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The AIPS image sensor watching at its inventor, Yoshiaki Hagiwara.
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SSIS2019Fall.Hagiwara01.txt 半導体品質管理に関する、2019.10.31 の講義メモです。


講師  萩原良昭   http://www.aiplab.com/   

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P.01 自己紹介、

京都市出身、高校2年で渡米、

高2と高3の2年間南カリフォルニアのいなか町の公立高校に通学し英語を勉強しつつ、飛び級で 
City Collegeに通学し、数学など理系の授業を受ける。

1967年~1971年の4年間、Pasadena市のカリフォルニア工科大学に進学する。大学を卒業し、
1971年と1973年の夏休みに一時帰国し、SONY厚木工場の Bipolar Process Line で 
品質保証室に配属され実習生として品質管理の指導をうける。

PhDの博士号を取得して、すぐSONYに入社。1975年~2008年 SONY勤務。
CCD Image sensor, SRAM,マイコン、PS2, PS4 を担当、

2008年~2017年  熊本市の崇城大学の情報学部の教授として、人工知能システムを支える
半導体デバイス(HARD)と、SOFTを含む、デジタル回路システムの研究に従事

2018年~ 自宅そばにある神奈川工科大学の非常勤講師として人工知能システムをテーマに
大学院生を中心に講義指導、かつ半導体産業人協会の教育委員会のメンバーとして奉仕している。
またAIPLAB(NPPO)代表理事長として奉仕しています。

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品質と環境管理と題して、これから3時50分から90分間5時20分までになりますが
萩原が塩沢さんに代わって講師を代行します。この資料は塩沢さんがお作りになった資料です。

塩沢さんは半導体産業人協会の会員でもあり、またクオリティ・クリエイト(株)
の取締役であり、またソニーLSIデザイン(株)の副社長も歴任されていました。

ソニーの半導体品質保証部の統括部長を歴任されていました。





P.02 この90分講義の Outline です。

    これは目次用のslide でもあり、

     最後にまとめに使うslideにもなるものです。

     
自動車の免許を取得する時のかなりきびしい講習会に似た内容になります。
文字がたいへん多い内容になります。

このslideここでは outline list ですが、最後にもう一度このslideにもどり、
     まとめとしたいと思っております。

     あなたはものづくり製造MAKERまたはそれを支援する企業の従業員として
     品質・環境管理に関する基本知識と心得を理解していますか?

      と尋ねられた時、自信を持って「はい」と返答できるようになっていただきたいと
      思っています。「そういう講習を受講しました。これで半導体MAKERの企業に
      いろいろお役にたつ仕事ができます。」

      と言えるようになっていただきたいです。
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品質環境管理といいましても細かく言うとかなりたくさんの細かいテーマがあります。
企業が永続的に反映し続けるためには顧客との信頼関係を強く構築することが
求められます。メーカーの社会的な品質責任が問われており、品質は企業にとって
顧客との信頼関係において、重要な事項でもあります。企業での品質データの
改ざんが時々生じています。不正な検査問題などがマスコミで報道されて、
社会的な問題になっている場合もあります。そういう意味で、関係する管理責任者、
だけだなく、従業員1人1人も、品質環境管理の重要性を認識し、その詳細を理解し
常にいい製品を、信頼性の高い製品をお客様に提供できるように常に、心がけなければ
なりません。このスライドはこれからご説明する内容をまとめリストになります。



P.03 (1)半導体の初期不良と経時変化による故障

      まず、不良と故障の違いは何か?

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半導体が機能しなくなる原因には、不良の問題と故障の問題があります。
不良も故障も一見同じように見えますが、物理的な原因は異なります。
半導体の初期不良と経時変化による故障は本質的に違うものです。
その物理的な原因は異なることが多いです。






P.04 (1)半導体の初期不良と経時変化による故障


         半導体が壊れると何が起きるか?

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半導体はあらゆる電子機器や工業製品に多く組み込まれており、
近年、特に、自動車や航空機に多数使用されています。

半導体は長年のメーカーの努力により、信頼性が高く壊れにくい
ものと一般に認識されていますが、実はそうではありません。
人間のやることですので、完全ではありません。

半導体が壊れると大きな機能障害を引き起こします。

人命にかかわる産業機器や車など、高い信頼性を要求される場合、
自己診断機能や二重、三重の故障防止対策が施されています。

人命にかかわる航空機や、銀行の個人貯金額の情報の管理など、
おおきなシステムの管理・信頼性に大きく影響する半導体は
壊れないようにする必要があります。




P.05 (1)半導体の初期不良と経時変化による故障


         半導体を壊れないようにするには?

