JP2006211070A - 多層配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 スルーホール等の容量性負荷の近傍での特性インピーダンスの低下を防止する多層配線基板を提供することを目的とする。
【解決手段】誘電体基板１１と、容量性負荷１５に接続された信号線１２と、グランド層１３，１４を有する多層線基板において、上記信号線１２は広幅部１２Ａと、一端が上記容量性負荷１５に接続される狭幅部１２Ｂを有しており、上記誘電体基板の比誘電率をε、上記信号線を伝送する信号の周波数をＦ（Ｈz）としたとき、上記狭幅部の長さＬ（ｍｍ）が、０＜Ｌ≦（３×１０^１０）／（Ｆ×√ε）となるように構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、多層配線基板に係り、特に、ストリップライン構造またはマイクロストリップライン構造に好適な多層配線基板に関する。

多層配線基板については、誘電体で形成される誘電体基板の厚さ、該誘電体の誘電率、信号線の線幅、グランド層から信号線までの距離等を調整することで特性インピーダンスの整合を図ることが可能である。しかし、信号線がスルーホールのような容量性負荷に接続されている場合、スルーホール近傍では容量成分が増加するために特性インピーダンスが低下してしまう。このように、スルーホールの近傍で特性インピーダンスが低下することに起因して、インピーダンス不整合に由来する信号反射が発生して高速信号を劣化させてしまうという問題があった。特に、スタブ部を含むスルーホールでは特性インピーダンスの低下が大きく、高速信号の劣化が著しくなってしまう問題があった。

特許文献１には、データの差動伝送を行う一対の信号導体を備えた多層配線基板において、スルーホール近傍では一対の信号導体間の間隔を広げることで差動インピーダンスの整合を図る多層配線基板が開示されている。
特開２００４−１４８００

しかしながら、上述の特許文献１による方法では高密度の配線パターンに対応することができないなど、配線パターンに制約が課せられてしまっていた。

本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、その課題は、スルーホールのような容量性負荷に接続される信号線におけるインピーダンス不整合に由来する信号反射を抑制することで高周波特性を向上させることができる多層配線基板を提供することを目的とする。

本発明に係る多層配線基板は、誘電体基板と、容量性負荷に接続された信号線と、グランド層を有する。

かかる多層配線基板において、本発明は、上記信号線は広幅部と、一端が上記容量性負荷に接続される狭幅部を有しており、上記誘電体基板の比誘電率をε、上記信号線を伝送する信号の周波数をＦ（Ｈz）としたとき、上記狭幅部の長さＬ（ｍｍ）が、０＜Ｌ≦（３×１０^１０）／（Ｆ×√ε）となるように構成されていることを特徴としている。

信号線の狭幅部の長さＬを上記の関係に設定することにより、容量性の負荷の近傍での特性インピーダンスが低下することなく適正値に保たれる。

本発明において、容量性負荷とは、例えばスルーホールである。

本発明において、広幅部の線幅Ｗ１に対する狭幅部の幅Ｗ２の比（Ｗ２／Ｗ１）は、スルーホールのスタブ部の長さが大きい程小さくなっていることが好ましい。

本発明は、以上のごとく、信号線を広幅部に対して狭い狭幅部をもつように形成し、この狭幅部の長さを誘電体基板の比誘電率と信号周波数との間で上記のごとくの関係をもたせて設定することにより、スルーホール等の容量性負荷の近傍での特性インピーダンスの低下を防止できることとなった。したがって、本発明では、特性インピーダンスの低下防止のために、信号線同士間の間隔を広く設定する必要はないので、信号線の高密度配線パターンにも対応できるようになる。

以下、図面に基づいて本発明に係る多層配線基板の一実施形態について説明する。

図１は本実施形態に係る多層配線基板の平面図であり、図２は図１におけるII−II断面図、図３は図１におけるIII−III断面図、そして図４は部分破断斜視図である。

図において、多層配線基板１０は、誘電体基板１１の内部に信号線１２が設けられて成るストリップライン構造の多層配線基板であり、信号線１２の上下には誘電体を介してグランド層１３，１４が誘電体基板１１の上下面に設けられている。

