JP5228711B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device Download PDF

Info

Publication number
JP5228711B2
JP5228711B2 JP2008223445A JP2008223445A JP5228711B2 JP 5228711 B2 JP5228711 B2 JP 5228711B2 JP 2008223445 A JP2008223445 A JP 2008223445A JP 2008223445 A JP2008223445 A JP 2008223445A JP 5228711 B2 JP5228711 B2 JP 5228711B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor device
mounting substrate
heat cycle
cycles
temperature fluctuation
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 - Fee Related
Application number
JP2008223445A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2010062190A (en
Inventor
正則 臼井
靖 山田
智清 鈴木
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.)
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
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 Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Central R&D Labs Inc
Priority to JP2008223445A priority Critical patent/JP5228711B2/en
Publication of JP2010062190A publication Critical patent/JP2010062190A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5228711B2 publication Critical patent/JP5228711B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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
    • H01L2224/26—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
    • 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
    • H01L2924/1301—Thyristor
    • 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
    • H01L2924/10—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
    • H01L2924/1306—Field-effect transistor [FET]
    • H01L2924/13091—Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]

Landscapes

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

Description

本発明は、半導体素子を実装基板に接合した半導体装置に関する。特に、動作すると発熱するために冷却装置と組み合わせて用いられる半導体装置であり、ヒートサイクルに晒される半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device in which a semiconductor element is bonded to a mounting substrate. In particular, the present invention relates to a semiconductor device that is used in combination with a cooling device in order to generate heat when operated, and to be exposed to a heat cycle.

電力制御に利用される半導体素子、例えばサイリスタ，ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ，ダイオード等は、動作すると発熱するので、空冷または水冷の冷却装置と組み合わせて用いられる。また上記の電力制御に利用される半導体素子は、実装基板に接合して用いられることが多い。その結果、半導体素子をはんだ等によって実装基板に接合し、その実装基板をはんだ等によって冷却装置に接合する構造が多用される。   Semiconductor elements used for power control, such as thyristors, MOSFETs, IGBTs, and diodes, generate heat when operated, and are used in combination with an air-cooled or water-cooled cooling device. Moreover, the semiconductor element used for the power control is often used by being bonded to a mounting substrate. As a result, a structure is often used in which a semiconductor element is bonded to a mounting substrate with solder or the like, and the mounting substrate is bonded to a cooling device with solder or the like.

半導体素子をはんだ等によって実装基板に接合した半導体装置がヒートサイクルに晒されると、はんだに応力が繰返し作用し、接合部が劣化していく。あるいは、はんだに接合している金属膜に応力が繰返し作用し、金属膜が劣化していく。当然のことに、接合部には寿命が存在する。   When a semiconductor device in which a semiconductor element is bonded to a mounting substrate with solder or the like is exposed to a heat cycle, stress repeatedly acts on the solder, and the bonded portion deteriorates. Alternatively, stress repeatedly acts on the metal film bonded to the solder, and the metal film deteriorates. Of course, there is a lifetime at the joint.

接合部の寿命を十分に高め、接合部で劣化するよりも、他の部位で劣化するほうが早い関係を実現すれば、実質的には接合部での寿命が問題となることはない。しかしながら、現実的には、他の部位よりも接合部のほうが先に劣化することが多い。接合部での寿命を長寿命化するのは困難であり、それができたとしてもコストアップが避けられない。特許文献１は、接合部での寿命を長寿命化する技術を開示しているが、実際に実施するためには高いコストが必要とされる。
そこで接合部での寿命に近づいたことを報知する技術が必要とされる。報知することができれば、寿命に至る前に交換等の処理をすることができ、長寿命化にかけるコストを低減することができる。 If the relationship that the deterioration at the other part is faster than the deterioration at the bonding part is realized rather than the deterioration at the bonding part, the life at the bonding part does not become a problem. However, in reality, the joint portion often deteriorates earlier than other portions. It is difficult to extend the life at the joint, and even if it is possible, an increase in cost is inevitable. Patent Document 1 discloses a technique for extending the life at the joint, but a high cost is required for actual implementation.
Therefore, a technique for notifying that the life at the joint is approaching is required. If the notification can be made, processing such as replacement can be performed before the end of the service life, and the cost for extending the service life can be reduced.

ヒートサイクルに晒される部材の寿命については、サイクル数で定義することが多い。経験的に、ヒートサイクルの温度変動幅の対数を横軸にとり、寿命に至るまでのサイクル数の対数を縦軸にとると、直線上に乗ることが知られている。具体的には、実際に使用する温度変動幅よりも大きな温度変動幅のヒートサイクルに晒しながら部材の特性を測定し、部材が正常に利用できなくなるまでのサイクル数を測定する。実際に使用する温度変動幅よりも大きな温度変動幅のヒートサイクルに晒すと、寿命に至るまでのサイクル数が低下することから、実用的な時間の中で寿命に至るまでのサイクル数を測定することができる。ヒートサイクルの温度変動幅を変えながら複数回測定することで、温度変動幅とサイクル数の関係を得る。例えば図４の場合、温度変動幅がΔＴ１のヒートサイクルに晒すと寿命までのサイクル数がＣ１であると測定され、温度変動幅がΔＴ２のヒートサイクルに晒すと寿命までのサイクル数がＣ２であると測定され、温度変動幅がΔＴ３のヒートサイクルに晒すと寿命までのサイクル数がＣ３であると測定された場合を例示している。経験的に、ヒートサイクルの温度変動幅の対数を横軸にとり、寿命に至るまでのサイクル数の対数を縦軸にとると、直線上に乗ることが知られている。直線７０は、そうして得られた直線を示し、その直線７０が得られれば、部材を実際に使用する際の温度変動幅のヒートサイクルに晒された場合の寿命に至るまでのサイクル数を知ることができる。なお実際には、寿命の推定精度を向上するために、実際の利用時の温度変動幅よりも大きな温度変動幅を数種類以上設定して寿命に至るまでのサイクル数を測定する。 The life of a member exposed to a heat cycle is often defined by the number of cycles. Empirically, it is known that when the logarithm of the temperature fluctuation range of the heat cycle is taken on the horizontal axis and the logarithm of the cycle number until the end of the life is taken on the vertical axis, it is on a straight line. Specifically, the characteristics of the member are measured while being exposed to a heat cycle having a temperature fluctuation range larger than the actually used temperature fluctuation range, and the number of cycles until the member cannot be normally used is measured. When exposed to a heat cycle with a temperature fluctuation range that is larger than the actual temperature fluctuation range, the number of cycles until the end of the service life will decrease. be able to. By measuring multiple times while changing the temperature fluctuation range of the heat cycle, the relationship between the temperature fluctuation range and the number of cycles is obtained. For example, in the case of FIG. 4, when exposed to a heat cycle with a temperature fluctuation range of ΔT 1 , the number of cycles until the lifetime is measured as C 1 , and when exposed to a heat cycle with a temperature fluctuation range of ΔT 2 , the cycle number until the lifetime is The case where it is measured to be C 2 and the number of cycles until the lifetime is measured to be C 3 when exposed to a heat cycle having a temperature fluctuation range of ΔT 3 is illustrated. Empirically, it is known that when the logarithm of the temperature fluctuation range of the heat cycle is taken on the horizontal axis and the logarithm of the cycle number until the end of the life is taken on the vertical axis, it is on a straight line. The straight line 70 shows the straight line thus obtained, and if the straight line 70 is obtained, the number of cycles until the lifetime is reached when the member is exposed to a heat cycle having a temperature fluctuation range when the member is actually used. I can know. Actually, in order to improve the estimation accuracy of the life, several kinds of temperature fluctuation ranges larger than the temperature fluctuation width at the time of actual use are set and the number of cycles until the end of the life is measured.

