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特許7287290半導体素子診断装置および半導体素子診断方法
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  • 特許-半導体素子診断装置および半導体素子診断方法 図1
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-05-29
(45)【発行日】2023-06-06
(54)【発明の名称】半導体素子診断装置および半導体素子診断方法
(51)【国際特許分類】
   G01R 31/26 20200101AFI20230530BHJP
【FI】
G01R31/26 B
【請求項の数】 8
(21)【出願番号】P 2020004057
(22)【出願日】2020-01-15
(65)【公開番号】P2021110688
(43)【公開日】2021-08-02
【審査請求日】2022-09-22
(73)【特許権者】
【識別番号】000006105
【氏名又は名称】株式会社明電舎
(74)【代理人】
【識別番号】100086232
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 博通
(74)【代理人】
【識別番号】100092613
【弁理士】
【氏名又は名称】富岡 潔
(74)【代理人】
【識別番号】100104938
【弁理士】
【氏名又は名称】鵜澤 英久
(74)【代理人】
【識別番号】100210240
【弁理士】
【氏名又は名称】太田 友幸
(72)【発明者】
【氏名】久保 肇
(72)【発明者】
【氏名】迫 博己
【審査官】田口 孝明
(56)【参考文献】
【文献】特開2010-220470(JP,A)
【文献】特開2016-005289(JP,A)
【文献】特開2014-236538(JP,A)
【文献】特開2007-323600(JP,A)
【文献】特開平04-248424(JP,A)
【文献】特表2019-507322(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
IPC G01R 31/26-31/26、
H01L 21/64-21/66、
H01M 1/00-1/44、
H02M 7/42-7/98、
H03K 17/00-17/70
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体素子のオン電圧とオン電流を組としたデータを蓄積するデータ蓄積部と、
前記オン電圧と前記オン電流のデータからクロスポイントを検出するクロスポイント検出処理と、前記クロスポイントの検出に必要なデータ量が得られているか否かを判断するデータ量判断処理と、を行うCP検出部と、
を備えたことを特徴とする半導体素子診断装置。
【請求項2】
前記クロスポイント検出処理は、
データ量が最も多い前記オン電圧の範囲と前記オン電流の範囲の組をクロスポイントとすることを特徴とする請求項1記載の半導体素子診断装置。
【請求項3】
前記クロスポイント検出処理は、
前記オン電圧と前記オン電流の関係を表すグラフ上で、前記オン電圧が温度に依存するある電流値において、第1オン電圧のサンプルとそのサンプルに連続する時間のサンプルにフィットさせた曲線と、前記第1オン電圧と異なる第2オン電圧のサンプルとそのサンプルに連続する時間のサンプルにフィットさせた曲線の交点をクロスポイントとすることを特徴とする請求項1記載の半導体素子診断装置。
【請求項4】
前記データ量判断処理は、前記オン電圧の値が温度に依存するオン電流代表値での前記オン電圧の最大値と最小値の差を温度バラツキ基準とし、前記温度バラツキ基準が閾値よりも大きいとき、前記クロスポイントの検出に必要なデータ量が得られていると判断することを特徴とする請求項1~3のうち何れか1項に記載の半導体素子診断装置。
【請求項5】
前記データ量判断処理は、前記オン電圧の値が温度に依存するオン電流代表値での前記オン電圧の分散値を温度バラツキ基準とし、前記温度バラツキ基準が閾値よりも大きいとき、前記クロスポイントの検出に必要なデータ量が得られていると判断することを特徴とする請求項1~3のうち何れか1項に記載の半導体素子診断装置。
【請求項6】
