JP5233198B2

JP5233198B2 - 半導体装置

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Publication number: JP5233198B2
Application number: JP2007204366A
Authority: JP
Inventors: 裕章市川
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-08-06
Filing date: 2007-08-06
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2027-08-06
Also published as: JP2009043780A; US20090046405A1; US8325452B2

Description

本発明は半導体装置に関し、特に、熱抵抗を監視する機能が搭載された半導体装置に適用して好適なものである。

大電力用半導体装置では、半導体チップからの放熱を効率よく行えるようにするために、熱伝導率の高い銅ベース上に絶縁のためのセラミック基板を介して半導体チップが実装され、半導体チップと銅ベースとの間の部材間の接合には半田が用いられている。これらの部材は熱膨張係数差が大きく、温度サイクルによってこれらの部材間に応力歪が発生することから、半田が疲労し、半田クラックが発生する。半田クラックが発生すると、半導体チップからの放熱性が劣化し、半導体チップの温度が急激に上昇することから、半導体チップの熱破壊に至る危険性がある。

このような危険性を未然に回避できるようにするため、半導体素子の寿命試験を行うことで、寿命加速係数を求め、半導体素子の寿命を予測することで、予測された寿命の範囲内で半導体装置を動作させることが行われている。
あるいは、半導体チップの温度を監視し、異常な温度上昇が検出されると、半導体装置の動作を強制的に停止させる方法も行われている。

図７は、従来の半導体装置の概略構成を示すブロック図である。
図７において、半導体チップ１１には、スイッチング動作を行うスイッチング素子１２および半導体チップ１１の温度検出に用いられるダイオード１３が形成されている。なお、スイッチング素子１２としては、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を用いることができる。

そして、スイッチング素子１２としてＩＧＢＴを用いるものとすると、ＩＧＢＴコレクタ電流から分流されたエミッタは抵抗１８を介して接地され、ＩＧＢＴのゲートには、論理積回路２４からの出力端子が駆動回路２５を介して接続され、ダイオード１３は温度算出部１７の入力端子に接続されている。そして、温度算出部１７からの出力端子は比較器２３の反転入力端子に接続され、基準電圧源２２は比較器２３の非反転入力端子に接続され、比較器２３の出力端子は、論理積回路２４の反転入力端子に接続され、論理積回路２４の非反転入力端子には信号入力端子が接続され、論理積回路２４の出力端子は駆動回路２５の入力端子に接続されている。

そして、スイッチング素子１１のスイッチング動作を制御する制御信号が、論理積回路２４および駆動回路２５を介してスイッチング素子１１のゲートに印加されると、スイッチング素子１１がオンし、抵抗１８に電流が流れる。そして、スイッチング素子１１のスイッチング動作に伴って半導体チップ１１の温度が上昇すると、ダイオード１３の温度特性に従ってダイオード１３を流れる電流が変化し、そのダイオード１３からの信号が温度算出部１７に入力される。

そして、温度算出部１７は、ダイオード１３からの信号に基づいて半導体チップ１１の温度を算出し、その温度に対応した電圧を比較器２３に入力する。そして、比較器２３は、半導体チップ１１の温度に対応した電圧を基準電圧と比較し、半導体チップ１１の温度が所定値以上になると、論理積回路２４の反転入力端子をロウレベルにすることで、制御信号がスイッチング素子１１のゲートに入力されるのを阻止して、スイッチング素子１１の動作を停止させる。

また、例えば、特許文献１には、半導体素子および各部品に熱電対を取り付けることによって、装置の使用中の温度を常時監視し、各接合部の劣化および装置の冷却状況が把握できるようにした方法が開示されている。
また、例えば、特許文献２には、半導体素子の使用状態における発生熱を放散する放熱経路の熱抵抗の増加を検出する素子を搭載し、その検出結果を半導体装置外部に出力することで、使用状態における素子搭載用絶縁基板と放熱基板とを固着する半田のクラック発生による脆弱化を早期に検出できるようにした方法が開示されている。

また、例えば、特許文献３には、金属ワイヤにより金属接合された接合部の特性を検出し、接合部の劣化による抵抗の上昇と寿命の関係から決定したしきい値を用いることで、接合部の劣化を予測する方法が開示されている。
特開平７−１４９４８号公報特開平９−１４８５２３号公報ＷＯ２００５／０３８９１９

