JP7018790B2

JP7018790B2 - パワーデバイスの余寿命診断装置および余寿命診断方法

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Publication number: JP7018790B2
Application number: JP2018047960A
Authority: JP
Inventors: 穣吏神田; 進路馬殿; 裕之石川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-03-15
Filing date: 2018-03-15
Publication date: 2022-02-14
Anticipated expiration: 2038-03-15
Also published as: JP2019158732A

Description

本発明は、パワーデバイスの余寿命診断装置および余寿命診断方法に関する。

従来、パワーデバイスの余寿命診断装置が知られている。たとえば、特開２０１１－１９６７０３号公報（特許文献１）には、温度センサによって検出されたパワー半導体素子の銅ベース温度の温度差を用いて、パワーデバイスの寿命計算を行なうパワーサイクル寿命予測装置が開示されている。当該パワーサイクル寿命予測装置においては、動作温度範囲内を複数の領域（パワーサイクル寿命カーブの直線の傾きが異なる範囲）を個別に分けて、それぞれの領域で基準温度を設定して寿命を算出する。全動作温度範囲について近似した直線の傾きを用いて寿命計算を行う場合に生じる丸め誤差が解消されるため、精度の高い寿命予測が可能となる。

特開２０１１－１９６７０３号公報

発熱源である半導体チップの昇降温が繰り返されること（パワーサイクル）によって、接合部材の膨張および収縮が繰り返される。パワーデバイスの故障は、膨張および収縮が繰り返されることによる接合部材の疲労（サイクル疲労）が主な要因でることが知られている。パワーデバイスの余寿命診断においては、実際にパワーデバイスが稼働している期間（供用期間）において、半導体チップの表面温度（接合部温度）が高精度に検出される必要がある。

特許文献１には、パワー半導体素子の製造過程でチップ内に温度検出用のダイオードを作製し、当該ダイオードの熱特性を使って半導体チップの表面温度を検出することにより、発熱源に極めて近い箇所の温度検出が可能となることが開示されている。

しかし、当該ダイオードの熱特性を使って接合部温度を検出する具体的な構成については開示されていない。また、温度検出用のダイオードがチップに内蔵されていない場合、接合部温度を高精度に検出することが困難になり得る。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、パワーデバイスの余寿命診断の精度を向上させることである。

本発明に係るパワーデバイスの余寿命診断装置は、変換部と、評価変数算出部と、疲労度算出部と、判定部とを備える。パワーデバイスは、半導体チップと、ベースプレートとを備える。半導体チップは、電力が供給されて発熱する。ベースプレートは、半導体チップからの熱が放出される放熱面を有する。ケース温度は、ベースプレートの放熱面の温度である。接合部温度は、半導体チップの表面の温度である。変換部は、第１インピーダンス関数および第２インピーダンス関数を用いて、ケース温度を接合部温度に変換する。第１インピーダンス関数は、半導体チップの発熱量とケース温度とを関係付ける。第２インピーダンス関数は、半導体チップの発熱量と接合部温度とを関係付ける。評価変数算出部は、接合部温度の時系列データから疲労評価変数を算出する。疲労度算出部は、疲労評価変数および疲労特性データから、パワーデバイスの疲労度を算出する。疲労特性データは、疲労評価変数とパワーデバイスの余寿命との対応関係を示す。判定部は、疲労度を受けてパワーデバイスの交換時期が到来したか否かの判定結果を出力する。疲労特性データは、予め実行されたパワーサイクル試験によって得られたパワーデバイスの熱疲労特性データを含む。疲労評価変数は、接合部温度の時系列データにおいて隣接する極値の差を含む。

本発明に係るパワーデバイスの余寿命診断装置によれば、ケース温度に関する第１インピーダンス関数および接合部温度に関する第２インピーダンス関数を用いて、ケース温度を接合部温度に変換することにより、接合部温度を高精度に検出することができる。その結果、パワーデバイスの余寿命診断の精度を向上させることができる。

余寿命診断の対象であるパワーデバイスの実装構造の断面図の一例を示す図である。図１のパワーデバイスの実装構造に対応する熱等価回路である。実施の形態１に係るパワーデバイスの余寿命診断装置の機能を説明するためのブロック図である。図１のパワーデバイスの供用期間中における接合部温度のタイムチャートの一例である。パワーサイクル試験によって得られた図１のパワーデバイスの熱疲労特性データの一例である。図３の余寿命診断装置１において行なわれる処理の流れを説明するためのフローチャートである。図１のパワーデバイスの供用期間中の接合部温度のタイム―チャートの一例である。実施の形態２に係るパワーデバイスの余寿命診断装置の機能を説明するためのブロック図である。パワーサイクル試験によって得られた図１のパワーデバイスの熱疲労特性データの他の例である。図８の余寿命診断装置によって行なわれる処理の流れを説明するためのフローチャートである。図１のパワーデバイスに対するパワーサイクル試験におけるサイクル数と接合部温度との対応関係を示すグラフである。図１のパワーデバイスに対するパワーサイクル試験におけるサイクル数とデバイスチップおよびケース温度の間の飽和熱抵抗との対応関係を示すグラフである。図１のパワーデバイスの第１はんだ層および第２はんだ層に亀裂がそれぞれ生じている様子を示す図である。はんだ材料のバルク材の機械疲労特性データの一例を示す図である。パワーサイクル試験によって得られたパワーデバイスの熱疲労特性データＰｃ１～Ｐｃ３がプロットされたＮｆ－ΔＴｊ平面を示す図である。図１５の熱疲労特性データが図１４の機械疲労特性データによって外挿された得られた疲労特性データを示す図である。はんだ材料のバルク材の機械疲労特性データの他の例を示す図である。パワーサイクル試験によって得られたパワーデバイスの熱疲労特性がプロットされたＮｆ－ΔＴｊ平面を示す図である。図１８の熱疲労特性データが図１７の機械疲労特性データによって外挿された得られた疲労特性データを示す図である。実施の形態４に余寿命診断装置の変換部４１０の機能ブロック図である。規格化された第１インピーダンス関数のタイムチャートである。規格化された第２インピーダンス関数のタイムチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則として繰り返さない。

