積み重なるダメージ：事象の見当たらない故障

出荷したもの

ごく普通の製品の、ごく普通の外部インタフェースです。IEC 61000-4-2 のフル認証を通しました。要求レベルまで全レベル、露出している全ピン、全項目で判定基準 A。際どい結果ではありませんし、設計に変わったところもありません。

そして出荷され、しばらくは何も起きませんでした。

戻ってきたもの

インタフェースのピンが対地で数百キロオームを示す個体が戻ってきます。本来は開放のはずです。短絡でもなく開放でもない、その中間。誰も分類の持ち合わせがない読みです。

さらに厄介なのは、これらの故障にひもづく事象が何もないことです。落下もなし。静電気を受けたという報告もなし。取り扱いへの苦情もなし。ただ動かなくなり、現場は理由を説明できません。現場から見れば、何も起きていないからです。

特定が難しかった理由

二つの事実が、思いつく調査の筋道をすべて塞ぎました。

• 同じ基板を ESD ガンで再試験しても、やはり通る。つまり設計は規格に対して際どくないし、認証結果もまぐれではありません。
• 壊れた個体も良品も、同じ日に同じリールから出ている。つまりロット問題でも、工程異常でも、サプライヤ変更でもありません。

二つを合わせると、ありがちな結論はすべて使えなくなります。設計でもロットでも、特定できる単一の事象でもない。この組み合わせこそがこの故障モードの特徴で、試験が一度も問うてこなかったものを指しています。

業界にはこうした部品を指す言葉がすでにあります。walking wounded、歩ける負傷者です。破壊するには足りない応力で劣化させられ、そのダメージを市場まで抱えていく部品のことです。

メカニズム：壊れる前からダメージは積み上がっている

素子が耐えられる範囲に十分収まっている放電でも、酸化膜にはホットキャリアが流れ込みます。その一部はトラップに捕まり、捕獲された電荷はそのまま留まります。あとで素子は動きますが、以前と同じ素子ではありません。

もう一度繰り返せばトラップは積み上がります。一つ増えるごとにリーク電流は少しずつ上がります。劇的なところは何もなく、外からは見えません。やがてトラップが十分に増え、酸化膜を貫く導電経路がつながったとき、素子は故障します。

重要なのは積み上がるという点です。とどめを刺した応力は特別なものではありません。多くの場合それは最も小さい応力で、ただ最後に来ただけであり、相手はすでにマージンを使い切っていた素子です。だからこの故障には事象がひもづきません。効いた事象は、終わらせた事象ではないのです。

劣化しているのはチップか、保護部品か

この問いが何を測るかを決めるので、「素子」と曖昧に言わず正確に書きます。どちらもダメージを蓄積しますが、メカニズムが違います。

• ポートの先の IC はゲート酸化膜で劣化します。上の図が描いているのがこれです。ホットキャリア、捕獲電荷、そして最後に酸化膜を貫く経路。絶縁膜の故障であり、典型的な症状が「入力ピンが開放でなくなる」になるのもこのためです。
• 保護部品は接合部で劣化します。事象のたびに小さなシリコン領域へ電流が流れ、繰り返すうちに局所的なダメージが残ります。絶縁破壊ではなく熱的かつ構造的な故障で、現れ方はアレイ自身の逆方向リーク電流の増加です。

両者はつながっており、そこが役に立つところです。マージンの大きいクランプは応力に対してより早く強くオンするので、各事象のうち IC まで届く分が減ります。保護部品でマージンを買うのは、保護部品を延命させるためだけではありません。その後ろのチップを、酸化膜が電荷を溜め始める領域から遠ざけておくことが主目的です。

ですから測定に行くときは、どちらを当たっているのかをはっきりさせてください。保護アレイのリークは、そのアレイが厳しく働いてきたことを教えます。IC ピンのリークや抵抗値は、応力がそこを通り抜けたことを教えます。どちらも有用で、意味が違います。

なぜ実施するすべての試験が通ってしまうのか

ここが厄介なところです。試験が間違っているわけではありません。答えている問いが、必要な問いと違うだけです。

• 機能試験が問うのは、動くかどうかです。動きます。酸化膜が傷みリークが上がった素子でも、機能上は通ります。通らなくなるその時までは。
• リーク試験が問うのは、データシートの限界内かどうかです。内側です。PZ0303P-F10 ならその限界は V_RWM 3.3 V で I_R 最大 1.0 µA であり、劣化中の素子はほぼ全期間その下にいます。
• ESD ガンをもう一度当てて問うのは、設計が規格に耐えるかです。耐えます。それは認証がすでに教えてくれたことです。

