JP2005173963A

JP2005173963A - 電子部品解析方法、電子部品解析装置、およびこれを用いた電子部品

Info

Publication number: JP2005173963A
Application number: JP2003412987A
Authority: JP
Inventors: Yukinori Sasaki; 幸紀佐々木
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2005-06-30
Also published as: CN100573534C; US20050132312A1; EP1542168B1; EP1542168A1; DE602004012696D1; CN1627303A; DE602004012696T2

Abstract

【課題】半田バンプやＢＧＡを多数有する電子部品の特性予測を、数値シミュレーションによって行うと長時間かかってしまうため、電子部品が高価なものとなってしまっていた。
【解決手段】電子部品のコストダウンを図るために、半田バンプ１やＢＧＡを多数有する電子部品を解析する際に、前記半田バンプ１やＢＧＡの３次元モデルを構成する曲線や曲面を多角形近似した３次元モデルに置き換え、その３次元モデルを変換して作成されるソリッド要素を用いた有限要素モデルを用いて解析を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、半田バンプなどの電気端子を有する各種電子部品の解析方法と、それを用いて設計される電子部品に関するものである。

従来から、多数の半田バンプやＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）を有する電子部品の特性を予測する手法として、各種数値シミュレーションによって設計する試みが行われている。これは、多数の半田バンプやＢＧＡを有する電子部品の電極端子はますます高密度化され、電子部品内部にも高集積化のために配線パターンが複雑に存在しているため、それらの間の機械的相互作用、電気的相互作用が増加し、技術者の経験だけでは当初の設計通りの特性が得られなくなるためである。

ここで、従来の電子部品の電気的特性を予測するために数値シミュレーションを行う手順を説明する。図９は、従来の電子部品の解析手順を示すフローチャートである。図９に示すように、最初に、ステップＳ１１で電子部品の形状情報を含む３次元モデルの電子データを、３次元ＣＡＤ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＤｅｓｉｇｎ）や数値シミュレーションツールのモデル作成機能などを用いて作成する。次にステップＳ１２で、そのデータから有限要素モデルを作成する。その後ステップＳ１３で、前記有限要素モデルを用いて有限要素解析などの数値シミュレーションを実行し、最後にステップＳ１４で解析結果を表示させ、評価する。

また、例えば特許文献１には、半田バンプやＢＧＡを有する電子部品の機械的強度を予測するために、ソリッド要素に加えて厚みを無視した平板で近似したシェル要素、太さを無視した梁で近似したビーム要素などを組み合わせた有限要素解析モデルを作成する手法について記載されている。
特開平１１−２７２７３５号公報

しかし、一般的な数値シミュレーションツールでは、ステップＳ１２での有限要素モデルの作成は、本来の形状情報をできるだけ損なわないようにソリッド要素の大きさを細かくして、３次元モデルを近似した有限要素モデルを作成するため、有限要素数が膨大になりがちである。

特に半田バンプやＢＧＡは、曲線や曲面を含む３次元モデルで構成される場合が多いため、これらの形状を三角錐や直方体などのソリッド要素で要素分割して、形状をできるだけ正確に近似しようとすると、要素分割を非常に細かくしなければならないため、要素数が膨大なものとなる上、半田バンプやＢＧＡは一つの電子部品に数多く存在する場合が多く、そのような場合には要素数の増加はより顕著なものとなる。

図１０は従来の解析方法で作成した有限要素モデルの半田バンプの拡大斜視図である。図１０における半田バンプ１個あたりのソリッド要素数は７４４４であり、この半田バンプが電子部品上に４９個存在するならば、電子部品１個あたりの要素数は約３６万個となり、膨大な要素数であるために解析時間が長くなる。このため電子部品の特性を予測するのに数日を要するなど設計期間の長期化を招き、結果として電子部品が高価になるという課題があった。

また、電気的特性を予測するための有限要素解析などの数値シミュレーションにおいては、半田バンプやＢＧＡの形状をシェル要素やビーム要素などの有限要素を用いた場合、シミュレーション精度が著しく劣化してしまうという課題があった。

そこで本発明は、電子部品の設計期間を短縮することにより、電子部品のコストダウンを図ることを目的とするものである。

そして、この目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の発明は、特に、半田バンプやＢＧＡが多数形成された電極端子を有する電子部品の解析方法において、前記半田バンプ、ＢＧＡの３次元モデルを構成する曲線および曲面を多角形近似した３次元モデルに置き換え、その３次元モデルを変換して作成されるソリッド要素を用いた有限要素モデルを用いることを特徴とする電子部品解析方法であり、これにより、半田バンプやＢＧＡを多数有する電子部品であったとしても、それらの３次元モデルを有限要素モデルに変換する前に半田バンプやＢＧＡなどの曲線や曲面を多角形近似した３次元モデルに置き換え、それらを、ソリッド要素を用いた有限要素モデルに変換することによって、有限要素解析で用いる全体の要素数の増加を抑えることができるため、有限要素解析にかかる時間を短縮することができる。