前記クロスポイントの前記オン電圧の初期値と、前記クロスポイントの前記オン電圧の現在値と、の差に基づいて、前記半導体素子の劣化を診断する劣化診断部を備えたことを特徴とする請求項1~5のうち何れか1項に記載の半導体素子診断装置。
【請求項7】
前記クロスポイントの標準値と前記CP検出部で検出した前記クロスポイントのオフセット誤差を求め、前記オフセット誤差補償後の前記オン電圧に基づいて半導体素子の温度を推定する温度推定部を備えたことを特徴とする請求項1~6のうち何れか1項に記載の半導体素子診断装置。
【請求項8】
データ蓄積部が、半導体素子のオン電圧とオン電流を組としたデータを蓄積し、
CP検出部が、前記オン電圧と前記オン電流のデータからクロスポイントを検出するクロスポイント検出処理と、前記クロスポイントの検出に必要なデータ量が得られているか否かを判断するデータ量判断処理と、
を行うことを特徴とする半導体素子診断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体素子の電圧-電流-温度の特性を利用して、半導体素子の診断を行う技術に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体素子(例えば、IGBT)のオン電圧(コレクタ-エミッタ電圧)Vce-オン電流(コレクタ電流)Ic-デバイス温度Tjの関係はデバイス温度推定や寿命診断に用いられている。IGBTのオン電圧Vce-オン電流Ic-デバイス温度Tjの関係の一例を図8に示す。この関係はデータシート等で与えられる。
【0003】
オン電圧Vceとオン電流Icの関係はデバイス温度Tjによって変動するが、クロスポイント(CP)[Ic=Ic,cp,Vce=Vce,cp]ではデバイス温度Tjに依存しない。オン電圧Vceは素子の劣化によって変動することが知られており、温度で変動しないクロスポイントCPのオン電圧Vceを計測することでデバイスの劣化を診断する技術が特許文献1,2に開示されている。
【0004】
逆に、デバイス温度Tjに依存する領域ではオン電圧Vceとオン電流Icを計測することでデバイス温度Tjを推定することができる。例えば、図9において、計測されたオン電流,オン電圧[Ic,Vce]の値を[Ic,k,Vce,k]とする。また、Tj=25℃の曲線においてオン電流Ic,kの時のオン電圧をVce25(Ic,k)とし、Tj=125℃の曲線においてオン電流Ic,kの時のオン電圧をVce125(Ic,k)とする。[Ic,k,Vce,k]の時のデバイス温度Tjは、Vce,k、Vce25(Ic,k)、Vce125(Ic,k)から以下の(1)式で求められる。
【0005】
【数1】
【0006】
いずれの技術も図8図9で与えられたVce-Ic-Tjの関係とそこから求まるクロスポイントCP[Ic,cp,Vce,cp]の値をあらかじめ正確に知っておく必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特開2010-220470号公報
【文献】特開2014-236538号公報
【文献】特開2014-232062号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
図10に示すように、デバイスそのものやオン電流Ic,オン電圧Vceの計測回路の個体差によって実際にその個体の持つ個体値のクロスポイント「CP個体」は、クロスポイントの標準値「CP標準」との間にオフセット誤差「ΔVce,offset、ΔIc,offset」を有する。
【0009】
特許文献1,特許文献2はあらかじめ決められたクロスポイントのオン電流Ic,cpでのオン電圧Vceを閾値と比較して劣化の判定を行っている。劣化に依る電圧変動は微小なものであるが、クロスポイントのオン電流Ic,cpに標準値を用いた場合、オフセット誤差が許容できない大きさになる可能性がある。
【0010】
恒温槽試験などでデバイスと計測回路ごとに予め電流-電圧-温度の特性を調べてクロスポイントCPを得る場合には個体差は問題にならないが、全数について特性を測る試験をする場合にコストが膨大になる。温度推定の場合も同様である。
【0011】
