JP6351551B2 - 半導体装置、半導体装置の劣化評価方法、半導体装置を含むシステム - Google Patents

Description

本発明は、劣化評価が可能な半導体装置、半導体装置の劣化評価方法、劣化評価が可能な半導体装置を含むシステムに関する。

半導体素子の一つであるパワー半導体チップ（以下、単に「半導体チップ」とも略称する。）をパッケージ化した半導体装置（以下、「パワーモジュール」とも称する。）は、スイッチング素子として、広範囲な分野で利用されている。例えば、家庭用製品の他、電気自動車、電車、エレベータなどの汎用装置、および、産業用装置などで、電源システムやモータ駆動システムの主要コンポーネントとして用いられる。パワーモジュールとしては、典型的には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュール、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）モジュール、サイリスタモジュールなどの電力用半導体装置が知られている。

パワーモジュールおよびパワーモジュールが組み込まれたシステムでは、半導体チップおよびその周辺部に以下のような熱的ストレスが生じ得る。

その一つとして、スイッチング動作に起因する発熱がある。半導体チップのスイッチング動作時には比較的大きな電流が流れるので、電流経路内の抵抗成分による熱が生じるとともに、ＰＮ接合部での電子−ホール結合による熱も生じる。このような内部で発生する熱により、パワーモジュール内の温度が上昇し得る。一般的に、半導体チップと金属配線およびはんだなどを含む構成部分との間では、熱膨張係数が異なっており、温度上昇に伴う熱的ストレスが生じ得る。

また、スイッチング動作に起因する発熱に加えて、パワーモジュールが組み込まれたシステムが過酷な環境下で使用されることで生じる熱的ストレスもある。例えば、屋外に設置されるシステムでは、冬の冷え込みおよび夏の日射などによる一年を通じてのヒートサイクル、および、昼と夜との間の一日を通じてのヒートサイクルなどに起因する熱的ストレスも生じ得る。

このような熱的ストレスの繰り返し（すなわち、ストレスサイクル）により、パワーモジュール内の部品同士の接合部分または境界部分に機械的疲労が蓄積し、その結果、接合部分または境界部分に、亀裂および接合剥離といった劣化が生じ得る。このような劣化が生じると、配線と半導体チップとの間の抵抗値、および、半導体チップと基板との間の抵抗値が上昇する。このような抵抗増加に伴って発熱量がさらに増大し、劣化がさらに進行するという、劣化進行を加速する正のフィードバックが生じる。この結果、急激な発熱による熱暴走または断線などの破壊が生じる可能性があり、これによって、パワーモジュールとして正常に動作できなくなる突然の故障に至ることになる。

パワーモジュールが突然故障すると、使用者にさまざまな不都合を生じさせ、経済的損失を招く可能性もある。パワーモジュールが機能停止を伴う故障に至る前に、パワーモジュール内部に生じている劣化を診断して評価しておくことは、不意のシステムトラブルを未然に防ぐとともに、信頼性向上および運用コストの低減を図る上で非常に重要である。

このような劣化を診断する技術として、例えば、特開２０１２−０１８０２５号公報（特許文献１）は、ワイヤ接合部の剥離やクラック発生による劣化を高精度かつ容易に診断可能とした半導体パワーモジュールの劣化診断方法などを開示する。具体的には、特許文献１に記載の劣化診断方法では、半導体チップを複数、直列に接続して各半導体チップのオン時における飽和電圧の合計値を測定し、この合計値が閾値を超えたことから接合部に劣化が生じたと判断する。

また、福田典子著「高耐圧・大電流パワー半導体モジュールの総合的な劣化評価」（非特許文献１）では、モジュール型デバイスの劣化を評価する場合は、電気的特性に加えて、熱抵抗特性も重要な評価項目の１つであることが指摘されている。そして、ＩＧＢＴモジュールについて、内部材料境界面に発生したクラックが熱抵抗の増大する原因の１つであると結論付けられている。

しかしながら、電気的特性または熱抵抗特性が変化したということは、スイッチング素子としての特性そのものが劣化していることを意味している。つまり、これらの特性に変化の兆候が現れた時点で、既に、パワーモジュールの劣化が進行しているのが通常である。そのため、このような劣化の進行を初期段階から管理できる、評価方法が要望されている。

特開２００８−０８４８８１号公報（特許文献２）は、半導体装置の劣化を評価する技術ではないが、帯状の接続導体を有する電子装置の製造過程において、接続導体の接続不良部を検出する技術を開示する。特許文献２に開示される検査方法では、振動周波数を掃引しながらリードフレームを振動させ、接続導体の振動状態をモニタリングすることにより、超音波接合の良否（剥離部の有無）を検査する。

特許文献２に開示されるような超音波を用いる方法は、接合部分または境界部分に生じ得る亀裂および接合剥離を、電気的特性または熱抵抗特性に何らかの変化の兆候が現れる前に検出できるため、スイッチング素子の劣化進行をモニタリングする方法として有用である。

特開２０１２−０１８０２５号公報 特開２００８−０８４８８１号公報

福田典子、「高耐圧・大電流パワー半導体モジュールの総合的な劣化評価」、鉄道総研報告、公益財団法人 鉄道総合技術研究所、２０１３年１２月、第２７巻 第１２号、ｐ．４１−４６

しかしながら、電気的特性および熱抵抗特性などを測定する方法とは異なり、超音波の測定方法では、パワーモジュールの外部の一方面に超音波振動素子を配置するとともに、当該超音波振動素子から照射される超音波を、パワーモジュールの外部の受信面で受信する。そして、その受信した超音波から、パワーモジュール内部での反射、伝搬、共振などの応答特性を取得する必要がある。そのため、測定対象のパワーモジュールを、実際に運用されている実使用環境から取り外して、測定ステージに配置して測定する必要があり、手間および時間を要するという欠点とともに、実使用状態（オンライン）での評価が難しいという欠点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、実使用状態での劣化評価が可能な半導体装置、および、その半導体装置を含むシステムを提供することである。別の目的は、実使用状態において、半導体装置の劣化評価を行なう方法を提供することである。

本発明のある局面に従う半導体装置は、基板と、基板上に配置された半導体チップと、超音波を発生する発生部と、発生部からの超音波を受信する受信部と、半導体チップ、発生部、および受信部を覆うパッケージ部材と、パッケージ部材から露出するとともに、発生部と電気的に接続される第１の端子と、パッケージ部材から露出するとともに、受信部と電気的に接続される第２の端子とを含む。発生部および受信部は、発生部と受信部とを結ぶ超音波伝搬経路が半導体チップまたは基板の少なくとも一部を通過するように、配置される。

本発明の別の局面に従えば、基板上に配置された半導体チップをパッケージ化した半導体装置の劣化評価方法が提供される。劣化評価方法は、半導体装置の内部で超音波を発生するステップと、半導体装置の内部を伝搬した後の超音波を受信するステップと、受信した超音波信号の周波数スペクトルおよび特定の周波数成分の少なくとも一方を用いて、予め定められた設定値を参照して、半導体装置の劣化を評価するステップとを含む。

本発明のさらに別の局面に従う半導体装置を含むシステムは、基板と、基板上に配置された１または複数の半導体チップと、超音波を発生する発生部と、発生部からの超音波を受信する受信部とを含む。発生部および受信部は、発生部と受信部とを結ぶ超音波伝搬経路が１または複数の半導体チップまたは基板の少なくとも一部を通過するように配置されている。システムは、１または複数の半導体チップ、発生部、および受信部を覆うパッケージ部材と、受信した超音波信号の周波数スペクトルおよび特定の周波数成分の少なくとも一方を用いて、予め定められた設定値を参照して、半導体装置の劣化を評価する劣化評価部とを含む。

本発明のある実施形態に従えば、実使用状態での劣化評価をより容易に実現できる。

第１の実施形態に従うパワーモジュールのレイアウトを示す模式図である。 図１に示すパワーモジュールのＩＩ−ＩＩ断面を示す模式図である。 第１の実施形態に従うパワーモジュール１が組み込まれたアプリケーションシステムの一例を示す模式図である。 パワーモジュールにおける熱的振る舞いおよび劣化モードについて説明するための図である。 第１の実施形態に従うパワーモジュールの内部で発生される超音波の状態を示す模式図である。 パワーモジュールの劣化と周波数スペクトルとの関係の一例を示す図である。 パワーモジュールの劣化と信号強度との関係の一例を示す図である。 図３に示す制御回路の制御構造の一例を示す模式図である。 第１の実施形態に従うパワーモジュールにおける劣化評価方法の手順を示すフローチャートである。 第１の実施形態に従うパワーモジュール内の超音波発生部を駆動する信号の一例を示す図である。 第１の実施形態に従うパワーモジュール内の超音波発生部を駆動する信号の別の例を示す図である。 第１の実施形態に従うパワーモジュール内の超音波発生部を駆動する信号のさらに別の例を示す図である。 測定された超音波の周波数スペクトルに基づいてパワーモジュールの劣化を評価するための制御構造を示す模式図である。 図１３に示す制御構造によって実行される評価方法を説明するための図である。 測定された超音波の特定周波数の信号強度に基づいてパワーモジュールの劣化を評価するための制御構造を示す模式図である。 特定周波数の信号強度から寿命などを推定する方法を説明するための図である。 第１の実施形態に従うパワーモジュールに対する劣化の評価結果を示すユーザインターフェイスの一例を示す図である。 第２の実施形態に従うパワーモジュールの要部のレイアウトを示す模式図である。 第３の実施形態に従うパワーモジュールの要部のレイアウトを示す模式図である。 第４の実施形態に従うパワーモジュールの要部のレイアウトを示す模式図である。 超音波発生部および超音波受信部として機能する超音波素子の構造を示す模式図である。 第５の実施形態に従うパワーモジュールの要部のレイアウトを示す模式図である。 第６の実施形態に従うパワーモジュールに配置される超音波素子の構造を示す模式図である。 第７の実施形態に従うパワーモジュールに配置される超音波素子の構造を示す模式図である。 第９の実施形態に従う劣化評価システムの構成を示す模式図である。 第９の実施形態に従う情報処理装置の使用例を示す模式図である。 第１０の実施形態に従うＩＰＭ（Intelligent Power Module）の機能構成を示す模式図である。 第１１の実施形態に従うパワーモジュールのメーカおよびユーザの間のスキームを示すフローチャートである。 図２８に示すスキームを実現するためのネットワークシステムの一例を示す模式図である。

本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。本発明の実施形態として、超音波を発生する発生部と、当該発生部からの超音波を受信する受信部とが併せてパッケージ化されたいくつかの半導体装置について例示する。

以下の説明においては、一例として、ＩＧＢＴをスイッチング動作を行なう半導体チップとして用いる構成について例示するが、半導体チップの種類については、これに限定されることはない。例えば、半導体チップとして、ＭＯＳ−ＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、または、ＧＴＯ（Gate Turn-Off Thyristor）およびＧＣＴ（Gate Commutated Turn-off）などのサイリスタを用いてもよい。

［Ａ．第１の実施形態］
まず、第１の実施形態に従う半導体装置であるパワーモジュールについて説明する。

＜ａ１：半導体装置の構造＞
図１は、第１の実施形態に従うパワーモジュール１のレイアウトを示す模式図である。図２は、図１に示すパワーモジュール１のＩＩ−ＩＩ断面を示す模式図である。図１および図２を参照して、ＩＧＢＴモジュールの一例であるパワーモジュール１は、ケース型のモジュールであり、方形状のベースプレート１０４と、ベースプレート１０４の外周に沿って配置されたケース部材１０６とを含む。ベースプレート１０４とケース部材１０６とに囲まれた空間に主要な部材が配置される（すなわち、パッケージ化される）。主要な部材として、システム基板１３０と、システム基板１３０上に配置された半導体チップとを含む。

説明の便宜上、ベースプレート１０４が延在する平面をＸ軸方向およびＹ軸方向で定義されるＸ−Ｙ平面とし、ベースプレート１０４の厚み方向をＺ軸方向と定義する。他の実施形態においても同様である。

ベースプレート１０４は、放熱および部材保持するためのものであり、典型的には、Ｃｕで構成される。ベースプレート１０４の外面側（図２において紙面下側）には、ヒートシンク１００が接続される。ベースプレート１０４とヒートシンク１００との間には、両者の間の熱伝導率を向上（すなわち、熱抵抗を低下）させるためにサーマルグリース１０２が設けられる。サーマルグリース１０２は、ベースプレート１０４にヒートシンク１００を固定する機能も果たす。

ベースプレート１０４上には、システム基板１３０が配置される。ベースプレート１０４とシステム基板１３０とは、ベースプレートはんだ１１６により接合される。

第１の実施形態では、システム基板１３０として、３層のセラミック複合基板が採用される。より具体的には、システム基板１３０は、Ａｌ_２Ｏ_３で構成される絶縁層１３４と、いずれもＣｕで構成される下側電極層１３２および上側電極層１３６，１３８，１３９とを含む。すなわち、システム基板１３０は、絶縁層１３４の上側および下側に電極を有する。

上側電極層１３８上には、半導体チップとして、Ｓｉ−ＩＧＢＴ１４０（以下、「ＩＧＢＴ１４０」とも略称する。）、および、アノード電極１５０Ａおよびカソード電極１５０Ｋを有するＳｉ−ＰＮ接合ダイオード１５０（以下、「ダイオード１５０」とも略称する。）が配置されている。ＩＧＢＴ１４０は、ゲート電極１４０Ｇ、エミッタ電極１４０Ｅ（裏面側）、コレクタ電極１４０Ｃを有する。ダイオード１５０は、アノード電極１５０Ａおよびカソード電極１５０Ｋ（裏面側）を有する。

ＩＧＢＴ１４０は、スイッチング用の半導体チップであり、ダイオード１５０は、ＩＧＢＴ１４０をスイッチオフしたときの逆方向電流経路を形成するフリーホイールダイオードである。ＩＧＢＴ１４０は、チップはんだ１４２により上側電極層１３８に接合され、ダイオード１５０は、チップはんだ１５２により上側電極層１３８に接合される。

