JP5024636B2 - 基板又は電子部品の反り解析方法、基板又は電子部品の反り解析システム及び基板又は電子部品の反り解析プログラム - Google Patents
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Description
この問題を解決するため、モールド樹脂の硬化収縮については検討が極めて困難であることから、まず、リフロー時における反り挙動を事前に把握し、設計の上流段階で反り低減施策を行うことを目的とした技術開発が関連する企業、大学、研究機関などで行われてきた。この技術開発には、高温化において、LSIパッケージやプリント配線基板の反り挙動を実験でモニターすることが難しいため、いろいろな反りの予測技術が盛んに研究されている。初期の研究としては、非特許文献1に見られるように、弾性ばり理論を拡張した多層ばり理論による基板の反り予測の研究が行われており、さらに、電子部品を実装したプリント配線基板の反りを算出するために有限要素法(FEM:Finite Element Method)を用いたシミュレーションが行われるようになり、例えば、特許文献1のように、プリント配線基板の反りを弾性解折で算出するシステムが提案されている。さらに、基板やこれに搭載する電子部品に使用されている樹脂の粘弾性まで考慮した高精度予測技術として、非特許文献2や非特許文献3に見られるようなFEM粘弾性解析技術も登場している。
関連技術の例示であるこの非特許文献1および特許文献1で示されている方法は、弾性解析での予測技術であり、弾性解析結果が実測の反りと大きく異なることは、非特許文献3において報告されている。この問題を解決するためには、基板やこれに搭載される部品に使用されている種々の樹脂材料の粘弾性まで考慮する必要があり、非特許文献2および非特許文献3に述べられているFEM粘弾性解析を実施する必要がある。しかしながら、非特許文献2および非特許文献3に使用されている粘弾性解析手法は、樹脂材料の硬化(キュア)プロセスにおいて、硬化した後の粘弾性特性を基に解析している。このため、例えば、関連技術の1例である非特許文献4では、この樹脂材料の硬化度(モールド(硬化度<1)、リフロー(硬化度=1))を考慮できる解析手法について述べられており、樹脂の硬化プロセスを考慮した解析が可能となってきた。
この問題を解決する取り組みとして、これまでに唯一報告されているのは、非特許文献5がある。しかし、この手法は、非特許文献4で使用されているような樹脂の硬化度の理論式を使用してはおらず、硬化度の変化と、これによって生じる体積収縮を線膨張係数の変化に置き換えたものである。従って、この手法は、加熱過程で線膨張係数をそのまま使用すると、樹脂の体積が膨張し、硬化収縮が検討できないという不都合が発生するため、線膨張係数をマイナスに置き換えるという操作を行っている。さらに、この線膨張係数は温度のみのパラメータであり、時間依存はない。このため、この手法は、時間依存の粘弾性解析とのリンクには温度のみを使用しており、時刻歴で変化する樹脂の硬化度を考慮した(時間依存の)粘弾性解析にはほど遠いものであった。
(発明の目的)
本発明の目的は、上述した課題である、樹脂の硬化度、ヤング率変化、体積変化についての時間の関数としての理論式を用い、これと粘弾性の特性カーブ(マスターカーブ)との時間軸を合わせるアルゴリズムを組み込むことにより、時間経過に従って変化する、樹脂の硬化度を正確に考慮した粘弾性解析を実現し、LSIパッケージのモールドからリフローまでの樹脂の変化を高精度に予測することにより、開発設計段階で反りを抑えた最適設計を可能とする基板又は電子部品の反り解析方法、基板又は電子部品の反り解析システム及び基板又は電子部品の反り解析プログラムを提供することにある。
特に軽薄短小化の傾向が進み、曲げ剛性が低下したことにより、反りの発生が顕著となってきた携帯用電子機器に使用するプリント配線基板とLSIパッケージをはじめとする樹脂材料を使用する電子部品の反りを防止するための最適条件を求めることを可能にする基板又は電子部品の反り解析方法、基板又は電子部品の反り解析システム及び基板又は電子部品の反り解析プログラムを提供するものである。
本発明によれば、高精度な反り予測が可能となり、高温度における困難で時間を要する実験を行わなくても反りに影響する因子が容易に同定できるため、反りが原因となるはんだ接続不良の低減が可能となり、接続信頼性の向上を図ることができる。
図2は、本実施の形態による解析装置のハードウェア構成を示すブロック図である。
図3は、本実施の形態による解析装置のデータ処理装置の動作を示すフローチャートである。
図4は、温度、時間及び弾性率に基づくマスターカーブを説明する図である。
図5は、解析終了判別処理を中心とする本実施の形態による解析装置のデータ処理装置の動作を示すフローチャートである。
図6は、本発明の第2の実施の形態による解析装置の構成を示すブロック図である。
図7は、本発明の実施例1によるアンダーフィル樹脂のマスターカーブを用い、硬化度を考慮して緩和弾性率を算出する処理を説明する図である。
本発明の第1の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
(第1の実施の形態の構成)
図1は、本発明の第1の実施の形態による解析装置の構成を示すブロック図である。
図1を参照すると、本実施の形態による解析装置100は、入力装置1と、データ処理装置2と、記憶媒体3と、出力装置4とを備え、データ処理装置2には、解析データ取込手段21と、時間増分設定手段22と、解析終了判別手段23と、時間、温度データ抽出手段24と、第1の緩和弾性率算出手段25と、硬化度が1以下か否かを判別する手段25と、第2の緩和弾性率算出手段27と、演算手段28と、移行手段29とが組み込まれている。
入力装置1は、データライブラリまたは解析者により入力された、基板や電子部品の少なくとも形状データ(例えばCADデータ)、具体的には大きさや厚さ、ヤング率E、ポアソン比ν、線膨張係数αなどの弾性材料特性値、および粘弾性に必要なマスターカーブとシフトカーブ、硬化度と時間の関係を実測から求めたカーブ、さらに、モデルに印加する温度プロファイルをデータ処理装置2に入力する機能を有する。
