JP2004259960A - 配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】信号配線導体および信号用貫通導体に高周波信号を正確に伝播させることができず、搭載される電子部品を正常に動作させることができない。
【解決手段】第１の絶縁層１の上面に配設した第１の信号用配線導体５に接続された第１の信号用貫通導体８および第２の絶縁層２の上面に配設した第２の信号用配線導体６に接続された第２の信号用貫通導体９は、それぞれの信号用接続導体７との接続端が、第１乃至第４の絶縁層１・２・３・４の上下面に平行な方向に第１および第２の信号用貫通導体８・９の直径よりも大きく、かつ第１および第２の信号用貫通導体８・９の間を流れる信号の波長の４分の１よりも小さい間隔で離間して設けられている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速作動の半導体素子等の電子部品を搭載するための配線基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体素子等の電子部品を搭載するための配線基板は、上面および／または下面に配線導体が配設された酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成る多数の絶縁層を上下に積層することにより形成されている。そして、各絶縁層を挟んで上下に位置する配線導体同士を、絶縁層を貫通する貫通導体を介して接続することにより３次元配線を可能とし、これにより小型で高密度の配線基板を得るようになっている。
【０００３】
このような多層配線基板の例を図３に部分断面図で示す。
この例においては、中央の絶縁層２１の上下面にそれぞれ絶縁層２２・２３が積層されている。そして、中央の絶縁層２１の上下面には帯状の信号用配線導体２４・２５がそれぞれ互いの一端部を対向させるようにして配設されている。これらの信号用配線導体２４・２５は、絶縁層２１を貫通して設けられた信号用貫通導体２６により互いに電気的に接続されている。また、絶縁層２２の上面、絶縁層２３の下面にはそれぞれ広面積の接地用導体層２７・２８が配設されている。これらの接地用導体層２７・２８は絶縁層２１・２２・２３を貫通して信号用貫通導体２６に隣接するような配置で設けられた接地用貫通導体２９でもって互いに接続されている。
【０００４】
このような配線基板において、信号用配線導体２４・２５は、接地用導体層２７・２８との間の電磁カップリングにより、例えば５０Ωの特性インピーダンスとなるように設計されている。また、信号用貫通導体２６は、接地用貫通導体２９との間の電磁カップリングにより５０Ωの特性インピーダンスとなるように設計されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−７７８０８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近時は配線基板の高密度化に伴って、信号用貫通導体で互いに接続される上下の信号用配線導体間に複数の絶縁層が使用され、信号用貫通導体が複数の絶縁層を連続して貫通するように形成されるとともにそれらの絶縁層間に信号用貫通導体を取り囲む開口を有する接地用導体層が設けられることが多くなってきた。そのため、信号用貫通導体とこの信号用貫通導体を取り囲むように形成された接地用導体層との間において形成される大きな電磁カップリングにより信号用貫通導体に局部的な特性インピーダンスの不整合部が発生するという問題点が発生してきた。このような特性インピーダンスの不整合は、信号用配線導体および信号用貫通導体に伝播される信号の周波数がそれほど高くない場合には、その影響を無視できるためにほとんど問題となることはないが、信号用配線導体および信号用貫通導体を伝播する信号の周波数が例えば１０ＧＨｚ以上の高周波になると、この特性インピーダンスの不整合部において信号が大きく反射するようになって問題となる。そのため、信号用配線導体および信号用貫通導体に所定の高周波信号を正確に伝播させることができず、配線基板に搭載される半導体素子等の電子部品を正常に作動させることができなくなるという問題を誘発していた。
