JP2006252113A

JP2006252113A - 基板解析方法及び装置及び基板解析用プログラム及びそれを記録した記録媒体

Info

Publication number: JP2006252113A
Application number: JP2005066935A
Authority: JP
Inventors: Teppei Iwase; 鉄平岩瀬; Hiroaki Fujiwara; 宏章藤原; Manabu Kakino; 学垣野
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-03-10
Filing date: 2005-03-10
Publication date: 2006-09-21
Also published as: CN101120346A; CN100511244C

Abstract

【課題】実現可能な計算時間で、プリント基板内の配線パターンによる基板の挙動への影響を忠実に再現した、高精度の基板解析を行うこと。
【解決手段】プリント基板４の形状、配線パターン、導電体と絶縁体の材質及び基板の積層形態に関するデータを取得し、そのデータより当該基板の解析モデル形状を作成し任意のセル領域に分割し、分割されたセル領域に相当する基板の配線パターンの情報から解析用物性値を計算して入力し、作成した解析モデルに基づいて解析計算を行うことにより、必要なメッシュ数を抑え、処理データ量を必要最小限にとどめることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品の実装工法開発や実装品質評価段階におけるプリント基板の解析方法及び装置及び基板解析を実行するプログラム及びそれを記録した記録媒体に関する。

プリント基板に電子部品を実装する工法の開発段階や、最終的に実装の品質評価を行う段階においては、現在、様々なシミュレーション技術が用いられている。例えば、代表的な工法であるリフロー半田付け工法における、プリント基板上に転写された半田や搭載された電子部品加熱時の温度上昇解析や、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）やチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）などをプリント基板に実装した後の、各半田接合部の接合強度信頼性解析などがある。

これらのシミュレーションを行う際には、電子部品やプリント基板、及びそれらを実装するための工法ユニット等の形状を作成し、それぞれに特有の物性値を入力した解析モデルを構成するのであるが、これら解析モデルの内、プリント基板のモデリングには、より適切な検討が必要となる。

例えば、プリント基板上に電子部品を半田付け実装する際の加熱時の温度上昇解析については、加熱工程における熱風は基板の上下方向から吹き付けられるため、プリント基板を介した電子部品への熱伝導を忠実に再現するためには、プリント基板の熱的な物性値が正しく入力されている必要がある。また、半田接合部の接合強度信頼性には、信頼性評価試験である温度衝撃実験における過熱冷却の繰り返しにおけるプリント基板のそり状態が大きく影響しているため、プリント基板の応力−ひずみ特性や熱膨張を忠実に再現する必要がある。

このようなプリント基板の解析モデルを忠実に作成するには、対象とする解析シミュレーションに必要な物性値を正確に適用する必要があるが、その内部の回路パターンは非常に複雑で、また代表的に用いられているプリント基板は幾層にも積層された形態であるため、物性値の大きく異なる絶縁体と導電体の配分率が機種ごとに異なり、その正しい値を適用することは非常に困難である。

そのようなプリント基板モデルを構成する方法として従来は、プリント基板全体を均質な物体として捉え、その内部の配分率から割り出した代表値を適用する方法がある。

また、逆にプリント基板を複数の微小セルに分割し、そのセル毎に絶縁体もしくは導電体の物性値を当てはめることで、内部の配線パターンを忠実に再現する方法がある。
特開２００４−２５２７４号公報

しかし、上記した従来の前者の基板解析方法では、基板全体を均質な物体と捉えているため、対象基板の配線パターン形状が複雑で、そのパターン配線率が基板上のエリアによって大きく異なる場合、エリア毎の基板内の挙動を正確に再現できない可能性がある。

また上記した従来の後者の基板解析方法では、内部の配線パターン形状まで忠実にモデリングするために必要なセルの分割数が多くなり、解析計算における処理データが膨大になるため、実現可能な時間内で解析計算を終了することが困難であるという問題点があった。

本発明はこの問題を解決するもので、基板設計データより基板の形状及び配線パターン及び導電体と絶縁体の材質、そして基板の積層形態に関する情報を有するデータを取得し、そのデータより当該基板の解析モデル形状を作成し任意のセル領域に分割し、分割されたセル領域に相当する基板の配線パターンの情報から自動的に解析用物性値を計算し、解析モデルに入力し、そのようにして作成した解析モデルに基づいて解析計算を行うことを特徴とする。

