(57)【要約】【課題】  はんだ寿命の評価を、試作品を作製せずに、かつ期間の短縮化を図って行うことができ、さらに評価精度の向上を図ることができるはんだ寿命予測方法を提供する。【解決手段】  配線基板組立体に対応して解析用配線基板組立体モデル３Ｍを設定するモデル設定ステップＳ１と、解析用配線基板組立体モデル３Ｍに対して、線形被害則を用いて構築されたはんだ寿命解析シミュレーションＳｈｚを用いてはんだ１０の寿命を求めるはんだ寿命算出ステップＳ３とを備えた。試作品を用いずいわば仮想空間内で配線基板組立体のはんだ１０の寿命を把握できる。このため、試作品の作製及びはんだ寿命が不良であるとされた場合の試作品の再作製が不要となる。また、試作品の作製及び再作製が不要となり、製品設計時間の短縮化を図ることができる。はんだ寿命予測を、線形被害則を用いて構築されたはんだ寿命解析シミュレーションを用いて行うので、予測の精度を向上できる。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
保持体にねじ締結されて該保持体と共に配線基板組立体を構成する配線基板が備える基板と部品とを接合するはんだの寿命を予測するはんだ寿命予測方法であって、
前記配線基板組立体に対応して解析用配線基板組立体モデルを設定するモデル設定ステップと、
該解析用配線基板組立体モデルに対して、線形被害則を用いて構築されたはんだ寿命解析シミュレーションを用いてはんだの寿命を求めるはんだ寿命算出ステップと、を備えたことを特徴とするはんだ寿命予測方法。
【請求項２】
前記寿命算出ステップの実行に先だって、前記ねじ締結力から発生する歪応力について有限要素法に基いて応力解析し各はんだに対応して歪分布解析データを得る歪分布解析データ算出ステップを実行し、
前記はんだ寿命算出ステップは、前記歪分布解析データ算出ステップで得られた各はんだの歪分布解析データのうち寿命が短いと懸念されるはんだに対応する歪分布解析データを前記寿命解析シミュレーションに用いることを特徴とする請求項１記載のはんだ寿命予測方法。
【請求項３】
前記寿命解析シミュレーションは、前記解析用配線基板組立体モデルのはんだの亀裂部の大きさが所定の大きさになる毎に、前記亀裂部によって当該はんだに作用する応力を累積する応力累積ステップと、
該応力累積ステップで得られた累積応力値からはんだが破断するまでの寿命を予測する寿命予測ステップと、を含むことを特徴とする請求項１又は２記載のはんだ寿命予測方法。
【請求項４】
前記所定の大きさは、前記はんだの組織径の２倍であることを特徴とする請求項３記載のはんだ寿命予測方法。
【請求項５】
前記はんだ寿命算出ステップで算出したデータは、各はんだに対応して記憶手段に読み出し可能に記憶されることを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載のはんだ寿命予測方法。
【請求項６】
前記歪分布解析データ算出ステップで算出したデータは、各はんだに対応して記憶手段に読み出し可能に記憶されることを特徴とする請求項２から５までのいずれかに記載のはんだ寿命予測方法。
【請求項７】
応力累積ステップで得られたデータ及び寿命予測ステップで得られたデータは、各はんだに対応して記憶手段に読み出し可能に記憶されることを特徴とする請求項３から６までのいずれかに記載のはんだ寿命予測方法。
【請求項８】
前記記憶手段へのデータの記憶は、学習機能を持たせて行われることを特徴とする請求項５から７までのいずれかに記載のはんだ寿命予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配線基板に用いられるはんだの寿命予測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、自動車には電子部品システムが多用されるようになってきているが、これに伴い電子部品システムが備える配線基板に用いられるはんだの寿命予測方法は、電子部品システムの信頼性の確保を図るために益々重要になってきている。
従来、上述した配線基板については、部品搭載状態での設計が完了すると、冷熱サイクル評価を半年ないし１年以上の期間をかけて行うようにするのが一般的であった。冷熱サイクル評価では、赤道直下の気温等のように世界で最も高いと目される気温と北極や南極の近くで世界で最も低いと目される気温を採用し、繰返し冷熱負荷を一定期間与えるようにしている。なお、この評価方法を実行するためには特殊な恒温槽が必要とされている。
