CN110089203B - 故障预测元件及使用该故障预测元件的电路基板 - Google Patents

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Abstract

提供一种通过设计自由度高的构造进行由振动应力引起的软钎焊连接部的故障预测的故障预测元件以及使用该故障预测元件的电路基板。本发明涉及的故障预测元件是设置于搭载有实施了软钎焊连接的安装部件(1)的基板(2)的故障预测元件，具有负载放大部(60)，该负载放大部具有一端分别固定于基板(2)或者安装部件(1)的一对支撑脚部(3)、以及由一对支撑脚部(3)的另一端分别支撑的牺牲断裂部(4)，经由一对支撑脚部(3)将基板(2)所承受的振动传递至牺牲断裂部(4)。

Description

故障预测元件及使用该故障预测元件的电路基板
技术领域
本发明涉及具有故障预测构造的故障预测元件以及使用该故障预测元件的电路基板。
背景技术
在搭载于电气产品的电路基板，软钎焊连接有多个安装部件。这些安装部件经常受到由来自外部的热、振动等的外力而引起的应力。由外力引起的应力在软钎焊连接部(安装部件和基板被软钎焊连接的部分)产生龟裂并加深，由此有时会产生断线。如果在软钎焊连接部产生断线，则电气产品会在意外之时停止·误动作等，因此，如果能够在软钎焊连接部的断线产生之前的阶段预测该断裂，则能够使电气产品的检查、部件更换的时期明确化而高效地使用电气产品，因此，需要进行软钎焊连接部的故障预测的技术。
例如，专利文献1公开了对电路基板和拱状的细长的封装件实现软钎焊连接(牺牲断裂部)的结构。根据该结构，通过在产生热应力时应变集中的高应变区域形成牺牲断裂部，从而与电路基板和安装部件的软钎焊连接部相比，使牺牲断裂部先断裂，基于由于牺牲断裂部的断裂而产生的电特性的变化，进行软钎焊连接部的故障预测。
另外，专利文献2公开了如下结构，即，在安装于电路基板的BGA(Ball GridArray)型、QFP(Quad Flat Package)型封装件的软钎焊连接部中，在应力集中的封装件的外周缘至少设置一个伪接合部。在由于激振源而作用有大于或等于恒定值的加速度时，对该伪接合部的电特性进行测定，由此基于测定出的电特性对软钎焊连接部的损伤度进行预测。
并且，在专利文献3中，对于供BGA型的封装件进行安装的电路基板，在封装件中应力最集中的四个角的区域，设置具有低强度构造的第1以及第2配线。由此，该第1以及第2配线的低强度构造设为比软钎焊连接部先断裂的结构。并且，根据第1以及第2配线的电特性的变化对封装件中的软钎焊连接部的故障进行预测。
专利文献1：日本特开2016-100361号公报
专利文献2：国际公开第2011/036751号
专利文献3：国际公开第2011/036776号
发明内容
在专利文献1中，针对热应力，由于利用部件之间的热膨胀系数的不同而能够进行故障预测，但是没有考虑针对振动应力的故障预测。因此，存在无法应对振动应力的问题。在专利文献2中，需要在振动应力集中的部位即封装件的外周缘配置伪接合部。相同地，对于专利文献3，也存在如下问题，即，需要在应力集中的部位即封装件的外周缘配置配线的一个端部，设置场所受到限制。
本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于提供利用设计自由度高的构造进行由振动应力引起的软钎焊连接部的故障预测的故障预测元件以及使用该故障预测元件的电路基板。
本发明涉及的故障预测元件设置于搭载有实施了软钎焊连接的安装部件的基板，其中，具有负载放大部，该负载放大部具有一端分别固定于基板或者安装部件的一对支撑脚部、以及由一对支撑脚部的另一端分别支撑的第1牺牲断裂部，经由一对支撑脚部将基板所承受的振动传递至第1牺牲断裂部。
发明的效果
对于本发明涉及的故障预测元件以及使用了该故障预测元件的电路基板，在振动应力以及热应力作用于电路基板的情况下，通过利用后述的各实施方式将牺牲断裂部的寿命设计为比软钎焊连接部的寿命短，从而能够以高设计自由度进行软钎焊连接部的故障预测。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1涉及的电路基板的斜视图。
图2是表示本发明的实施方式1涉及的电路基板的负载放大部的侧视图。
图3是表示本发明的实施方式1涉及的电路基板的负载放大部的尺寸的一个例子的斜视图。
图4是表示在振动应力作用于本发明的实施方式1涉及的电路基板的情况下的负载放大部的变形的示意图。
图5是表示本发明的实施方式1涉及的电路基板温度上升的情况下的负载放大部的变形的示意图。
图6是表示基于在针对包含焊料的金属材料的耐久试验中得到的疲劳寿命数据而计算出的近似式即疲劳寿命式的示意图。
图7是对本发明的实施方式1涉及的QFP型封装件和基板的软钎焊连接部进行模拟得到的解析模型的整体图。
图8是对本发明的实施方式1涉及的QFP型封装件和基板的软钎焊连接部进行模拟得到的解析模型的放大图。
图9是为了进行数值解析而以本发明的实施方式1涉及的图3的负载放大部的形状进行模型化后的解析模型的整体图。
图10是表示本发明的实施方式1涉及的电路基板的故障预测时的动作的流程图。
图11是表示将本发明的实施方式1涉及的电路基板的负载放大部配置于安装部件上的变形例的侧视图。
图12是表示本发明的实施方式1涉及的电路基板的负载放大部的变形例的侧视图。
图13是表示本发明的实施方式2涉及的电路基板的负载放大部的侧视图。
图14是表示本发明的实施方式3涉及的电路基板的负载放大部的侧视图。
