JP4920319B2 - 半導体素子の寿命予測回路 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子の寿命予測回路に関する。
ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）のようなパワー半導体素子は、使用時の熱等によって、ワイヤボンディングパッドとワイヤとの接続部にクラックが入り、最終的に、ワイヤが外れて故障することが知られている。
このような劣化による故障、つまり、パワー半導体素子の寿命は、特許文献１から３に記載されているように、半導体素子の使用時間、電流値、スイッチング回数などの関数として数値化することによってある程度、統計的に予測することが可能である。
よって、従来の寿命予測は、使用時間などの積算値が、所定の値に達したときに、当該半導体の使用を停止するというものであった。
特開平０６−０７０５５３号公報 特開平０８−０５１７６８号公報 特開平０８−２７５５８６号公報
しかし、従来の寿命予測では、半導体素子の個々のバラツキや、数値化されない条件による故障発生時間の差を考慮して、早めに半導体の使用を停止する必要があり、不経済であった。
そこで、本発明では、半導体素子の劣化状態を直接確認して寿命による故障の発生を事前に検知できる半導体素子の寿命予測回路を提供することを課題とする。
前記課題を解決するために、本発明に係る寿命予測回路は、半導体素子のワイヤボンディングパッドに接続した寿命予測ワイヤから前記ワイヤボンディングパッドを介して基準電位に電流を流して前記寿命予測ワイヤの電位を検出する半導体素子の寿命予測回路であって、前記寿命予測ワイヤから前記ワイヤボンディングパッドを介して前記基準電位に所定の電流を流す定電流回路と、前記寿命予測ワイヤと前記基準電位との間に接続した検出抵抗とを有するものである。
本発明によれば、寿命予測ワイヤからワイヤボンディングパッドと他のワイヤを介して基準（接地）電位に電流を流すことにより、寿命予測ワイヤがワイヤボンディングパッドから剥離しているか否かを検知できる。つまり、半導体素子に接続される多数のワイヤを代表して寿命予測ワイヤの劣化状態を直接確認するので、半導体素子の劣化状態を正確に知ることができる。
実施の形態１．
図１に本発明の第１実施形態の寿命予測回路で寿命が予測できる半導体素子であるＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）１と、ＩＧＢＴ１を入力信号に基づき駆動する駆動回路１６と、ＩＧＢＴ１の寿命を検出する寿命予測回路１７とからなる寿命予測システムとを示す。なお、この図においては、ＩＧＢＴ１のワイヤボンディングパッドとワイヤとの接続関係が理解しやすいように描いており、通常の回路図には表されないボンディングパッドを斜線でハッチングした方形で示し、ワイヤのボンディング部を菱形の点で示している。また、図２では、ＩＧＢＴ１（チップ）の本発明の第１実施形態における上面図を示し、図１と合わせて各ワイヤボンディングパッドと各ワイヤとの接続関係をより明確にしている。ここで、ＩＧＢＴ１は、表面に、４つのエミッタワイヤボンディングパッド２と、ゲートワイヤボンディングパッド３とが設けられており、裏面にコレクタ電極４が設けられている。また、ＩＧＢＴ１の表面には、さらに、電流検出用のセンスワイヤボンディングパッド５と、温度検出用ダイオードのアノードワイヤボンディングパッド６およびカソードワイヤボンディングパッド７とが設けられている。
エミッタワイヤボンディングパッド２には、それぞれＩＧＢＴ１の出力電流を取り出すための２本のエミッタワイヤ８が超音波ボンディングにより接続され、ゲートワイヤボンディングパッド３には、ＩＧＢＴ１をスイッチングするゲート電圧を印加するためのゲートワイヤ９が接続されている。また、センスワイヤボンディングパッド５、アノードワイヤボンディングパッド６およびカソードワイヤボンディングパッド７には、それぞれ、センスワイヤ１１、アノードワイヤ１２およびカソードワイヤ１３が接続されている。さらに、そのレイアウト的に最も高温となることが予測される１つのエミッタワイヤボンディングパッド２には、寿命予測ワイヤ１４と制御エミッタワイヤ１５とがワイヤ８と同様に超音波ボンディングにより接続されている。寿命予測ワイヤ１４は、ＩＧＢＴ１の略中央に接続されている。
なお、制御エミッタワイヤ１５は、ＩＧＢＴ１の出力信号（電流）を取り出すためのものとは別に設けられ、通常、駆動回路１６側の基準（接地）電位と接続して駆動回路出力段の基準電位とＩＧＢＴ１のエミッタ電位とを同電位とするために用いられる。また、この制御エミッタワイヤ１５を寿命予測ワイヤ１４と共通のエミッタワイヤボンディングパッド２に接続しているが、他のエミッタワイヤボンディングパッド２に接続してもよい。
