JP7003298B2 - はんだ接合部の寿命予測手段及びはんだ接合部の寿命予測方法 - Google Patents
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Description
本発明は、電子部品のはんだ接合部の寿命予測を行うはんだ接合部の寿命予測手段及びはんだ接合部の寿命予測方法に関する。
特許文献1には、発熱を伴うパワー半導体を搭載するインバータ装置のような電子回路において、パワー半導体のジャンクション温度からパワーサイクル寿命を推定し、半導体素子が破壊する前に部品の交換をユーザに促す保護装置が開示されている。
電子回路は、パワー半導体を始めとした半導体素子だけではなく、機械式リレー、抵抗及びコンデンサといった電子部品も含んで構成される。電子部品と基板とのはんだ接合部に発生するクラックは、電子回路の機能が喪失する一因である。すなわち、半導体素子が壊れた場合だけではなく、はんだ接合部にクラックが生じた場合も、電子回路は機能を喪失する。一般的には、半導体素子のパワーサイクル寿命よりもはんだ接合部の寿命の方が短いため、半導体素子が寿命を迎える前に基板上のはんだ接合部にクラックが生じて電子回路の機能が喪失することが多い。したがって、はんだ接合部にクラックが生じて電子回路が機能を喪失するよりも前に電子回路の使用を中止できるように、はんだ接合部の寿命を予測することが望まれていた。
特許文献1に開示される発明は、半導体素子自体の寿命を予測するものであり、はんだ接合部の寿命を予測することはできない。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、はんだ接合部の寿命を予測できるはんだ接合部の寿命予測手段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、負荷を駆動する電子回路基板のはんだ接合部の温度を計測する温度センサと、電子回路基板を搭載する電気機器の熱衝撃試験における試験条件と、電気機器の使用環境での基準条件とに基づいた加速係数である基準加速係数を記憶する記憶部とを備える。本発明は、負荷の駆動を開始してから終了するまでの1サイクル中のはんだ接合部の温度変化幅及び最高到達温度を基に実加速係数を算出し、負荷の駆動を開始してから終了するまでの1サイクルごとに、実加速係数を基準加速係数で除した加速係数比を積算して加速係数比の積算値を求める演算部と、加速係数比の積算値と閾値とを比較してはんだ接合部の寿命を予測する判定部とを備える。
本発明に係るはんだ接合部の寿命予測手段は、はんだ接合部の寿命を予測できるという効果を奏する。
以下に、本発明の実施の形態に係るはんだ接合部の寿命予測手段及びはんだ接合部の寿命予測方法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1.
図1は、本発明の実施の形態1に係るはんだ接合部の寿命予測手段を備えた制御装置の機能ブロック図である。制御装置10は、ヒータ駆動回路6を通じてヒータ7を制御するとともに、モータ駆動回路8を通じてモータ9を制御する制御部5と、制御部5に電源を供給する電源回路2とを備える。電源回路2は、交流電源1から入力される交流電圧を直流電圧に変換して制御部5に出力する。制御部5は、ヒータ駆動回路6に信号を出力することによりヒータ7のオンオフを切り替える。また、制御部5は、モータ駆動回路8に信号を出力することにより、モータ9を駆動する。
図1は、本発明の実施の形態1に係るはんだ接合部の寿命予測手段を備えた制御装置の機能ブロック図である。制御装置10は、ヒータ駆動回路6を通じてヒータ7を制御するとともに、モータ駆動回路8を通じてモータ9を制御する制御部5と、制御部5に電源を供給する電源回路2とを備える。電源回路2は、交流電源1から入力される交流電圧を直流電圧に変換して制御部5に出力する。制御部5は、ヒータ駆動回路6に信号を出力することによりヒータ7のオンオフを切り替える。また、制御部5は、モータ駆動回路8に信号を出力することにより、モータ9を駆動する。
