車載用電子機器信頼性試験は、ミッションプロファイルで始まり終わる

• 電子部品のライフタイムまでに、どのような種類のストレスに遭遇する可能性がありますか? 
• 設計で選定されたICの信頼性特性を決定する責任者は誰ですか?
• 選定されたICがきちんと試験され自分のミッションプロファイルをクリアしていると確認するために信頼性試験の「加速モデル」を適用するには、どうしたらいいですか?

ほとんどの業界において、アプリケーションで使用される電子機器の信頼性とその目標製品ライフタイムを秤にかけるのが一般的です。言い換えれば、そのアプリケーションは、製品ライフタイムが尽きるまでストレスに耐えられるでしょうか? 合理的な判断を下すためには、製品ライフタイムが尽きるまでの間、アプリケーションが現場でどのようなストレスを受けるかを理解する必要があります。その後、予想される製品ライフタイムにおける現場でのストレスと、アプリケーション内のすべての電子部品が最初に認定されたストレスを比較する必要があります。そこから、予測さえる現場でのライフタイムストレスがアプリケーション内のどの電子機器に過剰ストレスを与え、予測よりも早い欠陥をもたらすか見極めることができます。業界独自の厳重な安全対策をもつ車載アプリケーションにとって、特に重要です。

ミッションプロファイルは、関連する深刻度と同様に、特定の種類の現場ストレスを模倣するよう設計されています。最も一般的に参照されるストレスは、温度や電圧、そして熱機械ストレスです。温度 / 電圧ストレスは、ICの中で使用されているシリコンの劣化現象の主な要因だと理解されています。熱機械ストレスは、温度変化により部品が広がったり縮んだりする間に発生する機械力に起因します。

目標は、指定された部品の性能が、アプリケーションの目標ライフタイムの最後まで保証できるかどうかを理解することです。つまり、アプリケーションの目標ライフタイムは、一般的な半導体の信頼性のバスタブ曲線の摩耗期間内に入るでしょうか? 半導体固有のライフタイムにより、摩耗による故障率が急激に上昇し始めます。ストレスが時間の経過とともに激しくなるほど、ライフタイムに達する時間が早くなり、摩耗による障害が発生する可能性が高くなります (図1参照)。

図1: バスタブ曲線

半導体メーカーは、新製品を生産および市場に投入する前に、新製品の認定作業をする必要があります。この認定プロセスの間、ICは特定の誤動作メカニズムを引き起こすよう多くのストレステストを受けます。前述のストレスを考慮すると、特に有用な試験が2つあります。

1つめは、高温動作寿命 (high-tempeature operating: HTOL) 試験で、試験室内で温度および電圧に関連する故障機構を引き起こすような動作条件をシミュレートします (図2参照)。2つめは、冷熱 (temperature cycling: TC) 試験で、ICが異なる温度係数を持つ異なる材料で構成されているため、ICの機械的故障メカニズムを引き起こすようにICにストレスをかけます。

これらはICがリリースされる前に通過しなければならないたった2つの認定試験用ストレスにすぎません。車載ICのすべての認定試験はAEC-Q100規格で定義されており、これらの試験の多くはJEDEC規格でも規定されています。一部のアプリケーションでは、トラックや堅牢な車両システムなど、電子機器の信頼性要件がさらに高く、目標のミッションプロファイル要件を満たすためにHTOLおよびTC試験で2倍の認定用ストレスを処理できる必要があります。MPSのMPQ4572-AEC1は、65V降圧コンバータで、2A出力を提供し、かつこのような厳しい信頼性要件を満たすことができます。

