JP2010122114A - 電子部品の寿命計測方法、基板および基板の設計良否判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品への影響がなく、簡便に電子部品の振動疲労による寿命を計測できる電子部品の振動電子部品の寿命計測方法を提供することを目的とする。
【解決手段】電子部品９が実装された基板１１を試験片として電子部品９が振動疲労寿命となるまで電子部品９の近傍位置における基板１１の歪量を計測しつつ振動条件を変えて繰り返し振動試験を行い、歪量および振動疲労寿命の相関関係をデータベースとし、製品に装着された基板１１における電子部品９の近傍位置の歪量を歪ゲージ１３によって測定し、測定された歪量に基づいてデータベースから電子部品９の振動疲労寿命を推定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電子部品の寿命計測方法、実装された電子部品の振動疲労寿命を計測できる基板および基板の設計良否判定方法に関する。

空調装置等の制御部は、電子回路がプリント配線されたプリント基板（基板）の表面に、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等の集積回路、抵抗器、コンデンサ等の電子部品が装着されたボードによって構成されている。
従来、空調装置の制御部は、航空機、軍事機器などを除くと厳しい振動環境に置かれることはまれであった。ところが、近年、自動車の電子化が進み、配置の都合によってボードが、たとえば、エンジン直付け等厳しい振動環境および熱環境に置かれる例が増えてきている。
一方、基板に対する小型・軽量化の要求も強くなり、電子部品の土台（基板、取付部等）が弱くなっている。

このような状況の中で、振動強度面および熱疲労面から見た電子部品の選別方法、すなわち、所定の期間所定の性能を発揮できるようにすることが重要になってきている。
電子部品の熱疲労面については、それを検討する技術が、たとえば、特許文献１に示されるように提案されている。
これは、基板にリードを半田付けして実装された電子部品の半田接合部に歪ゲージを貼り付けて熱サイクル試験を行うとともに、この熱サイクル試験中に歪ゲージによって得られる電気的出力に基づいて半田接合部の良否を判定するものである。
一方、電子部品の振動疲労面については、それを検討する技術が熱疲労面ほど進んでいないのが現状である。

特開２００６−３００４８号公報

ところで、電子部品の振動強度を検討するには、通常は、特許文献１に示されるように電子部品にかかる応力を測定することになるが、電子部品は非常に小型であり、半田接合部に至っては極めて微細（大きくても幅が１ｍｍ程度）であるため、直接応力を計測することは困難である。
特許文献１のように歪ゲージを用いると、歪ゲージは非常に小さなものとなるので、それを貼り付ける作業が困難となるし、測定したデータの信頼性が低い。
また、基板の搭載場所によって基板の振動形態は異なるため、搭載場所が変わると以前のデータが使用できなくなってしまう。

本発明は、上記の課題に鑑み、電子部品への影響がなく、簡便に電子部品の振動疲労による寿命を計測できる電子部品の振動電子部品の寿命計測方法、実装された電子部品の振動疲労寿命を計測できる基板および基板の設計良否判定方法を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明にかかる電子部品の寿命計測方法は、電子部品が実装された基板を試験片として前記電子部品が振動疲労寿命となるまで前記電子部品の近傍位置における前記基板の歪量を計測しつつ振動条件を変えて繰り返し振動試験を行い、前記歪量および前記振動疲労寿命の相関関係をデータベースとし、製品に装着された基板における前記電子部品の前記近傍位置の歪量を歪計測部材によって測定し、測定された歪量に基づいて前記データベースから前記振動疲労寿命を推定することを特徴とする。

本発明によれば、電子部品が実装された基板を試験片として電子部品が振動疲労寿命となるまで電子部品の近傍位置における基板の歪量を計測しつつ振動条件を変えて繰り返し振動試験を行い、歪量および振動疲労寿命の相関関係をデータベースとする。そして、製品に装着された基板における電子部品の近傍位置の歪量を歪計測部材によって測定し、測定された歪量に基づいてデータベースから振動疲労寿命を推定することができる。
このように、基板における電子部品の近傍位置の歪量を歪計測部材によって測定しているので、たとえば、電子部品に直接歪ゲージを貼り付ける場合に比べて、計測が電子部品に直接影響することはない。また、電子部品の大きさによらず計測できるので、小さなスペースに歪測定部材を組み込む必要がなくなるので、歪測定部材の組込作業を簡便に行うことができる。

