JP2016100361A - 寿命予測機能を備えた回路基板及びはんだ接続寿命予測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回路のオン・オフの繰り返しにより発生する熱ストレスが繰り返し係る電子部品について、はんだ接続部の破断による電子機器への実害が発生する前に、はんだ接続部の破断が発生する前の段階でその破断を高い信頼度で予測する寿命予測を可能にする。
【解決手段】回路パターンが形成された基板に搭載されて基板とはんだで接続された電子部品の基板とのはんだ接続部に破断が発生することによるはんだ接続部の寿命を予測する接続寿命予測方法において、基板と電子部品とのはんだ接続部よりも大きな熱機械的ストレスを受けるようにはんだ接続されたはんだ接続寿命予測デバイスを用いて検出される複数の領域のはんだ接続部における接続寿命予測デバイスと基板とのはんだ接続の状態を示す信号を検出し、検出した信号からはんだ接続部の破断を検出し、検出した断線の数をカウントし、カウントした断線の数が予め設定した数になった時に警報を出力するようにした。
【選択図】図９Ａ

Description

本発明は、実装部品と回路基板とを、はんだペーストや溶融はんだ噴流によって接続する、リフローはんだ接続により形成された回路基板の熱ストレスによるはんだ接続部の寿命を予測する寿命予測機能を備えた回路基板及びはんだ接続寿命予測方法に関する。

電子部品と回路基板の接続には、２２０℃付近ではんだ接続することが出来るＳｎ−３７Ｐｂ（単位：質量％）や、鉛を用いない鉛フリーはんだ合金Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（単位：質量％）が使用されている。

現在鉛フリーはんだを用いた挿入・表面実装両方において材料コストの低い、銀含有量が３％未満の低銀はんだが注目され、現行のＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ等と併せ、様々なはんだで電子部品が実装される状況となっている。

この鉛フリーはんだを用いて電子部品を実装した回路基板においては、回路基板を作動させているときに実装した電子部品の鉛フリーはんだ接続部に熱が発生して温度が上昇し、回路基板の作動を停止すると実装した電子部品の鉛フリーはんだ接続部の発熱が停止して温度が低下する。この回路基板の作動と停止を繰り返すことにより、実装した電子部品の鉛フリーはんだ接続部に熱ストレスがかかる。

この熱ストレスを繰り返しかけることにより、はんだ接続部にクラックが発生し、徐々に成長してついにははんだ接続部が破断してしまう。その結果、この回路基板を組み込んだ装置（電子機器）の機能が劣化、または停止に至ってしまうこともある。そこで、回路基板の寿命を予測する技術の開発が行われている。

そこで、電子機器を搭載した基板において、実害が発生する前に、電子機器搭載部の破断を予測する寿命予測技術の開発が進められている。この接続部の寿命を予測することについては、例えば、特許文献１や特許文献２、非特許文献１に記載されている。

特開２０１１−２５３９７１号公報 国際公開 ＷＯ ２０１１／０３６７５１号

特許文献１には、電力用半導体を用いた電子式制御装置において、電力用半導体をダイアタッチ材でメカニカルに支持した配線基板上に電圧を印加することにより発熱する発熱層と温度の計測が可能な感熱層とから形成される発熱感熱デバイスを設け、この発熱感熱デバイスの発熱層を加熱して感熱層の温度変化を計測することにより配線基板の余寿命を予測することが記載されている（要約参照）。

また、特許文献２には、対象接合部およびダミー接合部を介して電子部品を搭載した電子基板に加振源から所定の大きさの振動を与えて、この時のダミー接合部の電気特性を電気特性測定部で測定し、この測定した電気特性とデータベースに格納しておいた対象接合部の亀裂の進展度合いを示す損傷値とダミー接合部の電気特性との関係から対象接合部の損傷値を求め、対象接合部の損傷具合をその破断が発生する前に検知することが記載されている（要約参照）。

また、特許文献２に記載された検知方法は、振動による損傷を予測するものであって、回路のオン・オフの繰り返しにより発生する熱ストレスによる影響は考慮されていない。

本発明は、回路のオン・オフの繰り返しにより発生する熱ストレスが繰り返しかかる電子部品について、はんだ接続部の破断による電子機器への実害が発生する前に、はんだ接続部の破断が発生する前の段階でその破断を高い信頼度で予測する寿命予測を可能にする寿命予測基板及び寿命予測方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明では、回路パターンが形成された基板と、基板に複数の箇所をはんだで接続した電子部品と、電子部品と回路基板とを接続するはんだ接続部に破断が発生することによる寿命を予測する寿命予測部とを有する寿命予測機能を備えた回路基板において、寿命予測部を、互いに離れたか所にそれぞれ複数のはんだ接続部が形成されていて複数のはんだ接続部において電子部品と回路基板とを接続するはんだ接続部のはんだと同じ材料のはんだで接続されているはんだ接続寿命予測デバイスと、接続寿命予測デバイスで検出される複数のはんだ接続部における接続寿命予測デバイスと基板とのはんだ接続の状態を示す信号を検出して破断によるはんだ接続寿命を予測する接続寿命予測回路部とを備えて構成した。

また、上記課題を解決するために、本発明では、回路パターンが形成された基板と、基板にＢＧＡ又は多数のピンをはんだで接続した電子部品と、電子部品と回路基板とを接続するはんだ接続部に破断が発生することによる寿命を予測する寿命予測部とを有する寿命予測機能を備えた回路基板において、寿命予測部を、電子部品をＢＧＡ又は多数のピンで基板にはんだ接続する領域の一辺の長さよりも長く離れた領域を含む離隔した複数の領域に配置されたはんだ接続部において電子部品と同じＢＧＡ又は多数のピンをはんだで基板に接続されているはんだ接続寿命予測デバイスと、接続寿命予測デバイスで検出される複数のはんだ接続部における破断を検出してはんだ接続寿命を予測する接続寿命予測回路部とを備えて構成した。

