JP2000164637A - 実装部寿命予測方法及びはんだ形状 - Google Patents

実装部寿命予測方法及びはんだ形状

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JP2000164637A JP10337194A JP33719498A JP2000164637A JP 2000164637 A JP2000164637 A JP 2000164637A JP 10337194 A JP10337194 A JP 10337194A JP 33719498 A JP33719498 A JP 33719498A JP 2000164637 A JP2000164637 A JP 2000164637A
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mounting
shape
land
thermal fatigue
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Toshikazu Matsuo
俊和 松尾
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)
  • Wire Bonding (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 実装部寿命を予測し、最適なはんだ形状を予
測する実装部寿命予測方法及びはんだ形状を提供するこ
とを目的とする。 【解決手段】 実装後はんだ９の高さｈ１６と直径ｄ１
７と、部品電極５の直径Ｄ１５と、補正定数ｎを用い
て、n(d-D)/hなる値を計算する。この値は実装後はんだ
９の形状を代表するものであり、n(d-D)/hの値の変化に
よって、実装後はんだ９の熱疲労寿命も変化する。従っ
て、n(d-D)/hを含むパラメータを用いることで、数値シ
ミュレーションを用いずに熱疲労寿命が最も長い実装後
はんだ９の形状を予測することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は電子部品と基板とを
接合するはんだ接合部の熱疲労寿命予測方法と、この方
法から求められる長寿命のはんだ形状、及びこれを形成
するための設計条件に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、製品の小型化・高機能化に伴い、
実装基板上にBGA・CSP等の裏面接合タイプの電子部品を
実装することが多くなっている。前記部品は周囲温度等
が変化する際に、はんだ接合部に過大なストレスが作用
するため、温度変化が繰り返す場合に熱疲労破壊を生じ
る。このためはんだ接合部の熱疲労寿命評価と、長寿命
な接合部の形成が重要になっている。
【０００３】以下、実装基板上の電子部品のはんだ接合
部の寿命予測を例に、図面を参照しながら従来の寿命予
測法について説明する。
【０００４】図１０は従来の部品実装の断面図であっ
て、図１０（ａ）は断面図で、図１０（ｂ）は要部拡大
断面図である。
【０００５】図１０（ａ）において、１はBGA・CSP等の
裏面接合タイプの電子部品である。２は部品１を実装す
る際に用いるメタルマスクでステンレス等の金属が多く
用いられる。３はメタルマスクを用いて印刷されるはん
だペーストであり、Sn及びPb等からなる金属成分と、フ
ラックス等から構成される。４は部品１が実装される基
板であり、主にエポキシ系の樹脂等で構成される。
【０００６】図１０（ｂ）において、５は部品１の下面
に構成された部品電極である。６は部品電極５上に形成
されたはんだボールで、Sn及びPb等からなる金属から構
成される。７はメタルマスク２に形成された開口部であ
り通常円形に形成されている。８は基板４上に形成さ
れ、はんだボール６及びはんだペースト３を用いて部品
１と基板４を電気的、構造的に接合するためのランドで
ある。
【０００７】以上のように構成された部品１、メタルマ
スク２、及び基板４を用いて、部品を実装した場合につ
いて説明する。
【０００８】図１１は従来の実装後はんだの断面図であ
り、はんだの形状が変化した場合を表している。
【０００９】図１１において９は実装後はんだであり、
はんだペースト３とはんだボール６とが一体となって、
部品電極５とランド８の間に形成される。
【００１０】実装後はんだ９の形状は、図１０で説明し
たランド８、メタルマスク２、及び開口部７の寸法等を
変化することで、図１１（ａ）から（ｃ）のように変化
する。
【００１１】一方で実装後はんだは、周囲温度等の変化
で熱疲労破壊を生じる。図１２は従来の実装後はんだの
温度変化を表わす断面図であり図１２（ａ）は通常時
で、図１２（ｂ）は温度変化時である。
【００１２】図１２（ａ）の通常時において、部品１が
基板４に実装された状態で実装後はんだ９にストレスは
作用していない。この状態で、周囲温度の変化や部品内
部発熱等が生じた場合、部品１の線膨張係数より基板４
の線膨張係数が大きいために、基板４が大きく延びる
（図１２（ｂ））。このため、実装後はんだ９も大きく
変形し、実装後はんだ９にストレスが作用する。この温
度変化が時間と共に繰り返す場合は、実装後はんだ９が
熱疲労を生じ、破壊する。
【００１３】実装後はんだ９の熱疲労破壊寿命は、実装
後はんだ９の形状によって変化する。このため、実装後
はんだ９の形状変化による寿命変化の予測と、最も長寿
命となるはんだ形状（以下、最適はんだ形状）、及びそ
