WO2011155032A1 - クラック特定装置と半導体装置 - Google Patents

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crack
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歳田寿充
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トヨタ自動車株式会社
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    • H01L2924/35—Mechanical effects
    • H01L2924/351—Thermal stress

Definitions

  • the present invention relates to a crack identifying device that detects the presence or absence of a crack that may occur in a solder layer that connects an element of a semiconductor device and a connected member such as a substrate, and a semiconductor device including the crack identifying device.
  • a conventional semiconductor device mounting structure will be described with reference to FIG.
  • a semiconductor element in which a circuit board c is fixed to one side surface of an insulating substrate d made of an aluminum nitride (AlN) plate, a pure aluminum plate or the like and is electrically connected to a lead frame f leading to an external electrode.
  • a and a circuit board c are fixed via a solder layer b, and a heat radiating plate e (heat sink) for radiating heat from the semiconductor element a via the circuit board c (Q direction) on the other side of the insulating substrate d
  • the semiconductor device H is configured. There are various forms of the semiconductor device other than the illustrated example.
  • a form in which a cooler or the like is brazed under the heat sink a form in which the illustrated apparatus is potted with a sealing resin body, a semiconductor
  • the element is brazed to a heat sink or a lead frame.
  • the semiconductor elements are connected through a solder layer such as a substrate, and the semiconductor device has a multilayer laminated structure of various components.
  • the linear expansion coefficient (or linear expansion coefficient) of a semiconductor element is about 3 ppm / K
  • the linear expansion coefficient of a circuit board or an insulating substrate is about 4 to 5 ppm / K
  • the linear heat expansion coefficient of an aluminum heat sink is The coefficient of linear expansion is very different for each component, about 25 ppm / K.
  • Patent Document 1 the temperature of each part is detected by the temperature detection elements arranged at the central part and the peripheral end of the semiconductor element, and cracks are generated due to the temperature difference.
  • a method of detecting is disclosed.
  • This detection method focuses on the fact that the thermal resistance of the cracked part increases and the heat dissipation is hindered, and the temperature rises due to this, and one part is compared to the other part. This is a method of identifying that a crack has occurred in this part when the temperature rises.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and a crack that can accurately and accurately identify that a crack has occurred in a solder layer that connects an element of a semiconductor device and a connected member such as a substrate.
  • An object is to provide a specific device and a semiconductor device including the crack specific device.
  • the crack identification apparatus is a crack identification apparatus that identifies whether or not a crack has occurred in a solder layer in a semiconductor device in which at least a semiconductor element is connected to a connected member via a solder layer.
  • a specific device comprising a generator that is fixed to a member constituting the semiconductor device and generates a magnetic field, and a detector that is disposed in the solder layer and detects the magnitude of the magnetic field, and is generated in the generator
  • the magnetic field is detected by the detection unit, and it is determined that a crack has occurred in the solder layer when the magnitude of this magnetic field changes with respect to the magnitude of the magnetic field detected before the occurrence of the crack.
  • the semiconductor device in which the crack identification device of the present invention is incorporated may be a case where a semiconductor element or a substrate as a constituent member is accommodated in a case, or a caseless structure. These constituent members may or may not be potted with a sealing resin body. Further, it naturally includes those having a lead frame leading to the external electrode.
  • the “substrate” here is a general term for a circuit board, an insulating board, a heat sink, a combination of a circuit board and an insulating board, or a combination of them and a heat sink.
  • the crack identification device of the present invention includes a generation unit that generates a magnetic field and a detection unit that is disposed in the solder layer and detects the magnitude of the magnetic field.
  • the “magnitude of the magnetic field” can also be referred to as the strength of the magnetic field.
  • the value of the measured magnetic flux density can be used as the magnitude of the magnetic field.
  • examples of the generating part include magnets such as rare earth magnets, ferrite magnets, and alnico magnets, and coils attached to the lead frame in the case where the semiconductor device has a lead frame extending to the outside. Can do.
  • the generating portion is made of nickel, iron, cobalt, or an alloy thereof dispersed in a solder material (tin, tin silver, tin copper, tin silver copper, tin zinc aluminum, etc.) forming the solder layer. It may be a ferromagnetic material.
  • this bulk body can also be the above-described generating portion.
  • examples of the detection unit for detecting the magnitude of the magnetic field include a Hall element and a magnetoresistive element (MR element), but the magnetic impedance is assumed to detect a smaller change in the magnitude of the magnetic field.
  • An element (MI element) or the like is preferable.
  • MI element magnetoresistive element
  • the generating section that generates the magnetic field
  • the detecting section that detects the magnitude of the magnetic field generated in the generating section, but in any form, there is a crack in the solder layer.
  • the detected value changes with respect to the magnitude of the magnetic field detected in a state where it does not occur, it is specified that a crack has occurred in the solder layer.
  • the solder layer When a crack occurs in the solder layer, the solder layer is crushed so as to spread sideways, or the lower surface of the solder layer is deformed so as to wave, so that the position of the detection unit disposed in the solder layer Will deviate from the position before the crack occurred.
  • the crack identifying apparatus of the present invention utilizes the fact that the distance between the generating unit and the detecting unit changes due to the displacement of the detecting unit, and the magnitude of the magnetic field detected by the detecting unit changes due to the change in the distance. Yes.
  • the distance between the detection unit and the generation unit may be shorter than before the crack generation. In this case, however, the magnitude of the magnetic field detected by the detection unit is reversed. In any case, the magnitude of the magnetic field detected before and after the occurrence of a crack changes.
  • the crack identification device of the present invention does not identify a crack by a change in temperature at an arbitrary portion of a solder layer, as in the conventional published technique described above, but a magnitude of a magnetic field that inevitably changes due to the occurrence of a crack. Since the crack is specified based on the depth, the occurrence of the crack can be specified precisely in real time.
  • the crack identification device described above may further include a computer to which sensing data related to the magnitude of the magnetic field in the detection unit is constantly transmitted, and when the received sensing data changes in this computer. Or, when the amount of change exceeds a certain threshold value, it may be further provided with a function for displaying on the screen that a crack has occurred in the solder layer or for reporting a warning.
