JP2023111114A - Ｂｇａパッケージのｉｃが実装された貫通基板を備える通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価でパターンの自由度が少ない貫通基板において、高密度なＢＧＡパッケージのＩＣチップを使用する。【解決手段】端末１００との通信機能を有し、端末１００から受信したデータ全体に対する所定の処理をＦＰＧＡ２０１にて処理する通信装置１０１であって、ＦＰＧＡ２０１の汎用ＩＯピン３０５のすべてが、ＦＰＧＡ２０１の外周端子に設定され、ＦＰＧＡ２０１は通信装置１０１の動作を制御する制御基板である貫通基板２０４に実装されていることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、ＢＧＡパッケージのＩＣが実装された貫通基板を備える通信装置に関する。

電気回路を構成する基板は複数の層が重なって１枚の板になっており、ある層と別の層を電気的に接続するために開けられる穴のことをビアという。基板はこのビアの開け方によって大きく２つに分類されている。

１つは貫通基板と呼ばれ、ビアが基板表面から裏面にかけて全層を貫通している基板である。基板の層をすべて重ねた後にドリルでビアの穴をあけるため製造コストが安くなるが、すべての穴が貫通していることと、ビアの径がドリル径に依存して太くなるため、パターンの自由度が減り高密度実装が難しくなる。

もう１つはビルドアップ基板と呼ばれ、ビアが貫通しない基板である。例えば１０層の基板の場合、最初に４層の貫通基板を形成し、それをベースにして両面に３層ずつ基板を重ねていく手法をとる。このときビアはレーザによって形成され、径が細く基板の層を貫通しない穴となる。

ここで、これらの基板が実装される装置の一例としてのハンディターミナルには、一般的に、外部機器との通信の仲介を行うＯＣ（Ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｃｒａｄｌｅ）や通信可能な充電クレードルなどの中継装置がある。これらの中継装置は、ハンディターミナル本体に対してオプション製品という立ち位置にあり、販売価格が安く設定されるため原価を抑える必要があることが多い。

これらの製品は原価を抑えるために安価な貫通基板を採用することが多いが、貫通基板はパターンの自由が少ないことから、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）など、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）の外側から足が出ていて配線がしやすいパッケージのＩＣを採用してきた。

特開平８－１０２４９２号公報

上述したようなＩＣを使用した通信データには、多くのノイズが入ることがあり、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）を使用して通信データに対しノイズ処理を行うことがある。その場合、比較的規模の大きいＦＰＧＡを採用することがある。

この時、高密度なＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）パッケージのＦＰＧＡを使用することがある。

上記を鑑み、本発明に係る通信装置は、
端末との通信機能を有し、前記端末から受信したデータ全体に対する所定の処理をＦＰＧＡにて処理する通信装置であって、
前記ＦＰＧＡの汎用ＩＯピンのすべてが、前記ＦＰＧＡの外周端子に設定され、
前記ＦＰＧＡは前記通信装置の動作を制御する制御基板である貫通基板に実装されていることを特徴とする。

本発明によれば、安価な貫通基板においても高密度のＢＧＡパッケージのＩＣを効率的に使用することが可能になる。

本発明の第１実施形態に係る通信装置を含むシステム構成図。 本発明の第１実施形態に係る通信装置の内部構成図。 本発明の第１実施形態に係る通信装置のＦＰＧＡを搭載した基板のパターンを示す図。 本発明の第２実施形態に係る電子機器の構成を示すブロック図。 本発明の第２実施形態に係る電子機器の動作フローチャート。 本発明の第３実施形態に係る電子機器の構成を示すブロック図。

（第１実施形態）
以下、図を用いて本発明の実施形態について説明する。

図１は本発明の第１実施形態に係る通信装置１０１を含むシステムの構成図である。端末１００は、光通信で信号を送受信する端末を示しており、例えばハンディターミナルなどである。通信装置１０１は、光通信によって端末１００とデータのやり取りを行う通信機能を備えた装置であり、端末１００から送られてきた光信号を受光してそのデータの処理を行う。通信装置１０１は、例えばパソコン等の外部機器１０２と通信ケーブルで接続され、端末１００と外部機器１０２との通信を中継する機能を持つ。なお、端末１００と通信装置１０１とは不図示の無線通信が可能になっていてもよく、本実施形態においても、無線ＬＡＮ通信によりデータの送受信が可能である。例えば、端末１００と通信装置１０１との間で実行された光通信を用いて端末１００の認証処理を実行し、認証できた場合に通信装置１０１が端末１００と無線ＬＡＮ接続し、データの送受信が実行される。

