JP5042137B2

JP5042137B2 - 破断判定装置

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Publication number: JP5042137B2
Application number: JP2008159777A
Authority: JP
Inventors: 公彦川本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-06-18
Filing date: 2008-06-18
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2028-06-18
Also published as: JP2010002238A

Description

本発明は、部品をプリント配線板に半田接合する半田接合部が熱疲労によって破断するか否かを判定する破断判定装置に関するものである。

電気製品などに搭載されるプリント回路板は、プリント配線板に種々の電子部品が半田接合されて作製されている。このようなプリント回路板上の半田接合部は、通電と停止の繰り返しに起因する熱疲労よって劣化し、破断に至る場合がある。したがって、プリント回路板を開発する際には、破断が発生しやすい箇所を特定し、破断対策処理などを施しておく必要がある。

プリント回路板の半田接合部分の破断検証方法として、例えばＪＩＳＣ００２５で規定された温度変化試験方法がある。この温度変化試験方法では、プリント回路板の作製後に部品や機器に温度変化の繰り返しによる熱衝撃を加え、熱衝撃に起因する断線箇所を特定している。しかしながら、この温度変化試験方法では、製品の寿命が５年から１０年である一般的な電気製品に用いられるプリント回路板を試験するのに、数週間から数ヶ月を要してしまう。さらに、この試験の判定結果が不合格であった場合、部品変更や接合部分の半田量の増加などの再設計作業を行ったうえ、再度同様の試験を行わなければならない。このため、上述した温度変化試験を行うには多大な時間を要することとなる。

また、プリント回路板の半田接合部分の破断検証方法として、特許文献１に記載の半田寿命予測方法がある。この半田寿命予測方法では、計算機を用いて半田接合部分が破断に至るまでの寿命を予測するための解析シミュレーションを行なっている。

特開２００６−７１５５８号公報

しなしながら、計算機を用いた解析シミュレーションでは、プリント回路板を構成するプリント基板の３次元モデルと搭載される部品の３次元モデルが必要であり、これらの３次元モデルの作成には長時間を要する。さらに、プリント回路板の微細化や搭載する部品の縮小化に伴って、半田接合箇所は一枚のプリント回路板において数千から１万箇所に及ぶことがあり、全ての半田接合箇所を解析するには多大な時間を要する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、半田接合部の破断に関する判定を短時間で容易に行う破断判定装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、部品を実装させるプリント配線板と前記部品が有する各ピン端子との間を半田接合する各半田接合部が熱疲労によって破断するか否かを判定する破断判定装置において、前記ピン端子が前記プリント配線板上で半田接合される座標に関するピン座標情報を入力するピン座標情報入力部と、前記ピン端子および前記プリント配線板の熱膨張率を入力する熱膨張率入力部と、前記ピン座標情報を用いて前記部品毎に前記ピン端子間のピン間距離を算出するとともに、算出したピン間距離と前記熱膨張率とを用いて前記半田接合部が熱疲労によって破断するか否かを半田接合部毎に判定する破断判定部と、を備え、前記破断判定部は、前記ピン間距離と前記熱膨張率とを用いて熱疲労に起因する前記半田接合部の歪み量を算出するとともに算出した歪み量と歪み量の基準値とを比較し、この比較結果に基づいて前記半田接合部が熱疲労によって破断するか否かを判定し、かつ前記プリント配線板の表面と裏面との同一の位置に同一の部品を実装する場合、前記プリント配線板の表面または裏面の何れか一方に前記部品を実装する場合に熱疲労によって生じる前記プリント配線板の歪み量に応じた補正値を前記歪み量の基準値から引いた値を新たな歪み量の基準値とし、当該新たな歪み量の基準値と前記算出した歪み量とを比較することによって前記半田接合部が熱疲労によって破断するか否かを判定することを特徴とする。

この発明によれば、算出したピン間距離と熱膨張率とを用いて半田接合部が熱疲労によって破断するか否かを判定するので、半田接合部の破断に関する判定を短時間で容易に行うことが可能になるという効果を奏する。

以下に、本発明に係る破断判定装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態
図１は、本発明の実施の形態に係る破断検証システムの概略構成を示す図である。なお、本実施の形態では、例えば破断検査装置を既知の計算機で実行可能なプログラムなどによって実現している。破断検証システム１は、プリント配線板に所定の部品が半田付けされることによって作製されたプリント回路板に対して、熱疲労に起因する半田接合部の破断検証を行うシステムである。本実施の形態の破断検証システム１は、熱疲労の発生原因である各材料の熱膨張率の差を算出し、熱膨張率の差によって生じる歪み量が大きくなる箇所（熱疲労によって半田接合部の破断が発生する箇所）を特定する。

