JP5343901B2 - Power cycle life prediction method, life prediction device, and semiconductor device including the life prediction device - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換するために用いられるパワー半導体、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)から成るパワー半導体モジュール(以下、単にモジュールとも称す)のパワーサイクル寿命予測に関する。 The present invention relates to power cycle life prediction of a power semiconductor used for power conversion, for example, a power semiconductor module (hereinafter also simply referred to as a module) made of IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
従来、パワー半導体モジュール、例えばIGBTモジュール、における動作寿命の推定(予測)には、パワーサイクル試験(断続通電試験)が適用されている。パワーサイクル試験(断続通電試験)は、例えば、IGBTモジュールを放熱フィンに固定した状態で、図5に示すような通電・遮断の電気的負荷を与え、IGBTチップの接合温度(Tj)を上昇・下降させることにより熱ストレスを発生させ、破壊するまで行う。またパワーサイクル試験には、ΔTjパワーサイクルと、ΔTcパワーサイクル(熱疲労寿命試験)と、があることが知られている(非特許文献1参照)。そして、ΔTjパワーサイクルは、図5に示すように接合温度を比較的短時間の周期で上昇・下降をさせる試験で、主にアルミワイヤ接合部およびシリコンチップ下はんだ接合部の寿命を評価するものであり、またΔTcパワーサイクル(図示せず)は、ケース温度(Tc)が任意の温度に達するまで通電し、ケース温度が任意の温度に到達した時点で通電を止め、ケース温度が通電前の状態に戻るまでの周期を1サイクルとして繰り返す試験であって、主に絶縁基板と銅ベース間のはんだ接合部およびシリコンチップ下はんだ接合部の寿命を評価するものである。 Conventionally, a power cycle test (intermittent energization test) has been applied to estimate (predict) the operating life of a power semiconductor module such as an IGBT module. In the power cycle test (intermittent energization test), for example, with the IGBT module fixed to the heat radiating fin, an electrical load of energization / interruption as shown in FIG. 5 is given to increase the junction temperature (Tj) of the IGBT chip. The heat stress is generated by lowering and is performed until it is destroyed. Further, it is known that there are a ΔTj power cycle and a ΔTc power cycle (thermal fatigue life test) in the power cycle test (see Non-Patent Document 1). The ΔTj power cycle is a test that raises and lowers the bonding temperature in a relatively short period as shown in FIG. 5, and mainly evaluates the life of the aluminum wire joint and the solder joint under the silicon chip. In addition, the ΔTc power cycle (not shown) is energized until the case temperature (Tc) reaches an arbitrary temperature. When the case temperature reaches the arbitrary temperature, the energization is stopped. This is a test that repeats the period until returning to the state as one cycle, and mainly evaluates the life of the solder joint between the insulating substrate and the copper base and the solder joint under the silicon chip.
また従来、電力変換にパワー半導体、例えばIGBT、を用いる半導体装置(パワー半導体モジュール)において、該パワー半導体モジュールの寿命を推定する寿命推定装置(以下、第1の従来技術という)が知られている。当該寿命推定装置は、例えば図6に示されるように、インバータを構成するIGBTモジュール82の寿命を推定するために、温度検出器90、リップル温度検出器93、カウンタ94、累積被害率演算部95、寿命算出部96を備え、温度検出器90は、インバータを構成するIGBTモジュール82の銅ベース温度を測定し、リップル温度検出器93は運転/停止の単位計測期間における銅ベース温度検出値からそのリップル温度を温度範囲別に測定し、カウンタ94は各リップル温度に対する発生回数を単位計測期間毎にカウントし、累積被害率演算部95はマイナー則(Miner’s law)を用いて累積被害率CDを求め、寿命算出部96は累積被害率CDから寿命L(=1/CD)を推定するようにしている(特許文献1参照)。 Conventionally, in a semiconductor device (power semiconductor module) using a power semiconductor, for example, IGBT, for power conversion, a life estimation device (hereinafter referred to as a first conventional technology) for estimating the life of the power semiconductor module is known. . For example, as shown in FIG. 6, the lifetime estimation apparatus includes a temperature detector 90, a ripple temperature detector 93, a counter 94, and a cumulative damage rate calculation unit 95 in order to estimate the lifetime of the IGBT module 82 constituting the inverter. The lifetime detector 96 includes a temperature detector 90 that measures the copper base temperature of the IGBT module 82 that constitutes the inverter, and a ripple temperature detector 93 that detects the copper base temperature detected value during the unit measurement period of operation / stop. The ripple temperature is measured for each temperature range, the counter 94 counts the number of occurrences for each ripple temperature for each unit measurement period, the cumulative damage rate calculation unit 95 calculates the cumulative damage rate CD using the Miner's law, The life calculation unit 96 estimates the life L (= 1 / CD) from the cumulative damage rate CD (see Patent Document 1).
また従来、電力変換にパワー半導体、例えばIGBT、パワートランジスタ、MOS-FET等を用いる半導体装置(パワー半導体モジュール)の故障予測方法(以下、第2の従来技術という)が知られている(特許文献2参照)。そして第2の従来技術は、温度変化と、その温度変化のサイクル数およびパワーサイクル寿命特性から、パワー半導体モジュールの寿命を推定している。その場合において、パワー半導体素子に生じる温度差が異なる場合、それぞれの温度差における動作可能サイクルは異なるため、各動作モードのサイクル数をそのまま使用して故障判定を行えない。そこで、一方の動作可能サイクル数Nを基準として、他方のサイクル数nは重み付けを行って故障判定を行うようにしている。 Conventionally, a failure prediction method for a semiconductor device (power semiconductor module) using a power semiconductor, for example, an IGBT, a power transistor, a MOS-FET, or the like for power conversion (hereinafter referred to as a second prior art) is known (Patent Literature). 2). The second prior art estimates the life of the power semiconductor module from the temperature change, the number of cycles of the temperature change, and the power cycle life characteristics. In this case, if the temperature difference generated in the power semiconductor element is different, the operable cycle at each temperature difference is different, so that the failure determination cannot be performed using the number of cycles in each operation mode as it is. In view of this, on the basis of one operable cycle number N, the other cycle number n is weighted to determine a failure.
