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富士通株式会社

生産技術本部共通テクノロジ統括センター

茂木正徳

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第5回JSME設計研究会 2003/3/12

ＩＴ時代のＣＡＥと設計工学

ＩＴ時代のＣＡＥと設計工学


大学

ベンダ製造業

Idea

Tool

Solution Needs

VOC

Trial

・こんなＣＡＥが欲しい・ＩＴ時代の設計工学

こんなＣＡＥが欲しい


・電子機器製品パソコン、サーバ、ＨＤＤ携帯電話、ネットワーク半導体

・電子材料金属、樹脂、ゴム、セラミック、ガラス、複合材料

・材料物性データ応力歪み線図、ポアソン比、熱膨張係数温度依存性、速度依存性

・ＢＧＡパッケージの半田接合部熱疲労寿命解析 - 設計者のツール・ノートＰＣ内蔵ＨＤＤの落下衝撃緩衝構造解析 - 専門家のツール

材料非線形

ＢＧＡ解析(1)


・解析を２段階に分けて実行・全体解析ではボールをラフにモデル化

プリント基板

全体解析詳細解析

ＣＢＧＡ

半田ボール

・形状モデル

ＢＧＡ解析(2)


・温度依存性のヤング率、応力-歪み線図を測定

半田物性

・材料モデル

・-65°から125°Cまでのクリープ指数、クリープ定数を測定

・半田ボールが破壊・半田の粘弾塑性解析

63Sn-37Pb共晶はんだ

0.010.020.030.040.050.060.070.080.090.0

100.0

-0.05000

0.00000

0.05000

0.10000

0.15000

0.20000

0.25000

塑性ひずみ

真応

力（Ｍ

Ｐａ）

-40℃

25℃

125℃

ＢＧＡ解析(3)


・ワイブル平均寿命を算出

・熱衝撃試験

ﾊﾟｯｹｰｼﾞ最外ﾊﾞﾝﾌﾟ断面温度プロファイル

・常時通電、破断までのサイクルを検出

亀裂の発生点

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

時間(hour)

温度

(℃）

-65°C

125°C

ＢＧＡ解析(4)


・Coffin-Manson則を作成(実験式)

CBGA詳細モデル

0.0010

0.0100

0.1000

100 1000 10000Cycles to failure Nf

非線

形歪

み

Δε

・寿命評価

ε∆=CNf n ・BGA実装設計の評価をCoffin-Manson則を元に実行

解析で計算

熱衝撃試験

ＢＧＡ解析(5)


・評価点は特異点であり要素分割の標準化が必要・また非線形歪みの評価の標準化も必要・設計者も多数のケースを解析することが必要

・こんなCAEが欲しい設計者のツール

特異点

均等に分割

・設計者用に要素分割、評価を標準化/自動化したツールを開発・PAMS1-BGA:Parametric Auto Modeling System 1

解析による設計評価


言語ツール

大学

ベンダ製造業

解析手法評価法

設計者用ツール開発

・実験による製品評価基準の規格は決められている・解析による設計評価基準の規格は原子力くらい?・解析による設計評価基準の規格化は可能か?

各種解析手法評価法の標準化

高生産性言語(多種パッケージ)

・負荷条件ﾓﾃﾞﾘﾝｸﾞ・加速試験、加速係数・解析手法、粘弾塑性・評価法、安全係数・ﾌｨｰﾙﾄﾞからのﾌｨｰﾄﾞﾊﾞｯｸ

ノートＰＣ解析(1)


測定点

緩衝材

衝撃

アルミ板

アルミ蓋

アルミ箱

・緩衝材効果実験モデル

・緩衝材の効果を見るため単純な実験モデルを作成した

・高衝撃になるに従い、実機との誤差が大きくなった



・物性値を実験計画法により推定・目的関数=(Gex-Gcae)**2+(tex*10**5-tcae*10**5)**2

・解析と実験の差物性値に原因

加速度(Ｇ)

高速な圧縮の応力歪み線図は取れない

時間(sec)

実験

解析

・実験ピーク加速度Ｇex

立上り時間ｔex

・解析ピーク加速度Ｇca

立上り時間ｔcae


応力－歪み線図

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

歪み

応力測定データ


応力値を変動・実験計画法３変数、３水準

・応力歪み線図を直線で近似



推定物性値データによる解析結果(300G)

