JP5018702B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

この発明は半導体装置、特に電力の変換、あるいは各種電力制御等に用いられる電力用半導体素子を複数備えてそれら複数の半導体素子が１つの装置としてモジュール化された半導体装置に関する。

例えば特許文献１に記載のように、電力用半導体素子の１つである絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を備えてこれをモジュール化した半導体装置が知られている。この半導体装置は、ＩＧＢＴやその周辺素子が実装されている例えばセラミック基板等からなる絶縁基板が冷却フィンの設けられた放熱板上に半田付けされるかたちでモジュール化されている。こうした半導体装置にあって上記ＩＧＢＴをスイッチング素子として用いた場合、ＩＧＢＴは、そのスイッチングの都度、電流や電力損失等に起因する発熱を伴うようになる。そして、このＩＧＢＴから発せられる熱は、絶縁基板を介して放熱板及び冷却フィンに伝導されることにより、その大部分が冷却フィンから空気中に放熱される。またこうした熱の伝導により、発熱するＩＧＢＴはもとより、ＩＧＢＴが実装されている絶縁基板並びにこの絶縁基板が適宜の金属を介して半田付けされている放熱板、冷却フィンの温度も上昇する。また、ＩＧＢＴの駆動停止に伴って、ＩＧＢＴからの発熱がなくなれば、上記絶縁基板をはじめとする各部材の温度も徐々に低下する。同半導体装置ではこのように、ＩＧＢＴの駆動毎に上述の態様での冷熱サイクルが繰り返されることとなる。なお、ＩＧＢＴを含む電力用半導体素子は、インバータなど、モータ等のアクチュエータを駆動するための電力変換素子として用いられることがほとんどであり、その発熱量も自ずと大きなものとなる。

一方、上記半導体装置を構成するＩＧＢＴ、絶縁基板、そして放熱板等はそれぞれ異なる材料にて形成されており、それらの要素毎に単位上昇温度あたりの膨張度合い、すなわち線膨張率も互いに異なっている。そのためＩＧＢＴの駆動時には、こうした線膨張率の違いに起因してＩＧＢＴと絶縁基板とを接合する半田層や絶縁基板と放熱板とを接合する半田層のそれぞれに応力が発生する。そして、このような応力が上述した冷熱サイクルに伴ってそれら半田層に繰り返し加わると、半田層にその周囲から亀裂（クラック）が生じることにもなりかねない。そして、実際にこのような亀裂が半田層に生じるようなことがあると、半田層における熱抵抗の上昇を招き、ＩＧＢＴの発する熱が絶縁基板や放熱板へと伝わりにくくなることに起因してＩＧＢＴの温度がその耐熱温度以上にまで上昇する虞がある。

そこで、上記特許文献１に記載の半導体装置においては、絶縁基板の上記ＩＧＢＴに近い位置、あるいは冷却フィンに温度検出素子を設け、この温度検出素子が検出する温度を監視するようにしている。そして、この監視する温度に基づいて単位時間あたりの温度上昇率を算出し、この温度上昇率とＩＧＢＴの駆動態様から推定される電力損失とから、当該半導体装置としての劣化度合いを判定し、この判定した劣化度合いに応じて半導体装置の修理あるいは交換を行うようにしている。なお、半田層における上述した熱抵抗の上昇をより正確に捉えるには、半田クラックの起点となる絶縁基板あるいはＩＧＢＴの四隅に上記温度検出素子を設けておくことがより望ましい。
特開２００３−１３４７９５号公報 特開平１１−２２００７４号公報

ところで、このような半導体装置としては他にも、例えば特許文献２に記載の装置のように、電力用半導体素子としての上記ＩＧＢＴが絶縁基板に実装された構造体を複数備え、これら複数のＩＧＢＴ構造体をモジュール化した半導体装置も広く知られている。そしてこのような半導体装置にあっても、上記特許文献１に記載の半導体装置と同様、ＩＧＢＴの駆動及び駆動停止に伴う冷熱サイクルが繰り返されることによる半田層への亀裂（クラック）の発生が無視できず、特にこのような半導体装置の場合、ＩＧＢＴ構造体が複数配置される分、その管理の複雑化も避けられない。

なお、上記ＩＧＢＴに限らず、絶縁基板に実装されたパワーＭＯＳＦＥＴやパワートランジスタ、あるいはサイリスタ等の電力用半層体素子を有する構造体の複数が半田付けによって１つの放熱板等に一体に搭載される半導体装置にあっては、こうした実情も概ね共通したものとなっている。

