JP5246785B2 - Circuit model creation device, circuit model creation method, simulation device, and simulation method - Google Patents

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本発明は、表面実装型の回路基板に実装される受動素子の等価回路モデル情報を作成する回路モデル作成装置及び方法、並びに、等価回路モデル情報を用いて回路基板の回路特性のシミュレーションを行うシミュレーション装置及び方法に関するものである。   The present invention relates to a circuit model creation apparatus and method for creating equivalent circuit model information of a passive element mounted on a surface-mount circuit board, and a simulation for simulating circuit characteristics of a circuit board using the equivalent circuit model information The present invention relates to an apparatus and a method.

プリント回路基板(PCB)電源網の高精度な解析は、不要輻射の低減や集積回路の安定動作を実現するために欠かすことができない。   High-precision analysis of a printed circuit board (PCB) power supply network is indispensable for reducing unnecessary radiation and realizing stable operation of an integrated circuit.

近年LSIの消費電力は増加傾向にあり、このような傾向に伴いノイズ電流も増加している。このため電源網の入力インピーダンスの低減は、設計において最も重要な項目の一つである。PCB電源網の入力インピーダンスの最適設計を可能にするために、これまで様々な解析手法が提案されている(特許文献1)。これらの解析においては、積層型セラミックチップコンデンサ等の受動部品、パッケージ、LSI等を部品として個別にモデル化したのちに結合して電源網全体を解析している。   In recent years, the power consumption of LSIs has been increasing, and noise current has also increased with such trends. For this reason, reducing the input impedance of the power supply network is one of the most important items in the design. Various analysis methods have been proposed so far in order to enable the optimum design of the input impedance of the PCB power supply network (Patent Document 1). In these analyses, passive components such as multilayer ceramic chip capacitors, packages, LSIs, etc. are individually modeled as components and then combined to analyze the entire power supply network.

ここで、表面実装型積層型セラミックチップコンデンサの電気的なモデルは、第1に、内部構造を秘匿できること、第2に、ユーザ間で共通に使用でき、モデル作成の時間を短縮できること、第3に、詳細な構造を入力して解析を行う場合には時間がかかり過ぎること、等の理由により、部品メーカより提供されるSパラメータモデルや、等価回路モデルを用いるのが一般的である。これらの利点を維持しつつ、様々なレイアウトに対し高い精度を持つ受動部品のモデルが必要とされている。   Here, the electrical model of the surface-mount type multilayer ceramic chip capacitor is, firstly, the internal structure can be concealed, secondly, it can be used in common among users, and the time for model creation can be shortened. In addition, when an analysis is performed by inputting a detailed structure, it is generally necessary to use an S parameter model or an equivalent circuit model provided by a component manufacturer because it takes too much time. There is a need for a passive component model with high accuracy for various layouts while maintaining these advantages.

特開2007−004418号公報JP 2007-004418 A

一般的な高周波回路の電源網において、チップコンデンサ等の表面実装型受動部品モデルは図21に示すような、受動素子R、L、Cにより構成された等価回路モデルや、Sパラメータで表される。ここで、表面実装型受動部品モデルの回路定数R、L、Cはある一定の条件下で測定して作成される。例えば図22に示すように、コンデンサを含むPCB電源網の入力インピーダンスの解析では、共振、反共振の周波数やインピーダンスが実測と一致しないのが通例である。これは、コンデンサモデル中の寄生インダクタンスが、実際の値と異なることが原因である。   In a general high-frequency circuit power supply network, a surface mount type passive component model such as a chip capacitor is represented by an equivalent circuit model composed of passive elements R, L, and C as shown in FIG. . Here, the circuit constants R, L, and C of the surface mount type passive component model are created by measurement under certain conditions. For example, as shown in FIG. 22, in the analysis of the input impedance of the PCB power supply network including the capacitor, it is usual that the frequency and impedance of resonance and antiresonance do not coincide with the actual measurement. This is because the parasitic inductance in the capacitor model is different from the actual value.

また、本来コンデンサ単体ではループ回路を形成しないため、その寄生インダクタンスは定義できない。コンデンサの寄生インダクタンスを表すためには、コンデンサと、PCBの導体パターンを流れる帰還電流によって形成されるループの面積が必要となる。L値が定数であることから、従来のモデルでは、ある一条件での測定により得られる寄生インダクタンスを常に用いている。このため、提供されるモデルの寄生インダクタンス値は、ユーザが設計及び解析するPCBのレイアウトに適合することは稀である。   In addition, since a capacitor alone does not form a loop circuit, its parasitic inductance cannot be defined. In order to represent the parasitic inductance of the capacitor, the area of the loop formed by the capacitor and the feedback current flowing through the conductor pattern of the PCB is required. Since the L value is a constant, the conventional model always uses a parasitic inductance obtained by measurement under a certain condition. For this reason, the parasitic inductance value of the provided model is rarely adapted to the PCB layout that the user designs and analyzes.

本来、受動素子の寄生インダクタンスは、PCBに実装されて初めて定まるが、受動素子のモデルを作成する時点で実装状態を知ることは不可能である。これが、受動部品メーカがユーザに対して高精度なモデルを準備し提供することが困難な原因である。   Originally, the parasitic inductance of the passive element is determined only after being mounted on the PCB, but it is impossible to know the mounting state at the time of creating the passive element model. This is the reason why it is difficult for the passive component manufacturer to prepare and provide a highly accurate model to the user.

本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、比較的、簡単な等価回路モデルで電源回路のシミュレーション精度を上げることが可能な回路モデル作成装置及び方法、並びに、従来の経験的な回路設計を置き換え、設計精度の向上と設計工数の削減に寄与することが可能なシミュレーション装置及び方法を提供することを目的とする。   The present invention has been proposed in view of such circumstances, and a circuit model creation apparatus and method capable of improving the simulation accuracy of a power supply circuit with a relatively simple equivalent circuit model, and conventional experience. An object of the present invention is to provide a simulation apparatus and method capable of replacing a typical circuit design and contributing to improvement of design accuracy and reduction of design man-hours.

上述した課題を解決するための手段として、本発明は、回路基板に表面実装される受動素子の等価回路モデル情報を作成する回路モデル作成装置において、実装面から帰還電流が流れるグランド層までの距離が所定値である回路基板に表面実装された受動素子に対応する基本等価回路モデルに対し、上記実装面からグランド層までの距離を変数とした寄生インダクタンスの変化を取得する取得手段と、上記取得手段により取得された寄生インダクタンスの変化を上記基本等価回路モデルに反映することにより、上記実装面からグランド層までの距離が任意の等価回路モデル情報を作成する作成手段とを備える。   As a means for solving the above-described problem, the present invention provides a circuit model creation device that creates equivalent circuit model information of a passive element that is surface-mounted on a circuit board, and a distance from a mounting surface to a ground layer through which a feedback current flows. Acquisition means for acquiring a change in parasitic inductance with a distance from the mounting surface to the ground layer as a variable for a basic equivalent circuit model corresponding to a passive element surface-mounted on a circuit board having a predetermined value; and the acquisition And a means for creating equivalent circuit model information having an arbitrary distance from the mounting surface to the ground layer by reflecting the change in the parasitic inductance obtained by the means in the basic equivalent circuit model.

また、本発明は、コンピュータによりモデル作成用のプログラムを実行することによって、回路基板に表面実装される受動素子の等価回路モデル情報を作成する回路モデル作成方法であって、実装面から帰還電流が流れるグランド層までの距離が所定値である回路基板に表面実装された受動素子に対応する基本等価回路モデルに対し、上記実装面からグランド層までの距離を変数とした寄生インダクタンスの変化を取得する取得ステップの処理と、上記取得ステップの処理により取得された寄生インダクタンスの変化を上記基本等価回路モデルに反映することにより、上記実装面からグランド層までの距離が任意の等価回路モデル情報を作成する作成ステップの処理とを上記コンピュータに実行させ、回路基板に表面実装される受動素子の等価回路モデル情報を作成するFurther, the present invention by executing a program for modeling by a computer, a circuit model creation method for creating an equivalent circuit model information of the passive element to be surface mounted on a circuit board, the feedback current from the mounting surface For a basic equivalent circuit model corresponding to a passive element surface-mounted on a circuit board where the distance to the flowing ground layer is a predetermined value, a change in parasitic inductance using the distance from the mounting surface to the ground layer as a variable is acquired. The equivalent circuit model information having an arbitrary distance from the mounting surface to the ground layer is created by reflecting the acquisition step process and the parasitic inductance change acquired by the acquisition step process in the basic equivalent circuit model. a process of creating step is performed in the computer, etc. of the passive element to be surface mounted to the circuit board To create a circuit model information.

また、本発明は、受動素子を表面実装した回路基板の回路特性をシミュレーションするシミュレーション装置において、上記受動素子の特性と、該受動素子が表面実装される回路基板における実装面から帰還電流が流れるグランド層までの距離とが設定される設定手段と、上記実装面からグランド層までの距離が所定値である回路基板に表面実装された受動素子に対応する基本等価回路モデルに対して、該距離を変数として取得された寄生インダクタンスの変化を反映した任意の等価回路モデル情報を記憶する記憶手段と、上記記憶手段から、上記設定手段により設定された実装面からグランド層までの距離に対応する等価回路モデル情報を読み出し、読み出した等価回路モデル情報を用いて回路特性を解析する解析手段とを備える。   Further, the present invention provides a simulation apparatus for simulating circuit characteristics of a circuit board on which a passive element is surface-mounted, and the characteristics of the passive element and a ground in which a feedback current flows from a mounting surface of the circuit board on which the passive element is surface-mounted. A setting means for setting a distance to the layer, and a basic equivalent circuit model corresponding to a passive element surface-mounted on a circuit board having a predetermined distance from the mounting surface to the ground layer. Storage means for storing arbitrary equivalent circuit model information reflecting a change in parasitic inductance acquired as a variable, and an equivalent circuit corresponding to the distance from the mounting surface to the ground layer set by the setting means from the storage means Analysis means for reading model information and analyzing circuit characteristics using the read equivalent circuit model information.

また、本発明は、コンピュータによりシミュレーション用のプログラムを実行することによって、受動素子を表面実装した回路基板の回路特性をシミュレーションするシミュレーション方法であって、上記受動素子の特性と、該受動素子が表面実装される回路基板における実装面から帰還電流が流れるグランド層までの距離とが設定される設定ステップの処理と、上記実装面からグランド層までの距離が所定値である回路基板に表面実装された受動素子に対応する基本等価回路モデルに対して、該距離を変数として取得された寄生インダクタンスの変化を反映した任意の等価回路モデル情報を記憶する記憶手段から、上記設定ステップの処理により設定された実装面からグランド層までの距離に対応する等価回路モデル情報を読み出し、読み出した等価回路モデル情報を用いて回路特性を解析する解析ステップの処理とを上記コンピュータに実行させ、受動素子を表面実装した回路基板の回路特性をシミュレーションするThe present invention, by executing the simulation program by the computer, a simulation method for simulating circuit characteristic of the circuit board surface mount passive components, and characteristics of the passive elements, the passive element surface The process of the setting step in which the distance from the mounting surface on the circuit board to be mounted to the ground layer where the feedback current flows is set, and the surface mounting on the circuit board where the distance from the mounting surface to the ground layer is a predetermined value The basic equivalent circuit model corresponding to the passive element is set by the process of the above setting step from the storage means for storing any equivalent circuit model information reflecting the change of the parasitic inductance acquired using the distance as a variable. Reads equivalent circuit model information corresponding to the distance from the mounting surface to the ground layer. A process of analyzing, the circuit characteristics by using the equivalent circuit model information is executed in the computer, the passive element to simulate circuit characteristics of the circuit board surface mounted.

