JP2007257268A

JP2007257268A - プリント配線基板の設計方法及び装置

Info

Publication number: JP2007257268A
Application number: JP2006080521A
Authority: JP
Inventors: Hisahiro Moriki; 久博森木
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2026-03-23
Also published as: JP4742931B2

Abstract

【課題】プリント配線基板の電源層及びグランド層に形成されるサーマルランドの設計方法を改善する。
【解決手段】プリント配線基板１０の電源層１４及び各グランド層１３に形成されるサーマルランド１５、１７について、電子部品３１の使用電流、ピン配列、及び、該当するピン数と、電源層及びグランド層の各層数とから、サーマルランド１５、１７に流れる電流を想定し、この想定された電流に応じてサーマルランドの形状を選択する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プリント配線基板の設計方法に関し、更に詳しくは、プリント配線基板などのプリント配線基板の設計に際して、スルーホールと接続するランドの形状を決定するプリント配線基板の設計方法及び装置に関する。

プリント配線基板は、一般的に複数の絶縁層と複数の配線層とが交互に積層され、その上面に半導体チップやチップ部品を含む電子部品を搭載し、半導体チップとチップ部品、半導体チップと外部回路、又は、半導体チップ相互間を接続する目的で使用される。図６を参照し、従来のプリント配線基板について、スルーホールと接続するランドの配置及び形状を決定する設計方法について説明する。同図において、電子部品３１は、その底面にプリント配線基板１０のスルーホール１１に挿入される複数の外部ピン３２を備える。外部ピン３２には、電源（Ｖｃｃ）ピン、グランド（ＧＮＤ）ピン、及び、信号ピンが含まれる。

プリント配線基板１０は、複数の信号（Ｓｉｇ）層１２と、複数のグランド（ＧＮＤ）層１３と、１つ以上の電源（Ｖｃｃ）層１４とを含む配線層を有する。グランド層１３は、隣接する２つの信号層１２の間に遮蔽層を兼ねて配設され、電源層１４は必要に応じて１層以上が配設される。プリント配線基板１０には、各配線層１２、１３、１４を貫通して、電子部品３１の外部ピン３２を挿入するためのスルーホール１１が形成される。信号層１２には、銅箔がパターニングされた図示しない配線パターンが形成されており、信号ピンが挿入されるスルーホール１１に、ノーマルランド１９が形成される。ノーマルランドには、接続ランド及び非接続ランドが含まれる。グランド層１３及び電源層１４には、スルーホール１１に隣接する部分を除いて全面に銅箔から成るいわゆるベタ導体層が形成されている。

グランド層１３には、電子部品３１のＧＮＤピンが挿入されるスルーホール１１に対応してサーマルランド１５が形成され、Ｖｃｃピンが挿入されるスルーホール１１に対応してクリアランスランド１６が形成される。電源層１４には、Ｖｃｃピンが挿入されるスルーホール１１に対応してサーマルランド１７が形成され、ＧＮＤピンが挿入されるスルーホール１１に対応してクリアランスランド１８が形成される。

クリアランスランド１６、１８は、スルーホール１１に挿入される外部ピン３２よりも十分に大きな開口として銅箔に形成され、挿入される外部ピンを、電源層又はグランド層を構成する銅箔から絶縁する。サーマルランド１５、１７は、スルーホール１１に挿入される外部ピンと、電源層又はグランド層を構成する銅箔とを電気的に接続すると共に、熱容量が大きな銅箔と外部ピンとの間の熱伝導量を低下させて、半田接続の際に半田をできるだけ速やかに溶融させる機能を有する。サーマルランドは、一般に、スルーホールの周囲にスルーホールの円周方向に並んで銅箔に形成された複数の打ち抜き部と、打ち抜き部の隙間に銅箔が残されて電流通路を形成するブリッジ部とから成る。サーマルランドは、半田付け接続の際の熱容量を勘案し、半田付け接続を容易にするようにその形状が採用される。

プリント配線基板の設計に際しては、半田付け接続される電子部品のピン配置と、プリント配線基板における配線層の配置とから、当該配線層に形成すべきランドの形状を決定することにより、電子部品の外部ピンと配線層との間で接続を行う。このようなプリント配線基板におけるランドの配置や形状、その設計方法については、特許文献１〜３に記載がある。
特開平５−１７４１０５号公報特開平８−２８７１２５号公報特開平９−１６２５１６号公報

