はんだ接続部評価システム
【課題】 はんだ接続部の寿命をより迅速に予測可能とする。
【解決手段】 本システムは、データ記憶部１１、入力制御部１２、はんだ接続評価部１３を有する。データ記憶部１１内の設計ルールデータベース１１には、温度変化による繰り返し負荷が与えられた場合における、はんだ接続部の寿命に関連する因子の値と当該はんだ接続部の寿命との関係を表す数式があらかじめ格納されている。このシステムにおいて、入力制御部１２は、入力装置３を介して入力された、電子部品と配線基板との間、２つの電子部品の間、及び、２枚の基板の間のいずれかを接続する検討対象はんだ接続部の寿命に関連する因子の値を受け付ける。その後、はんだ接続評価部１３は、上記数式と、ユーザが入力した因子の値とに基づき、電子部品と配線基板との間、２つの電子部品の間、及び、２枚の基板の間のいずれかを接続する検討対象はんだ接続部の寿命を予測する。
【解決手段】 本システムは、データ記憶部１１、入力制御部１２、はんだ接続評価部１３を有する。データ記憶部１１内の設計ルールデータベース１１には、温度変化による繰り返し負荷が与えられた場合における、はんだ接続部の寿命に関連する因子の値と当該はんだ接続部の寿命との関係を表す数式があらかじめ格納されている。このシステムにおいて、入力制御部１２は、入力装置３を介して入力された、電子部品と配線基板との間、２つの電子部品の間、及び、２枚の基板の間のいずれかを接続する検討対象はんだ接続部の寿命に関連する因子の値を受け付ける。その後、はんだ接続評価部１３は、上記数式と、ユーザが入力した因子の値とに基づき、電子部品と配線基板との間、２つの電子部品の間、及び、２枚の基板の間のいずれかを接続する検討対象はんだ接続部の寿命を予測する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品間のはんだ接続部の寿命を予測するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
はんだ接続部の寿命予測は、通常、テストサンプルに対して、温度サイクル試験、高温高湿試験等の加速試験を行い、その結果に基づき合否を判定することによって行われている。それとともにテストサンプルまたは実構造のモデルを用いたシミュレーションを行うことにより、はんだ接続部の寿命予測が効率よく行われることもある。
【０００３】
シミュレーションによってはんだ接続部の寿命を予測するシステムとして、特許文献１記載のシステムが知られている。このシステムにおいては、モデルを用いた有限要素解析によって、負荷によって生じる全歪みを表す数式（弾性歪み、塑性歪み及び粘性歪みの和）から応力−歪み関係が求められ、さらに、この応力−歪み関係に基づき、繰り返し負荷に対する破断寿命及び余寿命が算出される。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２７００６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１記載のシステムにおいては、全歪みが、弾性歪み、塑性歪み及び粘性歪みの和で表されるため、モデルが詳細になるにつれ、有限要素解析の演算処理に相当の時間がかかる。また、特許文献１記載のシステムにおいては、衝撃による負荷が生じた場合のはんだ接続部の界面信頼性について考慮されていない。
【０００６】
そこで、本発明は、ユーザが、はんだ接続部の熱疲労寿命をより迅速に予測することができるはんだ接続部評価システムを提供することを目的とする。また、本発明は、衝撃による負荷が生じた場合のはんだ接続部の界面信頼性を評価可能なはんだ接続部評価システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、
電子部品と配線基板との間、２つの電子部品の間、及び、２枚の基板の間のいずれかが評価対象はんだ接続部で接続された構造体の前記評価対象はんだ接続部の寿命を予測するはんだ接続部評価システムであって、
温度変化による繰り返し負荷が与えられた場合における、はんだ接続部の寿命に関連する因子の値と当該はんだ接続部の寿命との関係を表すデータが格納された記憶手段と、
前記検討対象はんだ接続部について、前記因子の値の入力を受け付ける入力手段と、
前記記憶手段に格納された前記データと、前記入力手段が受け付けた因子の値とに基づき、前記検討対象はんだ接続部の予測寿命を算出するはんだ接続評価手段と、
を備えることを特徴とするはんだ接続部評価システムが提供される。
【０００８】
また、本発明は、
電子部品と配線基板との間、２つの電子部品の間、及び、２枚の基板の間のいずれかが評価対象はんだ接続部で接続された構造体の前記評価対象はんだ接続部の信頼性を評価するはんだ接続部評価システムであって、
初期接続時または温度変化時に前記配線基板または前記電子部品のメタライズと、前記はんだ接続部を形成するはんだとの間に生成される金属間化合物の厚さを算出し、衝撃による負荷が生じた場合の前記はんだ接続部の信頼性を、前記金属間化合物層の厚さに基づき評価することを特徴とするはんだ接続評価手段を備えることを特徴とするはんだ接続部評価システムを提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、はんだ接続部の寿命をより迅速に予測することができる。また、衝撃による負荷が生じた場合のはんだ接続部の界面信頼性を評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明に係る一実施形態について説明する。
【００１１】
まず、図１により、本実施形態に係るはんだ接合部寿命予測システムの全体構成について説明する。
【００１２】
はんだ接合部寿命予測システムは、情報処理装置１、情報処理装置１に接続された外部装置（ディスプレイ等の出力装置２、キーボード等の入力装置３）等、を有している。
【００１３】
ここで、情報処理装置１は、外部からの指示に応じてプログラムを実行可能なコンピュータとしての通常のハードウエア構成（プログラム及びデータが格納されたハードディスク、メモリ、ハードディスクからメモリにロードしたプログラムを実行するＣＰＵ、外部装置が接続されるインタフェース等）を有している。そして、この情報処理装置は、このようなハードウエア構成上における所定のプログラムの実行により、電子機器（電子部品と配線基板との間、２つの電子部品の間、及び、２枚の基板の間のいずれかがはんだ接続部で接続された構造体）について、熱疲労を受けるはんだ接続部の寿命（熱疲労寿命）及びはんだ接続部の界面信頼性を予測する以下の機能構成を実現する。
【００１４】
情報処理装置１は、はんだ接続部の熱疲労寿命及び界面信頼性の予測等に必要なデータが格納されたデータ記憶部１１、ユーザからの入力データ（入力装置３からのデータ）を受け付ける入力制御部１２、ユーザからの入力データ（接続構造、接続条件、要求信頼性等）及びデータ記憶部１１の格納情報に基づきはんだ接続部の熱疲労寿命を予測するはんだ接続評価部１３、はんだ接続評価部１３にＣＡＤデータを渡すデータインポート部１４、はんだ接続評価部１３の演算結果（熱疲労破壊及び衝撃破壊に対する信頼性判定結果、寿命がより長い構造を得るための指針）を出力装置２に出力する出力制御部１５、を実現する。
【００１５】
データ記憶部１１には、あらかじめ、２種類のデータベース１１１,１１２が格納されている。また、データ記憶部１１には、後述のＣＡＤ解析処理で用いられるＣＡＤデータ１１３が格納されることもある。
【００１６】
２種類のデータベースのうち、一方のデータベース（材料データベース）１１１には、電子機器を構成する部品または材料（プリント基板、セラミック基板、シリコンチップ、メタライズ材、はんだ材等）ごとに、部品名または材料名、構造解析に必要とされる材料物性値データが登録されている。また、材料データベース１１１には、さらに、はんだ熱疲労強度データ、界面破壊モードを表す界面破壊モードデータが登録されている。
【００１７】
材料物性値データには、例えば、縦弾性係数、線膨張係数、ポアソン比、降伏応力、加工硬化係数、拡散定数、活性化エネルギー等が含まれる。その他、材料物性値データには、温度依存データが含まれていてもよい。
【００１８】
界面破壊モードデータには、リフロー条件（保持時間、保持温度）と、そのリフロー条件で作成したサンプルの落下試験またはシェア試験により得られた界面破壊強度値と、が含まれている。この界面破壊モードデータは、後述の界面信頼性予測処理及びリフロープロファイル適正化処理において用いられる。
【００１９】
他方のデータベース（設計ルールデータベース）１１２には、あらかじめ拘束箇所が定められた基本モデルデータ、実験で得られた寿命サイクルＣｂ、実験に用いた構造体のＳ／Ｎ比、実験により求められた各種数式（はんだ熱疲労寿命予測式及び界面信頼性予測式等）が格納されている。
【００２０】
また、複数の基本モデルデータのなかには、例えば、図２に示すような、はんだ接続部を含む一般的な構造のモデルを表す基本モデルデータが４タイプ含まれている。ここで挙げた４タイプの基本モデルデータは、以下のような構造のモデルを表現するものである。
