JP4673360B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置 Download PDF

Info

Publication number
JP4673360B2
JP4673360B2 JP2007330531A JP2007330531A JP4673360B2 JP 4673360 B2 JP4673360 B2 JP 4673360B2 JP 2007330531 A JP2007330531 A JP 2007330531A JP 2007330531 A JP2007330531 A JP 2007330531A JP 4673360 B2 JP4673360 B2 JP 4673360B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
diode
electrode pad
semiconductor element
semiconductor device
cathode electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP2007330531A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2008147683A (ja
Inventor
敬昭 白澤
剛 高山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP2007330531A priority Critical patent/JP4673360B2/ja
Publication of JP2008147683A publication Critical patent/JP2008147683A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4673360B2 publication Critical patent/JP4673360B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/02—Bonding areas; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
    • H01L2224/05—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of an individual bonding area
    • H01L2224/0554—External layer
    • H01L2224/0555—Shape
    • H01L2224/05552—Shape in top view
    • H01L2224/05553—Shape in top view being rectangular
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001—Core members of the connector
    • H01L2224/45099—Material
    • H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45117—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
    • H01L2224/45124—Aluminium (Al) as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48135—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
    • H01L2224/48137—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/484—Connecting portions
    • H01L2224/4847—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond
    • H01L2224/48472—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond the other connecting portion not on the bonding area also being a wedge bond, i.e. wedge-to-wedge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265—Layer and wire connectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/19—Details of hybrid assemblies other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/191—Disposition
    • H01L2924/19101—Disposition of discrete passive components
    • H01L2924/19107—Disposition of discrete passive components off-chip wires