  • a magnetic cover body having an opening on the detecting unit side is arranged around the generating unit.
  • An apparatus configuration may be applied in which the magnitude of the magnetic field generated at the generating unit by the magnetic cover body is amplified and detected by the detecting unit.
  • a separate detection unit different from the detection unit is disposed in the vicinity of the generation unit, and the generation unit includes both the detection unit and the separate detection unit.
  • the magnitude of the magnetic field generated in step 1 is detected.
  • the magnitude of the temperature-dependent magnetic field the actual magnitude of the magnetic field, the temperature at that time, and the magnitude of the magnetic field corrected by this temperature
  • a map in which data relating to a plurality of temperatures and a plurality of magnetic fields are specified, and the current temperature is determined from the magnitude of the magnetic field detected by the separate detection unit with reference to the map.
  • the magnitude of the magnetic field detected by the detection unit is the magnitude of the corrected magnetic field based on the specified temperature and the map, and the magnitude of the magnetic field detected before the occurrence of a crack This correction Is intended to identify those caused cracks in the solder layer with the magnitude of the magnetic field is changed.
  • the magnitude of the magnetic field generated in the generation part is detected by a separate detection part in the vicinity thereof and placed in the solder layer.
  • the magnitude of the magnetic field detected by the detected detector is corrected based on the temperature calculated from the magnitude of the magnetic field detected by the separate detector, and the magnitude of the corrected magnetic field is the previous magnetic field.
  • the presence or absence of the occurrence of cracks is specified by comparing whether or not the size has changed.
  • the present invention extends to a semiconductor device provided with the above-described crack identification device.
  • the generating part for generating a magnetic field is arranged in the constituent member of the semiconductor device, and the magnitude of the magnetic field and its change in the solder layer where the crack can occur.
  • FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of a crack identification device of the present invention and a semiconductor device equipped with the same. It is the schematic diagram explaining the state which the crack produced in the solder layer of the semiconductor device of FIG. It is a schematic diagram which shows other embodiment of the crack identification apparatus of this invention, and a semiconductor device provided with the same. It is a schematic diagram which shows further another embodiment of the crack identification apparatus of this invention, and a semiconductor device provided with the same.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a state in which a crack is generated in the solder layer of the semiconductor device of FIG. 4. It is a schematic diagram which shows further another embodiment of the crack identification apparatus of this invention, and a semiconductor device provided with the same.
  • FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a state where a crack is generated in the solder layer of the semiconductor device of FIG. 7.
  • (A) is the figure explaining the closed magnetic circuit in FIG. 7 with the virtual magnetic circuit
  • (b) is the figure explaining the closed magnetic circuit in FIG. 8 with the virtual magnetic circuit.
  • (A) is the schematic diagram which shows further another embodiment of the crack identification apparatus of this invention, and a semiconductor device provided with the same
  • (b) is the figure explaining the control flow. It is a figure explaining the relationship between the magnetic flux density detected and temperature. It is a figure explaining the relationship between the detected magnetic flux density and the distance between a detection part and a generation
  • SYMBOLS 1 Semiconductor element, 2 ... Circuit board, 3 ... Insulating substrate, 4 ... Heat sink, 5 ... Solder layer, 6 ... Lead frame, 7 ... Magnet (generation part), 7A ... Coil (generation part), 8 ... MI element ( Detection unit), 9 ... Magnetic cover body, 10, 10A, 10B, 10C, 10D, 10E ... Crack identifying device, 20, 20A, 20B, 20C, 20D, 20E ... Semiconductor device, 51 ... Ferromagnetic metal particle, 52 ... Ferromagnetic metal bulk
  • a crack identification device of the present invention and a semiconductor device including the same will be described with reference to the drawings.
  • the structure of the semiconductor device that is, the constituent members constituting the semiconductor device and the laminated form thereof are not limited to the illustrated examples.
  • a computer for detecting detection data at the detection unit, correcting the detection data at the current temperature, or displaying or alarming the occurrence of a crack may be further provided, but the illustration is omitted. .
  • FIG. 1 is a view showing an embodiment of a crack identifying device of the present invention and a semiconductor device including the same
  • FIG. 2 illustrates a state in which a crack is generated in the solder layer of the semiconductor device of FIG. FIG.
  • the solder layer 5 connects the semiconductor element 1 and the circuit board 2, the circuit board 2, the insulating substrate 3, and the heat sink 4 are connected by brazing or bonding, and the semiconductor element 1 is connected to the external electrode. It is connected to the lead frame 6 that leads to the outline.
  • the lead frame 6 is provided with a magnet 7 which is a generator for generating a magnetic field. Inside the solder layer 5, the magnitude of the magnetic field generated from the magnet 7 and its change are displayed.
  • An MI element 8 which is a detection unit for detection is provided, and the crack identification device 10 is configured by the magnet 7 and the MI element 8.
  • the magnet 7 may be any of a rare earth magnet, a ferrite magnet, and an alnico magnet, but has a large magnetic flux density, and therefore the size and the size of the MI element 8 are not provided with an amplifier or the like. It is preferable to use a rare-earth magnet that can detect the change in the temperature more precisely.
  • the distance between the magnet 7 and the MI element 8 in the state of FIG. 1, that is, in the state where no crack is generated in the solder layer 5, is L1, and the magnetic flux flows from the magnet 7 to the MI element 8 (X1 direction).
  • the magnitude of the magnetic field for example, magnetic flux density
  • a crack C is generated in the solder layer 5 as shown in FIG. 2.
  • the MI element 8 is initially formed by the crack C generated at the upper end of the solder layer 5.
  • the distance between the magnet 7 and the MI element 8 becomes a distance L2 shorter than the initial distance L1.
  • the spatial resistance between the magnet 7 and the MI element 8 becomes smaller, and the magnitude of the magnetic field detected by the MI element 8 changes to a value larger than the value before the occurrence of the crack. Is detected as a crack C in the solder layer 5.
