正確で高精度なオートモーティブの極限温度試験

by Ruediger Richter, Director of Test Engineering at Monolithic Power Systems.

ICメーカーにとって、正確に設定されたデバイス温度で オートモーティブ部品 をデザインおよびテストできることは非常に重要です。

オートモーティブメーカーがより多くの機能を備えた車両を製造するにつれて、信頼性と性能への期待も高まります。信頼性は、集積回路(IC)をデザインおよび製造するメーカーを含む(そしておそらく特に)コンポーネントメーカーにまで浸透します。自動運転車やデジタルコックピットの台頭により、ICの需要は増加するばかりです。したがって、ICメーカーが製品を正確に設計およびテストして、極端な低温または極端な高温を含むすべての温度範囲で期待どおりに機能することを確認できることが非常に重要です。

結局のところ、温度テストの従来の典型的な方法には、いくつかの重大な欠陥があります。ほとんどの企業は、特定の温度で正確に設定およびテストすることが実際にはできない高温テストを実装しています。 10億分の1タイプの信頼性が必要となるため、ICメーカーは、可能な限り正確な製造テスト方法を提供できるようにする必要があります。このため、Monolithic Power Systems(MPS)は、これまでにない正確に設定されたデバイス温度で部品をテストする方法を解明しました。


現状 

通常、ICメーカーは、製造時に特定のタイプのテストハードウェアである自重ハンドラーを使用して温度テストを実施します。これらのハンドラーをさまざまな温度範囲でのテストに使用すると、指定した温度を長期間正確に保持できないことがよくあります。つまり、必要な温度と適用される温度の間に大きなギャップが生じる可能性があります(図1)。テストサイトの温度は、3〜5秒で20°Cまで下がる可能性があります。これにより、低温での起動や過熱トリミングの問題など、極端な温度関連の欠陥を排除することが不可能ではないにしても困難になる可能性があります。


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図1自重ハンドラー125°Cでの予想温度と実際の温度


これは、ハンドラーが通常、メーカーの工場標準に合わせて調整されているためです。ハンドラー内の周囲温度は、ハンドラーのディスプレイに表示される温度と一致するように、ソークチャンバーやプランジャーモジュールなどの事前定義された場所で調整する必要があります(図2)


gravity handler

図2自重ハンドラー(プランジャーモジュールが開いている、ソークチャンバー、ディスプレイ)

特定の場所でデバイスに吹き付けられる空気は正しい温度である可能性がありますが、これはテスト対象の部品が同じ接合部温度(TJ)に設定されていることを保証するものではありません。特に、テストサイトの接触器と組み合わされたテストハードウェアPCBは、加熱された部分の巨大なヒートシンクのように機能します。

MPSは、この業界標準の方法をベンチマークして、温度勾配がどれほど顕著であるかを確認しました。その結果は驚くべきものでした。図3は、125°Cおよび–40°Cの業界標準のテスト温度性能を示しています。高温と低温の両方の温度曲線は、約20°Cの温度シフトを示し、テストの3〜5秒まで非常に不安定です。アナログICの平均テスト時間が5〜8秒であることを考えると、今日実行されているテストの多くは、実際には大きな温度変化の下で行われており、接合部温度では行われていないことは明らかです。

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図3業界標準のテスト温度性能

では、この温度低下はどこから起こっているのでしょうか?多くの情報源を特定することができましたが、その中で最も重要なものは次のとおりです。

  • 接触器の設計が不十分
  • PCBのスタイルと厚さ
  • パージカバーの設計と、高温および低温テスト用の正しいパージ空気温度
  • テスト中の実際にテストされた部品温度のフィードバックの欠如
  • ファクトリーハンドラーのキャリブレーションで目的のテスト条件が得られない
  • 使用されているテスターでのハンドラーパラメーター制御の欠如
  • さまざまな部品サイズの浸漬時間

この問題を克服するための2つの一般的な業界慣行があります。 1つ目は、ハンドラー温度を単純にオーバードライブして、安定した温度が5秒後にTJに近づくようにすることです。たとえば、125°Cでテストを実行するには、ハンドラーを145°Cに設定する必要があります。この方法の問題は、大きな温度低下が依然として歩留まりの低下やQA障害などの多くの不要な問題を引き起こす可能性があることであり、テストの大部分以来、ICは一般に目標よりもはるかに高い温度で準拠する必要があります最初の3〜5秒の期間中も実行されます。

温度低下を克服するための2番目の方法は、テスト中に部品を最高の電力レベルで動作させて、テストサイトの温度を上げようとすることです。これは、オーム損失またはスイッチング損失のために内部デバイスの温度が大幅に上昇すると予想される電源管理およびプロセッサ製品に適しています。この方法には3つの問題があります。まず、すべての新製品に必要な正しい電力を適用するために、広範な特性評価を実行する必要があります。第2に、ほとんどのテストでは、パーツが必要な電力モードで動作できない可能性があるため、テスト中に加熱効果が散発的に発生します。これは精度と一貫性に影響します。最後に、すべてのデバイスがこの方法で加熱できる高出力機能を備えているわけではありません。

上記の直線性と精度の欠如を修正するために、個々の弱点に体系的に取り組み、試行錯誤の実験を通じてデータを収集し、最適なソリューションを見つけました。これにより、MPSは、正確な接合部温度でICをテストする独自の技術を開発しました。これは、 自動車グレードの製品(AEC-Q100). に特に適しています。このソリューションには、線形で安定した正確なテスト温度を作成するために実装された次の対策があります。

  • 独自の治具と校正ツールを使用した校正システム
  • ソーク時間やパージ空気温度などの重要なハンドラー設定パラメーターを監視および制御するテスター
  • 新しいコンタクタのデザイン
  • テストハードウェアおよびソフトウェアの強化された設計ルール

現状を超えて 

この新しいソリューションの結果は目を見張るものがあります。 当社のベンチマークは、温度の直線性と精度の両方で顕著な改善を示しています。 図4は、150°C、125°C、および-40°CでのTJテスト温度特性を示しています。 新しいMPS独自の方法では、温度減衰がほとんどなく、1°C未満の一定の直線性、および±1.5°C未満の精度が見られます。


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Figure 4 MPS proprietary AECQ testing temperature performance

この強化された温度試験方法には大きな利点があります。 QAの失敗が少なくなり、その結果、保留にされる生産ロットが少なくなり、保留ロットを処分するために必要なエンジニアリング工数が少なくなり、製造スループットが全体的に向上しました。このより一貫性のある製造セットアップと正確なテスト特性評価により、ロットの歩留まりが向上し、一般に、最初のロットセットアップ中の不適切な温度設定によって通常引き起こされるオペレーターエラーがはるかに少なくなりました。

オートモーティブ信頼性の負担は、最終的にICメーカーが製品を正確かつ正確にテストできるようにすることです。しかし、従来の温度試験方法がこのような大きな温度ギャップで行われている場合、信頼性と精度をどのように保証できるでしょうか。 MPSは、ICが真の接合部温度でテストされることを保証する、特許出願中の新しい独自の温度テストシステムでこの問題を解決しました。この方法は、すべてのMPS産業用およびオートモーティブ用製品に100%実装されており、データシートのパラメータが仕様どおりにテストされていることを確認します。このシステムにより、オートモーティブグレードのデバイステスト品質が非常に正確になり、製品は欠陥ゼロのゴールドスタンダードを達成できます。

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