上記第1の従来技術を実際にマイコン/DSP(Digital Signal Processor )等に実装する場合、検出されたリップル温度をそのまま使用して寿命計算を行うと、あらゆる温度差に対する寿命情報もしくはマイナー則による計算式が必要となる。そのうえ検出される温度差の値は、無限に存在するため、回路規模や必要となるメモリのサイズが大きくなってしまう。従って、ある温度範囲を設定しその温度範囲内の温度差は全てその温度範囲内に設定される代表温度差に丸め込まなければならない。この時、丸めによる誤差が発生するため、正確な寿命計算を行うことが不可能であるという課題がある。 When the first conventional technology is actually mounted on a microcomputer / DSP (Digital Signal Processor), etc., if the life is calculated using the detected ripple temperature as it is, the life information for every temperature difference or the calculation based on the minor rule An expression is required. In addition, since the detected temperature difference value is infinite, the circuit scale and the required memory size are increased. Therefore, a certain temperature range must be set, and all temperature differences within that temperature range must be rounded to a representative temperature difference set within that temperature range. At this time, since an error due to rounding occurs, there is a problem that it is impossible to perform accurate life calculation.
また上記第2の従来技術に示されるパワー半導体素子の故障予測方法は、パワーサイクル寿命カーブが図7に示されるように全動作温度範囲において一つの直線となることを前提とした換算式により寿命計算をしている。しかし、実際のパワーサイクル寿命カーブは一つの直線ではなく、温度範囲によって傾きが異なる複数の直線により表される。従って、一つの直線を前提とした換算式による寿命計算では誤差を生じてしまう。故に、第2の従来技術は第1の従来技術と同様に正確な寿命計算を行うことが不可能であるという課題がある。 The power semiconductor device failure prediction method shown in the second prior art is based on a conversion formula based on the assumption that the power cycle life curve is a straight line over the entire operating temperature range as shown in FIG. I'm calculating. However, the actual power cycle life curve is not represented by a single straight line but by a plurality of straight lines having different slopes depending on the temperature range. Therefore, an error occurs in the life calculation based on the conversion formula based on one straight line. Therefore, the second prior art has a problem that it is impossible to perform accurate life calculation like the first prior art.
そこで本発明は、丸めによる誤差要因を無くし高精度な寿命予測を行うことができるパワーサイクル寿命予測方法、寿命予測装置及び該寿命予測装置を備えた半導体装置を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a power cycle life prediction method, a life prediction device, and a semiconductor device including the life prediction device that can eliminate a cause of error due to rounding and perform highly accurate life prediction.
上記課題を解決するために本発明のパワーサイクル寿命予測方法は、パワー半導体素子から成る半導体装置の全動作温度範囲を複数の温度領域に分割し、該温度領域内においてはそれぞれ設定した基準温度差におけるパワーサイクル数に重み付けした値を用いてサイクル数を算出し、該分割した温度領域間においては各算出した前記サイクル数を基にマイナー則を用いて累積ダメージを算出して寿命を予測することを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the power cycle life prediction method of the present invention divides the entire operating temperature range of a semiconductor device composed of power semiconductor elements into a plurality of temperature ranges, and sets a reference temperature difference set in each temperature range. Calculating the number of cycles using a value weighted to the number of power cycles in, and predicting the lifetime by calculating the cumulative damage using the minor rule based on the calculated number of cycles between the divided temperature regions It is characterized by.
また本発明のパワーサイクル寿命予測方法は、事前にパワーサイクル試験を経て解析された、複数の直線で近似されるパワーサイクル寿命カーブから、複数の直線が交差する点(変曲点)の温度差を取得するとともに前記複数の各直線における基準温度差を設定し且つ該直線の傾きを演算パラメータとして保持する過程を含み、実動作において、温度センサでパワー半導体素子の銅ベース温度を検知する過程、該温度センサ出力を一定のサンプリング周期でA/D変換する過程、および、該A/D変換出力から温度差を検出し、該検出した温度差と予め保持されている変曲点温度差とを比較し、その比較結果から前記検出した温度差が予めパワーサイクル試験を経て解析されたパワーサイクル寿命カーブを近似する複数の直線のいずれの側にあるかに応じて近似させる直線の傾き及び該直線において予め設定された基準温度差について保持された前記演算パラメータを受領して寿命計算し寿命情報を出力する過程、を含むことを特徴とする。 Further, the power cycle life prediction method of the present invention is a temperature difference at a point (inflection point) where a plurality of straight lines intersect from a power cycle life curve approximated by a plurality of straight lines analyzed in advance through a power cycle test. And a step of setting a reference temperature difference in each of the plurality of straight lines and holding the slope of the straight line as a calculation parameter, and in actual operation, detecting a copper base temperature of the power semiconductor element with a temperature sensor, A process of A / D converting the temperature sensor output at a constant sampling period, and detecting a temperature difference from the A / D conversion output, and detecting the detected temperature difference and an inflection point temperature difference held in advance. Whether the detected temperature difference from the comparison result is on which side of a plurality of straight lines approximating a power cycle life curve analyzed through a power cycle test in advance Flip characterized in that it comprises a process of outputting the service life calculated life information by receiving the operation parameters held for a predetermined reference temperature difference in the slope and the straight line of a straight line is approximated.
また本発明のパワーサイクル寿命予測装置は、パワー半導体素子の銅ベース温度を検知する温度センサと、該温度センサ出力を一定のサンプリング周期でA/D変換するA/D変換器と、該A/D変換器出力から温度差を検出し、該検出した温度差と予め保持されている変曲点温度差とを比較し、その比較結果から前記検出した温度差が予めパワーサイクル試験を経て解析されたパワーサイクル寿命カーブを近似する複数の直線のいずれの側にあるかに
応じて近似させる直線の傾き及び該直線において予め設定された基準温度差について寿命データレジスタに保持された演算パラメータを受領して寿命計算し寿命情報を出力する寿命演算回路と、該寿命演算回路で寿命計算を行うための演算パラメータを保持する寿命データレジスタと、を備えることを特徴とする。
The power cycle life prediction apparatus of the present invention includes a temperature sensor that detects a copper base temperature of a power semiconductor element, an A / D converter that A / D converts the temperature sensor output at a constant sampling period, and the A / D converter. The temperature difference is detected from the D converter output, the detected temperature difference is compared with the inflection point temperature difference held in advance, and the detected temperature difference is analyzed in advance through a power cycle test from the comparison result. Receives the slope of the straight line to be approximated according to which side of the plurality of straight lines approximating the power cycle life curve and the operation parameter held in the life data register for the reference temperature difference preset in the straight line A life calculation circuit that calculates life and outputs life information, and a life data register that stores operation parameters for performing life calculation in the life calculation circuit. To.
