JP2006269627A - プリント配線基板のヴィア構造 - Google Patents

Abstract

【課題】高速信号伝送に悪影響を及ぼす貫通ヴィア部分のインピーダンスコントロールを可能にし、伝送線路の特性インピーダンスにマッチングさせることができるプリント配線基板のヴィア構造を提供する。
【解決手段】プリント配線基板１に設けた信号ヴィア２と、信号ヴィア２の円筒の中央に挿入するグランドピン３と、グランドピン３の一端を接続するプリント配線基板１のグランドパッド５と、信号ヴィア２とグランドピン３との隙間を充填する誘電性樹脂４とを設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プリント配線基板のヴィア構造に関し、特に、高速信号伝送に悪影響を及ぼす貫通ヴィア部分のインピーダンスコントロールを可能にし、伝送線路の特性インピーダンスにマッチングさせることができるプリント配線基板のヴィア構造に関する。

コンピュータ装置等の情報処理機器においては、ＬＳＩチップの動作速度の高速化が著しいが、単にＬＳＩチップ内部の高速化だけでは装置としての性能が実現できなくなってきており、例えばコンピュータ装置では、ＣＰＵ〜メモリ間といったＬＳＩチップとＬＳＩチップを結ぶインターフェース間の高速化が重要になってきている。昨今ではシリアル・インターフェースを採用し、プリント配線基板上にＧＨｚレベルの高速信号を伝送する動きも顕著である。このような背景から、ＬＳＩとＬＳＩを結ぶプリント配線基板上の高速伝送回路技術が非常に重要になってきている。

高速信号を伝送する際には、伝送線路全体を特性インピーダンス値にマッチングさせることが基本である。そのため、プリント配線基板内の配線は、ストリップライン構造やマイクロストリップ構造といった技術により、インピーダンスをコントロールし、所望の特性インピーダンスにマッチングさせることが可能である。しかし、一般のプリント配線基板が有する貫通ヴィアの部分においては、インピーダンスをコントロールすることができず、伝送線路の特性インピーダンスから外れてしまう。このようなインピーダンスの不連続点が存在すると、そこで反射波が発生し、その影響を受け信号波形が歪むことになる。

また高速信号になればなるほど、ノイズマージンも少なくなっており、微弱なノイズでも影響を受けやすくなる。

よって、数ＧＨｚレベルの高速信号を伝送するためには、プリント配線基板のヴィア部分のインピーダンスを伝送線路の特性インピーダンスにマッチングさせ、反射波の発生を防ぐことが重要である。

プリント配線基板におけるヴィアのインピーダンスコントロールに関しては、従来より多くの発明が提案されており、そのうち代表的と思えるものを挙げると、例えば、特許文献１、特許文献２の技術がある（図５）。

図５を参照すると、プリント配線基板２２の信号ヴィア２３に対し、信号ヴィア２３の周囲にグランドヴィア２４を設け、その信号ヴィア２３とグランドヴィア２４との位置関係により、信号ヴィア２３のインピーダンスをコントロールしようというものである。しかしこの場合、信号ヴィア２３の周囲にグランドヴィア２４を設けるエリアが必須であり、グランドヴィア２４を設けた分、他の部品を接近して配置できなかったり、他の信号配線を阻害することにもなり、高密度実装・高密度配線という面において不利である。

また、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）直下等のヴィアが密集した箇所においては、信号ヴィア２３の周りに余分なグランドヴィア２４を設けるエリアはなく、この発明は適用することは困難と思われる。

別の例として、特許文献３のように、２重構造のヴィアを有するプリント配線基板２５を製造し、内側のヴィア２６を信号に、外側のヴィア２７をグランドヴィア２７にアサインすることで、同軸ケーブル同等の同軸構造を実現するという技術もある（図６）。

これは信号ヴィア２６のインピーダンスをコントロールでき、なおかつ外部からのノイズを遮断することができる面で効果があるが、ヴィアを二重化するため、製造が困難、プリント配線基板の層数が２層増える（＝コストアップに繋がる）、表面から裏面へ通り抜ける信号にしか適用できない（外層と内層、および内層同士の接続ができない）といった面で課題が残る。

特開平１１ー０５４８６９号公報 特開２０００ー２１６５１０号公報 特開２０００ー２１６５１３号公報

上述の特許文献１、特許文献２の技術は、信号ヴィアの周囲にグランドヴィアを設けるエリアが必須であり、グランドヴィアを設けた分、他の部品を接近して配置できなかったり、他の信号配線を阻害することにもなり、高密度実装・高密度配線という面において不利になる。また、ヴィアが密集した箇所においては、信号ヴィアの周りに余分なグランドヴィアを設けるエリアはなく、適用することは困難であるという課題がある。

特許文献３の技術は、ヴィアを二重化するため、製造が困難であり、プリント配線基板の層数が２層増えコストアップに繋がり、表面から裏面へ通り抜ける信号にしか適用できないという課題がある。

本発明の目的は、このような課題を解決できるプリント配線基板のヴィア構造を提供することにある。

本発明のプリント配線基板のヴィア構造は、プリント配線基板に設けた信号ヴィアと、信号ヴィアの円筒の中央に挿入するグランドピンと、グランドピンの一端をプリント配線基板のグランド部と接続する手段と、信号ヴィアとグランドピンとの隙間を充填する誘電性樹脂とを有することを特徴とする。

