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

パワー半導体モジュールの試験用温度測定装置

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JPH11148961A
JPH11148961A JP16033598A JP16033598A JPH11148961A JP H11148961 A JPH11148961 A JP H11148961A JP 16033598 A JP16033598 A JP 16033598A JP 16033598 A JP16033598 A JP 16033598A JP H11148961 A JPH11148961 A JP H11148961A
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thermocouple
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Tomoki Nonaka
智己 野中
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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。
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