(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置ずれした状態の表面実装部品をプリント配線基板上にリフローはんだ付けする場合でも、マンハッタン現象を抑止するような位置ずれ量の許容量を算出する方法であって、
表面実装部品が近づく側となる一方のパッド上で発生する溶融はんだの表面張力、および、表面実装部品の重心を支点として位置ずれ量を考慮した距離によるモーメントをマンハッタン現象の発生を抑止する抑止モーメントとし、
表面実装部品が遠ざかる側となる他方のパッド上で発生する溶融はんだの表面張力、および、表面実装部品の重心を支点として位置ずれ量を考慮した距離によるモーメントをマンハッタン現象の発生を促進する促進モーメントとし、
この抑止モーメントと促進モーメントとが等しくなるような位置ずれ量を、実装位置の位置ずれ量の許容量であると決定することを特徴とする表面実装部品の実装位置許容量算出方法。
【請求項２】
請求項１に記載の表面実装部品の実装位置許容量算出方法において、
表面実装部品が近づく側の一方のパッド上にある表面実装部品の電極上側に発生する表面張力γとその距離D１によりγ・D１と表されるモーメント、また、表面実装部品の電極下側に発生する表面張力γとその距離D２によりγ・D２と表されるモーメントを、それぞれマンハッタン現象を抑止する抑止モーメントＴ１，T２と決定し、
表面実装部品が遠ざかる側の他方のパッド上にある表面実装部品の電極下側に発生する表面張力γとその距離D３によりγ・D３と表されるモーメント、また、表面実装部品の電極上側に発生する表面張力γとその距離D４によりγ・D４と表されるモーメントを、それぞれマンハッタン現象を促進する促進モーメントＴ３，T４と決定し、次式
【数１】
差分値ΔT=(マンハッタン促進モーメントT３+T４)−(マンハッタン抑止モーメントT１+T２)
＝γ・((D３+D４)−(D１+D２))
（但し、
D１＝(L／2＋HS／2(H＋ε))cos(tan−１(S／(H＋ε)))
D２＝(H／2＋ε＋(ε(L／2＋S−a)／(a−K−S))cos(tan−１(ε／(a−K−S)))
D３＝(a＋b−K−S)／2
D４=(L／2＋H(2a＋b−L−S)／2(H＋ε))cos(tan−１((2a＋b−L−S)／(H＋ε)))
であって、H：チップ部品の高さ、L：チップ部品長さ、ε：はんだ厚さ、K：チップ部品の電極長さ、a：電極パッド長さ、b：電極パッド間隔、S：ランド突き出し長さで、これらH、L、ε、K、a、bは既知である）
で表される差分値ΔＴが０となるようなチップ位置ずれ量P（P=（S＋L／2）−（a＋b／2））を許容量と決定し、
この許容量よりも小さい位置ずれ量は、抑止モーメントが促進モーメントより大きくマンハッタン現象は発生しない条件とすることを特徴とする表面実装部品の実装位置許容量算出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チップコンデンサやチップ抵抗等の表面実装部品をプリント配線基板にリフローはんだ付けする場合に発生するマンハッタン現象をコンピュータシミュレーションにより解析し、このマンハッタン現象を回避させるような表面実装部品の位置ずれ量の許容量を割り出す、表面実装部品の実装位置許容量算出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器の小型化・高機能化等を実現するため、電子部品をプリント配線基板上に高密度に実装することが重要な課題である。このため、近年ではリードがない表面実装部品を用いる表面実装方式が主流となっている。表面実装部品としては、例えばＱＦＰ(Quad flat package )等の能動部品や、角型または円筒型をしたチップ抵抗やチップコンデンサなどの受動部品がよく知られている。
【０００３】
このような表面実装方式の例として、両端に電極を持つ表面実装部品をプリント配線基板上に実装する場合を例に挙げて図を参照しつつ説明する。図３は、プリント配線基板に表面実装部品を実装する場合の説明図であり、図３（ａ）は通常の実装状態を示す図、図３（ｂ）はチップ立ちを示す図である。
