JPH0714948A - パワー半導体モジュール - Google Patents
パワー半導体モジュールInfo
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- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
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- H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
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Abstract
(57)【要約】
【目的】半導体素子および各部品に熱電対を取り付ける
ことによって、装置の使用中の温度を常時モニターし、
各接合部の劣化および装置の冷却状況が把握できる電力
用パワー半導体モジュールを提供すること。 【構成】絶縁基板上に半導体素子および各電極が搭載さ
れ、その絶縁基板が放熱板に固着され全体を樹脂で覆わ
れたパワー半導体モジュールにおいて、半導体素子およ
び各部品に熱電対が取り付けられてなるパワー半導体モ
ジュール。 【効果】使用中の半導体素子および各部品の接合部の温
度を常時モニターできるため、その温度上昇の変化から
接合部の劣化の状況が把握でき、事前に故障を察知でき
る効果がある。
ことによって、装置の使用中の温度を常時モニターし、
各接合部の劣化および装置の冷却状況が把握できる電力
用パワー半導体モジュールを提供すること。 【構成】絶縁基板上に半導体素子および各電極が搭載さ
れ、その絶縁基板が放熱板に固着され全体を樹脂で覆わ
れたパワー半導体モジュールにおいて、半導体素子およ
び各部品に熱電対が取り付けられてなるパワー半導体モ
ジュール。 【効果】使用中の半導体素子および各部品の接合部の温
度を常時モニターできるため、その温度上昇の変化から
接合部の劣化の状況が把握でき、事前に故障を察知でき
る効果がある。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はパワー半導体モジュール
に関するものであり、特に電力用パワー半導体モジュー
ルに関するものである。
に関するものであり、特に電力用パワー半導体モジュー
ルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】電力用パワー半導体モジュールはコレク
タ電極，エミッタ電極，ゲート電極および半導体素子が
絶縁基板に接着剤あるいは半田等で接合され、この絶縁
基板が放熱板に固着され、これら全体が樹脂で覆われた
構造である。すなわち、絶縁基板上にコレクタ電極，エ
ミッタ電極およびゲート電極が直接接着剤で接合される
か、あるいは放熱を考慮して板状の導電材（コレクタ電
極にもなる）に絶縁物を介してエミッタ電極およびゲー
ト電極が半田等で接合され、この導電材が絶縁板に半田
等で接合される場合があり、これらコレクタ電極上に半
導体素子が半田等で接合されている。さらに、半導体素
子上のパッドとエミッタ電極およびゲート電極とがアル
ミニウムワイヤで接続され、絶縁板に放熱板が半田等で
接合されこれら全体が樹脂で覆われている構造である。
タ電極，エミッタ電極，ゲート電極および半導体素子が
絶縁基板に接着剤あるいは半田等で接合され、この絶縁
基板が放熱板に固着され、これら全体が樹脂で覆われた
構造である。すなわち、絶縁基板上にコレクタ電極，エ
ミッタ電極およびゲート電極が直接接着剤で接合される
か、あるいは放熱を考慮して板状の導電材（コレクタ電
極にもなる）に絶縁物を介してエミッタ電極およびゲー
ト電極が半田等で接合され、この導電材が絶縁板に半田
等で接合される場合があり、これらコレクタ電極上に半
導体素子が半田等で接合されている。さらに、半導体素
子上のパッドとエミッタ電極およびゲート電極とがアル
ミニウムワイヤで接続され、絶縁板に放熱板が半田等で
接合されこれら全体が樹脂で覆われている構造である。
【０００３】電力用パワー半導体モジュールは回路に大
電流が流れるため、多量の熱が発生する。この発熱によ
る温度上昇は素子の性能，寿命に影響するばかりではな
く、装置を構成する各部の接合界面の信頼性にも大きく
影響する。そのため、装置は放熱性を重視した部材の選
択ならびに構造をとっている。
電流が流れるため、多量の熱が発生する。この発熱によ
