JP5196868B2 - プリント回路板 - Google Patents

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Description

本発明は、ICパッケージ等の半導体部品を実装したプリント回路板に関するものである。
近年の電子機器の高速化、高集積化に伴い、電子機器内のプリント配線板に搭載されている半導体集積回路(半導体チップ)の電源ノイズ(power ground noise)が増加する傾向にある。電源ノイズとは、半導体チップの消費電流がプリント配線板や半導体パッケージの電源供給配線を流れる際に、電流の急激な変動により発生するノイズである。図12に一般的な電源ノイズの周波数特性を示す。図12(a)において横軸は周波数、縦軸は電源ノイズの発生量である。図12(a)に示すように、半導体チップの動作周波数に依存した複数の周波数において、半導体チップの電源ノイズの発生量は増大する。この電源ノイズの発生量がある閾値を越えると、動作している半導体チップからの信号伝送のタイミングが変動し、電子機器が誤動作を引き起こすことととなる。
この電源ノイズの対策としては、半導体チップの近傍の電源配線とグラウンド(GND)配線の間にバイパスコンデンサを配置する手法が一般的に知られている。ただし、このバイパスコンデンサの特性も周波数に依存するため、すべての周波数に対して有効なわけではない。図12(b)に一般的なバイパスコンデンサの特性を示す。図12(b)において横軸は周波数、縦軸はバイパスコンデンサのインピーダンスである。図12(b)から分るように、バイパスコンデンサはある1つの周波数(共振周波数)においてインピーダンスが非常に低くなる。すなわち、ある1つの周波数(共振周波数)帯では電源ノイズを抑えることができるが、それ以外の周波数帯では電源ノイズを十分に抑えることができない。バイパスコンデンサの共振周波数Fは、以下の式で求める事ができる。
Figure 0005196868
すなわち、共振周波数Fは、主にバイパスコンデンサの容量Cと、バイパスコンデンサまでの供給経路のインダクタンスLで決まる。そのため、バイパスコンデンサの容量や、半導体チップからバイパスコンデンサまでのインダクタンスを変えることで、共振周波数を変化させ、バイパスコンデンサの効果が期待できる周波数帯を変えることが可能となる。つまり、バイパスコンデンサの共振周波数を、半導体チップから発生する電源ノイズが大きい周波数に設定することで、有効な電源ノイズ対策が実現できる。
また、バイパスコンデンサは、ICの電源端子およびGND端子から、できるだけ近い場所に配置することが、電源ノイズに対して有効に働くことが知られている。すなわち、半導体チップとバイパスコンデンサとを接続する配線のインダクタンスを小さくすることにより、より急峻に半導体チップに電流を供給でき、電源ノイズを抑制することが可能となる。また、電源ノイズの乗った信号の伝播経路(伝播ループ)を小さくすることにより、電源ノイズに起因した放射ノイズの抑制も可能となる。
特許文献1(特開2000−307005号公報)には、BGA(Ball GRID AllEY)タイプの半導体パッケージが実装されたプリント回路板における、バイパスコンデンサの配置が示されている。特許文献1では、半導体パッケージの電源端子とGND端子を隣接して配置し、それぞれの端子から電源配線およびGND配線を、スルーホールを介してプリント配線板の裏面に引き出し、それらをバイパスコンデンサで接続している。これにより、半導体チップとバイパスコンデンサとの間の物理的な距離を短くすることで、電源配線およびGND配線のインダクタンスを小さくし、電源ノイズを抑制している。
また、特許文献2(特開平9−139573号公報)には、ICパッケージ上にバイパスコンデンサとインダクタンスを配置することでLCフィルタを構成し、電源ノイズを抑制する手法が記載されている。ICパッケージ上にバイパスコンデンサを配置することで、半導体チップとバイパスコンデンサとの距離を更に短くしている。
特開2000−307005号公報 特開平9−139573号公報
(第1の課題)
特許文献1乃至2に示されているように、バイパスコンデンサを使用すれば、半導体チップに動作周波数に応じた電源ノイズを抑制することができる。しかしながらICの内部で発生した電源ノイズは、動作しているIC自身のタイミング変動等による誤動作を引き起こすのみではなく、電源供給側に伝わり他の半導体チップの誤動作やEMIノイズの発生を引き起こす要因にもなる。特にEMIノイズの問題は、設計段階での予測が難しく、その対策が大きな問題となっている。
ここで、通常のバイパスコンデンサを使用した回路における、他の半導体チップへの電源ノイズの伝播に関する問題を、シミュレーションによる結果を用いて説明する。
図13は、バイパスコンデンサを配置した回路モデルにおいて、この回路モデルを使用してシミュレーションによる計算を行なった。201はソース電源を、211は半導体チップを想定している。本シミュレーションは、ソース電源と半導体チップ間の電源経路の特性を評価する事を目的としているため、ソース電源と半導体チップはそれぞれ電源経路の入力又は出力として考え、モデル化はしていない。
ソース電源201から半導体チップ211までの電源経路は、電源経路202a、202b、202cとしてモデル化している。電源経路202aは、50mm幅で50mmの長さの線路とし、L=4.9e−09H/cm、C=9.5454e−09F/cm、R(DC)=0.011Ω/cm、Rs=4.01609262841384e−06(Ω・ns)0.5/cm、Gd=1.718589e−10mS/cmとする。電源経路202bは、8mm幅で3mmの長さの線路とし、L=2.15e−08H/cm、C=2.1492e−09F/cm、R(DC)=0.066Ω/cm、Rs=2.36854596746612e−05(Ω・ns)0.5/cm、Gd=3.86858e−11mS/cmとする。電源経路202cは、8mm幅で20mmの長さの線路とし、L=2.15e−08H/cm、C=2.1492e−09F/cm、R(DC)=0.066Ω/cm、Rs=2.36854596746612e−05(Ω・ns)0.5/cm、Gd=3.86858e−11mS/cmとする。なお、Rsは表皮効果による抵抗成分、Gdは誘電損失のパラメータである。