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Description

本発明は、モータやヒータなどの大電流を用いる電子機器を制御するための半導体装置に関し、とりわけ、半田接合層の亀裂（クラック）を検出し、故障を事前に推知することができる半導体装置に関する。
大電流を制御する電力用半導体装置（パワーモジュール）は、一般に、モータやヒータなどの電子機器に電源を供給するために用いられる。したがって、半導体装置が故障して、所定の制御された電流が供給できなくなると、これを搭載する電子機器は、しばしば、所定の機能を達成できず、致命的な不具合を生じ得る。すなわち、こうしたパワーモジュールは、極めて高いレベルの信頼性が要求される。
しかし、如何に優れた製造技術をもってしても、永久に故障しない完全なパワーモジュールを製造することは極めて困難であって、一般のパワーモジュールは、自ら生じるジュール熱に起因する熱ストレスや、搭載された電子機器から伝わる振動による機械的ストレスなどのさまざまな要因により、時間が経過するにつれて故障する可能性がある。とりわけ、パワーモジュールをアセンブリする際に用いられる半田層などの接合部材に亀裂（クラック）が徐々に進行することにより、半導体素子の放熱が阻害され、ひいては半導体素子が過熱して破壊されることがある。したがって、パワーモジュールは、半田クラックが半田層全体に進行して、半導体素子が破壊される前に適宜交換しなければならない。そのために、これまでにも、半田クラックの発生を事前に検出するためのいくつかの手段が提案されている。
例えば、特開平７−１４９４８号公報によれば、所望の位置に取り付けられた熱電対を用いて、接合部の温度変化を使用中常時モニタし、接合界面に亀裂が発生進展すると熱抵抗が増大することを利用して、半導体素子の温度上昇の度合いを測定して、亀裂の進行状況を判断する故障検知システムが開示されている。
しかし、半田層界面に生じるクラックは、一般に、絶縁基板と半導体素子の線膨張係数の差異、ならびに絶縁基板と金属ベース板の線膨張係数の差異に起因して、上記構成部品の間に配置された各半田層の周辺端部から中央部に向かって進展し、クラックが生じた特定領域においてのみ、半田層の放熱特性が著しく劣化する。したがって、半田クラックによる熱抵抗の増大を精度よく検出するためには、半田クラックが発生しやすい半田層の周辺端部に隣接して配置された温度検出素子を用いる必要がある。所望の位置に取り付けられた熱電対によれば、半田クラックに起因する温度変化を検出することを必ずしも期待できない。
特開平７−１４９４８号公報
また、特開平８−３１６４７１号公報は、温度が上昇すると順電圧が低下するという順電圧の温度依存性を有するｐｎダイオードが配置された絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを開示し、複数のｐｎダイオードを直列に接続することにより、精度の高い温度検出を実現し、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタが過熱することを防止することを教示している。ただし、この従来技術には、ｐｎダイオードの配置位置および半田クラックに関する言及はなく、半田クラックに起因する局所的な温度上昇を検出することはできない。
特開平８−３１６４７１号公報
さらに、特開２００３−１３４７９５公報によれば、絶縁基板上の半導体チップに近い位置にただ１つの温度センス素子を設け、この温度センス素子で測定された温度の時間変化率（ｄＴ／ｄｔ）が運転指令から推定される時間変化率の範囲内にあるかどうかを判断することにより半田層などの劣化や誤作動を検出する半導体モジュールが開示されている。このとき、温度センス素子が検出する温度は、例えば絶縁基板の上方にある半田層が劣化すると、正常時よりも緩やかに上昇する一方、例えば絶縁基板の下方にある半田層が劣化すると、正常時よりも急激に上昇することが開示されている。しかしながら、絶縁基板の上方および下方にある半田層の両方が同時に劣化した場合、これらの影響が相殺されて、半田層の劣化を検出することはできない。
特開２００３−１３４７９５公報
そこで、本発明は、絶縁基板上に実装された発熱量の異なる半導体素子（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタおよびフリーホイールダイオード）にそれぞれ少なくとも１つの温度検出素子を配置して、検出された温度の差を検出することにより、絶縁基板の下方にある半田層に生じるクラックを確実に、かつ簡便な手法で検出できるパワーモジュールを提供することを目的とする。
本発明の１つの態様による半導体装置は、第１の導電性接合層を介して放熱板上に固着される絶縁基板と、第２の導電性接合層を介して前記絶縁基板上に実装される第１および第２の半導体素子と、前記第１の半導体素子上に配置された少なくとも１つの第１のダイオードと、前記第２の半導体素子上に配置された少なくとも１つの第２のダイオードと、前記第１および第２のダイオードに接続された外部制御回路とを備え、前記第１の半導体素子の発熱量が前記第２の半導体素子の発熱量より大きく、外部制御回路は、前記第１のダイオードで検出された第１の温度（Ｔ １ ）と、前記第２のダイオードで検出された第２の温度（Ｔ ２ ）との温度差が所定の温度差（Ｔ ｔｈ ）よりも小さくなったとき（Ｔ １ −Ｔ ２ ＜Ｔ ｔｈ ）、前記第１の導電性接合層の周辺端部に半田クラックが生じたと判断することを特徴とするものである。
本発明によれば、絶縁基板の下方に配置された半田層に生じるクラックを確実に、かつ簡便な手法で検出できるパワーモジュールを提供することができる。
