技術紹介 Technical Digests ハイブリッド車向けパワーコントロールユニット Power Control Unit for Hybrid Vehicles パワーモジュールギ酸還元はんだ接合 Oxidation-Reduction by Form

目次

CONTENTS

ケーヒン技報 Vol.5 (2016)

Keihin Technical Review Vol.5 (2016)

巻頭言　Foreword

寄稿　Contribution

技術展望　Technical Outlook

論文　Technical Papers

技術紹介　Technical Digests

特許　Patents

巻頭言

ケーヒン技報 Vol.5 の発刊に際して

横　田　千　年

今年（2016 年）3 月，経産省自動車課がとりまとめた「E V・P H V ロードマップ」では， 2030 年の新車販売に占める EV・PHV の割合を年 20～30％ まで引き上げるという大目標 を受けて，2020 年の目標として最大で 100 万台という具体的な目標値を出した．現在の累 計販売台数は 14 万台であるが，他の EV・PHV 先進国の積極的な姿勢等も踏まえ，多くの 業界のコンセンサスを得た現実的な台数である．これに関連して充電設備などの目標や取 り組むべき課題も要領よくまとめられている．評判もよいと聞いているので，是非一読し ていただきたい．これは真面目な話． 一方，ガソリンと電気のエネルギー形態はまったく違うのに，なぜ電気自動車に「止まって」 「短時間で」「大きな」エネルギーを入れようとするのか，依然として不思議である．ガソリンを 道路に噴霧し，クルマはそれを吸い込んで走るなどというのはまず無理だろう．しかし電気は 実質同じことができる．クルマにエネルギーを供給する手段と，どう使うかとは関係ないはず であるが，電池を使うと両者は強くリンクされて，「航続距離」という概念ができてしまう． 妹尾堅一郎氏（１）（２）_{によれば，世界は 100 年ごとのパラダイムシフトを経験してきたとい} う．18世紀のコンセプトは「物質」である．モノを作るために産業革命が起こり，モノを運ぶ 鉄道，船舶などのネットワークが構築された．19世紀のコンセプトは「エネルギー」で，石油 を中心とするエネルギー革命が起こり，エネルギーを運ぶネットワークが世界を席捲した． そして 21 世紀は，20 世紀に生まれたコンセプト「情報」を具現化する時代であって，今 までとは異なる新しいビジネスモデルが必要だという．Google，Amazon，Apple など勝ち 組のやり方を見れば，ユーザは単なるインターフェースである安価な端末を持つだけで あって，肝腎の知能はネットで接続された Cloud にある．

寄稿

100 年後のクルマ

堀　　　洋　一

iTunes で買うのは音楽そのものであって CD は必然ではないのと同じように，クルマが 提供するのが運転の喜びと快適な移動というサービスだとすれば，また，クルマを所有す る欲望が現代の若者から消え去りつつあるとすれば，少なくとも大きなエネルギーを持ち 運ぶ，エンジン車，電池電気自動車，燃料電池車はすでに時代錯誤の商品である．クルマが ナビによってインフラに接続され，IoT によってますますネットにつながる時代には，ク ルマは「エンジン」「Li イオン電池」「急速充電」に代わって，「モータ」「キャパシタ」「ワイヤ レス」で走るだろう．これは，妹尾のいう産業構造論の流れに沿った，歴史の必然である． 電車のように，電気自動車に電力インフラから直接エネルギーを供給すれば，一充電「航 続距離」は意味を失う．停車中の「ちょこちょこ充電」と走行中の「だらだら給電」によって， クルマは大きなエネルギーを持ち運ばなくなり，最後の数ｍを担う「ワイヤレス給電」と， 寿命が長く短時間の大電力の出し入れに優れる「キャパシタ」が重要な役割を果たすだろ う．光ネットワークの大幹線はすぐそこまで来ており，最後の数ｍを高速 WiFi が担うこ ととよく似ている（３）（４）_． ワイヤレス給電のインフラを普及させる方が，大容量電池を積んだ電気自動車を普及さ せるより社会コストははるかに小さくなり（脚注）_{，資源問題に左右されるリスクもうんと小} さくなるはずである．さらに言えば，クルマ会社がクルマを売るためには，給電インフラ を整備しメンテすることになるかもしれない．鉄道では，饋電インフラもそこを走る車両 のどちらも同じ会社のものであるのと同じように．これは夢物語だろうか． いま，9 月 4 日に京都で開催された「永守賞」授賞式から帰ってきたところである．式典 の中でカーネギーメロン大学の金出先生の対談があり，「自動運転は 20 年も前の先生の研 究にさかのぼる．素晴らしい先見の明ですね」という質問に対し，先生は「先見の明などな い．そのときは明日にでもできると思ってやっていた」と答えられた．これは正しい．自分 の情熱のなさを恥じた．モータ／キャパシタ／ワイヤレスは，100 年後ではない，明日に でもできる，と言い方を変えようかと思う．