また本発明のパワーサイクル寿命予測装置を備えた半導体装置は、上記したパワーサイクル寿命予測装置を半導体モジュールのケース内に取り付け一体化したことを特徴とする。 Further, a semiconductor device provided with the power cycle life prediction apparatus of the present invention is characterized in that the power cycle life prediction apparatus described above is mounted and integrated in a case of a semiconductor module.
本発明によれば、実際のパワーサイクル寿命カーブを直線で近似し、その直線の傾きを用いて寿命計算を行う場合に生じる誤差が、動作温度範囲内を複数の領域(パワーサイクル寿命カーブの直線の傾きが異なる範囲)を個別に分けて、それぞれの領域で基準温度を設定し寿命を算出することで全動作温度範囲について近似した直線の傾きを用いて寿命計算を行う場合に生じる丸め誤差が解消されるため、精度の高い寿命予測が可能となる。 According to the present invention, when an actual power cycle life curve is approximated by a straight line and a life calculation is performed using the slope of the straight line, an error occurring in a plurality of regions within the operating temperature range (straight line of the power cycle life curve). By dividing each of these areas into different ranges), setting the reference temperature in each area, and calculating the service life, the rounding error that occurs when calculating the service life using the slope of the straight line that approximates the entire operating temperature range is eliminated. Therefore, it is possible to predict the life with high accuracy.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図1は、本発明の実施形態に係るパワーサイクル寿命予測装置の構成概要を示す図である。本発明の実施形態に係るパワーサイクル寿命予測装置は、パワー半導体デバイスを組み込んだパワー半導体モジュールの寿命を予測するものである。以下において、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を組み込んだIGBTモジュールの寿命を予測する場合を例に説明する。通常、インバータは、直流を交流に変換する回路ブロックとして当業者によく知られており、その構成要素には上述したIGBTモジュールが用いられる。また、パワー半導体素子としては 、IGBTに限らず、パワートランジスタ、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタ)などが使用されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a power cycle life prediction apparatus according to an embodiment of the present invention. A power cycle life prediction apparatus according to an embodiment of the present invention predicts the life of a power semiconductor module incorporating a power semiconductor device. In the following, an example in which the lifetime of an IGBT module incorporating an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is predicted will be described. In general, an inverter is well known to those skilled in the art as a circuit block that converts direct current into alternating current, and the above-described IGBT module is used as its component. The power semiconductor element is not limited to an IGBT, and a power transistor, a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), or the like is used.
図1に示されるように本発明の実施形態に係るパワーサイクル寿命予測装置は、インバータの構成要素であるIGBTモジュール2の温度を測定する温度センサ10と、温度センサ10の出力を一定のサンプリング周期でA/D変換(アナログ/デジタル変換)するA/D変換器20と、寿命演算回路30と、寿命データレジスタ40から構成されている。 As shown in FIG. 1, a power cycle life prediction apparatus according to an embodiment of the present invention includes a temperature sensor 10 that measures the temperature of an IGBT module 2 that is a component of an inverter, and outputs the temperature sensor 10 at a constant sampling period. The A / D converter 20 that performs A / D conversion (analog / digital conversion), the life calculation circuit 30, and the life data register 40 are configured.
ここで、温度センサ10は、IGBTモジュール内の温度を測定するものである。IGBTモジュールには、多数の接合箇所がある。具体的には、パワー半導体デバイスとしてのIGBTの裏面の電極とこのIGBTが実装される回路パターンとの間、IGBTのおもて面の電極と外部導出端子との間、回路パターンが形成された絶縁基板の回路パターンとは反対側に形成された銅箔と銅ベースとの間などである。IGBT裏面電極−回路パターン間,銅箔−銅ベース間は、例えば半田で接合される。IGBTのおもて面電極−外部導出端子間は、例えばワイヤボンディングで接続されるため、IGBTのおもて面電極−ボ
ンディングワイヤ間,外部導出端子−ボンディングワイヤ間は、例えば超音波接合される。
Here, the temperature sensor 10 measures the temperature in the IGBT module. There are a number of joints in the IGBT module. Specifically, a circuit pattern was formed between the electrode on the back surface of the IGBT as the power semiconductor device and the circuit pattern on which the IGBT was mounted, and between the electrode on the front surface of the IGBT and the external lead-out terminal. For example, between the copper foil and the copper base formed on the opposite side of the circuit pattern of the insulating substrate. The IGBT back surface electrode-circuit pattern, and the copper foil-copper base are joined by, for example, solder. Since the front electrode of the IGBT and the external lead-out terminal are connected by, for example, wire bonding, the front electrode of the IGBT and the bonding wire and the external lead-out terminal and the bonding wire are ultrasonically bonded, for example. .
このような、IGBTモジュール内部の各接合箇所がIGBTモジュールの寿命に影響し、とりわけ、発熱源となるパワー半導体素子(IGBT)に近い部分の接合箇所がパワーサイクルの影響を受けやすい。 Each joint location in the IGBT module as described above affects the life of the IGBT module, and in particular, a joint location near the power semiconductor element (IGBT) serving as a heat source is easily affected by the power cycle.
したがって、温度センサ10は、パワー半導体素子(IGBT)に近い部分の接合箇所の温度を測定するのが望ましい。
例えば、パワー半導体素子(IGBT)の製造過程で、そのチップ内に温度検出用のダイオードを作製しておく。そしてこの温度検出用のダイオードの熱特性を使って、チップ表面の温度を検出するようにすればよい。IGBTに温度検出用のダイオードを内蔵させることで、発熱源に極めて近い箇所の温度検出が可能となる。また、IGBTモジュール内の限られたスペースを有効に活用でき、IGBTモジュールのパッケージサイズを小型化することができる。
Therefore, it is desirable for the temperature sensor 10 to measure the temperature at the junction near the power semiconductor element (IGBT).
