JP2008282882A - 部品内蔵実装基板 - Google Patents

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Abstract

【課題】高速・高密度電子機器で特に信号品質の確保が必要なCPU−メモリ間のアドレス線において、小型化と高周波特性確保の両立が実現できる部品内蔵実装基板を提供する。
【解決手段】絶縁基板100の表面上に、CPU101と、チップ部品としての並列終端抵抗105と、メモリ102とが搭載されている。絶縁基板100の内部には、CPU101の直下に第1のデカップリングキャパシタ106aが内蔵され、メモリ102の直下に第2のデカップリングキャパシタ106bが内蔵されている。並列終端抵抗105の直下には、膜部品としての直列終端抵抗103b及び信号品質補償用キャパシタ104bがその面を絶縁基板100の表面に平行にして内蔵されており、両者間に第3のデカップリングキャパシタ106cが内蔵されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、高速・高密度電子部品が実装されたプリント配線基板等の部品内蔵実装基板に関し、特に携帯端末等のモバイル機器に使用するのに好適の部品内蔵実装基板に関する。
携帯電話に代表されるモバイル電子機器の小型化・高機能化の発展は著しく、これらを両立させることは急速に困難となっている。機器の中で最も高速な信号がやりとりされている場所はCPUとメモリとの間であり、小型化の際は信号品質確保の観点から、優先的に、CPU−メモリ間の配線設計を行う必要がある。ここで、CPUは具体的にはメモリコントローラを機能として含むものを指す。
近時、メモリのデータ転送は、DDR(Double Data Rate)方式が主流であり、一般用途では、その次世代版のDDR2の普及が進みつつある。DDRの最大データ転送速度は400Mbpsであるのに対し、DDR2ではデータ転送速度が最大800Mbpsであり、データ転送速度がDDRの2倍に向上している。このため、その信号品質の確保には、細心の注意を要する。DDR2では、そのために、OCD(On Chip Driver)及びODT(On Die Termination)等の技術が規格化されている。
図3はCPU−DDR2間の配線トポロジの一例を示す。CPU(メモリコントローラ)101と、2個のメモリ102との間が、CPU101から分岐(分岐点11a)した共通のアドレス線11と、メモリ毎のデータ線12とにより接続されている。アドレス線11には直列終端抵抗103がその途中に直列に接続されており、この直列終端抵抗103とCPU101との間を接続するアドレス線11の部分(接続点11b)と、電源電圧VTTとの間には、並列終端抵抗105が接続されている。また、アドレス線11における並列終端抵抗105が接続された部分(接続点11b)と、接地(GND)との間には、信号品質補償用キャパシタ104が接続されている。
CPU−DDR2間の配線は、メモリ102のアクセス位置を指定するアドレス線11(伝送路)と、実際のデータを伝送するデータ線12とから構成されており、アドレス線11はCPU101からメモリ102の数(図3では2つ)だけ分岐し、データ線12はメモリ102の数だけ独立した伝送路を持つ(Point To Point)ことが大きな違いである。
アドレス線11及びデータ線12は、共に、配線設計をする上では、マイクロストリップ線路及びストリップ線路のような高周波対応の伝送路構造として、不連続点を極力設けないように注意すれば、信号の劣化は防げるが、アドレス線11は分岐点(不連続点)が必ずあるため、整合回路を設ける必要がある。伝送路の分岐は不要な信号の反射を発生させる(スタブ効果)ため、分岐点付近に直列終端抵抗103を装荷して反射を抑える。そして、信号品質補償用のキャパシタ104をグランドGNDとの間に装荷し、更に、電源VTTとの間に並列終端抵抗105を装荷している。このとき、直列終端抵抗103は10〜20Ω程度、信号品質補償用キャパシタ104は20〜30pF程度、並列終端抵抗105は50Ω前後が好適である(非特許文献1)。
特に、並列終端抵抗105は伝送路の特性インピーダンスと一致することが望ましい。更に、直列終端抵抗103は分岐点11aの直近に、信号品質補償用キャパシタ104及び並列終端抵抗105はメモリ102の近傍に配置すると、より一層効果が高い。
ところが、電子機器が小型化されると、現在主流のチップ部品を表面実装する方法では、これらの部品の配置を理想的に行うことが、極めて難しくなってきている。
図4は従来の部品内蔵実装基板の構造を示す断面図である。プリント配線基板の絶縁基板100の表面上にメモリコントローラ付のCPU101と、チップ部品としての並列終端抵抗105と、メモリ102とが搭載されて実装されており、絶縁基板100の裏面上に、チップ部品としてのデカップリングキャパシタ106a、106bと、チップ部品としての直列終端抵抗103aと、チップ部品としての信号品質補償用キャパシタ104aとが搭載されて実装されている。並列終端抵抗105の一方の端部には、絶縁基板100の表面に形成された電源層21が接続されており、並列終端抵抗105の他方の端部は、絶縁基板100の表面に形成された導電層23を介してCPU101に接続されている。また、この導電層23は、スルーホール24aを介して、絶縁基板100の裏面に形成された導電層25に接続されており、導電層25は、直列終端抵抗103a及び信号品質補償用キャパシタ104aの各1端部に接続されている。また、直列終端抵抗103aの他端は、スルーホール24bを介して絶縁基板100の表面上のメモリ102に接続されている。メモリ102の他端部は、スルーホール24cを介して、絶縁基板100の裏面上の一方のデカップリングキャパシタ106bに接続されており、このデカップリングキャパシタ106bの他端はグランド層(GND)22に接続されている。また、CPU101の他端は、スルーホール24dを介して、絶縁基板100の裏面上の他方のデカップリングキャパシタ106aの一端に接続されており、このデカップリングキャパシタ106aの他端はグランド層22に接続されている。信号品質補償用キャパシタ104aの他端もグランド層22に接続されている。これらの各部品の接続態様は、図3に示すとおりである。
この図4に示すように、従来の部品内蔵実装基板においては、CPU101とメモリ102との間に部品を配置しようとすると、間隔を大きくせざるを得ず、結果として実装面積の増大を招いてしまう。また、配線長が大きくなりやすく、配線に寄生するインダクタンスによって、信号品質が低下する懸念もある。
そこで、部品をプリント配線板に内蔵して小型化する手段が最近では用いられつつある。内蔵可能な部品としては、能動部品若しくは受動部品又はその両者であり、このため、種々の製造方法が提案されている。また、受動部品でも、汎用的なチップ部品を内蔵するものと、独自の膜部品を用いるものがある(例えば、特許文献1、特許文献2を参照)。膜部品とは、薄膜又は厚膜から形成される部品を指す。
ここで、膜部品の利点は、膜部品は薄いため、内蔵後の基板が厚くならないことと、チップ部品に比べてリード線を短くできることから、寄生インダクタンスを抑えられることが挙げられる。膜部品の欠点は、作製できる素子値の範囲がチップ部品に比べて小さいことがある。例えば、1000pFを超える大容量キャパシタの実現は難しい。また、膜部品は精度が余り高くないことが挙げられる。一方、チップ部品の利点は部品メーカーが精度を含めた特性を保証していること、また素子値の範囲が幅広いことであり、欠点は部品サイズの制約で基板の厚さが大きくなること、リード線が膜部品よりも長くなりやすいことである。以上のように、部品を内蔵する方法は各種存在し、いずれの方法でも、利点と欠点がある。また、部品内蔵自体の欠点として、内蔵後に調整ができないという大きな問題点がある。
特開2005−203457号公報 (第12頁 図3) 特開2007−36095号公報 (第4頁) Micron Technical Note: DDR2 DESIGN GUIDE FOR TWO−DIMM SYSTEMS;平成19年2月22日検索インターネット<URL:http://download.micron.com/pdf/technotes/ddr2/tn_47_01.pdf>
