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温度変化で発生する熱応力は、想像以上に大きい

こんにちは。構造技術課 竹森と申します。

日常では、あまり意識することはありませんが、物体は温度が変化すると熱膨張・収縮が生じます。その膨張・収縮の大きさは、それぞれの材料がもつ性質(線膨張係数)で異なります。

今回はこの熱膨張・収縮で生じる熱応力についてお話しします。

熱膨張・収縮を考慮した一般的な設計事例として電車のレール間に設けた隙間が挙げられます。

レールは夏場には高温で伸び、逆に冬場は低温で縮むため、レール間は隙間を設けて温度変化してもぶつからないように設計されています。レール間に隙間がないと、夏場の高温時に熱膨張によって硬いレール同士が伸びて押し合い、曲がってしまう危険(事故にもつながる)があります。

そのため、温度変化が想定されるものについては膨張・収縮を考慮した設計が重要となります。

電子機器の場合、半導体部品は基板に半田付けをして使用します。

しかし、それらは各々異なる線膨張係数をもった材料なので、環境温度の変化によって伸び・縮み量が異なるために接続部(主に半田)に熱応力が発生します。

その熱応力は小さなものであっても、温度変化を繰り返すことで接続部のクラックや疲労破壊などの不具合要因につながる危険があります。

その不具合を未然に防止するため熱応力の検証に関するお問合せを多くいただいています。

積層板の熱反り挙動(熱応力)を計算できるエクセルベースの簡易ツールを以下のページから入手いただけますので、お試しください。想像以上に熱応力は大きいことが分かると思います。

 

 

 

積層板の簡易熱反り計算ツール

ダウンロードページ

 

 

 

 

 

 

WTIは、長年にわたる半導体ベンダ様やセットメーカ様(車載機器、モバイル機器、屋外設置機器等)との協業実績から、半導体部品の内部構造の知見だけでなく、様々な使用環境に対応したシミュレーションのノウハウを有しています。

また、構造解析のシミュレーションソフトウェアとして、エムエスシーソフトウェア株式会社のMARCに加えて、ダッソー・システムズ株式会社のABAQUSを17年度に導入しました。

ABAQUS導入によって、筐体設計(Pro/ENGINEER)や熱流体解析(FloTHERM)との連携を含めた構造解析が強化され、熱応力に関するいろいろなお悩みを解決できる体制となっていますので、是非一度お声をかけてください。

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