JP2007250928A - 多層プリント配線板 - Google Patents

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Abstract

【課題】多層プリント配線板の配線抵抗及びインダクタンスに起因した高周波ノイズにより多層プリント配線板より発生する不要電磁波ノイズを抑制する。
【解決手段】少なくとも電源ピン、グランドピン、信号ピンを有したFPGA等のBGAパッケージ2が実装される多層プリント配線板1は、BGAパッケージ2をはんだ接続するパッドと、BGAパッケージ2を実装する面と同一面にあり且つBGAパッケージ2の下部に位置するデカップリングコンデンサ3実装用の電極パッドを備えている。デカップリングコンデンサ3の一方の電極パッドを電源ピン用パッドと電源スルーホールとに接続し、デカップリングコンデンサ3の他方の電極パッドをグランドピン用パッドとグランドスルーホールとに接続する。これにより、デカップリングコンデンサ3とBGAパッケージ2の電源ピン及びグランドピンの接続距離を短くした多層プリント配線板1を提供する。
【選択図】図1

Description

本発明は、情報処理装置、通信装置などの電子機器に用いられる、多層プリント配線板に関しており、特に、半導体デバイスの動作の信頼性確保とEMI抑制とを目的とした多層プリント配線板及びデカップリングコンデンサの実装構造に関する。
近年、電子機器の高速・高性能化の進展に伴って、電子機器に使用される半導体デバイスの動作周波数が高まり、LSI等の半導体デバイスの電源やグランドの電位変動により回路の誤動作を引き起こす傾向にある。
更に、この電源やグランドの電位変動が、多層プリント配線板の電源層に、高周波ノイズとして伝搬するという問題点がある。この高周波ノイズが、多層プリント配線板の電源層を通して近隣しているLSI等の半導体デバイスに伝搬すると、この高周波ノイズに起因して半導体デバイスの回路動作の信頼性を低下させる要因ともなっている。
又、上記の高周波ノイズは、多層プリント配線板の電源層やグランド層、配線パターンを介して複雑なループを形成することにより外部に放射電磁波を発生させたり、多層プリント配線板から電子機器に接続されている電源やLAN等のケーブルに伝導ノイズとして伝搬し、ケーブルを放射媒体として外部に大きな不要電磁波ノイズを発生させたりする。
上記の不要電磁波ノイズと伝導ノイズとはEMI(Electromagnetic Interference;電磁波妨害)と称され、他の使用電子装置に影響を及ぼさないように日本ではVCCI(Voluntary Control Council For Interference by Data Processing Equipment Office Machines;情報処理装置等電波障害自主規制協議会)、米国ではFCC、欧州ではENが決めた各種規格により規制されている。
従って、電子機器を設計する上で、電子機器を構成する多層プリント配線板に対する半導体デバイスの動作の信頼性確保と、不要電磁波ノイズ及び伝導ノイズに関する対策とは避けて通れない問題点となっている。
不要電磁波ノイズ及び伝導ノイズの要因となる高周波ノイズを低減するために、通常、半導体デバイスの電源とグランド間にデカップリングコンデンサが使用されるが、特許文献1には、FPGA等のボールグリッドアレイパッケージ(以下、BGAパッケージという。)と多層プリント配線板との間にインターポーザとしてデカップリングコンデンサを内蔵した基板を使用することが、記載されている。
又、特許文献2には、デカップリングコンデンサを内蔵する多層配線基板において、デカップリングコンデンサを形成する誘電体層を多層プリント配線板の最表層に配置し、デカップリングコンデンサと実装部品とを電気的に接続するビアホールの長さを短く構成することにより、ビアホールのインダクタンスの悪影響を低減することが記載されている。
特開2004−304158号公報 特開2002−344145号公報
しかしながら、特許文献1の先行技術では、BGAパッケージと多層プリント配線板以外に、インターポーザとなるデカップリングコンデンサ内蔵基板が必要となるため、その分、設計開発期間及び設計費用がかかってしまうという問題点と製造コストが高くなってしまうという問題点がある。又、特許文献2の先行技術では、デカップリングコンデンサを多層プリント配線板によって構成するために、特別な多層プリント配線板の製造方法が必要となり、製造コストが高価なものになるという問題点がある。
