功率模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及功率模塊，特別涉及集成功率半導(dǎo)體元件來執(zhí)行電力變換動(dòng)作的功率 模塊。
【背景技術(shù)】
[0002] 交流馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)用逆變器、太陽能發(fā)電用的功率調(diào)節(jié)器等各種功率模塊是構(gòu)成為 能夠集成半導(dǎo)體元件來實(shí)施電力變換動(dòng)作的電氣部件。
[0003] 關(guān)于這樣的功率模塊，不僅將半導(dǎo)體元件，還將殼體、密封膠、電氣布線、絕緣基 板、基底板以及根據(jù)功率模塊的種類而將柵極驅(qū)動(dòng)器電路、用于防止過熱、過電流的保護(hù)電 路也一體化來提供，實(shí)現(xiàn)使用了功率模塊的產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、進(jìn)行制造的用戶的便利性。
[0004] 功率模塊的突然的故障導(dǎo)致應(yīng)用該功率模塊的設(shè)備、裝置的停止，所以導(dǎo)致經(jīng)濟(jì) 性的損失等。因此，已知診斷功率模塊的壽命的嘗試。
[0005] 例如，在日本特開2011-196703號(hào)公報(bào)（專利文獻(xiàn)1)記載的方法中，將由功率半 導(dǎo)體元件構(gòu)成的半導(dǎo)體裝置的全部動(dòng)作溫度范圍分割為多個(gè)溫度區(qū)域，使用將對(duì)該溫度區(qū) 域內(nèi)分別設(shè)定的基準(zhǔn)溫度差下的功率周期數(shù)進(jìn)行加權(quán)而得到的值來計(jì)算周期數(shù)。進(jìn)而，在 該方法中，根據(jù)在所分割的溫度區(qū)域間中分別計(jì)算出的周期數(shù)使用邁因納定律，計(jì)算累積 損傷，預(yù)測壽命。
[0006] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開2011-196703號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 在日本特開2011-196703號(hào)公報(bào)（專利文獻(xiàn)1)記載的功率模塊的壽命預(yù)測方法 中，診斷單一的半導(dǎo)體芯片的壽命，所以設(shè)置了 1個(gè)溫度傳感器。
[0008] 但是，關(guān)于3相/2電平逆變器那樣的功率模塊，上支路的3個(gè)分別和下支路的基 準(zhǔn)電位不同，所以存在合計(jì)4個(gè)基準(zhǔn)電位。因此，需要將A/D轉(zhuǎn)換器、絕緣元件最低設(shè)置各 4個(gè)，功率模塊的規(guī)模變大。
[0009] 進(jìn)而，在日本特開2011-196703號(hào)公報(bào)（專利文獻(xiàn)1)記載的功率模塊中，未記載 將壽命診斷的結(jié)果向外部輸出的結(jié)構(gòu)。
[0010] 因此，本發(fā)明的目的在于提供一種小規(guī)模且能夠診斷壽命、并且能夠?qū)勖\斷 的結(jié)果輸出到外部的功率模塊。
[0011] 為了解決上述課題，本發(fā)明的功率模塊具備：多個(gè)半導(dǎo)體芯片；1個(gè)以上的溫度傳 感器，設(shè)置于多個(gè)半導(dǎo)體芯片的至少1個(gè)半導(dǎo)體芯片的周邊；1個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，將來自溫度 傳感器的輸出變換為數(shù)字信號(hào)；診斷部，根據(jù)從A/D轉(zhuǎn)換器輸出的表示溫度的信號(hào)，診斷功 率模塊的壽命。本發(fā)明的功率模塊還具備：輸出部，生成表示診斷的結(jié)果的信號(hào)；以及輸出 端子，將表示診斷的結(jié)果的信號(hào)輸出到外部。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明，能夠以小規(guī)模診斷壽命。另外，能夠?qū)勖\斷的結(jié)果輸出到外部。