前記した手法で寿命に至るまでのサイクル数が判明すれば、半導体装置に加えられたヒートサイクル数を累積することで、寿命が近づいたことを知ることができるはずである。
しかしながら、実際にはそれも難しい。電力制御に用いる半導体装置の場合、半導体装置に加えられるヒートサイクルの温度変動幅は使い方によって変化するからである。大きな温度変動幅のヒートサイクルに晒される利用方法がされる半導体装置は、予め推定しておいた寿命に至るまでのサイクル数以下で寿命となってしまう。温度変動幅が小さいヒートサイクルに晒される半導体装置の場合は、予め推定しておいたサイクル数に達しても劣化が進行をしておらず、交換作業が必要とされないことが起こる。
特開平９-１３４９８３号公報 If the number of cycles until the end of the life is found by the above-described method, it is possible to know that the life is approaching by accumulating the number of heat cycles applied to the semiconductor device.
However, it is actually difficult. This is because in the case of a semiconductor device used for power control, the temperature fluctuation range of the heat cycle applied to the semiconductor device changes depending on how it is used. A semiconductor device that is used by being exposed to a heat cycle having a large temperature fluctuation range has a life of less than the number of cycles up to the estimated life. In the case of a semiconductor device that is exposed to a heat cycle with a small temperature fluctuation range, deterioration does not proceed even if the number of cycles estimated in advance is reached, and replacement work is not required.
Japanese Patent Laid-Open No. 9-134983

本発明では、半導体装置の接合部の劣化の進行度合いに直接的に相関する指標が得られる半導体装置を提供する。   The present invention provides a semiconductor device capable of obtaining an index that directly correlates with the degree of progress of deterioration of the junction of the semiconductor device.

本発明は、半導体素子を実装基板に接合した半導体装置に関する。本発明の半導体装置は、半導体装置に加わったヒートサイクルの温度変動幅とサイクル数に追従して特性が変化するモニタ部が実装基板に形成されていることを特徴とする。
半導体素子を実装基板に接合している接合部は、接合部に加わったヒートサイクルの温度変動幅とサイクル数に追従して劣化する。本発明者らは、その劣化の進行度合いに追従して特性が変化していく物質が存在することを見出し、その物質を実装基板に形成しておけば、その特性を測定することによって、接合部の劣化の進行度合いに直接的に相関する指標を測定できることを見出した。
本発明の半導体装置によると、モニタ部の特性を測定することによって寿命に近づいた時点を正確に特定することができる。大きな温度変化が繰りかえされる使用方法がされていれば、少ないサイクル数で寿命に近づくのに対応して、少ないサイクル数であるにも関わらずに寿命に近づいたことを認識することができる。小さな温度変化が多用される使用方法がされていれば、通常であれば寿命に近づくサイクル数であるのにもかかわらず、劣化の進行が遅く、寿命に近づいていないことを認識することができる。 The present invention relates to a semiconductor device in which a semiconductor element is bonded to a mounting substrate. The semiconductor device of the present invention is characterized in that a monitor portion whose characteristics change following the temperature fluctuation range and the number of cycles of the heat cycle applied to the semiconductor device is formed on the mounting substrate.
The joint part joining the semiconductor element to the mounting substrate deteriorates following the temperature fluctuation width and the number of cycles of the heat cycle applied to the joint part. The present inventors have found that there is a substance whose characteristics change in accordance with the degree of progress of the deterioration, and if the substance is formed on the mounting substrate, the bonding is performed by measuring the characteristics. It was found that an index that directly correlates with the degree of progress of the deterioration of the part can be measured.
According to the semiconductor device of the present invention, it is possible to accurately specify the time point nearing the end of life by measuring the characteristics of the monitor unit. If a method of use in which a large temperature change is repeated, it is possible to recognize that the service life is approaching despite the fact that the service life is reached with a small number of cycles. If a method of use in which a small temperature change is frequently used, it is possible to recognize that the progress of deterioration is slow and the life is not approached even though the number of cycles is normally approaching the life. .

前記したモニタ部は、実装基板の表面に密着している金属膜で形成することができる。実装基板の表面に密着している金属膜は、ヒートサイクルに晒されると、金属膜と実装基板との密着面積が減少していくことが見出された。その関係を解析してみたところ、半導体装置に加わったヒートサイクルの温度変動幅とサイクル数に追従して、金属膜と実装基板の密着面積が減少することが見出された。そのことから、実装基板の表面に密着している金属膜を、モニタ用金属膜に利用することができることが見出された。
密着面積の減少を直接的に測定することも可能である。あるいは密着面積の減少に追従して変化する特性を測定することも可能である。例えば、密着面積の減少と、金属膜の表面に生じる凹凸の高さはよく相関する。また密着面積の減少と、金属膜の抵抗値の上昇がよく相関する。実装基板の表裏両面に金属膜を形成してキャパシターを形成すると、密着面積の減少と、キャパシター容量の減少がよく相関する。
上記のモニタ用金属膜が実装基板に形成されていれば、その特性を計測することによって、接合部の劣化の進行度合いによく相関する指標を得ることができる。 The monitor section described above can be formed of a metal film that is in close contact with the surface of the mounting substrate. It has been found that the metal film that is in close contact with the surface of the mounting substrate decreases the contact area between the metal film and the mounting substrate when exposed to a heat cycle. As a result of analyzing the relationship, it was found that the contact area between the metal film and the mounting substrate decreases following the temperature fluctuation range and the number of cycles of the heat cycle applied to the semiconductor device. Therefore, it has been found that a metal film in close contact with the surface of the mounting substrate can be used as a monitor metal film.
It is also possible to directly measure the decrease in the contact area. Alternatively, it is possible to measure a characteristic that changes following the decrease in the contact area. For example, the decrease in the adhesion area and the height of the unevenness generated on the surface of the metal film are well correlated. In addition, a decrease in the adhesion area is well correlated with an increase in the resistance value of the metal film. When a capacitor is formed by forming metal films on both the front and back surfaces of the mounting substrate, a decrease in the adhesion area and a decrease in the capacitor capacity are well correlated.
If the above-described monitor metal film is formed on the mounting substrate, an index that correlates well with the progress of deterioration of the joint can be obtained by measuring the characteristics.

実装基板に密着する金属膜が、純度９９．９９％以上のアルミニウムであることが好ましい。
この場合、ヒートサイクルの温度変動幅とサイクル数に追従して、アルミニウム膜と実装基板の密着面積が確実に減少する。純度９９．９９％以上のアルミニウム膜を使用すると、信頼性の高い指標を得ることができる。 The metal film in close contact with the mounting substrate is preferably aluminum having a purity of 99.99% or more.
In this case, the contact area between the aluminum film and the mounting substrate is surely reduced following the temperature fluctuation width and the number of cycles of the heat cycle. When an aluminum film having a purity of 99.99% or more is used, a highly reliable index can be obtained.

