JP4736997B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は半導体装置に関し、特に、モータ制御などに使用されるスイッチング素子等を含む半導体装置に関するものである。
一般にパワーモジュールの内部では、ＩＣチップなどの半導体素子が、半田付けにより絶縁基板上に固定されている。上記半導体素子に通電および遮断が繰り返されると、それに伴い半導体素子の温度が上昇、下降する。このとき、半導体素子と絶縁基板の線膨張係数が異なるため、半田部に応力が集中し、金属疲労によりクラックが進行する。上記クラックが進行すると、半導体素子の放熱経路が妨げられ、熱抵抗が上昇し、半導体素子の熱破壊に至る。（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−１４８５２３号公報
上記従来の半導体装置において、半田部のクラックの発生の有無は、超音波やＸ線などを用いて確認することができる。しかし、この確認を行う際には、モータ制御用装置などからパワーモジュールを取り外す必要があった。従ってクラックの進行度を常時モニタすることができないため、半導体素子が熱破壊する前に、半田の温度サイクル寿命を推定できないという問題があった。
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、半田付けにより半導体素子が固定された半導体装置において、モータ制御装置等から取り外すことなく、半田部の温度サイクル寿命を推定可能とすることを目的とする。
本発明に係る半導体装置は、絶縁基板と、前記絶縁基板上で第１の半田層により固着された半導体素子と、前記絶縁基板上に前記半導体素子と離間して設けられ、前記第１の半田層に発生するクラックの状態をモニタするための検知部とを有し、前記検知部は、線膨張係数の異なる複数層の抵抗部材と、これらの抵抗部材間を固着した第２の半田層とを含み、前記半導体素子の通電開始後に前記検知部の両端の抵抗値が検出され、前記検知部の前記第２の半田層に発生するクラックの状態に応じて、前記第１の半田層に発生するクラックの状態がモニタされることを特徴とする。本発明のその他の特徴については、以下において詳細に説明する。
本発明によれば、半田付けにより半導体素子が固定された半導体装置において、モータ制御装置等から取り外すことなく、半田部の温度サイクル寿命を推定可能とすることができる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において同一または相当する部分には同一符号を付して、その説明を簡略化ないし省略する。
本発明に係る半導体装置の断面図を図１に示す。この半導体装置１は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのスイッチング素子を搭載したパワーモジュールである。このパワーモジュールは、モータ制御用装置（図示しない）などに取り付けられている。
図１に示すように、放熱板２の上に、セラミックス板などからなる絶縁基板３が設けられている。絶縁基板３の上面及び下面には、それぞれ導体配線パターン３ａ、３ｂが設けられている。これらの配線パターンは、銅などからなっている。
上述した放熱板２は、半導体素子（後述）で発生する熱を半導体装置１の外部に逃がすためのものであり、銅、アルミニウム、窒化珪素などからなっている。絶縁基板３およびその上面、下面に形成される導体配線パターン３ａ、３ｂは、半導体素子間の電気的接続を構成するためのものである。
放熱板２および絶縁基板３は、導体配線パターン３ｂを介して、半田層４ａにより固着されている。絶縁基板３の上には、複数の半導体素子５が設けられている。絶縁基板３および半導体素子５は、導体配線パターン３ａを介して、半田層４ｂにより固着されている。また、絶縁基板３の上に、半導体素子５と離間して、半田層４ａに発生するクラックの状態をモニタするための検知部として、クラック状態検知部６が設けられている。
絶縁基板３や半導体素子５を囲むように、放熱板２にケース１１が固定されている。ケース１１は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）などの熱硬化樹脂であり、半導体装置１の筐体を構成している。
ケース１１の上部には、電極端子１２、主電極端子１３が設けられている。電極端子１２は、ワイヤ１０ｂを介してクラック状態検知部６と接続されている。主電極端子１３は、ワイヤ１０ｃ、１０ｄを介して半導体素子５と接続されている。このようにして、半導体装置１と外部との電気的な接続経路が構成されている。なお、電極端子１２、主電極端子１３の材料としては、銅にニッケルメッキを施したものなどが用いられる。
ケース１１により囲まれた半導体装置１の内部には、半導体素子５などを保護するため、シリコンゲル１４が充填されている。さらに、シリコンゲル１４の上面には、エポキシ樹脂などからなる蓋１５が設けられている。
半導体素子５が通電され発熱すると、半田層４ａ、４ｂに熱が伝導する。半導体素子５のオン・オフが繰り返されると、半導体素子５と絶縁基板３の線膨張係数が異なるため、半田層４ｂにクラック７が発生する。同様に、絶縁基板３と放熱板２の線膨張係数が異なるため、半田層４ａにクラック７が発生する。
