TWI702507B - 焊料接合部的壽命預測手段以及焊料接合部的壽命預測方法 - Google Patents

焊料接合部的壽命預測手段以及焊料接合部的壽命預測方法 Download PDF

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Abstract

具備焊料接合部的壽命預測手段之控制裝置（10）包括：溫度感測器（3），量測驅動加熱器（7）及馬達（9）的電子電路基板上的焊料接合部的溫度；記憶部（51），儲存基準加速係數，其中基準加速係數是根據搭載了電子電路基板的電子機器的熱衝擊試驗下的試驗條件、以及電子機器的使用環境下的基準條件而得的加速係數；運算部（52），根據開始驅動加熱器（7）或馬達（9）到結束為止的1個週期中的焊料接合部的溫度變化幅度及最高到達溫度，算出實際加速係數，對開始驅動負載到結束為止的每1個週期，累積實際加速係數除以基準加速係數後之加速係數比，求出加速係數比的累積值；以及判定部（53），比較加速係數比的累積值與閾值，預測焊料接合部的壽命。

Description

焊料接合部的壽命預測手段以及焊料接合部的壽命預測方法
本發明係有關於執行電子零件的焊料接合部的壽命預測之焊料接合部的壽命預測手段以及焊料接合部的壽命預測方法。
專利文獻1中揭露了一種保護裝置，在搭載帶來發熱的功率半導體之反相器裝置這樣的電子電路中，從功率半導體的接面溫度推算出電力週期壽命，促使使用者在半導體元件損壞前更換零件。
專利文獻1：特開2006-254574號公報
電子電路並非只以功率半導體為主的半導體元件構成，還包含有機械式中繼器、電阻、電容等的電子零件。電子零件與基板之間的焊料接合部產生的裂痕是電子電路失去功能的一個原因。也就是說，不只在半導體元件壞掉的情況下，在焊料接合部產生裂痕的情況下，電子電路也會失去功能。一般來說，焊料接合部的壽命比半導體元件的電力週期壽命還要短，很多情況是在半導體元件到達壽命之前基板上的焊料接合部就發生裂痕而失去電子電路的功能。因此，希望能夠預測焊料接合部的壽命，使得在焊料接合部產生裂痕失去電子電路的功能之前就能夠中止電子電路的使用。
專利文獻1所揭露的發明預測了半導體元件本身的壽命，但不能預測焊料接合部的壽命。
本發明有鑑於上述的問題，目的是獲得一種能夠預測焊料接合部的壽命之焊料接合部的壽命預測手段。
為了解決上述課題，達成目的，本發明具備：溫度感測器，量測驅動負載的電子電路基板上的焊料接合部的溫度；記憶部，儲存基準加速係數，其中基準加速係數是根據搭載了電子電路基板的電子機器的熱衝擊試驗下的試驗條件、以及電子機器的使用環境下的基準條件而得的加速係數。本發明具備：運算部，根據開始驅動該負載到結束為止的1個週期中的焊料接合部的溫度變化幅度及最高到達溫度，算出實際加速係數，對開始驅動負載到結束為止的每1個週期，累積實際加速係數除以基準加速係數後之加速係數比，求出加速係數比的累積值；以及判定部，比較加速係數比的累積值與閾值，預測焊料接合部的壽命。
本發明的焊料接合部的壽命預測手段能夠達成預測焊料接合部的壽命之效果。
以下，根據圖式詳細說明本發明實施型態的焊料接合部的壽命預測手段及焊料接合部的壽命預測方法。此實施型態並非用以限定本發明。 [實施型態1]
第1圖係具備本發明實施型態1焊料接合部的壽命預測手段之控制裝置的功能方塊圖。控制裝置10具備控制部5及電源電路2。控制部5會通過加熱器驅動電路6來控制加熱器7，且通過馬達驅動電路8來控制馬達9。電源電路2會供給電源至控制部5。電源電路2將交流電源1所輸入的交流電壓轉換成直流電壓並輸出到控制部5。控制部5藉由將信號輸出至加熱器驅動電路6來切換加熱器7的開關。又，控制部5藉由將信號輸出至馬達驅動電路8來驅動馬達9。
控制裝置10具備加熱器驅動電路6及馬達驅動電路8。加熱器驅動電路6具備用來驅動負載（加熱器7）的元件。馬達驅動電路8具備用來驅動負載（馬達9）的元件。驅動加熱器7的元件以及驅動馬達9的元件透過焊料連接到印刷基板。也就是說，驅動加熱器7的元件以及驅動馬達9的元件與印刷基板之間，存在有焊料接合部。驅動加熱器7的元件以及驅動馬達9的元件可以是中繼器也可以是半導體元件。驅動加熱器7的元件以及驅動馬達9的元件根據開關加熱器7及馬達9的次數以及加熱器7及馬達9的溫度來選擇即可。
