電子部品・材料の故障メカニズムと故障解析技術およびそのポイント

はじめに：電子部品・材料の故障に対する理解の重要性

製造業において、電子部品や材料の故障は大きな問題を引き起こす要因となります。
特に、製品の性能や信頼性に直結するため、その原因を明確にし、迅速かつ正確に解析することが求められます。
この記事では、電子部品・材料の故障メカニズムを解説するとともに、故障解析技術とそのポイントについて詳しくご紹介します。
製造業に従事する皆様に役立つ情報を提供し、ひいては業界全体の発展に貢献できれば幸いです。

電子部品・材料の故障メカニズム

電子部品や材料の故障の背景には、さまざまな要因が存在します。
以下に、主な故障メカニズムを示します。

物理的故障

電子部品は、外部からの力や温度変化などによる物理的な影響を受けやすく、これが故障の原因となることがあります。
例えば、ヒートサイクルによって生じる膨張や縮小の繰り返しは、部品の接合部に亀裂を生じさせ、接触不良を引き起こします。
また、振動や衝撃などによっても、部品内部の回路が断線することがあります。

化学的故障

電子部品が一定の化学環境に晒されることで、腐食や酸化が進行し、性能が劣化することがあります。
例えば、湿気や酸性ガスなどが存在する環境では、部品のメタル部分が酸化して抵抗値が増加する可能性があります。
化学反応による変質や変形も、長期的な信頼性に影響を与えます。

熱的故障

電子部品は、発熱により故障することがあります。
過剰な発熱は、部品の耐久性を低下させ、動作不良や焼損を引き起こすリスクがあります。
また、高温に晒されることで半導体の特性が変化し、正常な動作が阻害される場合もあります。
熱管理は部品寿命を左右する重要な要因です。

故障解析技術の種類と手法

故障の原因を特定し、対策を講じるためには、故障解析技術の活用が不可欠です。
以下に、代表的な故障解析技術をご紹介します。

目視検査

目視検査は、故障箇所の特定や異常の初期調査に用いられます。
拡大鏡や顕微鏡を用いた観察により、物理的な破損や接合部の異常など、明らかな兆候を確認します。
目視による直接的な確認は迅速かつ簡便であり、初期段階のトラブルシューティングに役立ちます。

電気的測定

電気的測定による故障解析では、電気的特性の変化を解析します。
オシロスコープや電圧測定器、テストベンチなどのツールを用いて、断線や短絡の有無、電気的な異常特性を検出します。
これにより、隠れた問題を洗い出し、電子部品の性能を正確に把握することが可能です。

X線検査

内部構造の非破壊検査には、X線を利用した検査が用いられます。
部品内部の断層や内部ひずみ、接点不良など、目視では確認できない内部異常を発見することができます。
特に、半田接合やBGAパッケージの検査にはX線画像が有効です。

電子顕微鏡解析

電子顕微鏡解析は、高解像度の拡大画像を提供するため、極めて微細な故障箇所の特定が可能です。
表面状態の詳細な観察や材料構成の分析を行い、ナノメートルレベルでの不具合検出が可能です。

故障解析におけるポイントと実践例

故障解析を成功させるためには、ポイントを押さえた取り組みが必要です。
以下に、現場での実践例を交えながらご紹介します。

早期検出と予防

故障発生前に予防策を講じることが、商品化における品質の向上につながります。
予備データを収集し、故障メカニズムを事前に理解した上で、予防的な設計変更やストレステストを実施することが有効です。
また、フォールトツリー解析（FTA）や障害モードおよび影響解析（FMEA）を活用することで、潜在的なリスクを明確化し対策を講じることが可能です。