図２は、通信装置１０１の内部構成を示す。光通信モジュール２００は、光信号を受光するためのモジュールであり、受光した情報をＦＰＧＡ２０１によって処理する。通信装置１０１は、光通信モジュール２００を介して受信した光信号をＦＰＧＡ２０１によってデータ処理する。また、光通信モジュール２００もしくは上述した不図示の無線ＬＡＮを介して受信したデータを、ＦＰＧＡ２０１を経由して内部モジュール２０２へ送り、内部モジュール２０２は、そのデータを、ＬＡＮ端子２０３を経由して外部機器１０２へと送信する。

上述した各構成は、制御基板２０４に実装されている。通信装置１０１は安価な製品であるため、コストを下げるために制御基板２０４は貫通基板を用いる。

また、通信装置１０１の電源がオンの時に点灯する電源ＬＥＤ２１０、端末１００と外部機器１０２が通信している時に点滅する通信ＬＥＤ２１１、ＬＡＮ端子２０３に外部機器１０２が接続されておりネットワークが確立している時に点灯するリンクＬＥＤ２１２が制御基板２０４に実装されている。

ここで、ＦＰＧＡ２０１に接続されている、光通信モジュール２００、内部モジュール２０２、電源ＬＥＤ２１０、通信ＬＥＤ２１１、リンクＬＥＤ２１２は、ＦＰＧＡ２０１における汎用ＩＯピンに接続されている。

通信装置１０１は、電源端子２２０を介しＡＣアダプタ２２１からの電源供給を受ける。また、ＵＳＢ端子２２２を介しＵＳＢ電源装置２２３からの電源供給を受けることも可能である。電源端子２２０とＵＳＢ端子２２２とが接続された電源回路２２４により、電源端子２２０およびＵＳＢ端子２２２に印加された電源電圧を、内部回路で使用できる電圧に降圧する。また、電源回路２２４は電源スイッチ２２５の状態を確認し、電源スイッチ２２５がオンの時に、降圧した電源をＦＰＧＡ２０１や内部モジュール２０２へと供給する。

ここで、電源回路２２４からＦＰＧＡ２０１に供給されている電源は、ＦＰＧＡ２０１の電源ピンに接続されている。

端末１００は、データを光信号で通信装置１０１へ送信する。ここで、光信号は外乱光の影響を受けやすく、データにノイズが載ってしまうため、通信データに対しノイズ処理を実施する必要がある。本実施形態において、ＦＰＧＡ２０１は光通信モジュール２００で受光したデータを一時的に内部のメモリに蓄えておき、端末１００から送信されるすべてのデータが揃った時点で当該データ全体に対しノイズ処理を実施する。データがすべてそろった時点で誤り検出、誤り訂正などの処理が実行されるため、すべてのデータを一時的に内部のメモリに蓄え、その後、ノイズ処理を実施したデータを内部モジュール２０２へ送信する。

このノイズ処理のためにＦＰＧＡ２０１は内部にすべての通信データを蓄える回路を設けなければならず、その回路が大きくなるために、ＦＰＧＡ２０１は本来データ通信に必要な規模のものと比較して、大規模なものを使用する必要がある。ＩＣチップは規模に比例してピン数も多くなり、ピン数が多くなると、より高密度なＢＧＡパッケージを採用されることが多い。ＦＰＧＡ２０１も同様にＢＧＡパッケージが採用されている。