图15是表示本发明的实施方式3涉及的电路基板的负载放大部的变形例的侧视图。
图16是表示本发明的实施方式5涉及的电路基板的负载放大部的侧视图。
图17是表示本发明的实施方式6涉及的电路基板的负载放大部的侧视图。
图18是表示本发明的实施方式7涉及的电路基板的侧视图。
图19是表示本发明的实施方式8涉及的电路基板的斜视图。
图20是表示本发明的实施方式9涉及的电路基板的斜视图。
图21是表示本发明的实施方式10涉及的电路基板的负载放大部的侧视图。
图22是表示在本发明的实施方式10涉及的电路基板作用有振动应力的情况下的负载放大部的变形的示意图。
具体实施方式
实施方式1
图1是表示实施方式1涉及的电路基板100的斜视图。图2是图1的侧视图。电路基板100具有：基板2，其搭载有实施了软钎焊连接的安装部件1；负载放大部60，其配置于基板2或者安装部件1，对基板2所承受的负载进行放大；测定部5，其对负载放大部60的电特性进行测定；以及故障预测部(省略图示)，其基于测定部5的测定结果，对由软钎焊连接部的断裂引起的故障进行预测。此外，故障预测元件具有测定部5、负载放大部60、以及故障预测部。
对本实施方式中的方向进行说明。如图1所示，将相互正交的X方向、Y方向、以及Z方向分别定义为深度方向、宽度方向、以及高度方向(面外方向)而进行说明。此外，为了便于说明，设定如上述坐标系而进行了说明，但当然可以根据负载放大部60的配置，适当设定X方向、Y方向、以及Z方向。
安装部件1可以为称作BGA型、QFP型的封装件、或者为电容器、芯片电阻等电子部件，只要是能够安装于基板2上的电子部件即可。
图1以及图2所示的负载放大部60具有由一对“L”字形的导体构成的支撑脚部3、以及由一对支撑脚部3支撑的牺牲断裂部(第1牺牲断裂部)4。在图中，牺牲断裂部4相对于基板2或者安装部件1在基板2的面外方向(Z方向)分离地配置。此外，本实施方式的牺牲断裂4以及在实施方式2以后说明的牺牲断裂部4A～4F相当于第1牺牲断裂部。支撑脚部3的一端部固定于基板2。一对支撑脚部3的另一端部固定于牺牲断裂部4的端部。换言之，负载放大部60具有：一对支撑脚部3，它们的一端分别固定于基板2或者安装部件1；以及牺牲断裂部4，其由一对支撑脚部3的另一端分别支撑。牺牲断裂部4需要设计为比基板2上的软钎焊连接部的寿命短。关于设计方法的具体例，后面叙述。
支撑脚部3具有脚体31以及架桥连结部32。在图2中，脚体31是与虚线相比在Y方向靠外侧的部分。另外，架桥连结部32是与虚线相比在Y方向靠内侧的部分。另外，架桥部6通过在牺牲断裂部4的两端分别连结1个架桥连结部32而构成。此外，支撑脚部3不限定于“L”字，可以是一个端部相对于另一个端部弯曲的形状，只要能够设为通过将牺牲断裂部4的两端夹入而进行支撑的结构，其形状是任意的。
脚体31和基板2的固定可以由螺钉、螺栓等以机械方式进行。这样，在牺牲断裂部4断裂之前，不会将负载放大部60和基板2的固定解除。只要在牺牲断裂部4断裂之前不将负载放大部60和基板2的固定解除即可，除了即机械方式的连接以外，还可以经由粘接剂而进行，当然也可以进行软钎焊连接。
这里，对负载放大部60的形状的变形例进行叙述。在实施方式中，负载放大部60的内周面示出其Y-Z剖面的剖面形状为矩形的例子，但也可以是圆的一部分、或者椭圆的一部分。并且，只要是在该负载放大部60中对负载进行放大的形状，则负载放大部60的内周面的剖面形状可以是任意形状。
进一步对负载放大部60的部件结构的变形例进行说明。在本实施方式中，举出由不同的部件构成支撑脚部3以及牺牲断裂部4的例子进行说明，但支撑脚部3以及牺牲断裂部4也可以由相同部件构成，只要是使得负载放大部60的一部分由于基板2所承受的负载而比软钎焊连接部早断裂的结构即可。
另外，支撑脚部3以及牺牲断裂部4分别由铜以及焊料(例如，无铅焊料Sn-3Ag-0.5Cu)构成。例如，支撑脚部3以及牺牲断裂部4只要是由导电性的材料构成即可，可以由与上述不同的部件构成，也可以是在焊料件、Ag膏、导电性树脂、或者在表面具有金属化层并具有导电性的非导电性材料等。
这里，使用图3对用于逆变器以及伺服电动机的负载放大部60的形状的一个例子进行说明。图3是表示本发明的实施方式1的负载放大部60的尺寸的一个例子的斜视图。在图中，负载放大部60的横向宽度L1、深度L2、高度L3、以及宽度L4分别为25毫米(下面，记作“mm”)、1.0mm、6.0mm、以及0.10mm。另外，牺牲断裂部4的宽度L5为2.0mm。
由不同的材料构成支撑脚部3和牺牲断裂部4，如果将牺牲断裂部4设为断裂强度比支撑脚部3低的低强度部件，则使牺牲断裂部4更容易断裂，能够更自由地设计负载放大部60的形状。由此，针对作用于基板2的热应力、或者振动应力，能够以更高的可靠性实现牺牲断裂部4相对于软钎焊连接部的早期断裂。
对于牺牲断裂部4，由于龟裂的加深、断裂，其电特性例如直流电阻值产生变化。通过测定部5对牺牲断裂部4的、或者由支撑脚部3和牺牲断裂部4构成的负载放大部60的电特性进行测定，由此通过后述方法进行软钎焊连接部的故障预测。此外，对于要测定的电特性，可以取代直流电阻值而为阻抗等，如果是电容器、线圈等则也可以为电容或者电感的值。
在搭载于电子仪器、特别是伺服电动机、逆变器等的基板2，反复作用有振动应力、热应力等。这些应力是由搭载于基板2的仪器的动作状态、以及使用环境(周围温度、湿度、振动状态等)引起的。下面，说明由振动应力以及热应力引起的对基板2以及搭载于基板2的电子部件的影响。