本発明は、基本等価回路モデルにおける寄生インダクタンスの変化を、実装面からグランド層までの距離を変数として取得し、取得された寄生インダクタンスの変化を基本等価回路モデルに反映して、実装面からグランド層までの距離が任意の等価回路モデル情報を作成することにより、受動素子の実装状態に応じた回路特性を精度良く表現できるので、電源回路のシミュレーション精度を上げることが可能な等価回路モデルを比較的、簡単な表現でユーザに提供することができる。   The present invention acquires a change in parasitic inductance in the basic equivalent circuit model using the distance from the mounting surface to the ground layer as a variable, reflects the acquired change in parasitic inductance in the basic equivalent circuit model, and changes the ground from the mounting surface to the ground. By creating equivalent circuit model information with an arbitrary distance to the layer, circuit characteristics according to the mounting state of the passive elements can be accurately expressed, so comparison of equivalent circuit models that can increase the simulation accuracy of power supply circuits Can be provided to users with simple and simple expressions.

また、本発明は、設定手段により設定された実装面からグランド層までの距離に対応する等価回路モデル情報を用いて回路特性を解析することにより、受動素子の実装状態に応じた回路特性を精度良く表現してシミュレーションを行うことができるので、従来の経験的な回路設計を置き換え、設計精度の向上と設計工数の削減に寄与することができる。   In addition, the present invention analyzes the circuit characteristics using the equivalent circuit model information corresponding to the distance from the mounting surface set by the setting means to the ground layer, thereby accurately adjusting the circuit characteristics according to the mounting state of the passive element. Since the simulation can be performed with good representation, it is possible to replace the conventional empirical circuit design and contribute to the improvement of design accuracy and the reduction of design man-hours.

一般的な高周波回路の電源網であるプリント回路基板を示す図である。It is a figure which shows the printed circuit board which is a power supply network of a general high frequency circuit. 表面実装型受動部品モデルにおけるポートの配置を示す図である。It is a figure which shows arrangement | positioning of the port in a surface mount type passive component model. 表面実装型受動部品モデルの等価回路モデルを示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit model of a surface mount type passive component model. コンデンサの寄生インダクタンスの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the parasitic inductance of a capacitor | condenser. 回路モデル作成装置に係る構成を示す図である。It is a figure which shows the structure which concerns on a circuit model creation apparatus. 出力部により出力される画像情報を示す図である。It is a figure which shows the image information output by an output part. シミュレーション装置に係る構成を示す図である。It is a figure which shows the structure which concerns on a simulation apparatus. シミュレーション装置に実行される処理の説明に供するフローチャートである。It is a flowchart with which it uses for description of the process performed by a simulation apparatus. 積層型セラミックチップコンデンサの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of a multilayer ceramic chip capacitor. 積層型セラミックチップコンデンサの断面図である。It is sectional drawing of a multilayer ceramic chip capacitor. 同次元の積層型セラミックチップコンデンサとバルク伝導体の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the multilayer ceramic chip capacitor and bulk conductor of the same dimension. モーメント法によって得られた電流分布を示す図である。It is a figure which shows the electric current distribution obtained by the moment method. 積層型セラミックチップコンデンサをスタブ伝送線として見なした回路モデルを示す図である。It is a figure which shows the circuit model which considered the multilayer ceramic chip capacitor as a stub transmission line. σ=5.6×107[S/m]の低抵抗コンデンサの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the low resistance capacitor of (sigma) = 5.6 * 107 [S / m]. 第7共振の共振点である200MHzの電流分布を表す図である。It is a figure showing the current distribution of 200 MHz which is a resonance point of the 7th resonance. プリント回路基板に実装された積層型セラミックチップコンデンサの特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of the multilayer ceramic chip capacitor mounted in the printed circuit board. プリント回路基板に実装された積層型セラミックチップコンデンサのインピーダンス特性を示す図である。It is a figure which shows the impedance characteristic of the multilayer ceramic chip capacitor mounted in the printed circuit board. 積層型セラミックチップコンデンサの等価回路モデルの構造を示す図であるIt is a figure which shows the structure of the equivalent circuit model of a multilayer ceramic chip capacitor 実測結果の周波数特性、及び、等価回路モデルの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of an actual measurement result, and the frequency characteristic of an equivalent circuit model. インダクタンスの周波数特性について、等価回路モデルと実測結果との比較を示す図である。It is a figure which shows the comparison with an equivalent circuit model and a measurement result about the frequency characteristic of an inductance. チップコンデンサ等の表面実装型受動部品モデルの従来例を示す図である。It is a figure which shows the prior art example of surface mount type passive component models, such as a chip capacitor. インダクタンスの周波数特性について、等価回路モデルと実測結果との比較を示す図である。It is a figure which shows the comparison with an equivalent circuit model and a measurement result about the frequency characteristic of an inductance.

本発明が適用された回路モデル作成装置は、積層型セラミックチップコンデンサなどの受動素子が実装される表面実装型の回路基板の等価回路モデルを作成する装置である。また、本発明が適用されたシミュレーション装置は、上記回路モデル作成装置により作成された等価回路モデルを用いて回路基板の回路特性のシミュレーションを行う装置である。   A circuit model creation apparatus to which the present invention is applied is an apparatus for creating an equivalent circuit model of a surface-mount circuit board on which passive elements such as a multilayer ceramic chip capacitor are mounted. A simulation apparatus to which the present invention is applied is an apparatus that simulates circuit characteristics of a circuit board using the equivalent circuit model created by the circuit model creation apparatus.

本実施の形態では、これらの回路モデル作成装置及びシミュレーション装置の具体的な構成に関する説明に先立ち、本実施形態において提案する等価回路モデルの回路特性について説明する。   In the present embodiment, circuit characteristics of an equivalent circuit model proposed in the present embodiment will be described prior to description of specific configurations of these circuit model creation apparatuses and simulation apparatuses.

図1は、一般的な高周波回路の電源網であるプリント回路基板1を示す図である。プリント回路基板1は、直流電圧源11からの電源供給を受ける電源網であって、LSIなどの高周波回路12が実装されている。すなわち、プリント回路基板1には、高周波回路12の電源ピン12aとGNDピン12bが、ビアホール1a、1bを介してそれぞれ電源電圧ラインVとグランドラインGNDとに接続されている。また、このプリント回路基板1には、高周波回路12の高周波電流成分を吸収する目的で、高周波回路12の帰還電流が流れる経路上の電源電圧ラインV側に、コンデンサ13が表面実装されている。   FIG. 1 is a diagram illustrating a printed circuit board 1 which is a power supply network of a general high-frequency circuit. The printed circuit board 1 is a power supply network that receives power supply from a DC voltage source 11 and is mounted with a high-frequency circuit 12 such as an LSI. That is, on the printed circuit board 1, the power supply pin 12a and the GND pin 12b of the high-frequency circuit 12 are connected to the power supply voltage line V and the ground line GND through the via holes 1a and 1b, respectively. Further, a capacitor 13 is surface-mounted on the printed circuit board 1 on the power supply voltage line V side on the path through which the feedback current of the high frequency circuit 12 flows for the purpose of absorbing the high frequency current component of the high frequency circuit 12.

このような構成からなるプリント回路基板1の電源網の特性について高精度に解析するには、不要輻射の低減や集積回路の安定動作を実現するために欠かすことができない。電源網において高周波回路12の動作に起因して直流電圧源11の電圧を乱すノイズ電圧は、オームの法則により簡易的にV=ZIで表すことができる。   In order to analyze the characteristics of the power supply network of the printed circuit board 1 having such a configuration with high accuracy, it is indispensable for reducing unnecessary radiation and realizing stable operation of the integrated circuit. A noise voltage that disturbs the voltage of the DC voltage source 11 due to the operation of the high-frequency circuit 12 in the power supply network can be simply expressed as V = ZI according to Ohm's law.

ここで、Zは電源網の入力インピーダンス、Iは高周波回路12内部のノイズ源に起因する電流である。すなわち、高周波回路12内部のノイズ源は電流源で近似できる。また、プリント回路基板1の電源網の入力インピーダンスZは、高周波回路12の電源ピン12a、GNDピン12bからプリント回路基板1側を見込むインピーダンスである。   Here, Z is an input impedance of the power supply network, and I is a current caused by a noise source inside the high-frequency circuit 12. That is, the noise source inside the high-frequency circuit 12 can be approximated by a current source. The input impedance Z of the power supply network of the printed circuit board 1 is an impedance that allows the printed circuit board 1 side to be seen from the power supply pins 12 a and the GND pins 12 b of the high-frequency circuit 12.

このようにして受動素子であるコンデンサ13は、プリント回路基板1の実装状態に応じて寄生インダクタンスが定義される。よって、コンデンサ13単体では、ループ回路を形成しないため、その寄生インダクタンスを定義することができない。コンデンサの寄生インダクタンスを表すためには、コンデンサ自体の特性と、プリント回路基板の導体パターンを流れる帰還電流によって形成されるループの面積とを考慮する必要がある。   In this way, the parasitic inductance of the capacitor 13 which is a passive element is defined according to the mounting state of the printed circuit board 1. Therefore, since the capacitor 13 alone does not form a loop circuit, its parasitic inductance cannot be defined. In order to represent the parasitic inductance of the capacitor, it is necessary to consider the characteristics of the capacitor itself and the area of the loop formed by the feedback current flowing through the conductor pattern of the printed circuit board.

このようにして、帰還電流によって形成されるループの面積を考慮するため、本実施形態において提案する表面実装型受動部品モデル2におけるポートの配置を図2に示す。ここで、図2中の矢印Aは励振ポートを示す。この表面実装型受動部品モデル2では、コンデンサ21と帰還電流が流れるグランド22との距離hを明示する。コンデンサ21により発生する磁束のほとんどは、コンデンサ21とグランド22との間を通るため、近似的にコンデンサ21内の電流により発生する磁束の総量を代表させることで、寄生インダクタンスが定義される。これにより表面実装型受動部品モデル2では、プリント配線基板の厚みやレイアウトパターンに応じて異なる寄生インダクタンスを反映することができる。   In this way, in order to consider the area of the loop formed by the feedback current, the arrangement of the ports in the surface-mounted passive component model 2 proposed in this embodiment is shown in FIG. Here, an arrow A in FIG. 2 indicates an excitation port. In this surface-mounted passive component model 2, the distance h between the capacitor 21 and the ground 22 through which the feedback current flows is clearly shown. Since most of the magnetic flux generated by the capacitor 21 passes between the capacitor 21 and the ground 22, the parasitic inductance is defined by representing the total amount of magnetic flux generated by the current in the capacitor 21 approximately. As a result, the surface-mount passive component model 2 can reflect different parasitic inductances depending on the thickness of the printed wiring board and the layout pattern.

表面実装型受動部品モデル2の等価回路モデルを図3に示す。グランドを陽に定義するか否かが、従来の部品モデルとの最も重要な違いである。厳密には、従来の部品モデルにおいても測定環境に依存して決まるが、これらの測定がどのようなグランドレイアウトの下になされたのかが明示されていない。したがって、従来の部品モデルを使用する場合、その寄生インダクタンスが設計するPCBレイアウト形状に適しているか否かを知ることができない。   An equivalent circuit model of the surface mount type passive component model 2 is shown in FIG. Whether or not the ground is explicitly defined is the most important difference from the conventional part model. Strictly speaking, it is determined depending on the measurement environment even in the conventional part model, but it is not specified under which ground layout these measurements are made. Therefore, when the conventional component model is used, it cannot be determined whether or not the parasitic inductance is suitable for the PCB layout shape to be designed.

これに対して、表面実装型受動部品モデル2では、部品とグランドとの距離を明示することで、上述した従来モデルの持つ問題点を解決することができる。   On the other hand, in the surface mount type passive component model 2, the problem of the conventional model described above can be solved by clearly indicating the distance between the component and the ground.