れを形成するためのランド８、メタルマスク２、及び開
口部７の寸法を事前に予測することが、商品の信頼性を
向上する上で重要である。
【００１４】次に従来の実装寿命予測方法、及び最適は
んだ形状予測方法について説明する。
【００１５】図１３は従来の実装後はんだの寿命予測、
及び形状予測フローチャートである。
【００１６】図１３において、Ｓ１０はランド８、メタ
ルマスク２、及び開口部７の寸法等を仮決定するランド
マスク設計工程である。Ｓ１１はランドマスク設計工程
Ｓ１０の条件で部品１を基板４に実装する部品実装工程
である。Ｓ１２は部品実装工程Ｓ１１で基板４に実装さ
れた部品１を断面研磨するための断面研磨工程である。
Ｓ１３は断面研磨工程Ｓ１２で作成された断面の実装後
はんだ９の形状を測定するための形状測定工程である。
Ｓ１４は形状測定工程Ｓ１３で測定された実装後はんだ
９の寸法を用いて、有限要素法の応力ひずみ解析などを
行うためのシミュレーション工程である。
【００１７】図１３において従来の実装寿命予測、及び
最適はんだ形状予測は、ランドマスク設計工程Ｓ１０に
おいて、ランド８、メタルマスク２、及び開口部７の寸
法を仮決定する。この段階では最適はんだ形状とそれを
形成するためのランド８、メタルマスク２、及び開口部
７の設計（以下、ランドマスク設計）が不明であるた
め、数種類のランドマスク設計案が用意される。
【００１８】次に、設計案の通り製作されたランド８を
有する基板４、開口部７を有するメタルマスク２、はん
だペースト３、及び部品１を用いて部品実装工程Ｓ１１
で実装される。
【００１９】次に、実装後はんだ９の断面形状を測定す
るために、断面研磨工程Ｓ１２で実装後はんだ９の断面
が作成される。
【００２０】次の形状測定工程Ｓ１３で、断面研磨工程
Ｓ１２において作成された実装後はんだ９の断面形状の
寸法を測定する。
【００２１】最後のシミュレーション工程Ｓ１４で、形
状測定工程Ｓ１３において測定された寸法を元にシミュ
レーションモデルを作成し、応力ひずみ解析を行う。シ
ミュレーションの結果、応力またはひずみ値から実装後
はんだ９の寿命を従来から用いられているコフィン・マ
ンソン線図等にプロットし、予測する。その中で寿命が
最も長いランドマスク設計が商品の設計に採用される。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の実装寿命予測方法、及び最適はんだ形状予測方法で
は、数値シミュレーションが必要であるため、シミュレ
ーション設備やシミュレーション操作者を必要とすると
いう問題を有している。
【００２３】また、ランドマスク設計と実装後はんだの
形状の関係が不明であるため、多くの設計案に対して基
板やメタルマスクを設計・試作し、実装後はんだの寸法
を測定する必要がある。このため膨大な時間と手間がか
かるという問題点も有していた。
【００２４】さらには、ランドマスク設計工程に用いた
設計案の中での最適はんだ形状のみしか判断できないた
め、設計案以外に最適はんだ形状が存在していても、そ
れを見逃してしまうという問題点も有していた。
【００２５】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
でシミュレーション、試作、寸法測定等を行うことなく
実装部寿命を予測し、かつ最適なはんだ形状を予測する
実装部寿命予測方法及びはんだ形状を提供することを目
的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、裏面に電極とはんだボールを有する部品を
ランドを有する基板に実装した後のはんだに熱疲労が生
じた際の熱疲労寿命と、実装した後のはんだの形状から
求められる寸法との関係式を作成し、前記関係式から前
記実装した後のはんだの前記熱疲労寿命を予測すること
を特徴とした実装部寿命予測方法であり、具体的には裏
面に電極とはんだボールを有する部品を、ランドを有す
る基板に実装した後のはんだに対して、前記電極の直径
をＤ、前記実装した後のはんだの直径をｄ、前記実装し
た後のはんだ高さをｈとしたとき、(d-D)/hなる値を計
算し、前記実装した後のはんだに熱疲労が生じた際の熱
疲労寿命と、前記(d-D)/hなる値との関係から前記実装
した後のはんだの熱疲労寿命を予測することを特徴とす
る、実装部寿命予測方法である。
【００２７】これにより数値シミュレーション等を行う
ことなく、実装部の寿命を予測する方法を提供し、かつ
この方法に基づいた熱疲労に対して最適なはんだ形状を
提供することを目的とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、裏面に電極とはんだボールを有する部品をランドを
有する基板に実装した後のはんだに熱疲労が生じた際の
熱疲労寿命と、実装した後のはんだの形状から求められ
る寸法との関係式を作成し、前記関係式から前記実装し
た後のはんだの前記熱疲労寿命を予測することを特徴と
する実装部寿命予測方法であり、関係式から熱疲労寿命
を予測するという効果を有する。
【００２９】本発明の請求項２に記載の発明は、前記実
装した後のはんだの形状から求められる寸法として、前
記部品の電極の直径Ｄ、前記実装した後のはんだの直径
ｄ、前記実装した後のはんだ高さｈを用いることを特徴
とする請求項１記載の実装部寿命予測方法であり、３種
類の寸法のみから熱疲労寿命を予測するという効果を有
する。
【００３０】本発明の請求項３に記載の発明は、前記電
極の直径をＤ、前記実装した後のはんだの直径をｄ、前