この発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、絶縁基板に各々半田付けによって実装された電力用半導体素子からなる構造体の複数が１つの支持体面に半田付けにより一体化された半導体装置において、それら各半田層の劣化を簡易且つ精度よく検出することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、１つの矩形状の絶縁基板と、前記絶縁基板上に半田付けにより実装された前記絶縁基板よりも小さい１つの矩形状の電力用半導体素子とを有する複数の構造体が、矩形状の支持体の同一平面上に半田付けによって隣接配置されてなり、前記絶縁基板は、半田付け可能に表面処理されたセラミック基板であり、前記電力用半導体素子には、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタが含まれ、前記支持体は、半田付け可能に表面処理されたアルミニウムからなる放熱板であり、前記構造体は、前記支持体の同一平面上の一方向に沿って３つずつ２列に配置され、且つ直流電流を三相交流電流に変換する三相交流インバータであり、前記絶縁基板の四隅における３つの他の絶縁基板と隣接する角部の各々、及び、この絶縁基板の角部の各々からの距離が最も小さい前記電力用半導体
素子の角部の各々に、当該部分の温度を検出する温度検出素子を１つずつ備え、前記温度検出素子は、温度上昇にともなって所定電流あたりの電圧値が低下するサーマルダイオードからなることをその要旨とする。

絶縁基板に半田付けにより実装された電力用半導体素子を有する構造体の複数が、支持体の同一平面上に半田付けによって隣接配置された半導体装置では、電力用半導体素子それぞれのスイッチングの都度、これらによって発せられた熱が、支持体を介して隣接する構造体へと伝導される。すなわち、隣接する構造体は互いに熱干渉することとなる。こうした熱干渉の度合いは、上記構造体の構成要素である絶縁基板では、その四隅のうち、隣接する他の構造体の数が最も多い角部において最大となる。また、同様に構造体の構成要素である電力用半導体素子では、これが実装される絶縁基板の上記角部からの距離が最も小さい部位、換言すれば電力用半導体素子の四隅のうち、絶縁基板の上記角部に最も近い角部において熱干渉の度合いが最大となる。よってこれら角部においては、電力用半導体素子のスイッチングに伴う発熱による温度の上昇度合い、及び電力用半導体素子の駆動・停止に伴う冷熱サイクルあたりの温度変化も最大となる。そのためこれら角部では、半導体装置を構成する部材間、例えば、電力用半導体素子と絶縁基板との間、あるいは絶縁基板と支持体との間での線膨張率の違いによる膨張度合いの差も最大となる。よって、これら部材同士を接着している半田層における上記角部に対応する部位にかかる応力も最大となるため、同部位において亀裂の発生する可能性は、半田層の他の部位に比較して高くなる。

そこで上記請求項１に記載の発明では、こうした実情を踏まえて、絶縁基板の四隅のうち、隣接する他の構造体の数が最も多い角部、及び当該絶縁基板に実装されてこの角部からの距離が最も小さい上記電力用半導体素子の角部の少なくとも一方に、当該部位の温度を検出する温度検出素子を設けるようにしている。

ここで、例えば上記支持体に４つの構造体が半田付けされ、これら構造体が「２列×２
個」隣接配置された半導体装置であって、第１列の構造体を順にＳ１１，Ｓ１２、また、第２列の構造体を順にＳ２１，Ｓ２２とし、第１列の構造体Ｓ１１，Ｓ１２の右側に第２列の構造体Ｓ２１，Ｓ２２が配置されている、すなわち構造体Ｓ１１と構造体Ｓ２１とが、そして構造体Ｓ１２と構造体Ｓ２２とがそれぞれ隣合うように配置されたものを考える。これら構造体のうちの構造体Ｓ１１に着目すれば、この構造体Ｓ１１の備える絶縁基板は、その左上隅、左下隅、右上隅、右下隅においてそれぞれ０個、１個（構造体Ｓ１２）、１個（構造体Ｓ２１）、３個（構造体Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２）の構造体と隣接している。よって、構造体Ｓ１１についてはその絶縁基板の右下隅、及び電力用半導体素子の右下隅の少なくとも一方に温度検出素子を設けるようにすればよい。また、構造体Ｓ１１以外の構造体Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２についてはそれぞれ、その絶縁基板及び電力用半導体の少なくとも一方の右上隅、左下隅、左上隅に上記温度検出素子を設けるようにすればよい。こうした構成により、半導体装置のうち、半田層の最も亀裂の生じやすい部位に対応した位置に必要最小限の温度検出素子が設けられることとなるため、上述した半田層の劣化に伴う電力用半導体素子あるいは絶縁基板の過度の温度上昇を簡易に、しかも的確に検出することが可能となる。

一方、上記温度検出素子としては、サーマルダイオードを採用することができる。このサーマルダイオードとは、これに一定の電流を流すことによって得られる電圧値が、その温度上昇に伴い低下するといった特性を有するものである。そのため、サーマルダイオードの電圧値から、これが配置される絶縁基板若しくは電力用半導体素子の温度を正確に算出することができるようになる。