しかしながら、半導体素子の寿命を予測する方法では、寿命予測に用いられるモデルケースが実際の動作時の動作パターンと異なると、寿命予測ができなくなり、半導体チップの熱破壊に至る危険性を回避できなくなるという問題があった。
また、半導体チップの温度を監視する方法では、半導体装置が定格電流以下で動作される場合には、半田クラックが発生した場合においても、半導体チップの異常な温度上昇を検出することができなくなるため、半導体チップの熱破壊を未然に防止することができないという問題があった。
そこで、本発明の目的は、半導体装置の動作状態が予測できない場合においても、半導体チップからの放熱性の劣化を検出することが可能な半導体装置を提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載の半導体装置によれば、スイッチング素子が形成された半導体チップと、前記半導体チップが半田層を介して実装された実装基板と、前記半導体チップから発生した熱を放熱させる放熱手段と、前記スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出回路と、前記スイッチング素子に印加される電圧を検出する電圧検出回路と、前記電流検出回路にて検出された電流および前記電圧検出回路にて検出された電圧に基づいて、前記スイッチング素子に発生した損失を計算する損失計算回路と、前記半導体チップの温度を検出する温度検出手段と、前記損失計算回路にて計算された前記スイッチング素子の損失および前記温度検出手段にて検出された前記半導体チップの温度に基づいて、前記半導体チップからの放熱経路上の熱抵抗を算出する熱抵抗算出回路とを備えた半導体装置において、前記熱抵抗算出回路は、前記温度検出手段にて検出された温度を参照することで、前記損失計算回路にて計算された損失発生前後の温度差を算出する温度差算出部と、前記損失計算回路にて計算された損失および前記温度差算出部にて算出された温度差に基づいて、前記半導体チップからの放熱経路上の熱抵抗を計算する熱抵抗計算部とを備え、前記熱抵抗算出回路は、前記半導体チップからの放熱経路の温度が飽和するまでの時間に基づいて、前記スイッチング素子に発生した損失の積分値および前記半導体チップの温度差を算出し、前記半導体チップからの放熱経路上の特定箇所の熱抵抗を計算することを特徴とする。

これにより、スイッチング素子を実際に動作させながら、半導体チップからの放熱経路上の熱抵抗を算出することができる。このため、半導体装置の動作状態が予測できない場合においても、半導体チップからの放熱性の劣化を検出することが可能となり、半田クラックの発生を的確に捉えることが可能となることから、半導体チップの熱破壊を未然に防止することができる。
また、半導体チップの温度を検出することで、スイッチング素子を実際に動作させながら、半導体チップからの放熱経路上の熱抵抗を算出することができ、半導体チップからの放熱性の劣化を検出することが可能となる。
また、半導体チップの温度のサンプリング間隔を変えることで、半導体チップからの放熱経路上の特定箇所の熱抵抗を計算することができ、半導体チップから発生した熱を放熱させる放熱手段が設けられている場合においても、半田層の異常を検出することが可能となることから、半田クラックの発生を的確に捉えることが可能となる。

また、請求項２記載の半導体装置は、請求項１に記載の発明において、前記熱抵抗算出回路は、前記スイッチング素子に発生した損失の積分値および前記半導体チップの温度差を算出する時間間隔を２００ｍｓ以下に設定することで、前記半導体チップを前記実装基板に固着する半田層の異常を監視し、前記スイッチング素子に発生した損失の積分値および前記半導体チップの温度差を算出する時間間隔を２ｓｅｃ以下に設定することで、前記放熱手段との接触面の異常を監視し、前記スイッチング素子に発生した損失の積分値および前記半導体チップの温度差を算出する時間間隔を２ｓｅｃ以上に設定することで、前記放熱手段の異常を監視することを特徴とする。
これにより、半導体チップの温度のサンプリング間隔を変えることで、半田層の異常だけでなく、放熱手段との接触面の異常や放熱手段の異常を監視することができ、半導体チップからの放熱性の劣化の検出精度を向上させることが可能となる。

また、請求項３記載の半導体装置は、請求項１又は２に記載の発明において、前記熱抵抗算出回路にて算出された熱抵抗を所定値と比較する比較手段と、前記熱抵抗算出回路にて算出された熱抵抗が前記所定値を超えた場合、前記スイッチング素子の動作を停止させるか、あるいは前記スイッチング素子の流れる電流を制限する保護回路をさらに備えることを特徴とする。
これにより、半田クラックが発生した場合、スイッチング素子の動作を停止させることができ、半導体チップの熱破壊を未然に防止することができる。