実装基板の表面に密着している金属膜でモニタ部を構成する場合、その金属膜の抵抗値が半導体装置に加わったヒートサイクルの温度変動幅とサイクル数に追従して増大していくことが見出された。
実装基板の表面に密着している金属膜の抵抗値を測定すれば、その抵抗値は、接合部の劣化の進行度合いによく相関する。 When the monitor part is composed of a metal film in close contact with the surface of the mounting substrate, the resistance value of the metal film may increase following the temperature fluctuation range and the number of cycles of the heat cycle applied to the semiconductor device. It was found.
If the resistance value of the metal film in close contact with the surface of the mounting substrate is measured, the resistance value correlates well with the degree of progress of deterioration of the joint.

実装基板に密着している金属膜の抵抗値の変化を示す値を出力する回路が実装されていることが好ましい。
その場合、その回路の出力から、接合部の劣化の進行度合いを認識することができる。 It is preferable that a circuit that outputs a value indicating a change in the resistance value of the metal film in close contact with the mounting substrate is mounted.
In that case, it is possible to recognize the progress of deterioration of the joint from the output of the circuit.

実装基板の表面と裏面に金属膜を密着させることによって、キャパシターを構成することができる。そのキャパシターの容量は、半導体装置に加わったヒートサイクルの温度変動幅とサイクル数に追従して減少していくことが見出された。
実装基板の表裏面に密着している一対の金属膜間の容量を測定すれば、その容量は接合部の劣化の進行度合いによく相関する。 A capacitor can be formed by bringing a metal film into close contact with the front and back surfaces of the mounting substrate. It has been found that the capacitance of the capacitor decreases following the temperature fluctuation range and the number of cycles of the heat cycle applied to the semiconductor device.
If the capacitance between a pair of metal films in close contact with the front and back surfaces of the mounting substrate is measured, the capacitance correlates well with the degree of progress of the deterioration of the joint.

実装基板に表裏面に密着している一対の金属膜間の容量の変化を示す値を出力する回路が実装されていることが好ましい。
その場合、その回路の出力から、接合部の劣化の進行度合いを認識することができる。 It is preferable that a circuit that outputs a value indicating a change in capacitance between a pair of metal films in close contact with the front and back surfaces is mounted on the mounting substrate.
In that case, it is possible to recognize the progress of deterioration of the joint from the output of the circuit.

本発明の半導体装置によると、モニタ部の特性を測定することによって接合部の劣化の進行度合いに正確に相関する指標を得ることができる。それによって、寿命に近づいた時点を正確に特定することができる。
大きな温度変化が繰り返される使用方法がされていれば、少ないサイクル数で寿命に近づくのに対応して、少ないサイクル数であるにも関わらずに寿命に近づいたことを認識することができる。小さな温度変化が多用される使用方法がされていれば、通常であれば寿命に近づくサイクル数であるのにもかかわらず、劣化の進行が遅く、寿命に近づいていないことを認識することができる。
サイクル数で管理すると、予め定めておいた基準サイクル数に達しても、実際には劣化が進行をしておらず、寿命までに余裕のある場合が生じる。逆に、予め定めておいた基準サイクル数に達する以前に、寿命に至ってしまうことがある。
本発明の半導体装置によると、使用環境によらないで、寿命に近づいた時点を正確に特定することが可能となる。必要な措置を適切なタイミングで施すことが可能となる。 According to the semiconductor device of the present invention, it is possible to obtain an index that accurately correlates with the degree of progress of deterioration of the joint by measuring the characteristics of the monitor. As a result, it is possible to accurately identify the time point nearing the end of the service life.
If the usage method is such that a large temperature change is repeated, it can be recognized that the end of the life has been reached in spite of the small number of cycles, in response to the approach of the life with a small number of cycles. If a method of use in which a small temperature change is frequently used, it is possible to recognize that the progress of deterioration is slow and the life is not approached even though the number of cycles is normally approaching the life. .
When managed by the number of cycles, even if a predetermined reference number of cycles is reached, degradation does not actually progress, and there may be a case where there is a margin before the lifetime. On the contrary, the life may be reached before reaching the predetermined reference cycle number.
According to the semiconductor device of the present invention, it is possible to accurately specify the time point nearing the end of life without depending on the use environment. Necessary measures can be taken at an appropriate time.

本発明を具現化するに当たっては、下記の特徴を備えていることが好ましい。
（特徴１）接合部の劣化を促進する厳しいヒートサイクルに晒される実装基板に、純度９９．９９％以上のアルミニウム膜を密着させる。接合部の劣化を促進するほどの厳しいヒートサイクルに晒されない別の実装基板にも、金属膜を密着させる。ヒートサイクルに晒されるアルミニウム膜とヒートサイクルに晒されない金属膜でブリッジ回路を構成し、ヒートサイクルに晒されるアルミニウム膜の特性の変化を示す値を出力する回路を構成する。
（特徴２)別の実装基板に３枚の金属膜を密着させ、ヒートサイクルに晒されるアルミニウム膜とヒートサイクルに晒されない３枚の金属膜でホイートストーンブリッジ回路を構成し、ヒートサイクルに晒されるアルミニウム膜の抵抗値の変化を示す値を出力する回路を構成する。
（特徴３）ヒートサイクルに晒される実装基板の表裏両面の向かい合う位置に、純度９９．９９％以上のアルミニウム膜を密着させる。接合部の劣化を促進するほどの厳しいヒートサイクルに晒されない別の実装基板の表裏両面の向かい合う位置にも、金属膜を密着させる。金属膜の対を３対設ける。ヒートサイクルに晒される１対のアルミニウム膜で構成される１つのキャパシターと、ヒートサイクルに晒されない３対の金属膜で構成される３個のキャパシターによって、交流ブリッジ回路を構成し、ヒートサイクルに晒される１対のアルミニウム膜で構成されるキャパシターの容量の変化を示す値を出力する回路を構成する。
（特徴４）ヒートサイクルに晒される実装基板の表裏両面の向かい合う位置に、純度９９．９９％以上のアルミニウム膜を密着させてキャパシターを構成する。そのキャパシターを容量成分とするＬＣＲ共振回路を構成する。
（特徴５）前記ＬＣＲ共進回路の共振周波数を測定する回路を構成する。
（特徴６）前記ＬＣＲ共進回路に特定周波数の交流電圧を印加したときに流れる特定周波数の電流成分の大きさを測定する回路を構成する。
（特徴７）ヒートサイクルに晒される実装基板に、純度９９．９９％以上のアルミニウム膜を密着させる。そのアルミニウム膜の表面に発達する凹凸の高さを測定する。 In realizing the present invention, it is preferable to have the following features.
(Characteristic 1) An aluminum film having a purity of 99.99% or more is adhered to a mounting substrate exposed to a severe heat cycle that promotes deterioration of the joint. The metal film is also brought into close contact with another mounting substrate that is not exposed to a severe heat cycle that promotes deterioration of the joint. A bridge circuit is composed of an aluminum film exposed to the heat cycle and a metal film not exposed to the heat cycle, and a circuit that outputs a value indicating a change in characteristics of the aluminum film exposed to the heat cycle is configured.
(Characteristic 2) Three metal films are closely attached to another mounting board, and a Wheatstone bridge circuit is composed of an aluminum film that is exposed to heat cycle and three metal films that are not exposed to heat cycle. A circuit that outputs a value indicating a change in the resistance value of the aluminum film is configured.
(Characteristic 3) An aluminum film having a purity of 99.99% or more is brought into close contact with the front and back surfaces of the mounting substrate exposed to the heat cycle. The metal film is also brought into close contact with the front and back surfaces of another mounting board that are not exposed to a severe heat cycle that promotes deterioration of the joint. Three pairs of metal films are provided. An AC bridge circuit is composed of one capacitor composed of a pair of aluminum films exposed to heat cycle and three capacitors composed of three pairs of metal films not exposed to heat cycle, and exposed to heat cycles A circuit that outputs a value indicating a change in capacitance of a capacitor composed of a pair of aluminum films is configured.
(Characteristic 4) An aluminum film having a purity of 99.99% or more is brought into close contact with the front and back surfaces of the mounting substrate exposed to the heat cycle to constitute a capacitor. An LCR resonance circuit having the capacitor as a capacitance component is configured.
(Feature 5) A circuit for measuring the resonance frequency of the LCR co-rotation circuit is configured.
(Characteristic 6) A circuit that measures the magnitude of a current component of a specific frequency that flows when an AC voltage of a specific frequency is applied to the LCR co-rotating circuit is configured.
(Feature 7) An aluminum film having a purity of 99.99% or more is brought into close contact with a mounting substrate exposed to a heat cycle. The height of the unevenness developed on the surface of the aluminum film is measured.

