(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板設計時において、あらかじめ測定した温度データに基づいて加熱時における部品周辺の基板温度分布（部品からの距離と基板温度との関係）を予測し、前記部品が前記基板を介して他の部品のはんだ接合部におよぼす温度変化を計算することによつて、良好なはんだ付けが得られる加熱温度の確保に必要な部品間隔を決定するようにしたことを特徴とする基板設計方法。
【請求項２】
前記部品が搭載されていない生基板の温度と、いくつかの前記部品について加熱時における、それぞれの前記部品周辺の前記基板温度分布をあらかじめ測定しておくことで、加熱時における前記部品周辺の前記基板温度分布を、前記部品の種類やサイズおよび前記生基板の厚さや層数や材質などをパラメータとして数式化し、前記部品周辺の前記基板温度分布を定量的に予測できるようにした請求項１に記載の基板設計方法。
【請求項３】
前記部品周辺の前記基板温度分布の予測結果に基づいて前記基板温度を大きく低下させる前記部品を選択し、前記他の部品のはんだ接合部に及ぼす温度低下を計算して、それぞれの部品がはんだ付け温度を確保できる前記部品間隔を算出できるようにした請求項１に記載の基板設計方法。
【請求項４】
前記温度データとして生基板温度と前記部品周辺の前記基板温度分布を使用するようにした請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の基板設計方法。
【請求項５】
前記温度データは前記生基板や前記部品を限定して測定するようにした請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の基板設計方法。
【請求項６】
加熱時が加熱中の最高温度の時点である請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の基板設計方法。
【請求項７】
前記部品周辺の前記基板温度分布は前記部品の中心を基準に求めるようにした請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の基板設計方法。
【請求項８】
前記部品周辺の前記基板温度分布は部品中心に最も近い部品端部を基準に求めるようにした請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の基板設計方法。
【請求項９】
前記部品周辺の前記基板温度分布を線形に近似させる請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の基板設計方法。
【請求項１０】
前記部品周辺の前記基板温度分布を曲線に近似させる請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の基板設計方法。
【請求項１１】
あらかじめ測定した前記温度データに基づいて前記基板温度への影響が小さく無視できると判断できる前記部品については、前記部品周辺の前記基板温度分布の予測を行わず、前記生基板上の任意の位置に配置するようにした請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の基板設計方法。
【請求項１２】
前記部品周辺の前記基板温度分布を予測した結果、前記基板温度への影響が小さく無視できると判断できる前記部品については、前記生基板上の任意の位置に配置するようにした請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の基板設計方法。
【請求項１３】
前記部品の種類を前記パラメータに用いて前記部品周辺の前記基板温度分布を予測する場合には、前記部品の分類は、測定した前記部品周辺の前記基板温度分布の違いに基づく請求項２に記載の基板設計方法。
【請求項１４】
前記部品の分類に、前記部品の形状を用いるようにした請求項１３に記載の基板設計方法。
【請求項１５】
前記部品の分類に、前記部品の内部構造を用いるようにした請求項１３に記載の基板設計方法。
【請求項１６】
前記部品の分類に、前記部品の材質を用いるようにした請求項１３に記載の基板設計方法。
【請求項１７】
前記部品の分類に、前記はんだ接合部の位置を用いるようにした請求項１３に記載の基板設計方法。
【請求項１８】
前記部品のサイズを前記パラメータに用いて、前記部品周辺の前記基板温度分布を予測する場合には、前記部品サイズとして前記部品の長さと幅を使用するようにした請求項２に記載の基板設計方法。
【請求項１９】
前記部品の長さ方向と幅方向に分けて前記部品周辺の前記基板温度分布を予測するようにした請求項１８に記載の基板設計方法。
【請求項２０】
前記部品サイズとして前記部品の厚さを使用するようにした請求項１８に記載の基板設計方法。
【請求項２１】
前記生基板の層数を前記パラメータに用いて前記部品周辺の前記基板温度分布を予測する場合には、前記基板の層数として内層の有無に着目するようにした請求項２に記載の基板設計方法。
【請求項２２】
前記複数の部品による前記基板温度への影響を重ね合わせて任意の位置における前記基板温度を予測し、良好なはんだ付けが得られる加熱温度の確保に必要な前記部品間隔を決定するようにした請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の基板設計方法。
【請求項２３】
加熱時の前記基板温度に対する前記部品の影響を、前記部品周辺の前記基板温度と前記生基板の温度との差で表れ、前記個々の部品による影響を重ね合わせて前記部品のはんだ接合部の温度を予測することで、良好なはんだ付けが得られる加熱温度の確保に必要な前記部品間隔を決定するようにした請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の基板設計方法。
