(57)【要約】【課題】回路基板に搭載した電子部品の接続部の破壊による電子部品の寿命を、電子部品の接続部が実際に破壊する前に予測することを可能にする。【解決手段】電子部品を実装した回路基板に熱伝導部材を介して実装した半導体装置の寿命を予測する方法において、回路基板上に第１の熱伝導部材を介して実装した半導体装置と回路基板上に第１の熱伝導部材よりも熱伝導率が小さい第２の熱伝導部材を介して実装した余命診断部とに同期して通電し、同期して通電することを繰返すことにより余命診断部で発生する故障を検出し、検出した余命診断部に発生した故障から半導体装置の寿命を予測するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品を実装した回路基板に熱伝導部材を介して実装した半導体装置の寿命を予測する方法であって、
前記回路基板上に第１の熱伝導部材を介して実装した半導体装置と前記回路基板上に前記第１の熱伝導部材よりも熱伝導率が小さい第２の熱伝導部材を介して実装した余命診断部とに同期して通電し、    
該同期して通電することを繰返すことにより前記余命診断部で発生する故障を検出し、
該検出した前記余命診断部に発生した故障から前記半導体装置の寿命を予測する
ことを特徴とする素子寿命予測方法。
【請求項２】
回路基板に実装した半導体装置の寿命を予測する方法であって、
前記回路基板上に実装した半導体装置と前記回路基板上に実装した余命診断部とに同期して通電し、    
該同期して通電することを繰返すことにより前記余命診断部で発生する故障を検出し、
該検出した前記余命診断部に発生した故障の情報を前記回路基板に実装した半導体装置に故障が発生する前に素子寿命予測として出力する
ことを特徴とする素子寿命予測方法。
【請求項３】
前記半導体装置と前記余命診断部とはそれぞれ熱伝導接続部材を介して前記回路基板に実装されており、前記半導体装置と前記回路基板との間に介在する熱伝導接続部材は、前記余命診断部と前記回路基板との間に介在する熱伝導接続部材よりも熱伝導率が高いことを特徴とする請求項２記載の素子寿命予測方法。
【請求項４】
前記余命診断部は、前記半導体装置と同じ材料で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の素子寿命予測方法。
【請求項５】
前記同期して通電する電力は、前記半導体装置に通電する電力よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の素子寿命予測方法。
【請求項６】
前記同期して通電することにより、前記余命診断部を前記半導体装置よりも高温の状態に維持することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の素子寿命予測方法。
【請求項７】
前記同期して通電することを繰返すことにより前記余命診断部と前記回路基板とを接続する配線の接合部の破断による故障を検出することを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の素子寿命予測方法。
【請求項８】
実装した半導体装置の寿命を予測する機能を備えた回路基板であって、
前記回路基板上に第１の熱伝導接続部を介して半導体装置を実装した実装回路と、  
前記回路基板上に前記第１の熱伝導部よりも熱伝導率が小さい第２の熱伝導部材を介して余命診断素子を実装した余命診断回路部と、
前記実装回路と前記余命診断回路部とに同期して電力を印加する制御部と、    
該制御部で前記実装回路と前記余命診断回路部とに同期して電力を印加することを繰返すことにより前記余命診断回路部で発生する故障を検出する故障検出部と、
該故障検出部で検出した前記余命診断回路部に発生した故障の情報を前記実装回路の半導体装置に故障が発生する前に素子寿命予測として出力する故障情報出力手段と
を備えたことを特徴とする素子寿命予測機能を備えた回路基板。
【請求項９】
