特許 7118589 電子部品の寿命予測装置及び電子部品の寿命予測方法

(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】

(24)【登録日】2022-08-05

(45)【発行日】2022-08-16

(54)【発明の名称】電子部品の寿命予測装置及び電子部品の寿命予測方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/00 20060101AFI20220808BHJP

   G01R 31/26 20200101ALI20220808BHJP

   H01G 13/00 20130101ALI20220808BHJP

   H01L 33/00 20100101ALI20220808BHJP

【ＦＩ】

G01R31/00

G01R31/26 F

H01G13/00 361Z

H01L33/00 K

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2017001178

(22)【出願日】2017-01-06

(65)【公開番号】P2018112410

(43)【公開日】2018-07-19

【審査請求日】2020-01-06

【審判番号】

【審判請求日】2021-06-15

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】弁理士法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】角本 雄一

(72)【発明者】

【氏名】村上 和也

【合議体】

【審判長】居島 一仁

【審判官】中塚 直樹

【審判官】濱本 禎広

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－２８２２７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２４６３９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－００２２４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２１７９４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

G01R 31/00

G01R 31/24-31/25

H01G 4/00-4/10

H01G 4/14-4/22

H01G 4/224

H01G 4/255-4/30

H01G 4/32-4/40

H01G 13/00-13/36

H01L 33/00-33/46

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の負荷因子を同時に与える複合負荷試験を実施した後の複数の第１の電子部品における特性の変動量のばらつきと前記複数の第１の電子部品の寿命との相関関係を記憶する記憶部と、
前記複合負荷試験を実施した後の複数の第２の電子部品における特性の変動量のばらつきを取得するばらつき取得部と、
前記記憶部に記憶された相関関係と前記取得された特性の変動量のばらつきとに基づいて、前記複数の第２の電子部品の寿命を算出する寿命算出部と、
を備え、
前記複数の第１及び第２の電子部品における特性の変動量のばらつきは、品質工学における静特性のうちの望小特性として算出可能な機能余裕度ＳＮ比であり、
前記複数の第１及び第２の電子部品のそれぞれは、製品の仕様が互いに共通する電子部品である、
電子部品の寿命予測装置。

【請求項2】

前記複合負荷試験で適用する負荷因子は、一つの負荷因子を与える単一負荷試験を実施した後の複数の第１の電子部品における特性の変動量のばらつきを基に選定される、
請求項１に記載の電子部品の寿命予測装置。

【請求項3】

前記複合負荷試験は、前記第１及び第２の電子部品における構成材料の物性を維持し得る条件範囲内での負荷因子が適用されている、
請求項１又は２に記載の電子部品の寿命予測装置。

【請求項4】

前記複合負荷試験は、温度の要素を単一の負荷因子として適用した加速劣化試験よりも短い試験時間で完了する、
請求項１から３までのいずれか１項に記載の電子部品の寿命予測装置。

【請求項5】

複数の負荷因子を同時に与える複合負荷試験を実施した後の複数の第１の電子部品における特性の変動量のばらつきと前記複数の第１の電子部品の寿命との相関関係を記憶部が記憶するステップと、
前記複合負荷試験を実施した後の複数の第２の電子部品における特性の変動量のばらつきを取得するステップと、
前記記憶部に記憶された相関関係と前記取得された特性の変動量のばらつきとに基づいて、前記複数の第２の電子部品の寿命を算出するステップと、
を有し、
前記複数の第１及び第２の電子部品における特性の変動量のばらつきは、品質工学における静特性のうちの望小特性として算出可能な機能余裕度ＳＮ比であり、
前記複数の第１及び第２の電子部品のそれぞれは、製品の仕様が互いに共通する電子部品である、
電子部品の寿命予測方法。

【請求項6】

前記複合負荷試験で適用する負荷因子を、一つの負荷因子を与える単一負荷試験を実施した後の複数の第１の電子部品における特性の変動量のばらつきを基に選定するステップ、
をさらに有する請求項５に記載の電子部品の寿命予測方法。