ところが、制御基板２０４は高密度な部品を搭載するには不適切な貫通基板であるから、ＢＧＡパッケージのＦＰＧＡ２０１を搭載するには工夫が必要となる。

図３は、これに対応する基板パターンを例示する図であり、ＦＰＧＡ２０１の外形３００の内部における基板側の面に各ピンが配置されている様子を示す。丸印でＦＰＧＡ２０１の電源ピン３０１を示しており、規則的に配置されている。他の丸印でＦＰＧＡ２０１の特殊信号ピン３０２を示しており、Ｉ２ＣやＬＶＤＳ等の特殊信号で使用され、不規則に配置されている。電源ピン３０１と特殊信号ピン３０２は、ＦＰＧＡ２０１の仕様で決められた配置になっているため、配置を変更することはできない。

ピンとピンの間は非常に狭くパターンを通すことができないため、ＦＰＧＡ２０１の内側にあり、かつ電源ピン３０１や特殊信号ピン３０２のように配置を変更できないピンは、当該ピンと隣接する二重の丸印で示されているビア３０３と内部パターン３０４で接続し、ビア３０３を通して別の層へ接続されている。

この時、貫通基板だとビア３０３はすべて貫通穴になるため、内側にあるピンを使用すればするほど貫通穴が増えてパターンが配線できなくなってしまう。これが、貫通基板にＢＧＡパッケージ等の高密度なＩＣチップを使用する際の課題となっていた。

一方、ＦＰＧＡ２０１は汎用ＩＯピン３０５を有しており、電源ピン３０１と特殊信号ピン３０２以外のピンは、すべて汎用ＩＯピン３０５である。なお、汎用ＩＯピン３０５の配置は、ＦＰＧＡ２０１に書き込むデータを変更することにより自由に設定可能であるという特徴がある。

図３に示すように、本実施形態ではＦＰＧＡのこの特徴を利用し、すべての汎用ＩＯピン３０５をＦＰＧＡ２０１の外周ピン（外周端子）に設定している。外周ピンに設定することで、汎用ＩＯピン３０５はビア３０３を使用せずに表層パターン３０６によって配線を引き出すことが可能になる。

これにより、ビア３０３を使用する数を最小限に抑えることができるので、貫通基板においてもＢＧＡパッケージ等の高密度なＩＣチップの使用を実現できる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態で説明したノイズ処理のように、メモリなどのリソースの容量の大きいものが必要となる信号処理を実施する必要がある場合などには好適に適用可能であり、その場合、光通信以外の通信方式であってもよい。

（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態に係る電子機器について説明する。本実施形態の基本構成は第１実施形態と同様であるため、共通する部分については説明を省略するとともに同じ構成については同一の符号を用い、異なる部分についてのみ説明する。なお、第１実施形態における通信装置１０１が、本実施形態における電子機器の一例に対応する。

端末１００は、ワイヤレス通信で信号を送受信するための端末であり、例えばハンディターミナルや検針端末などの携帯端末装置が該当する。また、電子機器４０１はワイヤレス通信によって端末１００とデータのやり取りを行う通信機能を備える。電子機器４０１は、例えば通信クレードルや通信ユニット等の通信インターフェース装置に該当する。電子機器４０１は、端末１００と情報の送受信を行い、そのデータの処理を行う。電子機器４０１は、例えばパソコン等の外部機器１０２とＬＡＮポート５０７を介して通信ケーブルで接続され、端末１００と外部機器１０２との通信を中継する機能を持つ。

図４は電子機器４０１の内部構成を示す。電子機器４０１は、メイン基板５０１とサブ基板５０６を内蔵している。メイン基板５０１は、制御部５０２、ＬＡＮポート５０７、通知部５０８等を構成する各電子部品が実装されている。さらに制御部５０２は共用制御部５０３、専用制御部５０４、と検出部５０５（のメイン基板側の一部）で構成される。

サブ基板５０６は、本実施形態においてはワイヤレス通信信号を送受信するための通信モジュールであるが、これに限られない。サブ基板５０６はメイン基板５０１と通信するための信号ラインと、メイン基板５０１の複数のグランドラインと接続するためのグランドラインを有するコネクタを介してメイン基板５０１に接続される。本実施形態においては、サブ基板５０６に設けられた複数のグランドラインのうち所定の本数は、メイン基板５０１のグランドラインと接続され、少なくとも一つのグランドラインは、後述するサブ基板５０６の接続の検出に用いられるために、メイン基板５０１側の検出信号ラインに接続される。