前記実装回路の半導体装置と前記回路基板との間に介在する第１の熱伝導接続部材は、前記余命診断回路部の前記余命診断素子と前記回路基板との間に介在する第２の熱伝導接続部材よりも熱伝導率が高いことを特徴とする請求項８記載の素子寿命予測機能を備えた回路基板。
【請求項１０】
前記余命診断素子は、前記半導体装置と同じ材料で構成されていることを特徴とする請求項８または９に記載の素子寿命予測機能を備えた回路基板。
【請求項１１】
前記制御部は、前記実装回路と前記余命診断回路部とに同期して印加する電力を、前記余命診断回路部に印加する電力の方が前記半導体装置に通電する電力よりも小さくなるように制御することを特徴とする請求項８乃至１０の何れかに記載の素子寿命予測機能を備えた回路基板。
【請求項１２】
前記故障検出部は、前記制御部で同期して通電することを繰返すことにより前記余命診断回路部の余命診断素子と前記回路基板とを接続する配線の接合部の破断による故障を検出することを特徴とする請求項８乃至１１の何れかに記載の素子寿命予測機能を備えた回路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の寿命を予測するための素子の寿命予測方法及び素子寿命予測機能を備えた回路基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子機器の寿命を決める最大の要因が、各部品間の接続部での熱疲労破壊である。熱疲労破壊は、装置の稼動の際に、各部品にジュール熱が発生し、温度が上昇し、被接合材の熱膨張係数の差異により、接続部に熱ひずみが発生し、これが機器のON、OFFにより繰り返される事で、接合部に徐々にクラックが発生し、最終的に破断に至るものである。そのため、電子機器では、稼動を保証した期間中に、接続部の破断による、機器の故障が発生しない様に、信頼性設計を行う。
【０００３】
しかしながら、社会インフラ系のシステムに用いられる電子機器の様に、極めて長期間の安定稼動が必要とされる場合、充分な信頼性が得られず、前記の設計した寿命に到達し機器が停止する前に設計寿命に対して十分に余裕を持っている時点で交換する事により、安定な稼動を実現している。
【０００４】
しかしながら、設計時に想定した使用環境と市場での稼働環境に差異が有るために、設計した寿命を満たさないとき、設計寿命に対して十分に余裕を持っている時点で交換するように計画していても、予定した交換時期の前に機器が停止してしまう場合が有る。
【０００５】
そのため、実際に稼動している電子機器の余命を正確に予測する技術が重要である。余命を予測する技術としては、接続部に発生したクラックの進展により、徐々に、放熱性能が劣化する現象を、温度変化を測定する事で検出し、余命を診断する方法（例えば、特許文献１及び２）、あるいは、電気特性が劣化する現象を電気信号の変化を測定する事で検出し、余命を診断する（例えば、特許文献３及び４）方法が提示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１４７６８３号公報
【特許文献２】特開２００６−１１４５７５号公報
【特許文献３】特開２００８−３４７０７号公報
【特許文献４】特開２００８−４７２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した従来の技術は、いずれも接続部に破壊が発生して初めて、余命の予測が可能となるものであり、性能の劣化が発生するまで、予測が出来ないという問題が有った。
【０００８】
本発明の目的は、接続部の破断が発生する前に余命を診断し、部品や機器の交換を最適のタイミングで実施する事を可能とする事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明では、半導体素子接続部の余命を予測するために、同一の材料構成、構造の接続部を持つと同時に、放熱経路の一部を低熱伝導材料に置き換える事で、小電力で同等以上の温度上昇させる事が可能な余命予測素子を搭載する。この余命予測素子に、余命を検知したい半導体素子の稼動と同期して通電する事で、小電力で、大きな温度上昇を発生させ、短時間で接続部の破壊を発生させるものである。  