また、絶縁基板に実装される電力用半導体素子として、電力用半導体素子の１つである絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を含み、当該半導体装置が、支持体の同一平面上にこの絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを含む構造体が「２列×３個」隣接配置されて直流電流を三相交流電流に変換する三相交流インバータとして実現可能である。

ちなみにこの場合、第１列の構造体を順にＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３とし、また、第２列の構造体を順にＳ２１，Ｓ２２，Ｓ２３として、第１列の右側に第２列が配置されているとすれば、上記構造体のＳ１１とＳ２１とが、また、Ｓ１２とＳ２２とが、そしてＳ１３とＳ２３とがそれぞれ隣合うようになる。このとき、これら構造体Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３がそれぞれ備える絶縁基板の四隅のうち、構造体Ｓ１１，Ｓ１３，Ｓ２１，Ｓ２３については、構造体Ｓ１１が右下隅、構造体Ｓ１３が右上隅、構造体Ｓ２１が左下隅、構造体Ｓ２３が左上隅において、また、構造体Ｓ１２，Ｓ２２については、構造体Ｓ１２が右上下隅、構造体Ｓ２２が左上下隅において、それぞれ３個の構造体と隣接している。そして、これら以外の角部においては、その隣接する構造体の数は０個あるいは１個である。よって、上記構成のように構造体が「２列×３個」隣接配置される半導体装置においては、構造体Ｓ１１の右下隅、構造体Ｓ１２の右上下隅、構造体Ｓ１３の右上隅、構造体Ｓ２１の左下隅、構造体Ｓ２２の左上下隅、構造体Ｓ２３の左上隅に対して、それぞれその備える絶縁基板及びこれに実装される電力用半導体素子の少なくとも一方に上記温度検出素子を設けるようにすればよい。

また一方、例えば酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等を含むセラミックは、絶縁性に優れた材料であることはもとより、耐熱性にも優れた材料である。このため、電力用半導体素子の実装される絶縁基板が半田付け可能に表面処理されたセラミック基板からなるものとすれば、発熱量の大きな電力用半導体素子を備える半導体装置であっても、その熱に対する信頼性をより高く維持することが可能となる。

また、前記支持体が半田付け可能に表面処理されたアルミニウムからなる放熱板である。

このように熱伝導率が高く、しかも放熱性のよい材料であるアルミニウムからなる放熱板を上記構造体の支持体とすることで、電力用半導体素子のスイッチングの都度、同電力用半導体素子から発せられる熱は、絶縁基板を介してこの支持体から効率よく放熱されることとなり、当該半導体装置としての熱に対する信頼性を更に向上させることができるようになる。

以下、本発明に係る半導体装置を、例えばハイブリッド車に搭載されて直流電流を三相交流電流に変換する三相交流インバータとして用いられる半導体装置に適用した一実施の形態について、図１〜図５を参照して説明する。

まず、本実施の形態の半導体装置の概要について図１〜図４を参照して説明する。
図１は、半導体素子とこれが実装された絶縁基板を備える構造体が、単一の支持体に「２列×３個」隣接配置された半導体装置の平面構造を示す平面図である。

同図１に示されるように、電力用半導体素子である絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）１１，１２，１３，１４，１５，１６がそれぞれセラミックの一種である窒化アルミニウムからなるとする絶縁基板２１，２２，２３，２４，２５，２６に半田付けにより実装されており、これらＩＧＢＴ１１〜１６と絶縁基板２１〜２６との対として構造体Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３が構成されている。そして、こうした６つの構造体Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３が更にアルミニウムからなる単一の放熱板５１の同一平面上に半田付けによって隣接配置されて半導体装置が構成されている。すなわち、３つの構造体Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３からなる第１列目の右側に他の３つの構造体Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３が第２列目として配置され、構造体Ｓ１１と構造体Ｓ２１とが、また構造体Ｓ１２と構造体Ｓ２２とが、そして構造体Ｓ１３と構造体Ｓ２３とがそれぞれ隣合うように設けられている。

また、このように放熱板５１上に配置された構造体Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３には更に、その構成部材であるＩＧＢＴ１１〜１６用の温度検出素子として第１サーマルダイオード３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８が、また上記絶縁基板２１〜２６用の温度検出素子として第２サーマルダイオード４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８がそれぞれ設けられている。このうち第２サーマルダイオード４１〜４８は、上記絶縁基板２１〜２６の各四隅のうち、隣接配置された構造体の数が最も多い角部に設けられ、第１サーマルダイオード３１〜３８は、上記ＩＧＢＴ１１〜１６のうち、これが実装された絶縁基板２１〜２６の上記第２サーマルダイオード４１〜４８が設けられている角部からの距離が最も小さい角部に設けられている。