また、製品に装着された基板における電子部品の近傍位置の歪量を歪計測部材によって測定しているので、常時、必要に応じて電子部品の振動疲労寿命をチェックすることができる。
さらに、予め歪量および振動疲労寿命の相関関係をデータベースとしているので、基板の設置場所が変わって基板の振動形態が異なったとしても、そのまま振動疲労寿命を推定することができる。
なお、電子部品の近傍位置とは、電子部品に近い位置という意味である。この場合、電子回路で覆われておらず、基板が露出している位置を選択することとなる。したがって、電子部品が装着される装着面（表側面）あるいは装着面の反対側の面（裏側面）のいずれかで基板が露出している位置を選択する。裏側面であれば、電子部品に対応する位置における基板の歪量を計測することができる。

上記発明においては、前記歪計測部材は、前記近傍位置に貼付された歪ゲージであることとしてもよい。

歪ゲージは、基板に取り付けられるので、その大きさは電子部品の大きさ（すなわち、非常に小さい）に対応する必要はない。このため、歪ゲージは大きいものを用いることができるので、貼り付ける作業が容易となる。また、局所歪を検出しないので、測定したデータの信頼性が高くなる。

また、上記発明においては、前記歪計測部材は、前記近傍位置の歪量を非接触で測定することとしてもよい。

このように、歪計測部材は、近傍位置の歪量を非接触で測定するので、基板の電子回路を傷めない。
また、測定範囲が多様であるので、測定範囲の広いものを用いることができる。このようにすると、基板の広い範囲における歪量を計測することができるので、複数の電子部品の寿命評価を同時に行うことができる。

本発明にかかる基板は、実装された電子部品の近傍位置における歪量を測定する歪計測部材と、予め振動試験を振動条件を変えて繰り返し行い、前記近傍位置における前記歪量および前記電子部品の振動疲労寿命の相関関係を示すデータベースと、が備えられ、前記歪計測部材によって測定された歪量に基づいて前記データベースから前記電子部品の前記振動疲労寿命が推定されることを特徴とする。

本発明によれば、予め振動試験を振動条件を変えて繰り返し行い、近傍位置における歪量および電子部品の振動疲労寿命の相関関係を示すデータベースが備えられているので、歪計測部材によって実装された電子部品の近傍位置の歪量を測定すれば、測定された歪量に基づいてデータベースから振動疲労寿命を推定することができる。
このように、電子部品の近傍位置の歪量を歪計測部材によって測定しているので、たとえば、電子部品に直接歪ゲージを貼り付ける場合に比べて、計測が電子部品に直接影響することはない。また、電子部品の大きさによらず計測できるので、小さなスペースに歪測定部材を組み込む必要がなくなるので、歪測定部材の組込作業を簡便に行うことができる。

また、電子部品の近傍位置の歪量は、具備されている歪計測部材によって測定されるので、常時、必要に応じて電子部品の振動疲労寿命をチェックすることができる。
さらに、予め歪量および振動疲労寿命の相関関係をデータベースとしているので、基板の設置場所が変わって基板の振動形態が異なったとしても、そのまま振動疲労寿命を推定することができる。
なお、電子部品の近傍位置とは、電子部品に近い位置という意味である。この場合、電子回路で覆われておらず、基板が露出している位置を選択することとなる。したがって、電子部品が装着される装着面（表側面）あるいは装着面の反対側の面（裏側面）のいずれかで基板が露出している位置を選択する。裏側面であれば、電子部品に対応する位置における基板の歪量を計測することができる。

本発明にかかる基板の設計良否判定方法は、電子部品が実装された基板を試験片として前記電子部品が振動疲労寿命となるまで前記電子部品の近傍位置における前記基板の歪量を計測しつつ振動条件を変えて繰り返し振動試験を行い、前記歪量および前記振動疲労寿命の相関関係をデータベースとし、製品の振動条件に基づいて前記基板における前記電子部品の前記近傍位置の歪量を有限要素法によってシミュレーションし、シミュレーションされた歪量に基づいて前記データベースから前記電子部品の前記振動疲労寿命を推定し、それが設計条件を満たしているか判定することを特徴とする。

本発明によれば、電子部品が実装された基板を試験片として電子部品が振動疲労寿命となるまで電子部品の近傍位置における基板の歪量を計測しつつ振動条件を変えて繰り返し振動試験を行い、歪量および振動疲労寿命の相関関係をデータベースとする。
一方、製品の振動条件に基づいて有限要素法によってシミュレーションして基板における電子部品の近傍位置の歪量を計算する。
このシミュレーションされた歪量に基づいてデータベースから電子部品の振動疲労寿命を推定し、それが設計条件としての電子部品の寿命を満たしているか判定する。
このように、シミュレーションした歪量によって電子部品の寿命が設計条件を満たしているかどうか判定できるので、電子部品を装着した基板の製造を本格的に開始する前に、電子部品を装着した基板の設計の良否を判定することができる。

