JP2006086825A - 多層配線基板，及び、信号安定化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロストリップ線路の信号線とストリップ線路の信号線とを連結してなる伝送線に通される高周波信号の安定化を図ることができる多層配線基板及び信号安定化方法を、提供する。
【解決手段】多層配線基板１０には、マイクロストリップ線路の信号線１２ａと、ストリップ線路の信号線１４ｂと、マイクロストリップ線路の信号線１６ａとを、絶縁層に貫通されたビア１３，１５を介して連結してなる伝送線が、組み込まれている。マイクロストリップ線路の信号線１２ａ，１６ａの幅Ｗｍと、ストリップ線路の信号線１４ｂの幅は、相互の信号線１２ａ，１４ｂ，１６ａの特性インピーダンスＺｍ，Ｚｓがほぼ同じになるように、調整される。
【選択図】図１

Description

本発明は、配線層と絶縁層とを複数積層してなる多層配線基板と、このような多層配線基板において伝送される信号を安定化させる信号安定化方法とに、関する。

周知のように、信号線を多層配線基板に配線する場合、マイクロストリップ線路として配線する方法と、ストリップ線路として配線する方法とがある。

マイクロストリップ線路は、絶縁層の両側に隣接する配線層のうち、最外層（表面層）となる配線層に信号線を配線し、内層となる配線層にグランド線を配線してなる線路である。このマイクロストリップ線路では、信号線に高周波信号を通すと、信号線から外部に向けて高周波ノイズが放射されることが知られている。

一方、ストリップ線路は、一対の絶縁層に挟まれた配線層に信号線を配線するとともに、それら一対の絶縁層の外側にある配線層にそれぞれグランド線を配線し、一対のグランド線によって信号線を挟んでなる線路である。このストリップ線路では、信号線に高周波信号を通しても、信号線から放射される高周波ノイズがグランド線によって遮蔽されることが知られている。
特開平０９−１９９８６３号公報 特開２０００−３５７１８０号公報 特開２００２−０３２４２８号公報

ところで、多層配線基板の中には、マイクロストリップ線路の信号線とストリップ線路の信号線とを連結してなる伝送線が組み込まれたものがある。図９は、そのような伝送線が組み込まれた多層配線基板の断面図である。

図９においてハッチングを施して示す伝送線は、マイクロストリップ線路の信号線，ストリップ線路の信号線，及び、マイクロストリップ線路の信号線を、その経路順に配列してなる。より具体的には、ストリップ線路において対となっているグランド線のうちの一方のグランド線は、マイクロストリップ線路の信号線と同じ配線層（表面層）に形成されており、マイクロストリップ線路のグランド線は、ストリップ線路の信号線と同じ配線層（内層）に形成されている。そして、ストリップ線路の信号線とマイクロストリップ線路の信号線とは、絶縁層を貫通するビアにて、段違いに連結されている。

ところが、この従来の多層配線基板では、マイクロストリップ線路の信号線の幅（図９における紙面に垂直な方向の幅）とストリップ線路の信号線の幅とが同じであることにより、マイクロストリップ線路の信号線よりもストリップ線路の信号線の方が特性インピーダンスが小さかっため、これらのような信号線が混在する伝送線に高周波信号を通すと、ビアの部分で反射が生じ、高周波信号が歪むこととなる。このため、高周波信号の伝達効率が低下するという問題があった。

本発明は、前述したような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その課題は、マイクロストリップ線路の信号線とストリップ線路の信号線とを連結してなる伝送線が組み込まれる多層配線基板において、その伝送線に通される高周波信号の安定化を図ることにある。

上記の課題を解決するために発明された多層配線基板は、マイクロストリップ線路の信号線とストリップ線路の信号線とを連結してなる伝送線が組み込まれた多層配線基板であって、前記マイクロストリップ線路の信号線の幅と前記ストリップ線路の信号線の幅とが、相互の信号線の特性インピーダンスが近付くように、調整されていることを、特徴としている。

このように、マイクロストリップ線路の信号線の特性インピーダンスとストリップ線路の信号線の特性インピーダンスとが近付けられていると、これら信号線の連結部分において、高周波信号の反射量が少なくなるので、この伝送線に通される高周波信号の伝達効率の低下を抑えることができる。

また、上記の課題を解決するために発明された信号安定化方法は、マイクロストリップ線路の信号線とストリップ線路の信号線とを連結してなる伝送線が組み込まれる多層配線基板において、前記マイクロストリップ線路の信号線の幅と前記ストリップ線路の信号線の幅とを、相互の信号線の特性インピーダンスが近付くように、調整することを、特徴としている。