図３（ａ）で示すように、プリント配線基板１００上には、一対のパッド１１０が設けられている。また、表面実装部品であるチップ部品２００は、両端に電極２１０が設けられている。プリント配線基板１００上に形成されている一対のパッド１１０は、ともに矩形状かつ同形状である。
【０００４】
続いて、このようなプリント配線基板１００上に、チップ部品２００を実装する一連の作業を説明する。
各パッド１１０上には、図示しないクリームはんだが予め印刷されている。この一対のパッド１１０上に電極２１０が載置されるように位置決めされてチップ部品２００が搭載されると、チップ部品２００の両電極２１０は、クリームはんだの粘着力によって両パッド１１０上に仮固定される。
【０００５】
この状態で図示しないリフロー炉等にプリント配線基板１００が搬入され、クリームはんだのリフローが行われる。その結果、両電極２１０と両パッド１１０との間にあるクリームはんだは溶融して溶融はんだとなり、リフロー炉から搬出されて冷却された場合、図３（ａ）で示すように、溶融はんだが冷却してはんだ３００となり、仮固定位置と同じ位置にチップ部品２００が実装される、というものである。
【０００６】
このリフロー時において、実際には、クリームはんだがリフローによって溶融はんだとなったとき、表面張力によって、各々の電極２１０においてチップ部品２００を移動させる力が加わる。このとき、両側の電極２１０に働く表面張力の大きさがほぼ等しければ、両方の力は互いに相殺されて、チップ部品２００がどちらか一方のパッド１１０側に引き寄せられることもなく、はんだ付け不良等といった事態も起こらない。
【０００７】
しかし、両側の電極２１０に働く溶融はんだの表面張力の大きさが均衡していないと、チップ部品２００は、どちらか一方のパッド１１０側に引き寄せられ、その結果、例えば、図３（ｂ）で示すように、はんだ付け不良の一種であるチップ立ち、いわゆるマンハッタン現象が起きてしまう。マンハッタン現象が発生すると、プリント配線基板１００は当然に不良品となるため、マンハッタン現象の防止は必須である。
【０００８】
このようなマンハッタン現象の発生防止の解決策は各種検討されているが、その一手法として、マンハッタン現象の理論モデルを構築してコンピュータシミュレーションにより解析し、マンハッタン現象が発生しないという条件を満たす実装位置を算出する試みが従来よりなされている。このような理論モデルを用いる解析の一例について図を参照しつつ説明する。図４は、従来技術のマンハッタン現象の理論モデルを説明する説明図である。
【０００９】
図４に示すマンハッタン現象の理論モデルの仮定として、
（１）片側のはんだのみ溶融する、
（２）チップ部品は、はんだが溶融して傾いた状態、とする。
チップ立ち（マンハッタン現象）は、リフローのある瞬間、チップ部品を立たせようとする回転モーメントが、そこにとどまろうとする回転モーメントより大きいときに発生すると想定している。
なお、モーメント計算は支点Ａからの距離と溶融はんだの表面張力との積で表し、論理モデルを単純化するため、溶融はんだのメニスカス（表面張力により自由表面が曲がること）は傾斜したチップ部品の全ての場所で直線であると仮定する。なお、図３中の矢印は表面張力（＝γ）の方向とともにモーメントの方向を表している。
【００１０】
この場合チップ部品の自重によるモーメントＴ１ は、
T１＝Mgdcos(α＋β)
チップ部下側に形成される溶融はんだの表面張力によるモーメントＴ２ は、
T２＝γwcosα／2
チップ端外側の溶融はんだの表面張力によるモーメントＴ３ は、
T３＝γHsin(α＋δ)
凝縮した不活性液体中に没したために生ずる浮力によるモーメントＴ４ は、
T４＝LHρgdcos(α＋β)
としてそれぞれ表される。
【００１１】
チップ部品の形状、寸法、基板ランド寸法、ソルダーペースト量は、３種類のモーメントT１，T２，T３に直接接影響する。すなわち、これらの要因はいずれもチップ部品電極部下側あるいは外側に形成される溶融はんだフィレットの形状、またはモーメントの成分を決める因子である。