以上示したようなことから、半導体素子診断装置において、デバイスや検出回路の個体差、標準値からのずれを事前にキャリブレーションすることなく、蓄積されたデータから正確なクロスポイントを取得することが課題となる。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、 半導体素子のオン電圧とオン電流を組としたデータを蓄積するデータ蓄積部と、前記オン電圧と前記オン電流のデータからクロスポイントを検出するクロスポイント検出処理と、前記クロスポイントの検出に必要なデータ量が得られているか否かを判断するデータ量判断処理と、を行うCP検出部と、を備えたことを特徴とする。
【0013】
また、その一態様として、前記クロスポイント検出処理は、データ量が最も多い前記オン電圧の範囲と前記オン電流の範囲の組をクロスポイントとすることを特徴とする。
【0014】
また、他の態様として、前記クロスポイント検出処理は、前記オン電圧と前記オン電流の関係を表すグラフ上で、前記オン電圧が温度に依存するある電流値において、第1オン電圧のサンプルとそのサンプルに連続する時間のサンプルにフィットさせた曲線と、前記第1オン電圧と異なる第2オン電圧のサンプルとそのサンプルに連続する時間のサンプルにフィットさせた曲線の交点をクロスポイントとすることを特徴とする。
【0015】
また、その一態様として、前記データ量判断処理は、前記オン電圧の値が温度に依存するオン電流代表値での前記オン電圧の最大値と最小値の差を温度バラツキ基準とし、前記温度バラツキ基準が閾値よりも大きいとき、前記クロスポイントの検出に必要なデータ量が得られていると判断することを特徴とする。
【0016】
また、他の態様として、前記データ量判断処理は、前記オン電圧の値が温度に依存するオン電流代表値での前記オン電圧の分散値を温度バラツキ基準とし、前記温度バラツキ基準が閾値よりも大きいとき、前記クロスポイントの検出に必要なデータ量が得られていると判断することを特徴とする。
【0017】
また、その一態様として、前記クロスポイントの前記オン電圧の初期値と、前記クロスポイントの前記オン電圧の現在値と、の差に基づいて、前記半導体素子の劣化を診断する劣化診断部を備えたことを特徴とする。
【0018】
また、その一態様として、前記クロスポイントの標準値と前記CP検出部で検出した前記クロスポイントのオフセット誤差を求め、前記オフセット誤差補償後の前記オン電圧に基づいて半導体素子の温度を推定する温度推定部を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、半導体素子診断装置において、デバイスや検出回路の個体差、標準値からのずれ、を事前にキャリブレーションすることなく、蓄積されたデータから正確なクロスポイントを取得することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
図1】実施形態1,2における半導体素子診断装置を示すブロック図。
図2】データ蓄積部に蓄積されたデータ[Vce,Ic]の例を示す図。
図3】実施形態1におけるCP検出部の処理を示すフローチャート。
図4】[Vce,Ic]の二次元ヒストグラムを示す図。
図5】劣化診断部の動作を示す図。
図6】実施形態2におけるCP検出部の処理を示すフローチャート。
図7図6のS6の処理を示す図。
図8】Vce-Ic-Tjの関係を示す図。
図9】Vce-Ic-Tjの関係とデバイス温度の推定を説明する図。
図10】標準値と固体値のVce-Ic-Tjの関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、本願発明における半導体素子診断装置の実施形態1,2を図1図7図9図10に基づいて詳述する。
【0022】
[実施形態1]
図1に本実施形態1における半導体素子診断装置を示す。本実施形態1の半導体素子診断装置は、データ蓄積部1と、CP検出部2と、劣化診断部3と、温度推定部4と、を備える。なお、本明細書において、半導体素子の診断とは、クロスポイントの検出、劣化診断、温度推定を含むものとする。
【0023】
計測されたオン電圧Vceとオン電流Icを組としたデータ[Vce,Ic]は、データ蓄積部1に蓄積される。CP検出部2は蓄積されたN点のデータ[Vce,Ic]を使ってその個体の持つクロスポイントCPを検出する。劣化診断部3ではCP検出部2で検出されたクロスポイントCPと現在のオン電圧Vce、オン電流Icのデータ[Vce,Ic]を使ってデバイス(半導体素子)の劣化を診断する。温度推定部4ではCP検出部2で検出されたクロスポイントCPと現在のオン電圧Vce、オン電流Icのデータ[Vce,Ic]を使ってデバイスの温度Tjを推定する。