即ち、上記目的を達成するために、本発明では、電子部品を実装した回路基板に熱伝導部材を介して実装した半導体装置の寿命を予測する方法において、回路基板上に第１の熱伝導部材を介して実装した半導体装置と回路基板上に第１の熱伝導部材よりも熱伝導率が小さい第２の熱伝導部材を介して実装した余命診断部とに同期して通電し、同期して通電することを繰返すことにより余命診断部で発生する故障を検出し、検出した余命診断部に発生した故障から半導体装置の寿命を予測するようにした。
【００１０】
また、上記目的を達成するために、本発明では、回路基板に実装した半導体装置の寿命を予測する方法において、回路基板上に実装した半導体装置と回路基板上に実装した余命診断部とに同期して通電し、同期して通電することを繰返すことにより余命診断部で発生する故障を検出し、検出した余命診断部に発生した故障の情報を回路基板に実装した半導体装置に故障が発生する前に素子寿命予測として出力するようにした。
【００１１】
更に、上記目的を達成するために、本発明では、実装した半導体装置の寿命を予測する機能を備えた回路基板を、回路基板上に第１の熱伝導接続部を介して半導体装置を実装した実装回路と、回路基板上に第１の熱伝導部よりも熱伝導率が小さい第２の熱伝導部材を介して余命診断素子を実装した余命診断回路部と、実装回路と余命診断回路部とに同期して電力を印加する制御部と、制御部で実装回路と余命診断回路部とに同期して電力を印加することを繰返すことにより余命診断回路部で発生する故障を検出する故障検出部と、故障検出部で検出した余命診断回路部に発生した故障の情報を実装回路の半導体装置に故障が発生する前に素子寿命予測として出力する故障情報出力手段とを備えて構成した。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、電子素子の接続部が寿命に達する前に、電子素子の接続部よりもより大きな熱的な負荷を繰返してかけて余命予測素子の接続部の破壊を発生させることにより、電子素子の接続部の余命の診断をする事が可能となる。
【００１３】
これにより、半導体装置や回路基板の修理、交換が必要な時期を半導体装置の接続部が破断する前に高精度で予測する事が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１における回路基板の実装構造を示す回路基板の断面図である。
【図２】図１記載の回路基板で１０Ｗの電力を印加したときの半導体素子と余命予測素子との温度変化を示すグラフである。
【図３】図１記載の回路基板で半導体素子に８５Ｗの電力を印加し余命予測素子に３Ｗに電力を印加してそれぞれ７０℃に昇温させたときの温度変化を示すグラフである。
【図４】実施例１における回路基板の構成を示す回路基板のブロック図である。
【図５】実施例２における回路基板の実装構造を示す回路基板の断面図である。
【図６】実施例３における回路基板の実装構造を示す回路基板の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明では、電子部品を実装した回路基板に余命を予測するための素子（余命予測素子）を搭載し、この余命予測素子に、余命を検知したい半導体装置の稼動と同期して通電する事で、小電力で、大きな温度上昇を発生させ、半導体装置の接続部が破壊する前に余命予測素子の接続部を破壊させることにより、半導体装置の接続部が破壊する時期（半導体装置接続部の余命）を予測するようにしたものである。
【００１６】
以下に、本発明の実施例を、図を用いて説明する。
【実施例１】
【００１７】
初めに、実施例１として、電子部品を実装した回路基板（モジュール基板）上にダイボンディングされた半導体素子のワイヤボンディング接続部の余命を診断する手法の例を説明する。  
まず、半導体素子及び余命予測素子を実装した回路基板の構造の例を図１を用いて説明する。
【００１８】
