JP2006293726A

JP2006293726A - 電子部品の設計方法

Info

Publication number: JP2006293726A
Application number: JP2005114144A
Authority: JP
Inventors: Yukinori Sasaki; 幸紀佐々木; Mamoru Ito; 守伊藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-04-12
Filing date: 2005-04-12
Publication date: 2006-10-26
Also published as: CN101010675A; EP1791069A1; EP1791069A4; US7496875B2; WO2006109785A1; US20080028348A1

Abstract

【課題】本発明は、多層回路部品等の電子部品の設計方法において、設計効率の向上を目的とするものである。
【解決手段】そして、この目的を達成するために本発明は、例えば、ＣＡＤシステム内に電気回路シミュレーションを行う機能を付加し、且つ、ステップ２４のレイアウト設計とステップ２６の電気的特性測定とのステップ間に、電気回路シミュレーションを行うステップ２５を付加することにより、設計効率が向上するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、多層回路部品等の電子部品の設計方法に関するものである。

従来この種のＣＡＤシステムを用いた電子部品の設計方法は、図７のフローチャートに示されるような手順により構成されていた。

図において、まず、ステップ１０１にて目標となる電気的特性を決定する。次に、ステップ１０２にて電気的特性が目標値どおりになるよう電気的等価回路を構成する部品の電気的定数を電気回路シミュレータなどにより決定する。そして、ステップ１０３にて、ステップ１０２において決定した電気的定数を実現するための部品等の物理的形状や導電金属パターンを決定する。その後、このステップ１０２において決定した物理的形状を基に、ステップ１０４において各部品等をモジュール内に配置し、部品、外部端子間等の配線パターンを配置する。さらに、ステップ１０５にて電気的特性を測定し、ステップ１０１で決定した電気的特性に一致しているか否かを判定する。一致しなかった場合、ステップ１０３からの手順を繰り返すというものである。

なお、この出願に関する先行技術文献情報としては、例えば、非特許文献１が知られている。
「エレクトロニクス実装技術」技術調査会、２０００年６月号、ｐｐ．２８−３３

しかしながら、このような例では設計効率の悪さが問題となっていた。

すなわち、上記従来の構成においては、ステップ１０２の電気回路シミュレーションの時点ではステップ１０３のパターン形状決定やステップ１０４のレイアウト設計が完了しておらず、レイアウトを考慮した電気回路シミュレーションができないため、ステップ１０５において電気的特性が所望のものと一致せず、何度もやり直しするため設計効率が悪くなっていた。さらに、ステップ１０２を電気回路シミュレータで行い、その他のステップをＣＡＤにより行うため、二つのシステム間をステップが行き来することにより設計効率が悪くなっていた。

そこで本発明は、設計効率の向上を目的とするものである。

そして、この目的を達成するために本発明は、電気回路シミュレーションを行う機能を付加し、且つレイアウト設計と電気的特性測定とのステップ間に、電気回路シミュレーションを行うステップを付加したものである。

本発明によれば、レイアウトを考慮した電気回路シミュレーションができるためやり直しが少なく、また、この電気回路シミュレーションをシステム内の機能として存在させたためシステム間をステップが行き来することがないため、設計効率を向上させることができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１におけるＣＡＤシステムについて図面を参照しながら説明する。

図２は低温焼成セラミック（以下、ＬＴＣＣと示す）基板を用いたモジュールを電子部品とした例の透視斜視図である。この図２に示すモジュールは誘電体基板１を４枚使用しており、この誘電体基板１間に銅や銀などからなる導電金属パターン等が形成されている。誘電体基板１は合計４枚あるためパターンを形成するパターン形成層１１、１２、１３、１４、１５が５層存在する。

