CN113303037B - 焊料接合部的寿命预测部件及焊料接合部的寿命预测方法 - Google Patents

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Abstract

具备焊料接合部的寿命预测部件的控制装置(10)具备：温度传感器(3)，测量驱动加热器(7)及马达(9)的电子电路基板的焊料接合部的温度；存储部(51)，存储基准加速系数，该基准加速系数是基于搭载电子电路基板的电子设备的热冲击试验的试验条件及电子设备的使用环境下的基准条件的加速系数；运算部(52)，根据从加热器(7)或马达(9)的驱动的开始至结束为止的1个循环中的焊料接合部的温度变化幅度及最高到达温度计算实际加速系数，针对从负载的驱动的开始至结束为止的每1个循环，累计将实际加速系数除以基准加速系数得到的加速系数比，求出加速系数比的累计值；及判定部(53)，比较加速系数比的累计值与阈值，预测焊料接合部的寿命。

Description

焊料接合部的寿命预测部件及焊料接合部的寿命预测方法
技术领域
本发明涉及进行电子零件的焊料接合部的寿命预测的焊料接合部的寿命预测部件以及焊料接合部的寿命预测方法。
背景技术
在专利文献1中公开了一种保护装置，在搭载伴随发热的功率半导体的逆变器装置那样的电子电路中，根据功率半导体的结温(junction temperature)推测功率循环寿命，在半导体元件损坏之前催促用户更换零件。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2006-254574号公报
发明内容
电子电路构成为不仅包括以功率半导体为代表的半导体元件，还包括机械式继电器、电阻以及电容器这样的电子零件。在电子零件与基板的焊料接合部中发生的裂纹是电子电路的功能丧失的一个原因。即，不仅是半导体元件损坏的情况，而且在焊料接合部中发生了裂纹的情况下，电子电路也会丧失功能。一般而言，焊料接合部的寿命比半导体元件的功率循环寿命更短，因此往往在半导体元件的寿命到期之前在基板上的焊料接合部中发生裂纹而使电子电路的功能丧失。因此，期望预测焊料接合部的寿命，以便在焊料接合部中发生裂纹而使电子电路丧失功能之前能够中止电子电路的使用。
专利文献1所公开的发明是对半导体元件自身的寿命进行预测的发明，无法预测焊料接合部的寿命。
本发明是鉴于上述情形而作出的，其目的在于得到一种能够对焊料接合部的寿命进行预测的焊料接合部的寿命预测部件。
为了解决上述课题并达到目的，本发明具备：温度传感器，测量对负载进行驱动的电子电路基板的焊料接合部的温度；以及存储部，存储基准加速系数，该基准加速系数是基于搭载电子电路基板的电子设备的热冲击试验中的试验条件以及电子设备的使用环境下的基准条件的加速系数。本发明具备：运算部，根据从负载的驱动的开始至结束为止的1个循环中的焊料接合部的温度变化幅度以及最高到达温度来计算实际加速系数，针对从负载的驱动的开始至结束为止的每1个循环，累计将实际加速系数除以基准加速系数得到的加速系数比，求出加速系数比的累计值；以及判定部，比较加速系数比的累计值与阈值，预测焊料接合部的寿命。
本发明所涉及的焊料接合部的寿命预测部件起到能够预测焊料接合部的寿命这样的效果。
附图说明
图1是具备本发明的实施方式1所涉及的焊料接合部的寿命预测部件的控制装置的功能框图。
图2是从基板的焊料面侧对作为实施方式1所涉及的焊料接合部的寿命预测部件的寿命预测的对象的焊料接合部进行了观察的平面图。
图3是作为实施方式1所涉及的焊料接合部的寿命预测部件的寿命预测的对象的焊料接合部的截面图。
图4是示出使用实施方式1所涉及的焊料接合部的寿命预测部件对焊料接合部的寿命进行预测的动作的流程的流程图。
图5是利用硬件来实现实施方式1所涉及的焊料接合部的寿命预测部件的控制部的功能的结构的图。
图6是利用软件来实现实施方式1所涉及的焊料接合部的寿命预测部件的控制部的功能的结构的图。
(符号说明)
1：交流电源；2：电源电路；3：温度传感器；4：显示部；5：控制部；6：加热器驱动电路；7：加热器；8：马达驱动电路；9：马达；10：控制装置；20：导体图案；21：管脚；22：焊料；23：裂纹；29：处理电路；29a：逻辑电路；29b：程序；51：存储部；52：运算部；53：判定部；291：处理器；292：随机存取存储器；293：存储装置。
具体实施方式
以下，基于附图，详细地说明本发明的实施方式所涉及的焊料接合部的寿命预测部件以及焊料接合部的寿命预测方法。此外，本发明不被本实施方式所限定。
实施方式1.
