JP2018173357A - Test method, test sample, test system, evaluation method, evaluation system, and evaluation program - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To evaluate reliability of a semiconductor module in a short test period.SOLUTION: A test method includes: a determination step for determining a mechanical load that causes, on a semiconductor module, a change of stress, distortion, etc., according to deformation generated on the semiconductor module in which an insulating substrate is joined to a metal base by a joint material in a heat cycle test (H/C test); a testing step for performing a mechanical fatigue test in which the mechanical load is applied to a test sample containing a sample joint material corresponding to the joint material; and an evaluation step for evaluating reliability of the semiconductor module by estimating an H/C life curve for the semiconductor module in the H/C test from a result of the mechanical fatigue test. Thus, a test period can be shortened.SELECTED DRAWING: Figure 15

Description

本発明は、試験方法、試験サンプル、試験システム、評価方法、評価システム、及び評価プログラムに関する。   The present invention relates to a test method, a test sample, a test system, an evaluation method, an evaluation system, and an evaluation program.

例えば太陽光発電、風力発電等の再生可能エネルギ分野、ハイブリッド自動車、電気自動車等の車載分野、車両等の鉄道分野のような主幹産業分野において、パワー半導体モジュール(単に半導体モジュールとも呼ぶ)が組み込まれたパワーコンディショナ(PCS)、インバータ、スマートグリッド等の電力変換システムが採用されている。これらのシステムを安定に稼働することは主幹産業分野においては特に重要であり、半導体モジュールの高い信頼性が求められる。   For example, power semiconductor modules (simply referred to as semiconductor modules) are incorporated in the main industrial fields such as renewable energy fields such as solar power generation and wind power generation, in-vehicle fields such as hybrid cars and electric cars, and railway fields such as vehicles. In addition, power conversion systems such as power conditioners (PCS), inverters, and smart grids are employed. Stable operation of these systems is particularly important in the main industrial field, and high reliability of semiconductor modules is required.

半導体モジュールの信頼性試験の1つに、例えば、ヒートサイクル試験(H/C試験)がある。この試験では、例えば−40〜125℃の温度変化(ヒートサイクル)による熱負荷を半導体モジュールに与える。例えば、半導体素子が搭載された絶縁基板をはんだ、樹脂等の接合材を用いて金属ベースに接合することにより構成される半導体モジュールの場合、それぞれ異なる線膨張係数を有する絶縁基板及び金属ベースが温度変化に伴って熱膨張及び収縮することで、それらの間の接合材に曲げ応力(ストレス)が加わり、数100〜数1000サイクルの温度変化を介して疲労が蓄積し、端部から内側に向かってクラックが成長し、半導体素子から金属ベースへの熱伝導性が低下することにより故障に至る。ヒートサイクルのサイクル数に対してクラックの成長等、接合材の状態を評価することで、半導体モジュールの製品寿命、すなわち熱機械的信頼性(単に信頼性と呼ぶ)が評価される(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1 特開2003−21584号公報
One of the reliability tests of a semiconductor module is, for example, a heat cycle test (H / C test). In this test, for example, a thermal load due to a temperature change (heat cycle) of −40 to 125 ° C. is given to the semiconductor module. For example, in the case of a semiconductor module configured by bonding an insulating substrate on which a semiconductor element is mounted to a metal base using a bonding material such as solder or resin, the insulating substrate and the metal base, each having a different linear expansion coefficient, have different temperatures. Bending stress (stress) is applied to the bonding material between them due to thermal expansion and contraction with changes, fatigue accumulates through temperature changes of several hundred to several thousand cycles, and from the end toward the inside. Cracks grow and the thermal conductivity from the semiconductor element to the metal base decreases, leading to failure. By evaluating the state of the bonding material, such as crack growth, with respect to the number of cycles of the heat cycle, the product life of the semiconductor module, that is, thermomechanical reliability (simply called reliability) is evaluated (for example, patents) Reference 1).
Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-21584

しかしながら、H/C試験では、個々のヒートサイクルにおいて高温度及び低温度をそれぞれ約40分の保持時間の間、保持するため、ヒートサイクルを、1サイクルを約2時間で数1000サイクル又はそれ以上繰り返すことにより、例えば1年もの長い期間をかけて半導体モジュールを試験する。試験によりモジュールは製品規格を満足しないと評価された場合には、モジュールを設計変更して再度試験することとなる。それにより製品開発が著しく遅延することとなる。   However, in the H / C test, in order to hold the high temperature and the low temperature for about 40 minutes each in each heat cycle, the heat cycle is several thousand cycles or more in about 2 hours. By repeating, for example, a semiconductor module is tested over a long period of one year. If the module is evaluated as not satisfying the product standard by the test, the module is redesigned and tested again. This significantly delays product development.

また、従来、Coffin−Manson則に従って、半導体モジュールに使用する接合材と同一材料からなるロッド状のバルク材に対して引張及び圧縮の疲労試験を行い、その結果を利用してヒートサイクルに対する半導体モジュールの信頼性を評価することがある。しかし、この手法は、引張及び圧縮によりバルク材に加わる応力はヒートサイクルにより接合材に加わる応力と振る舞いが異なるため、半導体モジュールの信頼性を評価するには必ずしも適当ではない。実際、信頼性を過少に評価する傾向にある。   Conventionally, in accordance with the Coffin-Manson rule, a rod-shaped bulk material made of the same material as the bonding material used in the semiconductor module has been subjected to a tensile and compression fatigue test, and the result is used to perform a semiconductor module against heat cycle. May be evaluated for reliability. However, this method is not necessarily suitable for evaluating the reliability of the semiconductor module because the stress applied to the bulk material by tension and compression differs in behavior from the stress applied to the bonding material by heat cycle. In fact, reliability tends to be underestimated.

従って、半導体モジュールの信頼性をその設計の詳細によらず少ない因子のみで評価できるようにモジュールをモデル化し、それらの少ない因子のみによりヒートサイクルにより半導体モジュールに加わる応力を再現することで、様々な構成の半導体モジュールの信頼性を統一的に且つ短時間で評価することができる試験方法が望まれる。   Therefore, by modeling the module so that the reliability of the semiconductor module can be evaluated with only a few factors regardless of the details of its design, and reproducing the stress applied to the semiconductor module by heat cycle only with those few factors, A test method that can uniformly and quickly evaluate the reliability of a semiconductor module having a configuration is desired.

半導体モジュールの信頼性試験以外のあらゆる分野においても、基体に接合材料を接合した構造部を有する対象物を直接曲げ試験を行う、またはヒートサイクル試験等により間接的に応力を加えることによって信頼性を試験する場合がある。このような任意の構造部の信頼性を短時間で評価することもまた望まれる。   In all fields other than the reliability test of semiconductor modules, reliability can be improved by performing a direct bending test on an object having a structure part in which a bonding material is bonded to a substrate, or by indirectly applying a stress by a heat cycle test or the like. May be tested. It is also desired to evaluate the reliability of such an arbitrary structure portion in a short time.

(項目1)
試験方法は、信頼性試験において基体に接合材料を接合した評価対象物に生じる変形に応じた変化を評価対象物に生じさせる機械的負荷を決定する決定段階を備えてよい。
試験方法は、接合材料に対応するサンプル接合材料を含む試験サンプルに対して機械的負荷を含む負荷を与える試験段階を備えてよい。
(Item 1)
The test method may include a determination step of determining a mechanical load that causes the evaluation object to change according to the deformation generated in the evaluation object in which the bonding material is bonded to the substrate in the reliability test.
The test method may comprise a test step of applying a load including a mechanical load to a test sample including a sample bonding material corresponding to the bonding material.

(項目2)
信頼性試験は、ヒートサイクル試験またはパワーサイクル試験、であってよい。
(Item 2)
The reliability test may be a heat cycle test or a power cycle test.

(項目3)
評価対象物は、基体および被接合体を接合材料により接合された構造部を有してよい。
試験サンプルは、基体に対応するサンプル基体および被接合体に対応するサンプル被接合体をサンプル接合材料により接合された構造部を有してよい。
(Item 3)
The object to be evaluated may have a structure part in which the base body and the object to be joined are joined by a joining material.
The test sample may have a structure in which a sample substrate corresponding to the substrate and a sample bonded body corresponding to the bonded body are bonded by a sample bonding material.

(項目4)
基体およびサンプル基体、被接合体およびサンプル被接合体、並びに接合材料およびサンプル接合材料のそれぞれは、同一材料により形成されてよい。
サンプル接合材料は、1以上の縁部において接合材料の対応する縁部に相当する厚みを有してよい。
(Item 4)
Each of the substrate and the sample substrate, the bonded object and the sample bonded object, and the bonding material and the sample bonding material may be formed of the same material.
The sample bonding material may have a thickness corresponding to the corresponding edge of the bonding material at one or more edges.

(項目5)
評価対象物は、基体としての金属ベースと、表面に回路パターンおよび裏面に金属板を接合した絶縁基板と、回路パターンに搭載された半導体素子とを備えてよい。
被接合体としての金属板と金属ベースとが接合材料により接合された構造部を有してよい。
(Item 5)
The object to be evaluated may include a metal base as a base, an insulating substrate having a circuit pattern on the front surface and a metal plate bonded to the back surface, and a semiconductor element mounted on the circuit pattern.
You may have the structure part by which the metal plate and metal base as a to-be-joined body were joined by joining material.

(項目6)
決定段階において、信頼性試験における接合材料の1以上の縁部の変形に応じた変化量を機械的に与える機械的負荷を決定してよい。
(Item 6)
In the determination step, a mechanical load that mechanically provides a change amount according to deformation of one or more edges of the bonding material in the reliability test may be determined.

(項目7)
決定段階において、信頼性試験中における評価対象物の変形に応じた変化量を計測してよい。
決定段階において、試験サンプルに対し、計測した変化量に対応する負荷を与える機械的負荷を決定してよい。
(Item 7)
In the determination stage, the amount of change according to the deformation of the evaluation object during the reliability test may be measured.
In the determination step, a mechanical load that applies a load corresponding to the measured change amount may be determined for the test sample.

(項目8)
決定段階において、信頼性試験において1以上の縁部における変形に応じた変化量を解析により算出してよい。
決定段階において、算出した変化量に対応する負荷を接合材料の1以上の縁部に与える機械的負荷を決定してよい。
(Item 8)
In the determination step, the amount of change corresponding to the deformation at one or more edges in the reliability test may be calculated by analysis.
In the determining step, a mechanical load that applies a load corresponding to the calculated amount of change to one or more edges of the bonding material may be determined.

(項目9)
機械的負荷の決定において、試験サンプルに対して変化量に対応する負荷を機械的に与える機械的負荷を解析により算出してよい。
(Item 9)
In determining the mechanical load, a mechanical load that mechanically applies a load corresponding to the amount of change to the test sample may be calculated by analysis.

(項目10)
試験段階は、サンプル基体の面内の2以上の支点で囲まれた領域を相対的に押して試験サンプルに反り変形を与えることにより行われてよい。
サンプル被接合体は、サンプル基体の面内で反り変形による曲率半径が最小となる方向に向かって二辺が互いに近づき交わる角部を有する板状の部材であってよい。
(Item 10)
The test step may be performed by relatively pressing a region surrounded by two or more fulcrums in the plane of the sample substrate to impart a warp deformation to the test sample.
The sample bonded body may be a plate-like member having a corner portion where two sides approach each other in a direction in which the radius of curvature due to warping deformation is minimized within the surface of the sample substrate.

(項目11)
サンプル基体およびサンプル被接合体は方形であってよい。
サンプル被接合体の外周辺のうちの一辺は、サンプル基体の外周辺のうちの一辺に対して予め定められた角度の方向に向けられていてよい。
(Item 11)
The sample substrate and the sample bonded body may be square.
One side of the outer periphery of the sample bonded body may be oriented in a direction of a predetermined angle with respect to one side of the outer periphery of the sample substrate.

(項目12)
予め定められた角度は、45度であってよい。
(Item 12)
The predetermined angle may be 45 degrees.

(項目13)
試験段階において、信頼性試験のサイクル数に応じた回数と同じ回数を繰り返し試験サンプルを変形させてよい。
(Item 13)
In the test stage, the test sample may be deformed by repeating the same number of times as the number of cycles of the reliability test.

(項目14)
試験段階において、予め定められた温度条件下で試験サンプルを繰り返し変形させてよい。
(Item 14)
In the test stage, the test sample may be repeatedly deformed under a predetermined temperature condition.

(項目15)
信頼性試験は、ヒートサイクル試験であってよい。
試験段階において、ヒートサイクル試験における条件に応じた温度条件下で試験サンプルを繰り返し変形させてよい。
(Item 15)
The reliability test may be a heat cycle test.
In the test stage, the test sample may be repeatedly deformed under temperature conditions corresponding to the conditions in the heat cycle test.

(項目16)
信頼性試験は、ヒートサイクル試験であってよい。
試験段階において、ヒートサイクル試験におけるサイクル時間以下の周期で試験サンプルを繰り返し変形させてよい。
(Item 16)
The reliability test may be a heat cycle test.
In the test stage, the test sample may be repeatedly deformed at a cycle equal to or shorter than the cycle time in the heat cycle test.

(項目17)
試験方法は、繰り返し曲げられた試験サンプルにおける接合された構造部の状態に基づいて、評価対象物の接合された構造部の信頼性を評価する評価段階を更に備えてよい。
(Item 17)
The test method may further include an evaluation step of evaluating the reliability of the bonded structure portion of the evaluation object based on the state of the bonded structure portion in the repeatedly bent test sample.

(項目18)
評価段階において、複数温度条件のヒートサイクル試験のそれぞれに対応して、機械的負荷を決定することおよび繰り返し変形させることを行った結果に基づいて、ヒートサイクル寿命曲線を推定してよい。
(Item 18)
In the evaluation stage, the heat cycle life curve may be estimated based on the result of determining the mechanical load and repeatedly deforming it corresponding to each of the heat cycle tests under a plurality of temperature conditions.

(項目19)
試験段階は、決定段階に先立って、複数の試験サンプルのそれぞれに対して異なる機械的負荷を与える複数の試験を行ってよい。
決定段階は、複数の試験の中から、信頼性試験において評価対象物の接合された構造部に生じる変形に応じた変化を試験サンプルに与える試験を決定してよい。
試験方法は、決定された試験の試験結果に基づいて、評価対象物の接合された構造部の信頼性を評価する評価段階を更に備えてよい。
(Item 19)
The test phase may perform a plurality of tests that apply different mechanical loads to each of the plurality of test samples prior to the decision phase.
The determination step may determine a test that gives the test sample a change corresponding to the deformation generated in the bonded structure portion of the evaluation object in the reliability test from among the plurality of tests.
The test method may further include an evaluation stage for evaluating the reliability of the structure part to which the evaluation object is joined based on the test result of the determined test.

(項目20)
決定段階は、複数の試験の中から、信頼性試験における評価対象物の変形に応じた変化量に対応する負荷を与えた試験を決定してよい。
(Item 20)
In the determination step, a test that gives a load corresponding to the amount of change according to the deformation of the evaluation object in the reliability test may be determined from among a plurality of tests.

(項目21)
変形に応じた変化量として、応力、応力勾配、ひずみ、ひずみ勾配、および温度の少なくとも1つを用いてよい。
(Item 21)
As the amount of change corresponding to the deformation, at least one of stress, stress gradient, strain, strain gradient, and temperature may be used.

(項目22)
変形に応じた変化量として、評価対象物および試験サンプルの予め定められた範囲内における、応力またはひずみの一次元分布、二次元分布、または三次元分布を用いてよい。
(Item 22)
As a change amount according to deformation, a one-dimensional distribution, a two-dimensional distribution, or a three-dimensional distribution of stress or strain within a predetermined range of the evaluation object and the test sample may be used.

(項目23)
試験サンプルは、サンプル基体およびサンプル被接合体をサンプル接合材料により接合した構造部を有してよい。
試験段階は、複数の試験サンプルのそれぞれに対して、サンプル基体に加える荷重、サンプル基体の面内に決定された荷重を与える力点と支点との間の距離、サンプル基体の厚み、サンプル被接合体の厚み、サンプル接合材料により接合された構造部の厚み、およびサンプル被接合体のサイズのうち少なくとも1つが異なる試験サンプルを用いた機械的負荷を与える複数の試験を行ってよい。
(Item 23)
The test sample may have a structure in which the sample base and the sample bonded body are bonded with the sample bonding material.
The test stage includes, for each of a plurality of test samples, a load applied to the sample substrate, a distance between a force point and a fulcrum that gives a determined load in the plane of the sample substrate, a thickness of the sample substrate, a sample bonded body A plurality of tests may be performed by applying a mechanical load using a test sample in which at least one of the thickness, the thickness of the structure bonded by the sample bonding material, and the size of the sample bonded body is different.

(項目24)
試験サンプルは、基体および被接合体を接合材料により接合した構造を有する評価対象物における基体に対応するサンプル基体を備えてよい。
試験サンプルは、被接合体に対応するサンプル被接合体を備えてよい。
試験サンプルは、サンプル基体およびサンプル被接合体を接合するサンプル接合材料を備えてよい。
(Item 24)
The test sample may include a sample substrate corresponding to the substrate in the evaluation object having a structure in which the substrate and the object to be bonded are bonded with a bonding material.
The test sample may include a sample bonded body corresponding to the bonded body.
The test sample may comprise a sample bonding material that bonds the sample substrate and the sample workpiece.

(項目25)
試験方法における試験段階は、サンプル基体の面内の2以上の支点で囲まれた領域を相対的に押して試験サンプルに反り変形を与えることにより行われてよい。
サンプル被接合体は、サンプル基体の面内で反り変形による曲率半径が最小となる方向に向かって二辺が互いに近づき交わる角部を有する板状の部材であってよい。
(Item 25)
The test step in the test method may be performed by subjecting a test sample to warp deformation by relatively pressing a region surrounded by two or more fulcrums in the plane of the sample substrate.
The sample bonded body may be a plate-like member having a corner portion where two sides approach each other in a direction in which the radius of curvature due to warping deformation is minimized within the surface of the sample substrate.

(項目26)
サンプル基体およびサンプル被接合体は方形であってよい。
サンプル被接合体の外周辺のうちの一辺は、サンプル基体の外周辺のうちの一辺に対して予め定められた角度の方向に向けられていてよい。
(Item 26)
The sample substrate and the sample bonded body may be square.
One side of the outer periphery of the sample bonded body may be oriented in a direction of a predetermined angle with respect to one side of the outer periphery of the sample substrate.

(項目27)
予め定められた角度は、45度であってよい。
(Item 27)
The predetermined angle may be 45 degrees.

(項目28)
試験システムは、項目1から23のいずれか一項に記載の試験方法により試験を行ってよい。
(Item 28)
The test system may perform the test by the test method according to any one of items 1 to 23.

(項目29)
評価方法は、サンプル接合材料を含む複数の試験サンプルのそれぞれに対して異なる機械的負荷を与えた複数の試験の試験結果を取得する取得段階を備えてよい。
評価方法は、複数の試験の中から、信頼性試験において、基体に接合材料を接合した評価対象物の接合された構造部に生じる変形に応じた変化を試験サンプルに与えた試験を決定する決定段階を備えてよい。
評価方法は、決定された試験の試験結果に基づいて、評価対象物の接合材料の部分の信頼性を評価する評価段階を備えてよい。
(Item 29)
The evaluation method may include an acquisition step of acquiring test results of a plurality of tests in which different mechanical loads are applied to each of the plurality of test samples including the sample bonding material.
The evaluation method is determined to determine a test in which a test sample is subjected to a change in accordance with the deformation generated in the bonded structure portion of the evaluation object in which the bonding material is bonded to the substrate in the reliability test from among a plurality of tests. There may be stages.
The evaluation method may include an evaluation stage for evaluating the reliability of the portion of the bonding material of the evaluation object based on the test result of the determined test.

(項目30)
決定段階は、複数の試験の中から、信頼性試験における評価対象物の変形に応じた変化量に対応する負荷を機械的に与えた試験を決定してよい。
(Item 30)
In the determination step, a test that mechanically applies a load corresponding to a change amount according to deformation of the evaluation object in the reliability test may be determined from among a plurality of tests.

(項目31)
変形に応じた変化量として、応力、応力勾配、ひずみ、ひずみ勾配、および温度の少なくとも1つを用いてよい。
(Item 31)
As the amount of change corresponding to the deformation, at least one of stress, stress gradient, strain, strain gradient, and temperature may be used.