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半導体をが壊れないようにするには、半導体の開発段階と生産段階で、
いろいろと、行わなければならないことがあります。開発して生産、
そして出荷まで、それぞれ対応の仕方が違うということです。

開発段階では生産工程、及び市場で起こる、品質問題をどこまで予測し
開発に盛り込むかが勝負となります。

半導体開発設計では予測作業として、顧客の要求品質に答える、
開発設計企画が必要になります。

顧客の要求品質に答えてその開発設計企画段階で
個々の仕様のパラメータを決定します。

半導体生産段階では、購入部材の会社は一社とは限りません。
各社、まちまちの品質管理システムで運営され、出荷される
購入部材の品質もまちまちです。

また製造における工程品質管理も重要になります。



P.06A (1)半導体の初期不良と経時変化による故障

         半導体の細かい生産工程について詳細を説明せよ。

         それぞれの工程で品質管理努力は
         どのように実行されていますか?
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半導体生産における品質管理の細かい中味について見てみましょう。
左側には、生産工程フローを示しています。
右側の各生産工程に対して、具体的な管理項目を、右に列記しています。

非常にたくさんの管理項目があります。
管理の基本的な考え方は、まず、
管理すべき水準が定義され、その水準からはずれないように、
部材の状態、品質を検査します。

また、設備の状態検査を把握し、予兆管理ができるようにします。

各工程の正常な状態を把握するために、不良品の解析も当然
実行しなければなりません。そのためには、良品の正常分布を
解析しその平均値とばらつきの値をまずは基準値として、
しっかり把握しておくことが、重要であることを認識します。

P.06B (1)半導体の初期不良と経時変化による故障


各工程における品質管理のコツは、各工程の正常な水準をいかに
維持するかです。また、管理項目の平均値の管理だけでなく、
ばらつきの変動の幅も管理することが必要です。

今まで蓄積されてきた、いろいろな経験や詳細な解析技術項目は、
体系的な知識・学問として、品質工学と呼ばれるようになりました。

専門的な内容となりますが、いくつかの専門用語を紹介しながら、
その概要を簡単にこの後説明します。
単純に製品をこの生産工程に従い製造するだけではありません。

十分品質管理に注力して、品質管理に従事する人材を育て、
かつ、品質管理に不可欠な設備を投資する必要があります。
すべてが製品のコストとしてぶらさがります。
すべて重要な品質管理項目です。

従って、生産に関わる人は、常に、顧客からの品質情報に留意し、
各工程における品質に対する重要性を認識する必要があります。



P.07A (1)半導体の初期不良と経時変化による故障

不良と故障の違いを具体的な例をあげて説明しなさい。

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このslideでは不良と故障の違いを例をあげて説明しています。

この写真はCanonの不良チップマップです。黒いところが不良チップ
です。昔は不良チップに黒インクで判別をしていましたが、現在では
WAFER内の各チップの座標がすべて記録されており、不良チップの
座標がCOMPUTERに記録され、目視では、どれが不良チップなのか
良品チップなのが、区別がつきません。

下の写真は、単体のJFEのパッケージ写真です。ボード基板に
半田付けされた状態を示す写真ですが、左はもとの正常な銀メッキ
された、金属ピンが、並んでいる状態を示します。

右の拡大写真は、大電流が流れ後、何らかの原因で、最終的に
銀メッキが流れだし、GNDと電源ライン5ボルト端子の間を
短絡、ショートしてしまった、故障状態を示します。

不良流出防止は要求仕様をクリアしているかどうかを出荷時検査で
検出可能です。Canonの不良チップMAPがその例ですが、


P.07B (1)半導体の初期不良と経時変化による故障

このJETの銀メッキされた、ピンのように、市場に出荷後に
発生する故障は、未然防止することは困難です。どうしてこういう
故障が起きたのか不明です??? ゴミがついたのか? うすい、
導電性の膜が生じ、熱が発生して、銀メッキが溶けた???

顧客の品質要求レベルが厳しくなっています。
特に車載半導体では、故障の未然防止のレベルまでの品質要求が
あり、年々、要求レベルが高くなっています。命にかかわるからです。

一方、スマートフォーンなどの、携帯機器では、
商品自体が短期間で、買い換える傾向が強まっています。
このような商品に使用される半導体の要求品質レベルは、
コストとのバランスが重視されます。

それぞれ、顧客の品質要求レベルに合わせて、
信頼性評価基準と出荷品質基準を設定しなければなりません。




P.08 (2)歩留と市場での不良発生率

    半導体の品質はいつ作り込まれるか?