チップ部品の重量MはT１に直接影響する。チップ部品の長さLが大であればチップ部品の重心と支点との距離dも大となり、T１が増加することから、マンハッタン抑止力が強まる。
【００１２】
部品の高さHはd、すなわちT１とT３の両方に影響を及ぼすが、ランド突き出し長さSが一定であれば、その影響の程度は小さい。理由は、T１において、Hが大であればdも大きくなるが、βの増大にともない、cos(α＋β)が減少するからである。
また、T３においても、Hは増大するが、ランド突き出し長さSが一定であれば、δの減少にともないsin(α＋δ)が減少する結果、T３も大きく変動しないこととなる。
【００１３】
部品下面電極幅wと部品下のランド突き出し長さSを同一長さと仮定したが、いずれか一方が短ければ、フィレットは縮小した形状となり、T２は減少し、マンハッタン抑止モーメントが減少する。ランド突き出し長さSが一定の場合、この部品電極部の下面の幅wの影響が大きい。
【００１４】
ランド突き出し長さSが大であれば、角度δが大となり、T３の促進モーメントが増大する。この場合、ソルダーペースト量も影響して、一般にソルダーペースト量の増大も角度δを増大させるため、T３の促進モーメントを増大させる。
また、浮力によるモーメントT４は、図４で示すように上側へ向かう。
以上のモーメントを整理すると、以下のようになる。
【００１５】
マンハッタン抑止モーメント＝T１＋T２
マンハッタン促進モーメント＝T３＋T４
【００１６】
T３＋T４（マンハッタン促進モーメント）− T１＋T２（マンハッタン抑止モーメント）＞０のとき、部品は立ち上がるが、同一のチップ部品では、L，H，ρ，d，M，γ，およびＷが等しいため、T１＝一定、T２＝一定、T４＝一定である。そこで、マンハッタン現象が起きる原因の一つであるＴ３について考える。
【００１７】
T３＝γHsinδ
＝γHsin(arctan((S−Hsinα)／Hcosα))
ここで、チップ部品の傾斜角αが限りなく０に近いとすると、
T３＝γHsin(arctan(S／H))
この場合表面実装部品のHの値は予め決定されているので、Sを変数とすることで、マンハッタン現象の発生を防止するような表面実装部品の実装位置許容量を算出することができるようになる。
【００１８】
ここに従来の論理モデルに代入される物性値表を以下に示す。
【００１９】
【表１】
0004292359.tif 000002
【００２０】
表１で示す物性値を代入し、チップ位置ずれ量P（=(S＋L／2)−(a＋b／2))ををパラメータとした場合の特性を示す。図５，図６は、従来技術の論理モデルによる特性図である。
図５，図６で示される特性は、１００５チップコンデンサ、１６０８チップコンデンサ、２１２５チップコンデンサそれぞれについて、横軸にチップ位置ずれ量Pを変化させ、縦軸に促進モーメント(T３+T４)を○でプロットし、抑止モーメント(T１+T２)を□でプロットし、差分値ΔTを×でプロットしたものであり、図５は物性値のうちα＝１゜とした場合の特性を、図６は物性値のうちα＝１０゜とした場合の特性を表している。
横軸のチップ位置ずれ量の単位は（ｍｍ）であり、縦軸のモーメントの単位は（ｍＮ）である。ここに、モーメントの単位が（ｍＮ）として表されているのは、表面張力（ｍＮ／ｍ）に距離（ｍ）を乗じているためである。なお、これら事項は後述する図２でも同様であることを付記しておく。
【００２１】
この特性図で差分値ΔT＝０となるチップ位置ずれ量Pが、許容される位置ずれ量（以下、許容量という）となる。この許容量よりもチップ位置ずれ量Pが大きくなると、抑止モーメント(T１+T２)より促進モーメント(T３+T４)が大きくなることは図５，図６でも明らかであり、従って、マンハッタン現象が発生するおそれがあると想定される。
【００２２】
これらから、チップ傾斜角１゜における許容量となるチップ位置ずれ量Pは、１００５チップ部品で−０．０９ｍ、１６０８チップ部品で−０．０７ｍｍ、２１２５チップ部品で−０．０６ｍｍでとなり、また、チップ傾斜角１０゜における許容量となるチップ位置ずれ量Pは、１００５チップ部品で−０．０８ｍ、１６０８チップ部品で−０．０５ｍｍ、２１２５チップ部品で−０．０４ｍｍとなる。