ここで、表面実装型受動部品モデル2は、グランドとコンデンサの距離に応じて複数のモデルを個別に用意しなければならないが、図4に示すようにコンデンサの寄生インダクタンスの周波数特性ΔL/Δfは、グランドと部品間の距離hに対して変わらない。また、高周波のコンデンサのインダクタンスは、主として表皮効果により電流が底面に集中するため、高周波ではグランドと部品間の間距離hごとのインダクタンスの補正が容易である。このため、いずれかのグランドと部品間の距離hでの等価回路モデルを基準とし、そこに異なるグランド間と部品間の距離hを変数として関数で表した補正インダクタンスを付加する等価回路モデルを提供することで、コンデンサを一つの等価回路モデルにより表現できる。   Here, as the surface mount type passive component model 2, a plurality of models must be prepared individually according to the distance between the ground and the capacitor. As shown in FIG. 4, the frequency characteristic ΔL / Δf of the parasitic inductance of the capacitor is The distance h between the ground and the component does not change. Further, since the current concentrates on the bottom surface mainly due to the skin effect, the inductance of the high frequency capacitor can be easily corrected at every high frequency h between the ground and the component. For this reason, an equivalent circuit model is provided in which a correction inductance expressed as a function with a distance h between different grounds and a component as a variable is provided based on an equivalent circuit model at a distance h between any ground and the component. By doing so, the capacitor can be expressed by one equivalent circuit model.

以上のようにして提案される表面実装型受動部品モデル2は、図5に示すような回路モデル作成装置100により作成される。   The surface-mounted passive component model 2 proposed as described above is created by a circuit model creation device 100 as shown in FIG.

すなわち、回路モデル作成装置100は、キーボードなどの入力部110、CPU120、ROM130、RAM140、ハードディスクやフラッシュメモリなどの大容量記憶装置150、及び、LCDなどの表示部160を備えるコンピュータである。   That is, the circuit model creation device 100 is a computer including an input unit 110 such as a keyboard, a CPU 120, a ROM 130, a RAM 140, a mass storage device 150 such as a hard disk or a flash memory, and a display unit 160 such as an LCD.

入力部110には、モデル作成対象となる受動素子に関する入力情報が入力される。すなわち、入力部110には、入力情報として、実装状態に依存せずに定まる受動素子の素子特性と、受動素子が表面実装される実装面から帰還電流が流れるグランド層までの距離とが対応付けられた情報が入力される。入力部110は、入力情報をCPU120に通知する。   The input unit 110 receives input information related to a passive element that is a model creation target. That is, the input unit 110 associates, as input information, the element characteristics of the passive element determined without depending on the mounting state and the distance from the mounting surface on which the passive element is surface-mounted to the ground layer where the feedback current flows. Entered information is input. The input unit 110 notifies the CPU 120 of input information.

CPU120は、大容量記憶装置150に記憶されているモデル作成用のプログラムを読み出して、RAM140に展開して実行することにより、内部に次のような処理部を実現する。すなわち、CPU120は、入力部110から通知された入力情報に基づいて受動素子が表面実装された基本等価回路モデルを作成する基本等価回路モデル作成部121と、基本等価回路モデル作成部121により作成された基本等価回路モデルについて実装状態を変化させたときの寄生インダクタンスの変化を取得するための寄生インダクタンス情報取得部122と、寄生インダクタンス情報取得部122により取得された情報に基づいて等価回路モデル情報を作成して出力する等価回路モデル情報作成部123とからなる。   The CPU 120 reads out a model creation program stored in the large-capacity storage device 150, develops it in the RAM 140, and executes it, thereby realizing the following processing unit. That is, the CPU 120 is created by a basic equivalent circuit model creation unit 121 that creates a basic equivalent circuit model in which passive elements are surface-mounted based on input information notified from the input unit 110, and a basic equivalent circuit model creation unit 121. The parasitic inductance information acquisition unit 122 for acquiring a change in parasitic inductance when the mounting state of the basic equivalent circuit model is changed, and the equivalent circuit model information based on the information acquired by the parasitic inductance information acquisition unit 122 It comprises an equivalent circuit model information creation unit 123 that creates and outputs it.

基本等価回路モデル作成部121は、入力部110から通知された入力情報に基づいて受動素子が表面実装された基本等価回路モデルを作成する。具体的に、基本等価回路モデル作成部121は、受動素子が表面実装される実装面から帰還電流が流れるグランド層までの距離が、入力部110により入力された所定値である回路基板に、受動素子が表面実装された基本等価回路モデルを作成する。   The basic equivalent circuit model creation unit 121 creates a basic equivalent circuit model in which passive elements are surface-mounted based on input information notified from the input unit 110. Specifically, the basic equivalent circuit model creation unit 121 passively applies a circuit board in which the distance from the mounting surface on which the passive element is surface-mounted to the ground layer through which the feedback current flows is a predetermined value input by the input unit 110. Create a basic equivalent circuit model with elements mounted on the surface.

例えば、受動素子を回路基板に実装した際の実装状態を精度良く表現するため、基本等価回路モデル作成部121は、受動素子の特性を表す第1の回路モデルに、帰還電流が流れる帰還経路による寄生インダクタンスを表す第2の回路モデルを直列接続した基本等価回路モデルを作成する。   For example, in order to accurately express the mounting state when the passive element is mounted on the circuit board, the basic equivalent circuit model creation unit 121 uses the feedback path through which the feedback current flows in the first circuit model representing the characteristics of the passive element. A basic equivalent circuit model is created in which a second circuit model representing parasitic inductance is connected in series.

寄生インダクタンス情報取得部122は、基本等価回路モデル作成部121により作成された基本等価回路モデルに対して、実装状態を変化させたときの寄生インダクタンスの変化を取得するため、次のような処理を行う。すなわち、寄生インダクタンス情報取得部122は、基本等価回路モデルに対し、実装面からグランド層までの距離を変数とした寄生インダクタンスの変化を取得する。なお、寄生インダクタンスの変化は、実装面からグランド層までの距離が異なる回路基板を用いて実測した実測値に対して、最小自乗法などによる補間処理を施して取得するようにしてもよいが、後述するような基本等価回路モデルに含まれるパラメータを変更する解析処理によって取得するようにしてもよい。   The parasitic inductance information acquisition unit 122 performs the following processing to acquire the change in parasitic inductance when the mounting state is changed with respect to the basic equivalent circuit model created by the basic equivalent circuit model creation unit 121. Do. That is, the parasitic inductance information acquisition unit 122 acquires a change in parasitic inductance with the distance from the mounting surface to the ground layer as a variable for the basic equivalent circuit model. The change in the parasitic inductance may be obtained by performing an interpolation process such as a least square method on an actual measurement value measured using a circuit board having a different distance from the mounting surface to the ground layer, You may make it acquire by the analysis process which changes the parameter contained in a basic equivalent circuit model which is mentioned later.

等価回路モデル情報作成部123は、寄生インダクタンス情報取得部122により取得された寄生インダクタンスの変化を基本等価回路モデルに反映することにより、実装面からグランド層までの距離が任意の等価回路モデル情報を作成する。   The equivalent circuit model information creation unit 123 reflects the change in the parasitic inductance acquired by the parasitic inductance information acquisition unit 122 in the basic equivalent circuit model, so that the equivalent circuit model information having an arbitrary distance from the mounting surface to the ground layer is obtained. create.

第1の具体例として、等価回路モデル情報作成部123は、基本等価回路モデルと、寄生インダクタンス情報取得部122により取得された寄生インダクタンスの変化を実装面からグランド層までの距離を変数として表した関数とを対応付けた情報を、任意の等価回路モデル情報として作成する。   As a first specific example, the equivalent circuit model information creation unit 123 represents the basic equivalent circuit model and the change in parasitic inductance acquired by the parasitic inductance information acquisition unit 122 with the distance from the mounting surface to the ground layer as a variable. Information corresponding to the function is created as arbitrary equivalent circuit model information.

第2の具体例として、等価回路モデル情報作成部123は、図6に示すように、基本等価回路モデルと、実装面からグランド層までの各距離に対応する寄生インダクタンス情報取得部122により取得された寄生インダクタンスとを対応付けた情報を、任意の等価回路モデル情報として作成する。すなわち、等価回路モデル情報作成部123は、実装面からグランド層までの距離hを60[μm]に設定して作成された基本等価回路モデル171と、実装面からグランド層までの距離を任意に変更したときの寄生インダクタンステーブル172とを対応付けた画像情報を表示部160に表示する。なお、寄生インダクタンスは、寄生インダクタンステーブル172のように離散値で表示する場合に限定されず、上述した第1の具体例のように、実装面からグランド層までの距離を変数として表した関数を表示してもよい。   As a second specific example, as shown in FIG. 6, the equivalent circuit model information creation unit 123 is acquired by a basic equivalent circuit model and a parasitic inductance information acquisition unit 122 corresponding to each distance from the mounting surface to the ground layer. Information corresponding to the parasitic inductance is created as arbitrary equivalent circuit model information. That is, the equivalent circuit model information creation unit 123 arbitrarily sets the basic equivalent circuit model 171 created by setting the distance h from the mounting surface to the ground layer to 60 [μm], and the distance from the mounting surface to the ground layer. Image information in association with the parasitic inductance table 172 when changed is displayed on the display unit 160. The parasitic inductance is not limited to the case of displaying discrete values as in the parasitic inductance table 172, and a function that represents the distance from the mounting surface to the ground layer as a variable as in the first specific example described above. It may be displayed.

また、等価回路モデル情報作成部123は、表示部160に上述したモデル情報を表示するのに限定されず、例えば同じ情報を印刷装置により印刷して、実際の表面実装部品の付属情報として、この表面実装部品を使用するユーザに提供するようにしてもよい。   Further, the equivalent circuit model information creation unit 123 is not limited to displaying the above-described model information on the display unit 160. For example, the same information is printed by a printing apparatus, and this information is attached as actual surface-mounted component information. You may make it provide to the user who uses surface mount components.

以上のような構成からなる回路モデル作成装置100は、基本等価回路モデルにおける寄生インダクタンスの変化を、実装面からグランド層までの距離を変数として取得し、取得された寄生インダクタンスの変化を基本等価回路モデルに反映して、実装面からグランド層までの距離が任意の等価回路モデル情報を作成することにより、受動素子の実装状態に応じた回路特性を精度良く表現できるので、電源回路のシミュレーション精度を上げることが可能な等価回路モデルを比較的、簡単な表現でユーザに提供することができる。例えば、受動部品メーカは、回路モデル作成装置100により作成された精度の高い等価回路パラメータを、顧客であるユーザに提供することが可能となる。   The circuit model creation device 100 configured as described above acquires the change in parasitic inductance in the basic equivalent circuit model using the distance from the mounting surface to the ground layer as a variable, and uses the obtained change in parasitic inductance as the basic equivalent circuit. By reflecting the model and creating equivalent circuit model information with an arbitrary distance from the mounting surface to the ground layer, it is possible to accurately express the circuit characteristics according to the mounting state of the passive elements. An equivalent circuit model that can be increased can be provided to the user with a relatively simple expression. For example, the passive component manufacturer can provide a user who is a customer with highly accurate equivalent circuit parameters created by the circuit model creation device 100.

このようにして精度の高い回路モデルを提供できるのは、高周波におけるコンデンサのインダクタンスは電流が底面に集中するため、高周波では実装面からグランドまでの距離hを変数とした関数を用いることで、インダクタンスを容易に補正できるからである。また、いずれかの実装面からグランド層までの距離hでの等価回路モデルを基準とし、これと異なる距離h’により決まる寄生インダクタンスを付加する等価回路モデル情報は、従来通りコンデンサを一つの等価回路モデルで表現できるからである。   In this way, a highly accurate circuit model can be provided because the inductance of a capacitor at high frequency concentrates the current on the bottom surface. Therefore, at high frequency, the function using the distance h from the mounting surface to the ground as a variable can be used. It is because it can correct | amend easily. In addition, equivalent circuit model information for adding a parasitic inductance determined by a distance h ′ different from the equivalent circuit model at a distance h from any mounting surface to the ground layer is as follows. This is because it can be expressed by a model.

