专利名称：采用有限元法的结构分析方法
技术领域：
本发明涉及采用有限元法的结构分析方法，更具体地，涉及一种通过采用计算机的数值模拟来分析印刷配线基板的结构特性(例如应变特性、应力特性以及导热特性)的结构分析方法，还涉及相关的程序和结构分析装置。
背景技术：
作为电子器件的母板，采用如下印刷配线基板，在该基板上通过使用日本特开平9-218032号公报中示出的掩模技术而形成有集成电路图案。按照安装电子部件(例如LSI大规模集成)的回流工艺的温度条件，在印刷配线基板中会产生翘曲(warpage)。由于制造工艺的条件而出现的翘曲导致安装在印刷配线基板表面上的电子部件的凸起接合部等未到达该基板表面或过短，由此降低了产品合格率。
因此，已知CAD(计算机辅助设计)和有限元法的组合，来从结构上分析印刷配线基板，并且预测因制造工艺的条件而在印刷配线基板中产生的翘曲(日本特开2004-13437和2000-231579号公报，以及日本特许第3329667号公报)。根据这种预测，能够进行设计修改，从而生产在安装工艺中具有最小翘曲的印刷配线基板。
发明内容
然而，利用传统技术，当将作为结构分析的分析对象的印刷配线基板分割为有限元素时，为了提高预测的精度，必须增加分割数目。结果，数据量非常大而且预测计算非常耗时。反之，当减少分割数目时，又存在预测精度降低的问题。
因此，本发明的目的是提供一种结构分析方法、结构分析程序以及结构分析装置，其可缩短结构分析的时间而不降低预测的精度。
通过提供作为本发明第一方面的结构分析方法来实现上述目的，所述结构分析方法是通过对由具有不同物理特性的多个材料形成的分析对象进行结构分析的结构分析装置来执行的，所述结构分析方法包括如下步骤在将分析对象分割为多个有限元素的情况下，结构分析装置对于各有限元素产生元素分割数据，所述元素分割数据将指示有限元素的位置的位置信息与指示有限元素的材料的材料信息相关联；结构分析装置利用位置信息定义将分析对象分割成大于有限元素的单位的多个网格(mesh)，并且针对各网格，基于元素分割数据计算所述多个材料中的一个材料占该网格中包含的有限元素的比例；结构分析装置指定其中计算出的所述一个材料的比例超过预定阈值的网格，并且对于元素分割数据的材料信息，通过对于所指定网格中包含的有限元素的材料，利用指定非所述一个材料的其它材料的材料信息对指定所述一个材料的材料信息进行重写，来生成网格数据；以及结构分析装置基于由此生成的网格数据来计算分析对象中产生的物理量。
本发明的上述方面的优选实施例进一步包括如下步骤结构分析装置计算所述一个材料占分析对象的第一比例，并且计算所述一个材料占分析对象的第二比例，所述第一比例是基于元素分割数据来计算的，而所述第二比例是基于所生成的网格数据来计算的；以及当第一比例和第二比例不在预定误差范围内时，结构分析装置通过改变预定阈值来重新生成网格数据。
根据本发明的上述方面的优选实施例，按照有限元素的分割在分析对象中形成多层，所述结构分析方法进一步包括如下步骤结构分析装置对于每一层，提取与分析对象表面的预定区域相对应的位置，其中相对于提取位置定义所述网格。
根据本发明的上述方面的优选实施例，按照有限元素的分割在分析对象中形成多层，所述结构分析方法进一步包括如下步骤结构分析装置对于每一层，基于所生成的网格数据计算所述一个材料占分析对象的比例；以及结构分析装置在由此计算出的所述一个材料的比例超过高密度基准值的层中，将包含在网格数据中的预定有限元素的材料信息变为形成分析对象的多个材料中的非所述一个材料的材料的材料信息，并进行调整，使对于每一层计算出的所述一个材料的比例处于预定误差范围内。
根据本发明的上述方面的优选实施例，所述结构分析方法进一步包括如下步骤结构分析装置在添加到分析对象的表面的预定区域的部件是新分析对象时，生成新网格数据，其中，所添加的部件的网格位置与分析对象的表面的预定区域中容纳该添加的部件的网格位置相匹配。
根据本发明的上述方面的优选实施例，所述结构分析方法进一步包括如下步骤利用三维坐标指定网格位置信息，所述三维坐标是通过将形成在分析对象的表面上的二维坐标和与该表面垂直的厚度方向中的位置相组合而得到的；以及，所述结构分析装置通过指定同一材料在具有公共二维坐标的网格的厚度方向上的连续区间，来基于网格数据生成将连续材料的材料信息和连续材料的厚度与网格位置信息相关联的叠层板壳(shell)数据，其中，基于叠层板壳数据来计算分析对象中所产生的物理量。