【附圖說明】
[0013]圖1是示出第1實(shí)施方式的功率模塊的結(jié)構(gòu)的圖。
[0014] 圖2是用于說明功率模塊的布局的圖。
[0015] 圖3是用于說明功率模塊的布局的圖。
[0016] 圖4是示出1個(gè)功率周期內(nèi)的由溫度傳感器檢測到的溫度的變化的圖。
[0017] 圖5是示出第1實(shí)施方式的壽命診斷的動(dòng)作步驟的流程圖。
[0018] 圖6是示出在第1實(shí)施方式中，從輸出端子ro輸出的信號(hào)的例子的圖。
[0019] 圖7是示出在第1實(shí)施方式的變形例1中，從輸出端子ro輸出的信號(hào)的例子的圖。
[0020] 圖8是示出第1實(shí)施方式的變形例2的功率模塊的結(jié)構(gòu)的圖。
[0021] 圖9是示出第1實(shí)施方式的變形例3的功率模塊的結(jié)構(gòu)的圖。
[0022] 圖10是示出第2實(shí)施方式的功率模塊的結(jié)構(gòu)的圖。
[0023] 圖11是示出第2實(shí)施方式的壽命診斷的動(dòng)作步驟的流程圖。
[0024]圖12是示出第2實(shí)施方式中的選取信號(hào)SL和輸出的劣化度的關(guān)系的圖。
[0025]圖13是示出第2實(shí)施方式的變形例2的功率模塊的結(jié)構(gòu)的圖。
[0026]圖14是示出第2實(shí)施方式的變形例3的功率模塊的結(jié)構(gòu)的圖。
[0027] 圖15是不出在第2實(shí)施方式的變形例3中，從輸出端子F>D輸出的信號(hào)的例子的 圖。
[0028] 圖16是示出在第2實(shí)施方式的變形例4中，在選取信號(hào)SL是"1"的情況下從輸 出端子ro輸出的信號(hào)的例子的圖。
[0029]圖17是示出第2實(shí)施方式的變形例5的功率模塊的結(jié)構(gòu)的圖。
[0030] 圖18是示出第2實(shí)施方式的變形例6的功率模塊的結(jié)構(gòu)的圖。
[0031]圖19是示出第3實(shí)施方式的功率模塊的結(jié)構(gòu)的圖。
[0032] 圖20是示出第3實(shí)施方式的壽命診斷的動(dòng)作步驟的流程圖。
[0033] 圖21是示出第3實(shí)施方式的壽命診斷的動(dòng)作步驟的流程圖。
[0034]圖22是示出第3實(shí)施方式中的選取信號(hào)SL和輸出的劣化度的關(guān)系的圖。
[0035]圖23是示出第3實(shí)施方式的變形例2的功率模塊的結(jié)構(gòu)的圖。
[0036]圖24是示出第3實(shí)施方式的變形例3的功率模塊的結(jié)構(gòu)的圖。
[0037] 圖25是示出在第3實(shí)施方式的變形例3中，在選取信號(hào)SL是"1"的情況下從輸 出端子ro輸出的信號(hào)的例子的圖。
[0038] 圖26是示出在第3實(shí)施方式的變形例4中，在選取信號(hào)SL是"1"的情況下從輸 出端子ro輸出的信號(hào)的例子的圖。
[0039]圖27是示出第3實(shí)施方式的變形例5的功率模塊的結(jié)構(gòu)的圖。
[0040] 圖28是示出第3實(shí)施方式的變形例6的功率模塊的結(jié)構(gòu)的圖。
[0041] 圖29是示出第4實(shí)施方式的功率模塊的結(jié)構(gòu)的圖。
[0042] 圖30是示出第4實(shí)施方式的壽命診斷的動(dòng)作步驟的流程圖。
