特許 5764761 電子装置、電源制御システム、および寿命測定ユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5764761

(24)【登録日】2015年6月26日

(45)【発行日】2015年8月19日

(54)【発明の名称】電子装置、電源制御システム、および寿命測定ユニット

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/28 20060101AFI20150730BHJP

   G01R 31/04 20060101ALI20150730BHJP

   G01R 31/00 20060101ALI20150730BHJP

   G01N 27/04 20060101ALI20150730BHJP

【ＦＩ】

   G01R31/28 U

   G01R31/04

   G01R31/00

   G01N27/04 Z

【請求項の数】6

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2011-281467(P2011-281467)

(22)【出願日】2011年12月22日

(65)【公開番号】特開2013-130519(P2013-130519A)

(43)【公開日】2013年7月4日

【審査請求日】2013年9月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】504182255

【氏名又は名称】国立大学法人横浜国立大学

(73)【特許権者】

【識別番号】510123839

【氏名又は名称】オムロンオートモーティブエレクトロニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000970

【氏名又は名称】特許業務法人 楓国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】右京 強

(72)【発明者】

【氏名】高木 寛二

【審査官】 深田 高義

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−２０５８２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第３０９２６４４（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｒ ３１／２８

Ｇ０１Ｎ ２７／０４

Ｇ０１Ｒ ３１／００

Ｇ０１Ｒ ３１／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１部材と、第２部材と、判断部と、からなる電子装置であって、
前記第１部材には、導通部が設けられ、
前記第１部材の一方の端部付近には、前記導通部の一端部と電気的に接続された第１電極が設けられ、
前記第１部材の他方の端部付近には、前記導通部の他端部と電気的に接続された第２電極が設けられ、
前記第１電極には、当該電極に接続された第１バンプが設けられ、
前記第２電極には、当該電極に接続された第２バンプが設けられ、
前記第１部材は第１バンプおよび第２バンプによって前記第２部材に接着され、
前記第２バンプによって接着された部位の接着力は、前記第１バンプによって接着された部位の接着力より相対的に強く、
前記第１部材と前記第２部材は、温度に対する変形率が互いに異なり、
前記判断部は、導通が断絶したことを判断し、
前記第１部材は、胴部および複数の脚部に区分され、
前記第１電極は、前記複数の脚部のそれぞれに設けられ、前記第２電極は、前記胴部に設けられ、
前記複数の脚部には、前記第１電極に接続された第１バンプが設けられ、
前記胴部には、前記第２電極に接続された第２バンプが設けられていることを特徴とする電子装置。

【請求項2】

前記第２電極および前記第２バンプは、前記複数の脚部のそれぞれに対応して複数設けられ、
前記導通部は、複数に分離され、それぞれの分離された導通部が各第１の電極と各第２電極とを接続する請求項１に記載の電子装置。

【請求項3】

前記第２電極および前記第２バンプは、１つだけ設けられている請求項１に記載の電子装置。

【請求項4】

前記第１部材の一方の端部には、前記第１バンプの凸方向と同じ方向に突出した第１突部が設けられ、
前記第１部材の他方の端部には、前記第２バンプの凸方向と同じ方向に突出した第２突部が設けられている請求項１から３のいずれかに記載の電子装置。

【請求項5】

前記判断部の検知結果を外部に出力するインタフェースをさらに備えたことを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の電子装置。

【請求項6】

請求項１から５のいずれかに記載の電子装置を電源ライン上に配置し、
前記第１バンプが１つ以上の所定個数破断した場合、電源供給を停止させることを特徴とする電源制御システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、機器の寿命を測定する電子装置、前記電子装置を用いた電源システム、および機器の寿命を判定するために用いられる寿命測定ユニットに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、はんだを用いた素子構造もしくは機器寿命の測定に関する発明として、以下の様なものが提案されている。

【0003】

特許文献１には、マザーボードに実装されたＢＧＡ（Ball Grid Array）パッケージについて、変形応力によるダメージを受けやすいはんだバンプと、ダメージを受けにくいはんだバンプをそれぞれ選択して、前記２種類のバンプに一定値の電流を流す発明が記載されている。このとき、ダメージを受けやすいはんだバンプにクラックの初期段階が生じたならば、クラックが生じたはんだバンプに発生する電圧は、もう片方のダメージを受けにくいはんだバンプに発生する電圧より高くなることから、クラックの初期段階を検知することができる。

【0004】

特許文献２には、はんだボールを多数使用してマザー基板にモジュール基板を取り付け、モジュール基板の上に、さらにはんだボールを多数用いて部品を取り付ける構成が記載されている。

【0005】

特許文献３には、制御用部品のはんだ接続の寿命を、電力供給用部品のはんだ寿命よりも短く設定したものが記載されている。はんだ寿命を短くするためには、組成を変化させる例や、半田の量を変化させる例、クリアランスを異ならせる例、半田自体がはがれ安くする例、トランジスタに近づけることで熱劣化を加える例、等が記載されている。

【0006】

特許文献４には、はんだの接続部分における寿命曲線を作成し、歪み量と寿命の関係を求める発明が記載されている。寿命曲線の作成にあたっては、特定の電極構成をもつ電子部品を配線基板にはんだ付けし、その後、温度サイクル試験を行ってはんだ接続部分に繰り返しの歪みを発生させ、断面観察によるクラックの進展、および接続強度の変化のデータから寿命を求める手法が説明されている。そして特許文献４では、歪み量に影響する因子として、はんだ組成、電子部品形状、部品電極構成、実使用条件等が挙げられ、その結果として寿命曲線を作成可能である旨が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００９−５３０３３号公報

