今回のテーマは、
「組み立てが終わった半導体は、どうやって「出荷してよい」と確かめるのか」
答え：電気で動作を確かめる最終テストに加えて、熱と電圧で弱い部品を先に見つける試験（バーンイン）や、温度の上下を繰り返して長持ちを確かめる試験を行います。不良が出たら、壊さない方法から順に、原因を調べます。
この記事でわかること
- ① 最終テスト
- ② 区分けとテスト時間
- ③ 信頼性とバスタブ曲線
- ④ バーンイン
- ⑤ 温度サイクルと不良の見つけ方
※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。
① 最終テスト：組み立てのあとにも、もう一度確かめる
大事なポイント：ウェハの上で試験に通ったチップでも、組み立てで壊れることがあるので、パッケージにしたあとにも試験します。
第3講までで、チップは、切り分けられ、台に固定され、端子につながれ、パッケージに入りました。これで部品としては完成に近づいていますが、出荷の前に、もう一度試験をします。これを最終テストとよびます。電気で動作を確かめる試験は、検査・計測コースの第4講でも学びました。
ウェハの上で試験に通ったのに、なぜ、もう一度要るのでしょうか。参考にした資料によると、パッケージにしたあとにも試験するのは、ボンディングのワイヤが欠けている場合があることや、パッケージによってアナログの性能が変わる場合があるからです。また、組み立ての途中で、新しい不良が生まれることもあります。業界誌の資料によると、組み立てで起きやすい不良として、次のものが挙げられています。
- 切るときや置くときにできる、小さなひび
- 接着の層にできる空洞（ボイド）
- ワイヤが浮く、樹脂を流すときにワイヤが流れる
- 樹脂が、チップや台からはがれる、割れる、ふくれる、行き渡らない
電気の試験で見つけにくいものは、X線などの装置でも調べます。資料にも、X線画像を使うことが書かれています。最終テストは、前工程の試験では見つけられない、組み立ての不良を見つけるためにあります
確認クイズ：ウェハの上で試験に通ったチップを、パッケージにしたあとにも、もう一度試験するのはなぜですか？
答え：ワイヤが欠けたり、パッケージで性能が変わったり、組み立てで新しい不良が生まれたりすることがあるからです。
② テストの結果を使い分ける：区分けと、テスト時間
大事なポイント：試験の結果で良品を等級に分けることがあります。試験には時間と費用がかかるので、同時に何個も試験する工夫があります。
最終テストの結果は、「合格」か「不合格」だけとは限りません。参考にした資料によると、試験の結果で、チップを分類することがあります。たとえば、動かせる最高の速度（クロックの速さ）や、動いた回路（コア）の数で、等級を分けます。同じ設計のチップから、等級の違う製品をつくれるのです。これを区分け（ビニング）とよびます。
もう1つは、試験の時間です。資料によると、1個の試験は、数ミリ秒から数秒ほどで、試験装置を使う費用は、1秒あたり数セントほどです。時間が長いほど、費用がかかります。そこで、複数のチップを同時に試験する方法（マルチサイト）があります。
たとえば、1個の試験が2秒で、2,000個を試験するとします。1個ずつなら、2 × 2,000 ＝ 4,000秒で、約67分です。4個を同時に試験できれば、1,000秒で、約17分です。試験の時間は費用に直結するので、同時にたくさん試験する工夫をします
これらの結果は、ウェハ上の試験と同じように記録され、不良の傾向を調べる材料にもなります。製品には、レーザーで、品名や日付、ロット（同じ時期につくったまとまり）の番号が刻まれ、あとで追えるようにされます。
確認クイズ：1個2秒の試験を、2,000個行います。4個を同時に試験できる装置を使うと、およそ何分かかりますか？
答え：2 × 2,000 ÷ 4 ＝ 1,000秒で、約17分です。
③ 信頼性とバスタブ曲線：初期不良とは何か
大事なポイント：信頼性とは、長く壊れずに使える性質です。使い始めの時期には、弱い部品が壊れやすい傾向があります。
最終テストに通った部品でも、使いはじめてすぐに壊れる弱い個体が混じることがあります（一般的な説明です）。そこで、信頼性（どれだけ長く、壊れずに使えるか）を考える必要があります。
部品の故障の割合は、使った時間とともに変わります。これを表す曲線が、バスタブ曲線（浴槽の形）です。参考にした資料では、次の3つの時期があります。