また、請求項４記載の半導体装置は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御回路と、前記スイッチング動作を制御する制御情報に基づいて、前記スイッチング素子の損失および温度を算出し、前記半導体チップからの放熱経路上の熱抵抗を予測する熱抵抗予測回路と、前記熱抵抗算出回路にて算出された熱抵抗を前記熱抵抗予測回路にて予測された熱抵抗と比較する比較手段と、前記熱抵抗算出回路にて算出された熱抵抗が前記熱抵抗予測回路にて予測された熱抵抗を超えた場合、前記スイッチング素子の動作を停止させるか、あるいは前記スイッチング素子の流れる電流を制限する保護回路をさらに備えることを特徴とする。
これにより、ユニット全体の熱抵抗を考慮しながら、スイッチング素子の動作を停止させることができ、半導体チップの熱破壊を未然に防止することができる。

また、請求項５記載の半導体装置は、スイッチング素子が形成された半導体チップと、前記半導体チップが半田層を介して実装された実装基板と、前記半導体チップから発生した熱を放熱させる放熱手段と、前記スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出回路と、前記スイッチング素子に印加される電圧を検出する電圧検出回路と、前記電流検出回路にて検出された電流および前記電圧検出回路にて検出された電圧に基づいて、前記スイッチング素子に発生した損失を計算する損失計算回路と、前記損失計算回路にて計算された損失を、前記半導体チップからの放熱経路の温度が飽和するまでの時間に設定されたパルス幅のリセット信号の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジにてリセットされながら積分する積分回路と、前記半導体チップの温度を検出する温度検出手段と、前記損失計算回路にて計算され前記積分回路により積分された前記スイッチング素子の損失および前記温度検出手段にて検出された前記半導体チップの温度に基づいて、前記半導体チップからの放熱経路上の熱抵抗を算出する熱抵抗算出回路とを備えることを特徴とする。
これにより、半導体チップの温度のサンプリング間隔を変えることで、半田層の異常だけでなく、冷却体との接触面の異常や冷却体の異常を監視することができ、半導体チップからの放熱性の劣化の検出精度を向上させることが可能となり、半導体チップの熱破壊を未然に防止することができる。

以上説明したように、本発明によれば、スイッチング素子を実際に動作させながら、半導体チップからの放熱経路上の熱抵抗を算出することができる。このため、半導体装置の動作状態が予測できない場合においても、半導体チップからの放熱性の劣化を検出することが可能となり、半田クラックの発生を的確に捉えることが可能となることから、半導体チップの熱破壊を未然に防止することができる。

以下、本発明の実施形態に係る半導体装置について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略構成を示すブロック図である。
図１において、半導体チップ１１には、スイッチング動作を行うスイッチング素子１２および半導体チップ１１の温度検出に用いられるダイオード１３が形成されている。なお、スイッチング素子１２としては、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やバイポーラトランジスタあるいはパワーＭＯＳＦＥＴを用いることができる。ここで、半導体チップ１１は、熱伝導率の高い銅ベース上に絶縁のためのセラミック基板を介して実装することができ、半導体チップと銅ベースとの間の部材間の接合には半田を用いることができる。

また、半導体チップ１１が設けられた半導体装置には、スイッチング素子１２にかかる電圧を検出する電圧検出回路１６、スイッチング素子１２に流れる電流を検出する電流検出回路１９、ダイオード１３から出力された信号に基づいて半導体チップ１１の温度を算出する温度算出部１７、電流検出回路１９にて検出された電流および電圧検出回路１６にて検出された電圧に基づいて、スイッチング素子１２に発生した損失を計算する損失計算回路２０、損失計算回路２０にて計算されたスイッチング素子１２の損失および温度算出部１７にて算出された半導体チップ１１の温度に基づいて、半導体チップ１１からの放熱経路上の熱抵抗を算出して、その熱抵抗に対応した電圧に変換して出力する熱抵抗算出回路２１、基準電圧を発生させる基準電圧源２２、熱抵抗算出回路２１にて算出された熱抵抗に対応した電圧を基準電圧と比較する比較器２３、熱抵抗算出回路２１にて算出された熱抵抗に対応した電圧が基準電圧を超えた場合、スイッチング素子１２のスイッチング動作を制御する制御信号がスイッチング素子１２に出力されるのを阻止する論理積回路２４、スイッチング素子１２を駆動する駆動回路２５が設けられている。