参考文献

将来の電動化を含めた環境動向

将来の電動化を含めた環境動向

技術展望

１．はじめに

２．環境法規動向

鉢　呂　俊　隆

Toshitaka HACHIRO

開発本部第０開発部 部長

Fig. 1 Test mode application schedule

WLTP*

RDE

EUは2017/9月より

C/Y 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022

⇒PM及びA/C含めた燃費計測の為の世界共通テストモード及び手順

⇒実走行での排出量規制；現在適用検討中

次に CO2規制に対して，地球温暖化に直接関係するため，昨今は非 OECD 国に関して も日本より厳しい規制値を設定し，先進技術を取 り入れる姿勢がうかがえる．F i g . 2 に示す（各法 規，社外調査結果を自社で作成）ように，インド，中 国の規制値は 2017 年で日本を超え，ICE（Internal Combustion Engine）の限界に達する． 特に注目するのは EURO の規制で 2021 年から の 95g/km CO2規制である．ガソリン内燃機関だけ ではほぼ限界にきているが，非 OECD 国において も，100g/km CO2規制が提案，そのため天然ガス を含む Alternative 燃料（ガソリンより CO2発生量 が少ない）も推奨されてきている． また現在 EURO では 2025 年以降に 70g/km CO2 規制も提案されているので，もはや何らかしらの電 動化，Alternative 化技術の導入は必須となる．

３．適用技術に対する環境への影響

Fig. 3 Total energy flow (Sedan car with gasoline with non HEV unit)

Fig. 2 Current CO2 relative regulation

40 60 80 100 120 140 160 180 2015 2020 2025 2030 Japan China USA EURO India CO 2

(g/km) calculated on NEDC unit

C/Y (US:M/Y) ICE ICE+HEV FCV/EV, ICE+PHEV CO2/FE/GHG regulation ≒70g/km Proposal ポンピング損失 機械摩擦損 出力損失 排気熱損失 冷却損失 ブレーキライト 燃料ポンプ その他デバイス 回転慣性損失 トルコン損失 伝達損失 ENG損失 アイドル消費損失 電力消費 T/Miss 空気抵抗 転がり抵抗 必要加速エネルギー CITY 走行エネルギー (Wh) 0wh 機関損失 走行抵抗 総燃料使用量 車体性能 エリア パワートレイン性能 エリア

将来の電動化を含めた環境動向 C O2原単位は国毎にどの種類の発電所で電気を作成しているかということを考慮し 単位は電気 1kwh 発生させるのに何 kg の CO2が発生するかを求める基準となっている． 2013 年度時点で日本，ドイツ，アメリカ，中国，インドは HEV を EV/PHEV 化すると逆 に CO2が増加，中国，インドは単純に EV/PHEV 化のみでも CO2は増加．要はビジネス モデルだけでの EV/PHEV 化が CO2削減に効果があるというのは，あくまでも車一台分 のみで，国毎の削減効果ではない．そのため，充電で車両を走らせるには「真」の国家プロ ジェクトで戦略的に実施する必要がある．

Fig. 4 Image of reduction model based on CO2 unit (calculated by Power source type)

現行HEVをEVに代えると悪化 Country フランス カナダ イタリア イギリス 日本 ドイツ アメリカ 中国 インド CO2原単位 0.07 0.17 0.41 0.44 0.47 0.47 0.51 0.77 0.88 -100.0% -50.0% 0.0% 50.0% 100.0% 150.0% CO 2 reduction effect (%) PHEV (AER10mile+GAS5mile) EV (15mile) CO2原単位出典：

