JP2006072938A - プリント基板設計方法及びプリント基板設計装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 多くの電子部品が搭載されたプリント基板の設計において、熱解析シミュレーション等の試行錯誤に要する時間を短縮し得るプリント基板設計方法を提供する。
【解決手段】 図形処理部１４において、電子部品が実装されるプリント基板の実装範囲を、プリント基板の属性とプリント基板に実装される電子部品の属性から特定されるボロノイ領域に分割し、補間計算部１５において、プリント基板の属性、電子部品の属性、ボロノイ領域、及び温度分布の相関関係を有する相関図を作成し、図形処理部１４において、プリント基板に実装される電子部品の属性の変更に伴い実装範囲をボロノイ領域に再分割し、補間計算部１５において、再分割されたボロノイ領域によって更新される温度分布を相関図に基づいて予測する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プリント基板を設計する方法として、特に、設計時における各電子部品の属性の決定方法に関する。

近年、鉛フリー半田が使用され始めている中で、その融点の高さと実装される電子部品の耐熱温度の許容差が小さくなっている。
一般的に、プリント基板に電子部品を実装する工法としては、リフロー半田付け工法が利用されている。

この工法では、半田溶融のために基板全体に熱風を吹き付けるため、電子部品の熱容量やその配置の影響から、基板上における温度のばらつきが生じる。
加熱温度が低いと半田が溶けず、逆に高いと部品に熱的損傷を与えてしまう可能性が高まっている。

また、実際の商品をユーザーが使用する段階では、その回路動作中における各部品の発熱の影響により、同じく電子部品に熱的損傷を与え製品としての機能を満足しないという可能性も高まってきている。

このようなプリント基板の実装時や製品の使用時の電子部品に与える温度影響を満足なものにするには、プリント基板設計時から、それぞれの電子部品の熱的物性やサイズが周囲に与える影響を考慮しながらその電子部品の種類や配置を検討する必要がある。

そのための手段として加熱、発熱中の基板及び電子部品の温度を逐次シミュレートし、その結果から温度のばらつきを評価することによって部品の選定及び配置の決定を行う方法がある（例えば、特許文献１参照。）。

また、あらかじめ部品単体での温度分布の実測結果を重ね合わせることによって、複数の部品が搭載されたプリント基板上でのそれぞれの相互影響を予測する方法がある（例えば、特許文献２参照。）。
特開平１１−２０１６４７号公報 特開２００３−８１６８号公報

しかしながら、前記従来の技術においては、前者の基板設計方法では、解析モデルの作成に時間を要する上、部品の種類及び配置を変更する度に、改めてシミュレーションしなおす必要がある。結果、シミュレーション等の試行錯誤に要する時間が非常に多くかかるという問題点がある。

また、後者の基板設計方法では、電子部品単体での温度分布の精度は良くても、基板全体に複雑に構成されるパターンの配線形状による基板物性の変化の影響が考慮されていない。結果、実際のプリント基板のように、多くの電子部品が搭載されたプリント基板の設計には向かないという問題点がある。

そこで、本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、多くの電子部品が搭載されたプリント基板の設計において、熱解析シミュレーション等の試行錯誤に要する時間を短縮し得るプリント基板設計方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明に係るプリント基板設計方法は、（ａ）電子部品が実装されるプリント基板の実装範囲における温度分布を解析してプリント基板を設計するプリント基板設計方法であって、（ｂ）前記プリント基板の属性と前記プリント基板に実装される電子部品の属性とから特定される各電子部品の勢力範囲が示される領域に前記実装範囲を分割する分割ステップと、（ｃ）前記プリント基板の属性、前記電子部品の属性、前記領域、及び前記温度分布の相関関係が示される相関図を作成する作成ステップと、（ｄ）前記プリント基板に実装される電子部品の属性の変更に伴い前記実装範囲を領域に再分割する再分割ステップと、（ｅ）再分割された領域によって更新される前記温度分布を前記相関図に基づいて予測する予測ステップとを含むこととする。

これによって、電子部品が再配置される度に、有限要素法、又は有限体積法等を実行せずとも、再分割された領域と相関図とによって容易に温度分布を予想することができる。ここでは、電子部品の属性（例えば、種類、配置等。）の変更に伴い更新された領域、及びその領域に隣接する領域についてのみ影響が及ぼされるものと仮定して、これらの領域についてのみ温度分布が予想（計算）される。結果、有限要素法、又は有限体積法等と比べると、格段に計算量が減り、時間を短縮することができる。

ここで、電子部品の勢力範囲が示される領域とは、計算幾何学の分野で用いられる「ボロノイ図」におけるボロノイ領域である。
なお、本発明は、プリント基板設計方法として実現することができるだけでなく、プリント基板設計方法に基づいて制御されるプリント基板設計装置、その方法をコンピュータ等の一般のハードウェアシステムに実行させるプリント基板設計プログラム、及びそのプリント基板設計プログラムを記録した記録媒体として実現できるのは言うまでもない。