又、通常の貫通スルーホールを使用した多層プリント配線板上にBGAパッケージを実装する場合には、多層プリント配線板のBGAパッケージを実装した面の反対側の面にデカップリングコンデンサを実装することになるため、多層プリント配線板のスルーホールのインダクタンス成分が問題点となる。
更に、BGAパッケージは非常に多数の端子を有することから(現在1500ピンを超えるBGAパッケージも存在している。)、多層プリント配線板上でBGAパッケージからの信号配線を引き出すことが困難となることが多く、多層プリント配線板の層数増加が見込まれる。このため、結果的に多層プリント配線板の厚さが増加し、スルーホールの物理長が大きくなることもある。
上記の高周波ノイズは、主に多層プリント配線板上に実装されたLSI等の半導体デバイスの内部回路が動作する際の電流ループに寄生するインダクタンスによって、ΔV=−L・di/dt+Ri(ΔV:電位変動量、L:電流ループのインダクタンス値、di/dt:時間当たりの電流変化量、R:電流ループ内の抵抗値、i:電流)という式で表される電位変動により引き起こされる。このため、不要電磁波ノイズの要因となる高周波ノイズを低減するには、デカップリングコンデンサとデカップリングするBGAパッケージ等の半導体デバイスと、多層プリント配線板のパターンとで構成される電流ループで囲まれた面積及びインダクタンス、抵抗を最小とすることが大きな課題となる。
この発明は斯かる課題の認識を踏まえて成されたものであり、その目的とするところは、既述の高周波ノイズを低減して不要電磁波ノイズを抑制し、以ってBGAパッケージの半導体デバイスの安定した回路動作を確保可能な多層プリント配線板の構造を提供する点にある。
この発明の主題は、少なくとも電源ピン、グランドピン及び信号ピンを有する半導体集積回路用パッケージが実装される多層プリント配線板であって、前記半導体集積回路用パッケージの前記信号ピンをはんだ接続するためのパッケージ用パッドと、前記パッケージ用パッドが形成された、前記半導体集積回路用パッケージを実装する面と同一面上にあって、且つ、前記半導体集積回路用パッケージの下部にデカップリングコンデンサを実装可能な位置に配設された2個のデカップリングコンデンサ用電極パッドと、前記パッケージ用パッドが形成された面と同一面上にある前記電源ピン用のパッドと、前記パッケージ用パッドが形成された面と同一面上にある前記グランドピン用のパッドと、前記多層プリント配線板を貫通する電源スルーホール及びグランドスルーホールと、前記パッケージ用パッドが形成された面と同一面上にあって、且つ、前記デカップリングコンデンサ用電極パッドの一方と前記電源ピン用パッドとの間及び前記デカップリングコンデンサ用電極パッドの一方と前記電源スルーホールのランドとの間をそれぞれ接続する第1配線と、前記パッケージ用パッドが形成された面と同一面上にあって、且つ、前記デカップリングコンデンサ用電極パッドの他方と前記グランドピン用パッドとの間及び前記デカップリングコンデンサ用電極パッドの他方と前記グランドスルーホールのランドとの間をそれぞれ接続する第2配線とを備えることを特徴とする。
以下、この発明の主題の様々な具体化を、添付図面を基に、その効果・利点と共に、詳述する。
本発明の主題によれば、多層プリント配線板の同一面上で、半導体集積回路用パッケージ下部にデカップリングコンデンサの実装構造を設けることにより、従来構造よりもデカップリングコンデンサと半導体集積回路用パッケージの電源及びグランドの回路接続距離を短くすることが出来るため、多層プリント配線板の配線抵抗及びインダクタンスを低減でき、半導体集積回路用パッケージの電源及びグランドの高周波ノイズを低減出来る。従って、多層プリント配線板から発生する不要電磁波ノイズを抑制し、更に半導体集積回路用パッケージ内の半導体デバイスの安定した回路動作を確保することが出来る。
しかも、本発明の実装構造を実現するために特別なプリント配線板製作工程及び部品実装工程を必要としないため、コストアップを伴わない。
(実施の形態1)
