JP5736226B2 - パワー半導体の温度を決定するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、パワー半導体の温度を決定（算出）するための方法に関する。

集積半導体コンポーネントは、プロセスステップによって、一般にベース基板、例えばシリコンウエハから、いわゆる半導体チップまたは略してチップとして作製される。パワー半導体、例えばＩＧＢＴもまた、この種のチップとして作製される。

パワー半導体は、一般に制御コンタクト（接点）を有し、これを介して前記パワー半導体は駆動される。例えば、ＩＧＢＴの場合には、このコンタクトはゲートであり、このゲートを介して、スイッチング動作が、ＩＧＢＴにおいて開始される。集積直列抵抗器を備えたパワー半導体が知られている。そうならば、直列抵抗器は、パワー半導体内で制御コンタクトと直列に接続される。

この場合に、駆動は、やはり制御コンタクトを介して行われる。それぞれのパワー半導体と調整された内部ゲート抵抗器は、例えば、異なって形成されたかまたは目立つミラープラトーを補償するように、かつパワー半導体のより均一なスイッチングをもたらすように意図されている。

言及した第１の制御コンタクトと並んで、第２のコンタクト、すなわち、通常はより小さなコンタクト窓またはいわゆる補助窓をチップ上に有するパワー半導体のより最近の世代が知られている。この補助窓は、パワー半導体における実際の内部制御コンタクトまたは制御接続部と直接接しており、それによって、直列抵抗器を回避する。

換言すれば、チップに集積された抵抗器は、２つの制御コンタクト間に位置している。したがって、抵抗器の第１の極は、第１の制御コンタクトに接続され、その第２の極は、第２の制御コンタクトに接続される。内部ゲート抵抗器は、通常の条件下では、例えば約１０Ωの抵抗値を有する。通常、第１の制御コンタクトの（主窓として指定された）コンタクト窓だけが、かかるチップ上で常に接合されるかまたはコンタクト接続される。直列抵抗器自体は、それがパワー半導体内部に位置しているので、コンタクト接続に関してはアクセスできない。

かかるパワー半導体の耐用年数のためには、特に、動作時間中に前記パワー半導体が経験する温度ストレスまたは温度負荷が重要である。この場合には、いわゆる接合部温度が、主にパワー半導体スイッチにおいて重要である。前記パワー半導体の動作中にできるだけ正確に、パワー半導体の接合部温度を追跡することが望ましい。例えば、チップの予想される残存耐用年数のおおよその推定が、このようにして可能になる。次に、チップの故障が予想される前に、タイムリーで計画的なやり方で、交換を行うことができる。

基板上に半導体チップを配置すること、および例えば、ＮＴＣ（負の温度係数）サーミスタの形態をした従来の温度センサを半導体チップのできるだけ近く貼り付けることが知られている。センサは、基板の温度と、かくしてチップおよびしたがって接合部温度とを間接的または非常に近似的に検出する。しかしながら、この場合には、実際の接合部温度と測定された温度との間の最大約８０℃の温度差が、予想されることになる。

また、例えば熱電素子の形態をした温度センサを、チップ自体の上、例えばその埋め込みハウジング上に貼り付けることが知られている。温度検出は、実際のチップまたは空乏層のより近くで行われる。しかしながら、この場合も同様に、接合部温度は、最大約２０℃の差を伴って不正確に検出されるだけである。熱電素子による温度の検出は、（２００９年９月２８日出願、非公開）ドイツ特許出願ＤＥ１０２００９０４５０６８．８から周知である。

したがって、全体としては、パワー半導体の現在の温度または接合部温度は、満足には検出されない。したがって、これまで、パワー半導体用のストレス状態の十分に正確な評価およびしたがって耐用年数ステートメントまたは予測等は、十分正確には可能でなかった。

ＤＥ１０２００９０４５０６８Ａ１

本発明の目的は、パワー半導体の温度を決定するための改善された方法を特定することである。

この目的は、特許請求項１による方法によって達成される。

本発明は、集積ゲート抵抗器が、特に空乏層の近くに位置し、かつ温度依存性であるという洞察に基づいている。したがって、前記ゲート抵抗器の抵抗値は、チップにおける実際の内部温度に依存する。