以下、添付図面を参照して本発明に係る半導体装置の実施の形態を説明する。各実施の形態の説明において、理解を容易にするために方向を表す用語（例えば、「上方」および「下方」など）を適宜用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本発明を限定するものでない。
参考例１．
図１ないし図４を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の参考例１について以下に説明する。図１に示すパワーモジュール１は、概略、樹脂などの絶縁材料からなるケース１１と、良好な熱伝導性を有する銅などの金属板からなる金属ベース板１２と、ケース１１の上面から内部に延びる複数の主電極１３と、を備えている。ケース１１は金属ベース板１２上に固定され、金属ベース板１２は金属放熱フィン１４上に固定されている。また図２に示すように、パワーモジュール１のケース１１の内部において、金属パターン２１，２２が両面に形成された絶縁基板２０が導電性接合層である半田層３０を介して金属ベース板１２上に固定されている。また、少なくとも１つの半導体素子４０（例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）４０ａおよびフリーホイールダイオード（ＦＷＤ）４０ｂ）が導電性接合層である半田層５０を介して絶縁基板２０上に実装されている。ここで絶縁基板２０の下方および上方に配置された半田層を、便宜上、「下側半田層（第１の導電性接合層）」３０および「上側半田層（第２の導電性接合層）」５０という。
すなわち、絶縁基板２０の下側に配置された金属パターン２１は、導電性接合層である半田層３０を介して金属ベース板１２上に固定され、半導体素子４０ａ，４０ｂは、同様に、導電性接合層である半田層５０を介して絶縁基板２０の上側金属パターン２２上に実装されている。
なお、図１に示すように、アルミワイヤなどの金属ワイヤ１５を用いて、主電極１３および各半導体素子４０、および互いの半導体素子４０が電気的に接続される。さらに、半導体素子４０および絶縁基板２０の上方には、半導体素子４０および金属ワイヤ１５を保護するために、シリコンゲル１６が充填され（分かりやすくするために、ハッチングを省略した。）、エポキシ樹脂１７を用いてその上方が封止され、さらにその上方に蓋１８が配置されている。
参考例１による半導体素子４０は、図３に示すように、その周辺端部に配置された少なくとも１つの端部ダイオード（端部温度検出素子）ＤＥと、その中央部に配置された少なくとも１つの中央部ダイオード（中央部温度検出素子）ＤＣと、を有する。端部ダイオードＤＥは、第１のアノード電極パッドＡ１およびカソード電極パッドＫ１の間に接続され、同様に、中央部ダイオードＤＣは、第２のアノード電極パッドＡ２およびカソード電極パッドＫ２の間に接続される。また、端部ダイオードＤＥおよび中央部ダイオードＤＣは、半導体装置１の通常使用時、一定の電流が流れるように、それぞれ第１のアノード電極パッドＡ１およびカソード電極パッドＫ１、および第２のアノード電極パッドＡ２およびカソード電極パッドＫ２を介して、図示しない外部制御回路の定電流源に電気的に接続されている。好適には、端部ダイオードＤＥおよび中央部ダイオードＤＣは、例えば、周囲温度２５℃で０．２ｍＡの順電流を流したとき、順電圧が２．５Ｖとなるように、ほぼ同一の電流電圧特性（ＶＦ−ＩＦ特性）を有する。
一般に、ダイオードは、図４に示すように、周囲温度Ｔが上昇すると順電圧ＶＦが下がるため、順電圧ＶＦを測定することにより、周囲温度Ｔを検出できることが知られている。一方、本発明者は、半導体装置１の通常使用時、端部ダイオードＤＥにより測定される端部温度ＴＥは、端部ダイオードＤＥにより測定される中央部温度ＴＣよりも多少（約１５℃ないし２０℃）低いことを確認した。
ところで、半導体装置１の通電時間が経過するにつれて、半導体素子４０と絶縁基板２０の間に配置された上側半田層５０は、上述のように、接合界面において、図２に示すように、半田クラックが周辺端部から中央部に向かって徐々に進行する。すなわち、図３に示すような矩形の平面形状を有する半導体素子４０において、上側半田層５０の半田クラックは、半導体素子４０の各角部（コーナ部）から中央部に向かって徐々に進展する。そして、上側半田層５０に半田クラックが生じると、その特定領域における熱抵抗が増大するので、半田クラックが生じた上側半田層５０の上方にある半導体素子４０の一部の領域だけが放熱を阻害され、温度上昇する。
すなわち、上側半田層５０に半田クラックが生じていない状態で半導体装置１が通電されているとき、端部温度ＴＥと中央部温度ＴＣとの温度差は一定であるが、上側半田層５０に半田クラックが生じると、端部温度ＴＥが中央部温度ＴＣに接近するように上昇することを、本発明者は見出した。したがって、参考例１によれば、端部ダイオードＤＥおよび中央部ダイオードＤＣの順電圧ＶＦの差異を検出して、端部温度ＴＥが中央部温度ＴＣに接近したとき、すなわち端部温度ＴＥと中央部温度ＴＣの温度差が所定の温度差（Ｔｔｈ）よりも小さくなったとき（ＴＣ−ＴＥ＜Ｔｔｈ）、上側半田層５０の周辺端部に半田クラックが生じたと判断する。このように、図示しない外部制御回路は、端部ダイオードＤＥおよび中央部ダイオードＤＣの順電圧ＶＦの差異を検出することにより、極めて簡便な手法で、上側半田層５０の周辺端部において半田クラックが生じたことを検出することができる。このとき、外部制御回路は、上側半田層５０全体に半田クラックが進行して、半導体素子４０が過熱して破壊される前に、半導体装置１の交換の必要性を使用者にアラームするか、あるいは半導体装置１を搭載した電子機器の動作を事前に安全に停止することができる。