記実装した後のはんだ高さをｈとしたとき、(d-D)/hな
る値を計算し、前記実装した後のはんだに熱疲労が生じ
た際の熱疲労寿命と、前記(d-D)/hなる値との関係から
前記実装した後のはんだの熱疲労寿命を予測することを
特徴とする、請求項１及び２記載の実装部寿命予測方法
であり、(d-D)/hなる値で実装後はんだの形状を代用で
きるという作用を有する。
【００３１】本発明の請求項４に記載の発明は、nを定
数としたとき、前記(d-D)/hなる値を含むパラメータS=n
×(d-D)/hを計算し、前記パタメータS=n×(d-D)/hの値
に対数を取った値ln(S)と、前記実装した後のはんだに
熱疲労が生じた際の熱疲労寿命をNとしたとき前記熱疲
労寿命Nに対数を取った値ln(N)との関係から、前記実装
した後のはんだの熱疲労寿命を予測することを特徴とす
る、請求項１、２及び３記載の実装部寿命予測方法であ
り、パラメータSと熱疲労寿命Nの関係式が単純になると
いう作用を有する。
【００３２】本発明の請求項５に記載の発明は、請求項
４記載の前記パラメータSを計算し、且つ裏面に電極と
はんだボールを有する前記部品をランドを有する前記基
板に実装した構造体が複数有る場合の前記熱疲労寿命N
を統計学に基づいて計算される平均故障時間MTTFとした
とき、Ｃを定数、pを-1.1≦p≦-0.75をみたす指数とし
て、MTTF=C×(Sp)なる関係を作成し、前記MTTF=C×(Sp)
なる関係から前記実装した後のはんだの熱疲労寿命を予
測することを特徴とする、請求項１、２、３、及び４記
載の実装部寿命予測方法であり、実装後のはんだ形状の
変化による寿命の変化度合いが明らかになるをという作
用を有する。
【００３３】本発明の請求項６に記載の発明は、請求項
４記載の前記パラメータSの対数ln(S)を計算したとき、
-1.4+ln(n)≦ln(S)≦-1.05+ln(n)なる値を満たすように
形成されたことを特徴とする前記実装した後のはんだ形
状であり、熱疲労寿命が長い実装後のはんだ形状を形成
するという作用を有する。
【００３４】本発明の請求項７に記載の発明は、前記実
装した後のはんだの形状と、前記部品、前記ランド及び
メタルマスクの形状との関係式を作成し、前記関係式か
ら前記実装した後のはんだの形状を予測することを特徴
とするはんだ形状予測方法であり、関係式からはんだ形
状を予測するという効果を有する。
【００３５】本発明の請求項８に記載の発明は、前記実
装後はんだの形状を球帯で近似し、前記実装後のはんだ
の体積と、前記電極の半径と、前記ランドの半径と、前
記ランドの厚さ、もしくは前記電極の直径と、前記ラン
ドの直径と、前記ランドの厚さから、前記実装後はんだ
の形状を計算することを特徴とする請求項７記載のはん
だ形状予測方法であり、単純な計算式ではんだ形状を予
測するという作用を有する。
【００３６】本発明の請求項９に記載の発明は、実装前
の前記部品のはんだボールの形状を球冠で近似し、前記
はんだボールの高さと、前記電極の半径から前記はんだ
ボールの体積を計算し、さらに前記部品を前記基板に実
装する際に用いるメタルマスクの開口部の形状を円柱で
近似し、前記メタルマスクの厚さと、前記メタルマスク
の開口部の直径からメタルマスクの開口部の体積を計算
し、かつ前記メタルマスクの開口部の体積にはんだペー
スト中の金属成分体積比率を掛けることではんだペース
ト中の体積を計算し、前記はんだボールの体積と、前記
はんだペーストの体積を足すことで実装後はんだの体積
を計算することを特徴とする、請求項７及び８記載のは
んだ形状予測方法に用いるはんだ体積計算方法であり、
単純な計算式ではんだ体積を予測するという作用を有す
る。
【００３７】本発明の請求項１０に記載の発明は、前記
実装した後のはんだに熱疲労が生じた際の熱疲労寿命
と、前記部品、前記ランド及びメタルマスクの形状との
関係式を、請求項１記載の関係式と請求項７記載の関係
式を用いて作成し、前記関係式から前記熱疲労寿命が最
も長寿命となる前記ランドと前記メタルマスクの寸法を
計算することを特徴とする実装設計方法であり、単純な
計算式で熱疲労寿命が長い実装後はんだの形状を形成す
るランドマスク設計を予測するという作用を有する。
【００３８】本発明の請求項１１に記載の発明は、前記
請求項７、８、及び９記載のはんだ形状予測方法で予測
した前記実装後のはんだ形状が、前記請求項６記載の実
装した後のはんだ形状を満たしている場合において、前
記請求項７、８、及び９記載のはんだ形状予測方法で予
測する際に用いた、前記ランド半径と、前記ランド厚さ
と、前記メタルマスク厚さと、前記メタルマスクの開口
部直径を設計採用条件とすることを特徴とする実装設計
方法であり、熱疲労寿命が長い実装後はんだの形状を形
成するという作用を有する。
【００３９】本発明の請求項１２に記載の発明は、前記
基板上の前記ランドの直径をＬ、前記部品の電極の直径
をＤとしたとき、0.75≦L/D≦1を満たすように形成され
たことを特徴とする、請求項６記載の実装した後のはん
だの形状を形成することを特徴とするランドであり、熱
疲労寿命が長い実装後はんだの形状を形成するという作
用を有する。
【００４０】本発明の請求項１３に記載の発明は、前記
部品を前記基板に実装する際に用いるメタルマスクの開
口部の直径をＭ、前記部品の電極の直径をＤとしたと
き、0.75≦M/D≦1を満たすように形成されたことを特徴
とする、請求項６記載の実装した後のはんだの形状を形
成するためのメタルマスクであり、熱疲労寿命が長い実
