JP7287290B2 - 半導体素子診断装置および半導体素子診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子の電圧－電流－温度の特性を利用して、半導体素子の診断を行う技術に関する。

半導体素子（例えば、ＩＧＢＴ）のオン電圧（コレクタ－エミッタ電圧）Ｖｃｅ－オン電流（コレクタ電流）Ｉｃ－デバイス温度Ｔｊの関係はデバイス温度推定や寿命診断に用いられている。ＩＧＢＴのオン電圧Ｖｃｅ－オン電流Ｉｃ－デバイス温度Ｔｊの関係の一例を図８に示す。この関係はデータシート等で与えられる。

オン電圧Ｖｃｅとオン電流Ｉｃの関係はデバイス温度Ｔｊによって変動するが、クロスポイント（ＣＰ）［Ｉｃ＝Ｉｃ，ｃｐ，Ｖｃｅ＝Ｖｃｅ，ｃｐ］ではデバイス温度Ｔｊに依存しない。オン電圧Ｖｃｅは素子の劣化によって変動することが知られており、温度で変動しないクロスポイントＣＰのオン電圧Ｖｃｅを計測することでデバイスの劣化を診断する技術が特許文献１，２に開示されている。

逆に、デバイス温度Ｔｊに依存する領域ではオン電圧Ｖｃｅとオン電流Ｉｃを計測することでデバイス温度Ｔｊを推定することができる。例えば、図９において、計測されたオン電流，オン電圧［Ｉｃ，Ｖｃｅ］の値を［Ｉｃ，ｋ，Ｖｃｅ，ｋ］とする。また、Ｔｊ＝２５℃の曲線においてオン電流Ｉｃ，ｋの時のオン電圧をＶｃｅ２５（Ｉｃ，ｋ）とし、Ｔｊ＝１２５℃の曲線においてオン電流Ｉｃ，ｋの時のオン電圧をＶｃｅ１２５（Ｉｃ，ｋ）とする。［Ｉｃ，ｋ，Ｖｃｅ，ｋ］の時のデバイス温度Ｔｊは、Ｖｃｅ，ｋ、Ｖｃｅ２５（Ｉｃ，ｋ）、Ｖｃｅ１２５（Ｉｃ，ｋ）から以下の（１）式で求められる。

いずれの技術も図８，図９で与えられたＶｃｅ－Ｉｃ－Ｔｊの関係とそこから求まるクロスポイントＣＰ［Ｉｃ，ｃｐ，Ｖｃｅ，ｃｐ］の値をあらかじめ正確に知っておく必要がある。

特開２０１０－２２０４７０号公報 特開２０１４－２３６５３８号公報 特開２０１４－２３２０６２号公報

図１０に示すように、デバイスそのものやオン電流Ｉｃ，オン電圧Ｖｃｅの計測回路の個体差によって実際にその個体の持つ個体値のクロスポイント「ＣＰ個体」は、クロスポイントの標準値「ＣＰ標準」との間にオフセット誤差「ΔＶｃｅ，ｏｆｆｓｅｔ、ΔＩｃ，ｏｆｆｓｅｔ」を有する。

特許文献１，特許文献２はあらかじめ決められたクロスポイントのオン電流Ｉｃ，ｃｐでのオン電圧Ｖｃｅを閾値と比較して劣化の判定を行っている。劣化に依る電圧変動は微小なものであるが、クロスポイントのオン電流Ｉｃ，ｃｐに標準値を用いた場合、オフセット誤差が許容できない大きさになる可能性がある。

恒温槽試験などでデバイスと計測回路ごとに予め電流－電圧－温度の特性を調べてクロスポイントＣＰを得る場合には個体差は問題にならないが、全数について特性を測る試験をする場合にコストが膨大になる。温度推定の場合も同様である。

以上示したようなことから、半導体素子診断装置において、デバイスや検出回路の個体差、標準値からのずれを事前にキャリブレーションすることなく、蓄積されたデータから正確なクロスポイントを取得することが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、 半導体素子のオン電圧とオン電流を組としたデータを蓄積するデータ蓄積部と、前記オン電圧と前記オン電流のデータからクロスポイントを検出するクロスポイント検出処理と、前記クロスポイントの検出に必要なデータ量が得られているか否かを判断するデータ量判断処理と、を行うＣＰ検出部と、を備えたことを特徴とする。

