JP2011252842A - 素子寿命予測方法及び素子寿命予測機能を備えた回路基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】回路基板に搭載した電子部品の接続部の破壊による電子部品の寿命を、電子部品の接続部が実際に破壊する前に予測することを可能にする。
【解決手段】
電子部品を実装した回路基板に熱伝導部材を介して実装した半導体装置の寿命を予測する方法において、回路基板上に第1の熱伝導部材を介して実装した半導体装置と回路基板上に第1の熱伝導部材よりも熱伝導率が小さい第2の熱伝導部材を介して実装した余命診断部とに同期して通電し、同期して通電することを繰返すことにより余命診断部で発生する故障を検出し、検出した余命診断部に発生した故障から半導体装置の寿命を予測する
ようにした。
【選択図】図1
【解決手段】
電子部品を実装した回路基板に熱伝導部材を介して実装した半導体装置の寿命を予測する方法において、回路基板上に第1の熱伝導部材を介して実装した半導体装置と回路基板上に第1の熱伝導部材よりも熱伝導率が小さい第2の熱伝導部材を介して実装した余命診断部とに同期して通電し、同期して通電することを繰返すことにより余命診断部で発生する故障を検出し、検出した余命診断部に発生した故障から半導体装置の寿命を予測する
ようにした。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体装置の寿命を予測するための素子の寿命予測方法及び素子寿命予測機能を備えた回路基板に関するものである。
電子機器の寿命を決める最大の要因が、各部品間の接続部での熱疲労破壊である。熱疲労破壊は、装置の稼動の際に、各部品にジュール熱が発生し、温度が上昇し、被接合材の熱膨張係数の差異により、接続部に熱ひずみが発生し、これが機器のON、OFFにより繰り返される事で、接合部に徐々にクラックが発生し、最終的に破断に至るものである。そのため、電子機器では、稼動を保証した期間中に、接続部の破断による、機器の故障が発生しない様に、信頼性設計を行う。
しかしながら、社会インフラ系のシステムに用いられる電子機器の様に、極めて長期間の安定稼動が必要とされる場合、充分な信頼性が得られず、前記の設計した寿命に到達し機器が停止する前に設計寿命に対して十分に余裕を持っている時点で交換する事により、安定な稼動を実現している。
しかしながら、設計時に想定した使用環境と市場での稼働環境に差異が有るために、設計した寿命を満たさないとき、設計寿命に対して十分に余裕を持っている時点で交換するように計画していても、予定した交換時期の前に機器が停止してしまう場合が有る。
そのため、実際に稼動している電子機器の余命を正確に予測する技術が重要である。余命を予測する技術としては、接続部に発生したクラックの進展により、徐々に、放熱性能が劣化する現象を、温度変化を測定する事で検出し、余命を診断する方法(例えば、特許文献1及び2)、あるいは、電気特性が劣化する現象を電気信号の変化を測定する事で検出し、余命を診断する(例えば、特許文献3及び4)方法が提示されている。
上記した従来の技術は、いずれも接続部に破壊が発生して初めて、余命の予測が可能となるものであり、性能の劣化が発生するまで、予測が出来ないという問題が有った。
本発明の目的は、接続部の破断が発生する前に余命を診断し、部品や機器の交換を最適のタイミングで実施する事を可能とする事を目的とする。
上記目的を達成するために、本発明では、半導体素子接続部の余命を予測するために、同一の材料構成、構造の接続部を持つと同時に、放熱経路の一部を低熱伝導材料に置き換える事で、小電力で同等以上の温度上昇させる事が可能な余命予測素子を搭載する。この余命予測素子に、余命を検知したい半導体素子の稼動と同期して通電する事で、小電力で、大きな温度上昇を発生させ、短時間で接続部の破壊を発生させるものである。
即ち、上記目的を達成するために、本発明では、電子部品を実装した回路基板に熱伝導部材を介して実装した半導体装置の寿命を予測する方法において、回路基板上に第1の熱伝導部材を介して実装した半導体装置と回路基板上に第1の熱伝導部材よりも熱伝導率が小さい第2の熱伝導部材を介して実装した余命診断部とに同期して通電し、同期して通電することを繰返すことにより余命診断部で発生する故障を検出し、検出した余命診断部に発生した故障から半導体装置の寿命を予測するようにした。
