(57)【要約】【課題】  複数の電子部品がプリント基板にはんだ接合されて構成されるプリント回路板の熱疲労による寿命を予測するために、部品単体だけでなくプリント回路板の累積故障率を算出するプリント回路板の累積故障率算出装置を提供する。【解決手段】  プリント基板にはんだ接合される電子部品ごとの故障率を算出する故障率算出部２と、プリント回路板の累積故障率を算出する累積故障率算出部４と、を有してなり、故障率算出部２は、プリント基板にはんだ接合される電子部品ごとに、電子部品の部品情報１を取得し、取得された部品情報１に基づいて、電子部品の故障率を算出し、累積故障率算出部４は、取得された電子部品ごとの部品情報１と、算出された電子部品ごとの故障率と、を用いてプリント回路板の累積故障率を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電子部品がプリント基板にはんだ接合されて構成されるプリント回路板の累積故障率を算出する装置であって、
プリント基板にはんだ接合される電子部品ごとの故障率を算出する故障率算出部と、
プリント回路板の累積故障率を算出する累積故障率算出部と、
を有してなり、
前記故障率算出部は、前記プリント基板にはんだ接合される電子部品ごとに、
前記電子部品の部品情報を取得し、
前記取得された部品情報に基づいて、前記電子部品の故障率を算出し、
前記累積故障率算出部は、前記取得された電子部品ごとの部品情報と、前記算出された電子部品ごとの故障率と、を用いてプリント回路板の累積故障率を算出し、
前記電子部品ごとの部品情報には、前記電子部品と他の電子部品との接続態様が非冗長系または冗長系のいずれであるかを示す接続種別が含まれている、
ことを特徴とするプリント回路板の累積故障率算出装置。
【請求項２】
前記取得される電子部品ごとの部品情報には、部品種別と、部品サイズと、はんだ印刷マスク厚と、基板電極サイズと、熱疲労の試験条件を特定する冷熱サイクル情報と、前記接続種別と、が含まれ、
前記故障率算出部は、
前記取得された部品情報に含まれる部品種別と部品サイズとに基づいて、電子部品の故障率を算出するために用いられる回帰式を取得し、
前記取得された回帰式に、前記取得された部品情報に含まれるはんだ印刷マスク厚と基板電極サイズと冷熱サイクル情報とを代入して、前記電子部品の故障率を算出する、
請求項１記載のプリント回路板の累積故障率算出装置。
【請求項３】
前記電子部品ごとの部品情報が記憶されている第１記憶部と、
前記回帰式が前記電子部品の部品種別と部品サイズとに関連付けて記憶されている第２記憶部と、
を備え、
前記故障率算出部は、
前記電子部品ごとの部品情報を、前記第１記憶部から読み出して取得し、
前記回帰式を、前記第２記憶部から読み出して取得する、
請求項２記載のプリント回路板の累積故障率算出装置。
【請求項４】
前記非冗長系の接続態様は、前記プリント回路板の所定区間に実装される複数の前記電子部品のいずれか１つが電気的に接続されていれば前記所定区間に要求される機能を満足し、
前記冗長系の接続態様は、前記プリント回路板の所定区間に実装される複数の前記電子部品のいずれか１つが電気的に切断されていれば前記所定区間に要求される機能を満足しない、
請求項１記載のプリント回路板の累積故障率算出装置。
【請求項５】
複数の電子部品がプリント基板にはんだ接合されて構成されるプリント回路板であって、
前記プリント回路板の熱疲労による寿命は、請求項１乃至４のいずれかに記載のプリント回路板の累積故障率算出装置により算出される累積故障率により予測される、
ことを特徴とする電子機器。
【請求項６】
複数のプリント回路板を備えた電子機器であって、
前記プリント回路板は、請求項５記載のプリント回路板である、
ことを特徴とする電子機器。
【請求項７】
複数のプリント回路板を備えた電子機器の熱疲労による寿命を予測する寿命予測システムであって、
請求項１乃至４のいずれかに記載のプリント回路板の累積故障率算出装置により算出される累積故障率を用いて前記寿命を予測する、
