JP6136420B2 - 設計支援装置、ビア追加方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本実施形態は、プリント基板に、ＥＭＩ（Electro-Magnetic Interference）の抑制のためのビアを追加するための技術に関する。

近年、プリント基板（ＰＣＢ）の構造は非常に複雑化し、その設計に要する時間も長くなってきている。そのプリント基板は、他の電子機器、或いは人体に影響を及ぼすＥＭＩを放射する発生源となる。そのため、プリント基板の設計では、ＥＭＣの要件を満たすことが求められている。このことも、プリント基板の設計に要する時間を長くする要因となっている。

ＥＭＩを抑制する方法の一つに、プリント基板の複数の層を電気的に接続するビアを追加する方法がある。ＥＭＩを抑制するためのビアは、個別の信号が流れる配線、及び部品（その部品の搭載に必要な領域）を避けて配置する必要がある。通常、配置するビアの数は非常に多い。このようなことから、追加するビアの配置を人が決定するには非常に長い時間が必要である。それにより、現在では、プリント基板の設計を支援する設計支援装置のなかには、ビアの配置を自動的に決定可能なものがある。

ビアの配置を自動的に決定可能な従来の設計支援装置は、ビアを配置すべきエリアを特定し、特定したエリア内でビアを配置すべき位置を決定するようになっている。或る従来の設計支援装置では、既に配置を決定したビアを基準にして、その基準とするビアから上下左右の４方向に所定の間隔、離れた位置をそれぞれ計算し、計算した各位置でビアを配置すべきか否か判定することで、ビアを配置すべき位置を決定している。位置を決定したビアは、新たに基準とする対象となる。この従来の設計支援装置では、始めに、特定したエリアの境界に沿ってビアを配置している。

別の従来の設計支援装置では、線間が設定された間隔の格子を想定して、線の各交点に仮ビアを配置し、配置した仮ビアのなかで必要なものを実際に配置すべきビアの位置として決定している。配置した仮ビアのなかで不要なものを排除するのは、ビアを過剰に配置するのを回避するためである。

上記のような２つの従来の設計支援装置では、ビアを配置すべき位置を決定する過程で、ビアを配置すべきか否かの判定を複数回、行う位置が多数、発生する。そのため、ビアを配置すべき位置を全て決定するために要する時間が非常に長くなっている。プリント基板の設計をより短い時間で行えるようにするためには、追加すべきビアの配置の決定をより迅速に行えるようにすることが必要と云える。

特開２０１０−２０６４４号公報 特開２０１２−５３７２６号公報 特開２００９−９９１３９号公報

１側面では、本発明は、ＥＭＩの抑制用にプリント基板に追加すべきビアの配置をより迅速に決定可能な技術を提供することを目的とする。

本発明を適用した１システムでは、設計されたプリント基板上でビアを追加すべき対象エリアを特定するエリア特定部と、前記エリア特定部が特定した前記対象エリアの重心を、前記ビアを追加すべき位置を探索するうえでの開始点として決定する決定部と、前記ビアを追加すべきか否かを確認する探索点を、前記開始点を中心とする径方向上で起点とする位置を変更しつつ、前記径方向と交差する交差方向に前記起点から予め定められた経路に沿って移動させ、移動後の前記探索点に前記ビアを追加すべきか否か確認することにより、前記ビアを追加すべき位置を決定する探索部と、を有する。

本発明を適用した場合には、ＥＭＩの抑制用にプリント基板に追加すべきビアの配置をより迅速に決定することができる。

本実施形態による設計支援装置の機能構成例を表す図である。 特定されるビア追加対象エリアを説明する図である。 開始点の設定方法例を説明する図である。 追加すべきビアの配置の探索を開始した場合に、最初に配置が決定されるビアの例を説明する図である。 探索点の移動経路、及びビアを配置すべき位置の決定方法の例を説明する図である。 ビアを配置すべき位置の決定方法の他の例を説明する図である。 図５Ａに表す状況以降に順次、配置されるビアの例を説明する図である。 探索点の移動が終了した時点での移動経路、及びその移動経路上で配置が決定された各ビアの位置の例を説明する図である。 ビア追加対象エリアを含む全体対象エリア内で配置が決定された各ビアの位置の例を説明する図である。 本実施形態による設計支援装置として使用可能な情報処理装置の構成例を表す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態による設計支援装置の機能構成例を表す図である。図２〜図８は、本実施形態による設計支援装置の動作を説明する図である。

