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品質と信頼性

信頼性テスト

信頼性の概念と尺度

元器件的可靠性可以定义为,当它作为部件的一部分用于机器时,"在指定的时间内,可以毫无故障地发挥其目的的功能"。 如果定量地去表现可靠性的话,可以使用可靠度或故障率来表现,以一个时间变数的分布函数来表现,指数分布、Wieble分布主要适用于半导体。 如下列图表中,对一般电子零件和半导体产品产生故障的时间参数所表现的,让我们更加清楚的看到它具有一定的倾向。

表1. 時間の経過による故障発生率関係

发生故障的时间通常分为三个时期,各为初期。 故障器(Initial Failure Period)、偶发故障器(Random Failure Period)、磨损故障器(Wearout Failure Period)。

S特别是,半导体产品具有偶发故障期发生故障率呈渐减现象的特点,但此时发生故障因意味着为偶发,所以让将故障的发生最小化,是一个重要的课题。 在表现半导体产品的可靠度时,利用多种分布函数进行近似解析,在假设电子零件寿命分布形态的指数分布的情况下,可靠度函数R(t)以以下方式进行表现。

R(t) = exp(-λt)

另外,瞬间的故障率 λ(t)和平均寿命μ可以表现为以下几点。

λ(t) = λ(与所经过的时间无关为固定)
μ = 1/λ = MTTF

通常情况下,半导体产品的故障率以时间(t)=1000小时为基准,表现为%/1000小时。
另外,在外业资料或故障率预测中,因故障率极少,极低,因此将该值的1/104倍即10-4
(%/1000小时)=10-9(故障/时间)称为1Fit的单位。

信頼性の要因

半导体元件可靠性并不仅仅体现在元件本身,还必须要重视必不可免的施加的动作所造成的压力,和环境的压力。这种压力相互之间也有非常密切的关系,为了可以更加放心地使用,需要比起各种因素,要对更加重要的因素进行说明。

動作要件

E半導体に印加する電圧、電流や機器に使われる環境条件は信頼度を左右する大きな要因だ。
目的とする回路に応じて適正な素子の選択と回路設計によってふさわしい動作点を設定しなければならない。
集積回路の故障率は温度に大きく影響されることはよく知られており、温度が高くなるにつれて故障率も増大する。
しかし、小信号用集積回路は印加される電圧、電流が小さいので、特殊な回路を除いては、温度に対してそれほど懸念しなくてもよいと言える。 むしろ、サージ電圧の印加や特性の偏差に注目し、設計を行う際に特性変動の許容限界を確認し余裕を与えることができれば、素子の寿命さらには機器の寿命を大幅に延ばすことができる。
一方、比較的大きな電圧と電流を印加する電力用集積回路は電圧より電流が大きいため、素子自体での消費電力が非常に大きい。 その際の電力消費は集積回路の自前発熱を起こし、特性的にも信頼性の面からもよくないため、放熱に留意しなければならない。 集積回路を高く信頼して用いるためには、最大定格に規定された電圧、電流、温度に対して体感して使用することが望ましい。 しかし、体感は信頼性と経済性との妥協点があるので、一律にどの程度体感しろと述べることは困難であるが、通常、次のように体感するのが標準と言える。

電圧最大定格の70~80%またはそれ以下

電力最大定格の50%以下

電流最大定格の80%以下 

温度最大定格の70~80%またはそれ以下

このような体感に関し、一部の官庁や機関では使用基準や設計基準を制定し、使用範囲を制限している場合もある。

素子の偏差

製造工程における自動化や製造技術の向上は目覚ましいほど発展と積極的な新技術の導入により品質と信頼性は年々向上を重ねている。 したがって、工程の完全自動化は言うまでもなく、新たな管理手法の導入等により品質のバラツキはほとんどないに等しいと言える。 しかし、半導体製品はその形状、構造、寸法が非常に小さく、物理的、化学的な技術に基づいて高精度の制御管理による精密技術で作られるが、いかなる小さな偏差であっても、特性に与える影響は非常に大きく、最新技術を駆使しても均一性を保つことは難しいのが現状である。

耐環境性

製品のケースはプラスチック樹脂封止形と金属などによる気密封止形の2つに大別される。 最近では、価格が安く生産性の高いプラスチック樹脂袋型が主流となっており、小信号用から大電力用まで応用領域が広がっている。 これは機械的強度が高く、電気的絶縁性、耐環境性に優れた樹脂の開発と成形技術や表面処理技術の発達によるものであり、これにより飛躍的な信頼性の向上が可能になった。 現状的には市場の環境にも起因するが、特殊な環境を除けば金属気密袋型と同等レベルの信頼性を実現することができる。 しかし、プラスチック樹脂型は気密袋型ではなく、湿気が樹脂を通じて内部に浸透するため、機器やシステムを使用する環境が事前に予測できるなら、特に耐環境性を求められる場合には、金属気密袋型を使った方がいい。 半導体製品は埃や有害ガス、塩気、放射線などの雰囲気にさらされると、特性不安定や劣化、リード部位の腐食などを引き起こす主な原因となるので注意する必要がある。

信頼性テストの種類
種類 内容 規格
連続動作寿命試験 素子に長時間かけて電気的Stress(電圧、電流)及び温度Stress(負荷による温度上昇を含む)を与え、耐性を評価する。