ことを特徴とする寿命予測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電子部品がプリント基板にはんだ接合されて構成されるプリント回路板の熱疲労による累積故障率を算出する累積故障率算出装置と、累積故障率算出装置により算出された累積故障率に基づいて構成される電子機器と、複数のプリント回路板を備えた電子機器の熱疲労による寿命を予測する寿命予測システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子機器に組み込まれるプリント回路板は、回路をプリントしたプリント基板に、抵抗器やコンデンサなどの電子部品をスズ（Sn）などを主成分とするはんだにより接合して製作される。
【０００３】
しかし、プリント基板と電子部品とは材質が異なるため、それぞれの線膨張係数が異なる。つまり、プリント回路板の温度が変化した場合には、プリント基板と電子部品との膨張寸法の差により、はんだ接合部に熱応力が生じる。
【０００４】
そして、プリント回路板には、温度変化が繰り返されることによって金属疲労が生じ、その結果としてはんだ接合部が切断されることがある。
【０００５】
そこで、はんだ接合部の金属疲労によるプリント回路板の寿命を予測する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
特許文献１では、専門的な知識を必要とせず高精度にはんだ接合部の寿命を予測することを目的とするシステムを開示している。
【０００７】
具体的には、特許文献１の技術では、有限要素法により推定されたひずみ量とコフィンマンソンの法則より、はんだ接合部の寿命を推定する。
【０００８】
また、特許文献１の技術では、コフィンマンソンの法則のパラメータと実験データからパラメータのばらつきである標準偏差とを特定することができる。このため、特許文献１の技術では、特定された標準偏差を利用し累積故障率も推定することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に示す従来のはんだ接合部の寿命予測を行う技術では、そのシステムを利用しても電子部品単体のはんだ接合部の累積故障率を算出することしかできない。つまり、従来のはんだ接合部の寿命予測を行う技術では、多数の部品がはんだ接合されたプリント回路板としての累積故障率を推定できないといった問題があった。
【００１０】
本発明は、複数の電子部品がプリント基板にはんだ接合されて構成されるプリント回路板の累積故障率を算出するプリント回路板の累積故障率算出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、複数の電子部品がプリント基板にはんだ接合されて構成されるプリント回路板の累積故障率を算出する装置であって、プリント基板にはんだ接合される電子部品ごとの故障率を算出する故障率算出部と、プリント回路板の累積故障率を算出する累積故障率算出部と、を有してなり、故障率算出部は、プリント基板にはんだ接合される電子部品ごとに、電子部品の部品情報を取得し、取得された部品情報に基づいて、電子部品の故障率を算出し、累積故障率算出部は、取得された電子部品ごとの部品情報と、算出された電子部品ごとの故障率と、を用いてプリント回路板の累積故障率を算出し、電子部品ごとの部品情報には、電子部品と他の電子部品との接続態様が非冗長系または冗長系のいずれであるかを示す接続種別が含まれている、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、複数の電子部品がプリント基板にはんだ接合されて構成されるプリント回路板の累積故障率を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るプリント回路板の累積故障率算出装置のブロック図である。
【図２】上記累積故障率算出装置により累積故障率を算出されるプリント回路板の回路図である。
【図３】上記累積故障率算出装置により実行される累積故障率算出処理を示すフローチャートである。
【図４】上記累積故障率算出装置に入力される部品情報のテーブルを示す模式図である。
【図５】故障率算出部で用いられる回帰式の一例を示す模式図である。
【図６】電子部品の接続種別を示すプリント回路板の回路図である
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係るプリント回路板の累積故障率算出装置と寿命予測システムと電子機器の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