実施の形態１．
図１は、余寿命診断の対象であるパワーデバイスＭＤの実装構造の断面図の一例を示す図である。図１に示されるように、パワーデバイスＭＤは、ワイヤボンド部ｗｂと、デバイスチップ（半導体チップ）ｓｉと、第１はんだ層ｍ１と、セラミック層ｍ２（はんだ接合層）と、第２はんだ層ｍ３と、ベースプレートｍ４とを含む。ベースプレートｍ４は、不図示の放熱部材（たとえば放熱フィン）に載置されている。セラミック層ｍ２とベースプレートｍ４とは、第２はんだ層ｍ３によって接合されている。デバイスチップｓｉとセラミック層ｍ２とは、第１はんだ層ｍ１によって接合されている。ワイヤボンド部ｗｂの一端は、デバイスチップｓｉの表面にはんだによって接合されている。

パワーデバイスＭＤにおいては、配線構造としてワイヤボンディングが用いられている。パワーデバイスＭＤの配線構造は、ダイレクトリードボンディング（ＤＬＢ：Direct Lead Bonding）が用いられてもよい。また、接合部材ははんだに限定されず、たとえば銀焼結ダイ接合(Silver sintering die attach process)における銀ナノ粒子のように、はんだ以外の材料が用いられてもよい。

デバイスチップｓｉは、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を含む。デバイスチップｓｉの熱は、第１はんだ層ｍ１、セラミック層ｍ２、第２はんだ層ｍ３、およびベースプレートｍ４に亘って形成される放熱経路を通過して、ベースプレートｍ４の放熱面ｈｆからパワーデバイスＭＤの外部へ放出される。

接合部温度Ｔｊは、デバイスチップｓｉの表面（放熱経路の始点近傍）の温度である。ケース温度Ｔｃは、放熱面ｈｆ（放熱経路の終端近傍）の温度である。温度Ｔｓ１は、第１はんだ層ｍ２の温度である。温度Ｔｓ２は、第２はんだ層ｍ３の温度である。温度Ｔｗｂは、ワイヤボンド部ｗｂとデバイスチップｓｉとの接合部分の温度である。接合部温度Ｔｊは、温度Ｔｓ１およびおＴｗｂにほぼ等しい。ケース温度Ｔｃは、温度Ｔｓ２にほぼ等しい。

デバイスチップｓｉのパワーサイクルによって、第１はんだ層ｍ１、第２はんだ層ｍ３、およびワイヤボンド部ｗｂの一端をデバイスチップｓｉに接合しているはんだの膨張および収縮が繰り返される。パワーデバイスＭＤの故障は、膨張および収縮が繰り返されることによるはんだ部材のサイクル疲労が主な要因でることが知られている。パワーデバイスＭＤの余寿命診断においては、供用期間において、パワーデバイスＭＤの接合部温度Ｔｊが高精度に検出される必要がある。

しかし、パワーデバイスＭＤが電力機器に実装されている場合、デバイスチップｓｉは、ベースプレートｍ４上においてモールドされていることが多く、供用期間中に接合部温度Ｔｊを直接的に検出することは困難である場合が多い。

そこで、実施の形態１においては、デバイスチップｓｉの発熱量とケース温度Ｔｃとを関係付ける第１インピーダンス関数、およびデバイスチップｓｉの発熱量と接合部温度Ｔｊとを関係付ける第２インピーダンス関数を用いて、供用期間中においても測定可能なケース温度Ｔｃを、接合部温度Ｔｊに変換する。実施の形態１に係る余寿命診断装置によれば、接合部温度Ｔｊを高精度に検出することができるため、パワーデバイスＭＤの余寿命診断の精度を向上させることができる。

なお、インピーダンス関数（℃／Ｗ）とは、パワーデバイスＭＤの外部からの電力供給に伴うデバイスチップｓｉの発熱に起因する或る温度の上昇、およびその熱応答時間の経過特性のことである。

図２は、図１のパワーデバイスＭＤの実装構造に対応する熱等価回路である。発熱源Ｐｊは、デバイスチップｓｉに含まれる発熱源に対応する。熱抵抗Ｒ１および熱容量Ｃ１は、デバイスチップｓｉの熱抵抗成分および熱容量成分にそれぞれ対応する。熱抵抗Ｒ２および熱容量Ｃ２は、第１はんだ層ｍ１の熱抵抗成分および熱容量成分にそれぞれ対応する。熱抵抗Ｒ３および熱容量Ｃ３は、セラミック層ｍ２の熱抵抗成分および熱容量成分にそれぞれ対応する。熱抵抗Ｒ４および熱容量Ｃ４は、第２はんだ層ｍ３の熱抵抗成分および熱容量成分にそれぞれ対応する。熱抵抗Ｒ５および熱容量Ｃ５は、ベースプレートｍ４の熱抵抗成分および熱容量成分にそれぞれ対応する。熱抵抗Ｒ６および熱容量Ｃ６は、ベースプレートｍ４と放熱部材（不図示）との間に配置された熱伝導材（たとえばグリース材あるいは伝導性ゴム材）の熱抵抗成分および熱容量成分に対応する。熱抵抗Ｒｅｘは、外部熱抵抗に対応する。熱抵抗ｒｐ１，ｒｐ２は、デバイスチップｓｉの部分抵抗成分に対応する。発熱源Ｐｗｂは、ワイヤボンド部ｗｂに含まれる発熱源に対応する。

図２に示されるように、熱抵抗Ｒ１～Ｒ６は、発熱源Ｐｊと熱抵抗Ｒｅｘとの間において直列に接続されている。熱抵抗Ｒｅｘは、熱抵抗Ｒ６と基準温度点ＢＰとの間に接続されている。発熱源Ｐｊは、熱抵抗Ｒ１と基準温度点ＢＰとの間に接続されている。熱容量Ｃ１は、熱抵抗Ｒ１と基準温度点ＢＰとの間に接続されている。熱容量Ｃ２は、熱抵抗Ｒ２と基準温度点ＢＰとの間に接続されている。熱容量Ｃ３は、熱抵抗Ｒ３と基準温度点ＢＰとの間に接続されている。熱容量Ｃ４は、熱抵抗Ｒ４と基準温度点ＢＰとの間に接続されている。熱容量Ｃ５は、熱抵抗Ｒ５と基準温度点ＢＰとの間に接続されている。熱容量Ｃ６は、熱抵抗Ｒ６と基準温度点ＢＰとの間に接続されている。発熱源Ｐｗｂおよび熱抵抗ｒｐ１，ｒｐ２は、熱抵抗Ｒ１および発熱源Ｐｊの接続点と、熱抵抗Ｒ１およびＲ２の接続点との間において、この順に直列に接続されている。