IEA Energy Balances of OECD Countries 2013 Edition

EV/PHEV化で削減効果有り HEV⇒EV/PHEV化 NonHEV⇒EV/PHEV化 発電所タイプは 自然エネルギー （水力等）もしく は原子力発電の 種類が主流 これらの国は発電所の CO2原単位を削減しなけ れ ば E V 化 推 進 し て も 逆にCO2増加の可能性有

４．将来環境に応じた技術とは

で，使い勝手と，更なる急速充電に対する安全性も課題になると予測される．Fig. 7 では現 状及び将来の日本 / 中国での EV/PHEV 普及台数を示している．中国は 2020 年で日本の ５倍ほどの普及を目指しているので，今後の環境を見据えた技術進化はますます注目され ることとなる． また中国におけるインフラ計画も堅実に検討されていて，今は石炭火力による，電力供 給ではあるが，Fig. 8 のように既に日本以上に自然由来の発電を行っていて，EV 化に向け 国策として CO2削減に向けた計画が進められている．

Fig. 5 Effect for generated CO2 ratio

ガソリンを基準に各燃料の 発熱量あたりのCO2発生割合 2.3%増加 1 1.1 0.9 0.8 0.7 12%削減 25%削減 B,C重 油 A重 油 軽油 灯油 ガソリ ン LPG 天然 ガス LNG 良

Fig. 6 Energy density per unit Mass and Vol

10 20 30 0 10 0 5 重量エネルギー密度（倍率） Li-ion電池 メタノール ブタノール エタノール 天然ガス LPG ガソリン 軽油 エネルギー密度（kwh/kg or L）倍率 （Li-ion 80%効率，他30%効率で試算） 良 良 体積 エネ ルギ ー密 度 （倍 率）

Fig. 7 Current and future target quantity of EV/PHEV

出典：2015/11/29 日中省エネ環境総合フォーラム，次世代自動車新興センターホームページ参考にケーヒンで作成 500 100 2020 Target 500 0 万台 40 80 120 2011 2012 2013 2014 2015 2020 EV/PHEV Quantity Japan China

Fig. 8 Electrical power supply comparison for each plant type (Japan/China)

中国（2015/11） 日本（2015/3） 火力発電 99021 19336 5.12 原子力発電 2608 4426 0.59 水力発電 31937 4906 6.51 風力発電 12934 275 47.03 太陽光，熱発電 4318 409 10.56 地熱発電 2 51 0.04 合計 150820 29403 69.85 発電容量（万KW） 発電タイプ _{（日本を１倍として）}倍率

将来の電動化を含めた環境動向

５．まとめ

参考文献

（１） IEA Energy Balances of OECD Countries 2013 Edition (Fig. 4) （２） 2015/11/29 日中省エネ環境総合フォーラム (Fig. 7)

（３） 次世代自動車新興センターホームページ (Fig. 7) （４） 2016/8/29 日経新聞社説 (Fig. 8)

ケーヒン技報 Vol.5 (2016)

２モータハイブリッドシステム用 ECU の

機能安全対応

Compliance of ECU for Two-Motor Hybrid System to Function Safety Standards

論文

１．まえがき

題となっている．一般的には Dual Lock Step 方式のマイコン採用，監視マイコンの採用等 の対策が採られるが本稿ではコスト，基板サ イズで有利となる１マイコンシステムにより 機能安全規格対応を行った．

２．課題

Shugo UENO Takuro SASAO Kazuya SUGANO

Function safety standards (ISO26262) were issued as International Standards for automotive electronic parts in 2011. In designing an ECU for the two-motor hybrid system to comply with the standards in question, we designed a system composing of one microcomputer in order to keep the addition of parts to a minimum. In this paper, we mainly discuss the safety functions surrounding the microcomputer.

