神奈川県産業技術センター研究報告 No.21／2015 半導体デバイスの非破壊検査に関する研究 電子技術部 電子デバイスチーム 田 口 勇 八 坂 慎 一 高耐熱・高電流密度に対応するために十分なパワーサイクル耐久性を有する半導体デバイスの普及・展開が求め られている．本研究では，典型的な半導体デバイスについて，パワーサイクル試験を行い，電気特性を評価すると ともに超音波を使用した非破壊検査を実施し，故障に至るまでの典型的な原因等について検討した．その結果，パ ワーサイクル試験によって接合層に欠陥が発生し，この欠陥により順方向電圧の最大値（Vfmax）が上昇して電気 的な故障に至る可能性があることがわかった． キーワード：半導体デバイス，故障，超音波，非破壊検査 １ とするとともに，1 サイクル中の接合部温度の最大値 はじめに （Tjmax）が 150 ℃となるように制御した．なお，Tjmax 高耐熱・高電流密度に対応可能な半導体デバイスを については，あらかじめサンプルの順方向電圧（順方 実現し，普及・展開を図るためには，開発試作品から 向電流 20 mA）の温度依存性を測定しておき，この温 量産品に至る様々な製品の信頼性試験と故障解析が不 度特性を用いて換算することとした．また，当該試験中 可欠である．特に，信頼性試験のうちパワーサイクル に，1 サイクル中の通電時における順方向電圧の最大値 試験については，故障に至るまでの原因やメカニズム （Vfmax）を測定し，設定値（2.6 V）を超えた場合には について十分わかっていない．そこで，本研究では， 故障と判断して自動停止することとした．さらに，試験 市販の典型的な半導体デバイスを対象にパワーサイク 前と試験後（1 万サイクル後）において，超音波映像装 ル試験を行い，試験中の電気特性の履歴をモニタする 置による観察を行った．このとき，試料金属側から観察 と と も に 超 音 波 映 像 装 置 （ Scanning Acoustic することにより接合層近辺の状況について評価し，試 Tomography：SAT）による観察を行うことにより，故 料樹脂側から観察することによりワイヤー近辺の状況 障に至るまでの典型的な原因等について検討する． について評価した． ２ 実験 市販の樹脂封止型ショットキーバリアダイオードに ついて，外部冷却器（ヒートシンク）に市販の両面接着 テープ（熱伝導シート）を用いて機械的に接続した（図 1）．このとき，当該冷却器は水冷方式であり冷却水は， 水温 25 ℃，流量 4 L/min，エチレングリコール濃度約 50 ％とした．次に，30 秒毎に断続的に通電（1 分/サイ 図1 パワーサイクル試験時の試料断面構造図 クル）することによるパワーサイクル試験を行った．こ のとき，順方向電流の大きさは，定格電流（30 A）以下 ３ 38 結果と考察 神奈川県産業技術センター研究報告 No.21／2015 図2に，順方向電圧の最大値（Vfmax）の履歴を示す． これより，１万サイクルまでのパワーサイクル試験で は設定値以下であり故障にはあたらないものの，徐々 に上昇しており，導通部分に不具合が発生している可 能性が考えられる．このとき，ワイヤー近辺のSAT像 を測定したところ，ワイヤーの破損は見られなかった （図3）．次に，接合層近辺の超音波反射エコーとSAT 像を図4に示す．これにより, 試験前においてチップが 図3 ワイヤー近辺の SAT 像（試験後） 金属基板上に接合されていたとみられる反射エコーが 測定された箇所について，試験後には，空隙とみられ る反射エコーが測定された．また，SAT像の様子から， そのような領域がチップ面積の30 ％程度観察される ことから，パワーサイクル試験により欠陥が発生し， 接合層の約30 ％の領域でチップと金属基板が剥離し たことがわかった．これらの欠陥が発生・成長したこ とにより接合層の電気特性が劣化しVfmaxが上昇したと 考えられる． ４ 結論 樹脂封止型ショットキーバリアダイオードのパワー サイクル試験の際に，順方向電圧の最大値（Vfmax）が 徐々に上昇し電気的な故障に至る可能性があることが わかった．また，SAT像の観察結果から当該試験中に チップと裏面金属基板との接合層に剥離が発生してい ることがわかった．この欠陥により，接合層の電気特 性が劣化しVfmaxが上昇したと考えられる．この剥離の 発生要因や熱特性への影響などについては，より詳細 な調査が必要である． 図4 図2 順方向電圧の最大値（Vfmax）の履歴 接合層近辺の超音波反射エコーと SAT 像； (a)試験前，(b)試験後 39
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