なお、電圧検出回路１６、電流検出回路１９、駆動回路２５はボロテージフォロワ接続されたオペアンプ、損失計算回路２０は乗算器を用いることができる。
そして、スイッチング素子１２としてＩＧＢＴを用いるものとすると、ＩＧＢＴから分流されたエミッタは抵抗１８を介して接地され、ＩＧＢＴのゲートには、論理積回路２４からの出力端子が駆動回路２５を介して接続され、ダイオード１３は温度算出部１７の入力端子に接続されている。

また、ＩＧＢＴのコレクタは、逆バイアスがかかるように接続されたダイオード１４を介して電圧検出回路１６の入力端子に接続され、ダイオード１４のアノード側は抵抗１５にてプルアップ接続されている。なお、ダイオード１４は、スイッチング素子１２に印加される数百Ｖ程度の高電圧が、数十Ｖ程度の電圧で動作する電圧検出回路１６側に回り込むのを防止することができる。

また、ＩＧＢＴのエミッタは電流検出回路１９の入力端子に接続され、電圧検出回路１６の出力端子は損失計算回路２０の一方の入力端子に接続され、電流検出回路１９の他方の入力端子に接続されている。
そして、温度算出部１７の出力端子は熱抵抗算出回路２１の一方の入力端子に接続される。損失計算回路２０の出力端子は熱抵抗算出回路２１の他方の入力端子に接続され、熱抵抗算出回路２１の出力端子は、比較器２３の反転入力端子に接続され、基準電圧源２２は比較器２３の非反転入力端子に接続され、比較器２３の出力端子は、論理積回路２４の反転入力端子に接続される。論理積回路２４の非反転入力端子には信号入力端子が接続され、論理積回路２４の出力端子は駆動回路２５の入力端子に接続されている。

そして、スイッチング素子１１のスイッチング動作を制御する制御信号が、論理積回路２４および駆動回路２５を介してスイッチング素子１１のゲートに印加されると、スイッチング素子１１がオンし、抵抗１８に電流が流れる。そして、スイッチング素子１１のスイッチング動作に伴って半導体チップ１１の温度が上昇すると、ダイオード１３の温度特性に従ってダイオード１３を流れる電流が変化し、そのダイオード１３からの信号が温度算出部１７に入力される。
そして、温度算出部１７は、ダイオード１３からの信号に基づいて半導体チップ１１の温度を算出し、その温度に対応した電圧を熱抵抗算出回路２１の一方の入力端子に入力する。

また、スイッチング素子１１のコレクタに印加される電圧はダイオード１４を介して電圧検出回路１６にて検出され、電圧検出回路１６にて検出された電圧は損失計算回路２０の一方の入力端子に入力される。また、スイッチング素子１１を介して抵抗１８に流れる電流は電流検出回路１９にて検出され、電流検出回路１９にて検出された電流は損失計算回路２０の他方の入力端子に入力される。
そして、損失計算回路２０は、電流検出回路１９にて検出された電流および電圧検出回路１６にて検出された電圧に基づいて、スイッチング素子１２に発生した損失を計算し、その損失を熱抵抗算出回路２１の他方の入力端子に入力する。

そして、熱抵抗算出回路２１は、損失計算回路２０にて計算されたスイッチング素子１２の損失および温度算出部１７にて算出された半導体チップ１１の温度に基づいて、半導体チップ１１からの放熱経路上の熱抵抗を算出して、その熱抵抗に対応した電圧に変換して比較器２３の反転入力端子に出力する。
そして、比較器２３は、熱抵抗算出回路２１にて算出された熱抵抗に対応した電圧を基準電圧と比較し、熱抵抗算出回路２１にて算出された熱抵抗に対応した電圧が基準電圧以上になると、論理積回路２４の反転入力端子をロウレベルにすることで、制御信号がスイッチング素子１１のゲートに入力されるのを阻止して、スイッチング素子１１の動作を停止させることができる。