图1是具备本发明的实施方式1所涉及的焊料接合部的寿命预测部件的控制装置的功能框图。控制装置10具备：控制部5，通过加热器驱动电路6对加热器7进行控制，并且通过马达驱动电路8对马达9进行控制；以及电源电路2，向控制部5供给电源。电源电路2将从交流电源1输入的交流电压变换为直流电压后输出到控制部5。控制部5通过向加热器驱动电路6输出信号来切换加热器7的开启关闭。另外，控制部5通过向马达驱动电路8输出信号来驱动马达9。
控制装置10具备加热器驱动电路6以及马达驱动电路8。加热器驱动电路6具备对作为负载的加热器7进行驱动的元件。马达驱动电路8具备对作为负载的马达9进行驱动的元件。驱动加热器7的元件以及驱动马达9的元件通过焊接而连接于印刷基板。即，在驱动加热器7的元件以及驱动马达9的元件与印刷基板之间存在焊料接合部。驱动加热器7的元件以及驱动马达9的元件既可以是继电器，也可以是半导体元件。根据将加热器7及马达9进行开启关闭的次数、和加热器7及马达9的温度来选定驱动加热器7的元件以及驱动马达9的元件即可。
另外，控制装置10具备：温度传感器3，对电源电路2、加热器驱动电路6以及马达驱动电路8中的焊料接合部附近的温度进行测定；以及显示部4，显示信息。作为显示部4，能够应用液晶显示装置，但不限定于此。
控制部5具有存储基准加速系数A0的存储部51，该基准加速系数A0是基于具有具备焊料接合部的电子电路基板的电子设备的热冲击试验的试验条件以及搭载电子电路基板的电子设备的使用环境下的基准条件的加速系数。另外，控制部5具有运算部52，该运算部52根据从负载的驱动的开始至结束为止的1个循环中的焊料接合部的温度变化幅度以及最高到达温度T1来计算实际加速系数A1，针对从负载的驱动的开始至结束为止的每1个循环，累计将实际加速系数除以基准加速系数A0得到的加速系数比A1/A0，求出加速系数比的累计值Σ(A1/A0)。另外，控制部5具有判定部53，该判定部53比较加速系数比的累计值Σ(A1/A0)和阈值，预测焊料接合部的寿命。另外，控制部5具有未图示的加热器控制部，该加热器控制部通过加热器驱动电路6来控制加热器7。另外，控制部5具有未图示的马达控制部，该马达控制部通过马达驱动电路8来控制马达9。
在实施方式1中，温度传感器3、显示部4、存储部51、运算部52以及判定部53构成焊料接合部的寿命预测部件。即，在实施方式1中，在控制加热器7以及马达9的控制装置10中嵌入有焊料接合部的寿命预测部件。因此，控制装置10的控制部5也是焊料接合部的寿命预测部件的控制部。嵌入于控制装置10的焊料接合部的寿命预测部件预测电源电路2、加热器驱动电路6以及马达驱动电路8中的焊料接合部的寿命。此外，焊料接合部的寿命具有通电电流越大并且开启关闭的次数越多则变得越短这样的倾向，因此在控制装置10中，相比于电源电路2中的焊料接合部，优先地进行加热器驱动电路6或者马达驱动电路8中的焊料接合部的寿命预测为宜。此外，焊料接合部的寿命预测部件也可以构成为与控制装置10不同的独立的装置。即，焊料接合部的寿命预测部件也可以是针对具有成为寿命预测的对象的焊料接合部的装置而外置的焊料接合部的寿命预测装置。
图2是从基板的焊料面侧对作为实施方式1所涉及的焊料接合部的寿命预测部件的寿命预测的对象的焊料接合部进行了观察的平面图。图3是作为实施方式1所涉及的焊料接合部的寿命预测部件的寿命预测的对象的焊料接合部的截面图。图3示出沿着图2中的III-III线的截面。焊料接合部是基板表面处的通孔的周围的导体图案20和电子零件的管脚21通过焊料22而被接合的部分。图3所示的焊料接合部由于发生裂纹23而可通电的截面面积变小，阻抗变高。因此，在发生裂纹23的焊料接合部中流过电流时，焊料接合部会发热。