破断検証システム１は、破断検証装置（破断判定装置）１１、部品情報格納装置１２、材料情報格納装置１３、半田情報格納装置１４、表示・出力装置１５を有している。半田情報格納装置１４は、半田接合部が破断するか否かを判定する際に用いられる半田接合部の歪み量の規定値（判定基準歪み量）や半田接合部に用いられる半田量の増減指定などを、半田情報として格納するＰＣ（Personal Computer）などの装置である。半田情報格納装置１４は、破断検証装置１１からの要求に応じて半田情報を破断検証装置１１に入力する。

部品情報格納装置１２は、プリント配線板（評価対象となるプリント回路板）に搭載（半田付け）される部品の部品形状に関する情報やプリント配線板板へ半田付けされる部品の搭載座標（配置位置）に関する設計データなどを後述の部品情報４１として格納するデータベースなどである。

材料情報格納装置１３は、プリント配線板に搭載される部品の材料特性や半田接合に使用される半田材の材料特性に関する情報などを、後述の材料情報４２として格納するデータベースなどである。破断検証装置１１は、熱疲労によって半田接合部に破断が発生するか否かを判定するコンピュータなどの装置である。

表示・出力装置１５は、破断検証装置１１によって検証された半田接合部の破断判定結果などを表示または出力する装置である。表示・出力装置１５は、例えば液晶モニタなどの表示装置を備えて構成され、破断判定部１１４によって判定された破断判定結果を表示する。なお、表示・出力装置１５は、破断判定結果を外部装置などに送信してもよいし、可搬性の情報記録媒体などに記録させてもよい。

図２は、破断検証装置の構成を示すブロック図である。破断検証装置１１は、部品情報読込部（ピン座標情報入力部）１１１、材料情報読込部（熱膨張率入力部）１１２、半田情報読込部１１３、部品情報展開部１１５、破断判定部１１４、出力部１１６を備えている。

部品情報読込部１１１は、部品情報格納装置１２から部品情報４１を読込んで部品情報展開部１１５に送る。材料情報読込部１１２は、材料情報格納装置１３から材料情報４２を読込んで破断判定部１１４に送る。半田情報読込部１１３は、半田情報格納装置１４から半田情報を読込んで破断判定部１１４に送る。部品情報展開部１１５は、部品情報読込部１１１が読込んだ部品情報を展開することによって、プリント配線板に搭載される部品の配置位置に関する情報を生成する。

破断判定部１１４は、材料情報読込部１１２が読込んだ材料情報４２と、部品情報展開部１１５が展開した部品情報４１とを結びつけるとともに、材料情報４２と部品情報４１とを用いて半田接合部に破断の可能性があるか否かを判定する。

つぎに、破断判定の対象となるプリント回路板の構成（部品の配置情報）について説明する。図３は、プリント回路板の構成の一例を示す図であり、プリント回路板３０を表面（Ｃ面）側から見た平面図である。

図３においては、概略平板状をなすプリント配線板３１の裏面（Ｓ面）側に搭載された部品３３Ｓと、プリント配線板３１の表面（Ｃ面）側に搭載された部品３３Ｃ，３５Ｃと、プリント配線板３１の表面側および裏面側の同一位置にそれぞれ搭載された部品３３Ｘと、が示されている。これらの部品３３Ｃ，３３Ｓ，３３Ｘ，３５Ｃは、それぞれプリント配線板３１に半田接合することのできるＬＳＩ、抵抗、コンデンサなどの電子部品である。

部品３３Ｃ，３３Ｓ，３３Ｘ，３５Ｃをプリント配線板３１上に半田接合する半田接合部３２Ｃ，３２Ｓ，３２Ｘ，３４Ｃは、それぞれプリント配線板３１の主面側からみて概略矩形状または概略円刑状をなしている。

部品３３Ｃは、半田接合部３２Ｃによってプリント配線板３１に接合される面実装部品であり、部品３３Ｓは、半田接合部３２Ｓによってプリント配線板３１に接合される面実装部品である。また、部品３３Ｘは、半田接合部３２Ｘによってプリント配線板３１に接合される面実装部品であり、部品３５Ｃは、半田接合部３４Ｃによってプリント配線板３１に接合される挿入部品コネクタである。

プリント回路板３０は、図３に示すように種々の部品形状、種々の半田接合部を有している。各部品３３Ｃ，３３Ｓ，３３Ｘ，３５Ｃのプリント配線板３１への搭載は、従来から用いられている既存の方法によって行う。例えば、部品３３Ｃなどの面実装部品をプリント配線板３１へ搭載する場合には、部品３３Ｃ側に設けられているピンのリード端子（ピン端子）とプリント配線板３１上に設けられている電極パッドとの間にペースト状の半田材を塗る。そして、半田材の融点を超える温度で半田材を加熱し、半田材を溶融させたのち凝固させることによって、部品３３Ｃとプリント配線板３１を半田接合する。

