JP5079886B2 - プリント回路基板およびパッケージ基板積層の制御による半導体装置のジッタの低減 - Google Patents

プリント回路基板およびパッケージ基板積層の制御による半導体装置のジッタの低減 Download PDF

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Description

発明の分野
この発明は、プリント回路基板(PCB)およびパッケージ基板に関し、特に積層の制御による半導体装置のジッタの低減に関する。
発明の背景
プログラマブルロジックデバイス(PLD)は、ユーザーによって指定された論理関数を行なうようにプログラムされてもよい周知のタイプの集積回路(IC)である。1つのタイプのPLD(フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA))は典型的にはプログラム可能なタイルのアレイを含んでいる。これらのプログラム可能なタイルは例えば、プログラム可能な入出力ブロック(lOB)、構成可能な論理ブロック(CLB)、専用ランダムアクセスメモリブロック(BRAM)、乗算器、デジタル信号処理ブロック(DSP)、プロセッサ、クロックマネージャ、遅延ロックループなど(DLL)を含み得る。特に、ここで使用されるように、「含む」および「含んで」は制限なしで含むことを意味する。
1つのそのようなFPGAは、カリフォルニア州95124、サンホセ(San Jose)のザイリンクス・インク(Xilinx Inc.)から入手可能なザイリンクスバーテックス(Xilinx Vertex(登録商標))FPGAである。FPGAは、典型的にはlOBの輪に囲まれたCLBのアレイを含んでいる。CLBとIOBとはプログラム可能な相互接続される構造によって相互に接続される。CLB、IOBおよび相互接続構造は、CLB、IOBおよび相互接続構造がどのように構成されるか定義する内部構成メモリセルに構成データのストリームをロードすることにより典型的にプログラムされる。構成データは、外部メモリ、従来的には外部の集積回路メモリ、EEPROM、EPROM、PROMなどから読まれてもよいが、コンピュータを用いてデータを提供してもよい。ついで、個々のメモリセルの集団状態は、FPGAの機能を決定する。FPGAは1つ以上の埋め込まれたマイクロプロセッサを含んでもよい。例えば、マイクロプロセッサは、一般に「プロセッサブロック」と呼ばれて、そのために取っておかれた領域に位置してもよい。FPGAは、コンピュータまたは他の同様のデバイスのプリント回路基板(PCB)に取付けられる。
別のタイプのPLDは複雑なプログラマブルロジックデバイス(CPLD)である。CPLDは、相互接続スイッチマトリクスによって、互いに、および入出力(I/O)資源に接続された2つ以上の「機能ブロック」を含んでいる。CPLDの機能ブロックは各々2レベルのAND/OR構造を含んでいる。明瞭さの目的のために、FPGAは下記において他のタイプのPLDを介して記載され、半導体装置を用いてもよい。
図1は、例示的FPGAチップ105をその上に搭載された例示的プリント回路基板(PCB)100を示す。複数の接点部材(例えば金属パッド領域またはポゴピン(図示せず))が、PCB100の上部表面から伸びる。FPGAチップ105は、PCB100の接点部材に電気的に接続するために複数のハンダボール110をその上に設ける。FPGAチップ105は、さらにバンプ120によって担持部に電気的に接続されたダイ115を含んでいる。PCB100は、電源電圧レール、接地線および信号線(図示せず)のための層を含んでいる。ビアは、これらの層を、ハンダボール110を介して、FPGA105の回路系に、およびその回路系を通って、接続する。
PCBは、PCB電圧供給がFPGAの回路系を駆動する間にPCB層への接続に起因するFPGAにおけるジッタに寄与し得る。ジッタに寄与する1つの要因はPCBにおける局所的電圧供給ノイズである。電力および信号をFPGAにおける素子に供給する線に沿った寄生誘導、容量性、および抵抗性負荷は、接地バウンスおよび供給バウンスを含む、電圧変動を引き起こす場合があり、PCBにおける局所電源ノイズを増加させる。遅延素子に与えられるこのノイズは、FPGAにおいて、遅延素子を含んでいるクロック信号上にジッタを生じさせる。
図2は、24層PCBのための現在の例示的積層を示す。このPCB100には3つの電源面11、13および14、ならびに10の信号層1、3、5、7、9、16、18、20、22および24がある。この実施例は、各電源面が積層内においてどんな順序で現れるかに関してどのような特定の規則も割当てられることなく、基板の真中にすべての電源面11、13および14を置く。例えば、電源面はそれらの異なる電圧により区別することができる。別の例として、いくつかの「コア」電源面は、FPGA内のタイミングクリティカルな回路系に電力を供給し、他の電源面は、FPGA内の入出力回路系に電力を供給する。さらに、この積層には互いに隣接している2つの電源面13および14があり、それは1つの面からのノイズが他方に結合することを可能にする。