更に、上記課題を解決するために、本発明では、回路パターンが形成された基板に搭載されて基板とはんだで接続された電子部品の基板とのはんだ接続部に破断が発生することによるはんだ接続部の寿命を予測する接続寿命予測方法において、基板と電子部品とのはんだ接続部よりも大きな熱機械的ストレスを受けるようにはんだ接続されたはんだ接続寿命予測デバイスを用いて検出される複数の領域のはんだ接続部における接続寿命予測デバイスと基板とのはんだ接続の状態を示す信号を検出し、検出した信号からはんだ接続部の破断を検出し、検出した断線の数をカウントし、カウントした断線の数が予め設定した数になった時に警報を出力するようにした。

本発明により、プリント基板において電子部品のはんだ接続部の寿命をより高い信頼度で予測することが可能な接続寿命予測機構（カナリ―デバイス）を電子回路部品を搭載した実装構造体に形成できるようになった。

また、低銀はんだの製品化で現在急増しつつあるはんだの種類にも関係なく、回路のオン・オフの繰り返しにより発生する熱ストレスが繰り返しかかる電子部品について、はんだ接続部の破断による電子機器への実害が発生する前に、はんだ接続部の破断が発生する前の段階でその破断を高い信頼度で予測する寿命予測が可能になった。

本発明の比較例で、ＢＧＡなどの一般的な実装部品と同じように、はんだ接続部がパッケージのほぼ全面に配置された構造を持つ部品形状をベースとした場合のはんだ接続寿命予測デバイス(カナリーデバイス)が回路基板に実装されている状態を示す回路基板の斜視図である。 ＢＧＡのはんだ接続面の平面図である。 本発明の比較例で、はんだ接続部がパッケージのほぼ全面に配置された構造を持つ部品形状をベースとした場合のはんだ接続寿命予測デバイス(カナリーデバイス)のパッケージ中央位置付近に存在するはんだ接続部には、回路基板とデバイスのパッケージ間の熱膨張係数の差の大きさにかかわらず、熱機械的ストレスが極めて小さくなること状態を示す接続寿命予測デバイスが回路基板に実装されている状態を示す回路基板の正面図である。 本発明の比較例で、はんだ接続部がパッケージのほぼ全面に配置された構造を持つ部品形状がベースとなっているはんだ接続寿命予測デバイス(カナリーデバイス)に、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕを使用した場合の、はんだ接続寿命予測に寄与しないロス発生の程度を示したグラフである。 本発明の比較例で、はんだ接続部がパッケージのほぼ全面に配置された構造を持つ部品形状がベースとなっているはんだ接続寿命予測デバイス(カナリーデバイス)に、低銀はんだを使用した場合の、はんだ接続寿命予測に寄与しないロス発生の程度を示したグラフである。 本発明による両端にはんだバンプ群が付いた１次元的な長いパッケージを持つアーチ構造を持ったはんだ接続寿命予測デバイス(カナリーデバイス)が回路基板に実装されている状態を示す回路基板の斜視図である。 本発明による両端にはんだバンプ群が付いた１次元的な長いパッケージを持つアーチ構造を持ったはんだ接続寿命予測デバイス(カナリーデバイス)は、長いパッケージの両端にはんだ接続部を集約させることで、全てのはんだ接続部に、上記デバイスの長さや上記デバイスと回路基板の熱膨張係数の差に支配されたほぼ一定の高ひずみ領域を作ることにより、ほぼ一定の大きなストレスを与えることができること状態を示すはんだ接続寿命予測デバイスを搭載した状態の回路基板の正面図である。 本発明による両端にはんだバンプ群が付いた１次元的な長いパッケージを持つアーチ構造を持ったはんだ接続寿命予測デバイス(カナリーデバイス)の使用で、接続部の破断寿命のばらつきを小さくすることにより、はんだ接続寿命予測に寄与しないロスが少なくなっていることを示したグラフである。 本発明による両端にはんだバンプ群が付いた１次元的なアーチ構造とすることで、デバイスの実装面積を小さくでき、アーチの下にも低背部品が実装できることから、このデバイスが回路基板を占有するスペースを少なくできることを示すはんだ接続寿命予測デバイスと低背部品を搭載した状態の回路基板の正面図である。 本発明によるはんだ接続寿命予測デバイス(カナリーデバイス)が断線検知および寿命計算用チップ、電源が、電子部品とともに、回路基板に実装されている様子を示した回路基板の斜視図である。 本発明による寿命計算用チップの構成を示したブロック図である。 本発明によるはんだ接続寿命予測の処理の流れを示すフロー図である。 本発明の変形例における、はんだ接続寿命予測デバイスを直交する２方向に設置した状態を示す回路基板の斜視図である。 本発明に実施例２において検査対象とする周囲の４辺に多数の接続ピンを備えた電子デバイスの斜視図である。 本発明の実施例２におけるはんだ接続寿命予測デバイスの外観を示す斜視図である。

はんだ接続部の寿命を予測する方法の一つとしては、回路基板に接続されている実装部品のはんだ接続部の熱機械的破断寿命が来ることを、部品接続部よりも先に断線して電気的手法により予測する機構を基板に実装する方法があるが、コストアップや実装の妨げにならないように以下の点に注意する必要がある。

