REAJ第29回春季信頼性シンポジウム

１－１

湿度加速試験とモデル式一考察（間違ってはいけないモデル式の選択）

A Study for Accelerated Humidity Stress Test ａｎｄ Ｍｏｄｅｌ伊藤貞則*

Sadanori ITOU

概要

2．温湿度加速モデル例

日本で使用される電子機器にとって湿度ストレスはそ

半導体の耐湿性加速モデルは，温度加速ならアレニの信頼性を劣化させる大きな要因である．そのため湿度ウス則であるというように明確になっているものがなく，樹ストレスによる加速評価は非常に重要なものである．

脂封止内部の劣化加速評価が重要となったＩＣの発達としたがって加速式としていろいろなモデルが提案されともにいろいろなモデルが多数提案５）6)されている．そのていて活用されている．しかしモデル式があるから使うとモデルは大きく分けるとつぎのような三つの種類になる.

いう感覚で選択していると失敗することがある．

一つは水蒸気圧モデルである．

本報告は多くの説のある半導体の耐湿性加速モデ

Ｌ＝ＡＶＰ

ルを取上げ，それぞれの妥当性を考察した結果である．

-ｎ（１）Ｌ：寿命 ＶＰ：水蒸気圧 ｎ：べき乗指数 Ａ：定数

1．はじめに寿命は水蒸気圧のべき乗に比例するとしたＦｌｏｏｄらによって提案された．

電子機器が受ける湿度ストレスに対する評価は大きく

二つ目は温度関数と湿度関数の組合せモデルで，温度変数としてアレニウス関数を用いて湿度関数は相つぎの三つの種類に分けられる.
一つは吸湿による経時劣化である．評価方法として対湿度を変数としたものを組合せている．

は，温湿度一定の環境に放置し外観や特性の変化をＬ＝Ａｅｘｐ評価する.
二つ目は自然環境として日常受ける昼夜の温湿度サイクル環境による劣化である．製品に結露や呼吸作用用車停車時の事例 がある．

（２）
１
ＲＨ

，（ＲＨ）

－４

ｅｔｃ

ＲＨ：相対湿度

三つ目はアレニウスモデルである．

３）

４）∙ ｆ（ＲＨ）

Ｅａ：活性化エネルギ ｋ：ボルツマン乗数 Ｔ：絶対温度

三つ目は屋内外を移動する携帯品や機器の動作開よる劣化である．携帯品の屋内外移動事例 や冬季乗

ｋＴ

ｆ ＲＨ ：ｅｘｐ ＲＨ ，ｅｘｐが発生する．規格１）や試験法２）の事例がある．
始/終了時の急激温湿度変化によって発生する結露に

ＥａＬ＝Ａｅｘｐ

ＥａｋＴ

（３）

二つ目，三つ目の結露による劣化は温度変化率や湿度加速の課題でありながら温度加速のアレニウス

製品の熱容量で変わるのでモデル化は進んでいないが，モデルは湿度加速でも結果がよく合うので加速モデル

一つ目の吸湿劣化は一定温湿度下での劣化なので取の検討が始まった頃から比較的よく使われている．モデ

組み易いためいろいろな方法が検討されて実用化され

ルに湿度因子がないが相対湿度８５％一定で温度を変ている．本報告ではこのモデルについて考察した．

えて試験を行い，加速性が評価されている．

*

イトケン事務所〒610-0101 京都府城陽市平川室木 28-2

e-mail:s.itou@sepia.plala.or.jp

本報文は審査を受けていない技術報告であり、将来、著者により拡張・修正等されたものが、学術雑誌等に掲載される可能性があります。

This article is a technical report without peer review, and its polished or extended version may be published elsewhere.

REAJ第29回春季信頼性シンポジウム

3．試験方法考察１（温度関数の作り方）

１－１
ことになる．すなわち５０％の変化を無視して１０％の変化でモデル式を作っていることになり適切なものができ

温湿度加速試験なので加速試験は高温高湿条件にるのかが疑問である．

なろうから（２）式で示すように温度関数と湿度関数の組さらに相対湿度を変化させて湿度関数を作るという手合せが説得性のあるモデルに思える．また半導体以外順を考えれば，湿度ストレスは温度で変わる値なのに相でも使える．このためまずこの方法について考察する．

対湿度ならその温度の飽和水蒸気圧の何％かというこ

この加速モデルの作成は相対湿度一定（多くは８５％一定）で温度を変えて得られた結果から温度関数を作り，つぎに温度一定で相対湿度を変えて得られた結果から湿度関数を作って両者を組合せている場合が多い．となので単にその温度での変化しか捉えられていないことになる．
ではどうすれば温湿度関係のモデルを作れるか考えてみる．

