JP6011357B2 - シミュレーションプログラム及びシミュレーション装置 - Google Patents

Description

本発明は、配線基板における信号伝搬をシミュレートするシミュレーションプログラム及びシミュレーション装置に関し、特に、ガラスクロスを用いた高速伝送用配線基板の差動配線間に生じる伝搬遅延時間差（クロックスキュー：clock skew）を解析するシミュレーションプログラム及びシミュレーション装置に関する。

電子機器における信号伝送速度の高速化に伴い、伝送損失の増加によるＳ／Ｎ比の低下を補う技術として、差動伝送を用いることが一般的である。差動伝送ではＰ配線とＮ配線の２本の配線を一組として用い、それぞれ逆位相の信号を伝送する。この結果、受信側において、２本の配線にはほぼ同じ同位相のコモンノイズが乗るため、信号の差を取ることでコモンノイズがキャンセルされ、これによってＳ／Ｎ比を向上させることができる。

図１は、高速伝送用配線基板を構成するガラスクロスの概念図である。
図１において、ガラスクロス１１は、Ｘ軸と平行な方向に並設されたガラス繊維束１２と、Ｙ軸と平行な方向に並設されたガラス繊維束１３とが格子状に平織りされている。ガラス繊維束１２及びガラス繊維束１３は、例えば数μｍ程度のガラス繊維を複数本束ねて数１００μｍ程度の幅にしたものである。

図２は、ガラスクロスを用いた高速伝送用配線基板における配線方向に垂直な断面図である。
図２に示すように、ガラスクロスを用いた高速伝送用配線基板（以下、ガラスクロス配線基板という）２１は、導体層と絶縁層から構成される。導体層は、Ｐ配線又はＮ配線で構成される差動配線２２と、Ｎ配線又はＰ配線で構成される差動配線２３と、グランドプレーン２４、２５とで構成される。また、絶縁層は、ガラスクロス１１と、ガラスクロス１１を硬化させる樹脂２６により構成される。

絶縁層に含まれるガラスクロス１１は、図１を用いて説明したように、ガラス製のガラス繊維束１２とガラス繊維束１３とが編まれた構造となっており、ガラス繊維束１２及びガラス繊維束１３の両方が存在する交差領域、ガラス繊維束１２及びガラス繊維束１３のいずれも存在しない領域、ガラス繊維束１２のみが存在する領域、及びガラス繊維束１３のみが存在する領域から成る。

一般に、ガラスクロス配線基板２１では、ガラスクロス１１の誘電率は樹脂２６の誘電率よりも高いため、ガラスクロス配線基板２１の内部は誘電率の高いガラスクロス１１の密度が高い領域と、誘電率の低い樹脂２６の密度が高い領域とが混在している。

その結果、図２に示すように、ガラスクロス１１が少ない領域では伝播遅延が小さく、ガラスクロス１１が多い領域では伝播遅延が大きくなり、誘電率が不均質な構造となっている。これにより、差動配線２２及び２３の周囲における誘電率に差異が生じ、配線間での伝播遅延時間差（クロックスキュー）が発生してコモンノイズの除去率が低下する。近年の信号伝送の高速化に伴い、このクロックスキューによる伝送特性への影響が無視できなくなっている。従って、精度の高い伝送路設計を行うためには、クロックスキューを考慮した伝送シミュレーションが必要となる。

図３は、３次元電磁界解析モデルにおける配線方向に垂直なガラスクロス配線基板２１の断面図であり、図４は、差動配線２２及び差動配線２３に対するガラスクロス１１の傾きについて説明するための図である。

ガラスクロス配線基板２１におけるクロックスキューを予測するには、ガラスクロス配線基板２１の内部構造を図３に示すように、３次元数値解析ツールを用いてモデル化し、電磁界解析を実行する必要がある（例えば、特許文献１参照。）。ここで、クロックスキューは、ガラスクロス１１の織目と差動配線２３の位置関係に依存するため一定の分布を有しており、更に、ガラスクロス配線基板２１内における差動配線２３とガラスクロス１１の位置関係は、図４に示すように、ガラスクロス１１の傾きによって幾通りにもなり得る。よって、クロックスキューの値を導出するためには、統計的なデータの取得が必須であり、その精度は解析検体数に依存している。