次に、以上のような構成からなる回路モデル作成装置100により作成された表面実装型受動部品モデル2を用いて回路基板の回路特性のシミュレーションを行うシミュレーション装置200について説明する。   Next, a simulation apparatus 200 that simulates the circuit characteristics of the circuit board using the surface-mounted passive component model 2 created by the circuit model creation apparatus 100 having the above configuration will be described.

シミュレーション装置200は、図7に示すように、キーボードなどの入力部210、CPU220、ROM230、RAM240、ハードディスクやフラッシュメモリなどの大容量記憶装置250、及び、LCDなどの表示部260を備えるコンピュータである。   As shown in FIG. 7, the simulation apparatus 200 is a computer including an input unit 210 such as a keyboard, a CPU 220, a ROM 230, a RAM 240, a mass storage device 250 such as a hard disk or a flash memory, and a display unit 260 such as an LCD. .

入力部210には、受動素子の特性と、受動素子が表面実装される回路基板において受動素子が表面実装される実装面から帰還電流が流れるグランド層までの距離とが設定された設定情報が入力される。入力部110は、設定情報をCPU120に通知する。   The input unit 210 receives setting information in which the characteristics of the passive element and the distance from the mounting surface on which the passive element is surface-mounted to the ground layer on which the feedback current flows are set on the circuit board on which the passive element is surface-mounted. Is done. The input unit 110 notifies the CPU 120 of setting information.

大容量記憶装置250は、上述した回路モデル作成装置100により作成された等価回路モデルに係る情報を記憶している。   The mass storage device 250 stores information relating to the equivalent circuit model created by the circuit model creation device 100 described above.

すなわち、大容量記憶装置250は、実装面からグランド層までの距離が所定値である回路基板に表面実装された受動素子に対応する基本等価回路モデルに対して、この距離を変数として取得された寄生インダクタンスの変化を反映した任意の等価回路モデル情報が記憶されている。すなわち、大容量記憶装置250は、実装面から帰還電流が流れるグランド層までの距離が所定値である回路基板に受動素子が表面実装された基本等価回路モデルを示す基本等価回路モデル情報251と、基本回路基板モデルに対して実装面からグランド層までの距離を変数とした寄生インダクタンスの変化を示す寄生インダクタンス情報252とを対応付けて記憶している。ここで、寄生インダクタンス情報252は、実装面からグランド層までの距離を変数とした寄生インダクタンスの変化を、連続値で表した関数又は離散値として表したルックアップテーブルである。   That is, the mass storage device 250 is obtained using this distance as a variable for a basic equivalent circuit model corresponding to a passive element surface-mounted on a circuit board having a predetermined distance from the mounting surface to the ground layer. Arbitrary equivalent circuit model information reflecting changes in parasitic inductance is stored. That is, the mass storage device 250 includes basic equivalent circuit model information 251 indicating basic equivalent circuit model in which a passive element is surface-mounted on a circuit board having a predetermined value from a mounting surface to a ground layer through which a feedback current flows. The basic circuit board model is stored in association with parasitic inductance information 252 indicating a change in parasitic inductance with the distance from the mounting surface to the ground layer as a variable. Here, the parasitic inductance information 252 is a look-up table that represents a change in parasitic inductance using a distance from the mounting surface to the ground layer as a variable as a function represented by a continuous value or a discrete value.

また、大容量記憶装置250は、回路基板の回路特性をシミュレーションするためのプログラムが記憶されている。   The mass storage device 250 stores a program for simulating circuit characteristics of the circuit board.

CPU220は、大容量記憶装置250に記憶されているシミュレーション用のプログラムを読み出してRAM240に展開して実行することにより、次のような解析部221が実現される。   The CPU 220 reads out a simulation program stored in the large-capacity storage device 250, develops it in the RAM 240, and executes it, thereby realizing the following analysis unit 221.

解析部221は、入力部210に入力された設定情報に応じて、大容量記憶装置250から基本等価回路モデル情報251と寄生インダクタンス情報252とを読み出して、読み出した情報に基づいて回路特性の解析を行う。具体的に、解析部221は、大容量記憶装置250から、基本等価回路モデルと、基本回路基板モデルの実装面からグランド層までの距離を変数とした寄生インダクタンスの変化とを読み出す。解析部221は、設定情報で示されている実装面からグランド層までの距離に対応して寄生インダクタンスを補正した等価回路モデルを用いて回路特性を解析する。解析部221は、回路特性を解析した解析結果を表示部260に表示する。   The analysis unit 221 reads the basic equivalent circuit model information 251 and the parasitic inductance information 252 from the mass storage device 250 according to the setting information input to the input unit 210, and analyzes circuit characteristics based on the read information. I do. Specifically, the analysis unit 221 reads from the large-capacity storage device 250 the basic equivalent circuit model and the change in parasitic inductance with the distance from the mounting surface of the basic circuit board model to the ground layer as a variable. The analysis unit 221 analyzes circuit characteristics using an equivalent circuit model in which parasitic inductance is corrected corresponding to the distance from the mounting surface to the ground layer indicated by the setting information. The analysis unit 221 displays the analysis result obtained by analyzing the circuit characteristics on the display unit 260.

このような構成からなるシミュレーション装置200は、図8に示すようなフローチャートに従って、プリント回路基板の回路特性についてシミュレーションを実行する。   The simulation apparatus 200 having such a configuration performs a simulation on the circuit characteristics of the printed circuit board according to the flowchart shown in FIG.

ステップS1において、入力部210には、ユーザにより設計されたプリント回路基板PCBの回路モデルが入力される。すなわち、入力部210には、プリント回路基板PCBに実装される受動素子の特性と、受動素子が表面実装されるプリント回路基板PCBにおいて受動素子が表面実装される実装面から帰還電流が流れるグランド層までの距離とが設定された設定情報が入力される。   In step S1, a circuit model of the printed circuit board PCB designed by the user is input to the input unit 210. That is, the input unit 210 includes a characteristic of a passive element mounted on the printed circuit board PCB and a ground layer in which a feedback current flows from a mounting surface on which the passive element is surface-mounted in the printed circuit board PCB on which the passive element is surface-mounted. Setting information in which the distance to is set is input.

ステップS2において、解析部221は、設定情報で示される実装面からグランド層までの距離情報に基づいて、大容量記憶装置250の寄生インダクタンス情報252を参照して、最適な寄生インダクタンスの値を選択する。これにより、解析部221は、設計対象のプリント回路基板の断面構造に最も適した等価回路モデルの選択を行うことができる。   In step S2, the analysis unit 221 selects an optimal parasitic inductance value by referring to the parasitic inductance information 252 of the mass storage device 250 based on the distance information from the mounting surface indicated by the setting information to the ground layer. To do. Thereby, the analysis unit 221 can select an equivalent circuit model most suitable for the cross-sectional structure of the printed circuit board to be designed.

ステップS3において、解析部221は、ステップS2により選択された寄生インダクタンスで定義された受動素子の等価回路モデルを回路基板モデルに接続する。   In step S3, the analysis unit 221 connects the equivalent circuit model of the passive element defined by the parasitic inductance selected in step S2 to the circuit board model.

ステップS4において、解析部221は、ステップS3により受動素子の等価回路モデルが接続された回路基板モデルについて、電源網入力インピーダンスの解析を行う。   In step S4, the analysis unit 221 analyzes the power supply network input impedance for the circuit board model to which the equivalent circuit model of the passive element is connected in step S3.

以上のようにして、シミュレーション装置200は、入力部210により入力された設定情報で示される実装面からグランド層までの距離に対応して寄生インダクタンスを補正した等価回路モデルを用いて回路特性を解析することにより、受動素子の実装状態に応じた回路特性を精度良く表現してシミュレーションを行うことができるので、従来の経験的な回路設計を置き換え、設計精度の向上と設計工数の削減に寄与することができる。   As described above, the simulation apparatus 200 analyzes the circuit characteristics using the equivalent circuit model in which the parasitic inductance is corrected in accordance with the distance from the mounting surface to the ground layer indicated by the setting information input by the input unit 210. By doing so, it is possible to perform simulation by accurately expressing circuit characteristics according to the mounting state of passive elements, so that it replaces the conventional empirical circuit design, contributing to improvement of design accuracy and reduction of design man-hours. be able to.

ところで、回路モデル作成装置100により作成される表面実装型受動部品モデルが、相対向する複数の内部電極と誘電体層とを相互に積層させて構成された積層型セラミックチップコンデンサである場合には、精度向上の観点から、次のような手法により等価回路モデルを作成することが望ましい。   By the way, when the surface mount type passive component model created by the circuit model creation device 100 is a multilayer ceramic chip capacitor configured by mutually laminating a plurality of opposing internal electrodes and dielectric layers. From the viewpoint of improving accuracy, it is desirable to create an equivalent circuit model by the following method.

すなわち、精度向上の観点から、回路モデル作成装置100において、寄生インダクタンス情報取得部122は、基本等価回路モデル作成部121により作成された等価回路モデルに対して、実装面からグランド層までの距離の変化を変化させたときの、積層型セラミックチップコンデンサの基本自己共振周波数よりも高周波領域における寄生インダクタンスの変化を解析して、解析結果を寄生インダクタンス情報として等価回路モデル情報作成部123に通知する。   That is, from the viewpoint of improving accuracy, in the circuit model creation device 100, the parasitic inductance information acquisition unit 122 determines the distance from the mounting surface to the ground layer with respect to the equivalent circuit model created by the basic equivalent circuit model creation unit 121. When the change is changed, the change of the parasitic inductance in the higher frequency region than the basic self-resonance frequency of the multilayer ceramic chip capacitor is analyzed, and the analysis result is notified to the equivalent circuit model information creating unit 123 as the parasitic inductance information.

また、基本等価回路モデル作成部121は、積層型セラミックチップコンデンサのキャパシタンスを含む回路特性を示す回路モデルの両端に、積層型セラミックチップコンデンサの基本自己共振周波数よりも高周波領域における寄生インダクタンスを示す回路モデルをそれぞれ直列接続した等価回路モデルを作成する。   In addition, the basic equivalent circuit model creating unit 121 is a circuit that shows parasitic inductance in a higher frequency region than the basic self-resonant frequency of the multilayer ceramic chip capacitor at both ends of the circuit model showing the circuit characteristics including the capacitance of the multilayer ceramic chip capacitor. An equivalent circuit model is created by connecting the models in series.

また、基本等価回路モデル作成部121は、積層型セラミックチップコンデンサのキャパシタンスを含む回路特性を示す回路モデルとして、積層型セラミックチップコンデンサの基本自己共振周波数から高周波数領域に亘る各自己共振周波数に対応する共振回路モデルが、複数並列接続されたモデルを作成する。   Further, the basic equivalent circuit model creation unit 121 corresponds to each self-resonant frequency from the basic self-resonant frequency of the multilayer ceramic chip capacitor to the high frequency region as a circuit model indicating circuit characteristics including the capacitance of the multilayer ceramic chip capacitor. A model in which a plurality of resonant circuit models are connected in parallel is created.

以下では、精度良く積層型セラミックチップコンデンサの基本等価回路モデルを導出するための具体的な手法を、実測値を用いた検証結果を踏まえて説明する。   In the following, a specific method for deriving a basic equivalent circuit model of a multilayer ceramic chip capacitor with high accuracy will be described based on verification results using measured values.