結果として社内のあらゆる測定器がこの部品は問題ないと言い、そのすべてが本当のことを言っています。

誰も残さない基準値

ダメージは実在し、その間ずっと測定可能です。ただしデータシートの数値に対しては測れません。見えるのはその個体自身の初期リーク電流と比べたときだけで、それを記録している人はほとんどいません。

40 nA から始まり今 400 nA にいる部品は、十倍に劣化していながら 1 µA の限界の内側に余裕で収まっています。世界中のどの受入検査も通します。捕まえられる唯一の測定は、応力の前に取り、後で同じ個体と比べるものだけです。

その数値が紙に印刷された限界を越えるころには、故障はもうあなたの試験室にはいません。市場にあり、しかも誰かが返品を起票するより前から、しばらく市場にあったのです。

何を公表し、なぜそう公表するのか

当社は ESD 部品ごとに、誰かの要求レベルで合格したという記述ではなく絶対定格を示します。紙の上では似て見えますが、同じ主張ではありません。

「8 kV に合格」が教えるのは、実施する必要のあった試験に耐えたということだけです。どこから劣化が始まるかは何も教えません。そして劣化は破壊よりずっと手前で始まります。絶対定格は素子が実際にどこで止まるかを示し、役に立つ数字はそれと要求との距離です。返品率を予測するのはマージンです。

この主張がどこまでを指すかは、はっきりさせておく価値があります。当社の ESD ラインでは、接触と気中の絶対定格はすべてのデータシートに記載しています。保護部品の先の IC が実際に見る電圧を決めるダイナミック抵抗については、多くには載っていますが、まだすべてではありません。必要なのに印刷されていない場合はお問い合わせください、お送りします。

マージンを買う、これが一番安い対策です

この故障モードに対する他の対策はどれも高くつきます。サプライチェーン全体の取り扱い管理を締めるのは高い。個体ごとの基準値付きで受入リーク検査を追加するのは高い。返品が始まってからポートを再設計するのは非常に高い。

要求よりはるか上で劣化が始まる部品を指定する費用は、上の例では 0.45 pF です。

1. 高速ポート。PZ0303P-F10、8 kV 要求に対して接触 16 kV と気中 21 kV、0.45 pF、4 チャネル。マージンの信号品質への代償が実質ゼロであり、ここで買う価値がある理由はまさにそこにあります。
2. 汎用ライン。PS および PT ファミリ。容量の制約が緩いので、余裕が取れるところでは取ってください。要求にぴったり合わせないことです。
3. ユーザが触れるポートすべて。累積応力が実際に起きるのはここです。製品寿命の中で小さな事象の回数は多く、そのどれも報告されないからです。

要求をちょうど満たす部品を選ぶ習性は、工学の大半の場面では妥当な習性です。ここではそれが、劣化の始まる地点を製品の日常のすぐ隣に置くことになります。

すでに返品があり、事象を再現できない場合

二つの母集団を分けられる測定がふつう一つあり、しかも費用はかかりません。

1. 機能ではなくリークを測る。問題を隠しているのが機能です。潜在ダメージが最初に現れるのはリークです。
2. 両方を当たり、分けて記録する。保護アレイでは I/O ピンから GND への逆方向リークを動作電圧で測ります。3.3 V 品なら 3.3 V での I_R です。IC では無通電でピンから GND への抵抗を測ります。冒頭の数百キロオームを出したのがこの読みです。答える問いが違うので、両方欲しいのです。
3. 返品と同一型番の新品在庫を比べる。個体ごとの基準値がないので、母集団を基準に使います。二群がはっきり分かれれば、それが答えです。
4. 動作電圧で測ること。降伏点ではありません。この故障が住んでいるのはリーク領域で、ニーではありません。

返品群が新品在庫より一桁高く、どちらもデータシートの限界内に収まっているなら、見つけたということです。そして ESD ガンでは最初から再現できませんでした。アレイはきれいで IC ピンがそうでないなら、応力は保護に入ったのではなく通り抜けたということで、問題は部品自身の耐久性ではなくマージンを指しています。