた後、ケース17の内部は電気絶縁のため、たとえばシリコーンゲルやエポキシ樹脂等の封止樹脂18によって封止される。
The
半導体モジュール1は複数の外部電極端子を有する。複数の外部電極端子の一部は表電極121に接続され、一部は半導体チップ14のパッドに接続される。この発明の良品判定方法では絶縁基板12のクラックを検出するため、表電極121と裏電極123との間に高電圧が印加される。よって高電圧が印加される際に半導体チップ14の損傷を防ぐ必要がある。
The
実施の形態1において、複数の外部端子の各々は高電圧電源2の負極側に一括して接続される。図1では説明の便宜上、表電極121および半導体チップ14のパッドに負極性電圧を与える複数の外部電極端子を一括して外部電極端子16として示す。表電極121および半導体チップ14のパッドに同じ電圧が印加されるので、半導体チップ14の表面と裏面との間に電圧差が生じない。よって、半導体チップ14の損傷を防ぐことができる。
In the first embodiment, each of the plurality of external terminals is collectively connected to the negative electrode side of the high
また、ベース板11は高電圧電源2の正極側に接続されるので、表電極121および半導体チップ14のパッドに印加される電圧はベース板11に印加される電圧よりも低い電圧になる。以後、ベース板11に印加される電圧を基準電圧として外部電極端子16に印加される電圧を説明する。
Further, since the
半導体モジュール1は、たとえば、はんだ接合などの製造工程における熱履歴の影響を受ける。この場合、脆性材料であるセラミック122にクラック20が発生することがある。よって、製品最終工程では絶縁基板に生じたクラックを検出するスクリーニング試験が慣用されている。従来のスクリーニング試験では商用周波数の交流高電圧を印加するという方法が用いられていた。
The
この発明の良品判定方法では、半導体モジュール1はホットプレート4によって加温されるとともに高電圧電源2によって負極性直流電圧が印加される。加温時の温度は室温より高い温度に設定されるが、より好適には125℃以上に設定される。従来用いられていた交流電圧よりも低い電圧で絶縁基板12に内在するクラック20を検出することができるので、絶縁基板12に起こる沿面破壊を防止できる。さらに、加温温度を室温以上に設定することによって、印加電圧をより低下させることが可能になる。
In the non- defective product determination method of the present invention, the
以下、まず従来のスクリーニング試験において生じ得る問題について説明し、次に、実施の形態1によって得られる効果について説明する。 Hereinafter, problems that may occur in the conventional screening test will be described first, and then the effects obtained by the first embodiment will be described.
図2は、クラックの有無の違いによって図1の半導体モジュール1の交流破壊電圧に生じる差を示す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a difference generated in the AC breakdown voltage of the
図2を参照して、横軸は交流電圧を印加したときの破壊電圧を示し、縦軸は累積破壊確率を示す。破壊電圧とは電圧を段階的に昇圧して過電流が流れた時点における電圧である。横軸の単位はkVpであり、縦軸の単位は%である。特性A1、A2は絶縁基板にクラックが有る場合とクラックが無い場合のそれぞれの場合における、破壊電圧に対する累積破壊確率の変化を示す。 Referring to FIG. 2, the horizontal axis indicates the breakdown voltage when an AC voltage is applied, and the vertical axis indicates the cumulative breakdown probability. The breakdown voltage is a voltage at the time when an overcurrent flows by stepping up the voltage stepwise. The unit of the horizontal axis is kVp, and the unit of the vertical axis is%. Characteristics A1 and A2 indicate changes in the cumulative breakdown probability with respect to the breakdown voltage in each case where the insulating substrate has a crack and when there is no crack.
なお、図1のクラック20は半導体モジュール1に外部から強制的に機械的歪みを加えることによって、絶縁基板12中のセラミック122に生じさせた。また、印加する(課電する)交流電圧の周波数は60Hzである。さらに、半導体モジュール1を加温する温度は125℃である。
1 was generated in the ceramic 122 in the insulating
特性A2に示されるように絶縁基板にクラックが無い場合、破壊電圧の平均は12kVpである。この場合、絶縁破壊は絶縁基板の沿面破壊によって生じる。一方、特性A1に示されるように、絶縁基板にクラックが有る場合、破壊電圧の平均は9.6kVpである。 When there is no crack in the insulating substrate as indicated by the characteristic A2, the average breakdown voltage is 12 kVp. In this case, the dielectric breakdown is caused by creeping breakdown of the insulating substrate. On the other hand, as shown in the characteristic A1, when the insulating substrate has a crack, the average breakdown voltage is 9.6 kVp.