又，控制裝置10具備電源電路2、溫度感測器3及顯示部4。溫度感測器3會測量加熱器驅動電路6及馬達驅動電路8的焊料接合部附近的溫度。顯示部4會顯示資訊。顯示部4可以使用液晶顯示裝置，但並不限定於此。
控制部5具備記憶部51，用來儲存基準加速係數A0。基準加速係數A0是根據具有電子電路基板（具備焊料接合部）的電子機器的熱衝擊試驗的試驗條件以及搭載電子電路基板的電子機器在使用環境下的基準條件之加速係數。又，控制部5具有運算部52，從開始驅動負載到結束為止的1個週期中的焊料接合部的溫度變化幅度及最高到達溫度T1中算出實際加速係數A1，對於每個開始驅動負載到結束為止的1個週期，累積以實際加速係數除以基準加速係數A0的加速係數比A1/A0，求出加速係數比的累積值Σ（A1/A0）。又，控制部5具有判定部53，比較加速係數比的累積值Σ（A1/A0）與閾值來預測焊料接合部的壽命。又，控制部5具有未圖示的加熱器控制部，通過加熱器驅動電路6來控制加熱器7。又，控制部5具有未圖示的馬達控制部，通過馬達驅動電路8來控制馬達9。
實施型態1中，溫度感測器3、顯示部4、記憶部51、運算部52及判定部53構成了焊料接合部的壽命預測手段。也就是，實施型態1中，控制加熱器7及馬達9的控制裝置10中安裝了焊料接合部的壽命預測手段。因此，控制裝置10的控制部5也是焊料接合部的壽命預測手段的控制部。被安裝到控制裝置10中的焊料接合部的壽命預測手段會預測電源電路2、加熱器驅動電路6及馬達驅動電路8中的焊料接合部的壽命。另外，焊料接合部的壽命會有通電電流越大或者是開閉次數越多就越短的傾向，因此在控制裝置10中，比起電源電路2中的焊料接合部，會優先進行加熱器驅動電路6或馬達驅動電路8中的焊料接合部的壽命預測。另外，焊料接合部的壽命預測手段也可以作為與控制裝置10個別獨立的裝置。也就是說，焊料接合部的壽命預測手段也可以是外附於具有焊料接合部（壽命預測的對象）的裝置之焊料接合部的壽命預測裝置。
第2圖係從基板焊料面側觀察實施型態1的焊料接合部的壽命預測手段的壽命預測對象，也是焊料接合部的平面圖。第3圖係實施型態1的焊料接合部的壽命預測手段的壽命預測對象，也是焊料接合部的剖面圖。第3圖係顯示第2圖中的沿著III-III線的剖面。焊料接合部是在基板表面的通孔的周圍的導體圖樣20及電子零件的插銷21透過焊料22接合的部分。第3圖所示的焊料接合部會因為裂痕23發生，可通電的剖面積變小，阻抗變高。因此，當發生了裂痕23的焊料接合部流過電流，焊料接合部會發熱。
第4圖係顯示使用實施型態1的焊料接合部的壽命預測手段來預測焊料接合部的壽命之動作流程的流程圖。在步驟S1，控制部5在具有電子電路基板（具備焊料接合部）的電子機器的開發時的熱衝擊試驗中，儲存各焊料接合部中發生裂痕23的熱衝擊試驗週期數N0。在步驟S2，控制部5會根據電子機器的熱衝擊試驗中的試驗條件，即溫度條件，以及電子機器的使用環境下的基準溫度條件，以Coffin-Manson的修正式來算出基準加速係數A0。另外，在使用環境下的基準溫度條件是指假想在使用的環境下電子機器受到的假想的溫度條件，能夠例示焊料接合部的溫度變化幅度以及焊料接合部的最高到達溫度。步驟S1及步驟S2的處理會在電子機器的製造前實施。
在步驟S3，控制部5從溫度感測器3取得電子機器開始運轉前的焊料接合部的溫度T0。在步驟S4，控制部5因為使用者的操作而開始運轉電子機器。當電子機器的運轉開始，焊料接合部流入電流。在步驟S5，控制部5根據從溫度感測器3取得的溫度資訊，儲存最高到達溫度T1。最高到達溫度T1是電子機器開始運轉到停止為止的週期1次下的焊料接合部的最高到達溫度。也就是說，最高到達溫度T1是開始驅動負載到停止為止的1個週期下的焊料接合部的最高到達溫度。在步驟S6，控制部5計算出最高到達溫度T1及運轉開始前的焊料接合部的溫度T0之溫度差T1－T0。溫度差T1－T0是是電子機器開始運轉到停止為止的週期1次下的焊料接合部的溫度變化幅度。在步驟S7，控制部5判斷是否接收到停止電子機器的使用者操作。如果接收到停止電子機器的使用者操作的話，步驟S7為Yes，在步驟S8，控制部5停止電子機器。如果沒有接收到停止電子機器的使用者操作的話，步驟S7為No，處理回到步驟S5。
