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Dokumentenidentifikation DE102006049211A1 27.12.2007
Titel Halbleitervorrichtung und Lebensdauervorhersageschaltung und Lebensdauervorhersageverfahren für Halbleitervorrichtung
Anmelder Mitsubishi Electric Corp., Tokyo, JP
Erfinder Tametani, Fumitaka, Tokyo, JP;
Igarashi, Takashi, Tokyo, JP
Vertreter PRÜFER & PARTNER GbR, 81479 München
DE-Anmeldedatum 18.10.2006
DE-Aktenzeichen 102006049211
Offenlegungstag 27.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse H01L 21/60(2006.01)A, F, I, 20061018, B, H, DE
Zusammenfassung Ein Lebensdauervorhersagedraht (14) ist mit einer Emitterdraht-Bondanschlußfläche (2) einer Halbleitervorrichtung (1) verbunden. Eine Drahtalterung wird ermittelt durch Überprüfen, ob ein elektrischer Strom von dem Lebensdauervorhersagedraht (14) zu der Emitterdraht-Bondanschlußfläche (2) fließt oder nicht. Durch direktes Untersuchen eines Alterungszustands der Halbleitervorrichtung kann so die Lebensdauer der Halbleitervorrichtung vorhergesagt werden.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung und eine Lebensdauervorhersageschaltung und ein Lebensdauervorhersageverfahren für Halbleitervorrichtungen.

Es ist bekannt, daß Leistungshalbleitervorrichtungen, wie z.B. IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate) Risse an ihren Verbindungsabschnitten zwischen den Drahtbond-Anschlußflächen und den Drähten aufgrund der Wärme während der Verwendung oder dergleichen zeigen, was allmählich zu einer Ablösung der Drähte führt und in einem Ausfall resultiert.

Solch ein Ausfall aufgrund einer Alterung von Leistungshalbleitervorrichtungen und damit die Lebensdauer können zu einem gewissen Grade statistisch vorhergesagt werden, indem sie als eine Funktion der Betriebsdauer, des Stromwertes, der Anzahl der Schaltvorgänge etc. der Halbleitervorrichtung quantifiziert werden, wie in JP H06-070553 A, JP H08-051768 A und JP H08-275586 A beschrieben.

Die Lebensdauervorhersage des Standes der Technik war deshalb dergestalt, daß die Benutzung des Halbleiters beendet wurde, wenn der Gesamtwert der Betriebsdauer oder dergleichen einen spezifizierten Wert erreicht hatte.

Die Lebensdauervorhersage des Standes der Technik war jedoch unwirtschaftlich aufgrund der Notwendigkeit, daß die Benutzung der Halbleitervorrichtung in Anbetracht von Variationen unter den einzelnen Halbleitervorrichtungen oder Unterschieden im Zeitpunkt des Auftretens des Ausfalls aufgrund von nichtquantifizierten Umständen früher beendet werden sollte.

Folglich ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung einer Halbleitervorrichtung sowie einer Lebensdauervorhersageschaltung und eines Lebensdauervorhersageverfahrens für Halbleitervorrichtungen, durch welche ein Auftreten eines Ausfalls aufgrund der Lebensdauer der Halbleitervorrichtung im Vorhinein erfaßt werden kann durch direktes Überprüfen des Alterungszustands der Halbleitervorrichtung.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Lebensdauervorhersageverfahren nach Anspruch 1, eine Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2 und eine Lebensdauervorhersageschaltung nach Anspruch 3.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Zum Lösen der obigen Aufgabe gemäß Anspruch 1 ist ein Lebensdauervorhersageverfahren vorgesehen, welches beinhaltet:

Verbinden eines Lebensdauervorhersagedrahtes mit einer Drahtbond-Anschlußfläche einer Halbleitervorrichtung und

