JP2005197720A - インピーダンス整合ホールを備える多層基板 - Google Patents

Abstract

【課題】ビアホールを用いて高周波信号を伝達するときの内部のインピーダンス整合を達成できる多層基板を提供する。
【解決手段】 多層基板３０は、複数の金属層35,36,43,45,47,51のうち、少なくとも二つの層が高周波信号伝達のための高周波信号層４３，４７とされ、少なくとも一の金属層は他の金属層にグラウンドを提供するグラウンド層３６とされ、多層基板を貫通するように形成され、各高周波信号層４３，４７を相互に接続させる少なくとも一つ以上のビアホール３２と、グラウンド層３６を貫通するように形成され、ビアホール３２が通る経路を提供するインピーダンス整合ホール５３とを備えており、ビアホール３２とグラウンド層３６との間の離隔距離がインピーダンス整合ホール５３により適切に調節されてキャパシタンスを調整することにより、高周波信号層４３，４７間の高周波信号を伝達するときの多層基板のインピーダンス整合が図られる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、多層基板に関し、特に、多層基板内のグラウンド層とビアホールとの間の離隔距離を調整することによってインピーダンスを整合させる多層基板に関する。

近年、情報通信機器などの様々な電子製品は、小型化、軽量化、高性能化の傾向になるとともに、そのような電子製品の電気的システムを構成するためには、多層基板の活用が必須的な構成要素となる。ここで、多層基板は、印刷回路パターンが形成された複数の積層された金属層と、これら各金属層の間に形成された絶縁層と、を含む。

図１は、従来技術によるビアホール(via hole)１２が備えられる多層基板１０の一例を示す断面構成図である。同図に示すように、従来技術によるビアホール１２を備える多層基板１０は、それぞれ所定の印刷回路パターン(図示せず)が形成された複数の金属層２３，２５，２６，２７と、これら金属層２３，２５，２６，２７の間に形成される絶縁層２４と、を備えている。これら金属層のうち、参照番号２３，２７に示される金属層は、高周波信号を伝達する高周波信号層であり、参照番号２６の層は高周波信号線のインピーダンス整合のためのグラウンド層であり、参照番号２５の金属層はＤＣ及び低周波信号を伝達する機能を担う。高周波信号層２３，２７は、ビアホール１２を通じて電気的に接続される。ここで、ビアホール１２の内壁には、高周波信号層２３，２７を電気的に接続させるためのめっき層１８が形成される。

一方、この多層基板１０は、ビアホール１２のインダクタンス成分によるインピーダンス不整合特性を緩和するために、ビアホール１２の直径ｄを伸張したり、長さＬを短縮したりすることによって、インダクタンスの量を最小化する。或いは、この多層基板では、ビアホール１２と並んで伸張されるグラウンドホール(図示せず)をビアホール１２の周辺に形成させることも出来る。

しかしながら、多層基板内のインピーダンス整合のためにビアホールの直径や長さを調節する方法では、ビアホールの直径と、印刷回路パターンなどの信号線と、による干渉の問題や、多層基板における絶縁層の最小肉厚を確保すべき問題等のため、希望するだけのインダクタンスの減少を実現するのが困難である、との問題があった。一方、ビアホールの周辺に別途のグラウンドホールを形成する方法では、隣接する印刷回路パターンなどの信号線との干渉問題を一層増加させるという問題があった。

上記のような問題点を解決するために本発明の目的は、ビアホールを用いて高周波信号を伝達するときの内部のインピーダンス整合を達成できる多層基板を提供することにある。

上記の目的を達成するために本発明は、所定の印刷回路パターンがそれぞれ形成された複数の金属層と、前記金属層の間にそれぞれ形成された絶縁層を備える多層基板であって、前記複数の金属層のうち、少なくとも２つ以上の層が高周波信号伝達のための高周波信号層とされ、かつ、少なくとも一つの金属層は他の金属層のグラウンドを提供するグラウンド層とされる。また、当該多層基板を貫通するように形成されてそれぞれの高周波信号層を相互に接続させるための少なくとも一つ以上のビアホールと、前記グラウンド層を貫通するように形成され、前記ビアホールが通る経路を提供するインピーダンス整合ホールとを備えており、前記ビアホールとグラウンド層との間の離隔距離が前記インピーダンス整合ホールにより適切に調節されてキャパシタンスを調整することにより、前記高周波信号層間で高周波信号が伝達される際の当該多層基板のインピーダンス整合が図られる。