首先，使用图4对由振动应力引起的对基板2等的影响进行说明。图4是在振动应力作用于基板2的情况下的由支撑脚部3和牺牲断裂部4构成的负载放大部60的变形的示意图。由于面外方向(Z方向)的变形，在相对于牺牲断裂部4的面外方向(Z方向)的一个表面作用有拉伸应力，在另一个表面作用有压缩应力。由于在振动应力作用于基板2的期间，在牺牲断裂部4还反复作用有上述应力，因此，在牺牲断裂部4，产生龟裂并加深，最终达到断裂。
这里，说明由振动应力引起的负载放大部60的变形。负载放大部60在振动应力作用于基板2的情况下，相对于基板2而向面外方向(Z方向)产生变形。由于在牺牲断裂部4的下部形成有空隙部6a，因此，并不限定于基板2，牺牲断裂部4也向面外方向(Z方向)产生变形。由此，基板2的振动在负载放大部60中如后述那样得到放大，振动应力反复作用，由此牺牲断裂部4达到断裂。
下面对负载放大部60中的振动应力的放大进行说明。本实施方式的负载放大部60是牺牲断裂部4由一对支撑脚部3支撑的构造，因此，向一对支撑脚部3的脚体31分别传递的振动经由与一对脚体31分别对应的架桥连结部32而传递至牺牲断裂部4。这里，从一对脚体31分别朝向负载放大部60的中央部而传递振动，因此在负载放大部60的例如中央部处振动相互增强，面外方向(Z方向)的变形(应力)相比于基板2上的振动而变大。在本实施方式中，在面外方向(Z方向)的变形(应力)变大的部位配置牺牲断裂部4，由此与基板2的软钎焊连接部相比，牺牲断裂部4能够设计为在早期断裂的寿命。此外，配置牺牲断裂部4的位置不限定于负载放大部60的中央部，只要是在负载放大部60上振动相互增强的位置即可，可以是任意部位。振动相互增强的位置由于在基板2上产生的振动特性(频率、相位)以及负载放大部60的物性特性而不同，因此，当然可以根据负载放大部60的形状以及物性特性对牺牲断裂部4的位置进行适当设定。
在本实施方式中，不是在负载放大部60和基板2之间设置软钎焊连接部作为牺牲断裂部的结构，而是在负载放大部60设置了牺牲断裂部4的结构。因此，不在不对基板2上的振动进行放大而保持原样地进行传递的软钎焊连接部配置牺牲断裂部，而在相对于振动应力变形变大的部位设置牺牲断裂部4，因此，在振动应力施加于基板的情况下，能够以高的设计自由度进行安装部件1和基板2的软钎焊连接部的故障预测。
另外，本实施方式的负载放大部60是在牺牲断裂部4之下形成有空隙部6a的构造。因此，本实施方式的负载放大部60与不设置空隙部6a而在基板2上配置牺牲断裂部4的结构不同，不存在妨碍面外方向(Z方向)的牺牲断裂部4的变形的部件，能够可靠地使牺牲断裂部4与软钎焊连接部相比在早期断裂。
下面，使用图5对由热应力引起的对基板2等的影响进行说明。另外，图5是热应力作用于基板2的情况下的由支撑脚部3和牺牲断裂部4构成的负载放大部60的变形的示意图。在热应力作用于基板2而基板2的温度上升的情况下，基板2向图5的箭头的方向即面内方向(Y方向)产生热变形。由于该基板2的热变形，支撑脚部3和牺牲断裂部4以由于拉伸应力而向基板2的面内方向(Y方向)伸长的方式产生变形。另一方面，在基板2的温度降低的情况下，由于压缩应力而向图5的与箭头相反的方向产生变形。如果这样的热应力反复作用，则在牺牲断裂部4，拉伸以及压缩应力一样地反复作用于面内方向(Y方向)，因此，在牺牲断裂部4，产生龟裂并加深，最终导致牺牲断裂部4的断裂。
如果设为由支撑脚部3和牺牲断裂部4构成的负载放大部60的外观的线膨胀系数和电路基板的外观的线膨胀系数的值不同的材料，则在作用有热应力的情况下，负载放大部60与由自由膨胀引起的变形相比更大幅地变形，因此，能够构成为具有相对于热应力也比软钎焊连接部的寿命短的牺牲断裂部的负载放大部60。此外，作为外观的线膨胀系数，是将支撑脚部3以及牺牲断裂部4视为一体的部件的情况下的线膨胀系数。另外，通过将搭载负载放大部60的安装部件1或者基板2的线膨胀系数和负载放大部60的外观的线膨胀系数的差设定为适当的值，从而能够更有效地进行软钎焊连接部的故障预测。例如，在使用FR-4基板(Flame Retardant Type 4)作为基板2的情况下，其线膨胀系数为14～16(ppm/K)，因此，由外观的线膨胀系数为19～21(ppm/K)的部件构成负载放大部60即可。
为了对焊料接合部的故障进行预测，需要将热或者振动应力作用于基板2时的牺牲断裂部4的寿命设计为比软钎焊连接部的寿命短。基于这种观点，叙述软钎焊连接部以及牺牲断裂部4的寿命的设计方法的一个例子。
首先，进行基板2上的焊料接合部的寿命预测(详情后述)。接着，基于焊料接合部的寿命预测的结果，决定牺牲断裂部4的结构(形状以及材料)。例如，以使得牺牲断裂部4的寿命与焊料接合部的寿命相比短出预先设定的周期的方式设计牺牲断裂部4。在上述设计方法中，根据焊料接合部的寿命而设计了牺牲断裂部4，但当然也可以基于牺牲断裂部4的结构而设计焊料接合部的结构(形状以及材料)。
如上所述，对于焊料接合部和牺牲断裂部4的设计，需要准确地预测各个部件的寿命，因此下面对预测焊料接合部以及牺牲断裂部4的寿命的方法进行说明。
预测相对于热或者振动应力的寿命的方法如下。首先，(1)对基于有限要素法进行的数值解析得到的数据(等效应变范围Δεeqv0)进行计算，接着，(2)对在耐久试验中得到的软钎焊连接部的疲劳寿命式进行计算。最后，使用在上述(1)以及(2)的处理中得到的数据以及疲劳寿命式，进行寿命的预测。