次にメイン基板５０１の構成について説明する。共用制御部５０３は検出部５０５の検出結果に依らず共通で使用する制御部である。制御部５０２において、検出部５０５はサブ基板５０６にある複数のグランドラインのうち１本を検出信号ラインに接続して検出信号として使用する。サブ基板５０６が接続されているか否かによって検出信号ラインの電圧が変わることを共用制御部５０３によって検出し、共用制御部５０３が専用制御部５０４の有効と無効を切り替える。また、通知部５０８はＬＥＤなどにより構成されるインジケータであり、専用制御部５０４により制御される。

ここで、本実施形態のように制御部５０２をＦＰＧＡによって構成することにより、共用制御部５０３と専用制御部５０４を分けて構成し易くすることができる。本実施形態においては、検出部５０５の検出信号ラインと複数のグランドラインとを接続するためのコネクタを介してサブ基板５０６を接続するだけで、共用制御部５０３によってサブ基板５０６を検出することができる。従って、サブ基板５０６の検出のために新たな接続ラインを用意することなく、サブ基板５０６の検出が可能となる。

図５は、本発明の実施の形態に係る端末１００と電子機器４０１間の制御動作の流れを示したフローチャートである。

ステップＳ１０１では、電子機器４０１の電源がオンになると、共用制御部５０３が有効になる。

ステップＳ１０２では、検出部５０５は、サブ基板５０６がメイン基板５０１に接続されているかを検出する。サブ基板５０６の検出は上述した通り、検出部５０５によって行う。つまり、サブ基板５０６の非接続時にはプルアップされて電圧が「Ｈ」に設定された検出部５０５の検出信号ラインの電圧が、サブ基板５０６がメイン基板５０１に接続されている場合、サブ基板５０６の複数あるグランドラインのうちの一つを用いて、検出信号ラインの電圧が「Ｌ」になる。このように、検出信号ラインの電圧が「Ｌ」になる場合に、検出部５０５は、サブ基板５０６がメイン基板５０１に接続されたことを検出する（ステップＳ１０２でＹｅｓ）、検出部５０５が共用制御部５０３へ検出結果を伝送し、ステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、共用制御部５０３が専用制御部５０４を有効にする。以後、専用制御部５０４がサブ基板５０６と通知部５０８を制御する。

ステップＳ１０４では、サブ基板５０６が動作し、端末１００とのワイヤレス通信を開始する。

ステップＳ１０５では、通知部５０８により電子機器４０１内の動作、状態を通知する。

一方、検出部５０５の検出信号ラインの電圧が「Ｈ」となっている場合には、サブ基板５０６がメイン基板５０１に接続されなかったことを検出し（ステップＳ１０２でＮｏ）、検出部５０５が共用制御部５０３へ検出結果を伝送し、ステップＳ１０５へ進む。

尚、グランドラインを用いてサブ基板５０６の接続を検出したら、サブ基板５０６が動作するプログラムを実行するように構成してもよい。

（第３実施形態）
以下、本発明の第３実施形態に係る電子機器について説明する。本実施形態の基本構成は第２実施形態と同様であるため、共通する部分については説明を省略するとともに同じ構成については同一の符号を用い、異なる部分についてのみ説明する。

図６は、本実施形態に係る電子機器４０１のブロック図である。電子機器４０１は、メイン基板５０１を内蔵しており、さらに、第一サブ基板５１０と第二サブ基板５１３とがメイン基板５０１に接続可能な構成になっている。実使用においては、第一サブ基板５１０か第二サブ基板５１３のいずれか一方のみがメイン基板５０１に接続される構成となっている。

メイン基板５０１は、制御部５０２、ＬＡＮポート５０７、通知部５０８等を構成する各電子部品が実装されている。さらに制御部５０２は共用制御部５０３、第一専用制御部５０９、第二専用制御部５１２と検出部５０５（のメイン基板側の一部）で構成される。

