(57)【要約】【課題】  ランドとメタルマスクの設計にかかるコストの削減、設計期間の短縮、接合部の寿命に余裕を持たせた設計を行うことができるランドとメタルマスクの設計方法を提供すること。【解決手段】  弾塑性クリープ解析用のモデルを作成し、弾塑性クリープ解析によりモデルのひずみ量を求め、ひずみ量に基づいてモデルの熱疲労寿命を推定し、所定の仕様を満たすようにモデルの接合部の最適形状、さらに接合部の最適形状に基づいて接合材の必要量を求め、求めた接合部の最適形状及び接合材の必要量に基づいてランド及びメタルマスク開口部の形状を設計する。【選択図】  図８
2006073773.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品が実装される基板のランド、及び該ランドに接合材を印刷するためのメタルマ
スクの設計方法であって、
電子部品、基板、及び接合材を含む部品実装基板の弾塑性クリープ解析用のモデルを作
成する工程と、
該作成されたモデルの弾塑性クリープ解析を行い、前記モデルの接合部に発生するひず
み量を算出する工程と、
該算出されたモデルの接合部に発生するひずみ量を、熱疲労寿命とひずみ量との関係を
示す寿命評価線に当てはめて、モデルの熱疲労寿命を推定する工程と、
所定の寿命を満たすようにモデルの接合部の最適形状を求める工程と、
該求められた接合部の最適形状に基づいて接合材の必要量を求める工程と、
前記接合部の最適形状及び前記接合材の必要量に基づいてランド及びメタルマスク開口
部の形状を求める工程と、
該求められた形状のランド及びメタルマスクの組み合わせで基板を作製し、電子部品を
実際に搭載して接合部の形状を確認する工程と含んでいることを特徴とするランドとメタ
ルマスクの設計方法。
【請求項２】
前記接合材の必要量を求める工程では、接合部の寿命に影響を与える要因を考慮して、
想定される最悪条件でも前記所定の寿命を満たすことのできる接合材の量を求めることを
特徴とする請求項１記載のランドとメタルマスクの設計方法。
【請求項３】
前記寿命評価線には、完全破断ではなく、所定量の破断が接合部に発生する場合の熱疲
労寿命とひずみ量との関係を示す曲線を用いることを特徴とする請求項１又は請求項２記
載のランドとメタルマスクの設計方法。
【請求項４】
電子部品が実装される基板のランド、及び該ランドに接合材を印刷するためのメタルマ
スクの設計システムであって、
電子部品、基板、及び接合材を含む部品実装基板の弾塑性クリープ解析用のモデルを作
成するモデル作成手段と、
該作成されたモデルの弾塑性クリープ解析を行い、前記モデルの接合部に発生するひず
み量を算出するモデル解析手段と、
熱疲労寿命とひずみ量との関係を示す寿命評価データが記憶される寿命評価データ記憶
手段と、
前記算出されたモデルの接合部に発生するひずみ量を、前記寿命評価データ記憶手段か
ら読み出した寿命評価データに当てはめて、モデルの熱疲労寿命を推定する寿命推定手段
と、
所定の寿命を満たすようにモデルの接合部の最適形状を求める最適形状解析手段と、
該解析された接合部の最適形状に基づいて接合材の必要量を求める必要量算出手段と、
前記接合部の最適形状及び前記接合材の必要量に基づいてランド及びメタルマスク開口
部の形状を求めるランド・メタルマスク設計手段とを備えていることを特徴とするランド
とメタルマスクの設計システム。
【請求項５】
前記必要量算出手段が、接合部の寿命に影響を与える要因を考慮して、想定される最悪
条件でも前記所定の寿命を満たすことのできる接合材の量を求めるものであることを特徴
とする請求項４記載のランドとメタルマスクの設計システム。
【請求項６】
前記寿命評価データが、完全破断ではなく、所定量の破断が接合部に発生する場合の熱
疲労寿命とひずみ量との関係を示すデータであることを特徴とする請求項４又は請求項５
記載のランドとメタルマスクの設計システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はランドとメタルマスクの設計方法及びそのシステムに関し、より詳細には電子
部品が実装される基板のランドと該ランドに接合材を印刷するためのメタルマスクの設計
方法及びそのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＳＭＤ（Surface Mount Device）部品、例えば、抵抗やコンデンサなどのチ
ップ部品、ＳＯＰ、ＱＦＰなどの半導体パッケージなどをプリント配線基板に取り付ける
場合、該プリント配線基板にＳＭＤ部品を取り付けるためのランドの形状や該ランドに半
田ペーストなどの接合材を印刷（塗布とも言う）するためのメタルマスク（マスクとも呼
ぶ）の開口部の最適化設計が行われていた。
【０００３】
図１３は、従来の電子部品が実装される基板のランドと、該ランドに半田ペーストを印
刷するためのメタルマスクの設計方法を示した工程図である。
まず、工程１では、採用される電子部品の形状や該部品の電極の形状、及び類似部品の
過去の設計データを参考にして、基板のランドの形状（形や寸法）を使用者（設計者）が