２モータハイブリッドシステム用 ECU の機能安全対応

SG

SM (Additional fault detection)

SG SM Failure of C Failure of B Failure of A Failure of C Failure of B Failure of A C fault detection SM QM

(Safety level low)

Memory Time

(Safety level high)

Memory Time 及ぼさないことである． さらに機能安全を対応するにあたり，ソフ トウェアの処理負荷が増加することでモータ 制御に影響することが考えられるため，ソフ トウェアの追加処理を最少としなければなら ない．これらの課題に対応する３つの手法の 特徴を説明する． ※SG：本稿では OEM で規定した車両挙動を 起こさない安全目標を示す ※QM：本稿では通常制御領域を指す ※SM：SG を守るための安全機構 ラムが不要となりソフト処理負荷，検出時間 の面で有利となる．しかし，マイコン自体のコ ストが高いことが課題となる．Fig. 3 に構成 を示す． ※BIST：組み込まれた自己テスト

Fig. 2 Conceptual diagram of partitioning

Monitoring microcomputer Single core microcomputer

(Main)

Safety mechanism Fig. 4 Monitoring microcomputer additional

method Fig. 1 SM Outline Microcomputer Core A (Main) Core B (For monitoring) Comparison

circuit Safety mechanism

WDT

WDT

WDT: Watch Dog Timer

Fig. 3 Dual core lock step microcomputer system

2.2. Dual Core Lock Step 方式の特徴 Dual Core Lock Step 方式マイコンは従 来方式のマイコンに比べ同じ処理を２つの CORE で同時に実行し，その結果を比較する ことで即座に異常を検出することができる． また Dual Core Lock Step 方式マイコンに は BIST（Built In Self Test）が豊富に準備さ れていることが多く，マイコン自身でセルフ チェックができる．そのため，診断用のプログ 2.3. 監視マイコンの追加時の特徴 メインマイコンの診断を監視マイコンで実 行することでメインマイコン側への診断用ソ フトウェアを減らすことができる．物理的に 独立したマイコンを使用することで非干渉性 の確保が容易になる．しかし，マイコンの追加 により電源等のマイコン周辺回路も部品点数 が増えることでコスト面，基板サイズが大き くなる課題がある．Fig. 4 に構成を示す． 2.4. １マイコンシステムの特徴 最小限の部品で機能安全規格対応を行うた め，コストも安価で基板サイズも小さくする ことができる．しかし，診断率を高めるために 診断機能を追加することでマイコンの処理負 荷が大きくなってしまう．同じマイコン内に QM 領域と SM 領域のソフトウェアが混在す るため非干渉性の確保が難しくなってしまう．

Microcomputer ① ② ④ ①/③ ①/⑥ ⑤ Communication module Communication A/Dconverter etc Each sensor output Safety mechanism WDT Task management Motor control QM Memory QM SM Check by SM 3.2. 処理負荷対応 診断処理の追加によりマイコンの処理負荷 が増加する．これに対応するために，まず必要 な診断機能を整理し，診断機能をハードウェ ア部分（マイコン内も含む）とソフトウェア部 分への割り当ての最適化を行った．最適化は コスト面，基板サイズ，処理負荷，FTTI を考 慮して行った（３）_{．診断機能としては主にマイ} コンのペリフェラル診断，各センサの診断，通 信診断等が挙げられる．各診断機能の割り当 ては次のように最適化を図った． マイコン内に診断用ハードウェアが実装 されている場合には，そのハードウェアを 使用する．例えばマイコンのペリフェラル 診断についてはマイコン内蔵の ECC（Error Correcting Code）機能を使用することで処理 負荷影響を最少とした． マイコン内に実装されていない診断機能， または実装されているが，処理負荷の増加影 響が大きい等の理由で使用できない診断機能 についてはハードウェアを追加することで実 現する．例えば，時間管理面ではマイコン内蔵 の W D T があるが，マイコン原振の異常が起 こったときにはマイコン自身で検出ができな いため，マイコン外部に WDT 等のハードウェ アを追加し異常を検知できる構成とした． その他の診断機能はソフト処理にて診断を 行う．例えば，マイコン内部の演算機能診断等 のソフト処理追加を行った． またソフト設計としてはタスク管理による ソフト処理の分散化も実施した．これらの対 応策により，マイコンの処理負荷追加を最小 限とし，モータ制御に影響を与えずに診断処 理が実行できるソフト設計を実現した． ※ECC：データに異常があったときに検出し，修 正可能な場合はデータを修正する機能 3.3. 非干渉性への対応 機能安全規格で定義された非干渉性を確保 するためにはソフト処理時間の保護，メモリ Micro-computer (Main) Monitoring Micro-computer SM Microcomputer WDT SM CORE A CORE B Compare Monitoring microcomputer additional method One microcomputer System Dual Core Lock Step