（第１実施例）
図１は、第１実施例の半導体装置１の分解斜視図を示している。実装基板２の表面にアルミニウム膜４が密着しており、そのアルミニウム膜４の表面に半導体素子１０の裏面がはんだ層８によって接合されている。半導体素子１０は、駆動電力をスイッチングするパワー半導体素子であり、動作すると発熱する。半導体装置１には図示しない冷却装置が用意されている。半導体装置１は、ヒートサイクルに晒される。
メーカが提供する同一種類の半導体装置が、ユーザによって様々に利用される。大電力を長時間通電することによってはんだ層８とアルミニウム膜４が高温になる利用方法がされることもあれば、大電力を通電する時間が短く、はんだ層８とアルミニウム膜４がそれほどの高温にならない利用方法がされることもある。 (First embodiment)
FIG. 1 is an exploded perspective view of the semiconductor device 1 of the first embodiment. The aluminum film 4 is in close contact with the surface of the mounting substrate 2, and the back surface of the semiconductor element 10 is bonded to the surface of the aluminum film 4 with the solder layer 8. The semiconductor element 10 is a power semiconductor element that switches drive power, and generates heat when operated. The semiconductor device 1 is provided with a cooling device (not shown). The semiconductor device 1 is exposed to a heat cycle.
The same type of semiconductor device provided by the manufacturer is used in various ways by the user. There are cases where the solder layer 8 and the aluminum film 4 are heated to a high temperature by energizing the large power for a long time, or the time for energizing the large power is short and the solder layer 8 and the aluminum film 4 are so hot. There are cases where usage is not realized.

はんだ層８とアルミニウム膜４は、ヒートサイクルに晒されたときに、他の部材に比して劣化しやすい。劣化の進行度合いを知り、寿命に近づいた時点で半導体装置１を交換するといった処置を施すことが予定されている。
はんだ層８とアルミニウム膜４に加えられるヒートサイクルの厳しさは、利用方法によって様々であり、加えられたヒートサイクルの回数によって寿命に近づいたとする手法は使えない。回数で管理する方法を採用すると、厳しい利用方法をする場合には、予め定めておいた基準サイクル数に達する以前に寿命に至ってしまうことがあう。逆に、穏やかな利用方法をする場合には、予め定めておいた基準サイクル数に達しても寿命までに余裕のある場合が生じる。 The solder layer 8 and the aluminum film 4 are more likely to deteriorate than other members when exposed to a heat cycle. It is scheduled to take measures such as replacing the semiconductor device 1 when the degree of progress of the deterioration is known and approaching the end of its life.
The severity of the heat cycle applied to the solder layer 8 and the aluminum film 4 varies depending on the method of use, and it is not possible to use a method that approaches the life depending on the number of applied heat cycles. If the method of managing by the number of times is adopted, in the case of a strict usage method, the life may be reached before the predetermined number of reference cycles is reached. On the other hand, in the case of a mild usage method, there is a case where there is a margin before the service life even if the predetermined number of reference cycles is reached.

半導体素子１０を実装基板２にはんだ層８で接合する目的は、半導体素子１０を実装基板２に電気的に接続するためとは限られない。専ら機械的に接合するのが目的であり、実装基板２は絶縁体であることもある。この場合、半導体素子１０の表面側に形成されているパッドにワイヤボンディングして電気的に接続する。もちろん、実装基板２の表面に配線を形成しておき、はんだ層８で、機械的にも電気的に接合する場合もある。本実施例はいずれの実装基板に対しても適用することができる。   The purpose of joining the semiconductor element 10 to the mounting substrate 2 with the solder layer 8 is not limited to electrically connecting the semiconductor element 10 to the mounting substrate 2. The purpose is exclusively mechanical bonding, and the mounting substrate 2 may be an insulator. In this case, it is electrically connected to the pad formed on the surface side of the semiconductor element 10 by wire bonding. Of course, wiring may be formed on the surface of the mounting substrate 2 and the solder layer 8 may be mechanically and electrically joined. This embodiment can be applied to any mounting substrate.

本実施例では、実装基板２にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）製のセラミック基板を利用した。その厚みは０．３ｍｍである。アルミニウム膜４の厚みも、０．３ｍｍである。半導体素子１０は、ハイブリッド自動車のモータに通電する電流を制御するインバータ回路を構成するＩＧＢＴであり、モータに通電する際に発熱する。半導体装置１は、ヒートサイクルに晒される。半導体素子１０が、サイリスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオード等の場合も、本実施例の技術が有用である。 In this example, a ceramic substrate made of alumina (Al 2 O 3 ) was used as the mounting substrate 2. Its thickness is 0.3 mm. The thickness of the aluminum film 4 is also 0.3 mm. The semiconductor element 10 is an IGBT that constitutes an inverter circuit that controls a current to be supplied to a motor of a hybrid vehicle, and generates heat when the motor is supplied with electricity. The semiconductor device 1 is exposed to a heat cycle. The technique of this embodiment is also useful when the semiconductor element 10 is a thyristor, MOSFET, diode, or the like.