タイプ１の構造：配線基板２２上に配線基板または電子部品（パッケージ部品等）２０が搭載され、電子部品等２０と基板２２との間は、複数のはんだ接続部２１で接続されている。
タイプ２の構造：タイプ１の構造におけるはんだ接続部２１が樹脂２３で封止されている。
タイプ３の構造：配線基板２２上に配線基板または電子部品２０が搭載されている。電子部品２０等と基板２２との間は、複数のはんだ接続部２１で接続されている。電子部品２０等の上には、電子部品(チップ、パッケージ等)２４が搭載され、電子部品２４と電子部品２０等との間は、はんだ２５で接続されている。
タイプ４の構造：タイプ３の構造におけるはんだ接続部２１が樹脂２３で封止されている。
【００２１】
後述の簡易解析処理及び詳細解析処理において、ユーザは、これらの基本モデルのなかから、熱疲労寿命を検討すべき構造のモデルまたはその構造に近似する構造のモデルを検討対象モデルとして選択する。なお、図２に示した構造は一例であり、必ずしも、この通りの構造のモデルを表すモデルデータが基本モデルデータとしてデータ記憶部１１に格納されている必要はない。
【００２２】
つぎに、本実施の形態に係るはんだ接合部寿命予測システムにおいて実行されるはんだ接合部寿命予測処理について説明する。ここでは、はんだ接合部寿命予測処理を、設計の初期段階から最終段階までの各段階に適した以下の３種類の解析処理に分類する。
【００２３】
（１）簡易解析処理
設計の初期段階においては、多数のはんだ接続構造のなかから、より適切なはんだ接続構造を絞り込む必要がある。このため、ユーザは、複数のはんだ接続構造の信頼性の傾向を短時間でつかむ必要がある。このような場合には、有限要素法による演算を行わずに、複数のはんだ接続構造の信頼性を簡易かつ迅速に導出することができる簡易解析処理が用いられる。
【００２４】
（２）詳細解析処理
はんだ接続構造がある程度絞り込まれた段階では、絞り込みにより得られた複数のはんだ接続構造の順位付けが行われる。このような順位付けを行うため、ユーザは、絞り込みにより得られた複数のはんだ接続部の熱疲労寿命を正確に把握する必要がある。このような場合には、複数のはんだ接続部の寿命を精度よく予測可能な詳細解析処理が用いられる。
【００２５】
（３）ＣＡＤ解析処理
設計の最終段階では、ユーザは、実製品に適用されるはんだ接続部の正確な熱疲労寿命を把握する必要がある。このような場合には、実製品に適用される形状のはんだ接続部の熱疲労寿命を精度よく予測することができるＣＡＤ解析処理が用いられる。
【００２６】
以下、これら３種類の解析処理についてそれぞれ説明する。ここでは、情報処理装置１上においてすでに所定のプログラムが起動され、上述の機能構成が実現されていることとする。
【００２７】
（１）簡易解析処理
図３に、簡易解析処理のフローチャートを示す。
【００２８】
ユーザが、入力装置３を用いて、複数の基本モデルデータが表すモデル（例えば図２のモデル）のなかから、いずれかひとつのモデルを検討対象モデルとして指示すると(Ｆ１)、はんだ接続評価部１３は、検討対象モデルの寸法の入力を、出力制御部１５を介して要求する。ここで、ユーザが、入力装置３を用いて、例えば、基板の寸法（縦寸法×横寸法）、基板の厚さ、はんだボールの径、バンプピッチ等の、検討対象モデルの解析に必要な寸法値を入力すると、入力制御部１２は、それらの寸法値をはんだ接続評価部１３に与える(Ｆ２)。
【００２９】
その後、はんだ接続評価部１３の指示に応じて、出力制御部１５が、材料データベース１１１の登録部品等の一覧を出力装置２に表示させる。ユーザが、この一覧のなかから、検討対象モデルに使用すべき部品または材料を選択すると、はんだ接続評価部１３は、一覧のなかから選択された部品等の材料物性値データを材料データベース１１１から読み出し、それらの材料物性値データを、検討対象モデルに含まれる部品等の材料物性値データとして保持する。ただし、検討対象モデルに含まれる部品等として、材料データベース１１１に未登録の新規部品等を用いる場合には、ユーザは、その部品等の名称及び材料物性値データを、入力装置３を用いて入力すればよい。このとき、はんだ接続評価部１３は、入力された材料物性値データを、検討対象モデルに含まれる部品等の材料物性値データとして保持するとともに、次回以降の演算において利用するため、入力された名称に対応付けて材料データベース１１１に登録する。
【００３０】
つぎに、はんだ接続評価部１３は、境界条件（拘束箇所、温度履歴等）及び温度条件（最高温度、最低温度及び保持時間により規定される温度サイクル条件等）の入力を、出力制御部１５を介して要求する。ここで、基本モデルデータに、あらかじめ拘束箇所が定められている場合には、ユーザは、境界条件として拘束条件を入力する必要はない。
【００３１】
これに応じてユーザが適当なデータを入力して(Ｆ３)、以下の解析に必要データの入力が終了すると、はんだ接続評価部１３は、有限要素法を利用せずに、検討対象モデルに含まれるはんだ接合部の熱疲労寿命を算出する。具体的には、以下の通りである。
【００３２】
ここでは、タグチメソッドを利用して、各部材の寸法及び材料物性値と熱疲労寿命との関係を求める場合を例に挙げる。
【００３３】
まず、はんだ接続部の熱疲労寿命に影響を及ぼす可能性のある因子の値を、ユーザの入力データのなかから抽出する。例えば、そのような因子として、基板の寸法（縦寸法×横寸法）、基板の厚さ寸法、基板の縦弾性係数、基板の線膨張係数、はんだの縦弾性係数、はんだの線膨張係数、はんだの高さ、はんだのピッチ、チップのサイズ（縦寸法×横寸法）、チップの厚さ等が挙げられる。これらは、はんだ接続部の熱疲労寿命に影響を及ぼす可能性のある因子の一例であり、さらに他の因子が存在している場合には、その因子が追加されてもよい。
【００３４】
まず、はんだ接続評価部１３は、検討対象モデルの各はんだ接続部について、因子ごとに、Ｓ／Ｎ比を算出するための数式（ηｋ＝ｆｋ（ｘｋ）：ｋ＝１〜ｎ）を設計ルールデータベース１１２から読み出し、それらの数式と各因子の値（ｘｋ：ｋ＝１〜ｎ）とから、Ｓ／Ｎ比を求める。例えば、最もコーナにあるはんだ接続部とその隣のはんだ接続部とに着目している場合には、２種類のＳ／Ｎ比（η１〜ηｎ）が求められる。
【００３５】
ここで用いられる、Ｓ／Ｎ比の算出式（ηｋ＝ｆｋ（ｘｋ）：ｋ＝１〜ｎ）は、基本モデルごとに、それぞれ、以下のようにして求められ、設計ルールデータベース１１２にあらかじめ格納されたものである。
【００３６】
各因子（ｘｋ：ｋ＝１〜ｎ）について適当な範囲の水準を決定し、各因子及び水準をＬ１８またはＬ３６の直交表に割り当てる。この直交表を用いた、各条件におけるデータ解析は、シミュレーションにより行われてもよいし、実験に基づき行われてもよい。データ解析の結果、各因子ごとに、Ｓ／Ｎ比を算出するための数式（ηｋ＝ｆｋ（ｘ）：ｋ＝１〜ｎ）が得られる。これらの数式は、図４に示すような、Ｓ／Ｎ比と因子の値との関係を示す要因効果図を表している。
【００３７】
はんだ接続評価部１３は、ユーザの入力データにより規定される新規構造のＳ／Ｎ比ηnewを求めるため、次式を用いて、各注目点（ここではＮ個とする）におけるＳ／Ｎ比ηnewｊ（ｊ＝１〜Ｎ）を算出する。
【００３８】
【数１】
これにより、Ｎ個のηnew１〜ηnewＮが得られたら、はんだ接続評価部１３は、これらのなかから最小値を抽出し、この最小値を新規構造のＳ／Ｎ比ηnewとする（Ｆ４）。すなわち、Ｎ個の着目点のうち、最も寿命の短い箇所を抽出し、その箇所のＳ／Ｎ比を新規構造のＳ／Ｎ比ηnewとする。
【００３９】
その後、はんだ接続評価部１３は、実験により得られた寿命サイクルＣｂ及びＳ／Ｎ比ηｂをデータ記憶部１１から読み出し、この寿命Ｃｂと新規構造のＳ／Ｎ比ηnewとから新規構造体の推定寿命Ｃnewを、以下のように算出する（Ｆ５）。
【００４０】
ηnew−ηｂ ＝−１０log(σnew)２＋１０log(σｂ)２
＝２０log(σｂ／σnew)
α＝１０（ηnew−ηｂ）／２０
ただし、α＝σｂ／σnew
Ｃnew＝αＣｂ
このようにして、新規構造体の推定寿命Ｃnewを算出したら、はんだ接続評価部１３は、目標寿命の入力を、出力制御部１５を介してユーザに要求する(Ｆ６)。ここでは、目標寿命の入力は、はんだ接続部の推定寿命の算出後に要求されているが、はんだ接続部の推定寿命の算出前に要求されてもよい。
【００４１】
はんだ接続評価部１３は、新規構造体の推定寿命Ｃnewと目標寿命とを比較し、新規構造体の推定寿命Ｃnewが目標寿命を超えたか否かを判断する（Ｆ７）。
【００４２】
その結果、新規構造体の推定寿命Ｃnewが目標寿命を超える場合には、はんだ接続評価部１３は、ユーザの入力データにより規定される新規構造体が合格であると判断し、その旨を、出力制御部１５を介して出力する。
【００４３】
一方、新規構造体の推定寿命Ｃnewが目標寿命以下である場合には、はんだ接続評価部１３は、新規構造体が不合格であると判断し、目標寿命を満足する構造体にするための指針を、出力制御部１５を介して提示する。例えば、新規構造体の寿命を目標寿命に近づけるには、各因子の値をどのように変化させればよいかを、図４の要因効果図に示した関係を表す数式から求め、それを指針として示す（Ｆ１１）。
