(57)【要約】【課題】短い試験期間で半導体モジュールの信頼性を評価する。【解決手段】試験方法は、ヒートサイクル試験（Ｈ／Ｃ試験）において接合材により絶縁基板が金属ベースに接合された半導体モジュールに生じる変形に応じた応力、ひずみ等の変化を半導体モジュールに生じさせる機械的負荷を決定する決定段階、接合材に対応するサンプル接合材料を含む試験サンプルに対して機械的負荷を与える機械疲労試験を行う試験段階、機械疲労試験の結果よりＨ／Ｃ試験による半導体モジュールに対するＨ／Ｃ寿命曲線を推定することで、導体モジュールの信頼性を評価する評価段階を備える。これにより、試験期間を短縮することができる。【選択図】図１５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信頼性試験において基体に接合材料を接合した評価対象物に生じる変形に応じた変化を前記評価対象物に生じさせる機械的負荷を決定する決定段階と、
前記接合材料に対応するサンプル接合材料を含む試験サンプルに対して前記機械的負荷を含む負荷を与える試験段階と、
を備える試験方法。
【請求項２】
前記信頼性試験は、ヒートサイクル試験またはパワーサイクル試験、である請求項１に記載の試験方法。
【請求項３】
前記評価対象物は、前記基体および被接合体を前記接合材料により接合された構造部を有し、
前記試験サンプルは、前記基体に対応するサンプル基体および前記被接合体に対応するサンプル被接合体を前記サンプル接合材料により接合された構造部を有する
請求項１または２に記載の試験方法。
【請求項４】
前記基体および前記サンプル基体、前記被接合体および前記サンプル被接合体、並びに前記接合材料および前記サンプル接合材料のそれぞれは、同一材料により形成され、
前記サンプル接合材料は、１以上の縁部において前記接合材料の対応する縁部に相当する厚みを有する
請求項３に記載の試験方法。
【請求項５】
前記評価対象物は、
前記基体としての金属ベースと、
表面に回路パターンおよび裏面に金属板を接合した絶縁基板と、
前記回路パターンに搭載された半導体素子と
を備え、
前記被接合体としての前記金属板と前記金属ベースとが前記接合材料により接合された構造部を有する
請求項３または４に記載の試験方法。
【請求項６】
前記決定段階において、前記信頼性試験における前記接合材料の１以上の縁部の変形に応じた変化量を機械的に与える前記機械的負荷を決定する請求項３から５のいずれか一項に記載の試験方法。
【請求項７】
前記決定段階において、
前記信頼性試験中における前記評価対象物の変形に応じた変化量を計測し、
前記試験サンプルに対し、計測した前記変化量に対応する負荷を与える前記機械的負荷を決定する
請求項３から６のいずれか一項に記載の試験方法。
【請求項８】
前記決定段階において、
前記信頼性試験において１以上の縁部における変形に応じた変化量を解析により算出し、
算出した前記変化量に対応する負荷を前記接合材料の前記１以上の縁部に与える前記機械的負荷を決定する
請求項３から６のいずれか一項に記載の試験方法。
【請求項９】
前記機械的負荷の決定において、前記試験サンプルに対して前記変化量に対応する負荷を機械的に与える前記機械的負荷を解析により算出する請求項７または８に記載の試験方法。
【請求項１０】
前記試験段階は、前記サンプル基体の面内の２以上の支点で囲まれた領域を相対的に押して前記試験サンプルに反り変形を与えることにより行われ、
前記サンプル被接合体は、前記サンプル基体の面内で前記反り変形による曲率半径が最小となる方向に向かって二辺が互いに近づき交わる角部を有する板状の部材である
請求項３から９のいずれか一項に記載の試験方法。
【請求項１１】
前記サンプル基体および前記サンプル被接合体は方形であり、
前記サンプル被接合体の外周辺のうちの一辺は、前記サンプル基体の外周辺のうちの一辺に対して予め定められた角度の方向に向けられている
請求項１０に記載の試験方法。
【請求項１２】
前記予め定められた角度は、４５度である
請求項１１に記載の試験方法。
【請求項１３】
前記試験段階において、前記信頼性試験のサイクル数に応じた回数と同じ回数を繰り返し前記試験サンプルを変形させる
請求項３から１２のいずれか一項に記載の試験方法。
【請求項１４】
前記試験段階において、予め定められた温度条件下で前記試験サンプルを繰り返し変形させる請求項３から１３のいずれか一項に記載の試験方法。
【請求項１５】
前記信頼性試験は、ヒートサイクル試験であり、
前記試験段階において、前記ヒートサイクル試験における条件に応じた温度条件下で前記試験サンプルを繰り返し変形させる請求項１４に記載の試験方法。
【請求項１６】
前記信頼性試験は、ヒートサイクル試験であり、
前記試験段階において、前記ヒートサイクル試験におけるサイクル時間以下の周期で前記試験サンプルを繰り返し変形させる
請求項３から１５のいずれか一項に記載の試験方法。
【請求項１７】
繰り返し曲げられた前記試験サンプルにおける接合された構造部の状態に基づいて、前記評価対象物の前記接合された構造部の信頼性を評価する評価段階を更に備える請求項１３から１６のいずれか一項に記載の試験方法。
【請求項１８】
前記評価段階において、複数温度条件のヒートサイクル試験のそれぞれに対応して、前記機械的負荷を決定することおよび前記繰り返し変形させることを行った結果に基づいて、ヒートサイクル寿命曲線を推定する
請求項１７に記載の試験方法。
【請求項１９】
前記試験段階は、前記決定段階に先立って、複数の前記試験サンプルのそれぞれに対して異なる機械的負荷を与える複数の試験を行い、
前記決定段階は、前記複数の試験の中から、前記信頼性試験において前記評価対象物の前記接合された構造部に生じる変形に応じた変化を前記試験サンプルに与える試験を決定し、
決定された前記試験の試験結果に基づいて、前記評価対象物の前記接合された構造部の信頼性を評価する評価段階を更に備える
請求項１から１８のいずれか一項に記載の試験方法。
【請求項２０】
前記決定段階は、前記複数の試験の中から、前記信頼性試験における前記評価対象物の変形に応じた変化量に対応する負荷を与えた試験を決定する請求項１９に記載の試験方法。
【請求項２１】
前記変形に応じた変化量として、応力、応力勾配、ひずみ、ひずみ勾配、および温度の少なくとも１つを用いる請求項７から９および２０のいずれか一項に記載の試験方法。
【請求項２２】
前記変形に応じた変化量として、前記評価対象物および前記試験サンプルの予め定められた範囲内における、応力またはひずみの一次元分布、二次元分布、または三次元分布を用いる請求項７から９、２０、および２１のいずれか一項に記載の試験方法。
【請求項２３】
前記試験サンプルは、サンプル基体およびサンプル被接合体を前記サンプル接合材料により接合した構造部を有し、
前記試験段階は、複数の前記試験サンプルのそれぞれに対して、前記サンプル基体に加える荷重、前記サンプル基体の面内に決定された荷重を与える力点と支点との間の距離、前記サンプル基体の厚み、前記サンプル被接合体の厚み、前記サンプル接合材料により接合された構造部の厚み、および前記サンプル被接合体のサイズのうち少なくとも１つが異なる前記試験サンプルを用いた機械的負荷を与える複数の試験を行う
請求項１９から２２のいずれか一項に記載の試験方法。
【請求項２４】
請求項１から２３のいずれか一項に記載の試験方法による試験のための試験サンプルであって、
前記基体および被接合体を前記接合材料により接合した構造を有する前記評価対象物における前記基体に対応するサンプル基体と、
前記被接合体に対応するサンプル被接合体と、
前記サンプル基体および前記サンプル被接合体を接合するサンプル接合材料と
を備える試験サンプル。
【請求項２５】
前記試験方法における前記試験段階は、前記サンプル基体の面内の２以上の支点で囲まれた領域を相対的に押して前記試験サンプルに反り変形を与えることにより行われ、
前記サンプル被接合体は、前記サンプル基体の面内で前記反り変形による曲率半径が最小となる方向に向かって二辺が互いに近づき交わる角部を有する板状の部材である
請求項２４に記載の試験サンプル。
【請求項２６】
前記サンプル基体および前記サンプル被接合体は方形であり、
前記サンプル被接合体の外周辺のうちの一辺は、前記サンプル基体の外周辺のうちの一辺に対して予め定められた角度の方向に向けられている
請求項２５に記載の試験サンプル。
【請求項２７】
前記予め定められた角度は、４５度である
請求項２６に記載の試験サンプル。
【請求項２８】
請求項１から２３のいずれか一項に記載の試験方法により試験を行う試験システム。
【請求項２９】
サンプル接合材料を含む複数の試験サンプルのそれぞれに対して異なる機械的負荷を与えた複数の試験の試験結果を取得する取得段階と、
前記複数の試験の中から、信頼性試験において、基体に接合材料を接合した評価対象物の前記接合された構造部に生じる変形に応じた変化を試験サンプルに与えた試験を決定する決定段階と、
決定された前記試験の試験結果に基づいて、前記評価対象物の前記接合材料の部分の信頼性を評価する評価段階と
を備える評価方法。
【請求項３０】
前記決定段階は、前記複数の試験の中から、前記信頼性試験における前記評価対象物の変形に応じた変化量に対応する負荷を機械的に与えた試験を決定する請求項２９に記載の評価方法。
【請求項３１】
前記変形に応じた変化量として、応力、応力勾配、ひずみ、ひずみ勾配、および温度の少なくとも１つを用いる請求項３０に記載の評価方法。
【請求項３２】
前記変形に応じた変化量として、前記評価対象物および前記試験サンプルの予め定められた範囲内における、応力またはひずみの一次元分布、二次元分布、または三次元分布を用いる請求項３０または３１に記載の評価方法。
【請求項３３】
前記試験サンプルは、サンプル基体およびサンプル被接合体を前記サンプル接合材料により接合した構造部を有し、
前記取得段階は、前記複数の試験サンプルのそれぞれに対して、前記サンプル基体に加える荷重、前記サンプル基体の面内に決定された荷重を与える力点と支点との間の距離、前記サンプル基体の厚み、前記サンプル被接合体の厚み、前記サンプル接合材料により接合された構造部の厚み、および前記サンプル被接合体のサイズのうち少なくとも１つが異なる機械的負荷を与えた前記複数の試験の試験結果を取得する
請求項２９から３２のいずれか一項に記載の評価方法。
【請求項３４】
請求項２９から３３のいずれか一項に記載の評価方法を実行する評価システム。
【請求項３５】
コンピュータに、請求項２９から３３のいずれか一項に記載の評価方法を実行させるための評価プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試験方法、試験サンプル、試験システム、評価方法、評価システム、及び評価プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば太陽光発電、風力発電等の再生可能エネルギ分野、ハイブリッド自動車、電気自動車等の車載分野、車両等の鉄道分野のような主幹産業分野において、パワー半導体モジュール（単に半導体モジュールとも呼ぶ）が組み込まれたパワーコンディショナ（ＰＣＳ）、インバータ、スマートグリッド等の電力変換システムが採用されている。これらのシステムを安定に稼働することは主幹産業分野においては特に重要であり、半導体モジュールの高い信頼性が求められる。
【０００３】
