JP2005294479A - 回路基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 高周波信号の信号線路の物理的長さが異なっても高周波信号の位相を同一とすることができ、しかも回路基板の製造コストを安価にしながら製造の歩留まりを向上させることができ、小型化が可能な回路基板を提供する。
【解決手段】 表面に素子とこの素子に接続される複数の信号線路２ａ〜２ｈが誘電体基板表層７上に配設される回路基板１であって、前記複数の信号線路２ａ〜２ｈのうち、少なくとも１の信号線路２ｃ〜２ｄはその一部が前記誘電体基板表層７内に配設される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高周波の半導体素子を搭載し、この半導体素子から延設される複数の信号線路を誘電体基板表層上に配設する回路基板に関する。

近年、電子デバイスの高集積化に伴って、複数のデジタル信号を入力あるいは出力する集積回路（以下、ＩＣと略す。）が開発されている。また、高速で大量情報を伝達するためにはデジタル信号の高速化が求められ、例えば４０Ｇｂｐｓ（Ｇはギガで１０の９乗を意味し、ｂｐｓはｂｉｔｓ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄの略で、１秒間に転送可能なデータのビット数を意味する。）のＩＣやそれを実装するパッケージが開発されているが、デジタル信号の高速化は高度な製造技術を要し、現時点では製造時の歩留まりが悪く、コストが高くなってしまうのが普通である。
そこで、既に技術が確立されている低速、例えば１０Ｇｂｐｓの信号を並列に複数個（例えば、４個）入出力するアレイ型を用いてデジタル信号を高速化するＩＣが開発されており、これは既存の１０Ｇｂｐｓの信号線路を複数個（例えば４対）配設したパッケージに実装できる。
しかしながら、これらの複数のデジタルの高周波信号のパッケージ入力部と出力部の間の位相がずれないようにしなければならず、そのためには複数の信号線路の長さを同一にしなければならない。

ここで、図２を参照しながら回路基板の複数の信号線路の長さを同一にすることについて説明する。図２は従来技術を説明するために回路基板の一部を示す概念図である。図２において、回路基板１１は４組の差動信号線が誘電体基板表層１５上に配設されるものであり、信号線路１２ａ、１２ｂと信号線路１２ｇ、１２ｈがそれぞれ同じ長さを備える２組の差動信号線であり、信号線路１２ｃ、１２ｄと信号線路１２ｅ、１２ｆが同様に同じ長さを備える２組の差動信号線である。符号１３ａ〜１３ｈは外部回路や素子との結線のためのターミナルを示し、符号ターミナル１４ａ〜１４ｈは、高周波の半導体素子との結線のためのターミナルを示している。なお、この図２においては、高周波の半導体素子はその記載を省略している。
このように構成される回路基板１１では、信号線路１２ａ、１２ｂと信号線路１２ｇ、１２ｈなどそれぞれの組における信号線路の長さを同一としている。これによって、この信号線路のターミナル１３ａ、１３ｂとターミナル１４ａ、１４ｂの間、ターミナル１３ｇ、１３ｈとターミナル１４ｇ、１４ｈとの間でそれぞれ２組の信号線路の位相を同一にすることができる。同様に、ターミナル１３ｃ、１３ｄとターミナル１４ｃ、１４ｄとの間、ターミナル１３ｅ、１３ｆとターミナル１４ｅ、１４ｆとの間の２組の信号線路の長さも同一にすることができ、位相も同一にすることができる。すなわち、従来技術では、基本的にはこのように物理的な長さを同一とすることで位相を同一にするようにしていた。
しかしながら、図２では２組の差動信号線の位相を同一にするものであるが、例えば４組すべての信号線路の長さを同一にしようとするような場合にはスペースを確保する点で困難性がある。