パワーモジュール１の両端には、一対の主端子１１２，１１４が設けられており、主端子１１２，１１４は、それぞれケース部材１０６の一部を貫通して、パワーモジュール１から突出している。主端子１１２は、ボンディングワイヤ１２０、上側電極層１３６、ボンディングワイヤ１２２により、ＩＧＢＴ１４０のコレクタ電極１４０Ｃおよびダイオード１５０のカソード電極１５０Ｋと電気的に接続される。主端子１１４は、ボンディングワイヤ１２８、上側電極層１３９、上側電極層１３６により、ＩＧＢＴ１４０のエミッタ電極１４０Ｅおよびダイオード１５０のアノード電極１５０Ａと電気的に接続される。

ボンディングワイヤ１２０，１２２，１２４，１２６，１２８は、典型的には、Ａｌワイヤ配線が用いられる。

パワーモジュール１には、ＩＧＢＴ１４０のゲート電極１４０Ｇと電気的に接続され、パワーモジュール１の外部に露出するゲート端子１４６が設けられる。ＩＧＢＴ１４０のコレクタ電極１４０Ｃと電気的に接続され、パワーモジュール１の外部に露出するエミッタセンス端子１５４、および、主端子１１４と電気的に接続され、パワーモジュール１の外部に露出するエミッタセンス端子１５６が設けられる。

第１の実施形態に従うパワーモジュール１には、さらに、超音波を発生する超音波発生部１６０と、超音波発生部１６０からの超音波を受信する超音波受信部１７０とが設けられている。超音波発生部１６０は、チップはんだ１６２により上側電極層１３８に接合される。超音波受信部１７０は、チップはんだ１７２により上側電極層１３６に接合される。

説明の便宜上、超音波発生部１６０と超音波受信部１７０とを区別して記載するが、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０を同一の素子で構成することもでき、この場合には、機能も互いに双対とすることもできる。すなわち、超音波発生部１６０を超音波受信部として機能させるとともに、超音波受信部１７０を超音波発生部として機能させることもできる。このような、超音波と電気信号との間を相互に変換する素子を、以下では「超音波素子」とも称す。

第１の実施形態およびその他の実施形態においては、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０を、超音波と電気信号とを相互に変換可能な同一種類の超音波素子で構成してもよい。

超音波素子からなる超音波発生部１６０および超音波受信部１７０の各々は、典型的には、Ｓｉ基板上に圧電材料の一例であるＺｎＯのｃ軸配向膜を製膜することで形成された基材と、基材上に対向して形成された一対のくし型電極とからなる構造を有する。くし型電極は、典型的には、Ａｌで構成される。すなわち、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０の各々は、変位量と電気信号とを相互に変換可能な圧電材料を含む。なお、超音波素子を構成する圧電材料については、特に制約されるものではなく、製造コストおよび製造プロセスなどを考慮して、適切な材料が選択される。

超音波発生部１６０では、くし型電極により時間的に変化する電圧が印加されることで、時間的な変位を生じる。電圧を時間的に変化させる周期を適切に設定することで、パワーモジュール１内部に超音波を発生させることができる。一方、超音波受信部１７０では、超音波発生部１６０が発生した超音波を受けて、時間的な変位が生じ、この時間的な変位に応じた電気信号がくし型電極間に現れる。このくし型電極間の電気信号を検出することで、パワーモジュール１内部の変化を検知する。

超音波発生部１６０および超音波受信部１７０は、超音波発生部１６０と超音波受信部１７０とを結ぶ超音波伝搬経路が半導体チップまたはシステム基板１３０の少なくとも一部を通過するように、配置されることが好ましい。すなわち、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０は、パワーモジュール１内の評価対象の部位が両者を結ぶ経路上に位置するように、配置される。

超音波発生部１６０のくし型電極と電気的に接続され、パワーモジュール１の外部に露出するリード端子１６４，１６６が設けられる。同様に、超音波受信部１７０のくし型電極と電気的に接続され、パワーモジュール１の外部に露出するリード端子１７４，１７６が設けられる。

超音波発生部１６０および超音波受信部１７０の詳細については、後述する。
上述した各部材は、ベースプレート１０４とケース部材１０６とに囲まれた空間に配置された上で、エポキシ樹脂１０９およびシリコンゲル１１０により封止される。シリコンゲル１１０は、ベースプレート１０４とケース部材１０６とに囲まれた空間に充填され、各部材を固定するとともに、外気との接触などを防止する。さらに、シリコンゲル１１０の上面にエポキシ樹脂１０９が充填された上で、キャップ部１０８により封止されている。すなわち、主として、ケース部材１０６、シリコンゲル１１０、エポキシ樹脂１０９、キャップ部１０８が、パワーモジュール１のパッケージ部材に相当する。このパッケージ部材により、半導体チップ（ＩＧＢＴ１４０およびダイオード１５０）、超音波発生部１６０、および超音波受信部１７０が覆われる。そして、超音波発生部１６０と電気的に接続されるリード端子１６４，１６６（第１の端子）と、超音波受信部１７０と電気的に接続されるリード端子１７４，１７６（第２の端子）とが、このパッケージ部材から露出して設けられる。

説明の便宜上、図１および図２には、１アーム分（１つのスイッチング用の半導体チップと、フリーホイールダイオードとの組み合わせ）を例示するが、単一のパワーモジュール１内に複数のスイッチング用の半導体チップを配置した構成であってもよい。さらに、後述するような、ゲート制御機能および回路保護機能を組み込んで高機能化したパワーモジュール１を採用してもよい。

図１には、半導体チップとして、ＩＧＢＴ１４０およびダイオード１５０がシステム基板１３０上に接合された構造の一例を示すが、ＭＯＳ−ＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、サイリスタが用いられる構造を採用してもよい。電極、ワイヤといった配線材料が半導体チップの表面に接合されている構造であれば、どのような構造のパワーモジュールにも適用可能である。

図１には、チップはんだにより、半導体チップがシステム基板１３０に接続される例を示すが、これに限られず、例えば、銀による拡散接合を用いる方法、銀の微粒子を焼成して接合する方法などを採用してもよい。

図１には、Ａｌワイヤ配線によるワイヤボンディングにより、半導体チップの表面電極と接合する構造の一例を示すが、他の配線材料を用いてもよい。ボンディングワイヤのような細いワイヤ配線に代えて、板状の電極（例えば、リードフレーム）を用いて接合するような方法を採用してもよい。

図１には、システム基板１３０として、Ｃｕ／Ａｌ_２Ｏ_３／Ｃｕの構造例を示すが、他の種類の金属と絶縁体セラミックスとの組み合わせを採用してもよい。

図１には、システム基板１３０、ベースプレート１０４、ヒートシンク１００が積層された構造例を示すが、すべての層が必要ではなく、一部の層を省略した構造、または、２つの層を融合して１つの層とした構造を採用してもよい。

図１には、ケース型のパワーモジュールの構造例を示すが、ケース部材を省略した、トランスファーモールド型の構造を採用してもよい。

＜ａ２：アプリケーションシステムの構成＞
次に、第１の実施形態に従うパワーモジュール１が組み込まれたアプリケーションシステムの一例について説明する。

図３は、第１の実施形態に従うパワーモジュール１が組み込まれたアプリケーションシステムの一例を示す模式図である。図３には、アプリケーションシステムの一例として、モータ駆動システム２を例示する。モータ駆動システム２は、三相交流モータを駆動するシステムであり、商用電源１２から供給される三相交流電力を、運転状態に応じた周波数および電圧をもつ三相交流電力に変換し、モータ４へ供給する。

モータ駆動システム２は、直流母線６と直流母線８との間に電気的に接続された、コンバータ部２０と、平滑コンデンサ３０と、インバータ部４０とを含む。

コンバータ部２０は、６つのダイオード２２−１〜２２−６から構成され、商用電源１２から供給される三相交流電力を直流電力に変換する。直流母線６と直流母線８との間に、１相あたり直列接続された２つのダイオードが３相分並列に接続される。各相ダイオード間の接続ノード２４，２６，２８と商用電源１２のそれぞれの相とが電気的に接続される。

平滑コンデンサ３０は、コンバータ部２０による交直変換後の電力に含まれる電圧リップルを低減する。

インバータ部４０は、６つのパワーモジュール１−１〜１−６から構成され、直流母線６，８を介して供給される直流電力を三相交流電力に変換する。直流母線６と直流母線８との間に、１相あたり直列接続された２つのパワーモジュール１が３相分並列に接続される。パワーモジュール１間の接続ノード４４，４６，４８とモータ４のそれぞれの相とが電気的に接続される。

Ｐ側アームのパワーモジュール１−１，１−３，１−５の各々では、ＩＧＢＴ１４０の主端子１１２（コレクタ電極）が正側の直流母線６と電気的に接続され、Ｎ側アームのパワーモジュール１−２，１−４，１−６の各々では、ＩＧＢＴ１４０の主端子１１４（エミッタ電極）が負側の直流母線８と電気的に接続される。

インバータ部４０において、スイッチング素子であるパワーモジュール１−１〜１−６の各々がオン／オフするタイミング（周期および位相など）を制御することで、運転状態に応じた周波数および電圧を有する三相交流電力をモータ４へ供給することができる。パワーモジュール１−１〜１−６のオン／オフ制御は、パワーモジュール１−１〜１−６のゲート端子１４６と電気的に接続されたゲート駆動回路４２−１〜４２−６と、制御回路１０とによって実現される。

ゲート駆動回路４２−１〜４２−６（以下、「ゲート駆動回路４２」とも総称する。）は、パワーモジュール１−１〜１−６のスイッチング動作をそれぞれ制御する。具体的には、ゲート駆動回路４２は、一種の電圧源であり、制御回路１０からの指令に応答して、スイッチング素子として機能するパワーモジュール１のゲート端子１４６に対して、正のゲート制御電圧を印加する。この正のゲート制御電圧の印加により、ＩＧＢＴ１４０は活性化されて、オン状態になる。オン状態において、ＩＧＢＴ１４０のエミッタ−コレクタ間は導通状態（低抵抗状態）となり電流が流れる。一方、ゲート駆動回路４２は、制御回路１０からの指令に応答して、パワーモジュール１のゲート端子１４６に対して、印加するゲート制御電圧の大きさを予め定められたしきい電圧以下にすることもでき、あるいは、負のゲート制御電圧を印加することもできる。ゲート制御電圧の制御により、ＩＧＢＴ１４０は非活性化されて、オフ状態になる。オフ状態において、ＩＧＢＴ１４０のエミッタ−コレクタ間は非導通状態（高抵抗状態）となり電流は遮断される。

制御回路１０は、正側の直流母線６に配置された電流センサ３２によって検出される電流値などに基づいて、ゲート駆動回路４２を制御する。

第１の実施形態に従うパワーモジュール１が組み込まれたモータ駆動システム２では、制御回路１０は、さらにリード端子１６４，１６６によって、超音波発生部１６０（図１および図２参照）と電気的に接続されるとともに、リード端子１７４，１７６によって、超音波受信部１７０（図１および図２参照）と電気的に接続される。すなわち、制御回路１０は、実使用状態において、パワーモジュール１の内部の劣化を評価することができる。制御回路１０の構成については、後述する。

＜ａ３：熱的振る舞いおよび劣化モード＞
次に、パワーモジュール１における熱的振る舞いおよび劣化モードについて説明する。図４は、パワーモジュール１における熱的振る舞いおよび劣化モードについて説明するための図である。

第１の実施形態に従うパワーモジュール１は、スイッチング素子として用いられる。スイッチング動作に起因して、半導体チップであるＩＧＢＴ１４０に電流が流れることによりエネルギー損失が発生する。エネルギー損失としては、内部抵抗によるオン損失、および、スイッチング時の電流と電圧との積に比例するスイッチング損失が存在する。

図４に示すように、ＩＧＢＴ１４０の内部で発生した熱は、主として、ＩＧＢＴ１４０からシステム基板１３０、ベースプレート１０４の順に伝わって、パッケージ外部のヒートシンク１００へ移動する。なお、図４において、システム基板１３０の構成については簡略化して描いている。

以下の説明においては、半導体チップの内部温度を接合温度と称し、パッケージ外側の温度をケース温度とも称す。スイッチング動作の状況（典型的には、オン状態とオフ状態との繰り返し回数）に応じて、接合温度およびケース温度は、上昇と下降とを繰り返すことになる。このようなヒートサイクルが生じることで、パワーモジュール１の内部には、以下のような劣化が生じる。

すなわち、半導体チップ内部が高温になることにより半導体チップ自体（例えば、ゲート酸化膜）が劣化し、リーク電流の増大などが生じる。また、部材毎に熱膨脹係数が異なるため、ヒートサイクルによって部材間に応力による変形が繰り返され、この結果、機械的な疲労が生じる。機械的な疲労によって、（１）半導体チップとボンディングワイヤ１２２，１２４との接合部の剥がれ、（２）ボンディングワイヤ１２２，１２４の付け根部の亀裂または断裂、（３）半導体チップとシステム基板１３０との接合部の剥がれ、（４）半導体チップとシステム基板１３０との接合部内での空隙（ボイド）の形成、といった各種の劣化が生じ得る。さらに、半導体チップとシリコンゲル１１０（図２参照）との接合部の剥がれ、および、キャップ部１０８とエポキシ樹脂１０９（いずれも図２参照）との接合部の剥がれ、といった劣化も生じ得る。

このような劣化によって、熱伝導および電気伝導の部分的な不良を招き、その結果、それぞれの部位での局所的な温度上昇を生じ得る。このような局所的な温度上昇によって、劣化がさらに進行することになる。このような劣化進行の結果、最終的には、電流集中による局所的な高温化、それに伴う溶融による断線あるいはショートなどの形で半導体チップの破壊に至る。

＜ａ４：超音波を用いた劣化評価＞
上述したように、第１の実施形態に従うパワーモジュール１では、半導体チップの近傍に、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０が配置されており、超音波発生部１６０が発生する超音波を超音波受信部１７０で受信することにより、パワーモジュール１内部の劣化を評価することが可能になっている。この劣化の評価は、パワーモジュール１の運転中であっても可能である。

図５は、第１の実施形態に従うパワーモジュール１の内部で発生される超音波の状態を示す模式図である。図５を参照して、外部からリード端子１６４，１６６を通じて、信号強度が時間的に変化する電気信号（典型的には、パルス信号）を与えることで、超音波発生部１６０は、電気信号に応じた超音波を発生する。超音波発生部１６０は、システム基板１３０上の半導体チップが配置された位置とは異なる位置に配置されるとともに、システム基板１３０の表面に沿って伝搬する表面波を発生するように構成される。超音波発生部１６０から照射される超音波は、表面波あるいは界面波として、システム基板１３０の表面を伝搬する。このシステム基板１３０の表面を伝搬した後の超音波を超音波受信部１７０で受信し、受信した超音波の情報は、リード端子１７４，１７６を通じて外部へ取り出される。

