JP2005183649A - 多層配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】スルーホールのスタブ部分の寄生容量を除去し、高速伝送において良好な伝送特性を低コストで実現する。
【解決手段】２本のスルーホールを併設し、この間をそれぞれのスルーホールの両端部分もしくは片端部分で接続することにより、スルーホールのスタブ部分を除去する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、多層配線基板のスルーホール、パターンの構造と、その設計に関する。

ギガヘルツ以上のピッチで信号を伝送するような高速信号伝送回路では、基板配線やケーブルなどの信号減衰量が増加し、またＬＳＩや部品等との接続部分における寄生容量によるインピーダンス不整合反射の影響も大きくなるなどの課題がある。このスルーホール部分での反射の影響を低減するための従来の技術として、例えば図２Ａに示す、特許文献１に記載のようなスルーホール１のスタブ部分をドリルで穴をあけること（バックドリル９）によって、スルーホール１のスタブ寄生容量を取り除く技術があった。また、図２ＢのようにＢＧＡ接続部品１２やマイクロビア１０を使う技術があった。

特表２００３−５２１１１６号公報（ＰＣＴ国際出願特許ＷＯ ０１／５６３３８ Ａ１）

先ず、スルーホールのスタブの影響について説明する。

図３Ａ、図３Ｂは一般的な多層配線基板での、部品に信号を接続するスルーホール１と基板配線２の接続部分の基板断面図で、図３Ａは基板上部層に配線がある場合であり、図３Ｂは基板下部層に配線がある場合である。図３Ａの場合のスルーホールにはスタブ１７と呼ばれる部分が発生する。図４Ａは、スタブの寄生容量について説明した図で、信号伝送経路１４から分岐したスルーホール１のスタブ部分で生じる電源・グランドパターン間との寄生容量１５が信号伝送経路１４につながる。図４Ｂはこれを伝送路で説明した図で、信号は基板配線２と部品など基板外部の伝送路１６を伝送し、この２つの伝送線路は同じ特性インピーダンスＺｏとなるとき反射が発生しない。しかしスタブの寄生容量１５がつながる場合には容量性の反射が発生する。これが高速信号伝送の障害となる。

従来の技術の例である図２Ａのバックドリル９を施す技術では、基板製造プロセスにおいて新たにスタブを取り除くためのドリル工程を追加する必要があり、コスト増加につながるという問題点がある。さらに図３Ａのようにスルーホールに部品の接続ピン８を挿入する構造になっている構造では、ピン部分までドリルで穴をあけることができないため、完全にスタブ部分を取り除けない場合があるという問題点がある。

また、もう一つの従来の技術例で図２Ｂに示すマイクロビアを使う場合も、基板製造プロセスにおいて分割積層、分割ドリルなどの工程が生じるため、これもコスト増加につながるという問題点がある。

本発明の目的は、特別な基板製造プロセスを使うことなく、新しい基板構造を採用するという設計技術により、コスト増加がすることなくスルーホールのスタブによる寄生容量を取り除くことである。また、図１のようにスルーホール６に接続ピン８を挿入する構造になっている場合においても、スタブによる寄生容量を除去する構造を実現することである。

上記目的を達成するために、図１に示すように基板に搭載する部品等に接続するためのスルーホール６(部品スルーホール)の近くに信号配線の層を変更するためのスルーホール７(変換スルーホール)を設置し、部品スルーホール６と変換スルーホール７の端部の両方、もしくは片方でこれらのスルーホールを接続するパターン１１a、１１ｂを設ける。これによりスルーホールと配線の接続部分から余分につながるスタブが無くなりスルーホールの寄生容量を小さくする。よって、高速信号伝送においてスルーホール部分のインピーダンス不整合による反射の影響を低減することが出来る。

本発明によれば、特別な基板製造プロセスを使うことなくスルーホールのスタブ寄生容量の影響を小さくすることができるので、高速信号伝送に適した多層配線基板を、コストを増加させることなく実現する事が可能になるという効果がある。