図3は、8層パッケージ基板300用の現在の例示的積層を示す。パッケージ基板300はシリコンダイを搭載するために使用されるPCBのような構造である。ダイ315は、導電性ボール320によってパッケージ基板300に電気的に接続される。注目すべきは、面6上の「Vcc−一次コア供給面」として示された一次コア供給、および面7上で「Vcc−二次コア供給面」として示された二次コア供給は、面4上の「Vcc−I/O供給面」として示されたI/O電源よりダイ315から遠ざかっていることである。
図4は、10層パッケージ基板300用の現在の例示的積層を示す。注目すべきは、面6上の「Vcc−一次コア供給面」として示された一次コア電源は、面4上の「Vcc−I/O供給面」として示された第1のI/O電源よりダイ315から遠ざかっていることである。同様に、面10上で「Vcc−二次コア供給面」として示された二次コア電源は、面4および8上の「Vcc−I/O供給面」として示された第1および第2のI/O電源面よりダイ315から遠ざかっていることである。
クロックが、PCBを通って、FPGAのようなシリコンデバイスに、およびそのようなシリコンデバイスを通って伝搬する際に、クロック上のジッタの量を低減することは望ましい。
発明の概要
FPGA内の臨界コア電圧のためにFPGAとPCB電圧面との間のインダクタンスを最小限にするようにPCB面の積層を制御することによりデバイスジッタを低減するためのモデルおよび方法が提供される。更に、ダイ内の臨界コア電圧のためにダイと基板電圧面との間のインダクタンスを最小限にするようにパッケージ基板面の積層を制御することによりジッタを低減するためのモデルおよび方法が提供される。
この発明のさらなる詳細は、添付の図面の助けを借りて説明される。
例示的FPGAをその上に搭載された例示的PCBを示す。 24層PCBのための現在の例示的積層を示す。 8層パッケージ基板用の現在の例示的積層を示す。 10層パッケージ基板用の現在の例示的積層を示す。 24層PCBのための例示的な制御された積層をこの発明の実施例に従って示す。 22層PCBのための例示的な制御された積層をこの発明の実施例に従って示す。 20層PCBのための例示的な制御された積層をこの発明の実施例に従って示す。 8層パッケージ基板用の例示的な制御された積層をこの発明の実施例に従って示す。 10層パッケージ基板用の例示的な制御された積層をこの発明の実施例に従って示す。 10層パッケージ基板用の代替の例示的な制御された積層をこの発明の実施例に従って示す。
詳述な説明
この発明の様々な実施例は、クロックが、PCBを通って、FPGAのようなシリコンデバイスに、およびそのようなシリコンデバイスを通って伝搬する際に、クロック上のジッタの量を低減することを斟酌する。ジッタは、FPGAの上のタイミングクリティカルな回路系を駆動する内部電圧レールにあるピークからピークへの振幅および振動の両方の、リップルの量を最小限にすることにより抑えることができる。これらの電圧レールは、PCBの面を通って、FPGAへと、およびFPGAを通って走る。FPGAのタイミングクリティカルな回路系の例は、クロックツリー、遅延線路およびデジタルクロック管理(DCM)である。これらの回路は一次コア電圧上で動作する。クロックツリーは、クロック信号を使用して、共有点からシステムのすべての要素にシステムクロック信号を分配する。遅延線路は、伝搬する信号を遅延させるために使用される、アナログ遅延線路のような伝送線路または等価な装置である。ここに記載されるような遅延線路は、さらにクロックパルス間の制御された遅延を提供するために使用されるバッファのような物理的デバイスを含んでもよい。遅延線路は様々な回路をクロック制御するために使用されるクロック信号を同期させるために使用することができる。例えば、入出力クロック信号間の歪みを調節するために、遅延線路は様々なデジタルクロック管理(DCM)回路で使用されてもよい。
二次コア電圧上で動作する回路系は、内部電圧レギュレータ、バンドギャップおよびバイアス電圧を含んでいるが、それらに限定はされない。遅延線路およびDCM回路系のいくつかの小さな部分も、この供給上で動作する。
入出力(I/O)の供給上で動作する回路系は入力レシーバおよび出力ドライバを含む。I/O供給は、クロックツリー、遅延線路またはデジタルクロック管理(DCM)のようなコア回路系のうちのいずれへの供給源にもならない。
