JP5240828B2 - 半導体パッケージ基板の設計方法 - Google Patents
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Description
特許文献1発明のプリント配線板は、複数層の導電層と、配線と、容量素子とを具備する。ここで、複数層の導電層は、絶縁層を介して順次に積層されている。配線は、導電層で形成されていて、搭載されるべき回路部品同士を接続するためのものである。容量素子は、絶縁層とこの絶縁層を介して対向している導電層とで構成されており配線に接続されていて、回路部品のインピーダンス同士を整合させるためのものである。
特許文献2発明のプリント配線基板は、多層基板と、ビアホールと、表層配線と、少なくとも1つの内層配線と、導電部材とを備える。ここで、ビアホールは、多層基板を貫通している。表層配線は、多層基板の表層に配線され、ビアホールの一方の先端部である第1の先端部に接続されている。少なくとも1つの内層配線は、多層基板の内部に形成され、ビアホールの導電部のうち、上下の先端部以外の部分に接続されている。導電部材は、ビアホールの導電部のうち、第1の先端部とは反対側の、表層配線が接続されていない第2の先端部に接続されている。また、導電部材は、内層配線とビアホールの導電部との接続点のうち、第2の先端部に最も近い第1の接続点から導電部材側を見た、所定の周波数におけるインピーダンスの値が、所定の値より大きくなるような電気長を有する。所定の値は、導電部材が存在しない場合の、第1の接続点から第2の先端部側を見た、所定の周波数におけるインピーダンスの値である。
特許文献3発明の多層基板は、所定の印刷回路パターンがそれぞれ形成された複数の金属層と、金属層の間にそれぞれ形成された絶縁層を備える。ここで、複数の金属層は、少なくとも二つの高周波信号層と、少なくとも一のグラウンド層とを含む。ここで、少なくとも二つの高周波信号層は、高周波信号を伝達するためのものである。少なくとも一のグラウンド層は、他の金属層にグラウンドを提供するためのものである。この多層基板は、少なくとも一のビアホールと、インピーダンス整合ホールとを備える。ここで、少なくとも一のビアホールは、多層基板を貫通するように形成され、高周波信号層を相互に接続させるためのものである。インピーダンス整合ホールは、グラウンド層を貫通するように形成され、ビアホールが通る経路を提供するものである。また、この多層基板は、ビアホールとグラウンド層との間の離隔距離がインピーダンス整合ホールにより適切に調節されてキャパシタンスを調整し、ビアホールの固有のインダクタンスと共に、導波路に類似した状態とさせることにより、高周波信号層間で高周波信号が伝達される際の多層基板のインピーダンス整合が図られることを特徴とする。
特許文献4発明の信号伝送ペア配線は、複数のパターニングされた金属層と、誘電体層とを積層し、その層間をビアにより接続して構成する多層基板の信号伝送ペア配線である。この信号伝送ペア配線は、金属層のパターニングされた複数の配線と相互を接続するビアの直径およびビアの間隔を制御し、特性インピーダンスが一定の値となるように配置することを特徴としている。
Zd=1/((1/(jωCs+Rs))+(1/Rd)) …(式1)
と表すことが出来る。ここで、Rd、Cs、Rsの各値は、カタログスペックなどの既知の値から求められても良いし、実測によって微調整されても良い。
Im(Zd+Zpackage)≒0 …(式2)
である。ここで、Zdは半導体入出力素子の、半導体パッケージ基板から見た入出力インピーダンスであり、Zpackageは半導体パッケージ基板の、半導体入出力素子から見た入出力インピーダンスである。
図5は、1層配線構造を有する半導体パッケージ基板の一例における、等価回路図である。この例では、半導体パッケージ基板の入出力部は、インダクタンスL1に接続されている。インダクタンスL1は、もう一方で、容量C1と、基準抵抗Rrefとに接続されている。ここで、基準抵抗Rrefとは、半導体パッケージ基板が二次実装される先の二次実装基板のインピーダンスである。容量C1と、基準抵抗Rrefとは、それぞれ、もう一方においてグランドに接続されている。