しかしながら、チップ部品内蔵/膜部品内蔵に大別される部品内蔵のプリント配線板においては、必ずしも小型かつ高速・高密度なモバイル電子機器に要求される電気的特性、つまり高周波特性を満足する構造となっていない。そして、従来、これらのチップ部品内蔵型と膜部品内蔵型との利点及び欠点を踏まえて、これらを使い分ける技術も提案されていない。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、高速・高密度電子機器で特に信号品質の確保が必要なCPU−メモリ間のアドレス線において、小型化と高周波特性確保の両立が実現できる部品内蔵実装基板を提供することを目的とする。
本発明に係る部品内蔵実装基板は、CPUとメモリとの間を接続するアドレス線に直列に直列終端抵抗が接続され、前記アドレス線と電源との間に並列終端抵抗が接続され、前記アドレス線と接地との間に信号品質補償用キャパシタが接続された部品内蔵実装基板において、絶縁基板と、この絶縁基板の表面上に搭載されたCPU及びメモリと、前記絶縁基板の表面上に搭載された並列終端抵抗と、前記絶縁基板における前記CPU及びメモリの直下に夫々一部又は全部が内蔵された第1及び第2のデカップリングキャパシタと、前記絶縁基板における前記並列終端抵抗の少なくとも一部の下部に内蔵された直列終端抵抗と、前記絶縁基板における前記直列終端抵抗の少なくとも一部の下部に内蔵された信号品質補償用キャパシタと、を有し、前記直列終端抵抗及び前記信号品質補償用キャパシタは、膜部品又はチップ部品であり、この膜部品又はチップ部品は、その面が前記絶縁基板の表面に平行になるように配置されていることを特徴とする。
この部品内蔵実装基板は、前記絶縁基板における前記直列終端抵抗の少なくとも一部の下部に、第3のデカップリングキャパシタを内蔵することが好ましい。また、前記並列終端抵抗は、例えば、チップ部品である。更に、前記第1乃至第3のデカップリングキャパシタは、前記信号品質補償用キャパシタより、大容量であることが好ましい。更にまた、前記直列終端抵抗及び前記信号品質補償用キャパシタは、膜部品であることが好ましい。この場合に、前記直列終端抵抗は前記信号品質補償用キャパシタよりも薄いことが好ましい。更にまた、前記第1乃至第3のデカップリングキャパシタは1000pF以上、前記信号品質補償用キャパシタは100pF以下であることが好ましい。更にまた、前記直列終端抵抗は、±5%以下の高精度が要求される場合は、チップ部品を使用し、±5%より悪い精度でよい場合は、膜部品を使用することが好ましい。
本発明によれば、直列終端抵抗と信号品質補償用キャパシタと並列終端抵抗を3次元的に実装することにより、表面実装面積を削減することができる。また、比較的精度が必要な並列終端抵抗を表面にチップ部品で実装することにより、調整の容易性と高精度を確保でき、結果としてアドレス線の信号品質の確保が容易となる。更に、CPU及びメモリの直下に、例えば、1000pF以上のデカップリングキャパシタを内蔵することにより、信号品質の確保に加えて電源品質の確保が可能となる。そして、本発明においては、アドレス線のための表面実装部品が並列終端抵抗のみとなるため、表面層に余裕ができ、データ線を等長配線設計しやすくなる。
実装部品を、電子機器の回路の中で調整が比較的不要な場所にのみ内蔵するだけでも、実装面積削減効果は見込めるが、CPU−メモリ間に代表される高速信号が伝送される場所にも、効果的に部品を内蔵できれば効率がよい。高周波特性が優れているものの、調整が不要な場所には、膜部品を内蔵し、調整又は精度が必要な場所には、チップ部品を表面実装するなど、高速信号が伝送される場所にも、実装部品の種類に応じて、内蔵技術を使い分ければ、実装面積削減が可能である。特に、CPU−メモリ間のアドレス線は、信号品質確保のために受動部品を必要としているため、部品内蔵技術を使用して、これらの受動部品の基板表面における実装面積を削減できれば、データ線の等長配線設計の自由度が高まる。
本発明は、このような観点に立ってなされたものである。以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。