接合部温度Ｔｊは、発熱源ＰｊとＰｗｂとの接続点の温度である。ケース温度Ｔｃは、熱抵抗Ｒ４とＲ５との接続点の温度である。温度Ｔｓ１は、熱抵抗Ｒ１とＲ２との接続点の温度である。温度Ｔｓ２は、熱抵抗Ｒ３とＲ４との接続点の温度である。温度Ｔｗｂは、熱抵抗ｒｐ１とｒｐ２との接続点の温度である。

パワーデバイスＭＤを図２に示される熱等価回路としてとらえた場合、発熱源Ｐｊの発熱量（Ｊ／秒）およびケース温度Ｔｃを関係付けるインピーダンス関数Ｚ_ｊ－ｃ（第１インピーダンス関数）は、当該熱応答回路から導かれる。発熱源Ｐｊの発熱量およびインピーダンス関数Ｚ_ｊ－ｃを用いた畳み込み積分演算によって、ケース温度Ｔｃ（℃）は、以下の式（１）のように表される。

同様に、発熱源Ｐｊの発熱量および接合部温度Ｔｊを関係付けるインピーダンス関数Ｚ_ｊ－ｊ（第２インピーダンス関数）は、図２の熱応答回路から導かれる。発熱源Ｐｊの発熱量およびインピーダンス関数Ｚ_ｊ－ｊを用いた畳み込み積分演算によって、接合部温度Ｔｊ（℃）は、以下の式（２）のように表される。

式（１）から発熱源Ｐｊの発熱量は、以下の式（３）のように表される。

式（３）を式（２）に代入することにより、接合部温度Ｔｊは、以下の式（４）のように表される。

式（４）によれば、インピーダンス関数Ｚ_ｊ－ｃおよびＺ_ｊ－ｊを用いて、ケース温度Ｔｃを接合部温度Ｔｊに変換することができる。

図３は、実施の形態１に係るパワーデバイスの余寿命診断装置１の機能を説明するためのブロック図である。図３に示されるように、余寿命診断装置１は、変換部１１０と、評価変数算出部１２０と、疲労度算出部１３０と、判定部１４０とを備える。余寿命診断装置は、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit)のようなコンピュータによって実現される。

余寿命診断の対象となるパワーデバイスＭＤは、電力機器ＰＤに実装されている。温度センサ５００は、ケース温度Ｔｃを検出して変換部１１０へ出力する。変換部１１０は、式（４）を用いて、ケース温度Ｔｃを接合部温度Ｔｊに変換し、評価変数算出部１２０へ出力する。

評価変数算出部１２０は、接合部温度Ｔｊの時系列データ（図４参照）から、現在の判定時刻に最も近い時刻に形成された時刻ｔｋ１における極大値Ｔｊｍａｘおよび時刻ｔｋ２における極小値Ｔｊｍｉｎの温度差（温度振幅）ΔＴｊを疲労評価変数として算出し、疲労度算出部１３０に出力する。

疲労度算出部１３０は、温度振幅ΔＴｊとパワーデバイスＭＤの余寿命との対応関係を示す疲労特性データから余寿命を算出し、累積損傷分布則（マイナー則）に従って累積疲労度を算出する。疲労特性データは、予め実行されたパワーサイクル試験によって得られたパワーデバイスＭＤの熱疲労特性データ（図５参照）を含む。なお、パワーサイクル試験とは、パワーデバイスに電流を流す状態と流さない状態とを繰り返すことにより、パワーデバイスの温度を予め定められた範囲（温度振幅）において繰り返し昇温および降温させる信頼性試験である。

図５に示されるように、熱疲労特性データは、温度振幅ΔＴｊとパワーデバイスの余寿命である残存サイクル数Ｎｆとを関係付ける。温度振幅ΔＴｊと残存サイクル数Ｎｆとの対応関係は、温度振幅ΔＴｊの温度振幅をＮｆ回繰り返すと、パワーデバイスＭＤが故障することを意味する。温度振幅ΔＴｊｘの１サイクル毎にパワーデバイスＭＤが同程度に疲労していくとした場合、温度振幅ΔＴｊｘに対応する残存サイクル数がＮｘ回である時刻のパワーデバイスＭＤの故障確率Ｄｘは、以下の式（５）のように、残存サイクル数Ｎｘの逆数として表すことができる。

式（５）に示されるように、残存サイクル数Ｎｘは温度振幅ΔＴｊｘによって決定される。そのため、残存サイクル数Ｎｘの逆数である故障確率Ｄｘは、温度振幅ΔＴｊｘを引数とする関数Ｆとして表現される。

マイナー則においては、以下の式（６）に示されるように、各判定時刻の故障確率Ｄｘが累積加算され、パワーデバイスＭＤの累積疲労度Ｄｎが算出される。

再び図３を参照して、疲労度算出部１３０は、累積疲労度Ｄｎを判定部１４０に出力する。判定部１４０は、累積疲労度Ｄｎが閾値Ｄ０（たとえば１）以上であった場合に、パワーデバイスＭＤが故障して交換時期が到来したと判定し、交換信号Ｆａｌｍをアクティブ値（たとえば１）として出力する。

図６は、図３の余寿命診断装置１において行なわれる処理の流れを説明するためのフローチャートである。図６に示される処理は、判定時刻毎に不図示のメインルーチンによって呼び出される。

図６に示されるように、余寿命診断装置１は、ステップ（以下では単に「Ｓ」という。）１０１において、ケース温度Ｔｃを取得し、処理をＳ１０２に進める。余寿命診断装置１は、Ｓ１０２においてケース温度Ｔｃを接合部温度Ｔｊに変換し、処理をＳ１０３に進める。余寿命診断装置１は、Ｓ１０３において現在の判定時刻に最も近い極大値の時刻ｔｋ１、および当該極大値に隣接する極小値の時刻ｔｋ２を検出し、処理をＳ１０４に進める。余寿命診断装置１は、Ｓ１０４において隣接する極値の温度振幅ΔＴｊを算出し、処理をＳ１０５に進める。余寿命診断装置１は、Ｓ１０５において残存サイクル数Ｎｆを算出し、処理をＳ１０６に進める。余寿命診断装置１は、Ｓ１０６において、マイナー則に従う以下の式（７）に従い、累積疲労度Ｄｎを算出し、処理をＳ１０７に進める。