Monitoring WDT SM SM QM Monitoring • Easy partitioning

• Software processing load small • High cost • Many components • Low cost • Fewer components • Difficult partitioning • Software processing load large • Fewer components • Software processing load small • High cost Merit Problem Constitution

Table 1 Features of each system

Fig. 5 Configuration of the peripheral microcomputer

３．対応方法

２モータハイブリッドシステム用 ECU の機能安全対応 Safety mechanism Time start Task1 Task1 Task2 start completed completed WDT Run time diagnosis Abnormality detected QM QM can’t Access (Concealment) RAM SM RAM Unit A DATA1 DATA2 Time

Checking the time • Normality of reception data • Confirmation of the transmission partner • Continuity of data Unit B Unit A Unit B 保護，通信の保護の３つの独立性確保が必要 となる（４）_． 3.3.1. 時間の保護 機能安全規格では SM 領域のソフトウェア が正しい実行タイミングで処理が行われるこ とを要求している．これに対しソフト処理の タスク管理を行い正しいタイミングで処理が 実行されるソフトウェアの構成とした．Fig. 6 にこの構成を示す．ソフト処理のタイミング を外部の W D T で診断し，異常を検出した時 には車両を安全状態に移行できる構成とした． ができない構成とした．さらに R A M 診断と DMA 診断を行い，各ハードウェアが正常動作 し，異常時には検知が可能となることでメモ リの非干渉性を確保した． 3.3.3. 通信の保護 通信の非干渉では Fig. 8 で示すように正し い情報が受信できていることの確保が規格で 求められている．具体的には通信データの周 期が正しいこと，データの順番が正しく更新 されていること，データフレームが正しいこ とを診断することで通信の非干渉性の確保を 行った．

Fig. 8 Partitioning of communication Fig. 6 Timing monitoring configuration

Fig. 7 Partitioning of RAM

４．まとめ

参考文献

（１） 石末：E P S 開発における I S O26262 対 応への取組み，KYB 技報第 50 号，p.1-4 (2015)

（２） INTERNATIONAL STANDARD ISO26262 Road vehicle-Functional safety- Part1～ Part9 (2011)

（３） 小林：自動車 - 機能安全 - I S O26262 解 説書発行，JARI Research Journal, p1-2 (2014)

（４） 土本：車載制御システム向けパーティ ショニング機構，情報処理学会研究報告 書 Vol.2013-SLDM-160 No8 p1-6 (2013)

Cost

Dual Core Lock

Step system One microcomputersystem

-10%

Circuit board size

Monitoring microcomputer

additional method One microcomputersystem

-5% Fig. 9 Comparison of microcomputer cost

Fig. 10 Comparison of area

機能安全対応した量産機種の開発をするこ とができました．本論文の執筆にあたりご指 導，ご協力頂きました皆様に感謝申し上げま す．（植野） 菅 野 和 哉

著　者

プリント基板のイオンマイグレーション解析

プリント基板のイオンマイグレーション解析

Deterioration of Insulation in Printed Circuit Boards due to Ionic Migration

論文

１．まえがき

Shintaro TAI Mizuki HAMANO Yoshinori SAGIYA

Miniaturization of automotive electronic components is required in order to improve comfort in the vehicle. For this, reduced size and increased density of the printed circuit board becomes indispensable, but issues then arise with insulation degradation due to ionic migration. In this paper we describe the results of our observations of ionic migration due to differences in materials in the circuit board and resistor and the electric field pattern.

２．イオンマイグレーションによる

絶縁劣化について

３．試験方法

Fig. 2 Ionic migration chemical equation metal ion dendrite anode cathode Cu→ Cu2+ _{+ 2e}− Cu2+ _{+ 2OH}− _{→ Cu (OH)} 2 Cu2+ _{+ 2e}− _{→ Cu} H2O→ H+ + OH− cathode anode <Water factor> Cu + 2Cl−_{→ CuCl} 2 + 2e− CuCl2→ Cu2+ + 2Cl− Cu2+ _{+ 2e}− _{→ Cu} anode cathode <Chloric factor>

