JP2008147683A

JP2008147683A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2008147683A
Application number: JP2007330531A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Shirasawa; 敬昭白澤; Takeshi Takayama; 剛高山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2024-03-09
Also published as: JP4673360B2

Abstract

【課題】絶縁基板上に実装された発熱量の異なる半導体素子（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタおよびフリーホイールダイオード）に対して、絶縁基板の下方にある半田層に生じるクラックを確実に、かつ簡便な手法で検出できる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置８は、第１の導電性接合層を介して放熱板上に固着される絶縁基板２０と、第２の導電性接合層を介して絶縁基板上２０に実装される第１および第２の半導体素子４０ａ，４０ｂと、第１の半導体素子４０ａに配置された少なくとも１つの第１の温度検出素子と、第２の半導体素子４０ｂに配置された少なくとも１つの第２の温度検出素子と、を備え、第１の半導体素子４０ａの発熱量は第２の半導体素子４０ｂの発熱量よりも大きい。
【選択図】図１１

Description

本発明は、モータやヒータなどの大電流を用いる電子機器を制御するための半導体装置に関し、とりわけ、半田接合層の亀裂（クラック）を検出し、故障を事前に推知することができる半導体装置に関する。

大電流を制御する電力用半導体装置（パワーモジュール）は、一般に、モータやヒータなどの電子機器に電源を供給するために用いられる。したがって、半導体装置が故障して、所定の制御された電流が供給できなくなると、これを搭載する電子機器は、しばしば、所定の機能を達成できず、致命的な不具合を生じ得る。すなわち、こうしたパワーモジュールは、極めて高いレベルの信頼性が要求される。

しかし、如何に優れた製造技術をもってしても、永久に故障しない完全なパワーモジュールを製造することは極めて困難であって、一般のパワーモジュールは、自ら生じるジュール熱に起因する熱ストレスや、搭載された電子機器から伝わる振動による機械的ストレスなどのさまざまな要因により、時間が経過するにつれて故障する可能性がある。とりわけ、パワーモジュールをアセンブリする際に用いられる半田層などの接合部材に亀裂（クラック）が徐々に進行することにより、半導体素子の放熱が阻害され、ひいては半導体素子が過熱して破壊されることがある。したがって、パワーモジュールは、半田クラックが半田層全体に進行して、半導体素子が破壊される前に適宜交換しなければならない。そのために、これまでにも、半田クラックの発生を事前に検出するためのいくつかの手段が提案されている。

例えば、特開平７−１４９４８号公報によれば、所望の位置に取り付けられた熱電対を用いて、接合部の温度変化を使用中常時モニタし、接合界面に亀裂が発生進展すると熱抵抗が増大することを利用して、半導体素子の温度上昇の度合いを測定して、亀裂の進行状況を判断する故障検知システムが開示されている。

しかし、半田層界面に生じるクラックは、一般に、絶縁基板と半導体素子の線膨張係数の差異、ならびに絶縁基板と金属ベース板の線膨張係数の差異に起因して、上記構成部品の間に配置された各半田層の周辺端部から中央部に向かって進展し、クラックが生じた特定領域においてのみ、半田層の放熱特性が著しく劣化する。したがって、半田クラックによる熱抵抗の増大を精度よく検出するためには、半田クラックが発生しやすい半田層の周辺端部に隣接して配置された温度検出素子を用いる必要がある。所望の位置に取り付けられた熱電対によれば、半田クラックに起因する温度変化を検出することを必ずしも期待できない。

特開平７−１４９４８号公報

また、特開平８−３１６４７１号公報は、温度が上昇すると順電圧が低下するという順電圧の温度依存性を有するｐｎダイオードが配置された絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを開示し、複数のｐｎダイオードを直列に接続することにより、精度の高い温度検出を実現し、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタが過熱することを防止することを教示している。ただし、この従来技術には、ｐｎダイオードの配置位置および半田クラックに関する言及はなく、半田クラックに起因する局所的な温度上昇を検出することはできない。