その作り込まれる時に特に注意(ケア)が必要です。

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半導体の品質は工程で作りこまれます。

例えば、拡散領域の濃度とか、不純物のプロファイルを制御する為に、
イオン打ち込みで、どの深さに不純物形状を造り込むか、そして、
熱工程を、何度の温度で、どのくらい時間で、濃度分布をなめらかに
ならしていくか、また、酸化膜をどう形成するかなどのKNOWHOW
が半導体の品質を左右します。

工程での品質管理を徹底して行うことが良い品質の半導体を作り出し、
歩留まりも向上します。歩留まりは、工程の状態を示すパラメータです。

このセクションでは、市場での不良の撲滅のために正常分布の基準
管理DATAの収集と把握の重要性について説明します。

また、不良流出撲滅のために、どのような機能を装置に期待し、その
管理を徹底していくかについても説明します。

P.09 (2)歩留と市場での不良発生率

     歩留まりとは? 直交率とは?
     歩留まりと検査コストの関係はどうか?

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このスライドは、歩留まりという概念を説明してます

歩留まりが良いというのは、全生産品に占める良品の割合が多いということになります。
工程における不良品検出能力が低いと不良品が良品とみなされて、
歩留まりが向上する、そういう落とし穴があります。これには非常に注意が必要とします。

そのため半導体生産工程ではこのように各段階において、特定の検査が実行されます。

これは、半導体生産工程のおおよその、ライン工程を示しています。

不良検出能力の高い検出精度を確保した上で歩留まり向上を狙う必要があります。

特性検査には、集中検査と、インライン検査があります。

集中検査か、工程内に分散させるインライン検査かの選択は、
検査の検出能力と検査コストのバランスをとることが必要です。

P.10 (2)歩留と市場での不良発生率

市場への不良流出を撲滅するには、どう対策・努力が必要か?
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品質管理と保証を実現するには市場の不良を流出を撲滅する必要があります。

市場への不良流出問題とは、工程内不良品が検査を通り抜けて
市場に流出することをいいます。

テスト技術は検査精度を高める技術として重要な技術です。

テストカバー率、すなわち、検査精度のことですが、その向上が不可欠です。

検査精度が低いと不良率の流出が増加します。
半導体の電気的特性の分布を反映することも
検査精度をあげる上で非常に重要なパラメータです。

特にテスト条件の設定には、半導体の知識のみならず、
半導体の顧客において、どの様に使われているか、
応用技術についての理解も必要となります。

不良流出を未然に防止する対策のポイントは、
正常な状態を把握することです。

正常な状態を把握するためには、計測データの単独項目と
複数の項目の相関関係も把握しておく必要があります

P.11 (2)歩留と市場での不良発生率

     正常品の分布を理解するには?
     その手段には何があるか?
     MTS品質工学手法というのがあります。

     M=マハラノビス
     T=田口
     S=システムまたはシュミットの略
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正常品の分布を知ることは非常に重要です。
生産工程では半導体製造装置の制御パラメーター、製造条件の設定値と検査工程で
得られる測定データなど多くの工程管理上必要なデータが存在します。

それらのデータの工程の正常な状態の工程間の相関も、それを含めた正常な分布が
定義されていれば、正常品のみを出荷出来るようになります。

正常な状態の数理的なモデルの作成手法が存在します。
品質工学の応用にたいへん効果的な手法でMTSというものがあります。

インドの統計学者のマハラノビスの頭文字のMと田口玄一博士の名前の頭文字のTをとって
さらにシステムのSを取って、3文字で、MTS距離、または単純にマハラノビス距離(MD)
と略したものです。正常品のパラメータの分布と異常品との数理的な距離のことです。
2点の座標間の距離を一般化したものです。

P.12 (2)歩留と市場での不良発生率

製品の正常分布からの距離(MD)を
     棒グラフとして図にしたものです。

     具体的なグラフ図を描き説明しています。

      (1)横軸に MD、縦軸に個数を示します。
         良品は MDの値が 0 ~ 1.5 とします。
         MDの値が 1.0 以下のsample 数は 1500個以上
         1.0 から 1.5 以下のsample 数は 90個程度、
         そのうち、1.5の値に非常に近いsample数は
         Gray data と記録され、その個数は2個と示しています。
      (2)横軸に市場に出た異常sample個数
         縦軸がその各sampleの MD値、
         その平均値が 32.2 と非常に大きな値を示す。

     対策:出荷時(正常値)との相関を調べる。
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このグラフは、正常品の分布の中心からの平均距離は 0.86 であるのに対して
市場でなんらかの以上があるとして、返品されたサンプルは、正常の分布からの
平均距離が 32.2 であることを示します。

正常品の分布を求めておくと、市場への不良州出撲滅に有効な方法と考えられます。

P.13 (2)歩留と市場での不良発生率

検査装置をどう使うか?DATAをどう管理するか?