本実施例の半導体装置１では、はんだ層８とアルミニウム膜４の劣化の進行度合いによく相関して抵抗値が増大するモニタ用アルミニウム膜６が実装基板２の表面に形成されている。モニタ用アルミニウム膜６は、半導体素子１０を実装基板２に接合する機能とは無関係であり、アルミニウム膜４に形成されている開口４ａ内に形成されている。モニタ用アルミニウム膜６は、はんだ層８とアルミニウム膜４を同じヒートサイクルに晒される。
本実施例では、純度９９．９９％のアルミニウムを用いてモニタ用アルミニウム膜６を形成した。その厚みは０．０１ｍｍであり、ろう付けの手法で実装基板２の表面に密着させた。モニタ用アルミニウム膜６は、細線部６ｃと、その両端に形成されているパッド６ａ，６ｂを備えている。実際には、０．０１ｍｍよりも厚いアルミニウム箔を実装基板２の表面にろう付けし、その後にエッチングすることでパターンニングするとともに厚みを減じて０．０１ｍｍとした。ろう付けに代えて、スパッタ法によって実装基板２の表面に厚み０．０１ｍｍのアルミ膜を成膜してもよい。 In the semiconductor device 1 of the present embodiment, a monitoring aluminum film 6 whose resistance value increases in a good correlation with the progress of deterioration of the solder layer 8 and the aluminum film 4 is formed on the surface of the mounting substrate 2. The monitoring aluminum film 6 is irrelevant to the function of bonding the semiconductor element 10 to the mounting substrate 2, and is formed in the opening 4 a formed in the aluminum film 4. The monitoring aluminum film 6 exposes the solder layer 8 and the aluminum film 4 to the same heat cycle.
In this example, the monitoring aluminum film 6 was formed using aluminum having a purity of 99.99%. The thickness was 0.01 mm, and it was brought into close contact with the surface of the mounting substrate 2 by a brazing technique. The monitor aluminum film 6 includes a thin line portion 6c and pads 6a and 6b formed at both ends thereof. Actually, an aluminum foil thicker than 0.01 mm was brazed to the surface of the mounting substrate 2 and then patterned by etching, and the thickness was reduced to 0.01 mm. Instead of brazing, an aluminum film having a thickness of 0.01 mm may be formed on the surface of the mounting substrate 2 by sputtering.

図２は、ヒートサイクルに晒した後のモニタ用アルミニウム膜６と実装基板２の断面を示す。ヒートサイクルに晒すと、モニタ用アルミニウム６が波打つように変形し、断続的な位置で実装基板２から剥離する。
図３の右縦軸は、ヒートサイクルに晒した後の剥離面積を、モニタ用アルミニウム６の表面積で除した接合不良面積割合を示す。モニタ用アルミニウム６が実装基板２に密着しているのか剥離しているのかは、超音波探傷法で計測した。
図３の中間縦軸は、パッド６ａ，６ｂ間の抵抗の測定値の変化度合いを示す。ｒ０は、ヒートサイクルを加える前のモニタ用アルミニウム６の測定値（初期値）を示す。図３の中間縦軸は、正確にいうと、パッド６ａ，６ｂ間の抵抗の測定値を初期値で除した変化比率である。
図３の左側の縦軸は、モニタ用アルミニウム６の表面に発達した凹凸の高さLの測定値を示す。
実測したところ、接合不良面積割合と、抵抗値の変化比率と、凹凸の高さは、よく比例することが確認された。そこで、図３では、ともに縦軸にとっている。 FIG. 2 shows a cross section of the monitoring aluminum film 6 and the mounting substrate 2 after being exposed to a heat cycle. When exposed to a heat cycle, the monitor aluminum 6 is deformed so as to wave and peels from the mounting substrate 2 at intermittent positions.
The right vertical axis of FIG. 3 shows the bonding failure area ratio obtained by dividing the peeled area after being exposed to the heat cycle by the surface area of the aluminum 6 for monitoring. Whether the monitor aluminum 6 is in close contact with the mounting substrate 2 or peeled off was measured by an ultrasonic flaw detection method.
The middle vertical axis in FIG. 3 shows the degree of change in the measured value of resistance between the pads 6a and 6b. r 0 indicates the measured value (initial value) of the monitoring aluminum 6 before applying the heat cycle. The intermediate vertical axis in FIG. 3 is the change ratio obtained by dividing the measured value of the resistance between the pads 6a and 6b by the initial value.
The vertical axis on the left side of FIG. 3 shows the measured value of the height L of the unevenness developed on the surface of the monitoring aluminum 6.
As a result of the actual measurement, it was confirmed that the defective bonding area ratio, the change ratio of the resistance value, and the height of the unevenness were well proportional. Therefore, in FIG. 3, both are on the vertical axis.

図3の横軸は半導体装置１に加えたヒートサイクルのサイクル数を示す。
直線Ａ１は、基準温度変動幅ΔＴ１のヒートサイクルを加えたときのサイクル数と、そのサイクル数における接合不良面積割合（抵抗値の変化比率と凹凸の高さに比例する）の測定値をプロットしたもの（丸印）に対する１次近似直線を示す。
直線Ａ２は、基準温度変動幅ΔＴ１よりも２５℃だけ大きな温度変動幅のヒートサイクルを加えたときのサイクル数と、そのサイクル数における接合不良面積割合の測定値をプロットしたもの（正方形）に対する１次近似直線を示す。大きな温度変動幅を加えることから、直線Ａ１の場合よりも急速に接合不良面積割合が増加する。
直線Ａ３は、基準温度変動幅ΔＴ１よりも５０℃だけ大きな温度変動幅のヒートサイクルを加えたときのサイクル数と、そのサイクル数における接合不良面積割合の測定値をプロットしたもの（三角印）に対する１次近似直線を示す。大きな温度変動幅を加えることから、直線Ａ２の場合よりもさらに急速に接合不良面積割合が増加する。いずれの場合も、ほぼ直線近似が成立ことが確認されている。 The horizontal axis of FIG. 3 indicates the number of heat cycles applied to the semiconductor device 1.
The straight line A1 plots the number of cycles when the heat cycle of the reference temperature fluctuation range ΔT 1 is applied and the measured value of the bonding failure area ratio (proportional to the resistance change ratio and the height of the unevenness) at the number of cycles. A first-order approximation straight line with respect to the result (circle) is shown.
The straight line A2 is a plot of the number of cycles when a heat cycle having a temperature fluctuation range that is 25 ° C. larger than the reference temperature fluctuation range ΔT 1 and a measured value of the bonding failure area ratio at that cycle number (square). A primary approximation straight line is shown. Since a large temperature fluctuation range is added, the defective joint area ratio increases more rapidly than in the case of the straight line A1.
The straight line A3 is a plot of the number of cycles when a heat cycle having a temperature fluctuation range that is 50 ° C. larger than the reference temperature fluctuation range ΔT 1 and the measured value of the bonding failure area ratio at that cycle number (triangle mark). A linear approximation straight line is shown. Since a large temperature fluctuation range is added, the defective joint area ratio increases more rapidly than in the case of the straight line A2. In either case, it has been confirmed that a substantially linear approximation is established.

サイクル数Ｃは、接合不良面積割合が５％にまで増加するまでのサイクル数を示す。経験的に、接合不良面積割合が５％にまで増加すると、はんだ層８にクラックが入ったり、アルミニウム膜４と実装基板２間の熱抵抗が増加して半導体素子１０が異常に過熱されることが分っている。接合不良面積が５％未満の条件では、実用的に問題ないのに対し、５％以上となると不具合の発生確率が急激に増大する。接合不良面積割合が５％にまで増加したときに寿命がきたと評価してもよいことが判っている。
接合不良面積割合が５％にまで増加すると、モニタ用アルミニウム膜６の抵抗値は初期値の1.01倍に増加することが分っている。またモニタ用アルミニウム膜６の表面に発達する凹凸の高さが３５μｍに達することが判っている。 The number of cycles C indicates the number of cycles until the bonding failure area ratio increases to 5%. Empirically, when the bonding failure area ratio increases to 5%, the solder layer 8 is cracked or the thermal resistance between the aluminum film 4 and the mounting substrate 2 is increased, and the semiconductor element 10 is abnormally overheated. I know. If the bonding failure area is less than 5%, there is no practical problem. However, if it is 5% or more, the probability of occurrence of a failure rapidly increases. It has been found that it may be evaluated that the lifetime has been reached when the proportion of defective bonding area is increased to 5%.
It has been found that when the bonding failure area ratio increases to 5%, the resistance value of the monitoring aluminum film 6 increases to 1.01 times the initial value. It has also been found that the height of the unevenness developed on the surface of the monitoring aluminum film 6 reaches 35 μm.