また本発明の多層基板は、所定の印刷回路パターンがそれぞれ形成された複数の金属層と、前記金属層の間にそれぞれ形成された絶縁層と、一の層からビアホールを通じて他の層に、高周波信号、低周波信号、或いはＤＣを伝送する場合に、ビアホールと電気的に接続され、基板間の接合強度を高めるための、少なくとも一の信号パッドと、を具備する。

本発明の多層基板によれば、絶縁層の厚さと、誘電率と、ビアホールのインダクタンスと、に応じて多層基板内のグラウンドとビアホールとの間の距離を変化させることにより、ビアホールのキャパシタンスを調整して、インピーダンス整合を達成することができる。

以下、本発明を適用したインピーダンス整合ホールを備える多層基板の望ましい実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。

本発明の説明において、関連した公知機能又は構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不明にすると判断される場合、その詳しい説明は省略する。

図２は本発明の望ましい実施形態によるビアホール３２が備えられる多層基板３０を示す断面構成図であり、図３は図２のＡ−Ａ’線に沿った多層基板３０の断面図であり、図４は図２のＢ−Ｂ’線に沿った多層基板３０の断面図である。

図２及び図３に示すように、本発明の望ましい実施形態によるビアホール３２を備える多層基板３０は、高周波信号用の金属層４３，４７と、低周波信号及びＤＣ用の金属層４５と、グラウンド層３６と、絶縁層３４と、ビアホール３２と、グラウンドパッド３５と、整合ホール(matching hole)５３と、信号パッド５１と、を備える。

これら金属層４３，４５，４７，３５，３６，５１は、それぞれ所定の印刷回路パターン(図示せず)が形成されており、この多層基板３０内に積層される。金属層４３，４５，４７，３５，３６，５１の各々は、絶縁層３４上にそれぞれ積み重ねられた形態をなす。すなわち、金属層４３，４５，４７，３５，３６，５１のそれぞれの間には、それぞれの絶縁層３４が形成される。さらに、これら金属層４３，４５，４７，３５，３６，５１のうち、他の金属層の接地を提供するグラウンド層３６が、この多層基板３０の中で少なくとも一つ以上形成される。

ビアホール３２は、多層基板３０の一方の面から伸張されるが、多層基板３０の他方の面まで貫通する形態、あるいは多層基板３０を貫通せず所定の長さだけ伸張する形態のいずれであっても良い。高周波信号金属層４３及び４７は、ビアホール３２を通じて相互に電気的に接続される。高周波信号金属層４３及び４７を互いに電気的に接続させるために、ビアホール３２の内壁にはめっき層３８が形成される。金属層４３，４５，４７，３５，３６，５１とめっき層３８は、例えば銅(Cu)などの材質により形成される。

一方、多層基板３０中のインピーダンス整合を提供するために、この多層基板３０では、グラウンド層３６を貫通するように形成された整合ホール５３を備える。この整合ホール５３は、ビアホール３２が通る経路を提供する。ここで、整合ホール５３の直径(Ｄ２＋２ｌ)は、整合ホール５３の内壁とビアホール３２との間の適切な距離を維持するために調節される。すなわち、整合ホール５３と信号パッド５１のサイズを、絶縁層３４の厚さと誘電率に従って調節することにより、グラウンド層３６又はグラウンドパッド３５とビアホール３２との間のキャパシタンス成分(capacitance components)を調節することが出来る。このキャパシタンス成分は、それぞれ、ビアホール３２の直列インダクタンス成分(inductance components)の間に接続され(図２参照)、これによって、高周波導波路のように(図５参照)インピーダンス整合を達成するようになる。ここでは、物理的なサイズがより小さくなるほど、高い帯域幅が得られる。

