JP2004328123A

JP2004328123A - 伝送線路

Info

Publication number: JP2004328123A
Application number: JP2003116992A
Authority: JP
Inventors: Naoya Kukutsu; 直哉久々津; Takeshi Sakamoto; 健坂本; Nobuo Sato; 信夫佐藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-04-22
Filing date: 2003-04-22
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】隣接する差動平衡線路間のクロストークを少なくし高密度配線を可能にする。
【解決手段】第１の導体層３Ａと第２の導体層３Ｂと導体壁３Ｃからなる断面Ｉ字型の信号導体の一対により差動平衡線路を構成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速、高周波回路を構成する伝送線路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、高速な信号を取り扱う伝送方式として、差動平衡線路による信号伝送方式が広く用いられている。この差動平衡線路による信号伝送方式は、送信側で１つの信号から正負の２相の信号を発生し、各信号を２本の線路を用いて伝送する方式である。この方式は、コモンモードノイズ等の不要な信号の乱れを受信側の回路でキャンセルすることができるため、高速な回路においても比較的安定した特性を得ることができる。
【０００３】
図３は、このような高速な回路の伝送線路として一般的に用いられている結合型マイクロストリップ線路による差動平衡線路を示す図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。図３において、２１は誘電体基板、２２，２２’は差動平衡線路を構成する一対の信号導体、２３は接地導体である。
【０００４】
一般に、周波数が高くなるとマイクロストリップ線路からの電磁界の漏れが大きくなり、隣接する差動平衡線路間でクロストークが増大し、線路特性が劣化する。そこで従来は、隣接する差動平衡線路間の間隔を所望のクロストーク特性を実現できるように広く設定したり、差動平衡線路同士の間に接地用配線を配置することによって、対処していた（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。しかしながら、これらの方法では、高密度配線と、１０ＧＨｚを超えるような高周波を扱う上で考慮が必要な損失とが課題となる。
【０００５】
一方、マイクロストリップ線路構造に比べてクロストーク特性が良好な線路構造として、ストリップ線路があるが、この線路構造は、信号導体の上下に接地導体が設けられているため、表面に半導体等の実装素子を搭載する一般的な表面実装を実現するためには、図４（（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。）に示すように、誘電体基板３１の表裏両面に形成される接地導体３２のうちの表面側の接地導体３２に切り欠き３３を設け、信号導体３４をビアホール３５を介して、表層のパッド３６に接続し、そのパッド３６にバンプ３７により実装素子３８を接続する必要があり、そのパッド３６の部分での反射が高速、高周波においては、大きな課題となっている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−７４５８号公報（第５頁、第６頁及び図１、図２）
【非特許文献１】坂本、葉玉、久々津著、「１０Ｇｂｉｔ／ｓ・多チャネル配線向け壁付きＧＮＤコプレーナ線路」、通信学会ソサイエティ大会、Ｃ−２−４５、２００２年９月１０日
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年の通信装置およびコンピュータの高速化や大容量化に伴い、半導体チップを内蔵するパッケージおよびそれを実装する回路基板内の電気配線においても、高速な信号を伝送させる必要がある。そのため、パッケージ内の信号配線や回路基板内の信号配線を伝送線路として捉えた設計を行うことが不可欠となっている。また、半導体内での多重化回路の段数の増加や高機能回路の付加などによって、信号線の端子数が増大している。そのため、配線間隔を狭めた高密度配線が必要となっている。しかしながら、高速信号を伝送する信号配線同士を近接して配置すると、信号配線間でのクロストークの影響が大きな問題となる。
【０００８】
特に、前述の差動平衡線路方式は、他の方式に比べて線路数が単純に２倍必要となるため、伝送線路の損失の影響などから高密度実装を求められる高速信号を扱う上では、実装の高密度化と隣接する信号線対間のクロストークノイズ回避のための線間ピッチの確保という相反する要求に対応する必要がある。