・はんだによる実装接続部にかかる最大負荷（−５５〜１２５℃，１サイクル／ｈでの温度サイクル試験を実施した場合のひずみ振幅にすると概ね３％）よりも大きな負荷がかかり、最初に断線すること、
・高実装密度化の妨げにならないよう、大きな実装面積を要しないこと。または既存の構成を利用できること、
・厳しい作りこみ寸法精度を必要とせず、従来の設計・製法で安定して部材を作りこめること、
・実装接続に使用されるものと同一材料（はんだや基板材）を使用することにより、材料・プロセスコストの著しい増加を抑えること、
・通常の実装プロセス（リフロー・フロー）の中で同時に作りこめ、生産工程を増加させないこと、
などである。

低銀はんだ（銀含有量が３％未満のはんだ；縦えば、Ｓｎ−１Ａｇ−０.７Ｃｕ−２Ｂｉ、又は、Ｓｎ−１Ａｇ−０.７Ｃｕ−１.６Ｂｉ など）は、単価が高く、また価格変動も大きい銀の含有量が現行のＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕに比べて少なく、実装コスト削減に貢献できる。

しかしその反面、寿命曲線(マスターカーブ)の傾きが現行のＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕに比べて緩く、小さな負荷変動でも大きな寿命変動が起きることが最近の評価検討でわかってきている。

そのため、低銀はんだを使用し、電子部品とともにはんだ接続（接合）寿命予測デバイス(カナリーデバイス)を回路基板に実装する場合を評価するために、図１Ａに示すような、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）などの一般的な実装部品と同じようにはんだ接続部を形成したはんだ接続寿命予測デバイス(カナリーデバイス)１０を回路基板２０上に搭載した状態を示す。回路基板１０の上には大小の複数の電子部品が搭載されているが、簡略化のために表示を省略している。

図１Ｂには、ＢＧＡなどの一般的な実装部品と同じようにはんだ接続部１２をアレイ状に多数形成したはんだ接続寿命予測デバイス１０のはんだ接続面１１の平面図を示す。

接続寿命予測デバイス１０と回路基板２０との間のはんだ接続部１２が続寿命予測デバイス１０のパッケージのほぼ全面に均等に配置された構造を持つ部品形状がベースとなっていたため、はんだ接続部１２の実装面積の割にははんだ接続寿命予測データの収率が悪く、低銀はんだになるとさらに悪くなる、という課題があることがわかった。

その原因は、上記デバイスの構造にある。すなわち、回路基板２０とはんだ接続寿命予測デバイス１０のパッケージ間の熱膨張係数の差の大きさにかかわらず、はんだ接続寿命予測デバイス１０のはんだ接続面１１のパッケージ中央位置付近に存在する図１Ｂで太い点線で囲んだ領域１２１内に存在するはんだ接続部における回路基板２０とはんだ接続寿命予測デバイス１０の間の位置ずれ量は、点線で囲んだ領域１２１の外側のはんだ接続部１２における回路基板２０とはんだ接続寿命予測デバイス１０の間の位置ずれ量と比べて小さいためである。その結果、図１Ｂで点線で囲んだ領域１２１内のはんだ接続部においては、熱機械的ストレスが極めて小さくなることで、点線だ囲んだ領域１２１の外側の領域のはんだ接続部と比べて破断の発生頻度が少なくなるためである。

すなわち、図２に示すように、はんだ接続寿命予測デバイス１０と回路基板２０とのはんだ接続部３０において、はんだ接続寿命予測デバイス１０の中央部付近は回路基板２０とはんだ接続寿命予測デバイス１０のパッケージ間の熱膨張係数の差によるひずみの発生が比較的小さく（低ひずみ領域３１）、はんだ接続寿命予測デバイス１０の周辺部では回路基板２０とはんだ接続寿命予測デバイス１０のパッケージ間の熱膨張係数の差によるひずみの発生が比較的大きくなる（高ひずみ領域３２）。

この低ひずみ領域３１では、高ひずみ領域３２と比べてはんだ接続部３０の温度サイクルの影響を受けた破断が発生しにくいために、低ひずみ領域３１で発生したはんだ接続部３０の破断は、はんだ接続寿命予測に寄与しないロスとなる。

図３は、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕを使用した場合の寿命予測曲線、図４は、低銀はんだ（例えば、Ｓｎ−１Ａｇ−０.７Ｃｕ−２Ｂｉ）を使用した場合の寿命予測曲線におけるロス発生の程度を比較したグラフである。

これらのグラフは、横軸を温度サイクル試験を実施したときの寿命とし、縦軸をはんだ接続部に加わる負荷とする。斜めの直線３１１および４１１が寿命曲線（マスターカーブ）である。

また、上記温度サイクル試験は、温度サイクル試験炉で予め設定した温度サイクルを繰り返して行われるので、はんだ接続寿命予測デバイス１０がはんだ接続された回路基板２０が置かれている環境の温度を計測することができ、あらかじめ決められた温度変化が起きた回数を温度サイクル数としてカウントすることができる。

そして、横軸の温度サイクルＮ_ｍｉｎ３１２又は４１２は、はんだ接続寿命予測デバイス１０と回路基板２０とのはんだ接続部３０の破断が初めて検出されるサイクル数の許容範囲の最小値、Ｎ_ｍａｘ３１３又は４１３はＮ_ｍｉｎ３１２又は４１２から一定回数の温度サイクルを実行して接続部破断の検出を終了させるタイミングの温度サイクル数であり、望ましくはこの寿命予測に使用可能な部分３１５または４１５の範囲内で、できるだけ多くの破断を起こすことができれば、ロス３１６，４１６を少なくできることになる。このＮ_ｍｉｎ３１２又は４１２、Ｎ_ｍａｘ３１３又は４１３もあらかじめ決めておくことができる。