这里，等效应变范围Δεeqv是表示热或者振动应力的1个循环中作用于物体的等效应变εeqv的最大值和最小值的差的参数。上述等效应变εeqv是使用根据米塞斯(Mises)的条件而在3轴应力状态下在物体产生的3个主应变，由下述算式1表示的参数。此外，下述算式1中的ε1、ε2、以及ε3例如在图3等的坐标系中，分别表示X轴方向、Y轴方向、以及Z轴方向的主应变。另外，ν表示泊松比。下面，Δεeqv0设为在上述(1)的处理中得到的值，Δεeqv设为在上述(2)的处理中得到的值。
【算式1】
Figure GDA0003246943640000101
首先，针对上述(1)数值解析得到的数据(等效应变范围Δεeqv0)，说明其计算方法。针对安装部件1、基板2、以及、将基板2和安装部件1连接的软钎焊连接部，创建解析模型。接着，使用所创建的解析模型，进行模拟了使热、振动等的应力作用于基板2的情况下的仿真。通过进行该仿真，从而能够计算实际作用于软钎焊连接部的等效应变范围Δεeqv0。
接着，在下面说明上述(2)疲劳寿命式的计算方法。图6是表示疲劳寿命式的示意图，该疲劳寿命式是基于在针对包含焊料的金属材料的耐久试验中得到的疲劳寿命数据而计算出的近似式。在图中，纵轴示出等效应变范围Δεeqv，而且，横轴示出反复次数(寿命)Nf。图中的线段是图示出疲劳寿命式得到的，该疲劳寿命式是将疲劳寿命数据通过下述算式2的形式进行近似得到的近似式。该算式2中的α以及β是近似式的参数，根据焊料接合部的材料以及破坏模式而取不同的值。此外，上述疲劳寿命数据是具有多个由等效应变范围Δεeqv和反复次数(寿命)Nf构成的数据组的数据，但在图6中，省略各数据组的图示，仅图示出疲劳寿命式(近似式)。
【算式2】
Δεeqv＝α×Nf -β
最后，如果将等效应变范围Δεeqv0代入至上述算式2的左边，求解出反复次数(寿命)Nf，则导出Nf＝N0。该N0设为软钎焊连接部的预测寿命。
这里，具体说明软钎焊连接部以及牺牲断裂部4的设计方法。将破坏模式设为是由热应力引起的，热应力在热循环(温度范围-65℃～95℃)中起作用。另外，软钎焊连接部将QFP型封装件和基板2连接，软钎焊连接部由共晶焊料(铅Pb:37％、锡Sn:63％)构成。图7表示对QFP型封装件和基板2的软钎焊连接部进行模拟得到的解析模型的整体图，图8表示图7的解析模型的软钎焊连接部的放大图。
首先，在上述(1)的处理中，基于对温度范围-65℃～95℃的热循环进行模拟得到的数值解析进行计算，对作用于软钎焊连接部的等效应变范围Δεeqv0进行推定。
此外，在成为BGA型、QFP型的封装件等中，如图8所图示的那样，具有多个软钎焊连接部。在这种多个焊料接合部中，在多个焊料接合部具有彼此不同的形状的情况下，产生针对每个焊料接合部而不同的方向的应力，有时每个焊料接合部的破坏模式不同。在该情况下，着眼于多个焊料接合部中例如寿命最短的(等效应变范围最大的)软钎焊连接部，使用在上述(1)的处理中得到的等效应变范围Δεeqv0以及在上述(2)的处理中得到的疲劳寿命式，进行寿命预测。
对于QFP型封装件的多个软钎焊连接部(图8中图示)中该封装件的角部(图中，位于最近前侧的部分)的引线的软钎焊连接部，其等效应变范围Δεeqv0为8.8×10-3，具有最大的等效应变范围Δεeqv0，因此针对该软钎焊连接部进行寿命预测。
另外，对于上述(2)疲劳寿命式的计算，通过实施针对共晶焊料的热循环试验，从而取得疲劳寿命数据。根据所取得的疲劳寿命数据，将上述算式2的系数α、β分别计算为0.38、0.44，将该计算出的系数的值代入至上述算式2，由此导出下述算式3(疲劳寿命式)。
【算式3】
Δεeqv＝0.38×Nf -0.44
根据上述内容，如上述等效应变范围Δεeqv0为8.8×10-3，因此如果将其值代入至上述算式3的左边，则能够推定出软钎焊连接部的寿命Nf(N0)为5207个循环。
针对牺牲断裂部4，也能够以与软钎焊连接部相同的方式推定寿命。首先，如上述(1)那样对作用于牺牲断裂部4的等效应变范围Δεeqv0进行推定。这里，负载放大部60的形状设为图3所示的形状。图9表示为了进行数值解析而以图3的负载放大部60的形状实现了模型化后的解析模型。
将牺牲断裂部4的材料设为与软钎焊连接部相同的共晶焊料，支撑脚部3由无氧铜构成，基板由FR―4构成，如果与软钎焊连接部的数值解析相同地，进行模拟了温度范围-65℃～95℃的热循环的计算，则牺牲断裂部4的等效应变范围Δεeqv0变为9.6×10-3。如果将该导出的值代入至上述算式3，则能够推定出牺牲断裂部4的寿命Nf为4273个循环。
根据该例子的结构，能够将牺牲断裂部4的寿命设计得比软钎焊连接部短。即，能够使牺牲断裂部4与软钎焊连接部相比在早期断裂，因此能够在软钎焊连接部断裂之前由故障预测元件预测故障。此外，本实施方式中，作为一个例子而举出图3示出的负载放大部60为例子进行了说明。负载放大部60的结构并不限定于图3的例子，只要是与焊料接合部相比能够缩短寿命的结构(形状、材料)，则可以是任意结构。
如上述例子，牺牲断裂部4和软钎焊连接部由相同材料构成，并且作用于牺牲断裂部4和软钎焊连接部的破坏模式相同，在该情况下，疲劳寿命式可以使用由焊料接合部计算出的式子。当然，在上述的情况下，针对牺牲断裂部4也可以使用以与软钎焊连接部相同的方式通过耐久试验得到的疲劳寿命数据。
另一方面，在牺牲断裂部4与软钎焊连接部由不同材料构成的情况或者作用于牺牲断裂部4和软钎焊连接部的破坏模式彼此不同的情况下，针对牺牲断裂部4和软钎焊连接部分别进行耐久试验，由此取得疲劳寿命数据，根据所取得的疲劳寿命数据而计算疲劳寿命式。
以热应力作用于基板2的情况为例说明了软钎焊连接部和牺牲断裂部4的寿命设计的方法，但对于振动应力作用于基板2的情况，能够同样地进行寿命设计。另外，为了缩短牺牲断裂部4的寿命，存在使作用于牺牲断裂部4的应变(应力)增加的方法和使牺牲断裂部4的强度降低的方法这两种方法，上述方法在后述的实施方式中详细进行说明。