また、部品３５Ｃなどの挿入部品コネクタをプリント配線板３１へ搭載する場合には、部品３５Ｃ側に設けられているピンのリード端子を、プリント配線板３１上に設けられたスルホールに挿入する。そして、融点を超えた半田材をスルホール中のリード端子とスルホールの内壁面との間の隙間に注入したのち、半田材を凝固させることによって、部品３５Ｃとプリント配線板３１を半田接合する。なお、本実施の形態で用いる半田は、一般的な半田であってもよいし、鉛フリー半田であってもよい。

つぎに、部品情報格納装置１２が格納する部品情報４１の構成について説明する。図４は、部品情報の構成の一例を示す図であり、部品情報を分り易く表形式にした図である。なお、以下の説明では、部品３３Ｃ，３３Ｓ，３３Ｘ，３５Ｃを部品という場合があり、半田接合部３２Ｃ，３２Ｓ，３２Ｘ，３４Ｃを半田接合部という場合がある。

部品情報（ピン座標情報）４１は、プリント配線板３１に搭載される全部品の形状や、各部品が有しているピンの配置などに関する情報であり、「部品識別名称」、「部品型名」、「部品形状」、「実装方式」、「回転角度」、「搭載面」、「ピンＮｏ」、「ピン座標」、「信号名」、「パッド寸法」及び「重量」がそれぞれ対応付けられた情報テーブルである。

「部品識別名称」は、プリント配線板３１上に配設される部品を識別する名称やコード名称である。図４では、例えば部品３３Ｓの「部品識別名称」を「ＩＣ０１」で示し、部品３５Ｃの「部品識別名称」をＣＮ１００で示し、部品３３Ｘの「部品識別名称」をＣＲ１００で示している。なお、同一種類の部品が複数ある場合には、「部品識別名称」を「ＩＣ０１−１」、「ＩＣ０１−２」、「ＩＣ０１−３」のように示すことによって各部品を識別する。

「部品型名」は、部品の名称またはメーカ型名であり、例えばＳＮ７４００Ｓのように示される。「部品形状」は、部品パッケージの分類名称であり、部品パッケージの形状を示している。「部品形状」は、例えばＳＯＰ、ＤＩＰ、ＣＮ、ＣＨＩＰなどのように示される。ＳＯＰは、部品がスモール・アウトライン・パッケージの部品であることを示し、ＤＩＰは、部品がデュアル・インライン・パッケージの部品であることを示している。また、ＣＨＩＰは、部品が２端子や３端子の部品であることを示し、ＣＮは部品が挿入コネクタであることを示している。なお、部品パッケージを詳細に分類する場合には、「部品形状」をピン毎（ピンの位置毎）に区別してもよい。例えば、ＳＯＰ１、ＳＯＰ１４などのように「部品形状」を示すことによって各部品パッケージをピン毎に区別してもよい。

「実装方式」は、部品の実装方式が面実装であるか挿入実装であるかを識別するための区別コードである。「実装方式」は、部品の実装方式が面実装である場合にＳＭＴで示され、部品の実装方式が挿入実装である場合にＩＮＳで示される。

「回転角度」は、プリント配線板３１上における部品の配置角度である。プリント回路板３０をＣＡＤによって設計する場合には、予め部品毎のＣＡＤデータを部品ライブラリに登録しておく。この部品ライブラリでは、部品の配置方向（プリント配線板３１面内での角度）が、基準配置位置として登録されている。「回転角度」は、部品をプリント配線板３１に配設する場合の部品の基準配置位置からの回転角度であり、部品基準配置位置から何度回転してプリント配線板３１上に配置されているかを示す。「回転角度」は、任意角度も可能であるが、一般には回転角度は０度を基準に９０度ずつ、「９０度（９０）」、「１８０度（１８０）」、「２７０度（２７０）」のように示される。これにより、「回転角度」は、例えば基準配置位置から右回りに９０度、１８０度、２７０度などを示す。

「搭載面」は、部品のプリント配線板３１への搭載面を示している。例えば、プリント配線板３１の表面を「Ｃ面」、プリント配線板３１の裏面を「Ｓ面」と記述して区別する。「ピンＮｏ」は、部品のピン番号を示す。「ピンＮｏ」は、例えば、１、２、３、・・・ｎのように記述される。図４では、例えば「部品識別名称」が「ＩＣ０１」の部品は、１４ピンの部品であり、「ピンＮｏ」が１から１４まで登録されている。