- 初期不良の時期：使い始めの時期で、故障の割合は高く、時間とともに下がります。製造の欠陥や、輸送中の傷などが、早い段階で表に出ます。
- 偶発的な故障の時期：故障の割合が、ほぼ一定の時期です。偶然の故障が原因とされます。
- 摩耗の時期：部品が使われて劣化し、故障の割合が上がる時期です。
もし、初期不良の時期を、お客さんが使いはじめてから通るとしたら、困ります。そこで、出荷の前に、この時期をメーカー側で通りすぎさせます。それが、次の節のバーンインです。初期不良の時期を出荷前に済ませるのが、バーンインのねらいです
確認クイズ：バスタブ曲線の3つの時期を、順に答えてください。
答え：初期不良の時期、偶発的な故障の時期、摩耗の時期です。
④ バーンイン：弱い部品を、出荷の前に見つける
大事なポイント：高い温度などの厳しい条件で部品を動かし、弱いものを出荷の前に壊して取り除きます。
バーンインとは、部品を実際に使う前に、厳しい条件で動かして、弱いものを故障させる試験です。参考にした資料によると、電子部品では、ふつう、高い温度で行い、ときには高い電圧も加えます。決まった時間が終わったときに、まとめて確かめる場合もあれば、動かしながら調べ続ける場合もあります。
初期不良になりそうな弱い個体は、厳しい条件にあうと、通常より早く壊れます。それを出荷前に取り除けば、出荷後の初期不良が減ります。資料には、バーンインの時間が十分に長ければ、その後は初期不良がほとんどなくなると書かれています。
ただし、デメリットもあります。資料によると、バーンインは、製造の良品の数を少し犠牲にして、使い始めの故障を減らす方法です。また、条件が厳しすぎる、長すぎると、バスタブ曲線の摩耗の時期に入りこんで、製品の寿命を縮めてしまいます。さらに、資料には、原因を直して不良を減らせるなら、そのほうがよく、そうなればバーンインをやめる工程もある、と書かれています。バーンインは、弱いものを選び出す一方で、良品の寿命を削らない条件が必要です
確認クイズ：バーンインの条件が厳しすぎたり、時間が長すぎたりすると、どんな困ったことが起きますか？
答え：摩耗の時期に入ってしまい、製品の寿命を縮めるおそれがあります。
くわしく見る：バーンインをするか、しないか：費用の考え方（仮の例）
1万個を出荷するとします。初期不良の割合が0.5%（仮の値）なら、10,000 × 0.005 ＝ 50個です。バーンインで、そのうち80%を出荷前に除けるとすれば、50 × 0.8 ＝ 40個を除き、出荷後の初期不良は 50 − 40 ＝ 10個です。
出荷後に1個が壊れると、交換や修理に1万円かかる（仮の値）とします。減らせた分は 40 × 10,000 ＝ 400,000円です。一方、バーンインの費用が1個あたり30円なら、10,000 × 30 ＝ 300,000円です。差し引き、400,000 − 300,000 ＝ 100,000円の得です。
ただし、初期不良の割合が0.2%なら、減らせる分は 10,000 × 0.002 × 0.8 × 10,000 ＝ 160,000円で、費用300,000円を下回ります。このように、割合や費用しだいで答えが変わります。数値は、考え方のための仮の値です。
⑤ 温度サイクルと、不良の見つけ方
大事なポイント：低温と高温を繰り返して、はんだのつなぎ目などが長持ちするかを確かめ、不良が出たら原因を調べます。
温度サイクル試験は、部品を、低温と高温のあいだで何度も往復させる試験です。国際的に使われる標準のひとつに、JEDECの規格（JESD22-A104）があり、部品とはんだの接続を確かめる試験として、装置の方式（1槽、2槽、3槽）も含めて決められています（温度や回数は、規格ごとに決められています。この講では数字を載せません）。
なぜ、温度を繰り返すのでしょうか。パッケージの中のチップ、はんだ、基板は、材料が違い、温度が上がったときの伸び方（熱膨張）が違うからです。参考にした資料では、はんだに力をかけるのは、パッケージ、基板、チップの熱膨張の違いです。この力が、温度が上がるたび、下がるたびにかかり、はんだのひびが少しずつ大きくなって（疲労）、最後は切れます。第3講のアンダーフィルは、この力を受け止める対策でした。
試験や使用中に不良が出たら、原因を調べます（故障解析）。一般には、次の順に進めます。
- 電気で調べる：どの試験に落ちたか、どの端子がおかしいかを確かめます。
- X線で見る：壊さずに、ワイヤの切れや、BGAのボールの接合の様子を見ます。
