JP5320345B2 - 配線基板 - Google Patents

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Description

本発明は、配線基板に関し、特に、メモリとメモリコントローラとを接続する等長配線が形成された配線基板に関する。
近年、パーソナルコンピュータやサーバを始めとして、種々のディジタル機器において、DDR(Double Data Rate)メモリが広く用いられるようになってきている。DDRメモリでは、クロック信号が独立しており、かつ、DDRメモリとメモリコントローラとの間では高速にデータ転送が行われるため、クロック信号とデータ信号とを同期して伝送する必要がある。すなわち、各信号配線の遅延時間(伝搬時間)を揃える必要がある。そのため、従来から、信号配線の配線長を揃えて等長配線(等遅延配線)とするために、該信号配線を蛇行させた所謂ミアンダ配線が用いられている。
ここで、特許文献1には、等長配線の配線長を調節するためのチップディレーラインが開示されている。このチップディレーラインは、蛇行した圧膜パターンとして形成された信号伝送ラインの両側を高誘電体層で挟み、その両側を低誘電体層で挟み、さらにその両側をグランド電極パターンで挟んだトリプレート構造を有している。
特開平5−275960号公報
しかしながら、特許文献1記載のチップディレーラインは、高周波の信号減衰が大きいため、近年の高速伝送においては波形品位を保てないという問題がある。また、信号配線とは別にグランドを接続しなければならず、配線面積を低減するという観点から大きな効果が見込めない。特に、DDRメモリでは、多数の配線を等長にしなければならない関係上、配線基板上の配線面積が増大する傾向があるが、グランド接続端子とその実装ランドが必要となる上記チップディレーラインでは、配線面積を低減することが困難である。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、高周波域における波形品位を保ちつつ、等長配線の配線面積を縮小することが可能な配線基板を提供することを目的とする。
本発明に係る配線基板は、メモリ、及び該メモリを制御するメモリコントローラが実装される配線基板であって、メモリとメモリコントローラとを接続する複数の等長配線を有し、上記複数の等長配線が、コモンモードチョークコイルを介して接続される差動伝送線路、及び、コモンモードチョークコイルを介することなく接続される等長配線を含み、上記差動伝送線路の長さが、コモンモードチョークコイルによる伝送信号の遅延時間に相当する配線長に応じて、コモンモードチョークコイルを介することなく接続される等長配線の配線長よりも短く設定されていることを特徴とする。
本発明に係る配線基板によれば、基板配線よりも遅延時間(ディレイ量)が大きいコモンモードチョークコイルを差動伝送線路に挿入することで、コモンモードチョークコイルの遅延時間に応じて該差動伝送線路の配線長を短縮することができる。よって、コモンモードチョークコイルの遅延時間を適切に設定することにより、差動伝送線路のミアンダ形状を効率よく解消でき、配線面積を効果的に低減することが可能となる。また、短縮された差動伝送線路が占めていた領域に他の信号配線(等長配線)を配置することができるため、全体として配線面積を低減することが可能となる。一方、コモンモードチョークコイルは、その特性インピーダンスが差動伝送線路の特性インピーダンスに整合されているため、差動伝送線路上を差動信号が伝送される際に、差動信号を減衰させることなく通過させる。よって、コモンモードチョークコイルを、メモリとメモリコントローラとの間の差動伝送線路に挿入したとしても、従来の等長配線と比較して波形品位が低下しない。その結果、高周波域における波形品位を保ちつつ、等長配線の配線面積を縮小することが可能となる。
さらに、本発明に係る配線基板によれば、差動伝送線路にコモンモードチョークコイルが挿入されるため、差動伝送線路上を伝送される信号波形に含まれるノイズ成分(コモンモード成分)を除去することができる。なお、本明細書において、等長配線という文言には、物理的な長さが等しい配線の他、電気的に等長な配線、すなわち、実際の長さは異なるが、遅延時間が等しい等遅延配線を含むものとする。また、メモリコントローラには、CPUとともに供給されるチップセットに含まれるメモリコントローラの他、メモリコントローラを内蔵した(又はメモリコントローラ機能を有する)マイクロコントローラ(ワンチップマイコン、システムLSI、タイミングコントローラ等)などを含むものとする。
本発明に係る配線基板では、上記メモリが、DDRメモリであることが好ましい。
