JP6221408B2 - 熱抵抗計測方法及び熱抵抗計測装置 - Google Patents

熱抵抗計測方法及び熱抵抗計測装置 Download PDF

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Description

熱抵抗計測方法及び熱抵抗計測装置に関する。
半導体素子が内蔵された半導体装置では、当該半導体装置の放熱能力を測るために熱抵抗が計測される。
半導体素子が、例えば、電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である場合の半導体装置の熱抵抗は、半導体素子の電力が一定になるようにゲート電圧を制御して計測する△Ｖｇｓ法（例えば、特許文献１参照）、半導体素子のゲート電圧を一定にして計測する△Ｖｄｓ法（例えば、特許文献２参照）等が利用されている。
特開２０１２−１４５３５４号公報 特開平１１−２１１７８６号公報
しかし、△Ｖｇｓ法で熱抵抗値を計測する場合、特にチャネル抵抗が大きいＭＯＳＦＥＴでは、発熱させたＭＯＳＦＥＴ内の発熱分布が局所的になり、ＭＯＳＦＥＴのサイズを小さく見積もる必要が生じ、適切に熱抵抗計測を行うことができないという問題点があった。
また、△Ｖｄｓ法で熱抵抗を計測する場合、特にオン電圧が小さいＭＯＳＦＥＴでは、温度係数の精度が悪く、適切に熱抵抗計測を行うことができないという問題点があった。
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、熱抵抗計測の精度を向上させる熱抵抗計測方法及び熱抵抗計測装置を提供することを目的とする。
本発明では、上記問題を解決するために、第１電極と第２電極との間に印加される電圧に応じて第３電極から第２電極へ電流を流す半導体素子を収納する半導体装置の第１外装温度を計測する工程と、前記半導体素子が発熱しない程度の一定の電流を通電し、前記半導体素子の前記第３電極と前記第２電極との間の第１電圧が一定になるように制御された前記半導体素子の前記第１電極と前記第２電極との間の第２電圧を計測し、前記第２電圧と、前記第２電圧に関する温度係数とに基づき前記半導体素子の第１素子温度を算出する工程と、前記半導体素子の前記第１電極と前記第２電極との間に印加する第３電圧を一定にして前記第３電極と前記第２電極との間に前記半導体素子が発熱する一定の電流を通電させる工程と、前記半導体素子が発熱する前記電流と、前記半導体素子の発熱時の前記第３電極及び前記第２電極の間の第４電圧とに基づいて電力を算出する工程と、前記半導体素子が発熱しない程度の一定の電流を通電し、前記半導体素子の前記第３電極と前記第２電極との間の前記第１電圧が一定になるように制御された前記半導体素子の前記第１電極と前記第２電極との間の第５電圧を計測し、前記第５電圧と、前記第５電圧に関する温度係数とに基づき前記半導体素子の第２素子温度を算出する工程と、前記半導体素子の発熱後の第２外装温度を計測する工程と、前記半導体素子の発熱前後の前記第１外装温度及び前記第２外装温度の変化量並びに前記第１素子温度及び前記第２素子温度の変化量と、前記電力とに基づき、前記半導体素子の熱抵抗値を算出する工程と、を有する熱抵抗計測方法が提供される。
また、上記の熱抵抗計測方法が実行される熱抵抗計測装置が提供される。
このような熱抵抗計測方法及び熱抵抗計測装置であれば、熱抵抗を高精度で計測することができる。
第１の実施の形態に係る熱抵抗計測方法を示すフローチャートである。 第１の実施の形態に係る時間に応じて変化する電圧及び電流を示す図である。 第２の実施の形態に係る熱抵抗計測装置のハードウェア構成の一例を示す図である。 第２の実施の形態に係る被計測モジュールを示す図である。 第２の実施の形態に係る熱抵抗計測装置が備える機能を表す機能ブロックの一例を示す図である。 第２の実施の形態に係る△Ｖｇｓ法及び△Ｖｄｓ法をそれぞれ行う計測回路の構成の一例を示す図である。 第２の実施の形態に係る熱抵抗計測装置で実行される熱抵抗計測処理を示すフローチャートである。 第２の実施の形態に係る熱抵抗計測装置で実行される熱抵抗計測処理の詳細を示すフローチャートである。
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。
［第１の実施の形態］
第１の実施の形態の熱抵抗計測方法では、まず、第１電極と第２電極との間に印加される電圧に応じて第３電極から第２電極へ電流を流す半導体素子を収納する半導体装置の外装温度を計測する。さらに、当該半導体素子が発熱しない程度の一定の電流を通電し、当該半導体素子の第３電極と第２電極との間の第１電圧が一定になるように第１電極と第２電極との間の第２電圧を制御して、第１電極と第２電極との間の第２電圧の温度係数に基づき半導体素子の素子温度とを計測する。
次いで、半導体素子の第３電圧を一定にして第３電極に半導体素子が発熱する一定の電流を通電させて、半導体素子の発熱時の第３電極と第２電極との間の電力を計測する。そして、半導体素子の発熱前後の外装温度及び素子温度のそれぞれの変化量と、当該電力とに基づき熱抵抗値を算出するものである。