半導体チップ211からソース電源201までのGND配線は、GND経路203a、203b、203cとしてモデル化している。GND経路203a、203b、203cはすべて特性を0で近似している。電源経路202aと202bの接続点と、GND経路203aと203bの接続点との間には、低周波用のバイパスコンデンサ221が設けられている。バイパスコンデンサ221の容量は、0.1μF(寄生インダクタンス0.5nH×2)と設定した。
また電源経路202bと202cの接続点と、GND経路203bと203cの接続点との間には、高周波用のバイパスコンデンサ222が設けられている。バイパスコンデンサ222の容量は、1000pF(寄生インダクタンス0.5nH×2)と設定した。
図14(a)は、図13の回路モデルにおいて、半導体チップ211からみた時のZ11(インピーダンス)特性を示している。Z11特性は、その値が低ければ低いほどその周波数における半導体チップの電源が安定し、半導体チップ自身の電源ノイズに対する耐性が高いことになる。図14(a)において、10MHz近辺で低インピーダンスとなっている共振点はバイパスコンデンサ221によるものであり、100MHz近辺で低インピーダンスとなっている共振点はバイパスコンデンサ222によるものであると考えられる。またそれ以上の周波数における共振点は、電源経路202a、202b、202cを含めた供給電源全体の特性によるものだと考えられる。すなわち、バイパスコンデンサ221により10MHz近辺の電源ノイズを、バイパスコンデンサ222により100MHz近辺の電源ノイズを抑制することができる。
図14(b)は、図13の回路モデルにおいて、半導体チップ211から電源201へのS21(透過)特性である。S21特性を、図15を用いて説明する。図15(a)において、300は4端子回路網、301aは入力側電源端子、302aは入力側GND端子、301bは出力側電源端子、302bは出力側GND端子である。また、320はソース電源201から電源を供給される半導体チップ211とは異なる半導体チップである。入力側電源端子301aおよび入力側GND端子302aからみた4端子回路網のS21特性は、出力側電源端子301bへの、各周波数における信号の伝播の特性となる。従ってS21特性は、その値が低ければ低いほど、半導体チップで発生した電源ノイズが、ソース電源側に伝播しにくいことを示している。すなわち、半導体チップ211と同じソース電源201から、同電位の電圧が供給されている他の半導体チップ(図15(b)のIC320)に対する電源ノイズの影響が抑制することができる。
図13の回路モデルにおける半導体チップ211からソース電源201へのS21特性は、図15(a)における入力側電源端子301aから4端子回路網300を通って、出力側電源端子302aへ透過する特性を表している。
図14(b)において、10MHz近辺でS21特性の高くなっている点はバイパスコンデンサ221の影響であり、100MHz近辺でS21特性の高くなっている点はバイパスコンデンサ222の影響であると考えられる。またそれ以上の周波数における共振点は、電源経路202a、202b、202cを含めた供給電源全体の特性によるものだと考えられる。すなわち、バイパスコンデンサ221とバイパスコンデンサ222により、10MHz近辺と100MHz近辺の周波数の電源ノイズは、半導体チップの供給電源を通って外部に伝播しやすくなっている。
図14(c)は、図13の回路構成における、図14(a)に示したZ11特性と、図14(b)に示したS21特性を重ねたもので、バイパスコンデンサ222の共振点付近の周波数近辺(100MHz〜200MHz)を拡大したものである。図14(c)のZ11特性から分るように、バイパスコンデンサ222が最も有効に働く共振点は138MHz近辺の周波数帯である。これに対してS21特性が悪化する周波数帯は138MHz近辺である。従って、バイパスコンデンサ222の共振周波数を、電源ノイズが最も大きくなる周波数(138MHz)と合わせた場合、この共振周波数において半導体チップ自身のインピーダンスは低下し、電源ノイズは抑制される。しかしながら、この共振周波数は、S21特性が悪化する周波数帯と非常に近いため、外部に対して伝播する電源ノイズは逆に大きくなってしまう。
本発明者は鋭意検討の結果、バイパスコンデンサのS21特性が悪化する周波数帯は、かならずZ11特性における共振点近くに存在する事を見出した。その理由としては、図13において、バイパスコンデンサ222の共振周波数付近の周波数における電源ノイズは、供給用電源経路202bと202cの接続点においてバイパスコンデンサ222の方向に積極的に流れようとする。その際、バイパスコンデンサ222の方向への流れが強ければ強いほど電源ノイズの一部が、供給用電源経路202bと202cの接続点から供給電源側に漏れるためだと考えられる。
従って、特許文献1乃至3に示すようにバイパスコンデンサを使用した回路構成の場合、バイパスコンデンサの共振周波数付近の周波数帯において、半導体チップから供給電源側へ抜ける電源ノイズの伝播は大きくなる。
(第2の課題)
また、特許文献1乃至3に示すようにバイパスコンデンサを使用した回路構成の場合、バイパスコンデンサの共振周波数を正確に把握するのが困難であった。すなわち共振周波数を把握するためには、複雑な電源経路全てをモデル化し、シミュレーションする必要があった。
バイパスコンデンサの共振周波数を正確に把握するのが困難であることを示すために、図16に示す回路モデルでシミュレーションによる計算を行なった。図16に示す回路モデルは、図13と同じ特性を有する半導体チップ211とバイパスコンデンサ222とを接続する、電源経路112a、GND経路113aによりモデル化されている。
