JP2016018515A - プリント基板設計支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板実装設計時点で容易にかつ総合的に改善検討を行うことを可能にする。
【解決手段】プリント基板設計時点で、上下に近接する筺体面やプリント基板との位置関係と、搭載部品の形状や高さや配置位置の情報を取得し計算することによって、プリント基板上下で部品に占められていない空間を計算し、それを元に空気の流れ易さの分布および空気の流路を求め、その情報をグラフ表示にて提供する。また、配置変更または配置追加の際に既存の流路を考慮できるよう、一つ以上の流路を重み付け積算し、その情報をグラフ表示にて提供する。
【選択図】図１

Description

本発明はプリント基板の設計を支援するプログラム基盤設計支援装置に関する。

装置の高機能化と高性能化に伴って部品の消費電力が増大し、部品からの発熱量増大が進んでいる。一方で、装置の小型化による高密度実装により装置の熱設計の重要性が高くなっている。現在、装置の熱設計は熱流体解析を行うシミュレータを使用するのが一般的であり、プリント基板はその上へ発熱源となる主要な部品を配置し、装置に搭載して、装置全体の情報を用いて熱解析を行う。これにより、プリント基板の実装環境を考慮した解析を行うことで、発熱源となる部品の大まかな配置位置を決定している。この後、プリント基板設計は、部品配置やパターン配線といった作業を、プリント基板設計ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）システムを使用して行っている。

プリント基板設計ＣＡＤシステムは、通常、単独のプリント基板を扱う設計システムであり、基本的に本来プリント基板が実装される周辺の情報を持っていない。また、熱解析を実行する際は主要発熱部品を配置するのみで一部の部品しか考慮していないため、他の部品を配置する際に、熱設計で決めた配置位置が変更されることが発生するのが通常である。また、プリント基板設計ＣＡＤシステムから熱解析ツールへは通常、実行の都度データ変換が必要なことから、プリント基板設計の途中で頻繁に熱解析を行うことはしていない。プリント基板設計ＣＡＤシステムにおいて熱設計機能を持たせるものもあるが、基本的には発熱部品が周囲に与える熱の程度を可視化し、その情報を設計者が判断して発熱部品の周辺部品の配置設計を支援するものである。

そこで、別途、基板設計者が簡便に熱検討を行う方法が検討されており、例えば、特許文献１ではプログラム上で主要発熱部品を配置し、基板上での温度分布を計算し、温度分布を結果表示する熱検討装置について述べられている。

特開２００５−８４８９５号公報

プリント基板は通常筐体に実装されている。また、ひとつの筐体内に複数のプリント基板が実装されることもある。このため、プリント基板設計において熱の問題を考える場合、熱の逃げ易さを考慮する必要がある。プリント基板設計はプリント基板設計ＣＡＤシステムを使用するが、前述のとおり、プリント基板設計ＣＡＤシステムは単独のプリント基板を扱うものであり、周囲の状況を考慮することができない。特許文献１の技術を用いても、プリント基板実装設計時点での熱検討が可能となるものの、主要発熱部品のみを考慮しており、プリント基板への配置部品のうち主要発熱部品以外の部品およびプリント基板周辺の状況については全く考慮することができないという問題がある。

さらに、プリント基板設計ＣＡＤシステムにおいて部品の配置位置を検討する際に、熱検討によって判明した問題を解決するため位置を移動させる場合、移動可否や移動の容易性を判断したいが、特許文献１の技術では、検討によって配置変更が必要と判断された場合の変更容易性を考慮することができず、設計者による検討が必要となる。

上記の問題に鑑み、本発明はプリント基板の配置設計状況を熱排出の観点から容易に確認することを可能にし、かつ総合的に改善検討を行うことが可能なプリント基板設計支援装置を提供するものである。