ジッタは、FPGA上のタイミングクリティカルな回路系を駆動する電圧レールにあるリップルおよび過渡雑音の量を最小限にすることにより低減される。これらの電圧レール上のノイズを低減するために、これらの電圧レール上のインダクタンスを低減しなければならない。言いかえれば、FPGAに供給される臨界コア電圧のためのFPGAとPCBの電圧面との間のインダクタンスは低減されなければならない。電源面からの電圧を伝搬する線上においてインダクタンスによって引き起こされる初期過渡電圧は、次の等式1によって支配される:
Figure 0005079886
式中、
=インダクタ電圧
L=インダクタンス、および
i=電流である。
この等式から、VはLを最小限にすることにより低減することができる。これは、FPGAパッケージのハンダボールからPCB上の供給面までの深さを制御することにより達成され、それは次の等式2によって支配される:
Figure 0005079886
式中、
d=ボールから面までの長さ、および
v=ブレークアウトビアの直径である。
Lのための等式が主としてdによって規定されるので、最適なLを達成するためにdを制御することは避けられない。FPGAのような半導体装置では、ある回路はタイミングに敏感であり、それらの性能および伝搬は、大部分は、平方自乗平均(RMS)電圧レベルおよび内部供給上に存在する一時的な変動次第である。RMSレベルを維持し、一時的な変動を最小限にすることによって、そのような回路の遅延の変動性は低減される。従って、ジッタの性能はdを最小限にすることにより増強される。
図5は、24層PCBの例示的な制御された積層をこの発明の実施例に従って示す。PCB100は、1〜24で示される、24の異なる面を持っているとして示される。PCB100には10の信号層がある。PCB100は、さらに、図2に示される現在の24層積層よりも2つ多い、5つの供給面を有する。PCB100の面の積層は、クロックがPCB100からFPGA105に伝搬する際にクロック上のジッタの量を最小限にするように適切に制限される。FPGA105はその上にハンダボール110が設けられ、図1に示されるのと同じFPGA105である。ここに記載された実施例では、他のタイプのPLDおよび他の半導体装置を含む、FPGA以外の装置を使用することができるが、それらに限定されるものではない。
図5では、PCB100の電力面、信号面および接地面は、ビアとしてPCB面からハンダボール110を通ってFPGA105の回路系まで延在する電力線、信号線および接地線を通ってFPGA105に接続される。電力線、信号線および接地線を構築する導電性線路およびビアは、電力面、信号面および接地面を含んでいる。電力面、信号面および接地面のうちのいくつかのみが明瞭さのため図5に示される。例えば、接地面2および4は、それぞれ接地線140および160を通ってFPGA105に接続される。コア供給面3および8は、それぞれ電力線150および180によってFPGA105に接続される。信号面1および5は、それぞれ信号線130および170によってFPGA105に接続される。
PCB面の積層に関して、次のデザインルールが当てはまる。
最初に、すべてのコア供給面はすべてのI/O供給面よりFPGA105に接近している。
次に、上で議論されたように、コア供給面は、ボールからこれらのコア供給面3および8のうちの特定のものまでの長さであるdを最小限にするように特定の順序積み重ねられる。FPGA内のすべてのタイミングクリティカルな回路系への供給源となるPCBからの一次コア供給電圧は、FPGAに最も接近しているPCBの電圧供給面上に置かれるべきである。これはd(ボール110から面までの長さ)を最小限にする。一次コア供給電圧は、面3上の「Vcc−一次コア供給面」として示される。
PCBからの二次コア供給電圧は、PCBの次の利用可能な電圧供給面に置かれるべきであり、三次コア供給電圧などが後に続く。例示的PCB100は、面8上の「Vcc−二次コア供給面」として示された二次および最終のコア供給電圧を有する。例示的PCB100は三次または他のコア供給電圧を有さない。実施例では、PCB100は1つ以上のコア供給面を有し得る。
次に、FPGA内の入出力(I/O)回路系を厳密に駆動し、FPGAのタイミングに敏感な回路系の動作に影響を及ぼさない、PCBからの供給電圧は、FPGAからより遠いPCBの電圧供給面に置かれるべきである。PCBの上の最大の電圧をともなう供給は、FPGAから最も遠ざけて置かれるべきである。より大きな供給電圧によって供給源を与えられるI/O基準は一般的にノイズに対してより多くのマージンがあるので、それらはより大きな電圧変動を許容することができる。