本発明による半田クラックの検出メカニズムによれば、端部温度ＴＥが中央部温度ＴＣに対してどれだけ接近したか、相対的な温度差に基づいて、上側半田層５０の周辺端部に生じる半田クラックを検出する。したがって、本発明の検出方法によれば、絶対的な中央部温度ＴＣおよび端部温度ＴＥとは関係なく、すなわち半導体装置１の動作条件に影響を受けることなく、半田クラックを的確に検出することができる。
参考例２．
図５を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の参考例２について以下に説明する。参考例２のパワーモジュール２は、端部ダイオードＤＥと中央部ダイオードＤＣが直列に接続される点を除いて、参考例１のパワーモジュール１と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。
参考例２によれば、とりわけ図５の等価回路図に示すように、端部ダイオードＤＥと中央部ダイオードＤＣが直列に接続され、一定電流が共通アノード電極パッドＡ１と、中央部ダイオードＤＣのカソード電極パッドＫ２の間を流れるように、１つの定電流源が接続される。このとき、端部ダイオードＤＥと中央部ダイオードＤＣの間の電位を検出するためのカソード電極パッドＫ１が設けられる。これにより、参考例１では、２つの定電流源と２組（４つの）電極パッドを用いて、端部ダイオードＤＥおよび中央部ダイオードＤＣの順電圧ＶＦを測定していたところ、参考例２では、ただ１つの定電流源と３つの電極パッドを用いて、端部ダイオードＤＥおよび中央部ダイオードＤＣの順電圧ＶＦを測定することができる。すなわち、参考例２によれば、参考例１に比べて、必要な定電流源の数を減らして、外部制御回路を簡略化するとともに、順電圧検出用の電極パッド数を減らして、半導体素子４０の有効面積を大きくするか、半導体素子４０を小型化することができる。
こうして、構成された参考例２のパワーモジュール２は、参考例１と同様、上側半田層５０の周辺端部に生じる半田クラックを的確に検出することができる。
参考例３．
図６を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の参考例３について以下に説明する。参考例３のパワーモジュール３は、複数（図６では２つ）の端部ダイオードＤＥが半導体素子の周辺端部に配置される点を除いて、参考例１のパワーモジュール１と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。
参考例３において、図６の等価回路図に示すように、第１の端部ダイオードＤＥ１はアノード電極パッドＡ１とカソード電極パッドＫ１の間に接続され、第２の端部ダイオードＤＥ２はアノード電極パッドＡ２とカソード電極パッドＫ２の間に接続され、中央部ダイオードＤＣはアノード電極パッドＡ３とカソード電極パッドＫ３の間に接続される。
また、図６に示すように、第１および第２の端部ダイオードＤＥ１，ＤＥ２は、半導体素子４０の周辺端部のほぼ対角線上に（左上角部と右下角部に）配置される。上述のように、半田クラックは、上側半田層５０の周辺端部から入るが、とりわけ対角線上に入ることが多い。したがって、２つの端部ダイオードＤＥ１，ＤＥ２を設けることにより、半田クラックに起因する端部温度ＴＥの変化をより精度よく検出することができる。同様に、３個以上の端部ダイオードを設けると、上側半田層５０の半田クラックをさらに精度よく検出することができる。
参考例４．
図７を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の参考例４について以下に説明する。参考例４のパワーモジュール４は、第１および第２の端部ダイオードＤＥ１，ＤＥ２が直列に接続される点を除いて、参考例３のパワーモジュール３と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。
参考例４において、図７の等価回路図に示すように、第１および第２の端部ダイオードＤＥ１，ＤＥ２は、アノード電極パッドＡ１とカソード電極パッドＫ１の間に直列に接続され、中央部ダイオードＤＣは、アノード電極パッドＡ２とカソード電極パッドＫ２の間に接続される。
また、図７に示す参考例４によれば、参考例３と同様、複数の端部ダイオードＤＥが半導体素子４０の周辺端部に配置されているので、上側半田層５０の半田クラックをさらに高精度の検出を可能にするとともに、参考例３と比較して、必要な定電流源および検出用電極パッドの数を減らすことにより、外部制御回路の簡略化、および半導体素子４０の有効面積の拡大（または半導体素子４０を小型化）を実現することができる。
参考例５．
図８を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の参考例５について以下に説明する。参考例５のパワーモジュール５は、第１および第２の端部ダイオードＤＥ１，ＤＥ２が並列に接続される点を除いて、参考例４のパワーモジュール４と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。
参考例５において、図８の等価回路図に示すように、第１および第２の端部ダイオードＤＥ１，ＤＥ２は、アノード電極パッドＡ１とカソード電極パッドＫ１の間に並列に接続され、中央部ダイオードＤＣは、アノード電極パッドＡ２とカソード電極パッドＫ２の間に接続される。