本発明は、次の概念に基づいている。すなわち、チップとして具体化されたパワー半導体の場合には、第２の制御コンタクトがまた、両側において内部ゲート抵抗器への直接電気アクセスを提供するために、第１の制御コンタクトの接合とここで一緒に、ボンディングワイヤを用いて接続可能だという概念に基づいている。したがって、内部抵抗器の両方の接続部は、電気コンタクトによってアクセス可能にすることができる。内部ゲート抵抗器が温度依存性であるので、温度検出は、ここで前記ゲート抵抗器を介して間接的に行うことができる。チップ上のいわゆる補助窓は、第２の制御コンタクトを形成するが、一般に、そのジオメトリの点から、例えば７５μｍの直径を有するボンディングワイヤによって、十分に接合可能である。

したがって、本発明によれば、チップの第１および第２の制御コンタクトは、それぞれのボンディングワイヤを介して、第１の接続端子および第２の接続端子に接続、すなわち接合される。次に、接続端子だけが、さらなる電気回路またはコンタクト接続部によって外部的にアクセス可能である。本発明によれば、直列抵抗器の抵抗値は、２つの接続端子間の電気測定によって決定される。直列抵抗器の抵抗値および温度−抵抗特性曲線に基づき、続いて、直列抵抗器の温度が、パワー半導体の温度として決定される。

本発明によれば、両側における抵抗器への電気的アクセスは、接続ワイヤおよび接続端子を介して提供される。温度に対するオンチップ集積直列抵抗器の依存性は、電荷キャリアの相互の移動性に比例する。移動性は温度が上昇するにつれて減少し、その結果、抵抗は、温度が上昇するにつれて増加する。抵抗を評価するために、内部ゲート抵抗器における電流および電圧を測定することが必要である。次に、電流および電圧は、等価抵抗値に、および特性曲線を介して温度値に簡単な方法で変換することができる。

測定可能な電流フローは、スイッチング電流が第１の制御コンタクトに供給されるか、またはそこから除去される場合にのみ、すなわち、例えば、ＩＧＢＴのスイッチオンまたはスイッチオフ動作中にのみ、直列抵抗器に存在する。したがって、本発明の第１の実施形態において、測定は、動作電流を用いた、第１の制御コンタクトの、動作上管理された通電中に行われる。換言すれば、動作電流は、測定電流として用いられる。したがって、本発明の第１の実施形態において、動作電流が測定され、同時に直列抵抗の両端にわたる電圧が決定される。

代替実施形態において、測定は、２つの制御コンタクトを介して明示的に供給される測定電流によって実行される。この目的のために、例えば、一般により高い抵抗を有するさらなる抵抗器を、例えば補助窓にコンタクト接続される対応する抵抗器用の第２の制御コンタクトに接続することがまた可能である。次に、小さな電位差によって、小さな補助電流または測定電流が、直列抵抗器において任意の所望の時点で生成可能であり、現在の抵抗値の測定は、ここで行うことができる。次に、温度測定は、例えば、ＩＧＢＴにおけるスイッチング動作とは結合されない。

本発明のさらなる実施形態において、特性曲線は、パワー半導体における較正手順に基づいて決定される。これは、例えば、各個別チップ、チップ列またはチップタイプ用に行うことができる。例として、パワー半導体の最初の起動前に、自動較正を行うことができ、その間に、特定の特性曲線が決定される。次に、特性曲線は、方法において前記特性曲線を用いることができるように、前記チップ用に固定して永久に記憶することができる。

好ましい一実施形態において、チップは、キャリア回路基板（ＤＣＢ、直接銅接合）に実装されるが、このキャリア回路基板は、上記の専用温度センサをさらに有する。次に、特性曲線を、温度センサを用いて、パワー半導体の無負荷動作中に決定することができる。較正手順の文脈において、チップと温度センサとの間の温度平衡を保証することができるか、またはこの場合には周知の差温が、ここにおいてある状況下で支配的であるので、正確な温度較正を、キャリア回路基板の温度センサによって行うことができる。特に、チップが無負荷動作中なので、例えばチップの動作中などの局所的な熱擾乱は生じない。すなわち、たとえチップが、例えば負荷電流の結果として廃熱を発生しても、前記廃熱は、チップにおいてのみ局所的に反映され、温度センサでは反映されない。

