JP7003298B2

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

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Publication number: JP7003298B2
Application number: JP2020566077A
Authority: JP
Inventors: 卓也佐伯
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-01-18
Filing date: 2019-01-18
Publication date: 2022-02-04
Anticipated expiration: 2039-01-18
Also published as: JPWO2020148896A1; TWI702507B; MY192901A; CN113303037B; EP3914054A1; EP3914054B1; TW202029027A; WO2020148896A1; US20220105583A1; CN113303037A; EP3914054A4

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。

特開２００６－２５４５７４号公報

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。

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

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。

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（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ（ＥｒａｓａｂｌｅＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、又はＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙＥｒａｓａｂｌｅＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）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（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃ）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

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。