パワーモジュールのさらなる信頼性向上へ、亀裂進展マクロを活用した寿命解析に挑む

はんだは温度のサイクルが繰り返されることで亀裂を生じ最終的に破断していきますが、亀裂が生じる過程で放熱性能を満たさなくなって機器の停止に至ります。この事象を正しく評価するためには、はんだのクリープ解析と塑性変形解析を同時に実行ができる^※1ということが必須条件でした。以前から社内で使用していたCADソフトウェアに付属するCAEもあったのですが、そのソフトでは設定できる条件が限られており、求める解析ができませんでした。そこで、我々の求める精度を確保しながら寿命評価ができるハイエンドのソフトウェアの検討を開始しました。
Ansys Mechanicalを選んだ決め手は、「亀裂進展マクロ」がサイバネットから提供されていたことです。はんだの寿命試算は低サイクル疲労試験より求めたマンソンコフィン則^※2で算出する手法が一般的であることは知っていました。しかし、同手法ははんだの破断を対象としているため、亀裂が進展することにより放熱が問題となるパワー半導体の事例を考えると、亀裂の進展を考慮したほうが、実寿命に近い予測が可能になります。はんだの亀裂は、塑性ひずみとクリープひずみの2つからなる非弾性ひずみの蓄積によって進行していきます。非弾性ひずみがあるしきい値を超えると、亀裂として進展します。この積算を手作業で行うことはほぼ不可能なため、それを自動化した亀裂進展マクロが有用でした。
個人的には、学生時代から使用しており、使い慣れていたということも、Ansys製品を選んだ大きな理由です。サイバネットのサポートページが充実していたことから、学生の時もスムーズに習得できました。また、はんだの解析を行うに当たっては、サイバネットのホームページを含めてAnsysを使用した先行文献が多く出ており、参考になりました。

今後の活用によりさらなる効果が期待できそうです。
ありがとうございました。