(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力部、リフロー熱解析部、判定部、部品位置又は種類変更部、及び出力部を備えた装置によってプリント配線板の設計を行うプリント配線板の設計方法であって、
ａ．はんだ接合部を有する部品を搭載したプリント配線板に関して、設計と熱解析に必要なデータを入力部から入力する工程と、
ｂ．入力された熱解析に必要なデータを用いて、前記プリント配線板をリフロー炉内で加熱したときの熱解析をリフロー熱解析部がシミュレーションにより行う工程と、
ｃ．上記熱解析の結果から、加熱時のピーク温度が予め設定した下限温度に達しない未溶融はんだ接合部と予め設定した上限温度を越える過加熱の部品との両方を求め、その少なくとも一方に該当するものが存在するかどうかを判定部が判定する工程と、
ｄ．上記判定の結果から、未溶融はんだ接合部および過加熱部品が前記下限温度と上限温度の範囲内におさまるように、未溶融はんだ接合部を有する部品の位置又は種類の変更と過加熱の部品の位置又は種類の変更とを部品位置又は種類変更部が行う工程と、
ｅ．その部品の位置又は種類の変更の結果を出力部が出力する工程と、を備え、
前記過加熱の部品の位置又は種類の変更は、前記ピーク温度と前記過加熱の部品の耐熱温度との差分が大きい順に行われるプリント配線板の設計方法。
【請求項２】
未溶融はんだ接合部を有する部品の位置又は種類の変更の工程が、プリント配線板の温度分布を参照し、温度が高いプリント配線板上の位置に対象の部品を移動する処理を自動的に繰り返し行うことからなる請求項１記載のプリント配線板の設計方法。
【請求項３】
未溶融はんだ接合部を有する部品の位置又は種類の変更の工程が、同一機能の部品を熱容量順に並べたテーブルを参照し、同一機能を持ち加熱されやすい部品に対象の部品を代替することからなる請求項１記載のプリント配線板の設計方法。
【請求項４】
過加熱の部品の位置又は種類の変更の工程が、プリント配線板の温度分布を参照し、温度が低いプリント配線板上の位置に対象の部品を移動する処理を自動的に繰り返し行うことからなる請求項１記載のプリント配線板の設計方法。
【請求項５】
過加熱の部品の位置又は種類の変更の工程が、同一機能の部品を熱容量順に並べたテーブルを参照し、同一機能を持ち加熱されにくい部品に対象の部品を代替することからなる請求項１記載のプリント配線板の設計方法。
【請求項６】
未溶融はんだ接合部を有する部品の位置又は種類の変更の工程が、未溶融はんだ接合部を有する部品については低い温度順に優先順位をつけ、この優先順位の高い部品を優先して部品の位置又は種類の変更を行う工程を含む請求項１記載のプリント配線板の設計方法。
【請求項７】
ａ．はんだ接合部を有する部品を搭載したプリント配線板に関して、設計と熱解析に必要なデータを入力する入力部と、
ｂ．入力された熱解析に必要なデータを用いて、前記プリント配線板をリフロー炉内で加熱したときの熱解析をシミュレーションにより行うリフロー熱解析部と、
ｃ．上記熱解析の結果から、加熱時のピーク温度が予め設定した下限温度に達しない未溶融はんだ接合部と予め設定した上限温度を越える過加熱の部品との両方を求め、その少なくとも一方に該当するものが存在するかどうかを判定する判定部と、
ｄ．判定部による判定の結果から、未溶融はんだ接合部および過加熱部品が前記下限温度と上限温度の範囲内におさまるように、未溶融はんだ接合部を有する部品の位置又は種類の変更と過加熱の部品の位置又は種類の変更とを行う部品位置又は種類変更部と、
ｅ．その部品の位置又は種類の変更の結果を出力する出力部と、を備え、
前記部品位置又は種類変更部は、前記ピーク温度と前記過加熱の部品の耐熱温度との差分が大きい順に、前記過加熱の部品の位置又は種類の変更を行うプリント配線板の設計装置。
【請求項８】
ａ．はんだ接合部を有する部品を搭載したプリント配線板に関して、設計と熱解析に必要なデータを入力させる手順と、
ｂ．入力された熱解析に必要なデータを用いて、前記プリント配線板をリフロー炉内で加熱したときの熱解析をシミュレーションにより行わせる手順と、
ｃ．上記熱解析の結果から、加熱時のピーク温度が予め設定した下限温度に達しない未溶融はんだ接合部と予め設定した上限温度を越える過加熱の部品との両方を求め、その少なくとも一方に該当するものが存在するかどうかを判定させる手順と、
ｄ．その判定の結果から、未溶融はんだ接合部および過加熱部品が前記下限温度と上限温度の範囲内におさまるように、未溶融はんだ接合部を有する部品の位置又は種類の変更と、前記ピーク温度と前記過加熱の部品の耐熱温度との差分が大きい順になされる、前記過加熱の部品の位置又は種類の変更と、を行わせる手順と、
ｅ．その部品の位置又は種類の変更の結果を出力させる手順と、をコンピュータに実行させるプリント配線板の設計プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、プリント配線板の設計方法及び装置に関し、さらに詳しくは、リフロー時の温度分布を考慮したプリント配線板の設計方法及び装置に関する。
背景技術