【００４４】
ユーザが、この指針に基づき、検討対象モデル、材料を再度選択すると、新たな条件下で、以上と同様な処理が実行される。これにより、最終的に、最も長寿命な構造を得ることができる。なお、ユーザが材料を再選択する際に、構造上または設計上、変更不可な因子を選択する機能があってもよい。
【００４５】
このような簡易解析処理によれば、多くの時間の要する有限要素法を利用しないため、はんだ接続部の寿命を短時間で予測することができる。また、はんだ接続部の寿命を長くするための指針が提示されるため、はんだ接続の寿命予測に関する知見を有していないユーザであっても、簡単に、目標寿命を満たす構造体を得ることができる。このため、開発期間の短縮を図ることができる。
【００４６】
なお、本実施の形態においては、材料物性値データ、境界条件、温度条件の順番にデータ設定が行われているが、必ずしも、この順番通りにデータ設定が行われる必要はない。例えば、材料物性値データの前に温度条件の設定が行われてもよい。
【００４７】
また、本実施の形態においてはタグチメソッドを利用しているが、実験計画法を利用してもよい。
（２）詳細解析処理
図５に、詳細解析処理のフローチャートを示す。
【００４８】
簡易解析処理の場合と同様に、ユーザが、複数の基本モデルデータが表すモデル（例えば図２のモデル）のなかから、いずれかひとつのモデルを検討対象モデルとして指示し(Ｆ２１)、さらに、検討対象モデルの寸法、部材等の材料物性値（縦弾性係数、線膨張係数、ポアソン比、降伏応力、加工硬化係数等）の設定、境界条件（拘束箇所、温度履歴等）及び温度条件（最高温度、最低温度及び保持時間により規定される温度サイクル条件等）を入力する(Ｆ２２〜Ｆ２３)。なお、基本モデルデータに、あらかじめ拘束箇所が定められている場合には、簡易解析処理の場合と同様、ユーザは、境界条件として拘束条件を入力する必要はない。また、材料物性値データは、簡易解析処理及びＣＡＤ解析処理と共用であってもよい。
【００４９】
つぎに、はんだ接続評価部１３は、以下のように推定寿命を算出する。
【００５０】
ここでは、簡易解析処理よりも精度よく推定寿命を導出する必要があるため、はんだ接続評価部１３は、ユーザからの入力データを用いてモデルを作成し、さらにモデルのメッシュ分割を行う。破断しやすいバンプ箇所の存在が予測される場合には、そのバンプの近傍をより詳細にモデル化するとともに、より詳細にメッシュ分割する。このモデルを用いて、有限要素法のソフトウェアにより歪み振幅が算出される（Ｆ２４）。なお、有限要素法を用いた処理は、情報処理装置１で行われてもよいし、大型計算機等で行われてもよい。
【００５１】
はんだ接続評価部１３は、歪み振幅と寿命サイクルとの関係を表す数式（はんだ接続寿命予測式）を用いて、有限要素法により算出された歪み振幅から推定寿命を算出する（Ｆ２５）。
【００５２】
ここで用いられる数式は、以下のようにして求められ、設計ルールデータベース１１２にあらかじめ格納されたものである。
【００５３】
はんだ接続部を含む任意の形状のテストサンプルに対して温度サイクル試験を行って、適当数の温度サイクルごとにはんだ接続部内のクラック進展状況を観察する。そして、温度変化に伴いはんだ接続部に発生する亀裂長さを測定し、この亀裂長さに基づいて、はんだ接続部の破断寿命を予測する。一方において、テストサンプルと同じ形状についてシミュレーションを行って、クラックの発生箇所の歪み振幅または歪み(図６参照)を算出する。以上より、温度サイクル試験により得られた破断寿命と、シミュレーションにより得られた歪み振幅または歪みとの対応データが求められる。このような対応データを複数求めることにより、図７に示すようなはんだ寿命予測曲線が得られる。このはんだ寿命予測曲線を数式化することによって、はんだ接続寿命予測式が得られる。このはんだ接続寿命予測式は、サンプルのデータに基づき作成されているため、歪みにはクリープ歪みが含まれる。
【００５４】
このようなはんだ接続寿命予測式を用いることにより、新規構造のサンプルを作成しなくても、シミュレーションで歪み振幅または歪みを求めるだけで推定寿命を算出することができる。
【００５５】
その後、簡易解析処理の場合と同様に、はんだ接続評価部１３は、ユーザから目標寿命の入力を受け付け（Ｆ２６）、この目標寿命と推定寿命とを比較することによって、推定寿命が目標寿命を超えたか否かを判断する（Ｆ２７）。
【００５６】
その結果、推定寿命が目標寿命を超える場合には、はんだ接続評価部１３は、簡易解析処理の場合と同様、ユーザの入力データにより規定される新規構造体が合格である旨を出力する。
【００５７】
一方、推定寿命が目標寿命以下である場合には、はんだ接続評価部１３は、目標寿命を満足する構造体にするための指針（簡易解析処理と同様に、図４の要因効果図に示した関係を表す数式から求められた指針）を、出力制御部１５を介して提示する（Ｆ２８）。ユーザが、この指針に基づき、検討対象モデル及び材料を再度選択すると、新たな条件の下で再度同様な演算処理が実行される。これにより、最終的に、目標寿命を満たす構造を得ることができる。なお、ユーザが材料を再選択する際に、構造上または設計上、変更不可な因子を選択する機能があってもよい。
【００５８】
このような詳細解析処理によれば、有限要素法が利用されるため、はんだ接続部の寿命をより精度よく算出することができる。
（３）ＣＡＤ解析処理
図８に、ＣＡＤ解析処理のフローチャートを示す。
【００５９】
ユーザが別途作成した１以上の設計データ（ＣＡＤデータ）が例えばデータ記憶部１１に格納されている場合、データインポート部１４は、ユーザが指定したＣＡＤデータをインポートし、はんだ接続評価部１３に渡す（Ｆ１０１）。
【００６０】
その後、ユーザが、ＣＡＤデータが表す構造に含まれる各部材等の材料物性値データの設定、境界条件（拘束条件、温度履歴等）及び温度条件（最高温度、最低温度、保持時間等により規定される温度サイクル条件等）を入力する(Ｆ１０２，Ｆ１０３)。なお、材料物性値データの設定は、簡易解析処理及び詳細解析処理と同様、材料データベース１１１の登録部品等の一覧からの選択または新たな数値の入力により行うことができる。
【００６１】
その後、はんだ接続評価部１３は、寿命を精度よく算出するため、有限要素法等を用いて、以下のように推定寿命を算出する。
【００６２】
はんだ接続評価部１３は、ＣＡＤデータに対してメッシュ分割を行う。このメッシュ分割は、メッシュ分割プログラムによって行われてもよいし、ユーザがメッシュを指定してもよい。
【００６３】
その後、はんだ接続評価部１３は、例えば、詳細解析処理の場合と同様な、歪み振幅または歪みと寿命サイクルとの関係を表す数式を用いる演算処理（Ｆ２４〜Ｆ２５）によって、ＣＡＤデータが表す新規構造の推定寿命を算出し（Ｆ１０４〜Ｆ１０５）、その推定寿命が、ユーザ入力の目標寿命を満たすか否か判断する（Ｆ１０６〜Ｆ１０７）。
【００６４】
その結果、推定寿命が目標寿命を超える場合には、はんだ接続評価部１３は、詳細解析処理の場合と同様、新規構造体が合格である旨を、出力制御部１５を介して出力する。
【００６５】
一方、推定寿命が目標寿命以下である場合には、はんだ接続評価部１３は、詳細解析処理の場合と同様な処理により、目標寿命を満足する構造体にするための指針を、出力制御部１５を介して提示する（Ｆ１０８）。ここで、ユーザが、この指針に基づき、検討対象モデル及び材料を再度選択すれば、新たな条件の下で再度同様な演算処理が実行される。
【００６６】
このようなＣＡＤ解析処理によれば、あらかじめ準備された基本モデル以外の形状の構造体、すなわち、ユーザが作成したＣＡＤデータが表す構造体の熱疲労寿命を、有限要素法を用いて精度よく算出することができる。
【００６７】
ところで、はんだ接続部の主要な破壊形態には、熱疲労破壊の他、落下等により衝撃が加わったときに発生する、パッドとはんだとの間の金属間化合物の成長に起因する界面破壊がある。本実施の形態に係るはんだ接続部評価システムは、このような界面の信頼性も予測可能である。以下、図９により、界面信頼性予測処理について説明する。
【００６８】
はんだ接合部の界面破壊は２つのモードに大別される。一方のモード（第１のモード）においては、リフローまたは温度サイクル時等に、はんだとパット部のメタライズとが反応して形成される金属間化合物が厚く成長することにより、はんだとメタライズとの界面の耐衝撃性が低下する。他方のモード(第２のモード)においては、そのような化合物が成長して、メタライズのすべてがはんだと反応することにより、メタライズとはんだとの界面の耐衝撃性が低下する。以下においては、両モードの界面破壊に対する、はんだ接合部の信頼性を予測する。
【００６９】