クラックを検出するため交流電圧を印加する場合、10kVp前後の電圧が必要になる。しかし10kVp前後の電圧が半導体モジュール1に印加されると、低い確率であるが半導体モジュールの絶縁基板に沿面破壊が生じる。つまり製品が壊れる可能性がある。よって交流電圧を印加すると製品の歩留まりが低下するという問題が生じる。
When an AC voltage is applied to detect cracks, a voltage of about 10 kVp is required. However, when a voltage of about 10 kVp is applied to the
図3は、図2と同じ条件で図1の半導体モジュール1に負極性直流電圧を印加した場合の破壊電圧を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a breakdown voltage when a negative DC voltage is applied to the
図3を参照して、横軸は直流電圧を印加したときの破壊電圧を示し、縦軸は累積破壊確率を示す。特性A3、A4は絶縁基板にクラックが有る場合とクラックが無い場合のそれぞれの場合における、破壊電圧に対する累積破壊確率の変化を示す。 Referring to FIG. 3, the horizontal axis represents the breakdown voltage when a DC voltage is applied, and the vertical axis represents the cumulative breakdown probability. Characteristics A3 and A4 indicate changes in the cumulative breakdown probability with respect to the breakdown voltage in each case where the insulating substrate has a crack and no crack.
特性A4に示されるように絶縁基板にクラックが無い場合、破壊電圧の平均は23kVpである。この場合、絶縁破壊は図1の半導体モジュール1の外閃(フラッシュオーバー)によって生じる。なお「半導体モジュール1の外閃」とは、外部電極端子16からケース沿面を経由してベース板に放電することである。図3に示される指標「F/O」は、特性A4がフラッシュオーバーに依存した結果であることを示す。
When there is no crack in the insulating substrate as indicated by the characteristic A4, the average breakdown voltage is 23 kVp. In this case, the dielectric breakdown is caused by an external flash (flashover) of the
一方、絶縁基板12にクラックがある場合、破壊電圧の平均は6.5kVpである。図3に示される指標「BD」は、特性A3がクラックによる絶縁破壊(ブレークダウン)に依存した結果であることを示す。
On the other hand, when the insulating
図3に示されるように、クラック検出電圧として負極性直流電圧を用いることにより、交流電圧より低い電圧を設定することができ、かつ、クラックがない正常なモジュールの絶縁基板12に沿面破壊が発生しなくなる。
As shown in FIG. 3, by using a negative DC voltage as a crack detection voltage, a voltage lower than the AC voltage can be set, and creeping damage occurs on the insulating
実施の形態1において負極性直流電圧が用いられる理由について以下説明する。絶縁基板の沿面放電から絶縁破壊に至るまでのプロセスにおいて、正極性電圧を印加するよりも負極性電圧を印加するほうが沿面放電の進展が緩慢になる。つまり、負極性直流電圧のほうが正極性電圧よりも絶縁基板の沿面破壊電圧が高い。 The reason why the negative DC voltage is used in the first embodiment will be described below. In the process from creeping discharge to dielectric breakdown of the insulating substrate, the progress of creeping discharge becomes slower when a negative voltage is applied than when a positive voltage is applied. In other words, the negative DC voltage has a higher creepage breakdown voltage of the insulating substrate than the positive voltage.
以下、より詳細に説明する。絶縁物のある面に板状電極を接続し、他の面に小電極を接続して両電極間に電圧を印加すると沿面放電が生じる場合がある。この場合、小電極に負極性電圧を印加するほうが正極性電圧を印加するよりも沿面放電が発生しにくいことが一般的に知られている。 This will be described in more detail below. When a plate-like electrode is connected to a surface with an insulator and a small electrode is connected to the other surface and a voltage is applied between the two electrodes, creeping discharge may occur. In this case, it is generally known that creeping discharge is less likely to occur when a negative voltage is applied to a small electrode than when a positive voltage is applied.
