（様式 20）成果報告書

平成 26 年度 TSUBAME 産業利用トライアルユース 成果報告書

利用課題名 三次元電磁界シミュレータを用いた静電気放電イミュニティ試験に於けるPCB/Package/Chip のイミュニティ解析 （継続課題）
英文： Immunity analysis of PCB/Package/Chip in the electrostatic discharge test

using the three-dimensional electromagnetic field simulator
賀 文寿、永野 民雄
Fumikazu Ga, Tamio Nagano
所属: ルネサスシステムデザイン株式会社
Affiliation: Renesas System Design Co., Ltd.
URL: http://www.renesas.com/
静電気放電（ESD）イミュニティの実験環境を含む大規模モデルに対して、3 次元電磁界シミュレータによる ESDイミュニティ解析を検討した。シミュレーションと実測の相関性を確認し、実用的な時間範囲内で解析できることを確認した。スーパーコンピューターTSUBAME による大規模 3 次元電磁界解析は、ESD イミュニティ設計に有用であることを示した。
Electrostatic discharge (ESD) immunity analysis using 3-dimensional (3D) electromagnetic field
simulator for large-scale models, including ESD immunity test environment, have been studied. The
correlation between simulations and measurements is confirmed, and the analysis can be finished withina practical time. The large-scale 3D electromagnetic field analysis by the TSUBAME supercomputer isdemonstrated to be useful in designing ESD immunity.

Keywords: 電 磁 界 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン Electromagnetic field simulation 、 静 電 気 放 電 Electrostaticdischarge（ESD)、イミュニティ Immunity、プリント回路基板 Printed Circuit Board (PCB)、大規模集積回路 Large Scale Integration (LSI)

背景と目的

TSUBAME を利用し、ESD イミュニティ試験の 3 次元電子機器の低電圧化、高速化に伴い、静電気が起電磁界解析を行い、ノイズの伝搬経路の可視化を含む因の誤動作が発生しやすくなってきている。静電気放ESD イミュニティの設計手法を構築することを目的とし電（ESD）による破壊や誤動作を防止するため、ESDた。

イミュニティ試験[1]が規格化され、製品に対する ESDイミュニティ試験が行われている。

平成 25 年度に同課題名で、3 次元電磁界解析によるノイズ伝搬のメカニズムについて検討を行った。しか低コストで ESD イミュニティに強い PCB/Package/し、実機試験結果とシミュレーションとの比較考察にはChip を設計するには、ESD イミュニティ試験でノイズ至らず、LSI モデルや、解析条件などについて課題ががどの経路をたどってチップに伝搬し、誤動作を引き起残る結果となった[4]。

こしているかを理解することが重要である。一つのアプ

本検討では、平成 25 年度の課題に対して、 LSI モローチとして、3 次元電磁界シミュレーションによるノイデル、ケーブルモデル、励起源などをより実体に合せてズの可視化がある[2]、[3]。

3 次元電磁界解析を実施し、試験と解析結果は傾向一

一般の PC 環境では、基準グラウンド面、水平結合致という結果を得た。また、ノイズの伝搬経路の可視化板、ESD ガン、PCB/Package/Chip 等を含む ESD イを実施し、実用的な時間範囲内で解析できることを確

ミュニティ試験の実環境を 3 次元電磁界シミュレータで認した。

解析することは、使用メモリ、解析時間の観点から困難である。
本プロジェクトでは、スーパーコンピューター

前回と今回の検討を通じて、TSUBAME による大規模 3 次元電磁界解析は、ESD イミュニティ設計に有用であることを示した。

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概要

そこで、下記のモデル改良を行い、3 次元電磁界解CST STUDIO SUITE 2014 を用いて[5]、ESDイミュニティ解析の検討を行った。
シミュレーションモデルを図 1 に示す。実試験環境に合わせて、基準グラウンド面、水平結合板、ケーブル、ESD ガン[6]、絶縁シート、PCB、LSI 等をモデル化した。図 1 のモデルを用いて 3D 電磁界解析を行い、試験との比較、ノイズの伝搬経路の可視化を行った。

析を実施した。
－LSI モデルの電源構造を改良する－ケーブルモデルの長さ、設置状態をより実体に合わせる－ESD ガンの出力は実測に合うように、励起信号を調整する
図 2(b)に改良モデルのノイズ波形を示す。LSI に伝搬するノイズは電源分離ボードの方（赤線）が大きい。
試験と解析結果は傾向一致という結果が得られた。
ノイズの伝搬経路を可視化した表面電流分布を図 3に示す。TSUBAME を使用して、図 1 に示すモデル全体の表面電流分布が得られた。しかし、表示用 PCマシンの性能制限で、局部の表面電流分布しか表示できず、課題があった。