本発明によれば、熱解析シミュレーション及び実験等によって得られた部品の温度データに基づいて、部品の熱容量や他の電子部品との隣接関係、及び基板パターンの配線形状等による温度影響の変化を的確に予測し、熱解析時の各部品の温度上昇値を高精度に予測することができる。また、それらの予測は部品の隣接状態を数値的に表現した図形処理を用いて行うため、部品配置修正による温度影響の変化を簡便にチェックすることができる。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
本実施の形態においては、プリント基板を設計する際に、リフロー加熱処理によってプリント基板に実装される部品の温度がばらつくことによって生じる問題、半田未溶融と電子部品の熱的損傷を考慮する。

「半田未溶融」とは、基板の電極上に転写された半田の加熱温度がその融点に達せず、半田の溶融が不完全で電子部品との接合強度が十分に確保されない現象をいう。
「電子部品の熱的損傷」とは、基板上に装着された電子部品の加熱温度がその耐熱温度よりも大きく、電子部品の熱的損傷により機能不良等が生じる現象をいう。

そして、プリント基板に対してリフロー加熱処理を行う際には、基板面上の温度が半田の融点以上であり、かつそれぞれの電子部品の温度が耐熱温度以下である必要がある。
したがって、プリント基板を設計する際には、これら温度制約条件を満たすように、電子部品の種類及び配置を検討する必要がある。

「温度制約条件」とは、半田融点以上かつ部品耐熱温度以下をいう。
なお、以下、本実施の形態において説明する電子部品の種類、及び配置の決定は、リフロー加熱処理におけるプリント基板上の温度制約条件を満足するよう行われるものである。しかし、プリント基板上の熱的な現象に伴う制約が課せられるような段階、例えば実際の製品をユーザーが使用する段階を想定し、その際の回路動作に伴う部品の発熱が及ぼす基板上各部品の温度上昇を考慮して行われる場合も考えられる。

図１は、本発明のプリント基板設計装置の機能構成を示す図である。
同図に示されるように、プリント基板設計装置１０は、基板設計データ格納部１１、熱解析部１２、物性データベース１３、図形処理部１４、補間計算部１５、部品配置変更部１６、及び基板設計データ出力部１７を備える。

基板設計データ格納部１１は、プリント基板の属性、及びプリント基板に実装される電子部品の属性を初期基板設計データＤ１から取得する。
「プリント基板の属性」とは、プリント基板の外形の形状、及びプリント基板に配線されたパターンに関する情報をいう。

「電子部品の属性」とは、プリント基板に実装される電子部品の種類、及び初期配置とに関する情報をいう。
例えば、図２に示されるプリント基板４１の初期基板設計データＤ１には、プリント基板４１の外形の形状、配線されたパターン、及びプリント基板４１に実装される電子部品４２ａ〜４２ｎの種類と初期配置に関する情報が含まれている。

図２は、プリント基板の外形を示す概要図である。
同図に示されるように、プリント基板４１には、電子部品４２а〜４２ｌのような小型の電子部品や、電子部品４２ｍ、４２ｎのコネクタ、ＱＦＰ（Quad Flat Package）などの大型電子部品がそれぞれ複数実装される。各電子部品４２а〜ｎをリフロー加熱処理する際に接合剤として用いる半田はＳｎ／Ａｇ／Ｃｕ系であり、その融点は２１０℃である。また、各電子部品の内、電子部品４２а〜４２ｌの耐熱温度は２４０℃であるが、大型電子部品４２ｍ、４２ｎの耐熱温度は２２０℃と低く、半田との融点との温度許容差は１０℃程度しかない。

熱解析部１２は、基板設計データ格納部１１で取得したプリント基板と電子部品に関する情報を用いて、プリント基板と電子部品に関連する材質の熱的物性値を、物性データベース１３から取得する。例えば、図３に示される温度分布のように、取得した熱的物性値を用いて、電子部品が搭載されたプリント基板に対してリフロー加熱処理を行った場合における温度分布を計算する。

図３は、熱解析シミュレーションによるプリント基板の温度分布を示す図である。
同図に示されるように、図中の数字は温度上昇値を示す。
物性データベース１３は、例えば、部品形状、材質、ユニット、部品配置データ等、基板と電子部品に関連する材質の熱的物性値を保持している。

図４は、物性データベースのデータ構造を示す図である。
同図に示されるように、テーブル５０は、カラム５１〜５３から構成される。カラム５１にはＤＢ分類、カラム５２には基本項目、カラム５３には基本項目別の内容として詳細項目が示されている。

続いて、図１に示されるように、図形処理部１４は、温度分布等の計算と並行して、基板設計データ格納部１１で取得した基板の形状、及び電子部品の初期配置の情報より、基板領域に対して電子部品の配置点を母点としたボロノイ図を作成し、各電子部品同士の隣接関係を考慮した支配面積を計算する。また、部品配置変更部１６で部品の配置及び種類が変更された場合には、ボロノイ図を更新する。