ﾋﾟｰｸ加速度： 36%→-3%立上り時間：157%→29%パルス幅： 13%→17%

・目的関数最小の解析結果

推定物性値

引張り圧縮試験物性値



応力－歪み線図

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

歪み

応力

測定データ

100G

300G

・推定した緩衝材物性値

・衝撃値が高くなると緩衝材物性が硬くなる・測定できない物性値は簡易な実験で解析により求められる・推定した物性値を使い、実際のノートＰＣ解析を行なう

解析による材料モデリング


解析ｿﾙﾊﾞｰ

大学

ベンダ製造業

実験計画法

簡易実験による物性推定

各種材料ﾓﾃﾞﾘﾝｸﾞの評価ｻｰﾍﾞｲ

材料ﾓﾃﾞﾘﾝｸﾞ機能解析ﾉｳﾊｳDB

・構成則／ﾊﾟﾗﾒｰﾀの変化による材料挙動変化の可視化－ゴム材料 Moony-Rivlin、

Ogdenモデル・各種材料物性測定法に対する

自動的な構成則生成・非線形材料データベースと

解析ソフトの連携－速度依存性データ

温度依存性データ

・こんなCAEが欲しい専門家のツール

・解析ｿﾙﾊﾞｰの根拠原理実験・解析／実験の事例

－ｺﾘﾚｰｼｮﾝ・解析のｲﾝﾌﾟｯﾄﾃﾞｰﾀ・解析結果と評価基準－設計評価－設計改善

材料ﾓﾃﾞﾘﾝｸﾞ機能

解析ﾉｳﾊｳDB

ＩＴ時代の設計工学


・設計工学製品、企業、産業、国家の競争力開発期間短縮のための試作レス化

・試作レス化ＣＡＥまたは実験による仕組み

・ＩＴによる協業（コラボレーション）エンジニアリングチェーン


開発期間が短期化

出展：科学技術白書（９９年度）

ゴム製品

家電製品

石油製品

精密製品

自動車

金属製品

化成品

半導体・デバイス

情報・通信機器

産業機械

１０年前の１／３１０年前の１／２

１０年前と同じ

年前の開発リＩドタイム

10

２年４年

２年

４年

６年

現在の開発リードタイム（年）ＧＳ：４～５年１年サーバ：２年０．５～１年ＰＣ：～１年０．３年HDD : 1 ～２年０．５～１年

[製品出荷サイクル]

開発期間短縮の目的


時間

投資

収益

出荷計画時期

少ない投資→最大の収益

製品ライフ

開発期間短縮

CAEの業務ﾌﾟﾛｾｽへの組込み


設計

ＥＭＣ

熱流体衝撃

樹脂流動

設計審査

ＮＯＩＳＥ部品

伝送特性

振動

電子ＣＡＤ

３ＤＣＡＤ

ＣＡＥ

開発製造・試験

出荷

期間短縮製造・試験

- トラブルの未然防止- 試行錯誤の防止

試作レス化


基本設計詳細設計試作(n次) 量産試作

基本設計詳細設計試作・量産試作量産

設計検証・分析ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ

設計検証(DRC) 試作検証

方式検討・仕様設計

最適設計・設計検証ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ

試作・量産試作検証物性計測

精度検証

事前準備

量産試作検証

設計検証(DRC)

量産

図協業の例

顧

客

物流

サプライチェーン

上位サプライヤ下位サプライヤ

ＳＣＭ

データ交換

エンジニアリングチェーン

ＣＲＭ

ＰＤＭＣＡＤ

試作

ＥＲＰ

調達

設計･開発の協業

調達の協業

協業の高度化

営業

設計

保守

廃棄

顧客との協業

顧客との協業

企画

製造

出典：ECOM Journal November 2002 第5号ECOM：電子商取引推進協議会

まとめ


・ＩＴ時代の設計工学－試作レス化が開発期間短縮に必須である－ＣＡＥ設計検証で試作検証を置き換える－電機産業、自動車産業で幾つ置き換えられるか？－ＣＡＥ設計検証は試作検証より速く、安く出来るか？－ＣＡＥ、実験で段取りを整える事前準備する

・こんなＣＡＥ欲しい－解析による設計評価－解析による材料モデリング

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