特開平８−３１６４７１号公報

さらに、特開２００３−１３４７９５公報によれば、絶縁基板上の半導体チップに近い位置にただ１つの温度センス素子を設け、この温度センス素子で測定された温度の時間変化率（ｄＴ／ｄｔ）が運転指令から推定される時間変化率の範囲内にあるかどうかを判断することにより半田層などの劣化や誤作動を検出する半導体モジュールが開示されている。このとき、温度センス素子が検出する温度は、例えば絶縁基板の上方にある半田層が劣化すると、正常時よりも緩やかに上昇する一方、例えば絶縁基板の下方にある半田層が劣化すると、正常時よりも急激に上昇することが開示されている。しかしながら、絶縁基板の上方および下方にある半田層の両方が同時に劣化した場合、これらの影響が相殺されて、半田層の劣化を検出することはできない。

特開２００３−１３４７９５公報

そこで、本発明は、絶縁基板上に実装された発熱量の異なる半導体素子（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタおよびフリーホイールダイオード）にそれぞれ少なくとも１つの温度検出素子を配置して、検出された温度の差を検出することにより、絶縁基板の下方にある半田層に生じるクラックを確実に、かつ簡便な手法で検出できるパワーモジュールを提供することを目的とする。

本発明の１つの態様による半導体装置は、第１の導電性接合層を介して放熱板上に固着される絶縁基板と、第２の導電性接合層を介して前記絶縁基板上に実装される第１および第２の半導体素子と、前記第１の半導体素子に配置された少なくとも１つの第１の温度検出素子と、前記第２の半導体素子に配置された少なくとも１つの第２の温度検出素子と、を備え、前記第１の半導体素子の発熱量が前記第２の半導体素子の発熱量より大きいことを特徴とするものである。

本発明によれば、絶縁基板の下方に配置された半田層に生じるクラックを確実に、かつ簡便な手法で検出できるパワーモジュールを提供することができる。

以下、添付図面を参照して本発明に係る半導体装置の実施の形態を説明する。各実施の形態の説明において、理解を容易にするために方向を表す用語（例えば、「上方」および「下方」など）を適宜用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本発明を限定するものでない。

実施の形態１．
図１ないし図４を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の実施の形態１について以下に説明する。図１に示すパワーモジュール１は、概略、樹脂などの絶縁材料からなるケース１１と、良好な熱伝導性を有する銅などの金属板からなる金属ベース板１２と、ケース１１の上面から内部に延びる複数の主電極１３と、を備えている。ケース１１は金属ベース板１２上に固定され、金属ベース板１２は金属放熱フィン１４上に固定されている。また図２に示すように、パワーモジュール１のケース１１の内部において、金属パターン２１，２２が両面に形成された絶縁基板２０が導電性接合層である半田層３０を介して金属ベース板１２上に固定されている。また、少なくとも１つの半導体素子４０（例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）４０ａおよびフリーホイールダイオード（ＦＷＤ）４０ｂ）が導電性接合層である半田層５０を介して絶縁基板２０上に実装されている。ここで絶縁基板２０の下方および上方に配置された半田層を、便宜上、「下側半田層（第１の導電性接合層）」３０および「上側半田層（第２の導電性接合層）」５０という。

すなわち、絶縁基板２０の下側に配置された金属パターン２１は、導電性接合層である半田層３０を介して金属ベース板１２上に固定され、半導体素子４０ａ，４０ｂは、同様に、導電性接合層である半田層５０を介して絶縁基板２０の上側金属パターン２２上に実装されている。

なお、図１に示すように、アルミワイヤなどの金属ワイヤ１５を用いて、主電極１３および各半導体素子４０、および互いの半導体素子４０が電気的に接続される。さらに、半導体素子４０および絶縁基板２０の上方には、半導体素子４０および金属ワイヤ１５を保護するために、シリコンゲル１６が充填され（分かりやすくするために、ハッチングを省略した。）、エポキシ樹脂１７を用いてその上方が封止され、さらにその上方に蓋１８が配置されている。