ここで温度プロファイルは、解析対象(樹脂がコーティングされたモールド後の電子部品(コーティング樹脂含む)や、又は、電子部品が実装されたリフロー後の基板(電子部品含む))に印加した温度に基づいて取得したデータであって、時間変化と温度変化の関係を示すデータである。)
データ処理装置2は、入力装置1から解析に必要なデータを取り込んで所定の処理を行い、処理を行ったデータを記憶媒体3に引き渡すと共に、処理結果を出力装置4に引き渡す機能を有する。
記憶媒体3は、データ処理装置2から渡されたデータを記憶する機能を有する。また、記憶媒体3は、データ処理装置2に入力される基板や電子部品の少なくとも形状データ、マスターカーブとシフトカーブ、硬化度と時間の関係を実測から求めたカーブ、さらに、温度プロファイル等のデータを記憶する機能を有していてもよく、この場合、データ処理装置2は、記憶媒体3から上記必要なデータを入力することができる。なお、記憶媒体3は、データ処理装置2と接続するネットワーク上に備えられていてもよい。
ここで、マスターカーブは、電子部品をコーティングしている樹脂や、はんだ接続部を補強するために使用するアンダーフィル樹脂等について緩和弾性率と時間の関係を表した曲線であり、各対象(例えば、電子部品をコーティングしている樹脂)の硬化度を判別するために、硬化度を判別する対象毎に用意される。
出力装置4は、データ処理装置2から渡された解析データを表示する等によって出力する機能を有する。
ここで、データ処理装置2の機能をより詳細に説明する。
解析データ取込手段21は、入力装置1から解析に必要なデータを取り込む機能を有する。
時間増分設定手段22は、時間増分を設定する機能を有する。具体的には、時間増分設定手段22は、全解析時間に基づいて自動またはキーボードなどの入力装置から解析者に入力されることで時間増分を設定する。すなわち、入力した最終時間までの温度プロファイルのデータを分割することによって、分割された各データ毎に繰り返し解析行うことから、全体的な解析時間は増加する。このため、時間増分設定手段22は、分割による解析時間の増分を設定する。
なお、今回のような粘弾性解析においては、入力した最終時間までの温度プロファイルのデータを経験的に1/10から1/100程度にすることが望ましい。その理由は、不必要に細かい時間増分をとると、解析精度はほとんど向上せずに、解析時間が大幅に増加することになるからである。
解析終了判別手段23は、時間増分設定手段22で設定された分割数(時間増分)に基づいて、解析が終了か否かを判断して、終了ならば出力装置4へ解析データを引き渡し、解析が途中ならば(解析が終了しない場合)時間、温度データ抽出手段24に解析データを引き渡す機能を有する。
時間、温度データ抽出手段24は、現在の時間と解析モデルに印加する温度とを温度プロファイルから抽出する機能を有する。
第1の緩和弾性率算出手段25は、シフトファクターでシフト後において、高分子材料における温度と時間の換算則に従い、ある基準温度において合成されているマスターカーブにおいて、換算された時間の分だけ時間の座標について横軸(時間軸)上をシフトさせることにより、現在の温度での実際の緩和弾性率を算出する機能を有する。すなわち、第1の緩和弾性率算出手段25は、横軸(時間軸)をシフトさせるというシフトファクターでシフト後において、現在の温度における実際のマスターカーブから緩和弾性率を算出する機能を有する。
硬化度判別手段26は、シフトファクターでシフト後における現時点での硬化度を算出し、その値が1(硬化終了)か否か、さらに、その値が1より小さいか否かを判別する機能を有する。
第2の緩和弾性率算出手段27は、硬化度判別手段26における判別で硬化度の値が1より小さい場合、後述する時間と温度に依存する硬化度とヤング率との関係式に、シフト後の時間と現在の温度とを入力し、ヤング率を算出して緩和弾性率とする機能を有する。すなわち、第2の緩和弾性率算出手段27は、硬化度を考慮して緩和弾性率を算出する機能を有する。
演算手段28は、硬化度に基づいて、第1の緩和弾性率算出手段25によって算出された緩和弾性率や、第2の緩和弾性率算出手段27によって算出された緩和弾性率を用いて、解析モデルの反りと応力を算出する機能を有する。なお、演算手段28としては、FEMを使用することを推奨するが、モデルが積層基板のような簡単な形状ならば、粘弾性理論式によっても反りは算出可能である。
移行手段29は、演算手段28から渡された解析データについて、時間増分(分割による解析時間の増分の1サイクル分)を現在の解析時間に加算した上で、解析終了判別手段23に引き渡す機能を有する。
ここで、解析装置100のハードウェア構成の説明をする。
図2は、本実施の形態による解析装置100のハードウェア構成を示すブロック図である。
図2を参照すると、本発明による解析装置100は、一般的なコンピュータ装置と同様のハードウェア構成によって実現することができ、例えば、CPU(Central Processing Unit)201、RAM(Random Access Memory)等のメインメモリであり、データの作業領域やデータの一時退避領域に用いられる主記憶部202、ネットワーク等を介してデータの送受信を行う通信制御部203(入力装置1、データ処理装置2、出力装置4)、液晶ディスプレイ、プリンタやスピーカ等の提示部204(出力装置4)、キーボードやマウス等の入力部205(入力装置1)、周辺機器と接続してデータの送受信を行うインタフェース部206(入力装置1、出力装置4)、ROM(Read Only Memory)、磁気ディスク、半導体メモリ等の不揮発性メモリから構成されるハードディスク装置である補助記憶部207(記憶媒体3)、本情報処理装置の上記各構成要素を相互に接続するシステムバス208等を備えている。
本発明による解析装置100は、その動作を、解析装置100内部にそのような機能を実現するプログラムを組み込んだ、LSI(Large Scale Integration)等のハードウェア部品からなる回路部品を実装してハードウェア的に実現することは勿論として、上記した各構成要素の各機能を提供するプログラムを、コンピュータ処理装置上のCPU201で実行することにより、ソフトウェア的に実現することができる。
すなわち、CPU201は、補助記憶部207(記憶媒体3)に格納されているプログラムを、主記憶部202にロードして実行し、解析装置100の動作を制御することにより、上述した各機能をソフトウェア的に実現する。
