JP2008164629A - Temperature measuring method of semiconductor device, and temperature measuring device of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、例えば、GTO(ゲート・ターンオフ・サイリスタ)等の半導体スイッチング素子の温度測定方法および温度測定装置に関する。 The present invention relates to a temperature measuring method and a temperature measuring device for a semiconductor switching element such as a GTO (gate turn-off thyristor).
従来、半導体装置の接合部の温度を測定する方法としては、半導体装置の接合部に熱電対などの感熱素子を直接に接触させて接合部の温度を測定する方法がある。また、もう1つの測定方法としては、図11に示すような半導体装置の所定電流に対するオン電圧の温度依存性をあらかじめ調べておき、このオン電圧の値により半導体装置の接合温度を間接的に求める方法が用いられている。 Conventionally, as a method of measuring the temperature of the junction of the semiconductor device, there is a method of measuring the temperature of the junction by bringing a thermosensitive element such as a thermocouple into direct contact with the junction of the semiconductor device. As another measurement method, the temperature dependence of the on-voltage with respect to a predetermined current of the semiconductor device as shown in FIG. 11 is examined in advance, and the junction temperature of the semiconductor device is obtained indirectly from the value of the on-voltage. The method is used.
また、従来、インバータに組み込まれている半導体装置の点検は、インバータの定期点検時にダイオードや半導体スイッチング素子の各端子間の抵抗値を測定することにより行われている。この半導体装置の抵抗値を測定することにより、この半導体装置の異常の有無が判定され、この異常の有無の判定に基づいて、半導体装置の交換等の適当な処置がなされてきた。 Conventionally, inspection of a semiconductor device incorporated in an inverter is performed by measuring a resistance value between each terminal of a diode or a semiconductor switching element during periodic inspection of the inverter. By measuring the resistance value of the semiconductor device, the presence or absence of an abnormality of the semiconductor device is determined, and appropriate measures such as replacement of the semiconductor device have been taken based on the determination of the presence or absence of the abnormality.
ところで、前者の半導体装置の接合部に熱電対などの感熱素子を直接接触させて接合部の温度を測定する方法では、被供試体としての半導体装置のパッケージを開封し、感熱素子を取り付ける必要がある。この感熱素子の取り付けに起因して、通電状態での接合部の温度の計測が電気的絶縁の制約となったり、さらには感熱素子が吸熱源となって半導体装置の接合部の温度計測に誤差が生じる等の欠点があった。また、接合部の実際の温度上昇速度に感熱素子による温度検出が追い付かないため、感熱素子で検出した接合温度を半導体装置の加熱保護などに利用できないという問題がある。 By the way, in the former method in which a thermosensitive element such as a thermocouple is brought into direct contact with the junction of the semiconductor device and the temperature of the junction is measured, it is necessary to open the package of the semiconductor device as a specimen and attach the thermal element. is there. Due to the attachment of the thermal element, the measurement of the temperature of the junction in the energized state becomes a limitation of electrical insulation, and further, the thermal element becomes an endothermic source and an error occurs in the temperature measurement of the junction of the semiconductor device. There were drawbacks such as Further, since the temperature detection by the thermal element cannot catch up with the actual temperature rise rate of the junction, there is a problem that the junction temperature detected by the thermal element cannot be used for heating protection of the semiconductor device.
また、後者のオン電圧の温度依存性を利用し、間接的に接合温度を計測する方法は、測定対象である半導体装置の構造により、本質的にオン電圧の温度依存性が無い場合には、測定が不可能であり、また、測定対象の温度変化が小さい場合には測定精度が悪くなる。このため、測定対象となる半導体装置の適用範囲が限定されていた。 In addition, the latter method of measuring the junction temperature indirectly using the temperature dependence of the on-voltage is essentially free from the temperature dependence of the on-voltage due to the structure of the semiconductor device to be measured. Measurement is impossible, and the measurement accuracy deteriorates when the temperature change of the measurement object is small. For this reason, the application range of the semiconductor device to be measured has been limited.
従来のSi半導体装置の使用限界温度の約125℃より大幅に高い温度まで使用可能であるSiC、窒化ガリウム、ダイヤモンドなどのワイドギャップ半導体を用いたバイポーラ半導体装置は、図12に例示するように、低温から200℃程度までは温度上昇に伴いオン電圧が徐々に低下する。 As illustrated in FIG. 12, a bipolar semiconductor device using a wide gap semiconductor such as SiC, gallium nitride, and diamond that can be used up to a temperature significantly higher than about 125 ° C., which is a use limit temperature of a conventional Si semiconductor device, From a low temperature to about 200 ° C., the ON voltage gradually decreases as the temperature rises.
しかし、図12に例示するように、これらのワイドギャップ半導体を用いたバイポーラ半導体装置のオン電圧は、接合温度が200℃以上になると、ほとんど温度依存性がなくなる。そして、この接合温度がさらに高温になると、逆にオン電圧が上昇する。このような半導体装置の場合、200℃以上の接合温度を精度よく計測することが不可能であったり、計測できたとしても精度が非常に悪くなる。 However, as illustrated in FIG. 12, the on-voltage of the bipolar semiconductor device using these wide gap semiconductors has almost no temperature dependency when the junction temperature is 200 ° C. or higher. When the junction temperature is further increased, the on-voltage increases. In the case of such a semiconductor device, it is impossible to measure the junction temperature of 200 ° C. or higher with high accuracy, or even if it can be measured, the accuracy is very poor.
また、測定対象の半導体装置が圧接構造の大電力半導体装置であり、この大電力半導体装置の接合温度をオン電圧の温度依存性を利用して求める場合、オン電圧の変化が測定対象の接合全面にわたる平均的な接合温度を十分反映しないことがある。これは、圧接構造における圧接力の変化が内部電極の接触抵抗を変化させたり、オン電圧を得るための測定電流が測定対象の半導体装置の全体に均一に流れないことなどに起因して発生する。さらに、電流が瞬時に変化する場合、電流が変化することにより生ずる電圧の変化と、接合温度の変化により生ずる電圧の変化の判別が困難なため、接合温度を精度よく求められないという欠点もある。 In addition, when the semiconductor device to be measured is a high-power semiconductor device having a press-contact structure, and the junction temperature of the high-power semiconductor device is obtained using the temperature dependence of the on-voltage, the change in the on-voltage is the entire surface of the junction to be measured May not adequately reflect the average junction temperature over. This occurs because a change in the pressure contact force in the pressure contact structure changes the contact resistance of the internal electrode, or the measurement current for obtaining the on-voltage does not flow uniformly throughout the semiconductor device to be measured. . Furthermore, when the current changes instantaneously, it is difficult to discriminate between a change in voltage caused by the change in current and a change in voltage caused by a change in junction temperature. .
さらに、インバータの構成部品の寿命は、周囲温度と使用条件により大きく左右される。これらの部品の劣化はある時期より急速に進むことが多く、従来のような定期点検では部品の異常を発見できず、インバータ装置の故障にまで至ってしまう場合がある。インバータに組み込まれているダイオードや半導体スイッチング素子の場合は、各端子間の抵抗値をチェックするだけでは異常や故障の判定はできないことが多い。
そこで、この発明の課題は、半導体装置の接合温度を精度よくかつ遅滞なく検知できる半導体装置の温度測定方法および半導体装置の温度測定装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a temperature measuring method for a semiconductor device and a temperature measuring device for the semiconductor device that can accurately detect the junction temperature of the semiconductor device without delay.
上記課題を解決するため、この発明の半導体装置の温度測定方法は、半導体スイッチング素子を所定の温度に設定し、この所定の温度になった上記半導体スイッチング素子をオン状態からターンオフさせて、このターンオフ時における所定のターンオフ特性時間を測定する特性測定を、上記温度を替えて複数回行って上記ターンオフ特性時間と上記半導体スイッチング素子の温度との関係特性を予め測定する第1の工程と、
上記半導体スイッチング素子をオン状態からターンオフさせ、このターンオフ時の上記ターンオフ特性時間を測定する第2の工程と、
上記第2の工程で測定した上記ターンオフ特性時間を、上記第1の工程で予め測定した上記関係特性に基づいて、上記半導体スイッチング素子の温度に換算する第3の工程とを備え、
上記半導体スイッチング素子はGTOであり、
上記ターンオフ特性時間は、
アノード-カソード間電圧の立ち上がり時間であることを特徴とする。
In order to solve the above-described problem, a semiconductor device temperature measurement method according to the present invention sets a semiconductor switching element to a predetermined temperature, turns off the semiconductor switching element that has reached the predetermined temperature from an on state, and performs the turn-off. A first step of performing a characteristic measurement for measuring a predetermined turn-off characteristic time at a plurality of times by changing the temperature a plurality of times and measuring in advance a relational characteristic between the turn-off characteristic time and the temperature of the semiconductor switching element;
A second step of turning off the semiconductor switching element from an on state and measuring the turn-off characteristic time at the turn-off;
A third step of converting the turn-off characteristic time measured in the second step into a temperature of the semiconductor switching element based on the relationship characteristic measured in advance in the first step;
The semiconductor switching element is a GTO,
The turn-off characteristic time is
It is characterized by the rise time of the anode-cathode voltage.
