JP2004241680A

JP2004241680A - 多層プリント基板

Info

Publication number: JP2004241680A
Application number: JP2003030488A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Shiraki; 康博白木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2004-08-26
Also published as: US20050173150A1; US6969808B2

Abstract

【課題】信号周波数が高い場合でもインピーダンスマッチングを向上させることができる多層プリント基板を提供する。
【解決手段】信号線１１が配設された複数の信号層１と、異なる信号層１の信号線１１を相互に接続するスルーホール２１と、当該多層プリント基板の複数のグランド層間または複数の配線層間を電気的に接続するグランドスルーホール４１とを備えた多層プリント基板において、信号層１には、スルーホール３１と信号線１１とを接続するランド３１を設けている。ランド３１の外周は、ランド３１の中心からの距離が最大の最大径部分３２と、最大径部分３２よりランド３１の中心からの距離が小さい小径部分とを有し、ランド外周の、ランド３１の中心から最も近いグランドスルーホール４１に対向する部分を、小径部分３３で構成している。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数層を有する多層プリント基板に関する。より特定的には、信号線が配設された複数の信号層と、異なる信号層の信号線を相互に電気的に接続するスルーホールと、複数のグランド層間または複数の電源層間を相互に電気的に接続するグランドスルーホールと、を備えた多層プリント基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信機器等に用いられるプリント基板では、高密度実装と信号の高速化が望まれている。これに対応して、高密度実装を達成するためにプリント基板を多層化し、各層の信号線をスルーホールで接続することが一般的に行なわれている。このスルーホールを形成するには、まず信号線に連続して設けたランドと呼ばれる面積を拡大した電極を貫通するように、ドリルなどで貫通孔を形成する。この貫通孔の内部に導電材のめっきを行なったり、導電材を充填することで異なる信号層のランドを相互に接続し、信号配線相互を電気的に接続する。このランドは、貫通孔を形成する時の位置精度を考慮して、貫通孔の位置に誤差が生じた場合でも導通を確保して、歩留まりを向上させるために設けるものである。
【０００３】
このような多層に構成したプリント基板においては、信号が高速になると、スルーホールと信号線のインピーダンスマッチングが悪化し、信号波形に歪が生じるなど、信号に劣化が発生するという問題がある。
【０００４】
このインピーダンスマッチングを改善するものとしては、たとえば次のものがある。特許文献１記載の多層プリント基板では、信号線であるマイクロストリップ線路に接続されたスルーホール近傍にグランドスルーホールを設け、このグランドスルーホールの直径やマイクロストリップ線路に接続されたスルーホールとの距離を調節することにより、インピーダンスマッチングを改善している。また、特許文献２記載の多層プリント基板では、信号線より幅が広がったパッド部におけるインピーダンスの不整合を回避するため、パッド部の直下のグランド／電源層に繰り抜き部を設けて、容量カップリングを低減している。特許文献３記載の多層プリント基板は、信号線に接続されたスルーホール近傍に設けたグランドスルーホールの個数を増減させてインピーダンスマッチングを改善している。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−５４８６９号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開２００２−１１１２３０号公報
【０００７】
【特許文献３】
特開２０００−２１６５１０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
信号の高速化にともない、信号の周波数が高くなっている。このような高周波の信号に対応できるようにインピーダンスマッチングの改善を図るためには、上記の特許文献１や特許文献３に記載の多層プリント基板では、グランドスルーホールの個数を増やしたり、信号線に接続されたスルーホールとの距離を縮めなければならない。しかし、製造上の限界があり、ある程度以上は困難である。
【０００９】
また、特許文献２に記載の多層プリント基板のようにパッドの直下のグランド／電源層を繰り抜くと、グランド／電源層の直下の信号線のインピーダンスマッチングが悪化する恐れがある。
【００１０】