【0024】
図2に、データ蓄積部1に蓄積されたデータ[Vce,Ic]の例を示す。クロスポイントCPは温度に依存しないのでデータのバラつきが少ない。Vce-Icの関係が温度に依存する電流の代表値をオン電流代表値Ic,tmpとした。オン電流代表値Ic,tmp付近のオン電圧Vceのデータは温度変化によるバラつきがある。
【0025】
図3にCP検出部2のフローチャートを示す。CP検出部2ではデータ[Vce,Ic]の二次元ヒストグラムを使ってクロスポイントCPを推定する。図3のS1,S2ではオン電圧Vceとオン電流Icのデータ[Vce,Ic]からクロスポイントCPを検出するクロスポイント検出処理を行い、S3~S5ではクロスポイントCPの検出に必要なデータ量が得られているか否かを判断するデータ量判断処理を行う。
【0026】
まず、S1において、新しいデータ[Vce,Ic]のサンプルを追加する。S2において、追加されたデータ[Vce,Ic]に対応する二次元ヒストグラムのビンの度数を1プラスする。このCP検出部2では度数が最大のビンとその最大値を保持している。度数が1プラスされたビンの度数が現在の最大値を上回っていれば、度数が最大のビンと最大値を更新する。
【0027】
温度変動のあるデータから二次元ヒストグラムを作成したとき、クロスポイントCPは温度に依存しないため、相対的にクロスポイントCPのあるビンの度数が高くなる。よって、データ量が最も多いデータ[Vce,Ic]のビン(範囲)を選択することでクロスポイントCPを検出することができる。図4にオン電圧Vceとオン電流Icの二次元ヒストグラムの例を示す。
【0028】
S3において、追加されたデータのオン電流Icがオン電流代表値Ic,tmpか否かを判定する。オン電流Icがオン電流代表値Ic,tmpでない場合はS1へ戻る。オン電流Icがオン電流代表値Ic,tmpであればS4へ移行する。
【0029】
S4では、Ic=Ic,tmpのときのオン電圧Vceにより、温度バラツキ基準Vce,tmpvarを更新する。温度バラツキ基準Vce,tmpvarは、同じオン電流代表値Ic,tmpにおけるオン電圧Vceがどの程度バラついているかを示す値である。例えば、温度バラツキ基準Vce,tmpvarは、オン電流代表値Ic,tmpにおけるオン電圧Vceの最大値と最小値の差とする。または、温度バラツキ基準Vce,tmpvarはオン電流代表値Ic,tmpにおけるオン電圧Vceの分散値でもよい。
【0030】
S5では、温度バラツキ基準Vce,tmpvarが閾値よりも大きいか否かを判定する。温度バラツキ基準Vce,tmpvarが閾値よりも大きい場合はクロスポイントCPを推定するのに十分な温度変動のあるデータが取れていると判定し、その時点で度数が最大のビンのデータ[Vce,Ic]をクロスポイントCPの推定値[Vce,cp,Ic,cp]として処理を終了する。温度バラツキ基準Vce,tmpvarが閾値以下の場合は、S1に戻る。
【0031】
劣化診断部3の動作を図5に示す。機器を立ち上げて最初に推定されたクロスポイントのオン電圧の初期値Vce,cp(0)と、現在推定されたクロスポイントのオン電圧の現在値Vce,cp(k)との差をΔVce,cp(k)とし、これを劣化指標ΔVce,cp,threshと比較する。差ΔVce,cp(k)が劣化指標ΔVce,cp,threshよりも大きくなったときは故障と判定する。また、現在の差ΔVce,cp(k)と劣化指標ΔVce,cp,threshの比から現在の劣化度合い、余寿命を知ることも可能である。
【0032】
温度推定部4ではまず、図9図10のVce25のカーブとVce125のカーブの交点から求まるクロスポイント(の標準値)CPとCP検出部(クロスポイント検出処理)2で求めたクロスポイントCPのオフセット誤差[ΔVce,cp,ΔIc,cp]を求める。
【0033】
(1)式のオン電圧のオフセット誤差を補償した上で温度を推定する。具体的には(1)式のVce25(Ic,k)の項を(Vce25(Ic+ΔIc,cp)+ΔVce,cp)、Vce125(Ic,k)の項を(Vce125(Ic+ΔIc,cp)+ΔVce,cp)とする。
【0034】