このような熱抵抗計測方法について、図１及び図２を用いて説明する。
図１は、第１の実施の形態に係る熱抵抗計測方法を示すフローチャートである。
図２は、第１の実施の形態に係る時間に応じて変化する電圧及び電流を示す図であり、図２（Ａ）は△Ｖｇｓ法を、図２（Ｂ）は△Ｖｄｓ法を、図２（Ｃ）は第１の実施の形態に係る熱抵抗計測方法を利用した場合をそれぞれ示している。また、図２では、Ｖｇｓはゲート・ソース電極間の電圧、Ｉｄはドレイン電流、Ｖｄｓはドレイン・ソース電極間の電圧のそれぞれの経時変化を示している。
熱抵抗値の計測対象の半導体装置は、第１電極に印加される電圧に応じて第３電極から第２電極へ電流を流す半導体素子を収納している。半導体素子が、例えば、ＭＯＳＦＥＴである場合には、第１電極はゲート電極、第２電極はソース電極、第３電極はドレイン電極を、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）の場合には、第１電極はゲート電極、第２電極はエミッタ電極、第３電極はコレクタ電極をそれぞれ対応させることができる。
以下では、半導体素子として、ＭＯＳＦＥＴを利用した場合を一例にして説明を行う。
まず、このような半導体素子を収納する半導体装置において、△Ｖｇｓ法のみを利用した場合の熱抵抗計測方法について、図２（Ａ）を用いて説明する。
なお、△Ｖｇｓ法では半導体素子のドレイン・ソース電極間のＶｄｓは一定（ＶＨ）とする。
半導体素子が発熱していない状態の半導体装置の外装温度（Ｔｃ０）を計測する。半導体装置の外装温度の計測は、熱電対または赤外線カメラ等により行うことができる。
半導体素子に、当該半導体素子が発熱しない程度の微小一定電流（Ｉｍ）を通電させて、この際のゲート・ソース電極間のＶｇｓを計測して、計測したＶｇｓ（＝Ｖｍ０）と、温度係数（Ｋ）とに基づき半導体素子の素子温度（Ｔｊ０）を算出する。なお、半導体素子の温度変化に対するＶｇｓの変化率を表す温度係数（Ｋ）は予め計測並びに算出しておく。
次いで、半導体素子に一定のＩｄ（＝ＩＨ）を通電させることで、半導体素子を動作させて発熱させる。Ｖｇｓは、Ｖｄｓが一定（Ｖａ）になるように制御されており、電力ＰＨ（＝ＩＨ×Ｖａ）が算出される。
半導体素子を発熱させた後、半導体素子に通電させるＩｄを再び微小一定電流（Ｉｍ）として、半導体装置の外装温度（Ｔｃ１）と、温度係数（Ｋ）（この際のＶｇｓはＶｍ１）に基づき半導体素子の素子温度（Ｔｊ１）とを計測する。
ここで、熱抵抗値（Ｒｔｈ）は、一般に、次式（１）により算出することができる。
Ｒｔｈ（ｊ−ｃ）
＝｛△Ｔｊ（＝Ｔｊ１−Ｔｊ０）−△Ｔｃ（＝Ｔｃ１−Ｔｃ０）｝／ＰＨ・・・（１）
上記で計測した外装温度（Ｔｃ０，Ｔｃ１）、素子温度（Ｔｊ０，Ｔｊ１）並びに電力（ＰＨ）を式（１）に入力することで△Ｖｇｓ法による熱抵抗値（Ｒｔｈ）を算出することができる。
しかしながら、半導体素子を含む半導体装置の熱抵抗値を△Ｖｇｓ法で計測する場合、特にチャネル抵抗が大きい半導体素子では、チャネル電流が流れるチャネル領域の温度が他の部分よりも上昇する。このため半導体素子内の温度分布が局所的となり、発熱時の電流の温度特性が正となるために熱抵抗測定を適切に行うことができなくなる。さらに、半導体素子内の温度分布が局所的になると、半導体素子を多並列に配置した半導体装置では半導体素子間の発熱温度が不均等になり、この場合にも適切に熱抵抗計測ができなくなる。
次に、このような半導体素子を収納する半導体装置において、△Ｖｇｓ法に代わり、△Ｖｄｓ法のみを利用した場合の熱抵抗計測方法について、図２（Ｂ）を用いて説明する。
なお、△Ｖｄｓ法では半導体素子のゲート・ソース電極間のＶｇｓは一定（Ｂｇｓ）とする。
△Ｖｄｓ法でも、半導体素子が発熱していない状態において、△Ｖｇｓ法の場合と同様に、半導体装置の外装温度（Ｔｊ０）を計測する。また、△Ｖｄｓ法では、半導体素子が発熱しない程度の微小一定電流（Ｉｍ）に対するソース・ドレイン電極間のＶｄｓを計測して、計測したＶｄｓ（＝Ｖｍ０）と、温度係数（Ｋ）とに基づき半導体素子の素子温度（Ｔｊ０）を計測する。なお、この場合の温度係数（Ｋ）も予め計測並びに算出しておく。
次いで、半導体素子に一定のＩｄ（＝ＩＨ）を通電させることで半導体素子を動作させて発熱させる。この際、半導体素子の特性に応じて変化するＶｄｓ（＝ＶＨ）が計測されて、半導体素子の発熱時における電力ＰＨ（＝ＩＨ×ＶＨ）が算出される。
半導体素子を発熱させた後、半導体素子に通電させるＩｄを再びＩｍとして、半導体装置の外装温度（Ｔｃ１）を計測し、計測したＶｄｓ（＝Ｖｍ１）と温度係数（Ｋ）とに基づき半導体素子の素子温度（Ｔｊ１）を算出する。
△Ｖｄｓ法においても、このように計測した外装温度、素子温度並びに電力を上記の式（１）に入力することで熱抵抗値（Ｒｔｈ）を算出することができる。
しかし、半導体素子の熱抵抗値（Ｒｔｈ）を△Ｖｄｓ法で計測する場合、特にオン電圧が小さい半導体素子では、算出する温度係数（Ｋ）の精度が非常に悪くなる。このため、当該温度係数（Ｋ）に基づき熱抵抗測定を適切に行うことができなくなる。
そこで、第１の実施の形態に係る熱抵抗測定方法が、図１に示す手順並びに図２（Ｃ）に示す電圧・電流により行われる。
