特集生産技術信頼性評価シミュレーションのカーエレクトロニクス製品への適用 Application of Reliability Simulation to Car Electronics Products 坂井敏之 Toshiyuki 要旨 Sakai 製品のコストダウン・開発期間短縮を目的として，信頼性評価シミュレーションを行った。実施したのは機構解析・はんだ熱応力解析・衝撃解析・F P C 屈曲疲労耐久性解析で，その結果設計の効率化に貢献した。 Summary With the purpose of reducing production cost and length of the development period, reliability assessment simulation was carried out, which included mechanism analysis, solder thermal stress analysis, shock analysis and FPC flexing fatigue endurance analysis. As a result, it contributed to an improvement in the efficiency of design. キーワード : シミュレーション，C A E ，ヴァーチャルプロトタイピング，設計のフロントローディング 1. まえがきレーションによる評価｣という観点から，シ近年製造業において，厳しい競争を勝ち抜くミュレーション技術の利用拡大に取り組んでいために製品のコストダウン・開発期間短縮の必る。シミュレーション( C A E ) は実機試験を伴わ要性がますます高まっており，従来型の設計手ないので，コスト・時間の面で有利であり，上法では通用しなくなりつつある。手く活用することで設計の効率化に貢献できその有効な解決策の一つと考えられているのが，コンピュータによるシミュレーション技術る。設計の効率化に有効であった最近の成果を報告する。の活用である。具体的には 3 次元 CAD や CAE を活用してコストダウン･開発期間短縮･製品品質向 2 . 解析の概要上を達成しようという動きで，C A E 先進企業にお信頼性の評価は従来，実機試験により行われいては，コンピュータ上のモデルをコンピューてきた。この実機試験をコンピュータシミュタ上で組み立て，各種評価を行うことにより試レーションで代替することで，次のような利点作回数を削減している。このような手法はが得られる。 (1) ヴァーチャルプロトタイピングなどと呼ばれる。シミュレーションはコンピュータ上での仮想当事業所においても｢信頼性試験のシミュ - 1 試作コストの削減( 試作レス化) - PIONEER R&D Vol.16 No.1 試験であるから，実機を必要としない。シミュような問題を未然に防止することができる。レーションを最大限活用して，試作品での実機 3 . 1 . 2 適用事例評価をシミュレーションによる評価に置き換え図 1 に示すインダッシュチェンジャーメカのることで，試作回数を減らすことが可能であるカム−リンク機構に適用した事例を示す。図 1 ( 試作レス化) 。試作レス化よるコスト削減効果の円形カムとリンクの接続部のカム･カーブには一般に非常に大きい。ついて解析した。設計当初のカム･カーブを図 (2) 試験評価期間の短縮 2 の実線で示す。また，最適化したカム・カー信頼性評価試験の中には，試験期間が数ヶ月に渡る長期間を要するものがある。そのようなブを破線で示す。カム・カーブはカム溝中心の軌跡で示す。試験をシミュレーションで代替することで，実最適化にあたっては入力側( カム) の駆動負荷機試験よりも早く結果を知ることができ，試験をできるだけ平滑化するため，入力軸を定速回評価期間の短縮，最終的には開発期間の短縮を転させたときに出力軸の加速度変動が少なく，可能にする。入力軸と出力軸のトルク比の小さいカム・カー (3) 評価タイミングの前倒しブを導き出した。試作などの実機作製を待たずに確認可能である図 3 に駆動トルク，図 4 に加速度変動の両者から，設計初期段階に複数の設計案を前倒して検の比較を示す。図 3 から分かるように，カム回討することが可能である。基礎検討時の設計自由度が比較的高い段階にシミュレーションを適用することで，最小限の変更コストにより部品レイアウトなどを有利なものにあらかじめ絞り込むことができる。これはシミュレーションによる設計のフロントローディングと呼ばれる。 3 . 適用事例 4 つの解析分野のシミュレーション適用事例について述べる。 3.1 機構解析 3.1.1 概要破線で囲んだ部分の最適化検討機構解析は質点系の力学の問題を解く解析で図 1 ある。