【請求項7】

前記複合負荷試験は、前記第１及び第２の電子部品における構成材料の物性を維持し得る条件範囲内での負荷因子が適用されている、
請求項５又は６に記載の電子部品の寿命予測方法。

【請求項8】

前記複合負荷試験は、温度の要素を単一の負荷因子として適用した加速劣化試験よりも短い試験時間で完了する、
請求項５から７までのいずれか１項に記載の電子部品の寿命予測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、電子部品の寿命予測装置及び電子部品の寿命予測方法に関する。

【背景技術】

【0002】

電解コンデンサやＬＥＤなどの電子部品は、静電容量などの諸特性が経時的に劣化することが知られている。そこで、電子部品の寿命（耐用期間）を短時間で予測する技術が提案されている。

【0003】

電子部品の寿命を予測する場合、例えば加速劣化試験を電子部品に対して実施することにより、耐用年数などが検証される。一般に、電子部品の保障期間や規格を考慮したうえで加速劣化試験を行う際には、電子部品の実使用環境下における耐用期間を予測することが重要となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１３－４４７１４号公報

【文献】特開２０１２－１３２８８２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

近年では、電子部品の長寿命化（耐用期間の長期化）に伴い、数千時間から数万時間にも及ぶ加速劣化試験を行う必要性がある。このため、近年の電子部品は、耐用期間の予測に多くの時間を要する。つまり、電子部品を搭載する電子機器類の開発期間を短縮するためにも、電子部品の寿命の予測に要する時間を削減することが求められている。

【0006】

そこで、本発明が解決しようとする課題は、電子部品の寿命を短時間で予測できる電子部品の寿命予測装置及び電子部品の寿命予測方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

実施の形態に係る電子部品の寿命予測装置は、記憶部、ばらつき取得部及び寿命算出部を備えている。記憶部は、複数の負荷因子を同時に与える複合負荷試験を実施した後の複数の第１の電子部品における特性の変動量のばらつきと前記複数の第１の電子部品の寿命との相関関係を記憶する。ばらつき取得部は、複合負荷試験を実施した後の複数の第２の電子部品における特性の変動量のばらつきを取得する。寿命算出部は、記憶部に記憶された相関関係と前記取得された特性の変動量のばらつきとに基づいて、複数の第２の電子部品の寿命を算出する。複数の第１及び第２の電子部品における特性の変動量のばらつきは、品質工学における静特性のうちの望小特性として算出可能な機能余裕度ＳＮ比である。前記複数の第１及び第２の電子部品のそれぞれは、製品の仕様が互いに共通する電子部品である。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、電子部品の寿命を短時間で予測することが可能な電子部品の寿命予測装置及び電子部品の寿命予測方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態に係る電子部品の寿命予測装置の構成を機能的に示すブロック図。

【図2】図１の寿命予測装置が寿命予測の対象とする電解コンデンサの断面図。

【図3】比較例として温度加速劣化試験の結果を例示した図。

【図4】図１の寿命予測装置が適用する相関近似線を得るためのフローチャート。

【図5】図４の相関近似線の一例を示す図。

【図6】図１の寿命予測装置が用いる複合負荷試験の負荷因子を選定するためのフローチャート。

【図7】図２の電解コンデンサへ適用可能な負荷因子毎の試験条件の一例を示す図。

【図8】図２の電解コンデンサへ適用可能な負荷因子毎における静電容量の低下に対する影響度、及び他の負荷因子と組み合せた場合の有用性を例示した図。

【図9】図２の電解コンデンサへ適用可能な単一負荷因子の静電容量の低下に対する影響度の一例を示すグラフ。

【図10】図２の電解コンデンサへ適用可能な複合負荷因子の静電容量の低下に対する影響度の一例を示すグラフ。

【図11】ＬＥＤへ適用可能な負荷因子毎の試験条件の一例を示す図。

【図12】図１の寿命予測装置による電子部品の寿命を予測するフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、実施の形態を図面に基づき説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る電子部品の寿命予測装置１０は、相関関係記憶部１１、ばらつき取得部１２、寿命算出部１３、データベース１４、影響度判定部１５などを備えている。