参考例５によれば、図８に示すように、第１および第２の端部ダイオードＤＥ１，ＤＥ２を用いて、上側半田層５０の２つの領域における半田クラックを検出できる。ただし、それぞれの領域における半田クラックの進行は、一般に、必ずしも均一ではなく、ただ１つの領域における半田クラックが直ちに半導体素子４０を過熱して破壊するとは限らず、むしろ周辺端部の全域から中央部に向かう半田クラックが致命的な故障をもたらすことがある。すなわち、参考例５においては、第１および第２の端部ダイオードＤＥ１，ＤＥ２を並列に接続することにより、両者の端部温度ＴＥの変化を平均化することにより、複雑なメカニズムを用いることなく、周辺端部の全域から進行する半田クラックを信頼性高く検出することができる。
参考例６．
図９を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の参考例６について以下に説明する。参考例６のパワーモジュール６は、中央部ダイオードＤＣだけでなく、第２の端部ダイオードＤＥ２が第１の端部ダイオードＤＥ１に直列に接続された点を除いて、参考例２のパワーモジュール２と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。
参考例６において、図９の等価回路図に示すように、第１および第２の端部ダイオードＤＥ１，ＤＥ２ならびに中央部ダイオードＤＣは、アノード電極パッドＡ１とカソード電極パッドＫ３の間に直列に接続される。このとき、第１および第２の端部ダイオードＤＥ１，ＤＥ２の間の電位を検出するためのカソード電極パッドＫ１、ならびに第２の端部ダイオードＤＥ２と中央部ダイオードＤＣの間の電位を検出するためのカソード電極パッドＫ２が設けられる。
これにより、参考例６によれば、参考例３と同様、複数の端部ダイオードＤＥが半導体素子４０の周辺端部に配置されているので、上側半田層５０の半田クラックを精度よく検出できるとともに、参考例３と比較して、必要な定電流源の数を（３つから１つに）減らし、検出用電極パッドの数を（６つから４つに）減らすことにより、外部制御回路の簡略化、および半導体素子４０の有効面積の拡大（または半導体素子４０を小型化）を実現することができる。
参考例７．
図１０を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の参考例７について以下に説明する。参考例７のパワーモジュール７は、第１および第２の端部ダイオードＤＥ１，ＤＥ２の間の電位（信号レベル）を検出するための電極パッド端子Ｋ３を新設した点を除いて、参考例４のパワーモジュール４と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。
参考例７によれば、とりわけ図１０の等価回路図に示すように、第１および第２の端部ダイオードＤＥ１，ＤＥ２がノード電極パッドＡ１とカソード電極パッドＫ１の間に直列に接続され、中央部ダイオードＤＣがノード電極パッドＡ２とカソード電極パッドＫ２の間に接続される。また、第１および第２の端部ダイオードＤＥ１，ＤＥ２の間の電位を検出するためのカソード電極パッドＫ２が設けられる。これにより、参考例３では、３つの定電流源と３組（６つの）電極パッドを用いて、第１および第２の端部ダイオードＤＥ１，ＤＥ２および中央部ダイオードＤＣの順電圧ＶＦを測定していたところ、参考例７では、２つの定電流源と５つの電極パッドを用いて、第１および第２の端部ダイオードＤＥ１，ＤＥ２および中央部ダイオードＤＣの順電圧ＶＦを測定することができる。すなわち、参考例７によれば、参考例３に比べて、必要な定電流源の数を減らして、外部制御回路を簡略化することができるとともに、順電圧検出用の電極パッド数を減らして、半導体素子４０の有効面積を大きくするか、半導体素子４０を小型化することができる。
こうして、構成された参考例７のパワーモジュール７は、参考例３と同様、上側半田層５０の周辺端部に生じる半田クラックを的確に検出することができる。
実施の形態１．
参考例１ないし７は、上側半田層５０の周辺端部に生じる半田クラックを検出することを目的としたのに対し、実施の形態１ないし３は、同様の手法を用いて、主に下側半田層３０の周辺端部に生じる半田クラックを検出することを目的とする。
ここで図２および図１１を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の実施の形態１について以下に説明する。先の参考例１のパワーモジュール１によれば、中央部ダイオードＤＣおよび端部ダイオードＤＥが１つの半導体素子４０の中央部および周辺端部に配置されていたのに対し、実施の形態１のパワーモジュール８は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ４０ａの中央部に配置された第１のダイオードＤ１と、フリーホイールダイオード４０ｂの中央部に配置された第２のダイオードＤ２と、を有する。実施の形態１のパワーモジュール８は、その他の点においては、参考例１のパワーモジュール１と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。
図１１に示すパワーモジュール８において、上述のように、第１のダイオードＤ１がＩＧＢＴ４０ａの中央部に配置され、第２のダイオードＤ２がＦＷＤ４０ｂの中央部に配置されている。また、第２のダイオードＤ２は、ＦＷＤ４０ｂ上の第１のアノード電極パッドＡ１およびカソード電極パッドＫ１の間に接続され、これらの電極パッドは、金属ワイヤおよびＩＧＢＴ４０ａ上のアノード電極パッドＡ１'およびカソード電極パッドＫ１'を介してアノード電極パッドＡ１''およびカソード電極パッドＫ１''に接続される。一方、第１のダイオードＤ１は、ＩＧＢＴ４０ａ上のアノード電極パッドＡ２およびカソード電極パッドＫ２に接続される。
