DE112017006427T5

DE112017006427T5 - Störungsvorhersage-einrichtung und dieselbe verwendende leiterplatte

Info

Publication number: DE112017006427T5
Application number: DE112017006427.9T
Authority: DE
Inventors: Nobuaki Ando; Hiroo Sakamoto; Daisuke Echizenya
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2017-10-20
Publication date: 2019-09-05
Also published as: US20200049758A1; CN110089203B; US10837997B2; JP6573039B2; JPWO2018116611A1; WO2018116611A1; CN110089203A

Abstract

Es wird eine Störungsvorhersage-Einrichtung für eine Vorhersage einer Störung an einer gelöteten Verbindung aufgrund von Vibrationsbeanspruchungen unter Verwendung einer Struktur, die einen hohen Grad an Auslegungsfreiheit aufweist, sowie eine Leiterplatte angegeben, welche dieselbe verwendet. Die Störungsvorhersage-Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist an einem Substrat (2) mit einer Montagekomponente (1) angeordnet, die durch eine Lotverbindung an diesem befestigt ist. Die Störungsvorhersage-Einrichtung ist mit einem Lastverstärkungsbereich (60) versehen, der ein Paar von Halteschenkelbereichen (3) aufweist, von denen jeweils das eine Ende an dem Substrat (2) oder der Montagekomponente (1) zu befestigen ist, und ist mit einem Opfer-Bruchbereich (4) versehen, der von den anderen Enden des Paars von Halteschenkelbereichen (3) gehalten ist, wobei der Lastverstärkungsbereich (60) an dem Substrat (2) anliegende Vibrationen über das Paar von Halteschenkelbereichen (3) auf den Opfer-Bruchbereich (4) überträgt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Störungsvorhersage-Einrichtung, die eine Störungsvorhersage-Struktur aufweist, sowie auf eine dieselbe verwendende Leiterplatte.
STAND DER TECHNIK
Eine große Anzahl von Montagekomponenten wird durch Löten mit einer Leiterplatte verbunden, die in einem elektrischen Gerät eingebaut ist. Derartige Montagekomponenten sind häufig Beanspruchungen aufgrund einer externen Kraft von außen ausgesetzt, die durch Wärme und Vibrationen etc. verursacht wird. Derartige Beanspruchungen aufgrund einer externen Kraft erzeugen mitunter Risse an Lotverbindungsbereichen (den Bereichen, in denen die Montagekomponenten an die Leiterplatte gelötet sind) und verursachen, dass sich die Risse ausdehnen, was dazu führen kann, dass eine Abtrennung auftritt.
Abtrennungen, die an den Lotverbindungsbereichen auftreten, sind eine Ursache für ein unerwartetes Stoppen oder eine unerwartete Störung von elektrischen Geräten. Wenn eine derartige, an den Lotverbindungsbereichen auftretende Abtrennung in einem Stadium vor ihrem Eintreten vorhergesagt werden kann, kann eine zeitliche Planung bei einer Überprüfung von elektrischen Geräten und eine Ersetzung ihrer Komponenten spezifiziert werden, so dass elektrische Geräte effizient betrieben werden können. Daher ist eine Technologie für die Vorhersage von an den Lotverbindungsbereichen auftretenden Störungen essentiell.
Das Patentdokument 1 offenbart zum Beispiel eine Struktur, bei der eine Leiterplatte und ein langes und schmales Gehäuse in der Form eines Bogens verlötet sind (Opfer-Bruchbereich). Durch das Bilden eines Opfer-Bruchbereichs in einem Bereich mit hoher Belastung, in dem sich Belastungen konzentrieren, wenn thermische Beanspruchungen auftreten, bricht der Opfer-Bruchbereich bei der Struktur früher als die Lotverbindungsbereiche zwischen der Leiterplatte und den Montagekomponenten, und dann wird eine Störung an den Lotverbindungsbereichen auf der Basis der Änderung von elektrischen Eigenschaften vorhergesagt, die durch den Bruch in dem Opfer-Bruchbereich verursacht wird.
Ferner offenbart das Patentdokument 2 eine Struktur, bei der zwischen den Lotverbindungsbereichen eines an einer Leiterplatte montierten Gehäuses vom Typ Ball Grid Array (BGA, Kugelgitteranordnung) oder vom Typ Quad Flat Package (QFP) an einem äußeren peripheren Rand eines Gehäuses, an dem sich Beanspruchungen konzentrieren, zumindest ein Dummy-Verbindungsbereich angeordnet ist. Eine elektrische Charakteristik des Dummy-Verbindungsbereichs wird gemessen, wenn durch eine Vibrationsquelle eine Beschleunigung anliegt, die gleich einem bestimmten Wert ist oder oberhalb desselben liegt. Dann wird der Schädigungsgrad der Lotverbindungsbereiche auf der Basis der gemessenen elektrischen Charakteristik vorhergesagt.
Des Weiteren offenbart das Patentdokument 3, dass an vier Eckenbereichen, an denen sich Beanspruchungen in einem an einer Leiterplatte montierten Gehäuse vom BGA-Typ am meisten konzentrieren, ein erster Draht und eine zweiter Draht angeordnet sind, die eine Struktur mit einer geringen Festigkeit aufweisen. Mit einer derartigen Konfiguration brechen die Strukturen mit einer geringen Festigkeit in dem ersten Draht und dem zweiten Draht früher als die Lotverbindungsbereiche. Dann werden Störungen der Lotverbindungsbereiche in dem Gehäuse aufgrund der Änderung der elektrischen Charakteristika des ersten und des zweiten Drahts vorhergesagt.
DOKUMENTE ZUM STAND DER TECHNIK
Patentdokumente

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2016-100 361 A
Patentdokument 2: Internationale Veröffentlichung WO 2011/036 751 A1
Patentdokument 3: Internationale Veröffentlichung WO 2011/036 776 A1

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
Bezugnehmend auf das Patentdokument 1 können Störungen unter thermischen Beanspruchungen vorhergesagt werden, da ein Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Komponentenmaterialien genutzt wird. Eine Vorhersage von Störungen unter Vibrationsbeanspruchungen wird jedoch nicht betrachtet, und so ergibt sich ein Problem dahingehend, dass Vibrationsbeanspruchungen nicht gehandhabt werden können.
Bezugnehmend auf das Patentdokument 2 ist es notwendig, einen Dummy-Verbindungsbereich an einem äußeren peripheren Rand eines Gehäuses anzuordnen, an dem sich Vibrationsbeanspruchungen konzentrieren. Ferner bezugnehmend auf das Patentdokument 3 ist es notwendig, ein Ende des Drahts an dem äußeren peripheren Rand des Gehäuses anzuordnen, an dem sich Beanspruchungen konzentrieren, und so ergibt sich ein Problem dahingehend, dass der Installationsort beschränkt ist.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der vorstehend beschriebenen Probleme konzipiert. Ihre Aufgabe besteht darin, eine Störungsvorhersage-Einrichtung, die eine Struktur mit einem hohen Grad an Auslegungsfreiheit aufweist, für eine Vorhersage von Störungen an einem Lotverbindungsbereich anzugeben, die durch Vibrationsbeanspruchungen verursacht werden, ebenso wie eine Leiterplatte mit einer derartigen Störungsvorhersage-Vorrichtung anzugeben.
Mittel zum Lösen der Probleme
Eine Störungsvorhersage-Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist an einem Substrat mit einer Montagekomponente angeordnet, die durch eine Lotverbindung an diesem befestigt ist. Die Störungsvorhersage-Einrichtung ist mit einem Lastverstärkungsbereich versehen, der ein Paar von Halteschenkelbereichen aufweist, die jeweils das eine Ende aufweisen, das an dem Substrat oder der Montagekomponente zu befestigen ist, und ist mit einem Opfer-Bruchbereich versehen, der von den anderen Enden des Paars von Halteschenkelbereichen gehalten wird, wobei der Lastverstärkungsbereich an dem Substrat anliegende Vibrationen über das Paar von Halteschenkelbereichen auf den Opfer-Bruchbereich überträgt.
Effekt der Erfindung
Die Störungsvorhersage-Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und die dieselbe verwendende Leiterplatte ermöglichen eine Vorhersage von Störungen der Lotverbindungsbereiche in einem Fall, in dem sich die Leiterplatte unter Vibrationsbeanspruchungen und thermischen Beanspruchungen befindet, indem die Lebensdauer des Opfer-Bruchbereichs mit einem hohen Grad an Auslegungsfreiheit so ausgelegt wird, dass sie kürzer als die Lebensdauer der Lotverbindungsbereiche ist, wobei Ausführungsformen verwendet werden, die jeweils nachstehend beschrieben sind.
Figurenliste
In den Figuren sind:

1 eine perspektivische Ansicht, die eine Leiterplatte gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine Seitenansicht, die einen Lastverstärkungsbereich der Leiterplatte gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für die Abmessungen des Lastverstärkungsbereichs der Leiterplatte gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 eine schematische Abbildung, die eine Verformung des Lastverstärkungsbereichs der Leiterplatte gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung unter Vibrationsbeanspruchungen zeigt;
5 eine schematische Abbildung, die eine Verformung des Lastverstärkungsbereichs der Leiterplatte gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt, wenn die Temperatur der Leiterplatte ansteigt;
6 eine schematische Darstellung, die eine Alterungslebensdauer-Formel zeigt, bei der es sich um eine Näherungsformel handelt, die auf der Basis von Alterungslebensdauerdaten berechnet wird, die aus einer Haltbarkeitsprüfung an einem ein Lot aufweisenden metallischen Material erhalten werden;
7 eine Gesamtansicht eines analytischen Modells, das die Lotverbindungsbereiche zwischen einem Gehäuse vom QFP-Typ und einem Substrat gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung simuliert;
8 eine vergrößerte Ansicht des analytischen Modells, das die Lotverbindungsbereiche zwischen einem Gehäuse vom QFP-Typ und einem Substrat gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung simuliert;
9 eine Gesamtansicht eines analytischen Modells, das mit der Form des in 3 gezeigten Lastverstärkungsbereichs erzeugt wird, beim Ausführen einer numerischen Analyse gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
10 ein Flussdiagramm, das einen Ablauf bei einer Störungsvorhersage für die Leiterplatte gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 eine Seitenansicht, die eine Variation zeigt, bei welcher der Lastverstärkungsbereich der Leiterplatte gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung an einer Montagekomponente angeordnet ist;
12 eine Seitenansicht, die eine Variation des Lastverstärkungsbereichs der Leiterplatte gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
13 eine Seitenansicht, die einen Lastverstärkungsbereich der Leiterplatte gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt;
14 eine Seitenansicht, die einen Lastverstärkungsbereich der Leiterplatte gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt;
15 eine Seitenansicht, die eine Variation des Lastverstärkungsbereichs der Leiterplatte gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt;
16 eine Seitenansicht, die einen Lastverstärkungsbereich der Leiterplatte gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung zeigt;
17 eine Seitenansicht, die einen Lastverstärkungsbereich der Leiterplatte gemäß Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung zeigt;
18 eine Seitenansicht, die eine Leiterplatte gemäß Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung zeigt;
19 eine perspektivische Ansicht, die eine Leiterplatte gemäß Ausführungsform 8 der vorliegenden Erfindung zeigt;
20 eine perspektivische Ansicht, die eine Leiterplatte gemäß Ausführungsform 9 der vorliegenden Erfindung zeigt;
21 eine Seitenansicht, die einen Lastverstärkungsbereich der Leiterplatte gemäß Ausführungsform 10 der vorliegenden Erfindung zeigt;
22 eine schematische Abbildung, die eine Verformung des Lastverstärkungsbereichs der Leiterplatte gemäß Ausführungsform 10 der vorliegenden Erfindung unter Vibrationsbeanspruchungen zeigt.