「ピン座標」は、「ピンＮｏ」に対応するピンのプリント配線板３１上の座標であり、（Ｘ，Ｙ）で示される。「信号名」は、各ピンの論理的な信号名称である。「パッド寸法」は、ピンの銅箔領域寸法を示す数値である。「φ３ｍｍの円形パッド」は「Ｃ＊」で示され、たとえば「Ｃ３」と記述される。また、「３ｍｍ×４ｍｍ四方パッド」は「Ｒｘ×ｙ」で示され、たとえば「Ｒ３×４」と記述される。「重量」は、部品の重量でありＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４のように示される。

ここで、部品ライブラリに登録される部品の基準配置位置について説明する。図５〜図１０は、部品ライブラリに登録される部品の基準配置位置の例を示す図である。図５〜図１０では、プリント配線板３１の上面をＸＹ平面として示している。図５〜図１０のＸ方向がプリント配線板３１の横辺に対応し、Ｙ方向がプリント配線板３１の縦辺に対応している。図５は、ＳＯＰ部品の基準配置位置の一例を示し、図６は、ＤＩＰ部品の基準配置位置の一例を示している。また、図７は、ＣＨＩＰ部品の基準配置位置の一例を示し、図８は、ＣＮ部品の基準配置位置の一例を示している。また、図９は、ラジアル挿入部品の基準配置位置の一例を示し、図１０は、アキシャル挿入部品の基準配置位置の一例を示している。

図５〜図８に示すＳＯＰ部品、ＤＩＰ部品、ＣＨＩＰ部品、ＣＮ部品は、矩形状の主面を有した平板状または直方体をなしており、平板状または直方体の下面がプリント配線板３１の上面と平行になるようプリント配線板３１上に配置される。ＳＯＰ部品、ＤＩＰ部品、ＣＨＩＰ部品の各横辺にはリード端子がそれぞれ１〜複数設けられており、ＣＮ部品の下面にはリード端子が縦方向に並ぶよう複数設けられている。

ＳＯＰ部品のリード端子は、プリント配線板３１の上面側からみて概略矩形状の半田接合部によってがプリント配線板３１に接合される。図５では、ＳＯＰ部品の横辺（長辺）がプリント配線板３１の横辺と平行になる配置角度がＳＯＰ部品の基準配置位置である場合を示している。

ＤＩＰ部品のリード端子は、プリント配線板３１の上面側からみて概略円形状の半田接合部によってプリント配線板３１に接合される。図６では、ＤＩＰ部品の横辺（長辺）がプリント配線板３１の横辺と平行になる配置角度がＤＩＰ部品の基準配置位置である場合を示している。

ＣＨＩＰ部品のリード端子は、プリント配線板３１の上面側からみて概略矩形状の半田接合部によってプリント配線板３１に接合される。ＣＨＩＰ部品が２端子の場合には、ＣＨＩＰ部品の各横辺に１つずつのリード端子が配置され、ＣＨＩＰ部品が３端子の場合には、ＣＨＩＰ部品の横辺に合計３つのリード端子が配置される。図７では、ＣＨＩＰ部品の横辺（長辺）がプリント配線板３１の横辺と平行になる配置角度がＣＨＩＰ部品の基準配置位置である場合を示している。

ＣＮ部品のリード端子は、プリント配線板３１の上面側からみて概略円形状の半田接合部によってプリント配線板３１に接合される。図８では、ＣＮ部品の縦辺（短辺）がプリント配線板３１の横辺と平行になる配置角度がＣＮ部品の基準配置位置である場合を示している。

図９に示したラジアル挿入部品は、２本のリード端子がパッケージ（ボディ）の下面側から出ている部品である。ラジアル挿入部品は、リード端子がプリント配線板３１のスルホールに挿入された状態で、リード端子が概略円形状の半田接合部によってプリント配線板３１に接合される。図９では、ラジアル挿入部品のリード端子がプリント配線板３１の横辺と同じ方向に並ぶ配置角度がラジアル挿入部品の基準配置位置である場合を示している。

図１０に示したアキシャル挿入部品は、２本のリード端子とボディが一列に並んでいる部品である。アキシャル挿入部品は、リード端子がプリント配線板３１のスルホールに挿入された状態で、リード端子が概略円形状の半田接合部によってプリント配線板３１に接合される。図１０では、アキシャル挿入部品のリード端子がプリント配線板３１の横辺と同じ方向に並ぶ配置角度がアキシャル挿入部品の基準配置位置である場合を示している。