本実施の形態は、半導体集積回路の電源ピンからグランドまでの実効インダクタンス成分を低減して等価回路に於ける直列共振周波数を高くし得る、多層プリント配線板上でのデカップリングコンデンサの実装構造を提供することにより、プリント配線基板から発生する放射ノイズを抑制し、半導体集積回路の安定した動作を確保する。即ち、本実施の形態では、半導体集積回路を内蔵する半導体集積回路用パッケージが実装される多層プリント配線板の面と同一面側に、デカップリングコンデンサの2個の電極パッドが、半導体集積回路用パッケージを実装した際に丁度デカップリングコンデンサが半導体集積回路用パッケージの下部に配置されるように、配設されて、しかも、配線で以って同一面上の電源パッド及びグランドパッドにそれぞれ接続されている。ここでは、少なくとも電源ピン、グランドピン及び信号ピンを有する「半導体集積回路用パッケージ」の一例として、FPGA等のBGAパッケージが適用される。以下、本実施の形態の詳細を、図面を参照しつつ記載する。
図1は、多層プリント配線板1の同一面上にBGAパッケージ2及びデカップリングコンデンサ3を実装する構造の概略を示す縦断面図である。又、図2は、BGAパッケージ2及びその下部に配設されるデカップリングコンデンサ3を実装する多層プリント配線板1の同一面上のパッド及び配線の概略を示す上面図である。又、図3は、本実施の形態に係るデカップリングコンデンサ実装方法を採用する場合の、多層プリント配線板1の主要部分の構造を示す斜視縦断面図である。尚、本実施の形態では、一例として、BGAパッケージ2内の半導体集積回路は、1つの電源と1つのグランドとを1セットとして、8セットの電源及びグランドを有している。そのため、図2に示されるように、電源ピン用パッド7とそれと対を成すグランドピン用パッド8とが、8セット分、多層プリント配線板1の、BGAパッケージ2及びデカップリングコンデンサ3の同一実装面上に配設されている。又、図1に於いては、BGAパッケージ2の裏面から突出している半導体集積回路の各電源ピン、各グランドピン及び各信号ピンのそれぞれは、多層プリント配線板1の上記同一実装面上に配設されている電源ピン用パッド7、グランドピン用パッド8及びBGAパッケージ用パッド5とはんだ接続されるために、接続前の段階では、はんだボール4の形状を成している。
多層プリント配線板1に関しては、例えばその構成を10層とした場合には、多層プリント配線板1内の導体層の構成例として、第1層は信号配線層として、第2層はグランド層12として、第3層は信号配線層として、第4層は信号配線層として、第5層は電源層11として、第6層はグランド層12として、第7層は信号配線層として、第8層は信号配線層として、第9層はグランド層12として、第10層は信号配線層として構成される。尚、図3では、その図示の目的上、多層プリント配線板1を構成する導体層として、一つの電源層11及び3つのグランド層12のみが描画されている。
図2に示すように、多層プリント配線板1の上記同一実装面上には、BGAパッケージ2の信号ピン用のはんだボール4を接続するための多数のBGAパッケージ用パッド5が形成されている。ここで、図2では図示していないが、多層プリント配線板1の上記同一実装面上には、各BGAパッケージ用パッド5に接続され且つ信号配線用スルーホールのランドにまで延びて同ランドに接続された多数の信号配線が形成されている。そして、多層プリント配線板1を貫通する各信号配線用スルーホール(図示せず)は、多層プリント配線板1内に内装されたランドを介して、多層プリント配線板1内の信号配線層に電気的に接続されている。
加えて、多層プリント配線板1の上記同一実装面上には、BGAパッケージ2の電源ピン用のはんだボール4をそこへはんだ接続するための、半導体集積回路の電源の数(この例では8個)と同数の、電源ピン用パッド7が配設されている。そして、多層プリント配線板1の上記同一実装面上であって且つ対応する各電源ピン用パッド7の近傍位置には、当該電源ピン用パッド7と隣り合うように、BGAパッケージ2のグランドピン用のはんだボール4をそこへはんだ接続するための、半導体集積回路の各電源と対を成すグランドの数(この例では8個)と同数の、グランドピン用パッド8も配設されている。