換言すれば、チップが回路基板に実装され、かつ回路基板が従来の温度センサ、例えば上記のＮＴＣを有する場合には、ＮＴＣ温度は、チップの無負荷動作中の基準として、実際の抵抗器温度用に使用することができる。

今日、ＩＧＢＴの形態をした周知のチップは、単一の内部ゲート抵抗器または直列抵抗器を有する。しかしながら、最近の開発に関連して、複数の内部直列抵抗器を有するチップがまた考えられる。代替として、複数のＩＧＢＴによって形成された並列回路が考えられる。複数の内部直列抵抗器を有する構成がまた、このようにして現れる。これらおよび他の類似の状況において、互いに熱的に結合された複数の直列抵抗器であって、その各個別の抵抗器が、本発明に従って温度測定用に使用できる複数の直列抵抗器を有する構造が現れる。

有利な一実施形態において、言及した１つまたは複数のパワー半導体またはチップが、２つのそれぞれの制御コンタクトと共に複数の直列抵抗器を有する。次に、方法は、所望の測定用に最良の初期位置を提供することが分かっている、直列抵抗器の１つにおいて実行される。例として、耐用年数を決定するために、そのポジショニングゆえに最大の熱ストレスにさらされることが分かっている直列抵抗器が選択される。したがって、換言すれば、複数の直列抵抗器を有するチップ用に、最大熱負荷にさらされる直列抵抗器だけが、このようにチップの最大温度負荷を決定するために評価される。したがって、例えば、耐用年数推定等に関して、温度の「最悪事態」の評価が可能になる。

説明したようなパワー半導体が、同様に、制御コンタクトをそれぞれ備えた複数の直列抵抗器を有する代替実施形態において、方法は、直列抵抗器のうちの複数または全てにおいて実行される。例として、直列抵抗器のうちの複数または全てによって形成された直列回路によって、全ての対応する測定位置の平均温度を決定することが可能である。代替としては、例として、それぞれの個々の測定を行うこと、および続いて、個々の直列抵抗器の様々な決定温度の選択または平均化を行うことがまた可能である。

本発明のさらなる説明のために、いずれの場合も基本的な概略図の図面における例示的な実施形態に言及する。

チップとして具体化されたパワー半導体を平面図で示す。 図１のパワー半導体の抵抗−温度特性曲線を示す。 代替パワー半導体を斜視図で示す。

図１は、チップ２として集積して具体化された、ＩＧＢＴ形態のパワー半導体を示す。図１は、チップ２を平面図で、すなわち前記チップの上面４からの一部を示す。上面４において、処理されたシリコン基板上に配置された金属化表面の形態でコンタクト接続される窓、すなわち、４つのエミッタ窓６およびまた１つのゲート窓８および１つの補助窓１０を見ることができる。

オンチップ回路は、図１において破線によって示されている。実際のパワー半導体１２、すなわち集積半導体構造としてのＩＧＢＴは、そのエミッタＥによって、４つのエミッタ窓６と並列に接続される。コレクタＣは、コレクタ接続部１１（図３を参照）として全エリア金属化の形態をしたチップ裏面（図１では見えない）に通じる。パワー半導体１２のゲートＧは、補助窓１０に直接コンタクト接続される。ゲートＧは、抵抗値Ｒ_Ｖを有するオンチップ直列抵抗器１４を介して、ゲート窓８に接続される。

チップ２自体は、直接コンタクト接続すること、例えばはんだ付けすることはできない。この目的のために、最初に、いわゆる接合を行わなければならない。パワー半導体１２をコンタクト接続するために、エミッタ窓６は、ボンディングワイヤ１６を用いて、エミッタ接続端子２０に接続される。コレクタＣは、コレクタ接続部１１を介して直接はんだ付けすることができる。例として、チップ裏面は、平面状にはんだ付けされる。チップ２の第１の制御コンタクト２２ａとしてのゲート窓８は、ボンディングワイヤ１６を介して第１のゲート接続端子２４ａに同様に接続される。したがって、動作中に、パワー半導体１２の回路相互接続または電気的な駆動は、コレクタ接続部１１ならびにまた接続端子２０および２４ａを介して達成される。補助窓１０は、先行技術に従っては用いられない。