ここで、簡単にボロノイ図について図５を用いて説明する。
図５は、ボロノイ図の概要を示す概要図である。
同図に示されるように、ボロノイ図とは、計算幾何学の分野で用いられる図形であり、特定の平面領域上に配置された点（以下、母点と呼称する。）Ｐに対して、隣接する他の母点との垂直ニ等分線を引き、それら複数の垂直二等分線を結合させることで、各々の母点に固有の支配領域Ｖ（以後「ボロノイ領域」と呼ぶ）を構成させたものである。各ボロノイ領域は、平面領域の中で、ボロノイ領域内に唯一存在する母点との距離が最も近い点の集合であるという性質を持つため、逆に言うと、母点の距離的な支配領域と考えることができる。本発明では、母点を基板上電子部品の配置とみなし、そのボロノイ領域を各電子部品同士の隣接関係を示す指標として利用する。また、母点Ｐの位置を母点Ｐ´に変更した場合、図５のように、ボロノイ図の修正は周囲の局所的な領域のみに限定されるため、電子部品の配置変更に伴う作図処理も非常に簡単に行える。

なお、ボロノイ領域は、変更された部品とその周囲の部品についてのみ変更される。
補間計算部１５は、図形処理部１４より得られた電子部品の支配面積及びその領域内のプリント基板の内部パターン配線率、そして物性データベース１３より得られた電子部品の熱容量と、熱解析部１２で得られた各電子部品の温度とを関連付けた相関図を作成する。

「相関図」とは、（ａ）ボロノイ領域の面積と、（ｂ）電子部品の熱容量と、（ｃ）ボロノイ領域内のパターン配線率とのうちの少なくとも一つを変数とする近似関数をいう。
また、ボロノイ図が更新されると、更新されたボロノイ図に基づいて、更新されたボロノイ図での各電子部品の支配領域の情報、及び各電子部品の熱容量より、作成した相関図に基づいて、変更後部品配置での基板上の温度分布及び各電子部品の温度上昇値を予測する。

ここで、電子部品の熱容量ＱＴｉは、物性データベース１３（例えば、図１を参照。）より選択した部品の比熱Ｃｉ、比重Ｍｉ、体積Ｖｉより以下の式に基づいて計算される。

（数１）
（１） ＱＴｉ＝Ｃｉ×Ｍｉ×Ｖｉ
部品配置変更部１６は、熱解析部１２で得られた結果、すなわち、電子部品の初期配置でリフロー加熱処理を施した際の基板上の温度分布及び各電子部品の温度上昇値を基に、部品の配置及び種類を変更する。また、予測された基板上の温度分布及び各電子部品の温度上昇値を基に、再度部品の配置や種類を変更する。

図６は、プリント基板設計の画面表示例を示す図である。
同図に示されるように、プリント基板設計装置を操作する設計者に出力される部品温度予想ウィンドウ６０を介して変更される。エリア６１に示された基板イメージに直接マウス等を使って、部品を選択して移動する（例えば、電子部品のイメージをドラッグして移動する。）
または、エリア６２に示された入力ボックスに、直接、数値を入力して部品を選択して移動する。エリア６３に、縦軸に温度、横軸にボロノイ面積で温度予想曲線が示されている。エリア６４に、エリア６１に示されているプリント基板に搭載されている電子部品の部品リストが示されている。

なお、図中においては、ボロノイ図で表示されるか否かを切り替えるチェックボックス６１ａにチェックが入っており、プリント基板のイメージにボロノイ領域がオーバレイされて表示されている。

基板設計データ出力部１７は、図形処理部１４、補間計算部１５、及び部品配置変更部１６等の間で、このような処理を繰り返すことで、最終的にリフロー加熱処理における電子部品の温度制約を満足するような電子部品の配置及び種類が決定された変更後基板設計データＤ２を出力する。

次に、本発明のプリント基板設計装置を用いて、プリント基板を設計する方法（以下、プリント基板設計方法と呼称する。）について説明する。
図７は、プリント基板設計方法の流れを示すアクティビティ図である。

同図に示されるように、まず、基板設計データ格納部１１において、プリント基板の属性、及び電子部品の属性を初期基板設計データＤ１から取得する（アクティビティＡ１）。

次に、熱解析部１２において、電子部品が搭載されたプリント基板にリフロー加熱処理を行った場合を想定してプリント基板上の温度分布及び各電子部品の温度上昇値を解析計算する（アクティビティＡ２）。

また、図形処理部１４において、プリント基板上の電子部品の配置からボロノイ図を作成する（アクティビティＡ３）。

次に、補間計算部１５において、電子部品における総熱容量、ボロノイ面積、ボロノイ領域内のパターンの配線率に対して、熱解析で計算された電子部品毎の温度上昇値との対応表、及びそれを基にした相関図を作成する（アクティビティＡ４）。

そして、アクティビティＡ２〜Ａ４が終了した段階で、各電子部品の温度上昇値が、それぞれの温度制約条件を満足しているかどうかを判断する（デシジョンノードＮ１）。
判断した結果、温度制約条件が満足しない場合（図中において、温度制約条件がＮＧの場合）には、温度制約条件がＮＧとなった部品に対して、対応表及び相関図を基に、部品配置変更部１６において、電子部品の属性の変更を受け付ける（アクティビティＡ５）。