下面使用图10对本实施方式涉及的动作进行说明。图10是表示本发明的实施方式1中的故障预测时的动作的流程图。如前述，负载放大部60与测定部5连接，测定部5定期或不定期地对负载放大部60的电气电阻值进行测定(步骤S1)。
故障预测部在电气电阻值超过规定的阈值的时间点判断为产生了断线(步骤S2)，输出断线信号(步骤S3)。
作为对电气电阻值进行测定(监视)的定时，例如是温度变动大的电源ON时。在电源ON状态持续的情况下，也可以以恒定时间间隔进行监视。如果将在基于电气电阻值的变化而判定为断线的情况下输出的断线信号作为警报而显示于显示器等，则能够使得用户预先获知接合部的损伤值变高而接近断裂的情况。另外，还优选设置在产生断线信号的同时取得数据的备份的单元。在该情况下，能够避免由于产生故障而丢失数据的风险(步骤S4)。
此外，说明了在上述结构中进行故障预测的动作，但根据电特性的变化，通过下面所示的方法也可以对软钎焊连接部的损伤度进行推定。
下面说明损伤度的推定方法的一个例子。省略了图示的故障预测部按照由测定部5测定出的负载放大部60的电特性、和损伤及电特性数据库，求出软钎焊连接部的损伤度。此外，损伤及电特性数据库将负载放大部60的电特性和软钎焊连接部的损伤相关联地保存，是通过预先对根据实验导出的结果进行累积而创建的。
图11是表示将本发明的实施方式1的负载放大部60配置于安装部件上的变形例的侧视图。在上述说明中，说明了将负载放大部60配置于基板2上的结构，但也可以在安装于基板2上的安装部件1之上设置负载放大部60的结构。由此，能够减少安装于基板2上的部件数量，能够削减用于安装部件的工时，实现成本降低。另外，由于不需要为了负载放大部60而对基板上的面积进行分配，因此能够实现基板2上的高密度安装。
图12是表示本发明的实施方式1涉及的负载放大部60的变形例的侧视图。在图中，牺牲断裂部4与基板2(安装部件1)相接触地配置。更详细而言，架桥连结部32的厚度(Z方向)构成为与体31的长度(Z方向)相同，或者大于该长度。
在如图12所示的牺牲断裂部4和基板2相接触的结构中，有时会妨碍由振动应力引起的牺牲断裂部4的面外方向(Z方向)的变形。在该情况下，不使用使牺牲断裂部4的应变增加的方法，而使用使牺牲断裂部4的强度降低的方法，由此构成为使牺牲断裂部4的寿命比软钎焊连接部的寿命短的结构即可。
此外，对于上述的“基板2和牺牲断裂部4相接触”，除了牺牲断裂部4和基板2(安装部件1)无间隙地贴合的情况之外，还包含将与软钎焊连接部的高度(例如，小于或等于2～3毫米)相当的间隙设置于牺牲断裂部4和基板2(安装部件1)之间的情况。
在本发明的实施方式1中，由于在相对于振动应力而变形大的部位设置有牺牲断裂部4，因此，能够通过设计自由度高的构造进行由振动应力引起的软钎焊连接部的故障预测。
实施方式2
图13示意性地表示实施方式2涉及的电路基板的负载放大部60A的形状。在实施方式1中，支撑脚部3以及牺牲断裂部4的Z方向的厚度相同。另一方面，本实施方式的牺牲断裂部4A的Z方向的厚度与支撑脚部3相比形成得小。此外，在本实施方式中，仅对与实施方式1不同的结构进行说明，对于相同或者相对应的结构，省略重复说明。
本实施方式涉及的电路基板是使得牺牲断裂部4A的面外方向(Z方向)的厚度比支撑脚部3的厚度小的结构。根据该结构，在振动应力、热应力的一方或者两方作用于基板2的情况下，能够增大牺牲断裂部4A的变形(应力)，能够缩短牺牲断裂部4A内的龟裂的加深距离，能够设为更容易断裂的构造。进一步通过对部件的厚度、长度、截面积等进行调整，从而能够将牺牲断裂部4A设计为目标寿命。另外，对于各安装部件1的软钎焊连接部，如果预先取得关于与牺牲断裂部4A的寿命的差异的信息，则能够更准确地进行软钎焊连接部的剩余寿命的预测。
在本实施方式中，构成为使得牺牲断裂部4A和支撑脚部3的形状彼此不同。由此，在实施方式1的基础上，具有如下效果，即，能够设为易于将牺牲断裂部4A设计为目标断裂寿命的构造。
实施方式3
图14示意性地表示实施方式3涉及的电路基板的负载放大部60B的形状的例子，图15是表示图14所示的负载放大部60B的变形例即负载放大部60C的形状的图。实施方式3的牺牲断裂部4B、4C与实施方式1的不同点在于，具有切口。在本实施方式中，仅对与实施方式1不同的结构进行说明，对于相同或者相对应的结构，省略重复说明。
本实施方式的负载放大部60B以及60C具有分别具有矩形的切口7A(图14所图示)的牺牲断裂部4B、以及三角形的切口7B(图15所图示)的牺牲断裂部4C。在架桥部6B以及6C中，只要牺牲断裂部的Z方向的厚度变小，则切口的形状是任意的。此外，在图14以及图15中，相对于基板2的面外方向(Z方向)的两侧面而对称地设置切口，但也可以仅在一个侧面设置切口7A或者7B。另外，切口的配置场所并不仅限定于面外方向(Z方向)，在X方向或者Y方向也可以同样地设置切口，只要构成为使得与负载放大部60B、60C的支撑脚部3的强度相比牺牲断裂部的强度为低强度即可。
根据该结构，不仅能得到与实施方式2相同的效果，与实施方式2相比还能够削减加工的劳力。
实施方式4
本实施方式的负载放大部60设为使得其固有振动频率与作用于基板2的振动应力的频率相同的形状。作为对负载放大部60的固有振动频率进行变更的方法，存在对负载放大部60的长边方向的长度、宽度、以及厚度进行变更的方法。