本発明によれば、第２の制御コンタクト２２ｂとしての補助窓１０は、第２のゲート接続端子２４ｂに接続される。本発明によれば、次に、直列抵抗器１４の両端にわたって降下された電圧Ｕ_Ｒ、および直列抵抗器１４を流れる電流Ｉ_Ｒが、接続端子２４ａ、ｂにおいて測定される。直列抵抗器１４の値Ｒ_Ｖは、これら２つの変数から決定することができる。

図２は、特性曲線２６を示すが、特性曲線２６は、直列抵抗器１４に適用可能であり、かつ直列抵抗器１４のオームにおける抵抗値Ｒ_Ｖと、℃における温度との関係を再現する。この場合に、直列抵抗器１４の温度は、チップ２またはパワー半導体１２の温度と、特にＩＧＢＴの場合にはその接合部温度と等しくすることができる。なぜなら、直列抵抗器１４が、同様に、同じ半導体基板に集積されて位置しており、したがって、チップ２におけるこれらのそれぞれのコンポーネント間の熱的な均一性を仮定することが事実上可能であるからである。したがって、本発明によれば、パワー半導体１２の温度は、特性曲線２６、ならびに電圧Ｕ_Ｒおよび電流Ｉ_Ｒから決定された抵抗値Ｒ_Ｖによって決定される。

この場合に、第１の実施形態において、電流Ｉ_Ｒは、パワー半導体１２においてスイッチング動作中に流れる動作電流Ｉ_Ｂである。したがって、電流Ｉ_Ｒは、接続端子２４ａを介して直列抵抗器１４へ、かつそこからパワー半導体１２のゲートＧへともっぱら流れる。接続端子２４ｂにおいて、電流フローは測定されず、より正確に言えば、（可能な最小測定装置電流は別として）電流なしに電圧Ｕ_Ｒだけが測定される。

対照的に、代替実施形態では、電流は、パワー半導体１２のゲートＧへは流れない。なぜなら、パワー半導体１２が、現在、スイッチング動作中ではないからである。次に、上記の代替として、電気回路が、接続端子２４ａ、直列抵抗器１４、および接続端子２４ｂを介して形成され、電流Ｉ_Ｒが、前記電気回路を通って流れる。上記のスイッチング電流とは対照的に、そのときＩ_Ｒは、純粋な測定電流Ｉ_Ｍである。この場合に、電圧Ｕ_Ｒは、接続端子２４ａ、ｂ間で同じ方法で決定される。

さらなる実施形態では、特性曲線２６は、較正手順において前もって決定されるが、この場合に、チップ２は、例えば熱キャビネットにおいて特定の温度に、例えば熱キャビネットにおける測定ゆえに周知の温度Ｔに加熱され、次に、電気抵抗値Ｒ_Ｖが、周知の温度Ｔに関連して決定される。

図３は代替実施形態を示す。この場合に、チップ２は、キャリア回路基板２８上に、前記キャリア回路基板にはんだ付けされる前記チップのコレクタ接続部１１によって実装される。チップと直に並んで、温度センサ３０が、さらに、キャリア回路基板２８に実装される。一方で次に、特性曲線２６は、キャリア回路基板２８およびチップ２から構成された機構全体が加熱され、温度が、各場合に温度センサ３０によって決定されるようなやり方で、決定される。次に、関連する抵抗Ｒ_Ｖが、電圧Ｕ_Ｒおよび電流Ｉ_Ｒの上記の測定によって再び決定される。この測定は、特にパワー半導体１２の無負荷動作中に、すなわちそのコレクタＣおよびエミッタＥが電圧を印加されず、電圧がないときに行われる。これによって、追加的に発生される廃熱がチップ２内で生じず、かつ温度センサ３０の温度測定が正確な結果をもたらすことが保証される。