図３を参照しながらその点について説明する。図３は、図２に示される部分を示す回路基板とこの回路基板の４組の差動信号線すべての長さを同一とした場合の回路基板を並列に示す概念図である。図３において、図２と同一の構成には同一の符号を付しその説明は省略する。回路基板１１ａは、ターミナル１７ａ〜１７ｈとターミナル１８ａ〜１８ｈの間の信号線路１６ａ〜１６ｈの長さをすべて回路基板１１の信号線路１２ａ、１２ｂ、１２ｇ、１２ｈの長さと同一として誘電体基板表層１５ａ上に配設するものである。
このように回路基板１１ａでは、内側の狭いスペースにおいてもＳ字型に信号線路１６ｃ〜１６ｆを曲げることによって外側の信号線路１６ａ、１６ｂ、１６ｇ、１６ｈと同一長を確保する必要がある結果、外側の信号線路１６ａ、１６ｂ、１６ｇ、１６ｈをさらに外側に押しやるように配設されている。従って、このように誘電体基板表層１５ａの上面だけで信号線路を確保するようにすると、一般的に回路基板１１ａの面積は拡大せざるを得ない。この結果、データ送受信装置の小型化を阻害する要因の一つとなっていた。

そこで、物理的な長さのみならず、電気的な長さ、すなわち電気長に着目して開発されたのが、特許文献１に開示される技術である。
特許文献１には、「高周波電気配線用基板」という名称で、少なくとも電気絶縁層及び複数の高周波電気配線を以って構成された、高周波電気配線のピッチを拡大または縮小するための高周波電気配線用基板において、複数の高周波電気配線における高周波信号の伝播時間が、実質的にそれぞれ等しくなるように、電気絶縁層は、高周波電気配線に沿って、隣接する高周波電気配線間で分割してあり、かつ、分割した電気絶縁層の誘電率を、高周波電気配線の一端と、他端間を直線的に結んだ距離が短いほど大きくしてあることを特徴とする高周波電気配線用基板が開示されている。
具体的には、特許文献１の図３及び図４に開示されているが、高周波電気配線の周囲に異なる比誘電率の電気絶縁層を設けることによって各高周波電気配線の電気長を調整している。

ここで、この電気長について説明する。電気信号は、信号線路を伝わるが、その際には周囲の誘電率によって高周波信号の伝播時間は異なり、すなわち、同じ長さの距離を伝播する場合でもその時間が異なる。同じ時間に進む距離を考えると、周囲の材質が異なり、その誘電率が異なると高周波信号は伝播される距離が相違する。
この誘電率まで考慮した距離を本願特許請求の範囲及び明細書では、電気長と呼ぶ。具体的に、周囲の誘電体の平均比誘電率をεｇ_ｒとし信号線路の物理長をＬとして、電気長Ｌｇを表現すれば、式（１）のように表現される。

通常、誘電体基板上に配設される信号線路では周囲の一部は空気に触れており、誘電体基板の内部に比較すると、空気の誘電率は真空の誘電率とほぼ等しく小さいため平均誘電率は低いのが一般的である。
特許文献１に開示された発明では、このような特性を利用して、同一の電気絶縁層の中で分割して異なる誘電率の材料を配設して、物理的には異なる高周波電気配線の長さであっても伝播時間をより等しくするようにしたのである。
このような技術によれば、高周波電気配線の物理的な長さが異なっても位相を同一とすることが可能であり、高周波信号のばらつきを小さくすることが可能である。

特開平１１−８４４４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された従来の技術は、同一の電気絶縁層において、誘電率の異なる材料を分割して設けるものであり、製造時における工程の複雑さからコストが高くなるというのが大きな課題であった。また、異なる材料の誘電率を自由に選べず、信号線の配設裕度が低いという課題があった。

本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、高周波信号の信号線路の物理的長さが異なっても高周波信号の位相を同一とすることができ、しかも従来の積層プロセスを用いるため回路基板の製造コストを安価にしながら信号線配設の裕度を高め、小型化が可能な回路基板を提供するものである。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明である回路基板は、誘電体基板の表層面上に素子とこの素子に接続される複数の信号線路が配設される回路基板であって、複数の信号線路のうち、少なくとも１の信号線路はその一部が誘電体基板の表層とは異なる内部の層に配設されるものである。
上記構成の回路基板では、誘電体基板の表層面上に配設される信号線路は周囲を真空とほぼ同じ誘電率を持つ空気層に囲まれている一方、誘電体基板の表層とは異なる内部の層に配設される信号線路は、空気層に触れることなく空気の誘電率よりも高い材料に囲まれることで電気長が長くなるという作用を有する。
さらに、信号線路の一部を誘電体基板の表層とは異なる内部の層に配設することで、電気長の調節を容易にするという作用を有する。すなわち、同じ誘電率の材質で、異なる誘電率の複数の材料を使うことなく誘電体基板の表面と誘電体基板の内部という異なる平均誘電率を備えた領域の両方に信号線路を配設することで、それぞれの領域に存在させる信号線路長を調節可能として、それぞれ一方のみに配設するよりも電気長の調節に関して大きな裕度を発揮する作用を有する。