根据输入至基板2的振动的频率，负载放大部60的振幅产生变化。通常，如果输入与部件的固有振动频率接近的振动，则该部件开始共振，作用于部件的应力变大。例如，在根据图3所示的尺寸而构成负载放大部60的情况下，负载放大部60的固有振动频率是490赫兹。这里，作为支撑脚部3以及牺牲断裂部4的物性特性，弹性系数分别为123以及42(帕斯卡)，泊松比为0.33以及0.36，密度分别为8880以及7400(千克/立方米)。另外，在图3中，由彼此不同的材料构成支撑脚部3(铜)以及牺牲断裂部4(无铅焊料)，在由相同的材料即铜构成支撑脚部3以及牺牲断裂部4的情况下，负载放大部60的固有振动频率变为525Hz。这样，通过对材料、形状进行变更，从而能够以具有任意的固有振动频率的方式构成负载放大部60。根据该结构，能够使负载放大部60的固有振动频率与输入至基板2的振动的频率一致，因此，具有如下效果，即，将基板2所承受的振动在负载放大部60中有效地放大，能够可靠地使牺牲断裂部4断裂。
在本实施方式中，在横跨包含负载放大部60的固有振动频率在内的频带的振动应力作用于基板2的情况下，负载放大部60产生共振而能够使得作用于牺牲断裂部4的变形(应力)增大。由此，相对于振动应力能够将牺牲断裂部4设计为目标寿命，在实施方式1的效果的基础上，能够准确地预测相对于振动应力的基板2和安装部件1的接合部的寿命。
实施方式5
图16示意性地表示实施方式5涉及的电路基板的负载放大部60D的形状。实施方式5的负载放大部60D与实施方式1的不同点在于，载置体8载置于牺牲断裂部的上表面。在本实施方式中，仅对与实施方式1不同的结构进行说明，对于相同或者相对应的结构，省略重复说明。
根据本实施方式涉及的电路基板，能够使牺牲断裂部4的质量增加，因此在振动应力作用于基板2的情况下，能够使作用于牺牲断裂部4的面外方向(Z方向)的变形(应力)增大。其结果，能够相对于振动应力进一步使牺牲断裂部4在早期断裂，能够在安装部件1和基板2之间的软钎焊连接部的断裂产生之前的阶段，更可靠地使牺牲断裂部4断裂。由此，能够进一步降低在牺牲断裂部4的断裂之前软钎焊连接部会断裂、无法对软钎焊连接部的断裂进行检测的可能性。
另外，通过设置载置体8，从而能够减小架桥部6D或者负载放大部60D的固有振动频率。通过对载置体8的重量进行调整，从而能够容易地调整为作为目标的固有振动频率。由此，在包含作用于负载放大部60D的固有振动频率在内的宽频带的频率的振动应力从外部作用于基板2的情况下，与实施方式4相同地具有增大牺牲断裂部4的变形(应力)的效果。此外，粘贴于牺牲断裂部4的载置体8优选为非导电性材料。在导电性材料的情况下，由于在牺牲断裂部4断裂之后也有可能成为电流的路径，因此，有可能难以进行电特性的变化的检测、即牺牲断裂部4的断裂的检测。因此，如果是使用导电性材料的情况，则只要由绝缘树脂等绝缘部件对该导电性材料的周围进行覆盖，则载置体8不会变为通电路径，能够可靠地对牺牲断裂部4的断裂进行检测。
在本实施方式中，是具有在牺牲断裂部4的上表面配置的载置体8的结构。由此，在实施方式1的效果基础上，具有如下效果，即，能够进一步降低在牺牲断裂部4断裂之前软钎焊连接部断裂的可能性。
实施方式6
图17示意性地表示实施方式6涉及的电路基板的负载放大部60E的形状。在图中，在构成负载放大部60E时，架桥连结部32A从实线所示的位置移动至由虚线示出的位置，固定于牺牲断裂部4的两端。
实施方式6的负载放大部60E与实施方式1的不同点在于，构成为将施加有弹性力的状态下的一对支撑脚部3A固定于牺牲断裂部4。换言之，牺牲断裂部4在由施加有弹性力的状态下的一对架桥连结部32A夹入的状态下被固定。本实施方式的支撑脚部3A由弹簧之类的具有弹性的弹性部件构成。由弹性部件构成的支撑脚部3A是在与自然长度相比伸长或者压缩的状态下与牺牲断裂部接合的结构。由此，支撑脚部3A在从牺牲断裂部4受到面内方向(Y方向)的应力的状态下固定于牺牲断裂部4。在本实施方式中，仅对与实施方式1不同的结构进行说明，对于相同或者相对应的结构，省略重复说明。
本实施方式的支撑脚部3A是如下结构，即，不是如实施方式1那样使架桥部6E的架桥连结部32A相对于基板2而水平，而是设为向面外方向(Z方向)弯曲的形状，使弹性力作用于该支撑脚部3A并且与牺牲断裂部4的两端连接。根据该结构，在振动应力、热应力的一方或者两方作用于基板2而在牺牲断裂部4产生了龟裂的情况下，由于作用于支撑脚部3A的弹性力，牺牲断裂部4的龟裂向断裂加深。由此，能够缩短从龟裂至断裂为止的时间，因此，能够容易地对牺牲断裂部4的电特性的变化进行检测，更准确地预测基板2和安装部件1的接合部的寿命。
在本实施方式中，是具有通过施加有弹性力的状态下的支撑脚部3A而接合的牺牲断裂部4的结构。由此，能够在牺牲断裂部4产生龟裂之后，缩短从龟裂至断裂为止的时间，因此，在实施方式1的效果的基础上，具有如下效果，即，容易对因牺牲断裂部4的断裂引起的负载放大部60的电特性的变化进行检测。
实施方式7
图18示意性地表示实施方式7涉及的电路基板的负载放大部60F的形状。实施方式7的负载放大部60F与实施方式1的不同点在于，具有相对于面外方向(Z方向)而设置有多个的牺牲断裂部40A～40C。在本实施方式中，仅对与实施方式1不同的结构进行说明，对于相同或者相对应的结构，省略重复说明。
在架桥部6F中，多个牺牲断裂部40A～40C以形成层状构造的方式配置于基板2的面外方向(Z方向)。换言之，多个牺牲断裂部在面外方向(Z方向)相互离开规定的距离而配置，在图中，在牺牲断裂部40A、40B之间、以及牺牲断裂部40B、40C之间形成有空隙。此外，与图18所示的负载放大部60F不同而不设置空隙地配置多个牺牲断裂部40A～40C，也具有相同的效果。