図17は、図16の回路モデルを半導体チップ211からみた時のZ11(インピーダンス)特性である。図17において、100MHz近辺で低インピーダンスとなっている共振点はバイパスコンデンサ222によるものである。
図18は、図14(a)および図17のバイパスコンデンサ222の共振周波数付近(100MHz付近)を拡大したものである。図14(a)の共振周波数は約138MHzであり、図17の共振周波数は約132MHzである。すなわち、バイパスコンデンサ222の特性に応じた共振周波数(約132MHz)が、電源経路202a、203aやバイパスコンデンサ221からの影響により、約138MHzに変動している。従って、他の経路や他の電子部品の複雑な影響を考慮しなければ、通常条件でのバイパスコンデンサ222の共振点は正確には確認することはできない。
(第3の課題)
また、特許文献1乃至3に示すようにバイパスコンデンサを使用した回路構成において、バイパスコンデンサの特性を変えた場合、電気的に接続されている他の回路におけるバイパスコンデンサの特性に影響を与える。そのため、プリント配線板の完成後に、電源ノイズが大きい周波数に合わせてバイパスコンデンサ特性を変更した場合、電気的に接続された他の回路のバイパスコンデンサの共振周波数が変動してしまう。そのため、バイパスコンデンサとは無関係な周波数でノイズが増加してしまう可能性があった。
図19は、図13の回路モデルからバイパスコンデンサ222を取り除いた回路モデルを示している。図19における半導体チップ211から電源201へのS21特性を図20に示す。比較のため図13の回路モデルのS21特性も重ねて示してある。図20から明らかなように、図13の回路モデルにバイパスコンデンサ222を取り付けることにより、1GHz近辺の共振周波数が変化していることが分る。
図21は図20の700MHzから1GHzまでの領域を拡大して示したグラフである。図21から、図13の回路モデルにおける共振周波数は約910MHzであったが、バイパスコンデンサ222を取り外した図19の回路モデルにおける共振周波数は約870MHzとなっている。すなわち、バイパスコンデンサ222を取り付けることにより、900MHz付近の共振周波数が変化したことを示している。
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、電源ノイズがIC自身のタイミング変動や誤動作を引き起こすことを抑制するのみでなく、供給電源側に伝わることによる他のICの誤動作やEMIノイズの発生を抑制することを目的としている。また、バイパスコンデンサの共振周波数を正確に把握し、より効果的に電源ノイズを抑制することを目的としている。
本発明は、プリント配線板の実装面に、複数の電源端子を備え半導体チップを搭載した半導体部品が実装されたプリント回路板において、前記半導体部品の第1の電源用端子とソース電源を接続する第1の電源配線と、前記半導体部品の第1のGND用端子と電源を接続する第1のGND配線と、第1の電源配線と第1のGND配線とを接続する第1のバイパスコンデンサを有し、前記半導体部品に電源を供給する第1の回路と、半導体部品の第2の電源用端子に接続された第2の電源配線と、前記半導体部品の第2のGND用端子に接続された第2のGND配線と、第2の電源配線と第2のGND配線とを接続する第2のバイパスコンデンサを有する第2の電源回路とが設けられ、前記第1の電源用端子と第2の電源用端子は同電位であり、第1の電源用端子と第2の電源用端子、および第1のGND用端子と第2のGND用端子は、前記半導体チップの内部でのみ電気的に接続されているプリント回路板を提供するものである。
本発明によれば、電源ノイズがIC自身のタイミング変動や誤動作を引き起こすことを抑制すると同時に、供給電源側に伝わることによる他のICの誤動作やEMIノイズの発生を抑制することが可能となった。これにより、特にバイバイパスコンデンサデンサの共振点付近を使用するような高周波の領域で、IC自身の誤動作リスクとIC外部の誤動作やEMI問題を同時に回避できるシステムを作ることが可能となる。
また本発明によれば、バイパスコンデンサの共振周波数が把握し易くなっている点も優れている点である。すなわち、各バイパスコンデンサまでの独立した電源経路を考慮するだけで高い精度で共振周波数を把握することが可能となる。
またバイパスコンデンサを変更したとしても、他のバイパスコンデンサの電源経路の共振周波数に影響を与えることがない。従って、バイパスコンデンサとは無関係の周波数で電源ノイズが増加してしまう事はない。
本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
(第1の実施の形態)
図1は本発明の実施例1を示すプリント回路板である。図1(a)は斜視図であり発明を容易にするため一部切り欠いて示してある。図1(b)は図1(a)の断面図である。
図中100は回路が形成されたプリント配線板であり、110はプリント配線板の実装面上に実装されたBGA構造のICパッケージを示している。ICパッケージ110は半導体チップ111を搭載している。ICパッケージ110上の半導体チップ111は樹脂等でモールドされているのが一般的であるが、ここでは省略している。
プリント配線板100は4層からなる多層構造をなしており、裏面信号配線層1と、内層に形成された電源層2及びGND層3と、表面信号配線4からなっている。電源層2およびGND層3は不図示のソース電源101に接続されている。ICパッケージ110の電源用端子104a(第1の電源用端子)はスルーホール5(第1のスルーホール)を介して電源層2の供給側電源配線2aに接続されている。ICパッケージ110のGND用端子104b(第1のGND用端子)はスルーホール6(第2のスルーホール)を介して供給側GND層3のGND配線3bに接続されている。またスルーホール5およびスルーホール6は、裏面信号配線4においてバイパスコンデンサ121(第1のバイパスコンデンサ)により接続されている。