まず、半導体素子の発熱前において、半導体素子を収納する半導体装置の外装温度（Ｔｃ０）を計測する（ステップＳ１）。
半導体素子が発熱しない程度の微小一定電流（＝Ｉｍ）を通電し、半導体素子のドレイン電極（第３電極）とソース電極（第２電極）との間の第１電圧が一定になるように制御された半導体素子のゲート電極（第１電極）とソース電極（第２電極）との間の第２電圧を計測する。当該第２電圧と、第２電圧に関する温度係数とに基づき半導体素子の素子温度（Ｔｊ０）を算出する（ステップＳ２）。
即ち、ステップＳ２では、△Ｖｇｓ法を用いて、半導体素子の素子温度（Ｔｊ０）を算出する。なお、この際の温度変化に対する第２電圧の変化率を表す温度係数（Ｋ）は、予め、算出されているものとする。
半導体素子のゲート電極（第１電極）とソース電極（第２電極）との間に印加する第３電圧を一定にしてドレイン電極（第３電極）とソース電極（第２電極）との間に半導体素子が発熱する一定の電流（ＩＨ）を通電させる（ステップＳ３）。
即ち、ステップＳ３では、△Ｖｇｓ法から切り替えて、△Ｖｄｓ法により半導体素子に通電させて当該半導体素子を発熱させる。
このようにして発熱した半導体素子において、半導体素子が発熱する一定の電流（ＩＨ）と、半導体素子の発熱時のドレイン電極（第３電極）及びソース電極（第２電極）の間の第４電圧（ＶＨ）とに基づいて電力（ＰＨ＝ＩＨ＊ＶＨ）を計測する（ステップＳ４）。
電力の計測後、ドレイン電極（第３電極）に対する半導体素子が発熱する電流の通電を半導体素子が発熱しない程度の微小一定電流（Ｉｍ）にして、再び、△Ｖｇｓ法を用いて素子温度（Ｔｊ１）を算出し、半導体素子の発熱後の外装温度（Ｔｃ１）を計測する（ステップＳ５，Ｓ６）。
最後に、半導体素子の発熱前後の外装温度の変化量（△Ｔｃ＝Ｔｃ１−Ｔｃ０）並びに素子温度の変化量（△Ｔｊ＝Ｔｊ１−Ｔｊ０）と、電力（ＰＨ）とに基づき、半導体装置の熱抵抗値（Ｒｔｈ）を算出することができる（ステップＳ７）。
このような熱抵抗計測方法では、第１電極と第２電極との間に印加される電圧に応じて第３電極から第２電極へ電流を流す半導体素子の素子温度を、半導体素子が発熱しない程度の一定の電流を通電させた際の第１電極と第２電極との間の非発熱時電圧の温度係数に基づき計測するようにした。このような△Ｖｇｓ法では、温度変化に対する非発熱時電圧の変化量を表す温度係数の精度が向上し、半導体素子の発熱前後の非発熱時電圧の変化量から得られる△Ｔｊの精度が向上する。
また、このような熱抵抗計測方法では、半導体素子の第１電極と第２電極との間に印加する電圧を一定にして第３電極と第２電極との間に半導体素子が発熱する一定の電流を通電させて、半導体素子が発熱する電流と、半導体素子の発熱時の第３電極及び第２電極の間の発熱時電圧とに基づいて電力を計測するようにした。このような△Ｖｄｓ法を用いて半導体素子を発熱させると、半導体素子内において温度分布が局所的になる原因となるチャネル電流の増加が抑制されて、半導体素子内全体で温度が変化するようになり、半導体素子サイズを小さく見積もる必要がなくなる。また、半導体素子を多並列に配置した半導体装置の発熱分布のばらつきを抑制することができる。
したがって、上記の熱抵抗計測方法により半導体装置の熱抵抗を高精度に計測することができるようになる。また、不要な設計マージンを加える必要がなくなり、最適な設計を行うことができるようになる。
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態では、上記第１の実施の形態についてより具体的に説明を行う。
まず、第２の実施の形態に係る熱抵抗計測装置のハードウェア構成の一例について図３を用いて説明する。
図３は、第２の実施の形態に係る熱抵抗計測装置のハードウェア構成の一例を示す図である。
熱抵抗計測装置２００は、計測対象である被計測モジュール１００の熱抵抗値を計測する。
被計測モジュール１００は、例えば、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴ等のスイッチング素子を含む、熱抵抗の計測対象とされるモジュール（半導体装置）である。被計測モジュール１００の具体例については次の図４で説明する。
熱抵抗計測装置２００は、例えば、図３に示すように、制御ユニット２１０と、表示ユニット２２０、入力ユニット２３０、計測ユニット３００を備えている。
制御ユニット２１０は、さらに、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）２１０ａと、ＲＡＭ（Random Access Memory）２１０ｂ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）２１０ｃ、グラフィック処理部２１０ｄ、入出力インタフェース２１０ｅを備えている。これらの各部はバス２１０ｆで相互に接続されている。
ＣＰＵ２１０ａは、ＨＤＤ２１０ｃ等の記憶媒体に記憶された各種プログラムを実行することにより、このコンピュータ全体を統括的に制御する。