即ち、上記目的を達成するために、本発明では、電子部品を実装した回路基板に熱伝導部材を介して実装した半導体装置の寿命を予測する方法において、回路基板上に第1の熱伝導部材を介して実装した半導体装置と回路基板上に第1の熱伝導部材よりも熱伝導率が小さい第2の熱伝導部材を介して実装した余命診断部とに同期して通電し、同期して通電することを繰返すことにより余命診断部で発生する故障を検出し、検出した余命診断部に発生した故障から半導体装置の寿命を予測するようにした。
また、上記目的を達成するために、本発明では、回路基板に実装した半導体装置の寿命を予測する方法において、回路基板上に実装した半導体装置と回路基板上に実装した余命診断部とに同期して通電し、同期して通電することを繰返すことにより余命診断部で発生する故障を検出し、検出した余命診断部に発生した故障の情報を回路基板に実装した半導体装置に故障が発生する前に素子寿命予測として出力するようにした。
更に、上記目的を達成するために、本発明では、実装した半導体装置の寿命を予測する機能を備えた回路基板を、回路基板上に第1の熱伝導接続部を介して半導体装置を実装した実装回路と、回路基板上に第1の熱伝導部よりも熱伝導率が小さい第2の熱伝導部材を介して余命診断素子を実装した余命診断回路部と、実装回路と余命診断回路部とに同期して電力を印加する制御部と、制御部で実装回路と余命診断回路部とに同期して電力を印加することを繰返すことにより余命診断回路部で発生する故障を検出する故障検出部と、故障検出部で検出した余命診断回路部に発生した故障の情報を実装回路の半導体装置に故障が発生する前に素子寿命予測として出力する故障情報出力手段とを備えて構成した。
本発明により、電子素子の接続部が寿命に達する前に、電子素子の接続部よりもより大きな熱的な負荷を繰返してかけて余命予測素子の接続部の破壊を発生させることにより、電子素子の接続部の余命の診断をする事が可能となる。
これにより、半導体装置や回路基板の修理、交換が必要な時期を半導体装置の接続部が破断する前に高精度で予測する事が可能となる。
本発明では、電子部品を実装した回路基板に余命を予測するための素子(余命予測素子)を搭載し、この余命予測素子に、余命を検知したい半導体装置の稼動と同期して通電する事で、小電力で、大きな温度上昇を発生させ、半導体装置の接続部が破壊する前に余命予測素子の接続部を破壊させることにより、半導体装置の接続部が破壊する時期(半導体装置接続部の余命)を予測するようにしたものである。
以下に、本発明の実施例を、図を用いて説明する。
初めに、実施例1として、電子部品を実装した回路基板(モジュール基板)上にダイボンディングされた半導体素子のワイヤボンディング接続部の余命を診断する手法の例を説明する。
まず、半導体素子及び余命予測素子を実装した回路基板の構造の例を図1を用いて説明する。
まず、半導体素子及び余命予測素子を実装した回路基板の構造の例を図1を用いて説明する。
図1の左側は、13mm×9mm×0.4mmtで、電気抵抗500Ωの半導体素子1が、厚さ0.32mmの窒化珪素製の回路基板2上に形成された、厚さ0.5mmの銅電極3に、高熱伝導接続部4で接続されている構成を示している。高熱伝導接続部4は、熱伝導率が30W/m・KであるSn95Pbはんだを材料とし、接続厚さ0.1mmで構成されている。半導体素子1と高熱伝導部4と
一方、図1の右側は、余命予測素子5として、半導体素子1と同一の半導体素子を、回路基板2上に形成された、厚さ0.5mmの銅電極3に、低熱伝導接続部6で接続されている。低熱伝導接続部6は、熱伝導率が0.3W/m・KとSn95Pbはんだよりも小さい、ポリイミド樹脂を材料として、接続厚さ0.1mmで構成されている。
一方、図1の右側は、余命予測素子5として、半導体素子1と同一の半導体素子を、回路基板2上に形成された、厚さ0.5mmの銅電極3に、低熱伝導接続部6で接続されている。低熱伝導接続部6は、熱伝導率が0.3W/m・KとSn95Pbはんだよりも小さい、ポリイミド樹脂を材料として、接続厚さ0.1mmで構成されている。
半導体素子1及び余命予測素子5は、上面に設けたアルミニウム電極7と回路基板2上の電極8にアルミニウムワイヤ9をワイヤボンディングする事で電気的に接続されている。図1で10は余命予測素子5のワイヤボンディング接続部、11は半導体素子1のワイヤボンディング接続部を示す。半導体素子1とアルミニウム電極7及びワイヤボンディング9を総称して半導体装置150と呼ぶ。また、余命予測素子5とアルミニウム電極7及びワイヤボンディング9を総称して余命診断部160と呼ぶ。
この回路実装構造体において、半導体装置150の半導体素子1と余命診断部160の余命予測素子5に、それぞれ0.02Aの電流を流す、すなわち10Wの電力を印加し発熱を発生させた場合の、接続部温度を測定した結果を図2に示す。温度上昇は、半導体素子1では5℃なのに対し、余命予測素子5では140℃と28倍である。これは、1/28の電力で両者を同じ温度にする事が出来る事を意味する。具体的な例として70℃まで温度を上げた場合の温度を実測した結果を図3に示す。半導体素子1では85W必要なのに対し、余命予測素子5では約28分の1の3Wしか必要としない事が分かる。