【０００３】
そして、その冷熱サイクル評価により、はんだ部が破断し、電気的な導通が無くなり、不良（ＮＧ）と判定されると、当該冷熱サイクル評価の対象となった配線基板の設計は採用されず、電気的な導通が無くなった部分について見直されて再設計され、その再設計された配線基板を対象として、再度冷熱サイクル評価が行われる。この冷熱サイクル評価でＮＧと判定されると、再度設計の見直し及び冷熱サイクル評価が行われる。
そして、冷熱サイクル評価で良好であると判定されると、配線基板単体での評価が終了し、この評価終了によって初めて、車両に搭載した状態での配線基板の評価に進むことになる。上述した冷熱サイクル評価に基くはんだ寿命予測方法を以下、便宜上、従来第１例という。
【０００４】
また、他の従来例として、特許文献１に示される方法（以下、便宜上、従来第２例という。）がある。この従来第２例では、半導体素子が搭載されたインターポーザに格子状に配列された複数個のはんだバンプを設けてなる半導体パッケージを、前記複数個のはんだバンプを介してプリント配線基板に接続するようにした半導体パッケージの実装状態を構造モデルとした解析方法であって、実際の温度サイクル試験におけるはんだ接合部の破壊形態に対応した破壊形態対応断面に基づいて２次元モデルを設定する工程（Ｓ１）と、この２次元モデルに基づいて有限要素法解析を行うことにより、前記はんだ接合部に発生する塑性ひずみを計算する工程（Ｓ２〜Ｓ４）と、前記２次元モデルに基づいて計算された塑性ひずみと前記実際の温度サイクル試験から得られる前記はんだ接合部の熱疲労寿命との関係を示すＳ−Ｎ曲線を作成し、このＳ−Ｎ曲線に基づいて前記はんだ接合部の熱疲労寿命を予測する工程（Ｓ５、Ｓ６）と、を備えている。
【０００５】
そして、従来第２例では、Ｓ−Ｎ曲線にあてはめる工程Ｓ５及び熱疲労寿命Ｎｆ予測工程Ｓ６において、各種のＢＧＡ／ＣＳＰ（半導体パッケージ）について２次元モデル解析及び温度サイクル試験を行い既にデータベース化されたＳ−Ｎ曲線（はんだ接合部の塑性ひずみ（ひずみＳ）と熱疲労寿命（サイクル数Ｎ）との関係を示す曲線）に、所望のＢＧＡ／ＣＳＰについて２次元モデル解析を行って得られた最大塑性ひずみ値を当てはめ、当該パッケージの熱疲労寿命を予測するようにしている。
【特許文献１】特開２０００−３０４６３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した従来第１例では、実際に試作し、長時間の信頼性評価でＮＧになると、再度その時点から配線基板の設計をやり直しすることになる。このため、開発期間が長くなり、場合によっては目標の日程を守れないことが起こり得た。また、上述した信頼性評価の実験データはバラツキが多く、ノウハウが蓄積されにくく試行錯誤の繰返しとなり、これに伴い評価サンプルも多くなり開発費用の増大から製品のコストアップを招くものになっていた。また、車両の耐用年数の向上に対応した品質向上の取り組みに対して支障となり改善が求められた。
【０００７】
また、上述した従来第２例では、パッケージ熱疲労寿命の予測について、２次元モデル解析を行って得られた最大塑性ひずみ値を基準にして求めており、寿命予測をする上で精度改善の余地があるというのが実情であった。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、はんだ寿命の評価を、試作品を作製せずに、かつ期間の短縮化を図って行うことができ、さらに評価精度の向上を図ることができるはんだ寿命予測方法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】
【０００９】
請求項１記載の発明は、保持体にねじ締結されて該保持体と共に配線基板組立体を構成する配線基板が備える基板と部品とを接合するはんだの寿命を予測するはんだ寿命予測方法であって、前記配線基板組立体に対応して解析用配線基板組立体モデルを設定するモデル設定ステップと、該解析用配線基板組立体モデルに対して、線形被害則を用いて構築されたはんだ寿命解析シミュレーションを用いてはんだの寿命を求めるはんだ寿命算出ステップと、を備えたことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のはんだ寿命予測方法において、前記寿命算出ステップの実行に先だって、前記ねじ締結力から発生する歪応力について有限要素法に基いて応力解析し各はんだに対応して歪分布解析データを得る歪分布解析データ算出ステップを実行し、前記はんだ寿命