プリント配線板（プリント基板または単に基板ともいう）の設計では、動作時の計算能力や機能が重視され、電子部品（以下単に部品という）は高密度に実装されている。またプリント配線板の完成後の性能を保証するため、配線パターンによる電気信号の遅延や反射、クロストークノイズなどの伝送線路解析や、搭載部品の発熱によるプリント配線板の熱的な問題を検証する熱解析が行われ、これらの結果はプリント配線板の設計に考慮されている。
これらの内、プリント配線板の熱解析を行ってその結果を部品の配置に反映させるものとして、特開平５−２７４３９１号公報に記載されているように、個々の部品に関する発生温度条件および耐熱性条件を考慮してプリント配線板上の部品の配置を行うようにした部品配置システムや、特開平６−２９０２３４号公報に記載されているように、プリント配線板の領域ごとの発熱量を考慮しながら対話形式により部品を配置するようにした対話形配置方式や、特開平６−３０１７４６号公報に記載されているように、発熱する部品の冷却を考慮して部品の配置を行うようにした部品自動配置装置などが知られている。
しかしながら、このような従来のプリント配線板の設計方法は、いずれも、プリント配線板の回路動作時の発熱によって生ずる部品のダメージを防止するものであり、部品を基板上に搭載・実装する際の製造段階における問題は考慮されていない。
現在のプリント配線板の製造は、表面実装方式が主流であり、基板への部品の実装（はんだ付け）はリフロー炉と呼ばれる加熱炉内で行う。この際、プリント配線板上の熱容量差により、温度が上がりやすい部分と温度が上がりにくい部分が生ずる。プリント配線板上に、熱容量の大きな部品が密集して搭載されている場合、リフローはんだ付け段階において、これらの部品周辺のはんだ接合部の温度は上がりにくくなる。また、これらの接合部を十分に加熱しようとした場合、逆に熱容量の小さな小型部品の温度が上がりすぎ、熱的なダメージを受けることになる。このため、製造段階においてリフロー炉の加熱条件の調節等によって、これらの問題を解決することが試みられているが、根本的な解決には至っていない。これらのプリント配線板の製造段階における熱的な問題は、プリント配線板の製造を難しくしているだけでなく、製品の信頼性に直結する問題でもある。
さらに、最近では、環境保護の観点から、鉛フリーはんだを用いることが試みられており、信頼性の高い錫銀をベースとした鉛フリーはんだが注目されている。こめ錫銀糸のはんだは錫鉛はんだ（融点：１８３℃）に比べて、融点が約２１０℃と高くなるため、リフロー時のプリント配線板の均一加熱性はますます重要となってきている。
しかし、従来のプリント配線板の設計においては、製品完成後の性能のみに重点がおかれ、プリント配線板のリフロー加熱時の均一加熱性はほとんど考慮されていないのが現状である。
この様な点に鑑み、本発明は、リフローはんだ付け時のプリント配線板の均一加熱性を考慮したプリント配線板の設計方法及び装置を提供するものである。
発明の開示
本発明は、はんだ接合部を有する部品を搭載したプリント配線板に関して、設計と熱解析に必要なデータを予め入力する工程と、入力された熱解析に必要なデータを用いて、前記プリント配線板をリフロー炉内で加熱したときの熱解析をシミュレーションにより行う工程と、上記熱解析の結果から、加熱時のピーク温度が予め設定した下限温度に達しない未溶融はんだ接合部と予め設定した上限温度を越える過加熱の部品との少なくとも一方が存在するかどうかを判定する工程と、上記判定の結果から、未溶融はんだ接合部および／または過加熱部品が前記下限温度と上限温度の範囲内におさまるように未溶融はんだ接合部を有する部品と過加熱の部品との設計変更を行う工程と、その設計変更の結果を出力する工程とを備えてなるプリント配線板の設計方法である。
本発明によれば、プリント配線板の設計において、プリント配線板のリフロー加熱時の均一加熱性を考慮するので、はんだ接合の安定した、かつ部品ダメージのない信頼性の高いプリント配線板を設計することができる。
発明を実施するための最良の形態
本発明において、設計と熱解析に必要なデータとは、設計に必要なデータと熱解析に必要なデータとの両方のデータを意味する。設計に必要なデータとしては、例えばプリント配線板の形状や寸法のデータ、部品の種類や形状のデータ、部品の位置のデータ、プリント配線板の配線パターンのデータなどが挙げられる。熱解析に必要なデータとしては、例えばプリント配線板と部品をモデル化して熱解析を行うのであれば、モデル化したプリント配線板の形状や寸法のデータ、部品の種類や形状のデータ、部品の位置のデータ、さらにリフロー炉のヒーター温度、ブロア温度、コンベア速度等の加熱条件データ、熱解析に用いる比熱、密度、熱伝導率、赤外線吸収率などの物性値、ヒーターの寸法や放射率、コンベアの位置などのリフロー炉の要素データなどが挙げられる。この設計と熱解析に必要なデータは予め入力されていればよく、メモリに記憶されたデータを本プリント配線板の設計方法の実施の際に利用するようにしてもよいし、本プリント配線板の設計方法の実施の時に入力するようにしてもよい。