【請求項２４】
ある一定の加熱条件の下での加熱時における前記部品周辺の前記基板温度を予測するようにした請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の基板設計方法。
【請求項２５】
複数の加熱条件の下での加熱時における前記部品周辺の前記基板温度を包括して平均値を予測するようにした請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の基板設計方法。
【請求項２６】
加熱条件による加熱時における前記部品周辺の前記基板温度の違いを補正できるようにした請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の基板設計方法。
【請求項２７】
測定データを追加することで前記部品周辺の前記基板温度の違いを補正するようにした請求項２６に記載の基板設計方法。
【請求項２８】
パソコンなどの表計算ソフトウェアを使用して加熱時における前記部品周辺の前記基板温度分布を算出するようにした請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の基板設計方法。
【請求項２９】
パソコンなどの表計算ソフトウェアを使用して加熱時における前記部品間隔を算出するようにした請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の基板設計方法。
【請求項３０】
基板設計時において、あらかじめ測定した温度データに基づいて加熱時における部品周辺の基板温度分布（部品からの距離と基板温度との関係）を予測し、前記部品が前記基板を介して他の部品のはんだ接合部におよぼす温度変化を計算することによつて、良好なはんだ付けが得られる加熱温度の確保に必要な部品間隔を決定し、この部品間隔が適性であるか否かをチェックできる機能を有することを特徴とする基板設計方法の実施方法。
【請求項３１】
前記部品配置後の基板で加熱時の予想最低温度部と予想最高温度部のいずれか一方もしくは双方が表示できる請求項３０に記載の基板設計方法の実施方法。
【請求項３２】
加熱時の基板全体の予想温度が表示できる請求項３１に記載の基板設計方法の実施方法。
【請求項３３】
必要な前記部品間隔を確保できない領域に前記部品を配置しようとした場合にその旨を表示するか、あるいは前記部品が配置できない機能を有する請求項３０に記載の基板設計方法の実施方法。
【請求項３４】
基板設計時において、あらかじめ測定した温度データに基づいて加熱時における部品周辺の基板温度分布（部品からの距離と基板温度との関係）を予測し、基板温度が低い部分に耐熱保証温度を越えやすい部品を配置するようにした回路基板構造。
【請求項３５】
耐熱保証温度を越えやすい部品がアルミ電解コンデンサやＬＥＤである請求項３４に記載の回路基板構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリント配線基板などに対して表面実装部品の配置位置を決定する際の、基板設計方法およびその実施手段ならびに基板設計方法により設計された基板構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
表面実装部品（以下、部品）を基板にはんだ付けする工法として、リフロが使用されている。リフロ中の基板上の各部品は，熱容量や伝熱性の差などから部品間で温度のばらつきが生じる。ばらつきが大きいと部品の熱損傷やはんだ付け不良が発生し，製品の信頼性や歩留まりに悪影響をおよぼす。
【０００３】
特に，近年使用され始めたＰｂフリーはんだをリフロに使用すると，融点が高いために，許容できる温度ばらつきが小さくなる。このため，従来のはんだでは問題なくリフロできる基板でも，部品の熱損傷やはんだ付け不良が発生する可能性が高まる。
【０００４】
新商品の基板設計を行う際に、部品選定で大型で大熱容量の部品や耐熱性の低い部品を選んだり、部品レイアウトを試行錯誤で行ったりすると、基板の再設計が必要になるなど、商品の開発期間や開発コストの増大を招く。また、部品の熱損傷は検査で発見できないことが多く、市場に流出して故障の原因となりかねない。このため温度ばらつきを事前に予測し、リフロを容易にする基板設計を実現することが望まれる。
【０００５】
表面実装部品の配置位置を決定する際の従来の基板設計方法としては、例えば、信号遅延時間を抑制するとともに電気的ノイズを低減するため、ＭＰＵ（超小型演算処理装置）とメモリ（記憶装置）とをなるべく近くに配置するという方法がある。
【０００６】
また、表面実装部品を配置する際の従来の他の基板設計方法としては、加熱中の基板温度を逐次シミュレートし、シミュレーションの結果から温度ばらつきを評価することによつて部品間隔を決定する方法（特開平１１−２０１６４７号公報の開示技術）がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の前者の基板設計方法にあっては、部品をはんだ付けするために基板を加熱する際、部品の熱容量の差などによって発生する基板表面上の温度ばらつきが不明であり、温度の過上昇によって一部の部品が熱的損傷を受けたり、あるいは局所的に温度上昇が不十分ではんだ付け不良が発生したりする危険性があるという問題点があった。
【０００８】
また、従来の後者の基板設計方法にあっては、解析モデルの作成に時間を要する上、加熱のシミュレーシヨンを実施した後に初めて加熱時の基板表面上の温度ばらつきが評価できるため、部品間隔の決定にはシミュレーシヨンによる試行錯誤が必要であるという問題点があった。
【０００９】