また、その一態様として、前記クロスポイント検出処理は、データ量が最も多い前記オン電圧の範囲と前記オン電流の範囲の組をクロスポイントとすることを特徴とする。

また、他の態様として、前記クロスポイント検出処理は、前記オン電圧と前記オン電流の関係を表すグラフ上で、前記オン電圧が温度に依存するある電流値において、第１オン電圧のサンプルとそのサンプルに連続する時間のサンプルにフィットさせた曲線と、前記第１オン電圧と異なる第２オン電圧のサンプルとそのサンプルに連続する時間のサンプルにフィットさせた曲線の交点をクロスポイントとすることを特徴とする。

また、その一態様として、前記データ量判断処理は、前記オン電圧の値が温度に依存するオン電流代表値での前記オン電圧の最大値と最小値の差を温度バラツキ基準とし、前記温度バラツキ基準が閾値よりも大きいとき、前記クロスポイントの検出に必要なデータ量が得られていると判断することを特徴とする。

また、他の態様として、前記データ量判断処理は、前記オン電圧の値が温度に依存するオン電流代表値での前記オン電圧の分散値を温度バラツキ基準とし、前記温度バラツキ基準が閾値よりも大きいとき、前記クロスポイントの検出に必要なデータ量が得られていると判断することを特徴とする。

また、その一態様として、前記クロスポイントの前記オン電圧の初期値と、前記クロスポイントの前記オン電圧の現在値と、の差に基づいて、前記半導体素子の劣化を診断する劣化診断部を備えたことを特徴とする。

また、その一態様として、前記クロスポイントの標準値と前記ＣＰ検出部で検出した前記クロスポイントのオフセット誤差を求め、前記オフセット誤差補償後の前記オン電圧に基づいて半導体素子の温度を推定する温度推定部を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、半導体素子診断装置において、デバイスや検出回路の個体差、標準値からのずれ、を事前にキャリブレーションすることなく、蓄積されたデータから正確なクロスポイントを取得することが可能となる。

実施形態１，２における半導体素子診断装置を示すブロック図。 データ蓄積部に蓄積されたデータ［Ｖｃｅ，Ｉｃ］の例を示す図。 実施形態１におけるＣＰ検出部の処理を示すフローチャート。 ［Ｖｃｅ，Ｉｃ］の二次元ヒストグラムを示す図。 劣化診断部の動作を示す図。 実施形態２におけるＣＰ検出部の処理を示すフローチャート。 図６のＳ６の処理を示す図。 Ｖｃｅ－Ｉｃ－Ｔｊの関係を示す図。 Ｖｃｅ－Ｉｃ－Ｔｊの関係とデバイス温度の推定を説明する図。 標準値と固体値のＶｃｅ－Ｉｃ－Ｔｊの関係を示す図。

以下、本願発明における半導体素子診断装置の実施形態１，２を図１～図７，図９，図１０に基づいて詳述する。

［実施形態１］
図１に本実施形態１における半導体素子診断装置を示す。本実施形態１の半導体素子診断装置は、データ蓄積部１と、ＣＰ検出部２と、劣化診断部３と、温度推定部４と、を備える。なお、本明細書において、半導体素子の診断とは、クロスポイントの検出、劣化診断、温度推定を含むものとする。

計測されたオン電圧Ｖｃｅとオン電流Ｉｃを組としたデータ［Ｖｃｅ，Ｉｃ］は、データ蓄積部１に蓄積される。ＣＰ検出部２は蓄積されたＮ点のデータ［Ｖｃｅ，Ｉｃ］を使ってその個体の持つクロスポイントＣＰを検出する。劣化診断部３ではＣＰ検出部２で検出されたクロスポイントＣＰと現在のオン電圧Ｖｃｅ、オン電流Ｉｃのデータ［Ｖｃｅ，Ｉｃ］を使ってデバイス（半導体素子）の劣化を診断する。温度推定部４ではＣＰ検出部２で検出されたクロスポイントＣＰと現在のオン電圧Ｖｃｅ、オン電流Ｉｃのデータ［Ｖｃｅ，Ｉｃ］を使ってデバイスの温度Ｔｊを推定する。

図２に、データ蓄積部１に蓄積されたデータ［Ｖｃｅ，Ｉｃ］の例を示す。クロスポイントＣＰは温度に依存しないのでデータのバラつきが少ない。Ｖｃｅ－Ｉｃの関係が温度に依存する電流の代表値をオン電流代表値Ｉｃ，ｔｍｐとした。オン電流代表値Ｉｃ，ｔｍｐ付近のオン電圧Ｖｃｅのデータは温度変化によるバラつきがある。