複数パターン設計し、工程２では、設計された各ランドの形状に対応するメタルマスクの
開口部の形状を、設計者が経験や勘に基づいて、それぞれ数パターンずつ設計する。
【０００４】
工程３では、設計された各パターンのランドが形成されたテスト用の基板、及び各ラン
ドの形状に対応するメタルマスクの開口部が形成されたテスト用のメタルマスクをそれぞ
れ必要数作製し、工程４では、該作製したメタルマスクを用いて、対応するテスト用の基
板に半田ペーストを印刷し、その後、工程５では、半田ペーストが印刷された各テスト用
の基板に電子部品をそれぞれ実装（半田付け）して、複数の評価用の部品実装基板（評価
用基板）を作製する。
【０００５】
工程６では、作製した各評価用基板を用いて、要求される仕様に相当する温度サイクル
試験を行い、工程７では、温度サイクル試験の実施後、使用者が各評価基板の半田接合部
の断面観察を行い、工程８では、使用者が所定の仕様（例えば、３０００サイクルで半田
接合部のクラック率が５０％以下）を満たしているか否かをそれぞれ判別する。
【０００６】
所定の仕様を満たしている評価基板がなければ、工程１に戻り作業を繰り返す一方、所
定の仕様を満たしている評価基板があれば、該仕様を満たしている評価基板のランドとメ
タルマスクとの組み合わせを、採用する電子部品に対するランド及びメタルマスクとして
決定し登録する（工程９）。なお、所定の仕様を満たしているものが複数ある場合は、実
装密度や印刷性等を考慮して、使用者がより適切と考えたものが選択されるようになって
いる。
【０００７】
しかしながら、このような従来の設計方法では、テスト用の基板やメタルマスクをそれ
ぞれ複数パターン作製し、これらを用いて電子部品が実装された複数の評価基板を作製し
、それぞれ温度サイクル試験（寿命試験）を実施して、所定の仕様を満足するランドとメ
タルとの組み合わせを決定するようになっているので、少なくとも６か月の評価期間が必
要であり、また、所定の仕様を満たすランドとメタルマスクとの組み合わせがなければ、
再度、ランド及びメタルマスクの設計から温度サイクル試験までを繰り返さなければなら
ないため、膨大な時間がかかってしまうという問題があり、またテスト用の基板やメタル
マスクを多数作製しなければならないためコストが高くつくという問題があった。
【０００８】
また、従来の設計方法では、温度サイクル試験の結果から所定の仕様（規格された寿命
）を満たすランドとメタルマスクとの組み合わせを選択する方法となっているので、例え
ば、工程内で発生する接合材の印刷量のばらつき、熱以外の基板のそり、振動、或は部品
の発熱など、接合部の寿命に影響を与える要因がさらに加わった場合に前記所定の仕様を
満たすかどうかまでは把握することができず、すなわち、接合部の寿命に対する設計の余
裕度を把握することができないため、製品の信頼性を保証する上で問題が残っていた。
【０００９】
また、下記の特許文献１には、電子部品の電極の形状に基づいて半田の形状に近似する
図形の基準体積Ｖを算出し、該基準体積Ｖに、予め設定した適正化係数ｋを積算して半田
量を算出し、算出された半田量からメタルマスクの開口部面積を計算で求めることが記載
されているが、メタルマスクの開口部面積の算出には、接合部の寿命に対する設計の余裕
度は考慮されておらず、最悪条件でも接合部の寿命が保証されるような設計はなされてお
らず、上記同様、製品の信頼性を保証する上で問題が残っていた。                    
【特許文献１】特許第３２８９４９１号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段及びその効果】
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、ランドとメタルマスクの設計にかかる
コストを大幅に削減することができ、ランドとメタルマスクの設計期間を短縮することが
でき、また、接合部の寿命に影響を及ぼす複数の要因が加わった場合を想定して、接合部
の寿命に余裕を持たせた設計を行うことができ、また、接合部の破断状態のばらつきを想
定して寿命に余裕を持たせた設計を行うことができるランドとメタルマスクの設計方法及
びそのシステムを提供することを目的としている。
【００１１】
上記目的を達成するために本発明に係るランドとメタルマスクの設計方法（１）は、電
子部品が実装される基板のランド、及び該ランドに接合材を印刷するためのメタルマスク
の設計方法であって、電子部品、基板、及び接合材を含む部品実装基板の弾塑性クリープ
解析用のモデルを作成する工程と、該作成されたモデルの弾塑性クリープ解析を行い、前
記モデルの接合部に発生するひずみ量を算出する工程と、該算出されたモデルの接合部に
発生するひずみ量を、熱疲労寿命とひずみ量との関係を示す寿命評価線に当てはめて、モ
デルの熱疲労寿命を推定する工程と、所定の寿命を満たすようにモデルの接合部の最適形
状を求める工程と、該求められた接合部の最適形状に基づいて接合材の必要量を求める工