Ermitteln ob ein elektrischer Strom von dem Lebensdauervorhersagedraht zu der Drahtbond-Anschlußfläche fließt oder nicht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ermittelt werden, ob sich der Lebensdauervorhersagedraht von den Drahtbond-Anschlußflächen abgelöst hat, indem ein elektrischer Strom von dem Lebensdauervorhersagedraht über die Drahtbond-Anschlußflächen und die anderen Drähte zu dem Referenzpotential (Masse) geschickt wird. Da ein Alterungszustand des Lebensdauervorhersagedrahtes, welcher repräsentativ für eine Vielzahl von Drähten ist, die mit der Halbleitervorrichtung verbunden sind, direkt überprüft wird, kann folglich ein Alterungszustand der Halbleitervorrichtung korrekt erkannt werden.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen. Von den Figuren zeigen:

1 einen Schaltplan eines Lebensdauervorhersagesystems bei einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

2 eine Draufsicht auf einen IGBT in dem System von 1 und

3 einen Schaltplan einer Abwandlung von dem Lebensdauervorhersagesystem von 1.

Ausführungsform 1

1 zeigt ein Lebensdauervorhersagesystem, welches aus einem IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) 1 besteht, welcher eine Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, eine Treiberschaltung 16 zum Treiben des IGBT 1 basierend auf einem Eingangssignal und eine Lebensdauervorhersageschaltung 17 zum Ermitteln einer Lebensdauer des IGBT 1. In dieser Figur ist eine Anschlußbeziehung zwischen Drahtbond-Anschlußflächen und Drähten des IGBT 1 in einer leicht verständlichen Weise dargestellt, bei der Bond-Anschlußflächen, welche in herkömmlichen Schaltplänen nicht dargestellt werden sollten, mittels schraffierter Quadrate gezeigt sind und Drahtbond-Abschnitte durch rautenförmige Punkte gezeigt sind. 2 zeigt eine Draufsicht auf den IGBT 1 (Chip) bei der ersten Ausführungsform der Erfindung, die die Anschlußbeziehung zwischen den einzelnen Drahtbond-Anschlußflächen und den einzelnen Drähten zusammen mit 1 weiter klarstellt. In diesem Fall sind bei dem IGBT 1 vier Emitterdraht-Bondanschlußflächen 2 und eine Gatedraht-Anschlußfläche 3 auf seiner Deckfläche vorgesehen und eine Kollektorelektrode 4 ist auf seiner rückseitigen Oberfläche vorgesehen. Weiterhin sind auf der Deckfläche des IGBT 1 eine Lesedraht-Bondanschlußfläche 5 für Zwecke der Stromerfassung sowie eine Anodendraht-Bondanschlußfläche 6 und eine Kathodendraht-Bondanschlußfläche 7 einer Diode zur Verwendung bei der Temperaturerfassung vorgesehen.

Zwei Emitterdrähte 8 sind mittels Ultraschallbondens entsprechend mit den Emitterdraht-Bondanschlußflächen 2 für die Auskopplung von Ausgangsströmen des IGBT 1 verbunden und ein Gatedraht 9 zum Anlegen einer Gatespannung, welche ein Umschalten des IGBT 1 verursacht, ist mit der Gatedraht-Bondanschlußfläche 3 verbunden. Ein Lesedraht 11, ein Anodendraht 12 und ein Kathodendraht 13 sind entsprechend mit der Lesedraht-Bondanschlußfläche 5, der Anodendraht-Bondanschlußfläche 6 und der Kathodendraht-Bondanschlußfläche 7 verbunden. Weiterhin sind mittels Ultraschallbondens wie in dem Falle der Drähte 8 ein Lebensdauervorhersagedraht 14 und ein Steuer-Emitterdraht 15 mit einer Emitterdraht-Bondanschlußfläche 2 verbunden, von der vorhergesagt werden kann, daß sie aufgrund des Layouts am höchsten in der Temperatur ansteigt. Der Lebensdauervorhersagedraht 14 ist mit einer allgemeinen Mitte des IGBT 1 verbunden.

