試験分析および装備活用支援

物理的・機械的環境試験

機械的衝撃試験は部品および組立部品として部品そのももだけでなく、プリント回路基板に組み立てられた電子機器を評価の対象とし、一般的に輸送および荷物の取り扱い中や使用中の瞬間的な衝撃への条件を基準にしています。

部品の場合は要求される衝撃下で製品の互換性を評価するためであり、組立部品の場合はプリント回路基板に組み立てられた部品に繰り返して加わる物理的な衝撃による動作特性変化を評価するための試験です。この試験は衝撃による部品認証として破壊試験です。

機械的衝撃試験の要約

機械的衝撃試験は三つの条件を基準に、要求される最大衝撃力、露出時間、衝撃量に区分されています。

  • 最大衝撃力は製品に伝わる最大加速度を意味し、誤差範囲は10%を適用します。
  • 露出時間は最大衝撃力から上昇10%地点と下降10%地点までの時間を意味し、誤差範囲は15%を適用します。
  • 衝撃量は最大衝撃力で測定された波形の総量を意味し、誤差範囲は10%を適用します。

部品や組立部品に衝撃波形が製品の胴体に直接伝われる場合は、充分に固定される必要があり、
製品は6軸(+X、-X、+Z、-Z、+Y、-Y)に対して各軸当たり5回路、合計30回を適用します。[条件 1]
組立部品において、衝撃によって曲げ現象が求められる場合は、6軸(+X、-X、+Z、-Z、+Y、-Y)に各2回、合計12回を適用します。[条件 2]

サービス条件 最大衝撃力 露出時間 衝撃量 相応する落下
g ms cm/s in/s cm inches
H 2900 0.3 543 214 150 59
G 2000 0.4 499 197 127 50
B 1500 0.5 468 184 112 44
F 900 0.7 393 155 78.9 31
A 500 1.0 312 123 49.7 20
E 340 1.2 255 100 33.1 13
D 200 1.5 187 73.7 17.9 7
C 100 2.0 125 49.2 7.90 3

[条件1] 部品(単位素子)および組立部品の表面に直接衝撃を与える必要がある場合

サービス条件 最大衝撃力 露出時間 衝撃量 相応する落下
g ms cm/s in/s cm inches
1 109 8.0 544 214 151 60
2 108 7.5 506 199 130 51
3 107 7.0 468 184 111 44
4 105 6.5 426 168 92.6 36
5 103 6.0 386 152 75.9 30
6 95 5.8 344 135 60.3 24
7 86 5.6 301 118 46.1 18
8 72 5.4 243 95.6 30.0 12
9 67 5.3 222 87.3 25.1 10
10 61 5.2 198 78.0 20.0 8
11 54 5.1 172 67.7 15.1 6
12 45 5.0 140 55.3 10.1 4
13 39 5.0 122 47.9 7.6 3
14 32 5.0 100 39.3 5.1 2

[条件2] 組立部品に衝撃による曲げ現象を起こす必要がある場合

機械的衝撃試験設備
機械的衝撃試験設備
サービス条件 B :1500ºC 0.5ms 衝撃波形
サービス条件 B :1500ºC 0.5ms 衝撃波形

参考文献

  • JESD22-B110B “Mechanical Shock – Component and Subassembly”

Board Level Drop Testは、Mechanical Shock装備を用いてMechanical Shockと似たような方法で行います。この試験は試験ボードやその他の準備事項が予め規定されおり、当該の製品をdaisy chainで構成してsolder jointを分析します。Drop testによって持続的な品質モニタリングが可能で、フィールドで不良と連携して有用なデータとして活用できます。鉛フリー化(Pb-free)してからはSJRへの信頼性がイッシュになり、携帯用および電装分野でこの試験への評価が求められています。試験方法としては指定されたボード8枚に15ずつcomponentを実装して、指定のpeak acceleration、pulse duration、velocity changeなどに合わせてストレスを印加します。携帯製品で使われている標準条件は、peak acceleration1500G、pulse duration0.5msの波形です。

落下試験要約

試験条件 衝撃落下の高さ(inches/cm) 速度変化(in/s、cm/s) 最大加速(G) パルス持続時間(ms)
B 44 / 112 184 / 467 1500 0.5

参考文献

  • JESD22-B111 “Board Level Drop Test Method of Components for Handheld Electronic Products”
落下装備に取り付けられた標準ボード
落下装備に取り付けられた標準ボード