ＩＧＢＴ１でパワーモジュールを構成する場合、例えば、基板にＩＧＢＴ１を載置して、上述のごとくＩＧＢＴ１裏面のコレクタ電極４と基板に設けた配線パターン等とをハンダ付けし、表面のワイヤボンディングパッド２，３，５，６，７と、例えば基板上の配線や、他の素子あるいはケースに設けた電極等とをそれぞれ各ワイヤ８，９，１１，１２，１３，１４，１５で接続する。
駆動回路１６は、ＩＧＢＴ１のゲートに電圧を印加するターンオントランジスタ１８と、ゲートを基準（接地）電位にするターンオフトランジスタ１９とを有している。ターンオントランジスタ１８およびターンオフトランジスタ１９は、増幅器２０の非反転（通常）出力と反転出力とがそれぞれ入力され、いずれか一方だけがオンするようになっている。そしてその動作は、ＲＳフリップフロップ２１とＮＯＲゲート２２とからなる論理回路に入力される信号によって制御される。駆動回路１６は、通常の駆動動作においては、ＲＳフリップフロップ２１のＳ（セット）端子入力にＬｏｗレベル（「Ｌ」）の信号が与えられているため、入力端子２３における入力信号に基づいてその出力が変化する。つまり、入力端子２３の信号レベルがＨｉｇｈレベル（「Ｈ」）から「Ｌ」になると、ＮＯＲゲート２２の出力が「Ｈ」となってターンオントランジスタ１８をオン状態に維持し、ＩＧＢＴ１のしきい値以上の高電位のゲート電圧を印加して、ＩＧＢＴ１をオンする。反対に入力端子２３の信号レベルが「Ｌ」から「Ｈ」になると、ＮＯＲゲート２２の出力が「Ｌ」となって、ターンオフトランジスタ１９がオン状態に維持され、低電位のゲート電圧を印加して、ＩＧＢＴ１をオフする。また、駆動回路１６は、外部の保護回路２４および寿命予測回路１７からの信号に基づく遮断（素子保護）動作機能を有しており、ＯＲゲート２５に寿命予測回路１７および外部の保護回路２４，の少なくともいずれかから「Ｈ」の入力があるとＲＳフリップフロップ２１のＳ端子入力に「Ｈ」の信号が与えられることで、ＩＧＢＴ１がターンオン状態にあれば直ちにターンオフトランジスタ１９をオンして、ゲートを基準（接地）電位にしてＩＧＢＴ１をオフする。なお、外部の保護回路２４とは、例えば過電流保護、短絡電流保護、制御電源電圧低下保護や過熱保護などであり、これら保護すべき状態であることが検出されると保護回路２４から駆動回路１６に「Ｈ」の信号が送られる。
寿命予測回路１７は、寿命予測ワイヤ１４に定電流を供給可能なように接続される定電流回路２６と、定電流回路２６と基準（接地）電位の間（寿命予測ワイヤ１４と基準（接地）電位の間に同じ）に接続された検出抵抗２７と、コンパレータ２８とを有している。そして、コンパレータ２８は、その反転（−）入力に検出基準電圧が、非反転（＋）入力に定電流回路２６に接続される寿命予測ワイヤ１４の電位（定電流回路２６に接続される検出抵抗２７の電位に同じ）が入力されるように接続され、この２つの入力を比較した結果に基づく信号を出力する。そしてコンパレータ２８の出力が駆動回路１６に入力されるようになっている。
このような回路構成において、ＩＧＢＴ１は、ゲートワイヤ９を介してゲートワイヤボンディングパッド３にしきい値以上の高電位の電圧が印加されるとオンし、コレクタからエミッタに大きな電流を流すことができる。つまり、ＩＧＢＴ１は、オンするとエミッタワイヤボンディングパッド２からエミッタワイヤ８にエミッタ電流を流出させる。
ＩＧＢＴ１は、動作の度にエミッタ電流によって発熱し、各ワイヤボンディングパッド２，３，５，６，７および各ワイヤ８，９，１１，１２，１３，１４，１５の接続部分を繰り返し高温に晒す。各ワイヤ８，９，１１，１２，１３，１４，１５における接続部（ボンディング部）は、熱によって劣化し、繰り返し熱ストレス（応力）を受けることで超音波ボンディングした接続部およびその近傍のワイヤ自身にクラックを生じる。各ワイヤ８，９，１１，１２，１３，１４，１５は、さらに劣化が進行すると、最終的に各ワイヤボンディングパッド２，３，５，６，７から剥離またはワイヤの断線に至ってして、ＩＧＢＴ１の機能を損ない寿命となる。特に、ＩＧＢＴ１の中央付近については、熱が放散しにくいため高温になりやすく、よって寿命予測ワイヤ１４の劣化が最も早く進行すると予測される。