図３にＣＰ検出部２のフローチャートを示す。ＣＰ検出部２ではデータ［Ｖｃｅ，Ｉｃ］の二次元ヒストグラムを使ってクロスポイントＣＰを推定する。図３のＳ１，Ｓ２ではオン電圧Ｖｃｅとオン電流Ｉｃのデータ［Ｖｃｅ，Ｉｃ］からクロスポイントＣＰを検出するクロスポイント検出処理を行い、Ｓ３～Ｓ５ではクロスポイントＣＰの検出に必要なデータ量が得られているか否かを判断するデータ量判断処理を行う。

まず、Ｓ１において、新しいデータ［Ｖｃｅ，Ｉｃ］のサンプルを追加する。Ｓ２において、追加されたデータ［Ｖｃｅ，Ｉｃ］に対応する二次元ヒストグラムのビンの度数を１プラスする。このＣＰ検出部２では度数が最大のビンとその最大値を保持している。度数が１プラスされたビンの度数が現在の最大値を上回っていれば、度数が最大のビンと最大値を更新する。

温度変動のあるデータから二次元ヒストグラムを作成したとき、クロスポイントＣＰは温度に依存しないため、相対的にクロスポイントＣＰのあるビンの度数が高くなる。よって、データ量が最も多いデータ［Ｖｃｅ，Ｉｃ］のビン（範囲）を選択することでクロスポイントＣＰを検出することができる。図４にオン電圧Ｖｃｅとオン電流Ｉｃの二次元ヒストグラムの例を示す。

Ｓ３において、追加されたデータのオン電流Ｉｃがオン電流代表値Ｉｃ，ｔｍｐか否かを判定する。オン電流Ｉｃがオン電流代表値Ｉｃ，ｔｍｐでない場合はＳ１へ戻る。オン電流Ｉｃがオン電流代表値Ｉｃ，ｔｍｐであればＳ４へ移行する。

Ｓ４では、Ｉｃ＝Ｉｃ，ｔｍｐのときのオン電圧Ｖｃｅにより、温度バラツキ基準Ｖｃｅ，ｔｍｐｖａｒを更新する。温度バラツキ基準Ｖｃｅ，ｔｍｐｖａｒは、同じオン電流代表値Ｉｃ，ｔｍｐにおけるオン電圧Ｖｃｅがどの程度バラついているかを示す値である。例えば、温度バラツキ基準Ｖｃｅ，ｔｍｐｖａｒは、オン電流代表値Ｉｃ，ｔｍｐにおけるオン電圧Ｖｃｅの最大値と最小値の差とする。または、温度バラツキ基準Ｖｃｅ，ｔｍｐｖａｒはオン電流代表値Ｉｃ，ｔｍｐにおけるオン電圧Ｖｃｅの分散値でもよい。

Ｓ５では、温度バラツキ基準Ｖｃｅ，ｔｍｐｖａｒが閾値よりも大きいか否かを判定する。温度バラツキ基準Ｖｃｅ，ｔｍｐｖａｒが閾値よりも大きい場合はクロスポイントＣＰを推定するのに十分な温度変動のあるデータが取れていると判定し、その時点で度数が最大のビンのデータ［Ｖｃｅ，Ｉｃ］をクロスポイントＣＰの推定値［Ｖｃｅ，ｃｐ，Ｉｃ，ｃｐ］として処理を終了する。温度バラツキ基準Ｖｃｅ，ｔｍｐｖａｒが閾値以下の場合は、Ｓ１に戻る。

劣化診断部３の動作を図５に示す。機器を立ち上げて最初に推定されたクロスポイントのオン電圧の初期値Ｖｃｅ，ｃｐ（０）と、現在推定されたクロスポイントのオン電圧の現在値Ｖｃｅ，ｃｐ（ｋ）との差をΔＶｃｅ，ｃｐ（ｋ）とし、これを劣化指標ΔＶｃｅ，ｃｐ，ｔｈｒｅｓｈと比較する。差ΔＶｃｅ，ｃｐ（ｋ）が劣化指標ΔＶｃｅ，ｃｐ，ｔｈｒｅｓｈよりも大きくなったときは故障と判定する。また、現在の差ΔＶｃｅ，ｃｐ（ｋ）と劣化指標ΔＶｃｅ，ｃｐ，ｔｈｒｅｓｈの比から現在の劣化度合い、余寿命を知ることも可能である。

