JP2006254303A - 信号伝送回路、icパッケージ、実装基板及びicチップ - Google Patents

信号伝送回路、icパッケージ、実装基板及びicチップ Download PDF

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Abstract

【課題】複雑な回路を採用した従来の手法と同じ効果を、複雑な回路を使うことなく、つまり、簡単な回路で実現することができる信号伝送回路を得る。
【解決手段】信号を伝送する伝送路21、22と、所定の抵抗値を有する終端抵抗33、34と、伝送路21、22及び終端抵抗33、34に接続されたインダクタンス31、32と、伝送路21、22及びインダクタンス31、32の接続部で信号を受信する入力バッファ35とを設けた。
【選択図】図1

Description

この発明は、高速なシリアル信号を伝送する情報処理装置などの信号伝送回路、ICパッケージ、実装基板及びICチップに関するものである。
従来の信号伝送回路は、例えばイコライザを使用して、ジッタを減らしていた(例えば、特許文献1参照)。
特開平8−297924号公報
パッシブイコライザ(Passive−Equalizer)の損失の周波数依存性は、伝送路の損失とは逆の周波数依存性損失となっていて、総合通過特性の損失は、周波数によらずほぼ一定となる。このため、レシーバIC(集積回路)の受信波形はどのビットもほぼ同じ振幅となり、そのアイパターンもジッタが少なくなる。ただし、全周波数成分が一様に減衰するため、アイ開口振幅は小さくなる。しかしながら、パッシブイコライザを使用してジッタを減らす従来の回路は、インダクタンス、抵抗、コンデンサなどの素子を組み合わせた回路で構成され、IC内部に形成する場合はICプロセスの複雑化を招き、チップ部品で基板上に構成する場合は部品点数や実装面積の増大を招くという問題点があった。
また、アクティブイコライザ(Active−Equalizer)の利得は伝送路の損失を補償する特性としているので、総合通過特性は、全周波数にわたって損失の少ない特性になる。このため、レシーバICの受信波形はドライバIC(集積回路)の出力波形とほとんど変わらず、そのアイパターンも、ジッタが少なく、開口振幅も大きい。しかしながら、アクティブイコライザを使用してジッタを減らす従来の回路は、専用のICを使用するか、その機能を受信ICに内蔵させている。専用ICを使用する場合は、部品点数の増大とコスト増加を招いている。受信ICに内蔵させる場合は、ICの複雑化、IC面積の増大、IC製造プロセスの微細化、およびこれらに伴うICコストの増大を招くだけでなく、アクティブイコライザ通過後の波形が外部から観測できない。さらに、どちらの場合でも、利得を得るために、消費電力が大幅に増えるという問題点があった。
さらに、プリエンファシス(Pre−Emphasis)をかけたドライバICの出力波形は、反転直後のビットのみ、通常より振幅が大きい。このため、ドライバICの出力波形のアイパターンは、High/Lowともにレベルが二種類ある。この出力波形が伝送路の損失で高周波成分が減衰すると、レシーバICの受信波形は、どのビットも本来のレベルになり、そのアイパターンはジッタが少なく、開口振幅は小さいレベルに揃う。ディエンファシス(De−Emphasis)をかけたドライバICの出力波形は、反転直後のビットのみ通常の振幅で、前と同じデータの場合は振幅を小さくする。このため、ドライバICの出力波形のアイパターンは、High/Lowともにレベルが二種類ある。この出力波形が伝送路の損失で高周波成分が減衰すると、レシーバICの受信波形は、どのビットも小さい振幅レベルになり、そのアイパターンはジッタが少なく、開口振幅は小さいレベルに揃う。しかしながら、プリエンファシスやディエンファシスを使用してジッタを減らす従来の回路は、ドライバICの出力に、連続2ビットのデータの比較回路と、データが連続する場合に、1ビット目又は2ビット目の振幅を変更する制御回路、および出力トランジスタの電圧を変更する電源回路などが必要であり、ICの複雑化、IC面積の増大、IC製造プロセスの微細化、およびこれらに伴うICコストの増大を招くという問題点があった。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、複雑な回路を採用した従来の手法と同じ効果を、複雑な回路を使うことなく、つまり、簡単な回路で実現することができる信号伝送回路を得るものである。
この発明に係る信号伝送回路は、信号を伝送する伝送路と、所定の抵抗値を有する終端抵抗と、前記伝送路に一端が接続され、かつ前記終端抵抗に他端が接続されたインダクタンスとを設け、前記伝送路及びインダクタンスの接続部で信号を受信するものである。
この発明に係る信号伝送回路は、複雑な回路を採用した従来の手法と同じ効果を、複雑な回路を使うことなく、つまり、簡単な回路で実現することができるという効果を奏する。
実施の形態1.