【特許文献2】特開２００１−１４８５５２号公報

【特許文献3】特許第３０９２６４４号公報

【特許文献4】特開２００１−３５８４６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

機器の寿命を測定するには、特に温度サイクルによる熱疲労損傷を検知することが重要である。

【0009】

そこで、この発明は、予め想定した温度サイクルが経過したことを測定可能とし、機器の寿命を測定することができる電子装置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】

【0010】

本発明の電子装置は、第１部材と、第２部材と、判断部と、からなる電子装置であって、前記第１部材には、導通部が設けられ、前記第１部材の一方の端部付近には、前記導通部の一端部と電気的に接続された第１電極が設けられ、前記第１部材の他方の端部付近には、前記導通部の他端部と電気的に接続された第２電極が設けられ、前記第１電極には、当該電極に接続された第１バンプが設けられ、前記第２電極には、当該電極に接続された第２バンプが設けられ、前記第１部材は第１バンプおよび第２バンプによって前記第２部材に接着され、前記第２バンプによって接着された部位の接着力は、前記第１バンプによって接着された部位の接着力より相対的に強く、前記第１部材と前記第２部材は、温度に対する変形率が互いに異なり、前記判断部は、導通が断絶したことを判断することを特徴とする。

【0011】

このように、本発明の電子装置は、第１部材（センサ素子）を第２部材（電気回路を備えたマザー基板）に設置する。センサ素子の裏面には、第１電極と複数の第２電極が形成され、それぞれ第１バンプと複数の第２バンプで基板に接合され、電極間が導通されている。これにより、センサ素子は、抵抗器として機能する。そして、マザー基板とセンサ素子の温度に対する変形率（線膨張係数）が互いに異なり、第２バンプによって接着された部位の接着力は、第１バンプによって接着された部位の接着力より相対的に強いため、温度サイクルによって第１バンプに応力が集中し、先に破断されるようになっている。第１バンプが破断されるとマザー基板とセンサ素子は、電気的に切断されることになる。したがって、判断部は、抵抗値の変化を検知することにより、第１バンプの破断を検知することができる。第１バンプが予め想定した温度サイクルで破断されるように設定しておけば、判断部は、予め想定した温度サイクルが経過したことを測定することができ、機器の寿命を測定することができる。

【0012】

第２バンプによって接着された部位の接着力を強くするには、例えば、第２バンプによって接着された部位の周囲に、接着用部材をさらに設けることが考えられる。また、第２バンプを複数設け、複数の第２バンプのうち隣接する任意の２つの第２バンプ間の距離よりも、第２バンプのうち任意の１つの第２バンプと第１バンプとの距離が長い場合も、第１バンプ側に応力が集中するため、第１バンプを先に破断させることができる。

【0013】

なお、第２部材は、第３バンプを備え、前記第３バンプを介して第３部材に電気的に接続される態様とすることも可能である。この場合、第２部材は、インターポーザであり、第３部材がマザー基板となる。

【0014】

このように、マザー基板に中間部材（インターポーザ）を設置することで、センサ素子の線膨張係数と、センサ素子を搭載する物の線膨張係数と、を正確かつ容易に設定することができる。マザー基板の材質は、多種多様であり、線膨張係数も多種多様であるため、センサ素子をマザー基板に直接搭載すると、マザー基板の材質に合わせて都度センサ素子の線膨張係数を設定する必要があるが、インターポーザの材質を固定した上で、センサ素子をインターポーザに搭載するという構成とすれば、都度、線膨張係数を設定する必要はなくなる。なお、第３バンプの破断を防ぐため、インターポーザとマザー基板は、温度に対する変形率が同等であることが望ましい。

【0015】

また、上記発明において、前記第１部材は、胴部および複数の脚部に区分され、前記第１電極は、前記複数の脚部のそれぞれに設けられ、前記第２電極は、前記胴部に設けられ、前記複数の脚部には、前記第１電極に接続された第１バンプが設けられ、前記胴部には、前記第２電極に接続された第２バンプが設けられている態様も可能である。

【0016】

この場合、それぞれの脚部における第１バンプが別個に破断するため、複数のセンサ素子を一体化した一体型センサ素子を実現することができる。

【0017】

また、前記第１部材が複数、前記第２部材に設置される態様とすることも可能である。センサ素子は、マザー基板やインターポーザに接合した場合の姿勢（ずれ、傾き）にばらつきが生じる可能性があり、第１バンプが破断するまでのサイクル数にばらつきが生じる可能性がある。また、第１バンプおよび第２バンプ自体の形状（高さ、幅）や、材料特性（線膨張係数、ヤング率、ポアソン比）のばらつきによってもサイクル数にばらつきが生じる可能性がある。そこで、例えば、同じセンサ素子を複数設けた場合、各センサ素子における第１バンプが破断するまでのサイクル数を平均化してばらつきを抑制することができる。

【0018】

また、バンプ間のピッチ（複数の第２バンプのうちいずれか１つの第２バンプと前記第１バンプとの距離）、各バンプの大きさ、または各バンプの材質が異なるセンサ素子を設けることで、第１バンプが破断するまでのサイクル数が異なるセンサ素子を複数設けることも可能である。この場合、最初に第１バンプが破断したセンサ素子から順に、複数（最低２つ）のセンサ素子の第１バンプが破断するまでの経過時間を検知することにより、残るセンサ素子の第１バンプが破断するまでの経過時間を予測することができ、機器の寿命を予測することができる。

