功率半导体模块及功率半导体模块的热疲劳寿命判断方法技术

本发明专利技术的目的在于保护一种功率半导体模块和功率半导体模块的热疲劳寿命判断方法。该功率半导体模块设置于壳体内部，使多个功率半导体元件通过焊接而与绝缘基板相接合，且该绝缘基板通过焊接与基底相接合，包括：热疲劳寿命判断构件，该热疲劳寿命判断构件形成于所述壳体的表面侧，并具有以下颜色老化特性：该热疲劳寿命判断构件在规定温度下所呈现出的颜色随着所述功率半导体模块所经历的温度循环次数的增加而发生变化，并最终老化至特定的完全老化颜色，根据所述热疲劳寿命判断构件在规定温度下所呈现出的颜色来判断所述功率半导体模块的热疲劳寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及功率半导体模块，特别涉及用于进行大功率转换的包括例如IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)等功率半导体元件的功率半导体模块、及功率半导体模块的热疲劳寿命判断方法。
技术介绍
近年来，功率半导体模块不仅被应用于以发电、供电为代表的大功率领域，还被应用于生活家电、铁路、电动汽车、燃料电池发电系统等更广泛的领域。在上述情况下，功率半导体模块会对各应用的质量、可靠性产生较大的影响，因而要求功率半导体模块具有较高的可靠性。功率半导体模块根据动作环境中的温度变化而产生温度上升、下降。功率半导体模块的内部结构亦会因该温度的上升、下降而被施加热应力并产生热疲劳。该热疲劳取决于温度上升、下降的变化幅度及频率等，因而功率半导体模块的寿命会因运转条件、环境条件的不同而不同。将该取决于热应力的寿命称为热疲劳寿命(thermalcyclelife)。在功率转换装置的运转中，在功率半导体模块达到其热疲劳寿命时，会导致功率转换装置异常停止，并可能导致生产线停止。而查明停止的原因并进行修复需要花费较长的时间，因而可能会造成较大的经济损失。因此，若在功率半导体模块到达其热疲劳寿命前就能及时检测出焊接层的劣化，则能预先停止功率转换装置的运转并对目标功率半导体模块进行更换。现有技术中使用热疲劳寿命实验(间断通电实验)来推测功率半导体模块的动作寿命。热疲劳寿命实验中，在例如将IGBT模块固定于散热风扇的状态下，如图9所示那样进行通电、断电，以使IGBT芯片的结温度(Tj)上升、下降，从而产生热应力直至产生破坏。此外，在热疲劳寿命实验(间断通电实验)主要分为两大类：△Tj热疲劳寿命实验和△Tc热疲劳寿命实验(参照非专利文献1)。△Tc热疲劳寿命实验中，进行通电直至壳体温度(Tc)上升到某一任意温度，并在壳体温度达到某一任意温度的时刻停止通电，然后使壳体温度降至通电前的状态，将上述周期作为一个循环来进行反复实验。该△Tc热疲劳寿命实验主要用于评价绝缘基板与铜基底之间的焊接接合部的寿命。已知现有技术中，对于使用例如IGBT等的功率半导体装置(功率半导体模块)，设置用于推定该功率半导体模块的寿命的寿命推定装置(专利文献1)。如图10所示，为了推定构成逆变器的IGBT模块82的寿命，该寿命推定装置包括：检测IGBT模块的铜基底温度的温度传感器10；按照一定采样周期对该温度传感器的输出进行A/D变换的A/D变换器20；基于A/D变换器的输出来检测温度差，比较所检测出的温度差与预先保存的拐点温度差，根据基于该比较结果所检测出的温度差位于用于对预先进行的热疲劳寿命实验进行解析而获得的热疲劳寿命曲线进行近似的多根直线的某一侧，从存储于寿命数据存储器40中的运算参数中读取近似直线的斜率、及该直线上预先设定的基准温度差，来计算寿命并输出寿命信息的寿命运算电路30；以及存储有寿命运算电路30中进行寿命运算所需运算参数的寿命数据存储器40。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2011-196703号公报非专利文献非专利文献1：両角朗外2名「パワー半導体モジュールにおける信頼性設計技術」富士时报,Vol.74,No.2,PP.45-48,2001年
技术实现思路
专利技术所要解决的问题在上述专利文献1所记载的功率半导体装置中，需要将温度传感器10安装到功率半导体装置内部，并且在计算热疲劳寿命时，则需要相对于不同基准温度差的寿命信息、累计损伤的计算公式等，因而会导致电路规模的增大、计算复杂、所需存储量增大等问题。本专利技术是鉴于上述问题而完成的，其目的在于能提供一种体积较小、热疲劳寿命判断过程简单、成本得以降低的功率半导体模块及功率半导体模块的热疲劳寿命判断方法。解决技术问题所采用的技术方案本专利技术的第一方面涉及功率半导体模块，该功率半导体模块设置于壳体内部，使多个功率半导体元件通过焊接而与绝缘基板相接合，且该绝缘基板通过焊接与基底相接合，其特征在于，包括：热疲劳寿命判断构件，该热疲劳寿命判断构件形成于所述壳体的表面侧，并具有以下颜色老化特性：该热疲劳寿命判断构件在规定温度下所呈现出的颜色随着所述功率半导体模块所经历的温度循环次数的增加而发生变化，并最终老化至特定的完全老化颜色，根据所述热疲劳寿命判断构件在规定温度下所呈现出的颜色来判断所述功率半导体模块的热疲劳寿命。