図１の左側は、１３ｍｍ×９ｍｍ×０．４ｍｍｔで、電気抵抗５００Ωの半導体素子１が、厚さ０．３２ｍｍの窒化珪素製の回路基板２上に形成された、厚さ０．５ｍｍの銅電極３に、高熱伝導接続部４で接続されている構成を示している。高熱伝導接続部４は、熱伝導率が３０Ｗ/ｍ・ＫであるＳｎ９５Ｐｂはんだを材料とし、接続厚さ０．１ｍｍで構成されている。半導体素子１と高熱伝導部４と
一方、図１の右側は、余命予測素子５として、半導体素子１と同一の半導体素子を、回路基板２上に形成された、厚さ０．５ｍｍの銅電極３に、低熱伝導接続部６で接続されている。低熱伝導接続部６は、熱伝導率が０．３Ｗ/ｍ・ＫとＳｎ９５Ｐｂはんだよりも小さい、ポリイミド樹脂を材料として、接続厚さ０．１ｍｍで構成されている。
【００１９】
半導体素子１及び余命予測素子５は、上面に設けたアルミニウム電極７と回路基板２上の電極８にアルミニウムワイヤ９をワイヤボンディングする事で電気的に接続されている。図１で１０は余命予測素子５のワイヤボンディング接続部、１１は半導体素子１のワイヤボンディング接続部を示す。半導体素子１とアルミニウム電極７及びワイヤボンディング９を総称して半導体装置１５０と呼ぶ。また、余命予測素子５とアルミニウム電極７及びワイヤボンディング９を総称して余命診断部１６０と呼ぶ。
【００２０】
この回路実装構造体において、半導体装置１５０の半導体素子1と余命診断部１６０の余命予測素子５に、それぞれ０．０２Ａの電流を流す、すなわち１０Ｗの電力を印加し発熱を発生させた場合の、接続部温度を測定した結果を図２に示す。温度上昇は、半導体素子１では５℃なのに対し、余命予測素子５では１４０℃と２８倍である。これは、１/２８の電力で両者を同じ温度にする事が出来る事を意味する。具体的な例として７０℃まで温度を上げた場合の温度を実測した結果を図３に示す。半導体素子1では８５Ｗ必要なのに対し、余命予測素子５では約２８分の１の３Ｗしか必要としない事が分かる。
【００２１】
次に、ワイヤボンディング接続部１０の余命を予測する手順について説明する。
接続部が破断に至るまでの熱サイクルの回数で定義される寿命Ｎと、熱サイクルの温度差ΔＴの間には、以下に示す関係が有る。
Ｎ＝α×ΔＴ-ｎ
ここで、αおよびｎは定数であり、温度サイクル試験により、実験的に求めることが出来る。
【００２２】
この式より、半導体装置１５０の半導体素子1の寿命と熱サイクルの温度差をＮ１、ΔＴ1、余命診断部１６０の余命予測素子５の寿命と熱サイクルの温度差をＮ２、ΔＴ２とすると、両者の寿命比は、Ｎ１/Ｎ２＝（ΔＴ１/ΔＴ２）-ｎとなる。
【００２３】
ここで、簡易的にn＝１とし、例えば、半導体素子１の寿命Ｎ１の９割で、余命予測素子５の寿命Ｎ２に到達させるには、図２及び３に示した例では、温度上昇をΔＴ１/ΔＴ２＝１.１となる様、余命予測素子２に入力する電力を３×１.１＝３．３Ｗにすれば良い事が分かる。
【００２４】
上記の手順で、電力を決定し、両者への印加を同時に行う事で、所望のタイミングで、余命予測素子５のワイヤボンディング接続部１０の破壊を検出し、半導体素子１のワイヤボンディング接続部１１の破壊の時期を予測する事が可能となる。これにより、部品や、基板の修理、交換が必要な時期を高精度で予測する事が可能となる。
【００２５】
次に、余命予測素子５を組み込んだ回路基板１００の構成について、図４を用いて説明する。図４に示した回路基板１００は、制御回路１０１、信号処理回路（または電源回路）１０２、余命予測素子５を含む余命予測回路１０３を備えており、制御回路は電源１１０と接続して電力の供給を受け、信号処理回路（または電源回路）１０２からの出力により外部の駆動系１１１を駆動し、駆動系１１１からの信号を信号処理回路（または電源回路）１０２で受けて処理した後に出力する。
【００２６】
余命予測回路１０３の余命予測素子５は、信号処理回路（または電源回路）１０２で使われている素子の中で最も寿命が短いと予測される半導体素子１（余命を検知したい半導体装置）と同じ型の半導体素子である。図１を用いて説明したように、余命予測回路１０３の基板への余命予測素子５の実装構造のうち放熱部（図１の低熱伝導接続部６）の材料が、半導体素子１の放熱部（図１の高熱伝導接続部４）の材料と異なる。