本発明によれば、基板における電子部品の近傍位置の歪量を歪計測部材によって測定しているので、たとえば、電子部品に直接歪ゲージを貼り付ける場合に比べて、計測が電子部品に直接影響することはない。また、電子部品の大きさによらず計測できるので、小さなスペースに歪測定部材を組み込む必要がなくなるので、歪測定部材の組込作業を簡便に行うことができる。
また、製品に装着された基板における電子部品の近傍位置の歪量を歪計測部材によって測定しているので、常時、必要に応じて電子部品の振動疲労寿命をチェックすることができる。
さらに、予め歪量および振動疲労寿命の相関関係をデータベースとしているので、基板の設置場所が変わって基板の振動形態が異なったとしても、そのまま振動疲労寿命を推定することができる。

以下、本発明の実施形態について図１から図５を参照して説明する。
図１は、本実施形態にかかる振動試験を行う振動試験装置の概略構成を示すブロック図である。
振動試験装置１には、上下方向Ｈに振動する一対のクランプ３と、歪量を計測する歪計５と、振動疲労寿命を判定する寿命判定部７とが備えられている。
一対のクランプ３は、表面に電子部品９が装着された基板１１の両端部分を保持する。
歪計５は、基板１１の電子部品９が取り付けられている面（表側面）の反対側の面（裏側面）における電子部品９と対応する位置（近傍位置）に取り付けられた歪ゲージ（歪計測部材）１３と電気的に接続され、歪ゲージ１３の電気抵抗の変化から基板１１の歪量を計測する。

寿命判定部７には、電源１５と、電流計１７とが備えられている。寿命判定部７は、電源１５と電子部品９とを通る回路を形成し、電子部品９に微小電流を供給する。
寿命判定部７は、電子部品９に流した微小電流を電流計１７によって測定する。寿命判定部７は、電流が当初の大きさから変化する（乱れる）と、電子部品の状態が変化したので、電子部品９の寿命がきたと判断する。
この乱れは、対象となる電子部品９によって異なるが、たとえば、当初の電流の大きさの１〜１０％である。

図３は、本実施形態にかかるボード１０の一例を示す平面図である。図４は、図３のＸ−Ｘ断面図である。
ボード１０は、電子回路がプリント配線された基板１１の表面に、電子部品９として、たとえば、ＣＰＵ１９、ＲＯＭ２１、ＲＡＭ２３、コンデンサ２５、抵抗２７等が装着されて、構成されている。
基板に実装された各電子部品９の近傍位置には、歪計測部材としての歪ゲージ１３がそれぞれ貼付されている。
ＲＯＭ２１、ＲＡＭ２３、コンデンサ２５および抵抗２７については、歪ゲージ１３はそれらが装着されている表面（装着面）に貼付されている。一方、ＣＰＵ１９については、図４に示されるように、裏面（装着面の反対側の面）に貼付されている。

歪ゲージ１３の貼付位置は、基本的に電子部品９の近くで、電子回路によって覆われておらず基板１１面が露出している位置を選択することとなる。したがって、これらの歪ゲージ１３は、その貼付位置に電子回路が存在していない状態であったから上述のように設置されているものである。
電子部品９に対応する位置における基板１１の歪量を計測することができることを考慮すると、ＣＰＵ１９のように歪ゲージ１３は裏面に貼付されることが望ましい。
一方、装着作業のことを考慮すると、歪ゲージ１３は表面に貼付されることが望ましい。たとえば、歪ゲージ１３の信号取出し線を基板１１の電子回路として予め配線することができる。

このように、歪ゲージ１３は、基板１１に取り付けられるので、その大きさは電子部品９の大きさ（すなわち、非常に小さい）に対応する必要はない。
このため、歪ゲージ１３は大きいもの、たとえば、５ｍｍ以上のものを用いることができるので、貼付作業が容易となる。また、比較的大きな歪ゲージ１３は基板１１の局所歪を検出しないので、測定したデータの信頼性を高くすることができる。
歪ゲージ１３は、歪計２９に電気的に接続されている。歪計２９は、歪ゲージ１３の電気抵抗の変化から基板１１の当該部分、すなわち、電子部品９の近傍位置の歪量を計測する。