この発明の温度測定方法によれば、半導体スイッチング素子のターンオフ特性時間は温度依存性が大きいことを利用して、半導体スイッチング素子の温度を求めている。すなわち、この発明によれば、第1の工程で予め測定した上記半導体スイッチング素子のターンオフ特性時間と温度との関係特性に基づいて、第2の工程で測定したターンオフ特性時間を、上記半導体スイッチング素子の温度に換算している。したがって、この発明によれば、半導体装置の接合温度を精度よくかつ遅滞なく検知できる。 According to the temperature measurement method of the present invention, the temperature of the semiconductor switching element is obtained by utilizing the fact that the turn-off characteristic time of the semiconductor switching element is highly temperature dependent. That is, according to the present invention, the turn-off characteristic time measured in the second step based on the relational characteristic between the turn-off characteristic time and temperature of the semiconductor switching element measured in the first step in advance is used as the semiconductor switching element. It is converted to the temperature. Therefore, according to the present invention, the junction temperature of the semiconductor device can be detected accurately and without delay.
また、一実施形態の半導体装置の温度測定方法では、上記半導体スイッチング素子はバイポーラ半導体素子である。
また、一参考例の半導体装置の温度測定方法では、上記半導体スイッチング素子はGTOであり、上記ターンオフ特性時間は、ゲートターンオフ電流の立ち上がり開始時刻からアノード電流の減衰開始時刻までの蓄積時間である。
In one embodiment, the semiconductor switching element is a bipolar semiconductor element.
In the temperature measurement method for a semiconductor device according to a reference example, the semiconductor switching element is a GTO, and the turn-off characteristic time is an accumulation time from the rise start time of the gate turn-off current to the decay start time of the anode current.
この参考例の半導体装置の温度測定方法によれば、半導体スイッチング素子としてのGTOの蓄積時間を測定することで、このGTOの温度(接合温度)を精度良く測定できる。 According to the temperature measurement method of the semiconductor device of this reference example, the temperature (junction temperature) of the GTO can be accurately measured by measuring the accumulation time of the GTO as the semiconductor switching element.
また、一実施形態の半導体装置の温度測定方法では、上記半導体スイッチング素子はGTOであり、上記ターンオフ特性時間は、アノード-カソード間電圧の立ち上がり時間である。 In one embodiment, the semiconductor switching element is a GTO, and the turn-off characteristic time is the rise time of the anode-cathode voltage.
この実施形態の半導体装置の温度測定方法によれば、半導体スイッチング素子としてのGTOのアノード-カソード間電圧の立ち上がり時間を測定することで、このGTOの温度(接合温度)を精度良く測定できる。 According to the temperature measurement method of the semiconductor device of this embodiment, the temperature (junction temperature) of the GTO can be accurately measured by measuring the rise time of the voltage between the anode and the cathode of the GTO as the semiconductor switching element.
また、一参考例の半導体装置の温度測定方法では、上記半導体スイッチング素子はGTOであり、上記ターンオフ特性時間は、アノード電流の減衰時間である。 In the temperature measurement method for a semiconductor device according to a reference example, the semiconductor switching element is a GTO, and the turn-off characteristic time is an anode current decay time.
この参考例の半導体装置の温度測定方法によれば、半導体スイッチング素子としてのGTOのアノード電流の減衰時間を測定することで、このGTOの温度(接合温度)を精度良く測定できる。
また、一実施形態の半導体装置の温度測定方法では、上記半導体スイッチング素子は、SiC GTOである。特に、SiC GTOのターンオフ特性は接合温度依存性が大きいことが実験で判明した。
また、一実施形態の半導体装置の温度測定方法では、上記半導体スイッチング素子は、GaN GTOである。
また、一実施形態の半導体装置の温度測定方法では、上記半導体スイッチング素子は、ダイヤモンド GTOである。
According to the temperature measuring method of the semiconductor device of this reference example, the temperature (junction temperature) of the GTO can be accurately measured by measuring the decay time of the anode current of the GTO as the semiconductor switching element.
In one embodiment, the semiconductor switching element is a SiC GTO. In particular, it has been found through experiments that the turn-off characteristics of SiC GTO are highly dependent on the junction temperature.
In one embodiment, the semiconductor switching element is a GaN GTO.
In one embodiment, the semiconductor switching element is a diamond GTO.
また、一実施形態の半導体装置の温度測定装置は、上記半導体装置の温度測定方法を用いて半導体装置の温度を測定する測定装置であって、
半導体スイッチング素子の出力端子間に直流電圧を印加する直流電源と、
上記半導体スイッチング素子の制御端子に制御信号を入力して、上記半導体スイッチング素子をターンオン,ターンオフさせる制御回路と、
上記半導体スイッチング素子のターンオフ波形を計測する波形計測部と、
上記波形計測部が計測したターンオフ波形に基づいて所定のターンオフ特性時間を演算する波形演算部と、
予め測定された上記半導体スイッチング素子のターンオフ特性時間と上記半導体スイッチング素子の温度との関係特性を表すデータが格納されていると共に上記波形演算部から入力された上記ターンオフ特性時間に対応する上記半導体スイッチング素子の温度を上記関係特性から求める温度算出部とを備える。
A temperature measuring device for a semiconductor device according to an embodiment is a measuring device that measures the temperature of the semiconductor device using the temperature measuring method for the semiconductor device,
A DC power source for applying a DC voltage between the output terminals of the semiconductor switching element;
A control circuit for inputting a control signal to a control terminal of the semiconductor switching element to turn the semiconductor switching element on and off; and
A waveform measurement unit for measuring a turn-off waveform of the semiconductor switching element;
A waveform calculation unit that calculates a predetermined turn-off characteristic time based on the turn-off waveform measured by the waveform measurement unit;
The semiconductor switching corresponding to the turn-off characteristic time inputted from the waveform calculation unit and storing data representing a relational characteristic between the turn-off characteristic time of the semiconductor switching element and the temperature of the semiconductor switching element measured in advance. A temperature calculation unit that obtains the temperature of the element from the relational characteristics.
この実施形態の半導体装置の温度測定装置によれば、制御回路によって半導体スイッチング素子をターンオフさせ、波形計測部で上記ターンオフ波形を計測し、波形演算部で上記ターンオフ波形からターンオフ特性時間を演算する。そして、温度算出部は波形演算部から入力された上記ターンオフ特性時間に対応する上記半導体スイッチング素子の温度を予め測定されたターンオフ特性時間と温度との関係特性から求める。したがって、この実施形態によれば、半導体装置の接合温度を精度よくかつ遅滞なく検知できる。 According to the temperature measuring device for a semiconductor device of this embodiment, the semiconductor switching element is turned off by the control circuit, the turn-off waveform is measured by the waveform measuring unit, and the turn-off characteristic time is calculated from the turn-off waveform by the waveform calculating unit. The temperature calculation unit obtains the temperature of the semiconductor switching element corresponding to the turn-off characteristic time input from the waveform calculation unit from the relationship characteristic between the turn-off characteristic time and the temperature measured in advance. Therefore, according to this embodiment, the junction temperature of the semiconductor device can be detected accurately and without delay.
また、一実施形態の半導体装置の温度測定装置では、上記波形計測部は、上記GTOの出力端子間の電圧を測定する出力電圧測定部を有する。 In one embodiment, the waveform measuring unit includes an output voltage measuring unit that measures a voltage between the output terminals of the GTO.
この実施形態の半導体装置の温度測定装置によれば、波形計測部としての出力電圧測定部によって、出力電圧のターンオフ波形を計測できる。 According to the temperature measuring device for a semiconductor device of this embodiment, the output voltage turn-off waveform can be measured by the output voltage measuring unit as the waveform measuring unit.