つぎに、材料情報格納装置１３が格納する材料情報４２の構成について説明する。図１１は、材料情報の構成の一例を示す図であり、材料情報を分り易く表形式にした図である。材料情報４２は、プリント配線板３１に搭載されている全部品の材料特性に関する情報であり、「部品型名」、「部位」、「材料名」、「熱膨張率」及び「ヤング率（縦弾性係数）がそれぞれ対応付けられた情報テーブルである。

つぎに、破断検証システム１による半田接合部の破断検証処理手順について説明する。図１２は、破断検証システム１よる半田接合部の破断検証処理手順を示すフローチャートである。半田情報読込部１１３は、半田情報格納装置１４から半田情報を読込んで破断判定部１１４に送る。半田情報読込部１１３が読込む半田情報は、判定基準歪み量（歪み量の基準値）の情報を含んで構成されている情報である。判定基準歪み量は、例えば半田接合部に使用する半田量や、半田の材質、半田接合部となる半田の形状などに基づいて決定された値である。

部品情報読込部１１１は、部品情報格納装置１２から部品情報４１を読込む。具体的には、部品情報読込部１１１は、部品情報格納装置１２から部品情報４１の「部品識別名称」、「部品型名」、「部品形状」、「実装方式」、「回転角度」、「搭載面」、「ピンＮｏ」、「ピン座標」、「信号名」、「パッド寸法」及び「重量」を部品毎に取り込む（ステップＳ１０）。部品情報読込部１１１は、この取込みによって、例えば「部品識別名称」が「ＩＣ０１」であり、「部品型名」が「ＳＮ７４００Ｓ」であり、その部品の種別が「ＳＯＰ」であり、「実装方式」が面実装であり、「回転角度」が９０度であり、「搭載面」が裏面であり、「ピンＮｏ」が１番であり、このピン（端子）のプリント配線板３１上の座標（「ピン座標」）が（Ｘ１，Ｙ１）であり、「信号名」が「ＡＢ０１」であり、パッドの大きさ（「パッド寸法」）が「Ｒ４×５」（Ｘ軸側が４ｍｍ幅、Ｙ軸側は５ｍｍ幅）であるデータテーブルを構築する。部品情報読込部１１１は、構築したデータテーブルを部品情報展開部１１５に送る。

材料情報読込部１１２は、材料情報格納装置１３から材料情報４２を読込む。具体的には、材料情報読込部１１２は、材料情報格納装置１３から材料情報４２の「部品型名」、「部位」、「材料名」、「熱膨張率」及び「ヤング率」を部品毎に取り込む（ステップＳ２０）。部品情報読込部１１１は、この取込みによって、例えば「部品型名」が「ＳＮ７４００Ｓ」である部品が「ＡＢＳ」と「４２アロイ」の材料（「材料名」）で構成され、ＡＢＳ、４２アロイの熱膨張率がそれぞれ９５と５であり、ヤング率が１１と１４．４であることを示すデータテーブルを構築する。

部品情報展開部１１５は、プリント配線板３１に搭載されるとともに「部品識別情報」によって指定される全部品の部品情報４１をプリント配線板３１上で展開する。具体的には、部品情報展開部１１５は、部品情報読込部１１１が読込んだ部品情報４１内から全ての「部品識別情報」を抽出する。そして、各「部品識別情報」に対応付けされた「部品形状」、「搭載面」、「ピン座標」及び「回転角度」を、プリント配線板３１に搭載される部品に対応付ける。

部品情報展開部１１５が展開した情報（プリント配線板３１上の部品に対応付けした部品情報４１）は、部品展開情報として破断検証装置１１内に格納される（ステップＳ３０）。部品展開情報は、例えば図３のプリント回路板３０に図示した部品の配置情報を含んだ情報である。

つぎに、破断判定部１１４は、部品情報展開部１１５で展開されたプリント回路板３０上の部品展開情報と、材料情報格納装置１３が取り込んだ材料情報４２のデータテーブルを用いて、プリント回路板３０（プリント配線板３１）上の半田接合部のうち、破断の可能性がある半田接合部を判定する。破断判定部１１４は、以下に示す演算を行なうことによって半田接合部の歪み量を評価し、破断発生の有無を判定する（ステップＳ４０）。

以下、破断判定部１１４が行う半田接合部の歪み量の評価と破断の判定方法について説明する。本実施の形態の破断判定部１１４は、半田接合部への応力に基づいて、破断の可能性を判定する。プリント回路板３０上の半田接合部への応力は、プリント配線板３１を加熱した際に発生する各材料（プリント配線板３１や部品）の熱膨張量の差が半田接合部への歪みとなって生じる。

