(57)【要約】【課題】鉛フリーはんだ接合部の疲労寿命予測を専門的な知識を必要とせず、高精度で行うことができるはんだ接合部疲労寿命予測システムを提供すること。【解決手段】半導体パッケージの基本モデルの寸法データが記憶された記憶部５０と、鉛フリーはんだの構成式データが記憶された記憶部５１と、鉛フリーはんだ材料の疲労強度データが記憶された記憶部５３と、基本モデルの寸法データを変更し解析モデルデータを作成し、解析モデルデータと、構成式データと、半導体パッケージ及び基板の材料に基づく変形特性と、温度サイクル条件に基づいて基板に実装された半導体パッケージの応力解析を行い、過渡的ひずみ速度成分と定常ひずみ速度成分とを算出し、ひずみ集中位置における相当非弾性ひずみ量を算出し、疲労寿命を算出する処理部２０とを備えている。【選択図】    図１
2004251651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
はんだ接合により基板に実装された半導体パッケージのはんだ接合部の疲労寿命を予測する鉛フリーはんだ接合部疲労寿命予測システムにおいて、
上記基板に実装された上記半導体パッケージの基本モデルの寸法データが記憶された基本モデルデータ記憶手段と、
鉛フリーはんだの変形挙動を非弾性ひずみ速度を過渡的ひずみ速度成分と定常ひずみ速度成分の和としてモデル化した構成式データが記憶された構成式データ記憶手段と、
はんだ接合部に生じるひずみ集中部のひずみ量から疲労寿命を算定するための鉛フリーはんだ材料の疲労強度データが記憶された疲労強度データ記憶手段と、
上記基本モデルの寸法データを変更し解析モデルデータを作成する解析モデル作成手段と、
上記解析モデルデータと、上記構成式データと、上記半導体パッケージ及び上記基板の材料に基づく変形特性と、温度サイクル条件に基づいて上記基板に実装された上記半導体パッケージの応力解析を行う応力解析手段と、
この応力解析結果に基づいて、過渡的ひずみ速度成分と定常ひずみ速度成分とを算出するひずみ速度成分算出手段と、
上記過渡的ひずみ速度成分と定常ひずみ速度成分とに基づいてひずみ集中位置における相当非弾性ひずみ量を算出するひずみ量算出手段と、
算出された相当非弾性ひずみ量と、上記疲労強度データに基づいて疲労寿命を算出する疲労寿命算出手段とを備えていることを特徴とする鉛フリーはんだ接合部疲労寿命予測システム。
【請求項２】
前記ひずみ量算出手段は、過渡的非弾性ひずみ成分と定常非弾性ひずみ成分の和の相当値を非弾性ひずみの値とすることを特徴とする請求項１に記載の鉛フリーはんだ接合部疲労寿命予測システム。
【請求項３】
上記ひずみ集中位置と、上記相当非弾性ひずみ量と、上記疲労寿命を表示する表示手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の鉛フリーはんだ接合部疲労寿命予測システム。
【請求項４】
上記表示手段は、上記過渡的非弾性ひずみ成分と上記定常非弾性ひずみ成分とをそれぞれ単独で、及び、これらの合計を表示することを特徴とする請求項３に記載の鉛フリーはんだ接合部疲労寿命予測システム。
【請求項５】
はんだ接合により基板に実装された半導体パッケージのはんだ接合部の疲労寿命を予測する鉛フリーはんだ接合部疲労寿命予測方法において、
上記基板に実装された上記半導体パッケージの基本モデルの寸法データが記憶された基本モデルデータ記憶手段から所定のモデルに対応する基本モデルデータを選択するモデル選択工程と、
上記基本モデルの寸法データを変更し解析モデルデータを作成する解析モデル作成工程と、
鉛フリーはんだの変形挙動を非弾性ひずみ速度を過渡的ひずみ速度成分と定常ひずみ速度成分の和としてモデル化した構成式データが記憶された構成式データ記憶手段から所定のはんだ材料に対応する構成式データを選択する構成式選択工程と、