ＲＡＭ２１０ｂは、ＣＰＵ２１０ａに実行させるプログラムの少なくとも一部、並びにこのプログラムによる処理に必要な各種データを一時的に記憶する。
ＨＤＤ２１０ｃは、ＣＰＵ２１０ａにより実行されるプログラム、並びにその実行に必要な各種のデータ等を記憶する。
グラフィック処理部２１０ｄには、後述する表示ユニット２２０が接続されている。このグラフィック処理部２１０ｄは、ＣＰＵ２１０ａからの命令に従って、表示ユニット２２０の表示画面上に画像を表示させる。
入出力インタフェース２１０ｅには、後述する入力ユニット２３０並びに計測ユニット３００が接続されている。入出力インタフェース２１０ｅは、入力ユニット２３０からの入力信号を、バス２１０ｆを介してＣＰＵ２１０ａに送信する。また、入出力インタフェース２１０ｅは、ＣＰＵ２１０ａからの計測制御信号を、バス２１０ｆを介して計測ユニット３００に対して通知して被計測モジュール１００に対する計測を実行させる。また、入出力インタフェース２１０ｅは、計測ユニット３００からの計測結果を表す信号を、バス２１０ｆを介してＣＰＵ２１０ａに送信する。
また、表示ユニット２２０は、ディスプレイ、モニタ等の表示装置であって、ＣＰＵ２１０ａからの画像情報に基づき、例えば、被計測モジュール１００の熱抵抗値の計測結果等を表示することができる。
入力ユニット２３０は、キーボード、マウス等の入力装置であって、ユーザからの操作入力により計測条件の設定、処理実行要求等の入力情報を受け付けて、ＣＰＵ２１０ａに通知する。
計測ユニット３００は、被計測モジュール１００の熱抵抗値の計測に必要な半導体素子の素子温度、被計測モジュール１００の外装温度等を計測するための手段を備えている。計測ユニット３００の詳細については後述する図５を用いて説明する。
次に、被計測モジュール１００の詳細について図４を用いて説明する。
図４は、第２の実施の形態に係る被計測モジュールを示す図である。
なお、図４（Ａ）は被計測モジュール１００の断面模式図、図４（Ｂ）は被計測モジュール１００が備えるＭＯＳＦＥＴ１１０の回路構成をそれぞれ示している。
被計測モジュール１００は、ゲート電極と、ソース電極、ドレイン電極にそれぞれ接続するゲート端子１１１と、ソース端子１１２、ドレイン端子１１３（図４（Ｂ））を備えるＭＯＳＦＥＴ１１０が半田層１３０を介して回路基板１２０上に配置されている。
ＭＯＳＦＥＴ１１０は、主に、炭化シリコン（またはシリコン）により構成されており、その構成上ダイオードが内蔵される。
回路基板１２０は、絶縁基板１２０ａと、絶縁基板１２０ａの表裏面に形成された銅パターン１２０ｂ，１２０ｃとにより構成されている。
被計測モジュール１００は、さらに、このようなＭＯＳＦＥＴ１１０が配置された回路基板１２０が半田層１４０を介して、被計測モジュール１００の外装であって、例えば、銅により構成された基板１５０上に配置されている。
なお、このような被計測モジュール１００は、ＭＯＳＦＥＴ１１０の表面のＰ点においてＭＯＳＦＥＴ１１０の素子温度が、基板１５０の裏面のＱ点において被計測モジュール１００の外装温度がそれぞれ計測される。
次に、第２の実施の形態に係る熱抵抗計測装置が備える機能の一例について図５を用いて説明する。
図５は、第２の実施の形態に係る熱抵抗計測装置が備える機能を表す機能ブロックの一例を示す図である。
熱抵抗計測装置２００が備える制御ユニット２１０は、少なくとも、情報保持部２１１と、計測制御部２１２、計測値取得部２１３、算出部２１４を備える。
情報保持部２１１は、計測ユニット３００によって計測された被計測モジュール１００の計測値並びに後述する算出部２１４で算出された算出結果を保持する。また、情報保持部２１１は、被計測モジュール１００のＭＯＳＦＥＴ１１０の温度変化に対するゲート・ソース電極間の電圧の変化率を表す温度係数（Ｋ）の情報を保持する。
計測制御部２１２は、計測ユニット３００の被計測モジュール１００に対する計測を制御する。計測制御部２１２は、計測ユニット３００に対して、△Ｖｇｓ法により被計測モジュール１００の素子温度の計測を実行させ、△Ｖｄｓ法により被計測モジュール１００にＭＯＳＦＥＴ１１０が発熱する電流を通電させてその際の電圧並びに電流を計測させる。計測制御部２１２は、計測ユニット３００に対して、外装温度計測部３１０により被計測モジュール１００の外装温度を計測させる。
計測値取得部２１３は、計測ユニット３００が計測した被計測モジュール１００における素子温度、外装温度、電流、電圧等の計測値を計測ユニット３００から受け付けて、受け付けた計測値を情報保持部２１１に保持させる。
算出部２１４は、情報保持部２１１が保持する計測値に基づき、電圧を温度係数で除することにより素子温度を、電圧と電流との積により電力を、素子温度の変化量と外装温度の変化量と差を電力で除することにより熱抵抗値をそれぞれ算出する。
なお、制御ユニット２１０の少なくとも計測制御部２１２と、計測値取得部２１３、算出部２１４は、例えば、制御ユニット２１０が備えるＣＰＵ２１０ａによって所定のプログラムが実行されることにより、または、各処理を実行する回路、装置等で構成されることにより、その処理機能が実現される。