また、一参考例の半導体装置の熱抵抗測定方法は、上記半導体装置の温度測定方法を用いて半導体装置の熱抵抗を測定する方法であって、
上記第1の工程によって、半導体スイッチング素子のターンオフ特性時間と上記半導体スイッチング素子の温度との関係特性を予め測定する第1の測定工程と、
上記半導体スイッチング素子の第1の温度を測定し、次に、上記半導体スイッチング素子をオンさせ、このオンさせてから所定時間が経過してから、上記半導体スイッチング素子をターンオフさせ、上記第2、第3の工程によって、上記半導体スイッチング素子の第2の温度を測定する第2の測定工程と、
上記第2の温度から上記第1の温度を減算した値を、上記所定時間での上記半導体スイッチング素子の発熱量で除算した値を熱抵抗として算出する。
Moreover, the thermal resistance measurement method of the semiconductor device of one reference example is a method of measuring the thermal resistance of the semiconductor device using the temperature measurement method of the semiconductor device,
A first measurement step of measuring in advance the relationship between the turn-off characteristic time of the semiconductor switching element and the temperature of the semiconductor switching element by the first step;
A first temperature of the semiconductor switching element is measured, then the semiconductor switching element is turned on, and after a predetermined time has elapsed since the turning on, the semiconductor switching element is turned off, and the second, second, A second measuring step of measuring the second temperature of the semiconductor switching element by the step of 3,
A value obtained by subtracting the first temperature from the second temperature by the amount of heat generated by the semiconductor switching element at the predetermined time is calculated as a thermal resistance.
この参考例の半導体装置の熱抵抗測定方法によれば、第2の測定工程でのオン期間中の損失(発熱量)と第1の温度から第2の温度への温度上昇幅から熱抵抗を導出でき、高温(例えばワイドギャップ半導体では200℃以上)においても熱抵抗を高い精度で検出できる。なお、第2の測定工程での第1の温度の測定は、一例として、接触温度計で測定してもよく、この発明の半導体装置の温度測定方法の上記第2、第3の工程によって、測定することも可能である。 According to the method for measuring the thermal resistance of the semiconductor device of this reference example, the thermal resistance is calculated from the loss (heat generation amount) during the ON period in the second measurement step and the temperature rise from the first temperature to the second temperature. The thermal resistance can be detected with high accuracy even at a high temperature (for example, 200 ° C. or more for a wide gap semiconductor). In addition, the measurement of the first temperature in the second measurement step may be measured by a contact thermometer as an example, and by the second and third steps of the temperature measurement method of the semiconductor device of the present invention, It is also possible to measure.
また、一参考例の半導体装置の熱抵抗測定装置は、上記熱抵抗測定方法を用いて半導体装置の熱抵抗を測定する装置であって、半導体スイッチング素子の出力端子間に負荷を介して直流電圧を印加する直流電源と、
上記半導体スイッチング素子の制御端子にオン制御信号を入力して、上記半導体スイッチング素子をオフ状態からオンさせ、この半導体スイッチング素子がオンしてから所定時間が経過した後に、上記制御端子にオフ制御信号を入力して、上記半導体スイッチング素子をターンオフさせる制御回路と、
上記半導体スイッチング素子の上記ターンオフの波形を計測する波形計測部と、
上記波形計測部が計測した上記ターンオフの波形に基づいて所定のターンオフ特性時間を演算する波形演算部と、
予め測定された上記半導体スイッチング素子のターンオフ特性時間と上記半導体スイッチング素子の温度との関係特性を表すデータが格納されていると共に上記波形演算部から入力された上記所定のターンオフ特性時間に対応する上記半導体スイッチング素子の温度を上記関係特性から求める温度算出部と、
上記温度算出部が求めた上記半導体スイッチング素子の温度から、上記制御回路でオンされる前の上記半導体スイッチング素子の温度を減算した値を、上記所定時間に上記半導体スイッチング素子が発熱した発熱量で除算した値を熱抵抗として算出する熱抵抗算出部とを備えた。
Further, a thermal resistance measuring device for a semiconductor device according to a reference example is a device for measuring the thermal resistance of a semiconductor device using the above thermal resistance measuring method, and a DC voltage via a load between output terminals of the semiconductor switching element. A DC power supply for applying
An on control signal is input to the control terminal of the semiconductor switching element to turn on the semiconductor switching element from an off state, and after a predetermined time has elapsed since the semiconductor switching element was turned on, the off control signal is applied to the control terminal. And a control circuit for turning off the semiconductor switching element,
A waveform measuring unit for measuring the waveform of the turn-off of the semiconductor switching element;
A waveform calculation unit that calculates a predetermined turn-off characteristic time based on the waveform of the turn-off measured by the waveform measurement unit;
Data representing a relational characteristic between the turn-off characteristic time of the semiconductor switching element measured in advance and the temperature of the semiconductor switching element is stored, and the data corresponding to the predetermined turn-off characteristic time input from the waveform calculation unit A temperature calculation unit for obtaining the temperature of the semiconductor switching element from the above-mentioned relationship characteristics;
The value obtained by subtracting the temperature of the semiconductor switching element before being turned on by the control circuit from the temperature of the semiconductor switching element obtained by the temperature calculation unit is the amount of heat generated by the semiconductor switching element during the predetermined time. And a thermal resistance calculator that calculates the divided value as thermal resistance.
この参考例の熱抵抗測定装置によれば、制御回路によって、半導体スイッチング素子を、オフ状態から、順に、オン、ターンオフさせ、波形計測部で上記ターンオフの波形を計測する。波形演算部は、上記ターンオフの波形に基づいて所定のターンオフ特性時間を演算し、温度算出部は、上記ターンオフ特性時間から上記半導体スイッチング素子の温度を求める。そして、熱抵抗算出部は、上記温度算出部が求めた上記半導体スイッチング素子の温度から上記制御回路でオンされる前の上記半導体スイッチング素子の温度を減算した値を、上記所定時間に上記半導体スイッチング素子が発熱した発熱量で除算した値を熱抵抗として算出する。これにより、高温(例えばワイドギャップ半導体では200℃以上)においても半導体スイッチング素子の熱抵抗を高精度で検出できる。 According to the thermal resistance measuring apparatus of this reference example, the control circuit turns on and off the semiconductor switching elements sequentially from the off state, and measures the turn-off waveform in the waveform measuring unit. The waveform calculation unit calculates a predetermined turn-off characteristic time based on the turn-off waveform, and the temperature calculation unit obtains the temperature of the semiconductor switching element from the turn-off characteristic time. The thermal resistance calculation unit subtracts a value obtained by subtracting the temperature of the semiconductor switching element before being turned on by the control circuit from the temperature of the semiconductor switching element obtained by the temperature calculation unit at the predetermined time. A value divided by the amount of heat generated by the element is calculated as the thermal resistance. Thereby, the thermal resistance of the semiconductor switching element can be detected with high accuracy even at a high temperature (for example, 200 ° C. or more for a wide gap semiconductor).
また、一参考例の半導体装置の劣化状況評価方法は、上記熱抵抗測定方法で測定した熱抵抗に基づいて、半導体装置の劣化状況を評価することができる。 In addition, the semiconductor device degradation status evaluation method of one reference example can evaluate the degradation status of the semiconductor device based on the thermal resistance measured by the thermal resistance measurement method.
この発明の半導体装置の温度測定方法によれば、半導体スイッチング素子のターンオフ特性時間は温度依存性が大きいことを利用して、半導体スイッチング素子の温度を求めている。すなわち、この発明によれば、第1の工程で予め測定したターンオフ特性時間と温度との関係特性に基づいて、第2の工程で測定したターンオフ特性時間を、半導体スイッチング素子の温度に換算している。したがって、この発明によれば、半導体装置の接合温度を精度よくかつ遅滞なく検知できる。 According to the temperature measuring method for a semiconductor device of the present invention, the temperature of the semiconductor switching element is obtained by utilizing the fact that the turn-off characteristic time of the semiconductor switching element has a large temperature dependency. That is, according to the present invention, the turn-off characteristic time measured in the second step is converted into the temperature of the semiconductor switching element based on the relationship between the turn-off characteristic time and the temperature measured in advance in the first step. Yes. Therefore, according to the present invention, the junction temperature of the semiconductor device can be detected accurately and without delay.
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
(第1の実施の形態)
図1〜図3を参照して、この発明の第1実施形態としての半導体装置の温度測定方法を説明する。この第1実施形態は、半導体スイッチング素子の一例としてのSiC GTO(ゲートターンオフサイリスタ)の接合温度を遅滞なく検知する方法である。なお、図3に、GTOの構造の一例を示す。図3において、1はゲート、2はカソード、3はアノード、4はPエミッタ、5はNベース、6はPベース、7はNエミッタである。
(First embodiment)
With reference to FIGS. 1-3, the temperature measuring method of the semiconductor device as 1st Embodiment of this invention is demonstrated. The first embodiment is a method for detecting a junction temperature of a SiC GTO (gate turn-off thyristor) as an example of a semiconductor switching element without delay. FIG. 3 shows an example of a GTO structure. In FIG. 3, 1 is a gate, 2 is a cathode, 3 is an anode, 4 is a P emitter, 5 is an N base, 6 is a P base, and 7 is an N emitter.
