JPH11148961A - パワー半導体モジュールの試験用温度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】パワー半導体モジュールを評価する断続動作試
験で、被試験モジュールの温度変移を高精度で応答性よ
く測定できる温度測定装置を提供する。 【解決手段】被試験の半導体モジュールを載置する冷却
体に熱電温度計を備え、断続動作試験時に被試験モジュ
ールの温度変移を検出するようにしたものにおいて、水
冷式冷却体２に重ねたスペーサ３に被試験モジュール１
を載置した状態でその金属ベース１ｂと接する箇所に、
測温用熱電対７の接点部７ａを担持して金属ベースに押
し付ける接点押付機構８を備え、この接点押付機構８を
シリンダ状の固定ケース８ａと、端面に熱電対接点を担
持して前記固定ケース内に収容した可動体８ｂと、該可
動体と固定ケースの底部との間に介装して熱電対の接点
部を被試験モジュールの金属ベースに押圧するばね部材
８ｃとで構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、パワーエレクト
ロニクス分野でのパワースイッチング素子として使用す
るＩＧＢＴなどのパワートランジスタを対象に、その信
頼性を評価，解析する断続動作試験に用いるパワー半導
体モジュールの温度測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】頭記したパワートランジスタの信頼性試
験の項目の一つに断続負荷動作寿命試験（パワーサイク
ル試験）がある。この試験はパワートランジスタに断続
的に通電し、そのオン，オフの繰り返しに対応する温度
変移からのモジュールの電気的，機械的な耐性を評価，
分析する試験であり、図５に従来使用されている断続動
作試験の温度測定装置を示す。

【０００３】図５において、１は被試験のパワー半導体
モジュール（例えばＩＧＢＴ）、２は水冷式の冷却体、
３は冷却体２の上に重ね合わせてその上に被試験の半導
体モジュール１を載置固定するスペーサ（銅板）、４は
被試験モジュール１の温度を測定する熱電温度計であ
る。ここで、半導体モジュール１は、周知のように外囲
樹脂ケース１ａと組合せた放熱用金属ベース１ｂの上に
セラミックス基板を介して半導体チップ１ｃを搭載し、
その周囲をシリコーンゲルなどで樹脂封止した構成にな
り、断続動作試験時には図示のように金属ベース１ｂを
スペーサ３の上に重ね合わせてボルト５で所定の位置に
固定する。なお、６は被試験モジュール１から放熱体２
に至る放熱経路の接触熱抵抗を低く抑えるために、金属
ベース１ｂとスペーサ３との間，およびスペーサ３と放
熱体２との間に塗布した伝熱コンパウンドである。ま
た、熱電温度計４としては微小なシース型熱電対，ある
いは被覆型熱電対が用いられ、図示のようにスペーサ３
に穿孔した横穴式のトンネル状挿入穴３ａに熱電温度計
４を挿入してその周囲の隙間に伝熱コンパウンドを充填
し、先端の熱電対接点（熱接点）が半導体チップ１ｃの
直下に定めた温度測定地点に対向するように位置決めし
ている。

【０００４】そして、断続動作試験時には半導体チップ
１ｃに対し、例えばオン時間２sec, オフ時間８sec を
１サイクルとして数千サイクル繰り返し断続的に通電
し、これに伴う測定地点の温度の上昇，下降を熱電温度
計４で測定し、半導体チップ１ｃに対する温度リップル
と寿命との関係を求める。なお、冷却体２では試験中に
被試験モジュール１の温度がその製品仕様で規定されて
いる上限温度を超えないように冷却水の水温，流量を調
整する。この断続動作試験の結果から、パワー半導体モ
ジュールの電気的，機械的な耐性を評価，分析して実使
用状態での寿命を推定することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記した熱
電温度計４の配置では、被試験モジュール１の金属ベー
ス１ｂと温度計４の熱電対接点との間の伝熱経路には熱
容量の大きなスペーサ３，伝熱コンパウンド６が介在し
ている。このために、被試験モジュール１から熱電温度
計４に至る伝熱経路の熱抵抗が大きく影響して熱電温度
計４で測定した実測値は、温度測定点（金属ベース１ｂ
における半導体チップ１ｃの直下地点の温度）の実際の
温度よりもかなり低く、しかも半導体チップ１ｃのオ
ン，オフに伴う温度変化に対してもその測定の値に大き
な応答遅れが生じる。したがって、断続動作試験による
被試験モジュールの温度変化の過渡特性を精度よく測定
することができない。