For example, in the process of manufacturing a power semiconductor element (IGBT), a temperature detecting diode is manufactured in the chip. The temperature of the chip surface may be detected using the thermal characteristics of the temperature detecting diode. By incorporating a temperature detection diode in the IGBT, it is possible to detect the temperature at a location very close to the heat source. In addition, the limited space in the IGBT module can be effectively used, and the package size of the IGBT module can be reduced.
なお、温度センサ10は、上記の温度検出用のダイオードに限るものではない。例えば、温度検出用のダイオードをIGBTチップとは別部品で構成し、絶縁基板上に配置してもよい。また、温度検出用の素子として、例えばサーミスタを用い、これを絶縁基板上に配置してもよい。このように、温度検出用の素子をIGBTとは別部品で構成することにより、IGBTチップの設計の自由度が増し、また、温度検出の精度も別部品の選択により自在に設定できる。また、絶縁基板上のIGBTチップに近い場所に設置すれば、発熱源に近い部分の温度を測定することができる。 The temperature sensor 10 is not limited to the temperature detection diode. For example, the temperature detection diode may be formed as a separate component from the IGBT chip and disposed on the insulating substrate. Further, as a temperature detection element, for example, a thermistor may be used and disposed on an insulating substrate. Thus, by configuring the temperature detection element as a separate component from the IGBT, the degree of freedom in designing the IGBT chip is increased, and the accuracy of temperature detection can be freely set by selecting another component. Moreover, if it installs in the place close | similar to the IGBT chip | tip on an insulated substrate, the temperature of the part near a heat-generation source can be measured.
寿命演算回路30は、A/D変換器20の出力から温度差(ΔT)を検出し、本発明の寿命予測対象とするIGBTについてあらかじめパワーサイクル試験を経て導出されたパワーサイクル寿命カーブから当該IGBTが変曲点温度差(ΔTx)で2つの異なる傾斜を有する直線で近似されることを利用し、検出した温度差(ΔT)と予め保持されている変曲点(ΔTx)とを比較し、その比較結果から検出した温度差(ΔT)が2つの直線のいずれの側にあるかに応じて近似させる直線の傾き及び基準温度差についての寿命データレジスタ40から演算パラメータを受けて寿命を計算し寿命情報を出力する。寿命データレジスタ40は、寿命演算回路30から温度差(ΔT)と変曲点の温度差(ΔTx)との比較結果を受けることでそれに対応する演算パラメータを出力する。 The life calculation circuit 30 detects a temperature difference (ΔT) from the output of the A / D converter 20, and determines the IGBT from the power cycle life curve derived through the power cycle test in advance for the IGBT to be the life prediction target of the present invention. Is approximated by a straight line having two different slopes at the inflection point temperature difference (ΔTx), and compares the detected temperature difference (ΔT) with the inflection point (ΔTx) held in advance, The life is calculated by receiving calculation parameters from the life data register 40 for the slope of the straight line and the reference temperature difference to be approximated according to which side of the two straight lines the temperature difference (ΔT) detected from the comparison result is. Outputs life information. The life data register 40 receives the comparison result between the temperature difference (ΔT) and the temperature difference (ΔTx) at the inflection point from the life calculation circuit 30, and outputs a calculation parameter corresponding thereto.
寿命演算回路30における寿命計算および寿命データレジスタ40に保持されている演算パラメータについては後で詳しく説明する。
なお本発明では主題ではないが、当業者に広く知られているように、インバータは、IGBTモジュール2によって構成され、制御装置4によりIGBTモジュール2をスイッチング駆動することにより、負荷へ交流電力の供給を行うものである。インバータに供給される直流電力は、例えば、商用電源からの交流電力を整流器1で整流して得る。
The lifetime calculation in the lifetime calculation circuit 30 and the calculation parameters held in the lifetime data register 40 will be described in detail later.
Although not the subject of the present invention, as is widely known to those skilled in the art, the inverter is composed of the IGBT module 2 and supplies the AC power to the load by switching the IGBT module 2 by the control device 4. Is to do. The DC power supplied to the inverter is obtained, for example, by rectifying AC power from a commercial power source with the rectifier 1.
具体的には、制御装置4はドライバ5を介してIGBTモジュール内の各IGBTのゲートに制御信号を加えてIGBTをスイッチングする。また、インバータの制御方法としては、PWM(Pulse Width Modulation)やPAM(Pulse Amplitude Modulation)によってスイッチング制御して、負荷へ交流の電力供給を行っている。図1の例では、負荷としてモータ3が接続されている。 Specifically, the control device 4 switches the IGBT by applying a control signal to the gate of each IGBT in the IGBT module via the driver 5. As an inverter control method, switching power is controlled by PWM (Pulse Width Modulation) or PAM (Pulse Amplitude Modulation) to supply AC power to the load. In the example of FIG. 1, a motor 3 is connected as a load.
ここで上記した変曲点の温度差(ΔTx)について説明すると、従来は、図7に示すようなパワーサイクル寿命カーブが直線となるという前提の下で換算式によって寿命を計算していた。これに対し、本発明においては、実際のIGBTモジュールのパワーサイクル寿命を
測定・解析してみて、実際の製品の寿命予測の前段階で取得し保持しておく。例えば、本発明の適用対象であるIGBTモジュールのパワーサイクル寿命カーブは、図3に示されるように、温度範囲によって傾きが異なる2つの直線により表す。これは、2つの直線が交差する点、すなわち変曲点(温度差ΔTx)を挟んで、低温側の直線で表されるパワーサイクル寿命カーブにおいては、傾きがa1で基準温度差がΔTs1であり、また高温側の直線で表されるパワーサイクル寿命カーブにおいては、傾きがa2で基準温度差がΔTs2としたものである。なお、基準温度差ΔTs1,ΔTs2は図3に示されるようなIGBTのパワーサイクル寿命カーブを基に予め設定する。
Here, the temperature difference (ΔTx) at the inflection point will be described. Conventionally, the life is calculated by a conversion formula on the assumption that the power cycle life curve as shown in FIG. 7 is a straight line. On the other hand, in the present invention, the power cycle life of an actual IGBT module is measured and analyzed, and is acquired and held in the pre-stage of actual product life prediction. For example, the power cycle life curve of the IGBT module to which the present invention is applied is represented by two straight lines having different slopes depending on the temperature range, as shown in FIG. This is because the slope is a1 and the reference temperature difference is ΔTs1 in the power cycle life curve represented by the straight line on the low temperature side across the point where two straight lines intersect, that is, the inflection point (temperature difference ΔTx). In the power cycle life curve represented by a straight line on the high temperature side, the slope is a2 and the reference temperature difference is ΔTs2. The reference temperature differences ΔTs1, ΔTs2 are set in advance based on the power cycle life curve of the IGBT as shown in FIG.