GTOは、アノード3の電位がカソード2の電位より高い状態で、ゲート1の電位をアノード3の電位より低くしてアノード3とゲート1との間に順バイアス電圧を印加すると、アノード3からゲート1にターンオン電流が流れ、さらに、アノード3からカソード2に電流が流れることにより、ターンオンしオン状態となる。
In the GTO, when the potential of the anode 3 is higher than the potential of the
このオン状態において、上記アノード3とゲート1との間に逆バイアス電圧を印加すると、カソード2からアノード3に流れる電子流、あるいはアノード3からカソード2に流れるホールがゲート1に分流され、ゲートターンオフ電流が流れ、GTOはターンオフする。
When a reverse bias voltage is applied between the anode 3 and the
図1に、上記GTOのターンオフ時の電流電圧波形を示す。図1において、Iaはアノード電流、Vakはアノード‐カソード間電圧、Igはゲートターンオフ電流である。また、図1において、tsは蓄積時間と呼ばれる。この蓄積時間tsは、ゲートターンオフ電流Igによって上記GTOがオン状態からオフ状態に切り替わる際に、ゲートターンオフ電流Igの立ち上がり開始時刻t1からアノード電流Iaの減衰開始時刻t2までの時間をいう。 FIG. 1 shows a current voltage waveform when the GTO is turned off. In FIG. 1, Ia is an anode current, Vak is an anode-cathode voltage, and Ig is a gate turn-off current. In FIG. 1, ts is called an accumulation time. The accumulation time ts is a time from the rising start time t1 of the gate turn-off current Ig to the decay start time t2 of the anode current Ia when the GTO is switched from the on state to the off state by the gate turn-off current Ig.
なお、上記ゲートターンオフ電流Igの立ち上がり開始時刻t1は、例えば、ゲートターンオフ電流Igがゲートターンオフ電流Igのピーク値の10%に達した時点とする。また、上記アノード電流Iaの減衰開始時刻t2とは、例えば、アノード電流Iaが最大値Iakから10%だけ降下した値0.9Iakになった時点とする。また、上記立ち上がり開始時刻t1としては、ゲートターンオフ電流Igがゲートターンオフ電流Igのピーク値の10%に達した時点に限らないのは勿論であり、ピーク値の10%未満(一例として、3%や5%や8%)になった時点でもよく、ピーク値の10%以上(一例として、12%や15%)になった時点でもよい。また、減衰開始時刻t2としては、アノード電流Iaが最大値Iakから10%だけ降下した値0.9Iakになった時点に限らないのは勿論であり、最大値Iakから10%を超えた値(一例として12%や15%)だけ下降した時点としてもよく、最大値Iakから10%に達しない値(一例として5%や8%)だけ下降した時点としてもよい。 The rising start time t1 of the gate turn-off current Ig is, for example, the time when the gate turn-off current Ig reaches 10% of the peak value of the gate turn-off current Ig. Further, the decay start time t2 of the anode current Ia is, for example, the time when the anode current Ia reaches a value 0.9Iak that is 10% lower than the maximum value Iak. The rising start time t1 is not limited to the time when the gate turn-off current Ig reaches 10% of the peak value of the gate turn-off current Ig, and is less than 10% of the peak value (for example, 3% Or 5% or 8%), or 10% or more of the peak value (for example, 12% or 15%). Further, the decay start time t2 is not limited to the time when the anode current Ia becomes a value 0.9Iak which is 10% lower than the maximum value Iak, and a value exceeding 10% from the maximum value Iak ( For example, it may be a time point when it has fallen by 12% or 15%), or may be a time point when it has fallen by a value that does not reach 10% from the maximum value Iak (for example, 5% or 8%).
図2に示すように、上記蓄積時間tsは、上記GTOの接合温度に対して、大きな温度依存性がある。図2は、上記GTOの接合温度と蓄積時間tsとの関係特性を示す図である。 As shown in FIG. 2, the accumulation time ts has a large temperature dependence with respect to the GTO junction temperature. FIG. 2 is a graph showing the relationship between the GTO junction temperature and the storage time ts.
ところで、SiCの場合、p型不純物として用いられるAlやB等は、アクセプタ準位が深く、温度が低いとその一部しかイオン化しないが、温度が上昇すると、イオン化率が上がる。GTOは、pnpn(pエミッタ、nベース、pベース、nエミッタ)の4層構造をしているので、アクセプタ準位の深い半導体を用いたGTOの場合、温度が高いとp型のホール密度が高い状態になる。GTOのpエミッタのホール密度が高くなると、オン時には、pエミッタからnベースを通ってpベースに注入されるホールが増える。その時、nエミッタからは電荷の中性条件により、電子がpベースに注入されるので、pベース内のキャリアが増大する。また、温度が高くなると、小数キャリアのライフタイムが長くなる。これらの影響により、温度が高くなると、pベース中の余剰キャリアが多くなり、ターンオフ時の蓄積時間tsが長くなる。 By the way, in the case of SiC, Al, B, etc. used as p-type impurities have deep acceptor levels, and only a part of them is ionized when the temperature is low, but the ionization rate increases as the temperature rises. Since the GTO has a four-layer structure of pnpn (p emitter, n base, p base, n emitter), in the case of GTO using a semiconductor with a deep acceptor level, the p-type hole density increases at a high temperature. Become high. When the hole density of the p emitter of the GTO increases, the number of holes injected from the p emitter through the n base to the p base increases when the GTO is turned on. At this time, electrons are injected from the n emitter into the p base due to the neutral condition of electric charge, and thus the carriers in the p base increase. In addition, the lifetime of the minority carrier increases as the temperature increases. Due to these effects, when the temperature increases, the surplus carriers in the p base increase, and the accumulation time ts during turn-off increases.
そこで、一参考例では、上記GTOのターンオフ時の蓄積時間tsを計測する(第2の工程)ことで、GTOの接合温度を検知する(第3の工程)。このためには、事前に、図2の関係特性図に示すような蓄積時間tsの温度依存性を測定する(第1の工程)必要がある。 Therefore, in one reference example, the GTO junction temperature is detected (third step) by measuring the accumulation time ts when the GTO is turned off (second step). For this purpose, the temperature dependence of the accumulation time ts as shown in the relational characteristic diagram of FIG. 2 needs to be measured in advance (first step).
この蓄積時間tsの温度依存性は、一例として、次のようにして測定する。 As an example, the temperature dependence of the accumulation time ts is measured as follows.
上記GTOとこのGTOを収容するパッケージとで半導体装置を構成するが、このGTOを収容したパッケージをヒーターで加熱するか、あるいは、恒温槽内に入れて、上記GTOのパッケージの温度が所定の温度に安定するまで待つ。この温度が安定したときに、上記GTOの接合の温度も上記所定の温度に安定する。この安定した時点で、上記GTOを、所定の時間だけオンさせた後、オフさせる。このオンさせる所定の時間は、上記GTOの接合温度が上昇しない程度の短時間(例えば、10μ秒から200μ秒程度)とする。 A semiconductor device is constituted by the GTO and a package that accommodates the GTO. The package that accommodates the GTO is heated by a heater or placed in a thermostatic bath, and the temperature of the GTO package is a predetermined temperature. Wait until it stabilizes. When this temperature is stabilized, the GTO bonding temperature is also stabilized at the predetermined temperature. At this stable point, the GTO is turned on for a predetermined time and then turned off. The predetermined time to be turned on is set to a short time (for example, about 10 μs to 200 μs) such that the GTO bonding temperature does not increase.
そして、上述の如く、図1に例示するような、上記オフ時のゲートターンオフ電流Igおよびアノード電流Iaの波形から、蓄積時間tsを計測する。そして、上記GTOのパッケージの異なる複数の温度において、上記蓄積時間tsの計測を行う。これにより、図2に例示されるような、GTOの蓄積時間tsと接合温度との関係特性(温度依存特性)が得られる。上記関係特性の測定が第1の工程をなす。 Then, as described above, the accumulation time ts is measured from the waveforms of the gate turn-off current Ig and the anode current Ia at the time of off as illustrated in FIG. The accumulation time ts is measured at a plurality of different temperatures of the GTO package. As a result, the relationship characteristic (temperature dependence characteristic) between the GTO accumulation time ts and the junction temperature as illustrated in FIG. 2 is obtained. The measurement of the relational characteristic forms the first step.