本実施形態による設計支援装置１は、設計されたプリント基板を対象に、ＥＭＩの抑制用に追加すべきビアの配置を決定することにより、設計支援を行う装置である。図１に表すように、本実施形態による設計支援装置１は、入出力部１１、ビア追加対象エリア検索部１２、及びＳＧビア追加部１３を備えている。図１では、ビア追加対象エリア検索部１２、及びＳＧビア追加部１３に、それが実行する処理を併せて表している。以降、設計支援装置１が備える入出力部１１、ビア追加対象エリア検索部１２、及びＳＧビア追加部１３の各機能（動作）について、図２〜図８を参照しつつ、詳細に説明する。

入出力部１１は、各種データの入出力、及び設計者からの指示の入力を行う。ＥＭＩの抑制用に追加すべきＳＧビアの配置を決定する場合、入出力部１１により、設計されたプリント基板を表すＣＡＤ（Computer Aided Design）データ２、及び設定データ３が入力される。以降、「ビア」は、特に断らない限り、追加すべきＳＧビアを指す意味で用いる。

設定データ３は、ビアの配置を決定するために用いられるデータである。ＥＭＩを抑制するためには、ビア間の間隔を一定間隔以下にする必要がある。設定データ３は、その一定間隔の決定に用いられる。

例えば現在、広く採用されている多層構造のプリント基板では、２層以上をグラウンド層として用いることが多い。２層以上グラウンド層が存在するプリント基板では、ビア間の間隔が想定信号の１／２０波長以上となるとＥＭＩが大きくなることが一般的に知られている。そのため、上記一定間隔は想定信号波長λのパラメータを考慮して決定する間隔以下にする必要がある。それにより、例えば一定間隔は想定する信号波長λの１／２０以下にする。そのように決定される一定間隔は以降「防御エリア長」と呼ぶことにする。この防御エリア長は、ビア間の間隔として許容される最大間隔である。

ＥＭＩの規制範囲は、高い方の周波数が６ＧＨｚである。この６ＧＨｚの信号を想定した場合、プリント基板の内層の比誘電率を４．７とすると、信号波長λは以下のようになる。

λ＝３．０×１０^８／６．０×１０^９×（１／４．７）^１／２≒０．０２３［ｍ］
・・・（１）
上記のように、一定間隔を信号波長λの１／２０とした場合、追加されたビアは、その位置から半径がλ／４０の円の範囲内でＥＭＩを適切に抑制すると見なすことができる。以降、その円を「防御エリア」と呼ぶことにする。図４に表す円２２は防御エリアの例である。

設定データ３は、上記防御エリア長の決定に必要なデータを含む。より具体的には、設定データ３は、防御エリア長を直接、表すデータ、或いは防御エリア長を計算するのに必要なデータを含む。防御エリア長の決定方法自体は、上記のようなものに限定されない。

ビア追加対象エリア検索部１２は、入出力部１１から入力したＣＡＤデータ１１、及び設定データ３を用いて、防御エリア長を決定し（Ｓ１）、ビアを追加する対象とすべきビア追加対象エリアを特定する（Ｓ２）。

図２は、特定されるビア追加対象エリアを説明する図である。
追加するビアは、信号配線が配置された層（以降「信号層）とグラウンド層とを接続する（このことから、図１ではＳ１で「ＳＧ（Signal Ground）ビア」と表記している）。それにより、ビアを追加するのは、信号層上ではビアを配置可能なエリアであり、且つグラウンド層上ではグラウンドプレーンが存在しているエリアとなる。図２の矩形２０は、信号層上で対象となるエリアと、グラウンド層上で対象となるエリアとが重なる、ビアを追加すべき全体のエリア（以降「全体対象エリア」と表記）である。