装後はんだの形状を形成するという作用を有する。
【００４１】本発明の請求項１４に記載の発明は、請求
項１、２、３、４、及び５記載の実装部寿命予測方法を
記録した記録媒体であり、コンピュータ等による計算が
可能になるという作用を有する。
【００４２】本発明の請求項１５に記載の発明は、請求
項６記載の計算式に基づくはんだ形状を記録した記録媒
体であり、コンピュータ等による計算が可能になるとい
う作用を有する。
【００４３】本発明の請求項１６に記載の発明は、請求
項７、８及び９記載のはんだ形状予測方法を記録した記
録媒体であり、コンピュータ等による計算が可能になる
という作用を有する。
【００４４】本発明の請求項１７に記載の発明は、請求
項１０及び１１記載の実装設計方法を記録した記録媒体
であり、コンピュータ等による計算が可能になるという
作用を有する。
【００４５】以下、本発明の実施の形態について説明す
る。 （実施の形態１）図１は本発明の一実施の形態における
実装後はんだの熱疲労破壊形態を表わす図であって、図
１（ａ）が熱疲労破壊形態、図１（ｂ）がシミュレーシ
ョン結果である。図１（ｂ）のシミュレーションは、実
装後はんだ９に熱疲労によるひずみが生じた場合を有限
要素法でシミュレーションしたものである。図１におい
て５は部品電極、９は実装後はんだである。
【００４６】図１（ａ）において、実装後はんだ９の熱
疲労による破壊は、実装後はんだ９が細くくびれる、部
品電極５近傍が破壊起点となっていることが分かる。
【００４７】さらに図１（ｂ）において熱疲労ひずみ
も、実装後はんだ９が細くくびれる、部品電極５近傍に
集中してることが分かる。従って、実装後はんだ９の熱
疲労による寿命差は、部品電極５近傍の実装後はんだ９
が細くくびれた部分の形状のみに注目すれば良いことに
なる。
【００４８】次に実装後はんだ９のくびれた部分に着目
した寿命予測方法について説明する。
【００４９】図２は本発明の一実施の形態における実装
後はんだの断面図である。図２において１５は部品電極
５の直径Ｄである。１６は実装後はんだ９の高さｈであ
る。１７は実装後はんだ９の直径ｄである。１８は基板
４上に設けられたソルダーレジストである。ソルダーレ
ジスト１８はランド８から５０μｍから１００μｍ程度
離れた場所から形成されているため、実装後はんだ９は
ランド８の側面まで付着する構造になっている。
【００５０】実装後はんだ９の外形は曲線形状をしてい
るため、実装後はんだ９の断面寸法は高さｈ１６と直径
ｄ１７のみが平易に測定できる。
【００５１】図２において、部品電極５の端点eと直径
ｄ１７の端点fとを結んだ線分を斜辺とする直角三角形
を考え、この直角三角形の残りの１点をgとする。さら
に、線分eg=E、fg=Fとする。このとき直角三角形efgの
形状は、部品電極５近傍で実装後はんだ９がくびれた度
合いを表現でき、直角三角形efgの形状はE/Fで表現でき
る。さらにE=(d-D)/2、また近似的にF=h/2がほぼ成り立
つため、E/F=(d-D)/hなるパラメータを用いることで部
品電極５近傍で実装後はんだ９がくびれた度合いを表現
できる。
【００５２】ここで一般には、部品１の重量と、部品１
の外形寸法と、部品１に構成されるはんだボール６の数
と、部品１の部品電極５付近の形状と、基板４の種類
と、ソルダーレジスト１８の形状と、はんだペースト３
やはんだボール６の材料物性などを補正する係数を(d-
D)/hに対して掛ける必要があり、これを補正定数nとす
る。
【００５３】以上の説明から実装後はんだ９の形状をあ
らわすパラメータとしてS=n×(d-D)/hが妥当であり、本
発明によるパラメータS=n×(d-D)/hを用いることで、実
装後はんだ９の形状変化を代用できる。
【００５４】（実施の形態２）次にこのパラメータを用
いて実装後はんだの形状変化から熱疲労寿命変化を予測
する方法について説明する。
【００５５】図３は図２のパラメータによる寿命変化図
である。図３において横軸は平均故障時間を表すMTTFの
対数を取ったものであり、MTTFは低温−４０℃、高温８
５℃、各３０分保持の熱衝撃試験における実装後はんだ
の熱疲労寿命である。縦軸は実施の形態１で説明したパ
ラメータS=n×(d-D)/hの対数を取ったものである。な
お、ｄ、Ｄ、及びｈは熱衝撃試験に用いた部品１と同じ
条件で実装を行った部品１に対して、実装後はんだ９の
寸法測定を行った結果から計算した。
【００５６】また部品１の外形寸法や、はんだペースト
３やはんだボール６の材料物性等によっては、はんだ図
３の縦軸は補正定数nの値を用いて座標変換する必要が
ある。具体的には図３の縦軸の値にln(n)を加えた値で
縦軸の変換をする。
【００５７】図３において、１９は４種類の部品１に対
して得られたデータである。図３において、データ１９
はln(S)の減少に伴って、ln(MTTF)は増加してることが
分かる。さらにデータ１９はいずれの部品１もほぼ平行
な直線となっており、その傾きは約-1.2である。従って
Ｃを比例定数として、 MTTF=C×(Sp)（但し、p=-1/1.2=-0.833、S=n×(d-D)/
h） なる関係を用いて、実装後はんだの形状変化から熱疲労
寿命変化を予測することが出来る。
【００５８】但し、熱疲労寿命のばらつきを考慮して、 (-1/0.9)≦p≦(-1/1.4) もあり得るため、pの範囲は、 -1.1≦p≦-0.75 としても良い。
【００５９】更に実施の形態１、実施の形態２で述べた
寿命予測方法に関する式等は、フロッピー（登録商標）