プリント配線板をリフロー炉内で加熱したときのシミュレーションによる熱解析は、公知の方法を用いて行うことができる。例えば、本願出願人が１９９６年６月１３日に出願した特願平８−１５２３７７号に記載の赤外線加熱炉内の被加熱体の温度検知方法や、本願出願人が１９９８年４月２８日に出願した特願平１０−１１９４２３号に記載の加熱炉内の被加熱物の熱解析方法などを適用することができる。
加熱時のピーク温度とは、リフローはんだ付け用の赤外線加熱炉などにプリント配線板を入れて加熱した場合の最大温度を意味する。
下限温度とは、はんだが十分に溶融する温度を意味する。例えば錫鉛系はんだ（融点：約１８３℃）を用いた場合には、はんだが十分に溶融するためのマージンが必要であるので、下限温度は２００℃程度に設定することが望ましく、錫亜鉛系はんだ（融点：約２００℃）を用いた場合には２２０℃程度、錫銀糸はんだ（融点：約２１０℃）を用いた場合には２３０℃程度に設定することが望ましい。
上限温度とは、部品が熱的ダメージを受けると予測される温度であり、電子部品の場合は一般的に２４０℃に設定される。
熱解析の結果からの判定としては、未溶融はんだ接合部と過加熱部品との少なくとも一方の存在が判定できればよい。すなわち、温度が下限温度（例えば２００℃）に達しない未溶融はんだ接合部の存在と、温度が上限温度（例えば２４０℃）を越える過加熱部品の存在を確認するとともに、さらに、それらが存在する場合の位置の確認が含まれる。なお、下限温度に達しない未溶融はんだ接合部と上限温度を越える過加熱部品が存在しない場合には、以下の設計変更は行わない。
未溶融はんだ接合部を有する部品と過加熱の部品との設計変更は、未溶融はんだ接合部と過加熱部品が下限温度と上限温度の範囲内におさまるように行えばよい。例えば下限温度に達しない未溶融はんだ接合部が存在するのであれば、設計変更を行ってその未溶融はんだ接合部を有する部品の位置や種類を変更する。また、上限温度を越える過加熱部品が存在するのであれば、設計変更を行ってその過加熱部品の位置や種類を変更する。この設計変更による部品の位置や種類の変更は、変更前の回路機能と同一の回路機能を有するという条件のもとでのあらゆる変更を含むものである。すなわち、下限温度に達するはんだ接合部を有する部品や上限温度を越えない部品の位置や種類の変更をも含めた、あらゆる設計変更が含まれる。
部品の設計変更の一例としては、未溶融はんだ接合部を有する部品の設計変更については、熱解析によって得られたプリント配線板の温度分布を参照し、温度が高いプリント配線板上の位置に対象の部品を移動するようにしてもよいし、同一機能の部品を熱容量順（加熱されにくい順又は加熱されやすい順）に並べたテーブルを参照し、同一機能を持ち熱容量が小さい（加熱されやすい）部品に対象の部品を代替するようにしてもよい。
また、過加熱部品の設計変更については、熱解析によって得られたプリント配線板の温度分布を参照し、温度が低いプリント配線板上の位置に対象の部品を移動するようにしてもよいし、同一機能の部品を熱容量順に並べたテーブルを参照し、同一機能を持ち熱容量が大きい（加熱されにくい）部品に対象の部品を代替するようにしてもよい。
この部品の設計変更は、未溶融はんだ接合部を有する部品については低い温度順に優先順位をつけ、過加熱部品については高い温度順に優先順位をつけ、これらの優先順位の高い部品を優先して部品の設計変更を行うようにすることが望ましい。
設計変更の結果の出力は、部品の位置や種類の変更結果のあらゆる形態の出力が含まれる。例えば設計変更のデータを印刷したり表示したりせず、プリント配線板の設計処理部に直接フィードバックするような出力形態であってもよいし、設計変更のデータいったん印刷または表示し、その表示により、ユーザーの指示により設計変更が行われるような出力形態であってもよい。この出力の際の媒体としては、プリンタ、表示装置、ＣＤ−ＲＯＭ、フロッピーディスク、ＩＣカードなどの可搬媒体メモリや、インターネットやＬＡＮなどの回線を介した回線先メモリなどのあらゆる出力媒体が含まれる。
この発明は、また、はんだ接合部を有する部品を搭載したプリント配線板に関して、設計と熱解析に必要なデータを予め入力する入力部と、入力された熱解析に必要なデータを用いて、前記プリント配線板をリフロー炉内で加熱したときの熱解析をシミュレーションにより行うリフロー熱解析部と、上記熱解析の結果から、加熱時のピーク温度が予め設定した下限温度に達しない未溶融はんだ接合部と予め設定した上限温度を越える過加熱の部品との少なくとも一方が存在するかどうかを判定し、その判定の結果から、未溶融はんだ接合部および／または過加熱部品が前記下限温度と上限温度の範囲内におさまるように未溶融はんだ接合部を有する部品と過加熱の部品との設計変更を行う設計部と、その設計変更の結果を出力する出力部とを備えてなるプリント配線板の設計装置である。
この発明は、さらに、上記プリント配線板の設計装置を制御するための処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。
以下、図面に示す実施の形態に基づいて本発明を詳述する。なお、これによって本発明が限定されるものではない。
図１は本発明のプリント配線板の設計装置の一実施の形態の構成を示すブロック図である。