図2に示すような蓄積時間tsの温度依存特性は、測定した蓄積時間tsをGTOの接合温度に換算する換算曲線として利用される。すなわち、蓄積時間tsはGTOの接合温度を反映している。よって、上記換算曲線を利用することで、蓄積時間tsからGTOの接合温度を時間遅れなく検知することができる。また、蓄積時間tsの温度依存性が大きいので、GTOの接合温度を精度よく測定可能である。したがって、GTOの定格決定を高い信頼性を保持して、安定に行える。さらに、GTOの断続動作試験などでは、GTOの接合温度を高精度に応答性よく測定可能である。 The temperature dependence characteristic of the accumulation time ts as shown in FIG. 2 is used as a conversion curve for converting the measured accumulation time ts into the GTO junction temperature. That is, the accumulation time ts reflects the GTO junction temperature. Therefore, by using the conversion curve, the junction temperature of the GTO can be detected without a time delay from the accumulation time ts. Further, since the temperature dependence of the accumulation time ts is large, the GTO junction temperature can be accurately measured. Therefore, the GTO rating can be determined stably with high reliability. Further, in the GTO intermittent operation test and the like, the GTO junction temperature can be measured with high accuracy and high responsiveness.
なお、上記一参考例では、図1に示すようなGTOの蓄積時間tsの温度依存特性を利用して、GTOの接合温度を測定したが、図1に示すGTOのアノード-カソード間電圧Vakの立ち上がり時間tvと温度との関係特性(依存特性)をGTOの接合温度の換算に利用してもよい。この場合は、本発明の実施形態となる。このアノード-カソード間電圧Vakの立ち上がり時間tvとは、例えば、電圧Vakがピーク値の10%のときから90%に達するまでの時間とする。このGTOのアノード-カソード間電圧Vakの立ち上がり時間tvと温度との関係特性(温度依存特性)の一例を、図4に示す。また、図1に示すGTOのアノード電流Iaの減衰時間tiの温度依存特性をGTOの接合温度の換算に利用してもよい。このアノード電流Iaの減衰時間tiとは、例えば、アノード電流Iaが最大値Iakの90%のときから10%まで低下するまでの時間とする。このGTOのアノード電流Iaの減衰時間tiと温度との関係特性(温度依存特性)を、図5に示す。
なお、上記アノード-カソード間電圧Vakの立ち上がり時間tvは、電圧Vakがピーク値の10%のときから90%に達するまでの時間に限らず、ピーク値の5%のときから95%に達するまでの時間や、ピーク値の15%のときから85%に達するまでの時間等の様々な範囲に設定することが可能であるのは勿論である。また、上記アノード電流Iaの減衰時間tiとは、アノード電流Iaが最大値Iakの90%のときから10%まで低下するまでの時間に限らず、ピーク値の95%のときから5%に達するまでの時間や、ピーク値の85%のときから15%に達するまでの時間等の様々な範囲に設定することが可能であるのは勿論である。
In the above reference example, the GTO junction temperature was measured using the temperature dependence characteristics of the GTO accumulation time ts as shown in FIG. 1, but the GTO anode-cathode voltage Vak shown in FIG. A relational characteristic (dependence characteristic) between the rise time tv and the temperature may be used for conversion of the GTO junction temperature. This case is an embodiment of the present invention. The rise time tv of the anode-cathode voltage Vak is, for example, the time from when the voltage Vak reaches 10% of the peak value until it reaches 90%. FIG. 4 shows an example of a relational characteristic (temperature dependence characteristic) between the rise time tv of the GTO anode-cathode voltage Vak and the temperature. Moreover, you may utilize the temperature dependence characteristic of the decay time ti of the anode current Ia of GTO shown in FIG. 1 for conversion of the junction temperature of GTO. The decay time ti of the anode current Ia is, for example, a time from when the anode current Ia is 90% of the maximum value Iak to when it is reduced to 10%. FIG. 5 shows a relational characteristic (temperature dependence characteristic) between the decay time ti of the anode current Ia of the GTO and the temperature.
The rise time tv of the anode-cathode voltage Vak is not limited to the time from when the voltage Vak reaches 10% of the peak value until it reaches 90%, but from when the voltage Vak reaches 5% until it reaches 95%. Of course, it is possible to set in various ranges such as the time of 15% of the peak value and the time to reach 85%. The decay time ti of the anode current Ia is not limited to the time from when the anode current Ia is 90% of the maximum value Iak to 10% but reaches 5% from the peak value of 95%. Of course, it is possible to set in various ranges such as the time to 85% of the peak value and the time to reach 15%.
また、上記蓄積時間tsは、前述の如く、ゲートターンオフ電流Igの立ち上がり時からアノード電流Iaが減少し始める時までの時間として定義したが、ゲート配線上、CT(カレント・トランスフォーマ)を取り付けられない場合や、ゲート配線のインダクタンスが問題になる場合には、ゲート電圧を制御電圧測定部としてのゲート電圧測定部(図示せず)で計測することにより、蓄積時間tsを求めてもよい。例えば、ゲート逆電圧の立ち上がりから、アノード−カソード間電圧Vakが電源電圧と等しくなるまでの時間を蓄積時間と定義し、この蓄積時間の温度依存特性をGTOの接合温度の換算曲線として利用してもよい。 Further, as described above, the accumulation time ts is defined as the time from when the gate turn-off current Ig rises to when the anode current Ia starts to decrease. However, no CT (current transformer) can be mounted on the gate wiring. In this case or when the inductance of the gate wiring becomes a problem, the storage time ts may be obtained by measuring the gate voltage with a gate voltage measuring unit (not shown) as a control voltage measuring unit. For example, the time from the rise of the gate reverse voltage to the time when the anode-cathode voltage Vak becomes equal to the power supply voltage is defined as the accumulation time, and the temperature dependency of this accumulation time is used as a conversion curve for the junction temperature of the GTO. Also good.
また、上記実施形態では、半導体スイッチング素子がSiC GTOである場合を説明したが、SiCバイポーラ半導体素子、例えば、SiC IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)等のターンオフ期間の各波形の温度依存性の大きな半導体スイッチング素子では、参考例となる。また、本発明は、SiC GTOに限らず他のGTOにも適用できるが、他のバイポーラ半導体素子では参考例となる。 In the above embodiment, the case where the semiconductor switching element is a SiC GTO has been described. However, a semiconductor having a large temperature dependency of each waveform during a turn-off period, such as a SiC bipolar semiconductor element, for example, a SiC IGBT (insulated gate bipolar transistor). The switching element is a reference example. In addition, the present invention can be applied to other GTOs as well as SiC GTOs, but is a reference example in other bipolar semiconductor devices.