根据本发明的上述方面的优选实施例，按照有限元素的分割在分析对象中形成多层，并且结构分析装置包括存储部，该存储部用于预存储将分析对象的表面的位置与在多层结构的分析对象的层方向上的厚度相关联的厚度数据，所述结构分析方法进一步包括以下步骤结构分析装置基于所述厚度数据对网格数据进行更新。
此外，通过提供作为第二方面的程序来实现上述目的，所述程序使得对由具有不同物理特性的多个材料形成的分析对象进行结构分析的计算机执行如下功能在将分析对象分割为多个有限元素的情况下，对于各个有限元素生成元素分割数据，所述元素分割数据将指示有限元素的位置的位置信息与指示有限元素的材料的材料信息相关联；通过位置信息定义将分析对象分割成大于有限元素的单位的多个网格，并且对于各网格，基于元素分割数据计算所述多个材料中的一个材料占该网格中包含的有限元素的比例；指定其中计算出的所述一个材料的比例超过预定阈值的网格，并且对于元素分割数据的材料信息，通过对于所指定的网格中包含的有限元素的材料，利用指定非所述一个材料的其它材料的材料信息对指定所述一个材料的材料信息进行重写，来生成网格数据；以及基于由此生成的网格数据来计算分析对象中产生的物理量。
此外，通过提供作为第三方面的结构分析装置来实现上述目的，所述结构分析装置对具有不同特性的多个材料形成的分析对象执行结构分析，所述结构分析装置包括包括控制程序的存储部；以及读取并执行所述控制程序的控制单元，其中所述控制单元通过执行所述控制程序来实现第一生成部，其在将分析对象分割为多个有限元素的情况下，对各个有限元素生成元素分割数据，所述元素分割数据将指示有限元素的位置的位置信息与指示有限元素的材料的材料信息相关联；第一计算部，其通过位置信息定义将分析对象分割成大于有限元素的单位的多个网格，并且对于各网格，基于元素分割数据计算所述多个材料中的一个材料占该网格中包含的有限元素的比例；第二生成部，其指定其中所计算的所述一个材料的比例超过预定阈值的网格，并且对于元素分割数据的材料信息，通过对于所指定的网格中包含的有限元素的材料，利用指定非所述一个材料的其它材料的材料信息对指定所述一个材料的材料信息进行重写，来生成网格数据；以及第二计算部，其基于由此生成的网格数据来计算分析对象中产生的物理量。
图1例示出在本发明实施例中使用的印刷配线基板；图2例示出安装有电子部件的印刷配线基板的表面；图3例示出本发明实施例的结构分析装置的组成；图4示出材料特性表的数据组成的示例；图5示出厚度表的数据组成的示例；图6是例示出本发明实施例的结构分析装置的操作的流程图；图7A示出作为有限元素的立方体；图7B示出元素分割数据的数据组成的示例；
图8例示出用于生成网格数据的一个方面，其中，图8A是基于元素分割数据的元素分割模型，图8B示出基于网格数据的网格模型；图9是例示出网格数据生成处理的流程图；图10是网格数据的数据组成的示例；图11是例示出根据网格数据生成叠层板壳数据的处理的流程图；图12是叠层网格数据的数据组成的示例；图13是本发明实施例的结构分析装置30的功能框图；以及图14例示出用于通过提取印刷配线基板的一部分来进行结构分析的一个方面。
具体实施例方式
下面参考附图描述本发明的实施例。然而，本发明的技术范围并不限于本实施例，而是覆盖了权利要求及其任何等同物中显现的发明。
根据本发明的实施例，使用印刷配线基板作为分析对象。因此，首先简略介绍本实施例中使用的印刷配线基板。
图1例示了本发明实施例中使用的印刷配线基板。该印刷配线基板1的周边被定尺部(cut length)2包围。印刷配线基板1和定尺部2通过肋部4连接，并且在没有肋部4的位置处形成有凹槽3。通过切割肋部4来分离印刷配线基板1和定尺部2。
印刷配线基板1、肋部4和定尺部2分别由多层结构组成。当交替布置并且热压铜延展层压板(核心材料8和铜箔6)和半固化片(prepreg)9时，半固化片9显示出熔融粘合效果。为抑止焊剂的粘着而涂布的阻焊剂7形成在印刷配线基板表面5上。
通孔11是内壁镀有镀层10以连接不同配线层的孔。因此，配线层由铜箔6(导体)、半固化片9(电介质)以及空气(存在通孔11的情况下)等组成。
图2例示出安装有电子部件的印刷配线基板1的表面5。图2示出通孔11、BGA(球栅阵列)支承部13、SOP(小外形封装)支承部14、QFP(方型扁平式封装)支承部15等，并且在印刷配线基板1上形成有连接上述部件的配线12。图2中的配线和用于电子部件的支承部示出了该结构的一部分。实际上，所布置的电子部件支承部的数目比图2中多，并且形成有连接这些支承部的复杂配线。