以下、本発明の実施例の図１、図５、図６、図７、図９について説明する。

図１は部品スルーホール６に部品の接続ピン８する場合の実施例で、部品ピン８の近傍に変換スルーホール７を設けて基板配線を接続する。この変換スルーホール７と部品スルーホール６の間を基板上面のパターン１１aと基板下面のパターン１１ｂの両方で接続した構造である。

図５は図１の実施例の構造で変換スルーホールと部品スルーホールの接続パターンを、基板下面のみで接続した構造である。基板配線２が最上層もしくはこれに近い基板上部の層である場合に、図５のように基板下面のみでの接続とすることができる。

図６は、図１の構造で変換スルーホール７と部品スルーホール６間を接続するパターン１１a、１１ｂを基板内部層の上部層もしくは下部層とした場合である。この場合、スルーホールには短いスタブ部分が生じるが、できるだけ基板表面に近い層にすることによりこのスタブの影響を問題ないレベルに小さくする。この場合も図５と同様に基板配線２が最上層もしくはこれに近い基板上部の層である場合には、基板下部層の接続パターン１１ｂのみでの接続とすることができる。

図７は、基板に搭載する部品がＢＧＡ(Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ)接続など接続ピンを必要としない場合の構造である。この場合、部品スルーホール６は小径スルーホールとすることができるため設計の自由度が大きいというメリットがある。

図８は、基板配線の層を変更する場合のスルーホールに本発明を適用した実施例である。

図９がこの場合の従来の構造であり、１本のスルーホール１を使う場合はスタブ部分１７が発生して寄生容量による反射が生じる。これに対して、図８の実施例では２つのスルーホール１ａ、１ｂを用いてその間を接続することによりスタブの影響を小さくする。

以下、本発明の技術的内容を説明する。ここで、図１０Ａ、図１１、図１２Ａ、図１２Ｃ、図１３、図１４Ａ、図１５Ａは分かりやすくするために、絶縁材、電源・グランドパターンを取り除いた透視図である。

図１０Ａは本発明の実施例で、基板配線２が基板の最上層である場合の構造を示す。最上層配線は変換スルーホール７を介し最下層おいて部品スルーホール６と接続する。このとき、信号伝送路は経路１４となって信号伝送経路に寄与しない部分であるスタブが存在しない。
図１０Ｂは、これを伝送線路の接続として示した図で、スルーホールにスタブが発生しない状態で、一連の伝送線路として信号が伝送することが分かる。ここで変換スルーホールの伝送路の特性インピーダンスＺｏ２、部品スルーホールの伝送線路の特性インピーダンスＺｏ１、接続パターンの伝送線路の特性インピーダンスＺｏ３は、その他の伝送路の特性インピーダンスＺｏと一致するか、現実の制約下で近い値になるように設計する。これにより、インピーダンス不整合反射の少ない良好な特性を得る。スルーホールの特性インピーダンスは、スルーホール径、クリアランス径、電源・グラントピン配置などを最適になるように設計する。

図１１は、図１０Ａでは最上層配線であった基板配線を基板内部の上部層とした場合である。このとき、変換スルーホールの上部に短いスタブが発生する。このスタブ長が短く寄生容量が小さい場合には、図１０Ａの同様な構造とすることにより、良好な特性を得ることができる。