このようにして電子部品の属性を変更した後、再び、図形処理部１４において、変更後の母点Ｐа〜Ｐｎにおけるボロノイ図を再構成する（アクティビティＡ６）。
このようにして変更したボロノイ図の情報を基に、補間計算部１５において、電子部品の属性を変更したことに伴う各電子部品の温度上昇値の変化を予測する（アクティビティＡ７）。

以上、アクティビティＡ５〜Ａ７の操作を繰り返し、最終的に温度制約条件を満足するような部品配置を決定する。そして、全ての電子部品について、半田融点及び電子部品耐熱温度による温度制約条件を満たす場合（図中において、温度制約条件がＯＫの場合）には、基板設計データ出力部１７を介して、部品配置結果を変更後基板設計データＤ２に変換して出力する（アクティビティＡ８）。

ここで、具体例を交えながら、プリント基板設計方法について説明する。
なお、初期基板設計データＤ１は、プリント基板４１及び電子部品４２а〜４２ｎの形状、種類、及び配置情報を有するものであればよい。例えば、基板設計用のＣＡＤシステムよりＩＤＦフォーマットなどの基板実装状態の３次元形状データとして取得するとしてもよい。または、表面の電子部品４２а〜４２ｎの実装位置及び基板４１本体の形状を示すデータを基板設計用のＣＡＤデータより取得し、電子部品４２の部品形状は、別途、現場の実装ＣＡＭなどの有する部品データなど、別の手段で取得するとしてもよい。

アクティビティＡ１において、基板設計データ格納部１１は、初期基板設計データＤ１が入力される。
アクティビティＡ２において、熱解析部１２は、まず、プリント基板４１、及びプリント基板４１に実装される電子部品４２а〜４２ｎの材質に対応した熱的物性値とリフロー加熱処理の温度プロファイルに相当する境界条件とを物性データベース１３から取得して熱解析モデルを作成する。作成した熱解析モデルに対し、有限要素法または有限体積法などを用いてプリント基板上の温度分布図（例えば、図３を参照。）及び電子部品４２а〜４２ｎの配置での温度上昇値Ｔа〜Ｔｎが計算される。

アクティビティＡ３において、図形処理部１４は、図８に示されるようなボロノイ図を作成する。

図８は、プリント基板に実装される電子部品に割り当てられた母点に基づいて作成されたボロノイ図である。

同図に示されるように、プリント基板４１に配置された電子部品４２а〜４２ｌのそれぞれの重心に母点Ｐа〜Ｐｌを設定されている。なお、電子部品４２ｍ、４２ｎのような大型電子部品については、その大きさに合せてＰｍ−１〜Ｐｍ−４、Ｐｎ−１〜Ｐｎ−４のように母点を複数設けられている。それら設定された母点Ｐа〜ｎに基づいて、各母点間の垂直二等分線より構成されるボロノイ図を作成する。このボロノイ図を構成する母点Ｐа〜Ｐｎのボロノイ領域をそれぞれＦа〜Ｆｎとする。また、各ボロノイ領域Ｆа〜Ｆｎの面積をＳа〜Ｓｎとする。

アクティビティＡ４において、図形処理部１４においてボロノイ図の作成が終了すると、補間計算部１５において、電子部品４２а〜４２ｎにおける総熱容量ＱＴа〜ＱＴｎ、ボロノイ面積Ｓа〜Ｓｎ、また各ボロノイ領域における基板のパターン配線率Ｒа〜Ｒｎに対して、熱解析で計算された電子部品４２а〜４２ｎ毎の温度上昇値Ｔа〜Ｔｎとの対応表、及びそれを基にした相関図を作成する。

特に、大型電子部品ついては、図８のボロノイ図で分割した各ボロノイ領域Ｆｍ−１〜Ｆｍ−４に基づいて、その体積Ｖｍ、Ｖｎを等配分する。
また、ボロノイ領域Ｆａ〜Ｆｎ内のパターン配線率Ｒа〜Ｒｎは、ボロノイ領域Ｆа〜Ｆｍに該当する基板領域のパターン配線率として基板設計データ格納部１１から求められる。

そして、各電子部品の温度上昇値Ｔа〜Ｔｎとして、アクティビティＡ２で実行された熱解析の結果から、各電子部品の半田付け部の温度が取得される。
このようにして計算された各電子部品の代表値ＱＴа〜ＱＴｎ、Ｓа〜Ｓｎ、Ｒа〜Ｒｎに対し、図９に示す対応表では、熱容量ＱＴа〜ＱＴｎをその大きさ毎に、ボロノイ領域の面積Ｓа〜Ｓｎをサイズ毎に、配線率Ｒа〜Ｒｎをパーセンテージ毎に分類し、それぞれに対応した温度上昇値Ｔа〜Ｔｎが割り当てられる。

ここで、図９に対応表を図９に示し、図９に示される対応表から作成された相関図を図１０に示す。
図９は、電子部品の熱容量、ボロノイ面積、パターン配線率と、解析による電子部品の温度上昇値とを対応させた表を示す図である。

