JP5025676B2 - 監視装置および監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器の状態を監視する監視装置および監視方法に関する。

携帯電話、ノートPC等の携帯型電子機器は、使用時および持ち運び時の外力により、内部部品に故障が生じることがある。故障の原因となる外力は、１回で故障に至るものだけに留まらず、繰り返し負荷が作用することにより、損傷が蓄積して故障に至るものも存在する。

例えば、電源のON、OFFによって発生する温度変動は、筐体内部の基板と実装部品との線膨張係数の差により、接合部（たとえばはんだ接合部）に繰り返し応力を発生させる。また、定常的に振動が加わる状態で機器が設置された場合、常時慣性力が作用することにより、繰返し応力が発生する。

これらの繰返し応力は、一回の負荷では故障には至らないが、長期的に繰り返されると故障の原因になる可能性がある。

一方、長期的に使用される製品に対して、製品の状態を診断し、故障するまでの寿命を予測する、ヘルスモニタリングという手法がある。ヘルスモニタリングには様々な手法が存在するが、上述のような電子機器への適用例の一つとして、繰り返し負荷に対する寿命の予測が挙げられる。

近年の電子機器には、温度センサ、加速度センサなどのセンサ類が実装されており、稼動状態での機器の状態を監視することにより、状態に応じて様々なアクションをとる。

例えば、CPUなどの演算処理部品の温度を常時センシングし、温度が上昇してしきい値を超えた時点で演算負荷を強制的に下げ、温度上昇による故障の発生を防ぐことができる。また、加速度センサにより機器の加速度、傾きを検知して、ハードディスクドライブのヘッドを退避させ、またはユーザがー指定したアプリケーションを起動させる等の動作につなげることができる。

これらのセンサは、前記のような繰り返し応力に対する疲労寿命の予測にも使用することが期待されている。

このような技術の一例として、特許文献１では、電気製品内に温度等を検知および記録するセンサ類を内蔵し、記録された値から部品の余寿命を推定する技術が記載されている。特許文献1によれば、記録された情報から、電気製品の廃棄時にリサイクルの可能、不可能を判定することができるとされている。

特開平７−３０６２３９号公報

原理的には、寿命に影響を与えうる負荷を全てセンシングおよび記録することができれば、少数の負荷しかセンシングしない場合と比較して、寿命をより高精度に予測できる。

しかし、現実には様々な要因から与えられる全ての負荷をセンシングすることは難しい。一例として、ノートパソコン等の携帯型電子機器は、必ずしも常時電源が供給されているとは限らない。この場合、電源が供給されない間はセンシングを行うことができず、負荷を記録することもできない。携帯型電子機器は電源が入っていない状態で持ち運ぶ場合も多く、この際に衝突、押圧等の負荷が作用する可能性は十分に考えられる。

本発明は、センシングしている負荷以外の負荷の影響を考慮して寿命推定（寿命に達したか否か、あるいは余寿命がどの程度あるか等の推定）を行うことを可能にした監視装置および監視方法を提供する。

本発明の一態様としての監視装置は、
対象接合部を介して電子部品を搭載するとともに前記電子部品または他の電子部品との間にダミー接合部が設けられた基板、を含む電子機器の監視装置であって、
前記電子機器内の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサにより検出される温度の変動履歴を表す温度履歴データを記憶する温度情報データベースと、
前記温度センサの温度毎に、前記対象接合部に発生するひずみ値と、前記ダミー接合部に発生するひずみ値とを記憶したセンサ温度―ひずみデータベースと、
前記温度センサの温度変動に起因する所定幅のひずみ振幅と、前記所定幅のひずみ振幅のサイクル数とから、前記温度変動に起因する前記ダミー接合部および対象接合部の累積疲労を示す温度損傷値をそれぞれ計算するダミー損傷関数および対象損傷関数を格納した疲労特性データベースと、
前記ダミー接合部の温度損傷値と、前記ダミー接合部に対する前記温度変動と異なる第１の負荷に起因する累積疲労を示す負荷損傷値との関係によって前記ダミー接合部の寿命を定めたダミー寿命データと、
前記対象接合部の前記温度損傷値と、前記対象接合部に対する前記第１の負荷に起因する累積疲労を示す負荷損傷値との関係によって前記対象接合部の寿命を定めた対象寿命データと、
前記ダミー接合部の負荷損傷値と前記対象接合部の負荷損傷値との対応関係を定めた負荷対応データと、
を格納した複合負荷データベースと、
前記ダミー接合部の電気特性を測定する電気特性測定部と、
（Ａ−１）前記温度履歴データに基づき前記対象損傷関数に従って前記対象接合部の温度損傷値を計算し、
（Ａ−２）前記対象寿命データにおいて前記対象接合部の負荷損傷値が０であるときの温度損傷値である第１のしきい値と、前記対象接合部の温度損傷値との比較に応じて前記対象接合部の寿命推定を行い、
（Ｂ−１）前記電気特性測定部により測定される電気特性に基づきダミー接合部の破断を検出したとき前記温度履歴データに基づき前記ダミー損傷関数に従って前記ダミー接合部の温度損傷値を計算し、
（Ｂ−２）前記ダミー寿命データにおいて負荷損傷値が０であるときの温度損傷値である第２のしきい値と、前記ダミー接合部の温度損傷値とを比較し、
（Ｂ−３）前記第２のしきい値と前記ダミー接合部の温度損傷値との差が所定値以上のときは前記ダミー接合部の温度損傷値と前記ダミー寿命データとから前記ダミー接合部の負荷損傷値を計算し、
（Ｂ−４）前記ダミー接合部の負荷損傷値から前記負荷対応関数に従って前記対象接合部の負荷損傷値を計算し、
（Ｂ−５）前記対象寿命データにおいて前記対象接合部の負荷損傷値に対応する温度損傷値へ前記第１のしきい値の値を変更する
寿命演算部と、
を備えたことを特徴とする。

