(57)【要約】【課題】非破壊ではんだ接合部の精度の高い熱疲労寿命を予測する。【解決手段】予め電気回路のはんだ接続部３に発生する繰返し熱応力に起因する塑性ひずみ（Δεｐ）を有限要素法ニ次元の弾塑性解析にて求める工程１２と、電気回路に対する温度サイクル試験実施後のはんだ接合部の観察によって求めたき裂進展速度（ｄａ／ｄｎ）と塑性ひずみ（Δεｐ）との関係を示すき裂進展速度式を求める工程１８と、塑性ひずみとき裂進展速度とはんだ接合部の接合長と貫通に至るまでの寿命サイクル数との関係を示す寿命評価基準式を求める工程２０と、指定された診断対象の電気回路のはんだ接合部の接合長に対応する寿命サイクル数を前記寿命評価基準式を用いて求める工程２０とを備えている。【選択図】      図１
2005148016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め電気回路のはんだ接続部に発生する繰返し熱応力に起因する塑性ひずみを有限要素法ニ次元の弾塑性解析にて求める工程と、
前記電気回路に対する温度サイクル試験実施後のはんだ接合部の観察によって求めたき裂進展速度と前記塑性ひずみとの関係を示すき裂進展速度式を求める工程と、
前記塑性ひずみとき裂進展速度とはんだ接合部の接合長と貫通に至るまでの寿命サイクル数との関係を示す寿命評価基準式を求める工程と、
指定された診断対象の電気回路のはんだ接合部の接合長に対応する寿命サイクル数を前記寿命評価基準式を用いて求める工程と
を備えたことを特徴とするはんだ接合部の熱疲労寿命診断方法。
【請求項２】
請求項１に記載のはんだ接合部の熱疲労寿命診断方法において、
前記塑性ひずみを有限要素法ニ次元の弾塑性解析にて求める工程は、電気回路を構成する部品と基板の熱膨張差と温度差とはんだ接合部の寸法と入力し、
診断対象の電気回路に対して印加される繰返し熱応力の繰返し初期段階で寿命サイクル数を算出する工程と、
計算結果を表示出力する工程と
を備えたことを特徴とするはんだ接合部の熱疲労寿命診断方法。
【請求項３】
請求項１に記載のはんだ接合部の熱疲労寿命診断方法において、
予め求められたはんだ接合部のき裂開口量とき裂深さの関係を記憶保持する工程と、
観察によって診断対象のはんだ接合部に発生したき裂のき裂開口量を計測する工程と、
この計測されたき裂開口量から前記記憶保持された関係を用いてき裂深さを求める工程と、
この求めたき裂深さから前記診断対象のはんだ接合部における深さ方向の寿命サイクル数を寿命評価基準式を用いて求める工程と
を備えたことを特徴とするはんだ接合部の熱疲労寿命診断方法。
【請求項４】
予め電気回路のはんだ接続部に発生する繰返し熱応力に起因する塑性ひずみを有限要素法ニ次元の弾塑性解析にて求める手段と、
前記電気回路に対する温度サイクル試験実施後のはんだ接合部の観察によって求めたき裂進展速度と前記塑性ひずみとの関係を示すき裂進展速度式を求める手段と、
前記求めた塑性ひずみ及び裂進展速度式を記憶保持するデータベースと、
塑性ひずみとき裂進展速度とはんだ接合部の接合長と貫通に至るまでの寿命サイクル数との関係を示す寿命評価基準式を求める手段と、
指定された診断対象の電気回路のはんだ接合部の接合長に対応する寿命サイクル数を前記寿命評価基準式を用いて求める手段と
を備えたことを特徴とするはんだ接合部の熱疲労寿命診断装置。
【請求項５】
請求項４記載のはんだ接合部の熱疲労寿命診断装置において、
前記データベースははんだ接合部のき裂開口量とき裂深さの関係を記憶保持し、
観察によって計測された診断対象のはんだ接合部に発生したき裂のき裂開口量から前記記憶保持された関係を用いてき裂深さを求める手段と、
この求めたき裂深さから前記診断対象のはんだ接合部における深さ方向の寿命サイクル数を寿命評価基準式を用いて求める手段と