ディスクなどの記憶媒体に記憶させることが出来る。こ
の記録媒体をコンピュータ等から構成される実装部寿命
予測装置等に用いることにより、実装部寿命を自動で予
測可能となる。
【００６０】（実施の形態３）次に最も長寿命となる最
適はんだ形状の予測方法について説明する。
【００６１】図４は図２のパラメータの限界を超えた場
合の寿命変化を表わす図であって、図４（ａ）は寿命変
化図、図４（ｂ）は破壊形態図である。図４（ａ）にお
いて、横軸は平均故障寿命を表すMTTFの対数を取ったも
の、縦軸はパラメータS=n×(d-D)/hの対数を取ったもの
であり図３と同様である。なお縦軸は一般に補正定数n
による座標変換を行う。
【００６２】図４（ａ）において２０と２１は図３のデ
ータの抜粋であり、同じ種類の部品１に対するデータで
ある。２０はln(S)の値が-1.3+ln(n)より大きいデー
タ、２１はln(S)の値が-1.3+ln(n)より小さいデータで
ある。
【００６３】図４（ａ）において、ln(S)の値が-1.3+ln
(n)より大きいデータ２０ではln(S)の減少に伴って、ln
(MTTF)は増加してることが分かる。しかしながら、ln
(S)の値が-1.3+ln(n)を下回るデータ２１では逆にln(S)
の減少に伴ってln(MTTF)は減少している。
【００６４】図４（ｂ）がデータ２１における破壊形態
であるが、図５（ａ）の場合と異なり、実装後はんだ９
とランド８の間が破壊起点になっていることが分かる。
【００６５】以上図４から、電極径Ｄ、はんだ高さｈ、
はんだ径ｄ、及び補正定数nとしたときに、S=n×(d-D)/
h、かつ、 ln(S)=-1.3+ln(n) となる実装後はんだ９の形状が、実装後はんだ９が細く
くびれる部品電極５近傍から、実装後はんだ９とランド
８の間へと破壊起点が遷移する限界値であり、このとき
の熱疲労寿命が最も長寿命となる。従って、このときの
実装後はんだ９が最適はんだ形状となる。
【００６６】但し、補正係数nの値による座標変換や、
実装後はんだ９の形状のばらつきなどから、設計上は、 -1.4+ln(n)≦ln(S)≦-1.05+ln(n) 程度の幅にはいればよい。
【００６７】更に実施の形態３で述べた最適なはんだ形
状に関する式等は、フロッピーディスクなどの記憶媒体
に記憶させることが出来る。この記録媒体をコンピュー
タ等から構成される実装部寿命予測装置等に用いること
により、長寿命の実装部であるか否かを自動で判定可能
となる。
【００６８】（実施の形態４）次に最適はんだ形状をラ
ンド８、メタルマスク２、及び開口部７の寸法等から予
測する方法について説明する。
【００６９】図５は本発明の一実施の形態における実装
後はんだ形状の計算用の形状概略図であって、図５
（ａ）は形状概略図、図５（ｂ）は寸法図である。図５
を用いて実装後はんだ９の形状を予測する方法について
説明する。
【００７０】図５（ａ）において、２２は部品１の裏面
より部品１側に位置する部分の実装後はんだである。２
３は部品１の裏面より外側に位置する部分の実装後はん
だである。実装後はんだ２２は実装前とほぼ形状が変化
しない。このため実装形状は実装後はんだ２３について
のみ予測できれば良いことになる。
【００７１】実装時にははんだボール６、はんだペース
ト３とも溶融し、表面張力によって実装後はんだ２３の
形状を形成する。溶融したはんだに表面張力が作用した
場合、溶融はんだは表面積を小さくする形状に形成され
るため、実装後はんだ２３の外形は球帯となる。このた
め、実装後はんだ２３の外形を球帯近似を行うことで、
実装後はんだの形状予測が可能となる。
【００７２】実装後はんだ形状予測のために、図５
（ｂ）のように各寸法を設定する。図５（ｂ）におい
て、２４はランド８の半径ａである。２５は実装後はん
だ２３上部の半径ｂである。半径ｂ２５は部品電極形Ｄ
１５の１／２に等しい。
【００７３】２６はランド８の厚さＬｔである。２７は
球帯近似された実装後はんだ２３の半径ｒである。２８
は球帯近似された実装後はんだ２３の中心座標Ｃであ
る。２９は実装後はんだ２３の高さｈ’である。
【００７４】以上のように各寸法をおいた場合、球帯の
体積が既知であれば、球帯の体積の計算式と円の関数式
を用いて中心座標Ｃ２８、半径ｒ２７及び高さｈ’２９
が計算できる。
【００７５】さらに、実装前のはんだボール６とはんだ
ペースト３から実装後はんだ２３の体積を計算する方法
について説明する。
【００７６】図６は本発明の一実施の形態における実装
後はんだ体積の計算用の形状概略図である。図６におい
て、２５ははんだボール６上部の半径ｂであり、実装後
はんだ２３の上部の半径ｂと同じ寸法である。３０はは
んだボール６の高さＨであり、部品１の裏面からはんだ
ボール６の頂点までの高さである。３１はメタルマスク
２の厚さｔである。３２はメタルマスクの開口部７の直
径Ｍである。
【００７７】実装後はんだ２３の体積は実装前のはんだ
ボール６の体積と開口部７内に充填されたはんだペース
ト３の体積の和で計算できる。はんだボール６は実装後
はんだ２３と同様に表面張力によって形成されるので、
球冠に近似できる。従って球冠の体積式を用いてはんだ
ボール６の体積が計算できる。
【００７８】また、はんだペースト３の体積は開口部７
内に充填されたはんだペースト３の体積中からフラック
スを除去した金属成分の体積で計算できる。従って、開
口部７の体積に金属成分比率を掛けることで、はんだペ
ースト３中の金属成分の体積が計算できる。