実施の形態１による半導体素子４０は、図３に示すように、その周辺端部に配置された少なくとも１つの端部ダイオード（端部温度検出素子）Ｄ_Ｅと、その中央部に配置された少なくとも１つの中央部ダイオード（中央部温度検出素子）Ｄ_Ｃと、を有する。端部ダイオードＤ_Ｅは、第１のアノード電極パッドＡ_１およびカソード電極パッドＫ_１の間に接続され、同様に、中央部ダイオードＤ_Ｃは、第２のアノード電極パッドＡ_２およびカソード電極パッドＫ_２の間に接続される。また、端部ダイオードＤ_Ｅおよび中央部ダイオードＤ_Ｃは、半導体装置１の通常使用時、一定の電流が流れるように、それぞれ第１のアノード電極パッドＡ_１およびカソード電極パッドＫ_１、および第２のアノード電極パッドＡ_２およびカソード電極パッドＫ_２を介して、図示しない外部制御回路の定電流源に電気的に接続されている。好適には、端部ダイオードＤ_Ｅおよび中央部ダイオードＤ_Ｃは、例えば、周囲温度２５℃で０．２ｍＡの順電流を流したとき、順電圧が２．５Ｖとなるように、ほぼ同一の電流電圧特性（Ｖ_Ｆ−Ｉ_Ｆ特性）を有する。

一般に、ダイオードは、図４に示すように、周囲温度Ｔが上昇すると順電圧Ｖ_Ｆが下がるため、順電圧Ｖ_Ｆを測定することにより、周囲温度Ｔを検出できることが知られている。一方、本発明者は、半導体装置１の通常使用時、端部ダイオードＤ_Ｅにより測定される端部温度Ｔ_Ｅは、端部ダイオードＤ_Ｅにより測定される中央部温度Ｔ_Ｃよりも多少（約１５℃ないし２０℃）低いことを確認した。

ところで、半導体装置１の通電時間が経過するにつれて、半導体素子４０と絶縁基板２０の間に配置された上側半田層５０は、上述のように、接合界面において、図２に示すように、半田クラックが周辺端部から中央部に向かって徐々に進行する。すなわち、図３に示すような矩形の平面形状を有する半導体素子４０において、上側半田層５０の半田クラックは、半導体素子４０の各角部（コーナ部）から中央部に向かって徐々に進展する。そして、上側半田層５０に半田クラックが生じると、その特定領域における熱抵抗が増大するので、半田クラックが生じた上側半田層５０の上方にある半導体素子４０の一部の領域だけが放熱を阻害され、温度上昇する。

すなわち、上側半田層５０に半田クラックが生じていない状態で半導体装置１が通電されているとき、端部温度Ｔ_Ｅと中央部温度Ｔ_Ｃとの温度差は一定であるが、上側半田層５０に半田クラックが生じると、端部温度Ｔ_Ｅが中央部温度Ｔ_Ｃに接近するように上昇することを、本発明者は見出した。したがって、実施の形態１によれば、端部ダイオードＤ_Ｅおよび中央部ダイオードＤ_Ｃの順電圧Ｖ_Ｆの差異を検出して、端部温度Ｔ_Ｅが中央部温度Ｔ_Ｃに接近したとき、すなわち端部温度Ｔ_Ｅと中央部温度Ｔ_Ｃの温度差が所定の温度差（Ｔ_ｔｈ）よりも小さくなったとき（Ｔ_Ｃ−Ｔ_Ｅ＜Ｔ_ｔｈ）、上側半田層５０の周辺端部に半田クラックが生じたと判断する。このように、図示しない外部制御回路は、端部ダイオードＤ_Ｅおよび中央部ダイオードＤ_Ｃの順電圧Ｖ_Ｆの差異を検出することにより、極めて簡便な手法で、上側半田層５０の周辺端部において半田クラックが生じたことを検出することができる。このとき、外部制御回路は、上側半田層５０全体に半田クラックが進行して、半導体素子４０が過熱して破壊される前に、半導体装置１の交換の必要性を使用者にアラームするか、あるいは半導体装置１を搭載した電子機器の動作を事前に安全に停止することができる。