  • FIG. 3 is a diagram showing another embodiment of the crack identification device and a semiconductor device equipped with the same.
  • a coil 7A in which a conductive wire of the same material is wound is brazed to a lead frame 6 made of copper material, and when the lead frame 6 is energized, a part of the current flows to the coil 7A. It generates a magnetic field.
  • the magnetic flux generated in the coil 7A flows to the MI element 8 (X1 direction), and the magnitude of the magnetic field is sensed here, and the coil 7A and the MI element 8 constitute a crack identifying device 10A.
  • FIG. 4 is a view showing still another embodiment of a crack identification device and a semiconductor device including the same
  • FIG. 5 illustrates a state in which a crack is generated in the solder layer of the semiconductor device of FIG. FIG.
  • ferromagnetic metal particles 51 are dispersed in the solder layer 5, and these serve as a generating portion for generating a magnetic field, and a crack identifying device is formed from the ferromagnetic metal particles 51 and the MI element 8. 10B is configured.
  • the magnetic flux from a large number of dispersed metal particles 51 flows to the MI element 8 (X2 direction), and the sum of the magnetic field magnitudes of each metal particle 51 (aggregation of metal particles).
  • the magnitude of the magnetic field of the body is detected by the MI element 8.
  • a crack C is generated in the solder layer 5 and the MI element 8 is inclined to the position inclined outward from the initial position (Y2 direction), whereby the MI element 8 and the many metal particles 51 are formed.
  • the distance between the aggregates is longer than the initial distance. Therefore, when the distance resistance in which magnetic flux flows from the aggregate of metal particles 51 to the MI element 8 (in the X3 direction) increases, the magnitude of the magnetic field detected by the MI element 8 is smaller than the value before the occurrence of the crack. It is specified that the crack C is generated in the solder layer 5 by detecting this change.
  • FIG. 6 is a diagram showing still another embodiment of the crack identification device and a semiconductor device provided with the same.
  • a spherical bulk body 52 that guarantees the thickness of the solder layer is embedded in the solder layer 5.
  • the bulk body 52 is made of nickel, iron, cobalt, and the like, which are ferromagnetic metals. It is formed from an alloy of Therefore, the ferromagnetic metal bulk body 52 serves as a generating unit that generates a magnetic field, and the MI identifying element 8 serving as a detecting unit constitutes a crack identifying device 10C.
  • FIG. 7 is a view showing still another embodiment of the crack identification device and a semiconductor device including the same
  • FIG. 8 illustrates a state in which a crack is generated in the solder layer of the semiconductor device of FIG. FIG.
  • a spherical and ferromagnetic bulk body 52 that guarantees the thickness of the solder layer is embedded in the solder layer 5, and a magnet 7 is attached to the lead frame 6.
  • a magnetic cover body 9 having an opening on the MI element 8 side is arranged around the MI element 8. The magnetic cover body 9 amplifies the magnitude of the magnetic field generated by the magnet 7 and detects it by the MI element 8. Yes.
  • a crack identifying device 10D is composed of the magnet 7, the magnetic cover body 9 that provides the generated magnetic field to the MI element 8, the ferromagnetic bulk body 52, and the MI element 8. The crack identification device may not include a ferromagnetic bulk body.
  • the distance between the magnetic cover body 9 and the MI element 8 is L3, and the distance between the ferromagnetic bulk body 52 and the magnet 7 is L4.
  • a flow (X4 direction) is formed.
  • the two spatial distances: L3 and L4 change to L5 and L6, respectively, so that the spatial resistance changes, and the magnitude of the magnetic field detected by the MI element 8 changes from the value before the crack is generated. It is specified that a crack C has occurred in the solder layer 5 by detecting the change.
  • FIGS. 9a and 9b are diagrams illustrating the above-mentioned closed magnetic circuit related to FIGS.
  • E 7 simulates the magnet 7 that generates a magnetic field
  • R 9 simulates the magnetic cover body 9 with a resistance value
  • R L3 , R L4 , R L5 , and R L6 are respectively , Spatial distance: Spatial resistance of L3 to L6 is shown.
  • FIG. 10a is a view showing still another embodiment of the crack identification device and a semiconductor device provided with the same, and FIG. 10b is a diagram for explaining the control flow thereof.
  • a spherical and ferromagnetic bulk body 52 that guarantees the thickness of the solder layer is embedded in the solder layer 5, and a magnet 7 is attached to the lead frame 6.
  • 7 is provided with a magnetic cover body 9 having an opening on the MI element 8 side.
  • a separate MI element 8A is disposed between the magnet 7 and the magnetic cover body 9 so as to be in contact with the magnet 7.
  • the crack identification device 10E is composed of the magnet 7, the magnetic cover body 9, the ferromagnetic bulk body 52, the MI element 8, and the separate MI element 8A.
  • the crack identification device 10E shown in the figure takes into account that the magnitude of the magnetic field is temperature-dependent, and detects the magnitude of the magnetic field generated by the magnet 7 with a separate MI element 8A in the vicinity thereof, and the solder layer 5 is corrected based on the temperature calculated from the magnitude of the magnetic field detected by the separate MI element 8A, and the magnitude of the magnetic field after the correction is corrected.
  • the presence or absence of cracks is specified by comparing whether or not the magnitude has changed from the previous magnitude of the magnetic field (in a state where no cracks have occurred).
  • FIG. 11 the relationship between the detected magnetic flux density and the temperature, that is, the temperature dependence of the detected magnetic flux density is shown in a graph based on the demonstration of the present inventors.
  • Example 1 has the configuration of the crack identification device 10 shown in FIG. 1 and the magnet 7 is made of ferrite
  • Example 2 similarly has the configuration of the crack identification device 10 and the magnet 7 is made of a rare earth magnet.
  • the magnet 7 is made of ferrite in the configuration of the crack identifying device 10E shown in FIG.
  • the magnetic flux density detected by the MI element 8A of Example 3 at 100 ° C. is normalized to 1, and the values of the other magnetic flux densities are shown as ratios thereto.