余寿命診断装置１は、Ｓ１０７において、累積疲労度Ｄｎが閾値Ｄ０以上であるか否かを判定する。累積疲労度Ｄｎが閾値Ｄ０未満である場合（Ｓ１０７においてＮＯ）、パワーデバイスＭＤがまだ故障してないとして、余寿命診断装置１は、処理をメインルーチンに戻す。累積疲労度Ｄｎが閾値Ｄ０以上である場合（Ｓ１０７においてＹＥＳ）、パワーデバイスが故障しているとして、交換信号Ｆａｌｍを出力し、処理をメインルーチンに戻す。

なお、Ｓ１０１，Ｓ１０２が変換部１１０によって行なわれる処理である。Ｓ１０３，Ｓ１０４が評価変数算出部１２０によって行なわれる処理である。Ｓ１０５，Ｓ１０６が疲労度算出部１３０によって行なわれる処理である。Ｓ１０７，Ｓ１０８が判定部１４０によって行なわれる処理である。

以上、実施の形態１に係るパワーデバイスの余寿命診断装置によれば、パワーデバイスの余寿命診断の精度を向上させることができる。

実施の形態２．
実施の形態１においては、パワーデバイスの疲労度を算出するための疲労評価変数が接合部温度の隣接する極値Ｔｊｍａｘ，Ｔｊｍｉｎの温度振幅ΔＴｊである場合について説明した。疲労評価変数は、温度振幅ΔＴｊに限定されない。評価疲労変数が温度振幅ΔＴｊ以外の値を含むことにより、余寿命診断の精度をさらに向上させることができる。

再び図４を参照して、接合部温度の隣接する極値の温度振幅ΔＴｊ以外の疲労評価変数として、たとえば極大値Ｔｊｍａｘ、極小値Ｔｊｍｉｎ、極値ＴｊｍａｘおよびＴｊｍｉｎの平均値Ｔｊａｖｅ、および昇降温速度ｄＴｊ／ｄｔ（隣接する極値間の傾き）を挙げることができる。パワーデバイスの使用環境および動作条件をほぼ一定とすることが可能なパワーサイクル試験とは異なり、パワーデバイスの供用期間中においてはパワーデバイスの使用環境あるいは動作条件が変化する。パワーデバイスの使用環境あるいは動作条件の変化に合わせて、温度振幅ΔＴｊと同様にこれらの値も変動する。

図７は、パワーデバイスの供用期間中の接合部温度Ｔｊのタイム―チャートの一例である。図７に示されるように、期間Ｔｒｍ１における温度振幅ΔＴｊ、極大値Ｔｊｍａｘ、極小値Ｔｊｍｉｎ、平均値Ｔｊａｖｅ、および昇降温速度ｄＴｊ／ｄｔは、それぞれ温度振幅ΔＴｊ１、極大値Ｔｊｍａｘ１、極小値Ｔｊｍｉｎ１、平均値Ｔｊａｖｅ１、および昇降温速度ｄＴｊ１／ｄｔである。期間Ｔｒｍ２における温度振幅ΔＴｊ、極大値Ｔｊｍａｘ、極小値Ｔｊｍｉｎ、平均値Ｔｊａｖｅ、および昇降温速度ｄＴｊ／ｄｔは、それぞれ温度振幅ΔＴｊ２、極大値Ｔｊｍａｘ２、極小値Ｔｊｍｉｎ２、平均値Ｔｊａｖｅ２、および昇降温速度ｄＴｊ２／ｄｔである。期間Ｔｒｍ３における温度振幅ΔＴｊ、極大値Ｔｊｍａｘ、極小値Ｔｊｍｉｎ、平均値Ｔｊａｖｅ、および昇降温速度ｄＴｊ／ｄｔは、それぞれ温度振幅ΔＴｊ３、極大値Ｔｊｍａｘ３、極小値Ｔｊｍｉｎ３、平均値Ｔｊａｖｅ３、および昇降温速度ｄＴｊ３／ｄｔである。温度振幅ΔＴｊ、極大値Ｔｊｍａｘ、極小値Ｔｊｍｉｎ、平均値Ｔｊａｖｅ、および昇降温速度ｄＴｊ／ｄｔは、期間Ｔｒｍ１～Ｔｒｍ３毎に異なっている。

供用期間中においては時間経過に伴いパワーデバイスの使用環境あるいは動作条件が変化する。パワーデバイスの使用環境あるいは動作条件の変化に合わせて、温度振幅ΔＴｊ、極大値Ｔｊｍａｘ、極小値Ｔｊｍｉｎ、平均値Ｔｊａｖｅ、および昇降温速度ｄＴｊ／ｄｔも変動する。供用期間中のパワーデバイスの余寿命判断においては、パワーデバイスの使用環境および動作条件の変化が反映されている疲労特性データを参照する必要がある。

そこで、実施の形態２においては、疲労評価変数が、温度振幅ΔＴｊに加えて、昇降温速度ｄＴｊ／ｄｔ、および極大値Ｔｊｍａｘを含む場合について説明する。実施の形態２において疲労特性データは、温度振幅ΔＴｊ、昇降温速度ｄＴｊ／ｄｔ、および極大値Ｔｊｍａｘと、残存サイクル数とを関係付ける。極大値Ｔｊｍａｘに替えて、極小値Ｔｊｍｉｎあるいは平均値Ｔｊａｖｅが用いられてもよい。

実施の形態２においては、実施の形態１の図３，図５，図６が、図８～図１０にそれぞれ置き換えられる。また、実施の形態２においては、疲労評価変数が３つの値を含むことに伴い、実施の形態１の式（５），（６）が以下の式（８），（９）にそれぞれ置き換えられる。