Zpackage=jωL1+1/((1/Rref)+jωC1) …(式3)
ただし、ここで、
L1=l1L0
C1=l1C0+C1v
である。このうち、C1vは、ルックアップテーブルから求められる。
Im(1/(1/((1/jωCs)+Rs)+1/Rd)+jωL1+1/((1/Rref)+jωC1))≒0 …(式4)
となる。
Zpackage=jωL1+(1/((1/(jωL2+(1/((1/Rref)+jωC2)))+jωC1)) …(式5)
ただし、ここで、
L1=l1L0
C1=l1C0+C1v
L2=l2L0
C2=l2C0+C2v
である。このうち、C1vと、C2vとは、後述するルックアップテーブルから求められるものとする。
式5より、上記の式2による拘束条件は、
Im((1/(1/((1/jωCs)+Rs)+1/Rd))+jωL1+(1/(1/(jωL2+1/((1/Rref)+jωC2))+jωC1)))≒0 …(式6)
となる。
差動モード(Differential Mode)において、
反射係数<−8dB(100MHz−0.75fb) …(式7)
また、同相モード(Common Mode)において、
反射係数<−6dB(100MHz−0.75fb) …(式8)
と規定されている。ここで、「fb」はビットレート周波数を意味する。
なお、
反射係数=|(Zd−Zpackage)/(Zd+Zpackage)| …(式9)
である。
11 CPU
12 メモリ
13 入力装置
14 出力装置
21 半導体入出力素子、TX/RX(送受信機)
22 信号線(分布定数配線モデル)
23 PTH(メッキスルーホール)
24 BGA(ボールグリッドアレイ)
25 二次実装基板
31 半導体入出力素子
32 容量
33 グランド
34 信号線
35 容量
36 グランド
37 終端抵抗Rout(=50Ohm)
38 グランド
39 インダクタ
40 終端抵抗Rout(<50Ohm)
41 容量
42 グランド
43 容量
44 グランド
45 終端抵抗Rout(>50Ohm)
46 抵抗Rin
100 バス
101 ルックアップテーブル作成機能部
102 等価回路作成機能部
103 パラメータ決定機能部
104 メモリ
Rd DC微分抵抗
Cs 寄生容量
Rs 寄生直列抵抗
L1 インダクタンス
L2 インダクタンス
Claims (16)
- (a)第1の回路設計部が、半導体入出力素子を含む半導体装置が半導体パッケージ基板に一次実装されるときに、前記半導体入出力素子に接続される伝送線路を具備する前記半導体パッケージ基板を第1の回路として設計するステップと、
(b)反射波解析部が、前記半導体装置により前記第1の回路に発生する第1の反射波を解析するステップと、
(c)第2の回路設計部が、前記第1の反射波をキャンセルするように前記半導体装置による第2の反射波を発生する前記半導体パッケージ基板を第2の回路として設計するステップと、
(d)第3の回路設計部が、前記第1の回路と前記第2の回路とを組み合わせて、第3の回路として、前記第2の反射波により前記第1の反射波をキャンセルするように前記半導体装置とインピーダンス整合する最終半導体パッケージ基板を設計するステップと
を具備し、
前記ステップ(c)は、
(c−1)ルックアップテーブル作成機能部が、半導体パッケージ基板の各構造部品のパラメータと半導体パッケージ基板の伝送線路パラメータとの関係を示すルックアップテーブルを作成するルックアップテーブル作成ステップと、
(c−2)等価回路作成機能部が、前記半導体入出力素子を含む前記半導体装置が一次実装される前記半導体パッケージ基板から前記半導体装置を見たときの等価回路を作成する等価回路作成ステップと、