【0011】

相関関係記憶部１１は、複合負荷試験を実施した後の複数の第１の電子部品における特性の変動量のばらつき（機能余裕度ＳＮ比）と、前記複数の第１の電子部品の寿命との相関関係（相関近似線）を記憶する。複合負荷試験は、試験対象の電子部品に対して複数の負荷因子を同時に与える。一方、ばらつき取得部１２は、前記複合負荷試験を実施した後の複数の第２の電子部品における特性の変動量のばらつきを取得する。ここで、上記した複数の第１及び第２の電子部品のそれぞれは、製品の仕様が互いに共通する電子部品であって、より具体的には、製造メーカや製造場所などが異なるものの、製品のスペック（製品規格）が同じ電子部品である。

【0012】

寿命算出部１３は、相関関係記憶部１１に記憶された相関関係と、ばらつき取得部１２によって取得された特性の変動量のばらつきと、に基づいて、前記複数の第２の電子部品の寿命を算出する。データベース１４は、電子部品の寿命の予測に必要な各種のデータを記憶している。影響度判定部１５は、複合負荷試験に適用する負荷因子を選定するために、前記第１、第２の電子部品の経時的劣化に対する単一の負荷因子（負荷因子毎）の影響度を判定する。なお、相関関係記憶部１１、ばらつき取得部１２、寿命算出部１３などの図１に示す各部の構成については後に詳述する。

【0013】

図２に示すように、本実施形態では、寿命の予測に適用される第１、第２の電子部品としてリードタイプの電解コンデンサ２０を例示する。電解コンデンサ２０は、電源回路の平滑用として、産業機器に多用されている有限寿命部品である。電解コンデンサ２０は、スリーブ２１、アルミニウムケース２２、素子部２３、封口ゴム２４、アルミニウムリード２５、リード線２６を有する。なお、電解コンデンサが表面実装型の場合、リード線が図２に示すものとは異なる形状となる。

【0014】

図２に示すように、素子部２３は、アルミ箔の表面をエッチング処理することによって表面積を拡大し、耐電圧が高くて薄い酸化被膜を化成処理で形成した陽極箔と、エッチング処理のみの陰極箔との間に電解紙を挿入して、円筒形の素子に巻き取ることによって製造される。さらに、素子部２３に電解液を含浸させ、素子部２３をアルミニウムケース２２に入れた後、封口ゴム２４でパッキングし、アルミニウムケース２２に絞り加工を施すことで封止を行う。この後、定格値など必要な表示を施したスリーブ２１をアルミニウムケース２２の外側に被覆する。

【0015】

このような構造の電解コンデンサ２０は、経時的な劣化によって、内部に含浸された電解液が封口ゴム２４の周辺から外部へ流れ出し、静電容量、誘電体内での電気エネルギ損失の度合いを表す誘電正接（ｔａｎδ）、漏れ電流、といった各種の特性が低下する。ここで、図３は、品種の異なる２種類の電解コンデンサに対し、温度の要素を単一の負荷因子として適用した加速劣化試験（温度加速劣化試験）の結果を例示している。静電容量の変化率が例えば－７％～－１０％になった場合を製品寿命に達したものとして想定すると、図３では、数千時間から数万時間にも及ぶ評価時間（寿命予測時間）が必要であることが表されている。

【0016】

そこで、本実施形態に係る電子部品の寿命予測装置１０は、上記したように、経時的に劣化する電解コンデンサなどの電子部品の寿命を、短時間で予測することの可能な機能を有している。まず、図４～図６を参照して、寿命の予測に必要な相関近似線を得る手順について説明する。