AUSFÜHRUNGSFORMEN ZUR VERWIRKLICHUNG DER ERFINDUNG
Erste Ausführungsform
1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Leiterplatte 100 gemäß Ausführungsform 1 zeigt. 2 ist eine Seitenansicht von 1. Eine Leiterplatte 100 weist Folgendes auf: ein Substrat 2, das eine an dieses gelötete Montagekomponente 1 aufweist, einen Lastverstärkungsbereich 60, der in dem Substrat 2 oder der Montagekomponente 1 angeordnet ist, um eine an dem Substrat 2 anliegende Last zu verstärken, einen Messbereich 5 für die Messung einer elektrischen Charakteristik des Lastverstärkungsbereichs 60, sowie eine Störungsvorhersage-Einheit (nicht dargestellt), um Störungen, die durch einen Bruch von Lotverbindungsbereichen verursacht werden, auf der Basis des Messergebnisses von dem Messbereich 5 vorherzusagen. Es ist anzumerken, dass eine Störungsvorhersage-Einrichtung den Messbereich 5, den Lastverstärkungsbereich 60 und die Störungsvorhersage-Einheit aufweist.
Es werden die bei der vorliegenden Ausführungsform zu definierende Richtungen definiert. Wie in 1 gezeigt, sind eine X-Richtung, eine Y-Richtung und eine Z-Richtung, die orthogonal zueinander sind, als eine Tiefenrichtung, eine laterale Richtung beziehungsweise eine Höhenrichtung (Richtung aus der Ebene heraus) definiert. Es ist anzumerken, dass, wenngleich ein Koordinatensystem, wie vorstehend erwähnt, der Einfachheit der Beschreibung halber vorgegeben ist, die X-Richtung, die Y-Richtung und die Z-Richtung auch in Abhängigkeit von der Anordnung des Lastverstärkungsbereichs 60 vorgegeben werden können.
Bei der Montagekomponente 1 kann es sich um ein Gehäuse, auf das als ein BGA-Typ oder ein QFP-Typ Bezug genommen wird, oder eine elektronische Komponente handeln, wie beispielsweise einen Kondensator und einen Chip-Widerstand, solange es sich um eine elektronische Komponente handelt, die an dem Substrat 2 montiert werden kann.
Der in 1 und 2 gezeigte Lastverstärkungsbereich 60 weist ein Paar von Halteschenkelbereichen 3 auf, die jeweils aus einem elektrischen Leiter in der Form eines L bestehen, und weist einen Opfer-Bruchbereich 4 (einen ersten Opfer-Bruchbereich) auf, der von dem Paar von Halteschenkelbereichen 3 gehalten wird. In den Figuren ist der Opfer-Bruchbereich 4 in der Richtung aus der Ebene heraus (der Z-Richtung) des Substrats 2 getrennt von dem Substrat 2 und der Montagekomponente 1 angeordnet.
Es ist anzumerken, dass der Opfer-Bruchbereich 4 bei der vorliegenden Ausführungsform und die Opfer-Bruchbereiche 4A bis 4F, die bei Ausführungsform 2 und danach zu beschreiben sind, ersten Opfer-Bruchbereichen entsprechen. Die einen Enden der Halteschenkelbereiche 3 sind an dem Substrat 2 befestigt. Die anderen Enden der Halteschenkelbereiche 3 sind an Enden des Opfer-Bruchbereichs 4 befestigt.
Mit anderen Worten, der Lastverstärkungsbereich 60 weist das Paar von Halteschenkelbereichen 3 auf, bei denen jeweils das eine Ende an dem Substrat 2 oder der Montagekomponente 1 befestigt ist, und weist einen Opfer-Bruchbereich 4 auf, der jeweils von den anderen Enden der Halteschenkelbereiche 3 gehalten wird. Der Opfer-Bruchbereich 4 muss so ausgelegt sein, dass seine Lebensdauer kürzer als jene der Lotverbindungsbereiche an dem Substrat 2 ist. Ein spezifisches Beispiel für das Auslegungsverfahren wird später beschrieben.
Jeder der Halteschenkelbereiche 3 weist einen Schenkel 31 und einen Brückenverbindungsbereich 32 auf. In 2 handelt es sich bei jedem der Schenkel 31 um einen Bereich außerhalb der gestrichelten Linien in der Y-Richtung. Bei jedem der Brückenverbindungsbereiche 32 handelt es sich um einen Bereich innerhalb der gestrichelten Linien in der Y-Richtung. Durch das Verbinden von dem jeweiligen der Brückenverbindungsbereiche 32 mit jedem der beiden Enden des Opfer-Bruchbereichs 4 wird ein Brückenbereich 6 aufgebaut.
Es ist anzumerken, dass die Form der Halteschenkelbereiche 3 nicht auf die Form des L beschränkt ist, und es kann sich auch um eine gekrümmte Form zwischen dem einen Ende und dem anderen Ende handeln. Es kann jede beliebige Form verwendet werden, solange die Struktur in einer solchen Weise ausgebildet ist, dass der Opfer-Bruchbereich 4 so gehalten wird, dass er sandwichartig zwischen den beiden Enden derselben angeordnet ist.
Die Schenkel 31 und das Substrat 2 sind mit einer Schraube, einem Bolzen oder dergleichen mechanisch aneinander befestigt. Auf diese Weise wird die Befestigung zwischen dem Lastverstärkungsbereich 60 und dem Substrat 2 nicht gelöst, bevor der Opfer-Bruchbereich 4 bricht. Solange die Befestigung zwischen dem Lastverstärkungsbereich 60 und dem Substrat 2 nicht gelöst wird, bevor der Opfer-Bruchbereich 4 bricht, ist es selbstverständlich, dass dies außer über eine mechanische Befestigung auch über einen Klebstoff bewerkstelligt werden kann oder eine Lotverbindung hergestellt werden kann.
Nachstehend wird eine Variation der Form des Lastverstärkungsbereich 60 beispielhaft aufgezeigt. Die Querschnittsform der inneren peripheren Fläche des bei der vorliegenden Ausführungsform gezeigten Lastverstärkungsbereichs 60 ist im Y-Z-Querschnitt semi-rechteckig. Die Form kann jedoch ein Teil eines Kreises oder einer Ellipse sein. Ferner kann die Querschnittsform der inneren peripheren Fläche des Lastverstärkungsbereichs 60 welche Form auch immer annehmen, solange die Last an dem Lastverstärkungsbereich 60 verstärkt wird.
Beispielhaft wird eine Variation der Materialstruktur des Lastverstärkungsbereichs 60 aufgezeigt. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Beispiel beschrieben, bei dem die Halteschenkelbereiche 3 und der Opfer-Bruchbereich 4 aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind. Die Halteschenkelbereiche 3 und der Opfer-Bruchbereich 4 können jedoch aus dem gleichen Material gebildet sein, solange eine Struktur eingesetzt wird, bei der ein Bereich des Lastverstärkungsbereichs 60 durch die an dem Substrat 2 anliegende Last früher als die Lotverbindungsbereiche bricht.
Die Halteschenkelbereiche 3 und der Opfer-Bruchbereich 4 sind jeweils aus Kupfer und einem Lot gebildet (zum Beispiel aus einem bleifreien Lot: Sn-3Ag-0,5Cu). Die Halteschenkelbereiche 3 und der Opfer-Bruchbereich 4 können, solange sie aus leitfähigen Materialien gebildet sind, aus Materialien gebildet sein, die sich von jenen vorstehend erwähnten unterscheiden, wie beispielsweise aus einem Lot-Material, einer Ag-Paste, einem leitfähigen Harz oder einem nicht-leitfähigen Material, auf dem sich eine metallisierte Schicht befindet, so dass es leitfähig ist.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 3 ein Beispiel für die Form des Lastverstärkungsbereichs 60 beschrieben, der in einem Wechselrichter und einem Servomotor zu verwenden ist. 3 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für die Abmessungen des Lastverstärkungsbereichs 60 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in der Figur gezeigt, sind die Breite LI, die Tiefe L2, die Höhe L3 und die Breite L4 bei dem Lastverstärkungsbereich 60 gleich 25 Millimeter (im Folgenden mm), 1,0 mm, 6,0 mm bzw. 0,10 mm. Die Breite L5 des Opfer-Bruchbereichs 4 ist gleich 2,0 mm.
In einem Fall, in dem die Halteschenkelbereiche 3 und der Opfer-Bruchbereich 4 aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind und ein Material für den Opfer-Bruchbereich 4 verwendet wird, das eine geringere Festigkeit in Bezug auf die Bruchfestigkeit aufweist als ein Material, das für die Halteschenkelbereiche 3 verwendet wird, bricht der Opfer-Bruchbereich 4 leichter, so dass die Form des Lastverstärkungsbereichs 60 freier ausgelegt werden kann. So kann der Opfer-Bruchbereich 4 unter thermischen Beanspruchungen oder Vibrationsbeanspruchungen, die an dem Substrat 2 anliegen, mit einer höheren Zuverlässigkeit in einem früheren Stadium als die Lotverbindungsbereiche brechen.
Die elektrische Charakteristik des Opfer-Bruchbereichs 4, wie beispielsweise der Wert eines Gleichstromwiderstands, ändert sich infolge von Rissausdehnung und Bruch. Durch die Messung in dem Messbereich 5 in Bezug auf die elektrische Charakteristik des Opfer-Bruchbereichs 4 oder des Lastverstärkungsbereichs 60, der die Halteschenkelbereiche 3 und den Opfer-Bruchbereich 4 umfasst, werden die Störungen der Lotverbindungsbereiche unter Verwendung eines nachstehend zu beschreibenden Verfahrens vorhergesagt.
Es ist anzumerken, dass es sich bei der zu messenden elektrischen Charakteristik um eine Impedanz oder dergleichen anstatt um einen Gleichstromwiderstand handeln kann. In dem Fall eines Kondensators, einer Spule oder dergleichen kann eine Kapazität oder eine Induktivität gemessen werden.
An dem Substrat 2, das an elektronischen Einrichtungen montiert ist, wie z.B. insbesondere an einem Servomotor oder einem Wechselrichter, liegen wiederholt Vibrationsbeanspruchungen, thermische Beanspruchungen etc. an. Diese Beanspruchungen werden durch die Betriebsbedingungen der Einrichtung, an der das Substrat 2 montiert ist, ebenso wie durch die Nutzungsumgebung verursacht (Umgebungstemperatur, Feuchtigkeit, Vibrationszustand etc.). Nachstehend werden Auswirkungen von Vibrationsbeanspruchungen und thermischen Beanspruchungen auf das Substrat 2 und die an dem Substrat 2 montierten elektronischen Komponenten beschrieben.
Zunächst wird, bezugnehmend auf 4, eine Auswirkung von Vibrationsbeanspruchungen auf das Substrat 2 oder dergleichen beschrieben. 4 ist eine schematische Abbildung einer Verformung des die Halteschenkelbereiche 3 und den Opfer-Bruchbereich 4 aufweisenden Lastverstärkungsbereichs 60, wenn Vibrationsbeanspruchungen an dem Substrat 2 anliegen. Infolge der Verformung in der Richtung aus der Ebene heraus (der Z-Richtung) liegt eine Zugbeanspruchung an der einen Seite des Opfer-Bruchbereichs 4 in Bezug auf die Richtung aus der Ebene heraus (die Z-Richtung) an, und an der anderen Seite desselben liegt eine Druckbeanspruchung an. Während sich das Substrat 2 unter Vibrationsbeanspruchungen befindet, liegen die Beanspruchungen wiederholt an dem Opfer-Bruchbereich 4 an, und dann wird ein Riss hervorgerufen und dehnt sich in dem Opfer-Bruch-Bereich 4 aus, und schließlich tritt ein Bruch auf.