図2: MPS HTOLチャンバー

加速係数の理解

HTOL試験は、JEDEC標準のJESD22-A108によって定義されています。231個が1セットとなっており、125°Cで1,000時間の動作試験を受けます。このテストでは、アレニウスモデルを使用して、現場の動作と同等の時間をシミュレートするために必要なテスト時間 (tt) を与える加速度係数 (Af) を決定します。表1は、平均ジャンクション温度 (T_J) 87°C で 12,000 時間の稼働を行うミッションプロファイルの例を示しています。T_Jはシリコンの温度であり、周囲温度 (T_A) がT_Jよりはるかに低くなるので、電力の散逸が著しいICでは特に考慮する必要があります。

表1: AEC-Q100 H版、表A7.1 - AEC-Q100 ストレステストの条件と期間の基本計算

項目	稼働	熱機械
ミッションプロファイルの入力	tU = 12,000時間 (15年間の使用時間の平均) $$A_f = exp \left[\frac{E_a}{K_B} \times \left(\frac{1}{T_u}-\frac{1}{T_t}\right)\right]$$ TU = 87°C (使用環境における平均接合部温度)	nU = 54,750回 (15年間のエンジンのオン / オフサイクル数) TU = 76°C (使用環境における平均熱サイクル温度変化)
ストレステスト	高温動作ライフタイム (HTOL）	温度サイクル (TC)
ストレス条件	Tt = 125°C (テスト環境での接合部温度)	Tt = 205°C (試験環境における熱サイクル温度変化: -55°C～+150°C)
加速モデル (すべての温度の単位はK)	アレニウス   高温ストレージライフタイム (HSL)、NVM 耐久性、データ保持焼き、稼働ライフタイム (EDR) にも適用可能	コフィン・マンソン $$A_f = \left(\frac{\Delta T_t}{\Delta T_u}\right)^m$$ 電源の温度サイクル（PTC）にも対応
モデルパラメータ	Ea =0.7eV (活性化エネルギー。0.7eVは代表値であり、実際の値は故障メカニズムに依存し、範囲は-0.2eV～1.4eV) kB = 8.61733 x 10-5eV/K (ボルツマン定数)	m = 4 (Coffin Manson exponent; 4 コフィン・マンソン指数; 4は硬質合金の亀裂に使用されます。実際の値は故障メカニズムに依存し、延性材料の1から脆性材料の9までの範囲)
計算されたテスト期間	tt = 1,393時間 (試験時間) $$ t_t = \frac{t_u}{A_f} $$	nt = 1,034回 (テストのサイクル数) $$n_t=\frac{n_u}{A_f}$$
Q100 試験期間	1,000時間	1,000回

 

この例では、125°C T_Jで 1,393時間を要し、87°C T_Jで12,000時間をシミュレートします。

HTOLの認定には1,000時間を要します。表1の計算式を使うと、上記シナリオの加速係数は8,615と計算されます。125°CのT_Jでたった8.615時間にすぎません。これを考慮に入れると、ミッションプロファイルは約40%ほど認定ストレスを超えることになります。

ミッションプロファイルの計算

表2に、ミッションプロファイルと、その定義方法を示します。

プロフィール
アクティブ		パッシブ
TJ (°C)	時間 (h)	TJ (°C)	時間 (h)
-40	45	-40	346
-20	45	15	21168
40	855	25	42336
50	3150	35	21168
60	4950	40	1382
70	9000		86400
80	11250
90	6750
100	4950
110	2700
120	1170
125	135
	45000
Total	131400	(15-year lifetime)

表2: 代表的なミッションプロファイル

この例では、アクティブモードとパッシブモードが定義されており、すべての温度が接合温度として定義されています。したがって、アクティブモードとパッシブモードでは、差別化は必要ありません。ICが動作している時の電流密度に関連する劣化効果は確かにありますが、温度の劣化効果と比べると、これらの影響は軽微です。

表1のアレニウスモデルを使用して、表2にミッションプロファイルの最初のデータ点 (-40°C) を入力します。

$$Af=exp\Biggl[\left(\frac{Ea}{kb}\right)\times\left(\frac{1}{273K-40K}-\frac{1}{273K+125K}\right)\Biggl]$$ $$Af=4184927.76$$