る温度上昇は素子の性能，寿命に影響するばかりではな
く、装置を構成する各部の接合界面の信頼性にも大きく
影響する。そのため、装置は放熱性を重視した部材の選
択ならびに構造をとっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】電力用パワー半導体モ
ジュールにおいて、発熱による各部品の接合界面の信頼
性の確保が重要である。すなわち、装置を構成する各部
品の接合部、例えば銅の放熱板とアルミナ等の絶縁板な
らびにニッケルや銅でできているエミッタ電極およびゲ
ート電極と絶縁板等の熱膨張率の大きく異なる部材の接
合部には、温度の上昇下降にともなって高い熱応力が発
生する。これらの接合は一般には半田で行われている。
半導体装置の長時間の使用により、半田と部材との界面
あるいは半田内に亀裂が発生し、この亀裂が時間ととも
に拡がり、その結果熱抵抗が大きくなって装置全体の温
度が上昇し、性能の低下あるいは使用不能となる。製品
として使用される前に加速試験で接合界面の評価を行い
寿命の予測を行っているが、実際には全ての装置が同じ
条件で使用されることはなく、使用条件によって個々の
寿命のばらつきが大きいと考えられる。使用途中で接合
部の劣化の状態を調べるには使用を一時中断し、装置を
取り出して行わなければならない不便さがともなう。
ジュールにおいて、発熱による各部品の接合界面の信頼
性の確保が重要である。すなわち、装置を構成する各部
品の接合部、例えば銅の放熱板とアルミナ等の絶縁板な
らびにニッケルや銅でできているエミッタ電極およびゲ
ート電極と絶縁板等の熱膨張率の大きく異なる部材の接
合部には、温度の上昇下降にともなって高い熱応力が発
生する。これらの接合は一般には半田で行われている。
半導体装置の長時間の使用により、半田と部材との界面
あるいは半田内に亀裂が発生し、この亀裂が時間ととも
に拡がり、その結果熱抵抗が大きくなって装置全体の温
度が上昇し、性能の低下あるいは使用不能となる。製品
として使用される前に加速試験で接合界面の評価を行い
寿命の予測を行っているが、実際には全ての装置が同じ
条件で使用されることはなく、使用条件によって個々の
寿命のばらつきが大きいと考えられる。使用途中で接合
部の劣化の状態を調べるには使用を一時中断し、装置を
取り出して行わなければならない不便さがともなう。
【０００５】また、電力用パワー半導体モジュールにお
いては、一般にヒートパイプ等で冷却しながら使用す
る。その冷却条件によっても半導体素子および各部品の
温度が変化する。例えば、使用中に冷却能力が低下する
と上記の素子および部品は高温になり、装置の性能の低
下や故障の原因になることもある。そこで、装置の使用
中における半導体素子および部品の温度を常時モニター
できれば、接合部の劣化の状況や冷却能力の状態を知る
ことができ、故障や性能低下を事前に察知できる等の大
きなメリットとなる。
いては、一般にヒートパイプ等で冷却しながら使用す
る。その冷却条件によっても半導体素子および各部品の
温度が変化する。例えば、使用中に冷却能力が低下する
と上記の素子および部品は高温になり、装置の性能の低
下や故障の原因になることもある。そこで、装置の使用
中における半導体素子および部品の温度を常時モニター
できれば、接合部の劣化の状況や冷却能力の状態を知る
ことができ、故障や性能低下を事前に察知できる等の大
きなメリットとなる。
【０００６】従来、電力用パワー半導体モジュールは放
熱性を向上させることに重点がおかれ、長時間使用中の
各接合部の劣化状況を簡単に把握することには注意を払
われなかった。
熱性を向上させることに重点がおかれ、長時間使用中の
各接合部の劣化状況を簡単に把握することには注意を払
われなかった。
【０００７】本発明の目的は、半導体素子および部品の
温度を常時モニターし、使用中の各接合部の劣化の進行
を把握できる機構を具備した電力用パワー半導体モジュ
ールを提供することにある。
温度を常時モニターし、使用中の各接合部の劣化の進行
を把握できる機構を具備した電力用パワー半導体モジュ
ールを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明はパワー半導体モ
ジュールの半導体素子および各部品の温度を測定し、そ
の温度上昇の変化から接合界面の劣化の状況ならびに装
置の冷却状況を把握することにある。
ジュールの半導体素子および各部品の温度を測定し、そ