本発明によって、センシングしている負荷以外の負荷の影響を考慮して寿命推定を行うことが可能になる。

本発明の一実施形態としての監視装置を備えた監視システムの概略構成を示すブロック図。 図１の監視システムを含むパッケージ構成の一部を示す斜視図。 図２の構成の側面図。 ダミー接合部を隣接して複数設ける例を説明する図。 式(1)および式(2)を説明する図。 温度損傷値と振動損傷値との関係データの作成方法の概要を説明する図。 対象接合部に関して、上記関係データの作成方法の詳細な処理手順の一例を示すフローチャート。 ダミー接合部に関して、上記関係データの作成方法の詳細な処理手順の一例を示すフローチャート。 図７および図８の処理手順の補足説明図。 ひずみ振幅の計算方法の説明図。 センサ温度−接合部ひずみデータベースの生成方法を説明するフローチャート。 ひずみ振幅の算出方法を決定するための処理の流れを示すフローチャート。 寿命演算部による寿命推定ルーチンの手順を示すフローチャート。 対象接合部に対する寿命のキャリブレーション（修正）の手順を示すフローチャート。 振動による影響を考慮した対象接合部の寿命短縮化を示す図。 振動形状と基板の形状との関係を示す図。 曲率半径の変動量および変位の変動量と、ひずみ振幅との関係を示す図。 負荷対応データの例を示す図。 第２の実施形態に係るダミー接合部および対象接合部の例を示す図。 第３の実施形態に係るダミー接合部の決定方法を説明する図。 第３の実施形態に係るダミー接合部の決定方法を説明する図。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の一実施形態としての監視装置を備えた監視システムの概略構成を示すブロック図である。

監視システムは、対象部品１１１ａおよびダミー部品１１２ａを搭載した基板を備える。この基板は、PC等の電子機器内に配置されている。対象部品１１１ａは対象接合部１１１を介して基板に接続され、ダミー部品１１２ａは１つまたは複数のダミー接合部１１２を介して基板に接続されている。ダミー接合部１１２は温度変動および温度変動と異なる他の負荷（第１の負荷）に対して、対象接合部１１１よりも先に破断される可能性が高い箇所に設置されている。すなわち温度変動および他の負荷（第１の負荷）に対して対象接合部１１１よりも寿命が短くなる場所にダミー接合部１１２を配置している。本実施形態では対象接合部１１１およびダミー接合部１１２は共にはんだバンプ（はんだ接合部）であるとする。ダミー部品１１２ａと対象部品１１１ａはそれぞれ同じ部品であっても異なる部品であってもよい。第１の負荷は外から加えられる振動または衝撃等が考えられるが、ここでは振動を想定する。

図１の監視システムは、上記対象部品１１１ａ、対象接合部１１１，ダミー部品１１２ａおよびダミー接合部１１２に加え、電気特性測定部１１３、温度センサ１１５、寿命演算部１１４、温度情報データベース１１６、複合負荷データベース１１７、センサ温度−接合部ひずみデータベース１１８、疲労特性データベース１１９および損傷情報データベース１２０を備え、これらの要素１１３〜１２０が上記本発明の一実施形態としての監視装置を形成する。寿命演算部１１４は各データベース１１６〜１２０からデータを読み出す読み出し手段を含む。

なお寿命演算部１１４および電気特性測定部１１３はハードウェアによって構成しても、プログラムモジュールによって構成してもよい。プログラムモジュールにより構成する場合、各プログラムモジュールは不揮発性メモリまたはハードディスク等の記録媒体に格納され、ＣＰＵ等のコンピュータにより、当該記録媒体から読み出され、ＲＡＭ等のメモリ装置に展開されてあるいは直接に実行される。データベース１１６〜１２０はたとえばメモリ装置、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＵＳＢメモリ等の記録媒体によって構成されることができる。

図２は図１の監視システムを含むパッケージ構成の一部を示す斜視図である。図３は図２の構成の側面図である。BGA（Ball Grid Array）1を搭載したサブストレート２が回路基板３上に配置されている。BGA１を載せたサブストレート２は複数のはんだバンプ（はんだ接合部）により基板3上に実装されている。図１の監視システムの各要素１１３〜１２０はここではBGA1の内部に設けられているとするが、これらの要素の一部または全部がBGA1の外に設けられてもよい。BGA１の稼働時、温度センサ１１５によりBGA１の温度が計測できるものとする。ここではダミー部品１１２ａおよび対象部品１１１ａがいずれもBGA１を載せたサブストレート２である例が示されている。

基板3が熱（温度変動）による膨張や、外部機械荷重（振動、衝撃）によって変形を受けると、サブストレート２と基板３とを接続するはんだ接合部に応力が発生する。はんだに発生した応力は、応力の大きさに応じて金属疲労を誘発し、繰り返しを経て最終的には破断に至る。図２および図３のような形態の接続では、4角のはんだバンプに最も大きな応力が発生する。これらの角バンプは、配置上の問題から他のバンプより先に破断することが避けられず、信号線や電源線として使用しない、いわゆるダミーバンプとして設置されることが多い。そこで、図３に示すように4角のバンプの中の１個以上をダミーバンプ５（図１のダミー接合部１１２に対応）として使用する。まだダミーバンプ５以外のはんだバンプのうちの１つ以上を寿命推定対象のはんだバンプ４（図１の対象接合部１１１に対応）とする。ダミーバンプ５とはんだバンプ４（対象接合部）１１はあらかじめ対応付けしておく。なお、ダミー接合部５として使用するバンプは4角だけに限る必要はない。通常の破損形態では、4角のバンプが先に壊れた後、順に外側から内側に向かってバンプが破断するため、図４のように４角周囲のバンプもダミーバンプとして用いることで、バンプの破断が発生するたびに後述するキャリブレーション（修正）を繰り返すことができる。