カーエレクトロニクス製品のメカニズムカム−リンク機構の部品は，平板を打ち抜いただけの軸受けなどを持たないものが多く，ガタつきが無視できない。また，滑り接触運動部が多く，摩擦の影響検討後のカムカーブが大きいといった特徴がある。動作負荷が局所的に高くなるような部分があると，高温下での繰り返し動作などにおいて，設計当初のカムカーブ磨耗や摩擦力の増大によって動作不良となる場合がある。機構解析を用いて機構の最適化を行い，動作負荷を平滑化したり，意図的に大きな図 2 摩擦係数を与えて動作確認を行うことで，この PIONEER R&D Vol.16 No.1 - 2 - カムカーブの最適化転角が 6 2 度付近にピークが存在していたのが， 3.2 はんだ熱応力解析最適化により平坦化している。また，図 4 より 3.2.1 加速度変動が大幅に低減されていることが分か熱サイクル試験における，基板実装部品のはる。カム・カーブを最適化することで，実機でんだ付け部の破断耐久性( はんだクラック) 評価の動作がスムーズになり，連続動作試験の耐久に，非線形解析ソフト M S C . M a r c を用いた解析性が向上した。の適用を行っている。概要摩擦係数0.1の場合のカムの回転角度と駆動トルク 1 設計当初のカムカーブ 0 検討後のカムカーブ -1 駆動トルク -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 50 55 60 65 75 70 80 85 90 カムの回転角度図 3 駆動トルクの比較カムの回転角度とアームの回転加速度 3.E+05 アームの回転加速度 2.E+05 1.E+05 0.E+00 -1.E+05 -2.E+05 設計当初のカムカーブ -3.E+05 検討後のカムカーブ -4.E+05 -5.E+05 50 55 60 65 70 75 80 85 90 カムの回転角度図 4 加速度変動の比較 - 3 - PIONEER R&D Vol.16 No.1 基板上では各部品( 実装部品･基板･銅パターいく様子を時刻暦応答として計算するもので，ン･はんだなど) の線膨張係数・ヤング率などの初期状態から直接最終形態を求める一般的な強物性の違いにより，温度変化と共に各部品が異度解析( 静解析) とは手法が異なる。具体的にはなる変形をしようとしてストレスを生じ，さら衝撃試験機による加速度( G 値波形) や，衝突ににそのような応力状態で温度保存することで，よる速度変化といった条件を与えて，必要な時はんだクリープが進行し，製品の信頼性の劣化間に渡って解析を実行する。時間に依存する変の一因となっていた。形なので，振動的な挙動を伴う場合が多い。また現物の衝撃試験は一瞬で終わり，破壊のはんだ物性として，・弾塑性特性様子などから衝撃時の製品挙動を推測すること・クリープになるが，シミュレーションでは挙動をアニの 2 つの特性を考慮する。これら物性がそれぞメーションなどで可視化できるので，現象の理れ温度依存性を持つものとして，図 5 に示す高解に役立つ。温・低温熱サイクルを解析モデルに与え，結果 3.3.2 適用例として得られるはんだ部のひずみの蓄積によ内突解析の事例を図 7 に示す。これは車両で事故が起きた際の車室内の安全性を評価するもり，熱サイクル試験の耐久性を評価する。ので，鉄球に初速度を与えてカーオーディオ製品の製品外観部にぶつける破壊試験である。こ Tmax の事例では，鉄球の衝撃 G を低減することを目的として解析を行った。複数の設計案( 初期設温度計案，および衝撃 G を低減する対策を組み込んだ幾つかの案) についてシミュレーションを行った。シミュレーションの結果，製品の耐衝撃性には鉄球から離れた板金シャーシの影響が Tmin 大きいことが分かった。板金シャーシでの応力時間図 5 分布を図 8 に示す。図 8 a は基本案，図 8 b は最熱サイクル適案の応力分布である。最適案はスリットを入れて曲がりやすくすることが効果的であると分 3.2.2 かった。図 9 に，衝突時の鉄球に生じる加速度適用例 I C パッケージを基板に実装した事例についを示す。同図から最適案では加速度が減少してて述べる。解析結果と実機の比較を図 6 に示いることが分かる。シミュレーションで形状案す。実機熱サイクル試験と同一条件で解析をを絞り込むことで，試作品の数を減らすことが行って両者を比較したもので，実機切断面の写できた。真を図 6 ( a ) に，解析による最大ひずみ発生部 3 . 4 F P C 屈曲疲労耐久性位を図 6 ( b ) に示す。解析結果と実機クラック 3.4.1 発生位置が良く一致していることが分かる。