また、作成された図９の対応表を基に、図１０のような、熱容量ＱＴа〜ＱＴｎ、ボロノイ面積Ｓа〜Ｓｎ、配線率Ｒа〜Ｒｎを変数に持つ３次元の温度上昇値Ｔа〜Ｔｎの相関図を作成する。

図１０は、縦軸を温度、横軸を熱容量等とする相関図を示す図である。
同図に示されるように、相関図は簡便のためにその概要を相関曲線９１（１次元の関数）として表現している。

アクティビティＡ２〜Ａ４が終了した段階で、デシジョンノードＮ１において、図９に示す各電子部品４２а〜４２ｎの温度上昇値Ｔа〜Ｔｎが、それぞれの温度制約条件を満足しているかどうかを判断し、温度制約条件がＯＫであれば終了し、そうでなれば、アクティビティＡ５に進む。

ここでは、図９に示されるように、電子部品４２ｃ、４２ｉにおいて温度上昇値が２００℃と半田溶融温度（２１０℃）以下、また電子部品４２ｎのうち、母点Ｐｎ−２、Ｐｎ−３の温度上昇値がそれぞれ２０５℃、２００℃であり半田溶融温度以下である。また、電子部品４２ｍに関しては、母点Ｐｍ―１にて温度上昇値が２２５℃と耐熱温度（２２０℃）以上となっている。したがって、温度制約条件がＮＧとし、次のアクティビティＡ５へと進む。なお、図中においては、温度制約条件がＮＧのものについては、ハッチが施されて区別されている。

次に、アクティビティＡ５において、部品配置変更部１６は、温度制約条件がＮＧとなった部品の修正を受け付ける。
ここで、図６に示される部品温度予測ウィンドウ６０におけるエリア６４に表示されている対応表（図９を参照。）、及びエリア６３に表示されている相関図（図１０を参照。）を基に、エリア６１又はエリア６２を介して、温度制約条件を満足する方向へ部品の配置を局所的に修正される。

図１１は、電子部品の再配置に応じて再構成されたボロノイ図である。
同図に示されるように、まず、電子部品４２ｃについては、ボロノイ面積Ｓｃが小さいことからも分かるように、並んで配置している電子部品４２а〜ｅの部品の隣接距離が小さく、その中心に位置している電子部品４２ｃに与えられる熱量が周囲の電子部品に吸収されていることが原因であると考えられる。したがって、その隣接間隔を若干大きくするよう、電子部品の４２а〜ｅの配置を変更する。

次に、電子部品４２ｉに関しても同様に、隣接する電子部品４２ｈとの距離が小さいため、温度上昇が妨げられている。したがってここでも、電子部品４２ｉ及び４２ｋの位置を左方向に修正する。

次に、電子部品４２ｎについては、図９の対応表を見ても分かるように、ボロノイ面積Ｓｎは大きいが、大型電子部品であるため熱容量ＱＴｎも大きくなり、温度上昇しにくくなっていることが考えられる。電子部品４２ｃ、４２ｉと同様に配置変更で対処することも可能だが、ここでは熱容量の小さい別の代替部品を物性データベース１３から読み込み、温度低下を防ぐ。

最後に、電子部品４２ｍについては、図９においてＰｍ−１のボロノイ面積Ｓｍ−１が大きいことから分かるように、周辺の電子部品が存在せず、付与された熱量がそのまま温度上昇につながることが原因である。したがって、この場合は、電子部品４２ｆを４２ｍに近づけ、ボロノイ面積Ｓｍ−１を小さくすることで、電子部品Ｔｆへの吸熱により温度上昇を妨げる。

このように部品の配置及び部品の種類を変更した後、アクティビティＡ６において、図形処理部１４は、再び、変更後の母点Ｐа〜Ｐｎにおけるボロノイ図を再構成する。
アクティビティＡ７において、補間計算部１５は、このようにして変更したボロノイ図の情報を基に、部品の配置変更に伴う各電子部品４２а〜４２ｎの温度上昇値Ｔа〜Ｔｎの変化を予測する。

具体的には、まず、局所的に配置変更を行った電子部品４２а〜４２ｌ、４２ｍ１、４、４２ｎ１，２について、それぞれのボロノイ面積Ｓ及び配線率Ｒを再計算する。また、種類変更を行った電子部品４２ｎに関しては、その熱容量ＱＴｎを、それぞれ母点Ｐｎ−１〜４に振り分けて計算する。それらの代表値をもとに再び図１２のような変更後の対応表を作成する。そして、作成した対応表を基に、アクティビティＡ４において作成した相関図に対してＱＴ、Ｓ，Ｒの各値を代入し、各電子部品４２а〜４２ｎまでの、変更後部品の温度上昇推定値Ｔа〜Ｔｎを得る。

次に、デシジョンノードＮ１において、再び、変更後電子部品４２а〜ｎの温度上昇値Ｔа〜Ｔｎが、それぞれの温度制約条件を満たしているかどうかを判定する。
以上、アクティビティＡ５〜Ａ７の操作を繰り返し、最終的に温度制約条件を満足するような部品配置を決定する。