これにより、スイッチング素子１２を実際に動作させながら、半導体チップ１１からの放熱経路上の熱抵抗を算出することができる。このため、半導体装置の動作状態が予測できない場合においても、半導体チップ１１からの放熱性の劣化を検出することが可能となり、半田クラックの発生を的確に捉えることが可能となることから、半導体チップ１１の熱破壊を未然に防止することができる。
なお、上述した実施形態では、熱抵抗算出回路２１にて算出された熱抵抗に対応した電圧が基準電圧以上になると、スイッチング素子１１の動作を停止させる方法について説明したが、熱抵抗算出回路２１にて算出された熱抵抗に対応した電圧が基準電圧以上になると、スイッチング素子１１の流れる電流を段階的に減少させるようにしてもよい。

図２は、図１の半導体チップ１１の実装構造を示す断面図である。
図２において、銅板３５上には、半田層３６ａ、３６ｂをそれぞれ介して半導体チップ１１、３８が実装され、銅板３５はセラミック基板３４上に配置され、セラミック基板３４は銅板３３上に配置され、銅板３３は半田層３２を介して銅ベース３１に接続されている。なお、半導体チップ１１には、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子１２、半導体チップ３８には、ＩＧＢＴに逆並列接続されるフライホイールダイオードを形成することができ、半導体チップ１１上には、半導体チップ１１の温度を検出するダイオード１３を形成することができる。そして、半導体チップ１１、３８および銅板３５は、ボンディングワイヤ３７ａ、３７ｂを介して接続することができる。そして、銅ベース３１には、半導体チップ１１から発生した熱を放熱するヒートシンクなどの冷却体を取り付けることができる。

そして、半導体チップ１１からの放熱経路上の熱抵抗を図１の熱抵抗算出回路２１にて算出することにより、半導体装置の動作状態が予測できない場合においても、半導体チップ１１からの放熱性の劣化を検出することができ、半導体チップ１１の熱破壊を未然に防止することができる。
ここで、熱抵抗算出回路２１は、半導体チップ１１からの放熱経路の温度が飽和するまでの時間に基づいて、スイッチング素子１２に発生した損失の積分値および半導体チップ１１の温度差を算出し、半導体チップ１１からの放熱経路上の特定箇所の熱抵抗を計算することができる。

例えば、半導体チップ１１からの放熱経路上の半田層３６ａの温度が飽和するまでの時間は２００ｍｓ以下、半導体チップ１１から発生した熱を放熱する冷却体との接触面の温度が飽和するまでの時間は２ｓｅｃ以下、半導体チップ１１から発生した熱を放熱する冷却体の温度が飽和するまでの時間は数ｓｅｃから数十ｍｉｎである。
このため、半導体チップ１１の温度のサンプリング間隔を変えることで、半導体チップ１１からの放熱経路上の特定箇所の熱抵抗を計算することができ、半導体チップ１１から発生した熱を放熱する冷却体が設けられている場合においても、半田層３６ａの異常を検出することが可能となることから、半田クラックの発生を的確に捉えることが可能となる。

図３は、図１の半導体チップ１１の概略構成を示す断面図である。
図３において、半導体チップ１１にＩＧＢＴが形成されている場合、Ｐ型半導体基板４１上には、Ｎ型半導体層４２が形成され、Ｎ型半導体層４２に形成されるチャネル領域上には、ゲート絶縁膜４５を介してゲート電極４６が形成されている。そして、Ｎ型半導体層４２には、ゲート電極４６の両側に配置されたＰ型半導体層４３が形成され、Ｐ型半導体層４３には、ゲート電極４６の両端にかかるように配置されたＮ型半導体層４４が形成されている。そして、Ｐ型半導体層４３およびＮ型半導体層４４に接触するようにして、絶縁層４７を介してゲート電極４６上に配置されたエミッタ電極４８が形成され、Ｐ型半導体基板４１の裏面には、コレクタ電極４９が形成されている。

また、Ｐ型半導体層４３上には、絶縁層５０を介してＮ型半導体層５１が形成され、Ｎ型半導体層５１にはＰ型半導体層５２が形成されることで、半導体チップ１１の温度を検出するダイオードが構成されている。
そして、ゲート電極４６はゲート端子Ｇに接続し、エミッタ電極４８はエミッタ端子Ｅに接続し、コレクタ電極４９はコレクタ端子Ｃに接続し、Ｎ型半導体層５１はアノード端子Ａに接続し、Ｐ型半導体層５２はカソード端子Ｋに接続することができる。
ここで、Ｎ型半導体層５１およびＰ型半導体層５２からなるダイオードをＰ型半導体層４３上に配置することで、タイムラグをほとんど伴うことなく半導体チップ１１の温度を検出することができ、半導体チップ１１からの放熱経路上の特定箇所の熱抵抗を精度よく計算することができる。