そうして変曲点の温度差ΔTxを、寿命演算回路30内のΔTx保持部32(図2参照)に、また傾きa1,a2および基準温度差ΔTs1,ΔTs2を寿命計算で用いる演算パラメータとして寿命データレジスタ40(図2参照)にそれぞれ保持しておく。保持した演算パラメータを使ってダメージ換算式によるダメージ換算を行うと共に累積ダメージ計算(マイナー則計算)を行って寿命を計算するように構成している。これらについては後述する。 Then, the temperature difference ΔTx at the inflection point is used as a calculation parameter used in the life calculation by the ΔTx holding unit 32 (see FIG. 2) in the life calculation circuit 30, and the slopes a1 and a2 and the reference temperature differences ΔTs1 and ΔTs2 are used as calculation parameters. Each is held in the data register 40 (see FIG. 2). Using the stored calculation parameters, damage conversion is performed by a damage conversion formula, and cumulative damage calculation (minor rule calculation) is performed to calculate the life. These will be described later.
図2は、図1に示した寿命演算回路及び寿命データレジスタの詳細を示す図である。図2において、寿命データレジスタ40は、累積ダメージを計算するための演算パラメータを、nビットのデジタルデータ形式で保持する。すなわち、保持する演算パラメータとしては、
基準温度差パラメータ ΔTs:ΔTs1, ΔTs2(図4の場合には、更にΔTs3も)
ΔTsでの寿命サイクルパラメータ Ns:Ns1, Ns2(図4の場合には、更にNs3も)
サイクル寿命カーブにおける傾きパラメータ a:a1, a2(図4の場合には、更にa3も)
そのうえで寿命データレジスタ40は、ΔTx保持部/ΔT及びΔTx比較部32の出力であるΔTとΔTxとの大小関係の比較結果に基づき、予め保持している演算パラメータの中から最適なパラメータを選択し、ダメージ換算部33および累積ダメージ計算部34に出力する。またΔT検出部31は、検出したΔTをΔTx保持部/ΔT及びΔTx比較部32に出力するとともに計算命令1をダメージ換算部33に出力して計算処理を指示する。
FIG. 2 is a diagram showing details of the life calculation circuit and the life data register shown in FIG. In FIG. 2, a life data register 40 holds operation parameters for calculating cumulative damage in an n-bit digital data format. In other words, as an operation parameter to hold,
Reference temperature difference parameter ΔTs: ΔTs1, ΔTs2 (in the case of FIG. 4, also ΔTs3)
Life cycle parameters at ΔTs Ns: Ns1, Ns2 (In the case of Fig.4, Ns3 is also included)
Inclination parameter in cycle life curve a: a1, a2 (In the case of Fig.4, a3 is also included)
In addition, the life data register 40 selects the optimum parameter from the calculation parameters held in advance based on the comparison result of the magnitude relationship between ΔT and ΔTx that is the output of the ΔTx holding unit / ΔT and the ΔTx comparison unit 32. To the damage conversion unit 33 and the cumulative damage calculation unit 34. The ΔT detection unit 31 outputs the detected ΔT to the ΔTx holding unit / ΔT and the ΔTx comparison unit 32, and outputs the calculation command 1 to the damage conversion unit 33 to instruct the calculation process.
ダメージ換算部33では、ΔT検出部31が検出したΔTの温度サイクル数(IGBTチップ2’が受けたダメージに相当し、例えば図示した温度サイクルの各サイクルで現れたピーク振幅値をA/D変換器20でアナログデジタル変換した値)を、設定した基準温度差ΔTsにおけるサイクル数に換算する。 In the damage conversion unit 33, the ΔT temperature cycle number detected by the ΔT detection unit 31 (corresponding to the damage received by the IGBT chip 2 ′, for example, A / D conversion is performed on the peak amplitude value that appears in each cycle of the illustrated temperature cycle. The value obtained by analog-to-digital conversion in the device 20) is converted into the number of cycles at the set reference temperature difference ΔTs.
検出した温度差ΔTが、ΔT<ΔTxの範囲にあるものとした場合には、すなわち、ΔTが図3の傾斜が緩やかなサイクル寿命カーブ側にあるものとした場合には、寿命データレジスタ40から、保持された演算パラメータの中からΔTs1, Ns1, a1が選択されてダメージ換算部33並びに累積ダメージ計算部34に出力される。そして図2のダメージ換算部33は、検出したΔT値、並びに寿命データレジスタ40から選択・出力された、ΔTs1, Ns1, a1を用いて換算ダメージN1を次の式(1)によって計算する。 If the detected temperature difference ΔT is in the range of ΔT <ΔTx, that is, if ΔT is on the cycle life curve side where the slope of FIG. .DELTA.Ts1, Ns1, and a1 are selected from the stored calculation parameters and are output to the damage conversion unit 33 and the cumulative damage calculation unit. The damage conversion unit 33 in FIG. 2 calculates the converted damage N1 by the following equation (1) using the detected ΔT value and ΔTs1, Ns1, a1 selected and output from the life data register 40.