を備えたことを特徴とするはんだ接合部の熱疲労寿命診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子回路機器におけるはんだ接合部の熱疲労寿命を診断するはんだ接合部の熱疲労寿命診断方法、及びはんだ接合部の熱疲労寿命診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電子回路においては、プリント配線が形成された基板上に電子部品が搭載され、電子部品が基板にはんだ接合されている。  
しかしながら、はんだ接合部は経年的に劣化し、特に熱ストレス等に応じて、き裂や剥離を発生させる性質を持つ。また、この種のき裂や剥離は、負荷の大小に応じて、基板上に実装された電子部品の寿命よりも電子回路全体の寿命を短くさせる。
【０００３】
従来、電子回路のはんだ接合部の熱疲労寿命診断方法については、非特許文献１において論じられている。また、金属系材料の疲労寿命は多くの研究と疲労破壊事故の経験とに基づいて、様々な評価法、寿命式が表１に示すように提案され、一部は実際に用いられている。
【表１】
2005148016.tif 000003
【０００４】
但し、Ｎｏ．１の寿命式において
Δεｐ・Ｎn＝Ｃ                        …(1)
Δεｐ：塑性ひずみ、  Ｎ：繰り返し寿命、  ｎ，Ｃ：定数
また、Ｎｏ．２のき裂進展速度式において
ｄａ／ｄｎ＝Ｃａ（Δεｐ）n・ｆm      …(2)
ｆ;繰り返し周波数、  ａ：き裂長さ  ｎ：繰り返し回数
である。
【０００５】
特にＮｏ．１のコフィン・マンソン（Coffin-Manson）則は多くの金属低サイクル疲労寿命評価に用いることが可能であることが知られている。さらに、この式の疲労の繰り返し周波数ｆとき裂長さａに対して修正したＮｏ．２の繰り返し修正速度式（き裂進展式）が実際の寿命を評価できると言われている。
【０００６】
さらに、特許文献１において、挿入実装のはんだ接合部の場合は、表面に発生したき裂長さａを測定して下式の裂進展速度式を求めて、
ｄａ／ｄｎ＝Ａａ＋Ｂ              …(3)
進展速度を算出している。但し、Ａ、Ｂ：定数
【非特許文献１】ソリッドステイツテクノロジー、７月号（１９７０年）第４８頁〜第５４頁
【特許文献１】特開平３−１２８４３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来技術は以下の点について配慮されておらず、正確にして簡単な寿命診断ができないという問題があった。
【０００８】
（ａ）電子回路の接合部は、はんだの融点（Sn63mass％−Pb37mass％は１８３℃）に比べ、部品の発熱や使用環境温度変化によってかなりの高温に達するという厳しい温度環境にある。この温度変化に伴う電子回路のはんだ接合部の熱疲労における寿命評価ができない。この１つの例として、温度の繰り返しパターンが一定でないことやはんだ量が実装工程や部品により一様でないことがある。そのため、電気回路毎の精度の高い疲労寿命が評価できない。
【０００９】
（ｂ）電気回路毎にはんだ接合部の形状が個々に異なるため、き裂が発生し進展した場合に、時系列的にき裂進展速度が変化し、これを配慮した寿命評価ができず、残りのはんだ接合部の断面積が把握できないため、初期段階での寿命評価で必ずしも最適な設計ができない。このように、はんだ接合部の寿命評価が正確にできないため、多くの製品不良が発生する可能性がある。
【００１０】
（ｃ）前述したように、特許文献１においては、挿入実装のはんだ接合部の場合は、(3)式を測定によって求めて、進展速度を算出している。これでは挿入実装の場合にはき裂進展過程が複雑なため、正確な寿命予測が困難となる。