[0043] 圖31是示出第4實(shí)施方式的壽命診斷的動(dòng)作步驟的流程圖。
[0044] (符號(hào)說明）
[0045] lun、lvn、lwn:溫度傳感器；2、52、62 :A/D轉(zhuǎn)換器；3 :絕緣元件；4 :壽命診斷部； 5 :輸出部；7u、7v:溫度傳感器；10、20、30、40:功率模塊；11:元件部；12 :控制部；91:劣化 程度計(jì)算部；92 :劣化量計(jì)算部；93 :劣化度計(jì)算部；101、102 :焊錫；105、106 :銅圖案；110 : 絕緣基板；112 :基底板；114 :散熱器；116 :殼體；500 :外部控制器；501 :驅(qū)動(dòng)部；PD、H)S、 PT、POl、P02、P03 :輸出端子；PDS、PS:選取端子；PV1、PV2 :電壓端子；Qup、Qvp、Qwp、Qun、 Qvn、Qwn:開關(guān)元件；Dup、Dvp、Dwp、Dun、Dvn、Dwn:二極管元件。
【具體實(shí)施方式】
[0046] 以下，使用附圖，說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0047][第1實(shí)施方式]
[0048]圖1是示出第1實(shí)施方式的功率模塊的結(jié)構(gòu)的圖。
[0049] 圖2以及圖3是用于說明功率模塊的布局的圖。
[0050] 如圖1所示，該功率模塊具備元件部11、溫度傳感器lvn以及控制部12。
[0051] 元件部11是被使用于將輸入的直流電力變換為三相交流電力的逆變器中的、由 IGBT芯片和二極管芯片的合計(jì)12個(gè)元件構(gòu)成的部分。
[0052] 元件部11具備開關(guān)元件Qup、Qvp、Qwp、Qun、Qvn、Qwn和電流環(huán)流用的二極管元 件Dup、Dvp、Dwp、Dun、Dvn、Dwn。開關(guān)元件Qup、Qvp、Qwp、Qun、Qvn、Qwn以及電流環(huán)流用 的二極管元件Dup、Dvp、Dwp、Dun、Dvn、Dwn分別由獨(dú)立的半導(dǎo)體芯片構(gòu)成。開關(guān)元件Qup、 Qvp、Qwp、Qun、Qvn、Qwn是IGBT(Insulated-GateBipolarTransistors:絕緣概雙極型晶 體管）。
[0053] 元件部11的正極側(cè)節(jié)點(diǎn)與電壓端子PV1連接，負(fù)極側(cè)節(jié)點(diǎn)與電壓端子PV2連接。 元件部11的U相的輸出與輸出端子P01連接，V相的輸出與輸出端子P02連接，W相的輸出 與輸出端子P03連接。
[0054] 開關(guān)元件Qup、Qun(U相支路）在正極側(cè)節(jié)點(diǎn)與負(fù)極側(cè)節(jié)點(diǎn)之間按照該順序串聯(lián)地 連接。開關(guān)元件Qvp、Qvn(V相支路）在正極側(cè)節(jié)點(diǎn)與負(fù)極側(cè)節(jié)點(diǎn)之間按照該順序串聯(lián)地 連接，并與U相支路并聯(lián)地連接。開關(guān)元件Qwp、Qwn(W相支路）在正極側(cè)節(jié)點(diǎn)與負(fù)極側(cè)節(jié) 點(diǎn)之間按照該順序串聯(lián)地連接，并與U相以及V相支路并聯(lián)地連接。二極管元件Dup、Dun、 Dvp、Dvn、Dwp、Dwn與開關(guān)元件Qup、Qun、Qvp、Qvn、Qwp、Qwn分別并聯(lián)地在逆偏置方向上連 接。
[0055] 開關(guān)元件Qup、Qvp、Qwp和二極管元件Dup、Dvp、Dwp構(gòu)成上支路。開關(guān)元件Qun、 Qvn、Qwn和二極管元件Dun、Dvn、Dwn構(gòu)成下支路。