●プリント回路板の累積故障率算出装置●
まず、本発明に係るプリント回路板の累積故障率算出装置の実施の形態について説明する。
【００１６】
本発明に係るプリント回路板の累積故障率算出装置は、プリント回路板を構成するプリント回路基板上に直列または並列にはんだ接合された複数の電子部品を信頼性モデル化し、それぞれの電子部品の累積故障率分布を信頼性モデルに代入する。このようにすることで、本発明に係るプリント回路板の累積故障率算出装置は、プリント回路板の全体としての熱疲労による累積故障率を算出する。そして、本発明に係るプリント回路板の累積故障率算出装置によれば、熱疲労による寿命を予測することができる。
【００１７】
●累積故障率算出装置の構成
図１は、本発明に係るプリント回路板の累積故障率算出装置のブロック図である。同図に示すように、累積故障率算出装置１０は、第１記憶部１と、部品累積故障率算出部２と、第２記憶部３と、プリント回路板累積故障率算出部４と、出力部５とを有する。
【００１８】
第１記憶部１は、電子部品ごとの部品情報として、部品属性情報１ａと、冷熱サイクル条件１ｂと、接続種別１ｃとが、関連付けて記憶されている。ここで、第１記憶部１に記憶される情報は、不図示のキーボードやマウスなどの各種インターフェースからなる入力部から入力される。
【００１９】
部品属性情報１ａは、プリント回路板に実装される部品の種別（種類や形など）、プリント基板厚、はんだ印刷マスク厚、プリント基板上電極形状などの電子部品の属性に関する情報（パラメータ）である。
【００２０】
冷熱サイクル条件１ｂは、冷熱サイクル試験の高温時と低温時それぞれの温度とその温度の継続時間とを定め、熱疲労の試験条件を特定する情報であり、本発明における冷熱サイクル情報に対応する。冷熱サイクル条件１ｂは、修正コフィンマンソンの法則を用いて寿命を予測する際の冷熱サイクル試験の加速係数を求めるために用いる。
【００２１】
接続種別１ｃ（電子部品分類情報）は、プリント回路板の電子部品の接続態様が冗長系（並列系）であるか非冗長系（直列系）であるかを部品ごとに分類するための情報である。
【００２２】
部品累積故障率算出部２は、第１記憶部１より取得された部品情報に基づいて、電子部品の故障率を算出する。ここで、部品累積故障率算出部２は、部品情報に含まれる部品種別と部品サイズとに基づいて、電子部品の故障率を算出するために用いられる回帰式を第２記憶部３より取得する。
【００２３】
第２記憶部３には、部品属性情報１ａに含まれる部品種別と部品サイズとに基づいて、電子部品の故障率を算出するために用いられる回帰式が、予め電子部品ごとに記憶されている。
【００２４】
プリント回路板累積故障率算出部４は、前記取得された電子部品ごとの接続種別１ｃと、前記算出された電子部品ごとの故障率と、を用いてプリント回路板累積故障率を算出する。
【００２５】
出力部５は、例えば、プリンタやディスプレイなどの出力デバイスであり、プリント回路板累積故障率算出部４が算出したプリント回路板累積故障率を出力する。
【００２６】
●累積故障率算出装置によるプリント回路板累積故障率算出処理
次に、累積故障率算出装置１０による、プリント回路板累積故障率算出処理を説明する。
【００２７】
図２は、累積故障率算出装置１０により累積故障率を算出するプリント回路板の回路図である。以下の説明では、同図に示す回路構成を有するプリント回路板を一例に、プリント回路板累積故障率算出処理を説明する。
【００２８】
図２に示すプリント回路板には、抵抗Ｒ１と、互いに並列接続されているコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３と、コンデンサＣ４と、抵抗Ｒ２とが端子ＡＢ間に順に接続されている。
【００２９】
図３は、累積故障率算出装置１０により実行される累積故障率算出処理を示すフローチャートである。
【００３０】
まず、部品累積故障率算出部２は、電子部品ごとの部品累積故障率を算出するために、第１記憶部１から、部品情報として部品属性情報１ａと冷熱サイクル条件１ｂとを取得する（Ｓ１０１）。
【００３１】