【００２７】
制御回路１０１は、信号処理回路（または電源回路）１０２の余命を検知したい半導体装置の稼動と同期して余命予測回路１０３の余命予測素子５に通電するように制御する事で、余命予測回路１０３に小電力で、大きな温度上昇を発生させ、半導体素子１のワイヤボンディング部１１が破壊する前に余命予測素子５ワイヤボンディング部１０を破壊させる。
【００２８】
制御回路１０１には、余命予測回路１０３を流れる電流値を検出する電流検出部１０１１が備えられている。余命予測素子５のワイヤボンディング部１０が破壊すると余命予測回路１０３を流れる電流値はゼロになり、制御回路１０１の電流検出部１０１１でこれを検知し、制御回路１０１は検知信号をアラーム１２０に出力し、これを受けてアラーム１２０は警告を発する。
【００２９】
このアラーム１２０から警告が発せられた時点で、信号処理回路（または電源回路）１０２の半導体素子１のワイヤボンディング部１１は未だ破壊に至っておらず、信号処理回路（または電源回路）１０２を含む回路モジュール１００は正常に作動することができる。
【００３０】
このように、アラーム１２０から警告が発せられることにより、回路モジュール１００の修理、交換の時期が近づいたことを確実に知ることができ、回路モジュール１００が未だ正常な作動が可能な状態で新たな回路モジュールまたは新たな電子部品と交換することが可能になる。
【００３１】
複数の回路基板を組み込んで回路システムを構成する場合には、それぞれの回路基板において上記に説明したような、それぞれの回路基板において、使われている素子の中で最も寿命が短いと予測される半導体素子１と同じ型の半導体素子を余命予測素子５として余命予測回路１０３を構成し、アラーム１２０が余命予測回路１０３の異常を検知した回路モジュール１００が識別できるようにして警告を発することにより、組み込まれた複数の回路基板について、それぞれの回路基板ごとの修理、交換の時期を確実に把握することができる。
【００３２】
上記の説明では、半導体素子1と余命予測素子５が同一の構成の素子である場合で説明したが、両者が同一の接続部の構造と材料構成を有すればよく、必ずしも同一の構成の素子である必要は無い。例えば、半導体素子1よりも小さな余命予測素子５用いて、余命予測素子５の熱容量を半導体素子1の熱容量よりも小さくする事で、本発明の効果をさらに効率的に得る事が可能である。
【００３３】
また、上記の説明では、抵抗成分のみを有する等の、全く回路構成の異なる半導体素子を余命予測素子５として用いても良い。さらに、余命予測素子５に複数の電気回路を形成し、複数のワイヤボンディング接続部の温度を変えて、複数のワイヤボンディング接続部に異なるタイミングで破壊を発生させる事で、余命の予測を段階的に行っても良い。
【００３４】
また、上記の説明では、熱伝導率の小さな材料を使用する例を示した。しかし、熱抵抗[Ｋ/Ｗ]は、熱伝導率[Ｗ/ｍ・Ｋ]に熱伝導距離を乗じたものの逆数である。したがって、熱伝導距離を大きくする、すなわち、厚くする事で、同一の材料を用いた場合でも、熱抵抗を高くし、本発明の効果を得る事が出来る。
【実施例２】
【００３５】
図５は、本発明を、マイコンに使用する基板基板（モジュール基板）に適用した例を示す。
【００３６】
図５には、マイコンの基板基板２１にリード型半導体パッケージ５０と余命診断回路パッケージ５１０とを搭載した状態を示す。リード型半導体パッケージ５０は、半導体素子５１をダイボンド部５２でリードフレーム５３にダイボンディングし、金ワイヤ５４を半導体素子５１とリードフレーム５３とにワーヤボンディングして半導体素子５１とリードフレーム５３を電気的に接続する。その後、半導体素子５１とワイヤボンディングした金ワイヤ５４とをモールドレジン５５で封止し、リードフレーム５３を曲げ加工して成形しタイバーカットを実施して作成する。この作成したリード型半導体パッケージ５０は回路基板２にはんだで接続して実装される。