(第2の実施の形態)
次に、図6〜図8を参照して、この発明の第2実施形態としての半導体装置の温度測定装置を説明する。
(Second embodiment)
Next, a temperature measuring device for a semiconductor device as a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
この接合温度測定装置30は、直流電源31と、この直流電源31と並列に接続されたコンデンサ32と、第1端子33と第2端子34と第3端子35を有する。この第1端子33と直流電源31の一端との間には、負荷リアクトル36と出力電流測定部としての第1変成器38とが直列に接続されている。また、第3端子35は直流電源31の他端に接続されている。また、負荷リアクトル36と並列に還流用ダイオード37が接続されている。
The junction
また、第1端子33と第3端子35との間に出力電圧測定部としての電圧計40が接続されている。また、第1端子33にゲート回路41の一端が接続され、第2端子34にゲート回路41の他端が接続されている。このゲート回路41の他端と第2端子34との間には制御電流測定部としての第2変成器42が接続されている。
Further, a
一方、第1端子33には第1接続部材43が接続され、第2端子34には第2接続部材44が接続され、第3端子35には第3接続部材45が接続される。そして、この第1接続部材43は接合温度測定対象としてのSiC GTO47のカソード47aに接続され、第2接続部材44はSiC GTO47のゲート47bに接続され、第3端子35はSiC GTO47のアノード47cに接続される。上記直流電源31は、上記GTO47のアノード47c側に正の電圧が印加される方向に接続されている。
On the other hand, the
また、接合温度測定装置30は、図7のブロック図に示すように、上記直流電源31、温度センサ部50、制御回路51、波形計測部52、波形記録部53、波形演算部54、温度算出部としての時間比較器55、温度表示(記録)部56を有する。温度センサ部50は、上記ゲート回路41と第1〜第3端子33〜35、第1〜第3接続部材43〜45を有している。また、波形計測部52は、上記第1変成器38と第2変成器42と電圧計40を有している。
As shown in the block diagram of FIG. 7, the junction
次に、図8のフローチャートを参照して、この接合温度測定装置30の動作を説明する。
Next, the operation of the bonding
まず、ステップS1で、直流電源31から第1端子33,第3端子35,第1接続部材43,第3接続部材45を経由して、SiC GTO47のアノード47cとカソード47aとの間に、アノード47c側が正となる直流電圧を印加する。
First, in step S1, the anode is connected between the anode 47c and the cathode 47a of the
次に、ステップS2で、制御回路51は温度センサ部50のゲート回路41を制御し、ゲート回路41から第2端子34,第2接続部材44を経由してGTO47のゲート47bにオン制御信号を入力して、GTO47をオンさせる。これにより、直流電源31から、第3端子35、GTO47、第1端子33を経由して、負荷リアクトル36に電流が流れる。
Next, in step S2, the
その後、所定の短い時間が経過した後に、ステップS3に進み、制御回路51は、ゲート回路41を制御して、ゲート回路41からGTO47のゲート47bにオフ制御信号を入力して、GTO47をオフさせる。
Thereafter, after a predetermined short time has elapsed, the process proceeds to step S3, where the
上記所定の短い時間とは、例えば、負荷リアクトル36に流れる電流が所定の値となるまでの時間とする。すなわち、GTO47のオン時間は、オン電流により接合温度が上昇しないような十分短い時間に設定する。なお、この負荷リアクトル36に流れる電流は、波形計測部52が有する第1変成器38を用いて検出される。
The predetermined short time is, for example, a time until the current flowing through the
次に、ステップS4に進み、上記波形計測部52は、第2変成器42によって、図1に例示されるようなゲートターンオフ電流Igを計測する。また、波形計測部52は、第1変成器38によって、図1に例示されるような出力電流であるアノード電流Iaを計測する。また、波形計測部52は、電圧計40によって、図1に例示されるような出力電圧であるアノード-カソード間電圧Vakを計測する。なお、このとき、ゲート回路41でゲート電圧を計測してもよい。
Next, proceeding to step S4, the
波形計測部52が計測したゲートターンオフ電流Ig,アノード電流Ia,アノード-カソード間電圧Vakは、波形記録部53に入力され、ゲートターンオフ電流Igの波形,アノード電流Iaのターンオフ波形,アノード-カソード間電圧Vakのターンオフ波形が記録される。そして、この波形記録部53が記録したターンオフ波形は、波形演算部54に入力される。
The gate turn-off current Ig, the anode current Ia, and the anode-cathode voltage Vak measured by the
この波形演算部54は、波形記録部53から入力されたゲートターンオフ電流Igの波形とアノード電流Iaのターンオフ波形とに基づいて、前述の第1実施形態で説明した蓄積時間tsを演算して、時間比較器55に入力する。この時間比較器55には、図2に例示する蓄積時間tsとGTO47の接合温度との関係特性を表すデータが予め格納されている。なお、この蓄積時間tsと接合温度との関係特性(温度依存特性)は、前述の第1実施形態で述べたのと同様にして、事前に測定される。
This
また、この波形演算部54は、波形記録部53から入力されたアノード-カソード間電圧Vakのターンオフ波形から、前述の第1実施形態で述べたアノード-カソード間電圧Vakの立ち上がり時間tvを演算して、時間比較器55に入力する。この時間比較器55には、図4に例示する電圧立ち上がり時間tvとGTO47の接合温度との関係特性を表すデータが予め格納されている。なお、この電圧立ち上がり時間tvと接合温度との関係特性は、蓄積時間tsと接合温度との関係特性と同様、事前に測定される。
The
また、この波形演算部54は、波形記録部53から入力されたアノード電流Iaの波形から、前述の第1実施形態で述べたアノード電流Iaの減衰時間tiを演算して、時間比較器55に入力する。この時間比較器55には、図5に例示する電流減衰時間tiとGTO47の接合温度との関係特性を表すデータが予め格納されている。なお、この電流減衰時間tiとGTO47の接合温度との関係特性は、蓄積時間tsと接合温度との関係特性と同様、事前に測定される。
The
次に、ステップS5に進み、時間比較器55は、波形演算部54から入力された蓄積時間tsと、上記蓄積時間と接合温度との関係特性を表すデータとを比較し、入力された蓄積時間tsに対応する接合温度を表す第1データを温度表示(記録)部56に入力する。
Next, the process proceeds to step S5, where the
また、時間比較器55は、波形演算部54から入力された立ち上がり時間tvと、上記電圧立ち上がり時間tvとGTO47の接合温度との関係特性を表すデータとを比較し、入力された立ち上がり時間tvに対応する接合温度を表す第2データを温度表示(記録)部56に入力する。
The
また、時間比較器55は、波形演算部54から入力されたアノード電流Iaの減衰時間tiと、電流減衰時間tiとGTO47の接合温度との関係特性を表すデータとを比較し、入力されたアノード電流Iaの減衰時間tiに対応する接合温度を表す第3データを温度表示(記録)部56に入力する。
In addition, the
これにより、温度表示(記録)部56は、上記接合温度を表す第1〜第3データに応じた温度を表示し記録する。例えば、この温度表示(記録)部56は、上記3つのデータのうちの1つを選択して、選択したデータの温度を表示してもよいし、3つのデータの温度の平均値を表示してもよい。また、3つのデータの温度をそのまま表示してもよい。
Thereby, the temperature display (recording)
なお、この実施形態では、上記蓄積時間ts、電圧立ち上がり時間tv、電流減衰時間ti、という接合温度に対して比較的強い相関がある3つの時間を用いたが、これらのうちの少なくとも電圧立ち上がり時間tvを選択して接合温度を求めてもよい。さらには、ゲート回路41で計測したゲート逆電圧の立ち上がり時点からアノード−カソード間電圧Vakが直流電源31の電源電圧と等しくなるまでの時間と接合温度との関係特性を利用して、接合温度を求めてもよい。また、この実施形態では、負荷としてリアクトル36を用いたが、リアクトル36に替えて、抵抗、もしくはリアクトルと抵抗との直列体などを負荷としてもかまわない。また、この実施形態では、ゲート回路41として、チョッパ回路を用いたが、SiC GTOに通電し、遮断させる回路であれば、チョッパ回路以外でも適用可能である。
In this embodiment, three times having a relatively strong correlation with the junction temperature such as the accumulation time ts, the voltage rise time tv, and the current decay time ti are used, but at least the voltage rise time among them is used. The junction temperature may be obtained by selecting tv. Further, the junction temperature is determined by utilizing the relational characteristic between the time from when the gate reverse voltage measured by the gate circuit 41 rises until the anode-cathode voltage Vak becomes equal to the power supply voltage of the
(参考例1)
次に、この発明の参考例1としての半導体装置の熱抵抗測定方法を説明する。この参考例1の熱抵抗測定方法は、上述した第1実施形態の接合温度測定方法を利用している。
(Reference Example 1)
Next, a method for measuring the thermal resistance of a semiconductor device as Reference Example 1 of the present invention will be described. The thermal resistance measurement method of this reference example 1 utilizes the junction temperature measurement method of the first embodiment described above.
この参考例1では、まず、図9のステップS11に示すように、第1実施形態で述べたのと同様にして、熱抵抗を測定する対象となる半導体スイッチング素子の一例としてのSiC GTO(ゲートターンオフサイリスタ)について、図1に例示した各ターンオフ波形(ゲートターンオフ電流Ig,アノード電流Ia,アノード-カソード間電圧Vak)から、図2,図4,図5に例示した蓄積時間tsと接合温度との関係特性,電圧立ち上がり時間tvと接合温度との関係特性,電流減衰時間tiと接合温度との関係特性を求める。 In Reference Example 1, first, as shown in Step S11 of FIG. 9, in the same manner as described in the first embodiment, an SiC GTO (gate gate) as an example of a semiconductor switching element whose thermal resistance is to be measured. For each turn-off thyristor), from each turn-off waveform illustrated in FIG. 1 (gate turn-off current Ig, anode current Ia, anode-cathode voltage Vak), the accumulation time ts and the junction temperature illustrated in FIGS. The relationship characteristics between the voltage rise time tv and the junction temperature, the current decay time ti and the junction temperature are obtained.
次に、ステップS12に進み、まず、上記GTOの接合温度を測定し、この測定した接合温度を第1の接合温度T1とする。この接合温度の測定は、一例として、接触温度計で測定してもよく、前述の第1実施形態の温度測定方法で測定してもよい。
次に、図10の波形図に示すように、GTOのゲートに、ゲート信号としてオン制御信号を入力して上記GTOをオンさせる。このオンしてから一定期間t10が経過してから、上記GTOのゲートに、ゲート信号としてオフ制御信号を入力して上記GTOをオン状態からオフさせる。このGTOのターンオフ時のターンオフ波形(ゲートターンオフ電流Ig,アノード電流Ia,アノード-カソード間電圧Vak)から、第1実施形態と同様の方法で、上記GTOの接合温度を測定し、この測定した接合温度を第2の接合温度T2とする。
Next, proceeding to step S12, first, the bonding temperature of the GTO is measured, and the measured bonding temperature is defined as a first bonding temperature T1. As an example, the measurement of the bonding temperature may be performed using a contact thermometer, or may be performed using the temperature measurement method of the first embodiment described above.