本実施形態では、図２に表すように、全体対象エリア２０の境界に沿って、防御エリア長以下の間隔でビア２１を配置している。それにより、ビア追加対象エリア２５は、全体対象エリア２０から各ビア２１による防御エリア２２を除いた部分としている。全体対象エリア２０の境界に沿ってビア２１を配置するのは、境界付近にはビア２１を配置するうえで障害となるもの無い可能性が高い、インピーダンスを効果的に抑制できる、といった利点からである。全体対象エリア２０をビア追加対象エリア２５としても良い。以降、混乱を避けるために、ビア追加対象エリア２５としては、基本的に図２に表すもののみを想定する。また、全体対象エリア２０の境界に沿って配置されるビア２１と区別するために、図５Ａ及び図５Ｂに表すように、ビア追加対象エリア２５内に配置されるビアには符号として５１を用いる。

ＳＧビア追加部１３は、ビア追加対象エリア２５内にビアを追加するための機能であり、開始点設定部１５、及びグリッド探索部１６を備えている。ＳＧビア追加部１３には、ビア追加対象エリア検索部１２から、ＣＡＤデータ２、防御エリア長、ビア追加対象エリア２５の検索結果、等が入力される。

本実施形態では、ビア追加対象エリア２５内で探索点を移動させながら、その探索点にビアを配置すべきか否かを確認することで、追加すべきビアの配置を順次、決定する。開始点とは、探索点の最初の位置、つまり起点である。開始点設定部１５は、ビア追加対象エリア２５毎に、開始点を設定する。

図３は、開始点の設定方法例を説明する図である。図３において、３１はビア追加対象エリア２５の重心、３２は実際に設定された開始点、である。縦と横の複数の点線は、プリント基板に配線リソースとして設定されたグリッドを表している。

開始点設定部１５は、ビア追加対象エリア２５の重心３１を求め（Ｓ１１）、図３に表す点線の交点であるグリッド点のなかで重心３１に最も近いグリッド点を検索し、その検索によって抽出されたグリッド点を開始点３２として設定する（Ｓ１２）。開始点３２の設定結果は、グリッド探索部１６に出力される。

グリッド探索部１６は、開始点３２を初期位置として、探索点を移動させながら、その探索点にビアを配置すべきか否か確認することで、追加すべきビアの位置を決定する。開始点３２は、探索点の初期位置であることから、ビアを配置すべきか否かの確認を行う対象となる。図２に表すようなビア追加対象エリア２５、及び防御エリア２２であった場合、図４に表すように、開始点３２はビアを配置すべき位置として決定される。ビア追加対象エリア２５内に配置する他のビア５１と区別するために、開始点３２に配置されるビアには符号として３２を用いる。その図４は、追加すべきビアの配置の探索を開始した場合に、最初に配置が決定されるビアの例を説明する図である。

図５Ａは、探索点の移動経路、及びビアを配置すべき位置の決定方法の例を説明する図である。

図５Ａに表すように、グリッド探索部１６は、探索点をグリッドに沿って移動させる。グリッドに沿った移動は、開始点３２を中心とした径方向上で起点とするグリッド点の位置を順次、変更しながら行われる。径方向上の起点からの経路は、開始点３２からその起点までのグリッドの線の数であるグリッド数が同じ矩形状としている。起点の径方向上の位置は、開始点３２から順次、離す方向に移動させている。そのため、探索点の移動経路５５は、図５Ａに表すように、渦巻き状（螺旋状）となっている。

ビア５１を配置すべきか否かの判定は、図５Ａに表すように、探索点とするグリッド点が防御エリア２２外となっているか否か確認することで行われる。そのため、図５Ａに表す例では、ビア３２の防御エリア２２外のグリッド点に探索点を移動させた時点でビア５１が配置される。

図５Ｂに表すように、ビア追加対象エリア２５内にスリット５６によって分離された形となる部分５７が存在する場合、その部分５７には、他のビア５１による防御エリア２２内に存在していたとしても、ビア５１を配置しなければならない。このことから、ビア追加対象エリア２５の形状もビア５１を配置すべきか否かの判定に考慮される。