程と、前記接合部の最適形状及び前記接合材の必要量に基づいてランド及びメタルマスク
開口部の形状を求める工程と、該求められたランド及びメタルマスクの組み合わせで基板
を作製し、電子部品を実際に搭載して接合部の形状を確認する工程と含んでいることを特
徴としている。
【００１２】
上記ランドとメタルマスクの設計方法（１）によれば、弾塑性クリープ解析用のモデル
を作成し、弾塑性クリープ解析によりモデルのひずみ量を求め、該ひずみ量に基づいてモ
デルの熱疲労寿命を推定し、所定の仕様を満たすようにモデルの接合部の最適形状、さら
に該接合部の最適形状に基づいて接合材の必要量を求め、前記接合部の最適形状及び接合
材の必要量に基づいてランド及びメタルマスク開口部の形状を設計するので、ランドとメ
タルマスクの設計段階で、複数のテスト基板やメタルマスクを実際に作製する工程が必要
なくなり、設計後の接合部の形状確認のためにテスト基板を作製するだけでよく、またメ
タルマスクは、設計した形状のランドに対応したものだけを作製すればよいので、ランド
とメタルマスクの設計にかかるコストを大幅に削減することができる。
【００１３】
また、設計段階で部品実装基板の接合部の熱疲労寿命を推定することができ、また、設
計後（温度サイクル試験を行う前）の部品実装基板の接合部を観察することで、ランドと
メタルマスクの組み合わせの可否を決定することができるので、設計のため（組み合わせ
選択のため）の温度サイクル試験を行わずにすみ、すなわち試作レスとなり、ランドとメ
タルマスクの設計に要する期間を大幅に短縮することができる。
【００１４】
また本発明に係るランドとメタルマスクの設計方法（２）は、上記ランドとメタルマス
クの設計方法（１）において、前記接合材の必要量を求める工程では、接合部の寿命に影
響を与える要因を考慮して、想定される最悪条件でも前記所定の寿命を満たすことのでき
る接合材の量を求めることを特徴としている。
【００１５】
上記ランドとメタルマスクの設計方法（２）によれば、前記接合材の必要量を求める工
程では、接合部の寿命に影響を与える要因を考慮して、想定される最悪条件でも前記所定
の寿命を満たすことのできる接合材の量を求めるようになっているので、実際の工程内で
発生する接合材の印刷量等のばらつきや、基板の歪み（そりやたわみなど）、振動、或は
電子部品の発熱など、接合部の寿命に影響を与える要因が加わった場合でも、前記所定の
寿命を保証することができ、前記接合部の寿命に余裕を持たせた設計を行うことができる
。
【００１６】
また本発明に係るランドとメタルマスクの設計方法（３）は、上記ランドとメタルマス
クの設計方法（１）又は（２）において、前記寿命評価線には、完全破断ではなく、所定
量の破断が接合部に発生する場合の熱疲労寿命とひずみ量との関係を示す曲線を用いるこ
とを特徴としている。
【００１７】
上記ランドとメタルマスクの設計方法（３）によれば、前記接合部の破断状態（クラッ
クの発生率）は、観察する断面位置等によりばらつきが生じるため、このばらつきが予め
考慮された寿命評価線（設計保証線）を用いることで、観察した接合部の破断状態にばら
つきがあったとしても前記所定の寿命を保証することができ、寿命に余裕を持たせた設計
を行うことができる。また、完全破断時の寿命よりも判定条件を厳しくすることで、少な
い試験サンプルで確認した場合の評価の精度を高めることができる。
【００１８】
また本発明に係るランドとメタルマスクの設計システム（１）は、電子部品が実装され
る基板のランド、及び該ランドに接合材を印刷するためのメタルマスクの設計システムで
あって、電子部品、基板、及び接合材を含む部品実装基板の弾塑性クリープ解析用のモデ
ルを作成するモデル作成手段と、該作成されたモデルの弾塑性クリープ解析を行い、前記
モデルの接合部に発生するひずみ量を算出するモデル解析手段と、熱疲労寿命とひずみ量
との関係を示す寿命評価データが記憶される寿命評価データ記憶手段と、前記算出された
モデルの接合部に発生するひずみ量を、前記寿命評価データ記憶手段から読み出した寿命
評価データに当てはめて、モデルの熱疲労寿命を推定する寿命推定手段と、所定の寿命を
満たすようにモデルの接合部の最適形状を求める最適形状解析手段と、該解析された接合
部の最適形状に基づいて接合材の必要量を求める必要量算出手段と、前記接合部の最適形
状及び前記接合材の必要量に基づいてランド及びメタルマスク開口部の形状を求めるラン
ド・メタルマスク設計手段とを備えていることを特徴としている。
【００１９】
上記ランドとメタルマスクの設計システム（１）によれば、前記ランドとメタルマスク
の設計段階で、複数のテスト基板やメタルマスクを実際に作製する工程が必要なくなり、
設計後の接合部の形状確認のためにテスト基板を作製するだけでよく、またメタルマスク
は、設計した形状のランドに対応したものだけを作製すればよいので、ランドとメタルマ
スクの設計にかかるコストを大幅に削減することができる。
【００２０】
また、設計段階で部品実装基板の接合部の熱疲労寿命を推定することができ、また、設