在步驟S8停止電子機器當中，在步驟S9，控制部5使用實機所作的熱衝擊試驗中的試驗條件（溫度條件）、焊料接合部的最高到達溫度T1、焊料接合部的溫度差T1－T0，藉由Coffin-Manson的修正式來算出實際加速係數A1。實際加速係數A1是根據實際的1次的運轉時的溫度條件所算出的加速係數。
在步驟S10，控制部5算出加速係數比A1/A0。加速係數比A1/A0是以比的形式來表示出每實際運轉1次，實際的溫度條件下產生的實際加速係數A1以及基準溫度條件下產生的基準加速係數A0之間的差異。
在步驟S11，控制部5將加速係數比A1/A0累積1個週期量，藉此算出加速係數比的累積值Σ（A1/A0）。加速係數比A1/A0是在每次反覆電子機器的運轉及停止時累積。在此，電子機器開始運轉到停止為止的n次週期中的加速係數比的累積值Σ（A1/A0），是以比的形式顯示出從運轉開始至停止為止的週期n次下的加速係數的差異。
在步驟S12，控制部5比較加速係數比的累積值Σ（A1/A0）與閾值，預測焊料接合部的壽命。具體來說，控制部5判斷加速係數比的累積值Σ（A1/A0）是否在熱衝擊試驗週期數N0與餘量的乘積以上。餘量是預估安全性而設定的常數，具有1以下的值。在此，以餘量為1的情況為例子，但餘量的值能夠因應電子機器的用途而適當變更。如果加速係數比的累積值Σ（A1/A0）不在熱衝擊試驗週期數N0與餘量的乘積以上的話，步驟S12為No，處理結束。如果加速係數比的累積值Σ（A1/A0）在熱衝擊試驗週期數N0與餘量的乘積以上的話，步驟S12為Yes，在步驟S13，控制部5強制停止電子機器。強制停止中，即使使用者進行開始電子機器運轉的操作，控制部5也不會接受操作，而不會開始電子機器的運轉。像這樣，當加速係數比的累積值Σ（A1/A0）在閾值以上的話，控制部5會停止驅動負載，也就是會停止加熱器7及馬達9的驅動。在步驟S14，控制部5會將表示強制停止中的警告顯示於顯示部4。這樣一來，當加速係數比的累積值Σ（A1/A0）在閾值以上的話，控制部5就會在顯示部4上顯示異常。
例如，每實際運轉1次所算出的實際加速係數A1與基準加速係數A0全部都是相同值的情況下。加速係數比A1/A0＝1，n個週期後的加速係數比的累積值Σ（A1/A0）為n。因此，如果餘量是1的話，判斷進行實際運轉的週期數n是否超過焊料接合部上產生裂痕23的熱衝擊試驗週期數N0。實際的溫度條件與基準溫度條件相同的話，能夠預想到當進行實際運轉的週期數n超過熱衝擊試驗週期數N0時，就會產生裂痕23。
又，當每實際運轉1次所算出的實際加速係數A1是基準加速係數A0的一半的值的話，加速係數比A1/A0＝0.5，因此n週期後的加速係數比的累積值Σ（A1/A0）要等於熱衝擊試驗數N0是n＝2N0的情況。也就是說，可知實際的溫度條件比基準溫度條件更緩和的情況下，裂痕23會在實際運轉的週期數變得比熱衝擊試驗週期數N0多之後發生。在這個例子中，餘量是1的話，實際運轉的週期數n超過熱衝擊試驗週期數N0的2倍時，能夠預想到裂縫23發生。
又，假設每實際運轉1次所算出的實際加速係數A1是基準加速係數A0的2倍的值。在這個情況下，加速係數比A1/A0＝2，因此n週期後的加速係數比的累積值Σ（A1/A0）要等於熱衝擊試驗數N0是n＝N0/2的情況。也就是說，可知實際的溫度條件比基準溫度條件更嚴苛的情況下，裂痕23會在實際運轉的週期數比熱衝擊試驗週期數N0少的狀態下發生。在這個例子中，餘量是1的話，實際運轉的週期數n超過熱衝擊試驗週期數N0的1/2倍時，能夠預想到裂縫23發生。
具備實施型態1的焊料接合部的壽命預測手段之控制裝置10，能夠預測搭載於電子電路的全部電子零件的焊料接合部壽命，能夠在產生裂痕23且擴大損害發生之前停止電子機器，可望提昇電子機器的安全性。又，服務人員變得容易特定出電子機器的故障原因，故障原因調查的時間縮短，且錯誤修理的風險也減少。