図9(A)及び図9(B)に示すように、グランド層300aと誘電体層300bとからなるプリント回路基板300の表面に実装された積層型セラミックチップコンデンサ301は、図9(B)に示すように、高い静電容量を達成するために多数の積層導体プレートを持つ。例えば小さい1005サイズ(1.0×0.5mm)コンデンサでも、100以上のプレートを含むのが通常である。ここで三次元全波電磁シミュレーションの薄板構造を分解するために必要となるメッシュはとても細いので、このようなメッシュを用いた分析方法は非現実的である。積層型セラミックチップコンデンサ301が多数の導体からなることを考慮すると、積層型セラミックチップコンデンサ301内のプレートと絶縁体とは、内部薄板スペーシングがy方向における空間波モードよりも小さい限り、1つの有効媒質として扱うことで、効率よく周波数特性を分析することができる。 As shown in FIGS. 9A and 9B, the multilayer ceramic chip capacitor 301 mounted on the surface of the printed circuit board 300 composed of the ground layer 300a and the dielectric layer 300b is shown in FIG. As shown in FIG. 2, a large number of laminated conductor plates are used to achieve a high capacitance. For example, even a small 1005 size (1.0 × 0.5 mm 2 ) capacitor typically contains 100 or more plates. Here, since the mesh required for decomposing the thin plate structure of the three-dimensional full-wave electromagnetic simulation is very thin, an analysis method using such a mesh is unrealistic. In consideration of the fact that the multilayer ceramic chip capacitor 301 is composed of a large number of conductors, the plate and the insulator in the multilayer ceramic chip capacitor 301 are each one as long as the internal thin plate spacing is smaller than the spatial wave mode in the y direction. By treating it as an effective medium, frequency characteristics can be analyzed efficiently.

そこで、積層型セラミックチップコンデンサを1つの有効媒質として扱い、下記に示すような二次元モーメント法を用いることで、精度良く積層型セラミックチップコンデンサの特性を解析することができる。   Therefore, by treating the multilayer ceramic chip capacitor as one effective medium and using the two-dimensional moment method as shown below, the characteristics of the multilayer ceramic chip capacitor can be analyzed with high accuracy.

図10は積層型セラミックチップコンデンサのx−y平面の断面図である。x−y平面はz軸に沿ってどこでも同じである。z軸方向に対する垂直方向の磁場、すなわちx−y平面におけるTMフィールドは、導体において、z方向の電流及び電界のみしかないものと扱うことができる。各フィールドは角周波数ωに対して静特性を有する。   FIG. 10 is a cross-sectional view of the multilayer ceramic chip capacitor on the xy plane. The xy plane is the same everywhere along the z-axis. A magnetic field perpendicular to the z-axis direction, that is, a TM field in the xy plane, can be treated as having only a z-direction current and electric field in the conductor. Each field has a static characteristic with respect to the angular frequency ω.

これは、z方向の電流のみ存在し、下記の(1)式に示すrにおけるベクトル・ポテンシャルは、z方向の要素のみ持つからである。   This is because only the current in the z direction exists, and the vector potential at r shown in the following equation (1) has only elements in the z direction.

Figure 0005246785
Figure 0005246785

ここで、μは透磁率、vは電流の流れるセルの電圧、Jはセルの電流密度である。z座標周りの積分は、下記の(2)式の二次元磁気ベクトル・ポテンシャルにより導出される。 Here, μ 0 is the magnetic permeability, v is the voltage of the cell through which the current flows, and J z is the current density of the cell. The integral around the z coordinate is derived from the two-dimensional magnetic vector potential of the following equation (2).

Figure 0005246785
Figure 0005246785

ここで、Sはすべての金属薄板の断面積を示す。電界はAzで表され、スカラ・ポテンシャルφは、下記の(3)式で表される。   Here, S shows the cross-sectional area of all the metal thin plates. The electric field is represented by Az, and the scalar potential φ is represented by the following equation (3).

Figure 0005246785
Figure 0005246785

バルク導電体を解析するため、多くのモーメント法では、オームの法則Jz=Ezが電流密度と電界の関係を表すのに用いられる。xy平面における統一分布キャパシタンスを考慮するために、上記の関係を、下記の(4)式のように変更する。   In order to analyze bulk conductors, in many moment methods, Ohm's law Jz = Ez is used to represent the relationship between current density and electric field. In order to consider the unified distributed capacitance in the xy plane, the above relationship is changed to the following equation (4).

Figure 0005246785
Figure 0005246785

ここで、cとσはそれぞれ単位体積ごとのキャパシタンス、伝導性を示す。すなわち、(4)式は二次元想定によるz方向キャパシタンスである。   Here, c and σ represent capacitance and conductivity for each unit volume, respectively. That is, Equation (4) is a z-direction capacitance based on a two-dimensional assumption.

(3)式、(2)式を(4)式に代入すると、下記の(5)式に示すような、電流密度Jzの積分方程式が得られる。   Substituting Equations (3) and (2) into Equation (4) yields an integral equation of current density Jz as shown in Equation (5) below.

Figure 0005246785
Figure 0005246785

(5)式において、左辺の第2の項は、インダクタンスjωLに対応する。この(5)式は、各セルのLCR直列回路モデルとして見なすことができる。   In the equation (5), the second term on the left side corresponds to the inductance jωL. This equation (5) can be regarded as an LCR series circuit model of each cell.

ここで、式(5)の積分方程式は、次のようなモーメント法により効率的に解くことができる。   Here, the integral equation of Equation (5) can be efficiently solved by the following moment method.

まず、各導体の断面を複数の長方形のセルに分割する。図10に示すような積層型セラミックチップコンデンサのグランド構造を考慮すると、モデルは2つの導体グループ(p=1,2)を持つ。積層型セラミックチップコンデンサとグラウンド層は両方npセルに分割される。そして、基底関数は各導体毎に定義される。ここで、下記の(6)式のような、各セルで電流が均一して流れるパルス関数fpi(r)のセットを用いる。   First, the cross section of each conductor is divided into a plurality of rectangular cells. Considering the ground structure of the multilayer ceramic chip capacitor as shown in FIG. 10, the model has two conductor groups (p = 1, 2). Both the multilayer ceramic chip capacitor and the ground layer are divided into np cells. A basis function is defined for each conductor. Here, a set of pulse functions fpi (r) in which current flows uniformly in each cell, as shown in the following equation (6), is used.

Figure 0005246785
Figure 0005246785

(6)式で基底関数を使うと、電流密度Jは下記の(7)式で表される。 When a basis function is used in the equation (6), the current density Jz is expressed by the following equation (7).

Figure 0005246785
Figure 0005246785

ここでJpiは得たい電流分布と定数である。(7)式を(5)式に代入して、下記の(8)式を導出する。 Here, J pi is the current distribution and constant to be obtained. Substituting equation (7) into equation (5), the following equation (8) is derived.

Figure 0005246785
Figure 0005246785

ここで、Sqiは各セルの断面エリアである。全矩形の重心を一致させて、下記の(9)式の閉構造のカレントループ式を付加すると、数式(8)はJpi及びδφ/δzの一次方程式になる。 Here, S qi is the cross-sectional area of each cell. When the centroids of all the rectangles are made coincident and a closed loop current loop equation of the following equation (9) is added, equation (8) becomes a linear equation of J pi and δφ / δz.

Figure 0005246785
Figure 0005246785

ここで、Iは導体の全電流量であり、任意の境界条件である。 Here, I is the total current amount of the conductor, and is an arbitrary boundary condition.

次に、積層型セラミックチップコンデンサの電気抵抗は、(8)式から得られたスカラ・ポテンシャル傾斜δφ/δzとトータル電流Iの関係によって、下記の(10)式により演算される。   Next, the electrical resistance of the multilayer ceramic chip capacitor is calculated by the following equation (10) based on the relationship between the scalar potential gradient δφ / δz obtained from the equation (8) and the total current I.

Figure 0005246785
Figure 0005246785

ここで、Zは単位長ごとの電気抵抗である。   Here, Z is an electrical resistance for each unit length.

また、等価寄生抵抗は以下の(11)式で表される。   The equivalent parasitic resistance is expressed by the following equation (11).

Figure 0005246785
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また、(4)式から、キャパシタンスは、(11)式で示される抵抗R(ω)に反比例する。よって、等価キャパシタンスC(ω)は下記の(12)式で表される。   Further, from the equation (4), the capacitance is inversely proportional to the resistance R (ω) represented by the equation (11). Therefore, the equivalent capacitance C (ω) is expressed by the following equation (12).

Figure 0005246785
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ここで、Rdc及びCdcはそれぞれ、下記の(13)式で示すような、DC抵抗とキャパシタンスである。 Here, R dc and C dc are DC resistance and capacitance, respectively, as shown by the following equation (13).

Figure 0005246785
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一旦、等価キャパシタンスが測定されると、等価インダクタンスは電気抵抗の虚数部分からキャパシタンス要素を差し引くように演算され、jωによって分割される。   Once the equivalent capacitance is measured, the equivalent inductance is computed to subtract the capacitance element from the imaginary part of the electrical resistance and divided by jω.

Figure 0005246785
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以上のようなモーメント法によって、例えば1005サイズで容量が0.1μFの積層型セラミックチップコンデンサを分析することができる。この積層型セラミックチップコンデンサと等価な幾何学サイズを持つバルク伝導体は、積層型セラミックチップコンデンサの詳細な周波数特性を取得するために、分析及び比較することができる。   By the moment method as described above, for example, a multilayer ceramic chip capacitor having a size of 1005 and a capacitance of 0.1 μF can be analyzed. Bulk conductors having a geometric size equivalent to this multilayer ceramic chip capacitor can be analyzed and compared to obtain detailed frequency characteristics of the multilayer ceramic chip capacitor.

図10に示すように、積層型セラミックチップコンデンサ301の埋め込み板は、コンデンサのアウトラインに間隔h’を持ち、プリント回路基板300の表面からパッド電極及びはんだ付の厚さによる高度h”がある。   As shown in FIG. 10, the embedded plate of the multilayer ceramic chip capacitor 301 has an interval h ′ in the outline of the capacitor and has an altitude h ″ from the surface of the printed circuit board 300 depending on the thickness of the pad electrode and the solder.

ここで、具体例として、h’=70[μm]、h”=100[μm]、ω=l=400[μm]とする。また、実装面からグランド層までの距離として誘電体の厚さhを100[μm]とする。プレートの伝導率をσ=3.15×104[S/m]とした場合、測定抵抗20[mΩ]と適合するように測定される。断面は20×20方形セルに分割され、全体的に指数関数的に減少している。これは、近接効果を正確に得るためである。グランド層はイメージ法で考慮される。   Here, as a specific example, h ′ = 70 [μm], h ″ = 100 [μm], and ω = l = 400 [μm]. Also, the thickness of the dielectric as the distance from the mounting surface to the ground layer h is 100 [μm] When the conductivity of the plate is σ = 3.15 × 104 [S / m], it is measured so as to be compatible with the measurement resistance of 20 [mΩ]. It is divided into square cells and decreases exponentially as a whole, in order to obtain the proximity effect accurately, the ground layer is considered in the image method.

図11(A)、図11(B)、図11(C)は、それぞれ同次元の積層型セラミックチップコンデンサとバルク伝導体の演算されたインピーダンス、抵抗、インダクタンスの周波数特性を示すグラフである。これらの図から明らかなように、積層型セラミックチップコンデンサとバルク伝導体には、30[MHz]のLC直列共振周波数を超える異なる周波数特性がある。また、積層型セラミックチップコンデンサの抵抗とインダクタンスは60MHzにねじれがある。また、100[MHz]を超えると、積層型セラミックチップコンデンサとバルク伝導体との2つの要素の特性が適合する。   FIG. 11A, FIG. 11B, and FIG. 11C are graphs showing the frequency characteristics of the calculated impedance, resistance, and inductance of the same dimension multilayer ceramic chip capacitor and bulk conductor, respectively. As is clear from these figures, the multilayer ceramic chip capacitor and the bulk conductor have different frequency characteristics exceeding the LC series resonance frequency of 30 [MHz]. The resistance and inductance of the multilayer ceramic chip capacitor are twisted at 60 MHz. When the frequency exceeds 100 [MHz], the characteristics of the two elements of the multilayer ceramic chip capacitor and the bulk conductor are suitable.