【００１１】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、有限要素法の弾塑性解析による塑性ひずみと温度サイクル試験による裂進展速度とから裂進展速度式を予め求めておくことにより、最終破断に至る以前に最終破断寿命を予測することができ、その結果、診断対象の電子回路に対する非破壊での診断を実施できるはんだ接合部の熱疲労寿命診断方法、及びはんだ接合部の熱疲労寿命診断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】
【００１２】
上記課題を解決するために、第１の発明のはんだ接合部の熱疲労寿命診断方法においては、予め電気回路のはんだ接続部に発生する繰返し熱応力に起因する塑性ひずみを有限要素法ニ次元の弾塑性解析にて求める工程と、電気回路に対する温度サイクル試験実施後のはんだ接合部の観察によって求めたき裂進展速度と塑性ひずみとの関係を示すき裂進展速度式を求める工程と、塑性ひずみとき裂進展速度とはんだ接合部の接合長と貫通に至るまでの寿命サイクル数との関係を示す寿命評価基準式を求める工程と、指定された診断対象の電気回路のはんだ接合部の接合長に対応する寿命サイクル数を寿命評価基準式を用いて求める工程とを備えている。
【００１３】
このように構成されたはんだ接合部の熱疲労寿命診断方法においては、有限要素法の弾塑性解析による塑性ひずみと温度サイクル試験による裂進展速度とから裂進展速度式を予め求めておくことにより、診断対象の電気回路の最終破断に至る以前に最終破断寿命を予測することができる。
【００１４】
また、第２の発明は、第１の発明のはんだ接合部の熱疲労寿命診断方法において、塑性ひずみを有限要素法ニ次元の弾塑性解析にて求める工程は、電気回路を構成する部品と基板の熱膨張差と温度差とはんだ接合部の寸法と入力する。さらに、診断対象の電気回路に対して印加される繰返し熱応力の繰返し初期段階で寿命サイクル数を算出する工程と、計算結果を表示出力する工程とを備えている。
【００１５】
このように構成されたはんだ接合部の熱疲労寿命診断方法においては、診断対象の電気回路に対して印加される繰返し熱応力の繰返し初期段階で、該当電気回路におけるはんだ接合部の接合長を測定して、この接合長を用いて該当電気回路の寿命サイクル数が算出されるので、診断対象の電気回路に対して非破壊で熱疲労寿命が高い精度で予測可能となる。
【００１６】
さらに、第３の発明は、第１の発明のはんだ接合部の熱疲労寿命診断方法において、予め求められたはんだ接合部のき裂開口量とき裂深さの関係を記憶保持する工程と、観察によって診断対象のはんだ接合部に発生したき裂のき裂開口量を計測する工程と、この計測されたき裂開口量から記憶保持された関係を用いてき裂深さを求める工程と、この求めたき裂深さから診断対象のはんだ接合部における深さ方向の寿命サイクル数を寿命評価基準式を用いて求める工程とを備えている。
【００１７】
診断対象の電気回路のはんだ接合部が、例えば、電子部品のリードを基板の貫通孔に挿入して、はんだでリードを貫通孔に固定する場合において、はんだ接合部のき裂ははんだ接合部の表面方向に進展するとともに、深さ方向にも進展する。このき裂深さが基板の貫通孔の長さに達するるとはんだ接合部が破断となる。しかし、き裂深さははんだ接合部の表面から観察できない。
【００１８】
そこで、このように構成されたはんだ接合部の熱疲労寿命診断方法においては、はんだ接合部のき裂開口量とき裂深さの関係を記憶保持し、き裂開口量からき裂深さを求めて、はんだ接合部における深さ方向の寿命サイクル数を用いて求めている。このように、はんだ接合部における深さ方向の寿命をも、診断対象の電気回路を非破壊状態で求めることが可能となる。
【００１９】
