JP4121650B2 - 熱伝導率算出方法及び装置並びに熱伝導率算出プログラムを記録した媒体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンピュータを利用した電子機器の熱的評価方法に関し、特に電子基板上の配線パターンを考慮した熱伝導率の算出方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
電子機器に関して、有限要素法等のコンピュータシミュレーションを行って熱的評価を行う際には、構成部品である電子基板の等価熱伝導率を求める必要がある。
【0003】
電子基板は、銅などの金属からなる電極パターン層とエポキシ樹脂などの絶縁層から構成されている。
【0004】
図2は、代表的な電子基板の断面構造を模式的に示したものである。
【0005】
図2において、21は絶縁層、22は電極パターン層であり、電極パターン層22は、更に金属材料から成る配線部分23及び樹脂材料から成る非配線部分24を含んでいる。
【0006】
電極パターン層22の厚みは絶縁層に比べて薄いが、金属の熱伝導率は絶縁層樹脂に比べて数百〜千倍程度大きい。
【0007】
よって、電子基板の等価熱伝導率を求める際には電極パターン層の存在を無視し得ず、面倒な手計算を行わなければならなかった。
【0008】
熱伝導率の異なる2つの材料が層状に積層されている場合の等価熱伝導率は、面内方向と面直交方向で異方性を持つ。
【0009】
それぞれの熱伝導率[W/m/K]は、面内方向をλp、面直交方向をλtとすると、以下の式で与えられる。
面内方向 λp = Σαiλi (式1)
面直交方向λt = 1/(Σαi/λi) (式2)
式中の記号は、
αi:i層目の材料の厚みが電子基板全厚に占める割合[−](Σαi=1)
λi:i層目の材料の熱伝導率[W/m/K]
例えば、電極パターン層4層の基板では、電極パターン層厚合計が基板全厚に占める割合は0.04、絶縁層厚合計が基板全厚に占める割合は0.96、電極パターン層材料の熱伝導率は400、絶縁層材料熱伝導率は0.3程度であるので、この値を代入すると、
λp = 12.3
λt = 0.312
となり、電極パターン層の影響を考慮した評価を行わないと正確な熱評価ができない事が分かる。
【0010】
国峰尚樹著「エレクトロニクスのための熱設計完全入門」(日刊工業新聞社ISBN4−526−04045−2 127ページ)では、一定の配線部分面積比を考慮した面内方向等価熱伝導率に関する計算式を提示している。
【0011】
それによると、面内方向の等価熱伝導率λpを次の式で表している。
【0012】
面内方向λp = Σ(Piαiλi) (式3)
αi:i層目の材料の厚みが電子基板全厚に占める割合[−](Σαi=1)
λi:i層目の材料の熱伝導率[W/m/K]
Pi:電極パターン層の配線部分面積比、絶縁層に関しては1.0とする
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
電極パターン層は、実際にはその全てが金属ではない。
【0014】
電極パターン層のうち配線がなされている部分のみが金属でその他は絶縁材料である。
【0015】
また電子基板中の配線部分面積比(=配線パターン残存率)は場所によって異なる為に等価熱伝導率も場所毎に異なるが、その値を求めるのは困難な事であった。
【0016】
(式3)による計算方法では、電極パターン層の配線部分面積比Piを入力することが必要であるが、ここで以下の問題点が存在する。
【0017】
1.電極パターン層に絶縁体が混じる割合を正確に評価できなかった。
【0018】
2.電極パターン層に絶縁体が混じる割合が場所ごとに異なる影響を正しく考慮できなかった。
【0019】
よって、本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、場所毎に配線部分面積比を考慮して、精度の高い電子基板の等価熱伝導率を算出することを目的とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の電子基板の等価熱伝導率算出方法は、電極パターン層と絶縁層が積層された電子基板の形状及び材料情報を取得する工程と、前記電極パターン層の配線部分領域面積比情報を利用して、電子基板の等価熱伝導率を計算する工程を有する事を特徴とする。
【0021】
請求項2に記載の電子基板の等価熱伝導率算出方法は、電極パターン層と絶縁層が積層された電子基板の形状及び材料情報を取得する工程と、前記電子基板を小領域群に分割して領域毎の電極パターン層の配線部分領域面積比を計算する工程と、前記領域毎の電極パターン層の配線部分領域面積比情報を利用して領域毎の電子基板面内方向の等価熱伝導率を計算する工程を有する事を特徴とする。
【0022】
請求項3に記載の電子基板の等価熱伝導率算出方法は、電極パターン層と絶縁層が積層された電子基板の形状及び材料情報を取得する工程と、前記電子基板を小領域群に分割して領域毎の電極パターン層の配線部分領域面積比を計算する工程と、前記領域毎の電極パターン層の配線部分領域面積比情報を利用して領域毎の電子基板の面直交方向の等価熱伝導率を計算する工程を有する事を特徴とする。
【0023】
請求項4に記載の電子基板の等価熱伝導率算出装置は、電極パターン層と絶縁層が積層された電子基板の形状及び材料情報を取得する手段と、前記電子基板を小領域群に分割して領域毎の電極パターン層の配線部分領域面積比を計算する手段と、前記領域毎の電極パターン層の配線部分領域面積比情報を利用して領域毎の電子基板面内方向の等価熱伝導率を計算する手段を備えた事を特徴とする。
【0024】
請求項5に記載の電子基板の等価熱伝導率算出装置は、電極パターン層と絶縁層が積層された電子基板の形状及び材料情報を取得する手段と、前記電子基板を小領域群に分割して領域毎の電極パターン層の配線部分領域面積比を計算する手段と、前記領域毎の電極パターン層の配線部分領域面積比情報を利用して領域毎の電子基板の面直交方向の等価熱伝導率を計算する手段を備えた事を特徴とする。
【0025】
請求項6に記載の電子基板の等価熱伝導率算出プログラムを記録した記録媒体は、電極パターン層と絶縁層が積層された電子基板の形状及び材料情報を取得させ、前記電子基板を小領域群に分割して領域毎の電極パターン層の配線部分領域面積比を計算させ、前記領域毎の電極パターン層の配線部分領域面積比情報を利用して領域毎の電子基板面内方向の等価熱伝導率を計算させる事を特徴とする。
【0026】
請求項7に記載の電子基板の等価熱伝導率算出プログラムを記録した記録媒体は、電極パターン層と絶縁層が積層された電子基板の形状及び材料情報を取得させ、前記電子基板を小領域群に分割して領域毎の電極パターン層の配線部分領域面積比を計算させ、前記領域毎の電極パターン層の配線部分領域面積比情報を利用して領域毎の電子基板の面直交方向の等価熱伝導率を計算させる事を特徴とする。
【0027】
【発明の実施の形態】
(実施例1)
図1は、本発明の第1の実施形態である電子基板の等価熱伝導率算出方法を示すフローチャートである。
以下このフローチャートに沿って説明を行う。
【0028】
ステップS1では、電子基板の形状的な情報(輪郭外形、電子基板に穴が存在する場合穴の位置や寸法、電極パターン層、絶縁層各々の厚み、電極パターン層各層の電極パターン形状)を取得する。
【0029】
この電子基板の形状的情報は一般に電子基板設計CADシステムで入力され電子基板設計CADシステム中に保持されているのでこの場合には電子基板設計CADシステムのデータベースに格納されている情報を利用し、保持されていない場合は新たに入力する。
【0030】
ステップS2では、電極パターン層を構成する金属材料の熱伝導率と電極パターン層の非配線部分及び絶縁層を構成する樹脂材料の熱伝導率を取得する。
【0031】
これら電子基板材料情報についても電子基板設計CADシステム内に保持されていればその情報を利用し、保持されていない場合は新たに入力する。
【0032】
ステップS3では、電子基板を小領域に分割する。小領域への分割方法は、本方法によって求められた等価熱伝導率を用いて実施される有限要素法等のコンピュータシミュレーションで要求される要素分割と同じ分割でも良いし、あるいは異なる任意の分割方であっても構わない。
【0033】
ステップS4では、小領域毎の各電極パターン層における配線部分面積比を算出する。
【0034】
ステップS5では、各小領域に対して、積層材と見なした電子基板の面内方向等価熱伝導率算出式として、式3あるいは下記に示す式4を用いて等価熱伝導率λpを算出する。
【0035】
なお、式3は、式4の電極パターン層に含まれる絶縁体材料の伝熱効果を無視した近似式となっている。
【0036】
λp = A + B (式4)
A = Σ(αi(λAPi+λB(1−Pi))) (Σは電極パターン層のみの総和)
B = Σ(αiλB) (Σは絶縁層のみの総和)
λA : 電極パターン材料の熱伝導率[W/m/K]
λB : 絶縁体材料の熱伝導率[W/m/K]
ステップS6では算出された場所毎の熱伝導率情報を有限要素法等の熱伝導解析システムで後に使用するために計算結果熱伝導率データベースに出力する。
【0037】
上記のステップにより、場所毎の電子基板の面内方向等価熱伝導率を求めることができる。
【0038】
図3は、図1の電子基板の等価熱伝導率算出に用いる等価熱伝導率算出装置の構造図である。
【0039】
電子基板形状情報入力部32は、電子基板CAD情報データベース38から電子基板形状情報を取得する。
【0040】
電子基板材料情報入力部33は、電子基板を構成する各材料の熱伝導率を入力する。
【0041】
電子基板領域分割部34は、電子基板を小部分領域に分割する。
【0042】
配線部分面積比率算出部35は、小部分領域に分割された電子基板の部分領域毎の各電極パターン層の配線部分面積比率を算出する。
【0043】
等価熱伝導率算出部36は、電子基板形状情報入力部32、電子基板材料情報入力部33、配線部分面積比率算出部35から得られる情報を使用して部分領域毎の等価熱伝導率を算出する。
【0044】
出力部37は、等価熱伝導率算出部36で算出された等価熱伝導率の値を計算結果熱伝導率データベース39に出力する。
【0045】
そして、制御部31は、上記の各構成間のデータの流れと動作を制御する。
【0046】
(実施例2)
本発明の異なる実施形態について以下に説明する。
【0047】
基本的に、ステップS1〜ステップS4及びステップS6は、上記の実施例1と同様のフローとなるが、ステップS5において、電子基板の面直交方向等価熱伝導率λtを算出する式として、以下の式5を使用する。
【0048】
λt = 1/(C+D) (式5)
C = Σ(αi/(λAPi+λB(1−Pi))) (Σは電極パターン層のみの総和)
D = Σ(αi/λB) (Σは絶縁層のみの総和)
λA : 電極パターン材料の熱伝導率[W/m/K]
λB : 絶縁体材料の熱伝導率[W/m/K]
αi : i層目の材料の厚みが電子基板全厚に占める割合[−](Σαi=1)
Pi : 電極パターン層の配線部分面積比
上記のステップにより、場所毎の電子基板面直交方向等価熱伝導率を求めることができる。
【0049】
【発明の効果】
以上のように、請求項1の発明によれば、電子基板の設計情報から、電極パターン層の配線部分面積比を考慮することにより、電子基板の等価熱伝導率を正確に求める事が可能となり、電子基板を内包する電子機器の熱的評価精度が向上する。
【0050】
また、請求項2、4、6の発明によれば、電子基板の設計情報から、電極パターン層の配線部分面積比を取得し、その値を分割した小領域毎に評価することで配線部分面積比を正確に考慮でき場所毎に評価できるので、電子基板の面内方向の等価熱伝導率を正確に求める事が可能となり、電子基板を内包する電子機器の熱的評価精度が向上する。
【0051】
また、請求項3、5、7の発明によれば、電子基板の設計情報から、電極パターン層の配線部分面積比を取得し、その値を分割した小領域毎に評価することで配線部分面積比を正確に考慮でき場所毎に評価できるので、電子基板の面直交方向の等価熱伝導率を正確に求める事が可能となり、電子基板を内包する電子機器の熱的評価精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示すフローチャートである。
【図2】標準的な電子基板の模式的な説明図である。
【図3】本発明の電子機器熱設計装置の構造図である。
【符号の説明】
21 絶縁層(樹脂材料)
22 電極パターン層
23 電極パターン層中の配線部分(金属材料)
24 電極パターン層中の非配線部分(樹脂材料)
31 制御部
32 電子基板情報入力部
33 電子基板材料情報部
34 電子基板領域分割部
35 配線部分面積比率算出部
36 等価熱伝導率算出部
37 出力部
38 電子基板CAD情報データベース
39 計算結果熱伝導率データベース
Claims (6)
- 電極パターン層と絶縁層が積層された電子基板の形状及び材料情報を取得する工程と、前記電子基板を小領域群に分割して領域毎の電極パターン層の配線部分領域面積比を計算する工程と、前記領域毎の電極パターン層の配線部分領域面積比情報を利用して領域毎の電子基板面内方向の等価熱伝導率を計算する工程を有する事を特徴とする電子基板の等価熱伝導率算出方法。
- 電極パターン層と絶縁層が積層された電子基板の形状及び材料情報を取得する工程と、前記電子基板を小領域群に分割して領域毎の電極パターン層の配線部分領域面積比を計算する工程と、前記領域毎の電極パターン層の配線部分領域面積比情報を利用して領域毎の電子基板の面直交方向の等価熱伝導率を計算する工程を有する事を特徴とする電子基板の等価熱伝導率算出方法。
- 電極パターン層と絶縁層が積層された電子基板の形状及び材料情報を取得する手段と、前記電子基板を小領域群に分割して領域毎の電極パターン層の配線部分領域面積比を計算する手段と、前記領域毎の電極パターン層の配線部分領域面積比情報を利用して領域毎の電子基板面内方向の等価熱伝導率を計算する手段を備えた事を特徴とする電子基板の等価熱伝導率算出装置。
- 電極パターン層と絶縁層が積層された電子基板の形状及び材料情報を取得する手段と、前記電子基板を小領域群に分割して領域毎の電極パターン層の配線部分領域面積比を計算する手段と、前記領域毎の電極パターン層の配線部分領域面積比情報を利用して領域毎の電子基板の面直交方向の等価熱伝導率を計算する手段を備えた事を特徴とする電子基板の等価熱伝導率算出装置。
- 電極パターン層と絶縁層が積層された電子基板の形状及び材料情報を取得させ、前記電子基板を小領域群に分割して領域毎の電極パターン層の配線部分領域面積比を計算させ、前記領域毎の電極パターン層の配線部分領域面積比情報を利用して領域毎の電子基板面内方向の等価熱伝導率を計算させる事を特徴とする電子基板の等価熱伝導率算出プログラムを記録した記録媒体。
- 電極パターン層と絶縁層が積層された電子基板の形状及び材料情報を取得させ、前記電子基板を小領域群に分割して領域毎の電極パターン層の配線部分領域面積比を計算させ、前記領域毎の電極パターン層の配線部分領域面積比情報を利用して領域毎の電子基板の面直交方向の等価熱伝導率を計算させる事を特徴とする電子基板の等価熱伝導率算出プログラムを記録した記録媒体。
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