(項目32)
変形に応じた変化量として、評価対象物および試験サンプルの予め定められた範囲内における、応力またはひずみの一次元分布、二次元分布、または三次元分布を用いてよい。
(Item 32)
As a change amount according to deformation, a one-dimensional distribution, a two-dimensional distribution, or a three-dimensional distribution of stress or strain within a predetermined range of the evaluation object and the test sample may be used.

(項目33)
試験サンプルは、サンプル基体およびサンプル被接合体をサンプル接合材料により接合した構造部を有してよい。
取得段階は、複数の試験サンプルのそれぞれに対して、サンプル基体に加える荷重、サンプル基体の面内に決定された荷重を与える力点と支点との間の距離、サンプル基体の厚み、サンプル被接合体の厚み、サンプル接合材料により接合された構造部の厚み、およびサンプル被接合体のサイズのうち少なくとも1つが異なる機械的負荷を与えた複数の試験の試験結果を取得してよい。
(Item 33)
The test sample may have a structure in which the sample base and the sample bonded body are bonded with the sample bonding material.
In the acquisition stage, for each of a plurality of test samples, the load applied to the sample substrate, the distance between the force point and the fulcrum that gives the determined load in the plane of the sample substrate, the thickness of the sample substrate, the sample bonded body The test results of a plurality of tests in which at least one of the thickness, the thickness of the structure bonded by the sample bonding material, and the size of the sample bonded body are subjected to different mechanical loads may be obtained.

(項目34)
評価システムは、項目29から33のいずれか一項に記載の評価方法を実行してよい。
(Item 34)
The evaluation system may execute the evaluation method according to any one of items 29 to 33.

(項目35)
評価プログラムは、コンピュータに、項目29から33のいずれか一項に記載の評価方法を実行させてよい。
(Item 35)
The evaluation program may cause the computer to execute the evaluation method according to any one of items 29 to 33.

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。   The summary of the invention does not enumerate all the features of the present invention. In addition, a sub-combination of these feature groups can also be an invention.

評価対象物の一例として半導体モジュールの構成を示す。A configuration of a semiconductor module is shown as an example of an evaluation object. ヒートサイクルにより半導体モジュールの接合材に加わる応力分布の一例を示す。An example of the stress distribution added to the joining material of a semiconductor module by a heat cycle is shown. 図3Bにおける基準線Lに関する試験サンプルの断面構成を示す。The cross-sectional structure of the test sample regarding the reference line L in FIG. 3B is shown. 試験サンプルの下面構成を示す。The lower surface structure of a test sample is shown. 半導体モジュールを低温度−40℃(上段)及び高温度125℃(下段)においた場合に接合材内に発生するひずみ分布を示す。The strain distribution which generate | occur | produces in a joining material when a semiconductor module is set to low temperature -40 degreeC (upper stage) and high temperature 125 degreeC (lower stage) is shown. H/C試験後の半導体モジュールの接合材の状態(上段)及び機械疲労試験後の試験サンプルのサンプル接合体の状態(中段及び下段)を示す。The state of the bonding material of the semiconductor module after the H / C test (upper stage) and the state of the sample joined body of the test sample after the mechanical fatigue test (middle stage and lower stage) are shown. H/C試験におけるヒートサイクルにより半導体モジュールの接合材内に発生するひずみ分布(左)、機械疲労試験における曲げ変形により試験サンプルのサンプル接合材料内に発生するひずみ分布(中及び右)示す。The strain distribution (left) generated in the bonding material of the semiconductor module by the heat cycle in the H / C test is shown, and the strain distribution (middle and right) generated in the sample bonding material of the test sample by bending deformation in the mechanical fatigue test is shown. H/C試験におけるヒートサイクルにより半導体モジュールの接合材に発生したクラック(左)、機械疲労試験における曲げ変形により試験サンプルのサンプル接合材料に発生したクラック(中及び右)示す。The crack (left) which generate | occur | produced in the joining material of the semiconductor module by the heat cycle in a H / C test, and the crack (middle and right) which generate | occur | produced in the sample joining material of the test sample by the bending deformation in a mechanical fatigue test are shown. 試験サンプルの3点曲げ試験においてサンプル接合材料に加える荷重に対するサンプル接合材料に生じる塑性ひずみの一例を示す。An example of plastic strain generated in a sample bonding material with respect to a load applied to the sample bonding material in a three-point bending test of a test sample is shown. 試験サンプルの3点曲げ試験において試験サンプルを支持する2支点間の距離(支点間距離)に対するサンプル接合材料に加わる応力勾配及びひずみ感受性の一例を示す。An example of the stress gradient and strain sensitivity applied to the sample bonding material with respect to the distance between two fulcrums supporting the test sample (distance between fulcrums) in a three-point bending test of the test sample is shown. 試験サンプルの3点曲げ試験において試験サンプルを構成するサンプル被接合体の厚さに対するサンプル接合材料に加わる応力勾配及びひずみ感受性の一例を示す。An example of the stress gradient and strain sensitivity applied to the sample bonding material with respect to the thickness of the sample bonded body constituting the test sample in the three-point bending test of the test sample is shown. 試験サンプルの3点曲げ試験において試験サンプルを構成するサンプル接合材料の厚さに対するサンプル接合材料に加わる応力勾配及びひずみ感受性の一例を示す。An example of the stress gradient applied to the sample bonding material and the strain sensitivity with respect to the thickness of the sample bonding material constituting the test sample in the three-point bending test of the test sample is shown. 寿命曲線の一例を示す。An example of a lifetime curve is shown. 本実施形態に係る試験システムの構成を示す。1 shows a configuration of a test system according to the present embodiment. 機械疲労試験装置の構成を側面視において示す。The structure of a mechanical fatigue test apparatus is shown in a side view. 機械疲労試験装置の構成を上面視において示す。The structure of a mechanical fatigue test apparatus is shown in a top view. 本実施形態に係る試験システムを用いた第1の試験方法のフローを示す。The flow of the 1st test method using the test system concerning this embodiment is shown. 本実施形態に係る試験システムを用いた第2の試験方法のフローを示す。The flow of the 2nd test method using the test system concerning this embodiment is shown. 変形例に係る評価システムの構成を示す。The structure of the evaluation system which concerns on a modification is shown. 変形例に係る評価システムを用いた評価方法のフローを示す。The flow of the evaluation method using the evaluation system concerning a modification is shown. 本実施形態に係るコンピュータの構成の一例を示す。2 shows an exemplary configuration of a computer according to the present embodiment.

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。   Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the invention.

図1は、本実施形態に係る試験方法及び評価方法により信頼性が評価される評価対象物の一例としての半導体モジュール1の構成の一例を示す。半導体モジュール1は、ケース2、絶縁基板3、接合材4、半導体素子5、端子6a,6c,6c、ワイヤ7b,7c、及びゲル充填材8を備える。   FIG. 1 shows an example of the configuration of a semiconductor module 1 as an example of an evaluation object whose reliability is evaluated by the test method and the evaluation method according to the present embodiment. The semiconductor module 1 includes a case 2, an insulating substrate 3, a bonding material 4, a semiconductor element 5, terminals 6 a, 6 c and 6 c, wires 7 b and 7 c, and a gel filler 8.

ケース2は、半導体モジュール1の構成各部を収容する筐体であり、金属ベース2a、枠体2b、及び蓋体2cを含む。金属ベース2a(基体の一例)は、ケース2の底部を形成する板状の部材であり、その上に半導体モジュール1の構成各部を支持する。金属ベース2aは、放熱性の高い銅(Cu)基板、アルミ炭化ケイ素複合材(Al−SiC)基板等を採用することができる。本実施形態では、銅基板を採用する。枠体2bは、ケース2の側部を形成する枠状の部材であり、金属ベース2aの周縁上に立設される。蓋体2cは、ケース2の上部を形成する板状の部材であり、枠体2b上に載置されて半導体モジュール1の構成各部をケース2内に封入する。蓋体2cには、端子6a,6b,6cの上端をケース2外に突出するための複数の開口が形成されている。   The case 2 is a housing that accommodates the constituent parts of the semiconductor module 1, and includes a metal base 2a, a frame 2b, and a lid 2c. The metal base 2 a (an example of a base) is a plate-like member that forms the bottom of the case 2, and supports each component of the semiconductor module 1 thereon. For the metal base 2a, a copper (Cu) substrate, an aluminum silicon carbide composite (Al-SiC) substrate, or the like with high heat dissipation can be used. In this embodiment, a copper substrate is employed. The frame 2b is a frame-like member that forms the side portion of the case 2, and is erected on the periphery of the metal base 2a. The lid 2 c is a plate-like member that forms the upper part of the case 2, and is placed on the frame 2 b to enclose each part of the semiconductor module 1 in the case 2. A plurality of openings for projecting the upper ends of the terminals 6a, 6b, 6c out of the case 2 are formed in the lid 2c.

絶縁基板3は、半導体素子5を搭載する基板であり、例えばDCB(Direct Copper Bonding)基板、AMB(Active Metal Brazing)基板等を採用することができる。絶縁基板3は、絶縁板3a、金属板3b、及び配線板3cを含む。絶縁板3aは、例えば窒化アルミニウム、窒化珪素、酸化アルミニウム等の絶縁性セラミックスから例えば0.2〜1mm厚に成形された板状部材である。金属板3b(被接合体の一例)は、銅、アルミニウム等の導電性金属を用いて、例えば0.1〜1mmの膜厚で、絶縁板3aの裏面に設けられている。配線板3cは、金属板3bと同様に銅、アルミニウム等の導電性金属を用いて、絶縁板3aのおもて面に設けられている。なお、配線板3cは、3つの回路パターン3c,3c,3cを有する。回路パターン3cは、絶縁板3a上における図面左側に配設されている。回路パターン3c及び3cは、絶縁板3a上における図面右側(それぞれ、奥及び手前)に並設されている。 The insulating substrate 3 is a substrate on which the semiconductor element 5 is mounted. For example, a DCB (Direct Copper Bonding) substrate, an AMB (Active Metal Brazing) substrate, or the like can be used. The insulating substrate 3 includes an insulating plate 3a, a metal plate 3b, and a wiring board 3c. The insulating plate 3a is a plate-like member formed from an insulating ceramic such as aluminum nitride, silicon nitride, or aluminum oxide to a thickness of 0.2 to 1 mm, for example. The metal plate 3b (an example of an object to be bonded) is provided on the back surface of the insulating plate 3a with a film thickness of, for example, 0.1 to 1 mm using a conductive metal such as copper or aluminum. The wiring board 3c is provided on the front surface of the insulating plate 3a by using a conductive metal such as copper or aluminum in the same manner as the metal plate 3b. The wiring board 3c has three circuit patterns 3c 1 , 3c 2 , 3c 3 . Circuit pattern 3c 1 is arranged on the left side of the drawing on the insulating plate 3a. The circuit patterns 3c 2 and 3c 3 are arranged in parallel on the right side of the drawing (respectively and in front) on the insulating plate 3a.

接合材4(接合材料の一例)は、絶縁基板3を金属ベース2aに接合するための部材であり、はんだ(例えば、Sn−5wt%Sb)を使用することができる。接合材4により、絶縁基板3上に設けられる半導体素子5が発する熱を金属ベース2aに効率良く導引(すなわち、排熱)することができる。なお、接合材4は、絶縁基板3及び金属ベース2aの間で、絶縁基板3側から金属ベース2a側に向かって裾を広げるフィレットを形成する。接合材4により被接合体としての絶縁基板3の金属板3bが金属ベース2a上に接合されてなる部分を構造部9と呼ぶ。   The bonding material 4 (an example of a bonding material) is a member for bonding the insulating substrate 3 to the metal base 2a, and solder (for example, Sn-5 wt% Sb) can be used. With the bonding material 4, the heat generated by the semiconductor element 5 provided on the insulating substrate 3 can be efficiently guided (that is, exhausted) to the metal base 2 a. Note that the bonding material 4 forms a fillet between the insulating substrate 3 and the metal base 2a that widens the bottom from the insulating substrate 3 side toward the metal base 2a side. A portion formed by bonding the metal plate 3b of the insulating substrate 3 as the bonded body onto the metal base 2a by the bonding material 4 is referred to as a structure portion 9.

半導体素子5は、一例として制御信号により動作するスイッチング素子であり、おもて面及び裏面のそれぞれに電極を有する絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、パワー金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)等を採用することができる。半導体素子5は、IGBT(又はMOSFET)の場合に、表面にエミッタ電極(又はソース電極)及びゲート電極、裏面にコレクタ電極(又はドレイン電極)を有する。本実施形態では、IGBTを採用する。半導体素子5は、裏面を接合材5aにより配線板3cの回路パターン3cに接合することで、絶縁基板3上に搭載される。 The semiconductor element 5 is a switching element that operates by a control signal as an example, and includes an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a power metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) having electrodes on the front surface and the back surface, respectively. Can be adopted. In the case of an IGBT (or MOSFET), the semiconductor element 5 has an emitter electrode (or source electrode) and a gate electrode on the front surface, and a collector electrode (or drain electrode) on the back surface. In this embodiment, IGBT is adopted. The semiconductor device 5, by joining the rear surface to the circuit pattern 3c 1 wiring board 3c by joining material 5a, is mounted on the insulating substrate 3.

端子6a,6b,6cは、半導体素子5に外部信号を入力する又は半導体素子5から電流を外部に入出力するための端子である。端子6a,6b,6cは、例えば銅、アルミニウム等の導電性金属を用いて円柱状又は平板状に成形されている。端子6aは、配線板3cの回路パターン3cの左端近傍に立設され、回路パターン3cを介して半導体素子5のコレクタ電極に接続する。端子6bは、配線板3cの回路パターン3c上に立設され、回路パターン3c及びワイヤ7bを介して半導体素子5のエミッタ電極に接続する。端子6cは、配線板3cの回路パターン3c上に立設され、回路パターン3c及びワイヤ7cを介して半導体素子5のゲート電極に接続する。端子6a,6b,6cは、はんだ等の接合材(不図示)により回路パターン上に立設されて、それぞれの先端を蓋体2cの開口を介してケース2外に突出する。 The terminals 6a, 6b, and 6c are terminals for inputting an external signal to the semiconductor element 5 or inputting / outputting a current from the semiconductor element 5 to the outside. The terminals 6a, 6b, and 6c are formed in a columnar shape or a flat plate shape using a conductive metal such as copper or aluminum. Terminal 6a is erected in the vicinity of the left end of the circuit pattern 3c 1 wiring board 3c, is connected to the collector electrode of the semiconductor element 5 via a circuit pattern 3c 1. Terminal 6b is erected on the circuit pattern 3c 2 of the wiring board 3c, is connected to the emitter electrode of the semiconductor element 5 via a circuit pattern 3c 2 and the wire 7b. Terminal 6c is erected on the circuit pattern 3c 3 of the wiring board 3c, is connected to the gate electrode of the semiconductor element 5 via a circuit pattern 3c 3 and wire 7c. The terminals 6a, 6b, and 6c are erected on the circuit pattern by a bonding material (not shown) such as solder, and protrude from the case 2 through the opening of the lid 2c.

ワイヤ7b,7cは、半導体素子5の表面電極を回路パターンに接合するワイヤ状の部材である。ワイヤ7b,7cは、例えば銅、アルミニウム等の導電性金属又は鉄アルミ合金等の導電性合金を用いて形成される。ワイヤ7bは、半導体素子5のエミッタ電極を回路パターン3cに接続する。ワイヤ7cは、半導体素子5のゲート電極を回路パターン3cに接続する。 The wires 7b and 7c are wire-like members that join the surface electrode of the semiconductor element 5 to the circuit pattern. The wires 7b and 7c are formed using, for example, a conductive metal such as copper or aluminum or a conductive alloy such as iron aluminum alloy. Wire 7b connects the emitter electrode of the semiconductor element 5 to the circuit pattern 3c 2. Wire 7c connects the gate electrode of the semiconductor element 5 to the circuit pattern 3c 3.

ゲル充填材8は、半導体モジュール1の構成各部を封止するための部材であり、一例としてシリコーンゲルを用いることができる。ゲル充填材8は、ケース2内(金属ベース2a上)に絶縁基板3、半導体素子5、端子6a,6b,6c、及びワイヤ7b,7cが配設された後、それらの上に充填される。さらに、蓋体2cを枠体2b上に載置することで、構成各部がケース2内に封入される。   The gel filler 8 is a member for sealing each component of the semiconductor module 1, and silicone gel can be used as an example. The gel filler 8 is filled in the case 2 (on the metal base 2a) after the insulating substrate 3, the semiconductor element 5, the terminals 6a, 6b, 6c, and the wires 7b, 7c are disposed. . Furthermore, each component is enclosed in the case 2 by placing the lid 2c on the frame 2b.

上述の構成の半導体モジュール1において、金属ベース2a、接合材4、及び絶縁基板3がそれぞれ異なる線膨張係数(例えば、それぞれ、16ppm、20ppm、及び7ppm)を有することで、熱負荷が加えられた場合に、それらの接合体が、高温度において絶縁基板3に対して金属ベース2a側に凸状に、低温度において金属ベース2aに対して絶縁基板3側に凸状に変形する。このような接合体に生じる変形により接合材4に曲げ応力(ストレス)が加わり、数100〜数1000サイクルの温度変化を介して疲労が蓄積し、端部から内側に向かってクラックが成長し、絶縁基板3上の半導体素子5から金属ベース2aへの熱伝導性が低下することにより半導体モジュール1の故障に至る。半導体モジュール1の製品寿命は接合材4の信頼性に強く依存することから、接合材4とこれに応力を加える金属ベース2a及び絶縁基板3とを含む接合体を評価対象物として代用してもよい。   In the semiconductor module 1 having the above-described configuration, the metal base 2a, the bonding material 4, and the insulating substrate 3 have different linear expansion coefficients (for example, 16 ppm, 20 ppm, and 7 ppm, respectively), so that a heat load is applied. In such a case, the joined body deforms in a convex shape toward the metal base 2a with respect to the insulating substrate 3 at a high temperature, and protrudes toward the insulating substrate 3 with respect to the metal base 2a at a low temperature. Bending stress (stress) is applied to the bonding material 4 due to deformation generated in such a bonded body, fatigue accumulates through temperature changes of several hundred to several thousand cycles, and cracks grow from the end toward the inside, When the thermal conductivity from the semiconductor element 5 on the insulating substrate 3 to the metal base 2a is lowered, the semiconductor module 1 is broken. Since the product life of the semiconductor module 1 strongly depends on the reliability of the bonding material 4, even if a bonded body including the bonding material 4, the metal base 2 a that applies stress to the bonding material 4, and the insulating substrate 3 is substituted as an evaluation object. Good.

図2は、H/C試験においてヒートサイクルにより半導体モジュール1(ここでは接合体を代用している)の接合材4に加わる応力分布の一例を示す。比較のため、接合材4と同一材料からなるロッド状のバルク材の引っ張りによる応力分布を併せて示す。接合材4の応力分布は、フィレットの端部(特に、絶縁基板3の近傍の端部)から内部に向かう直線上の距離に対する一次元分布として与えられている。バルク材の応力分布は、ロッド表面から中心に向かう直線上の距離に対する一次元分布として与えられている。引張及び圧縮によりバルク材に加わる応力は、距離に対して一様である。これに対して、ヒートサイクルにより接合材4に加わる応力は、それを挟む絶縁基板3及び金属ベース2aの熱膨張及び収縮の差より引き起こされる応力であるため、接合材4の広がり方向(及び厚さ方向)に有限の分布を有し、特に端部(フィレット表面)に集中することがわかる。ただし、応力は端部からの距離に対して減衰し、接合材4の内部においてはバルク材の応力にほぼ等しく一様に分布する。応力分布は、接合材4、絶縁基板3及び金属ベース2aのそれぞれの線膨張係数、サイズ、形状等の設計の詳細に依存し得る。   FIG. 2 shows an example of a stress distribution applied to the bonding material 4 of the semiconductor module 1 (here, a bonded body is substituted) by a heat cycle in the H / C test. For comparison, the stress distribution due to the pulling of the rod-shaped bulk material made of the same material as the bonding material 4 is also shown. The stress distribution of the bonding material 4 is given as a one-dimensional distribution with respect to a distance on a straight line from the end of the fillet (particularly, the end near the insulating substrate 3) to the inside. The stress distribution of the bulk material is given as a one-dimensional distribution with respect to a distance on a straight line from the rod surface toward the center. The stress applied to the bulk material by tension and compression is uniform over distance. On the other hand, the stress applied to the bonding material 4 by the heat cycle is a stress caused by the difference in thermal expansion and contraction between the insulating substrate 3 and the metal base 2a sandwiching it, and thus the spreading direction (and thickness of the bonding material 4). It can be seen that it has a finite distribution in the vertical direction and is particularly concentrated at the end (fillet surface). However, the stress is attenuated with respect to the distance from the end portion, and is distributed approximately equally and uniformly to the stress of the bulk material inside the bonding material 4. The stress distribution may depend on design details such as the linear expansion coefficient, size, shape, etc. of the bonding material 4, the insulating substrate 3, and the metal base 2a.