以上示したように、本実施形態1によれば、デバイス(半導体素子)や検出回路の個体差、標準値からのずれを事前にキャリブレーションすることなく、蓄積されたデータからオフセット誤差の少ない正確なクロスポイントCPを取得することが可能となる。
【0035】
劣化診断においては、検出されるクロスポイントCPの変化量を閾値と比較することで、クロスポイントCPの個体差に依るオフセット誤差の影響を受けない。また、閾値と変化量の割合を比較することで故障に至る前の現在の劣化度合いを知ることができる。
【0036】
温度推定においては、Vce-Ic-Tjの関係の標準値からのオフセット誤差を補償することにより、より正確に温度を推定することができる。
【0037】
[実施形態2]
本実施形態2は、実施形態1とCP検出部2のみ異なる。図6に本実施形態2におけるCP検出部2のフローチャートを示す。本実施形態2では、S3~S5でクロスポイントCPの検出に必要なデータ量が得られているか否かを判断するデータ量判断処理を行い、S6でオン電圧Vceとオン電流IcのデータからクロスポイントCPの検出を行うクロスポイント検出処理を行う。
【0038】
まず、S1において、新しいデータ[Ic,Vce]のサンプルを追加する。次に、S3において、追加されたデータのオン電流Icがオン電流代表値Ic,tmpか否かを判定する。オン電流Icがオン電流代表値Ic,tmpでない場合はS1へ戻る。オン電流Icがオン電流代表値Ic,tmpであればS4へ移行する。
【0039】
S4では、Ic=Ic,tmpのときのオン電圧により、温度バラツキ基準Vce,tmpvarを更新する。温度バラツキ基準Vce,tmpvarは、実施形態1と同様である。
【0040】
S5は、温度バラツキ基準Vce,tmpvarが閾値よりも大きいか否かを判定する。温度バラツキ基準Vce,tmpvarが閾値よりも大きい場合はクロスポイントCPを推定するのに十分な温度変動のあるデータが取れていると判定する。温度バラツキ基準Vce,tmpvarが閾値以下の場合は、S1に戻る。
【0041】
温度バラツキ基準Vce,tmpvarが閾値を越えたらS6に進む。S6の処理を図7に示す。
【0042】
図7に示すように、まず、オン電圧Vceとオン電流Icの関係を表すグラフ上で、Ic=Ic,tmpとなる電流値において、最大のオン電圧(第1オン電圧)Vceのサンプルとそのサンプルから連続するNhサンプルを抽出する。抽出されたサンプルは図7の右側の「×」で表されるサンプルである。これらは時間が連続しているので近い温度のサンプルになっている。抽出されたサンプルにフィットする曲線を求める(図7の右の点線)。
【0043】
続いて、オン電圧Vceとオン電流Icの関係を表すグラフ上で、Ic=Ic,tmpとなる電流値において、最小のオン電圧(第2オン電圧)Vceのサンプルとそのサンプルから連続するNhサンプルを抽出する。抽出されたサンプルは図7の右側の「+」で表されるサンプルである。これらは時間が連続しているので近い温度のサンプルになっている。抽出されたサンプルにフィットする曲線を求める(図7の右の破線)。
【0044】
最後に2つの曲線の交点を求めてクロスポイントCPとする。「×」で表されるサンプルと「+」で表されるサンプルは温度が離れているので、曲線の交点が温度に依存しない点、すなわちクロスポイントCPとなる。
【0045】
以上示したように、本実施形態2は実施形態1と同様の作用効果を奏する。なお、図7ではIc=Ic,tmpとなる電流値において、最大のオン電圧Vceを第1オン電圧とし、最小のオン電圧Vceを第2オン電圧としたが、第1オン電圧と第2オン電圧が異なる値であれば他のオン電圧Vceでもよい。
【0046】
また、図7のIc,tmpはオン電圧Vceが温度に依存するある電流値であり、図2図3図6に示す温度バラツキ基準Vce,tmpvarを求めるためのオン電流代表値と同じ値でも異なる値であってもよい。
【0047】
以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。
【符号の説明】
【0048】
1…データ蓄積部
2…CP検出部
3…劣化診断部
4…温度推定部
Vce…オン電圧
Ic…オン電流
Tj…デバイス温度
CP…クロスポイント
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10