図８は、実施の形態２に係るパワーデバイスの余寿命診断装置２の機能を説明するためのブロック図である。余寿命診断装置２の構成は、図３の余寿命診断装置１の評価変数算出部１２０，疲労度算出部１３０が、評価変数算出部２２０，疲労度算出部２３０にそれぞれ置き換えられた構成である。これら以外の構成は同様であるため、説明を繰り返さない。

図８に示されるように、評価変数算出部２２０は、接合部温度Ｔｊの時系列データから、現在の判定時刻に最も近い時刻に形成された時刻ｔｋ１における極大値Ｔｊｍａｘおよび時刻ｔｋ２における極小値Ｔｊｍｉｎの温度振幅ΔＴｊ、極大値Ｔｊｍａｘ、および昇降温速度ｄＴｊ／ｄｔを疲労評価変数として算出し、疲労度算出部２３０に出力する。

疲労度算出部２３０は、温度振幅ΔＴｊ、極大値Ｔｊｍａｘ、および昇降温速度ｄＴｊ／ｄｔと、パワーデバイスＭＤの余寿命との対応関係を示す疲労特性データから余寿命を算出し、マイナー則に従って累積疲労度を算出する。疲労特性データは、予め実行されたパワーサイクル試験によって得られたパワーデバイスＭＤの熱疲労特性データ（図９参照）を含む。図９に示されるように、熱疲労特性データは、極大値Ｔｊｍａｘおよび昇降温速度ｄＴｊ／ｄｔが決定されると、温度振幅ΔＴｊとパワーデバイスの残存サイクル数Ｎｆとを関係付ける直線として表される。極大値Ｔｊｍａｘおよび昇降温速度ｄＴｊ／ｄｔの組合せ毎に、図９には複数の曲線が示されている。

図１０は、図８の余寿命診断装置２によって行なわれる処理の流れを説明するためのフローチャートである。図１０に示されるフローチャートは、図６に示されるフローチャートのＳ１０４，Ｓ１０５がＳ２０４，Ｓ２０５に置き換えられたフローチャートである。図１０のフローチャートのこれら以外の処理は、図６のフローチャートに含まれる処理と同様である。

図１０に示されるように、余寿命診断装置２は、Ｓ１０１～Ｓ１０３においてケース温度Ｔｃを接合部温度Ｔｊに変換して、隣接する極値Ｔｊｍａｘ，Ｔｊｍｉｎの時刻ｔｋ１，ｔｋ２をそれぞれ検出して処理をＳ２０４に進める。

余寿命診断装置２は、Ｓ２０４において、隣接する極値の温度振幅ΔＴｊ、極大値Ｔｊｍａｘ、および昇降温速度ｄＴｊ／ｄｔを算出して処理をＳ２０５に進める。余寿命診断装置２は、Ｓ２０５において、残存サイクル数Ｎｆを算出し、処理をＳ１０６に進める。

余寿命診断装置２は、Ｓ１０６～Ｓ１０８において、累積疲労度Ｄｎが閾値Ｄ０を超えている場合に交換信号Ｆａｌｍを出力する。

以上、実施の形態２に係るパワーデバイスの余寿命診断装置によれば、パワーデバイスの余寿命診断の精度をさらに向上させることができる。

実施の形態３．
実施の形態１，２においては、疲労特性データが、予め実行されたパワーサイクル試験によって得られたパワーデバイスの熱疲労特性データである場合について説明した。実施の形態３においては、当該熱疲労特性データを、予め実行されたサイクル疲労試験によって得られた、パワーデバイスの構成要素を接合している接合部材（たとえばはんだ）の機械疲労特性データによって外挿する構成について説明する。

疲労評価変数の範囲は、パワーサイクル試験の試験結果の数によって限定される。供用期間中においては、実施の形態２において説明したように、パワーデバイスの使用環境および動作条件の変化に応じて疲労評価変数は変動する。そのため、疲労特性データにおける疲労評価変数の範囲が限定されると、供用期間中の余寿命診断において疲労評価変数をパワーデバイスの余寿命と関連付けられない場合が生じ得る。

ここで、材料のサイクル疲労試験における機械疲労と、パワーデバイスのパワーサイクル試験における熱疲労とは、機械的変位の繰り返しによって蓄積される疲労という点で共通している。また、パワーデバイスが故障するまで一定の温度振幅を繰り返す必要があるパワーサイクル試験と比べて、材料のサイクル疲労試験は当該材料の試験片（バルク材）が破断するまでの時間（サイクル疲労試験に要する時間）が短い。そのため、サイクル疲労試験データの方が豊富に存在していることが知られている。

そこで、実施の形態３においては、パワーサイクル試験によって得られた熱特性データを、予め実行されたサイクル疲労試験によって得られた接合部材の機械疲労特性データによって外挿し、疲労特性データの充実化を図り、疲労特性データにおける疲労評価変数の範囲を広げる。供用期間中に想定される疲労評価変数の範囲が疲労特性データにおいて充分にカバーされため、供用期間中においてパワーデバイスの余寿命診断を安定的に行なうことができる。

実施の形態３と実施の形態１，２との違いは、疲労度算出部が参照する疲労特性データにおいて、予め実行されたパワーサイクル試験によって得られたパワーデバイスの熱疲労特性データが、予め実行されたサイクル疲労試験によって得られた接合部材の機械疲労特性データによって外挿されている点である。それ以外の構成は同様であるため、説明を繰り返さない。

図１１は、図１のパワーデバイスＭＤに対するパワーサイクル試験におけるサイクル数と接合部温度Ｔｊとの対応関係を示すグラフである。図１２は、図１のパワーデバイスＭＤに対するパワーサイクル試験におけるサイクル数とデバイスチップｓｉおよびケース温度Ｔｃの間の飽和熱抵抗Ｒｔｈ_ｊ－ｃとの対応関係を示すグラフである。図１１，図１２においては、パワーサイクル試験を開始してから、パワーデバイスＭＤが故障する直前までの対応関係が示されている。