これらの現象は、誘導性リアクタンスが抵抗を超える周波数で導体のボトムエッジから電流が再分配されることを示唆する。   These phenomena suggest that current is redistributed from the bottom edge of the conductor at frequencies where the inductive reactance exceeds the resistance.

このような周波数特性から明らかなように、積層型セラミックチップコンデンサの基本自己共振周波数よりも高周波領域における寄生インダクタンスを考慮してモデル化を行うことで、プリント回路基板の実装状態を精度良く表現した等価回路モデルを導出することができる。   As is clear from these frequency characteristics, the mounting state of the printed circuit board was accurately represented by modeling in consideration of the parasitic inductance in the high frequency region than the basic self-resonant frequency of the multilayer ceramic chip capacitor. An equivalent circuit model can be derived.

また、図12は、上述したモーメント法によって得られた電流分布を示すグラフである。具体的に、図12(A)、図12(B)、及び、図12(C)は、それぞれ周波数が10MHz、63MHz、1GHzでの電流分布の等高線図を示している。10MHzでの電流分布では、電流はほぼ均一して分布している。1GHzでは、電流は底部に集中しており、バルク伝導体の電流分布と同様である。図12(B)に示すように、63MHzの第2の共振周波数で、電流は、インダクタンスが統一電流分布の場合より大きい中央周辺に集中している。   FIG. 12 is a graph showing the current distribution obtained by the moment method described above. Specifically, FIG. 12A, FIG. 12B, and FIG. 12C show contour diagrams of current distribution at frequencies of 10 MHz, 63 MHz, and 1 GHz, respectively. In the current distribution at 10 MHz, the current is distributed almost uniformly. At 1 GHz, the current is concentrated at the bottom, similar to the bulk conductor current distribution. As shown in FIG. 12B, at the second resonance frequency of 63 MHz, the current is concentrated around the center where the inductance is larger than in the case of the unified current distribution.

これらの現象により、積層型セラミックチップコンデンサをスタブ伝送線と見なすことができる。このようにして、積層型セラミックチップコンデンサ301をスタブ伝送線401として見なした回路モデル400を図13に示す。一般的に、0.4[mm]のライン長は、60MHzの共振には短すぎる。しかしながら、絶縁媒体の大きな誘電定数による強い波長減少によって共振する。例えば、図11(C)に示すような、インダクタンス増加はスタブ伝送線のλ/2共振とみなすことができ、図12(B)の演算された電流分布に反映されている。   Due to these phenomena, the multilayer ceramic chip capacitor can be regarded as a stub transmission line. A circuit model 400 in which the multilayer ceramic chip capacitor 301 is regarded as the stub transmission line 401 in this way is shown in FIG. In general, a line length of 0.4 [mm] is too short for resonance at 60 MHz. However, it resonates due to strong wavelength reduction due to the large dielectric constant of the insulating medium. For example, the inductance increase as shown in FIG. 11C can be regarded as λ / 2 resonance of the stub transmission line, and is reflected in the calculated current distribution of FIG.

ここで、より高い周波数の他のスタブ伝送線共振が現れないのは、対象の周波数における積層型セラミックチップコンデンサの抵抗成分が影響するからである。   Here, the reason why the other stub transmission line resonance does not appear at a higher frequency is that the resistance component of the multilayer ceramic chip capacitor at the target frequency affects.

例えば、図11(C)及び図12(C)に示すように、電流はλ/2共振周波数を上回る大きな抵抗により再びボトム・コーナーに集結する。これを、実験的に確かめるために、σ=5.6×10[S/m]の低抵抗コンデンサを分析したものを図14に示す。図14に示す結果から、インピーダンスが本質的に直列LC共振周波数を上回る多くの共振点を持つのが明らかとなった。図15は、具体例として第7共振の共振点である200MHzの電流分布を表す。図15に示すように、電流分布は、x及びy方向で強い共振である独特のパターンを示している。これらの結果から明らかなように、積層型セラミックチップコンデンサをスタブ伝送回線としてモデル化することができる。 For example, as shown in FIGS. 11C and 12C, the current is concentrated again at the bottom corner due to a large resistance exceeding the λ / 2 resonance frequency. In order to confirm this experimentally, FIG. 14 shows an analysis of a low-resistance capacitor with σ = 5.6 × 10 7 [S / m]. From the results shown in FIG. 14, it is clear that the impedance has many resonance points that essentially exceed the series LC resonance frequency. FIG. 15 shows a current distribution at 200 MHz, which is the resonance point of the seventh resonance, as a specific example. As shown in FIG. 15, the current distribution shows a unique pattern that is a strong resonance in the x and y directions. As is apparent from these results, the multilayer ceramic chip capacitor can be modeled as a stub transmission line.

正確なコンデンサモデリングのためのもう一つの主要因は、積層型セラミックチップコンデンサが実装される実装状態に引損した特性である外部インダクタンスである。周波数特性と、実装面からグランド層までの距離との関係を解析するために、3つの異なる実装面からグランド層までの距離が、h=60、100、200μmとなるようにしてプリント回路基板に実装された積層型セラミックチップコンデンサの特性について分析し、分析結果を図16に示す。   Another main factor for accurate capacitor modeling is the external inductance, which is a characteristic damaged by the mounting state in which the multilayer ceramic chip capacitor is mounted. In order to analyze the relationship between the frequency characteristics and the distance from the mounting surface to the ground layer, the distance from the three different mounting surfaces to the ground layer is set to h = 60, 100, and 200 μm on the printed circuit board. The characteristics of the mounted multilayer ceramic chip capacitor were analyzed, and the analysis results are shown in FIG.

図16(A)、図16(B)、及び、図16(C)は、それぞれインピーダンスの周波数特性、抵抗の周波数特性、インダクタンスの周波数特性を示すグラフである。これらの図16(A)及び図16(C)では、インピーダンス及びインダクタンスが、実装面からグランド層までの距離hに比例して増加することを示している。他方、図16(B)に示すように、抵抗は逆に、両方向の近接効果により、実装面からグランド層までの距離hに比例して減少することを示している。   FIGS. 16A, 16B, and 16C are graphs showing the frequency characteristics of impedance, the frequency characteristics of resistance, and the frequency characteristics of inductance, respectively. 16A and 16C show that the impedance and the inductance increase in proportion to the distance h from the mounting surface to the ground layer. On the other hand, as shown in FIG. 16B, it is shown that the resistance decreases in proportion to the distance h from the mounting surface to the ground layer due to the proximity effect in both directions.

ユーザレイアウトに従うコンデンサの周波数特性の変更は、実装面からグランド層までの距離hが異なると、これに応じて異なるモデルを必要とする。そこで、特定の実装面からグランド層までの距離hに対応する1つのモデルに対して、距離hを変えたときのモデル作成手法を以下に示す。これは、以下の実測結果に基づいた手法である。   Changing the frequency characteristics of the capacitor according to the user layout requires a different model depending on the distance h from the mounting surface to the ground layer. Therefore, a model creation method when the distance h is changed for one model corresponding to the distance h from a specific mounting surface to the ground layer is shown below. This is a method based on the following actual measurement results.

第1に、抵抗は、インダクタンスに比べて、実装面からグランド層までの距離hの変化により特性が大きく変化しない。第2に、キャパシタンスが周波数領域でインピーダンスの変化に主に影響するので、LC共振より低い周波数のインダクタンスは無視することができる。第3に、表皮効果により、ほとんどすべての電流は底板に集中するので、λ/2の共振よりも低周波数のインダクタンスは、外部インダクタンス、すなわち底板のインダクタンスを変更することによって近似することができる。   First, the resistance of the resistance does not change greatly due to a change in the distance h from the mounting surface to the ground layer, compared to the inductance. Second, since the capacitance mainly affects the impedance change in the frequency domain, the inductance at a frequency lower than the LC resonance can be ignored. Third, because of the skin effect, almost all of the current is concentrated on the bottom plate, so that the inductance at a lower frequency than the resonance of λ / 2 can be approximated by changing the external inductance, ie the inductance of the bottom plate.

以上の第1から第3の分析結果を踏まえると、実装面からグランド層までの距離hが異なると、積層型セラミックチップコンデンサの周波数特性は、下記の(15)式に示すように、既存のモデルの外部インダクタンスを変更することによって補償することができる。   Based on the above first to third analysis results, if the distance h from the mounting surface to the ground layer is different, the frequency characteristics of the multilayer ceramic chip capacitor are as shown in the following equation (15). It can be compensated by changing the external inductance of the model.

Figure 0005246785
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ここで、Lexは、外部インダクタンスである。 Here, L ex is an external inductance.

具体例として、周波数が5[GHz]の電流が底板の端に集中するものとして、十分高い周波数であると仮定して、(15)式中のLexをL(5GHz)と置き換えることによって、下記の(16)式、(17)式が得られる。 As a specific example, assuming that the current having a frequency of 5 [GHz] is concentrated at the edge of the bottom plate and assuming that the frequency is sufficiently high, replacing L ex in the equation (15) with L (5 GHz), The following equations (16) and (17) are obtained.

Figure 0005246785
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図17は、実装面からグランド層までの距離hを、h=100[μm]から、h=60[μm]又は200[μm]に変更した場合の、インピーダンス曲線を表すグラフである。
ここで、実装面からグランド層までの距離hがh=100[μm]の場合、これに対応する寄生インダクタンスは43[pH]である。また、実装面からグランド層までの距離hがh=60[μm]の場合、これに対応する寄生インダクタンスは20[pH]である。図17から明らかなように、距離hを100[μm]とした条件下での等価回路モデルに対して、上記の(17)式を用いて補償した等価回路モデルの変更曲線は精度良く実測値と適合する。
FIG. 17 is a graph showing an impedance curve when the distance h from the mounting surface to the ground layer is changed from h = 100 [μm] to h = 60 [μm] or 200 [μm].
Here, when the distance h from the mounting surface to the ground layer is h = 100 [μm], the corresponding parasitic inductance is 43 [pH]. When the distance h from the mounting surface to the ground layer is h = 60 [μm], the corresponding parasitic inductance is 20 [pH]. As can be seen from FIG. 17, the equivalent circuit model change curve compensated by using the above equation (17) with respect to the equivalent circuit model under the condition where the distance h is 100 [μm] is measured with high accuracy. And fits.

上述した分析結果を踏まえて作成される積層型セラミックチップコンデンサの等価回路モデル500の構造を図18に示す。   FIG. 18 shows the structure of an equivalent circuit model 500 of a multilayer ceramic chip capacitor created on the basis of the analysis results described above.

等価回路モデル500は、図18に示すように、2つの主要部から構成される。すなわち、等価回路モデル500は、コンデンサ内部の伝送ラインをモデル化したLR並列回路ブロック501と、このLR並列回路ブロック501の左右対称的に分離された2つの外部インピーダンスモデルブロック502a、502bとから構成される。ここで、外部インピーダンスモデルブロック502a、502bは、コンデンサ及びコンデンサが実装される実装面からグランド層までの距離を示す幾何的情報で測定される外部インダクタンス及び表皮効果を表すモデルである。   The equivalent circuit model 500 is composed of two main parts as shown in FIG. That is, the equivalent circuit model 500 includes an LR parallel circuit block 501 that models a transmission line inside a capacitor, and two external impedance model blocks 502 a and 502 b that are symmetrically separated from the LR parallel circuit block 501. Is done. Here, the external impedance model blocks 502a and 502b are models representing an external inductance and a skin effect measured by geometric information indicating a capacitor and a distance from a mounting surface on which the capacitor is mounted to a ground layer.