【0019】

なお、寿命測定ユニットに制御部を接続した電子装置では、当該制御部の検知結果を外部に出力するインタフェースを備える態様とすることも可能である。例えば、機器の点検時等に検知結果をチェックすることによって、機器余寿命を確認し、部品交換等の必要性を判断することができる。

【0020】

また、本発明の寿命測定ユニットは、電源ラインに配置し、第１バンプの破断により、電源供給を停止させる電源制御システムとして用いることも可能である。例えば、複雑な機器の場合、所定の熱疲労によって電源ラインを破断させることによって、機器自体が故障する前に強制的に機器を停止させることができる。

【発明の効果】

【0021】

この発明によれば、予め想定した温度サイクルが経過したことを測定可能とし、機器の寿命を測定することができることができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】電子装置の構成を示すブロック図である。

【図2】寿命測定ユニットの斜視図である。

【図3】寿命測定ユニットの斜視図である。

【図4】センサ素子、およびインターポーザの各部位の材質の一例を示す図である。

【図5】図５（Ａ）は、センサ素子１１の一部透過斜視図であり、図５（Ｂ）はセンサ素子１１の裏面斜視図である。

【図6】図６（Ａ）は、インターポーザ１２の一部透過斜視図であり、図６（Ｂ）は、インターポーザ１２の裏面斜視図であり、図６（Ｃ）は、はんだバンプを取り除いた場合のインターポーザ１２の裏面斜視図である。

【図7】図７（Ａ）は、応用例１に係る寿命測定ユニット５の斜視図であり、図７（Ｂ）は、ブロック図である。

【図8】温度サイクル数と機器使用年数の関係を示す図である。

【図9】応用例２に係る寿命測定ユニット７の斜視図である。

【図10】図１０（Ａ）は、押圧体を備えた寿命測定ユニットの一部透過斜視図であり、図１０（Ｂ）は、その裏面斜視図である。

【図11】支持機構を備えたセンサ素子１１の裏面斜視図である。

【図12】第１バンプが１つ、かつ第２バンプが１つである例を示す図である。

【図13】複数のセンサ素子を一体化した一体型センサ素子の例を示した図である。

【図14】一体型センサ素子の変形例の１つを示した図である。

【図15】一体型センサ素子１６の他の変形例を示した図である。

【図16】異なる材質の金属板を取り付けたセンサ素子を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

図１は、本発明の寿命測定ユニットを備えた電子装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す電子装置は、寿命測定ユニット１、制御部３、およびインタフェース２を備えている。制御部３は、請求項の判断部に相当し、寿命測定ユニット１およびインタフェース２に接続されている。

【0024】

寿命測定ユニット１は、例えば自動車のＥＣＵ内に設置されており、コンデンサ１００、コイル１０１、あるいは発熱素子１０２等の近傍に配置され、温度サイクル条件の厳しい箇所に配置されている。

【0025】

寿命測定ユニット１は、抵抗器の機能を有し、予め想定した温度サイクルが経過すると、当該抵抗器が電気的に機能しない（絶縁状態となる）ようになっている。当該抵抗器が電気的に機能しなくなるまでの時間（温度サイクル数）は、機器の寿命よりも短く設定されている。制御部３は、ＣＰＵを内蔵し、寿命測定ユニット１の抵抗値を検知することで、寿命測定ユニット１が電気的に機能しなくなった状態を検知する。

【0026】

制御部３は、当該抵抗値の変化をそのまま、あるいは所定の演算を行った検知結果として、インタフェース２に出力する。インタフェース２は、例えば車両サービスプラグ等に接続され、車両点検時等に当該検知結果を出力することができるようになっている。ユーザは、この検知結果を確認することで、機器の寿命が近づいていることを確認することができ、機器の交換の必要性を判断することができる。

【0027】

以下、寿命測定ユニット１が温度サイクルによって電気的に機能しなくなるための構成について説明する。図２は、寿命測定ユニット１の基本的構成を表した斜視図である。寿命測定ユニット１は、センサ素子１１とマザー基板１３を備えている。センサ素子１１は、請求項の第１部材に相当する。センサ素子には、図示されない第１電極および第２電極を備えた図示されない導通部が設けられている。そして、第１電極には、第１はんだバンプ５１、第２電極には、第２はんだバンプ５４が設けられている。

【0028】

この例では、センサ素子１１が、第１はんだバンプ５１および第２はんだバンプ５４を介して、マザー基板１３に接合され、電気的に接続されている。したがってこの例では、センサ素子１１が請求項の第１部材に相当し、マザー基板１３が請求項の第２部材に相当する。

【0029】

なお、マザー基板１３には配線８１が形成されており、配線８１を介して図示されない制御部３に電気的に接続されている。

【0030】

図３は、寿命測定ユニット１の別の形態を表した斜視図である。この実施形態における寿命測定ユニット１は、センサ素子１１、インターポーザ１２、およびマザー基板１３を備えている。センサ素子１１は、インターポーザ１２に接合され電気的に接続されている。また、インターポーザ１２は、マザー基板１３に接合され、電気的に接続されている。この例においては、センサ素子１１が請求項の第１部材に相当し、インターポーザ１２が請求項の第２部材に相当し、マザー基板１３が請求項の第３部材に相当する。

【0031】

電気回路を備えたマザー基板１３には、配線８１が形成されている。インターポーザ１２およびセンサ素子１１は、当該配線８１を介して制御部３に電気的に接続されている。また、センサ素子１１、およびインターポーザ１２の各部位の材質は、一例として図４のようにすることが考えられるが、材質はそれに限定されることはない。