【０００７】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、信号用貫通導体とこの信号用貫通導体を取り囲むように開口が形成された接地用導体層との間に生じる特性インピーダンスの不整合を軽減するとこによって、信号用配線導体および信号用貫通導体に所定の高周波信号を正確に伝播させることができ、搭載する電子部品を正常に作動させることが可能な配線基板を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の配線基板は、第１の絶縁層およびこの第１の絶縁層の下面に積層された第２の絶縁層と、前記第１の絶縁層の上面に配設された第１の信号用配線導体および前記第２の絶縁層の下面に配設された第２の信号用配線導体と、前記第１の絶縁層を貫通して前記第１の信号用配線導体に接続された第１の信号用貫通導体および前記第２の絶縁層を貫通して前記第２の信号用配線導体に接続された第２の信号用貫通導体と、前記第１および第２の絶縁層間に配設され、前記第１および第２の信号用貫通導体を接続する信号用接続導体と、前記第１の絶縁層の上面に積層された第３の絶縁層および前記第２の絶縁層の下面に積層された第４の絶縁層と、前記第３の絶縁層の上面に配設された第１の接地用導体層および前記第４の絶縁層の下面に配設された第２の接地用導体層と、前記第１および第２の絶縁層間に配設され、前記信号用接続導体を取り囲む開口を有する第３の接地用導体層と、前記第１および第２の信号用貫通導体に隣接して配置され、前記第１乃至第４の絶縁層を貫通して前記第１乃至第３の接地用導体層に接続された接地用貫通導体とを具備して成る配線基板であって、前記第１および第２の信号用貫通導体は、それぞれの前記信号用接続導体との接続端が、前記第１乃至第４の絶縁層の上下面に平行な方向に前記第１および第２の信号用貫通導体の直径よりも大きく、かつ前記第１および第２の信号用貫通導体の間を流れる信号の波長の４分の１よりも小さい間隔で離間して設けられていることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の配線基板によれば、信号用接続導体により互いに接続された第１および第２の信号用貫通導体は、それぞれの信号用接続導体との接続端が、第１乃至第４の絶縁層の上下面に平行な方向に第１および第２の信号用貫通導体の直径よりも大きく、かつ第１および第２の信号用貫通導体の間を流れる信号の波長の４分の１よりも小さい間隔で離間して設けられていることから、第１および第２の信号用貫通導体と第３の接地用導体層との間に大きな電磁カップリングが形成されることがないとともに、信号用接続導体における高周波信号の共振も抑えることが可能となって、高周波信号の伝送特性の劣化も防止することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の配線基板を添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す部分断面図である。
図１に示す実施の形態の一例においては、第１の絶縁層１の下面に第２の絶縁層２を、第１の絶縁層の上面に第３の絶縁層３を、第２の絶縁層２の下面に第４の絶縁層４をそれぞれ積層一体化している。
【００１１】
第１乃至第４の絶縁層１・２・３・４は、例えば酸化アルミニウム質焼結体・ガラスセラミックス等の無機材料またはエポキシ樹脂・ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）・ビスマレイドトリアジン（ＢＴ）樹脂等の有機材料等の電気絶縁材料から形成されている。これら第１乃至第４の絶縁層１・２・３・４は、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム質焼結体等のセラミックスとなる原料粉末に適当なバインダおよび溶剤を添加混合して泥漿状となすとともに、これを従来周知のドクターブレード法を採用してシート状に形成してそれぞれ第１の絶縁層１、第２の絶縁層２、第３の絶縁層３および第４の絶縁層４となるセラミックグリーンシートを得て、しかる後に、これらのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともに所定の順に積層してセラミックグリーンシート積層体となし、最後にこのセラミックグリーンシート積層体を高温で焼成することによって上下に積層一体化される。
【００１２】
また、第１の絶縁層１の上面には帯状の第１の信号用配線導体５が、第２の絶縁層２の下面には帯状の第２の信号用配線導体６が、さらに第１と第２の絶縁層１・２の間には帯状の信号用接続導体７が形成されており、第１の信号用配線導体５と信号用接続導体７とが、および第２の信号用配線導体６と信号用接続導体７とが互いの一端部同士をそれぞれ対向させるようにして配設されている。
そして、これら第１の信号用配線導体５と信号用接続導体７とは、互いに対向する一端間において第１の絶縁層１を貫通する第１の信号用貫通導体８により電気的に接続されており、第２の信号用配線導体６と信号用接続導体７とは、互いに対向する一端部間において第２の絶縁層２を貫通する第２の信号用貫通導体９により電気的に接続されている。
【００１３】