計後（温度サイクル試験を行う前）の部品実装基板の接合部を観察することで、ランドと
メタルマスクの組み合わせの可否を決定することができるので、設計のため（組み合わせ
選択のため）の温度サイクル試験を行わずにすみ、すなわち試作レスとなり、ランドとメ
タルマスクの設計に要する期間を大幅に短縮することができるとともに、システム化によ
り設計効率を高めることができる。
【００２１】
また本発明に係るランドとメタルマスクの設計システム（２）は、上記ランドとメタル
マスクの設計システム（１）において、前記必要量算出手段が、接合部の寿命に影響を与
える要因を考慮して、想定される最悪条件でも前記所定の寿命を満たすことのできる接合
材の量を求めるものであることを特徴としている。
【００２２】
上記ランドとメタルマスクの設計システム（２）によれば、前記必要量算出手段により
、接合部の寿命に影響を与える要因を考慮して、想定される最悪条件でも前記所定の寿命
を満たすことのできる接合材の量を求めるようになっているので、実際の工程内で発生す
る接合材の印刷量等のばらつきや、基板の歪み（そりやたわみなど）、振動、或は電子部
品の発熱など、接合部の寿命に影響を与える要因が加わった場合でも、前記所定の寿命を
保証することができ、前記接合部の寿命に余裕を持たせた設計を行うことができる。
【００２３】
また本発明に係るランドとメタルマスクの設計システム（３）は、上記ランドとメタル
マスクの設計システム（１）又は（２）において、前記寿命評価データが、完全破断では
なく、所定量の破断が接合部に発生する場合の熱疲労寿命とひずみ量との関係を示すデー
タであることを特徴としている。
【００２４】
上記ランドとメタルマスクの設計システム（３）によれば、前記接合部の破断状態（ク
ラックの発生率）は、観察する断面位置等によりばらつきが生じるため、このばらつきが
予め考慮された寿命評価線（設計保証線）を用いることで、観察した接合部の破断状態に
ばらつきがあったとしても前記所定の寿命を保証することができ、寿命に余裕を持たせた
設計を行うことができる。また、完全破断時の寿命よりも判定条件を厳しくすることで、
少ない試験サンプルで確認した場合の評価の精度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明に係るランドとメタルマスクの設計方法及びそのシステムの実施の形態を
図面に基づいて説明する。図１は、実施の形態（１）に係るランドとメタルマスクの設計
システムの要部を概略的に示したブロック図である。
【００２６】
図中１１は、設計システムを示しており、設計システム１１は、キーボードやマウスな
どを含んで構成される入力部１２と、設計状況などを表示する表示ディスプレイから構成
される表示部１３と、演算部１４と、各種情報を記憶する記憶部１８とを含んで構成され
ている。
【００２７】
演算部１４は、所定のプログラム（モデル作成プログラム、弾塑性クリープ解析プログ
ラム、接合部の最適形状を求める解析プログラムなど）を格納したＲＯＭ１５、ＲＯＭ１
５から読み出したプログラムにしたがって各種の演算処理を行うＣＰＵ１６、各種データ
を一時記憶するＲＡＭ１７とを含んで構成されている。
【００２８】
モデル作成プログラムを起動させると、使用者はキーボードやマウスなどの入力部１２
を使って、電子部品の形状（形や寸法）、該部品の電極の形状（形や寸法）、仮に設定さ
れるランド（暫定ランド）の形状（形や寸法）などのデータ入力や、部品実装基板の接合
部のモデル（例えば、２次元の断面モデルや３次元の３Ｄモデルなど）を作成するための
データ、例えば、チップ部品をモデルにした場合、図２に示したように、チップ高さ、フ
ィレット高さ、フィレット長さ、フィレットＲ、接触長さ、部品下高さ、ランド長さなど
のモデル作成データの入力を行い、複数のモデルを作成することができるようになってい
る。なお、リード部品（例えばＱＦＰ）をモデルにする場合は、図３に示したように、内
側フィレット高さ、内側フィレットＲ、内側フィレット長さ、外側フィレット長さ、部品
下高さ、ランド長さなどのモデル作成データの入力を行うことができるようになっている
。
【００２９】
そして、弾塑性クリープ解析プログラムを起動させると、使用者はキーボードやマウス
などの入力部１２を使って、部品実装基板を構成する電子部品（電極も含む）、基板（ラ
ンドも含む）、及び接合材の各物性値（ヤング率、ポアソン比、線膨張係数など）などの
解析に必要なデータの入力を行うことができるようになっている。そして、使用者からの
弾塑性クリープ解析の指示を受け付けると、入力条件に基づいて、作成されたモデルの弾
塑性クリープ解析を実行し、作成されたモデルのひずみ振幅値Δεを算出するようになっ
ており、さらに、算出されたひずみ振幅値Δεを、後述する寿命を推定するための平均寿
命線に当てはめて、モデルの寿命を求めるようになっている。
【００３０】
そして、接合部の最適形状を求める解析プログラムを起動させると、使用者はキーボー
ドやマウスなどの入力部１２を使って、モデルの寿命に影響を及ぼすと考えられるパラメ
ータ（因子）、すなわち、設計条件の設定と、その水準（設計条件の値）の入力を行うこ
とができるようになっている。例えば、チップ部品の場合、図４に示したようにパラメー
タには、フィレット高さ、フィレット長さ、部品下高さ、ランド長さなどを設定すること
ができ、各パラメータの水準は、例えば２水準や３水準となるように適切な条件値の入力
が行えるようになっている。
【００３１】
パラメータとその水準の入力が完了すると、設定されたパラメータを所定の直交表（Ｌ
18、Ｌ9など）に割り付けて、直交表の各組み合わせ条件毎に弾塑性クリープ解析を実行して、各組み合わせ条件でのひずみ振幅値Δεを算出し、これらの解析データに基づいて
、ＳＮ比（および感度）を求めて、図５に示したようなひずみ振幅値Δεに影響を与える
要因効果図（ＳＮ比）を作成し、パラメータの最適条件（例えば、図５の結果からは、フ
ィレット高さ１、フィレット長さ１、部品下高さ３、ランド長さ２）を求めるようになっ
ている。そして、求められたパラメータの最適条件から接合部の最適形状（２次元モデル
の場合、断面積）を算出し、また、接合時に前記最適形状（断面積）となるための接合材
の必要量（接合材の体積）を次式に基づいて算出するようになっている。
「接合材の必要量＝接合部の最適形状（断面積）×接合部の奥行き×接合材の比重」
そして、算出された接合部の最適形状及び接合材の必要量に基づいて、ランドの形状と
、メタルマスクの開口形状（面積）が求められるようになっている。
【００３２】
記憶部１８には、入力部１２を介して入力された電子部品や電極の形状、暫定ランドの
形状などのデータや、部品実装基板の接合部のモデルを作成するための各部の寸法データ
、物性値などを記憶する入力データ記憶部１８ａと、演算部１４によって演算される弾塑
性クリープ解析に関するデータを記憶する解析データ記憶部１８ｂと、図６に示したよう
な、予めデータ化された熱疲労寿命Ｎｆとひずみ振幅値Δεとの関係を示す寿命評価デー
タを記憶する寿命評価データ記憶部１８ｃと、演算部１４によって求められた接合部の最
適形状、接合材の必要量、ランド形状、メタルマスク開口形状などに関する設計データを
記憶する設計データ記憶部１８ｄとを含んで構成されている。
【００３３】
なお、図６に示した平均寿命線は、各種のＳＭＤ部品について、温度サイクル試験を行
って求めた、平均的に破壊（完全破断）するサイクル数Ｎｆと、弾塑性クリープ解析から
求めたひずみ振幅値Δεとを両対数グラフにプロットして求めた近似線（Ｎｆ＝ｃ・Δε
-n）であり、はんだ接合部の熱疲労寿命評価則として一般に知られているＣｏｆｆｉｎ−Ｍａｎｓｏｎ則の寿命式で表すことができるようになっている。なお、リード部品等、他
の形状の電子部品についても同様に実機の寿命と、解析されたひずみ振幅値Δεとから平
均寿命線が求められるようになっている。
【００３４】
次に実施の形態（１）に係る設計システム１１における演算部１４で行われる処理動作
を図７、図８に示したフローチャートに基づいて説明する。なお、本処理動作は、モデル
作成プログラムが起動された場合に行われる動作である。
【００３５】
まず、ステップＳ１では、モデル作成プログラムを起動させて、電子部品の形状（形や
寸法）、該部品の電極の寸法、及び暫定ランドの寸法などの部品情報や、部品実装基板の
接合部のモデル（この場合、２次元の断面モデル）を作成するためのデータ、例えば、図
２に示したような、チップ高さ、フィレット高さなどのデータを入力して、弾塑性クリー
プ解析用のモデルを作成するための画面を表示し、その後ステップＳ２では、使用者（設
計者）によるモデルの作成の完了を待つ。
【００３６】
使用者によるモデルの作成が完了したと判断すればステップＳ３に進み、ステップＳ３
では、弾塑性クリープ解析プログラムを起動させて、弾塑性クリープ解析を行うために必
要な部品実装基板を構成する各部材の物性値（ヤング率、ポアソン比、線膨張係数）や材
質のデータを入力するための画面を表示し、その後ステップＳ４では、使用者による物性
値データ等の入力の完了を待つ。
【００３７】
使用者による物性値データ等の入力が完了したと判断すればステップＳ５に進み、ステ
ップＳ５では、作成された部品実装基板のモデルや各構成部品の物性値データ等に基づい
て、汎用の有限要素法による弾塑性クリープ解析を行い、接合部に発生するひずみ振幅値
Δεをモデル毎に算出して、ステップＳ６に進む。
【００３８】
ステップＳ６では、ＳＭＤ部品について予め求められている平均寿命線（図６参照）を
読み出して、弾塑性クリープ解析により求めた各モデルのひずみ振幅値Δεをそれぞれ当
てはめて、各モデルの熱疲労寿命（温度サイクル数）を求めて、ステップＳ７に進む。
【００３９】
ステップＳ７では、接合材の最適形状を求める解析プログラムを起動させて、モデルの
接合部の寿命に影響を及ぼすと考えられるパラメータ（寿命影響因子）とその水準とを入
力するための画面を表示し、その後、ステップＳ８で、使用者によるパラメータとその水
準との入力の完了を待つ。
【００４０】
使用者によるパラメータとその水準との入力が完了したと判断すれば、次に図８に示し
たステップＳ９に進み、ステップＳ９では、入力されたパラメータとその水準とを所定の
直交表（Ｌ18、Ｌ9など）に割り付けて、各組み合わせ条件（Ｌ18なら１８通り、Ｌ9なら９通り）で弾塑性クリープ解析を行い、各組み合わせ条件のひずみ振幅値Δεを算出して、ステップＳ１０に進む。
【００４１】
ステップＳ１０では、算出された各組み合わせ条件のひずみ振幅値Δεを使用して、パ
ラメータの各水準に対応するＳＮ比（及び感度）を算出し、図５に示した要因効果図（Ｓ
Ｎ比）を作成して、ＳＮ比がもっとも大きくなる最適条件（各パラメータの水準の最適な
組み合わせ条件）を求めて、その後ステップＳ１１に進む。
【００４２】
ステップＳ１１では、求めた最適条件に基づいて、接合部の最適形状（断面積）を求め
、次のステップＳ１２では、接合部の最適形状（断面積）を用いて、接合材の必要量（接
合材の体積）を求める。すなわち、「接合部の最適形状（断面積）×接合部の奥行き×接
合材の比重」の計算を行い、接合材の必要量を求めて、ステップＳ１３に進む。
【００４３】
ステップＳ１３では、求めた接合部の最適形状（断面積）及び接合材の必要量（体積）
に基づいて、ランドの形状（形と寸法）とメタルマスク開口部の面積とを求めて、ステッ
プＳ１４に進む。なお、ランドの形状は、要因効果図より最適なものが選定されるように
なっており、また、メタルマスク開口部の面積は、「接合材の必要量（体積）／使用する
メタルマスクの厚さ」から求めることができるようになっている。
【００４４】
ステップＳ１４では、メタルマスクの開口部の設計画面を表示し、その後ステップＳ１
５では、使用者による、最適寸法のランドに対して、前記求めたメタルマスク開口部の面
積を満たすメタルマスク開口部の形状設計の完了を待つ。
【００４５】
使用者によるメタルマスク開口部の形状設計が完了したと判断すれば、次のステップＳ
１６に進む。ステップＳ１６では、接合部の最適形状、接合材の必要量、ランド寸法、及
びメタルマスクの開口形状の設計データを設計データ記憶部１８ｄに記憶する。
【００４６】
その後、使用者は、設計されたランド形状とメタルマスク開口形状のデータに基づいて
、設計寸法のランドが形成されたテスト基板と、設計された面積が同一で形状が異なる数
パターンの開口形状のメタルマスクとを作製し、これらメタルマスクを用いて前記テスト
基板に半田ペーストを印刷し、電子部品を実装した部品実装基板を作製する。
【００４７】
そして、実装後の部品実装基板の断面観察を行い、接合部の形状が、モデルから想定さ
れたフィレット形状となっているか否かを確認し、使用者が設計の合否を判定し、接合部
の形状が想定された形状であれば、採用するランド及びメタルマスクとして決定し、想定
された形状と異なっていれば、上記設計を繰り返す。
【００４８】
さらにこの後、寿命の確認試験、すなわち、想定されたフィレット形状が形成されてい
る部品実装基板を用いて温度サイクル試験を行い、所定サイクル後の接合部に生じるクラ
ック率が５０％以下であることを確認して、採用するランド及びメタルマスクとして決定
するようにしてもよい。
【００４９】
上記実施の形態（１）に係るランドとメタルマスクの設計システムによれば、弾塑性ク
リープ解析用のモデルを作成し、弾塑性クリープ解析によりモデルのひずみ振幅値Δεを
求め、該ひずみ振幅値Δεに基づいてモデルの熱疲労寿命（Ｎｆ）を推定し、所定の仕様
（寿命）を満たすようにモデルの接合部の最適形状、さらに該接合部の最適形状に基づい
て接合材の必要量を求め、前記接合部の最適形状及び接合材の必要量に基づいてランド及
びメタルマスク開口部の形状を設計するので、ランドとメタルマスクの設計段階で、複数
のテスト基板やメタルマスクを実際に作製する工程が必要なくなり、設計後の接合部の形
状確認のためにテスト基板を作製するだけでよく、またメタルマスクは、設計した形状の
ランドに対応したものだけを作製すればよいので、ランドとメタルマスクの設計にかかる
コストを大幅に削減することができる。
【００５０】
また、設計段階で部品実装基板の接合部の熱疲労寿命を推定することができ、また、設
計後（温度サイクル試験を行う前）の部品実装基板の接合部を観察することで、ランドと
メタルマスクの組み合わせの可否を決定することができるので、設計のため（組み合わせ
選択のため）の温度サイクル試験を行わずにすみ、すなわち試作レスとなり、ランドとメ
タルマスクの設計に要する期間を大幅に短縮することができるとともにシステム化により
設計効率を高めることができる。
【００５１】
なお、接合部に使用される接合材としては、共晶はんだに限らず、鉛フリーはんだ、導
電性接着材など、電子部品を接合することができるものを適用することができ、接合材に
適したランドとメタルマスクの設計を行うことができる。
【００５２】
次に実施の形態（２）に係るランドとメタルマスクの設計システムについて説明する。
但し、実施の形態（２）に係るランドとメタルマスクの設計システム１１Ａの構成につい
ては、演算部と、記憶部（寿命評価データ記憶部）とを除いて図１に示した設計システム
１１と同様であるため、異なる機能を有する演算部１４Ａと、記憶部１８Ａ（寿命評価デ
ータ記憶部１８ｅ）とには異なる符号を付し、その他の構成部品の説明をここでは省略す
る。
【００５３】
実施の形態（１）では、寿命評価データ記憶部１８ｃに記憶されている寿命評価データ
は、接合部が完全破断するときの平均寿命線（図６参照）を使用するようになっているが
、実施の形態（２）では、接合部で発生するクラック率のばらつきを保証するため、図９
の実線で示したように、完全破断寿命ではなく、所定の接合部劣化率（例えば、クラック
率が５０％）に達する寿命と、解析されたひずみ振幅値Δεとの関係を示した設計保証寿
命線を示すデータが記憶されるようになっており、この設計保証寿命線に基づいて、モデ
ルの熱疲労寿命が求められるようになっている。
【００５４】
また、メタルマスクを用いた半田ペーストの印刷時には、メタルマスク開口部に印刷さ
れる半田ペーストの量にばらつき（例えば、設計値の±１０％範囲内のばらつき）が生じ
ることが多く、また、接合部の寿命に悪影響を与える他の要因、すなわち、基板の歪み（
基板のそりやひずみを含む）、振動、部品の発熱などの複数の要因が寿命に影響を与える
ため、実施の形態（２）では、これらの接合部の寿命に影響を与える要因を考慮して、想
定される最悪条件でも所定の仕様（寿命）を満たすように接合材の必要量を調整して、メ
タルマスク開口形状が設計されるようになっている。
【００５５】
次に実施の形態（２）に係る設計システム１１Ａにおける演算部１４Ａで行われる処理
動作を図１０に示したフローチャートに基づいて説明する。なお、本処理動作は、図８に
示したステップＳ１０とＳ１１との間にステップＳ２１を挿入し、ステップＳ１３とＳ１
４との間にステップＳ２２〜Ｓ２９を挿入した構成となっており、以下相違点のみ説明す
ることとする。
【００５６】
ステップＳ１０において、算出された各組み合わせ条件のひずみ振幅値Δεを使用して
、パラメータの各水準に対応するＳＮ比（及び感度）を算出し、図５に示したような要因
効果図（ＳＮ比）を作成して、ＳＮ比がもっとも大きくなる最適条件（各パラメータの水
準の最適な組み合わせ条件）を求めた後ステップＳ２１に進む。
【００５７】
ステップＳ２１では、作成された要因効果図から、影響の大きいパラメータ（図５に示
した例では、部品下高さ）を選定して、該パラメータに異なる水準が設定されたモデルよ
り接合部の断面積を求め、これらモデルの接合部の断面積とモデルの熱疲労寿命（設計保
証寿命）との関係を示す近似式を求めてグラフ（図１１）を作成し、その後ステップＳ１
１に進む。
【００５８】
図１１に示した接合部の断面積と設計保証寿命との関係を示すグラフを利用することに
より、設計されたモデルの接合部の断面積から設計保証寿命を求めたり、寿命を保証する
ための接合部の断面積を求めることができるようになっている。なお、図１１では、接合
部の断面積がＭ1の場合に設計保証寿命がＮ1（Ｎ1＞３０００ｃｙｃ）になるモデルの一例を示している。                                                              
【００５９】
ステップＳ１１では、ステップＳ１０で求めた最適条件に基づいて、接合部の最適形状
（断面積）を求め、次のステップＳ１２では、接合部の最適形状（断面積）を用いて、接
合材の必要量（接合材の体積）を求めた後ステップＳ１３に進み、ステップＳ１３では、
求めた接合部の最適形状（断面積）及び接合材の必要量（体積）に基づいて、ランドの形
状（形と寸法）とメタルマスク開口部の面積とを求めて、ステップＳ２２に進む。
【００６０】
ステップＳ２２では、ステップＳ１２で求めた接合材の必要量に対して、作製工程内に
おける接合材の印刷量のばらつきを考慮した最悪条件（接合材が必要量よりも１０％少な
い条件）での寿命を、ステップＳ２１で作成した断面積と設計保証寿命との関係を示した
グラフから求め、その後ステップＳ２３に進む。例えば、図１１の例では、接合材の量が
１０％少なくなる条件は、接合部の断面積がＭ2、そのときの設計保証寿命がＮ2（Ｎ2＜３０００ｃｙｃ）となる。なお断面積は、接合部の断面積＝接合材の量／（接合部の奥行き×接合材の比重）を計算して求められる。
【００６１】
ステップＳ２３では、ステップＳ２２で求めた最悪条件での寿命が、所定の仕様（図１
１では３０００ｃｙｃの寿命）を満たしているか否かを判断し、最悪条件での寿命が所定
の寿命を満たしていると判断すればステップＳ２５に進む一方、最悪条件での寿命が所定
の寿命を満たしていない（すなわち、Ｍ2＜３０００ｃｙｃ）と判断すればステップＳ２
４に進む。
【００６２】
ステップＳ２４では、最悪条件でも前記所定の寿命（３０００＋α（ｃｙｃ））の寿命
を満たす接合部の断面積を図１１に示したグラフから求めて、ステップＳ２５に進む。な
お、＋αのサイクル数は、設計の余裕度を考慮したものであり、部品の形状等に応じた値
が設定できるようになっている。
【００６３】
ステップＳ２５では、接合部の寿命に影響を与えるその他の要因、例えば、基板の歪み
（そりやたわみ）、振動、部品の発熱などを選択入力する画面（図１２参照）を表示する
。図１２に示した表示例では、寿命影響要因と、予め設定されている寿命影響度（すなわ
ち、設計を保証するために必要な余裕度（マージン））との関係が一覧表示されており、
使用者は、寿命影響度などを参照しながら接合部の寿命影響要因を適宜選択することがで
きるようになっている。
【００６４】
次のステップＳ２６では、使用者による寿命影響要因の選択入力があったか否かを判断
し、選択入力がなかったと判断すればステップＳ１４に進む一方、選択入力があったと判
断すればステップＳ２７に進む。
【００６５】
ステップＳ２７では、使用者により選択された寿命影響要因を加味した寿命を満たすた
めの接合部の断面積を求める。例えば、基板の歪みの影響が選択された場合は、現在の仕
様（例えば３０００ｃｙｃ）からさらに寿命影響度（マージン）分加算した温度サイクル
数Ｎ3（ｃｙｃ）を満たす断面積Ｍ3を図１１のグラフから求め、ステップＳ２８に進む。
【００６６】
ステップＳ２８では、寿命影響要因を加味した寿命を満たす断面積の値から、接合材の
必要量を算出する、すなわち、「寿命影響要因を加味した場合の断面積×接合部の奥行き
×接合材の比重」の計算を行い、接合材の必要量を求めて、ステップＳ２９に進む。ステ
ップＳ２９では、求めた接合材の必要量（寿命影響因子を加味した値）からメタルマスク
開口部の面積を求めて、ステップＳ１４に進む。
【００６７】
上記実施の形態（２）に係るランドとメタルマスクの設計システム１１Ａによれば、接
合部の寿命に影響を与える要因を考慮して、想定される最悪条件（例えば、接合材の量が
ばらついた場合、熱以外のばらつき条件が加わった場合など）でも所定の仕様（寿命）を
満たすことのできる接合材の量を求めるようになっているので、実際の工程内で発生する
接合材の印刷量等のばらつきや、基板の歪み（そりやたわみなど）、振動、或は電子部品
の発熱など、接合部の寿命に影響を与える要因が加わった場合でも、前記所定の寿命を保
証することができ、前記接合部の寿命に余裕を持たせた設計を行うことができる。
【００６８】
また、接合部の破断状態（クラックの発生率）は、観察する断面位置等によりばらつき
が生じるため、このばらつきが予め考慮された寿命評価線（図９に示した設計保証寿命線
）を用いることで、観察した接合部の破断状態にばらつきがあったとしても前記所定の寿
命を保証することができ、寿命に余裕を持たせた設計を行うことができる。また、完全破
断時の寿命よりも判定条件を厳しくすることで、少ない試験サンプルで確認した場合の評
価の精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施の形態（１）に係るランドとメタルマスクの設計システムの要部を概略的に示したブロック図である。
【図２】チップ部品のモデルの形態及び入力されるデータ項目の一例を示した図である。
【図３】リード部品のモデルの形態及び入力されるデータ項目の一例を示した図である。
【図４】チップ部品のパラメータとその水準の一例を示した図である。
【図５】チップ部品のパラメータの要因効果図の一例を示した図である。
【図６】熱疲労寿命の推定に使用されるＳＭＤ部品の平均寿命線を示した図である。
【図７】実施の形態（１）に係るランドとメタルマスクの設計システムにおける演算部で行う処理動作を示したフローチャートである。
【図８】実施の形態（１）に係るランドとメタルマスクの設計システムにおける演算部で行う処理動作を示したフローチャートである。
【図９】実施の形態（２）に係るランドとメタルマスクの設計システムにおいて、熱疲労寿命の推定に使用されるＳＭＤ部品の設計保証寿命線を示した図である。
【図１０】実施の形態（２）に係るランドとメタルマスクの設計システムにおける演算部で行う処理動作を示したフローチャートである。
【図１１】熱疲労寿命（設計保証寿命）と接合部の断面積との関係を示した図である。
【図１２】寿命影響因子の選択画面の表示例を示した図である。
【図１３】従来のランドとメタルマスクの設計方法を示した工程図である。
【符号の説明】
【００７０】
１１、１１Ａ  設計システム                                                      
１２  入力部
１３  表示部
１４、１４Ａ  演算部
１５  ＲＯＭ
１６  ＣＰＵ
１８、１８Ａ  記憶部
１８ｃ、１８ｅ  寿命評価データ記憶部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2006073773.tif 000010
【図９】
2006073773.tif 000011
【図１０】
2006073773.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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