【０００６】この発明は上記の点に鑑みなされたもので
あり、その目的は前記課題を解決し、パワー半導体モジ
ュールの信頼性を評価する断続動作試験で、被試験モジ
ュールの温度変移を高精度で応答性よく測定できるよう
にしたパワー半導体モジュールの試験用温度測定装置を
提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明によれば、被試験の半導体モジュールを載
置する試験装置の冷却体側に熱電温度計を設置し、断続
動作試験時に被試験モジュールの温度を検出するように
したものにおいて、前記冷却体に被試験モジュールを載
置した状態でそのパッケージの温度測定地点に対応する
箇所に、測温用熱電対の接点部を担持してパッケージの
金属ベースに押し付ける接点押付機構を備えるものとし
（請求項１）、具体的には次記のような態様で構成す
る。

【０００８】(1) 前記の接点押付機構を、シリンダ状の
固定ケースと、端面に熱電対接点を担持して前記固定ケ
ース内に収容した可動体と、該可動体と固定ケースの底
部との間に介装して熱電対の接点部を被試験モジュール
の金属ベースに押圧するばね部材とから構成する（請求
項２）。 (2) 前記の接点押付機構を、冷却体，もしくは冷却体の
上に重ねた被試験モジュール取付用スペーサの上面側に
埋設し、熱電対の配線をスペーサの上面に形成した配線
用凹溝を通じて側方に引出すようにする（請求項３）。

【０００９】(3) 前記スペーサの板面に、被試験モジュ
ールに組み込んだ半導体チップの配列に対応した各温度
測定点を結ぶラインに沿って長溝を形成し、かつ該長溝
内にスペーサと同じ板厚のスライド板を移動可能に嵌合
するとともに、該スライド板の上面には前記半導体チッ
プの配列に合わせて複数箇所に接点押付機構を挿入セッ
トする取付穴を形成し、温度測定時に前記取付穴を適宜
選択して接点押付機構を挿入セットする（請求項４）。

【００１０】(4) 前項(3) において、スライド板を、接
点押付機構挿入用の取付穴を形成した長尺スライド板と
短尺スライド板とに分割し、長尺スライド板の位置に合
わせて短尺スライド板を被試験モジュールの金属ベース
板の下面に挿入してモジュールと冷却体との間の放熱面
積を確保するようにする（請求項５）。 上記の構成によれば、被試験モジュールをスペーサの上
にセットした状態では、測温用熱電対の接点部が被試験
モジュールに対しその金属ベースの温度測定点に直接接
触し、かつ接点押付機構により金属ベースに押し付けら
れる。これにより、被試験モジュールの温度測定点と熱
電対の接点部との間の伝熱接触抵抗が小さく、かつ熱電
対の接点部自身の熱容量が非常に小さいので、半導体チ
ップのオン，オフに伴う被試験モジュールの温度変化に
も殆ど遅れなしに素早く応答して温度の過渡特性を精度
よく測定できる。