チップ位置ずれ量Pは、
P＞０のとき、基板流し方向に対して、上方（図１の右側）にあることを示し、P＜０のとき、基板流し方向に対して、下方（図１の左側）にあることを示す。
従来技術ではこのようにしてチップ位置ずれ量Pが算出される。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際にマンハッタン現象が発生するチップ位置ずれ量P（＝許容量）を実験により算出すると、１００５チップ部品では、−０．１５ｍ、１６０８チップ部品で−０．２８ｍｍ、２１２５チップ部品で−０．３７ｍｍであり、論理モデルで算出した許容量よりも大きい。
従来技術の論理モデルで求めた許容位置ずれ量に基づいて実装すると、マンハッタン現象は発生しないが、機械的精度（数１０μｍのオーダ）は過剰な精度が要求されている。
【００２４】
上記した従来技術の理論モデルでは、片側のパッド上の溶融はんだの表面張力によるモーメントに着目したが、もう一方のパッド上にの溶融はんだの表面張力を考慮していない。プリント配線基板上で表面実装部品がリフローされる場合、両側のパッドでクリームはんだが溶融することを考えれば、理論モデルが正確ではなく、算出された表面実装部品のチップ位置ずれ量の許容量も信頼性が高いとは言い難いという問題点があった。許容量が小さい程、表面実装部品をプリント配線基板に厳しい精度で実装する必要が生じるが、この場合、実装作業の低速化・実装装置の過剰な高精度化等を招き、生産効率上好ましいものではない。実際の許容量に近くなるような、論理モデルを構築する必要があった。
【００２５】
本発明は上述のような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、現実に即した簡明な理論モデルを構築し、従来よりも正確な実装位置の位置ずれ量の許容量を算出することを可能とするような、表面実装部品の実装位置許容量算出方法を提供することを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１の発明に係る表面実装部品の実装位置許容量算出方法は、
位置ずれした状態の表面実装部品をプリント配線基板上にリフローはんだ付けする場合でも、マンハッタン現象を抑止するような位置ずれ量の許容量を算出する方法であって、
表面実装部品が近づく側となる一方のパッド上で発生する溶融はんだの表面張力、および、表面実装部品の重心を支点として位置ずれ量を考慮した距離によるモーメントをマンハッタン現象の発生を抑止する抑止モーメントとし、
表面実装部品が遠ざかる側となる他方のパッド上で発生する溶融はんだの表面張力、および、表面実装部品の重心を支点として位置ずれ量を考慮した距離によるモーメントをマンハッタン現象の発生を促進する促進モーメントとし、
この抑止モーメントと促進モーメントとが等しくなるような位置ずれ量を、実装位置の位置ずれ量の許容量であると決定することを特徴とする。
【００２７】
また、請求項２の発明に係る表面実装部品の実装位置許容量算出方法は、
請求項１に記載の表面実装部品の実装位置許容量算出方法において、
表面実装部品が近づく側の一方のパッド上にある表面実装部品の電極上側に発生する表面張力γとその距離D１によりγ・D１と表されるモーメント、また、表面実装部品の電極下側に発生する表面張力γとその距離D２によりγ・D２と表されるモーメントを、それぞれマンハッタン現象を抑止する抑止モーメントＴ１，T２と決定し、
表面実装部品が遠ざかる側の他方のパッド上にある表面実装部品の電極下側に発生する表面張力γとその距離D３によりγ・D３と表されるモーメント、また、表面実装部品の電極上側に発生する表面張力γとその距離D４によりγ・D４と表されるモーメントを、それぞれマンハッタン現象を促進する促進モーメントＴ３，T４と決定し、上記数１でで表される差分値ΔＴが０となるような位置ずれ量Pを許容量と決定し、
この許容量よりも小さい位置ずれ量は、抑止モーメントが促進モーメントより大きくマンハッタン現象は発生しない条件とすることを特徴とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態である表面実装部品の実装位置許容量算出方法について説明する。図１は本実施形態で用いるマンハッタン現象の理論モデルを説明する説明図、図２は本実施形態のモデルの特性図である。
【００２９】
本実施形態では、図１で示すような、新規な論理モデルを採用する。従来技術によるマンハッタン現象の理論モデルでは、片方のパッドにおける溶融はんだの表面張力によるモーメント計算を行ったが、本実施形態での論理モデルでは、両側のパッド上における溶融はんだの表面張力を考慮したモデルである。
【００３０】
論理モデルの仮定として、
（１）両側のはんだが溶融する、
（２）溶融したはんだの浮力でチップ部品は傾かない状態、
とする。
モーメントの支点Ａはチップ部品の重心とし、時計回りを正、半時計回りを負とする。また、論理モデルを単純化するため、はんだのメニスカスは傾斜したチップ部品のすべての場所で直線であると仮定する。なお、図１中の矢印は表面張力（＝γ）の方向とともにモーメントの方向を表している。
【００３１】
各個所にモーメント（T１，T２，T３，T４）が働くが、
T１は、表面実装部品が近づく側となる一方のパッド上の表面実装部品の電極上側に発生する表面張力γに、距離D１を乗算して得たモーメントであり、
T２は、表面実装部品が近づく側となる一方のパッド上の表面実装部品の電極下側に発生する表面張力γに、距離D２を乗算して得たモーメントであり、
T３は、表面実装部品が遠ざかる側となる他方のパッド上の表面実装部品の電極下側に発生する表面張力γに、距離D３を乗算して得たモーメントであり、
T４は、表面実装部品が遠ざかる側となる他方のパッド上の表面実装部品の電極上側に発生する表面張力γに、距離D４を乗算して得たモーメントである。
【００３２】
これらT１，T２をマンハッタン抑止モーメントと、また、T３，T４をマンハッタン促進モーメントと定義する。
さらに、マンハッタン抑止モーメントT１，T２ 、および、マンハッタン促進モーメントT３，T４の差分値ΔTを、
差分値ΔT=(マンハッタン促進モーメントT３+T４)−(マンハッタン抑止モーメントT１+T２)
とする。
【００３３】
この場合、差分値ΔＴ≦０ならばマンハッタン抑止モーメントがマンハッタン促進モーメントよりも上回っていることを示しており、この場合はマンハッタン現象が発生することはない。
しかしながら、差分値ΔＴ＞０ならばマンハッタン促進モーメントがマンハッタン抑止モーメントよりも上回っていることを示しており、この場合はマンハッタン現象が発生する。
従って、差分値ΔＴ＝０となる場合がマンハッタン現象の発生の分岐点と言うことが出来る。
【００３４】
各個所に働くモーメント（T１，T２，T３，T４）を計算するうえで、溶融はんだの表面張力γはみな等しいと考えると、表面張力γを省略し、モーメントの支点であるチップ部品の重心からの距離D１，D２，D３，D４をのみを用いて定式化することができる。
以下に各個所までの距離（D１，D２，D３，D４）の計算式を表す。
【００３５】
D１＝(L／2＋HS／2(H＋ε))cos(tan−１(S／(H＋ε)))
D２＝(H／2＋ε＋(ε(L／2＋S−a)／(a−K−S))cos(tan−１(ε／(a−K−S)))
D３＝(a＋b−K−S)／2
D４＝(L／2＋H(2a＋b−L−S)／2(H＋ε))cos(tan−１((2a＋b−L−S)／(H＋ε)))
【００３６】
但し、H：チップ部品の高さ、L：チップ部品長さ、ε：はんだ厚さ、K：チップ部品の電極長さ、a：電極パッド長さ、b：電極パッド間隔、S：ランド突き出し長さ、D：モーメントの支点Ａ（チップ部品の重心）からの距離(i=1,2,3,4)、これらH、L、ε、K、a、bはチップ部品およびプリント配線基盤の形状から決定される値である。
【００３７】
この場合の差分値を表すと次式のようになる。
差分値ΔT=(マンハッタン促進モーメントT３+T４)−(マンハッタン抑止モーメントT１+T２)
＝γ・((D３+D４)−(D１+D２))
この場合、D１，D２，D３，D４は先に示したようにSのみを変数として表すことができるため、各種値を代入して差分値ΔT=０となる場合のチップ位置ずれ量P（=(S＋L／2)−(a＋b／2))を求めることができる。
【００３８】
許容量より位置ずれ量が小さいとΔＴ≦０となってマンハッタン促進モーメントよりもマンハッタン抑止モーメントが上回っていることを示しており、この場合はマンハッタン現象が発生することはない。
しかしながら、許容量よりチップ位置ずれ量が大きいとΔＴ＞０となってマンハッタン促進モーメントがマンハッタン抑止モーメントよりも上回っていることを示しており、この場合はマンハッタン現象が発生する。
従って、差分値ΔＴ＝０となる場合のチップ位置ずれ量Ｐを、表面実装部品の実装位置の許容量として決定する。この論理モデルを用いることで、表面実装部品の実装位置許容量を算出することができる。
【００３９】
続いて、本実施形態で用いられる上記の論理モデルを用いて実際のチップ位置ずれ量Ｐを算出し、検証する。従来技術の論理モデルとの比較のため、１００５チップコンデンサ、１６０８チップコンデンサ、２１２５チップコンデンサについての許容量を算出する。
この場合の物性値を次の表２に示す。
【００４０】
【表２】
0004292359.tif 000003
【００４１】
表２で示すような物性値を上記数式にそれぞれ代入し、チップ位置ずれ量Ｐ（=(S＋L／2)−(a＋b／2))を変数として表した特性を図２に示す。図２は、１００５チップコンデンサ、１６０８チップコンデンサ、２１２５チップコンデンサについて、横軸をチップ位置ずれ量Ｐとし、縦軸に促進モーメント(T３+T４)を○でプロットし、抑止モーメント(T１+T２)を□でプロットし、差分値ΔＴを×でプロットして表した特性である。
【００４２】
促進モーメント(T３+T４)と抑止モーメント(T１+T２)との交点が許容量を表しており、この許容量は、１００５チップ部品で−０．１５ｍｍであり、１６０８チップ部品で−０．１９ｍｍ、２１２５チップ部品で−０．３４ｍｍであると算出された。比較参照用のため、先に説明した実験結果および従来技術の論理モデルによる許容量および本実施形態で算出された許容量を一覧にして次表で表す。
【００４３】
【表３】
0004292359.tif 000004
【００４４】
表３でも示したように、本実施形態による表面実装部品の実装位置許容量算出方法で算出された許容量は、実験結果と大変近い。
また、１６０８チップ部品では多少予測とずれているが、それでも、従来技術の理論モデルで算出された許容量よりは実状に近いものであり、本実施形態では予測精度を大幅に向上させている。
【００４５】
以上の結果から、
（１）マンハッタン現象の発生する主要因は、マンハッタン現象の理論モデルで考慮したチップ位置ずれ量で説明できる。
（２）この計算法によって、マンハッタン現象を防止できるチップ位置ずれ量の許容値がより正確に予測できることが判った。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、現実に即した簡明な理論モデルを構築し、従来よりも正確な実装位置の位置ずれ量の許容量を算出することを可能とするような、表面実装部品の実装位置許容量算出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態で用いるマンハッタン現象の理論モデルを説明する説明図である。
【図２】本発明の実施形態の論理モデルの特性図である。
【図３】プリント配線基板に表面実装部品を実装する場合の説明図であり、図３（ａ）は通常の実装状態を示す図、図３（ｂ）はチップ立ちを示す図である。
【図４】従来技術のマンハッタン現象の理論モデルを説明する説明図である。
【図５】従来技術の論理モデルによる特性図である。
【図６】従来技術の論理モデルによる特性図である。
【図１】
0004292359.tif 000005
【図２】
0004292359.tif 000006
【図３】
0004292359.tif 000007
【図４】
0004292359.tif 000008
【図５】
0004292359.tif 000009
【図６】
0004292359.tif 000010