信号パッド５１は、整合ホール５３の内部に位置し、めっき層３８の外周面から直径方向に伸張されるリング状を呈しており、めっき層３８と電気的に接続される。ここで、整合ホール５３（すなわちグラウンドパッド３５及びグラウンド層３６）の内周面と信号パッド５１の外周面とは、一定間隔で離隔される。信号パッド５１，グラウンド層３６，及びグラウンドパッド３５は、印刷回路基板のパターン形成過程を通じて製作され、一般に、１０μm以内の非常に低い製作公差(tolerance)になる。したがって、信号パッド５１とグラウンドパッド３５及びグラウンド層３６との間隔ｌを設計値とほぼ同一に製作できるので、所望のキャパシタンスを得ることが可能になる。

一般に、グラウンドパッド３５は、グラウンド層３６と複数のビアホールを通じて接続される。信号パッド５１とグラウンドパッド３５は、そのサイズが、各絶縁層３４の厚さと誘電率に応じて調節される。ビアホールが低い公差で製作できる場合には、信号パッド５１を省略することが可能であり、また、ビアホールとグラウンドパッド３５及びグラウンド層３６との間の距離によって、設計されたキャパシタンスが得られる。多層基板を形成する各層の厚さがそれぞれ十分に薄い場合には、信号パッド５１とグラウンドパッド３５は、数個の層ごとに形成されることができる。グラウンドパッド３５及びグラウンド層３６は、高周波信号金属層４３，４７がある層に形成されることもできる。

図６Ａ及び図６Ｂには、総厚さ１mmの多層基板につき、直径２００μmのビアホールのみが形成されている場合(０.７９９nH)と、信号パッド５１とグラウンドパッド３５を適用してインピーダンス整合する場合と、における利得特性及び整合特性をそれぞれ示す。図６Ａに示すように、利得特性は、従来の多層基板では周波数が高くなるほど損失が大きくなるのに対して、本発明の実施形態による多層基板の場合には、周波数帯域に関わらず比較的均等な利得分布を示すことが分かる。また、図６Ｂに示すように、整合特性についても、本発明の実施形態による多層基板では、より良好な動作を示すことが分かる。

一方、上記のような多層基板３０は、複数の単位基板(図示せず)を積層して相互に接合（付着）させた形態である。基板間の付着はプレプレッグ(prepreg)を使用するが、熱処理以後にはプレプレッグ自体が基板の役割を果たす。上記基板につき、テフロン（登録商標）系列の基板であれば、高周波特性が非常に良くなる。しかしながら、テフロン（登録商標）専用のプレプレッグは、他の層との接合の際に、一般基板の場合よりも高い温度(〜２２０℃)の熱処理工程が必要とされるので、製作が難しい。また、一般のプレプレッグを使用してテフロン（登録商標）基板を接着する場合には、接着強度が弱いために、基板間の分離の発生が起こり得る。特に、ビアホールの周辺の基板が分離されると、めっき層３８の形成の際に、めっき液がグラウンドパッド３５及びグラウンド層３６或いは低周波信号及びＤＣ用金属層４５に連結されてしまい、その結果、不良が発生し得る。

本実施形態では、信号パッド５１は、テフロン（登録商標）基板上に予め接着された金属層に形成されているので、プレプレッグがテフロン（登録商標）ではなく信号パッドに付着されることにより、接着不良を低減することが可能となる。信号パッドは、高周波ビアホールの場合だけでなく、接着強度を高めるために、他の層間で低周波信号及びＤＣを伝達するための他のビアホールの場合にも形成することができる。

このように、本実施形態の多層基板によれば、絶縁層の厚さと、誘電率と、ビアホールのインダクタンスと、に応じて多層基板内のグラウンドとビアホールとの間の距離を適切に調節することにより、ビアホールのキャパシタンスを調整して、インピーダンス整合を達成することができる。また、グラウンド層とビアホールとの間の距離の調節を、信号パッド及びグラウンドパッドを使用して行なうことで、設計に適合したキャパシタンスを容易に得ることができる。さらに、信号パッドがテフロン（登録商標）系の基板に付着される場合には、熱処理温度が低い一般のプレプレッグを使用することで、接合強度を強化させて製品の信頼性を確保することができる。

以上、本発明の詳細な説明では具体的な実施形態について説明したが、本発明の範囲を外れない限り、多様な変形が可能であることは、当該分野で通常の知識を有する者には自明なことであろう。

