JP4626577B2 - Solder life prediction method - Google Patents
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Description
本発明は、電子部品を基材にはんだで接合する場合におけるはんだの寿命予測方法に関する。 The present invention relates to a solder life prediction method when an electronic component is joined to a substrate with solder.
従来より、電子部品をはんだで実装した製品を製造する場合、そのはんだの寿命を知ることで製品開発に役立てることが可能である。 Conventionally, when a product in which electronic components are mounted with solder is manufactured, it is possible to make use of the product development by knowing the life of the solder.
一般に、はんだ接合部の熱疲労寿命は、き裂発生寿命予測式とき裂進展寿命予測式とからそれぞれ求めた寿命値の和として算出される。これらの予測式のうち、き裂発生寿命予測式は、はんだ接合部の最大ひずみ値を用いてCoffin−Manson則により定式化するという手法が採られており、この手法はほぼ確立されたものである。また、き裂進展寿命予測式については、特許文献1および特許文献2でそれぞれ提案されている。
In general, the thermal fatigue life of a solder joint is calculated as the sum of life values obtained from a crack generation life prediction formula and a crack growth life prediction formula. Of these prediction formulas, the crack initiation life prediction formula is formulated by the Coffin-Manson rule using the maximum strain value of the solder joint, and this method is almost established. is there. Further, the crack growth life prediction formulas are proposed in
具体的に、特許文献1では、はんだ材単独サンプルのき裂進展試験から求めたき裂進展速度と、破壊力学パラメータの関係と、シミュレーションにより求めた破壊力学パラメータと、き裂長さとの関係に基づき、き裂進展速度をき裂長さの関数として表し、はんだに生じるき裂が特定の長さに進展するまでのき裂進展寿命を予測する方法が提案されている。また、特許文献2では、部品タイプ毎に一定のき裂進展速度を当てはめ、これに温度環境の係数を乗算することにより、き裂進展寿命を予測する方法が提案されている。
しかしながら、特許文献1に示される予測式では、はんだ材単独で求めたき裂進展速度が部品実装時のき裂進展速度と同一であることを前提としており、き裂進展挙動が実際と異なる場合が生じるという問題がある。さらに、き裂長さを変えたシミュレーションを何回も行なって破壊力学パラメータを算出しなければならず、時間と手間を要するという問題がある。
However, in the prediction formula shown in
また、特許文献2に示される予測式では、同一タイプの部品であっても、そのサイズが異なる場合、き裂進展速度も異なってくるという問題に対応できない。特に、電極を有するチップ形状の電子部品において、当該電子部品の電極下面(基板と対向する面)および電極側面にわたってはんだ接合されている場合、電極側面から外側(電子部品から離れる方向)に向かって延びるはんだフィレット部と電極下面とでは、はんだのき裂進展速度や進展方向が異なる。このため、寿命を評価した部品から求めた単一のき裂進展速度式をそのままサイズや評価条件等の異なる部品にあてはめた場合、得られるはんだの寿命に大きな誤差を生じさせてしまうという問題がある。 Further, the prediction formula shown in Patent Document 2 cannot cope with the problem that even if parts of the same type are different in size, the crack growth rate is also different. In particular, in a chip-shaped electronic component having electrodes, when solder-bonded across the electrode lower surface (the surface facing the substrate) and the electrode side surface of the electronic component, from the electrode side surface to the outside (the direction away from the electronic component) The extending solder fillet portion and the lower surface of the electrode differ in the crack propagation speed and direction of the solder. For this reason, when a single crack growth rate equation obtained from a component whose life has been evaluated is applied to a component having a different size or evaluation condition as it is, there is a problem that a large error occurs in the life of the resulting solder. is there.
本発明は、上記点に鑑み、電子部品のサイズや電子部品の試験条件に関わらず、高い精度ではんだの寿命を予測することができるはんだの寿命予測方法を提供することを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to provide a solder life prediction method capable of predicting the life of a solder with high accuracy regardless of the size of the electronic component and the test conditions of the electronic component.
上記目的を達成するため、本発明は、Coffin−Manson則に従ったき裂発生寿命の予測式(後述する数式1参照)と、はんだ接合部(31)に発生したき裂が電子部品(20)の幅方向の中心位置に到達する場合のき裂進展速度から予測される第1のき裂進展寿命予測式(後述する数式2参照)と、はんだ(30)のうち電子部品の幅方向の中心位置において電子部品の長軸方向に進展する場合のき裂進展速度から予測される第2のき裂進展寿命予測式(後述する数式3参照)と、から求めたき裂発生寿命、第1のき裂進展寿命、第2のき裂進展寿命をそれぞれ足し合わせることではんだの寿命を予測することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides an electronic component (20) in which a crack generation life prediction formula according to the Coffin-Manson rule (see Formula 1 described later) and a crack generated in a solder joint (31) are generated. The first crack growth life prediction formula (see Formula 2 to be described later) predicted from the crack growth rate when reaching the center position in the width direction, and the center in the width direction of the electronic component of the solder (30) The crack initiation life calculated from the second crack growth life prediction formula (see Formula 3 to be described later) predicted from the crack growth speed when the electronic component propagates in the major axis direction at the position, the first crack The solder life is predicted by adding the crack growth life and the second crack growth life.
