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METHOD AND DEVICE FOR DETECTING CURRENT MAGNETIC FIELD DISTRIBUTION AMONG BONDING WIRES OF POWER SEMICONDUCTOR DEVICE

Patent code P160013339
File No. S2015-0546-N0
Posted date Oct 5, 2016
Application number P2015-030900
Publication number P2016-151568A
Patent number P6465348
Date of filing Feb 19, 2015
Date of publication of application Aug 22, 2016
Date of registration Jan 18, 2019
Inventor
  • (In Japanese)大村 一郎
  • (In Japanese)附田 正則
  • (In Japanese)田代 勝治
  • (In Japanese)篠原 長勇喜
  • (In Japanese)中野 繁太
  • (In Japanese)大胡田 清一
  • (In Japanese)長友 一則
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人九州工業大学
  • (In Japanese)株式会社豊光社
  • (In Japanese)株式会社シーディエヌ
  • (In Japanese)コペル電子株式会社
Title METHOD AND DEVICE FOR DETECTING CURRENT MAGNETIC FIELD DISTRIBUTION AMONG BONDING WIRES OF POWER SEMICONDUCTOR DEVICE
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and device for accurately and rapidly detecting bonding wire defects in a low-cost and contactless manner by measuring distribution of currents flowing through a plurality of bonding wires of a power semiconductor device without having to apply significant modification to wiring length and electrode layout of testing electrical circuitry that notably affects power semiconductor device pulse switching tests done by conventional power semiconductor device test apparatuses.
SOLUTION: A device for detecting current magnetic field distribution among bonding wires of a power semiconductor 1 comprising a plurality of power semiconductor devices whose substrates are interconnected via multiple bonding wires 7, 8 is disclosed, including; a plurality of current sensors 10 for individually detecting currents flowing through the multiple bonding wires 7, 8; means of measuring current, for each bonding wire, at a measurement target point and at least one offset point away from the measurement target point using the current sensors 10; and means of computing differences between currents measured at the measurement target points and currents measured at the offset points.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

IGBTの市場は、産業機器向け、車載機器向け、民生機器向けの3分野に大きく分けられる。産業機器向けで大きいのは、電車や産業ロボット、工作機械のモータ制御インバータ用途である。車載機器向けでも、ハイブリッド自動車の駆動用モータとカー・エアコン制御用のインバータ用途が多い。民生機器ではカメラのストロボ向けとエアコンのインバータ用途が主流である。特にハイブリッド自動車や電気自動車におけるIGBT需要により、市場は拡大している。

IGBTを用いた電力用半導体モジュールは、複数の電力用半導体デバイスを同一基板上に密接して併設し、各電力用半導体デバイスと端子間を接合するボンディングワイヤも、高密度で配線されている。電力用半導体デバイスと端子間をボンディングワイヤで接合する場合、接合部やボンディングワイヤ表面の酸化膜の状態や作業上のボンディングワイヤ装着圧力の変化などによりボンディングワイヤ接合不良が生じることがある。すなわち、見掛け上は完全接合しているようでも、接合が不完全であると、接合部の抵抗がばらつき、電流が各電力用半導体デバイスに均等に流れず、一部の電力用半導体デバイスに大電流が流れて破壊することにつながる。また、接合強度が低いと、機械的振動やヒートサイクル負荷により、接合部の断線につながるおそれがある。

このようなボンディングワイヤ接合不良を、製造段階のボンディング工程後に検査できると、出荷後の故障やトラブルを防止することができる。ボンディング工程後の検査に際し、複数のボンディングワイヤに流れる電流を同時に測定するために、特許文献1には、ボンディングワイヤに流れる電流により発生する磁束を測定する磁束検出装置をボンディングワイヤの数だけ所定の間隔を開けて積層したセンサが開示されている。

非特許文献1では、スイッチング電流のオンオフを繰り返すことで、ボンディングワイヤ接合不良が発生し、接合部の接触抵抗が大きくなる等の問題点が指摘されている。

特許文献2~4には、ボンディング方法に関する技術が開示されている。これらの技術は、ボンディングワイヤを介してチップ電流を検出しており、チップの全電流しか測定できない。また接触型の測定であり、電流分布も測定できない。