図１の温度情報データベース１１６は温度センサ１１５により検出される温度の変動履歴を温度履歴データとして記録する。たとえば温度情報データベース１１６は一定時間間隔で温度情報を記録してもよいし、予め指定されたタイミング（たとえば指定温度になったとき）で温度情報を記録してもよい。なお記録の際、温度情報に時刻情報を付加してもよい。

電気特性測定部１１３は対象接合部１１１およびダミー接合部１１２の電気特性（たとえば抵抗値）を測定して寿命演算部１１４に通知する。寿命演算部１１４は電気特性（抵抗値）がしきい値以上であるとき、その接合部は破断したと判断する。

寿命演算部１１４は温度情報データベース１１６に記録された温度変動履歴に基づき、後述する各種データベース１１７〜１１９に従って対象接合部１１１の寿命推定（寿命に達したか否か、あるいは余寿命がどの程度あるか等の推定）を行う。すなわち温度変動履歴に基づき対象接合部１１１の損傷値（ここでは温度変動に起因する累積負荷を示す温度損傷値）を取得し、取得した損傷値が第１のしきい値に達している場合は、対象接合部１１１は寿命に達したと判断して、所定のアクションを取る。たとえば外部とのインターフェースとなる出力手段を介して、寿命に達したことをユーザに通知する。

また寿命演算部１１４は、電気特性測定部１１３から通知される対象接合部１１１およびダミー接合部１１２の電気特性をもとに、対象接合部１１１およびダミー接合部１１２の破断（故障）の有無を判断する。寿命演算部１１４は、対象接合部１１１の故障を検出したときは、上記出力手段を介して、所定のアクションを取る。

一方、寿命演算部１１４は、ダミー接合部１１２の故障を検出したときは、温度情報データベース１１６内のセンシング履歴（温度変動履歴）に基づきダミー接合部１１２の損傷値（ここでは温度変動に起因する温度損傷値）を取得し、取得した損傷値と第２のしきい値（寿命予測値）とを比較し、これら差に大きな隔たりがある場合（差が所定値以上の場合）、温度変動以外の第１の負荷（ここでは振動）が大きく作用したと判定して、その第１の負荷による累積疲労を示す値（負荷損傷値）をデータベース１１６〜１１９を利用して計算する。寿命演算部１１４は、この計算した負荷損傷値を上述した対象接合部１１１の寿命推定に反映させて、対象接合部１１２の寿命推定をキャリブレーション（修正）する。すなわち、ダミー接合部１１２について計算した負荷損傷値と後述のデータベース１１７を元に、対象接合部１１１に加えられた第１の負荷による累積疲労を示す値（負荷損傷値）を推定し、上述した温度損傷値の累積疲労に加えてこの推定した負荷損傷値の累積疲労が対象接合部１１１に加えられたとして寿命推定を行う。具体的にはこの推定した負荷損傷値を利用して上述の第１のしきい値の値を、推定した負荷損傷値に応じた値へ変更（小さく）する。

寿命演算部１１４の詳細動作は後述するものとし、以下では寿命演算部１１４の演算で用いる複合負荷データベース１１７、センサ温度−接合部ひずみデータベース１１８および疲労特性データベース１１９について説明する。

まず疲労特性データベース１１９について説明する。

疲労特性データベース１１９は、ダミー接合部１１２および対象接合部１１１の損傷値を計算するための関数や各種パラメータ等を記憶する。疲労による材料の破壊は、ひずみ振幅の値と、繰り返し数とによって決定される。代表的な例として、下記の式(1)の形で示されるCoffin-Manson則（サイクル数が10³程度以下）、Basquine則（サイクル数が10⁴程度以上）等が知られている。マイナー則(Miner’s Rule)では、熱、振動、衝撃など、異なる負荷が複合的に作用した場合においても、損傷値が一定の値（マイナー則においては１）に達した時点で破壊するとされている（後述する図６のD_th+D_v=1の式を参照）。

一例として、温度変動と振動による複合負荷を考える。温度変動の損傷値をD_th、振動の損傷値をD_vとし、それぞれの単独の負荷が与えられて破壊した場合の損傷値D_th、D_vはそれぞれ１であるとする。マイナー則に従うのであれば、異なる負荷が複合的に作用した場合、損傷値D_th、D_vの合計が１、すなわち下記式（3）の状態で破壊が生じる。なお式(1)および式(2)の関係を図５に示す。

本実施形態では、ひずみ振幅Δεは一定の値をとるものとするが、ひずみ振幅が一般的な波形をとる場合でも、以下の式(8)に示すように各ひずみ振幅とその繰り返しサイクル数とによる損傷値を合計することにより、本質的に同様にして損傷値の計算ができる。

ダミー接合部１１２および対象接合部１１１のそれぞれについて上記式(1)から式(7)（および式(8)）の関係をあらかじめ取得して上述のように疲労特性データベース１１９に記憶させておく。負荷が複合しない場合の寿命予測式である式(5)および式(7)の関係は、はんだバンプを用いた材料試験等で取得する。

ダミー接合部１１２に関する式(4)および式(5)の組（温度損傷値の算出関数）は本発明のダミー損傷関数に相当し、対象接合部１１１に関する式(4)および式(5)の組（温度損傷値の算出関数）は本発明の対象損傷関数に相当する。

次に、複合負荷データベース１１７について説明する。

上述したように、マイナー則に従うのであれば、式（3）の状態（各負荷の損傷値の合計が１）で破壊が生じるが、実際には複合的な負荷が作用した場合は各負荷の損傷値の合計が１に達する前に壊れることも多い。そこで本実施形態ではマイナー則（式(3)）を改良した手法を用いる。

