功率模块的劣化探测装置制造方法及图纸

一种探测内置有半导体芯片(100)的功率模块的劣化的装置，具备劣化探测处理部(10)，该劣化探测处理部根据检测半导体芯片(100)的温度而得到的温度信号(S1)中包含的交流信号与检测半导体芯片(100)的电力损耗而得到的电力损耗信号(S3)中包含的交流分量之间的传递特性，进行劣化探测处理，排除其他发热源的温度干扰的影响而可靠地探测功率模块的劣化度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及探测集成半导体芯片来进行电力变换动作的功率模块的劣化程度的功率模块的劣化探测装置。
技术介绍
交流马达的驱动用逆变器、太阳能发电用的功率调节器等各种功率模块是构成为集成半导体芯片而能够实施电力变换动作的电气组件。半导体芯片是对Si、SiC、GaN等原材料进行微加工而制作为IGBT、MOSFET等电路元件的器件，电气地通过开关动作进行电力变换动作。关于这样的功率模块，不仅是上述半导体芯片，而且壳体、密封胶、电气布线、绝缘基板、底座也被一体化。进而，根据功率模块的种类，连栅极驱动器电路、用于防止过热、过电流的保护电路也被一体化，实现进行使用了功率模块的产品的设计、制造的用户的便利性。功率模块处置比较大的电力，所以与电力损耗相伴的功率模块内部的温度变化明显。因此，构成功率模块的各部件根据该温度变化而伸缩，但根据各部件的材质，其伸缩的程度不同。因此，在部件之间发生大的应力，对部件导致热疲劳。特别是，由于由热疲劳引起的断裂(破裂)的发展，半导体芯片的正下方的焊料容易发生破坏。由该半导体芯片下部的焊料的断裂所致的故障决定的功率模块寿命，被称为所谓的功率循环寿命，作为功率模块的主要的故障模式之一而被熟知。另外，此处以后，将半导体芯片下部的焊料的断裂的发展称为“劣化”。功率模块的这样的突发的故障导致应用该功率模块的设备、装置停止，所以导致经济损失等。因此，以往进行预检查功率模块的故障或者劣化度来推测或者预测寿命的尝试(例如参照下述专利文献1)。即，半导体芯片中发生的电力损耗变化为热而朝向下部的底座移动。热阻抗是热的移动难易的参考值，如果半导体芯片的下部的焊料的断裂发展，则焊料中的热的路径裂开而热阻抗上升。因此，相对于相同的电力损耗，温度上升越明显热阻抗越大，能够判断断裂的发展。因此，在专利文献1的以往技术中，着眼于该现象，通过温度传感器检测半导体芯片的设置场所的温度，并且求出该半导体芯片的电力损耗，根据该电力损耗和检测出的温度上升率，求出热阻抗的上升率，从而探测功率模块的故障或者劣化。专利文献1：日本专利第3668708号
技术实现思路
这样，在专利文献1记载的以往技术中，主要活用通过温度传感器得到的温度信号来探测功率模块的故障或者劣化，但实际的功率模块内部内置有多个半导体芯片，它们当然分别成为发热源。另外，从电气布线等也发生热，它们也成为发热源。因此，以多个半导体芯片、电气布线为发热源的热同时到达配置有温度传感器的温度测定部位。因此，存在如下问题：即使以检测与某个特定的半导体芯片下部的焊料断裂的发展相伴的热阻抗的变化为目的来实施温度测定，在该测定温度中，也同时包含来自其他发热源的温度信息，由于温度干扰的影响而无法正确地计算热阻抗。本专利技术是为了解决上述那样的课题而完成的，其目的在于提供一种劣化探测装置，该劣化探测装置能够排除来自以功率模块内的半导体芯片为首的其他发热组件的温度干扰的影响而按照简易的步骤可靠地探测功率模块的劣化。本专利技术所涉及的功率模块的劣化探测装置，探测内置有半导体芯片的功率模块的劣化，具备劣化探测处理部，该劣化探测处理部根据检测所述半导体芯片的温度而得到的温度信号中包含的交流信号、与检测所述半导体芯片的电力损耗而得到的电力损耗信号中包含的交流分量之间的传递特性，进行劣化探测处理。根据本专利技术的功率模块的劣化探测装置，通过根据温度信号的交流分量和电力损耗信号的交流分量，提取包括热阻抗等信息的半导体芯片的电力损耗-温度间的传递特性，从而能够排除来自其他发热源的温度干扰的影响，高精度地提取热阻抗信息，所以能够提高功率模块的劣化探测精度。附图说明图1是示出功率模块的一个例子的图，图1(A)是三相/二电平逆变器的电路图，图1(B)是示出与图1(A)的电路图对应的半导体芯片的布局的平面图。图2是示出在图1的功率模块中包括多个半导体芯片的周边的构造的纵剖面图。图3是本专利技术的实施方式1中的功率模块的劣化探测装置所具备的劣化探测处理部的块结构图。图4是本专利技术的实施方式1的劣化探测装置中的功率模块的劣化探测的原理说明图。图5是本专利技术的实施方式1的劣化探测装置的劣化探测动作的说明图。图6是本专利技术的实施方式1的由劣化探测装置的劣化判定部实施的劣化判定处理动作的说明图。图7是示出使用图1所示的功率模块来驱动马达等三相交流负载时的相电流、开关元件的电力损耗以及温度的各波形的图。图8是示出使用图1所示的功率模块来驱动马达等三相交流负载时的开关元件的温度信号的频率解析结果的图。图9是示出将图3所示的结构的劣化探测处理部安装到功率模块中时的一个例子的结构图。图10是本专利技术的实施方式2的功率模块的劣化探测装置中的劣化探测的原理说明图。图11是本专利技术的实施方式2的功率模块的劣化探测装置中的劣化探测的原理说明图。图12是本专利技术的实施方式3中的功率模块的劣化探测装置所具备的劣化探测处理部的块结构图。图13是示出使用图1所示的功率模块来驱动马达等三相交流负载时的电流频率、相电流、开关元件的温度以及判定用信号的各波形的图。图14是示出本专利技术的实施方式3中的功率模块的劣化探测装置中的劣化探测处理部的变形例的块结构图。图15是示出对半导体芯片连接了通电用的导线的状态的平面图。图16是示出导线的连接部附近的温度分布的说明图。图17是本专利技术的实施方式5中的由功率模块的劣化探测装置的劣化判定部实施的劣化判定处理动作的说明图。具体实施方式实施方式1.图1是示出成为劣化探测对象的功率模块的一个例子的图。图1(A)示出具有三相/二电平逆变器的结构的功率模块的电路图，图1(B)示出构成图1(B)的功率模块的半导体芯片的布局的平面图。在该三相/二电平逆变器中分别使用了6个开关元件Qup～Qwn、6个电流回流用的二极管Dup～Dwn。因此，成为将由合计12个半导体芯片100构成的各元件Qup～Qwn、Dup～Dwn汇总配置于壳体116的内部的构造。图2是示出在例如图1的功率模块中，包括开关元件Qup和二极管Dup这2个半导体芯片100在内的周边的构造的纵剖面图。在半导体芯片100的附近，层叠有部件连接用的焊料101、102、流过电流的铜图案105、106、承担电气绝缘的绝缘基板110、用于散...

