JP2007108843A - Semiconductor device design support method, semiconductor device design support system and semiconductor device design support program - Google Patents

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英夫 中吉
Kenji Hirohata
賢治 廣畑
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To identify a statistical model related to a failure occurrence mechanism. <P>SOLUTION: A plurality of hypotheses on the failure occurrence mechanism of each failure mode are assumed, and function types of data distribution from a plurality of state variables to a plurality of output variables are assumed on each of the hypotheses in consideration of a predetermined failure physical model corresponding to each failure mode. A probability variable data set on the plurality of state variables, discretized connection probability distribution and a probability variable data set whose probability density is not zero, are computed using a response surface model and Monte Carlo simulation based on CAE analysis result data given beforehand or under expansion of numerical experiment points, and a parameter corresponding to the function type of the assumed data distribution is estimated from an observation data set obtained beforehand or under monitoring on a plurality of input variables and the plurality of output variables, and from the connection probability distribution of the plurality of state variables computed in a second step. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置設計支援方法、半導体装置設計支援システム、および半導体装置設計支援プログラムに係り、特に、不良発生メカニズムに関する仮説検証を行うのに有用な半導体装置設計支援方法、半導体装置設計支援システム、および半導体装置設計支援プログラムに関する。   The present invention relates to a semiconductor device design support method, a semiconductor device design support system, and a semiconductor device design support program, and more particularly to a semiconductor device design support method and a semiconductor device design support system that are useful for performing hypothesis verification on a failure occurrence mechanism. And a semiconductor device design support program.

設計段階において信頼性に関するデザインレビューを強化するためには、現象を再現できる物理モデルに基づくCAE(Computer Aided Engineering)や、材料、製造、検査・試験、品質に関するデータベースを活用し、設計に内在する不確定性を統計・確率論的手法により考慮した上で、信頼性設計を行う必要がある。   In order to strengthen the design review related to reliability at the design stage, it uses CAE (Computer Aided Engineering) based on a physical model that can reproduce the phenomenon and database on materials, manufacturing, inspection / testing, and quality, and is inherent in the design. It is necessary to design reliability after taking uncertainty into account by statistical and probabilistic methods.

半導体装置においては、要素解析技術や検査・評価技術の進歩および、材料・製造プロセスにおける不良モードに関する知識の蓄積などによって、シミュレーション技術を利用した開発が行なわれている。主に、製造プロセスや試験・検査および市場条件における複雑な現象を再現することにより不良メカニズムを明らかにするため、あるいは、シミュレーション結果と不良発生基準を照らし合わせて材料/構造/プロセスの最適化を行うためなどの目的で活用されている。   Semiconductor devices have been developed using simulation technology due to advances in element analysis technology, inspection / evaluation technology, and accumulation of knowledge about failure modes in materials and manufacturing processes. Mainly to clarify the failure mechanism by reproducing complex phenomena in the manufacturing process, test / inspection and market conditions, or to optimize the material / structure / process by comparing the simulation result and failure occurrence criteria It is used for the purpose of doing.

半導体装置開発においては、多くの要因が複雑に絡み合いながら複数の不良モードが存在する場合も多く、すべての組み合わせを実験により忠実に再現することは容易ではない。また、例えば半導体パッケージの素子内部や微細接合部のような微小領域では、温度・応力・ひずみなどの物理量を実際に測定して評価することが困難な場合が多い。そのため、シミュレーション技術に基づく問題解決への期待は大きい。最近では、設計に内在するばらつきに対してロバストな設計を行うため、あるいは安全係数(設計マージン)を合理的に設定するためなどの信頼性設計にもシミュレーション技術が適用されつつある。   In semiconductor device development, there are many cases where a plurality of failure modes exist while many factors are intricately intertwined, and it is not easy to faithfully reproduce all combinations by experiments. For example, in a minute region such as the inside of a semiconductor package element or a fine junction, it is often difficult to actually measure and evaluate physical quantities such as temperature, stress, and strain. Therefore, there are high expectations for problem solving based on simulation technology. Recently, simulation technology is being applied to reliability design such as to perform robust design against variations inherent in the design, or to set a safety factor (design margin) rationally.

しかし、CAEモデルには、特に材料の異方性特性や非弾性特性などのモデル化における構成方程式や、対象とする数値計算モデルの時・空間的な境界条件において不確定性が内在する。バルク材やTEG(Test Element Group)による個別的な実験データや、専門知識や経験による判断のみでは、限られた費用と期間の中で、各不良モードに対する現象発生のメカニズムを明確化できずに、解析モデルの不確定性を同定しきれない場合も少なくない。   However, the CAE model has uncertainties inherent in constitutive equations in modeling such as anisotropy characteristics and inelastic characteristics of materials, and in spatio-temporal boundary conditions of a target numerical calculation model. It is not possible to clarify the mechanism of phenomenon occurrence for each failure mode within a limited cost and period only by individual experimental data from bulk materials and TEG (Test Element Group), and judgment based on expertise and experience. In many cases, the uncertainty of the analytical model cannot be identified.

また、調達・製造のグローバル化の中で、不良モードは多様化し、材料特性や製造プロセスのばらつきは大きくなる傾向にある。さらに、半導体装置の微細化・信号伝送高速化・大容量化のための技術の革新や新たなコンセプトに基づく半導体装置の登場は、時間的に不連続な形で起こる。例えば、新しい材料や構造の開発あるいは新たな環境下や異なる負荷想定の下での使用などである。このとき、必要十分な信頼性スペックを、過去の経験を外挿して決定することが困難となり大きな不確定性が残る。   In addition, in the globalization of procurement / manufacturing, failure modes are diversified, and the variation in material characteristics and manufacturing processes tends to increase. Furthermore, innovations in technology for miniaturization of semiconductor devices, higher speed of signal transmission, and larger capacity, and the appearance of semiconductor devices based on new concepts occur in a discontinuous manner. For example, the development of new materials and structures, or the use in new environments or under different load assumptions. At this time, it becomes difficult to determine a necessary and sufficient reliability specification by extrapolating past experience, and a large uncertainty remains.

なお、本願に関連する技術を記載した文献には下記のものがある。この文献の開示では、複数の設計変数と複数の出力変数との間に複数の潜在的な状態変数が介在するとした階層構造の考え方はなく、当然その統計(確率)モデルやこれを同定することについても言及はない。
特開平6−195402号公報
In addition, the literature which described the technique relevant to this application includes the following. In the disclosure of this document, there is no concept of a hierarchical structure in which a plurality of potential state variables intervene between a plurality of design variables and a plurality of output variables. There is no mention of either.
JP-A-6-195402

上記で述べた状況から、半導体装置設計では、物理現象モデルに基づく不良現象解析・評価技術の深耕と蓄積に加えて、多くの不良メカニズムに関する仮説を、不良要因に関する不確定性が内在する中で合理的に検証する仕組みを構築することが求められる。また、材料や製造および品質に関する全体的なデータから、故障物理モデルに立脚した統計モデルやCAEを活用することにより、不良メカニズムの同定を支援するための新たな手法が求められる。   From the situation described above, in semiconductor device design, in addition to the deep cultivation and accumulation of failure phenomenon analysis / evaluation technology based on physical phenomenon models, many hypotheses regarding failure mechanisms are included in the presence of uncertainty regarding failure factors. It is required to build a rational verification mechanism. In addition, a new method for supporting the identification of a failure mechanism is required by using a statistical model or CAE based on a failure physical model from overall data on materials, manufacturing, and quality.

本発明は、半導体装置設計支援方法、半導体装置設計支援システム、および半導体装置設計支援プログラムにおいて、CAEデータと実際の測定で蓄積されるデータとをトータルなデータとして用いて、不良発生メカニズムにかかわる統計モデルを同定することが可能な半導体装置設計支援方法、半導体装置設計支援システム、および半導体装置設計支援プログラムを提供することを目的とする。   The present invention relates to statistics relating to a failure occurrence mechanism using CAE data and data accumulated in actual measurement as total data in a semiconductor device design support method, a semiconductor device design support system, and a semiconductor device design support program. It is an object to provide a semiconductor device design support method, a semiconductor device design support system, and a semiconductor device design support program capable of identifying a model.

本発明の一態様に係る半導体装置設計支援方法は、不良発生にかかわる複数の設計変数(不良要因)をそれぞれ入力変数とし複数の不良モードにかかわる測定可能量をそれぞれ出力変数とし、かつ、前記複数の入力変数と前記複数の出力変数との間に複数の潜在的な状態変数が介在するとした階層構造の統計モデルにおいて、各不良モードの不良発生メカニズムに関する仮説を複数個想定した上で、前記仮説のそれぞれについて、前記複数の状態変数から前記複数の出力変数へのデータ分布の関数型を、各不良モードに対応した所定の故障物理モデルを考慮して仮定する第1のステップと、前記複数の状態変数に関する確率変数データ集合と離散化した結合確率分布および確率密度が0でない確率変数データ集合とを、あらかじめ与えられたまたは数値実験点を拡充中のCAE解析結果データに基づき応答曲面モデルおよびモンテカルロシミュレーションを用いて算出する第2のステップと、前記複数の入力変数および前記複数の出力変数についてのあらかじめ得られたまたはモニタリング中の観測データ集合と、前記第2のステップにおいて算出された複数の状態変数の結合確率分布とから、前記仮定されたデータ分布の関数形に応じたパラメータを推定する第3のステップとを具備する。   According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device design support method in which a plurality of design variables (defect factors) related to occurrence of defects are input variables, and measurable amounts related to a plurality of failure modes are output variables. In a statistical model of a hierarchical structure in which a plurality of potential state variables are interposed between a plurality of input variables and a plurality of output variables, a plurality of hypotheses relating to failure occurrence mechanisms in each failure mode are assumed, and the hypothesis A first step of assuming a function type of data distribution from the plurality of state variables to the plurality of output variables in consideration of a predetermined failure physical model corresponding to each failure mode; Given a random variable data set for state variables and a randomized variable probability data set with a discretized joint probability distribution and probability density of zero. Or a second step of calculating using a response surface model and Monte Carlo simulation based on the CAE analysis result data during the expansion of numerical experimental points, and the plurality of input variables and the plurality of output variables obtained in advance or A third step of estimating a parameter according to a function form of the assumed data distribution from the observation data set being monitored and the joint probability distribution of the plurality of state variables calculated in the second step; It has.

また、本発明の一態様に係る半導体装置設計支援装置は、不良発生にかかわる複数の設計変数(不良要因)をそれぞれ入力変数とし複数の不良モードにかかわる測定可能量をそれぞれ出力変数とし、かつ、前記複数の入力変数と前記複数の出力変数との間に複数の潜在的な状態変数が介在するとした階層構造の統計モデルにおいて、各不良モードの不良発生メカニズムに関する仮説を複数個想定した上で、前記仮説のそれぞれについて、前記複数の状態変数から前記複数の出力変数へのデータ分布の関数型を、各不良モードに対応した所定の故障物理モデルを考慮して仮定する第1の手段と、前記複数の状態変数に関する確率変数データ集合と離散化した結合確率分布および確率密度が0でない確率変数データ集合とを、あらかじめ与えられたまたは数値実験点を拡充中のCAE解析結果データに基づき応答曲面モデルおよびモンテカルロシミュレーションを用いて算出する第2の手段と、前記複数の入力変数および前記複数の出力変数についてのあらかじめ得られたまたはモニタリング中の観測データ集合と、前記第2のステップにおいて算出された複数の状態変数の結合確率分布とから、前記仮定されたデータ分布の関数形に応じたパラメータを推定する第3の手段とを具備する。   Further, the semiconductor device design support apparatus according to one aspect of the present invention has a plurality of design variables (defect factors) related to occurrence of defects as input variables, and measurable amounts related to a plurality of failure modes as output variables, and In a statistical model of a hierarchical structure in which a plurality of potential state variables are interposed between the plurality of input variables and the plurality of output variables, assuming a plurality of hypotheses regarding the failure occurrence mechanism of each failure mode, For each of the hypotheses, a first means for assuming a function type of data distribution from the plurality of state variables to the plurality of output variables in consideration of a predetermined failure physical model corresponding to each failure mode; A random variable data set for a plurality of state variables and a discrete variable probability distribution and a random variable data set with a probability density not 0 are given in advance. Or a second means for calculating using the response surface model and Monte Carlo simulation based on the CAE analysis result data in which numerical experimental points are being expanded, and the plurality of input variables and the plurality of output variables obtained or monitored in advance A third means for estimating a parameter corresponding to the function form of the assumed data distribution from the observed data set in the medium and the joint probability distribution of the plurality of state variables calculated in the second step. To do.

また、本発明の一態様に係る半導体装置設計支援プログラムは、不良発生にかかわる複数の設計変数(不良要因)をそれぞれ入力変数とし複数の不良モードにかかわる測定可能量をそれぞれ出力変数とし、かつ、前記複数の入力変数と前記複数の出力変数との間に複数の潜在的な状態変数が介在するとした階層構造の統計モデルにおいて、各不良モードの不良発生メカニズムに関する仮説を複数個想定した上で、前記仮説のそれぞれについて、前記複数の状態変数から前記複数の出力変数へのデータ分布の関数型を、各不良モードに対応した所定の故障物理モデルを考慮して仮定する第1のステップと、前記複数の状態変数に関する確率変数データ集合と離散化した結合確率分布および確率密度が0でない確率変数データ集合とを、あらかじめ与えられたまたは数値実験点を拡充中のCAE解析結果データに基づき応答曲面モデルおよびモンテカルロシミュレーションを用いて算出する第2のステップと、前記複数の入力変数および前記複数の出力変数についてのあらかじめ得られたまたはモニタリング中の観測データ集合と、前記第2のステップにおいて算出された複数の状態変数の結合確率分布とから、前記仮定されたデータ分布の関数形に応じたパラメータを推定する第3のステップとをコンピュータに実行させる。   Further, the semiconductor device design support program according to one aspect of the present invention has a plurality of design variables (defect factors) related to occurrence of defects as input variables, and measurable amounts related to a plurality of failure modes as output variables, and In a statistical model of a hierarchical structure in which a plurality of potential state variables are interposed between the plurality of input variables and the plurality of output variables, assuming a plurality of hypotheses regarding the failure occurrence mechanism of each failure mode, A first step of assuming, for each of the hypotheses, a function type of data distribution from the plurality of state variables to the plurality of output variables in consideration of a predetermined failure physical model corresponding to each failure mode; A random variable data set for a plurality of state variables and a discretized joint probability distribution and a random variable data set with a probability density other than 0 are set in advance. A second step of calculating using a response surface model and a Monte Carlo simulation based on the CAE analysis result data for which a given or numerical experimental point is being expanded, and a plurality of input variables and a plurality of output variables obtained in advance; Or a third step of estimating a parameter corresponding to the assumed functional form of the data distribution from the observed data set being monitored or the joint probability distribution of the plurality of state variables calculated in the second step. And let the computer run.

本発明によれば、半導体装置設計支援方法、半導体装置設計支援システム、および半導体装置設計支援プログラムにおいて、CAEデータと実際の測定で蓄積されるデータとをトータルなデータとして用いて、不良発生メカニズムにかかわる統計モデルを同定することができる。   According to the present invention, in the semiconductor device design support method, the semiconductor device design support system, and the semiconductor device design support program, the CAE data and the data accumulated in the actual measurement are used as the total data, and the defect occurrence mechanism is used. The statistical model involved can be identified.

以下では本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。まず、図1は、複数の設計変数を入力変数とし複数の不良モードにかかわる測定可能量を出力変数とし、かつ、それらの間に複数の潜在的な状態変数が介在するとした階層構造の統計モデルを説明するための概観図である。以下で説明する実施形態は、この図示の階層構造の想定が前提となる。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, FIG. 1 shows a hierarchical statistical model in which a plurality of design variables are input variables, a measurable amount related to a plurality of failure modes is an output variable, and a plurality of potential state variables are interposed therebetween. It is a general-view figure for demonstrating. The embodiment described below is based on the assumption of the illustrated hierarchical structure.

図1に示すように、設計対象となる半導体装置において、観測され得る量(測定可能量)は各不良モードy1…に対応する。y1…は出力変数13でもある。各不良モードy1…の要因x1…は複数あり、図示するように、負荷ばらつきなどのばらつき要因により、それぞればらつきを有している。要因x1…は入力変数(設計変数)11でもある。出力変数13および入力変数11は、観測データ15により具体的な値が与えられ得る。   As shown in FIG. 1, in the semiconductor device to be designed, the amount that can be observed (measurable amount) corresponds to each failure mode y1. y1... is also an output variable 13. There are a plurality of factors x1... For each failure mode y1..., And each has a variation due to a variation factor such as a load variation. Factor x1... Is also an input variable (design variable) 11. The output variable 13 and the input variable 11 can be given specific values by the observation data 15.

入力変数11と出力変数13との間には、各不良モードy1…を抑制するために知得したいものの実際には測定できない量(状態量z1…)が介在しているものとする。状態量z1…は状態変数12である。状態変数12は、設計、生産などのためのシミュレーション技術(いわゆるCAE)で得られるCAEデータ14により具体的な値が与えられ得る。状態量z1…から各不良モードy1…への関係には、故障物理モデル16が適用され得る。   It is assumed that an amount (state quantity z1...) That is desired to be known in order to suppress each failure mode y1... But is not actually measurable (state quantity z1...) Is interposed between the input variable 11 and the output variable 13. The state quantity z1... Is a state variable 12. The state variable 12 can be given a specific value by CAE data 14 obtained by a simulation technique (so-called CAE) for design, production, and the like. The failure physical model 16 can be applied to the relationship from the state quantity z1 to each failure mode y1.

本発明の一実施形態に係る半導体装置設計支援方法をまず概略的に説明する。複数の不良モードにおける観測データ15と、不良要因に関するCAEを活用したパラメータサーベイ結果(CAEデータ14)とから、観測データを説明し不良メカニズムを同定するための統計モデルを作成するために、階層ベイズモデルと応答曲面法を活用する。ここで階層ベイズモデルにおける潜在変数(状態量)に関する分布は、CAEに基づく応答曲面モデルからモンテカルロシミュレーションにより求めた確率分布を用いる。また、データ分布モデルのパラメータ推定には最大事後確率推定(MAP(Maximization A Posterior)推定)やEM(Expectation Maximization)法などの統計的推定法を用い、モデルのロバスト性評価についてはリサンプリング法を活用する。これにより、観測データとCAE結果を融合したかたちで、不良メカニズムを表現する統計モデルの推定が可能となる。   First, a semiconductor device design support method according to an embodiment of the present invention will be schematically described. In order to create a statistical model for explaining observation data and identifying a failure mechanism from observation data 15 in a plurality of failure modes and a parameter survey result (CAE data 14) using CAE relating to failure factors, hierarchical Bayes Utilize models and response surface methodology. Here, a probability distribution obtained by Monte Carlo simulation from a response surface model based on CAE is used as the distribution related to the latent variable (state quantity) in the hierarchical Bayes model. Statistical estimation methods such as maximum posterior probability estimation (MAP (Maximization A Posterior) estimation) and EM (Expectation Maximization) method are used for parameter estimation of the data distribution model, and resampling method is used for robustness evaluation of the model. use. This makes it possible to estimate a statistical model that expresses a failure mechanism in the form of merging observation data and CAE results.

以上のデータ処理の概略フローは以下である。
1)故障物理(図2を参照)を考慮して観測データのデータ分布モデルp(y|z;α)を設定
ここで比例ハザードモデルを用いる場合:
ただし、
2)CAEと応答曲面モデルとモンテカルロシミュレーションを活用し、潜在変数zに関する確率分布p(z|w)を算出
1.応答曲面モデルとモンテカルロシミュレーションにより状態量の確率分布を計算
2.分割範囲と分割数を指定後、確率分布の離散化
3.確率密度が0でないデータ集合zを抽出
3)事前分布のハイパーパラメータα、wを選定し、データ分布のモデルパラメータθを統計的に推定
ここでパラメータθの選択や識別には情報量基準に基づく方法を活用する。
また本推定法においてブートストラップ法を活用することもできる。
4) ベイズ法により事後分布p(z|y;α、w)を算出
5)推定した統計モデルの安定性を評価(推定条件に摂動を与えることにより評価)
6)得られた事後分布から不良発生仮説を同定(本実施形態ではカルマンフィルタと多重仮説検定を活用)
The general flow of the above data processing is as follows.
1) Set data distribution model p (y | z; α) of observation data in consideration of failure physics (see FIG. 2). When using proportional hazard model:
However,
2) Using CAE, response surface model and Monte Carlo simulation, calculate probability distribution p (z | w) for latent variable z. 1. Calculate probability distribution of state quantities using response surface model and Monte Carlo simulation. 2. Discretization of probability distribution after designating division range and number of divisions Extract data set z with probability density not 0 3) Select hyperparameters α and w of prior distribution and statistically estimate model parameter θ of data distribution Here, selection and identification of parameter θ is based on information criterion Take advantage of the method.
The bootstrap method can also be used in this estimation method.
4) Calculate posterior distribution p (z | y; α, w) by Bayesian method
5) Evaluate the stability of the estimated statistical model (evaluate by perturbing the estimation condition)
6) Identifying a defect occurrence hypothesis from the obtained posterior distribution (in this embodiment, Kalman filter and multiple hypothesis test are used)

図3は、本発明の一実施形態に係る半導体装置設計支援方法を示すやや詳細なフロー図である。以下、図3に基づき説明する。   FIG. 3 is a somewhat detailed flowchart showing a semiconductor device design support method according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

対象とする複合あるいは単一の不良現象において、まず、不良発生メカニズム(仮説)を想定することが前提となる(ステップ30、不良現象データベース21)。考えられる仮説の想定は、各不良モードy1…と不良要因x1…の洗い出しの後に行う。ただし、仮説の想定においては、多くの不良要因x1…に関する組合せや不確定性の中で考えられる仮説だけではなく、CAE解析モデルにおける物理現象モデリング、材料モデリング、境界条件、負荷条件などの不確定性の中で考えられる要因の組合せとして得られる仮説も含む。   In the target complex or single defect phenomenon, first, it is assumed that a defect occurrence mechanism (hypothesis) is assumed (step 30, defect phenomenon database 21). Possible hypotheses are assumed after each failure mode y1... And failure factor x1. However, in the hypothesis assumption, not only hypotheses that are considered in combination and uncertainties regarding many failure factors x1, but also uncertainties such as physical phenomenon modeling, material modeling, boundary conditions, and load conditions in the CAE analysis model. It also includes hypotheses obtained as a combination of factors considered in gender.

対象とする各不良モードy1…について、各仮説ごとに、対象とする不良要因x1と潜在変数(状態量z1…)を決定する(ステップ51、53)。また、各不良モードy1…ごとに、対象とする観測データの決定も行う(ステップ52)。これらの不良モードy1や不良要因x1および観測データの決定は、観測データベース44を参照することにより行う。ここで潜在変数とは、実際には精度の良い実測を容易に実施することが困難であるが、不良現象を左右する重要な状態量(変形量、ひずみ範囲、曲率、応力など)を意味している。   For each target failure mode y1..., A target failure factor x1 and a latent variable (state quantity z1...) Are determined for each hypothesis (steps 51 and 53). Further, the observation data to be processed is determined for each failure mode y1... (Step 52). The failure mode y1, failure factor x1, and observation data are determined by referring to the observation database 44. Here, the latent variable means an important state quantity (deformation amount, strain range, curvature, stress, etc.) that influences the failure phenomenon, although it is difficult to actually carry out accurate measurements easily. ing.

次に、各不良モードy1…に対するデータ分布を、対象とする不良モードy1…における故障物理モデルを考慮した上で決定する(ステップ54、データ分布・故障物理モデルベース71)。このデータ分布の統計モデル(確率モデル)には、複数あるいは単一の、観測変数y、潜在変数(状態量)zおよびモデルパラメータθが含まれる。故障物理モデルには、一般に、大別してストレス−ストレングスモデルと確率モデルとがあり、前者の例として破壊機構モデル、速度過程モデル、累積損傷モデルなどがあり、後者の例として故障率モデル、多状態確率過程モデル(マルコフモデル、マルチステートモデル)、最弱リンクモデル(ワイブルモデル)、束モデル(バンドルモデル、ローゼンモデル)などがある(図2を参照)。   Next, the data distribution for each failure mode y1... Is determined in consideration of the failure physical model in the target failure mode y1... (Step 54, data distribution / failure physical model base 71). The statistical model (probability model) of the data distribution includes a plurality or a single observation variable y, latent variable (state quantity) z, and model parameter θ. In general, failure physical models are broadly divided into stress-strength models and probability models. Examples of the former include failure mechanism models, velocity process models, and cumulative damage models. Examples of the latter include failure rate models and multi-states. There are a stochastic process model (Markov model, multi-state model), weakest link model (Weibull model), bundle model (bundle model, Rosen model), and the like (see FIG. 2).

データ分布の統計モデルの想定例として、比例ハザードモデルを用いる場合について以下で説明する。ただし、比例ハザードモデルだけではなくマルコフモデルなどの他の故障物理に立脚した統計モデルにも適用できるため、各不良現象の故障物理に即したモデルを選択するのが望ましい。数多くの不良現象に関わる不良要因x1…と不良データの間に明確で再現性のある因果関係が見出せない場合においても、不良現象を支配する状態量(潜在変数)z1…と不良データの関係には、ある種の確率的依存性が見出される場合が多い。   A case where a proportional hazard model is used as an assumption example of a statistical model of data distribution will be described below. However, since it can be applied not only to the proportional hazard model but also to a statistical model based on other failure physics such as a Markov model, it is desirable to select a model that matches the failure physics of each failure phenomenon. Even when a clear and reproducible causal relationship cannot be found between the failure factor x1 related to many failure phenomena and the failure data, the relationship between the state quantity (latent variable) z1 that governs the failure phenomenon and the failure data Often, certain stochastic dependencies are found.

この確率的依存性を、個々の変数が複合的なリスクとして影響を与える競合リスク問題として扱い、各変数の相対的重要度を観測データに基づき判断するための統計的推定モデルとして比例ハザードモデルが存在する。比例ハザードモデルは、不良現象に影響を与える変数の効果を定量的に評価し、その重要度を決定することができる。故障率μは、基線故障率μ0に対して複数の変数の効果を多重的に受けることを表現するために以下のように表す。ただし、変数間に交互作用がある場合には、交互作用項を以下のexp関数の引数の中に含めてもよい。
このとき、不良発生確率は以下のようにかける。
ここで、Bは統計モデルのパラメータであり、観測データをもとに推定される。また、R0とR(t|z)は以下の式であり、故障物理を考慮した上で分布型を決める。
A proportional hazard model is used as a statistical estimation model to treat this stochastic dependence as a competitive risk problem in which individual variables affect multiple risks, and to determine the relative importance of each variable based on observed data. Exists. The proportional hazard model can quantitatively evaluate the effect of variables that affect the failure phenomenon and determine its importance. The failure rate μ is expressed as follows in order to express that the effect of a plurality of variables is received on the baseline failure rate μ 0 in a multiple manner. However, if there is an interaction between the variables, the interaction term may be included in the argument of the following exp function.
At this time, the defect occurrence probability is applied as follows.
Here, B is a parameter of the statistical model, and is estimated based on observation data. R 0 and R (t | z) are the following equations, and the distribution type is determined in consideration of failure physics.

この比例ハザードモデルには、R0に含まれる未知パラメータと、Bの未知パラメータが内在する。また、不良データが寿命でない場合には、tではなく強度データyなどの物理量となる。 This proportional hazards model and unknown parameters included in R 0, the unknown parameters B i is inherent. In addition, when the defective data is not at the end of life, it is a physical quantity such as intensity data y instead of t.

続いて、採用する統計的推定法について説明する。データ分布の統計モデルに含まれるパラメータθの確率分布におけるハイパーパラメータαや、状態量zの確率分布に内在するハイパーパラメータw(各不良要因x1…の確率分布パラメータや応答曲面モデルに内在するパラメータなど)を考慮する場合には、ハイパーパラメータα、w の事前分布を決定する(ステップ55、56)。例えばデータ分布のハイパーパラメータの事前分布の決定の場合には、観測データ集合が従う確率分布へ事前に当てはめた結果から得られた分布パラメータの期待値と信頼区間をもとに事前分布を決定することが考えられる。   Next, the statistical estimation method to be adopted will be described. Hyperparameter α in the probability distribution of parameter θ included in the statistical model of data distribution, hyperparameter w inherent in the probability distribution of state quantity z (probability distribution parameters of each failure factor x1,..., Parameters inherent in response surface model, etc. ) Is determined, the prior distribution of the hyperparameters α, w is determined (steps 55 and 56). For example, in the case of determining the prior distribution of the hyperparameter of the data distribution, the prior distribution is determined based on the expected value of the distribution parameter and the confidence interval obtained from the result of applying the probability distribution to the observed data set in advance. It is possible.

ハイパーパラメータの事前分布の考慮により、経験に基づく知識などの主観的情報を反映することが可能となる。ここで、考慮するのはα、wのどちらかのみ、あるいはどちらも考慮しない場合もある。ハイパーパラメータを考慮する場合は、データ分布の統計モデルにおけるパラメータθの推定は確率分布として得られ、考慮しない場合は点推定となる。ハイパーパラメータの推定には、ABICやEICなどの情報量基準に基づくMAP推定などの統計的推定手法を用いることができる。   By considering the prior distribution of hyperparameters, it is possible to reflect subjective information such as knowledge based on experience. Here, only one of α and w is considered, or neither is considered. When the hyper parameter is considered, the estimation of the parameter θ in the statistical model of the data distribution is obtained as a probability distribution, and when it is not considered, the estimation is a point estimation. For estimation of the hyper parameter, a statistical estimation method such as MAP estimation based on an information amount standard such as ABIC or EIC can be used.

次に、各不良モードの各仮説について、状態量z1…の確率分布をそれぞれ求める(ステップ57、ステップ31〜39、材料/形状/負荷データベース41、CAE解析モデルベース、応答曲面モデルベース43、観測データベース44)。状態量の確率変数集合は、対象とする数値実験点について、CAEによる現象解析の結果得られた状態量z1…のデータ集合をもとに、不良要因x1…と状態量z1…の因果相関関係を応答曲面モデルにより表現した上で、応答曲面モデルを活用したモンテカルロシミュレーションにより算出する。ここで、連続値の状態量については、分割数と各分割範囲を指定した上で離散化を行い、状態量の確率分布の離散化を行った上で、確率密度が0でないデータ集合を抽出する。これにより、階層型統計モデル推定時の計算数を大幅に合理化できる   Next, for each hypothesis of each failure mode, a probability distribution of the state quantity z1... Is obtained (step 57, steps 31 to 39, material / shape / load database 41, CAE analysis model base, response surface model base 43, observation. Database 44). A random variable set of state quantities is a causal correlation between defect factors x1... And state quantities z1... Based on a data set of state quantities z1. Is expressed by a response surface model and then calculated by Monte Carlo simulation using the response surface model. Here, for the state value of continuous value, discretization is performed after specifying the number of divisions and each division range, and after the discretization of the probability distribution of the state quantity, a data set whose probability density is not 0 is extracted. To do. This can greatly streamline the number of calculations when estimating a hierarchical statistical model.

次に、対象とする観測データ集合と、上記で設定したデータ分布、パラメータθの確率分布、状態量zの確率分布をもとに、データ分布の統計モデルに含まれるパラメータθを推定する(ステップ58)。パラメータθの推定には、最尤法やEM(Expectation Maximization)法を活用する。   Next, the parameter θ included in the statistical model of the data distribution is estimated based on the target observation data set, the data distribution set above, the probability distribution of the parameter θ, and the probability distribution of the state quantity z (step 58). For the estimation of the parameter θ, a maximum likelihood method or an EM (Expectation Maximization) method is utilized.

得られたパラメータθの推定結果をもとに、データ分布と観測データの適合度評価(誤差評価)を行う(ステップ59)。適合度評価スペックを満たすケースがただ一つの仮説のみの場合は仮説が同定できたことになる。適合度評価スペックを満たすケースが存在しない場合には、対象とする観測データの決定やデータ分布の決定やハイパーパラメータの事前分布の決定や状態量の確率分布の算出を修正して再度繰り返す。これらの繰返しでも適合する仮説が無い場合には、仮説の想定を修正して再度実施する。   Based on the estimation result of the obtained parameter θ, the fitness (error evaluation) between the data distribution and the observed data is evaluated (step 59). If only one hypothesis satisfies the conformity evaluation specification, the hypothesis can be identified. If there is no case that satisfies the suitability evaluation specification, the determination of the target observation data, the determination of the data distribution, the determination of the prior distribution of the hyperparameters, and the calculation of the probability distribution of the state quantity are corrected and repeated again. If there is no hypothesis that fits even after these repetitions, the hypothesis assumption is corrected and the hypothesis is executed again.

次に、得られたデータ分布と状態量z1…の確率分布から、ベイズ法により事後分布を算出する(ステップ60)。事後分布の評価(ステップ61)により、推定スペックを満たさない場合には、対象とする観測データの決定やデータ分布の決定やハイパーパラメータの事前分布の決定や状態量の確率分布の算出を修正して再度繰り返す。これらの繰返しでも適合する仮説が無い場合には、仮説の想定を修正して再度実施する。   Next, a posteriori distribution is calculated from the obtained data distribution and the probability distribution of the state quantities z1,... By the Bayesian method (step 60). If the estimated specifications are not satisfied by the evaluation of the posterior distribution (step 61), the determination of the target observation data, the determination of the data distribution, the determination of the prior distribution of the hyperparameters, and the calculation of the probability distribution of the state quantity are corrected. Repeat again. If there is no hypothesis that fits even after these repetitions, the hypothesis assumption is corrected and the hypothesis is executed again.

次に、推定結果の安定性を評価する(ステップ62)。上記の推定結果は、変数の離散化条件やサンプリングの選び方などの推定条件に影響を大きく受ける可能性があり、その推定条件の変動に対する安定性を評価しておくことは重要である。推定条件を変更した上で、再度推定を行うことを繰返し、推定条件の変動に対する安定性(ロバスト性)を評価することができる。安定性が確認できれば、各仮説に対する状態量データを決定する(ステップ63)。   Next, the stability of the estimation result is evaluated (step 62). The above estimation result may be greatly influenced by estimation conditions such as variable discretization conditions and sampling selection, and it is important to evaluate the stability against fluctuations in the estimation conditions. It is possible to evaluate the stability (robustness) against the fluctuation of the estimation condition by repeating the estimation again after changing the estimation condition. If the stability can be confirmed, state quantity data for each hypothesis is determined (step 63).

適合する仮説が唯一得られた場合には、適合仮説について得られた状態量データ集合を満たす不良要因xの組合せを、応答曲面モデルを用いて探索することにより、不良要因データの組み合わせを同定する。適合する仮説が複数得られた場合は、以下の不良要因データの同定を行う。以下では状態推定法と多重仮説検定を用いた場合を示す。   When only a matching hypothesis is obtained, a combination of failure factor data is identified by searching for a combination of failure factors x satisfying the state quantity data set obtained for the matching hypothesis using a response surface model. . When a plurality of matching hypotheses are obtained, the following defect factor data is identified. The case where the state estimation method and the multiple hypothesis test are used is shown below.

まず、不良要因データの推定のための応答曲面モデルを状態空間表現する(ステップ81)。この状態空間表現をもとに、状態方程式と観測方程式を表現する(ステップ82)。上記工程にて得られた対象とする状態量データ集合を正規変数化し、各仮説に対して状態量の観測データとする(ステップ83)。   First, a response surface model for estimation of defect factor data is expressed in a state space (step 81). Based on this state space expression, the state equation and the observation equation are expressed (step 82). The target state quantity data set obtained in the above process is converted into a normal variable and used as state quantity observation data for each hypothesis (step 83).

次に、対象とする不良要因x1…が従う確率分布から各仮説に対する不良要因のサンプリングデータを生成する(ステップ84)。各仮説に対応する応答曲面モデルから対象とする状態量データのサンプリングデータを不良要因のサンプリングデータについてモンテカルロ法により生成する(ステップ85)。   Next, sampling data of failure factors for each hypothesis is generated from the probability distribution followed by the target failure factors x1... (Step 84). From the response surface model corresponding to each hypothesis, the sampling data of the target state quantity data is generated by the Monte Carlo method for the sampling data of the failure factor (step 85).

カルマンフィルタなどの状態推定法により、各仮説に対応する観測データをもとに、不良要因データの推定と逐次更新および残差分布の推定を行う(ステップ86)。   Based on the observation data corresponding to each hypothesis, the failure factor data is estimated, sequentially updated, and the residual distribution is estimated by a state estimation method such as a Kalman filter (step 86).

各仮説に対応する応答曲面モデルの多重仮説検定により、最も適合するモデルを抽出し、不良発生メカニズム(適合仮説)を同定する(ステップ87)。得られた応答曲面モデルから、不良要因データの組合せを同定する(ステップ88)。ここで、同定した仮説に対して、不良発生確率が小さくなるような不良要因の組合せを探索してもよい(ステップ89)。   The most suitable model is extracted by the multiple hypothesis test of the response surface model corresponding to each hypothesis, and the failure occurrence mechanism (match hypothesis) is identified (step 87). A combination of defect factor data is identified from the obtained response surface model (step 88). Here, for the identified hypothesis, a combination of failure factors that reduces the failure occurrence probability may be searched (step 89).

以上説明のように、材料/製造/試験/負荷/品質モニタリングによるデータや現象解析結果が蓄積されるに従い、不良現象に関するモデル情報や不良メカニズム情報の未知の部分に対して、積極的に新たな因果相関構造を有する統計モデルで表現することは、有用と考えられる。このようなモデルにより、能動的に情報抽出や不良メカニズムの早期検出・同定を行うための方法論を構築することができる。   As described above, as data / phenomenon analysis results from material / manufacturing / test / load / quality monitoring are accumulated, new information is actively added to unknown parts of model information and defect mechanism information related to defect phenomena. It is considered useful to express with a statistical model having a causal correlation structure. With such a model, it is possible to build a methodology for actively performing information extraction and early detection / identification of failure mechanisms.

図4は、以上説明した半導体装置設計支援方法を実施するための装置の概略構成を示す図である。図4において、図3中に示したものと対応するものには同一符号を付してある。この装置100は、CAEによる前処理部101、統計モデルの推定部102、不良発生仮説の同定部103を内部に有し、さらに、入力装置110、出力装置120、ROM130、RAM140、材料/形状/負荷データベース41、CAE解析モデルベース42、応答曲面モデルベース43、観測データベース44、データ分布・故障物理モデルベース71を周辺に有する。   FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of an apparatus for implementing the semiconductor device design support method described above. 4, components corresponding to those shown in FIG. 3 are denoted with the same reference numerals. The apparatus 100 includes a CAE preprocessing unit 101, a statistical model estimation unit 102, and a defect occurrence hypothesis identification unit 103, and further includes an input device 110, an output device 120, a ROM 130, a RAM 140, a material / shape / A load database 41, a CAE analysis model base 42, a response surface model base 43, an observation database 44, and a data distribution / fault physical model base 71 are provided in the vicinity.

CAEによる前処理部101は図3のステップ31〜39を実行し、統計モデルの推定部102は図3のステップ51〜63を実行し、不良発生仮説の同定部103は図3のステップ81〜89を実行する。入力装置110は、装置100を操作するためのユーザ入力を与えるマンマシンインターフェースである。出力装置120は、ユーザにこの装置100に関する各種の情報を表示、出力するためのマンマシンインターフェースである。ROM130およびRAM140は、この装置100を制御するためのソフトウエアの格納や、処理で必要な記憶領域の提供などを行うものである。   The CAE preprocessing unit 101 executes steps 31 to 39 in FIG. 3, the statistical model estimation unit 102 executes steps 51 to 63 in FIG. 3, and the defect occurrence hypothesis identification unit 103 performs steps 81 to 81 in FIG. 89 is executed. The input device 110 is a man-machine interface that provides user input for operating the device 100. The output device 120 is a man-machine interface for displaying and outputting various information related to the device 100 to the user. The ROM 130 and the RAM 140 store software for controlling the apparatus 100 and provide a storage area necessary for processing.

以下では、より具体的な例として、半導体パッケージの熱変形メカニズム(不良メカニズム)の同定問題を対象として、半導体装置設計支援方法の具体的な流れを説明する。   In the following, as a more specific example, a specific flow of a semiconductor device design support method will be described for the identification problem of the thermal deformation mechanism (failure mechanism) of a semiconductor package.

素子の薄型化および材料と形状に内在する相対的なばらつきの増大に起因して、半導体パッケージの熱変形はM字、W字、鞍型、凸型など、材料特性の組み合わせのわずかな差により複雑な変形挙動を示す。材料特性や寸法のばらつきだけではなく、測定データにも大きなばらつきが含まれており、熱変形メカニズムを明確化するには、不良現象に関する解析・評価技術の改良だけではなく、CAE結果と実測データを活用して、統計的に同定するための新たな手法が必要である。   Due to the thinning of devices and the increase in relative variations inherent in materials and shapes, the thermal deformation of semiconductor packages is due to slight differences in the combination of material properties such as M-shaped, W-shaped, saddle-shaped, and convex-shaped. Shows complex deformation behavior. In addition to material characteristics and dimensional variations, measurement data includes large variations, and in order to clarify the thermal deformation mechanism, not only improvements in analysis and evaluation techniques for defect phenomena, but also CAE results and measured data There is a need for new methods for statistical identification using

試験・検査などの実験データやシミュレーションによる数値実験データなどの現実の観測モニタリングデータに対して情報処理を行う場合、実験計画やノイズ除去を十分行った上で観測を行った場合を除いては、はじめから少数のパラメータで統計モデルを構成できるケースは少ない。不確定要素をすべて除去できるように試験・観測法や評価技術を改良することが重要であるが、開発期間や費用対効果の面や技術的な問題でパラメータの少数化が困難な場合も多い。本例では、複数の不良現象に関する観測データを統計的手法により情報処理する際に、潜在変数を含む多変量データを、複合的な現象を説明するのに必要な多くのパラメータをすべて含んだ形で推定することに主眼を置く。この種類の問題を取り扱う方法としてベイズ法がある。まず、ベイズ法による情報処理の構成要素に即して全体の枠組みを説明する。   When performing information processing on actual observation monitoring data such as experimental data such as tests and inspections and numerical experimental data by simulation, except when performing experiments after sufficiently designing the experiment and removing noise, There are few cases where a statistical model can be constructed with a small number of parameters from the beginning. It is important to improve testing and observation methods and evaluation techniques so that all uncertain elements can be removed, but it is often difficult to reduce the number of parameters due to development period, cost-effectiveness, and technical problems. . In this example, when processing observation data for multiple failure phenomena using statistical methods, multivariate data including latent variables is included in all the parameters necessary to explain the complex phenomenon. Focus on estimating with. There is a Bayesian method as a method of dealing with this kind of problem. First, the overall framework will be described according to the components of information processing by the Bayesian method.

観測データとデータ全体の確率分布から尤度関数を構成できる場合、統計モデルのパラメータを推定するのに最尤法がある。しかしモデルのパラメータの数が多く、観測データ数が不十分な場合にはうまく推定できない場合もある。このような場合、従来は、多項式回帰モデルなどを活用して“Reparametrization”を実施しパラメータを少数化してきたが、得られた多項式のパラメータに実用的な意味を見出せないことが多い。   If the likelihood function can be constructed from the observed data and the probability distribution of the entire data, there is a maximum likelihood method for estimating the parameters of the statistical model. However, if the number of model parameters is large and the number of observation data is insufficient, it may not be possible to estimate well. In such a case, conventionally, “Reparametrization” has been performed using a polynomial regression model or the like to reduce the number of parameters. However, in many cases, a practical meaning cannot be found in the obtained polynomial parameters.

ベイズ法のポイントは、2つの確率分布の同時分布が表現できれば、その一方の確率変数が観測された時点で、もう一方の確率分布が推定できるというものである。同時分布を構成するにあたって、データ分布と事前分布を適切に想定することが重要となる。本例では、従来、合理的な想定が困難な場合が多かった事前分布を、CAEと応答曲面法およびモンテカルロ法を用いたシーケンスにより各不良要因の不確定性に対する複数の潜在変数に関する確率分布を算出することにより設定した。また、データ分布は、不良データの発生機構に関する知識を含んだ上で想定する必要がある。本例では、不良現象の故障物理モデルを考慮した信頼度基底関数を含んだ形で、各潜在変数の影響度の把握が容易な比例ハザードモデルをそれぞれの不良モードに対して想定した。   The point of the Bayesian method is that if the simultaneous distribution of two probability distributions can be expressed, the other probability distribution can be estimated when one of the random variables is observed. In constructing the simultaneous distribution, it is important to appropriately assume the data distribution and the prior distribution. In this example, the prior distribution, which has been difficult to make a reasonable assumption in the past, is converted into a probability distribution for a plurality of latent variables for the uncertainty of each failure factor by a sequence using CAE, response surface method, and Monte Carlo method. It was set by calculating. Further, it is necessary to assume the data distribution after including knowledge about the generation mechanism of defective data. In this example, a proportional hazard model is assumed for each failure mode, which includes a reliability basis function that takes into account the failure physical model of the failure phenomenon, and allows easy understanding of the influence of each latent variable.

[対象]
対象とする半導体パッケージのCAE解析モデルを図5に示す。この解析モデルにより熱変形解析を行う。対象とする不良モードは、1)半導体パッケージのコプラナリティ(反り量)と、2)はんだ接合部の熱疲労寿命、である。また、対象とする観測データは、1)半導体パッケージの反り分布データ(x方向とy方向の反り分布を解析データとする)、2)温度サイクル試験の熱疲労寿命データ、である(図9、図10、図11を参照)。
[Target]
FIG. 5 shows a CAE analysis model of the target semiconductor package. Thermal deformation analysis is performed using this analysis model. The target failure modes are 1) coplanarity (warping amount) of the semiconductor package and 2) thermal fatigue life of the solder joint. Further, the observation data of interest is 1) warpage distribution data of the semiconductor package (analysis data is warp distribution in the x direction and y direction), and 2) thermal fatigue life data of the temperature cycle test (FIG. 9, FIG. 9). (See FIGS. 10 and 11).

状態量としては以下のように、上記の不良現象において重要な物理量である12変数を対象とした(図8を参照)。反り分布測定データのみでは、データ量不足とノイズに起因して、半導体パッケージの熱変形の曲率や水平方向の変位といった状態量の値を抽出することはできないため、これらの変数は、直接には観測できない潜在変数(状態量)と言える。   As state quantities, the following 12 variables, which are important physical quantities in the above-described defect phenomenon, were targeted (see FIG. 8). Since only the warp distribution measurement data cannot extract the values of state quantities such as the curvature of the semiconductor package and the displacement in the horizontal direction due to insufficient data and noise, these variables are directly It can be said that it is a latent variable (state quantity) that cannot be observed.

図6は、半導体パッケージの熱変形に寄与すると考えられる要因を示す図である。熱変形要因は複雑に絡み合っており、同じ変形モードを表現するための仮説が複数考えられる。反りメカニズムを明確化するには、シミュレーションと実測モニタリング(およびフィルタリング)を組み合わせた統計的な同定方法が不可欠である。図7は、半導体パッケージの1/4の部分における熱変形モードの例を示す図である。剥離の存在位置や部材の材料特性の組合せなどで反りモードは大きく変化する。   FIG. 6 is a diagram illustrating factors that are considered to contribute to thermal deformation of the semiconductor package. Thermal deformation factors are intricately intertwined, and there can be multiple hypotheses for expressing the same deformation mode. In order to clarify the warpage mechanism, a statistical identification method combining simulation and actual monitoring (and filtering) is indispensable. FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a thermal deformation mode in a quarter portion of the semiconductor package. The warping mode changes greatly depending on the combination of the position where peeling occurs and the material characteristics of the member.

図12は、想定した仮説(熱変形メカニズム)を示す図である。また、図13は、本例で対象とする統計モデルを示す図である。対象とする不良データyとして、1)半導体パッケージの反り分布、2)はんだ接合部の熱疲労寿命分布を設定し、さらに、不良要因uを含む形で統計モデル(階層ベイズモデル、応答曲面モデル)を構成した。状態量としては、すでに述べたように熱変形の挙動において重要な物理量である12変数を対象とした(図8、図15を参照)。   FIG. 12 is a diagram showing an assumed hypothesis (thermal deformation mechanism). Moreover, FIG. 13 is a figure which shows the statistical model made into object in this example. As defect data y to be processed, 1) Warp distribution of semiconductor package, 2) Thermal fatigue life distribution of solder joints are set, and statistical model (hierarchical Bayes model, response surface model) including defect factor u Configured. As described above, 12 variables, which are important physical quantities in the behavior of thermal deformation, are used as state quantities (see FIGS. 8 and 15).

本例では、観測データに関するデータ分布として、熱疲労寿命データに対しては、ワイブル分布の信頼度基底関数をR0とした比例ハザードモデルを設定した。反り分布(x方向、y方向)は、今回の対象の場合、状態量が決まると反り分布を一意に規定できるとしているため、データ分布としては、反り量の測定点に関するデータ分布としてデルタ関数を設定した。このデータ分布の統計モデル(確率モデル)には、観測変数y(今回の場合熱疲労寿命データ)、潜在変数(状態量)zおよびモデルパラメータθ(ワイブル分布パラメータρ、βおよび比例ハザードモデルパラメータのB)が含まれる。 In this example, a proportional hazard model with the reliability basis function of the Weibull distribution as R 0 is set for the thermal fatigue life data as the data distribution related to the observation data. For the warp distribution (x direction, y direction), the warp distribution can be uniquely defined when the state quantity is determined in the case of the object of this time. Therefore, as the data distribution, the delta function is used as the data distribution regarding the measurement point of the warp amount. Set. The statistical model (probabilistic model) of this data distribution includes observation variables y (thermal fatigue life data in this case), latent variables (state quantities) z and model parameters θ (Weibull distribution parameters ρ, β and proportional hazard model parameters). B) is included.

データ分布は以下のように表される(ただし状態量の数が12のためk=12)
ここで、Bは統計モデルのパラメータであり、観測データをもとに推定される。また、R0とR(y|z)は以下の式から算出できる。
この比例ハザードモデルには、R0に含まれる未知パラメータと、Biの未知パラメータが内在する。
The data distribution is expressed as follows (however, since the number of state quantities is 12, k = 12)
Here, B is a parameter of the statistical model, and is estimated based on observation data. R 0 and R (y | z) can be calculated from the following equations.
In this proportional hazard model, an unknown parameter included in R 0 and an unknown parameter of B i are inherent.

ワイブル分布の信頼度関数は以下のとおり表される。
ここで、データ分布の統計モデルに含まれるパラメータθの確率分布におけるハイパーパラメータαの事前分布は、観測データ集合が従う確率分布へ事前に当てはめた結果から得られた分布パラメータの期待値と信頼区間をもとに事前分布を決定し、情報量基準に基づくMAP推定によりパラメータ値を決定した。
The reliability function of the Weibull distribution is expressed as follows.
Here, the prior distribution of the hyperparameter α in the probability distribution of the parameter θ included in the statistical model of the data distribution is the expected value and confidence interval of the distribution parameter obtained from the result of applying the probability distribution to the observed data set in advance. The prior distribution was determined based on the above, and the parameter value was determined by MAP estimation based on the information criterion.

状態量の確率分布:
次に、各不良モードの各仮説について、状態量の確率分布をそれぞれ求める。状態量の確率変数集合は、対象とする数値実験点について、CAEによる現象解析の結果得られた状態量のデータ集合をもとに、不良要因と状態量の因果相関関係を応答曲面モデルにより表現した上で、応答曲面モデルを活用したモンテカルロシミュレーションにより算出する。
Probability distribution of state quantities:
Next, for each hypothesis of each failure mode, a probability distribution of state quantities is obtained. The state variable random variable set represents the cause-and-effect correlation between the failure factor and the state variable using a response surface model based on the state variable data set obtained as a result of the phenomenon analysis by CAE for the target numerical experiment point. After that, it is calculated by Monte Carlo simulation using a response surface model.

ここで、連続値の状態量については、分割数と各分割範囲を指定した上で離散化を行い、状態量の確率分布の離散化を行った上で、確率密度が0でないデータ集合を抽出した。今回の場合、不良要因uについて正規分布を設定し、平均値±20%の範囲でモンテカルロシミュレーションを行い、各状態量について最大値と最小値の間を10分割することにより離散化した上で、確率密度が0でない状態量のデータ集合を算出した。大規模なモンテカルロシミュレーションとなるため、より細分割化して高精度化するには、分散並列化などによる計算処理の高速化の必要性があると考えられる。   Here, for the state value of continuous value, discretization is performed after specifying the number of divisions and each division range, and after the discretization of the probability distribution of the state quantity, a data set whose probability density is not 0 is extracted. did. In this case, a normal distribution is set for the failure factor u, a Monte Carlo simulation is performed in the range of the average value ± 20%, and each state quantity is discretized by dividing it into 10 parts between the maximum value and the minimum value. A data set of state quantities whose probability density is not 0 was calculated. Since it becomes a large-scale Monte Carlo simulation, it is thought that there is a need to speed up the calculation processing by distributed parallelization or the like in order to further subdivide and increase the accuracy.

応答曲面モデルのパラメータ値:
構造解析ソフトABAQUSVVer6.4を用いた熱変形シミュレーション結果を利用して、実験計画法L18に基づく応答曲面法により、12個の状態量についてそれぞれ応答曲面モデルを作成した。12個の応答曲面モデルに含まれるパラメータ値を仮説2の場合について図14に示す。ここでuは等価な不良要因を示している。状態量zは、図15に示す通りである。また、参考のためL18の実験計画法に基づく分散分析による各要因の影響度解析結果を図16、図17に示す(仮説2の場合)。
Response surface model parameter values:
Using the result of thermal deformation simulation using the structural analysis software ABAQUSV Ver6.4, response surface models were created for each of the 12 state quantities by the response surface method based on the experimental design method L18. The parameter values included in the 12 response surface models are shown in FIG. Here, u represents an equivalent failure factor. The state quantity z is as shown in FIG. For reference, FIGS. 16 and 17 show the influence analysis results of each factor by analysis of variance based on the L18 experiment design method (in the case of hypothesis 2).

統計モデルパラメータの推定:
対象とする観測データ集合と、上記で設定したデータ分布、パラメータθの確率分布、状態量zの確率変数データ集合をもとに、データ分布の統計モデルに含まれるパラメータθ(今回の対象の場合、ワイブル分布パラメータρ、βおよび比例ハザードモデルパラメータのB)を各仮説について推定する。今回のパラメータθの推定にはEM法を活用した。
Estimating statistical model parameters:
Based on the target observation data set, the data distribution set above, the probability distribution of the parameter θ, and the random variable data set of the state quantity z, the parameter θ included in the statistical model of the data distribution (in the case of the current target) Weibull distribution parameters ρ, β and proportional hazard model parameters B) are estimated for each hypothesis. The EM method was used to estimate the parameter θ this time.

統計的同定による仮説検定:
本例では、カルマンフィルタと多重仮説検定を用いた仮説検証を試みた(図18、図19、図20、図21、図22を参照)。まず、各仮説の応答曲面モデルを状態空間表現した(図19を参照)。
Hypothesis testing by statistical identification:
In this example, hypothesis verification using a Kalman filter and a multiple hypothesis test was attempted (see FIGS. 18, 19, 20, 21, and 22). First, the response surface model of each hypothesis was expressed in a state space (see FIG. 19).

同定した仮説に対応する統計モデルの推定にて得られたパラメータθをもとに、データ分布と観測データの適合度評価(誤差評価)を行った結果、最大誤差は±10%以下であった。今回対象とした半導体パッケージの場合、熱変形測定結果と信頼性試験結果を再現するには、インターポーザ表層の材料特性の異方性と、パッケージ樹脂の応力緩和による見かけの弾性率の低下および等価線膨張率の増加を考慮する必要があることが明らかになった。   Based on the parameter θ obtained by the estimation of the statistical model corresponding to the identified hypothesis, the maximum error was ± 10% or less as a result of the fitness evaluation (error evaluation) between the data distribution and the observation data. . In order to reproduce the thermal deformation measurement results and reliability test results for the semiconductor package targeted this time, the anisotropy of the material properties of the interposer surface layer, the decrease in the apparent elastic modulus due to stress relaxation of the package resin, and the equivalent line It became clear that it was necessary to consider the increase in expansion rate.

以下では、本実施形態で用いるパラメータ推定法などの統計的手法について補足説明する。   In the following, a supplementary description will be given of statistical methods such as the parameter estimation method used in the present embodiment.

[MAP推定]
yというデータに基づいて推定した将来観測値zの分布をP(z|y)で表す。P(z|y)の良さをその平均対数尤度∫Q(z)logP(z|y)dzの大きさで評価することができる。Q(z)は確率変数Zの一般に未知の真の分布である。平均対数尤度が大きいモデルほど真の分布Q(z)に対する近似が良いと考えられる。この基準を情報量基準という。情報量基準の観点から事後分布で平均化した分布の最適性を比較できる。データyとzの発生機構Q(y)がP(y|θ)という関数で書ける場合を考える。以下ではθの分布π(θ)がわかっている場合について考える。
[MAP estimation]
The distribution of the future observation value z estimated based on the data y is represented by P (z | y). The goodness of P (z | y) can be evaluated by the magnitude of its average log likelihood ∫Q (z) logP (z | y) dz. Q (z) is a generally unknown true distribution of the random variable Z. It is considered that a model having a larger average log likelihood has a better approximation to the true distribution Q (z). This criterion is called an information criterion. It is possible to compare the optimality of distributions averaged by posterior distribution from the viewpoint of information criterion. Consider a case where the generation mechanism Q (y) of the data y and z can be written by a function P (y | θ * ). In the following, the case where the θ distribution π (θ * ) is known will be considered.

情報量基準ABIC:
赤池らは以下の情報量基準ABICを定義しハイパーパラメータθをABICの最小化によって決定する方法を提案した。第2項目はθの次元による補正項であり、データ分布や事前分布のモデル比較・選択を可能にするためのものである。
すなわち、情報量基準ABIC(α,w)は、
で表される。
Information standard ABIC:
Akaike et al. Defined the following information criterion ABIC and proposed a method for determining the hyperparameter θ by minimizing the ABIC. The second item is a correction term based on the dimension of θ, which enables model comparison / selection of data distribution and prior distribution.
That is, the information criterion ABIC (α, w) is
It is represented by

P(z|y)の平均対数尤度は
と表現できる。
特定のzの場合のみに良い推定値となる推定法では困るため、上記の平均対数尤度をデータzの分布で平均化すると以下で表される。
θそのものは未知のため、θの分布で平均化すると以下の式になる。
The average log likelihood of P (z | y) is
Can be expressed as
Since an estimation method that provides a good estimate only for a specific z is not necessary, the above average log likelihood is averaged with the distribution of data z and is expressed as follows.
Since θ itself is unknown, the following equation is obtained by averaging with the distribution of θ.

最後の式が最大値をとるのは以下のときである。
対数関数の形から任意のs>0に対してlog(s)≦ s−1
が成立、これから
The last expression takes the maximum value when:
Log (s) ≦ s−1 for any s> 0 from the logarithmic function form
From now on,

パラメータの真の事前分布がわかっている場合、ベイズ法で求められる事後分布のもとでの混合分布:
がデータyが観測された場合の最適な予測分布となる。π(θ|y)単峰でとがっていればそれを最大とするθの値:
をパラメータの値として持つ以下の
が近似的な予測分布となり、パラメータの推値としては
がMAP推定値となる。
If the true prior distribution of the parameters is known, the mixture distribution under the posterior distribution obtained by the Bayesian method:
Is the optimal prediction distribution when the data y is observed. π (θ | y) The value of θ that maximizes if it is sharp at a single peak:
With the parameter value
Is an approximate prediction distribution, and the parameter estimates are
Becomes the estimated MAP value.

パラメータの真の事前分布が既知であれば、情報量基準の観点からMAP推定の利用が正当化される。パラメータの真の事前分布が既知というのは厳しい条件であるが、仮定したパラメトリック事前分布の族{π(θ|α,w)}が真の事前分布を含んでいる場合にはABIC最小化法で選んだ事前分布モデルに基づくMAP推定が正当化されると考えてよい。   If the true prior distribution of parameters is known, the use of MAP estimation is justified from the viewpoint of the information criterion. It is a strict condition that the true prior distribution of parameters is known, but if the assumed parametric prior distribution family {π (θ | α, w)} includes a true prior distribution, the ABIC minimization method is used. It can be considered that the MAP estimation based on the prior distribution model selected in the above is justified.

情報量基準EIC:
{π(θ|α,w)}が真の事前分布を含んでいる場合にMAP推定が情報量基準の意味でよい推定を与える。また、{π(θ|α,w)}が真の事前分布を含んでいない場合でも、MAP推定モデルの平均対数尤度:
が他の選択肢、例えば非ベイズ的なモデルの対数尤度:
より良かった場合には、その推定値を使うのが良いと考えられる。
Information standard EIC:
If {π (θ | α, w)} contains a true prior distribution, MAP estimation gives a good estimate in terms of information criteria. Even if {π (θ | α, w)} does not include a true prior distribution, the average log likelihood of the MAP estimation model:
There are other options, such as the log-likelihood of a non-Bayesian model:
If it was better, it would be better to use that estimate.

情報量基準AICは以下の式から得られる。すなわち、AICは
である。第2項のSとTはyとは独立であるが、yと同一の分布に従う確率変数である。この部分が
がデータyにもとづくθの最尤推定値であろうとなかろうと第2項はyと同じ分布に従う互いに独立な乱数の集合{S}と{T}を用いて
と近似計算できる。
The information criterion AIC is obtained from the following equation. That is, AIC is
It is. The second terms S and T are random variables that are independent of y but follow the same distribution as y. This part is
Whether or not is the maximum likelihood estimate of θ based on data y, the second term uses a set of independent random numbers {S i } and {T i } that follow the same distribution as y.
And approximate calculation.

{S}と{T}としてブートストラップサンプルyを利用するのがEICである。
EICは以下の式で定義される情報量基準である。すなわち、EICは
である。この場合、
が最尤推定量でなければならないということはなく、MAP推定でよい。AICの比較でモデル選択ができるのと同じように、EICの比較によって同じモデルパラメータの選定法が選択できることになる。
The EIC uses the bootstrap sample y * as {S i } and {T i }.
EIC is an information amount standard defined by the following equation. That is, EIC is
It is. in this case,
Does not have to be the maximum likelihood estimator, and may be MAP estimation. The same model parameter selection method can be selected by EIC comparison in the same way that model selection can be performed by AIC comparison.

EICの実際の計算は次に式による。
ただし、y ={y ,y ,…,y }がブートストラップサンプルである。EICの計算にあたっては、生データのリサンプリングではなく、残差のリサンプリングのほうが有用であることもある。
The actual calculation of EIC is then according to:
However, y Y i = {y Y 1, y Y 2, ..., y Y K} is the bootstrap samples. In calculating the EIC, resampling of residuals may be more useful than resampling of raw data.

[ハイパーパラメータの選択と識別問題]
ハイパーパラメータの値が異なれば、当然のことながら同じ観測データから異なるモデルが推定される。事前情報をできる限り活用するために事前分布を導入するが、事前分布がハイパーパラメータを含む場合にはその選定法を与える必要がある。この問題を系統的に解決するために赤池らは最尤法に基づく情報量基準を活用する方法を提案している。
[Hyperparameter selection and identification problems]
If the values of the hyperparameters are different, naturally different models are estimated from the same observation data. Prior distribution is introduced in order to utilize prior information as much as possible, but if the prior distribution includes hyperparameters, it is necessary to give a selection method. In order to solve this problem systematically, Akaike et al. Have proposed a method that utilizes an information criterion based on the maximum likelihood method.

潜在変数の事前分布とデータ分布から、データと潜在変数の同時分布が決まる。データ分布や事前分布がハイパーパラメータ(本例の場合はデータ分布に含まれるパラメータαや不良要因の想定確率分布および応答曲面モデルのパラメータw)に依存する場合には、同時分布がハイパーパラメータに依存することになる。形式的にデータと潜在変数の組をデータの分布のモデルと考えれば、データを観測し潜在変数を欠損値とした上で、最尤法でハイパーパラメータを推定することができる。   The prior distribution of latent variables and the data distribution determine the simultaneous distribution of data and latent variables. If the data distribution or prior distribution depends on hyperparameters (in this example, parameter α included in the data distribution, assumed probability distribution of failure factors, and response surface model parameter w), the simultaneous distribution depends on the hyperparameters Will do. If a set of data and latent variables is formally considered as a model of data distribution, hyperparameters can be estimated by the maximum likelihood method after observing the data and setting the latent variables as missing values.

潜在変数(欠損値)に対しては、潜在変数の周辺を積分し周辺分布として潜在変数zをintegrate-outするか、もしくは仮の値で代用する。ハイパーパラメータの推定においては、ABICやECIなどの情報量基準に基づくMAP推定が利用できる。データ分布のパラメータθの推定には、計算効率に優れたEM推定を用いることが可能である。本例では、wは確定値として扱っており、αのみをハイパーパラメータとしてMAP推定法により推定した上で、EM法によりパラメータθを推定している。wもハイパーパラメータとして考慮する場合には、各wの更新値ごとに事前分布を算出し直した上で情報量基準を求める必要がある。また、ブートストラップサンプリングを行う場合は、観測データyのみ対象とする場合と、観測データyと潜在変数zの両方についてサンプリングを繰り返す場合の両方が可能である。ブートストラップ法に基づく情報量基準EICは、事前分布モデルが真の分布を含まない場合のMAP推定の利用を可能にする。   For the latent variable (missing value), the periphery of the latent variable is integrated and the latent variable z is integrated-out as a peripheral distribution, or a temporary value is substituted. In the hyper parameter estimation, MAP estimation based on an information amount standard such as ABIC or ECI can be used. For estimation of the parameter θ of the data distribution, it is possible to use EM estimation excellent in calculation efficiency. In this example, w is treated as a definite value, and after estimating only α as a hyper parameter by the MAP estimation method, the parameter θ is estimated by the EM method. When w is also considered as a hyper parameter, it is necessary to obtain the information criterion after recalculating the prior distribution for each updated value of w. When bootstrap sampling is performed, both the case where only the observation data y is targeted and the case where the sampling is repeated for both the observation data y and the latent variable z are possible. The information criterion EIC based on the bootstrap method allows the use of MAP estimation when the prior distribution model does not include a true distribution.

[最尤推定]
統計モデルは対象とする現象を表現する数理モデルの一つであり、現象について仮定した統計モデルの未知パラメータを推定し、データの平滑化、同定、予測を行うことが、統計的推定の目的である。データを規定する変数に不規則性があり、その不確定性をある確率分布に従う確率変数として表現する点が統計モデルの特徴である。
[Maximum likelihood estimation]
The statistical model is one of the mathematical models that express the target phenomenon. For the purpose of statistical estimation, the unknown parameters of the statistical model assumed for the phenomenon are estimated, and the data is smoothed, identified, and predicted. is there. A characteristic of the statistical model is that a variable that defines data has irregularity, and the uncertainty is expressed as a random variable that follows a certain probability distribution.

統計モデルの変数は、直接データとして観測される観測変数と本来直接観測不可能な潜在変数とに大別される。潜在変数は、状態量、画素、欠測値、隠れ変数とも呼ばれることがある。潜在変数を導入することによって、より柔軟なモデルを構成することができる。潜在変数を含む統計モデルは数多く存在する。例えば、混合分布推定問題の場合、観測データはどの要素分布から生成されたかは本来観測できない。他にも音声認識などで用いられる隠れマルコフモデル、時系列解析で用いられる状態空間モデルなども潜在変数をもつモデルである。EM法は、これら潜在変数をもつ統計モデルのモデルパラメータの最尤推定値を求めるための一般的数値解法である。Dempter、Laird、Rubinによって1977年に考案されたものであり、グラフィカルモデリングや共分散構造分析などのパラメータ推定などにも活用されている。   Statistical model variables are broadly divided into observation variables that are observed as direct data and latent variables that are not directly observable. A latent variable may be referred to as a state quantity, pixel, missing value, or hidden variable. By introducing latent variables, a more flexible model can be constructed. There are many statistical models that include latent variables. For example, in the case of the mixed distribution estimation problem, it cannot be originally observed from which element distribution the observation data is generated. In addition, hidden Markov models used in speech recognition and state space models used in time series analysis are models having latent variables. The EM method is a general numerical solution method for obtaining a maximum likelihood estimated value of a model parameter of a statistical model having these latent variables. It was devised in 1977 by Dempter, Laird, and Rubin, and is also used for parameter estimation such as graphical modeling and covariance structure analysis.

不完全データの最尤推定:
観測データをD、観測データのそれぞれに対応する潜在変数からなる集合をZとする。このとき、Dを不完全データ、(D,Z)を完全データとよぶ。潜在変数が離散値をとるものとし、完全データの確率分布がp(D,Z;θ)と与えられている場合を考える。ただしθは未知パラメータを表している。観測データ(不完全データ)に対する対数尤度関数は以下の式で表現できる(潜在変数が連続値の場合は、和を積分に置き換えればよい)。
Maximum likelihood estimation of incomplete data:
The observation data is D, and the set of latent variables corresponding to each of the observation data is Z. At this time, D is called incomplete data and (D, Z) is called complete data. Consider a case where a latent variable takes a discrete value and the probability distribution of complete data is given as p (D, Z; θ). However, θ represents an unknown parameter. The log-likelihood function for the observed data (incomplete data) can be expressed by the following formula (if the latent variable is a continuous value, the sum can be replaced with an integral).

Zに関して周辺化されているので、潜在変数を含む統計モデルにおける上記尤度関数は周辺尤度関数ともよばれる。観測データDが与えられたもとでの未知パラメータθの最尤推定値は対数尤度関数Lを最大化するパラメータ値:
として定義される。ここでargmax(*)は*を最大化する変数を表す。最尤推定値とは直観的には、観測データDを最も支持するパラメータ値である。ただし、最尤推定法ではその支持度を対数尤度関数で評価する。上記最大化は非線形最適化問題に属し解析的に解くことができないため、ニュートン法などの非線形最適化手法を利用する必要がある。EM法はより効率的に推定するための解析法である。
Since it is marginalized with respect to Z, the likelihood function in the statistical model including latent variables is also called a marginal likelihood function. The maximum likelihood estimate of the unknown parameter θ given the observation data D is the parameter value that maximizes the log-likelihood function L:
Is defined as Where argmax (*) represents the variable that maximizes *. Intuitively, the maximum likelihood estimated value is a parameter value that most supports the observation data D. However, in the maximum likelihood estimation method, the support degree is evaluated by a log likelihood function. Since the above maximization belongs to a nonlinear optimization problem and cannot be solved analytically, it is necessary to use a nonlinear optimization method such as Newton's method. The EM method is an analysis method for estimating more efficiently.

[EM法]
EM法では上記の対数尤度関数を直接最大化する代わりに、より簡単な式になる場合の多い完全データの対数尤度関数の条件付き期待値の最大化を行う。EM法は2種類のステップの逐次反復により最尤推定値を求める。第t反復でのパラメータの推定値をθ(t)とすると、まず期待値計算ステップ(Eステップ)で完全データ対数尤度関数:
の条件付き期待値:
を計算する。ここで記号E{f(x|y)}はyが与えられたときのf(x)の条件付き期待値を表す。
はDを観測したもとでのZの事後分布で、ベイズの定理より次式で計算される。
[EM method]
In the EM method, instead of directly maximizing the above-mentioned log likelihood function, the conditional expected value of the log likelihood function of complete data, which is often a simpler expression, is maximized. In the EM method, a maximum likelihood estimate is obtained by successive iteration of two types of steps. Assuming that the estimated value of the parameter at the t-th iteration is θ (t) , first, in the expected value calculation step (E step), the complete data log likelihood function:
Expected conditional value of:
Calculate Here, the symbol E {f (x | y)} represents a conditional expected value of f (x) when y is given.
Is the posterior distribution of Z when D is observed, and is calculated by the following equation from Bayes' theorem.

EテップでのQ関数の計算は、直感的には、現在のパラメータ推定値に基づいて算出される潜在変数の事後分布:
をその信頼度として不完全情報を暫定的に補っていると解釈できる。次に、最大化ステップ(Mステップ)でQ関数を最大化するθを第t+1反復でのパラメータの推定値とする。これらEMステップを収束条件が満たされるまで繰り返す。
The calculation of the Q function at E step is intuitively the posterior distribution of latent variables calculated based on the current parameter estimates:
It can be interpreted that the incomplete information is tentatively supplemented with its reliability. Next, θ that maximizes the Q function in the maximization step (M step) is set as an estimated value of the parameter in the (t + 1) th iteration. These EM steps are repeated until the convergence condition is satisfied.

EM法ではQ関数を計算する際、すべての可能な潜在変数の値に関する和を計算する。このとき、潜在変数の取り得る値の数が指数オーダになると、その和を現実的な時間で計算することが困難となる。そこで本例では、潜在変数zを不良要因に関する応答曲面モデルで表現し、応答曲面モデルに基づくモンテカルロシミュレーションにより潜在変数に関する確率分布において、確率密度が0とならない潜在変数の組合せに関するデータセットを事前に抽出することにより、計算規模の縮小化を行う。   In the EM method, when calculating the Q function, the sum over the values of all possible latent variables is calculated. At this time, if the number of values that the latent variable can take becomes an exponential order, it is difficult to calculate the sum in a realistic time. Therefore, in this example, the latent variable z is expressed by a response surface model related to a failure factor, and a data set related to a combination of latent variables whose probability density is not 0 in a probability distribution related to the latent variable by Monte Carlo simulation based on the response surface model in advance. Extraction reduces the calculation scale.

観測変数y={y,y,…,y}、潜在変数Z={z,z,…,z}とするとき、観測データに対する尤度関数は以下のように書ける。ここで、θ=(θy,θz)はモデルパラメータを表している。
EステップにおけるQ関数は、
と書ける。
(y,Z)の同時分布は次式のようになる。
When the observation variable y = {y 1 , y 2 ,..., Y M } and the latent variable Z = {z 1 , z 2 ,..., Z M }, the likelihood function for the observation data can be written as follows. Here, θ = (θ y , θ z ) represents a model parameter.
The Q function in step E is
Can be written.
The simultaneous distribution of (y, Z) is as follows:

また、ベイズの定理から次式が計算できる。
このようなEステップの計算に対して、Eステップをサンプリングにより近似するモンテカルロ法が適用できる。
The following equation can be calculated from Bayes' theorem.
A Monte Carlo method that approximates the E step by sampling can be applied to the calculation of the E step.

ベイズ推定は最尤推定と異なり、予測値ではなく予測分布を求める。また、ベイズ推定は、観測データが少ない場合、最尤推定に対し汎化能力の高い推定が可能となる利点をもつ。このように、ベイズ推定では、データを観測したもとでの事後分布が中心的な役割を果たす。ベイズ推定ではすべての未知量が確率変数として取り扱われる。未知パラメータθ、モデル構造M、 潜在変数集合Zをもつ統計モデル(確率モデル)に対しては、通常、以下に示すグラフィカルモデルが仮定される。この場合、観測データDはZが与えられたもとでは、モデル構造Mに独立(p(D|Z,M)=p(D|Z))であることを示す。
Unlike maximum likelihood estimation, Bayesian estimation calculates a prediction distribution instead of a prediction value. In addition, Bayesian estimation has an advantage that estimation with high generalization ability is possible with respect to maximum likelihood estimation when observation data is small. Thus, in Bayesian estimation, the posterior distribution based on observed data plays a central role. In Bayesian estimation, all unknown quantities are treated as random variables. For a statistical model (probability model) having an unknown parameter θ, a model structure M, and a latent variable set Z, the following graphical model is usually assumed. In this case, the observation data D indicates that it is independent of the model structure M (p (D | Z, M) = p (D | Z)) when Z is given.

上記より、同時分布は次式にように分解できる。
ここで、p(D,Z|θ,M)はモデル構造が既知のもとでの完全データ(D,Z)の尤度関数を表し、p(θ|M)、p(M)はパラメータ、モデル構造の事前分布をそれぞれ表す。上式より観測データ集合Dを得たもとでのすべての未知量の同時事後分布はベイズの定理より以下の式で与えられる。
From the above, the simultaneous distribution can be decomposed as:
Here, p (D, Z | θ, M) represents a likelihood function of complete data (D, Z) under a known model structure, and p (θ | M) and p (M) are parameters. Represents the prior distribution of the model structure. The simultaneous posterior distribution of all unknowns with the observation data set D obtained from the above equation is given by the following equation from Bayes' theorem.

上式の分母はp(D)と等価である。またパラメータθの事後分布はZ、Mに関する周辺化より
として得られる。事後分布が得られれば、新たなサンプルdに対する事後予測分布は次式により得ることができる。
上式は変数を離散化することによりモンテカルロシミュレーションを活用して近似的に求めることができる。
The denominator of the above equation is equivalent to p (D). In addition, the posterior distribution of the parameter θ
As obtained. If the posterior distribution is obtained, the posterior prediction distribution for the new sample d can be obtained by the following equation.
The above equation can be obtained approximately using Monte Carlo simulation by discretizing the variables.

複数の設計変数を入力変数とし複数の不良モードにかかわる測定可能量を出力変数とし、かつ、それらの間に複数の潜在的な状態変数が介在するとした階層構造の統計モデルを説明するための概観図。Overview for explaining a statistical model of a hierarchical structure in which multiple design variables are input variables, measurable quantities related to multiple failure modes are output variables, and multiple potential state variables are interposed between them. Figure. 一般的な故障物理モデルを例示する説明図。Explanatory drawing which illustrates a general failure physical model. 本発明の一実施形態に係る半導体装置設計支援方法を示すフロー図。The flowchart which shows the semiconductor device design support method which concerns on one Embodiment of this invention. 図3に示した半導体装置設計支援方法を実施するための装置の概略構成を示す図。The figure which shows schematic structure of the apparatus for enforcing the semiconductor device design support method shown in FIG. 半導体パッケージの熱変形メカニズム(不良メカニズム)の同定問題における対象とする半導体パッケージのCAE解析モデルを示す図。The figure which shows the CAE analysis model of the semiconductor package made into the object in the identification problem of the thermal deformation mechanism (defect mechanism) of a semiconductor package. 半導体パッケージの熱変形メカニズム(不良メカニズム)の同定問題における不良要因を示す図。The figure which shows the defect factor in the identification problem of the thermal deformation mechanism (defect mechanism) of a semiconductor package. 半導体パッケージの熱変形メカニズム(不良メカニズム)の同定問題における半導体パッケージの1/4の部分における熱変形モードの例を示す図。The figure which shows the example of the thermal deformation mode in the 1/4 part of the semiconductor package in the identification problem of the thermal deformation mechanism (defect mechanism) of a semiconductor package. 半導体パッケージの熱変形メカニズム(不良メカニズム)の同定問題における状態量を示す図。The figure which shows the state quantity in the identification problem of the thermal deformation mechanism (defect mechanism) of a semiconductor package. 半導体パッケージの熱変形メカニズム(不良メカニズム)の同定問題における観測データのひとつを示す図。The figure which shows one of the observation data in the identification problem of the thermal deformation mechanism (defect mechanism) of a semiconductor package. 半導体パッケージの熱変形メカニズム(不良メカニズム)の同定問題における観測データの別のひとつを示す図。The figure which shows another one of the observation data in the identification problem of the thermal deformation mechanism (defect mechanism) of a semiconductor package. 半導体パッケージの熱変形メカニズム(不良メカニズム)の同定問題における観測データのさらに別のひとつを示す図。The figure which shows another one of the observation data in the identification problem of the thermal deformation mechanism (defect mechanism) of a semiconductor package. 半導体パッケージの熱変形メカニズム(不良メカニズム)の同定問題における想定した仮説(熱変形メカニズム)を示す図。The figure which shows the hypothesis (thermal deformation mechanism) assumed in the identification problem of the thermal deformation mechanism (defect mechanism) of a semiconductor package. 半導体パッケージの熱変形メカニズム(不良メカニズム)の同定問題における対象とする統計モデルを示す図。The figure which shows the statistical model made into the object in the identification problem of the thermal deformation mechanism (defect mechanism) of a semiconductor package. 半導体パッケージの熱変形メカニズム(不良メカニズム)の同定問題において求められた応答曲面モデルの例を示す図。The figure which shows the example of the response surface model calculated | required in the identification problem of the thermal deformation mechanism (defect mechanism) of a semiconductor package. 図13に示した統計モデルにおける状態量を示す図。The figure which shows the state quantity in the statistical model shown in FIG. 半導体パッケージの熱変形メカニズム(不良メカニズム)の同定問題において求められた各要因の影響度解析結果を示す図。The figure which shows the influence analysis result of each factor calculated | required in the identification problem of the thermal deformation mechanism (defect mechanism) of a semiconductor package. 図16の続図であって、半導体パッケージの熱変形メカニズム(不良メカニズム)の同定問題において求められた各要因の影響度解析結果を示す図。FIG. 17 is a continuation diagram of FIG. 16, showing the influence analysis result of each factor obtained in the identification problem of the thermal deformation mechanism (defective mechanism) of the semiconductor package. 半導体パッケージの熱変形メカニズム(不良メカニズム)の同定問題における、カルマンフィルタと多重仮説検定を用いた仮説検証の流れを示す図。The figure which shows the flow of hypothesis verification using the Kalman filter and the multiple hypothesis test in the identification problem of the thermal deformation mechanism (defect mechanism) of a semiconductor package. 各仮説の応答曲面モデルの状態空間表現を示す図。The figure which shows the state space expression of the response surface model of each hypothesis. 等価な不良要因の探索範囲を示す図。The figure which shows the search range of an equivalent defect factor. 半導体パッケージの熱変形メカニズム(不良メカニズム)の同定問題における、カルマンフィルタと多重仮説検定による仮説検証を示す図。The figure which shows the hypothesis verification by the Kalman filter and the multiple hypothesis test in the identification problem of the thermal deformation mechanism (defect mechanism) of a semiconductor package. 半導体パッケージの熱変形メカニズム(不良メカニズム)の同定問題における同定結果を示す図。The figure which shows the identification result in the identification problem of the thermal deformation mechanism (defect mechanism) of a semiconductor package.

符号の説明Explanation of symbols

11…入力変数、12…状態変数、13…出力変数、14…CAEデータ、15…観測データ、16…故障物理モデル、41…材料/形状/負荷データベース、42…CAE解析モデルベース、43…応答曲面モデルベース、44…観測データベース、71…データ分布・故障物理モデルベース、100…半導体装置設計支援装置、101…CAEによる前処理部、102…統計モデルの推定部、103…不良発生仮説の同定部、110…入力装置、120…出力装置、130…ROM、140…RAM。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Input variable, 12 ... State variable, 13 ... Output variable, 14 ... CAE data, 15 ... Observation data, 16 ... Failure physical model, 41 ... Material / shape / load database, 42 ... CAE analysis model base, 43 ... Response Curved surface model base, 44 ... Observation database, 71 ... Data distribution / fault physical model base, 100 ... Semiconductor device design support device, 101 ... Pre-processing unit by CAE, 102 ... Statistical model estimation unit, 103 ... Identification of defect occurrence hypothesis 110, input device, 120, output device, 130, ROM, 140, RAM.

Claims (5)

不良発生にかかわる複数の設計変数(不良要因)をそれぞれ入力変数とし複数の不良モードにかかわる測定可能量をそれぞれ出力変数とし、かつ、前記複数の入力変数と前記複数の出力変数との間に複数の潜在的な状態変数が介在するとした階層構造の統計モデルにおいて、各不良モードの不良発生メカニズムに関する仮説を複数個想定した上で、前記仮説のそれぞれについて、前記複数の状態変数から前記複数の出力変数へのデータ分布の関数型を、各不良モードに対応した所定の故障物理モデルを考慮して仮定する第1のステップと、
前記複数の状態変数に関する確率変数データ集合と離散化した結合確率分布および確率密度が0でない確率変数データ集合とを、あらかじめ与えられたまたは数値実験点を拡充中のCAE解析結果データに基づき応答曲面モデルおよびモンテカルロシミュレーションを用いて算出する第2のステップと、
前記複数の入力変数および前記複数の出力変数についてのあらかじめ得られたまたはモニタリング中の観測データ集合と、前記第2のステップにおいて算出された複数の状態変数の結合確率分布とから、前記仮定されたデータ分布の関数形に応じたパラメータを推定する第3のステップと
を具備することを特徴とする半導体装置設計支援方法。
A plurality of design variables (defect factors) related to occurrence of defects are set as input variables, and measurable quantities related to a plurality of failure modes are set as output variables, and a plurality of values are set between the plurality of input variables and the plurality of output variables. In a statistical model of a hierarchical structure in which a plurality of potential state variables intervene, assuming a plurality of hypotheses regarding the failure occurrence mechanism of each failure mode, the plurality of output from the plurality of state variables for each of the hypotheses A first step of assuming a function type of data distribution to variables in consideration of a predetermined failure physical model corresponding to each failure mode;
A response surface based on the CAE analysis result data given in advance or expanding the numerical experimental points, the random variable data set related to the plurality of state variables and the discretized joint probability distribution and the random variable data set having a probability density not 0. A second step of calculating using a model and Monte Carlo simulation;
From the observation data set obtained in advance or being monitored for the plurality of input variables and the plurality of output variables, and the joint probability distribution of the plurality of state variables calculated in the second step, the hypothesized And a third step of estimating a parameter according to the function form of the data distribution.
前記第3のステップによって得られた階層構造の統計モデルから、適合度の高い統計モデルを選定し、該選定された統計モデルを用いて、前記不良発生メカニズムの仮設に関する不良要因(入力変数)を同定する第4のステップをさらに具備することを特徴とする請求項1記載の半導体装置設計支援方法。   A statistical model having a high degree of fitness is selected from the statistical model of the hierarchical structure obtained by the third step, and using the selected statistical model, a failure factor (input variable) related to the temporary occurrence of the failure occurrence mechanism is selected. The semiconductor device design support method according to claim 1, further comprising a fourth step of identifying. 前記第1のステップが、前記データ分布として比例ハザードモデルを考慮した階層ベイズモデルを設定し、
前記第3のステップが、MAP推定法、最尤法、EM法、ブートストラップ法を利用してなされることを特徴とする請求項1記載の半導体装置設計支援方法。
The first step sets a hierarchical Bayesian model considering a proportional hazard model as the data distribution,
The semiconductor device design support method according to claim 1, wherein the third step is performed using a MAP estimation method, a maximum likelihood method, an EM method, and a bootstrap method.
不良発生にかかわる複数の設計変数(不良要因)をそれぞれ入力変数とし複数の不良モードにかかわる測定可能量をそれぞれ出力変数とし、かつ、前記複数の入力変数と前記複数の出力変数との間に複数の潜在的な状態変数が介在するとした階層構造の統計モデルにおいて、各不良モードの不良発生メカニズムに関する仮説を複数個想定した上で、前記仮説のそれぞれについて、前記複数の状態変数から前記複数の出力変数へのデータ分布の関数型を、各不良モードに対応した所定の故障物理モデルを考慮して仮定する第1の手段と、
前記複数の状態変数に関する確率変数データ集合と離散化した結合確率分布および確率密度が0でない確率変数データ集合とを、あらかじめ与えられたまたは数値実験点を拡充中のCAE解析結果データに基づき応答曲面モデルおよびモンテカルロシミュレーションを用いて算出する第2の手段と、
前記複数の入力変数および前記複数の出力変数についてのあらかじめ得られたまたはモニタリング中の観測データ集合と、前記第2のステップにおいて算出された複数の状態変数の結合確率分布とから、前記仮定されたデータ分布の関数形に応じたパラメータを推定する第3の手段と
を具備することを特徴とする半導体装置設計支援システム。
A plurality of design variables (defect factors) related to occurrence of defects are set as input variables, and measurable quantities related to a plurality of failure modes are set as output variables, and a plurality of values are set between the plurality of input variables and the plurality of output variables. In a statistical model of a hierarchical structure in which a plurality of potential state variables intervene, assuming a plurality of hypotheses regarding the failure occurrence mechanism of each failure mode, the plurality of output from the plurality of state variables for each of the hypotheses A first means for assuming a function type of data distribution to variables in consideration of a predetermined failure physical model corresponding to each failure mode;
A response surface based on the CAE analysis result data given in advance or expanding the numerical experimental points, the random variable data set related to the plurality of state variables and the discretized joint probability distribution and the random variable data set having a probability density not 0. A second means for calculating using a model and Monte Carlo simulation;
From the observation data set obtained in advance or being monitored for the plurality of input variables and the plurality of output variables, and the joint probability distribution of the plurality of state variables calculated in the second step, the hypothesized And a third means for estimating a parameter according to the function form of the data distribution.
不良発生にかかわる複数の設計変数(不良要因)をそれぞれ入力変数とし複数の不良モードにかかわる測定可能量をそれぞれ出力変数とし、かつ、前記複数の入力変数と前記複数の出力変数との間に複数の潜在的な状態変数が介在するとした階層構造の統計モデルにおいて、各不良モードの不良発生メカニズムに関する仮説を複数個想定した上で、前記仮説のそれぞれについて、前記複数の状態変数から前記複数の出力変数へのデータ分布の関数型を、各不良モードに対応した所定の故障物理モデルを考慮して仮定する第1のステップと、
前記複数の状態変数に関する確率変数データ集合と離散化した結合確率分布および確率密度が0でない確率変数データ集合とを、あらかじめ与えられたまたは数値実験点を拡充中のCAE解析結果データに基づき応答曲面モデルおよびモンテカルロシミュレーションを用いて算出する第2のステップと、
前記複数の入力変数および前記複数の出力変数についてのあらかじめ得られたまたはモニタリング中の観測データ集合と、前記第2のステップにおいて算出された複数の状態変数の結合確率分布とから、前記仮定されたデータ分布の関数形に応じたパラメータを推定する第3のステップと
をコンピュータに実行させるための半導体装置設計支援プログラム。
A plurality of design variables (defect factors) related to occurrence of defects are set as input variables, and measurable quantities related to a plurality of failure modes are set as output variables, and a plurality of values are set between the plurality of input variables and the plurality of output variables. In a statistical model of a hierarchical structure in which a plurality of potential state variables intervene, assuming a plurality of hypotheses relating to failure occurrence mechanisms in each failure mode, the plurality of outputs from the plurality of state variables for each of the hypotheses A first step of assuming a function type of data distribution to variables in consideration of a predetermined failure physical model corresponding to each failure mode;
A response surface based on the CAE analysis result data given in advance or expanding the numerical experimental points, the random variable data set related to the plurality of state variables and the discretized joint probability distribution and the random variable data set having a probability density not 0. A second step of calculating using a model and Monte Carlo simulation;
From the observation data set obtained in advance or being monitored for the plurality of input variables and the plurality of output variables, and the joint probability distribution of the plurality of state variables calculated in the second step, the hypothesized A semiconductor device design support program for causing a computer to execute a third step of estimating a parameter according to a function form of data distribution.
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