本発明による半田クラックの検出メカニズムによれば、端部温度Ｔ_Ｅが中央部温度Ｔ_Ｃに対してどれだけ接近したか、相対的な温度差に基づいて、上側半田層５０の周辺端部に生じる半田クラックを検出する。したがって、本発明の検出方法によれば、絶対的な中央部温度Ｔ_Ｃおよび端部温度Ｔ_Ｅとは関係なく、すなわち半導体装置１の動作条件に影響を受けることなく、半田クラックを的確に検出することができる。

実施の形態２．
図５を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の実施の形態２について以下に説明する。実施の形態２のパワーモジュール２は、端部ダイオードＤ_Ｅと中央部ダイオードＤ_Ｃが直列に接続される点を除いて、実施の形態１のパワーモジュール１と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。

実施の形態２によれば、とりわけ図５の等価回路図に示すように、端部ダイオードＤ_Ｅと中央部ダイオードＤ_Ｃが直列に接続され、一定電流が共通アノード電極パッドＡ_１と、中央部ダイオードＤ_Ｃのカソード電極パッドＫ_２の間を流れるように、１つの定電流源が接続される。このとき、端部ダイオードＤ_Ｅと中央部ダイオードＤ_Ｃの間の電位を検出するためのカソード電極パッドＫ_１が設けられる。これにより、実施の形態１では、２つの定電流源と２組（４つの）電極パッドを用いて、端部ダイオードＤ_Ｅおよび中央部ダイオードＤ_Ｃの順電圧Ｖ_Ｆを測定していたところ、実施の形態２では、ただ１つの定電流源と３つの電極パッドを用いて、端部ダイオードＤ_Ｅおよび中央部ダイオードＤ_Ｃの順電圧Ｖ_Ｆを測定することができる。すなわち、実施の形態２によれば、実施の形態１に比べて、必要な定電流源の数を減らして、外部制御回路を簡略化するとともに、順電圧検出用の電極パッド数を減らして、半導体素子４０の有効面積を大きくするか、半導体素子４０を小型化することができる。
こうして、構成された実施の形態２のパワーモジュール２は、実施の形態１と同様、上側半田層５０の周辺端部に生じる半田クラックを的確に検出することができる。

実施の形態３．
図６を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の実施の形態３について以下に説明する。実施の形態３のパワーモジュール３は、複数（図６では２つ）の端部ダイオードＤ_Ｅが半導体素子の周辺端部に配置される点を除いて、実施の形態１のパワーモジュール１と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。

実施の形態３において、図６の等価回路図に示すように、第１の端部ダイオードＤ_Ｅ１はアノード電極パッドＡ_１とカソード電極パッドＫ_１の間に接続され、第２の端部ダイオードＤ_Ｅ２はアノード電極パッドＡ_２とカソード電極パッドＫ_２の間に接続され、中央部ダイオードＤ_Ｃはアノード電極パッドＡ_３とカソード電極パッドＫ_３の間に接続される。

また、図６に示すように、第１および第２の端部ダイオードＤ_Ｅ１，Ｄ_Ｅ２は、半導体素子４０の周辺端部のほぼ対角線上に（左上角部と右下角部に）配置される。上述のように、半田クラックは、上側半田層５０の周辺端部から入るが、とりわけ対角線上に入ることが多い。したがって、２つの端部ダイオードＤ_Ｅ１，Ｄ_Ｅ２を設けることにより、半田クラックに起因する端部温度Ｔ_Ｅの変化をより精度よく検出することができる。同様に、３個以上の端部ダイオードを設けると、上側半田層５０の半田クラックをさらに精度よく検出することができる。