図1は本発明の第1の実施形態に係る部品内蔵実装基板を示す断面図である。プリント配線基板の絶縁基板100の表面上に、メモリコントローラ付のCPU101と、チップ部品としての並列終端抵抗105と、メモリ102とが搭載されている。そして、絶縁基板100の内部には、CPU101の直下にその一部又は全部が位置するように、第1のデカップリングキャパシタ106aが配置されている(内蔵されている)。また、第2のデカップリングキャパシタ106bが、メモリ102の直下にその一部又は全部が位置するように、絶縁基板100に内蔵されている。更に、絶縁基板100における並列終端抵抗105の少なくとも一部の下部には、膜部品としての直列終端抵抗103bがその面を絶縁基板100の表面に平行にして内蔵されており、この直列終端抵抗103bの少なくとも一部の下部には第3のデカップリングキャパシタ106cが内蔵されており、更に、この第3のデカップリングキャパシタ106cの下方であって直列終端抵抗103bの少なくとも一部の下部には、膜部品としての信号品質補償用キャパシタ104bがその面を絶縁基板100の表面に平行にして内蔵されている。
絶縁基板100の表面には、電源VTTに接続された電源層21が形成されており、この電源層21は、並列終端抵抗105の一方の端部に接続されている。並列終端抵抗105の他端は導電層23を介してCPU101に接続されている。また、導電層23の途中には、絶縁基板100内を垂直に延びるスルーホール24aが接続されており、このスルーホール24aの上部から導電層23bが水平に分岐し、この導電層23bはスルーホール24eを介してメモリ102に接続されている。そして、この水平の導電層23bの途中に、直列終端抵抗103bが直列に接続されている。スルーホール24aの下端から、導電層23hが水平に分岐し、更に、この導電層23hの他端部は、スルーホール24fを介して絶縁基板100の裏面に形成されたグランド層22に接続されている。そして、この導電層23hの途中に、信号品質補償用キャパシタ104bが直列に接続されている。
CPU101の直下の第1のデカップリングキャパシタ106aは、その一端がCPU101の電源端子にスルーホール24d及び導電層23dを介して接続され、他端が絶縁基板100の裏面のグランド層22に導電層23e及びスルーホール24eを介して接続されている。また、メモリ102の直下の第2のカップリングキャパシタ106bは、その一端が導電層23g及びスルーホール24cを介して、メモリ102の電源端子に接続され、他端が導電層23f及びスルーホール24gを介して、絶縁基板100の裏面のグランド層22に接続されている。更に、並列終端抵抗105の直下であって、直列終端抵抗103bと信号品質補償用キャパシタ104bとの間に配置された第3のデカップリングキャパシタ106cは、その一端が導電層23c及びスルーホール24bを介してメモリ102の他の電源に接続され、他端が絶縁層100内に埋め込まれたグランド層22に接続されている。
このように構成された部品内蔵実装基板においては、その等価回路は図3に示すものと同一である。しかし、本実施形態においては、CPU101とメモリ102との間のアドレス線11(伝送路)と電源VTTとの間に接続される並列終端抵抗105は、調整を容易にするため、絶縁基板100の表面上に搭載され、表面実装されている。一方、直列終端抵抗103bは、その精度に多少のばらつきがあっても信号品質に与える影響は、並列終端抵抗105に比べれば小さいため、調整が不要である。このため、直列終端抵抗103bとしては、膜抵抗(膜部品)が使用され、しかも、絶縁基板100の内部にその面を絶縁基板100の表面に平行にして内蔵されている。このように、膜部品としての直列終端抵抗103bを絶縁基板100の内部にその面を絶縁基板100の表面に平行にして内蔵することにより、絶縁基板100の厚さを可及的に薄くすることができる。
更に、膜部品としての信号品質補償用キャパシタ104bを膜部品としての直列終端抵抗103bの直下に内蔵する。このように、信号品質補償用キャパシタ104bとして膜部品を使用し、しかもその面を絶縁基板100の表面に平行にして内蔵することにより、絶縁基板100の厚さを可及的に薄くすることができる。
この場合に、直列終端抵抗103bと信号品質補償用キャパシタ104bとの間の配線距離は、直列終端抵抗103bとCPU101との間の距離に比べて可及的に小さくすることが好ましい。つまり、アドレス線11における直列終端抵抗103bと信号品質補償用キャパシタ104bとの分岐点(図3における分岐点11b)を可及的にメモリ102に近付けることが好ましい。これにより、CPU101からメモリ102に伝送される信号のうち、メモリ102で反射した信号は、直列終端抵抗103bで大部分が吸収され、更に信号品質補償用キャパシタ104bに流れやすくなるため、CPU101に戻ってくる反射信号を小さくすることができるからである。なお、電源層21もグランド層22も設計によっては分割されていることが多いが、図1ではこの図示を省略してある。