すなわち図６に示すように、試験と（有限要素法などの）数値シミュレーションによって事前に各負荷を複合させて壊れるまでの時間を測定する試験を行って、下記の式（9）の関係（図６の破線グラフを参照）をダミー接合部１１２および対象接合部１１１のそれぞれについて取得し、複合負荷データベース１１７に保存しておく。本実施形態では式(3)ではなく、この式(9)の関数（複合負荷関数）を後述する各種演算（寿命のキャリブレーション）に用いる。

ここで、f(D_th)は 振動による損傷値D_vが与えられた際に温度変動の損傷値を返す関数であり、f(D_v)は温度変動の損傷値が与えられた際に振動の損傷値D_thを返す関数である。すなわち式(9)により、温度変動の損傷値D_th、振動の損傷値D_vのうちの一方が決まれば、破損に至るまでの他方の損傷値が一意に決まる。

このとき、余寿命は図６の座標系における現在の損傷値（座標）と、関数D_th=f(D_v)（または D_v=f(D_th)）との間の距離として定義される。損傷が進むに従ってD_th、D_vは関数D_th=f(D_v)（または D_v=f(D_th)）に近接し、関数D_th=f(D_v)（または D_v=f(D_th)）上に達した時点で破損が発生することとなる。

ダミー接合部１１２に関する式(9)はたとえば本発明のダミー寿命データに相当し、対象接合部１１１に関する式(9)はたとえば本発明の対象寿命データに相当する。ダミー寿命データおよび対象寿命データは、D_vとD_thとを対応づけたルックアップテーブルの形式を有していても良い。なお、テーブルにおいて存在しないD_vまたはD_thの値については、一方の値の前後のデータを用いて線形補間等の補間処理を行うことにより、他方の値を推定すればよい。

図７は対象接合部１１１の複合負荷関数（対象寿命データ）の作成方法を説明するフローチャートである。図８はダミー接合部１１２の複合負荷関数（ダミー寿命データ）の作成方法を説明するフローチャートである。複合負荷関数を生成する対象が異なる以外は図７および図８のフローの内容はともに同一であるため、以下、図７の説明のみを行い、図８の説明は、重複記載を省くため省略する。なお図８のS21〜S29は図７のS11〜S19に対応する。

まず、事前に決められた温度サイクル振幅から、破断が検出されるまで温度サイクル試験を実施し、温度サイクルによる寿命N_fを決定する(S11〜S13)。温度サイクルによる寿命N_fをm等分し、損傷値0から(m-1)/mの温度サイクルによる損傷を受けた試験片を作成する（S14,S15）。それらの試験片に対して、図９に示すような温度と振動による損傷の関係を得るために振動試験を実施し、対象とする接合部が破断するまで試験を行う（S16,S17）。これらの温度サイクル試験、振動試験と、後述の有限要素解析により、破断に至るまでのひずみ振幅Δε_th、Δε_vひずみ振幅の繰り返し数N_f,th、N_f,vが得られ、式(4)から式(7)の関係により破断に至るまでの損傷値D_th、D_vを得ることができる（S18,S19）。

振動試験や温度サイクル試験の際には、振動によって負荷されたひずみ振幅Δεの履歴を知るために、基板上にひずみゲージや加速度センサなどを取り付け、予測するバンプ周辺の物理量を計測しておくことが望ましい。ひずみ振幅を知るためだけであれば、入力される境界条件（温度、振動加速度）が決まれば全体の変形形状も一意に定まるため、有限要素法によるシミュレーションによりひずみ振幅Δεを求めることが可能ではある。しかし、入力される境界条件に加えて、バンプに近い場所で計測したひずみ、加速度などの物理量の情報あれば、図１０の方法により、ひずみ振幅をより高精度に求めることができる。本実施形態のようなダミーバンプ（ダミー接合部）と対象バンプ（対象接合部）が同じ形状である場合は、図１０の過程におけるバンプ内でのひずみ振幅Δεの決定の方法が同じであれば、理論的には得られるデータベースも同じになる。よって、必ずしも両方作成する必要はなく、片方のみを作成してもう一方に適用することも可能だが、実物には形状誤差、計測誤差等のさまざまな誤差が含まれるため、ダミーバンプ（ダミー接合部）、対象バンプ（対象接合部）の両方とも作成しておく方がより望ましい。

複合負荷データベース１１７は、上述したダミー寿命データおよび対象寿命データ（式(9)参照）に加えて、ダミー接合部１１２の第１の負荷（ここでは振動）による損傷値D_vと、対象接合部１１１の第１の負荷（ここでは振動）による損傷値D_vとの対応関係を定めた負荷対応データを保存している。この負荷対応データによれば、たとえばダミー接合部１１２の損傷値D_vが分かれば、損傷値D_vに対応する値を特定することにより、対象接合部１１１の損傷値D_vも推定することが可能となる。このような負荷対応データの作成方法については後に詳しく述べる。

センサ温度−接合部ひずみデータベース１１８は、複数の温度（センサ温度）のそれぞれ毎に、対象接合部１１１およびダミー接合部１１２に発生するひずみの値を記憶している。センサ温度−接合部ひずみデータベース１１８の生成方法の一例を図１１のフローチャートに示す。まず基板上の温度センサ位置を仮定し（S31）、室温を仮定し（S32）、想定される筐体内部の温度上昇時の基板温度分布を仮定し（S33）、有限要素法により室温状態から仮定した温度分布に温度上昇した際の基板各部に生じるひずみ分布を算出し（S34）、温度分布に対する対象接合部およびダミー接合部のそれぞれに対するひずみεを算出し（S35）、センサ温度とひずみεとの関係をデータベース１１８に保存し（S36）、以上のステップS31〜S36を想定される温度分布のひずみ算出が終了するまで繰り返す（S37）。さらに、このようにして得られたデータベース１１８を利用して、寿命演算部１４での寿命推定に必要なひずみ振幅Δεを得ることができる（S38）。