上記の温度計測や、あらかじめ決めておく情報の入力は、上記デバイスとともに実装する断線検知および寿命計算用チップ２５にて行う。このチップ２５が実施する計算処理は簡単なものであるため、数ｍｍ角の小型のパッケージで実施することが可能である。

図３及び図４に示すように、試験結果によると、はんだ接続寿命予測デバイス１０の各はんだ接続部に発生するはんだ接続寿命予測デバイス１０の構造に起因する負荷（ストレス）ばらつきの範囲３１４および４１４はＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ、低銀はんだ間で大差はない。しかし、寿命曲線（マスターカーブ）３１１と４１１の傾きが両者間で異なるため、横軸のＮ_ｍｉｎ３１２又は４１２からＮ_ｍａｘ３１３又は４１３までの一定期間である接続部破断検出温度サイクル範囲内での破断発生数の接続部全体数に対する割合は両者間で異なる。

特に、図４のグラフに示した低銀はんだを使用する場合は、図３のグラフのＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕの場合に対して、この割合は小さくなり、これは低銀はんだを使用する場合は、予測精度が低くなってしまう。従って、低銀はんだを用いる場合に従来と同程度の予測精度を確保するためには、予測精度を高精度化するための対策が必要となることを示す。

この対策として、単純に、はんだ接続寿命予測デバイス１０のパッケージを相似的に大きくすれば、はんだ接続点数が多くなることで予測精度を高くすることができる．しかし、代わりに実装面積が増加し、本来の電子部品実装の妨げとなるため、デバイスのパッケージ形状の改良には何らかの工夫が必要となる。

そこで、これを実現するデバイス形状として、本実施例においては、図５に示すように、両端にはんだバンプ群を形成した１次元的な細長いパッケージを持つアーチ構造のはんだ接続寿命予測デバイス(カナリーデバイス)５０とする。

ここで、アーチ構造とは、細長いパッケージであって、パッケージ両端部が基板と接続する接続部を有する構造であり、接続部以外は基板とパッケージの間には空間を構成する。そのため、当該空間にはパッケージの高さまでの電子部品を基板に実装することが可能となる。そのため、本願発明のアーチ構造を取ることによって、基板のスペースを有効活用することが可能となる。
なお、アーチ構造より背の高い電子部品であっても、電子部品の一部がアーチ構造より低く構成されているものであって、一部が低く構成されている箇所がアーチ部分と重なる場合には実装可能である。

また、アーチ構造は、正射影で部品を観察した際の縦横比（アスペクト比）が１：２以上の細長いパッケージ構造を指す。つまり、短辺と長辺（本願においては、長手方向とも呼ぶ）との比が１：２以上の形状である。

このはんだ接続寿命予測デバイス５０の構造の特徴は、図１Ｂの点線で囲んだ領域１２１に存在する図２に示した低ひずみ領域３１に相当する領域を形成せず、長いパッケージ５１の両端にはんだ接続部５２および５３を形成したことである。このような構成とすることにより、図６に示すように、全てのはんだ接続部５２及び５３には、上記はんだ接続寿命予測デバイス５０の長さや上記はんだ接続寿命予測デバイス５０と回路基板６０の熱膨張係数の差に支配されたほぼ一定の高ひずみ領域６１および６２を作ることにより、ほぼ一定の大きなストレスを与えることができる。

はんだ接続寿命予測デバイス５０のはんだ接続部５２及び５３を含む長手方向の長さは、回路基板６０に搭載したＢＧＡ又は多数のピンではんだ接続する電子部品(フラットパッケージ、表面実装部品)のはんだ接続する領域の一辺の長さよりも長く形成すればよい。このように、はんだ接続部５２及び５３の全体の長さを回路基板に搭載してはんだ接続する電子部品のはんだ接続部の長さよりも長く設定することにより、搭載する電子部品のはんだ接続部よりもはんだ接続部５２及び５３の方が強い熱ストレス(熱機械的ストレス)を受けるようになる。その結果、搭載する電子部品のはんだ接続部よりも早い時点ではんだ接続部の破断を検出することができ、上記したほぼ一定の大きなストレスが加わることと相俟って、はんだ接続寿命予測の精度を上げることが可能になる。また、はんだ接続寿命予測デバイス５０のはんだ接続部５２と５３との間の部分５１は、はんだ接続部５２及び５３の部分の厚さと比べて数ｍｍ程度薄くすることで、全体の重量を軽くすることができる。

ここではんだ接続部の破断とは、機械的ストレスによって接合されたはんだが二つ以上に分かれることを指す。

さらに、はんだ接続寿命予測デバイス５０を、熱膨張係数が回路基板１０と適度にかけ離れた素材（例えばフィラー入りプラスチック等）で一様に作製すれば、前述のＢＧＡなどの一般的な実装部品と同じような形状の場合には必要であった熱膨張係数調整用のダミーシリコンチップを封入することなく、ほぼ樹脂モールディングと実装用の接続部のみで製造可能である。例えば、ＦＲ−４基板では１４以上１６以下（ｐｐｍ／Ｋ）、他の基板では１２以上３０以下（ｐｐｍ／Ｋ）である。熱膨張係数が適度にかけ離れるとは５（ｐｐｍ／Ｋ）程度離れていることを指す。