この発明の実施の形態1に係る信号伝送回路について図1及び図2を参照しながら説明する。図1は、この発明の実施の形態1に係る信号伝送回路の構成を等価回路で示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
図1において、この実施の形態1に係る信号伝送回路は、信号出力等価回路10と、伝送路20と、信号受信等価回路30とが設けられている。
信号出力等価回路10は、データ信号源11と、反転データ信号源12と、データ信号の出力インピーダンス13と、反転データ信号の出力インピーダンス14とから構成されている。
伝送路20は、データ信号の伝送路21と、反転データ信号の伝送路22とから構成されている。
信号受信等価回路30は、データ信号の伝送路21に接続されたインダクタンス31と、反転データ信号の伝送路22に接続されたインダクタンス32と、データ信号の終端抵抗33と、反転データ信号の終端抵抗34と、入力バッファ35とから構成されている。
すなわち、インダクタンス31、32を、それぞれ伝送路21、22と終端抵抗33、34との間に入れたものである。
つぎに、この実施の形態1に係る信号伝送回路の動作について図面を参照しながら説明する。
最初に、信号波形について、説明する。データ信号源11と反転データ信号源12とは、常に逆相となっている。信号源11、12から出力された信号は、周波数依存性損失のある伝送路21、22を通り、入力バッファ35に達する。しかし、この時、インダクタンス31、32は高周波になるほどインピーダンスが高くなり、伝送路21、22とインダクタンス31、32との不整合を生じ、つまり、後者の特性インピーダンスが前者のそれより高いため、特に信号波形のエッジ部分に対して強く正の反射が発生し、振幅が大きくなる。
この振幅が増大した波形は、終端抵抗33、34に向かい、インダクタンス31、32と終端抵抗33、34との不整合により、つまり、前者の特性インピーダンスが後者の抵抗値より高いため、負の反射が発生する。
負の反射波は、インダクタンス31、32へ帰り、入力バッファ35との接続部に達する。このため、入力バッファ35が受信する波形は、はじめに本来の振幅より高い振幅になり、そのあと、終端抵抗33、34から帰ってきた負の反射により、本来の振幅に近い振幅になる。
振幅が高められたことによりエッジが急峻になり、伝送路21、22の損失により減衰した受信波形の高周波成分が増える。この結果、アイパターンのジッタが減少し、開口振幅も大きくなる。
図2は、図1に示す信号伝送回路の具体例として、FR−4基板配線約60cmに4Gbpsの信号を伝送した場合の波形シミュレーション結果を示す図である。
図2において、(a)はインダクタンス31、32が無い場合の信号出力等価回路10の出力差動波形、(b)はインダクタンス31、32が無い場合の信号出力等価回路10の出力差動波形のアイパターン、(c)は配線(伝送路21、22)の通過特性、(d)はインダクタンス31、32が無い場合と有る場合の入力バッファ35の受信差動波形、(e)はインダクタンス31、32が無い場合の入力バッファ35の受信差動波形のアイパターン、(f)はインダクタンス31、32が有る場合の入力バッファ35の受信差動波形のアイパターンである。また、図2(d)において、d1はインダクタンス31、32が無い場合の入力バッファ35の受信差動波形(実線)、d2はインダクタンス31、32が有る場合の入力バッファ35の受信差動波形(破線)である。
シミュレーション条件について説明する。出力インピーダンス13、14(Zout)は50Ω、配線(伝送路21、22)の特性インピーダンス(Zo)も50Ω、終端抵抗33、34も50Ωで、インダクタンスが無い場合は完全にインピーダンス整合させている。インダクタンス31、32の値は、L=15nHである。0より大きく30nH以下でもよい。信号速度は4Gbpsで、1ビットの時間は250psである。なお、実時間を1ビットの時間で規格化した単位を、UI(Unit Interval)と呼び、例えば4Gbpsでは250psは1UI、50psは0.2UIと表記する場合もある。
まず、インダクタンス31、32が無い場合の波形について、説明する。整合が取れているため、図2(b)に示すように、信号出力等価回路10の出力差動波形のアイパターンは、ジッタがほとんど無く、また、アイ開口振幅も出力電圧の±500mVに近い。しかし、図2(c)に示した配線の通過特性に見られる周波数依存性損失により、伝送される信号は高い周波数成分ほど減衰し、図2(e)に示すように、入力バッファ35が受信するアイパターンの開口幅は約180psで、約70psのジッタが存在する。この70psは、4Gbpsの場合、0.28UIに相当する。
次に、インダクタンス31、32による波形改善効果について、説明する。インダクタンス31、32により波形のエッジ部分に対して正反射が発生し、振幅が増大する。
すなわち、入力バッファ35の取り込む波形は、伝送路21、22の周波数依存性損失により高周波成分が減衰していたが、インダクタンス31、32による反射でこの分が補われ、出力波形に近い形に戻る。これにより、アイパターンの開口幅は約210psまで回復し、ジッタは40psまで減少し、アイ開口も約±100mVから、約±250mVに広がる。
すなわち、この実施の形態1では、伝送路21、22と終端抵抗33、34との間に、特性インピーダンスが伝送路21、22の特性インピーダンスおよび終端抵抗33、34の抵抗値のいずれよりも高い、追加されたインダクタンス31、32を持ち、元の伝送路21、22と追加されたインダクタンス31、32との接続部で信号を受信することを特徴とする。
以上のように、この実施の形態1では、FR−4基板配線60cm相当の伝送路に対して、パッシブイコライザ、アクティブイコライザ、プリエンファシス、ディエンファシスなどのICの機能を用いなくても、アイパターンのジッタを減らし、アイ開口を広げることが可能である。
実施の形態2.
この発明の実施の形態2に係る信号伝送回路について図3を参照しながら説明する。図3は、この発明の実施の形態2に係る信号伝送回路の構成をレシーバICパッケージで示す部分断面図である。この図3は、レシーバICパッケージ用基板上にチップインダクタを、実装した例を示す。
図3において、この実施の形態2に係る信号伝送回路は、パッケージ基板表面に形成されたチップインダクタ301と、パッケージ基板表面に実装されたチップ抵抗などの終端抵抗303と、レシーバIC(受信回路)チップ305と、伝送路の一部を形成するパッケージ基板配線312とが設けられている。なお、本明細書で言うレシーバICとは信号受信用と送信用の両方の端子を持つICも含み、この場合は受信部分に言及している。
パッケージ基板配線312は、ビア(Via)311b、311a、パッケージ基板裏面に形成されたハンダボール310を経由し、実装基板配線を介してドライバIC(図示せず)と繋がるとともに、ビア(Via)311c、311d、ハンダバンプ313を経由し、受信IC305と繋がる。なお、パッケージ基板のGND314は、灰色(グレー)で表している。
つぎに、この実施の形態2に係る信号伝送回路の動作について図面を参照しながら説明する。
ドライバICから出力された信号は、実装基板配線を介して、レシーバICのパッケージに到達し、ハンダボール310やビア311a、311bを経由してパッケージ基板配線312を通り、さらにビア311c、311dやハンダバンプ313を経由して、受信IC305に入力される。
パッケージ基板と受信IC305とを接続するハンダバンプ313直下から、パッケージ基板表面層の引き出し配線でチップインダクタ301と接続し、さらにその先で終端抵抗303と接続する。このチップインダクタ301の選択により所望のインダクタンスを得られる。これにより、パッケージ基板配線312と追加されたチップインダクタ301との不整合による正の反射、および追加されたチップインダクタ301と終端抵抗303との不整合による負の反射が発生する。
以上のように、この実施の形態2では、所望の回路が簡単に実現できる。さらに、この実施の形態2では、終端抵抗303をパッケージ基板表面上においているため、一般的に、受信IC305内部に形成されている抵抗は、不要となる。
なお、この実施の形態2では、終端抵抗303がチップ抵抗、インダクタ301がチップインダクタであるが、パッケージ基板内蔵の抵抗やインダクタでも構わない。あるいは、受信IC305の別のハンダバンプを介して、受信IC305内部の終端抵抗やインダクタと接続しても構わない。
実施の形態3.
この発明の実施の形態3に係る信号伝送回路について図4を参照しながら説明する。図4は、この発明の実施の形態3に係る信号伝送回路のICパッケージの断面を示す図である。この図4は、上記実施の形態2のパッケージ基板を使用したICパッケージの例を示す。
図4において、ICパッケージ300は、パッケージケース320と、パッケージケース320内部の充填材321と、受信信号伝送経路330と、送信信号伝送経路331とが設けられている。
つぎに、この実施の形態3に係る信号伝送回路の動作について図面を参照しながら説明する。
受信信号伝送経路330には、上記実施の形態2で説明した、追加されたチップインダクタ301と、終端抵抗303がある。しかし、送信信号伝送経路331は、その必要が無いので、ハンダバンプからハンダボールまで、4つのビアとパッケージ基板配線で接続されているだけである。
このICパッケージ300を使用することで、ICを搭載するパッケージ基板裏面の受信ピン(ハンダボール)での波形のアイパターンの開き方が小さくても、実際にICが検出するアイパターンは広くなる。
以上のように、パッケージ基板配線と終端抵抗の間にチップインダクタを挿入したパッケージ基板を使用することで、このICパッケージのユーザーは、実装基板配線(図示せず)で劣化したアイパターンが回復するので、受信ピン(ハンダボール)でのジッタ耐性が強いICパッケージを提供できる。
実施の形態4.
この発明の実施の形態4に係る信号伝送回路について図5を参照しながら説明する。図5は、この発明の実施の形態4に係る信号伝送回路のICパッケージを搭載した実装基板の断面を示す図である。
図5において、実装基板401には、基板表面に搭載された、送受信ピンのあるICパッケージ300Aと、同じく基板表面に搭載された、送受信ピンのあるICパッケージ300Bと、左側のICパッケージ300Aから右側のICパッケージ300Bへの実装基板配線402と、右側のICパッケージ300Bから左側のICパッケージ300Aへの実装基板配線403とが設けられている。これらICパッケージ300A、300Bは、上記実施の形態3のICパッケージ300と同様である。
つぎに、この実施の形態4に係る信号伝送回路の動作について図面を参照しながら説明する。
実装基板401の配線を伝送路とする場合、実装基板401の導体損失と誘電体損失のため、周波数依存性の損失が大きくなり、アイパターンがつぶれやすい。しかし、2つのICパッケージ300A、300Bは、パッケージ基板上にチップインダクタを搭載し、その先で終端しているため、アイパターンのジッタやアイ開口振幅が改善される。
以上のように、パッケージ基板配線と終端抵抗の間にチップインダクタを挿入したパッケージ基板を使用することで、このICパッケージのユーザーは、実装基板配線で劣化したアイパターンが回復することを想定して使用できるので、よりアイパターンがつぶれる伝送路を持つシステムでも使用できる。
実施の形態5.
この発明の実施の形態5に係る信号伝送回路について図6を参照しながら説明する。図6は、この発明の実施の形態5に係る信号伝送回路の構成を実装基板で示す断面図である。この図6は、実装基板上にチップインダクタを、形成した例を示す。
図6において、この実施の形態5に係る信号伝送回路は、実装基板401の内部に形成された実装基板配線404と、実装基板401の表面に搭載されたチップインダクタ405と、実装基板401の表面に搭載された終端抵抗406と、実装基板401の表面に搭載された受信ICパッケージ300Cとが設けられている。
つぎに、この実施の形態5に係る信号伝送回路の動作について図面を参照しながら説明する。
実装基板401の配線404で形成された伝送路は、周波数依存性の損失があり、受信ICパッケージ300Cに達するまでにアイパターンのジッタが増え、アイ開口振幅は小さくなる。しかし、終端抵抗406を実装基板401表面上に置き、さらに受信ICパッケージ300Cとの間にチップインダクタ405を繋ぐことで、実装基板配線404とチップインダクタ405との不整合により正の反射、およびチップインダクタ405と終端抵抗406との不整合により負の反射が発生し、受信ICパッケージ300Cでのアイパターンはジッタが減少し、アイ開口が広がり、アイ開口振幅は大きくなる。
以上のように、この実施の形態5では、所望の回路が簡単に実現できる。さらに、この実施の形態5では、終端抵抗406を実装基板401上に置いているため、一般的に受信ICチップ内部に形成されている抵抗は、不要となる。
なお、受信ICパッケージ内部の配線は、信号速度に対して短い場合は、波形改善への影響は小さく、無視できる。また、この実施の形態5では、終端抵抗406やインダクタ405を実装基板401の表面に実装したチップ抵抗やチップインダクタで実現しているが、実装基板401内部に埋め込んでも構わない。あるいは、実装基板401の基板製造プロセスで形成した抵抗やインダクタでも構わない。さらに、終端抵抗406やインダクタ405をICチップに形成し、ICパッケージ300Cの別の端子からICパッケージを介してICチップと接続しても構わない。
実施の形態6.
この発明の実施の形態6に係る信号伝送回路について図7を参照しながら説明する。図7は、この発明の実施の形態6に係る信号伝送回路の構成をICチップで示す断面図である。この図7は、ICチップ内にインダクタを形成した例を示す。このICチップは、例えば図3に示す受信IC305に相当する。
図7において、この実施の形態6に係る信号伝送回路は、メタル配線層342の表面に形成されたハンダバンプ(外部伝送路接続部)313と、メタル配線層342に形成されたインダクタンス351と、メタル配線層342に形成された終端抵抗353と、半導体層341に形成された入力バッファ355とが設けられている。
通常、信号伝送路はハンダバンプ313を介して、メタル配線とビア(Via)により、終端抵抗353および入力バッファ355に繋がる。このとき、入力バッファ355と終端抵抗353との間にインダクタンス351を形成することで、終端抵抗353と直列に接続した回路となる。なお、インダクタンス351の値は、0より大きく30nH以下である。
この実施の形態6では、ICチップ内にあらかじめ必要なインダクタンス351を持っているので、伝送波形のアイパターン開口が狭くても、ICチップでの波形のアイパターンを広げることができ、ジッタ耐性の高いICチップを提供できる。
実施の形態7.
この発明の実施の形態7に係る信号伝送回路について図8を参照しながら説明する。図8は、この発明の実施の形態7に係る信号伝送回路の構成をICチップで示す断面図である。この図8は、ICチップ内にビア(Via)とメタル配線を使ってインダクタを、形成した例を示す。このICチップは、例えば図3に示す受信IC305に相当する。
図8において、この実施の形態7に係る信号伝送回路は、第1層のメタル配線に形成したハンダバンプ313のパッド361と、ビア(Via)362、第2層のメタル配線363、及び第3層のメタル配線364から形成されたインダクタンスと、メタル配線層に形成された終端抵抗353と、半導体層に形成された入力バッファ355とが設けられている。なお、インダクタンスの値は、0より大きく30nH以下である。
2層のメタル配線363、364およびビア(Via)362でコイル形状を形成することで、インダクタンスと終端抵抗353とを直列に接続した回路となる。ICチップの配線幅やピッチは非常に小さいので、高いインダクタンスも形成できる。以上のように、この実施の形態7では、所望の回路が簡単に実現できる。
なお、上記各実施の形態のビア(Via)に代りに、スルーホールを使用してもよい。これらを柱状導体と称する。
この発明の実施の形態1に係る信号伝送回路の構成を等価回路で示す図である。 この発明の実施の形態1に係る信号伝送回路の具体例の信号波形を示す図である。 この発明の実施の形態2に係る信号伝送回路の構成をレシーバICパッケージで示す部分断面図である。 この発明の実施の形態3に係る信号伝送回路のレシーバICパッケージの断面を示す図である。 この発明の実施の形態4に係る信号伝送回路のレシーバICパッケージを搭載した実装基板の断面を示す図である。 この発明の実施の形態5に係る信号伝送回路の構成を実装基板で示す断面図である。 この発明の実施の形態6に係る信号伝送回路の構成をICチップで示す断面図である。 この発明の実施の形態7に係る信号伝送回路の構成をICチップで示す断面図である。
符号の説明