【0017】

図４に示すように、複数の種類の電解コンデンサ（上記した第１の電子部品）を複数個ずつ準備する（Ｓ［ステップ］１）。準備する電解コンデンサは、例えば型式や寸法などを特に限定する必要はないものの、製品のスペックが共通のものを用意する。例えば３種類以上の品種の電解コンデンサをそれぞれ３個～５個ほど準備する。

【0018】

次に、電解コンデンサ毎に初期の諸特性として例えば静電容量を計測する（Ｓ２）。初期の特性は、複合負荷試験を行う前の特性である。なお、電解コンデンサの特性として、例えば静電容量を例示しているが、計測する特性を静電容量に限定する必要はない。劣化する対象の特性が複数ある場合には、少なくとも一つを限定して、指定された特性の初期特性を計測すればよい。また、計測環境は、例えば常温及び常湿の環境である。

【0019】

続いて、初期の特性が計測された各電解コンデンサに対して複合負荷試験を実施する（Ｓ３）。複合負荷試験は、電解コンデンサに対し、複数の種類の負荷因子（劣化をひき起こす要素）を同時に適用する。この複合負荷試験は、温度の要素を単一の負荷因子として適用した加速劣化試験（数千時間以上もの試験時間を要していた上記の温度加速劣化試験）よりも短い、数十時間程度の試験時間で完了する。

【0020】

次いで、複合負荷試験が完了した後、各電解コンデンサの諸特性として静電容量を計測する（Ｓ４）。この場合の計測環境も、Ｓ２（ステップ２）と同様に例えば常温、常湿の環境である。次に、電解コンデンサ毎の、複合負荷試験前に計測した特性と複合負荷試験後に計測した特性とに基づいて、機能余裕度ＳＮ比を算出する（Ｓ５）。つまり、複合負荷試験前後における各電解コンデンサの特性の変動量（静電容量）のばらつきを示す機能余裕度ＳＮ比を求める。

【0021】

機能余裕度ＳＮ比は、例えば品質工学における静特性のうちの望小特性として算出可能であり、当該ＳＮ比が大きいほど、上述した特性の変動量（静電容量）のばらつきが小さくなる。このような静特性のＳＮ比は、下記の式１を用いて計算されることが知られている。ここで、式１中の「ｙ_i0」は初期の特性、「ｙ_i」は負荷試験後の特性、「ｎ」はサンプル数である。

【0022】

【数1】

【0023】

最後に、図４、図５に示すように、算出された機能余裕度ＳＮ比（電解コンデンサ毎の特性の変動量のばらつき）と、電解コンデンサ（第１の電子部品）の寿命と、の相関関係を表す相関近似線を、データベース１４の内容を参照しつつ生成する（Ｓ６）。相関関係記憶部１１は、生成された相関近似線を記憶する。

【0024】

データベース１４には、例えばＳ１（ステップ１）で準備した電解コンデンサとは、型式が異なる他の電解コンデンサ（耐用期間を検証済みの他の電子部品）に関する情報が記憶されている。ただし、当該型式が異なる他の電解コンデンサ（この他の電子部品）は、準備した電解コンデンサに対して、例えばスペックが共通若しくはスペックが近似する電子部品である。データベース１４には、例えば当該品種の異なる電解コンデンサの寿命と機能余裕度ＳＮ比との関係が予め記憶されている。したがって、Ｓ１（ステップ５）で算出された機能余裕度ＳＮ比とこのようなデータベース１４の記憶内容とに基づいて、図５に示す相関近似線を得ることが可能となる。

【0025】

次に、図６～図８を参照しつつ、図４に示したＳ３（ステップ３）の複合負荷試験に適用される負荷因子を選定する処理手順を説明する。図４に示したステップＳｌと同様に、まず、図６に示すように、複数の種類の電解コンデンサ（上記した第１の電子部品）を複数個ずつ準備する（Ｓ１１）。次に、図４に示したステップＳ２と同様に、複数の電解コンデンサの初期の特性を計測する（Ｓ１２）。