はんだ接続寿命予測デバイス５０のはんだ接続部５２及び５３を、上記のように低ひずみ領域３１に相当する領域を持たない高ひずみ領域６１および６２だけで構成したことにより、図７のグラフに示したように、はんだ接続部５２及び５３の構造に起因する破断寿命のばらつき７１４を小さくすることができるようになった。これにより、はんだ接続部５２及び５３の殆どのはんだ接続箇所を目的の期間であるＮ_ｍｉｎ７１２とＮ_ｍａｘ７１３の範囲内で破断させることが可能となり、はんだ接続部５２及び５３の殆どのはんだ接続箇所を寿命予測のために使用できるようになった。このようなメカニズムで、前述のはんだ接続寿命予測に寄与しないロスを少なくでき、寿命曲線（マスターカーブ）７１１の寿命予測に使用可能な部分７１５から求める接続寿命予測の精度を向上させることが可能となる。

さらには、はんだ接続寿命予測デバイス５０のはんだ接続部５２と５３との間を薄くした１次元的なアーチ構造とすることで、回路基板６０上におけるはんだ接続寿命予測デバイス５０の実装面積を小さくでき、図８に示したようにアーチ５４の下にも厚さ（基板からの高さ）がアーチ５４と回路基板との隙間よりも薄い（基板表面とアーチ５４の底面との距離より高さが小さい）低背部品８０１が実装できる。その結果、図１で説明したＢＧＡなどの一般的な実装部品と同じようにはんだ接続部１２をアレイ状に多数形成したはんだ接続寿命予測デバイス１０の構造の場合と異なり、他の部品実装の邪魔になりにくく、このはんだ接続寿命予測デバイス５０が回路基板６０を占有するスペースを少なくすることが可能となる。
以上により、近年増加しつつある低銀はんだ使用製品にも対応可能となる。

なお、回路基板６０側の電極形状としては上記はんだ接続寿命予測デバイス５０のものと同じ形状の電極を形成する必要がある。また、この回路基板６０側の電極は、図９Ａに示すように、断線検知および寿命計算用チップ９０１及び電源９０２と表面配線９０４で結合しており、接続に使用しているはんだ材料への熱機械的ストレス発生によって起きる断線を電気的に検出するようになっている。

回路基板６０上には、多ピン部品９１１，９１２や、はんだボールアレイ（ＢＧＡ）で接続されている電子部品９１３、抵抗やコンデンサなどのチップ部品９１４，９１５などがはんだ接続されて実装されており、はんだ接続寿命予測デバイス５０で、多ピン部品９１１，９１２や、はんだボールアレイ（ＢＧＡ）で接続されている電子部品９１３などのはんだ接続部の熱機械的ストレスによる寿命を予測することができる。

また、断線検知および寿命計算用チップ９０１ではんだ接続寿命予測デバイス５０で発生した断線の数が所定の数に達したときに、ＬＥＤなどで構成される警報出力部９０３から警報を発する。この警報信号は、回路基板６０の外部に出力するようにしてもよい。

また、この断線検知および寿命計算用チップ９０１では、最初の接続部破断から、あらかじめ決めておいた個数の接続部の破断が、前述のＮ_ｍｉｎからＮ_ｍａｘまでの期間で平均的に発生するように、さらには、個々の接続部の破断タイミングを記録し、あらかじめ決めておいた接続部の破断発生個数の半数の破断が起きた時点などの数値等の破断情報について（温度サイクル数）警報を発生するようにプログラミングすることも可能である。この場合は、接続部の破断情報をユーザに知らせることができる。

さらには、前述のＮ_ｍｉｎとＮ_ｍａｘの平均値（温度サイクル数）が寿命（温度サイクル数）の１〜２割減のタイミングになるように調整してプログラミングされている。

断線検知および寿命計算用チップ９０１をこのようにすることで、温度サイクル試験を実施したときの寿命相当で、寿命がくる１〜２割減のタイミングではんだ接続寿命予測デバイス５０で発生したはんだ接続部の破断の数が所定の数に達して寿命計算用チップ９０１から警報出力部９０３へ警報を出力されて、寿命が近づいたことをあらかじめ知ることが可能となる。

図９Ｂに、断線検知および寿命計算用チップ９０１の構成を示す。断線検知および寿命計算用チップ９０１は、はんだ接続寿命予測デバイス５０からの信号を受ける入力部９５１、入力した信号からはんだ接続寿命予測デバイス５０のはんだ接続部の断線を検出する断線検出部９５２、断線検出部９５２で検出した断線の数をカウントする断線カウント部９５３、断線カウント部９５３でカウントした断線の数があらかじめ設定したときに警報出力部９０３に警報信号を出力する出力部９５４を備えている。

このような構成を備えた断線検知および寿命計算用チップ９０１を備えた構成における断線検出の処理フローを図９Ｃを用いて説明する。

まず、断線カウント部９５３で断線カウント数Ｎを零にする（Ｓ９０１）。この状態で、断線検出部９５２において、入力部９５１から入力したはんだ接続寿命予測デバイス５０から出力された信号からはんだ接続部の断線を検出する（Ｓ９０２）。断線検出部９５２で断線を検出したときに、断線検出信号が断線カウント部９５３へ送られて、断線数Ｎが１加算される（Ｓ９０３）。次に、断線カウント部９５３でカウントした断線の数が予め設定した所定の値に達したかをチェックし（Ｓ９０４），予め設定した値に達していない場合（ＮＯの場合）にはＳ９０２からの処理フローを繰り返す。一方、断線カウント部９５３でカウントした断線の数が予め設定した所定の値に達した場合（ＹＥＳの場合）には、出力部９５４から警報出力部９０３に警報信号を出力する（Ｓ９０５）。