[0056] 如圖3所示，在開關(guān)元件Qvn以及二極管元件Dvn的附近，分別層疊有連接構(gòu)件的 焊錫101、102、流過電流的銅圖案105、106、承擔(dān)電氣絕緣的絕緣基板110、用于散熱和構(gòu)件 保持的基底板112等。另外，在圖3中，還一并記載有與功率模塊連接的散熱器114和接觸 熱電阻降低用的潤滑油113。另外，引線接合等電氣布線、殼體/膠等的圖示省略。除了未 設(shè)置溫度傳感器的點(diǎn)以外，開關(guān)元件Qup以及二極管元件Dup的布局、開關(guān)元件Qvp以及二 極管元件Dvp的布局、開關(guān)元件Qwp以及二極管元件Dwp的布局、開關(guān)元件Qun以及二極管 元件Dun的布局、開關(guān)元件Qwn以及二極管元件Dwn的布局與圖3的布局相同。
[0057] 功率模塊處理比較大的電力，所以與電力損失相伴的功率模塊內(nèi)部的溫度變化顯 著。因此，各構(gòu)件根據(jù)該溫度變化而伸縮，但根據(jù)各構(gòu)件的材質(zhì)，其伸縮的程度不同。因此， 在構(gòu)件間發(fā)生大的應(yīng)力，對(duì)構(gòu)件帶來熱疲勞。特別，作為半導(dǎo)體芯片的開關(guān)元件Qup以及二 極管元件Dup的正下的焊錫101由于起因于熱疲勞而產(chǎn)生的裂紋（破裂）的發(fā)展而易于發(fā) 生破壞。另外，作為半導(dǎo)體芯片的開關(guān)元件Qup和接合線（未圖示）的接合部也易于引起 熱疲勞。
[0058]由焊錫101的裂紋所致的故障以及開關(guān)元件與接合線的接合部的故障決定的功 率模塊的壽命被稱為所謂功率周期壽命，是功率模塊的主要的故障模式之一。另外，此處， 以后，有時(shí)將焊錫101的裂紋的發(fā)展以及開關(guān)元件與接合線的接合部的剝離稱為"劣化"。
[0059] 溫度傳感器lvn配置于開關(guān)元件Qvn的周邊，即能夠檢測焊錫101以及開關(guān)元件 Qvn與接合線的接合部的溫度的周邊，檢測其周邊的溫度。
[0060] 如圖2(a)所示，6個(gè)開關(guān)元件Qup、Qvp、Qwp、Qun、Qvn、Qwn和6個(gè)二極管元件Dup、 Dvp、Dwp、Dun、Dvn、Dwn集成配置在殼體116的內(nèi)部。
[0061] 如圖2(b)所示，在元件部11的上層中配置有控制部12。
[0062] 如圖1所示，控制部12具備驅(qū)動(dòng)部501、A/D轉(zhuǎn)換器2、絕緣元件3、壽命診斷部4、 輸出部5以及輸出端子H)。壽命診斷部4包括劣化程度計(jì)算部91、劣化量計(jì)算部92以及 劣化度計(jì)算部93。
[0063] 驅(qū)動(dòng)部501輸出向開關(guān)元件Qup、Qun、Qvp、Qvn、Qwp、Qwn的控制信號(hào)Gup、Gun、 Gvp、Gvn、Gwp、Gwn〇
[0064] A/D轉(zhuǎn)換器2將從溫度傳感器lvn送來的表示溫度的模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)。
[0065] 將從A/D轉(zhuǎn)換器2輸出的表示時(shí)刻t的溫度的數(shù)字信號(hào)Tvn(t)經(jīng)由絕緣元件3 送到壽命診斷部4。絕緣元件3是為了防止壽命診斷部4的誤動(dòng)作以及故障而設(shè)置的。
[0066] 壽命診斷部4由FPGA(FieldProgrammableGateArray:現(xiàn)場可編程門陣列）、 ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit:專用集成電路）、微型處理器或者它們 的組合構(gòu)成。