半導体装置１の通常使用時、ＩＧＢＴ４０ａは、一般に、ＦＷＤ４０ｂよりも大きなジュール熱を生じ、第２のダイオードＤ２が検出するＦＷＤ４０ｂの温度Ｔ２は、第１のダイオードＤ１が検出するＩＧＢＴの温度Ｔ１よりも低い。したがって、絶縁基板２０と金属ベース板１２との線膨張係数の違いに起因して、両者間に応力が発生するが、ＦＷＤ４０ｂの下方にある下側半田層３０は、熱源であるＩＧＢＴ４０ａから離れているため、ＩＧＢＴ４０ａの下方にある下側半田層３０よりも伸縮の度合いが大きく、大きなストレスが加わる。すなわち、図２に示すように、下側半田層３０の半田クラックは、ＦＷＤ４０ｂが隣接する絶縁基板２０の角部（コーナ部）から入り、ＩＧＢＴ４０ａに向かって進行する。
半田クラックが、ＦＷＤ４０ｂの中央部に配置された第２のダイオードＤ２の直下にある下側半田層３０まで進むにつれ、第２のダイオードＤ２により検出される温度に接近するように上昇する。したがって、参考例１と同様、実施の形態１によれば、第１のダイオードＤ１および第２のダイオードＤ２の順電圧ＶＦの差異を検出して、ＦＷＤ温度Ｔ２がＩＧＢＴ温度Ｔ１に接近したとき、すなわちＩＧＢＴ温度Ｔ１とＦＷＤ温度Ｔ２の温度差が所定の温度差（Ｔｔｈ）よりも小さくなったとき（Ｔ１−Ｔ２＜Ｔｔｈ）、下側半田層３０の周辺端部に半田クラックが生じたと判断することができる。こうして、図示しない外部制御回路は、下側半田層３０の周辺端部において半田クラックが生じたことを検出すると、下側半田層３０全体に半田クラックが進展して、半導体素子４０が過熱して破壊される前に、半導体装置１の交換の必要性を使用者にアラームするか、あるいは半導体装置１を搭載した電子機器の動作を安全に停止することができる。
なお、実施の形態１による半田クラックの検出方法によれば、参考例１と同様、ＦＷＤ温度Ｔ２がＩＧＢＴ温度Ｔ１に対してどれだけ接近したか、相対的な温度差に基づいて、下側半田層３０の周辺端部に生じる半田クラックを検出する。したがって、本発明の検出方法によれば、絶対的なＩＧＢＴ温度Ｔ１およびＦＷＤ温度Ｔ２とは関係なく、すなわち半導体装置８の動作条件に影響を受けることなく、半田クラックを的確に検出することができる。
実施の形態２．
図１２を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の実施の形態２について以下に説明する。実施の形態２のパワーモジュール９は、第１および第２のダイオードＤ１，Ｄ２が直列に接続される点を除いて、実施の形態１のパワーモジュール８と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。
先の実施の形態１では、２つの定電流源と２組（４つの）電極パッドを用いて、第１および第２のダイオードＤ１，Ｄ２の順電圧ＶＦを測定していたところ、実施の形態２によれば、ただ１つの定電流源と３つの電極パッドを用いて、第１および第２のダイオードＤ１，Ｄ２の順電圧ＶＦを測定できる。したがって、実施の形態２のパワーモジュール９によれば、実施の形態１に比べて、必要な定電流源の数を減らして、外部制御回路を簡略化するとともに、順電圧検出用の電極パッド数を減らして、半導体素子４０の有効面積を大きくするか、半導体素子４０を小型化することができる。
実施の形態３．
図１３を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の実施の形態３について以下に説明する。実施の形態３のパワーモジュール１０は、第２のダイオードＤ２をＦＷＤ４０ｂの周辺端部に配置し、第３のダイオードＤ３をＩＧＢＴ４０ａの周辺端部に新設し、第２のダイオードＤ２と第３のダイオードＤ３を直列に接続した点を除いて、実施の形態１のパワーモジュール８と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。
このように構成されたパワーモジュール１０は、実施の形態１のパワーモジュール８と同様、第２のダイオードＤ２がＦＷＤ４０ｂの周辺端部に配置されているので、ＦＷＤ４０ｂに近い下側半田層３０の角部における半田クラックを的確に検出するとともに、第３のダイオードＤ３がＩＧＢＴ４０ａの周辺端部に配置されているので、ＩＧＢＴ４０ａに近い上側半田層５０の角部における半田クラックを的確に検出することができる。すなわち、実施の形態１のパワーモジュール８は、上側半田層５０および下側半田層３０の両方の半田クラックを検出することができる。
本発明の参考例１による半導体装置の断面図である。 図１に示す半導体装置の拡大断面図であって、上側半田層および下側半田層に生じる半田クラックを示す。 参考例１による半導体素子の平面図、およびその等価回路図である。 温度−順電圧特性を示す概略的なグラフである。 参考例２による半導体素子の平面図、およびその等価回路図である。 参考例３による半導体素子の平面図、およびその等価回路図である。 参考例４による半導体素子の平面図、およびその等価回路図である。 参考例５による半導体素子の平面図、およびその等価回路図である。 参考例６による半導体素子の平面図、およびその等価回路図である。 参考例７による半導体素子の平面図、およびその等価回路図である。 本発明に係る実施の形態１による半導体素子の平面図である。 実施の形態２による半導体素子の平面図である。 実施の形態３による半導体素子の平面図である。
１〜１０ パワーモジュール（半導体装置）、１１ ケース、１２ 金属ベース板、１３ 主電極、１４ 金属放熱フィン、１５ 金属ワイヤ、１６ シリコンゲル、１７ エポキシ樹脂、１８ 蓋、２０ 絶縁基板、２１，２２ 金属パターン、４０ 下側半田層、４０ａ 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ、４０ｂ フリーホイールダイオード、５０ 上側半田層、ＤＥ 端部ダイオード（端部温度検出素子）、ＤＣ 中央部ダイオード（中央部温度検出素子）、Ａ１〜Ａ３ アノード電極パッド、Ｋ１〜Ｋ３ カソード電極パッド。