上記信号線１２は、上記誘電体基板１１の内部にあって、線幅Ｗ１の広幅部１２Ａと、一端が容量性負荷としてのスルーホール１５に接続される線幅Ｗ２そして線長Ｌの狭幅部１２Ｂを有している。このスルーホール１５は、誘電体基板１１の上面に設けられた接続部１６と接続されている。この接続部１６は図示しないコネクタの端子と接触して、上記信号線１２と該コネクタの端子とを接続させる。このように形成される信号線１２を有する本実施形態では、信号線１２で伝送される信号は、信号線１２の広幅部１２Ａ、狭幅部１２Ｂからスルーホール１５を経て接続部１６に向けて進行して上記コネクタに伝達されるように構成されている。

次に、グランド層１３，１４は、上記信号線１２のためのスルーホール１５と接続部１６の領域を除くようにして、スルーホール１５そして接続部１６との間に間隔をもって、上記誘電体基板１１の上下面でほぼ全域にわたり及んでいる。

このような多層配線基板において、誘電体基板１１の比誘電率をε、信号線１２で伝送される信号の周波数をＦ（Ｈｚ）としたとき、信号線１２の狭幅部１２Ｂの長さＬ（ｍｍ）を、
０＜Ｌ≦（３×１０^１０）／（Ｆ×√ε） ・・・・・・・・・・（１）
と調整することにより、特性インピーダンスの整合を図ることができる。

ここで、上記式（１）における上限値Ｌｍａｘは、次式（２）に示すように、信号線１２で伝送される信号の波長λ（ｍｍ）の１０分の１となるように規定することができる。

Ｌｍａｘ＝λ／１０ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
ここで、波長λは、下式（３）で表される。

λ＝Ｖ×（１／Ｆ） ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （３）
式（３）において、Ｖは信号線を伝送する信号（電子）の速度（ｍｍ／ｓ）であり、Ｆは信号の周波数（Ｈｚ）である。

また、信号の速度Ｖは次式（４）で表すことができる。
Ｖ＝{１／√（ε×μ）}{１／√（ε_０×μ_０）} ・・・・・・・（４）

式（４）において、εは誘電体基板の比誘電率、μは誘電体基板の透磁率（一般に多くの材料では、μ＝１とみなすことができる。）、ε_０は真空の誘電率、μ_０は真空の透磁率であり、１／√（ε_０×μ_０）は真空での電子の速度（すなわち光速：３×１０^１１ｍｍ／ｓ）である。

これらの関係及び式（３）及び（４）にもとづき、式（２）より上限値Ｌｍａｘを式（１）のごとく求めることができる。

信号線の狭幅部の長さＬが上記範囲であると、信号線がスルーホールのような容量性負荷に接続している場合においても特性インピーダンスの整合を確実に図ることができ、もって高速信号を伝送しても信号の劣化を回避することができる。ここで、線幅を狭めることで断面積が減少するが、狭幅部の長さが上記範囲内となるように形成されているので、発熱を回避しつつ特性インピーダンスの整合を図ることが可能である。

具体的には、例えば、誘電体基板がＦＲ−４（比誘電率ε＝３．９）であり、信号線を伝送する信号の周波数Ｆが１．０ＧＨｚである場合には、上記式（１）より、狭幅部の長さＬを０＜Ｌ≦１５．２ｍｍと調整することができ、また、誘電体基板がＦＲ−４（比誘電率ε＝３．９）であり、信号線を伝送する信号の周波数Ｆが１０．０ＧＨｚである場合には、狭幅部の長さＬを０＜Ｌ≦１．５２ｍｍと調整することができる。

また、信号線の広幅部の幅Ｗ１に対する狭幅部の幅Ｗ２の比率（Ｗ２／Ｗ１）は、スルーホールの長さやスタブ部（スルーホールにおける信号線１２より下の部分）の長さ等により適宜調整することができ、例えばスタブ部の長さが長くなるほど、小さくなるように調整することが好ましい。

なお、広幅部と狭幅部とを有する信号線の形状は特に限定されるものではなく、例えば、スルーホールに向けて段階的に幅を変化させたもの（図５参照）や、直線状又は曲線状に幅を連続的に変化させたもの（図６参照）、一部分で線幅を狭めてその後一定の幅としたもの（図７参照）などを挙げることができる。

また、信号線はデータの差動伝送を行う２本１組でデータ伝送を行う一対の信号線でもよく、さらに多層配線基板の構造はマイクロストリップライン構造のものでもよいことは言うまでもない。