【００７９】以上説明した球帯、及び球冠ではんだ形状
を近似する方法によって、実装後はんだ９の形状を予測
した結果について説明する。
【００８０】図７は図５，６の予測形状と実測形状の比
較図である。図７中の写真は実装後はんだ９の実測形状
の一例である。なお、写真は対称性を考慮して実装後は
んだ９の半分のみを記している。３３は図５、図６で説
明した方法で、実装後はんだ９の形状を予測した結果で
ある。
【００８１】図７から、図５、図６で説明した方法で、
実装後はんだ９の形状を予測した場合は実測形状と非常
に良く一致することが分かる。この傾向は部品１の種類
や、ランド８、開口部７の形状によらず同様である。
【００８２】以上から、実装前のはんだボール６を球冠
と近似し、且つ実装後はんだ９を球帯と近似すること
で、実装後はんだ９の形状が予測できる。従って、部品
１のはんだボール６の高さＨ３０と、はんだボール６上
部の半径ｂ２５、が明らかであれば、ランド半径ａ２
４、ランド厚さＬｔ２６、メタルマスク厚ｔ３１、及び
メタルマスク開口径Ｍ３２を変化させた場合の実装後は
んだ９の形状を計算で予測できる。
【００８３】更に実施の形態４で述べた寿命予測方法に
関する式等は、フロッピーディスクなどの記憶媒体に記
憶させることが出来る。この記録媒体をコンピュータ等
から構成されるはんだ形状予測装置等に用いることによ
り、はんだ形状を自動で予測可能となる。
【００８４】（実施の形態５）次にランドマスク設計か
ら最適はんだ形状を予測する方法について説明する。
【００８５】図８は本発明の一実施の形態における最適
はんだ形状予測フローチャートである。図８において、
Ｓ２１ははんだ印刷性や、はんだ飛散性などを防止する
条件を検討するための耐実装不良性検討工程である。Ｓ
２２は実施の形態４で説明した方法を用いて実装後はん
だ９の形状を予測する、実装後はんだ形状予測工程であ
る。Ｓ２３は実施の形態３で説明した最適はんだ形状に
適しているかを判断するための、最適はんだ形状判定工
程である。
【００８６】図８において、耐実装不良性検討工程Ｓ２
１でははんだペースト３が開口部７から良好に抜けるた
めの条件や、はんだペースト３がランド８以外の部分に
多量に印刷されないような条件を検討する工程である。
耐実装不良性検討工程Ｓ２１は従来から存在しており、
一般にメタルマスク開口径Ｍ、メタルマスク厚ｔ、及び
ランド半径ａの関係がM/t≧2且つM≒2aが条件として用
いられる。
【００８７】次の実装後はんだ形状予測工程Ｓ２２では
耐実装不良性検討工程Ｓ２１の条件内で、ランド半径ａ
２４、ランド厚さＬｔ２６、メタルマスク厚ｔ３１、及
びメタルマスク開口径Ｍ３２（ランドマスク設計の案）
を変化させて、実装後はんだ９の形状を予測する。
【００８８】次に最適はんだ形状判定工程Ｓ２３におい
て、実装後はんだ形状予測工程Ｓ２２で予測した形状
が、電極径Ｄ、はんだ高さｈ、はんだ径ｄ、及び係数ｎ
としたときに、 S=n×(d-D)/h ln(S)=-1.3+ln(n) となる実装後はんだ９の形状であるかを検討する。
【００８９】但し、補正係数nの値による座標変換や、
実装後はんだ９の形状のばらつきなどから、設計上は、 -1.4+ln(n)≦ln(S)≦-1.05+ln(n) 程度の幅にはいればよい。
【００９０】この条件に入った形状は最適はんだ形状と
して実設計に採用される。条件を満たさない場合は、条
件に入るまで再度実装後はんだ形状予測工程Ｓ２２から
検討を行う。
【００９１】但し、耐実装不良性検討工程Ｓ２１の条件
から、 -1.4+ln(n)≦ln(S)≦-1.05+ln(n) のなかに入らないときは、 ln(S)=-1.3+ln(n) に最も近い形状を採用する。
【００９２】また更に、実施の形態１で述べた計算式
と、実施の形態２で述べた計算式と、実施の形態３で述
べた計算式と、実施の形態４で述べた計算式を合成した
式を作り、この式から最も長寿命となる実装後はんだ９
の形状を形成するためのランド半径ａ２４、ランド厚さ
Ｌｔ２６、メタルマスク厚ｔ３１、及びメタルマスク開
口径Ｍ３２（ランドマスク設計）を直接計算する方法も
ある。
【００９３】更に実施の形態５で述べた寿命予測方法に
関する式等は、フロッピーディスクなどの記憶媒体に記
憶させることが出来る。この記録媒体を回路設計装置、
又は基板設計、又はメタルマスク設計装置等に用いるこ
とにより、最適なランドマスク設計を自動で設計可能と
なる。
【００９４】また更に、前記記憶媒体を基板製造装置、
又はメタルマスク製造装置等に用いることにより、最適
なランドマスク設計を自動で製造可能となる。
【００９５】また更に、前記記憶媒体を基板検査装置等
に用いることにより、最適なはんだ形状を形成している
かを自動で検査可能となる。
【００９６】また更に、前記記憶媒体を信頼性試験装置
等の基板評価装置等に用いることにより、予測した寿命
を満たしているか否かを自動で評価可能となる。
【００９７】また更に、前記設計装置、又は製造装置、
又は検査装置、又は評価装置を用いて設計、製造、検
査、評価されたはんだ接合部を有する製品は、はんだ接
合部が非常に長寿命となる。
【００９８】（実施の形態６）次に本発明において考案
した方法から導かれた、最適なランドマスク設計につい
て説明する。
【００９９】図９は本発明の一実施の形態における最適
ランドマスクの設計条件を表わす表であって、図９
（ａ）はランド／マスク設計条件と寿命の比較表、図９
（ｂ）は種々のパッケージにおける最適ランドマスク設
計である。