(A)検出したΔTを元に、N1もしくはN2が更新され、計算命令2が入力されると、以下の計算を実行する。すなわち、
1)ΔT<ΔTxの場合には、
ND1 = N1_old + N1
2)ΔT>ΔTxの場合には、
ND2 = N2_old + N2
(B)次に、上記ND1, ND2と次の式(3)を用いて累積ダメージDの値を求め、Dの値を余寿命計算・寿命判定部50に出力する。
(A) When N1 or N2 is updated based on the detected ΔT and a calculation instruction 2 is input, the following calculation is executed. That is,
1) If ΔT <ΔTx,
ND1 = N1_old + N1
2) If ΔT> ΔTx,
ND2 = N2_old + N2
(B) Next, the value of cumulative damage D is obtained using the above ND1, ND2 and the following equation (3), and the value of D is output to the remaining life calculation / life judgment unit 50.
因みに、図7に示す従来例で用いられているパワーサイクル寿命カーブの場合におけるダメージ換算は、次のようにして行われている。すなわち、上記した本発明の場合と同様に、ダメージ換算部は、検出したΔTの温度サイクル数(ダメージに相当)を、設定した基準温度差ΔTsにおけるサイクル数に換算する。そのうえで、検出したΔT値、並びに寿命データレジスタ相当に保持されているデータを用いて累積ダメージNを次の式(4)によって計算する。 Incidentally, damage conversion in the case of the power cycle life curve used in the conventional example shown in FIG. 7 is performed as follows. That is, similarly to the case of the present invention described above, the damage conversion unit converts the detected temperature cycle number of ΔT (corresponding to damage) into the cycle number at the set reference temperature difference ΔTs. After that, the cumulative damage N is calculated by the following equation (4) using the detected ΔT value and the data held in the life data register equivalent.
これに対して図3に示した本発明のパワーサイクル寿命カーブは、IGBTモジュールのパワーサイクル試験の詳しい解析により変曲点温度差ΔTxを境に分けられる温度領域によって直線の傾きが異なる特性を利用する。したがって、このような特性を持つものに対して、図7のような傾きaを持つ一つの直線で近似して上記式(4)によるダメージ換算式をあてはめると丸め誤差が発生することとなる。 On the other hand, the power cycle life curve of the present invention shown in FIG. 3 uses the characteristic that the slope of the straight line varies depending on the temperature region that can be divided by the inflection point temperature difference ΔTx by detailed analysis of the IGBT module power cycle test. To do. Accordingly, rounding errors occur when the damage conversion equation according to the above equation (4) is applied to the one having such characteristics and approximated by one straight line having the inclination a as shown in FIG.
図3は、本発明の実施形態に係るパワーサイクル寿命予測装置で用いるパワーサイクル寿命カーブの例を示す図(その1)である。図3に示すとおり、本発明のパワーサイクル寿命予測装置で用いるパワーサイクル寿命カーブ(その1)は、実際のパワーサイクル寿命カーブに応じて動作温度範囲内を複数(=2つ)の領域(パワーサイクル寿命カーブの直線の傾きが異なる範囲)を個別に分けて、それぞれの領域で基準温度ΔTs1,ΔTs2を設定しダメージ換算並びに累積ダメージの算出から寿命計算を行うものである。こうすることで従来のように一つの直線の傾きaを用いてダメージ換算並びに累積ダメージの算出から寿命計算を行う場合に生じる予測誤差を解消させることができる。 FIG. 3 is a diagram (part 1) illustrating an example of a power cycle life curve used in the power cycle life prediction apparatus according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the power cycle life curve (part 1) used in the power cycle life prediction apparatus of the present invention is divided into a plurality of (= 2) operating temperature ranges (power) according to the actual power cycle life curve. The range in which the inclination of the straight line of the cycle life curve is different) is divided individually, and the reference temperatures ΔTs1, ΔTs2 are set in each region, and the life is calculated from damage conversion and calculation of cumulative damage. By doing so, it is possible to eliminate the prediction error that occurs when performing life calculation from damage conversion and cumulative damage calculation using one straight line slope a as in the prior art.
ここで図3に示すパワーサイクル寿命カーブを元に本発明のパワーサイクル寿命予測の基本概念を改めて説明すると、パワーサイクル寿命カーブで直線により表すことが出来る範囲を1つの温度範囲とし、それが複数、例えば図3に示す例はパワーサイクル寿命カーブが温度範囲として直線で近似される領域が2つの場合であり、低温領域では傾きa1の直線、また高温領域では傾きa2の直線、で近似され、両直線が交叉する変曲点の温度差がΔTxであるとする。また、低温領域における基準温度差をΔTs1、基準温度差ΔTs1におけるパワーサイクル寿命回数をNs1とし、高温領域における基準温度差をΔTs2、基準温度差ΔTs2におけるパワーサイクル寿命回数をNs2であるとする。その場合において、予測対象の半導体装置、例えば図2に示されるIGBTチップ2’ を動作させることで得られる各温度サイクルにおけるピーク振幅値をA/Dのサンプリング周期を通して検出した温度差ΔTが、
(イ)ΔT<ΔTxの領域(低温領域)では、以下の換算式
N1=(ΔTs1/ΔT)a1×Ns1
に基づいてΔTにおけるサイクル寿命回数N1を、基準温度差ΔTs1におけるサイクル寿命回数Ns1に換算(重み付け)して求める。ここでa1は近似する直線の傾きであるが上記式における重み係数でもある。
Here, the basic concept of power cycle life prediction according to the present invention will be described again based on the power cycle life curve shown in FIG. 3. A range that can be represented by a straight line in the power cycle life curve is defined as one temperature range. For example, the example shown in FIG. 3 is a case where the power cycle life curve is approximated by two straight lines as a temperature range, and is approximated by a straight line having a slope a1 in a low temperature region and a straight line having a slope a2 in a high temperature region, It is assumed that the temperature difference at the inflection point where both straight lines intersect is ΔTx. Further, it is assumed that the reference temperature difference in the low temperature region is ΔTs1, the power cycle life number in the reference temperature difference ΔTs1 is Ns1, the reference temperature difference in the high temperature region is ΔTs2, and the power cycle life number in the reference temperature difference ΔTs2 is Ns2. In that case, the temperature difference ΔT detected by detecting the peak amplitude value in each temperature cycle through the A / D sampling period obtained by operating the semiconductor device to be predicted, for example, the IGBT chip 2 ′ shown in FIG.