また、計測ユニット３００は、外装温度計測部３１０と、計測切替回路３２０、△Ｖｇｓ計測回路３３０（第１計測部）、△Ｖｄｓ計測回路３４０（第２計測部）を備える。
外装温度計測部３１０は、被計測モジュール１００のＱ点（図４参照）の温度を計測する熱電対、赤外線カメラ等の温度計測装置である。
計測切替回路３２０は、任意の素子等が用いられた回路により構成されており、計測制御部２１２からの制御信号に基づき、被計測モジュール１００に対する接続を△Ｖｇｓ計測回路３３０、△Ｖｄｓ計測回路３４０のいずれかに切り替えて計測を実行させる。
△Ｖｇｓ計測回路３３０は、任意の素子等が用いられた回路により構成されており、△Ｖｇｓ法により、被計測モジュール１００のＭＯＳＦＥＴ１１０のゲート・ソース電極間の電圧を計測する。
△Ｖｄｓ計測回路３４０は、任意の素子等が用いられた回路により構成されており、△Ｖｄｓ法により、被計測モジュール１００のＭＯＳＦＥＴ１１０が発熱する電流を、当該ＭＯＳＦＥＴ１１０に通電させて、その際のＭＯＳＦＥＴ１１０の電圧及び電流を計測する。
次に、△Ｖｇｓ計測回路３３０、△Ｖｄｓ計測回路３４０の回路構成について図６を用いて説明する。
図６は、第２の実施の形態に係る△Ｖｇｓ法及び△Ｖｄｓ法をそれぞれ行う計測回路の構成の一例を示す図である。
なお、図６（Ａ）は、△Ｖｇｓ法により計測する△Ｖｇｓ計測回路３３０、図６（Ｂ）は、△Ｖｄｓ法により計測する△Ｖｄｓ計測回路３４０をそれぞれ示している。
△Ｖｇｓ計測回路３３０は、図６（Ａ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴ１１０のゲート端子１１１と、ソース端子１１２、ドレイン端子１１３（図４（Ｂ）参照）にそれぞれ接続するゲート端子３３１と、ソース端子３３２、ドレイン端子３３３を備えている。
ソース端子３３２とドレイン端子３３３との間に、ＭＯＳＦＥＴ１１０のソース電極とドレイン電極との間にＭＯＳＦＥＴ１１０に電流を供給する定電流源３３４と、一定の電圧を印加するための電源３３５とを有している。
また、△Ｖｇｓ計測回路３３０は、ソース端子３３２とドレイン端子３３３との間に備えられており、ＭＯＳＦＥＴ１１０のソース電極・ドレイン電極からの信号に応じてゲート電極に対して所定の電圧値となるように、ゲート端子３３１に電圧を印加する比較器３３６を有する。
さらに、△Ｖｇｓ計測回路３３０は、ゲート端子３３１とソース端子３３２との間に、ＭＯＳＦＥＴ１１０のゲート電極とソース電極との間の電圧を計測する電圧計３３７とを有している。
一方、△Ｖｄｓ計測回路３３０は、図６（Ｂ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴ１１０のゲート端子１１１と、ソース端子１１２、ドレイン端子１１３にそれぞれ接続するゲート端子３４１と、ソース端子３４２、ドレイン端子３４３を備えている。
△Ｖｄｓ計測回路３３０は、ドレイン端子３４３とソース端子３４２との間に、ＭＯＳＦＥＴ１１０のドレイン電極・ソース電極との間にＭＯＳＦＥＴ１１０を発熱させるための電流を供給する定電流源３４４と、ＭＯＳＦＥＴ１１０のドレイン電極・ソース電極との間の電圧を計測する電圧計３４５とを有している。
さらに、△Ｖｄｓ計測回路３３０は、ゲート端子３４１とソース端子３４２との間に、ＭＯＳＦＥＴ１１０のゲート電極・ソース電極との間に一定の電圧を印加するための電源３４６を有している。
次に、このような構成を備える熱抵抗計測装置２００により実行される被計測モジュール１００の熱抵抗計測方法について図７を用いて説明する。
図７は、第２の実施の形態に係る熱抵抗計測装置で実行される熱抵抗計測処理を示すフローチャートである。
なお、温度係数（Ｋ）は、図７に示すフローチャートの処理が実行される前に予め算出されるものである。このような温度係数（Ｋ）は、例えば、以下のように算出される。
△Ｖｇｓ計測回路３３０が、ＭＯＳＦＥＴ１１０のソース・ドレイン電極間の電圧（Ｖｄｓ）が２０Ｖとなるように印加し、ＭＯＳＦＥＴ１１０が発熱しない程度の一定の電流Ｉｍ（例えば、１００ｍＡ）を通電させる（図６（Ａ）参照）。
△Ｖｇｓ計測回路３３０は、このような状態において、ゲート・ソース電極間の電圧（Ｖｇｓ）を変化させて、対応する温度に対する電圧（Ｖｇｓ）を計測する。なお、図６（Ａ）には温度計測装置の記載を省略している。計測値取得部２１３が各電圧（Ｖｇｓ）に対する温度の情報を△Ｖｇｓ計測回路３３０から取得して、情報保持部２１１にそれぞれ保持させる。算出部２１４は、情報保持部２１１が保持するこのような電圧（Ｖｇｓ）と当該電圧（Ｖｇｓ）に対応する温度との情報に基づき、電圧（Ｖｇｓ）の変化量を温度の変化量で除することで温度係数（Ｋ）を算出することができる。このような温度係数（Ｋ）は情報保持部２１１により保持される。
このような事前準備が完了している熱抵抗計測装置２００は、被計測モジュール１００が所定位置にセットされて、ユーザの入力ユニット２３０に対する計測開始の操作入力を受け付ける。すると、熱抵抗計測装置２００は、制御ユニット２１０が情報保持部２１１が保持する情報を適宜クリアする等の初期設定を実行して、以下の処理を開始する。