図１２Ａはさらに下の層である中間部分に基板配線がある場合で、この場合に図１１の構造では、変換スルーホールの上部のスタブが長くなる。そのため図１２Ａの実施例では、変換スルーホール７と部品スルーホール６の接続を最下層パターン１１ｂに加えて最上層パターン１１ａでも行う。このときの信号伝送経路は経路１４となり、スルーホール上下端の最上層と最下層の２経路に分岐して伝達する。
図１２Ｂは、これを伝送線路の接続として示した図で、基板配線２と部品の伝送路１６間には、変換スルーホール上部７ａ〜最上層パターン１１ａの経路と、変換スルーホール下部７ｂ〜最下層パターン１１ｂ〜部品スルーホール６の経路という２つの伝送経路がある。このため、分岐している部分の伝送線路の特性インピーダンスＺｏ２、Ｚｏ３、Ｚｏ１は、他の伝送系特性インピーダンスＺｏのおよそ２倍として２経路が並列に入る効果によりインピーダンス整合を得る設計とする。また、接続パターン１１ａ、１１ｂが等しい構造の場合、分岐した２つの伝送経路は部品スルーホール分の長さの差が生じる。このとき、２つの経路の長さの差による反射が生じる可能性がある。このため図１２Ａでは、最上層の接続パターン１１ａの長さを長くすることで経路の長さの差を調整している。
図１２Ｃの実施例では、図１２Ａの最上層接続パターンの迂回エリアを節約するために、最上層接続パターン１１ａを細い配線とし、最下層配線パターンを太い配線とすることにより経路差による反射を小さくする工夫をした実施例である。

図１３は、基板のさらに下の下部層に基板配線がある場合の実施例である。このときも２本のスルーホール間を最上層接続パターン１１ａと最下層接続パターン１１ｂの両方で接続しているが、分岐した２経路の経路長の差は小さくなるため、最上層接続パターン１１ａと最下層接続パターン１１ｂの構造は同じとしても問題ない。

図１４Ａは、最下層基板配線の場合における伝送経路の説明図で、このときは２経路の経路長の差がなく、図１４Ｂに示す伝送路の特性インピーダンスで、Ｚｏ２、Ｚｏ３、Ｚｏ１を他の伝送路特性インピーダンスＺｏのおよそ２倍となるように設計して、２経路並列時にＺｏに近い値とすることにより反射の影響を低減する。

また、最下層にある場合は、図１５Ａのように、従来技術である１本のスルーホールをとしてもスタブが存在しないため良好な特性が得られる。この場合の伝送路のつながりが図１５Ｂで、反射の影響を少なくするためには、スルーホール１の特性インピーダンスＺｏ１は他の伝送系の特性インピーダンスＺｏに近い値となるように設計する。

図１６、図１７は、本発明の効果を確認するために、スルーホール部分の反射率を測定するＴＤＲ（Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｒｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）と呼ばれる測定を行った結果である。

図１６の（１）は、１本のスルーホールで最下層から最上層に信号が伝送する場合の反射率で、このスルーホールの伝送路としての特性インピーダンスが配線の特性インピーダンスとほぼ一致するように設計してあるために、小さな反射率となっている。（２）は、このスルーホールにつながる基板配線が上部層である場合で、このときスルーホールのスタブ部分の寄生容量によるマイナス方向の大きな反射が発生している。（３）は、本発明の実施例のように２本のスルーホールを用いたもので、最下層において２本のスルーホールは接続される。このとき、本発明の効果により反射量が小さくなることが確認できる。

図１７は、基板配線が基板の中間層部分にある場合で、一本のスルーホールを使う（４）ではスタブ部分の寄生容量による反射が発生している。しかし、本発明の実施例で２本のスルーホールを使う（５）の場合は、反射率が小さくなっていることがわかる。
これまでに説明した本発明の実施例は、基板製造プロセスに対して新しい工程を発生させない。つまり通常の基板製造プロセスのままで基板を作るため、コスト増加にならない。

本発明の一実施例における多層配線基板のスルーホール部分の基板断面図である。 従来の技術で、バックドリルを施した場合の基板断面図である。 従来の技術で、ＢＧＡ部品とマイクロビアを利用した場合の基板断面図である。 従来の技術で、上部配線層に配線がある場合の基板断面図である。 従来の技術で、下部配線層に配線がある場合の基板断面図である。 従来の技術で、上部層配線の場合のスタブによる影響の説明のための透視図である。 従来の技術で、上部層配線の場合の伝送回路を説明する図である。 本発明の実施例で、最上層配線の場合の基板断面図である。 本発明の実施例で、２本のスルーホール間を基板内部配線で接続する場合の基板断面図である。 本発明の実施例で、ＢＧＡ部品と接続する場合の基板断面図である。 本発明の実施例で、基板配線の配線層の変更を行う場合の基板断面図である。 従来の技術で、基板配線の配線層の変更を行う場合の基板断面図である。 本発明の実施例で、最上層配線の場合の信号伝送経路を説明するための透視図である。 本発明の実施例で、最上層配線の場合の伝送路インピーダンス説明図である。 本発明の実施例で、上部層配線の場合の信号伝送経路を説明するための透視図である。 本発明の実施例で、中間層配線の場合の信号伝送経路を説明するための透視図である。 本発明の実施例で、中間層配線の場合の伝送回路を説明する図である。 本発明の実施例で、中間層配線の場合の信号伝送経路を説明するための透視図である。 本発明の実施例で、下部層配線の場合の信号伝送経路を説明するための透視図である。 本発明の実施例で、最下層配線の場合の信号伝送経路を説明するための透視図である。 本発明の実施例で、最下層配線の場合の伝送回路を説明する図である。 最下層配線の場合の信号伝送経路を説明するための透視図である。 最下層配線の場合の伝送回路を説明する図である。 本発明の実施例の効果を説明するための反射率測定結果である。 本発明の実施例の効果を説明するための反射率測定結果である。

符号の説明

１ スルーホール
２ 基板配線
３ 電源・グランドパターン
４ 絶縁材
５ パッド
６ 部品スルーホール
７ 変換スルーホール
８ 部品ピン
９ バックドリル（削除部分）
１０ マイクロビア
１１ 接続パターン
１２ ＢＧＡ部品
１３ ＢＧＡ接続はんだ
１４ 信号経路
１５ 寄生容量
１６ 基板外部の伝送路
１７ スタブ

Claims (12)

1. 基板配線を複数の配線層に配設してスルーホールを介して接続する多層配線基板において、隣接する２つのスルーホール間をスルーホールの端部同士で接続した構造を有する多層配線基板。
2. 前記隣接する２つのスルーホールは、第１の配線層の基板配線と接続するための第１のスルーホールと、前記第１の配線層とは異なる第２の配線層の基板配線と接続するための第２のスルーホールとからなる請求項１記載の多層配線基板。
3. 前記隣接する２つのスルーホールは、所定の配線層の基板配線と接続するための第１のスルーホールと、前記基板配線の信号を多層配線基板外の部品に伝達するための第２のスルーホールとからなる請求項１記載の多層配線基板。
4. 前記第２のスルーホールは部品の接続ピンが挿入される部品スルーホールである請求項３記載の多層配線基板。
5. 前記第２のスルーホールはＢＧＡ部品と接続するためのスルーホールであって、接続ピンが挿入されない部品スルーホールである請求項３記載の多層配線基板。
6. 前記第２のスルーホールは小径スルーホールである請求項５記載の多層配線基板。
7. 前記隣接する２つのスルーホールの両側の端部同士を外層配線で接続した請求項１乃至６記載の多層配線基板。
8. 前記隣接する２つのスルーホールの片側の端部同士を外層配線で接続した請求項１乃至６記載の多層配線基板。
9. 前記隣接する２つのスルーホールの両側の端部同士を基板表面に近い内層配線で接続した請求項１乃至６記載の多層配線基板。
10. 前記隣接する２つのスルーホールの片側の端部同士を基板表面に近い内層配線で接続した請求項１乃至６記載の多層配線基板。
11. 前記所定の配線層は多層配線基板の中間部分の配線層であって、最上層で２つのスルーホールの上端部同士を接続する接続パターンの長さが最下層で２つのスルーホールの下端部同士を接続する接続パターンの長さよりも長い請求項３記載の多層配線基板。
12. 前記所定の配線層は多層配線基板の中間部分の配線層であって、最上層で２つのスルーホールの上端部同士を接続する接続パターンの太さが最下層で２つのスルーホールの下端部同士を接続する接続パターンの太さよりも細い請求項３記載の多層配線基板。
    

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