Vibration Testとは、半導体製品に指定された周波数範囲で物理的な振動を印加する方法によって信頼性を評価する試験です。この試験では Mil-StdとJEDECが適用されます。

1)振動疲労試験(Mil-Std-993 Method 2005)
2)可変振動試験(Mil-Std-883 Method 2007.(JESD22-B103))

両試験は異なる形の不良メカニズムを加速する試験ですが、色々な側面で殆ど類似した試験です。 振動疲労試験では(method 2005)指定レベルの振動を一定に印加し、試験後に外観検査とelectrical testによってfail/passを判定します。試験で重要なことは、サンプルを振動板にしっかりと固定すること、特にケーブル部を検討して試験に影響を与えないようにすることです。その後、要求する試験条件の最大加速度値を持たせるようにsimple harmonic vibrationを印加します。振動疲労試験の場合、x,y,z軸をそれぞれ 32 ± 8 時間印加することになっています。 Variable frequency vibration 試験(Method 2007)もまた、振動疲労試験と装備が同じで、試験の準備過程も類似します。試験準備が完了すると、Peak-to-peak振幅(amplitude)0.06inch±10%のsimple harmonic vibrationを印加します。 振動周波数は20~2000Hzの周波数範囲でlogarithmic方式に変化します。20~2000Hz全体を横切って再び20Hzに戻ってくる時間は合計4分以内にします。このような方法で各X、Y、Z軸で4回ずつsweepを行います。(合計12sweep) 振動試験の完了後、10~20 X 倍率でケース、リード、シールおよび外観検査を行い、マーキング状態は 3 X 倍率以内で検査します。

参考文献

  • Mil-Std883 Method 2005 “Vibration Fatigue”
  • JESD22-B103B “Vibration, Variable Frequency”
振動試験機および調節装置
振動試験機および調節装置

PCB ボードには、組立工程や実際の使用環境でさまざまな物理的負荷が加われます。工程や試験、そして取扱中にPCBが繰り返して曲がってくると(cyclic bend)、trace crack、solder interconnection crack、component crackなどが生じ、electrical failureが発生します。 工程中に実際に曲がる回数はそこまでは多くありませんが、どのぐらい曲がるのかは重要な要素になります。 反対に、携帯電話の文字キーみたいに押す回数が半端ではない場合もあり、使用者環境では曲がる強度は弱くても、曲がる回数が多くなる場合があります。 コンポーネント製造業者は最終製品から実際のパッケージ性能を評価することは不可能であるため、ボードレベルでrepeated bending testを行い、そのデータを比較することでmounted componentの性能を評価しています。 この試験は、試験に使用するボード(小型組立部品ドロップ試験と同じボードを使用)規格を提供し、当該製品をdaisy chainで構成して抵抗変化をモニタリングします。 4枚のボードにそれぞれ9個ずつコンポーネントを実装し、最小60%の不良発生時点まで試験を行います。(最大 200,000 cycle)

Bending 시험

循環式曲げ試験の要約

媒介変数 勧奨事項 選択事項
支持アンビル幅(mm) 110 N/A
負荷を受けるアンビル幅(mm) 78 N/A
負荷を受けるアンビルと部品間距離(負荷を受けるアンビル中央より最も近い部品の縁までの最短距離)(mm) 10 N/A
最小アンビル半径(mm) 3 N/A
負荷を受けるアンビルの垂直変位(mm) 2 Up to 4 mm
負荷曲線 Sinusoidal Triangular
サイクル周波数(Hz) 1 Up to 3

参考文献

  • JESD22-B113 “Board Level Cyclic Bend Test”

Torque Testは、一般的にトークの測定や歪みストレスを評価するために行われています。 実際にアセンブリ工程やボードレベルで装備や人によって製品に歪みが起こります。温度や湿度条件を利用した環境試験によって一定レベルの信頼性が満たされたとしても物理的な環境でリターンになるケースも多く、当該製品の組立や利用条件を予測して適した試験に模写する必要があります。