評価対象物である半導体モジュール1の信頼性を正確に評価するために、H/C試験においてヒートサイクルにより接合材4に加わる応力又はこれに伴って接合材4に生じるひずみ(接合材4に与える温度を含めて破壊モードと総称する)を再現する必要があり、そのために、半導体モジュール1における接合材4とこれに応力を加える金属ベース2a及び絶縁基板3(半導体素子5を含んでもよい)とを含む接合体に対応して試験サンプルを構成し、これを試験に使用するのが望ましい。しかし、絶縁基板3は、絶縁板3a、金属板3b、及び配線板3cを含み、配線板3cは複数の回路パターン3c,3c,3cを有し、半導体素子5を含めるとさらに試験サンプルの構成が複雑になり、信頼性評価のための因子が多くなる。少ない因子のみで半導体モジュールの信頼性を評価するには、試験サンプルをより簡素に構成する必要がある。 In order to accurately evaluate the reliability of the semiconductor module 1 as an evaluation object, stress applied to the bonding material 4 by the heat cycle in the H / C test or a strain generated in the bonding material 4 accompanying this (given to the bonding material 4) Therefore, the bonding material 4 in the semiconductor module 1, the metal base 2 a that applies stress to the bonding material 4, and the insulating substrate 3 (which may include the semiconductor element 5) must be reproduced. It is desirable that a test sample is constructed corresponding to the joined body including and used for the test. However, the insulating substrate 3 includes an insulating plate 3a, a metal plate 3b, and a wiring board 3c. The wiring board 3c has a plurality of circuit patterns 3c 1 , 3c 2 , 3c 3 , and further testing is performed when the semiconductor element 5 is included. The composition of the sample becomes complicated and there are many factors for reliability evaluation. In order to evaluate the reliability of a semiconductor module with only a few factors, it is necessary to configure the test sample more simply.

H/C試験においてヒートサイクルにより接合材4に加わる破壊モードを再現するには、温度場(すなわち、温度又は温度分布)及び応力場(すなわち、応力分布又はこれに伴って接合材4に生じるひずみ分布)を独立に接合材4に与えればよい。さらに、半導体モジュール1の設計の詳細に依らずに応力場を少ない因子でパラメトライズすることで、半導体モジュール1の信頼性を簡便に評価することが可能となる。   In order to reproduce the failure mode applied to the bonding material 4 by the heat cycle in the H / C test, a temperature field (that is, temperature or temperature distribution) and a stress field (that is, stress distribution or a strain generated in the bonding material 4 accompanying this). Distribution) may be given to the bonding material 4 independently. Furthermore, it is possible to easily evaluate the reliability of the semiconductor module 1 by parametrizing the stress field with a small factor regardless of the design details of the semiconductor module 1.

ここで、金属ベース2a及び絶縁基板3の線膨張係数の違いにより、接合材4を金属ベース2a及び絶縁基板3の間に配し、リフローすることで絶縁基板3を金属ベース2aに接合する際、熱膨張時の変形した状態で接合体が形成されて変形に伴う応力が接合材4に残ることがある。しかし、接合材4に残留する応力(残留応力と呼ぶ)は、実際問題、H/C試験において数100〜数1000回ものヒートサイクルによる信頼性評価に対して無視できる程度の寄与をもたらすにすぎない。そこで、接合材4の残留応力を無視し、評価対象物である半導体モジュール1のH/C試験を模擬するための試験体として次の試験サンプル11を導入する。   Here, due to the difference in coefficient of linear expansion between the metal base 2a and the insulating substrate 3, the bonding material 4 is disposed between the metal base 2a and the insulating substrate 3 and reflowed to bond the insulating substrate 3 to the metal base 2a. In some cases, a joined body is formed in a deformed state at the time of thermal expansion, and stress accompanying the deformation may remain in the joining material 4. However, the stress remaining in the bonding material 4 (referred to as residual stress) only contributes to a negligible contribution to the reliability of the actual problem, H / C test by several hundred to several thousand heat cycles. Absent. Thus, the residual stress of the bonding material 4 is ignored, and the following test sample 11 is introduced as a test body for simulating the H / C test of the semiconductor module 1 that is the evaluation object.

図3A及び図3Bは、試験サンプル11の構成を示す。ここで、図3Aは、図3Bにおける基準線Lに関する断面構成を示し、図3Bは、下面上の構成を示す。試験サンプル11は、評価対象物である半導体モジュール1における接合材4の信頼性をモジュールの設計の詳細に依らず少ない因子のみで評価できるように、半導体モジュール1をこれに含まれる構造部9に対応して簡素化した試験体であり、これにより様々な構成の半導体モジュールの信頼性を統一的に評価することを可能とする。試験サンプル11は、サンプル基体12a、サンプル被接合体13b、及びサンプル接合材料14を含む。   3A and 3B show the configuration of the test sample 11. Here, FIG. 3A shows a cross-sectional configuration related to the reference line L in FIG. 3B, and FIG. 3B shows a configuration on the lower surface. The test sample 11 includes the semiconductor module 1 in the structural portion 9 included in the test module 11 so that the reliability of the bonding material 4 in the semiconductor module 1 as an evaluation object can be evaluated with only a small factor regardless of the details of the module design. This is a correspondingly simplified test body, which makes it possible to uniformly evaluate the reliability of semiconductor modules having various configurations. The test sample 11 includes a sample base 12a, a sample bonded body 13b, and a sample bonding material 14.

サンプル基体12aは、金属ベース2aに対応する板状部材であり、金属ベース2aと同一材料より形成されている。サンプル基体12aは、方形状、ここでは一例として基準線Lに平行な方向を長手とする矩形状に成形されている。   The sample base 12a is a plate-like member corresponding to the metal base 2a, and is made of the same material as the metal base 2a. The sample base body 12a is formed in a rectangular shape, in this case, as an example, a rectangular shape whose longitudinal direction is parallel to the reference line L.

サンプル被接合体13bは、被接合体である金属板3bに対応する部材であり、金属板3bと同一材料より形成されている。サンプル被接合体13bは、方形状、ここでは一例として正方形状に成形され、サンプル基体12aの下面上で、基準軸Lと平行な方向に二辺が互いに近づき交わる角部を向ける。それにより、サンプル被接合体13bの外周辺のうちの一辺(例えば、左上辺)は、サンプル基体12aの外周辺のうちの一辺(例えば、基準線Lに平行な上辺)に対して予め定められた角度θの方向、ここでは一例として45度の方向に向けられている。なお、後述する機械疲労試験では、サンプル基体12aの面内で反り変形による曲率半径が最小となる方向が基準線Lに平行になるように、試験サンプル11に反り変形が加えられる。   The sample bonded body 13b is a member corresponding to the metal plate 3b that is the bonded body, and is formed of the same material as the metal plate 3b. The sample bonded body 13b is formed into a square shape, in this case, a square shape as an example, and faces a corner where two sides approach each other in a direction parallel to the reference axis L on the lower surface of the sample base 12a. Accordingly, one side (for example, the upper left side) of the outer periphery of the sample bonded body 13b is predetermined with respect to one side (for example, the upper side parallel to the reference line L) of the outer periphery of the sample base 12a. The direction of the angle θ is, for example, 45 degrees. In a mechanical fatigue test to be described later, warp deformation is applied to the test sample 11 so that the direction in which the radius of curvature due to warp deformation is minimized in the plane of the sample base 12a is parallel to the reference line L.

サンプル接合材料14は、接合材4に対応する部材であり、接合材4と同一材料により形成されている。サンプル接合材料14は、サンプル被接合体13bと同形状を有し、サンプル被接合体13bとサンプル基体12aとの間に配されて、それらを互いに接合する。ここで、サンプル接合材料14は、1以上の縁部において接合材4の対応する縁部に相当する厚みを有するとともに、接合材4と同様にサンプル被接合体13b側からサンプル基体12a側に向かって裾を広げるフィレットを形成する。   The sample bonding material 14 is a member corresponding to the bonding material 4 and is formed of the same material as the bonding material 4. The sample bonding material 14 has the same shape as the sample bonded body 13b and is arranged between the sample bonded body 13b and the sample base 12a to bond them together. Here, the sample bonding material 14 has a thickness corresponding to the corresponding edge portion of the bonding material 4 at one or more edge portions, and from the sample bonded body 13b side to the sample substrate 12a side, like the bonding material 4. To form a fillet that widens the hem.

試験サンプル11を用いて半導体モジュール1の信頼性を少ない因子のみで評価するために、試験サンプル11の設計条件、後述する機械疲労試験の試験条件を定める。   In order to use the test sample 11 to evaluate the reliability of the semiconductor module 1 with only a few factors, design conditions for the test sample 11 and test conditions for a mechanical fatigue test described later are determined.

図4は、半導体モジュール1を温度条件下、一例として低温度−40℃(上段)及び高温度125℃(下段)においた場合に接合材4内に発生するひずみ分布を示す。これらのひずみ分布は熱応力シミュレーションにより得られたものであり、接合材4の一角部の表面上の分布を示す。低温度下においては、ひずみは、接合材4の下側、すなわち金属ベース2a側に小さいひずみ量で集中する。それに対して、高温度下においては、ひずみは、接合材4の上側、すなわち絶縁基板3側に大きいひずみ量で集中する。従って、H/C試験におけるヒートサイクルでは、高温度下で接合材4の上側に加わる大きな応力が接合材4の信頼性に支配的に寄与するものと予想される。   FIG. 4 shows a strain distribution generated in the bonding material 4 when the semiconductor module 1 is placed at a low temperature of −40 ° C. (upper stage) and a high temperature of 125 ° C. (lower stage) as an example. These strain distributions are obtained by thermal stress simulation and indicate the distribution on the surface of one corner of the bonding material 4. Under a low temperature, the strain concentrates on the lower side of the bonding material 4, that is, on the metal base 2a side with a small strain amount. On the other hand, under a high temperature, the strain concentrates on the upper side of the bonding material 4, that is, on the insulating substrate 3 side with a large strain amount. Therefore, in the heat cycle in the H / C test, it is expected that a large stress applied to the upper side of the bonding material 4 at a high temperature contributes predominantly to the reliability of the bonding material 4.

図5は、H/C試験後の半導体モジュール1の接合材4の状態(上段)及び後述する機械疲労試験後の試験サンプル11のサンプル接合材料14の状態(中段及び下段)を示す。これらは、超音波探傷装置を用いて観察されたものである。ここで、H/C試験の温度条件(すなわち、ヒートサイクル温度)は低温度−40℃及び高温度125℃であり、機械疲労試験の温度条件は−40℃(中段)及び125℃(下段)である。いずれの試験においても、接合材4の端部(すなわち、フィレットの表面)から内部に向かってクラックが成長している。ただし、H/C試験では、接合材4の金属板側(フィレットの上側)からクラックが成長しているのに対して、機械疲労試験では温度条件125℃の場合、同様に、接合材4の金属板側(フィレットの上側)からクラックが成長し、温度条件−40℃の場合、接合材4の金属ベース側(フィレットの下側)からクラックが成長している。これらの観察より、H/C試験においては高温度下において接合材4にクラックが発生したことがわかる。これは、上述の図4のひずみ分布の解析から得られる知見とも一致する。   FIG. 5 shows the state of the bonding material 4 of the semiconductor module 1 after the H / C test (upper stage) and the state of the sample bonding material 14 of the test sample 11 after the mechanical fatigue test described later (middle stage and lower stage). These were observed using an ultrasonic flaw detector. Here, the temperature conditions of the H / C test (that is, the heat cycle temperature) are a low temperature of −40 ° C. and a high temperature of 125 ° C., and the temperature conditions of the mechanical fatigue test are −40 ° C. (middle stage) and 125 ° C. (lower stage). It is. In any test, a crack grows from the end portion of the bonding material 4 (that is, the fillet surface) toward the inside. However, in the H / C test, cracks grow from the metal plate side (upper side of the fillet) of the bonding material 4, whereas in the mechanical fatigue test, when the temperature condition is 125 ° C., similarly, Cracks grow from the metal plate side (upper side of the fillet), and cracks grow from the metal base side (lower side of the fillet) of the bonding material 4 when the temperature condition is −40 ° C. From these observations, it can be seen that cracks occurred in the bonding material 4 at a high temperature in the H / C test. This is consistent with the knowledge obtained from the analysis of the strain distribution of FIG.

上の結果より、機械疲労試験では、H/C試験のヒートサイクルにおける高温度を温度条件とし、その高温度下において接合材4に加えられる応力又はこれにより接合材4に生じるひずみを再現することで、H/C試験のヒートサイクルにより半導体モジュール1に加わる破壊モードを機械疲労試験により再現することができると期待される。   From the above results, in the mechanical fatigue test, the high temperature in the heat cycle of the H / C test is used as the temperature condition, and the stress applied to the bonding material 4 or the strain generated in the bonding material 4 under the high temperature is reproduced. Thus, it is expected that the failure mode applied to the semiconductor module 1 by the heat cycle of the H / C test can be reproduced by the mechanical fatigue test.

図6は、H/C試験におけるヒートサイクルにより半導体モジュール1の接合材4内に発生するひずみ分布(左)、後述する機械疲労試験における曲げ変形により試験サンプル11のサンプル接合材料14内に発生するひずみ分布(中及び右)示す。これらのひずみ分布は、3次元有限要素法(FEM)解析等の構造解析により得られたものである。ここで、H/C試験に対して使用した半導体モジュール1の金属ベース2aに対する絶縁基板3の角度(先述の角度θに対応する)は90度、機械疲労試験に対して使用した試験サンプル11におけるサンプル基体12aに対するサンプル被接合体13bの角度(先述の角度θに等しい)は90度(中)及び45度(右)である。機械疲労試験の温度条件は、H/C試験のヒートサイクルにおける高温度に等しい。H/C試験のヒートサイクルにおいて接合材に加わる曲げ応力は、接合材4の角部に集中することがわかる。これに対して、機械疲労試験においてサンプル接合材料14に加わる曲げ応力は、90度の場合、サンプル接合材料14の辺部に、若干角部に偏って集中しているのに対して、45度の場合、サンプル接合材料14の角部に集中している。従って、試験サンプル11を用いることにより、H/C試験のヒートサイクルにおいて接合材4に加わる曲げ応力を再現することができると期待される。   FIG. 6 shows a strain distribution (left) generated in the bonding material 4 of the semiconductor module 1 by the heat cycle in the H / C test, and is generated in the sample bonding material 14 of the test sample 11 by bending deformation in the mechanical fatigue test described later. Strain distribution (middle and right) is shown. These strain distributions are obtained by structural analysis such as three-dimensional finite element method (FEM) analysis. Here, the angle of the insulating substrate 3 with respect to the metal base 2a of the semiconductor module 1 used for the H / C test (corresponding to the angle θ described above) is 90 degrees, in the test sample 11 used for the mechanical fatigue test. The angles (equal to the aforementioned angle θ) of the sample bonded body 13b with respect to the sample base 12a are 90 degrees (medium) and 45 degrees (right). The temperature condition of the mechanical fatigue test is equal to the high temperature in the heat cycle of the H / C test. It can be seen that the bending stress applied to the bonding material in the heat cycle of the H / C test concentrates on the corners of the bonding material 4. On the other hand, the bending stress applied to the sample bonding material 14 in the mechanical fatigue test is 45 degrees in contrast to the side of the sample bonding material 14 being slightly biased toward the corner in the case of 90 degrees. In this case, it is concentrated at the corner of the sample bonding material 14. Therefore, it is expected that the bending stress applied to the bonding material 4 in the heat cycle of the H / C test can be reproduced by using the test sample 11.

図7は、H/C試験におけるヒートサイクルにより半導体モジュール1の接合材4内に発生したクラック(左)、後述する機械疲労試験における曲げ変形により試験サンプル11のサンプル接合材料14内に発生したクラック(中及び右)示す。これらは、超音波探傷装置を用いて観察されたものである。ここで、H/C試験に対して使用した半導体モジュール1の金属ベース2aに対する絶縁基板3の角度(先述の角度θに対応する)は90度、機械疲労試験に対して使用した試験サンプル11におけるサンプル基体12aに対するサンプル被接合体13bの角度(先述の角度θに等しい)は90度(中)及び45度(右)である。機械疲労試験の温度条件は、H/C試験のヒートサイクルにおける高温度に等しい。H/C試験のヒートサイクルにおいて接合材4に発生するクラックは、角部から内部に向かって成長していることがわかる。これに対して、機械疲労試験においてサンプル接合材料14に発生するクラックは、90度の場合、サンプル接合材料14の辺部から内部に向かって成長しているのに対して、45度の場合、サンプル接合材料14の角部から内部に向かって成長していることがわかる。従って、試験サンプル11を用いることにより、H/C試験のヒートサイクルにおいて接合材4に加わる曲げ応力を再現することができると期待される。   FIG. 7 shows a crack (left) generated in the bonding material 4 of the semiconductor module 1 due to the heat cycle in the H / C test, and a crack generated in the sample bonding material 14 of the test sample 11 due to bending deformation in the mechanical fatigue test described later. (Middle and right) are shown. These were observed using an ultrasonic flaw detector. Here, the angle of the insulating substrate 3 with respect to the metal base 2a of the semiconductor module 1 used for the H / C test (corresponding to the angle θ described above) is 90 degrees, in the test sample 11 used for the mechanical fatigue test. The angles (equal to the aforementioned angle θ) of the sample bonded body 13b with respect to the sample base 12a are 90 degrees (medium) and 45 degrees (right). The temperature condition of the mechanical fatigue test is equal to the high temperature in the heat cycle of the H / C test. It can be seen that cracks generated in the bonding material 4 in the heat cycle of the H / C test grow from the corner toward the inside. On the other hand, the crack generated in the sample bonding material 14 in the mechanical fatigue test grows inward from the side of the sample bonding material 14 in the case of 90 degrees, whereas in the case of 45 degrees, It can be seen that the sample bonding material 14 grows from the corner to the inside. Therefore, it is expected that the bending stress applied to the bonding material 4 in the heat cycle of the H / C test can be reproduced by using the test sample 11.

上述の構成の試験サンプル11は、サンプル基体12a、サンプル被接合体13b、及びサンプル接合材料14から構成される接合体であることから、半導体モジュール1に対するH/C試験においてヒートサイクルにより接合材4に加わる曲げ応力又はこれに伴って接合材4に生じるひずみを再現することができる。ただし、金属ベース2aに対応するサンプル基体12a及び金属板3bに対応するサンプル被接合体13bは同一材料であることから、それらを接合材4に対応するサンプル接合材料14により接合した際に残留応力は発生しない。従って、試験サンプル11を用いて後述する機械疲労試験を行うことで、試験サンプル11に加える荷重、その他少ない因子によりひずみを一意に制御することができ、それにより半導体モジュールの設計の詳細に依らず少ない因子のみで様々な構成の半導体モジュールの信頼性を評価することが可能となる。   Since the test sample 11 having the above-described configuration is a bonded body including the sample base 12a, the sample bonded body 13b, and the sample bonding material 14, the bonding material 4 is obtained by heat cycle in the H / C test for the semiconductor module 1. It is possible to reproduce the bending stress applied to or the strain generated in the bonding material 4 accompanying this. However, since the sample base 12a corresponding to the metal base 2a and the sample bonded body 13b corresponding to the metal plate 3b are made of the same material, the residual stress when they are bonded by the sample bonding material 14 corresponding to the bonding material 4 Does not occur. Therefore, by performing a mechanical fatigue test, which will be described later, using the test sample 11, the strain can be uniquely controlled by the load applied to the test sample 11 and other small factors, so that it does not depend on the details of the design of the semiconductor module. It is possible to evaluate the reliability of semiconductor modules having various configurations with only a small number of factors.