【０００９】
さらに、回路の高速化高周波化に伴い、従来は考慮する必要がなかった信号線の導体損や回路基板の誘電体損等による損失の影響も無視できなくなる。マイクロストリップ線路あるいはストリップ線路において、導体損の１つの要因である表皮効果による影響を削減しようとすれば、線路の表面積を大きくする、すなわち、信号線幅を広げることが必要となり、このことからも高密度配線が困難となる。
【００１０】
本発明は、斯かる実情に鑑み、従来の伝送線路に比べて、高速、高周波な信号を扱う上で重要なクロストーク等によるノイズの抑制と高密度配線が可能で、かつ、損失の少ない伝送線路を提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１にかかる発明は、第１の絶縁層と、該第１の絶縁層の上面に設けられた第２の絶縁層と、該第２の絶縁層の上下面間に形成された断面Ｉ字型の信号導体とを具備する伝送線路であって、前記信号導体は、前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層との間に形成された第１の導体層と、前記第２の絶縁層の上面に形成され前記第１の導体層と同一パターンの第２の導体層と、前記第１の導体層と前記第２の導体層との間を接続し且つ前記第１の導体層と前記第２の導体層の延伸方向に沿った方向に形成された導体壁とからなり、一対の前記Ｉ字型の信号導体により差動平衡線路を構成したことを特徴とする伝送線路とした。
【００１２】
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の伝送線路において、前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層は、比誘電率と比透磁率の少なくとも一方が異なる材料で形成されていることを特徴とする伝送線路とした。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の伝送線路の１つの実施形態を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。図１において、１は誘電体で構成された第１の絶縁層、２も誘電体で構成された第２の絶縁層であり、これらにより誘電体基板が構成される。３，３’は差動平衡線路を構成する一対の断面形状がＩ字型の信号導体、４は接地導体である。信号導体３は、絶縁層１，２間に位置する第１の導体層３Ａと、第２絶縁層２の上面に位置する第２の導体層３Ｂと、両導体層３Ａ，３Ｂの延伸方向に沿って両導体層３Ａ，３Ｂ間をつなぐよう設けられた導体壁３Ｃとで構成されている。これは信号導体３’についても全く同様である。
【００１４】
ここで、以下の条件により、３次元電磁界解析によるシミュレーションを行った。各パラメータは、第１の絶縁層１の厚みを０．１８５ｍｍ、第２の絶縁層２の厚みを０．１ｍｍ、両絶縁層１，２の比誘電率を４．３、ｔａｎδ（誘電体損失）を０．０２５とし、また、信号導体対３，３’について、導体層３Ａ，３Ｂの線幅を０．１２ｍｍ、導体壁３Ｃの壁厚を０．１ｍｍ、導体層３Ａ，３Ｂおよび接地導体の厚みを０．０１ｍｍとし、さらに、最上層にレジスト膜（比誘電率は４．５、ｔａｎδは０．０２５、図示せず）を設け、差動平衡線路の特性インピーダンスが１００Ω付近になる寸法とした。また、信号導体３，３’のピッチを０．５ｍｍ、信号線長を２５ｍｍとした。
【００１５】
また、図３に示した従来のマイクロストリップ線路構造の結合型線路では、絶縁層２１の厚さを０．１ｍｍ、比誘電率を４．３、ｔａｎδを０．０２５、信号導体２２，２２’の線幅を０．１２ｍｍ、信号導体２２，２２’と接地導体２３の厚さを０．０１ｍｍとし、さらに、最上層にレジスト膜（比誘電率は４．５、ｔａｎδは０．０２５、図示せず）を設け、差動平衡線路の特性インピーダンスが１００Ω付近になる寸法とした。また、信号導体２２，２２’のピッチを０．５ｍｍ、信号線長を２５ｍｍとした。
【００１６】
図２に、図１の本発明の伝送線路と図３の従来のマイクロストリップ線路とを数値解析した結果のＳパラメータ特性を示す。（ａ）は透過（Ｓ２１）特性、（ｂ）は遠端クロストーク特性である。実線は本発明、点線はマイクロストリップ線路、それぞれの特性である。（ａ）より、本発明の線路がマイクロストリップ線路に比べて、信号導体の表面積が広いことから、導体損失が軽減され、特性が改善されていることがわかる。これらのグラフより、全周波数帯において、本発明の線路がマイクロストリップ線路に比べて良好な特性を示していることがわかる。
【００１７】
［第２の実施形態］
本発明の第２実施形態は、図１の伝送線路における第１の絶縁層１と第２の絶縁層２の比誘電率と比透磁率の少なくとも一方を異なるものとする形態である。ここで、線路の特性インピーダンスＺｏは、次式の関係が成り立つ。