図1に示されるように裏電極123の全面はベース板11に接続される。つまり裏電極123は上述の板状電極に相当する。一方、表電極121と裏電極123との間に電圧を印加した場合、表電極121の端部には裏電極123との間に高電界が局所的に形成される部分がある。この部分は上述の小電極に相当する。よって、表電極に負極性電圧を印加した場合のほうが正極性電圧を印加した場合に比べ、沿面放電が発生しにくい。表電極に交流電圧を印加して沿面放電による絶縁破壊試験を行なうと、ほとんどの場合、正極性電圧が印加されたときに沿面破壊が生じることから、負極性電圧を表電極に印加すれば沿面放電が進展しにくいことが裏付けられる。
As shown in FIG. 1, the entire surface of the
また、図2、図3に示されるように、絶縁基板の沿面破壊を防ぐためには交流電圧よりも直流電圧を印加するほうが望ましい。よって、負極性直流電圧を印加すれば絶縁基板の沿面における絶縁性能に損傷を与える可能性が低くなる。 Also, as shown in FIGS. 2 and 3, it is preferable to apply a DC voltage rather than an AC voltage in order to prevent creeping breakdown of the insulating substrate. Therefore, if a negative DC voltage is applied, the possibility of damaging the insulation performance on the creeping surface of the insulating substrate is reduced.
なお、図2、図3において半導体モジュールを加温するときの温度は125℃に設定されるが、この理由について以下説明する。 2 and 3, the temperature when heating the semiconductor module is set to 125 ° C. The reason for this will be described below.
図4は、図1の半導体モジュール1の温度に対する破壊電圧の変化を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a change in breakdown voltage with respect to the temperature of the
図4を参照して、横軸は半導体モジュール1の温度を示し、縦軸は負極性直流電圧を印加したときの破壊電圧を示す。横軸の単位は℃であり、縦軸の単位はkVpである。特性A5,A6はそれぞれ絶縁基板にクラックが無い場合、クラックが有る場合のそれぞれの場合における、温度に対する破壊電圧の変化をそれぞれ示す。特性A5、A6はともに実測データの平均値を示す。一方、特性A7は、絶縁基板にクラックが有る場合における破壊電圧について、実測データの最低値の温度変化を示す。
Referring to FIG. 4, the horizontal axis indicates the temperature of the
特性A5に示されるように、絶縁基板にクラックがない場合、半導体モジュール1に加温する温度を上げても破壊電圧はほとんど変化しない。一方、特性A6に示されるように絶縁基板にクラックがある場合、半導体モジュール1の温度が高くなると破壊電圧は急激に低下する。温度が125℃を超えると破壊電圧の実測値は4kV〜8kVの間でばらつき、最低値は絶縁基板12の厚さ(図3の場合、絶縁基板の厚さは0.635mmである)に相当するギャップの理論破壊電圧(3.5kV)付近まで低下する。
As shown in the characteristic A5, when there is no crack in the insulating substrate, the breakdown voltage hardly changes even if the temperature for heating the
図4に示されるように絶縁基板にクラックが内在する場合、半導体モジュールにおける負極性直流破壊電圧は半導体モジュールの温度が室温から上昇するにつれて低下する。よって正常な(絶縁基板にクラックが無い)半導体モジュールの負極性直流破壊電圧との差が大きくなる。つまり半導体モジュールを加温するときの温度を室温よりも高くすれば絶縁基板に生じたクラックを検出するための印加電圧を下げることができる。より好適には半導体モジュールに加温する温度を125℃以上に設定して電圧を印加することが望ましい。 When cracks are inherent in the insulating substrate as shown in FIG. 4, the negative DC breakdown voltage in the semiconductor module decreases as the temperature of the semiconductor module rises from room temperature. Therefore, the difference from the negative DC breakdown voltage of a normal semiconductor module (where there is no crack in the insulating substrate) increases. That is, if the temperature at which the semiconductor module is heated is higher than room temperature, the applied voltage for detecting cracks generated in the insulating substrate can be lowered. More preferably, it is desirable to apply a voltage by setting the temperature for heating the semiconductor module to 125 ° C. or higher.