このように、マイクロストリップ線路の信号線の特性インピーダンスとストリップ線路の信号線の特性インピーダンスとを近付けるようにして、相互の信号線の幅を調整しておけば、これら信号線の連結部分において、高周波信号の反射量を減らすことができ、その結果として、この伝送線に通される高周波信号の伝達効率の低下を抑えることができる。

従って、本発明によれば、マイクロストリップ線路の信号線とストリップ線路の信号線とを連結してなる伝送線が組み込まれる多層配線基板において、その伝送線に通される信号の安定化を図ることができることになる。

以下、添付図面に基づいて、本発明を実施するための一つの形態について説明する。

図１は、本発明の一つの実施形態である多層配線基板１０の平面構成図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った多層配線基板１０の断面図である。本実施形態の多層配線基板１０は、四つの配線層と三つの絶縁層とが交互に積層されてなる。

図２において最も上側にある配線層ａでは、図１及び図２における左側から右側に向かって、信号線１２ａ，グランド線１４ａ，信号線１６ａが順に配列されており、各線１２ａ，１４ａ，１６ａは、絶縁層内の絶縁体と同じ絶縁体が互いの間に介在することによって、電気的に切断されている。

図２における上から二番目にある配線層ｂでは、図１及び図２における左側から右側に向かって、グランド線１２ｂ，信号線１４ｂ，グランド線１６ｂが順に配列されており、各線１２ｂ，１４ｂ，１６ｂは、上記の絶縁体が互いの間に介在することによって、電気的に切断されている。また、グランド線１２ｂは、配線層ａの信号線１２ａの下側においてこの信号線１２ａと同じ位置に配置され、信号線１４ｂは、配線層ａのグランド線１４ａの下側においてこのグランド線１４ａと同じ位置に配置され、グランド線１６ｂは、配線層ａの信号線１６ａの下側においてこの信号線１６ａと同じ位置に配置されている。

図２における上から三番目にある配線層ｃでは、配線層ｂの信号線１４ｂの下側においてこの信号線１４ｂと同じ位置に、グランド線１４ｃが配置されている。また、配線層ｂのグランド線１２ｂ，１６ｂの下側には、電源線，グランド線，又は、信号線として利用される導体が、配置されている。

図２における最も下側にある配線層ｂでは、各種の線、例えば信号線１８が、配置されている。

以上のような構造において、配線層ａの信号線１２ａと配線層ｂのグランド線１２ｂは、マイクロストリップ線路を構成している。また、配線層ａのグランド線１４ａと配線層ｂの信号線１４ｂと配線層ｃのグランド線１４ｃは、ストリップ線路を構成している。また、配線層ａの信号線１６ａと配線層ｂのグランド線１６ｂは、マイクロストリップ線路を構成している。

さらに、配線層ａの信号線１２ａと配線層ｂの信号線１４ｂは、配線層ａと配線層ｂとの間の絶縁層を貫通する円柱状のビア１３にて段違いに連結されることにより、電気的に接続されている。また、配線層ｂの信号線１４ｂと配線層ａの信号線１６ａも、絶縁層を貫通する円柱状のビア１５にて段違いに連結されることにより、電気的に接続されている。これにより、信号線１２ａと信号線１４ｂと信号線１６ａは、電気的に接続された一本の伝送路を構成する。

そして、配線層ａの上面には、高周波信号を送信するドライバ１１と、高周波信号を受信するレシーバ１７とが、設置されている。ドライバ１１の図示せぬ出力端子は、信号線１２ａの端部に接続され、レシーバ１７の入力端子は、信号線１６ａの端部に接続されているため、ドライバ１１及びレシーバ１７は、上記の伝送線を通じて高周波信号を搬送するものとなっている。

次に、以上のように構成される多層配線基板１０において、配線層ａの信号線１２ａ及び信号線１６ａの幅（図１における上下方向の長さ），及び、配線層ｂの信号線１４ｂの幅の決定手順を、具体例を用いて説明する。

まず、本具体例においては、多層配線基板１０の配線層ａ〜配線層ｄに含まれる信号線やグランド線の材質は、何れも銅となっており、それらの厚みｔは、何れも０．０３５ｍｍとなっている。また、絶縁体は、何れも、比誘電率εｒが４．７であるガラスエポキシ樹脂（ＦＲ４）となっており、マイクロストリップ線路における絶縁体の厚みｈは、０．２ｍｍとなっており、ストリップ線路における絶縁体の厚みｂは、０．４ｍｍとなっている。