サイクル数Ｃ１〜Ｃ３は、接合不良面積割合が５％にまで増加するまでのサイクル数を示している。イクル数Ｃ１は、ヒートサイクルの温度変動幅が基準温度変動幅ΔＴ１である場合のサイクル数を示し、サイクル数Ｃ２は、ヒートサイクルの温度変動幅が基準温度変動幅ΔＴ１＋２５℃である場合のサイクル数を示し、サイクル数Ｃ３は、ヒートサイクルの温度変動幅が基準温度変動幅ΔＴ１＋５０℃である場合のサイクル数を示している。 The number of cycles C 1 to C 3 indicates the number of cycles until the bonding failure area ratio increases to 5%. The cycle number C 1 indicates the cycle number when the temperature fluctuation range of the heat cycle is the reference temperature fluctuation range ΔT 1 , and the cycle number C 2 indicates that the temperature fluctuation range of the heat cycle is the reference temperature fluctuation range ΔT 1 + 25 ° C. It indicates the number of cycles some cases, the number of cycles C 3, shows the number of cycles when the temperature fluctuation range of the heat cycle is the reference temperature fluctuation range ΔT 1 + 50 ℃.

図４は、ヒートサイクルの温度変動幅の対数を横軸にとり、接合不良面積割合が５％にまで増加するまでのサイクル数の対数を縦軸にとったグラフを示す。測定結果をプロットしてみると、ほぼ直線７０に沿っていることが分る。経験的に分っている温度変動幅と寿命の間に成立する関係を満たしていることが分る。   FIG. 4 is a graph in which the logarithm of the temperature fluctuation width of the heat cycle is taken on the horizontal axis, and the logarithm of the cycle number until the bonding failure area ratio increases to 5% is taken on the vertical axis. When the measurement results are plotted, it can be seen that the measurement results are almost along the straight line 70. It can be seen that an empirically known relationship between temperature fluctuation range and lifetime is satisfied.

図３と図４から、抵抗値の変化比率と、表面の凹凸の高さと、接合不良面積割合がよく比例し、モニタ用アルミニウム膜６の抵抗値がｒ０から1.01×ｒ０に増加すると、接合部が寿命を迎えることが分る。抵抗値が1.01×ｒ０に増加する直前に対策を施せば、寿命を向かえる直前に対策を施せることが分る。抵抗値が1.01×ｒ０に増加する直前に対策を施せば、必要な時に必要な対策を施せることが分る。 From FIG. 3 and FIG. 4, when the change ratio of the resistance value, the height of the unevenness of the surface, and the ratio of the defective bonding area are well proportional, and the resistance value of the monitoring aluminum film 6 increases from r 0 to 1.01 × r 0 , It can be seen that the joint reaches the end of its life. It can be seen that if measures are taken immediately before the resistance value increases to 1.01 × r 0 , measures can be taken immediately before the end of the service life. It can be seen that if measures are taken immediately before the resistance value increases to 1.01 × r 0 , necessary measures can be taken when necessary.

第１実施例では、適宜なタイミングでモニタ用アルミニウム膜６の特性を測定する。例えば超音波探傷法で接合不良面積比率を測定する。あるいはパッド６ａ，６ｂ間の抵抗を想定する。あるいは、表面に発達している凹凸の高さを測定する。測定結果から、はんだ層８あるいはアルミニウム膜４の劣化の進行度合いを知ることができる。寿命に至る直前時点を知ることができ、必要な対策を適切な時期に施すことを可能とする。   In the first embodiment, the characteristics of the monitoring aluminum film 6 are measured at an appropriate timing. For example, the bonding defect area ratio is measured by an ultrasonic flaw detection method. Alternatively, a resistance between the pads 6a and 6b is assumed. Alternatively, the height of the unevenness developed on the surface is measured. From the measurement result, the degree of progress of the deterioration of the solder layer 8 or the aluminum film 4 can be known. It is possible to know the time immediately before the end of the service life, and to take necessary measures at an appropriate time.

（第２実施例）
図５は、第２実施例の半導体装置３０を示している。第２実施例の半導体装置３０は、第１実施例の半導体装置１を１部に含んでいる。すなわち、実装基板２の裏面がはんだ層１４によって放熱板１６に接合されている。放熱板１６は、図示しない水冷装置に組み込まれている。放熱板１６にはんだ接合するために、実装基板２の裏面にもアルミニウム膜１２が形成されている。
半導体装置３０は、実装基板２と別の実装基板１８を備えている。実装基板１８には、３個の抵抗２０，２２，２４が実装されている。
実装基板２と実装基板１８によって、図６に示すホイートストーンブリッジ回路が形成されている。そのホイートストーンブリッジ回路には、電圧Ｅの直流電源が接続されており、出力端子２６,２８が接続されている。出力端子２６,２８は実装基板１８に形成されている。
抵抗２０，２２，２４の抵抗は、モニタ用アルミニウム膜６の初期抵抗ｒ０に等しい。基板１８と抵抗２０，２２，２４にはヒートサイクルが加わらない。抵抗２０，２２，２４の抵抗は、モニタ用アルミニウム膜６の初期抵抗ｒ０を維持する。 (Second embodiment)
FIG. 5 shows a semiconductor device 30 of the second embodiment. The semiconductor device 30 of the second embodiment includes the semiconductor device 1 of the first embodiment in one part. That is, the back surface of the mounting substrate 2 is joined to the heat sink 16 by the solder layer 14. The heat sink 16 is incorporated in a water cooling device (not shown). An aluminum film 12 is also formed on the back surface of the mounting substrate 2 for soldering to the heat sink 16.
The semiconductor device 30 includes the mounting substrate 2 and another mounting substrate 18. Three resistors 20, 22, and 24 are mounted on the mounting substrate 18.
A Wheatstone bridge circuit shown in FIG. 6 is formed by the mounting substrate 2 and the mounting substrate 18. A DC power source having a voltage E is connected to the Wheatstone bridge circuit, and output terminals 26 and 28 are connected. The output terminals 26 and 28 are formed on the mounting substrate 18.
The resistances of the resistors 20, 22, and 24 are equal to the initial resistance r 0 of the monitoring aluminum film 6. No heat cycle is applied to the substrate 18 and the resistors 20, 22, and 24. The resistance of resistor 20, 22, 24 to maintain the initial resistance r 0 of the monitor aluminum film 6.