プリント基板のイオンマイグレーション解析

Sample A B C

Traditional

FR-4 Non-HalogenFR-4 Non-HalogenFR-4

Grade

Board material Material a Material b Material b

Resist Resist a Resist a Resist b

Fig Fig. 4 Fig. 5 Electrode Pattern Comb-Shaped Via Hole Item Clearance (d) Electrode Length (e)

Land Width (g) Hole Pitch (h) Dimensions (mm) 1.0/1.5/2.0 1.0/1.5/2.0 20.0 2.54 75%RH Humidity Temperature 85%RH 75ºC 75%RH/75ºC 85%RH/75ºC 95%RH/75ºC 95%RH 85ºC 75%RH/85ºC 85%RH/85ºC 95%RH/85ºC 90ºC 75%RH/90ºC 85%RH/90ºC 95%RH/90ºC

Via Hole Electrode Pattern

Comb-Shaped Electrode Pattern

+Electrode - Electrode d e +Electrode F-f phase g - Electrode L1 L2 L3 L4 L5 L6 h f F 3.4. 分析方法 イオンマイグレーションは銅が徐々に析出 することにより進行するので，摩耗故障と同 様のモードを持つ．このことから温度，湿度， 電界強度を加速係数とする式（１）のアイリン グモデルの寿命式が適用できる．イオンマイ グレーションが発生した試料の故障発生時間， および累積故障率からワイブル分析を実施し， アイリングモデル（５）_{を利用して試験環境にお} ける基板の寿命時間を算出した．

L = A · exp

(

·

)

_{· Sn}

４．結果

Table 1 Sample list

Table 2 Sample pattern

Fig. 4 Comb-shaped electrode pattern

Fig. 5 Via hole electrode pattern Table 3 Test condition list (Sample C)

Sample: C

Via Hole Electrode Pattern Land Width: 1.0mm

Sample: C

Comb-Shaped Electrode Pattern

75ºC/75%RH 85ºC/75%RH 90ºC/75%RH Condition: 85ºC/85%RH Sample A (N = 5) B (N = 5) Failure Time 222 332 338 562 586 1,094 1,175 1,349 1,957 2,419 Unit hour hour Grade Traditional FR-4 Non-Halogen FR-4 Condition: 85ºC/85%RH Sample B (N = 5) C (N = 5) Failure Time No Failure 1,094 1,175 1,349 1,957 2,419 Unit hour hour Resist Resist a Resist b 85%RH 95%RH 75%RH Sample Humidity C Condition Length (mm) 1.0 2.0 3.0 No Failure No Failure No Failure No Failure No Failure No Failure No Failure 1,457 1,652 2,069 2,773 3,220 3,921 Unit hour hour hour 95% R H の時に発生しやすくなる傾向であっ た．Fig. 6 は 90℃，95%RH の試験結果写真 となる．表面層ではイオンマイグレーショ ンが発生した状態を観察することはできな かった．そのため内層間でのショート C A F （Conductive Anodic Filament）が発生している

と考えられる． Fig. 7 は，くし型パターン（1.0mm）の湿度 75%RH 一定，温度 75℃，85℃，90℃ の試験 結果である．写真では樹枝状のデンドライト が確認されているためイオンマイグレーショ ンが発生していることがわかる．このことか ら温度に依存してイオンマイグレーション の進展が促進される傾向であり，本試験結果 は従来から報告されているイオンマイグレー ション研究結果が再現できていることを裏付 ける内容でもあった． 4.2. 分析結果 Fig. 7 でイオンマイグレーションが発生し た試料 C（90℃，75%RH）について EPMA を 用いて成分分析した結果を Fig. 8 に記載する． Fig. 7 に現れている生成物の成分は C，Ba， O，Cu，S，Si，Cl，Al，Mg である．分析の結 果，デンドライト部にも Cu 以外のレジスト材 等の成分が検出されていることがわかる．こ の結果は水分のほか，レジスト材や基材に含 まれるイオン化促進成分がイオンマイグレー ションの進展に影響することを裏付ける結果 となった． 今回の試験結果よりワイブル分析行い，ア Table 4 Ionic migration test results 1 (board

difference)

Table 5 Ionic migration test results 2 (resist difference)

Table 6 Ionic migration test results 3 (humidity difference)

Fig. 6 Via hole electrode pattern (Sample C)

Fig. 7 Ionic migration test results 4 (temperature difference)