［ステップＳ１０］ 制御ユニット２１０の計測制御部２１２は、△Ｖｇｓ法による計測要求信号を計測切替回路３２０に通知する。
計測切替回路３２０は、このような信号が通知されると、被計測モジュール１００に対して、△Ｖｇｓ計測回路３３０（図６（Ａ））を接続し、△Ｖｇｓ方法による計測を設定する。
［ステップＳ２０］ 制御ユニット２１０の算出部２１４が、△Ｖｇｓ計測回路３３０が計測したＭＯＳＦＥＴ１１０のゲート・ソース電極間の電圧（Ｖｇｓ＝Ｖｍ０）と温度係数（Ｋ）とに基づき、ＭＯＳＦＥＴ１１０のＰ点での温度（Ｔｊ０）を算出する。
なお、制御ユニット２１０の算出部２１４は、算出した温度（Ｔｊ０）を情報保持部２１１に保持させる。
また、ステップＳ２０の処理の詳細については後述する。
［ステップＳ３０］ 制御ユニット２１０の計測制御部２１２は、外装温度計測部３１０に被計測モジュール１００のＱ点における温度（Ｔｃ０）の計測要求を通知する。
外装温度計測部３１０は、被計測モジュール１００のＱ点における温度（Ｔｃ０）を計測し、計測した温度（Ｔｃ０）を制御ユニット２１０の計測値取得部２１３に通知する。
計測値取得部２１３は、通知された温度（Ｔｃ０）の情報を情報保持部２１１に保持させる。
なお、ステップＳ３０の処理順序は、後述するステップＳ４０よりも前であれば、いつでも構わない。
［ステップＳ４０］ 制御ユニット２１０の計測制御部２１２は、△Ｖｄｓ法による計測要求信号を計測切替回路３２０に通知する。
計測切替回路３２０は、このような信号が通知されると、被計測モジュール１００に対する接続を△Ｖｇｓ計測回路３４０から△Ｖｄｓ計測回路３４０（図６（Ｂ））に切り替える。
［ステップＳ５０］ △Ｖｄｓ計測回路３４０は、ＭＯＳＦＥＴ１１０のゲート・ソース電極間の電圧（Ｖｇｓ）に２０Ｖを印加し、ＭＯＳＦＥＴ１１０に一定の電流（ＩＨ＝１００Ａ）を通電させて、ＭＯＳＦＥＴ１１０を発熱させる。
この際、制御ユニット２１０の算出部２１４は、△Ｖｄｓ計測回路３４０が計測したＭＯＳＦＥＴ１１０のドレイン・ソース電極間の電圧（Ｖｄｓ）に基づき電力（ＰＨ）を算出する。
なお、ステップＳ５０の処理の詳細については後述する。
［ステップＳ６０］ 制御ユニット２１０の計測制御部２１２は、△Ｖｇｓ法による計測要求信号を計測切替回路３２０に通知する。
計測切替回路３２０は、このような信号が通知されると、被計測モジュール１００に対する接続を△Ｖｄｓ計測回路３４０から△Ｖｇｓ計測回路３３０（図６（Ａ））に切り替える。
［ステップＳ７０］ 制御ユニット２１０の算出部２１４が、ステップＳ２０と同様に、△Ｖｇｓ計測回路３３０が計測した発熱後のＭＯＳＦＥＴ１１０のゲート・ソース電極間の電圧（Ｖｇｓ＝Ｖｍ１）と温度係数（Ｋ）とに基づき、ＭＯＳＦＥＴ１１０のＰ点での温度（Ｔｊ１）を算出する。
なお、制御ユニット２１０の算出部２１４は、算出した温度（Ｔｊ１）を情報保持部２１１に保持させる。
また、ステップＳ７０の処理の詳細については後述する。
［ステップＳ８０］ 制御ユニット２１０の計測制御部２１２は、ステップＳ３０と同様に、外装温度計測部３１０に発熱後のＭＯＳＦＥＴ１１０を含む被計測モジュール１００のＱ点の温度（Ｔｃ１）の計測要求を通知する。
外装温度計測部３１０は、被計測モジュール１００のＱ点での温度（Ｔｃ１）を計測し、計測した温度（Ｔｃ１）を制御ユニット２１０の計測値取得部２１３に通知する。
計測値取得部２１３は、通知された温度（Ｔｃ１）の情報を情報保持部２１１に保持させる。
なお、ステップＳ８０の処理は、ステップＳ７０の処理終了後、例えば、１００μｓ以内にできる限り早く実行されることが望ましい。
［ステップＳ９０］ 制御ユニット２１０の算出部２１４は、情報保持部２１１を参照して、ステップＳ２０，Ｓ７０，Ｓ３０，Ｓ８０で計測・算出した素子温度（Ｔｊ０，Ｔｊ１）と、外装温度（Ｔｃ０，Ｔｃ１）、電力（ＰＨ）を式（１）に入力して、熱抵抗値（Ｒｔｈ）を算出する。
算出部２１４は、算出した熱抵抗値（Ｒｔｈ）の情報を情報保持部２１１に保持させる。
以上のフローチャートに沿って処理を実行することにより、ＭＯＳＦＥＴ１１０を備える被計測モジュール１００の熱抵抗値（Ｒｔｈ）を算出することができる。
次いで、上記のフローチャートのステップＳ２０，Ｓ５０，Ｓ７０で実行される処理の詳細について図８を用いて説明する。
図８は、第２の実施の形態に係る熱抵抗計測装置で実行される熱抵抗計測処理の詳細を示すフローチャートである。
なお、図８（Ａ）は、ステップＳ２０（発熱前のモジュールの素子温度の算出処理）及びステップＳ７０（発熱後のモジュールの素子温度の算出処理）、図８（Ｂ）は、ステップＳ５０（モジュール発熱処理）のフローチャートをそれぞれ示している。また、ステップＳ２０，Ｓ７０は同じ処理が実行されるために、図８（Ａ）では、ステップＳ２０，Ｓ７０を併記している。
まず、ステップＳ２０，Ｓ７０の処理について説明する。
［ステップＳ２１，Ｓ７１］ △Ｖｇｓ計測回路３３０が、ＭＯＳＦＥＴ１１０のゲート・ソース電極間の電圧（Ｖｇｓ＝Ｖｍ０，Ｖｍ１）を計測する。
△Ｖｇｓ計測回路３３０は、計測した電圧（Ｖｇｓ＝Ｖｍ０，Ｖｍ１）を制御ユニット２１０の計測値取得部２１３に通知する。