このようにして上記各予測式を取得する工程を以下のように分けることができる。まず、実機試験工程において、実装構造(100)を製造すると共に、当該実装構造に対して冷熱サイクル試験を行う。これにより、冷熱サイクル試験開始からはんだにき裂が発生するまでの冷熱サイクル数に応じたき裂発生寿命と、冷熱サイクル試験によってはんだに発生したき裂が電子部品の幅方向の中心位置に至るまでの冷熱サイクル数に応じた第1のき裂進展速度と、はんだのうち前記電子部品の幅方向の中心位置において電子部品の長軸方向に進展するき裂の冷熱サイクル数に応じた第2のき裂進展速度とをそれぞれ求める。 Thus, the process of acquiring each said prediction formula can be divided as follows. First, in the actual machine test process, the mounting structure (100) is manufactured, and a cooling / heating cycle test is performed on the mounting structure. As a result, the crack generation life corresponding to the number of thermal cycles from the start of the thermal cycle test to the occurrence of cracks in the solder, and until the crack generated in the solder by the thermal cycle test reaches the center position in the width direction of the electronic component The first crack growth rate according to the number of thermal cycles of the second and the second according to the number of thermal cycles of the crack that propagates in the major axis direction of the electronic component at the center position in the width direction of the electronic component of the solder Obtain the crack growth rate.
次に、数値解析工程において、実装構造をモデル化して数値解析することにより、実装構造に対応した弾塑性クリープ歪み振幅を算出する。 Next, in the numerical analysis step, the mounting structure is modeled and numerically analyzed, thereby calculating an elastoplastic creep strain amplitude corresponding to the mounting structure.
続いて、き裂発生寿命定式化工程において、上記実機試験工程および数値解析工程で得られた弾塑性クリープ歪み振幅に基づいて、き裂発生寿命をCoffin−Manson則に従ったき裂発生寿命の予測式として定式化する。 Subsequently, in the crack initiation life formulation process, based on the elastoplastic creep strain amplitude obtained in the actual machine test process and the numerical analysis process, the crack initiation life is predicted according to the Coffin-Manson rule. Formulate as a formula.
同様に、き裂進展寿命定式化工程において、実機試験工程および数値解析工程で得られた弾塑性クリープ歪み振幅に基づいて、はんだ接合部に発生したき裂が電子部品の幅方向の中心位置に到達するき裂進展速度から予測される第1のき裂進展寿命予測式を定式化すると共に、はんだのうち電子部品の幅方向の中心位置において電子部品の長軸方向に進展するき裂進展速度から予測される第2のき裂進展寿命予測式を定式化する。 Similarly, in the crack growth life formulation process, based on the elasto-plastic creep strain amplitude obtained in the actual machine test process and numerical analysis process, the crack generated in the solder joint is located at the center position in the width direction of the electronic component. The first crack growth life prediction formula predicted from the reaching crack growth rate is formulated, and the crack growth rate that propagates in the major axis direction of the electronic component at the center position in the width direction of the electronic component of the solder Formulate the second crack growth life prediction formula predicted from
この後、断線寿命の算出工程において、き裂発生寿命定式化工程で得られたき裂発生寿命と、き裂進展寿命定式化工程で得られた第1のき裂進展寿命および第2のき裂進展寿命をそれぞれ足し合わせることで、はんだにき裂が発生して断線するまでの寿命を寿命予測式として定式化(後述する数式4および数式5参照)することではんだの寿命を得る。 Thereafter, in the process of calculating the breakage life, the crack initiation life obtained in the crack initiation life formulation step, the first crack growth life and the second crack obtained in the crack propagation life formulation step. The life of the solder is obtained by formulating the life until a crack is generated in the solder and the wire is broken as a life prediction formula (see Formula 4 and Formula 5 described later) by adding the progress lifetimes.
この場合、実際には別途数値解析で求めた弾塑性クリープ歪み振幅を上記算出工程で得られた寿命予測式に代入することで、はんだの寿命を冷熱サイクル数として得ることができる。すなわち、上記寿命予測式が決まれば、実装構造に対応した弾塑性クリープ歪み振幅を別途数値計算によって求め、上記寿命予測式に代入するだけであるので、時間と手間を要することなくはんだの寿命を得ることができる。 In this case, the life of the solder can be obtained as the number of cooling cycles by actually substituting the elastic-plastic creep strain amplitude separately obtained by numerical analysis into the life prediction formula obtained in the above calculation step. That is, once the life prediction formula is determined, the elasto-plastic creep strain amplitude corresponding to the mounting structure is obtained separately by numerical calculation and only substituted into the life prediction formula. Obtainable.