【００１１】また、前項(3),(4) の構成を採用すること
により、被試験モジュールが複数個組の半導体チップか
らなる場合でも、スライド板に対する接点押付機構の取
付け位置の選択と長尺スライド板の移動を組合せること
で、各半導体チップの配列に対応した金属ベース板の温
度分布を簡単な操作で作業能率よく測定できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
１，図２，および図３に示す実施例に基づいて説明す
る。なお、各実施例の図中で図５に対応する同一部材に
は同じ符号が付してある。 〔実施例１〕図１(a),(b) において、水冷式の冷却体２
に重ね合わせたスペーサ３の上面中央には、ここにセッ
トする被試験モジュール１の半導体チップ１ｃの直下に
位置を合わせて測温用熱電対７の接点部７を担持した接
点押付機構８が埋設（スペーサ３の上面にあらかじめ穴
を穿孔しておき、この穴の中に接点押付機構８を挿入し
てセットする）されている。この接点押付機構８は、図
１(b) で詳細構造を表すように、シリンダ状の固定ケー
ス８ａと、熱電対７の接点部７ａを上面に担持して前記
固定ケース８ａに収容した可動体８ｂと、可動体８ｂと
固定ケース８ａの底部との間に介装して可動体８ｂを上
方へ突き出すよう付勢する圧縮ばね部材（コイルばね，
あるいはゴムなどの弾性体）８ｃとからなり、スペーサ
３に形成した穴の中に前記固定ケース８ａがスペーサ３
の上面と面一となるように設置されている。また、熱電
対７の配線（熱電対補償導線）はスペーサ３の上面に形
成したスリット状の凹溝３ｂの中を通して引き出すよう
にしている。

【００１３】かかる構成で、断続動作試験時には、被試
験モジュール１をその半導体チップ１ｃが前記した接点
押付機構８の直上に位置するようにスペーサ３の上に伝
熱コンパウンド６を塗布してセットし、ボルト５で定す
る。なお、この場合に伝熱コンパウンド６を接点押付機
構８の上面域に塗布しない。このセット状態では、被試
験モジュール１の温度測定点に熱電対７の接点部７ａが
直接接触し、かつばね部材８ｃの加圧力で接点部７ａが
金属ベース１ｂに押し付けられる。なお、この場合に熱
電対７の強度，接触地点の伝熱抵抗を勘案して、接触加
圧力が１０ｇ／mm² 程度になるようにばね部材８ｃのば
ね定数を調整する。

【００１４】〔実施例２〕図２はこの発明の別な実施例
を示すものである。この実施例では、冷却体として空冷
式の放熱フィン９を使用しており、その上面側には実施
例１のスペーサ３と同様に、熱電対７に対する配線用の
凹溝９ａ，および接点押付機構８の取付穴を加工してお
き、ここに熱電対７を敷設してその接点部を接点押付機
構８に担持させる。そして、断続動作試験時には、放熱
フィン９の上にスペーサを介することなく被試験モジュ
ール１を載置し、ボルト５により固定して試験位置にセ
ットする。

【００１５】次に、前記した各実施例の装置を用いて行
った被試験モジュールの断続動作試験の温度測定結果を
従来例と対比して図４に示す。この図は、被試験モジュ
ールに２sec 通電した際の温度過渡特性を表す実測値を
示しており、図中の特性線Ａ（太実腺）は線径φ０．０
２５mmの熱電対を使用した本発明による測定値の時間的
な変移を表し、特性線Ｂ（細実腺）は線径φ０．２mmの
熱電対を使用した本発明による測定値、特性線Ｃ（破
線）は図５で述べた従来装置にによる測定値である。

【００１６】この図から明らかなように、この発明によ
り測定した特性線Ａ，Ｂは、従来の測定方法による特性
線Ｃと較べて半導体チップへの通電ＯＮ，ＯＦＦに対応
する温度測定値の応答遅れが殆どなく、測定精度も遙に
高くなっている。また、この発明による測定でも、線径
φ０．０２５mmの熱電対（特性線Ａ）を用いた場合と線
径φ０．２mmの熱電対（特性線Ｂ）と較べると、温度測
定精度，応答性は線径φ０．０２５mmの極細な熱電対の
方が優れており、これから線径φ０．０２５mmの極細な
熱電対を使用するのがよいことが判る。