次に、ワイヤボンディング接続部10の余命を予測する手順について説明する。
接続部が破断に至るまでの熱サイクルの回数で定義される寿命Nと、熱サイクルの温度差ΔTの間には、以下に示す関係が有る。
N=α×ΔT-n
ここで、αおよびnは定数であり、温度サイクル試験により、実験的に求めることが出来る。
接続部が破断に至るまでの熱サイクルの回数で定義される寿命Nと、熱サイクルの温度差ΔTの間には、以下に示す関係が有る。
N=α×ΔT-n
ここで、αおよびnは定数であり、温度サイクル試験により、実験的に求めることが出来る。
この式より、半導体装置150の半導体素子1の寿命と熱サイクルの温度差をN1、ΔT1、余命診断部160の余命予測素子5の寿命と熱サイクルの温度差をN2、ΔT2とすると、両者の寿命比は、N1/N2=(ΔT1/ΔT2)-nとなる。
ここで、簡易的にn=1とし、例えば、半導体素子1の寿命N1の9割で、余命予測素子5の寿命N2に到達させるには、図2及び3に示した例では、温度上昇をΔT1/ΔT2=1.1となる様、余命予測素子2に入力する電力を3×1.1=3.3Wにすれば良い事が分かる。
上記の手順で、電力を決定し、両者への印加を同時に行う事で、所望のタイミングで、余命予測素子5のワイヤボンディング接続部10の破壊を検出し、半導体素子1のワイヤボンディング接続部11の破壊の時期を予測する事が可能となる。これにより、部品や、基板の修理、交換が必要な時期を高精度で予測する事が可能となる。
次に、余命予測素子5を組み込んだ回路基板100の構成について、図4を用いて説明する。図4に示した回路基板100は、制御回路101、信号処理回路(または電源回路)102、余命予測素子5を含む余命予測回路103を備えており、制御回路は電源110と接続して電力の供給を受け、信号処理回路(または電源回路)102からの出力により外部の駆動系111を駆動し、駆動系111からの信号を信号処理回路(または電源回路)102で受けて処理した後に出力する。
余命予測回路103の余命予測素子5は、信号処理回路(または電源回路)102で使われている素子の中で最も寿命が短いと予測される半導体素子1(余命を検知したい半導体装置)と同じ型の半導体素子である。図1を用いて説明したように、余命予測回路103の基板への余命予測素子5の実装構造のうち放熱部(図1の低熱伝導接続部6)の材料が、半導体素子1の放熱部(図1の高熱伝導接続部4)の材料と異なる。
制御回路101は、信号処理回路(または電源回路)102の余命を検知したい半導体装置の稼動と同期して余命予測回路103の余命予測素子5に通電するように制御する事で、余命予測回路103に小電力で、大きな温度上昇を発生させ、半導体素子1のワイヤボンディング部11が破壊する前に余命予測素子5ワイヤボンディング部10を破壊させる。
制御回路101には、余命予測回路103を流れる電流値を検出する電流検出部1011が備えられている。余命予測素子5のワイヤボンディング部10が破壊すると余命予測回路103を流れる電流値はゼロになり、制御回路101の電流検出部1011でこれを検知し、制御回路101は検知信号をアラーム120に出力し、これを受けてアラーム120は警告を発する。
このアラーム120から警告が発せられた時点で、信号処理回路(または電源回路)102の半導体素子1のワイヤボンディング部11は未だ破壊に至っておらず、信号処理回路(または電源回路)102を含む回路モジュール100は正常に作動することができる。
このように、アラーム120から警告が発せられることにより、回路モジュール100の修理、交換の時期が近づいたことを確実に知ることができ、回路モジュール100が未だ正常な作動が可能な状態で新たな回路モジュールまたは新たな電子部品と交換することが可能になる。
複数の回路基板を組み込んで回路システムを構成する場合には、それぞれの回路基板において上記に説明したような、それぞれの回路基板において、使われている素子の中で最も寿命が短いと予測される半導体素子1と同じ型の半導体素子を余命予測素子5として余命予測回路103を構成し、アラーム120が余命予測回路103の異常を検知した回路モジュール100が識別できるようにして警告を発することにより、組み込まれた複数の回路基板について、それぞれの回路基板ごとの修理、交換の時期を確実に把握することができる。