ところで、クロック周波数に対して2倍の速度(データレート)でデータを送るDDRメモリでは、読み込み/書き込みタイミングが厳しくなるため、通常、各配線の配線長が同じになるように、ミアンダ形状を有する等長配線が用いられる。ここで、本発明に係る配線基板によれば、コモンモードチョークコイルをDDRメモリ−メモリコントローラ間の差動伝送線路に挿入することで、等長配線された差動伝送線路の伝送線路長を短縮することができる。よって、差動伝送線路のミアンダ形状を解消でき、配線面積を低減することが可能となる。また、上述したように、コモンモードチョークコイルは、差動伝送線路の特性インピーダンスに整合されているため、高速でデータが転送されるDDRメモリ−メモリコントローラ間の差動伝送線路に挿入されたとしても、波形品位を低下させることがない。
本発明に係る配線基板では、上記差動伝送線路が、クロック信号を伝送するクロック配線であることが好ましい。
ところで、クロック配線は、タイミングを司る重要な配線であるため、通常、複数の等長配線(バス)の真ん中付近に配置されることが多い。そのため、従来の手法を用いて複数の配線を等長配線しようとすると、クロック配線の配線長を、最外周に形成される最も長い配線に合わせなければならなくなるため、配線面積が増大するという結果を招いていた。ここで、本発明に係る配線基板によれば、バスの真ん中付近に配置されるクロック配線の配線長を短縮することができる。そのため、より効果的に配線面積を低減することが可能となる。
本発明によれば、高周波領域における波形品位を保ちつつ、等長配線の配線面積を縮小することが可能となる。
実施形態に係る配線基板の構成を模式的に示す斜視図である。 実施形態に係る配線基板のクロック配線を示す回路図である。 評価基板(実施例に係る配線基板)の実装面を示す図である。 コモンモードチョークコイルが挿入されたクロック配線と、従来の等長配線を用いたクロック配線とを示す図である。 コモンモードチョークコイルが挿入されたクロック配線上を伝送されるクロック信号の波形、及び、従来の等長配線を用いたクロック配線上を伝送されるクロック信号の波形を示す図である。 コモンモードチョークコイルが挿入されたクロック配線上を伝送されるクロック信号に含まれるノイズ成分、及び、従来の等長配線を用いたクロック配線上を伝送されるクロック信号に含まれるノイズ成分を示す図である。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
まず、図1及び図2を併せて用いて、実施形態に係る配線基板1の構成について説明する。図1は、配線基板1の構成を模式的に示す斜視図である。また、図2は、配線基板1のクロック配線を示す回路図である。なお、図1及び図2では、図面を簡略化するために、配線基板1に形成されている配線及び実装されている電子部品を一部省略して示した。
配線基板1は、例えば、絶縁性の樹脂やセラミックスなどの絶縁体(誘電体)から形成された横長矩形で薄板形状の基板2と、該基板2の上面(実装面)に形成されたパラレルバス(特許請求の範囲に記載の「複数の等長配線」に相当、以下、単に「バス」ともいう)30、及び、基板2の背面に形成されたグランド層3などを備えて構成されている。配線基板1の実装面には、DDRメモリ20、及び、該DDRメモリ20を制御するメモリコントローラ10などが実装されている。
DDRメモリ20としては、クロック信号の立ち上がり/立ち下りのそれぞれでデータをやり取りし、同一クロックで動作するSDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)の2倍のデータ転送速度が得られるDDR SDRAM、4ビットのプリフェッチ機能をもち、DDR SDRAMの2倍の転送速度を有するDDR2 SDRAM、及び、8ビットのプリフェッチ機能を備え、DDR2 SDRAMの2倍のデータ転送速度を有するDDR3 SDRAMが挙げられる。なお、本実施形態では、DDR2 SDRAMを用いた。
メモリコントローラ10は、DDRメモリ20の、データの読み出し/書き込み、及びリフレッシュなどのメモリインターフェースを統括する。メモリコントローラ10は、例えば、CPUとともに供給されるチップセットに含まれるものの他、FPGAやASICで実現されたもの、又は、メモリコントローラを内蔵した(又はメモリコントローラ機能を有する)マイクロコントローラ(ワンチップマイコン、システムLSI、タイミングコントローラ等)などであってもよい。
メモリコントローラ10とDDRメモリ20とは、銅箔などから形成されるバス30によって接続されている。バス30には、例えば、DDRメモリ20が動作する基準となるタイミングを決定するクロック信号(CLK+,CLK−)を伝送するクロック配線(CLK)31、データのリード/ライトのタイミングを指定するデータストローブ信号(DQS+,DQS−)を伝送するデータストローブ配線DQS、メモリアレイのセル位置を特定するアドレス信号(ADR)を伝送するアドレス配線ADR、及び、データ信号(DQ)を伝送するデータ配線DQなどが含まれている。