図１に示したクラック状態検知部６（点線Ａの部分）の拡大斜視図を図２に示す。クラック状態検知部６は、複数層の抵抗部材８ａ、８ｂ、８ｃを有し、これらの抵抗部材の線膨張係数は、それぞれ異なっている。また、隣接する抵抗部材８ａと８ｂ、抵抗部材８ｂと８ｃとの間は、それぞれの抵抗部材の両端部において半田層４ｃにより固着されている。この場合、互いに固着積層される２つの抵抗部材の線膨張係数の差が、上部ほど大きくなるようにする。
クラック状態検知部６の両側の下端部は、半田層４ｄを介して、それぞれ電極パッド９ａおよび９ｂに接続されている。電極パッド９ａ、９ｂには、それぞれワイヤ１０ａ、１０ｂがワイヤボンディングされ、それぞれのワイヤに対応する外部電極端子に接続されている。これによって、クラック状態検知部６の両端部間の抵抗値を検出可能としている。
そして図示はしないが、ワイヤ１０ａ−１０ｂ間に電圧を印加して、クラック状態検知部６の両端部の間の抵抗値を検出できる抵抗検出手段が設けられている。この抵抗検知手段としては、半導体装置１の外部にあってワイヤ１０ａと１０ｂに対応する外部端子を通じて抵抗値を直視できる抵抗計（オームメータ）などが最も単純な例であると言えるが、これに限定されるものではない。
次に、図１、図２に示した半導体装置を用いて、半田層４ａ、４ｂの温度サイクル寿命を検出する方法について説明する。半導体装置１の動作、即ち、半導体素子５のオン・オフ動作に伴って繰り返される発熱と冷却の温度サイクルは、同じ絶縁基板３上に設けられたクラック状態検知部６にも加えられることになる。
前述したように、クラック状態検知部６の抵抗部材８ａ、８ｂ、８ｃの線膨張係数は、それぞれ異なっている。このため、これらの導体が半田層４ｃに及ぼす応力は、適宜選択することができる。これにより、半田層４ｃに発生するクラックの進行速度を選択することができる。
一方、クラック状態検知部６はその構造、即ち、抵抗部材８ａ、８ｂ、８ｃの線膨張係数の違いから、上層の半田層ほどクラックの進行が速く進む。すると、クラック状態検知部６の上層側から、その固着部における電気的接続が順番に失われ、断線することとなる。すなわちクラック状態検知部６においてクラックが進行すると、クラック状態検知部６の両端部の間の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化は、上述した抵抗検出手段によりモニタすることができる。
例えば、本実施の形態では、クラック状態検知部６が３層の異なる線膨張係数を持った抵抗部材で構成され、絶縁基板との接合を含めて、それぞれの半田層による固着部が計３層からなるので、半田クラックの進行状態を３段階に分けて確認することができる。
このようにして、半導体素子５の通電開始後にクラック状態検知部６の両端の抵抗値を測定することにより、クラック状態検知部６の半田層４ｃ、４ｄに発生するクラックの状態に応じた、半田層４ａに発生するクラックの状態をモニタすることができる。
このように、クラック状態検知部６の両端部の間の抵抗値の変化をモニタすることにより、図１に示した半田層４ａ、４ｂの半田寿命を推定することができる。従って、半導体素子５の放熱経路にクラックが進行するのを事前に察知でき、半田部の温度サイクル寿命を推定することができる。
本発明によれば、半導体素子を半田付けにより固定した半導体装置を、モータ制御装置等から取り外すことなく、半田部の温度サイクル寿命を推定することができる。従って、上記半導体装置の交換時期を事前に察知することが可能となる。
本発明に係る半導体装置の断面図である。 図１のクラック状態検知部６の拡大図である。
符号の説明
１ 半導体装置、２ 放熱板、３ 絶縁基板、４ａ〜４ｄ 半田層、５ 半導体素子、６ クラック状態検知部、７ クラック、８ａ〜８ｃ 抵抗部材、９ａ、９ｂ 電極パッド、１０ａ〜１０ｄ ワイヤ、１１ ケース、１２ 電極端子、１３ 主電極端子、１４ シリコンゲル、１５ 蓋。

Claims (2)

  1. 絶縁基板と、
    前記絶縁基板上で第１の半田層により固着された半導体素子と、
    前記絶縁基板上に前記半導体素子と離間して設けられ、前記第１の半田層に発生するクラックの状態をモニタするための検知部とを有し、
    前記検知部は、線膨張係数の異なる複数層の抵抗部材と、これらの抵抗部材間を固着した第２の半田層とを含み、
    前記半導体素子の通電開始後に前記検知部の両端の抵抗値が検出され、前記検知部の前記第２の半田層に発生するクラックの状態に応じて、前記第１の半田層に発生するクラックの状態がモニタされることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記絶縁基板は放熱板上に設けられ、
    前記放熱板および前記絶縁基板は、第３の半田層により固着されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
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