アクティビティＡ８において、この段階で全ての電子部品４２а〜４２ｎについて、半田融点及び電子部品耐熱温度による温度制約条件を満たしているため、基板設計データ出力部１７を介して、部品配置結果を変更後基板設計データＤ２に変換して出力する。

以上、説明したように、本発明に係るプリント基板設計方法によって、熱解析シミュレーション及び実験等によって得られた部品の温度データに基づいて、部品の熱的容量や他の電子部品との隣接関係、及び基板パターンの配線形状等が及ぼす温度影響の変化を的確に予測し、熱解析時の各部品の温度上昇値を簡便かつ高精度に予測することで、プリント基板設計期間を大幅に短縮し、かつ電子部品の安定した実装品質を確保することができる。

なお、熱解析部１２は、さらに、変更後の部品配置での温度上昇値を解析計算によって求め、図１２で作成した変更後の対応表を更新することで、図１３に示されるように、相関図の精度を向上させるとしてもよい。

なお、プリント基板設計装置を構成する１乃至２以上の構成部は、コンピュータにおいて実行されるソフトウェアプログラム（以下、プリント基板設計プログラムと呼称する。）によって実現されるとしてもよい。

なお、プリント基板設計装置は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤ（Hard Disk）、ネットワークインターフェースを有するコンピュータシステムである。さらに、ＯＳ（Operating System）とプリント基板設計プログラムとがＨＤにインストールされている。そして、ＯＳの稼動下でプリント基板設計プログラムが実行されることによって、プリント基板設計装置を構成する１乃至２以上の構成部が具現化されるとしてもよい。

また、プリント基板設計プログラムは、光学記録媒体（例えば、ＣＤ−ＲＯＭ等。）、磁気記録媒体（例えば、ＨＤ等。）、光磁気記録媒体（例えば、ＭＯ等。）、半導体メモリ（例えば、ＲＯＭ等。）等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録しておいて、他のコンピュータシステムにおいて実行されるとしてもよい。または、ネットワークを介して接続されているコンピュータシステムに設けられたＨＤＤ（Hard Disk Drive）に記録しておいて、ネットワークを経由して読み取った他のコンピュータシステムにおいて実行されるとしてもよい。

また、プリント基板設計装置は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）、ＩＥＥＥ（Institute of Electrical and Electronic Engineers）４８８インターフェースを有するとしてもよい。さらに、ＵＳＢ、又はＩＥＥＥ４８８を介して接続される計測装置（例えば、熱測定装置等。）から測定データを取得するとしてもよい。そして、取得した測定データを解析に要する温度上昇値の初期値に設定するとしてもよい。

なお、プリント基板として、例えば、高輝度発光ダイオードを密に配列させた照明用ユニットに用いられるプリント基板等のように、層と層との間に放熱部材がラミネートされた多層プリント基板としてもよい。

なお、母点は、（ａ）電子部品の重心に割り当てられているとしてもよいし、（ｂ）電子部品内に等間隔で複数割り当てられているとしてもよいし、（ｃ）電子部品の重心を中心点とした点対称で複数割り当てられているとしてもよいし、（ｄ）電子部品の重心を通る線を中心線とした軸対称で複数割り当てられているとしてもよいし、（ｅ）電子部品について夫々の電極部に割り当てられているとしてもよい。

なお、母点と母点とのゲージを同じとしてもよいし、電子部品の属性に応じて異なるとしてもよい。

本発明は、プリント基板設計方法等として、特に、熱解析シミュレーションを要する基板設計において簡便かつ高精度で各部品の温度上昇値を予想するプリント基板設計方法等として、利用することができる。

プリント基板設計装置の機能構成を示すブロック図である。 プリント基板の外形を示す概要図である。 熱解析シミュレーションによる回路基板上の温度分布を示す図である。 物性データベースのデータ構造を示す図である。 ボロノイ図の概要を示す概要図である。 プリント基板設計の画面表示例を示す図である。 プリント基板設計方法の手順の流れを示すアクティビティ図である。 プリント基板に実装される電子部品に割り当てられた母点に基づいて作成されたボロノイ図である。 電子部品の熱容量、ボロノイ面積、パターン配線率と、解析による電子部品の温度上昇値とを対応させた表を示す図である。 縦軸を温度、横軸を熱容量等とする相関図を示す図である。 電子部品の再配置に応じて再構成されたボロノイ図である。 電子部品の種類及び配置の変更後における熱容量等の計算結果を示した表を示す図である。 変更後電子部品の温度上昇を相関図に基づいて予測されることを示した図である。

