計測自動制御学会東北支部 40 周年記念学術講演会
2004 年 12 月 22 日，23 日 日本大学工学部

講演番号：B01

サーモグラフィとホログラフィのプリント配線板の熱ストレス解析への応用に関する実験的検討
○祢津孝則

谷口正成

家名田敏昭

高木相（東北文化学園大学）

Experimental Study on Application of Thermography and Holography toThermal Stress Analysis of Printed Circuit Board*T. Netsu, M. Taniguchi T. Yanada, T. Takagi (Tohoku Bunka Gakuen University)
Abstract−By using Thermal Graphic Measuring System (TGMS：Thermography), the thermal pattern was analyzed of printed circuit board deformed due to thermal stress. In addition, the deformation pattern was measured bythe Holographic Pattern Measuring System (HPMS) which is composed of the system comprised of both techniques of holographic interferometry and graphic image processor.
As the results, both thermal and deformation pattern were observed as a different pattern each other. The
HPMS was well applied as a very effective tool to the measurement of the microscopic deformation pattern and to
the 3-D graphic image analysis of PCB surface deformation due to thermal stress.
Key Words: Thermal stress analysis, Thermography, Holography, Printed circuit board

１．まえがき
周知のごとく、近年のマイクロエレクトロニク
スの発展に伴って、各種電子デバイスや機構デバ
イスでは、軽薄短小化の傾向にある。さらに、これらデバイスはプリント配線板(以下､ＰＣＢと略称)に高密度実装化される傾向にある。[1][2] その傾向に伴って、ＰＣＢへの熱ストレスはその信頼性に多大な影響を与える場合がある。｢3｣-｢5｣ したがって、機構デバイスやＰＣＢの熱ストレスに対する対策や評価は重要な課題の一つとなっている。
[6]-[9]
従来、ＰＣＢの熱ストレス評価には、シミュレーション、あるいは、赤外放射技術による熱パターン解析が行われている。[10][11]
筆者らはホログラフィと図形処理技術とを組み合わせた新しい計測システム（ホログラフィッ
クパターン計測システム：ＨＰＭＳ）を独自に開発した。これによって、非接触で被測定物体の微小な変位の３−Ｄ可視化計測が可能となった。また、それを各種デバイスやＰＣＢの熱変形計測に応用し、その有効性を得た。[12][13]
さらに、本研究では、ＰＣＢに実装したデバイスに電流を通電した場合、その実装デバイスの発熱に伴うＰＣＢの熱ストレス解析に熱画像計測システム(サーモグラフィ)を応用して熱パターンを測定した。また、ＨＰＭＳを応用し熱変位パターンを測定し、熱パターンと比較した。

23２．被測定プリント配線版と実験方法
本研究で使用した、被測定物ＰＣＢと実装部品の外観を図 1 に示す
図１に示すように、被測定ＰＣＢの表面に 100ΩのＰ型抵抗３個を実装し直列接続し、コネクタに挿入した。実験では、実装抵抗に電流を通電した場合に発生するジュール熱を熱源とした。また、その中央にＩＣ(SN7400)を 1 個実装した。
なお、今回使用した被測定ＰＣＢの材質は紙エポキシ基板(厚さ:1.6mm)、銅箔は電解銅箔(厚:35μm)、その寸法はホログラフィ干渉計測装置の光源の出力を考慮し、80×55mm とした。また､コネクタは市販のＰＣＢ用コネクタ(口幅 45×3mm、18ピン)とした。

図１

被測定プリント配線板と実装部品

３．熱パターン計測
3‑1. 熱画像計測システムの基本構成
熱画像計測システムの概略構成を図２に示す。
図２に示すように、被測定物体から放射された赤外線は反射ミラーによって検出器に導かれ、検出器で検出された信号は増幅器で赤外線の強さに応じて電気信号に変換される。
電気信号は信号処理系に転送され、操作部からの位置検出データと共に演算され、画像や波形の電気信号として記憶される。その電気信号は表示系でカラー表示される。