また、第４の発明のはんだ接合部の熱疲労寿命診断装置は、予め電気回路のはんだ接続部に発生する繰返し熱応力に起因する塑性ひずみを有限要素法ニ次元の弾塑性解析にて求める手段と、電気回路に対する温度サイクル試験実施後のはんだ接合部の観察によって求めたき裂進展速度と塑性ひずみとの関係を示すき裂進展速度式を求める手段と、求めた塑性ひずみ及び裂進展速度式を記憶保持するデータベースと、塑性ひずみとき裂進展速度とはんだ接合部の接合長と貫通に至るまでの寿命サイクル数との関係を示す寿命評価基準式を求める手段と、指定された診断対象の電気回路のはんだ接合部の接合長に対応する寿命サイクル数を前記寿命評価基準式を用いて求める手段とを備えている。
【００２０】
このように構成されたはんだ接合部の熱疲労寿命診断装置においては、上述した第１の発明のはんだ接合部の熱疲労寿命診断方法とほぼ同じ作用効果を奏することが可能である。
【００２１】
また、第５の発明は、第４の発明のはんだ接合部の熱疲労寿命診断装置において、データベースははんだ接合部のき裂開口量とき裂深さの関係を記憶保持する。さらに、観察によって計測された診断対象のはんだ接合部に発生したき裂のき裂開口量から記憶保持された関係を用いてき裂深を求める手段と、この求めたき裂深さから前記診断対象のはんだ接合部における深さ方向の寿命サイクル数を寿命評価基準式を用いて求める手段とを備えている。
【００２２】
このように構成されたはんだ接合部の熱疲労寿命診断装置においては、上述した第３の発明のはんだ接合部の熱疲労寿命診断方法とほぼ同じ作用効果を奏することが可能である。
【発明の効果】
【００２３】
このように構成されたはんだ接合部の熱疲労寿命診断方法、及びはんだ接合部の熱疲労寿命診断装置においては、有限要素法の弾塑性解析による塑性ひずみと温度サイクル試験によるき裂進展速度とからき裂進展速度式を予め求めている。したがって、このき裂進展速度式を用いて、最終破断に至る以前に最終破断寿命を予測することができ、その結果、診断対象の電子回路に対する非破壊での診断を実施できる。  
さらに、はんだ接合部における深さ方向の寿命をも、診断対象の電気回路を非破壊状態で求めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（概要）
先ず、本発明のはんだ接合部の熱疲労寿命診断方法の概要を説明する。
【００２５】
通常、疲労寿命を支配するひずみとして、前述したように、表１のＮｏ．１、Ｎｏ．２の寿命式における塑性ひずみ（Δεｐ）が採用されている。はんだのバルク材による塑性ひずみ（Δεｐ）とき裂進展速度（ｄａ／ｄｎ）との関係は、図７の対数グラフに示すように、ほぼ直線関係にあるが、必ずしも直線近似した場合の相関係数（Ｒ2=0.6）は高くない。
【００２６】
これは、バルク材を用いた評価は電気回路に組込まれた状態の実際の温度サイクルを受ける環境とは異なり、一定温度条件で試験される。しかし、電子部品の基板に対するはんだ接合部は、はんだ材にかなりの高温から低温までの温度サイクルがあり、これにより、部品と基板とはんだの熱膨張差によって最も強度の弱いはんだ接合部にひずみが集中するからである。
【００２７】
そのため図７に示す従来のはんだバルク材からの実験では、疲労寿命を支配する塑性ひずみ（Δεｐ）を求めることは難しく、データのばらつきがでるため、この直線近似したき裂進展速度式から寿命を算出した場合に、誤差が生じる可能性が高い。
【００２８】
そこで、上記の問題を解決するために、予め電気回路のはんだ接合部に発生する繰返し熱応力に起因する塑性ひずみ（Δεｐ）を有限要素法ニ次元の弾塑性解析にて求める。次に、図４に示すように、電子回路における電子部品２の基板１に対するのはんだ接合部３に実験的に繰り返しの温度サイクルを与え、各繰り返し数（サイクル数）ｎにおけるはんだ接合部３の断面に発生したき裂４を観察し、図５に示すようにその時の繰り返し数ｎ（サイクル数）とき裂長さａの関係を求める。