実施の形態４．
図７を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の実施の形態４について以下に説明する。実施の形態４のパワーモジュール４は、第１および第２の端部ダイオードＤ_Ｅ１，Ｄ_Ｅ２が直列に接続される点を除いて、実施の形態３のパワーモジュール３と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。

実施の形態４において、図７の等価回路図に示すように、第１および第２の端部ダイオードＤ_Ｅ１，Ｄ_Ｅ２は、アノード電極パッドＡ_１とカソード電極パッドＫ_１の間に直列に接続され、中央部ダイオードＤ_Ｃは、アノード電極パッドＡ_２とカソード電極パッドＫ_２の間に接続される。

また、図７に示す実施の形態４によれば、実施の形態３と同様、複数の端部ダイオードＤ_Ｅが半導体素子４０の周辺端部に配置されているので、上側半田層５０の半田クラックをさらに高精度の検出を可能にするとともに、実施の形態３と比較して、必要な定電流源および検出用電極パッドの数を減らすことにより、外部制御回路の簡略化、および半導体素子４０の有効面積の拡大（または半導体素子４０を小型化）を実現することができる。

実施の形態５．
図８を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の実施の形態５について以下に説明する。実施の形態５のパワーモジュール５は、第１および第２の端部ダイオードＤ_Ｅ１，Ｄ_Ｅ２が並列に接続される点を除いて、実施の形態４のパワーモジュール４と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。

実施の形態５において、図８の等価回路図に示すように、第１および第２の端部ダイオードＤ_Ｅ１，Ｄ_Ｅ２は、アノード電極パッドＡ_１とカソード電極パッドＫ_１の間に並列に接続され、中央部ダイオードＤ_Ｃは、アノード電極パッドＡ_２とカソード電極パッドＫ_２の間に接続される。

実施の形態５によれば、図８に示すように、第１および第２の端部ダイオードＤ_Ｅ１，Ｄ_Ｅ２を用いて、上側半田層５０の２つの領域における半田クラックを検出できる。ただし、それぞれの領域における半田クラックの進行は、一般に、必ずしも均一ではなく、ただ１つの領域における半田クラックが直ちに半導体素子４０を過熱して破壊するとは限らず、むしろ周辺端部の全域から中央部に向かう半田クラックが致命的な故障をもたらすことがある。すなわち、実施の形態５においては、第１および第２の端部ダイオードＤ_Ｅ１，Ｄ_Ｅ２を並列に接続することにより、両者の端部温度Ｔ_Ｅの変化を平均化することにより、複雑なメカニズムを用いることなく、周辺端部の全域から進行する半田クラックを信頼性高く検出することができる。

実施の形態６．
図９を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の実施の形態６について以下に説明する。実施の形態６のパワーモジュール６は、中央部ダイオードＤ_Ｃだけでなく、第２の端部ダイオードＤ_Ｅ２が第１の端部ダイオードＤ_Ｅ１に直列に接続された点を除いて、実施の形態２のパワーモジュール２と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。

実施の形態６において、図９の等価回路図に示すように、第１および第２の端部ダイオードＤ_Ｅ１，Ｄ_Ｅ２ならびに中央部ダイオードＤ_Ｃは、アノード電極パッドＡ_１とカソード電極パッドＫ_３の間に直列に接続される。このとき、第１および第２の端部ダイオードＤ_Ｅ１，Ｄ_Ｅ２の間の電位を検出するためのカソード電極パッドＫ_１、ならびに第２の端部ダイオードＤ_Ｅ２と中央部ダイオードＤ_Ｃの間の電位を検出するためのカソード電極パッドＫ_２が設けられる。