半導体モジュールの信頼性試験の１つに、例えば、ヒートサイクル試験（Ｈ／Ｃ試験）がある。この試験では、例えば−４０〜１２５℃の温度変化（ヒートサイクル）による熱負荷を半導体モジュールに与える。例えば、半導体素子が搭載された絶縁基板をはんだ、樹脂等の接合材を用いて金属ベースに接合することにより構成される半導体モジュールの場合、それぞれ異なる線膨張係数を有する絶縁基板及び金属ベースが温度変化に伴って熱膨張及び収縮することで、それらの間の接合材に曲げ応力（ストレス）が加わり、数１００〜数１０００サイクルの温度変化を介して疲労が蓄積し、端部から内側に向かってクラックが成長し、半導体素子から金属ベースへの熱伝導性が低下することにより故障に至る。ヒートサイクルのサイクル数に対してクラックの成長等、接合材の状態を評価することで、半導体モジュールの製品寿命、すなわち熱機械的信頼性（単に信頼性と呼ぶ）が評価される（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１  特開２００３−２１５８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、Ｈ／Ｃ試験では、個々のヒートサイクルにおいて高温度及び低温度をそれぞれ約４０分の保持時間の間、保持するため、ヒートサイクルを、１サイクルを約２時間で数１０００サイクル又はそれ以上繰り返すことにより、例えば１年もの長い期間をかけて半導体モジュールを試験する。試験によりモジュールは製品規格を満足しないと評価された場合には、モジュールを設計変更して再度試験することとなる。それにより製品開発が著しく遅延することとなる。
【０００５】
また、従来、Ｃｏｆｆｉｎ−Ｍａｎｓｏｎ則に従って、半導体モジュールに使用する接合材と同一材料からなるロッド状のバルク材に対して引張及び圧縮の疲労試験を行い、その結果を利用してヒートサイクルに対する半導体モジュールの信頼性を評価することがある。しかし、この手法は、引張及び圧縮によりバルク材に加わる応力はヒートサイクルにより接合材に加わる応力と振る舞いが異なるため、半導体モジュールの信頼性を評価するには必ずしも適当ではない。実際、信頼性を過少に評価する傾向にある。
【０００６】
従って、半導体モジュールの信頼性をその設計の詳細によらず少ない因子のみで評価できるようにモジュールをモデル化し、それらの少ない因子のみによりヒートサイクルにより半導体モジュールに加わる応力を再現することで、様々な構成の半導体モジュールの信頼性を統一的に且つ短時間で評価することができる試験方法が望まれる。
【０００７】
半導体モジュールの信頼性試験以外のあらゆる分野においても、基体に接合材料を接合した構造部を有する対象物を直接曲げ試験を行う、またはヒートサイクル試験等により間接的に応力を加えることによって信頼性を試験する場合がある。このような任意の構造部の信頼性を短時間で評価することもまた望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（項目１）
試験方法は、信頼性試験において基体に接合材料を接合した評価対象物に生じる変形に応じた変化を評価対象物に生じさせる機械的負荷を決定する決定段階を備えてよい。
試験方法は、接合材料に対応するサンプル接合材料を含む試験サンプルに対して機械的負荷を含む負荷を与える試験段階を備えてよい。
【０００９】
（項目２）
信頼性試験は、ヒートサイクル試験またはパワーサイクル試験、であってよい。
【００１０】
（項目３）
評価対象物は、基体および被接合体を接合材料により接合された構造部を有してよい。
試験サンプルは、基体に対応するサンプル基体および被接合体に対応するサンプル被接合体をサンプル接合材料により接合された構造部を有してよい。
【００１１】
（項目４）
基体およびサンプル基体、被接合体およびサンプル被接合体、並びに接合材料およびサンプル接合材料のそれぞれは、同一材料により形成されてよい。
サンプル接合材料は、１以上の縁部において接合材料の対応する縁部に相当する厚みを有してよい。
【００１２】
（項目５）
評価対象物は、基体としての金属ベースと、表面に回路パターンおよび裏面に金属板を接合した絶縁基板と、回路パターンに搭載された半導体素子とを備えてよい。
被接合体としての金属板と金属ベースとが接合材料により接合された構造部を有してよい。
【００１３】
（項目６）
決定段階において、信頼性試験における接合材料の１以上の縁部の変形に応じた変化量を機械的に与える機械的負荷を決定してよい。
【００１４】
（項目７）
決定段階において、信頼性試験中における評価対象物の変形に応じた変化量を計測してよい。
決定段階において、試験サンプルに対し、計測した変化量に対応する負荷を与える機械的負荷を決定してよい。
【００１５】
（項目８）
決定段階において、信頼性試験において１以上の縁部における変形に応じた変化量を解析により算出してよい。
決定段階において、算出した変化量に対応する負荷を接合材料の１以上の縁部に与える機械的負荷を決定してよい。
【００１６】
（項目９）
機械的負荷の決定において、試験サンプルに対して変化量に対応する負荷を機械的に与える機械的負荷を解析により算出してよい。
【００１７】
（項目１０）
試験段階は、サンプル基体の面内の２以上の支点で囲まれた領域を相対的に押して試験サンプルに反り変形を与えることにより行われてよい。
サンプル被接合体は、サンプル基体の面内で反り変形による曲率半径が最小となる方向に向かって二辺が互いに近づき交わる角部を有する板状の部材であってよい。
【００１８】
（項目１１）
サンプル基体およびサンプル被接合体は方形であってよい。
サンプル被接合体の外周辺のうちの一辺は、サンプル基体の外周辺のうちの一辺に対して予め定められた角度の方向に向けられていてよい。
【００１９】
（項目１２）
予め定められた角度は、４５度であってよい。
【００２０】
（項目１３）
試験段階において、信頼性試験のサイクル数に応じた回数と同じ回数を繰り返し試験サンプルを変形させてよい。
【００２１】
（項目１４）
試験段階において、予め定められた温度条件下で試験サンプルを繰り返し変形させてよい。
【００２２】
（項目１５）
信頼性試験は、ヒートサイクル試験であってよい。
試験段階において、ヒートサイクル試験における条件に応じた温度条件下で試験サンプルを繰り返し変形させてよい。
【００２３】
（項目１６）
信頼性試験は、ヒートサイクル試験であってよい。
試験段階において、ヒートサイクル試験におけるサイクル時間以下の周期で試験サンプルを繰り返し変形させてよい。
【００２４】
（項目１７）
試験方法は、繰り返し曲げられた試験サンプルにおける接合された構造部の状態に基づいて、評価対象物の接合された構造部の信頼性を評価する評価段階を更に備えてよい。
【００２５】
（項目１８）
評価段階において、複数温度条件のヒートサイクル試験のそれぞれに対応して、機械的負荷を決定することおよび繰り返し変形させることを行った結果に基づいて、ヒートサイクル寿命曲線を推定してよい。
【００２６】
（項目１９）
試験段階は、決定段階に先立って、複数の試験サンプルのそれぞれに対して異なる機械的負荷を与える複数の試験を行ってよい。
決定段階は、複数の試験の中から、信頼性試験において評価対象物の接合された構造部に生じる変形に応じた変化を試験サンプルに与える試験を決定してよい。
試験方法は、決定された試験の試験結果に基づいて、評価対象物の接合された構造部の信頼性を評価する評価段階を更に備えてよい。
【００２７】
（項目２０）
決定段階は、複数の試験の中から、信頼性試験における評価対象物の変形に応じた変化量に対応する負荷を与えた試験を決定してよい。
【００２８】
（項目２１）
変形に応じた変化量として、応力、応力勾配、ひずみ、ひずみ勾配、および温度の少なくとも１つを用いてよい。
【００２９】
（項目２２）
変形に応じた変化量として、評価対象物および試験サンプルの予め定められた範囲内における、応力またはひずみの一次元分布、二次元分布、または三次元分布を用いてよい。
【００３０】
（項目２３）
試験サンプルは、サンプル基体およびサンプル被接合体をサンプル接合材料により接合した構造部を有してよい。
試験段階は、複数の試験サンプルのそれぞれに対して、サンプル基体に加える荷重、サンプル基体の面内に決定された荷重を与える力点と支点との間の距離、サンプル基体の厚み、サンプル被接合体の厚み、サンプル接合材料により接合された構造部の厚み、およびサンプル被接合体のサイズのうち少なくとも１つが異なる試験サンプルを用いた機械的負荷を与える複数の試験を行ってよい。
【００３１】
（項目２４）
試験サンプルは、基体および被接合体を接合材料により接合した構造を有する評価対象物における基体に対応するサンプル基体を備えてよい。
試験サンプルは、被接合体に対応するサンプル被接合体を備えてよい。
試験サンプルは、サンプル基体およびサンプル被接合体を接合するサンプル接合材料を備えてよい。
【００３２】
（項目２５）
試験方法における試験段階は、サンプル基体の面内の２以上の支点で囲まれた領域を相対的に押して試験サンプルに反り変形を与えることにより行われてよい。
サンプル被接合体は、サンプル基体の面内で反り変形による曲率半径が最小となる方向に向かって二辺が互いに近づき交わる角部を有する板状の部材であってよい。
【００３３】
（項目２６）
サンプル基体およびサンプル被接合体は方形であってよい。
サンプル被接合体の外周辺のうちの一辺は、サンプル基体の外周辺のうちの一辺に対して予め定められた角度の方向に向けられていてよい。
【００３４】
（項目２７）
予め定められた角度は、４５度であってよい。
【００３５】
（項目２８）
試験システムは、項目１から２３のいずれか一項に記載の試験方法により試験を行ってよい。
【００３６】
（項目２９）
評価方法は、サンプル接合材料を含む複数の試験サンプルのそれぞれに対して異なる機械的負荷を与えた複数の試験の試験結果を取得する取得段階を備えてよい。
評価方法は、複数の試験の中から、信頼性試験において、基体に接合材料を接合した評価対象物の接合された構造部に生じる変形に応じた変化を試験サンプルに与えた試験を決定する決定段階を備えてよい。
評価方法は、決定された試験の試験結果に基づいて、評価対象物の接合材料の部分の信頼性を評価する評価段階を備えてよい。
【００３７】
（項目３０）
決定段階は、複数の試験の中から、信頼性試験における評価対象物の変形に応じた変化量に対応する負荷を機械的に与えた試験を決定してよい。
【００３８】
（項目３１）
変形に応じた変化量として、応力、応力勾配、ひずみ、ひずみ勾配、および温度の少なくとも１つを用いてよい。
【００３９】
（項目３２）
変形に応じた変化量として、評価対象物および試験サンプルの予め定められた範囲内における、応力またはひずみの一次元分布、二次元分布、または三次元分布を用いてよい。
【００４０】
（項目３３）
試験サンプルは、サンプル基体およびサンプル被接合体をサンプル接合材料により接合した構造部を有してよい。
取得段階は、複数の試験サンプルのそれぞれに対して、サンプル基体に加える荷重、サンプル基体の面内に決定された荷重を与える力点と支点との間の距離、サンプル基体の厚み、サンプル被接合体の厚み、サンプル接合材料により接合された構造部の厚み、およびサンプル被接合体のサイズのうち少なくとも１つが異なる機械的負荷を与えた複数の試験の試験結果を取得してよい。
【００４１】
（項目３４）
評価システムは、項目２９から３３のいずれか一項に記載の評価方法を実行してよい。