  • the magnitude of the magnetic field (magnetic flux density) detected by the MI element 8 is specified from the magnitude of the magnetic field detected by the MI element 8A in the vicinity of the magnet 7. It is corrected by temperature.
  • the magnetic flux density (measured value 1) is measured by the MI element 8A in the vicinity of the magnet 7 (step S1), and on the other hand, a correlation map between the temperature and the magnetic flux density and a correction value of the magnetic flux density considering the temperature are shown. It is created based on the verification of 11 etc. (step S2).
  • the measured value 1 is collated with the correlation map to identify the current temperature (step S3), while the magnetic flux density (measured value 2) is measured with the MI element 8 disposed in the solder layer (step S4).
  • the measured value 2 is a correction value considering the current temperature (step S5), the magnitude of the magnetic field at the MI element position of the solder layer can be specified precisely.
  • the magnitude of the magnetic field after this correction is compared with the magnitude of the magnetic field so far, and if there is a change, it is specified that a crack has occurred.
  • FIG. 12 is a diagram in which the relationship between the detected magnetic flux density and the distance between the detection unit and the generation unit is specified by the present inventors' verification.
  • Examples 1 to 3 are the same as FIG.
  • the detection sensitivity is extremely high, but the magnetic field generated from the generation unit may affect the performance of the semiconductor element. It is preferable to configure the crack identifying apparatus shown in the figure by setting the shortest distance.

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Abstract

　はんだ層にクラックが生じたことをリアルタイムでかつ精緻に特定することのできるクラック特定装置とこれを備えた半導体装置を提供する。　本発明のクラック特定装置は、少なくとも半導体素子がはんだ層を介して被接続部材と接続されてなる半導体装置において、はんだ層にクラックが生じたか否かを特定する、クラック特定装置であって、半導体装置を構成する部材に固定されて磁界を発生する発生部と、はんだ層内に配されて磁界の大きさを検出する検出部と、からなり、前記発生部で生じた磁界を前記検出部で検知するようになっており、クラック発生前に検知されている磁界の大きさに対してこの磁界の大きさが変化したことをもってはんだ層にクラックが生じたものと特定する。

Description

クラック特定装置と半導体装置
　本発明は、半導体装置の素子と基板等の被接続部材を繋ぐはんだ層に生じ得るクラックの有無を検知するクラック特定装置と、このクラック特定装置を備えた半導体装置に関するものである。
　ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体素子を搭載した半導体装置（パワーモジュール）においては、この半導体素子からの発熱を効率よく放熱し、発熱時においても基準温度以下となるような調整が図られている。
　ここで、従来の半導体装置の実装構造を図１３に基づいて説明する。同図で示すように、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）板や純アルミニウム板等からなる絶縁基板ｄの一側面に回路基板ｃが固定され、外部電極に通じるリードフレームｆと電気的に接続された半導体素子ａと回路基板ｃがはんだ層ｂを介して固定され、絶縁基板ｄの他側面には半導体素子ａからの熱を回路基板ｃを介して放熱する（Ｑ方向）ための放熱板ｅ（ヒートシンク）が配されて半導体装置Ｈが構成されている。なお、半導体装置の形態は図示例以外にも多様な形態があり、たとえば、ヒートシンクの下方に冷却器等がろう付けされた形態や、図示する装置が封止樹脂体でポッティングされた形態、半導体素子がヒートシンクやリードフレームにろう付けされた形態などもある。