     装置に正常設定値を記憶させておき、それを個々の
     sample のDATAとの MD値を常に比較し判定する。
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写真は、不良流出撲滅のために、工程に設置されている検査装置
の写真ですが、この検査装置の管理も重要なファクターとなります。

このスライドには左にいろいろなsampleの番号が記載されています。

そのsample ごとに、あらかじめ、正常品群から正常な装置パラメータ
と検査データ分布を作成しておきます。

そして、それぞれの検査測定データを採ります。
そして、良品とのMD値を計算し、市場予測判定をします。
デバイスサンプルと工程パラメータと検査データと市場状況の関連付けをします。
検査装置を稼働させるためには、装置パラメータの維持管理が必要です。

さらに、検査装置の良否判定に、不良品解析に加えて、良品分布をどうであるかも
重要な情報となりますからその良品分布も反映するように工夫が必要です。
たいへん複雑な丁寧な作業の積み重ねとなります。

P.14 (3)市場故障の内容

     市場での故障には大きくわけて何があるか?

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市場では、様々なお客様の使用条件、環境条件、および半導体の、内部の劣化要因が、
相互に影響して、市場故障が発生します。市場故障の内容まとめてみますと、市場では、
様々な要因により、故障が発生します。お客様の使用条件および、環境条件を、
把握する必要があります。また半導体内部の劣化要因に関しては、
高度な、半導体デバイスの知識が、必要となります。
いろいろな劣化要因の、複合、総合作用による劣化というのは、非常に複雑です。



P.15 (3)市場故障の内容

設計およびプロセスに起因する劣化にはどういうものがあるか?
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Hot Carrier劣化とは? Electro Migration とは?
Stress Migration とは? 多層配線化に起因する劣化とは?
ダストの不良発生の影響は?

お客様の使用条件や環境条件によるものが原因となることが多いですが、
   いずれにせよ、このようなストレスが故障の劣化要因となります。
   個々の劣化要因についてこれから説明します。




P.16A (3)市場故障の内容


この図はNMOS トランジスタの断面図です。
ホットキャリア劣化について説明します。

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この図はNMOSトランジスタの断面構造を示しています。マイナスの電荷をもった電子がこの場合は
主役の電荷を運ぶキャリアとなります。電子は粒子の一種です。粒子には、水の分子などもあります。
それでトランジスタ―はよく、水門にたとえられます。水門には水の流れを止めたり流したりする
水門がありますが、このNMOSトランジスタ―でも水門に相当する、MOS(金属と酸化膜と
シリコン結晶表面)で構成される、ゲートがあります。そして、水源に相当する、電子のため池である
ソース領域があります。一方、図では右には、電子を受け取る、ドレイン、台所の流しのことを、
英語でドレインと言いますが、そのイメージ通りで、電子が流し込まれるドレイン領域があります。

電子はマイナスの電荷を持っていますので、プラスに帯電した ドレイン電圧 VDに引かれて、
左から右に流れることになります。実際に定義される電流の流れは、その方向が逆で、プラスの
ドレイン端子からGNDレベルにあるソース端子に流れます。電子の流れと、日常私達が使って
いる電流の流れる方向は、歴史的な背景があり、逆です。


P.16B (3)市場故障の内容

電子の存在がまだ知られていなかった時代に、まず、電気というものを人類が発見して、
電流という概念を人類はもちました。そして水の流れが水の分子という粒子によるもの
であることに類似して、電流の流れは電子という粒子によるものであることを発見しました。

J.J.トムソン(Joseph John Thomson)は、ケンブリッジ大学キャベンディッシュ研究所において
陰極線の実験を行い、電気の運び手であり全ての物質の基本的構成要素の1つである電子を発見した
のは、1897年のことです。今から122年前です。電子の発見から60年後の1947年に Bipolar
Transistor が発明されました。

ゲート絶縁膜(MIS:Metal-Insulator-Semiconductor)型電界効果トランジスタ(FET)
は1926年頃から、Lilienfeld, Heil, Shockley などにより提案されていたが、大量に存在す
表面電荷(Surface State)の悪影響を克服できないため、動作には成功していなかった。

1954年にBTL(Bell Telephone Laboratory)のC. FroschがSi単結晶を水蒸気中て高温熱処理することで、
極めて良質の酸化膜がSi表面に成長することを発見した。

1959年にBTLのJ. AttalaとD. Kahngは、この水蒸気酸化シリコン酸化膜をゲート酸化膜に
用いるFET構造を考案し、世界で初めてその安定動作に成功、1960年に発表した。

同時にUS特許3056888号、3102230号に登録された。この時はまだMOSFETの名前は使われておらず、
特許の発明の名称は“Semiconductor Triode”となっている。ソース、ゲート、ドレインも
まだ使われておらず、カソード、グリッド、アノードとなっている。