【００４２】
（項目３５）
評価プログラムは、コンピュータに、項目２９から３３のいずれか一項に記載の評価方法を実行させてよい。
【００４３】
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】評価対象物の一例として半導体モジュールの構成を示す。
【図２】ヒートサイクルにより半導体モジュールの接合材に加わる応力分布の一例を示す。
【図３Ａ】図３Ｂにおける基準線Ｌに関する試験サンプルの断面構成を示す。
【図３Ｂ】試験サンプルの下面構成を示す。
【図４】半導体モジュールを低温度−４０℃（上段）及び高温度１２５℃（下段）においた場合に接合材内に発生するひずみ分布を示す。
【図５】Ｈ／Ｃ試験後の半導体モジュールの接合材の状態（上段）及び機械疲労試験後の試験サンプルのサンプル接合体の状態（中段及び下段）を示す。
【図６】Ｈ／Ｃ試験におけるヒートサイクルにより半導体モジュールの接合材内に発生するひずみ分布（左）、機械疲労試験における曲げ変形により試験サンプルのサンプル接合材料内に発生するひずみ分布（中及び右）示す。
【図７】Ｈ／Ｃ試験におけるヒートサイクルにより半導体モジュールの接合材に発生したクラック（左）、機械疲労試験における曲げ変形により試験サンプルのサンプル接合材料に発生したクラック（中及び右）示す。
【図８】試験サンプルの３点曲げ試験においてサンプル接合材料に加える荷重に対するサンプル接合材料に生じる塑性ひずみの一例を示す。
【図９】試験サンプルの３点曲げ試験において試験サンプルを支持する２支点間の距離（支点間距離）に対するサンプル接合材料に加わる応力勾配及びひずみ感受性の一例を示す。
【図１０】試験サンプルの３点曲げ試験において試験サンプルを構成するサンプル被接合体の厚さに対するサンプル接合材料に加わる応力勾配及びひずみ感受性の一例を示す。
【図１１】試験サンプルの３点曲げ試験において試験サンプルを構成するサンプル接合材料の厚さに対するサンプル接合材料に加わる応力勾配及びひずみ感受性の一例を示す。
【図１２】寿命曲線の一例を示す。
【図１３】本実施形態に係る試験システムの構成を示す。
【図１４Ａ】機械疲労試験装置の構成を側面視において示す。
【図１４Ｂ】機械疲労試験装置の構成を上面視において示す。
【図１５】本実施形態に係る試験システムを用いた第１の試験方法のフローを示す。
【図１６】本実施形態に係る試験システムを用いた第２の試験方法のフローを示す。
【図１７】変形例に係る評価システムの構成を示す。
【図１８】変形例に係る評価システムを用いた評価方法のフローを示す。
【図１９】本実施形態に係るコンピュータの構成の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００４６】
図１は、本実施形態に係る試験方法及び評価方法により信頼性が評価される評価対象物の一例としての半導体モジュール１の構成の一例を示す。半導体モジュール１は、ケース２、絶縁基板３、接合材４、半導体素子５、端子６ａ，６ｃ，６ｃ、ワイヤ７ｂ，７ｃ、及びゲル充填材８を備える。
【００４７】
ケース２は、半導体モジュール１の構成各部を収容する筐体であり、金属ベース２ａ、枠体２ｂ、及び蓋体２ｃを含む。金属ベース２ａ（基体の一例）は、ケース２の底部を形成する板状の部材であり、その上に半導体モジュール１の構成各部を支持する。金属ベース２ａは、放熱性の高い銅（Ｃｕ）基板、アルミ炭化ケイ素複合材（Ａｌ−ＳｉＣ）基板等を採用することができる。本実施形態では、銅基板を採用する。枠体２ｂは、ケース２の側部を形成する枠状の部材であり、金属ベース２ａの周縁上に立設される。蓋体２ｃは、ケース２の上部を形成する板状の部材であり、枠体２ｂ上に載置されて半導体モジュール１の構成各部をケース２内に封入する。蓋体２ｃには、端子６ａ，６ｂ，６ｃの上端をケース２外に突出するための複数の開口が形成されている。
【００４８】
絶縁基板３は、半導体素子５を搭載する基板であり、例えばＤＣＢ(Direct Copper Bonding)基板、ＡＭＢ(Active Metal Brazing)基板等を採用することができる。絶縁基板３は、絶縁板３ａ、金属板３ｂ、及び配線板３ｃを含む。絶縁板３ａは、例えば窒化アルミニウム、窒化珪素、酸化アルミニウム等の絶縁性セラミックスから例えば０．２〜１ｍｍ厚に成形された板状部材である。金属板３ｂ（被接合体の一例）は、銅、アルミニウム等の導電性金属を用いて、例えば０．１〜１ｍｍの膜厚で、絶縁板３ａの裏面に設けられている。配線板３ｃは、金属板３ｂと同様に銅、アルミニウム等の導電性金属を用いて、絶縁板３ａのおもて面に設けられている。なお、配線板３ｃは、３つの回路パターン３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３を有する。回路パターン３ｃ１は、絶縁板３ａ上における図面左側に配設されている。回路パターン３ｃ２及び３ｃ３は、絶縁板３ａ上における図面右側（それぞれ、奥及び手前）に並設されている。
【００４９】
接合材４（接合材料の一例）は、絶縁基板３を金属ベース２ａに接合するための部材であり、はんだ（例えば、Ｓｎ−５ｗｔ％Ｓｂ）を使用することができる。接合材４により、絶縁基板３上に設けられる半導体素子５が発する熱を金属ベース２ａに効率良く導引（すなわち、排熱）することができる。なお、接合材４は、絶縁基板３及び金属ベース２ａの間で、絶縁基板３側から金属ベース２ａ側に向かって裾を広げるフィレットを形成する。接合材４により被接合体としての絶縁基板３の金属板３ｂが金属ベース２ａ上に接合されてなる部分を構造部９と呼ぶ。
【００５０】
半導体素子５は、一例として制御信号により動作するスイッチング素子であり、おもて面及び裏面のそれぞれに電極を有する絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、パワー金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）等を採用することができる。半導体素子５は、ＩＧＢＴ（又はＭＯＳＦＥＴ）の場合に、表面にエミッタ電極（又はソース電極）及びゲート電極、裏面にコレクタ電極（又はドレイン電極）を有する。本実施形態では、ＩＧＢＴを採用する。半導体素子５は、裏面を接合材５ａにより配線板３ｃの回路パターン３ｃ１に接合することで、絶縁基板３上に搭載される。
【００５１】
端子６ａ，６ｂ，６ｃは、半導体素子５に外部信号を入力する又は半導体素子５から電流を外部に入出力するための端子である。端子６ａ，６ｂ，６ｃは、例えば銅、アルミニウム等の導電性金属を用いて円柱状又は平板状に成形されている。端子６ａは、配線板３ｃの回路パターン３ｃ１の左端近傍に立設され、回路パターン３ｃ１を介して半導体素子５のコレクタ電極に接続する。端子６ｂは、配線板３ｃの回路パターン３ｃ２上に立設され、回路パターン３ｃ２及びワイヤ７ｂを介して半導体素子５のエミッタ電極に接続する。端子６ｃは、配線板３ｃの回路パターン３ｃ３上に立設され、回路パターン３ｃ３及びワイヤ７ｃを介して半導体素子５のゲート電極に接続する。端子６ａ，６ｂ，６ｃは、はんだ等の接合材（不図示）により回路パターン上に立設されて、それぞれの先端を蓋体２ｃの開口を介してケース２外に突出する。
【００５２】
ワイヤ７ｂ，７ｃは、半導体素子５の表面電極を回路パターンに接合するワイヤ状の部材である。ワイヤ７ｂ，７ｃは、例えば銅、アルミニウム等の導電性金属又は鉄アルミ合金等の導電性合金を用いて形成される。ワイヤ７ｂは、半導体素子５のエミッタ電極を回路パターン３ｃ２に接続する。ワイヤ７ｃは、半導体素子５のゲート電極を回路パターン３ｃ３に接続する。
【００５３】
ゲル充填材８は、半導体モジュール１の構成各部を封止するための部材であり、一例としてシリコーンゲルを用いることができる。ゲル充填材８は、ケース２内（金属ベース２ａ上）に絶縁基板３、半導体素子５、端子６ａ，６ｂ，６ｃ、及びワイヤ７ｂ，７ｃが配設された後、それらの上に充填される。さらに、蓋体２ｃを枠体２ｂ上に載置することで、構成各部がケース２内に封入される。
【００５４】
上述の構成の半導体モジュール１において、金属ベース２ａ、接合材４、及び絶縁基板３がそれぞれ異なる線膨張係数（例えば、それぞれ、１６ｐｐｍ、２０ｐｐｍ、及び７ｐｐｍ）を有することで、熱負荷が加えられた場合に、それらの接合体が、高温度において絶縁基板３に対して金属ベース２ａ側に凸状に、低温度において金属ベース２ａに対して絶縁基板３側に凸状に変形する。このような接合体に生じる変形により接合材４に曲げ応力（ストレス）が加わり、数１００〜数１０００サイクルの温度変化を介して疲労が蓄積し、端部から内側に向かってクラックが成長し、絶縁基板３上の半導体素子５から金属ベース２ａへの熱伝導性が低下することにより半導体モジュール１の故障に至る。半導体モジュール１の製品寿命は接合材４の信頼性に強く依存することから、接合材４とこれに応力を加える金属ベース２ａ及び絶縁基板３とを含む接合体を評価対象物として代用してもよい。
【００５５】
図２は、Ｈ／Ｃ試験においてヒートサイクルにより半導体モジュール１（ここでは接合体を代用している）の接合材４に加わる応力分布の一例を示す。比較のため、接合材４と同一材料からなるロッド状のバルク材の引っ張りによる応力分布を併せて示す。接合材４の応力分布は、フィレットの端部（特に、絶縁基板３の近傍の端部）から内部に向かう直線上の距離に対する一次元分布として与えられている。バルク材の応力分布は、ロッド表面から中心に向かう直線上の距離に対する一次元分布として与えられている。引張及び圧縮によりバルク材に加わる応力は、距離に対して一様である。これに対して、ヒートサイクルにより接合材４に加わる応力は、それを挟む絶縁基板３及び金属ベース２ａの熱膨張及び収縮の差より引き起こされる応力であるため、接合材４の広がり方向（及び厚さ方向）に有限の分布を有し、特に端部（フィレット表面）に集中することがわかる。ただし、応力は端部からの距離に対して減衰し、接合材４の内部においてはバルク材の応力にほぼ等しく一様に分布する。応力分布は、接合材４、絶縁基板３及び金属ベース２ａのそれぞれの線膨張係数、サイズ、形状等の設計の詳細に依存し得る。
【００５６】
評価対象物である半導体モジュール１の信頼性を正確に評価するために、Ｈ／Ｃ試験においてヒートサイクルにより接合材４に加わる応力又はこれに伴って接合材４に生じるひずみ（接合材４に与える温度を含めて破壊モードと総称する）を再現する必要があり、そのために、半導体モジュール１における接合材４とこれに応力を加える金属ベース２ａ及び絶縁基板３（半導体素子５を含んでもよい）とを含む接合体に対応して試験サンプルを構成し、これを試験に使用するのが望ましい。しかし、絶縁基板３は、絶縁板３ａ、金属板３ｂ、及び配線板３ｃを含み、配線板３ｃは複数の回路パターン３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３を有し、半導体素子５を含めるとさらに試験サンプルの構成が複雑になり、信頼性評価のための因子が多くなる。少ない因子のみで半導体モジュールの信頼性を評価するには、試験サンプルをより簡素に構成する必要がある。
【００５７】
Ｈ／Ｃ試験においてヒートサイクルにより接合材４に加わる破壊モードを再現するには、温度場（すなわち、温度又は温度分布）及び応力場（すなわち、応力分布又はこれに伴って接合材４に生じるひずみ分布）を独立に接合材４に与えればよい。さらに、半導体モジュール１の設計の詳細に依らずに応力場を少ない因子でパラメトライズすることで、半導体モジュール１の信頼性を簡便に評価することが可能となる。