はんだ接合部に生じるひずみ集中部のひずみ量から疲労寿命を算定するための鉛フリーはんだ材料の疲労強度データが記憶された疲労強度データ記憶手段から所定のはんだ材料に対応する疲労強度データを選択する強度データ選択手段と、
温度サイクル条件に相当する最高温度と最低温度と温度移行時間とさらし時間を指定する温度サイクル条件指定工程と、
上記解析モデルデータと、上記構成式データと、上記半導体パッケージ及び上記基板の材料に基づく変形特性と、温度サイクル条件に基づいて上記基板に実装された上記半導体パッケージの応力解析を行う応力解析工程と、
この応力解析結果に基づいて、過渡的ひずみ速度成分と定常ひずみ速度成分とを算出するひずみ速度成分算出工程と、
上記過渡的ひずみ速度成分と定常ひずみ速度成分とに基づいてひずみ集中位置における相当非弾性ひずみ量を算出するひずみ量算出工程と、
算出された相当非弾性ひずみ量と、上記疲労強度データに基づいて疲労寿命を算出する疲労寿命算出工程とを備えていることを特徴とする鉛フリーはんだ接合部疲労寿命予測方法。
【請求項６】
コンピュータを動作させるためのプログラムにおいて、
はんだ接合により基板に実装された半導体パッケージの解析モデルデータが記憶された解析モデルデータ記憶手段から所定のモデルに対応する解析モデルデータを選択させる手段と、
鉛フリーはんだの変形挙動を非弾性ひずみ速度を過渡的ひずみ速度成分と定常ひずみ速度成分の和としてモデル化した構成式データが記憶された構成式データ記憶手段から所定のはんだ材料に対応する構成式データを選択させる手段と、
はんだ接合部に生じるひずみ集中部のひずみ量から疲労寿命を算定するための鉛フリーはんだ材料の疲労強度データが記憶された疲労強度データ記憶手段から所定のはんだ材料に対応する疲労強度データを選択させる手段と、
温度サイクル条件に相当する最高温度と最低温度と温度移行時間とさらし時間を指定させる手段と、
上記基本モデルの寸法データを変更し解析モデルデータを作成させる手段と、
上記解析モデルデータと、上記構成式データと、上記半導体パッケージ及び上記基板の材料に基づく変形特性と、温度サイクル条件に基づいて上記基板に実装された上記半導体パッケージの応力解析を行わせる手段と、
この応力解析結果に基づいて、過渡的ひずみ速度成分と定常ひずみ速度成分とを算出させる手段と、
上記過渡的ひずみ速度成分と定常ひずみ速度成分とに基づいてひずみ集中位置における相当非弾性ひずみ量を算出させる手段と、
算出された相当非弾性ひずみ量と、上記疲労強度データに基づいて疲労寿命を算出させる手段とを備えていることを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉛フリーはんだ接合部を有する半導体パッケージの応力解析に基づく疲労寿命予測システム、鉛フリーはんだ接合部疲労寿命予測方法及びプログラムに関し、特に設計者が簡単な操作でしかも高精度で行うことを可能に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より半導体パッケージ等の電子部品の設計の効率化を図るために、汎用解析ソフトウェアを用いて有限要素法による応力解析が行われている。例えば、設計用応力解析システムとして「半導体パッケージ設計用応力解析システムとその方法」が開示されており、弾性応力解析が行なわれている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
近年、地球環境保護の観点から、はんだの鉛フリー化が緊急に解決すべき課題となっており、これに伴ってはんだ接合部の熱疲労寿命が重要な検討課題の一つとなっている。熱疲労寿命の予測を行なうためには、弾性応力解析による手法とは異なり、はんだ接合部に生じるひずみの値を有限要素法による非弾性応力解析により求め、これを材料の疲労試験データと組み合せて評価を行なう必要がある。したがって、精度の高い寿命予測を行なうためには、有限要素法で用いる鉛フリーはんだ材料の非弾性変形挙動を正確に定式化することが重要となる。この観点から、鉛フリーはんだの構成式に係わる数多くの研究が行われている（例えば非特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−３３３０７６公報