プリント基板のイオンマイグレーション解析

(95%RH/90ºC) (85%RH/90ºC)

Failure Time [hour]

Cumulative Failure Rate [%]

1 0.1 0.01 90 75 50 25 10 99 5 1 10 100 5001,000 100,000 Sample A Sample B Sample C Sample C Sample: C (90ºC/75%RH) Comb-Shaped Electrode Pattern

Ba O C Cu S Al Mg Si Cl

Fig. 8 Ionic migration analysis (Sample C EPMA)

５．まとめ

参考文献

イリングモデルの加速係数を求め，寿命を予 測した．その結果を Fig. 9 に示す．また，予測 寿命値より耐イオンマイグレーション性能の 設計指標を設定し，指標を元に作成した製品 での耐久試験を行った結果が問題なかったこ とを付け加えておく．

本稿の評価によりイオンマイグレーション による絶縁劣化の加速性を明らかにすること で製品に必要な絶縁クリアランスの設定が可 能となりました．今後も様々な仕様に応じた 最適設計ができるよう理解を深めたいと思い ます．自動車技術会での発表および本技報へ の執筆におきまして，ご指導・ご協力いただき ました皆様に深く感謝申し上げます．（田井） 鷺 谷 吉 則

著　者

Sn-Ag-Cu 系はんだの低温環境下での材料特性

(a) Back-scattered electron image (b) EBSD analysis result

5µm 2mm

(a) Back-scattered electron image (b) EBSD analysis result

5µm 100µm

500µm

Sn-Ag-Cu 系はんだの低温環境下での材料特性

Material Properties of Sn-Ag-Cu Solder Under Low Temperatures

論文

１．まえがき

Yukihiko HIRAI Kouki OOMORI Emi SATO

伊　草　和　馬＊２ _{土　屋　秀　雄}＊１

Kazuma IGUSA Hideo TSUCHIYA

Automotive electronic control units are used under severe environmental conditions around the world, and thus it is required that operation of the units be guaranteed over a range from low temperatures to high temperatures. However, in the past the material properties of the solder material connecting the electronic parts of the units under low temperatures have been rarely reported. This paper describes our confirmation of material properties, including dispersion, under low temperatures by using very small test pieces that simulate the metal structure of solder connections.

Key Words: Materials, Non-ferrous material, Test/Evaluation, Lead-free solder

Fig. 2 Metal structure of test pieces based on JIS

60 180

φ

10 _φ20

Fig. 1 Test piece based on JIS Z3198-2

Fig. 3 Metal structure of solder connections of BGA

(1) Setting

SAC305 rod with diameter of 1 or 2mm

Metal mold

Aluminum plate

(3) Cooling

(4) Extraction of test piece

Very small test pieces Heated to 300°C

(2) Heating Pressure

Solder connections of BGA Very small test pieces

Time [sec] Temperature [°C]

２．実験方法

各試料についてScanning Electron Microscope （S E M）を用いて組織観察後，金属間化合物 （Ag3Sn）サイズを画像解析ソフトウェアによ

り計測した．さらに Electron Back Scatter Diffraction Patterns（EBSD）により結晶方位 観察を行った． 2.3. 引張試験 引張試験は，リニアモータ式材料試験装置 を用いて行った．ヤング率，0.1% 耐力を評価 する場合は直径 1.0mm 試験片の平行部にひず みゲージを貼付したものを用い，それ以外の 評価では直径 0.5mm のものを用いた．試験温 度は -40，25，125℃ の３水準で行った．サン プル数は各 15 とした． まず試験装置に微小試験片をセットし，試 験片内部まで温度を到達させるため各試験温 度で 30 分放置した．

Fig. 6 Cooling speed of solder connections of BGA and very small test pieces

Sn-Ag-Cu 系はんだの低温環境下での材料特性 が認められた．さらに Fig. 10 にはんだ接続部 および微小試験片の Ag3Sn サイズの計測結果 を示す．同等の分布状態，バラツキを有するこ とが認められた．Fig. 11 に微小試験片の結晶 方位解析結果を示す．本研究における作製方 法では，結晶方位はサンプル数 15 で全方位を ほぼ網羅できることが分かった．なおはんだ 接続部においても同様の方位を向いているこ とを確認している．また結晶粒数も微小試験 片とはんだ接続部はほぼ同様であることを確 認している． 3.2. 引張試験結果 Fig. 12 に引張試験より得られたヤング率， 0.1% 耐力，引張強度の結果を示す．いずれも 試験温度の低下に伴い物性値が上昇する傾向