図２

熱画像計測システムの概略構成図(ａ) 通電開始 30 秒後

図３

3‑2. 熱画像計測システムによる熱パターン計測
本研究では、ＰＣＢに実装した抵抗に電流を通電した場合のＰＣＢ表面の熱パターンを測定した。熱パターンの測定にはＮＥＣ三栄製の熱画像計測システム(サーモグラフィ：TH3104MR)を利用し、その赤外線カメラを被測定ＰＣＢの前方約200mm に設置した。
実装抵抗 3 個(直列接続)に DC400mA の電流を通電した場合のＰＣＢ表面の熱パターンを熱画像計測システムで測定した結果の一例を図３に示す。図３に示すように、通電時間の長さに応じてＰＣＢ表面の熱パターンは実装抵抗を中心に温度の上昇する傾向を観測した。
また、上部の実装抵抗Ｒ2 の横軸の温度分布を測定した結果の一例を図４に示す。図４に示すように、抵抗に電流の通電直後から、抵抗部分の温度が上昇する傾向を示し、とくに、240 秒後では、50℃まで上昇する傾向を示した。さらに、抵抗の両端で温度上昇が観測されたこれは、ＰＣＢと抵抗のはんだ接続部分でジュール熱が発生したためと思われる。
また、実装抵抗Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3 の表面温度の経時変化を計測した結果の一例を図５に示す。図５に示すように、いずれの抵抗においても、通電開始

図４

図５24(ｂ) 通電開始 240 秒後
熱画像計測システムによるＰＣＢの熱パターン観測結果例

実装抵抗Ｒ2 の横軸の温度分布測定結果例

熱画像計測システムによる実装抵抗の表面温度経時変化測定結果例

60 秒後まで急激に上昇し、その後、徐々に増加し、抵抗の表面温度はおおよそ 50℃まで上昇する傾向を示した。
４．変形パターン計測
ホログラフィックパターン計測システム(HPMS)はホログラフィ干渉計測装置と図形処理装置とを組み合わせたものである。以下、ホログ
ラフィの原理とその計測装置、ならびに、図形処理装置の概要を述べる。
4‑1. ホログラフィ干渉計測装置
本研究で使用したホログラフィ干渉計測装置の概略構成を図６に示す。本装置では、被測定物体にレ−ザ光を照射し、その反射光を参照光とともにホログラム乾板に重ねて記録する。その乾板を現像処理後、参照光を照射してホログラムを再生する。
本装置では、光源としてＨe−Ｎe ガスレ−ザ(発振波長λ:6328Å)を使用し、光源からのレ−ザ光をビ−ムスプリッタで照射光と参照光に分光(分光比 5：1)後、いずれも、対物レンズで光束を広げ、照射光を被測定物体に、参照光をホログラム乾板に照射した。
また、被測定物体からの反射光と参照光との強度比を最適な条件とするため偏光フィルタで調整した。本装置を変位計測に応用する場合、最も簡便な手法である２重露光法を利用した。２重露光法は被測定物体の変形前と変形後の像を同一ホログラム乾板に重ねて記録する手法である。

したがって、２重露光法で記録、再生したホログラム像には被測定物体とともにλ／４(光源をＨｅ−Ｎｅガスレーザとすると、約 0.16μm)の変位に応じて光の明暗の縞(干渉縞)が物体像とともに観測される。[14]4‑2. 変位パターンの測定
前項と同じ条件で実装抵抗に電流を通電した
場合のＰＣＢ表面をホログラフィ干渉計測法で記録、再生した結果の一例を図７示す。

(ａ) 通電開始 10 秒後(ｂ) 通電開始 60 秒後

図７
図６

ホログラフィ干渉計測装置概略構成図

25(ｃ) 通電開始 240 秒後
熱ストレスを受けたＰＣＢのホログラム再生像

図７のホログラム再生像に示すように、通電時間の増加に伴って干渉縞(変位パターン)の増加する傾向が観測された。
また、変位パターンは被測定ＰＣＢ表面全体に観測された。この要因は、実装抵抗の発熱に伴ってＰＣＢ全体が膨張、変形したためと思われる。
4‑2. 変位分布の定量化とその３−Ｄ図形表示
ＨＰＭＳでは、ホログラフィ干渉計測法で得た干渉縞の情報から被測定物体の変位分布の定量化とその３−Ｄ可視化を目的としてパーソナルコンピュータを利用した簡便な図形処理装置を独自に開発した。
本装置では、ホログラム再生像を画像入力装置で入力し、ＣＲＴに表示する。ＣＲＴ装置に表示されたホログラム再生像からマウスよって干渉縞のパターンを２次元で抽出する。抽出された干渉縞の情報をスプライン関数で補間し、予め指定した照射光と反射光の角度を考慮して変位量を算出した。
３−Ｄ図形表示には、無限遠点から俯瞰した平行投形法を利用した。これによると無限遠点からの視線を決定する方位角と俯角を任意に設定することによってあらゆる角度からの３−Ｄ図形表示が可能である。
図７(ｃ)で示した変位パターンから変位分布を算出し、３−Ｄ図形表示した一例を図８に示す。
図８の(ａ)は被測定ＰＣＢの下部を視点とした場合、(ｂ)は前方斜を視点とした場合を示す。また、
この場合の最大変位量は約３μm であった