图4是示出使用实施方式1所涉及的焊料接合部的寿命预测部件对焊料接合部的寿命进行预测的动作的流程的流程图。在步骤S1中，控制部5存储在开发具有具备焊料接合部的电子电路基板的电子设备时的热冲击试验中在各焊料接合部中发生裂纹23的热冲击试验循环数N0。在步骤S2中，控制部5基于作为电子设备的热冲击试验中的试验条件的温度条件以及电子设备的使用环境下的基准温度条件，根据Coffin-Manson的修正式来计算基准加速系数A0。此外，使用环境下的基准温度条件是指在所使用的环境下设想电子设备承受的温度条件，能够例示焊料接合部的温度变化幅度以及焊料接合部的最高到达温度。在电子设备的制造前实施步骤S1以及步骤S2的处理。
在步骤S3中，控制部5从温度传感器3取得电子设备的运转开始前的焊料接合部的温度T0。在步骤S4中，控制部5根据用户的操作而使电子设备的运转开始。在电子设备的运转开始时，在焊料接合部中流过电流。在步骤S5中，控制部5根据从温度传感器3取得的温度信息，存储最高到达温度T1。最高到达温度T1是从电子设备的运转的开始至停止为止的期间的1次循环中的焊料接合部的最高到达温度。即，最高到达温度T1是从负载的驱动的开始至结束为止的1个循环中的焊料接合部的最高到达温度。在步骤S6中，控制部5计算最高到达温度T1与运转开始前的焊料接合部的温度T0的温度差T1-T0。温度差T1-T0是从电子设备的运转的开始至停止为止的期间的1次循环中的焊料接合部的温度变化幅度。在步骤S7中，控制部5判断是否受理了使电子设备停止的用户的操作。如果受理了使电子设备停止的用户的操作，则在步骤S7中成为“是”，在步骤S8中控制部5使电子设备停止。如果未受理使电子设备停止的用户的操作，则在步骤S7中成为“否”，处理返回到步骤S5。
在步骤S8中电子设备停止之后，在步骤S9中，控制部5使用基于实际设备的热冲击试验中的试验条件即温度条件、焊料接合部的最高到达温度T1、以及焊料接合部的温度差T1-T0，根据Coffin-Manson的修正式来计算实际加速系数A1。实际加速系数A1是根据实际的1次量的运转时的温度条件而计算出的加速系数。
在步骤S10中，控制部5计算加速系数比A1/A0。加速系数比A1/A0针对实际的每1次运转，利用比来表示实际的温度条件下的实际加速系数A1与基准温度条件下的基准加速系数A0的差异。
在步骤S11中，控制部5通过将加速系数比A1/A0累计1个循环量，计算加速系数比的累计值Σ(A1/A0)。每当重复电子设备的运转以及停止时，累计加速系数比A1/A0。此处，从电子设备的运转开始至停止为止的n次的循环下的加速系数比的累计值Σ(A1/A0)利用比来示出从运转开始至停止为止的循环n次量中的加速系数的差异。
在步骤S12中，控制部5比较加速系数比的累计值Σ(A1/A0)和阈值，预测焊料接合部的寿命。具体而言，控制部5判断加速系数比的累计值Σ(A1/A0)是否为热冲击试验循环数N0与余裕值(margin)的积以上。余裕值是预想安全性而设定的常数，取1以下的值。此处，虽然将余裕值为1的情况作为例子，但能够根据电子设备的用途来适当变更余裕值的值。如果加速系数比的累计值Σ(A1/A0)不是热冲击试验循环数N0与余裕值的积以上，则在步骤S12中成为“否”，结束处理。如果加速系数比的累计值Σ(A1/A0)为热冲击试验循环数N0与余裕值的积以上，则在步骤S12中成为“是”，在步骤S13中控制部5强制停止电子设备。在强制停止过程中，即便用户进行使电子设备的运转开始的操作，控制部5也不会受理操作，不会开始电子设备的运转。这样，在加速系数比的累计值Σ(A1/A0)成为阈值以上时，控制部5使作为负载的加热器7以及马达9的驱动停止。在步骤S14中，控制部5使表示是强制停止中的警告显示于显示部4。这样，在加速系数比的累计值Σ(A1/A0)成为阈值以上时，控制部5使显示部4进行异常显示。