このような条件の下、マイクロストリップ線路の信号線とストリップ線路の信号線とについて、信号線の幅Ｗ［ｍｍ］を、０．０５ｍｍ〜０．２５ｍｍの範囲では０．０５ｍｍ刻みで、０．３０ｍｍ〜０．５０ｍｍの範囲では０．１０ｍｍ刻みで変化させたときの特性インピーダンスＺｍ［Ω］，Ｚｓ［Ω］を、それぞれ求めた。下記の表１は、その結果を示すものである。

なお、上記の表１に示される特性インピーダンスＺｍ，Ｚｓは、マイクロストリップ線路の信号線の特性インピーダンスＺｍを求めるための一般的な公式である下記の式１と、ストリップ線路の信号線の特性インピーダンスＺｓを求めるための一般的な公式である下記の式２とを用いて得たものである。

式１

式２

上記の表１において、マイクロストリップ線路の信号線の特性インピーダンスＺｍとストリップ線路の信号線の特性インピーダンスＺｓとがほぼ一致する組み合わせのうちの一つは、マイクロストリップ線路の信号線の幅Ｗｍが０．３０ｍｍであってストリップ線路の信号線の幅Ｗｓが０．１０ｍｍであるときである。

なお、幅Ｗｍが０．３０ｍｍであるときに、Ｚｍ＝Ｚｓとして、幅Ｗｓを求めると、幅Ｗｓは、０．１０３ｍｍとなる。この幅Ｗｓを求めるために、式１の右辺と式２の右辺とを等号で結んだ式を展開したものを、使用した。下記の式３は、展開後のものである。

式３

従って、本具体例の場合には、マイクロストリップ線路の信号線１２ａ，１６ａの幅Ｗｍを０．３０ｍｍとするとともに、ストリップ線路の信号線１４ｂの幅Ｗｓを０．１０３ｍｍとして、多層配線基板１０に信号線１２ａ，１４ｂ，１６ａを形成したとき、相互の特性インピーダンスＺｍ，Ｚｓを一致させることができるので、このときの多層配線基板１０に組み込まれた伝送線（信号線１２ａ，１４ｂ，１６ａからなる伝送線）は、高周波信号の反射を起こさせない最も理想的な伝送線となる。

ところで、幅Ｗｍを０．３０ｍｍとしたとき、幅Ｗｓを０．１０３ｍｍとすることが、理想的ではあるが、様々な要因によって幅Ｗｓの大きさを０．１０３ｍｍ丁度にできない場合がある。そこで、この伝送路に通された高周波信号の歪みの許容できる範囲を明らかにするべく、高周波信号の波形の歪みと幅Ｗｓの値との関係を、調べた。

図３乃至図８は、ストリップ線路の信号線１４ｂの幅Ｗｓを０．０５ｍｍ刻みで０．３０ｍｍから０．０５ｍｍまでの範囲で変化させたときにおけるレシーバ１７に入力される高周波信号の波形を、それぞれ示す図である。図３乃至図８において、縦軸は電圧［Ｖ］であり、横軸は時間［ｎｓ］である。

なお、この波形を得るにあたっては、ドライバ１１からは、Ｖｃｃ＝３．３Ｖのパルス波を出力させた。また、レシーバ１７は、パルス波におけるＨｉレベルの閾値ＶｉＨが０．８×Ｖｃｃ（＝２．６４Ｖ）であり、Ｌｏレベルの閾値ＶｉＬが０．２×Ｖｃｃ（＝０．６６Ｖ）であるものを使用した。さらに、配線層ａの信号線１２ａ及び信号線１６ａの長さをそれぞれ５ｍｍとし、配線層ｂの信号線１４ｂの長さを５０ｍｍとした。

図３乃至図８を見て明らかなように、ストリップ線路の信号線１４ｂの幅Ｗｓが０．３０ｍｍ（図３），０．２５ｍｍ（図４），０．２０ｍｍ（図５）である場合には、波形には、反射による段付きがＨｉ側にもＬｏ側にも生じており、然も、Ｈｉ側の段部分のレベルが、ＶｉＨ（＝２．６４Ｖ）を下回り、或いは、Ｌｏ側の段部分のレベルが、ＶｉＬ（＝０．６６Ｖ）を上回ってしまっている。