ユーザが、入力装置３を用いて、はんだ材及びメタライズ材を選択または入力し、さらにメタライズの初期厚さを入力すると（Ｓ１）、はんだ接続評価部１３は、ユーザが選択したはんだ材及びメタライズ材の材料物性値データ（ここでは、例えば、拡散定数、活性化エネルギー等）を材料データベース１１１から読み出す。なお、はんだ材及びメタライズ材として新規な材料を用いる場合には、ユーザは、それらの材料の名称及び材料物性値データを入力すればよい。このとき、はんだ接続評価部１３は、入力された材料物性値データを、次回以降の演算において利用するため、入力された名称に対応付けて材料データベース１１１に登録する。
【００７０】
その後、ユーザが、入力装置３を用いて、数種類のプロファイルや繰り返しリフローに対応可能な構成のリフロープロファイル及び温度サイクル条件を入力する（Ｓ２）。例えば、リフロープロファイルには、最高温度、溶融時間等が含まれ、温度サイクル条件には、最高温度、最低温度、保持時間等が含まれる。なお、寿命予測システムは、リフロープロファイルの適正化に対応可能であってもよいが、それについては後述する。
【００７１】
はんだ接続評価部１３は、以下のように、ユーザの入力データに基づき、化合物成長厚さに関する界面信頼性、及び、メタライズ残存厚さに関する界面信頼性を評価する。
【００７２】
はんだ接続評価部１３は、リフローによる熱付加と温度サイクルによる熱付加との和、または、それらの熱付加のうちのいづれか一方を算出する（Ｓ３）。さらに、はんだ接続評価部１３は、成長した化合物の成長厚さを、保持時間及び保持温度に基づき算出する（Ｓ４）。
【００７３】
また、はんだ接続評価部１３は、化合物の成長厚さからメタライズ消費厚さを算出し（Ｓ５）、このメタライズ消費厚さとメタライズの初期厚さとの比較によって、メタライズ残存厚さを算出する（Ｓ６）。
【００７４】
その後、はんだ接続評価部１３は、Ｓ６で求めたメタライズ残存厚さから分かる、残存メタライズの有無に基づき、メタライズ残存厚さに関する界面信頼性の合否を判定する。また、はんだ接続評価部１３は、材料データベース１１１の界面破壊モードデータと、Ｓ３で求めた熱付加値とを比較することにより、化合物成長厚さに関する界面信頼性の合否を判定する（Ｓ７）。その後、はんだ接続評価部１３は、界面信頼性の評価結果、及び、化合物成長厚さを、出力制御部１５を介して出力装置２に表示させる。その後、必要に応じて改善指針を提示する（Ｓ８）。例えば、実環境または試験環境の温度変化により成長する化合物厚さと初期パッド厚さとを比較し、必要な初期パッド厚さを提示したり、次述のリフロープロファイル適正化処理により得られる適正なリフロー条件を提示してもよい。
【００７５】
最後に、リフロープロファイル適正化処理について説明する。
【００７６】
ユーザが入力した構造について、材料データベース１１１に登録された界面破壊強度データに基づき界面破壊強度の判定を行う。そして、界面破壊強度が低下しないリフロー条件を抽出し、それを提示する。
【００７７】
本発明により、電子部品と配線を有する基板または複数の電子部品をはんだにより接続した構造体のはんだ接続部の寿命予測を行う解析システムに関して、温度変化、衝撃が生じた際の接続寿命を計算により導出して表示する機能を備え、あらかじめ蓄積しておいたデータをもとに合否判断及び長寿命化指針を提示することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の一実施形態に係るはんだ接続部評価システムの概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る基本モデルデータが表すモデルの構造例を示した図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る簡易解析処理のフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態に係る要因効果図の例を示した図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る詳細解析処理のフローチャートである。
【図６】本発明の一実施形態に係る、応力と歪みまたは歪み振幅との関係図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る寿命予測曲線の例を示した図である。
【図８】本発明の一実施形態に係るＣＡＤ解析処理のフローチャートである。
【図９】本発明の一実施形態に係る界面信頼性予測処理のフローチャートである。
【符号の説明】
【００７９】
１…情報処理装置、２…出力装置、３…入力装置、１１…データ記憶部、１２…入力制御部、１３…はんだ接続評価部、１４…データインポート部、１５…出力制御部、１１１…材料データベース、１１２…設計ルールデータベース
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品間のはんだ接続部の寿命を予測するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
はんだ接続部の寿命予測は、通常、テストサンプルに対して、温度サイクル試験、高温高湿試験等の加速試験を行い、その結果に基づき合否を判定することによって行われている。それとともにテストサンプルまたは実構造のモデルを用いたシミュレーションを行うことにより、はんだ接続部の寿命予測が効率よく行われることもある。
【０００３】
シミュレーションによってはんだ接続部の寿命を予測するシステムとして、特許文献１記載のシステムが知られている。このシステムにおいては、モデルを用いた有限要素解析によって、負荷によって生じる全歪みを表す数式（弾性歪み、塑性歪み及び粘性歪みの和）から応力−歪み関係が求められ、さらに、この応力−歪み関係に基づき、繰り返し負荷に対する破断寿命及び余寿命が算出される。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２７００６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１記載のシステムにおいては、全歪みが、弾性歪み、塑性歪み及び粘性歪みの和で表されるため、モデルが詳細になるにつれ、有限要素解析の演算処理に相当の時間がかかる。また、特許文献１記載のシステムにおいては、衝撃による負荷が生じた場合のはんだ接続部の界面信頼性について考慮されていない。
【０００６】
そこで、本発明は、ユーザが、はんだ接続部の熱疲労寿命をより迅速に予測することができるはんだ接続部評価システムを提供することを目的とする。また、本発明は、衝撃による負荷が生じた場合のはんだ接続部の界面信頼性を評価可能なはんだ接続部評価システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、
電子部品と配線基板との間、２つの電子部品の間、及び、２枚の基板の間のいずれかが評価対象はんだ接続部で接続された構造体の前記評価対象はんだ接続部の寿命を予測するはんだ接続部評価システムであって、
温度変化による繰り返し負荷が与えられた場合における、はんだ接続部の寿命に関連する因子の値と当該はんだ接続部の寿命との関係を表すデータが格納された記憶手段と、
前記検討対象はんだ接続部について、前記因子の値の入力を受け付ける入力手段と、
前記記憶手段に格納された前記データと、前記入力手段が受け付けた因子の値とに基づき、前記検討対象はんだ接続部の予測寿命を算出するはんだ接続評価手段と、
を備えることを特徴とするはんだ接続部評価システムが提供される。
【０００８】
また、本発明は、
電子部品と配線基板との間、２つの電子部品の間、及び、２枚の基板の間のいずれかが評価対象はんだ接続部で接続された構造体の前記評価対象はんだ接続部の信頼性を評価するはんだ接続部評価システムであって、
初期接続時または温度変化時に前記配線基板または前記電子部品のメタライズと、前記はんだ接続部を形成するはんだとの間に生成される金属間化合物の厚さを算出し、衝撃による負荷が生じた場合の前記はんだ接続部の信頼性を、前記金属間化合物層の厚さに基づき評価することを特徴とするはんだ接続評価手段を備えることを特徴とするはんだ接続部評価システムを提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、はんだ接続部の寿命をより迅速に予測することができる。また、衝撃による負荷が生じた場合のはんだ接続部の界面信頼性を評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明に係る一実施形態について説明する。
【００１１】
まず、図１により、本実施形態に係るはんだ接合部寿命予測システムの全体構成について説明する。
【００１２】
はんだ接合部寿命予測システムは、情報処理装置１、情報処理装置１に接続された外部装置（ディスプレイ等の出力装置２、キーボード等の入力装置３）等、を有している。
【００１３】
ここで、情報処理装置１は、外部からの指示に応じてプログラムを実行可能なコンピュータとしての通常のハードウエア構成（プログラム及びデータが格納されたハードディスク、メモリ、ハードディスクからメモリにロードしたプログラムを実行するＣＰＵ、外部装置が接続されるインタフェース等）を有している。そして、この情報処理装置は、このようなハードウエア構成上における所定のプログラムの実行により、電子機器（電子部品と配線基板との間、２つの電子部品の間、及び、２枚の基板の間のいずれかがはんだ接続部で接続された構造体）について、熱疲労を受けるはんだ接続部の寿命（熱疲労寿命）及びはんだ接続部の界面信頼性を予測する以下の機能構成を実現する。