Next, as shown in the waveform diagram of FIG. 10, an ON control signal is input as a gate signal to the gate of the GTO to turn on the GTO. After a certain period of time t10 has passed since turning on, an off control signal is input as a gate signal to the gate of the GTO to turn off the GTO from the on state. From the turn-off waveform (gate turn-off current Ig, anode current Ia, anode-cathode voltage Vak) at the time of turn-off of the GTO, the junction temperature of the GTO is measured by the same method as in the first embodiment, and the measured junction The temperature is defined as a second bonding temperature T2.
上記オンの一定期間t10に、上記GTOに加わるアノード-カソード間電圧Vakによって上記GTOの接合温度が(T2−T1=ΔT)だけ上昇する。上記期間t10での接合温度の上昇幅ΔTを、上記期間t10でのGTOの発熱量Qを除算した値(ΔT/Q)が熱抵抗である。 The junction temperature of the GTO rises by (T2−T1 = ΔT) by the anode-cathode voltage Vak applied to the GTO during the on-period t10. A value (ΔT / Q) obtained by dividing the increase amount ΔT of the junction temperature in the period t10 by the heat generation amount Q of the GTO in the period t10 is the thermal resistance.
なお、上記GTOの発熱量Qは、オン期間t10(秒)と、オン期間t10のアノード-カソード間電圧Vakon(V)と、オン期間t10のアノード電流Iak(A)とから算出される。つまり、発熱量Q(J)=Vakon×Iak×t10となる。 The heat generation amount Q of the GTO is calculated from the on period t10 (seconds), the anode-cathode voltage Vakon (V) during the on period t10, and the anode current Iak (A) during the on period t10. That is, the heat generation amount Q (J) = Vakon × Iak × t10.
上述の如く、半導体スイッチング素子の一例としてのGTOのターンオフ波形における蓄積時間ts,電圧立ち上がり時間tv,電流減衰時間tiが接合温度に対して依存性が大きい。したがって、この参考例の熱抵抗測定方法によれば、従来のオン電圧の温度依存性を利用して求めた接合温度で熱抵抗を算出する場合に比べて、GTOの熱抵抗を高い精度で測定できる。また、オン電圧の温度依存性がほとんどない高温においても熱抵抗を測定できる。さらに、上記蓄積時間ts(電圧立ち上がり時間tv,電流減衰時間ti)は、GTOの接合温度を反映しているので、接合温度を時間的な遅れ無く測定することが可能であり、過渡的な熱抵抗を精度よく測定できる。なお、ターンオフ特性時間としては、蓄積時間ts,電圧立ち上がり時間tv,電流減衰時間tiの3つの時間うちのいずれか1つを用いてもよく、各特性時間から3つの温度を求めて平均をとってもよい。 As described above, the accumulation time ts, the voltage rise time tv, and the current decay time ti in the turn-off waveform of the GTO as an example of the semiconductor switching element are highly dependent on the junction temperature. Therefore, according to the thermal resistance measurement method of this reference example, the thermal resistance of the GTO is measured with higher accuracy than in the case where the thermal resistance is calculated at the junction temperature obtained by using the temperature dependence of the conventional on-voltage. it can. In addition, the thermal resistance can be measured even at a high temperature where the ON voltage hardly depends on temperature. Furthermore, since the accumulation time ts (voltage rise time tv, current decay time ti) reflects the GTO junction temperature, the junction temperature can be measured without a time delay, and transient heat Resistance can be measured accurately. As the turn-off characteristic time, any one of the three times of the accumulation time ts, the voltage rise time tv, and the current decay time ti may be used, and three temperatures may be obtained from each characteristic time and averaged. Good.
(参考例2)
次に、この発明の参考例2としての熱抵抗測定装置を説明する。この参考例2の熱抵抗測定装置は、前述の参考例1の熱抵抗測定方法を利用している。また、この参考例2の熱抵抗測定装置は、前述の第2実施形態の接合温度測定装置30において、負荷リアクトル36に替えて抵抗とした回路を有する。また、この参考例2は、GTOをオンさせる時間を、前述の第2実施形態の接合温度測定装置30よりも長くし、参考例1でのオン期間t10としている。このオン期間t10に、GTOを発熱させ、接合温度を上昇させる。
(Reference example 2)
Next, a thermal resistance measuring apparatus as Reference Example 2 of the present invention will be described. The thermal resistance measurement apparatus of Reference Example 2 uses the thermal resistance measurement method of Reference Example 1 described above. In addition, the thermal resistance measuring device of the reference example 2 has a circuit in which a resistance is used instead of the
この参考例2の熱抵抗測定装置では、上記期間t10での接合温度の上昇幅ΔTと、上記期間t10でのGTOの発熱量Qとから、上記GTOの熱抵抗(ΔT/Q)を算出し、この算出して熱抵抗を表示部に表示する。 In the thermal resistance measurement apparatus of Reference Example 2, the thermal resistance (ΔT / Q) of the GTO is calculated from the increase width ΔT of the junction temperature in the period t10 and the heat generation amount Q of the GTO in the period t10. The calculated thermal resistance is displayed on the display unit.
この参考例2の熱抵抗測定装置によれば、従来のオン電圧の温度依存性から熱抵抗を算出する装置に比べ、精度よく熱抵抗を計測できる。また、オン電圧の温度依存性のほとんどない高温においても熱抵抗を測定できる。 According to the thermal resistance measuring apparatus of the reference example 2, it is possible to measure the thermal resistance with higher accuracy than the conventional apparatus that calculates the thermal resistance from the temperature dependence of the on-voltage. Further, the thermal resistance can be measured even at a high temperature where the ON voltage hardly depends on temperature.
(参考例3)
次に、この発明の参考例3としての半導体装置の劣化状況評価方法を説明する。この参考例3は、前述の参考例1の熱抵抗測定方法を利用している。つまり、この参考例3は、前述の参考例1の熱抵抗測定方法によって、測定したGTOの熱抵抗の値によって、このGTOの不良もしくは劣化状況を評価する。
(Reference Example 3)
Next, a semiconductor device deterioration state evaluation method as Reference Example 3 of the present invention will be described. This Reference Example 3 uses the thermal resistance measurement method of Reference Example 1 described above. That is, this reference example 3 evaluates the failure or deterioration state of this GTO according to the value of the GTO thermal resistance measured by the thermal resistance measurement method of reference example 1 described above.
GTOをなす半導体チップとパッケージとで半導体装置を構成するが、このGTOをなす半導体チップとパッケージとの密着性が悪い場合には、上記半導体装置に通電すると、GTOの接合温度が上昇し易く、蓄積時間tsが長くなる。したがって、熱抵抗が大きくなる。また、長期間の使用により、半導体チップとパッケージとの密着性が悪くなり、一部剥離などが発生した場合にも、同様に、接合温度が上昇し易くなり、蓄積時間tsが長くなり、熱抵抗が大きくなる。 A semiconductor device is composed of a semiconductor chip and a package that form the GTO. If the adhesion between the semiconductor chip that forms the GTO and the package is poor, when the semiconductor device is energized, the junction temperature of the GTO is likely to increase. The accumulation time ts becomes longer. Accordingly, the thermal resistance increases. Further, when the adhesion between the semiconductor chip and the package deteriorates due to long-term use and partial peeling occurs, similarly, the junction temperature easily rises, the accumulation time ts becomes long, and the heat Resistance increases.
また、半導体チップとパッケージとの密着性に問題がない場合にも、蓄積時間tsが短くなる場合がある。この場合は、半導体チップ内部の欠陥が増え、少数キャリアのライフタイムが短くなった場合である。この場合、蓄積時間tsが初期値より短くなる。この場合には、前述の参考例1の熱抵抗測定方法において、蓄積時間tsの温度依存曲線(図2)として欠陥の少ない初期の温度依存曲線を用いると、測定した接合温度は実際の接合温度よりも低くなる。このため、測定した接合温度から算出した熱抵抗は、初期の熱抵抗よりも小さくなる。つまり、測定した接合温度から算出した熱抵抗の値が、初期に測定した接合温度から算出した熱抵抗の値から減少した減少幅によって、半導体チップ(GTO)の劣化の度合いを評価することができる。 In addition, the accumulation time ts may be shortened even when there is no problem in the adhesion between the semiconductor chip and the package. In this case, defects in the semiconductor chip increase and the minority carrier lifetime is shortened. In this case, the accumulation time ts is shorter than the initial value. In this case, in the thermal resistance measurement method of Reference Example 1 described above, if the initial temperature dependence curve with few defects is used as the temperature dependence curve of the accumulation time ts (FIG. 2), the measured junction temperature is the actual junction temperature. Lower than. For this reason, the thermal resistance calculated from the measured junction temperature is smaller than the initial thermal resistance. In other words, the degree of deterioration of the semiconductor chip (GTO) can be evaluated based on the amount of decrease in the value of the thermal resistance calculated from the measured junction temperature from the value of the thermal resistance calculated from the initially measured junction temperature. .