なお、動作タイミングを取るために重要なクロック配線31はバス30の中央付近に配置されている。また、アドレス配線ADR及びデータ配線DQはシングルエンドで配線され、クロック配線31及びデータストローブ配線DQSは誤動作を防ぐために差動伝送線路を用いて配線されている。ところで、DDRメモリ20とメモリコントローラ10との間では、高速にデータ転送が行われるため、クロック信号とデータ信号等とを同期して伝送する必要がある。すなわち、バス30を構成する各信号配線の遅延時間(伝搬時間)を揃える必要がある。そのため、各信号配線の配線長を揃えて等長配線(等遅延配線)とするために、詳細を後述するクロック配線31を除いて信号配線を蛇行させた所謂ミアンダ配線が用いられている。
続いて、図2を参照しつつ、クロック配線31についてより詳細に説明する。上述したように、クロック配線31は、メモリコントローラ10とDDRメモリ20との間に介在してクロック信号を伝送する差動伝送線路であり、一対の第1信号線31aと第2信号線31bとで構成されている。第1信号線31aは、クロック信号(CLK+)を伝送し、第2信号線31bは、クロック信号(CLK+)と逆位相のクロック信号(CLK−)を伝送する。
クロック配線31には、メモリコントローラ10側(送信側)に、コモンモードチョークコイル50が挿入されている。より詳細には、クロック信号(CLK+)を出力する、メモリコントローラ10の第1クロック信号出力端子10aが、クロック配線31を構成する第1信号線31aを通して、コモンモードチョークコイル50の第1端子50aと接続されるとともに、クロック信号(CLK−)を出力する、メモリコントローラ10の第2クロック信号出力端子10bが、クロック配線31を構成する第2信号線31bを通して、コモンモードチョークコイル50の第3端子50cと接続されている。
一方、クロック信号(CLK+)が入力される、DDRメモリ20の第1クロック信号入力端子20aが、第1信号線31aを通して、コモンモードチョークコイル50の第2端子50bと接続されるとともに、クロック信号(CLK−)が入力される、DDRメモリ20の第2クロック信号入力端子20bが、第2信号線31bを通して、コモンモードチョークコイル50の第4端子50dと接続されている。
ここで、クロック配線31は、特性インピーダンスが100Ωに整合されている。なお、従来の差動伝送線路では、通常、インピーダンスを整合して波形の乱れを防ぐため、及び波高値を下げて波形の立ち上がり時間を短くするためにダンピング抵抗が挿入されるが、コモンモードチョークコイル50が挿入されたクロック配線31ではダンピング抵抗を挿入する必要がない。よって、クロック配線31では、ダンピング抵抗は実装されていない。
コモンモードチョークコイル50は、一対の対向するコイル体50e,50fを内包し、磁性体などで被覆されたチップ型コモンモードチョークコイルである。クロック配線31では、コモンモードチョークコイル50が挿入されることによって、クロック配線31の長さが短縮されている。ここで、コモンモードチョークコイル50による配線長の短縮方法について説明する。クロック配線31を短縮する際には、コモンモードチョークコイル50の遅延時間が配線長(パターン長)では何mmに相当するかが事前に求められ、コモンモードチョークコイル50の遅延時間に応じた配線長分、クロック配線31の配線長が短縮される。
ここで、コモンモードチョークコイル50の遅延時間は、例えば、シミュレーションから求めることができる。より具体的には、コモンモードチョークコイル50のSパラメータを実測して入れ、信号源からクロック信号を入力したときのシミュレーションを行う。そして、入力と出力の波形の時間差を求め、その結果を遅延時間(ディレイ量)に落として配線長を算出する。ちなみに、配線基板表面では6ps、基板内層では7psの遅延時間が、配線長では、1mmに相当する。なお、コモンモードチョークコイル50の遅延時間は実測により求めてもよい。
このような構成とされることにより、クロック配線31の配線長は、コモンモードチョークコイル50の遅延時間に対応した長さ分、短縮される。そのため、等長配線のミアンダ形状が解消され、クロック配線31の配線面積が低減される。また、その結果、削減された領域に他の信号配線(例えば、データストローブ配線DQS、アドレス配線ADR、データ配線DQなど)を配置することができるため、全体として、DDRメモリ20とメモリコントローラ10との間の配線面積が低減される。