機械疲労試験では、H/C試験におけるヒートサイクルにより半導体モジュール1の接合材4に加わる応力又はそれにより接合材4に発生するひずみを再現するように、3点曲げ試験を採用する。ここで、機械疲労試験により、試験サンプル11を用いて半導体モジュール1の信頼性を少ない因子のみで評価するために、幾つかの試験条件を定める。なお、機械疲労試験の詳細は後述する。   In the mechanical fatigue test, a three-point bending test is adopted so as to reproduce the stress applied to the bonding material 4 of the semiconductor module 1 by the heat cycle in the H / C test or the strain generated in the bonding material 4 thereby. Here, in order to evaluate the reliability of the semiconductor module 1 using the test sample 11 with only a small factor by the mechanical fatigue test, several test conditions are defined. Details of the mechanical fatigue test will be described later.

図8は、試験サンプル11の3点曲げ試験においてサンプル接合材料14に加える機械的負荷(すなわち、荷重)に対するサンプル接合材料14に生じる塑性ひずみの一例を示す。温度条件は、25℃及び125℃である。サンプル接合材料14の塑性ひずみは荷重に比例することから、荷重により塑性ひずみをコントロールできることがわかる。ここで、サンプル接合材料14に与える荷重の増大に対して発生する塑性ひずみが強く増大する場合、荷重のわずかなずれにより塑性ひずみが一意に定まらず、大きな誤差を伴うおそれがある。逆に、荷重の増大に対して塑性ひずみの増大が小さい場合、試験装置の出力規格内の荷重ではサンプル接合材料14に十分大きな塑性ひずみを生ずることができず、試験結果が得られないおそれがある。そこで、試験により再現すべき最大の塑性ひずみの量(目標ひずみ量と呼ぶ)を一例として接合材4が破断し得るひずみ量である10%と定め、塑性ひずみを微細に制御できるよう試験装置の荷重単位(すなわち、調整可能な荷重の単位)、例えば1Nに対して目標ひずみ量の100分の1が得られること、最大荷重、例えば1000Nに対して目標ひずみ量が得られることを条件とする。これらより、試験条件としてひずみ感受性(1Nの荷重を与えたときに生じる塑性ひずみ)0.01〜0.1%/Nが定められる。   FIG. 8 shows an example of plastic strain generated in the sample bonding material 14 with respect to a mechanical load (that is, load) applied to the sample bonding material 14 in the three-point bending test of the test sample 11. Temperature conditions are 25 ° C. and 125 ° C. Since the plastic strain of the sample bonding material 14 is proportional to the load, it can be seen that the plastic strain can be controlled by the load. Here, when the plastic strain generated with respect to the increase in the load applied to the sample bonding material 14 is strongly increased, the plastic strain is not uniquely determined due to a slight shift in the load, and there is a possibility that a large error is caused. On the other hand, when the increase in plastic strain is small relative to the increase in load, the load within the output standard of the test apparatus cannot generate a sufficiently large plastic strain in the sample bonding material 14 and the test result may not be obtained. is there. Therefore, the maximum plastic strain amount (referred to as the target strain amount) to be reproduced by the test is set as 10%, which is the strain amount at which the bonding material 4 can be broken, as an example, so that the plastic strain can be finely controlled. The condition is that a load unit (that is, an adjustable load unit), for example, 1 / 100th of the target strain amount can be obtained for 1N, and a target strain amount can be obtained for the maximum load, for example, 1000N. . From these, the strain sensitivity (plastic strain generated when a load of 1 N is applied) of 0.01 to 0.1% / N is determined as a test condition.

図9は、試験サンプル11の3点曲げ試験において試験サンプル11を支持する2支点間の距離(支点間距離)に対してサンプル接合材料14に加わる応力勾配及びひずみ感受性の一例を示す。ここで、応力勾配とは、サンプル接合材料14の端部(フィレットの端部)近傍約50μm内での応力の変化量であり、サンプル接合材料14の端部での応力の集中度を表す。水平方向及び垂直方向の応力勾配は、支点間距離に対してほぼ一定であるのに対して、ひずみ感受性は支点間距離に対して増大する。これから、H/C試験のヒートサイクルにより接合材4に加わる応力を3点曲げ試験による機械疲労試験により再現するうえで、先に定めたひずみ感受性に対する条件より、支点間距離は27mm以下とするのが望ましいことがわかる。   FIG. 9 shows an example of the stress gradient and strain sensitivity applied to the sample bonding material 14 with respect to the distance between the two fulcrums that support the test sample 11 (distance between the fulcrums) in the three-point bending test of the test sample 11. Here, the stress gradient is the amount of change in stress within about 50 μm in the vicinity of the end of the sample bonding material 14 (end of the fillet), and represents the concentration of stress at the end of the sample bonding material 14. The stress gradient in the horizontal and vertical directions is almost constant with the distance between the fulcrums, whereas the strain sensitivity increases with the distance between the fulcrums. From now on, when reproducing the stress applied to the bonding material 4 by the heat cycle of the H / C test by the mechanical fatigue test by the three-point bending test, the distance between the fulcrums is set to 27 mm or less from the condition for the strain sensitivity previously determined. It turns out that is desirable.

図10は、試験サンプル11の3点曲げ試験において試験サンプル11を構成するサンプル被接合体13bの厚さに対してサンプル接合材料14に加わる応力勾配及びひずみ感受性の一例を示す。水平方向の応力勾配は、約5mm以下の厚さに対して大きく減少し、約5mm以上の厚さに対してほぼ一定となる。垂直方向の応力勾配は、約5mm以下の厚さに対して小さく増大し、約5mm以上の厚さに対してほぼ一定となる。ひずみ感受性は、約5mm以下の厚さに対して大きく増大し、約5mm以上の厚さに対してほぼ一定となる。これから、H/C試験のヒートサイクルにより接合材4に加わる応力を3点曲げ試験による機械疲労試験により再現するうえで、先に定めたひずみ感受性に対する条件より、サンプル被接合体13bの厚さは5mm以下とするのが望ましいことがわかる。   FIG. 10 shows an example of the stress gradient and strain sensitivity applied to the sample bonding material 14 with respect to the thickness of the sample bonded body 13 b constituting the test sample 11 in the three-point bending test of the test sample 11. The horizontal stress gradient is greatly reduced for thicknesses of about 5 mm or less and becomes substantially constant for thicknesses of about 5 mm or more. The vertical stress gradient increases slightly for thicknesses of about 5 mm or less and is substantially constant for thicknesses of about 5 mm or more. Strain sensitivity increases greatly for thicknesses of about 5 mm or less and becomes substantially constant for thicknesses of about 5 mm or more. From this, when reproducing the stress applied to the bonding material 4 by the heat cycle of the H / C test by the mechanical fatigue test by the three-point bending test, the thickness of the sample bonded body 13b is determined based on the conditions for the strain sensitivity previously determined. It turns out that it is desirable to set it as 5 mm or less.

図11は、試験サンプル11の3点曲げ試験において試験サンプル11を構成するサンプル接合材料14の厚さに対してサンプル接合材料14に加わる応力勾配及びひずみ感受性の一例を示す。水平方向の応力勾配は、サンプル接合材料14の厚さに対して減少する。垂直方向の応力勾配は、厚さに対して増大し、厚さ約170μmで極大を呈して緩やかに減少する。ひずみ感受性は、厚さに対して減少する。これから、H/C試験のヒートサイクルにより接合材4に加わる応力を3点曲げ試験による機械疲労試験により再現するうえで、先に定めたひずみ感受性に対する条件より、サンプル接合材料14の厚さは100μm以上とするのが望ましいことがわかる。また、垂直方向の応力勾配の振る舞いが厚さ約170μm以下と以上とで変わり、応力分布が変化するおそれがあることから、応力分布が変化しないようサンプル接合材料14の厚さは170μm以下とするのが望ましいことがわかる。   FIG. 11 shows an example of the stress gradient and strain sensitivity applied to the sample bonding material 14 with respect to the thickness of the sample bonding material 14 constituting the test sample 11 in the three-point bending test of the test sample 11. The horizontal stress gradient decreases with respect to the thickness of the sample bonding material 14. The stress gradient in the vertical direction increases with respect to the thickness, and gradually decreases with a maximum at a thickness of about 170 μm. Strain sensitivity decreases with thickness. From now on, when reproducing the stress applied to the bonding material 4 by the heat cycle of the H / C test by the mechanical fatigue test by the three-point bending test, the thickness of the sample bonding material 14 is 100 μm based on the previously determined conditions for strain sensitivity. It can be seen that the above is desirable. In addition, since the behavior of the stress gradient in the vertical direction changes with the thickness of about 170 μm or less and the stress distribution may change, the thickness of the sample bonding material 14 is set to 170 μm or less so that the stress distribution does not change. It turns out that is desirable.

その他、サンプル被接合体13bのサイズは任意に定めてよく、サンプル基体12aの厚さはひずみ感受性に対する条件より5mm以下とするのが望ましい。   In addition, the size of the sample bonded body 13b may be arbitrarily determined, and the thickness of the sample base 12a is desirably 5 mm or less from the condition for strain sensitivity.

図12に、寿命曲線の一例を示す。機械疲労試験では、上述のとおり定めた試験条件に従って試験サンプル11を用いて3点曲げ試験を行った。ここで、一例として、試験サンプル11のサンプル基体12aの材質を無酸素銅(H材に相当)、大きさを40×100mm、及び厚さを3mmとし、サンプル被接合体13bの材質を無酸素銅(O材に相当)、大きさを20×20mm、及び厚さを3mmとし、サンプル接合材料14の材質をはんだ(Sn−5wt%Sb)、厚さを100μm、及びフィレット形状(傾き)を40度とし、支持治具の支点間距離を20mmとし、機械的負荷(すなわち、荷重)を1.0kN,1.5kN,2.0kNとし、温度条件を125℃とした。サンプル接合材料14に相当塑性ひずみ(単に塑性ひずみとも呼ぶ)Δεinを与える3点曲げを繰り返し、サンプル接合材料14に1mm以上のクラックが発生したサイクル数を寿命サイクルとした。H/C試験では、接合材4とこれにより接合された金属ベース2a及び絶縁基板3とを含む接合体を用いた。金属ベース2a、絶縁基板3、及び接合材4に対する条件は、機械疲労試験におけるサンプル基体12a、サンプル被接合体13b、及びサンプル接合材料14に対する条件と同じとした。また、ヒートサイクル温度は、低温度−40℃及び高温度105,125,150℃とした。それぞれのヒートサイクル温度(により接合材4に発生する塑性ひずみΔεin)に対してヒートサイクルを繰り返し、接合材4に1mm以上のクラックが発生したサイクル数を寿命サイクルとした。疲労試験では、接合材4と同一材料からなるロッド状のバルク材を用いて引張及び圧縮を行った。温度条件は125℃とした。塑性ひずみを与える引張及び圧縮を繰り返し、バルク材に加わる応力が初期応力に対して25%低下したサイクル数を寿命サイクルとした。 FIG. 12 shows an example of the life curve. In the mechanical fatigue test, a three-point bending test was performed using the test sample 11 in accordance with the test conditions determined as described above. Here, as an example, the material of the sample base 12a of the test sample 11 is oxygen-free copper (corresponding to H material), the size is 40 × 100 mm, the thickness is 3 mm, and the material of the sample bonded body 13b is oxygen-free. Copper (corresponding to O material), the size is 20 × 20 mm, the thickness is 3 mm, the material of the sample bonding material 14 is solder (Sn-5 wt% Sb), the thickness is 100 μm, and the fillet shape (tilt) is The distance between supporting points of the support jig was 20 mm, the mechanical load (that is, the load) was 1.0 kN, 1.5 kN, and 2.0 kN, and the temperature condition was 125 ° C. Three-point bending in which equivalent plastic strain (also simply referred to as plastic strain) Δε in was applied to the sample bonding material 14 was repeated, and the number of cycles in which a crack of 1 mm or more occurred in the sample bonding material 14 was defined as a life cycle. In the H / C test, a bonded body including the bonding material 4, the metal base 2a bonded thereto, and the insulating substrate 3 was used. The conditions for the metal base 2a, the insulating substrate 3, and the bonding material 4 were the same as the conditions for the sample base 12a, the sample bonded body 13b, and the sample bonding material 14 in the mechanical fatigue test. Moreover, heat cycle temperature was made into low temperature -40 degreeC and high temperature 105,125,150 degreeC. The heat cycle was repeated with respect to each heat cycle temperature (the plastic strain Δε in generated in the bonding material 4), and the number of cycles in which a crack of 1 mm or more occurred in the bonding material 4 was defined as the life cycle. In the fatigue test, tension and compression were performed using a rod-shaped bulk material made of the same material as the bonding material 4. The temperature condition was 125 ° C. The number of cycles in which the stress applied to the bulk material was reduced by 25% with respect to the initial stress was defined as the life cycle.

H/C試験より得られた寿命曲線に対して、バルク材を用いた疲労試験より得られた寿命曲線は、同じ寿命サイクル数に対する塑性ひずみが小さく、傾きが大きい。これに対して、機械疲労試験より得られた寿命曲線は、同じ寿命サイクル数に対する塑性ひずみが若干小さく、傾きはほぼ等しい。従って、試験サンプル11を用いた3点曲げによる機械疲労試験により、H/C試験におけるヒートサイクルにより半導体モジュール1の接合材4に加わる応力又はそれにより接合材4に発生するひずみを再現することができ、H/C試験に代えて半導体モジュール1の信頼性を評価することができる。   In contrast to the life curve obtained from the H / C test, the life curve obtained from the fatigue test using the bulk material has a small plastic strain and a large slope for the same number of life cycles. On the other hand, the life curve obtained from the mechanical fatigue test has a slightly small plastic strain for the same life cycle number, and the slopes are almost equal. Therefore, the mechanical fatigue test by three-point bending using the test sample 11 can reproduce the stress applied to the bonding material 4 of the semiconductor module 1 by the heat cycle in the H / C test or the strain generated in the bonding material 4 thereby. The reliability of the semiconductor module 1 can be evaluated instead of the H / C test.

表1は、試験サンプル11を用いた3点曲げによる機械疲労試験における試験条件を示す。半導体モジュール1のH/C試験を模擬する観点から、試験サンプル11のサンプル基体12aの材質、サンプル被接合体13bの材質、サンプル接合材料14の材質及び厚さは半導体モジュール1の金属ベース2aの材質、金属板3bの材質、接合材4の材質及び厚さに一致するように定められる。また、温度は、H/C試験のヒートサイクル温度の高温度に定められる。その他の条件は、H/C試験におけるヒートサイクルにより半導体モジュール1の接合材4に加わる応力又はそれにより接合材4に発生するひずみを再現するよう任意に定められる。
Table 1 shows test conditions in a mechanical fatigue test by three-point bending using the test sample 11. From the viewpoint of simulating the H / C test of the semiconductor module 1, the material of the sample base 12a of the test sample 11, the material of the sample bonded body 13b, and the material and thickness of the sample bonding material 14 are the same as those of the metal base 2a of the semiconductor module 1. It is determined so as to match the material, the material of the metal plate 3b, and the material and thickness of the bonding material 4. The temperature is set to a high temperature of the heat cycle temperature of the H / C test. Other conditions are arbitrarily determined so as to reproduce the stress applied to the bonding material 4 of the semiconductor module 1 by the heat cycle in the H / C test or the strain generated in the bonding material 4 thereby.

図13は、本実施形態に係る試験システム100の構成を示す。試験システム100は、H/C試験により半導体モジュール1内の接合材4に加わる応力又はこれにより構造部9に引き起こされるひずみをモジュール外から機械的負荷を付加することで再現し、その機械的負荷を短いサイクル時間で繰り返しモジュールに付加することで試験時間を短縮することを目的とするものであり、H/C試験装置110、機械疲労試験装置120、及び制御装置130を備える。   FIG. 13 shows the configuration of the test system 100 according to the present embodiment. The test system 100 reproduces the stress applied to the bonding material 4 in the semiconductor module 1 by the H / C test or the strain caused to the structural portion 9 by applying a mechanical load from the outside of the module. Is repeatedly added to the module in a short cycle time, and the test time is shortened. The H / C test apparatus 110, the mechanical fatigue test apparatus 120, and the control apparatus 130 are provided.

H/C試験装置110は、半導体モジュール1をH/C試験する装置であり、チェンバ(不図示)、加熱冷却部111、及び測定部112を含む。チェンバは、その内部に半導体モジュール1(接合体でもよい)を収容する。加熱冷却部111は、チェンバ内部を、例えば100〜250度の高温度に加熱するとともに、例えば−40度の低温度に冷却する。加熱冷却部111は、温度センサ(不図示)を用いてチェンバ内の温度を測定してよい。加熱冷却部111は、制御装置130により制御される。測定部112は、例えば半導体モジュール1に接着されたひずみゲージを用いて半導体モジュール1のひずみを測定する又は画像相間法によりひずみを算出する。その測定結果は、制御装置130に送信される。   The H / C test apparatus 110 is an apparatus that performs an H / C test on the semiconductor module 1, and includes a chamber (not shown), a heating / cooling unit 111, and a measurement unit 112. The chamber accommodates the semiconductor module 1 (may be a joined body) therein. The heating / cooling unit 111 heats the inside of the chamber to a high temperature of, for example, 100 to 250 degrees, and cools the chamber to a low temperature of, for example, -40 degrees. The heating / cooling unit 111 may measure the temperature in the chamber using a temperature sensor (not shown). The heating / cooling unit 111 is controlled by the control device 130. The measuring unit 112 measures the strain of the semiconductor module 1 using, for example, a strain gauge bonded to the semiconductor module 1 or calculates the strain by an image interphase method. The measurement result is transmitted to the control device 130.

H/C試験では、加熱冷却部111により、半導体モジュール1を収容したチェンバ内部を加熱して高温度を保持時間の間、保持し、次いでチェンバ内部を冷却して低温度を保持時間の間、保持する。保持時間は、接合材4に加わる応力が時間変化することがあるため、時間変化のスケール(接合材4の材料、半導体モジュール1の構造等に依存する)に応じて例えば約40分とする。この1サイクルの温度変化を約2時間で数1000サイクル繰り返して、半導体モジュール1に熱負荷を加える。   In the H / C test, the inside of the chamber containing the semiconductor module 1 is heated by the heating / cooling unit 111 to maintain the high temperature for the holding time, and then the inside of the chamber is cooled to maintain the low temperature for the holding time. Hold. Since the stress applied to the bonding material 4 may change with time, the holding time is, for example, about 40 minutes depending on the scale of time change (depending on the material of the bonding material 4, the structure of the semiconductor module 1, etc.). The temperature change of one cycle is repeated for several thousand cycles in about 2 hours, and a heat load is applied to the semiconductor module 1.

ヒートサイクルの繰り返しの途中、一定サイクル毎に、半導体モジュール1をチェンバから取出し、超音波探傷装置を用いて接合材4の疲労の状態、特にクラックの成長の程度を観察する。クラックが1mmの長さに達したサイクル数を寿命サイクル(単に寿命とも呼ぶ)とする。   During the repetition of the heat cycle, the semiconductor module 1 is taken out from the chamber at regular intervals, and the state of fatigue of the bonding material 4, particularly the degree of crack growth, is observed using an ultrasonic flaw detector. The number of cycles in which the crack has reached a length of 1 mm is defined as a life cycle (also simply referred to as a life).

なお、H/C試験に先立って、半導体モジュール1の接合部にひずみゲージを接着し、測定部112により、ひずみゲージを用いて1サイクルの温度変化により半導体モジュール1の接合部に加わる塑性ひずみ(単にひずみとも呼ぶ)を測定する。または、画像相間法によりひずみを算出してもよい。この塑性ひずみは、1サイクル当たりに半導体モジュール1に加えられる熱負荷(すなわち、高温度と低温度との温度差)に比例する。幾つかの温度差に対して塑性ひずみと寿命サイクル数を測定することで、塑性ひずみに対する寿命サイクル数の関係、すなわち寿命曲線が得られる。   Prior to the H / C test, a strain gauge is bonded to the joint portion of the semiconductor module 1, and the plastic strain applied to the joint portion of the semiconductor module 1 by the temperature change of one cycle using the strain gauge by the measurement portion 112 ( Simply referred to as strain). Alternatively, the strain may be calculated by an image interphase method. This plastic strain is proportional to the thermal load applied to the semiconductor module 1 per cycle (that is, the temperature difference between the high temperature and the low temperature). By measuring the plastic strain and the number of life cycles for several temperature differences, the relationship of the number of life cycles to the plastic strain, that is, a life curve is obtained.