具体的には、例えば構造体Ｓ１１に着目すると、絶縁基板２１の四隅において隣接している他の構造体の数は、左上隅、左下隅、右上隅、右下隅の順に、０個、１個（構造体Ｓ１２）、１個（構造体Ｓ２１）、３個（構造体Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２）となる。すなわち、絶縁基板２１についてはその右下隅において、隣接する構造体の数が最も多くなっており、この部位に第２サーマルダイオード４１が設けられている。そして、同構造体Ｓ１１を構成するＩＧＢＴ１１には、この第２サーマルダイオード４１が設けられた部位からの距離が最も近い角部である右下隅に第１サーマルダイオード３１が設けられている。また、その他の構造体Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３についても同様に、構造体
Ｓ１２はその絶縁基板２２及びＩＧＢＴ１２の右上下隅、構造体Ｓ１３はその絶縁基板２３及びＩＧＢＴ１３の右上隅、構造体Ｓ２１はその絶縁基板２４及びＩＧＢＴ１４の左下隅、構造体Ｓ２２はその絶縁基板２５及びＩＧＢＴ１５の左上下隅、構造体Ｓ２３はその絶縁基板２６及びＩＧＢＴ１６の左上隅に、それぞれ第２あるいは第１サーマルダイオード４２〜４８，３２〜３８が設けられている。

図２は、このように構成された半導体装置の構造体Ｓ２１を代表としてこれを含む断面構造、すなわち図１のＡ−Ａ線に沿った断面構造を拡大して示したものである。
同図２に示されるように、第１サーマルダイオード３５とともに半導体基板上に形成されているＩＧＢＴ１４は、第２サーマルダイオード４５の形成されている絶縁基板２４上に半田付けによって実装されている。すなわち、ＩＧＢＴ１４は第１半田層６１を介して絶縁基板２４上に固定されている。また、これらＩＧＢＴ１４と絶縁基板２４とを備える構造体Ｓ２１も、放熱板５１上に半田付けによって取り付けられている。すなわち、構造体Ｓ２１は第２半田層６２を介して放熱板５１上に固定されている。

一方、このように構成された半導体装置が上述した三相交流インバータとして用いられる場合には周知のように、上記ＩＧＢＴ１１〜１６のそれぞれはＰＷＭ（パルス幅変調）制御されるスイッチング素子として機能する。そしてこれらＩＧＢＴ１１〜１６は、そのスイッチングの度に、その電流や電力損失に起因して発熱するようになる。このとき、このＩＧＢＴ１１〜１６から発せられる熱は、これが実装される絶縁基板２１〜２６を介して放熱板５１へと伝導され、その大部分はこの放熱板５１を介して放熱されるようになる。ただし、こうした熱の伝導により、発熱体となるＩＧＢＴ１１〜１６の温度はもとより、これが実装されている絶縁基板２１〜２６やそれらの構造体Ｓ１１〜Ｓ２３が半田付けされている放熱板５１の温度も上昇する。また逆に、ＩＧＢＴ１１〜１６の駆動が停止されれば、これに伴って、ＩＧＢＴ１１〜１６はもとより、上記絶縁基板２１〜２６をはじめとする各部材の温度も徐々に低下する。本実施の形態の半導体装置ではこのように、構造体Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３のそれぞれにおいて、ＩＧＢＴ１１〜１６の駆動・停止に伴うこうした態様での冷熱サイクルが繰り返されることとなる。

しかも、本実施の形態に係る半導体装置では、単一の放熱板５１の同一平面上に上記６つの構造体Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３が半田付けによって固定されているため、各ＩＧＢＴ１１〜１６から発せられる熱は、放熱板５１を介して互いに他の構造体へと伝導される。すなわち、構造体同士が互いに熱干渉することとなるとともに、ある構造体に対する熱干渉の度合いは、それに隣接する他の構造体の数に依存する。しかも、この熱干渉の度合いが大きい構造体ほど、上記冷熱サイクルでの温度変化も大きくなる。

次に、本実施の形態に係る半導体装置における、こうした熱干渉度合いの違いに起因する冷熱サイクル時の温度変化度合いの分布を図３を参照して説明する。
同図３に示すように、上記６つの構造体Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３の各四隅は、隣接する他の構造体の数によって各々３つの領域に分類することが可能である。この３つの領域とはすなわち、３つの構造体と隣接する、換言すれば４つの角部が隣接しているａ領域と、１つの構造体と隣接する、換言すれば２つの角部が隣接しているｂ領域と、他の構造体とは全く隣接していないｃ領域とである。そして、これら３つの領域のうち、隣接する他の構造体の数が最も多いａ領域において熱干渉の度合いが最も大きく、他の構造体と全く隣接しないｃ領域では熱干渉はほとんどない。よって、温度変化ΔＴの度合いもこれに対応したものとなり、ａ領域での温度変化度合いは、ｃ領域よりも凡そ１０％大きくなり、また、ｂ領域での温度変化度合いは、ｃ領域よりも凡そ４％大きくなることが発明者らによって確認されている。

