JP7134111B2 - 半導体モジュールおよび半導体モジュールの評価方法 - Google Patents

半導体モジュールおよび半導体モジュールの評価方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体モジュールおよび半導体モジュールの評価方法に関する。
半導体デバイスなど電子デバイスで発生する熱は、ヒートシンクに放熱される(例えば特許文献1から4)。また、パワーモジュールにおいて、パワーデバイスとヒートシンクとの間に設けられるグリースは、パワーデバイスからヒートシンクへの熱伝導性を向上させる(例えば特許文献1)。
しかし、半導体デバイスおよびヒートシンクの表面の凹凸がグリースで十分に充填されず、空隙が発生した場合、半導体デバイスで生じた熱は十分にヒートシンクへ伝達されない。そのため、半導体デバイスは、正常または望ましい動作温度よりも高い動作温度で動作することになり、半導体デバイスの信頼性などに悪影響を及ぼすおそれがある。空隙はグリースが必要量よりも少ない場合に生じるが、製造工程において必要量のグリースが塗布された場合であっても、ポンピングアウトによって空隙が生じる。ポンピングアウトとは、繰り返しの熱ストレスによってパワーデバイスが変形し、グリースが外部に流出する現象である。
特許文献1に記載のインテリジェントパワーモジュールは、モジュールが組み立てられた後に、予め定められた駆動条件で駆動した際のチップ温度およびケース温度の初期値を記録する。インテリジェントパワーモジュールは、それら初期値と、別のタイミングで検出したチップ温度およびケース温度と、に基づき、ポンピングアウト等の放熱環境の悪化を判定する。
特開2016-163512号公報 特開2015-2351号公報 特開2012-38769号公報 特開2013-70085号公報
半導体デバイスとヒートシンクとの間の熱伝導性材料が、特定の温度で軟化または融解する性質を有する場合、必ずしも半導体デバイスがヒートシンクに取り付けられた直後から、熱伝導性材料が半導体デバイスとヒートシンクとの間に存在するすべての空隙に充填されているわけではない。熱伝導性材料は、半導体デバイスの駆動後、その発熱により、軟化または融解して空隙に充填される。熱伝導性材料が軟化または融解する段階においては、空隙の程度や状態が変化し、一定の駆動条件であっても、一定のチップ温度およびケース温度が得られない。チップ温度およびケース温度の初期値を定めるためには、半導体デバイスとヒートシンクとの間の熱伝導性材料の状態を明らかにする必要がある。
本発明は上記のような問題点を解消するためになされたのであり、半導体デバイスとヒートシンクと間に設けられた熱伝導性材料の状態を判定することが可能な半導体モジュールの提供を目的とする。
本発明に係る半導体モジュールは、半導体デバイス、熱伝導性材料および制御部を含む。熱伝導性材料は、特定の温度で軟化または融解する性質を有し、かつ、半導体デバイスの外面のうちヒートシンクに実装可能な一面に設けられている。制御部は、半導体デバイスにおける異なる2点の温度情報に基づいて、半導体デバイスの一面とヒートシンクとの間における熱伝導性材料の状態を判定し、異なる2点の温度情報は、異なる2点における温度差を含み、制御部は、半導体デバイスに通電が開始された後、温度差が、予め定められた時間、一定である場合に、熱伝導性材料が半導体デバイスとヒートシンクとの間の空隙に充填されたと判定する。
本発明によれば、半導体デバイスとヒートシンクと間に設けられた熱伝導性材料の状態を判定する半導体モジュールの提供が可能である。
本発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白になる。
実施の形態1における半導体モジュールの構成を示す断面図である。 実施の形態1における半導体モジュールの構成を示す平面図である。 実施の形態1における半導体モジュールの評価方法を示すフローチャートである。 実施の形態1における半導体モジュールの評価方法におけるタイミングチャートである。 実施の形態2における半導体モジュールの構成を示す平面図である。
<実施の形態1>
図1は、実施の形態1における半導体モジュールの構成を示す断面図である。図2は、半導体モジュールの構成を示す平面図である。
半導体モジュールは、半導体デバイス1、ヒートシンク2、熱伝導性材料3および制御部10を含む。なお、図2において、ヒートシンク2は省略されている。
半導体デバイス1は、ケース9内に、ベース板4、半導体チップ5、オンチップ温度センサ6、サーミスタ7および制御IC(Integrated Circuit)10Aを含む。半導体チップ5、オンチップ温度センサ6、サーミスタ7および制御IC10Aは、ベース板4の表面側に上に設けられている。実施の形態1において、制御IC10Aは、半導体デバイス1に内蔵されている。
熱伝導性材料3は、半導体デバイス1の外面のうちヒートシンク2に実装可能な一面1Aに設けられる。実施の形態1において、その一面1Aは、ベース板4の裏面である。熱伝導性材料3は、半導体デバイス1からヒートシンク2に熱を伝達する。熱伝導性材料3が、ベース板4の裏面およびヒートシンク2の接触面に存在する凹凸を埋めることにより、半導体デバイス1で生じた熱は、効率よくヒートシンク2に伝導する。
熱伝導性材料3は、例えば、TIM(Thermal Interface Material)である。TIMは、例えば、特定の温度で相変化する材料、熱可塑性を有する材料、またはそのような性質を有しないグリースを含む。以下、実施の形態1においては、熱伝導性材料3が、特定の温度で軟化または融解する性質を有する場合を説明する。熱伝導性材料3は、半導体デバイス1の発熱により。その特定の温度(例えば45℃)以上で軟化または融解し、特定の温度以下で固化もしくは粘度が上昇する。また、その場合、半導体モジュールの組み立て工程において必要量の熱伝導性材料3が塗布されていたとしても、半導体デバイス1の発熱前つまり駆動前には、熱伝導性材料3はその粘度(流動性)に起因して空隙を満たしていない。半導体デバイス1駆動後、その発熱により、熱伝導性材料3が軟化または融解することにより、空隙に充填される。このように、熱伝導性材料3が特定の温度で軟化または融解する性質を有する場合、半導体デバイス1とヒートシンク2の間の空隙に充填されるまで一定の時間を要する。
ヒートシンク2は、半導体デバイス1の動作時に、損失によって発生する熱を、熱伝導性材料3を介して吸熱し外部に放熱する。なお、損失の主要因は、半導体チップ5である。
半導体チップ5は、例えば、SiC、GaN等のワイドバンドギャップ半導体を含むパワーチップである。パワーチップは、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、ショットキーバリアダイオード等である。半導体チップ5の一例として、図2にはIGBTチップ5AおよびFWD(Free Wheeling Diode)チップ5Bが示されている。
オンチップ温度センサ6は、半導体チップ5上に設置されており、半導体チップ5のチップ温度Tjを検知する。ここでは、オンチップ温度センサ6は、IGBTチップ5A上に設置されている。
サーミスタ7は、ケース9内のケース温度Tcを検知する。サーミスタ7は、例えば、絶縁基板上に設置されている。
制御IC10Aは、実施の形態1において、制御部10であり、その制御部10の機能を実現する。制御IC10Aは、半導体デバイス1における異なる2点の温度情報に基づいて、半導体デバイス1の一面1Aとヒートシンク2との間における熱伝導性材料3の状態を判定する。実施の形態1において、異なる2点の温度情報は、チップ温度Tjとケース温度Tcとの温度差である。
また、制御IC10Aは、半導体デバイス1に通電が開始された後、チップ温度Tjとケース温度Tcとの温度差が、予め定められた時間、一定である場合に、熱伝導性材料3が半導体デバイス1とヒートシンク2との間の空隙に充填されたと判定する。そして、制御IC10Aは、その時のチップ温度Tjとケース温度Tcとの温度差を初期値として記録する。制御IC10Aは、その初期値に基づき、ポンピングアウトの発生など、半導体モジュールの放熱環境の異常を判定する。その際、制御IC10Aには、半導体デバイス1から出力される電流値の情報がフィードバックされ、制御IC10Aは、上記の異なる2点の温度情報に加え、その電流値に基づいて、放熱環境の異常を判定する。また、制御IC10Aは、温度差に関する飽和検知情報を外部制御IC20に出力してもよい。
制御IC10Aは、熱伝導性材料3の状態を示す判定フラグを切り替える機能を有する。制御IC10Aに搭載されている判定フラグは、熱伝導性材料3が軟化または融解して空隙を埋めた場合、または熱伝導材料が流出した場合など、熱伝導性材料3の状態の変化により切り替わる。すなわち判定フラグは、半導体モジュールの放熱環境の変化に対応して切り替わる。判定フラグは、例えば、半導体デバイス1への通電初期段階においては、熱伝導性材料3が軟化または融解して、半導体デバイス1とヒートシンク2との間の空隙を満たしたか否かを判断する目的で使用される。その後、判定フラグは、半導体モジュールにおける放熱環境の何らかの異常、例えば熱伝導性材料3の流出(ポンピングアウト)、空冷ファンの停止等を判断する目的で使用される。
制御IC10Aは、異なる2点の温度情報、判定フラグ等を記憶するメモリを有する。また、制御IC10Aの上記の機能は、制御IC10Aがメモリに記憶されたプログラムを実行することによって実現される。
また、図2に示されている外部制御IC20は、半導体チップ5等を駆動させるための制御パルス信号を出力する。また、半導体チップ5がパワーチップである場合、半導体デバイス1はパワーデバイスであり、半導体モジュールはパワーモジュールである。パワーモジュールは、図2に示されるモーター30等の駆動を制御する。
図3は、実施の形態1における半導体モジュールの評価方法を示すフローチャートである。また、図4は、半導体モジュールの評価方法におけるタイミングチャートである。
ステップS10にて、外部制御IC20は、予め定められた駆動条件で半導体デバイス1に通電を開始する。図4における時間T0が通電開始のタイミングである。
ステップS20にて、制御IC10Aは、温度センサによって検知される異なる2点の温度を取得する。ここでは、オンチップ温度センサ6がチップ温度Tjを検知し、サーミスタ7がケース温度Tcを検知する。熱伝導性材料3が軟化または融解する前に、半導体デバイス1とヒートシンク2との間に空隙が存在する場合、図4に示されるように、通電開始後、チップ温度Tjおよびケース温度Tcは、上昇を続ける。時間T0からT1まで、半導体デバイス1およびヒートシンク2の温度は飽和していない。
ステップS30にて、制御IC10Aは、チップ温度Tjとケース温度Tcとの温度差が予め定められた時間一定であるか否かを判定する。温度差が一定である場合、ステップS40が実行される。温度差が一定でない場合、ステップS20が再び実行される。図4において、時間T1からT2まで温度差は一定(Δt1=Δt2)であることから、制御IC10Aは、熱伝導性材料3が半導体デバイス1とヒートシンク2との間の空隙に充填されたと判断する。
ステップS40にて、制御IC10Aは、温度差および半導体デバイス1から出力される電流値をメモリに記録する。図4において、時間T2における温度差Δt2および電流値I2がメモリに記録される。これら記録された温度差および電流値が初期値に対応する。
ステップS50にて、制御IC10Aは、判定フラグを切り替える。制御IC10Aは、例えば図4に示されるように、判定フラグを「1」から「0」に切り替える。以上のステップS10からS50までは、熱伝導性材料3の軟化または融解についての監視工程である。つづいて行われるステップS60以降において、制御IC10Aは、ステップS40で記録された初期値に基づき、ポンピングアウトの発生など、半導体モジュールの放熱環境の異常について監視する。
ステップS60にて、制御IC10Aは、半導体チップ5から出力される電流値および温度センサによって検知される異なる2点の温度を新たに取得する。ここでは、ステップS20と同様に、オンチップ温度センサ6がチップ温度Tjを検知し、サーミスタ7がケース温度Tcを検知する。
ステップS70にて、制御IC10Aは、メモリに記録されている温度差Δt2と新たに取得された温度に基づく温度差とが一致するか否かを判定する。2つの温度差が一致する場合、ステップS60が再び実行される。2つの温度差が一致しない場合、ステップS80が実行される。例えば、図4に示されるように、時間T3における温度差Δt3および時間T4における温度差Δt4は、メモリに記憶されている温度差Δt2と異なる。よって、ステップS80が実行される。
ステップS80にて、制御IC10Aは、メモリに記憶されている電流値I2と新たに取得された電流値とが一致するか否かを判定する。2つの電流値が一致しない場合、ステップS60が再び実行される。例えば、時間T3における電流値I3は、メモリに記録されている電流値I2と異なる。そのため、制御IC10Aは、半導体モジュールの放熱環境に異常が生じたとは判断せず、判定フラグを変更しない。一方で、2つの電流値が一致する場合、ステップS90が実行される。例えば、時間T4における電流値I4は、メモリに記憶されている電流値I2と一致する。よって、制御IC10Aは、半導体モジュールの放熱環境に何らかの異常が生じたと判断する。
ステップS90にて、制御IC10Aは、判定フラグを切り替える。制御IC10Aは、例えば図4に示されるように、判定フラグを「0」から「1」に切り替える。判定フラグの切り替えに伴い、制御IC10Aは、半導体モジュールの放熱環境に以上が発生したことを外部装置に信号を出力するなどして通知してもよい。以上のステップS60からS90までは、半導体モジュールの放熱環境の異常についての監視工程である。
以上で半導体モジュールの評価方法は終了する。
上記のステップS70にて、制御IC10Aは、新たに取得された温度に基づく温度差がメモリに記録されている温度差Δt2と一致しない場合に、その一致しない温度差が予め定められた時間一定であるか否かを判定してもよい。例えば、図4における温度差Δt4は、温度差Δt2とは一致せず、時間T4から時間T5まで一定(Δt4=Δt5)である。その場合、ステップS80が実行される。
実施の形態1において、オンチップ温度センサ6およびサーミスタ7は一例であり、温度センサはそれらに限定されるものではない。また、上記の異なる2点の温度情報は、チップ温度Tjとケース温度Tcとの温度差に限定されるものではない。飽和時に温度差が一定となる2点であれば、同様の効果を奏する。例えば、半導体モジュールが、オンチップ温度センサ6に代えて、半導体デバイス1内にもう1つのサーミスタを有する場合、制御IC10Aは、異なる2点のケース温度の温度差に基づいて、熱伝導性材料3の状態を判定する。
また、実施の形態1では、1つの制御IC10Aが、異なる2点の温度情報を記録し、熱伝導性材料3の状態を判定し、放熱環境の異常を判定し、判定フラグを切り替える機能を有するが、それらの機能が、複数の制御ICによって分割して実現されてもよい。
以上をまとめると、実施の形態1における半導体モジュールは、半導体デバイス1、熱伝導性材料3および制御部10(制御IC10A)を含む。熱伝導性材料3は、特定の温度で軟化または融解する性質を有し、かつ、半導体デバイス1の外面のうちヒートシンク2に実装可能な一面1Aに設けられている。制御部10(制御IC10A)は、半導体デバイス1における異なる2点の温度情報に基づいて、半導体デバイス1の一面1Aとヒートシンク2との間における熱伝導性材料3の状態を判定する。
このような半導体モジュールは、半導体デバイス1とヒートシンク2と間に設けられた熱伝導性材料3の状態を判定することを可能にする。例えば、半導体モジュールは、熱伝導性材料3が半導体デバイス1とヒートシンク2との間の空隙に充填されたことを判定できる。また、それにより、半導体モジュールは、半導体デバイス1における異なる2点の温度情報の初期値を定めることを可能とする。そして、熱伝導性材料3の特性変化またはポンピングアウトなど放熱環境の異常検出を可能にする。
また、温度情報に対応する異なる2点は、半導体デバイス1内であればその位置は限定されないため、半導体デバイス1の設計自由度が向上する。
また、実施の形態1における半導体モジュールの半導体デバイス1は、半導体チップ5、ケース9、一の温度センサ(オンチップ温度センサ6)および他の温度センサ(サーミスタ7)を含む。ケース9は、半導体チップ5を収容する。オンチップ温度センサ6は、半導体チップ5の温度であるチップ温度Tjを検知する。サーミスタ7は、ケース9内の温度であるケース温度Tcを検知する。異なる2点の温度情報は、チップ温度Tjとケース温度Tcとの温度差を含む。
このような半導体モジュールは、チップ温度Tjとケース温度Tcとに基づき熱伝導性材料3の状態を判定するため、その判定精度が向上する。
また、実施の形態1における半導体モジュールの制御部10は、半導体デバイス1に内蔵される制御IC10Aを含む。制御IC10Aは、異なる2点の温度情報に基づいて、熱伝導性材料3の状態を判定する。
このような半導体モジュールは、制御IC10Aが半導体デバイス1に内蔵されているため、別途、制御IC10Aの機能を有する装置等を準備する必要がない。また、当該機能を有する半導体モジュールをコンパクトに実現できる。
また、実施の形態1における半導体モジュールの制御部10は、熱伝導性材料3の状態を判定フラグによって判定する。
このような半導体モジュールは、判定フラグを使用することにより、熱伝導性材料3が半導体デバイス1とヒートシンク2との間の空隙に充填されてから、および半導体デバイス1の長期の使用によるグリースの流出または空冷ファンの停止など放熱環境の異常が発生するまでの、熱伝導性材料3の状態を判断することができる。
また、実施の形態1における半導体モジュールにおいて、異なる2点の温度情報は、異なる2点における温度差を含む。制御部10(制御IC10A)は、半導体デバイス1に通電が開始された後、温度差が、予め定められた時間、一定である場合に、熱伝導性材料3が半導体デバイス1とヒートシンク2との間の空隙に充填されたと判定する。
このような半導体モジュールは、熱伝導性材料3が半導体デバイス1とヒートシンク2との間の空隙に充填されたことを判定できる。また、それにより、半導体モジュールは、半導体デバイス1における異なる2点の温度情報の初期値を定めることを可能とする。そして、熱伝導性材料3の特性変化またはポンピングアウトなど放熱環境の異常検出を可能にする。
また、実施の形態1における半導体モジュールの評価方法は、半導体デバイス1を含む半導体モジュールの評価方法である。半導体モジュールの評価方法は、特定の温度で軟化または融解する性質を有し、かつ、半導体デバイス1の外面のうちヒートシンク2に実装可能な一面1Aに設けられた熱伝導性材料3を介して、半導体デバイス1をヒートシンク2に取り付け、半導体デバイス1における異なる2点の温度情報に基づいて、半導体デバイス1の一面1Aとヒートシンク2との間における熱伝導性材料3の状態を判定する。
このような半導体モジュールの評価方法は、半導体デバイス1とヒートシンク2と間に設けられた熱伝導性材料3の状態を判定することを可能にする。
また、実施の形態1における半導体モジュールの評価方法において、異なる2点の温度情報は、異なる2点における温度差を含む。半導体モジュールの評価方法は、半導体デバイス1に通電が開始された後、温度差が、予め定められた時間、一定である場合に、熱伝導性材料3が半導体デバイス1とヒートシンク2との間の空隙に充填されたと判定する。
このような半導体モジュールの評価方法は、熱伝導性材料3が半導体デバイス1とヒートシンク2との間の空隙に充填されたことを判定できる。また、それにより、半導体モジュールは、半導体デバイス1における異なる2点の温度情報の初期値を定めることを可能とする。そして、熱伝導性材料3の特性変化またはポンピングアウトなど放熱環境の異常検出を可能にする。
<実施の形態2>
実施の形態2における半導体モジュールおよび半導体モジュールの評価方法を説明する。なお、実施の形態1と同様の構成および動作については説明を省略する。
図5は、実施の形態2における半導体モジュールの構成を示す平面図である。実施の形態1において、制御部10の機能は、半導体デバイス1に内蔵された制御IC10Aによって実現されていたが、実施の形態2における制御部10の機能は、半導体デバイス1の外部に設けられた外部制御IC10Bによって実現される。
半導体デバイス1は、異なる2点の温度情報を外部制御IC10Bに出力する。例えば、半導体デバイス1の制御IC8が、オンチップ温度センサ6で検知されたチップ温度Tjおよびサーミスタ7で検知されたケース温度Tcを、外部制御IC10Bに出力する。外部制御IC10Bは、実施の形態1における制御IC10Aと同様に、異なる2点の温度情報に基づいて、熱伝導性材料3の状態を判定する。
このような半導体モジュールは、半導体デバイス1が制御部10の機能を内蔵する必要がないので、半導体デバイス1の構成を簡略化できる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、本発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、本発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
1 半導体デバイス、1A 一面、2 ヒートシンク、3 熱伝導性材料、4 ベース板、5 半導体チップ、6 オンチップ温度センサ、7 サーミスタ、9 ケース、10 制御部、10A 制御IC、10B 外部制御IC。

Claims (6)

  1. 半導体デバイスと、
    特定の温度で軟化または融解する性質を有し、かつ、前記半導体デバイスの外面のうちヒートシンクに実装可能な一面に設けられた熱伝導性材料と、
    前記半導体デバイスにおける異なる2点の温度情報に基づいて、前記半導体デバイスの前記一面と前記ヒートシンクとの間における前記熱伝導性材料の状態を判定する制御部と、を備え
    前記異なる2点の前記温度情報は、前記異なる2点における温度差を含み、
    前記制御部は、前記半導体デバイスに通電が開始された後、前記温度差が、予め定められた時間、一定である場合に、前記熱伝導性材料が前記半導体デバイスと前記ヒートシンクとの間の空隙に充填されたと判定する半導体モジュール。
  2. 前記半導体デバイスは、
    半導体チップと、
    前記半導体チップを収容するケースと、
    前記半導体チップの温度であるチップ温度を検知する一の温度センサと、
    前記ケース内の温度であるケース温度を検知する他の温度センサと、を含み、
    前記異なる2点の前記温度情報は、前記チップ温度と前記ケース温度との温度差を含む、請求項1に記載の半導体モジュール。
  3. 前記制御部は、前記半導体デバイスに内蔵される制御ICを含み、
    前記制御ICは、前記異なる2点の前記温度情報に基づいて、前記熱伝導性材料の前記状態を判定する、請求項1または請求項2に記載の半導体モジュール。
  4. 前記制御部は、前記半導体デバイスの外部に設けられた外部ICを含み、
    前記外部ICは、前記異なる2点の前記温度情報に基づいて、前記熱伝導性材料の前記状態を判定する、請求項1または請求項2に記載の半導体モジュール。
  5. 前記制御部は、前記熱伝導性材料の前記状態を判定フラグによって判定する、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  6. 半導体デバイスを含む半導体モジュールの評価方法であって、
    特定の温度で軟化または融解する性質を有し、かつ、前記半導体デバイスの外面のうちヒートシンクに実装可能な一面に設けられた熱伝導性材料を介して、前記半導体デバイスを前記ヒートシンクに取り付け、
    前記半導体デバイスにおける異なる2点の温度情報に基づいて、前記半導体デバイスの前記一面と前記ヒートシンクとの間における前記熱伝導性材料の状態を判定し、
    前記異なる2点の前記温度情報は、前記異なる2点における温度差を含み、
    前記半導体デバイスに通電が開始された後、前記温度差が、予め定められた時間、一定である場合に、前記熱伝導性材料が前記半導体デバイスと前記ヒートシンクとの間の空隙に充填されたと判定する、半導体モジュールの評価方法。
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