在本实施例的情况下，使用结构分析装置进行结构分析，其中分析对象是图1和图2中所示的印刷配线基板1，或者是通过组合印刷配线基板1和定尺部2而产生的部件。于是，通过将分析对象分割为有限元素，定义将几个有限元素集合在一起称为网格的单位，并且基于网格中包含的导体6的含量比，将网格中包含的有限元素的材料认定为导体或者其它材料，来简化结构分析的数值模拟中使用的模型，由此可以缩短结构分析装置的结构分析的处理时间并减少其处理负担。
在认定处理中使用对于导体的含量比设定的阈值，并且通过预先将该阈值设为预定值，能够执行高精度的模拟。此外，通过使阈值可变，可以通过将阈值改变为使得执行认定处理之前的分析对象的导体含量比和认定处理之后的分析对象的导体含量比都在预定误差范围内，来实现更精确的模拟。
图3示出本发明实施例的结构分析装置30的组成。图3中的结构分析装置30包括控制单元31、RAM(随机访问存储器)32、存储部33、外围设备连接接口(外围设备I/F)35、用于输入信息的输入部36、以及用于显示信息的显示部37。这些部件通过总线34相互连接。
控制单元31包括CPU(中央处理单元)(未示出)，该控制单元31执行存储在RAM 32中的程序，并且控制结构分析装置30中包含的各部件。RAM 32是用于临时存储结构分析装置30的处理的计算结果和程序的存储装置。存储部33是存储各种数据以及要读取到RAM 32的OS(操作系统)的程序的非易失性存储装置，如硬盘、光盘、磁盘或闪存。
外围设备I/F 35是用于将外围设备连接到结构分析装置30的接口，其包括并行端口、USB(通用串行总线)端口、PCI卡槽等。外围设备的范围很广，包括打印机、TV调谐器、SCSI(小型计算机系统接口)设备、音频设备、驱动器、存储卡读/写器、网络接口卡、无线LAN卡、调制解调器卡、键盘和鼠标、以及显示设备。外围设备与结构分析装置30之间的连接形式可以是有线的或无线的。
输入部36是用于由用户输入指令请求的输入装置，如键盘或者鼠标。显示部37是用于将信息呈现给用户的显示装置，如CRT(阴极射线管)、液晶显示器。结构分析装置30可以通过膝上型PC、笔记本PC、PDA(个人数字助理)或者服务器等来实现。
在本实施例中，用于进行认定处理的阈值331被预存储在存储部33中。存储部33还包含材料物理特性表332和厚度表333，所述材料物理特性表332将分析对象中包含的材料与其物理特性关联起来，所述厚度表333将通过形成在表面5上的图1或图2中的二维坐标系xy坐标指定的点与分析对象的厚度方向(图1中示出的z轴方向)上的厚度关联起来。
图4示出材料物理特性表332的数据组成的示例。图4中的材料物理特性表332包含称为“材料”和“物理特性值列表”的数据项。“材料”是以值的形式存储的指定诸如导体、电介质和空气的组成材料的材料名称。“物理特性值列表”是联系指定材料的物理特性的物理特性值的列表。可以引用介电常数、磁导率、导电率、磁阻、以及密度等作为数据项。如果通过参照图4中的材料物理特性表332来指定材料，则可以获得物理特性值。
图5示出了厚度表333的数据组成的示例。图5中的厚度表333包含诸如“位置信息”和“厚度”的数据项。“位置信息”是指定图1中的表面5上的点的位置的信息，并且例如由图2中所示的xy坐标指定。“厚度”是指示由“位置信息”指定的位置处的在图1的厚度方向(z轴方向)上的厚度的数值，该数值以假设设计阶段的印刷配线基板1的厚度为100％的情况下的比例示出。
例如，当厚度数据的“厚度”为80％时，假定在设计阶段的厚度是5毫米，则当在结构分析中使用时，另一点的厚度被标准化到4毫米。“厚度”的表示不限于比例形式，也可以以长度来表示。
当在例如结构分析中反映成品的厚度的测量数据时，使用厚度数据。另选地，当成品经过特定生产线时确定所显现的成品厚度特性，并且当结合这些特性进行结构分析时采用该厚度数据。
下面，描述本实施例的结构分析装置30的操作。
图6是例示出本发明实施例的结构分析装置30的操作的流程图。将预先指定分析对象的形成的CAD(计算机辅助设计)数据提供给结构分析装置30。该结构分析装置30基于由此提供的CAD数据将分析对象分割成有限元素并且生成元素分割数据334(S2)。接着将由此生成的元素分割数据334存储在存储部33中。
在步骤S2中，结构分析装置30使用立方体作为有限元素。例如通过将CAD工具的CAD数据输入作为商用电磁场解析工具(electrical-charge field)的坡印廷仪(Poynting)中，将作为分析对象的印刷配线基板1分割成微小立方体。
图7A示出作为有限元素的立方体，图7B例示出元素分割数据334的数据组成的示例。分析对象被分割成图7A中所示的微小立方体70，以达到能够指定各有限元素的材料的程度。
例如通过指定立方体70的角的坐标来指定各有限元素的位置。在此将立方体70的角称为节点，并且根据厚度方向(z轴方向)上的位置，将其分为上节点(第一节点71到第四节点74)和下节点(第五节点75到第八节点78)。
图7B中的元素分割数据334包括“元素ID”、“层号”、第一到第八“节点”、以及“材料”作为数据项。“元素ID”是被分配来指定各有限元素的标识符。
“层号”是指定其中包含有各有限元素的“层”的标识符。一层的厚度是布置作为有限元素的一个立方体70的高度。更具体地，通过各有限元素的上节点(例如第一节点)和下节点(例如第五节点)的z坐标来指定有限元素所属的层。如果按照与图1所示的配线层的关系进行表示，则存在一个配线层与通过布置一个有限元素而产生的高度相对应的情况，以及一个配线层与布置多个有限元素的高度相对应的情况。
第一到第八“节点”表示对图7A中的作为有限元素的立方体70的角进行指定的坐标。“材料”是指定各元素的组成材料的材料名称(图4中的材料表中的“材料”)。如图7B中所示，在相同材料被连续布置的情况下，存在即使元素ID不同，材料也相同的情况。此外，例如，不仅通过立方体70的角坐标而且通过第一节点71(图7A中的实心黑圈)和立方体一边的长度的组合来指定有限元素的位置。
现在返回图6，当完成步骤S2的处理时，结构分析装置30定义网格并生成网格数据335(S4)，所述网格利用比步骤S2中分割出的有限元素更大的单位来分割分析对象。在步骤S4中，将分割为有限元素的分析对象切成多层并且投影到二维平面(图1中的xy坐标)上。接着针对该二维平面定义网格，并且当导体占网格的比例等于或者大于预定阈值时，认定网格中包含的整个有限元素的材料为导体。由此执行认定处理。
此后，当生成网格数据335时，结构分析装置30通过参考厚度表333来进行厚度校正(S6)。如图5中所示，厚度表333中的厚度是表示在由“位置信息”指定的位置处的厚度方向(图1中的z轴方向)上的厚度的数值，其是利用在假设设计阶段的印刷配线基板为100％的情况下的比例来表示的。在此，作为步骤S6中的处理，结构分析装置30可以计算以“厚度”指定的比例对立方体70的边的长度加权的数值作为各层的厚度。
结构分析装置30基于通过上述处理生成的网格数据，通过使用各种解算程序(刚性方程式的解法)来进行结构分析(也包括在步骤S6中校正厚度)(S8)。结构分析装置30通过使用例如结构分析解算器、流体分析解算器、或者冲击分析解算器作为解算程序，来对印刷配线基板执行称为导热分析、热应力分析或者冲击分析的各种分析。
此外，在图6中的步骤S4中的生成网格数据335的处理中，结构分析装置30可以基于一度生成的网格数据，对于各层计算导体的含量比，并且对于其中所计算出的导体含量比超过预设的高密度基准值的层，可以将该有限元素的材料变为导体之外的材料来降低导体的含量比，并且更新网格数据335。在此处理中，将对于各层计算出的导体含量调整到预定值范围内。因此，配线密度在各层中达到平衡，并且可以在结构分析仿真中采用该使得能够抑制印刷配线基板的翘曲的网格模型。
图8例示出其中在图6的步骤S4中生成网格数据的一个方面。图8A例示出基于元素分割数据334的网格模型，图8B例示出基于网格数据的网格模型。
将图8中的网格81定义为其中顺序放置有4×4个有限元素的正方形。此外，作为示例将阈值设定在50％。另外，由实心黑正方形表示导体，并且由白正方形表示非导体。
在图8A中的元素分割模型的情况下，在右上角中的网格82中的十六个有限元素中，导体的数量是六个。因此，网格82的导体含量低于50％，因此在步骤S4的处理中，将网格82中包含的全部有限元素视为非导体(例如电介质)。
在网格82下方的网格83中，十六个有限元素中，导体数量是八个。因此，网格83中的导体含量等于或者大于50％，因此在步骤S4的处理中，将网格83中包含的全部有限元素视为导体。通过执行该同一处理，生成图8B中示出的网格模型(和对应的网格数据)。
图9是例示出图8中的步骤S4中示出的网格数据生成处理的流程图。该结构分析装置30计算网格中的导体的含量比(S41)。结构分析装置30例如通过指定网格中包含的有限元素来定义网格。
随后可以参考图7中的元素分割数据334并且可以计算在各网格中包含的有限元素中的其材料是导体的有限元素的比例。具体示例如图8中所示。
此后，结构分析装置30判断步骤S41中计算出的导体的含量比是否等于或者大于预定阈值(S42)。在存储部33中预先存储有该预定阈值作为阈值331(例如50％等)。当所计算出的导体的含量比等于或者大于预定阈值(步骤S42中为是)时，结构分析装置30使网格中包含的有限元素的材料为“导体”(S43)。
当由此计算出的导体的含量比小于预定阈值(步骤S42中为否)时，结构分析装置30使网格中包含的有限元素的材料是非“导体”的材料(S44)。例如，如果有多个非导体的材料，则选择材料含量最高的非导体材料。如果只有一种非导体材料，则选择该非导体材料。
因此，根据步骤S43和S44的处理，通过根据各个网格中的导体的含量比，利用导体和非导体替换在步骤S2中生成的有限元素数据的“材料”，来生成网格数据335。因此，对于在同一网格中包含的有限元素，连续出现相同的材料，从而，集总数据可以是下图中示出的网格数据。
图10是网格数据335的数据组成的示例。图10中的网格数据将同一网格中包含的有限元素一起放入一个数据条目中，并且该网格数据与其中在元素分割数据334中可以替换的“材料”的数据相同。然而，与网格位置信息的关联可直接作为数据集总的结果。
图10中的网格数据包括如下数据项“网格ID”、“层号”、“对应元素列表”、第一到第四“节点”、“导体含量”、以及“材料”。“网格ID”是被分配来指定各网格的标识符。
“层号”是指定各网格所属的层的标识符。“对应元素列表”包括指定网格中包含的有限元素的多个“元素ID”(参见图7B)。
第一到第四“节点”表示对作为正方形的网格的角进行指定的坐标。“导体含量”是示出各网格中包含的有限元素中的导体的比例的数值。
此外，“材料”是指定各网格的组成材料的材料名称(图4的材料表中的“材料”)。在图8和图9中的步骤S43和S44中例示出对网格的组成材料的确定。
现在返回图9，当完成步骤S43和S44的处理时，结构分析装置30判断是否对全部网格完成了从步骤S41到S44的处理(S45)。如果存在未经处理的网格(在步骤S45中为“否”)，则通过返回到步骤S41重新开始处理。
当对全部网格完成了从步骤S41到S44的处理(步骤S45中为“是”)时，结构分析装置30基于网格数据335计算各层的导体含量比。由此，计算图8B中所示的在认定处理之后的网格模型中的导体含量。
此外，结构分析装置30基于元素分割数据334计算各层的导体的含量比，并且将其与步骤S46中计算出的导体含量相比较(S47)。基于元素分割数据334的导体含量是图8A中示出的在认定处理之前的元素分割模型中的导体含量比。
当认定处理之前的导体含量比与认定处理之后的导体含量比之间的差在预定误差范围内(S47中为“是”)时，结束网格数据生成处理，并且进行后续阶段过程的步骤S6的处理。在步骤S47中采用的误差范围被预存储在存储部33中。
当认定处理之前的导体含量比与认定处理之后的导体含量比之间的差不在预定误差范围内(S47中为“否”)时，结构分析装置30改变存储在存储部33中的预定阈值331(S48)。例如，如果网格模型中的导体含量比大于元素分割模型的导体含量比，则结构分析装置30提高阈值。通过提高阈值，可降低网格模型中的导体的比例。在相反的情况下，结构分析装置30降低阈值，并且可以增加网格模型中的导体的比例。当完成了步骤S48的处理时，返回步骤S41以进行处理。
虽然网格数据335是在图6示出的流程中生成的，但结构分析装置30可以自动地根据网格数据生成数据尺寸被进一步压缩的叠层板壳数据336。例如，结构分析装置30在图6中的步骤S4与S6之间执行下图中示出的叠层板壳数据生成处理。
图11是示出从网格数据生成叠层板壳数据的处理的流程图。结构分析装置30根据网格数据335创建二维板壳模型(S51)。通过利用二维坐标(在不同层中的第一到第四节点的这些二维坐标相同)指定网格，并且通过从具有最小z轴坐标值的网格开始按序排列来创建该二维模型。即，当各层被投影在xy平面上时，对重叠的网格进行按序排列。
此外，结构分析装置30针对集总在二维网格模型中的各网格指定厚度方向上的连续材料(S52)。随后结构分析装置30根据对于各材料有多少连续层来计算各材料的厚度并且生成叠层板壳数据336(S53)。
图12是叠层网格数据的数据组成的示例。图12的网格数据包括诸如“二维网格ID”、第一到第四“节点”、以及“材料和厚度列表”的数据项。
“二维网格ID”是这样的标识符，其指定当在厚度方向(图1中的z轴方向)上的层形状中存在的网格被投影到二维平面(图1中的xy轴方向)上时可由同一节点来指定的网格。第一到第四“节点”表示对作为正方形的二维网格的角进行指示的坐标。
“材料和厚度列表”是将厚度方向上的连续材料与该厚度配对的列表。厚度可以是实际长度或者连续层的数量。在后一情况下，如果立方体70的边长已知，则可基于连续层的数量计算出实际的长度。
当使用图12中示出的叠层板壳数据336时，在图6中的步骤S6中的对厚度进行校正的校正处理中，将“材料和厚度列表”中的各材料的厚度乘以例如网格中央位置处的“厚度”(参见图5中的厚度表333)的比例。例如，当将图12中的二维网格ID为1的网格的中间位置处的厚度设定为80％时，在图6中的步骤S6中，将与材料M1相对应的厚度T11乘以0.8而得到的数值校正为材料M1的厚度。对二维网格ID为1的网格中包含的其它材料M2和M3也执行类似处理。
图13是本发明实施例的结构分析装置30的功能框图。结构分析装置30的控制单元31具有第一生成部311、第一计算部312、第二生成部313、第二计算部314、第三生成部315、以及调节部316。控制单元31的各功能部分被实现为由控制单元31所包括的CPU(未示出)执行的程序，但也可通过硬件来实现。
第一生成部311将分析对象分割成多个有限元素并且生成将有限元素的位置与材料相关联的元素分割数据334。第一计算部312定义将分析对象分割成比有限元素大的单位的多个网格，并且基于各网格的元素分割数据来计算网格中包含的导体含量。
第二生成部313指定计算出的导体含量比超过预定阈值的网格，并且生成网格数据335，该网格数据335使得能够在元素分割数据的材料信息中，将指定网格中包含的有限元素的材料替换为导体。第二计算部314使用各种解算器，基于网格数据来计算分析对象中产生的物理量，并且输出该分析对象。
此外，结构分析装置30可以包含第三生成部316，该第三生成部316用于通过在具有公共二维坐标的网格的厚度方向上，指定相同材料的连续区间，从网格数据生成叠层板壳数据336，该叠层板壳数据336将连续材料和该连续材料的厚度与网格位置相关联。此时，第二计算部314能够将第三生成部316所生成的叠层板壳数据转送到各种解算器中，并且进行结构分析。
此外，结构分析装置30可以包括调节部分316，该调节部分316基于网格数据335计算各层的导体的含量比，并且通过将有限元素的材料变为非导体的材料以减少其中所计算出的导体含量比超过高密度基准值的层中的导体含量比，来进行调节，以使得各层的由此计算出的导体的含量比在预定值范围内。
在以上描述中，描述了其中进行印刷配线基板1的结构分析的情况。然而，本实施例也可以应用于对通过组合印刷配线基板1和定尺部2而产生的对象执行结构分析的情况。此外，本实施例也可以应用于其中通过提取印刷配线基板1和定尺部2的一部分来执行结构分析的情况。
图14示出通过提取印刷配线基板1的一部分来进行结构分析的一个方面。在图14中，呈现了画面141，其示出了通过提取图2中示出的BGA支承部13，在预定温度下进行应力分析的结果。例如，区域142是被划分为翘曲大的位置的区域。
本实施例的结构分析装置30也能够进行如下分析其采用安装在印刷配线基板1上的电子部件作为分析对象。例如，如图14所示，本实施例还被应用于安装在BGA支承部13上的BGA 143的结构分析。此外，在这种情况下，在BGA 143上形成的网格可以具有与用于安装BGA 143的BGA支承部13相同的布置。通过在电子部件侧和电子部件安装侧定义相同的网格，在通过各种解算器进行分析的时候，在通过采用简单约束条件和环境条件等安装电子部件时，能够容易地进行印刷配线基板的结构分析。
根据上述实施例，结构分析装置30能够根据指定印刷配线基板形状的CAD数据，自动地生成对于结构分析解算器的网格数据。此外，简化(压缩)所生成的网格数据，使得网格单元具有单一材料特性。因此，与用于对网格中包含的各有限元素指定材料特性的传统技术相比，结构分析装置30能够在更短时间内并以更低负荷来执行结构分析所需的计算。
此外，结构分析装置30能够对于各层比较简化之前和之后的导体含量比(认定处理)，并且将认定处理中使用的阈值改变到预定误差范围内，由此防止因简化而导致的预测精度的降低。结构分析装置30还能够通过提取印刷配线基板的一部分来进行结构分析。
此外，结构分析装置30为安装在印刷配线基板上的电子部件和在基板侧容纳电子部件的部件定义相同网格，由此能够在短时间内准确地预测在印刷配线基板上安装电子部件的处理中因加热和加压而导致的翘曲，并且能够预先研究减少该翘曲的对策。该相同的分析也能够用于定尺部，并且结构分析装置30还可以预测在印刷配线基板的制造工艺中的翘曲等。
由此，本发明使得能够提供节约分析时间而不降低预测精度的结构分析方法。
权利要求
1.一种由结构分析装置执行的结构分析方法，所述结构分析装置对由具有不同物理特性的多个材料形成的分析对象进行结构分析，所述结构分析方法包括如下步骤在结构分析装置处，在将分析对象分割为多个有限元素的情况下，对于各有限元素产生元素分割数据，所述元素分割数据将指示有限元素的位置的位置信息与指示有限元素的材料的材料信息关联起来；在结构分析装置处，利用位置信息定义将分析对象分割成大于有限元素的单位的多个网格，并且对于各网格，基于元素分割数据计算所述多个材料中的一个材料占该网格中包含的有限元素的比例；在结构分析装置处，指定其中计算出的所述一个材料的比例超过预定阈值的网格，并且对于元素分割数据的材料信息，通过用指定非所述一个材料的材料的材料信息替换所指定网格中包含的有限元素的材料的材料信息来生成网格数据；以及在结构分析装置处，基于所生成的网格数据计算分析对象中产生的物理量。
2.根据权利要求1所述的结构分析方法，进一步包括如下步骤在结构分析装置处，获得基于元素分割数据计算出的所述一个材料占分析对象的第一比例，以及基于所生成的网格数据计算出的所述一个材料占分析对象的第二比例；以及在结构分析装置处，当第一比例和第二比例不在预定误差范围内时，通过改变预定阈值来重新生成网格数据。
3.根据权利要求1或者2所述的结构分析方法，其中，根据有限元素的分割，在分析对象中形成多层，其中，所述方法进一步包括如下步骤在结构分析装置处，对于各层提取与分析对象的表面的预定区域相对应的位置，并且其中，相对于所提取的位置定义网格。
4.根据权利要求1或者2所述的结构分析方法，其中，根据有限元素的分割，在分析对象中形成多层，并且其中，所述方法进一步包括如下步骤在结构分析装置处，对于各层，基于所产生的网格数据，获得所述一个材料占分析对象的比例；以及在结构分析装置处，在所获得的所述一个材料的比例超过高密度基准值的层中，将网格数据中包含的预定有限元素的材料信息变为形成分析对象的多个材料中的非所述一个材料的材料的材料信息；以及进行调整，使得所获得的各层的所述一个材料的比例在预定误差范围内。
5.根据权利要求1或者2所述的结构分析方法，进一步包括如下步骤在结构分析装置处，当添加到分析对象的表面的预定区域处的组件是新分析对象时，形成新网格数据，其中，所添加组件的网格位置与容纳所添加的组件的分析对象的表面的预定区域的网格位置相匹配。
6.根据权利要求1或者2所述的结构分析方法，进一步包括如下步骤通过三维坐标指定网格位置信息，所述三维坐标是通过将形成在分析对象的表面上的二维坐标和与该表面垂直的厚度方向上的位置相组合而得到的；以及在结构分析装置处，通过指定同一材料在具有公共二维坐标的网格的厚度方向上的连续区间，来基于网格数据生成将连续材料的材料信息和连续材料的厚度与网格位置信息相关联的叠层板壳数据，其中，基于叠层板壳数据来计算分析对象中产生的物理量。
7.根据权利要求1或者2所述的结构分析方法，其中，根据有限元素的分割，在分析对象中形成多层，其中，结构分析装置具有存储部，该存储部用于预存储将分析对象的表面的位置与多层结构的分析对象的层方向上的厚度相关联的厚度数据，并且其中，所述方法进一步包括如下步骤在结构分析装置处，基于厚度数据对网格数据进行更新。
8.一种程序，使对由具有不同物理特性的多个材料形成的分析对象进行结构分析的计算机能够执行下列步骤在结构分析装置处，在将分析对象分割为多个有限元素的情况下，对于各有限元素产生元素分割数据，所述元素分割数据将指示有限元素的位置的位置信息与指示有限元素的材料的材料信息关联起来；在结构分析装置处，利用位置信息定义将分析对象分割成大于有限元素的单位的多个网格，并且对于各网格，基于元素分割数据计算所述多个材料中的一个材料占该网格中包含的有限元素的比例；在结构分析装置处，指定其中计算出的所述一个材料的比例超过预定阈值的网格，并且对于元素分割数据的材料信息，通过用指定非所述一个材料的材料的材料信息替换所指定网格中包含的有限元素的材料的材料信息来生成网格数据；以及在结构分析装置处，基于所生成的网格数据来计算分析对象中产生的物理量。