【００１４】
情報処理装置１は、はんだ接続部の熱疲労寿命及び界面信頼性の予測等に必要なデータが格納されたデータ記憶部１１、ユーザからの入力データ（入力装置３からのデータ）を受け付ける入力制御部１２、ユーザからの入力データ（接続構造、接続条件、要求信頼性等）及びデータ記憶部１１の格納情報に基づきはんだ接続部の熱疲労寿命を予測するはんだ接続評価部１３、はんだ接続評価部１３にＣＡＤデータを渡すデータインポート部１４、はんだ接続評価部１３の演算結果（熱疲労破壊及び衝撃破壊に対する信頼性判定結果、寿命がより長い構造を得るための指針）を出力装置２に出力する出力制御部１５、を実現する。
【００１５】
データ記憶部１１には、あらかじめ、２種類のデータベース１１１,１１２が格納されている。また、データ記憶部１１には、後述のＣＡＤ解析処理で用いられるＣＡＤデータ１１３が格納されることもある。
【００１６】
２種類のデータベースのうち、一方のデータベース（材料データベース）１１１には、電子機器を構成する部品または材料（プリント基板、セラミック基板、シリコンチップ、メタライズ材、はんだ材等）ごとに、部品名または材料名、構造解析に必要とされる材料物性値データが登録されている。また、材料データベース１１１には、さらに、はんだ熱疲労強度データ、界面破壊モードを表す界面破壊モードデータが登録されている。
【００１７】
材料物性値データには、例えば、縦弾性係数、線膨張係数、ポアソン比、降伏応力、加工硬化係数、拡散定数、活性化エネルギー等が含まれる。その他、材料物性値データには、温度依存データが含まれていてもよい。
【００１８】
界面破壊モードデータには、リフロー条件（保持時間、保持温度）と、そのリフロー条件で作成したサンプルの落下試験またはシェア試験により得られた界面破壊強度値と、が含まれている。この界面破壊モードデータは、後述の界面信頼性予測処理及びリフロープロファイル適正化処理において用いられる。
【００１９】
他方のデータベース（設計ルールデータベース）１１２には、あらかじめ拘束箇所が定められた基本モデルデータ、実験で得られた寿命サイクルＣｂ、実験に用いた構造体のＳ／Ｎ比、実験により求められた各種数式（はんだ熱疲労寿命予測式及び界面信頼性予測式等）が格納されている。
【００２０】
また、複数の基本モデルデータのなかには、例えば、図２に示すような、はんだ接続部を含む一般的な構造のモデルを表す基本モデルデータが４タイプ含まれている。ここで挙げた４タイプの基本モデルデータは、以下のような構造のモデルを表現するものである。
タイプ１の構造：配線基板２２上に配線基板または電子部品（パッケージ部品等）２０が搭載され、電子部品等２０と基板２２との間は、複数のはんだ接続部２１で接続されている。
タイプ２の構造：タイプ１の構造におけるはんだ接続部２１が樹脂２３で封止されている。
タイプ３の構造：配線基板２２上に配線基板または電子部品２０が搭載されている。電子部品２０等と基板２２との間は、複数のはんだ接続部２１で接続されている。電子部品２０等の上には、電子部品(チップ、パッケージ等)２４が搭載され、電子部品２４と電子部品２０等との間は、はんだ２５で接続されている。
タイプ４の構造：タイプ３の構造におけるはんだ接続部２１が樹脂２３で封止されている。
【００２１】
後述の簡易解析処理及び詳細解析処理において、ユーザは、これらの基本モデルのなかから、熱疲労寿命を検討すべき構造のモデルまたはその構造に近似する構造のモデルを検討対象モデルとして選択する。なお、図２に示した構造は一例であり、必ずしも、この通りの構造のモデルを表すモデルデータが基本モデルデータとしてデータ記憶部１１に格納されている必要はない。
【００２２】
つぎに、本実施の形態に係るはんだ接合部寿命予測システムにおいて実行されるはんだ接合部寿命予測処理について説明する。ここでは、はんだ接合部寿命予測処理を、設計の初期段階から最終段階までの各段階に適した以下の３種類の解析処理に分類する。
【００２３】
（１）簡易解析処理
設計の初期段階においては、多数のはんだ接続構造のなかから、より適切なはんだ接続構造を絞り込む必要がある。このため、ユーザは、複数のはんだ接続構造の信頼性の傾向を短時間でつかむ必要がある。このような場合には、有限要素法による演算を行わずに、複数のはんだ接続構造の信頼性を簡易かつ迅速に導出することができる簡易解析処理が用いられる。
【００２４】
（２）詳細解析処理
はんだ接続構造がある程度絞り込まれた段階では、絞り込みにより得られた複数のはんだ接続構造の順位付けが行われる。このような順位付けを行うため、ユーザは、絞り込みにより得られた複数のはんだ接続部の熱疲労寿命を正確に把握する必要がある。このような場合には、複数のはんだ接続部の寿命を精度よく予測可能な詳細解析処理が用いられる。
【００２５】
（３）ＣＡＤ解析処理
設計の最終段階では、ユーザは、実製品に適用されるはんだ接続部の正確な熱疲労寿命を把握する必要がある。このような場合には、実製品に適用される形状のはんだ接続部の熱疲労寿命を精度よく予測することができるＣＡＤ解析処理が用いられる。
【００２６】
以下、これら３種類の解析処理についてそれぞれ説明する。ここでは、情報処理装置１上においてすでに所定のプログラムが起動され、上述の機能構成が実現されていることとする。
【００２７】
（１）簡易解析処理
図３に、簡易解析処理のフローチャートを示す。
【００２８】
ユーザが、入力装置３を用いて、複数の基本モデルデータが表すモデル（例えば図２のモデル）のなかから、いずれかひとつのモデルを検討対象モデルとして指示すると(Ｆ１)、はんだ接続評価部１３は、検討対象モデルの寸法の入力を、出力制御部１５を介して要求する。ここで、ユーザが、入力装置３を用いて、例えば、基板の寸法（縦寸法×横寸法）、基板の厚さ、はんだボールの径、バンプピッチ等の、検討対象モデルの解析に必要な寸法値を入力すると、入力制御部１２は、それらの寸法値をはんだ接続評価部１３に与える(Ｆ２)。
【００２９】
その後、はんだ接続評価部１３の指示に応じて、出力制御部１５が、材料データベース１１１の登録部品等の一覧を出力装置２に表示させる。ユーザが、この一覧のなかから、検討対象モデルに使用すべき部品または材料を選択すると、はんだ接続評価部１３は、一覧のなかから選択された部品等の材料物性値データを材料データベース１１１から読み出し、それらの材料物性値データを、検討対象モデルに含まれる部品等の材料物性値データとして保持する。ただし、検討対象モデルに含まれる部品等として、材料データベース１１１に未登録の新規部品等を用いる場合には、ユーザは、その部品等の名称及び材料物性値データを、入力装置３を用いて入力すればよい。このとき、はんだ接続評価部１３は、入力された材料物性値データを、検討対象モデルに含まれる部品等の材料物性値データとして保持するとともに、次回以降の演算において利用するため、入力された名称に対応付けて材料データベース１１１に登録する。
【００３０】
つぎに、はんだ接続評価部１３は、境界条件（拘束箇所、温度履歴等）及び温度条件（最高温度、最低温度及び保持時間により規定される温度サイクル条件等）の入力を、出力制御部１５を介して要求する。ここで、基本モデルデータに、あらかじめ拘束箇所が定められている場合には、ユーザは、境界条件として拘束条件を入力する必要はない。
【００３１】
これに応じてユーザが適当なデータを入力して(Ｆ３)、以下の解析に必要データの入力が終了すると、はんだ接続評価部１３は、有限要素法を利用せずに、検討対象モデルに含まれるはんだ接合部の熱疲労寿命を算出する。具体的には、以下の通りである。
【００３２】
ここでは、タグチメソッドを利用して、各部材の寸法及び材料物性値と熱疲労寿命との関係を求める場合を例に挙げる。
【００３３】
まず、はんだ接続部の熱疲労寿命に影響を及ぼす可能性のある因子の値を、ユーザの入力データのなかから抽出する。例えば、そのような因子として、基板の寸法（縦寸法×横寸法）、基板の厚さ寸法、基板の縦弾性係数、基板の線膨張係数、はんだの縦弾性係数、はんだの線膨張係数、はんだの高さ、はんだのピッチ、チップのサイズ（縦寸法×横寸法）、チップの厚さ等が挙げられる。これらは、はんだ接続部の熱疲労寿命に影響を及ぼす可能性のある因子の一例であり、さらに他の因子が存在している場合には、その因子が追加されてもよい。
【００３４】
まず、はんだ接続評価部１３は、検討対象モデルの各はんだ接続部について、因子ごとに、Ｓ／Ｎ比を算出するための数式（ηｋ＝ｆｋ（ｘｋ）：ｋ＝１〜ｎ）を設計ルールデータベース１１２から読み出し、それらの数式と各因子の値（ｘｋ：ｋ＝１〜ｎ）とから、Ｓ／Ｎ比を求める。例えば、最もコーナにあるはんだ接続部とその隣のはんだ接続部とに着目している場合には、２種類のＳ／Ｎ比（η１〜ηｎ）が求められる。
【００３５】