MOSFETの商品化は1964年にGEやFairchildが、日本では1965年に日立が始めた。



P.16C (3)市場故障の内容

ソースは電子の供給側です。ドレインは電子の受け入れ側です。電子はソースからドレインに流れます。
ソースとドレインの間の距離が微細化により短くなるにつれ、ソースとドレインの間の電位差が距離に
対して大きく変化することになります。電位差を距離で割った比のことを電界と定義します。従って、
微細化により、ソースとドレインの電界が大きくなり、電子が急なけわしい坂を高速に落ちて
いくことになります。加速された子大きな運動エネルギーを持った電子は、シリコン原子にぶつかります。

シリコン原子には眠っていた軌道電子がたくさんあります。実効的に、このシリコン原子側の軌道電子に
その運動エネルギーの一部が与えられることになり、ぶつかることにより、飛び散る方向がいろいろ
方向になり、飛び散ります。それが勢いあまって、酸化膜の中に注入される現象がおきます。酸化膜に
入って電子は、そこは絶縁体ですので、電子はそのエネルギーを二酸化シリコンの分子に熱として吸収され
動けなくなります。酸化膜の中に実効的にマイナスの電荷が存在することになり、ゲート電圧に
プラスの電圧を印加しても、そのプラスの電圧の影響をシリコン界面の電流が流れるチャネルに
影響することができなくなります。ゲートにプラスの電圧をかけても、酸化膜の電荷のために
水門が開かなくなり、電流が流れなくなるという不良劣化モードが生じます。

これがホットキャリア劣化です。

一方、軌道電子の失ったシリコン原子は、瞬間的に、プラスの電荷をもつイオンとなります。
しかし、すぐに隣接する、中性のシリコン原子から電子をうばい、中性のシリコン原子にもどります。
さらに軌道電子を瞬間的に盗まれた、次のプラスに帯電したシリコン原子、すなわち、プラスの電荷を
帯電した Hole は、さらに、隣接した、中性のシリコン電子から、軌道電子をうばい、自分自身は
すぐに中性にもどります。それが繰り返され、実効的に、プラスのホールはPタイプシリコン基板の、
奥深くへと移動していきます。



P.17 (3)市場故障の内容


Electro Migration とは?

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この図は、金属配線層のコンタクト部分の断面図の写真です。配線層に電流が集中しますと、
電子は小さな粒子ですが、それでも水の力で、岩に穴があく現象があるように、電子でも
長い間、大電流が一か所に集中しますと、その部分の金属原子を移動させてしまいます。
その結果、空洞、VOIDが発生します。この場合、下層配線のアルミの電子の一部が、
集中した電子の流れで、押し上げられ、空洞(VOD)が生じ、VODの上層部が押し上げられた
アルミ電子のために、ふっくらと膨らんでいるのが観察されます。

アルミ原子の移動、Migration ですが、電子、electron により原子の移動と言う意味で、
Electro Migration といいます。


P.18 (3)市場故障の内容


Stress Migration とは?

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この図は、多層配線の加速試験での、チップを上からから見た平面観察写真です、

断線不良を示しています。

配線層の材料に起因する、原子レベルでのメカニカルなストレスや、
熱によるストレス、特に、酸化膜と金属の温度上昇による、膨張率の違いなどによる、
ストレス等が長い時間重なってしまいますと、配線層の金属原子が移動して、
このように、ボイドが発生する場合があります。

AL原子が右側に移動し、白く太っています。

逆に、開口部のそばには、アルミ金属がなくなり、黒くなっている部分が見えます。


P.19 (3)市場故障の内容

多層配線技術における故障問題とは?
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高密度集積回路(IC)では多層配線技術が使用されています。
図は、その断面図を示します。

いろいろな不良モードが想定されます。

まず、MOS トランジスタ―では、ホットキャリア劣化問題があります。
また、そばのソース側のコンタクトには、多層配線ビアホール内に
Electro Migration 劣化による、ボイドが生じることがあります。

さらに、そのビアホール付近には、Stress Migration劣化により 金属配線の破損、断線が生じます。 
VIA HOLEの、THRU HOLE の埋め込み材料の接続不良劣化となります。

ほかにも、層間絶縁膜の破壊があります。各層の平面平坦化が要求されます。
各層の平面平坦化実現のために、CMP、 chemical mechanical polishing、
化学的研磨と機械研磨を併用した研磨技術が不可欠です。
いろいろな加工条件の最適化が重要となります。

P.20A (3)市場故障の内容

チップの組み立て時の故障例を説明しなさい。

    (1) Wire-bonding時の Au-Al 合金接合不良
(2) Package封止樹脂の充填剤(じゅうてんざい)
      による損傷、 Filler Attack といいます。
    (3) Chip 周辺部によく生じる Al slideによる断線など
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次にアセンブリ・プロセス(組み立て工程)での故障例を3つ説明します。