上記のようにして得られたはんだの寿命予測式は、き裂の進展速度に基づくものであり、唯一はんだの材質のみに依存したものになっている。すなわち、予測式は実装構造の形態やサイズに依存しないものとして得られる。このため、実装構造に用いるはんだの材質が変更されない限り、電子部品のサイズ等がどのようなものであっても、一度得られた予測式を使用し続けることができる。つまり、電子部品のサイズ等に応じた予測式をその都度求める必要はなく、各実装構造に応じたはんだの寿命を精度良く得ることができる。 The solder life prediction formula obtained as described above is based on the crack growth rate and depends solely on the solder material. That is, the prediction formula is obtained as being independent of the form and size of the mounting structure. For this reason, as long as the material of the solder used for the mounting structure is not changed, the prediction formula obtained once can be used regardless of the size of the electronic component. That is, it is not necessary to obtain a prediction formula corresponding to the size of the electronic component each time, and the solder life corresponding to each mounting structure can be obtained with high accuracy.
また、数値解析工程では、弾塑性クリープ歪み振幅の算出を、有限要素法(FEM)により取得することができる。 In the numerical analysis process, the calculation of the elastoplastic creep strain amplitude can be obtained by the finite element method (FEM).
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について図を参照して説明する。本実施形態で示されるはんだの寿命予測方法は、例えば電子部品を回路基板等の基材にはんだを介して接合したとき、はんだの寿命を予測する際に用いられ、製品開発等に役立てられる。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The solder life prediction method shown in the present embodiment is used to predict the life of solder when, for example, an electronic component is joined to a base material such as a circuit board via solder, and is useful for product development.
図1は、本発明の一実施形態に係る実装構造の概略断面図である。この図に示されるように、実装構造100は、回路基板10の上に電子部品20が搭載され、回路基板10の基板電極11と電子部品20の部品電極21とがはんだ30を介して電気的に接続されている。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a mounting structure according to an embodiment of the present invention. As shown in this figure, in the
回路基板10は、電気回路が形成されたものであり、例えばセラミック基板やプリント基板、あるいはリードフレームなどが採用される。また、基板電極11は、回路基板10の一面側に形成されており、例えばAgおよびAgPdなどのAg系金属や、Cu系金属や、Ni系金属、あるいはAu等の材料を用いた厚膜やめっきあるいは金属箔から構成されたものである。なお、回路基板10は本発明の基材に相当する。
The
電子部品20は、回路基板10に実装されることで、当該回路基板10に形成された電気回路の回路構成に従った動作を行うものである。このような電子部品20として、コンデンサや抵抗、半導体素子などの表面実装部品が採用される。本実施形態では、電子部品20として3216型角チップ抵抗部品が採用される。
When the
上記電子部品20には、一側面と、この一側面に対向する面に部品電極21が形成されている。この部品電極21は、一側面のみならず、電子部品20の底面および底面に対向する表面にわたって形成されている。
The
また、上述のように、電子部品20ははんだ30を介して回路基板10に実装されている。具体的に、図1に示されるように、はんだ30は、基板電極11と当該基板電極11に対向する部品電極21との間に設けられたはんだ接合部31と、電子部品20の側面に形成された部品電極21および基板電極11のうちはんだ接合部31を除いた部分を覆うように形成されたはんだフィレット部32と、により構成される。このようなはんだ30として、例えばSn−3.0Ag−0.5Cuの鉛フリーはんだが採用される。以上が、図1に示される実装構造100の全体構成である。
Further, as described above, the
次に、上記のように回路基板10と電子部品20とを接続するはんだ30に発生するき裂について、図を参照して説明する。まず、き裂の発生およびき裂の進展についてそれぞれ説明する。
Next, cracks generated in the
図2は、はんだ30に歪みが加わる様子を示した上記図1に示される実装構造100の斜視図である。この図に示されるように、実装構造100に熱が加わると、電子部品20および回路基板10はそれぞれ独自の熱膨張率に応じて熱変形する。これにより、はんだ30には、電子部品20の熱膨張率と回路基板10の熱膨張率との差に応じた応力が加わるため、はんだ30に歪みが生じる。この歪みよってはんだ30にき裂が発生することとなる。
FIG. 2 is a perspective view of the
具体的に、はんだ30のき裂は図3に示されるように発生および進展する。図3(a)は、き裂の発生の様子を示した図であり、図3(b)は、き裂の進展の様子を示した図である。なお、図3(a)、(b)では、電子部品20および部品電極21、そして回路基板10および基板電極11を省略し、はんだ30のみの斜視図を示してある。