図１１に示されるように、接合部温度Ｔｊは、パワーサイクル試験の開始からサイクル数Ｎ_Ｔｊ１までは、安定的に変化している。しかし、接合部温度Ｔｊは、サイクル数Ｎ_Ｔｊ１において急激に増加した後、パワーデバイスが故障するまで増加する。図１１のサイクル数Ｎ_Ｔｊ１～Ｎ_Ｔｊ４において生じる接合部温度Ｔｊの離散的な増加（ステップ変化）は、デバイスチップｓｉからのワイヤボンド部ｗｂの剥離（リフトオフ）が生じたことを示している。すなわち、接合部温度Ｔｊは、サイクル数Ｎ_Ｔｊ１までは安定的に変化するが、サイクル数Ｎ_Ｔｊ１以降は、悪化する。

図１２に示されるように、飽和熱抵抗Ｒｔｈ_ｊ－ｃは、パワーサイクル試験の開始からサイクル数Ｎ_Ｒｔｈまでは、安定的に変化している。しかし、飽和熱抵抗Ｒｔｈ_ｊ－ｃは、サイクル数Ｎ_Ｒｔｈにおいて急激に増加した後、パワーデバイスが故障するまで増加する。サイクル数Ｎ_Ｒｔｈにおいては、第１はんだ層ｍ１に発生した亀裂が放熱経路に達してデバイスチップｓｉから放熱面ｈｆまでの熱伝達が妨げられることで、飽和熱抵抗Ｒｔｈ_ｊ－ｃが急激に増加している。すなわち、飽和熱抵抗Ｒｔｈ_ｊ－ｃは、サイクル数Ｎ_Ｒｔｈまでは安定的に変化するが、サイクル数Ｎ_Ｒｔｈ以降は、悪化する。

パワーデバイスの保守交換タイミングは、接合部温度Ｔｊまたは飽和熱抵抗Ｒｔｈ_ｊ－ｃが悪化する直前が望ましい。保守交換タイミングは、第１はんだ層の劣化がワイヤボンド部ｗｂのリフトオフよりも先に発生する場合はサイクルＮ_Ｒｔｈであり、ワイヤボンド部ｗｂのリフトオフが第１はんだ層の劣化よりも先に発生する場合はサイクルＮ_Ｔｊである。そのため、パワーデバイスの保守交換タイミングは、パワーデバイスＭＤの使用環境および動作条件に合わせて適宜選択される必要がある。

図１３は、図１のパワーデバイスＭＤの第１はんだ層ｍ１および第２はんだ層ｍ３にそれぞれ亀裂ｋ１，ｋ２が生じている様子を示す図である。デバイスチップｓｉからベースプレートｍ４に向けて放熱サイクルが繰り返されるので、パワーデバイスＭＤの実装構造の各層の界面では，膨張および収縮に伴う応力ひずみが発生する。その結果、第１はんだ層ｍ１および第２はんだ層ｍ２の端部に応力集中が発生して当該端部から亀裂ｋ１，ｋ２がそれぞれ発生する。亀裂ｋ１，ｋ２は、パワーデバイスＭＤの内部に向かって進行する。デバイスチップｓｉから放熱面ｈｆに至る放熱経路Ｓｑに亀裂ｋ１，ｋ２が達すると、放熱経路Ｓｑの熱抵抗の急激な増加として亀裂ｋ１，ｋ２の発生が顕在化する。亀裂ｋ１，ｋ２の発生が顕在化のタイミングは、図１２のサイクル数Ｎ_Ｒｔｈにおける飽和熱抵抗Ｒｔｈ_ｊ－ｃの急激な増加に対応する。

パワーデバイスＭＤの動作寿命は、パワーデバイスＭＤの使用を開始したタイミングから保守交換するタイミングまでの期間と定義してよい。また、パワーデバイスＭＤの劣化プロセスでは、ワイヤボンド部ｗｂの接合点、第１はんだ層ｍ１、および第２はんだ層ｍ３のそれぞれの部位の疲労が同時に蓄積されていくことを意味する。そのため、３つの疲労事象の相互作用を総合的に考慮しながら、動作寿命を決定する必要がある。しかし、パワーサイクル試験の実験データが少ない場合、３つの疲労事象の相互作用にはさまざまなパターンがあり得るため、当該相互作用がパワーサイクル試験によって得られた熱疲労特性データに反映されにくい。

そこで、実施の形態３においては、パワーサイクル試験によって得られた熱疲労特性データを、はんだ材料のバルク材に関する機械疲労特性データによって外挿する。

図１４は、はんだ材料のバルク材の機械疲労特性データの一例を示す図である。図１４における横軸の強制変位量Δδおよび縦軸のひずみ範囲Δεは、熱疲労特性データの温度振幅ΔＴｊおよび残存サイクル数Ｎｆにそれぞれ対応する。図１４においては、強制変位量Δδおよびひずみ範囲Δεの対応関係を示す１つの曲線が示されている。

図１５は、パワーサイクル試験によって得られたパワーデバイスの熱疲労特性データＰｃ１～Ｐｃ３がプロットされたＮｆ－ΔＴｊ平面を示す図である。点Ｐｃ１～Ｐｃ３の各々が、パワーサイクル試験の結果を表している。図１５に示される熱疲労特性データに図１４に示される機械疲労特性データの曲線を最小二乗フィッティングにより当てはめることにより熱疲労特性データが外挿され、図１６に示される疲労特性データが形成される。その結果、パワーサイクル試験に得られたパワーデバイスの熱疲労特性データによっては推定が困難な範囲においても、温度振幅ΔＴｊと残存サイクル数Ｎｆとの対応関係を形成することができる。

実施の形態３においても疲労評価変数は、実施の形態２と同様に温度振幅ΔＴｊに加えて他の値をさらに含んでいてもよい。以下では、疲労評価変数が温度振幅ΔＴｊに加えて昇降温速度ｄＴｊ／ｄｔ、および極大値Ｔｊｍａｘをさらに含む場合について説明する。

図１７は、はんだ材料のバルク材の機械疲労特性データの他の例を示す図である。図１７においては、強制変位量Δδおよびひずみ範囲Δεの対応関係を示す曲線Ｆ１～Ｆ４が示されている。図１８は、パワーサイクル試験によって得られたパワーデバイスの熱疲労特性データＰｃ１１～Ｐｃ１４がプロットされたＮｆ－ΔＴｊ平面を示す図である。点Ｐｃ１１～Ｐｃ１４の各々が、パワーサイクル試験の結果を表している。