Zusätzlich ist der Steuer-Emitterdraht 15, der unabhängig von dem Draht für die Verwendung zur Auskopplung der Ausgangssignale (Ströme) des IGBT 1 vorgesehen ist, normal mit einem Referenz-(Masse-)Potential auf der Seite der Treiberschaltung 16 verbunden, so daß ein Referenzpotential der Treiberschaltungs-Ausgangsstufe und ein Emitterpotential des IGBT 1 einander gleichgesetzt werden. Obwohl der Steuer-Emitterdraht 15 gemeinsam mit dem Lebensdauervorhersagedraht 14 mit einer Emitterdraht-Bondanschlußfläche 2 verbunden ist, kann er ebenfalls mit einer anderen Emitterdraht-Bondanschlußfläche 2 verbunden sein.

Beispielsweise zur Herstellung eines Leistungsmoduls mit dem IGBT 1 wird der IGBT 1 auf eine Platine gesetzt und die Kollektorelektrode 4 auf der Rückseite des IGBT 1 und auf der Platine vorgesehene Verbindungsmuster u.ä. werden zusammengelötet, wobei die Draht-Bondanschlußflächen 2, 3, 5, 6, 7 auf der Oberfläche und beispielsweise Verbindungsleitungen auf der Platine oder andere Elementvorrichtungen oder eingefaßte Elektroden oder dergleichen miteinander mittels der Drähte 8, 9, 11, 12, 13, 14, 15 entsprechend verbunden werden.

Die Treiberschaltung 16 hat einen Anschalttransistor 18 zum Anlegen einer Spannung an das Gate des IGBT 1 und einen Abschalttransistor 19 zum Setzen des Gates auf das Referenz-(Masse-)Potential. Der Anschalttransistor 18 und der Abschalttransistor 19 empfangen eine nicht invertierte (normale) Ausgabe bzw. eine invertierte Ausgabe eines Verstärkers 20 an ihren Eingängen, wobei lediglich einer der Transistoren angeschaltet wird. Der Betrieb des Transistors wird gesteuert durch ein Signal, das einer Logikschaltung eingegeben wird, welche zusammengesetzt ist aus einem RS-Flip-Flop 21 und einem NOR-Gatter 22. Da bei der Treiberschaltung 16 ein Signal auf einem niedrigen (L) Pegel einem S(Setz)-Anschluß-Eingang des RS-Flip-Flop 21 in ihrem normalen Treiberbetrieb eingegeben wird, wechselt der Ausgang der Treiberschaltung 16 basierend auf einem Eingangssignal an einem Eingangsanschluß 23. Dies bedeutet, da der Signalpegel des Eingangsanschlusses 23 von Hoch (H) auf den L-Pegel geht, geht der Ausgang des NOR-Gatters 22 auf 'H', was bewirkt, daß der Anschalttransistor 18 in einem AN-Zustand gehalten wird zum Anlegen einer Gatespannung eines hohen Potentials, welches größer oder gleich dem Schwellenwert des IGBT 1 ist, wodurch der IGBT 1 angeschaltet wird. Wenn umgekehrt der Signalpegel des Eingangsanschlusses 23 von 'L' auf 'H' geht, geht der Ausgang des NOR-Gatters 22 auf 'L', was bewirkt, daß der Abschalttransistor 19 in einem AN-Zustand gehalten wird zum Anlegen einer Gatespannung eines niedrigeren Potentials, wodurch der IGBT 1 abgeschaltet wird. Wenn bei der Treiberschaltung 16, die eine Betriebsabschaltungs-(Vorrichtungsschutz-)Funktion aufweist basierend auf den Signalen, die von einer externen Schutzschaltung 24 und der Lebensdauervorhersageschaltung 17 stammen, eine 'H'-Eingabe von der Lebensdauervorhersageschaltung 17 oder der externen Schutzschaltung 24 zu einem OR(ODER)-Gatter 25 gelangt, wird dem S-Anschluß-Eingang des RS-Flip-Flop 21 ein 'H'-Signal eingegeben, wobei, wenn der IGBT 1 in einem angeschalteten Zustand ist, der Abschalttransistor 19 sofort angeschaltet wird, was das Gate auf das Referenz-(Masse-)Potential bringt, wodurch der IGBT 1 abgeschaltet wird. Es wird bemerkt, daß die externe Schutzschaltung 24 beispielsweise zum Überstromschutz, Kurzschlußstromschutz, Steuer-Leistungsspannungs-Verringerungschutz, Überhitzungsschutz oder dergleichen dient, wobei, wenn einer dieser zu schützenden Zustände ermittelt wird, ein 'H'-Signal von der Schutzschaltung 24 an die Treiberschaltung 16 übertragen wird.