しかしこれで加速モデルができるのかの疑問点がある．

まず温度関数を求める場合は相対湿度一定ではなく，両者のストレスの片方を一定にしてもう一方を変化させ水蒸気圧（あるいは絶対湿度）一定で温度を変える条て両者の関数を得て，その結果を組合せるという方法は件での試験が必要ではないかと考える．すなわち温度理にかなっているが，片方のストレスを相対湿度として幅が狭くなるが，図２に示すように水蒸気圧１６０（ｈＰａ）いる点である．相対湿度はその温度での飽和水蒸気圧一定とか７０（ｈＰａ）一定とかで温度を変えて試験を行い，に対する％を表しているに過ぎず，その温度での飽和温度関数を作るべきと考える．当然モデルがアレニウス水蒸気圧を掛けることでストレス値となるものである．す反応論モデルになることもあろう．

なわち相対湿度は単独では湿度ストレスとはならない．
湿度ストレスは相対湿度でなく水蒸気圧なのでこれを軸に考えなければならない．相対湿度一定なら湿度ストレス一定と考えているとつぎのような矛盾を生じる．
下の図１の温度と相対湿度を座標軸とした水蒸気圧表からわかるように，例えば相対湿度を８５％一定で温度を７０℃から８０℃に１０℃変えた場合，温度ストレスは３％しか変わらないのに水蒸気圧は５０％変わることになる．２５℃と８５℃と比べてみると温度ストレスは１.２倍の変化であるが，水蒸気圧の変化は１８倍にも達する．

図２ 水蒸気圧表における湿度ストレス一定とはいや温度の方が現象に効くのだから結果からは温度関数を作るのだと云えばそれまでだが，それではもう一

また湿度関数の作成は温度一定で相対湿度の変化方の湿度関数を作るときには相対湿度の変化で作ってではなく水蒸気圧の変化による関数を求めるべきであろいるので， ＲＨ１０％の変化を考えると水蒸気圧の変化う．すなわち図３のように温度値，相対湿度値で明確にはどの％域でも１０％で，１０％の変化を頼りにしているなっている○印の値でもよし，面倒な計算が伴うが塗り潰しの４００ ３００ ２００ (ｈＰａ)とか１００ ８０ ６０ (ｈＰａ)とか区切りのよい値の結果を求めるもよいのではないか．

図１ 水蒸気圧表から見たストレスの変化量例

図３ 水蒸気圧表における温度一定での湿度変化例

REAJ第29回春季信頼性シンポジウム

4．試験方法の考察２
水蒸気圧法とアレニウス法の一致

１－１
前項で説明したように，相対湿度一定で温度を変えるストレスというのは湿度ストレスの方が大きく変化しているのに温度ストレスだけで予測できるというのは，何かが（１）式の水蒸気圧モデルが試験結果としてよく合うので主流となっているが，また（３）式のアレニウスモデルもよく合うとされている．

隠れているということになる．
そこで考えられるのが水蒸気圧と温度との関係である．
一般にこの関係は曲線の[水蒸気圧の対数-温度]で表

高温高湿条件の結果なのに温度因子のない水蒸気されているが，プレッシャークッカ（ＨＡＳＴ）の飽和タイプ圧法と湿度因子のないアレニウスモデルの試験結果がで不飽和を作るときの複雑な温度計算を簡単に図からよく合うのは不思議である．今一度試験方法と結果の整読み取れるようにした図６がある．これは温度軸を（１/絶理を比較する．

対温度）にすると概略直線になるというものである．

（１）式の水蒸気圧モデルでは試験条件としていろいろな温度/相対湿度条件で試験を行うが，結果は温度/相対湿度試験条件の値に関係なく，図４に示す例のように寿命との関係を水蒸気圧スケールにプロットしている．
そして ｎ は ２ ということになっている．

図６ 温度と飽和水蒸気圧の関係９）

この関係 ＬｏｇＶｐ ∝ -１/Ｔ を Ｄを比例定数と図４ 加速性の一例７）

一方の（３）式のアレニウス法では相対湿度一定で温度を変えて行い，図５の例に示すように相対湿度一定という表記で寿命との関係を（1/絶対温度）スケールにプしてアレニウスモデルに代入してみるとexp→ exp
ただしロットしている．またアレニウス反応論モデルの活性化エ
ネルギ Ｅａ は ０.９ｅＶ がよく合うとされている．

∙ ∙１２.３

LogVp → Vp

∙ ∙（４）

２.３というようにアレニウスモデルは水蒸気圧モデルに変身することが分かる．さらに ｎ は活性化エネルギ Ea：０.９eV
ボルツマン定数 ｋ：８.６× １ ０ － 5 ｅＶ／Ｋ
傾き D は表１から 1/０.０００４５
表１ 図６をｋｇ/ｃｍ２単位で書き直した傾き
水蒸気圧℃
Ｋ
1/Ｋ
傾きＤ０.１ｋｇ/ｃｍ２
1ｋｇ/ｃｍ２
４５
１００３１８３７３
０.００３１４
０.００２６８
１/０.０００４５を代入すると ｎ：２.０３ が算出される．
図５ 試験の加速性（アレニウスプロット）８）