Specifically, cracks in the
図3(a)に示されるように、き裂33は、はんだ30のうちはんだ接合部31に発生する。詳しくは、はんだ接合部31のコーナー部分から中心に向かって例えば4カ所発生する。これらのき裂33は、図3(b)に示されるように、はんだ接合部31においてはその中心に向かって拡大し、さらにはんだ接合部31のうちはんだフィレット部32に隣接する部分からはんだフィレット部32の側面に向かって進展する。
As shown in FIG. 3A, the
上記図3に示されるはんだ30のき裂33の進展方向は、図4に示されるように分解することができる。図4は、上記はんだ30のき裂33の進展方向を成分ごとに分離した説明図である。電子部品20の長手方向を長軸、長手方向に垂直な方向(電子部品20の幅方向)を短軸とすると、図4(a)、(b)に示されるように、はんだ30に発生するき裂33は、短軸方向に発生するき裂成分34、35と、長軸方向に発生するき裂成分36と、の和で表されることがわかる。なお、このようなき裂33の進展方向の分解は、実装構造100を実際に観察した結果に基づくものである。
The progress direction of the
本実施形態では、図4に示されるように、電子部品20の短軸方向の半分の長さ(部品幅/2)をaf2と定義する。また、長軸方向に発生するはんだ30のき裂全長をaf3と定義する。
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the half length (component width / 2) of the
上記のように進展するき裂33に基づき、発明者らはき裂33の発生、進展、破断に至るはんだ30の熱疲労寿命予測式を以下のように定式化した。
Based on the
まず、き裂33の発生寿命は、上述のように、Coffin−Manson則に従っており、後述する有限要素法解析より求めた局所最大弾塑性クリープ歪み振幅Δε1により、き裂発生寿命を以下の数式1のように表すことができる。
First, generation lifetime of
(数式1)
Nf1=C1(Δε1)n
ここでnおよびC1ははんだ30の材料によって決まる材料定数である。また、局所最大弾塑性クリープ歪みとは、はんだ接合部31のコーナー部分に発生する歪みを指す。
(Formula 1)
N f1 = C 1 (Δε 1 ) n
Here, n and C 1 are material constants determined by the material of the
また、はんだ接合部31においてき裂33の発生直後からき裂33が電子部品20の幅中心(短軸方向の中心位置)に到達するまでの寿命を以下の数式2のように表すことができる。
Further, the life until the
(数式2)
Nf2=af2/C2exp(k2Δε1)
ここで、C2、k2は、き裂進展速度を表すパラメータである。
(Formula 2)
N f2 = a f2 / C 2 exp (k 2 Δε 1 )
Here, C 2 and k 2 are parameters representing the crack growth rate.
さらに、はんだ接合部31において短軸方向の中心位置に到達したき裂33は、はんだ接合部31およびはんだフィレット部32の中央部分を電子部品20の長軸方向に進展するものと仮定する。このように電子部品20の長軸方向に進展するき裂の進展寿命を以下の数式3のように表すことができる。
Furthermore, it is assumed that the
(数式3)
Nf3=af3/C3exp(k3Δε2)
ここで、C3、k3はき裂進展速度を表すパラメータ、af3は上述のき裂全長、Δε2は電子部品20の短軸方向の中心位置での最大歪み集中位置より求めた弾塑性クリープ歪み振幅である。
(Formula 3)
N f3 = a f3 / C 3 exp (k 3 Δε 2 )
Here, C 3 and k 3 are parameters representing the crack growth rate, a f3 is the above-described crack total length, and Δε 2 is the elastoplasticity obtained from the maximum strain concentration position at the center position of the
上記した数式1〜数式3から、はんだ30にき裂33が発生し、そのき裂33が進展して破断に至るはんだ30の熱疲労寿命予測式の全体構成は以下の数式4のように表される。
From the
(数式4)
N=C1(Δε1)n+af2/C2exp(k2Δε1)+af3/C3exp(k3Δε2)
上記数式4に示される寿命予測式のうち、Coffin−Manson則に従った数式1に相当する項以外は、以下で示される予測方法により、経験的に見出されたものである。
(Formula 4)
N = C 1 (Δε 1 ) n + a f2 / C 2 exp (k 2 Δε 1 ) + a f3 / C 3 exp (k 3 Δε 2 )
Of the life prediction formula shown in the above formula 4, the terms other than the term corresponding to the
続いて、上記図3および図4に示されるように発生および進展するき裂によるはんだ30の寿命を予測する方法について説明する。図5は、はんだ寿命予測の流れを示した図である。以下、図5のフローに従って、はんだの寿命を予測する。
Next, a method for predicting the life of the
図5に示されるように、はんだ30の寿命予測は5つの工程に分かれている。まず、実機試験工程では、試験準備を行う。すなわち、図1に示される実装構造100を製造する。そして、冷熱サイクル試験を行う。具体的には、実装構造100を冷却した後に加熱することで回路基板10と電子部品20との熱膨張率の差に応じた応力をはんだ30に加える。なお、冷却して加熱する一連の動作を1サイクルとする。
As shown in FIG. 5, the life prediction of the
この冷熱サイクル試験を行った実装構造100におけるはんだ30のき裂33の進展を観察する。図6は、図1に示される実装構造100において電子部品20から回路基板10側を見た平面図である。この図に示されるように、電子部品20の長軸方向において一側面付近を切断する(端断面)。また、電子部品20の短軸方向の中心位置において電子部品20を長軸方向に切断する(中心断面)。こうして各位置で実装構造100を切断し、はんだ30のき裂33の長さを計測する。