ここで、本実施の形態に係る半導体装置とは上述のように、これを構成するＩＧＢＴ１１〜１６、絶縁基板２１〜２６、そして放熱板５１はそれぞれ異なる材料で形成されており、これら構成要素毎に単位上昇温度あたりの線膨張率も互いに異なっている。例えば、ＩＧＢＴ１１〜１６が主にシリコンにて形成されており、絶縁基板２１〜２６が上述のように窒化アルミニウムにて形成されており、そして放熱板５１がこれも上述のようにアルミニウムにて形成されているとするとき、これらの線膨張係数はそれぞれ「３ｐｐｍ／℃」、「４．５ｐｐｍ／℃」、「２４ｐｐｍ／℃」と異なる。このため、上記ＩＧＢＴ１１〜１６の駆動時には、こうした線膨張率の違いに起因して、ＩＧＢＴ１１〜１６と絶縁基板２１〜２６とを接合する第１半田層６１（図２）、及び絶縁基板２１〜２６と放熱板５１とを接合する第２半田層６２（図２）のそれぞれに応力が発生する。そして、このような応力が上記冷熱サイクルの度にこれら第１及び第２半田層６１，６２に繰り返し加わることがあれば、これら第１及び第２半田層６１，６２に亀裂（クラック）が発生しかねない。しかも、この応力の大きさは、冷熱サイクルあたりの温度変化度合いに比例するものであるから、本実施形態に係る半導体装置にあっては、この温度変化度合いが最も大きい上記ａ領域に包含される第１あるいは第２半田層が最も半田クラックの発生しやすい部位となる。

そこで、上述のように、また、図１に示したように、構造体Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３のそれぞれについて、上記の領域に相当する部位に第１サーマルダイオード３１〜３８あるいは第２サーマルダイオード４１〜４８を設けるようにすれば、第１あるいは第２半田層に発生したクラックに起因する熱抵抗の増大、すなわち当該部位の過度の温度上昇を早期に検出することができるようになる。そのため、これらサーマルダイオード３１〜３８，４１〜４８による温度検出値を監視するようにすれば、第１あるいは第２半田層にクラックが発生したか否かを精度よく判定することが可能となる。

次に、こうした半田クラックの発生判定も含めて、本実施の形態に係る半導体装置の診断・制御を行う装置について、その電気的構成並びに機能の概要を図４を参照して説明する。

同図４に示すように、制御装置７０は、第１サーマルダイオード３１〜３８、第２サーマルダイオード４１〜４８の出力を監視しつつ上記第１あるいは第２半田層にて半田クラックが発生したか否かを診断・判定する診断部７１と、この診断部７１での判定結果を参照しつつ上記各ＩＧＢＴ１１〜１６の駆動を制御する制御部７３とを備えている。

ここで、診断部７１には、半田クラック発生の判定に用いられるデータや判定結果を記憶するためのバックアップＲＡＭ７２が設けられているとともに、適宜のドライバを介して点灯駆動されて、この半導体装置が搭載されたハイブリッド車のユーザ若しくはディーラーの作業者に第１あるいは第２半田層にクラックが発生していることを警告するための警告ランプ７４が接続されている。そして、この診断部７１は、制御装置７０内で上記制御部７３とバス接続されている。

このように構成された制御装置７０では、診断部７１が、その入力部に取り込まれる各サーマルダイオード３１〜３８，４１〜４８の出力（温度相関電圧）に基づいて、これらが配設されている各部位の温度を算出する。そして、この算出した温度に基づいて、上記第１あるいは第２半田層にクラックが発生したか否かを診断・判定し、それら半田層にクラックが発生している旨判定される場合、その結果をバックアップＲＡＭ７２に記憶するとともに制御部７３に出力し、さらには上記警告ランプ７４を点灯駆動する。このとき、制御部７３では、この診断部７１による診断結果（判定結果）を反映させるかたちで、ＩＧＢＴ１１〜１６の駆動態様を制御する。すなわち、それらＩＧＢＴ１１〜１６への通電電流を制限する等して異常部位の発熱を抑制する。

以下、制御装置７０を通じて実行される主に上述した診断処理について、その概要を図５を参照して説明する。
図５は、制御装置７０を通じて実行される半田クラックの発生判定に係る診断手順の一例を示すフローチャートである。この判定に係る処理は、所定時間毎に繰り返し実行される。