次に、請求項２に記載された回路基板は、請求項１に記載された回路基板において、少なくとも１の信号線路の一部以外の残部は、複数の信号線路のうちこの少なくとも１の信号線路以外の信号線路と同一の表層面上に配設され、少なくとも１の信号線路の一部の信号線路と残部の信号線路は導体ビアで接続されるものである。
このように構成される回路基板においては、請求項１に記載された回路基板の作用に加えて、誘電体基板の内部の層に配設される信号線路の一部と、その信号線路であってそれ以外の残部を導体ビアで接続することで、０Ｈｚから確実に信号線路の一部と残部を結合させるという作用を有する。

請求項３に記載された回路基板は、請求項１あるいは請求項２に記載された回路基板において、複数の信号線路は、全て同一の電気長を形成するものである。
このように構成された回路基板では、請求項１又は請求項２の作用に追加して、すべて同一の電気長を形成することで、すべての信号線路の位相を一致させるという作用を有する。

最後に、請求項４記載の回路基板は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の回路基板において、複数の信号線路が差動信号線であるものである。
このような回路基板では、請求項３に記載された作用と同様の作用を有する。

請求項１に記載された回路基板においては、誘電体基板上に配設される信号線路と誘電体基板内に配設される信号線路の周囲の誘電率が異なることを利用して、それぞれの電気長を調節可能となる効果を奏する。従って、物理的には異なる信号線路長であっても、電気長としては同一とすることができ、しかも、誘電体基板表層面と内部の層を利用可能であることから、いわば３次元的に信号線路配設の設計が可能であり、信号線路の配設自体に大きな裕度を確保することができる。また、この内部の層を多層とすれば、３次元構造を利用することが可能であると同時に複数の信号線路をそれぞれ異なる物理的長さで同一の電気長とすることも可能であり、より柔軟性に優れた信号線路の配設を可能とするものである。
また、信号線路は一部を誘電体内部の層に配設し、他の一部、すなわち残部は誘電体の表層面に配設するため、１の信号線路で異なる誘電率を備えた領域に配設されることになる。従って、いずれか一方よりも電気長の調節が容易となりこれによって、電気長の調節の裕度も向上させることができる。

請求項２に記載された回路基板では、特に、誘電体基板の表面と内部、あるいは誘電体基板の表層面と誘電体基板内部の層に配設された信号線路をより確実に接続させることができるため、安定した性能と耐久性にすぐれた回路基板を提供することができる。

請求項３及び請求項４に記載の回路基板では、誘電体基板の表層面と誘電体基板内部の層に配設された信号線路のすべての電気長を一致させることで、特にこれまで小型化ができなかった複数の半導体素子を並列に実装することによって位相を同一とすることができ、小型化ができなかった半導体素子のパッケージであっても小型化することが可能となる。

以下に、本発明に係る回路基板の実施の形態を図１に基づき説明する。
図１（ａ）は本発明の実施の形態に係る回路基板の一部を示す概念図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）において示される信号線路であって誘電体基板表面に配設されている部分を示す概念図、図１（ｃ）は図１（ａ）において示される信号線路であって誘電体基板内部に配設されている部分を示す概念図、図１（ｄ）は図１（ａ）において符号Ａ―Ａ線で示される部分の矢視断面図である。
図１（ａ）乃至（ｄ）では、図２において示した回路基板の一部を、本実施の形態においても同様に示すものである。回路基板１は、図示されない高周波信号を送信あるいは受信半導体素子を誘電体基板表層７の面上に設置しており、この半導体素子から延設される信号伝送のためのピンを誘電体基板表層７の面上に配設された信号線路２ａ〜２ｈのターミナル６ａ〜６ｈで接続する。半導体素子から送信される高周波信号は信号線路２ａ〜２ｈを介してターミナル５ａ〜５ｈまで伝送される。あるいは、ターミナル５ａ〜５ｈで受信される高周波信号は、信号線路２ａ〜２ｈを介してターミナル６ａ〜６ｈに伝送される。