JESD22-A108

JIS C7021 B-4

MIL-STD 883E-105

Discrete 試験条件

Ta = 25℃ VC = VCEO MAX × 0.7, PC = PC MAX, 1008Hr

IC 試験条件

Ta = TOPR MAX, PD = PD MAX, 1008HR

高温動作寿命試験 素子に長時間かけて電気的(電圧、電流)及び高温環境でStressを与え、耐性を評価する。

JESD22-A108

JEP47

 IC 試験条件

TJ≥125℃ or Topr max, VIN=VIN MAX or Pd Max, 1000HR

断続動作寿命 試験素子に断続的に通電して、オン状態とオフ状態に相当する温度の上昇と下降に対して電気的条件を印加し、素子の電気的·機械的性能を評価する。

MIL-STD 750D

JIS C7021 B-6

Ta = 25℃, ON/OFF Operation, △Tj≥100℃, Rated Cycles

高温逆バイアス寿命試験 素子に長時間かけて電気的Stress(逆電圧)及び温度Stress(Ta = TJMAX)を与え、耐性を評価する。

JESD22-A108

JIS C7021 B-8

(Ta = TJ MAX)

Ta = TJ MAX, VCB = VCBO MAX × 0.8, 1008Hr

高温高湿逆ウイルス寿命試験 素子を長時間電気的Stressを高温(85℃)、高湿(85%RH)環境条件を認可し、素子の電気的·機械的性能を評価する。

JESD22-A101

Ta = 85℃, RH = 85%, V(reverse) MAX × 0.8, 1000Hr

温度湿度バイアス寿命試験 素子を長時間電気的Stressを高温(85℃)、高湿(85%RH)環境条件を認可し、素子の電気的·機械的性能を評価する。

JESD22-A101

JEP47

IC 試験条件

Ta = 85℃, RH = 85%, VIN MAX × 0.8, 1000Hr

高温保存寿命試験 素子を高温状態で放置する場合、耐性を評価する。

JESD22-A103

Ta = TSTG MAX, 1000Hr

低温保存寿命試験 素子を低温状態で放置する場合、耐性を評価する。

JESD22-A119

Ta = TSTG MAX, 1000Hr

高温・高湿保存寿命試験 素子を高温、高湿度で長時間使用及び保管(放置)した場合、耐性を評価する。

JESD22-A101

JIS C7021 B-11

Ta = 85℃, RH = 85%

鉛耐熱性試験 素子をはんだ付け作業中に受ける熱に対する耐性を評価する。

JESD-B106

J-STD-020

JIS C7021 A-1

THD Test conditions : TSOL = 400℃, 3sec Dip

SMD Test conditions

Ta = 150℃, 24Hr Ta = 85℃, RH = 85%, 168Hr

TSOL = 265℃, 10sec Dip

温度サイクル試験(気体) 素子を高温又は低温にさらしたとき、耐熱及び耐寒性を評価する。

JESD22-A104

JIS C7021 A-4

Ta = TSTG MIN  TSTG MAX, 200Cycle

蒸気加圧試験 Packageに対する気密性を評価する。

JESD22-A102

JIS C7021 A-6

Ta = 121℃, RH = 95%, 8Hr Aging TSOL = 245℃ , 5sec

端子強度試験 素子が実装又は使用中、端子に加えられる力に耐えることができるかを評価する。

JESD22-B105

JIS C7021 A-11

Angle = 45˚, 3回

塩水噴霧試験 素子の塩水噴射に対する耐腐食性を評価する。

JESD22-A107

JIS C7021 A-12

Ta = 35℃, Salt Sol = 5%, 24Hr Spray

信頼性試験規格
JEDEC 規格

JJESD22半導体素子の試験方法

日本電子工業協会標準規格(EIAJ規格 Electronic Industries Association Of Japan Standards

EIAJ ED-4701 半導体部品に対する環境及び耐久性試験方法

EIAJ ED-4702 表面実装部品の機械的試験方法

米国軍用規格(MIL規格) U.S Military Standards

MIL-STD-202 電気&電子部品の試験方法

MIL-STD-750 半導体素子の試験方法

MIL-STD-883 極小電子部品試験方法及び手順

日本工業規格(JIS 規格) Japanese Industrial Standards

JIS C7021個別半導体素子の環境試験方法及び耐久性試験方法

JIS C7030トランジスタ測定方法

JIS C7032トランジスタ総則

JIS C7210信頼性保証個別半導体デバイス通則

信頼性保証プロセス
  • 01
    商品戦略樹立
  • 02
    開発の可能性を検討
  • 03
    開発PP
  • 04
    信頼性評価(不定期)
  • 05
    開発完了
  • 06
    量産PP
  • 07
    信頼性評価(Lot Link)
  • 08
    量産(Start)
  • 09
    信頼性評価(定期)
  • 10
    製品出荷
  • 不定期信頼性

    開発品、材料工程実費変更等、当該製品を信頼性の
    側面から検証するために実施する評価(1,000Hr評価)

  • Lot Link

    量産時製品に対して量産性(有効性)を確認するた
    めに実施する評価(168Hr評価)

  • 定期信頼性

    量産中の製品に対して信頼性の側面から品質を確認·保証するために定期的に実施する評価(1,000Hr評価)