(c−3)パラメータ決定機能部が、前記等価回路の伝送パラメータに基づいて前記ルックアップテーブルを参照して、前記第2の回路として、前記各構造部品のパラメータを有する前記半導体パッケージ基板を決定するパラメータ決定ステップと
を具備する
半導体パッケージ基板設計方法。 - 請求項1に記載の半導体パッケージ基板設計方法において、
前記パラメータ決定ステップ(c−3)は、
(c−3−1)前記パラメータ決定機能部が、前記半導体装置と、前記半導体パッケージ基板との接続部分において、前記半導体装置の入出力インピーダンスの虚部と、前記半導体パッケージ基板の入出力インピーダンスの虚部との和が、任意の周波数帯域において、所定の閾値よりも小さく、かつ、前記半導体パッケージ基板を二次実装する二次実装基板から見た前記半導体パッケージ基板のインピーダンスが基準インピーダンスに整合するように、前記各構造部品のパラメータを有する前記半導体パッケージ基板を前記ルックアップテーブルから選択する選択ステップを具備する
半導体パッケージ基板設計方法。 - 請求項2に記載の半導体パッケージ基板設計方法において、
前記任意の周波数帯域は、前記半導体入出力素子の動作に係る周波数帯域の少なくとも1点を含む
半導体パッケージ基板設計方法。 - 請求項2または3に記載の半導体パッケージ基板設計方法において、
前記ステップ(c−3−1)において、前記各構造部品のパラメータを有する前記半導体パッケージ基板を前記ルックアップテーブルから選択する条件は、
ビットレート周波数をfbとするとき、
周波数が100MHz乃至0.75fbの範囲に含まれる場合の、ディファレンシャル(差動)モード(Differential Mode)において、反射係数<−8dBの条件を満足し、
また、周波数が100MHz乃至0.75fbの範囲に含まれる場合の、コモンモード(Common Mode)において、反射係数<−6dBの条件を満足する
ことで満たされる
半導体パッケージ基板設計方法。 - 請求項2〜4のいずれかに記載の半導体パッケージ基板設計方法において、
前記ルックアップテーブルと、前記等価回路と、前記パラメータとは、集中定数近似である
半導体パッケージ基板設計方法。 - 請求項2〜4のいずれかに記載の半導体パッケージ基板設計方法において、
前記ルックアップテーブルと、前記等価回路と、前記パラメータとは、分布定数近似である
半導体パッケージ基板設計方法。 - 請求項2〜4のいずれかに記載の半導体パッケージ基板設計方法において、
前記ステップ(c)は、
(c−4)前記ルックアップテーブル作成ステップ(c−1)と、前記等価回路作成ステップ(c−2)と、前記パラメータ決定ステップ(c−3)とを、集中定数近似で行う集中定数近似ステップと、
(c−5)前記集中定数近似ステップ(c−4)の結果を初期値として用い、さらに、前記ルックアップテーブル作成ステップ(c−1)と、前記等価回路作成ステップ(c−2)と、前記パラメータ決定ステップ(c−3)とを、分布定数近似で行う分布定数近似ステップと
をさらに具備する
半導体パッケージ基板設計方法。 - 請求項5または7に記載の半導体パッケージ基板設計方法において、
前記ステップ(c)は、波長をλと置くとき、
(c−6)寄生容量の影響をキャンセルする場合は、前記伝送線路の等価回路における、前記寄生容量からλ/8乃至λ/4の位置に容量を配置するステップと、
(c−7)寄生インダクタンスの影響をキャンセルする場合は、前記伝送線路の等価回路における、前記寄生インダクタンスから3λ/8乃至λ/2の位置に容量を配置するステップとを具備する
半導体パッケージ基板設計方法。 - 請求項1〜8のいずれかに記載の半導体パッケージ基板設計方法において、
(e)半導体パッケージ基板作成機能部が、前記パラメータ決定ステップ(d)で決定された前記各構造部品のパラメータを有する前記最終半導体パッケージ基板に基づいて、前記最終半導体パッケージ基板を製造する製造ステップをさらに具備する