特開２００９−１５６７８号公報

しかしながら、３次元数値解析ツールは、対象構造を３次元的に直接メッシュ化するため、解析検体数を増やすと、計算時間及び計算容量が膨大になるという問題点があった。
本発明は、３次元数値解析ツールによる電磁界解析の計算コストを抑え、高精度なクロックスキュー統計データを高速に導出することが可能なシミュレーションプログラム及びシミュレーション装置の提供を目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、下記のような構成を採用した。
１つの案では、格子状構造体のガラスクロスを用いた配線基板の差動配線間に生じる伝搬遅延時間差を解析するシミュレーションプログラムにおいて、コンピュータに、２本一組の差動配線対が前記格子状構造体の格子の縦横いずれかと並行する場合の内部構造を所定の基本単位で３次元電磁界解析モデル化させ、前記配線基板の３次元電磁界解析モデルにおける前記格子状構造体の格子の中心線に対して、並行する前記２本一組の差動配線対の中心線との位置関係を少なくとも二通り決定させ、それぞれの位置での差動配線間におけるクロックスキューを算出させ、その算出結果のクロックスキューを複数通り組み合わせることで、任意の配線基板におけるクロックスキュー分布を算出させることを特徴とする。

本発明によれば、ガラスクロスと差動配線の位置関係が異なるモデルから得られた、各解析結果を複数通り足し合わせることにより、３次元電磁界解析モデルのメッシュ数を必要最小限に抑えることができ、一回あたりのクロックスキュー計算時間を高速化することが可能となる。また、任意のガラスクロスの傾きを有した基板構造におけるクロックスキューを、短時間で求めることができる。すなわち、高精度なクロックスキュー統計データを高速に導出することが可能となる、という効果を奏する。

高速伝送用配線基板を構成するガラスクロスの概念図である。 ガラスクロスを用いた高速伝送用配線基板における配線方向に垂直な断面図である。 ３次元電磁界解析モデルにおける配線方向に垂直なガラスクロス配線基板２１の断面図である。 差動配線２２及び差動配線２３に対するガラスクロス１１の傾きについて説明するための図である。 本実施の形態におけるシミュレーション装置の機能ブロック図である。 本実施の形態におけるシミュレーション処理の流れを示すフローチャートである。 基本単位の３次元電磁界解析モデルの例を示す図である。 ガラス繊維束１２及びガラス繊維束１３と差動配線２２及び差動配線２３の対との位置関係を定義したデータを示す図である。 クロックスキューの算出の際に変化させる配線位置の例を示す図である。 ３次元電磁界解析モデルにおいて配線位置を変化させた様子を示す図である。 電磁界解析の結果を示す図である。 クロックスキューの算出結果を示す図である。 算出したクロックスキューを複数通り組み合わせた例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図５は、本実施の形態におけるシミュレーション装置の機能ブロック図である。
図５において、本実施の形態におけるシミュレーション装置５０は、配線基板内部構造作成部５１と、クロックスキュー算出部５２と、クロックスキュー分布算出部５３と、クロックスキュー分布表示部５４とを備え、格子状構造体のガラスクロス１１を用いたガラスクロス配線基板２１の差動配線２２と差動配線２３との間に生じる伝搬遅延時間差を解析する。

配線基板内部構造作成部５１は、差動配線２２及び差動配線２３の２本の配線を一組の対として、前記格子状構造体であるガラスクロス１１の格子の縦横いずれか、すなわちガラス繊維束１２又はガラス繊維束１３と並行する場合の内部構造を、所定の基本単位で３次元電磁界解析モデル化する。ここで、所定の基本単位とは、例えば、隣接する基本単位に含まれるガラス繊維束１２及びガラス繊維束１３から構成される格子状構造体が同一の構造であり、かつ、差動配線２２及び差動配線２３の何れをも含む最小面積の矩形領域をいう。基本単位の例示は、図７を用いて後述する。