ここで用いられる、Ｓ／Ｎ比の算出式（ηｋ＝ｆｋ（ｘｋ）：ｋ＝１〜ｎ）は、基本モデルごとに、それぞれ、以下のようにして求められ、設計ルールデータベース１１２にあらかじめ格納されたものである。
【００３６】
各因子（ｘｋ：ｋ＝１〜ｎ）について適当な範囲の水準を決定し、各因子及び水準をＬ１８またはＬ３６の直交表に割り当てる。この直交表を用いた、各条件におけるデータ解析は、シミュレーションにより行われてもよいし、実験に基づき行われてもよい。データ解析の結果、各因子ごとに、Ｓ／Ｎ比を算出するための数式（ηｋ＝ｆｋ（ｘ）：ｋ＝１〜ｎ）が得られる。これらの数式は、図４に示すような、Ｓ／Ｎ比と因子の値との関係を示す要因効果図を表している。
【００３７】
はんだ接続評価部１３は、ユーザの入力データにより規定される新規構造のＳ／Ｎ比ηnewを求めるため、次式を用いて、各注目点（ここではＮ個とする）におけるＳ／Ｎ比ηnewｊ（ｊ＝１〜Ｎ）を算出する。
【００３８】
【数１】
これにより、Ｎ個のηnew１〜ηnewＮが得られたら、はんだ接続評価部１３は、これらのなかから最小値を抽出し、この最小値を新規構造のＳ／Ｎ比ηnewとする（Ｆ４）。すなわち、Ｎ個の着目点のうち、最も寿命の短い箇所を抽出し、その箇所のＳ／Ｎ比を新規構造のＳ／Ｎ比ηnewとする。
【００３９】
その後、はんだ接続評価部１３は、実験により得られた寿命サイクルＣｂ及びＳ／Ｎ比ηｂをデータ記憶部１１から読み出し、この寿命Ｃｂと新規構造のＳ／Ｎ比ηnewとから新規構造体の推定寿命Ｃnewを、以下のように算出する（Ｆ５）。
【００４０】
ηnew−ηｂ ＝−１０log(σnew)２＋１０log(σｂ)２
＝２０log(σｂ／σnew)
α＝１０（ηnew−ηｂ）／２０
ただし、α＝σｂ／σnew
Ｃnew＝αＣｂ
このようにして、新規構造体の推定寿命Ｃnewを算出したら、はんだ接続評価部１３は、目標寿命の入力を、出力制御部１５を介してユーザに要求する(Ｆ６)。ここでは、目標寿命の入力は、はんだ接続部の推定寿命の算出後に要求されているが、はんだ接続部の推定寿命の算出前に要求されてもよい。
【００４１】
はんだ接続評価部１３は、新規構造体の推定寿命Ｃnewと目標寿命とを比較し、新規構造体の推定寿命Ｃnewが目標寿命を超えたか否かを判断する（Ｆ７）。
【００４２】
その結果、新規構造体の推定寿命Ｃnewが目標寿命を超える場合には、はんだ接続評価部１３は、ユーザの入力データにより規定される新規構造体が合格であると判断し、その旨を、出力制御部１５を介して出力する。
【００４３】
一方、新規構造体の推定寿命Ｃnewが目標寿命以下である場合には、はんだ接続評価部１３は、新規構造体が不合格であると判断し、目標寿命を満足する構造体にするための指針を、出力制御部１５を介して提示する。例えば、新規構造体の寿命を目標寿命に近づけるには、各因子の値をどのように変化させればよいかを、図４の要因効果図に示した関係を表す数式から求め、それを指針として示す（Ｆ１１）。
【００４４】
ユーザが、この指針に基づき、検討対象モデル、材料を再度選択すると、新たな条件下で、以上と同様な処理が実行される。これにより、最終的に、最も長寿命な構造を得ることができる。なお、ユーザが材料を再選択する際に、構造上または設計上、変更不可な因子を選択する機能があってもよい。
【００４５】
このような簡易解析処理によれば、多くの時間の要する有限要素法を利用しないため、はんだ接続部の寿命を短時間で予測することができる。また、はんだ接続部の寿命を長くするための指針が提示されるため、はんだ接続の寿命予測に関する知見を有していないユーザであっても、簡単に、目標寿命を満たす構造体を得ることができる。このため、開発期間の短縮を図ることができる。
【００４６】
なお、本実施の形態においては、材料物性値データ、境界条件、温度条件の順番にデータ設定が行われているが、必ずしも、この順番通りにデータ設定が行われる必要はない。例えば、材料物性値データの前に温度条件の設定が行われてもよい。
【００４７】
また、本実施の形態においてはタグチメソッドを利用しているが、実験計画法を利用してもよい。
（２）詳細解析処理
図５に、詳細解析処理のフローチャートを示す。
【００４８】
簡易解析処理の場合と同様に、ユーザが、複数の基本モデルデータが表すモデル（例えば図２のモデル）のなかから、いずれかひとつのモデルを検討対象モデルとして指示し(Ｆ２１)、さらに、検討対象モデルの寸法、部材等の材料物性値（縦弾性係数、線膨張係数、ポアソン比、降伏応力、加工硬化係数等）の設定、境界条件（拘束箇所、温度履歴等）及び温度条件（最高温度、最低温度及び保持時間により規定される温度サイクル条件等）を入力する(Ｆ２２〜Ｆ２３)。なお、基本モデルデータに、あらかじめ拘束箇所が定められている場合には、簡易解析処理の場合と同様、ユーザは、境界条件として拘束条件を入力する必要はない。また、材料物性値データは、簡易解析処理及びＣＡＤ解析処理と共用であってもよい。
【００４９】
つぎに、はんだ接続評価部１３は、以下のように推定寿命を算出する。
【００５０】
ここでは、簡易解析処理よりも精度よく推定寿命を導出する必要があるため、はんだ接続評価部１３は、ユーザからの入力データを用いてモデルを作成し、さらにモデルのメッシュ分割を行う。破断しやすいバンプ箇所の存在が予測される場合には、そのバンプの近傍をより詳細にモデル化するとともに、より詳細にメッシュ分割する。このモデルを用いて、有限要素法のソフトウェアにより歪み振幅が算出される（Ｆ２４）。なお、有限要素法を用いた処理は、情報処理装置１で行われてもよいし、大型計算機等で行われてもよい。
【００５１】
はんだ接続評価部１３は、歪み振幅と寿命サイクルとの関係を表す数式（はんだ接続寿命予測式）を用いて、有限要素法により算出された歪み振幅から推定寿命を算出する（Ｆ２５）。
【００５２】
ここで用いられる数式は、以下のようにして求められ、設計ルールデータベース１１２にあらかじめ格納されたものである。
【００５３】
はんだ接続部を含む任意の形状のテストサンプルに対して温度サイクル試験を行って、適当数の温度サイクルごとにはんだ接続部内のクラック進展状況を観察する。そして、温度変化に伴いはんだ接続部に発生する亀裂長さを測定し、この亀裂長さに基づいて、はんだ接続部の破断寿命を予測する。一方において、テストサンプルと同じ形状についてシミュレーションを行って、クラックの発生箇所の歪み振幅または歪み(図６参照)を算出する。以上より、温度サイクル試験により得られた破断寿命と、シミュレーションにより得られた歪み振幅または歪みとの対応データが求められる。このような対応データを複数求めることにより、図７に示すようなはんだ寿命予測曲線が得られる。このはんだ寿命予測曲線を数式化することによって、はんだ接続寿命予測式が得られる。このはんだ接続寿命予測式は、サンプルのデータに基づき作成されているため、歪みにはクリープ歪みが含まれる。
【００５４】
このようなはんだ接続寿命予測式を用いることにより、新規構造のサンプルを作成しなくても、シミュレーションで歪み振幅または歪みを求めるだけで推定寿命を算出することができる。
【００５５】
その後、簡易解析処理の場合と同様に、はんだ接続評価部１３は、ユーザから目標寿命の入力を受け付け（Ｆ２６）、この目標寿命と推定寿命とを比較することによって、推定寿命が目標寿命を超えたか否かを判断する（Ｆ２７）。
【００５６】
その結果、推定寿命が目標寿命を超える場合には、はんだ接続評価部１３は、簡易解析処理の場合と同様、ユーザの入力データにより規定される新規構造体が合格である旨を出力する。
【００５７】
一方、推定寿命が目標寿命以下である場合には、はんだ接続評価部１３は、目標寿命を満足する構造体にするための指針（簡易解析処理と同様に、図４の要因効果図に示した関係を表す数式から求められた指針）を、出力制御部１５を介して提示する（Ｆ２８）。ユーザが、この指針に基づき、検討対象モデル及び材料を再度選択すると、新たな条件の下で再度同様な演算処理が実行される。これにより、最終的に、目標寿命を満たす構造を得ることができる。なお、ユーザが材料を再選択する際に、構造上または設計上、変更不可な因子を選択する機能があってもよい。
【００５８】
このような詳細解析処理によれば、有限要素法が利用されるため、はんだ接続部の寿命をより精度よく算出することができる。
（３）ＣＡＤ解析処理
図８に、ＣＡＤ解析処理のフローチャートを示す。
【００５９】
ユーザが別途作成した１以上の設計データ（ＣＡＤデータ）が例えばデータ記憶部１１に格納されている場合、データインポート部１４は、ユーザが指定したＣＡＤデータをインポートし、はんだ接続評価部１３に渡す（Ｆ１０１）。
【００６０】
その後、ユーザが、ＣＡＤデータが表す構造に含まれる各部材等の材料物性値データの設定、境界条件（拘束条件、温度履歴等）及び温度条件（最高温度、最低温度、保持時間等により規定される温度サイクル条件等）を入力する(Ｆ１０２，Ｆ１０３)。なお、材料物性値データの設定は、簡易解析処理及び詳細解析処理と同様、材料データベース１１１の登録部品等の一覧からの選択または新たな数値の入力により行うことができる。