超音波発生部１６０が発生した超音波は、表面波としてシステム基板１３０の表面を伝搬する。第１の実施形態に従うパワーモジュール１においては、超音波受信部１７０は、システム基板１３０の超音波発生部１６０が配置される面と同じ面側に配置される。そのため、超音波受信部１７０で受信される超音波は、半導体チップとボンディングワイヤとの接合状態、ボンディングワイヤ自体の状態、半導体チップとシステム基板１３０との接合状態（上側電極層の状態）などを反映した情報を含むことになる。

第１の実施形態に従うパワーモジュール１においては、超音波発生部１６０と超音波受信部１７０とを結ぶ超音波伝搬経路上に存在する部位の情報を取得できる。そのため、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０をいずれの位置に配置するのかが重要である。典型的には、図４に示される各種劣化モードを考慮して、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０の位置を決定することが好ましい。

また、パワーモジュール１の構造的な特徴を考慮して、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０の位置を決定してもよい。例えば、より長い配線（例えば、ボンディングワイヤなど）が配置されている部分、放熱量が相対的に少なく温度上昇し易い半導体チップの中央部分、接合部間の剥がれが生じ易い端部分といった、より劣化が生じ易い部分を監視できる位置が好ましい。

以下、パワーモジュールの劣化と超音波を用いた測定により得られる情報との関係について説明する。

（ｉ：周波数スペクトルの変化）
図６は、パワーモジュールの劣化と周波数スペクトルとの関係の一例を示す図である。図６には、パワーモジュールに対して、ストレスサイクルを与える加速寿命試験（パワーサイクル試験）中に測定された超音波信号の周波数スペクトルの変化を示す。加速寿命試験においては、一定の電流をオン／オフする動作を繰り返し行なうことで、パワーモジュールでの発熱により温度を上昇させ、その後、冷却により温度を下降するというサイクルを繰り返した。

図６には、平均寿命サイクル数に対する加速寿命試験により与えたストレスサイクル数の比率の別に、測定された超音波信号の周波数スペクトルを示す。図６に示すように、加速寿命試験によって与えられたストレスサイクル数が平均寿命サイクル数に近付くにつれて、特定周波数の成分（図６中の「変化成分」）が増大していることが分かる。図６に示す測定例では、ストレスサイクル数が平均寿命サイクル数に近付くにつれて、３．０ＭＨｚ付近に新たなピークが現れてくるのが分かる。

この新たなピークは、ボンディングワイヤと半導体チップの表面電極との間にクラックが発生して徐々に剥がれが生じて、接合部の固有振動数が変化することにより、あるいは超音波の反射特性が変化することにより、現れるものと考えられる。この測定結果を見れば、パワーモジュール１内の評価対象の部位に対して、超音波を照射し、その超音波の透過波または反射波の周波数スペクトルを測定することで、パワーモジュール１内の劣化を評価することができることが分かる。

（ｉｉ：信号強度の変化）
図７は、パワーモジュールの劣化と信号強度との関係の一例を示す図である。図７には、加速寿命試験中に測定された、評価対象のボンディングワイヤに関連する、超音波信号、エミッタ−コレクタ間電圧Ｖｃｅ（オン状態）の大きさ、および熱抵抗の大きさをプロットした結果を示す。いずれの値も、加速寿命試験の開始前に測定されたそれぞれの初期値で規格化している。

図７に示すように、ストレスサイクル数がある値に到達すると、熱抵抗（すなわち、熱伝導率）の大きさに変化が現れ、その後、エミッタ−コレクタ間電圧Ｖｃｅの大きさにも変化が現れる。但し、熱抵抗およびエミッタ−コレクタ間電圧Ｖｃｅの大きさは、それぞれ電気的特性または熱抵抗特性が変化するほどのダメージが蓄積されたことに起因して変化するものであり、ダメージが小さい場合には、有意な変化が現れる可能性は低い。

これに対して、熱抵抗およびエミッタ−コレクタ間電圧Ｖｃｅのいずれの大きさにも有意な変化が現れていない、ストレスサイクル数が少ない段階においても、超音波信号については有意な変化が現れていることが分かる。

図７に示す測定結果によれば、超音波信号を用いることで、電気的特性および熱抵抗特性に何らかの変化が現れる前（すなわち、劣化の初期段階）から、劣化が段階的に進行している状態を評価することができると言える。

図６および図７を参照して説明したように、測定される信号と元の信号とを比較すると、与えるストレスサイクルの数の増加に伴って、周波数特性（周波数スペクトル）の特定周波数領域の信号強度が変化していることが分かる。すなわち、測定される超音波信号の周波数領域に注目することで、パワーモジュール１内の劣化度合いを評価またはモニタリングすることができると言える。さらに、後述するような手法を用いることで、評価対象のパワーモジュールの残り寿命などを推定することもできる。

＜ａ５：劣化評価を実現する構造／制御回路＞
次に、第１の実施形態に従うパワーモジュール１における劣化評価を実現するための制御構造について説明する。

図８は、図３に示す制御回路１０の制御構造の一例を示す模式図である。制御回路１０は、パワーモジュール１を駆動させるために必要な信号発生系および制御系の構成に加えて、超音波測定を行なうための信号発生系、信号受信系、信号処理系、制御系などの構成を含む。

図８を参照して、制御回路１０は、その制御構造として、パワーモジュール１を駆動するためのコンポーネントとして、ゲート制御部１９６および回路保護部１９８を含む。さらに、制御回路１０は、劣化を評価するためのコンポーネントとして、評価制御部１８０、信号発生制御部１８２、信号発生部１８４、信号受信部１８６、信号処理部１８８、記録部１９０、入力部１９２、および、出力表示部１９４を含む。制御回路１０を構成する各部は、その全部または一部を集積回路で作成してもよいし、一部をソフトウエアで実現してもよい。説明の便宜上、図８には、機能別に部材を描いているが、これらの部材の一部を一体化し、あるいは、一部の部材をさらに細分化して実装してもよい。

ゲート制御部１９６および回路保護部１９８は、複数のパワーモジュール１の駆動を制御する。より具体的には、ゲート制御部１９６は、予め定められた制御指令、または、図示しない制御装置から与えられる制御指令に従って、ゲート駆動回路４２−１〜４２−６を制御する。すなわち、ゲート制御部１９６は、パワーモジュール１−１〜１−６の各々がオン／オフするタイミングを制御する。

ゲート制御部１９６は、ＰＩＤ（Proportional Integral Derivative Controller）制御などの制御ロジックを実装しており、電流センサ３２（図３参照）によって検出される電流値などの状態値に基づいて、ゲート駆動回路４２を制御する。

回路保護部１９８は、パワーモジュール１およびパワーモジュール１が組み込まれたシステムを保護する。例えば、パワーモジュール１内の短絡、過電流、制御電源電圧低下、過熱などを監視する。一例として、回路保護部１９８は、電流センサ３２（図３参照）によって検出される電流値などの状態値が予め定められた制限値を超過していると判断すると、ゲート駆動回路４２に対して遮断指令を与えて、パワーモジュール１のスイッチング動作を停止する。

評価制御部１８０は、後述するようなパワーモジュール１における劣化評価方法の実行を制御する。

信号発生制御部１８２は、評価制御部１８０からの指令に従って、信号発生部１８４での信号発生を制御する。より具体的には、信号発生制御部１８２は、複数の信号波形（信号パターン）を予め記憶しており、あるいは、複数の信号波形を動的に生成できるようになっている。信号発生制御部１８２は、評価制御部１８０からの指令に従って、複数の信号波形のうち、指定された信号波形の発生を信号発生部１８４へ指示する。

信号発生部１８４は、発振器を有するとともに、リード端子１６４，１６６を通じて超音波発生部１６０（図１および図２参照）と電気的に接続されている。信号発生部１８４は、信号発生制御部１８２からの指令に従って、指定された信号波形を発振器で発生させることで、超音波発生部１６０を駆動する。

信号受信部１８６は、増幅器を有するとともに、リード端子１７４，１７６を通じて超音波受信部１７０（図１および図２参照）と電気的に接続されている。信号受信部１８６は、超音波受信部１７０が超音波を受信することで生じる電気信号を増幅して、信号処理部１８８へ出力する。

信号処理部１８８は、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換回路、ノイズ除去回路、フーリエ変換回路などを含む。具体的には、信号受信部１８６から出力される電気信号に含まれるノイズ成分を除去するとともに、電気信号を量子化して評価制御部１８０へ出力する。このとき、信号受信部１８６で受信された電気信号の時間波形に加えて、時間波形を周波数変換して得られる結果（周波数スペクトル）を評価制御部１８０へ出力してもよい。

記録部１９０は、劣化を評価するための各種データ（初期データおよび基準データなど）を保持する。記録部１９０に格納される各種データは、評価制御部１８０にて動的に生成されることもあるし、外部装置などから与えられることもある。

入力部１９２は、ユーザ操作または外部装置からの指令を受付け、その受付けた指令を評価制御部１８０へ出力する。典型的には、入力部１９２は、各種の操作ボタン、キーボード、マウスなどの入力インターフェイス装置であってもよいし、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）、ＬＡＮ（Local Area Network）などの通信インターフェイスであってもよい。

出力表示部１９４は、評価制御部１８０にて出力される評価結果などを外部装置へ出力し、あるいは、ユーザへ通知する。典型的には、出力表示部１９４は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）、ＬＡＮ（Local Area Network）などの通信インターフェイスであってもよいし、各種のインジケータ、ディスプレイ、音声デバイスなどの出力インターフェイス装置であってもよい。

＜ａ６：劣化評価の方法（概要）＞
次に、第１の実施形態に従うパワーモジュール１における劣化評価方法の手順について説明する。本実施の形態に従う劣化評価方法は、基板上に配置された半導体チップをパッケージ化したパワーモジュール１（半導体装置）の劣化を評価する。図９は、第１の実施形態に従うパワーモジュール１における劣化評価方法の手順を示すフローチャートである。図９に示す各ステップは、図８に示される関連する部位によって実行される。

図９を参照して、評価制御部１８０は、超音波測定の開始が指示されたか否かを判断する（ステップＳ１００）。例えば、評価制御部１８０は、超音波測定の開始についてのユーザから明示的な指示（入力部１９２への入力）を受けたか、超音波測定を開始する所定条件（予め定められた周期の到来など）が満たされたかなどを判断する。超音波測定の開始が指示されていなければ（ステップＳ１００においてＮＯ）、処理を終了する。

超音波測定の開始が指示されると（ステップＳ１００においてＹＥＳ）、パワーモジュール１の内部で超音波を発生するステップが実行される。より具体的には、評価制御部１８０は、信号発生制御部１８２に対して超音波の発生を指示する（ステップＳ１０２）。信号発生制御部１８２は、評価制御部１８０からの指示に応答して、信号発生部１８４を駆動し、超音波発生部１６０から超音波を発生させる（ステップＳ１０４）。

続いて、パワーモジュール１の内部を伝搬した後の超音波を受信するステップが実行される。すなわち、超音波発生部１６０から照射された超音波がパワーモジュール１内を伝搬した後、超音波受信部１７０が当該超音波を受信する（ステップＳ１０６）。超音波受信部１７０からは受信された超音波に応じた電気信号が出力され、信号受信部１８６は、超音波受信部１７０からの電気信号を受信する（ステップＳ１０８）。信号受信部１８６は、受信した電気信号を増幅して、信号受信部１８６へ出力する。信号受信部１８６は、信号受信部１８６から出力される電気信号に含まれるノイズ成分を除去するとともに、デジタル信号化として評価制御部１８０へ出力する（ステップＳ１１０）。

続いて、受信した超音波信号の周波数スペクトルおよび特定の周波数成分の少なくとも一方を用いて、予め定められた設定値を参照して、パワーモジュール１の劣化を評価するステップが実行される。より具体的には、評価制御部１８０は、信号受信部１８６からのデジタル信号（超音波の時間波形）の周波数スペクトルおよび／または特定の周波数成分を用いて、記録部１９０に格納されている劣化を評価するための設定値（初期データおよび基準データなど）を参照して、パワーモジュール１の劣化を評価する（ステップＳ１１２）。評価制御部１８０は、出力表示部１９４から評価結果を出力する（ステップＳ１１４）。そして、処理を終了する。

＜ａ７：超音波測定の方法（超音波発生部の駆動方法）＞
次に、超音波発生部１６０（図１および図２参照）から超音波を発生させ、超音波受信部１７０でパワーモジュール１内を伝搬した後の超音波を受信する方法について説明する。典型的には、以下に示す３つの形態のいずれかに従って、信号発生部１８４（図８参照）を制御することで、超音波発生部１６０から超音波を発生する。

（ｉ：超音波発生部１６０をパルス状に駆動する方法）
超音波発生部１６０から超音波を発生する処理として、パルス状の超音波を発生するようにしてもよい。

図１０は、第１の実施形態に従うパワーモジュール１内の超音波発生部１６０を駆動する信号の一例を示す図である。図１０（Ａ）に示すように、パルス状の信号で超音波発生部１６０を駆動することで、パルス状の超音波、すなわちパルス幅に応じた周波数帯域の成分を含む超音波を発生させることができる。このようなパルス信号を超音波発生部１６０へ与えることで、比較的短い時間で、評価対象の部位の情報を反映した周波数スペクトルを測定できる。図１０（Ａ）のパルス幅ΔＴを調整することで、注目する周波数の範囲を含む周波数スペクトルを測定できる。

図１０（Ｂ）に示すようなインパルス状の信号で超音波発生部１６０を駆動するようにしてもよい。この場合には、超音波受信部１７０で受信される超音波の信号強度は低下するが、より広い周波数範囲にわたる周波数スペクトルを測定できる。

（ｉｉ：超音波発生部１６０を駆動する周波数を段階的に変化させる方法）
図１１は、第１の実施形態に従うパワーモジュール１内の超音波発生部１６０を駆動する信号の別の例を示す図である。図１１を参照して、各タイミングにおいて、単一の周波数からなる信号で超音波発生部１６０を駆動するとともに、超音波発生部１６０を駆動する周波数を時間的に順次変化させることで、評価対象の部位の情報を反映した周波数スペクトルを測定できる。すなわち、超音波発生部１６０から超音波を発生する処理として、単一の周波数の超音波を発生するようにしてもよい。