図６は、図５Ａに表す状況以降に順次、配置されるビアの例を説明する図である。ビア探索部１６は、図５Ａに表す位置をビア５１の配置として決定した後も、探索点を移動させながら、ビア５１を配置すべき位置の決定を行う。その結果、図６に表すように、２つのビア５１の配置が順次、決定される。

探索点の移動は、グリッドに沿って、隣接するグリッド点に探索点を移動させることで行われる。そのため、探索点の移動は、ビア追加対象エリア２５内で移動させる対象となるグリッド点が無くなることで終了する。図７は、探索点の移動が終了した時点での移動経路、及びその移動経路上で配置が決定された各ビアの位置の例を説明する図であり、図８は、ビア追加対象エリアを含む全体対象エリア内で配置が決定された各ビアの位置の例を説明する図である。

開始点３２から探索点を渦巻き状に移動させてビア５１を配置した場合、ビア５１を配置すべきか否か確認するグリッド点は重複しない。探索点の移動も簡単な処理で行うことができる。ビア５１を配置すべきか否かの判定に要する処理の負荷も軽減させることができる。これは、ビア５１を配置すべきか否かの判定のために考慮すべき防御エリア２２を有するビアを制限できるからである。具体的には、開始点３２から見て、探索点に対応する径方向上の起点より外側では、考慮の対象は全体対象エリア２０の境界に沿って配置するビア２１のみとなるからである。

このようなことから、ビア追加対象エリア２５を含む全体対象エリア２０に追加すべきビア２１、３２、５１の配置をより迅速に決定することができる。ビア５１は、必要な位置に配置するため、過剰なビア５１の追加の回避、或いは抑制も行えることとなる。過剰なビア５１の追加が少なくとも抑制されることから、プリント基板の製造コストもより抑えることができる。

また、図７、及び図８に表すように、重心３１から開始点３２を設定すると、追加されるビア５１は均等に配置された形となる。ビア５１の密度が場所によって大きく異ならないようになる。開始点３２を設定するために重心３１を求めるのは、そのためである。

矩形状のグリッドを想定し、ビアを各グリッド点に配置した場合、各ビアは、そのビアを中心とした径方向上に隣接する他のビアの数は最大で６つとなる。しかし、開始点３２から探索点を渦巻き状に移動させてビア５１を配置した場合、開始点３２のビア３２の径方向上に隣接する他のビア５１の数は図8の例では７となる。探索点の移動経路によっては、８以上となる。

図４〜図７に表すようなビア３２、５１の配置は、図１に表す処理を実行することで実現される。次に、図１を参照して、グリッド探索部１６を実現させる処理について、詳細に説明する。処理を実行する主体は、ここではグリッド探索部１６とする。図１に表す処理は、１つのビア追加対象エリア２５のみを対象にして実行される一連の処理の流れを表している。

先ず、グリッド探索部１６は、設定された開始点３２を探索点の初期位置とし、その開始点３２にビア３２を追加すべきか否か判定する（Ｓ２１）。開始点３２が何れかのビア２１の防御エリア２２内となっていない場合、Ｓ２１の判定はＹとなってＳ２２に移行する。開始点３２が何れかのビア２１の防御エリア２２内となっている場合、Ｓ２１の判定はＮとなってＳ２３に移行する。開始点３２が何れのビア２１の防御エリア２２内となっていない場合、Ｓ２１の判定はＹとなってＳ２２に移行する。

Ｓ２２では、グリッド探索部１６は、現在の探索点の位置を、追加すべきビア３２、或いは５１の位置として決定する。次にグリッド探索部１６は、探索点をグリッドに沿って渦巻き状に移動させる（Ｓ２３）。その後、グリッド探索部１６は、探索が終了したか否か判定する（Ｓ２４）。移動後の探索点がビア追加対象エリア２５外であり、且つビア追加対象エリア２５内のグリッド点のなかで探索点を移動させていないグリッド点が存在しない場合、Ｓ２４の判定はＹとなり、ここで１つのビア追加対象エリア２５を対象にした一連の処理が終了する。移動後の探索点がビア追加対象エリア２５内である、或いはビア追加対象エリア２５内のグリッド点のなかで探索点を移動させていないグリッド点が存在する場合、Ｓ２４の判定はＮとなってＳ２５に移行する。