進行中のひずみ試験
進行中のひずみ試験

落下試験(Drop Test)は、製品そのままの状態あるいは、製品が包装されたケース状態で運搬中や誤った取扱中に落下した場合、急に与えられた衝撃が製品にどのような影響を及ぼすのかを評価する試験です。これは製品の性能を損なえたり永久的な損傷を与える重要な不良で、この試験では繰返し試験によってフィールドから発生する落下モデルを模した不良を再現することができます。また、3軸加速度計を用いてケース内の実装製品や製品のある位置に伝われる衝撃量(g)を測定することで、フィールドから発生する落下モデルが製品に与える影響が分析できます。この試験は、最大自由落下の高さ84inch(213 cm)まで可能で、SteelとConcrete、そしてWood Base Plateが提供できる装備を使用しています。落下方向は、FlatnessとCorner、そしてEdgeなど、多様な角度や方向からの試験が可能で、ASTM D5276-98 試験規格に基づいて製品の耐久性および衝撃量への試験を行っています。半導体部品の状態に関して自由落下試験の応用が可能で、Concrete Surfaceから高さ1.2m離れたパッケージ(MEMS Cavity Device)6軸落下試験を定めているAEC Q-100 試験も提供しています。

試験方法

  • ケース落下試験:製品が包装されたケース状態で落下試験
  • 製品落下試験:製品状態で落下試験
  • 部品落下試験:単品(部品)状態で落下試験

参考文献

  • ASTM D5276-98 “Standard Test Method for Drop Test of Loaded Containers by Free Fall”
  • AEC Q-100 Test Group G “Cavity Package Integrity Tests”

落下試験

落下試験

落下衝撃測定センサー

落下衝撃測定センサー
3-軸加速度計(モデル:350B50)
高振幅、衝撃、3軸 ICP® 加速度計
(0.5 mV/g、10kg範囲、ローパスフィルタ(-3dB /20 kHz)内装)

落下試験の方向

Corner Orientation
角方向
Edge Orientation
エッジ方向
Flatness Orientation
平面方向

受け板の種類

ウッドプレート → コンクリートプレート → スチルプレート
半導体部品の生産後、長時間の保管による半導体部品のリードおよびターミナルへの劣化に対して、はんだの接合特性を評価する試験です。半導体のリードおよびターミナルへの劣化は部品組立において半田プロセスの品質を下げ、製品の実使用環境での不良発生の原因になります。
半田付け関連不良の例
半田付け関連不良の例
Solderability 試験方法には、1)DIP & LOOK、2)SMD simulation、3)Wetting Balanceがあります。
試験方法 スルーホール実装 表面実装
リードレス J-リード ガルウィング
Dip & Look 試験 O O O O
表面実装シミュレーション試験 X O O O
Wetting Balance Solder Pot 試験 X O O O
半導体製品群によるSolderability 要求試験

Dip & Look 試験

半導体のはんだ特性の評価に用いられる伝統的な試験方法です。半導体のリードおよびターミナルを溶融されたはんだに浸し、はんだが塗布された状態を検査します。長時間での製品保管環境(e.g. 保存倉庫)を模するために前処理(93℃のdry steam または 150℃で16時間 BAKE)を行います。試験する製品の縦断面をFluxに浸した後、連続的に245℃のはんだ槽に5秒間沈積します。試験対象の外観を10倍以上の顕微鏡または拡大鏡で観察して、はんだ部が95%以上塗布されているか、Dewetting、Nonwetting、pinholeなどを確認します。

Dip & Look 試験方法
Dip & Look 試験方法

表面実装シミュレーション試験

SMDタイプの半導体に対して、実際のリフロー環境を模してはんだの接合性を評価します。Dip & Look 試験と同じく、前処理を行ってからベース基板にはんだペーストの塗布、製品結合および規格によるリフロープロファイルを設定してSMDプロセスを行います。その後、ベース基板と半導体を分離し、拡大検査により95%以上の正常的な接合領域を確保しているかを判定します。

Solder paste 도포/제품 결합 ──Reflow Process ─→확대 검사(전/후)

Wetting Balance 試験

ウェッティングバランス法は、紙を水に浸すと水が紙に広がって濡れていくように、溶けたはんだが金属の上を広がる性質を利用します。半導体のリードおよびターミナルに対するはんだのぬれ性を測定して、これをぬれ力とぬれ時間のグラフに表現することで均一な再現性およびぬれ性の判定根拠を提供します。試料を浸した瞬間からはんだがターミナルを押したり引っ張ったりする力を測定した結果が上記のグラフであり、ぬれ時間やぬれ力が定量的に測定できるので、マテリアルの特性比較にとても有用です。

ウェッティングバランス試験機&ウェッティング曲線
ウェッティングバランス試験機&ウェッティング曲線

参考文献

  • JEDEC JEDS22-B102D “Solderability”
  • J-STD-002 “Solderability Tests for Component Leads, Terminations, Lugs, Terminals and Wires”