【0032】

図５（Ａ）は、センサ素子１１の一部透過斜視図（センサ素子１１の本体を透過したもの）であり、図５（Ｂ）はセンサ素子１１の裏面斜視図である。図６（Ａ）は、インターポーザ１２の一部透過斜視図（インターポーザ１２の本体を透過したもの）であり、図６（Ｂ）は、インターポーザ１２の裏面斜視図であり、図６（Ｃ）は、はんだバンプを取り除いた場合のインターポーザ１２の裏面斜視図である。

【0033】

直方体形状のセンサ素子１１は、本発明の部材に相当し、インターポーザ１２に対向する面（以下、センサ素子１１の裏面と称する。）において、長手方向の一方の端部から他方の端部に至る直線状の導通部５５が設けられている。そして、導通部５５の一方の端部には、第１電極５１１が設けられている。この第１電極５１１には、第１はんだバンプ５１が接続されている。

【0034】

また、導通部５５の他方の端部は、Ｔ字型に枝分かれし、当該枝分かれした配線のそれぞれの先端部分に複数の電極（第２電極５３１および第２電極５４１）が設けられている。第２電極５３１および第２電極５４１には、それぞれ第２はんだバンプ５３および第２はんだバンプ５４が接続されている。

【0035】

直方体形状のインターポーザ１２は、本発明の中間部材に相当し、センサ素子１１に対向する面（以下、インターポーザ１２の表面と称する。）において、配線６７および配線６８が設けられている。配線６７には、センサ素子１１を接合する際に、上記第１はんだバンプ５１に対応する位置に電極６７１が形成されている。配線６８には、センサ素子１１を接合する際に、上記第２はんだバンプ５３および第２はんだバンプ５４にそれぞれ対応する位置に電極６７２および電極６８３が形成されている。

【0036】

インターポーザ１２は、マザー基板１３に対向する面（以下、インターポーザ１２の裏面と称する。）において、配線６５および配線６６が設けられている。配線６５は、スルーホール７０を介して配線６７に電気的に接続されている。配線６６は、スルーホール６９を介して配線６８に電気的に接続されている。

【0037】

配線６５には、インターポーザ１２の裏面の短手方向の両端部かつ長手方向の一方の端部において、２つの電極６１１および電極６４１が形成されている。電極６１１には、第３はんだバンプ６１が接続され、電極６４１には、第３はんだバンプ６４が接続される。同じく、配線６６には、インターポーザ１２の裏面の短手方向の両端部かつ長手方向の他方の端部において、２つの電極６２１および電極６３１が形成されている。電極６２１には、第３はんだバンプ６２が接続され、電極６３１には、第３はんだバンプ６３が接続される。

【0038】

インターポーザ１２は、これら４つの第３はんだバンプ６１、第３はんだバンプ６２、第３はんだバンプ６３、および第３はんだバンプ６４を介してマザー基板１３に実装される。なお、インターポーザ１２の裏面におけるはんだバンプの数や配置はこの例に限るものではない。ただし、第１はんだバンプ５１、第２はんだバンプ５３、および第２はんだバンプ５４は、第３はんだバンプ６１、第３はんだバンプ６２、第３はんだバンプ６３、および第３はんだバンプ６４よりも高融点材料となっていることが望ましい。高融点材料のはんだバンプとして、例えば銅製の材料を使うなどが考えられる。寿命測定ユニットは、インターポーザ１２をマザー基板１３に実装する際に、リフロー炉ではんだ付けされる。このとき、第１はんだバンプ５１、第２はんだバンプ５３、および第２はんだバンプ５４が高融点材料であれば、実装時のリフロー熱によって第１はんだバンプ５１、第２はんだバンプ５３、および第２はんだバンプ５４が再溶融して変形しないようにすることができる。

【0039】

センサ素子１１の本体は、半導体シリコンやセラミックの材質からなる。インターポーザ１２の本体およびマザー基板１３の本体は、ガラスエポキシ樹脂の材質からなる。したがって、センサ素子１１の線膨張係数は、インターポーザ１２の線膨張係数よりも低い。インターポーザ１２の線膨張係数は、マザー基板１３の線膨張係数と同等（同一または類似した値）である。

【0040】

つまり、センサ素子１１とインターポーザ１２は、温度に対する変形率が異なり、温度変化によって、接続箇所であるはんだバンプに応力が発生することになる。バンプ間のピッチＬが長いほどセンサ素子１１の温度変化による変形量が大きくなるため、当該応力は、バンプ間のピッチＬが長いほど大きくなる。

【0041】

そして、第２はんだバンプ５３または第２はんだバンプ５４と第１はんだバンプ５１との距離は、第２はんだバンプ５３および第２はんだバンプ５４間の距離よりも、長くなっているため、第１はんだバンプ５１に応力が集中することになる。

【0042】

したがって、温度サイクルによって第１はんだバンプ５１が先に破断する。なお、第２はんだバンプ５３および第２はんだバンプ５４と、第１はんだバンプ５１とは、異なる材質であってもよい。一例として、第１はんだバンプの材料にＳｎＣｕＡｇを使用し、第２はんだバンプの材料にＣｕを使用すると、第１はんだバンプの方が先に破断するような構成となる。また、第２はんだバンプ５３および第２はんだバンプ５４の大きさを、第１はんだバンプ５１よりも大きくしてもよい。あるいは、第２はんだバンプ５３および第２はんだバンプ５４をセンサ素子１１およびインターポーザ１２に溶接接合したりして、第１はんだバンプよりも壊れにくい構造にして、より確実に第１はんだバンプ５１が先に破断するようにすることも可能である。