上記の説明では、半導体素子1と余命予測素子5が同一の構成の素子である場合で説明したが、両者が同一の接続部の構造と材料構成を有すればよく、必ずしも同一の構成の素子である必要は無い。例えば、半導体素子1よりも小さな余命予測素子5用いて、余命予測素子5の熱容量を半導体素子1の熱容量よりも小さくする事で、本発明の効果をさらに効率的に得る事が可能である。
また、上記の説明では、抵抗成分のみを有する等の、全く回路構成の異なる半導体素子を余命予測素子5として用いても良い。さらに、余命予測素子5に複数の電気回路を形成し、複数のワイヤボンディング接続部の温度を変えて、複数のワイヤボンディング接続部に異なるタイミングで破壊を発生させる事で、余命の予測を段階的に行っても良い。
また、上記の説明では、熱伝導率の小さな材料を使用する例を示した。しかし、熱抵抗[K/W]は、熱伝導率[W/m・K]に熱伝導距離を乗じたものの逆数である。したがって、熱伝導距離を大きくする、すなわち、厚くする事で、同一の材料を用いた場合でも、熱抵抗を高くし、本発明の効果を得る事が出来る。
図5は、本発明を、マイコンに使用する基板基板(モジュール基板)に適用した例を示す。
図5には、マイコンの基板基板21にリード型半導体パッケージ50と余命診断回路パッケージ510とを搭載した状態を示す。リード型半導体パッケージ50は、半導体素子51をダイボンド部52でリードフレーム53にダイボンディングし、金ワイヤ54を半導体素子51とリードフレーム53とにワーヤボンディングして半導体素子51とリードフレーム53を電気的に接続する。その後、半導体素子51とワイヤボンディングした金ワイヤ54とをモールドレジン55で封止し、リードフレーム53を曲げ加工して成形しタイバーカットを実施して作成する。この作成したリード型半導体パッケージ50は回路基板2にはんだで接続して実装される。
一方、余命診断回路パッケージ510として、余命予測素子57とリードフレーム53とのダイボンド部58以外をリード型半導体パッケージ50と同じ材料で構成した。余命診断回路パッケージ510のダイボンド部58には、熱伝導率の小さな材料を使用する、もしくは厚くする等して熱抵抗を大きくした構成とした。
リード型半導体パッケージ50においては、はんだ接続部56に熱ストレスが最も大きくかかるので、はんだ接続部56の寿命に対し、前記の余命診断を行う事が有効になる。 図5に示したように、余命診断回路パッケージ510として、熱伝導率が小さいダイボンド部58により熱抵抗を大きくした構成としたことにより、実施例1で説明したのと同様の原理により、より少ない電量の印加ではんだ接続部56の破壊を検出することが可能となる。
実施例2による余命診断回路パッケージ510を組み込んだ回路基板の構成は実施例1と同様なので、説明を省略する。
図6は、本発明を、パソコンに使用する回路基板(モジュール基板)に適用した例を示す。
図6には、半導体素子61をパソコンの回路基板22にC4接続(Controlled Collapse Chip Connection)し、上面にグリース62を介して放熱フィンを設けた実装構造体60と、グリース62以外を同様な材料で構成した余命診断構造体610とを搭載した状態を示す。余命診断構造体610は、グリース66として熱伝導率の小さな材料を使用する、もしくは厚く塗る等して熱抵抗を高くした状態で余命診断素子65に放熱フィン63を実装する事で、はんだバンプ部64で構成される余命診断素子65と回路基板22との接続部の寿命に対し、前記の余命診断を行う事が可能となる。
実装構造体60においては、回路基板22と半導体素子61を接続するはんだバンプ部64に熱ストレスが最も大きくかかるので、はんだバンプ部64の寿命に対し、前記の余命診断を行う事が有効になる。図6に示したように、余命診断構造体610として、グリース66の熱抵抗を大きくした構成としたことにより、実施例1で説明したのと同様の原理により、より少ない電量の印加ではんだバンプ部64の破壊を検出することが可能となる。
実施例3による余命診断構造体610を組み込んだ回路基板の構成は実施例1と同様なので、説明を省略する。
以上に、本発明を実施するための形態を、3種類の実装形態を例に用いて説明したが、本発明の対象は、これに限定されるものではない。
以上に、本発明を実施するための形態を、3種類の実装形態を例に用いて説明したが、本発明の対象は、これに限定されるものではない。