The progress of the
そして、様々なサイクル数で冷凍サイクル試験を行った結果を図7に示す。図7は、サイクル数とき裂長さとの相関関係を端断面および中心断面それぞれについて示した図である。このように、実装構造100における端断面および中心断面について、それぞれサイクル数に対するき裂長さが得られる。
And the result of having performed the refrigerating cycle test by various cycle number is shown in FIG. FIG. 7 is a diagram showing the correlation between the number of cycles and the crack length for each of the end cross section and the central cross section. Thus, the crack length with respect to the number of cycles is obtained for each of the end cross section and the central cross section of the mounting
次に、き裂発生寿命を求めるため、電子部品20の長軸方向(部品長手方向)および短軸方向(部品短手方向)それぞれに進展するき裂33の進展速度を求める。図7に示されるように、き裂33ははんだ30のはんだ接合部31のコーナー部分で発生して徐々に成長していき、その後、中心断面までき裂33が進展していく。
Next, in order to obtain the crack generation life, the propagation speed of the
したがって、図7に示すように、サイクル数が0〜約500の領域を示すA部では、き裂発生が起こるまでのき裂発生寿命を表していると言える。また、サイクル数が約500〜約1000の領域を示すB部では、き裂発生位置から短軸方向に向かって中心断面までき裂33が進行するまでの寿命を表していると言える。さらに、サイクル数が約1000〜約3000の領域を示すC部では、中心断面の位置を長軸方向に進むき裂33の進展寿命を表していると言える。なお、図7において、サイクル数が約3000の付近に描かれた破線は、はんだ30の破断寿命を示したものである。
Therefore, as shown in FIG. 7, it can be said that the portion A indicating the region where the number of cycles is 0 to about 500 represents the crack generation life until the crack generation occurs. Moreover, it can be said that part B showing the region where the number of cycles is about 500 to about 1000 represents the life until the
そして、上記のように3つの領域に分割することにより、電子部品20の部品幅の1/2(=af2)をB部に到達するまでに要したサイクル数で割り算することで、き裂発生から中央に至るまでのき裂進展速度(C2exp(k2Δε1))を求めることができる。また、C部においてはんだ30の破断までに要したサイクル数で中央断面におけるき裂全長(=af3)を割り算することにより、中央を進むき裂進展速度(C3exp(k3Δε2))を求めることができる。
Then, by dividing into three regions as described above, it is possible to divide ½ (= a f2 ) of the component width of the
なお、上記図7に示される結果で1つのサンプルの結果を示している。すなわち、本実施形態では、図7に示される結果を例えば32のサンプルについて調べた。すなわち、図7に示す結果が32得られた。 Note that the result shown in FIG. 7 shows the result of one sample. That is, in the present embodiment, the results shown in FIG. That is, 32 results shown in FIG. 7 were obtained.
続いて、有限要素解析工程では、実装構造100のモデル解析によって弾塑性クリープ歪み振幅を算出する。この工程では、ソフトウェアを用いて、有限要素法解析(FEM)により、弾塑性クリープ歪み振幅Δε1、Δε2を算出する。
Subsequently, in the finite element analysis step, the elastic-plastic creep strain amplitude is calculated by model analysis of the mounting
この後、き裂発生寿命定式化工程では、上記実機試験工程および有限要素解析工程で得られた結果に基づいて、き裂発生寿命(数式1)を定式化する。図8は、き裂発生寿命(サイクル数)および進展速度と歪み振幅Δε1、Δε2との相関関係を示した図である。このうち、図8(a)は、き裂発生寿命(サイクル数)と歪み振幅Δε1との関係を示している。なお、図8(a)に示される各点が、図7に示される各点のサンプル水準数に相当する。 Thereafter, in the crack generation life formulation step, the crack generation life (Formula 1) is formulated based on the results obtained in the actual machine test step and the finite element analysis step. FIG. 8 is a diagram showing the correlation between the crack initiation life (number of cycles) and the growth rate and the strain amplitudes Δε 1 and Δε 2 . Of these, FIG. 8A shows the relationship between the crack initiation life (number of cycles) and the strain amplitude Δε 1 . Each point shown in FIG. 8A corresponds to the number of sample levels of each point shown in FIG.