本発明は、上記の問題点に着目して成されたものであって、その第１の目的とするところは、あらかじめ測定した温度データに基づいて、加熱時における部品からの距離と基板温度との関係（以下、部品周辺の基板温度分布）を定量的に予測し、部品同士が互いのはんだ付け温度を確保するために必要な部品間隔を基板設計時に簡単な方法で算出できる基板設計方法を提供することである。
【００１０】
また、本発明の第２の目的とするところは、良好なはんだ付けが得られる加熱温度の確保に必要な部品間隔が適性であるか否かをチェックすることができる基板設計方法の実施方法を提供することである。
【００１１】
また、本発明の第３の目的とするところは、部品の影響による基板温度の低下が大きい位置に耐熱保証温度を越えやすい部品を配置することで、さらに加熱時の温度ばらつきが小さい基板を設計できる基板構造を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の第１の目的を達成するために、本発明に係る基板設計方法は、基板設計時において、あらかじめ測定した温度データに基づいて加熱時における部品周辺の基板温度分布（部品からの距離と基板温度との関係）を予測し、部品が基板を介して他の部品のはんだ接合部におよぼす温度変化を計算することによつて、良好なはんだ付けが得られる加熱温度の確保に必要な部品間隔を決定するようにした。
【００１３】
そして、温度データとして生基板温度と部品周辺の基板温度分布を使用するようにしてもよく、温度データは生基板や部品を限定して測定するようにしてもよい。
【００１４】
ここで、部品とは基板に搭載させる電子部品であり、例えば、ＱＦＰなどのパッケージ部品、ＢＧＡなどである。また、生基板とは、部品が搭載されていない基板である。また、部品間隔とは、例えば２つの部品の対向する側端部間の間隔や２つの部品の中心同士の間隔である。
【００１５】
したがって、リフロ条件を一定にした場合の基板温度ばらつきのうち、部品による基板の温度低下を予測可能とし、生基板の温度と部品による基板の温度低下の許容値から、はんだ付け温度の確保に必要な部品間隔を決定できるようになる。
【００１６】
また、温度上昇しにくい大型部品の影響による隣接部品の温度低下と、部品間隔の関係を数値化することが可能になる。このように、部品間隔を何ｍｍ以上に設定すればよいかが具体的な数値でわかるため、リフロ温度に問題がないかどうか定量的な判断が可能になる。
【００１７】
また、本発明に係る基板設計方法は、上記した本発明に係る基板設計方法において、部品が搭載されていない生基板の温度と、いくつかの部品について加熱時における、それぞれの部品周辺の基板温度の分布をあらかじめ測定しておくことで、加熱時における部品周辺の基板温度分布を、部品の種類やサイズおよび生基板の厚さや層数や材質など、熱容量、比熱、熱伝導、熱伝達、熱複写に影響する因子をパラメータとして数式化し、部品周辺の基板温度分布を定量的に予測できるようにした。
【００１８】
したがって、生基板の温度に対する部品の影響による基板温度の変化と、その影響が及ぶ範囲が簡単に評価できて、リフロ条件を一定にした場合の基板温度ばらつきのうち、部品による基板の温度低下を予測可能とし、生基板の温度と部品による基板の温度低下の許容値から、はんだ付け温度の確保に必要な部品間隔を決定できるようになる。
【００１９】
そして、部品の種類をパラメータに用いて部品周辺の基板温度分布を予測する場合には、部品の分類は、測定した部品周辺の基板温度分布の違いに基づくようにしてもよい。
【００２０】
また、部品の分類に、部品の形状を用いるようにしてもよいし、部品の分類に、部品の内部構造を用いるようにしてもよいし、部品の分類に、部品の材質を用いるようにしてもよいし、部品の分類に、はんだ接合部の位置を用いるようにしてもよい。
【００２１】
また、部品のサイズをパラメータに用いて、部品周辺の基板温度分布を予測する場合には、部品サイズとして部品の長さと幅を使用するようにしてもよい。この際、部品の長さと幅は、端子部を除いたサイズでもよい。
【００２２】
そして、部品の長さ方向と幅方向に分けて部品周辺の基板温度分布を予測するようにしてもよい。また、部品サイズとして部品の厚さを使用するようにしてもよい。この際、部品の厚さは、端子部を除いたサイズでもよい。
【００２３】
また、生基板の層数をパラメータに用いて部品周辺の基板温度分布を予測する場合には、生基板の層数として内層の有無に着目するようにしてもよい。
【００２４】
また、本発明に係る基板設計方法は、上記した本発明に係る基板設計方法において、部品周辺の基板温度分布の予測結果に基づいて基板温度を大きく低下させる部品を選択し、他の部品のはんだ接合部に及ぼす温度低下を計算して、それぞれの部品がはんだ付け温度を確保できる部品間隔を算出できるようにした。
【００２５】
したがって、加熱時の基板温度をシミュレーションする方法と比較して、良好なはんだ付けが得られる加熱温度の確保に必要な部品間隔が試行錯誤なく、短時間で簡単に決定できる。
【００２６】
そして、本発明に係る基板設計方法は、上記した本発明に係る基板設計方法において、部品周辺の基板温度分布は前記部品の中心を基準に求めるようにしてもよいし、部品周辺の基板温度分布は部品中心に最も近い部品端部を基準に求めるようにしてもよい。
【００２７】
また、部品周辺の基板温度分布は線形に近似することが好ましい。または、部品周辺の基板温度分布は曲線に近似することが好ましい。この場合、線形とは、例えば直線である。曲線とは、例えば、２次、３次などの多次式や、対数関数でもよい。
【００２８】
また、あらかじめ測定した温度データに基づいて基板温度への影響が小さく無視できると判断できる部品については、周辺の基板温度分布の予測を行わず、生基板上の任意の位置に配置するようにしてもよいし、また、部品周辺の基板温度分布を予測した結果、基板温度への影響が小さく無視できると判断できる部品については、生基板上の任意の位置に配置するようにしてもよい。基板温度への影響が小さく無視できるとは、計測誤差や炉の温度変化などを考慮して決定される。