Claims (4)

  1. 半導体装置であって、
    第１の導電性接合層を介して放熱板上に固着される絶縁基板と、
    第２の導電性接合層を介して前記絶縁基板上に実装される第１および第２の半導体素子と、
    前記第１の半導体素子上に配置された少なくとも１つの第１のダイオードと、
    前記第２の半導体素子上に配置された少なくとも１つの第２のダイオードと、
    前記第１および第２のダイオードに接続された外部制御回路とを備え、
    前記第１の半導体素子の発熱量が前記第２の半導体素子の発熱量より大きく、
    外部制御回路は、前記第１のダイオードで検出された第１の温度（Ｔ １ ）と、前記第２のダイオードで検出された第２の温度（Ｔ ２ ）との温度差が所定の温度差（Ｔ ｔｈ ）よりも小さくなったとき（Ｔ １ −Ｔ ２ ＜Ｔ ｔｈ ）、前記第１の導電性接合層の周辺端部に半田クラックが生じたと判断することを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１に記載の半導体装置であって、
    前記第１の半導体素子は、前記第１のダイオードに接続された第１のアノードパッドおよびカソード電極パッドを有し、
    前記第２の半導体素子は、前記第２のダイオードに接続された第２のアノード電極パッドおよびカソード電極パッドを有し、
    前記第１のカソード電極パッドが前記第２のアノード電極パッドに接続され、前記第２のカソード電極パッドが前記第１のアノード電極パッドに接続されることにより、前記第１および第２のダイオードは、直列に接続されることを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１に記載の半導体装置であって、
    前記第１の半導体素子は、その周辺端部および中央部のそれぞれに配置された少なくとも１つの第１の端部ダイオードおよび中央部ダイオードを有し、
    前記第２の半導体素子は、その周辺端部に配置された少なくとも１つの第２の端部ダイオードを有し、
    前記第１の半導体素子は、前記第１の端部ダイオードに接続された第１の端部アノード電極パッドおよび端部カソード電極パッドを有し、
    前記第２の半導体素子は、前記第２の端部ダイオードに接続された第２の端部アノード電極パッドおよび端部カソード電極パッドを有し、
    前記第１の端部カソード電極パッドが前記第２の端部アノード電極パッドに接続され、前記第２のカソード電極パッドが前記第１の端部アノード電極パッドに接続されることにより、前記第１および第２の端部ダイオードは、直列に接続されることを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項１に記載の半導体装置であって、
    前記第１の半導体素子は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであり、
    前記第２の半導体素子はフリーホイールダイオードであることを特徴とする半導体装置。
JP2007330531A 2007-12-21 2007-12-21 半導体装置 Expired - Lifetime JP4673360B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007330531A JP4673360B2 (ja) 2007-12-21 2007-12-21 半導体装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007330531A JP4673360B2 (ja) 2007-12-21 2007-12-21 半導体装置