Die Lebensdauervorhersageschaltung 17 weist eine Konstantstromschaltung 26 auf, welche mit dem Lebensdauervorhersagedraht 14 so zu verbinden ist, daß sie einen konstanten Strom zu dem Lebensdauervorhersagedraht 14, zu einem zwischen die Konstantstromschaltung 26 und das Referenz-(Masse-)Potential (d.h. zwischen den Lebensdauervorhersagedraht 14 und das Referenz-(Masse-)Potential) geschalteten Erfassungswiderstand 27 und zu einem Komparator 28 leiten kann. Der Komparator 28 ist so angeschlossen, daß eine Referenzspannung für die Erfassung einem invertierten (-) Eingang des Komparators 28 eingegeben wird, während ein Potential des Lebensdauervorhersagedrahtes 14, der mit der Konstantstromschaltung 26 verbunden ist (d.h. ein Potential des Erfassungswiderstandes 27, der mit der Konstantstromschaltung 26 verbunden ist) einem nicht invertierten (+) Eingang eingegeben wird, wobei der Komparator 28 basierend auf einem Ergebnis des Vergleichs dieser beiden Eingaben ein Signal ausgibt. Dann wird eine Ausgabe des Komparators 28 der Treiberschaltung 16 zugeführt.

Wenn bei solch einem wie oben gezeigten Schaltungsaufbau eine hohe Spannung, die nicht niedriger als der Schwellenwert ist, der Gatedraht-Bondanschlußfläche 3 über den Gatedraht 9 zugeführt wird, wird der IGBT 1 angeschaltet und in die Lage versetzt, einen großen Strom von dem Kollektor zu dem Emitter durchzulassen. Dies bedeutet, der IGBT 1 weist, wenn er angeschaltet ist, einen Emitterstromfluß von den Emitterdraht-Bondanschlußflächen 2 zu den Emitterdrähten 8 auf.

Der IGBT 1 unterliegt bei jedem Betrieb einer Wärmeerzeugung aufgrund des Emitterstroms, so daß Verbindungsabschnitte zwischen den Draht-Bondanschlußflächen 2, 3, 5, 6, 7 und den Drähten 8, 9, 11, 12, 13, 14, 15 wiederholt hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Die Verbindungsabschnitte (Bondabschnitte) der Drähte 8, 9, 11, 12, 13, 14, 15 altern aufgrund der Wärme und wenn sie wiederholt thermischen Spannungen ausgesetzt werden führt dies zu dem Auftreten von Rissen an den Ultraschall-Bond-Verbindungsabschnitten sowie an den Drähten selbst in ihrer Nachbarschaft. Wenn die Drähte 8, 9, 11, 12, 13, 14, 15 weiter altern, führt dies schließlich zum Ablösen von den Draht-Bondanschlußflächen 2, 3, 5, 6, 7 oder dem Brechen der Drähte, so daß der IGBT 1 in der Funktion gestört ist und das Ende seiner Lebensdauer erreicht. Insbesondere in der Umgebung der Mitte des IGBT 1, die weniger Wärme ableitet und deshalb stärker zu hohen Temperaturen neigt, wird vorhergesagt, daß der Lebensdauervorhersagedraht 14 am frühesten eine Alterung erfährt.