Ｓ２５では、グリッド探索部１６は、現在の探索点の位置（グリッド点）にビア５１を追加すべきか否か判定する。ビア５１は、図５Ｂに表すように、スリット５６等によって防御エリア２２の影響が及び難い部分５７には少なくとも１つ追加する。防御エリア２２の影響が及ぶ部分では、図５Ａに表すように、防御エリア２２外にビア５１を追加する。このことから、その２つのケースの何れにも該当しない場合、Ｓ２５の判定はＹとなって上記Ｓ２２に戻る。それにより、ビア５１が１つ追加される。一方、２つのケースのうちの一方に該当する場合、Ｓ２５の判定はＮとなって上記Ｓ２３に戻る。それにより、探索点の移動が行われる。

図９は、本実施形態による設計支援装置として使用可能な情報処理装置の構成例を表す図である。ここで、図９を参照し、本実施形態による設計支援装置１として使用可能な情報処理装置について具体的に説明する。

この情報処理装置は、図９に表すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）９１、ＦＷＨ（Firm-Ware Hub）９２、メモリ（メモリモジュール）９３、ＮＩＣ（Network Interface Card）９４、ハードディスク装置（ＨＤ）９５、コントローラ９６、及びＢＭＣ（Baseboard Management Controller）９７を備えている。この構成は、サーバ等として用いられる情報処理装置の１例であり、設計支援装置１として使用可能な情報処理装置の構成は、図９に表すようなものに限定されない。

ＦＷＨ９２は、ファームウェアを格納したメモリである。このファームウェアは、ＣＰＵ９１によってメモリ９３に読み出され実行される。ハードディスク装置９５には、ＯＳ（Operating System）、及び設計支援装置１を実現させるアプリケーション・プログラムを含む各種アプリケーション・プログラムが格納されている。ＣＰＵ９１は、ファームウェアの起動が完了した後、コントローラ９６を介してハードディスク装置９５からＯＳ、及び任意のアプリケーション・プログラムを読み出して実行することができる。ＮＩＣ９４を介した通信は、ＯＳの起動によって可能となる。設計支援装置１を実現させるアプリケーション・プログラムは以降「設計支援プログラム」と表記する。

この設計支援プログラムは、ハードディスク装置９５以外のストレージ、或いは記録媒体に格納しても良い。ストレージ、或いは記録媒体は、ＮＩＣ９４がネットワークを介して通信可能な外部装置がアクセス可能なものであっても良い。このことから、設計支援プログラムは、外部装置から受信しても良い。

ＢＭＣ９７は、情報処理装置を管理するための専用の管理装置である。ＢＭＣ９７は、ＣＰＵ９１のオン／オフ、各構成要素に発生するエラーの監視、等を行う。

上記入出力部１１、ビア追加対象エリア検索部１２、及びＳＧビア追加部１３は、例えばＣＰＵ９１がＯＳ上で上記設計支援プログラムを実行することで実現される。

ＮＩＣ９４は、ＣＡＤデータ２、設定データ３、及び各種指示の入力、更にはＣＡＤデータ２ａの出力に用いることができる。メモリ９３、及びハードディスク装置９５のうちの一方は、ＣＡＤデータ２、及び２ａ、並びに設定データ３の格納に用いることができる。ＣＰＵ９１は、ハードディスク装置９５に格納されたデータを必要に応じてメモリ９３に読み出し、処理を行う。処理を行うために必要なプログラムは、ＦＷＨ９２、及びハードディスク装置９５に格納されている。このようなことから、入出力部１１は、例えばＣＰＵ９１、ＦＷＨ９２、メモリ９３、ＮＩＣ９４、ハードディスク装置９５、及びコントローラ９６によって実現される。ビア追加対象エリア検索部１２、及びＳＧビア追加部１３は共に、例えばＣＰＵ９１、ＦＷＨ９２、メモリ９３、ハードディスク装置９５、及びコントローラ９６によって実現される。

