信頼性（半導体）

半導体デバイスの信頼性とは、デバイスが現場での使用期間中に、本来の機能を果たす能力のことである。

信頼性の高い半導体デバイスを開発する際には、考慮すべき点が複数あります。

1. 半導体デバイスは不純物や微粒子に非常に敏感です。そのため、これらのデバイスを製造するには、不純物や微粒子のレベルを正確に制御しながら、多くの工程を管理する必要があります。最終製品の品質は、金属配線、チップ材料（半導体材料一覧）、パッケージなど、半導体内の相互作用する各物質の多層的な関係に依存します。
2. 微細加工や薄膜に関する問題は、金属化やワイヤボンディングに適用される観点から十分に理解されなければならない。また、薄膜の観点から表面現象を分析することも必要である。
3. 技術の急速な進歩に伴い、多くの新製品は新しい材料やプロセスを用いて開発されており、非反復的な技術的制約や市場投入までの時間的制約のため、設計期間は限られている。したがって、既存製品の信頼性を基盤として新しい設計を行うことは不可能である。
4. 規模の経済性を実現するため、半導体製品は大量生産される。さらに、完成した半導体製品の修理は現実的ではない。したがって、設計段階での信頼性の確保と、生産段階でのばらつきの低減が不可欠となっている。
5. 半導体デバイスの信頼性は、組み立て、使用、環境、冷却条件によって左右される可能性があります。デバイスの信頼性に影響を与えるストレス要因には、ガス、粉塵、汚染、電圧、電流密度、温度、湿度、機械的ストレス、振動、衝撃、放射線、圧力、磁場および電場の強度などがあります。

半導体の信頼性に影響を与える設計要因には、電圧、電力、電流のディレーティング、メタステーブル状態、ロジックタイミングマージン（ロジックシミュレーション）、タイミング解析、温度ディレーティング、プロセス制御などがあります。

半導体の信頼性は、いくつかの方法によって高く維持されています。クリーンルームは不純物を制御し、 プロセス制御は処理を制御し、バーンイン（極限状態での短時間の動作）とプローブおよびテストは漏れを減らします。プローブ（ウェーハプローバー）は、テスト装置に接続されたマイクロプローブを介して、パッケージング前に半導体ダイをテストします。最終テストは、多くの場合、動作を保証する一連のパラメータについて、バーンインの前後にパッケージングされたデバイスをテストします。プロセスと設計の弱点は、たとえばAEC Q100 および Q101 ストレス認定 に従って、半導体の市場投入前の認定フェーズで一連のストレス テストを適用することによって特定されます。 ^{[ 1 ]}部品平均テストは、信頼性障害の可能性が高い半導体ダイを認識して隔離するための統計的手法です。この手法は、仕様の範囲内であるが、その母集団の正規分布から外れている特性を、高信頼性アプリケーションに適さないリスクのある外れ値として特定します。テスターベースの部品平均テストの種類には、パラメトリック部品平均テスト（P-PAT）や地理的部品平均テスト（G-PAT）などがあります。インライン部品平均テスト（I-PAT）は、生産工程管理検査と計測からのデータを使用して外れ値認識機能を実行します。^{[ 2 ] [ 3 ]}

接着強度の測定は、引張試験とせん断試験の2つの基本的な方法で行われます。どちらも破壊的に行うこともできますが、破壊的な方法の方が一般的です。また、非破壊的に行うこともできます。非破壊試験は、軍事や航空宇宙用途など、極めて高い信頼性が求められる場合によく使用されます。^{[ 4 ]}

電子半導体デバイスの故障メカニズムは、以下のカテゴリーに分類されます。

1. 物質相互作用によって誘発されるメカニズム。
2. ストレス誘発メカニズム。
3. 機械的要因によって引き起こされる破壊メカニズム。
4. 環境要因によって引き起こされる故障メカニズム。

故障メカニズムに応じて、コフィン・マンソンの法則やパリスの法則など、故障物理学の手法を用いて半導体の故障を予測することができる。^{[ 5 ]}しかし、データ駆動型の手法は、例えば同時発生する故障メカニズムによって生じる不確実性を考慮するために、これらのアプローチを補完することが多い。^{[ 6 ]}

• トランジスタの経年劣化
• 故障解析
• クリーンルーム
• バーンイン
• 材料試験関連資料一覧
• 材料分析方法一覧

• ジュリオ・ディ・ジャコモ（1996年12月1日）、『電子パッケージと半導体デバイスの信頼性』、マグロウヒル
• A. Christou & BA Unger (1989年12月31日)、半導体デバイスの信頼性、NATO科学シリーズE
• MIL-HDBK-217F 電子機器の信頼性予測
• MIL-HDBK-251 信頼性/設計熱アプリケーション
• MIL-HDBK-H 108 寿命および信頼性試験のためのサンプリング手順と表（指数分布に基づく）
• MIL-HDBK-338 電子機器信頼性設計ハンドブック
• MIL-HDBK-344 電子機器の環境ストレススクリーニング
• MIL-STD-690C 故障率サンプリング計画および手順
• MIL-STD-721C 信頼性および保守性に関する用語の定義
• MIL-STD-756B 信頼性モデリングと予測
• MIL-HDBK-781 エンジニアリング開発、認定および生産のための信頼性試験方法、計画および環境
• MIL-STD-1543B 宇宙およびミサイルシステムの信頼性プログラム要件
• MIL-STD-1629A 故障モード、影響、および重要度解析の実施手順
• MIL-STD-1686B 電気・電子部品、アセンブリおよび機器の保護のための静電気放電制御プログラム（電気的に起爆する爆発装置を除く）
• MIL-STD-2074 信頼性試験における故障分類
• MIL-STD-2164 電子機器の環境ストレススクリーニングプロセス
• 半導体信頼性ハンドブック（PDF）。ルネサス テクノロジー株式会社。2006年8月31日。 2006年12月1日にオリジナル（PDF）からアーカイブされました。
• Kayali, S. 「基本的な故障モードとメカニズム」(PDF)。
• 「信頼性規格およびハンドブック」 。 2005年11月8日にオリジナルからアーカイブされました。
• アクバリ、モーセン。タヴァコリ・ビナ、モハマド。バフマン、アミール・サジャド。エスカンダリ、バフマン。プールスマイル、エドリス。ブラーブジェルク、フレデ (2021)。「熱老化を考慮したマルチチップ IGBT モジュールの拡張多層熱モデル」。IEEE アクセス。9 : 84217– 84230。Bibcode : 2021IEEEA...984217A。土井：10.1109/ACCESS.2021.3083063。S2CID 235455172。 
• Akbari, M.; Bahman, AS; Reigosa, PD; Iannuzzo, F.; Bina, MT (2018年9月) 「不均一な温度と電流の相互作用を考慮したワイヤボンディングパワーモジュールの熱モデリング」 Microelectronics Reliability . 88–90 : 1135–1140 . Bibcode : 2018MiRe...88.1135A . doi : 10.1016/j.microrel.2018.07.150 . S2CID 53529098 .