【００６１】
その後、はんだ接続評価部１３は、寿命を精度よく算出するため、有限要素法等を用いて、以下のように推定寿命を算出する。
【００６２】
はんだ接続評価部１３は、ＣＡＤデータに対してメッシュ分割を行う。このメッシュ分割は、メッシュ分割プログラムによって行われてもよいし、ユーザがメッシュを指定してもよい。
【００６３】
その後、はんだ接続評価部１３は、例えば、詳細解析処理の場合と同様な、歪み振幅または歪みと寿命サイクルとの関係を表す数式を用いる演算処理（Ｆ２４〜Ｆ２５）によって、ＣＡＤデータが表す新規構造の推定寿命を算出し（Ｆ１０４〜Ｆ１０５）、その推定寿命が、ユーザ入力の目標寿命を満たすか否か判断する（Ｆ１０６〜Ｆ１０７）。
【００６４】
その結果、推定寿命が目標寿命を超える場合には、はんだ接続評価部１３は、詳細解析処理の場合と同様、新規構造体が合格である旨を、出力制御部１５を介して出力する。
【００６５】
一方、推定寿命が目標寿命以下である場合には、はんだ接続評価部１３は、詳細解析処理の場合と同様な処理により、目標寿命を満足する構造体にするための指針を、出力制御部１５を介して提示する（Ｆ１０８）。ここで、ユーザが、この指針に基づき、検討対象モデル及び材料を再度選択すれば、新たな条件の下で再度同様な演算処理が実行される。
【００６６】
このようなＣＡＤ解析処理によれば、あらかじめ準備された基本モデル以外の形状の構造体、すなわち、ユーザが作成したＣＡＤデータが表す構造体の熱疲労寿命を、有限要素法を用いて精度よく算出することができる。
【００６７】
ところで、はんだ接続部の主要な破壊形態には、熱疲労破壊の他、落下等により衝撃が加わったときに発生する、パッドとはんだとの間の金属間化合物の成長に起因する界面破壊がある。本実施の形態に係るはんだ接続部評価システムは、このような界面の信頼性も予測可能である。以下、図９により、界面信頼性予測処理について説明する。
【００６８】
はんだ接合部の界面破壊は２つのモードに大別される。一方のモード（第１のモード）においては、リフローまたは温度サイクル時等に、はんだとパット部のメタライズとが反応して形成される金属間化合物が厚く成長することにより、はんだとメタライズとの界面の耐衝撃性が低下する。他方のモード(第２のモード)においては、そのような化合物が成長して、メタライズのすべてがはんだと反応することにより、メタライズとはんだとの界面の耐衝撃性が低下する。以下においては、両モードの界面破壊に対する、はんだ接合部の信頼性を予測する。
【００６９】
ユーザが、入力装置３を用いて、はんだ材及びメタライズ材を選択または入力し、さらにメタライズの初期厚さを入力すると（Ｓ１）、はんだ接続評価部１３は、ユーザが選択したはんだ材及びメタライズ材の材料物性値データ（ここでは、例えば、拡散定数、活性化エネルギー等）を材料データベース１１１から読み出す。なお、はんだ材及びメタライズ材として新規な材料を用いる場合には、ユーザは、それらの材料の名称及び材料物性値データを入力すればよい。このとき、はんだ接続評価部１３は、入力された材料物性値データを、次回以降の演算において利用するため、入力された名称に対応付けて材料データベース１１１に登録する。
【００７０】
その後、ユーザが、入力装置３を用いて、数種類のプロファイルや繰り返しリフローに対応可能な構成のリフロープロファイル及び温度サイクル条件を入力する（Ｓ２）。例えば、リフロープロファイルには、最高温度、溶融時間等が含まれ、温度サイクル条件には、最高温度、最低温度、保持時間等が含まれる。なお、寿命予測システムは、リフロープロファイルの適正化に対応可能であってもよいが、それについては後述する。
【００７１】
はんだ接続評価部１３は、以下のように、ユーザの入力データに基づき、化合物成長厚さに関する界面信頼性、及び、メタライズ残存厚さに関する界面信頼性を評価する。
【００７２】
はんだ接続評価部１３は、リフローによる熱付加と温度サイクルによる熱付加との和、または、それらの熱付加のうちのいづれか一方を算出する（Ｓ３）。さらに、はんだ接続評価部１３は、成長した化合物の成長厚さを、保持時間及び保持温度に基づき算出する（Ｓ４）。
【００７３】
また、はんだ接続評価部１３は、化合物の成長厚さからメタライズ消費厚さを算出し（Ｓ５）、このメタライズ消費厚さとメタライズの初期厚さとの比較によって、メタライズ残存厚さを算出する（Ｓ６）。
【００７４】
その後、はんだ接続評価部１３は、Ｓ６で求めたメタライズ残存厚さから分かる、残存メタライズの有無に基づき、メタライズ残存厚さに関する界面信頼性の合否を判定する。また、はんだ接続評価部１３は、材料データベース１１１の界面破壊モードデータと、Ｓ３で求めた熱付加値とを比較することにより、化合物成長厚さに関する界面信頼性の合否を判定する（Ｓ７）。その後、はんだ接続評価部１３は、界面信頼性の評価結果、及び、化合物成長厚さを、出力制御部１５を介して出力装置２に表示させる。その後、必要に応じて改善指針を提示する（Ｓ８）。例えば、実環境または試験環境の温度変化により成長する化合物厚さと初期パッド厚さとを比較し、必要な初期パッド厚さを提示したり、次述のリフロープロファイル適正化処理により得られる適正なリフロー条件を提示してもよい。
【００７５】
最後に、リフロープロファイル適正化処理について説明する。
【００７６】
ユーザが入力した構造について、材料データベース１１１に登録された界面破壊強度データに基づき界面破壊強度の判定を行う。そして、界面破壊強度が低下しないリフロー条件を抽出し、それを提示する。
【００７７】
本発明により、電子部品と配線を有する基板または複数の電子部品をはんだにより接続した構造体のはんだ接続部の寿命予測を行う解析システムに関して、温度変化、衝撃が生じた際の接続寿命を計算により導出して表示する機能を備え、あらかじめ蓄積しておいたデータをもとに合否判断及び長寿命化指針を提示することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の一実施形態に係るはんだ接続部評価システムの概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る基本モデルデータが表すモデルの構造例を示した図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る簡易解析処理のフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態に係る要因効果図の例を示した図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る詳細解析処理のフローチャートである。
【図６】本発明の一実施形態に係る、応力と歪みまたは歪み振幅との関係図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る寿命予測曲線の例を示した図である。
【図８】本発明の一実施形態に係るＣＡＤ解析処理のフローチャートである。
【図９】本発明の一実施形態に係る界面信頼性予測処理のフローチャートである。
【符号の説明】
【００７９】
１…情報処理装置、２…出力装置、３…入力装置、１１…データ記憶部、１２…入力制御部、１３…はんだ接続評価部、１４…データインポート部、１５…出力制御部、１１１…材料データベース、１１２…設計ルールデータベース
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品と配線基板との間、２つの電子部品の間、及び、２枚の基板の間のいずれかが評価対象はんだ接続部で接続された構造体の前記評価対象はんだ接続部の寿命を予測するはんだ接続部評価システムであって、
温度変化による繰り返し負荷が与えられた場合における、はんだ接続部の寿命に関連する因子の値と当該はんだ接続部の寿命との関係を表すデータが格納された記憶手段と、
前記検討対象はんだ接続部について、前記因子の値の入力を受け付ける入力手段と、
前記記憶手段に格納された前記データと、前記入力手段が受け付けた因子の値とに基づき、前記検討対象はんだ接続部の予測寿命を算出するはんだ接続評価手段と、
を備えることを特徴とするはんだ接続部評価システム。
【請求項２】
請求項１記載のはんだ接続部評価システムであって、
出力手段を有し、
前記はんだ接続評価手段は、
前記記憶手段に格納された前記データに基づき、前記予測寿命よりも寿命を長くするための指針を前記出力手段から出力させることを特徴とするはんだ接続部評価システム。
【請求項３】
請求項１または２記載のはんだ接続部評価システムであって、
前記記憶手段に格納された前記データは、タグチメソッドまたは実験計画法により導かれたデータであることを特徴としたはんだ接続部評価システム。
【請求項４】
請求項１、２及び３のいずれか１項に記載のはんだ接続部評価システムであって、
前記はんだ接続評価手段は、第１の解析処理または２の解析処理により、前記検討対象はんだ接続部の予測寿命を算出可能であり、