本発明ではプリント基板上下に近接する筺体面やプリント基板との位置関係情報と、プリント基板に搭載される部品の形状や配置位置情報を用いて、一定間隔で区画分割された各区画について、プリント基板上下で部品に占められていない空間の体積（以下空間容量と称する）の体積を得る手段を備えることを特徴とする。そしてその空間容量の分布を元に、隣接する区画の状況から空気の流れ易さを示す各区画のラベル値を計算し、その分布から空気の流路を求める。また、検討によってまたはその他の理由によって配置変更または配置追加が発生した場合に、流路情報を統合することにより流路を妨げない変更を実現することができる。

これらラベル値の分布や流路の情報を、色または濃淡またはパターンなどの方法によって、また単一もしくは複数を組み合わせて表示することにより、直感的に現時点のプリント基板設計での状況を知ることができる。

このプリント基板設計支援装置によれば、プリント基板設計ＣＡＤシステムにおいて対象プリント基板とそのプリント基板に搭載される部品の情報と、設計対象プリント基板に近接する筺体面またはプリント基板の情報を扱うことによって、プリント基板実装設計時点において熱の排出を検証することが可能になり、また配置変更や配置追加においても熱の排出を考慮することができる。

本発明によれば、プリント基板の配置設計状況を熱排出の観点から容易に確認することが可能となり、かつ総合的に改善検討を行うことが可能なプリント基板設計支援装置を提供することができる。

本発明のプリント基板設計支援装置の処理を示すフローチャートである。 本発明のプリント基板設計支援装置のシステム構成例を示す図である。 空間容量の例を示す図である。 対向情報を説明する図である。 部品情報を説明する図である。 空間容量を説明する図である。 空気の流れ難さを求める過程を説明する図である。 空気の流れ難さを表す数値を説明する図である。 ラベル値演算の例を説明する図である。 グラフ表示の例を示す図である。 流路情報を統合する際の演算の流れを示すフローチャートである。 流路情報を統合する際の演算の例を説明する図である。

本発明のプリント基板設計支援装置のシステム構成について図２に示す。

プリント基板設計支援装置のシステム１は、ユーザＩＦ部１０と通信ＩＦ１０４と処理部２０と記憶部３０とを備えている。ユーザＩＦ部１０は、入力部１０１と、表示部１０２と、出力部１０３とから成り、処理部２０は、配置処理部２０１と、対向情報演算部２０２と、空間情報演算部２０３と、ラベル値演算部２０４と、グラフ処理部２０５とから成る。また、記憶部３０上は、基板情報３０１と、部品情報３０２と、対向情報３０３と、空間情報３０４と、ラベル値３０５とから成る。

処理部２０の配置処理部２０１ではプリント基板配置設計の処理を行い、対向情報演算部２０２ではプリント基板とプリント基板に対向する筺体面や基板との距離と空間を、空間情報演算部２０３では対向情報演算部２０２の結果からプリント基板に搭載された部品が占める体積を除いた空間容量を、ラベル値演算部２０４ではラベル値をそれぞれ演算し、グラフ処理部２０５では求めたラベル値などのグラフ表示に必要な処理を実施する。

記憶部３０の基板情報３０１にはプリント基板の形状や大きさ、搭載部品の配置位置を記憶する。また、区画分割する際の分割間隔を記憶する。分割間隔が縦横で異なる場合はそれぞれを記憶する。記憶部３０の部品情報３０２には各部品について底面の形状や大きさ、高さなどの情報を記憶する。記憶部３０の対向情報３０３には対象プリント基板に対向する筺体面やプリント基板について、その形状や対象プリント基板からの距離を記憶する。記憶部３０の空間情報３０４には区画分割した各区画について空間容量を記憶する。記憶部３０のラベル値３０５には区画分割した各区画について計算したラベル値を記憶する。

