半導体ICの信頼性

(1)

u.D.C.る21.372_181.4:る21.382

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Katsuhiko Katayama Akira Sugiyama

要

旨

半導体ICの信敵性について,品質保証体系と試験方法の解説から,MOS形,DTL形,リニヤ形ICの開発品の実績データをまとめてICの信敵性の現状と問題点を紹介する｡ 1.緒口近年,電子工学のRざましい進歩に伴い,トランジスタ,ダイオード,ICなどの半さ導体部品は,テレビ,ラジオはもちろん,卓上計算機,電子計算撥,電子交換機と巨大化するシステムの主役部品の座を占めていることは説明するまでもない｡､たとえば99%の信緯度を有する部品を10個使うと90%の信煩度が期待できるが,100個性うと37%と急速に低下する.｡したが〔て巨大化するシステムに使用される部品の信較度はきわめてきびしいものとなる｡■また特性にバラツキの少ないこと,安定性の良いことも部品として重要な要素である.っ本論文では開発途上の新製品ICの品質保証休系からはじよ㍉試験法の要約,タイプごとの実績データを紹介する｡.

2.半導体ICの信頼性保証体系

2.1新製品の信頼性保証体系半導体工業のように,技術革新のテンポの著しく一丁1､ものほ,IC も含めて新製品の開発テンポもまたきわめて早く,その信頼性の保証体系が牛山こ重要になる｡現在半導体ICで採用している新製品の信板性保証体系は図1に示すとおり,量産段階にのせる前に,開発当初に品質認定試験により, 信頼性の評価を実施する｡図2に信折性評価の内容の一例を示す｡ 2.2 _{量産品の信頼性保証のための管羊聖活動} 前節の品質認定制度が確認され,合格したICほ漸次量産に移され,販売活動がなされるが,量産品について信頼性の確認もロットごとに続けられる｡図3はその方法を示したものである｡材料の受入検査,製造工程の品質管理,製品の検査,信煩性の確認,顧客苦情処二哩を一貫した組織で品質管理課が行ない.情報のフィードバック,調整,対策の促進が追求される｡

3.1C信頼性試験法

3.1寿命試験法放置寿命試験(室温,高温,高温高湿,低温)と動作寿命試験(室温,高温,実装)と2大別されるが代表的な二つについて説明する二高温放置寿命試験: 無電圧で最大保存温度の高温槽中に放置する｡MOS形(150℃),DTL形(175℃), リニヤ形(200℃) 高温動作寿命試験:125℃の高温槽中で電力を加えて動作させる｡ ○直流バイアス ○スイッチング動作 (⊃リングカウンタ ○直流動作などがある｡日立製作所武蔵工場開鬼門措 ‖抑‥日誌{■心試験り吐敢桜惜回1IC開発品の認定制度 ∫し.Eニ1こt'【1∴ェ弓し■ゝ転抑イト +二L】r′j一二にr】 + B外税,+∴川†ljl.+ り柑'那戸一一会ノ､梯〆たロ･リ:､†i‡柑･j■′川さ吉相こ駄 t ,に1州一作打た試射j川･リ上エ■呈塙試.鞍iて(仙】‡) I】山1一方卜`試鮫駄'l芦..J二幣 jミミヰ･り｡Jこ炉･古土ーi左卜柑_7l･こごilJJ 紙与-JI汁作て1･即帥1う'ミ=刀t l 7､ハl---･.10け1り■ L.■-】い■二十ノ′′′J｡ヂ淵て｢-｢.■--′7▼ナ解 I ;.■-ノ′テ∴い10帆j l l ノ.+三才】†よ験川と計い I さ†川1喜ノ･こ軒100rノ､ l 〉ミt･■川■ ‥ノ】一卜抑l l 八 ri l =;f帖柑与二試餅･■才柑(て■ 図3IC量産品の信板性保証試験･/]てエリニ三三二二_二⊥_竺⊥+ l)▼J/川1(山り′iT

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.†も;′J 】J･ノlノ 1】‥､■･r 図2 _{認定試験における信税性評価の内容} 3.2 _{環境試験法} 3.2.】ふん困気試験主要な環境試験法をMIL-STD-750A(アメリカのMilitar)r

