Temperature distribution imaging for power devices by ultrasonic wave

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K05944
• Research Institution: Kyushu Institute of Technology
• Principal Investigator: 渡邉 晃彦 九州工業大学, 大学院工学研究院, 助教 (80363406)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 附田 正則 北九州市環境エレクトロニクス研究所, 先進パワーデバイス研究室, 主任研究員 (00579154) ; 大村 一郎 九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 教授 (10510670)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 超音波 / 温度分布 / パワーデバイス / 故障解析

Outline of Annual Research Achievements

パワーデバイスの故障原因となる内部の微小な欠陥や劣化発生メカニズムを明らかにするためには、デバイス内部の温度分布をモニタリングする必要がある。本研究では、固体内の音速が材料の温度により変化することに着目し、非接触で固体内部の温度分布を計測する技術を確立し、パワーデバイスの高信頼化へ応用することを目的とする。
本年度は、構築した超音波信号取得システムを用い、通電条件を変えることでパワーデバイスの温度を変化させたときの超音波信号を観察し、実際のデバイスによる温度分布計測の原理を実験的な検証を試みた。通電中（温度上昇中）に超音波波形を取得した場合、超音波波形にノイズが重畳し超音波エコーの変化を検出することは著しく困難になる。この結果から、動作状態のデバイス内部温度変化を超音波波形から捉えるためには、測定システムのノイズ対策および超音波波形とノイズとの波形分離が必要になることが明らかになった。
一方、通電によりデバイス温度を上昇させた状態で取得した超音波エコー信号と室温で取得した信号を比較すると、両者の到達時間に差が確認できたが、発熱源である半導体チップを境に到達時間差の正負が逆転するケースも観察され、詳細解析にはデバイス内部での温度勾配などを考慮する必要がある。また、エコー波形取得の時間分解能は超音波の周波数に依存する部分もあり、温度分布の画像化には、これらの要素を考慮する必要がある。
本研究全体を通して実験による原理確認、測定における問題点および温度分布の画像化に向けた要素が確認された。これら明らかになった要素のそれぞれをさらに解析し最適化することで、パワーデバイスの内部温度分布の非破壊での可視化技術が確立できると考える。