フレキシブルプリント基板( F P C ) は，その屈 3.3 曲性を生かして可動部品の電気的接続のために衝撃解析 3.3.1 概要多用される部品であるが，可動部に使われるた概要衝撃解析は，動解析とも呼ばれ，自動車の衝めに繰り返し動作による亀裂・断線が問題とな突試験や，携帯電話の落下衝撃試験などに適用る場合がある。本来的にメカ動作に伴って大きされている。衝撃により短時間に変形が進んでく変形するものなので，ストレスのかかり方が PIONEER R&D Vol.16 No.1 - 4 - Inc: 100 Time: 2.000e+000 3.149e-003 2.835e-003 2.520e-003 2.206e-003 1.891e-003 1.576e-003 1.262e-003 9.473e-004 6.327e-004 3.181e-004 Y 3.535e-006 Z 1case1 X (a)はんだ解析ひずみ (b)実機クラック図 6 解析結果と実機の比較 Y Z 図 7 X 解析モデル - 5 - PIONEER R&D Vol.16 No.1 2.020e+006 1.818e+006 1.616e+006 1.414e+006 1.212e+006 1.010e+006 8.078e+005 6.059e+005 4.039e+005 2.020e+005 Y 7.775e+003 Z X (a)応力分布(初期案) 1.663e+006 1.497e+006 1.331e+006 1.164e+006 9.979e+005 8.316e+005 6.653e+005 4.990e+005 3.326e+005 1.663e+005 Y 7.597e+002 Z X (b)応力分布(改善案) 板金シャーシの応力分布加速度図 8 初期案改善案時刻図 9 PIONEER R&D Vol.16 No.1 衝突時の鉄球に生じる加速度比較 - 6 - Inc: 130 Time: 1.30e+000 4.633e-003 4.155e-003 3.677e-003 3.199e-003 2.721e-003 2.243e-003 1.765e-003 1.287e-003 8.087e-004 3.306e-004 -1.474e-004 Z Y X (a) FPC 動作開始 Inc: 180 Time: 1.80e+000 9.113e-003 8.187e-003 7.261e-003 6.335e-003 5.409e-003 4.483e-003 3.557e-003 2.631e-003 1.705e-003 7.786e-004 ZZ -1.474e-004 YY X (b) FPC 動作修了図 10 F P C の状態変化複雑になっている場合が多く，実機試験による 3.4.2 評価を繰り返すこともある。ディスク再生メカの F P C にシミュレーションそこで，F P C 内部を基材および補強材( ポリ適用例を適用した事例を述べる。図 1 0 a の動作開始位イミド)・銅箔などの積層材としてモデル化し，置から図 1 0 b の動作終了位置まで，F P C は一端各種非線形性( 大変形・材料非線形・周囲部品が固定された状態で屈曲位置が連続的に変化しとの接触) を考慮した屈曲動作の疲労耐久性評ながら長距離を移動する。本シミュレーション価シミュレーションを行っている。では，この動作全体での F P C への負荷を解析し - 7 - PIONEER R&D Vol.16 No.1 て，繰り返し疲労による断線危険箇所を求めた 5 . 謝辞 ( 図 1 1 ) 。このシミュレーションにより，実機解析実施にあたり形状・材料情報，試験結果試験回数の削減に効果を上げている。など各種データを提供して頂いた M E C 生産技術部ならびに関係各位に感謝します。 4. まとめ筆各種シミュレーションを導入してコンピュー者紹介タ上での信頼性評価を実施している。このことにより，試作数の削減・設計案の効率的な検討坂井敏之 ( さかいとしゆき ) 所属：M E C 技術開発部。主に， C A E 関連業務に活用，効果を上げた。に従事。2 0 0 2 年より 2 年間メカ設計業務を今後の課題としては，シミュレーションによ担当。るさらなる評価の推進を目標として，・新規解析導入による評価項目の拡大・実機試験とシミュレーションの合わせ込みによる継続的な精度向上が必要と考え，取り組みを行っている。 Inc: 1800 Time: 1.800e+000 6.165e-003 5.541e-003 4.931e-003 4.291e-003 3.666e-003 3.042e-003 2.417e-003 1.792e-003 1.167e-003 5.428e-004 断線危険部位 -8.200e-005 Z Y Z 図 11 PIONEER R&D Vol.16 No.1 F P C 断線危険部位 - 8 -