これにより、実施の形態６によれば、実施の形態３と同様、複数の端部ダイオードＤ_Ｅが半導体素子４０の周辺端部に配置されているので、上側半田層５０の半田クラックを精度よく検出できるとともに、実施の形態３と比較して、必要な定電流源の数を（３つから１つに）減らし、検出用電極パッドの数を（６つから４つに）減らすことにより、外部制御回路の簡略化、および半導体素子４０の有効面積の拡大（または半導体素子４０を小型化）を実現することができる。

実施の形態７．
図１０を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の実施の形態７について以下に説明する。実施の形態７のパワーモジュール７は、第１および第２の端部ダイオードＤ_Ｅ１，Ｄ_Ｅ２の間の電位（信号レベル）を検出するための電極パッド端子Ｋ_３を新設した点を除いて、実施の形態４のパワーモジュール４と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。

実施の形態７によれば、とりわけ図１０の等価回路図に示すように、第１および第２の端部ダイオードＤ_Ｅ１，Ｄ_Ｅ２がノード電極パッドＡ_１とカソード電極パッドＫ_１の間に直列に接続され、中央部ダイオードＤ_Ｃがノード電極パッドＡ_２とカソード電極パッドＫ_２の間に接続される。また、第１および第２の端部ダイオードＤ_Ｅ１，Ｄ_Ｅ２の間の電位を検出するためのカソード電極パッドＫ_２が設けられる。これにより、実施の形態３では、３つの定電流源と３組（６つの）電極パッドを用いて、第１および第２の端部ダイオードＤ_Ｅ１，Ｄ_Ｅ２および中央部ダイオードＤ_Ｃの順電圧Ｖ_Ｆを測定していたところ、実施の形態７では、２つの定電流源と５つの電極パッドを用いて、第１および第２の端部ダイオードＤ_Ｅ１，Ｄ_Ｅ２および中央部ダイオードＤ_Ｃの順電圧Ｖ_Ｆを測定することができる。すなわち、実施の形態７によれば、実施の形態３に比べて、必要な定電流源の数を減らして、外部制御回路を簡略化することができるとともに、順電圧検出用の電極パッド数を減らして、半導体素子４０の有効面積を大きくするか、半導体素子４０を小型化することができる。
こうして、構成された実施の形態７のパワーモジュール７は、実施の形態３と同様、上側半田層５０の周辺端部に生じる半田クラックを的確に検出することができる。

実施の形態８．
実施の形態１ないし７は、上側半田層５０の周辺端部に生じる半田クラックを検出することを目的としたのに対し、実施の形態８ないし１０は、同様の手法を用いて、主に下側半田層３０の周辺端部に生じる半田クラックを検出することを目的とする。
ここで図２および図１１を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の実施の形態８について以下に説明する。先の実施の形態１のパワーモジュール１によれば、中央部ダイオードＤ_Ｃおよび端部ダイオードＤ_Ｅが１つの半導体素子４０の中央部および周辺端部に配置されていたのに対し、実施の形態８のパワーモジュール８は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ４０ａの中央部に配置された第１のダイオードＤ_１と、フリーホイールダイオード４０ｂの中央部に配置された第２のダイオードＤ_２と、を有する。実施の形態８のパワーモジュール８は、その他の点においては、実施の形態１のパワーモジュール１と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。

図１１に示すパワーモジュール８において、上述のように、第１のダイオードＤ_１がＩＧＢＴ４０ａの中央部に配置され、第２のダイオードＤ_２がＦＷＤ４０ｂの中央部に配置されている。また、第２のダイオードＤ_２は、ＦＷＤ４０ｂ上の第１のアノード電極パッドＡ_１およびカソード電極パッドＫ_１の間に接続され、これらの電極パッドは、金属ワイヤおよびＩＧＢＴ４０ａ上のアノード電極パッドＡ_１'およびカソード電極パッドＫ_１'を介してアノード電極パッドＡ_１''およびカソード電極パッドＫ_１''に接続される。一方、第１のダイオードＤ_１は、ＩＧＢＴ４０ａ上のアノード電極パッドＡ_２およびカソード電極パッドＫ_２に接続される。