異なる熱膨張率を持つ材料間では熱膨張量（歪み量）が異なるので、プリント回路板３０を加熱した場合のプリント配線板３１の歪み量と部品（パッケージ）の歪み量とは異なる。したがって、プリント回路板３０上の１つの部品に２箇所以上の拘束点（半田接合部であるピン）がある場合、プリント回路板３０を加熱することによって半田接合部間を押え付ける力（縮む方向への力）もしくは引っ張る力が生じる。このとき、半田接合部に発生する力の大きさは、材料の熱膨張率と拘束点間距離との積算値が材料の熱膨張量となるので、拘束点を形成している材料の熱膨張量の差および拘束点間距離から求めることができる。具体的には、プリント配線板３１の熱膨張率とピン間の距離がプリント配線板３１の熱膨張量であり、部品の熱膨張率とピン間の距離が部品の熱膨張量である。したがって、プリント配線板３１の熱膨張量と部品の熱膨張量との差が半田接合部に発生する力となる。材料間に応力のかかっていない平熱時では、プリント配線板３１側のピン間距離と部品側のピン間距離は同じである。このため、熱膨張率の差が大きくなる材料を組み合わせた場合や、拘束点間の距離が大きい場合に、半田接合部に発生する応力は大きくなる。

ここで、図３に示したプリント配線板３１上に搭載される部品３５Ｃ（挿入部品コネクタ）の破断判定方法について説明する。図１３は、挿入部品コネクタの破断判定方法を説明するための図である。

部品３５Ｃとプリント回路板３０（プリント配線板３１）と間の拘束点は、部品３５Ｃが有しているピンＰ１〜Ｐ６となる。拘束点への応力は拘束点間の距離に比例して大きくなるので、部品３５Ｃで最も大きな応力が発生する箇所はピンＰ１とピンＰ６の間である。

破断判定部１１４は、部品情報４１から部品３５Ｃに対応する部品（ＣＮ１００のＣＮ６ＰＩＮ）のピン座標として、ピンＰ１に対応する「ピンＮｏ」が「１」の「ピン座標」と、ピンＰ６に対応する「ピンＮｏ」が「６」の「ピン座標」と、を抽出する。具体的には、破断判定部１１４は、ピン１の「ピン座標」として（Ｘ２９，Ｙ２９）を抽出し、ピン６の「ピン座標」として（Ｘ３３，Ｙ３３）を抽出する。

そして、破断判定部１１４は、ピンＰ１とピンＰ６の間の距離（ピン間距離）Ｌ１を算出する。破断判定部１１４が算出する距離Ｌ１は、Ｌ１＝（（Ｘ２９−Ｘ３３）²＋（Ｙ２９−Ｙ３３）²）^1/2によって求めることができる。

また、拘束点への応力は拘束点間を構成する材料の熱膨張率の差に比例しているので、破断判定部１１４は、プリント配線板３１を構成している材料の熱膨張率と、部品３５Ｃを構成している材料の熱膨張率と、の差を演算する。このため、まず破断判定部１１４は、部品３５Ｃの部品型名に基づいて材料情報４２から部品３５Ｃの熱膨張率を抽出し、プリント配線板３１の部品型名に基づいて材料情報４２からプリント配線板３１の熱膨張率を抽出する。

部品情報４１より、部品３５Ｃの「部品型名」はＣＮ６ＰＩＮであることが分かる。そして、材料情報４２より、ＣＮ６ＰＩＮの材料は、パッケージのＰＡとリードのＣｕであることが分かる。また、拘束点に相当する部位はパッケージである。したがって、破断判定部１１４は部品３５Ｃの熱膨張率としてＰＡの「９０」を抽出する。

また、部品情報４１より、プリント配線板３１の「部品型名」はＳＮ７４００Ｓであることが分かる。材料情報４２より、ＳＮ７４００Ｓの材料は、ＦＲ−４であることが分かる。したがって、破断判定部１１４はプリント配線板３１の熱膨張率としてＦＲ−４の「１７」を抽出する。

破断判定部１１４は、材料情報４２から抽出した熱膨張率と、ピンＰ１とピンＰ６の間の距離Ｌ１を用いて、半田接合部（ピンＰ１とピンＰ６）の歪み量（絶対値）を算出する。具体的には、歪み量Ｄ１として、Ｄ１＝Ｌ１×（９０−１７）が算出される。このように、歪み量Ｄ１は、プリント配線板３１と部品の間の熱膨張率差と、半田接合部間の距離と、を積算した値となる。

破断判定部１１４は、半田情報読込部１１３が半田情報格納装置１４から読込んだ判定基準歪み量と算出した歪み量Ｄ１とを比較する。破断判定部１１４は、歪み量Ｄ１が判定基準歪み量より大きければ、半田接合部（ピンＰ１とピンＰ６）は破断の可能性があると判定する。