【００２９】
また、複数の部品による基板温度の低下を重ね合わせて任意の位置における基板温度を予測し、良好なはんだ付けが得られる加熱温度の確保に必要な部品間隔を決定するようにしてもよい。
【００３０】
また、加熱時の前記基板温度に対する部品の影響を、部品周辺の基板温度と生基板の温度との差で評価し、個々の部品による影響を重ね合わせて部品のはんだ接合の温度を予測することで、良好なはんだ付けが得られる加熱温度の確保に必要な部品間隔を決定するようにしてもよい。
【００３１】
また、ある一定の加熱条件の下での加熱時における部品周辺の基板温度を予測するようにしてもよい。
【００３２】
また、複数の加熱条件の下での加熱時における部品周辺の基板温度を包括して平均値を予測するようにしてもよい。
【００３３】
また、加熱条件による加熱時における部品周辺の基板温度の違いを、測定データを追加することで数式を修正して補正するようにしてもよい。
【００３４】
また、本発明に係る基板設計方法は、上記した本発明に係る基板設計方法において、パソコンなどの表計算ソフトウェアを使用して加熱時における部品周辺の基板温度分布を算出するようにした。
【００３５】
そして、パソコンなどの表計算ソフトウェアを使用して加熱時における部品間隔を算出するようにした。
【００３６】
したがって、本発明に係る基板設計方法を簡単に使えるように、パソコンの表計算ソフトを使用してツール化し、設計者自身が基板の温度低下を予測して部品をレイアウトできる。
【００３７】
また、上記の第２の目的を達成するために、本発明に係る基板設計方法の実施方法は、基板設計時において、あらかじめ測定した温度データに基づいて加熱時における部品周辺の基板温度分布（部品からの距離と基板温度との関係）を予測し、部品が基板を介して他の部品のはんだ接合部におよぼす温度変化を計算することによつて、良好なはんだ付けが得られる加熱温度の確保に必要な部品間隔を決定し、部品間隔が適性であるか否かをチェックできる機能を有する。
【００３８】
ここで、あらかじめ測定した温度データとして生基板温度と部品周辺の基板温度分布を使用するようにしてもよく、温度データは生基板や部品を限定して測定するようにしてもよい。
【００３９】
また、部品配置後の基板で加熱時の予想最低温度部と予想最高温度部のいずれか一方もしくは双方が表示できるようにしてもよいし、また、加熱時の基板全体の予想温度が表示できるようにしてもよい。
【００４０】
また、必要な部品間隔を確保できない領域に部品を配置しようとした場合にその旨を表示するか、あるいは部品が配置できない機能を有するようにしてもよい。
【００４１】
したがって、チェック機能により、良好なはんだ付けが得られる加熱温度の確保に必要な部品間隔か否かをチェックすることができる。
【００４２】
また、上記の第３の目的を達成するために、本発明に係る回路基板構造は、基板設計時において、あらかじめ測定した温度データに基づいて加熱時における部品周辺の基板温度分布（部品からの距離と基板温度との関係）を予測し、基板温度が低い部分に耐熱保証温度を越えやすい部品を配置するようにした。
【００４３】
そして、耐熱保証温度を越えやすい部品がアルミ電解コンデンサであることが好ましい。また、耐熱保証温度を越えやすい部品がＬＥＤであることが好ましい。
【００４４】
したがって、部品の影響による基板温度の低下が大きい位置にアルミ電解コンデンサなど耐熱保証温度を越えやすい部品を配置することで、さらに加熱時の温度ばらつきが小さい基板を設計できる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００４６】
リフロ時の基板温度ばらつきによって生じる問題は、部品の熱損傷とはんだ付け不良である。これらの問題が発生しないようにするには、部品のボディ温度が耐熱温度（部品によって異なる）以下であり、端子温度がはんだの融点以上であることが必要である。
【００４７】
リフロの温度プロファイルには、１枚の基板に対して図１に示すように、最も温度の上がりやすい部品のボディ温度と、最も温度が上昇しにくい部品の端子温度との温度差が現れる。
【００４８】
このため、基板温度ばらつきΔＴ＝（部品ボディの最高温度）一（部品端子の最低温度）と定義することができる。
【００４９】
基板温度ばらつきΔＴは図２（図１の丸で囲った部分の拡大図）に示すように、部品を搭載していない生基板をリフロ炉に流した場合のピーク温度を基準として、特定の部品に見られる温度の過上昇ΔＴh と、大型部品の熱容量による温度低下ΔＴl に分けて考えることができる。
【００５０】
基板全体でΔＴの低減を考えると問題が複雑だが、個々の部品について単独でΔＴh とΔＴl を評価すれば、それぞれが最も大きい部品に着目すればよいことが分かる。
【００５１】
ΔＴh とΔＴl のうち、ΔＴh は他の部品温度に影響をおよぼすことはない。これに対してΔＴl は、部品自身の端子温度の低下のみならず、その周辺の基板温度まで影響する。そのため隣接する部品の端子温度を低下させ、はんだ付け不良を引き起こしかねない。したがって基板設計では、隣接する部品同士が互いのはんだ付け性に影響しない間隔を確保する必要がある。
【００５２】
基板全体の基板温度ばらつきΔＴを低減するには、ΔＴh かΔＴl の少なくとも一方を抑えればよいが、以上の事柄をふまえて、部品レイアウト技術ではΔＴl の低減を主体とする。
【００５３】
リフロ炉では、ＨＡ（Ｈｏｔ  Ａｉｒ）（熱風）とＩＲ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｒａｙ）（赤外線）などの異なる加熱原理の組み合わせで温度上昇させており、温度プロファイルは加熱条件、部品の熱容量、吸熱、伝熱、部品レイアウトなどの諸要因で相対的に決まる。
