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与流程

本发明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(Insulated Gate Bipolar Transistor)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。

背景技术：

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(thermal cycle life)。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

技术实现要素：

发明所要解决的问题

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。

本发明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

本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明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，适用于本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明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％。

发明效果

根据本发明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是表示本发明的实施方式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是例示出本发明的实施方式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是简要表示用于本发明的实施方式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是表示本发明的实施方式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，基于附图对发明的实施方式进行说明。然而，下述实施方式仅仅是例示。本发明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上具有相同功能的构件。此外，实施方式等所参照的附图是示意性描述的图，附图中所绘制的物体的尺寸比率等可能会与现实中的物体的尺寸比率等不同。附图相互间的物体的尺寸比率等也有可能不同。具体的物体的尺寸比率等应当参考以下的说明来进行判断。

实施方式1.

下面，利用图1～图8对本发明的实施方式1进行说明。

(功率半导体模块1)

本发明的功率半导体模块并未对内部的电路结构作限定，实施方式1中，作为功率半导体模块1，以具有利用分别由IGBT41a～46a和续流二极管41b～46b构成功率半导体元件41～46的三相桥式逆变器电路(6in1IGBT module)为例进行说明。

图1a是示意性表示实施方式1所涉及的功率半导体模块1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1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1的等效电路图。

如图1a所示，在功率半导体模块1的左侧形成有由IGBT41a、续流二极管41b，IGBT42a，续流二极管42b，IGBT43a，续流二极管43b所构成的上桥臂，在功率半导体模块1的右侧形成有由IGBT44a、续流二极管44b，IGBT45a，续流二极管45b，IGBT46a，续流二极管46b所构成的下桥臂。

图1b所示，在功率半导体模块1的壳体2的前表面上形成有热疲劳寿命判断构件3。也可以将上述热疲劳寿命判断构件形成在壳体2的后表面。此外，优选将该热疲劳寿命判断构件3形成在壳体2的表面侧的与壳体内部的IGBT相对应的部位。

作为热疲劳寿命判断构件3的示例，可以列举出例如感温变色油墨，其所 呈现的颜色根据温度的变化而发生变化。具体而言，在25℃－70℃的温度区间中，感温变色油墨的颜色会随着温度的上升而从深橙色渐渐变淡，当温度上升至70℃以上时,感温变色油墨的颜色会变为无色；并且当温度从70℃开始下降时，感温变色油墨的颜色会随着温度的下降而从无色渐渐变深，并在25℃附近恢复成深橙色。

此外，感温变色油墨的颜色会因温度变化次数的增加而发生变化，并最终在规定温度例如95℃下呈现出作为完全老化颜色的深绿色。

感温变色油墨可以通过涂布、粘接等方式形成于壳体2的表面侧。其厚度为100um-300um。

此外，热疲劳寿命判断构件3并不限于感温变色油墨，只要是颜色在一定温度范围内会随着温度的上升而发生变化并在温度下降时重新变为初始颜色，且在随着温度变化次数的增加最终在规定温度下呈现出完全老化颜色的材料即可，例如可以为AgI，Ag₂S等多种材料。

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。如图2所示，功率半导体模块1中，功率半导体元件41采用反相并联连接IGBT41a、续流二极管41b的结构。其他功率半导体元件42～46也采用相同的结构。

(功率半导体元件41)

图3是实施方式1所涉及的功率半导体模块1的剖视结构图。

如上所述，功率半导体元件41包括IGBT41a和用于保护该IGBT41a的续流二极管41b。在基底910上通过焊接层920与双面分别带有电路布图921、922、923的绝缘基板930相接合，在电路布图922上通过焊接层940安装有IGBT41a。同样的，在电路布图923上通过焊接层950安装有续流二极管41b。

基底910可以采用铜基底。焊接层920、940、950可以采用锡基合金材料。上述基底910通过粘接剂等与壳体2的接合部相接合。

此外，功率半导体元件42、43、44、45、46都具有与功率半导体元件41相同的结构。

(△Tc热疲劳寿命的破坏模型)

在对功率半导体元件41的结构进行了说明的基础上，具体说明△Tc热疲劳寿命的破坏模型。

在功率半导体模块1开始运转后，壳体温度Tc会随之上升，在功率半导体模块停止工作后，壳体温度Tc会逐渐下降。由于绝缘基板930与基底910的热膨胀系数存在差异，因而温度的上升、下降会导致绝缘基板930与基底910之间的焊接层920中发生应力形变。若重复上述温度变化，则上述应力形变可能会导致焊接层920发生裂纹19等。若该裂纹等不断扩大并延伸至用于安装上述IGBT41a的绝缘基板930，则结温度Tj会因IGBT41a的放热性能的恶化而上升。其结果是，在结温度超过耐热温度Tjmax时,发生功率半导体模块1的热破坏。

因而，使用△Tc热疲劳寿命来评价功率半导体模块1中绝缘基板930与底座910之间的焊接层920的寿命。

(△Tc热疲劳寿命实验)