算出ステップは、前記歪分布解析データ算出ステップで得られた各はんだの歪分布解析データのうち寿命が短いと懸念されるはんだに対応する歪分布解析データを前記寿命解析シミュレーションに用いることを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のはんだ寿命予測方法において、前記寿命解析シミュレーションは、前記解析用配線基板組立体モデルのはんだの亀裂部の大きさが所定の大きさになる毎に、前記亀裂部によって当該はんだに作用する応力を累積する応力累積ステップと、該応力累積ステップで得られた累積応力値からはんだが破断するまでの寿命を予測する寿命予測ステップと、を含むことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項３記載のはんだ寿命予測方法において、前記所定の大きさは、前記はんだの組織径の２倍であることを特徴とする。
【００１１】
請求項５記載の発明は、請求項１から４までのいずれかに記載のはんだ寿命予測方法において、前記はんだ寿命算出ステップで算出したデータは、各はんだに対応して記憶手段に読み出し可能に記憶されることを特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項２から５までのいずれかに記載のはんだ寿命予測方法において、前記歪分布解析データ算出ステップで算出したデータは、各はんだに対応して記憶手段に読み出し可能に記憶されることを特徴とする。
【００１２】
請求項７記載の発明は、請求項３から６までのいずれかに記載のはんだ寿命予測方法において、応力累積ステップで得られたデータ及び寿命予測ステップで得られたデータは、各はんだに対応して記憶手段に読み出し可能に記憶されることを特徴とする。
請求項８記載の発明は、請求項５から７までのいずれかに記載のはんだ寿命予測方法において、前記記憶手段へのデータの記憶は、学習機能を持たせて行われることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１から８までに記載の発明によれば、試作品を用いずいわば仮想空間内で配線基板組立体のはんだ寿命を把握するようにしている。このため、試作品の作製及びはんだ寿命が不良であるとされた場合の試作品の再作製が不要となる。また、試作品の作製及び再作製が不要となることによりその分、製品設計時間の短縮化を図ることができる。さらに、はんだ寿命予測を、線形被害則を用いて構築されたはんだ寿命解析シミュレーションを用いて行うので、寿命予測の精度を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施の形態に係るはんだ寿命予測方法を図面に基づいて説明する。
このはんだ寿命予測方法は、図１に示すように自動車１のエンジンルーム２などに配置される配線基板組立体（ECU基板Assy）３の設計を支援するために用いられ、この実行のために、コンピュータ４（図７）に格納されたプログラムが用いられるようになっている。そして、この寿命予測方法は、後述するように、試作品を用いておらず、机上にて（いわばバーチャル処理）で行われるものとなっている。
【００１５】
前記配線基板組立体３は、図２及び図３に示すように、筐体（保持体）５と、この筐体５に形成された収納スペース６に配置されて筐体５にねじ７により保持されるプリント配線基板（以下、配線基板という。）８とからなっている。配線基板８は、略四角形の基板９と、基板９にはんだ１０により接合される複数の電気部品（以下、部品という。）１１とを備えている。
【００１６】
基板９の四隅には、ねじ７が挿入される孔１２が形成されており、この孔１２に挿入されたねじ７が筐体５に螺合されることにより、基板９は筐体５に締結されるようになっている。このため、基板９にはねじ締結力が作用することになる。また、基板９には、コネクタ部品１３が締結されている。このため、基板９にはコネクタ部品１３による締結力が作用することになる。
【００１７】
この実施の形態では、はんだ１０の寿命予測（はんだ寿命予測）は、図４に示すように、配線基板組立体３に対応して解析用配線基板組立体モデル３Ｍを設定するモデル設定ステップＳ１と、ねじ締結力及びコネクタ部品１３による締結力から発生する歪応力について有限要素法に基いて応力解析して各はんだ１０に対応して歪分布解析データを得る歪分布解析データ算出ステップＳ２と、解析用配線基板組立体モデル３Ｍに対して、線形被害則（マイナー則又は修正マイナー則）を用いて構築されたはんだ寿命解析シミュレーションＳｈｚを用いてはんだ１０（コンピュータ４による仮想空間に形成される解析用配線基板組立体モデル３Ｍにおけるはんだであるが、便宜上、実際のはんだ１０と同一の符号を用いる。後述する組織１６等についても符号を同様に用いる。）の寿命を求めるはんだ寿命算出ステップＳ３と、を実行することにより果たされるようにしている。