ここでひずみ振幅Δεの算出方法について補足説明を行う。先に示した式(5)、式(7)等は通常き裂発生寿命を推定するための関係式であり、実際の電子部品の接合部（はんだ接合部）において亀裂が貫通して破断するまでの寿命とは一般に異なる場合が多い。そこで、一般的には実物の破断寿命と合わせるために、α、β等の材料定数値を合わせ込む、ひずみ振幅Δεの算出方法を変えて寿命を合わせるなどの方法がとられる。本実施形態では、図１２のフローチャートに示す方法に従ってひずみ振幅Δεの算出方法を決定する方法を採用する。すなわち図１２の方法で決定した算出方法により、寿命推定に必要なΔεの計算を行う。ひずみ振幅Δεは実際のバンプでは計測できない量であり、有限要素法などのシミュレーションを用いて決定されるが、バンプからひずみ振幅を決定する方法は特に定められた手法はなく（図１０参照）、現実の現象に合致するようなひずみ振幅の決定方法がとられる。たとえば、バンプ内でひずみがもっとも大きい場所を中心として周囲のいくつかの要素の平均のひずみを使用する方法、バンプ全体の平均ひずみを使用する方法などが考えられる。これらの方法の中から、現実の寿命に最も近い値を示す方法を採用する。

図１２のフローでは参照実験値データ（基板温度、基板ひずみ）を取得し(S41)、有限要素解析により参照実験値データと、接合部に発生するひずみとの関係を取得し（S42）、参照実験データからサイクルカウントにより破断検出時の繰り返し数N_fを算出し（S43）、参照実験データと有限要素解析結果から接合部のひずみ振幅Δεを算出し（S44）、算出したひずみ振幅Δεを疲労特性データベース１１９の式N_f=αΔε^-βに代入し（S45）、この式の左辺および右辺の値の差が許容誤差範囲内のときはステップS44で用いた算出方法を採用し、許容誤差範囲外のときはΔεの算出方法を変更して（S47）、ステップS44に戻る。

寿命演算部１１４は、温度情報データベース１１６に保存された温度変動履歴を、センサ温度-接合部ひずみデータベース１１８を参照してひずみ履歴に変換し、疲労特性データベース１１９を用いて、対象接合部１１１の損傷値（温度損傷値）を算出する。寿命演算部１１４は、ダミー接合部１１２についても対象接合部１１１と同様にして損傷値（温度損傷値）を算出する。寿命演算部１１４は、対象接合部１１１およびダミー接合部１１２について算出した損傷値（温度損傷値）を損傷情報データベース１２０に保存する。

寿命演算部１１４は、対象接合部１１１の損傷値（温度損傷値）が第１のしきい値（初期値は１）に達したとき、対象接合部１１１は寿命に達したとみなし、その旨を損傷情報データベース１２０に記録するとともに、所定のアクションを実行する（後述する図１３のフロー参照）。また寿命演算部１１４は、ダミー接合部１１２の破断を電気特性測定部１１３からの通知により検出すると、ダミー接合部１１２の温度損傷値を算出し、算出した温度損傷値と第２のしきい値（ここでは１）との差が所定値（０以上の任意の実数）未満であれば、温度変動以外の他の負荷（ここでは振動）の影響は無いもしくは無視できる程度と判断し、対象接合部１１１の寿命のキャリブレーション（修正）を行わないことを決定する（後述する図１４のフローのS64のNO参照）。

一方、上記差が所定値以上であれば、温度変動以外の無視できない他の負荷（ここでは振動）の作用が大きく影響したと判断し、対象接合部１１１の寿命のキャリブレーション（修正）を行う（後述する図１４のフローのS66参照）。すなわち、ダミー接合部１１２の損傷値（温度損傷値）を元に、複合負荷データベース１１７内のダミー寿命データ（式(9)参照）と負荷対応データとから、対象接合部１１１に加えられた温度変動以外の負荷による損傷値（振動損傷値）を推定する。そして、寿命演算部１１４は、対象接合部１１１の振動損傷値に対応する温度損傷値を複合負荷データベース１１７の対象寿命データ（式(9)参照）に基づき特定し、上記第１のしきい値を、求めた温度損傷値へ変更する。以降は、温度損傷値が、変更後の第１のしきい値に達したかどうかの判定により寿命推定を行う。このようにして、温度変動以外の外力（負荷）の影響も考慮した寿命推定（寿命のキャリブレーション）が可能となる。

図１３は寿命演算部１１４による寿命推定ルーチンの手順を示すフローチャートである。

寿命推定は、何らかのイベントの発生の際に定期的に行われる。イベントの発生として、たとえば、電源ONの直後、警告温度以上への温度上昇等が挙げられる。

温度情報データベース１１６と疲労特性データベース１１９を参照し、累積の温度変動と繰り返し回数とから損傷値D_thを算出して、損傷情報データベース１２０に保存する（S51）。

損傷値D_thを予測寿命値（第１のしきい値）と比較し（S52）、予測寿命値に達したか否かを判断する（S53）。現時点では、予測寿命値（第１のしきい値）の値は１（対象寿命データにおいて振動損傷値D_vが０であるときの温度損傷値）とする。損傷値D_thが第１のしきい値に達したときは寿命が近づいてきたとあるいは寿命が尽きたとして、所定のアクションをとる（S54）。達していないときはステップS51に戻る。所定のアクションには、企業内使用時にメンテナンスをする、ユーザサポートの連絡先をユーザに知らせる、などのアクションが考えられる。これにより従来不慮の故障として発生していた現象に対して、事前にその兆候を察知することができ、無駄な時間や手間をとられることなく次のアクションに進むことが可能になる。本ステップでは損傷値D_thが第１のしきい値に達したか否かを判断したが、これに代えて、損傷値D_thと第１のしきい値との差が所定値以下になったかを判断し、所定値以下になったときは所定のアクションを取り（S54）、所定値以上のときはステップS51に戻るようにしてもよい。