【００５４】
したがって、基板温度ばらつきΔＴもこれらの要因によって変化する。基板温度ばらつきΔＴの要因は、部品レイアウトに関するものとリフロ炉に関するものとの２つに大別できる。
【００５５】
リフロ炉に起因する項目は炉の型式や条件設定によつて大きく変わる。リフロ炉の条件は、本来最適状態に固定して用いることが理想的なので、予め汎用最適の条件を求めて固定した。
【００５６】
基板温度ばらつきΔＴを低減するには、部品の選択とレイアウトが重要である。このうち、使用部品の変更は回路の機能上困難な場合が多い。したがって、基板温度ばらつきΔＴの低減に実効的な手段は部品レイアウトである。
【００５７】
従来、部品レイアウト時にはノイズ低減や大電力部品の放熱性のほか、生産性が考慮されていたが、基板温度ばらつきΔＴは定量的に評価する手法がなく考慮されていなかった。しかしながら、基板温度ばらつきΔＴは、基板実装の高密度化やＰｄフリーはんだの導入などによって無視できない状況になっている。このため、ΔＴl と図３に示す部品間隔Ｄとの関係を定量的に予測評価し、設計段階でΔＴl を決定できる手段が必要である。なお、図３中Ａ、Ｂは部品、Ｃは基板である
【００５８】
部品には様々な種類があるため、部品を外形や構造・材質など、リフロ温度に影響する項目で数種類に分類し、図２に示すΔＴl が大きい部品をまず明らかにした。
【００５９】
〔表１〕に示した項目で部品を分類することで、すべての部品の影響を個別に考えるのではなく、熱的特性が近い部品の影響を一括して考える。かつ、リフロを困難にしやすい部品を重点的に検討した。
【００６０】
【表１】
0003888085.tif 000002
【００６１】
ΔＴl を正確に予測するため、まずΔＴl をデータベース化して、予測値の妥当性が裏付けできるようにした。実際の基板上には多数の部品が実装されるが、簡単化のため２つの部品Ａ、Ｂだけを取り出して、部品間隔Ｄとリフロ温度との関係について考える。
【００６２】
リフロ加熱条件は上述の通り、あらかじめ設定した標準加熱条件（代表的部品を搭載したテスト基板で、基板温度ばらつきΔＴをよく圧縮できるＨＡとＩＲの比率や風速・コンベア速度）に固定した。
【００６３】
本発明の基板設計方法では、「部品レイアウトのΔＴへの影響は、部品同士が基板を介して温度を低下しあう現象によって現れ、温度上昇しにくい大型部品ほど周辺への影響も大きい」と考えて、部品温度そのものではなく、「部品周辺の基板温度分布」に着目した。
【００６４】
評価対象を基板温度とすることで、一度測定したデータは部品の組み合わせによらず使用できるという汎用性がある。例えば、部品Ａ周辺の基板温度分布は、部品Ａと他部品（部品Ａを含む）との部品間隔Ｄを決定するときに使用できる。また、部品周辺の基板温度は部品温度と同時に測定可能である。
【００６５】
本発明の基板設計方法では、ｋ種類の部品に対する温度測定回数はｋ×ｎ回  （ kＣ1 ×ｎ）で済み、部品が１種類追加されても追加測定はその部品に対してのｎ回だけでよい。従来の手法と本発明の基板設計方法（本手法）とでの、部品間隔Ｄの決定に必要な測定回数の比較を〔表２〕に示す。
【００６６】
【表２】
0003888085.tif 000003
【００６７】
なお、従来のΔＴ評価手法では、部品のリフロ温度だけを計測評価していた。このために、部品間隔Ｄとリフロ温度の関係を得るには、部品間隔Ｄを変えてリフロ温度を測定する必要があった。例えば、部品Ａと部品Ｂについては、部品間隔Ｄを数回変えて、リフロ温度を測定するといった要領であった。また、部品Ａ同士や部品Ｂ同士についても、同様の温度測定が必要であった。
【００６８】
このような従来の手法では、ｋ種類の部品に対して k＋1 Ｃ2 ×ｘ×ｎ回（ｘ：部品間隔Ｄの水準数、ｎ：繰り返し数）の温度定が必要であり、部品が１種類追加されると（ｋ＋１）×ｘ×ｎ回の追加測定が必要である。このため、データベースの構築やメンテナンスが極めて困難であると考えられていた。
【００６９】
本発明の基板設計方法では、まず上述のように分類した部品の種類ごとに、部品単体での周辺の基板温度分布を測定した。その結果、部品周辺の基板温度分布は直線に近似できることがわかった。
【００７０】
例として、部品としてのＱＦＰ（Ｑｕａｄ  Ｆｌａｔ  Ｐａｃｋａｇｅ）周辺の基板温度分布の様子を図４の（１）に、実測データを図４の（２）にそれぞれ示す。図４の（２）から測定データは近似直線とよく一致していることがわかる。また、ΔＴl の大きさから、その部品が周辺の基板温度におよぼす影響が評価できる。
【００７１】
そして、部品周辺の基板温度分布から、２つの部品Ａ、Ｂ間の基板温度分布が予測できれば、ΔＴl と部品間隔Ｄとの関係が定量化できる。そこで、図４の  （１）、（２）に示した部品周辺の基板温度分布をもとに、２つの部品Ａ、Ｂ間の基板温度を予測できるかを検討した。
【００７２】
その結果、個々の部品によるΔＴl を重ね合わせることで、２つの部品Ａ、Ｂ間の基板温度を予測できることを明確にした。例として、部品間隔Ｄを変えてその中間の基板温度を測定し、個々の部品Ａ、Ｂによる影響を重ね合わせた予測値と比較した結果を図５に示す。
【００７３】
測定値と予測値との差は２〜３℃と測定誤差の範囲内であった。２つの部品Ａ、Ｂ２間の基板温度は個々の部品によるΔＴl を重ね合わせることで予測できることがわかる。
【００７４】
したがって、生基板温度とはんだ付け性確保に必要なΔＴl の許容値を設定すれば、はんだ付け不良が発生しない部品間隔Ｄが決定できる。また、ΔＴl の大きい部分にΔＴh の大きい部品を配置すればΔＴh が低下し、さらにΔＴを低減できる。
【００７５】