このように、本実施の形態では、ピンＰ１，Ｐ６の距離Ｌ１と熱膨張率差を用いて歪み量Ｄ１を算出しているので半田接合部の正確な歪み量Ｄ１を算出することが可能となる。また、この歪み量Ｄ１と判定基準歪み量との比較結果に基づいて半田接合部が破断するか否かを判定しているので正確な破断判定を行なうことが可能となる。

なお、プリント配線板３１上に搭載される部品３３Ｓや部品３３Ｃも、部品３５Ｃと同様の破断判定方法によって、破断の可能性が判定できるので、ここではその説明を省略する。

つぎに、図３に示したプリント配線板３１上に搭載される部品３３Ｘの破断判定方法について説明する。部品３３Ｘは、前述したようにプリント配線板３１の表面と裏面との同一位置に配置される面実装部品である。

半田接合部に歪みが発生する場合、全ての応力が半田接合部にかかるわけではなく、プリント配線板３１や部品を構成するパッケージ部分などにも均等に応力がかかることが分っている。

プリント配線板３１や部品を構成するパッケージ部分にかかった応力は、プリント配線板３１自体が歪むことによって半田接合部にかかる応力が緩和される。ところが、プリント配線板３１の表裏同一位置に部品３３Ｘが搭載された場合、プリント配線板３１は表面および裏面からそれぞれ同量の力が加わえれることによって歪むことができず、応力の大部分が半田接合部にかかることとなる。このため、本実施の形態では、表裏同一位置に搭載される部品３３Ｘの破断判定を行う際には、破断判定部１１４は、判定基準歪み量からプリント配線板３１の歪み量に相当する値（補正値）を引いた値（新たな判定基準歪み量）と、歪み量Ｄ１とを比較することによって破断の判定を行う。換言すると、歪み量Ｄ１にプリント配線板３１の歪み量に対応する値（プリント配線板３１が歪まないことに起因する補正値）を加算した値と、判定基準歪み量と、を比較することによって破断の判定を行う。これにより、プリント配線板３１の表裏同一位置に部品３３Ｘが搭載される場合であっても、正確な破断判定を行うことが可能となる。

なお、プリント配線板３１の歪み量に相当する値は、プリント配線板３１の表面または裏面の何れか一方に部品を実装する場合に熱疲労によって生じるプリント配線板３１の歪み量の値であり、例えば半田情報に含めておく。

つぎに、プリント配線板３１や部品の歪みを考慮した破断の判定方法について説明する。プリント配線板３１の材料やプリント配線板３１に搭載される部品に使用されている材料の多くは弾性体である。そして、弾性体には応力に対する歪み量を決定するヤング率（縦弾性係数）がある。ヤング率は縦軸に応力、横軸に歪み量をとった応力歪み曲線の直線部の傾きに相当する。本実施の形態では、応力が比例限度（直線部）を超えて材料自体が伸びた場合の変形量を歪み量Ｄ１の算出に使用する。

材料への応力がヤング率を上回った場合、応力を取り除いても元の寸法に戻らなくなる。この場合、材料はヤング率の大きさに比例してピン間の距離が大きくなる方向に変形（伸張）する。前述した歪み量Ｄ１の算出時に、歪み量Ｄ１が材料情報４２に示すヤング率を超えていた場合、破断判定部１１４は、距離Ｌ１に材料の伸長距離を加えた値を用いて破断の判定を行う。具体的には、破断判定部１１４は、Ｄ１＝（Ｌ１＋伸張距離）×（熱膨張率差）によって、歪み量Ｄ１を算出し、この算出結果と判定基準歪み量との比較によって破断の判定を行う。これにより、材料への応力がヤング率を上回った場合であっても、正確な破断判定を行なうことが可能となる。

破断判定部１１４は、部品展開情報に基づいて、プリント回路板３０上の全ての部品に対して破断判定を行う。そして、破断判定部１１４は、破断判定の判定結果を表示・出力装置１５に送信する。これにより、表示・出力装置１５は、図１４に示すような破断判定の判定結果を表示する（ステップＳ５０）。なお、表示・出力装置１５は、破断判定の判定結果として、破断される可能性の高い部品のみ表示してもよい。また、表示・出力装置１５は、破断判定の判定結果として、破断が生じる可能性の有無を表示してもよい。

なお、本実施の形態では、半田情報格納装置１４がＰＣなどの装置である場合について説明したが、半田情報格納装置１４は、マウスやキーボードなどのデータの入力手段であってもよい。この場合、破断検証システム１の使用者が、半田情報格納装置１４を介して破断検証装置１１に半田情報を入力する。

