JP2007027152A - プリント基板の設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多層配線基板の反り変形を抑制するダミーパターンの配置設計を、短時間で行えるプリント基板の設計方法を提供することを目的とする。
【解決手段】多層配線基板の外形、各層の配線パターンにもとづいてダミーエリアを抽出し、それぞれのダミーエリアのパターンデータを複数作成し、作成した複数のダミーパターンのデータをもとに基板全体の反り変形を解析計算し、解析計算した基板の反り変形を用いてパターンデータを変更した場合の反り変形を予測する反り予測曲線を作成し、前記作成した反り予測曲線を用いて基板の反りを最小にする最適なダミーパターンデータを探索し、前記探索した最適なダミーパターンデータを用いて前記多層配線基板のパターンデータを作成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種の電子機器の電子回路の構築に使用する多層配線基板の配線パターンの設計方法に関するものである。

電子機器の小型化を目的として、最近では、電子部品の高密度実装のために多層配線基板が電子回路の構築に採用されている。多層配線基板の各層の配線パターンは、ＣＡＤに回路データを入力することによって、電気性能を満足した多層配線パターンを得ることができる。

しかし、多層配線基板の各層の材質は配線パターンの幅、言い換えると、配線パターンの銅箔部分の残存率の違いや、配線の方向、内部に組み込まれる電子部品の剛性の違い、ビアホールの位置や数などによって、完成した多層配線基板の機械的な性能が変動する。具体的には、作用する外力や温度変化によって多層配線基板に限界以上の反りが発生し、多層配線基板に動作不良が発生する可能性が残されている。

そのため、一般的には、電子回路の構築に必要な各層の配線パターン情報から、配線パターンの存在しないエリアを自動で検出し、そのエリアに回路の電気特性上の機能を果たさないダミーの銅パターンを配置し、全体的な銅箔部分の残存率等を均一化することで、多層配線基板の反りを抑制し、動作不良を回避している。

従来では、そのダミーパターンの配置設計をより短時間で効果的に行うために、（特許文献１）に見られるように、基板の表裏での銅の割合が等しくなるようなダミーパターンの配置設計を行うなど、ある一定のルールを用いて設計者が自分自身で設計を行っている。

また、その作業効率を上げるために、（特許文献２）に見られるように、基板の外形経常やパターンのデータよりシミュレーションモデルを作成し、そのモデルに外力や温度変化を与えた場合のモデルの形状変化を計算することで、基板作成以前に反り変形を予測しながら設計を行っている。
特開２００４−２２９７７公報 特開２００４−１３４３７公報

しかし、前記したように、基板の反り変形は銅箔部分の残存率の違いだけでなく、配線の方向にも大きく影響されるものであり、単純に表裏の銅の残存率を一定にしただけでは、配線の方向が影響する基板の複雑なうねり等の反りを抑制することができない。

また、シミュレーションを用いて高精度な反り計算結果を期待するためには、多層配線基板の各層の平面方向の分割数を多くすることが必要であり、そのため計算量が膨大になり、計算コストがかかる。したがって、基板設計段階での反りの予測にも時間がかかり、結果的に作業効率の向上につながらないことが考えられる。

本発明は、多層配線基板の反り変形を抑制するためのダミーパターンの配置設計を行うに際し、より効果的な設計を短時間で行うことができるプリント基板の設計方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載のプリント基板の設計方法は、多層配線基板の配線時に、基板全体の反り変形を抑制するためのダミーパターンの配置設計を行うに際し、前記多層配線基板の外形、各配線層の配線パターンにもとづいてダミーエリアを抽出してそれぞれのダミーエリアのパターンデータを作成し、前記作成したダミーパターンのデータをもとに基板全体の反り変形を解析計算し、記解析計算した基板の反り変形を用いて反り変形を予測する反り予測曲線を作成し、前記作成した反り予測曲線を用いて基板の反りを最小にする最適なダミーパターンデータを探索し、前記探索した最適なダミーパターンデータを用いて前記多層配線基板のパターンデータを作成することを特徴とする。

本発明の請求項２記載のプリント基板の設計方法は、請求項１において、前記ダミーパターンのデータのパラメータとして、ダミーパターンの配線方向、配線幅、配線厚み、当該エリアにおける配線材料の占める割合、もしくは異方性を持った弾性率のうち少なくとも１つを使用することを特徴とする。

本発明の請求項３記載のプリント基板の設計方法は、請求項１において、前記反り予測曲線の作成は、基板上の任意の点における反り変位量の絶対値の総和、または基板上任意の点における曲率のうちいずれかを用いて反り形状をスカラー値で表現した評価値Ｑに基づいて応答局面法を用いて作成することを特徴とする。