本実施の形態では、４組の信号線路２ａ〜２ｈは、すべて同一の位相が必要な差動信号線である。しかしながら、信号線路２ａ、２ｂ、２ｇ、２ｈという外側に配設された信号線路群と信号線路２ｃ〜３ｆという内側に配設された信号線路群の物理的長さはそれぞれの群内では同一であるものの、これら２群間の信号線路の物理的な長さは異なっている。このことは、図１（ｂ）と図１（ｃ）を比較すればよく理解できる。
一方、図１（ｄ）に示すとおり、内側の信号線路群では導体ビア３ｃ〜３ｆ及び導体ビア４ｃ〜４ｆを介して誘電体基板表層７から内部に形成される他の誘電体基板層８に信号線路２ｃ〜２ｆの一部が配設されている。すなわち、信号線路２ｃ〜２ｆでは、ターミナル６ｃ〜６ｆでは誘電体基板表層７の面上に配設されており、その後、導体ビア３ｃ〜３ｆを介して誘電体基板表層７を貫通し、誘電体基板表層７のターミナル６ｃ〜６ｆが存在する面上とは異なる内部の層内に配設され再び導体ビア４ｃ〜４ｆを介して誘電体基板表層７を貫通し、誘電体基板表層７の面上に配設されたターミナル５ｃ〜５ｆに接続されるものである。
誘電体基板層８は、誘電体基板表層７のすぐ下面に存在するように記載されているが、この誘電体基板層８の下部には更に異なる誘電体基板層を設けることで２層以上の複数層を構成するようにしてもよい。

次に、このように構成される本実施の形態に係る回路基板の作用について説明する。本実施の形態では、内側の信号線路群の信号線路長さの一部は誘電体基板表層７とは異なる内部の層に配設されることによって、その周囲の平均誘電率が周囲に空気層を含む外側の信号線路群の平均誘電率よりも高くなる。空気層における誘電率はほぼ真空と同じ誘電率であり、誘電体基板表層の材料よりも小さな誘電率を有しているからである。外側の信号線路２ａ、２ｂ、２ｇ、２ｈはその下方は誘電体基板表層７であり、その上方向には空気層が存在しているため誘電体基板表層７の誘電率と空気の誘電率の影響を受ける平均誘電率によってその電気長が演算されるが、内側の信号線路２ｃ〜２ｆは、上方の誘電体基板表層７と下方の誘電体基板層８によって挟まれる状態で配設されているため、誘電体基板表層７と誘電体基板層８の影響を受ける平均誘電率でその電気長が演算される。

また、本実施の形態においては、導体ビア４ｃ〜４ｆでターミナル５ｃ〜５ｆに接続しているが、ターミナル５ｃ〜５ｆよりターミナル６ｃ〜６ｆ寄りに導体ビア４ｃ〜４ｆを設けて、誘電体基板表層７の表面に一部を配設するようにしてもよいことは言うまでもない。
さらに、本実施の形態においては、誘電体基板表層７と誘電体基板層８の２層構造としているが、前述のとおりさらに第３層、第４層と多層構造とすることで、３次元的に信号線路２ａ〜２ｈを配設することができ、より回路基板１の表面スペースの有効活用を図ることができる。

本実施の形態においては、ターミナル６ａ〜６ｈ及びターミナル５ａ〜５ｈを半導体素子が設置される誘電体基板表層７の表面に設けているが、一方のターミナルを例えば裏面などに設けるようにしてもよい。
また、一部を誘電体基板表層７の表面に出し、一部を誘電体基板表層７とは異なる誘電体基板層８に配設することで、平均誘電体率が異なる層にすべてを配設するよりも誘電体率の相違に基づく電気長の統一に対して柔軟性を持たせることができる。
さらに、本実施の形態においては外側の信号線路群を構成する信号線路２ａ、２ｂ、２ｇ、２ｈはすべて誘電体基板表層７の面上に配設したが、もちろん、これらは一部を誘電体基板表層７とは異なる誘電体基板層８内に配設してもよい。
また、導体ビア３ｃ〜３ｆや導体ビア４ｃ〜４ｆを介して信号線路２ｃ〜２ｆを配設することから、導体ビア３ｃ〜３ｆ及び導体ビア４ｃ〜４ｆ自体の物理的長さが信号線路２ｃ〜２ｆの長さに加えることができ、この長さによっても電気長を調整することができる。