10 信号出力等価回路、11 データ信号源、12 反転データ信号源、13 出力インピーダンス、14 出力インピーダンス、20 伝送路、21 伝送路、22 伝送路、30 信号受信等価回路、31 高インピーダンス伝送路、32 高インピーダンス伝送路、33 終端抵抗、34 終端抵抗、35 入力バッファ、300 ICパッケージ、300A ICパッケージ、300B ICパッケージ、300C ICパッケージ、301 パッケージ基板配線、303 終端抵抗、305 ICチップ、310 ハンダボール、311a、311b、311c、311d ビア、312 パッケージ基板配線、313 ハンダバンプ、320 パッケージケース、321 充填材、330 受信信号伝送経路、331 送信信号伝送経路、341 半導体層、342 メタル配線層、351 インダクタンス、353 終端抵抗、355 入力バッファ、361 パッド、362 ビア(Via)、363 第2層のメタル配線、364 第3層のメタル配線、401 実装基板、402 実装基板配線、403 実装基板配線、404 実装基板配線、405 高インピーダンス配線、406 終端抵抗。

Claims (11)

  1. 信号を伝送する伝送路と、
    所定の抵抗値を有する終端抵抗と、
    前記伝送路に一端が接続され、かつ前記終端抵抗に他端が接続されたインダクタンスとを備え、
    前記伝送路及びインダクタンスの接続部で信号を受信する
    ことを特徴とする信号伝送回路。
  2. 前記インダクタンスの値は、0より大きく30nH以下である
    ことを特徴とする請求項1記載の信号伝送回路。
  3. 信号を伝送する伝送路と、
    所定の抵抗値を有する終端抵抗と、
    前記伝送路に一端が接続され、かつ前記終端抵抗に他端が接続されたインダクタンスとを備え、
    前記インダクタンスを
    表面実装したインダクタンス部品、
    内蔵したインダクタンス部品、
    配線及び柱状導体で構成したコイル
    のいずれか1つで形成し、
    前記伝送路及びインダクタンスの接続部で信号を受信する
    ことを特徴とする信号伝送回路。
  4. 請求項3記載の信号伝送回路
    を備えたことを特徴とするICパッケージ。
  5. 外部から信号を受信する受信信号伝送経路と、
    外部へ信号を送信する送信信号伝送経路とを備えたICパッケージであって、
    前記受信信号伝送経路は、
    パッケージ基板に形成された第1のパッケージ基板配線と、
    前記パッケージ基板に形成された終端抵抗と、
    前記パッケージ基板に形成され、前記第1のパッケージ基板配線に一端が接続され、かつ前記終端抵抗に他端が接続されたインダクタンスとから構成されているとともに、
    前記送信信号伝送経路は、前記パッケージ基板に形成された第2のパッケージ基板配線から構成され、
    前記第1のパッケージ基板配線及びインダクタンスの接続部で信号を受信するともに、前記第2のパッケージ基板配線へ信号を送信する受信回路
    をさらに備えたことを特徴とするICパッケージ。
  6. 請求項4、請求項5のいずか一方に記載の第1及び第2のICパッケージを搭載した実装基板であって、
    前記第1のICパッケージの送信信号端子と前記第2のICパッケージの受信信号端子を接続する実装基板配線
    を備えたことを特徴とする実装基板。
  7. 実装基板に設けられた実装基板配線と、
    前記実装基板に設けられた終端抵抗と、
    前記実装基板に設けられ、前記実装基板配線に一端が接続され、かつ前記終端抵抗に他端が接続されたインダクタンスとを備え、
    前記第実装基板配線及びインダクタンスの接続部で信号を受信する
    ことを特徴とする信号伝送回路。
  8. 請求項7記載の信号伝送回路
    を備えたことを特徴とする実装基板。
  9. 終端抵抗を内部にもつICチップであって、
    外部伝送路接続部と終端抵抗との間に直列に接続したインダクタンス
    を備えたことを特徴とするICチップ。
  10. 前記インダクタンスをIC内部の配線及び柱状導体で構成した
    ことを特徴とする請求項9記載のICチップ。
  11. 前記インダクタンスの値は、0より大きく30nH以下である
    ことを特徴とする請求項9又は10記載のICチップ。
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