半導体装置１の通常使用時、ＩＧＢＴ４０ａは、一般に、ＦＷＤ４０ｂよりも大きなジュール熱を生じ、第２のダイオードＤ_２が検出するＦＷＤ４０ｂの温度Ｔ_２は、第１のダイオードＤ_１が検出するＩＧＢＴの温度Ｔ_１よりも低い。したがって、絶縁基板２０と金属ベース板１２との線膨張係数の違いに起因して、両者間に応力が発生するが、ＦＷＤ４０ｂの下方にある下側半田層３０は、熱源であるＩＧＢＴ４０ａから離れているため、ＩＧＢＴ４０ａの下方にある下側半田層３０よりも伸縮の度合いが大きく、大きなストレスが加わる。すなわち、図２に示すように、下側半田層３０の半田クラックは、ＦＷＤ４０ｂが隣接する絶縁基板２０の角部（コーナ部）から入り、ＩＧＢＴ４０ａに向かって進行する。

半田クラックが、ＦＷＤ４０ｂの中央部に配置された第２のダイオードＤ_２の直下にある下側半田層３０まで進むにつれ、第２のダイオードＤ_２により検出される温度に接近するように上昇する。したがって、実施の形態１と同様、実施の形態８によれば、第１のダイオードＤ_１および第２のダイオードＤ_２の順電圧Ｖ_Ｆの差異を検出して、ＦＷＤ温度Ｔ_２がＩＧＢＴ温度Ｔ_１に接近したとき、すなわちＩＧＢＴ温度Ｔ_１とＦＷＤ温度Ｔ_２の温度差が所定の温度差（Ｔ_ｔｈ）よりも小さくなったとき（Ｔ_１−Ｔ_２＜Ｔ_ｔｈ）、下側半田層３０の周辺端部に半田クラックが生じたと判断することができる。こうして、図示しない外部制御回路は、下側半田層３０の周辺端部において半田クラックが生じたことを検出すると、下側半田層３０全体に半田クラックが進展して、半導体素子４０が過熱して破壊される前に、半導体装置１の交換の必要性を使用者にアラームするか、あるいは半導体装置１を搭載した電子機器の動作を安全に停止することができる。

なお、実施の形態８による半田クラックの検出方法によれば、実施の形態１と同様、ＦＷＤ温度Ｔ_２がＩＧＢＴ温度Ｔ_１に対してどれだけ接近したか、相対的な温度差に基づいて、下側半田層３０の周辺端部に生じる半田クラックを検出する。したがって、本発明の検出方法によれば、絶対的なＩＧＢＴ温度Ｔ_１およびＦＷＤ温度Ｔ_２とは関係なく、すなわち半導体装置８の動作条件に影響を受けることなく、半田クラックを的確に検出することができる。

実施の形態９．
図１２を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の実施の形態９について以下に説明する。実施の形態９のパワーモジュール９は、第１および第２のダイオードＤ_１，Ｄ_２が直列に接続される点を除いて、実施の形態８のパワーモジュール８と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。

先の実施の形態８では、２つの定電流源と２組（４つの）電極パッドを用いて、第１および第２のダイオードＤ_１，Ｄ_２の順電圧Ｖ_Ｆを測定していたところ、実施の形態９によれば、ただ１つの定電流源と３つの電極パッドを用いて、第１および第２のダイオードＤ_１，Ｄ_２の順電圧Ｖ_Ｆを測定できる。したがって、実施の形態９のパワーモジュール９によれば、実施の形態８に比べて、必要な定電流源の数を減らして、外部制御回路を簡略化するとともに、順電圧検出用の電極パッド数を減らして、半導体素子４０の有効面積を大きくするか、半導体素子４０を小型化することができる。