すなわち アレニウス法で活性化エネルギ ０.９ｅＶ は水蒸気圧モデルの ｎ＝２ に相当するのである．

REAJ第29回春季信頼性シンポジウム

5. 試験方法の考察３１－１

水蒸気圧法

７．まとめ

半導体各社の資料ではこの水蒸気圧法が試験結果

半導体における加速モデルは樹脂封止内の劣化をによく合うとされている．これは樹脂封止内の劣化を早早期に判断するためにバイアスも交えて多数提案され期に判断するため，湿度に関係するいろいろな故障メてきた．それらを①水蒸気圧法，②温湿度組合せ法，カニズムの基となる封止樹脂を透湿する時間を加速す③アレニウス法の三つに分けて考察した．

るという現象を表現するのに適っていること,また寿命がその結果つぎのことが分かった.

水蒸気圧の－２乗がよく合うというのは下式のように透湿（１）温度ファクタと相対湿度ファクタを掛け合わせたモが時間のルートに比例して進行する１０）いうＦｉｃｋの法則

デルは その係数を求める段階での相対湿度一定にに概略則っているからであろう.

よって温度ファクタの定数を決める作業は湿度ストレ・水分の到達量 W∝ "#√%（５）&（６）

・一定量の到達時間 ｔ ∝"# ２

種々の温湿度条件結果なのに水蒸気圧だけの変数で寿命を表せるのは反応論的な劣化メカニズムは少な
く,透湿という一つの劣化メカニズムが主流になっていると考えられる.

スの実態に合っていないと云える.
（２）IC の温湿度加速試験結果が水蒸気圧法とアレニウス法という片方のストレス表現であるモデルに合うのは温度値と水蒸気圧値の関数表現を工夫すれば近似的に直線関係によるものである.
（３）（２）の関係から温度と湿度のストレスの加え方において工夫しないと実験結果の値からだけのモデル係

このようにこのモデルは IC の封止樹脂の透湿現象に適っているからうまく推定できるのであり，湿度試験のモ数作成では温度と湿度ファクタを分けることが難しいと云える.

デルは何でも水蒸気圧の－２乗でよいというように考え参考文献てはいけない．

6．考察[1] MIL-STD-202-106 MOISTURE RESISTANCE[2] 梶山 藤田 鷺山：家庭用表面処理鋼板の新耐食温湿度加速モデルとしてアレニウスモデルと相対湿試験方法[ACTE] JFE技報No.12 pp36-41(2006-5)度関数の組合せモデルでアレニウスモデルの係数を相[3] 田中 青木 山本 木幡：結露の影響によるイオンマイグレーション現象の検討 第２６回日科技連R&Mシンポ pp.175-180(1996)[4] 堤 安田：センサ用ガラス封止サーミスタの故障解

対湿度一定の温度変化で求めた場合は，湿度ストレスが一定の値でないため学習済モデルは一般化性に欠けると云える.相対湿度を湿度ストレスとして考える場合
は温度とセット表示するか相対湿度でなく
Ｌ＝ＡｅｘｐＥａｋＴ∙ ｆ（Ｖｐ）

Ｌ＝ＡｅｘｐＥａｋＴ

析・評価方法の開発と信頼性改善 第18回R&Mシンポ．日科技連 pp.227-232(1988)∙ ｆ（Ｖｗ） （７）Ｖｐ：水蒸気圧 Ｖｗ：絶対湿度のようなモデルが必要ではないかと考える.
また水蒸気圧法とアレニウスモデル法の両方が同じ試験結果でありながら良く合うのは温度と水蒸気圧の関[5] ＫＥＣ信頼性分科会：プレッシャーククッカーに関する文献調査報告書 関西電子工業振興セン
ター pｐ.35,36(1983)[6] 瀬戸屋：故障物理と寿命予測 日科技連(2003)pｐ.179

係が両者の関数表現を工夫すると近似的直線関係で[7] ルネサス信頼性ハンドブック pｐ.3-30

あることからだが,高温高湿試験であること,劣化メカニズ[8] 安藤：電子機器の信頼性と寿命予測 pｐ.14(2001)

ムに反応論的要素のないことからアレニウス法という呼[9] 安食監修：電子デバイスの信頼性技術 日科技連

び方はそぐわないと云える.

出版社 pｐ.238(1988)

温度と湿度を変えた試験でありながら片方のストレス[10] 樋口 熊田 杉本 安食：熱損失のある集積回路表現になっているのは温度因子と湿度因子は完全にはにおけるT.H.B.試験法の開発 電子情報通信学切り分けできていなく，ある種の共線性が考えられるの会 R78-25 pp.1-7(1978)

で,水蒸気圧法が実験結果とよく合うと云っても温度因子が何割かは関係していると判断すべきと思われる．

（いとう さだのり/イトケン事務所）