制御装置10は、ヒータ駆動回路6及びモータ駆動回路8を備える。ヒータ駆動回路6は、負荷であるヒータ7を駆動する素子を備える。モータ駆動回路8は、負荷であるモータ9を駆動する素子を備える。ヒータ7を駆動する素子及びモータ9を駆動する素子は、はんだ付けによってプリント基板に接続される。すなわち、ヒータ7を駆動する素子及びモータ9を駆動する素子とプリント基板との間には、はんだ接合部が存在している。ヒータ7を駆動する素子及びモータ9を駆動する素子は、リレーでも良いし半導体素子でも良い。ヒータ7を駆動する素子及びモータ9を駆動する素子は、ヒータ7及びモータ9をオンオフする回数と、ヒータ7及びモータ9の温度とに基づいて選定すればよい。
また、制御装置10は、電源回路2、ヒータ駆動回路6及びモータ駆動回路8中のはんだ接合部付近の温度を測定する温度センサ3と、情報を表示する表示部4とを備える。表示部4には、液晶表示装置を適用可能であるが、これに限定されない。
制御部5は、はんだ接合部を備えた電子回路基板を有する電気機器の熱衝撃試験の試験条件と、電子回路基板を搭載する電気機器の使用環境での基準条件とに基づいた加速係数である基準加速係数A0を記憶する記憶部51を有する。また、制御部5は、負荷の駆動を開始してから終了するまでの1サイクル中のはんだ接合部の温度変化幅及び最高到達温度T1から実加速係数A1を算出し、負荷の駆動を開始してから終了するまでの1サイクルごとに、実加速係数を基準加速係数A0で除した加速係数比A1/A0を積算して加速係数比の積算値Σ(A1/A0)を求める演算部52を有する。また、制御部5は、加速係数比の積算値Σ(A1/A0)と閾値とを比較してはんだ接合部の寿命を予測する判定部53を有する。また、制御部5は、ヒータ駆動回路6を通じてヒータ7を制御する不図示のヒータ制御部を有する。また、制御部5は、モータ駆動回路8を通じてモータ9を制御する不図示のモータ制御部を有する。
実施の形態1においては、温度センサ3、表示部4、記憶部51、演算部52及び判定部53が、はんだ接合部の寿命予測手段を構成している。すなわち、実施の形態1においては、ヒータ7及びモータ9を制御する制御装置10にはんだ接合部の寿命予測手段が組み込まれている。したがって、制御装置10の制御部5は、はんだ接合部の寿命予測手段の制御部でもある。制御装置10に組み込まれたはんだ接合部の寿命予測手段は、電源回路2、ヒータ駆動回路6及びモータ駆動回路8中のはんだ接合部の寿命を予測する。なおはんだ接合部の寿命は、通電電流が大きいほど、またオンオフの回数が多いほど短くなる傾向にあるため、制御装置10においては、電源回路2中のはんだ接合部よりもヒータ駆動回路6又はモータ駆動回路8中のはんだ接合部の寿命予測を優先して行うとよい。なお、はんだ接合部の寿命予測手段は、制御装置10とは別個の独立した装置として構成されてもよい。すなわち、はんだ接合部の寿命予測手段は、寿命予測の対象となるはんだ接合部を有する装置に外付けするはんだ接合部の寿命予測装置であってもよい。
図2は、実施の形態1に係るはんだ接合部の寿命予測手段の寿命予測の対象であるはんだ接合部の基板のはんだ面側から見た平面図である。図3は、実施の形態1に係るはんだ接合部の寿命予測手段の寿命予測の対象であるはんだ接合部の断面図である。図3は、図2中のIII-III線に沿った断面を示す。はんだ接合部は、基板表面におけるスルーホールの周りの導体パターン20と電子部品のピン21とがはんだ22によって接合された部分である。図3に示すはんだ接合部は、クラック23が発生して通電可能な断面積が小さくなっており、インピーダンスが高くなっている。したがって、クラック23が発生したはんだ接合部に電流が流れると、はんだ接合部は発熱する。
図4は、実施の形態1に係るはんだ接合部の寿命予測手段を用いてはんだ接合部の寿命を予測する動作の流れを示すフローチャートである。ステップS1において、制御部5は、はんだ接合部を備えた電子回路基板を有する電気機器の開発時の熱衝撃試験で各はんだ接合部においてクラック23が発生する熱衝撃試験サイクル数N0を記憶する。ステップS2において、制御部5は、電気機器の熱衝撃試験における試験条件である温度条件と、電気機器の使用環境での基準温度条件とに基づいて、コフィン-マンソンの修正式により基準加速係数A0を算出する。なお、使用環境での基準温度条件とは、使用される環境下で電気機器が受けると想定した温度条件であり、はんだ接合部の温度変化幅及びはんだ接合部の最高到達温度を例示できる。ステップS1及びステップS2の処理は、電気機器の製造前に実施される。