の温度上昇の変化から接合界面の劣化の状況ならびに装
置の冷却状況を把握することにある。
【０００９】前述したように接合部に亀裂が発生し、そ
れが拡大するとその部分の熱抵抗が大きくなり、素子な
らびに各部品の温度は上昇する。一般に温度が１０℃上
がると寿命が半分になるといわれている。熱抵抗をＲ，
部品の温度上昇をΔＴ，電力消費をＰとすると熱抵抗Ｒ
は、Ｒ＝ΔＴ／Ｐで表される。したがって、温度の上昇
ΔＴを測定すれば熱抵抗がわかる。あらかじめ各接合部
について熱抵抗と亀裂の面積との関係を求めておけば、
測定した熱抵抗値から亀裂の面積を求めることができ
る。
れが拡大するとその部分の熱抵抗が大きくなり、素子な
らびに各部品の温度は上昇する。一般に温度が１０℃上
がると寿命が半分になるといわれている。熱抵抗をＲ，
部品の温度上昇をΔＴ，電力消費をＰとすると熱抵抗Ｒ
は、Ｒ＝ΔＴ／Ｐで表される。したがって、温度の上昇
ΔＴを測定すれば熱抵抗がわかる。あらかじめ各接合部
について熱抵抗と亀裂の面積との関係を求めておけば、
測定した熱抵抗値から亀裂の面積を求めることができ
る。
【００１０】また、電力用パワー半導体モジュールは、
発熱した熱を放熱板にヒートパイプ等を接続して常に逃
がして使用される。この冷却機能が低下すると装置全体
の温度が上がり、故障の原因になる。ここで半導体素子
の温度を常時モニターできれば事前に故障を察知でき
る。
発熱した熱を放熱板にヒートパイプ等を接続して常に逃
がして使用される。この冷却機能が低下すると装置全体
の温度が上がり、故障の原因になる。ここで半導体素子
の温度を常時モニターできれば事前に故障を察知でき
る。
【００１１】温度の測定は熱電対ならびにサーミスタを
用いる。すなわち、パワー半導体モジュールの組立て工
程において、樹脂をモールドする前に測定したい箇所に
熱電対およびサーミスタを取り付け、その一方の端子を
装置の外側に露出させる。その端子から記録計に接続
し、常時温度をモニターする。
用いる。すなわち、パワー半導体モジュールの組立て工
程において、樹脂をモールドする前に測定したい箇所に
熱電対およびサーミスタを取り付け、その一方の端子を
装置の外側に露出させる。その端子から記録計に接続
し、常時温度をモニターする。
【００１２】以上のような電力用パワー半導体モジュー
ルを電力変換装置として使用する場合、モニターされる
温度変化から熱抵抗および亀裂の面積に換算できるシス
テムにすれば瞬時に劣化の状況を把握できる。
ルを電力変換装置として使用する場合、モニターされる
温度変化から熱抵抗および亀裂の面積に換算できるシス
テムにすれば瞬時に劣化の状況を把握できる。
【００１３】
【作用】以上のような本発明によるパワー半導体モジュ
ールにおいては、信頼性が要求される接合部の温度の変
化を、使用中常時モニターできるように装置内に熱電対
を具備している。接合界面に亀裂が発生進展すると熱抵
抗が増大し、温度の上昇が起こり、したがって温度の上
昇の度合を測定することによって亀裂の進行状況がわか
る。
ールにおいては、信頼性が要求される接合部の温度の変
化を、使用中常時モニターできるように装置内に熱電対
を具備している。接合界面に亀裂が発生進展すると熱抵
抗が増大し、温度の上昇が起こり、したがって温度の上
昇の度合を測定することによって亀裂の進行状況がわか
る。
【００１４】
【実施例】実施例１ 図１は本発明の一実施例であるＩＧＢＴモジュールであ
る。その製造工程は、まず１のエミッタ，２のゲートお
よび３のコレクタ電極が設けてある絶縁板４上のコレク
タ電極上に半導体素子５を半田で接着し、半導体素子上
のパッドとエミッタおよびゲート電極とをアルミニウム
ワイヤ６で接続する。次に絶縁板を放熱板７に半田で接
着後、熱電対８の先端を半導体素子，絶縁基板および放
熱基板上に取り付ける。樹脂でできているケース９に接
続されているエミッタ端子１０，ゲート端子１１および
コレクタ端子１２をそれぞれの電極上に半田で接着す
る。熱電対の一端をケースの端子１３に接続し、ケース
をかぶせその中にゲルおよび樹脂を注入し封止してＩＧ
ＢＴモジュールが完成する。
る。その製造工程は、まず１のエミッタ，２のゲートお
よび３のコレクタ電極が設けてある絶縁板４上のコレク
タ電極上に半導体素子５を半田で接着し、半導体素子上
のパッドとエミッタおよびゲート電極とをアルミニウム
ワイヤ６で接続する。次に絶縁板を放熱板７に半田で接
着後、熱電対８の先端を半導体素子，絶縁基板および放