Standard-Test _method for _{semiconductor}

devices)とJIS-C-7030(トランジスタ試験方法)から引用した試験方法を紹介する｡温度サイクル(MIL-STD-750Aの方法1051): -65℃から最高保存温度150℃(MOS形),175℃(DTL形), 200℃(リニヤ形)の槽iこ交互に5分以内に移動させる｡最低および最高温度槽には30分以上放置する｡5サイクル｡耐はんだ熱(方法2031･1): 260℃のはんだ液中にリード付け根から1.6mmの所まで 10秒間浸す｡熱衝撃(方法1056･1): 100℃煮沸水および0℃の氷水の間を交互に5秒以内に移動させる｡100℃および0℃中には15秒以上浸す｡5サイクル実施｡ソルダビリテイ(方法2026･1): ロジン系フラックスを用いて,230℃のはんだ槽に浸漬して95%以上ぬれていること｡ー77一

(2)

876 _{昭和42年8月} 虫10 真弓

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日上土箸 1 ≒-0% 二三-0ク右 100mW動作 (Ⅶs=101リD (30個) ￣ZO O 20 -20 0 20 _】20 0 20 _-100 0 100 十0% ■￣F指1 1508c放置 (40個) ￣20 0 20-20 0 20-20 0 20-100 0 100 ⊥L =101℃A) Ip5S■:別恥sx｢別肌csx㈲ 1GSS(%〕 (Ⅴ♪S=6VVGS=0川D=叫A17GSこ-6V川D=1恥AVDS=印〔VGS=-6VVDS=0) 図4 _{単体MOS3SK21⑪の寿命試験における特性変動} 九1IL耐湿試験(方法1021･1): 225gのおもりを掛けリード線を1回折曲げた後,湿度90プ左へ98%の槽中で25℃から65℃の温変上下2回,湿度制御なしで一10℃冷ショックを1回加える条件を1サイクル(24 時間)として10サイクル(10日間)施行する｡煮沸試験: 煮沸水中で2時間,または2気凪･こ加圧した条件で煮沸と冷却を20サイクル繰り返す｡ 3.2.2 _{横械的強度試験} 自由語下(JIS-C-7030･5･4): 75cmの高さから水平方向に置かれたかえで仮に3回自由語下させる｡遠心加速 ⅩY Z 衝撃落下 ⅩY Z (方法2006): 6方向に各1分間20,000Gの遠心加速を加えるっ (方法2016): 6方向に各3回,1,500G,0.5msのショックを加える｡振動疲労(方法2046): ⅩYZ方向に各32時間,60cps20Gの振動を加える｡端子強度(方法2036): リード線に225gの荷重を加えて,同一平面内で同一方向に90度折曲げを繰り返す｡3回以上

4.仙OSICの信頼性

4.1仙OS特性の変動 MOS形構造特有のため,従来のトランシスタに比べて,特性変動に不安感をもたれるが,日立｢′三は単体のMOSの経験も古く,安定なものを作る技術を開発,確立している｡参考のためにN-Channel Depletion _{modeの単体MOS3SK21⑪の寿命試験の特性変動デ} ータを示すと図4のようになるコグラフの意味は1,000時間終了後の初期値から変動のパーセントを示す｡IGSSのpA以下の特性を除いてほぼ±10%以内の変動に入り安定なことがわかる｡MOSICの HD701加Ⅰの高温直流ノミイアス動作1,000時間後の特性変動を示したのが図5である｡ただし, SiOコナートt .､レ1/ ス保讃ダイオード団6 MOSFFTの構造