ステップS3において、制御部5は、電気機器の運転開始前のはんだ接合部の温度T0を温度センサ3から取得する。ステップS4において、制御部5は、ユーザの操作により電気機器の運転を開始する。電気機器の運転が開始されると、はんだ接合部に電流が流れる。ステップS5において、制御部5は、温度センサ3から取得した温度情報に基づいて、最高到達温度T1を記憶する。最高到達温度T1は、電気機器が運転を開始してから停止するまでの間のサイクル1回における、はんだ接合部の最高到達温度である。すなわち、最高到達温度T1は、負荷の駆動を開始してから終了するまでの1サイクル中におけるはんだ接合部の最高到達温度である。ステップS6において、制御部5は、最高到達温度T1と運転開始前のはんだ接合部の温度T0との温度差T1-T0を算出する。温度差T1-T0は、電気機器が運転を開始してから停止するまでの間のサイクル1回における、はんだ接合部の温度変化幅である。ステップS7において、制御部5は、電気機器を停止させるユーザの操作を受けたか否かを判断する。電気機器を停止させるユーザの操作を受けていれば、ステップS7でYesとなり、ステップS8において、制御部5は、電気機器を停止させる。電気機器を停止させるユーザの操作を受けていなければ、ステップS7でNoとなり、処理はステップS5に戻る。
ステップS8において電気機器が停止したのち、ステップS9において、制御部5は、実機による熱衝撃試験における試験条件である温度条件と、はんだ接合部の最高到達温度T1と、はんだ接合部の温度差T1-T0とを用いて、コフィン-マンソンの修正式により、実加速係数A1を算出する。実加速係数A1は、実際の1回分の運転時の温度条件に基づいて、算出した加速係数である。
ステップS10において、制御部5は、加速係数比A1/A0を算出する。加速係数比A1/A0は、実際の運転1回ごとに、実際の温度条件による実加速係数A1と基準温度条件による基準加速係数A0との違いを比で表したものである。
ステップS11において、制御部5は、加速係数比A1/A0を1サイクル分積算することにより、加速係数比の積算値Σ(A1/A0)を算出する。加速係数比A1/A0は電気機器の運転及び停止が繰り返される度に積算する。ここで、電気機器の運転開始から停止までのn回のサイクルでの加速係数比の積算値Σ(A1/A0)は、運転開始から停止までのサイクルn回分における加速係数の違いを比で示していることになる。
ステップS12において、制御部5は、加速係数比の積算値Σ(A1/A0)と閾値とを比較してはんだ接合部の寿命を予測する。具体的には、制御部5は、加速係数比の積算値Σ(A1/A0)が熱衝撃試験サイクル数N0とマージンとの積以上であるか否かを判断する。マージンは、安全性を見込んで設定される定数であり、1以下の値を持つ。ここでは、マージンが1である場合を例とするが、マージンの値は電気機器の用途により適宜変更できる。加速係数比の積算値Σ(A1/A0)が熱衝撃試験サイクル数N0とマージンとの積以上でなければ、ステップS12でNoとなり、処理を終了する。加速係数比の積算値Σ(A1/A0)が熱衝撃試験サイクル数N0とマージンとの積以上であれば、ステップS12でYesとなり、ステップS13において、制御部5は、電気機器を強制停止する。強制停止中は、電気機器の運転を開始する操作をユーザが行っても、制御部5は操作を受け付けず、電気機器の運転を開始しない。このようにして、加速係数比の積算値Σ(A1/A0)が閾値以上になると、制御部5は、負荷であるヒータ7及びモータ9の駆動を停止させる。ステップS14において、制御部5は、強制停止中であることを示す警告を表示部4に表示させる。このようにして、加速係数比の積算値Σ(A1/A0)が閾値以上になると、制御部5は表示部4に異常表示させる。