【0026】

さらに、図７に示すように、計測対象の特性に対して影響する負荷因子を列挙する。この列挙された負荷因子の各々に関して、限界点や規格値に基づき単一負荷試験条件を策定する。複合負荷試験では、電解コンデンサ（前述した第１及び第２の電子部品）における構成材料の物性を維持し得る条件範囲内（上記の限界点以下）での負荷因子が適用される。上記の策定された単一負荷試験条件において、例えば数十時間、各負荷因子に対応する負荷を電解コンデンサに対して与える単一負荷試験を行う（Ｓ１３）。なお、単一負荷試験は、複数の電解コンデンサに対して行ってもよいし、１つの電解コンデンサに対して行ってもよい。

【0027】

次に、単一負荷試験が完了した後、各電解コンデンサの諸特性として静電容量を計測する（Ｓ１４）。なお、計測環境は、Ｓ２（ステップ２）と同様に、例えば常温及び常湿の環境である。次に、電解コンデンサ毎の、単一負荷試験前に計測した特性と単一負荷試験後に計測した特性とに基づいて、機能余裕度ＳＮ比を算出する（Ｓ１５）。つまり、単一負荷試験前後における各電解コンデンサの特性の変動量（静電容量）のばらつきを示す機能余裕度ＳＮ比を求める。この場合の機能余裕度ＳＮ比も、上記した式１を用いて、例えば品質工学における静特性のＳＮ比（望小特性のＳＮ比）を算出するものとなる。

【0028】

最後に、Ｓ１５（ステップｌ５）で算出された機能余裕度ＳＮ比に基づき、影響度判定部１５は、各負荷因子の電解コンデンサに対する影響度を判定する（Ｓ１６）。つまり、影響度判定部１５は、複合負荷試験で適用する負荷因子を、一つの負荷因子を与える単一負荷試験を実施した後の複数の電解コンデンサ（第１の電子部品）における特性の変動量のばらつきを基に選定する。このような影響度の判定によって、図４に示したＳ３（ステップ３）における複合負荷試験において同時に組み合わせて適用する妥当な負荷因子が選定される。

【0029】

図７は、電解コンデンサの例えば構成材料の限界点や、規格値を参考に試験条件案を策定した一例である。電解コンデンサの静電容量が低下する故障のメカニズムとしては、電解液のドライアップや誘電体酸化被膜の化成及び水和などが考えられる。このため、例えば温度、湿度（例えば湿度８０％を５０時間継続）、ヒートサイクル、逆電圧（例えば－１．５Ｖ～－２Ｖを印加）、過電圧（例えば定格の１．５倍の電圧を印加）などが負荷指標（抽出要因）として挙げられる。

【0030】

また、複合負荷試験において、負荷因子を適用するための条件は、環境的負荷因子及び電気的負荷因子から電子部品毎に適宜選定されるものである。図８は、電解コンデンサの特性（静電容量）に対する負荷因子毎の影響度、及び負荷因子毎の他の負荷因子との組み合わせの有用性を示している。ここで、図８中における項目（影響度、組み合わせの有用性）毎の、「◎」は大きい、「○」は、やや大きい、「△」は、やや小さい、「×」は小さい、をそれぞれ示している。