第１および第２の信号用配線導体５・６および信号用接続導体７ならびに第１および第２の信号用貫通導体８・９は、配線基板に搭載される半導体素子等の電子部品に信号を入出力するための伝送路として機能し、これらにより例えば１０ＧＨｚ以上の高周波信号が伝播される。
【００１４】
また、第３の絶縁層３の上面および第４の絶縁層４の下面には、それぞれ広面積の第１の接地用導体層１０および第２の接地用導体層１１が配設されており、さらに第１の絶縁層１と第２の絶縁層２との間には信号用接続導体７を取り囲む開口１２ａを有する第３の接地用導体層１２が配設されている。さらに、第１の絶縁層１の上面および第２の絶縁層２の下面には、それらの面に形成された第１の信号用配線導体５同士および第２の信号用配線導体６同士のクロストークノイズを低減するとともに第１と第２絶縁層１・２間に形成された信号用接続導体７の特性インピーダンス整合を容易とするために、第４の接地用導体層１３および第５の接地用導体層１４が第１の信号用配線導体５間および第２の信号用配線導体６間にそれぞれ配置されている。なお、本例では第１の絶縁層１の上面および第２の絶縁層２の下面に上述のような第４および第５の接地用導体層１３・１４を設けたが、これら第４および第５の接地用導体層１３・１４は必ずしも設ける必要はない。
【００１５】
これら第１乃至第５の接地用導体層１０・１１・１２・１３・１４は、第１乃至第４の絶縁層１・２・３・４を貫通して第１または第２の信号用貫通導体８・９に隣接するような配置で設けられた接地用貫通導体１５でもって互いに電気的に接続されている。
【００１６】
第１乃至第５の接地用導体層１０・１１・１２・１３・１４ならびに接地用貫通導体１５は、配線基板に搭載される半導体素子等の電子部品に接地電位を提供するための導電路として機能し、外部の接地電位に電気的に接続される。
【００１７】
これら第１の信号用配線導体５・第２の信号用配線導体６・信号用接続導体７・第１の信号用貫通導体８・第２の信号用貫通導体９・第１の接地用導体層１０・第２の接地用導体層１１・第３の接地用導体層１２・第４の接地用導体層１３・第５の接地用導体層１４・接地用貫通導体１５は、例えばタングステン粉末やモリブデン粉末・銀粉末・銅粉末・半田粉末等の金属粉末を焼結させた金属粉末メタライズや銅めっき・ニッケルめっき・金めっき等のめっき導体、あるいは銅粉末・銀粉末・半田粉末等の金属粉末と熱硬化性樹脂とを含有する導電性樹脂から成り、これらを金属粉末メタライズによって形成する場合、信号用配線導体５・６、信号用接続導体７・接地用導体層１０・１１・１２・１３・１４であれば、タングステン粉末や銅粉末等の金属粉末に適当な有機バインダおよび溶剤を添加混合して得た導体ペーストを各絶縁層１・２・３・４となるセラミックグリーンシートの上面および／または下面に必要に応じて所定のパターンに印刷塗布しておき、また、信号用貫通導体８・９、接地用貫通導体１５であれば、各絶縁層１・２・３・４となるセラミックグリーンシートの所定位置に予め貫通孔を設けておくとともに、この貫通孔内に前出の導体ペーストを充填し、これらの導体ペーストを各絶縁層１・２・３・４となるセラミックグリーンシートとともに焼成することによって所定の位置に所定のパターンに形成される。
【００１８】
そして、第１の信号用配線導体５・第２の信号用配線導体６および信号用接続導体７は、第１の接地用導体層１０・第２の接地用導体層１１・第３の接地用導体層１２・第４の接地用導体層１３および第５の接地用導体層１４との間の電磁カップリングによりその特性インピーダンスが例えば５０Ωとなるように設計されている。このような第１および第２の信号用配線導体５・６や信号用接続導体７の特性インピーダンスは、第１乃至４の絶縁層１・２・３・４の厚みおよび誘電率、さらには第１および第２の信号用配線導体５・６や信号用接続導体７の線路幅等により決定される。なお、これらの特性インピーダンスは、信号を効率よく伝播させるためには４５〜５５Ωの範囲が好ましい。
【００１９】
また本発明においては、第１の信号用貫通導体８および第２の信号用貫通導体９は、それぞれの信号用接続導体７との接続端が、第１乃至第４の絶縁層１・２・３・４の上下面に平行な方向に第１および第２の信号用貫通導体８・９の直径よりも大きく、かつこれらに伝達される信号の波長の４分の１よりも小さい間隔で離間するように配置されているとともに第１および第２の絶縁層１・２間に配設された信号用接続導体７で互いに接続されている。このように、第１の信号用貫通導体８および第２の信号用貫通導体９のそれぞれの信号用接続導体７との接続端が、これらの信号用貫通導体８・９の直径よりも大きい間隔で離間して配置されているとともに第１および第２の絶縁層１・２間に配設された信号用接続導体７で互いに接続されていることから、信号用接続導体７の特性インピーダンスを所定の値に整合させたままでこの信号用接続導体７を取り囲む第３の接地用導体層１２の開口１２ａを十分に大きなものとすることができ、それにより第１の信号用貫通導体８および第２の信号用貫通導体９と第３の接地用導体層１２との電磁カップリングを小さいものとして不要な反射ノイズの発生を抑制することができる。