図１１に示す例では、最低周波数ｆｍｉｎから周波数変化量Δｆずつ変化させた各駆動周波数の成分を含む測定結果を得ることができる。なお、超音波発生部１６０に与えられる電気信号の時間波形は、対応する駆動周波数の正弦波となる。図１１に示すような方法で超音波発生部１６０を駆動することで、超音波受信部１７０で受信される超音波信号に含まれる各周波数成分をより正確に測定することができる。周波数変化量Δｆは、評価方法および要求される評価精度に応じて決定すればよい。

図１１には、駆動周波数を段階的に変化させる例を示すが、一定速度で周波数を変化（すなわち、スイープ）させてもよい。

（ｉｉｉ：超音波発生部１６０を単一の周波数で駆動する方法）
図１２は、第１の実施形態に従うパワーモジュール１内の超音波発生部１６０を駆動する信号のさらに別の例を示す図である。図６を参照して説明したように、パワーモジュール１の構造に応じて、特有の周波数に劣化度合いに応じた特徴量が現れることがあり、このような特有の周波数が既知である場合には、超音波発生部１６０を駆動する周波数を固定してもよい。図１２に示す例では、特徴量が現れる基準周波数ｆｒｅｆ（例えば、３．０ＭＨｚ）で超音波発生部１６０を駆動する例を示す。すなわち、超音波発生部１６０から超音波を発生する処理として、単一の周波数の超音波を発生するようにしてもよい。

図１２に示すような方法で超音波発生部１６０を駆動することで、より短時間で、かつ、より簡単な信号処理で、対象部位の劣化度合いを評価することができる。

図１２には、単一の基準周波数で超音波発生部１６０を駆動する例を示すが複数の基準周波数で超音波発生部１６０を駆動するようにしてもよい。

＜ａ８：評価結果の算出処理＞
次に、超音波を用いてパワーモジュール１の劣化を評価する方法のいくつかの例について説明する。なお、以下に説明するすべての評価方法を単一の装置に実装する必要はなく、その一部の評価方法のみを実装するようにしてもよい。

（ｉ：周波数スペクトルで解析する方法）
第一の方法として、超音波受信部１７０により測定された超音波の時間波形を周波数スペクトルの形で解析する方法について説明する。

図１３は、測定された超音波の周波数スペクトルに基づいてパワーモジュール１の劣化を評価するための制御構造を示す模式図である。図１４は、図１３に示す制御構造によって実行される評価方法を説明するための図である。図１３および図１４には、超音波受信部１７０により受信された超音波信号の周波数スペクトルを用いて、パワーモジュール１の劣化を評価する方法を示す。

図１３を参照して、制御回路１０の評価制御部１８０は、その制御構造として、スペクトル生成部１８０２と、差分スペクトル算出部１８０４と、積算部１８０６と、劣化状態判定部１８０８とを含む。

制御回路１０の記録部１９０は、基準スペクトル１９０２および劣化特性１９０４を格納している。パワーモジュール１内では、超音波発生部１６０で発生した超音波のうち、超音波受信部１７０まで直接伝搬する成分に加えて、各部で吸収または散乱する成分が存在する。超音波受信部１７０で受信される超音波は、これらの複数の成分が混在する複雑な信号になり得る。そのため、後述するような方法を用いて、基準スペクトル１９０２を予め取得および格納しておく。劣化特性１９０４についても、パワーモジュール１の製品種別に特有であり、加速寿命試験などによって、予め取得および格納しておく。

スペクトル生成部１８０２は、超音波受信部１７０により受信された超音波の時間波形（以下、「測定信号」とも称す。）を周波数変換して、周波数スペクトル（以下、「測定スペクトル」とも称す。）を生成する。差分スペクトル算出部１８０４は、スペクトル生成部１８０２から出力される測定スペクトルと、記録部１９０に格納されている基準スペクトル１９０２との差分から、差分スペクトルを算出する。積算部１８０６は、差分スペクトル算出部１８０４により算出された差分スペクトルの信号強度を周波数について積算し、差分スペクトルの特徴量を算出する。

劣化状態判定部１８０８は、算出された差分スペクトルの特徴量を劣化特性１９０４と比較することで、劣化度合いおよび残り寿命を算出する。劣化度合いおよび残り寿命の少なくとも一方を含む評価結果を出力する。

図１４には、図１３に示す制御構造での処理を示す。図１４を参照して、測定スペクトルと基準スペクトル１９０２との差分から差分スペクトルが算出され、差分スペクトルの信号強度を周波数について積算することで、特徴量Ｓ（この例では、差分スペクトルの面積に相当する）が算出される。なお、特徴量Ｓの算出に当たっては、周波数に応じた重み付けをしてもよい。

劣化特性１９０４は、経過寿命と特徴量との関係を示すものである。図１４に示す劣化特性１９０４では、平均寿命に到達したときの特徴量が基準特徴量Ｓｒｅｆとされている。劣化状態判定部１８０８は、積算部１８０６により算出された特徴量Ｓを劣化特性１９０４に当てはめることで、対応する経過寿命Ｌを算出する。なお、平均寿命から算出された経過寿命Ｌを差し引いた値が残り寿命に相当する。

さらに、残り寿命が平均寿命の所定の割合（例えば、３０％）まで低下すると、「注意（caution）レベル」と判定し、残り寿命がさらに低い割合（例えば、１５％）まで低下すると、「損傷（damage）レベル」と判定するようにしてもよい。

なお、差分スペクトルではなく、基準スペクトル１９０２に対する測定スペクトルの各周波数における比率を示す比率スペクトルを用いてもよい。

上述のように、パワーモジュール１の劣化を評価する処理は、予め定められた、初期値（基準スペクトル１９０２）および劣化状態に対応するしきい値（劣化特性１９０４）に基づいて、パワーモジュール１の劣化の度合い、および／または、パワーモジュール１の残り寿命を決定する処理を含む。

（ｉｉ：特定周波数の信号強度を用いて解析する方法）
第二の方法として、超音波受信部１７０により測定された超音波の時間波形に含まれる特定周波数の信号強度を用いて解析する方法について説明する。図１５は、測定された超音波の特定周波数の信号強度に基づいてパワーモジュール１の劣化を評価するための制御構造を示す模式図である。

図１５を参照して、制御回路１０の評価制御部１８０は、その制御構造として、周波数成分抽出部１８１０と、絶対値算出部１８１２−１，１８１２−２，…，１８１２−ｎと、差分値算出部１８１４−１，１８１４−２，…，１８１４−ｎと、劣化状態判定部１８１６とを含む。

制御回路１０の記録部１９０は、周波数別に予め設定された基準信号強度設定１９１２と、注意レベルおよび損傷レベルを判定するためのしきい値を含む判定レベル設定１９１４と、劣化特性１９１６とを含む。

周波数成分抽出部１８１０は、一種の周波数フィルタであり、超音波受信部１７０により受信された超音波の時間波形（測定信号）から、劣化度合いに応じた特徴量が現れる周波数ｆ１，ｆ２，…，ｆｎの成分を抽出する。周波数ｆ１，ｆ２，…，ｆｎは、事前の加速寿命試験において取得されたデータなどから決定される。説明の便宜上、複数の周波数成分を用いる構成例を示すが、単一の周波数成分を用いて劣化を評価するようにしてもよい。

なお、上述の図１１または図１２に示すような信号波形を用いて超音波を発生し、この超音波を受信することで得られる測定信号を用いる場合には、周波数成分抽出部１８１０を省略してもよい。

絶対値算出部１８１２−１，１８１２−２，…，１８１２−ｎは、それぞれ周波数ｆ１，ｆ２，…，ｆｎの周波数成分の絶対値（すなわち、各周波数成分の信号強度）を算出する。なお、各周波数成分の絶対値ではなく、ピーク値を算出するようにしてもよい。

差分値算出部１８１４−１，１８１４−２，…，１８１４−ｎは、絶対値算出部１８１２−１，１８１２−２，…，１８１２−ｎからそれぞれ出力される周波数成分の信号強度と、基準信号強度設定１９１２に含まれる対応する基準信号強度Ｒ１，Ｒ２，…，Ｒｎとの差分を算出する。差分値算出部１８１４−１，１８１４−２，…，１８１４−ｎからそれぞれ出力される差分は、基準信号強度からの変化成分（ずれ量）に相当する。

劣化状態判定部１８１６は、差分値算出部１８１４−１，１８１４−２，…，１８１４−ｎからそれぞれ出力される差分が、判定レベル設定１９１４に含まれる対応する判定レベル値Ｔｈ１，Ｔｈ２，…，Ｔｈｎを超過しているか否かを判断する。劣化状態判定部１８１６は、判定レベル値を超過している周波数成分の有無もしくは数、または、判定レベル値に対する超過度合いなどに基づいて、劣化度合いを含む評価結果を出力する。

また、劣化状態判定部１８１６は、差分値算出部１８１４−１，１８１４−２，…，１８１４−ｎからそれぞれ出力される差分を、劣化特性１９１６に適用することで、残り寿命を算出する。劣化特性１９１６については、図１４を参照して劣化特性１９０４と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。但し、周波数別に劣化特性を定めてもよい。

なお、各周波数成分の信号強度についての差分ではなく、基準信号強度に対する信号強度の比率を用いてもよい。

上述のように、パワーモジュール１の劣化を評価する処理は、予め定められた、初期値（基準信号強度設定１９１２）および劣化状態に対応するしきい値（判定レベル設定１９１４／劣化特性１９１６）に基づいて、パワーモジュール１の劣化の度合い、および／または、パワーモジュール１の残り寿命を決定する処理を含む。

（ｉｉｉ：特定周波数の信号強度から推定する方法）
第三の方法として、特定周波数の信号強度から寿命などを推定する方法について説明する。図１６は、特定周波数の信号強度から寿命などを推定する方法を説明するための図である。図１６には、超音波受信部１７０により受信された超音波信号の特定の周波数成分を用いて、パワーモジュール１の劣化を評価する方法を示す。

図１６（Ａ）を参照して、制御回路１０の評価制御部１８０（図８参照）は、超音波受信部１７０（図８参照）により受信された超音波の時間波形（測定信号）から、特定の周波数成分の信号強度を算出し、超音波測定が実施されたタイミングの情報と関連付けて格納する。なお、初期状態での測定値を初期値として、信号強度の初期値からの変化分を評価することが好ましい。

ここで、超音波測定が実施されたタイミングは、例えば、評価対象のパワーモジュールが設置されてからの経過時間、評価対象のパワーモジュール（または、そのパワーモジュールが組み込まれたシステム）の運転時間、パワーモジュールが組み込まれた電車もしくは車両の走行距離などである。

このような超音波測定を定期的に複数回実施することで、図１６（Ｂ）に示すような測定結果が得られる。それぞれの測定点をフィッティングすることで、劣化特性を推定する。すなわち、既知の測定情報を外挿することで、将来の特性変化を推定する。このような手順で取得された推定特性が予め設定された判定しきい値に到達するタイミングを、寿命と判断することができる。

図１６には、ある特定の信号強度に注目した場合の処理例を示すが、複数の周波数別に同様の手法で寿命を推定してもよいし、超音波信号の周波数スペクトルを用いて、同様の手法を適用してもよい。

（ｉｖ：その他）
上述の説明では、超音波受信部１７０により測定された超音波の時間波形を周波数スペクトルの形で解析する評価方法の例、および、超音波の時間波形をその信号強度の形で解析する評価方法の例について説明したが、時間波形そのものを用いてもよい。具体的には、測定信号の時間波形の初期値と測定された超音波の時間波形との差分（あるいは、比率）を特徴量として、上述と同様の手法を適用してもよい。この場合には、上述の図１１または図１２に示すような信号波形を用いて超音波を発生し、この超音波を受信することで得られる測定信号を用いることが好ましい。この場合に得られる測定信号には、単一の周波数成分のみが含まれることになり、より高精度な評価を実現できる。

以上のように、第１の実施形態に従うパワーモジュール１の劣化を評価する方法としては、超音波受信部１７０で受信された測定信号を周波数スペクトルの形で解析するモードと、測定信号（信号強度）の時間変化を解析するモードとのいずれを採用してもよい。

（ｖ：用途に応じた適合）
パワーモジュール１（および、パワーモジュール１が組み込まれたシステム）の用途に応じて、劣化の評価方法を適宜変更してもよい。例えば、寿命の算出単位としては、パワーモジュール１の設置からの経過時間に加えて、評価対象のパワーモジュール（または、そのパワーモジュールが組み込まれたシステム）の運転時間、および、パワーモジュールが組み込まれた電車もしくは車両の走行距離などを用いることができる。

また、基準周波数、基準信号強度、判定レベルなどについても、用途に応じて、適宜最適化することが好ましい。

＜ａ９：ユーザインターフェイス＞
次に、算出される評価結果をユーザへ通知するユーザインターフェイスの一例について説明する。

図１７は、第１の実施形態に従うパワーモジュール１に対する劣化の評価結果を示すユーザインターフェイスの一例を示す図である。典型的には、図１７に示すユーザインターフェイス画面は、出力表示部１９４（図８）によって提供される。

図１７（Ａ）に示すように、ユーザインターフェイス画面２００Ａは、対象のパワーモジュール１の劣化度合いを示す測定結果２０２と、測定の結果算出された残り寿命２０４と、アドバイス項目２０６とを含む。

一例として、測定結果２０２としては、算出された残り寿命の大きさに応じて、「正常」、「注意」、「損傷」といった３段階で表示するようにしてもよい。残り寿命２０４としては、算出された残り寿命の大きさ（数値）が表示される。アドバイス項目２０６としては、対象のパワーモジュール１を保守するためのアドバイスが表示される。図１７（Ａ）に示す例では、算出された残り寿命が十分に大きいので、「１年後に再測定して下さい。」といった、定期的な測定を促すメッセージが表示される。

一方、図１７（Ｂ）には、対象のパワーモジュール１の劣化が進行している場合に表示されるユーザインターフェイス画面２００Ｂに例を示す。ユーザインターフェイス画面２００Ｂにおいては、測定結果２０２として「注意」が表示されるとともに、算出された残り寿命の大きさ（数値）が表示される（残り寿命２０４）。この場合のアドバイス項目２０６としては、対象のパワーモジュール１をより頻繁に測定することを促すための、「３ヶ月後に再測定して下さい。」といったメッセージに加えて、対象のパワーモジュール１の交換を促すための、「２年以内の交換をおすすめします。」といったメッセージが表示される。