計測値取得部２１３は、通知された電圧（Ｖｇｓ＝Ｖｍ０，Ｖｍ１）を情報保持部２１１に保持させる。
［ステップＳ２２，Ｓ７２］ 制御ユニット２１０の算出部２１４が、情報保持部２１１を参照して、電圧（Ｖｇｓ＝Ｖｍ０，Ｖｍ１）を温度係数（Ｋ）で除することで、ＭＯＳＦＥＴ１１０のＰ点での温度（Ｔｊ０，Ｔｊ１）を算出する。
算出部２１４は、算出した温度（Ｔｊ０，Ｔｊ１）の情報を情報保持部２１１に保持させる。
ステップＳ２０，Ｓ７０では、以上のフローチャートに沿って処理を実行することにより、発熱前後のＭＯＳＦＥＴ１１０のＰ点における温度（Ｔｊ０，Ｔｊ１）を算出することができる。
次いで、ステップＳ５０の処理について説明する。
［ステップＳ５１］ △Ｖｄｓ計測回路３４０は、ＭＯＳＦＥＴ１１０のゲート・ソース電極間の電圧（Ｖｇｓ）に２０Ｖを印加し、ＭＯＳＦＥＴ１１０に一定の電流（ＩＨ＝１００Ａ）を通電させて、ＭＯＳＦＥＴ１１０を動作させて発熱させる。
△Ｖｄｓ計測回路３４０は、電流（ＩＨ＝１００Ａ）の情報を制御ユニット２１０の計測値取得部２１３に通知する。
計測値取得部２１３は、通知された電流（ＩＨ＝１００Ａ）を情報保持部２１１に保持させる。
［ステップＳ５２］ △Ｖｄｓ計測回路３４０は、この時のドレイン・ソース電極間の電圧（Ｖｄｓ）を計測する。
△Ｖｄｓ計測回路３４０は、計測した電圧（Ｖｄｓ）を制御ユニット２１０の計測値取得部２１３に通知する。
計測値取得部２１３は、通知された電圧（Ｖｄｓ）を情報保持部２１１に保持させる。
［ステップＳ５３］ 制御ユニット２１０の算出部２１４は、情報保持部２１１を参照して、電流（ＩＨ＝１００Ａ）と、電圧（Ｖｄｓ）との積により、ドレイン・ソース電極間の電力（ＰＨ）を算出する。
なお、算出部２１４は、当該電力（ＰＨ）を算出する際に用いる電圧（Ｖｄｓ）として、ＭＯＳＦＥＴ１１０に電流（ＩＨ＝１００Ａ）を通電させている間における電圧（Ｖｄｓ）の平均値、または、当該通電時間においての半分の時間が経過した時点の電圧（Ｖｄｓ）のいずれかを用いる。
算出部２１４は、算出した電力（ＰＨ）を情報保持部２１１に保持させる。
ステップＳ５０では、以上のフローチャートに沿って処理を実行することにより、発熱時のＭＯＳＦＥＴ１１０のソース・ドレイン電極間の電力（ＰＨ）を算出することができる。
このような熱抵抗計測装置２００で実行される熱抵抗計測方法では、ＭＯＳＦＥＴ１１０の素子温度（Ｔｊ０，Ｔｊ１）を、ゲート・ソース電極間の電圧（Ｖｇｓ）の温度係数（Ｋ）に基づき算出するようにした。特に、ＭＯＳＦＥＴ１１０が炭化シリコンまたは窒化ガリウムで構成される場合には、オン電圧が非常に小さいために、△Ｖｄｓ法で算出した温度係数（Ｋ）の精度が非常に悪い。さらに、炭化シリコンまたは窒化ガリウムで構成されるＭＯＳＦＥＴ１１０は、△Ｖｄｓ法で発熱した場合には、当該ＭＯＳＦＥＴ１１０に内蔵されるダイオードが発光するために、印加した電力の一部が発光で消費され、適切に熱抵抗計測を行うことができない。そこで、熱抵抗計測装置２００では、このような△Ｖｇｓ法を利用することで、温度変化（△Ｔｊ＝Ｔｊ１−Ｔｊ０）に対する電圧の変化率を表す温度係数（Ｋ）の精度が向上する。
また、このような熱抵抗計測装置２００で実行される熱抵抗計測方法では、ＭＯＳＦＥＴ１１０のゲート電極に印加する電圧を一定にしてドレイン・ソース電極間にＭＯＳＦＥＴ１１０が発熱する電流を通電させて、ＭＯＳＦＥＴ１１０が発熱する電流（ＩＨ）と、ＭＯＳＦＥＴ１１０の発熱時のドレイン・ソース電極間の電圧（Ｖｄｓ）とに基づいて電力（ＰＨ）を計測するようにした。特に、ＭＯＳＦＥＴ１１０が炭化シリコンまたは窒化ガリウムで構成される場合には、チャネル抵抗が大きいために、△Ｖｇｓ法で発熱した場合、ＭＯＳＦＥＴ１１０内での発熱分布が局所的となり、さらに、ＭＯＳＦＥＴ１１０を多並列に配列した被計測モジュール１００においてＭＯＳＦＥＴ１１０間の発熱温度が不均等になり、適切に熱抵抗計測ができない。そこで、熱抵抗計測装置２００では、このような△Ｖｄｓ法を用いてＭＯＳＦＥＴ１１０を発熱させると、ＭＯＳＦＥＴ１１０内において温度分布が局所的になる原因となるチャネル電流の増加が抑制されて、ＭＯＳＦＥＴ１１０内全体で温度が変化するようになり、ＭＯＳＦＥＴ１１０のサイズを小さく見積もる必要がなくなり、さらに、ＭＯＳＦＥＴ１１０を多並列に配置した被計測モジュール１００においてＭＯＳＦＥＴ１１０では発熱分布を抑制することができる。
したがって、上記の熱抵抗計測装置２００で実行される熱抵抗計測方法により被計測モジュール１００の熱抵抗を高精度に計測することができるようになる。また、被計測モジュール１００においてＭＯＳＦＥＴ１１０を多並列に配置した場合には、不要な設計マージンを加える必要がなくなり、最適な設計を行うことが可能となる。
１００ 被計測モジュール
２００ 熱抵抗計測装置
２１０ 制御ユニット
２１１ 情報保持部
２１２ 計測制御部
２１３ 計測値取得部
２１４ 算出部
３００ 計測ユニット
３１０ 外装温度計測部
３２０ 計測切替回路
３３０ △Ｖｇｓ計測回路
３４０ △Ｖｄｓ計測回路

Claims (12)