温度推定部４ではまず、図９，図１０のＶｃｅ２５のカーブとＶｃｅ１２５のカーブの交点から求まるクロスポイント（の標準値）ＣＰとＣＰ検出部（クロスポイント検出処理）２で求めたクロスポイントＣＰのオフセット誤差［ΔＶｃｅ，ｃｐ，ΔＩｃ，ｃｐ］を求める。

（１）式のオン電圧のオフセット誤差を補償した上で温度を推定する。具体的には（１）式のＶｃｅ２５（Ｉｃ，ｋ）の項を（Ｖｃｅ２５（Ｉｃ＋ΔＩｃ，ｃｐ）＋ΔＶｃｅ，ｃｐ）、Ｖｃｅ１２５（Ｉｃ，ｋ）の項を（Ｖｃｅ１２５（Ｉｃ＋ΔＩｃ，ｃｐ）＋ΔＶｃｅ，ｃｐ）とする。

以上示したように、本実施形態１によれば、デバイス（半導体素子）や検出回路の個体差、標準値からのずれを事前にキャリブレーションすることなく、蓄積されたデータからオフセット誤差の少ない正確なクロスポイントＣＰを取得することが可能となる。

劣化診断においては、検出されるクロスポイントＣＰの変化量を閾値と比較することで、クロスポイントＣＰの個体差に依るオフセット誤差の影響を受けない。また、閾値と変化量の割合を比較することで故障に至る前の現在の劣化度合いを知ることができる。

温度推定においては、Ｖｃｅ－Ｉｃ－Ｔｊの関係の標準値からのオフセット誤差を補償することにより、より正確に温度を推定することができる。

［実施形態２］
本実施形態２は、実施形態１とＣＰ検出部２のみ異なる。図６に本実施形態２におけるＣＰ検出部２のフローチャートを示す。本実施形態２では、Ｓ３～Ｓ５でクロスポイントＣＰの検出に必要なデータ量が得られているか否かを判断するデータ量判断処理を行い、Ｓ６でオン電圧Ｖｃｅとオン電流ＩｃのデータからクロスポイントＣＰの検出を行うクロスポイント検出処理を行う。

まず、Ｓ１において、新しいデータ［Ｉｃ，Ｖｃｅ］のサンプルを追加する。次に、Ｓ３において、追加されたデータのオン電流Ｉｃがオン電流代表値Ｉｃ，ｔｍｐか否かを判定する。オン電流Ｉｃがオン電流代表値Ｉｃ，ｔｍｐでない場合はＳ１へ戻る。オン電流Ｉｃがオン電流代表値Ｉｃ，ｔｍｐであればＳ４へ移行する。

Ｓ４では、Ｉｃ＝Ｉｃ，ｔｍｐのときのオン電圧により、温度バラツキ基準Ｖｃｅ，ｔｍｐｖａｒを更新する。温度バラツキ基準Ｖｃｅ，ｔｍｐｖａｒは、実施形態１と同様である。

Ｓ５は、温度バラツキ基準Ｖｃｅ，ｔｍｐｖａｒが閾値よりも大きいか否かを判定する。温度バラツキ基準Ｖｃｅ，ｔｍｐｖａｒが閾値よりも大きい場合はクロスポイントＣＰを推定するのに十分な温度変動のあるデータが取れていると判定する。温度バラツキ基準Ｖｃｅ，ｔｍｐｖａｒが閾値以下の場合は、Ｓ１に戻る。

温度バラツキ基準Ｖｃｅ，ｔｍｐｖａｒが閾値を越えたらＳ６に進む。Ｓ６の処理を図７に示す。

図７に示すように、まず、オン電圧Ｖｃｅとオン電流Ｉｃの関係を表すグラフ上で、Ｉｃ＝Ｉｃ，ｔｍｐとなる電流値において、最大のオン電圧（第１オン電圧）Ｖｃｅのサンプルとそのサンプルから連続するＮｈサンプルを抽出する。抽出されたサンプルは図７の右側の「×」で表されるサンプルである。これらは時間が連続しているので近い温度のサンプルになっている。抽出されたサンプルにフィットする曲線を求める（図７の右の点線）。