【００５８】
ここで、金属ベース２ａ及び絶縁基板３の線膨張係数の違いにより、接合材４を金属ベース２ａ及び絶縁基板３の間に配し、リフローすることで絶縁基板３を金属ベース２ａに接合する際、熱膨張時の変形した状態で接合体が形成されて変形に伴う応力が接合材４に残ることがある。しかし、接合材４に残留する応力（残留応力と呼ぶ）は、実際問題、Ｈ／Ｃ試験において数１００〜数１０００回ものヒートサイクルによる信頼性評価に対して無視できる程度の寄与をもたらすにすぎない。そこで、接合材４の残留応力を無視し、評価対象物である半導体モジュール１のＨ／Ｃ試験を模擬するための試験体として次の試験サンプル１１を導入する。
【００５９】
図３Ａ及び図３Ｂは、試験サンプル１１の構成を示す。ここで、図３Ａは、図３Ｂにおける基準線Ｌに関する断面構成を示し、図３Ｂは、下面上の構成を示す。試験サンプル１１は、評価対象物である半導体モジュール１における接合材４の信頼性をモジュールの設計の詳細に依らず少ない因子のみで評価できるように、半導体モジュール１をこれに含まれる構造部９に対応して簡素化した試験体であり、これにより様々な構成の半導体モジュールの信頼性を統一的に評価することを可能とする。試験サンプル１１は、サンプル基体１２ａ、サンプル被接合体１３ｂ、及びサンプル接合材料１４を含む。
【００６０】
サンプル基体１２ａは、金属ベース２ａに対応する板状部材であり、金属ベース２ａと同一材料より形成されている。サンプル基体１２ａは、方形状、ここでは一例として基準線Ｌに平行な方向を長手とする矩形状に成形されている。
【００６１】
サンプル被接合体１３ｂは、被接合体である金属板３ｂに対応する部材であり、金属板３ｂと同一材料より形成されている。サンプル被接合体１３ｂは、方形状、ここでは一例として正方形状に成形され、サンプル基体１２ａの下面上で、基準軸Ｌと平行な方向に二辺が互いに近づき交わる角部を向ける。それにより、サンプル被接合体１３ｂの外周辺のうちの一辺（例えば、左上辺）は、サンプル基体１２ａの外周辺のうちの一辺（例えば、基準線Ｌに平行な上辺）に対して予め定められた角度θの方向、ここでは一例として４５度の方向に向けられている。なお、後述する機械疲労試験では、サンプル基体１２ａの面内で反り変形による曲率半径が最小となる方向が基準線Ｌに平行になるように、試験サンプル１１に反り変形が加えられる。
【００６２】
サンプル接合材料１４は、接合材４に対応する部材であり、接合材４と同一材料により形成されている。サンプル接合材料１４は、サンプル被接合体１３ｂと同形状を有し、サンプル被接合体１３ｂとサンプル基体１２ａとの間に配されて、それらを互いに接合する。ここで、サンプル接合材料１４は、１以上の縁部において接合材４の対応する縁部に相当する厚みを有するとともに、接合材４と同様にサンプル被接合体１３ｂ側からサンプル基体１２ａ側に向かって裾を広げるフィレットを形成する。
【００６３】
試験サンプル１１を用いて半導体モジュール１の信頼性を少ない因子のみで評価するために、試験サンプル１１の設計条件、後述する機械疲労試験の試験条件を定める。
【００６４】
図４は、半導体モジュール１を温度条件下、一例として低温度−４０℃（上段）及び高温度１２５℃（下段）においた場合に接合材４内に発生するひずみ分布を示す。これらのひずみ分布は熱応力シミュレーションにより得られたものであり、接合材４の一角部の表面上の分布を示す。低温度下においては、ひずみは、接合材４の下側、すなわち金属ベース２ａ側に小さいひずみ量で集中する。それに対して、高温度下においては、ひずみは、接合材４の上側、すなわち絶縁基板３側に大きいひずみ量で集中する。従って、Ｈ／Ｃ試験におけるヒートサイクルでは、高温度下で接合材４の上側に加わる大きな応力が接合材４の信頼性に支配的に寄与するものと予想される。
【００６５】
図５は、Ｈ／Ｃ試験後の半導体モジュール１の接合材４の状態（上段）及び後述する機械疲労試験後の試験サンプル１１のサンプル接合材料１４の状態（中段及び下段）を示す。これらは、超音波探傷装置を用いて観察されたものである。ここで、Ｈ／Ｃ試験の温度条件（すなわち、ヒートサイクル温度）は低温度−４０℃及び高温度１２５℃であり、機械疲労試験の温度条件は−４０℃（中段）及び１２５℃（下段）である。いずれの試験においても、接合材４の端部（すなわち、フィレットの表面）から内部に向かってクラックが成長している。ただし、Ｈ／Ｃ試験では、接合材４の金属板側（フィレットの上側）からクラックが成長しているのに対して、機械疲労試験では温度条件１２５℃の場合、同様に、接合材４の金属板側（フィレットの上側）からクラックが成長し、温度条件−４０℃の場合、接合材４の金属ベース側（フィレットの下側）からクラックが成長している。これらの観察より、Ｈ／Ｃ試験においては高温度下において接合材４にクラックが発生したことがわかる。これは、上述の図４のひずみ分布の解析から得られる知見とも一致する。
【００６６】
上の結果より、機械疲労試験では、Ｈ／Ｃ試験のヒートサイクルにおける高温度を温度条件とし、その高温度下において接合材４に加えられる応力又はこれにより接合材４に生じるひずみを再現することで、Ｈ／Ｃ試験のヒートサイクルにより半導体モジュール１に加わる破壊モードを機械疲労試験により再現することができると期待される。
【００６７】
図６は、Ｈ／Ｃ試験におけるヒートサイクルにより半導体モジュール１の接合材４内に発生するひずみ分布（左）、後述する機械疲労試験における曲げ変形により試験サンプル１１のサンプル接合材料１４内に発生するひずみ分布（中及び右）示す。これらのひずみ分布は、３次元有限要素法（ＦＥＭ）解析等の構造解析により得られたものである。ここで、Ｈ／Ｃ試験に対して使用した半導体モジュール１の金属ベース２ａに対する絶縁基板３の角度（先述の角度θに対応する）は９０度、機械疲労試験に対して使用した試験サンプル１１におけるサンプル基体１２ａに対するサンプル被接合体１３ｂの角度（先述の角度θに等しい）は９０度（中）及び４５度（右）である。機械疲労試験の温度条件は、Ｈ／Ｃ試験のヒートサイクルにおける高温度に等しい。Ｈ／Ｃ試験のヒートサイクルにおいて接合材に加わる曲げ応力は、接合材４の角部に集中することがわかる。これに対して、機械疲労試験においてサンプル接合材料１４に加わる曲げ応力は、９０度の場合、サンプル接合材料１４の辺部に、若干角部に偏って集中しているのに対して、４５度の場合、サンプル接合材料１４の角部に集中している。従って、試験サンプル１１を用いることにより、Ｈ／Ｃ試験のヒートサイクルにおいて接合材４に加わる曲げ応力を再現することができると期待される。
【００６８】
図７は、Ｈ／Ｃ試験におけるヒートサイクルにより半導体モジュール１の接合材４内に発生したクラック（左）、後述する機械疲労試験における曲げ変形により試験サンプル１１のサンプル接合材料１４内に発生したクラック（中及び右）示す。これらは、超音波探傷装置を用いて観察されたものである。ここで、Ｈ／Ｃ試験に対して使用した半導体モジュール１の金属ベース２ａに対する絶縁基板３の角度（先述の角度θに対応する）は９０度、機械疲労試験に対して使用した試験サンプル１１におけるサンプル基体１２ａに対するサンプル被接合体１３ｂの角度（先述の角度θに等しい）は９０度（中）及び４５度（右）である。機械疲労試験の温度条件は、Ｈ／Ｃ試験のヒートサイクルにおける高温度に等しい。Ｈ／Ｃ試験のヒートサイクルにおいて接合材４に発生するクラックは、角部から内部に向かって成長していることがわかる。これに対して、機械疲労試験においてサンプル接合材料１４に発生するクラックは、９０度の場合、サンプル接合材料１４の辺部から内部に向かって成長しているのに対して、４５度の場合、サンプル接合材料１４の角部から内部に向かって成長していることがわかる。従って、試験サンプル１１を用いることにより、Ｈ／Ｃ試験のヒートサイクルにおいて接合材４に加わる曲げ応力を再現することができると期待される。
【００６９】
上述の構成の試験サンプル１１は、サンプル基体１２ａ、サンプル被接合体１３ｂ、及びサンプル接合材料１４から構成される接合体であることから、半導体モジュール１に対するＨ／Ｃ試験においてヒートサイクルにより接合材４に加わる曲げ応力又はこれに伴って接合材４に生じるひずみを再現することができる。ただし、金属ベース２ａに対応するサンプル基体１２ａ及び金属板３ｂに対応するサンプル被接合体１３ｂは同一材料であることから、それらを接合材４に対応するサンプル接合材料１４により接合した際に残留応力は発生しない。従って、試験サンプル１１を用いて後述する機械疲労試験を行うことで、試験サンプル１１に加える荷重、その他少ない因子によりひずみを一意に制御することができ、それにより半導体モジュールの設計の詳細に依らず少ない因子のみで様々な構成の半導体モジュールの信頼性を評価することが可能となる。
【００７０】
機械疲労試験では、Ｈ／Ｃ試験におけるヒートサイクルにより半導体モジュール１の接合材４に加わる応力又はそれにより接合材４に発生するひずみを再現するように、３点曲げ試験を採用する。ここで、機械疲労試験により、試験サンプル１１を用いて半導体モジュール１の信頼性を少ない因子のみで評価するために、幾つかの試験条件を定める。なお、機械疲労試験の詳細は後述する。
【００７１】
図８は、試験サンプル１１の３点曲げ試験においてサンプル接合材料１４に加える機械的負荷（すなわち、荷重）に対するサンプル接合材料１４に生じる塑性ひずみの一例を示す。温度条件は、２５℃及び１２５℃である。サンプル接合材料１４の塑性ひずみは荷重に比例することから、荷重により塑性ひずみをコントロールできることがわかる。ここで、サンプル接合材料１４に与える荷重の増大に対して発生する塑性ひずみが強く増大する場合、荷重のわずかなずれにより塑性ひずみが一意に定まらず、大きな誤差を伴うおそれがある。逆に、荷重の増大に対して塑性ひずみの増大が小さい場合、試験装置の出力規格内の荷重ではサンプル接合材料１４に十分大きな塑性ひずみを生ずることができず、試験結果が得られないおそれがある。そこで、試験により再現すべき最大の塑性ひずみの量（目標ひずみ量と呼ぶ）を一例として接合材４が破断し得るひずみ量である１０％と定め、塑性ひずみを微細に制御できるよう試験装置の荷重単位（すなわち、調整可能な荷重の単位）、例えば１Ｎに対して目標ひずみ量の１００分の１が得られること、最大荷重、例えば１０００Ｎに対して目標ひずみ量が得られることを条件とする。これらより、試験条件としてひずみ感受性（１Ｎの荷重を与えたときに生じる塑性ひずみ）０．０１〜０．１％／Ｎが定められる。
【００７２】
図９は、試験サンプル１１の３点曲げ試験において試験サンプル１１を支持する２支点間の距離（支点間距離）に対してサンプル接合材料１４に加わる応力勾配及びひずみ感受性の一例を示す。ここで、応力勾配とは、サンプル接合材料１４の端部（フィレットの端部）近傍約５０μｍ内での応力の変化量であり、サンプル接合材料１４の端部での応力の集中度を表す。水平方向及び垂直方向の応力勾配は、支点間距離に対してほぼ一定であるのに対して、ひずみ感受性は支点間距離に対して増大する。これから、Ｈ／Ｃ試験のヒートサイクルにより接合材４に加わる応力を３点曲げ試験による機械疲労試験により再現するうえで、先に定めたひずみ感受性に対する条件より、支点間距離は２７ｍｍ以下とするのが望ましいことがわかる。