【０００５】
【非特許文献１】
日本機械学会講演論文集，Ｎｏ．０１３−１（２００１），８９−９０頁
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した鉛フリーはんだ材料を用いた半導体パッケージでは、次のような問題があった。すなわち、熱疲労破損の主原因となる電子機器の温度変化は保持時間の長い台形波であるため、はんだ接合部では低ひずみ速度での変形と長時間におよぶ荷重保持が繰返し生じる。したがって、時間依存型の非弾性変形を忠実に再現できる構成式が要求される。
【０００７】
しかしながら、鉛フリーはんだの変形挙動は非常に複雑であり、温度依存性、ひずみ速度依存性を顕著に示すとともに、クリープ変形特性においては遷移クリープ段階が定常クリープ段階に先立って現れるという特徴がある。これらの変形挙動を考慮して非弾性応力解析を実施し、得られたひずみの値から疲労寿命を予測することは、極めて専門的な知識が必要であり、はんだ接合部の実装設計者にとって困難であった。
【０００８】
また、従来の汎用解析ソフトウェアの標準解析機能では、定常クリープ挙動のみしか解析できないため、遷移クリープに相当する非弾性変形が考慮されないことから寿命予測精度の点でも問題があった。
【０００９】
そこで本発明は、鉛フリーはんだ接合部の疲労寿命予測を専門的な知識を必要とせず、設計者が簡単な操作でしかも高精度で行うことを可能としたはんだ接合部疲労寿命予測システム、はんだ接合部疲労寿命予測方法及びシステムはんだ接合部疲労寿命予測プログラムを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の鉛フリーはんだ接合部疲労寿命予測システム、鉛フリーはんだ接合部疲労寿命予測方法及びプログラムは次のように構成されている。
【００１１】
（１）はんだ接合により基板に実装された半導体パッケージのはんだ接合部の疲労寿命を予測する鉛フリーはんだ接合部疲労寿命予測システムにおいて、上記基板に実装された上記半導体パッケージの基本モデルの寸法データが記憶された基本モデルデータ記憶手段と、鉛フリーはんだの変形挙動を非弾性ひずみ速度を過渡的ひずみ速度成分と定常ひずみ速度成分の和としてモデル化した構成式データが記憶された構成式データ記憶手段と、はんだ接合部に生じるひずみ集中部のひずみ量から疲労寿命を算定するための鉛フリーはんだ材料の疲労強度データが記憶された疲労強度データ記憶手段と、上記基本モデルの寸法データを変更し解析モデルデータを作成する解析モデル作成手段と、上記解析モデルデータと、上記構成式データと、上記半導体パッケージ及び上記基板の材料に基づく変形特性と、温度サイクル条件に基づいて上記基板に実装された上記半導体パッケージの応力解析を行う応力解析手段と、この応力解析結果に基づいて、過渡的ひずみ速度成分と定常ひずみ速度成分とを算出するひずみ速度成分算出手段と、上記過渡的ひずみ速度成分と定常ひずみ速度成分とに基づいてひずみ集中位置における相当非弾性ひずみ量を算出するひずみ量算出手段と、算出された相当非弾性ひずみ量と、上記疲労強度データに基づいて疲労寿命を算出する疲労寿命算出手段とを備えていることを特徴とする。
【００１２】
（２）上記（１）に記載された鉛フリーはんだ接合部疲労寿命予測システムであって、前記ひずみ量算出手段は、過渡的非弾性ひずみ成分と定常非弾性ひずみ成分の和の相当値を非弾性ひずみの値とすることを特徴とする。
【００１３】
（３）上記（１）に記載された鉛フリーはんだ接合部疲労寿命予測システムであって、上記ひずみ集中位置と、上記相当非弾性ひずみ量と、上記疲労寿命を表示する表示手段をさらに備えていることを特徴とする。
【００１４】