図４は、図１の熱抵抗算出回路の概略構成を示すブロック図である。
図４において、熱抵抗算出回路２１には、オン／オフ信号がオンの時にチップ温度情報をホールド回路６６に出力する論理積回路６３、オン／オフ信号がオフの時にチップ温度情報をホールド回路６７に出力する論理積回路６４、オン／オフ信号を反転させるインバータ６５、リセット信号の立ち上がりエッジに基づいて論理積回路６３からの出力をホールドするホールド回路６６、リセット信号の立ち下がりエッジに基づいて論理積回路６４からの出力をホールド回路６７、損失計算回路２０にて計算された損失を積分する積分回路６８、ホールド回路６６、６７のサンプリング間隔の間の温度差を算出する温度差算出部６９、温度差算出部６９にて算出された温度差と積分回路６８にて積分された損失の積分値に基づいて熱抵抗を計算する熱抵抗計算部７０が設けられている。

図５は、図４の熱抵抗算出回路における熱抵抗の算出動作を示すタイミングチャートである。
図５において、リセット信号のパルス幅は、半導体チップ１１からの放熱経路の温度が飽和するまでの時間に設定することができる。例えば、半導体チップ１１からの放熱経路上の半田層３６ａの熱抵抗を算出する場合には２００ｍｓ以下、半導体チップ１１から発生した熱を放熱する冷却体との接触面の熱抵抗を算出する場合には２ｓｅｃ以下、半導体チップ１１から発生した熱を放熱する冷却体の熱抵抗を算出する場合には数ｓｅｃから数十ｍｉｎに設定することができる。また、リセット信号は、図１のスイッチング素子１１をオン／オフするオン／オフ信号がハイレベルの時に立ち上がり、オン／オフ信号がロウレベルの時に立ち下がるように調整することができる。

そして、図１の温度算出部１７にて算出されたチップ温度情報は論理積回路６３、６４に入力され、論理積回路６３はオン／オフ信号がオンになると、温度算出部１７にて算出されたチップ温度情報をホールド回路６６に出力する。そして、ホールド回路６６は、リセット信号の立ち上がりエッジに同期してチップ温度情報を取り込み、チップ温度がＴ１の時のチップ温度情報を保持することができる。

また、論理積回路６４はオン／オフ信号がオフになると、温度算出部１７にて算出されたチップ温度情報をホールド回路６７に出力する。そして、ホールド回路６７は、リセット信号の立ち下がりエッジに同期してチップ温度情報を取り込み、チップ温度がＴ２の時のチップ温度情報を保持することができる。
そして、チップ温度がＴ１の時のチップ温度情報およびチップ温度がＴ２の時のチップ温度情報は温度差算出部６９に送られ、チップ温度Ｔ１、Ｔ２の差分が温度差算出部６９に算出され、熱抵抗計算部７０に送られる。

また、損失計算回路２０にて計算された損失は積分回路６８に送られ、リセット信号の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジにてリセットされながら、損失計算回路２０にて計算された損失が積分回路６８にて積分され、熱抵抗計算部７０に送られる。
そして、熱抵抗計算部７０は、温度差算出部６９にて算出された温度差（Ｔ２−Ｔ１）と積分回路６８にて積分された損失の積分値Ｐに基づいて熱抵抗を計算し、図１の比較器２３に出力することができる。

なお、熱抵抗計算部７０は、温度差算出部６９にて算出された温度差（Ｔ２−Ｔ１）と積分回路６８にて積分された損失の積分値Ｐが与えられると、以下の式で熱抵抗Ｒｔｈを計算することができる。
Ｒｔｈ＝（Ｔ２−Ｔ１）／Ｐ
これにより、図１の半導体チップ１１の温度のサンプリング間隔を変えることで、図２の半田層３６ａの異常だけでなく、冷却体との接触面の異常や冷却体の異常を監視することができ、半導体チップ１１からの放熱性の劣化の検出精度を向上させることが可能となる。

図６は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の概略構成を示すブロック図である。
図６において、半導体装置には、図１の構成に加え、スイッチング素子１１のスイッチング動作を制御する制御回路８１が設けられるとともに、図１の基準電圧源２２の代わりに熱抵抗予測回路８２が設けられている。
ここで、熱抵抗予測回路８２は、制御回路８１にて算出されたスイッチング素子１２の損失Ｓ１および制御回路８１にて算出された半導体チップ１１の温度Ｓ２に基づいて、半導体チップ１１からの放熱経路上の熱抵抗を予測し、その熱抵抗に対応した電圧に変換して比較器２３に出力することができる。