また、本実施の形態では、判定基準歪み量と算出した歪み量Ｄ１を用いて破断判定を行う場合について説明したが、半田情報に含まれる半田量の増減指定に応じて判定基準歪み量を変えてもよい。例えば、半田量の増加が指定されている場合には判定基準歪み量を半田量の増加量に応じた量だけ大きくし、半田量の削減が指定されている場合には判定基準歪み量を半田量の削減量に応じた量だけ小さくする。

なお、部品情報読込部１１１は、構築したデータテーブルを材料情報読込部１１２に入力しておいてもよい。この場合、材料情報読込部１１２は、「部品型名」と「部品識別名称」とを対応付けたデータテーブルを構築する。材料情報読込部１１２は、例えば「部品型名」の「ＳＮ７４００Ｓ」と「部品識別名称」の「ＩＣ０１」とをデータテーブル内で対応付けしておく。

このように実施の形態によれば、部品情報（配置状態など）や材料情報（部品の材質など）を用いて破断判定を行うので、熱疲労による半田接合部分の破断判定をプリント回路板３０の設計段階で短時間で容易に行うことが可能となる。

したがって、プリント回路板３０の製造後に破断評価試験を行う必要がなくなる。その結果、破断評価試験結果からの後戻りによるプリント回路板３０の再設計を防止でき、開発期間の短縮を実現できる。これにより、半田接合部の破断による不具合が生じない製品開発が可能となる。また、破断判定の結果に応じて半田の量を調整すればよいので、半田使用量を削減することが可能となる。

以上のように、本発明に係る破断判定装置は、半田接合部が熱疲労によって破断するか否かの判定に適している。

本発明の実施の形態に係る破断検証システムの概略構成を示す図である。破断検証装置の構成を示すブロック図である。プリント回路板の構成の一例を示す図である。部品情報の構成の一例を示す図である。ＳＯＰ部品の基準配置位置の一例を示す図である。ＤＩＰ部品の基準配置位置の一例を示す図である。ＣＨＩＰ部品の基準配置位置の一例を示す図である。ＣＮ部品の基準配置位置の一例を示す図である。ラジアル挿入部品の基準配置位置の一例を示す図である。アキシャル挿入部品の基準配置位置の一例を示す図である。材料情報の構成の一例を示す図である。半田接合部の破断検証処理手順を示すフローチャートである。挿入部品コネクタの破断判定方法を説明するための図である。破断判定の判定結果の一例を示す図である。

符号の説明

１破断検証システム
１１破断検証装置
１２部品情報格納装置
１３材料情報格納装置
１４半田情報格納装置
１５表示・出力装置
３０プリント回路板
３１プリント配線板
３２Ｃ，３２Ｓ，３２Ｘ，３４Ｃ半田接合部
４１部品情報
４２材料情報
１１１部品情報読込部
１１２材料情報読込部
１１３半田情報読込部
１１４破断判定部
１１５部品情報展開部
１１６表示・出力部
Ｐ１〜Ｐ６ピン

Claims

部品を実装させるプリント配線板と前記部品が有する各ピン端子との間を半田接合する各半田接合部が熱疲労によって破断するか否かを判定する破断判定装置において、
前記ピン端子が前記プリント配線板上で半田接合される座標に関するピン座標情報を入力するピン座標情報入力部と、
前記ピン端子および前記プリント配線板の熱膨張率を入力する熱膨張率入力部と、
前記ピン座標情報を用いて前記部品毎に前記ピン端子間のピン間距離を算出するとともに、算出したピン間距離と前記熱膨張率とを用いて前記半田接合部が熱疲労によって破断するか否かを半田接合部毎に判定する破断判定部と、
を備え、
前記破断判定部は、
前記ピン間距離と前記熱膨張率とを用いて熱疲労に起因する前記半田接合部の歪み量を算出するとともに算出した歪み量と歪み量の基準値とを比較し、この比較結果に基づいて前記半田接合部が熱疲労によって破断するか否かを判定し、
かつ前記プリント配線板の表面と裏面との同一の位置に同一の部品を実装する場合、前記プリント配線板の表面または裏面の何れか一方に前記部品を実装する場合に熱疲労によって生じる前記プリント配線板の歪み量に応じた補正値を前記歪み量の基準値から引いた値を新たな歪み量の基準値とし、当該新たな歪み量の基準値と前記算出した歪み量とを比較することによって前記半田接合部が熱疲労によって破断するか否かを判定することを特徴とする破断判定装置。
前記破断判定部は、前記プリント配線板または前記部品がヤング率を超えて伸張変形する場合、前記ピン間距離に前記プリント配線板または前記部品の伸張距離を加えた距離を新たなピン間距離として前記半田接合部の歪み量を算出することを特徴とする請求項１に記載の破断判定装置。