1,51,61・・・半導体素子 2,21,22・・・回路基板 3・・・銅電極 4・・・低熱抵抗接続部 5,57,65・・・余命診断素子 6・・・高熱抵抗接続部 7・・・アルミニウム電極 8・・・銅電極 9・・・アルミニウムワイヤ 11、52・・・ダイボンディング部 50・・・リード型半導体パッケージ 53・・・リードフレーム 54・・・金ワイヤ 55・・・モールドレジン 56・・・はんだ 58・・・熱伝導率が小さいダイボンド部 60・・・実装構造体 62・・・グリース 63・・・放熱フィン 64・・・はんだバンプ 66・・・熱抵抗の大きいグリース 510・・・余命診断回路パッケージ 610・・・余命診断構造体。
Claims (12)
- 電子部品を実装した回路基板に熱伝導部材を介して実装した半導体装置の寿命を予測する方法であって、
前記回路基板上に第1の熱伝導部材を介して実装した半導体装置と前記回路基板上に前記第1の熱伝導部材よりも熱伝導率が小さい第2の熱伝導部材を介して実装した余命診断部とに同期して通電し、
該同期して通電することを繰返すことにより前記余命診断部で発生する故障を検出し、
該検出した前記余命診断部に発生した故障から前記半導体装置の寿命を予測する
ことを特徴とする素子寿命予測方法。 - 回路基板に実装した半導体装置の寿命を予測する方法であって、
前記回路基板上に実装した半導体装置と前記回路基板上に実装した余命診断部とに同期して通電し、
該同期して通電することを繰返すことにより前記余命診断部で発生する故障を検出し、
該検出した前記余命診断部に発生した故障の情報を前記回路基板に実装した半導体装置に故障が発生する前に素子寿命予測として出力する
ことを特徴とする素子寿命予測方法。 - 前記半導体装置と前記余命診断部とはそれぞれ熱伝導接続部材を介して前記回路基板に実装されており、前記半導体装置と前記回路基板との間に介在する熱伝導接続部材は、前記余命診断部と前記回路基板との間に介在する熱伝導接続部材よりも熱伝導率が高いことを特徴とする請求項2記載の素子寿命予測方法。
- 前記余命診断部は、前記半導体装置と同じ材料で構成されていることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の素子寿命予測方法。
- 前記同期して通電する電力は、前記半導体装置に通電する電力よりも小さいことを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載の素子寿命予測方法。
- 前記同期して通電することにより、前記余命診断部を前記半導体装置よりも高温の状態に維持することを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載の素子寿命予測方法。
- 前記同期して通電することを繰返すことにより前記余命診断部と前記回路基板とを接続する配線の接合部の破断による故障を検出することを特徴とする請求項1乃至6の何れかに記載の素子寿命予測方法。
- 実装した半導体装置の寿命を予測する機能を備えた回路基板であって、
前記回路基板上に第1の熱伝導接続部を介して半導体装置を実装した実装回路と、
前記回路基板上に前記第1の熱伝導部よりも熱伝導率が小さい第2の熱伝導部材を介して余命診断素子を実装した余命診断回路部と、
前記実装回路と前記余命診断回路部とに同期して電力を印加する制御部と、
該制御部で前記実装回路と前記余命診断回路部とに同期して電力を印加することを繰返すことにより前記余命診断回路部で発生する故障を検出する故障検出部と、
該故障検出部で検出した前記余命診断回路部に発生した故障の情報を前記実装回路の半導体装置に故障が発生する前に素子寿命予測として出力する故障情報出力手段と
を備えたことを特徴とする素子寿命予測機能を備えた回路基板。 - 前記実装回路の半導体装置と前記回路基板との間に介在する第1の熱伝導接続部材は、前記余命診断回路部の前記余命診断素子と前記回路基板との間に介在する第2の熱伝導接続部材よりも熱伝導率が高いことを特徴とする請求項8記載の素子寿命予測機能を備えた回路基板。
- 前記余命診断素子は、前記半導体装置と同じ材料で構成されていることを特徴とする請求項8または9に記載の素子寿命予測機能を備えた回路基板。
- 前記制御部は、前記実装回路と前記余命診断回路部とに同期して印加する電力を、前記余命診断回路部に印加する電力の方が前記半導体装置に通電する電力よりも小さくなるように制御することを特徴とする請求項8乃至10の何れかに記載の素子寿命予測機能を備えた回路基板。
- 前記故障検出部は、前記制御部で同期して通電することを繰返すことにより前記余命診断回路部の余命診断素子と前記回路基板とを接続する配線の接合部の破断による故障を検出することを特徴とする請求項8乃至11の何れかに記載の素子寿命予測機能を備えた回路基板。
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