クロックスキュー算出部５２は、ガラスクロス配線基板２１の３次元電磁界解析モデルにおける前記格子状構造体の格子の中心線に対して、並行する前記２本一組の差動配線対（差動配線２２と差動配線２３の対）の中心線との位置関係を少なくとも二通り決定し、それぞれの位置での差動配線２２と差動配線２３との間におけるクロックスキューを算出する。前記位置関係の決定方法の例については、図８及び図９を用いて後述する。

クロックスキュー分布算出部５３は、前記クロックスキュー算出部５２による算出結果のクロックスキューを複数通り組み合わせることで、任意のガラスクロス配線基板２１におけるクロックスキュー分布を算出する。

そして、クロックスキュー分布表示部５４は、クロックスキュー分布算出部５３が算出したクロックスキュー分布を表示する。

図６は本実施の形態におけるシミュレーション処理の流れを示すフローチャートであり、図７は、基本単位の３次元電磁界解析モデルの例を示す図である。

まず、ステップＳ６０１において、配線基板内部構造作成部５１が、例えば、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、差動配線２２及び差動配線２３の２本の配線を一組の対として、前記格子状構造体であるガラスクロス１１のガラス繊維束１２と並行する場合の内部構造を、所定の基本単位で３次元電磁界解析モデル化する。このとき、ガラスクロス１１のうち、一方向のガラス繊維束１２（縦糸）は、差動配線２２及び差動配線２３と完全に平行である。また、もう一方向のガラス繊維束１３（横糸）は差動配線２２及び差動配線２３と完全に垂直である。そして、これらのガラス繊維束１２及びガラス繊維束１３の各糸は周期的に並んでいるものとする。さらに、３次元電磁界解析モデル内に含まれるガラス繊維束１２及びガラス繊維束１３の数は、それぞれ最低一周期分とし、差動配線２２及び差動配線２３の長さは、ガラス繊維束１３の存在する領域と同程度とする。

図８は、ガラス繊維束１２及びガラス繊維束１３と差動配線２２及び差動配線２３の対との位置関係を定義したデータを示す図である。
ステップＳ６０１で作成された３次元電磁界解析モデルは、図８に示すようなデータとして定義される。例えば、図８（Ａ）に示すような３次元電磁界解析モデルは、図８（Ｂ）に示すように、差動配線２２は、第１の配線として「形状」が「直方体」、「サイズ」が「幅１３０マイクロメートル×高さ３０マイクロメートル」、「中心座標」が「（２３５，１６３）」と定義される。同様に、第２の配線としての差動配線２３、第１のガラスクロス１１（ガラス繊維束１２ｃ、１２ｄ及び１３）中の第１の縦ガラス繊維束としてのガラス繊維束１２ｃ等が定義される。また、図８（Ｃ）に示すような３次元電磁界解析モデルは、図８（Ｄ）に示すように、ガラス繊維束１３ｃは、第１のガラスクロス中の第１の横ガラス繊維束として、「形状」が「六角柱」、「サイズ」が「幅５００マイクロメートル×高さ２０マイクロメートル」、「中心座標」が「（２５０，９５）」と定義される。

図６の説明に戻る。
次に、ステップＳ６０２において、クロックスキュー算出部５２が、ステップＳ６０１で作成した３次元電磁界解析モデルを用いて、ガラスクロス配線基板２１の３次元電磁界解析モデルにおける前記格子状構造体の格子の中心線に対して、並行する前記２本一組の差動配線対（差動配線２２と差動配線２３の対）の中心線との位置関係を少なくとも二通り決定する。