Nachstehend wird die Verformung des Lastverstärkungsbereichs 60 unter Vibrationsbeanspruchungen beschrieben. Wenn sich das Substrat 2 unter Vibrationsbeanspruchungen befindet, verformt sich der Lastverstärkungsbereich 60 in der Richtung aus der Ebene heraus (der Z-Richtung) in Bezug auf das Substrat 2. Ein unter dem Opfer-Bruchbereich 4 angeordneter Raum 6a ermöglicht eine Verformung des Opfer-Bruchbereichs 4 in der Richtung aus der Ebene heraus (der Z-Richtung) ohne eine Beschränkung durch das Substrat 2. So werden die Vibrationen des Substrats 2, wie später beschrieben, an dem Lastverstärkungsbereich 60 verstärkt, und die wiederholt an dem Opfer-Bruchbereich 4 anliegenden Vibrationsbeanspruchungen führen zu dessen Bruch.
Nachstehend wird die Verstärkung der Vibrationsbeanspruchungen an dem Lastverstärkungsbereich 60 beschrieben. Da der Lastverstärkungsbereich 60 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Struktur aufweist, bei welcher der Opfer-Bruchbereich 4 durch ein Paar der Halteschenkelbereiche 3 gehalten wird, werden die Vibrationen, die auf jeden der Schenkel 31 eines Paars von Halteschenkelbereichen 3 übertragen werden, über die Brückenverbindungsbereiche 32, die jeweils mit dem entsprechenden eines Paars der Schenkel 31 verbunden sind, auf den Opfer-Bruchbereich 4 übertragen.
Da die Vibrationen von jedem von dem Paar von Schenkeln 31 in Richtung zu der Mitte des Lastverstärkungsbereichs 60 hin übertragen werden, werden die Vibrationen zum Beispiel in der Mitte des Lastverstärkungsbereichs 60 verstärkt, und so wird die Verformung dort (die Beanspruchung) in der Richtung aus der Ebene heraus (der Z-Richtung) größer als jene an dem Substrat 2.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Opfer-Bruchbereich 4 an einer Position angeordnet, an der die Verformung (die Beanspruchung) in der Richtung aus der Ebene heraus (der Z-Richtung) größer ist, und so kann die Lebensdauer in einer solchen Weise ausgelegt werden, dass der Opfer-Bruchbereich 4 früher als die Lotverbindungsbereiche an dem Substrat 2 bricht. Es ist anzumerken, dass die Position, an welcher der Opfer-Bruchbereich 4 angeordnet ist, nicht auf die Mitte des Lastverstärkungsbereichs 60 beschränkt ist, sondern jede beliebige Position in dem Lastverstärkungsbereich 60 sein kann, solange die Vibrationen verstärkt werden.
Die Position, an der die Vibrationen verstärkt werden, variiert in Abhängigkeit von der Charakteristik (Frequenz, Phase) der in dem Substrat 2 auftretenden Vibrationen und den physikalischen bzw. physischen Eigenschaften des Lastverstärkungsbereichs 60. Daher kann die Position des Opfer-Bruchbereichs 4 selbstverständlich in einer geeigneten Weise in Abhängigkeit von der Form und den physikalischen bzw. physischen Eigenschaften des Lastverstärkungsbereichs 60 bestimmt werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform liegt die Struktur derart vor, dass zwischen dem Lastverstärkungsbereich 60 und dem Substrat 2 kein Lotverbindungsbereich als Opfer-Bruchbereich angeordnet ist, sondern dass der Opfer-Bruchbereich 4 in dem Lastverstärkungsbereich 60 angeordnet ist. Daher ist der Opfer-Bruchbereich 4 nicht in einem Lotverbindungsbereich angeordnet, in dem die Vibrationen in dem Substrat 2 direkt ohne Verstärkung übertragen werden, sondern ist an der Position angeordnet, an der die durch Vibrationen verursachten Vibrationsbeanspruchungen größer sind, so dass die Störungen der Lotverbindungsbereiche zwischen der Montagekomponente 1 und dem Substrat 2 unter Vibrationsbeanspruchungen bei einem hohen Grad an Auslegungsfreiheit vorhergesagt werden können.
Darüber hinaus weist der Lastverstärkungsbereich 60 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Struktur auf, bei welcher der Raum 6a unter dem Opfer-Bruchbereich 4 angeordnet ist. Daher weist der Lastverstärkungsbereich 60 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, der sich von einer Struktur unterscheidet, bei welcher der Opfer-Bruchbereich 4 ohne Anordnung des Raums 6a an dem Substrat angeordnet ist, eine Struktur auf, bei der nichts vorhanden ist, das die Verformung des Opfer-Bruchbereichs 4 in der Richtung aus der Ebene heraus (der Z-Richtung) behindert. So kann der Opfer-Bruchbereich 4 zuverlässig früher als die Lotverbindungsbereiche brechen.
Als Nächstes wird, bezugnehmend auf 5, eine Auswirkung von thermischen Beanspruchungen auf das Substrat 2 oder dergleichen beschrieben. 5 ist eine schematische Abbildung, welche die Verformung des mit den Halteschenkelbereichen 3 und dem Opfer-Bruchbereich 4 ausgebildeten Lastverstärkungsbereichs 60 zeigt, wenn an dem Substrat 2 thermische Beanspruchungen anliegen.
Wenn an dem Substrat 2 thermische Beanspruchungen anliegen und dann die Temperatur des Substrats 2 ansteigt, verformt sich das Substrat 2 thermisch in der in 5 durch Pfeile gekennzeichneten Richtung, das heißt, in der Richtung in der Ebene (der Y-Richtung). Infolge der Zugbeanspruchung, die durch die thermische Verformung des Substrats 2 verursacht wird, verformen sich die Halteschenkelbereiche 3 und der Opfer-Bruchbereich 4 so, dass sie sich in der Richtung in der Ebene (der Y-Richtung) des Substrats 2 ausdehnen.
Wenn die Temperatur des Substrats 2 im Gegensatz dazu abfällt, tritt die Verformung infolge der Druckbeanspruchungen in der umgekehrten Richtung der in 5 gezeigten Pfeile auf. Wenn derartige thermische Beanspruchungen wiederholt anliegen, liegen die Zugbeanspruchung und die Druckbeanspruchung gleichmäßig wieder und wieder in der Richtung in der Ebene (in der Y-Richtung) an dem Opfer-Bruchbereich 4 an, so dass ein Riss entsteht und dieser sich in dem Opfer-Bruchbereich 4 ausdehnt und der Opfer-Bruchbereich 4 schließlich bricht.
Unter der Annahme, dass es sich um solche strukturelle Materialien handelt, bei denen scheinbare lineare Ausdehnungskoeffizienten in Bezug auf den mit den Halteschenkelbereichen 3 und dem Opfer-Bruchbereich 4 ausgebildeten Lastverstärkungsbereich 60 und in Bezug auf die Leiterplatte jeweils einen unterschiedlichen Wert aufweisen, verformt sich der Lastverstärkungsbereich 60 unter thermischen Beanspruchungen im Vergleich mit der durch die freie Ausdehnung verursachten Verformung stärker.
So kann ein Lastverstärkungsbereich 60 mit einem Opfer-Bruchbereich, dessen Lebensdauer kürzer als jene der Lotverbindungsbereiche ist, auch hinsichtlich der thermischen Beanspruchungen strukturiert werden. Es ist anzumerken, dass mit dem scheinbaren linearen Ausdehnungskoeffizienten der lineare Ausdehnungskoeffizient gemeint ist, wenn angenommen wird, dass es sich bei den Halteschenkelbereichen 3 und dem Opfer-Bruchbereich 4 um eine integrierte Komponente handelt.
Darüber hinaus können die Störungen der Lotverbindungsbereiche effektiver vorhergesagt werden, indem ein Unterschied zwischen dem scheinbaren linearen Ausdehnungskoeffizienten des Lastverstärkungsbereichs 60 und dem linearen Ausdehnungskoeffizienten der Montagekomponente 1 oder des Substrats 2, an der oder an dem der Lastverstärkungsbereich 60 zu montieren ist, in einer geeigneten Weise vorgegeben wird. Wenn zum Beispiel ein Substrat vom Flammschutzmittel-Typ 4 (FR-4-Substrat), dessen linearer Ausdehnungskoeffizient gleich 14 bis 16 (ppm/K) ist, als Substrat 2 verwendet wird, muss der Lastverstärkungsbereich 60 aus Materialien gebildet werden, deren scheinbarer linearer Ausdehnungskoeffizient gleich 19 bis 21 (ppm/K) ist.
Um eine Störung eines Lotverbindungsbereichs vorherzusagen, ist es notwendig, die Struktur derart auszulegen, dass die Lebensdauer des Opfer-Bruchbereichs 4 kürzer als jene des Lotverbindungsbereichs ist, wenn sich das Substrat 2 unter thermischen Beanspruchungen oder Vibrationsbeanspruchungen befindet. Von einem derartigen Standpunkt aus wird ein Beispiel für ein Verfahren zur Auslegung der Lebensdauer des Lotverbindungsbereichs und des Opfer-Bruchbereichs 4 beschrieben.
Zunächst wird die Lebensdauer des Lotverbindungsbereichs an dem Substrat 2 vorhergesagt (später im Detail zu beschreiben). Als Nächstes wird auf der Basis des Resultats der Lebensdauervorhersage des Lotverbindungsbereichs die Struktur (die Form und das Material) des Opfer-Bruchbereichs 4 bestimmt. Der Opfer-Bruchbereich 4 wird zum Beispiel so ausgelegt, dass die Lebensdauer des Opfer-Bruchbereichs 4 um eine vorgegebene Anzahl von Zyklen kürzer als jene des Lotverbindungsbereichs ist.
Bei dem vorstehend gezeigten Auslegungsverfahren wird der Opfer-Bruchbereich 4 auf der Basis der Lebensdauer des Lotverbindungsbereichs ausgelegt. Selbstverständlich kann die Struktur (die Form und das Material) des Lotverbindungsbereichs auch auf der Basis der Struktur des Opfer-Bruchbereichs 4 ausgelegt werden.
Da die Lebensdauer jedes Materials bei der Auslegung des Lotverbindungsbereichs und des Opfer-Bruchbereichs 4 präzise vorhergesagt werden muss, wie vorstehend beschrieben, wird nachstehend ein Verfahren zur Vorhersage der Lebensdauer des Lotverbindungsbereichs und des Opfer-Bruchbereichs 4 beschrieben.
Ein Verfahren zur Vorhersage der Lebensdauer in Abhängigkeit von thermischen Beanspruchungen oder Vibrationsbeanspruchungen läuft ab wie folgt.
Erstens (1) Berechnen von Daten (äquivalenter Belastungsbereich Δε_eqv0 ) auf der Basis einer numerischen Analyse unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode. Zweitens (2) Berechnen einer Alterungslebensdauer-Formel in Bezug auf den Lotverbindungsbereich, die aus einer Haltbarkeitsprüfung erhalten wird. Abschließend wird die Lebensdauer unter Verwendung der Daten und der Alterungslebensdauer-Formel vorhergesagt, die aus den vorstehenden Prozeduren (1) bzw. (2) erhalten werden.
Hierbei handelt es sich bei dem äquivalenten Belastungsbereich Δε_eqv um einen Parameter, der den Unterschied zwischen dem maximalen Wert und dem minimalen Wert der äquivalenten Belastung ε_eqv anzeigt, die während eines Zyklus der thermischen Beanspruchungen oder Vibrationsbeanspruchungen an einem Objekt anliegt. Bei der vorstehend erwähnten äquivalenten Belastung ε_eqv handelt es sich um einen Parameter, der durch die folgende Formel 1 aus der Von-Mises-Bedingung unter Verwendung von drei hauptsächlichen Belastungen wiedergegeben wird, die bei einem triaxialen Beanspruchungszustand innerhalb eines Objekts erzeugt werden.