図14A及び図14Bは、機械疲労試験装置120の構成を示す。ここで、図14A及び図14Bは、それぞれ、側面視及び上面視における構成を示す。機械疲労試験装置120は、試験サンプル11に機械的負荷を加えることで半導体モジュール1に対するH/C試験を模擬した機械疲労試験を行うための装置であり、チェンバ(不図示)、支持治具121、押し込み治具122、加熱冷却部123(図13参照)、及び測定部124(図13参照)を含む。   14A and 14B show a configuration of the mechanical fatigue test apparatus 120. FIG. Here, FIG. 14A and FIG. 14B show configurations in a side view and a top view, respectively. The mechanical fatigue test apparatus 120 is an apparatus for performing a mechanical fatigue test simulating an H / C test on the semiconductor module 1 by applying a mechanical load to the test sample 11. A chamber (not shown) and a support jig 121 are used. , A pushing jig 122, a heating / cooling unit 123 (see FIG. 13), and a measuring unit 124 (see FIG. 13).

チェンバは、試験サンプル11を収容する部材であり、支持治具121及び押し込み治具122を内部に含む。   The chamber is a member that accommodates the test sample 11 and includes a support jig 121 and a pushing jig 122 inside.

支持治具121は、試験サンプル11をチェンバ内で支持する部材であり、ベース121a及び2つの支持部材121bを有する。ベース121aは、支持部材121bを介して試験サンプル11に加えられる荷重を受ける直方体状のブロックである。2つの支持部材121bは、ベース121a上で試験サンプル11を支持する半円柱状の部材であり、それぞれ基準線LLに平行な方向の一側及び他側に、それぞれの長手を基準線LLに直交する方向に向けて、側面をベース121aの上面に当接してベース121a上に配置されている。2つの支持部材121bの支点の離間距離(すなわち、支点間距離)は任意に変更することができる。2つの支持部材121bにより試験サンプル11の両端を下方から支持することで、試験サンプル11が支持治具121上に支持される。ベース121a及び2つの支持部材121bともに、例えばステンレス鋼を用いて形成することができる。   The support jig 121 is a member that supports the test sample 11 in the chamber, and includes a base 121a and two support members 121b. The base 121a is a rectangular parallelepiped block that receives a load applied to the test sample 11 via the support member 121b. The two support members 121b are semi-cylindrical members that support the test sample 11 on the base 121a. Each of the two support members 121b is perpendicular to the reference line LL on one side and the other side in the direction parallel to the reference line LL. In this direction, the side surface is in contact with the upper surface of the base 121a and is disposed on the base 121a. The distance between the fulcrums of the two support members 121b (that is, the distance between the fulcrums) can be arbitrarily changed. The test sample 11 is supported on the support jig 121 by supporting both ends of the test sample 11 from below by the two support members 121b. Both the base 121a and the two support members 121b can be formed using, for example, stainless steel.

なお、支持治具121は、2つの支持部材121bにより試験サンプル11を支持するに限らず、3以上の支持部材121bにより試験サンプル11を支持してもよい。また、支持部材121bの形状は半円柱に限らず半球とし、3以上の支持部材により3以上の支点で試験サンプル11を支持してもよい。また、試験サンプル11の一端を挟圧して片持ち支持してもよい。   The support jig 121 is not limited to supporting the test sample 11 with the two support members 121b, and may support the test sample 11 with three or more support members 121b. Further, the shape of the support member 121b is not limited to a semi-cylindrical shape, and the test sample 11 may be supported by three or more fulcrums by three or more support members. Further, one end of the test sample 11 may be clamped and cantilevered.

押し込み治具122は、支持治具121上に支持された試験サンプル11を上方から下方に押し込む部材である。押し込み治具122は、ラウンドトップ状の棒形状を有し、支持治具121の2つの支持部材121bの中央の上で先端を下方に向けて支持され、駆動装置(不図示)により駆動されて下方に繰り出される。押し込み治具122と2つの支持部材121bとにより挟圧することで、試験サンプル11に3点曲げ変形が与えられる。   The pushing jig 122 is a member that pushes the test sample 11 supported on the supporting jig 121 downward from above. The pushing jig 122 has a round-top bar shape, is supported with the tip directed downward on the center of the two supporting members 121b of the supporting jig 121, and is driven by a driving device (not shown). It is paid out downward. A three-point bending deformation is given to the test sample 11 by clamping between the pushing jig 122 and the two support members 121b.

なお、押し込み治具122を2つ又はそれ以上設けて、試験サンプル11に4点又はそれ以上の多点曲げ変形を与えることとしてもよい。また、押し込み治具122は、棒状部材に限らず、半円柱状の端部を有する板状部材でもよい。   Note that two or more pushing jigs 122 may be provided to give the test sample 11 four or more multi-point bending deformations. Further, the pushing jig 122 is not limited to a rod-shaped member, and may be a plate-shaped member having a semi-cylindrical end.

加熱冷却部123は、チェンバ内部を、例えば−40〜250℃の温度範囲内で加熱又は冷却する。加熱冷却部123は、温度センサ(不図示)を用いてチェンバ内の温度を測定してよい。加熱冷却部123は、制御装置130により制御される。   The heating / cooling unit 123 heats or cools the inside of the chamber within a temperature range of −40 to 250 ° C., for example. The heating / cooling unit 123 may measure the temperature in the chamber using a temperature sensor (not shown). The heating / cooling unit 123 is controlled by the control device 130.

測定部124は、例えば試験サンプル11に接着されたひずみゲージを用いて試験サンプル11のひずみを測定する又は画像相間法によりひずみを算出する。その測定結果は、制御装置130に送信される。   The measurement unit 124 measures the strain of the test sample 11 using, for example, a strain gauge bonded to the test sample 11 or calculates the strain by an image interphase method. The measurement result is transmitted to the control device 130.

機械疲労試験では、まず、試験サンプル11を、チェンバ内の支持治具121上に載置する。ここで、試験サンプル11の長手を基準線LLに平行な方向に向け、サンプル被接合体13bの中心を押し込み治具122の直下に位置決めして、2つの支持部材121bにより試験サンプル11の両端を支持する。   In the mechanical fatigue test, first, the test sample 11 is placed on the support jig 121 in the chamber. Here, the length of the test sample 11 is oriented in a direction parallel to the reference line LL, the center of the sample bonded body 13b is positioned directly below the pushing jig 122, and both ends of the test sample 11 are held by the two support members 121b. To support.

次に、加熱冷却部123により、試験サンプル11を収容したチェンバ内部を加熱又は冷却して、予め定められた温度条件下に保持する。ここで、予め定められた温度条件は、H/C試験における条件に応じた温度条件であり、1サイクルにおける高温度から低温度の間の温度である。   Next, the inside of the chamber containing the test sample 11 is heated or cooled by the heating / cooling unit 123 and held under a predetermined temperature condition. Here, the predetermined temperature condition is a temperature condition according to the condition in the H / C test, and is a temperature between a high temperature and a low temperature in one cycle.

次に、駆動装置を駆動して押し込み治具122を下方に繰り出し、試験サンプル11の上面中心に当接して下方に押圧することで、試験サンプル11を支持する2つの支持部材121bの支点で囲まれた試験サンプル11の上面内の領域を相対的に押し、それにより試験サンプル11に下向きに凸の反り変形を与える。これをH/C試験における1サイクル時間以下の周期でサイクル数と同じ回数繰り返して、試験サンプルを繰り返し変形させて機械的負荷を加える。   Next, the driving device is driven to feed the pushing jig 122 downward, abut against the center of the upper surface of the test sample 11 and press downward, and are surrounded by the fulcrums of the two support members 121b that support the test sample 11. The region in the upper surface of the test sample 11 is pushed relatively, thereby giving the test sample 11 a downward warping deformation. This is repeated as many times as the number of cycles in a cycle of 1 cycle time or less in the H / C test, and the test sample is repeatedly deformed to apply a mechanical load.

繰り返し変形の途中、一定サイクル毎に、試験サンプル11をチェンバから取出し、超音波探傷装置を用いてサンプル接合材料14の疲労の状態、特にクラックの成長の程度を観察する。クラックが1mmの長さに達したサイクル数を寿命サイクル(単に寿命とも呼ぶ)とする。   During repeated deformation, the test sample 11 is taken out from the chamber at every fixed cycle, and the state of fatigue of the sample bonding material 14, particularly the degree of crack growth, is observed using an ultrasonic flaw detector. The number of cycles in which the crack has reached a length of 1 mm is defined as a life cycle (also simply referred to as a life).

なお、機械疲労試験に先立って、試験サンプル11のサンプル基体12a又はサンプル被接合体13bにひずみゲージを接着し、測定部124により1回の機械的負荷の加重による変形に伴いサンプル基体12a又はサンプル被接合体13bに生じる塑性ひずみを測定し、その測定結果を再現するようFEM解析等の構造解析を行ってサンプル接合材料14に生じる塑性ひずみを算出する。または、サンプル基体12a又はサンプル被接合体13bに生じる塑性ひずみを画像相関法により算出してもよい。この塑性ひずみは、試験サンプル11に加えられる機械的負荷に比例する。幾つかの強度の機械的負荷に対して塑性ひずみと寿命サイクル数を測定することで、塑性ひずみに対する寿命サイクル数の関係、すなわち寿命曲線が得られる。   Prior to the mechanical fatigue test, a strain gauge is adhered to the sample base 12a or the sample bonded body 13b of the test sample 11, and the sample base 12a or the sample is subjected to deformation due to a single mechanical load applied by the measuring unit 124. The plastic strain generated in the sample bonding material 14 is calculated by measuring the plastic strain generated in the bonded body 13b and performing structural analysis such as FEM analysis so as to reproduce the measurement result. Alternatively, plastic strain generated in the sample base 12a or the sample bonded body 13b may be calculated by an image correlation method. This plastic strain is proportional to the mechanical load applied to the test sample 11. By measuring the plastic strain and the life cycle number for several mechanical loads, a relationship between the life cycle number and the plastic strain, ie, a life curve, can be obtained.

なお、サンプル接合材料14の疲労の状態より試験サンプル11の寿命を評価するために、サンプル接合材料14に生じるクラックが1mmの長さに達するサイクル数を評価したが、長さの基準は任意に定めてよい。また、疲労の状態として、サンプル接合材料14に生じるクラックに限らず、例えばサンプル接合材料14の組織変化より試験サンプル11の寿命を評価してもよい。また、サンプル接合材料14の疲労の状態に限らず、サンプル接合材料14以外の試験サンプル11の構成各部又は試験サンプル11全体の疲労の状態より試験サンプル11の寿命を評価してもよい。   In order to evaluate the life of the test sample 11 from the fatigue state of the sample bonding material 14, the number of cycles in which the crack generated in the sample bonding material 14 reaches a length of 1 mm was evaluated. You may decide. Further, the fatigue state is not limited to the cracks generated in the sample bonding material 14, and the life of the test sample 11 may be evaluated based on, for example, a change in the structure of the sample bonding material 14. Further, the life of the test sample 11 may be evaluated not only from the fatigue state of the sample bonding material 14 but also from the fatigue states of the constituent parts of the test sample 11 other than the sample bonding material 14 or the entire test sample 11.

制御装置130は、試験システム100を構成する装置を制御するとともに、試験結果に基づいて半導体モジュール1の信頼性を評価する装置である。制御装置130は、決定部132、試験部134、及び評価部136を含む。制御装置130は、コンピュータ、マイクロコントローラ等を含む情報処理装置に、例えば不揮発性メモリ等の記憶装置或いはCD−ROM等の記録媒体に記憶された制御用プログラムを実行させることによって各機能部を発現し、制御装置として機能する。   The control device 130 is a device that controls devices constituting the test system 100 and evaluates the reliability of the semiconductor module 1 based on the test results. The control device 130 includes a determination unit 132, a test unit 134, and an evaluation unit 136. The control device 130 expresses each functional unit by causing an information processing device including a computer, a microcontroller, etc. to execute a control program stored in a storage device such as a nonvolatile memory or a recording medium such as a CD-ROM. And function as a control device.

決定部132は、H/C試験において評価対象物である半導体モジュール1に生じる変形に応じた変化を半導体モジュール1に生じさせる機械的負荷を決定する。決定部132の機能の詳細については後述する。   The determination unit 132 determines a mechanical load that causes the semiconductor module 1 to change according to the deformation that occurs in the semiconductor module 1 that is the evaluation target in the H / C test. Details of the function of the determination unit 132 will be described later.

試験部134は、機械疲労試験装置120を用いて半導体モジュール1の接合材4に対応するサンプル接合材料14を含む試験サンプル11に対して機械疲労試験を行う。試験部134の機能の詳細については後述する。   The test unit 134 performs a mechanical fatigue test on the test sample 11 including the sample bonding material 14 corresponding to the bonding material 4 of the semiconductor module 1 using the mechanical fatigue test apparatus 120. Details of the function of the test unit 134 will be described later.

評価部136は、試験部134により繰り返し曲げ変形を加えられた試験サンプル11におけるサンプル接合材料14(又はサンプル全体)の状態に基づいて、半導体モジュール1の構造部9の信頼性を評価する。評価部136の機能の詳細については後述する。   The evaluation unit 136 evaluates the reliability of the structure unit 9 of the semiconductor module 1 based on the state of the sample bonding material 14 (or the entire sample) in the test sample 11 that has been repeatedly subjected to bending deformation by the test unit 134. Details of the function of the evaluation unit 136 will be described later.

図15は、本実施形態に係る試験システム100を用いた第1の試験方法のフローを示す。   FIG. 15 shows a flow of a first test method using the test system 100 according to the present embodiment.

ステップS102では、決定部132により、H/C試験において評価対象物である半導体モジュール1に生じる変形に応じた変化を半導体モジュール1に生じさせる機械的負荷を決定する。ここで、変形に応じた変化として、半導体モジュール1の接合材4に加わる応力(応力分布を含む)又はこれにより接合材4に生じるひずみ(ひずみ分布を含む)を採用する。これらの状態量を採用することで、機械疲労試験において試験サンプル11に加える機械的負荷をH/C試験において半導体モジュール1に加える熱負荷に容易に対応させることができ、試験サンプル11を用いた機械疲労試験により半導体モジュール1のH/C試験を再現することが可能となる。なお、これらに限らず、変形に応じた変化として微細組織変化、硬さ(硬さ分布を含む)等を採用してもよい。   In step S <b> 102, the determination unit 132 determines a mechanical load that causes the semiconductor module 1 to change according to the deformation that occurs in the semiconductor module 1 that is the evaluation target in the H / C test. Here, as a change corresponding to the deformation, a stress (including a stress distribution) applied to the bonding material 4 of the semiconductor module 1 or a strain (including a strain distribution) generated in the bonding material 4 due thereto is employed. By adopting these state quantities, the mechanical load applied to the test sample 11 in the mechanical fatigue test can easily correspond to the thermal load applied to the semiconductor module 1 in the H / C test, and the test sample 11 was used. The H / C test of the semiconductor module 1 can be reproduced by the mechanical fatigue test. However, the present invention is not limited to these, and a fine structure change, hardness (including hardness distribution), or the like may be adopted as a change according to deformation.

決定部132は、半導体モジュール1に対するH/C試験における接合材4の1以上の縁部の変形に応じた変化量を決定する。ここで、決定部132は、H/C試験装置110を用いて半導体モジュール1(又は接合材4とこれにより接合された金属ベース2a及び絶縁基板3とを含む接合体でもよい)にヒートサイクルを加えて、それによる接合材4の変形に応じた変化量、すなわち変形により縁部に生じるひずみ分布を計測する。ひずみの測定については先述のとおりである。または、決定部132は、熱応力シミュレーションを行って、ヒートサイクルにより接合材4の縁部に加わる応力分布又はひずみ分布を算出してもよい。   The determining unit 132 determines the amount of change according to the deformation of one or more edges of the bonding material 4 in the H / C test for the semiconductor module 1. Here, the determination unit 132 uses the H / C test apparatus 110 to heat cycle the semiconductor module 1 (or a bonded body including the bonding material 4 and the metal base 2a and the insulating substrate 3 bonded thereby). In addition, the amount of change corresponding to the deformation of the bonding material 4, that is, the strain distribution generated at the edge due to the deformation is measured. The strain measurement is as described above. Alternatively, the determination unit 132 may calculate a stress distribution or a strain distribution applied to the edge of the bonding material 4 by a heat cycle by performing a thermal stress simulation.

そして、決定部132は、計測したひずみ分布又は算出した応力分布若しくはひずみ分布に対応する負荷を試験サンプル11内のサンプル接合材料14の縁部に与える機械的負荷を決定する。ここで、決定部132は、試験サンプル11に対するFEM解析等の構造解析により機械的負荷を算出する、つまり試験サンプル11の3点曲げ試験によりサンプル接合材料14の縁部に加わる応力分布又はひずみ分布を構造解析により算出し、算出された応力分布又はひずみ分布が先に熱応力シミュレーションにより算出したヒートサイクルにより接合材4の縁部に加わる応力分布又はひずみ分布に十分に一致する3点曲げ試験の条件(表1参照)を決定する。特に、押し込み治具122を繰り出す駆動力(機械的負荷又は荷重に相当する)又は繰り出し量を決定する。   Then, the determination unit 132 determines a mechanical load that applies a measured strain distribution or a load corresponding to the calculated stress distribution or strain distribution to the edge of the sample bonding material 14 in the test sample 11. Here, the determination unit 132 calculates the mechanical load by structural analysis such as FEM analysis on the test sample 11, that is, the stress distribution or strain distribution applied to the edge of the sample bonding material 14 by the three-point bending test of the test sample 11. Of the three-point bending test in which the calculated stress distribution or strain distribution sufficiently matches the stress distribution or strain distribution applied to the edge of the bonding material 4 by the heat cycle previously calculated by the thermal stress simulation. Determine the conditions (see Table 1). In particular, the driving force (corresponding to a mechanical load or a load) for feeding the pushing jig 122 or the feeding amount is determined.

なお、接合材4のクラックは応力が集中する端部から生じることから、応力分布又はひずみ分布の一致は、例えば、接合材4又はこれに対応するサンプル接合材料14の端部における応力及び応力勾配又はこれらに対応するひずみ及びひずみ勾配の一致により判断してよい。   In addition, since the crack of the bonding material 4 is generated from the end portion where the stress is concentrated, the coincidence of the stress distribution or the strain distribution is, for example, the stress and the stress gradient at the end portion of the bonding material 4 or the sample bonding material 14 corresponding thereto. Or you may judge by the agreement of the distortion | strain and distortion gradient corresponding to these.

なお、決定部132は、図8のひずみ感受性を用いて機械的負荷(荷重)を決定してもよい。決定部132は、上述のように半導体モジュール1に対するH/C試験において接合材4の縁部に生じる塑性ひずみを計測又は算出し、これをひずみ感受性に適用して塑性ひずみを生ずる機械的負荷を決定する。   Note that the determination unit 132 may determine the mechanical load (load) using the strain sensitivity of FIG. The determination unit 132 measures or calculates the plastic strain generated at the edge portion of the bonding material 4 in the H / C test for the semiconductor module 1 as described above, and applies the mechanical strain to the strain sensitivity to generate a mechanical load that causes the plastic strain. decide.

決定部132は、H/C試験における複数の温度条件(すなわち、ヒートサイクル温度)のそれぞれに対応して機械的負荷を決定する。決定された複数の機械的負荷は、試験部134に送信される。   The determination unit 132 determines the mechanical load corresponding to each of a plurality of temperature conditions (that is, the heat cycle temperature) in the H / C test. The plurality of determined mechanical loads are transmitted to the test unit 134.

ステップS104では、試験部134により、機械疲労試験装置120を用いて半導体モジュール1の接合材4に対応するサンプル接合材料14を含む試験サンプル11に対して機械疲労試験を行う。ここで、試験サンプル11は、先述のとおり、評価対象物である半導体モジュール1の金属ベース2a、金属板3b、及び接合材4と同一材料よりそれぞれ形成されたサンプル基体12a、サンプル被接合体13b、及びサンプル接合材料14から構成されている。   In step S <b> 104, the mechanical fatigue test is performed on the test sample 11 including the sample bonding material 14 corresponding to the bonding material 4 of the semiconductor module 1 by the test unit 134 using the mechanical fatigue testing apparatus 120. Here, as described above, the test sample 11 includes the sample base 12a and the sample bonded body 13b formed from the same material as the metal base 2a, the metal plate 3b, and the bonding material 4 of the semiconductor module 1 as the evaluation object. , And a sample bonding material 14.