図１７に示される熱疲労特性データに図１６に示される機械疲労特性データの曲線Ｆ１～Ｆ４を最小二乗フィッティングにより当てはめることにより熱疲労特性データが外挿され、図１９に示される疲労特性データが形成される。図１９における曲線Ｆ１１～Ｆ１４は、図１６の曲線Ｆ１～Ｆ４が図１７にそれぞれ当てはめられた曲線に対応する。その結果、パワーサイクル試験に得られたパワーデバイスの熱疲労特性データによっては推定が困難な範囲においても、温度振幅ΔＴｊ、降温速度ｄＴｊ／ｄｔ、および極大値Ｔｊｍａｘと残存サイクル数Ｎｆとの対応関係を形成することができる。

以上、実施の形態３に係るパワーデバイスの余寿命診断装置によれば、パワーデバイスの余寿命診断の精度を向上させることができるとともに、余寿命診断を安定的に行なうことができる。

実施の形態４．
実施の形態１～３においては、パワーデバイスの熱等価回路を用いてケース温度Ｔｃを接合部温度Ｔｊに変換する場合について説明した。この場合、熱等価回路の熱回路要素（熱抵抗Ｒ１～Ｒ７，Ｒｅｘ，ｒｐ１，ｒｐ２および熱容量Ｃ１～Ｃ６）の各数値を構造部材の熱物性値および形状寸法から算出する必要がある。

実施の形態４においては、予め行なわれた実験によって得られたインピーダンス関数曲線を形成する時系列データをインピーダンス関数として用いて、実際に検出されたケース温度Ｔｃを内部モデル制御によるシミュレーションによって接合部温度Ｔｊに変換する。実施の形態４によれば、熱等価回路の熱回路要素の各数値を構造部材の熱物性値および形状寸法から算出する手間を省くことができる。

実施の形態４に係る余寿命診断装置の構成は、図３の余寿命診断装置１の変換部１１０が変換部４１０に置き換えられた構成である。これ以外の構成は同様であるため、説明を繰り返さない。

図２０は、実施の形態４に余寿命診断装置の変換部４１０の機能ブロック図である。図２０に示されるように、変換部４１０は、デバイスモデル演算部４１１と、温度電力変換部４１２と、レギュレータ４１３と、ケース温度算出部４１４と、接合部温度算出部４１５と、一時記憶部４１６とを備える。

検出されたケース温度Ｔｃの時系列データは、一時記憶部４１６に記憶される。一時記憶部４１６には、少なくとも予測時間差Δｈの間に検出されたケース温度Ｔｃの時系列データが記憶される。すなわち、時刻ｔｋに一時記憶部４１６に記憶されたケース温度Ｔｃの検出値は、時刻ｔｋからΔｈ秒後にレギュレータ４１３に出力される。

レギュレータ４１３は、実際に検出されたケース温度Ｔｃを一時記憶部４１６から受け、デバイスモデル演算部４１１からモデル温度Ｔｍｖを受け、ケース温度算出部４１４からケース温度Ｔｃの推定値であるプロセス温度Ｔｃ＊を受けて、操作温度Ｔｏｖをデバイスモデル演算部４１１および温度電力変換部４１２に出力する。

デバイスモデル演算部４１１は、外乱を考慮しないモデルとして予め定められた独立モデルに基づいて予測モデル制御を行なう。デバイスモデル演算部４１１は、サンプリング時刻ｉｉより１サンプリング時間前のサンプリング時刻（ｉｉ－１）の操作温度Ｔｏｖ、サンプリング時刻（ｉｉ－１）のモデル温度Ｔｍｖ、およびインピーダンス関数Ｒ（１）を用いて、以下の式（１０）に従って演算し、今回のサンプリング時刻ｉｉにおけるケース温度Ｔｃの予測値であるモデル温度Ｔｍｖをレギュレータ４１３および温度電力変換部４１２に出力する。インピーダンス関数Ｒ（１）は、図２１に示される規格化されたインピーダンス関数Ｚ_ｊ－ｃの曲線を形成する時系列データの先頭データである。インピーダンス関数を規格化することにより、パワーデバイスにより異なる電力容量－昇温特性に影響されることなく処理を行なうことができる。

温度電力変換部４１２は、レギュレータ４１３からの操作温度Ｔｏｖを操作電力Ｕに変換する。温度電力変換部４１２は、操作電力Ｕをケース温度算出部４１４および接合部温度算出部４１５に出力する。

ケース温度算出部４１４は、サンプリング時刻ｉｉまでに受けた操作電力Ｕと、図２１に示されるインピーダンス関数Ｚ_ｊ－ｃの曲線を形成する時系列データＺ_ｊ－ｃ（ｋ）とを用いて、以下の式（１１）に従って、サンプリング時刻ｉｉにおけるケース温度Ｔｃの推定値であるプロセス温度Ｔｃ＊を算出し、レギュレータ４１３に出力する。

レギュレータ４１３は、サンプリング時刻ｉｉから予測時間差Δｈが経過したサンプリング時刻（ｉｉ＋Δｈ）までのモデル温度Ｔｍｖの変化量Δｍを以下の式（１２）に従って算出する。

式（１２）の第１項は、モデル温度Ｔｍｖのサンプリング時刻ｉｉから予測時間差Δｈが経過するまでの自然放熱寄与分である。式（１２）の第２項は、強制加熱寄与分である。式（１２）の第３項は、サンプリング時刻ｉｉのモデル温度Ｔｖである。

レギュレータ４１３は、サンプリング時刻ｉｉからサンプリング時刻（ｉｉ＋Δｈ）までのプロセス温度Ｔｃ＊の変化量Δｐを、以下の式（１３）に従って算出する。式（７）においてＫ（Δｈ）は制御係数である。

レギュレータ４１３は、実際に検出されたケース温度Ｔｃと、サンプリング時刻ｉｉにおけるケース温度の推定値であるプロセス温度Ｔｃ＊とを用いて、プロセス温度Ｔｃ＊が実際に検出されたケース温度Ｔｃのプロファイルに追従するように、サンプリング時刻ｉｉの予測値であるモデル温度Ｔｍｖを補正した値をサンプリング時刻ｉｉの操作温度Ｔｏｖとして算出する。具体的には、レギュレータ４１３は、変化量Δｍと変化量Δｐとが一致するように、以下の式（１４）に従ってサンプリング時刻ｉｉにおける操作温度Ｔｏｖを算出する。レギュレータ４１３は、デバイスモデル演算部４１１、および温度電力変換部４１２へ操作温度Ｔｏｖを出力する。