またICパッケージ110の電源用端子104aとは異なる電源用端子105a(第2の電源用端子)と、GND用端子104b(第1のGND用端子)とは異なるGND用端子105b(第2のGND用端子)は、スルーホール7(第3のスルーホール)およびスルーホール8(第4のスルーホール)に接続されている。電源用端子105aとGND用端子105bは、スルーホール7およびスルーホール8を介して、裏面信号配線4においてバイパスコンデンサ122により接続されている。この時、スルーホール7およびスルーホール8は、第2の電源配線および第2のGND配線として、供給側電源用配線2a(第1の電源配線)およびGND配線3b(第1のGND配線)とは接続されていない。すなわちバイパスコンデンサ122(第2のバイパスコンデンサ)は、供給側電源配線2aおよび供給側GND配線3bとは独立して配置されている。
バイパスコンデンサ121とバイパスコンデンサ122の容量は異なっており、それぞれ異なる周波数帯に共振周波数を有している。バイパスコンデンサ121の容量はバイパスコンデンサ122の容量よりも大きく、相対的に低周波数帯の電源ノイズを抑制することを目的としている。またバイパスコンデンサ122は、相対的に高周波数帯の電源ノイズを抑制することを目的としている。
尚、図1(b)は図1(a)の断面図であるが、発明の理解を容易にするため、電源用端子104a、GND用端子104b、電源用端子105a、GND用端子105bを隣接して配置して示している。それに伴い、スルーホール5、6、7、8も同様に隣接して示している。
ICパッケージ110の内部において、電源用端子104aは電源用配線106aおよびボンディングワイヤー108aにより半導体チップ111に接続されている。GND用端子104bは電源用配線106bおよびボンディングワイヤー108bにより半導体チップ111に接続されている。また同様に、電源用端子105aは電源用配線107aおよびボンディングワイヤー109aにより半導体チップ111に接続されている。GND用端子105bは電源用配線107bおよびボンディングワイヤー109bにより半導体チップ111に接続されている。電源用端子104aと電源用端子105aは、半導体チップ111の内部において電気的に接続されているため同電位である。またGND用端子104bとGND用端子105bも、半導体チップ111の内部において電気的に接続されている。
図2は図1に示したプリント回路板本発明の電源供給用回路構成を示した模式図である。図2において図1と同じ部材には同じ符号を使用している。図2に示すように、ソース電源101から供給される電力は、供給用電源経路102を介して、半導体部品であるICパッケージ110の半導体チップ111に供給される。供給用電源経路102(第1の電源経路)はICパッケージ110の電源用端子104aに接続されている。半導体チップ111のグラウンド(GND)は、供給用GND経路103(第1のGND経路)を介してソース電源101に接続されている。供給用GND経路103はICパッケージ110の電源用端子104bに接続されている。供給用電源経路102と供給用GND経路103の間には、電源ノイズを抑制するための、バイパスコンデンサ121が取り付けられている。ソース電源101、供給用電源経路102、供給用GND経路103、バイパスコンデンサ121により、第1の回路は構成されている。
ICパッケージ110には電源用端子104aとは異なる電源用端子105aと、GND用端子104bとは異なるGND用端子105bが設けられている。電源用端子105aは、バイパスコンデンサ用電源経路112(第2の電源経路)を介して、バイパスコンデンサ122に接続されている。また、GND用端子105bは、バイパスコンデンサ用GND経路113(第2のGND経路)を介して、バイパスコンデンサ122に接続されている。バイパスコンデンサ用電源経路112、バイパスコンデンサGND経路113、バイパスコンデンサ122により、第2の回路は構成されている。
供給用電源経路102とバイパスコンデンサ用電源経路112は、半導体チップ111の内部の接続点132において接続されており同電位である。また同様に供給用GND経路103とバイパスコンデンサ用GND経路113は、半導体チップ111の内の接続点133において接続されている。
(実施例1)
図2に示した回路構成の効果を検証するため、シミュレーションを行った。図3は、シミュレーションのための回路構成を示す回路図である。半導体チップ111の電源供給側である第1の回路は、ソース電源101、供給側電源経路102a、102b、102c、供給側GND経路103a、103b、103c、バイパスコンデンサ121によりモデル化している。
本シミュレーションは、ソース電源101と半導体チップ111間の電源経路の特性を評価する事を目的としているため、ソース電源と半導体チップはそれぞれ電源経路の入力又は出力として考え、モデル化はしていない。電源経路102aは、50mm幅で50mmの長さの線路とし、L=4.9e−09H/cm、C=9.5454e−09F/cm、R(DC)=0.011Ω/cm、Rs=4.01609262841384e−06(Ω・ns)0.5/cm、Gd=1.718589e−10mS/cmとする。電源経路102bは、8mm幅で3mmの長さの線路とし、L=2.15e−08H/cm、C=2.1492e−09F/cm、R(DC)=0.066Ω/cm、Rs=2.36854596746612e−05(Ω・ns)0.5/cm、Gd=3.86858e−11mS/cmとする。電源経路102cは、8mm幅で20mmの長さの線路とし、L=2.15e−08H/cm、C=2.1492e−09F/cm、R(DC)=0.066Ω/cm、Rs=2.36854596746612e−05(Ω・ns)0.5/cm、Gd=3.86858e−11mS/cm
とする。Rsは表皮効果による抵抗成分、Gdは誘電損失のパラメータである。