本プリント配線板の設計装置は、リフローはんだ付け時のプリント配線板の均一加熱性を考慮したプリント配線板の設計方法を実施するための装置である。すなわち、プリント配線板に部品をはんだ付けする際、部品を搭載したプリント配線板をリフロー炉内で加熱することによりはんだ付けを行うのであるが、その加熱時に、はんだ接合部がはんだの溶融温度以上に加熱され、かつ部品の過加熱がないように、部品の最適な配置を決定する装置である。
本プリント配線板の設計装置は、設計装置本体１−１と、そのメモリ１−２と、プリント配線板の回路動作時の伝送路の解析を行う伝送線路解析装置１−７と、プリント配線板の動作時の部品の発熱による熱解析を行う熱解析装置１−８と、リフロー熱解析装置１−９と、そのメモリ１−１０と、インターフェース装置１−１７と、キーボードやマウス等からなる入力装置１−１８と、ＣＲＴディスプレイ装置や液晶ディスプレイ装置等からなる表示装置１−１９から主として構成されている。
本プリント配線板の設計装置は、例えばリフロー加熱用の赤外線加熱装置の制御システム内に内蔵され、マイクロプロセッサを用いて構成された専用の処理システムであってもよいし、そのような赤外線加熱装置とは別のシステムとして単独に構成された、例えば市販のパーソナルコンピュータやワークステーションなどを適用した汎用のコンピュータシステムであってもよい。
例えば本プリント配線板の設計装置をパーソナルコンピュータで構成する場合、上記設計装置本体１−１、伝送線路解析装置１−７、熱解析装置１−８、リフロー熱解析装置１−９、及びインターフェース装置１−１７は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏポート等からなるコンピュータシステムで構成される。
この場合、各装置の機能はプログラムを実行することによって達成されるが、このプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体（図示していない）に記録され、コンピュータ本体内の主メモリ上に適時ロードされて実行される。
この記録媒体は、コンピュータ本体と分離可能に構成されたＣＤ−ＲＯＭ、フロッピーディスク、ＩＣカードなどの可搬媒体メモリや、インターネットやＬＡＮなどの回線を介した回線先メモリや、コンピュータ本体に内装されたＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク装置などの処理装置（例えばクライアント）側メモリで構成することができる。
リフロー熱解析装置１−９は、設計装置本体１−１と同じプロセッサで構成されていてもよいし、別のプロセッサで構成されていてもよい。また、伝送線路解析装置１−７と熱解析装置１−８は、設計装置本体１−１と同じプロセッサで構成されていてもよいが、プリント配線板の設計に常時用いられるシステムであるので、回線を介して接続されたシステムとすることが望ましい。
設計装置本体１−１のメモリ１−２は、ハードディスク装置で構成され、このメモリ１−２内には、設計データとして、プリント基板の形状や寸法のデータである基板形状データ１−３、搭載部品の位置のデータである部品配置データ１−４、基板の配線パターンのデータである配線データ１−５、部品の種類、形状のデータライブラリである部品ライブラリ１−６などが記憶されている。
リフロー熱解析装置１−９のメモリ１−１０内には、熱解析データとして、プリント基板の形状や寸法のデータである基板形状データ１−１１、搭載部品の位置のデータである部品配置データ１−１２、リフロー炉のヒータ温度、ブロア温度、コンベア速度等の加熱条件のデータである加熱条件データ１−１３、部品の種類、形状、及び同一機能の部品を熱容量順に並べたテーブルなどのデータライブラリである部品ライブラリ１−１４、熱解析に用いる比熱、密度、熱伝導率、赤外線吸収率などの物性値のデータライブラリである物性値ライブラリ１−１５、リフロー炉内のヒータの寸法や放射率、コンベアの位置などのデータライブラリであるリフロー炉ライブラリ１−１６などが記憶されている。基板形状データ１−１１、部品配置データ１−１２、及び部品ライブラリ１−１４は、それぞれ設計装置本体１−１のメモリ１−２に記憶された基板形状データ１−３、部品配置データ１−４、及び部品ライブラリ１−６と共通項目のデータであるが、設計データよりも簡略化された熱解析用の解析モデルのデータである。このメモリ１−１０はメモリ１−２と同じハードディスク装置を用いたものであってもよい。
リフロー熱解析装置１−９は、モデル化部１−２０を有しており、このモデル化部１−２０により、インターフェース装置１−１７から受け渡されたプリント配線板の形状データと、リフロー熱解析装置１−９が持つ物性値ライブラリ１−１５中の物性値データを組み合わせ、熱解析用の解析モデルデータを作成する。  設計装置本体１−１は、まず最初に、メモリ１−２に記憶した設計データに基づいて、対象のプリント配線板に要求される電気的および構造的な仕様を満たすよう、基板の配線、および部品の選択、配置等のプリント配線板の設計を行い、部品の配置を仮決定する。この設計については公知の方法で行う。