一方、ストリップ線路の信号線１４ｂの幅Ｗｓが０．１５ｍｍ（図６），０．１０ｍｍ（図７），０．０５ｍｍ（図８）である場合には、反射によって多少の段付きが出現しているものの、Ｈｉ側の段部分のレベルがＶｉＨ（＝２．６４Ｖ）を下回ったり、Ｌｏ側の段部分のレベルがＶｉＬ（＝０．６６Ｖ）を上回ったりしていない。

そして、ストリップ線路の信号線１４ｂの幅Ｗｓが０．１５ｍｍであるときの特性インピーダンスＺｓは、表１から、４４．０２Ωであり、その幅Ｗｓが０．０５ｍｍであるときの特性インピーダンスＺｓは、表１から、６４．１１Ωである。一方、マイクロストリップ線路の信号線１２ａ，１６ａの幅Ｗｍが０．３０ｍｍであるときの特性インピーダンスＺｍは、表１から、５１．７４Ωである。これらから、ＺｓとＺｍの比の採り得る範囲は、
（４４．０２／５１．７４）＜（Ｚｓ／Ｚｍ）＜（６４．１１／５１．７４）
と表現できるので、これを変形すると、
０．８５０８＜（Ｚｓ／Ｚｍ）＜１．２３９１
となる。

従って、Ｚｓ／Ｚｍが、少なくとも、
０．８＜（Ｚｓ／Ｚｍ）＜１．２ … （１）
の範囲にあるように、マイクロストリップ線路の信号線１２ａ，１６ａの幅Ｗｍと、ストリップ線路の信号線１４ｂの幅Ｗｓとを決定すれば、高周波信号の歪みを許容できる範囲に抑えることができる。

本発明の一つの実施形態である多層配線基板の平面構成図 図１のＡ−Ａ線に沿った多層配線基板の断面図 ストリップ線路の信号線の幅Ｗｓを０．３０ｍｍとしたときにおけるレシーバに入力される高周波信号の波形を示す図 ストリップ線路の信号線の幅Ｗｓを０．２５ｍｍとしたときにおけるレシーバに入力される高周波信号の波形を示す図 ストリップ線路の信号線の幅Ｗｓを０．２０ｍｍとしたときにおけるレシーバに入力される高周波信号の波形を示す図 ストリップ線路の信号線の幅Ｗｓを０．１５ｍｍとしたときにおけるレシーバに入力される高周波信号の波形を示す図 ストリップ線路の信号線の幅Ｗｓを０．１０ｍｍとしたときにおけるレシーバに入力される高周波信号の波形を示す図 ストリップ線路の信号線の幅Ｗｓを０．０５ｍｍとしたときにおけるレシーバに入力される高周波信号の波形を示す図 マイクロストリップ線路の信号線とストリップ線路の信号線とを連結してなる伝送路が組み込まれた多層配線基板の断面図

符号の説明

１０ 多層配線基板
１１ ドライバ
１２ａ 信号線
１２ｂ グランド線
１３ ビア
１４ａ グランド線
１４ｂ 信号線
１４ｃ グランド線
１５ ビア
１６ａ 信号線
１６ｂ グランド線
１７ レシーバ
１８ 信号線

Claims (3)

1. マイクロストリップ線路の信号線とストリップ線路の信号線とを連結してなる伝送線が組み込まれた多層配線基板であって、
   前記マイクロストリップ線路の信号線の幅と前記ストリップ線路の信号線の幅とが、相互の信号線の特性インピーダンスが近付くように、調整されている
   ことを特徴とする多層配線基板。
2. 前記マイクロストリップ線路の信号線の特性インピーダンスをＺｍ［Ω］とし、前記ストリップ線路の信号線の特性インピーダンスをＺｓ［Ω］としたとき、
   前記マイクロストリップ線路の信号線の幅と前記ストリップ線路の信号線の幅とが、以下の条件式（１）、
   ０．８＜（Ｚｓ／Ｚｍ）＜１．２ … （１）
   を満足するように、調整されている
   ことを特徴とする請求項１記載の多層配線基板。
3. マイクロストリップ線路の信号線とストリップ線路の信号線とを連結してなる伝送線が組み込まれる多層配線基板において、
   前記マイクロストリップ線路の信号線の幅と前記ストリップ線路の信号線の幅とを、相互の信号線の特性インピーダンスが近付くように、調整する
   ことを特徴とする信号安定化方法。