本発明によれば、解析モデルに必要なメッシュ数を押さえ、解析計算における処理データを必要最小限にとどめることで、実現可能な計算時間で、プリント基板内の配線パターンによる基板の挙動への影響を忠実に再現し、全体の解析モデルの精度を向上させることができる。

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。

本実施形態では、シミュレーションを用いた実装条件の評価を実施する対象工程として、リフロー半田付け工程を取り上げて説明する。このリフロー半田付け工程は、所定の回路パターンが形成された回路基板と電子部品を電気的に接続するために、電子部品の電極部と回路基板間に付与された半田を熱風などの加熱手段を用いて溶融させる工程であり、その工程における各加熱手段が半田接合部温度や電子部品に与える温度影響を評価するために熱解析が用いられる。またこれらの加熱手段には、熱風などによる半田部への直接加熱はもちろん、セラミックヒータによる基板からの接触式加熱、または近赤外線ヒータによる非接触式加熱などの基板下面からの間接的な加熱なども存在し、プリント基板の高精度なモデリングが要求される。

また本実施形態は、前記リフロー半田付け工程における熱解析に限定されるものではなく、プリント基板の物性値が電子部品や半田の挙動に大きな影響が及ぶ場合、例えば実際の製品をユーザーが使用した際の、回路動作に伴う部品の発熱による基板上各部品の温度影響を解析する段階や、その他にも、電子部品実装後のプリント基板における半田接合部の接合強度信頼性を評価する際の、熱衝撃試験中のプリント基板のそり状態を解析する段階に適用することが考えられる。

図１は、本実施形態における基板解析装置の機能ブロック図である。基板解析装置は、図１に示す基板設計データ格納部１１、モデル形状作成部１２а、物性値演算／入力部１２ｂ、物性データベース１３及び解析部１４を有する。

基板設計データ格納部１１では、基板設計データＤ１より、プリント基板の外形形状および配線パターン形状の情報、および当該基板に搭載される電子部品の配置と種類に関する情報を取得する。

モデル形状作成部１２аでは、基板設計データ格納部１１で取得した基板の外形形状の情報より、解析における基板モデルを作成し、そのサイズに応じて適応的に複数のセル領域に分割する。

物性値演算／入力部１２ｂでは、モデル形状作成部１２аで分割し作成した各基板モデルのセル領域に対して、それぞれの銅パターンの配線率に応じた熱的物性値を物性データベース１３より取得／演算し、適用する。

そして最後に得られた解析モデルに対して熱解析部１４において、リフロー加熱工程における基板内温度分布および各電子部品の温度上昇を計算する。

次に、図２は、本実施形態における基板解析方法の手順を説明するフローチャートである。以下図２〜９を参照しながら、本実施形態におけるプリント基板熱条件解析方法の手順を説明する。

対象とするプリント基板とそのプリント基板に搭載された電子部品の配置を含めた外形図を図３に示す。図３におけるプリント基板３は、４層で構成された多層基板であり、層３１а〜３４аの４つの配線層と、それぞれ間に層３１ｂ〜３３ｂの３つの絶縁層が積層されて構成されている。

まず、基板設計データ格納部１１を介して、基板設計データＤ１より対象とする基板３の外形形状および配線パターンの情報、および当該基板に搭載される電子部品の配置と種類に関する情報を取得する（工程Ｓ１）。

ここで基板設計データＤ１としては、基板３および搭載される電子部品の形状、および基板３の配線パターンおよび電子部品の配置位置情報を有するものであればよく、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の３次元データとして取得したり、電子部品の実装位置および基板３本体の形状やパターンを有するデータを基板設計用のＣＡＤデータより取得し、電子部品毎の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ことが考えられる。

次に、モデル形状作成部１２аにおいて、実装基板の解析モデルを作成し、プリント基板のサイズを基にその解析モデルを任意に複数のセル領域に分割する（工程Ｓ２）。

まず、基板設計データＤ１より取得した基板の外形形状に相当する基板モデル全体の形状を作成し、そのサイズに応じてその領域を分割する。例として、図３のプリント基板に対して形状を分割した後の様子を図４に示す。本実施形態では、各々の層に関して、平面方向に４×３の分割、垂直方向に１の分割を行っているが、その要求される解析精度が高い場合はそれ以上に細かくしたり、特に垂直方向については基板の各層毎に分割するなど、その分割数はユーザーが任意に与えるものとする。また、その分割の幅は必ずしも一定である必要はなく、パターンの配置状態が極端に変化する領域に応じてその分割幅を変化させることも考えられる。また、解析モデルの評価内容上、基板上の局所的な領域の精度を向上させるため当該領域の解析メッシュを細かく設定する必要がある場合に、同じく局所的に分割領域を小さくするなど、解析メッシュのサイズに応じてセル領域のサイズを変化させることも考えられる。