半導体パッケージ基板製造方法。 - 半導体入出力素子を含む半導体装置が半導体パッケージ基板に一次実装されるときに、前記半導体入出力素子に接続される伝送線路を具備する前記半導体パッケージ基板を第1の回路として設計する第1の回路設計部と、
前記半導体装置により前記第1の回路に発生する第1の反射波を解析する反射波解析部と、
前記第1の反射波をキャンセルするように前記半導体装置による第2の反射波を発生する前記半導体パッケージ基板を第2の回路として設計する第2の回路設計部と、
前記第1の回路と前記第2の回路とを組み合わせて、前記第2の反射波により前記第1の反射波をキャンセルするように、前記半導体装置とインピーダンス整合する最終半導体パッケージ基板を第3の回路として設計する第3の回路設計部と
を具備し、
前記第2の回路設計部は、
半導体パッケージ基板の各構造部品のパラメータと半導体パッケージ基板の伝送線路パラメータの関係を示すルックアップテーブルを作成するルックアップテーブル作成機能部と、
前記半導体入出力素子を含む前記半導体装置が一次実装される前記半導体パッケージ基板から前記半導体装置を見たときの等価回路を作成する等価回路作成機能部と、
前記等価回路の伝送パラメータに基づいて前記ルックアップテーブルを参照して、前記第2の回路として、前記各構造部品のパラメータを有する前記半導体パッケージ基板を決定するパラメータ決定機能部と
を具備する
半導体パッケージ基板設計支援装置。 - 請求項10に記載の半導体パッケージ基板設計支援装置において、
前記パラメータ決定機能部は、
前記半導体入出力素子と前記半導体パッケージ基板との接続部分において、前記半導体装置の入出力インピーダンスの虚部と前記半導体パッケージ基板の入出力インピーダンスの虚部との和が、任意の周波数帯域において、所定の閾値よりも小さく、かつ、前記半導体パッケージ基板の、前記半導体パッケージ基板を二次実装する二次実装基板から見たインピーダンスが基準インピーダンスに整合するように、前記各構造部品のパラメータを有する前記半導体パッケージ基板を前記ルックアップテーブルから選択する
半導体パッケージ基板設計支援装置。 - 請求項11に記載の半導体パッケージ基板設計支援装置において、
前記任意の周波数帯域は、前記半導体入出力素子の動作に係る周波数帯域の少なくとも1点を含む
半導体パッケージ基板設計支援装置。 - 請求項11または12に記載の半導体パッケージ基板設計支援装置において、
前記各構造部品のパラメータを有する前記半導体パッケージ基板を前記ルックアップテーブルから選択する条件は、
ビットレート周波数をfbとするとき、
周波数が100MHz乃至0.75fbの範囲に含まれる場合の、ディファレンシャル(差動)モードにおいて、反射係数<−8dBの条件を満足し、
また、周波数が100MHz乃至0.75fbの範囲に含まれる場合の、コモンモードにおいて、反射係数<−6dBの条件を満足する
ことで満たされる
半導体パッケージ基板設計支援装置。 - 請求項11〜13のいずれかに記載の半導体パッケージ基板設計支援装置において、
前記ルックアップテーブルと、前記等価回路と、前記パラメータとは、集中定数近似である
半導体パッケージ基板設計支援装置。 - 請求項11〜13のいずれかに記載の半導体パッケージ基板設計支援装置において、
前記ルックアップテーブルと、前記等価回路と、前記パラメータとは、分布定数近似である
半導体パッケージ基板設計支援装置。 - 請求項11〜13のいずれかに記載の半導体パッケージ基板設計支援装置において、
前記ルックアップテーブルと、前記等価回路と、前記パラメータとに集中定数近似を用いて決定される前記各構造部品のパラメータを初期値として、前記ルックアップテーブルと、前記等価回路と、前記パラメータとに分布定数近似を用いて前記各構造部品のパラメータを決定する
半導体パッケージ基板設計支援装置。
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