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004065341A Division JP4097613B2 (ja) 2004-03-09 2004-03-09 半導体装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2008147683A JP2008147683A (ja) 2008-06-26
JP4673360B2 true JP4673360B2 (ja) 2011-04-20

Family

ID=39607431

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007330531A Expired - Lifetime JP4673360B2 (ja) 2007-12-21 2007-12-21 半導体装置

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4673360B2 (ja)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5182243B2 (ja) * 2009-07-16 2013-04-17 富士電機株式会社 パワーモジュール
JP5300784B2 (ja) * 2010-05-21 2013-09-25 三菱電機株式会社 半導体モジュール及び半導体モジュールを搭載した回転電機
DE112013007670B4 (de) 2013-12-04 2023-07-06 Arigna Technology Ltd. Halbleitervorrichtung
JP7067205B2 (ja) * 2018-04-02 2022-05-16 富士電機株式会社 半導体装置
CN112397496B (zh) * 2019-08-19 2024-10-15 尼克森微电子股份有限公司 功率模块

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09148523A (ja) * 1995-11-21 1997-06-06 Toshiba Corp 半導体装置
JP2003142689A (ja) * 2001-11-01 2003-05-16 Mitsubishi Electric Corp 半導体装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09148523A (ja) * 1995-11-21 1997-06-06 Toshiba Corp 半導体装置
JP2003142689A (ja) * 2001-11-01 2003-05-16 Mitsubishi Electric Corp 半導体装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP2008147683A (ja) 2008-06-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4097613B2 (ja) 半導体装置
JP6171599B2 (ja) 半導体装置及びその制御方法
JP6727428B2 (ja) 半導体装置
JPH09148523A (ja) 半導体装置
JP4673360B2 (ja) 半導体装置
JP5369868B2 (ja) 半導体装置
JP6384406B2 (ja) 半導体装置
JP3889562B2 (ja) 半導体装置
JP4367376B2 (ja) 電力半導体装置
JP5549611B2 (ja) 炭化珪素半導体装置
JP5909396B2 (ja) 回路装置
JP5710995B2 (ja) 半導体装置
JP2012038769A (ja) 多層回路基板、基板装置、および多層回路基板の異常判定方法
WO2011152151A1 (ja) 素子寿命予測方法及び素子寿命予測機能を備えた回路基板
JP7503144B2 (ja) パワーモジュール
JP5020271B2 (ja) 半導体試験装置および半導体試験方法
JP6507372B2 (ja) 電気素子と温度検知器とを備えた電子装置
JP6804646B2 (ja) 半導体モジュール
JP2022038003A (ja) 半導体装置
JP7318493B2 (ja) 半導体装置
JP7247681B2 (ja) 半導体組立体
JP7479523B2 (ja) 半導体装置
JP2009302183A (ja) 接続不良検出回路
JP2003179196A (ja) パワーモジュールおよびその保護システム
KR102600398B1 (ko) 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100727

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20100916

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20110118

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20110120

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4673360

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140128

Year of fee payment: 3

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

EXPY Cancellation because of completion of term