Es ist anzumerken, dass ε1, ε2 und ε3 in der folgenden Formel 1 die hauptsächlichen Belastungen in der Richtung der X-Achse, der Richtung der Y-Achse beziehungsweise der Richtung der Z-Achse in dem zum Beispiel in 3 gezeigten Koordinatensystem etc. anzeigen. Außerdem zeigt v die Poisson-Zahl an. Im Folgenden wird angenommen, dass es sich bei Δε_eqv0 um den Wert handelt, der durch die Berechnung der vorstehenden Prozedur (1) erhalten wird, und dass es sich bei Δε_eqv um den Wert handelt, der durch die Berechnung der vorstehenden Prozedur (2) erhalten wird. $ε_{e q v} = \frac{1}{1 + v} \sqrt{\frac{1}{2} {{(ε_{1} - ε_{2})}^{2} + {(ε_{2} - ε_{3})}^{2} + {(ε_{3} - ε_{1})}^{2}}}$
Zunächst wird das Berechnungsverfahren der Daten (des äquivalenten Belastungsbereichs Δε_eqv0 ) auf der Basis der numerischen Analyse der vorstehenden Prozedur (1) beschrieben. Es wird ein analytisches Modell für die Montagekomponente 1, das Substrat 2 sowie die Lotverbindungsbereiche erzeugt, die das Substrat 2 und die Montagekomponente 1 verbinden. Als Nächstes wird eine Simulation unter Verwendung des erzeugten analytischen Modells in einem Fall ausgeführt, in dem Beanspruchungen, wie beispielsweise Wärme oder Vibrationen, an dem Substrat 2 anliegen. Mit der Simulation kann der tatsächlich an den Lotverbindungsbereichen anliegende äquivalente Belastungsbereich Δε_eqv0 abgeschätzt werden.
Als Nächstes wird nachstehend das Berechnungsverfahren für die Alterungslebensdauer-Formel bei der vorstehenden Prozedur (2) beschrieben. 6 ist eine schematische Abbildung, welche die Alterungslebensdauer-Formel zeigt, bei der es sich um eine Näherungsformel handelt, die auf der Basis der Alterungslebensdauer-Daten berechnet wird, die aus der Haltbarkeitsprüfung an einem Metallmaterial erhalten werden, das ein Lot aufweist. In der Figur repräsentiert die vertikale Achse den äquivalenten Belastungsbereich Δε_eqv , und die horizontale Achse repräsentiert die Anzahl von Zyklen (die Lebensdauer) Nf.
Die Linie in der Figur zeigt die Alterungslebensdauer-Formel. Bei der Alterungslebensdauer-Formel handelt es sich um eine Näherungsformel, bei der die Alterungslebensdauer-Daten durch die folgende Formel 2 angenähert werden. Bei α und β in Formel 2 handelt es sich um Parameter der Näherungsformel, die in Abhängigkeit von dem Material und dem Bruch-Modus der Lotverbindungsbereiche jeweils unterschiedliche Werte aufweisen.
Es ist anzumerken, dass es sich bei den vorstehend erwähnten Alterungslebensdauer-Daten um Daten handelt, die mehrere Datensätze aufweisen, die jeweils aus den äquivalenten Belastungsbereichen Δε_eqv und der Anzahl von Zyklen (der Lebensdauer) N_f bestehen. In 6 sind die Datensätze jedoch aus der Darstellung weggelassen, und die Darstellung weist lediglich die Alterungslebensdauer-Formel (die Näherungsformel) auf. $Δ ε_{e q v} = α \times N_{f}^{- β}$
Wenn schließlich der äquivalente Belastungsbereich Δε_eqv0 auf der linken Seite der vorstehenden Formel 2 substituiert wird und die resultierende Gleichung für die Anzahl von Zyklen (die Lebensdauer) N_f gelöst wird, dann wird N_f = N₀ abgeleitet. Hierbei handelt es sich bei No um die abgeschätzte Lebensdauer der Lotverbindungsbereiche.
Nachstehend wird das Auslegungsverfahren für die Lotverbindungsbereiche und den Opfer-Bruchbereich 4 im Detail beschrieben. Hierbei wird angenommen, dass der Bruch-Modus thermischen Beanspruchungen zugeschrieben wird und die thermischen Beanspruchungen durch Wärmezyklen anliegen (Temperaturbereich: -65 °C bis 95 C). Darüber hinaus wird außerdem angenommen, dass die Lotverbindungsbereiche eine Packung vom QFP-Typ und das Substrat 2 verbinden und die Lotverbindungsbereiche aus einem eutektischen Lot gebildet sind (PB: 37%, Sn: 63%). 7 ist eine Gesamtansicht des analytischen Modells, das die Lotverbindungsbereiche zwischen dem Gehäuse vom QFP-Typ und dem Substrat 2 simuliert. 8 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Lotverbindungsbereiche des in 7 gezeigten analytischen Modells.
Zunächst wird bei der vorstehenden Prozedur (1) mittels der numerischen Analyse, welche die Wärmezyklen mit dem Temperaturbereich von -65 C bis 95 C simuliert, eine Berechnung durchgeführt, und der an den Lotverbindungsbereichen anliegende äquivalente Belastungsbereich Δε_eqv0 wird abgeschätzt.
Es ist anzumerken, dass ein Gehäuse, wie beispielsweise eines vom BGA-Typ und eine vom QFP-Typ, mehrere Lotverbindungsbereiche aufweist, wie in 8 dargestellt. Bei solchen mehreren Lotverbindungsbereichen werden, wenn sich die Formen derselben voneinander unterscheiden, für jeden der Lotverbindungsbereiche Beanspruchungen in unterschiedlichen Richtungen erzeugt, und jeder der Lotverbindungsbereiche kann einen anderen Bruch-Modus aufweisen.
In diesem Fall wird die Lebensdauer unter Verwendung des aus der vorstehenden Prozedur (1) erhaltenen äquivalenten Belastungsbereichs Δε_eqv0 und der aus der vorstehenden Prozedur (2) erhaltenen Alterungslebensdauer-Formel vorhergesagt, indem der Fokus auf einen Lotverbindungsbereich gelegt wird, der die kürzeste Lebensdauer (den größten äquivalenten Belastungsbereich) von den mehreren Lotverbindungsbereichen aufweist.
Von den mehreren Lotverbindungsbereichen (die in 8 dargestellt sind) des Gehäuses vom QFP-Typ weist der Lotverbindungsbereich der Zuleitung an der Ecke des Gehäuses (an dem Bereich, der in der Figur an der am nächsten gelegenen Seite positioniert ist) einen äquivalenten Belastungsbereich Δε_eqv0 von 8,8 × 10^-3 auf, welcher der größte äquivalente Belastungsbereich Δε_qv0 ist. Auf diese Weise wird die Lebensdauer für diesen Lotverbindungsbereich vorhergesagt.
Darüber hinaus werden die Alterungslebensdauer-Daten für eine Berechnung der Alterungslebensdauer-Formel bei der vorstehenden Prozedur (2) erhalten, indem ein Wärmezyklustest für das eutektische Lot durchgeführt wird. Aus den erhaltenen Alterungslebensdauer-Daten werden die Koeffizienten α und β der vorstehenden Formel 2 mit 0,38 beziehungsweise 0,44 berechnet. Werden diese berechneten Werte der Koeffizienten in Formel 2 substituiert, wird Formel 3 (die Alterungslebensdauer-Formel) abgeleitet. $Δ ε_{e q v} = 0,38 \times N_{f}^{- 0,44}$
Da der vorstehend beschriebene äquivalente Belastungsbereich Δε_eqv0 gleich 8,8 × 10^-3 ist, kann die Lebensdauer des Lotverbindungsbereichs Nr (No) durch Substituieren des Werts auf der linken Seite der vorstehenden Formel 3 aus dem Vorstehenden mit 5207 Zyklen abgeschätzt werden.
Die Lebensdauer des Opfer-Bruchbereichs 4 kann wie bei dem Lotverbindungsbereich abgeschätzt werden. Zunächst wird der an dem Opfer-Bruchbereich 4 anliegende äquivalente Belastungsbereich Δε_eqv0 unter Verwendung der Formel 1 abgeschätzt. Hierbei wird angenommen, dass die Form des Lastverstärkungsbereichs 60 gleich der in 3 gezeigten Form ist. 9 zeigt ein analytisches Modell für eine numerische Analyse, die auf der Basis der Form des Lastverstärkungsbereichs 60 in 3 ausgeführt wird.
Unter der Annahme, dass es sich bei dem Material des Opfer-Bruchbereichs 4 um ein eutektisches Lot wie bei dem Lotverbindungsbereich handelt, es sich bei dem Material der Halteschenkelbereiche 3 um ein sauerstofffreies Kupfer handelt und es sich bei dem Material des Substrats um FR-4 handelt, wird eine Berechnung in der gleichen Weise wie bei der numerischen Analyse für den Lotverbindungsbereich durchgeführt, indem die Wärmezyklen mit einem Temperaturbereich zwischen -65 °C und 95 C simuliert werden. I
m Ergebnis wird der äquivalente Belastungsbereich Δε_eqv0 des Opfer-Bruchbereichs 4 mit 9,6 × 10^-3 berechnet. Durch Substituieren des abgeleiteten Werts in der vorstehenden Formel 3 kann die Lebensdauer N_f des Opfer-Bruchbereichs 4 mit 4273 Zyklen abgeschätzt werden.
Mit der Struktur bei diesem Beispiel kann die Lebensdauer des Opfer-Bruchbereichs 4 so ausgelegt werden, dass sie kürzer als jene des Lotverbindungsbereichs ist. Dies bedeutet, dass die Störungsvorhersage-Einrichtung eine Störung des Lotverbindungsbereichs vorhersagen kann, bevor dieser bricht, da es möglich ist, zu bewirken, dass der Opfer-Bruchbereich 4 früher als der Lotverbindungsbereich bricht.
Es ist anzumerken, dass die Struktur (die Form und das Material) des Ladungsverstärkungsbereichs 60 bei der vorliegenden Ausführungsform irgendeine beliebige Struktur sein kann, solange es möglich ist, dass die Lebensdauer des Opfer-Bruchbereichs 4 kürzer als jene der Lotverbindungsbereiche ist, wenngleich ein in 3 gezeigtes Beispiel für den Lastverstärkungsbereich 60 beschrieben ist, der nicht auf das Beispiel beschränkt ist.
Wie bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel kann die Formel, die für die Lotverbindungsbereiche berechnet worden ist, in einem Fall, in dem der Opfer-Bruchbereich 4 aus dem gleichen Material wie jenem der Lotverbindungsbereiche gebildet ist und die Bruch-Modi in dem Opfer-Bruchbereich 4 und den Lotverbindungsbereichen die gleichen sind, als eine Alterungslebensdauer-Formel verwendet werden. Ganz zu schweigen davon, dass bei dem vorstehend beschriebenen Fall auch die Alterungslebensdauer-Daten, die durch eine Haltbarkeitsprüfung erhalten werden, für den Opfer-Bruchbereich 4 in der gleichen Weise wie für die Lotverbindungsbereiche verwendet werden können.
Im Gegensatz dazu werden in einem Fall, in dem der Opfer-Bruchbereich 4 aus einem Material gebildet ist, das sich von jenem der Lotverbindungsbereiche unterscheidet, oder in einem Fall, in dem sich die Bruch-Modi in dem Opfer-Bruchbereich 4 und den Lotverbindungsbereichen unterscheiden, die Alterungslebensdauer-Daten durch eine Haltbarkeitsprüfung jeweils für den Opfer-Bruchbereich 4 und die Lotverbindungsbereiche erhalten, und die Alterungslebensdauer-Formeln werden aus den erhaltenen Alterungslebensdauer-Daten berechnet.