符号の説明

Ｄ１ 初期基板設計データ
Ｄ２ 変更後基板設計データ
１１ 基板設計データ格納部
１２ 熱解析部
１３ 物性データベース
１４ 図形処理部
１５ 補間計算部
１６ 部品配置変更部
１７ 基板設計データ出力部
Ｄ 平面領域
Ｆ ボロノイ図
Ｐ 変更前の母点
Ｐ´ 変更後の母点
Ｖ ボロノイ領域
４１ プリント基板
４２а〜４２ｌ 電子部品
４２ｍ、４２ｎ 大型電子部品
Ｔа〜Ｔｎ 解析シミュレーションによって計算された部品温度上昇値
Ｐа〜Ｐｌ 電子部品の重心を基にした各母点
Ｐｍ１〜Ｐｍ４ 大型電子部品４２ｍに設定した各母点
Ｐｎ１〜Ｐｎ４ 大型電子部品４２ｎに設定した各母点
Ｆа〜Ｆｌ 電子部品のボロノイ領域
Ｆｍ１〜Ｆｍ４ 大型電子部品４２ｍの各ボロノイ領域
Ｆｎ１〜Ｆｎ４ 大型電子部品４２ｎの各ボロノイ領域
ＱＴа〜ＱＴｌ 電子部品の熱容量
ＱＴｍ１〜ＱＴｍ４ 大型電子部品４２ｍの各熱容量
ＱＴｎ１〜ＱＴｎ４ 大型電子部品４２ｎの各熱容量
Ｓа〜Ｓｌ 電子部品のボロノイ面積
Ｓｍ１〜Ｓｍ４ 大型電子部品４２ｍの各ボロノイ面積
Ｓｎ１〜Ｓｎ４ 大型電子部品４２ｎの各ボロノイ面積
Ｒа〜Ｒｌ 電子部品のボロノイ領域内のパターン配線率
Ｒｍ１〜Ｒｍ４ 大型電子部品の各ボロノイ領域内のパターン配線率
Ｒｎ１〜Ｒｎ４ 大型電子部品の各ボロノイ領域内のパターン配線率
９１ 相関曲線
８９−１１ 相関曲線

Claims (20)