半導体チップ111からソース電源101までのGND配線は、GND経路103a、103b、103cとしてモデル化している。GND経路103a、103b、103cはすべて特性を0で近似している。電源経路102aと102bの接続点と、GND経路103aと103bの接続点との間には、低周波用のバイパスコンデンサ121が設けられている。バイパスコンデンサ121の容量は、0.1μF(寄生インダクタンス0.5nH×2)と設定している。
一方、第2の回路は、バイパスコンデンサ122、バイパスコンデンサ用電源経路112a、バイパスコンデンサ用GND経路113aにより構成されている。電源経路112aは、8mm幅で20mmの長さの線路とし、L=2.15e−08H/cm、C=2.1492e−09F/cm、R(DC)=0.066Ω/cm、Rs=2.36854596746612e−05(Ω・ns)0.5/cm、Gd=3.86858e−11mS/cmとする。GND経路113aは特性を0で近似している。バイパスコンデンサ122の容量は、1000pF(寄生インダクタンス0.5nH×2)と設定している。
供給側電源経路102cとバイパスコンデンサ用電源経路112aは、半導体チップ111の内部の接続点132で接続されており同電位である。同様に、供給側GND経路103cとバイパスコンデンサ用GND経路113aも、半導体チップ111の内部の接続点133で接続されている。
図4(a)は図2の回路構成における、半導体チップ111からみた各周波数におけるZ11特性を示している。図4(a)において、10MHz近辺(第1の周波数帯)で低インピーダンスとなっている共振点はバイパスコンデンサ121によるものであり、100MHz近辺(第2の周波数帯)で低インピーダンスとなっている共振点はバイパスコンデンサ122によるものであると考えられる。またそれ以上の周波数における共振点は、電源経路102a、102b、102cを含めた供給電源全体の特性によるものだと考えられる。すなわち、バイパスコンデンサ121により10MHz近辺の電源ノイズを、バイパスコンデンサ122により100MHz近辺の電源ノイズを抑制することができる。
図4(b)は半導体チップ111からソース電源101へのS21特性を示している。図4(b)において、10MHz近辺でS21特性の高くなっている点はバイパスコンデンサ121によるものであると考えられる。また100MHz近辺では、S21特性の高くなっている点は存在していない。またそれ以上の周波数における共振点は、電源経路102a、102b、102cを含めた供給電源全体の特性によるものだと考えられる。すなわち、バイパスコンデンサ121により、10MHz近辺の周波数の電源ノイズは、半導体チップの外部に伝播しやすくなっているが、100MHz近辺の周波数の電源ノイズは、半導体チップの外部にはほとんど伝播しない。
図4(c)は、図4(a)と図4(b)に示したZ11特性とS21特性(透過特性)を重ねて、バイパスコンデンサ122の共振点付近である100MHzから200MHzの周波数領域を拡大したものである。図4(c)と従来の回路構成におけるZ11特性とS21特性を示した図14(c)と比較すると明らかなように、バイパスコンデンサ122が最も有効に働くピークとなる共振周波数(132MHz)付近には、S21特性が悪化する部分は存在ないことがわかる。そのため、バイパスコンデンサ122の共振周波数を電源ノイズが最も大きくなる周波数に設定すれば、半導体チップに動作周波数に応じた電源ノイズを抑制すると共に、電源ノイズが供給電源側に伝わることを回避することができる。
これは、バイパスコンデンサ122用の第2の回路と、供給用の電源ソース電源101側の第1の回路とは、ICパッケージ110上およびプリント配線板100上では接続されていないことに起因する。すなわち第2の回路と第1の回路とは、半導体チップ111内部の経路でのみ接続されている。このような構造とすることで、バイパスコンデンサ122の共振周波数付近の周波数における電源ノイズは、供給用電源経路103aと112aの接続点132においてバイパスコンデンサ122の方向に積極的に流れようとする。そのため、電源ノイズの一部が、供給電源側に漏れる事はないと考えられる。
また、本実施例の回路構成では、バイパスコンデンサ122の共振周波数が把握し易くなっている点も優れている点である。すなわち、各バイパスコンデンサまでの独立した電源経路を考慮するだけで高い精度で共振周波数を把握することが可能となる。
本実施例の回路構成により、バイパスコンデンサの共振周波数を高い精度で把握することが可能であることを示すために、図5に示す回路モデルでシミュレーションによる計算を行った。図5に示す回路モデルは、図3と同じ特性を有する半導体チップ111とバイパスコンデンサ122とを接続する、電源経路112a、GND経路113aによりモデル化されている。
図6は、図5の回路モデルを半導体チップ111からみた時のZ11(インピーダンス)特性である。図6において、100MHz近辺で低インピーダンスとなっている共振周波数はバイパスコンデンサ122によるものである。
図7は、図4(a)および図6のバイパスコンデンサ122の共振周波数付近(100MHz〜200MHz)を重ねて拡大したものである。図4(a)と図6の共振周波数は共に約132MHzであり、共振周波数はほぼ一致している。すなわち、電源側のバイパスコンデンサ121からの複雑な影響を考慮しなくとも、バイパスコンデンサ122と半導体チップ111およびバイパスコンデンサ用電源経路112aのみを考慮すれば、簡単に共振点を確認することができる。
また、本実施例の回路構成によれば、プリント配線板完成後にノイズが大きい周波数に合わせてバイパスコンデンサ特性を変更したとしても、他のバイパスコンデンサの電源経路の共振周波数に影響を与えることがない。そのため、バイパスコンデンサとは無関係の周波数で電源ノイズが増加してしまう事はない。