デバイスモデル演算部４１１、温度電力変換部４１２、レギュレータ４１３、およびケース温度算出部４１４による同時処理が、サンプリング時刻毎に再帰的に実施される。式（１０）～（１４）による計算は、予測時間差Δｈ時間経過後のケース温度Ｔｃおよびインピーダンス関数Ｚ_ｊ－ｃの情報を用いた予測モデル制御に基づいている。

接合部温度算出部４１５は、サンプリング時刻ｉｉまでに受けた操作電力Ｕと、図２２に示される規格化されたインピーダンス関数Ｚ_ｊ－ｊの曲線を形成する時系列データＺ_ｊ－ｊ（ｋ）を用いて、以下の式（１５）に従って、サンプリング時刻ｉｉにおける接合部温度Ｔｊを算出し、評価変数算出部に出力する。

以上、実施の形態４に係るパワーデバイスの余寿命診断装置によれば、パワーデバイスの余寿命診断の精度を向上させることができる。

なお、実施の形態１～４に係る余寿命診断装置によれば、はんだ層の劣化のみならず、ワイヤボンド部の接合部分の劣化も高精度に検出することができる。

今回開示された各実施の形態は、矛盾しない範囲で適宜組み合わせて実施することも予定されている。今回開示された実施の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て特許請求の範囲によって示され、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。

１，２寿命診断装置、１１０，４１０変換部、１２０，２２０評価変数算出部、１３０，２３０疲労度算出部、１４０判定部、４１１デバイスモデル演算部、４１２温度電力変換部、４１３レギュレータ、４１４ケース温度算出部、４１５接合部温度算出部、４１６一時記憶部、５００温度センサ、ＭＤパワーデバイス、ＰＤ電力機器、Ｐｊ，Ｐｗｂ発熱源、ｈｆ放熱面、ｍ１第１はんだ層、ｍ３第２はんだ層、ｍ４ベースプレート、ｓｉデバイスチップ、ｔｋ，ｔｋ１，ｔｋ２時刻、ｗｂワイヤボンド部。

Claims

パワーデバイスの余寿命診断装置であって、
前記パワーデバイスは、
電力が供給されて発熱する半導体チップと、
前記半導体チップからの熱が放出される放熱面を有するベースプレートとを備え、
前記パワーデバイスの余寿命診断装置は、
前記半導体チップの発熱量と前記放熱面の温度であるケース温度とを関係付ける第１インピーダンス関数、および前記発熱量と前記半導体チップの表面の温度である接合部温度とを関係付ける第２インピーダンス関数を用いて、前記ケース温度を前記接合部温度に変換する変換部と、
前記接合部温度の時系列データから疲労評価変数を算出する評価変数算出部と、
前記疲労評価変数と前記パワーデバイスの余寿命との対応関係を示す疲労特性データから、前記パワーデバイスの疲労度を検出する疲労度算出部と、
前記疲労度を受けて前記パワーデバイスの交換時期が到来したか否かの判定結果を出力する判定部とを備え、
前記疲労特性データは、予め実行されたパワーサイクル試験によって得られた前記パワーデバイスの熱疲労特性データを含み、
前記疲労評価変数は、前記時系列データにおいて隣接する極値の差を含む、パワーデバイスの余寿命診断装置。
前記疲労評価変数は、前記接合部温度、および前記接合部温度の昇降温速度をさらに含む、請求項１に記載のパワーデバイスの余寿命診断装置。
前記パワーデバイスは、接合部材によって前記半導体チップに接合された構成要素をさらに備え、
前記疲労特性データは、前記熱疲労特性データが、予め実行されたサイクル疲労試験によって得られた前記接合部材の機械疲労特性データによって外挿されたデータである、請求項１または２に記載のパワーデバイスの余寿命診断装置。
前記構成要素は、はんだ接合層およびワイヤボンドの少なくとも１つを含む、請求項３に記載のパワーデバイスの余寿命診断装置。
前記変換部は、
操作温度を算出するレギュレータと、
前記操作温度を操作電力に変換する温度電力変換部と、
予め定められたモデルにおいて、前記操作温度と、前記第１インピーダンス関数とを用いて、前記ケース温度の予測値であるモデル温度を算出するモデル演算部と、
前記操作電力と、前記第１インピーダンス関数とを用いて、前記ケース温度の推定値であるプロセス温度を算出するケース温度算出部と、
前記操作電力と、前記第２インピーダンス関数とを用いて、前記接合部温度を算出する接合部温度算出部とを含み、
前記レギュレータは、今回のサンプリング時刻から予測時間差だけ経過後のサンプリング時刻までの前記モデル温度の変化量と前記プロセス温度の変化量とが等しくなるように前記操作温度を算出する、請求項１～４のいずれか１項に記載のパワーデバイスの余寿命診断装置。
パワーデバイスの余寿命診断方法であって、
前記パワーデバイスは、
電力が供給されて発熱する半導体チップと、
前記半導体チップからの熱が放出される放熱面を有するベースプレートとを備え、
前記パワーデバイスの余寿命診断方法は、
前記半導体チップの発熱量と前記放熱面の温度であるケース温度とを関係付ける第１インピーダンス関数、および前記発熱量と前記半導体チップの表面の温度である接合部温度とを関係付ける第２インピーダンス関数を用いて、前記ケース温度を前記接合部温度に変換するステップと、
前記接合部温度の時系列データから疲労評価変数を算出するステップと、
前記疲労評価変数と前記パワーデバイスの余寿命との対応関係を示す疲労特性データから、前記パワーデバイスの疲労度を検出するステップと、
前記疲労度を受けて前記パワーデバイスの交換時期が到来したか否かの判定結果を出力するステップとを含み、
前記疲労特性データは、予め実行されたパワーサイクル試験によって得られた前記パワーデバイスの熱疲労特性データを含み、
前記疲労評価変数は、前記時系列データにおいて隣接する極値の差を含む、パワーデバイスの余寿命診断方法。