なお、制御回路８１は、スイッチング素子１１のスイッチング動作を制御する制御信号を与えた時に、その時にスイッチング素子１１に流れる電流、スイッチング素子１１に印加される電圧および半導体チップ１１の温度を計算するために計算式を予め保持することができる。
そして、制御回路８１から出力された制御信号が、論理積回路２４および駆動回路２５を介してスイッチング素子１１のゲートに印加されると、スイッチング素子１１がオンし、抵抗１８に電流が流れる。そして、スイッチング素子１１のスイッチング動作に伴って半導体チップ１１の温度が上昇すると、ダイオード１３の温度特性に従ってダイオード１３を流れる電流が変化し、そのダイオード１３からの信号が温度算出部１７に入力される。

そして、温度算出部１７は、ダイオード１３からの信号に基づいて半導体チップ１１の温度を算出し、その温度に対応した電圧を熱抵抗算出回路２１の一方の入力端子に入力する。
また、スイッチング素子１１のコレクタにかかる電圧はダイオード１４を介して電圧検出回路１６にて検出され、電圧検出回路１６にて検出された電圧は損失計算回路２０の一方の入力端子に入力される。また、スイッチング素子１１を介して抵抗１８に流れる電流は電流検出回路１９にて検出され、電流検出回路１９にて検出された電流は損失計算回路２０の他方の入力端子に入力される。

そして、損失計算回路２０は、電流検出回路１９にて検出された電流および電圧検出回路１６にて検出された電圧に基づいて、スイッチング素子１２に発生した損失を計算し、その損失を熱抵抗算出回路２１の他方の入力端子に入力する。
そして、熱抵抗算出回路２１は、損失計算回路２０にて計算されたスイッチング素子１２の損失および温度算出部１７にて算出された半導体チップ１１の温度に基づいて、半導体チップ１１からの放熱経路上の熱抵抗を算出して、その熱抵抗に対応した電圧に変換して比較器２３の反転入力端子に出力する。

また、制御回路８１は制御信号を出力すると、スイッチング素子１２の損失Ｓ１および半導体チップ１１の温度Ｓ２を予測し、熱抵抗予測回路８２に出力する。そして、熱抵抗予測回路８２は、スイッチング素子１２の損失Ｓ１および半導体チップ１１の温度Ｓ２に基づいて、半導体チップ１１からの放熱経路上の熱抵抗を予測し、比較器２３に出力する。

そして、比較器２３は、熱抵抗算出回路２１にて算出された熱抵抗を、熱抵抗予測回路８２にて予測された熱抵抗と比較する。熱抵抗算出回路２１にて算出された熱抵抗が、熱抵抗予測回路８２にて予測された熱抵抗以上になると、論理積回路２４の反転入力端子をロウレベルにすることで、制御信号がスイッチング素子１１のゲートに入力されるのを阻止して、スイッチング素子１１の動作を停止させることができる。
これにより、冷却体を含むユニット全体の熱抵抗を考慮しながら、スイッチング素子１２の動作を停止させることができ、半導体チップ１１の熱破壊を未然に防止することができる。

本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略構成を示すブロック図である。図１の半導体チップ１１の実装構造を示す断面図である。図１の半導体チップ１１の概略構成を示す断面図である。図１の熱抵抗算出回路の概略構成を示すブロック図である。図４の熱抵抗算出回路における熱抵抗の算出動作を示すタイミングチャートである。本発明の第２実施形態に係る半導体装置の概略構成を示すブロック図である。従来の半導体装置の概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１１、３８半導体チップ
１２スイッチング素子
１３、１４ダイオード
１５、１８抵抗
１６電圧検出回路
１７温度算出部
１９電流検出回路
２０損失計算回路
２１熱抵抗算出回路
２２基準電圧源
２３比較器
２４、６３、６４論理積回路
２５駆動回路
３１銅ベース
３２、３６ａ、３６ｂ半田層
３３、３５銅板
３４セラミック基板
３７ａ、３７ｂボンディングワイヤ
４１Ｐ型半導体基板
４３、５２Ｐ型半導体層
４２、４４、５１Ｎ型半導体層
４５ゲート絶縁膜
４６ゲート電極
４７、５０絶縁層
４８エミッタ電極
４９コレクタ電極
６５インバータ
６６、６７ホールド回路
６８積分回路
６９温度差算出部
７０熱抵抗計算部
８１制御回路
８２熱抵抗予測回路