図8(a)に示されるように、図7に示された結果(A部)とFEMによる解析によって得られた歪み振幅Δε1との関係から、数式1で近似することにより、数式1は0.44(Δε1)−2.12と定式化することができる。
As shown in FIG. 8 (a), from the relationship between the result (part A) shown in FIG. 7 and the distortion amplitude Δε 1 obtained by the analysis by FEM, by approximating with the
また、き裂進展寿命定式化工程では、上記実機試験工程および有限要素解析工程で得られた結果に基づいて、電子部品20の側面から電子部品20の幅中心へのき裂進展寿命(数式2)と、電子部品20の長軸方向に進展するき裂進展寿命(数式3)と、をそれぞれ定式化する。
Further, in the crack growth life formulation process, based on the results obtained in the actual machine test process and the finite element analysis process, the crack growth life from the side surface of the
すなわち、上記図8(a)に示される方法と同様に、図8(b)において図7に示された結果(B部)とFEMによって得られた歪み振幅Δε1との関係から、数式2で近似することにより、数式2はaf2/0.33exp(17.86Δε1)と定式化することができる。 That is, similar to the method shown in FIG. 8A, the relationship between the result shown in FIG. 7B (FIG. 7B) and the distortion amplitude Δε 1 obtained by FEM in FIG. (2) can be formulated as a f2 /0.33exp (17.86Δε 1 ).
同様に、図8(c)において図7に示された結果(C部)とFEMによって得られた歪み振幅Δε2との関係から、数式3で近似することにより、数式3はaf3/0.13exp(14.20Δε2)と定式化することができる。
Similarly, from the relationship between the result shown in FIG. 7 (part C) in FIG. 8C and the distortion amplitude Δε 2 obtained by FEM,
そして、断線寿命の算出工程では、上記き裂発生寿命定式化工程およびき裂進展寿命定式化工程でそれぞれ得られた各寿命の合計を算出することにより、はんだ30にき裂33が発生して断線する寿命を定式化する。すなわち、はんだ30の寿命予測式は、以下の数式5のように定式化される。
In the calculation process of the disconnection life, the
(数式5)
N=0.44(Δε1)−2.12+af2/0.33exp(17.86Δε1)+af3/0.13exp(14.20Δε2)
ここで、Nははんだ30の寿命(サイクル数;はんだ30が耐えられる冷熱サイクル数であり、そのサイクル数を超えるとはんだ30が破断する)である。以上のようにして、はんだ30の寿命予測式の定式化が終了する。
(Formula 5)
N = 0.44 (Δε 1 ) −2.12 + a f2 /0.33 exp ( 17.86 Δε 1 ) + a f3 /0.13 exp ( 14.20 Δε 2 )
Here, N is the life of the solder 30 (the number of cycles; the number of cooling cycles that the
上記数式5に示されるはんだ30の寿命予測式は、実装構造100に用いられるはんだ30の材質によって決まる式となっている。すなわち、上記予測式には、き裂発生、はんだ接合部31のき裂進展、部品電極21の側面のはんだフィレット部32のき裂進展がそれぞれ実際の挙動に即したかたちで定式化されている。さらに、電子部品20のサイズの影響や試験条件の影響はaf2およびaf3の項とΔε1あるいはΔε2の項に取り込まれている。このため、電子部品20のサイズや試験条件が異なっても高精度な寿命予測が可能となる。
The life prediction formula of the
以上のようにして、はんだ30の寿命予測式を定式化した後、はんだ30の寿命を以下のようにして予測する。すなわち、求めたい実装構造100をモデル化して図5に示される有限要素法解析を別途行うことにより、弾塑性クリープ歪み振幅Δε1、Δε2を得る。そして、求めた歪み振幅Δε1、Δε2を数式5に代入することで断線寿命(サイクル数)を取得する。
After formulating the life prediction formula of the
以上説明したように、本実施形態では、はんだ30の寿命予測式をき裂33の進展速度に依存したものとして定式化していることが特徴となっている。このき裂33の進展速度は、はんだ30の材質に唯一依存するパラメータであり、実装構造100において電子部品20のサイズや形態に依存しない値である。このように、電子部品20の形態やサイズに依存しないき裂33の進展速度を寿命予測式のパラメータとして用いることで、はんだ30の寿命予測式を一般化することができる。すなわち、上記のようにして得られた寿命予測式は、実装構造100に用いるはんだ30の材質が変更されない限り、電子部品20の形態やサイズに関係なく用いることができる。
As described above, the present embodiment is characterized in that the life prediction formula of the
また、上記のように、予測式は実装構造100における電子部品20のサイズ等に依存したものではないので、電子部品20のサイズ等に応じた寿命の誤差を低減することができ、ひいては、各実装構造100に応じたはんだ30の寿命を精度良く得ることができる。
Further, as described above, since the prediction formula does not depend on the size or the like of the
本実施形態で得られる予測式は、はんだ30の材質にのみ依存しているため、実装構造100に用いるはんだ30の材質に応じて数式5に相当する寿命予測式を求めておくことで、実装構造100に用いる電子部品20のサイズや形状が変更になったとしても、実装構造100に応じたFEMによる解析を行って歪み振幅Δε1、Δε2を取得することで、はんだ30の寿命を短時間で容易に取得することができる。
Since the prediction formula obtained in the present embodiment depends only on the material of the
(他の実施形態)
上記実施形態では、電子部品20として角チップ抵抗部品を採用したが、チップコンデンサを含めた角チップ部品のはんだ付形状と同様の形状となるクリスタル素子、タンタルコンデンサ、多連のチップ抵抗、QFN素子、およびガルウィングリードタイプの部品等を電子部品20として採用しても上記寿命予測方法を適用することができる。
(Other embodiments)
In the above embodiment, a square chip resistor component is adopted as the
100…実装構造、10…基材としての回路基板、20…電子部品、21…部品電極、30…はんだ、31…はんだ接合部、32…はんだフィレット部、33…き裂。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記電子部品の電極は、前記基材と対向する下面およびこの下面と直交方向に沿って前記基材の上方にのびる側面を有し、
前記基材と前記電極の下面との間に設けられたはんだ接合部(31)と、前記電極の側面から前記基材にわたって設けられたはんだフィレット部(32)と、により構成された前記はんだの寿命予測方法であって、