熱基板上に取り付ける。樹脂でできているケース９に接
続されているエミッタ端子１０，ゲート端子１１および
コレクタ端子１２をそれぞれの電極上に半田で接着す
る。熱電対の一端をケースの端子１３に接続し、ケース
をかぶせその中にゲルおよび樹脂を注入し封止してＩＧ
ＢＴモジュールが完成する。
【００１５】実施例２ 図２は本発明の一実施例であるＩＧＢＴモジュールであ
る。その工程は、３のコレクタ電極を兼ねた銅の支持板
に絶縁板４を間に挟んでエミッタおよびゲート電極を半
田で接着する。同様に熱膨張率の小さい金属例えばモリ
ブデン１４を支持板にろう付けし、その金属上に半導体
素子５を半田で接着する。半導体素子上のパッドとエミ
ッタおよびゲート電極とをアルミニウムワイヤ６で接続
し、支持板と放熱板７との間に絶縁板を挟んで半田で接
着する。熱電対８の先端を半導体素子，支持板および放
熱板上に取り付ける。コレクタ端子１２をコレクタ電極
に半田で接着し、熱電対の一端をケースの端子１３に接
続し、ケース９をかぶせその中にゲルおよび樹脂を注入
し封止してＩＧＢＴモジュールが完成する。
る。その工程は、３のコレクタ電極を兼ねた銅の支持板
に絶縁板４を間に挟んでエミッタおよびゲート電極を半
田で接着する。同様に熱膨張率の小さい金属例えばモリ
ブデン１４を支持板にろう付けし、その金属上に半導体
素子５を半田で接着する。半導体素子上のパッドとエミ
ッタおよびゲート電極とをアルミニウムワイヤ６で接続
し、支持板と放熱板７との間に絶縁板を挟んで半田で接
着する。熱電対８の先端を半導体素子，支持板および放
熱板上に取り付ける。コレクタ端子１２をコレクタ電極
に半田で接着し、熱電対の一端をケースの端子１３に接
続し、ケース９をかぶせその中にゲルおよび樹脂を注入
し封止してＩＧＢＴモジュールが完成する。
【００１６】実施例３ 図３は本発明の一実施例のＩＧＢＴモジュールを用いた
電力変換装置である。この場合、本発明のＩＧＢＴモジ
ュールを用い、劣化解析システムを備えることもでき
る。すなわち、半導体素子および各部品の接合部の温度
をモニターできるＩＧＢＴモジュールに温度計測器およ
び温度上昇の度合から熱抵抗さらに亀裂の進行を解析す
るプログラムが組まれたパソコン等のシステムと接続さ
れてなる電力変換装置である。
電力変換装置である。この場合、本発明のＩＧＢＴモジ
ュールを用い、劣化解析システムを備えることもでき
る。すなわち、半導体素子および各部品の接合部の温度
をモニターできるＩＧＢＴモジュールに温度計測器およ
び温度上昇の度合から熱抵抗さらに亀裂の進行を解析す
るプログラムが組まれたパソコン等のシステムと接続さ
れてなる電力変換装置である。
【００１７】実施例４ 図４は、本発明のＩＧＢＴモジュールを用いた電力変換
装置の信頼性を向上するためのシステムの概略を示した
ものである。すなわち、電力変換装置のIGBTモジュール
の温度を常時モニターする温度測定機構とその温度変化
からＩＧＢＴモジュールの劣化の度合を解析する劣化解
析機構とこの解析結果からＩＧＢＴモジュールに通電す
る電力を制御するフィードバック機構からなるシステム
である。このシステムは個々のＩＧＢＴモジュールの劣
化の度合を把握でき、劣化の度合に応じて個々に通電す
る電力量を制御するフィードバック機構の作用で電力変
換装置の高信頼化を図ることができる。
装置の信頼性を向上するためのシステムの概略を示した
ものである。すなわち、電力変換装置のIGBTモジュール
の温度を常時モニターする温度測定機構とその温度変化
からＩＧＢＴモジュールの劣化の度合を解析する劣化解
析機構とこの解析結果からＩＧＢＴモジュールに通電す
る電力を制御するフィードバック機構からなるシステム
である。このシステムは個々のＩＧＢＴモジュールの劣
化の度合を把握でき、劣化の度合に応じて個々に通電す
る電力量を制御するフィードバック機構の作用で電力変
換装置の高信頼化を図ることができる。
【００１８】
【発明の効果】この発明は以上の説明から明らかなよう
に、使用中のパワー半導体モジュール内部の半導体素子
および各部品の接合部の温度を常時モニターできるよう
に装置内に熱電対を具備しており、これによって温度上
昇を測定し装置の劣化がどの程度進行しているのかを把
握できる効果がある。
に、使用中のパワー半導体モジュール内部の半導体素子
および各部品の接合部の温度を常時モニターできるよう
に装置内に熱電対を具備しており、これによって温度上