例えば、実際の運転1回ごとに算出した実加速係数A1と基準加速係数A0とが全て同じ値だった場合は、加速係数比A1/A0=1となり、nサイクル後の加速係数比の積算値Σ(A1/A0)は、nとなる。したがって、マージンが1であれば、実際に運転を行ったサイクル数nが、はんだ接合部にクラック23が発生する熱衝撃試験サイクル数N0を超えたかどうかを判定することになる。実際の温度条件と基準温度条件とが同じであれば、実際に運転を行ったサイクル数nが熱衝撃試験サイクル数N0を超えたときにクラック23が発生すると予想できる。
また、実際の運転1回ごとに算出した実加速係数A1が基準加速係数A0の半分の値だった場合は、加速係数比A1/A0=0.5であるから、nサイクル後の加速係数比の積算値Σ(A1/A0)が熱衝撃試験サイクル数N0に等しくなるのは、2n=N0になった場合である。すなわち、実際の温度条件が基準温度条件よりも緩やかである場合、クラック23は実際に運転を行ったサイクル数が熱衝撃試験サイクル数N0よりも多くなってから発生すると考えられる。この例では、マージンが1であれば、実際に運転を行ったサイクル数nが熱衝撃試験サイクル数N0の2倍を超えたときにはんだ接合部にクラック23が発生すると予想できる。
また、実際の運転1回ごとの実加速係数A1が基準加速係数A0の2倍の値だったとする。その場合は、加速係数比A1/A0=2であるから、nサイクル後の加速係数比の積算値Σ(A1/A0)が熱衝撃試験サイクル数N0に等しくなるのは、n=N0/2になった場合である。すなわち、実際の温度条件が基準温度条件より厳しい場合、クラック23は実際に運転を行ったサイクル数が熱衝撃試験サイクル数N0よりも少ない状態で発生しうると考えられる。この例では、マージンが1であれば、実際に運転を行ったサイクル数nが熱衝撃試験サイクル数N0の1/2を超えたときにクラック23が発生すると予想できる。
実施の形態1に係るはんだ接合部の寿命予測手段を備えた制御装置10は、電子回路に搭載される電子部品全般のはんだ接合部寿命を予測でき、クラック23が進行して拡大被害を生じる前に電気機器を停止させることができ、電気機器の安全性向上が図れる。また、サービスマンが電気機器の故障原因を特定しやすくなり、故障原因調査の時間が短縮され、かつ誤修理のリスクも少なくなる。
上記の実施の形態に係るはんだ接合部の寿命予測手段の制御部5の機能は、処理回路により実現される。処理回路は、専用のハードウェアであっても、記憶装置に格納されるプログラムを実行する処理装置であってもよい。
処理回路が専用のハードウェアである場合、処理回路は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、特定用途向け集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、又はこれらを組み合わせたものが該当する。図5は、実施の形態1に係るはんだ接合部の寿命予測手段の制御部の機能をハードウェアで実現した構成を示す図である。処理回路29には、制御部5の機能を実現する論理回路29aが組み込まれている。
処理回路29が処理装置の場合、制御部5の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。
図6は、実施の形態1に係るはんだ接合部の寿命予測手段の制御部の機能をソフトウェアで実現した構成を示す図である。処理回路29は、プログラム29bを実行するプロセッサ291と、プロセッサ291がワークエリアに用いるランダムアクセスメモリ292と、プログラム29bを記憶する記憶装置293を有する。記憶装置293に記憶されているプログラム29bをプロセッサ291がランダムアクセスメモリ292上に展開し、実行することにより、制御部5の機能が実現される。ソフトウェア又はファームウェアはプログラム言語で記述され、記憶装置293に格納される。プロセッサ291は、中央処理装置を例示できるがこれに限定はされない。記憶装置293は、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリー、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)、又はEEPROM(登録商標)(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)といった半導体メモリを適用できる。