図１４は、寿命演算部１１４においてダミー接合部１１２の破断が検出されたときに行う、対象接合部１１１に対する寿命のキャリブレーション（修正）の手順を示すフローチャートである。

電気特性測定部１１３を介してダミー接合部１１２および対象接合部１１１の電気特性（ここでは抵抗値）を定期的に取得する（S61）。ダミー接合部１１２の抵抗値がしきい値以上か否かを検査し（S62）、しきい値以上でないときは、ダミー接合部１１２は破断していないと判断し、対象接合部１１１に対する寿命のキャリブレーションを行わない。また対象接合部１１１の抵抗値がしきい値以上のときは対象接合部１１１が故障したと判断して所定のアクションを実行し、対象接合部１１１の抵抗値がしきい値未満のときは何も行わない。

一方、ダミー接合部１１２の抵抗値がしきい値以上のときは、温度情報データベース１１６に保存された温度履歴データとセンサ温度−接合部ひずみデータベース１１８とからゆがみ振幅Δεのサイクル数を算出し、疲労特性データベース１１９内のダミー損傷関数（式(4)および式(5)）と、算出したサイクル数とから、ダミー接合部１１２の温度損傷値D_thを算出する（S63）。

ダミー接合部１１２の寿命予測値（第２のしきい値）１と、ダミー接合部１１２の温度損傷値D_thとを比較し、寿命予測値（第２のしきい値）１から損傷値D_thを減算した差が所定値以上か否かを検査する（S64）。寿命予測値（第２のしきい値）１は、ダミー寿命データにおいて振動損傷値D_vが０であるときの温度損傷値である。差が所定値未満のときは（すなわち温度損傷値D_thと第２のしきい値とが大きく離れているときは）、ダミー接合部１１２の寿命が尽きた原因として、温度変動以外の負荷要因は無いもしくは無視できる程度と判断し、対象接合部１１１に対する寿命のキャリブレーション（修正）は行わない（すなわち第１のしきい値の値を変更しない）。一方、差が所定値以上のときは、センシングしていない負荷（ここでは振動）の作用がダミー接合部１１２の故障に大きく影響したと判断し、対象接合部１１１に対する寿命キャリブレーションのためのステップS65,S66へ進む。

ステップS65では、複合負荷データベース１１７内のダミー寿命データ（式(9)参照）に基づき、ダミー接合部１１２に作用された振動の損傷値（振動損傷値）D_vを推定する。すなわちダミー接合部１１２に対する式(9)に温度損傷値D_thを与えることにより振動の損傷値（振動損傷値）D_vを得る。そして、ステップS66では、ダミー接合部１１２の振動損傷値D_vと、複合負荷データベース１１７の情報（負荷対応データと対象寿命データ（式(9)参照））から、対象接合部１１１に対する寿命をキャリブレーション（修正）する。

より詳細に、ステップS66では、まずダミー接合部１１２の振動損傷値D_vから、対象接合部１１１に作用された振動の損傷値を推定する必要がある。この推定には複合負荷データベース１１７内の負荷対応データを用い、ダミー接合部１１２の振動損傷値D_vに対応付けられた値を、対象接合部１１の振動損傷値D_vとすればよい。そして、対象接合部１１の振動損傷値D_vに対応する温度損傷値を対象寿命データ（式(9)参照）から計算し、図１３の寿命推定ルーチンのステップS52、S53で使用するしきい値（第１のしきい値）を、計算した温度損傷値に変更する。これにより、対象接合部１１１への振動による影響を考慮した寿命推定（寿命のキャリブレーション）が達成される。

ここで以下、負荷対応データの作成方法について図１６〜図１８を用いて説明する。

通常、振動による接合部への負荷は基板の１次固有振動形状（曲げ振動）によって生じ、その場合振動形状は一意に定まる。振動形状が決まれば、はんだバンプ周囲の基板の形状を曲率半径Rや変位zで表現することができる（図１６）。式(7)から、損傷値はひずみ振幅の関数であるため、ダミー接合部と対象接合部のひずみ振幅の関係がわかれば、ダミー接合部の振動損傷値から対象接合部の振動損傷値を推定できる。そこで図１７に示すように曲率半径の変動量ΔRおよび変位の変動量Δzと、それぞれのはんだバンプ（ダミーバンプ、対象バンプ）のひずみ振幅Δεとの関係を事前に有限要素法によって調べておく。これにより、図１８に示すようにして対象接合部の振動による損傷値を推定できる。図１８におけるD_v2=D_v1・Δk^-βが、上記負荷対応データに相当する。

なお、このD_v2=D_v1・Δk^-βに基づき、D_v1とD_v2とを対応付けたルックアップテーブルを作成し、このテーブルを負荷対応データとして用いてもよい。D_v2の値がテーブルに存在しない場合は、この値の前後のデータを用いて線形補間等の補間処理を行うことによりD_v1を推定すればよい。