(第1の実施の形態の動作)
図3は、本発明の第1の実施の形態による解析装置のデータ処理装置の動作を示すフローチャートである。
まず、解析データ取込手段21が、入力装置1から解析に必要なデータを取り込む(ステップS101)。すなわち、解析データ取込手段21は、データライブラリまたは解析者により入力された、基板や電子部品の少なくとも形状データ、および粘弾性に必要なマスターカーブとシフトカーブ、硬化度と時間の関係を実測から求めたカーブ、さらに、モデルに印加する温度プロファイルを入力装置1から取り込む。
次に、時間増分設定手段22が、全解析時間に基づいて自動またはキーボードなどの入力装置から解析者に入力されることで時間増分(分割による解析時間の増分)を設定する(ステップS102)。
次に、解析終了判別手段23が、ステップS102で設定された分割数(時間増分)に基づいて、解析が終了か否かを判断して(ステップS103)、終了ならば出力装置4へ解析データを引き渡し、解析が途中ならば(解析が終了しない場合)次に、時間、温度データ抽出手段24に解析データを引き渡す。
次に、時間、温度データ抽出手段24が、現在の時間と解析モデルに印加する温度とを温度プロファイルから抽出する(ステップS104)。
次に、第1の緩和弾性率算出手段25が、シフトファクターでシフト後において、高分子材料における温度と時間の換算則に従い、ある基準温度において合成されているマスターカーブにおいて、換算された時間の分だけ時間の座標について横軸(時間軸)上をシフトさせることにより、現在の温度での実際の緩和弾性率を算出する(ステップS105)。
次に、硬化度判別手段26が、現時点での硬化度を算出し、その値が1(硬化終了)か否か、さらには、その値が1より小さいか否かを判別する(ステップS106)。
次に、ステップS106において硬化度が1より小さい場合、第2の緩和弾性率算出手段27が、硬化度を考慮して、後述する時間と温度に依存する硬化度とヤング率との関係式に、シフト後の時間と現在の温度とを入力し、ヤング率を算出して緩和弾性率とする(ステップS107)。
次に、演算手段28が、ステップS107において算出された緩和弾性率を用いて解析モデルの反りと応力を算出する(ステップS108)。
次に、移行手段29が、演算手段28から渡された解析データについて、時間増分を現在の換算時間に加算した上で、解析終了判別手段23に引き渡し(ステップS109)、ステップS103から処理を再度行う。
一方、ステップS106において硬化度が1の場合、演算手段28は、ステップS105において算出された緩和弾性率を用いて解析モデルの反りと応力を算出する(ステップS108)。
ここで、本発明において特に重要となる、温度と時間の換算則とこれを利用した粘弾性材料の緩和弾性率−時間曲線(マスターカーブ)の概念、および硬化度とヤング率との関係式について説明する。
図4は、温度、時間及び弾性率に基づくマスターカーブを説明する図である。
(緩和弾性率−時間曲線(マスターカーブ)の概念)
図4左図は、各温度で測定物に一定の変位を与えて時間の経過とともに弾性率(ヤング率)が緩和していく様子を測定した場合に得られる測定結果の模式図であり、図4右図は、この測定結果に基づいて作成したマスターカーブの模式図である。
ここで、上記測定物は、電子部品をコーティングする樹脂や、はんだ接続部を補強するために使用するアンダーフィル樹脂等が対象となる。
なお、一定の変位を与えて時間の経過とともに低下する弾性率(ヤング率)を緩和弾性率(図4左図の縦軸)と呼ぶ。
この緩和弾性率を長時間に亘り一定温度下で測定することは極めて困難であるため、樹脂などのいわゆる高分子材料が持つ、温度と時間の換算則を利用し、マスターカーブを作成することになる。
ここで、温度と時間の換算則とは、高分子材料では、高温度で樹脂が動きやすい状態は、緩和時間が長時間経過後の状態と等価であり、逆に、低温度で樹脂が動きにくい状態は緩和時間が短時間経過後の状態と等価であるというものである。
この換算則に従い、ある基準温度T0において、各測定温度と基準温度T0との温度差を時間に換算することにより、各温度で測定した緩和弾性率曲線を1本の合成曲線にすることができる。この、1本の合成曲線がマスターカーブと呼ばれるものである。
また、マスターカーブの長時間経過側のデータには、長時間に亘る測定をする代わりに、高温度で短時間測定したデータを代用することができる。
なお、換算則に使用する実験則には、アレニウス則、WLF(Williams、Landel、Ferry)則と呼ばれるものがあり、これらの実験則により算出した時間軸移動量をシフトファクターと呼ぶ。
以上のように、マスターカーブ1本の中には、様々な温度と緩和時間(温度を時間に換算するので、換算時間とも言う)での緩和弾性率が含蓄されていることになり、粘弾性を考慮した反りなどの演算には必須のものとなるものに対し、このマスターカーブで対応できるのは、あくまで硬化(キュア)させた測定物に対するものである。
(硬化度とヤング率との関係式)
次に、本発明において、硬化度の影響を考慮するために使用する、硬化度とヤング率との関係式について説明する。
硬化度を考慮した緩和弾性率(未硬化におけるヤング率)をEn、ゲル化点でのヤング率をEg、とすると、非特許文献4より、
En=Eg・exp(f(X)) (1)
ここで、
f(X)=aX3+bX2+cX+d (2)
X=1/3(4τ−1) (3)
なお、パラメータa、b、c、dは硬化度を算出する際の実験から求めるパラメータである。
さらに、硬化時間t0、換算時間t、硬化度τとすれば、
τ=t/t0 (4)
となる。硬化度τを式(4)から算出し、式(3)に代入してXを決定し、実測から得られたパラメータの値とともにXの3次多項式(2)に代入することによりf(X)が決定でき、これを前記説明したような処理によって粘弾性のキュアされた後の緩和弾性率の時間依存を示すマスターカーブとリンクさせ、時間軸方向へシフトさせた後の時間を硬化度について考慮した緩和弾性率の式(1)に代入することにより、樹脂の硬化度を考慮した粘弾性反り解析が可能となる。
(解析終了判別処理)