【０１００】図９（ａ）において、３７は本発明におい
て考案した方法を用いて予測した、最適なランドマスク
設計とその寿命のデータである。３８は予測したランド
マスク設計が長寿命であることを確認するための比較対
象のランドマスク設計とその寿命のデータの一例であ
る。なお予測したデータと比較対象のデータは同じ部品
１（図中Type1と記載）のものである。３９はランド径
Ｌであり、ランド８の直径である。これはランド半径ａ
２４の２倍の値である。
【０１０１】実施の形態５で説明した方法を用いて最適
なランドマスク設計を予測したところ、ランド径Ｌ３９
＝０．３５ｍｍ、ランド厚さＬｔ２６＝０．０４ｍｍ、
メタルマスク開口径Ｍ３２＝０．３５ｍｍ、メタルマス
ク厚ｔ３１＝０．１５ｍｍと予測された。
【０１０２】また比較対象のランドマスク設計の一例と
して、ランド径Ｌ３９＝０．４３ｍｍ、メタルマスク開
口径Ｍ３２＝０．４３ｍｍとしたものを示す。ランド厚
さＬｔ２６とメタルマスク厚ｔ３１は、基板やメタルマ
スクの製造方法でほぼ決定されるため設計自由度は小さ
い。このため予測した設計と同じとした。
【０１０３】図９（ａ）の寿命ＭＴＴＦから、実施の形
態５で説明した方法を用いて予測した最適ランドマスク
設計が、比較対象のランドマスク設計より長寿命となっ
ていることが分かる。またこのとき予測した最適ランド
マスク設計において、ランド径Ｌ３９とメタルマスク開
口径Ｍ３２が部品電極径Ｄ１５に対してどの程度の大き
さであるかを示すL/DとM/Dの値は0.88である。
【０１０４】図９（ｂ）に種々の部品１（図中Type2、T
ype3と記載）について実施の形態５で説明した方法を用
いて予測した最適ランドマスク設計を示すが、ランド径
Ｌ３９とメタルマスク開口径Ｍ３２が部品電極径Ｄ１５
に対してどの程度の大きさであるかを示すL/DとM/Dの値
は0.80及び0.92である。更に、寿命(MTTF)も種々の比較
対象のランドマスク設計と比較して最も長寿命であっ
た。
【０１０５】従って、部品１に対する最適はんだ形状を
形成するためには、ランド径Ｌとメタルマスク開口径Ｍ
の部品電極径Ｄに対する比L/DとM/Dを、 0.8≦L/D≦0.92 0.8≦M/D≦0.92 とすればよい。
【０１０６】但し、実装後はんだ９の形状のばらつきな
どから、 0.75≦L/D≦1 0.75≦M/D≦1 と余裕を持たせる場合もある。
【０１０７】
【発明の効果】以上のように本発明は、実装後のはんだ
に熱疲労が作用した場合に、平易な方法で熱疲労寿命を
予測できる寿命予測法であり、さらにこの方法に基づい
て最適なはんだ形状、及びランドマスク設計条件を予測
することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における実装後はんだの
熱疲労破壊形態を表わす図
【図２】本発明の一実施の形態における実装後はんだの
断面図
【図３】図２のパラメータによる寿命変化図
【図４】図２のパラメータの限界を超えた場合の寿命変
化を表わす図
【図５】本発明の一実施の形態における実装後はんだ形
状の計算用の形状概略図
【図６】本発明の一実施の形態における実装後はんだ体
積の計算用の形状概略図
【図７】図５，６の予測形状と実測形状の比較図
【図８】本発明の一実施の形態における最適はんだ形状
予測フローチャート
【図９】本発明の一実施の形態における最適ランドマス
クの設計条件を表わす図
【図１０】従来の部品実装の断面図
【図１１】従来の実装後はんだの断面図
【図１２】従来の実装後はんだの温度変化を表わす断面
図
【図１３】従来の実装後はんだの寿命予測、及び形状予
測フローチャート
【符号の説明】
１ 部品 ２ メタルマスク ３ はんだペースト ４ 基板 ５ 部品電極 ６ はんだボール ７ 開口部 ８ ランド ９ 実装後はんだ １５ 部品電極径Ｄ １６ 実装後はんだ高さｈ １７ 実装後はんだ径ｄ １８ ソルダーレジスト １９ データ ２０ ln(S)＞-1.3+ln(n)のデータ ２１ ln(S)≦-1.3+ln(n)のデータ ２２ 部品内部の実装後はんだ ２３ 部品外部の実装後はんだ ２４ ランド半径ａ ２５ 実装後はんだ上部半径ｂ ２６ ランド厚さＬｔ ２７ 実装後はんだ半径ｒ ２８ 実装後はんだ中心Ｃ ２９ はんだ高さｈ’ ３０ はんだボール高さＨ ３１ メタルマスク厚ｔ ３２ メタルマスク開口径Ｍ ３３ 予測形状 ３７ 予測した最適ランドマスク設計のデータ ３８ 比較対象のランドマスク設計のデータ ３９ ランド径Ｌ

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】裏面に電極とはんだボールを有する部品を
    ランドを有する基板に実装した後のはんだに熱疲労が生
    じた際の熱疲労寿命と、実装した後のはんだの形状から
    求められる寸法との関係式を作成し、前記関係式から前
    記実装した後のはんだの前記熱疲労寿命を予測すること
    を特徴とする実装部寿命予測方法。
  2. 【請求項２】前記実装した後のはんだの形状から求めら
    れる寸法として、前記部品の電極の直径Ｄ、前記実装し
    た後のはんだの直径ｄ、前記実装した後のはんだ高さｈ
    を用いることを特徴とする請求項１記載の実装部寿命予
    測方法。
  3. 【請求項３】前記電極の直径をＤ、前記実装した後のは
    んだの直径をｄ、前記実装した後のはんだ高さをｈとし
    たとき、(d-D)/hなる値を計算し、前記実装した後のは
    んだに熱疲労が生じた際の熱疲労寿命と、前記(d-D)/h