【００２９】
その観察結果からき裂進展速度（ｄａ／ｄｎ）を算出し、先に算出した塑性ひずみ（Δεｐ）との関係を導き出して、図６に示すき裂進展速度（ｄａ／ｄｎ）と塑性ひずみ（Δεｐ）との関係を示すき裂進展速度式を求める。
【００３０】
ｄａ／ｄｎ＝Ｃ1・（Δεｐ）m          …(4)
但し、Ｃ1、m：定数
この裂進展速度式における塑性ひずみとき裂進展速度とはんだ接合部の接合長Ｌと貫通に至るまでの寿命サイクル数Ｎｆ1との関係を示す寿命評価基準式を求める。
【００３１】
Ｎｆ1＝Ｌ／（ｄａ／ｄｎ）            …(5)
現地で観察した診断対象の電子回路のはんだ接合部の現在の（残りの）接合長Ｌから、寿命評価基準式を用いて、診断対象の電子回路のはんだ接合部の接合長Ｌに対応する貫通に至るまでの寿命サイクル数Ｎｆ1が算出される。
【００３２】
したがって、診断対象の電子回路のはんだ接合部３の非破壊での診断で、観察したはんだ接合部３にき裂が発生していない場合でも、例えばデータベースに記憶された塑性ひずみ（Δεｐ）と裂進展速度式を用いれば、診断対象の電子回路のはんだ接合部３の余寿命の診断が可能である。
【００３３】
また、診断対象の電子回路のはんだ接合部３にある程度のき裂４が発生している場合は、き裂の表面から観察される残りの接合長Ｌから、診断対象の電子回路のはんだ接合部３の余寿命の診断が可能である。
【００３４】
具体的には、例えば、診断対象の電子回路の設置場所において電子部品が実装されている基板１のはんだ接合部３を拡大（例えば１００倍程度の倍率）撮影し、その撮影した写真をもとに上記のような方法により診断を実施する。つまり、実際の基板１は観察や写真撮影が終了した時点で電子機器に再度据え付けるため、そのまま再利用できることになる。
【００３５】
よって、診断のために新たに同一の基板を準備することが必要なくなる。さらに、年代が経過した基板では、部品が古く在庫が無いことがあるため、同一の部品で同じ回路の製品を作ることができないことから、再利用できることは非常に有用である。
【００３６】
また、前述したように、電子部品の基板に対する実装状態においては、診断対象の電子回路のはんだ接合部の表面から計測できるき裂長さだけでは、深さ方向のき裂深さの進展量が把握できにくい。
【００３７】
具体的には、図１２（ａ）（ｂ）、図１３（ａ）（ｂ）に示すように、電子部品のリード６が基板１の貫通孔７に挿入されている場合、基板１の貫通孔７に沿って深さ方向のき裂５が発生する。この場合、図１２（ａ）のようにはんだ接合部３に発生したき裂５の開口量（ψ）が小さいとき図１２（ｂ）のように裂深さＤが浅く、図１３（ａ）のようにはんだ接合部３に発生したき裂５の開口量（ψ）が大きいとき図１３（ｂ）のように裂深さＤが深い傾向にある。
【００３８】
図１４は電子回路のフィールドからサンプリングしたはんだ接合部３の断面を観察し、そのときに発生したき裂５の深さＤと開口量（ψ）との関係を求めたものである。図１４に示すように、き裂開口量（ψ）はき裂深さＤと相関があるため、き裂の開口量（ψ）を計測することによりき裂深さＤが求まる。き裂の深さＤは次式により算出する。
【００３９】
Ｄ＝Ｃ2・ψm                    …(6)
但し、Ｃ2、m：定数
そこで、はんだ接合部のき裂開口量とき裂深さの関係を、予め多くのサンプルから測定し記憶保持し、き裂開口量からき裂深さを求めて、はんだ接合部における深さ方向の寿命サイクル数を寿命評価基準式
Ｎｆ2＝Ｈ／Ｃ2・ψm            …(7)
を用いて求めている。但し、Ｈははんだ接合部３における深さ方向の残り長さであり、深さ方向のき裂５が発生していない時点においては、はんだ接合部３における深さ方向の長さである。このように、はんだ接合部における深さ方向の寿命をも、診断対象の電気回路を非破壊状態で求めることが可能となる。