（４）上記（３）に記載された鉛フリーはんだ接合部疲労寿命予測システムであって、上記表示手段は、上記過渡的非弾性ひずみ成分と上記定常非弾性ひずみ成分とをそれぞれ単独で、及び、これらの合計を表示することを特徴とする。
【００１５】
（５）はんだ接合により基板に実装された半導体パッケージのはんだ接合部の疲労寿命を予測する鉛フリーはんだ接合部疲労寿命予測方法において、上記基板に実装された上記半導体パッケージの基本モデルの寸法データが記憶された基本モデルデータ記憶手段から所定のモデルに対応する基本モデルデータを選択するモデル選択工程と、上記基本モデルの寸法データを変更し解析モデルデータを作成する解析モデル作成工程と、鉛フリーはんだの変形挙動を非弾性ひずみ速度を過渡的ひずみ速度成分と定常ひずみ速度成分の和としてモデル化した構成式データが記憶された構成式データ記憶手段から所定のはんだ材料に対応する構成式データを選択する構成式選択工程と、はんだ接合部に生じるひずみ集中部のひずみ量から疲労寿命を算定するための鉛フリーはんだ材料の疲労強度データが記憶された疲労強度データ記憶手段から所定のはんだ材料に対応する疲労強度データを選択する強度データ選択手段と、温度サイクル条件に相当する最高温度と最低温度と温度移行時間とさらし時間を指定する温度サイクル条件指定工程と、上記解析モデルデータと、上記構成式データと、上記半導体パッケージ及び上記基板の材料に基づく変形特性と、温度サイクル条件に基づいて上記基板に実装された上記半導体パッケージの応力解析を行う応力解析工程と、この応力解析結果に基づいて、過渡的ひずみ速度成分と定常ひずみ速度成分とを算出するひずみ速度成分算出工程と、上記過渡的ひずみ速度成分と定常ひずみ速度成分とに基づいてひずみ集中位置における相当非弾性ひずみ量を算出するひずみ量算出工程と、算出された相当非弾性ひずみ量と、上記疲労強度データに基づいて疲労寿命を算出する疲労寿命算出工程とを備えていることを特徴とする。
【００１６】
（６）コンピュータを動作させるためのプログラムにおいて、はんだ接合により基板に実装された半導体パッケージの解析モデルデータが記憶された解析モデルデータ記憶手段から所定のモデルに対応する解析モデルデータを選択させる手段と、鉛フリーはんだの変形挙動を非弾性ひずみ速度を過渡的ひずみ速度成分と定常ひずみ速度成分の和としてモデル化した構成式データが記憶された構成式データ記憶手段から所定のはんだ材料に対応する構成式データを選択させる手段と、はんだ接合部に生じるひずみ集中部のひずみ量から疲労寿命を算定するための鉛フリーはんだ材料の疲労強度データが記憶された疲労強度データ記憶手段から所定のはんだ材料に対応する疲労強度データを選択させる手段と、温度サイクル条件に相当する最高温度と最低温度と温度移行時間とさらし時間を指定させる手段と、上記基本モデルの寸法データを変更し解析モデルデータを作成させる手段と、上記解析モデルデータと、上記構成式データと、上記半導体パッケージ及び上記基板の材料に基づく変形特性と、温度サイクル条件に基づいて上記基板に実装された上記半導体パッケージの応力解析を行わせる手段と、この応力解析結果に基づいて、過渡的ひずみ速度成分と定常ひずみ速度成分とを算出させる手段と、上記過渡的ひずみ速度成分と定常ひずみ速度成分とに基づいてひずみ集中位置における相当非弾性ひずみ量を算出させる手段と、算出された相当非弾性ひずみ量と、上記疲労強度データに基づいて疲労寿命を算出させる手段とを備えていることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施の形態に係る鉛フリーはんだ接合部の疲労寿命予測システム１０を示す図、図２は同システム１０による鉛フリーはんだ接合部の疲労寿命予測手順を示すフロー図である。また、図３〜図６は同システム１０に組み込まれたモニタ装置４０の画面表示例を示す模式図である。
【００１８】