すなわち、加熱時における部品周辺の基板温度分布の様子を図６の（１）、  （２）に示す。基板Ｃの上には端子部を除いた部品形状が正方形の部品Ａが一個搭載されている。
【００７６】
図６の（２）のグラフは、部品Ａの中心線３上での加熱時の基板温度分布４を表している。部品Ａの熱容量の影響によって、部品Ａの近傍での加熱時の基板温度５よりも低下し、部品Ａの中心に最も近い位置６で最低となるが、部品Ａからの距離が大きくなるにしたがって、その影響は小さくなるため、基板温度は上昇し、やがて生基板を加熱したときの温度５と等しくなる。
【００７７】
基板温度分布４は直線（線形）で近似する。また、端子部を除いた部品形状が正方形の場合は、部品周辺の基板温度は、部品Ａを中心とする同心円７状に分布する。なお、基板温度分布４は曲線で近似する場合も存在する。
【００７８】
図７の（１）、（２）は、部品間隔Ｄを決定する方法の一事例を示す模式図である。図７の（１）において、基板Ｃの上には、端子部を除いた部品形状が正方形の部品Ａと部品Ｂとが搭載されている。図７の（１）において、１０は部品Ｂの中心に最も近い位置であり、１１は部品Ｂを中心とする同心円である。
【００７９】
図７の（２）に示すように、部品Ａと部品Ｂとの間の基板温度分布１２において、部品Ａ側の温度低下量Ｈは、生基板を加熱した時の温度５からの部品Ａによる温度低下量Ｈ１と、部品Ｂによる温度低下量Ｈ２とを重ね合わせて与えられ、部品Ｂ側の温度低下量Ｉは、生基板を加熱した時の温度５からの部品Ｂによる温度低下量Ｉ１と、部品Ａによる温度低下量Ｉ２とを重ね合わせて与えられる。
【００８０】
したがって、部品Ａのはんだ接合部１３の温度は、部品Ｂの影響によって低下するし、同様に、部品Ｂのはんだ接合部１４の温度は、部品Ａの影響によって低下する。
【００８１】
部品間隔Ｄは、部品Ａのはんだ接合部１３と部品Ｂのはんだ接合部１４の温度が、それぞれ良好な接合の確保に必要な最低加熱温度１８以上になるように決定する。なお、図７中９は部品Ｂ周辺の加熱時の基板温度分布である。
【００８２】
部品周辺の基板温度分布は、部品の種類のみならず、部品サイズや基板の仕様によっても異なる。そこで、ＱＦＰなどのパッケージ部品について、数サイズの部品で温度測定を行い、部品サイズによって周辺の基板温度分布がどのように変化するかを評価した。
【００８３】
その結果、部品サイズと近似直線との関係を一般化し、部品サイズからリフロ時の基板温度分布を予測できるようにした。ＱＦＰのサイズと近似直線との関係を一般化するのに使用したデータの一部を図８に示す。
【００８４】
図８において、測定値に基づく近似直線と一般化した近似直線との誤差は３℃以下であり、一般化した近似直線はほぼ妥当な値であると言える。
【００８５】
また、端子部を除いた部品形状が正方形の部品での、ある加熱条件における部品の種類と基板温度分布との関係を示す実験データの一事例を図９に、端子部を除いた部品形状が正方形の部品での、ある加熱条件における部品のサイズと基板温度分布との関係を示す実験データの一事例を図１０に示す。
【００８６】
この実験データから部品サイズとして端子部を除いた実装面積と厚さが基板温度分布に影響すること、部品の種類で影響の程度が異なることが分かる。このことから、部品の種類毎にいくつかのサイズでデータを測定すれば、部品の種類とサイズから部品周辺の基板温度分布が予測できると言える。部品の分類は測定結果に基づいて行ってもよいが、部品の形状や内部構造、材質、はんだ接合部の位置などによって行ってもよい。
【００８７】
図１１は、端子部を除いた部品形状が正方形の部品がリフロ面にある場合の、ある加熱条件における部品周辺の基板温度分布との関係を示す実験データの一事例である。生基板の温度は約２３０℃であり、部品周辺の基板温度が低下していることと、部品周辺の基板温度分布が直線近似できることがわかる。
【００８８】
図１２は、端子部を除いた部品形状が長方形の部品が裏面にある場合の、ある加熱条件における部品周辺の基板温度分布との関係を示す実験データの一事例である。この実験データから、長さ方向と幅方向で碁板温度分布が異なるため、方向別に基板温度分布を求める必要があることが分かる。
【００８９】
また、部品サイズと同様に、基板の仕様（板厚・層数）による基板温度分布の違いをＱＦＰによる実験で確認し、データを基に基板の仕様と近似直線との関係を一般化した。
【００９０】
基板の仕様と近似直線との関係を一般化するのに使用したデータの一部を、図１３に示す。図１３において、測定値に基づく近似直線と一般化した近似直線との誤差は５℃以下であり、一般化した近似直線は図８と同様にほぼ妥当な値であると言える。
【００９１】
図１４は、ある加熱条件での基板厚と部品周辺の基板温度分布との関係を示す実験データの一事例である。基板厚が増すほどに生基板の温度が低下することが分かる。
【００９２】
図１５は、ある加熱条件での基板の層数と部品周辺の基板温度分布との関係を示す実験データの一事例である。両面基板と多層基板では部品周辺の基板温度分布の温度勾配が異なることが分かる。
【００９３】
図１６は、加熱条件の違いによる部品周辺の基板温度分布の違いを示すー事例である。同じ基板、同じ部品でも、加熱条件によって部品周辺の基板温度分布が異なることがわかる。部品の温度データを追加することで、加熱条件の違いをによる基板温度分布の違いを補正することができる。
【００９４】
図１７は、市販のパソコン用表計算ソフトウェアによって部品間隔を算出する、本発明における基板設計方法の実施手段の一事例である。
【００９５】
図１７において、１９は入力部、２０は基板温度分布の近似式表示部、２１は部品間隔表示部である。
【００９６】