【００４０】
なお、このようにき裂開口量（ψ）とき裂深さＤが重要となる背景には、図１１に示すような挿入実装型の電子部品のはんだ接合部３に発生するき裂５の進展過程に問題がある。電子部品のはんだ接合部３に発生するき裂５の進展の過程は、先ず、はんだ表面にリード６を中心に円周状にき裂５が進展した後、初めてき裂５が深さ方向に進展する。つまり、はんだ接合部３に発生するき裂５のき裂長さａを測定しても、表面の浅い部分のき裂のみを把握していないことなるため、実際の貫通き裂５までの寿命を算出することは困難である。よって、はんだ接合部３における深さ方向の寿命を求めることが重要となる。
【００４１】
（実施形態）
図１は本発明の一実施形態に係わるはんだ接合部の熱疲労寿命診断方法が適用されるはんだ接合部の熱疲労寿命診断装置の概略構成を示すブロック図である。このはんだ接合部の熱疲労寿命診断装置はコンピュータ等の一種の情報処理装置で構成されている。
【００４２】
このはんだ接合部の熱疲労寿命診断装置は、条件入力部１１、弾塑性解析部１２、データベース１３、温度サイクル試験結果入力部１７、き裂進展速度式算出部１８、長さ入力部１９、寿命サイクル数算出部２０、き裂深さ算出部２１、開口量入力部２２、表示出力部２３等が設けられている。また、データベース１３内には、ひずみメモリ１４、き裂進展速度式メモリ１５、開口・き裂深さ対応メモリ１６が形成されている。
【００４３】
以下、各部の動作を図３に示す寿命診断手順の流れ図に従って説明していく。  
条件入力部１１は、図２に示す電気回路を構成する電子部品２と基板１の熱膨張差と温度差とはんだ接合部３の寸法と熱応力の繰り返し周波数等の解析条件を弾塑性解析部１２へ入力する。具体的には、電気回路に対するパワーオン・オフ等を想定して、１２５℃〜―４０℃の温度サイクルを設定する。
【００４４】
弾塑性解析部１２は、電気回路のはんだ接合部３に発生する繰返し熱応力に起因する塑性ひずみ（Δεｐ）を有限要素法ニ次元の弾塑性解析にて求めて、データベース１３のひずみメモリ１４に書込む（図３のステップＳ１）。
【００４５】
温度サイクル試験結果入力部１７は、電気回路に対する温度サイクル試験実施後のはんだ接合部３の観察によって求めた繰り返し数（サイクル数）ｎとそのときのき裂長さａをき裂進展速度式算出部１８へ入力する。具体的には、図４に示した、はんだ接合部３の断面に発生したき裂４を観察し（図３のステップＳ２）、図５に示すようにその時の繰り返し数ｎ（サイクル数）とき裂４のき裂長さａの関係を求める。この実施形態においては、４００、６００、１０００、２０００、３０００の各サイクル数ｎにおける各き裂長さａを測定した（図３のステップＳ３）。
【００４６】
き裂進展速度式算出部１８は、その観察結果からき裂進展速度（ｄａ／ｄｎ）を算出し（図３のステップＳ４）、塑性ひずみ（Δεｐ）をデータベース１３のひずみメモリ１４から読出し、き裂進展速度（ｄａ／ｄｎ）と塑性ひずみ（Δεｐ）との関係を導き出して、図６に示すき裂進展速度（ｄａ／ｄｎ）と塑性ひずみ（Δεｐ）との関係を示すき裂進展速度式を求め、データベース１３のき裂進展速度式メモリ１５へ記憶保持する（図３のステップＳ５）。
【００４７】
ｄａ／ｄｎ＝Ｃ1・（Δεｐ）m          …(4)
長さ入力部１９は、診断対象の電気回路における観察されたはんだ接合部３の現在の接合長Ｌおよび現在のサイクル数ｎを寿命サイクル数算出部２０へ入力する。
【００４８】
寿命サイクル数算出部２０は、貫通に至るまでの寿命サイクル数Ｎｆ1との関係を示す寿命評価基準式を求め（図３のステップＳ６）、
Ｎｆ1＝Ｌ／（ｄａ／ｄｎ）            …(5)