【0043】

第１はんだバンプ５１が破断されると、センサ素子１１における電気的な導通が切断されることになるため、抵抗器として機能しなくなる。したがって、寿命測定ユニット１に制御部３を接続した電子装置では、制御部３が抵抗値の変化を検知することにより、第１はんだバンプ５１の破断を検知することができる。したがって、第１はんだバンプ５１が予め想定した温度サイクルで破断するように設定しておけば、予め想定した温度サイクルが経過したことを測定することができ、機器の寿命を測定することができる。

【0044】

上述したように、第１はんだバンプ５１が破断するまでの温度サイクルは、はんだバンプ間のピッチＬ、各はんだバンプの大きさ、または各バンプの材質によって異なる。

【0045】

例えば、センサ素子１１の本体材質を半導体シリコンとし、はんだバンプ間隔を約１．８ｍｍとした場合に、寿命測定ユニット１の周囲の最高温度、最低温度の差が約５５度で変化する状況において、この温度上昇から下降までの１回を１サイクルと定義した場合、第１はんだバンプ５１は、約３６５０サイクルで破断する。したがって、機器を１日１回使用すると仮定した場合、約１０年経過したところで、第１はんだバンプ５１に破断が発生し、電気的な導通ができなくなるように設定される。また、１０年経過するよりも前に第１はんだバンプ５１に破断が発生した場合、機器の使用状況が過酷であると判断することもできる。

【0046】

なお、インターポーザ１２とマザー基板１３は、温度に対する変形率が同等であるため、第３はんだバンプ６１、第３はんだバンプ６２、第３はんだバンプ６３、および第３はんだバンプ６４には大きな応力が発生しない。したがって、第３はんだバンプ６１、第３はんだバンプ６２、第３はんだバンプ６３、および第３はんだバンプ６４は、第１はんだバンプ５１よりも先に破断することはない。また、インターポーザ１２の線膨張係数とマザー基板１３の線膨張係数が多少異なっていたとしても、第３はんだバンプ６２、第３はんだバンプ６３、および第３はんだバンプ６４の大きさを第１はんだバンプ５１よりも大きくしたり、強度の高い材質としたりすれば、第１はんだバンプ５１よりも先に破断することはない。

【0047】

また、インターポーザ１２は、本発明において必須の構成要素ではないが、センサ素子１１の線膨張係数と、センサ素子１１を搭載する物の線膨張係数と、を正確かつ容易に設定するために存在する。マザー基板１３の材質は、多種多様であり、線膨張係数も多種多様である。仮に、センサ素子１１をマザー基板１３に直接搭載するとなると、マザー基板１３の材質に合わせて都度センサ素子１１の線膨張係数を設定し、所定温度サイクルで第１はんだバンプ５１が破断するように、第１はんだバンプ５１や第２はんだバンプ５３，５４の位置を変更する必要が生じる。しかし、インターポーザ１２の材質を固定した上で、センサ素子１１をインターポーザ１２に搭載するという構成とすれば、都度、線膨張係数を設定したり、第１はんだバンプ５１や第２はんだバンプ５３，５４の位置を変更する必要はなくなる。

【0048】

なお、第１はんだバンプ５１が破断するまでの温度サイクル数は、センサ素子１１の姿勢（ずれ、傾き）のばらつきにより変化する可能性がある。したがって、第１はんだバンプと第２はんだバンプの数は、異なることが望ましい。例えば、上記実施形態で示したように、第２はんだバンプを２個とし、センサ素子１１を３点支持構造にすることで、センサ素子１１の傾きを防止し、破断精度を向上させることができる。

【0049】

また、第１はんだバンプが破断するまでのサイクル数は、第１はんだバンプおよび第２はんだバンプ自体の形状（高さ、幅）や、材料特性（線膨張係数、ヤング率、ポアソン比）のばらつきによってもばらつく可能性がある。そこで、インターポーザ１２に、同じセンサ素子１１を複数設け、各センサ素子１１における第１はんだバンプ５１が破断するまでのサイクル数を制御部３で平均化して、ばらつきを抑制することもできる。このとき、制御部３は、１つのセンサ素子１１における第１はんだバンプ５１が破断した場合には、インタフェース２に検知結果を出力せず、複数（例えば２つまたは３つ）のセンサ素子１１における第１はんだバンプ５１が破断したとき、あるいは全てのセンサ素子１１における第１はんだバンプが破断したときに検知結果を出力する。また、制御部３は、著しく短い温度サイクルで第１はんだバンプ５１が破断したセンサ素子１１が存在した場合、このセンサ素子１１の検知結果は無視することも可能である。

【0050】

また、本発明の寿命測定ユニットは、第１はんだバンプが破断するまでのサイクル数が異なるセンサ素子を複数設けることも可能である。図７（Ａ）は、応用例１に係る寿命測定ユニット５の斜視図であり、図７（Ｂ）は、ブロック図である。なお、図７（Ａ）においてはマザー基板の図示は省略している。また、図２乃至図６で示した構成と同一の構成については同じ番号を付し、その説明を省略する。

【0051】

応用例１に係る寿命測定ユニット５は、第１はんだバンプ５１が破断するまでのサイクル数が異なる５つのセンサ素子１１Ａ、センサ素子１１Ｂ、センサ素子１１Ｃ、センサ素子１１Ｄ、およびセンサ素子１１Ｅを備えている。これらのセンサ素子は、インターポーザ１２よりも面積の広いインターポーザ２２に搭載される。寿命測定ユニット５も、例えば自動車のＥＣＵ内に設置されており、コンデンサ１００、コイル１０１、あるいは発熱素子１０２等の近傍に配置されている。