上述したように、パワーモジュール１（および、パワーモジュール１が組み込まれたシステム）の用途に応じて、運転時間あるいは走行距離の単位で寿命を表示するようにしてもよい。

＜ａ１０：利点＞
第１の実施形態に従うパワーモジュール１は、システム基板１３０上に半導体チップに加えて、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０を配置した上で、パッケージ化されている。超音波発生部１６０と超音波受信部１７０との間に存在する半導体チップに関して、半導体チップとボンディングワイヤ１２２，１２４との接合部の剥がれ、ボンディングワイヤ１２２，１２４の付け根部の亀裂または断裂、といった劣化の状態を反映した信号を高感度で検出することができる。

同一種類のパワーモジュール１についての加速寿命試験などによって、予め、判定しきい値となる基準レベルを取得しておき、測定された超音波信号の特徴量が当該判定しきい値を超えるか否かを判断することで、測定対象のパワーモジュール１内の劣化度合い（例えば、損傷レベルに到達しているかなど）、および／または、残り寿命などを算出することができる。第１の実施形態においては、このような劣化評価をパワーモジュール１の運転中に実行することができるので、実使用中に劣化度合いおよび／または残り寿命を判定できる。そのため、パワーモジュール１の運用中に、不意の故障によるシステムトラブルを未然に防止できる。さらに、パワーモジュール１を組み込まれたシステム全体の信頼性を向上させるとともに、運用コストを低減できる。

さらに、実使用中の測定値および実際の劣化状態との対応関係のデータを蓄積することで、測定された超音波信号の周波数スペクトルおよび／または特定の周波数成分と、初期段階での測定値とを比較することで、その初期値に対する差分または比率に基づいて、劣化の度合いを定量的に算出することもできる。

［Ｂ．第２の実施形態］
上述の第１の実施形態に従う半導体装置においては、図５に示すように、システム基板１３０（正確には、半導体チップが接合されるのと同じ上側電極層１３８）上に、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０の対が接合されている。これに対して、第２の実施形態に従う半導体装置においては、超音波発生部１６０または超音波受信部１７０として機能する超音波素子を複数配置してもよい。

図１８は、第２の実施形態に従うパワーモジュール１Ａの要部のレイアウトを示す模式図である。図１８を参照して、パワーモジュール１Ａは、半導体チップとして、ＩＧＢＴとダイオードとのセットを２つ含む。すなわち、パワーモジュール１Ａにおいて、システム基板１３０上に、ＩＧＢＴ１４０−１，１４０−２およびダイオード１５０−１，１５０−２が接合されている。

システム基板１３０上の半導体チップが配置されている領域の外周側に、さらに、超音波素子１６０Ａ，１６０Ｂ，１６０Ｃ，１６０Ｄが配置されている。超音波素子１６０Ａ，１６０Ｂ，１６０Ｃ，１６０Ｄは、典型的には、チップはんだによりシステム基板１３０に接合される。超音波素子１６０Ａ，１６０Ｂ，１６０Ｃ，１６０Ｄの各々は、図示しないリード端子を通じて、制御回路１０（図３，図８など参照）と電気的に接続されている。

超音波素子１６０Ａ，１６０Ｂ，１６０Ｃ，１６０Ｄと制御回路１０内の信号発生部１８４および信号受信部１８６との電気的な接続を適宜変更することで、図１８（Ａ）〜図１８（Ｃ）に示すような、多彩な測定を実現する。

図１８（Ａ）には、超音波素子１６０Ｂを超音波発生部１６０として機能させるとともに、超音波素子１６０Ｄを超音波受信部１７０として機能させる動作例を示す。制御回路１０の信号発生部１８４（図８）からリード端子を通じて、超音波素子１６０Ｂに対して、信号強度が時間的に変化する電気信号（典型的には、パルス信号）を与えることで、超音波素子１６０Ｂは超音波を発生する。一方、リード端子を通じて超音波素子１６０Ｄと制御回路１０の信号受信部１８６（図８）とを接続することで、超音波素子１６０Ｄで受信された超音波に応じた電気信号を取得できる。

図１８（Ａ）に示す動作例においては、ダイオード１５０−１およびダイオード１５０−２の両方が評価対象となり、超音波素子１６０Ｄで受信される超音波には、これらの部位の情報が含まれることになる。

図１８（Ｂ）には、超音波素子１６０Ｃを超音波発生部１６０として機能させるとともに、超音波素子１６０Ａを超音波受信部１７０として機能させる例を示す。図１８（Ａ）に示す動作例においては、ＩＧＢＴ１４０−１およびＩＧＢＴ１４０−２の両方が評価対象となり、超音波素子１６０Ａで受信される超音波には、これらの部位の情報が含まれることになる。

図１８（Ｃ）には、超音波素子１６０Ｂ，１６０Ｄをいずれも超音波発生部１６０として機能させるとともに、超音波素子１６０Ａ，１６０Ｃをいずれも超音波受信部１７０として機能させる例を示す。図１８（Ｃ）に示す動作例においては、システム基板１３０上の半導体チップが配置されている領域の外周側が評価対象となり、超音波素子１６０Ａおよび超音波素子１６０Ｃで受信されるそれぞれの超音波には、これらの部位の情報が含まれることになる。

図１８（Ａ）〜図１８（Ｃ）に例示したように、超音波素子を用いることで、超音波発生部１６０として機能する素子と、超音波受信部１７０として機能する素子とを任意に設定することができる。つまり、超音波発生部１６０を超音波受信部１７０として用いることもでき、超音波受信部１７０を超音波発生部１６０として用いることもできる。

このように、それぞれの超音波素子を超音波発生部１６０または超音波受信部１７０のいずれとして機能させるのかといった組み合わせを異ならせることによって、複数の超音波伝搬経路を実現することができ、パワーモジュール１内の劣化を評価する対象部位を複数に設定できる。図１８に示すように、４つの超音波素子が配置されたレイアウトにおいては、２つの超音波素子の組み合わせが１２通り存在するので、この組み合わせの種類だけ、劣化評価の対象部位の選択性を向上できる。

第２の実施形態に従うパワーモジュール１Ａにおいては、超音波受信部１７０は、システム基板１３０の超音波発生部１６０が配置される面と同じ面側に配置される。このとき、システム基板１３０の一方面には、各々が独立して超音波を発生する超音波発生部１６０が複数配置されるとともに、各々が独立して超音波を受信する超音波受信部１７０が複数配置される。

図１８に示すように、システム基板１３０の四隅に半導体チップを配置することで、超音波素子の各組み合わせにおいて、超音波素子同士が対角位置になる。また、各組み合わせにおいて、超音波が伝搬する経路上に半導体チップが存在するように、超音波素子をレイアウトすることが好ましい。すなわち、超音波発生部１６０と超音波受信部１７０とを結ぶ超音波伝搬経路が、測定対象の半導体チップまたはシステム基板１３０を通過するように、超音波発生部１６０と超音波受信部１７０との組み合わせが適宜設定される。

上述の説明では、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０のいずれとしても機能できる超音波素子を用いる構成について例示したが、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０をそれぞれ固有の素子を用いて実現してもよい。この場合であっても、電気信号を与える超音波発生部１６０を選択することで、超音波伝搬経路を複数種類に変更できるので、上述したのと同様の作用効果を得ることができる。

第２の実施形態におけるその他の構成および処理などについては、上述の第１の実施形態と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。

第２の実施形態に従うパワーモジュール１Ａにおいては、超音波をモジュール内部で２次元的に伝搬させることができるとともに、複数の超音波伝搬経路を選択することができる。このような超音波伝搬経路の選択機能によって、部材間が重なっている部位、および、別の部材により隠されている部位などについても、より正確に観測することができ、評価精度を高めることができる。

また、第２の実施形態に従うパワーモジュール１Ａにおいては、同一の超音波素子を、超音波発生部１６０または超音波受信部１７０として選択的に機能させることで、超音波の複数の超音波伝搬経路を形成できる。そのため、評価精度を高める一方で、付加的な超音波素子を設けることなく、よりコンパクトかつ安価な構成を実現できる。

［Ｃ．第３の実施形態］
上述の第１の実施形態に従う半導体装置においては、図５に示すように、システム基板１３０（正確には、半導体チップが接合されるのと同じ上側電極層１３８）上に、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０が接合されている。すなわち、システム基板１３０の表面を伝搬する表面波である超音波を発生させる構成について例示した。これに対して、第３の実施形態に従う半導体装置においては、半導体チップおよびシステム基板を貫通するような超音波を発生させてもよい。

図１９は、第３の実施形態に従うパワーモジュール１Ｂの要部のレイアウトを示す模式図である。図１９を参照して、パワーモジュール１Ｂは、システム基板１３０上に接合されたＩＧＢＴ１４０およびダイオード１５０を含む。ＩＧＢＴ１４０およびダイオード１５０の表面にそれぞれ超音波発生部１６０−１および超音波発生部１６０−２が接合されている。さらに、システム基板１３０の反対側の表面上において、超音波発生部１６０−１および超音波発生部１６０−２と対向する位置に、超音波受信部１７０−１および超音波受信部１７０−２が接合される。超音波発生部１６０−１，１６０−２および超音波受信部１７０−１，１７０−２は、典型的には、チップはんだによりシステム基板１３０に接合される。

超音波発生部１６０−１，１６０−２および超音波受信部１７０−１，１７０−２の各々は、図示しないリード端子を通じて、制御回路１０（図３，図８など参照）と電気的に接続されている。

第３の実施形態に従うパワーモジュール１Ｂにおいては、超音波受信部１７０−１，１７０−２は、システム基板１３０の超音波発生部１６０−１，１６０−２が配置される面と対向する面側に配置される。このとき、システム基板１３０の一方面には、各々が独立して超音波を発生する複数の超音波発生部１６０−１，１６０−２が配置されるとともに、各々が独立して超音波を受信する複数の超音波受信部１７０−１，１７０−２が配置される。

制御回路１０の信号発生部１８４（図８）からリード端子を通じて、超音波発生部１６０−１に対して、信号強度が時間的に変化する電気信号（典型的には、パルス信号）を与えることで、超音波発生部１６０−１は超音波を発生する。この発生した超音波は、Ｚ軸に沿って、半導体チップおよびシステム基板１３０内を伝搬する。一方、超音波受信部１７０−１は、リード端子を通じて制御回路１０の信号受信部１８６（図８）と接続されている。信号受信部１８６は、超音波受信部１７０−１で受信された超音波に応じた電気信号を出力する。

同様に、制御回路１０の信号発生部１８４（図８）からリード端子を通じて、超音波発生部１６０−２に対して、信号強度が時間的に変化する電気信号（典型的には、パルス信号）を与えることで、超音波発生部１６０−２は超音波を発生する。この発生した超音波についても、Ｚ軸に沿って、半導体チップおよびシステム基板１３０内を伝搬する。一方、超音波受信部１７０−２は、リード端子を通じて制御回路１０の信号受信部１８６（図８）と接続されている。信号受信部１８６は、超音波受信部１７０−２で受信された超音波に応じた時間信号を出力する。

第３の実施形態に従うパワーモジュール１Ｂにおいては、超音波発生部１６０と超音波受信部１７０とを結ぶ超音波伝搬経路が、測定対象のシステム基板１３０を貫通するように、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０が配置される。このような構成を採用することで、半導体チップの内部に生じている劣化、および、半導体チップとシステム基板１３０との接合面に生じている劣化などをより容易に評価できる。

図１９に示すパワーモジュール１Ｂにおいて、超音波発生部１６０−１および超音波発生部１６０−２から同時に超音波を発生してもよいが、各半導体チップの劣化を個別に評価する場合には、超音波の発生期間が重ならないようにすることが好ましい。

超音波発生部１６０−１，１６０−２および超音波受信部１７０−１，１７０−２を半導体チップまたはシステム基板１３０上に接合する構成に代えて、半導体チップまたはシステム基板１３０の一部として形成してもよい。

さらに、第２の実施形態において説明したように、超音波素子を用いて、超音波発生部１６０としての機能と、超音波受信部１７０としての機能とを適宜入れ替えてもよい。

第３の実施形態におけるその他の構成および処理などについては、上述の第１の実施形態と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。

第３の実施形態に従うパワーモジュール１Ｂにおいては、システム基板を貫通するように超音波を伝搬させることができる。そのため、システム基板１３０の表面に沿って伝搬する表面波とは異なる劣化に関する情報を取得でき、評価精度を高めることができる。

［Ｄ．第４の実施形態］
上述の第３の実施形態に従う半導体装置においては、図１９に示すように、システム基板１３０の対向するそれぞれの表面上に、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０の対が接合されている構成について例示した。これに対して、第４の実施形態に従う半導体装置においては、システム基板１３０の一方面に複数の超音波発生部１６０を配置するとともに、システム基板１３０の他方面に複数の超音波受信部１７０が配置されている構成について説明する。

図２０は、第４の実施形態に従うパワーモジュール１Ｃの要部のレイアウトを示す模式図である。図２０を参照して、パワーモジュール１Ｃは、システム基板１３０上に接合されたＩＧＢＴ１４０およびダイオード１５０を含む。半導体チップ（ＩＧＢＴ１４０およびダイオード１５０）の表面上に複数の超音波発生部１６０−１，１６０−２，１６０−３，１６０−４が接合されている。システム基板１３０の反対側の表面上には、複数の超音波受信部１７０−１，１７０−２，１７０−３，１７０−４が接続されている。これらの部材は、典型的には、チップはんだによりシステム基板１３０に接合される。

超音波発生部１６０−１〜１６０−４は、システム基板１３０の対応する対角線に沿って超音波を発生するように構成されることが好ましい。超音波受信部１７０−１〜１７０−４の各々は、対角位置にある超音波発生部１６０−１〜１６０−４からの超音波を受信するように配置される。評価対象の範囲を拡大できるように、超音波発生部１６０−１〜１６０−４および超音波受信部１７０−１〜１７０−４は、システム基板１３０のより外周側に配置することが好ましい。

超音波発生部１６０−１〜１６０−４および超音波受信部１７０−１〜１７０−４の各々は、図示しないリード端子を通じて、制御回路１０（図３，図８など参照）と電気的に接続されている。