半導体モジュールの温度を上げると破壊電圧が低下する理由を以下に説明する。クラック内での絶縁破壊は電極間に印加された電界によって加速された電子の衝突の繰り返しによる電子なだれの進展によって生じる。図1のセラミック122にクラックが内在する場合、半導体モジュール1の温度を上げると、たとえば銅あるいはアルミニウムからなる表電極121および裏電極123の膨張によってクラック幅が広げられる。クラック幅が狭い場合、電子がクラックの壁面でトラップされるために進展が阻止されるが、クラック幅が十分にある場合には最終的な絶縁破壊に至る放電の進展が生じる。よって温度を上げると破壊電圧が低下する。
The reason why the breakdown voltage decreases when the temperature of the semiconductor module is raised will be described below. The dielectric breakdown in the crack is caused by the progress of the avalanche due to the repeated collision of electrons accelerated by the electric field applied between the electrodes. When cracks are inherent in the ceramic 122 of FIG. 1, when the temperature of the
以上のように、実施の形態1によれば、負極性直流電圧を半導体モジュールに印加することによって、従来用いられていた交流電圧よりも低い電圧で絶縁基板に内在するクラックを確実に検出することができる。 As described above, according to the first embodiment, by applying a negative DC voltage to the semiconductor module, it is possible to reliably detect a crack inherent in the insulating substrate at a voltage lower than a conventionally used AC voltage. Can do.
また、実施の形態1によれば、加温によって絶縁基板に内在するクラックが広がることにより負極性直流破壊電圧が低下するので、クラックを検出するために印加する電圧を低く設定することによって正常な絶縁基板の絶縁破壊を防ぐことができる。 In addition, according to the first embodiment, since the negative DC breakdown voltage is reduced by spreading cracks inherent in the insulating substrate due to heating, it is normal to set a low voltage to be applied to detect the cracks. It is possible to prevent dielectric breakdown of the insulating substrate.
[実施の形態2]
図5は、実施の形態2による半導体モジュールの良品判定方法の具体例を示す図である。
[Embodiment 2]
FIG. 5 is a diagram illustrating a specific example of a non- defective product determination method for a semiconductor module according to the second embodiment.
図5を参照して、高電圧電源2Aは、直流電圧または任意の周波数の電圧を発生させる任意波形発生装置21と任意波形発生装置21の出力を増幅して負極性電圧および正極性電圧を発生させる高電圧アンプ22とを含む点において図1の高電圧電源2と異なる。図5に示される他の部分は図1と同様であるので以後の説明は繰り返さない。なお、任意波形発生装置21は、たとえば岩崎通信機製SG−4115である。高電圧アンプ22は、たとえばTREK製MODEL610Dあるいは松定プレシジョン製HEOP−10B2である。
Referring to FIG. 5, high voltage power supply 2A generates a negative voltage and a positive voltage by amplifying an
実施の形態2の良品判定方法では実施の形態1と同様に、高電圧電源2Aはクラック20を検出するため負極性直流電圧を半導体モジュール1に印加する。また、半導体モジュール1の温度は室温より高い温度(より好適には125℃以上)に設定される。
In the non- defective product determination method of the second embodiment, similarly to the first embodiment, the high
直流電圧印加の場合、セラミック122等の絶縁物への電圧印加によって絶縁物に電荷が蓄積し、電圧印加後も電荷が絶縁物に残留するという帯電現象が生じることは周知である。実施の形態2ではクラック20の有無を検出した後に、半導体チップの損傷など帯電現象によって生じる影響を防ぐことを可能にする。
In the case of applying a DC voltage, it is well known that a charging phenomenon occurs in which charges are accumulated in an insulator by applying a voltage to the insulator such as the ceramic 122 and the charges remain in the insulator even after the voltage is applied. In the second embodiment, after the presence or absence of the
図6は、図5の高電圧アンプ22から出力される電圧波形の例を示す図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a voltage waveform output from the
図6を参照して、印加条件に応じた波形B1、B2、B3が示される。各波形の縦軸の1目盛りは5kVを示し、横軸の1目盛りは2秒を示す。波形B1は−8.5kVの直流電圧が3秒間印加されたときの電圧波形である。波形B2は−8.5kVの直流電圧が3秒間印加された後、+4.25kVの直流電圧が3秒間印加されたときの電圧波形である。波形B3は−8.5kVの直流電圧が3秒間印加された後、+4.25kVの直流電圧が6秒間印加されたときの電圧波形である。 Referring to FIG. 6, waveforms B1, B2, and B3 corresponding to application conditions are shown. One scale on the vertical axis of each waveform indicates 5 kV, and one scale on the horizontal axis indicates 2 seconds. Waveform B1 is a voltage waveform when a DC voltage of −8.5 kV is applied for 3 seconds. A waveform B2 is a voltage waveform when a DC voltage of −8.5 kV is applied for 3 seconds and then a DC voltage of +4.25 kV is applied for 3 seconds. A waveform B3 is a voltage waveform when a DC voltage of −8.5 kV is applied for 3 seconds and then a DC voltage of +4.25 kV is applied for 6 seconds.