モニタ用アルミニウム膜６の抵抗が、初期抵抗ｒ０からｘだけ増加すると、出力端子２６,２８の電圧は、（１）式に示す値となる。出力端子２６,２８間の電圧からモニタ用アルミニウム膜６の抵抗の増加分ｘが分り、それによって抵抗の初期値ｒ０に対する変化比率が分る。変化比率が前記した1.01の値に近づいた時に、実装基板２の接続部が寿命を迎える直前時期になったことが分る。 Resistance of the monitor aluminum film 6, increasing the initial resistance r 0 by x, the voltage of the output terminal 26 and 28 becomes a value shown in the expression (1). It found to increase x in the resistance of the monitor aluminum film 6 from the voltage between the output terminals 26 and 28, whereby it is understood change ratio with respect to the initial value r 0 of the resistor. When the change ratio approaches the value of 1.01, it can be seen that it is just before the connection part of the mounting board 2 reaches the end of its life.

（第３実施例）
第３実施例の半導体装置は、第２実施例のモニタ用アルミニウム膜６を、モニタ用キャパシター６ｆに置き換え、ブリッジを形成する抵抗２０，２２、２４をキャパシター４０,４２,４４に置き換え、ホイートストーンブリッジ回路を交流ブリッジ回路に置き換えたものである。
図７は、モニタ用キャパシター６ｆの拡大断面図を示し、実装基板２の表裏両面の相互に向かい合う位置に、モニタ用アルミニウム膜６ｄ，６ｅの対が形成されている。
モニタ用アルミニウム膜６ｄ，６ｅはヒートサイクルに晒されると、実装基板２から剥離し、剥離するとモニタ用キャパシター６ｆの容量が低下する。接合不良面積割合が増加するほど、モニタ用キャパシター６ｆの容量が低下する。初期容量に対する変化比率と、接合不良面積割合はよく比例することがわかっている。 (Third embodiment)
In the semiconductor device of the third embodiment, the monitoring aluminum film 6 of the second embodiment is replaced with a monitoring capacitor 6f, the resistors 20, 22, and 24 forming the bridge are replaced with capacitors 40, 42, and 44, The stone bridge circuit is replaced with an AC bridge circuit.
FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of the monitoring capacitor 6f, and a pair of monitoring aluminum films 6d and 6e is formed at positions facing the front and back surfaces of the mounting substrate 2 to each other.
When the aluminum films 6d and 6e for monitoring are exposed to a heat cycle, they are peeled off from the mounting substrate 2, and when they are peeled off, the capacity of the monitoring capacitor 6f is reduced. The capacity of the monitoring capacitor 6f decreases as the bonding failure area ratio increases. It has been found that the ratio of change with respect to the initial capacity is well proportional to the defective area ratio.

交流ブリッジ回路を構成するキャパシター４０，４２，４４の容量は、モニタ用キャパシター６ｆの初期容量Ｃ０に等しい。実装基板１８とキャパシター４０，４２，４４にはヒートサイクルが加わらない。キャパシター４０，４２，４４の容量は、モニタ用キャパシター６ｆの初期容量Ｃ０を維持する。
モニタ用キャパシター６ｆの容量が、初期容量Ｃ０からｘだけ減少すると、出力端子４６,４８の電圧は、（２）式に示す値となる。出力端子４６,４８間の電圧から、モニタ用キャパシター６ｆの容量の低下分ｘが分り、容量の変化比率が分る。モニタ用キャパシター６ｆの容量の変化比率が、接合不良面積割合が５％に増加したときの変化比率よりもわずかに小さな値となったときに、実装基板２の接続部が寿命を迎える直前時期になったことが分る。 Capacity of the capacitor 40, 42, 44 constituting the AC bridge circuit is equal to the initial capacity C 0 of the monitoring capacitor 6f. A heat cycle is not applied to the mounting substrate 18 and the capacitors 40, 42 and 44. Capacity of the capacitor 40, 42, 44, maintains the initial capacity C 0 of the monitoring capacitor 6f.
Capacity of the monitoring capacitor 6f is, when reduced from the initial capacity C 0 by x, the voltage of the output terminal 46 and 48 becomes a value shown in equation (2). From the voltage between the output terminals 46 and 48, the decrease x of the capacitance of the monitoring capacitor 6f is found, and the change ratio of the capacitance is found. When the change ratio of the capacitance of the monitoring capacitor 6f is slightly smaller than the change ratio when the defective contact area ratio is increased to 5%, immediately before the connection portion of the mounting board 2 reaches the end of its life. I can see that

（第４実施例）
第４実施例の半導体装置５０は、モニタ用キャパシター６ｆを図９に示すＬＣＲ共振回路に組み込んでいる。
第４実施例の半導体装置では、ＬＣＲ共振回路の共振周波数を測定する。ＬＣＲ共振回路のＬ成分とＲ成分は、ヒートサイクルに晒されない環境におかれており、変化しない。従って、共振周波数の変化はモニタ用キャパシター６ｆの容量変化に起因している。共振周波数の変化からモニタ用キャパシター６ｆの容量低下量ｘを知ることができ、容量の変化比率が分る。モニタ用キャパシター６ｆの容量の変化比率が、接合不良面積割合が５％に増加したときの変化比率よりもわずかに小さな値となったときに、実装基板２の接続部が寿命を迎える直前時期になったことが分る。 (Fourth embodiment)
The semiconductor device 50 of the fourth embodiment incorporates a monitoring capacitor 6f in the LCR resonance circuit shown in FIG.
In the semiconductor device of the fourth embodiment, the resonance frequency of the LCR resonance circuit is measured. The L component and R component of the LCR resonant circuit are placed in an environment that is not exposed to the heat cycle and do not change. Therefore, the change in the resonance frequency is caused by the change in the capacitance of the monitoring capacitor 6f. The capacitance decrease amount x of the monitoring capacitor 6f can be known from the change in the resonance frequency, and the change rate of the capacitance can be found. When the change ratio of the capacitance of the monitoring capacitor 6f is slightly smaller than the change ratio when the defective contact area ratio is increased to 5%, immediately before the connection portion of the mounting board 2 reaches the end of its life. I can see that

（第５実施例）
第５実施例の半導体装置６０は、モニタ用キャパシター６ｆを組み込んだＬＣＲ共振回路に流れる周波数ω１の電流成分を測定する。ここで、周波数ω１はモニタ用キャパシター６ｆの容量が初期値にあるときの共振周波数である。モニタ用キャパシター６ｆの容量が初期値から変化すれば、共振周波数が変化し、図１０に示すように、周波数ω１の電流成分が低下する。周波数ω１の電流成分の低下量から、モニタ用キャパシター６ｆの容量低下量ｘを知ることができ、容量の変化比率が分る。モニタ用キャパシター６ｆの容量の変化比率が、接合不良面積割合が５％に増加したときの変化比率よりもわずかに小さな値となったときに、実装基板２の接続部が寿命を迎える直前時期になったことが分る。 (5th Example)
The semiconductor device 60 of the fifth embodiment measures the current component of the frequency ω 1 flowing through the LCR resonance circuit incorporating the monitoring capacitor 6f. Here, the frequency ω 1 is a resonance frequency when the capacitance of the monitoring capacitor 6f is at an initial value. If the change from the capacitance initial value of the monitoring capacitor 6f, the resonance frequency changes, as shown in FIG. 10, the current component of the frequency omega 1 is reduced. From the amount of decrease in the current component of the frequency omega 1, it is possible to know the capacity decrease amount x of the monitoring capacitor 6f, it is understood change ratio of capacitance. When the change ratio of the capacitance of the monitoring capacitor 6f is slightly smaller than the change ratio when the defective contact area ratio is increased to 5%, immediately before the connection portion of the mounting board 2 reaches the end of its life. I can see that

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.