試験部134は、試験サンプル11に、予め定められた温度条件下で、H/C試験におけるヒートサイクル数に応じた回数と同じ回数、サイクル時間以下の周期で繰り返し3点曲げ試験による反り変形を与える。ここで、温度条件は、H/C試験における条件に応じて1サイクルのヒートサイクルにおける高温度から低温度の間のいずれかの温度、ここでは図5による分析より決定したヒートサイクルにおける高温度とする。3点曲げ試験により試験サンプル11に与える機械的負荷は、ステップS102において決定された複数の負荷とし、それぞれの負荷について試験サンプル11に対する機械疲労試験を行う。機械疲労試験装置120による試験サンプル11の3点曲げ試験の詳細は先述のとおりであり、その結果(すなわち、寿命サイクル)は評価部136に送信される。   The test unit 134 repeatedly warps the test sample 11 by a three-point bending test under a predetermined temperature condition with the same number of times as the number of heat cycles in the H / C test and a cycle equal to or less than the cycle time. give. Here, the temperature condition is any temperature between a high temperature and a low temperature in one cycle of the heat cycle depending on the conditions in the H / C test, and here, the high temperature in the heat cycle determined from the analysis according to FIG. To do. The mechanical load applied to the test sample 11 by the three-point bending test is a plurality of loads determined in step S102, and a mechanical fatigue test is performed on the test sample 11 for each load. The details of the three-point bending test of the test sample 11 by the mechanical fatigue test apparatus 120 are as described above, and the result (that is, the life cycle) is transmitted to the evaluation unit 136.

ステップS106では、評価部136により、ステップS104において繰り返し曲げ変形を加えられた試験サンプル11におけるサンプル接合材料14(又はサンプル全体)の状態に基づいて、半導体モジュール1の構造部9の信頼性を評価する。評価部136は、ステップ102において決定された複数の機械的負荷のそれぞれに対してステップS104において得られた機械疲労試験の結果より、複数の機械的負荷のそれぞれにより試験サンプル11のサンプル接合材料14に生じる塑性ひずみに対する寿命サイクルの関係、すなわち寿命曲線を得ることで、H/C試験における複数の温度条件のヒートサイクルにより半導体モジュール1の接合材4に生じる塑性ひずみに対する寿命サイクルの関係、すなわちH/C寿命曲線を推定する。   In step S106, the evaluation unit 136 evaluates the reliability of the structure unit 9 of the semiconductor module 1 based on the state of the sample bonding material 14 (or the entire sample) in the test sample 11 repeatedly subjected to bending deformation in step S104. To do. Based on the result of the mechanical fatigue test obtained in step S104 for each of the plurality of mechanical loads determined in step 102, the evaluation unit 136 determines the sample bonding material 14 of the test sample 11 based on each of the plurality of mechanical loads. By obtaining a life cycle relationship with respect to the plastic strain generated in the semiconductor module 1, that is, a life curve, a relationship between the life cycle with respect to the plastic strain generated in the bonding material 4 of the semiconductor module 1 due to the heat cycle of a plurality of temperature conditions in the H / C test, that is, H / C Estimate life curve.

先述の第1の試験方法では、半導体モジュール1の接合材4に与える温度場(すなわち、温度分布)及び応力場(すなわち、応力分布)を独立に制御することにより、H/C試験におけるヒートサイクルにより半導体モジュール1に加わる応力を再現し、H/C寿命曲線を推定した。さらに、半導体モジュール1を簡素化した試験サンプル11を用いることで、設計の詳細によらず少ない因子のみで半導体モジュール1の信頼性を評価することを可能とした。ここで、信頼性評価の因子が少ないことで、事前に、試験サンプル11を用いて少ない因子に対して温度場及び応力場を与えて寿命曲線のデータベースを構築し、そのデータベースから評価対象の半導体モジュール1に対応する寿命曲線を選択することで信頼性試験を行うことなく信頼性を評価することもできる。   In the first test method described above, the heat cycle in the H / C test is controlled by independently controlling the temperature field (that is, temperature distribution) and the stress field (that is, stress distribution) applied to the bonding material 4 of the semiconductor module 1. Thus, the stress applied to the semiconductor module 1 was reproduced, and the H / C life curve was estimated. Furthermore, by using the test sample 11 in which the semiconductor module 1 is simplified, it is possible to evaluate the reliability of the semiconductor module 1 with only a small factor regardless of the details of the design. Here, since there are few factors for reliability evaluation, a temperature curve and a stress field are given to the small factors in advance using the test sample 11 to construct a life curve database, and the semiconductor to be evaluated from the database. By selecting a life curve corresponding to the module 1, the reliability can be evaluated without performing a reliability test.

図16は、本実施形態に係る試験システム100を用いた第2の試験方法のフローを示す。   FIG. 16 shows a flow of a second test method using the test system 100 according to the present embodiment.

ステップS202では、試験部134により、機械疲労試験装置120を用いて複数の試験サンプル11のそれぞれに対して異なる機械的負荷を与える機械疲労試験を行って、寿命曲線のデータベースを作成する。   In step S202, a mechanical fatigue test is performed by the test unit 134 to give different mechanical loads to each of the plurality of test samples 11 using the mechanical fatigue test apparatus 120, and a life curve database is created.

試験サンプル11は、先述のとおり、半導体モジュール1の構造部9に対応して、サンプル基体12a及びサンプル被接合体13bをサンプル接合材料14により接合した構造部を有する。試験サンプル11は、サンプル基体12aの材質(例えば、金属ベース2aに対して採用される銅、アルミ炭化ケイ素複合材等)、サンプル被接合体13bの材質(たとえば、金属板3bに対して採用される銅、アルミニウム等)、及びサンプル接合材料14の材質(例えば、接合材4に対して採用されるSn−5wt%Sb等のはんだ)の組み合わせに対して複数用意されているものとする。その他、応力分布を制御するために(表1参照)、例えば図8から図11より決定した範囲内でサンプル基体12aの大きさ及び厚さ、サンプル被接合体13bの大きさ及び厚さ、並びにサンプル接合材料14のフィレットの形状等の試験サンプル11の設計条件に対して試験サンプル11を用意してもよい。   As described above, the test sample 11 has a structure portion corresponding to the structure portion 9 of the semiconductor module 1 in which the sample base 12a and the sample bonded body 13b are joined by the sample joining material 14. The test sample 11 is used for the material of the sample base 12a (for example, copper, aluminum silicon carbide composite material etc. used for the metal base 2a) and the material for the sample bonded body 13b (for example, for the metal plate 3b). A plurality of combinations of the material of the sample bonding material 14 (for example, solder such as Sn-5 wt% Sb employed for the bonding material 4). In addition, in order to control the stress distribution (see Table 1), for example, the size and thickness of the sample base 12a, the size and thickness of the sample bonded body 13b within the range determined from FIGS. 8 to 11, and The test sample 11 may be prepared for the design conditions of the test sample 11 such as the shape of the fillet of the sample bonding material 14.

試験部134は、機械疲労試験装置120を用いて、複数の試験サンプル11のそれぞれに対して3点曲げ試験による反り変形を繰り返し与える。ここで、試験条件(表1参照)として、H/C試験において定められる温度範囲内の温度条件、3点曲げ試験により試験サンプル11に加える荷重、支持治具121の支点間距離の幾つかの組み合わせが定められ、それぞれの条件に対して3点曲げ試験が行われる。これらの条件、さらに上述の試験サンプル11の設計条件を含む試験条件により、3点曲げ試験により試験サンプルに加えられる変形に応じた変化量、例えば応力、応力勾配、ひずみ、ひずみ勾配、及び温度が制御される。機械疲労試験装置120による試験サンプル11の3点曲げ試験の詳細は先述のとおりであり、その結果(すなわち、寿命サイクル)は評価部136に送信される。   Using the mechanical fatigue test apparatus 120, the test unit 134 repeatedly applies warp deformation by a three-point bending test to each of the plurality of test samples 11. Here, as test conditions (see Table 1), some of the temperature conditions within the temperature range determined in the H / C test, the load applied to the test sample 11 by the three-point bending test, and the distance between the fulcrums of the supporting jig 121 A combination is defined and a three point bend test is performed for each condition. With these conditions and further test conditions including the design conditions of the test sample 11 described above, the amount of change according to the deformation applied to the test sample by the three-point bending test, such as stress, stress gradient, strain, strain gradient, and temperature, Be controlled. The details of the three-point bending test of the test sample 11 by the mechanical fatigue test apparatus 120 are as described above, and the result (that is, the life cycle) is transmitted to the evaluation unit 136.

なお、上述の試験条件により、試験サンプル11の予め定められた範囲、例えばサンプル接合材料14の端部(すなわち、フィレット表面)における応力又はひずみの一次元分布、二次元分布、又は三次元分布を制御することとしてもよい。ここで、一次元分布は、例えば、高温度下で応力が集中するサンプル接合材料14の上側端部(フィレット表面上の点)から内部に向かう直線上の分布である。二次元分布は、サンプル接合材料14の端面(フィレット表面)から内部に向かう断面上の分布である。三次元分布は、サンプル接合材料14の端部(フィレット)を含む領域内での分布である。なお、信頼性試験として衝撃試験を採用する場合には、変形に応じた変化量としてひずみ速度を採用してもよい。   In addition, according to the test conditions described above, a one-dimensional distribution, two-dimensional distribution, or three-dimensional distribution of stress or strain in a predetermined range of the test sample 11, for example, an end portion (that is, a fillet surface) of the sample bonding material 14 is obtained. It is good also as controlling. Here, the one-dimensional distribution is, for example, a distribution on a straight line from the upper end portion (a point on the fillet surface) of the sample bonding material 14 where stress is concentrated at a high temperature to the inside. The two-dimensional distribution is a distribution on a cross section from the end face (fillet surface) of the sample bonding material 14 toward the inside. The three-dimensional distribution is a distribution in a region including an end portion (fillet) of the sample bonding material 14. When an impact test is employed as the reliability test, a strain rate may be employed as the amount of change corresponding to the deformation.

評価部136は、FEM解析等の構造解析により、上述の試験条件に対して3点曲げ試験により試験サンプル11のサンプル接合材料14に加えられる変形に応じた変化量を算出する。例えば、評価部136は、サンプル接合材料14の端部における応力(又はひずみ)の二次元分布を算出し、フィレット表面で最も応力(ひずみ)が集中している点を選択し、その点から内部に向かう直線上での一次元分布から応力及び応力勾配(ひずみ及びひずみ勾配)を算出してもよい。その算出結果を用いて試験部134による機械疲労試験の結果を編集することで、試験サンプル11の構成各部の材質、温度条件、及び変形に応じた変化量(例えば、サンプル接合材料14の端部での応力及び応力勾配)に対してサンプル接合材料14に生じる塑性ひずみに対する寿命サイクルの関係、すなわち寿命曲線が得られる。なお、サンプル接合材料14に生じる塑性ひずみは、試験サンプル11に加える荷重から決まる。評価部136は、得られた寿命曲線を記憶装置(不図示)に記憶してデータベースを作成する。   The evaluation unit 136 calculates a change amount according to the deformation applied to the sample bonding material 14 of the test sample 11 by the three-point bending test with respect to the above-described test conditions by structural analysis such as FEM analysis. For example, the evaluation unit 136 calculates a two-dimensional distribution of stress (or strain) at the end of the sample bonding material 14, selects a point at which stress (strain) is most concentrated on the fillet surface, and starts internal processing from that point. Stress and stress gradient (strain and strain gradient) may be calculated from a one-dimensional distribution on a straight line toward By editing the result of the mechanical fatigue test by the test unit 134 using the calculation result, the amount of change (for example, the end portion of the sample bonding material 14) according to the material, temperature condition, and deformation of each component of the test sample 11 The relationship of the life cycle to the plastic strain generated in the sample bonding material 14 (ie, the life curve) is obtained. The plastic strain generated in the sample bonding material 14 is determined from the load applied to the test sample 11. The evaluation unit 136 stores the obtained life curve in a storage device (not shown) and creates a database.

表2は、試験サンプル11を用いた機械疲労試験の試験結果より作成されたデータベース内の寿命曲線を選択するための試験条件を示す。サンプル基体12aの材質、サンプル被接合体13bの材質、サンプル接合材料14の材質及び厚さに対して、評価対象の半導体モジュール1の金属ベース2aの材質、金属板3bの材質、接合材4の材質及び厚さに一致するものを選択する。応力及び応力勾配(又はひずみ又はひずみ勾配)に対して、H/C試験におけるヒートサイクルにより半導体モジュール1の接合材4に加えられる応力分布(又は接合材4に生じるひずみ分布)に対応するものを選択する。温度に対して、ヒートサイクル温度の高温度から低温度の間のいずれかの温度を選択する。それにより、データベースの中から、半導体モジュール1のH/C試験の結果を再現する寿命曲線が抽出される。
Table 2 shows test conditions for selecting a life curve in the database created from the test results of the mechanical fatigue test using the test sample 11. With respect to the material of the sample base 12a, the material of the sample bonded body 13b, the material and thickness of the sample bonding material 14, the material of the metal base 2a of the semiconductor module 1 to be evaluated, the material of the metal plate 3b, and the bonding material 4 Select the one that matches the material and thickness. For stress and stress gradient (or strain or strain gradient), those corresponding to the stress distribution (or strain distribution generated in the bonding material 4) applied to the bonding material 4 of the semiconductor module 1 by the heat cycle in the H / C test. select. For the temperature, any temperature between a high temperature and a low temperature of the heat cycle temperature is selected. Thereby, a life curve that reproduces the result of the H / C test of the semiconductor module 1 is extracted from the database.

なお、上述の試験条件により寿命曲線を選択することができれば、試験サンプル11の3点曲げ試験による機械疲労試験の試験結果に限らず、半導体モジュール1のH/C試験の試験結果からデータベースを作成してもよいし、両試験の結果を併せてデータベースを作成してもよい。表2に示した試験条件に対して寿命曲線のデータベースを作成すれば、任意の試験方法により得られた寿命曲線をデータベースに取り込むことができ、また任意の構成の半導体モジュール1の寿命設計に利用することができる。   If the life curve can be selected according to the above test conditions, a database is created from the test results of the H / C test of the semiconductor module 1 as well as the test results of the mechanical fatigue test by the three-point bending test of the test sample 11. Alternatively, a database may be created by combining the results of both tests. If a life curve database is created for the test conditions shown in Table 2, a life curve obtained by an arbitrary test method can be taken into the database and used for designing the life of the semiconductor module 1 having an arbitrary configuration. can do.

ステップS204では、決定部132により、ステップS202において実行した複数の機械疲労試験の結果の中から、H/C試験において半導体モジュール1の接合された構造部9に生じる変形に応じた変化を試験サンプル11に与えた試験を決定する。決定部132は、サンプル基体12aの材質、サンプル被接合体13bの材質、サンプル接合材料14の材質及び厚さに対して、評価対象の半導体モジュール1の金属ベース2aの材質、金属板3bの材質、接合材4の材質及び厚さに一致するものを選択する。決定部132は、例えば熱応力シミュレーションにより、H/C試験のヒートサイクルにより評価対象である半導体モジュール1の接合材4に与えられる変形に応じた変化量、例えば応力及び応力分布(又はひずみ又はひずみ勾配)を算出し、算出されたそれらに一致する又は最も等しいものを選択する。なお、変化量の一致は、サンプル接合材料14内の一角部に限らず、複数個所について判断してもよい。決定部132は、温度に対して、ヒートサイクル温度の高温度を選択する。それにより、算出された変化量に対応する機械的負荷(荷重)を与えた試験が複数の機械疲労試験の中から決定される。なお、算出された変化量に対応する機械的負荷とは、必ずしも一致する負荷とは限らず、最も等しい負荷であってもよい。決定された試験は、評価部136に送信される。   In step S204, the determination unit 132 changes a test sample according to the deformation generated in the bonded structural unit 9 of the semiconductor module 1 in the H / C test from the results of the plurality of mechanical fatigue tests performed in step S202. The test given in 11 is determined. The determining unit 132 determines the material of the metal base 2a of the semiconductor module 1 to be evaluated and the material of the metal plate 3b with respect to the material of the sample base 12a, the material of the sample bonded body 13b, and the material and thickness of the sample bonding material 14. A material matching the material and thickness of the bonding material 4 is selected. The determination unit 132 performs, for example, a thermal stress simulation, a change amount according to the deformation given to the bonding material 4 of the semiconductor module 1 to be evaluated by the heat cycle of the H / C test, for example, stress and stress distribution (or strain or strain). (Gradient) is calculated and the one that matches or is equal to the calculated one is selected. The coincidence of the change amounts is not limited to a corner portion in the sample bonding material 14, and may be determined for a plurality of locations. The determination unit 132 selects a high heat cycle temperature with respect to the temperature. Thereby, a test giving a mechanical load (load) corresponding to the calculated change amount is determined from a plurality of mechanical fatigue tests. Note that the mechanical load corresponding to the calculated change amount is not necessarily the same load, and may be the most equal load. The determined test is transmitted to the evaluation unit 136.

ステップS206では、評価部136により、決定された試験の試験結果に基づいて、半導体モジュール1の接合された構造部9の信頼性を評価する。評価部136は、ステップS202において作成されたデータベース内の寿命曲線の中からステップS204において決定された試験に対するものを抽出し、表示デバイス(不図示)上に出力する。それにより、ユーザが、H/C試験による半導体モジュール1の信頼性を評価することができる。   In step S206, the evaluation unit 136 evaluates the reliability of the bonded structural unit 9 of the semiconductor module 1 based on the test result of the determined test. The evaluation unit 136 extracts the test for the test determined in step S204 from the life curves in the database created in step S202, and outputs them to a display device (not shown). Thereby, the user can evaluate the reliability of the semiconductor module 1 by the H / C test.

上述の第2の試験方法では、半導体モジュール1の信頼性の評価に先立って、機械疲労試験装置120を用いて試験サンプル11の機械疲労試験を行って寿命曲線のデータベースを作成したが、作成済みのデータベースを入手し、これを用いて半導体モジュール1の信頼性を評価してもよい。   In the second test method described above, a life curve database was created by performing a mechanical fatigue test on the test sample 11 using the mechanical fatigue test apparatus 120 prior to evaluating the reliability of the semiconductor module 1. May be obtained, and the reliability of the semiconductor module 1 may be evaluated using the database.

図17は、変形例に係る評価システム200の構成を示す。評価システム200は、寿命曲線のデータベースを用いて半導体モジュール1の信頼性を評価するシステムであり、記憶装置240及び評価装置230を備える。   FIG. 17 shows a configuration of an evaluation system 200 according to a modification. The evaluation system 200 is a system for evaluating the reliability of the semiconductor module 1 using a life curve database, and includes a storage device 240 and an evaluation device 230.

記憶装置240は、寿命曲線のデータベースを記憶する装置であり、評価装置230(に含まれる取得部238)と通信可能に接続される。なお、記憶装置240は、寿命曲線のデータベースを記憶する記録媒体を読み取り可能に有する読み取り装置であってもよい。データベースは、例えば、先述のステップS202と同様の手順により作成されているものとする。   The storage device 240 is a device that stores a database of life curves, and is connected so as to be communicable with the evaluation device 230 (the acquisition unit 238 included therein). The storage device 240 may be a reading device that can read a recording medium that stores a database of life curves. For example, it is assumed that the database is created by the same procedure as in step S202 described above.

評価装置230は、取得部238、決定部232、及び評価部236を備える。   The evaluation device 230 includes an acquisition unit 238, a determination unit 232, and an evaluation unit 236.

取得部238は、記憶装置240にアクセスして、機械疲労試験の試験結果(すなわち、寿命曲線)を取得する。   The acquisition unit 238 accesses the storage device 240 and acquires a test result (that is, a life curve) of the mechanical fatigue test.

決定部232及び評価部236は、それぞれ、先述の決定部132及び評価部136と同様に構成される。   The determination unit 232 and the evaluation unit 236 are configured similarly to the above-described determination unit 132 and evaluation unit 136, respectively.

図18は、変形例に係る評価システム200を用いた評価方法のフローを示す。   FIG. 18 shows a flow of an evaluation method using the evaluation system 200 according to the modification.