(1)金線の剥がれ
(2)フィラーアタックによる配線ショート劣化現象
(3)モールド樹脂とチップ官の熱応力によるアルミスライド現象、
   チップの周辺部に多発する劣化現象があります。

まず、(1)金線の剥がれ問題ですが、ここでは、まず、BONDING接合部の断面図を示しています。
そして、耐熱放置試験で、断線した 剥離破断面の、表面観察写真をその下に示しています。

写真は、金とアルミ金属の合金接合部分を示しています。
金線がはがれて断線したBONDING箇所の写真です。

P.20B (3)市場故障の内容

BONDINGの境界面にかかる熱などのストレスで、金とアルミ金属の合金にクラックが入り、
破壊する例です。これは、wire bondingの機械的ストレス劣化が原因です。

(2)つぎにフィラーアタックによるアルミ配線ショート劣化現象ですが、
これは、収束イオンビームによる断面写真を見ています。上層部の配線と
下層部の配線の間に白く縦に線が入り、ショートしていることが観察できます。

これはフィラーアタックという劣化現象といいますが、
パッケージの封止樹脂の充填剤による損傷が原因です。

3)次にモールド樹脂とチップ官の熱応力によるアルミスライド現象ですが、
   これはチップの周辺部に多発する劣化現象を示す平面観察写真です。
これは温度サイクル試験において、パッケージとの熱応力で生じた
アルミスライドによるクラック劣化現象です。




P.21A (3)市場故障の内容

実際の使用中のストレスに起因する故障についてまとめたスライドです。
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(1) はんだ付けでのリフロー劣化現象
(2) 湿度や腐食ガスによる劣化現象
(3) 静電気破壊
(4) また、光学フィルターなど、光化学反応による劣化現象、
(5) 特に、光学デバイスやイメージセンサーでの放射線(α線)の問題、

α線は  ヘリウムの原子核で 中性子2個と陽子2個の+2の電荷を
おびた、高エネルギのイオン原子です。
         β線は  高エネルギー電子
         γ線は  X線より透過力のある高エネルギーの光のことです。
      
      放射線によるソフトエラー問題、

      高い高度を飛ぶジェット機や宇宙空間などでは
      放射線により、影響を受けて動作不良が生じる場合がある。
      
      2016年12月には、NTTが宇宙船に起因する「ソフトエラー」を試験する
      サービスを開始するとの発表がありました。


P.21B (3)市場故障の内容

「ソフトエラー」とは、

図の様に、N+P接合に宇宙線が入り、シリコン原子にぶつかり、シリコン原子
      の眠っていた軌道電子を跳ね飛ばし、自由空間に放り出された電子が、
      N+層に蓄積され、N+に蓄積されていた信号量を変化させ情報量に雑音を
      入れる、よそものの電子を入れることを意味します。一方の軌道電子を
      失った、シリコン原子は、プラスの電荷を帯びたホールとなり、基板の
      奥深くへと移動して消えていきます。

初期のヨーロッパへの SONYのCCDカメラの輸出の際、
      高度1万メートルを飛ぶジェット機を使って輸送していたが、
      白点が多発した。その後、船便に変える。ハードエラーもある、
      HOT CARRIE効果も存在する。




P.22 (4)半導体の信頼性バスタブカーブ

      半導体の信頼性バスタブカーブとは?
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物が生産される場合、不良がまず、振り落とされます。生産数量を100としますと、
100から歩留まりを引いたものが不良数量となりますが、出荷された後も、初期故障が
生じる場合がありました。そこで、この部分は、バーイン試験などでスクリーニングして
市場に出る不良(すなわち)故障ではなく、出荷前の不良として落としていきます。
しかし、それでも、落としきれないものがあり、それがこの初期故障領域となります。

その努力の蓄積で、半導体の偶発故障は極めて低くなっています。

しかし、物が生産され、顧客へ出荷されてさまざまな環境でストレスにたえながら使用され、
最後には摩耗して、寿命をまっとうするという点では、人間のような、生き物の一生と似た、
カーブ、バスタブカーブを描きます。





P.23 (4)半導体の信頼性バスタブカーブ

バスタブカーブの3つの領域を説明しなさい。

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(1) 初期故障領域
(2) 偶発故障領域
(3) 摩耗故障領域




P.24 (5)加速度試験

      加速度試験とは? その目的とは?