更に、この実施の形態の中核的構成の一つとして、BGAパッケージ2を実装する面と同一面であって、且つ、BGAパッケージ2の実装後にはBGAパッケージ2の下部にあたる部分に、デカップリングコンデンサ用パッド6が配設されている。より詳細には、図2及び図3に例示する通り、各電源ピン用パッド7及びそれに対応する電源スルーホール9の近傍位置には、当該電源ピン用パッド7及び対応する電源スルーホール9と隣り合うように、デカップリングコンデンサ用の第1電極パッド6Aが形成されている。同様に、各グランドピン用パッド8及びそれに対応するグランドスルーホール10の近傍位置には、当該グランドピン用パッド8及び対応するグランドスルーホール10と隣り合うように、デカップリングコンデンサ用の第2電極パッド6Bが形成されている。
更に、この実施の形態の中核的構成として、BGAパッケージ用パッド5が形成された面と同一面上に形成されており、且つ、既述した信号線(図示せず)の幅よりも広い幅を有する各配線(第1配線)13が、各デカップリングコンデンサ用第1電極パッド6Aとそれに対応する電源ピン用パッド7との間及び同第1電極パッド6Aと対応する電源スルーホール9のランドとの間を、それぞれ接続している。同様に、BGAパッケージ用パッド5が形成された面と同一面上に形成されており、且つ、既述した信号線(図示せず)の幅よりも広い幅を有する各配線(第2配線)13が、各デカップリングコンデンサ用第2電極パッド6Bとそれに対応するグランドピン用パッド8との間及び同第2電極パッド6Bと対応するグランドスルーホール10のランドとの間を、それぞれ接続している。ここで、図3に例示するように、各電源スルーホール9は、多層プリント配線板1内に設けた電源層11に電気的に接続しており、各グランドスルーホール10は、多層プリント配線板1内に設けた各グランド層12に電気的に接続している。
図1に示すように各デカップリングコンデンサ3とBGAパッケージ2とを多層プリント配線板1の同一実装面上に実装する方法を、以下に記載する。先ず、図2に示す多層プリント配線板1の同一実装面上に設けられた全パッド5、6、7、8に、リフローによるはんだ付け工程で使用されるはんだペーストを塗布し、BGAパッケージ2のはんだボール4の高さよりも部品高さの小さい各デカップリングコンデンサ3を、対応するデカップリングコンデンサ用パッド6(6A、6B)上にマウントする。次に、BGAパッケージ用パッド5、電源ピン用パッド7及びグランドピン用パッド8上に、BGAパッケージ2(のはんだボール4)をマウントする。そして、リフロー工程によりはんだを溶融させた後、冷却することによりはんだが硬化し、BGAパッケージ2と多層プリント配線板1のパッド5、7、8間及びデカップリングコンデンサ3と多層プリント配線板1のパッド6(6A、6B)間で、はんだ接続を形成する。
具体例としては、はんだボール4の高さが最小0.4mmのBGAパッケージ2に対しては、デカップリングコンデンサ3として、例えば、0603サイズ(即ち、真上からコンデンサを眺めた際の形状である長方形の長辺が0.6mmであり、その短辺が0.3mmである。)、高さが0.3mm±0.03mmのチップコンデンサを使用することが出来る。
図3は、既述した通り、本実施の形態に於けるBGAパッケージ2及びデカップリングコンデンサ3を同一面に実装するための多層プリント配線板1の構造を部分的に拡大して示す図である。これに対して、図7及び図8に示す従来の技術では、デカップリングコンデンサ3はBGAパッケージ2を実装する面とは反対の面に実装される。しかし、本実施の形態の多層プリント配線板1の構造によれば、BGAパッケージ2とデカップリングコンデンサ3とを多層プリント配線板1の同一面に実装するために、パッド同士6(6A)−7、6(6B)−8を近接させることになるため(図3参照)、図8に示す従来技術と比較して、BGAパッケージ2の電源ピン用パッド7とデカップリングコンデンサ用パッド6(6A)との距離及びBGAパッケージ2のグランド用パッド8とデカップリングコンデンサ用パッド6(6B)との距離を、それぞれ、電源スルーホール9及びグランドスルーホール10の距離だけ、低減することが出来る。しかも、図8に示す従来技術では、電源ピン用パッド7とデカップリングコンデンサ用パッド6との間で電源スルーホール9が電源層11に電気的に接続されており、同じく、グランド用パッド8とデカップリングコンデンサ用パッド6との間でグランドスルーホール10がグランド層12に電気的に接続されているため、デカップリングコンデンサ3によるデカップリング作用が弱められてしまう。これに対して、図3に示す本実施の形態に係る多層プリント配線板1の構造では、電源ピン用パッド7と電源スルーホール9のランド間にデカップリングコンデンサ用パッド6(6A)があり、且つ、グランド用パッド8とグランドスルーホール10のランド間にデカップリングコンデンサ用パッド6(6B)があるため、電源層11及びグランド層12の存在によってデカップリングコンデンサ3によるデカップリング作用が弱められてしまうという事態は発生しない。この点でも、本実施の形態に係る多層プリント配線板1の構造は、図8の構造と比較して有効である。