【0052】

各センサ素子は、バンプ間のピッチＬ（図５（Ｂ）を参照）が異なるため、第１はんだバンプが破断するまでのサイクル数が異なる。ただし、各バンプの大きさや各バンプの材質が異なるセンサ素子とすることでも第１はんだバンプが破断するまでのサイクル数を変更することができる。

【0053】

バンプ間のピッチＬが長いほど、温度変化によるセンサ素子の変形量が大きくなるため、センサ素子１１Ａの第１はんだバンプ５１に係る応力が最も強く、当該センサ素子１１Ａの第１はんだバンプ５１が最も早く破断し、センサ素子１１Ｂ、センサ素子１１Ｃ、センサ素子１１Ｄ、センサ素子１１Ｅの順に各第１はんだバンプ５１が破断することになる。

【0054】

この応用例１においても、制御部３は、１つのセンサ素子１１Ａにおける第１はんだバンプ５１が破断した場合には、インタフェース２に検知結果を出力せず、複数のセンサ素子（例えばセンサ素子１１Ａおよびセンサ素子１１Ｂ）における第１はんだバンプ５１が破断したとき、あるいは全てのセンサ素子における第１はんだバンプ５１が破断したときに検知結果を出力する。

【0055】

また、この応用例１では、最初に第１はんだバンプ５１が破断したセンサ素子１１Ａから順に、複数（最低２つ）のセンサ素子の第１はんだバンプ５１が破断するまでの温度サイクル数（経過時間）を検知することにより、残るセンサ素子１１の第１はんだバンプ５１が破断するまでの温度サイクル数（経過時間）を演算により予測することができる。例えば、センサ素子１１Ａの第１はんだバンプ５１が破断するまでの温度サイクル数を５００に想定し、センサ素子１１Ｂの第１はんだバンプ５１が破断するまでの温度サイクル数を７５０に設定し、センサ素子１１Ｃの第１はんだバンプ５１が破断するまでの温度サイクル数を１０００に設定し、センサ素子１１Ｄの第１はんだバンプ５１が破断するまでの温度サイクル数を１２５０に設定し、センサ素子１１Ｅの第１はんだバンプ５１が破断するまでの温度サイクル数を１５００に設定する。このように、各センサ素子の第１はんだバンプ５１が破断するまでの温度サイクル数を直線的に変化するようにしておく。そして、制御部３は、実際に複数（最低２つ）のセンサ素子の第１はんだバンプ５１が破断したときのサイクル数（経過時間）を検知し、直線近似により、残るセンサ素子の第１はんだバンプ５１が破断するまでのサイクル数を予測する。

【0056】

この場合、センサ素子１１Ｅの寿命（センサ素子１１Ｅの第１はんだバンプ５１が破断するまでのサイクル数）を、機器の寿命よりも短く設定しておけば、最低２つのセンサ素子の第１はんだバンプ５１が破断した時点で機器の余寿命を予測することができる。

【0057】

また、この例では、上記直線近似により、各センサ素子１１における第１はんだバンプ５１が破断するまでのサイクル数も平均化されるため、第１はんだバンプが破断するまでのサイクル数のばらつきを抑制することもできる。さらに、制御部３は、上記直線近似から著しくかけ離れた温度サイクルで第１はんだバンプ５１が破断したセンサ素子１１が存在した場合、このセンサ素子１１の検知結果は無視することもできる。

【0058】

機器の余寿命予測の一例を、以下に説明する。図８は、縦軸に温度サイクル数を、横軸に機器使用年数をとったグラフである。直線（Ａ）は、ある機器において、センサ素子１１Ａの第１はんだバンプが、機器使用の開始から４年経過したところで、温度サイクル数５００に達して破断し、センサ素子１１Ｂの第１はんだバンプが、機器使用の開始から６年経過したところで温度サイクル数７５０に達して破断し、センサ素子１１Ｃの第１はんだバンプが、機器使用の開始から８年経過したところで温度サイクル数１０００に達して破断した場合である。

【0059】

このとき、直線近似によって、センサ素子１１Ｄの第１はんだバンプは、機器使用開始から１０年で温度サイクル数１２５０に達して破断し、またセンサ素子１１Ｅの第１はんだバンプは、機器使用開始から１２年で温度サイクル数１５００に達して破断すると予測することができる。言い換えると、センサ素子１１Ｃの第１はんだバンプが破断した時点において、機器の余寿命４年と判断することができる。

【0060】

直線（Ｂ）は、同じ種類の別の機器について、センサ素子１１Ａ、センサ素子１１Ｂ、およびセンサ素子１１Ｃの第１はんだバンプが破断した時点で同様に直線近似を行ったものである。この場合、センサ素子１１Ｃのはんだバンプは、機器使用開始から６年で破断している。直線近似により、センサ素子１１Ｄの第１はんだバンプは、機器使用開始から８年で温度サイクル数１２５０に達して破断し、センサ素子１１Ｅの第１はんだバンプは、機器使用開始から９年で破断すると予測できる。言い換えると、センサ素子１１Ｃの第１はんだバンプが破断した時点において、機器の余寿命３年と判断することができる。

【0061】

次に、図９は、応用例２に係る寿命測定ユニット７の斜視図である。応用例２に係る寿命測定ユニット７は、図９に示した応用例１の寿命測定ユニット５と、各センサ素子の配置が異なり、各センサ素子は、インターポーザ２２よりも面積の狭いインターポーザ２３に搭載されている。その他の構成は図７に示した応用例１の寿命測定ユニット５と共通する。