同図５に示されるように、この処理ではまず、第１サーマルダイオード３１〜３８の出力（温度相関電圧）に基づき算出されたＩＧＢＴ１１〜１６の温度Ｔ１が読み込まれる（ステップＳ５０１）とともに、第２サーマルダイオード４１〜４８の出力に基づき算出された絶縁基板２１〜２６の温度Ｔ２がそれぞれ読み込まれる（ステップＳ５０２）。次いで、ステップＳ５０１にて読み込まれたＩＧＢＴ温度Ｔ１と、このＩＧＢＴ温度Ｔ１に対する異常判定値であるＴ１ＴＨとが比較され、ＩＧＢＴ温度Ｔ１が異常判定値Ｔ１ＴＨ以上となっているか否かが判断される（ステップＳ５０３）。なお、この異常判定値Ｔ１ＴＨとは、第１及び第２半田層にクラックが発生していない状態で、ＩＧＢＴ１１〜１６を定格駆動したときに飽和するであろうＩＧＢＴ温度Ｔ１の上限温度よりも若干高温側に設定された温度であり、予め実験等を通じて算出されて診断部７１の備えるバックアップＲＡＭ７２に記憶されている。そしてここでは、ＩＧＢＴ温度Ｔ１がこの異常判定値Ｔ１ＴＨ未満であると判断された場合（ステップＳ５０３：ＮＯ）、第１及び第２半田層のいずれにも半田クラックが発生していないと判定される（ステップＳ５０４）。

すなわち、先の図２に例示したような断面構造を有する半導体装置にあっては通常、第１半田層６１及び第２半田層６２のいずれにもクラックが生じていない場合、同図２に示される構造体Ｓ２１を例にとれば、ＩＧＢＴ１４の駆動に基づき第１サーマルダイオード３５、第２サーマルダイオード４５を通じて検出される温度は、「ＩＧＢＴ温度Ｔ１＞絶縁基板温度Ｔ２」といった関係を保ったまま徐々に上昇して、いずれは各々の飽和温度付近で推移する。したがってこの場合、ＩＧＢＴ温度Ｔ１が異常判定値Ｔ１ＴＨ以上となることはない。しかし、同構造において、例えば第２半田層６２にクラックが生じたとすると、該第２半田層６２の熱抵抗の増大によって、ＩＧＢＴ１４から発せられる熱が放熱板５１を通じて放熱されにくくなることから、第１サーマルダイオード３５、第２サーマルダイオード４５を通じて検出される温度は共に上昇傾向となる。そしてこの場合には、少なくともＩＧＢＴ温度Ｔ１はいずれ異常判定値Ｔ１ＴＨ以上となる。また同構成において、例えば第１半田層６１にクラックが生じたとすると、該第１半田層６１の熱抵抗の増大によってＩＧＢＴ１４から発せられる熱が絶縁基板２４自体に伝わりにくくなることから、第１サーマルダイオード３５を通じて検出される温度は大きく上昇するものの、第２サーマルダイオード４５を通じて検出される温度はその上昇度合が鈍り、絶縁基板温度Ｔ２としての本来の飽和温度にも達しにくくなる。そしてこの場合も、ＩＧＢＴ温度Ｔ１に着目すれば、このＩＧＢＴ温度Ｔ１もいずれ異常判定値Ｔ１ＴＨ以上となる。このように、ＩＧＢＴ温度Ｔ１を監視し、このＩＧＢＴ温度Ｔ１が異常判定値Ｔ１ＴＨ未満である限り、上述のように第１及び第２半田層のいずれにも半田クラックが発生していないと判定することができる。

一方、上記ステップＳ５０３の処理においてＩＧＢＴ温度Ｔ１が異常判定値Ｔ１ＴＨ以上であると判断された場合にはさらに、上記ステップＳ５０２にて読み込まれた絶縁基板温度Ｔ２と、この絶縁基板温度Ｔ２に対する異常判定値であるＴ２ＴＨとが比較され、絶縁基板温度Ｔ２が異常判定値Ｔ２ＴＨ以上となっているか否かが判断される（ステップＳ５１１）。なお、この異常判定値Ｔ２ＴＨとは、上記異常判定値Ｔ１ＴＨと同様に、第１及び第２半田層にクラックが発生していない状態で、ＩＧＢＴ１１〜１６を定格駆動したときに飽和するであろう絶縁基板温度Ｔ２の上限温度よりも若干高温側に設定された温度であり、これも予め実験等を通じて算出されて診断部７１の備えるバックアップＲＡＭ７
２に記憶されている。そしてここでは、絶縁基板温度Ｔ２が異常判定値Ｔ２ＴＨ以上であると判断された場合には（ステップＳ５１１：ＹＥＳ）、第２半田層に半田クラックが発生していると判定される（ステップＳ５１２）。上述のように、ＩＧＢＴ温度Ｔ１及び絶縁基板温度Ｔ２が共に上昇傾向となって各々その異常判定値Ｔ１ＴＨあるいは異常判定値Ｔ２ＴＨ以上となるときには第２半田層（図２の例では第２半田層６２）にクラックが生じている可能性が高い。