図7は、図6の波形B1〜B3で示される印加電圧が図5の半導体モジュール1に印加された後に外部電極端子16に現れる帯電電位を示す図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating a charging potential that appears at the
図7を参照して、横軸は外部電極端子16を開放した時点を0としたときの経過時間を示し、縦軸は帯電する外部電極端子16の電極電圧を非接触表面電位計で測定した結果を示す。横軸の単位は分であり、縦軸の単位はVである。特性A8〜A10は図6の波形B1〜B3に示される電圧が図5の半導体モジュール1に印加され、外部電極端子16が開放された後に外部電極端子16に生じる電極電圧の変化をそれぞれ示す。
Referring to FIG. 7, the horizontal axis represents the elapsed time when the time when the
特性A8に示されるように外部電極端子16が開放されて約3分後に電極電圧はピーク値(−220V)に達する。電極電圧はピーク値に達した後に緩やかに減衰する。
As shown by the characteristic A8, the electrode voltage reaches a peak value (−220 V) about 3 minutes after the
たとえば図5の半導体チップ14がIGBTであり、IGBTのゲート破壊電圧が約40Vであるとする。クラック検出試験時にはゲート端子、エミッタ端子、コレクタ端子の各々が一括され、一括された端子とベース板との間に負極性電圧が印加される。試験後各端子が開放され、コレクタ端子の電圧が特性A8のように変化する場合、ゲート端子、エミッタ端子の各電圧の変化はコレクタ端子の電圧の変化とほぼ同一である。
For example, assume that the
電極電圧のピーク値が−220Vに達する場合、クラック検出試験の次の工程で実施されるモジュールの特性試験時に、各端子が測定治具(接地電位)と接触することがある。このときゲート端子とエミッタ端子との間に220Vの電圧が印加され、ゲート破壊(ゲート不良)が生じる可能性がある。 When the peak value of the electrode voltage reaches −220 V, each terminal may come into contact with the measurement jig (ground potential) during the module characteristic test performed in the next step of the crack detection test. At this time, a voltage of 220 V is applied between the gate terminal and the emitter terminal, which may cause gate breakdown (gate failure).
このような問題を解決するため実施の形態2では、負極性直流電圧が印加された後に正極性直流電圧が半導体モジュールに印加される。特性A9に示されるように、試験電圧と逆極性の電圧を印加することによって外部電極端子16が開放された後のピーク電圧は−75Vに低下する。また、特性A10に示されるように正極性直流電圧の印加時間をより長く設定すると、外部電極端子16のピーク電圧はさらに低下して±20Vになる。
In order to solve such a problem, in the second embodiment, after the negative DC voltage is applied, the positive DC voltage is applied to the semiconductor module. As shown in the characteristic A9, the peak voltage after the
上述のように半導体モジュールに負極性直流電圧を印加しただけでは、外部電極端子に電荷が蓄積されて負電位が残留するので半導体チップにゲート不良などの損傷が生じる可能性がある。実施の形態2では負極性直流電圧を印加した後に逆極性となる正極性直流電圧を印加する中和方法を加えることによって、残留電位を大幅に低下させ、半導体チップのゲート不良を回避できる。 As described above, if only a negative DC voltage is applied to the semiconductor module, charges are accumulated in the external electrode terminals and a negative potential remains, which may cause damage such as a gate failure in the semiconductor chip. In the second embodiment, by adding a neutralization method in which a positive DC voltage having a reverse polarity is applied after applying a negative DC voltage, the residual potential is greatly reduced, and a gate failure of the semiconductor chip can be avoided.
以上のように、実施の形態2によれば、クラック検出試験において負極性電圧を印加した後に逆極性の電圧をさらに印加することによって、外部電極端子に残留する電位を大幅に低下させるので、半導体チップの損傷を回避することができる。 As described above, according to the second embodiment, the potential remaining in the external electrode terminal is greatly reduced by further applying a reverse polarity voltage after applying the negative voltage in the crack detection test. Chip damage can be avoided.