鉛フリーはんだ接合部疲労寿命予測システム１０は、予め入力されたプログラムに沿って演算等の処理を行う処理部２０と、モデルの選択及びデータの入力等を行う入力部３０と、選択画面及び演算結果等を表示するモニタ装置４０と、後述するデータＤ１〜Ｄ４をそれぞれ記憶する記憶装置５０〜５３を示している。
【００１９】
記憶装置５０には、基本モデルデータＤ１が記憶されている。基本モデルデータＤ１は、はんだ接合によりプリント基板に実装された半導体パッケージの応力解析用モデルの寸法データが保存されており、入力部３０を介してＱＦＰやＳＯＰ、ＢＧＡなどの半導体パッケージやチップ部品等の大分類から部品型番等の小分類を選択することにより所望の基本モデルを選定することが可能である。
【００２０】
記憶装置５１には、変形特性データＤ２が記憶されている。変形特性データＤ２には、温度変化に伴う変形特性について、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ系の鉛フリーはんだにそれぞれ対応した構成式が、汎用有限要素法のユーザサブルーチンとして記述されている。
【００２１】
なお、構成式の材料パラメータは、品質保証のために行われる温度サイクル試験の上下限温度範囲をカバーするために、１７５℃から−６５℃の範囲で引張試験とクリープ試験を行った結果に基づき決定したものである。
【００２２】
また、構成式は、鉛フリーはんだの非常に複雑な変形特性である温度依存性、ひずみ速度依存性、そしてクリープ変形特性において遷移クリープ段階が定常クリープ段階に先立って現れることを定式化するために、非弾性ひずみ速度を過渡的ひずみ速度成分と定常ひずみ速度成分の和としてモデル化したものである。
【００２３】
なお、構成式の具体例として、日本機械学会講演論文集，Ｎｏ．０１３−１（２００１），８９−９０頁等の定式化が知られている。
【００２４】
記憶装置５２には、材料特性データＤ３が記憶されている。材料特性データＤ３は、パッケージ材料及び基板材料の材料特性（弾性率、ヤング率、ポアソン比、線膨張係数等）が、材料毎に保存されている。
【００２５】
記憶装置５３には、疲労強度データＤ４が記憶されている。疲労強度データＤ４には、最大ひずみ量εと疲労寿命（疲労寿命サイクル数）Ｎｆとの関係が、はんだ材料毎に構築されている。すなわち、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ系の各鉛フリーはんだ組成に対して行われた複数の疲労試験結果が、Ｃｏｆｆｉｎ−Ｍａｎｓｏｎ型の非弾性ひずみεと疲労寿命Ｎｆの関係で整理されている。統計的に処理された平均データのほかに試験結果のばらつきを考慮しているため、平均予測寿命のほかに標準偏差を考慮した統計的な疲労寿命の算出が可能である。
【００２６】
すなわち、使用者が指定した任意の破壊確率に対する疲労寿命が算出でき、破壊確率５０％とすれば平均予測寿命であるが、破壊確率を例えば５％に変更することにより信頼度を考慮した最小予測寿命を算出できる。
【００２７】
このように構成された鉛フリーはんだ接合部の疲労寿命予測システム１０では、図２に示すフロー図に示すような工程で所望の半導体パッケージの疲労寿命Ｎｆが算出される。
【００２８】
最初に設計対象となる半導体パッケージの選定を行う（ＳＴ１）。半導体パッケージとして、予め基本モデルデータＤ１に格納された、例えば、ＱＦＰ、ＢＧＡ、チップ抵抗等の基本モデルから設計対象のモデルに近いものを選択する。図３は、基本モデルとしてＱＦＰを用いた場合の有限要素法メッシュを示す図である。同様に、図４はＢＧＡ、図５はチップ抵抗を示している。これらの形状・寸法・材料等の基本モデルＭ１の寸法データが処理部２０に入力され、格納される。
【００２９】
次に、入力部３０を介して基本モデルＭ１における各部の寸法、はんだフィレットの曲率やはんだ厚さ、プリント基板の厚さを書き換えることにより解析モデルＭ２に変更し（ＳＴ２）、その寸法データが処理部２０に入力され、格納される。
【００３０】