  1. 第１電極と第２電極との間に印加される電圧に応じて第３電極から第２電極へ電流を流す半導体素子を収納する半導体装置の第１外装温度を計測する工程と、
    前記半導体素子が発熱しない程度の一定の電流を通電し、前記半導体素子の前記第３電極と前記第２電極との間の第１電圧が一定になるように制御された前記半導体素子の前記第１電極と前記第２電極との間の第２電圧を計測し、前記第２電圧と、前記第２電圧に関する温度係数とに基づき前記半導体素子の第１素子温度を算出する工程と、
    前記半導体素子の前記第１電極と前記第２電極との間に印加する第３電圧を一定にして前記第３電極と前記第２電極との間に前記半導体素子が発熱する一定の電流を通電させる工程と、
    前記半導体素子が発熱する前記電流と、前記半導体素子の発熱時の前記第３電極及び前記第２電極の間の第４電圧とに基づいて電力を算出する工程と、
    前記半導体素子が発熱しない程度の一定の電流を通電し、前記半導体素子の前記第３電極と前記第２電極との間の前記第１電圧が一定になるように制御された前記半導体素子の前記第１電極と前記第２電極との間の第５電圧を計測し、前記第５電圧と、前記第５電圧に関する温度係数とに基づき前記半導体素子の第２素子温度を算出する工程と、
    前記半導体素子の発熱後の第２外装温度を計測する工程と、
    前記半導体素子の発熱前後の前記第１外装温度及び前記第２外装温度の変化量並びに前記第１素子温度及び前記第２素子温度の変化量と、前記電力とに基づき、前記半導体素子の熱抵抗値を算出する工程と、
    を有することを特徴とする熱抵抗計測方法。
  2. 前記半導体素子は、電界効果トランジスタまたは絶縁ゲートバイポーラトランジスタである、
    ことを特徴とする請求項１記載の熱抵抗計測方法。
  3. 前記半導体素子は、炭化シリコンまたは窒化ガリウムにより構成されている、
    ことを特徴とする請求項１記載の熱抵抗計測方法。
  4. 前記第１素子温度は、計測された前記第２電圧を前記第２電圧に関する温度係数で除して算出される、
    ことを特徴とする請求項１記載の熱抵抗計測方法。
  5. 前記第１外装温度及び前記第２外装温度は、前記半導体素子の裏面に対応する箇所を計測する、
    ことを特徴とする請求項１記載の熱抵抗計測方法。
  6. 前記第１外装温度及び前記第２外装温度は、熱電対または赤外線カメラにより計測される、
    ことを特徴とする請求項５記載の熱抵抗計測方法。
  7. 前記電力は、前記半導体素子を発熱させる前記電流と、前記半導体素子の発熱時の前記第３電極と前記第２電極との間の前記第４電圧との積により算出される、
    ことを特徴とする請求項１記載の熱抵抗計測方法。
  8. 前記半導体素子の発熱時の前記第３電極と前記第２電極との間の前記第４電圧は、前記第３電極と前記第２電極との間に対する前記半導体素子を発熱させる前記電流の通電開始から通電終了までの電圧の平均である、
    ことを特徴とする請求項７記載の熱抵抗計測方法。
  9. 前記半導体素子の発熱時の前記第３電極と前記第２電極との間の前記第４電圧は、前記第３電極と前記第２電極との間に対する前記半導体素子を発熱させる前記電流の通電時間の半分の時間が経過した時点の電圧である、
    ことを特徴とする請求項７記載の熱抵抗計測方法。
  10. 前記半導体素子の前記熱抵抗値は、前記半導体素子の発熱前後の前記第１外装温度及び前記第２外装温度の変化量と前記第１素子温度及び前記第２素子温度の変化量との差を前記電力で除して算出する、
    ことを特徴とする請求項１記載の熱抵抗計測方法。
  11. 第１電極と第２電極との間に印加される電圧に応じて第３電極から第２電極へ電流を流す半導体素子の発熱前後において、前記半導体素子を収納する半導体装置の外装温度を計測する外装温度計測部と、
    前記半導体素子が発熱しない程度の一定の電流を通電させて、前記半導体素子の前記第３電極と前記第２電極との間の電圧が一定になるように制御された前記半導体素子の前記第１電極と前記第２電極との間の非発熱時電圧を計測する第１計測部と、
    前記半導体素子の前記第１電極と前記第２電極との間に印加する電圧を一定にして前記第３電極と前記第２電極との間に前記半導体素子が発熱する一定の電流を通電させて、前記半導体素子の発熱時の前記第３電極及び前記第２電極の間の発熱時電圧を計測する第２計測部と、
    前記非発熱時電圧と前記非発熱時電圧に関する温度係数とに基づき前記半導体素子の素子温度と、前記半導体素子が発熱する前記電流と前記発熱時電圧とに基づいて電力とを算出し、さらに、前記半導体素子の発熱前後の前記外装温度の変化量並びに前記素子温度の変化量と前記電力とに基づき、前記半導体素子の熱抵抗値を算出する算出部と、
    を有することを特徴とする熱抵抗計測装置。
  12. 前記第２素子温度は、計測された前記第５電圧を前記第５電圧に関する温度係数で除して算出される、
    ことを特徴とする請求項１記載の熱抵抗計測方法。
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