对应力原因判别方法进行说明。通过测定部5对多个牺牲断裂部各自的电特性的变化进行测定，基于与多个牺牲断裂部各自相关的测定部5的测定结果，可知牺牲断裂部的断裂状况即各自的断裂的牺牲断裂部的Z方向的配置位置等。进一步地，能够根据该牺牲断裂部的断裂状况，对振动应力以及热应力中哪个应力是故障的主要原因进行判别。
下面对上述应力原因判别方法的具体例进行说明。如实施方式1中所说明的那样，如果振动应力作用于基板2，在相对于基板2的面外方向(Z方向)的牺牲断裂部的表面的应力变大，因此先从表面的牺牲断裂部40A、40C断裂。另一方面，如果热应力起作用，则牺牲断裂部在基板2的面内方向(Y方向)产生变形。由此，由于相同程度的应力分别作用于牺牲断裂部40A、40B、以及40C，因此，各个牺牲断裂部40A、40B、以及40C同时断裂。
此外，在上述例子中，将牺牲断裂部40A、牺牲断裂部40B以及牺牲断裂部40C分别配置于负载放大部60F的表面侧、中央部侧、以及背面侧。这样，从削减牺牲断裂部的数量的方面来讲，优选在背面以及表面侧中至少一者、以及中央部侧分别设置牺牲断裂部。但是，当然，只要能够使可利用的牺牲断裂部增加，可以任意地配置牺牲断裂部。
在图18中，设为设置了3个牺牲断裂部40A～40C的结构，但在牺牲断裂部为2个的情况下，如果调整配置场所也能够确认故障的原因。即，只要在高度方向(Z方向)的架桥连结部32的中央部分配置牺牲断裂部的一个层，并且将牺牲断裂部的其他层配置于表面侧或者背面侧即可。此外，在上述说明中，根据已断裂的牺牲断裂部的配置位置而判断应力原因，但也可以是根据已断裂的牺牲断裂部的个数而判断应力原因的结构。在该情况下，不需要为了对已断裂的牺牲断裂部的配置位置进行判别而对多个牺牲断裂部各自的电特性的变化进行测定。因此，只要对多个牺牲断裂部的作为整体的电特性进行测定即可。由此，能够简化对测定部5和多个牺牲断裂部进行连接的电路结构。
在本实施方式中，负载放大部是具有在面外方向(Z方向)配置为层状的多个牺牲断裂部的结构。由此，在实施方式1的效果的基础上，具有如下效果，即，能够根据已断裂的牺牲断裂部的位置而进行应力原因的判别。
实施方式8
图19示意性地表示实施方式8涉及的电路基板的负载放大部60以及测定部5的结构。实施方式8的电路基板与实施方式1的不同点在于，具有多个负载放大部60。在本实施方式中，仅对与实施方式1不同的结构进行说明，对于相同或者相对应的结构，省略重复说明。
通常已知，在应力作用于部件的情况下，直至由于部件的制造波动等导致部件破损为止的寿命会产生波动。本实施方式的电路基板是具有多个负载放大部60以及测定部5的结构，因此，还能够考虑牺牲断裂部4的寿命的波动，与实施方式1相比，能够提高基板2和安装部件1的接合部的故障预测精度。此外，在图19中，是将负载放大部60以及测定部5设置了2组的结构，但并不限定于2组，负载放大部60以及测定部5的数量越多，故障预测精度越提高。另外，是在各个负载放大部60分别设置了测定部的结构，但也可以是相对于多个负载放大部60而由1个测定部对各自的电特性进行测定的结构。
下面叙述实施方式8的变形例。在图19中，是配置多个具有相同的断裂寿命的负载放大部60的结构，但也可以是使用各自具有不同的断裂寿命的多个负载放大部对软钎焊连接部的剩余寿命进行预测的结构。例如，设置断裂寿命不同的3种负载放大部，在按断裂寿命长短的顺序设为第1负载放大部、第2负载放大部、以及第3负载放大部的情况下，能够通过各个负载放大部的断裂的有无而预测剩余寿命。详细而言，在第3负载放大部产生断裂、第1以及第2负载放大部未产生断裂的情况下，能够判断为寿命比第3负载放大部长、比第2负载放大部短，与仅设置1个负载放大部的情况相比，能够准确地预测至软钎焊连接部产生断裂为止的时间即剩余寿命。
另外，对于多个负载放大部60的配置方法，在图19中举出将多个负载放大部60配置为各自的长边方向彼此平行的例子，但不仅仅是将多个负载放大部60配置为平行，还可以将多个负载放大部60彼此配置为各自的长边方向相垂直或者相交。由此，还能够适当应对由于基板2所承受的振动的方向或者基板2上的温度梯度而产生应力的各向异性的情况。具体而言，例如，将2个负载放大部60配置为彼此的长边方向相垂直或者交叉。即，如果将一者的牺牲断裂部配置为使得其长边方向朝向X方向、另一者的牺牲断裂部配置为使得其长边方向朝向Y方向，则能够使得一个负载放大部60应对横向的振动、另一个应对纵向的振动。因此，在产生了X方向、Y方向的哪个方向的振动的情况下，至少都有一个负载放大部60的牺牲断裂部4断裂，能够用于进行故障预测。另外，在图19中，说明了将负载放大部60设置2个的例子，但当然负载放大部60的个数可以多于2个。
根据本实施方式涉及的电路基板，是具有多个负载放大部60的结构。由此，通过对负载放大部60的个数、或者配置方法等进行调整，从而在实施方式1的效果的基础上，具有故障预测的精度提高的效果。
实施方式9
图20示意性地表示实施方式9涉及的电路基板的负载放大部60G的形状。实施方式9的电路基板与实施方式1的不同点在于，具有负载放大部60G，该负载放大部60G具有在X方向或者Y方向排列多个的牺牲断裂部4D～4F。本实施方式中，仅对与实施方式1不同的结构进行说明，对于相同或者相对应的结构，省略重复说明。