図３は、チップ２またはパワー半導体１２の実施形態をさらに示すが、このチップ２またはパワー半導体１２は、複数の直列抵抗器１４と、アクセス可能な、それぞれ互いに接続された複数の制御コンタクト２２ａ、ｂ（一部は図示せず）およびまた接続端子２４ａ、ｂ（一部は図示せず）と、を内部に有する。第１の実施形態において、上記の方法は、図示の直列抵抗器１４の中の直列抵抗器であって、最大の熱ストレスにさらされる直列抵抗器上でのみ実行される。

方法の代替実施形態では、パワー半導体１２のそれぞれの温度をできるだけ正確に決定するために、方法は、直列抵抗器１４のうちの複数または全てにおいて実行され、起こり得る異なる温度のそれぞれの選択または伝達が行われる。

２ チップ
４ 上面
６ エミッタ窓
８ ゲート窓
１０ 補助窓
１１ コレクタ接続部
１２ パワー半導体
１４ 直列抵抗器
１６ ボンディングワイヤ
２０ エミッタ接続端子
２２ａ 第１の制御コンタクト
２２ｂ 第２の制御コンタクト
２４ａ 第１のゲート接続端子
２４ｂ 第２のゲート接続端子
２６ 特性曲線
２８ キャリア回路基板
３０ 温度センサ
Ｇ ゲート
Ｃ コレクタ
Ｅ エミッタ
Ｕ_Ｒ 電圧
Ｉ_Ｒ 電流
Ｉ_Ｂ 動作電流
Ｉ_Ｍ 測定電流
Ｒ_Ｖ 抵抗値
Ｔ 温度

Claims (6)

1. パワー半導体（１２）の温度（Ｔ）を決定するための方法であって、第１の制御コンタクト（２２ａ）が、前記パワー半導体（１２）に集積された直列抵抗器（１４）の第１の極に接続され、前記直列抵抗器（１４）の、前記パワー半導体（１２）へ延びている第２の極が、第２の制御コンタクト（２２ｂ）に接続され、
   − 第１の制御コンタクト（２２ａ）および第２の制御コンタクト（２２ｂ）が、それぞれのボンディングワイヤ（１６）を介して、第１の接続端子（２４ａ）および第２の接続端子（２４ｂ）に接続され、
   − 前記２つの接続端子（２４ａ、ｂ）間の電気測定によって前記直列抵抗器（１４）の両端にわたって降下された電圧（U _R ）、および前記直列抵抗器（１４）を流れる電流（I _R ）が測定され、これらの２つの変数により前記直列抵抗器（１４）の抵抗値（Ｒ _Ｖ ）が決定され、
   − 前記直列抵抗器（１４）の前記抵抗値（Ｒ_Ｖ）および温度−抵抗特性曲線（２６）に基づいて、前記直列抵抗器（１４）の温度（Ｔ）が、前記パワー半導体（１２）の温度として決定される方法。
2. 前記測定が、動作電流（Ｉ_Ｂ）を用いた、前記第１の制御コンタクトの、動作上管理された通電中に行われる請求項１に記載の方法。
3. 前記測定が、前記２つの制御コンタクト（２２ａ、ｂ）を介して供給される測定電流（Ｉ_Ｍ）を用いて行われる、請求項１に記載の方法。
4. 前記パワー半導体（１２）が、集積された温度センサ（３０）を備えたキャリア回路基板（２８）上に実装され、前記特性曲線（２６）が、前記温度センサ（３０）を用いて、前記パワー半導体（１２）の無負荷動作中に決定される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記パワー半導体（１２）が、それぞれの制御コンタクト（２２ａ、ｂ）と共に複数の直列抵抗器（１４）を有し、前記方法が、直列抵抗器（１４）の中の、最大の熱ストレスにさらされる直列抵抗器上で実行される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記パワー半導体（１２）が、それぞれの制御コンタクト（２２ａ、ｂ）と共に複数の直列抵抗器（１４）を有し、前記方法が、直列抵抗器（１４）のうちの複数または全てにおいて実行される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。

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