前記はんだの寿命は、Coffin−Manson則に従ったき裂発生寿命の予測式(Nf1)と、前記はんだ接合部に発生したき裂(33)が前記電子部品の幅方向の中心位置に到達する場合のき裂進展速度から予測される第1のき裂進展寿命予測式(Nf2)と、前記き裂が前記はんだのうち前記電子部品の幅方向の中心位置において前記電子部品の長軸方向に進展する場合のき裂進展速度から予測される第2のき裂進展寿命予測式(Nf3)と、から求めたき裂発生寿命、第1のき裂進展寿命、第2のき裂進展寿命をそれぞれ足し合わせることで前記はんだの寿命を予測することを特徴とする前記はんだの寿命予測方法。 In the mounting structure (100) in which the electronic component (20) is mounted on the substrate (10), and the electrode (21) of the electronic component is joined to the substrate via the solder (30),
The electrode of the electronic component has a lower surface facing the substrate and a side surface extending above the substrate along a direction orthogonal to the lower surface,
A solder joint (31) provided between the base material and the lower surface of the electrode, and a solder fillet part (32) provided across the base material from the side surface of the electrode. A life prediction method,
As for the life of the solder, the prediction formula (N f1 ) of the crack generation life according to the Coffin-Manson rule and the crack (33) generated at the solder joint reach the center position in the width direction of the electronic component. The first crack growth life prediction formula (N f2 ) predicted from the crack growth rate in the case, and the long axis direction of the electronic component at the center position in the width direction of the electronic component of the solder The crack growth life, first crack growth life, and second crack growth life calculated from the second crack growth life prediction formula (N f3 ) predicted from the crack growth rate when The solder life prediction method is characterized by predicting the life of the solder by adding each of the above.
前記電子部品の電極は、前記基材と対向する下面およびこの下面と直交方向に沿って前記基材の上方にのびる側面を有し、
前記基材と前記電極の下面との間に設けられたはんだ接合部(31)と、前記電極の側面から前記基材にわたって設けられたはんだフィレット部(32)と、により構成された前記はんだの寿命予測方法であって、
前記実装構造を製造すると共に、前記実装構造に対して冷却および加熱を繰り返す冷熱サイクル試験を行い、前記冷熱サイクル試験開始から前記はんだにき裂(33)が発生するまでの冷熱サイクル数に応じたき裂発生寿命と、前記冷熱サイクル試験によって前記はんだに発生したき裂が、前記電子部品の幅方向の中心位置に至るまでの冷熱サイクル数に応じた第1のき裂進展速度と、前記はんだのうち前記電子部品の幅方向の中心位置において前記電子部品の長軸方向に進展するき裂の冷熱サイクル数に応じた第2のき裂進展速度と、をそれぞれ求める実機試験工程と、
前記実装構造をモデル化して数値解析することにより、前記実装構造に対応した弾塑性クリープ歪み振幅を算出する数値解析工程と、
上記実機試験工程および数値解析工程で得られた前記弾塑性クリープ歪み振幅に基づいて、前記き裂発生寿命をCoffin−Manson則に従ったき裂発生寿命の予測式として定式化するき裂発生寿命定式化工程と、
前記実機試験工程および前記数値解析工程で得られた前記弾塑性クリープ歪み振幅に基づいて、前記はんだ接合部に発生したき裂が前記電子部品の幅方向の中心位置に到達するき裂進展速度から予測される第1のき裂進展寿命予測式を定式化すると共に、前記はんだのうち前記電子部品の幅方向の中心位置において前記電子部品の長軸方向に進展するき裂進展速度から予測される第2のき裂進展寿命予測式を定式化するき裂進展寿命定式化工程と、
前記き裂発生寿命定式化工程で得られたき裂発生寿命と、前記き裂進展寿命定式化工程で得られた第1のき裂進展寿命および第2のき裂進展寿命をそれぞれ足し合わせることで、前記はんだにき裂が発生して断線するまでの寿命を得る断線寿命の算出工程と、を含んでいることを特徴とするはんだの寿命予測方法。 In the mounting structure (100) in which the electronic component (20) is mounted on the substrate (10), and the electrode (21) of the electronic component is joined to the substrate via the solder (30),
The electrode of the electronic component has a lower surface facing the substrate and a side surface extending above the substrate along a direction orthogonal to the lower surface,
A solder joint (31) provided between the base material and the lower surface of the electrode, and a solder fillet part (32) provided across the base material from the side surface of the electrode. A life prediction method,
In addition to manufacturing the mounting structure, the mounting structure is subjected to a cooling cycle test in which cooling and heating are repeated, and the number of cooling cycles from the start of the cooling cycle test to the occurrence of a crack (33) in the solder is determined. The crack initiation life, the first crack growth rate according to the number of thermal cycles until the crack generated in the solder by the thermal cycle test reaches the center position in the width direction of the electronic component, An actual machine test step for obtaining a second crack growth rate corresponding to the number of thermal cycles of a crack that propagates in the longitudinal direction of the electronic component at the center position in the width direction of the electronic component,