したがって、この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、信号周波数が高い場合でもインピーダンスマッチングを向上させることができる多層プリント基板を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に基づいた多層プリント基板に従えば、信号線が配設された複数の信号層と、上記異なる信号層の信号線を相互に電気的に接続するスルーホールと、複数のグランド層間または複数の電源層間を相互に電気的に接続するグランドスルーホールと、を備えた多層プリント基板であって、上記信号層には、上記スルーホールと上記信号線とを接続するランドが設けられ、上記ランドの外周は、ランドの中心からの距離が最大の最大径部分と、上記最大径部分よりランドの中心からの距離が小さい小径部分とを有し、上記ランド外周の、上記ランドの中心から最も近いグランドスルーホールに対向する部分を、上記小径部分で構成している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に基づく実施の形態における多層プリント基板について説明する。
【００１３】
（実施の形態１）
本実施の形態における多層プリント基板について、図１から図７を参照して説明する。なお、図１は本実施の形態における多層プリント基板の信号層のスルーホール周辺部の構造を示す平面図であり、図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ矢視断面の構造を示す縦断面図であり、図３は、図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面の構造を示す縦断面図であり、図４は信号層およびその下層の一部の構造を示す斜視図であり、図５はランドとスルーホールの位置関係を示す斜視図であり、図６（ａ）は、反射する信号の特性を示すグラフであり、図６（ｂ）は、伝送する信号の特性を示すグラフであり、図７は信号層のスルーホール周辺の構造を示す拡大図である。
【００１４】
（多層プリント基板の構造）
図２に示すように、本実施の形態の多層プリント基板は、７層で構成され、第１層、第３層、第５層、および第７層がグランド層、第４層が電源層であり、第２層および第６層が信号層である。
【００１５】
図１に示すように、信号層１には、信号線１１が設けられている。信号線１１とスルーホール２１とを電気的に接続する箇所には、ランド３１が形成されており、図５に示すように、スルーホール２１がその略中心を貫通している。
【００１６】
このスルーホール２１を形成するには、まず異なる信号層のランド３１，３１を貫通するように、ドリルなどで貫通孔を形成する。次に、この貫通孔の内部に導電材のめっきを行なったり、導電材を充填したりする。図５に示すように、これにより異なる信号層の、互いに重なる位置にあるランド３１，３１が、相互に電気的に接続される。このようにすることで、信号線１１，１１相互を電気的に接続するスルーホール２１を構成することができる。このランド３１は、貫通孔を形成する時の位置精度を考慮して、貫通孔を形成する位置に誤差が生じた場合でも導通を確保するために設けるものである。なお、本明細書において、スルーホールには、貫通孔のみならず、貫通孔の内部に設けられた導電材も含むものとする。
【００１７】
図２に示すように、グランド層にはそれぞれグランド配線２６が、電源層には電源配線２７が設けられている。グランド配線２６および電源配線２７は、スルーホール２１の周辺を除きグランド層および電源層の略全面に広がるように面状に配設されている。グランド層のグランド配線間には、適宜箇所においてグランドスルーホール４１が設けられ、グランド配線２６，２６の間を相互に電気的に接続している。このグランドスルーホール４１は、多層プリント基板全体に一定間隔で配置されている。図１ではその一部のみを図示しており、信号線１１の両側に複数のグランドスルーホール４１が配設されている。グランドスルーホール４１は、多層プリント基板の大きさに依存する電気的共振により発生した信号や、スルーホール２１で反射した信号を信号源に帰還させるために設けている。
【００１８】
図３および図４に示すように第２層の信号線１１ａと第６層の信号線１１ｂとは、スルーホール２１で接続されている。第２層の信号線１１ａにより伝送される信号は、スルーホール２１を経由して、第６層の信号線１１ｂに導かれる。このとき同時に信号線１１ａにより伝送される信号が、スルーホール２１で反射するが、この反射した信号は、主にスルーホール２１からグランドスルーホール４１に容量カップリングで伝送され、さらにその信号がグランドスルーホール４１を介して伝送されて、図示しない信号源に帰還する。
【００１９】