このように構成と作用を有する本実施の形態においては、内側の信号線路群の電気長を外側の信号線路群の電気長よりも長くすることが可能であり、よって、物理的には外側の信号線路群が長くとも、電気長は同一に調節することが可能であり、信号線路２ａ〜２ｈを介して伝送される高周波信号の位相はターミナル６ａ〜６ｈとターミナル５ａ〜５ｈ間で同一とすることができる。
従って、これらすべての信号線路２ａ〜２ｈが差動信号線であって、すべての信号線路２ａ〜２ｈが同一の位相で入出力しなければならない場合であっても、本実施の形態においては、誘電体基板表層７の面上に配設される信号線路２ａ、３ｂ、２ｇ、２ｈから構成される物理的長さの長い外側の信号線路群と、誘電体基板表層７とは異なる誘電体基板層８に配設される信号線路２ｃ〜２ｆから構成される物理的長さが短い内側の信号線路群では、電気長を調整することで同一の位相を実現することができる。

さらに、誘電体基板表層７より大きい平均誘電率の誘電体基板層８に信号線路を配設することによれば、電気長をかせぐことができるので回路基板１自体を小型化することも可能である。
また、導体ビア３ｃ〜３ｆや導体ビア４ｃ〜４ｆを介して信号線路２ｃ〜２ｆを配設することから、導体ビア３ｃ〜３ｆ及び導体ビア４ｃ〜４ｆ自体の物理的長さも加えることができ、その点でも電気長をかせぐことができる。

本発明に係る回路基板は、高周波デジタル信号を高速に伝送する必要がありかつ小型化が要求される携帯情報端末などの電子デバイスとして利用価値が高い。

（ａ）は本発明の実施の形態に係る回路基板の一部を示す概念図であり、（ｂ）は（ａ）において示される信号線路であって誘電体基板表層表面に配設されている部分を示す概念図、（ｃ）は（ａ）において示される信号線路であって誘電体基板表層とは異なる誘電体基板層に配設されている部分を示す概念図、（ｄ）は（ａ）において符号Ａ―Ａ線で示される部分の矢視断面図である。 回路基板の従来技術を示す概念図である。 図２に示される部分を示す回路基板とこの回路基板の４組の差動信号線すべての長さを同一とした場合の回路基板を並列に示す概念図である。

符号の説明

１…回路基板 ２ａ〜２ｈ…信号線路 ３ｃ〜３ｆ…導体ビア ４ｃ〜４ｆ…導体ビア ５ａ〜５ｈ…ターミナル ６ａ〜６ｈ…ターミナル ７…誘電体基板表層 ８…誘電体基板層 １１、１１ａ…回路基板 １２ａ〜１２ｈ…信号線路 １３ａ〜１３ｈ…ターミナル １４ａ〜１４ｈ…ターミナル １５、１５ａ…誘電体基板表層 １６ａ〜１６ｈ…信号線路 １７ａ〜１７ｈ…ターミナル １８ａ〜１８ｈ…ターミナル

Claims (4)

1. 誘電体基板の表層面上に素子とこの素子に接続される複数の信号線路が配設される回路基板であって、前記複数の信号線路のうち、少なくとも１の信号線路はその一部が前記誘電体基板の表層とは異なる内部の層に配設されることを特徴とする回路基板。
2. 前記少なくとも１の信号線路の一部以外の残部は、前記複数の信号線路のうちこの少なくとも１の信号線路以外の信号線路と同一の表層面上に配設され、前記少なくとも１の信号線路の一部の信号線路と前記残部の信号線路は導体ビアで接続されることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
3. 前記複数の信号線路は、全て同一の電気長を形成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回路基板。
4. 前記複数の信号線路は差動信号線であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の回路基板。