図４は、累積故障率算出装置１０に入力される部品情報のテーブルを示す模式図である。同図に示すように、第１記憶部１に記憶される部品情報のテーブルには、電子部品（Ｒ１，Ｒ２，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４）ごとに部品属性情報１ａ（部品種別、部品サイズ、はんだ印刷マスク厚、基板電極サイズ）と、冷熱サイクル条件１ｂが記憶されている。
【００３２】
ここで、部品属性情報１ａの各パラメータについて説明する。部品種別は、抵抗やコンデンサといった、その電子部品の種類を特定する情報である。
【００３３】
つまり、部品サイズは、電子部品の長手方向と短手方向の寸法の情報である。はんだ印刷マスク厚は、電子部品の実装時に想定される、はんだのマスク厚の数値情報である。基板電極サイズは、プリント回路基板の電子部品に対応する箇所の電極の寸法の情報である。
【００３４】
図５は、部品累積故障率算出部２で用いられる回帰式の一例を示す模式図である。同図に示すように、部品累積故障率算出部２は、部品属性情報１ａに含まれる部品種別と部品サイズとに基づいて、電子部品ごとの故障率を算出するために用いられる回帰式を第２記憶部３から取得する（Ｓ１０２）。
【００３５】
部品累積故障率算出部２は、図４の部品情報のテーブルから、電子部品ごとの印刷マスク厚、基板電極サイズを回帰式中の対応する変数xへそれぞれ代入し、ηを求める。ここで、ηはワイブル分布の尺度パラメータ、mは形状パラメータである。
【００３６】
次に、部品累積故障率算出部２は、読み出した部品情報と回帰式とに基づいて、電子部品ごとの故障率（電子部品累積故障率）を算出する（Ｓ１０３）。ここで、ワイブル分布ηi、ｍiの時間tでの故障確率をpiとする。
【００３７】
部品累積故障率算出部２により算出された部品単体での故障確率は、それぞれ以下のとおりである。
Ｒ１：ｐ２
Ｒ２：ｐ５
Ｃ１：ｐ８
Ｃ２：ｐ８
Ｃ３：ｐ９
Ｃ４：ｐ１２
【００３８】
部品累積故障率算出部２が電子部品累積故障率を算出すると、プリント回路板累積故障率算出部４は、第１記憶部１から接続種別１ｃを取得し、接続種別１ｃの分類が冗長系であるか非冗長系であるかを判断する（Ｓ１０４）。
【００３９】
図６は、電子部品の接続種別を示すプリント回路板の回路図である。プリント回路板に実装される電子部品は、冗長系（並列系）の接続種別と非冗長系（直列系）の接続種別とに分類される。
【００４０】
ここで、非冗長系の電子部品とは、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とコンデンサＣ４のように、１つの電子部品が電気的に切断されて（故障して）しまうと所定区間に要求される機能が満足しない、直列接続されるものである。
【００４１】
また、冗長系の電子部品とは、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３のように、いずれかの１つの電子部品が電気的に接続されていれば所定区間に要求される機能を満足する、並列接続されるものである。
【００４２】
ここで、プリント回路板累積故障率の算出に用いる（１）式と（２）式とを示す。
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【００４３】
プリント回路板の信頼性を考えた場合には、その電子部品の故障によりプリント回路板全体が故障するものは、非冗長系として考え、（１）式を使用する。また、その電子部品が故障したとしてもプリント回路板全体の故障に至らない場合は，複数の電子部品を合わせて冗長系と考え、（２）式を使用する。
【００４４】
Ｓ１０４において非冗長系の電子部品であると判断すれば（Ｓ１０４：Ｎｏ）、プリント回路板累積故障率算出部４は、プリント回路板累積故障率を算出する際に（１）式を用いる（Ｓ１０５）。
【００４５】
一方、Ｓ１０４において冗長系の電子部品であると判断すれば（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）、プリント回路板累積故障率算出部４は、プリント回路板累積故障率を算出する際に（２）式を用いる（Ｓ１０６）。
【００４６】
分類１，２，４の電子部品は、非冗長系であるためにの部品単体での故障確率と同じ値になる。ここで、ある分類iの故障確率をPiとし、P1=p2，P2=p5，P4=p12とおく。
【００４７】