このように、スルーホール２１を介して、他層に信号を伝送する場合には、スルーホール２１およびそれに接続するランド３１の電気的特性が重要である。その中で、スルーホール２１自体のインダクタンスの低減、スルーホール２１のランド３１と、グランドスルーホール４１との間のキャパシタンスの低減が特に重要である。また、上記のようにインダクタンスとキャパシタンスを有することにより、信号周波数がある特定の共振周波数のときに、伝送する信号が極小値となり、一方反射する信号が極大値となり、信号が特に伝送しにくくなる。
【００２０】
図６は、そのような状態を説明するものであり、図６（ａ）は、反射する信号の特性を示すグラフであり、縦軸はＳ１１特性（反射する信号振幅／入力する信号振幅）、横軸は周波数である。図６（ｂ）は、伝送する信号の特性を示すグラフであり、縦軸はＳ２１特性（伝送する信号振幅／入力する信号振幅）を示す。
一般的に図６に示すような共振周波数は、インダクタンスとキャパシタンスが大きいほど低くなるので、より高い周波数の信号に対応するには、インダクタンスとキャパシタンスを小さくして、その共振周波数をさらに高くする必要がある。
【００２１】
そこで、本実施の形態では、図１に示すように、スルーホール２１のランド３１の外周の、最も近接するグランドスルーホール４１に対向する部分をカットするようにした。図７に示すように、スルーホール２１のランド３１の外周が、ランド３１の中心Ｃからの距離が最大（Ｌｍａｘ）の最大径部分３２と、最大径部分３２よりランド３１の中心Ｃからの距離が小さい小径部分３３とを有するように構成し、ランド３１の外周の、ランド３１の中心Ｃから最も近いグランドスルーホール４１に対向する部分を、小径部分３３で構成した。本明細書中ランドの中心Ｃとは、それに接続される信号線１１の中心線上でかつ、それらの線が延びる方向の中央部を言うものとする。
【００２２】
従来のスルーホール２１のランド３１は、図５に示すような円形形状であるが、図７に示すように、ランド３１の中心から最も近いグランドスルーホール４１対向する部分を含む周辺部（斜線Ｓ３で示す）を直線的にカットしたような形状に構成し、この円弧を延長した線（点線で示す）より、小径部分３３が内側に後退するように構成している。図７のランド３１の外周の直線部分が、小径部分３３で、その外側の斜線Ｓ３で示した部分が、従来のランドより後退した部分である。
【００２３】
また、本実施の形態では、ランド３１の図６における上下方向、すなわちランド３１の中心Ｃを基準点として、信号線１１の方向に対して直角方向にグランドスルーホール４１が位置している。さらに、本実施の形態では、ランド３１の小径部分３３が、ランド３１の最小径部分３４を含むように構成されている。
【００２４】
（作用・効果）
信号線１１により伝送されスルーホール２１で反射した信号は、図４に破線の矢印で示すように、スルーホール２１から最も近いグランドスルーホール４１に、そのスルーホール２１に電気的に接続したランド３１を介して伝送される。その伝送は、そのランド３１のグランドスルーホール４１に対向する部分と、グランドスルーホールのキャパシタンスによる容量カップリングにより行なわれる。
本実施の形態のように、ランド３１の中心Ｃから最も近いグランドスルーホール４１に対向する部分をカットして小径部分３３で構成することにより、スルーホール２１のランド３１とグランドスルーホール４１との間隔を広くすることができるので、キャパシンタンスを低減できる。その結果、共振周波数をより高くすることができるので、インピーダンスマッチングを改善して、より高い周波数の信号に対応することができるようになる。
【００２５】
また、本実施の形態では、スルーホール２１のランド３１の図７における上下方向、すなわちランド３１の中心Ｃを基準点として、信号線１１の方向に対して直角方向にグランドスルーホール４１が位置することにより、ランド３１のカットする箇所が信号線１１とランド３１との接続箇所から９０°ずれている。これにより、スルーホール２１の形成位置が多少ずれても導通を確保するというランド３１の本来の機能を損ないにくい。さらに、本実施の形態では、スルーホール２１のランド３１の小径部分３３の最小径部分３４とグランドスルーホール４１に対向する部分とが一致しており、さらに効果的にインピーダンスマッチングを改善することができる。
【００２６】
本実施の形態では、スルーホール２１のランド３１の小径部分３３が最小径部分３４を含むように構成したが、信号周波数がそれほど高くなければ、必ずしもそのようにしなくてもよい。また、本実施の形態では、ランド３１の中心Ｃから最も近いグランドスルーホール４１に対向する部分のみではなく、その周辺部も小径部分３３で構成したが、上記グランドスルーホール４１に対向する部分のみ（グランドスルーホール４１の直径に対応する部分のみ）を小径部分３３で構成するようにしてもよい。
【００２７】
本実施の形態では、電源層が一層のみであるので、電源層間を接続するグランドスルーホールは存在しない。しかし、複数の電源層を設けた場合には、これらの間をグランドスルーホールで接続することができる。その場合には、ランド３１の、電源層間を接続するグランドスルーホールに対向する部分を後退させるようにする。