評

論

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変動値(%)=一世壁堅墜竺昼二旦壁坦空牡×100

0時間の値 4･2 _{州OSICのゲート破壊} MOS形ICは図占のように非常に薄いSiO2の絶縁酸化険で入力回路を構成しているため,ゲート電極に過大電圧を印加すると絶縁破壊を起こす｡この破壌は入力を短絡させる｡またトランジスタの一次破壊と異なり永久破壊であるので,信頼性の面から非常に重要な問題となる｡過大電圧の発生原因は,カーブトレーサ,シンクロスコープ,パ ′ンス発生器などの測定器の交流の漏電,はんだごての漏電,サージ電圧誘導など種々考えられるが,人体に発生する静電気は特に強く問題になる.｡人体に帯電する静電気は,衣煩,はき物,体質,周囲温風周囲湿度などの複雑な要素に支配されるが,帯電しやすい,人造繊維の｢F業衣を脱いだ場合,20℃40%と比較的に起こりやすい周囲条件でも-13,000Vも帯電することを観測している｡一般に走行後約800 V(0.3kV∼1.8kV観測),作業衣着脱後約6kV(2∼10kVを観測)に帯電する｡人体容量は約150pF(100∼200pF観測)である｡普通ⅣIOSICを素手で扱う場合は,数10k･nの接触抵抗のために減衰され,大半は破壊をまぬがれるが,一部絶縁破壊をする｡破壊個所を明確に示すために,500pFiこ300V帯電して人為的に破壊したMOSICの写真を図7に示す｡極端な例なので全ゲート明確に破壊しているが,自然破壊の場合はもっとわかりにくい｡日立MOSICは保護ダイオードなど特有の技術により,ゲート破壊に対してできるだけ強いものに設計してあるが,十分に下記の注意を守ると信頼性良く安定に動作する｡ (-1)各端了･とも-30V以下の電圧で動rFさせない｡ (2)右端子に正電圧は印加しない｡ r-3)使用しない端子ほ浮動電位にならないよう接地またはバイアスを与える｡ (て4)運搬,保存時は端子間をアルミハブ,金属輪などを巻き短絡しておく｡ (5)作業者の帯電は交流からの漏電に注意した1Mエ1ぐらいの高抵抗で接地してニーごく｡〔6)電気設備の漏電,特にはんだごてのリーク,測定器の100 Vのリークを防ぐため,低接地抵抗で接地しておく｡ 4.3 _{仙OSICの信頼性データの実例} MOS形ICの各種寿命試験データの一例を紹介する｡図7 _{MOSICの人為的ゲート破壊(拡大)}

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(3)

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-2() -15 -10 -5 時間帖Ri二図9 _{HD704M高温(175℃)放置寿命試験例(代表ビン)} 図8はHD703Mの高温動作リングカウンタ,直流ノミイアス,ニナゴよび高温放置の帆u亡特性変化を比較した5試験の代表ピンの出力特性の例である｡きわめて安定であることがわかる⊂. 図9ほHD704Mのオーバ定格の175℃放置の代表ピンの入出力特性変化を示す｡図10はHD701Mの温度サイクル,耐はんだ熱,熱衝撃,MIL耐湿試験をこの順でシリーズに行なったときの各試験後の初期値に対する変動を示す｡横軸は試験前,縦軸ほ試験後の値を示す｡図11はHD703M自由落下,遠心加速,衝撃落下,振動疲労試験をこの順で行なったときの各試験後の初期値に対する変動を示ナ: 開発したMOS形ICの信顧性データの一例を下記するこ. 寿命試験については,高温放置,および高温動rF試験でおのおの 130個の例では不良は発生していないっふん閉気試験についてほ,温度サイクル,耐はんだ熱,熱衝撃, ソルダビリテイ,MIL耐湿試験をシリーズに344個について実施した例では不良ほ0である｡機械的強度試験として自由港下,遠心加速,衝撃落下,振動疲労試験を298個についてシリーズに実施し不良は発生していない.丁さらに大量,長時間の寿命試験,大量のフィールドデータの収集は今後の問題として残るが,開発したMOSICとしては十分な信頼性を有することがわかる｡.

5.ソニヤICの信頼性

5.1S†epS什ess試験リニヤ形ICはMOS形とは異なり,量産経験の豊かな,普通のトランジスタ,ダイオードの組合せであり,高抵抗,微少電流の変化の心配もなく安定である｡発熱の多い状態で使われるため,熱放散の問題が重要となる`⊃ 熱的ストレスをステップ状に加えた,いわゆるステップストレス試験の結果を図12に示す｡サンプルほ落下試験の履歴を経たもので 199℃,230℃,259℃,295℃,337℃,360℃の6ステップについて名 nU nU･･りLV 一( 1,0 0 図10 ∩ノー･､ l 10ノ1 (さ左と!空十 l'｡u巴 ■廿