【技术保护点】
一种功率模块的劣化探测装置，探测内置有半导体芯片的功率模块的劣化，具备劣化探测处理部，该劣化探测处理部根据检测所述半导体芯片的温度而得到的温度信号中包含的交流信号、与检测所述半导体芯片的电力损耗而得到的电力损耗信号中包含的交流分量之间的传递特性，进行劣化探测处理。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.06.14 JP 2012-1343621.一种功率模块的劣化探测装置，探测内置有半导体芯片的功率
模块的劣化，
具备劣化探测处理部，该劣化探测处理部根据检测所述半导体芯
片的温度而得到的温度信号中包含的交流信号、与检测所述半导体芯
片的电力损耗而得到的电力损耗信号中包含的交流分量之间的传递
特性，进行劣化探测处理。
2.根据权利要求1所述的功率模块的劣化探测装置，其特征在于，
所述劣化探测处理部具备：
温度检测部，检测所述半导体芯片的温度，输出温度信号；
电力损耗检测部，检测所述半导体芯片的电力损耗，输出电力损
耗信号；
温度信号解析部，解析所述温度信号中包含的各交流信号的频率
分量；
电力损耗信号解析部，解析所述电力损耗信号中包含的各交流信
号的频率分量；以及
劣化判定部，根据由所述两个解析部电力损耗解析出的所述温度
信号和所述电力损耗信号的各交流信号的频率分量，判定所述功率模
块的劣化。
3.根据权利要求2所述的功率模块的劣化探测装置，其特征在于，
所述劣化判定部仅在所述温度信号和所述电力损耗信号分别包
含规定的频带的交流分量的情况下进行劣化判定。
4.根据权利要求2或者3所述的功率模块的劣化探测装置，其特
征在于，
所述劣化判定部通过将所述温度信号中包含的交流分量和所述
电力损耗信号中包含的交流分量之间的传递特性与规定的基准...

【专利技术属性】
技术研发人员：古谷真一，田中辉明，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP