JP2017010248A

JP2017010248A - 電子機器の熱解析方法、及び熱解析装置

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Publication number: JP2017010248A
Application number: JP2015124652A
Authority: JP
Inventors: 嘉浩村上; Yoshihiro Murakami
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-06-22
Filing date: 2015-06-22
Publication date: 2017-01-12
Anticipated expiration: 2035-06-22
Also published as: JP6569323B2

Abstract

【課題】詳細な熱シミュレーションを、現実的な計算時間で実行可能とし、最適な放熱対策の設計を可能とする電子機器の熱解析方法、及び熱解析装置を提供する。【解決手段】電気機器の熱解析方法は、ＩＣ（１０４）を搭載したＩＣ搭載基板（１００）を熱解析する方法であって、ＩＣ上の回路を、回路の機能によるひとまとまりの回路要素ごとの複数のブロック（１１〜１３、２１、２２、３１〜３４、４１，４２、５１、５２、６１〜６３、７１〜７３）に分割する手順と、回路シミュレーション結果からブロックごとの発熱量を算出する手順と、ＩＣ上にレイアウトされた回路要素を、ブロックの何れかを含む複数のシート（Ａ〜Ｇ）に分割する手順と、ブロックごとの発熱量をＩＣ上に配置された複数の各シートに割り当て、シートごとの発熱量を算出する手順と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、電子機器の熱解析方法及び熱解析装置に関する。

従来は、電子機器の放熱設計として、搭載するＩＣのチップ全体の回路シミュレーションによりチップ全体の発熱量を見積もる、という手法を採っていた。

特開２０１１−２３７２４９号公報

ＩＣ内の熱分布も考慮した熱解析シミュレーションは正確な発熱状態を基にして熱解析を行うことができることから理想的ではあるが、その計算量が多く、現実的な時間内に完了しないため、ＩＣ内の熱分布も考慮した熱解析シミュレーションを採用することが実質的にできなかった。そのため、ＩＣの発熱量をＩＣ全体の最大発熱量と見積もって放熱設計を行っていた。しかし、この設計は経験に基づく設計であったため、電子機器の試作を繰り返す必要から大きなコストが発生したり、発熱量を過剰な均一温度と見積もり、放熱対策が過剰に施されたパッケージの選定を余儀なくされ、過剰な放熱経路を確保することにつながっていた。

本発明は、上記課題に鑑みたものであり、その目的は、詳細な熱シミュレーションを、現実的な計算時間で実行可能とし、最適な放熱対策の設計を可能とする電子機器の熱解析方法、及び熱解析装置を提供することにある。

請求項１に記載する電子機器の熱解析方法は、ＩＣを搭載したＩＣ搭載基板を熱解析する方法であって、ＩＣ上の回路を、前記回路の機能によるひとまとまりの回路要素ごとの複数のブロックに分割する手順と、回路シミュレーション結果から前記ブロックごとの発熱量を算出する手順と、前記ＩＣ上にレイアウトされた前記回路要素を、前記ブロックの何れかを含む複数のシート（Ａ〜Ｇ）に分割する手順と、前記ブロックごとの発熱量を前記ＩＣ上に配置された複数の前記各シートに割り当て、前記シートごとの発熱量を算出する手順と、を備える。

請求項２に記載する熱解析装置は、ＩＣを搭載したＩＣ搭載基板の熱解析装置であって、前記ＩＣ上の回路を、前記回路の機能によるひとまとまりの回路要素ごとの複数のブロックに分割する手段と、回路シミュレーション結果から前記ブロックごとの発熱量を算出する手段と、前記ＩＣ上にレイアウトされた前記回路要素を、前記ブロックの何れかを含む複数のシートに分割する手段と、前記ブロックごとの発熱量を前記ＩＣ上に配置された複数の前記各シートに割り当て、前記シートごとの発熱量を算出する手段と、を備える。

この構成によれば、熱解析をＩＣ上のすべての素子の発熱量を考慮して行わず、回路要素ごとの発熱量を基準として行う。このため、詳細な熱シミュレーションを、現実的な計算時間で実行することができ、最適な放熱対策の設計を可能とする。

ＩＣを搭載するＩＣ搭載基板の概略構成の一例を示す図回路設計の手順の一例を模式的に示したフローチャート実施形態に係る熱解析方法の一例を示すフローチャート実施形態に係る熱解析方法の一例を示すフローチャート（ａ）及び（ｂ）はブロックと、シートを示すための図シートごとの発熱量を示す表熱解析装置の概略構成を示す図

以下、本発明を具体化した実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各実施形態で実質的に同一の要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
図１に示すように、ＩＣ搭載基板１００は、ボード１０２、ボード１０２上に搭載されるＩＣ１０４、ボード１０２上に形成される配線１０６を備えている。ＩＣ１０４上には図示しない回路がレイアウトされている。本実施形態においては、ＩＣ搭載基板１００の熱解析を行う。

図２に示すように、ＩＣ設計が開始されると、まず、回路を作成し（Ａ１）、次に、回路シミュレーションを実施し（Ａ２）、設計した回路の動作確認を行う。その後、設計したＩＣ回路をレイアウトする（Ａ３）。なお、回路シミュレーション（Ａ２）とＩＣ回路のレイアウト（Ａ３）の順序は入れ替えてもよい。

その後は、図示しないが、レイアウトを基にしてマスクを作成し、公知の方法により半導体チップを作成して配線、封止を行い、ＩＣ１０４を完成させる。次いで、ＩＣ１０４をボード１０２に搭載してＩＣ搭載基板１００を完成させる。

図３、及び図４は本実施形態における熱解析の手順を詳細に示したフローチャートである。図３に示すように熱解析を開始すると、まず、熱解析を行う対象である全体構成のＣＡＤデータを作成する（Ｂ１）。本実施形態においては、熱解析を行う対象は、ボード１０２、ＩＣ１０４及び配線１０６を含むＩＣ搭載基板１００であるため、これらを含んだ状態でのＩＣ搭載基板１００のＣＡＤデータを作成する。

次いで、ＩＣ部発熱量算出処理を実施する（Ｂ２）。本実施形態において発熱部はＩＣ１０４であるため、ＩＣ１０４の発熱状況をシミュレーションにて算出する。ここでは、回路シミュレーション（Ａ２）において行った回路動作シミュレーション結果を利用し、回路動作を行うのに必要な消費電力を算出し、これを発熱量とみなすことによりＩＣ１０４の発熱量を算出する。

次いで、熱解析計算を実施する（Ｂ３）。本実施形態においては熱解析処理の内容は詳しくは説明しないが、ＩＣ１０４を発熱部として、ボード１０２、ＩＣ１０４及び１０６を搭載したＩＣ搭載基板１００全体での熱解析を実施する。

図４は、ＩＣ部発熱量算出処理（Ｂ２）の内容を示したものである。図４に示すように、ＩＣ部発熱量算出処理が開始されると、まず、ＩＣの回路を、回路のひとまとまりの機能ごと、すなわち回路要素ごとに分割し、これをそれぞれのブロックとする（Ｃ１）。これは、設計された回路を、特定の機能ごとにまとまった回路要素ごとに分けたものである。

次に、上記ブロックの少なくとも一つを含むようにシートを発生させる（Ｃ２）。シートは後に行う熱解析に用いる発熱量の一単位となる領域に相当し、ＩＣ１０４上の特定の範囲を区切る領域に相当する。次に、発生させたシートをＩＣレイアウトの上面に配置する（Ｃ３）。続いて、各シートに、対応するブロックの発熱量を合算して割り当てる（Ｃ４）。

図５（ａ）及び（ｂ）はブロックの分割と、シートの発生を示すための図である。図５（ａ）に示すように、ブロックの分割は、ＩＣ１０４の表面にレイアウトされた回路要素のブロック１１〜１３、２１、２２、３１〜３４、４１，４２、５１、５２、６１〜６３、７１〜７３に分割される。次に、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、少なくとも一つのブロックを含むように、シートＡ〜Ｇを発生させる。

シートは例えば一つのブロックで構成させるように発生させてもよいし、複数のブロックを含むように発生させてもよい。また、後述する熱解析装置８０の計算処理能力が高い場合は、ブロックをそのままシートとみなして、ＩＣレイアウトの上面に配置し、熱解析を行ってもよい。

図６は、シートの発熱量の例を示したものである。例えばシートＡは、図５（ａ）に示すように、ブロック１１〜１３を包含して構成されている。シートＡの発熱量はブロック１１〜１３の消費電力を合算したものであり、例えば１．０Ｗの消費電力である。また、例えばシートＣは、ブロック３１〜３４を包含して構成されており、ブロック３１〜３４の消費電力の和は２．５Ｗである。従って、シートＣの消費電力は２．５Ｗとする。

消費電力は発熱量とみなされ、本実施形態では例えばシートＡの発熱量は１．０Ｗ、シートＣの発熱量は２．５Ｗとして熱解析が実施される。他のシートＢ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇについても同様である。

図７は本実施形態に係る熱解析装置８０の概略構成を示しており、例えばパーソナルコンピュータにより構成されている。図７に示すように熱解析装置８０は制御部８２、記憶部９２、操作部９４及び表示部９６を備えている。制御部８２はＣＰＵ８４、ＲＡＭ８６、ＲＯＭ８８、Ｉ／Ｏ９０などを備えている。

熱解析装置８０における熱解析処理は、例えばＲＯＭ８８に格納されたプログラムをＣＰＵ８４で実行することにより実行される。熱解析装置８０は、図３及び図４に示した熱解析処理を行う。すなわち、制御部８２は、図３及び図４に示した各処理を実行する手段となる。

なお、図２に示したＩＣ設計も例えばパーソナルコンピュータで実現可能であるから、これをパーソナルコンピュータたる熱解析装置８０に担わせることとしてもよいし、別の同様の構成を備えるコンピュータにより実現してもよい。

以上に説明した実施形態の効果をまとめれば以下のようになる。
ＩＣ１０４を搭載したＩＣ搭載基板１００全体の熱解析処理において、ＩＣ１０４を一つの発熱体とみなして計算するのではなく、ＩＣ１０４に配置した複数のシートの発熱量を用いて熱解析処理を行う。このため、より実態に合致した解析結果を得ることができる。従って、必要な箇所に集中してヒートシンクなどの熱対策を施すことが可能となるなど、最適な放熱対策を設計することができるため、熱対策の無駄を回避することができる。また、本来放熱対策の必要がない箇所に過剰に放熱対策を施すなどの無駄を排除できる。

また、ＩＣ１０４の熱計算を、すべてのＩＣ１０４上のすべての回路素子に対して行うのではなく、回路要素ごとのブロックに分割して発熱量を算出し、さらに、ＩＣ１０４上に設けられたシートに発熱量を割り振ったうえで、ＩＣ１０４を搭載するＩＣ搭載基板１００の全体で熱計算を実行する。このため、詳細な熱シミュレーションを、現実的な計算時間で実行することが可能となる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。例えば、ボード１０２に一つのＩＣ１０４を搭載したＩＣ搭載基板１００として説明したがこれに限定されない。ボード１０２上に搭載するＩＣ１０４の数は任意であり、２以上の複数のＩＣ１０４を搭載したＩＣ搭載基板１００に適用することができる。また、図２〜図４に示したフローチャートはその要旨を逸脱しない範囲で順序を入れ替えてもよい。

図面中、１００はＩＣ搭載基板（電子機器）、１０２はボード、１０４はＩＣ、１１〜１３、２１、２２、３１〜３４、４１，４２、５１、５２、６１〜６３、７１〜７３はブロック、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇはシート、８０は熱解析装置、８２は制御部（各手段）を示す。

Claims

ＩＣ（１０４）を搭載したＩＣ搭載基板（１００）を熱解析する方法であって、
ＩＣ上の回路を、前記回路の機能によるひとまとまりの回路要素ごとの複数のブロック（１１〜１３、２１、２２、３１〜３４、４１，４２、５１、５２、６１〜６３、７１〜７３）に分割する手順と、
回路シミュレーション結果から前記ブロックごとの発熱量を算出する手順と、
前記ＩＣ上にレイアウトされた前記回路要素を、前記ブロックの何れかを含む複数のシート（Ａ〜Ｇ）に分割する手順と、
前記ブロックごとの発熱量を前記ＩＣ上に配置された複数の前記各シートに割り当て、前記シートごとの発熱量を算出する手順と、を備える電子機器の熱解析方法。
ＩＣを搭載したＩＣ搭載基板の熱解析装置であって、
前記ＩＣ上の回路を、前記回路の機能によるひとまとまりの回路要素ごとの複数のブロックに分割する手段と、
回路シミュレーション結果から前記ブロックごとの発熱量を算出する手段と、
前記ＩＣ上にレイアウトされた前記回路要素を、前記ブロックの何れかを含む複数のシートに分割する手段と、
前記ブロックごとの発熱量を前記ＩＣ上に配置された複数の前記各シートに割り当て、前記シートごとの発熱量を算出する手段と、を備えることを特徴とする電子機器の熱解析装置（８０）。