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レノボ、ThinkPad X300の電気設計を解説

ThinkPad X300の基板(CPU実装面)

3月24日 実施



ノートブック開発研究所 システム技術 基礎設計技術担当 小見山博秀氏

 レノボ・ジャパン株式会社は24日、薄型モバイルノート「ThinkPad X300」の電気設計についての記者説明会を都内で開催した。

 冒頭では、同社 ノートブック開発研究所 システム技術 基礎設計技術担当 小見山博秀氏が挨拶。同氏はX300を開発した理由と取り組んだ課題について、「このところレノボは“とんがったもの”をリリースしていなかった。そこで“薄さ”を重視したものを開発したかったが、薄型化するにあたりさまざまなことに取り組んだ」と説明した。

 続いて、X300の基板設計およびEMC設計を担当した小川満氏が、X300の回路や基板設計について解説。同氏は、X300の設計にあたり「回路図面が約100ページにも及んだ」ことを強調。このうちCPUは3ページ、ノースブリッジが8ページ、サウスブリッジが4ページと意外に少ないが、20ページを電源関連が占める。これはX300では30種類にも及ぶ電圧を必要としていることから由来するという。

 「他社製ノートPCの回路図は多くても70ページ前後だが、我々はThinkPadの設計図の仕様を共通化しているためページ数が多い。これは製品間の差異を減らしたり、共通の問題を早急に解決したり、その機種独特な機能をすぐに見つけられるようにするためのノウハウであり、他社にはない特徴だ」と述べた。

 基板の基本設計においても従来のThinkPadのコンセプトを踏襲し、ThinkVantageの機能をフルサポートしたほか、システムマネジメント用のマイコンや自社設計のゲートアレイ、電源管理用のカスタムICなどを搭載。また、DIMMスロットを2本、USBを3基搭載するなど、拡張性も確保。一方X300独自の部分としては、高密度実装と省電力を実現するために、部品点数の減少や小型部品の採用などで対策してきた。

X300の基板設計およびEMC設計を担当した小川満氏 100ページに及んだX300の回路図 ThinkPad共通の部分と、X300独自の部分

 このうち、高密度実装を実現するのに欠かせなかったのが、SFFのCPUとチップセットの採用だった。IntelのSFF CPUはパッケージサイズが22×22×2mm(幅×奥行き×高さ)で小型化/薄型化されており、基板占用面積を減らしている。このため標準のCore 2 Duoを採用しているT61と比較しても、基板面積が52%、厚さが17%、重量が60%、部品点数が32%減少したという。

 また、基板に10層(1+8+1)HDI基板を採用したのも特徴。HDI基板の製作工程は、まず真ん中に挟まれる2層目〜9層目の基板を作成し、その後で表と裏に1層目と10層目を貼り付けるという形式を取っている。このため基板表層と2層目のみを接続する「ブラインド・ビア」と、2層目と9層目を接続する「ベリード・ビア」を形成でき、部品の高密度化が可能。

 特に「ブラインド・ビア」はビア自身の直径を小型化できるほか、ビアにお椀型のパッドを載せ、この上にBGAを実装することができ、さらなる高密度化が図れるという。

従来のCPU/チップセットのパッケージサイズとSFFパッケージサイズの比較 X300の基板とT61基板の比較 HDI基板の特徴。ブラインド・ビアとベリード・ビアで高密度化を図った

 しかし、お椀型のパッドはハンダ付け時に気泡が入りやすく、歪みが生じたときにひび割れして断線する恐れがあるという。このため同社は基板の屈曲テストを行ない、「歪みが生じやすい部分にはブラインド・ビアをなるべく載せないようにする」など工夫をしたという。

 また、コスト削減のため、基板の厚みやビアの形状、パターンの間隔などをデザインルール化した。基板の歪み軽減の対策として、ネジ止め位置の工夫や接着剤によるチップの固定などを行なった。さらに、計測できない部分の信号波形などはシミュレーションを行ない、信号の信頼性も確保したという。

ハンダ付けの信頼性テストも行なっている。ブラインド・ビアに載せたBGAは歪みがあるとひび割れしやすいため、歪みが発生しにくい場所でのみ採用している 基板を筐体に組み込んだ後に歪みテストを行ない、ネジ止め部分や接着剤の使用を検討 信号シミュレーションや転送損失による電圧低下シミュレーションなども行なう
まずは各部品をブロック配置することから設計が始まる。左上の図は当初のプランで1スピンドルだった

 X300の設計フローについては、「ThinkPadはまず、ブロック図で大体部品を置く位置を決めてから少しずつ具体的な図面を起こし、その後、部品ごとの高さまでを緻密に描いた基板図が完成する」と説明した。

 また、「実はX300開発当初のブロック図の段階では、標準のCore 2 Duoパッケージを採用し、1スピンドルを想定して設計を進めていたが、途中からSFFに変更され、2スピンドルノートとして設計しなおした」という裏話も披露した。

●EMC対策も

 続いて、小見山博秀氏がThinkPadのEMC対策について解説。EMCとは電磁波の不干渉性(エミッション)および耐性(イミュニティ)のことで、不干渉性についてはFFC Part15やVCCI、耐性についてはCISPR24などの規格が定まっているという。

 しかし、これらの規格だけでは不十分な点もあるという。例えば過去に「携帯電話をThinkPadの上に置いて、着信したらトラックポイントが誤作動した」などのユーザー報告事例があったという。

 そこで同社はレノボ独自の規格「Lenovo Standards」、そしてThinkPad独自の「PAL」を実施し、さまざまな対策を施しているという。例えばノイズが乗りにくい配線長の策定や、信号線をグランド層で挟むことによるノイズの遮断などをしているという。

外部機器への干渉や外部機器からの干渉を避けるため、各種国際規格が定められている しかしこれらの国際規格だけでは不十分なため、従来よりレノボ独自の規格、さらにThinkPad独自の規格の策定をしてきた 電磁波による影響を避けるための各種対策

 静電気対策についても、「ThinkPad本体に溜まった静電気を各種I/Oに一気に流したりしない構造や、本体に一気に静電気が流れ込んだときに緩和するような独自回路などを施した」という。

 また、本体から発生する電磁波の周囲への影響についても、実際に電磁波強度試験を行ない、電磁波発生が多いところを抑えるような設計を行なう対策をした。

静電気の対策も行なっている 本体から出る電磁波を極力抑える設計。無線用アンテナもノイズが発生しやすい基板から離れるようにした 電磁波の発生を計測し、発生が多い部分の設計を変えて解消する
説明会ではX300の分解モデルを展示 部品を実装する前のX300の基板(非CPU実装面) 部品を実装したX300の基板(非CPU実装面)

□レノボ・ジャパンのホームページ
http://www.lenovo.com/jp/ja/
□製品情報
http://www-06.ibm.com/jp/pc/notebooks/thinkpad/x-series/x300_lineup.shtml
□関連記事
【2月27日】【笠原】「より薄く」を第一目標に据えた新世代ThinkPad
http://pc.watch.impress.co.jp/docs/2008/0227/ubiq209.htm
【2月26日】レノボ、1.42kgのSSDモバイルノート「ThinkPad X300」
http://pc.watch.impress.co.jp/docs/2008/0226/lenovo1.htm
【2月26日】ThinkPad X300発表会レポート
http://pc.watch.impress.co.jp/docs/2008/0226/lenovo2.htm

(2008年3月24日)

[Reported by ryu@impress.co.jp]

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