第４の実施形態に従うパワーモジュール１Ｃにおいては、超音波受信部１７０−１〜１７０−４は、システム基板１３０の超音波発生部１６０−１〜１６０−４が配置される面と対向する面側に配置される。このとき、システム基板１３０の一方面には、各々が独立して超音波を発生する複数の超音波発生部１６０−１〜１６０−４が配置されるとともに、各々が独立して超音波を受信する複数の超音波受信部１７０−１〜１７０−４が配置される。

超音波発生部１６０−１〜１６０−４と超音波受信部１７０−１〜１７０−４とを結ぶ超音波伝搬経路が、測定対象の半導体チップまたはシステム基板１３０を通過するように、有効化する超音波発生部１６０と超音波受信部１７０との組み合わせが適宜設定される。

制御回路１０の信号発生部１８４（図８）からリード端子を通じて超音波発生部１６０−１〜１６０−４に対して、所定の順序に従って、信号強度が時間的に変化する電気信号（典型的には、パルス信号）を与えることで、超音波が順次発生する。発生した超音波の各々は、システム基板１３０の対角線に沿って、半導体チップおよびシステム基板１３０内を伝搬する。超音波受信部１７０−１〜１７０−４が対応する超音波発生部１６０からの超音波を受信すると、信号受信部１８６は、受信した超音波に応じた電気信号を出力する。

図２０に示すように、第４の実施形態に従うパワーモジュール１Ｃにおいては、超音波を半導体チップおよびシステム基板１３０内に立体的に照射することができるので、より少ない超音波の照射回数で、半導体チップおよびシステム基板１３０の内部に生じている劣化を容易に評価できる。

図２０には、説明の便宜上、対角位置にある超音波発生部１６０と超音波受信部１７０との組み合わせの間で超音波を照射する場合について例示するが、上述の図１８（Ａ）〜図１８（Ｃ）を参照して説明したように、超音波発生部１６０と超音波受信部１７０との任意の組み合わせを用いて、超音波を照射するようにしてもよい。さらに、第２の実施形態において説明したように、超音波素子を用いて、超音波発生部１６０としての機能と、超音波受信部１７０としての機能とを適宜入れ替えるようにしてもよい。このような超音波素子を採用することで、より多くの種類の超音波伝搬経路を実現できる。

また、超音波発生部１６０−１〜１６０−４および超音波受信部１７０−１〜１７０−４を半導体チップまたはシステム基板１３０上に接合する構成に代えて、半導体チップまたはシステム基板１３０の一部として形成してもよい。

第４の実施形態におけるその他の構成および処理などについては、上述の第１の実施形態と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。

第４の実施形態に従うパワーモジュール１Ｃにおいては、超音波をモジュール内部で３次元的に伝搬させることができるとともに、複数の超音波伝搬経路を選択することができる。このような超音波伝搬経路の選択機能によって、部材間が重なっている部位、および、別の部材により隠されている部位などについても、より正確に観測することができ、評価精度を高めることができる。

また、第４の実施形態に従うパワーモジュール１Ｃにおいては、同一の超音波素子を、超音波発生部１６０または超音波受信部１７０として選択的に機能させることで、超音波の複数の超音波伝搬経路を形成できる。そのため、評価精度を高める一方で、付加的な超音波素子を設けることなく、よりコンパクトかつ安価な構成を実現できる。

［Ｅ．第５の実施形態］
次に、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０として機能する超音波素子のいくつかの変形例について説明する。

図２１は、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０として機能する超音波素子の構造を示す模式図である。図２１（Ａ）を参照して、超音波素子は、圧電材料からなる基材１６０２と、基材１６０２上に対向して形成された一対のくし型電極１６０８，１６１０とからなる。図２１（Ｂ）を参照して、基材１６０２は、Ｓｉ基板１６０４上に圧電材料の一例であるＺｎＯのｃ軸配向膜１６０６が製膜されたものである。基材１６０２上に、一対のくし型電極１６０８，１６１０が形成される。一対のくし型電極１６０８，１６１０は、リード端子１６４，１６６およびリード端子１７４，１７６（いずれも図２参照）と電気的に接続される。

図２１に示す超音波素子において、外部からリード端子１６４，１６６を通じて、信号強度が時間的に変化する電気信号（典型的には、パルス信号）をくし型電極１６０８，１６１０に与えることで、基材１６０２はＸ方向に時間的に変位する。基材１６０２の時間的な変位（すなわち、基材１６０２の振動）によって、空気が励振されて超音波が発生する。この超音波は、Ｘ−Ｙ平面に平行な平面に沿って伝搬することになる。すなわち、発生した超音波は、基板の表面上を伝搬する表面波となる。例えば、第１の実施形態に従うパワーモジュール１（図１および図２など参照）においては、図２１に示す超音波素子を用いることが好適である。

図２１に示すような超音波素子については、システム基板１３０上に接合に独立した部材として接合するのではなく、半導体チップまたはシステム基板１３０の一部として形成してもよい。

図２２は、第５の実施形態に従うパワーモジュール１Ｄの要部のレイアウトを示す模式図である。図２２を参照して、パワーモジュール１Ｄは、システム基板１３０上に接合されたＩＧＢＴ１４０およびダイオード１５０を含む。

ＩＧＢＴ１４０は、その露出面に、エミッタ電極１４０Ｅおよびコレクタ電極１４０Ｃが形成されている。ＩＧＢＴ１４０の一部として、超音波発生部１６０が形成されている。ダイオード１５０は、その露出面に、アノード電極１５０Ａが形成されている。ダイオード１５０の一部として、超音波受信部１７０が形成されている。

超音波発生部１６０は、ＩＧＢＴ１４０の電極が形成されていないＳｉ基板上に、ＺｎＯのｃ軸配向膜を製膜し、その上で一対のくし型電極を形成したものである。すなわち、超音波発生部１６０の基材は、ＩＧＢＴ１４０（半導体チップ）の基板の所定領域に形成される。図２２に示す超音波発生部１６０の構造は、図２１に示す構造同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。

同様に、超音波受信部１７０は、ダイオード１５０の電極が形成されていないＳｉ基板上に、ＺｎＯのｃ軸配向膜を製膜し、その上で一対のくし型電極を形成したものである。すなわち、超音波受信部１７０の基材は、ダイオード１５０（半導体チップ）の基板の所定領域に形成される。図２２に示す超音波発生部１６０および超音波受信部１７０は、表面波型の超音波発生部および超音波受信部となる。

第５の実施形態におけるその他の構成および処理などについては、上述の第１の実施形態と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。

第５の実施形態に従うパワーモジュール１Ｄにおいては、半導体チップ自体が超音波発生部を有しているため、システム基板１３０の表面を伝搬する超音波を効率的に入力できる。

また、第５の実施形態に従うパワーモジュール１Ｄにおいては、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０を独立して配置する必要がないので、パワーモジュール１Ｄの構成をよりコンパクトにできる。

［Ｆ．第６の実施形態］
次に、表面波型の超音波素子以外の構成例について説明する。より具体的には、振動膜を用いて超音波を発生する超音波素子を採用する構成について説明する。

図２３は、第６の実施形態に従うパワーモジュールに配置される超音波素子１６０Ｅの構造を示す模式図である。超音波素子１６０Ｅは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）チップを用いて振動を発生させる。図２３を参照して、超音波素子１６０Ｅは、システム基板１３０上に接合された基材１６１２，１６１４と、基材１６１２，１６１４上に形成されたＭＥＭＳチップ１６２２，１６２４と、ＭＥＭＳチップ１６２２，１６２４と電気的に接続された電極層１６１６，１６１８とを含む。電極層１６１６，１６１８には、パワーモジュール１の外部に露出するリード端子１６４，１６６が電気的に接続されている。ＭＥＭＳチップ１６２２，１６２４には、振動膜１６２０が機械的に接続されている。ＭＥＭＳチップ１６２２，１６２４は、リード端子１６４，１６６と電気的に接続され、電気信号によって機械的な変位を生じる電気機械変換素子に相当する。

外部からリード端子１６４，１６６を通じて、信号強度が時間的に変化する電気信号（典型的には、パルス信号）を与えることで、ＭＥＭＳチップ１６２２とＭＥＭＳチップ１６２４との間の相対関係が時間的に変化する。この相対関係の時間的変化に伴って、振動膜１６２０がＺ軸方向に振動することになる。この振動膜１６２０のＺ軸方向に沿った振動によって、空気が励振されて超音波が発生する。発生した超音波は、Ｚ軸方向に沿って伝搬する。すなわち、電気機械変換素子であるＭＥＭＳチップ１６２２，１６２４と機械的に接続された振動膜１６２０が振動することで、超音波が発生する。

システム基板１３０上の振動膜１６２０に対応する位置には、音響プリズム１６２６が設けられている。音響プリズム１６２６は、Ｚ軸方向に伝搬する超音波が入射すると、その伝搬方向をＸ−Ｙ平面方向に変化させる。音響プリズム１６２６の位置に対応付けて、基材１６１４の一部に切欠部１６２８が設けられており、振動膜１６２０で発生した超音波は、基材１６１４の内部を通過して紙面右側へ出射することになる。この結果、超音波素子１６０Ｅが発生する超音波は、表面波としてシステム基板１３０の表面を伝搬することになる。このような表面波として伝搬する超音波を用いることで、上述のような超音波測定を実現できる。

超音波素子１６０Ｅは、超音波と電気信号との間を相互に変換する素子である。そのため、超音波素子１６０Ｅは、超音波が入射すると、その入射した超音波に応じた電気信号を発生することになる。すなわち、超音波素子１６０Ｅについては、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０のいずれとしても用いることができる。

なお、図１９に示す第３の実施形態に従うパワーモジュール１Ｂ、または、図２０に示す第４の実施形態に従うパワーモジュール１Ｃに実装される、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０では、パワーモジュール内部を伝搬する超音波を発生させる必要がある。このような構成においては、超音波素子１６０Ｅを構成する音響プリズム１６２６を除してもよい。この場合には、振動膜１６２０で発生した超音波は、Ｚ軸方向に沿って伝搬することになる。

第６の実施形態におけるその他の構成および処理などについては、上述の第１の実施形態と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。

第６の実施形態に従うパワーモジュールにおいては、電気機械変換素子の一例であるＭＥＭＳチップを適切に設計することで、発生する超音波の特性（例えば、周波数帯域、強度、時間波形など）を比較的高い自由度で設計できるので、超音波測定および劣化評価をより効率的に行なうことができる。

［Ｇ．第７の実施形態］
次に、ＭＥＭＳチップ自体が超音波を発生する構成について説明する。図２４は、第７の実施形態に従うパワーモジュールに配置される超音波素子１６０Ｆの構造を示す模式図である。

図２４を参照して、超音波素子１６０Ｆは、システム基板１３０上に接合されたＭＥＭＳチップ１６３２，１６３４と、ＭＥＭＳチップ１６３２，１６３４と電気的に接続された電極層１６３６，１６３８とを含む。電極層１６３６，１６３８には、パワーモジュール１の外部に露出するリード端子１６４，１６６が電気的に接続されている。

外部からリード端子１６４，１６６を通じて、信号強度が時間的に変化する電気信号（典型的には、パルス信号）を与えることで、ＭＥＭＳチップ１６３２とＭＥＭＳチップ１６３４との間の距離がＸ−Ｙ平面に沿って時間的に変化する。ＭＥＭＳチップ１６３２，１６３４は、リード端子１６４，１６６と電気的に接続され、電気信号によって機械的な変位を生じる電気機械変換素子に相当する。

なお、ＭＥＭＳチップ１６３２については、ＭＥＭＳチップ１６３４に比較してより強固にシステム基板１３０へ接合することで、ＭＥＭＳチップ１６３４の変位量がより大きくなるように構成する。

この相対関係の時間的変化に伴って、ＭＥＭＳチップ１６３４がＸ−Ｙ平面に沿って振動することになる。このＭＥＭＳチップ１６３４の振動によって、空気が励振されて超音波が発生する。すなわち、電気機械変換素子であるＭＥＭＳチップ１６３２，１６３４そのものが振動することで、超音波が発生する。発生した超音波は、Ｘ−Ｙ平面に沿って伝搬することになる。この結果、超音波素子１６０Ｆが発生する超音波は、表面波としてシステム基板１３０の表面を伝搬することになる。このような表面波として伝搬する超音波を用いることで、上述のような超音波測定を実現できる。

超音波素子１６０Ｆは、超音波と電気信号との間を相互に変換する素子である。そのため、超音波素子１６０Ｆは、超音波が入射すると、その入射した超音波に応じた電気信号を発生することになる。すなわち、超音波素子１６０Ｆについては、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０のいずれとしても用いることができる。

第７の実施形態におけるその他の構成および処理などについては、上述の第１の実施形態と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。

第７の実施形態に従うパワーモジュールにおいては、電気機械変換素子の一例であるＭＥＭＳチップを適切に設計することで、発生する超音波の特性（例えば、周波数帯域、強度、時間波形など）を比較的高い自由度で設計できるので、超音波測定および劣化評価をより効率的に行なうことができる。

また、第７の実施形態に従うパワーモジュールにおいては、ＭＥＭＳチップ自体の振動によって超音波を発生するので、上述の第６の実施形態において説明した振動膜を用いる構成に比較して、パワーモジュールの構成をよりコンパクトにできる。

［Ｈ．第８の実施形態］
上述の実施形態においては、超音波素子を用いて超音波を発生する構成について例示した。これに代えて、半導体チップ自体で超音波を発生するようにしてもよい。

例えば、スイッチング素子であるＩＧＢＴ１４０での発熱による膨張収縮を用いて、半導体チップ内に振動を生じさせてもよい。より具体的には、外部からＩＧＢＴ１４０のゲート電極１４０Ｇに対して、パルス状のオン／オフ信号を与えることで、ＩＧＢＴ１４０の主回路には、電流がパルス状に流れることになる。この主回路に流れるパルス状の電流によって、ＩＧＢＴ１４０内ではパルス的に発熱が生じる。このような温度の上下によって、ＩＧＢＴ１４０の発熱部は、加熱による膨張と冷却による収縮とを起こすことになる。ＩＧＢＴ１４０の時間的な変位によって、半導体チップ自体が励振されて超音波が発生する。このようなＩＧＢＴ１４０で発生する超音波を用いて、上述したような超音波測定を行なうことができる。このように、ＩＧＢＴ１４０を超音波の発生源とすることができる。すなわち、第８の実施形態に従うパワーモジュールにおいては、超音波発生部として、半導体チップでのパルス的な発熱による膨張収縮を用いて超音波を発生する機構を有する。