Claims

スイッチング素子が形成された半導体チップと、
前記半導体チップが半田層を介して実装された実装基板と、
前記半導体チップから発生した熱を放熱させる放熱手段と、
前記スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出回路と、
前記スイッチング素子に印加される電圧を検出する電圧検出回路と、
前記電流検出回路にて検出された電流および前記電圧検出回路にて検出された電圧に基づいて、前記スイッチング素子に発生した損失を計算する損失計算回路と、
前記半導体チップの温度を検出する温度検出手段と、
前記損失計算回路にて計算された前記スイッチング素子の損失および前記温度検出手段にて検出された前記半導体チップの温度に基づいて、前記半導体チップからの放熱経路上の熱抵抗を算出する熱抵抗算出回路とを備えた半導体装置において、
前記熱抵抗算出回路は、
前記温度検出手段にて検出された温度を参照することで、前記損失計算回路にて計算された損失発生前後の温度差を算出する温度差算出部と、
前記損失計算回路にて計算された損失および前記温度差算出部にて算出された温度差に基づいて、前記半導体チップからの放熱経路上の熱抵抗を計算する熱抵抗計算部とを備え、
前記熱抵抗算出回路は、前記半導体チップからの放熱経路の温度が飽和するまでの時間に基づいて、前記スイッチング素子に発生した損失の積分値および前記半導体チップの温度差を算出し、前記半導体チップからの放熱経路上の特定箇所の熱抵抗を計算することを特徴とする半導体装置。
前記熱抵抗算出回路は、前記スイッチング素子に発生した損失の積分値および前記半導体チップの温度差を算出する時間間隔を２００ｍｓ以下に設定することで、前記半導体チップを前記実装基板に固着する半田層の異常を監視し、前記スイッチング素子に発生した損失の積分値および前記半導体チップの温度差を算出する時間間隔を２ｓｅｃ以下に設定することで、前記放熱手段との接触面の異常を監視し、前記スイッチング素子に発生した損失の積分値および前記半導体チップの温度差を算出する時間間隔を２ｓｅｃ以上に設定することで、前記放熱手段の異常を監視することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記熱抵抗算出回路にて算出された熱抵抗を所定値と比較する比較手段と、
前記熱抵抗算出回路にて算出された熱抵抗が前記所定値を超えた場合、前記スイッチング素子の動作を停止させるか、あるいは前記スイッチング素子の流れる電流を制限する保護回路をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御回路と、
前記スイッチング動作を制御する制御情報に基づいて、前記スイッチング素子の損失および温度を算出し、前記半導体チップからの放熱経路上の熱抵抗を予測する熱抵抗予測回路と、
前記熱抵抗算出回路にて算出された熱抵抗を前記熱抵抗予測回路にて予測された熱抵抗と比較する比較手段と、
前記熱抵抗算出回路にて算出された熱抵抗が前記熱抵抗予測回路にて予測された熱抵抗を超えた場合、前記スイッチング素子の動作を停止させるか、あるいは前記スイッチング素子の流れる電流を制限する保護回路をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の半導体装置。
スイッチング素子が形成された半導体チップと、
前記半導体チップが半田層を介して実装された実装基板と、
前記半導体チップから発生した熱を放熱させる放熱手段と、
前記スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出回路と、
前記スイッチング素子に印加される電圧を検出する電圧検出回路と、
前記電流検出回路にて検出された電流および前記電圧検出回路にて検出された電圧に基づいて、前記スイッチング素子に発生した損失を計算する損失計算回路と、
前記損失計算回路にて計算された損失を、前記半導体チップからの放熱経路の温度が飽和するまでの時間に設定されたパルス幅のリセット信号の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジにてリセットされながら積分する積分回路と、
前記半導体チップの温度を検出する温度検出手段と、
前記損失計算回路にて計算され前記積分回路により積分された前記スイッチング素子の損失および前記温度検出手段にて検出された前記半導体チップの温度に基づいて、前記半導体チップからの放熱経路上の熱抵抗を算出する熱抵抗算出回路とを備えることを特徴とする半導体装置。