図９は、クロックスキューの算出の際に変化させる配線位置の例を示す図であり、図１０は、３次元電磁界解析モデルにおいて配線位置を変化させた様子を示す図である。
図９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）に例示するように、差動配線２２及び差動配線２３の位置を複数通り変化させる。より具体的には、図１０（Ｂ）が、図１０（Ａ）に示した３次元電磁界解析モデルの差動配線２２及び差動配線２３を、Ｙ方向にマイナス１００マイクロメートル（−１００μｍ）ずらした３次元電磁界解析モデルである。同様に、図１０（Ｃ）が、図１０（Ａ）に示した３次元電磁界解析モデルの差動配線２２及び差動配線２３を、Ｙ方向に１００マイクロメートル（＋１００μｍ）ずらした３次元電磁界解析モデルであり、図１０（Ｄ）が、Ｙ方向に２００マイクロメートル（＋２００μｍ）ずらした３次元電磁界解析モデルである。

そして、上述のように変化させながら電磁界解析を実行し、それぞれの位置での差動配線２２と差動配線２３との間におけるクロックスキューを導出する。これを、縦糸一周期分だけ行う。

図１１は、電磁界解析の結果を示す図であり、図１２は、クロックスキューの算出結果を示す図である。
図１１に示した例は、図１０（Ａ）に示した３次元電磁界解析モデルにおける電磁界解析の結果を示しており、また、図１２に示した例は、図１０（Ａ）の３次元電磁界解析モデルにおけるクロックスキューの算出結果を示している。

上述のように３次元電磁界解析モデルを用いて電磁界解析を実行し、差動配線２２及び差動配線２３を伝搬させる信号については、周波数を３０ＧＨｚまで０．１ＧＨｚ刻みでスイープさせ、その結果として、図１１に示すように、差動配線２２（第１の配線）と差動配線２３（第２の配線）のそれぞれにおいて、周波数ごとの群遅延（Group Delay）が表示される。

そして、差動配線２３（第２の配線）の群遅延から、差動配線２２（第１の配線）の群遅延を減算し、図１２に示すように、クロックスキュー（３０ＧＨｚではマイナス０．０３ｐｓｅｃ）を算出する。

図６の説明に戻る。
そして、ステップＳ６０３において、クロックスキュー分布算出部５３が、任意の配線長分だけ、前述のクロックスキュー計算部にて求めたクロックスキューの値を、抽出して足し合わせ、これを複数通り実行することで、クロックスキューの統計データを得る。

図１３は、算出したクロックスキューを複数通り組み合わせた例を示す図である。
図１３（Ａ）は、図１０を用いて説明したような４つの異なる３次元電磁界解析モデル（モデル１、モデル２、モデル３、モデル４）を順に並べた場合であり、図１３（Ｂ）は、同一の３次元電磁界解析モデル（モデル３）を４つ並べた場合である。また、図１３（Ｃ）は、モデル２を２つ続けて並べ、次にモデル３を２つ並べた場合であり、図１３（Ｄ）は、モデル２とモデル３を交互に並べた場合である。

なお、３次元電磁界解析モデルは所定の基本単位を用いているので、得られたクロックスキューの統計データは、その配線伝送方向の長さが、格子状構造体における配線伝送方向の格子間距離の整数倍であることになる。

そして、以上によって算出したクロックスキューの分布を表示する。
以上、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明してきたが、上述してきた本発明の実施の形態は、シミュレーション装置の一機能としてハードウェアまたはＤＳＰ（Digital Signal Processor）ボードやＣＰＵボードでのファームウェアもしくはソフトウェアにより実現することができる。

また、本発明が適用されるシミュレーション装置は、その機能が実行されるのであれば、上述の実施の形態に限定されることなく、単体の装置であっても、複数の装置からなるシステムあるいは統合装置であっても、ＬＡＮ、ＷＡＮ等のネットワークを介して処理が行なわれるシステムであってもよいことは言うまでもない。