接下来，基于附图4来说明本发明所涉及的△Tc热疲劳寿命实验。

在该△Tc热疲劳寿命实验中，从室温25℃开始，对功率半导体模块1的六个相进行通电以使整个壳体2的整体温度上升，在到达100℃时断开通电，然后使壳体2整体温度降至通电前的状态，将上述期间作为一个周期。反复进行上述升温、降温的过程。

上述通电时间ton大致为1-3分钟左右，上述断开时间toff大致为10-20分钟左右。

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。

如图5所示，功率半导体模块1的△Tc热疲劳寿命取决于循环中的温度上升幅度。例如当△Tc为70℃时，当温度循环次数达到22，000次时，功率半导体模块1接近△Tc热疲劳寿命全长，功率半导体模块1中的绝缘基板930与底座910间的焊接层920可能发生热破坏。

(热疲劳寿命判断构件的颜色的检测)

在进行上述△Tc热疲劳寿命实验的同时，本发明的发明人利用激光分色仪20对形成于壳体2的前表面上的热疲劳寿命判断构件3的颜色进行检测。此处，以热疲劳寿命判断构件为例进行说明。

其检测结果是，在△Tc为70℃，温度循环次数大致为15400次时，若温度超过95℃，则热疲劳寿命判断构件开始逐渐呈现出浅绿色，随着温度循环 次数逐步接近22，000次，热疲劳寿命判断构件所呈现出的绿色不断变深并最终呈现出深绿色。

即，在△Tc为70℃，温度循环次数接近热疲劳寿命全长的70％，且温度超过95℃时，热疲劳寿命判断构件开始呈现出浅绿色，随着温度循环次数逐步接近功率半导体元件的热疲劳寿命的全长，热疲劳寿命判断构件会呈现出作为其完全老化颜色的深绿色。

图6中举例示出了上述热疲劳寿命判断构件的颜色的检测结果，并将其作为颜色－寿命数据对应表存储于后述的存储器301中。

检测装置并不限于激光分色仪20，只要是能检测出热疲劳寿命判断构件3的颜色的装置即可。

(功率半导体模块的热疲劳寿命判断的装置)

图7是简要表示用于本发明的实施方式1所涉及的功率半导体模块的热疲劳寿命的判断装置的结构图。该功率半导体模块的热疲劳寿命的判断装置包括：激光分色仪20，该激光分色仪20基于来自控制部10的指令每隔一定间隔来检测形成于功率半导体模块1的表面的热疲劳寿命判断构件3的颜色；比较器30，该比较器30将激光分色仪20的检测结果、与预先存储在存储器301中的颜色－寿命数据对应表中的数据进行比较，并将比较结果发送到控制部10，上述颜色－寿命数据对应表(例如图6)是在△Tc热疲劳寿命实验时，对热疲劳寿命判断构件的颜色进行检测而获得的结果；以及控制部10，该控制部在功率半导体模块运转时，在规定温度下每隔一定间隔指示激光分色仪20进行检测，并基于从比较器30输入的比较结果来判断是否已超过功率半导体模块1的热疲劳寿命的预定值，在判断为已超过功率半导体模块1的热疲劳寿命的预定值的情况下发出警报，在判断为未超过功率半导体模块1的热疲劳寿命的预定值，再次指示激光分色仪20进行检测，上述预定值是由操作人员预定设定的，例如可设定为热疲劳寿命全长的80％。

接下来，基于图8来说明本发明的实施方式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。

首先，在规定温度下每隔一定间隔对形成于功率半导体模块1的表面的热疲劳寿命判断构件3的颜色进行检测，并将检测结果输出。

将检测结果、与预先存储在存储器中的颜色－寿命数据对应表中的数据进行比较，并将比较结果输出。

根据比较结果来判断是否超过上述功率半导体模块1的热疲劳寿命的预定值，在判断为已超过功率半导体模块1的热疲劳寿命的预定值的情况下，发出警报。在判断为功率半导体模块1尚未超过其热疲劳寿命的预定值的情况下，再次指示进行热疲劳寿命判断构件3的颜色检测。例如在检测出热疲劳寿命判断构件的颜色呈现出绿色的时候，判断为其热疲劳寿命已超过其热疲劳寿命全长的80％，发出警报以提示操作者。

如上所述，通过在功率半导体模块1的壳体2表面形成热疲劳寿命判断构件3，在功率半导体模块运转时对该热疲劳寿命判断构件的颜色进行检测，并将检测所得的结果与预先存储的颜色－寿命数据对应表中的数据进行比较，从而判断功率半导体模块的热疲劳寿命。

根据实施方式1，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。

虽然对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式仅作为示例呈现，而并非要对发明范围进行限定。该新的实施方式可通过其它各种方式进行实施，在不脱离发明要旨的范围内，可进行各种省略、置换、变更。上述实施方式及其变形均包含在发明的范围和要旨中，并且包含在专利权利要求所记载的发明及其等同范围内。

标号说明

1 功率半导体模块

2 壳体

3 热疲劳寿命判断构件

41～46 功率半导体元件

41a～46a IGBT

41b～46b 续流二极管

910 基底

920，940，950 焊接层

921～923 电路布图

930 绝缘基板

19 裂纹

10 控制部

20 激光分色仪

30 比较器

301 存储器。