以下、実施例を挙げて本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらによって何ら制約されるものではない。なお、図中、既出の図１〜７と共通部位には同一符号を付しその説明を省略する。

＜実施例１＞
図８は本実施例における多層配線基板をこの多層配線基板に接続されるコネクタと共に示す斜視図であり、図９は図８におけるIX−IX断面図、図１０は図８におけるX−X断面図である。

多層配線基板１０はいわゆるマイクロストリップライン構造の多層配線基板である。誘電体基板１１（ＦＲ−４）の表面には一対の信号線１２が形成されており、この誘電体基板１１の反対側となる面にはグランド層１４が配置され、さらに誘電体基板１１の内部には二つのグランド層１３Ａ，１３Ｂが交互に配置されている。また、一対のスルーホール１５が誘電体基板１１及びグランド層１３Ａ，１３Ｂ，１４に直交するように形成されているとともに、このスルーホール１５にはそれぞれ信号線１２の狭幅部１２Ｂが接続されている。また、スルーホール１５には円形の接続部１６が連通されており、この接続部１６には、コネクタ２０の接続部２１に設けられたＢＧＡ２１Ａが半田接続されるようになっている。なお、誘電体基板１１の比誘電率εは３．９であり、設計特性インピーダンスは１００Ωとなるように構成されている。

そして、信号線の広幅部１２Ａの幅Ｗ１を０．３１ｍｍ、狭幅部１２Ｂの幅Ｗ２を０．１ｍｍ、狭幅部の長さＬを１．５ｍｍとなるように形成した信号線１２に、１０ＧＨｚ相当の矩形波を伝送して反射してくる信号の特性インピーダンスを実施例１として測定し、その結果を図１１に示した。

＜比較例１＞
広幅部の幅Ｗ１を０．３１ｍｍ、狭幅部の幅Ｗ２を０．１ｍｍ、狭幅部の長さＬを３．０ｍｍとなるように信号線を形成したこと以外は実施例１と同様とした場合についての特性インピーダンスを比較例１として測定し、その結果を図１１に示した。

＜比較例２＞
０．３１ｍｍからなる単一の幅からなる信号線を形成したこと以外は実施例１と同様とした場合についての特性インピーダンスを比較例２として測定し、その結果を図１１に示した。

通常、特性インピーダンスは、設計値（１００Ω）に対して＋１０％〜−１０％の範囲（すなわち、本実施例においては９０〜１１０Ωの範囲）に収まることが求められている。比較例１及び２では上記範囲内に特性インピーダンスが収まっていないのに比し、実施例１では収まっていることが判る。このことから本発明においては、特性インピーダンスの整合を確実に図ることができるとともに、信号の劣化を回避することができることがわかる。

本発明の一実施形態としての多層配線基板の平面図である。 図１におけるII−II断面図である。 図１におけるIII−III断面図である。 図１の多層配線基板の部分破断斜視図である。 図１の多層配線基板の変形例を示す平面図である。 図１の多層配線基板の他の変形例を示す平面図である。 図１の多層配線基板のさらに他の変形例を示す平面図である。 本発明の実施例としての多層配線基板の破断斜視図である。 図８におけるIX−IX断面図である。 図８におけるX−X断面図である。 実施例における特性インピーダンスを比較例と共に示す図である。

符号の説明

１０ 多層配線基板
１１ 誘電体基板
１２ 信号線
１２Ａ 広幅部
１２Ｂ 狭幅部
１５ スルーホール（容量性負荷）

Claims (3)

1. 誘電体基板と、容量性負荷に接続された信号線と、グランド層を有する多層配線基板において、上記信号線は広幅部と、一端が上記容量性負荷に接続される狭幅部を有しており、上記誘電体基板の比誘電率をε、上記信号線を伝送する信号の周波数をＦ（Ｈz）としたとき、上記狭幅部の長さＬ（ｍｍ）が、０＜Ｌ≦（３×１０^１０）／（Ｆ×√ε）となるように構成されていることを特徴とする多層配線基板。
2. 容量性負荷がスルーホールであることとする請求項１に記載の多層配線基板。
3. 広幅部の線幅Ｗ１に対する狭幅部の幅Ｗ２の比（Ｗ２／Ｗ１）は、スルーホールのスタブ部の長さが大きい程小さくなっていることとする請求項２に記載の多層配線基板。
   
   
   
   
   
   
   

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