このように作成した負荷対応データに基づき、図１５を用いて寿命キャリブレーションについて具体的に説明する。図１５の左にダミー接合部１１２のダミー寿命データ（複合負荷寿命関数）、図１５の右に対象接合部１１１の複合負荷寿命関数が示される。ダミー接合部１１２の振動損傷値D_v1から上記負荷対応データに基づき対象接合部１１１の振動損傷値D_v2が推定され、図１５の右に示すように、振動による影響を考慮した、温度変動による対象接合部１１１の余寿命はf(D_v2)-D_th2として表される。振動による影響を考慮しない場合の余寿命は1-D_th2であり、1-f(D_v2)だけ寿命が短縮化されることがわかる。f(D_v2)が、変更後のしきい値（第１のしきい値）になる。f(D_v2)は、対象寿命データ（式(9)参照）において対象接合部１１１の振動損傷値D_v2に対応する温度損傷値である。このようにして、対象接合部１１１への振動による影響を考慮した値へ第１のしきい値が変更され、対象接合部１１１に対する寿命のキャリブレーションが達成される。

なお、図４に示したように、ダミー接合部であるダミーバンプが複数存在する場合は、上記した対象接合部とダミー接合部との関係で示した処理を、ダミーバンプが破断するごとに繰り返すことにより、対象接合部の寿命をさらに高い精度で予測することができる。

以上のように本発明の実施形態により、電子部品のはんだ接合部の寿命推定において、モニタリングされる負荷以外の負荷を考慮して寿命をキャリブレーション（修正）することが可能になり、より高精度な寿命推定を実現できる。

（第２の実施形態）
本実施形態では、図１９に示すように、QFP(Quad Flat Package)等のリード付き部品（パッケージ）６が、基板の表面に実装されている場合を考える。第１の実施形態と同様、温度センサがパッケージ６内に実装されているか、付近の実装されているものとする。QFPにおいても、最も大きな応力が発生する部位は４角に近い場所のリードであり、このリードはダミー接合部とされる場合が多い。そこで、このリード７ａをダミー接合部１１２として利用する。より望ましくは、標準的な力の伝達経路の関係から、変形形状を考慮して基板と筐体の接続部となるボス穴8に近い部分をダミー接合部１１２として使用するとよい。また４角以外の内の１つ以上のリード、たとえばリード７ｂを対象接合部１１１とする。対象部品１１およびダミー部品１２は共に同じ部品６であるとする。寿命推定の基本的な方法は、図１０におけるひずみ振幅の決め方を、バンプ形状からリード周囲のはんだ形状に変えることにより、第１の実施形態と同等の方法で実施できる。

（第３の実施形態）
電子機器においては、図２０および図２１に示すように、多数の実装部品（電子部品）が基板上に存在する。１は BGA(Ball Grid Array)パッケージ、３は基板、８はボス穴、９はチップ実装部品、１０はTSOP(Thin Small Outline Package)、１１は温度センサ、１２はCSP(Chip Size Package)、１３はボス、１４はねじ、１５は筐体、１６と１７はチップ部品型検出デバイスを示す。

基板上に存在する多数の実装部品において、とりわけ、チップコンデンサ、チップ抵抗のようなチップ部品9は多数存在し、ダミー接合部の場所としてどの場所を選択するかが問題となる。

このような場合には、熱による負荷、外力による負荷のそれぞれが最も影響が大きい場所をダミー接合部の場所とするのが望ましい。例えば、外力からの負荷についての影響をキャリブレーション（修正）するためは、基板との接続部８に最も近いデバイス１６の位置をダミー接合部の場所とする（デバイス１６と基板３との接合部をダミー接合部とする）のが効果的である。逆に温度変動による影響を重視して監視するためには、発熱部品であるBGA１に近くに位置するデバイス１７の位置をダミー接合部の場所として選択する（デバイス１７と基板３との接合部をダミー接合部とする）ことが望ましい。このような最適条件は、事前に実験や数値シミュレーションによって変形や応力の状態を調べ、重要視する負荷を考慮した上で選択するとより望ましい。

ダミー接合部と対象接合部とが互いに異なる部品である場合や、同じ種類の部品（たとえば接合部）であるが異なる形状を有する場合であっても、第１の実施形態の手法と基本的に同様にして、ダミー接合部が破断した時点でキャリブレーション（修正）を行うことができる。具体的には、図７〜図９の複合負荷データベースの作成、図１１〜図１２のセンサ温度・接合部ひずみデータベースの作成、図１６〜図１８の対象接合部およびダミー接合部のひずみ量の関係を構築することにより、ダミー接合部が破断した時点で寿命のキャリブレーション（推定）を行うことができる。

１：BGA(Ball Grid Array)パッケージ
２：サブストレート
３：基板
４：ダミーバンプ
５：はんだバンプ
６：QFP(Quad Flat Pakage)
７：ダミー接合部
８：ボス穴
９：チップ実装部品
１０：TSOP(Thin Small Outline Package)
１１：温度センサ
１２：CSP(Chip Size Package)
１３：ボス
１４：ねじ
１５：筐体
１６：チップ部品型検出デバイス
１７：チップ部品型検出デバイス
１１２：ダミー接合部
１１２ａ：ダミー部品
１１１：対象接合部
１１１ａ：対象部品
１１３：電気特性測定部（検出手段）
１１４：寿命演算部
１１５：温度センサ
１１６：温度情報データベース
１１７：複合負荷データベース
１１８：センサ温度−接合部ひずみデータベース
１１９：疲労特性データベース
１２０：損傷情報データベース

Claims (5)