例如，在针对实际的每1次运转而计算出的实际加速系数A1与基准加速系数A0全部是相同的值的情况下，加速系数比A1/A0＝1，n次循环后的加速系数比的累计值Σ(A1/A0)成为n。因此，如果余裕值是1，则会判定实际进行了运转的循环数n是否超过在焊料接合部发生裂纹23的热冲击试验循环数N0。如果实际的温度条件与基准温度条件相同，则能够预先为在实际进行了运转的循环数n超过热冲击试验循环数N0时会发生裂纹23。
另外，在针对实际的每1次运转而计算出的实际加速系数A1是基准加速系数A0的一半的值的情况下，加速系数比A1/A0＝0.5，因此n次循环后的加速系数比的累计值Σ(A1/A0)变得与热冲击试验循环数N0相等的是2n＝N0的情况。即，实际的温度条件比基准温度条件宽松的情况下，认为在实际进行了运转的循环数多于热冲击试验循环数N0之后发生裂纹23。在这个例子中，如果余裕值是1，则能够预想为在实际进行了运转的循环数n超过热冲击试验循环数N0的2倍时在焊料接合部会发生裂纹23。
另外，设为实际的每1次运转的实际加速系数A1是基准加速系数A0的2倍的值。在该情况下，由于加速系数比A1/A0＝2，因此n次循环后的加速系数比的累计值Σ(A1/A0)变得与热冲击试验循环数N0相等的是n＝N0/2的情况。即，在实际的温度条件比基准温度条件严格的情况下，认为在实际进行了运转的循环数少于热冲击试验循环数N0的状态下可能发生裂纹23。在这个例子中，如果余裕值是1，则能够预想为在实际进行了运转的循环数n超过热冲击试验循环数N0的1/2时会发生裂纹23。
具备实施方式1所涉及的焊料接合部的寿命预测部件的控制装置10能够预测搭载于电子电路的电子零件整体的焊料接合部寿命，能够在裂纹23发展而发生扩大损失之前使电子设备停止，实现电子设备的安全性提高。另外，维修人员容易确定电子设备的故障原因，缩短故障原因调查的时间，并且错误修理的风险也变小。
通过处理电路来实现上述实施方式所涉及的焊料接合部的寿命预测部件的控制部5的功能。处理电路既可以是专用的硬件，也可以是执行储存于存储装置的程序的处理装置。
在处理电路是专用的硬件的情况下，关于处理电路，相应地是单一电路、复合电路、被编程的处理器、被并行编程的处理器、面向特定用途的集成电路、现场可编程门阵列、或者将它们组合而成的结构。图5是示出利用硬件来实现实施方式1所涉及的焊料接合部的寿命预测部件的控制部的功能的结构的图。在处理电路29中嵌入有实现控制部5的功能的逻辑电路29a。
在处理电路29是处理装置的情况下，通过软件、固件、或者软件和固件的组合来实现控制部5的功能。
图6是示出利用软件来实现实施方式1所涉及的焊料接合部的寿命预测部件的控制部的功能的结构的图。处理电路29具有执行程序29b的处理器291、处理器291用于工作区的随机存取存储器292以及存储程序29b的存储装置293。处理器291在随机存取存储器292上展开并执行存储于存储装置293的程序29b，从而实现控制部5的功能。软件或者固件用程序语言来描述，并被储存到存储装置293。关于处理器291，能够例示中央处理装置，但并不限定于此。关于存储装置293，能够应用RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)、ROM(Read Only Memory，只读存储器)、闪存、EPROM(Erasable Programmable Read OnlyMemory，可擦除可编程只读存储器)或者EEPROM(日本注册商标)(Electrically ErasableProgrammable Read Only Memory，电可擦除可编程只读存储器)这样的半导体存储器。