実施の形態１０．
図１３を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の実施の形態１０について以下に説明する。実施の形態１０のパワーモジュール１０は、第２のダイオードＤ_２をＦＷＤ４０ｂの周辺端部に配置し、第３のダイオードＤ_３をＩＧＢＴ４０ａの周辺端部に新設し、第２のダイオードＤ_２と第３のダイオードＤ_３を直列に接続した点を除いて、実施の形態８のパワーモジュール８と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。

このように構成されたパワーモジュール１０は、実施の形態８のパワーモジュール８と同様、第２のダイオードＤ_２がＦＷＤ４０ｂの周辺端部に配置されているので、ＦＷＤ４０ｂに近い下側半田層３０の角部における半田クラックを的確に検出するとともに、第３のダイオードＤ_３がＩＧＢＴ４０ａの周辺端部に配置されているので、ＩＧＢＴ４０ａに近い上側半田層５０の角部における半田クラックを的確に検出することができる。すなわち、実施の形態８のパワーモジュール８は、上側半田層５０および下側半田層３０の両方の半田クラックを検出することができる。

図１は、本発明の実施の形態１による半導体装置の断面図である。図２は、図１に示す半導体装置の拡大断面図であって、上側半田層および下側半田層に生じる半田クラックを示す。図３は、実施の形態１による半導体素子の平面図、およびその等価回路図である。図４は、温度−順電圧特性を示す概略的なグラフである。図５は、実施の形態２による半導体素子の平面図、およびその等価回路図である。図６は、実施の形態３による半導体素子の平面図、およびその等価回路図である。図７は、実施の形態４による半導体素子の平面図、およびその等価回路図である。図８は、実施の形態５による半導体素子の平面図、およびその等価回路図である。図９は、実施の形態６による半導体素子の平面図、およびその等価回路図である。図１０は、実施の形態７による半導体素子の平面図、およびその等価回路図である。図１１は、実施の形態８による半導体素子の平面図である。図１２は、実施の形態９による半導体素子の平面図である。図１３は、実施の形態１０による半導体素子の平面図である。

符号の説明

１〜１０パワーモジュール（半導体装置）、１１ケース、１２金属ベース板、１３主電極、１４金属放熱フィン、１５金属ワイヤ、１６シリコンゲル、１７エポキシ樹脂、１８蓋、２０絶縁基板、２１，２２金属パターン、４０下側半田層、４０ａ絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ、４０ｂフリーホイールダイオード、５０上側半田層、Ｄ_Ｅ端部ダイオード（端部温度検出素子）、Ｄ_Ｃ中央部ダイオード（中央部温度検出素子）、Ａ_１〜Ａ_３アノード電極パッド、Ｋ_１〜Ｋ_３カソード電極パッド。

Claims

半導体装置であって、
第１の導電性接合層を介して放熱板上に固着される絶縁基板と、
第２の導電性接合層を介して前記絶縁基板上に実装される第１および第２の半導体素子と、
前記第１の半導体素子に配置された少なくとも１つの第１の温度検出素子と、
前記第２の半導体素子に配置された少なくとも１つの第２の温度検出素子と、を備え、
前記第１の半導体素子の発熱量が前記第２の半導体素子の発熱量より大きいことを特徴とする半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記第１および第２の温度検出素子は、直列に接続されることを特徴とする半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記第１の半導体素子は、その周辺端部および中央部のそれぞれに配置された少なくとも１つの第１の端部温度検出素子および中央部温度検出素子を有し、
前記第２の半導体素子は、その周辺端部に配置された少なくとも１つの第２の端部温度検出素子を有し、
前記第１および第２の端部温度検出素子は、直列に接続されることを特徴とする半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記第１の半導体素子は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであり、
前記第２の半導体素子はフリーホイールダイオードであることを特徴とする半導体装置。