表1の式2、加速計数と表2のミッションプロファイルの第2のデータポイント (45時間) を用いて、必要なテスト時間 (tt) が次の式2によって計算できます。

$$Af=\frac{tu}{tt}$$ $$tt=\frac{tu}{Af}$$ $$tt=\frac{45h}{4184927.76}$$ $$tt=0.000107h$$

つまり、45時間以上の-40°Cで表される現実のストレスは、125°Cで1時間のHTOL試験に等しくなります (表2参照)。ミッションプロファイルによる総ストレスを計算するには、ミッションプロファイルのすべてのデータポイントを同様に計算する必要があり、関連する同等のテスト時間は合計約5,888時間にする必要があります。つまり、実際の環境では、デバイスはテスト条件下で受け取ったストレスの6倍のストレスを受け取ります。

1,000時間のHTOL試験に合格することは、デバイスが少なくとも1,000時間のストレスに耐えることができることを意味します。しかし、これは、デバイスが1,000時間を超えてどのくらい長くストレスに耐えることができるかを保証するものではありません。同等のストレスが資格取得ストレスの6倍であることを考えると、満期前の故障が起こる可能性があるという懸念があることは確かです。

そのため、車載用電子機器の信頼性試験は非常に重要であり、ICは高いレベルのストレスに耐えられる必要があります。 図3は、HTOL試験を受けているMPSデバイスを示しています。

図3: HTOL試験下のMPSデバイスは負荷条件下で稼働します

ミッションプロファイルを緩和できない場合 (例えば、ヒートシンク対策によって接合温度を下げて関連するストレスを低減できないなど) 、条件を調整する必要があります。

この例を使用して、150°Cに上げたT_J でHTOLの認定を行います。このシナリオでのミッションプロファイルのストレスをカバーするために必要なテスト時間は、約1,767時間に短縮されます。150°Cは通常、シリコンが損傷を受けない絶対最大温度であるため、ジャンクション温度が高い場合は不可能です。そうは言っても、この例のテスト時間はいくらか延長する必要があります。2,000時間なら非常に安全です。しかし、1,500時間の品質試験時間でさえ、かなりのレベルの信頼を提供することができ、テストコストと時間に対して合理的なトレードオフになる可能性があります。

ミッションプロファイルの定義

最後に、誰が実際にこれらの計算を行う必要があり、どの当事者が責任を負うのしょう? 車載アプリケーションでは、AEC-Q100規格により明確にされています。「改訂版の付録7」では、既存の部品と認定部品の評価に適用できるフローチャートがあります (図4参照)。

図4: AEC-Q100 H版スタンダードのフローチャート A7.2

はじめに、電気制御ユニット (ECU) 用のミッションプロファイルはティア1によって定義され、使用される部品が対象となるミッションプロファイルにも適用されます。部品が存在し、既に認定されている場合は、部品の製造元が基本計算を行っています。

図1は当記事で前述した基本のミッションプロファイルを意味するHTOL認定を示しています。このデータとアレニウスモデルで、ティア1は実際のアプリケーションのミッションプロファイルが試験条件に相当しているかを判断します。温度や電圧ストレス以外のパラメータについても同様です。

結論

各アプリケーションは、複数のストレス条件下で信頼性要件を高めるよう設計されています。これは主に自動車産業および産業アプリケーションの要件によって駆動されます。ミッションプロファイルは注目を集めており、ターゲットアプリケーションの実際のストレス源と可能な限り密接に一致する必要があります。ICメーカーはMPSのMPQ8875A-AEC1やMPQ4572-AEC1など、その予想されるライフタイムストレスの下で指定された性能を維持できるデバイスを設計する必要があります。ティア1の設計者やICの設計者が早い段階でチームを形成し、コスト効率を最大化しながらECUの信頼性に関連した実際の要求に最大限合わせられるよういかにアプリケーションを設計するか判断するようにすると得策です。

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