しかも、本実施の形態に係る多層プリント配線板1では、既述の通り、(第1及び第2配線13の幅)>(信号線の幅)の関係が設定されているので、この構造関係の設定によっても、多層プリント配線板1で生じる抵抗値及び実効インダクタンス成分の値をより一層低減化し得る(その結果、直列共振周波数1/(2π√LC)をより高めることが出来る)。
図4に、本実施の形態に係る多層プリント配線板1に図1に示すようにBGAパッケージ2及びデカップリングコンデンサ3を実装した場合の等価回路図を示す。又、図4と対比するため、図7及び図8に示す従来の多層プリント配線板にBGAパッケージ2及びデカップリングコンデンサ3を実装した場合の等価回路図を、図9に示す。図4及び図9に於ける電流ループ22、23の長さの相違により、従来のデカップリングコンデンサ3の実装方法よりも本実施の形態の方が電流ループの抵抗とインダクタンスとを小さくすることが出来、電源電位やグランド電位の変動を抑制することが出来る。
又、電流ループの抵抗やインダクタンスにBGAパッケージ2内の回路動作電流が流れることによって生じる電圧変動を抑えるために、デカップリングコンデンサ3に求められることは、等価直列抵抗(ESR)及び等価直列インダクタンス(ESL)の低減である。従って、デカップリングコンデンサ3として、同時スイッチングに対して十分な静電容量を持ち、ESRとESLの小さい2端子又は3端子のセラミックコンデンサを使用すると、効果的にデカップリングを行える。
(実施の形態2)
図5は、本実施の形態に於ける、多層プリント配線板1上にBGAパッケージ2及びデカップリングコンデンサ3を実装する構造の概略図を示す。図5に示されている通り、本実施の形態に係る多層プリント配線板1は、BGAパッケージ2の実装面側に設けられ且つBGAパッケージ2下部に位置するデカップリングコンデンサ用パッド(実施の形態1で既述したものと同等)以外に、BGAパッケージ2を実装する面とは反対面側にもデカップリングコンデンサ3を実装する電極パッドを備えている。従って、本実施の形態では、デカップリングコンデンサ3を、BGAパッケージ2の下部に位置するBGAパッケージ2の実装面側の部分と、その反対面側(その反対面中、BGAパッケージ2の実装面側の部分と対向している部分)とに実装する。
これにより、電流ループの並列パスが出来るため、抵抗と実効インダクタンス成分との値を共により一層小さくすることが出来る。
(実施の形態3)
本実施の形態は、既述した実施の形態1及び2の変形例に該当している。即ち、実施の形態1及び2では、図2に例示する通り、電源一つにつき電源スルーホール9を1個、グランド一つにつきグランドスルーホール10を1個備える構成を採用しているが、本実施の形態では、電源一つにつき電源スルーホール9を複数個、グランド一つにつきグランドスルーホール10を複数個備える。電源一つにつき電源スルーホール9を2個、グランド一つにつきグランドスルーホール10を2個備える一例を、図3に対応する図面である図6に示す。
本構造を採用することにより、電源スルーホール9及びグランドスルーホール10を共に並列に配線することが出来るので、各スルーホール9、10で生じる抵抗値及びインダクタンス値を、実施の形態1及び2の場合よりも低減化することが出来る。
(付記)
以上、本発明の実施の形態を詳細に開示し記述したが、以上の記述は本発明の適用可能な局面を例示したものであって、本発明はこれに限定されるものではない。即ち、記述した局面に対する様々な修正や変形例を、この発明の範囲から逸脱することの無い範囲内で考えることが可能である。