(B) In the range of ΔT <ΔTx (low temperature range), the following conversion formula
N1 = (ΔTs1 / ΔT) a1 × Ns1
Is obtained by converting (weighting) the cycle life number N1 at ΔT to the cycle life number Ns1 at the reference temperature difference ΔTs1. Here, a1 is the slope of the approximate straight line, but is also the weighting coefficient in the above equation.
また、同じくIGBTチップ2’ を動作させることで得られる各温度サイクルにおけるピーク振幅値をA/Dのサンプリング周期を通して検出した温度差ΔTが、
(ロ)ΔT>ΔTxの領域(高温領域)では、以下の換算式
N2=(ΔTs2/ΔT)a2×Ns2
に基づいてΔTにおけるサイクル寿命回数N2を、基準温度差ΔTs2におけるサイクル寿命回数Ns2に換算(重み付け)して求める。ここでa2は近似する直線の傾きであるが上記式における重み係数でもある。
Similarly, the temperature difference ΔT detected through the A / D sampling period for the peak amplitude value in each temperature cycle obtained by operating the IGBT chip 2 ′ is
(B) In the range of ΔT> ΔTx (high temperature range), the following conversion formula
N2 = (ΔTs2 / ΔT) a2 × Ns2
Is obtained by converting (weighting) the cycle life number N2 at ΔT to the cycle life number Ns2 at the reference temperature difference ΔTs2. Here, a2 is the slope of the approximate straight line, but is also the weighting coefficient in the above equation.
そのうえで、検出したΔTを元に、N1もしくはN2が更新され、計算命令2が入力されたことによって、ダメージ計算部34は、
1)ΔT<ΔTxの場合には、
ND1 = N1_old + N1
2)ΔT>ΔTxの場合には、
ND2 = N2_old + N2
によりそれぞれの温度領域で更新されたサイクル寿命回数ND1,ND2を求め、このサイクル寿命回数ND1,ND2についてマイナー則を用いて累積ダメージ(被害率)Dを、
D = (ND1/Ns1) + (ND2/Ns2)
により求め、累積ダメージ(被害率)DがD=1になるときを寿命に到達したと予測する。上記Dの算出式は、上記した式(3)そのものであり、これにて累積ダメージDの値を求め、Dの値を余寿命計算・寿命判定部50に出力する。なお図2においては図1に示していない余寿命計算・寿命判定部50を寿命演算回路30に付加しているが、上述したように、これは余寿命計算・寿命判定した結果まで提供する必要がある場合のオプションであって、寿命演算回路30の構成としては必須ではない。
Based on the detected ΔT, N1 or N2 is updated and the calculation command 2 is input.
1) If ΔT <ΔTx,
ND1 = N1_old + N1
2) If ΔT> ΔTx,
ND2 = N2_old + N2
The cycle life times ND1 and ND2 updated in each temperature range are obtained by the above, and cumulative damage (damage rate) D is calculated by using a minor rule for the cycle life times ND1 and ND2.
D = (ND1 / Ns1) + (ND2 / Ns2)
The cumulative damage (damage rate) D is predicted to reach the end of life when D = 1. The calculation formula of D is the above-described formula (3) itself, and the value of the cumulative damage D is obtained by this, and the value of D is output to the remaining life calculation / life determination unit 50. In FIG. 2, a remaining life calculation / life determination unit 50 not shown in FIG. 1 is added to the life calculation circuit 30, but as described above, this needs to be provided up to the result of remaining life calculation / life determination. This is an option in the case where there is, and is not essential as a configuration of the life calculation circuit 30.
図4は、本発明の実施形態に係るパワーサイクル寿命予測装置で用いるパワーサイクル寿命カーブの例を示す図(その2)である。図4に示すとおり、本発明のパワーサイクル寿命予測装置で用いるパワーサイクル寿命カーブ(その2)は、実際のパワーサイクル寿命カーブに応じて動作温度範囲内を複数(=3つ)の領域(パワーサイクル寿命カーブの直線の傾きが異なる範囲)を個別に分けて、それぞれの領域で基準温度ΔTs1,ΔTs2,ΔTs3を設定しダメージ換算並びに累積ダメージの算出から寿命計算を行うものである。こうすることで従来のように一つの直線の傾きaを用いてダメージ換算並びに累積ダメージの算出から寿命計算を行う場合に生じる予測誤差を解消させることができる。 FIG. 4 is a diagram (part 2) illustrating an example of a power cycle life curve used in the power cycle life prediction apparatus according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the power cycle life curve (part 2) used in the power cycle life prediction apparatus of the present invention is divided into a plurality of (= 3) operating temperature ranges (power) according to the actual power cycle life curve. The range in which the inclination of the straight line of the cycle life curve is different) is individually divided, and the reference temperatures ΔTs1, ΔTs2, ΔTs3 are set in each region, and the life is calculated from the damage conversion and cumulative damage calculation. By doing so, it is possible to eliminate the prediction error that occurs when performing life calculation from damage conversion and cumulative damage calculation using one straight line slope a as in the prior art.
次に図4に示すパワーサイクル寿命カーブを元に本発明のパワーサイクル寿命予測の基本概念を説明すると、図4はパワーサイクル寿命カーブが温度範囲として直線で近似される領域が3つの場合であり、低温領域では傾きa1の直線、また中温領域では傾きa2の直線、高温領域では傾きa3の直線、で各近似され、上記の如き傾きを有する直線が交叉する変曲点の温度差を低温側からΔTx1,ΔTx2であるとする。また、低温領域(ΔT<ΔTx1)における基準温度差をΔTs1、基準温度差ΔTs1におけるパワーサイクル寿命回数をNs1とし、中温領域(ΔTx1<ΔT<ΔTx2)における基準温度差をΔTs2、基準温度差ΔTs2におけるパワーサイクル寿命回数をNs2とし、高温領域(ΔT>ΔTx2)における基準温度差をΔTs3、基準温度差ΔTs3におけるパワーサイクル寿命回数をNs3であるとする。その場合において、予測対象の半導体装置、例えば図2に示されるIGBTチップ2’ を動作させることで得られる各温度サイクルにおけるピーク振幅値をA/Dのサンプリング周期を通して検出した温度差ΔTが、
(イ)ΔT<ΔTxの領域(低温領域)では、以下の式(7)で示される換算式
Next, the basic concept of power cycle life prediction according to the present invention will be described based on the power cycle life curve shown in FIG. 4. FIG. 4 shows the case where the power cycle life curve is approximated by a straight line as a temperature range. The temperature difference at the inflection point where the straight line with the slope as described above intersects each other is approximated by the straight line with the slope a1 in the low temperature region, the straight line with the slope a2 in the medium temperature region, and the straight line with the slope a3 in the high temperature region. To ΔTx1 and ΔTx2. The reference temperature difference in the low temperature region (ΔT <ΔTx1) is ΔTs1, the power cycle life count in the reference temperature difference ΔTs1 is Ns1, the reference temperature difference in the medium temperature region (ΔTx1 <ΔT <ΔTx2) is ΔTs2, and the reference temperature difference ΔTs2 Assume that the power cycle life number is Ns2, the reference temperature difference in the high temperature region (ΔT> ΔTx2) is ΔTs3, and the power cycle life number in the reference temperature difference ΔTs3 is Ns3. In that case, the temperature difference ΔT detected by detecting the peak amplitude value in each temperature cycle through the A / D sampling period obtained by operating the semiconductor device to be predicted, for example, the IGBT chip 2 ′ shown in FIG.