Vorstehend ist ein Lebensdauerauslegungs-Verfahren für die Lotverbindungsbereiche und den Opfer-Bruchbereich 4 unter Verwendung eines Beispiels beschrieben, bei dem thermische Beanspruchungen an dem Substrat 2 anliegen. Auch in einem Fall, in dem Vibrationsbeanspruchungen an dem Substrat 2 anliegen, kann die Lebensdauerauslegung in der gleichen Weise durchgeführt werden. Um die Lebensdauer des Opfer-Bruchbereichs 4 zu verkürzen, stehen die folgenden zwei Verfahren zur Verfügung: ein Verfahren für eine Vergrößerung der an dem Opfer-Bruchbereich 4 anliegenden Belastung (Beanspruchung) sowie ein Verfahren für eine Verringerung der Festigkeit des Opfer-Bruchbereichs 4. Diese Verfahren werden bei später zu beschreibenden Ausführungsformen im Detail beschrieben.
Als Nächstes wird, bezugnehmend auf 10, ein Ablauf gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. 10 ist ein Flussdiagramm, das den Ablauf bei der Störungsvorhersage gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Messbereich 5, der mit dem Lastverstärkungsbereich 60 verbunden ist, wie zuvor beschrieben, misst den Wert eines elektrischen Widerstands des Lastverstärkungsbereichs 60 regelmäßig oder unregelmäßig (Schritt S1).
Die Störungsvorhersage-Einheit bestimmt, dass eine Abtrennung auftritt, wenn der Wert des elektrischen Widerstands über einen vorgegebenen Schwellenwert hinausgeht (Schritt S2) und gibt ein Abtrennungssignal aus (Schritt S3).
Der Zeitpunkt für eine Messung (Überwachung) des Werts des elektrischen Widerstands ist zum Beispiel dann, wenn die Energieversorgung eingeschaltet wird, da die Temperatur stark schwankt. Wenn der Einschalt-Zustand der Energieversorgung weiterbesteht, kann die Überwachung in festen Zeitintervallen ausgeführt werden.
In einem Fall, in dem das Auftreten einer Abtrennung auf der Basis der Änderung des Werts des elektrischen Widerstands bestimmt wird, kann das ausgegebene Abtrennungssignal als ein Alarm auf einer Anzeige oder dergleichen angezeigt werden, so dass ein Nutzer dahingehend informiert werden kann, dass der Schädigungsgrad der Verbindungsbereiche hoch ist und ein Bruch bevorsteht. Darüber hinaus ist es wünschenswert, Mittel zur Verfügung zu stellen, um zum Zeitpunkt der Ausgabe des Abtrennungssignals zugleich ein Daten-Backup durchzuführen. Dies hilft dabei, das Risiko eines Datenverlusts aufgrund des Auftretens einer Störung zu vermeiden (Schritt S4).
Es ist anzumerken, dass bei der vorstehenden Beschreibung der Ablauf für die Vorhersage einer Störung gezeigt ist. Stattdessen kann unter Verwendung des folgenden Verfahrens der Schädigungsgrad der Lotverbindungsbereiche aus der Änderung der elektrischen Charakteristik abgeschätzt werden.
Es wird ein Beispiel für das Abschätzungsverfahren in Bezug auf den Schädigungsgrad beschrieben. Eine Störungsvorhersage-Einheit (nicht dargestellt) erhält den Schädigungsgrad der Lotverbindungsbereiche gemäß der mittels des Messbereichs 5 gemessenen elektrischen Charakteristik des Lastverstärkungsbereichs 60 und einer Datenbasis für eine Schädigung und eine elektrische Charakteristik.
Hierbei handelt es sich bei der Datenbasis für eine Schädigung und eine elektrische Charakteristik um eine Datenbasis, bei der die elektrische Charakteristik des Lastverstärkungsbereichs 60 und die Schädigung der Lotverbindungsbereiche in Zuordnung zueinander gehalten werden, wobei die Datenbasis durch Akkumulieren von Resultaten erzeugt wird, die im Voraus aus Experimenten abgeleitet werden.
11 ist eine Seitenansicht, die eine Variation zeigt, bei welcher der Lastverstärkungsbereich 60 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung an einer Montagekomponente angeordnet ist. Bei der vorstehenden Beschreibung ist eine Struktur beschrieben, bei welcher der Lastverstärkungsbereich 60 an dem Substrat 2 angeordnet ist. Es kann jedoch auch eine Struktur angegeben werden, bei welcher der Lastverstärkungsbereich 60 an einer an dem Substrat 2 montierten Montagekomponente 1 angeordnet ist.
Dies führt zu einer Reduktion der Anzahl von Bauteilen, die an dem Substrat 2 zu montieren sind, und zu einer Reduktion der Arbeitsstunden für ein Montieren der Bauteile sowie zu einer Reduktion der Produktionskosten. Darüber hinaus ist eine Zuweisung eines Bereichs an dem Substrat für den Lastverstärkungsbereich 60 nicht notwendig, so dass dies zu einer hohen Montagedichte an dem Substrat 2 führt.
12 ist eine Seitenansicht, die eine Variation des Lastverstärkungsbereichs 60 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in der Figur gezeigt, ist der Opfer-Bruchbereich 4 in Kontakt mit dem Substrat 2 (oder der Montagekomponente 1) angeordnet. Insbesondere ist die Dicke (in der Z-Richtung) der Brückenverbindungsbereiche 32 so strukturiert, dass sie gleich der Länge der Schenkel 31 (in der Z-Richtung) oder größer als diese ist.
Bei einer in 12 gezeigten Struktur, bei der sich der Opfer-Bruchbereich 4 und das Substrat 2 in Kontakt miteinander befinden, kann die Verformung des Opfer-Bruchbereichs 4 in der Richtung aus der Ebene heraus (in der Z-Richtung), die durch Vibrationsbeanspruchungen verursacht wird, erschwert sein. In einem derartigen Fall kann die Lebensdauer des Opfer-Bruchbereichs 4 so ausgelegt werden, dass sie kürzer als die Lebensdauer der Lotverbindungsbereiche ist, indem anstatt eines Verfahrens für eine Erhöhung der Belastung in dem Opfer-Bruchbereich 4 ein Verfahren für eine Verringerung der Festigkeit des Opfer-Bruchbereichs 4 verwendet wird.
Es ist anzumerken, dass zusätzlich zu dem Fall, bei dem sich der Opfer-Bruchbereich 4 und das Substrat 2 (oder die Montagekomponente 1) ohne einen Zwischenraum zwischen diesen in engem Kontakt zueinander befinden, der vorstehend beschriebene Fall, bei dem „sich das Substrat 2 und der Opfer-Bruchbereich 4 in Kontakt miteinander befinden“, einen Fall umfasst, bei dem zwischen dem Opfer-Bruchbereich 4 und dem Substrat 2 (oder der Montagekomponente 1) ein Zwischenraum mit einer Höhe angeordnet ist, die der Höhe (zum Beispiel 2 Millimeter bis 3 Millimeter oder weniger) eines Lotverbindungsbereichs entspricht.
Gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung können unter Verwendung der Struktur, die einen hohen Grad an Auslegungsfreiheit aufweist, durch Vibrationsbeanspruchungen verursachte Störungen der Lotverbindungsbereiche vorhergesagt werden, da der Opfer-Bruchbereich 4 an einer Position angeordnet ist, an der aufgrund der Vibrationsbeanspruchungen eine starke Verformung auftritt.
Ausführungsform 2
13 ist eine schematische Abbildung, die eine Form eines Lastverstärkungsbereichs 60A einer Leiterplatte gemäß Ausführungsform 2 zeigt. Bei der Ausführungsform 1 weisen die Halteschenkelbereiche 3 in der Z-Richtung die gleiche Dicke wie der Opfer-Bruchbereich 4 auf. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist ein Opfer-Bruchbereich 4A so ausgebildet, dass dessen Dicke in der Z-Richtung geringer als jene der Halteschenkelbereiche 3 ist.
Es ist anzumerken, dass bei der vorliegenden Ausführungsform lediglich die Strukturen beschrieben werden, die sich von jenen der Ausführungsform 1 unterscheiden, und jene, bei denen es sich um die gleichen oder entsprechende Strukturen handelt, werden nicht erneut beschrieben.
Bei der Leiterplatte gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der Opfer-Bruchbereich 4A so strukturiert, dass er in der Richtung aus der Ebene heraus (in der Z-Richtung) eine Dicke aufweist, die geringer als die Dicke der Halteschenkelbereiche 3 ist. Mit der Struktur kann eine Verformung (Beanspruchung) des Opfer-Bruchbereichs 4A in einem Fall, in dem entweder Vibrationsbeanspruchungen oder thermische Beanspruchungen oder beide an dem Substrat 2 anliegen, verstärkt werden, und es kann bewirkt werden, dass die Rissausdehnungsweite in dem Opfer-Bruchbereich 4A gering ist, so dass die Struktur leichter brechen kann.
Darüber hinaus kann der Opfer-Bruchbereich 4A so ausgelegt werden, dass er eine Soll-Lebensdauer aufweist, indem die Abmessungen eingestellt werden, wie beispielsweise Dicke, Länge und Schnittfläche des Elements. Ferner kann in Bezug auf die Lotverbindungsbereiche in jeder der Montagekomponenten 1 die restliche Lebensdauer der Lotverbindungsbereiche präziser vorhergesagt werden, wenn im Voraus Informationen in Bezug auf den Unterschied der Lebensdauer im Vergleich zu jener des Opfer-Bruchbereichs 4A erhalten werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Formen des Opfer-Bruchbereichs 4A und der Halteschenkelbereiche 3 unterschiedlich gestaltet. So liegt zusätzlich zu dem bei Ausführungsform 1 beschriebenen Effekt ein solcher Effekt vor, dass der Opfer-Bruchbereich 4A leicht so ausgelegt werden kann, dass er eine SollBruch-Lebensdauer aufweist.
Ausführungsform 3
14 ist eine schematische Abbildung, die ein Beispiel für die Form eines Lastverstärkungsbereichs 60B einer Leiterplatte gemäß Ausführungsform 3 zeigt. 15 ist eine schematische Abbildung, die ein Beispiel für die Form eines Lastverstärkungsbereichs 60C zeigt, bei dem es sich um eine Variation des in 14 gezeigten Lastverstärkungsbereichs 60B handelt. Opfer-Bruchbereiche 4B und 4C gemäß Ausführungsform 3 unterscheiden sich von jenen bei der Ausführungsform 1 dahingehend, dass sie jeweils Einkerbungen oder Aussparungen aufweisen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform werden lediglich die Strukturen beschrieben, die sich von jenen der Ausführungsform 1 unterscheiden, und jene, bei denen es sich um die gleichen oder entsprechende Strukturen handelt, werden nicht erneut beschrieben.
Die Lastverstärkungsbereiche 60B und 60C gemäß der vorliegenden Ausführungsform weisen einen Opfer-Bruchbereich 4B mit rechtwinkligen Einkerbungen oder Aussparungen 7A (die in 14 gezeigt sind) beziehungsweise einen Opfer-Bruchbereich 4C mit dreieckigen Einkerbungen oder Aussparungen 7B auf (die in 15 gezeigt sind). Bei der Form der Einkerbungen oder Aussparungen in den Brückenbereichen 6B und 6C kann es sich um irgendeine beliebige Form handeln, solange die Dicke des Opfer-Bruchbereichs in der Z-Richtung dünner gestaltet ist.
Wenngleich, wie in 14 und 15 gezeigt, Einkerbungen oder Aussparungen symmetrisch an den beiden seitlichen Flächen senkrecht zu der Richtung aus der Ebene heraus (der Z-Richtung) des Substrats 2 angeordnet sind, ist es in Bezug auf die Einkerbungen oder Aussparungen 7A oder 7B möglich, dass eine einzige Einkerbung oder Aussparung lediglich auf der einen der seitlichen Flächen angeordnet ist. Des Weiteren ist der Ort der Einkerbungen oder Aussparungen nicht auf die Flächen senkrecht zu der Richtung aus der Ebene heraus (der Z-Richtung) beschränkt.