ステップ302では、取得部238により、記憶装置240に記憶されたデータベースから、サンプル接合材料14によりサンプル被接合体13bがサンプル基体12aに接合された接合部を有する複数の試験サンプル11のそれぞれに対して異なる機械的負荷を与えた複数の機械疲労試験の試験結果(すなわち、寿命曲線)を取得する。ここで、取得部238は、複数の試験サンプルのそれぞれに対して、H/C試験において定められる温度範囲内の温度条件、3点曲げ試験により試験サンプル11に加える荷重、支持治具121の支点間距離、さらに上述の試験サンプル11の設計条件(サンプル基体12aの大きさ及び厚さ、サンプル被接合体13bの大きさ及び厚さ、並びにサンプル接合材料14の厚さ(試験サンプル11全体の厚さでもよい)及びフィレットの形状等)のうちの少なくとも1つが異なる機械的負荷を与えた複数の機械疲労試験の試験結果を取得する。   In step 302, each of the plurality of test samples 11 having a bonded portion in which the sample bonded material 13b is bonded to the sample base 12a by the sample bonding material 14 from the database stored in the storage device 240 by the acquisition unit 238. Test results (that is, life curves) of a plurality of mechanical fatigue tests with different mechanical loads are obtained. Here, the acquisition unit 238 has a temperature condition within a temperature range determined in the H / C test for each of the plurality of test samples, a load applied to the test sample 11 by a three-point bending test, and a fulcrum of the support jig 121. Further, the design conditions of the test sample 11 (the size and thickness of the sample base 12a, the size and thickness of the sample bonded body 13b, and the thickness of the sample bonding material 14 (the total thickness of the test sample 11) Or at least one of the shape of the fillet, etc.) to obtain test results of a plurality of mechanical fatigue tests in which different mechanical loads are applied.

なお、上記の条件により、3点曲げ試験により試験サンプルに加えられる変形に応じた変化量、例えば応力、応力勾配、ひずみ、ひずみ勾配、および温度が制御される。さらに、試験サンプル11の予め定められた範囲、例えばサンプル接合材料14の端部(すなわち、フィレット表面)における応力又はひずみの一次元分布、二次元分布、又は三次元分布が制御されてもよい。これらの分布の詳細は先述したとおりである。   Note that the amount of change according to the deformation applied to the test sample by the three-point bending test, such as stress, stress gradient, strain, strain gradient, and temperature, is controlled by the above conditions. Furthermore, a predetermined range of the test sample 11, for example, a one-dimensional distribution, a two-dimensional distribution, or a three-dimensional distribution of stress or strain at the end of the sample bonding material 14 (ie, the fillet surface) may be controlled. Details of these distributions are as described above.

ステップ304では、決定部232により、複数の機械疲労試験の中から、H/C試験において半導体モジュール1の接合された構造部9に生じる変形に応じた変化を試験サンプル11に与えた試験を決定する。決定部232は、FEM解析等の構造解析により、H/C試験のヒートサイクルにより評価対象である半導体モジュール1の接合材4に与えられる変形に応じた変化量を算出し、算出された変化量に対応する機械的負荷(荷重)を与えた試験を複数の機械疲労試験の中から決定する。なお、算出された変化量に対応する機械的負荷とは、必ずしも一致する負荷とは限らず、最も等しい負荷であってもよい。決定された試験は、評価部236に送信される。   In step 304, the determination unit 232 determines a test that gives the test sample 11 a change corresponding to the deformation generated in the structure unit 9 to which the semiconductor module 1 is bonded in the H / C test from among a plurality of mechanical fatigue tests. To do. The determination unit 232 calculates the amount of change according to the deformation given to the bonding material 4 of the semiconductor module 1 to be evaluated by the heat cycle of the H / C test by structural analysis such as FEM analysis, and the calculated amount of change A test with a mechanical load (load) corresponding to is determined from a plurality of mechanical fatigue tests. Note that the mechanical load corresponding to the calculated change amount is not necessarily the same load, and may be the most equal load. The determined test is transmitted to the evaluation unit 236.

ステップS306では、評価部236により、決定された機械疲労試験の試験結果に基づいて、半導体モジュール1の接合材4の部分の信頼性を評価する。評価部236は、ステップS302において取得された複数の機械疲労試験の試験結果(すなわち、寿命曲線)の中からステップS304において決定された試験に対するものを抽出し、表示デバイス(不図示)上に出力する。それにより、ユーザが、H/C試験による半導体モジュール1の信頼性を評価することができる。   In step S306, the evaluation unit 236 evaluates the reliability of the portion of the bonding material 4 of the semiconductor module 1 based on the determined test result of the mechanical fatigue test. The evaluation unit 236 extracts one for the test determined in step S304 from the test results (that is, life curves) of the plurality of mechanical fatigue tests acquired in step S302, and outputs them on a display device (not shown). To do. Thereby, the user can evaluate the reliability of the semiconductor module 1 by the H / C test.

本実施形態に係る試験方法及び評価方法では、評価対象物の一例である半導体モジュール1において絶縁基板3を金属ベース2aに接合する接合材4としてはんだを採用したが、これに限らず、はんだ以外の金属を採用してもよい。また、樹脂材料を用いて絶縁基板3を金属ベース2aに接着してもよい。また、評価対象物は、絶縁基板3に含まれる金属板3bと金属ベース2aとの2つの金属の接合体を含む半導体モジュールとしたが、これに限らず、2つの樹脂材を接着してなる接合体を含む半導体モジュールでもよい。評価対象物は、任意の接合材料により複数の部材が接合された任意の構成の構造体でもよい。   In the test method and the evaluation method according to the present embodiment, solder is used as the bonding material 4 for bonding the insulating substrate 3 to the metal base 2a in the semiconductor module 1 which is an example of the evaluation object. The metal may be used. Alternatively, the insulating substrate 3 may be bonded to the metal base 2a using a resin material. The evaluation object is a semiconductor module including a joined body of two metals, that is, the metal plate 3b and the metal base 2a included in the insulating substrate 3. However, the present invention is not limited to this, and two resin materials are bonded. A semiconductor module including a joined body may be used. The evaluation object may be a structure having an arbitrary configuration in which a plurality of members are bonded by an arbitrary bonding material.

なお、本実施形態に係る試験方法及び評価方法では、半導体モジュールの信頼性試験としてヒートサイクルを適用したが、これに限らず、パワーサイクル試験等、任意の信頼性試験を適用してもよい。   In the test method and the evaluation method according to the present embodiment, the heat cycle is applied as the reliability test of the semiconductor module. However, the present invention is not limited to this, and an arbitrary reliability test such as a power cycle test may be applied.

本発明の様々な実施形態は、フローチャートおよびブロック図を参照して記載されてよく、ここにおいてブロックは、(1)操作が実行されるプロセスの段階または(2)操作を実行する役割を持つ装置のセクションを表わしてよい。特定の段階およびセクションが、専用回路、コンピュータ可読媒体上に格納されるコンピュータ可読命令と共に供給されるプログラマブル回路、および/またはコンピュータ可読媒体上に格納されるコンピュータ可読命令と共に供給されるプロセッサによって実装されてよい。専用回路は、デジタルおよび/またはアナログハードウェア回路を含んでよく、集積回路(IC)および/またはディスクリート回路を含んでよい。プログラマブル回路は、論理AND、論理OR、論理XOR、論理NAND、論理NOR、および他の論理操作、フリップフロップ、レジスタ、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、プログラマブルロジックアレイ(PLA)等のようなメモリ要素等を含む、再構成可能なハードウェア回路を含んでよい。   Various embodiments of the invention may be described with reference to flowcharts and block diagrams, where a block is either (1) a stage in a process in which the operation is performed or (2) an apparatus responsible for performing the operation. May represent a section of Certain stages and sections are implemented by dedicated circuitry, programmable circuitry supplied with computer readable instructions stored on a computer readable medium, and / or processor supplied with computer readable instructions stored on a computer readable medium. It's okay. Dedicated circuitry may include digital and / or analog hardware circuitry and may include integrated circuits (ICs) and / or discrete circuits. Programmable circuits include memory elements such as logical AND, logical OR, logical XOR, logical NAND, logical NOR, and other logical operations, flip-flops, registers, field programmable gate arrays (FPGA), programmable logic arrays (PLA), etc. Reconfigurable hardware circuitry, including and the like.

コンピュータ可読媒体は、適切なデバイスによって実行される命令を格納可能な任意の有形なデバイスを含んでよく、その結果、そこに格納される命令を有するコンピュータ可読媒体は、フローチャートまたはブロック図で指定された操作を実行するための手段を作成すべく実行され得る命令を含む、製品を備えることになる。コンピュータ可読媒体の例としては、電子記憶媒体、磁気記憶媒体、光記憶媒体、電磁記憶媒体、半導体記憶媒体等が含まれてよい。コンピュータ可読媒体のより具体的な例としては、フロッピー(登録商標)ディスク、ディスケット、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ(RAM)、リードオンリメモリ(ROM)、消去可能プログラマブルリードオンリメモリ(EPROMまたはフラッシュメモリ)、電気的消去可能プログラマブルリードオンリメモリ(EEPROM)、静的ランダムアクセスメモリ(SRAM)、コンパクトディスクリードオンリメモリ(CD−ROM)、デジタル多用途ディスク(DVD)、ブルーレイ(RTM)ディスク、メモリスティック、集積回路カード等が含まれてよい。   Computer readable media may include any tangible device capable of storing instructions to be executed by a suitable device, such that a computer readable medium having instructions stored thereon is specified in a flowchart or block diagram. A product including instructions that can be executed to create a means for performing the operation. Examples of computer readable media may include electronic storage media, magnetic storage media, optical storage media, electromagnetic storage media, semiconductor storage media, and the like. More specific examples of computer readable media include floppy disks, diskettes, hard disks, random access memory (RAM), read only memory (ROM), erasable programmable read only memory (EPROM or flash memory), Electrically erasable programmable read only memory (EEPROM), static random access memory (SRAM), compact disc read only memory (CD-ROM), digital versatile disc (DVD), Blu-ray (RTM) disc, memory stick, integrated A circuit card or the like may be included.

コンピュータ可読命令は、アセンブラ命令、命令セットアーキテクチャ(ISA)命令、マシン命令、マシン依存命令、マイクロコード、ファームウェア命令、状態設定データ、またはSmalltalk、JAVA(登録商標)、C++等のようなオブジェクト指向プログラミング言語、および「C」プログラミング言語または同様のプログラミング言語のような従来の手続型プログラミング言語を含む、1または複数のプログラミング言語の任意の組み合わせで記述されたソースコードまたはオブジェクトコードのいずれかを含んでよい。   Computer readable instructions can be assembler instructions, instruction set architecture (ISA) instructions, machine instructions, machine dependent instructions, microcode, firmware instructions, state setting data, or object oriented programming such as Smalltalk, JAVA, C ++, etc. Including any source code or object code written in any combination of one or more programming languages, including languages and conventional procedural programming languages such as "C" programming language or similar programming languages Good.

コンピュータ可読命令は、汎用コンピュータ、特殊目的のコンピュータ、若しくは他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサまたはプログラマブル回路に対し、ローカルにまたはローカルエリアネットワーク(LAN)、インターネット等のようなワイドエリアネットワーク(WAN)を介して提供され、フローチャートまたはブロック図で指定された操作を実行するための手段を作成すべく、コンピュータ可読命令を実行してよい。プロセッサの例としては、コンピュータプロセッサ、処理ユニット、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ等を含む。   Computer readable instructions may be directed to a general purpose computer, special purpose computer, or other programmable data processing device processor or programmable circuit locally or in a wide area network (WAN) such as a local area network (LAN), the Internet, etc. The computer-readable instructions may be executed to create a means for performing the operations provided via and specified in the flowchart or block diagram. Examples of processors include computer processors, processing units, microprocessors, digital signal processors, controllers, microcontrollers, and the like.

図19は、本発明の複数の態様が全体的または部分的に具現化されてよいコンピュータ2200の例を示す。コンピュータ2200にインストールされたプログラムは、コンピュータ2200に、本発明の実施形態に係る装置に関連付けられる操作または当該装置の1または複数のセクションとして機能させることができ、または当該操作または当該1または複数のセクションを実行させることができ、および/またはコンピュータ2200に、本発明の実施形態に係るプロセスまたは当該プロセスの段階を実行させることができる。そのようなプログラムは、コンピュータ2200に、本明細書に記載のフローチャートおよびブロック図のブロックのうちのいくつかまたはすべてに関連付けられた特定の操作を実行させるべく、CPU2212によって実行されてよい。   FIG. 19 illustrates an example of a computer 2200 in which aspects of the present invention may be embodied in whole or in part. The program installed in the computer 2200 can cause the computer 2200 to function as an operation associated with the apparatus according to the embodiment of the present invention or one or more sections of the apparatus, or to perform the operation or the one or more sections. The section can be executed and / or the computer 2200 can execute a process according to an embodiment of the present invention or a stage of the process. Such a program may be executed by CPU 2212 to cause computer 2200 to perform certain operations associated with some or all of the blocks in the flowcharts and block diagrams described herein.

本実施形態によるコンピュータ2200は、CPU2212、RAM2214、グラフィックコントローラ2216、およびディスプレイデバイス2218を含み、それらはホストコントローラ2210によって相互に接続されている。コンピュータ2200はまた、通信インタフェース2222、ハードディスクドライブ2224、DVD−ROMドライブ2226、およびICカードドライブのような入/出力ユニットを含み、それらは入/出力コントローラ2220を介してホストコントローラ2210に接続されている。コンピュータはまた、ROM2230およびキーボード2242のようなレガシの入/出力ユニットを含み、それらは入/出力チップ2240を介して入/出力コントローラ2220に接続されている。   A computer 2200 according to this embodiment includes a CPU 2212, a RAM 2214, a graphic controller 2216, and a display device 2218, which are connected to each other by a host controller 2210. Computer 2200 also includes input / output units such as communication interface 2222, hard disk drive 2224, DVD-ROM drive 2226, and IC card drive, which are connected to host controller 2210 via input / output controller 2220. Yes. The computer also includes legacy input / output units, such as ROM 2230 and keyboard 2242, which are connected to input / output controller 2220 via input / output chip 2240.

CPU2212は、ROM2230およびRAM2214内に格納されたプログラムに従い動作し、それにより各ユニットを制御する。グラフィックコントローラ2216は、RAM2214内に提供されるフレームバッファ等またはそれ自体の中にCPU2212によって生成されたイメージデータを取得し、イメージデータがディスプレイデバイス2218上に表示されるようにする。   The CPU 2212 operates according to programs stored in the ROM 2230 and the RAM 2214, thereby controlling each unit. The graphic controller 2216 obtains the image data generated by the CPU 2212 in a frame buffer or the like provided in the RAM 2214 or itself so that the image data is displayed on the display device 2218.

通信インタフェース2222は、ネットワークを介して他の電子デバイスと通信する。ハードディスクドライブ2224は、コンピュータ2200内のCPU2212によって使用されるプログラムおよびデータを格納する。DVD−ROMドライブ2226は、プログラムまたはデータをDVD−ROM2201から読み取り、ハードディスクドライブ2224にRAM2214を介してプログラムまたはデータを提供する。ICカードドライブは、プログラムおよびデータをICカードから読み取り、および/またはプログラムおよびデータをICカードに書き込む。   The communication interface 2222 communicates with other electronic devices via a network. The hard disk drive 2224 stores programs and data used by the CPU 2212 in the computer 2200. The DVD-ROM drive 2226 reads a program or data from the DVD-ROM 2201 and provides the program or data to the hard disk drive 2224 via the RAM 2214. The IC card drive reads programs and data from the IC card and / or writes programs and data to the IC card.

ROM2230はその中に、アクティブ化時にコンピュータ2200によって実行されるブートプログラム等、および/またはコンピュータ2200のハードウェアに依存するプログラムを格納する。入/出力チップ2240はまた、様々な入/出力ユニットをパラレルポート、シリアルポート、キーボードポート、マウスポート等を介して、入/出力コントローラ2220に接続してよい。   The ROM 2230 stores therein a boot program executed by the computer 2200 at the time of activation and / or a program depending on the hardware of the computer 2200. The input / output chip 2240 may also connect various input / output units to the input / output controller 2220 via parallel ports, serial ports, keyboard ports, mouse ports, and the like.

プログラムが、DVD−ROM2201またはICカードのようなコンピュータ可読媒体によって提供される。プログラムは、コンピュータ可読媒体から読み取られ、コンピュータ可読媒体の例でもあるハードディスクドライブ2224、RAM2214、またはROM2230にインストールされ、CPU2212によって実行される。これらのプログラム内に記述される情報処理は、コンピュータ2200に読み取られ、プログラムと、上記様々なタイプのハードウェアリソースとの間の連携をもたらす。装置または方法が、コンピュータ2200の使用に従い情報の操作または処理を実現することによって構成されてよい。   The program is provided by a computer-readable medium such as a DVD-ROM 2201 or an IC card. The program is read from a computer-readable medium, installed in the hard disk drive 2224, the RAM 2214, or the ROM 2230, which are also examples of the computer-readable medium, and executed by the CPU 2212. Information processing described in these programs is read by the computer 2200 to bring about cooperation between the programs and the various types of hardware resources. An apparatus or method may be configured by implementing information manipulation or processing in accordance with the use of computer 2200.

例えば、通信がコンピュータ2200および外部デバイス間で実行される場合、CPU2212は、RAM2214にロードされた通信プログラムを実行し、通信プログラムに記述された処理に基づいて、通信インタフェース2222に対し、通信処理を命令してよい。通信インタフェース2222は、CPU2212の制御下、RAM2214、ハードディスクドライブ2224、DVD−ROM2201、またはICカードのような記録媒体内に提供される送信バッファ処理領域に格納された送信データを読み取り、読み取られた送信データをネットワークに送信し、またはネットワークから受信された受信データを記録媒体上に提供される受信バッファ処理領域等に書き込む。   For example, when communication is performed between the computer 2200 and an external device, the CPU 2212 executes a communication program loaded in the RAM 2214 and performs communication processing on the communication interface 2222 based on processing described in the communication program. You may order. The communication interface 2222 reads the transmission data stored in the transmission buffer processing area provided in the recording medium such as the RAM 2214, the hard disk drive 2224, the DVD-ROM 2201, or the IC card under the control of the CPU 2212, and the read transmission. Data is transmitted to the network, or received data received from the network is written in a reception buffer processing area provided on the recording medium.

また、CPU2212は、ハードディスクドライブ2224、DVD−ROMドライブ2226(DVD−ROM2201)、ICカード等のような外部記録媒体に格納されたファイルまたはデータベースの全部または必要な部分がRAM2214に読み取られるようにし、RAM2214上のデータに対し様々なタイプの処理を実行してよい。CPU2212は次に、処理されたデータを外部記録媒体にライトバックする。   Further, the CPU 2212 allows the RAM 2214 to read all or a necessary part of a file or database stored in an external recording medium such as a hard disk drive 2224, a DVD-ROM drive 2226 (DVD-ROM 2201), an IC card, etc. Various types of processing may be performed on the data on the RAM 2214. Next, the CPU 2212 writes back the processed data to the external recording medium.

様々なタイプのプログラム、データ、テーブル、およびデータベースのような様々なタイプの情報が記録媒体に格納され、情報処理を受けてよい。CPU2212は、RAM2214から読み取られたデータに対し、本開示の随所に記載され、プログラムの命令シーケンスによって指定される様々なタイプの操作、情報処理、条件判断、条件分岐、無条件分岐、情報の検索/置換等を含む、様々なタイプの処理を実行してよく、結果をRAM2214に対しライトバックする。また、CPU2212は、記録媒体内のファイル、データベース等における情報を検索してよい。例えば、各々が第2の属性の属性値に関連付けられた第1の属性の属性値を有する複数のエントリが記録媒体内に格納される場合、CPU2212は、第1の属性の属性値が指定される、条件に一致するエントリを当該複数のエントリの中から検索し、当該エントリ内に格納された第2の属性の属性値を読み取り、それにより予め定められた条件を満たす第1の属性に関連付けられた第2の属性の属性値を取得してよい。   Various types of information, such as various types of programs, data, tables, and databases, may be stored on a recording medium and subjected to information processing. The CPU 2212 describes various types of operations, information processing, conditional judgment, conditional branching, unconditional branching, information retrieval, which are described in various places in the present disclosure and specified by the instruction sequence of the program with respect to the data read from the RAM 2214. Various types of processing may be performed, including / replacement etc., and the result is written back to the RAM 2214. Further, the CPU 2212 may search for information in files, databases, etc. in the recording medium. For example, when a plurality of entries each having an attribute value of the first attribute associated with the attribute value of the second attribute are stored in the recording medium, the CPU 2212 specifies the attribute value of the first attribute. The entry that matches the condition is searched from the plurality of entries, the attribute value of the second attribute stored in the entry is read, and thereby the first attribute that satisfies the predetermined condition is associated. The attribute value of the obtained second attribute may be acquired.