- 断面を切って見る：樹脂ごと切り、顕微鏡で、ひびや空洞を直接見ます。これは、部品を壊す方法なので、最後に行います。
このうち、順番（壊さない方法から先に）は、一般的な考え方です。温度サイクルは、熱膨張の違いによる弱点を、先に引き出す試験です
確認クイズ：温度サイクル試験で、はんだのつなぎ目にひびが入りやすいのは、なぜですか？
答え：チップ、はんだ、基板で、温度による伸び方が違い、温度の上下のたびに、つなぎ目に力がかかるためです。
くわしく見る：熱膨張の差を計算する
材料の伸びは、伸び ＝ 熱膨張係数 × 長さ × 温度の変化で求められます（一般的な式です）。熱膨張係数は、1℃上がるとき、長さが何倍に伸びるかを表す数です。
一般に、シリコンは約2.6×10⁻⁶ /℃、樹脂の基板は約15×10⁻⁶ /℃（どちらも、おおよその値で、材料により変わります）とします。10mmの長さで、温度が100℃上がったとき、
シリコン：2.6×10⁻⁶ × 10mm × 100 ＝ 0.0026mm（約2.6µm）
基板：15×10⁻⁶ × 10mm × 100 ＝ 0.015mm（15µm）
差は 15 − 2.6 ＝ 12.4µm、約12µmです。この差が、バンプやはんだのつなぎ目にずれとなってかかります。ずれはわずかでも、何百回も繰り返すと、はんだにひびが入ります。値は目安です。
安全のひとこと：バーンインや温度サイクルの装置は、高い温度や、とても低い温度を扱い、部品に電圧もかけます。高温の炉や槽、通電中の部分、低温の冷媒に、素手で触れないこと。装置のカバーや安全の表示を外さないこと。割れた部品や、はんだのくずも、肌や目に入らないようにすること。取り扱いは、必ず職場の決まりに従います。
この講のまとめ
組み立てのあとにも最終テストを行い、ワイヤの欠けなど、組み立てで生まれた不良を見つけます。
使い始めの時期は故障が多く、バーンインで、弱い部品を出荷前に取り除きます。
温度サイクル試験は、熱膨張の違いによるはんだのひびを確かめます。不良は、壊さない方法から順に原因を調べます。
これで、後工程・パッケージ3級は終わりです。前工程の各コースと合わせて、ウェハが製品になるまでの流れがつながります。くわしい内容は、2級で学びます。
ことばのおさらい
- 最終テスト：組み立てのあと、出荷の前に行う電気の試験です。
- 区分け（ビニング）：試験の結果で、良品を速度などの等級に分けることです。
- 信頼性：長い間、壊れずに使える性質です。
- バスタブ曲線：使った時間と故障の割合の関係を表した、浴槽の形の曲線です。
- バーンイン：高い温度などで動かし、弱い部品を出荷前に見つける試験です。
- 温度サイクル試験：低温と高温を何度も繰り返して、つなぎ目などが耐えるかを調べる試験です。
よくある誤解
Q. 最終テストに通れば、その部品は何年でも壊れませんか？
いいえ。最終テストは、そのときに動くかを確かめるものです。長く使えるかは、バーンインや温度サイクルなどの信頼性の試験で確かめます。
Q. バーンインは、厳しければ厳しいほどよいのですか？
いいえ。厳しすぎたり長すぎたりすると、良品の寿命まで縮めてしまいます。弱いものだけを選び出す条件が必要です。
参考にした公式情報
- Wikipedia「Burn-in」（バーンインの目的、初期不良、条件、良品数とのトレードオフ）
- Wikipedia「Bathtub curve」（バスタブ曲線の3つの時期）
- Wikipedia「Semiconductor device fabrication」（組み立て後の再試験、区分け、試験時間と費用、X線、レーザー刻印（前半のみ読んだ））
- 業界誌（Semiconductor Digest）の記事（組み立てで起きやすい不良）
- 試験装置の業界向けFAQ（JESD22-A104が温度サイクルの規格で、部品とはんだ接続を対象とすること。温度や回数の記載はない）
- Wikipedia「Ball grid array」（BGAの接合部の検査にX線が必要なこと）
テスト時間2秒・2,000個・4個同時、初期不良0.5%・除去80%、修理1万円・バーンイン30円は、理解のために置いた仮の値です。熱膨張係数（シリコン約2.6×10⁻⁶ /℃、基板約15×10⁻⁶ /℃）は一般的なおおよその値で、読めた資料にはありません。温度サイクル試験の温度や回数、バーンインの条件の数値は、読めた資料に書かれていないため、載せていません。初期不良の原因、故障解析の順番は、一般的な知識にもとづく説明です。図は、記事用に描いた簡易の図です。