本実施形態においては、アドレス線11に必要な部品(直列終端抵抗103b及び信号品質補償用キャパシタ104b)は全て膜部品であり、基板内部における必要スペースが小さいため、CPU101とメモリ102の直下に、電源品質を補償する大容量デカップリングキャパシタ106a、106b、106cをより多数内蔵できる。これにより、電源品質の向上が可能である。
本実施形態においては、比較的精度を必要としない直列終端抵抗103bを絶縁基板100内に内蔵し、絶縁基板100の表面及び裏面から、直列終端抵抗103bの実装に必要な面積を削減することができる。また、信号品質を補償する信号品質補償用キャパシタ104bを絶縁基板100に内蔵したので、従来のように、信号品質補償用キャパシタ104bを絶縁基板100の裏面に搭載する場合に比して、よりCPU101に近い位置に配置することができる。このため、信号品質補償用キャパシタ104bによる信号品質の向上に有効である。更に、並列終端抵抗105は、比較的精度が要求されることと、調整の容易性も考慮に入れて、優先的に表面実装とする。しかし、直列終端抵抗103bと信号品質補償用キャパシタ104bとを、表面実装の並列終端抵抗105の直下に、3次元的に実装することにより、絶縁基板100における表面実装面積を削減することができる。また、比較的精度が必要な並列終端抵抗105を表面にチップ部品で実装することで、調整の容易性と精度を確保でき、結果としてアドレス線11の信号品質の確保が容易となる。
上述のように、直列終端抵抗103b及び信号品質補償用キャパシタ104bを絶縁基板100内に内蔵したため、絶縁基板100の表面に余裕ができるため、絶縁基板100の表面におけるデータ線12の等長配線設計が容易になる。また、信号品質補償のためのキャパシタ104bは小容量でよいため、膜部品を使用でき、更に直列終端抵抗103bも精度を比較的必要としないために膜部品を使用することができるため、絶縁基板100の内部に占める直列終端抵抗103b及び信号品質補償用キャパシタ104bの所要スペースが小さくてすみ、膜部品では実現できない大容量のデカップリングキャパシタ106a〜106cをより多く絶縁基板100内に内蔵でき、電源品質のより一層の補償が可能となる。
即ち、第1乃至第3のデカップリングキャパシタ106a乃至106cは、信号品質補償用キャパシタ104bより大容量であり、電源品質の向上に有効である。この場合に、第1乃至第3のデカップリングキャパシタ106a乃至106cは、電源品質補償用として、1000pF以上であることが好ましい。一方、信号品質補償用キャパシタ104bは、高速信号が伝送されるCPU101とメモリ102との間のアドレス線11の信号品質の向上のために、100pF以下であることが好ましい。
このように、CPU101及びメモリ102の直下に、1000pF以上のデカップリングキャパシタを内蔵することで、信号品質の確保に加えて、電源品質の確保が可能となり、それらの両立が可能となる。
次に、本発明の他の実施形態について、図2を参照して説明する。本実施形態は、図1に示す実施形態に対し、直列終端抵抗103aとして、チップ部品を使用し、信号品質補償用キャパシタ104aとして、チップ部品を使用した点が異なる。即ち、チップ部品としての直列終端抵抗103aの一端がメモリ102にスルーホール24e及び導電層23bを介して接続されており、直列終端抵抗103aの他端がスルーホール24aに導電層23cを介して接続されている。また、チップ部品としての信号品質補償用キャパシタ104aの一端が、導電層23hを介してスルーホール24aに接続され、他端が導電層23i及びスルーホール24fを介してグランド層22に接続されている。
このように、本実施形態では、直列終端抵抗103a及び信号品質補償用キャパシタ104aとして、チップ部品を絶縁基板100内に内蔵したため、第3のデカップリングキャパシタは内蔵していない。
本実施形態では、直列終端抵抗103a及び信号品質補償用キャパシタ104aを、汎用品のチップ部品としているため、製造が容易である。また、チップ部品の方が精度も高くなるため、配線設計上、特に精度が必要と考えられる場合は効果的である。しかし、直列終端抵抗103a及び信号品質補償用キャパシタ104aのチップ部品が、並列終端抵抗105の直下に重ねて配置されているので、絶縁基板100の厚さが厚くなってしまう。なお、使用する絶縁基板100の厚さの制限により、直列終端抵抗103a及び信号品質補償用キャパシタ104aの2個のチップ部品を重ねて配置できない場合は、2個のチップ部品の平面的な位置をずらして配置してもよい。また、直列終端膜抵抗と信号品質補償用膜キャパシタの両方ではなく、いずれか一方をチップ部品とすることもできる。
なお、直列終端抵抗は、±5%以下の高精度が要求される場合は、チップ部品(直列終端抵抗103a)を使用し、±5%より悪い精度でよい場合は、膜部品(直列終端抵抗103b)を使用するというように、使い分けることができる。
なお、上記各実施形態において、グランド層22が絶縁基板100の裏面に形成されているが、このグランド層22は、絶縁基板100の内部に設けたり、また、複数層に分割して設けても良い。
本発明の実施形態に係る部品内蔵実装基板を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る部品内蔵実装基板を示す断面図である。 CPU−メモリ間の配線トポロジを示す回路図である。 従来の部品内蔵実装基板を示す断面図である。
符号の説明
11 アドレス線
12 データ線
21 電源層
22 グランド層
100 絶縁基板
101 CPU(メモリコントローラ付)
102 メモリ
103a 直列終端抵抗(チップ部品)
103b 直列終端抵抗(膜部品)
104a 信号品質補償用キャパシタ(チップ部品)
104b 信号品質補償用キャパシタ(膜部品)
105 並列終端抵抗(チップ部品)
106a乃至106c デカップリングキャパシタ(チップ部品)

Claims (8)

  1. CPUとメモリとの間を接続するアドレス線に直列に直列終端抵抗が接続され、前記アドレス線と電源との間に並列終端抵抗が接続され、前記アドレス線と接地との間に信号品質補償用キャパシタが接続された部品内蔵実装基板において、絶縁基板と、この絶縁基板の表面上に搭載されたCPU及びメモリと、前記絶縁基板の表面上に搭載された並列終端抵抗と、前記絶縁基板における前記CPU及びメモリの直下に夫々一部又は全部が内蔵された第1及び第2のデカップリングキャパシタと、前記絶縁基板における前記並列終端抵抗の少なくとも一部の下部に内蔵された直列終端抵抗と、前記絶縁基板における前記直列終端抵抗の少なくとも一部の下部に内蔵された信号品質補償用キャパシタと、を有し、前記直列終端抵抗及び前記信号品質補償用キャパシタは、膜部品又はチップ部品であり、この膜部品又はチップ部品は、その面が前記絶縁基板の表面に平行になるように配置されていることを特徴とする部品内蔵実装基板。
  2. 前記絶縁基板における前記直列終端抵抗の少なくとも一部の下部に内蔵された第3のデカップリングキャパシタを有することを特徴とする請求項1に記載の部品内蔵実装基板。
  3. 前記並列終端抵抗は、チップ部品であることを特徴とする請求項1又は2に記載の部品内蔵実装基板。
  4. 前記第1乃至第3のデカップリングキャパシタは、前記信号品質補償用キャパシタより、大容量であることを特徴とする請求項2に記載の部品内蔵実装基板。
  5. 前記直列終端抵抗及び前記信号品質補償用キャパシタは、膜部品であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の部品内蔵実装基板。
  6. 前記直列終端抵抗は前記信号品質補償用キャパシタよりも薄いことを特徴とする請求項5に記載の部品内蔵実装基板。
  7. 前記第1乃至第3のデカップリングキャパシタは1000pF以上、前記信号品質補償用キャパシタは100pF以下であることを特徴とする請求項4に記載の部品内蔵実装基板。
  8. 前記直列終端抵抗は、±5%以下の高精度が要求される場合は、チップ部品を使用し、±5%より悪い精度でよい場合は、膜部品を使用することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の部品内蔵実装基板。
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