次に、入力部３０を介して鉛フリーはんだ材料の選定を行い（ＳＴ３）、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ系の鉛フリーはんだ材料から１つを選択する。
【００３１】
次に、先に作成した解析モデルＭ２におけるパッケージ樹脂やリードフレーム等の半導体パッケージ構成要素の材料及びプリント基板の種類を指定する。これにより応力解析に必要な材料定数（弾性率、線膨張係数、ポアソン比）が設定される（ＳＴ４）。
【００３２】
次に、解析条件として温度サイクル試験条件（最高温度と最低温度と温度移行時間とさらし時間）を指定する（ＳＴ５）。
【００３３】
次に、有限要素法による非弾性応力解析を行う（ＳＴ６）。有限要素法による非弾性応力解析自体は、有限要素法汎用解析ソフトウェアを利用する。応力解析の内部では、ユーザサブルーチンとして定式化された鉛フリーはんだの構成式にしたがい非弾性ひずみが、過渡的非弾性ひずみ成分と定常非弾性ひずみ成分としてそれぞれ算出される（ＳＴ７）。これにより、鉛フリーはんだの遷移クリープ変形挙動と定常クリープ変形挙動が模擬されることになる。
【００３４】
次にはんだ接合部の最大ひずみ発生位置が、有限要素法における各要素の積分点の値を比較することにより算出され、この最大ひずみ発生位置における相当非弾性ひずみの値εを算出する（ＳＴ８）。なお、相当非弾性ひずみの値εの算出にあたっては、過渡的非弾性ひずみ成分と定常非弾性ひずみ成分の和の相当値を用いる。なお、相当値を求める際に、過渡的非弾性ひずみ成分及び定常非弾性ひずみ成分に適切な重み付けをするようにしてもよい。
【００３５】
次に疲労寿命の算出を行う（ＳＴ９）。ＳＴ８で算出された相当非弾性ひずみの値ε及び破壊確率を疲労強度データＤ４に入力することにより、疲労寿命サイクル数Ｎｆが算出される。
【００３６】
次にＳＴ９で算出された解析結果の表示を行う（ＳＴ１０）。図６は、表示結果の一例である。図６に示すように、疲労き裂発生位置に対応する最大ひずみ発生位置が等高線の最高地点として表示されるとともに、相当非弾性ひずみ量、予測疲労寿命が表示される。さらに、過渡的非弾性ひずみ及び定常非弾性ひずみの割合及び総和も表示することができるため、鉛フリーはんだの変形における遷移クリープ変形と定常クリープ変形の寄与度を判断することができる。
【００３７】
上述したように、本実施の形態に係る鉛フリーはんだ接合部の疲労寿命予測システム１０によれば、鉛フリーはんだの変形特性や高度な専門性を必要とする構成式の定式化を全く意識することなく応力解析作業を進めることができる。
【００３８】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、鉛フリーはんだ接合部の疲労寿命予測を専門的な知識を必要とせず、設計者が簡単な操作でしかも高精度で行うことを可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る鉛フリーはんだ接合部の疲労寿命予測システムを示すブロック図。
【図２】同鉛フリーはんだ接合部の疲労寿命予測システムによる鉛フリーはんだ接合部の疲労寿命予測手順を示すフロー図。
【図３】同鉛フリーはんだ接合部の疲労寿命予測システムに組み込まれたモニタ装置の応力解析用モデル表示画面の一例を示す模式図。
【図４】同モニタ装置の応力解析用モデル表示画面の別の例を示す模式図。
【図５】同モニタ装置の応力解析用モデル表示画面のさらに別の例を示す模式図。
【図６】同モニタ装置の寿命予測結果表示画面の一例を示す模式図。
【符号の説明】
１０…鉛フリーはんだ接合部疲労寿命予測システム、２０…処理部、３０…入力部、４０…モニタ装置、５０〜５３…記憶装置。
【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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