(B) In the range of ΔT <ΔTx (low temperature range), the conversion formula shown by the following formula (7)
また、同じくIGBTチップ2’ を動作させることで得られる各温度サイクルにおけるピーク振幅値をA/Dのサンプリング周期を通して検出した温度差ΔTが、
(ロ)ΔTx1<ΔT<ΔTx2の領域(中温領域)では、以下の式(8)で示される換算式
Similarly, the temperature difference ΔT detected through the A / D sampling period for the peak amplitude value in each temperature cycle obtained by operating the IGBT chip 2 ′ is
(B) In the range of ΔTx1 <ΔT <ΔTx2 (medium temperature range), the conversion formula shown by the following formula (8)
さらに、同じくIGBTチップ2’ を動作させることで得られる各温度サイクルにおけるピーク振幅値をA/Dのサンプリング周期を通して検出した温度差ΔTが、
(ハ)ΔT>ΔTx2の領域(高温領域)では、以下の式(9)で示される換算式
Furthermore, the temperature difference ΔT detected through the A / D sampling period for the peak amplitude value in each temperature cycle, which is also obtained by operating the IGBT chip 2 ′,
(C) In the range of ΔT> ΔTx2 (high temperature range), the conversion formula shown by the following formula (9)
そのうえで、検出したΔTを元に、N1、N2もしくはN3が更新され、計算命令2が入力されたことによって、ダメージ計算部34は、以下の式(10) Then, based on the detected ΔT, N1, N2 or N3 is updated, and the calculation command 2 is input, so that the damage calculation unit 34 calculates the following equation (10)
本発明は、上記したパワーサイクル寿命予測装置を有するパワー半導体モジュールの例に止まらず、他の熱ストレスに伴う製品寿命の予告が望まれる製品にもIPM(Intelligent
Power Module:インテリジェント・パワー・モジュール)として応用することができる。
The present invention is not limited to the example of the power semiconductor module having the above-described power cycle life prediction device, but also for products for which a product life warning accompanying other thermal stress is desired.
(Power Module: Intelligent power module)
1 整流器
2 IGBTモジュール
2’ IGBTチップ
3 モータ
4 制御装置
5 ドライバ
10 温度センサ
20 A/D(アナログデジタル変換器)
30 寿命演算回路
31 ΔT検出部
32 ΔTx保持部/ΔT及びΔTx比較部
33 ダメージ換算部
34 累積ダメージ計算部
40 寿命データレジスタ
50 余寿命計算・寿命判定部
1 Rectifier
2 IGBT module
2 'IGBT chip
3 Motor
4 Control unit
5 Driver
10 Temperature sensor
20 A / D (analog / digital converter)
30 Life calculation circuit
31 ΔT detector
32 ΔTx holder / ΔT and ΔTx comparator
33 Damage conversion section
34 Cumulative damage calculator
40 Life data register
50 Remaining life calculation / life judgment part
Claims (5)
前記寿命データレジスタは、累積ダメージを計算するための演算パラメータとして、予めパワーサイクル試験を経て解析されたパワーサイクル寿命カーブを近似する複数の直線についての、基準温度差ΔTs、該基準温度差ΔTsでの寿命サイクル、サイクル寿命カーブにおける傾きについてのデジタルデータを保持する、
ことを特徴とする請求項3に記載のパワーサイクル寿命予測装置。 The life calculation circuit includes a temperature difference detection unit that detects a temperature difference from the output of the A / D converter, a temperature difference output from the temperature difference detection unit, and a temperature difference output from the temperature difference detection unit. The inflection point temperature difference holding unit for comparing the inflection point temperature difference / temperature difference and inflection point temperature difference comparison unit, and the life data register according to the comparison result of the temperature difference and inflection point temperature difference comparison unit And the reference temperature difference preset in the straight line and the life cycle value at the reference temperature difference are received as calculation parameters and the inflection point temperature difference holding unit / temperature difference and variable A damage conversion unit that receives the detected temperature difference from the inflection point temperature difference comparison unit and converts the detected temperature difference into a life cycle based on the reference temperature difference, and the temperature difference and the inflection point temperature difference. According to the comparison result of the comparison part In addition, the straight line to be approximated output from the life data register, the reference temperature difference preset in the straight line, and the life cycle value at the reference temperature difference are received as operation parameters and output from the damage conversion unit. It has a cumulative damage calculator that receives the converted life cycle value, calculates the cumulative damage according to the minor rule, and outputs it.
The life data register includes a reference temperature difference ΔTs and a reference temperature difference ΔTs for a plurality of straight lines approximating a power cycle life curve analyzed in advance through a power cycle test as calculation parameters for calculating cumulative damage. Holds digital data about the life cycle and slope of the cycle life curve,
The power cycle life prediction apparatus according to claim 3.
に取り付け一体化したことを特徴とするパワーサイクル寿命予測装置を備えた半導体装置。 5. A semiconductor device comprising a power cycle life prediction apparatus according to claim 3, wherein the power cycle life prediction apparatus according to claim 3 is mounted and integrated in a case of a semiconductor module.
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