【0062】

応用例２に係る寿命測定ユニット７は、最も大きいセンサ素子１１Ａの近傍に、次に大きいセンサ素子１１Ｂと最も小さいセンサ素子１１Ｅが配置されている。かつ、センサ素子１１Ｅは、寿命測定ユニット７の上面から見て他のセンサ素子から９０度回転させて配置されている。そして、センサ素子１１Ｂを挟んだ反対側にはセンサ素子１１Ｃが配置され、センサ素子１１Ｅを挟んだ反対側には、センサ素子１１Ｄが配置されている。

【0063】

したがって、応用例２に係る寿命測定ユニット７は、最も面積占有の効率がよい配置となり、マザー基板上における寿命測定ユニットの占有面積を小さくすることができる。

【0064】

以降の実施形態の説明においては、インターポーザの図示を省略し、センサ素子１１の構造のみを図示することとする。図１０および図１１は、センサ素子１１の支持構造に関する応用例を示す図である。まず、図１０（Ａ）は、押圧体を備えた寿命測定ユニットの一部透過斜視図（センサ素子１１およびインターポーザ１２の本体を透過したもの）であり、図１０（Ｂ）は、裏面斜視図である。

【0065】

この例では、インターポーザ１２とセンサ素子１１の間において、センサ素子１１の長手方向の中央部分に、短手方向に沿って押圧体である板バネ９３が配置されている。板バネ９３は、両端部において、ボス９５によってインターポーザ１２に固定されている。板バネ９３は、センサ素子１１の裏面側から当該センサ素子１１をインターポーザ１２と反対方向に押圧している。

【0066】

この例によれば、第１はんだバンプ５１に初期的なき裂が発生した直後に、板バネ９３の圧力によって第１はんだバンプ５１を強制的に破断させることができる。したがって、第１はんだバンプ５１が破断するまでのサイクル数を均一にすることができる。

【0067】

次に、図１１は、支持機構を備えたセンサ素子１１の裏面斜視図である。この例では、センサ素子１１の支持機構として、センサ素子１１の裏面に４つのギャップ調整用のはんだバンプ９１を備えている。はんだバンプ９１は、第１はんだバンプ５１、第２はんだバンプ５３、および第２はんだバンプ５４よりもさらに高融点の材料を使用している。したがって、マザー基板１３にインターポーザ１２を実装する際に、リフロー熱によって第１はんだバンプ５１、第２はんだバンプ５３、および第２はんだバンプ５４よりも変形量が少なくなり、センサ素子１１の傾きをさらに抑制することができる。また、図１１に示した支持機構に限らず、柱状部材（ボス）等を用いてセンサ素子１１を支持することも可能である。

【0068】

また、センサ素子とインターポーザの間に接着剤（請求項の接着用部材に相当）を設置し、センサ素子を固定してもよい。ただし、接着剤は、センサ素子とインターポーザの熱膨張差による応力に大きな影響を与えないように、低粘度のものを使用する。

【0069】

以上の例では、第１はんだバンプが１つであり、第２はんだバンプが複数である寿命測定ユニットについて説明した。しかし、図１２に示すように、第１はんだバンプが１つ、かつ第２はんだバンプが１つである例も考えられる。この場合、第２はんだバンプは接着剤１０１を使って固定することで、第１はんだバンプが先に破断するような構成とする。

【0070】

また、複数のセンサ素子を一体化し、センサ素子全体では第１はんだバンプを複数もつ実施形態も想定できる。図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）は、図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示したセンサ素子１１の代わりに、複数のセンサ素子を一体化したものである一体型センサ素子１５の例を示した図である。

【0071】

一体型センサ素子１５は、胴部１５１および複数の脚部１５２（それぞれ脚部１５２Ａ、脚部１５２Ｂ、および脚部１５２Ｃ）に区分されている。胴部１５１には、第２はんだバンプ５４Ａ、第２はんだバンプ５４Ｂ、第２はんだバンプ５４Ｃの３つの第２はんだバンプが存在する。脚部１５２Ａ、脚部１５２Ｂ、および脚部１５２Ｃの端部には、それぞれ、第１はんだバンプ５１Ａ、第１はんだバンプ５１Ｂ、および第１はんだバンプ５１Ｃの３つの第１はんだバンプが存在する。

【0072】

３つの第２はんだバンプは、電極および導通部５５により、互いに結合されている。また、第２はんだバンプ５４Ａと第１はんだバンプ５１Ａは、電極および導通部５５により、互いに結合され、第２はんだバンプ５４Ｂと第１はんだバンプ５１Ｂは、電極および導通部５５により、互いに結合され、第２はんだバンプ５４Ｃと第１はんだバンプ５１Ｃは、電極および導通部５５により、互いに結合されている。

【0073】

また、第２はんだバンプ側では、接着剤１０１によって、図示されないインターポーザ１２に一体型センサ素子１５が固定されている。接着剤１０１は、第２はんだバンプ側の接着力を第１はんだバンプ側の接着力よりも強くし、第１はんだバンプの側に応力を集中させる機能を有する。また、接着剤１０１は、マザー基板に寿命測定ユニットを実装する際に、実装時のリフロー熱によってはんだバンプが再溶融して変形することを防止する。

【0074】

この例の一体型センサ素子１５は、３つの第１はんだバンプがそれぞれ個別に破断する。そして、３つの第１はんだバンプがすべて破断した時点で、所定の寿命に達したと判断することができる。

【0075】

なお、図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）の例では、３つの第１はんだバンプと第２はんだバンプ間のピッチを同じとしているが、各バンプ間のピッチを異ならせて、上述の図７や図９の例と同様に使用できる寿命測定ユニットとしてもよい。