特許文献5には、試験片に荷重(外力)を印加して材料試験を行うよう構成された材料試験機において、材料試験中の試験片の磁気データを検出する検出磁気検出手段を複数具備して、試験片における異なる箇所の磁気データを検出するようにした材料試験機が開示されているが、複数のボンディングワイヤに流れる電流を同時に測定するものではない。

特許文献6には、所定周波数の電流を被測定物の一対の電極間に通電する通電手段と、被測定物の複数の部分に対向して位置し、前記複数の部分に流れる電流によってそれぞれ発生する磁界を検出して、検出磁界を表す信号を出力する磁界検出手段と、前記磁界検出手段から出力される検出磁界を表す信号から、前記所定周波数に等しい周波数の信号成分を取出す周波数成分取出手段と、前記周波数成分取出手段によって取出された信号成分から、被測定物の複数の部分に前記所定周波数と等しい周波数でそれぞれ流れる電流の大きさ及び向きを検出する電流分布検出手段とを備えた電流分布測定装置において、被測定物の一対の電極のうちの一方の電極は、被測定物の複数の異なる位置にそれぞれ接合される複数の電極端子を有し、前記通電手段は、前記複数の電極端子にそれぞれ異なる周波数の電流を通電し、前記周波数成分取出手段は、前記磁界検出手段から出力される検出磁界を表す信号から、前記異なる周波数にそれぞれ等しい周波数の信号成分を取出し、前記電流分布検出手段は、前記異なる周波数ごとに、被測定物の複数の部分に流れる電流の大きさ及び方向を検出する電流分布測定装置が開示されている。

しかし、この電流分布測定装置では、磁界センサを複数配置する検出構造を取るが、一つのセンサを2つの直交する磁界方向を検出できるように構成し、太陽光発電パネルの発電セルの特性不良を電流磁界ベクトルの方向で検出する事が目的であり、複数のボンディングワイヤに流れる電流を同時に測定する用途には適用できない。

非特許文献2においては、電力用半導体モジュールの初期不良を防ぐために、IGBTチップのボンディングワイヤ上に、小さなコイルを有する非接触センサを有する電流信号分布測定装置を開示しているが、外部磁界やノイズの影響への対策には触れていない。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、電力用半導体デバイス、特にIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)と呼ばれる、1kW以上の電気機器および電子機器の電源やインバータ等に広く使われているデバイスの後工程、すなわちチップを実装してパッケージングする工程で不良品を検出し、市場での当該デバイスの故障を防止する技術に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
複数の電力用半導体デバイスのそれぞれと基板間を、複数のボンディングワイヤで接合した電力用半導体デバイスのボンディングワイヤ電流磁界分布検出方法において、
前記複数のボンディングワイヤに流れる電流により生じる磁界を検出するとともに、前記磁界に応じた電流を各ボンディングワイヤの電流としてそれぞれ出力する電流センサを複数設け、
前記電流センサにより、計測目標位置と、その計測目標位置から離れた少なくとも1箇所の偏位位置で電流磁界を測定し、
前記計測目標位置と、前記偏位位置とで測定した電流磁界の差分をボンディングワイヤ電流信号としてボンディングワイヤ電流磁界分布を検出することを特徴とする電力用半導体デバイスのボンディングワイヤ電流磁界分布検出方法。

【請求項2】
 
前記複数の電流センサのうち少なくとも1つの電流センサを、前記計測目標位置と前記偏位位置とに移動させることにより前記各位置で電流磁界を測定することを特徴とする請求項1記載の電力用半導体デバイスのボンディングワイヤ電流磁界分布検出方法。

【請求項3】
 
前記複数の電流センサは、前記計測目標位置と前記偏位位置とでそれぞれ電流磁界を検出するためのセンサ素子を備え、前記複数の電流センサを予め固定された位置に配置させた状態で前記各位置でそれぞれ同時に電流磁界を測定することを特徴とする請求項1記載の電力用半導体デバイスのボンディングワイヤ電流磁界分布検出方法。