そして、入力部１９に部品Ａ、Ｂの種類と、部品サイズ（長さ、幅、厚さ、リード長さ）と、基板Ｃの厚さと層数と、生基板の温度と、良好なはんだ付けを確保するための最低温度を入力することで、基板温度分布の近似式表示部２０で、２つの部品Ａ、Ｂについて周辺の基板温度分布を予測し、部品間隔表示部２１で、部品Ａ、Ｂの配置面に応じて最低必要な部品間隔Ｄを試行錯誤なく瞬時に算出することができる。ここで、基板の材質を、ガラスエポキシ基板、セラミック基板、フレキシブル基板など選択可能としてもよい。
【００９７】
このように、パソコンなどの表計算ソフトウェアを使用して加熱時における部品周辺の基板温度分布を算出するようにし、また、パソコンなどの表計算ソフトウェアを使用して加熱時における部品間隔を算出するようにしたことにより、本発明に係る基板設計方法を簡単に使えるようにツール化し、設計者自身が基板の温度低下を予測して部品をレイアウトできる。
【００９８】
なお、あらかじめ測定した温度データに基づいて基板温度への影響が小さく無視できると判断できる部品については、部品周辺の基板温度分布の予測を行わず、生基板上の任意の位置に配置することは可能であるし、また、部品周辺の基板温度分布を予測した結果、基板温度への影響が小さく無視できると判断できる部品については、生基板上の任意の位置に配置することが可能である。
【００９９】
上記した本発明に係る基板設計方法の実施形態によれば、リフロ条件を一定にした場合の基板温度ばらつきのうち、部品による基板の温度低下を予測可能とし、生基板の温度と部品による基板の温度低下の許容値から、はんだ付け温度の確保に必要な部品間隔を決定できるようになる。
【０１００】
また、温度上昇しにくい大型部品の影響による隣接部品の温度低下と、部品間隔の関係を数値化することが可能になる。このように、部品間隔を何ｍｍ以上に設定すればよいかが具体的な数値でわかるため、リフロ温度に問題がないかどうか定量的な判断が可能になる。
【０１０１】
また、本発明に係る基板設計方法の実施の形態によれば、部品が搭載されていない生基板の温度と、いくつかの部品について加熱時における、それぞれの部品周辺の基板温度の分布をあらかじめ測定しておくことで、加熱時における部品周辺の基板温度分布をモデル化し、部品の種類やサイズおよび生基板の厚さや層数などをパラメータとして部品周辺の基板温度分布を定量的に予測できるようにした。
【０１０２】
したがって、生基板の温度に対する部品の影響による基板温度の変化と、その影響が及ぶ範囲が簡単に評価できて、リフロ条件を一定にした場合の基板温度ばらつきのうち、部品による基板の温度低下を予測可能とし、生基板の温度と部品による基板の温度低下の許容値から、はんだ付け温度の確保に必要な部品間隔を決定できるようになる。
【０１０３】
また、本発明に係る基板設計方法の実施の形態によれば、部品周辺の基板温度分布の予測結果に基づいて基板温度を大きく低下させる部品を選択し、他の部品のはんだ接合部に及ぼす温度低下を計算して、それぞれの部品がはんだ付け温度を確保できる部品間隔を算出できるようにした。
【０１０４】
したがって、加熱時の基板温度をシミュレーションする方法と比較して、良好なはんだ付けが得られる加熱温度の確保に必要な部品間隔が試行錯誤なく、短時間で簡単に決定できる。
【０１０５】
図１８は、本発明における基板設計方法の実施方法として、基板設計ＣＡＤによって実施した一事例を示す慨念図である。
【０１０６】
設計画面上には部品Ａとその周辺の基板温度分布を示す同心円７および部品Ｂとその周辺の基板温度分布を示す同心円１１が表示されている。部品配置位置確定後に自動または手動でチェックを掛けることで、部品間隔Ｄが確保できているか確認できる。
【０１０７】
また、部品Ａが配置してある基板Ｃに部品Ｂを配置するときに、部品間隔Ｄが確保できない位置に配置使用とした場合に注意を表示する、あるいは、配置できないようにしてもよい。
【０１０８】
部品配置位置を確定した後には、基板全体の予想温度分布、または温度の最高部と最低部の少なくともいずれか一方を表示できるようにしてもよい。
【０１０９】
図１９は、本発明における基板設計方法を基板設計ＣＡＤによって実施した他の一事例を示す概念図である。
【０１１０】
設計画面上には部品Ａとその周辺の基板温度分布を示す同心円７、部品Ｂとその周辺の基抜温度分布を示す同心円１１、部品Ｅとその周辺の基板温度分布を示す同心円２３が表示されている。部晶Ａと部品Ｂの配置位置がすでに決定している状態で新たに部品Ｅを配置する場合で、部品Ｅの影響によって部品Ａと部品Ｂの少なくともいずれか一方のはんだ接合部が良好なはんだ付けが得られる温度に達しなくなる位置に部品Ｅを配置しようとした場合には、その旨の表示を行い、部品Ｅの影響を考慮して部品Ａと部品Ｂとの新たな部品間隔を算出して、部品Ａと部品Ｂが離れるようにする。あるいは、そのような位置に部品Ｅを配置できなくしてもよい。
【０１１１】
このように、本発明に係る基板設計方法の実施方法では、良好なはんだ付けが得られる加熱温度の確保に必要な部品間隔Ｄが適性であるか否かをチェックできる機能を有する。
【０１１２】
また、部品配置後の基板で加熱時の予想最低温度部と予想最高温度部のいずれか一方もしくは双方が表示できるようにしてもよいし、また、加熱時の基板全体の予想温度が表示できるようにしてもよいし、また、必要な部品間隔を確保できない領域に部品を配置しようとした場合にその旨を表示するか、あるいは部品が配置できない機能を有するようにしてもよい。
【０１１３】
したがって、チェック機能により、良好なはんだ付けが得られる加熱温度の確保に必要な部品間隔か否かをチェックすることができる。
【０１１４】
図２０は、基板温度が低下する部分に耐熱保証温度を超えやすい部品２４を配置した本発明における基板設計方法を用いた基板構造の実施の形態例である。
【０１１５】