また、この参考例の劣化状況評価方法では、半導体装置の主電極間(つまりアノード-カソード間)に電圧を印加し、主電極に流れ込む電流(つまりアノード電流Ia)および主電極間の電圧(つまりアノード-カソード間電圧Vak)およびそのゲート電流あるいはゲート電圧を計測することにより、半導体装置の劣化状況を把握可能である。よって、半導体装置をスタックから取り外す必要がなく、定期点検の工期を短くできる。また、半導体装置をスタックから取り外すことなく劣化の進行を把握でき、半導体スイッチング素子が破壊する前に、半導体スイッチング素子を交換して、突発事故を未然に防止できる。かつ、素子劣化の進行を事前に把握し、必要以上に素子の交換を行わないようにすることができ、コスト低減できる。 Further, in the degradation status evaluation method of this reference example, a voltage is applied between the main electrodes (that is, between the anode and the cathode) of the semiconductor device, and the current flowing into the main electrode (that is, the anode current Ia) and the voltage between the main electrodes (that is, the anode). By measuring the anode-cathode voltage Vak) and its gate current or gate voltage, it is possible to grasp the deterioration state of the semiconductor device. Therefore, it is not necessary to remove the semiconductor device from the stack, and the period of periodic inspection can be shortened. In addition, the progress of deterioration can be grasped without removing the semiconductor device from the stack, and the semiconductor switching element can be replaced before the semiconductor switching element is destroyed, thereby preventing an unexpected accident. In addition, the progress of element deterioration can be grasped in advance, and elements can be prevented from being replaced more than necessary, thereby reducing costs.
なお、上記第1,第2実施形態および参考例1〜3では、半導体スイッチング素子がSiC GTOである場合を説明したが、GTO以外のSiCバイポーラ半導体素子、例えば、SiC IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)等のターンオフ期間の各波形の温度依存性の大きな半導体スイッチング素子であれば、参考例となる。また、上記第1,第2実施形態および参考例1〜3では、ワイドギャップ半導体としてSiCを取り上げたが、窒化ガリウム、ダイヤモンドなどのワイドギャップ半導体についても同様に適用可能である。すなわち、この発明は、SiC GTOに限らずGaN GTOやダイヤモンド GTO等の他のGTOにも適用でき、GTO以外のSiCバイポーラ半導体素子や他のバイポーラ半導体素子では参考例となる。 In the first and second embodiments and Reference Examples 1 to 3, the case where the semiconductor switching element is a SiC GTO has been described. However, a SiC bipolar semiconductor element other than the GTO, for example, a SiC IGBT (insulated gate bipolar transistor). A semiconductor switching element having a large temperature dependency of each waveform during the turn-off period is a reference example. In the first and second embodiments and Reference Examples 1 to 3, SiC is taken up as the wide gap semiconductor, but the present invention is also applicable to wide gap semiconductors such as gallium nitride and diamond. That is, this invention can be applied not only to SiC GTO but also to other GTOs such as GaN GTO and diamond GTO, and is a reference example in SiC bipolar semiconductor elements other than GTO and other bipolar semiconductor elements.
1 ゲート
2 カソード
3 アノード
4 Pエミッタ
5 Nベース
6 Pベース
7 Nエミッタ
Ia アノード電流
Vak アノード-カソード間電圧
Ig ゲートターンオフ電流
ts 蓄積時間
t1 立ち上がり開始時刻
t2 減衰開始時刻
30 接合温度測定装置
31 直流電源
32 コンデンサ
33 第1端子
34 第2端子
35 第3端子
36 負荷リアクトル
37 還流用ダイオード
38 第1変成器
40 電圧計
41 ゲート回路
47 SiC GTO
47a カソード
47b ゲート
47c アノード
50 温度センサ部
51 制御回路
52 波形計測部
53 波形記録部
54 波形演算部
55 時間比較器
56 温度表示(記録)部
1
47a Cathode 47b
Claims (6)
上記半導体スイッチング素子をオン状態からターンオフさせ、このターンオフ時の上記ターンオフ特性時間を測定する第2の工程と、
上記第2の工程で測定した上記ターンオフ特性時間を、上記第1の工程で予め測定した上記関係特性に基づいて、上記半導体スイッチング素子の温度に換算する第3の工程とを備え、
上記半導体スイッチング素子はGTOであり、
上記ターンオフ特性時間は、
アノード-カソード間電圧の立ち上がり時間であることを特徴とする半導体装置の温度測定方法。 The semiconductor switching element is set to a predetermined temperature, the semiconductor switching element that has reached the predetermined temperature is turned off from the ON state, and the characteristic measurement for measuring the predetermined turn-off characteristic time at the turn-off time is performed by changing the temperature. A first step of measuring the relationship between the turn-off characteristic time and the temperature of the semiconductor switching element in advance a plurality of times,
A second step of turning off the semiconductor switching element from an on state and measuring the turn-off characteristic time at the turn-off;
A third step of converting the turn-off characteristic time measured in the second step into a temperature of the semiconductor switching element based on the relationship characteristic measured in advance in the first step;
The semiconductor switching element is a GTO,
The turn-off characteristic time is
A method for measuring a temperature of a semiconductor device, characterized by a rise time of an anode-cathode voltage.
上記半導体スイッチング素子は、SiC GTOであることを特徴とする半導体装置の温度測定方法。 The temperature measurement method for a semiconductor device according to claim 1,
The method for measuring a temperature of a semiconductor device, wherein the semiconductor switching element is a SiC GTO.
上記半導体スイッチング素子は、GaN GTOであることを特徴とする半導体装置の温度測定方法。 The temperature measurement method for a semiconductor device according to claim 1,
The method for measuring a temperature of a semiconductor device, wherein the semiconductor switching element is a GaN GTO.
上記半導体スイッチング素子は、ダイヤモンド GTOであることを特徴とする半導体装置の温度測定方法。 The temperature measurement method for a semiconductor device according to claim 1,
The method for measuring a temperature of a semiconductor device, wherein the semiconductor switching element is diamond GTO.
上記GTOの出力端子間に直流電圧を印加する直流電源と、
上記GTOの制御端子に制御信号を入力して、上記GTOをターンオン,ターンオフさせる制御回路と、
上記GTOのターンオフ波形を計測する波形計測部と、
上記波形計測部が計測したターンオフ波形に基づいて所定のターンオフ特性時間として上記アノード-カソード間電圧の立上り時間を演算する波形演算部と、
予め測定された上記GTOの上記アノード-カソード間電圧の立上り時間と上記GTOの温度との関係特性を表すデータが格納されていると共に上記波形演算部から入力された上記立上り時間に対応する上記GTOの温度を上記関係特性から求める温度算出部とを備えることを特徴とする半導体装置の温度測定装置。 A measuring apparatus for measuring the temperature of a semiconductor device using the temperature measuring method for a semiconductor device according to claim 1,
A DC power source for applying a DC voltage between the output terminals of the GTO;
A control circuit for inputting a control signal to the control terminal of the GTO to turn the GTO on and off;
A waveform measuring unit for measuring the GTO turn-off waveform;
A waveform calculation unit that calculates the rise time of the anode-cathode voltage as a predetermined turn-off characteristic time based on the turn-off waveform measured by the waveform measurement unit;
The GTO corresponding to the rise time inputted from the waveform calculation unit and storing data representing the relationship between the rise time of the anode-cathode voltage of the GTO measured in advance and the temperature of the GTO. A temperature measuring device for a semiconductor device, comprising: a temperature calculating unit that obtains the temperature of the semiconductor device from the relational characteristic.
上記波形計測部は、
上記GTOの出力端子間の電圧を測定する出力電圧測定部を有することを特徴とする半導体装置の温度測定装置。 The temperature measuring device for a semiconductor device according to claim 5,
The waveform measurement unit
An apparatus for measuring a temperature of a semiconductor device, comprising: an output voltage measuring unit that measures a voltage between output terminals of the GTO.
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|---|---|---|---|---|
| JP2013113649A (en) * | 2011-11-28 | 2013-06-10 | Wave Technology Inc | Measuring method and measuring device for thermal resistance in semiconductor device |
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| JPS49106288A (en) * | 1973-02-09 | 1974-10-08 | ||
| JPH05246052A (en) * | 1992-03-03 | 1993-09-24 | Seiko Epson Corp | Impact head driving circuit |
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