次に、データ処理装置の動作の内本発明において特に重要である解析終了判別処理を中心に図5のフローチャートを用いて説明する。なお、図5におけるS205〜S209は、図3におけるS105〜S109と同様の処理である。
まず、時間増分設定手段22が、解析データ取込手段21で入力した温度プロファイルのデータを、最終時間まで時間軸に基づいて分割(総分割数n)する(ステップS201)。分割方法は等分割でもよいが、温度の急峻な変化がある場合は、その部分は細かく分割してもよい。また、総分割数は最終時間までの最大時間によっても異なるが、総分割数10〜100を推奨する。
次いで、時間増分設定手段22が、分割番号を示すパラメータiにゼロの値を与えて初期化し(ステップS202)、分割番号iに例えば1または1以上の値を加え、次の分割番号で示される分割区間の処理に進ませる(ステップS203)。
次いで、解析終了判別手段23が、現在の分割番号が総分割数nを越えていないか判断を行い(ステップS204)、越えた場合には演算を終了する。
一方、ステップS204において現在の分割番号が総分割数nを超えていない場合には、現分割番号iでのシフトファクターでシフトさせた時間での緩和弾性率を算出する(ステップS205)。
次いで、硬化度判別手段26が、このシフトされた時間における硬化度を算出し、現時点での硬化度の値が1(硬化終了)か否かを判別する(ステップS206)。
未硬化(硬化終了でない場合。硬化度<1)ならば第2の緩和弾性率算出手段27が硬化度とヤング率の関係式よりヤング率を算出して緩和弾性率とし(ステップS207)、硬化が終了していればステップS205で算出した緩和弾性率を最終的な緩和弾性率とし、演算手段28が、ステップS207またはステップS205で算出した硬化度を考慮した緩和弾性率を用いて反りと応力を算出し(ステップS208)、移行手段29が、解析データについて、時間増分を現在の換算時間に加算し(ステップS209)、ステップS203に戻る。
以上の処理を所要の分割数(解析時間)まで繰り返すことにより、本実施の形態のデータ処理装置2は、時刻歴で変化する基板の反りと応力を高精度に算出できる。
すなわち、これらの処理を必要とする分割回数まで繰り返すことにより、温度の変化に伴なって変化する電子部品とプリント配線基板との反りと応力とを高精度で予測することが可能となる。
(第1の実施の形態の効果)
本発明によれば、以下に示す効果を達成することができる。
第1の効果は、高精度な反り予測が可能となり、高温度における困難で時間を要する実験を行わなくても反りに影響する因子が容易に同定できるため、反りが原因となるはんだ接続不良の低減が可能となり、接続信頼性の向上を図れることである。
その理由は、図1にも示すように、入力装置から基板およびLSIパッケージをはじめ各種の電子部品の少なくとも形状を示すモデルデータを解析データ取込手段21により取り込み、時間増分設定手段22により設定した時間増分ごとに時間、温度データ抽出手段24により解析する現在の時間とその時の温度のデータを温度プロファイルから取り出し、この取り出したデータを基に第1の緩和弾性率算出手段25でマスターカーブ横軸(時間軸)に沿ってシフトさせた後の緩和弾性率を算出し、さらに、硬化度判別手段26により現在の取り出した時間と温度における硬化度が1か否かまたは1より小さいか否かの判断を行い、1より小さい場合には第2の緩和弾性率算出手段27により硬化度を考慮して緩和弾性率を算出し、また、硬化度が1の場合はそのまま演算手段28に処理を移し、算出した緩和弾性率を用いて反りと応力を算出することにより、硬化度の影響も含めて基板と電子部品に使用される各種の樹脂の粘弾性を考慮できるからである。
第2の効果は、上記述べた理由により、反りの低減が実現できるため、薄型携帯機器への部品実装基板の組み込みが容易となり、歩留の向上を図れることである。
第3の効果は、接続信頼性の大幅な向上が実現できることである。
その理由は、BGA(Ball Grid Array)やCSP(Chip Size Package)等はんだボールによりプリント配線基板に実装するパッケージでは、稼動中に発生する熱により、LSIパッケージとプリント配線基板との線膨張係数の差から、その間にあるはんだボールに高い応力が発生するため、はんだ接続部を補強する目的でリフロー後に補強樹脂を充填し硬化させていたが、この硬化過程により発生する反り・応力の算出が困難であったのに対し、本発明は、モールド(硬化度<1)からリフロー(硬化度 =1)を経て、さらに補強樹脂部分のみ硬化度を1以下とすることにより、最適な補強樹脂と硬化条件を求めることができるからである。
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図6を参照すると、本発明の第2の実施の形態は、本発明の第1の実施の形態と同様に、入力装置1と、データ処理装置2と、記憶媒体3と、出力装置4とを備えるのに加え、粘弾性プログラム51と硬化度プログラム52を格納するプログラム格納装置5を備える。
粘弾性プログラム51と硬化度プログラム52は、データ処理装置2に読み込まれたデータの処理、動作を制御し、記憶媒体3にデータ処理装置2から各処理における処理結果を記憶させる。
以上のように、本実施の形態におけるデータ処理装置2は、粘弾性プログラム51及び硬化度プログラム52の制御により、第1の実施の形態におけるデータ処理装置2による処理と同一の処理を実行する。
本実施例は、入力装置1としてキーボードとマウスを、データ処理装置2としてCPUを、記憶媒体3として、磁気ディスク記憶媒体を、出力装置4としてディスプレイを備えており、上記第1の実施の形態と同様に動作する。
ここで、図7に示す、はんだ接続部を補強するために使用するアンダーフィル樹脂のマスターカーブを用いて具体例を説明する。
図7のマスターカーブ横軸は、換算時間t´(秒)で指数のみ表示している。また、縦軸は、緩和弾性率E´で単位はGPaで表示し、基準温度T0=160℃で合成されている。
いま、解析すべきモデルに200℃の温度が印加され、非常に短い時間が経過したとき、マスターカーブの同じ時間における緩和弾性率(解析している時間における、マスターカーブ基準温度での硬化後の緩和弾性率)がAとする(図7では2.22GPa、10−7s)。
この際、印加温度200℃と基準温度T0=160℃との間には40℃の差異がある。
この差異を温度と時間の換算則に基づき、前記説明した第1の緩和弾性率算出手段25が、シフトファクターでシフト後において、温度差による影響分に相当する時間を横軸にシフトさせる。なお、この例では説明のため、第1の緩和弾性率算出手段25により、図7のB点の緩和弾性率(解析している温度における硬化後の緩和弾性率)と緩和時間になったとする(0.27GPa、1s)。
上記、時間軸方向へのシフト処理までは、マスターカーブを用いた粘弾性を扱う方法であり、マスターカーブが扱えるものは、あくまで硬化後の緩和弾性率のみである。本発明は、マスターカーブをベースに樹脂が未硬化の場合の影響も考慮できるようにしたものであり、その詳細について以下に説明する。
シフトファクターでシフト後における第1の緩和弾性率算出手段25の処理を経た後、硬化度判別手段26は、硬化度を算出する式(4)を用いて現在の硬化度を算出し、硬化が完了しているか否か判別する。
今回は硬化度τ=0.5の場合を例にとると、硬化度τのパラメータXの式(3)より、
X=1/3(4τ−1)=0.33
また、Xの3次多項式(2)において、非特許文献4を参考に
a=0,b=−8.8,c=18,d=0とおくと、
f(0.33)=aX3+bX2+cX+d
=4.98
従って、硬化度を考慮した緩和弾性率Enを求める式(1)におけるexp(f(X))は、
exp(f(X))=145.5
となり、また、ゲル化点でのヤング率Egを1.0MPaとすれば(推定値)、式(1)より、
En=Eg・exp(f(X))
=1.0・145.5
≒0.15(GPa) (<0.27)
と算出でき、図7ではC点(解析している時間において、未硬化の影響を考慮した緩和弾性率)となる。
(実施例1の効果)
この様に硬化が完了していない場合には、マスターカーブにおいて横軸方向にシフトさせた後、緩和弾性率を縦軸の減少方向に移した位置に求める緩和弾性率が存在しており、本発明により硬化度を考慮した緩和弾性率Cを求めることができる。
さらに、マスターカーブの長時間経過後では、硬化後の緩和弾性率は一定となってくるが、硬化状態によっては、この一定値を下回る可能性もあり、図7のD点(解析)している時間において、未硬化の影響を考慮した緩和弾性率)に示すように、実測データから作成されたマスターカーブの緩和弾性率範囲外における、硬化度を考慮した緩和弾性率も算出することができる。
以上好ましい実施の形態(及び実施例)を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施の形態(及び実施例)に限定されるものでない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
例えば、上記各実施の形態及び実施例においては、電子部品が実装された基板に関し、硬化度を考慮して緩和弾性率を算出していたが、基板に実装される単一又は複数の電子部品に関し、硬化度を考慮して緩和弾性率を算出してもよい。
本発明によれば、高精度な反り予測が可能となり、高温度における困難で時間を要する実験を行わなくても反りに影響する因子が容易に同定できるため、反りが原因となるはんだ接続不良の低減が可能となり、接続信頼性の向上を図ることができる。
その理由は、基板及び基板に実装する各種部品を含む電子部品の少なくとも形状と弾性定数を含むモデルデータに基づいた基板の反り算出において、電子部品に対する温度と時間の関係を表した電子部品の温度プロファイルを所定時間で分割し、当該分割時間に対応する電子部品の緩和弾性率を、温度と時間の換算則に基づいて基準温度について合成された電子部品に関するマスターカーブの時間軸上でシフトさせることによって取得し、シフト後の時間と実際に印加されている温度との関係に基づいて電子部品に関する硬化度を算出し、算出した硬化度の値に応じ、硬化度に対応する前記マスターカーブ上の緩和弾性率、又は硬化度と弾性定数との関係に基づいて算出した緩和弾性率に基づいて、電子部品の反りを解析するため、硬化度の影響も含めて基板と電子部品の粘弾性を考慮できるからである。
また、本発明によれば、上記述べた理由により、反りの低減が実現できるため、薄型携帯機器への部品実装基板の組み込みが容易となり、歩留の向上を図ることができる。
この出願は、2006年6月27日に出願された日本出願特願2006−176389号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
Claims (48)
- 基板の反りを解析する基板の反り解析システムを構成するコンピュータによる基板の反り解析方法であって、
前記基板及び前記基板に実装する各種部品を含む電子部品の少なくとも形状と弾性定数を含むモデルデータに基づいた基板の反り算出において、
分割手段が、前記電子部品に対する温度と時間の関係を表した温度プロファイルを所定時間で分割する分割ステップを実行し、
取得手段が、前記各分割時間に対応する緩和弾性率を、前記電子部品に関する硬化後の緩和弾性率と緩和時間との関係を基準温度について示すマスターカーブマスターカーブ上の、前記各分割時間を当該分割時間における温度と前記基準温度との差を前記温度と時間の換算則に基づいて換算した時間だけ時間軸上でシフトした位置から取得する取得ステップを実行し、
硬化度算出手段が、前記各分割時間における硬化度を前記シフト後の時間と硬化時間とに基づき算出する硬化度算出ステップを実行し、
解析手段が、前記各分割時間において、前記硬化度が1の場合は前記取得した緩和弾性率に基づいて前記電子部品の反りと応力を算出し、前記硬化度が1未満の場合は前記取得した緩和弾性率と前記硬化度と前記電子部品の弾性定数に基づいて硬化度を考慮した緩和弾性率を算出し当該硬化度を考慮した緩和弾性率に基づいて、前記電子部品の反りと応力を算出する解析ステップを実行し、
前記マスターカーブは、温度と時間の換算則に基づいて合成される
ことを特徴とする基板の反り解析方法。 - 前記電子部品に関するマスターカーブは、前記電子部品をコーティングしている樹脂について緩和弾性率と時間の関係を表した曲線であることを特徴とする請求項1に記載の基板の反り解析方法。
- 前記電子部品に関する硬化度は、前記電子部品をコーティングしている樹脂について前記シフト後における当該時点での硬化度であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の基板の反り解析方法。
- 前記取得ステップ、前記硬化度算出ステップ及び前記解析ステップによる解析処理を、前記温度プロファイルの時間分割の数だけ繰り返すことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の基板の反り解析方法。
- 前記温度プロファイルを所定時間で分割して分割単位毎に行う前記解析は、
前記温度プロファイルを所定時間で分割する時間分割ステップと、
前記分割単位の分割番号を示すパラメータを初期化する初期化ステップと、
前記分割番号を示すパラメータを昇順又は降順によって変更する分割番号変更ステップと、
変更された前記分割番号が総分割数を越えたか否かを判断する判断ステップとを有し、
総分割数を越えた場合は演算を終了し、越えていない場合は前記分割単位に対応する緩和弾性率を算出することを特徴とする請求項4に記載の基板の反り解析方法。 - 前記時間分割ステップは、前記温度プロファイルの時間軸細分方法として、等分割、または温度変化が急な部分を細分化することを特徴とする請求項5に記載の基板の反り解析方法。
- 前記初期化ステップは、前記分割番号を示す前記パラメータを初期化するために前記パラメータにゼロの値を与えることを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の基板の反り解析方法。
- 前記分割番号変更ステップは、前記分割番号を加算させる処理であり、1または1以上を加算させることを特徴とする請求項5から請求項7のいずれか1項に記載の基板の反り解析方法。
- 電子部品の反りを解析する電子部品の反り解析システムを構成するコンピュータによる電子部品の反り解析方法であって、
前記電子部品の少なくとも形状と弾性定数を含むモデルデータに基づいた電子部品の反り算出において、
分割手段が、前記電子部品に対する温度と時間の関係を表した温度プロファイルを所定時間で分割する分割ステップを実行し、
取得手段が、前記各分割時間に対応する緩和弾性率を、前記電子部品に関する硬化後の緩和弾性率と緩和時間との関係を基準温度について示すマスターカーブマスターカーブ上の、前記各分割時間を当該分割時間における温度と前記基準温度との差を前記温度と時間の換算則に基づいて換算した時間だけ時間軸上でシフトした位置から取得する取得ステップを実行し、
硬化度算出手段が、前記各分割時間における硬化度を前記シフト後の時間と硬化時間とに基づき算出する硬化度算出ステップを実行し、
解析手段が、前記各分割時間において、前記硬化度が1の場合は前記取得した緩和弾性率に基づいて前記電子部品の反りと応力を算出し、前記硬化度が1未満の場合は前記取得した緩和弾性率と前記硬化度と前記電子部品の弾性定数に基づいて硬化度を考慮した緩和弾性率を算出し当該硬化度を考慮した緩和弾性率に基づいて、前記電子部品の反りと応力を算出する解析ステップを実行し、
前記マスターカーブは、温度と時間の換算則に基づいて合成される
ことを特徴とする電子部品の反り解析方法。 - 前記電子部品に関するマスターカーブは、前記電子部品をコーティングしている樹脂について緩和弾性率と時間の関係を表した曲線であることを特徴とする請求項9に記載の電子部品の反り解析方法。
- 前記電子部品に関する硬化度は、前記電子部品をコーティングしている樹脂について前記シフト後における当該時点での硬化度であることを特徴とする請求項9又は請求項10に記載の電子部品の反り解析方法。
- 前記取得ステップ、前記硬化度算出ステップ及び前記解析ステップによる解析処理を、前記温度プロファイルの時間分割の数だけ繰り返すことを特徴とする請求項9から請求項11のいずれか1項に記載の電子部品の反り解析方法。
- 前記温度プロファイルを所定時間で分割して分割単位毎に行う前記解析は、
前記温度プロファイルを所定時間で分割する時間分割ステップと、
前記分割単位の分割番号を示すパラメータを初期化する初期化ステップと、
前記分割番号を示すパラメータを昇順又は降順によって変更する分割番号変更ステップと、
変更された前記分割番号が総分割数を越えたか否かを判断する判断ステップとを有し、
総分割数を越えた場合は演算を終了し、越えていない場合は前記分割単位に対応する緩和弾性率を算出することを特徴とする請求項12に記載の電子部品の反り解析方法。 - 前記時間分割ステップは、前記温度プロファイルの時間軸細分方法として、等分割、または温度変化が急な部分を細分化することを特徴とする請求項13に記載の基板の反り解析方法。
- 前記初期化ステップは、前記分割番号を示す前記パラメータを初期化するために前記パラメータにゼロの値を与えることを特徴とする請求項13又は請求項14に記載の電子部品の反り解析方法。
- 前記分割番号変更ステップは、前記分割番号を加算させる処理であり、1または1以上を加算させることを特徴とする請求項13から請求項15のいずれか1項に記載の電子部品の反り解析方法。
- 基板の反りを解析する基板の反り解析システムであって、
前記基板及び前記基板に実装する各種部品を含む電子部品の少なくとも形状と弾性定数を含むモデルデータに基づいた基板の反り算出において、
前記電子部品に対する温度と時間の関係を表した温度プロファイルを所定時間で分割する分割手段と、
前記各分割時間に対応する緩和弾性率を、前記電子部品に関する硬化後の緩和弾性率と緩和時間との関係を基準温度について示すマスターカーブマスターカーブ上の、前記各分割時間を当該分割時間における温度と前記基準温度との差を前記温度と時間の換算則に基づいて換算した時間だけ時間軸上でシフトした位置から取得する取得手段と、
前記各分割時間における硬化度を前記シフト後の時間と硬化時間とに基づき算出する硬化度算出手段と、
前記各分割時間において、前記硬化度が1の場合は前記取得した緩和弾性率に基づいて前記電子部品の反りと応力を算出し、前記硬化度が1未満の場合は前記取得した緩和弾性率と前記硬化度と前記電子部品の弾性定数に基づいて硬化度を考慮した緩和弾性率を算出し当該硬化度を考慮した緩和弾性率に基づいて、前記電子部品の反りと応力を算出する解析手段とを含み、
前記マスターカーブは、温度と時間の換算則に基づいて合成される
ことを特徴とする基板の反り解析システム。 - 前記電子部品に関するマスターカーブは、前記電子部品をコーティングしている樹脂について緩和弾性率と時間の関係を表した曲線であることを特徴とする請求項17に記載の基板の反り解析システム。
- 前記電子部品に関する硬化度は、前記電子部品をコーティングしている樹脂について前記シフト後における当該時点での硬化度であることを特徴とする請求項17又は請求項18に記載の基板の反り解析システム。
- 前記取得手段、前記硬化度算出手段及び前記解析手段は、
当該処理を前記温度プロファイルの時間分割の数だけ繰り返すことを特徴とする請求項17から請求項19のいずれか1項に記載の基板の反り解析システム。 - 前記分割手段と、
前記分割単位の分割番号を示すパラメータを初期化する初期化手段と、
前記分割番号を示すパラメータを昇順又は降順によって変更する分割番号変更手段と、
変更された前記分割番号が総分割数を越えたか否かを判断する判断手段とを有し、
総分割数を越えた場合は演算を終了し、越えていない場合は前記取得手段によって当該分割時間に対応する前記電子部品の緩和弾性率を取得し、
前記硬化度算出手段によって硬化度を算出し、
前記解析手段によって、算出した前記硬化度の値に応じ、前記分割単位に対応する緩和弾性率に基づいて、前記電子部品の反りと応力を解析し、
前記温度プロファイルを所定時間で分割して分割単位毎に前記処理を行うことを特徴とする請求項17から請求項19のいずれか1項に記載の基板の反り解析システム。 - 前記分割手段は、前記温度プロファイルの時間軸細分方法として、等分割、または温度変化が急な部分を細分化することを特徴とする請求項21に記載の基板の反り解析システム。
- 前記初期化手段は、前記分割番号を示す前記パラメータを初期化するために前記パラメータにゼロの値を与えることを特徴とする請求項21又は請求項22に記載の基板の反り解析システム。
- 前記分割番号変更手段は、前記分割番号を、1または1以上を加算させることを特徴とする請求項21から請求項23のいずれか1項に記載の基板の反り解析システム。
- 電子部品の反りを解析する電子部品の反り解析システムであって、
各種部品を含む電子部品の少なくとも形状と弾性定数を含むモデルデータに基づいた電子部品の反り算出において、
前記電子部品に対する温度と時間の関係を表した温度プロファイルを所定時間で分割する分割手段と、
前記各分割時間に対応する緩和弾性率を、前記電子部品に関する硬化後の緩和弾性率と緩和時間との関係を基準温度について示すマスターカーブマスターカーブ上の、前記各分割時間を当該分割時間における温度と前記基準温度との差を前記温度と時間の換算則に基づいて換算した時間だけ時間軸上でシフトした位置から取得する取得手段と、
前記各分割時間における硬化度を前記シフト後の時間と硬化時間とに基づき算出する硬化度算出手段と、
前記各分割時間において、前記硬化度が1の場合は前記取得した緩和弾性率に基づいて前記電子部品の反りと応力を算出し、前記硬化度が1未満の場合は前記取得した緩和弾性率と前記硬化度と前記電子部品の弾性定数に基づいて硬化度を考慮した緩和弾性率を算出し当該硬化度を考慮した緩和弾性率に基づいて、前記電子部品の反りと応力を算出する解析手段とを含み、
前記マスターカーブは、温度と時間の換算則に基づいて合成される
ことを特徴とする電子部品の反り解析システム。 - 前記電子部品に関するマスターカーブは、前記電子部品をコーティングしている樹脂について緩和弾性率と時間の関係を表した曲線であることを特徴とする請求項25に記載の電子部品の反り解析システム。
- 前記電子部品に関する硬化度は、前記電子部品をコーティングしている樹脂について前記シフト後における当該時点での硬化度であることを特徴とする請求項25又は請求項26に記載の電子部品の反り解析システム。
- 前記取得手段、前記硬化度算出手段及び前記解析手段は、
当該処理を前記温度プロファイルの時間分割の数だけ繰り返すことを特徴とする請求項25から請求項27のいずれか1項に記載の電子部品の反り解析システム。 - 前記分割手段と、
前記分割単位の分割番号を示すパラメータを初期化する初期化手段と、
前記分割番号を示すパラメータを昇順又は降順によって変更する分割番号変更手段と、
変更された前記分割番号が総分割数を越えたか否かを判断する判断手段とを有し、
総分割数を越えた場合は演算を終了し、越えていない場合は前記取得手段によって当該分割時間に対応する前記電子部品の緩和弾性率を取得し、
前記硬化度算出手段によって硬化度を算出し、
前記解析手段によって、算出した前記硬化度の値に応じ、前記分割単位に対応する緩和弾性率に基づいて、前記電子部品の反りと応力を解析し、
前記温度プロファイルを所定時間で分割して分割単位毎に前記処理を行うことを特徴とする請求項25から請求項28のいずれか1項に記載の電子部品の反り解析システム。 - 前記分割手段は、前記温度プロファイルの時間軸細分方法として、等分割、または温度変化が急な部分を細分化することを特徴とする請求項29に記載の電子部品の反り解析システム。
- 前記初期化手段は、前記分割番号を示す前記パラメータを初期化するために前記パラメータにゼロの値を与えることを特徴とする請求項29又は請求項30に記載の電子部品の反り解析システム。
- 前記分割番号変更手段は、前記分割番号を、1または1以上を加算させることを特徴とする請求項29から請求項31のいずれか1項に記載の電子部品の反り解析システム。
- 基板の反りを解析する基板の反り解析システム上で実現される基板の反り解析プログラムであって、
前記基板及び前記基板に実装する各種部品を含む電子部品の少なくとも形状と弾性定数を含むモデルデータに基づいた基板の反り算出において、
分割手段において、前記電子部品に対する温度と時間の関係を表した温度プロファイルを所定時間で分割する分割処理を実行させ、
取得手段において、前記各分割時間に対応する緩和弾性率を、前記電子部品に関する硬化後の緩和弾性率と緩和時間との関係を基準温度について示すマスターカーブマスターカーブ上の、前記各分割時間を当該分割時間における温度と前記基準温度との差を前記温度と時間の換算則に基づいて換算した時間だけ時間軸上でシフトした位置から取得する取得処理を実行させ、
硬化度算出手段において、前記各分割時間における硬化度を前記シフト後の時間と硬化時間とに基づき算出する硬化度算出処理を実行させ、
解析手段において、前記各分割時間において、前記硬化度が1の場合は前記取得した緩和弾性率に基づいて前記電子部品の反りと応力を算出し、前記硬化度が1未満の場合は前記取得した緩和弾性率と前記硬化度と前記電子部品の弾性定数に基づいて硬化度を考慮した緩和弾性率を算出し当該硬化度を考慮した緩和弾性率に基づいて、前記電子部品の反りと応力を算出する解析処理を実行させ、
前記マスターカーブは、温度と時間の換算則に基づいて合成される
ことを特徴とする基板の反り解析プログラム。 - 前記電子部品に関するマスターカーブは、前記電子部品をコーティングしている樹脂について緩和弾性率と時間の関係を表した曲線であることを特徴とする請求項33に記載の基板の反り解析プログラム。
- 前記電子部品に関する硬化度は、前記電子部品をコーティングしている樹脂について前記シフト後における当該時点での硬化度であることを特徴とする請求項33又は請求項34に記載の基板の反り解析プログラム。
- 前記取得処理、前記硬化度算出処理及び前記解析処理は、
当該処理を前記温度プロファイルの時間分割の数だけ繰り返すことを特徴とする請求項33から請求項35のいずれか1項に記載の基板の反り解析プログラム。 - 前記分割処理と、
初期化手段において、前記分割単位の分割番号を示すパラメータを初期化する初期化処理と、
分割番号変更手段において、前記分割番号を示すパラメータを昇順又は降順によって変更する分割番号変更処理と、
判断手段において、変更された前記分割番号が総分割数を越えたか否かを判断する判断処理とを有し、
総分割数を越えた場合は演算を終了し、越えていない場合は前記取得処理において当該分割時間に対応する前記電子部品の緩和弾性率を取得し、
前記硬化度算出処理において硬化度を算出し、
前記解析手段において、算出した前記硬化度の値に応じ、前記分割単位に対応する緩和弾性率に基づいて、前記電子部品の反りと応力を解析し、
前記温度プロファイルを所定時間で分割して分割単位毎に前記処理を行うことを特徴とする請求項33から請求項36のいずれか1項に記載の基板の反り解析プログラム。 - 前記分割処理は、前記温度プロファイルの時間軸細分方法として、等分割、または温度変化が急な部分を細分化することを特徴とする請求項37に記載の基板の反り解析プログラム。
- 前記初期化処理は、前記分割番号を示す前記パラメータを初期化するために前記パラメータにゼロの値を与えることを特徴とする請求項37又は請求項38に記載の基板の反り解析プログラム。
- 前記分割番号変更処理は、前記分割番号を、1または1以上を加算させることを特徴とする請求項37から請求項39のいずれか1項に記載の基板の反り解析プログラム。
- 電子部品の反りを解析する電子部品の反り解析システム上で実現される電子部品の反り解析プログラムであって、
前記電子部品の少なくとも形状と弾性定数を含むモデルデータに基づいた基板の反り算出において、
分割手段において、前記電子部品に対する温度と時間の関係を表した温度プロファイルを所定時間で分割する分割処理を実行させ、
取得手段において、前記各分割時間に対応する緩和弾性率を、前記電子部品に関する硬化後の緩和弾性率と緩和時間との関係を基準温度について示すマスターカーブマスターカーブ上の、前記各分割時間を当該分割時間における温度と前記基準温度との差を前記温度と時間の換算則に基づいて換算した時間だけ時間軸上でシフトした位置から取得する取得処理を実行させ、
硬化度算出手段において、前記各分割時間における硬化度を前記シフト後の時間と硬化時間とに基づき算出する硬化度算出処理を実行させ、
解析手段において、前記各分割時間において、前記硬化度が1の場合は前記取得した緩和弾性率に基づいて前記電子部品の反りと応力を算出し、前記硬化度が1未満の場合は前記取得した緩和弾性率と前記硬化度と前記電子部品の弾性定数に基づいて硬化度を考慮した緩和弾性率を算出し当該硬化度を考慮した緩和弾性率に基づいて、前記電子部品の反りと応力を算出する解析処理を実行させ、
前記マスターカーブは、温度と時間の換算則に基づいて合成される
ことを特徴とする電子部品の反り解析プログラム。 - 前記電子部品に関するマスターカーブは、前記電子部品をコーティングしている樹脂について緩和弾性率と時間の関係を表した曲線であることを特徴とする請求項41に記載の電子部品の反り解析プログラム。
- 前記電子部品に関する硬化度は、前記電子部品をコーティングしている樹脂について前記シフト後における当該時点での硬化度であることを特徴とする請求項41又は請求項42に記載の電子部品の反り解析プログラム。
- 前記取得処理、前記硬化度算出処理及び前記解析処理は、
当該処理を前記温度プロファイルの時間分割の数だけ繰り返すことを特徴とする請求項41から請求項43のいずれか1項に記載の電子部品の反り解析プログラム。 - 前記分割処理と、
初期化手段において、前記分割単位の分割番号を示すパラメータを初期化する初期化処理と、
分割番号変更手段において、前記分割番号を示すパラメータを昇順又は降順によって変更する分割番号変更処理と、
判断手段において、変更された前記分割番号が総分割数を越えたか否かを判断する判断処理とを有し、
総分割数を越えた場合は演算を終了し、越えていない場合は前記取得処理において当該分割時間に対応する前記電子部品の緩和弾性率を取得し、
前記硬化度算出処理において硬化度を算出し、
前記解析手段において、算出した前記硬化度の値に応じ、前記分割単位に対応する緩和弾性率に基づいて、前記電子部品の反りと応力を解析し、
前記温度プロファイルを所定時間で分割して分割単位毎に前記処理を行うことを特徴とする請求項41から請求項44のいずれか1項に記載の電子部品の反り解析プログラム。 - 前記分割処理は、前記温度プロファイルの時間軸細分方法として、等分割、または温度変化が急な部分を細分化することを特徴とする請求項45に記載の電子部品の反り解析プログラム。
- 前記初期化処理は、前記分割番号を示す前記パラメータを初期化するために前記パラメータにゼロの値を与えることを特徴とする請求項45又は請求項46に記載の電子部品の反り解析プログラム。
- 前記分割番号変更処理は、前記分割番号を、1または1以上を加算させることを特徴とする請求項45から請求項47のいずれか1項に記載の電子部品の反り解析プログラム。
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