【００７３】
図１０は、試験サンプル１１の３点曲げ試験において試験サンプル１１を構成するサンプル被接合体１３ｂの厚さに対してサンプル接合材料１４に加わる応力勾配及びひずみ感受性の一例を示す。水平方向の応力勾配は、約５ｍｍ以下の厚さに対して大きく減少し、約５ｍｍ以上の厚さに対してほぼ一定となる。垂直方向の応力勾配は、約５ｍｍ以下の厚さに対して小さく増大し、約５ｍｍ以上の厚さに対してほぼ一定となる。ひずみ感受性は、約５ｍｍ以下の厚さに対して大きく増大し、約５ｍｍ以上の厚さに対してほぼ一定となる。これから、Ｈ／Ｃ試験のヒートサイクルにより接合材４に加わる応力を３点曲げ試験による機械疲労試験により再現するうえで、先に定めたひずみ感受性に対する条件より、サンプル被接合体１３ｂの厚さは５ｍｍ以下とするのが望ましいことがわかる。
【００７４】
図１１は、試験サンプル１１の３点曲げ試験において試験サンプル１１を構成するサンプル接合材料１４の厚さに対してサンプル接合材料１４に加わる応力勾配及びひずみ感受性の一例を示す。水平方向の応力勾配は、サンプル接合材料１４の厚さに対して減少する。垂直方向の応力勾配は、厚さに対して増大し、厚さ約１７０μｍで極大を呈して緩やかに減少する。ひずみ感受性は、厚さに対して減少する。これから、Ｈ／Ｃ試験のヒートサイクルにより接合材４に加わる応力を３点曲げ試験による機械疲労試験により再現するうえで、先に定めたひずみ感受性に対する条件より、サンプル接合材料１４の厚さは１００μｍ以上とするのが望ましいことがわかる。また、垂直方向の応力勾配の振る舞いが厚さ約１７０μｍ以下と以上とで変わり、応力分布が変化するおそれがあることから、応力分布が変化しないようサンプル接合材料１４の厚さは１７０μｍ以下とするのが望ましいことがわかる。
【００７５】
その他、サンプル被接合体１３ｂのサイズは任意に定めてよく、サンプル基体１２ａの厚さはひずみ感受性に対する条件より５ｍｍ以下とするのが望ましい。
【００７６】
図１２に、寿命曲線の一例を示す。機械疲労試験では、上述のとおり定めた試験条件に従って試験サンプル１１を用いて３点曲げ試験を行った。ここで、一例として、試験サンプル１１のサンプル基体１２ａの材質を無酸素銅（Ｈ材に相当）、大きさを４０×１００ｍｍ、及び厚さを３ｍｍとし、サンプル被接合体１３ｂの材質を無酸素銅（Ｏ材に相当）、大きさを２０×２０ｍｍ、及び厚さを３ｍｍとし、サンプル接合材料１４の材質をはんだ（Ｓｎ−５ｗｔ％Ｓｂ）、厚さを１００μｍ、及びフィレット形状（傾き）を４０度とし、支持治具の支点間距離を２０ｍｍとし、機械的負荷（すなわち、荷重）を１．０ｋＮ，１．５ｋＮ，２．０ｋＮとし、温度条件を１２５℃とした。サンプル接合材料１４に相当塑性ひずみ（単に塑性ひずみとも呼ぶ）Δεｉｎを与える３点曲げを繰り返し、サンプル接合材料１４に１ｍｍ以上のクラックが発生したサイクル数を寿命サイクルとした。Ｈ／Ｃ試験では、接合材４とこれにより接合された金属ベース２ａ及び絶縁基板３とを含む接合体を用いた。金属ベース２ａ、絶縁基板３、及び接合材４に対する条件は、機械疲労試験におけるサンプル基体１２ａ、サンプル被接合体１３ｂ、及びサンプル接合材料１４に対する条件と同じとした。また、ヒートサイクル温度は、低温度−４０℃及び高温度１０５，１２５，１５０℃とした。それぞれのヒートサイクル温度（により接合材４に発生する塑性ひずみΔεｉｎ）に対してヒートサイクルを繰り返し、接合材４に１ｍｍ以上のクラックが発生したサイクル数を寿命サイクルとした。疲労試験では、接合材４と同一材料からなるロッド状のバルク材を用いて引張及び圧縮を行った。温度条件は１２５℃とした。塑性ひずみを与える引張及び圧縮を繰り返し、バルク材に加わる応力が初期応力に対して２５％低下したサイクル数を寿命サイクルとした。
【００７７】
Ｈ／Ｃ試験より得られた寿命曲線に対して、バルク材を用いた疲労試験より得られた寿命曲線は、同じ寿命サイクル数に対する塑性ひずみが小さく、傾きが大きい。これに対して、機械疲労試験より得られた寿命曲線は、同じ寿命サイクル数に対する塑性ひずみが若干小さく、傾きはほぼ等しい。従って、試験サンプル１１を用いた３点曲げによる機械疲労試験により、Ｈ／Ｃ試験におけるヒートサイクルにより半導体モジュール１の接合材４に加わる応力又はそれにより接合材４に発生するひずみを再現することができ、Ｈ／Ｃ試験に代えて半導体モジュール１の信頼性を評価することができる。
【００７８】
表１は、試験サンプル１１を用いた３点曲げによる機械疲労試験における試験条件を示す。半導体モジュール１のＨ／Ｃ試験を模擬する観点から、試験サンプル１１のサンプル基体１２ａの材質、サンプル被接合体１３ｂの材質、サンプル接合材料１４の材質及び厚さは半導体モジュール１の金属ベース２ａの材質、金属板３ｂの材質、接合材４の材質及び厚さに一致するように定められる。また、温度は、Ｈ／Ｃ試験のヒートサイクル温度の高温度に定められる。その他の条件は、Ｈ／Ｃ試験におけるヒートサイクルにより半導体モジュール１の接合材４に加わる応力又はそれにより接合材４に発生するひずみを再現するよう任意に定められる。
【表１】
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【００７９】
図１３は、本実施形態に係る試験システム１００の構成を示す。試験システム１００は、Ｈ／Ｃ試験により半導体モジュール１内の接合材４に加わる応力又はこれにより構造部９に引き起こされるひずみをモジュール外から機械的負荷を付加することで再現し、その機械的負荷を短いサイクル時間で繰り返しモジュールに付加することで試験時間を短縮することを目的とするものであり、Ｈ／Ｃ試験装置１１０、機械疲労試験装置１２０、及び制御装置１３０を備える。
【００８０】
Ｈ／Ｃ試験装置１１０は、半導体モジュール１をＨ／Ｃ試験する装置であり、チェンバ（不図示）、加熱冷却部１１１、及び測定部１１２を含む。チェンバは、その内部に半導体モジュール１（接合体でもよい）を収容する。加熱冷却部１１１は、チェンバ内部を、例えば１００〜２５０度の高温度に加熱するとともに、例えば−４０度の低温度に冷却する。加熱冷却部１１１は、温度センサ（不図示）を用いてチェンバ内の温度を測定してよい。加熱冷却部１１１は、制御装置１３０により制御される。測定部１１２は、例えば半導体モジュール１に接着されたひずみゲージを用いて半導体モジュール１のひずみを測定する又は画像相間法によりひずみを算出する。その測定結果は、制御装置１３０に送信される。
【００８１】
Ｈ／Ｃ試験では、加熱冷却部１１１により、半導体モジュール１を収容したチェンバ内部を加熱して高温度を保持時間の間、保持し、次いでチェンバ内部を冷却して低温度を保持時間の間、保持する。保持時間は、接合材４に加わる応力が時間変化することがあるため、時間変化のスケール（接合材４の材料、半導体モジュール１の構造等に依存する）に応じて例えば約４０分とする。この１サイクルの温度変化を約２時間で数１０００サイクル繰り返して、半導体モジュール１に熱負荷を加える。
【００８２】
ヒートサイクルの繰り返しの途中、一定サイクル毎に、半導体モジュール１をチェンバから取出し、超音波探傷装置を用いて接合材４の疲労の状態、特にクラックの成長の程度を観察する。クラックが１ｍｍの長さに達したサイクル数を寿命サイクル（単に寿命とも呼ぶ）とする。
【００８３】
なお、Ｈ／Ｃ試験に先立って、半導体モジュール１の接合部にひずみゲージを接着し、測定部１１２により、ひずみゲージを用いて１サイクルの温度変化により半導体モジュール１の接合部に加わる塑性ひずみ（単にひずみとも呼ぶ）を測定する。または、画像相間法によりひずみを算出してもよい。この塑性ひずみは、１サイクル当たりに半導体モジュール１に加えられる熱負荷（すなわち、高温度と低温度との温度差）に比例する。幾つかの温度差に対して塑性ひずみと寿命サイクル数を測定することで、塑性ひずみに対する寿命サイクル数の関係、すなわち寿命曲線が得られる。
【００８４】
図１４Ａ及び図１４Ｂは、機械疲労試験装置１２０の構成を示す。ここで、図１４Ａ及び図１４Ｂは、それぞれ、側面視及び上面視における構成を示す。機械疲労試験装置１２０は、試験サンプル１１に機械的負荷を加えることで半導体モジュール１に対するＨ／Ｃ試験を模擬した機械疲労試験を行うための装置であり、チェンバ（不図示）、支持治具１２１、押し込み治具１２２、加熱冷却部１２３（図１３参照）、及び測定部１２４（図１３参照）を含む。
【００８５】
チェンバは、試験サンプル１１を収容する部材であり、支持治具１２１及び押し込み治具１２２を内部に含む。
【００８６】
支持治具１２１は、試験サンプル１１をチェンバ内で支持する部材であり、ベース１２１ａ及び２つの支持部材１２１ｂを有する。ベース１２１ａは、支持部材１２１ｂを介して試験サンプル１１に加えられる荷重を受ける直方体状のブロックである。２つの支持部材１２１ｂは、ベース１２１ａ上で試験サンプル１１を支持する半円柱状の部材であり、それぞれ基準線ＬＬに平行な方向の一側及び他側に、それぞれの長手を基準線ＬＬに直交する方向に向けて、側面をベース１２１ａの上面に当接してベース１２１ａ上に配置されている。２つの支持部材１２１ｂの支点の離間距離（すなわち、支点間距離）は任意に変更することができる。２つの支持部材１２１ｂにより試験サンプル１１の両端を下方から支持することで、試験サンプル１１が支持治具１２１上に支持される。ベース１２１ａ及び２つの支持部材１２１ｂともに、例えばステンレス鋼を用いて形成することができる。
【００８７】
なお、支持治具１２１は、２つの支持部材１２１ｂにより試験サンプル１１を支持するに限らず、３以上の支持部材１２１ｂにより試験サンプル１１を支持してもよい。また、支持部材１２１ｂの形状は半円柱に限らず半球とし、３以上の支持部材により３以上の支点で試験サンプル１１を支持してもよい。また、試験サンプル１１の一端を挟圧して片持ち支持してもよい。
【００８８】
押し込み治具１２２は、支持治具１２１上に支持された試験サンプル１１を上方から下方に押し込む部材である。押し込み治具１２２は、ラウンドトップ状の棒形状を有し、支持治具１２１の２つの支持部材１２１ｂの中央の上で先端を下方に向けて支持され、駆動装置（不図示）により駆動されて下方に繰り出される。押し込み治具１２２と２つの支持部材１２１ｂとにより挟圧することで、試験サンプル１１に３点曲げ変形が与えられる。
【００８９】
なお、押し込み治具１２２を２つ又はそれ以上設けて、試験サンプル１１に４点又はそれ以上の多点曲げ変形を与えることとしてもよい。また、押し込み治具１２２は、棒状部材に限らず、半円柱状の端部を有する板状部材でもよい。
【００９０】
加熱冷却部１２３は、チェンバ内部を、例えば−４０〜２５０℃の温度範囲内で加熱又は冷却する。加熱冷却部１２３は、温度センサ（不図示）を用いてチェンバ内の温度を測定してよい。加熱冷却部１２３は、制御装置１３０により制御される。
【００９１】
測定部１２４は、例えば試験サンプル１１に接着されたひずみゲージを用いて試験サンプル１１のひずみを測定する又は画像相間法によりひずみを算出する。その測定結果は、制御装置１３０に送信される。
【００９２】
機械疲労試験では、まず、試験サンプル１１を、チェンバ内の支持治具１２１上に載置する。ここで、試験サンプル１１の長手を基準線ＬＬに平行な方向に向け、サンプル被接合体１３ｂの中心を押し込み治具１２２の直下に位置決めして、２つの支持部材１２１ｂにより試験サンプル１１の両端を支持する。