A numerical analysis step of calculating an elastic-plastic creep strain amplitude corresponding to the mounting structure by modeling and numerically analyzing the mounting structure;
A crack initiation life formula that formulates the crack initiation life as a prediction equation of crack initiation life according to the Coffin-Manson rule based on the elastoplastic creep strain amplitude obtained in the actual machine test step and the numerical analysis step. Conversion process,
Based on the elasto-plastic creep strain amplitude obtained in the actual machine test step and the numerical analysis step, from the crack growth rate at which the crack generated in the solder joint reaches the center position in the width direction of the electronic component The first crack growth life prediction formula to be predicted is formulated, and is predicted from the crack growth speed that progresses in the major axis direction of the electronic component at the center position in the width direction of the electronic component of the solder. A crack growth life formulation step for formulating a second crack growth life prediction formula;
By adding together the crack initiation life obtained in the crack initiation life formulation step, the first crack growth life and the second crack propagation life obtained in the crack propagation life formulation step A method for predicting the life of a solder, comprising a step of calculating a break life to obtain a life until a crack occurs in the solder.
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Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH10190161A (en) * | 1996-12-26 | 1998-07-21 | Kyocera Corp | Electronic parts-mounting structure |
JP2001125945A (en) * | 1999-10-29 | 2001-05-11 | Hitachi Ltd | Method for aiding design of wired board, design aiding tool, design aiding system, and information storage medium |
JP2004045343A (en) * | 2002-07-15 | 2004-02-12 | Toshiba Corp | Life diagnostic method and device of solder joint part |
JP2004085397A (en) * | 2002-08-27 | 2004-03-18 | Kyocera Corp | Life estimation method for solder junction part |
JP2004119434A (en) * | 2002-09-24 | 2004-04-15 | Toyama Prefecture | Method for evaluating fatigue of solder junction |
JP2004237304A (en) * | 2003-02-05 | 2004-08-26 | Fujitsu Ltd | Method for estimating life time of solder joining |
JP2005148016A (en) * | 2003-11-19 | 2005-06-09 | Toshiba Corp | Method and device for diagnosing thermal fatigue life of solder weld part |
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Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH10190161A (en) * | 1996-12-26 | 1998-07-21 | Kyocera Corp | Electronic parts-mounting structure |
JP2001125945A (en) * | 1999-10-29 | 2001-05-11 | Hitachi Ltd | Method for aiding design of wired board, design aiding tool, design aiding system, and information storage medium |
JP2004045343A (en) * | 2002-07-15 | 2004-02-12 | Toshiba Corp | Life diagnostic method and device of solder joint part |
JP2004085397A (en) * | 2002-08-27 | 2004-03-18 | Kyocera Corp | Life estimation method for solder junction part |
JP2004119434A (en) * | 2002-09-24 | 2004-04-15 | Toyama Prefecture | Method for evaluating fatigue of solder junction |
JP2004237304A (en) * | 2003-02-05 | 2004-08-26 | Fujitsu Ltd | Method for estimating life time of solder joining |
JP2005148016A (en) * | 2003-11-19 | 2005-06-09 | Toshiba Corp | Method and device for diagnosing thermal fatigue life of solder weld part |
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