上述實施型態的焊料接合部的壽命預測手段的控制部5會藉由處理電路來實現。處理電路可以是專用的硬體，也可以是執行儲存於記憶裝置中的程式的處理裝置。
處理電路是專用的硬體的情況下，處理電路相當於單一電路、複合電路、程式化的處理器、平行程式化的處理器、特定用途用的積體電路、場域可程式化邏輯閘陣列（FPGA）、或者是它們的組合。第5圖係顯示以硬體來實現實施型態1的焊料接合部的壽命預測手段的控制部的功能之架構。處理電路29中組進了實現控制部5的功能之邏輯電路29a。
處理電路29是處理裝置的情況下，控制部5的功能會藉由軟體、韌體或者是軟體與韌體的組合來實現。
第6圖係顯示以軟體來實現實施型態1的焊料接合部的壽命預測手段的控制部的功能之架構。處理電路29具有執行程式29b的處理器291、處理器291用於工作區域的隨機存取記憶體292、儲存程式29b的記憶裝置293。處理器291將儲存於記憶裝置293的程式29b解開於隨機存取記憶體292並加以執行，藉此實現控制部5的功能。軟體或者是韌體是以程式語言記述，儲存於記憶裝置293。處理器291能夠例如是中央處理裝置，但並不限定於此。記憶裝置293能夠適用RAM（Random Access Memory）、ROM（Read Only Memory）、快閃記憶體、EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）、或者是EEPROM（登錄商標）（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）等的半導體記憶體。半導體記憶體也可以是非揮發性記憶體也可以是揮發性記憶體。又記憶裝置293除了半導體記憶體以外，也能夠是用磁碟、可撓性碟片、光碟、CD、MD、DVD（Digital Versatile Disc）。另外，處理器291可以將運算結果等的資料輸出到記憶裝置293加以儲存，也可以透過隨機存取記憶體292使該資料儲存於未圖示的補助記憶裝置。
處理電路29讀出儲存於記憶裝置293的程式29b並執行，藉此執行控制部5的功能。也可以說程式29b是讓電腦來執行實現控制部5的功能之步驟及方法。
另外，處理電路29也可以用專用硬體來實現控制部5的一部分的功能，用軟體或韌體來實現控制部5的一部分的功能。
像這樣，處理電路29能夠藉由組合硬體、軟體、韌體或者是它們的組合，來實現上述的各機能。
以上的實施型態所示的架構只是本發明得內容的一例，也可以與其他的公知的技術做組合，在不脫離本發明的要旨的範圍內，能夠省略、變更架構的一部分。
1                     交流電源 2                     電源電路 3                     溫度感測器 4                     顯示部 5                     控制部 6                     加熱器驅動電路 7                     加熱器 8                     馬達驅動電路 9                     馬達 10                   控制裝置 20                   導體圖樣 21                   插銷 22                   焊料 23                   裂痕 29                   處理電路 29a                 邏輯電路 29b                 程式 51                   記憶部 52                   運算部 53                   判定部 291                 處理器 292                 隨機存取記憶體 293                 記憶裝置