他方、同ステップＳ５１１の処理において、絶縁基板温度Ｔ２が異常判定値Ｔ２ＴＨ未満であると判断された場合には、第１半田層に半田クラックが発生していると判定される（ステップＳ５１３）。これも上述のように、ＩＧＢＴ温度Ｔ１が異常判定値Ｔ１ＴＨ以上であるにも拘わらず、絶縁基板温度Ｔ２がその異常判定値Ｔ２ＴＨ未満である場合には、第１半田層（図２の例では第１半田層６１）の熱抵抗の増大、すなわちクラックの発生に起因して絶縁基板温度Ｔ２の上昇度合いが鈍っている可能性が高い。

そして、ステップＳ５１１での処理が肯定あるいは否定の場合には、第２半田層にクラックが発生している旨の情報、あるいは第１半田層にクラックが発生している旨の情報がバックアップＲＡＭ７２に記憶されるとともに（ステップＳ５１４）、半田クラックの発生を警告する警告ランプ７４が点灯される（ステップＳ５１５）。またこのときには、半田クラックが発生している旨の情報が診断部７１から制御部７３へと出力され、これにより制御部７３では上述のように、ＩＧＢＴ１１〜１６への通電電流を制限する等して異常部位の発熱を抑制する（ステップＳ５１６）。なお、制御部７３によるこのような制御は、半導体装置を交換する等の半田クラックへの対処が完了するまで維持される。

以上説明したように、本実施の形態に係る半導体装置によれば、以下に列挙する効果が得られるようになる。
（１）６つの構造体Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３において、本来はＩＧＢＴ１１〜１６あるいは絶縁基板２１〜２６の各四隅にサーマルダイオード等の温度検出素子を配設して半田クラックの発生の有無を監視すべきところ、必要最低限の数の温度検出素子を通じて同半田クラックの発生の有無を監視するようにした。すなわち、ＩＧＢＴ１１〜１６及び絶縁基板２１〜２６の四隅のうち、最も熱干渉の度合いが大きい角部に各々第１サーマルダイオード３１〜３８あるいは第２サーマルダイオード４１〜４８を設けるようにした。これにより、簡易な構成でありながら第１及び第２半田層に発生したクラック、さらにはこのクラックに起因するＩＧＢＴ１１〜１６あるいは絶縁基板２１〜２６の過度の温度上昇を的確に検出することが可能となる。

（２）ＩＧＢＴ１１〜１６の実装される絶縁基板２１〜２６として、セラミックの一種である窒化アルミニウムを採用するようにした。これにより、発熱量の大きなＩＧＢＴ１１〜１６を備える半導体装置にあっても、その熱に対する信頼性をより高く維持することが可能となる。

（３）６つの構造体Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３の支持体として、熱伝導率が高く、放熱性のよい材料であるアルミニウムからなる放熱板５１を採用するようにした。これにより、ＩＧＢＴ１１〜１６の駆動に伴ってそれらＩＧＢＴ１１〜１６から発せられる熱を効率よく放熱させることが可能となり、半導体装置としての熱に対する信頼性を更に向上させることができるようになる。

（４）制御装置７０の診断部７１にて第１あるいは第２半田層にクラックが発生していると判断された場合には、制御部７３を通じてＩＧＢＴ１１〜１６への通電電流を制限する等して異常部位の発熱を抑制するようにした。これにより、第１あるいは第２半田層に発生したクラックの拡大を抑制するなどのフェールセーフも併せて実現されるようになる
。

なお、上記実施の形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・上記実施の形態に係る半田クラック発生判定に係る診断処理では、そのステップＳ５１４において半田クラックが発生している旨の情報が、その発生部位の別に、すなわち第１及び第２半田層の別にバックアップＲＡＭ７２に記憶されるようにした。これに限らず、同ステップＳ５１４においては、半田クラックが発生している旨の情報のみがバックアップＲＡＭ７２に記憶されるようにしてもよい。