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半導体の信頼性を保証するために半導体に故意的にストレスを与えて、
劣化を加速して評価するために行う試験について説明します。



P.25 (5)加速度試験

加速度試験の個々の項目を説明せよ。
      その重要な考え方は何か?
加速度試験の目的は、当然、製品の信頼性を保証することです。
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加速度試験は、いかに合理的に、すなわち、コストと効果との
バランスを考慮した上に、ストレスをいかに与えるか、 にかかっています。

    加えるストレスが強すぎると全部壊れてしまいます。
    逆にストレスが弱すぎると全部壊れません。
    いずれにせよ、試験の意味がありません。

    試験条件の組み合わせを合理的に決める技術は、
    半導体の信頼性を向上させるために極めて重要な技術です。

    その長い年月をかけた経験と知識は、現在、品質工学という
    体系化されたものになっています。いろいろな半導体パラメータ
    を表に表示し、その相関や平均値やバラツキやほかのパラメータ
    との相関距離などを直行表に描き、それを利用して不良解析する
    手法など複雑な高度な解析手法が確立しています。


P.26 (5)加速度試験

加速度試験の方法の詳細を説明せよ。
   試験方法に関する規格とは?
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加速度試験の方法の詳細を説明します。

過去に起きている信頼性問題やトラブルの発生状況をよく分析して
実験条件を決定する必要があります。

また、試験条件は、試験の結果において、再現性と普遍性を保証できるように
条件を決定する必要があります。

JIS規格 (Japan Industrial Standards Committee ) 日本産業標準調査会
MIL規格 (United States Military Standard) アメリカ軍による物資の調達規格を総称した表現
EIAJ規格 日本電子機械工業会(EIAJ)の統一規格
JEDEC規格  JEDEC 半導体技術協会( JEDEC Solid State Technology Association )は
半導体技術の標準化を行うための Electronic Industries Alliance (EIA) の機関で、電子技術業界
のあらゆる領域を代表する事業者団体である。以前は「Joint Electron Device Engineering Council」
あるいは「Joint Electron Device Engineering Councils」(電子機器技術評議会)と呼ばれた、 

P.27 (5)加速度試験

代表的な加速度試験について説明せよ。

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代表的な加速度試験には、熱ストレス試験、動作温度試験、それから、
使用環境におけるストレス印加試験などがあります。

強いストレスを与えるために破壊寸前まで加速して試験することが要求されるようになりました。

また、単独のストレスだけでなく、ストレスの組み合わせも加味しなければなりません。



P.28 (6)半導体のスクリーニング

   半導体のスクリーニングとは?
   その目的と考え方を説明せよ。

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顧客に不良率の低い半導体を提供するために、
出来の良い半導体を選別することをいいます。

P.23 のバスタブカーブの参照

考え方は、半導体デバイスは初期の故障率が時間とともに減少するという性質があり、
それを利用して、出荷前の段階で短時間のストレスを印加し、初期欠陥を含んだ
デバイスを取り除く手法、バーインといわれる、スクリーニング手法を行います。



P.29 (6)半導体のスクリーニング


Burn-in Studyの方法とは?

   確率紙(ワイブルプロット)とは?

   横軸は時間です。 縦軸は累計故障sample数を総数sampleで割ったもの。

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Burn In Studyの方法について説明します。

横軸は時間です。生産された製品にストレスをかけ始めた時間を横軸にしています。
そして、生産された個数を100%として、縦軸に、初期不良の累計個数を時間の
関数として、LOG・LOG、X軸もY軸も対数表示にした用紙にPLOTします。
これをワイブルプロットといいます。

これはスウェーデンの数学者の W.ワイブルによって提案された確率紙です。

直線になり、100%になる時間が推定できます。


P.30 (6)半導体のスクリーニング

 故障分布関数とは? 

    時間軸を横にとり、縦軸を不良率とする
    故障分布関数を得ることができる。

    出荷前のバーインスタディ時の、不良率と
    出荷後の不良率を、故障分布関数に描きます。
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半導体は時間が経過するにつれ市場の出した製品の故障率が減少するということを示す
グラフ曲線でもあります。横軸を時間軸としています。

縦軸に単位時間当たりの不良品の個数、不良率を描いた図です。

市場に出す前に、まずストレスを加え、バーインしてスクリーニングして
フィルターにかけて出荷する、という考えです。

バーイン・スタディにより得られた故障分布関数を用いて、出荷後の初期不良率を
どの程度に低減するか、その必要条件を決定します。政治判断になります。




P.31 (7)市場での不良発生とその対応

市場での不良発生要因について、
 分類・種類わけして、その不良モードの
     現象と原因を説明しています。

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市場における不良要因は、単独の要因で発生するとは限りません。