【００１７】〔実施例３〕次に、この発明の請求項４，
５に対応する実施例を図３(a),(b) に示す。この実施例
は、パッケージに複数個の半導体チップ１ｃ（図示例で
は半導体チップの数が３個）を組み込んだ被試験モジュ
ール１の温度測定に適用するもので、被試験モジュール
１を搭載するスペーサ３には、横一列に並ぶ半導体チッ
プ１ｃの配列に沿って左右方向に長溝３ｃが形成されお
り、かつこの長溝３ｃの中にはスペーサ３と同じ材質，
同じ板厚で作られた長尺スライド板３ｄ，および２枚の
短尺スライド板３ｅが嵌め込まれており、かつ各スライ
ド板３ｄ，３ｅの上面には長手方向に沿って測温用熱電
対７を敷設する凹溝３ｂが形成されている。

【００１８】ここで、前記の長尺スライド板３ｄの長さ
寸法は被試験モジュール１の一辺の長さｌに合わせて設
定する。また、半導体チップ１ｃの一辺の長さを２×ａ
として、短尺スライド板３ｂの長さｂは前記のａ寸法と
同じに設定し、長溝３ｃの全長をｌ＋２（ａ＋ｂ）とす
る。また、長尺スライド板３ｄの上面には半導体チップ
１ｃの配列に合わせて３箇所に熱電対の接点押付機構８
（図１参照）を挿入セットする取付穴３ｆが分散形成さ
れている。

【００１９】かかる構成で、被試験モジュール１の中央
に並ぶ半導体チップ１ｃの中心に対応する直下位置の温
度測定点で測温する場合には、図示のように長尺スラ
イド板３ｄの中央に穿孔した取付穴３ｆに接点押付機構
８を挿入し、かつ長尺スライド板３ｄを熱電対７の接点
７ａが温度測定点に対向するように位置決めする。な
お、この状態では短尺スライド板３ｅは長尺スライド板
３ｄの両側に並置しておく。次に、温度測定点をモジュ
ールの中央に並ぶ半導体チップ１ｃの周縁部に対応する
測定点に移す場合には、長尺スライド板３ｄを左側へ
寸法ａだけ移動し、この位置で測温する。なお、この場
合に長尺スライド板３ｄが左側へ移動した分を補償する
ように右側に並ぶ短尺スライド板３ｅをモジュール１の
金属ベース板１ｄの下面側に差し込むことにより、被試
験モジュール１と放熱体２との間の放熱経路となるスペ
ーサ２の接触面積が変化しない。続いて、測温地点を隣
合う半導体チップ１ｃの中間地点に移す場合には、長
尺スライド板３ｄを当初の位置から左側へ寸法ａ＋ｂだ
け移動する。なお、この状態では、左側の短尺スライド
板３ｅを長溝３ｃから外して右側に差し替える。

【００２０】さらに、測温地点をモジュール１の左側に
並ぶ半導体チップ１ｃに対応する各測定点〜に移す
場合には、接点押付機構８を長尺スライド板３ｄの左側
に穿孔した取付穴３ｆに移し替えた上で、前記と同じ手
順で長尺スライド板３ｄ，短尺スライド板３ｅを順に移
動して温度測定を行う。これにより、被試験モジュール
１に対してその半導体チップ１ｃの配列に対応した各所
の温度（温度分布）を簡単な操作で作業能率よく測定で
きる。

【００２１】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
被試験モジュールをスペーサの上にセットした状態で、
測温用熱電対の接点部を被試験モジュールの金属ベース
へ直接押圧して接触させた状態で温度測定が行える。し
たがって、被試験モジュールの温度測定点と熱電対の接
点部との間の伝熱接触抵抗が小さく、かつ熱電対の接点
部自身の熱容量が非常に小さいので、半導体チップのオ
ン，オフに伴う被試験モジュールの温度変化にも殆ど遅
れなしに素早く応答して温度の過渡特性を精度よく測定
できる。