入力用外部端子３は配線パターン９Ａ及びビアホール８Ａを介してコンデンサ部領域６に接続された後、分岐した配線パターン９Ｂに接続され、分岐した配線パターン９Ｂの一方はビアホール８Ｂを介して出力用外部端子４に接続され、分岐した配線パターン９Ｂの他方はインダクタ部領域７に接続された後ビアホール８Ｃを介して設置用外部端子５に接続されている。

図３は、このパターン形成層１１、１２、１３、１４、１５の平面展開図である。パターン形成層１１は主にこのモジュールをプリント基板などに実装する際、プリント基板上に存在する端子と電気的に接続するための外部端子用パターンである。また、パターン形成層１２の矩形パターン６Ｂとパターン形成層１３の矩形パターン６Ａとによりコンデンサ部領域６を形成し、パターン形成層１３の螺旋パターン７Ｂとパターン形成層１４の螺旋パターン７Ａとによりインダクタ部７を形成している。最表面であるパターン形成層１５にはパターンが存在していないが、モジュールの表面にさらにチップ形状の電子部品（図示せず）を実装する場合などは、このパターン形成層１５にチップ形状の電子部品（図示せず）と電気接続をとるための接続用パターンを形成しても良い。

これら、図２、及び図３によって示した配線情報を基に作成した電気的等価回路を図４に示す。図４のような電気回路の構成では、入力用外部端子３から入力された電力はある特定の周波数よりも高い周波数のみを出力用外部端子４へ通す高域通過型フィルタ、いわゆるＨＰＦ（ＨｉｇｈＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ）としての電気的作用を有する。

以下に、このようなＬＴＣＣ基板を用いたモジュールを設計するフローチャートを図１に示す。まず、ステップ２１により、目標となる電気的特性を決定する。次にステップ２２において、この電気的特性を実現するためにＣＡＤシステムに組み込まれた電気回路シミュレーション（１）によりモジュールの電気的定数を決定する。そして、このステップ２２にて決定した電気的特性を実現するために、ステップ２３においてＬＴＣＣ基板厚みや導電金属パターン形状を決定し、その後、ステップ２４でレイアウト設計を行う。ここで、機構系３次元ＣＡＤを用いてパターン形状やレイアウト設計を行うと、ＬＴＣＣ基板を用いたモジュールのような３次元空間に部品領域を集積化する多層回路部品の設計効率を上げることができる。次に、ステップ２５において、ビアホール８Ａ、８Ｂ、８Ｃの数や配線パターン９Ａ、９Ｂの長さなどを考慮した電気回路シミュレーション（２）を行う。なお、この電気回路シミュレーション（２）もＣＡＤシステム内に組み込まれている。この電気回路シミュレーション（２）の結果が目標の電気的特性に対してあまり一致していない場合は、誤差を小さくすべく導電金属パターン形状やモジュール内の部品領域の位置、ビアホールや配線パターンの長さ、位置などを変更するためステップ２３に戻り、目標特性とよく一致している場合は、次のステップ２６に移る。ステップ２６では、実際に作成したモジュールの電気的特性を測定し、目標の電気的特性に一致しているかどうかを判定する。

ところで、ＬＴＣＣ基板を用いたモジュールを使用する周波数帯が高周波領域になると、コンデンサ部領域６やインダクタ部領域７に様々な寄生成分が付加されやすくなることや、このコンデンサ部領域６やインダクタ部領域７等の部品領域やビアホール８Ａ、８Ｂ、８Ｃ間、配線パターン９Ａ、９Ｂ間などでの電磁界結合が起こりやすくなる。このような電磁界結合の度合い及び、正確な電気的特性を求めるために、モジュールの構造と電気的境界条件とを基にマスクウェル方程式を解く電磁界シミュレータが用いられる。しかし、電磁界解析はその手法にもよるが、一般に部品点数が増え回路規模が大きくなるほど飛躍的に計算時間が長くなるため、モジュール全体の電磁界解析を設計手順の中に入れることは効率が悪い。それに対し、コンデンサ部領域６やインダクタ部領域７などのある３次元形状を有した単一の部品領域のみの電磁界解析を行うことはさほど時間を要せず、その部品領域に対応する電気的特性を得ることは比較的容易である。

そこで、ステップ２５で行われる電気回路シミュレーション（２）において、コンデンサ部領域６やインダクタ部領域７をそれぞれ容量やインダクタンス単体の集中定数として計算するのではなく、３次元形状を有した単一の部品領域を電磁界解析することによって得られた電気的特性を用いて計算することで、コンデンサ部領域６やインダクタ部領域７の寄生インダクタや寄生容量などの様々な寄生成分の影響を考慮した電気的特性をシミュレーションすることができ、精度の高い電気的特性の予測が可能となる。

また、ある単一の部品領域の電磁界解析を行った結果として、その部品の３次元の形状情報とそれに対応した電気的特性が対のデータとして保持できるため、そのようなシミュレーションを様々な部品領域で行うことで、部品の３次元形状と、それに対応した電気的特性のデータベースが作成できる。ステップ２２で行われる電気回路シミュレーション（１）では、どのようなパターン形状の部品領域を使用するかは決定していないが、ステップ２２で決定された必要となる電気的特性に最も近い電気的特性を持つ部品領域の３次元形状情報をデータベースから自動で取り出せば、ステップ２３のパターン形状決定手順の効率を大幅に上げることが可能になる。さらに、ステップ２４のレイアウト設計において必要となる電気的特性に最も近い電気的特性を持つ部品領域の３次元形状情報をデータベースから自動で取り出し、モジュールの体積が最小になるよう、あるいは部品領域を電気的に接続するための配線パターン９Ａ、９Ｂの全長が最短になるよう、などの様々な制約条件を課してモジュール内の３次元空間に自動配置すれば、ステップ２４におけるレイアウト設計手順の効率も大幅に上げることが可能となる。

以下に、本発明の具体的な実施の形態を示す。

図５は様々な部品Ａ〜Ｆの３次元形状情報を基に電磁界解析を行って得られた部品の電気的特性とその３次元形状情報とが対のデータとして蓄積されているデータベースの概念図、図６は個々の部品Ａ〜Ｆの３次元形状情報を基に電磁界解析を行い、部品周囲の電界強度が十分小さくなっている距離を部品の許容クリアランスとして設定したデータベースの概念図である。

まず、図１に示すステップ２１において電気的特性目標値を設定する。

次に、この電気的特性を満たすように、ステップ２２においてＣＡＤシステムに組み込まれた電気回路シミュレーション（１）を用いてコンデンサ部領域６、インダクタ部領域７の電気的定数Ｃ、Ｌを決定する。

その後、この電気的定数Ｃ、Ｌを得るためのパターン形状やコンデンサ部領域６やインダクタ部領域７等の部品領域の厚みなどをステップ２３にて決定する。このような部品の３次元形状情報を決定する際、ステップ２２で決定したＣ、Ｌなどの電気的定数にもっとも近い電気的定数を持つ部品を図５のデータベースから検索して適当な部品を選択する。

そして、選択された部品をモジュール内の３次元空間に配置指向するレイアウト設計をステップ２４にて行う。これらの部品を３次元空間に配置指向するには、平面図作図用の２次元ＣＡＤやプリント基板を用いることは非常に困難であり、かつ各部品には事前の３次元電磁界解析などで用いた３次元の形状情報データがあれば、これらのデータを有効に活用できる３次元ＣＡＤがレイアウト設計に有効である。従来のレイアウト設計は、部品間などでの電磁界結合を発生させないこと、あるいはモジュールの体積が最小とすること等の様々な制約条件を基に、設計者の過去の経験などを頼りに行っていた。しかし、図６のようなデータベースを用いれば部品間での電磁界結合をできるだけ発生させずにレイアウト設計が行えるため設計の効率が上がる。部品のレイアウト設計の次に、図４の電気的等価回路の配線情報を基に各部品間をビアホール８Ａ、８Ｂ、８Ｃや配線パターン９Ａ、９Ｂで電気的に接続させる。この時、図６のようなデータベース中にビアホール８Ａ、８Ｂ、８Ｃや配線パターン９Ａ、９Ｂに応じた３次元形状情報とそれに対応した電気的特性を他の部品領域と同様に蓄積しておけば、部品間での電磁界結合だけでなく、コンデンサ部領域６やインダクタ部領域７等の部品領域とビアホール８Ａ、８Ｂ、８Ｃ間や部品領域と配線パターン９Ａ、９Ｂ間などでの電磁界結合もできるだけ発生させずにレイアウト設計が行える効果がある。

以上の手順により、使用する部品の電気的特性やビアホール８Ａ、８Ｂ、８Ｃの数、配線パターン９Ａ、９Ｂの長さなどの３次元形状情報が決定されるため、それらを考慮した電気回路シミュレーション（２）をステップ２５にて行うことができる。なお、この電気回路シミュレーション（２）はＣＡＤシステムの中に組み込んでおく。

最後に、ステップ２６では、実際に作成したモジュールの電気的特性を測定し、目標の電気的特性に一致しているかどうかを判定する。

この構成により、３次元形状情報を考慮した電気回路シミュレーション（２）を行うことができるため精度の高い電気的特性ができ、何度もやり直しをすることがなく設計効率が向上する。また、ＣＡＤシステムの中に電気回路シミュレーション機能を付加したことにより、同一システム内でこれらの手順を繰り返し行えるため設計効率が向上する。さらに、図６のようなデータベースを用いたレイアウト設計をすることで、電磁界結合を考慮に入れて何度もやり直すのではなく、簡単に電磁界結合を発生させずに設計できるため設計効率が向上する。

なお、本実施の形態では基板材料としてＬＴＣＣ基板を用い、電気的特性としてはＨＰＦを用いて説明したが、基板材料に他の誘電体材料を用いても、また、電気的特性として他のもの、例えばＢａｎｄＰａｓｓＦｉｌｔｅｒなどを用いても構わない。

本発明のＣＡＤシステムは、設計効率を向上させるという効果を有し、本発明は、多層回路部品設計用ＣＡＤシステムなどにおいて有用である。

本発明の実施の形態１におけるモジュール設計手順を示すフローチャート本発明の実施の形態１における多層回路部品モジュールの透視斜視図本発明の実施の形態１におけるパターン形成層の平面展開図本発明の実施の形態１における多層回路部品モジュールの電気的等価回路図本発明の実施の形態１におけるデータベースの形態を示す概念図本発明の実施の形態１における許容クリアランスを属性として付加したデータベースを示す概念図従来のモジュール設計手順を示すフローチャート

符号の説明

１誘電体基板
３入力用外部端子
４出力用外部端子
５設置用外部端子
６コンデンサ部領域
６Ａ矩形パターン
６Ｂ矩形パターン
７インダクタ部領域
７Ａ螺旋パターン
７Ｂ螺旋パターン
８Ａビアホール
８Ｂビアホール
８Ｃビアホール
９Ａ配線パターン
９Ｂ配線パターン
１１パターン形成層
１２パターン形成層
１３パターン形成層
１４パターン形成層
１５パターン形成層

Claims

まず、電気的特性の目標値を設定し、次に、この電気的特性を満たすように第１の電気回路シミュレーションにより部品の電気的定数を決定し、その後、この電気的定数を得るためのパターン形状を決定し、データベースの中からその電気的定数に近い電気的定数を持つ部品を検索して選択し、そして、この選択された部品をモジュール内においてレイアウト設計を行い、その後、第２の電気回路シミュレーションを行い、その後、実際に作成したモジュールの電気的特性と目標の電気的特性が一致しているかを判断するステップを有する電子部品の設計方法。