1. 対象接合部を介して電子部品を搭載するとともに前記電子部品または他の電子部品との間にダミー接合部が設けられた基板、を含む電子機器の監視装置であって、
   前記電子機器内の温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサにより検出される温度の変動履歴を表す温度履歴データを記憶する温度情報データベースと、
   前記温度センサの温度毎に、前記対象接合部に発生するひずみ値と、前記ダミー接合部に発生するひずみ値とを記憶したセンサ温度―ひずみデータベースと、
   前記温度センサの温度変動に起因する所定幅のひずみ振幅と、前記所定幅のひずみ振幅のサイクル数とから、前記温度変動に起因する前記ダミー接合部および対象接合部の累積疲労を示す温度損傷値をそれぞれ計算するダミー損傷関数および対象損傷関数を格納した疲労特性データベースと、
   前記ダミー接合部の温度損傷値と、前記ダミー接合部に対する前記温度変動と異なる第１の負荷に起因する累積疲労を示す負荷損傷値との関係によって前記ダミー接合部の寿命を定めたダミー寿命データと、
   前記対象接合部の前記温度損傷値と、前記対象接合部に対する前記第１の負荷に起因する累積疲労を示す負荷損傷値との関係によって前記対象接合部の寿命を定めた対象寿命データと、
   前記ダミー接合部の負荷損傷値と前記対象接合部の負荷損傷値との対応関係を定めた負荷対応データと、
   を格納した複合負荷データベースと、
   前記ダミー接合部の電気特性を測定する電気特性測定部と、
   （Ａ−１）前記温度履歴データに基づき前記対象損傷関数に従って前記対象接合部の温度損傷値を計算し、
   （Ａ−２）前記対象寿命データにおいて前記対象接合部の負荷損傷値が０であるときの温度損傷値である第１のしきい値と、前記対象接合部の温度損傷値との比較に応じて前記対象接合部の寿命推定を行い、
   （Ｂ−１）前記電気特性測定部により測定される電気特性に基づきダミー接合部の破断を検出したとき前記温度履歴データに基づき前記ダミー損傷関数に従って前記ダミー接合部の温度損傷値を計算し、
   （Ｂ−２）前記ダミー寿命データにおいて負荷損傷値が０であるときの温度損傷値である第２のしきい値と、前記ダミー接合部の温度損傷値とを比較し、
   （Ｂ−３）前記第２のしきい値と前記ダミー接合部の温度損傷値との差が所定値以上のときは前記ダミー接合部の温度損傷値と前記ダミー寿命データとから前記ダミー接合部の負荷損傷値を計算し、
   （Ｂ−４）前記ダミー接合部の負荷損傷値から前記負荷対応関数に従って前記対象接合部の負荷損傷値を計算し、
   （Ｂ−５）前記対象寿命データにおいて前記対象接合部の負荷損傷値に対応する温度損傷値へ前記第１のしきい値の値を変更する
   寿命演算部と、
   を備えたことを特徴とする監視装置。
2. 前記寿命演算部は、前記第２のしきい値と前記ダミー接合部の温度損傷値との差が前記所定値未満のときは前記第１のしきい値の値を変更しないことを決定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の監視装置。
3. 前記ダミー接合部および前記対象接合部はそれぞれはんだ接合部またはリード線である、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の監視装置。
4. 前記第１の負荷は、外力に起因する振動または衝撃であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の監視装置。
5. 対象接合部を介して電子部品を搭載するとともに前記電子部品または他の電子部品との間にダミー接合部が設けられた基板、を含む電子機器の監視方法であって、
   温度センサが前記電子機器内の温度を検出し、
   温度情報データベースが、前記温度センサにより検出される温度の変動履歴を表す温度履歴データを記録し、
   読み出し手段が、前記温度センサの温度毎に、前記対象接合部に発生するひずみ値と、前記ダミー接合部に発生するひずみ値とを記憶したセンサ温度―ひずみデータベースからデータを読み出し、
   前記読み出し手段が、前記温度センサの温度変動に起因する所定幅のひずみ振幅と、前記所定幅のひずみ振幅のサイクル数とから、前記温度変動に起因する前記ダミー接合部および対象接合部の累積疲労を示す温度損傷値をそれぞれ計算するダミー損傷関数および対象損傷関数を格納した疲労特性データベースからデータを読み出し、
   前記読み出し手段が、前記ダミー接合部の温度損傷値と、前記ダミー接合部に対する前記温度変動と異なる第１の負荷に起因する累積疲労を示す負荷損傷値との関係によって前記ダミー接合部の寿命を定めたダミー寿命データと、
   前記対象接合部の前記温度損傷値と、前記対象接合部に対する前記第１の負荷に起因する累積疲労を示す負荷損傷値との関係によって前記対象接合部の寿命を定めた対象寿命データと、
   前記ダミー接合部の負荷損傷値と前記対象接合部の負荷損傷値との対応関係を定めた負荷対応データと、
   を格納した複合負荷データベースからデータを読み出し、
   電気特性測定部が、前記ダミー接合部の電気特性を測定し、
   寿命演算部が、
   （Ａ−１）前記温度履歴データに基づき前記対象損傷関数に従って前記対象接合部の温度損傷値を計算し、
   （Ａ−２）前記対象寿命データにおいて前記対象接合部の負荷損傷値が０であるときの温度損傷値である第１のしきい値と、前記対象接合部の温度損傷値との比較に応じて前記対象接合部の寿命推定を行い、
   （Ｂ−１）前記電気特性測定部により測定される電気特性に基づきダミー接合部の破断を検出したとき前記温度履歴データに基づき前記ダミー損傷関数に従って前記ダミー接合部の温度損傷値を計算し、
   （Ｂ−２）前記ダミー寿命データにおいて負荷損傷値が０であるときの温度損傷値である第２のしきい値と、前記ダミー接合部の温度損傷値とを比較し、
   （Ｂ−３）前記第２のしきい値と前記ダミー接合部の温度損傷値との差が所定値以上のときは前記ダミー接合部の温度損傷値と前記ダミー寿命データとから前記ダミー接合部の負荷損傷値を計算し、
   （Ｂ−４）前記ダミー接合部の負荷損傷値から前記負荷対応関数に従って前記対象接合部の負荷損傷値を計算し、
   （Ｂ−５）前記対象寿命データにおいて前記対象接合部の負荷損傷値に対応する温度損傷値へ前記第１のしきい値の値を変更する
   ことを特徴とする監視方法。