　いずれの形態であっても、半導体素子は基板等のはんだ層を介して接続されること、および、半導体装置が各種構成部材の多層積層構造となっていることに変わりはない。たとえば図示例においては、半導体素子の線膨張率（もしくは線膨張係数）が３ｐｐｍ／Ｋ程度、回路基板や絶縁基板の線膨張率が４～５ｐｐｍ／Ｋ程度、アルミ製のヒートシンクの線膨張率が２５ｐｐｍ／Ｋ程度と構成部材ごとに線膨張率が非常に異なっている。
　ところで、上記する半導体装置がハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される場合には、長期に亘り、しかも寒暖差が極めて激しい冷熱サイクルに対してその耐久性の確保が要求される。しかし、上記のごとく構成部材ごとに線膨張率が大きく異なっていることから、それぞれの部材を直付けした場合には、温度変化に起因する線膨張差によって熱応力が構成部材内や構成部材同士の接合界面に生じ、特に構成部材の中で最も構造的、強度的に弱いはんだ層内ではクラックが生じ易く、これが半導体装置の耐久性を低下させる大きな要因となり得る。
　特に、昨今の半導体装置はその小型化が進んでおり、この半導体装置の小型化に伴って半導体素子が発する熱もより一層高くなっており、単位面積当りの熱量が増大していることに鑑みれば、上記するはんだ層におけるクラックの発生は一層顕著なものとなっている。
　ここで、公開された従来技術に関し、特許文献１には、半導体素子の中央部とその周辺端部に配置された温度検出素子によってそれぞれの部位の温度を検知し、温度差によってクラックの発生を検知する方法が開示されている。
　この検知方法は、クラックが生じている部位はその熱抵抗が増大して放熱が阻害され、これに起因して温度が上昇することに着目したものであり、ある部位が他の部位に比して温度上昇した際にこの部位にクラックが生じたものと同定する方法である。
　しかし、ある部位の温度を測定してクラック発生の有無を特定する方法では、以下のような課題がある。
　すなわち、熱は拡散し易い性質を有していることから、クラックが生じている部位とクラックが生じていない部位との間で温度差がないと特定されることがあり、測定温度が低いにもかかわらず実際にクラックが生じていたり、測定温度が高いにもかかわらず実際にはクラックが生じていないといったいわゆる誤検知が生じ易いことである。
　また、熱の伝わりには時間を要することから、リアルタイムにクラックを特定するのが難しいことである。
特開２００５－２５９７５３号公報
　本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、半導体装置の素子と基板等の被接続部材を繋ぐはんだ層において、クラックが生じたことをリアルタイムに、かつ精度よく特定することのできるクラック特定装置と、このクラック特定装置を備えた半導体装置を提供することを目的とする。
　前記目的を達成すべく、本発明によるクラック特定装置は、少なくとも半導体素子がはんだ層を介して被接続部材と接続されてなる半導体装置において、はんだ層にクラックが生じたか否かを特定する、クラック特定装置であって、半導体装置を構成する部材に固定されて磁界を発生する発生部と、はんだ層内に配されて磁界の大きさを検出する検出部と、からなり、前記発生部で生じた磁界を前記検出部で検知するようになっており、クラック発生前に検知されている磁界の大きさに対してこの磁界の大きさが変化したことをもってはんだ層にクラックが生じたものと特定するものである。
　本発明のクラック特定装置が組み込まれる半導体装置は、その構成部材である半導体素子や基板等がケース内に収容されるものであっても、ケースレス構造のものであってもよいし、さらに、これらの構成部材が封止樹脂体にてポッティングされているものであってもされていないものであってもよい。さらに、外部電極に通じるリードフレームを具備するものも当然に包含するものである。また、ここでいう「基板」とは、回路基板、絶縁基板、放熱板、もしくは回路基板と絶縁基板の組み合わせ、もしくはそれらと放熱板の組み合わせなど、のすべてを総称するものである。
　本発明のクラック特定装置は、磁界を発生する発生部と、はんだ層内に配されて磁界の大きさを検出する検出部とから構成されている。なお、ここでいう「磁界の大きさ」とは、磁界の強さともいうことができ、たとえば測定された磁束密度の値をもって磁界の大きさとすることができる。
　ここで、この発生部としては、希土類磁石やフェライト磁石、アルニコ磁石などの磁石のほか、半導体装置が外部に延びるリードフレームを具備するものの場合にはこのリードフレームに取り付けられたコイルなどを挙げることができる。
　さらに、この発生部としては、はんだ層を形成するはんだ材料（錫、錫銀、錫銅、錫銀銅、錫亜鉛アルミなど）内に分散されたニッケルや鉄、コバルトやこれらの合金などからなる強磁性材料などであってもよい。
　また、これらの強磁性材料からなるバルク体（たとえば球体）がはんだ層の厚み保持手段として埋設されている場合には、このバルク体も上記する発生部となり得る。
　また、磁界の大きさを検出する検出部としては、たとえばホール素子や磁気抵抗素子（ＭＲ素子）などを挙げることができるが、より微小な磁界の大きさの変化を検出できるものとして、磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）などが好ましい。なお、検出される磁界の大きさやその変化が小さな場合には、検出部にアンプを組み込んでおくのがよい。
　上記するように、磁界を生じさせる発生部と、この発生部で生じた磁界の大きさを検出する検出部の形態や組み合わせは多様に存在するが、いずれの形態においても、はんだ層にクラックが生じていない状態で検出される磁界の大きさに対して、その検出値が変化した際に、はんだ層にクラックが生じたものと特定するようになっている。
　はんだ層にクラックが生じると、このはんだ層が側方へ広がるように潰れたり、はんだ層の下面が波を打つように変形したりして、このはんだ層内に配設された検出部の位置がクラック発生前の位置からずれてしまう。
　そして、この検出部の位置ずれによって発生部と検出部の距離が変化し、この距離の変化によって検出部で検出される磁界の大きさが変化することを本発明のクラック特定装置は利用している。
　たとえばはんだ層にクラックが生じて検出部と発生部の距離が変化して長くなった際には、これらの間の空間抵抗が増加することに起因して検出部で検出される磁界の大きさは小さくなる。
　また、クラックの発生態様によっては検出部と発生部の間の距離がクラック発生前に比して短くなる場合もあり得るが、この場合には検出部で検出される磁界の大きさが逆に大きくなり、いずれの場合であっても、クラック発生前後で検出される磁界の大きさが変化することとなる。