診断対象の電子回路のはんだ接合部の接合長Ｌから、当該診断対象の電子回路のはんだ接合部の接合長Ｌに対応する貫通に至るまでの寿命サイクル数Ｎｆ1を算出して、表示出力部２３を介して表示出力する（図３のステップＳ７）。
【００４９】
次に、実際に計算、測定された結果を説明する。  
先ず、図４に示す電子回路に対する有限要素法ニ次元の弾塑性解析にて塑性ひずみ（Δεｐ）を求め、さらに、電子回路に対する温度サイクル試験を実施して、図６に示す裂進展速度式を求める。
【００５０】
ｄａ／ｄｎ＝Ｃ1・（Δεｐ）m＝１．５４×（Δεｐ）0.99
図８、図９、図１０に、診断対象の電子回路に対して１２５℃〜−４０℃の温度サイクルを１５００サイクルまで付加した結果を示す。図８に示すように、先ず１０００サイクルにおいて、チップ抵抗からなる電子部品２と基板１とのあいだのはんだ接合部３に発生したき裂４のき裂長さａを計測したところ約０．６ｍｍであった。各サイクル数ｎで観察されたき裂４の最大き裂長さａを測定した値とサイクル数ｎとの関係をプロットしたものを図１０に示す。この図より、き裂が、初期長さ０．９０ｍｍを有するはんだ接合部３を貫通までのサイクル数を推定すると１４００回程度となる。
【００５１】
弾塑性解析にて得られるき裂先端部分の塑性ひずみ（Δεｐ）は１．１％であった。したがって、裂進展速度は、
ｄａ／ｄｎ＝１．５４×（Δεｐ）0.99＝１．５４×（１．１）0.99
＝１．６９μｍ／サイクル
となる。はんだ接合部３の当初の接合長さが０．９ｍｍであることから、はんだ接合部３の１０００サイクル時点における残りの接合長さＬは０．９―０．６＝０．３ｍｍとなる。したがって、貫通に至るまでの寿命サイクル数Ｎｆ1は、
Ｎｆ1＝Ｌ／（ｄａ／ｄｎ）＝３００μｍ／１．６９μｍ＝１７７回
となる。  
診断対象の電子回路に対して１２００サイクル実施後に断面観察を行ったところ、図９に示すように、既に貫通き裂４が発生していた。１０００サイクル実施時点で予定していた寿命は図１０に示すように、１４００サイクルであったが、実際には１２００サイクルで既に貫通き裂４が発生しており、今回、裂進展速度式を用いて算出した貫通に至るまでの寿命Ｎｆ1が実際の寿命と良く一致していることが確認できた。
【００５２】
次に、はんだ接合部３におけるき裂深さを説明する。  
図１のデータベース１３の開口・き裂深さ対応メモリ１６内には、図１４に示すはんだ接合部３におけるき裂５のき裂開口量（ψ）とき裂深さＤの関係が記憶されている。開口量入力部２２は診断対象の電子回路のはんだ接合部３における観察されたき裂５のき裂開口量（ψ）をき裂深さ算出部２１へ入力する。
【００５３】
この場合、現場で診断対象の電子回路のはんだ接合部３を撮影して、この撮影された画像を通信回線を介してはんだ接合部の熱疲労寿命診断装置側で受信して、き裂５のき裂開口量（ψ）を観測することも可能である。
【００５４】
き裂深さ算出部２１は、入力されたき裂開口量（ψ）を開口・き裂深さ対応メモリ１６の関係を用いてき裂深さＤに変換して、寿命サイクル数算出部２０へ送出する。
【００５５】
寿命サイクル数算出部２０は、はんだ接合部における深さ方向の寿命サイクル数Ｎｆ2を、前述したように、下式で示す寿命評価基準式を用いて求める。
【００５６】
Ｎｆ2＝Ｈ／Ｃ2・ψm              …(7)
但し、Ｈははんだ接合部３における深さ方向の残り長さであり、深さ方向のき裂５が発生していない時点においては、はんだ接合部３における深さ方向の長さである。
【００５７】
次に、実際に計算、測定された結果を説明する。  
図１１に示すように、リード６の円周上に発生するき裂５のき裂長さを最大ＬｍとするとＬｍ＝２πｒである。円周上に全くき裂５が無い場合は、円周全てにき裂５が発生するまでの寿命Ｎｆ1は、
Ｎｆ1＝Ｌｍ／Ｃ1・（Δεｐ）m＝Ｌｍ／[１．５４×（Δεｐ）0.99]
となる。
【００５８】