【００１８】
はんだ寿命算出ステップＳ３においては歪分布解析データ算出ステップＳ２で得られた各はんだ１０の歪分布解析データを寿命解析シミュレーションＳｈｚに用いるようにしている。この場合、当初は、全てのはんだ１０の歪分布解析データを寿命解析シミュレーションＳｈｚに用いるが、その後は、後述する学習機能を発揮することにより、全てのはんだ１０のうち寿命が短いと懸念されるはんだ１０に対応する歪分布解析データのみを寿命解析シミュレーションＳｈｚに用いるようになる。
なお、学習機能は、歪分布解析データ算出ステップＳ２で得られる複数のはんだ１０の歪分布解析データに限らず、はんだ寿命算出ステップＳ３、後述する応力累積ステップＳ４及び寿命予測ステップＳ５で得られたデータに対しても発揮されるようになっており、次回の解析を精度高く迅速に行うことができ、これにより解析の迅速化が図れるものになっている。
【００１９】
寿命解析シミュレーションＳｈｚは、図５及び図６に示すように、解析用配線基板組立体モデル３Ｍのはんだ１０の亀裂部１５の大きさがはんだ１０の組織１６の径（組織径）ｄの２倍（所定の大きさ）になる毎に、亀裂部１５によって当該はんだ１０に作用する応力を累積する応力累積ステップＳ４と、応力累積ステップＳ４で得られた累積応力値からはんだ１０が破断するまでの寿命を予測する寿命予測ステップＳ５と、を含んでいる。
【００２０】
亀裂部１５の大きさがはんだ１０の組織径ｄの２倍になる毎に、亀裂部１５によって当該はんだ１０に作用する応力を累積するようにし、はんだ１０の破断判定を行う上の元となるデータとして用いたのは、次の理由による。すなわち、図６（ａ）に示すようにはんだ１０の組織１６が並んでいる場合、図６（ｂ）に示すように相隣接する２つの組織１６が離間することにより空間１７が形成され、この空間１７により亀裂の進行が促進され易いと考えられるためである。
【００２１】
はんだ寿命算出ステップＳ３、歪分布解析データ算出ステップＳ２、応力累積ステップＳ４及び寿命予測ステップＳ５で得られたデータは、各はんだ１０に対応してコンピュータ４に接続されたデータベース（記憶手段）１８に読み出し可能に記憶されるようになっている。この場合、データベース１８へのデータの記憶は、学習機能を持たせて行われるようになっている。
また、基板９と部品１１との接合に用いられるはんだ１０は、対象とする部品１１等によって用いられる材料が異なっているが、その材料についての物理的、化学的データは予めデータベース１８に記憶されている。
【００２２】
このはんだ寿命予測方法では、モデル設定ステップＳ１、はんだ寿命算出ステップＳ３、及び寿命解析シミュレーションＳｈｚ（応力累積ステップＳ４及び寿命予測ステップＳ５）を含む全処理において、試作品を用いておらず、かつ各ステップでの処理はコンピュータ４が実行する、換言すれば、試作品を用いずいわば仮想空間内で製品（配線基板組立体３）の寿命を把握するようにしている。このはんだ寿命予測方法で得られたはんだ寿命が予め定められている規格内にあると判定された場合に、解析用配線基板組立体モデル３Ｍの信頼性が優れたものである、ひいては解析用配線基板組立体モデル３Ｍに対応する配線基板組立体３の設計の有効性が認定される。そして、この設計に基く配線基板組立体３について、車両に搭載された状態での評価が開始されることになる。
【００２３】
上述したように構成されたはんだ寿命予測方法では、図７に示すように、まず、コンピュータ４にはオペレータ１９の操作により、解析用配線基板組立体モデル３Ｍが設定される（工程Ｋ１）。
そして、ねじ締結やコネクタ部品１３による寿命への影響を考慮すべく、ねじ締結力及びコネクタ部品１３による締結力から発生する歪応力について有限要素法に基いて応力解析して各はんだ１０に対応して歪分布解析データを得る（工程Ｋ２）。続いて、解析用配線基板組立体モデル３Ｍに対して、線形被害則を用いて構築されたはんだ寿命解析シミュレーションＳｈｚを用いてはんだ１０の寿命を近似的に求める（工程Ｋ３）。