なお、本実施形態では、探索点の移動は、プリント基板の設計時に配線リソースとして設定されたグリッドに沿って行うようにしている。これは、探索点を移動させる移動経路の設定に要する処理をより軽減させるためである。しかし、移動経路は、グリッドとは別に設定しても良い。径方向上の起点からの経路は、矩形であっても良いが、円形であっても良い。配線リソースとして設定されたグリッドを用いる場合、探索点を一度に移動させるグリッド数（１回の移動間隔）は、防御エリア長、グリッド間隔、等を考慮して決定しても良い。

また、本実施形態では、径方向上の起点は、開始点３２から離す方向に移動させているが、径方向上の起点の移動方法は、そのような方法に限定されない。径方向上の起点は、反対の方向に移動させても良く、連続させない形、つまり移動経路を連続させない形で移動させても良い。移動経路を連続させない形で移動させる場合、径方向上の起点からの経路は、その起点を終点とする経路とすれば良い。

１ 設計支援装置
２、２ａ ＣＡＤデータ
３ 設定データ
１１ 入出力部
１２ ビア追加対象エリア検索部
１３ ＳＧビア追加部
１５ 開始点設定部
１６ グリッド探索部

Claims (6)

1. 設計されたプリント基板上でビアを追加すべき対象エリアを特定するエリア特定部と、
   前記エリア特定部が特定した前記対象エリアの重心を、前記ビアを追加すべき位置を探索するうえでの開始点として決定する決定部と、
   前記ビアを追加すべきか否かを確認する探索点を、前記開始点を中心とする径方向上で起点とする位置を変更しつつ、前記径方向と交差する交差方向に前記起点から予め定められた経路に沿って移動させ、移動後の前記探索点に前記ビアを追加すべきか否か確認することにより、前記ビアを追加すべき位置を決定する探索部と、
   を有することを特徴とする設計支援装置。
2. 前記探索部は、前記起点の前記径方向上の位置を、前記開始点から順次、離す方向に移動させることにより、前記探索点を渦巻き状に移動させる、
   ことを特徴とする請求項１記載の設計支援装置。
3. 前記対象エリアは、前記プリント基板上で前記ビアを追加すべき全体対象エリアの境界に沿って前記ビアを配置した場合に、前記全体対象エリア内で前記ビアの影響が及ばないとするエリアである、
   ことを特徴とする請求項１、または２記載の設計支援装置。
4. 前記探索部は、前記プリント配線板の設計時に設定されたグリッドに沿って、前記探索点を渦巻き状に移動させる、
   ことを特徴とする請求項１、２、または３記載の設計支援装置。
5. 設計されたプリント基板上に追加すべきビアを追加する設計支援を行う設計支援装置として用いられる情報処理装置に、
   前記プリント基板上で前記ビアを追加すべき対象エリアを特定させ、
   前記対象エリアの重心を、前記ビアを追加すべき位置を探索するうえでの開始点として決定させ、
   前記ビアを追加すべきか否かを確認する探索点を、前記開始点を中心とする径方向上で起点とする位置を変更させつつ、前記径方向と交差する交差方向に前記起点から予め定められた経路に沿って移動させて、移動後の前記探索点に前記ビアを追加すべきか否か確認することにより、前記ビアを追加すべき位置を決定させる、
   ことを特徴とするビア追加方法。
6. 設計されたプリント基板上に追加すべきビアを追加する設計支援を行う設計支援装置として用いられる情報処理装置に、
   前記プリント基板上で前記ビアを追加すべき対象エリアを特定させ、
   前記対象エリアの重心を、前記ビアを追加すべき位置を探索するうえでの開始点として決定させ、
   前記ビアを追加すべきか否かを確認する探索点を、前記開始点を中心とする径方向上で起点とする位置を変更させつつ、前記径方向と交差する交差方向に前記起点から予め定められた経路に沿って移動させて、前記探索点に前記ビアを追加すべきか否か確認することにより、前記ビアを追加すべき位置を決定させる、
   処理を実行させるプログラム。

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