本实施方式涉及的电路基板是具有负载放大部60G的结构，该负载放大部60G具有形成为梳状的多个牺牲断裂部4D～4F。换言之，负载放大部60G具有在基板2的面内方向配置的多个牺牲断裂部4D～4F。由此，能够削减负载放大部60G和基板2接合的面积，因此在实施方式1的效果基础上，具有能够进一步实现高密度安装的效果。
实施方式10
图21示出实施方式10涉及的负载放大部60H的侧视图。实施方式10涉及的负载放大部60H与实施方式1的不同点在于，具有牺牲断裂部4G以及4H(第2牺牲断裂部)。该牺牲断裂部4G以及4H设置于脚体31和架桥连结部32相连结的连结部分。在图中，脚体31和架桥连结部32的连结部分图示为其整体由牺牲断裂部4G以及4H构成，但也可以不是该连结部分的整体，而是一部分由牺牲断裂部4G以及4H构成。此外，在本实施方式中，仅对与实施方式1不同的结构进行说明，对于相同或者相对应的结构，省略重复说明。
图22是表示振动应力在面内方向(Y方向)作用于基板2的情况下的负载放大部60H的变形的示意图。在振动应力在面内方向(Y方向)作用于基板2的情况下，负载放大部60H在图22的箭头的方向即面内方向产生变形，该脚体31以弯曲的方式变形。此外，与牺牲断裂部4相同地，牺牲断裂部4G以及4H的寿命也需要设计为比软钎焊连接部短。
牺牲断裂部4G以及4H是在脚体31和架桥连结部32之间形成的部分，因此，在该部分反复作用有拉伸应力和压缩应力。因而，在牺牲断裂部4G以及4H，龟裂加深并最终达到断裂。在基板2，作用有2个方向即(a)面外方向(Z方向)和(b)面内方向(Y方向或者X方向)的振动应力。在上述实施方式中，是在相对于上述(a)的振动应力进行寿命预测(焊料接合部)时优选的结构。另一方面，具有本实施方式涉及的负载放大部60H的故障预测元件在上述(a)的基础上，相对于(b)的振动应力也能够进行寿命预测(软钎焊连接部)。
此外，本发明并不限定于上述实施方式，在实施阶段，能够在不脱离其主旨的范围对结构要素进行变形而具体化。另外，可以通过对上述实施方式公开的多个结构要素适当进行组合而形成各种发明。例如，也可以从实施方式所示的全部结构要素删除几个结构要素。并且，也可以对横跨不同实施方式的结构要素适当进行组合。
上述本发明能够由具有印刷基板的装置进行实施，例如存在服务器、存储器等信息通信仪器、逆变器、可编程逻辑控制器等工业仪器、电子显微镜、原子力显微镜等检查装置、质子线治疗装置、核磁共振装置等医疗仪器、电梯、自动升降机等移动仪器、汽车、铁路车辆的控制基板。另外，并不限定于上述，可以利用于具有其他印刷基板的电子仪器。
标号的说明
1 安装部件
2 基板
3、3A 支撑脚部
4、4A～4F 牺牲断裂部(第1牺牲断裂部)
4G、4H 牺牲断裂部(第2牺牲断裂部)
5 测定部
6 架桥部
8 载置体
31 脚体
32 架桥连结部
40A～40C 牺牲断裂部
60、60A～60F 负载放大部
100 电路基板

Claims (14)

1.一种故障预测元件，其设置于搭载有实施了软钎焊连接的安装部件的基板，
该故障预测元件具有：
负载放大部，该负载放大部具有一端分别固定于所述基板或者所述安装部件的一对支撑脚部、以及由所述一对支撑脚部的另一端分别支撑的第1牺牲断裂部，经由所述一对支撑脚部将所述基板所承受的振动传递至所述第1牺牲断裂部；以及
测定部，该测定部对所述负载放大部的电特性进行测定，
所述故障预测元件基于所述测定部的测定结果，对由所述软钎焊连接的龟裂或者断裂引起的故障进行预测。
2.根据权利要求1所述的故障预测元件，其中，
所述第1牺牲断裂部相对于所述基板或者所述安装部件而向所述基板的面外方向分离地配置。
3.根据权利要求1或2所述的故障预测元件，其中，
所述第1牺牲断裂部由与所述支撑脚部不同的部件构成，是与所述支撑脚部相比断裂强度低的低强度部件。
4.根据权利要求1或2所述的故障预测元件，其中，
所述第1牺牲断裂部的截面积与所述支撑脚部的截面积相比形成得小。
5.根据权利要求1或2所述的故障预测元件，其中，
在所述第1牺牲断裂部设置有切口。
6.根据权利要求1或2所述的故障预测元件，其中，
使所述负载放大部的固有振动频率与输入至所述基板的振动应力的频率一致。
7.根据权利要求1或2所述的故障预测元件，其中，
在所述第1牺牲断裂部载置有载置体。
8.根据权利要求1所述的故障预测元件，其中，
所述支撑脚部具有：
脚体，其一端固定于所述基板或者所述安装部件；以及
架桥连结部，其将所述脚体以及所述第1牺牲断裂部连结，
构成有在所述第1牺牲断裂部的两端设置一对所述架桥连结部得到的架桥部。
9.根据权利要求8所述的故障预测元件，其中，
所述架桥连结部由弹性部件构成，
所述第1牺牲断裂部由施加有弹性力的状态下的所述架桥连结部夹入。
10.根据权利要求8或者9所述的故障预测元件，其中，
所述负载放大部还具有在所述脚体和所述架桥连结部的连结部分设置的第2牺牲断裂部。
11.根据权利要求8或9所述的故障预测元件，其中，
所述负载放大部具有在所述基板的面内方向配置的多个架桥部。
12.根据权利要求1或2所述的故障预测元件，其中，
所述负载放大部具有在所述基板的面外方向配置的多个第1牺牲断裂部。
13.根据权利要求12所述的故障预测元件，其中，
基于所述多个第1牺牲断裂部中的进行了断裂的第1牺牲断裂部的面外方向的配置位置或者进行了所述断裂的第1牺牲断裂部的个数，对振动应力以及热应力中的哪个应力是故障的主要原因进行判别。
14.一种电路基板，其中，
具有：
根据权利要求1至13中任一项所述的故障预测元件；以及
基板，其配置有所述故障预测元件。
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