このボード１０は、基本的に量産品である。その量産に入る前に図１に示される振動試験装置１によって振動試験が行われる。この振動試験について説明する。
電子部品９および歪ゲージ１３が取り付けられた基板１１の両端はクランプ３に保持される。歪ゲージ１３の信号線を歪計５に接続する。電源１５と電子部品９とを通る回路を電子部品９に接続し、電子部品９に微小電流を供給する。

この状態で、クランプ３は上下方向Ｈに一定振幅で振動させられる。このとき、歪計５は、歪ゲージ１３の抵抗変化から基板１１の歪量を測定する。
寿命判定部７は、電子部品９に流した微小電流を電流計１７によって測定する。
寿命判定部７は、電流計１７が検出する電流をチェックし、それが当初の大きさから所定量変化するかを判定する。この所定量は、対象となる電子部品９によって異なるが、たとえば、当初の電流の大きさの１〜１０％である。
寿命判定部７は、電流が所定量変化すると、電子部品の状態が変化したと判定し、電子部品９の寿命がきたと判断する。
そして、そのときまでの振動回数と、歪計５が測定した歪量とを記憶する。

次いで、クランプ３の振幅を変えて、上述と同様に振動試験を行い、そのとき、寿命と判断されたときの振動回数と、歪計５が測定した歪量とを記憶する。
これを繰り返し行い、寿命と判断されたときの振動回数と、歪計５が測定した歪量とを記憶し、データベース化する。
図２は、１つの電子部品９についてデータベース化された歪量と寿命まで振動回数との相関関係を示すグラフである。

量産前の試験でデータベースを構築するので、量産品の合否は、歪計測のみで判断できる。
また、一度データを取ってしまえば、データベースを参照することで、異なる仕様（形状）の基板でも、歪計測のみで合否判断が可能になる。
すなわち、電子部品の破損有無をチェックする必要がなく、一般に５０時間以上は掛かる耐久試験時間を数時間程度に節約できる。

このデータベースは、たとえば、ボード１０が、それが取り付けられる製品の設計条件に合致しているかを判定することにも利用できる。これについて説明する。
ボード１０が取り付けられる製品の振動条件に基づいて有限要素法によってシミュレーションして基板１１における電子部品９の近傍位置の歪量を計算する。
このシミュレーションされた歪量に基づいてデータベースから電子部品９の振動疲労寿命を推定し、それがボード１０の設計条件を満たしているか判定する。設計条件は、たとえば、電子部品９の寿命である。

ボード１０が、設計条件を満足していない場合、電子部品９を別のものに交換する、電子部品９の配置を変更する、電子部品の取り付け方を変更する等、必要な設計変更を行うことができる。
言い換えると、このように、シミュレーションした歪量によってボード１０が設計条件を満たしているかどうか判定できるので、ボード１０の製造を本格的に開始する前に、ボード１０の設計の良否を判定することができる。
この設計の良否判定は必要に応じて実施することになる。

設計がボード１０の設計条件を十分に満たしている場合、ボード１０は大量生産に入ることになる。
なお、この場合、条件によっては、後述する電子部品９の寿命測定方法を実施しないことも考えられる。すなわち、大量生産するボード１０では、歪ゲージ１３の貼付を行わないことにすることもできる。

次に、ボード１０が製品に搭載された場合における、電子部品９の寿命測定方法について説明する。
歪計２９は、各電子部品９の近傍位置に貼付された歪ゲージ１３の電気抵抗の変化を受けて、各位置での基板１１の歪量を測定している。
そして、この測定された歪量に基づいて対応する電子部品９のデータベースにあたることによって当該電子部品９の振動疲労寿命、すなわち、許容振動回数を推定することができる。
したがって、稼動からの振動回数を別途測定あるいは推測することによって、その電子部品９の残存寿命を推測することができる。これにより、メンテナンスの時期、電子部品９の交換時期、ボード１０の交換時期等が容易に判明する。

このように、製品に装着された基板１１における電子部品９の近傍位置の歪量を歪ゲージ１３によって測定しているので、常時、必要に応じて電子部品９の振動疲労寿命をチェックすることができる。
さらに、予め歪量および振動疲労寿命の相関関係をデータベースとしているので、基板１１、すなわち、ボード１０の設置場所が変わって基板の振動形態が異なったとしても、そのまま振動疲労寿命を推定することができる。