一方、分類３の電子部品は、並列系であるため、以下のようになる。
P3=p8×p8×p9
【００４８】
なお、実際のプリント回路板では、図６に示すように、冗長系と非冗長系とが併用されている。その場合に、冗長系の電子部品については、（２）式より算出された値が非冗長系で接続されている電子部品に置き換えできると考え、Ｓ１０５にて算出された値をＳ１０６にて（１）式に代入して、改めて累積故障率を算出する。
【００４９】
プリント回路板累積故障率算出部４は、Ｓ１０５またはＳ１０６で定めた式を用いて、プリント回路板累積故障率を算出する（Ｓ１０７）。Ｓ１０５とＳ１０６により、全ての電子部品は、非冗長系とみなしてよいため、プリント回路板累積故障率Ppcbは、以下のようになる。算出されたプリント回路板累積故障率は、出力部５から出力される。
【００５０】
Ppcb=1-(1-P1)×(1-P2)×(1-P3)×(1-P4)=1-(-p2)×(1-p5)×(1-p8p8p9)×(1-p12)
【００５１】
以上説明した累積故障率算出装置１０によれば、複数の電子部品がプリント基板にはんだ接合されて構成されるプリント回路板の熱疲労による寿命を予測するために、部品単体だけでなくプリント回路板の累積故障率を算出することができる。
【００５２】
●寿命予測システム●
次に、本発明に係る寿命予測システムの実施の形態について説明する。
【００５３】
本発明に係る寿命予測システムは、複数のプリント回路板を備えた電子機器の熱疲労による寿命を予測する。ここで、本発明に係る寿命予測システムは、プリント回路板の累積故障率算出装置により算出される累積故障率を用いて寿命を予測する。
【００５４】
本発明に係る寿命予測システムでは、例えば、プリント回路板を構成するいずれかの非冗長系の電子部品が故障するまでの時間を電子機器の寿命として、故障に至るまでの冷熱サイクル条件のサイクル数から寿命を予測する。
【００５５】
つまり、本発明に係る寿命予測システムによれば、累積故障率算出装置１０によってプリント回路板の熱疲労による寿命を予測して電子部品ごとに部品属性情報１ａを設定することにより、所望の寿命を想定した設計を行うことができる。
【００５６】
●電子機器●
次に、本発明に係る電子機器の実施の形態について説明する。
【００５７】
本発明に係る電子機器は、例えば図２に示すように複数の電子部品がプリント基板にはんだ接合されて構成されるプリント回路板を有する。
【００５８】
ここで、プリント回路板の熱疲労による寿命は、以上説明したプリント回路板の累積故障率算出装置により算出される累積故障率Ppcbにより予測される。
【００５９】
以上説明した本発明に係る電子機器によれば、部品単体だけでなくプリント回路板の累積故障率を算出することができる。その結果、複数の電子部品がプリント基板にはんだ接合されて構成されるプリント回路板の熱疲労による寿命を予測することができる。
【００６０】
つまり、本発明に係る電子機器は、累積故障率算出装置１０によってプリント回路板の熱疲労による寿命を予測して電子部品ごとに部品属性情報１ａを設定することにより、所望の寿命を想定して製造することができる。
【００６１】
なお、本発明に係る電子機器は、複数のプリント回路板を備えた電子機器であってもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１        ：第１記憶部
１ａ      ：部品情報
１ｂ      ：冷熱サイクル条件
１ｃ      ：接続種別
２        ：部品累積故障率算出部
３        ：第２記憶部
４        ：プリント回路板累積故障率算出部
５        ：出力部
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６３】
【特許文献１】特開２００４−２５１６５１号公報
【図１】
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【図２】
2014153291.tif 000005
【図３】
2014153291.tif 000006
【図４】
2014153291.tif 000007
【図５】
2014153291.tif 000008
【図６】
2014153291.tif 000009