[実施の形態3]
実施の形態3は、帯電電位の中和に用いられる正極性直流電圧の印加条件を最適に設定することによって実施の形態2よりも効果的に半導体チップの損傷を回避することができる半導体モジュールの良品判定方法である。
[Embodiment 3]
The third embodiment is a semiconductor module capable of avoiding damage to the semiconductor chip more effectively than the second embodiment by optimally setting the application condition of the positive DC voltage used for neutralizing the charging potential. This is a non-defective product determination method.
なお、実施の形態3による半導体モジュールの良品判定方法の具体例は図5に示される例と同様であるので以後の説明は繰り返さない。実施の形態3では実施の形態2と同様に、負極性直流電圧および正極性直流電圧が図5の半導体モジュール1に印加される。また、半導体モジュール1に加温する温度は室温以上(より好適には125℃以上)に設定される。
A specific example of the non- defective semiconductor module determination method according to the third embodiment is similar to the example shown in FIG. In the third embodiment, as in the second embodiment, the negative DC voltage and the positive DC voltage are applied to the
図8は、図5の半導体モジュール1に印加される負極性直流電圧および印加時間に対する外部電極端子16の帯電電位を示す図である。
FIG. 8 is a diagram illustrating the charging potential of the
図8を参照して、横軸は印加電圧と印加時間との積を示し、縦軸は外部電極端子16に誘起される帯電電位のピーク値(誘起ピーク電圧)を示す。
Referring to FIG. 8, the horizontal axis represents the product of the applied voltage and the application time, and the vertical axis represents the peak value (induced peak voltage) of the charged potential induced in the
特性A11に示されるように、横軸の広い範囲において、ピーク電圧は印加電圧と時間の積に依存して決定される。よって、負極性直流電圧を印加した後に帯電電荷を中和させるためには、正極性直流電圧と印加時間との積が負極性直流電圧と負極性直流電圧の印加時間との積に等しくなるように正極性直流電圧および正極性直流電圧の印加時間を設定すればよい。 As shown by the characteristic A11, the peak voltage is determined depending on the product of the applied voltage and time in a wide range on the horizontal axis. Therefore, in order to neutralize the charged charge after applying the negative DC voltage, the product of the positive DC voltage and the application time should be equal to the product of the negative DC voltage and the application time of the negative DC voltage. And the application time of the positive direct current voltage and the positive direct current voltage may be set.
また、中和用の逆極性電圧(正極性直流電圧)の絶対値は負極性電圧の絶対値よりも低くするほうが、半導体モジュールに含まれる絶縁物(特に図5における絶縁基板12)の沿面に対する損傷を軽減する効果が発揮される。たとえば、正極性電圧の絶対値を負極性直流電圧の絶対値の1/2とし、正極性電圧の印加時間を負極性直流電圧の印加時間の2倍とすれば、大幅に試験時間を増加させることがなく帯電電位を効果的に低減することができる。
Further, the absolute value of the reverse polarity voltage (positive DC voltage) for neutralization is lower than the absolute value of the negative voltage with respect to the creepage of the insulator (particularly, the insulating
なお、ピーク電圧は絶縁基板の静電容量が大きくなれば高くなる傾向にある。よってある印加条件に対し、同一の電圧および印加時間であってもモジュールに搭載される絶縁基板枚数(静電容量)の違いによってピーク値が異なる場合がある。たとえば図7の特性A8は、6枚の絶縁基板を含む半導体モジュールによって得られる結果であり、特性A11は、1枚の小面積の絶縁基板を含む半導体モジュールによって得られる結果である。実施の形態3によれば、このようにピーク電圧が異なる場合であっても外部電極端子に帯電する電位を効果的に中和させることができる。 The peak voltage tends to increase as the capacitance of the insulating substrate increases. Therefore, the peak value may differ depending on the number of insulating substrates (capacitance) mounted on the module even under the same voltage and application time for a certain application condition. For example, characteristic A8 in FIG. 7 is a result obtained by a semiconductor module including six insulating substrates, and characteristic A11 is a result obtained by a semiconductor module including one small-area insulating substrate. According to the third embodiment, the potential charged to the external electrode terminal can be effectively neutralized even when the peak voltages are different as described above.
