パラメータ設定
ワイヤ材料
計算結果
判定中...
Δε = Δα × ΔT
Nf = C / (Δε)^n
Au: C=0.5, n=2.0
Al: C=0.3, n=2.2
Cu: C=0.4, n=2.1
ボンディングワイヤ ループ形状模式図（線径・スパンに比例）
理論・主要公式
$$N_f = C \cdot (\Delta\varepsilon_{pl})^{-m} \quad (\text{Coffin-Manson 則})$$
疲労寿命 N_f [サイクル]。Δε_pl：塑性ひずみ振幅（無次元）、C・m：材料定数
$$\Delta\varepsilon = \alpha_{CTE,mismatch} \cdot \Delta T \cdot L_s / D_w$$
CTE ミスマッチひずみ。α_CTE：線膨張係数差 [1/K]、ΔT：温度振幅 [K]、L_s：スパン、D_w：線径 [m]
$$\tau_{bond} = \frac{F_{pull}}{A_{bond}}$$
ボンド接合せん断応力。F_pull：プル試験荷重 [N]、A_bond：接合面積 [m²]
ボンディングワイヤ疲労寿命計算ツールとは
🙋
半導体のボンディングワイヤって、温度変化で壊れるって聞いたんですけど、どうやって寿命を計算するんですか？
🎓
大まかに言うと、熱で膨らんだり縮んだりする繰り返しで金属が疲労して切れるんだ。このツールは、その「繰り返し何回で切れるか」をCoffin-Manson則という経験則で計算するよ。例えば上の「温度振幅ΔT」のスライダーを動かすと、ワイヤにかかる熱ストレスが変わるのがすぐ分かる。
🙋
え、そうなんですか？「CTEミスマッチ」ってパラメータもありますけど、これは何がミスマッチしてるんですか？
🎓
ワイヤの材料と、それがくっついているシリコンチップや基板の「熱膨張係数」の差だよ。例えばアルミワイヤとシリコンでは膨張の仕方が違うから、温度が変わるとワイヤに無理やり曲げられる力が働く。この差が大きいほど、ひずみが大きくなって寿命が短くなるんだ。ツールで材料を金から銅に変えてみると、CTEの値が変わって寿命グラフがどう変わるか確認できるね。
🙋
「線径」や「スパン」を変えると、どうして寿命が変わるんですか？太い方が強そうだけど…。
🎓
良いところに気が付いたね。実務ではワイヤの長さ（スパン）が寿命に大きく効くんだ。長いワイヤは熱で動く自由度が高くて、曲げ変形が大きくなりやすい。逆に線径が太いと剛性が上がって変形しにくくなるけど、その分、発生する応力は大きくなることもある。シミュレーターで「スパンL」を大きくしてみると、予想以上に寿命がガクンと落ちるのがわかるよ。
物理モデルと主要な数式
本ツールの核心は、低サイクル疲労を記述する経験則であるCoffin-Manson則です。ワイヤに生じる塑性ひずみ振幅と破断までの繰り返し数の関係を表します。
$$ N_f = \frac{C}{(\Delta \varepsilon_p)^n}$$
ここで、$N_f$は破断までのサイクル数、$\Delta \varepsilon_p$は1サイクルあたりの塑性ひずみ振幅、$C$と$n$は材料定数です。金、アルミ、銅で値が異なります。
ワイヤに生じるひずみ振幅$\Delta \varepsilon$は、熱膨張係数の差（Δα）、温度変化幅（ΔT）、およびワイヤの幾何形状（スパンL、線径d）から推定されます。単純化されたモデルでは以下のように考えられます。
$$ \Delta \varepsilon \propto \Delta \alpha \cdot \Delta T \cdot \frac{L}{d} $$
$\Delta \alpha$はワイヤと基板のCTEの差、$\Delta T$は温度振幅、$L/d$はアスペクト比です。このひずみがCoffin-Manson則の$\Delta \varepsilon_p$に対応し、寿命$N_f$を決定します。
よくある質問
ワイヤ材料（Au/Al/Cu）、線径、スパン長、温度変化幅（ΔT）、および接合部のCTE（熱膨張係数）ミスマッチ値が必要です。これらの値を入力すると、Coffin-Manson則に基づき疲労寿命（Nf）がリアルタイムで計算されます。
同一条件下でAu、Al、Cuワイヤの疲労寿命を比較表示します。温度振幅や線径を変えながら各材料の寿命変化を視覚的に確認でき、最適なワイヤ材料選定や設計条件のトレードオフ分析に役立ちます。
Cとnは各ワイヤ材料の実験データに基づく経験値です。本ツールではAu、Al、Cuそれぞれに文献値や標準的な疲労試験結果から設定されたデフォルト値を使用しています。ユーザーが任意に変更することはできません。
本ツールは単純化されたモデルに基づくため、実際の寿命は接合形状や界面の金属間化合物成長など二次的要因の影響を受けます。あくまで設計初期の相対比較や傾向把握を目的としてご利用ください。
実世界での応用
自動車エレクトロニクス：エンジンルーム内のECU（エンジン制御ユニット）は激しい温度サイクルに曝されます。ボンディングワイヤの疲労寿命を予測し、信頼性を確保するために本ツールのような計算が行われます。
パワーデバイスモジュール：IGBTやSiCモジュールは大電流を通すため自己発熱が大きく、通電・停止の繰り返しでワイヤに熱疲労が蓄積します。放熱設計と合わせてワイヤの材料選定やループ形状の最適化に活用されます。
民生電子機器の信頼性試験：スマートフォンや基地局装置などに対して行う温度サイクル試験（例えば-40℃〜125℃）の条件設定や、試験結果の解釈において、理論的な寿命予測が参考にされます。
半導体パッケージの設計・材料選定：コストと信頼性のトレードオフの中で、金ワイヤから銅ワイヤやアルミワイヤへ変更する際、CTEミスマッチを考慮した寿命への影響を評価するために利用されます。
よくある誤解と注意点
このツールを使い始めるときに、特に気をつけてほしいポイントがいくつかあるよ。まず、「計算結果は絶対的な寿命ではない」ということを肝に銘じておいて。このツールは、あくまで一次元の単純化されたモデルに基づいた「傾向を見る」ためのものだ。実際のワイヤはループ形状や隣接ワイヤとの干渉、ボンディング強度など、もっと多くの因子が寿命に影響する。例えば、計算上は10万サイクルの寿命が出ても、製造ばらつきや不純物の影響で、実際の製品ではその半分の寿命になることも珍しくない。安全マージンをどう取るかが、実務では重要になるんだ。
次に、パラメータ「温度振幅ΔT」の設定ミスが多い。単純に「使用温度範囲が-40℃から125℃だからΔT=165℃だ」と入力しないでくれ。実際にワイヤが経験する温度変化は、周囲温度と自己発熱を足したものだ。例えば、パワーデバイスでは、周囲が85℃でも、通電時にワイヤ自体がジュール熱で瞬間的に150℃まで上がるかもしれない。その場合、ΔTは65℃（150-85）になる。この「実効的な温度振幅」を見極めることが、精度の高い予測の第一歩だ。
最後に、材料定数の盲信にも注意。ツール内の金、アルミ、銅の定数は代表値だけど、実際のワイヤは微量添加元素で特性が大きく変わる。例えば、高純度アルミより1%シリコンを添加したアルミシリコン線の方が、強度が上がって疲労特性も変わる。ツールで比較した後は、必ず「自分が使う具体的な材料のデータシート」や「社内の実測データ」を参照する癖をつけよう。