従来技術によるビアホールが備えられる多層基板の一例を示す断面構成図である。 本発明の望ましい実施形態によるビアホールが備えられる多層基板を示す断面構成図である。 図２のＡ−Ａ’線に沿った多層基板の断面図である。 図２のＢ−Ｂ’線に沿った多層基板の断面図である。 高周波用導波路の電気的モデルを示す構成図である。 厚さ１mmの多層基板におけるビアホールとインピーダンス整合ホールの利得特性を示すグラフである。 厚さ１mmの多層基板におけるビアホールとインピーダンス整合ホールの整合特性を示すグラフである。

符号の説明

３０ 多層基板
３２ ビアホール
３５，３６，４３，４５，４７，５１ 金属層
３６ グラウンド層
４３，４７ 高周波信号金属層
５３ インピーダンス整合ホール

Claims (7)

1. 所定の印刷回路パターンがそれぞれ形成された複数の金属層と、前記金属層の間にそれぞれ形成された絶縁層を備える多層基板であって、
   前記複数の金属層は、高周波信号を伝達するための少なくとも二つの高周波信号層と、他の金属層にグラウンドを提供するための少なくとも一のグラウンド層と、を含み、
   当該多層基板を貫通するように形成され、前記高周波信号層を相互に接続させるための少なくとも一のビアホールと、前記グラウンド層を貫通するように形成され、前記ビアホールが通る経路を提供するインピーダンス整合ホールと、を備え、
   前記ビアホールとグラウンド層との間の離隔距離が前記インピーダンス整合ホールにより適切に調節されてキャパシタンスを調整し、前記ビアホールの固有のインダクタンスと共に、導波路に類似した状態とさせることにより、前記高周波信号層間で高周波信号が伝達される際の当該多層基板のインピーダンス整合が図られること
   を特徴とする多層基板。
2. 前記金属層上に位置し、前記ビアホールの外周面に電気的に接続されて直径方向に伸張される信号パッドをさらに備えること
   を特徴とする請求項１記載の多層基板。
3. 前記信号パッドはリング状を呈し、
   前記信号パッドの直径と整合ホールの直径の調節によるビアホールのインダクタンスと、絶縁層の厚さと、誘電率と、によりグラウンド層とビアホールとの間のキャパシタンスを調整することによって、導波路に類似した状態を作り、当該多層基板のインピーダンスを整合させること
   を特徴とする請求項２記載の多層基板。
4. 前記グラウンド層を除いた全ての或いは幾つかの金属層に備えられ、前記ビアホールを通じて前記グラウンド層に電気的に接続されてグラウンドを提供するグラウンドパッドをさらに具備し、
   前記信号パッドの直径と整合ホールの直径の調節によるビアホールのインダクタンスと、絶縁層の厚さと、誘電率と、により前記グラウンドパッドとビアホールとの間のキャパシタンスを調整することによって、キャパシタンスとインダクタンスの繰り返しによって導波路に類似した状態を作り、当該多層基板のインピーダンスを整合させること
   を特徴とする請求項１記載の多層基板。
5. 前記信号パッドは、リング状を呈し、前記グラウンドパッドの有るすべての層に設けられ、
   連続する前記グラウンドパッド又は前記グラウンド層間の前記ビアホールのインダクタンスと、前記絶縁層の誘電率及び厚さと、に従って、前記グラウンドパッドと信号パッドとの間のキャパシタンスが調整されることによって、導波路に類似した状態を作り、当該多層基板のインピーダンスを整合させること
   を特徴とする請求項４記載の多層基板。
6. 所定の印刷回路パターンがそれぞれ形成された複数の金属層と、
   前記金属層の間にそれぞれ形成された絶縁層と、
   一の層からビアホールを通じて他の層に、高周波信号、低周波信号、或いはＤＣを伝送する場合に、ビアホールと電気的に接続され、基板間の接合強度を高めるための、少なくとも一の信号パッドと、
   を具備することを特徴とする多層基板。
7. 少なくとも一のテフロン基板を含み、
   前記信号パッドは、前記テフロン基板と、熱処理を通じて基板同士を接合させるためのプレプレッグと、の間の接着強度を向上させるために、所定のテフロン基板上に予め接着された金属層に形成されたこと
   を特徴とする請求項６記載の多層基板。

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