μ_ｒｅｆ、ε_ｒｅｆは、各々絶縁層の実効比透磁率、実効比誘電率である。（１）式のような関係があるため、第２の絶縁層２に第１の絶縁層１とは比誘電率と比透磁率の少なくとも一方が異なる材料を用いることにより、寸法を変更することなく、特性インピーダンスＺｏの調整が可能となる。
【００１８】
また、線路の伝搬速度ｖｏは、次式の関係が成り立つ。

この式より、第２の絶縁層２に第１の絶縁層１とは比誘電率と比透磁率の少なくとも一方が異なる材料を用いることにより、寸法を変更することなく、信号の伝搬速度ｖｏの調整が可能となる。
【００１９】
［その他の実施形態］
なお、本発明の伝送線路は、上述の図示例にのみ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内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１にかかる発明によれば、１対で差動平衡線路を構成する信号導体の断面構造をＩ字型にしたので、同じ線路幅、同じ線路間隔のマイクロストリップ線路構造に比べて、前記一対の信号導体間の電磁界結合が強くなり、隣接する差動平衡線路間のクロストークを少なくすることができ、高密度配線が可能となる。また、差動平衡線路を形成する信号導体の表面積が大きいため、表皮効果による導体損を少なくすることができる。
【００２１】
請求項２にかかる発明によれば、第１の絶縁層と第２の絶縁層の比誘電率と比透磁率の少なくとも一方を異なった値とするので、伝送線路の寸法を変えることなく、特性インピーダンス、信号の伝搬速度の値を変更することができる。
【００２２】
以上、説明したように請求項１、２にかかる発明によれば、従来のマイクロストリップ線路に比べて、優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による断面Ｉ字型の差動平衡線路の構成を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。
【図２】図１の差動平衡線路と従来のマイクロストリップ線路の差動平衡線路とのＳパラメータ特性を示すグラフである。
【図３】従来の結合型マイクロストリップ線路の差動平衡線路の構成を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。
【図４】従来のストリップ線路における表面実装素子の接続構成を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。
【符号の説明】
１：第１の絶縁層、２：第２の絶縁層、３、３’：信号導体、３Ａ：第１の導体層、３Ｂ：第２の導体層、３Ｃ：導体壁、４：接地導体
２１：誘電体基板、２２，２２’：信号導体、２３：接地導体
３１：誘電体基板、３２：接地導体、３３：切り欠き、３４：信号導体、３５：ヴィアホール、３６：パッド、３７：バンプ、３８：実装素子

Claims

第１の絶縁層と、該第１の絶縁層の上面に設けられた第２の絶縁層と、該第２の絶縁層の上下面間に形成された断面Ｉ字型の信号導体とを具備する伝送線路であって、
前記信号導体は、前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層との間に形成された第１の導体層と、前記第２の絶縁層の上面に形成され前記第１の導体層と同一パターンの第２の導体層と、前記第１の導体層と前記第２の導体層との間を接続し且つ前記第１の導体層と前記第２の導体層の延伸方向に沿った方向に形成された導体壁とからなり、
一対の前記Ｉ字型の信号導体により差動平衡線路を構成したことを特徴とする伝送線路。
請求項１に記載の伝送線路において、
前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層は、比誘電率と比透磁率の少なくとも一方が異なる材料で形成されていることを特徴とする伝送線路。