　すなわち、本発明のクラック特定装置は、既述する従来の公開技術のごとく、はんだ層の任意部位における温度の変化によってクラックを特定するものでなく、クラックの発生によって必然的に変化する磁界の大きさに基づいてクラックを特定することから、リアルタイムで、かつ精緻にクラックの発生を特定することができるものである。
　なお、上記するクラック特定装置は、この検出部における磁界の大きさに関するセンシングデータが常時送信されるコンピュータをさらに備えるものであってもよく、このコンピュータにおいて、受信されたセンシングデータが変化した際に、もしくは、変化量がある閾値を超えた際に、はんだ層にクラックが生じたことを画面表示したり、警報告知するような機能をさらに備えていてもよい。
　また、発生部で生じる磁界の大きさやその変化が小さい場合に、検出部にアンプを設置する代わりに、発生部の周囲において検出部側に開口を備えた磁性カバー体を配しておき、この磁性カバー体によって発生部で生じた磁界の大きさを増幅させて検出部で検出するような装置形態を適用してもよい。
　さらに、本発明によるクラック特定装置の他の実施の形態は、前記発生部の近傍に前記検出部と異なる別途の検出部が配され、前記検出部と前記別途の検出部の双方で前記発生部で生じた磁界の大きさが検出されるようになっており、温度依存性を有する磁界の大きさに関し、実際の磁界の大きさと、その際の温度と、この温度によって補正された磁界の大きさと、に関するデータが複数の温度と複数の磁界に対して特定されたマップをさらに有しており、前記マップを参照して、前記別途の検出部で検出された磁界の大きさから現在の温度が特定され、前記検出部で検出された磁界の大きさを特定された温度と前記マップに基づいて前記補正された磁界の大きさとし、クラック発生前に検知されている磁界の大きさに対してこの補正された磁界の大きさが変化したことをもってはんだ層にクラックが生じたものと特定するものである。
　この形態の特定装置は、磁界の大きさが温度依存性を有していることを勘案し、発生部で生じる磁界の大きさをその近傍の別途の検出部で検出し、はんだ層内に配された検出部によって検出された磁界の大きさを、別途の検出部で検出された磁界の大きさから割り出された温度に基づいて補正し、この補正後の磁界の大きさが以前の磁界の大きさから変化しているか否かを比較してクラック発生の有無を特定するものである。
　そのために、実際の磁界の大きさと、その際の温度と、この温度によって補正された磁界の大きさと、に関するデータが複数の温度と複数の磁界に対して特定されたマップを用意しておく必要があり、予め特定されたマップデータを、既述するコンピュータ内に内蔵しておき、２つの検出部での検出データがコンピュータに送信された際に瞬時に補正後の磁界の大きさが割り出され、クラック発生の有無が特定されるようになっているのが好ましい。
　さらに、本発明は、上記するクラック特定装置を備えた半導体装置にも及ぶものである。
　上記のごとく、リアルタイムで精緻にはんだ層内におけるクラック発生の有無が特定されることから、半導体装置の破損を未然に防止することが可能となる。また、半導体装置が作動不可となる前に、この半導体装置が搭載された電子機器の使用者や、ハイブリッド車、電気自動車等の乗員がその作動を停止することができ、半導体装置の停止による事故を未然に防止することが可能となる。
　以上の説明から理解できるように、本発明のクラック特定装置によれば、半導体装置の構成部材内に磁界を生じさせる発生部が配され、クラックが生じ得るはんだ層内に磁界の大きさとその変化を検出する検出部が配されたことにより、はんだ層にクラックが生じたことをリアルタイムでかつ精緻に特定することができる。
本発明のクラック特定装置の一実施の形態とこれを備えた半導体装置を示す模式図である。 図１の半導体装置のはんだ層にクラックが生じた状態を説明した模式図である。 本発明のクラック特定装置の他の実施の形態とこれを備えた半導体装置を示す模式図である。 本発明のクラック特定装置のさらに他の実施の形態とこれを備えた半導体装置を示す模式図である。 図４の半導体装置のはんだ層にクラックが生じた状態を説明した模式図である。 本発明のクラック特定装置のさらに他の実施の形態とこれを備えた半導体装置を示す模式図である。 本発明のクラック特定装置のさらに他の実施の形態とこれを備えた半導体装置を示す模式図である。 図７の半導体装置のはんだ層にクラックが生じた状態を説明した模式図である。 （ａ）は図７における閉磁路を仮想の磁気回路で説明した図であり、（ｂ）は図８における閉磁路を仮想の磁気回路で説明した図である。 （ａ）は本発明のクラック特定装置のさらに他の実施の形態とこれを備えた半導体装置を示す模式図であり、（ｂ）はその制御フローを説明した図である。 検出される磁束密度と温度の関係を説明した図である。 検出される磁束密度と、検出部－発生部間の距離の関係を説明した図である。 従来の半導体装置の構造を説明した模式図である。
　１…半導体素子、２…回路基板、３…絶縁基板、４…ヒートシンク、５…はんだ層、６…リードフレーム、７…磁石（発生部）、７Ａ…コイル（発生部）、８…ＭＩ素子（検出部）、９…磁性カバー体、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ…クラック特定装置、２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ…半導体装置、５１…強磁性金属粒、５２…強磁性金属バルク体
　以下、図面を参照して本発明のクラック特定装置とこれを備えた半導体装置の実施の形態を説明する。なお、半導体装置の構造、すなわち、半導体装置を構成する構成部材やその積層態様などは図示例に限定されるものでないことは勿論のことである。また、検出部での検出データが送信されたり、検出データを現在温度にて補正したり、クラックの発生を表示もしくは警報等するコンピュータをさらに備えていてもよいが、その図示は省略している。
　図１は、本発明のクラック特定装置の一実施の形態とこれを備えた半導体装置を示した図であり、図２は、図１の半導体装置のはんだ層にクラックが生じた状態を説明した図である。
　図示する半導体装置２０は、半導体素子１と回路基板２をはんだ層５が接続し、回路基板２と絶縁基板３、およびヒートシンク４がろう付けや接着等されて接続され、半導体素子１が外部電極へ通じるリードフレーム６と繋がれてその大略が構成されている。
　また、この半導体装置２０のうち、リードフレーム６には磁界を発生する発生部である磁石７が取り付けられており、はんだ層５の内部には、磁石７から生じた磁界の大きさとその変化を検出する検出部であるＭＩ素子８が配設されていて、これら磁石７とＭＩ素子８からクラック特定装置１０が構成されている。