前記第１の解析処理においては、前記はんだ接続評価手段は、前記データと前記因子の値とに基づき、前記検討対象はんだ接続部の予測寿命を算出し、
前記第２の解析処理においては、前記はんだ接続評価手段は、温度変化による繰り返し負荷が生じた場合の前記評価対象はんだ接続部の予測寿命を有限要素法により算出する、
ことを特徴とするはんだ接続部評価システム。
【請求項５】
請求項４記載のはんだ接続部評価システムであって、
前記はんだ接続評価手段は、さらに、第３の解析処理により、前記検討対象はんだ接続部の予測寿命を算出可能であり、
前記第３の解析処理において、前記入力手段は、前記構造体の構造データ及び材料データ、境界条件の入力を受け付け、前記はんだ接続評価手段は、前記構造データ、前記材料データ及び前記境界条件に基づきモデルを生成して、温度変化による繰り返し負荷が生じた場合の前記評価対象はんだ接続部の予測寿命を、当該モデルを用いた有限要素法により算出する、
ことを特徴とするはんだ接続部評価システム。
【請求項６】
請求項４または５記載のはんだ接続部評価システムであって、
はんだ接続部の歪みまたは歪み振幅及び寿命の関係を表す情報が格納された記憶手段を有し、
前記第２及び第３の評価処理において、前記はんだ接続評価手段は、前記評価対象はんだ接続部の歪みまたは歪み振幅を算出し、当該算出結果と前記記憶手段に格納された情報とに基づき、前記評価対象はんだ接続部の予測寿命を算出することを特徴とするはんだ接続部評価システム。
【請求項７】
電子部品と配線基板との間、２つの電子部品の間、及び、２枚の基板の間のいずれかが評価対象はんだ接続部で接続された構造体の前記評価対象はんだ接続部の信頼性を評価するはんだ接続部評価システムであって、
初期接続時または温度変化時に前記配線基板または前記電子部品のメタライズと、前記はんだ接続部を形成するはんだとの間に生成される金属間化合物の厚さを算出し、衝撃による負荷が生じた場合の前記はんだ接続部の信頼性を、前記金属間化合物層の厚さに基づき評価することを特徴とするはんだ接続評価手段を備えることを特徴とするはんだ接続部評価システム。
【請求項８】
請求項７記載のはんだ接続部評価システムであって、
出力手段を備え、
前記はんだ接続評価手段は、前記算出した金属間化合物層の厚さと前記メタライズの初期厚さとに基づき、前記配線基板または前記電子部品に必要なメタライズの厚さを求め、前記出力手段に出力させる、
ことを特徴とするシステム。
【請求項９】
電子部品と配線基板との間、２つの電子部品の間、及び、２枚の基板の間のいずれかが評価対象はんだ接続部で接続された構造体の前記評価対象はんだ接続部の寿命を、情報処理装置が予測するはんだ接続部評価方法であって、
前記情報処理装置は、
温度変化による繰り返し負荷が与えられた場合における、はんだ接続部の寿命に関連する因子の値と当該はんだ接続部の寿命との関係を表すデータが格納された記憶手段と、
入力手段と、
はんだ接続評価手段と、
を備え、
当該はんだ接続部評価方法は、
前記入力手段が、前記検討対象はんだ接続部について、前記因子の値の入力を受け付ける処理と、
前記はんだ接続評価手段が、前記記憶手段に格納された前記データと、前記入力手段が受け付けた因子の値とに基づき、前記検討対象はんだ接続部の予測寿命を算出する処理と、
を含むことを特徴とするはんだ接続部評価方法。
【請求項１】
電子部品と配線基板との間、２つの電子部品の間、及び、２枚の基板の間のいずれかが評価対象はんだ接続部で接続された構造体の前記評価対象はんだ接続部の寿命を予測するはんだ接続部評価システムであって、
温度変化による繰り返し負荷が与えられた場合における、はんだ接続部の寿命に関連する因子の値と当該はんだ接続部の寿命との関係を表すデータが格納された記憶手段と、
前記検討対象はんだ接続部について、前記因子の値の入力を受け付ける入力手段と、
前記記憶手段に格納された前記データと、前記入力手段が受け付けた因子の値とに基づき、前記検討対象はんだ接続部の予測寿命を算出するはんだ接続評価手段と、
を備えることを特徴とするはんだ接続部評価システム。
【請求項２】
請求項１記載のはんだ接続部評価システムであって、
出力手段を有し、
前記はんだ接続評価手段は、
前記記憶手段に格納された前記データに基づき、前記予測寿命よりも寿命を長くするための指針を前記出力手段から出力させることを特徴とするはんだ接続部評価システム。
【請求項３】
請求項１または２記載のはんだ接続部評価システムであって、
前記記憶手段に格納された前記データは、タグチメソッドまたは実験計画法により導かれたデータであることを特徴としたはんだ接続部評価システム。
【請求項４】
請求項１、２及び３のいずれか１項に記載のはんだ接続部評価システムであって、
前記はんだ接続評価手段は、第１の解析処理または２の解析処理により、前記検討対象はんだ接続部の予測寿命を算出可能であり、
前記第１の解析処理においては、前記はんだ接続評価手段は、前記データと前記因子の値とに基づき、前記検討対象はんだ接続部の予測寿命を算出し、
前記第２の解析処理においては、前記はんだ接続評価手段は、温度変化による繰り返し負荷が生じた場合の前記評価対象はんだ接続部の予測寿命を有限要素法により算出する、
ことを特徴とするはんだ接続部評価システム。
【請求項５】
請求項４記載のはんだ接続部評価システムであって、
前記はんだ接続評価手段は、さらに、第３の解析処理により、前記検討対象はんだ接続部の予測寿命を算出可能であり、
前記第３の解析処理において、前記入力手段は、前記構造体の構造データ及び材料データ、境界条件の入力を受け付け、前記はんだ接続評価手段は、前記構造データ、前記材料データ及び前記境界条件に基づきモデルを生成して、温度変化による繰り返し負荷が生じた場合の前記評価対象はんだ接続部の予測寿命を、当該モデルを用いた有限要素法により算出する、
ことを特徴とするはんだ接続部評価システム。
【請求項６】
請求項４または５記載のはんだ接続部評価システムであって、
はんだ接続部の歪みまたは歪み振幅及び寿命の関係を表す情報が格納された記憶手段を有し、
前記第２及び第３の評価処理において、前記はんだ接続評価手段は、前記評価対象はんだ接続部の歪みまたは歪み振幅を算出し、当該算出結果と前記記憶手段に格納された情報とに基づき、前記評価対象はんだ接続部の予測寿命を算出することを特徴とするはんだ接続部評価システム。
【請求項７】
電子部品と配線基板との間、２つの電子部品の間、及び、２枚の基板の間のいずれかが評価対象はんだ接続部で接続された構造体の前記評価対象はんだ接続部の信頼性を評価するはんだ接続部評価システムであって、
初期接続時または温度変化時に前記配線基板または前記電子部品のメタライズと、前記はんだ接続部を形成するはんだとの間に生成される金属間化合物の厚さを算出し、衝撃による負荷が生じた場合の前記はんだ接続部の信頼性を、前記金属間化合物層の厚さに基づき評価することを特徴とするはんだ接続評価手段を備えることを特徴とするはんだ接続部評価システム。
【請求項８】
請求項７記載のはんだ接続部評価システムであって、
出力手段を備え、
前記はんだ接続評価手段は、前記算出した金属間化合物層の厚さと前記メタライズの初期厚さとに基づき、前記配線基板または前記電子部品に必要なメタライズの厚さを求め、前記出力手段に出力させる、
ことを特徴とするシステム。
【請求項９】
電子部品と配線基板との間、２つの電子部品の間、及び、２枚の基板の間のいずれかが評価対象はんだ接続部で接続された構造体の前記評価対象はんだ接続部の寿命を、情報処理装置が予測するはんだ接続部評価方法であって、
前記情報処理装置は、
温度変化による繰り返し負荷が与えられた場合における、はんだ接続部の寿命に関連する因子の値と当該はんだ接続部の寿命との関係を表すデータが格納された記憶手段と、
入力手段と、
はんだ接続評価手段と、
を備え、
当該はんだ接続部評価方法は、
前記入力手段が、前記検討対象はんだ接続部について、前記因子の値の入力を受け付ける処理と、
前記はんだ接続評価手段が、前記記憶手段に格納された前記データと、前記入力手段が受け付けた因子の値とに基づき、前記検討対象はんだ接続部の予測寿命を算出する処理と、
を含むことを特徴とするはんだ接続部評価方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００６−３１３１２７（Ｐ２００６−３１３１２７Ａ）
【公開日】平成１８年１１月１６日（２００６．１１．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１３６４５８（Ｐ２００５−１３６４５８）
【出願日】平成１７年５月９日（２００５．５．９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月１６日（２００６．１１．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月９日（２００５．５．９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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