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たて軸:試芳j三枚の値を示す図11MOS HD703Mの綾織強度試験前後の特性変動相対図 199=c 230口c 259'c 295=c 337'c 360J(: 図12 LINEARIiAllO3Mの高温ステップストレス試験 i･こよる特性変動 48時間ずつ放置したものである｡品種はHAllO3Mであるこ.360℃ までは各特性とも非常に安定である｡ 5.2 _{リニヤ忙の信頼性データ} リニヤ形ICの各信痩性データを図で示す｡図】3はHAllOIMの高温動作寿命試験の各特性の変動を示している｡図14ほHAllO3Mの200℃放置の寿命試験データを示す｡図15はHAllO4Mの温度サイク′ン,耐はんだ熱,熱衝撃,MIL 耐湿のふん囲気試験をシリーズに実施したときの前後の特性変動を示す｡図1dはHAllO3Mの自由落下,遠心加速,衝撃落下,振動疲労の機械強度試験をシリーズに実施したときの前後の特性変動を示すっ開発したリニヤICの信頼性データの一例を下記に述べる､⊃ 高温動作寿命試験158個,高温放置寿命試験237個で致命的な不良がなく,今後さらに大量長時間の寿命試験に期待される｡温度サイクル,耐はんだ熱

_{熱衝撃,ソルダビリテイ,煮沸また}

(4)

ー79-878 _{昭和42年8月} (<∈)ギヨこhく (己ヨ竿賢封款10 個 nU O 放l 個5 0 款10 個5 回.. 鹿10 <U こJ O O ■■J 2 1 1 つふ 2 0 1 q】 (L亡ゴ諾三コ ( 三ご芸… 三∈〓下増エペ (>二.占て㌧鞍ュー一 0.2 0.15 0.1

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る.DTLICの信頼性

占.1フラットパッケージの機械白勺強度特に高信挺,軽量を要するDTLを特別に開発した.｡MOS,りニヤはともにJEDECのTO-100またはTO-101形で,トランジスメのTO-5形のステムの技術の上にたっているので不安ほないが,フラット/ミッケージは新しい技術によるものであるから検討を必要とする｡ここではフラットパッケージ自身のピソ強度と強ストレスの榛械 5けヒン +_⊥__⊥叫+(lJ+_____________+_______________________⊥_一〔け__⊥ 2 ₁ 6 占 10 占5 225 1引〕ワ ₃ 1+E一三十 _{川‖トJrぎr･} 1り掛空･:kgl 図17 DTI一フラットノ1ソケージ折曲強圧と引張強度的強度試験について述べる.｡区=7にDTL形こ陵周しているJEDEC TO-86形のフラットパッケージの折砕け試験(MIL-STD-750A2036方法)の分布と荷重依存性を示す‥.MIL指定の225g,3回以上には十分耐える｡折曲 :ずほ同一平面内90変拝復を1回とする｡同国に端了-の引張強吐の分布をホす｢.実際は全数引抜けずに切断した｡強ストレスの梯根強珪実験として衝撃落下(6,000G O.5mslOO 回),遠心加速(50,000GlO時R即,自由落下(75cmより,ガラス

(5)

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lズ118 _{卜】立工樺株式会社製} 遠心加速機のフラットパック￣一ジ用治具枇上100桝),振動(60サイクル50GlO帖間)をおのおの100桐について7げ〔い断線1二良0という純米を得ている､-､ICl佃あたF)トラソジスタに比べて約5付千ジーボンデーrング数を石することを考えろと好成続であるご､本実験においてほ,IC専別に口､-/二上磯株式会什て開発した55P--2形遠心加速装置を川いた｢､参考J〕たム7-)ソラ､ソト′こツケージ什川口速部の治具の写真を図18にのせる.-､る.2 _{DTL形ICの信頼性データ} 図19は高温スイッチング動rFHD201Fの寿命試験データをホす｡図20ほHD203Fの高温放置寿命試験データを,図21はHD202 Fの温度サイクル,耐はんだ熱,熱衝撃,MIL耐将試験をシリーズに実施したデータを示す｡また図22はHD204Fの遠心加速,衝撃落下,振動疲労試験をシリーズに実施したデータを示す｡高温動†′ド寿命試験303個,高温放置寿命試験396偶の例でほ致命 Irl勺な不山よ発4三していない｡ふんU￣目気試験としての温度サイクル,耐はんだ熱,熱衝撃ソ′レダビリテイ,煮沸またほMIL耐湿をシり一ズに283脚実施した仰卜は不良0である｡放械的強度試験として遠心加速,衝撃落【F,振動疲労試験な226 仰シリーズに行なったものでは致命不良が出ていない｡今後大量,長時間の寿命試験,大量の環境試験の実績を積み重ねていく必要がある｡