このように、寿命ばらつきが小さくなるように形成したはんだ接続寿命予測デバイス５０からの信号を受けて、はんだ接続部の破壊を検出する構成とすることにより、低銀はんだのような比較的緩い勾配の寿命曲線を有する場合であっても、比較的精度良くはんだ接続寿命を予測することが可能になる。

また、回路基板２０の熱膨張率がＸ方向とＹ方向で異なる方向依存性がある場合には、図１０に示すように、接続寿命予測デバイス５０を、長手方向がＸ方向とＹ方向とに向けて２個配置し、それぞれからの信号を断線検知および寿命計算用チップ１００１で受けて Ｘ方向及びＹ方向とでそれぞれ寿命予測をするようにしてもよい。

以下、実施例を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

温度サイクル試験条件が、-５５〜１２５℃、１サイクル/時で、信頼性試験を実施した場合、破壊確率０．１％の到達サイクル数が、２０００サイクルとなるように設計された接続部で接続された電子部品が搭載された回路基板の寿命予測をするために、Ｎ_ｍｉｎが１４００サイクル、Ｎ_ｍａｘが１８００サイクルで寿命が近づいたことを示す２種類の構造のデバイスを実装した基板を１０枚ずつ合計２０枚作製した。接続部は、いずれも低銀はんだ（Ｓｎ−１Ａｇ−０.７Ｃｕ−２Ｂｉ）を用いて接続した。

以下、それぞれの寿命予測デバイスを使用した場合の結果について示す。
まず、寿命予測デバイスＡは、図１又は図２で説明したＢＧＡタイプの比較用のデバイスであって、１．２７ｍｍピッチ格子配列の６２５バンプ（２５×２５バンプのフルグリッド）のＢＧＡタイプで、ＢＴ（ビスマレイミド・トリアジン）インターポーザと、基板との熱膨張計数の差が適度にかけ離れるように調整する熱膨張計数調整用のダミーシリコンチップを内蔵させた。この構造のサイズ（パッケージサイズ）は一片約３３ｍｍの正方形で、実装面積は約１１００ｍｍ^２である。

また、この比較用の寿命予測デバイスＡを用いて、-５５〜１２５℃、１サイクル/時の条件で、温度サイクル試験を実施した場合、１４００から１８００サイクル経過時までの、破断した接続部の数は、６０個、つまり、寿命予測に使用可能な部分は約１０％であった。従って、平均的には残りの５６５接点が破断せず、寿命予測に寄与しないロスになることがわかる。

その結果、今回の同じ条件での温度サイクル試験で、１０枚の基板上に実装された１０個の各々の比較用の寿命予測デバイスＡにおいて、温度サイクル試験で得られた１４００から１８００サイクル経過時の間に破断した接続部の数６０個の半分の３０個目の断線が起きるタイミング（温度サイクル数）を計測すると、１３００サイクルから１９００サイクルの範囲に分散することがわかった。

これに対して、本実施例に基づく寿命予測デバイスＢを、表面実装型ＤＩＭＭコネクタタイプで、１．２７ｍｍピッチ格子配列の１６０バンプ（５×１６バンプを両端２箇所に配置した構造）を有する構造で形成した。

本実施例に基づく寿命予測デバイスＢのパッケージは、図５乃至８で説明したような接続寿命予測デバイス５０と同じ構造を有するもので、表面実装型ＤＩＭＭコネクタのハウジングを改造し、熱膨張係数が基板と適度にかけ離れた素材であるフィラー入りプラスチックで構成されているものを用いた。この構造のサイズ（パッケージサイズ）は、長さ１４０ｍｍ、幅１０ｍｍ、ではあって、基板上に実装する部品としては比較的大きい。しかし、本実施例で作成した寿命予測デバイスＢは、図６に示したような１次元的なアーチ構造となっており、両端の基板と接続する部分(基板への実装部分)はそれぞれ長さが２０ｍｍで、実装面積４００ｍｍ^２となり、他の電子部品の実装の妨げにはならないような構造となっている。

また、この寿命予測デバイスＢを用いて、-５５〜１２５℃、１サイクル/時の条件で温度サイクル試験を実施した場合、はんだ接続部には、寿命予測に貢献しない中央部付近のはんだ接続部を除外した構成としたことにより一定値付近の負荷だけをかけられるようになった。このような構成としたことで、１４００から１８００サイクル経過時までの、破断接続部の数は、平均的には１５５個と、殆どが破断する。よって、寿命予測に寄与しないロスは殆どないことがわかる。

その結果、比較用の寿命予測デバイスＡで行ったのと同じ条件での温度サイクル試験で、１０枚の基板上に実装された１０個の各々のデバイスにおいて、比較用の寿命予測デバイスＡと同じ条件の３０個目の断線が起きるタイミング（温度サイクル数）を計測すると、１５００サイクルから１７００サイクルの範囲に分散するにとどまることがわかった。

以上により、本実施例に基づく図５乃至８で説明したような寿命予測デバイスＢの構造の使用で、比較的少ない実装面積で、比較的高い精度の寿命予測が可能となり、寿命ばらつきの大きい低銀はんだの寿命予測が高精度で行えることになった。

温度サイクル試験条件が、-５５〜１２５℃、１サイクル/時で、信頼性試験を実施した場合、破壊確率０．１％の到達サイクル数が、２０００サイクルとなるように設計された接続部で接続された電子部品が搭載された回路基板の寿命予測をするために、Ｎ_ｍｉｎが１４００サイクル、Ｎ_ｍａｘが１８００サイクルで寿命が近づいたことを示す２種類の構造のデバイスを実装した基板を１０枚ずつ合計２０枚作製した。接続部は、いずれも低銀はんだ（Ｓｎ−１Ａｇ−０.７Ｃｕ−２Ｂｉ）を用いて接続した。