はんだ寿命解析シミュレーションＳｈｚにおいては、当初は全てのはんだ１０の歪分布解析データが用いられ、その後、学習機能の発揮により複数のはんだ１０の歪分布解析データのうち寿命が短いと懸念されるはんだ１０に対応する歪分布解析データが用いられる。
【００２４】
続いて、工程Ｋ３で得られたはんだ１０の寿命が規格内であるか否かの判定が行われる（工程Ｋ４）。
工程Ｋ４において、工程Ｋ３で得られたはんだ１０の寿命が規格内である（破断するものではない）場合は、設計が良好である（ＯＫ）として、開発を完了し、解析用配線基板組立体モデル３Ｍに対応する配線基板組立体３について、自動車１に搭載された状態での評価が開始される。
工程Ｋ３で得られたはんだ１０の寿命が規格外である（ＮＧ）場合は、設計仕様を見直しすることになる。工程Ｋ３で得られたはんだ１０の寿命が規格外である（ＮＧ）とされるのは、学習機能が発揮された後は、複数のはんだ１０の歪分布解析データのうち寿命が短いと懸念されるはんだ１０であり、設計仕様の見直し範囲が明確であり、設計を迅速に進めることができる。
【００２５】
このはんだ寿命予測方法では、上述したように試作品を用いずいわば仮想空間内で製品（配線基板組立体３）のはんだ寿命を把握するようにしている。このため、試作品の作製及びはんだ寿命が不良であるとされた場合の試作品の再作製が不要となる。また、試作品の作製及び再作製が不要となることによりその分、製品設計時間の短縮化を図ることができる。さらに、はんだ寿命予測を、線形被害則を用いて構築されたはんだ寿命解析シミュレーションを用いて行うので、寿命予測の精度を向上することができる。
【００２６】
また、本実施の形態では、データベース１８に上記各データを記憶し、これらデータについて学習機能を発揮して利用できるので、上述したように工程３でＮＧとされる場合は、極めて少ないものとなる。さらに、このはんだ寿命予測方法は、上述した学習機能を発揮することにより、使用される毎に、工程Ｋ３でＮＧとされる割合が少なくなる。
【００２７】
なお、上記実施の形態では、はんだ寿命算出ステップＳ３の実行に先だって、前記ねじ締結力から発生する歪応力について有限要素法に基いて応力解析して各はんだ１０に対応して歪分布解析データを得る歪分布解析データ算出ステップＳ２を実行する場合を例にしたが、本発明はこれに限らず、歪分布解析データ算出ステップＳ２を廃止し、配線基板組立体３に対応して解析用配線基板組立体モデル３Ｍを設定するモデル設定ステップＳ１に続き、解析用配線基板組立体モデル３Ｍに対して、線形被害則を用いて構築されたはんだ寿命解析シミュレーションＳｈｚを用いてはんだ１０の寿命を求めるはんだ寿命算出ステップＳ３を実行するように構成してもよい。
【００２８】
また、本実施の形態では、解析用配線基板組立体モデル３Ｍのはんだ１０の亀裂部１５の大きさがはんだ１０の組織径ｄの２倍（所定の大きさ）になる毎に、亀裂部１５によって当該はんだ１０に作用する応力を累積する（応力累積ステップＳ４）ように構成した場合を例にしたが、本発明はこれに限らず、解析用配線基板組立体モデル３Ｍのはんだ１０の亀裂部１５の大きさが所定の大きさになる毎に、亀裂部１５によって当該はんだ１０に作用する応力を累積するように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施の形態に係るはんだ寿命予測方法が用いられる配線基板組立体を搭載する自動車を模式的に示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係るはんだ寿命予測方法が用いられる配線基板組立体を示す斜視図である。
【図３】図２の配線基板を示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係るはんだ寿命予測方法で実行されるモデル設定ステップ及び歪分布解析データ算出ステップを示すフローチャートである。
【図５】図４のはんだ寿命算出ステップで用いられる寿命解析シミュレーションの処理内容を示すフローチャートである。
【図６】はんだの組織を模式的に示し、（ａ）は亀裂が生じる前の状態、（ｂ）亀裂を生じた状態を示す図である。
【図７】本発明の一実施の形態に係るはんだ寿命予測方法の使用状態を模式的に示す工程図である。
【符号の説明】
【００３０】
３…配線基板組立体、３Ｍ…解析用配線基板組立体モデル、１０…はんだ、１１…部品。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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