9.一种结构分析装置，其对由具有不同特性的多个材料形成的分析对象进行结构分析，该结构分析装置包括具有控制程序的存储部；以及控制单元，其读取并执行控制程序，其中，控制单元通过执行控制程序实现下列部分第一生成部，其在将分析对象分割为多个有限元素的情况下，对于各个有限元素生成元素分割数据，所述元素分割数据将指示有限元素的位置的位置信息与指示有限元素的材料的材料信息关联起来；第一计算部，其利用位置信息定义将分析对象分割成大于有限元素的单位的多个网格，并且对于各网格，基于元素分割数据计算所述多个材料中的一个材料占该网格中包含的有限元素的比例；第二生成部，其指定其中所计算的所述一个材料的比例超过预定阈值的网格，并且对于元素分割数据的材料信息，通过对于所指定的网格中包含的有限元素的材料，用指定非所述一个材料的材料的材料信息对指定所述一个材料的材料信息进行重写，来生成网格数据；以及第二计算部，其基于由此生成的网格数据来计算分析对象中产生的物理量。
10.根据权利要求9所述的结构分析装置，其中，所述第一计算部进一步计算所述一个材料占分析对象的第一比例，并且计算所述一个材料占分析对象的第二比例，所述第一比例是基于元素分割数据来计算的，而所述第二比例是基于所生成的网格数据来计算的；并且当第一比例和第二比例不在预定误差范围内时，第二生成部通过改变预定阈值来重新生成网格数据。
11.根据权利要求9或者10所述的结构分析装置，其中，根据有限元素的分割在分析对象中形成多层，其中，所述第一生成部，通过对于各层提取与所述分析对象的表面的预定区域相对应的位置来生成元素分割数据，并且其中，所述第一计算部相对于由此提取的区域定义网格数据。
12.根据权利要求9或者10所述的结构分析装置，其中，根据有限元素的分割，在分析对象中形成多层，并且其中，所述装置进一步包括调节部，该调节部执行如下步骤对于各层，基于所生成的网格数据计算所述一个材料占分析对象的比例；在其中所计算出的所述一个材料的比例超过高密度基准值的层中，将网格数据中包含的预定有限元素的材料信息变为形成分析对象的多个材料中的非所述一个材料的材料的材料信息；以及进行调整，使得对于各层所计算出的所述一个材料的比例处于预定误差范围内。
13.根据权利要求9或者10所述的结构分析装置，其中，当添加到分析对象的表面的预定区域的组件是新分析对象时，第一计算部进一步生成新网格数据，并且其中所添加的组件的网格位置与容纳所添加的组件的分析对象的表面的预定区域的网格位置相匹配。
14.根据权利要求9或者10所述的结构分析装置，其中，利用三维坐标指定网格位置信息，所述三维坐标是通过组合分析对象的表面上形成的二维坐标和与该表面垂直的厚度方向上的位置而得到的，其中，所述结构分析装置进一步包括第三生成部，其通过指定同一材料在具有公共二维坐标的网格的厚度方向上的连续区间，基于网格数据生成将连续材料的材料信息和连续材料的厚度与网格位置信息相关联的叠层板壳数据；以及第二生成部，基于叠层板壳数据计算分析对象中产生的物理量。
15.根据权利要求9或者10所述的结构分析装置，其中，根据有限元素的分割在分析对象中形成多层，其中，将分析对象的表面的位置与多层结构的分析对象的层方向上的厚度相关联的厚度数据被预存储在存储部中，并且其中，第二生成部基于厚度数据来更新网格数据。
全文摘要
提供了一种采用有限元法的结构分析方法，其在不降低预测精度的情况下节省了分析时间。该结构分析方法包括以下步骤将分析对象分割为多个有限元素；定义将分析对象分割成大于所述有限元素的单位的多个网格，并且对于各网格，计算多个材料中的一个材料占所述网格中包含的所述有限元素的比例；指定其中计算出的所述一个材料的比例超过预定阈值的网格，并且通过用指定非所述一个材料的材料的材料信息来替代所指定网格中包含的有限元素的材料的材料信息来生成网格数据；以及基于所生成的网格数据计算分析对象中产生的物理量。
文档编号G06F17/50GK1815479SQ200510124349
公开日2006年8月9日 申请日期2005年11月25日 优先权日2005年1月31日
发明者伊东伸孝, 久保田哲行, 中楯真美, 田村亮 申请人:富士通株式会社