図１は、本発明のプリント基板設計支援装置により空気の流れ易さの分布や流路を演算する際の基本的な流れを示すフローチャートである。基板形状、部品の形状や大きさなどの情報を取得し（Ｓ１）、プリント基板領域を縦横に区画分割する（Ｓ２）。そして、その各区画に対して、対向までの空間を求める要素、即ち、プリント基板とプリント基板に対向する筺体面や基板との距離を取得し（Ｓ３）、対向までの空間から搭載部品が占める体積を引いて空間容量を求め（Ｓ４）、ラベル値を演算する（Ｓ５）。ラベル値に基づいた経路探索により流路を求め（Ｓ６）、ラベル値の分布や流路について、色や濃淡、パターンなどを用いてグラフ表示（Ｓ７）を行う。

図１の処理の具体例を示す。図３は対象プリント基板２と対象プリント基板に対向する筺体面３とが空間容量を形成する様子を示す図である。対象プリント基板２の上に高さをもつ部品４〜６が存在し、筺体面３には対象プリント基板からの高さが異なる部分７が存在する。なお、筺体面３は筺体面のうち対象プリント基板２に対向する部分のみを切り出したものである。また、対象プリント基板には部品面とはんだ面が存在するが、以下では部品面のみでの説明とする。

図４は図３について対象プリント基板２を区画分割し対向情報を記載したものである。対象プリント基板２は短辺８ｃｍ、長辺１０ｃｍの長方形で、縦横に１ｃｍ間隔で区画分割している。なお実際の区画分割の間隔は、通常のプリント基板設計で使われる２．５４ｍｍなど扱いやすい値を使用すると良い。対象プリント基板に対向する筺体面３の形状により、各区画の、対向する筺体面から対象プリント基板までの空間容量が記載の数値であったとする。太い破線７は、筺体面３において対象プリント基板からの高さが異なる部分の領域を表している。

図５は対象プリント基板２を図４同様に区画分割し部品情報を記載したものである。太線４〜６は対象プリント基板上に搭載された部品のうち高さをもつものの形状を表している。搭載部品の高さが記載の数値であったとする。

図４および図５より計算された値が図６である。図６は対象プリント基板２を図４同様に区画分割した各区画について、図４に示した対向までの空間体積から、図５に示した搭載部品の体積を引いた空間容量である（図１のフローチャート中のＳ４に相当）。

ここで、空気が流れる経路の探索に先立ち、図６の、空気の流れ易さを示す値を、空気の流れ難さを示す値に変換する。空気の流れ易さを考慮するにあたり、空気の流れ難さは空間容量の少なさに関連するため、まず、図６の最大値である４からどれだけ空間が少なくなっているかを計算する（図７）。そこから空気の流れ難さを表す数値へ置き換える演算として、例えば流れ難さを強調するために二乗したものが図８である。なお、図８では例として空間減少量の二乗の結果を示したが、実際には逆数など流れ難さを表す目的に適当と考えられる演算を用いる。

次に、部品５が熱源であった場合を例としてラベル値演算について説明する。図９（ａ）は、探索開始点Ｂ１を起点とし図８を考慮してラベル値演算を行った結果である。熱源部品５の中央付近の区画Ｂ１を探索開始点としてラベル値演算を行う。ラベル値演算および経路探索のアルゴリズムとして、本例では迷路法を使用して説明する。迷路法では、探索開始点より隣接する区画に、その区画に移動するコストを加算しながら探索範囲を拡げる。各区画のラベル値は探索開始点からの累積コストとなる。加算するコストは、基本コストと追加コストから求められる。例えば、基本コストを１とし、追加コストに図８の区画毎の空気の流れ難さの値を使用し、コストを基本コストと追加コストの単純な和とする。隣接する区間を縦横とし、斜め方向へ一度の加算では進まない場合の例とする。図９（ａ）の演算過程を図９（ｂ）に示す。図９（ｂ）の経路Ｒ１では、探索開始点Ｂ１を０で開始し、基本コスト１と追加コスト４を加算して０＋１＋４＝５、次に基本コスト１と追加コスト０を加算して５＋１＋０＝６、さらに基本コスト１と追加コスト０を加算して６＋１＋０＝７、となる。経路Ｒ２では、０＋１＋４＝５、次に５＋１＋４＝１０となる。経路Ｒ３では、０＋１＋９＝１０、次に１０＋１＋４＝１５となるが、経路Ｒ２のコストの方が低く、ラベル値には経路Ｒ２の演算結果を採用する。このようにして、対象プリント基板２全体のラベル値を演算する（図１のフローチャート中のＳ５に相当）。

空気の流れによって熱源から運ばれる熱は通常、基板端に到達する。例えば右側基板端に向かう空気の流路を求める方法について説明する。対象基板端の区画のうち、空気の出口である探索目標点となるのは隣接する区画よりラベル値が低い区画であり、図９（ａ）ではＴ１とＴ２が該当する。即ち、探索開始点Ｂ１から対象プリント基板２の右側基板端への流路を考える場合、探索目標点Ｔ１と探索目標点Ｔ２への経路を求めれば良い。

探索目標点Ｔ１と探索目標点Ｔ２のそれぞれから、少ないラベル値を持つ区画を辿り、探索開始点Ｂ１へ到達する経路をバックトレースすると、探索開始点Ｂ１からの流路が図９（ａ）の矢印の通りであることが求められる（図１のフローチャート中のＳ６に相当）。

なお、ラベル値演算の加算値に図８の各区画の空気の流れ難さを考慮したが、自然空冷では地面に対して垂直な方向、ファンなどを用いた強制空冷ではファンが存在する方向など、プリント基板全体での空気の流れる方向を考慮することで、より実態に近い流路が求められる。プリント基板全体での空気の流れる方向を考慮する場合について図９（ｃ）を用いて説明する。対象プリント基板２が向かって上方に空気の流れがある、すなわちプリント基板全体で空気が上方に流れ易い場合、追加コストにおいて、例えば上方の伝搬にはコストを１減算、下方の伝搬にはコストを１加算する。経路Ｒ１では、０＋１＋４＝５、次に５＋１＋０＝６、そして６＋１＋（０−１）＝６となる。経路Ｒ２では、０＋１＋４＝５、次に５＋１＋（４＋１）＝１１となる。

図９（ａ）で示した経路は熱の排出経路として主な経路となると考えられるものの、対象プリント基板２上の空間は繋がっており、図９（ａ）で示した経路以外でも熱の拡散は行われる。全体の様子は、図１０（ａ）のようにラベル値を色や濃淡やパターンによりグラフ表示することで、直感的に知ることが可能である（図１のフローチャート中のＳ７に相当）。さらにグラフ表示の際に、任意の値以上である領域や熱源である探索開始点の位置を、前記グラフ表示と重ねてまたは個別に表示することで、ユーザの利便性が増すことが考えられる。図１０（ｂ）は、図５の太線４〜６で示した、搭載部品のうち高さをもつものの形状に、ラベル値が１２以下である領域を重ねて示したものである。重ねて示す対象図として、対象プリント基板の配置設計もしくは配線設計画面なども考えられるし、表示手段は塗りつぶしだけでなく該当区画をマークで示すなども考えられる。該当区画をマークで示した例を図１０（ｃ）に示す。

以上の手順により、空気の流れ易さの分布や空気の流路が求められる。空気の流路上に存在する部品の移動など改善検討にあたり、配置容易性情報を得ることで、効率的な改善が可能になると考えられる。以下に配置容易性情報について説明する。

図１１は、流路情報を統合する際の演算の流れを示すフローチャートである。流路情報を取得（Ｓ８）、必要に応じて重み付け考慮（Ｓ９）し、統合情報へ加算する（Ｓ１０）。未考慮の流路があれば情報取得に戻り、全ての流路を統合情報へ加算済みとなったらグラフ表示（Ｓ１２）を行う。重み付けによって、特に熱排出が重要な部品からの流路をより考慮させるようにする、配置変更となる部品に対する流路を統合情報の対象外とするなど、柔軟な対応が可能となる。

統合情報への加算について図１２を用いて説明する。図１２（ａ）は熱源部品５の中央付近の区画Ｂ１を探索開始点としてラベル値演算を行った結果で、図９（ａ）と同じ情報を、流路を矢印ではなくパターンにより示したものである。同様に、熱源部品４の中央付近の区画Ｂ２を探索開始点としてラベル値演算を行った結果が図１２（ｂ）である。探索開始点Ｂ２から対象プリント基板２の右側基板端への流路は、探索目標点Ｔ３と探索目標点Ｔ４が求められる。図１２（ａ）の探索開始点Ｂ１から探索目標点Ｔ１と探索目標点Ｔ２への２つの流路と、図１２（ｂ）の探索開始点Ｂ２から探索目標点Ｔ３と探索目標点Ｔ４への２つの流路の４つの流路全ての重み付けを１として加算した結果が図１２（ｃ）である。さらに、探索開始点すなわち対象熱源部品の違いによって、または同一探索開始点から複数の流路が求められた場合に探索目標点のラベル値によって（値が小さいほど重み付けは大きくなる）、重み付けを調整することで、対象プリント基板上の流路を総合的に評価することができる。それによって、重要な流路に影響を与えずに、すなわち熱排出の流路を考慮して、配置変更や配置追加を実施することが可能である。

本実施形態によれば、簡単なラベル値演算（Ｓ５）によりプリント基板全体の空気の流れ易さを求めることができる。また、探索開始点Ｂ１を設定し経路探索（Ｓ６）によりプリント基板付近の空気の流路を求めることができる。これらがプリント基板実装設計時点で容易に実現することによって、熱排出を考慮した設計が可能になり、後工程からの手戻りや、手戻りによる設計遅延や、熱に起因する製品不良を防ぐことができる。さらに、本実施形態は、設計時点での改善についても熱排出考慮の手戻りを防ぐことができ、設計そのものの効率化の効果も有するものである。

１…システム、２…対象プリント基板、３…対象プリント基板に対向する筺体面、４〜５…搭載部品、１０…ユーザＩＦ部、２０…処理部、３０…記憶部、１０１…入力部、１０２…表示部、１０３…出力部、１０４…通信ＩＦ部、２０１…配置処理部、２０２…対向情報演算部、２０３…空間情報演算部、２０４…ラベル値演算部、２０５…グラフ処理部、３０１…基板情報、３０２…部品情報、３０３…対向情報、３０４…空間情報、３０５…ラベル値

Claims (3)

1. ユーザＩＦ部と、処理部と、記憶部とを有するプリント基板設計支援装置であって、
   前記記憶部に格納された、プリント基板に搭載される部品それぞれについてのプリント基板上の位置と搭載面の形状と高さを少なくとも含む部品データと、プリント基板が対向する筺体面またはプリント基板の形状と距離を少なくとも含む対向データと、前記ユーザＩＦ部の入力部から別途設定された区切り間隔とから、前記処理部が、前記区切り間隔にて分割された領域毎の空間容量を計算し、前記計算された空間容量を元に空気の流れ易さの分布や空気の流路を求めることを特徴とするプリント基板設計支援装置。
2. 前記処理部が、前記空気の流れ易さの分布を計算したのち、前記ユーザＩＦ部の表示部におけるプリント基板配置画面に対し、前記空気の流れ易さの分布の計算値を色または濃淡またはパターンなどの方法によって区別し表示することを特徴とする請求項１記載のプリント基板設計支援装置。
3. 前記表示と重ねてまたは個別に、前記ユーザＩＦ部の表示部におけるプリント基板配置画面に対し、前記ユーザＩＦ部の入力部からユーザにより指定された値以上の領域や発熱部品の位置を、色または濃淡またはパターンなどの方法によって表示することを特徴とする請求項２記載のプリント基板設計支援装置。

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