第１実施例の半導体装置の斜視図を示す。1 is a perspective view of a semiconductor device according to a first embodiment. モニタ用アルミニウム膜と基板の断面図を示す。Sectional drawing of the aluminum film for a monitor and a board | substrate is shown. サイクル数と、接合不良面積割合、抵抗の変化比率ならびに凹凸の高さの関係を示す。The relationship between the number of cycles, the defective bonding area ratio, the resistance change ratio, and the height of the unevenness is shown. ヒートサイクルの温度変化幅と、寿命サイクル数の関係を示す。The relationship between the temperature change width of a heat cycle and the number of life cycles is shown. 第２実施例の半導体装置の断面図を示す。Sectional drawing of the semiconductor device of 2nd Example is shown. 第２実施例の半導体装置に組み込まれているホイートストーンブリッジ回路を示す。3 shows a Wheatstone bridge circuit incorporated in the semiconductor device of the second embodiment. 第３実施例の半導体装置のモニタ用キャパシターの断面を示す。A section of a monitoring capacitor of a semiconductor device of a 3rd example is shown. 第３実施例の半導体装置に組み込まれている交流ブリッジ回路を示す。An AC bridge circuit incorporated in the semiconductor device of the third embodiment is shown. 第４実施例の半導体装置に組み込まれているＬＣＲ共振回路を示す。The LCR resonance circuit built into the semiconductor device of the 4th example is shown. 周波数と電流の関係を示す。Shows the relationship between frequency and current.

符号の説明Explanation of symbols

１：半導体装置
２：実装基板
４：アルミニウム膜
６：モニタ用アルミニウム膜
８：はんだ層
１０：半導体素子 1: Semiconductor device 2: Mounting substrate 4: Aluminum film 6: Monitor aluminum film 8: Solder layer 10: Semiconductor element

Claims (7)

半導体素子を実装基板に接合した半導体装置であり、
前記実装基板の表面に密着しているモニタ用金属膜を備えており、
前記モニタ用金属膜と前記実装基板との密着面積が、前記半導体装置に加わったヒートサイクルの温度変動幅とサイクル数に追従して減少することを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device in which a semiconductor element is bonded to a mounting substrate,
It has a monitor metal film in close contact with the surface of the mounting substrate,
2. A semiconductor device according to claim 1, wherein an adhesion area between the monitor metal film and the mounting substrate decreases following a temperature fluctuation range and the number of cycles of a heat cycle applied to the semiconductor device. 前記モニタ用金属膜が前記実装基板の表面にろう付けら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。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the monitor metal film is brazed to a surface of the mounting substrate. 前記モニタ用金属膜が、純度９９．９９％以上のアルミニウムであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the metal film for monitoring is aluminum having a purity of 99.99% or more. 前記モニタ用金属膜の抵抗値が前記半導体装置に加わったヒートサイクルの温度変動幅とサイクル数に追従して増大することを特徴とする請求項１から３のいずれかの１項に記載の半導体装置。 4. The semiconductor according to claim 1, wherein a resistance value of the monitoring metal film increases in accordance with a temperature fluctuation range and the number of cycles of a heat cycle applied to the semiconductor device. 5. apparatus. 前記モニタ用金属膜の抵抗値の変化を示す値を出力する回路が実装されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。 5. The semiconductor device according to claim 4, wherein a circuit for outputting a value indicating a change in resistance value of the monitor metal film is mounted. 前記実装基板の表面と裏面に密着している一対のモニタ用金属膜で構成されるキャパシターを備えており、
そのキャパシターの容量が前記半導体装置に加わったヒートサイクルの温度変動幅とサイクル数に追従して減少することを特徴とする請求項１から３のいずれかの１項に記載の半導体装置。 A capacitor comprising a pair of monitor metal films in close contact with the front and back surfaces of the mounting substrate;
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the capacitance of the capacitor decreases in accordance with a temperature fluctuation range and the number of cycles of a heat cycle applied to the semiconductor device. 5. 前記キャパシターの容量の変化を示す値を出力する回路が実装されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 6, wherein a circuit that outputs a value indicating a change in capacitance of the capacitor is mounted.
JP2008223445A 2008-09-01 2008-09-01 Semiconductor device Expired - Fee Related JP5228711B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008223445A JP5228711B2 (en) 2008-09-01 2008-09-01 Semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008223445A JP5228711B2 (en) 2008-09-01 2008-09-01 Semiconductor device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2010062190A JP2010062190A (en) 2010-03-18
JP5228711B2 true JP5228711B2 (en) 2013-07-03

Family

ID=42188712

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008223445A Expired - Fee Related JP5228711B2 (en) 2008-09-01 2008-09-01 Semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5228711B2 (en)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09148523A (en) * 1995-11-21 1997-06-06 Toshiba Corp Semiconductor device
JPH11211586A (en) * 1998-01-27 1999-08-06 Matsushita Electric Works Ltd Semiconductor device
JP3477486B2 (en) * 2001-09-13 2003-12-10 松下電器産業株式会社 Manufacturing method of electronic component package
JP2006286786A (en) * 2005-03-31 2006-10-19 Anritsu Corp Semiconductor device
JP2010503986A (en) * 2006-09-18 2010-02-04 エヌエックスピー ビー ヴィ Method for manufacturing vertical contacts on a semiconductor substrate

Also Published As

Publication number Publication date
JP2010062190A (en) 2010-03-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4830993B2 (en) Degradation detection method for semiconductor device
JP3668708B2 (en) Failure detection system
US8031043B2 (en) Arrangement comprising a shunt resistor and method for producing an arrangement comprising a shunt resistor
JP4089143B2 (en) Power semiconductor device
JP5473733B2 (en) Power semiconductor module
JP6727428B2 (en) Semiconductor device
JP5233198B2 (en) Semiconductor device
JP4097613B2 (en) Semiconductor device
JP2002005989A (en) Deterioration determining method for electric power semiconductor element
JPH0714948A (en) Power semiconductor module
JP5578355B2 (en) Substrate device including multilayer circuit board and abnormality determination method for multilayer circuit board
JP4450796B2 (en) Power converter
WO2011152151A1 (en) Method for predicting lifetime of element, and circuit board provided with function of predicting lifetime of element
JP5245306B2 (en) Degradation protection method for semiconductor device
JP5228711B2 (en) Semiconductor device
JP6432126B2 (en) Semiconductor module inspection method and semiconductor system
JP4736997B2 (en) Semiconductor device
JP4673360B2 (en) Semiconductor device
JP6280519B2 (en) Electronic component temperature characteristic evaluation apparatus and temperature control unit used therefor
JP2019021740A (en) Semiconductor device, semiconductor module, and method of testing semiconductor device
JP4323299B2 (en) Semiconductor device
JP2013247244A (en) Electronic device, breakage estimation method and life estimation method
JP6804646B2 (en) Semiconductor module
JPH11297461A (en) Induction heat cooking device
JP2017026415A (en) Temperature sensor

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20101207

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20120213

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20121002

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20121130

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20121225

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20130116

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20130118

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20130116

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: 20130219

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130304

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

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160329

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees