半導体モジュール及び半導体モジュールの内部状態検出方法
【課題】圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールにおいて、半導体モジュールの内部状態を検出する。
【解決手段】ＩＧＢＴ素子２、ＩＧＢＴ素子２の電極層と電気的に接続されるコレクタ電極端子３，エミッタ電極端子４を備えた半導体モジュール１において、ＩＧＢＴ素子２とエミッタ電極端子４との間にばね電極６を設ける。ばね電極６は、導電板部材８を折り返し、導電板部材８を折り返すことで形成される平板部８ｂ，８ｃ間に、板ばね５を挟持して構成される。さらに、ＩＧＢＴ素子２と対向する平板部８ｃに、検出電極７を設ける。そして、エミッタ電極端子４と検出電極７との間の電気的測定（若しくは、温度差測定）を行い、ばね電極６の破損を検出する。また、エミッタ電極端子４と検出電極７との間の電気抵抗率を測定し、ばね電極６またはＩＧＢＴ素子２近傍の温度を推定する。
【解決手段】ＩＧＢＴ素子２、ＩＧＢＴ素子２の電極層と電気的に接続されるコレクタ電極端子３，エミッタ電極端子４を備えた半導体モジュール１において、ＩＧＢＴ素子２とエミッタ電極端子４との間にばね電極６を設ける。ばね電極６は、導電板部材８を折り返し、導電板部材８を折り返すことで形成される平板部８ｂ，８ｃ間に、板ばね５を挟持して構成される。さらに、ＩＧＢＴ素子２と対向する平板部８ｃに、検出電極７を設ける。そして、エミッタ電極端子４と検出電極７との間の電気的測定（若しくは、温度差測定）を行い、ばね電極６の破損を検出する。また、エミッタ電極端子４と検出電極７との間の電気抵抗率を測定し、ばね電極６またはＩＧＢＴ素子２近傍の温度を推定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
代表的な絶縁形パワー半導体モジュールとして、インバータ等電力変換装置に用いられるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）モジュールがある。また、このＩＧＢＴモジュールに代表される「絶緑形パワー半導体モジュール」若しくは「Isolated power semiconductor devices」は、それぞれＪＥＣ−２４０７−２００７、ＩＥＣ６０７４７−１５にて規格が制定されている。
【０００３】
一般的な絶緑形パワー半導体モジュールにおいて、スイッチング素子であるＩＧＢＴやダイオード等の半導体素子は、半導体素子の下面に設けられた電極層がＤＢＣ（Direct Bond Copper）基板（或いはＤＣＢ基板）の銅回路箔上にはんだ付けされることにより、回路上に設けられる（例えば、非特許文献１）。ＤＢＣ基板とは、セラミックス等からなる絶縁板に銅回路箔を直接接合したものである。
【０００４】
半導体素子の上面に設けられる電極層は、超音波ボンディング等の方法によりアルミワイヤが接続されてＤＢＣ基板上の銅回路箔と電気的に結線される。そして、ＤＢＣ基板の銅回路箔から外部へ電気を接続するための銅端子（リードフレームやブスバー）がはんだ付け等により銅回路箔と接続される。さらに、この周りは（スーパー）エンジニアリングプラスチックのケースで囲まれ、その中を電気絶緑のためのシリコンゲル等が充填される。
【０００５】
近年、半導体素子の動作温度の高温化が進んでいる。動作温度が、１７５℃〜２００℃となると、この温度がはんだ材料の融点に近いため、従来のはんだ材料を用いることができない場合がある。そこで、はんだに置換する材料として、例えば、金属系高温はんだ（Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｕ）、化合物系高温はんだ（Ｓｎ−Ｃｕ）、低温焼結金属（Ａｇ粉、ｎａｎｏＡｇ）等が提案されている。また、次世代の半導体素子であるＳｉＣは、２５０〜３００℃での動作が報告されている。
【０００６】
はんだを用いた絶緑形パワー半導体モジュールの課題としては、以下の２つの課題がある。
１．ＲｏＨＳ（Restriction of Hazardous Substances）に対応するため、はんだの鉛フリー化
２．温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性の向上
はんだの鉛フリー化の課題に対しては、鉛フリーはんだを用いることやはんだを用いない半導体モジュール構造が検討されている。鉛フリーはんだ材料としては、例えば、上述のようなＳｎ−Ａｇ系やＳｎ−Ｃｕ系のものが検討されている。また、はんだを用いない半導体モジュール構造として平型圧接構造パッケージが提案されている（非特許文献１、２)。
【０００７】
一般的な平型圧接構造パッケージでは、半導体素子（例えば、ＩＧＢＴ、ダイオード）の端部に半導体素子及びコンタクト端子の位置決めをするガイドが設けられている。そして、半導体素子の上面電極層がコンタクト端子に接触した状態で半導体素子が基板（Ｍｏ基板やＤＢＣ基板等）上に設けられる。これらコンタクト端子と基板が半導体素子を押圧するように挟持して半導体モジュール内に備えられる。このように、平型圧接構造パッケージでは、圧接によりコンタクト端子と半導体素子との接続、及び半導体素子と基板との接続が行われる。
【０００８】
平型圧接構造パッケージは、平型構造であることから半導体素子を両面から冷却できる。さらに、圧接により半導体素子や電極端子等を接続するので、はんだを用いないで半導体素子が電気的、熱的に外部と接続できる。このため、一般的に平型圧接構造パッケージの両端をヒートシンクで圧接することで、平型圧接構造パッケージの両面を冷却するとともに、そのヒートシンクを導電部材として用いる。
【０００９】
平型圧接構造の半導体モジュールでは、圧接力が各半導体素子等に均等に掛かるように半導体モジュールを組み立てる必要がある。例えば、圧接は平型圧接構造パッケージの上下のヒートシンク間とを電気的に絶緑する必要があること、板バネで平型圧接構造パッケージを圧接するがこの設計の圧接力が平型圧接構造パッケージの電極ポストに均等に掛かるようにする必要がある。これらにはノウハウがあり、圧接が不良であった場合は半導体素子の破壊の原因となるおそれがある。なお、ヒートシンクと平型圧接構造パッケージの圧接は、主にユーザが実施する。また、回路を構成するのに、このヒートシンクや圧接のための板バネが小型化の妨げとなる等、使いこなすのには熟練が要求される。このことから平型圧接構造パッケージは限られた装置への適用となり、代わりに使い勝手の良い従来型の絶縁形パワー半導体モジュールが広く使われている。
【００１０】
また、温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性を向上させる課題に対しては、半導体モジュールを構成する各部材（半導体、金属、セラミックス等）の熱膨張率の違いより生じる課題を改善する必要がある（例えば、特許文献１、２）。すなわち、基板−銅ベース間、基板−銅端子間において、銅とセラミックスの熱膨張係数の差から間のはんだにせん断応力が働き、はんだに亀裂が生じて熱抵抗が増大したり端子が剥離したりするおそれがある。さらに、半導体素子−基板間のはんだにも亀裂が生じる場合がある。その他、半導体素子上のアルミワイヤの接続部でもアルミニウムと半導体素子の熱膨張の差で応力が発生してアルミワイヤが疲労破断する場合がある。
【００１１】
年々電力密度の増加に伴い、半導体素子上の電極とアルミワイヤ間等の接合温度が高くなることで、はんだのせん断応力、アルミワイヤの応力が大きくなってきている。これに対して熱膨張の影響が半導体モジュールの設計寿命に至るまでの期間に亘って顕在化しないように半導体モジュールの構造を設計する必要がある。ＳｉＣやＧａＮのような高温で使用できるワイドバンドキャップ半導体素子の出現により、さらに熱膨張の影響の低減が要求されている。
【００１２】
そこで、高信頼性、環境性、利便性を同時に実現するために、圧接のように、はんだ接合、あるいはワイヤーボンドを用いず、かつ使い勝手の良い絶縁形パワー半導体モジュールの実現が求められている。また、ＳｉＣ、ＧａＮなどの高温で使用可能な半導体素子の性能を活かす半導体モジュールとしても温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性が求められている。
【００１３】
つまり、平型圧接構造の半導体モジュールのように、圧接により半導体素子の電極層とこの電極層に接続される電極端子とを接続する半導体モジュールが、再び注目を集めている。平型圧接構造の半導体モジュール、特に、半導体モジュール内に弾性部材を設けて、電極端子と電極層とを圧接する半導体モジュールの場合、半導体モジュールの信頼性を向上させるために、弾性部材の状態（弾性部材近傍の温度や劣化等）を把握し、弾性部材の寿命を評価することが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平１１−１７０８７号公報
【特許文献２】特開２００４−３１９９９１号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】電気学会高性能高機能パワーデバイス・パワーＩＣ調査専門委員会、「パワーデバイス・パワーＩＣハンドブック」、コロナ社、１９９６年７月、ｐ２８９、ｐ３３６
【非特許文献２】森睦宏、関康和、「大容量ＩＧＢＴの最近の進歩」、電気学会誌、社団法人電気学会、１９９８年５月、Ｖｏｌ．１１８（５）、ｐｐ．２７４−２７７
【非特許文献３】平成２１年電気学会全国大会シンポジウム「半導体電力変換装置のパッケージング技術−実装における技術動向」、平成２１年電気学会全国大会講演論文集、社団法人電気学会、第４分冊、Ｓ２０（１５）−Ｓ２０（１８），４−Ｓ２０−５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、半導体モジュール内部の温度や半導体モジュールを構成する部品の状態を把握するために、半導体モジュール内部状態を把握するための部品点数を増加させると、半導体モジュールの構成が複雑となり、半導体モジュールの小型化の妨げとなるおそれが生じる。
【００１７】
上記事情に鑑みて、本発明は、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールにおいて、半導体モジュール内部の状態を把握し、半導体モジュールの信頼性の向上に貢献することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成する本発明の半導体モジュールは、半導体素子と、前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、前記半導体素子と前記電極端子間に設けられ、前記半導体素子を押圧する電極部材と、前記電極部材に設けられる検出電極と、を備えたことを特徴としている。
【００１９】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールは、上記半導体モジュールにおいて、前記電極部材は、導体平板を折り返し、この折り返した導体平板間に弾性部材を設けてなることを特徴としている。
【００２０】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールは、上記半導体モジュールにおいて、前記検出電極は、前記電極部材を押圧して設けられることを特徴としている。
【００２１】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールは、上記半導体モジュールにおいて、前記検出電極が前記電極部材を押圧する押圧力は、前記電極部材が前記半導体素子を押圧する押圧力の１０分の１以下であることを特徴としている。
【００２２】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールは、上記半導体モジュールにおいて、前記検出電極は、前記導体平板を折り返して形成される平板部のうち、前記電極端子が設けられる平板部と対向する平板部に設けられることを特徴としている。
【００２３】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールは、半導体素子と、前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、前記電極端子を前記半導体素子方向に押圧する電極部材と、前記電極部材に設けられる検出電極と、を備えたことを特徴としている。
【００２４】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの内部状態検出方法は、半導体素子と、前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、前記半導体素子と前記電極端子間に設けられ、前記半導体素子を押圧する電極部材と、前記電極部材に設けられる検出電極と、を備えた半導体モジュールの内部状態検出方法であって、前記電極部材と接続される電極端子と、前記検出電極との間の電気的性質の変化に基づいて、前記電極部材の異常を検出することを特徴としている。
【００２５】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの内部状態検出方法は、半導体素子と、前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、前記半導体素子と前記電極端子間に設けられ、前記半導体素子を押圧する電極部材と、前記電極部材に設けられる検出電極と、を備えた半導体モジュールの内部状態検出方法であって、前記電極部材と接続される電極端子と、前記検出電極との間の温度差に基づいて、前記電極部材の異常を検出することを特徴としている。
【００２６】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの内部状態検出方法は、半導体素子と、前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、前記半導体素子と前記電極端子間に設けられ、前記半導体素子を押圧する電極部材と、前記電極部材に設けられる検出電極と、を備えた半導体モジュールの内部状態検出方法であって、前記電極部材と接続される電極端子と、前記検出電極との間の電気抵抗率に基づいて、前記半導体素子近傍の温度を検出することを特徴としている。
【発明の効果】
【００２７】
以上の発明によれば、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールにおいて、半導体モジュール内部の状態を検出することができ、半導体モジュールの信頼性の向上に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態１に係る半導体モジュールの断面図である。
【図２】実施形態１に係る半導体モジュールの側面図である。
【図３】実施形態１に係る半導体モジュールに設けられるばね電極に作用する力を説明する説明図（断面図）である。
【図４】実施形態２に係る半導体モジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の実施形態に係る半導体モジュール及び半導体モジュールの内部状態検出方法について、図を参照して詳細に説明する。
【００３０】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１の断面図である。本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１は、ＩＧＢＴ素子２（半導体素子）、ＩＧＢＴ素子２の電極層と電気的に接続されるコレクタ電極端子３、ＩＧＢＴ素子２の電極層と電気的に接続されるエミッタ電極端子４、ばね電極６及び検出電極７より構成される。
【００３１】
ＩＧＢＴ素子２は、図１に示すように、コレクタ（カソード）電極端子３上にモリブデン製コンタクト電極９を介して設けられる。ＩＧＢＴ素子２には、図示省略するが、上面にエミッタ、ゲート（制御電極）が形成され、底面にコレクタが形成されている。つまり、コレクタ電極端子３は、コンタクト電極９を介してＩＧＢＴ素子２のコレクタと電気的に接続される。なお、実施形態の説明では、便宜上、上面及び底面とするが、上下方向は、本発明をなんら限定するものではない。また、ゲート（制御電極）と制御回路との接続については、従来の接続方法を用いればよいので図示省略する。
【００３２】
コレクタ電極端子３（及び、エミッタ電極端子４）は、周知の電極材料からなる電極端子を用いる。例えば、コレクタ電極端子３（及び、エミッタ電極端子４）の材料に銅等の熱伝導性の良い金属を用いると、半導体モジュール１（ＩＧＢＴ素子２）の放熱性が向上する。
【００３３】
ばね電極６は、コンタクト電極１０を介してＩＧＢＴ素子２のエミッタと接続され、ＩＧＢＴ素子２のエミッタと電気的に接続される。ばね電極６は、導電板部材８を折り返し、導電板部材８を折り返すことで形成される平板部８ｂ，８ｃ間に板ばね５を挟持して構成される。導電板部材８は、銅、アルミニウム等の導電材料より構成される。導電板部材８を折り返すことで、導電板部材８には、折り返し部８ａ及び、平板部８ｂ，８ｃが形成される。そして、この平板部８ｃがコンタクト電極１０と接するように、ばね電極６がコンタクト電極１０上に設けられる。
【００３４】
エミッタ電極端子４は、ばね電極６の平板部８ｂに設けられ、コンタクト電極１０、ばね電極６を介してＩＧＢＴ素子２のエミッタと電気的に接続される。
【００３５】
検出電極７は、ばね電極６のＩＧＢＴ素子２と対向する平板部８ｃの面を押圧するように設けられる。検出電極７が平板部８ｃを押圧する圧力を、ばね電極６がＩＧＢＴ素子２を押圧する圧力の１／１０以下とすると、検出電極７が平板部８ｃを押圧する押圧力が、ばね電極６によるＩＧＢＴ素子２の押圧を妨げない。検出電極７は、周知の電極材料からなる電極を用いるとよいが、検出電極７に、銅、アルミニウム等の弾性力のある材料を用いると、検出電極７が弾性変形するので、ばね電極６によるＩＧＢＴ素子２の押圧を妨げず好ましい。
【００３６】
検出電極７と平板部８ｃとの接触面積は、特に限定するものではなく、検出電極７と平板部８ｃとの接触が確保できる程度の面積があればよいので、検出電極７は、検出電極７とエミッタ電極端子４間の電気的測定（温度差測定）が行いやすい箇所に設置することができ、半導体モジュール１の小型化や組立て利便性を妨げない。
【００３７】
図２に示すように、検出電極７の一部は、ＩＧＢＴ素子２が格納される筺体１４から突出した状態で設けられ、筺体１４に接着剤等により固定される。このとき、検出電極７は、電気的な導通測定を行うための端子を当てることができる程度筺体１４から突出させればよい。さらに、コレクタ電極端子３、エミッタ電極端子４、及び制御用電極端子１６（ＩＧＢＴ素子２に設けられたゲート電極層、エミッタ電極層またはソース電極層と接続される電極端子）が筺体１４から突出して設けられる。コレクタ電極端子３及びエミッタ電極端子４は、図示省略の駆動回路に接続される。また、制御用電極端子１６は、ＩＧＢＴ素子２を制御する図示省略の制御回路と接続される。
【００３８】
測定手段１５は、検出電極７と、エミッタ電極端子４（ばね電極６を介して検出電極７と対向して設けられる電極端子）との電気的測定（若しくは、温度差測定）を行う。測定手段１５が、ばね電極６とエミッタ電極端子４との間の電気抵抗測定を行う場合には、測定手段１５は、電圧印加手段と電流検出手段を備える。また、測定手段１５が、ばね電極６とエミッタ電極端子４との間の誘電率を測定する時には、測定手段１５は、電圧印加手段と電荷測定手段（電位測定手段）とを備える。また、測定手段１５が、ばね電極６とエミッタ電極端子４との間の温度差を測定する時には、測定手段１５は、熱電対等の温度差測定手段から構成される。
【００３９】
図１に示すように、コレクタ電極端子３とエミッタ電極端子４を、ＩＧＢＴ素子２方向に押圧するように、コレクタ電極端子３とエミッタ電極端子４のそれぞれに絶縁板１３，１３を介して冷却板１１，１２が設けられる。この冷却板１１，１２は、コレクタ電極端子３とエミッタ電極端子４をＩＧＢＴ素子２方向に押圧した状態で固定される。そして、図示省略の筺体１４に冷却板１１，１２に挟持されたＩＧＢＴ素子２が収納され、筺体１４内に窒素が封入される。
【００４０】
冷却板１１，１２は、銅、アルミニウム等の金属板や熱伝導性の高いセラミックス板が用いられる。この冷却板１１，１２にヒートシンクを接続したり、冷却板１１，１２に直接冷却媒体（気体または液体）を接触させたりすることで半導体モジュール１を冷却する。また、絶縁板１３，１３を設けず、冷却板１１，１２を半導体モジュール１の外部回路と接続される外部接続用電極として用いることも可能である。
【００４１】
上記構成からなる半導体モジュール１は、コレクタ電極端子３とエミッタ電極端子４をＩＧＢＴ素子２方向に押圧するように冷却板１１，１２が設けられるので、ばね電極６の板ばね５に弾性エネルギーが蓄積される。ばね電極６は、板ばね５の弾性力により、エミッタ電極端子４と絶縁板１３とを冷却板１２方向に押圧し、コンタクト電極１０をＩＧＢＴ素子２（ＩＧＢＴ素子２のエミッタ）方向に押圧する。また、ばね電極６の押圧により、コレクタ電極端子３及び絶縁板１３は冷却板１１方向に押圧され、この押圧する力の反力によりコレクタ電極端子３がコンタクト電極９をＩＧＢＴ素子２（ＩＧＢＴ素子２のコレクタ）方向に押圧する。このように、半導体モジュール１内部で各部材を押圧する力のバランスが保たれ、各部材間に適当な圧接力が働く。
【００４２】
図３に示すように、ばね電極６は、上部と下部から加圧する力が作用する。ばね電極６の折り返し部８ａは、板ばね５の弾性変形に伴う応力が集中しやすい。この力が、ばね電極６の折り返し部８ａに集中すると、折り返し部８ａが破損（例えば、Ｕ字状の折り返し部８ａが塑性変形してＶ字状に変形する等）するおそれがある。そこで、実施形態に係る半導体モジュール１では、図２に示すように、検出電極７とエミッタ電極端子４間の電気抵抗測定、誘電率測定または温度差測定を行う測定手段１５を備え、この測定手段１５の測定値の変化に基づいて、半導体モジュール１の内部状態の変化（折り返し部８ａの破損またはＩＧＢＴ素子２近傍の温度変化等）を検出する。
【００４３】
本発明の実施形態に係る半導体モジュール１の内部状態検出方法について、具体的な例（１）ばね電極６の破損を検出する例、（２）ＩＧＢＴ素子２近傍の温度を測定する例、を挙げて説明する。
【００４４】
（１）ばね電極６の破損検出
図２に示す半導体モジュール１において、半導体モジュール１の内部状態を検出する場合、測定手段１５は、エミッタ電極端子４と検出電極７との間の電気的性質（若しくは、温度差）を測定する。
【００４５】
図１に示すように、検出電極７は、ばね電極６の平板部８ｃを押圧した状態で設けられているので、ばね電極６に異常が生じた場合（例えば、折り返し部８ａが破損した、若しくはばね電極６の位置がずれた等の理由によりばね電極６がＩＧＢＴ素子２を予め設計された圧力で押圧できない場合）、検出電極７とばね電極６間の接触強度が変化する。したがって、検出電極７とエミッタ電極端子４間の電気抵抗や誘電率を測定し、この測定値が変化した場合、ばね電極６の異常を検出（折り返し部８ａが破損したと判断）することができる。なお、ばね電極６に異常が生じた場合、検出電極７とばね電極６との熱接触が弱くなるので、検出電極６とエミッタ電極端子４間の温度差を測定し、測定された温度差が予め定められたしきい値を超えた場合に、ばね電極６になんらかの異常が生じたと判断することもできる。
【００４６】
（２）ＩＧＢＴ素子２近傍の温度測定
図２に示す半導体モジュール１において、半導体モジュール１に備えられるＩＧＢＴ素子２の近傍の温度を検出する場合、測定手段１５は、検出電極７とエミッタ電極端子４との間の電気抵抗率を測定する。ばね電極６を構成する導電板部材８が銅である場合、銅の電気抵抗率は、０℃で１．５５×１０-8Ω・ｍであり、３００℃で３．６×１０-8Ω・ｍとなる（理科年表（平成２２年）、国立天文台編、丸善、２００９年１１月３０日発行）。つまり、０℃から３００℃の温度範囲で、導電板部材８の電気抵抗率はほぼ２倍となる。よって、検出電極７とエミッタ電極端子４間の電気抵抗率を測定することで、ＩＧＢＴ素子２の近傍の温度を推定することができる。
【００４７】
すなわち、ばね電極６を構成する材料（主に、導電板部材８の材質）の温度による電気抵抗率の変化を予め把握しておくことで、導電板部材８が銅でない場合（アルミニウム等の金属で構成された場合）においても、測定手段１５は、検出電極７とエミッタ電極端子４間の電気抵抗率に基づいて、ＩＧＢＴ素子２近傍の温度を推定することができる。
【００４８】
また、ばね電極６の寿命は、ＩＧＢＴ素子２からの発熱量に大きく依存する。よって、ばね電極６の温度やＩＧＢＴ素子２近傍の温度をモニタすることで、ばね電極６の寿命を推定することができる。
【００４９】
一般に、１ｍｍ3より小型の温度センサとして、半導体温度センサがある。この半導体温度センサを半導体モジュール内に設置すると配線の引き回しをする必要があり、配線が困難となる。一方、本発明の実施形態に係る半導体モジュール１の内部状態検出方法によれば、筺体１４から突出する検出電極７を一つ設けるだけで、ＩＧＢＴ素子２近傍の温度を検出することができる。
【００５０】
（実施形態２）
本発明の実施形態２に係る半導体モジュール及び半導体モジュールの内部状態検出方法について、図４を参照して詳細に説明する。なお、実施形態２に係る半導体モジュール１７は、実施形態１に係る半導体モジュール１において、モジュール内に設けられるばね電極６の位置が異なるものである。よって、実施形態２に係る半導体モジュール１７において、実施形態１に係る半導体モジュール１と同様の構成については、同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。また、実施形態２に係る半導体モジュールの内部状態検出方法は、実施形態１に係る半導体モジュール１と同様に、検出電極７と、ばね電極６に接続される電極端子（エミッタ電極端子４）との間の電気的測定（温度差測定）を測定手段１５で行うことにより、半導体モジュール１７内部の状態を検出するものである。よって、実施形態２に係る半導体モジュール１７の内部状態検出方法の詳細な説明は省略する。
【００５１】
図４は、本発明の実施形態２に係る半導体モジュール１７の断面図である。本発明の実施形態２に係る半導体モジュール１７は、ＩＧＢＴ素子２（半導体素子）、ＩＧＢＴ素子２の電極層と電気的に接続されるコレクタ電極端子３、ＩＧＢＴ素子２の電極層と電気的に接続されるエミッタ電極端子４、ばね電極６及び検出電極７より構成される。
【００５２】
ＩＧＢＴ素子２は、コレクタ（カソード）電極端子３上にモリブデン製コンタクト電極９を介して設けられ、ＩＧＢＴ素子２のコレクタと電気的に接続される。
【００５３】
エミッタ電極端子４は、コンタクト電極１０を介してＩＧＢＴ素子２のエミッタと接続され、ＩＧＢＴ素子２のエミッタと電気的に接続される。
【００５４】
ばね電極６は、エミッタ電極端子４上に設けられる。さらに、コレクタ電極端子３とばね電極６を、ＩＧＢＴ素子２方向に押圧するように、コレクタ電極端子３とばね電極６のそれぞれに絶縁板１３，１３を介して冷却板１１，１２が設けられる。つまり、冷却板１１，１２は、コレクタ電極端子３とばね電極６をＩＧＢＴ素子２方向に押圧した状態で固定される。その結果、ばね電極６が、エミッタ電極端子４をＩＧＢＴ素子２方向に押圧した状態で半導体モジュール１７に設けられる。そして、図示省略の筺体に冷却板１１，１２に挟持されたＩＧＢＴ素子２が収納され、筺体内に窒素が封入される。
【００５５】
検出電極７は、ばね電極６を構成する導体平板８を折り返して形成される平板部８ｂ，８ｃのうち、エミッタ電極端子４に接続される平板部８ｃと対向する平板部８ｂに設けられる。
【００５６】
上記構成からなる実施形態２に係る半導体モジュール１７においても、実施形態１に係る半導体モジュール１と同様に、測定手段１５で、検出電極７とエミッタ電極端子４間の電気的測定（若しくは、温度差測定）を行うことにより、半導体モジュール１７の内部状態（電極部材の異常や電極部材の寿命等）を把握することができる。
【００５７】
以上のように、本発明の半導体モジュールによれば、半導体素子が、筺体に格納される等の理由により、目視により半導体モジュール内部の様子を判断できない場合でも、半導体モジュールの内部状態（電極部材の状態や半導体素子近傍の温度等）を検出することができる。そして、半導体モジュールの内部状態（電極部材の異常や電極部材の寿命等）を把握することで、半導体モジュールの信頼性を向上させることができる。
【００５８】
また、半導体素子の近傍の温度を検出することにより、半導体素子の制御電極層に接続される制御電極端子の寿命推定を行うことができる。特に、半導体素子（の制御電極層）と接続される制御用電極端子の接続部が弾性体で形成されている場合、制御用電極端子の接続部は、電極部材と同様に、半導体素子から発生する熱による応力歪の影響を受けやすい。ゆえに、半導体素子の近傍の温度を検出することによって、電極部材だけでなく制御用電極端子の状態を把握することも可能となる。
【００５９】
また、電極部材に異常が生じた場合、電極部材が半導体素子（または検出電極）を押圧する圧力は減少する傾向にある。そこで、電極部材面を押圧するように検出電極を設けることで、検出電極と電極部材の接触強度の変化を検出電極とエミッタ電極端子間の電気的測定値（温度差測定値）の変化として、より感度良く把握することができる。
【００６０】
また、弾性部材を導電板部材で包んで電極部材を構成することで、半導体素子で発生した熱が導電板部材において拡散するので、半導体モジュールの放熱性が向上する。よって、ＳｉＣ、ＧａＮなどの高温で使用可能な半導体素子の性能を生かす半導体モジュールにおいて、温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性を向上させることができる。
【００６１】
その結果、電極部材の弾性力により半導体モジュールに備えられる各部材を圧接する半導体モジュールの温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性が向上する。つまり、はんだ接合あるいはワイヤーボンドを用いず、かつ使い勝手の良い絶縁形パワー半導体モジュールを得ることができ、半導体モジュールの高信頼性、環境性、利便性を同時に実現することができる。
【００６２】
なお、本発明の半導体モジュール及び半導体モジュールの内部状態検出方法は、上述した実施形態に限らず、本発明の特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、そのように変更された形態も本発明に係る半導体モジュール及び半導体モジュールの内部状態検出方法である。
【００６３】
例えば、実施形態ではＩＧＢＴ素子を備えた平型圧接構造の半導体モジュールを例示して説明したが、半導体モジュールに備えられる半導体素子は、ＩＧＢＴ素子に限定されるものでなく、サイリスタ（ＧＴＯサイリスタ等）、トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ等）、ＦＷＤ素子等の半導体素子を適宜選択して用いることができる。
【００６４】
また、弾性部材は、板ばね５に限定されるものではなく、皿ばね、波板ばね、凸ばね、メッシュばね等を用いることができる。また、導電板部材８の折り返し部８ａはＵ字状に折り返す形態の他に、導電板部材８の両端を折り返す形態等、板ばね５を挟持できる形態であればどのように折り返してもよい。また、平板部８ｂ，８ｃと板ばね５との間に、それぞれステンレス板、モリブデン（Ｍｏ）板、タングステン（Ｗ）板等、既知の硬い金属からなる分散板（図示省略）を設けることで、板ばね５の押圧力を分散させ、ばね電極６の押圧力をより均一にＩＧＢＴ素子２に作用させることができる。
【００６５】
また、電極部材は、半導体モジュール内に設けられ、半導体素子（または、電極端子）を押圧するものであれば、ばね電極の形状に限定されるものではない。
【００６６】
また、ばね電極６をＩＧＢＴ素子２とコレクタ電極端子３との間に（若しくは、コレクタ電極端子３をＩＧＢＴ素子２に押圧するように）設けた場合には、測定手段１５は、検出電極７とコレクタ電極端子３との間の電気的測定（若しくは、温度差測定）を行うことで、実施形態と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００６７】
１，１７…半導体モジュール
２…ＩＧＢＴ素子（半導体素子）
３…コレクタ電極端子（電極端子）
４…エミッタ電極端子（電極端子）
５…板ばね（弾性部材）
６…ばね電極（電極部材）
７…検出電極
８…導電板部材（導体平板）
８ａ…折り返し部
８ｂ，８ｃ…平板部
１５…測定手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
代表的な絶縁形パワー半導体モジュールとして、インバータ等電力変換装置に用いられるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）モジュールがある。また、このＩＧＢＴモジュールに代表される「絶緑形パワー半導体モジュール」若しくは「Isolated power semiconductor devices」は、それぞれＪＥＣ−２４０７−２００７、ＩＥＣ６０７４７−１５にて規格が制定されている。
【０００３】
一般的な絶緑形パワー半導体モジュールにおいて、スイッチング素子であるＩＧＢＴやダイオード等の半導体素子は、半導体素子の下面に設けられた電極層がＤＢＣ（Direct Bond Copper）基板（或いはＤＣＢ基板）の銅回路箔上にはんだ付けされることにより、回路上に設けられる（例えば、非特許文献１）。ＤＢＣ基板とは、セラミックス等からなる絶縁板に銅回路箔を直接接合したものである。
【０００４】
半導体素子の上面に設けられる電極層は、超音波ボンディング等の方法によりアルミワイヤが接続されてＤＢＣ基板上の銅回路箔と電気的に結線される。そして、ＤＢＣ基板の銅回路箔から外部へ電気を接続するための銅端子（リードフレームやブスバー）がはんだ付け等により銅回路箔と接続される。さらに、この周りは（スーパー）エンジニアリングプラスチックのケースで囲まれ、その中を電気絶緑のためのシリコンゲル等が充填される。
【０００５】
近年、半導体素子の動作温度の高温化が進んでいる。動作温度が、１７５℃〜２００℃となると、この温度がはんだ材料の融点に近いため、従来のはんだ材料を用いることができない場合がある。そこで、はんだに置換する材料として、例えば、金属系高温はんだ（Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｕ）、化合物系高温はんだ（Ｓｎ−Ｃｕ）、低温焼結金属（Ａｇ粉、ｎａｎｏＡｇ）等が提案されている。また、次世代の半導体素子であるＳｉＣは、２５０〜３００℃での動作が報告されている。
【０００６】
はんだを用いた絶緑形パワー半導体モジュールの課題としては、以下の２つの課題がある。
１．ＲｏＨＳ（Restriction of Hazardous Substances）に対応するため、はんだの鉛フリー化
２．温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性の向上
はんだの鉛フリー化の課題に対しては、鉛フリーはんだを用いることやはんだを用いない半導体モジュール構造が検討されている。鉛フリーはんだ材料としては、例えば、上述のようなＳｎ−Ａｇ系やＳｎ−Ｃｕ系のものが検討されている。また、はんだを用いない半導体モジュール構造として平型圧接構造パッケージが提案されている（非特許文献１、２)。
【０００７】
一般的な平型圧接構造パッケージでは、半導体素子（例えば、ＩＧＢＴ、ダイオード）の端部に半導体素子及びコンタクト端子の位置決めをするガイドが設けられている。そして、半導体素子の上面電極層がコンタクト端子に接触した状態で半導体素子が基板（Ｍｏ基板やＤＢＣ基板等）上に設けられる。これらコンタクト端子と基板が半導体素子を押圧するように挟持して半導体モジュール内に備えられる。このように、平型圧接構造パッケージでは、圧接によりコンタクト端子と半導体素子との接続、及び半導体素子と基板との接続が行われる。
【０００８】
平型圧接構造パッケージは、平型構造であることから半導体素子を両面から冷却できる。さらに、圧接により半導体素子や電極端子等を接続するので、はんだを用いないで半導体素子が電気的、熱的に外部と接続できる。このため、一般的に平型圧接構造パッケージの両端をヒートシンクで圧接することで、平型圧接構造パッケージの両面を冷却するとともに、そのヒートシンクを導電部材として用いる。
【０００９】
平型圧接構造の半導体モジュールでは、圧接力が各半導体素子等に均等に掛かるように半導体モジュールを組み立てる必要がある。例えば、圧接は平型圧接構造パッケージの上下のヒートシンク間とを電気的に絶緑する必要があること、板バネで平型圧接構造パッケージを圧接するがこの設計の圧接力が平型圧接構造パッケージの電極ポストに均等に掛かるようにする必要がある。これらにはノウハウがあり、圧接が不良であった場合は半導体素子の破壊の原因となるおそれがある。なお、ヒートシンクと平型圧接構造パッケージの圧接は、主にユーザが実施する。また、回路を構成するのに、このヒートシンクや圧接のための板バネが小型化の妨げとなる等、使いこなすのには熟練が要求される。このことから平型圧接構造パッケージは限られた装置への適用となり、代わりに使い勝手の良い従来型の絶縁形パワー半導体モジュールが広く使われている。
【００１０】
また、温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性を向上させる課題に対しては、半導体モジュールを構成する各部材（半導体、金属、セラミックス等）の熱膨張率の違いより生じる課題を改善する必要がある（例えば、特許文献１、２）。すなわち、基板−銅ベース間、基板−銅端子間において、銅とセラミックスの熱膨張係数の差から間のはんだにせん断応力が働き、はんだに亀裂が生じて熱抵抗が増大したり端子が剥離したりするおそれがある。さらに、半導体素子−基板間のはんだにも亀裂が生じる場合がある。その他、半導体素子上のアルミワイヤの接続部でもアルミニウムと半導体素子の熱膨張の差で応力が発生してアルミワイヤが疲労破断する場合がある。
【００１１】
年々電力密度の増加に伴い、半導体素子上の電極とアルミワイヤ間等の接合温度が高くなることで、はんだのせん断応力、アルミワイヤの応力が大きくなってきている。これに対して熱膨張の影響が半導体モジュールの設計寿命に至るまでの期間に亘って顕在化しないように半導体モジュールの構造を設計する必要がある。ＳｉＣやＧａＮのような高温で使用できるワイドバンドキャップ半導体素子の出現により、さらに熱膨張の影響の低減が要求されている。
【００１２】
そこで、高信頼性、環境性、利便性を同時に実現するために、圧接のように、はんだ接合、あるいはワイヤーボンドを用いず、かつ使い勝手の良い絶縁形パワー半導体モジュールの実現が求められている。また、ＳｉＣ、ＧａＮなどの高温で使用可能な半導体素子の性能を活かす半導体モジュールとしても温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性が求められている。
【００１３】
つまり、平型圧接構造の半導体モジュールのように、圧接により半導体素子の電極層とこの電極層に接続される電極端子とを接続する半導体モジュールが、再び注目を集めている。平型圧接構造の半導体モジュール、特に、半導体モジュール内に弾性部材を設けて、電極端子と電極層とを圧接する半導体モジュールの場合、半導体モジュールの信頼性を向上させるために、弾性部材の状態（弾性部材近傍の温度や劣化等）を把握し、弾性部材の寿命を評価することが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平１１−１７０８７号公報
【特許文献２】特開２００４−３１９９９１号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】電気学会高性能高機能パワーデバイス・パワーＩＣ調査専門委員会、「パワーデバイス・パワーＩＣハンドブック」、コロナ社、１９９６年７月、ｐ２８９、ｐ３３６
【非特許文献２】森睦宏、関康和、「大容量ＩＧＢＴの最近の進歩」、電気学会誌、社団法人電気学会、１９９８年５月、Ｖｏｌ．１１８（５）、ｐｐ．２７４−２７７
【非特許文献３】平成２１年電気学会全国大会シンポジウム「半導体電力変換装置のパッケージング技術−実装における技術動向」、平成２１年電気学会全国大会講演論文集、社団法人電気学会、第４分冊、Ｓ２０（１５）−Ｓ２０（１８），４−Ｓ２０−５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、半導体モジュール内部の温度や半導体モジュールを構成する部品の状態を把握するために、半導体モジュール内部状態を把握するための部品点数を増加させると、半導体モジュールの構成が複雑となり、半導体モジュールの小型化の妨げとなるおそれが生じる。
【００１７】
上記事情に鑑みて、本発明は、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールにおいて、半導体モジュール内部の状態を把握し、半導体モジュールの信頼性の向上に貢献することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成する本発明の半導体モジュールは、半導体素子と、前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、前記半導体素子と前記電極端子間に設けられ、前記半導体素子を押圧する電極部材と、前記電極部材に設けられる検出電極と、を備えたことを特徴としている。
【００１９】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールは、上記半導体モジュールにおいて、前記電極部材は、導体平板を折り返し、この折り返した導体平板間に弾性部材を設けてなることを特徴としている。
【００２０】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールは、上記半導体モジュールにおいて、前記検出電極は、前記電極部材を押圧して設けられることを特徴としている。
【００２１】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールは、上記半導体モジュールにおいて、前記検出電極が前記電極部材を押圧する押圧力は、前記電極部材が前記半導体素子を押圧する押圧力の１０分の１以下であることを特徴としている。
【００２２】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールは、上記半導体モジュールにおいて、前記検出電極は、前記導体平板を折り返して形成される平板部のうち、前記電極端子が設けられる平板部と対向する平板部に設けられることを特徴としている。
【００２３】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールは、半導体素子と、前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、前記電極端子を前記半導体素子方向に押圧する電極部材と、前記電極部材に設けられる検出電極と、を備えたことを特徴としている。
【００２４】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの内部状態検出方法は、半導体素子と、前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、前記半導体素子と前記電極端子間に設けられ、前記半導体素子を押圧する電極部材と、前記電極部材に設けられる検出電極と、を備えた半導体モジュールの内部状態検出方法であって、前記電極部材と接続される電極端子と、前記検出電極との間の電気的性質の変化に基づいて、前記電極部材の異常を検出することを特徴としている。
【００２５】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの内部状態検出方法は、半導体素子と、前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、前記半導体素子と前記電極端子間に設けられ、前記半導体素子を押圧する電極部材と、前記電極部材に設けられる検出電極と、を備えた半導体モジュールの内部状態検出方法であって、前記電極部材と接続される電極端子と、前記検出電極との間の温度差に基づいて、前記電極部材の異常を検出することを特徴としている。
【００２６】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの内部状態検出方法は、半導体素子と、前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、前記半導体素子と前記電極端子間に設けられ、前記半導体素子を押圧する電極部材と、前記電極部材に設けられる検出電極と、を備えた半導体モジュールの内部状態検出方法であって、前記電極部材と接続される電極端子と、前記検出電極との間の電気抵抗率に基づいて、前記半導体素子近傍の温度を検出することを特徴としている。
【発明の効果】
【００２７】
以上の発明によれば、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールにおいて、半導体モジュール内部の状態を検出することができ、半導体モジュールの信頼性の向上に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態１に係る半導体モジュールの断面図である。
【図２】実施形態１に係る半導体モジュールの側面図である。
【図３】実施形態１に係る半導体モジュールに設けられるばね電極に作用する力を説明する説明図（断面図）である。
【図４】実施形態２に係る半導体モジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の実施形態に係る半導体モジュール及び半導体モジュールの内部状態検出方法について、図を参照して詳細に説明する。
【００３０】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１の断面図である。本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１は、ＩＧＢＴ素子２（半導体素子）、ＩＧＢＴ素子２の電極層と電気的に接続されるコレクタ電極端子３、ＩＧＢＴ素子２の電極層と電気的に接続されるエミッタ電極端子４、ばね電極６及び検出電極７より構成される。
【００３１】
ＩＧＢＴ素子２は、図１に示すように、コレクタ（カソード）電極端子３上にモリブデン製コンタクト電極９を介して設けられる。ＩＧＢＴ素子２には、図示省略するが、上面にエミッタ、ゲート（制御電極）が形成され、底面にコレクタが形成されている。つまり、コレクタ電極端子３は、コンタクト電極９を介してＩＧＢＴ素子２のコレクタと電気的に接続される。なお、実施形態の説明では、便宜上、上面及び底面とするが、上下方向は、本発明をなんら限定するものではない。また、ゲート（制御電極）と制御回路との接続については、従来の接続方法を用いればよいので図示省略する。
【００３２】
コレクタ電極端子３（及び、エミッタ電極端子４）は、周知の電極材料からなる電極端子を用いる。例えば、コレクタ電極端子３（及び、エミッタ電極端子４）の材料に銅等の熱伝導性の良い金属を用いると、半導体モジュール１（ＩＧＢＴ素子２）の放熱性が向上する。
【００３３】
ばね電極６は、コンタクト電極１０を介してＩＧＢＴ素子２のエミッタと接続され、ＩＧＢＴ素子２のエミッタと電気的に接続される。ばね電極６は、導電板部材８を折り返し、導電板部材８を折り返すことで形成される平板部８ｂ，８ｃ間に板ばね５を挟持して構成される。導電板部材８は、銅、アルミニウム等の導電材料より構成される。導電板部材８を折り返すことで、導電板部材８には、折り返し部８ａ及び、平板部８ｂ，８ｃが形成される。そして、この平板部８ｃがコンタクト電極１０と接するように、ばね電極６がコンタクト電極１０上に設けられる。
【００３４】
エミッタ電極端子４は、ばね電極６の平板部８ｂに設けられ、コンタクト電極１０、ばね電極６を介してＩＧＢＴ素子２のエミッタと電気的に接続される。
【００３５】
検出電極７は、ばね電極６のＩＧＢＴ素子２と対向する平板部８ｃの面を押圧するように設けられる。検出電極７が平板部８ｃを押圧する圧力を、ばね電極６がＩＧＢＴ素子２を押圧する圧力の１／１０以下とすると、検出電極７が平板部８ｃを押圧する押圧力が、ばね電極６によるＩＧＢＴ素子２の押圧を妨げない。検出電極７は、周知の電極材料からなる電極を用いるとよいが、検出電極７に、銅、アルミニウム等の弾性力のある材料を用いると、検出電極７が弾性変形するので、ばね電極６によるＩＧＢＴ素子２の押圧を妨げず好ましい。
【００３６】
検出電極７と平板部８ｃとの接触面積は、特に限定するものではなく、検出電極７と平板部８ｃとの接触が確保できる程度の面積があればよいので、検出電極７は、検出電極７とエミッタ電極端子４間の電気的測定（温度差測定）が行いやすい箇所に設置することができ、半導体モジュール１の小型化や組立て利便性を妨げない。
【００３７】
図２に示すように、検出電極７の一部は、ＩＧＢＴ素子２が格納される筺体１４から突出した状態で設けられ、筺体１４に接着剤等により固定される。このとき、検出電極７は、電気的な導通測定を行うための端子を当てることができる程度筺体１４から突出させればよい。さらに、コレクタ電極端子３、エミッタ電極端子４、及び制御用電極端子１６（ＩＧＢＴ素子２に設けられたゲート電極層、エミッタ電極層またはソース電極層と接続される電極端子）が筺体１４から突出して設けられる。コレクタ電極端子３及びエミッタ電極端子４は、図示省略の駆動回路に接続される。また、制御用電極端子１６は、ＩＧＢＴ素子２を制御する図示省略の制御回路と接続される。
【００３８】
測定手段１５は、検出電極７と、エミッタ電極端子４（ばね電極６を介して検出電極７と対向して設けられる電極端子）との電気的測定（若しくは、温度差測定）を行う。測定手段１５が、ばね電極６とエミッタ電極端子４との間の電気抵抗測定を行う場合には、測定手段１５は、電圧印加手段と電流検出手段を備える。また、測定手段１５が、ばね電極６とエミッタ電極端子４との間の誘電率を測定する時には、測定手段１５は、電圧印加手段と電荷測定手段（電位測定手段）とを備える。また、測定手段１５が、ばね電極６とエミッタ電極端子４との間の温度差を測定する時には、測定手段１５は、熱電対等の温度差測定手段から構成される。
【００３９】
図１に示すように、コレクタ電極端子３とエミッタ電極端子４を、ＩＧＢＴ素子２方向に押圧するように、コレクタ電極端子３とエミッタ電極端子４のそれぞれに絶縁板１３，１３を介して冷却板１１，１２が設けられる。この冷却板１１，１２は、コレクタ電極端子３とエミッタ電極端子４をＩＧＢＴ素子２方向に押圧した状態で固定される。そして、図示省略の筺体１４に冷却板１１，１２に挟持されたＩＧＢＴ素子２が収納され、筺体１４内に窒素が封入される。
【００４０】
冷却板１１，１２は、銅、アルミニウム等の金属板や熱伝導性の高いセラミックス板が用いられる。この冷却板１１，１２にヒートシンクを接続したり、冷却板１１，１２に直接冷却媒体（気体または液体）を接触させたりすることで半導体モジュール１を冷却する。また、絶縁板１３，１３を設けず、冷却板１１，１２を半導体モジュール１の外部回路と接続される外部接続用電極として用いることも可能である。
【００４１】
上記構成からなる半導体モジュール１は、コレクタ電極端子３とエミッタ電極端子４をＩＧＢＴ素子２方向に押圧するように冷却板１１，１２が設けられるので、ばね電極６の板ばね５に弾性エネルギーが蓄積される。ばね電極６は、板ばね５の弾性力により、エミッタ電極端子４と絶縁板１３とを冷却板１２方向に押圧し、コンタクト電極１０をＩＧＢＴ素子２（ＩＧＢＴ素子２のエミッタ）方向に押圧する。また、ばね電極６の押圧により、コレクタ電極端子３及び絶縁板１３は冷却板１１方向に押圧され、この押圧する力の反力によりコレクタ電極端子３がコンタクト電極９をＩＧＢＴ素子２（ＩＧＢＴ素子２のコレクタ）方向に押圧する。このように、半導体モジュール１内部で各部材を押圧する力のバランスが保たれ、各部材間に適当な圧接力が働く。
【００４２】
図３に示すように、ばね電極６は、上部と下部から加圧する力が作用する。ばね電極６の折り返し部８ａは、板ばね５の弾性変形に伴う応力が集中しやすい。この力が、ばね電極６の折り返し部８ａに集中すると、折り返し部８ａが破損（例えば、Ｕ字状の折り返し部８ａが塑性変形してＶ字状に変形する等）するおそれがある。そこで、実施形態に係る半導体モジュール１では、図２に示すように、検出電極７とエミッタ電極端子４間の電気抵抗測定、誘電率測定または温度差測定を行う測定手段１５を備え、この測定手段１５の測定値の変化に基づいて、半導体モジュール１の内部状態の変化（折り返し部８ａの破損またはＩＧＢＴ素子２近傍の温度変化等）を検出する。
【００４３】
本発明の実施形態に係る半導体モジュール１の内部状態検出方法について、具体的な例（１）ばね電極６の破損を検出する例、（２）ＩＧＢＴ素子２近傍の温度を測定する例、を挙げて説明する。
【００４４】
（１）ばね電極６の破損検出
図２に示す半導体モジュール１において、半導体モジュール１の内部状態を検出する場合、測定手段１５は、エミッタ電極端子４と検出電極７との間の電気的性質（若しくは、温度差）を測定する。
【００４５】
図１に示すように、検出電極７は、ばね電極６の平板部８ｃを押圧した状態で設けられているので、ばね電極６に異常が生じた場合（例えば、折り返し部８ａが破損した、若しくはばね電極６の位置がずれた等の理由によりばね電極６がＩＧＢＴ素子２を予め設計された圧力で押圧できない場合）、検出電極７とばね電極６間の接触強度が変化する。したがって、検出電極７とエミッタ電極端子４間の電気抵抗や誘電率を測定し、この測定値が変化した場合、ばね電極６の異常を検出（折り返し部８ａが破損したと判断）することができる。なお、ばね電極６に異常が生じた場合、検出電極７とばね電極６との熱接触が弱くなるので、検出電極６とエミッタ電極端子４間の温度差を測定し、測定された温度差が予め定められたしきい値を超えた場合に、ばね電極６になんらかの異常が生じたと判断することもできる。
【００４６】
（２）ＩＧＢＴ素子２近傍の温度測定
図２に示す半導体モジュール１において、半導体モジュール１に備えられるＩＧＢＴ素子２の近傍の温度を検出する場合、測定手段１５は、検出電極７とエミッタ電極端子４との間の電気抵抗率を測定する。ばね電極６を構成する導電板部材８が銅である場合、銅の電気抵抗率は、０℃で１．５５×１０-8Ω・ｍであり、３００℃で３．６×１０-8Ω・ｍとなる（理科年表（平成２２年）、国立天文台編、丸善、２００９年１１月３０日発行）。つまり、０℃から３００℃の温度範囲で、導電板部材８の電気抵抗率はほぼ２倍となる。よって、検出電極７とエミッタ電極端子４間の電気抵抗率を測定することで、ＩＧＢＴ素子２の近傍の温度を推定することができる。
【００４７】
すなわち、ばね電極６を構成する材料（主に、導電板部材８の材質）の温度による電気抵抗率の変化を予め把握しておくことで、導電板部材８が銅でない場合（アルミニウム等の金属で構成された場合）においても、測定手段１５は、検出電極７とエミッタ電極端子４間の電気抵抗率に基づいて、ＩＧＢＴ素子２近傍の温度を推定することができる。
【００４８】
また、ばね電極６の寿命は、ＩＧＢＴ素子２からの発熱量に大きく依存する。よって、ばね電極６の温度やＩＧＢＴ素子２近傍の温度をモニタすることで、ばね電極６の寿命を推定することができる。
【００４９】
一般に、１ｍｍ3より小型の温度センサとして、半導体温度センサがある。この半導体温度センサを半導体モジュール内に設置すると配線の引き回しをする必要があり、配線が困難となる。一方、本発明の実施形態に係る半導体モジュール１の内部状態検出方法によれば、筺体１４から突出する検出電極７を一つ設けるだけで、ＩＧＢＴ素子２近傍の温度を検出することができる。
【００５０】
（実施形態２）
本発明の実施形態２に係る半導体モジュール及び半導体モジュールの内部状態検出方法について、図４を参照して詳細に説明する。なお、実施形態２に係る半導体モジュール１７は、実施形態１に係る半導体モジュール１において、モジュール内に設けられるばね電極６の位置が異なるものである。よって、実施形態２に係る半導体モジュール１７において、実施形態１に係る半導体モジュール１と同様の構成については、同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。また、実施形態２に係る半導体モジュールの内部状態検出方法は、実施形態１に係る半導体モジュール１と同様に、検出電極７と、ばね電極６に接続される電極端子（エミッタ電極端子４）との間の電気的測定（温度差測定）を測定手段１５で行うことにより、半導体モジュール１７内部の状態を検出するものである。よって、実施形態２に係る半導体モジュール１７の内部状態検出方法の詳細な説明は省略する。
【００５１】
図４は、本発明の実施形態２に係る半導体モジュール１７の断面図である。本発明の実施形態２に係る半導体モジュール１７は、ＩＧＢＴ素子２（半導体素子）、ＩＧＢＴ素子２の電極層と電気的に接続されるコレクタ電極端子３、ＩＧＢＴ素子２の電極層と電気的に接続されるエミッタ電極端子４、ばね電極６及び検出電極７より構成される。
【００５２】
ＩＧＢＴ素子２は、コレクタ（カソード）電極端子３上にモリブデン製コンタクト電極９を介して設けられ、ＩＧＢＴ素子２のコレクタと電気的に接続される。
【００５３】
エミッタ電極端子４は、コンタクト電極１０を介してＩＧＢＴ素子２のエミッタと接続され、ＩＧＢＴ素子２のエミッタと電気的に接続される。
【００５４】
ばね電極６は、エミッタ電極端子４上に設けられる。さらに、コレクタ電極端子３とばね電極６を、ＩＧＢＴ素子２方向に押圧するように、コレクタ電極端子３とばね電極６のそれぞれに絶縁板１３，１３を介して冷却板１１，１２が設けられる。つまり、冷却板１１，１２は、コレクタ電極端子３とばね電極６をＩＧＢＴ素子２方向に押圧した状態で固定される。その結果、ばね電極６が、エミッタ電極端子４をＩＧＢＴ素子２方向に押圧した状態で半導体モジュール１７に設けられる。そして、図示省略の筺体に冷却板１１，１２に挟持されたＩＧＢＴ素子２が収納され、筺体内に窒素が封入される。
【００５５】
検出電極７は、ばね電極６を構成する導体平板８を折り返して形成される平板部８ｂ，８ｃのうち、エミッタ電極端子４に接続される平板部８ｃと対向する平板部８ｂに設けられる。
【００５６】
上記構成からなる実施形態２に係る半導体モジュール１７においても、実施形態１に係る半導体モジュール１と同様に、測定手段１５で、検出電極７とエミッタ電極端子４間の電気的測定（若しくは、温度差測定）を行うことにより、半導体モジュール１７の内部状態（電極部材の異常や電極部材の寿命等）を把握することができる。
【００５７】
以上のように、本発明の半導体モジュールによれば、半導体素子が、筺体に格納される等の理由により、目視により半導体モジュール内部の様子を判断できない場合でも、半導体モジュールの内部状態（電極部材の状態や半導体素子近傍の温度等）を検出することができる。そして、半導体モジュールの内部状態（電極部材の異常や電極部材の寿命等）を把握することで、半導体モジュールの信頼性を向上させることができる。
【００５８】
また、半導体素子の近傍の温度を検出することにより、半導体素子の制御電極層に接続される制御電極端子の寿命推定を行うことができる。特に、半導体素子（の制御電極層）と接続される制御用電極端子の接続部が弾性体で形成されている場合、制御用電極端子の接続部は、電極部材と同様に、半導体素子から発生する熱による応力歪の影響を受けやすい。ゆえに、半導体素子の近傍の温度を検出することによって、電極部材だけでなく制御用電極端子の状態を把握することも可能となる。
【００５９】
また、電極部材に異常が生じた場合、電極部材が半導体素子（または検出電極）を押圧する圧力は減少する傾向にある。そこで、電極部材面を押圧するように検出電極を設けることで、検出電極と電極部材の接触強度の変化を検出電極とエミッタ電極端子間の電気的測定値（温度差測定値）の変化として、より感度良く把握することができる。
【００６０】
また、弾性部材を導電板部材で包んで電極部材を構成することで、半導体素子で発生した熱が導電板部材において拡散するので、半導体モジュールの放熱性が向上する。よって、ＳｉＣ、ＧａＮなどの高温で使用可能な半導体素子の性能を生かす半導体モジュールにおいて、温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性を向上させることができる。
【００６１】
その結果、電極部材の弾性力により半導体モジュールに備えられる各部材を圧接する半導体モジュールの温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性が向上する。つまり、はんだ接合あるいはワイヤーボンドを用いず、かつ使い勝手の良い絶縁形パワー半導体モジュールを得ることができ、半導体モジュールの高信頼性、環境性、利便性を同時に実現することができる。
【００６２】
なお、本発明の半導体モジュール及び半導体モジュールの内部状態検出方法は、上述した実施形態に限らず、本発明の特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、そのように変更された形態も本発明に係る半導体モジュール及び半導体モジュールの内部状態検出方法である。
【００６３】
例えば、実施形態ではＩＧＢＴ素子を備えた平型圧接構造の半導体モジュールを例示して説明したが、半導体モジュールに備えられる半導体素子は、ＩＧＢＴ素子に限定されるものでなく、サイリスタ（ＧＴＯサイリスタ等）、トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ等）、ＦＷＤ素子等の半導体素子を適宜選択して用いることができる。
【００６４】