むしろ、複数の要因が重なって、
不良発生の確立が高くなると考えられます。

複数の不良要因の組み合わせをすべてテストすることは
膨大な組み合わせになり実用上実施できません。

品質工学のよる直交表というものを使って、
不良要因を効率よく調べる方法があります。


P.32 (7)市場での不良発生とその対応

市場での「不良に対する対応」について説明せよ。

不良対応時の姿勢について言及せよ。

     不良対策の4段階についても説明せよ。

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顧客の視点に立つことが最も重要です。

品質問題により、顧客が被る損失がどのくらいかということを、
常に把握する努力を忘れないことです。

顧客における損失を、最初から正確に見積もることは困難です。

しかし、まずは顧客からの注文、要求事項、オーダーを
予測し、その責任の重さ、損失金額だけでなく、顧客の機会的損失の
大きさなどをあらかじめ見積もれるようになることを、あきらめずに、
目指し、努力する必要があります。

P.33 (7)市場での不良発生とその対応


品質における顧客との信頼関係を構築するための心得を説明せよ。

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お客様との信頼関係の構築は、地道な努力の積み重ねなしでは構築できません。

一瞬の不適当な対応により、お客様との信頼関係が一瞬で崩れてしまうことが
あることを、良く理解する必要があります。




P.34 (8)環境と半導体 

   半導体の「環境への負荷」について説明せよ。

   大規模半導体生産工場から出る大気への
   汚染・負荷について説明せよ。


   大規模半導体生産工場から流れ出る、
   河川への汚染水の排出について説明せよ。

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半導体の製造では、環境負荷が大きく、かつ多くのエネルギーを消費するので、
環境に対する配慮は大変重要です。



P.35 (8)環境と半導体


大規模半導体生産工場から出る、いろいろな、
   廃棄物の種類とその成分、その個々の発生工程、および、
   そのひとつひとつの処理方法について説明しています。
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環境負荷物質は周辺環境に出してなりません。
廃棄物にはいろいろな環境負荷物質の成分が派生します。
その各汚染物質の成分と、その発生工程と処理方法をまとめたものです。
最初の5つは液体汚染成分です。
固体と液体が混ざった、汚泥があります。
そして固形の廃棄物質がありますが、再生できる物は再生しますが、
できない場合は、最終手段になりますが、やむを得ず、埋め立てする場合もあります。

MMP  メトキシ・メチル・フェニル
IPA   イサオ・プロピル・アルコール
PE ポリ・エチレン
PP   ポリ・プロピレン
CVD  Chemical Vapor Deposition 化学気相成長



P.36 (8)環境と半導体
  
    大規模半導体量産工場が留意すべき
   「省エネルギー対策」について説明せよ。
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省エネルギー対策には、大切な資源の使用量そのものを削減することが重要です。
また、大切な資源の循環再利用を徹底することが重要です。

また熱資源を併用した、コージェネレーションというのがあります。

天然ガスや石油やLPガスなどを燃料として発電し、電力だけでなく、
その排熱で生じた熱をも、いろいろと暖房や温水にしたりして、利用するという考えです。

日本においては、京都議定書の宣言に伴い、製造サイドとして、電機メーカー、
大エネルギー消費者である、半導体の大規模工場などでは、非常に関心を持っている
省エネ対策です。それがコージェネレーション熱電併用省エネルギー対策です。

回収した排熱や蒸気は、温水として工場の熱源となり、暖房や給湯などに利用でき
熱と電気を無駄なく利用できれば燃料が本来持っているエネルギーの約70個%から
80%と高い総合エネルギー効率が実現可能です。


P.37 (8)環境と半導体


ISO14000 および ISO14001 とは?

    日常管理の徹底について説明せよ。


P.2 まとめに戻る。

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ISO14000というものがあります。

ISO 14000は、国際標準化機構 (ISO) が発行した

環境マネジメントシステムに関する国際規格 (IS) 群の総称です。

 ISO 14000および環境ISOと称呼するときは、

主として「要求事項」を定めたISO 14001を意味します。

 国際標準化機構 international Standard Organizationが発行した

環境マネジメントシステムに関する国際規格international Standardの総称です。

 原子力発電所での放射能測定なんどで行荒れているように

モニタリングは、正常な状態の把握のために不可欠で重要です。

 X-R管理とは、平均値をXで表示し、バラツキ範囲レンジをRで表示しています。

また、SPC、すなわち、Statistical 統計的、Process 工程 Control 管理も

需要な品質の特性の傾向を管理する上で重要な管理項目です。

 以上で説明の最後になりますが、最後にまとめとして SLIDE 2に戻ります。





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以上です。     萩原良昭   http://www.aiplab.com/


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The AIPS image sensor watching at its inventor, Yoshiaki Hagiwara.
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hagiwara-yoshiaki@aiplab.com ( http://www.aiplab.com/ )

hagiwara@ssis.or.jp ( http://www.ssis.or.jp/en/index.html )

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