一方、コモンモードチョークコイル50は、差動インピーダンス100Ωに整合されているため、クロック信号が伝送される際に、クロック信号を減衰させることなく通過させる。よって、コモンモードチョークコイル50をDDRメモリ20−メモリコントローラ10間のクロック配線31に挿入しても、従来の等長配線(ミアンダ配線)と比較して波形品位は低下しない。
以上、詳細に説明したように、本実施形態によれば、基板配線よりも遅延時間が大きいコモンモードチョークコイル50がDDRメモリ20−メモリコントローラ10間のクロック配線31に挿入されることで、DDRメモリ20のクロック配線31の配線長を短縮することができる。よって、クロック配線31のミアンダを解消でき、配線面積を低減することが可能となる。
また、本実施形態によれば、コモンモードチョークコイル50の遅延時間に応じてクロック配線31の伝送線路長が短縮される。よって、コモンモードチョークコイル50の遅延時間を適切に設定することにより、クロック配線31のミアンダ形状を効率よく解消でき、配線面積を効果的に低減することができる。その際に、本実施形態によれば、バス30の真ん中付近に配置されるクロック配線31の配線長が短縮されるため、より効果的に配線面積を低減することが可能となる。さらに、削減された領域に他の信号配線を配置することができるため、全体として、DDRメモリ20−メモリコントローラ10間の配線面積を低減することが可能となる。
一方、本実施形態によれば、コモンモードチョークコイル50は差動インピーダンス100Ωに整合されているため、高速でデータが転送されるDDRメモリ20−メモリコントローラ10間のクロック配線31に挿入しても、従来の等長配線(ミアンダ配線)と比較して波形品位を低下させることがない。
以上の結果、本実施形態によれば、高周波域における波形品位を保ちつつ、クロック配線31の伝送線路長を短縮すること、すなわち配線面積を縮小することが可能となる。
さらに、本実施形態によれば、コモンモードチョークコイル50によって、クロック配線31のクロック信号波形に含まれるノイズ成分(コモンモード成分)を除去することができる。
ここで、本実施形態に係る配線基板1におけるクロック配線31の配線長短縮の効果、すなわち配線面積低減の効果等を確認するために、評価基板(実施例に係る配線基板)を作成した。続いて、図3及び図4を併せて参照しつつ、評価基板1Dでの配線長短縮効果(配線面積低減効果)について説明する。図3は、評価基板1Dの実装面を示す図である。また、図4は、評価基板1Dの内層に形成された、コモンモードチョークコイル50が挿入されたクロック配線CLK1と、従来の等長配線(ミアンダ配線)によるクロック配線CLK2とを示す図である。
図3に示されるように、評価基板1Dでは、マイコン(メモリコントローラ)10、及び4個のDDR2 SDRAM(DDRメモリ)20などが実装されている。また、2個のDDR2 SDRAM20に対して1本のクロック配線が接続されている。すなわち、評価基板1Dでは、マイコン10−DDR2 SDRAM20間に、計2本のクロック配線CLK1,CLK2が設けられている。また、評価基板1Dでは、一方のクロック配線CLK1では、コモンモードチョークコイル50((株)村田製作所、DLP11SN331HL2)を挿入することによって遅延時間を揃え、他方のクロック配線CLK2では、従来通り、等長配線とすることによってデータストローブ配線DQSなどの信号配線と遅延時間を揃えた。
評価基板1Dでは、DDR2 SDRAM20がマイコン10に対して対称(図面では上下対称)となる配置を採っているが、図4に示されるように、コモンモードチョークコイル50が挿入されているクロック配線CLK1では、ミアンダ形状が解消されている。一方、コモンモードチョークコイル50が挿入されていない従来のクロック配線CLK2では、ミアンダ形状が見られる。より具体的には、コモンモードチョークコイル50が挿入されたクロック配線CLK1は、従来手法のクロック配線CLK2よりも配線長が26mm短くなっており、配線が占有する配線面積が低減されることが確認された。
続いて、実施形態に係る配線基板1の波形品位を確認するために、上述した評価基板1Dを用いて、コモンモードチョークコイル50が挿入されたクロック配線CLK1上を伝送されるクロック信号(CLK1)、及び従来の等長配線を用いたクロック配線CLK2上を伝送されるクロック信号(CLK2)の波形を計測した。図5を参照しつつ、上述した評価基板1Dにおけるクロック配線CLK1,CLK2の波形品位の測定結果について説明する。
クロック受信端での、クロック配線CLK1上を伝送されるクロック信号(CLK1)の波形、及び、クロック配線CLK2上を伝送されるクロック信号(CLK2)の波形の計測結果を図5に示す。図5に示されたグラフの横軸は時間(nsec)であり、縦軸は電圧(V)である。また、図5のグラフでは、コモンモードチョークコイル50が挿入されているクロック配線CLK1のクロック信号(CLK1)を実線で、従来のクロック配線CLK2のクロック信号(CLK2)を破線で示した。