【００２２】また、請求項４，５の構成を採用すること
により、被試験モジュールが複数個組の半導体チップか
らなる場合でも、各半導体チップに対応する温度測定地
点に合わせてスライド板への接点押付機構の取付け位
置，およびスライド板の移動を組合せることで、各半導
体チップの配列に対応した金属ベース板の温度分布を簡
単な操作で作業能率よく測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１に対応する温度測定装置の
構成図であり、(a) は被試験モジュールを冷却体にセッ
トした断続動作試験での測温状態図、(b) は(a) 図にお
ける接点押付機構の詳細構造を表す拡大断面図

【図２】この発明の実施例２に対応する温度測定装置の
構成図

【図３】この発明の実施例３に対応する温度測定装置の
構成図であり、(a) は平面図、(b) は側視断面図

【図４】本発明と従来例とを対比して表した断続動作試
験時の温度測定結果を表す図

【図５】従来における温度測定装置の構成図

【符号の説明】

１ パワー半導体モジュール １ｂ 金属ベース １ｃ 半導体チップ ２ 水冷式冷却体 ３ スペーサ ３ｂ 熱電対の配線用凹溝 ３ｃ 長溝 ３ｄ 長尺スライド板 ３ｅ 短尺スライド板 ３ｆ 接点押付機構挿入用の凹溝 ６ 伝熱コンパウンド ７ 熱電対 ７ａ 接点部 ８ 接点押付機構 ８ａ 固定ケース ８ｂ 可動体 ８ｃ ばね部材 ９ 空冷式放熱フィン（冷却体）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】パワー半導体モジュールの信頼性を評価，
   解析する断続動作試験に用いる温度測定装置であり、被
   試験の半導体モジュールを載置する試験装置の冷却体側
   に熱電温度計を設置し、断続動作試験時に被試験モジュ
   ールの温度を検出するようにしたものにおいて、前記冷
   却体に被試験モジュールを載置した状態でそのパッケー
   ジの温度測定地点に対応する箇所に、測温用熱電対の接
   点部を担持してパッケージの金属ベースに押し付ける接
   点押付機構を備えたことを特徴とするパワー半導体モジ
   ュールの試験用温度測定装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の温度測定装置において、接
   点押付機構を、シリンダ状の固定ケースと、端面に熱電
   対接点を担持して前記固定ケース内に収容した可動体
   と、該可動体と固定ケースの底部との間に介装して熱電
   対の接点部を被試験モジュールの金属ベースに押圧する
   ばね部材とから構成したことを特徴とするパワー半導体
   モジュールの試験用温度測定装置。
3. 【請求項３】請求項１，もしくは２に記載の温度測定装
   置において、接点押付機構を冷却体，もしくは冷却体の
   上に重ねた被試験モジュール取付用スペーサの上面側に
   埋設し、熱電対の配線をスペーサの上面に形成した配線
   用凹溝を通じて側方に引出したことを特徴とするパワー
   半導体モジュールの試験用温度測定装置。
4. 【請求項４】請求項３記載の温度測定装置において、ス
   ペーサの板面に、被試験モジュールに組み込んだ半導体
   チップの配列に対応した各温度測定点を結ぶラインに沿
   って長溝を形成し、かつ該長溝内にスペーサと同じ板厚
   のスライド板を移動可能に嵌合するとともに、該スライ
   ド板の上面には前記半導体チップの配列に合わせて接点
   押付機構を挿入セットする取付穴を形成したことを特徴
   とするパワー半導体モジュールの試験用温度測定装置。
5. 【請求項５】請求項４記載の温度測定装置において、ス
   ライド板を、接点押付機構セット用の取付穴を形成した
   長尺スライド板と短尺スライド板とに分割してスペーサ
   の長穴内に挿入したことを特徴とするパワー半導体モジ
   ュールの試験用温度測定装置。