　ここで、磁石７は、希土類磁石やフェライト磁石、アルニコ磁石のうちのいずれであってもよいが、磁束密度が大きく、したがってアンプ等を配設せずともＭＩ素子８でその大きさやその大きさの変化をより精緻に検出できる希土類磁石で形成されたものが好ましい。
　図１の状態、すなわち、はんだ層５にクラックが生じていない状態における磁石７とＭＩ素子８の距離はＬ１であり、この距離を磁石７からＭＩ素子８へ磁束が流れて（Ｘ１方向）ここで磁界の大きさ（たとえば磁束密度）がセンシングされる。
　半導体装置２０の繰り返し使用により、はんだ層５には図２で示すようにクラックＣが生じ、たとえば同図で示すように、はんだ層５の上方端部で生じたクラックＣによってＭＩ素子８が当初位置から外側へ傾いた位置へ傾斜することにより（Ｙ１方向）、磁石７とＭＩ素子８の間の距離は、当初の距離：Ｌ１よりも短い距離：Ｌ２となる。
　距離が短くなることにより、磁石７とＭＩ素子８の間の空間抵抗が小さくなり、ＭＩ素子８にて検出される磁界の大きさがクラック発生前の値よりも大きな値に変化し、この変化の検知によってはんだ層５にクラックＣが生じたものと特定される。
　図３は、クラック特定装置の他の実施の形態とこれを備えた半導体装置を示す図である。
　図示する半導体装置２０Ａは、たとえば銅素材のリードフレーム６に同素材の導線が巻装されたコイル７Ａがろう付けされ、リードフレーム６に通電された際に電流の一部がコイル７Ａに流れて磁界を発生させるものである。コイル７Ａで生じた磁束がＭＩ素子８へ流れて（Ｘ１方向）ここで磁界の大きさがセンシングされるものであり、コイル７ＡとＭＩ素子８からクラック特定装置１０Ａが構成されている。
　また、図４は、クラック特定装置のさらに他の実施の形態とこれを備えた半導体装置を示す図であり、図５は、図４の半導体装置のはんだ層にクラックが生じた状態を説明した図である。
　図示する半導体装置２０Ｂでは、はんだ層５内に強磁性金属粒５１が分散しており、これらが磁界を生じさせる発生部となっていて、この強磁性金属粒５１とＭＩ素子８からクラック特定装置１０Ｂが構成されている。
　クラックが生じていない図４の状態では、分散した多数の金属粒５１からの磁束がＭＩ素子８へ流れて（Ｘ２方向）、それぞれの金属粒５１の磁界の大きさの総和（金属粒の集合体の磁界の大きさ）がＭＩ素子８にて検出されている。
　一方、このはんだ層５に図５で示すようにクラックＣが生じ、ＭＩ素子８が当初位置から外側へ傾いた位置へ傾斜することにより（Ｙ２方向）、ＭＩ素子８と多数の金属粒５１の集合体との間の距離は、当初の距離よりも長くなる。したがって、金属粒５１の集合体からＭＩ素子８へ磁束が流れる（Ｘ３方向）距離抵抗が大きくなることにより、ＭＩ素子８にて検出される磁界の大きさがクラック発生前の値よりも小さな値に変化し、この変化の検知によってはんだ層５にクラックＣが生じたものと特定される。
　また、図６は、クラック特定装置のさらに他の実施の形態とこれを備えた半導体装置を示す図である。
　図示する半導体装置２０Ｃは、はんだ層５内にこのはんだ層の厚みを保証する球状のバルク体５２が埋設されたものであり、このバルク体５２は強磁性金属であるニッケルや鉄、コバルトやそれらの合金から形成されたものである。したがって、この強磁性金属バルク体５２は磁界を生じさせる発生部となり、これと検出部であるＭＩ素子８からクラック特定装置１０Ｃが構成されている。
　また、図７は、クラック特定装置のさらに他の実施の形態とこれを備えた半導体装置を示す図であり、図８は、図７の半導体装置のはんだ層にクラックが生じた状態を説明した図である。
　図示する半導体装置２０Ｄは、はんだ層５内にこのはんだ層の厚みを保証する球状で強磁性のバルク体５２が埋設されるとともに、リードフレーム６には、磁石７が取り付けられ、さらに、この磁石７の周囲においてＭＩ素子８側に開口を備えた磁性カバー体９が配され、この磁性カバー体９によって磁石７で生じた磁界の大きさを増幅させてＭＩ素子８で検出するようになっている。磁石７と、生じた磁界をＭＩ素子８側へ提供する磁性カバー体９と、強磁性のバルク体５２およびＭＩ素子８からクラック特定装置１０Ｄが構成されている。なお、このクラック特定装置が強磁性のバルク体を具備しないものであってもよい。
　クラックが生じていない図７の状態では、磁性カバー体９とＭＩ素子８の間の距離がＬ３、強磁性のバルク体５２と磁石７の間の距離がＬ４となっており、磁石７から生じた磁束が磁性カバー体９を通り、距離：Ｌ３の空間を通ってＭＩ素子８に入り、さらに強磁性のバルク体５２を通り、距離：Ｌ４の空間を通って磁石７に入る閉磁路の磁束流れ（Ｘ４方向）を形成している。
　これに対して、たとえば図８で示すようにはんだ層５のバルク体５２の上方にクラックＣが生じると、ＭＩ素子８は側方に傾いて磁性カバー体９との距離が当初距離：Ｌ３からＬ５に短くなり、その一方で、バルク体５２と磁石７の間の距離はクラックＣの分だけ当初距離：Ｌ４からＬ６へ長くなる（閉磁路の磁束流れはＸ４’方向）。
　この結果、２つの空間距離：Ｌ３，Ｌ４がそれぞれＬ５，Ｌ６に変化することで空間抵抗が変化し、ＭＩ素子８にて検出される磁界の大きさがクラック発生前の値から変化し、この変化の検知によってはんだ層５にクラックＣが生じたものと特定される。
　ここで、図９ａ，ｂはそれぞれ、図７，８に関する上記閉磁路を仮想の磁気回路で説明した図である。
　図９ａ，ｂともに、Ｅ７は磁界を生じさせる磁石７を模擬しており、Ｒ９は磁性カバー体９を抵抗値で模擬しており、ＲＬ３、ＲＬ４，ＲＬ５，ＲＬ６はそれぞれ、空間距離：Ｌ３～Ｌ６の空間抵抗を示している。
　また、図１０ａは、クラック特定装置のさらに他の実施の形態とこれを備えた半導体装置を示した図であり、図１０ｂは、その制御フローを説明した図である。
　図示する半導体装置２０Ｅは、はんだ層５内にこのはんだ層の厚みを保証する球状で強磁性のバルク体５２が埋設されるとともに、リードフレーム６には、磁石７が取り付けられ、さらに、この磁石７の周囲においてＭＩ素子８側に開口を備えた磁性カバー体９が配され、さらに、この磁石７と磁性カバー体９の間に磁石７に接するように別途のＭＩ素子８Ａが配されたものであり、磁石７と磁性カバー体９、強磁性のバルク体５２、ＭＩ素子８および別途のＭＩ素子８Ａからクラック特定装置１０Ｅが構成されている。