以下、それぞれの寿命予測デバイスを使用した場合の結果について示す。
まず、比較用の寿命予測デバイス１１００は、図１１に示すように、パッケージの４面に０．５ｍｍピッチで合計１４４本のリード１１０２が形成されたＴＱＦＰ（Thin Quad Flat L-Leaded Package: 富士マイクロエレクトロニクス社の商品名）タイプである。この比較用の寿命予測デバイス１１００のプラスチックパッケージ１１０１には、基板との熱膨張計数の差が適度にかけ離れるように調整するために、熱膨張計数調整用の１０ｍｍ角のダミーシリコンチップ(図示せず)を内蔵した。この構造のサイズ（パッケージサイズ）は一片約２０ｍｍの正方形で、実装面積は約６００ｍｍ^２である。

また、この比較用の寿命予測デバイス１１００のリード１１０２を回路基板に低銀はんだで接続し実装した状態で、-５５〜１２５℃、１サイクル/時の条件で、温度サイクル試験を実施した。その結果、１４００から１８００サイクル経過時までの、破断した接続部の数は、２０個、つまり、寿命予測に使用可能な部分は約１４％であった。従って、平均的には残りの１２４接点が破断せず、寿命予測に寄与しないロスになることがわかる。

その結果、今回の同じ条件での温度サイクル試験で、１０枚の基板上に実装された１０個の各々の比較用の寿命予測デバイスＣにおいて、温度サイクル試験で得られた１４００から１８００サイクル経過時の間に破断した接続部の数２０個の半分の１０個目の断線が起きるタイミング（温度サイクル数）を計測すると、１３５０サイクルから１８５０サイクルの範囲に分散することがわかった。

これに対して、本実施例に基づく寿命予測デバイスＤ１２００を、図１２に示すように、表面実装型ＤＩＭＭコネクタタイプで、プラスチックパッケージ１２０１の両側の実装面部１２０２と１２０３に、０．５ｍｍピッチの１６本のＴＳＯＰと同形状のガルウィングリードを両端２箇所ずつ配置した３２本のリード１２０５を持った構造で形成した。

本実施例に基づく寿命予測デバイス１２００のパッケージは、表面実装型ＤＩＭＭコネクタのハウジングを改造し、熱膨張係数が基板と適度にかけ離れた素材であるフィラー入りプラスチックで構成した。この構造の寿命予測デバイスＤ：１２００のサイズ（パッケージサイズ）は、長さ１４０ｍｍ、幅１０ｍｍ、であって、基板上に実装する部品としては比較的大きい。しかし、図１２に示した本実施例で作成した寿命予測デバイスＤ１２００は、プラスチックパッケージ１２０１の中央部１２０４を１００ｍｍに亘って基板から浮かせた１次元的なアーチ構造となっており、プラスチックパッケージ１２０１の両側の基板２０と接続する実装面部１２０２と１２０３の長さはそれぞれ２０ｍｍで、実装面積は４００ｍｍ^２となり、他の電子部品の実装の妨げにはならないような構造となっている。

また、この寿命予測デバイス１２００を用いて、-５５〜１２５℃、１サイクル/時の条件で温度サイクル試験を実施した場合、はんだ接続部には、寿命予測に貢献しない中央部付近のはんだ接続部を除外した構成としたことにより、一定値付近の負荷だけをかけられるようになった。このような構成としたことで、１４００から１８００サイクル経過時までの、破断接続部の数は、平均的には３０個と、殆どが破断する。よって、寿命予測に寄与しないロスは殆どないことがわかる。

その結果、比較用の寿命予測デバイス１１００で行ったのと同じ条件での温度サイクル試験で、１０枚の基板上に実装された１０個の各々のデバイスにおいて、比較用の寿命予測デバイス１１００と同じ条件の１５個目の断線が起きるタイミング（温度サイクル数）は、１５００サイクルから１７００サイクルの範囲に分散するにとどまった。

以上により、図１２に示したような寿命予測デバイス１２００の構造の使用で、比較的少ない実装面積で、比較的高い精度の寿命予測が可能となり、寿命ばらつきの大きい低銀はんだの寿命予測が高精度で行えることになった。

上記した本願発明の寿命予測デバイスは、プリント基板を有する装置にて実施することができ、例えば、サーバやストレージ等の情報通信機器、インバータやプログラマブルロジックコントローラ等の産業機器、電子顕微鏡や原子間力顕微鏡等の検査装置、陽子線治療装置や核磁気共鳴装置等の医療機器、エレベータやエスカレータ等の移動機器、自動車や鉄道車両の制御基板がある。また、これらに限定されず、その他プリント基板を有する電子機器に利用可能である。

５０・・・はんだ接続寿命予測デバイス ５２，５３・・・はんだ接続部 ６０・・・回路基板 ９０１・・・断線検知および寿命計算用チップ ９０２・・・電源 ９０３・・・警報出力部

Claims (14)

