厳しい条件で確かめる：信頼性の試験

半導体の製品が長く使えるかを確かめる信頼性の試験を、温度、湿度、温度の変化のくり返し、電圧、静電気といった、製品が受ける負担ごとに説明する。どんな壊れ方を調べるのかと、用途によって求められる厳しさの違いも扱う。

製品が受ける負担を、試験で再現する

分野の最初のページでは、厳しい条件で材料の傷み方を速め、長く使ったときの様子を短い期間で確かめる「加速試験」を学んだ。このページでは、その試験に、どのような種類があるのかを見ていく。

半導体の製品が使われる間に受ける負担は、使われる場所と使われ方で決まる。熱い場所か、湿った場所か、電源を入れたり切ったりする回数が多いか、人の手に触れるか。信頼性の試験は、こうした負担を一つずつ取り出し、厳しくして再現する。そして、どこが、どのように壊れるかを調べる。

高い温度で動かし続ける

基本の試験の一つが、高い温度の中で、電圧をかけて動かし続ける試験である。

温度が高いと、材料の中の原子が動きやすくなり、多くの種類の傷みが速く進む。トランジスタのゲートの下の絶縁膜が少しずつ傷んだり、トランジスタの性質が少しずつずれたりする様子を、短い期間で確かめられる。配線の金属の原子が電気の流れに押されて移動する現象も、高い温度で速く進む。

試験の途中や後で、電気の特性を測り、決まりの範囲から外れていないかを調べる。

湿気に耐えるか

チップを守るパッケージの樹脂は、水分をわずかに通す。長く湿った場所にあると、水分がパッケージの中に入り込み、配線の金属をさびさせたり、電気を漏らしたりすることがある。

そこで、高い温度と高い湿度の中に製品を置き、電圧をかけたまま、長い時間おく試験が行われる。さらに、圧力をかけて、水分を速く入り込ませる試験もある。

温度の変化をくり返す

製品は、熱くなったり冷えたりをくり返す。電源を入れると温まり、切ると冷える。自動車の部品なら、冬の朝の寒さと、動いているときの熱さの両方を受ける。

チップ、パッケージの樹脂、配線、基板は、それぞれ材料が違い、温まったときの伸び方も違う。温度が上下するたびに、材料の境目に力がかかる。これをくり返すと、つなぎ目にひびが入ったり、はがれたりすることがある。

そこで、低い温度と高い温度の間を、何度もくり返して行き来させる試験を行う。急に温度を変えて、より強い力をかける試験もある。

静電気に耐えるか

人がものに触れたときにぱちっと感じる静電気は、半導体にとって大きな脅威である。静電気は、一瞬だけだが、とても高い電圧になる。チップの中の非常に薄い絶縁膜は、この高い電圧で壊れることがある。

そのため、チップの電極の近くには、静電気が入ってきたときに、その電気を安全な道へ逃がす保護の回路が作り込まれている。信頼性の試験では、人の体や、組み立ての装置からの静電気を模した電気をかけて、保護の回路がきちんと働くかを確かめる。

工場でも、作業する人が体の静電気を逃がす道具を身に着けるなど、静電気を起こさない、ためない工夫がされている。

試験の結果から、使える年月を推し量る

加速試験では、厳しい条件の下で、決まった時間がたつまでに、どれだけの製品が壊れるかを調べる。条件を何段階かに変えて試験を行えば、条件の厳しさと壊れるまでの時間の関係が分かる。

その関係を、実際に使われる条件にあてはめると、ふつうの使い方で、どれくらいの年月にわたって使えるかを推し量れる。こうして、製品の寿命についての見通しを、短い期間の試験から立てる。

そのほかの試験

このほかにも、使われ方に応じた試験がある。

* 落としたり、揺らしたりする機械的な試験。携帯機器や自動車の部品で大切になる。* 高い温度の中に、電圧をかけずに長い時間おく試験。材料そのものの傷み方を調べる。* 基板にはんだ付けするときの熱に耐えるかを確かめる試験。パッケージが吸った水分が、はんだ付けの熱で急に膨らみ、パッケージを割ることがあるためである。

用途によって、求められる厳しさが違う

どの試験を、どれだけ厳しい条件で行うかは、製品が使われる場所によって違う。

自動車の部品は、寒い場所から暑い場所まで、長い年月にわたって使われ、壊れると安全に関わる。そのため、家庭で使う機器の部品より、厳しい条件で、多くの試験に合格することが求められる。試験の項目や条件をまとめた、業界の共通の決まりもある。

人の命に関わる医療の機器や、交換が難しい宇宙の機器などでも、特に高い信頼性が求められる。

壊れた理由を、設計と製造に戻す

試験で壊れた製品は、故障解析で、どこが、なぜ壊れたかを調べる。チップの表面を顕微鏡で見たり、断面を切り出したりして、壊れた場所を突き止める。

分かった原因は、設計や材料、製造の工程に戻され、次の製品の改良に生かされる。信頼性の試験は、合格か不合格かを決めるだけでなく、製品をより丈夫にするための手がかりを集める役割を持っている。

このページのまとめ

信頼性の試験は、製品が受ける負担を一つずつ取り出し、厳しくして再現する。高い温度で動かし続ける試験、湿気の試験、温度の変化をくり返す試験、静電気の試験などがある。それぞれ、絶縁膜や配線の傷み、さび、材料の境目のひびやはがれ、薄い膜の破壊といった壊れ方を調べる。求められる厳しさは用途によって違い、自動車の部品などでは特に厳しい。壊れた理由は、設計と製造に戻して生かす。