[0067] 如圖4所示，劣化程度計(jì)算部91從1個(gè)功率周期內(nèi)的各時(shí)刻t的溫度Tvn(t)，導(dǎo) 出1個(gè)功率周期中的最大溫度MAXTvn和最小溫度MINTvn。進(jìn)而，劣化程度計(jì)算部91通過 計(jì)算最大溫度MAXTvn和最小溫度MINTvn的差，導(dǎo)出1個(gè)功率周期中的脈動(dòng)溫度ATvn。此 處，1個(gè)功率周期相應(yīng)于半導(dǎo)體芯片的溫度變化的1個(gè)周期。
[0068] ATvn=MAXTvn-MINTvn…(A1)
[0069] 劣化程度計(jì)算部91根據(jù)1個(gè)功率周期中的最大溫度MAXTvn、最小溫度MINTvn以 及脈動(dòng)溫度ATvn，依照以下的阿倫尼烏斯形的算式（A2)，計(jì)算開關(guān)元件Qvn的期待壽命的 功率周期次數(shù)Nvnf。（A2)的阿倫尼烏斯形的算式表示開關(guān)元件Qvn(半導(dǎo)體芯片）的功率 周期中的壽命特性。
[0070] [式 1]
[0071]
[0072] 此處，A、B以及a是系數(shù)，由開關(guān)元件Qvn的功率周期的期待壽命決定。
[0073]劣化程度計(jì)算部91依照以下的算式（A3)，計(jì)算1個(gè)功率周期中的開關(guān)元件Qvn的 劣化程度Rvn。
[0074] Rvn= 1/Nvnf... (A3)
[0075]劣化量計(jì)算部92依照以下的算式（A4)，計(jì)算作為開關(guān)元件Qvn的劣化量的劣化量 Svn〇
[0076] Svn=Svn+Rvn*** (A4)
[0077] 劣化度計(jì)算部93通過依照算式（A5)，將開關(guān)元件Qvn的劣化量Svn除以達(dá)到期待 壽命時(shí)的劣化量SMAX，從而計(jì)算開關(guān)元件Qvn的劣化度Svns。劣化度Svns表示開關(guān)元件 Qvn消耗掉的壽命相對(duì)期待壽命的比例。
[0078] Svns=Svn/SMAX(A5)
[0079] 在本實(shí)施方式中，將1個(gè)開關(guān)元件Qvn的壽命（劣化度）視為功率模塊全體的壽 命（劣化），這利用了如果是一般的功率模塊，則電流均衡地流過全部元件，全部元件的溫 度同樣地變化這樣的特征。
[0080] (壽命診斷的動(dòng)作）
[0081] 圖5是示出第1實(shí)施方式的壽命診斷的動(dòng)作步驟的流程圖。
[0082] 參照?qǐng)D5,首先，劣化程度計(jì)算部91從A/D轉(zhuǎn)換器2取得溫度Tvn(t)(步驟S101)。
[0083] 接下來，劣化程度計(jì)算部91在1個(gè)功率周期結(jié)束的情況下（在步驟S102中"是")， 導(dǎo)出1個(gè)功率周期內(nèi)的溫度Tvn(t)的最大溫度MAXTvn、最小溫度MINTvn以及脈動(dòng)溫度 八1>11(步驟5103)。
[0084] 接下來，劣化程度計(jì)算部91依照算式（A2)以及算式（A3)，計(jì)算1個(gè)功率周期中的 開關(guān)元件Qvn的劣化程度Rvn(步驟S104)。
[0085] 接下來，劣化量計(jì)算部92依照算式（A4)，將每個(gè)功率周期的劣化程度Rvn的累計(jì) 計(jì)算為開關(guān)元件Qvn的劣化量Svn(步驟S105)。
[0086]接下來，劣化度計(jì)算部93依照算式（A5)，將開關(guān)元件Qvn的劣化量Svn除以達(dá)到 期待壽命時(shí)的劣化量SMAX，從而計(jì)算開關(guān)元件Qvn的劣化度Svns(步驟S106)。
[0087] 在電源導(dǎo)通（0N)的情況下（在步驟S110中"否"），重復(fù)從步驟S101起的處理。 另外，如果電源斷開（OFF)(在步驟S110中"是"），則處理結(jié)束。
[0088] 如圖6所示，輸出部5針對(duì)每個(gè)功率周期生成將開關(guān)元件Qvn的劣化度Svns作為 導(dǎo)通脈沖的占空比的信號(hào)，從輸出端子ro輸出。也可以不用