また、弾性部材は、板ばね５に限定されるものではなく、皿ばね、波板ばね、凸ばね、メッシュばね等を用いることができる。また、導電板部材８の折り返し部８ａはＵ字状に折り返す形態の他に、導電板部材８の両端を折り返す形態等、板ばね５を挟持できる形態であればどのように折り返してもよい。また、平板部８ｂ，８ｃと板ばね５との間に、それぞれステンレス板、モリブデン（Ｍｏ）板、タングステン（Ｗ）板等、既知の硬い金属からなる分散板（図示省略）を設けることで、板ばね５の押圧力を分散させ、ばね電極６の押圧力をより均一にＩＧＢＴ素子２に作用させることができる。
【００６５】
また、電極部材は、半導体モジュール内に設けられ、半導体素子（または、電極端子）を押圧するものであれば、ばね電極の形状に限定されるものではない。
【００６６】
また、ばね電極６をＩＧＢＴ素子２とコレクタ電極端子３との間に（若しくは、コレクタ電極端子３をＩＧＢＴ素子２に押圧するように）設けた場合には、測定手段１５は、検出電極７とコレクタ電極端子３との間の電気的測定（若しくは、温度差測定）を行うことで、実施形態と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００６７】
１，１７…半導体モジュール
２…ＩＧＢＴ素子（半導体素子）
３…コレクタ電極端子（電極端子）
４…エミッタ電極端子（電極端子）
５…板ばね（弾性部材）
６…ばね電極（電極部材）
７…検出電極
８…導電板部材（導体平板）
８ａ…折り返し部
８ｂ，８ｃ…平板部
１５…測定手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、
前記半導体素子と前記電極端子間に設けられ、前記半導体素子を押圧する電極部材と、
前記電極部材に設けられる検出電極と、
を備えた
ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
前記電極部材は、導体平板を折り返し、この折り返した導体平板間に弾性部材を設けてなる
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記検出電極は、前記電極部材を押圧して設けられる
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記検出電極が前記電極部材を押圧する押圧力は、前記電極部材が前記半導体素子を押圧する押圧力の１０分の１以下である
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記検出電極は、前記導体平板を折り返して形成される平板部のうち、前記電極端子が設けられる平板部と対向する平板部に設けられる
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
半導体素子と、
前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、
前記電極端子を前記半導体素子方向に押圧する電極部材と、
前記電極部材に設けられる検出電極と、
を備えた
ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項７】
半導体素子と、
前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、
前記半導体素子と前記電極端子間に設けられ、前記半導体素子を押圧する電極部材と、
前記電極部材に設けられる検出電極と、
を備えた半導体モジュールの内部状態検出方法であって、
前記電極部材と接続される電極端子と、前記検出電極との間の電気的性質の変化に基づいて、前記電極部材の異常を検出する
ことを特徴とする半導体モジュールの内部状態検出方法。
【請求項８】
半導体素子と、
前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、
前記半導体素子と前記電極端子間に設けられ、前記半導体素子を押圧する電極部材と、
前記電極部材に設けられる検出電極と、
を備えた半導体モジュールの内部状態検出方法であって、
前記電極部材と接続される電極端子と、前記検出電極との間の温度差に基づいて、前記電極部材の異常を検出する
ことを特徴とする半導体モジュールの内部状態検出方法。
【請求項９】
半導体素子と、
前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、
前記半導体素子と前記電極端子間に設けられ、前記半導体素子を押圧する電極部材と、
前記電極部材に設けられる検出電極と、
を備えた半導体モジュールの内部状態検出方法であって、
前記電極部材と接続される電極端子と、前記検出電極との間の電気抵抗率に基づいて、前記半導体素子近傍の温度を検出する
ことを特徴とする半導体モジュールの内部状態検出方法。
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、
前記半導体素子と前記電極端子間に設けられ、前記半導体素子を押圧する電極部材と、
前記電極部材に設けられる検出電極と、
を備えた
ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
前記電極部材は、導体平板を折り返し、この折り返した導体平板間に弾性部材を設けてなる
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記検出電極は、前記電極部材を押圧して設けられる
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記検出電極が前記電極部材を押圧する押圧力は、前記電極部材が前記半導体素子を押圧する押圧力の１０分の１以下である
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記検出電極は、前記導体平板を折り返して形成される平板部のうち、前記電極端子が設けられる平板部と対向する平板部に設けられる
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
半導体素子と、
前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、
前記電極端子を前記半導体素子方向に押圧する電極部材と、
前記電極部材に設けられる検出電極と、
を備えた
ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項７】
半導体素子と、
前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、
前記半導体素子と前記電極端子間に設けられ、前記半導体素子を押圧する電極部材と、
前記電極部材に設けられる検出電極と、
を備えた半導体モジュールの内部状態検出方法であって、
前記電極部材と接続される電極端子と、前記検出電極との間の電気的性質の変化に基づいて、前記電極部材の異常を検出する
ことを特徴とする半導体モジュールの内部状態検出方法。
【請求項８】
半導体素子と、
前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、
前記半導体素子と前記電極端子間に設けられ、前記半導体素子を押圧する電極部材と、
前記電極部材に設けられる検出電極と、
を備えた半導体モジュールの内部状態検出方法であって、
前記電極部材と接続される電極端子と、前記検出電極との間の温度差に基づいて、前記電極部材の異常を検出する
ことを特徴とする半導体モジュールの内部状態検出方法。
【請求項９】
半導体素子と、
前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、
前記半導体素子と前記電極端子間に設けられ、前記半導体素子を押圧する電極部材と、
前記電極部材に設けられる検出電極と、
を備えた半導体モジュールの内部状態検出方法であって、
前記電極部材と接続される電極端子と、前記検出電極との間の電気抵抗率に基づいて、前記半導体素子近傍の温度を検出する
ことを特徴とする半導体モジュールの内部状態検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−４６０４（Ｐ２０１３−４６０４Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３２１８７（Ｐ２０１１−１３２１８７）
【出願日】平成２３年６月１４日（２０１１．６．１４）
【出願人】（０００００６１０５）株式会社明電舎 (1,739)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１４日（２０１１．６．１４）
【出願人】（０００００６１０５）株式会社明電舎 (1,739)
【Ｆターム（参考）】
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