半導体メモリは、不揮発性メモリでもよいし揮発性メモリでもよい。また記憶装置293は、半導体メモリ以外にも、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク又はDVD(Digital Versatile Disc)を適用できる。なお、プロセッサ291は、演算結果といったデータを記憶装置293に出力して記憶させてもよいし、ランダムアクセスメモリ292を介して不図示の補助記憶装置に当該データを記憶させてもよい。
処理回路29は、記憶装置293に記憶されたプログラム29bを読み出して実行することにより、制御部5の機能を実現する。プログラム29bは、制御部5の機能を実現する手順及び方法をコンピュータに実行させるものであるとも言える。
なお、処理回路29は、制御部5の機能の一部を専用のハードウェアで実現し、制御部5の機能の一部をソフトウェア又はファームウェアで実現するようにしてもよい。
このように、処理回路29は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
1 交流電源、2 電源回路、3 温度センサ、4 表示部、5 制御部、6 ヒータ駆動回路、7 ヒータ、8 モータ駆動回路、9 モータ、10 制御装置、20 導体パターン、21 ピン、22 はんだ、23 クラック、29 処理回路、29a 論理回路、29b プログラム、51 記憶部、52 演算部、53 判定部、291 プロセッサ、292 ランダムアクセスメモリ、293 記憶装置。
Claims (6)
- 負荷を駆動する電子回路基板のはんだ接合部の温度を計測する温度センサと、
前記電子回路基板を搭載する電気機器の熱衝撃試験における試験条件と、前記電気機器の使用環境での基準条件とに基づいた加速係数である基準加速係数を記憶する記憶部と、
前記負荷の駆動を開始してから終了するまでの1サイクル中の前記はんだ接合部の温度変化幅及び最高到達温度を基に実加速係数を算出し、前記負荷の駆動を開始してから終了するまでの1サイクルごとに、前記実加速係数を前記基準加速係数で除した加速係数比を積算して前記加速係数比の積算値を求める演算部と、
前記加速係数比の積算値と閾値とを比較して前記はんだ接合部の寿命を予測する判定部とを備えることを特徴とするはんだ接合部の寿命予測手段。 - 前記閾値は、前記熱衝撃試験における限界サイクル数であることを特徴とする請求項1に記載のはんだ接合部の寿命予測手段。
- 前記閾値は、前記熱衝撃試験における限界サイクル数を定数倍した値であることを特徴とする請求項1に記載のはんだ接合部の寿命予測手段。
- 前記判定部は、前記加速係数比の積算値が前記閾値以上になると前記負荷の駆動を停止させることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のはんだ接合部の寿命予測手段。
- 情報を表示する表示部を備え、
前記判定部は、前記加速係数比の積算値が前記閾値以上になると前記表示部に異常表示させることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のはんだ接合部の寿命予測手段。 - 負荷を駆動する電子回路基板のはんだ接合部の温度を前記負荷の駆動を開始してから終了するまで計測し、前記はんだ接合部の温度変化幅及び最高到達温度から実加速係数を算出するステップと、
前記実加速係数を、実機による熱衝撃試験における試験条件と、前記電子回路基板を搭載する電気機器の使用環境での基準条件とに基づいた加速係数である基準加速係数で除して加速係数比を求めるステップと、
前記加速係数比を積算して前記加速係数比の積算値を算出するステップと、
前記加速係数比の積算値と閾値との比較により前記はんだ接合部の寿命を予測するステップとを備えることを特徴とするはんだ接合部の寿命予測方法。
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