上で説明したプログラムまたはソフトウェアモジュールは、コンピュータ2200上またはコンピュータ2200近傍のコンピュータ可読媒体に格納されてよい。また、専用通信ネットワークまたはインターネットに接続されたサーバーシステム内に提供されるハードディスクまたはRAMのような記録媒体が、コンピュータ可読媒体として使用可能であり、それによりプログラムを、ネットワークを介してコンピュータ2200に提供する。   The programs or software modules described above may be stored on a computer readable medium on or near computer 2200. In addition, a recording medium such as a hard disk or a RAM provided in a server system connected to a dedicated communication network or the Internet can be used as a computer-readable medium, thereby providing a program to the computer 2200 via the network. To do.

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。   As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above-described embodiment. It is apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。   The order of execution of each process such as operations, procedures, steps, and stages in the apparatus, system, program, and method shown in the claims, the description, and the drawings is particularly “before” or “prior to”. It should be noted that the output can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Regarding the operation flow in the claims, the description, and the drawings, even if it is described using “first”, “next”, etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It is not a thing.

1…半導体モジュール、2…ケース、2a…金属ベース、2b…枠体、2c…蓋体、3…絶縁基板、3a…絶縁板、3b…金属板、3c…配線板、3c,3c,3c…回路パターン、4…接合材、5…半導体素子、5a…接合材、6a,6b,6c…端子、7b,7c…ワイヤ、8…ゲル充填材、9…構造部、11…試験サンプル、12a…サンプル基体、13b…サンプル被接合体、14…サンプル接合材料、100…試験システム、110…H/C試験装置、111…加熱冷却部、112…測定部、120…機械疲労試験装置、121…支持治具、121a…ベース、121b…支持部材、122…押し込み治具、123…加熱冷却部、124…測定部、130…制御装置、132…決定部、134…試験部、136…評価部、200…評価システム、230…評価装置、232…決定部、236…評価部、238…取得部、240…記憶装置、2200…コンピュータ、2201…ROM、2210…ホストコントローラ、2212…CPU、2214…RAM、2216…グラフィックコントローラ、2218…ディスプレイデバイス、2220…出力コントローラ、2222…通信インタフェース、2224…ハードディスクドライブ、2226…ROMドライブ、2230…ROM、2240…出力チップ、2242…キーボード。 1 ... semiconductor module, 2 ... case, 2a ... metal base, 2b ... frame, 2c ... lid, 3 ... insulating substrate, 3a ... insulating plate, 3b ... metal plate, 3c ... wiring board, 3c 1, 3c 2, 3c 3 ... circuit pattern, 4 ... bonding material, 5 ... semiconductor element, 5a ... bonding material, 6a, 6b, 6c ... terminal, 7b, 7c ... wire, 8 ... gel filler, 9 ... structure part, 11 ... test sample , 12a ... sample substrate, 13b ... sample bonded material, 14 ... sample bonding material, 100 ... test system, 110 ... H / C test device, 111 ... heating / cooling unit, 112 ... measurement unit, 120 ... mechanical fatigue test device, DESCRIPTION OF SYMBOLS 121 ... Support jig, 121a ... Base, 121b ... Support member, 122 ... Pushing jig, 123 ... Heating / cooling part, 124 ... Measuring part, 130 ... Control apparatus, 132 ... Determination part, 134 ... Test part, 136 ... Evaluation Part DESCRIPTION OF SYMBOLS 200 ... Evaluation system, 230 ... Evaluation apparatus, 232 ... Determination part, 236 ... Evaluation part, 238 ... Acquisition part, 240 ... Memory | storage device, 2200 ... Computer, 2201 ... ROM, 2210 ... Host controller, 2212 ... CPU, 2214 ... RAM 2216 ... Graphic controller, 2218 ... Display device, 2220 ... Output controller, 2222 ... Communication interface, 2224 ... Hard disk drive, 2226 ... ROM drive, 2230 ... ROM, 2240 ... Output chip, 2242 ... Keyboard.

Claims (35)

信頼性試験において基体に接合材料を接合した評価対象物に生じる変形に応じた変化を前記評価対象物に生じさせる機械的負荷を決定する決定段階と、
前記接合材料に対応するサンプル接合材料を含む試験サンプルに対して前記機械的負荷を含む負荷を与える試験段階と、
を備える試験方法。
A determination step of determining a mechanical load that causes the evaluation object to change in accordance with deformation generated in the evaluation object in which the bonding material is bonded to the substrate in the reliability test;
Applying a load including the mechanical load to a test sample including a sample bonding material corresponding to the bonding material;
A test method comprising:
前記信頼性試験は、ヒートサイクル試験またはパワーサイクル試験、である請求項1に記載の試験方法。   The test method according to claim 1, wherein the reliability test is a heat cycle test or a power cycle test. 前記評価対象物は、前記基体および被接合体を前記接合材料により接合された構造部を有し、
前記試験サンプルは、前記基体に対応するサンプル基体および前記被接合体に対応するサンプル被接合体を前記サンプル接合材料により接合された構造部を有する
請求項1または2に記載の試験方法。
The evaluation object has a structure part in which the base body and the object to be joined are joined by the joining material,
The test method according to claim 1, wherein the test sample has a structure portion in which a sample substrate corresponding to the substrate and a sample bonded body corresponding to the bonded body are bonded by the sample bonding material.
前記基体および前記サンプル基体、前記被接合体および前記サンプル被接合体、並びに前記接合材料および前記サンプル接合材料のそれぞれは、同一材料により形成され、
前記サンプル接合材料は、1以上の縁部において前記接合材料の対応する縁部に相当する厚みを有する
請求項3に記載の試験方法。
Each of the base body and the sample base body, the bonded body and the sample bonded body, and the bonding material and the sample bonding material are formed of the same material,
The test method according to claim 3, wherein the sample bonding material has a thickness corresponding to a corresponding edge of the bonding material at one or more edges.
前記評価対象物は、
前記基体としての金属ベースと、
表面に回路パターンおよび裏面に金属板を接合した絶縁基板と、
前記回路パターンに搭載された半導体素子と
を備え、
前記被接合体としての前記金属板と前記金属ベースとが前記接合材料により接合された構造部を有する
請求項3または4に記載の試験方法。
The evaluation object is
A metal base as the substrate;
An insulating substrate having a circuit pattern on the front surface and a metal plate bonded to the back surface;
A semiconductor element mounted on the circuit pattern,
5. The test method according to claim 3, wherein the metal plate as the object to be joined and the metal base have a structure part joined by the joining material.
前記決定段階において、前記信頼性試験における前記接合材料の1以上の縁部の変形に応じた変化量を機械的に与える前記機械的負荷を決定する請求項3から5のいずれか一項に記載の試験方法。   6. The mechanical load according to claim 3, wherein in the determination step, the mechanical load that mechanically provides a change amount according to deformation of one or more edges of the bonding material in the reliability test is determined. Test method. 前記決定段階において、
前記信頼性試験中における前記評価対象物の変形に応じた変化量を計測し、
前記試験サンプルに対し、計測した前記変化量に対応する負荷を与える前記機械的負荷を決定する
請求項3から6のいずれか一項に記載の試験方法。
In the determining step,
Measure the amount of change according to the deformation of the evaluation object during the reliability test,
The test method according to any one of claims 3 to 6, wherein the mechanical load that gives a load corresponding to the measured variation is determined for the test sample.
前記決定段階において、
前記信頼性試験において1以上の縁部における変形に応じた変化量を解析により算出し、
算出した前記変化量に対応する負荷を前記接合材料の前記1以上の縁部に与える前記機械的負荷を決定する
請求項3から6のいずれか一項に記載の試験方法。
In the determining step,
In the reliability test, the amount of change corresponding to deformation at one or more edges is calculated by analysis,
The test method according to any one of claims 3 to 6, wherein the mechanical load that applies a load corresponding to the calculated change amount to the one or more edges of the bonding material is determined.
前記機械的負荷の決定において、前記試験サンプルに対して前記変化量に対応する負荷を機械的に与える前記機械的負荷を解析により算出する請求項7または8に記載の試験方法。   The test method according to claim 7 or 8, wherein in the determination of the mechanical load, the mechanical load that mechanically applies a load corresponding to the change amount to the test sample is calculated by analysis. 前記試験段階は、前記サンプル基体の面内の2以上の支点で囲まれた領域を相対的に押して前記試験サンプルに反り変形を与えることにより行われ、
前記サンプル被接合体は、前記サンプル基体の面内で前記反り変形による曲率半径が最小となる方向に向かって二辺が互いに近づき交わる角部を有する板状の部材である
請求項3から9のいずれか一項に記載の試験方法。
The test step is performed by applying a warp deformation to the test sample by relatively pressing a region surrounded by two or more fulcrums in the plane of the sample substrate,
10. The sample-bonded body is a plate-like member having a corner portion where two sides approach each other toward a direction in which a radius of curvature due to the warp deformation is minimized within the surface of the sample base. The test method as described in any one.
前記サンプル基体および前記サンプル被接合体は方形であり、
前記サンプル被接合体の外周辺のうちの一辺は、前記サンプル基体の外周辺のうちの一辺に対して予め定められた角度の方向に向けられている
請求項10に記載の試験方法。
The sample substrate and the sample bonded body are square,
The test method according to claim 10, wherein one side of the outer periphery of the sample bonded body is directed in a direction of a predetermined angle with respect to one side of the outer periphery of the sample substrate.
前記予め定められた角度は、45度である
請求項11に記載の試験方法。
The test method according to claim 11, wherein the predetermined angle is 45 degrees.
前記試験段階において、前記信頼性試験のサイクル数に応じた回数と同じ回数を繰り返し前記試験サンプルを変形させる
請求項3から12のいずれか一項に記載の試験方法。
The test method according to any one of claims 3 to 12, wherein in the test stage, the test sample is deformed repeatedly by the same number of times as the number of cycles of the reliability test.
前記試験段階において、予め定められた温度条件下で前記試験サンプルを繰り返し変形させる請求項3から13のいずれか一項に記載の試験方法。   The test method according to claim 3, wherein in the test stage, the test sample is repeatedly deformed under a predetermined temperature condition. 前記信頼性試験は、ヒートサイクル試験であり、
前記試験段階において、前記ヒートサイクル試験における条件に応じた温度条件下で前記試験サンプルを繰り返し変形させる請求項14に記載の試験方法。
The reliability test is a heat cycle test,
The test method according to claim 14, wherein in the test stage, the test sample is repeatedly deformed under a temperature condition corresponding to a condition in the heat cycle test.
前記信頼性試験は、ヒートサイクル試験であり、
前記試験段階において、前記ヒートサイクル試験におけるサイクル時間以下の周期で前記試験サンプルを繰り返し変形させる
請求項3から15のいずれか一項に記載の試験方法。
The reliability test is a heat cycle test,
The test method according to any one of claims 3 to 15, wherein, in the test stage, the test sample is repeatedly deformed at a cycle equal to or less than a cycle time in the heat cycle test.
繰り返し曲げられた前記試験サンプルにおける接合された構造部の状態に基づいて、前記評価対象物の前記接合された構造部の信頼性を評価する評価段階を更に備える請求項13から16のいずれか一項に記載の試験方法。   17. The method according to claim 13, further comprising an evaluation step of evaluating reliability of the joined structure portion of the evaluation object based on a state of the joined structure portion in the repeatedly bent test sample. Test method according to item. 前記評価段階において、複数温度条件のヒートサイクル試験のそれぞれに対応して、前記機械的負荷を決定することおよび前記繰り返し変形させることを行った結果に基づいて、ヒートサイクル寿命曲線を推定する
請求項17に記載の試験方法。
In the evaluation stage, a heat cycle life curve is estimated based on a result of determining the mechanical load and performing the repeated deformation corresponding to each of heat cycle tests of a plurality of temperature conditions. The test method according to 17.
前記試験段階は、前記決定段階に先立って、複数の前記試験サンプルのそれぞれに対して異なる機械的負荷を与える複数の試験を行い、
前記決定段階は、前記複数の試験の中から、前記信頼性試験において前記評価対象物の前記接合された構造部に生じる変形に応じた変化を前記試験サンプルに与える試験を決定し、
決定された前記試験の試験結果に基づいて、前記評価対象物の前記接合された構造部の信頼性を評価する評価段階を更に備える
請求項1から18のいずれか一項に記載の試験方法。
The test stage performs a plurality of tests that give different mechanical loads to each of the plurality of test samples, prior to the determination stage,
The determining step determines a test that gives the test sample a change corresponding to a deformation generated in the joined structure portion of the evaluation object in the reliability test from the plurality of tests,
The test method according to any one of claims 1 to 18, further comprising an evaluation step of evaluating the reliability of the joined structure portion of the evaluation object based on the determined test result of the test.
前記決定段階は、前記複数の試験の中から、前記信頼性試験における前記評価対象物の変形に応じた変化量に対応する負荷を与えた試験を決定する請求項19に記載の試験方法。   The test method according to claim 19, wherein the determining step determines a test given a load corresponding to a change amount according to deformation of the evaluation object in the reliability test from the plurality of tests. 前記変形に応じた変化量として、応力、応力勾配、ひずみ、ひずみ勾配、および温度の少なくとも1つを用いる請求項7から9および20のいずれか一項に記載の試験方法。   21. The test method according to claim 7, wherein at least one of stress, stress gradient, strain, strain gradient, and temperature is used as the amount of change corresponding to the deformation. 前記変形に応じた変化量として、前記評価対象物および前記試験サンプルの予め定められた範囲内における、応力またはひずみの一次元分布、二次元分布、または三次元分布を用いる請求項7から9、20、および21のいずれか一項に記載の試験方法。   The amount of change according to the deformation is a one-dimensional distribution of stress or strain, a two-dimensional distribution, or a three-dimensional distribution within a predetermined range of the evaluation object and the test sample. The test method according to any one of 20 and 21. 前記試験サンプルは、サンプル基体およびサンプル被接合体を前記サンプル接合材料により接合した構造部を有し、
前記試験段階は、複数の前記試験サンプルのそれぞれに対して、前記サンプル基体に加える荷重、前記サンプル基体の面内に決定された荷重を与える力点と支点との間の距離、前記サンプル基体の厚み、前記サンプル被接合体の厚み、前記サンプル接合材料により接合された構造部の厚み、および前記サンプル被接合体のサイズのうち少なくとも1つが異なる前記試験サンプルを用いた機械的負荷を与える複数の試験を行う
請求項19から22のいずれか一項に記載の試験方法。
The test sample has a structure in which a sample base and a sample bonded body are bonded by the sample bonding material,
The test step includes, for each of a plurality of the test samples, a load applied to the sample substrate, a distance between a force point and a fulcrum that applies a load determined in a plane of the sample substrate, and a thickness of the sample substrate. A plurality of tests applying a mechanical load using the test sample in which at least one of the thickness of the sample bonded body, the thickness of the structure bonded by the sample bonding material, and the size of the sample bonded body is different The test method according to any one of claims 19 to 22.
請求項1から23のいずれか一項に記載の試験方法による試験のための試験サンプルであって、
前記基体および被接合体を前記接合材料により接合した構造を有する前記評価対象物における前記基体に対応するサンプル基体と、
前記被接合体に対応するサンプル被接合体と、
前記サンプル基体および前記サンプル被接合体を接合するサンプル接合材料と
を備える試験サンプル。
A test sample for testing by the test method according to any one of claims 1 to 23,
A sample substrate corresponding to the substrate in the evaluation object having a structure in which the substrate and the object to be bonded are bonded by the bonding material;
A sample bonded body corresponding to the bonded body;
A test sample comprising: a sample bonding material for bonding the sample substrate and the sample bonded body.
前記試験方法における前記試験段階は、前記サンプル基体の面内の2以上の支点で囲まれた領域を相対的に押して前記試験サンプルに反り変形を与えることにより行われ、
前記サンプル被接合体は、前記サンプル基体の面内で前記反り変形による曲率半径が最小となる方向に向かって二辺が互いに近づき交わる角部を有する板状の部材である
請求項24に記載の試験サンプル。
The test step in the test method is performed by relatively pushing a region surrounded by two or more fulcrums in the surface of the sample substrate to give warpage deformation to the test sample,
25. The sample bonded body is a plate-like member having a corner portion where two sides approach each other in a direction in which the radius of curvature due to the warp deformation is minimized within the surface of the sample base. Test sample.
前記サンプル基体および前記サンプル被接合体は方形であり、
前記サンプル被接合体の外周辺のうちの一辺は、前記サンプル基体の外周辺のうちの一辺に対して予め定められた角度の方向に向けられている
請求項25に記載の試験サンプル。
The sample substrate and the sample bonded body are square,
The test sample according to claim 25, wherein one side of the outer periphery of the sample bonded body is directed in a direction of a predetermined angle with respect to one side of the outer periphery of the sample base.
前記予め定められた角度は、45度である
請求項26に記載の試験サンプル。
27. A test sample according to claim 26, wherein the predetermined angle is 45 degrees.
請求項1から23のいずれか一項に記載の試験方法により試験を行う試験システム。   A test system for performing a test by the test method according to any one of claims 1 to 23. サンプル接合材料を含む複数の試験サンプルのそれぞれに対して異なる機械的負荷を与えた複数の試験の試験結果を取得する取得段階と、
前記複数の試験の中から、信頼性試験において、基体に接合材料を接合した評価対象物の前記接合された構造部に生じる変形に応じた変化を試験サンプルに与えた試験を決定する決定段階と、
決定された前記試験の試験結果に基づいて、前記評価対象物の前記接合材料の部分の信頼性を評価する評価段階と
を備える評価方法。
Obtaining a test result of a plurality of tests with different mechanical loads applied to each of the plurality of test samples including the sample bonding material;
A determination step of determining a test in which a change in accordance with a deformation generated in the bonded structure portion of the evaluation object in which the bonding material is bonded to the base is given to the test sample in the reliability test among the plurality of tests; ,
An evaluation method comprising: an evaluation step of evaluating the reliability of the portion of the bonding material of the evaluation object based on the determined test result of the test.
前記決定段階は、前記複数の試験の中から、前記信頼性試験における前記評価対象物の変形に応じた変化量に対応する負荷を機械的に与えた試験を決定する請求項29に記載の評価方法。   30. The evaluation according to claim 29, wherein the determining step determines a test that mechanically applies a load corresponding to a change amount according to deformation of the evaluation object in the reliability test from the plurality of tests. Method. 前記変形に応じた変化量として、応力、応力勾配、ひずみ、ひずみ勾配、および温度の少なくとも1つを用いる請求項30に記載の評価方法。   The evaluation method according to claim 30, wherein at least one of stress, stress gradient, strain, strain gradient, and temperature is used as the amount of change according to the deformation. 前記変形に応じた変化量として、前記評価対象物および前記試験サンプルの予め定められた範囲内における、応力またはひずみの一次元分布、二次元分布、または三次元分布を用いる請求項30または31に記載の評価方法。   The amount of change according to the deformation is a one-dimensional distribution, two-dimensional distribution, or three-dimensional distribution of stress or strain within a predetermined range of the evaluation object and the test sample. The evaluation method described. 前記試験サンプルは、サンプル基体およびサンプル被接合体を前記サンプル接合材料により接合した構造部を有し、
前記取得段階は、前記複数の試験サンプルのそれぞれに対して、前記サンプル基体に加える荷重、前記サンプル基体の面内に決定された荷重を与える力点と支点との間の距離、前記サンプル基体の厚み、前記サンプル被接合体の厚み、前記サンプル接合材料により接合された構造部の厚み、および前記サンプル被接合体のサイズのうち少なくとも1つが異なる機械的負荷を与えた前記複数の試験の試験結果を取得する
請求項29から32のいずれか一項に記載の評価方法。
The test sample has a structure in which a sample base and a sample bonded body are bonded by the sample bonding material,
In the obtaining step, for each of the plurality of test samples, a load applied to the sample substrate, a distance between a force point and a fulcrum that gives a load determined in the plane of the sample substrate, a thickness of the sample substrate A test result of the plurality of tests in which at least one of the thickness of the sample bonded body, the thickness of the structure bonded by the sample bonding material, and the size of the sample bonded body is subjected to different mechanical loads. The evaluation method according to any one of claims 29 to 32.
請求項29から33のいずれか一項に記載の評価方法を実行する評価システム。   An evaluation system for executing the evaluation method according to any one of claims 29 to 33. コンピュータに、請求項29から33のいずれか一項に記載の評価方法を実行させるための評価プログラム。   An evaluation program for causing a computer to execute the evaluation method according to any one of claims 29 to 33.
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