なお、ＩＧＢＴ１４０に加えて、ダイオード１５０での発熱を利用して、超音波を発生するようにしてもよい。

第８の実施形態におけるその他の構成および処理などについては、上述の第１の実施形態と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。

第８の実施形態に従うパワーモジュールによれば、半導体チップとは別に超音波素子を設ける構成に比較して、実装に必要な面積を減少させることができ、かつ、独立した超音波素子の製造コストを低減できる。そのため、実使用中での劣化評価を行なうことはできないが、よりコンパクトかつ安価な構成を実現できる。

［Ｉ．第９の実施形態］
上述の第１の実施形態においては、システムを制御する制御回路１０内に、パワーモジュール１の内部の劣化を評価する機能を実装した構成について例示した。これに対して、第９の実施形態においては、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０が内蔵されたパワーモジュールに対して情報処理装置を外部接続し、当該情報処理装置で劣化を評価する構成について例示する。

図２５は、第９の実施形態に従う劣化評価システム２５０の構成を示す模式図である。図２６は、第９の実施形態に従う情報処理装置の使用例を示す模式図である。

図２５を参照して、第９の実施形態に従う劣化評価システム２５０は、パワーモジュール１（半導体装置）を含むシステムユニット５０と、測定補助回路６０と、情報処理装置７０とを含む。

システムユニット５０は、例えば、第１の実施形態に従うパワーモジュール１を６つ配置したインバータとして機能する。システムユニット５０の入力端子５１，５２を通じて、所定の電圧値を有する直流電力が供給され、直流母線６と直流母線８との間に電気的に接続されたパワーモジュール１−１〜１−６によって、三相交流電力に変換される。この変換後の三相交流電力は、出力端子群５４を通じて、駆動対象の外部装置（例えば、モータ）へ供給される。

パワーモジュール１−１〜１−６の各々には、上述したような超音波測定を実現するための超音波発生部１６０および超音波受信部１７０が設けられている。システムユニット５０は、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０と外部装置とを電気的に接続されるための測定用インターフェイス５６を含む。測定用インターフェイス５６は、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０とリード端子を通じて電気的に接続された測定用端子群５８を含む。

測定補助回路６０は、超音波の発生および受信に係る回路を含む。測定補助回路６０は、その先端に接続プラグ６４が設けられた測定用コードを有している。パワーモジュール１−１〜１−６のいずれかについて劣化を評価する際には、測定用インターフェイス５６に含まれる測定用端子群５８のうち対応する測定用端子に接続プラグ６４を接続する。すると、測定補助回路６０から接続プラグ６４を通じて、超音波発生部１６０に対して電気信号が与えられるとともに、超音波受信部１７０からの電気信号が受信される。

測定補助回路６０は、信号発生部１８４と、信号発生制御部１８２と、インターフェイス回路６２と、信号受信部１８６と、信号処理部１８８とを含む。信号発生部１８４、信号発生制御部１８２、信号受信部１８６、および、信号処理部１８８の機能については、図８に示す対応する部材と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。インターフェイス回路６２は、信号発生制御部１８２および信号処理部１８８と情報処理装置７０との間で信号を遣り取りするための回路である。

情報処理装置７０は、上述したような超音波を用いたパワーモジュール１の劣化評価処理を実行する処理主体である。情報処理装置７０は、典型的には、汎用のパーソナルコンピュータに処理プログラム７８をインストールすることで実現される。

より具体的には、情報処理装置７０は、プロセッサ７２と、メモリ７４と、処理プログラム７８およびＯＳ（Operating System）などを格納するハードディスク７６と、表示部８０と、入力部８２と、通信インターフェイス８４と、光学ドライブ８６とを含む。

プロセッサ７２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などからなる。メモリ７４は、プロセッサ７２でのプログラムの実行に必要なワークデータなどを一時的に格納する。表示部８０は、典型的には、ディスプレイなどからなり、劣化評価の結果などをユーザなどへ出力する。入力部８２は、典型的には、キーボード、マウス、タッチパネルなどからなり、ユーザなどからの指示を受付ける。通信インターフェイス８４は、測定補助回路６０との間で信号を遣り取りするための回路を含む。光学ドライブ８６は、光学ディスク８８などの記録媒体に格納された各種プログラム（処理プログラム７８を含み得る）などのデータを読み取って、ハードディスク７６に格納する。

但し、劣化評価処理を実行する専用装置として実現してもよい。さらに、情報処理装置７０が有する機能の一部または全部をハードウェア（典型的には、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）など）により実現してもよい。

典型的な使用態様を想定すると、例えば、測定補助回路６０および情報処理装置７０をパワーモジュールが組み込まれたシステム（図２５のシステムユニット５０に対応）の近傍に配置するとともに、評価対象のパワーモジュール１内の超音波発生部１６０および超音波受信部１７０と電気的に接続する。この状態で劣化診断を開始する。

例えば、図２６に示すように、電車の床下機器３００の保守ハッチを開けて、測定補助回路６０および情報処理装置７０を接続し、劣化診断をすることが可能である。

図２５および図２６には、測定補助回路６０および情報処理装置７０を別体の構成として説明したが、測定補助回路６０および情報処理装置７０を一体的に構成してもよい。

図２５には、説明の便宜上、複数のパワーモジュール１で構成されたシステムユニット５０について例示したが、システムユニット５０に含まれる半導体チップ（ＩＧＢＴ１４０およびダイオード１５０など）のすべてを単一のシステム基板上に実装し、全体を単一のパワーモジュールとして構成してもよい。この場合には、一部の半導体チップのみを交換等することができないので、すべての半導体チップの劣化を診断するのではなく、特定の半導体チップ（例えば、レイアウト的に最も熱負荷の高い半導体チップなど）についてのみ、超音波を用いた劣化評価を行なうようにしてもよい。

第９の実施形態におけるその他の構成および処理などについては、上述の第１の実施形態と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。

第９の実施形態に従う劣化評価システム２５０によれば、パワーモジュール１を取り外すことができないようなシステムユニット５０に対しても、内部の劣化を容易に評価することができる。可搬式の測定補助回路６０および情報処理装置７０を採用することで、１つの測定システムを用いて、複数のシステムユニット５０に対して、劣化の評価を行なうことができ、保守費用を低減することができる。

［Ｊ．第１０の実施形態］
上述の第１の実施形態においては、システムを制御する制御回路１０内に、パワーモジュール１の内部の劣化を評価する機能を実装した構成について例示した。これに対して、スイッチング動作を実現するための半導体チップに加えて、各種の制御機能を単一のモジュールに組み込んで高機能化したパワーモジュールとして実装してもよい。第１０の実施形態においては、このような高機能化したパワーモジュール（以下、「ＩＰＭ（Intelligent Power Module）」とも称す。）として実装した構成について例示する。

図２７は、第１０の実施形態に従うＩＰＭ４００の機能構成を示す模式図である。図２７を参照して、ＩＰＭ４００は、半導体装置を含むシステムの一例であり、主回路部４０２と、主制御部４０４と、劣化評価回路部４０６とを含む。主回路部４０２については、上述の図１および図２に示すのと同様の構造でパッケージ化される。主制御部４０４および劣化評価回路部４０６については、１つまたは複数のＩＣ（Integrated Circuit）を用いて実装される。

図２７には、説明の便宜上、機能別のブロックで模式的に表現しているが、ＩＰＭ４００を構成する１または複数のＩＣの内部では、これらの機能が必ずしも明示的に区別されているわけではない。このような実装形態であっても、本願発明の技術的範囲に含まれ得る。

主回路部４０２は、直流電力を三相交流電力に変換するインバータ動作を行なう。より具体的には、主回路部４０２は、３相の正側および負側のそれぞれに対応付けられた６つのＩＧＢＴ１４０−１〜１４０−６、およびそれぞれのＩＧＢＴ１４０に対応するダイオード１５０−１〜１５０−６を含む。これらの半導体チップは、典型的には、システム基板（図１および図２など参照）上に配置される。主回路部４０２は、さらに、ＩＧＢＴ１４０−１〜１４０−６のゲートにゲート制御電圧を印加するためのゲート駆動回路４２−１〜４２−６を含む。

主回路部４０２に含まれる複数の半導体チップのうち、一部の半導体チップについてのみ、超音波測定が可能になっている。すなわち、ＩＧＢＴ１４０−１およびダイオード１５０−１に近接して、超音波発生部１６０と超音波受信部１７０とのセットが配置されている。このとき、超音波発生部１６０と超音波受信部１７０とを結ぶ超音波伝搬経路上に、ＩＧＢＴ１４０−１およびダイオード１５０−１の少なくとも一部が存在するように、超音波発生部１６０および超音波受信部１７０が配置される。

ＩＰＭ４００においては、３相分の半導体チップが単一のパワーモジュールとして構成されており、一部の半導体チップのみを交換等することができないので、すべての半導体チップの劣化を診断するのではなく、特定の半導体チップ（例えば、レイアウト的に最も熱負荷の高い半導体チップなど）についてのみ、超音波を用いた劣化評価を行なうようになっている。但し、信頼性を高めるために、すべてのパワーモジュールについて、劣化評価を行なえるようにしてもよい。

主制御部４０４は、ゲート制御部１９６および回路保護部１９８を含む。ゲート制御部１９６および回路保護部１９８の機能については、図８に示すゲート制御部１９６および回路保護部１９８の機能とそれぞれ同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。

劣化評価回路部４０６は、評価制御部１８０と、信号発生制御部１８２と、信号発生部１８４と、信号受信部１８６と、信号処理部１８８と、記録部１９０と、入力部１９２と、出力表示部１９４とを含む。信号発生部１８４は、超音波発生部１６０と電気的に接続され、信号受信部１８６は、超音波受信部１７０と電気的に接続されている。これらの各部の機能については、図８に示す対応する部材の機能とそれぞれ同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。

パワーモジュール１には、外部機器または外部装置が、主回路部４０２、主制御部４０４、劣化評価回路部４０６のいずれかと、電力または電気信号などを遣り取りできるように、端子が設けられている。例えば、劣化評価回路部４０６は、汎用のパーソナルコンピュータなどと接続され、ユーザ（保守担当者など）は、汎用のパーソナルコンピュータを用いて劣化評価回路部４０６で算出される評価結果を確認することができる。

例えば、劣化評価回路部４０６の内部または外部に通信モジュールを配置することで、保守担当者などが保持する携帯端末に評価結果を適宜送信するようにしてもよい。また、第１０の実施形態に従うＩＰＭ４００では、作動中であっても超音波測定が可能であるので、例えば、作動中の予め定められた条件が満たされたときに、劣化を評価し、その結果を携帯端末などへ送信するようにしてもよい。

図２７に示すＩＰＭ４００では、典型的には、主回路部４０２と、主制御部４０４と、劣化評価回路部４０６がパッケージ部材によりパッケージ化されている。その上で、劣化評価回路部４０６との間で情報を遣り取りするための端子がパッケージ部材から露出するように設けられている。但し、主回路部４０２と劣化評価回路部４０６とをパッケージ化して、主制御部４０４に相当する機能を集中管理するようにしてもよい。この場合には、主回路部４０２のゲート駆動回路４２−１〜４２−６についても、外部に配置してもよい。

いずれの部位を単一のパワーモジュールとしてパッケージ化するかについては、用途や設置環境などに応じて、適宜設計される事項である。すなわち、図２７に示すＩＰＭ４００の構成例はあくまでも一例であり、図２７に示す制御機能の一部をＩＰＭ４００の外部に設けるような変形も可能である。逆に、より高機能化するための制御ロジックなどをＩＰＭ４００に組み込むような変形を行なってもよい。

第１０の実施形態におけるその他の構成および処理などについては、上述の第１の実施形態と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。

第１０の実施形態に従うＩＰＭ４００によれば、上述した劣化評価方法を実現するための機能を含む単一のパワーモジュールが提供される。そのため、測定対象についての劣化評価を定期的または何らかのイベント発生時に自動的に実行させることができる。その上で、その評価結果を自動的に出力することも可能である。この出力としては、推定された残り寿命などが短くなった場合などに、警告メッセージを出力し、故障が発生する前に交換時期などを通知することができる。

第１０の実施形態に従うＩＰＭ４００によれば、劣化評価方法をソフトウエア化して、予めインストールしておくこともできる。そのため、ＩＰＭ４００の使用先（用途）に応じて、診断ロジックおよび各種設定値を最適化することができる。このような高機能化されたＩＰＭ４００を用いることで、信頼性を向上させることができるとともに、保守費用などの運用コストを低減できる。

［Ｋ．第１１の実施形態］
第１の実施形態において、図１３〜図１６などを参照して説明したように、超音波を用いてパワーモジュール１の劣化を評価する場合には、基準信号強度（基準レベル）および判定しきい値（警告レベル）を、パワーモジュールの種別および製品用途などに応じて、最適化することが好ましい。第１１の実施形態においては、超音波を用いた劣化評価に係る、パワーモジュールのメーカおよびユーザの処理手順について説明する。

図２８は、第１１の実施形態に従うパワーモジュールのメーカおよびユーザの間のスキームを示すフローチャートである。図２８を参照して、超音波を用いた劣化評価を実現するために、メーカ側では、製品の出荷前にステップＳ１０，Ｓ２０，Ｓ３０の処理を実行するとともに、ユーザ側では、取得した製品の使用時にステップＳ４０の処理を実行する。さらに、メーカ側では、ユーザ側から回収できた製品については、ステップＳ５０の処理を実行してもよい。このような一連の処理を繰り返すことで、超音波を用いた劣化評価の信頼性を向上させることができる。図２８を参照して、より具体的な手順について説明する。