Bei dieser Ausführungsform ist der Lebensdauervorhersagedraht 14 unabhängig von Drähten, die zum Ausgeben des Ausgangsstroms dienen mit einer Emitterdraht-Bondanschlußfläche 2 verbunden. Die Lebensdauervorhersageschaltung 17 läßt den Strom, der von der Konstantstromschaltung 26 abgeleitet ist, von dem Lebensdauervorhersagedraht 14 zu dem Referenz-(Masse-)Potential über die Emitterdraht-Bondanschlußflächen 2 und die anderen mit den Emitterdraht-Bondanschlußflächen 2 verbundenen Drähte (Emitterdrähte 8 und Steuer-Emitterdraht 15) passieren. In einem Zustand, in dem der IGBT 1 nicht gealtert ist, gibt es im allgemeinen keinen elektrischen Widerstand in dem Pfad, der von dem Lebensdauervorhersagedraht 14 zu dem Referenz-(Masse-) Potential über die Emitterdraht-Bondanschlußflächen 2 und die anderen mit den Emitterdraht-Anschlußflächen 2 verbundenen Drähte (Emitterdrähte 8 und Steuer-Emitterdraht 15) führt, während kein Strom über den parallel geschalteten Erfassungswiderstand 27 fließt. Deshalb tritt in dem Pfad, der von dem Lebensdauervorhersagedraht 14 zu dem Referenz-(Masse-)Potential führt, kein Spannungsabfall auf, so daß das Potential des Lebensdauervorhersagedrahtes 14 Null ist (Massepegel).

Als ein Ergebnis der Verwendung des IGBT 1 treten jedoch an den Bondabschnitten des Lebensdauervorhersagedrahtes 14 oder dem Lebensdauervorhersagedraht 14 selbst in Nachbarschaft zu den Bondabschnitten Risse auf, welche schließlich zum Ablösen des Lebensdauervorhersagedrahtes 14 von den Emitterdraht-Bondanschlußflächen 2 oder zum Brechen des Lebensdauervorhersagedrahtes 14 führen. Dann wird es für den von der Konstantstromschaltung 26 herrührenden Strom unmöglich, durch die Emitterdraht-Bondanschlußflächen 2 zu fließen, so daß ein Spannungsabfall an dem Erfassungswiderstand 27 auftritt, was einen Anstieg des Potentials an dem nichtinvertierten Eingang des Komparators 28 verursacht.

Was das Potential des Lebensdauervorhersagedrahtes 14 verglichen zu der Referenzspannung der Erfassung an dem invertierten Eingang des Komparators 28 anbelangt, so ist die Referenzspannung der Erfassung niedriger als ein Potential, welches an dem Erfassungswiderstand 27 auftritt, wenn der Lebensdauervorhersagedraht 14 sich von den Emitterdraht-Bondanschlußflächen abgelöst hat oder selbst gebrochen ist, so daß er in einen elektrisch nicht verbundenen Zustand gelangt. Dies bedeutet, wenn der Lebensdauervorhersagedraht 14 sich von den Emitterdraht-Bondanschlußflächen 2 abgelöst hat oder selbst gebrochen ist, gibt der Komparator 28 einen 'H'-Pegel des Erfassungssignals an die Treiberschaltung 16 aus, wodurch das Abschalten des IGBT 1 bewirkt wird.

Bei dieser Ausführungsform ist der Lebensdauervorhersagedraht 14 mit einer allgemeinen Mitte des IGBT 1 verbunden, wie zuvor beschrieben, und deshalb Gegenstand von größeren thermischen Spannungen verglichen zu den Drähten 8, 9, 11, 12, 13, 15, die in der Nähe des Umfangs des IGBT 1 angeschlossen sind. Aus diesem Grund ist der Lebensdauervorhersagedraht 14 in solch einem Zustand, daß er zu einer früheren Alterung und einem Ablösen von den Emitterdraht-Bondanschlußflächen 2 vor dem Ablösen der anderen Drähte 8, 9, 11, 12, 13, 15 von den Draht-Bondanschlußflächen 2, 3, 5, 6, 7, so daß eine Fehlfunktion des IGBT 1 resultiert, neigt. Dies bedeutet, die Lebensdauervorhersageschaltung 17 kann die Alterung des Lebensdauervorhersagedrahtes 14 überprüfen und dadurch das Auftreten irgendeines Ausfalls aufgrund der Lebensdauer des IGBT 1 ermitteln.