【0076】

次に、図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）は、一体型センサ素子の変形例の１つを示した図である。一体型センサ素子１６は、胴部１６１および複数の脚部１６２（それぞれ脚部１６２Ａ、脚部１６２Ｂ、および脚部１６２Ｃ）に区分されている。胴部１６１には、第２はんだバンプ５４Ａ、第２はんだバンプ５４Ｂ、第２はんだバンプ５４Ｃの３つの第２はんだバンプが存在する。脚部１６２Ａ、脚部１６２Ｂ、および脚部１６２Ｃの端部には、それぞれ、第１はんだバンプ５１Ａ、第１はんだバンプ５１Ｂ、および第１はんだバンプ５１Ｃの３つの第１はんだバンプが存在する。

【0077】

一体型センサ素子１６は、導通部５５が３つ（それぞれ導通部５５Ａ、導通部５５Ｂおよび導通部５５Ｃ）に分離されている。導通部５５Ａが第１はんだバンプ５１Ａと第２はんだバンプ５４Ａを接続し、導通部５５Ｂが第１はんだバンプ５１Ｂと第２はんだバンプ５４Ｂを接続し、導通部５５Ｃが第１はんだバンプ５１Ｃと第２はんだバンプ５４Ｃを接続する。

【0078】

この一体型センサ素子１６は、３つの第１はんだバンプそれぞれの破断を独立して検知することができる。したがって、所定の寿命に達したという判断は、第１はんだバンプ１つが破断した時点で行う、あるいは第１はんだバンプ２つが破断した時点で行う、等、種々の判断基準を設けることができる。

【0079】

また、一体型センサ素子１６は、裏面側の、脚部１６２Ａおよび脚部１６２Ｃの端部（第１はんだバンプ近傍）を第１はんだバンプの凸方向と同じ方向に突出させた突部１６３Ａおよび突部１６３Ｃを設けている。胴部１６１の端部（第２はんだバンプ近傍）にも同様に、第２はんだバンプの凸方向と同じ方向に突出させた突部１６４を設けている。これらの突部は、一体型センサ素子１６を図示されないインターポーザ１２にはんだ付けするとき、インターポーザ１２に接触して一体型センサ素子１６を支持し、第１はんだバンプおよび第２はんだバンプの形状を保ちやすくする。

【0080】

次に、図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）は、一体型センサ素子１６の他の変形例を示した図である。この例では、第２はんだバンプ５１Ｂが１つだけ設け、３つの第１はんだバンプを全て第２はんだバンプ５１Ｂに接続する態様としている。この場合においても、接着剤１０１を用いて、図示されないインターポーザ１２と一体型センサ素子１６とを固定しているため、第２はんだバンプ５１Ｂの側は安定しており、第２はんだバンプが１つであってもセンサ素子としての役割は果たせる。

【0081】

なお、一体型センサ素子１６において、図１６（Ａ）および図１６（Ｂ）に示すように、表面側（はんだバンプのない側）にセンサ素子と異なる材質の金属板５６を取り付けることもできる。金属板５６の材質は多様に想定できるが、一例として、センサ素子の材質が半導体シリコンであり、金属板５６の材質が銅である場合を例に挙げる。このとき、センサ素子全体が一定温度以下の低温になったときは、銅製の金属板５６が相対的に半導体シリコン製のセンサ素子より縮みやすく、センサ素子にはゆがみの応力がかかる。逆に一定温度以上の高温になった場合においても、銅製の金属板５６は相対的に半導体シリコン製のセンサ素子より膨張しやすく、やはりセンサ素子にはゆがみの応力がかかる。

【0082】

このように、センサ素子と材質の異なる金属板を取り付けると、第１はんだバンプに初期的な亀裂が発生した直後、ゆがみの応力によって第１はんだバンプを強制的に破断させることができる。したがって、第１はんだバンプが破断するまでのサイクル数を均一にすることができる。

【0083】

なお、本発明の応用例として、寿命測定ユニットを機器の電源ラインに配置し、第１はんだバンプ５１の破断により、機器への電源供給を停止させる電源制御システムとして用いることも可能である。例えば、複雑な機器の場合、所定の熱疲労によって電源ラインを破断させることによって、機器自体が故障する前に強制的に停止させることもできる。

【0084】

また、本発明の応用例としては、機器の使用履歴を記録することも可能であるし、機器のメンテナンス時に事前故障予測を行うことで、定期点検などで故障前に安全策を講じることもできる。

【0085】

なお、本実施形態では、寿命測定ユニットを自動車のＥＣＵ内に設置する例を示したが、その他の機器（例えば、発電装置、サーバ、電源システム等の他の製品）に用いることも可能である。

【0086】

なお、本実施形態では、センサ素子やインターポーザを支持するバンプとしてはんだを用いる例を示したが、はんだ以外の物（例えば導電性ゴム等）を用いてもよい。

【0087】

なお、本実施形態では、寿命測定ユニット、制御部、およびインタフェースを１つのパッケージとして、インタフェースを介して外部に検知結果を出力する例を示したが、寿命測定ユニットだけのパッケージとし、当該寿命測定ユニットを直接外部の制御部（例えばＥＣＵ）に接続し、外部の制御部がセンサ素子の第１はんだバンプ５１の破断を検知するようにしてもよい。

【符号の説明】

【0088】

１…寿命測定ユニット
２…インタフェース
３…制御部
１１…センサ素子
１２…インターポーザ
１３…マザー基板
５１…第１はんだバンプ
５３，５４…第２はんだバンプ
６１，６２，６３，６４…第３はんだバンプ
５５…導通部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】