第1圖係具備本發明實施型態1焊料接合部的壽命預測手段之控制裝置的功能方塊圖。 第2圖係從基板焊料面側觀察實施型態1的焊料接合部的壽命預測手段的壽命預測對象，也是焊料接合部的平面圖。 第3圖係實施型態1的焊料接合部的壽命預測手段的壽命預測對象，也是焊料接合部的剖面圖。 第4圖係顯示使用實施型態1的焊料接合部的壽命預測手段來預測焊料接合部的壽命之動作流程的流程圖。 第5圖係顯示以硬體來實現實施型態1的焊料接合部的壽命預測手段的控制部的功能之架構。 第6圖係顯示以軟體來實現實施型態1的焊料接合部的壽命預測手段的控制部的功能之架構。
1               交流電源 2               電源電路 3               溫度感測器 4               顯示部 5               控制部 6               加熱器驅動電路 7               加熱器 8               馬達驅動電路 9               馬達 10             控制裝置 51             記憶部 52             運算部 53             判定部

Claims (8)

  1. 一種焊料接合部的壽命預測手段，包括：溫度感測器，量測驅動負載的電子電路基板上的焊料接合部的溫度；記憶部，儲存基準加速係數，其中該基準加速係數是根據搭載了該電子電路基板的電子機器的熱衝擊試驗下的試驗條件、以及搭載了該電子電路基板的該電子機器的使用環境下的基準條件而得的加速係數；運算部，根據開始驅動該負載到結束為止的1個週期中的該焊料接合部的溫度變化幅度及最高到達溫度，算出實際加速係數，對開始驅動該負載到結束為止的每1個週期，累積該實際加速係數除以該基準加速係數後之加速係數比，求出該加速係數比的累積值；以及判定部，比較該加速係數比的累積值與閾值，預測該焊料接合部的壽命。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之焊料接合部的壽命預測手段，其中該閾值係該熱衝擊試驗下的極限循環數。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之焊料接合部的壽命預測手段，其中該閾值係該熱衝擊試驗下的極限循環數的固定數倍的值。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之焊料接合部的壽命預測手段，其中該判定部係在該加速係數比的累積值達到該閾值以上時停止該負載的驅動。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之焊料接合部的壽命預測手段，其中該判定部係在該加速係數比的累積值達到該閾值以上時停止該負載的驅動。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之焊料接合部的壽命預測手段，其中該判定部係在該加速係數比的累積值達到該閾值以上時停止該負載的驅動。
  7. 如申請專利範圍第1至6項任一項所述之焊料接合部的壽命預測 手段，包括：顯示部，顯示資訊，其中該判定部係在該加速係數比的累積值達到該閾值以上時，在該顯示部顯示異常。
  8. 一種焊料接合部的壽命預測方法，包括：在驅動負載開始到結束為止，量測驅動該負載的電子電路基板上的焊料接合部的溫度，從該接合部的溫度變化幅度及最高到達溫度算出實際加速係數；求出該實際加速係數除去基準加速係數後的加速係數比，其中該基準加速係數是根據具有該電子電路基板的電子機器的熱衝擊試驗下的試驗條件、以及搭載了該電子電路基板的電子機器的使用環境下的基準條件而得的加速係數；累積該加速係數比，算出該加速係數比的累積值；以及藉由比較該加速係數比的累積值與閾值，預測該焊料接合部的壽命。
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