請求項２に記載の発明は、特に、半田バンプやＢＧＡの３次元モデルを構成する形状に円あるいは楕円が含まれる場合、前記円あるいは楕円を角数が６以上１６以下の多角形近似した３次元モデルに置き換え、その３次元モデルを変換して作成されるソリッド要素を用いた有限要素モデルを用いることを特徴とする電子部品解析方法であり、角数が６以上１６以下の多角形で近似した３次元モデルに置き換えれば、その３次元モデルを変換した有限要素モデルを用いた解析結果の誤差は十分小さくでき、解析誤差を大きくすることなく要素数の増加を抑制できるために、解析時間が数日かかることもなくなり、数値シミュレーションによる電気的特性の予測が実用に十分に耐えうることになる。

請求項３に記載の発明は、特に、半田バンプやＢＧＡが多数形成された電極端子を有する電子部品の３次元モデルを作成する手段と、前記半田バンプやＢＧＡの曲線や曲面を多角形近似した３次元モデルに置き換える手段と、多角形近似された３次元モデルを、ソリッド要素を用いた有限要素モデルに変換する手段と、電気的特性を計算するための有限要素解析を行う手段と、得られた解析結果を表示する表示手段から構成される電子部品解析装置であり、本解析装置を用いることにより、半田バンプやＢＧＡを多数有する電子部品の電気的特性の予測が短時間で行えるため、設計期間の短縮が図れる。

請求項４に記載の発明は、請求項１、２記載の電子部品解析方法、および請求項３記載の電子部品解析装置を用いて設計されることを特徴とする電子部品であり、前記解析方法を用いて電気的特性が最適値となるように短期間で設計できるため、電気的特性に優れ、かつコストの安い電子部品を得ることができる。

本発明は、多数の半田バンプやＢＧＡを有する電子部品の特性を予測するに際し、前記半田バンプやＢＧＡの３次元モデルを構成する曲線や曲面を、多角形近似した３次元モデルに置き換え、その３次元モデルを変換して作成されるソリッド要素を用いた有限要素モデルを用いた解析方法である。これによって、多数の半田バンプやＢＧＡを有する電子部品の電気的特性を予測するための数値シミュレーションが、従来数日かかっていたものをわずか数時間で解析できるため、電子部品の設計期間の短縮を可能にし、電子部品のコストダウンに大きく貢献することができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態による電子部品解析方法の手順である。図１に示すように、最初にステップＳ１で、従来と同様に、電子部品の形状情報を含む３次元モデルの電子データを作成する。次にステップＳ２で、３次元モデルを構成する曲線や曲面を多角形近似した３次元モデルに置き換える。その後ステップＳ３で、多角形近似された３次元モデルを変換して有限要素モデルを作成する。次にステップＳ４で、ステップＳ３で作成された有限要素モデルを用いた有限要素解析などの数値シミュレーションを実行し、最後にステップＳ５で解析結果を表示させ、評価する。ステップＳ３で作成される有限要素モデルの要素種類は、解析精度が最も高いソリッド要素を用いる。

本発明では、ステップＳ２の、多角形近似した３次元モデルに置き換える手順を踏むことで、ステップＳ３で作成される有限要素モデルに含まれるソリッド要素の数を減らすことができるため、解析時間を短縮することができる。

以下に本発明の具体例について、電子部品に適用した結果を例にして説明する。

図２は半田バンプを有する電子部品の斜視図である。図２において、電子部品素体２の電極端子上に、半田バンプ１が形成されている。図３は、図２の側面図である。図４は、図２における半田バンプ１の拡大斜視図である。

従来の解析方法における半田バンプ１の有限要素モデルの作成では、図４のような御椀型の半田バンプ１の形状をできるだけ損なわないように微小なソリッド要素の集合で近似しようとするため、要素数は非常に多いものとなるが、本発明による解析方法における手順では、曲線や曲面を含む半田バンプ１の３次元モデルを、６以上１６以下の範囲で多角形近似する。図５は、図２の３次元モデルを多角形近似した例、図６は、図５の側面図、図７は、図５における半田バンプ１の拡大斜視図である。