【００９３】
次に、加熱冷却部１２３により、試験サンプル１１を収容したチェンバ内部を加熱又は冷却して、予め定められた温度条件下に保持する。ここで、予め定められた温度条件は、Ｈ／Ｃ試験における条件に応じた温度条件であり、１サイクルにおける高温度から低温度の間の温度である。
【００９４】
次に、駆動装置を駆動して押し込み治具１２２を下方に繰り出し、試験サンプル１１の上面中心に当接して下方に押圧することで、試験サンプル１１を支持する２つの支持部材１２１ｂの支点で囲まれた試験サンプル１１の上面内の領域を相対的に押し、それにより試験サンプル１１に下向きに凸の反り変形を与える。これをＨ／Ｃ試験における１サイクル時間以下の周期でサイクル数と同じ回数繰り返して、試験サンプルを繰り返し変形させて機械的負荷を加える。
【００９５】
繰り返し変形の途中、一定サイクル毎に、試験サンプル１１をチェンバから取出し、超音波探傷装置を用いてサンプル接合材料１４の疲労の状態、特にクラックの成長の程度を観察する。クラックが１ｍｍの長さに達したサイクル数を寿命サイクル（単に寿命とも呼ぶ）とする。
【００９６】
なお、機械疲労試験に先立って、試験サンプル１１のサンプル基体１２ａ又はサンプル被接合体１３ｂにひずみゲージを接着し、測定部１２４により１回の機械的負荷の加重による変形に伴いサンプル基体１２ａ又はサンプル被接合体１３ｂに生じる塑性ひずみを測定し、その測定結果を再現するようＦＥＭ解析等の構造解析を行ってサンプル接合材料１４に生じる塑性ひずみを算出する。または、サンプル基体１２ａ又はサンプル被接合体１３ｂに生じる塑性ひずみを画像相関法により算出してもよい。この塑性ひずみは、試験サンプル１１に加えられる機械的負荷に比例する。幾つかの強度の機械的負荷に対して塑性ひずみと寿命サイクル数を測定することで、塑性ひずみに対する寿命サイクル数の関係、すなわち寿命曲線が得られる。
【００９７】
なお、サンプル接合材料１４の疲労の状態より試験サンプル１１の寿命を評価するために、サンプル接合材料１４に生じるクラックが１ｍｍの長さに達するサイクル数を評価したが、長さの基準は任意に定めてよい。また、疲労の状態として、サンプル接合材料１４に生じるクラックに限らず、例えばサンプル接合材料１４の組織変化より試験サンプル１１の寿命を評価してもよい。また、サンプル接合材料１４の疲労の状態に限らず、サンプル接合材料１４以外の試験サンプル１１の構成各部又は試験サンプル１１全体の疲労の状態より試験サンプル１１の寿命を評価してもよい。
【００９８】
制御装置１３０は、試験システム１００を構成する装置を制御するとともに、試験結果に基づいて半導体モジュール１の信頼性を評価する装置である。制御装置１３０は、決定部１３２、試験部１３４、及び評価部１３６を含む。制御装置１３０は、コンピュータ、マイクロコントローラ等を含む情報処理装置に、例えば不揮発性メモリ等の記憶装置或いはＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に記憶された制御用プログラムを実行させることによって各機能部を発現し、制御装置として機能する。
【００９９】
決定部１３２は、Ｈ／Ｃ試験において評価対象物である半導体モジュール１に生じる変形に応じた変化を半導体モジュール１に生じさせる機械的負荷を決定する。決定部１３２の機能の詳細については後述する。
【０１００】
試験部１３４は、機械疲労試験装置１２０を用いて半導体モジュール１の接合材４に対応するサンプル接合材料１４を含む試験サンプル１１に対して機械疲労試験を行う。試験部１３４の機能の詳細については後述する。
【０１０１】
評価部１３６は、試験部１３４により繰り返し曲げ変形を加えられた試験サンプル１１におけるサンプル接合材料１４（又はサンプル全体）の状態に基づいて、半導体モジュール１の構造部９の信頼性を評価する。評価部１３６の機能の詳細については後述する。
【０１０２】
図１５は、本実施形態に係る試験システム１００を用いた第１の試験方法のフローを示す。
【０１０３】
ステップＳ１０２では、決定部１３２により、Ｈ／Ｃ試験において評価対象物である半導体モジュール１に生じる変形に応じた変化を半導体モジュール１に生じさせる機械的負荷を決定する。ここで、変形に応じた変化として、半導体モジュール１の接合材４に加わる応力（応力分布を含む）又はこれにより接合材４に生じるひずみ（ひずみ分布を含む）を採用する。これらの状態量を採用することで、機械疲労試験において試験サンプル１１に加える機械的負荷をＨ／Ｃ試験において半導体モジュール１に加える熱負荷に容易に対応させることができ、試験サンプル１１を用いた機械疲労試験により半導体モジュール１のＨ／Ｃ試験を再現することが可能となる。なお、これらに限らず、変形に応じた変化として微細組織変化、硬さ（硬さ分布を含む）等を採用してもよい。
【０１０４】
決定部１３２は、半導体モジュール１に対するＨ／Ｃ試験における接合材４の１以上の縁部の変形に応じた変化量を決定する。ここで、決定部１３２は、Ｈ／Ｃ試験装置１１０を用いて半導体モジュール１（又は接合材４とこれにより接合された金属ベース２ａ及び絶縁基板３とを含む接合体でもよい）にヒートサイクルを加えて、それによる接合材４の変形に応じた変化量、すなわち変形により縁部に生じるひずみ分布を計測する。ひずみの測定については先述のとおりである。または、決定部１３２は、熱応力シミュレーションを行って、ヒートサイクルにより接合材４の縁部に加わる応力分布又はひずみ分布を算出してもよい。
【０１０５】
そして、決定部１３２は、計測したひずみ分布又は算出した応力分布若しくはひずみ分布に対応する負荷を試験サンプル１１内のサンプル接合材料１４の縁部に与える機械的負荷を決定する。ここで、決定部１３２は、試験サンプル１１に対するＦＥＭ解析等の構造解析により機械的負荷を算出する、つまり試験サンプル１１の３点曲げ試験によりサンプル接合材料１４の縁部に加わる応力分布又はひずみ分布を構造解析により算出し、算出された応力分布又はひずみ分布が先に熱応力シミュレーションにより算出したヒートサイクルにより接合材４の縁部に加わる応力分布又はひずみ分布に十分に一致する３点曲げ試験の条件（表１参照）を決定する。特に、押し込み治具１２２を繰り出す駆動力（機械的負荷又は荷重に相当する）又は繰り出し量を決定する。
【０１０６】
なお、接合材４のクラックは応力が集中する端部から生じることから、応力分布又はひずみ分布の一致は、例えば、接合材４又はこれに対応するサンプル接合材料１４の端部における応力及び応力勾配又はこれらに対応するひずみ及びひずみ勾配の一致により判断してよい。
【０１０７】
なお、決定部１３２は、図８のひずみ感受性を用いて機械的負荷（荷重）を決定してもよい。決定部１３２は、上述のように半導体モジュール１に対するＨ／Ｃ試験において接合材４の縁部に生じる塑性ひずみを計測又は算出し、これをひずみ感受性に適用して塑性ひずみを生ずる機械的負荷を決定する。
【０１０８】
決定部１３２は、Ｈ／Ｃ試験における複数の温度条件（すなわち、ヒートサイクル温度）のそれぞれに対応して機械的負荷を決定する。決定された複数の機械的負荷は、試験部１３４に送信される。
【０１０９】
ステップＳ１０４では、試験部１３４により、機械疲労試験装置１２０を用いて半導体モジュール１の接合材４に対応するサンプル接合材料１４を含む試験サンプル１１に対して機械疲労試験を行う。ここで、試験サンプル１１は、先述のとおり、評価対象物である半導体モジュール１の金属ベース２ａ、金属板３ｂ、及び接合材４と同一材料よりそれぞれ形成されたサンプル基体１２ａ、サンプル被接合体１３ｂ、及びサンプル接合材料１４から構成されている。
【０１１０】
試験部１３４は、試験サンプル１１に、予め定められた温度条件下で、Ｈ／Ｃ試験におけるヒートサイクル数に応じた回数と同じ回数、サイクル時間以下の周期で繰り返し３点曲げ試験による反り変形を与える。ここで、温度条件は、Ｈ／Ｃ試験における条件に応じて１サイクルのヒートサイクルにおける高温度から低温度の間のいずれかの温度、ここでは図５による分析より決定したヒートサイクルにおける高温度とする。３点曲げ試験により試験サンプル１１に与える機械的負荷は、ステップＳ１０２において決定された複数の負荷とし、それぞれの負荷について試験サンプル１１に対する機械疲労試験を行う。機械疲労試験装置１２０による試験サンプル１１の３点曲げ試験の詳細は先述のとおりであり、その結果（すなわち、寿命サイクル）は評価部１３６に送信される。
【０１１１】
ステップＳ１０６では、評価部１３６により、ステップＳ１０４において繰り返し曲げ変形を加えられた試験サンプル１１におけるサンプル接合材料１４（又はサンプル全体）の状態に基づいて、半導体モジュール１の構造部９の信頼性を評価する。評価部１３６は、ステップ１０２において決定された複数の機械的負荷のそれぞれに対してステップＳ１０４において得られた機械疲労試験の結果より、複数の機械的負荷のそれぞれにより試験サンプル１１のサンプル接合材料１４に生じる塑性ひずみに対する寿命サイクルの関係、すなわち寿命曲線を得ることで、Ｈ／Ｃ試験における複数の温度条件のヒートサイクルにより半導体モジュール１の接合材４に生じる塑性ひずみに対する寿命サイクルの関係、すなわちＨ／Ｃ寿命曲線を推定する。
【０１１２】
先述の第１の試験方法では、半導体モジュール１の接合材４に与える温度場（すなわち、温度分布）及び応力場（すなわち、応力分布）を独立に制御することにより、Ｈ／Ｃ試験におけるヒートサイクルにより半導体モジュール１に加わる応力を再現し、Ｈ／Ｃ寿命曲線を推定した。さらに、半導体モジュール１を簡素化した試験サンプル１１を用いることで、設計の詳細によらず少ない因子のみで半導体モジュール１の信頼性を評価することを可能とした。ここで、信頼性評価の因子が少ないことで、事前に、試験サンプル１１を用いて少ない因子に対して温度場及び応力場を与えて寿命曲線のデータベースを構築し、そのデータベースから評価対象の半導体モジュール１に対応する寿命曲線を選択することで信頼性試験を行うことなく信頼性を評価することもできる。
【０１１３】
図１６は、本実施形態に係る試験システム１００を用いた第２の試験方法のフローを示す。
【０１１４】
ステップＳ２０２では、試験部１３４により、機械疲労試験装置１２０を用いて複数の試験サンプル１１のそれぞれに対して異なる機械的負荷を与える機械疲労試験を行って、寿命曲線のデータベースを作成する。
【０１１５】
試験サンプル１１は、先述のとおり、半導体モジュール１の構造部９に対応して、サンプル基体１２ａ及びサンプル被接合体１３ｂをサンプル接合材料１４により接合した構造部を有する。試験サンプル１１は、サンプル基体１２ａの材質（例えば、金属ベース２ａに対して採用される銅、アルミ炭化ケイ素複合材等）、サンプル被接合体１３ｂの材質（たとえば、金属板３ｂに対して採用される銅、アルミニウム等）、及びサンプル接合材料１４の材質（例えば、接合材４に対して採用されるＳｎ−５ｗｔ％Ｓｂ等のはんだ）の組み合わせに対して複数用意されているものとする。その他、応力分布を制御するために（表１参照）、例えば図８から図１１より決定した範囲内でサンプル基体１２ａの大きさ及び厚さ、サンプル被接合体１３ｂの大きさ及び厚さ、並びにサンプル接合材料１４のフィレットの形状等の試験サンプル１１の設計条件に対して試験サンプル１１を用意してもよい。
【０１１６】