(a) 全体赤：電源分離ボード
青：電源共通ボード(a) 前年度モデルのノイズ波形（b） 評価ボード周辺
図 1 シミュレーションモデル
赤：電源分離ボード結果および考察

青：電源共通ボード

PCB 上電源配線パターンが共通と分離の 2 種類の評価ボード（以降、電源共通ボードまたは電源分離ボ(b) 改良後モデルのノイズ波形ードと呼ぶ）に対して、IEC61000-4-2 に準拠した試験

図 2 シミュレーション結果

環境で、ESD ガンによる接触放電試験を実施した。
試験結果により、LSI の誤動作耐圧は、電源共通ボードより電源分離ボードの方が低い。よって、LSI に伝搬するノイズは、電源分離ボードの方が大きいと考えられる。
図 2 に Chip の電源端子でのノイズ波形のシミュレーション結果を示す。図 2(a)に前年度モデルのノイズ波形を示すように、LSI に伝搬するノイズは電源共通ボードの方（青線）が大きい。この結果は試験傾向と異なる。

図 3 表面電流分布

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今回のシミュレーション時間を表 1 に示す。約 200M

ノイズの可視化の検討を行った。しかし、大規模モデメッシュ規模のモデルに対して、TSUBAME の 4 ノールのノイズ可視化データに対して、表示用 PC マシンのドでの計算時間は約 5 h であり、実用的な時間範囲内性能が追いつかず、全体表示困難の課題があった。

で解析できることを確認した。

今後、メッシュ数を削減して、計算の高速化、表示のPC と TSUBAME の計算時間の比較を図 4 に示容易化を図る。

す。一般的な PC 環境で、基準グラウンド面、水平結合板、ESD ガン、PCB/Package/Chip 等を含む ESD イ
ミュニティ試験の実環境を解析すると、推定の計算時謝辞

間は 1200 h 以上となる。一方、TSUBAME での計算本プロジェクトにおきまして、多くのご支援を頂いた東

時間は約 5 h で、240 倍以上の時間短縮効果が得ら

京工業大学学術国際情報センター共同利用推進室、れた。

CST STUDIO SUITE ソフトウェアのサポートを頂いた
表 1. シミュレーション時間

株式会社エーイーティーに深く感謝いたします。

メッシュ数使用ノード数*

計算時間

200M

45h

*1 ノード：12CPU コア、3GPU

参考文献[1] IEC61000-4-2 ， Testing and measurement
techniques - Electrostatic discharge immunity
test，Edition 2.0，2008.12[2] http://www.fujitsu.com/jp/solutions/businesstechnology/tc/fields/cae/poynting/esd-pcbchassis.html[3] 賀 文寿, 秋山 雪治, 白井 淳一, “電磁界シミュレーションによる ESD イミュニティの解析”2013
年第 27 回エレクトロニクス実装学会春季講演大会 14C-11

図 4 PC と TSUBAME の計算時間の比較[4] 秋本 哲也, “三次元電磁界シミュレータを用いた静電気放電イミュニティ試験に於けるまとめ、今後の課題
TSUBAME を利用して、ESD イミュニティの実験環境を含む大規模モデルに対して、3 次元電磁界解析を実施した。
LSI モデル、ケーブルモデル、励起源などをより実体

PCB/Package/hip のイミュニティ解析” 平成 26
年度 東京工業大学 TSUBAME 産業利用シンポジウム pp.147~150[5] https://www.cst.com/[6] S.

Caniggia,F.

Maradei,Numerical

析結果は傾向一致の結果を得た。また、200M メッシュ

Discharge Generators," IEEE Transactions on

規模のモデルに対して、TSUBAME の 4 ノードでの計

Industry Applications, Vol. 42, pp. 1350-1357,

算時間は約 5 h であった。これらの結果から、

Nov. 2006.

解析の実用性を確認できた。本技術はノイズの可視化、誤動作のメカニズム解明、イミュニティ設計・対策の応用に期待される。

ofandに合せて 3 次元電磁界解析を実施した結果、試験と解TSUBAME による大規模モデルの ESD イミュニティ

Modeling"CircuitElectrostatic