【００２８】
本明細書において、スルーホールには、ビアホールなど異なる層間を電気的に接続する構造を全て含む。
【００２９】
（実施の形態２）
次に異なる実施の形態について、上記実施の形態と異なる点のみを説明する。
ここで、図８は本実施の形態における多層プリント基板の信号層の一部の構造を示す平面図であり、図９は、図８におけるＩＸ−ＩＸ断面の構造を示す説明図である。
【００３０】
図９に示すように本実施の形態の多層プリント基板は、１６層で構成されており、複数の信号層を有している。また、図８に示すように、スルーホール２１は、グランドスルーホール４１のちょうど中間部に位置している。言いかえると、４つのグランドスルーホール４１から等距離にスルーホール２１の中心が位置している。この場合には、４つのグランドスルーホール４１から等距離であるので、ランド３１の対向する４箇所を後退させ小径部分３３を４箇所形成するようにしている。この場合もキャパシタンスが小さくなり、伝送する信号が極小値、反射する信号が極大値となる共振周波数を高くすることができるので、より高速な伝送が可能となる。また、この実施の形態のように、層の数が多くなると、本発明の効果はより顕著となる。
【００３１】
この効果を、本実施の形態の多層プリント基板について電磁界解析であるＦＤＴＤ法（ＦｉｎｉｔｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＭｅｔｈｏｄ）を用いて検証した。その結果、ランド３１をカットせず円形のランドを構成した場合には、共振周波数が４．９９ＧＨｚであったが、本実施の形態のように、スルーホール２１のランド３１の一部をカットすることにより５．９４ＧＨｚとなり、より高い周波数の信号にも対応できるようになった。
【００３２】
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるのではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に基づいた実施の形態１における多層プリント基板の信号層のスルーホール周辺の構造を示す平面図である。
【図２】この発明に基づいた実施の形態１における多層プリント基板の図１におけるＩＩ−ＩＩ矢視断面の構造を示す縦断面図である。
【図３】この発明に基づいた実施の形態１における多層プリント基板の図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面の構造を示す縦断面図である。
【図４】この発明に基づいた実施の形態１における多層プリント基板の信号層およびその下層の一部構造を示す斜視図である。
【図５】この発明に基づいた実施の形態１における多層プリント基板の信号層の一部構造を示す斜視図である。
【図６】（ａ）は、多層プリント基板において、反射する信号の特性を示すグラフであり、（ｂ）は、伝送する信号の特性を示すグラフである。
【図７】この発明に基づいた実施の形態１における多層プリント基板の信号層のスルーホール周辺の構造を示す拡大図である。
【図８】この発明に基づいた実施の形態２における多層プリント基板の信号層の一部の構造を示す平面図である。
【図９】この発明に基づいた実施の形態２における多層プリント基板の、図８におけるＩＸ−ＩＸ矢視断面の構造を示す説明図である。
【符号の説明】
１信号層、１１信号線、２１スルーホール、３１ランド、３２最大径部分、３３小径部分、３４最小径部分、４１グランドスルーホール。

Claims

信号線が配設された複数の信号層と、前記異なる信号層の信号線を相互に電気的に接続するスルーホールと、当該多層プリント基板の複数のグランド層間または複数の電源層間を相互に電気的に接続するグランドスルーホールと、を備えた多層プリント基板であって、
前記信号層には、前記スルーホールと前記信号線とを接続するランドが設けられ、前記ランドの外周は、ランドの中心からの距離が最大の最大径部分と、前記最大径部分よりランドの中心からの距離が小さい小径部分とを有し、
前記ランド外周の、前記ランドの中心から最も近いグランドスルーホールに対向する部分を、前記小径部分で構成した、多層プリント基板。
前記ランドの最大径部分が略円弧状であり、前記小径部分は、最大径部分の外形線を円弧状に延長した線より内側に位置するように構成した、請求項１に記載の多層プリント基板。
前記ランドに最も近いグランドスルーホールまたはスルーホールは、前記ランドの中心を基準点として、前記信号線の延びる方向に対して略直角方向に位置し、前記小径部分の最小径部分は、前記略直角方向に位置する、請求項１または２のいずれかに記載の多層プリント基板。
前記信号線の両側には、グランドスルーホールが複数個配列されている、請求項１〜３のいずれかに記載の多層プリント基板。