試験部１３４は、機械疲労試験装置１２０を用いて、複数の試験サンプル１１のそれぞれに対して３点曲げ試験による反り変形を繰り返し与える。ここで、試験条件（表１参照）として、Ｈ／Ｃ試験において定められる温度範囲内の温度条件、３点曲げ試験により試験サンプル１１に加える荷重、支持治具１２１の支点間距離の幾つかの組み合わせが定められ、それぞれの条件に対して３点曲げ試験が行われる。これらの条件、さらに上述の試験サンプル１１の設計条件を含む試験条件により、３点曲げ試験により試験サンプルに加えられる変形に応じた変化量、例えば応力、応力勾配、ひずみ、ひずみ勾配、及び温度が制御される。機械疲労試験装置１２０による試験サンプル１１の３点曲げ試験の詳細は先述のとおりであり、その結果（すなわち、寿命サイクル）は評価部１３６に送信される。
【０１１７】
なお、上述の試験条件により、試験サンプル１１の予め定められた範囲、例えばサンプル接合材料１４の端部（すなわち、フィレット表面）における応力又はひずみの一次元分布、二次元分布、又は三次元分布を制御することとしてもよい。ここで、一次元分布は、例えば、高温度下で応力が集中するサンプル接合材料１４の上側端部（フィレット表面上の点）から内部に向かう直線上の分布である。二次元分布は、サンプル接合材料１４の端面（フィレット表面）から内部に向かう断面上の分布である。三次元分布は、サンプル接合材料１４の端部（フィレット）を含む領域内での分布である。なお、信頼性試験として衝撃試験を採用する場合には、変形に応じた変化量としてひずみ速度を採用してもよい。
【０１１８】
評価部１３６は、ＦＥＭ解析等の構造解析により、上述の試験条件に対して３点曲げ試験により試験サンプル１１のサンプル接合材料１４に加えられる変形に応じた変化量を算出する。例えば、評価部１３６は、サンプル接合材料１４の端部における応力（又はひずみ）の二次元分布を算出し、フィレット表面で最も応力（ひずみ）が集中している点を選択し、その点から内部に向かう直線上での一次元分布から応力及び応力勾配（ひずみ及びひずみ勾配）を算出してもよい。その算出結果を用いて試験部１３４による機械疲労試験の結果を編集することで、試験サンプル１１の構成各部の材質、温度条件、及び変形に応じた変化量（例えば、サンプル接合材料１４の端部での応力及び応力勾配）に対してサンプル接合材料１４に生じる塑性ひずみに対する寿命サイクルの関係、すなわち寿命曲線が得られる。なお、サンプル接合材料１４に生じる塑性ひずみは、試験サンプル１１に加える荷重から決まる。評価部１３６は、得られた寿命曲線を記憶装置（不図示）に記憶してデータベースを作成する。
【０１１９】
表２は、試験サンプル１１を用いた機械疲労試験の試験結果より作成されたデータベース内の寿命曲線を選択するための試験条件を示す。サンプル基体１２ａの材質、サンプル被接合体１３ｂの材質、サンプル接合材料１４の材質及び厚さに対して、評価対象の半導体モジュール１の金属ベース２ａの材質、金属板３ｂの材質、接合材４の材質及び厚さに一致するものを選択する。応力及び応力勾配（又はひずみ又はひずみ勾配）に対して、Ｈ／Ｃ試験におけるヒートサイクルにより半導体モジュール１の接合材４に加えられる応力分布（又は接合材４に生じるひずみ分布）に対応するものを選択する。温度に対して、ヒートサイクル温度の高温度から低温度の間のいずれかの温度を選択する。それにより、データベースの中から、半導体モジュール１のＨ／Ｃ試験の結果を再現する寿命曲線が抽出される。
【表２】
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【０１２０】
なお、上述の試験条件により寿命曲線を選択することができれば、試験サンプル１１の３点曲げ試験による機械疲労試験の試験結果に限らず、半導体モジュール１のＨ／Ｃ試験の試験結果からデータベースを作成してもよいし、両試験の結果を併せてデータベースを作成してもよい。表２に示した試験条件に対して寿命曲線のデータベースを作成すれば、任意の試験方法により得られた寿命曲線をデータベースに取り込むことができ、また任意の構成の半導体モジュール１の寿命設計に利用することができる。
【０１２１】
ステップＳ２０４では、決定部１３２により、ステップＳ２０２において実行した複数の機械疲労試験の結果の中から、Ｈ／Ｃ試験において半導体モジュール１の接合された構造部９に生じる変形に応じた変化を試験サンプル１１に与えた試験を決定する。決定部１３２は、サンプル基体１２ａの材質、サンプル被接合体１３ｂの材質、サンプル接合材料１４の材質及び厚さに対して、評価対象の半導体モジュール１の金属ベース２ａの材質、金属板３ｂの材質、接合材４の材質及び厚さに一致するものを選択する。決定部１３２は、例えば熱応力シミュレーションにより、Ｈ／Ｃ試験のヒートサイクルにより評価対象である半導体モジュール１の接合材４に与えられる変形に応じた変化量、例えば応力及び応力分布（又はひずみ又はひずみ勾配）を算出し、算出されたそれらに一致する又は最も等しいものを選択する。なお、変化量の一致は、サンプル接合材料１４内の一角部に限らず、複数個所について判断してもよい。決定部１３２は、温度に対して、ヒートサイクル温度の高温度を選択する。それにより、算出された変化量に対応する機械的負荷（荷重）を与えた試験が複数の機械疲労試験の中から決定される。なお、算出された変化量に対応する機械的負荷とは、必ずしも一致する負荷とは限らず、最も等しい負荷であってもよい。決定された試験は、評価部１３６に送信される。
【０１２２】
ステップＳ２０６では、評価部１３６により、決定された試験の試験結果に基づいて、半導体モジュール１の接合された構造部９の信頼性を評価する。評価部１３６は、ステップＳ２０２において作成されたデータベース内の寿命曲線の中からステップＳ２０４において決定された試験に対するものを抽出し、表示デバイス（不図示）上に出力する。それにより、ユーザが、Ｈ／Ｃ試験による半導体モジュール１の信頼性を評価することができる。
【０１２３】
上述の第２の試験方法では、半導体モジュール１の信頼性の評価に先立って、機械疲労試験装置１２０を用いて試験サンプル１１の機械疲労試験を行って寿命曲線のデータベースを作成したが、作成済みのデータベースを入手し、これを用いて半導体モジュール１の信頼性を評価してもよい。
【０１２４】
図１７は、変形例に係る評価システム２００の構成を示す。評価システム２００は、寿命曲線のデータベースを用いて半導体モジュール１の信頼性を評価するシステムであり、記憶装置２４０及び評価装置２３０を備える。
【０１２５】
記憶装置２４０は、寿命曲線のデータベースを記憶する装置であり、評価装置２３０（に含まれる取得部２３８）と通信可能に接続される。なお、記憶装置２４０は、寿命曲線のデータベースを記憶する記録媒体を読み取り可能に有する読み取り装置であってもよい。データベースは、例えば、先述のステップＳ２０２と同様の手順により作成されているものとする。
【０１２６】
評価装置２３０は、取得部２３８、決定部２３２、及び評価部２３６を備える。
【０１２７】
取得部２３８は、記憶装置２４０にアクセスして、機械疲労試験の試験結果（すなわち、寿命曲線）を取得する。
【０１２８】
決定部２３２及び評価部２３６は、それぞれ、先述の決定部１３２及び評価部１３６と同様に構成される。
【０１２９】
図１８は、変形例に係る評価システム２００を用いた評価方法のフローを示す。
【０１３０】
ステップ３０２では、取得部２３８により、記憶装置２４０に記憶されたデータベースから、サンプル接合材料１４によりサンプル被接合体１３ｂがサンプル基体１２ａに接合された接合部を有する複数の試験サンプル１１のそれぞれに対して異なる機械的負荷を与えた複数の機械疲労試験の試験結果（すなわち、寿命曲線）を取得する。ここで、取得部２３８は、複数の試験サンプルのそれぞれに対して、Ｈ／Ｃ試験において定められる温度範囲内の温度条件、３点曲げ試験により試験サンプル１１に加える荷重、支持治具１２１の支点間距離、さらに上述の試験サンプル１１の設計条件（サンプル基体１２ａの大きさ及び厚さ、サンプル被接合体１３ｂの大きさ及び厚さ、並びにサンプル接合材料１４の厚さ（試験サンプル１１全体の厚さでもよい）及びフィレットの形状等）のうちの少なくとも１つが異なる機械的負荷を与えた複数の機械疲労試験の試験結果を取得する。
【０１３１】
なお、上記の条件により、３点曲げ試験により試験サンプルに加えられる変形に応じた変化量、例えば応力、応力勾配、ひずみ、ひずみ勾配、および温度が制御される。さらに、試験サンプル１１の予め定められた範囲、例えばサンプル接合材料１４の端部（すなわち、フィレット表面）における応力又はひずみの一次元分布、二次元分布、又は三次元分布が制御されてもよい。これらの分布の詳細は先述したとおりである。
【０１３２】
ステップ３０４では、決定部２３２により、複数の機械疲労試験の中から、Ｈ／Ｃ試験において半導体モジュール１の接合された構造部９に生じる変形に応じた変化を試験サンプル１１に与えた試験を決定する。決定部２３２は、ＦＥＭ解析等の構造解析により、Ｈ／Ｃ試験のヒートサイクルにより評価対象である半導体モジュール１の接合材４に与えられる変形に応じた変化量を算出し、算出された変化量に対応する機械的負荷（荷重）を与えた試験を複数の機械疲労試験の中から決定する。なお、算出された変化量に対応する機械的負荷とは、必ずしも一致する負荷とは限らず、最も等しい負荷であってもよい。決定された試験は、評価部２３６に送信される。
【０１３３】
ステップＳ３０６では、評価部２３６により、決定された機械疲労試験の試験結果に基づいて、半導体モジュール１の接合材４の部分の信頼性を評価する。評価部２３６は、ステップＳ３０２において取得された複数の機械疲労試験の試験結果（すなわち、寿命曲線）の中からステップＳ３０４において決定された試験に対するものを抽出し、表示デバイス（不図示）上に出力する。それにより、ユーザが、Ｈ／Ｃ試験による半導体モジュール１の信頼性を評価することができる。
【０１３４】
本実施形態に係る試験方法及び評価方法では、評価対象物の一例である半導体モジュール１において絶縁基板３を金属ベース２ａに接合する接合材４としてはんだを採用したが、これに限らず、はんだ以外の金属を採用してもよい。また、樹脂材料を用いて絶縁基板３を金属ベース２ａに接着してもよい。また、評価対象物は、絶縁基板３に含まれる金属板３ｂと金属ベース２ａとの２つの金属の接合体を含む半導体モジュールとしたが、これに限らず、２つの樹脂材を接着してなる接合体を含む半導体モジュールでもよい。評価対象物は、任意の接合材料により複数の部材が接合された任意の構成の構造体でもよい。
【０１３５】
なお、本実施形態に係る試験方法及び評価方法では、半導体モジュールの信頼性試験としてヒートサイクルを適用したが、これに限らず、パワーサイクル試験等、任意の信頼性試験を適用してもよい。
【０１３６】
本発明の様々な実施形態は、フローチャートおよびブロック図を参照して記載されてよく、ここにおいてブロックは、（１）操作が実行されるプロセスの段階または（２）操作を実行する役割を持つ装置のセクションを表わしてよい。特定の段階およびセクションが、専用回路、コンピュータ可読媒体上に格納されるコンピュータ可読命令と共に供給されるプログラマブル回路、および／またはコンピュータ可読媒体上に格納されるコンピュータ可読命令と共に供給されるプロセッサによって実装されてよい。専用回路は、デジタルおよび／またはアナログハードウェア回路を含んでよく、集積回路（ＩＣ）および／またはディスクリート回路を含んでよい。プログラマブル回路は、論理ＡＮＤ、論理ＯＲ、論理ＸＯＲ、論理ＮＡＮＤ、論理ＮＯＲ、および他の論理操作、フリップフロップ、レジスタ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プログラマブルロジックアレイ（ＰＬＡ）等のようなメモリ要素等を含む、再構成可能なハードウェア回路を含んでよい。