本专利技术的第二方面涉及第一方面的功率半导体模块，其特征在于，所述热疲劳寿命判断构件形成于所述壳体的表面侧的与功率半导体元件相对应的部位。本专利技术的第三方面涉及第一方面的功率半导体模块，其特征在于，所述功率半导体元件为IGBT。本专利技术的第四方面涉及第一方面的功率半导体模块，其特征在于，所述热疲劳寿命判断构件由感温变色油墨形成，所述感温变色油墨呈现的颜色根据温度的变化而发生变化。本专利技术的第五方面涉及一种功率半导体模块的热疲劳寿命判断方法，适用于本专利技术的第一方面的功率半导体模块，其特征在于，包括：在功率半导体模块运转时，在规定温度下每隔一定间隔利用光学仪器来对权利要求1的热疲劳寿命判断构件所呈现的颜色进行检测，并将颜色检测结果输出的检测步骤；将所述检测步骤中输出的颜色分析结果、与预先存储在存储器中的颜色－寿命数据对应表进行比较的比较步骤；以及根据上述比较结果判断是否已超过所述功率半导体模块的热疲劳寿命的预定值的判断步骤，所述寿命数据对应表中预先存储有经过热疲劳寿命实验而获得的所述热疲劳寿命判断构件的颜色、与所述功率半导体模块的热疲劳寿命的对应关系的数据。本专利技术的第六方面涉及第五方面的功率半导体模块的热疲劳寿命判断方法，其特征在于，所述光学仪器是激光分光仪。本专利技术的第七方面涉及第五方面的功率半导体模块的热疲劳寿命判断方法，其特征在于，还包括：在所确定的所述功率半导体模块的热疲劳寿命超过预定值时，输出预警信号的信号输出步骤。本专利技术的第八方面涉及第七方面的功率半导体模块的热疲劳寿命判断方法，其特征在于，所述预定值是所述功率半导体模块的热疲劳寿命全长的80％。专利技术效果根据本专利技术的功率半导体模块及功率半导体模块的热疲劳寿命判断方法，能减小功率半导体模块的体积，简化热疲劳寿命的判断过程，并降低成本。附图说明图1a是示意性表示实施方式1所涉及的功率半导体模块的俯视图，图1b是示意性表示实施方式1所涉及的功率半导体模块的侧视图。图2是简要表示实施方式1所涉及的功率半导体模块的等效电路图。图3是实施方式1所涉及的功率半导体模块的剖视结构图。图4是表示本专利技术的实施方式1所涉及的△Tc热疲劳寿命实验的通电模式的图。图5中示出了上述△Tc热疲劳寿命实验的实验结果的曲线图。图6是例示出本专利技术的实施方式1所涉及的热疲劳寿命判断构件的颜色－寿命特性对应关系的表。图7是简要表示用于本专利技术的实施方式1所涉及的功率半导体模块的热疲劳寿命判断的装置结构图。图8是表示本专利技术的实施方式1所涉及的功率半导体模块的热疲劳寿命判断方法的流程图。图9是示意性表示热疲劳寿命实验中的动作条件的图。图10是表示现有技术中热疲劳寿命推定装置的结构的图。具体实施方式下面，基于附图对专利技术的实施方式进行说明。然而，下述实施方式仅仅是例示。本专利技术不限于下述任一实施方式。此外，在实施方式等所参照的各附图中，以相同的标号来参照实质本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率半导体模块，功率半导体模块设置于壳体内部，使多个功率半导体元件通过焊接而与绝缘基板相接合，且该绝缘基板通过焊接与基底相接合，其特征在于，包括：热疲劳寿命判断构件，该热疲劳寿命判断构件形成于所述壳体的表面侧，并具有以下颜色老化特性：该热疲劳寿命判断构件在规定温度下所呈现出的颜色随着所述功率半导体模块所经历的温度循环次数的增加而发生变化，并最终老化至特定的完全老化颜色，根据所述热疲劳寿命判断构件在规定温度下所呈现出的颜色来判断所述功率半导体模块的热疲劳寿命。

【技术特征摘要】
1.一种功率半导体模块，功率半导体模块设置于壳体内部，使多个功率半导体元件通过焊接而与绝缘基板相接合，且该绝缘基板通过焊接与基底相接合，其特征在于，包括：热疲劳寿命判断构件，该热疲劳寿命判断构件形成于所述壳体的表面侧，并具有以下颜色老化特性：该热疲劳寿命判断构件在规定温度下所呈现出的颜色随着所述功率半导体模块所经历的温度循环次数的增加而发生变化，并最终老化至特定的完全老化颜色，根据所述热疲劳寿命判断构件在规定温度下所呈现出的颜色来判断所述功率半导体模块的热疲劳寿命。2.如权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述热疲劳寿命判断构件形成于所述壳体的表面侧的与所述多个功率半导体元件相对应的部位。3.如权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述功率半导体元件包括IGBT。4.如权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述热疲劳寿命判断构件由感温变色油墨形成，所述感温变色油墨呈现的颜色根据温度的变化而发生变化。5.一种功率半导体模块的热疲劳寿命判断方法，适用于权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：项澹颐，
申请(专利权)人：富士电机中国有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31