半导体存储器既可以是非易失性存储器，也可以是易失性存储器。另外，关于存储装置293，除了半导体存储器以外，还能够应用磁盘、软盘、光盘、高密度盘、迷你盘或者DVD(DigitalVersatile Disc，数字多功能盘)。此外，处理器291既可以将运算结果这样的数据输出到存储装置293来存储，也可以经由随机存取存储器292而将该数据存储到未图示的辅助存储装置。
处理电路29通过读出并执行存储于存储装置293的程序29b，实现控制部5的功能。也可以说程序29b使计算机执行实现控制部5的功能的过程以及方法。
此外，处理电路29也可以利用专用的硬件来实现控制部5的功能的一部分，并利用软件或者固件来实现控制部5的功能的一部分。
这样，处理电路29能够通过硬件、软件、固件或者它们的组合来实现上述各功能。
以上的实施方式所示的结构是示出本发明的内容的一个例子，也能够与其它的公知的技术进行组合，还能够在不脱离本发明的要旨的范围中省略、变更结构的一部分。

Claims (7)

1.一种焊料接合部的寿命预测部件，其特征在于，具备：
温度传感器，测量对负载进行驱动的电子电路基板的焊料接合部的温度；
存储部，存储基准加速系数，该基准加速系数是基于搭载所述电子电路基板的电子设备的热冲击试验中的试验条件以及所述电子设备的使用环境下的基准条件的加速系数；
运算部，根据从所述负载的驱动的开始至结束为止的1个循环中的所述焊料接合部的温度变化幅度以及最高到达温度来计算实际加速系数，针对从所述负载的驱动的开始至结束为止的每1个循环，累计将所述实际加速系数除以所述基准加速系数得到的加速系数比，求出所述加速系数比的累计值；以及
判定部，比较所述加速系数比的累计值与阈值，预测所述焊料接合部的寿命。
2.根据权利要求1所述的焊料接合部的寿命预测部件，其特征在于，
所述阈值是所述热冲击试验中的限制循环数。
3.根据权利要求1所述的焊料接合部的寿命预测部件，其特征在于，
所述阈值是使所述热冲击试验中的限制循环数成为常数倍而得到的值。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的焊料接合部的寿命预测部件，其特征在于，
所述判定部在所述加速系数比的累计值成为所述阈值以上时使所述负载的驱动停止。
5.根据权利要求1至3中的任意一项所述的焊料接合部的寿命预测部件，其特征在于，
所述寿命预测部件具备显示部，该显示部显示信息，
所述判定部在所述加速系数比的累计值成为所述阈值以上时使所述显示部进行异常显示。
6.根据权利要求4所述的焊料接合部的寿命预测部件，其特征在于，
所述寿命预测部件具备显示部，该显示部显示信息，
所述判定部在所述加速系数比的累计值成为所述阈值以上时使所述显示部进行异常显示。
7.一种焊料接合部的寿命预测方法，其特征在于，具备：
从负载的驱动的开始至结束为止测量对所述负载进行驱动的电子电路基板的焊料接合部的温度，根据所述焊料接合部的温度变化幅度以及最高到达温度来计算实际加速系数的步骤；
将所述实际加速系数除以基准加速系数而求出加速系数比的步骤，其中，所述基准加速系数是基于利用实际设备进行的热冲击试验中的试验条件以及搭载所述电子电路基板的电子设备的使用环境下的基准条件的加速系数；
累计所述加速系数比而计算所述加速系数比的累计值的步骤；以及
通过所述加速系数比的累计值与阈值的比较来预测所述焊料接合部的寿命的步骤。
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