大量生産での自動車向け高精度IC温度テスト

Rudy Richter (MPS、テストエンジニアリング＆施設担当ディレクタ)、Dave Wang (テストエンジニアリング部門 (産業) マネージャ)

はじめに

自動車メーカーが製造する車両に搭載される機能が増えるにつれて、信頼性と性能に対する期待も高まります。信頼性は、集積回路 (IC) を設計および製造するメーカーを含む (そしておそらく特に) 部品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登場により、ICの需要は増加するばかりです。したがって、ICメーカーにとって、製品が極端に低温または高温であっても、あらゆる温度範囲で期待どおりに動作することを保証するために、製品を正確に設計およびテストできることが極めて重要です。

結論からいうと、温度テストの従来の代表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、特定の温度を正確に設定してテストすることができない高温テストを実施しています。10億分の1レベルの信頼性が求められる中、ICメーカーには可能な限り正確な生産テスト方法を提供することが求められています。このため、MPSは、これまでにないほど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確立しました。

現状

通常、ICメーカーは、製造中に、特定の種類のテストハードウェアである重力ハンドラを使用して温度テストを実行します。これらのハンドラは、さまざまな温度範囲でのテストに使用する場合、指定された温度を長時間正確に維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1参照)。テスト場所の温度は3～5秒で20℃も下がることがあります。これにより、低温での起動や過熱トリミングの問題など、極端な温度に関連する欠陥をスクリーニングすることが困難になるか、不可能になる可能性があります。

図1 : 重力ハンドラの予想温度と実際の温度125°C

これは、ハンドラが通常、製造元の工場標準に合わせて調整されるためです。ハンドラ内の周囲空気温度は、ハンドラのディスプレイに表示される温度と一致するように、ソークチャンバやプランジャモジュールなどの所定の場所で校正する必要があります (図2参照)。

図2 : 重力ハンドラ (プランジャーモジュールオープン、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かもしれませんが、これはテストされている部品が同じジャンクション温度 (T_J) 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、テストハードウェアのプリント回路基板 (PCB) としテスト場所のコンタクタを組み合わせると、加熱された部分上の巨大なヒートシンクのように機能します。

MPSでは、この業界標準の方法を基準として評価して、温度勾配がどれほど顕著になるかを調べましたが、その結果は驚くべきものでした。図3は業界標準の125°Cと-40°Cで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ており、テスト開始から3～5秒までは非常に不安定です。アナログICの平均テスト時間が5～8秒であることを考慮すると、現在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実行されており、ジャンクション温度で実行されているわけではないことは明らかです。

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来ているのでしょうか? MPSは数多くの原因を特定できましたが、その中で最も重要なものは次の通りです :

• コンタクタの設計の悪さ
• 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適切なパージ空気温度
• テスト中における実際のテスト部品の温度フィードバックの欠如
• 望ましいテスト条件が得られない工場でのハンドラ校正
• 使用されているテスタでのハンドラパラメータ制御の欠如
• 異なる部品サイズでのソーク時間

この問題を克服するための一般的な業界での慣行が2つあります。まず1つ目は、ハンドラの温度を単純にオーバードライブして、5秒後に安定した温度がT_J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、ハンドラを145°Cに設定する必要があります。この方法の問題点は、温度が大きく低下すると、歩留まりの低下やQAの失敗など、多くの無駄な問題が発生する可能性があることです。また、テストの大部分は最初の3～5秒間に実行されるため、通常、ICは目標温度よりもはるかに高い温度に適応する必要があります。

温度低下を克服する2番目の方法は、テスト中に部品を最高電力レベルで動作させて、テスト現場の温度を上昇させることです。これは、抵抗損失やスイッチング損失によりデバイス内部の温度が大きく上昇することが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。2番目に、ほとんどのテストの間、部品は必要な電力モードで動作できない可能性があるため、加熱効果はテスト期間中によくても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、MPSは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、最適な解決策を見つけました。これにより、MPSは、正確なジャンクション温度でICをテストする独自の技術を開発しました。これは、特に車載グレードの製品 (AEC-Q100) に適しています。

このソリューションでは、線形で安定した正確なテスト温度を作成するために、次の対策が実施されています。

• 独自に使う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設定パラメータをモニタおよび制御するテスタ
• 新しいコンタクタの設計
• テストハードウェアとソフトウェアの設計ルールの強化

現状を越える

この新しいソリューションの結果は驚くべきものです。当社のベンチマークでは、温度の直線性と精度の両方において顕著な改善が見られました。図4は150°C、125°C、-40°CでのT_J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、温度低下がほとんどなく、持続する直線性は1°C未満、精度は±1.5°C未満です。

図4 : MPS独自のAECQテスト温度性能

この強化された温度テスト方法には大きな利点があります。QAの失敗が減少し、その結果、保留の生産ロットが減少し、保留ロットの処分に必要な技術工数が削減され、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設定と正確なテスト特性により、ロットの歩留まりが向上し、一般的に、初期のロット設定中に誤った温度設定によって発生するオペレータの間違いが大幅に減少しました。

結論

自動車の信頼性における責任は、最終的にはICメーカーが製品を正確かつ精密にテストすることになります。しかし、従来の温度テスト方法では、このような大きな温度差がある場合、信頼性と精度をどのように保証できるのでしょうか? MPSは、ICが実際のジャンクション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、データシートのパラメータが仕様どおりにテストされることを保証するために、すべてのMPSの産業用および車載用製品で100% 実施されています。このシステムにより、車載グレードのデバイステスト品質が非常に正確になり、MPS製品は欠陥ゼロの絶対的基準を達成できます。

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