従来のプリント配線基板の設計方法では、電源層やグランド層に形成するサーマルランドの形状を、画一的に決定する手法が一般的に採用されている。しかし、数多くのサーマルランドの形状を画一的に決定すると、通過する電流値によっては製品における動作時に過度の温度上昇が発生し、或いは、半田付けの際に半田溶融の作業性の低下や接続不良の原因になる。また、熱伝導性の低下をあまり重視すると、グランド層における遮蔽性能の低下の原因にもなる。つまり、サーマルランドの形状によっては、製品の品質が低下し、或いは、スループットが低下するという問題が発生する。

本発明は、上記従来のプリント配線基板の設計方法の問題に鑑み、特にサーマルランドの形状を定型的な手法で定めることで効率的な設計を行いながらも、製品における温度上昇や接続不良、スループットの低下などが生じ難い、プリント配線基板の設計方法及び装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のプリント配線基板の設計方法は、導体パターンとスルーホールとの間にサーマルランドを形成した配線層を有するプリント配線基板の設計方法において、
導体パターンとスルーホールとの間に流れる電流値に応じて、前記サーマルランドの形状を決定することを特徴とする。

また、本発明のプリント配線基板の設計装置は、導体パターンとスルーホールとの間にサーマルランドを形成した配線層を有するプリント配線基板の設計装置において、
導体パターンとスルーホールとの間に流れる電流値を算出する電流算出手段と、
前記算出された電流値に基づいて、サーマルランドの形状を選択するサーマル形状選択手段とを備えることを特徴とする。

本発明のプリント基板の設計方法及び装置によると、サーマルランドの形状を、そこを流れる電流値に応じて決定するので、サーマルランドに許容電流以上の電流が流れることはなく、製品の電気特性が良好になると共に、サーマルランドに必要以上の熱伝導性の低下を求めないことにより、グランド層における遮蔽性能が維持される。

本発明のプリント基板の設計方法は、特に配線層が電源層又はグランド層である場合に良好な効果が得られる。

また、前記サーマルランドが、前記スルーホールに隣接して前記導体パターンに形成された打ち抜き部と、該打ち抜き部に隣接し電流通路を形成する１つ以上のブリッジ部とを有し、前記形状の決定は、前記電流値に応じて前記ブリッジ部の数及び幅の少なくとも一方を選択することも本発明の設計方法の好ましい態様である。電流値に応じてブリッジ部の数及び／又は幅を選択することにより、設計作業が定型化できる。

更に、前記形状の決定では、デフォルトのサーマルランドを採用するステップと、前記電流値に応じて前記ブリッジ部の数又は幅を選択するステップと、該選択された数のブリッジ部を有するサーマルランドによって前記デフォルトのサーマルランドを置き換えるステップとを有することも本発明の好ましい態様である。サーマルランドの形状を１つずつ決定する方法に比して処理が簡素化できる。

前記サーマルランドが、対応するスルーホールと配列方向に隣接するスルーホールの中心方向に前記打ち抜き部の中心を有することも本発明の好ましい態様である。隣接するスルーホールの中心方向に打ち抜き部の中心を配置することで、ブリッジ部は、隣接するスルーホールから遠い位置に配置できるので、電流の流れがスムーズになる。従って、配線層の実効抵抗が低下する。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、同様な要素には、理解を容易にするために、全図を通して同じ符号を付して示す。図１は、本発明の設計方法が対象とするプリント配線基板を示す展開斜視図である。同図では、プリント配線基板の各配線層を展開した状態で、且つ、プリント配線基板上に搭載する１つの半田付け電子部品と共に示している。この例では、プリント配線基板１０の配線層は、４層の信号（Ｓｉｇ）層１２と、３層のグランド（ＧＮＤ）層１３と、１層の電源（Ｖｃｃ）層１４とから構成される。グランド層１３及び電源層１４は、スルーホール１１が貫通する部分に隣接する円形部分以外は均一な銅箔で形成され、いわゆるベタ導体層とも呼ばれている。

スルーホール１１に対応する各配線層のランドには、その部分を貫通するスルーホール１１との関係で、ノーマルランド、クリアランスランド、及び、サーマルランドが含まれる。ノーマルランドは、信号層に形成されるランドであって、スルーホール１１に接続される接続ランドと、当該スルーホール１１に接続されない非接続ランドとが含まれる。図１には、信号層１２に形成されるランドとして、非接続ランド１９のみを示した。

クリアランスランドは、当該配線層がベタ導体層である場合に形成されるランドであり、スルーホール１１がそのベタ導体層と非接触で貫通するランドである。サーマルランドは、同様に当該配線層がベタ導体層である場合に形成されるランドであり、スルーホール１１がそのベタ導体層と接続されるランドである。サーマルランドでは、半田接続時の熱容量を小さくすることを考慮して、スルーホール１１とベタ導体層との間の熱伝導を小さくしている。

図２は、本発明の一実施形態に係るプリント配線基板の設計装置のブロック図である。本設計装置は、ＣＡＤとして構成され、各機能ブロックはプログラムで構成される。設計装置４０は、ライブラリ参照部４１、配置設計部４２、配線設計部４３、及び、サーマルランド設計部４４から構成される。サーマルランド設計部４４は、想定電流決定部４５、デフォルトランド決定部４６、サーマル形状決定部４７、及び、サーマルランド変換部４８から構成される。

ライブラリ参照部４１は、部品ライブラリ３０を参照して必要な電子部品の仕様を入力する。配置設計部４２は、ライブラリ参照部４１が入力した電子部品の仕様と、設計対象のプリント配線板の仕様とに基づいて、電子部品をプリント配線板上に配置する。配線設計部４３は、配置された各電子部品相互間、及び、電子部品と外部との間の配線を設計する。配線設計には、各配線層の層数、層配置、配線パターン、信号ランドなどの配置、クリアランスランドの配置などが含まれ、サーマルランドを除く全ての配線が含まれる。サーマルランド設計部４４は、サーマルランドの設計を行う。

図３は、上記プリント配線基板の設計装置の処理を示すフローチャートである。プリント配線基板設計システムは、プログラムで動作するコンピュータで構成される。プリント配線基板の設計に当たって、まず、ライブラリ参照部４１が、部品ライブラリ３０を参照して部品仕様を入力する（ステップＳ１）。部品ライブラリ３０には、プリント配線基板に搭載される半導体チップやチップ部品などの電子部品の型番、定格電流、寸法、ピン数、ピン配置、接続層数などの部品仕様が記述されている。全ての電子部品の仕様が抽出されると、配置設計部４２が、それに基づいて電子部品をプリント配線基板上に配置する配置設計を行う（ステップＳ２）。

電子部品の配置設計が終了すると、配線設計部４３が、各電子部品に接続する電源層、グランド層、及び、信号層を含む配線層の設計を行う（ステップＳ３）。この配線設計では、電源層の層数、グランド層の層数、信号層の層数、信号層の配線パターンの他に、電源層やグランド層のクリアランスランドや、信号層の接続ランド及び非接続ランドなど、サーマルランドを除いた各ランドの形状及び配置が決定される。配線層の設計が終了すると、サーマルランド設計部４４によって、電源層及びグランド層のサーマルランドの決定処理が行われる（ステップＳ４）。

図４は、サーマルランド設計部４４が、ステップＳ４のサーマルランド決定処理を行う際の詳細を示すフローチャートである。サーマルランドの決定に際しては、まず、ライブラリ参照部４１によって入力された電子部品の仕様である、搭載される各電子部品の使用電流、接続ピン数、及び、電源層やグランド層の接続層数を認識する（ステップＳ１１）。次いで、想定電流決定部４５が、各電子部品の各接続ピンについて、そのピンが接続される電源層及びグランド層について、１層当たりの想定電流を決定する（ステップＳ１２）。これによって、各サーマルランドに流れる電流が決定される。

次いで、デフォルトランド決定部４６が、部品のピン配列を参照して、ピンの配列方向が部品の側面に平行な矩形状配列か、或いは、斜め配列かを調べ、その配列に従って、デフォルトのサーマルランドを決定する（ステップＳ１３）。デフォルトのサーマルランドの形状は、図５（ａ）に例示した。
サーマルランドは、一般的に、そこを流れる電流値によって、ベタ導体層である銅箔の打ち抜き部２５の配置及び形状が決定される。電流は、打ち抜き部２５の隙間であるブリッジ部を通って、サーマルランドの外側の銅箔部分から内側のスルーホール１１に向かって、或いは、その逆方向に流れる。各ブリッジ部の幅は予め設定されており、従って、１つのブリッジ部で流すことができる電流値は固定値である。つまり、サーマルランドは、その中のスルーホール１１と配列方向に隣接するスルーホールの中心方向に、打ち抜き部の中心を有する。

図５（ａ）に示したデフォルトのサーマルランドでは、電流値に拘わらず、ピン配置が矩形状配置の場合には、符号２１で示した上下及び左右方向に打ち抜き部があるデフォルトのサーマルランドが、ピン配置が斜め配置の場合には、符号２２で示した上下及び左右方向にブリッジ部があるデフォルトのサーマルランドが採用される。

次いで、サーマル形状決定部４７が、各ピンについて、先に求めた想定電流に基づいて、ブリッジ部の数を求め、実際に採用されるサーマルランドを指定する（ステップＳ１４）。実際のサーマルランドの形状は、各デフォルトのサーマルランド２１、２２と、必要なブリッジ部の数とに基づいて定められる。図５（ｂ）に、各デフォルトのサーマルランド２１、２２に対応して実際に採用されるサーマルランドの形状を示した。同図に示したサーマルランド２３ａ〜２３ｄが、斜め配置におけるデフォルトのサーマルランド２２に対応し、サーマルランド２４ａ〜４ｄが、矩形状配置におけるデフォルトのサーマルランド２１に対応している。

図５（ｂ）に示した例では、ピン配置が斜め配置の場合には、サーマルランドは、上下左右のいずれかひとつにブリッジ部を配置した形状（２３ａ）、上下または左右の２方向にブリッジ部を配置した形状（２３ｂ）、上下左右のうち３つの方向にブリッジ部を配置した形状（２３ｃ）、上下左右の全てにブリッジを配置した形状（２３ｄ）から、その内の１つが選択される。また、ピン配置が矩形状配置の場合には、サーマルランドは、斜め方向のうちひとつのみブリッジ部を配置した形状（２４ａ）、斜め方向のうち２つブリッジ部を配置した形状（２４ｂ）、斜め方向のうち３つの方向にブリッジ部を配置した形状（２４ｃ）、斜め方向全てにブリッジ部を配置した形状（２４ｄ）から、その内の１つが選択される。

次いで、サーマルランド変換部４８が、ステップＳ１４で指定されたサーマルランドによって、先に採用されたデフォルトのサーマルランドを全て置き換える（ステップＳ１５）。これによって、最終的に全てのランドの設計が終了する。つまり、プリント配線基板の電気的設計が完了する。

上記のように、２種類のデフォルトのサーマルランドを仮定したのは、ピン配置によってブリッジ部と打ち抜き部の配置を変えることが好ましいからである。これによって、矩形状配置及び斜め配置の何れのピン配置についても、各ピンは隣接するピンの方向から４５°方向に傾けて中心を配置したブリッジ部から電流を受け取ることができ、電流の流れがスムーズである。

以下、具体例を挙げて上記プリント配線基板の設計方法を説明する。本具体例では、図１において、プリント配線基板１０に１つの電子部品３１が実装され、プリント配線基板１０から電子部品３１に向けて電源電流が流れ、電子部品３１からプリント配線基板１０に向けてグランド電流が流れるので、この電源電流及びグランド電流のためのサーマルランドを決定するものとする。

まず、図３に従い、ステップＳ２の配置設計、次いで、ステップ３の配線設計を、コンピュータで実施する。なお、ここまでの処理は、マニュアルで行ってもよい。何れの場合にも、ステップＳ４のサーマルランドの決定処理はＣＡＤで実行される。まず、電源ピンのサーマルランドについての決定処理について説明する。電子部品３１の定格使用電流は、例えば４Ａである。また、電子部品３１には、電源ピンが４つあり、プリント配線基板の電源層１４は１層である。これら、使用電流、ピン数、及び、電源層数をまず認識する。

上記条件によって、１ピン、１層当りの想定電流は、４（Ａ）÷４（ピン）÷１（層）＝１（Ａ／ピン／層）と決定される（ステップＳ１２）。次に、電子部品のピン配列が矩形状配列であることを認識し、それに基づいて、ステップＳ１３では、デフォルトのサーマルピンは、斜め方向にブリッジ部を配置したデフォルトのサーマルランド２１（図５（ａ））が採用される。次に１ピン、１層あたりの想定電流１Ａに従い、必要なブリッジ数を決定する。ここで、１つのブリッジ部で流すことが出来る電流は、０．３Ａとしてあるので、１Ａ÷０．３Ａ＝３．３３３＜４となり、４つのブリッジ部が必要なことが計算される。その結果、斜め方向の４か所にブリッジ部を有するサーマルランド２４ｄ（図５（ｂ））が採用される。決定されたサーマルランドで、先のデフォルトのサーマルランドを置き換えて、電源ピンのサーマルランドが確定する。

一方、ＧＮＤピンについては以下のように処理される。まず、電子部品の使用電流が４Ａであること、ＧＮＤピンが４つあること、及び、ＧＮＤ層１３が３層であることが認識される。従って、１ピン、１層当りの想定電流は、４（Ａ）÷４（ピン）÷３（層）＝０．３３（Ａ／ピン／層）と算出される。次に、デフォルトのサーマルランドは、電源ピンのときと同様に、斜め方向にブリッジ部を有するデフォルトのサーマルランド２１に決定される。次に１ピン、１層あたりの想定電流０．３３Ａに基づいて、サーマルランドに必要なブリッジ数は、ブリッジ１個当たりで０．３Ａとして、０．３３Ａ÷０．３Ａ＝１．１＜２、つまり２個と求まる。従って、ＧＮＤピンのためのサーマルランドは、斜め方向に２個のブリッジ部を有するサーマルランド２４ｂと決定される。このサーマルランド２４ｂによって、デフォルトのサーマルランド２１を置き換えることにより、ＧＮＤピンのためのサーマルランドが決定する。

上記実施形態のプリント配線基板の設計方法では、以下に記載するような効果を奏する。第１の効果は、サーマルランドのブリッジ部の数を、通過する電流量に応じて決定するため、ピンからの熱の放散が最低限度の量になっており、基板に搭載される電子部品の半田付けが容易になることである。

第２の効果は、サーマルランドの形状の変換を自動的に行っているので、設計漏れが発生せず、このため、部品の半田付けが確実になることである。

以上、本発明をその好適な実施態様に基づいて説明したが、本発明のプリント配線基板の設計方法及び装置は、上記実施態様の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施態様の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

本発明のプリント配線基板の設計方法が対象とするプリント配線基板を展開して、搭載される電子部品と共に例示する斜視図。本発明の一実施形態に係るプリント配線基板の設計装置の構成を示すブロック図。図２の設計装置での処理を示すフローチャート。図２のサーマルランドの決定ステップの詳細を示すフローチャート。図４の処理で形状が決定されるサーマルランドを例示する平面図。従来のプリント配線基板の設計方法で設計されるプリント配線基板の展開斜視図。

符号の説明

１０：プリント配線基板
１１：スルーホール
１２：信号層
１３：グランド層
１４：電源層
１５：サーマルランド
１６：クリアランスランド
１７：サーマルランド
１８：クリアランスランド
１９：ノーマルランド（非接続ランド）
２１、２２：デフォルトのサーマルランド
２３ａ〜２３ｄ、２４ａ〜２４ｄ：サーマルランド
２５：打ち抜き部
３０：部品ライブラリ
３１：電子部品
３２：外部ピン
４０：プリント配線基板の設計装置
４１：ライブラリ参照部
４２：配置設計部
４３：配線設計部
４４：サーマルランド設計部
４５：想定電流決定部
４６：デフォルトランド決定部
４７：サーマル形状決定部
４８：サーマルランド変換部

Claims

導体パターンとスルーホールとの間にサーマルランドを形成した配線層を有するプリント配線基板の設計方法において、
導体パターンとスルーホールとの間に流れる電流値に応じて、前記サーマルランドの形状を決定することを特徴とするプリント配線基板の設計方法。
前記配線層が、電源層又はグランド層である、請求項１に記載のプリント配線基板の設計方法。
前記サーマルランドは、前記スルーホールに隣接して前記導体パターンに形成された打ち抜き部と、該打ち抜き部に隣接し電流通路を形成する１つ以上のブリッジ部とを有し、前記形状の決定は、前記電流値に応じて前記ブリッジ部の数及び幅の少なくとも一方を選択する、請求項１に記載のプリント配線基板の設計方法。
前記形状の決定では、デフォルトのサーマルランドを採用するステップと、前記電流値に応じて前記ブリッジ部の数又は幅を選択するステップと、該選択された数のブリッジ部を有するサーマルランドによって前記デフォルトのサーマルランドを置き換えるステップとを有する、請求項３に記載のプリント配線基板の設計方法。
前記サーマルランドは、対応するスルーホールと配列方向に隣接するスルーホールの中心方向に前記打ち抜き部の中心を有する、請求項４に記載のプリント配線基板の設計方法。
導体パターンとスルーホールとの間にサーマルランドを形成した配線層を有するプリント配線基板の設計装置において、
導体パターンとスルーホールとの間に流れる電流値を算出する電流算出手段と、
前記算出された電流値に基づいて、サーマルランドの形状を選択するサーマル形状選択手段とを備えることを特徴とするプリント配線基板の設計装置。
前記サーマルランド形状選択手段は、スルーホールの配列方向に応じてデフォルトのサーマルランドを選択するデフォルト選択手段と、前記電流値に基づいてサーマルランドのブリッジ部の数又は幅を選択するブリッジ選択手段と、前記選択されたブリッジの数又は幅を有するサーマルランドによって、前記デフォルト選択手段で選択されたデフォルトのサーマルランドを置き換える置き換え手段とを備える、請求項６に記載のプリント配線基板の設計装置。