また、バスに接続されたＣＰＵ、ＲＯＭやＲＡＭのメモリ、入力装置、出力装置、外部記録装置、媒体駆動装置、ネットワーク接続装置で構成されるシステムでも実現できる。すなわち、前述してきた実施の形態のシステムを実現するソフトェアのプログラムを記録したＲＯＭやＲＡＭのメモリ、外部記録装置、可搬記録媒体を、シミュレーション装置に供給し、そのシミュレーション装置のコンピュータがプログラムを読み出し実行することによっても、達成されることは言うまでもない。

この場合、可搬記録媒体等から読み出されたプログラム自体が本発明の新規な機能を実現することになり、そのプログラムを記録した可搬記録媒体等は本発明を構成することになる。

プログラムを供給するための可搬記録媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、磁気テープ、不揮発性のメモリーカード、ＲＯＭカード、電子メールやパソコン通信等のネットワーク接続装置（言い換えれば、通信回線）を介して記録した種々の記録媒体などを用いることができる。

また、コンピュータ（情報処理装置）がメモリ上に読み出したプログラムを実行することによって、前述した実施の形態の機能が実現される他、そのプログラムの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳなどが実際の処理の一部または全部を行ない、その処理によっても前述した実施の形態の機能が実現される。

さらに、可搬型記録媒体から読み出されたプログラムやプログラム（データ）提供者から提供されたプログラム（データ）が、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれた後、そのプログラムの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵなどが実際の処理の一部または全部を行ない、その処理によっても前述した実施の形態の機能が実現され得る。

すなわち、本発明は、以上に述べた実施の形態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で種々の構成または形状を取ることができる。

１１ ガラスクロス
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ ガラス繊維束
２１ 高速伝送用配線基板（ガラスクロス配線基板）
２２、２３ 差動配線
２４、２５ グランドプレーン
２６ 樹脂
５０ シミュレーション装置
５１ 配線基板内部構造作成部
５２ クロックスキュー算出部
５３ クロックスキュー分布算出部
５４ クロックスキュー分布表示部

Claims (4)

1. 格子状構造体のガラスクロスを用いた配線基板の差動配線間に生じる伝搬遅延時間差を解析するシミュレーションプログラムであって、
   コンピュータに、
   ２本一組の差動配線対が前記格子状構造体の格子の縦横いずれかと並行する場合の内部構造を所定の基本単位で３次元電磁界解析モデル化させ、
   前記配線基板の３次元電磁界解析モデルにおける前記格子状構造体の格子の中心線に対して、並行する前記２本一組の差動配線対の中心線との位置関係を少なくとも二通り決定させ、前記各位置での差動配線間におけるクロックスキューを算出させ、
   前記算出結果のクロックスキューを複数通り組み合わせることで、任意の配線基板におけるクロックスキュー分布を算出させる、
   ことを特徴とするシミュレーションプログラム。
2. 前記３次元電磁界解析モデルの配線伝送方向の長さが、前記格子状構造体における配線伝送方向の格子間距離の整数倍であることを特徴とする請求項１に記載のシミュレーションプログラム。
3. 前記３次元電磁界解析モデルの配線伝送に垂直な方向の長さが、前記格子状構造体における配線伝送に垂直な方向の格子間距離の整数倍であることを特徴とする請求項１に記載のシミュレーションプログラム。
4. 格子状構造体のガラスクロスを用いた配線基板の差動配線間に生じる伝搬遅延時間差を解析するシミュレーション装置であって、
   ２本一組の差動配線対が前記格子状構造体の格子の縦横いずれかと並行する場合の内部構造を所定の基本単位で３次元電磁界解析モデル化する配線基板内部構造モデル作成手段と、
   前記配線基板の３次元電磁界解析モデルにおける前記格子状構造体の格子の中心線に対して、並行する前記２本一組の差動配線対の中心線との位置関係を少なくとも二通り決定し、各位置での差動配線間におけるクロックスキューを算出するクロックスキュー算出手段と、
   前記クロックスキュー算出手段による算出結果のクロックスキューを複数通り組み合わせることで、任意の配線基板におけるクロックスキュー分布を算出するクロックスキュー分布算出手段と、
   を備えることを特徴とするシミュレーション装置。