このとき、図７のような半田バンプ１の多角形近似モデルから有限要素モデルを作成した場合のソリッド要素数は１６２０である。従来の半田バンプのソリッド要素数が７４４４であるので、従来の解析方法で得られる有限要素モデルと、本発明による解析方法で得られる有限要素モデルの、半田バンプ１個あたりのソリッド要素数の差は、５８２４となり、図２のように半田バンプ１が電子部品上に４９個存在する場合は、単純計算で電子部品１個あたりの要素数で約２８万個の差が生じることとなる。

このように、電子部品が半田バンプ１やＢＧＡを有している場合、それらの形状には曲線や曲面を含んでいる場合が多く、さらに半田バンプ１やＢＧＡは図２のように一つの電子部品に数多く存在する場合が多いので、要素数の増加はより顕著なものとなる。図１に示した電子部品の電磁界シミュレーションを行った結果、従来の解析方法では約２日間の解析時間を要したのに対し、本発明による解析方法を用いれば解析時間は約４時間となり、解析時間を大幅に短縮することができた。

一方、半田バンプ１やＢＧＡなどの３次元モデルに含まれる曲線や曲面を多角形近似する際に、多角形の角数が少なすぎると、元のモデルに対する近似度合いが悪くなるために、解析誤差が大きくなってしまう弊害が予想される。そこで、半田バンプ１の水平断面形状である円形状を何角形で近似すれば、解析精度の劣化を抑えることができるかについて確認した。図８は、多角形近似度合いと解析誤差との関係を表した図である。横軸に上述の円形状を近似した多角形の角数、縦軸に図１０のような十分多い要素数の場合の解析結果に対する数値誤差をとっている。

本発明において、半田バンプ１の鉛直方向の多角形近似は、図７のように底面と上面に多角形近似を施し、さらに底面と上面の中間部においても多角形近似を施している。図８の結果より、多角形近似の角数を６以上とすれば解析誤差は３％以下に抑えられるため、実用的な数値シミュレーションによる電気的特性の予測を得ることができる。また、多角形近似の角数を１６よりも多くすると、有限要素モデルを作成する際のソリッド要素の数が増加するため、解析時間が長くなり実用的ではない。

よって、多角形近似の角数は、６以上１６以下が適当である。

以上のように本発明の実施の形態によれば、従来の解析手法では電気的特性の予測に数日を要していたものが、わずか数時間で解析することが可能となり、しかもその得られた解析結果は、上記数日かかっていた結果とほとんど変わらない値を得ることができ、電子部品の設計期間を短縮することが可能となった。

以上のように本発明は、各種電子機器に用いられる電子部品及びその解析方法として広く世の中に貢献できるものである。

本発明の実施の形態における電子部品解析方法の手順を示すフローチャート半田バンプを有する電子部品の斜視図半田バンプを有する電子部品の側面図半田バンプの拡大斜視図本発明の実施の形態における電子部品の多角形近似３次元モデルの斜視図本発明の実施の形態における電子部品の多角形近似３次元モデルの側面図本発明の実施の形態における多角形近似３次元モデルの半田バンプの拡大斜視図本発明の実施の形態における半田バンプの多角形近似度合いと数値解析誤差との関係を示す図従来の電子部品の解析手順を示すフローチャート従来の解析方法で作成された半田バンプ有限要素モデルの斜視図

符号の説明

１半田バンプ
２電子部品素体

Claims

半田バンプやＢＧＡが多数形成された電極端子を有する電子部品の解析方法において、前記半田バンプ、ＢＧＡの３次元モデルを構成する曲線および曲面を多角形近似した３次元モデルに置き換え、その３次元モデルを変換して作成されるソリッド要素を用いた有限要素モデルを用いることを特徴とする電子部品解析方法。
半田バンプやＢＧＡの３次元モデルを構成する形状に円あるいは楕円が含まれる場合、前記円あるいは楕円を角数が６以上１６以下の多角形近似した３次元モデルに置き換え、その３次元モデルを変換して作成されるソリッド要素を用いた有限要素モデルを用いることを特徴とする電子部品解析方法。
半田バンプやＢＧＡが多数形成された電極端子を有する電子部品の３次元モデルを作成する手段と、前記半田バンプやＢＧＡの曲線や曲面を多角形近似した３次元モデルに置き換える手段と、多角形近似された３次元モデルを、ソリッド要素を用いた有限要素モデルに変換する手段と、電気的特性を計算するための有限要素解析を行う手段と、得られた解析結果を表示する表示手段から構成される電子部品解析装置。
請求項１、２記載の電子部品解析方法、および請求項３記載の電子部品解析装置を用いて設計されることを特徴とする電子部品。