変形解析への有効性を実証した。

(ａ) 下部を視点とした場合(ｂ) 前方斜めを視点とした場合
図８ 熱ストレスを受けたＰＣＢの変位分布の３−Ｄ図形表示例

文
献[1]H.Hayashi: ”Criteria for Electronic Packaging
Technology as Driver in Future”, Proc. of ECWC,
M2-4, (sep. 1999)[2]C.E.Bauer: ”Packaging MEMS, the Great Challenge of the 21st Century”, Proc. of IEMT/IMC
５．おわりに
Symp. pp.239- 243, (Apr. 2000)
今回、ＰＣＢに実装した抵抗に電流を通電し、[3]D.S.De Lorenzo:”Thermal Design of High-Density
その時抵抗で発生したジュール熱により熱スト
Server”, IEEE Trans. on CPMT, 25(4), pp.635-640,
レスを受けたＰＣＢの熱変形解析を試みた。とく(Dec. 2002)に、熱画像計測システム(サーモグラフィ)による[4]D.L.DeVoe: ”Thermal Issues in MEMES and Mi熱パターンの計測、さらに、筆者らが開発した計
croscal Systems”, IEEE Trans. on VPMT,測システム(ＨＰＭＳ)を応用して変位パターンを
25(4),pp.576-583, (Dec. 2002)測定した。
[5]J.H.Parry, J.Rantala, and C.J.M.Lance: “Enhanced
その結果、熱パターンの計測のみでは、ＰＣＢ
Electronic System Reliability –Challenges for
全体の熱ストレスの影響の解析は困難であるこ
Temper- ature Prediction”, IEEE Trans. on CPMT,とを明らかにした。一方、図 10 に示したように、
25(4), pp. 533-538, (Dec. 2002)
ＨＰＭＳを応用することによって、ＰＣＢ全体に[6]D.M.Stubbs, S.H.Pulko and A.James:” An Inves干渉縞(変位パターン)が観測された。
tiga- tion of the Sensitivity of Embedded Passive
また、図８で示したように、ＰＣＢ全体が膨張、Component Temperatures to PCB Structure”, IEEE
変形の様相の３−Ｄ可視化解析が可能である。さTrans. on CPMT, 25(4), pp.701-707, (Dec. 2002)
らに、方位角、俯角を連続的に変化することによ[7]G.Norberg, S.Dejanovic and H.Hesselbom: ”Elasって、それに応じて、ＰＣＢ全体の熱ストレスのtomer Chip Sockets for Reduced Thermal Mis影響を解明することが可能となり、ＨＰＭＳの熱26

match Problems an Effortless Chip Replacement,
Preliminary Investiga- tions”, IEEE Trans. on
CPMT, 26(1), pp.33-40, (Feb. 2003)[8]V.Szekely and M.Rencz: ”Increasing the Accuracyof Thermal Transient Measurements”, IEEE Trans.
on CPMT, 25(4), pp.539-546, (Dec. 2002)[9]K-H.Kim,Y-W.Huang,K.L.Chuaand,T.B.Lim:”Eff
ect of Underfill and Die Geometry on Thermal
Shock and Moisture Resistance Test Performancefor Flip Chip PBGA”, Proc. of IEMT/IMC Symp.
pp.291-296, (Apr. 2000)[10]M.Rencz, V.Szekely, Zs.Kohari and B.Courtois:
tois: ”Thermal Evaluation and Modeling of MEMS
Packages”, Proc. of IEMT/IMC Symp. pp.326-331,(Apr. 2000)[11]H.Ding,R.E.Powell,C.R.Hannaand,C.Ume : ”War
page Measurement Comparison Using Shadow
Moire and Projection Moire Methods”, IEEE Trans.
on CPMT, 25(4), pp.714-721, (Dec. 2002)[12]M.Taniguchi and T.Takagi: ”Variation of Contact
Re- sistance of Contacts Mounted on Printed Circuit Board Due to Thermal Deformation Observedby Holographic Technology”, Proc. of IEMT/IMC
Symp pp.432-437, (Apr. 2000)[13]M.Taniguchi and T.Takagi: “Thermal Deformation Analysis of printed Circuit Connector Due toCurrent Flow by Using Holography”, Proc. ofIEMT/IMC Symp. pp.336-341, (Apr. 1999)[14]C.M.Vest: "Holographic Interferometry", John
Wiley & Sons,(1979)27