　図示するクラック特定装置１０Ｅは、磁界の大きさが温度依存性を有していることを勘案して、磁石７で生じる磁界の大きさをその近傍の別途のＭＩ素子８Ａで検出し、はんだ層５内に配されたＭＩ素子８によって検出された磁界の大きさを、別途のＭＩ素子８Ａで検出された磁界の大きさから割り出された温度に基づいて補正し、この補正後の磁界の大きさが以前（クラックが生じていない状態）の磁界の大きさから変化しているか否かを比較してクラック発生の有無を特定するものである。
　ここで、図１１には、検出される磁束密度と温度の関係、すなわち、検出される磁束密度の温度依存性を本発明者等の実証に基づいてグラフで示している。
　同図において、実施例１は図１で示すクラック特定装置１０の構成で磁石７がフェライトからなるもののであり、実施例２は同様にクラック特定装置１０の構成で磁石７が希土類磁石からなるもののであり、実施例３は図１０で示すクラック特定装置１０Ｅの構成で磁石７がフェライトからなるものである。また、１００℃における実施例３のＭＩ素子８Ａで検出された磁束密度を１に正規化し、他の磁束密度の値をこれとの比率で示している。
　同図で示すように、半導体装置の使用温度域を図中で示す－４０℃～１３０℃程度とした際に、検出される磁束密度は温度の上昇とともにリニアに減少する傾向にあることが特定されている。
　そこで、検出される磁界の大きさをその温度依存性を考慮して適正に補正することで、実際にはんだ層にクラックが生じているか否かを精緻に特定することが可能となる。
　そこで、たとえば、図１０ｂで示す制御フローに基づいて、ＭＩ素子８で検出された磁界の大きさ（磁束密度）を、磁石７近傍のＭＩ素子８Ａで検出された磁界の大きさから特定される温度によって補正するものである。
　具体的には、磁石７近傍のＭＩ素子８Ａで磁束密度（測定値１）を測定し（ステップＳ１）、一方で、温度と磁束密度の相関マップや温度を考慮した磁束密度の補正値を図１１等の検証に基づいて作成しておく（ステップＳ２）。
　測定値１を相関マップに照合して現在の温度を特定し（ステップＳ３）、一方で、はんだ層内に配されたＭＩ素子８で磁束密度（測定値２）を測定し（ステップＳ４）、測定値２を現在の温度を考慮した補正値として（ステップＳ５）、はんだ層のＭＩ素子位置における磁界の大きさを精緻に特定することができる。
　そして、この補正後の磁界の大きさとそれまでの磁界の大きさを比較し、変化があればクラックが生じたものと特定するものである。
　また、図１２は、検出される磁束密度と、検出部－発生部間の距離の関係を本発明者等の実証によって特定した図である。なお、同図において、実施例１～３は図１１と同様である。
　同図において、検出部－発生部間の距離が近接するにつれて磁束密度の検出感度は顕著に増大することが分かる。
　しかし、この距離が１ｍｍよりも短くなってしまうと、検出感度が極めて高い一方で、発生部から生じた磁界が半導体素子の性能に影響を与えかねないことから、１ｍｍを検出部－発生部間の最短距離に設定して図示するクラック特定装置を構成させるのがよい。
　このように、図示する本発明のクラック特定装置とこれを備えた半導体装置によれば、はんだ層にクラックが生じたことをリアルタイムでかつ精緻に特定することができる。
　以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

Claims (10)

  1. 　少なくとも半導体素子がはんだ層を介して被接続部材と接続されてなる半導体装置において、はんだ層にクラックが生じたか否かを特定する、クラック特定装置であって、
    　半導体装置を構成する部材に固定されて磁界を発生する発生部と、
    　はんだ層内に配されて磁界の大きさを検出する検出部と、からなり、
    　前記発生部で生じた磁界を前記検出部で検知するようになっており、クラック発生前に検知されている磁界の大きさに対してこの磁界の大きさが変化したことをもってはんだ層にクラックが生じたものと特定するクラック特定装置。
  2. 　少なくとも半導体素子がはんだ層を介して被接続部材と接続されてなる半導体装置において、はんだ層にクラックが生じたか否かを特定する、クラック特定装置であって、
    　はんだ層内で磁界を発生する強磁性金属からなる発生部と、
    　はんだ層内に配されて磁界の大きさを検出する検出部と、からなり、
    　前記発生部で生じた磁界を前記検出部で検知するようになっており、クラック発生前に検知されている磁界の大きさに対してこの磁界の大きさが変化したことをもってはんだ層にクラックが生じたものと特定するクラック特定装置。
  3. 　前記発生部が磁石からなる請求項１に記載のクラック特定装置。
  4. 　前記半導体装置は、半導体素子から外部に延びるリードフレームを具備するものであり、
    　前記リードフレームにコイルを取り付けてこれを前記発生部とし、リードフレームに流れる電流の一部を前記コイルに通電させて磁界を生じさせるようになっている請求項１に記載のクラック特定装置。
  5. 　前記強磁性金属がはんだ層内に分散している請求項２に記載のクラック特定装置。
  6. 　前記強磁性金属がはんだ層内に埋設されてはんだ層の厚みを保持するバルク体である請求項２に記載のクラック特定装置。
  7. 　前記強磁性金属が、ニッケル、鉄、コバルト、もしくはこれらの合金のうちのいずれか一種からなる請求項２または請求項２に従属する請求項５または６のいずれかに記載のクラック特定装置。
  8. 　前記発生部の周囲に、前記検出部側に開口を備えた磁性カバー体が配されており、この磁性カバー体によって発生部で生じた磁界の大きさが増幅されて検出部に検出される請求項１～７のいずれかに記載のクラック特定装置。
  9. 　前記発生部の近傍に前記検出部と異なる別途の検出部が配され、
    　前記検出部と前記別途の検出部の双方で前記発生部で生じた磁界の大きさが検出されるようになっており、
    　温度依存性を有する磁界の大きさに関し、実際の磁界の大きさと、その際の温度と、この温度によって補正された磁界の大きさと、に関するデータが複数の温度と複数の磁界に対して特定されたマップをさらに有しており、
    　前記マップを参照して、前記別途の検出部で検出された磁界の大きさから現在の温度が特定され、前記検出部で検出された磁界の大きさを特定された温度と前記マップに基づいて前記補正された磁界の大きさとし、クラック発生前に検知されている磁界の大きさに対してこの補正された磁界の大きさが変化したことをもってはんだ層にクラックが生じたものと特定する請求項１～８のいずれかに記載のクラック特定装置。
  10. 　請求項１～９に記載のクラック特定装置を備えた半導体装置。
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