Stattdessen können die Einkerbungen oder Aussparungen an den Flächen senkrecht zu der X-Richtung oder der Y-Richtung angeordnet sein, solange die Festigkeit des Opfer-Bruchbereichs geringer als die Festigkeit der Halteschenkelbereiche 3 der Lastverstärkungsbereiche 60B und 60C gestaltet werden kann.
Mit einer derartigen Struktur können zusätzlich zu dem gleichen Effekt wie bei Ausführungsform 2 Zeit und Aufwand für die maschinelle Bearbeitung im Vergleich zu Ausführungsform 2 eingespart werden.
Ausführungsform 4
Der Lastverstärkungsbereich 60 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist so ausgebildet, dass er eine Form derart aufweist, dass die Eigenfrequenz desselben gleich der Frequenz von an dem Substrat 2 anliegenden Vibrationsbeanspruchungen ist. Als ein Verfahren zur Änderung der Eigenfrequenz des Lastverstärkungsbereichs 60 gibt es ein Verfahren, bei dem die Länge in der Längsrichtung, die Breite und die Dicke des Lastverstärkungsbereichs 60 geändert werden.
Die Amplitude der Vibrationen des Lastverstärkungsbereichs 60 ändert sich in Abhängigkeit von der Frequenz der an dem Substrat 2 anliegenden Vibrationen. Wenn Vibrationen, deren Frequenz nahe bei der Eigenfrequenz eines Elements liegt, an diesem anliegen, beginnt das Element, mitzuschwingen, so dass die an dem Element anliegenden Beanspruchungen höher werden. In einem Fall zum Beispiel, in dem der Lastverstärkungsbereich 60 mit den in 3 gezeigten Abmessungen gebildet ist, ist die Eigenfrequenz des Lastverstärkungsbereichs 60 gleich 490 Hz.
Als physikalische Eigenschaften der Halteschenkelbereiche 3 und des Opfer-Bruchbereichs 4 sind hierbei die Elastizitätskoeffizienten gleich 123 bzw. 42 (Gigapascal), die Poisson-Zahlen sind gleich 0,33 beziehungsweise 0,36, und die Dichten sind gleich 8880 beziehungsweise 7400 (Kilogramm pro Kubikmeter). In 3 sind die Halteschenkelbereiche 3 (Kupfer) und der Opfer-Bruchbereich 4 (bleifreies Lot) aus Materialien gebildet, die sich voneinander unterscheiden. In einem Fall jedoch, in dem die Halteschenkelbereiche 3 und der Opfer-Bruchbereich 4 aus dem gleichen Material gebildet sind, das heißt aus Kupfer, ist die Eigenfrequenz des Lastverstärkungsbereichs 60 gleich 525 Hz.
Auf diese Weise kann der Lastverstärkungsbereich 60 durch Ändern des Materials und der Form so gebildet werden, dass er irgendeine beliebige Eigenfrequenz aufweist. Mit einer derartigen Struktur kann die Eigenfrequenz des Lastverstärkungsbereichs 60 an die Frequenz der an dem Substrat 2 anliegenden Vibrationen angepasst werden, und so liegt ein Effekt derart vor, dass die an dem Substrat 2 anliegenden Vibrationen in dem Lastverstärkungsbereich 60 effektiv verstärkt werden können und bewirkt werden kann, dass der Opfer-Bruchbereich 4 zuverlässig bricht.
Bei der vorliegenden Ausführungsform liegen die Vibrationsbeanspruchungen, deren Frequenzbereich die Eigenfrequenz des Lastverstärkungsbereichs 60 enthält, an dem Substrat 2 an, der Lastverstärkungsbereich 60 schwingt mit und verstärkt die Verformung (Beanspruchung), die an dem Opfer-Bruchbereich 4 auftritt. So kann der Opfer-Bruchbereich 4 unter den Vibrationsbeanspruchungen so ausgelegt werden, dass er die Soll-Lebensdauer aufweist, und zusätzlich zu dem bei Ausführungsform 1 beschriebenen Effekt kann die Lebensdauer der Verbindungsbereiche zwischen dem Substrat 2 und den Montagekomponenten 1 unter Vibrationsbeanspruchungen präzise vorhergesagt werden.
Ausführungsform 5
16 ist eine schematische Abbildung, die eine Form eines Lastverstärkungsbereichs 60D einer Leiterplatte gemäß Ausführungsform 5 zeigt. Der Lastverstärkungsbereich 60D gemäß Ausführungsform 5 unterscheidet sich von jenem bei Ausführungsform 1 dahingehend, dass ein Montagegewicht 8 an der Oberseite des Opfer-Bruchbereichs angeordnet ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden lediglich die Strukturen beschrieben, die sich von jenen bei der Ausführungsform 1 unterscheiden, und jene, bei denen es sich um die gleichen oder entsprechende Strukturen handelt, werden nicht erneut beschrieben.
Bei der Leiterplatte gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die Masse des Opfer-Bruchbereichs 4 erhöht werden, so dass die an dem Opfer-Bruchbereich 4 auftretende Verformung (Beanspruchung) in der Richtung aus der Ebene heraus (der Z-Richtung) vergrößert werden kann, wenn sich das Substrat 2 unter Vibrationsbeanspruchungen befindet. Im Ergebnis kann der Opfer-Bruchbereich 4 infolge der Vibrationsbeanspruchungen früher und somit in einem Zustand brechen, bevor die Lotverbindungsbereiche zwischen der Montagekomponente 1 und dem Substrat 2 brechen, der Opfer-Bruchbereich 4 kann zuverlässig brechen. So kann dadurch die Wahrscheinlichkeit weiter reduziert werden, dass die Lotverbindungsbereiche brechen, bevor der Opfer-Bruchbereich 4 bricht, und das Brechen der Lotverbindungsbereiche nicht vorhergesagt werden kann.
Darüber hinaus kann die Eigenfrequenz des Brückenbereichs 6D oder des Lastverstärkungsbereichs 60D durch Anbringen des Montagegewichts 8 verringert werden. Durch Einstellen der Masse des Montagegewichts 8 kann die Soll-Eigenfrequenz leicht eingestellt werden. Auf diese Weise kann die Verformung (Beanspruchung) des Opfer-Bruchbereichs 4, wenn Vibrationsbeanspruchungen mit einem breiten Frequenzbereich, der die Eigenfrequenz des Lastverstärkungsbereichs 60D enthält, von außen an dem Substrat 2 anliegen, wie bei Ausführungsform 4 vergrößert werden.
Es ist anzumerken, dass das Montagegewicht 8, das an dem Opfer-Bruchbereich 4 anzubringen ist, bevorzugt aus einem nicht-leitfähigen Material hergestellt ist. Im Fall eines leitfähigen Materials kann dieses auch nach dem Bruch des Opfer-Bruchbereichs 4 einen Strompfad darstellen, so dass eine Detektion der Änderung der elektrischen Charakteristik, mit anderen Worten, eine Detektion des Bruchs des Opfer-Bruchbereichs 4 möglicherweise schwierig sein kann.
Wenn daher ein leitfähiges Material verwendet wird, so wird das leitfähige Material mit einem isolierenden Material bedeckt, wie beispielswiese einem isolierenden Harz, so dass das Montagegewicht 8 nicht als ein Strompfad fungiert und der Bruch des Opfer-Bruchbereichs 4 zuverlässig detektiert werden kann.
Bei der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich bei der Struktur um eine solche, bei der das Montagegewicht 8 an der Oberseite des Opfer-Bruchbereichs 4 angeordnet ist. So kann zusätzlich zu dem bei der Ausführungsform 1 beschriebenen Effekt die Wahrscheinlichkeit weiter reduziert werden, dass die Lotverbindungsbereiche vor einem Bruch des Opfer-Bruchbereichs 4 brechen.
Ausführungsform 6
17 ist eine schematische Abbildung, die eine Form eines Lastverstärkungsbereichs 60E einer Leiterplatte gemäß Ausführungsform 6 zeigt. Wie in der Figur gezeigt, werden Brückenverbindungsbereiche 32A, wenn der Lastverstärkungsbereich 60E gebildet wird, aus der Position, die durch die durchgezogene Linie gekennzeichnet ist, in die Position verschoben, die durch die gestrichelte Linie gekennzeichnet ist, und dann an den beiden Enden des Opfer-Bruchbereichs 4 befestigt.
Der Lastverstärkungsbereich 60E gemäß Ausführungsform 6 unterscheidet sich von jenem bei Ausführungsform 1 dahingehend, dass ein Paar von elastische Kräfte zeigenden Halteschenkelbereichen 3A an dem Opfer-Bruchbereich 4 befestigt ist. Mit anderen Worten, der Opfer-Bruchbereich 4 ist in einem Zustand befestigt, in dem er durch ein Paar der elastische Kräfte zeigenden Brückenverbindungsbereiche 32A sandwichartig angeordnet ist. Die Halteschenkelbereiche 3A gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind aus einem elastischen Material gebildet, das wie eine Feder federt. Die aus einem elastischen Material gebildeten Halteschenkelbereiche 3A sind mit dem Opfer-Bruchbereich verbunden, wobei sich deren Längen in Bezug auf die ursprünglichen Längen derselben vergrößern oder verkleinern.
So sind die Halteschenkelbereiche 3A an dem Opfer-Bruchbereich 4 befestigt, wobei durch den Opfer-Bruchbereich 4 Beanspruchungen in der Richtung in der Ebene (der Y-Richtung) anliegen. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden lediglich die Strukturen beschrieben, die sich von jenen bei Ausführungsform 1 unterscheiden, und jene, bei denen es sich um die gleichen oder entsprechende Strukturen handelt, werden nicht erneut beschrieben.
Bezugnehmend auf die Struktur der Halteschenkelbereiche 3A gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind die Brückenverbindungsbereiche 32A eines Brückenbereichs 6E hinsichtlich der Form in der Richtung aus der Ebene heraus (der Z-Richtung) in Bezug auf das Substrat 2 gebogen, anstatt, wie bei Ausführungsform 1, horizontal gehalten zu sein, und dadurch sind die Halteschenkelbereiche 3A an jeweiligen Enden des Opfer-Bruchbereichs 4 befestigt, während eine elastische Kraft auf diese ausgeübt wird.
Wenn unter entweder Vibrationsbeanspruchungen oder thermischen Beanspruchungen oder beiden in dem Substrat 2 ein Riss in dem Opfer-Bruchbereich 4 erzeugt wird, dehnt sich ein Riss in dem Opfer-Bruchbereich 4 mit der Struktur infolge der auf die Halteschenkelbereiche 3A ausgeübten elastischen Kraft aus, und der Opfer-Bruchbereich 4 bricht. Da die Zeitspanne von der Erzeugung eines Risses bis zum Bruch verkürzt werden kann, kann so die Änderung der elektrischen Charakteristik des Opfer-Bruchbereichs 4 zuverlässig detektiert werden, und die Lebensdauer der Verbindungsbereiche zwischen dem Substrat 2 und der Montagekomponente 1 kann präziser vorhergesagt werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform weist die Struktur den Opfer-Bruchbereich 4 auf, der mit den Halteschenkelbereichen 3A verbunden ist, wobei eine elastische Kraft auf diese ausgeübt wird. Da die Zeitspanne von der Erzeugung eines Risses bis zum Bruch des Opfer-Bruchbereichs 4 verkürzt werden kann, liegt so zusätzlich zu dem bei Ausführungsform 1 beschriebenen Effekt ein Effekt derart vor, dass die Änderung der elektrischen Charakteristik des Lastverstärkungsbereichs 60E, die durch den Bruch des Opfer-Bruchbereichs 4 verursacht wird, zuverlässig detektiert werden kann.
Ausführungsform 7
18 ist eine schematische Abbildung, die eine Form eines Lastverstärkungsbereichs 60F einer Leiterplatte gemäß Ausführungsform 7 zeigt. Der Lastverstärkungsbereich 60F gemäß der Ausführungsform 7 unterscheidet sich von jenem bei Ausführungsform 1 dahingehend, dass in der Richtung aus der Ebene heraus (der Z-Richtung) mehrere Opfer-Bruchbereiche 40A bis 40C angeordnet sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden lediglich die Strukturen beschrieben, die sich von jenen bei der Ausführungsform 1 unterscheiden, und jene, bei denen es sich um die gleichen oder entsprechende Strukturen handelt, werden nicht erneut beschrieben.
In dem Brückenbereich 6F sind mehrere Opfer-Bruchbereiche 40A bis 40C so angeordnet, dass sie in der Richtung aus der Ebene heraus (der Z-Richtung) des Substrats 2 eine Schichtstruktur bilden. Mit anderen Worten, die mehreren Opfer-Bruchbereiche sind in der Richtung aus der Ebene heraus (der Z-Richtung) mit einem vorgegebenen Abstand getrennt voneinander angeordnet.
In der Figur sind Zwischenräume zwischen den Opfer-Bruchbereichen 40A und 40B und zwischen den Opfer-Bruchbereichen 40B und 40C ausgebildet. Es ist anzumerken, dass mit den mehreren Opfer-Bruchbereichen 40A bis 40C ohne Anordnung eines Zwischenraums, die sich von dem in 18 gezeigten Lastverstärkungsbereich 60F unterscheiden, der gleiche Effekt erzielt wird.
Es wird ein Verfahren zur Bestimmung des Belastungsfaktors oder Beanspruchungsfaktor beschrieben. Die Änderung der elektrischen Charakteristik in jedem der mehreren Opfer-Bruchbereiche wird mittels des Messbereichs 5 gemessen. Auf der Basis der mittels des Messbereichs 5 erhaltenen Messergebnisse in Bezug auf jeden der mehreren Opfer-Bruchbereiche können Bruchzustände der Opfer-Bruchbereiche, das heißt, die angeordnete Position in der Z-Richtung etc. von jedem der Opfer-Bruchbereiche herausgefunden werden, der bricht. Ferner ist es in Abhängigkeit von dem Bruchzustand der Opfer-Bruchbereiche möglich, zu bestimmen, welche von Vibrationsbeanspruchungen und thermischen Beanspruchungen der Hauptfaktor für die Störung ist.
Nachstehend wird ein spezifisches Beispiel für das vorstehend erwähnte Verfahren zur Bestimmung des Belastungsfaktors oder des Beanspruchungsfaktors beschrieben. Wie bei der Ausführungsform 1 beschrieben, brechen beim Anliegen von Vibrationsbeanspruchungen an dem Substrat 2 die Oberflächenseiten der Opfer-Bruchbereiche 40A und 40C zuerst, da die Beanspruchungen an den Oberflächenseiten der Opfer-Bruchbereiche in Bezug auf die Richtung aus der Ebene heraus (die Z-Richtung) des Substrats 2 höher sind.
Wenn im Gegensatz dazu thermische Beanspruchungen anliegen, verformen sich die Opfer-Bruchbereiche in der Richtung in der Ebene (der Y-Richtung) des Substrats 2. In diesem Fall liegt an jedem der Opfer-Bruchbereiche 40A, 40B und 40C das gleiche Beanspruchungsniveau an, so dass die Opfer-Bruchbereiche 40A, 40B und 40C gleichzeitig brechen.
Bei dem vorstehend erwähnten Beispiel sind die Opfer-Bruchbereiche 40A, 40B und 40C an der vorderen Oberflächenseite, in der Mitte beziehungsweise an der unteren Oberflächenseite des Lastverstärkungsbereichs 60F angeordnet. Es ist wünschenswert, dass die Opfer-Bruchbereiche für eine Reduktion der Anzahl der Opfer-Bruchbereiche in der Mitte und zumindest an einer von der unteren Oberflächenseite oder der vorderen Oberflächenseite angeordnet sind. Selbstverständlich können die Opfer-Bruchbereiche jedoch frei angeordnet werden, wenn die Anzahl der Opfer-Bruchbereiche, die genutzt werden können, vergrößert werden kann.
Wie in 18 gezeigt, sind bei der Struktur die drei Opfer-Bruchbereiche 40A bis 40C angeordnet. Auch wenn die Anzahl der Opfer-Bruchbereich gleich zwei ist, kann der Faktor der Störung jedoch durch das Einstellen der Anordnungsposition bestimmt werden. Insbesondere muss die eine Schicht der Opfer-Bruchbereiche in der Höhenrichtung (der Z-Richtung) der Brückenverbindungsbereiche 32 in der Mitte angeordnet sein, und die andere Schicht der Opfer-Bruchbereiche muss an der vorderen Oberflächenseite oder der unteren Oberflächenseite angeordnet sein.
Wenngleich der Belastungsfaktor oder Beanspruchungsfaktor bei der vorstehend erwähnten Beschreibung gemäß der Anordnungsposition des Opfer-Bruchbereichs bestimmt wird, der bricht, kann der Belastungsfaktor oder Beanspruchungsfaktor in Abhängigkeit von der Anzahl der Opfer-Bruchbereiche bestimmt werden, die brechen. In diesem Fall ist es nicht notwendig, die Änderung der elektrischen Charakteristik von jedem der mehreren Opfer-Bruchbereiche zu messen, um die Anordnungsposition des Opfer-Bruchbereichs zu bestimmen, der bricht.
So kann eine elektrische Gesamtcharakteristik der mehreren Opfer-Bruchbereiche gemessen werden. Dies trägt zu einer Vereinfachung der Schaltungsstruktur bei, in welcher der Messbereich 5 und die mehreren Opfer-Bruchbereich verschaltet sind.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Lastverstärkungsbereich so strukturiert, dass er die mehreren Opfer-Bruchbereiche aufweist, die in Schichten in der Richtung aus der Ebene heraus (der Z-Richtung) angeordnet sind. So liegt zusätzlich zu dem bei Ausführungsform 1 beschriebenen Effekt ein Effekt derart vor, dass der Belastungsfaktor oder Beanspruchungsfaktor aus der Position des Opfer-Bruchbereichs bestimmt werden kann, der bricht.
Ausführungsform 8
19 ist eine schematische Abbildung, die eine Struktur von Lastverstärkungsbereichen 60 und die Messbereiche 5 in einer Leiterplatte gemäß Ausführungsform 8 zeigt. Die Leiterplatte gemäß Ausführungsform 8 unterscheidet sich von jener bei Ausführungsform 1 dahingehend, dass die mehreren Lastverstärkungsbereiche 60 angeordnet sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden lediglich die Strukturen beschrieben, die sich von jenen bei Ausführungsform 1 unterscheiden, und jene, bei denen es sich um die gleichen oder entsprechende Strukturen handelt, werden nicht erneut beschrieben.
Es ist allgemein bekannt, dass dann, wenn Beanspruchungen an Bauteilen anliegen, die Lebensdauer derselben bis zu einem Brechen infolge von Herstellungsvariationen der Bauteile variiert. Da die Leiterplatte gemäß der vorliegenden Ausführungsform so strukturiert ist, dass sie die mehreren Lastverstärkungsbereiche 60 und die mehreren Messbereiche 5 aufweist, können Variationen der Lebensdauer der Opfer-Bruchbereiche 4 berücksichtigt werden, so dass die Genauigkeit der Störungsvorhersage für die Verbindungsbereiche zwischen dem Substrat 2 und der Montagekomponente 1 im Vergleich zu Ausführungsform 1 verbessert werden kann.
In 19 ist eine Struktur gezeigt, bei der zwei Paare für den Lastverstärkungsbereich 60 und den Messbereich 5 angeordnet sind. Die Anzahl der Paare ist jedoch nicht auf zwei beschränkt, und die Genauigkeit der Fehlervorhersage wird um so mehr verbessert, je größer die Anzahl der angeordneten Lastverstärkungsbereiche 60 und Messbereiche 5 ist. Ferner sind bei der Struktur die Messbereiche für die jeweiligen Lastverstärkungsbereiche 60 angeordnet. Stattdessen ist eine Struktur möglich, bei der ein einziger Messbereich die elektrische Charakteristik von jedem der mehreren Lastverstärkungsbereiche 60 misst.
Als Nächstes wird eine Variation der Ausführungsform 8 beschrieben. 19 zeigt eine Struktur, bei der die mehreren Lastverstärkungsbereiche 60 angeordnet sind, welche die gleiche Bruch-Lebensdauer aufweisen. Stattdessen ist auch eine Struktur möglich, bei der die Restlebensdauer der Lotverbindungsbereiche vorhergesagt wird, indem mehrere Lastverstärkungsbereiche verwendet werden, die jeweils eine andere Bruch-Lebensdauer aufweisen.
In einem Fall zum Beispiel, in dem drei unterschiedliche Typen von Lastverstärkungsbereichen angeordnet sind, die jeweils eine andere Bruch-Lebensdauer aufweisen und die in einer absteigenden Reihenfolge der Bruch-Lebensdauer als ein erster Lastverstärkungsbereich, ein zweiter Lastverstärkungsbereich und ein dritter Lastverstärkungsbereich bezeichnet sind, kann die Restlebensdauer für die Lotverbindungsbereiche demgemäß vorhergesagt werden, ob jeder der Lastverstärkungsbereiche bricht oder nicht.
Wenn insbesondere der dritte Lastverstärkungsbereich gebrochen ist und der erste und der zweite Lastverstärkungsbereich noch nicht gebrochen sind, kann bestimmt werden, dass die Lebensdauer länger als jene des dritten Lastverstärkungsbereichs, jedoch kürzer als jene des zweiten Lastverstärkungsbereichs ist. So kann die Zeitspanne bis zum Auftreten des Bruchs in den Lotverbindungsbereichen, das heißt, die Restlebensdauer, im Vergleich zu dem Fall, in dem ein einziger Lastverstärkungsbereich angeordnet ist, präziser vorhergesagt werden.
Des Weiteren ist in 19 in Bezug auf das Verfahren zur Anordnung der mehreren Lastverstärkungsbereiche 60 ein Beispiel gezeigt, bei dem die mehreren Lastverstärkungsbereiche 60 in ihrer Längsrichtung parallel zueinander angeordnet sind. Stattdessen ist auch eine Struktur möglich, bei der die mehreren Lastverstärkungsbereiche 60 in einer solchen Weise angeordnet sind, dass ihre Längsrichtungen senkrecht zueinander sind oder sich kreuzen.
So kann mit einer Anisotropie in den Beanspruchungen, die in Abhängigkeit von der Richtung der an dem Substrat 2 anliegenden Vibrationen oder dem Temperaturgradienten in dem Substrat 2 auftreten, in geeigneter Weise umgegangen werden. Zum Beispiel sind zwei Lastverstärkungsbereiche 60 so angeordnet, dass ihre Längsrichtungen senkrecht zueinander sein können oder sich kreuzen können.
Insbesondere ist der eine der Opfer-Bruchbereiche so angeordnet, dass seine Längsrichtung in die X-Richtung weisen kann, und der andere Opfer-Bruchbereich ist so angeordnet, dass seine Längsrichtung in die Y-Richtung weisen kann. So kann sich der eine der Lastverstärkungsbereiche 60 mit den Vibrationen in der lateralen Richtung befassen, und der andere Lastverstärkungsbereich 60 kann sich mit den Vibrationen in der longitudinalen Richtung befassen.
Auch in einem Fall, in dem die Vibrationen entweder in der X-Richtung oder in der Y-Richtung anliegen, wird daher zumindest einer der Opfer-Bruchbereiche 4 der Lastverstärkungsbereiche 60 brechen, und somit können die Störungen unter Verwendung derselben vorhergesagt werden. Es ist anzumerken, dass das in 19 gezeigte Beispiel zwei Lastverstärkungsbereiche 60 aufweist. Ganz zu schweigen davon, dass die Anzahl der Lastverstärkungsbereiche 60 größer als zwei sein kann.