次に、リフロー熱解析装置１−９を用いて、ある加熱条件でリフロー加熱を行った時のプリント配線板の熱解析を行って、プリント配線板の温度分布や温度プロファイルを算出する。リフロー炉の加熱条件については、公知の方法を用いて適宜設定する。例えば、本願出願人が１９９８年４月２８日に出願した特願平１０−１１９４２３号に記載の加熱炉の加熱条件設定方法などを適用することができる。
そしてこの結果、はんだ接合部があらかじめ設定した下限温度（はんだが十分に溶融する温度：錫鉛共晶はんだの場合２００℃以上）に達しない場合や、部品があらかじめ設定した上限温度（部品の耐熱温度：一般的に２４０℃）を越える場合には、設計変更を行って、部品の配置や部品の種類を適正化する。
すなわち、はんだ接合部が下限温度に達しない部品については、プリント配線板の温度分布を参照し、温度が高い基板上の位置に対象の部品を移動するか、又は対象の部品と同一機能で熱容量が小さい部品に代替する、という処理を自動的に行う。
また、熱解析により上限温度を越えて熱的ダメージを受けると予測される部品については、その近傍の温度が低い部分（基板や部品）との距離を小さくすることで、その部品のピーク温度を下げることができるので、プリント配線板上の低温となる部分との距離が小さくなるようプリント配線板上の部品配置を調節するか、又は対象の部品と同一機能で熱容量が大きい部品に代替する、という処理を自動的に行う。
以下、はんだ接合部が下限温度に達しない部品、または本体の温度が上限温度を越える部品がある場合の処理を具体的に説明する。
ここで、上記のはんだが十分に溶融する温度は、使用するはんだ材料によって異なる。本実施の形態では錫鉛共晶はんだ（融点＝１８３℃）を用いた例を述べるが、通常、はんだを十分に溶融させるにはマージンをみて、加熱温度を融点よりも１０％程度高めに設定する。したがって、本実施の形態においては、下限温度として２００℃を設定した。なお、この設定は、使用するはんだ材料に応じて、ユーザーにより入力装置１−１８から適宜変更することができる。
〔ステップ１〕
（ａ）はんだ接合部が下限温度に達しない部品については、複数存在する場合、低い温度順に優先順位をつけ、その優先順に、下記の昇温処理１、昇温処理２のいずれかの処理を行う。本実施の形態では昇温処理１を優先して行うように設定した。
▲１▼昇温処理１：部品の移動
・移動する方向
図２は部品移動の方向を示す説明図である。図において、Ｔは等温線、Ａは移動の対象となる部品、ＯＡは部品Ａの中心、Ｘは移動の方向を示す。この図に示すように、部品Ａの周辺の温度から判定し、部品Ａの周辺で、リフローピーク時の温度が最も高くなる方向に部品Ａを移動する。この場合、部品Ａの中心ＯＡから、温度勾配が最も大きいＸの方向に移動する。
・移動する距離
図３は部品Ａの中心ＯＡからの方向Ｘにおける距離とリフローピーク温度（℃）との関係を示すグラフであり、このＸ方向の温度分布に示す最も温度が高い位置Ｐ１に部品Ａを移動する。移動後は、部品配置データ１−４に基づいて部品Ａの位置を確認し、移動後の位置で部品Ａが他の部品と干渉したり、部品Ａの一部が基板からはみ出す場合には、他の部品と干渉せず、かつ部品Ａが基板内におさまる位置で、位置Ｐ１に最も近い位置に移動する。
ここで、部品の干渉とは、他の部品とのクリアランスが２ｍｍ以下であることを意味する。本実施の形態においては、この値を配線条件から２ｍｍ以下と設定したが、この設定は、例えば１ｍｍ以下、あるいは１．５ｍｍ以下など、設計条件に応じて、ユーザーにより入力装置１−１８から適宜変更することができる。
▲２▼昇温処理２：同一機能を持ち熱容量が異なる部品への代替
図６はメモリ１−１０の部品ライブラリ１−１４に記憶された同一機能の部品を、部品の基板面への単位投影面積当たりの熱容量（Ｊ／℃・ｍ２）の順に並べたテーブルの内容を示す説明図である。部品の代替に際しては、このテーブルを参照し、部品を代替する。はんだ接合部が所定の温度に達しない部品の場合は、熱容量の小さい部品に代替する。
（ｂ）部品本体温度が上限温度を越える部品については、複数存在する場合、高い温度順に優先順位をつけ、その優先順に、下記の降温処理１、降温処理２の何れかの処理を行う。本実施の形態では降温処理１を優先して行うように設定した。
▲１▼降温処理１：部品の移動
・移動する方向
図４は部品移動の方向を示す説明図である。図において、Ｔは等温線、Ｂは移動の対象となる部品、ＯＢは部品Ｂの中心、Ｙは移動の方向、Ｃは部品Ｂの近傍の温度の低い部品を示す。この図に示すように、部品Ｂの周辺の温度から判定し、部品Ｂの周辺で、リフローピーク時の温度が最も低くなる方向に部品Ｂを移動する。この場合、部品Ｂの近傍で低温となる部品Ｃに近づけるようＹ方向に移動する。
・移動する距離
図５は部品Ｂの中心ＯＢからの方向Ｙにおける距離とリフローピーク温度（℃）との関係を示すグラフであり、このＹ方向の温度分布に示す最も温度が低い位置Ｐ２に部品Ｂを移動する。移動後は、部品配置データ１−４に基づいて部品Ｂの位置を確認し、移動後の位置で部品Ｂが他の部品と干渉したり（他の部品とのクリアランスが２ｍｍ以下である場合）、部品Ｂの一部が基板からはみ出す場合には、他の部品と干渉せず、かつ部品Ｂが基板内におさまる位置で、位置Ｐ２に最も近い位置に移動する。
▲２▼降温処理２：同一機能を持ち熱容量が異なる部品への代替
部品ライブラリ１−１４の同一機能の部品を熱容量順に並べたテーブルを参照し、部品を代替する。部品本体温度が所定の温度を越える部品の場合は、熱容量の大きい部品に代替する。
〔ステップ２〕
ステップ１の処理を行った後、再度リフロー炉内のプリント配線板の熱解析を行って、リフロー加熱時のプリント配線板の温度分布や温度プロファイルを算出する。その結果、部品Ａのはんだ接合部がさらに所定の温度に達しない場合には、昇温処理３として、ステップ１で行った「昇温処理１」と「昇温処理２」を同時に実施する。また、部品Ｂの本体温度がさらに所定の温度を越える場合には、降温処理３として、ステップ１で行った「降温処理１」と「降温処理２」を同時に実施する。
また、熱解析の結果、部品Ａの温度が上がりすぎる場合、または部品Ｂの温度が下がりすぎる場合には、部品の移動量を調節することで、部品Ａ及び部品Ｂの温度変化の幅を調節する。すなわち、図３および図４で示した、横軸に部品の移動量、縦軸に部品の温度変化量をとったグラフから部品の温度変化が目的の温度変化となるような部品Ａおよび部品Ｂの移動量を割り出す。
以上の処理を、下限温度に達しない全ての部品と上限温度を越える全ての部品について行い、優先順位の高い部品を優先してプリント配線板上の部品の位置を設定する。
なお、上記の昇温処理２及び降温処理２においては、同一機能を持ち熱容量が異なる部品への代替を行う際、メモリ１−１０の部品ライブラリ１−１４に記憶された同一機能の部品を、部品の基板面への単位投影面積当たりの熱容量（Ｊ／℃・ｍ２）の順に並べたテーブルを参照し、部品を代替するようにしたが、以下に説明する順に部品を並べたテーブルを用意しておいてもよい。
上記では、部品の基板面への単位投影面積当たりの熱容量（Ｊ／℃・ｍ２）を部品の加熱のしやすさとしているが、一般的に、熱容量は以下のように表現される。
熱容量＝比熱×密度
熱容量：Ｊ／Ｋ・ｍ３
比熱：Ｊ／ｋｇ・Ｋ
密度：ｋｇ／ｍ３
この場合、部品を加熱しやすいか、しにくいかは、体積にも関係するので、以下のような「総熱容量」の順に部品を並べたテーブルを用意しておいてもよい。
総熱容量（Ｊ／Ｋ）＝熱容量（Ｊ／Ｋ・ｍ３）×体積（ｍ３）
あるいは、部品の表面積や、部品の赤外線吸収率も「加熱しやすい、しにくい」に関係してくるので、例えば以下のような「加熱しやすさ係数」の順に部品を並べたテーブルを用意しておいてもよい。
加熱しやすさ係数＝（放射率×表面積）／総熱容量
また、上記の降温処理１及び降温処理２においては、部品本体温度が上限温度を越える部品が複数存在する場合、高い温度順に優先順位をつけ、その優先順に、降温処理１、降温処理２の何れかの処理を行うようにしたが、全ての部品に一律に２４０℃の上限温度を設定するのではなく、厳密には部品毎に耐熱温度が異なるので、部品毎に耐熱温度を記憶しておき、部品本体温度が耐熱温度を越えた値の大きい順に優先順位をつけて処理を行うようにすることが望ましい。
すなわち、大まかには上限温度は一律に２４０℃でよいが、厳密には各部品毎に耐熱温度を持ち、これを越えると信頼性が低下する。例えばＱＦＰ等のプラスチックパッケージは耐熱性が高いが、電解コンデンサなどは耐熱性が低い。したがって、各部品本体の温度をそれぞれ耐熱温度と比較し、耐熱温度を越えた値の大きい順に優先順位をつけて処理を行うようにする。
伝送線路解析装置１−７は、プリント配線板の配線パターンによる電気信号の遅延や反射、クロストークノイズなどの伝送路解析を行う。また、熱解析装置１−８は、プリント配線板の動作時の部品の発熱によるプリント配線板の冷却性能を検証する熱解析などを行う。
設計装置本体１−１は、これらの伝送線路解析装置１−７や熱解析装置１−８とリンクしており、伝送線路解析や熱解析を行うことができる。したがって、プリント配線板の設計作業に付随して、配線パターンによる電気信号の遅延や反射、クロストークノイズなどの伝送路解析を行ったり、搭載部品の発熱によるプリント配線板の冷却性能を検証する熱解析などを行うことができる。
リフロー熱解析装置１−９は、リフロー加熱時のプリント配線板の熱解析を行う装置であり、リフロー炉ライブラリ１−１６中のヒータの寸法やコンベアとヒータの距離等のデータと、ヒータ温度やコンベア速度等の加熱条件データ１−１３から決定される境界条件のもとで、プリント配線板の解析モデルの数値解析を行い、プリント配線板のリフロー加熱時の温度分布や温度プロファイルを算出する。リフロー加熱時のプリント配線板の熱解析は、公知の方法を用いて適宜行う。例えば、本願出願人が１９９６年６月１３日に出願した特願平８−１５２３７７号に記載の赤外線加熱炉内の被加熱体の温度検知方法や、本願出願人が１９９８年４月２８日に出願した特願平１０−１１９４２３号に記載の加熱炉内の被加熱物の熱解析方法などを適用することができる。
この熱解析では、プリント配線板を３次元の立方体モデルとし、この立方体モデルを格子状に分割して、各格子点の温度プロファイル（横軸に時間、縦軸に温度をとった場合の温度経過）を算出する。したがって、この算出データから、各格子点のピーク温度を抽出し、さらに、基板に平行な任意の断面、例えば、はんだ接合面（通常は基板の表面）や、部品の表面や中心面における温度を抽出することにより、はんだ接合面の温度分布や、部品表面や部品中心面の温度分布を求めることができる。また、両面実装のプリント配線板である場合には、基板の表面側だけでなく、基板の裏面側のはんだ接合面の温度分布や、部品表面や部品中心面の温度分布も求めることができる。
インターフェース装置１−１７は、設計装置本体１−１で設計したデータをリフロー熱解析装置１−９に送ったり、リフロー熱解析装置１−９で熱解析したデータを設計装置本体１−１に送るために、設計装置本体１−１とリフロー熱解析装置１−９との間のデータの受け渡しを行う。
設計装置本体１−１やリフロー熱解析装置１−９へのデータ入力は入力装置１−１８から行われ、設計装置本体１−１によって設計された設計図やリフロー熱解析装置１−９による解析結果は表示装置１−１９により表示される。
次に、本発明のプリント配線板の設計装置の動作を図７に示すフローチャートに従い説明する。
まず、ステップ２−１において、設計装置本体１−１は、対象のプリント配線板に要求される電気的、および構造的な仕様を満たすよう、基板の配線、及び部品の選択、配置等のプリント配線板の設計を行う。また、設計作業に付随して、配線パターンによる電気信号の遅延や反射、クロストークノイズなどの伝送路解析や、搭載部品の発熱によるプリント配線板の冷却性能を検証する熱解析などを行っても良い。
図８は設計したプリント配線板の一例を示す説明図である。このプリント配線板は、基板Ｐの大きさ＝１８０ｍｍ×２００ｍｍ、基板の厚みｔ＝１．６ｍｍである。このプリント配線板には、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ  Ｆｌａｔ  Ｐａｃｋａｇｅ）である部品Ａ１，Ａ２および部品Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３、並びにＳＯＰ（Ｓｍａｌｌ  Ｏｕｔｌｉｎｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）である部品Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６のような部品が複数搭載されている。
次に、ステップ２−２において、インターフェース装置１−１７により、設計装置本体１−１の設計データから、熱解析装置１−９での解析に必要な基板の形状、寸法、部品の種類、搭載位置、形状等のデータを抽出し、熱解析装置１−９に受け渡す。
次に、ステップ２−３において、リフロー熱解析装置１−９の中のモデル化部１−２０により、インターフェース装置１−１７から受け渡されたプリント配線板の形状データと、リフロー熱解析装置１−９が持つ物性値ライブラリ１−１５中の物性値データを組み合わせ、熱解析用の解析モデルデータを作成してメモリ１−１０に記憶する。
次に、ステップ２−４において、リフロー熱解析装置１−９は、リフロー炉ライブラリ１−１６中のヒータの寸法やコンベアとヒータの距離等のデータと、ヒータ温度やコンベア速度等の加熱条件データ１−１３から決定される境界条件のもとで、プリント配線板の解析モデルの数値解析を行い、プリント配線板のリフロー炉内の温度分布や温度プロファイルを算出する。
次に、ステップ２−５において、解析結果であるプリント配線板の温度分布や温度プロファイルを表示装置１−１９に表示する。
図９は表示装置に表示されたプリント配線板のリフローピーク時の温度分布を示す説明図であり、図９（ａ）は基板表面の温度分布を示し、図９（ｂ）は部品中心面の温度分布を示す。この図９（ａ）の温度分布から、下限温度Ｔ１（錫鉛共晶はんだの場合２００℃）に達しない接合部の位置を把握する。また、図９（ｂ）の温度分布から、上限温度Ｔ２（２４０℃）を越えて過加熱となる部品を把握する。
図９（ａ）の温度分布から、図中のはんだ接合部Ｍ１とはんだ接合部Ｍ２の位置の温度が低い（約２００℃）ので、この部分ではんだの未溶融が生ずる恐れのあることがわかる。また、図９（ｂ）の温度分布から、部品Ｃ５と部品Ｃ８の温度が２４０℃と高いので、これらの部品が熱ダメージを受ける可能性のあることがわかる。
なお、図９では、基板表面の温度分布と部品中心面の温度分布との２つを示したが、熱解析では、プリント配線板を３次元の立方体モデルとし、各格子点の温度プロファイルを算出するので、基板表面の温度分布と部品中心面の温度分布だけでなく、基板の任意の断面の温度分布や、部品の任意の断面の温度分布を算出して表示することができる。また、両面実装のプリント配線板であれば、基板の表面側だけでなく、基板の裏面側の任意の断面の温度分布も表示することができる。
設計装置本体１−１は、このような解析結果の検証により、上限温度Ｔ２を越える部品や、はんだ接合部が下限温度Ｔ１に達しな部品についは、ステップ２−６において、部品の設計変更を行って、部品の位置や部品の種類を適正化する。
具体的には、上述したように、下限温度Ｔ１に達しないはんだ接合部を持つ部品については、プリント配線板の温度分布を参照し、温度が高い基板上の位置に対象の部品を移動するか、又は対象の部品と同一機能で熱容量が小さい部品への代替を行う、という処理を自動的に行う。
例えば、図９（ａ）の温度分布のプリント配線板の場合、熱容量の大きい部品が密集して搭載されていることではんだ接合部Ｍ１，Ｍ２の温度が低温となるので、周辺の温度から判定して、部品Ａ１と部品Ａ２を温度勾配が最も大きい方向に所望の温度となる移動量だけ移動し、部品Ａ１と部品Ａ２間の距離を１０ｍｍ→３０ｍｍと大きくする。
また、上限温度Ｔ２を越える部品については、プリント配線板上の低温となる部分との距離が小さくなるようプリント配線板上の部品配置を調節するか、又は同一機能で熱容量が大きい部品に代替する、という処理を自動的に行う。
例えば、図９（ｂ）の温度分布のプリント配線板の場合、部品Ｃ５と部品Ｃ８の温度が高くなる。そこで、部品Ｃ１〜Ｃ８の全体の位置を比較的低温である部品Ｂ１〜Ｂ３に近づけ、さらに部品Ｃ１と部品Ｃ５を部品Ｂ１に近づけ、部品Ｃ４と部品Ｃ８を部品Ｂ３に近づけるようにする。
上記の部品配置や部品選択の変更処理を行った後、ステップ２−１に戻り、部品が過加熱となったり、接合部のはんだの未溶融が生ずるなどの熱的な問題が生じなくなるまで、プリント配線板の再配線等の設計変更、リフロー炉内の加熱時の熱解析、部品配置の検討など、ステップ２−１〜ステップ２−６の処理を繰り返す。
接合部のはんだの未溶融や部品の過加熱などの熱的問題が生ずる恐れがなくなると、設計装置本体１−１は、プリント配線板の設計を完了する（ステップ２−７）。
図１０は熱解析を再度行ったときのプリント配線板のリフローピーク時の温度分布を示す説明図であり、プリント配線板の部品配置を変更し、リフロー炉内のプリント配線板の熱解析を再度行った結果を示すものである。図１０（ａ）は基板表面の温度分布を示し、図１０（ｂ）は部品中心面の温度分布を示す。これらの図に示すように、図９（ａ）で温度が低かったはんだ接合部Ｍ１とはんだ接合部Ｍ２については、温度を２００℃からはんだが十分溶融する２１０℃まで、約１０℃上げることができる。また、図９（ｂ）で過加熱となった部品Ｃ５と部品Ｃ８については、温度を２４０℃から耐熱温度内である２３０℃まで、約１０℃下げることができる。
上記の方法により設計したプリント配線板は、リフロー加熱時の熱解析により均一加熱性を考慮しているため、製造段階のリフローはんだ付けにおいて、接合部のはんだの未溶融や部品の過加熱などの熱的な問題が生ずることがない。また、リフロー加熱時に安定したはんだ接合が行われるため、製造後のプリント配線板の機械的信頼性も高い。
本実施の形態においては、リフローはんだ付けに錫鉛系はんだを用いた例を挙げたが、その他にも、錫亜鉛系はんだ（融点：約２００℃）や、錫銀糸はんだ（融点：約２１０℃）を用いた場合を想定してプリント配線板の設計を行ってもよい。この場合、はんだを十分に溶融させるにはマージンをみて、錫亜鉛系はんだでは約２２０℃、錫銀糸はんだでは約２３０℃まで加熱する。したがって、例えば錫銀糸はんだを用いた場合には、部品の耐熱温度が２４０℃であるので、プリント配線板の温度を、錫鉛系はんだを用いた場合よりも狭い範囲の２３０〜２４０℃の間に制御する必要があるが、そのような場合でも、本プリント配線板の設計装置で部品の位置や種類を適切に変更することにより、接合部のはんだの未溶融や部品の過加熱などの問題なく、リフローはんだ付けを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明のプリント配線板の設計装置の一実施の形態の構成を示すブロック図であり、
図２は実施の形態における部品移動の方向を示す説明図であり、
図３は実施の形態における部品の中心からの方向Ｘにおける距離とリフローピーク温度との関係を示すグラフであり、
図４は実施の形態における部品移動の方向を示す説明図であり、
図５は実施の形態における部品の中心からの方向Ｙにおける距離とリフローピーク温度との関係を示すグラフであり、
図６は実施の形態におけるメモリの部品ライブラリに記憶された同一機能の部品を熱容量順に並べたテーブルの内容を示す説明図であり、
図７は本発明のプリント配線板の設計装置の動作を示すフローチャートであり、
図８は実施の形態における設計したプリント配線板の一例を示す説明図であり、
図９は実施の形態における表示装置に表示されたプリント配線板のリフローピーク時の温度分布を示す説明図であり、
図１０は実施の形態における熱解析を再度行ったときのプリント配線板のリフローピーク時の温度分布を示す説明図である。
【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】
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【図９】
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【図１０】
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