続いて、オン電圧Ｖｃｅとオン電流Ｉｃの関係を表すグラフ上で、Ｉｃ＝Ｉｃ，ｔｍｐとなる電流値において、最小のオン電圧（第２オン電圧）Ｖｃｅのサンプルとそのサンプルから連続するＮｈサンプルを抽出する。抽出されたサンプルは図７の右側の「＋」で表されるサンプルである。これらは時間が連続しているので近い温度のサンプルになっている。抽出されたサンプルにフィットする曲線を求める（図７の右の破線）。

最後に２つの曲線の交点を求めてクロスポイントＣＰとする。「×」で表されるサンプルと「＋」で表されるサンプルは温度が離れているので、曲線の交点が温度に依存しない点、すなわちクロスポイントＣＰとなる。

以上示したように、本実施形態２は実施形態１と同様の作用効果を奏する。なお、図７ではＩｃ＝Ｉｃ，ｔｍｐとなる電流値において、最大のオン電圧Ｖｃｅを第１オン電圧とし、最小のオン電圧Ｖｃｅを第２オン電圧としたが、第１オン電圧と第２オン電圧が異なる値であれば他のオン電圧Ｖｃｅでもよい。

また、図７のＩｃ，ｔｍｐはオン電圧Ｖｃｅが温度に依存するある電流値であり、図２，図３，図６に示す温度バラツキ基準Ｖｃｅ，ｔｍｐｖａｒを求めるためのオン電流代表値と同じ値でも異なる値であってもよい。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

１…データ蓄積部
２…ＣＰ検出部
３…劣化診断部
４…温度推定部
Ｖｃｅ…オン電圧
Ｉｃ…オン電流
Ｔｊ…デバイス温度
ＣＰ…クロスポイント

Claims (8)

1. 半導体素子のオン電圧とオン電流を組としたデータを蓄積するデータ蓄積部と、
   前記オン電圧と前記オン電流のデータからクロスポイントを検出するクロスポイント検出処理と、前記クロスポイントの検出に必要なデータ量が得られているか否かを判断するデータ量判断処理と、を行うＣＰ検出部と、
   を備えたことを特徴とする半導体素子診断装置。
2. 前記クロスポイント検出処理は、
   データ量が最も多い前記オン電圧の範囲と前記オン電流の範囲の組をクロスポイントとすることを特徴とする請求項１記載の半導体素子診断装置。
3. 前記クロスポイント検出処理は、
   前記オン電圧と前記オン電流の関係を表すグラフ上で、前記オン電圧が温度に依存するある電流値において、第１オン電圧のサンプルとそのサンプルに連続する時間のサンプルにフィットさせた曲線と、前記第１オン電圧と異なる第２オン電圧のサンプルとそのサンプルに連続する時間のサンプルにフィットさせた曲線の交点をクロスポイントとすることを特徴とする請求項１記載の半導体素子診断装置。
4. 前記データ量判断処理は、前記オン電圧の値が温度に依存するオン電流代表値での前記オン電圧の最大値と最小値の差を温度バラツキ基準とし、前記温度バラツキ基準が閾値よりも大きいとき、前記クロスポイントの検出に必要なデータ量が得られていると判断することを特徴とする請求項１～３のうち何れか１項に記載の半導体素子診断装置。
5. 前記データ量判断処理は、前記オン電圧の値が温度に依存するオン電流代表値での前記オン電圧の分散値を温度バラツキ基準とし、前記温度バラツキ基準が閾値よりも大きいとき、前記クロスポイントの検出に必要なデータ量が得られていると判断することを特徴とする請求項１～３のうち何れか１項に記載の半導体素子診断装置。
6. 前記クロスポイントの前記オン電圧の初期値と、前記クロスポイントの前記オン電圧の現在値と、の差に基づいて、前記半導体素子の劣化を診断する劣化診断部を備えたことを特徴とする請求項１～５のうち何れか１項に記載の半導体素子診断装置。
7. 前記クロスポイントの標準値と前記ＣＰ検出部で検出した前記クロスポイントのオフセット誤差を求め、前記オフセット誤差補償後の前記オン電圧に基づいて半導体素子の温度を推定する温度推定部を備えたことを特徴とする請求項１～６のうち何れか１項に記載の半導体素子診断装置。
8. データ蓄積部が、半導体素子のオン電圧とオン電流を組としたデータを蓄積し、
   ＣＰ検出部が、前記オン電圧と前記オン電流のデータからクロスポイントを検出するクロスポイント検出処理と、前記クロスポイントの検出に必要なデータ量が得られているか否かを判断するデータ量判断処理と、
   を行うことを特徴とする半導体素子診断方法。

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