また、モデル形状作成部１２аでは、当該プリント基板３に実装される電子部品についての解析モデルを作成する。基板設計データＤ１より取得した電子部品の形状およびその配置位置に基づき、プリント基板上の所定の位置に部品モデル形状も作成する。また、解析内容上加熱ユニット及び冷却ユニットの形状を構成する必要がある場合には、各ユニットの形状を基に解析モデルを追加する。

次に、物性値演算／入力部１２ｂにおいて、モデル形状作成部１２аで作成／分割した解析モデルの各セル領域に対してそれぞれの内部パターン配線率を考慮した熱的物性値を自動で割り当てる（工程Ｓ３）。例として、図４に示した分割後の基板モデル４１を拡大したモデル領域を図５に示し、図５を用いて基板の熱的物性を割り当てる手順について説明する。その他の基板モデルについても、同様に物性値を割り当てる。

まず、工程Ｓ３のモデル形状作成部１２аで作成し、分割した解析モデルの各セル領域について、そのセル領域範囲に相当する基板領域の銅パターンの配線率α及び積層数Ｌ、及び導電体ＭＣと絶縁体ＭＮの材質に関する情報を、基板設計データ格納部１１より取得する（工程S３１）。

積層数Ｌに関しては、本実施形態では基板の垂直方向の分割数が１であるため、基板設計データ格納部１１より基板の層数６を入力する。また、導電体の材質ＭＣは銅、絶縁体の材質ＭＮはガラエポ樹脂である。

また配線率αに関しては、図４のように分割されたセル領域４１について、基板設計データ格納部１１より各配線層５１〜５４それぞれの銅パターンとその他絶縁体領域の面積比α１〜α４および厚みｔ１〜ｔ４を計算し取得する。そして、式（１）を用いて、基板領域４１のパターン配線率αを計算する。

ここでＴは基板の総厚さである。

次に工程Ｓ３１で得られた銅パターンの配線率αおよび積層数Ｌ、そして導電体ＭＣと絶縁体ＭＮの材質に関する情報をもとに、基板領域毎の物性値を算出する。（工程Ｓ３２）。本実施形態で対象とする熱流体解析で必要となる物性値は、熱伝導率λ、比熱Ｃ、比重ρである。

比重ρおよび比熱Ｃについてはまず、物性データベース１３に格納され、図６に表形式で示されるデータから、導電体ＭＣ、絶縁体ＭＮそれぞれに対応する比重ρｃとρＮ、そして比熱ＣｃとＣＮを取得し、それらの値を用いて、比重ρに関しては体積割合（パターン配線率）、比熱Ｃに関しては質量割合を用いて式（２）、式（３）より計算できる。

また熱伝導率λについては、前記基板設計データ格納部１１より取得した導電体ＭＣおよび絶縁体ＭＮの材質、積層数Ｌ、そして銅パターンの配線率α別に分類した図７に表形式で示した物性対応表をもとに、それぞれの水平方向熱伝導率λＨ、垂直方向熱伝導率λＶの値を取得する。

ここでは、基板を構成する基板材料の材質ＭＣおよびＭＮ、配線率α、積層数Ｌ毎に項目を分類し、それぞれの組合せについての要素実験より得られた各熱的物性値をデータベース化し、そのデータベースをもとに熱伝導率を抽出するが、その他にも、少数の要素実験より得られた各熱的物性値をもとに図８にその概要を示す近似曲線を作成し、要素実験を行っていない組合せに関してはその近似曲線から中間の値を抽出することで該当する熱伝導率αを推定する方法や、導電体ＭＣ及び絶縁体ＭＮ固有の熱伝導率αを物性データベースより取得し、各層毎の均一熱伝導率λＬをそれぞれの配線率をもとにした面積加重平均でもとめ、電気回路における合成抵抗値の演算理論を応用して、水平方向の各熱伝導率を熱伝導率λＬの直列抵抗とみなした式（４）、垂直方向を並列抵抗とみなした式（５）で計算するなど、数学的な理論をもとにした予測式を利用する場合も考えられる。

そして、これらの工程を各セル領域について全て行い、分割された各セル領域全てについて取得した比重ρ、比熱Ｃ、および熱伝導率λを、それぞれのセル領域に相当する解析モデルに入力する（工程Ｓ３３）。物性値入力後の解析モデルの概要を図９に示す。工程Ｓ２のモデル形状作成部１２аで分割したセル領域毎に、配線パターンに応じて異なる熱的物性値が割り当てられている。図９では代表的に、水平方向の熱伝導率をパラメータとして、その違いを濃淡で示している。

そして最後に、工程Ｓ２で作成したその他の部品モデルおよび工法モデルについても同様に物性データベース１３より取得した熱的物性値を割り当て、解析部１４にて、プリント基板上各電子部品の温度上昇を解析計算する（工程Ｓ４）。

以上説明した基板解析装置による基板解析は、これを実行するコンピュータプログラムにより処理が行われ、またその実行には、前記コンピュータプログラムが記載された記録媒体が活用に供し得る。

本発明により、必要最小限の解析計算時間で、プリント基板内の配線パターンによる基板の挙動への影響を忠実に再現した高精度な解析結果を得ることができ、設計開発及び評価期間の短縮及び電子部品の安定した実装品質の確保を目的としたプリント基板の解析に広く適用することができる。

本発明の一実施の形態における基板解析装置のブロック図基板解析方法の手順を説明するフローチャートプリント基板に搭載された電子部品の配置を示す図解析モデル用にプリント基板を分割して作成した各セルを示す図分割したセル領域の一部の配線パターンを層別に示した図物性データベースにおける各材質と物性値の対応関係を示す図プリント基板の物性値の対応関係を示す図実験より作成した熱伝導率の近似曲線を示すグラフ基板解析モデルの概略図

符号の説明

Ｄ１基板設計データ
１１基板設計データ格納部
１２а モデル形状作成部
１２ｂ物性値演算／入力部
１３物性データベース
１４解析部
３プリント基板（各層に分割）
３１а〜３４а プリント基板の配線層
３１ｂ〜３３ｂプリント基板の絶縁層
４プリント基板
４１分割後のセル領域

Claims

基板の形状、配線パターン、導電体と絶縁体の材質及び基板の積層形態に関する情報を有するプリント基板のデータを取得する第１工程と、取得されたプリント基板のデータより、当該基板の解析モデル形状を作成し任意のセル領域に分割する第２工程と、分割されたセル領域に相当する基板の配線パターンの情報から解析用物性値を計算し、解析モデルに入力する第３工程と、作成した解析モデルに基づいて解析計算を行う第４工程を備えた基板解析方法。
第３工程にて、分割されたセル毎の解析用物性値の入力には、当該セル領域のパターン配線率、導電体と絶縁体の材質、及び基板の積層形態の少なくとも１つの項目の組合せ毎に分類した対応表もしくは実験式を格納した物性データベースより取得／演算し、適用することを特徴とする請求項１記載の基板解析方法。
第３工程にて、分割されたセル毎の解析用各物性値の入力には、当該セル領域のパターンの配線率、導電体と絶縁体の材質、及び基板の積層形態の少なくとも１つの項目をパラメータとした理論式を用いて取得し、適用することを特徴とする請求項１又は２記載の基板解析方法。
基板の形状、配線パターン、導電体と絶縁体の材質、及び基板の積層形態に関する情報を有するプリント基板のデータを取得する基板設計データ入力手段と、取得されたプリント基板のデータより、当該基板の解析モデル形状を作成し任意のセル領域に分割するモデル形状作成手段と、分割されたセル領域に相当する基板の配線パターンの情報から解析用物性値を計算し、解析モデルに入力する物性値演算／入力手段と、作成した解析モデルに基づいて解析計算を行う解析手段を備えた基板解析装置。
物性値演算／入力手段にて、分割されたセル毎の解析用各物性値の入力には、当該セル領域のパターン配線率、導電体と絶縁体の材質、及び基板の積層形態の少なくとも１つの項目の組合せ毎に分類した対応表もしくは実験式より取得し、適用する手段を備えた請求項４記載の基板解析装置。
物性値演算／入力手段にて、分割されたセル毎の解析用各物性値の入力には、当該セル領域のパターンの配線率、導電体と絶縁体の材質、及び基板の積層形態の少なくとも１つの項目をパラメータとした理論式を用いて取得し、適用する手段を備えた請求項４記載の基板解析装置。
請求項４記載の基板解析装置に請求項１記載の基板解析方法を実行させるための基板解析用プログラム。
請求項７に記載の基板解析用プログラムを記録した記録媒体。