第一サブ基板５１０は、本実施形態においてはワイヤレス通信信号を送受信するための通信モジュールであるが、これに限られない。第一サブ基板５１０はメイン基板５０１と接続するための信号ラインと、メイン基板５０１の複数のグランドラインと接続するためのグランドラインを有するコネクタを介してメイン基板５０１に接続される。第二サブ基板５１３も、一例として第一サブ基板５１０と同様のワイヤレス通信信号を送受信するための通信モジュールである。

次にメイン基板５０１の構成について説明する。共用制御部５０３は検出部５０５の検出結果に依らず共通で使用する制御部である。制御部５０２において、検出部５０５は第一サブ基板５１０にある複数のグランドラインのうち１本を検出信号ラインに接続して検出信号として使用する。第一サブ基板５１０が接続されているか否かによって検出信号ラインの電圧が変わることを共用制御部５０３によって検出し、共用制御部５０３が第一専用制御部５０９の有効と無効を切り替える。

本実施形態においては、第一専用制御部５０９が有効になると第二専用制御部５１２は無効になり、第一専用制御部５０９が無効になると第二専用制御部５１２は有効になる。

また、第一通知部５１１と第二通知部５１４はＬＥＤなどにより構成されるインジケータであり、それぞれ第一専用制御部５０９と第二専用制御部５１２により制御される。

ここで、本実施形態のように制御部５０２をＦＰＧＡによって構成することにより、共用制御部５０３と第一専用制御部５０９と第二専用制御部５１２とを分けて構成し易くすることができる。本実施形態においては、検出部５０５の検出信号ラインと複数のグランドラインとを接続するためのコネクタを介して第一サブ基板５１０を接続するだけで、共用制御部５０３によって第一サブ基板５１０を検出することができる。従って、第一サブ基板５１０の検出のために新たな接続ラインを用意することなく、第一サブ基板５１０の検出が可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、各実施形態を組み合わせてもよい。

（付記１）
制御部が設けられたメイン基板と、
前記メイン基板に接続されて前記制御部によって制御されるサブ基板と、を備え、
前記サブ基板は、複数のグランドラインを有し、
前記メイン基板は、前記サブ基板の複数あるグランドラインのうち一つを用いて前記サブ基板の接続を検出することを特徴とする電子機器。

（付記２）
前記サブ基板の接続の有無に応じて、前記制御部の内部で使用する回路を切り替え、前記サブ基板を制御する専用制御部が動作することを特徴とする付記１に記載の電子機器。

（付記３）
前記専用制御部により制御される通知部を備えることを特徴とする付記２記載の電子機器。

（付記４）
前記サブ基板とは異なる他のサブ基板と、を備え、
前記メイン基板は、前記他のサブ基板を動作させる他の専用制御部を有し、
前記サブ基板と、前記サブ基板とは異なる別のサブ基板とが、前記メイン基板と同時に接続された状態では、前記専用制御部が前記サブ基板を動作させるように回路が構成されることを特徴とする付記２に記載の電子機器。

（付記５）
前記制御部で処理された通信データを外部機器に対しネットワークを介して転送することを特徴とする付記１から４のいずれか一項に記載の電子機器。

１００ 端末
１０１ 通信装置
１０２ 外部機器
２００ 光通信モジュール
２０１ ＦＰＧＡ
２０４ 制御基板
３００ ＦＰＧＡ外形
３０１ 電源ピン
３０２ 特殊信号ピン
３０３ ビア
３０４ 内部パターン
３０５ 汎用ＩＯピン
３０６ 表層パターン

Claims (3)

1. 端末との通信機能を有し、前記端末から受信したデータ全体に対する所定の処理をＦＰＧＡにて処理する通信装置であって、
   前記ＦＰＧＡの汎用ＩＯピンのすべてが、前記ＦＰＧＡの外周端子に設定され、
   前記ＦＰＧＡは前記通信装置の動作を制御する制御基板である貫通基板に実装されていることを特徴とする通信装置。
2. 前記貫通基板は、
   前記ＦＰＧＡの前記外周端子と接続される表層パターンと、前記ＦＰＧＡの電源端子と接続されるビアを有することを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
3. 前記ＦＰＧＡでノイズ処理された前記データを、ネットワークを介して外部機器に転送することを特徴とする請求項１または２に記載の通信装置。
   
   
   

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