図１４に示すように、き裂深さＤ＝Ｃ2・ψm＝２６×ψ0.86となるので、深さ方向の貫通き裂までの寿命Ｎｆ2は、
Ｎｆ2＝Ｈ／Ｃ2・ψm＝Ｈ／［２６×ψ0.86］
となる。
【００５９】
この二つの寿命式を合せたものがこの診断対象の電子回路のはんだ接合部３の最終的な寿命Ｎｆとなる。
【００６０】
寿命Ｎｆ＝Ｎｆ1＋Ｎｆ2
＝Ｌｍ／[１．５４×（Δεｐ）0.99]＋Ｈ／［２６×ψ0.86］
このように、はんだ接合部３における従来の幅方向の寿命に加えて深さ方向の寿命をも考慮に入れた最終的な寿命Ｎｆを、診断対象の電気回路を非破壊状態で求めることが可能となる。
【００６１】
このように、実施形態のはんだ接合部の熱疲労寿命診断方法及びはんだ接合部の熱疲労寿命診断装置においては、有限要素法の弾塑性解析による塑性ひずみと温度サイクル試験によるき裂進展速度とからき裂進展速度式を予め求めて例えばデータベースに記憶保持している。したがって、この塑性ひずみとき裂進展速度式を用いて、診断対象の電子回路における最終破断に至る以前に最終破断寿命を予測することができる。
【００６２】
さらに、診断対象の電子回路に対する非破壊での診断となるため、使用基板の再利用が可能となる。基板が再利用可能となることにより、新規の代替用基板の製作、社内試験等を実施する必要がなくなり、現地での製品の停止期間最短で行うことができる。
【００６３】
製品開発を行う際に、はんだ接合部にかかるひずみを算出することにより、き裂進展速度がわかるため、現地環境を想定した使用期間での破断までの寿命を把握することができるため、製品寿命を設計段階で把握できる。これらにより、不良が生じる前に部品交換などのリプレースやメンテナンスが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の一実施形態に係わるはんだ接合部の熱疲労寿命診断方法が適用されるはんだ接合部の熱疲労寿命診断装置の概略構成を示すブロック図
【図２】診断対象の電子回路の形状を示す図
【図３】同はんだ接合部の熱疲労寿命診断装置の寿命診断手順を示す流れ図
【図４】はんだ接合部に発生したき裂を示す図
【図５】はんだ接合部に発生したき裂のき裂長さと熱応力の繰り返し数との関係を示す図
【図６】はんだ接合部における塑性ひずみとき裂進展速度の関係を示す図
【図７】はんだバルク材における塑性ひずみとき裂進展速度の関係を示す図
【図８】表面実装部品のはんだ接合部に１０００回の温度サイクルを付加し実験的にき裂を発生させた状態を示す図
【図９】表面実装部品のはんだ接合部に１２００回の温度サイクルを付加し実験的にき裂を発生させた状態を示す図
【図１０】同表面実装部品のはんだ接合部に発生したき裂のき裂長さと熱応力の繰り返し数との関係を示す図
【図１１】挿入実装部品のはんだ接合部に発生するき裂進展過程の模式図
【図１２】挿入実装部品のはんだ接合部に発生するき裂の表面状態及び断面状態を示す図
【図１３】同じく挿入実装部品のはんだ接合部に発生するき裂の表面状態及び断面状態を示す図
【図１４】同じく挿入実装部品のはんだ接合部に発生するき裂のき裂の開口量とき裂深さの関係を示す図
【符号の説明】
【００６５】
１…基板、２…電子部品、３…はんだ接合部、４，５…き裂、６…リード、７…貫通孔、１１…条件入力部、１２…弾塑性解析部、１３…データベース、１４…ひずみメモリ、１５…き裂進展速度式メモリ、１６…開口・き裂深さ対応メモリ、１７…温度サイクル試験結果入力部、１８…き裂進展速度式算出部、１９…長さ入力部、２０…寿命サイクル数算出部、２１…き裂深さ算出部、２２…開口量入力部、２３…表示出力部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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