本発明の実施の形態1における、多層プリント配線板とBGAパッケージ及びデカップリングコンデンサとの実装構造を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1における多層プリント配線板の構造を示す平面図である。 本発明の実施の形態1における、BGAパッケージ及びデカップリングコンデンサを同一面に実装する多層プリント配線板の構造を示す斜視断面図である。 本発明の実施の形態1における、BGAパッケージ及びデカップリングコンデンサを多層プリント配線板に実装した際の等価回路を示す図である。 本発明の実施の形態2における、多層プリント配線板とBGAパッケージ及びデカップリングコンデンサとの実装構造を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態3における、BGAパッケージ及びデカップリングコンデンサを同一面に実装する多層プリント配線板の構造を示す斜視断面図である。 従来における、多層プリント配線板とBGAパッケージ及びデカップリングコンデンサとの実装構造を示す縦断面図である。 従来における、BGAパッケージ及びデカップリングコンデンサを実装する多層プリント配線板の構造を示す斜視断面図である。 従来における、BGAパッケージ及びデカップリングコンデンサを多層プリント配線板に実装した際の等価回路を示す図である。
符号の説明
1 多層プリント配線板、2 BGAパッケージ、3 デカップリングコンデンサ、4はんだボール、5 BGAパッケージ用パッド、6 デカップリングコンデンサ用パッド、7 電源ピン用パッド、8 グランドピン用パッド、9 電源スルーホール、10 グランドスルーホール、11 電源層、12 グランド層、13 配線、14 DC電源、15a 電源層の抵抗、15b 電源層のインダクタンス、16a グランド層の抵抗、16b グランド層のインダクタンス、17a スルーホールの抵抗、17b スルーホールのインダクタンス、18a 配線の抵抗、18b 配線のインダクタンス、19 デカップリングコンデンサの静電容量、20 BGAパッケージ内部のドライバ、21 BGAパッケージ内部のレシーバ、22 ドライバON時の電流ループ、23 ドライバOFF時の電流ループ。

Claims (4)

  1. 少なくとも電源ピン、グランドピン及び信号ピンを有する半導体集積回路用パッケージが実装される多層プリント配線板であって、
    前記半導体集積回路用パッケージの前記信号ピンをはんだ接続するためのパッケージ用パッドと、
    前記パッケージ用パッドが形成された、前記半導体集積回路用パッケージを実装する面と同一面上にあって、且つ、前記半導体集積回路用パッケージの下部にデカップリングコンデンサを実装可能な位置に配設された2個のデカップリングコンデンサ用電極パッドと、
    前記パッケージ用パッドが形成された面と同一面上にある前記電源ピン用のパッドと、
    前記パッケージ用パッドが形成された面と同一面上にある前記グランドピン用のパッドと、
    前記多層プリント配線板を貫通する電源スルーホール及びグランドスルーホールと、
    前記パッケージ用パッドが形成された面と同一面上にあって、且つ、前記デカップリングコンデンサ用電極パッドの一方と前記電源ピン用パッドとの間及び前記デカップリングコンデンサ用電極パッドの一方と前記電源スルーホールのランドとの間をそれぞれ接続する第1配線と、
    前記パッケージ用パッドが形成された面と同一面上にあって、且つ、前記デカップリングコンデンサ用電極パッドの他方と前記グランドピン用パッドとの間及び前記デカップリングコンデンサ用電極パッドの他方と前記グランドスルーホールのランドとの間をそれぞれ接続する第2配線とを備えることを特徴とする、
    多層プリント配線板。
  2. 請求項1記載の多層プリント配線板であって、
    前記第1及び第2配線は共に、前記パッケージ用パッドが形成された面と同一面上に配設され且つ前記パッケージ用パッドに接続されている信号配線よりも大きい幅を有することを特徴とする、
    多層プリント配線板。
  3. 請求項1又は2に記載の多層プリント配線板であって、
    前記半導体集積回路用パッケージを実装する面とは反対面側にも別のデカップリングコンデンサを実装するための電極パッドを備えることを特徴とする、
    多層プリント配線板。
  4. 請求項1乃至3の何れかに記載の多層プリント配線板であって、
    電源一つにつき電源スルーホールを複数個、グランド一つにつきグランドスルーホールを複数個備えることを特徴とする、
    多層プリント配線板。
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