本実施例の回路構成により、他のバイパスコンデンサの電源経路の共振周波数に影響を与えることがないことを示すために、図8に示す回路モデルでシミュレーションによる計算を行った。図8に示す回路モデルは、図3に示す回路モデルからバイパスコンデンサ122を取り除いた回路モデルである。
図8における半導体チップ111からソース電源101へのS21特性を図9に示す。比較のため図3の回路モデルのS21特性も重ねて示してある。図9から明らかなように、図3の回路モデルにバイパスコンデンサ222を取り付けても、1GHz近辺の共振周波数が変化していないことが分る。図10は図9の700MHzから1GHzまでの領域を拡大して示したグラフである。図10から、図9の回路モデルにおける共振周波数は約870MHzであったが、バイパスコンデンサ122を取り付けても、その共振周波数は全く変化していない事がわかる。
このように、本実施例による回路構成は、バイパスコンデンサ122や電源経路等の影響による、ソース電源側の共振周波数の変動がほとんど無い。従って、プリント経路板完成後にノイズが大きい周波数に合わせてバイパスコンデンサの値を変更しても、電気的に接続された他の回路のバイパスコンデンサの共振周波数は維持される。すなわち、バイパスコンデンサを配置することにより、抑制しようとした周波数以外の周波数でノイズが増加してしまうことはない。
すなわち、IC専用のバイパスコンデンサは、ICからバイパスコンデンサだけの経路から計算される共振周波数を、最も問題となるICの電源ノイズ周波数に近い値に設定するだけでよい。従ってプリント配線板の製造後にEMI問題が発生した場合でも、プリント配線板全体の特性を変えずに、問題となるノイズ周波数に対してのみ効果を発揮することができる。そのため、試作後のEMI対策にも有効である。
(実施例2)
次に本発明の実施例2を説明する。実施例1において配置されたバイパスコンデンサ122は、周波数が100MHz近辺のノイズを抑制する為のものであり、その容量は1000pFであった。実施例2では、抑制する周波数が300MHz近辺である場合想定し、バイパスコンデンサ122を1000pFから200pFに変更している。実施例1と同様に、図3に示す回路構成において、バイパスコンデンサ122の容量を200pFに変更しシミュレーションを行なった。
図22(a)は、半導体チップ111からみた各周波数におけるZ11特性を示している。図22(a)において、10MHz近辺で低インピーダンスとなっている共振点はバイパスコンデンサ121によるものであり、300MHz近辺で低インピーダンスとなっている共振点はバイパスコンデンサ122によるものであると考えられる。またそれ以上の周波数における共振点は、電源経路102a、102b、102cを含めた供給電源全体の特性によるものだと考えられる。すなわち、バイパスコンデンサ121により10MHz近辺の電源ノイズを、200pFのバイパスコンデンサ122により300MHz近辺の電源ノイズを抑制することができる。
図22(b)は半導体チップ111からソース電源101へのS21特性を示している。図22(b)において、10MHz近辺でS21特性の高くなっている点はバイパスコンデンサ121によるものであると考えられる。また300MHz近辺では、S21特性の高くなっている点は存在していない。またそれ以上の周波数における共振点は、電源経路102a、102b、102cを含めた供給電源全体の特性によるものだと考えられる。すなわち、バイパスコンデンサ121により、10MHz近辺の周波数の電源ノイズは、半導体チップの外部に伝播しやすくなっているが、300MHz近辺の周波数の電源ノイズは、半導体チップの外部にはほとんど伝播しない。
図22(c)は、図22(a)と図22(b)に示したZ11特性とS21特性を重ねて、バイパスコンデンサ122の共振点付近である300MHzの周波数領域を拡大したものである。
図22(c)では、バイパスコンデンサ122が最も有効に働く共振周波数(295MHz)付近のS21特性が悪化する部分はないことがわかる。そのため、バイパスコンデンサ122の共振周波数を電源ノイズが最も大きくなる周波数に設定すれば、半導体チップに動作周波数に応じた電源ノイズを抑制すると共に、電源ノイズが供給電源側に伝わることを回避することができる傾向がここでも再現している。
次に、本実施例の回路構成により、バイパスコンデンサの共振周波数を高い精度で把握することが可能であることを示す。図5に示す回路モデルでバイパスコンデンサ122の容量を、200pF(寄生インダクタンス0.5nH×2)と設定し、シミュレーションを実施した。以下で図5について説明する回路モデルは全て、バイパスコンデンサ122の容量を1000pFから200pFに変更したものである。
図23は、図5の回路モデルを半導体チップ111からみた時のZ11(インピーダンス)特性である。図23において、300MHz近辺で低インピーダンスとなっている共振周波数はバイパスコンデンサ122によるものである。
図24は、図22(a)および図23のバイパスコンデンサ122の共振周波数付近(300MHz付近)を重ねて拡大したものである。図22(a)と図23の共振周波数は共に約295MHzであり、共振周波数はほぼ一致している。すなわち、電源側のバイパスコンデンサ121からの複雑な影響を考慮しなくとも、バイパスコンデンサ122と半導体チップ111およびバイパスコンデンサ用電源経路112aのみを考慮すれば、簡単に共振点を確認することができる。
次に、本実施例の回路構成により、他のバイパスコンデンサの電源経路の共振周波数に影響を与えることがないことを示す。図8に示す回路モデルでバイパスコンデンサ122の容量を、200pF(寄生インダクタンス0.5nH×2)と設定し、シミュレーションを実施した。図25に図8における半導体チップ111からソース電源101へのS21特性を示す。比較のため図3の回路モデルのS21特性も重ねて示してある。
図25から明らかなように、図3の回路モデルにバイパスコンデンサ222を取り付けても、1GHz近辺の共振周波数が変化していないことが分る。図26は図25の700MHzから1GHzまでの領域を拡大して示したグラフである。図10から、図9の回路モデルにおける共振周波数は約870MHzであったが、バイパスコンデンサ122を取り付けても、その共振周波数は全く変化していない事がわかる。