図5に示されるように、DDR2 SDRAM20の各受信端で計測されたクロック信号(CLK1)とクロック信号(CLK2)とは、波形が略重なった。また、クロック配線CLK1上を伝送されるクロック信号(CLK1)の方が、従来のクロック配線CLK2上を伝送されるクロック信号(CLK2)よりも振幅が若干大きくなった。これは、従来のクロック配線CLK2では、波形整形用にダンピング抵抗(10Ω)が挿入されているため、クロック信号(CLK2)の振幅が低下するが、コモンモードチョークコイル50が挿入されるクロック配線CLK1ではダンピング抵抗を挿入する必要がないため、ダンピング抵抗による波形への影響が無いためである。以上のように、クロック配線CLK1にコモンモードチョークコイル50を挿入したとしてもクロック信号(CLK1)の波形品位が低下しないことが確認された。
次に、実施形態に係る配線基板1のノイズ低減効果を確認するために、上述した評価基板1Dを用いて、コモンモードチョークコイル50が挿入されたクロック配線CLK1のクロック信号(CLK1)に含まれるノイズ成分(コモンモード成分)、及び従来の等長配線を用いたクロック配線CLK2のクロック信号(CLK2)に含まれるノイズ成分(コモンモード成分)を測定した。図6参照しつつ、評価基板1Dにおけるクロック配線CLK1,CLK2のクロック信号(CLK1,CLK2)に含まれるノイズ成分の測定結果について説明する。
クロック受信端での、クロック配線CLK1上を伝送されるクロック信号(CLK1)に含まれるノイズ成分(コモンモード成分)、及び、クロック配線CLK2上を伝送されるクロック配線CLK2を伝送されるクロック信号(CLK2)に含まれるノイズ成分(コモンモード成分)を図6に示す。図6に示されたグラフの横軸は時間(nsec)であり、縦軸は電圧(V)である。また、図6のグラフでは、クロック配線CLK1のクロック信号(CLK1)に含まれるノイズ成分(コモンモード成分)を実線で、クロック配線CLK2のクロック信号(CLK2)に含まれるノイズ成分(コモンモード成分)を破線で示した。
図6に示されるように、クロック配線CLK2上を伝送されるクロック信号(CLK2)よりもクロック配線CLK1上を伝送されるクロック信号(CLK1)の方がノイズ成分が小さくなっている。より具体的には、コモンモードチョークコイル50が挿入されていない従来のクロック配線CLK2では、ノイズ成分の振幅は0.5V程度であった。一方、コモンモードチョークコイル50が挿入されたクロック配線CLK1では、ノイズ成分の振幅が0.1V程度に低減された。以上のように、コモンモードチョークコイル50を実装することで、クロック信号に含まれるノイズを低減できることが確認された。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、コモンモードチョークコイル50をクロック配線31に挿入したが、クロック配線31に加えて、他の差動伝送線路、例えばデータストローブ配線DQSなどに挿入してもよい。
また、配線基板1として多層配線基板を用いてもよい。その際、DDRメモリ20−メモリコントローラ10間の等長配線は、基板の表層に限られることなく、基板の内層に形成されてもよい。
上記実施形態では、メモリとしてDDRメモリ(DDR SDRAM、DDR2 SDRAM、DDR3 SDRAM)を用いたが、DDRメモリに代えて、例えば、クロック周波数の4倍でデータを送るQDR(Quad Data Rate)メモリなどに適用することもできる。
1 配線基板
10 メモリコントローラ
20 DDRメモリ
30 パラレルバス
31 クロック配線
50 コモンモードチョークコイル

Claims (3)

  1. メモリ、及び該メモリを制御するメモリコントローラが実装される配線基板であって、
    前記メモリと前記メモリコントローラとを接続する複数の等長配線を有し、
    前記複数の等長配線は、コモンモードチョークコイルを介して接続される差動伝送線路、及び、コモンモードチョークコイルを介することなく接続される等長配線を含み、
    前記差動伝送線路は、前記コモンモードチョークコイルによる伝送信号の遅延時間に相当する配線長に応じて、伝送線路の長さが前記コモンモードチョークコイルを介することなく接続される等長配線の配線長よりも短く設定されていることを特徴とする配線基板。
  2. 前記メモリは、DDRメモリであることを特徴とする請求項1に記載の配線基板。
  3. 前記差動伝送線路は、クロック信号を伝送するクロック配線であることを特徴とする請求項1又は2に記載の配線基板。
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