【0031】

また、図９は、単一負荷試験を実施した際の（負荷因子毎の）機能余裕度ＳＮ比の算出結果を例示している。この図９は、２品種の電解コンデンサ（部品Ａ、Ｂ）に対して、温度、湿度及び逆電圧のそれぞれの負荷因子を与えて算出された機能余裕度ＳＮ比を示している。図９に示すこの結果に基づき、影響度判定部１５は、複合負荷試験で適用する複数の負荷因子を選定する。例えば、選定される複数の負荷因子は、環境負荷因子又は電気的負荷因子のうちから選定される。図９において、負荷因子が逆電圧の場合は、負荷因子が湿度の場合よりも、機能余裕度ＳＮ比が小さいことから、電解コンデンサの静電容量の低下に対して影響度が大きいことがわかる。また、例えば、逆電圧は温度との組み合わせに適しており、同時に適用することが可能である。このため、複合負荷試験において同時に適用する負荷因子として温度と逆電圧とを選定することが好ましい。

【0032】

図１０は、複合負荷試験を実施した結果の一例である。図１０に示すように、負荷因子として温度及び逆電圧を与える複合負荷試験は、定格電圧及び定格温度を試験条件とする信頼性試験よりも、機能余裕度ＳＮ比（利得）が小さくなっていることから、電解コンデンの静電容量の低下に対して大きく影響し、これにより、図５に示した相関近似線を得るのに適していると判断することができる。

【0033】

図１１は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）に対しての各負荷因子に関する試験条件の一例である。上記した電解コンデンサに対して選定される負荷因子と、発光ダイオードに対して選定される負荷因子とは異なることが想定される。発光ダイオードに対して選定される負荷因子は、電解コンデンサに対して選定される負荷因子の他、図１１に示すように、振動、腐食性ガス、光などがさらに挙げられる。

【0034】

次に、図１２を参照して、電解コンデンサ（第２の電子部品）の寿命を予測する手順を説明する。図１２に示すように、寿命予測の対象となる複数の種類の電解コンデンサ（上記した第２の電子部品）を複数個ずつ準備する（Ｓ２１）。準備する電解コンデンサは、例えば型式や寸法を限定する必要はないものの、製品の仕様（スペック）が互いに共通するものを用意する。例えば３種類以上の品種の電解コンデンサをそれぞれ３個～５個ほど準備する。

【0035】

次に、Ｓ２（ステップ２）を行った常温及び常湿の計測環境において、電解コンデンサ毎に初期の特性として静電容量を計測する（Ｓ２２）。この場合の計測環境も、Ｓ２（ステップ２）と同様に例えば常温、常湿の環境である。初期の特性は、複合負荷試験を行う前の特性である。次いで、初期の特性が計測された各電解コンデンサに対して複合負荷試験を実施する（Ｓ２３）。この際の複合負荷試験は、図４に示したＳ３（ステップ３）と同様の試験条件とする。

【0036】

続いて、複合負荷試験が完了した後、各電解コンデンサの特性（静電容量）を計測する（Ｓ２４）。この場合の計測環境も、Ｓ２（ステップ２）と同様に例えば常温、常湿の環境である。次に、電解コンデンサ毎の、複合負荷試験前に計測した特性と複合負荷試験後に計測した特性とに基づいて、機能余裕度ＳＮ比を算出する（Ｓ２５）。つまり、ばらつき取得部１２は、複合負荷試験前後における各電解コンデンサ（第２の電子部品）の特性の変動量（静電容量）のばらつきを表す機能余裕度ＳＮ比を取得する。

【0037】

最後に、寿命算出部１３は、相関関係記憶部１１に記憶された図５に示す相関近似線（相関関係）と、ばらつき取得部１２によって取得された機能余裕度ＳＮ比と、に基づいて、複数の電解コンデンサ（第２の電子部品）の寿命を算出する。

【0038】

既述したように、本実施形態に係る電子部品の寿命予測装置１０及び電子部品の寿命予測方法では、複数の負荷因子を同時に与える複合負荷試験及び品質工学における機能余裕度ＳＮ比を効果的に適用することによって、電子部品の寿命を短時間で高精度に予測することができる。

【0039】

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0040】

１０…電子部品の寿命予測装置、１１…相関関係記憶部、１２…ばらつき取得部、１３…寿命算出部、２０…電解コンデンサ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】