7.結

口以上開発したMOS形,リニヤノ玖 DTL形IC弓垂棚は手命試験,環境試験を行なった紆架,好成績を収めたことについて紹介したが, 今後さらに信較度の飛躍的向上を一三1ぎしてばく進する所存である｡今後残さJtた弔要な問糎として,合即的な瓜制度をもった信析性 .拭験の開発,小山のメカニズムの解析と改善,フィールドデータ〟〕収築と解析,上主脚の寿命試験とその統計処肘などが考えられる.て: 高信頼化が進むにつれ,その解析にはばく一大な費用と帖間の壁に立ちふさがれる朽命にあるが,今後のその而の実破口を見つけることもきわが)て衷要な阻越である｡信

析

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方式この発明は電力系統の無効電力および電陀の昇降に自動的に対応する新力式であり,無効電力および電圧を常に所淀範囲内に保持するために負荷時電圧調整付変圧器およびこ才tに関連する系統の特性改善用電力コンデンサ(分路リアクトル)を切換および着脱する操作を円滑合理的にするものである｡従来この種の制御では一つの制御対象たとえばブロックに対し二つの指令,すなわち電圧検出器に応動する指令および無効電力検山器に応動する指令が独立に与えられるため系統のある条件のもとでは両者が相反した指令となり,制御にハソチソグを生ずる可能性があった二っ _{このためその条件のとき} は装帯を鎖錠し,制御をいったん中断せしめるような処理を行なっている｡これに対し,この発明でほ制御対象機許の特性を考慮L,電u三と無効電力によって表わされた座標を領域に区分し,該当する簡城によって一つの制御信号を出し,電圧,無効電力のいかなる変動でもハンチングにわずらわされて制御動作を中断せぎるを得ないという不都合はなく,円滑な制御を行ない,電圧,無効電力を常時所定範囲内にあるようにすることができる｡図1は本発明を適用した電力系統の甲･線図,図2は簡域の区分を説明する図である｡高圧側送受電線1の無効電力は91Pで検糾され,タップおよびコンデソサ,リアクトルのような制御対象が判別される｡低圧側母線3の電圧ほ電圧感度淋電器58Pで検出され,タ 91卜〉】1 1'I｢ 91 【11 lミ2 】う3 112I llて1 上うど2▼_ _H】2

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/3 //1F･1---31丁＼2王･＼･】l 59ト: 58上j い■1､2 Dl Ⅰう5 Ⅰミ6 図 1 5と弓 58トニップおよびコンデンサ,リアクトルのような制御対象が判別される..〔 91,58ほそれぞれ91P,58Pに対応する制御継電器でそれぞれ低感度になされており,これが動作したときほ91P,58Pにより判別された制御対象の制御が発動される｡91P,58P,91,58により電忙,無効電力によって表わされた座標が図2のように節城に区分さ jlるこ､原点ORを中心としてA,B,C,Dの領域は制御不要,E, F,G,Hの昏t城は58P,91Pが動作,58,91が不動作の領域であって制御の判別だけが行なわれる｡〕Ⅰ,K,Sの田城およびL,J,T の領域ではタップ制御が行なわれ,これがリ _{ミットに達するとSR} 托入およびSCが投入(SCが投入されているとこれを開放および SRが托人されているとこれを開放)する｡R,Qの石托城もまた,ますタップ1iり御を優先する｡M,Pの抑域でほタップ制御がSCやSR の制御よりA,Dの敵城にはいりやすいのでタップ制御が健先する｡､これがリ _{ミットに達しても,SC,SRはロックされ制御されない｡} 0,Nの簡城でほSCやSRの制御がタップ制御よりC,Bの領域をこほいりやすいのでSCやSRの制御が陵先する｡これがリミットに達してもタップほロックされ制御されない｡以卜のようにこの発明では電圧,無効電力によって表わされた鰊標を節域に区分し,これにもっとも適当した制御を行なうものであるから制御に渋滞をきたさす,′.附こ電虻,無効電力を所望の他にすることができる利点がある｡ (編島) = ､＼＼＼ / / ヽ ⊥ ＼' h･1 ＼＼＼ド /58581) /(トⅠ川J〕 / /ノ/′ン/′′-′//一/ノト('人 l /////ノノ//ノ/ ＼＼＼＼＼､′ ヽ _{＼＼'■､＼} l 91】) _し

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58丁一＼＼ゞ(÷血＼＼＼､＼＼＼＼＼＼＼ (ト11人1 .J T /// / 図 2

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