LR並列回路ブロック501は、等価回路モデル500の中央に配置されているLCRはしご型回路であって、当該積層型セラミックチップコンデンサの基本自己共振周波数であるLC直列共振より上の自己共振周波数の伝送線特性を表すモデルである。また、LCRはしご型回路の段数は、積層型セラミックチップコンデンサの固有抵抗によって決定される。   The LR parallel circuit block 501 is an LCR ladder circuit arranged at the center of the equivalent circuit model 500, and transmits a self-resonant frequency above the LC series resonance that is the basic self-resonant frequency of the multilayer ceramic chip capacitor. It is a model representing line characteristics. Further, the number of stages of the LCR ladder circuit is determined by the specific resistance of the multilayer ceramic chip capacitor.

低抵抗コンデンサの場合には、より多くの段数のLCRはしご型回路が必要とされる。LR並列回路ブロック501は、各共振現象が異なる周波数範囲に現れるので、各ブロックが他の部分と独立した挙動を表すことができる。   In the case of a low resistance capacitor, an LCR ladder circuit having a larger number of stages is required. In the LR parallel circuit block 501, since each resonance phenomenon appears in a different frequency range, each block can express a behavior independent of other parts.

また、Lex以外のすべてのパラメータは等しく、実装面からグランド層までの距離に対して独立している。一度、パラメータが測定又は電磁気シミュレーションで測定されると、実装面からグランド層までの距離を変化させたときに変化するパラメータは、上記の(17)式を用いて、外部インダクタンスLexを補償することによって得られる。すなわち、LexがそのPCB構成に最も一致するように、ユーザはコンデンサモデルを変更することができる。 All parameters other than Lex are equal and independent of the distance from the mounting surface to the ground layer. Once the parameters are determined by measurement or electromagnetic simulation, the parameters that change when changing the distance from the mounting surface to the ground layer, using the above equation (17), to compensate for the external inductance L ex Can be obtained. That is, the user can change the capacitor model so that L ex most closely matches the PCB configuration.

等価回路モデル500の各パラメータは1つの測定から決定することができる。まず、実装面からグランド層までの距離に応じて変化する外部インダクタンスLexは、(17)式を用いて計算される。ここで、外部インダクタンスLexは、図10に示すようなhtotal=h+h’+h”を変数として変化する。ここで、h’及びh”は、通常精度良く測定することが難しい。 Each parameter of the equivalent circuit model 500 can be determined from one measurement. First, the external inductance L ex, which changes according to the distance from the mounting surface to the ground layer is calculated using equation (17). Here, the external inductance L ex changes with h total = h + h ′ + h ″ as shown in FIG. 10. Here, h ′ and h ″ are usually difficult to measure with high accuracy.

そこで、モーメント法によって計算されたLexと測定されたインダクタンスを比較することによって、h’+h”を決めることができる。このようにして、モーメント法によって、実装面からグランド層までの距離に応じたLexを計算することができる。 Therefore, h ′ + h ″ can be determined by comparing L ex calculated by the moment method with the measured inductance. In this way, the distance from the mounting surface to the ground layer is determined by the moment method. The corresponding L ex can be calculated.

上述した等価回路モデルについての精度を検証するために、作成された等価回路モデルの周波数特性を実測結果と比較する。実測測定された積層型セラミックチップコンデンサは、シミュレーション状態と同じパラメータとして、サイズが1.0mm×0.5mm、0.1μF及び、実装面からグランド層までの距離を0.06〜0.2mmまで変化させたものを用いる。積層型セラミックチップコンデンサの周波数特性は、2ポート並列の測定手法で測定されるものとする。 In order to verify the accuracy of the above-described equivalent circuit model, the frequency characteristic of the created equivalent circuit model is compared with the actual measurement result. The actually measured multilayer ceramic chip capacitor has the same parameters as in the simulation state, the size is 1.0 mm × 0.5 mm 2 , 0.1 μF, and the distance from the mounting surface to the ground layer is 0.06 to 0.2 mm. Use the ones changed to The frequency characteristics of the multilayer ceramic chip capacitor are measured by a 2-port parallel measurement method.

まずは、実測結果に基づいてh=100[μm]のモデルのパラメータを得る。続いて、上述した(15)式を用いて、実装面からグランド層までの距離に応じて変化するLexを計算する。本実測結果において、例えばh’+h”は、およそ170μmとして推定される。また、LR並列回路ブロック501において、必要なはしご型回路の段数Nは、具体例として5[GHz]の周波数帯域まで正確に測定結果を表すN=6とする。 First, a model parameter of h = 100 [μm] is obtained based on the actual measurement result. Subsequently, L ex that changes in accordance with the distance from the mounting surface to the ground layer is calculated using the above-described equation (15). In this actual measurement result, for example, h ′ + h ″ is estimated as approximately 170 μm. Further, in the LR parallel circuit block 501, the necessary ladder circuit number N is, for example, a frequency band of 5 [GHz]. It is assumed that N = 6 that accurately represents the measurement result.

図19は、実測結果の周波数特性、及び、実装面からグランド層までの距離がh=100μmである等価回路モデルの周波数特性を比較した比較結果である。図19(A)、図19(B)、及び、図19(C)は、それぞれインピーダンスの周波数特性、抵抗の周波数特性、インダクタンスの周波数特性を示すグラフである。なお、はしご型回路の段数をN=1とした等価回路モデルを、比較例として図19中に示している。   FIG. 19 is a comparison result comparing the frequency characteristics of the actual measurement results and the frequency characteristics of the equivalent circuit model in which the distance from the mounting surface to the ground layer is h = 100 μm. FIGS. 19A, 19B, and 19C are graphs showing the frequency characteristics of impedance, the frequency characteristics of resistance, and the frequency characteristics of inductance, respectively. Note that an equivalent circuit model in which the number of stages of the ladder circuit is N = 1 is shown in FIG. 19 as a comparative example.

また、下記の表1は、図19に示す各等価回路モデルの結果として生じるパラメータを示したものである。   Table 1 below shows parameters generated as a result of each equivalent circuit model shown in FIG.

Figure 0005246785
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図19に示す比較結果から、N=6として設計された等価回路モデルは、N=1として設計された等価回路モデルとに比べて、実測結果と精度良く適合することが明らかである。   From the comparison results shown in FIG. 19, it is clear that the equivalent circuit model designed with N = 6 matches the actual measurement result with higher accuracy than the equivalent circuit model designed with N = 1.

図20は、インダクタンスの周波数特性について、N=6として設計された等価回路モデルと実測結果との比較を示すグラフである。図20において、「h=60μm」及び「h=200μm」は、それぞれ実装面からグランド層までの距離h=60μm及びh=200μmに変化させた等価回路モデルの周波数特性を示している。すなわち、この2つの等価回路モデルは、「h=100μm」の等価回路モデルを基準として、上述したように(15)式を用いた補償手法によってモデルの特性を変更させたものである。図20に示すように、これらの等価回路モデルでは、実装面からグランド層までの距離に起因したインダクタンスの周波数特性の変化を正確に予測することができる。   FIG. 20 is a graph showing a comparison between an equivalent circuit model designed with N = 6 and an actual measurement result with respect to the frequency characteristic of the inductance. In FIG. 20, “h = 60 μm” and “h = 200 μm” indicate the frequency characteristics of the equivalent circuit model in which the distance from the mounting surface to the ground layer is changed to h = 60 μm and h = 200 μm, respectively. That is, these two equivalent circuit models are obtained by changing the characteristics of the models by the compensation method using the equation (15) as described above with reference to the equivalent circuit model of “h = 100 μm”. As shown in FIG. 20, in these equivalent circuit models, it is possible to accurately predict the change in the frequency characteristic of the inductance due to the distance from the mounting surface to the ground layer.

比較例として、実装面からグランド層までの距離の変化に応じて外部インダクタンスを変更しない場合、1GHzのインダクタンスにおいて、実測値に対する誤差は、「h=60」及び「h=200μm」の等価回路モデルで、それぞれおよそ15%である。これに対して、実装面からグランド層までの距離の変化に応じて外部インダクタンスを変更した等価回路モデルでは、それぞれ、実測値に対する誤差が6%及び3%であり、上記の比較例に比べて精度良くモデル化できる。   As a comparative example, when the external inductance is not changed in accordance with the change in the distance from the mounting surface to the ground layer, the equivalent circuit model of “h = 60” and “h = 200 μm” is used as the error with respect to the actually measured value in the 1 GHz inductance. Each is about 15%. On the other hand, in the equivalent circuit model in which the external inductance is changed according to the change in the distance from the mounting surface to the ground layer, the errors with respect to the actual measurement values are 6% and 3%, respectively, compared with the above comparative example. Model accurately.

上述したように、積層型セラミックチップコンデンサの電流分布を分析する二次元モーメント法を利用して、回路モデル作成装置100は、精密な物理系モデルを導出することができる。具体的に、回路モデル作成装置100は、積層型セラミックチップコンデンサの物理モデルである多層導体板を均一な分布キャパシタンスと近似することで、モデル化誤差の少ない等価回路モデルを導出することができる。また、回路モデル作成装置100は、モーメント法を用いて測定された周波数応答のキンクを、計算された電流分布によってはっきり表すことができる。また、回路モデル作成装置100は、積層型セラミックチップコンデンサが直列LC回路の共振周波数よりも高い伝送線の共振と類似するようにして、精度良く等価回路モデルを導出することができる。回路モデル作成装置100は、導電率と誘電率とのバランスのため、低次元の共振だけについても、実際の積層型セラミックチップコンデンサの特性を表現することができる。   As described above, the circuit model creation apparatus 100 can derive a precise physical system model using the two-dimensional moment method for analyzing the current distribution of the multilayer ceramic chip capacitor. Specifically, the circuit model creation apparatus 100 can derive an equivalent circuit model with less modeling error by approximating a multilayer conductor plate, which is a physical model of a multilayer ceramic chip capacitor, to a uniform distributed capacitance. Further, the circuit model creation apparatus 100 can clearly represent the kink of the frequency response measured using the moment method by the calculated current distribution. In addition, the circuit model creation device 100 can derive an equivalent circuit model with high accuracy so that the multilayer ceramic chip capacitor is similar to the resonance of the transmission line higher than the resonance frequency of the series LC circuit. The circuit model creation device 100 can express the characteristics of an actual multilayer ceramic chip capacitor only for low-dimensional resonance because of the balance between conductivity and dielectric constant.

以上の解析結果に基づいて、回路モデル作成装置100は、伝送線、表皮効果、及び外部インダクタンスとしての回路を備えている等価回路モデルを作成することができる。また、回路モデル作成装置100は、実装面からグランド層までの距離を考慮して等価回路モデルを導出することにより、測定されたインピーダンス結果と精度良く適合する等価回路モデルを作成することができる。このようにして回路モデル作成装置100により作成されたモデルは、例えば配電ネットワークシミュレーションの正確さを改善することができる。   Based on the above analysis results, the circuit model creation device 100 can create an equivalent circuit model including a circuit as a transmission line, a skin effect, and an external inductance. In addition, the circuit model creation device 100 can create an equivalent circuit model that accurately matches the measured impedance result by deriving an equivalent circuit model in consideration of the distance from the mounting surface to the ground layer. The model created by the circuit model creation device 100 in this way can improve the accuracy of the distribution network simulation, for example.