本実施形態では、１つのエミッタワイヤボンディングパッド２に、出力電流を出力するためのものとは別に、寿命予測ワイヤ１４が接続されており、寿命予測回路１７は、寿命予測ワイヤ１４からエミッタワイヤボンディングパッド２とエミッタワイヤボンディングパッド２に接続された他のワイヤ（エミッタワイヤ８や制御エミッタワイヤ１５）を介して、定電流回路２６からの電流を基準（接地）電位に流す。ＩＧＢＴ１が劣化していない状態では、寿命予測ワイヤ１４からエミッタワイヤボンディングパッド２とエミッタワイヤボンディングパッド２に接続された他のワイヤ（エミッタワイヤ８や制御エミッタワイヤ１５）を介して基準（接地）電位に至る経路の電気抵抗は略無に等しく、並列接続されている検出抵抗２７を介して流れる電流も皆無である。よって、寿命予測ワイヤ１４から基準（接地）電位に至るまでの間に電圧降下は発生せず、寿命予測ワイヤ１４の電位はゼロ（接地レベル）である。
しかしながら、ＩＧＢＴ１を使用することによって、寿命予測ワイヤ１４のボンディング部あるいはその近傍の寿命予測ワイヤ１４自身にクラックが生じ、やがて、寿命予測ワイヤ１４のエミッタワイヤボンディングパッド２からの剥離、または、寿命予測ワイヤ１４の断線に至る。すると、定電流回路２６からの電流は、エミッタワイヤボンディングパッド２を介して流れることができなくなり、検出抵抗２７において電圧降下が発生し、コンパレータ２８の非反転入力における電位を上昇させる。
寿命予測ワイヤ１４の電位は、コンパレータ２８でその反転入力における検出基準電圧と比較されるが、この基準電圧は、寿命予測ワイヤ１４がエミッタワイヤボンディングパッド２からの剥離や自身の断線を生じ、電気的な状態としてオープンとなったときに検出抵抗２７に現れる電位よりも低いものである。つまり、コンパレータ２８は、寿命予測ワイヤ１４がエミッタワイヤボンディングパッド２からの剥離や自身の断線を生じたときに、駆動回路１６に検出信号の信号レベルを「Ｈ」として出力することで、ＩＧＢＴ１をオフさせる。
先にも述べたごとく、本実施形態において、寿命予測ワイヤ１４は、ＩＧＢＴ１の略中央に接続されているので、ＩＧＢＴ１の外周付近に接続されているワイヤ８，９，１１，１２，１３，１５に比べてより大きい熱ストレス（応力）を受ける。このため、寿命予測ワイヤ１４は、他のワイヤ８，９，１１，１２，１３，１５がワイヤボンディングパッド２，３，５，６，７から剥離してＩＧＢＴ１の機能不全を引き起こす前に、いち早く劣化してエミッタワイヤボンディングパッド２から剥離しやすい条件下にあるといえる。つまり、寿命予測回路１７は、寿命予測ワイヤ１４の劣化を確認することで、ＩＧＢＴ１の寿命による故障の発生を事前に検知できる。
ここで、エミッタワイヤ８の一部も、寿命予測ワイヤ１４と同様にＩＧＢＴ１の中央部に接続されているが、エミッタワイヤ８は多数接続されているので、その一部がエミッタワイヤボンディングパッド２から剥離しただけでは、直ちにＩＧＢＴ１の機能を損なうことがない。
ＩＧＢＴ１を用いてパワーモジュールを構成する場合、駆動回路１６および寿命予測回路１７またはそれらの一部を含めてパッケージするとよい。
実施の形態２．
また、図３に、第１実施形態の寿命予測回路１７の代案である寿命予測回路１７ａを示す。寿命予測回路１７ａは、検出抵抗２７の電圧降下をコンパレータ２８で検出し、コンパレータ２８の検出信号でトランジスタ２９をスイッチングして、警報端子３０に警報信号を出力するようになっている。
これによって、ＩＧＴＢ１の使用を突然停止することなく、予めユーザに寿命が近いことを知らせることができる。これにより、ユーザは、設備を突発的に停止させることなく、余裕を持って保全することが可能である。
本発明の第１実施形態における寿命予測システムの回路図。 図１のシステムにおけるＩＧＢＴの上面図。 図１の寿命予測システムの代案の回路図。
符号の説明
１ ＩＧＢＴ（半導体素子）
２ エミッタワイヤボンディングパッド
１４ 寿命予測ワイヤ
１５ 制御エミッタワイヤ
１６ 駆動回路
１７，１７ａ 寿命予測回路
２６ 定電流回路
２７ 検出抵抗
２９ トランジスタ

Claims (2)

  1. 半導体素子のワイヤボンディングパッドに接続した寿命予測ワイヤから前記ワイヤボンディングパッドを介して基準電位に電流を流して前記寿命予測ワイヤの電位を検出する半導体素子の寿命予測回路であって、
    前記寿命予測ワイヤから前記ワイヤボンディングパッドを介して前記基準電位に所定の電流を流す定電流回路と、前記寿命予測ワイヤと前記基準電位との間に接続した検出抵抗とを有することを特徴とする寿命予測回路。
  2. 前記検出抵抗の両端に生じた電圧によってスイッチングされ、警報信号を出力可能なトランジスタを備えることを特徴とする請求項１に記載の寿命予測回路。
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