ステップＳ１０において、メーカ側では、パワーモジュール１の劣化特性（実験室系）を取得する。測定対象のパワーモジュール１と同種のパワーモジュール１に対して加速寿命試験を行なうことで、設定値を取得する処理が実施される。この加速寿命試験については、専用の試験装置を用いて実施されてもよい。具体的には、加速寿命試験（パワーサイクル試験）を行なって、初期状態および劣化後のそれぞれについて、電気的特性および超音波の測定結果を取得する。上述の図６および図７に示すように、ストレスサイクル数の別に、電気的特性および超音波の測定結果を取得する必要がある。そのため、加速寿命試験において、所定数のストレスサイクル数を与える毎に、試験対象のパワーモジュール１の電気的特性（エミッタ−コレクタ間電圧Ｖｃｅ（オン状態）および熱抵抗の大きさなど）を測定するともに、内部で超音波を発生したときの測定結果を取得する。言い換えれば、電気的特性の測定および超音波測定が繰り返される。

ステップＳ１０の加速寿命試験においては、試験対象のパワーモジュール１の用途毎に代表的な試験条件が設定される。例えば、空調管理下で運転されることが想定されている用途と、屋外で使用されることが想定されている用途とでは、加速寿命試験における温度条件などが変更される。

このような加速寿命試験の試験結果に基づいて、電気的特性劣化に応じた、超音波特性（典型的には、周波数スペクトルまたは特定周波数成分）の変化が把握される。そして、電気的特性劣化と超音波特性の変化との関係に基づいて、ステップＳ２０において、データベースが作成される。すなわち、ステップＳ２０では、ステップＳ１０の加速寿命試験において測定された電気的特性の測定および超音波測定の結果に基づいて、基準信号強度（基準レベル）、判定しきい値（警告レベル）、平均寿命などを含むデータベースが作成される。このデータベースについても、用途毎に作成される。すなわち、劣化モードと超音波特性の変化との関係を示すデータが用途毎に蓄積される。

ステップＳ３０において、パワーモジュール１の劣化を評価するための各種設定値の決定を含む、製品設計が行なわれる。メーカの設計者は、ステップＳ１０およびＳ２０の手順によって蓄積されたデータベースを参照して、用途毎に、製品設計を行なう。この製品設計には、パワーモジュール１の劣化をモニタリングする方法（モニタリング方法）、劣化評価に用いる基準信号強度（基準レベル）の決定、判定しきい値（警告レベル）の設定、インターフェイスの設定などを含む。インターフェイスの設定は、例えば、図１７に示すようなユーザインターフェイス画面に表示する項目およびメッセージの内容などを決定する処理を含む。ステップＳ３０での製品設計が完了すると、その設計値に従って、製品が製造および組み立てられて、ユーザへ出荷される。

ユーザ側で出荷された製品の運転中（実使用中）には、周期的または所定イベント毎に、パワーモジュール１での超音波測定が実施される（ステップＳ４０）。超音波測定の測定結果が警告レベルと比較され、当該測定結果が警告レベルを超過すると、すなわち残り寿命が短くなると、ユーザには警告が通知される。説明の便宜上、ステップＳ４０には、警告を通知する処理のみを開示するが、上述したように、ステップＳ４０においては、図９に示すステップＳ１００〜Ｓ１１４の処理が実行される。必要に応じて、残り寿命をユーザへ通知するような処理が実行されてもよい。

製品の使用に伴う何らかの劣化によって、製品の交換または修理などが実施されると、メーカ側では、そのユーザ側から回収した劣化後の製品の状態を分析する。そして、ステップＳ２０において作成されているデータベースの内容と比較して、かい離がある場合には、データベースの内容を更新する（ステップＳ５０）。このようなフィードバック改善を実行することで、より精度の高いデータベースを構築できる。

図２８に示すスキームを実施した場合には、ユーザ側が更新後のデータベースに対して容易にアクセスできるようなネットワークシステムを実現することが好ましい。以下、このようなネットワークシステムの一例について説明する。

図２９は、図２８に示すスキームを実現するためのネットワークシステムの一例を示す模式図である。図２９を参照して、第１１の実施形態に従うネットワークシステム５００は、メーカ側に設置されたデータベース５１０、および、データベース５１０にネットワーク５２０を介して接続されたクライエント装置５３０−１，５３０−２，…，５３０−Ｎを含む。

メーカ側の設計部門の担当者は、上述したような加速寿命試験によって取得された試験データ（図２８のステップＳ１０）、および、製品設計によって取得された製品設計データ（図２８のステップＳ３０）を用いて、データベース５１０が構築される。各ユーザが使用している製品に応じて、データベース５１０からユーザ側に配置されたクライエント装置５３０−１，５３０−２，…，５３０−Ｎに対して、必要なデータが送信または配信される。このデータの送信または配信の手法はいずれでもよいが、例えば、メーカと保守契約を結んでいるユーザのみがアクセスできるサイトがメーカ側に用意されており、各ユーザが当該サイトにアクセスすることで、保守契約の対象となっている製品に対応するデータが自動的にダウンロードされるようにしてもよい。

さらに、メーカ側の保守部門の担当者は、ユーザ側から回収した製品の状態を分析し、それによって得られた故障解析データでデータベース５１０を更新してもよい。

第１１の実施形態に従うネットワークシステム５００によれば、実験室系の加速寿命試験で取得されたデータに加えて、実際に使用されて劣化した装置から取得されたデータを反映して、必要なデータを常に最新に維持することができる。また、各ユーザは、常に最新のデータを利用することができる。これによって、劣化評価の信頼性を高めることができるとともに、保守費用などの運用コストを一層低減できる。

［Ｌ．まとめ］
上述した実施形態によれば、半導体チップを含むパワーモジュール内部で生じる劣化、特に、温度上昇と下降（加熱と冷却）の繰り返しによる熱的疲労によって生じる、半導体チップとボンディングワイヤとの接合部における剥離などの劣化を、初期状態であっても精度よくモニタリングできる。

上述した実施形態によれば、実使用状態（すなわち、オンライン）で、劣化状況をモニタリングでき、かつ、必要に応じて残り寿命の推定値（定量値）を得ることもできるので、より信頼性を高めた半導体装置を実現できる。これにより、パワーモジュールの運用中に、不意の故障によるシステムトラブルを未然に防止できる。さらに、パワーモジュールを組み込まれたシステム全体の信頼性を向上させるとともに、運用コストを低減できる。

本発明は、特許請求の範囲に記載された範囲内において、複数の実施形態の任意の組み合わせ、いずれかの実施形態に含まれる任意の構成要素の変形、あるいは、いずれかの実施形態に含まれる任意の構成要素の省略が可能である。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ パワーモジュール、２ モータ駆動システム、４ モータ、６，８ 直流母線、１０ 制御回路、１２ 商用電源、２０ コンバータ部、２２ ダイオード、２４，２６，２８，４４，４６，４８ 接続ノード、３０ 平滑コンデンサ、３２ 電流センサ、４０ インバータ部、４２ ゲート駆動回路、５０ システムユニット、５１，５２ 入力端子、５４ 出力端子群、５６ 測定用インターフェイス、５８ 測定用端子群、６０ 測定補助回路、６２ インターフェイス回路、６４ 接続プラグ、７０ 情報処理装置、７２ プロセッサ、７４ メモリ、７６ ハードディスク、７８ 処理プログラム、８０ 表示部、８２，１９２ 入力部、８４ 通信インターフェイス、８６ 光学ドライブ、８８ 光学ディスク、１００ ヒートシンク、１０２ サーマルグリース、１０４ ベースプレート、１０６ ケース部材、１０８ キャップ部、１０９ エポキシ樹脂、１１０ シリコンゲル、１１２，１１４ 主端子、１１６ ベースプレートはんだ、１２０，１２２，１２４，１２６，１２８ ボンディングワイヤ、１３０ システム基板、１３２ 下側電極層、１３４ 絶縁層、１３６，１３８，１３９ 上側電極層、１４０ Ｓｉ−ＩＧＢＴ（ＩＧＢＴ）、１４０Ｃ コレクタ電極、１４０Ｅ エミッタ電極、１４０Ｇ ゲート電極、１４２，１５２，１６２，１７２ チップはんだ、１４６ ゲート端子、１５０ Ｓｉ−ＰＮ接合ダイオード（ダイオード）、１５０Ａ アノード電極、１５０Ｋ カソード電極、１５４，１５６ エミッタセンス端子、１６０ 超音波発生部、１６０Ａ，１６０Ｂ，１６０Ｃ，１６０Ｄ，１６０Ｅ，１６０Ｆ 超音波素子、１６４，１６６，１７４，１７６ リード端子、１７０ 超音波受信部、１８０ 評価制御部、１８２ 信号発生制御部、１８４ 信号発生部、１８６ 信号受信部、１８８ 信号処理部、１９０ 記録部、１９４ 出力表示部、１９６ ゲート制御部、１９８ 回路保護部、２００Ａ，２００Ｂ ユーザインターフェイス画面、２５０ 劣化評価システム、３００ 床下機器、４００ ＩＰＭ、４０２ 主回路部、４０４ 主制御部、４０６ 劣化評価回路部、５００ ネットワークシステム、５１０ データベース、５２０ ネットワーク、５３０ クライエント装置、１６０２，１６１２，１６１４ 基材、１６０４ 基板、１６０６ ｃ軸配向膜、１６０８，１６１０ くし型電極、１６１６，１６１８，１６３６，１６３８ 電極層、１６２０ 振動膜、１６２２，１６２４，１６３２，１６３４ ＭＥＭＳチップ、１６２６ 音響プリズム、１６２８ 切欠部、１８０２ スペクトル生成部、１８０４ 差分スペクトル算出部、１８０６ 積算部、１８０８，１８１６ 劣化状態判定部、１８１０ 周波数成分抽出部、１８１２ 絶対値算出部、１８１４ 差分値算出部、１９０２ 基準スペクトル、１９０４，１９１６ 劣化特性、１９１２ 基準信号強度設定、１９１４ 判定レベル設定。

Claims (20)

1. 基板と、
   前記基板上に配置された半導体チップと、
   超音波を発生する発生部と、
   前記発生部からの超音波を受信する受信部と、
   前記半導体チップ、前記発生部、および前記受信部を覆うパッケージ部材と、
   前記パッケージ部材から露出するとともに、前記発生部と電気的に接続される第１の端子と、
   前記パッケージ部材から露出するとともに、前記受信部と電気的に接続される第２の端子とを備え、
   前記発生部および前記受信部は、前記発生部と前記受信部とを結ぶ超音波伝搬経路が前記半導体チップまたは前記基板の少なくとも一部を通過するように、配置される、半導体装置。
2. 前記発生部は、前記基板上の前記半導体チップが配置された位置とは異なる位置に配置されるとともに、前記基板の表面に沿って伝搬する表面波を発生するように構成される、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記受信部は、前記基板の前記発生部が配置される面と同じ面側に配置される、請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記発生部は、前記基板の第１の面側に配置されるとともに、
   前記受信部は、前記基板の前記第１の面と対向する第２の面側に配置される、請求項１に記載の半導体装置。
5. 各々が独立して超音波を発生する前記発生部が複数配置されるとともに、
   各々が独立して超音波を受信する前記受信部が複数配置される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記発生部および前記受信部は、超音波と電気信号とを相互に変換可能な同一種類の超音波素子からなる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記超音波素子は、
   圧電材料からなる基材と、
   前記基材上に形成された、前記第１および第２の端子と電気的に接続された一対のくし型電極とを含む、請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記超音波素子の基材は、前記半導体チップの基板の所定領域に形成される、請求項７に記載の半導体装置。
9. 前記超音波素子は、前記第１および第２の端子と電気的に接続され、電気信号によって機械的な変位を生じる電気機械変換素子を含み、
   前記電気機械変換素子と機械的に接続された振動膜、または、前記電気機械変換素子そのものが振動することで、超音波が発生する、請求項６に記載の半導体装置。
10. 前記発生部は、前記半導体チップでのパルス的な発熱による膨張収縮を用いて超音波を発生する手段を含む、請求項１に記載の半導体装置。
11. 基板上に配置された半導体チップをパッケージ化した半導体装置の劣化評価方法であって、
    前記半導体装置の内部で超音波を発生するステップと、
    前記半導体装置の内部を伝搬した後の超音波を受信するステップと、
    受信した超音波信号の周波数スペクトルおよび特定の周波数成分の少なくとも一方を用いて、予め定められた設定値を参照して、前記半導体装置の劣化を評価するステップとを含む、劣化評価方法。
12. 前記超音波を発生するステップは、パルス状の超音波を発生するステップを含む、請求項１１に記載の劣化評価方法。
13. 前記超音波を発生するステップは、単一の周波数の超音波を発生するステップを含む、請求項１１に記載の劣化評価方法。
14. 前記半導体装置の劣化を評価するステップは、予め定められた、初期値および劣化状態に対応するしきい値に基づいて、前記半導体装置の劣化の度合い、および、前記半導体装置の残り寿命、の少なくとも一方を決定するステップを含む、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の劣化評価方法。
15. 前記半導体装置と同種の半導体装置に対して加速寿命試験を行なうことで、前記設定値を取得するステップをさらに含む、請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の劣化評価方法。
16. 半導体装置を含むシステムであって、
    基板と、
    前記基板上に配置された１または複数の半導体チップと、
    超音波を発生する発生部と、
    前記発生部からの超音波を受信する受信部とを備え、前記発生部および前記受信部は、前記発生部と前記受信部とを結ぶ超音波伝搬経路が前記１または複数の半導体チップまたは前記基板の少なくとも一部を通過するように配置されており、
    前記１または複数の半導体チップ、前記発生部、および前記受信部を覆うパッケージ部材と、
    受信した超音波信号の周波数スペクトルおよび特定の周波数成分の少なくとも一方を用いて、予め定められた設定値を参照して、前記半導体装置の劣化を評価する劣化評価部とを備える、システム。
17. 前記１または複数の半導体チップ、前記発生部、および前記受信部に加えて、前記劣化評価部についても、前記パッケージ部材によりパッケージ化されている、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記パッケージ部材から露出するとともに、前記劣化評価部との間で情報を遣り取りするための端子をさらに備える、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記劣化評価部は、予め定められた、初期値および劣化状態に対応するしきい値に基づいて、前記半導体装置の劣化の度合い、および、前記半導体装置の残り寿命、の少なくとも一方を決定する、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載のシステム。
20. 前記１または複数の半導体チップは、スイッチング素子を含み、
    前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、
    前記駆動回路を制御する制御回路とさらに備え、
    前記１または複数の半導体チップ、前記発生部、および前記受信部に加えて、前記駆動回路および前記制御回路についても、前記パッケージ部材によりパッケージ化されている、請求項１６〜１９のいずれか１項に記載のシステム。

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