なお、本発明は、以上の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。   In addition, this invention is not limited only to the above embodiment, Of course, a various change is possible in the range which does not deviate from the summary of this invention.

1 プリント回路基板、1a、1b ビアホール、2 表面実装型受動部品モデル、11 直流電圧源、12 高周波回路、12a 電源ピン、12b GNDピン、13 コンデンサ、21 コンデンサ、22 グランド、100 回路モデル作成装置、110、210 入力部、120、220 CPU、121 基本等価回路モデル作成部、122 寄生インダクタンス情報取得部、123 等価回路モデル情報作成部、130、230 ROM、140、240 RAM、150、250 大容量記憶装置、160、260 表示部、171 等価回路モデル、172 寄生インダクタンステーブル、200 シミュレーション装置、210 入力部、221 解析部、250 大容量記憶装置、251 基本等価回路モデル情報、252 寄生インダクタンス情報、300 プリント回路基板、300a グランド層、300b 誘電体層、301 積層型セラミックチップコンデンサ、400 回路モデル、401 スタブ伝送線、500 等価回路モデル、501 並列回路ブロック、502a 外部インピーダンスモデルブロック DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Printed circuit board, 1a, 1b Via hole, 2 Surface mount type passive component model, 11 DC voltage source, 12 High frequency circuit, 12a Power supply pin, 12b GND pin, 13 Capacitor, 21 Capacitor, 22 Ground, 100 Circuit model creation apparatus, 110, 210 Input unit, 120, 220 CPU, 121 Basic equivalent circuit model creation unit, 122 Parasitic inductance information acquisition unit, 123 Equivalent circuit model information creation unit, 130, 230 ROM, 140, 240 RAM, 150, 250 Mass storage Device, 160, 260 Display unit, 171 Equivalent circuit model, 172 Parasitic inductance table, 200 Simulation device, 210 Input unit, 221 Analysis unit, 250 Mass storage device, 251 Basic equivalent circuit model information, 252 Parasitic inductor Wardrobe information, 300 a printed circuit board, 300a ground layer, 300b a dielectric layer, 301 multilayer ceramic chip capacitor, 400 the circuit model, 401 stub transmission line, 500 equivalent circuit model, 501 parallel circuit block, 502a external impedance model block

Claims (10)

回路基板に表面実装される受動素子の等価回路モデル情報を作成する回路モデル作成装置において、
実装面から帰還電流が流れるグランド層までの距離が所定値である回路基板に表面実装された受動素子に対応する基本等価回路モデルに対し、上記実装面からグランド層までの距離を変数とした寄生インダクタンスの変化を取得する取得手段と、
上記取得手段により取得された寄生インダクタンスの変化を上記基本等価回路モデルに反映することにより、上記実装面からグランド層までの距離が任意の等価回路モデル情報を作成する作成手段とを備える回路モデル作成装置。
In a circuit model creation device for creating equivalent circuit model information of passive elements surface-mounted on a circuit board,
For the basic equivalent circuit model corresponding to the passive element surface-mounted on the circuit board where the distance from the mounting surface to the ground layer where the feedback current flows is a predetermined value, the parasitic distance with the distance from the mounting surface to the ground layer as a variable Obtaining means for obtaining a change in inductance;
A circuit model creation comprising creation means for creating equivalent circuit model information in which the distance from the mounting surface to the ground layer is reflected by reflecting the change in the parasitic inductance obtained by the obtaining means in the basic equivalent circuit model apparatus.
上記取得手段は、上記受動素子の特性を表す第1の回路モデルに、上記帰還電流が流れる帰還経路による寄生インダクタンスを表す第2の回路モデルを直列接続した上記基本等価回路モデルに対する寄生インダクタンスの変化を取得することを特徴とする請求項1記載の回路モデル作成装置。   The acquisition means changes a parasitic inductance with respect to the basic equivalent circuit model in which a first circuit model representing the characteristics of the passive element and a second circuit model representing a parasitic inductance caused by a feedback path through which the feedback current flows are connected in series. The circuit model creation device according to claim 1, wherein: 上記受動素子は、積層型セラミックチップコンデンサであり、
上記取得手段は、上記実装面からグランド層までの距離を変化させたときの、上記積層型セラミックチップコンデンサの基本自己共振周波数よりも高周波領域における寄生インダクタンスの変化を解析することにより、上記基本等価回路モデルに対する寄生インダクタンスの変化を取得することを特徴とする請求項1記載の回路モデル作成装置。
The passive element is a multilayer ceramic chip capacitor,
The acquisition means analyzes the change in the parasitic inductance in the higher frequency region than the basic self-resonance frequency of the multilayer ceramic chip capacitor when the distance from the mounting surface to the ground layer is changed. The circuit model creation apparatus according to claim 1, wherein a change in parasitic inductance with respect to the circuit model is acquired.
上記基本等価回路モデルは、上記積層型セラミックチップコンデンサのキャパシタンスを含む回路特性を示す第1の回路モデルの両端に、該積層型セラミックチップコンデンサの基本自己共振周波数よりも高周波領域における寄生インダクタンスを示す第2の回路モデルをそれぞれ直列接続した等価回路モデルであることを特徴とする請求項3記載の回路モデル作成装置。   The basic equivalent circuit model shows parasitic inductance in a higher frequency region than the basic self-resonant frequency of the multilayer ceramic chip capacitor at both ends of the first circuit model showing circuit characteristics including capacitance of the multilayer ceramic chip capacitor. 4. The circuit model creation device according to claim 3, wherein the circuit model creation device is an equivalent circuit model in which the second circuit models are respectively connected in series. 上記第1の回路モデルは、上記積層型積層型セラミックチップコンデンサの基本自己共振周波数から高周波数領域に亘る各自己共振周波数に対応する共振回路モデルが、複数並列接続されたモデルであることを特徴とする請求項4記載の回路モデル作成装置。   The first circuit model is a model in which a plurality of resonant circuit models corresponding to each self-resonant frequency ranging from a basic self-resonant frequency to a high frequency region of the multilayer ceramic chip capacitor are connected in parallel. The circuit model creation device according to claim 4. 上記作成手段は、上記基本等価回路モデルと、上記取得手段により取得された寄生インダクタンスの変化を上記実装面からグランド層までの距離を変数として表した関数とを対応付けた情報を、上記任意の等価回路モデル情報として作成することを特徴とする請求項1記載の回路モデル作成装置。   The creation means includes information associating the basic equivalent circuit model with a function in which a change in the parasitic inductance obtained by the obtaining means is represented by a variable representing a distance from the mounting surface to the ground layer as a variable. The circuit model creation device according to claim 1, wherein the circuit model creation device is created as equivalent circuit model information. 上記作成手段は、上記基本等価回路モデルと、上記実装面からグランド層までの各距離に対応する上記取得手段により取得された寄生インダクタンスとを対応付けた情報を、上記任意の等価回路モデル情報として作成することを特徴とする請求項1記載の回路モデル作成装置。   The creating means uses the information associating the basic equivalent circuit model and the parasitic inductance acquired by the acquiring means corresponding to each distance from the mounting surface to the ground layer as the arbitrary equivalent circuit model information. The circuit model creation apparatus according to claim 1, wherein the circuit model creation apparatus creates the circuit model. コンピュータによりモデル作成用のプログラムを実行することによって、回路基板に表面実装される受動素子の等価回路モデル情報を作成する回路モデル作成方法であって、
実装面から帰還電流が流れるグランド層までの距離が所定値である回路基板に表面実装された受動素子に対応する基本等価回路モデルに対し、上記実装面からグランド層までの距離を変数とした寄生インダクタンスの変化を取得する取得ステップの処理と、
上記取得ステップの処理により取得された寄生インダクタンスの変化を上記基本等価回路モデルに反映することにより、上記実装面からグランド層までの距離が任意の等価回路モデル情報を作成する作成ステップの処理とを
上記コンピュータに実行させ、回路基板に表面実装される受動素子の等価回路モデル情報を作成する回路モデル作成方法。
A circuit model creation method for creating equivalent circuit model information of passive elements surface-mounted on a circuit board by executing a program for model creation by a computer ,
For the basic equivalent circuit model corresponding to the passive element surface-mounted on the circuit board where the distance from the mounting surface to the ground layer where the feedback current flows is a predetermined value, the parasitic distance with the distance from the mounting surface to the ground layer as a variable Processing of an acquisition step of acquiring a change in inductance; and
By reflecting the change of the parasitic inductance acquired by the process of the acquisition step in the basic equivalent circuit model, the process of the creation step of creating the equivalent circuit model information having an arbitrary distance from the mounting surface to the ground layer is performed.
A circuit model creation method for causing the computer to create equivalent circuit model information of a passive element that is surface-mounted on a circuit board .
受動素子を表面実装した回路基板の回路特性をシミュレーションするシミュレーション装置において、
上記受動素子の特性と、該受動素子が表面実装される回路基板における実装面から帰還電流が流れるグランド層までの距離とが設定される設定手段と、
上記実装面からグランド層までの距離が所定値である回路基板に表面実装された受動素子に対応する基本等価回路モデルに対して、該距離を変数として取得された寄生インダクタンスの変化を反映した任意の等価回路モデル情報を記憶する記憶手段と、
上記記憶手段から、上記設定手段により設定された実装面からグランド層までの距離に対応する等価回路モデル情報を読み出し、読み出した等価回路モデル情報を用いて回路特性を解析する解析手段とを備えるシミュレーション装置。
In a simulation device that simulates the circuit characteristics of a circuit board with surface mounted passive elements,
Setting means for setting the characteristics of the passive element and the distance from the mounting surface of the circuit board on which the passive element is surface-mounted to the ground layer through which the feedback current flows,
The basic equivalent circuit model corresponding to the passive element surface-mounted on the circuit board having a predetermined distance from the mounting surface to the ground layer reflects any change in parasitic inductance obtained using the distance as a variable. Storage means for storing the equivalent circuit model information of
A simulation comprising: reading from the storage means equivalent circuit model information corresponding to the distance from the mounting surface to the ground layer set by the setting means; and analyzing means for analyzing circuit characteristics using the read equivalent circuit model information apparatus.
コンピュータによりシミュレーション用のプログラムを実行することによって、受動素子を表面実装した回路基板の回路特性をシミュレーションするシミュレーション方法であって、
上記受動素子の特性と、該受動素子が表面実装される回路基板における実装面から帰還電流が流れるグランド層までの距離とが設定される設定ステップの処理と、
上記実装面からグランド層までの距離が所定値である回路基板に表面実装された受動素子に対応する基本等価回路モデルに対して、該距離を変数として取得された寄生インダクタンスの変化を反映した任意の等価回路モデル情報を記憶する記憶手段から、上記設定ステップの処理により設定された実装面からグランド層までの距離に対応する等価回路モデル情報を読み出し、読み出した等価回路モデル情報を用いて回路特性を解析する解析ステップの処理と
を上記コンピュータに実行させ、受動素子を表面実装した回路基板の回路特性をシミュレーションするシミュレーション方法。
A simulation method for simulating circuit characteristics of a circuit board on which a passive element is surface-mounted by executing a simulation program by a computer ,
A process of a setting step in which the characteristics of the passive element and the distance from the mounting surface of the circuit board on which the passive element is surface-mounted to the ground layer through which the feedback current flows;
The basic equivalent circuit model corresponding to the passive element surface-mounted on the circuit board having a predetermined distance from the mounting surface to the ground layer reflects any change in parasitic inductance obtained using the distance as a variable. The equivalent circuit model information corresponding to the distance from the mounting surface to the ground layer set by the processing of the setting step is read from the storage means for storing the equivalent circuit model information of the circuit, and the circuit characteristics are read using the read equivalent circuit model information. Analysis step processing to analyze
Is a simulation method for simulating the circuit characteristics of a circuit board on which a passive element is surface-mounted .
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