【００２０】
また、信号用接続導体７により接続された第１の信号用貫通導体８と第２の信号用貫通導体９のそれぞれの信号用接続導体７との接続端の間隔をこれらの間に伝達される信号の波長の４分の１よりも小さくしたことから、これらの間における高周波信号の共振も抑えることが可能となり高周波信号の伝送特性の劣化も防止することができる。したがって、本発明の配線基板によれば、第１および第２の信号用配線導体５・６ならびに第１および第２の信号用貫通導体８・９に所定の高周波信号を正確に伝播させることができ、搭載する電子部品を正常に作動させることができる。
【００２１】
なお、信号用接続導体７により接続された第１の信号用貫通導体８と第２の信号用貫通導体９のそれぞれの信号用接続導体７との接続端の間隔が、第１および第２の信号用貫通導体８・９の直径以下となると、第３の接地用導体層に形成される開口１２ａの面積が小さいものとなり、その分、第１および第２の信号用貫通導体８・９と第３の接地用導体層１２との電磁カップリングが大きなものとなってしまい、第１の信号用貫通導体８から第２の信号用貫通導体９までの特性インピーダンスの不整合が顕著となる傾向にある。また、信号用接続導体７により接続された第１の信号用貫通導体８と第２の信号用貫通導体９のそれぞれの信号用接続導体７との接続端の間隔が、これらの間を伝達する信号の波長の４分の１以上となると、第１および第２の信号用貫通導体８・９と第３の接地用導体層１２との間の電磁カップリングを小さなものとすることはできるものの、信号用接続導体７において高周波信号の共振が発生し高周波の伝送特性の劣化を生じてしまう傾向にある。したがって、信号用接続導体７により接続された第１の信号用貫通導体８と第２の信号用貫通導体９のそれぞれの信号用接続導体７との接続端の間隔は、これらの信号用貫通導体８・９の直径以上、かつこれらの間を流れる信号の波長の４分の１よりも小さい場合に特定される。
【００２２】
なお、さらに好ましくは、信号用接続導体７の長さを、信号用貫通導体８・９の直径の３倍以上とするほうがよい。これは、信号用貫通導体８・９と第３の接地用導体層１２との間の電磁カップリングを小さいものなり、これらの間に生じる特性インピーダンスの不整合部の影響がほとんど無視できるようになるためである。ここで、高周波信号には、伝達される信号の周波数以外にも多数の高調波成分が含まれているため、高周波信号の伝送特性を向上させるためには、広い周波数帯域で伝送損失を抑える必要がある。一般的には、伝播される高周波信号の３倍〜５倍の周波数帯域を考慮することが望ましい。
【００２３】
【実施例】
（実験例） 上述の実施の形態例と同様の構造において、第１および第２の信号用配線導体５・６および信号用接続導体７における第１乃至第５の接地用導体層１０・１１・１２・１３・１４との電磁カップリングによる特性インピーダンスならびに第１および第２の信号用貫通導体８・９における接地用貫通導体１５との電磁カップリングによる特性インピーダンスを５０Ωとし、第１の信号用貫通導体８と第２の信号用貫通導体９との距離をＬ（μｍ）、第１および第２の信号用貫通導体８・９の直径をＤ（μｍ）としたときの第１および第２の信号用配線導体５・６間における信号の透過率の周波数特性を測定した。なお、絶縁層１・２・３・４としてはそれぞれ比誘電率が４．２（３．３ＧＨｚ）、誘電正接が０．００６１（３．３ＧＨｚ）で、厚みが９５μｍのものを用いた。また、信号用配線導体５・６および信号用接続導体７および接地用導体１０・１１・１２・１３・１４としては、導電率が３．０×１０^７Ｓ／ｍで、厚みが１０μｍのものを用いた。また、信号用貫通導体８・９および接地用貫通導体１５としては、導電率が３．０×１０^７Ｓ／ｍで直径が１００μｍのものを使用した。なお、接地用貫通導体１５の数は第１および第２の信号用貫通導体８・９に対してそれぞれ２本ずつとし、対応する信号用貫通導体８・９に対して均等な間隔となるように配置した。その結果を図２に示す。
【００２４】
図２に示すように、Ｌが信号用貫通導体の直径より小さな試料Ａでは、２０ＧＨｚ以上の周波数帯域における信号の透過率が極めて悪いものとなった。それに対して、本発明の範囲内の試料であるＢおよびＣにおいては、１０ＧＨｚ以上の周波数帯域における信号の透過率が高く、特にＬが信号用貫通導体の直径の３倍以上である試料Ｃにおいては極めて優れることが分かった。
【００２５】