【００３７】
一方、余命診断回路パッケージ５１０として、余命予測素子５７とリードフレーム５３とのダイボンド部５８以外をリード型半導体パッケージ５０と同じ材料で構成した。余命診断回路パッケージ５１０のダイボンド部５８には、熱伝導率の小さな材料を使用する、もしくは厚くする等して熱抵抗を大きくした構成とした。
【００３８】
リード型半導体パッケージ５０においては、はんだ接続部５６に熱ストレスが最も大きくかかるので、はんだ接続部５６の寿命に対し、前記の余命診断を行う事が有効になる。  図５に示したように、余命診断回路パッケージ５１０として、熱伝導率が小さいダイボンド部５８により熱抵抗を大きくした構成としたことにより、実施例１で説明したのと同様の原理により、より少ない電量の印加ではんだ接続部５６の破壊を検出することが可能となる。
【００３９】
実施例２による余命診断回路パッケージ５１０を組み込んだ回路基板の構成は実施例１と同様なので、説明を省略する。
【実施例３】
【００４０】
図６は、本発明を、パソコンに使用する回路基板（モジュール基板）に適用した例を示す。
【００４１】
図６には、半導体素子６１をパソコンの回路基板２２にＣ４接続（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｃｏｌｌａｐｓｅ  Ｃｈｉｐ  Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）し、上面にグリース６２を介して放熱フィンを設けた実装構造体６０と、グリース６２以外を同様な材料で構成した余命診断構造体６１０とを搭載した状態を示す。余命診断構造体６１０は、グリース６６として熱伝導率の小さな材料を使用する、もしくは厚く塗る等して熱抵抗を高くした状態で余命診断素子６５に放熱フィン６３を実装する事で、はんだバンプ部６４で構成される余命診断素子６５と回路基板２２との接続部の寿命に対し、前記の余命診断を行う事が可能となる。
【００４２】
実装構造体６０においては、回路基板２２と半導体素子６１を接続するはんだバンプ部６４に熱ストレスが最も大きくかかるので、はんだバンプ部６４の寿命に対し、前記の余命診断を行う事が有効になる。図６に示したように、余命診断構造体６１０として、グリース６６の熱抵抗を大きくした構成としたことにより、実施例１で説明したのと同様の原理により、より少ない電量の印加ではんだバンプ部６４の破壊を検出することが可能となる。
【００４３】
実施例３による余命診断構造体６１０を組み込んだ回路基板の構成は実施例１と同様なので、説明を省略する。  
以上に、本発明を実施するための形態を、３種類の実装形態を例に用いて説明したが、本発明の対象は、これに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４４】
１，５１，６１・・・半導体素子    ２，２１，２２・・・回路基板    ３・・・銅電極    ４・・・低熱抵抗接続部    ５，５７，６５・・・余命診断素子    ６・・・高熱抵抗接続部    ７・・・アルミニウム電極    ８・・・銅電極    ９・・・アルミニウムワイヤ    １１、５２・・・ダイボンディング部    ５０・・・リード型半導体パッケージ        ５３・・・リードフレーム    ５４・・・金ワイヤ    ５５・・・モールドレジン      ５６・・・はんだ    ５８・・・熱伝導率が小さいダイボンド部    ６０・・・実装構造体    ６２・・・グリース      ６３・・・放熱フィン    ６４・・・はんだバンプ    ６６・・・熱抵抗の大きいグリース    ５１０・・・余命診断回路パッケージ          ６１０・・・余命診断構造体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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