昇を測定し装置の劣化がどの程度進行しているのかを把
握できる効果がある。
【図１】この発明の一実施例で半導体素子，絶縁基板お
よび放熱板上に熱電対が取り付けられているＩＧＢＴモ
ジュールの概略図である。
よび放熱板上に熱電対が取り付けられているＩＧＢＴモ
ジュールの概略図である。
【図２】この発明の一実施例で放熱効果を高めるための
コレクタ電極を兼ねた支持板を使用し、半導体素子，絶
縁基板および放熱板上に熱電対が取り付けられているＩ
ＧＢＴモジュールの概略図である。
コレクタ電極を兼ねた支持板を使用し、半導体素子，絶
縁基板および放熱板上に熱電対が取り付けられているＩ
ＧＢＴモジュールの概略図である。
【図３】この発明の一実施例で半導体素子、絶縁基板お
よび放熱板上に熱電対が取り付けられているＩＧＢＴモ
ジュールを用いた電力変換装置の回路図である。
よび放熱板上に熱電対が取り付けられているＩＧＢＴモ
ジュールを用いた電力変換装置の回路図である。
【図４】この発明の一実施例で、劣化を解析しその度合
に応じた電力量をＩＧＢＴモジュールに通電するシステ
ムを示す概略図である。
に応じた電力量をＩＧＢＴモジュールに通電するシステ
ムを示す概略図である。
１…エミッタ電極、２…ゲート電極、３…コレクタ電
極、４…絶縁板、５…半導体素子、６…アルミニウムワ
イヤ、７…放熱板、８…熱電対、９…ケース、１０…エ
ミッタ端子、１１…ゲート端子、１２…コレクタ端子、
１３…熱電対端子、１４…モリブデン。
極、４…絶縁板、５…半導体素子、６…アルミニウムワ
イヤ、７…放熱板、８…熱電対、９…ケース、１０…エ
ミッタ端子、１１…ゲート端子、１２…コレクタ端子、
１３…熱電対端子、１４…モリブデン。
Claims (3)
- 【請求項１】放熱板上に固着された絶縁基板およびこの
絶縁基板上に固着された複数の電極と、この電極上にそ
れぞれ固着された複数の半導体素子とこれら全体を樹脂
で覆った構造のパワー半導体モジュールにおいて、上記
各構成部品間の接合部の劣化を推定できる機構が具備さ
れていることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 【請求項２】放熱板上に固着された絶縁基板およびこの
絶縁基板上に固着された複数の電極と、この電極上にそ
れぞれ固着された複数の半導体素子とこれら全体を樹脂
で覆った構造のパワー半導体モジュールにおいて、半導
体素子および各構成部品の温度を測定できる機構が具備
されていることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項３】放熱板上に固着された絶縁基板およびこの
絶縁基板上に固着された複数の電極と、この電極上にそ
れぞれ固着された複数の半導体素子とこれら全体を樹脂
で覆った構造のパワー半導体モジュールにおいて、半導
体素子および各構成部品の温度を測定できる機構が具備
されているパワー半導体モジュールを用いることを特徴
とする電力変換装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5143271A JPH0714948A (ja) | 1993-06-15 | 1993-06-15 | パワー半導体モジュール |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5143271A JPH0714948A (ja) | 1993-06-15 | 1993-06-15 | パワー半導体モジュール |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0714948A true JPH0714948A (ja) | 1995-01-17 |
Family
ID=15334873
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5143271A Pending JPH0714948A (ja) | 1993-06-15 | 1993-06-15 | パワー半導体モジュール |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0714948A (ja) |
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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