    なる値との関係から前記実装した後のはんだの熱疲労寿
    命を予測することを特徴とする、請求項１及び２記載の
    実装部寿命予測方法。
  4. 【請求項４】nを定数としたとき、前記(d-D)/hなる値を
    含むパラメータS=n×(d-D)/hを計算し、前記パタメータ
    S=n×(d-D)/hの値に対数を取った値ln(S)と、前記実装
    した後のはんだに熱疲労が生じた際の熱疲労寿命をNと
    したとき前記熱疲労寿命Nに対数を取った値ln(N)との関
    係から、前記実装した後のはんだの熱疲労寿命を予測す
    ることを特徴とする、請求項１、２及び３記載の実装部
    寿命予測方法。
  5. 【請求項５】請求項４記載の前記パラメータSを計算
    し、且つ裏面に電極とはんだボールを有する前記部品を
    ランドを有する前記基板に実装した構造体が複数有る場
    合の前記熱疲労寿命Nを統計学に基づいて計算される平
    均故障時間MTTFとしたとき、Ｃを定数、pを-1.1≦p≦-
    0.75をみたす指数として、MTTF=C×(Sp)なる関係を作成
    し、前記MTTF=C×(Sp)なる関係から前記実装した後のは
    んだの熱疲労寿命を予測することを特徴とする、請求項
    １、２、３、及び４記載の実装部寿命予測方法。
  6. 【請求項６】請求項４記載の前記パラメータSの対数ln
    (S)を計算したとき、-1.4+ln(n)≦ln(S)≦-1.05+ln(n)
    なる値を満たすように形成されたことを特徴とする前記
    実装した後のはんだ形状。
  7. 【請求項７】前記実装した後のはんだの形状と、前記部
    品、前記ランド及びメタルマスクの形状との関係式を作
    成し、前記関係式から前記実装した後のはんだの形状を
    予測することを特徴とするはんだ形状予測方法。
  8. 【請求項８】前記実装後はんだの形状を球帯で近似し、
    前記実装後のはんだの体積と、前記電極の半径と、前記
    ランドの半径と、前記ランドの厚さ、もしくは前記電極
    の直径と、前記ランドの直径と、前記ランドの厚さか
    ら、前記実装後はんだの形状を計算することを特徴とす
    る請求項７記載のはんだ形状予測方法。
  9. 【請求項９】実装前の前記部品のはんだボールの形状を
    球冠で近似し、前記はんだボールの高さと、前記電極の
    半径から前記はんだボールの体積を計算し、さらに前記
    部品を前記基板に実装する際に用いるメタルマスクの開
    口部の形状を円柱で近似し、前記メタルマスクの厚さ
    と、前記メタルマスクの開口部の直径からメタルマスク
    の開口部の体積を計算し、かつ前記メタルマスクの開口
    部の体積にはんだペースト中の金属成分体積比率を掛け
    ることではんだペースト中の体積を計算し、前記はんだ
    ボールの体積と、前記はんだペーストの体積を足すこと
    で実装後はんだの体積を計算することを特徴とする、請
    求項７及び８記載のはんだ形状予測方法に用いるはんだ
    体積計算方法。
  10. 【請求項１０】前記実装した後のはんだに熱疲労が生じ
    た際の熱疲労寿命と、前記部品、前記ランド及びメタル
    マスクの形状との関係式を、請求項１記載の関係式と請
    求項７記載の関係式を用いて作成し、前記関係式から前
    記熱疲労寿命が最も長寿命となる前記ランドと前記メタ
    ルマスクの寸法を計算することを特徴とする実装設計方
    法。
  11. 【請求項１１】前記請求項７、８、及び９記載のはんだ
    形状予測方法で予測した前記実装後のはんだ形状が、前
    記請求項６記載の実装した後のはんだ形状を満たしてい
    る場合において、前記請求項７、８、及び９記載のはん
    だ形状予測方法で予測する際に用いた、前記ランド半径
    と、前記ランド厚さと、前記メタルマスク厚さと、前記
    メタルマスクの開口部直径を設計採用条件とすることを
    特徴とする実装設計方法。
  12. 【請求項１２】前記基板上の前記ランドの直径をＬ、前
    記部品の電極の直径をＤとしたとき、0.75≦L/D≦1を満
    たすように形成されたことを特徴とする、請求項１０及
    び請求項１１記載の方法を用いて設計された、請求項６
    記載の実装した後のはんだの形状を形成することを特徴
    とするランド。
  13. 【請求項１３】前記部品を前記基板に実装する際に用い
    るメタルマスクの開口部の直径をＭ、前記部品の電極の
    直径をＤとしたとき、0.75≦M/D≦1を満たすように形成
    されたことを特徴とする、請求項１０及び請求項１１記
    載の方法を用いて設計された、請求項６記載の実装した
    後のはんだの形状を形成するためのメタルマスク。
  14. 【請求項１４】請求項１、２、３、４、及び５記載の実
    装部寿命予測方法を記録した記録媒体。
  15. 【請求項１５】請求項６記載の計算式に基づくはんだ形
    状を記録した記録媒体。
  16. 【請求項１６】請求項７、８及び９記載のはんだ形状予
    測方法を記録した記録媒体。
  17. 【請求項１７】請求項１０及び１１記載の実装設計方法
    を記録した記録媒体。
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