Fig. 8 Stress relaxation curve

Fig. 7 Strain profiles in stress relaxation test

Fig. 10 Measurement results of Ag3Sn size

Fig. 9 Back-scattered electron image of very small test piece

Fig. 11 EBSD analysis results of very small test pieces その後，ひずみ速度 4.5 × 10-4 _s-1_{で引張試験} を実施した． 2.4. 応力緩和試験 本研究では于強らが提唱している応力緩和 法（５）_{により，クリープ定数，クリープ指数を} 求めた．なお応力緩和試験も引張試験同様の 装置を用いて行った．試験温度は引張試験と 同様の３水準で行った．サンプル数は各 15 と した． まず試験装置に直径 0.5mm 試験片をセット し，各試験温度で 30 分放置した．その後，ひ ずみ速度 4.5 × 10-4 _s-1_{でひずみ 0.05 を与え} 30 分保持し，応力を読み取り応力緩和線を取 得した（Fig. 7，Fig. 8）．その結果を解析する ことでクリープ定数および指数を算出した． 30min Time [min] Strain 30min Stress [MPa] Time [min] 5µm Ag3Sn size [µm2] Ratio [%]

Solder connections of BGA Very small test pieces

001 100 110

３．実験結果

が認められた．Table 1 に示すように試験温度 -40℃ では 0.1% 耐力，引張強度のレンジが顕 著に拡大していることが認められた．また試 験温度 25，125℃ では各レンジはほぼ同等で あることが認められた．これはβ-Sn は異方性 を有するが（６）_{，n 数を多く取ることで収束し} たためと考えられる．なお Fig. 12 に示すよう に 25，125℃ の上限値，下限値をそれぞれ結 んだ線の傾きはほぼ同等であり各方位におい て物性値のバラツキはあるが温度依存性は同 等であることが示唆される． 3.3. 応力緩和試験結果 Fig. 13 に応力緩和試験より得られたクリー プ定数，クリープ指数の結果を示す．試験温 度の低下に伴いクリープ定数は低下，クリー プ指数は上昇する傾向が認められた．Table 2 に示すように応力緩和試験結果においても試 験温度 -40℃ ではレンジが拡大していること が認められた．また引張試験結果同様に試験 温度 25～125℃ の範囲ではクリープ定数，ク

Fig. 12 Tensile test results of very small test pieces

Fig. 13 Stress relaxation test results of very small test pieces

Table 1 Range of tensile test results

0 10 20 30 40 50 60 70 80 y = -0.081x + 22 y = -0.097x + 30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 y = -0.14x + 29 y = -0.12x + 34 0 10 20 30 40 50 60 70 80 -50 0 50 100 150 -50 0 50 100 150 -50 0 50 100 150 y = -0.18x + 67 y = -0.16x + 44

Young’s modulus (GPa)

Temperature (°C)

(a) Young’s modulus

Temperature (°C)

0.1% proof stress (MPa)

(b) 0.1% proof stress

Temperature(°C)

Tensile strength (MPa

) (c) Tensile strength -50 0 50 100 150 -50 0 50 100 150 y = 1.0E-29e0.29x y = 1.0E-24e0.27x 1E-45 1E-40 1E-35 1E-30 1E-25 1E-20 1E-15 1E-10 1E-05 1 y = -0.072x + 17 y = -0.075x + 14 0 5 10 15 20 25 Temperature (°C)

Creep constant ((MPa-s)

-1)

(a) Creep constant

Temperature (°C)

Creep inde

x

(b) Creep index Temperature (°C)

Young’s modulus (GPa) 0.1% proof stress (MPa) Tensile strength (MPa)

-40 32.8 18.7 27.8 25 23.6 8.3 5.9 125 21.4 6.7 8.0 Range = Max - Min

Table 2 Range of stress relaxation test results

Temperature (°C) -40 25 125

Creep constant※ _((MPa·s)-1_{) 14.0 4.8 4.1}

Creep index 7.3 3.3 3.6

※Creep constant’s Range = log

Min Max