【請求項4】
 
複数の電力用半導体デバイスのそれぞれと基板間を、複数のボンディングワイヤで接合した電力用半導体デバイスのボンディングワイヤ電流磁界分布検出方法において、
前記複数のボンディングワイヤに流れる電流により生じる磁界をそれぞれ検出する電流センサを複数設け、
前記各電流センサは、計測目標位置と、その計測目標位置から離れた少なくとも1箇所の偏位位置とに、それぞれ独立したセンサ素子を備えるとともに、各センサ素子の出力信号を電流磁界方向に対して互いに信号を打ち消し合う逆相接続した構成とし、
前記逆相接続したセンサ素子の総合的な出力信号をボンディングワイヤの電流磁界信号としてボンディングワイヤ電流磁界分布を検出することを特徴とする電力用半導体デバイスのボンディングワイヤ電流磁界分布検出方法。

【請求項5】
 
複数の電力用半導体デバイスのそれぞれと基板間を、複数のボンディングワイヤで接合した電力用半導体デバイスのボンディングワイヤ電流磁界分布検出装置において、
前記複数のボンディングワイヤに流れる電流により生じる磁界を検出するとともに、前記磁界に応じた電流を各ボンディングワイヤの電流としてそれぞれ出力する複数の電流センサと、
前記電流センサにより、計測目標位置と、その計測目標位置から離れた少なくとも1箇所の偏位位置で電流磁界を測定する電流磁界測定手段と、
前記計測目標位置と、前記偏位位置とで測定した電流磁界の差分を演算する電流磁界差分演算手段と
を備えたことを特徴とする電力用半導体デバイスのボンディングワイヤ電流磁界分布検出装置。

【請求項6】
 
前記複数の電流センサのうち少なくとも1つの電流センサを、前記計測目標位置と前記偏位位置とに移動させる電流センサ移動手段を設け、前記各位置で前記電流磁界測定手段により電流磁界を測定することを特徴とする請求項5記載の電力用半導体デバイスのボンディングワイヤ電流磁界分布検出装置。

【請求項7】
 
前記複数の電流センサは、前記計測目標位置と前記偏位位置とでそれぞれ電流磁界を検出するためのセンサ素子を備え、前記複数の電流センサを予め固定された位置に配置させた状態で前記各位置でそれぞれ同時に電流磁界を測定する電流センサユニットを設けた請求項5記載の電力用半導体デバイスのボンディングワイヤ電流磁界分布検出装置。

【請求項8】
 
複数の電力用半導体デバイスのそれぞれと基板間を、複数のボンディングワイヤで接合した電力用半導体デバイスのボンディングワイヤ電流磁界分布検出装置において、
前記複数のボンディングワイヤに流れる電流により生じる磁界を検出するとともに、前記磁界に応じた電流を各ボンディングワイヤの電流としてそれぞれ出力する複数の電流センサであって、各電流センサは、一つの基板に位置の異なる少なくとも2つのセンサ素子を備えたものであり、
前記電流センサにより、計測目標位置と、その計測目標位置から離れた少なくとも1箇所の偏位位置で電流磁界を測定する電流磁界測定手段と、
前記計測目標位置と、前記偏位位置とで測定した電流磁界の差分を演算する差動信号演算手段と
を備えたことを特徴とする電力用半導体デバイスのボンディングワイヤ電流磁界分布検出装置。

【請求項9】
 
複数の電力用半導体デバイスのそれぞれと基板間を、複数のボンディングワイヤで接合した電力用半導体デバイスのボンディングワイヤ電流磁界分布検出装置において、
前記複数のボンディングワイヤに流れる電流により生じる磁界を検出するとともに、前記磁界に応じた電流を各ボンディングワイヤの電流としてそれぞれ出力する複数の電流センサであって、各電流センサは、計測目標位置と、その計測目標位置から離れた箇所の偏位位置で電流磁界を測定するセンサ素子の出力信号を電流磁界方向に対して互いに信号を打ち消し合う逆相で接続されたものであり、
前記電流センサにより、計測目標位置と、その計測目標位置から離れた箇所の偏位位置における電流磁界の差分を測定する電流磁界差分測定手段と
を備えたことを特徴とする電力用半導体デバイスのボンディングワイヤ電流磁界分布検出装置。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2015030900thum.jpg
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