3つのI/O供給面が示される。FPGA105に最大の電圧を供給するI/O供給面は、FPGAから最も遠く、面22上の「Vcc−最高電圧I/O供給面」として示される。FPGA105に対し、次に大きな電圧を供給するI/O供給面は、FPGAから2番目に遠く、面17上の「Vcc−より高い電圧I/O供給面」として示される。FPGA105に最低電圧を供給するI/O供給面は、I/O供給面のうちでFPGAに最も接近しており、面13上の「Vcc−最低電圧I/O供給面」として示される。実施例では、PCB100は1つ以上のI/O供給面を有し得る。
次に、図5で示されるように、供給面3、8、13、17および22の各々は、少なくとも1つの接地面に関連付けられる。例えば、供給面13は1つの接地面12に関連付けられ、一方、4つの供給面3、8、17および22は、2つの接地面2および4、7および8、16および18、ならびに21および23にそれぞれ関連付けられる。
制御されたPCB積層のための別の規則は、最後から2番目の層は接地面であり、最後から3番目の層はI/O供給面である、というものである。図5では、例えば、最後から2番目の層は接地面23であり、最後から3番目の層は面22上の「Vcc−最高電圧I/O供給面」である。
図6は、22層PCBのための例示的な制御された積層をこの発明の実施例にしたがって示す。図5にあるように5つの供給面および10の信号面がある。しかしながら、面の数は2つの接地面分だけ低減されている。図5のために上に記載されるような規則を使用し、図5を2つの接地面を低減するために出発点として使用する。図6では、3つの供給面8、12、16が1つの接地面7、11および15にそれぞれ関連付けられる。2つの供給面3および20は依然として2つの接地面2および4ならびに19および21にそれぞれ関連付けられる。
図7は、20層PCBのための例示的な制御された積層をこの発明の実施例にしたがって示す。図6にあるように、5つの供給面および10の信号面がある。しかしながら、面の数は、さらに2つの接地面分だけ低減されている。したがって、図7では、すべての5つの供給面3、7、11、15および18は、1つの接地面2、6、10、14および19にそれぞれ関連付けられる。
図8は、8層パッケージ基板用の例示的な制御された積層をこの発明の実施例にしたがって示す。パッケージ基板はシリコンダイを搭載するために使用されるPCBのような構造である。図8に示される1つの実現例は、面3上の「Vcc−一次コア供給面」として示される主要一次コア供給面はダイ(図示せず)に最も近い供給面に置かれることを示す。さらに、「Vcc−一次コア供給面」は、部分的に、面1上に、信号を経路付けるために使用されない部分に置くことができる。一次コア供給面を面1にもたらすことは、ダイへのインダクタンスをさらに低減する。さらに、面3上で「Vcc−一次コア供給面」および面5上で「Vcc−二次コア供給面」として示される両方のコア供給面は、どのI/O供給面よりダイに接近している。この実現例では、面7上の「Vcc−I/O供給面」として示されているわずか1つのI/O供給面がある。
図9は、10層パッケージ基板用の例示的な制御された積層をこの発明の実施例にしたがって示す。面3上の「Vcc−一次コア供給面」として示される主要一次コア供給面は、ダイ(図示せず)に最も近い供給面に置かれる。さらに、「Vcc−一次コア供給面」は、部分的に、面1上に、信号を経路付けるために使用されない部分に置くことができる。一次コア供給面を面1にもたらすことは、ダイへのインダクタンスをさらに低減する。さらに、面3上で「Vcc−一次コア供給面」および面5上で「Vcc−二次コア供給面」として示される両方のコア供給面は、どのI/O供給面よりダイに接近している。この実現例では、2つのI/O供給面がある。面7上の「Vcc−最低電圧I/O供給面」として示された最低電圧I/O供給面は、I/O供給面のうちでダイに最も接近している。最後に、面9上の「Vcc−より高い電圧I/O供給面」として示された最高電圧I/O供給面は、ダイから最も遠い。
図10は、10層パッケージ基板用の代替の例示的な制御された積層をこの発明の実施例にしたがって示す。「VCC−より高い電圧I/O供給面」ならびに面8および9上の隣接した接地面の順序が入替えられたという点を除いて、図10の積層は図9に似ている。
この発明を詳細に上に記載したが、これは、当業者に対し、どのようにこの発明をなし、使用するかを単に教示するに過ぎない。図5は各電力/接地サンドイッチに隣接している2つの信号層を示すが、他の実施例では1つまたは0の信号層があり得る。多くの追加の修正がこの発明の範囲以内にあることになり、なぜならば、この発明の範囲は特許請求の範囲によって規定されるからである。

Claims (14)

  1. 半導体装置が取付けられるプリント回路基板(PCB)に面を配置する方法であって:
    前記PCBの1つ以上のコア電圧供給面を置くステップを含み:
    前記1つ以上のコア電圧供給面のうち、前記半導体装置に最も近く、一次コア電圧供給面を置くステップと;
    前記1つ以上のコア電圧供給面の各々によって駆動される前記半導体装置の回路系が許容し得る供給ノイズの量に基づいて、前記1つ以上のコア電圧供給面のうちの他のコア電圧供給面を、前記一次コア電圧供給面より下に、降順で置くステップとを含み、さらに;
    前記1つ以上のコア電圧供給面より下に、1つ以上の入出力(I/O)電圧供給面を置くステップを含み;
    前記1つ以上のコア電圧供給面に最も近く、最低I/O電圧供給面を置くステップと;
    前記1つ以上のI/O電圧供給面のうちの他のI/O電圧供給面を、前記最低I/O電圧供給面より下に、電圧を増加させる順序で置くステップとを含む、方法。
  2. 前記1つ以上のコア電圧供給面を置くステップは、前記半導体装置のクロック回路系に電力を供給し、前記半導体装置の前記クロック回路系に接続するステップを含み、
    前記1つ以上のI/O電圧供給面を置くステップは、前記半導体装置のI/O回路系に電力を供給し、前記半導体装置の前記I/O回路系に接続するステップを含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記PCBの最後から3番目の面を最高電圧I/O電圧供給面に割当てるステップと;
    前記PCBの最後から2番目の面を接地面に割当てるステップとをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  4. 前記1つ以上のコア電圧供給面および前記1つ以上のI/O電圧供給面の各々の第1の側に最も近く、第1の接地面を置くステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  5. 前記1つ以上のコア電圧供給面および前記1つ以上のI/O電圧供給面の各々の第2の側に最も近く、第2の接地面を置くステップをさらに含む、請求項4に記載の方法。
  6. 前記1つ以上のコア電圧供給面を前記半導体装置におけるクロック回路系に接続するよう導電性線路を配置するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  7. 前記1つ以上のI/O電圧供給面を前記半導体装置における入出力回路系に接続するよう導電性線路を配置するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  8. リント回路基板(PCB)であって
    前記半導体装置に最も近く置かれる、前記PCBの1つ以上のコア電圧供給面を含み:
    前記1つ以上のコア電圧供給面のうち、一次コア電圧供給面が前記半導体装置に最も近く置かれ;
    前記1つ以上のコア電圧供給面の各々によって駆動される前記半導体装置の回路系が許容し得る供給ノイズの量に基づいて、前記1つ以上のコア電圧供給面のうちの他のコア電圧供給面が、前記一次コア電圧供給面より下に、降順で置かれ、さらに;
    前記1つ以上のコア電圧供給面より下に置かれる1つ以上の入出力(I/O)電圧供給面を含み:
    前記1つ以上のコア電圧供給面に最も近く、最低I/O電圧供給面が置かれ;
    前記1つ以上のI/O電圧供給面のうちの他のI/O電圧供給面が、前記最低I/O電圧供給面より下に、電圧を増加させる順序で置かれる、PCB
  9. 前記1つ以上のコア電圧供給面は、前記半導体装置のクロック回路系に電力を供給し、前記半導体装置の前記クロック回路系に接続され、
    前記1つ以上のI/O電圧供給面は、前記半導体装置のI/O回路系に電力を供給し、前記半導体装置の前記I/O回路系に接続される、請求項8に記載のPCB。
  10. 前記PCBの最後から3番目の面の、最高電圧I/O電圧供給面に対する割当てと;
    前記PCBの最後から2番目の面の、接地面に対する割当てとをさらに含む、請求項8に記載のPCB。
  11. 前記1つ以上のコア電圧供給面および前記1つ以上のI/O電圧供給面の各々の第1の側に最も近く置かれる第1の接地面をさらに含む、請求項8に記載のPCB。
  12. 前記1つ以上のコア電圧供給面および前記1つ以上のI/O電圧供給面の各々の第2の側に最も近く置かれる第2の接地面をさらに含む、請求項11に記載のPCB。
  13. 前記1つ以上のコア電圧供給面が前記半導体装置におけるクロック回路系を駆動する導電性線路をさらに含む、請求項8に記載のPCB。
  14. 前記1つ以上のI/O電圧供給面が前記半導体装置における入出力回路系を駆動する導電性線路をさらに含む、請求項8に記載のPCB。
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