この本発明に係る基板構造の実施の形態によれば、基板設計時において、あらかじめ測定した温度データに基づいて加熱時における部品周辺の基板温度分布  （部品からの距離と基板温度との関係）を予測し、基板温度が低い部分に耐熱保証温度を越えやすい部品を配置するようにしてある。この場合、耐熱保証温度を越えやすい部品はアルミ電解コンデンサやＬＥＤである。
【０１１６】
したがって、部品の影響による基板温度の低下が大きい位置にアルミ電解コンデンサなど耐熱保証温度を越えやすい部品を配置することで、さらに加熱時の温度ばらつきが小さい基板を設計できる。
【０１１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る基板設計方法によれば、リフロ条件を一定にした場合の基板温度ばらつきのうち、部品による基板の温度低下を予測可能とし、生基板の温度と部品による基板の温度低下の許容値から、はんだ付け温度の確保に必要な部品間隔を決定できるようになる。
【０１１８】
また、本発明に係る基板設計方法の実施方法によれば、チェック機能により、良好なはんだ付けが得られる加熱温度の確保に必要な部品間隔か否かをチェックすることができる。
【０１１９】
また、本発明に係る基板構造によれば、部品の影響による基板温度の低下が大きい位置にアルミ電解コンデンサなど耐熱保証温度を越えやすい部品を配置することで、さらに加熱時の温度ばらつきが小さい基板を設計できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】リフロ全体の温度プロファイルの説明図である。
【図２】リフロ時の基板温度のばらつきΔＴの定義の説明図である。
【図３】部品間隔Ｄを説明するための基板構造の説明図である。
【図４】（１）は部品周辺の基板温度分布の説明図である。
（２）はＱＦＰ周辺の基板温度分布の実測データのグラフ図である。
【図５】部品間隔Ｄとその中間での部品の熱容量による温度低下ΔＴl との関係を示すグラフ図である。
【図６】（１）は基板上における１つの部品周辺の基板温度分布の説明図である。
（２）は１つの部品周辺の基板温度分布を温度と位置とで表現したグラフ図である。
【図７】（１）は基板上における２つの部品周辺の基板温度分布の説明図である。
（２）は２つの部品周辺の基板温度分布を温度と位置とで表現したグラフ図である。
【図８】ＱＦＰ周辺の基板温度分布の実測データのグラフ図である。
【図９】端子部を除いた部品形状が正方形の部品での、ある加熱条件における部品の種類と基板温度分布との関係を示す実験データを示すグラフ図である。
【図１０】端子部を除いた部品形状が正方形の部品での、ある加熱条件における部品のサイズと基板温度分布との関係を示す実験データを示すグラフ図である。
【図１１】端子部を除いた部品形状が正方形の部品がリフロ面にある場合の、ある加熱条件における部品周辺の基板温度分布との関係を示す実験データを示すグラフ図である。
【図１２】端子部を除いた部品形状が長方形の部品が裏面にある場合の、ある加熱条件における部品周辺の基板温度分布との関係を示す実験データを示すグラフ図である。
【図１３】基板の仕様と近似直線との関係を一般化するのに使用したデータのグラフ図である。
【図１４】基板厚と生基板の温度との関係を示すグラフ図である。
【図１５】基板の層数と温度勾配との関係を示すグラフ図である。
【図１６】加熱条件の違いによる部品中心に最も近い部品端からの距離と基板温度（生基板温度）の差との関係の実測データを示すグラフ図である。
【図１７】市販のパソコン用表計算ソフトウェアによって部品間隔を算出する基板設計方法の実施手段の一事例の説明図である。
【図１８】本発明における基板設計方法を基板設計ＣＡＤによって実施した一事例を示す慨念図である。
【図１９】本発明における基板設計方法を基板設計ＣＡＤによって実施した他の事例を示す慨念図である。
【図２０】基板温度が低下する部分に耐熱保証温度を超えやすい部品を配置した基板構造の説明図である。
【符号の説明】
Ａ    部品
Ｂ    部品
Ｃ    基板
Ｄ    部品間隔
Ｅ    部品
３    部品の中心線
４    基板温度分布
５    生基板を加熱した時の温度
６    部品Ａの中心に最も近い位置
７    部品Ａを中心とする同心円
９    部品Ｂ周辺の加熱時の基板温度分布
１０  部品Ｂの中心に最も近い位置
１１  部品Ｂを中心とする同心円
１２  部品Ａと部品Ｂとの間の基板温度分布
１３  部品Ａのはんだ接合部
１４  部品Ｂのはんだ接合部
１８  最低加熱温度
１９  入力部
２０  基板温度分布の近似式表示部
２１  部品間隔表示部
２３  同心円
２４  耐熱保証温度を超えやすい部品
【図１】
0003888085.tif 000004
【図２】
0003888085.tif 000005
【図３】
0003888085.tif 000006
【図４】
0003888085.tif 000007
【図５】
0003888085.tif 000008
【図６】
0003888085.tif 000009
【図７】
0003888085.tif 000010
【図８】
0003888085.tif 000011
【図９】
0003888085.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
0003888085.tif 000014
【図１２】
0003888085.tif 000015
【図１３】
0003888085.tif 000016
【図１４】
0003888085.tif 000017
【図１５】
0003888085.tif 000018
【図１６】
0003888085.tif 000019
【図１７】
0003888085.tif 000020
【図１８】
0003888085.tif 000021
【図１９】
0003888085.tif 000022
【図２０】
0003888085.tif 000023