以上のように実施の形態3によれば、負極性電圧の印加条件に応じて正極性電圧の電圧値および印加時間を最適に設定することによって、半導体モジュール内の半導体チップの損傷を起こす可能性がある外部電極端子の帯電電位を最も低くすることが可能になるので、絶縁基板のクラック検出を有効に行なうとともに半導体チップの損傷を防ぐことが可能になる。 As described above, according to the third embodiment, there is a possibility of causing damage to the semiconductor chip in the semiconductor module by optimally setting the voltage value and application time of the positive voltage according to the application condition of the negative voltage. Since it becomes possible to make the charged potential of a certain external electrode terminal the lowest, it becomes possible to effectively detect cracks in the insulating substrate and prevent damage to the semiconductor chip.
[実施の形態4]
実施の形態4の良品判定方法では実施の形態2、形態3と同様に、負極性電圧を印加した後に正極性直流電圧が半導体モジュールに印加される。ただし実施の形態4の良品判定方法では直流電圧に代えて低周波電圧が印加される点において実施の形態2、形態3と異なる。
[Embodiment 4]
In the non- defective product determination method according to the fourth embodiment, a positive DC voltage is applied to the semiconductor module after a negative voltage is applied, as in the second and third embodiments. However, the non- defective product determination method of the fourth embodiment is different from the second and third embodiments in that a low-frequency voltage is applied instead of the DC voltage.
なお、実施の形態4による半導体モジュールの良品判定方法の具体例は図5に示される例と同様であるので以後の説明は繰り返さない。また、実施の形態4の良品判定方法において加温の条件は、実施の形態1から形態3までの条件と同様に、室温以上(より好適には125℃以上)に設定される。以下、半導体モジュール1に印加される電圧の条件について説明する。
A specific example of the non- defective semiconductor module determination method according to the fourth embodiment is the same as the example shown in FIG. Further, in the non- defective product determination method of the fourth embodiment, the heating condition is set to room temperature or higher (more preferably 125 ° C. or higher) as in the first to third embodiments. Hereinafter, the conditions of the voltage applied to the
図9は、実施の形態4における印加電圧波形の一例を示す図である。 FIG. 9 is a diagram illustrating an example of an applied voltage waveform in the fourth embodiment.
図9を参照して、縦軸の1目盛りは5kVを示し、横軸の1目盛りは2秒を示す。波形B4の振幅は±8.5kVpであり、周波数は0.1Hzである。また、印加時間は1サイクルである。印加電圧は最初の0.5サイクルでは負方向に変化し、次の0.5サイクルでは正方向に変化する。負極性電圧はクラックを検出するために用いられ、正極性電圧は帯電電位を中和するために用いられる。 Referring to FIG. 9, one scale on the vertical axis indicates 5 kV, and one scale on the horizontal axis indicates 2 seconds. The amplitude of the waveform B4 is ± 8.5 kVp, and the frequency is 0.1 Hz. The application time is one cycle. The applied voltage changes in the negative direction in the first 0.5 cycle, and changes in the positive direction in the next 0.5 cycle. The negative voltage is used to detect cracks, and the positive voltage is used to neutralize the charging potential.
以下、実施の形態4における最適な電圧印加条件について説明する。 Hereinafter, the optimum voltage application conditions in the fourth embodiment will be described.
図10は、低周波電圧を図5の半導体モジュール1に印加したときに外部電極端子16に現れる帯電電位の時間変化を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a change with time of the charging potential appearing at the
図10を参照して、特性A12〜A16は低周波電圧を印加した後に外部電極端子に生じる残留電圧の時間変化を示す。特性A12〜A16のそれぞれは、低周波電圧の周波数が0.05Hz、0.1Hz、0.2Hz、0.5Hz、1Hzのときに外部電極端子に生じる残留電圧の時間変化である。各印加電圧の振幅は±8.5kVpであり、印加時間は1サイクルである。 Referring to FIG. 10, characteristics A12 to A16 indicate temporal changes in the residual voltage generated at the external electrode terminal after the low frequency voltage is applied. Each of the characteristics A12 to A16 is a time change of the residual voltage generated at the external electrode terminal when the frequency of the low frequency voltage is 0.05 Hz, 0.1 Hz, 0.2 Hz, 0.5 Hz, and 1 Hz. The amplitude of each applied voltage is ± 8.5 kVp, and the application time is one cycle.