1. 回路パターンが形成された基板と、
   前記基板に複数の箇所をはんだで接続した電子部品と、
   前記電子部品と前記回路基板とを接続する前記はんだ接続部に破断が発生することによる寿命を予測する寿命予測部と
   を備えた寿命予測機能を有する回路基板であって、
   前記寿命予測部は、
   互いに離れたか所にそれぞれ複数のはんだ接続部が形成されていて前記複数のはんだ接続部において前記電子部品と前記回路基板とを接続する前記はんだ接続部のはんだと同じ材料のはんだで接続されているはんだ接続寿命予測デバイスと、
   前記接続寿命予測デバイスで検出される前記複数のはんだ接続部における前記接続寿命予測デバイスと前記基板とのはんだ接続の状態を示す信号を検出して破断によるはんだ接続寿命を予測する接続寿命予測回路部と
   を備えたことを特徴とする寿命予測機能を備えた回路基板。
2. 請求項１記載の寿命予測機能を備えた回路基板であって、前記接続寿命予測デバイスの前記互いに離れたか所に形成された複数のはんだ接続部の間を、アーチ状の細長いパッケージで接続した形状を有することを特徴とする寿命予測機能を備えた回路基板。
3. 請求項２記載の寿命予測機能を備えた回路基板であって、前記互いに離れたか所に形成された複数のはんだ接続部の間を接続するアーチ状の細長いパッケージは、前記基板に搭載された電子部品をまたいで配置されていることを特徴とする寿命予測機能を備えた回路基板。
4. 請求項１記載の寿命予測機能を備えた回路基板であって、前記寿命予測部は、前記接続寿命予測回路部で前記複数のはんだ接続部における前記接続寿命予測デバイスと前記基板とのはんだ接続寿命を予測した予期に警告を発する警告出力部をさらに備えることを特徴とする寿命予測機能を備えた回路基板。
5. 請求項１記載の寿命予測機能を備えた回路基板であって、前記はんだが、銀の含有量が質量で３％よりも少ない低銀はんだであることを特徴とする寿命予測機能を備えた回路基板。
6. 回路パターンが形成された基板と、
   前記基板にＢＧＡ又は多数のピンをはんだで接続した電子部品と、
   前記電子部品と前記回路基板とを接続する前記はんだ接続部に破断が発生することによる寿命を予測する寿命予測部と
   を有する回路基板であって、
   前記寿命予測部は、
   前記電子部品をＢＧＡ又は多数のピンで前記基板にはんだ接続する領域の一辺の長さよりも長く離れた領域を含む離隔した複数の領域に配置されたはんだ接続部において前記電子部品と同じＢＧＡ又は多数のピンをはんだで前記基板に接続されているはんだ接続寿命予測デバイスと、
   前記接続寿命予測デバイスで検出される前記複数のはんだ接続部における破断を検出してはんだ接続寿命を予測する接続寿命予測回路部と
   を備えたことを特徴とする寿命予測機能を備えた回路基板。
7. 請求項６記載の寿命予測機能を備えた回路基板であって、前記はんだ接続寿命予測デバイスのはんだ接続部は、前記離隔した複数の領域に配置されていることにより、前記基板と前記電子部品とのはんだ接続部よりも大きな熱機械的ストレスを受けるように前記基板とはんだ接続されていることを特徴とする寿命予測機能を備えた回路基板。
8. 請求項６記載の寿命予測機能を備えた回路基板であって、前記はんだ接続寿命予測デバイスは、前記離隔した複数の領域に配置されたはんだ接続部の間を、前記はんだ接続部の厚さよりも薄く形成したパッケージで接続していることを特徴とする寿命予測機能を備えた回路基板。
9. 請求項８記載の寿命予測機能を備えた回路基板であって、前記はんだ接続寿命予測デバイスの前記はんだ接続部の厚さよりも薄く形成したパッケージで接続されている部分は、 前記基板に搭載された電子部品をまたいで配置されていることを特徴とする寿命予測機能を備えた回路基板。
10. 請求項６記載の寿命予測機能を備えた回路基板であって、前記寿命予測部は、前記接続寿命予測回路部で前記複数のはんだ接続部における前記接続寿命予測デバイスと前記基板とのはんだ接続寿命を予測した予期に警告を発する警告出力部をさらに備えることを特徴とする寿命予測機能を備えた回路基板。
11. 請求項６記載の寿命予測機能を備えた回路基板であって、前記はんだが、銀の含有量が質量で３％よりも少ない低銀はんだであることを特徴とする寿命予測機能を備えた回路基板。
12. 回路パターンが形成された基板に搭載されて前記基板とはんだで接続された電子部品の前記基板とのはんだ接続部に破断が発生することによるはんだ接続部の寿命を予測する方法であって、
    前記基板と前記電子部品とのはんだ接続部よりも大きな熱機械的ストレスを受けるようにはんだ接続されたはんだ接続寿命予測デバイスを用いて検出される前記複数の領域のはんだ接続部における前記接続寿命予測デバイスと前記基板とのはんだ接続の状態を示す信号を検出し、
    前記検出した信号から前記はんだ接続部の破断を検出し、
    前記検出した断線の数をカウントし、
    前記カウントした断線の数が予め設定した数になった時に警報を出力する
    ことを特徴とするはんだ接続寿命予測方法。
13. 請求項１２記載のはんだ接続寿命予測方法であって、前記カウントした断線の数が予め設定した数になった時に警報を出力することが、予め設定した破断発生個数の半数の破断が発生したときに警報を出力することを特徴とするはんだ接続寿命予測方法。
14. 請求項１２記載のはんだ接続寿命予測方法であって、前記カウントした断線の数が予め設定した数になった時に警報を出力することが、前記基板とはんだで接続された電子部品の前記基板とのはんだ接続部に破断が発生するはんだ接続部の寿命の１〜２割減のタイミングで警報を出力することを特徴とするはんだ接続寿命予測方法。

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