このように、本実施例による回路構成は、バイパスコンデンサ122や電源経路等の影響による、ソース電源側の共振周波数の変動がほとんど無い。従って、プリント経路板完成後にノイズが大きい周波数に合わせてバイパスコンデンサの値を変更しても、電気的に接続された他の回路のバイパスコンデンサの共振周波数は維持される。すなわち、バイパスコンデンサを配置することにより、抑制しようとした周波数以外の周波数でノイズが増加してしまうことはない。
(比較例1)
実施例1の効果を検証するために、図13の回路モデルにおいて、高周波用のバイパスコンデンサ222の容量を、200pF(寄生インダクタンス0.5nH×2)と設定し、シミュレーションを実施した。以下で図13について説明する回路モデルは全て、高周波数用のバイパスコンデンサ222の容量を1000pFから200pFに変更したものである。
図27(a)は、高周波用のバイパスコンデンサ222の容量を、200pF(寄生インダクタンス0.5nH×2)と設定した場合の図13の回路モデルで半導体チップ211からみた時のZ11(インピーダンス)特性である。図27(a)において、10MHz近辺で低インピーダンスとなっている共振点はバイパスコンデンサ221によるものであり、300MHz近辺で低インピーダンスとなっている共振点はバイパスコンデンサ222によるものであると考えられる。またそれ以上の周波数における共振点は、電源経路202a、202b、202cを含めた供給電源全体の特性によるものだと考えられる。すなわち、バイパスコンデンサ221により10MHz近辺の電源ノイズを、バイパスコンデンサ222により300MHz近辺の電源ノイズを抑制することができる。
図27(b)は、図13の回路モデルにおいて、半導体チップ211から電源201へのS21(透過)特性である。図27(b)において、10MHz近辺でS21特性の高くなっている点はバイパスコンデンサ221の影響であり、300MHz近辺でS21特性の高くなっている点はバイパスコンデンサ222の影響であると考えられる。またそれ以上の周波数における共振点は、電源経路202a、202b、202cを含めた供給電源全体の特性によるものだと考えられる。すなわち、バイパスコンデンサ221とバイパスコンデンサ222により、10MHz近辺と300MHz近辺の周波数の電源ノイズは、半導体チップの外部に伝播しやすくなっている。
図27(c)は、図13の回路構成における、図27(a)に示したZ11特性と、図27(b)に示したS21特性を重ねたもので、バイパスコンデンサ222の共振点付近の周波数近辺(300MHz近辺)を拡大したものである。図27(c)のZ11特性から分るように、バイパスコンデンサ222が最も有効に働く共振点は275MHz近辺の周波数帯である。これに対してS21特性が悪化する周波数帯は330MHz近辺である。従って、バイパスコンデンサ222の共振周波数を、電源ノイズが最も大きくなる周波数(275MHz)と合わせた場合、この共振周波数において半導体チップ自身のインピーダンスは低下し、電源ノイズは抑制される。しかしながら、この共振周波数は、S21特性が悪化する周波数帯と近いため、外部に対して伝播する電源ノイズは逆に大きくなってしまう。
次に、高周波数用のバイパスコンデンサの値を1000pFから200pFに変更した場合でもバイパスコンデンサの共振周波数を正確に把握するのが困難である。これを示すために、図16に示す回路モデルでバイパスコンデンサ222の値を200pFに変更してシミュレーションによる計算を行なった。以下で図16について説明する回路モデルは全て、高周波数用のバイパスコンデンサ222の容量を1000pFから200pFに変更したものである。
図28は、図16の回路モデルを半導体チップ211からみた時のZ11(インピーダンス)特性である。図28において、300MHz近辺で低インピーダンスとなっている共振点はバイパスコンデンサ222によるものである。
図29は、図27(a)および図28のバイパスコンデンサ222の共振周波数付近(300MHz付近)を拡大したものである。図27(a)の共振周波数は約275MHzであり、図28の共振周波数は約295MHzである。すなわち、バイパスコンデンサ222の特性に応じた共振周波数(約295MHz)が、電源経路202a、203aやバイパスコンデンサ221からの影響により、約275MHzに変動している。従って、他の経路や他の電子部品の複雑な影響を考慮しなければ、通常条件でのバイパスコンデンサ222の共振点は正確には確認することはできないという傾向がここでも再現している。
図30に、図13の回路モデルの半導体チップ211から電源201へのS21特性と、図13の回路モデルからバイパスコンデンサ222を取り除いた場合の半導体チップ211から電源201へのS21特性を示す。図30から明らかなように、図13の回路モデルにバイパスコンデンサ222を取り付けることにより、1GHz近辺の共振周波数が変化していることが分る。
図31は図30の700MHzから1GHzまでの領域を拡大して示したグラフである。図31から、図13の回路モデルにおける共振周波数は約910MHzであったが、バイパスコンデンサ222を取り外した図19の回路モデルにおける共振周波数は約870MHzとなっている。すなわち、バイパスコンデンサ222を取り付けることにより、900MHz付近の共振周波数が変化する傾向がここでも再現している。
(第2の実施の形態)
実施例1では、ソース電源用経路とGND用経路を共に分離したプリント回路板に関して説明を行なったが、本発明は、GND用経路は分離せずソース電源用経路のみを分離した場合でもその効果は充分にある。
図11は実施例2による回路構成を断面で示す。本実施例において実施例1と異なっているのは、供給側GND配線3は、スルーホール6と接続すると共に、スルーホール8とも接続されている点である。本実施例においても、実施例1にほぼ同様の効果を得ることができる。