Obwohl ein Teil der Emitterdrähte 8 ebenfalls mit dem Zentralabschnitt des IGBT 1 verbunden ist, wie in dem Fall des Lebensdauervorhersagedrahtes 14, sind in diesem Fall die Emitterdrähte 8 in solch einer großen Anzahl angeschlossen, daß das Ablösen von lediglich einem Teil dieser Emitterdrähte 8 von den Emitterdraht-Anschlußflächen 2 nicht zu einer funktionellen Störung des IGBT 1 führt.

Für den Aufbau eines Leistungsmoduls mit dem IGBT 1 kann die Leistungsmodul-Baugruppe in geeigneter Weise mit der Treiberschaltung 16 und der Lebensdauervorhersageschaltung 17 oder einem darin enthaltenen Teil derselben verwirklicht werden.

Ausführungsform 2

3 zeigt eine Lebensdauervorhersageschaltung 17a, welche eine Variante der Lebensdauervorhersageschaltung 17 der ersten Ausführungsform ist. Bei der Lebensdauervorhersageschaltung 17a wird ein Spannungsabfall des Erfassungswiderstands 27 durch den Komparator 28 erfaßt und ein Transistor 29 wird durch ein Erfassungssignal des Komparators 28 geschaltet, wodurch ein Alarmsignal an einen Alarmanschluß 30 ausgegeben wird.

In diesem Fall wird es realisierbar, daß ein Nutzer über ein Herannahen des Endes der Lebensdauer informiert wird, ohne unvermittelt den Betrieb des IGBT 1 zu beenden. Als ein Ergebnis hiervon wird der Nutzer in die Lage versetzt, die Vorrichtungswartung beizubehalten ohne unvermittelt die Geräte anzuhalten.


Anspruch[de]
Lebensdauervorhersageverfahren mit:

Verbinden eines Lebensdauervorhersagedrahtes (14) mit einer Draht-Bondanschlußfläche (2) einer Halbleitervorrichtung (1) und

Ermitteln, ob ein elektrischer Strom von dem Lebensdauervorhersagedraht (14) zu der Draht-Bondanschlußfläche (2) fließt oder nicht.
Halbleitervorrichtung, in der ein Lebensdauervorhersagedraht (14) verbunden ist mit einer Draht-Bondanschlußfläche (2) der Halbleitervorrichtung (1) an einer allgemeinen Mitte der Halbleitervorrichtung (1). Lebensdauervorhersageschaltung für eine Halbleitervorrichtung, bei der ein Strom von einem Lebensdauervorhersagedraht (14), der mit einer Draht-Bondanschlußfläche (2) der Halbleitervorrichtung (1) verbunden ist, über die Draht-Bondanschlußfläche (2) zu einem Referenzpotential geleitet wird zum Erfassen eines Potentials des Lebensdauervorhersagedrahtes (14). Lebensdauervorhersageschaltung nach Anspruch 3, bei der die Lebensdauervorhersageschaltung (17) eine Konstantstromschaltung (26) aufweist zum Leiten eines festgelegten elektrischen Stroms von dem Lebensdauervorhersagedraht (14) über die Draht-Bondanschlußfläche (2) zu dem Referenzpotential, sowie einen Erfassungswiderstand (27), der zwischen den Lebensdauervorhersagedraht (14) und das Referenzpotential geschaltet ist. Lebensdauervorhersageschaltung nach Anspruch 4, weiterhin mit einem Transistor (29), der durch eine Spannung geschaltet wird, die an dem Erfassungswiderstand (27) erzeugt wird, und in der Lage ist, ein Alarmsignal auszugeben.






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