図10に示されるように、周波数が低くなるほど残留電圧のピーク値は高くなる。よって周波数が低くなるほど半導体チップ14にゲート不良が生じる可能性が高くなる。たとえば特性A12,A13に示されるように、印加電圧の周波数が0.1Hz以下になると帯電電位は顕著に高くなる。
As shown in FIG. 10, the peak value of the residual voltage increases as the frequency decreases. Therefore, the lower the frequency, the higher the possibility that a gate failure will occur in the
たとえば上述のように半導体チップがIGBTであり、ゲート破壊電圧が40Vであるとする。ゲート不良が発生する可能性を考慮すれば、印加電圧の周波数を0.2Hz以上1Hz以下に設定すれば、クラック検出試験およびその後の帯電電位の中和が有効に実現される。 For example, as described above, it is assumed that the semiconductor chip is an IGBT and the gate breakdown voltage is 40V. Considering the possibility of gate failure, if the frequency of the applied voltage is set to 0.2 Hz or more and 1 Hz or less, the crack detection test and subsequent neutralization of the charged potential can be effectively realized.
以上のように、実施の形態4によれば負方向と正方向に変化する低周波電圧を印加することによって、負極性直流電圧と正極性直流電圧とを加えた場合と同様にクラック検出電圧を低下させるとともに電極の帯電電位を中和させるので、絶縁基板の沿面破壊を防ぐとともに半導体チップの損傷を防ぐことができる。 As described above, according to the fourth embodiment, by applying the low frequency voltage that changes in the negative direction and the positive direction, the crack detection voltage is set in the same manner as when the negative DC voltage and the positive DC voltage are added. Since the electrode potential is reduced and the charged potential of the electrode is neutralized, it is possible to prevent creeping destruction of the insulating substrate and damage to the semiconductor chip.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 半導体モジュール、2,2A 高電圧電源、3 電流計、4 ホットプレート、11 ベース板、12 絶縁基板、14 半導体チップ、15 ワイヤー、16 外部電極端子、17 ケース、18 封止樹脂、20 クラック、21 任意波形発生装置、22 高電圧アンプ、121 表電極、122 セラミック、123 裏電極、A1〜A16 特性、B1〜B3 波形。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記半導体モジュールを所定の温度に加温するステップと、
前記表面電極と前記半導体チップのパッドとに前記ベース板の電圧よりも低い負極性電圧を印加するステップと、
前記負極性電圧を印加したときに前記絶縁基板に流れる電流を測定し、測定結果が上限値以下の場合には前記半導体モジュールが良品であると判定するステップとを備える、半導体モジュールの良品判定方法。 An insulating substrate having a front electrode and a back electrode, a base plate connected to the back electrode, and a non- defective method for determining a semiconductor module having a semiconductor chip mounted on the front electrode,
Heating the semiconductor module to a predetermined temperature;
Applying a negative voltage lower than the voltage of the base plate to the surface electrode and the pad of the semiconductor chip;
Wherein a current flowing through the insulating substrate to measure a negative polarity voltage when applying, when the measurement result is less than the upper limit value and a determining that said semiconductor module is a non-defective, non-defective determination method of the semiconductor module .
前記負極性電圧および前記正極性電圧は直流電圧である、請求項2に記載の半導体モジュールの良品判定方法。 The predetermined temperature is higher than room temperature,
The semiconductor module non- defective product determination method according to claim 2, wherein the negative voltage and the positive voltage are DC voltages.
前記負極性電圧および前記正極性電圧は、0.05Hz以上、かつ、1Hz以下となる周波数で変化する低周波電圧である、請求項2に記載の半導体モジュールの良品判定方法。 The predetermined temperature is higher than room temperature,
The non- defective product determination method for a semiconductor module according to claim 2, wherein the negative voltage and the positive voltage are low-frequency voltages that change at a frequency of 0.05 Hz or more and 1 Hz or less.
前記負極性電圧は、直流電圧である、請求項1に記載の半導体モジュールの良品判定方法。 The predetermined temperature is higher than room temperature,
The semiconductor module non- defective product determination method according to claim 1, wherein the negative voltage is a DC voltage.
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