Die Leiterplatte gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist eine Struktur auf, bei der die mehreren Lastverstärkungsbereiche 60 angeordnet sind. Zusätzlich zu dem bei Ausführungsform 1 erzielten Effekt liegt durch Einstellen der Anzahl der Lastverstärkungsbereiche 60 oder durch das Anordnungsverfahren etc. ein Effekt derart vor, dass die Genauigkeit der Störungsvorhersage verbessert werden kann.
Ausführungsform 9
20 ist eine schematische Abbildung, die eine Form eines Lastverstärkungsbereichs 60G einer Leiterplatte gemäß Ausführungsform 9 zeigt. Die Leiterplatte gemäß Ausführungsform 9 unterscheidet sich von jener bei der Ausführungsform 1 dahingehend, dass der Lastverstärkungsbereich 60G angeordnet ist, der mehrere Opfer-Bruchbereiche 4D bis 4F aufweist, die in der X-Richtung oder in der Y-Richtung angeordnet sind.
Bei der vorliegenden Ausführungsform werden lediglich die Strukturen beschrieben, die sich von jenen bei der Ausführungsform 1 unterscheiden, und jene, bei denen es sich um die gleichen oder entsprechende Strukturen handelt, werden nicht erneut beschrieben.
Die Leiterplatte gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist eine Struktur auf, bei welcher der Lastverstärkungsbereich 60G angeordnet ist, der die mehreren Opfer-Bruchbereiche 4D bis 4F aufweist, die in der Form eines Kamms ausgebildet sind. Mit anderen Worten, der Lastverstärkungsbereich 60G weist die mehreren Opfer-Bruchbereiche 4D bis 4F auf, die in der Richtung in der Ebene des Substrats 2 angeordnet sind. Da der Bereich reduziert werden kann, in dem der Lastverstärkungsbereich 60G mit dem Substrat 2 verbunden ist, liegt somit zusätzlich zu dem bei Ausführungsform 1 beschriebenen Effekt ein Effekt derart vor, dass eine hohe Montagedichte besser ermöglicht werden kann.
Ausrührungsform 10
21 ist eine Seitenansicht eines Lastverstärkungsbereichs 60H gemäß Ausführungsform 10. Der Lastverstärkungsbereiche 60H gemäß Ausführungsform 10 unterscheidet sich von jenem bei der Ausführungsform 1 dahingehend, dass die Struktur Opfer-Bruchbereiche 4G und 4H (zweite Opfer-Bruchbereiche) aufweist. Die Opfer-Bruchbereiche 4G und 4H sind an Verbindungsbereichen angeordnet, in denen die Schenkel 31 und die Brückenverbindungsbereiche 32 aneinander befestigt sind. In der Figur sind die Verbindungsbereiche zwischen den Schenkeln 31 und den Brückenverbindungsbereichen 32 in einer solchen Weise dargestellt, dass jeder der Verbindungsbereiche vollständig durch den Opfer-Bruchbereich 4G oder 4H gebildet wird.
Stattdessen ist es auch möglich, dass lediglich ein Teil jedes Verbindungsbereichs durch den Opfer-Bruchbereich 4G oder 4H gebildet wird (nicht vollständig). Bei der vorliegenden Ausführungsform werden lediglich die Strukturen beschrieben, die sich von jenen bei der Ausführungsform 1 unterscheiden, und jene, bei denen es sich um die gleichen oder entsprechende Strukturen handelt, werden nicht erneut beschrieben.
22 ist eine schematische Abbildung, welche eine Verformung des Lastverstärkungsbereichs 60H zeigt, wenn sich das Substrat 2 in der Richtung in der Ebene (der Y-Richtung) unter Vibrationsbeanspruchungen befindet. Wenn sich das Substrat 2 in der Richtung in der Ebene (der Y-Richtung) unter Vibrationsbeanspruchungen befindet, verformt sich der Lastverstärkungsbereich 60H in der durch Pfeile gekennzeichneten Richtung, wie in 22 gezeigt, das heißt, in der Richtung in der Ebene, wobei die Schenkel 31 verformt und gebogen werden. Es ist anzumerken, dass die Lebensdauer der Opfer-Bruchbereiche 4G und 4H so ausgelegt werden muss, dass sie wie bei dem Opfer-Bruchbereich 4 kürzer als jene der Lotverbindungsbereiche ist.
Da die Opfer-Bruchbereiche 4G und 4H in den Bereichen zwischen den Schenkeln 31 und den Brückenverbindungsbereichen 32 ausgebildet sind, befinden sich diese Bereiche wiederholt unter Zugbeanspruchung und Druckbeanspruchung. So dehnt sich ein Riss in dem Opfer-Bruchbereich 4G oder 4H aus, und schließlich tritt ein Bruch desselben auf. Das Substrat 2 befindet sich in zwei Richtungen unter Vibrationsbeanspruchungen, das heißt, (A) in der Richtung aus der Ebene heraus (der Z-Richtung) und (B) in der Richtung in der Ebene (der Y-Richtung oder der X-Richtung).
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind die Strukturen für die Lebensdauer-Vorhersage der Lotverbindungsbereiche unter Vibrationsbeanspruchungen im Fall A geeignet. Im Gegensatz dazu kann die mit dem Lastverstärkungsbereich 60H gemäß der vorliegenden Ausführungsform versehene Störungsvorhersage-Einrichtung zusätzlich zu Fall A die Lebensdauer (der Lotverbindungsbereiche) in Bezug auf Vibrationsbeanspruchungen im Fall B vorhersagen.
Es ist anzumerken, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt ist, so wie diese sind, und strukturelle Komponenten in der Realisierungsphase modifiziert und ausgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus ist es möglich, eine Vielzahl von Ausführungsformen zu erzeugen, indem die in den vorstehenden Ausführungsformen offenbarten mehreren strukturellen Komponenten in geeigneter Weise kombiniert werden. Einige der strukturellen Komponenten können aus all den in den Ausführungsformen gezeigten strukturellen Komponenten eliminiert werden. Ferner können strukturelle Komponenten über verschiedene Ausführungsformen hinweg in geeigneter Weise kombiniert werden.
Die vorstehend beschriebene vorliegende Erfindung kann auf Vorrichtungen angewendet werden, die eine gedruckte Leiterplatte aufweisen. Beispiele sind Informationsdatenübertragungsgeräte, wie beispielsweise Server und Speicher, industrielle Geräte, wie beispielsweise Wechselrichter und programmierbare Logik-Steuereinheiten, Prüfungsvorrichtungen, wie z.B. Elektronenmikroskope und Atomkraftmikroskope, medizinische Geräte, wie z.B. Protonenstrahltherapie-Geräte und Kernspintomographie-Vorrichtungen, Transportgeräte, wie z.B. Fahrstühle und Rolltreppen, sowie Steuerplatinen für Fahrzeuge und Eisenbahnwagen. Die Anwendung ist nicht auf diese beschränkt, sondern auf irgendwelche beliebigen elektronischen Einrichtungen einschließlich gedruckter Leiterplatten.
Bezugszeichenliste

1: Montagekomponente
2: Substrat
3, 3A: Halteschenkelbereich
4, 4A bis 4F: Opfer-Bruchbereich (erster Opfer-Bruchbereich)
4G, 4H: Opfer-Bruchbereich (zweiter Opfer-Bruchbereich)
5: Messbereich
6: Brückenbereich
8: Montagegewicht
31: Schenkel
32: Brückenverbindungsbereich
40A bis 40C: Opfer-Bruchbereich
60, 60A bis 60F: Lastverstärkungsbereich
100: Leiterplatte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2016100361 A [0006]
WO 2011/036751 A1 [0006]
WO 2011/036776 A1 [0006]

Claims

Störungsvorhersage-Einrichtung, die an einem Substrat mit einer Montagekomponente anzuordnen ist, die durch eine Lotverbindung befestigt ist, wobei die Einrichtung Folgendes aufweist: - einen Lastverstärkungsbereich, der ein Paar von Halteschenkelbereichen aufweist, die jeweils das eine Ende aufweisen, das an dem Substrat oder der Montagekomponente zu befestigen ist, und - einen ersten Opfer-Bruchbereich, der von den anderen Enden des Paars von Halteschenkelbereichen gehalten wird, wobei der Lastverstärkungsbereich an dem Substrat anliegende Vibrationen über das Paar von Halteschenkelbereichen auf den ersten Opfer-Bruchbereich überträgt.
Störungsvorhersage-Einrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren einen Messbereich aufweist, um eine elektrische Charakteristik des Lastverstärkungsbereichs zu messen, wobei Störungen, die durch einen Riss oder einen Bruch der Lotverbindung verursacht werden, basierend auf einem Messergebnis des Messbereichs vorhergesagt werden.
Störungsvorhersage-Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Opfer-Bruchbereich in einer Richtung aus der Ebene des Substrats heraus getrennt von dem Substrat oder der Montagekomponente angeordnet ist.
Störungsvorhersage-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Opfer-Bruchbereich aus einem Material besteht, das sich von jenem der Halteschenkelbereiche unterscheidet und das eine geringere Bruchfestigkeit als die Halteschenkelbereiche aufweist.
Störungsvorhersage-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Schnittfläche des ersten Opfer-Bruchbereichs kleiner als eine Schnittfläche der Halteschenkelbereiche ausgebildet ist.
Störungsvorhersage-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Opfer-Bruchbereich mit einer Einkerbung oder Aussparung versehen ist.
Störungsvorhersage-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Eigenfrequenz des Lastverstärkungsbereichs an die Frequenz von an dem Substrat anliegenden Vibrationsbeanspruchungen angepasst ist.
Störungsvorhersage-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei an dem ersten Opfer-Bruchbereich ein Montagegewicht angeordnet ist.
Störungsvorhersage-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei jeder der Halteschenkelbereiche einen Schenkel, dessen eines Ende an dem Substrat oder der Montagekomponente zu befestigen ist, und einen Brückenverbindungsbereich aufweist, um den Schenkel und den ersten Opfer-Bruchbereich zu verbinden, und wobei ein Brückenbereich strukturiert ist, in dem der Brückenverbindungsbereich an jedem von beiden Enden des ersten Opfer-Bruchbereichs angeordnet ist.
Störungsvorhersage-Einrichtung nach Anspruch 9, wobei die Brückenverbindungsbereiche aus einem elastischen Material gebildet sind und der erste Opfer-Bruchbereich zwischen den elastische Kräfte zeigenden Brückenverbindungsbereiche sandwichartig angeordnet ist.
Störungsvorhersage-Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Lastverstärkungsbereich des Weiteren einen zweiten Opfer-Bruchbereich aufweist, der an einem Verbindungsbereich zwischen dem Schenkel und dem Brückenverbindungsbereich angeordnet ist.
Störungsvorhersage-Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Lastverstärkungsbereich einen Brückenbereich aufweist, der mehrere Brückenbereiche aufweist, die in einer Ebene parallel zu dem Substrat angeordnet sind.
Störungsvorhersage-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Lastverstärkungsbereich den ersten Opfer-Bruchbereich aufweist, der mehrere Opfer-Bruchbereiche umfasst, die in einer Richtung aus der Ebene des Substrats heraus angeordnet sind.
Störungsvorhersage-Einrichtung nach Anspruch 13, wobei basierend auf Anordnungspositionen in der Richtung aus der Ebene der ersten Opfer-Bruchbereiche heraus, die von den mehreren ersten Opfer-Bruchbereichen brechen, und basierend auf der Anzahl der ersten Opfer-Bruchbereiche, die brechen, bestimmt wird, welche von Vibrationsbeanspruchungen und thermischen Beanspruchungen ein Hauptfaktor für eine Störung ist.
Leiterplatte, die eine Störungsvorhersage-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 sowie ein Substrat aufweist, an dem die Störungsvorhersage-Einrichtung angeordnet ist.