尚前述の実施例において、半導体チップ111とICパッケージ110の接続はワイヤーボンディングを使用しているが、本発明はこれに限られるものではなく、フィリップチップ実装によるバンプ接続でもかまわない。また同様にICパッケージ110はBGAパッケージに限られたものではなく、QFPパッケージや、フリップチップ用パッケージであってもかまわない。さらに、バイパスコンデンサの数を制限するものではない。
図32は、フリップチップ実装を使って、半導体チップ111とICパッケージ110の接続した場合の模式図である。図中110はICパッケージ、111は半導体チップ、321は封止樹脂、322は接続用端子となるはんだボールである。323は、半導体チップ111とICパッケージ110とを接続するバンプである。
第1の実施の形態におけるプリント回路板の斜視図および断面図である。 第1の実施の形態におけるプリント回路板の回路構成を示す模式図である。 実施例1においてシミュレーションを行なった回路モデルである。 図3に示す回路モデルの特性を示すグラフである。 実施例1において比較のためのシミュレーションを行なった回路モデルである。 図5に示す回路モデルのZ11特性を示すグラフである。 図5のZ11特性を一部拡大して示したグラフである。 実施例1において比較のためのシミュレーションを行なった回路モデルである。 図4に示す回路モデルのS21特性を示すグラフである。 図8のS21特性を一部拡大して示したグラフである。 第2の実施の形態におけるプリント回路板の断面図である。 電源ノイズおよびバイパスコンデンサの周波数特性を示すグラフである。 従来例においてシミュレーションを行なった回路モデルである。 図13に示す回路モデルのZ特性を示すグラフである。 回路モデルのS21特性を説明する模式図。 従来例において比較のためのシミュレーションを行なった回路モデルである。 図16に示す回路モデルのZ11特性を示すグラフである。 図17のZ11特性を一部拡大して示したグラフである。 従来例において比較のためのシミュレーションを行なった回路モデルである。 図19に示す回路モデルのS21特性を示すグラフである。 図20のS21特性を一部拡大して示したグラフである。 実施例2において図3に示す回路モデルの特性を示すグラフである。 実施例2において図5に示す回路モデルのZ11特性を示すグラフである。 実施例2において図5のZ11特性を一部拡大して示したグラフである。 実施例2において図4に示す回路モデルのS21特性を示すグラフである。 実施例2において図8のS21特性を一部拡大して示したグラフである。 比較例1において図13に示す回路モデルのZ特性を示すグラフである。 比較例1において図16に示す回路モデルのZ11特性を示すグラフである。 図28のZ11特性を一部拡大して示したグラフである。 比較例1において図19に示す回路モデルのS21特性を示すグラフである。 図30のS21特性を一部拡大して示したグラフである。 他の実施の形態を示す模式図である
符号の説明
100 プリント配線板
101 ソース電源
102 供給用電源経路
103 供給用GND経路
104a、105a 電源用端子
104b、105b GND用端子
110 ICパッケージ
111 半導体チップ
112 バイパスコンデンサ用電源経路
113 バイパスコンデンサ用GND経路
121、122 バイパスコンデンサ
132、133 接続点

Claims (3)

  1. プリント配線板の実装面に、半導体チップを搭載した半導体部品が実装されたプリント回路板において、
    前記半導体部品と、前記半導体部品の第1の電源用端子とソース電源を接続する第1の電源配線と、前記半導体部品の第1のGND用端子とソース電源を接続する第1のGND配線と、第1の電源配線と第1のGND配線とを接続する第1のバイパスコンデンサとを有し、前記半導体チップに電源を供給する第1の回路と、
    前記半導体部品と、前記半導体部品の第2の電源用端子に接続された第2の電源配線と、前記半導体部品の第2のGND用端子に接続された第2のGND配線と、第2の電源配線と第2のGND配線とを接続する第2のバイパスコンデンサとを有する第2の回路とが設けられ、
    前記第1の電源用端子と第2の電源用端子は同電位であり、第1の電源用端子と第2の電源用端子、および第1のGND用端子と第2のGND用端子は、前記半導体チップの内部でのみ電気的に接続されている事を特徴とするプリント回路板。
  2. 前記プリント配線板は、内層に電源層とGND層を有する多層構造をなしており、前記第1の電源配線は、前記電源層に設けられた電源配線と第1のスルーホールにより構成され、前記第1のGND配線は、前記GND層に設けられたGND配線と第2のスルーホールにより構成され、前記第1のバイパスコンデンサは、前記第1、第2のスルーホールを介して、前記半導体部品に接続されており、前記第2の電源配線は第3のスルーホールにより構成され、前記第2のGND配線は第4のスルーホールにより構成され、前記第2のバイパスコンデンサは、前記第3、第4のスルーホールを介して、前記半導体部品に接続されていることを特徴とする請求項1に記載のプリント回路板。
  3. 前記第1の電源配線および第2の電源配線は、前記半導体部品の内部において、電源配線および、ボンディングワイヤー又はバンプにより前記半導体チップに接続され、前記半導体チップの内部おいて、お互いが接続されており、
    第1のGND配線および第2のGND配線は、前記半導体部品の内部において、GND配線および、ボンディングワイヤー又はバンプにより前記半導体チップに接続され、前記半導体チップの内部おいて、お互いが接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載のプリント回路板。
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