本実施形態では、測定部材として基板１１に貼付する歪ゲージ１３を用いているが、測定部材としては、たとえば、図５に示されるように非接触のものを用いることができる。
図５は、図４と同様部分を示す断面図である。
ボード１０の設置位置には、その裏面側にホログラフィ干渉計測器（測定部材）３１が取り付けられている。
ホログラフィ干渉計測器３１には、本体３３と、撮像部材３５と、照明器３７と、が備えられている。
本体３３は、撮像部材３５が撮影した画像を処理し、モアレ干渉縞を形成させ、対象部分の歪量を計測する。
なお、この場合、振動試験装置１の歪計７は、ホログラフィ干渉計測器３１に代えてそれによって歪量を測定するようにしてもよい。

ホログラフィ干渉計測器３１は、各電子部品９の近傍位置における基板１１の歪量を測定している。
そして、この測定された歪量に基づいて対応する電子部品９のデータベースにあたることによって当該電子部品９の振動疲労寿命、すなわち、許容振動回数を推定することができる。
したがって、稼動からの振動回数を別途測定あるいは推測することによって、その電子部品９の残存寿命を推測することができる。これにより、メンテナンスの時期、電子部品９の交換時期、ボード１０の交換時期等が容易に判明する。

このように、製品に装着された基板１１における電子部品９の近傍位置の歪量をホログラフィ干渉計測器３１によって測定しているので、常時、必要に応じて電子部品９の振動疲労寿命をチェックすることができる。
さらに、予め歪量および振動疲労寿命の相関関係をデータベースとしているので、基板１１、すなわち、ボード１０の設置場所が変わって基板の振動形態が異なったとしても、そのまま振動疲労寿命を推定することができる。

ホログラフィ干渉計測器３１は、近傍位置の歪量を非接触で測定するので、基板１１の電子回路を傷める恐れがない。
また、ホログラフィ干渉計測器３１は測定範囲を多様とすることができるので、測定範囲を広げることができる。
このようにすると、基板１１の広い範囲におけるそれぞれの歪量を計測することができるので、複数の電子部品９の寿命評価を同時に行うことができる。

なお、歪量を非接触で行う測定部材は、ホログラフィ干渉計測器３１以外にも、たとえば、レーザ変位計やビデオストロボスコープを用いる方法、スペックル干渉法など適宜なものを用いることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

本発明の一実施形態にかかる振動試験を行う振動試験装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態にかかる振動試験装置で計測した歪量と振動回数（寿命）との相関関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態にかかるボードの一例を示す平面図である。 図３のＸ−Ｘ断面図である。 本発明の一実施形態にかかる測定部材の他の実施態様の図４と同様部分を示す断面図である。

符号の説明

９ 電子部品
１１ 基板
１３ 歪ゲージ
３１ ホログラフィ干渉計測器

Claims (5)

1. 電子部品が実装された基板を試験片として前記電子部品が振動疲労寿命となるまで前記電子部品の近傍位置における前記基板の歪量を計測しつつ振動条件を変えて繰り返し振動試験を行い、
   前記歪量および前記振動疲労寿命の相関関係をデータベースとし、
   製品に装着された基板における前記電子部品の前記近傍位置の歪量を歪計測部材によって測定し、測定された歪量に基づいて前記データベースから前記振動疲労寿命を推定する、ことを特徴とする電子部品の寿命計測方法。
2. 前記歪計測部材は、前記近傍位置に貼付された歪ゲージであることを特徴とする請求項１記載の電子部品の寿命計測方法。
3. 前記歪計測部材は、前記近傍位置の歪量を非接触で測定することを特徴とする請求項１記載の電子部品の寿命計測方法。
4. 実装された電子部品の近傍位置における歪量を測定する歪計測部材と、
   予め振動試験を振動条件を変えて繰り返し行い、前記近傍位置における前記歪量および前記電子部品の振動疲労寿命の相関関係を示すデータベースと、が備えられ、
   前記歪計測部材によって測定された歪量に基づいて前記データベースから前記電子部品の前記振動疲労寿命が推定されることを特徴とする基板。
5. 電子部品が実装された基板を試験片として前記電子部品が振動疲労寿命となるまで前記電子部品の近傍位置における前記基板の歪量を計測しつつ振動条件を変えて繰り返し振動試験を行い、
   前記歪量および前記振動疲労寿命の相関関係をデータベースとし、
   製品の振動条件に基づいて前記基板における前記電子部品の前記近傍位置の歪量を有限要素法によってシミュレーションし、
   シミュレーションされた歪量に基づいて前記データベースから前記電子部品の前記振動疲労寿命を推定し、それが設計条件を満たしているか判定することを特徴とする基板の設計良否判定方法。
   

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