・半導体装置として６つの構造体Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３が単一の支持体である放熱板５１の同一平面上に半田付けによって一体化されたものを例示した。これに対し、参考例として、例えば図６に示すように、２つの構造体Ｓ１１、Ｓ２１が放熱板５１に一体に半田付けされた半導体装置が挙げられる。この場合、同図６に示すように、これら構造体Ｓ１１，Ｓ２１のうち、構造体Ｓ１１にはその絶縁基板２１の右上隅と右下隅において構造体Ｓ２１と隣接している。また、構造体Ｓ２１にはその絶縁基板２２の左上隅と左下隅において構造体Ｓ１１と隣接している。そして、これら以外のいずれの角部も他の構造体とは隣接していない。よって、こうした半導体装置では、構造体Ｓ１１の絶縁基板２１及びＩＧＢＴ１１の右上下隅と、構造体Ｓ２１の絶縁基板２２及びＩＧＢＴ１２の左上下隅にそれぞれサーマルダイオード４１〜４４，３１〜３４を設けるようにすればよい。

・また同様に、参考例として、例えば図７に示すように、４つの構造体Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２が放熱板に一体に半田付けされた半導体装置が挙げられる。この場合、同図７に示すように、構造体Ｓ１１，Ｓ１２からなる第１列目の右側に第２列目として構造体Ｓ２１，Ｓ２２が配置される態様にて、４つの構造体Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２が単一の放熱板５１上に半田付けされている。これら構造体Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２のうち、構造体Ｓ１１についてはその絶縁基板２１の右下隅において、構造体Ｓ１２についてはその絶縁基板２２の右上隅において、構造体Ｓ２１についてはその絶縁基板２３の左下隅において、そして構造体Ｓ２２についてはその絶縁基板２４の左上隅においてそれぞれ他の３個の構造体と隣接している。また、これら以外の角部は、隣接する構造体の数は０個あるいは１個である。よって、こうした半導体装置では、構造体Ｓ１１の絶縁基板２１及びＩＧＢＴ１１の右下隅、構造体Ｓ１２の絶縁基板２２及びＩＧＢＴ１２の右上隅、構造体Ｓ２１の絶縁基板２３及びＩＧＢＴ１３の左下隅、及び構造体Ｓ２２の絶縁基板２４及びＩＧＢＴ１４の左上隅にそれぞれサーマルダイオード４１〜４４，３１〜３４を設けるようにすればよい。

・絶縁基板として、窒化アルミニウムを採用したが、これに限らず窒化ケイ素や酸化アルミニウム等のセラミック基板も適宜採用可能である。ただし、それら基板であっても、予め半田付け可能に表面処理されていることが望ましい。

・ハイブリッド車等に搭載される三相交流インバータとして用いられる半導体装置を例示したが、鉄道用インバータや産業用インバータとして用いられる半導体装置にも、この発明は同様に適用することができる。

本発明に係る半導体装置の一実施の形態についてその平面構造を示す平面図。 図１のＡ−Ａ線に沿った一部断面構造を示す部分断面図。 同実施の形態の半導体装置における温度分布を概念的に示す平面図。 同実施の形態の半導体装置を診断・制御する制御装置についてその電気的構成を模式的に示すブロック図。 上記制御装置による半田クラックの発生判定に係る診断処理についてその処理手順を示すフローチャート。 同実施の形態の半導体装置の変形例についてその平面構造を示す平面図。 同実施の形態の半導体装置の変形例についてその平面構造を示す平面図。

符号の説明

１１，１２，１３，１４，１５，１６…絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、２１，２２，２３，２４，２５，２６…絶縁基板、３１，３２，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８…第１サーマルダイオード、４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８…第２サーマルダイオード、５１…放熱板、６１…第１半田層、６２…第２半田層、７０…制御装置、７１…診断部、７２…バックアップＲＡＭ、７３…制御部、７４…警告ランプ、Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３…構造体。

Claims (1)

1. １つの矩形状の絶縁基板と、前記絶縁基板上に半田付けにより実装された前記絶縁基板よりも小さい１つの矩形状の電力用半導体素子とを有する複数の構造体が、矩形状の支持体の同一平面上に半田付けによって隣接配置されてなり、
   前記絶縁基板は、半田付け可能に表面処理されたセラミック基板であり、
   前記電力用半導体素子には、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタが含まれ、
   前記支持体は、半田付け可能に表面処理されたアルミニウムからなる放熱板であり、
   前記構造体は、前記支持体の同一平面上の一方向に沿って３つずつ２列に配置され、且つ直流電流を三相交流電流に変換する三相交流インバータであり、
   前記絶縁基板の四隅における３つの他の絶縁基板と隣接する角部の各々、及びこの絶縁基板の角部の各々からの距離が最も小さい前記電力用半導体素子の角部の各々に、当該部分の温度を検出する温度検出素子を１つずつ備え、
   前記温度検出素子は、温度上昇にともなって所定電流あたりの電圧値が低下するサーマルダイオードからなる半導体装置。

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