1. 電子部品が実装されるプリント基板の実装範囲における温度分布を解析してプリント基板を設計するプリント基板設計方法であって、
   前記プリント基板の属性と前記プリント基板に実装される電子部品の属性とから特定される各電子部品の勢力範囲が示される領域に前記実装範囲を分割する分割ステップと、
   前記プリント基板の属性、前記電子部品の属性、前記領域、及び前記温度分布の相関関係が示される相関図を作成する作成ステップと、
   前記プリント基板に実装される電子部品の属性の変更に伴い前記実装範囲を領域に再分割する再分割ステップと、
   再分割された領域によって更新される前記温度分布を前記相関図に基づいて予測する予測ステップと
   を含むことを特徴とするプリント基板設計方法。
2. 前記領域は、各電子部品に割り当てた母点から形成されるボロノイ領域である
   ことを特徴とする請求項１に記載のプリント基板設計方法。
3. 前記相関図は、
   （ａ）ボロノイ領域の面積と、
   （ｂ）電子部品の熱容量と、
   （ｃ）ボロノイ領域内のパターン配線率と
   のうちの少なくとも一つを変数とする近似関数である
   ことを特徴とする請求項２に記載のプリント基板設計方法。
4. 前記パターン配線率は、前記プリント基板の属性に基づいて計算されたボロノイ領域内の導電体と絶縁体との割合である
   ことを特徴とする請求項３に記載のプリント基板設計方法。
5. 前記母点は、
   （ａ）電子部品の重心に割り当てられている
   （ｂ）電子部品内に等間隔で複数割り当てられている
   （ｃ）電子部品の重心を中心点とした点対称で複数割り当てられている
   （ｄ）電子部品の重心を通る線を中心線とした軸対称で複数割り当てられている
   （ｅ）電子部品について夫々の電極部に割り当てられている
   のうちのいずれかである
   ことを特徴とする請求項２に記載のプリント基板設計方法。
6. 前記プリント基板設計方法は、さらに、
   前記プリント基板の属性、及び前記電子部品の属性から模擬解析して得られた結果に基づいて温度分布を初期設定する設定ステップ
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のプリント基板設計方法。
7. 前記プリント基板設計方法は、さらに、
   前記プリント基板の属性、及び前記電子部品の属性から、再度、温度分布を数値解析する解析ステップを含み、
   前記相関図は、領域の更新後に予測される温度分布の結果と、数値解析された結果との誤差に基づいて更新する
   ことを特徴とする請求項６に記載のプリント基板設計方法。
8. 前記プリント基板設計方法は、さらに、
   テスト用のプリント基板と電子部品とを用いて加熱実験して得られたデータに基づいて温度分布を初期設定する設定ステップ
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のプリント基板設計方法。
9. 前記プリント基板設計方法は、さらに、
   前記プリント基板の属性、及び前記プリント基板に実装される電子部品の属性を有する基板設計データから、前記プリント基板の属性、及び前記電子部品の属性を取得する取得ステップと、
   各電子部品の温度上昇値が所定の温度範囲内であるか否かを判定する判定ステップと、
   前記所定の温度範囲内でない場合には、前記所定の温度範囲内でない電子部品の配置の変更を受け付ける受付ステップと、
   前記所定の温度範囲内に存在しない電子部品がなくなった時点でのプリント基板の属性、及び電子部品の属性を前記基本設計データとして出力する出力ステップと
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のプリント基板設計方法。
10. 電子部品が実装されるプリント基板の実装範囲における温度分布を解析してプリント基板を設計するプリント基板設計装置であって、
    前記プリント基板の属性と前記プリント基板に実装される電子部品の属性とから特定される各電子部品の勢力範囲が示される領域に前記実装範囲を分割する分割手段と、
    前記プリント基板の属性、前記電子部品の属性、前記領域、及び前記温度分布の相関関係が示される相関図を作成する作成手段と、
    前記プリント基板に実装される電子部品の属性の変更に伴い前記実装範囲を領域に再分割する再分割手段と、
    再分割された領域によって更新される前記温度分布を前記相関図に基づいて予測する予測手段と
    を備えることを特徴とするプリント基板設計装置。
11. 前記領域は、各電子部品に割り当てた母点から形成されるボロノイ領域である
    ことを特徴とする請求項１０に記載のプリント基板設計装置。
12. 前記相関図は、
    （ａ）ボロノイ領域の面積と、
    （ｂ）電子部品の熱容量と、
    （ｃ）ボロノイ領域内のパターン配線率と
    のうちの少なくとも一つを変数とする近似関数である
    ことを特徴とする請求項１１に記載のプリント基板設計装置。
13. 前記パターン配線率は、前記プリント基板の属性に基づいて計算されたボロノイ領域内の導電体と絶縁体との割合である
    ことを特徴とする請求項１２に記載のプリント基板設計装置。
14. 前記母点は、
    （ａ）電子部品の重心に割り当てられている
    （ｂ）電子部品内に等間隔で複数割り当てられている
    （ｃ）電子部品の重心を中心点とした点対称で複数割り当てられている
    （ｄ）電子部品の重心を通る線を中心線とした軸対称で複数割り当てられている
    （ｅ）電子部品について夫々の電極部に割り当てられている
    のうちのいずれかである
    ことを特徴とする請求項１１に記載のプリント基板設計装置。
15. 前記プリント基板設計装置は、さらに、
    前記プリント基板の属性、及び前記電子部品の属性から模擬解析して得られた結果に基づいて温度分布を初期設定する設定手段
    を備えることを特徴とする請求項１０に記載のプリント基板設計装置。
16. 前記プリント基板設計装置は、さらに、
    前記プリント基板の属性、及び前記電子部品の属性から、再度、温度分布を数値解析する解析手段を備え、
    前記相関図は、領域の更新後に予測される温度分布の結果と、数値解析された結果との誤差に基づいて更新する
    ことを特徴とする請求項１５に記載のプリント基板設計装置。
17. 前記プリント基板設計装置は、さらに、
    テスト用のプリント基板と電子部品とを用いて加熱実験して得られたデータに基づいて温度分布を初期設定する設定手段
    を備えることを特徴とする請求項１０に記載のプリント基板設計装置。
18. 前記プリント基板設計装置は、さらに、
    前記プリント基板の属性、及び前記プリント基板に実装される電子部品の属性を有する基板設計データから、前記プリント基板の属性、及び前記電子部品の属性を取得する取得手段と、
    各電子部品の温度上昇値が所定の温度範囲内であるか否かを判定する判定手段と、
    前記所定の温度範囲内でない場合には、前記所定の温度範囲内でない電子部品の配置の変更を受け付ける受付手段と、
    前記所定の温度範囲内に存在しない電子部品がなくなった時点でのプリント基板の属性、及び電子部品の属性を前記基本設計データとして出力する出力手段と
    を備えることを特徴とする請求項１０に記載のプリント基板設計装置。
19. 電子部品が実装されるプリント基板の実装範囲における温度分布を解析してプリント基板を設計するプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、
    前記プリント基板の属性と前記プリント基板に実装される電子部品の属性とから特定される各電子部品の勢力範囲が示される領域に前記実装範囲を分割する分割ステップと、
    前記プリント基板の属性、前記電子部品の属性、前記領域、及び前記温度分布の相関関係が示される相関図を作成する作成ステップと、
    前記プリント基板に実装される電子部品の属性の変更に伴い前記実装範囲を領域に再分割する再分割ステップと、
    再分割された領域によって更新される前記温度分布を前記相関図に基づいて予測する予測ステップと
    をコンピュータに実行させるプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
20. 電子部品が実装されるプリント基板の実装範囲における温度分布を解析してプリント基板を設計するプリント基板設計プログラムであって、
    前記プリント基板の属性と前記プリント基板に実装される電子部品の属性とから特定される各電子部品の勢力範囲が示される領域に前記実装範囲を分割する分割ステップと、
    前記プリント基板の属性、前記電子部品の属性、前記領域、及び前記温度分布の相関関係が示される相関図を作成する作成ステップと、
    前記プリント基板に実装される電子部品の属性の変更に伴い前記実装範囲を領域に再分割する再分割ステップと、
    再分割された領域によって更新される前記温度分布を前記相関図に基づいて予測する予測ステップと
    をコンピュータに実行させることを特徴とするプリント基板設計プログラム。

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