本発明のプリント基板の設計方法によると、ダミーパターンの配線方向や配線幅の少数の組み合わせを用いて計算した反り変形データを用いて反り予測曲線を作成し、その予測曲線から最適なダミーパターンの組み合わせを自動で算出できることから、従来の設計者の勘と経験で試行錯誤を繰り返しながらダミーパターンを配置する場合と比べて、よりすくない評価回数で、ほぼ同様な満足度のパターン設計結果を得ることができる。さらには、そのダミーパターンのデータとして配線方向や配線幅を変化させることにより、各配線層の配線の異方性が及ぼす多層配線基板の複雑なうねり挙動を抑えたダミーパターンの設計が行え、従来の配線の存在しないエリアに一様にパターンを配置する場合と比べて、多層配線基板の反り変形を効果的に抑えることができる。

以下、本発明のプリント基板設計方法を具体的な各実施の形態に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明のプリント基板設計方法に基づく多層配線基板のダミーパターン設計のフローを示している。

処理の開始に際しては、設計を受ける多層配線基板の外形形状のデータ１と各配線層の配線パターンのデータ２を第１ファイルＭ１として用意する。第１ファイルＭ１は、具体的には、図２に示すように多層配線基板を第１層〜第ｎ層に分離し、第１層，第３層，第５層，・・・，第ｎ層が配線層、第２層，第４層，・・・，第（ｎ−１）層が絶縁層である。

図１の電子計算機３のステップＳ１０１では、図３のように第１ファイルＭ１の中に用意されている各配線層の配線パターンのデータ２より、配線パターンの配置されていないその他のエリアをダミーエリアのデータ４として抽出する。抽出されたダミーエリアのデータ４は、配線パターンの配置されていないエリアごとに順に番号が付けられ、それぞれａ１，ａ２，・・・，ａ６の様に分類して登録される。

ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で抽出されたダミーエリアのデータ４の中に登録されたエリアａ１，ａ２，・・・，ａ６に対して、各々のダミー配線方向、配線幅の内少なくともひとつを任意に設定したダミーパターンのデータ５を作成する。

例えば図４に示すように、抽出されたダミーエリアのデータ４のうち、前記エリアａ１について、そのエリア内のダミーパターンの方向をｄａ１，配線幅をｗａ１という様に任意に設定する。

ダミーパターンのデータ５には、そのように各ダミーエリアａ１，ａ２，・・・，ａ６について任意に設定されたそれぞれの値ｄａ１，ｗａ１、ｄａ２，ｗａ２、・・・，ｄａ６，ｗａ６を１つの組み合わせｋ１として、同様に任意に設定された複数の組み合わせを用意し、それぞれ図５に示された表のようにｋ１，ｋ２，・・・，ｋｎとして登録する。

ここで登録されたダミーパターンのデータ５には、任意に設定するパラメータとしてダミーパターンの方向、配線幅を挙げているが、その他にも配線厚みや、その当該エリアにおける配線材料として用いた銅が占める割合、もしくは異方性を持った弾性率などのうちの少なくとも一つを選択することも考えられる。

ステップS１０３では、第１ファイルM１と、ステップS１０２で抽出された各ダミーパターンのデータ５を利用して、多層配線基板の反り量を解析し、その配線基板の反り形状データ６を出力する。反り形状データ６は、ダミーパターンのデータ５に登録されている各ダミーパターンの組み合わせｋ１，ｋ２，・・・，ｋｎに応じて出力され、それぞれｃ１，ｃ２，・・・，ｃｎという様に出力する。

ステップS１０４では、ステップS１０２で抽出されたダミーパターンのデータ５に登録されている各組み合わせｋ１，ｋ２，・・・，ｋｎと、それぞれのダミーパターンについてステップＳ１０３で計算された多層配線基板の反り形状データｃ１，ｃ２，・・・，ｃｎを利用して、各ダミーエリアａ１，ａ２，・・・，ａ６について任意に設定されたそれぞれの値ｄａ１，ｗａ１、ｄａ２，ｗａ２、・・・、ｄａ６，ｗａ６を入力変数、それを適用した多層配線基板の全体の反り形状をスカラー値で表現した評価値Ｑを出力変数とした反り予測曲線のデータ７を作成する。

具体的には、図６のようにステップＳ１０３で出力された反り形状データｃ１について、任意に選択された点ｐ１，ｐ２，・・・，ｐｎを設定し、それぞれの点ｐ１，ｐ２，・・・，ｐｎでの反り変形量δ１，δ２，・・・，δｎの絶対値の総和を反り評価値Ｑとする。

Ｑ ＝ Σ｜δｉ｜ （ｉ＝１，２，・・・，ｎ）
次に、その様に定義された反り評価値Ｑに基づいて、応答局面法を用いて各ダミーエリアａ１，ａ２，・・・，ａ６について任意に設定されたそれぞれの値ｄａ１，ｗａ１、ｄａ２，ｗａ２、・・・、ｄａ６，ｗａ６を入力変数、反り評価値Ｑを出力変数とした反り予測曲線のデータ７を作成する。

ここで述べる応答局面法とは、品質工学の分野において一般的な手法であり、少ないサンプルデータ（ここではダミーパターンのデータ５に登録されている各組み合わせｋ１，ｋ２，・・・，ｋｎ）を補間し、図７のようなデータ間の情報を推定する数学的な近似関数（応答局面）を作成する方法であり、これを用いることで、入力変数のとりうる値の範囲内で、サンプルデータ以外の組み合わせにおける出力変数値（ここでは反り評価値Ｑ）を、精度良く予測することができる。なお、実際の反り予測曲線は入力変数と同次元の関数であるが、図７では近似関数のイメージをつかむため、簡略化して表示している。

ステップＳ１０５では、ステップＳ１０４で作成した反り予測曲線のデータ７を基に、反り評価値Ｑが最小となるような最適な値ｄａ１，ｗａ１、ｄａ２，ｗａ２、・・・、ｄａ６，ｗａ６の組み合わせを探索し、それを最適なダミーパターンのデータ８として出力する。

ここで最小値の探索は、数理計画法と呼ばれる、数値的な処理を用いて行われる。数理計画法とは、設計工学の分野で一般的な手法であり、図８のように、関数（ここでは反り予測曲線のデータ７）の関数値や勾配情報を用いてその極大値や極小値（ここでは最適なダミーパターンのデータ８）を数値的に探索する手法であり、複雑な非線形の形状をもつ近似関数の最小値を自動的に算出することができる。

ステップＳ１０６では、図９に示すように、設計を受ける多層配線基板の外形形状１と、各層の配線パターンのデータ２と、ステップＳ１０５で出力された最適なダミーパターンのデータ８を第２ファイルＭ２として出力する。

このように、ステップＳ１０４において、ダミーパターンの配線方向や配線幅の少数の組み合わせを用いて計算した反り変形データ６を用いて反り予測曲線７を作成し、さらにステップＳ１０５において、その反り予測曲線７から最適なダミーパターンの組み合わせを自動で算出できることから、従来の設計者の勘と経験で試行錯誤を繰り返しながらダミーパターンを配置している現状のプリント基板の設計方法と比べて、より少ない評価回数で最適ダミーパターンデータ８を得ることができ、ほぼ同様な満足度のパターン設計結果を得ることができる。

さらには、ステップＳ１０２において、そのダミーパターンのデータ５として配線方向や配線幅を変化させることにより、各配線層の配線の異方性が及ぼす多層配線基板の複雑なうねり挙動を抑えたダミーパターンの設計が行え、従来の配線の存在しないエリアに一様にパターンを配置する場合と比べて、多層配線基板の反り変形を効果的に抑えることができる。

本発明によると、多層配線基板の反り変形を抑制するためのダミーパターンの配置設計を行うに際し、より効果的な設計を短時間で行うことができ、多層配線基板を搭載している各種電子機器の信頼性の向上に寄与できる。

本発明のプリント基板設計方法に基づくダミーパターン設計フロー図 同実施の形態の多層配線基板の分解図 同実施の形態のダミーエリア抽出工程の説明図 同実施の形態のダミーパターン設定工程の説明図 同実施の形態のダミーパターン設定結果の一例を示した図 同実施の形態の反り形状データから反り評価値Ｑを算出する工程の説明図 同実施の形態の反り予測曲線を作成する工程の説明図 同実施の形態の反り予測曲線から最適ダミーパターンを探索する工程の説明図 同実施の形態の最適ダミーパターン及び配線パターンを出力する工程の説明図

符号の説明

１ 多層配線基板の外形形状のデータ
２ 各配線層の配線パターンのデータ
３ 電子計算機
４ ダミーエリアのデータ
ａ１，ａ２，・・・，ａ６ ダミーエリアのデータ４の中に登録されたエリア
５ ダミーパターンのデータ
６ 反り形状データ
７ 反り予測曲線のデータ
８ 最適なダミーパターンのデータ

Claims (3)

1. 多層配線基板の配線時に、基板全体の反り変形を抑制するためのダミーパターンの配置設計を行うに際し、
   前記多層配線基板の外形、各配線層の配線パターンにもとづいてダミーエリアを抽出してそれぞれのダミーエリアのパターンデータを作成し、
   前記作成したダミーパターンのデータをもとに基板全体の反り変形を解析計算し、
   前記解析計算した基板の反り変形を用いて反り変形を予測する反り予測曲線を作成し、
   前記作成した反り予測曲線を用いて基板の反りを最小にする最適なダミーパターンデータを探索し、
   前記探索した最適なダミーパターンデータを用いて前記多層配線基板のパターンデータを作成する
   プリント基板の設計方法。
2. 前記ダミーパターンのデータのパラメータとして、ダミーパターンの配線方向、配線幅、配線厚み、当該エリアにおける配線材料の占める割合、もしくは異方性を持った弾性率のうち少なくとも１つを使用する
   請求項１に記載のプリント基板の設計方法。
3. 前記反り予測曲線の作成は、基板上の任意の点における反り変位量の絶対値の総和、または基板上任意の点における曲率のうちいずれかを用いて反り形状をスカラー値で表現した評価値Ｑに基づいて応答局面法を用いて作成する
   請求項１に記載のプリント基板の設計方法。

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