以上の結果、信号配線導体５・６・１２や信号用貫通導体７ａ・７ｂに例えば周波数が１０ＧＨｚ以上の高周波信号を伝播させてもこの信号が大きく反射するようなことはなくなり、信号を正確に伝播させ、配線基板に搭載される半導体素子等の電子部品を正常に作動させることが可能となる。
【００２６】
なお、本発明は上述の実施の形態の一例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であれば種々の変更は可能である。
例えば、上述の実施の形態の一例では第３の接地用導体層１２に形成された開口１２ａは、円形状としたが、開口部は円形状に限らず、例えば正方形、長方形状、菱形状、六角形状または八角形状等の形状などの多角形であってもよい。
また、第１乃至第４の絶縁層１・２・３・４は、それぞれ複数の絶縁層により形成されていてもよい。
また、チップ抵抗，薄膜抵抗，コイルインダクタ，クロスインダクタ，チップコンデンサまたは電解コンデンサ等といったものを取着して多層配線基板を構成してもよい。
【００２７】
そして、このような本発明の配線基板は、半導体素子収納用パッケージ等の電子部品収納用パッケージや電子部品搭載用基板、多数の半導体素子が搭載されるいわゆるマルチチップモジュールやマルチチップパッケージ、あるいはマザーボード等として使用される。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の配線基板によれば、信号用接続導体により互いに接続された第１および第２の信号用貫通導体は、それぞれの信号用接続導体との接続端が、第１乃至第４の絶縁層の上下面に平行な方向に第１および第２の信号用貫通導体の直径よりも大きく、かつ第１および第２の信号用貫通導体の間を流れる信号の波長の４分の１よりも小さい間隔で離間して設けられていることから、第１および第２の信号用貫通導体と第３の接地用導体層との間に大きな電磁カップリングが形成されることがないとともに、信号用接続導体における高周波信号の共振も抑えることが可能となって、高周波信号の伝送特性の劣化も防止することができる。
【００２９】
その結果、第１の信号用配線導体および第２の信号用配線導体および信号用接続導体ならびに信号用貫通導体に例えば周波数が１０ＧＨｚ以上の高周波信号を正確に伝播させることができ、配線基板に搭載される半導体素子等の電子部品を正常に作動させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す部分断面図である。
【図２】本発明における実験結果の一例である。
【図３】従来の配線基板を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・・第１の絶縁層
２・・・・・・第２の絶縁層
３・・・・・・第３の絶縁層
４・・・・・・第４の絶縁層
５・・・・・・第１の信号用配線導体
６・・・・・・第２の信号用配線導体
７・・・・・・信号用接続導体
８・・・・・・第１の信号用貫通導体
９・・・・・・第２の信号用貫通導体
１０・・・・・・第１の接地用導体層
１１・・・・・・第２の接地用導体層
１２・・・・・・第３の接地用導体層
１３・・・・・・第４の接地用導体層
１４・・・・・・第５の接地用導体層
１５・・・・・・接地用貫通導体

Claims (1)

1. 第１の絶縁層および該第１の絶縁層の下面に積層された第２の絶縁層と、前記第１の絶縁層の上面に配設された第１の信号用配線導体および前記第２の絶縁層の下面に配設された第２の信号用配線導体と、前記第１の絶縁層を貫通して前記第１の信号用配線導体に接続された第１の信号用貫通導体および前記第２の絶縁層を貫通して前記第２の信号用配線導体に接続された第２の信号用貫通導体と、前記第１および第２の絶縁層間に配設され、前記第１および第２の信号用貫通導体を接続する信号用接続導体と、前記第１の絶縁層の上面に積層された第３の絶縁層および前記第２の絶縁層の下面に積層された第４の絶縁層と、前記第３の絶縁層の上面に配設された第１の接地用導体層および前記第４の絶縁層の下面に配設された第２の接地用導体層と、前記第１および第２の絶縁層間に配設され、前記信号用接続導体を取り囲む開口を有する第３の接地用導体層と、前記第１および第２の信号用貫通導体に隣接して配置され、前記第１乃至第４の絶縁層を貫通して前記第１乃至第３の接地用導体層に接続された接地用貫通導体とを具備して成る配線基板であって、前記第１および第２の信号用貫通導体は、それぞれの前記信号用接続導体との接続端が、前記第１乃至第４の絶縁層の上下面に平行な方向に前記第１および第２の信号用貫通導体の直径よりも大きく、かつ前記第１および第２の信号用貫通導体の間を流れる信号の波長の４分の１よりも小さい間隔で離間して設けられていることを特徴とする配線基板。

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