【０１３７】
コンピュータ可読媒体は、適切なデバイスによって実行される命令を格納可能な任意の有形なデバイスを含んでよく、その結果、そこに格納される命令を有するコンピュータ可読媒体は、フローチャートまたはブロック図で指定された操作を実行するための手段を作成すべく実行され得る命令を含む、製品を備えることになる。コンピュータ可読媒体の例としては、電子記憶媒体、磁気記憶媒体、光記憶媒体、電磁記憶媒体、半導体記憶媒体等が含まれてよい。コンピュータ可読媒体のより具体的な例としては、フロッピー（登録商標）ディスク、ディスケット、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラマブルリードオンリメモリ（ＥＰＲＯＭまたはフラッシュメモリ）、電気的消去可能プログラマブルリードオンリメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、静的ランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、コンパクトディスクリードオンリメモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、ブルーレイ（ＲＴＭ）ディスク、メモリスティック、集積回路カード等が含まれてよい。
【０１３８】
コンピュータ可読命令は、アセンブラ命令、命令セットアーキテクチャ（ＩＳＡ）命令、マシン命令、マシン依存命令、マイクロコード、ファームウェア命令、状態設定データ、またはＳｍａｌｌｔａｌｋ、ＪＡＶＡ（登録商標）、Ｃ＋＋等のようなオブジェクト指向プログラミング言語、および「Ｃ」プログラミング言語または同様のプログラミング言語のような従来の手続型プログラミング言語を含む、１または複数のプログラミング言語の任意の組み合わせで記述されたソースコードまたはオブジェクトコードのいずれかを含んでよい。
【０１３９】
コンピュータ可読命令は、汎用コンピュータ、特殊目的のコンピュータ、若しくは他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサまたはプログラマブル回路に対し、ローカルにまたはローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、インターネット等のようなワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）を介して提供され、フローチャートまたはブロック図で指定された操作を実行するための手段を作成すべく、コンピュータ可読命令を実行してよい。プロセッサの例としては、コンピュータプロセッサ、処理ユニット、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ等を含む。
【０１４０】
図１９は、本発明の複数の態様が全体的または部分的に具現化されてよいコンピュータ２２００の例を示す。コンピュータ２２００にインストールされたプログラムは、コンピュータ２２００に、本発明の実施形態に係る装置に関連付けられる操作または当該装置の１または複数のセクションとして機能させることができ、または当該操作または当該１または複数のセクションを実行させることができ、および／またはコンピュータ２２００に、本発明の実施形態に係るプロセスまたは当該プロセスの段階を実行させることができる。そのようなプログラムは、コンピュータ２２００に、本明細書に記載のフローチャートおよびブロック図のブロックのうちのいくつかまたはすべてに関連付けられた特定の操作を実行させるべく、ＣＰＵ２２１２によって実行されてよい。
【０１４１】
本実施形態によるコンピュータ２２００は、ＣＰＵ２２１２、ＲＡＭ２２１４、グラフィックコントローラ２２１６、およびディスプレイデバイス２２１８を含み、それらはホストコントローラ２２１０によって相互に接続されている。コンピュータ２２００はまた、通信インタフェース２２２２、ハードディスクドライブ２２２４、ＤＶＤ−ＲＯＭドライブ２２２６、およびＩＣカードドライブのような入／出力ユニットを含み、それらは入／出力コントローラ２２２０を介してホストコントローラ２２１０に接続されている。コンピュータはまた、ＲＯＭ２２３０およびキーボード２２４２のようなレガシの入／出力ユニットを含み、それらは入／出力チップ２２４０を介して入／出力コントローラ２２２０に接続されている。
【０１４２】
ＣＰＵ２２１２は、ＲＯＭ２２３０およびＲＡＭ２２１４内に格納されたプログラムに従い動作し、それにより各ユニットを制御する。グラフィックコントローラ２２１６は、ＲＡＭ２２１４内に提供されるフレームバッファ等またはそれ自体の中にＣＰＵ２２１２によって生成されたイメージデータを取得し、イメージデータがディスプレイデバイス２２１８上に表示されるようにする。
【０１４３】
通信インタフェース２２２２は、ネットワークを介して他の電子デバイスと通信する。ハードディスクドライブ２２２４は、コンピュータ２２００内のＣＰＵ２２１２によって使用されるプログラムおよびデータを格納する。ＤＶＤ−ＲＯＭドライブ２２２６は、プログラムまたはデータをＤＶＤ−ＲＯＭ２２０１から読み取り、ハードディスクドライブ２２２４にＲＡＭ２２１４を介してプログラムまたはデータを提供する。ＩＣカードドライブは、プログラムおよびデータをＩＣカードから読み取り、および／またはプログラムおよびデータをＩＣカードに書き込む。
【０１４４】
ＲＯＭ２２３０はその中に、アクティブ化時にコンピュータ２２００によって実行されるブートプログラム等、および／またはコンピュータ２２００のハードウェアに依存するプログラムを格納する。入／出力チップ２２４０はまた、様々な入／出力ユニットをパラレルポート、シリアルポート、キーボードポート、マウスポート等を介して、入／出力コントローラ２２２０に接続してよい。
【０１４５】
プログラムが、ＤＶＤ−ＲＯＭ２２０１またはＩＣカードのようなコンピュータ可読媒体によって提供される。プログラムは、コンピュータ可読媒体から読み取られ、コンピュータ可読媒体の例でもあるハードディスクドライブ２２２４、ＲＡＭ２２１４、またはＲＯＭ２２３０にインストールされ、ＣＰＵ２２１２によって実行される。これらのプログラム内に記述される情報処理は、コンピュータ２２００に読み取られ、プログラムと、上記様々なタイプのハードウェアリソースとの間の連携をもたらす。装置または方法が、コンピュータ２２００の使用に従い情報の操作または処理を実現することによって構成されてよい。
【０１４６】
例えば、通信がコンピュータ２２００および外部デバイス間で実行される場合、ＣＰＵ２２１２は、ＲＡＭ２２１４にロードされた通信プログラムを実行し、通信プログラムに記述された処理に基づいて、通信インタフェース２２２２に対し、通信処理を命令してよい。通信インタフェース２２２２は、ＣＰＵ２２１２の制御下、ＲＡＭ２２１４、ハードディスクドライブ２２２４、ＤＶＤ−ＲＯＭ２２０１、またはＩＣカードのような記録媒体内に提供される送信バッファ処理領域に格納された送信データを読み取り、読み取られた送信データをネットワークに送信し、またはネットワークから受信された受信データを記録媒体上に提供される受信バッファ処理領域等に書き込む。
【０１４７】
また、ＣＰＵ２２１２は、ハードディスクドライブ２２２４、ＤＶＤ−ＲＯＭドライブ２２２６（ＤＶＤ−ＲＯＭ２２０１）、ＩＣカード等のような外部記録媒体に格納されたファイルまたはデータベースの全部または必要な部分がＲＡＭ２２１４に読み取られるようにし、ＲＡＭ２２１４上のデータに対し様々なタイプの処理を実行してよい。ＣＰＵ２２１２は次に、処理されたデータを外部記録媒体にライトバックする。
【０１４８】
様々なタイプのプログラム、データ、テーブル、およびデータベースのような様々なタイプの情報が記録媒体に格納され、情報処理を受けてよい。ＣＰＵ２２１２は、ＲＡＭ２２１４から読み取られたデータに対し、本開示の随所に記載され、プログラムの命令シーケンスによって指定される様々なタイプの操作、情報処理、条件判断、条件分岐、無条件分岐、情報の検索／置換等を含む、様々なタイプの処理を実行してよく、結果をＲＡＭ２２１４に対しライトバックする。また、ＣＰＵ２２１２は、記録媒体内のファイル、データベース等における情報を検索してよい。例えば、各々が第２の属性の属性値に関連付けられた第１の属性の属性値を有する複数のエントリが記録媒体内に格納される場合、ＣＰＵ２２１２は、第１の属性の属性値が指定される、条件に一致するエントリを当該複数のエントリの中から検索し、当該エントリ内に格納された第２の属性の属性値を読み取り、それにより予め定められた条件を満たす第１の属性に関連付けられた第２の属性の属性値を取得してよい。
【０１４９】
上で説明したプログラムまたはソフトウェアモジュールは、コンピュータ２２００上またはコンピュータ２２００近傍のコンピュータ可読媒体に格納されてよい。また、専用通信ネットワークまたはインターネットに接続されたサーバーシステム内に提供されるハードディスクまたはＲＡＭのような記録媒体が、コンピュータ可読媒体として使用可能であり、それによりプログラムを、ネットワークを介してコンピュータ２２００に提供する。
【０１５０】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【０１５１】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【０１５２】
１…半導体モジュール、２…ケース、２ａ…金属ベース、２ｂ…枠体、２ｃ…蓋体、３…絶縁基板、３ａ…絶縁板、３ｂ…金属板、３ｃ…配線板、３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３…回路パターン、４…接合材、５…半導体素子、５ａ…接合材、６ａ，６ｂ，６ｃ…端子、７ｂ，７ｃ…ワイヤ、８…ゲル充填材、９…構造部、１１…試験サンプル、１２ａ…サンプル基体、１３ｂ…サンプル被接合体、１４…サンプル接合材料、１００…試験システム、１１０…Ｈ／Ｃ試験装置、１１１…加熱冷却部、１１２…測定部、１２０…機械疲労試験装置、１２１…支持治具、１２１ａ…ベース、１２１ｂ…支持部材、１２２…押し込み治具、１２３…加熱冷却部、１２４…測定部、１３０…制御装置、１３２…決定部、１３４…試験部、１３６…評価部、２００…評価システム、２３０…評価装置、２３２…決定部、２３６…評価部、２３８…取得部、２４０…記憶装置、２２００…コンピュータ、２２０１…ＲＯＭ、２２１０…ホストコントローラ、２２１２…ＣＰＵ、２２１４…ＲＡＭ、２２１６…グラフィックコントローラ、２２１８…ディスプレイデバイス、２２２０…出力コントローラ、２２２２…通信インタフェース、２２２４…ハードディスクドライブ、２２２６…ＲＯＭドライブ、２２３０…ＲＯＭ、２２４０…出力チップ、２２４２…キーボード。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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