グランド部は、グランドパッドまたはグランドヴィアを有することを特徴とする。

グランドピンは、グランドパッドと半田付接続するかまたはグランドヴィアとプレスフィットピン接続することを特徴とする。

信号ヴィアのキャパシタンスは、信号ヴィアの直径と、グランドピンの直径と、誘電性樹脂の材質とにより調節を行うことを特徴とする。

本発明のプリント配線基板のヴィア構造は、信号線のヴィアの内部にグランドピンを有する構造にすることで、ヴィアのインピーダンスコントロールが可能になる。ヴィアのインピーダンスを伝送線路の特性インピーダンスにマッチングさせることで、ヴィアの部分による反射波の発生を防ぐことができ、伝送波形の品質を向上できるという効果がある。

また、信号ヴィアの周囲にグランドヴィアを設ける必要もなく、ヴィアのインピーダンスをコントロールするために必要となるエリアが小さくて済む。従って、他の信号配線を阻害したり、他の部品配置の邪魔になることがなく、高密度部品実装、および高密度配線の面でも有利となる効果がある。

次に、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。

本発明のプリント配線基板のヴィア構造を図１に示す。

プリント配線基板１には、一般的な製造工程で製造された信号ヴィア２が存在し、信号ヴィア２はプリント配線基板１の任意の層で接続がなされている。信号ヴィア２の円筒の中央にはグランドピン３が挿入されており、グランドピン３はプリント配線基板１の外部にて、近傍のグランドパッド５に半田付け等の方法により接続されている。

さらに、信号ヴィア２とグランドピン３の隙間は、誘電体（誘電性樹脂）４で満たされている。

ここで、信号ヴィア２とグランドピン３との対向面積をＳ、信号ヴィア２とグランドピン３の対向距離（＝絶縁性樹脂４の厚み）、絶縁性樹脂４の誘電率をεと定義すると、信号ヴィア２でのキャパシタンスＣは、Ｃ＝ｆ（Ｓ，ｄ，ε）となる。ｆ（ｘ）は変数ｘの関数の意味で表現できる。

よって信号ヴィア２のインダクタンスをＬとすると、信号ヴィア２のインピーダンスＺは、Ｚ＝√（Ｌ／Ｃ）で示されることになる。ここでＣは、パラメータＳ、ｄ、εの関数であるため、これらのパラメータ値を変更することにより、キャパシタンスＣを値をコントロールすることが可能になる。具体的には、信号ヴィア２の直径およびグランドピン３の直径を調節したり、絶縁性樹脂４の材質を変更することにより信号ヴィア２のキャパシタンスＣを調節することになる。

信号ヴィア２のインピーダンスＺを伝送線路の特性インピーダンスＺｏにマッチングさせることが可能になる。

グランドピンを外部でグランドに接続する方法にはいくつか考えられ、図１のように、グランドピン３を１８０度折り曲げ、近傍のグランドパッド５に半田付けするもの、また図２ー１のように、同じく１８０度折り曲げたグランドピン８を近傍のグランドヴィア７に挿入し半田付けしたものが考えられる。さらに図２ー２のように、バネ性を有するグランドピン１０のプレスフィットピン１０で接続（無半田接続）する方法も考えられる。

ただし、多ピンのＢＧＡの直下のようなヴィアが密集した場所においては、個々のヴィア毎に１ピンずつ半田付け、およびプレスフィット接続していくのは製造面で非常に工数がかかるため、他の実施例として図３ー１、図３ー２に示す方法を提案する。

これは、平板状のグランドプレート１５上に、グランドプレート１５に対して垂直に複数のグランドピン１６を設けた部品を準備し、その剣山状のグランドプレート１５をＢＧＡ１４が実装されいてる反対面からグランドピン１６を挿入し、プリント配線基板１１の信号ヴィア１２に対しては絶縁性樹脂で樹脂埋めし、グランドヴィア１３に対しては半田付け、またはプレスフィット接続で固定することで、グランドプレート１５およびグランドピン１６にグランドの電位を持たせる構造である。

この剣山状のグランドプレート（１５と１６）により、複数の信号ヴィア１２に対して一括で本発明のヴィア構造を実現できるようになり製造面の課題も解決できる。

グランドプレート１５は、銅板等の金属材料が考えられるが、金属は熱容量が大きく、グランドピン１６を半田付けする際に熱放散による半田付け不良が懸念される場合は、グランドプレート自体をプリント配線基板にする構造も考えれらる。

プリント配線基板１７によるグランドプレート構造例を図４に示す。例えば２層のプリント基板で片面はピン１８を半田付けするためのパッド２１を設け、もう片面には一面グランドベタ１９を設けておき、ヴィア２０により両面を接続することで、各ピン１８にグランド電位を持たせることが可能である。グランドヴィア２０とグランドベタ１９の接続は、一般のプリント配線基板の熱対策で使われているのと同様のサーマル接続にすることで熱放散を抑えることができ、半田付け品質も向上する。

本発明のプリント配線基板のヴィア構造を示す図である。 本発明のプリント配線基板のヴィア構造のグランドピンを外部でグランドに接続する方法を示す図である。 本発明のプリント配線基板のヴィア構造の他の実施例を示す図である。 グランドプレートの構造を示す図である。 従来の技術を示す図である。 従来の技術を示す図である。

符号の説明

１、１１ プリント配線基板
２ 信号ヴィア
３、８ グランドピン
４ 誘電性樹脂
５ グランドパッド
７ グランドヴィア
１０ プレスフィットピン
１２ 信号ヴィア
１３ グランドヴィア
１４ ＢＧＡ
１５ グランドプレート
１６ グランドピン
１７ プリント配線基板
１８ ピン
１９ グランドベタ
２０ ヴィア
２２、２５ プリント配線基板
２３、２６ 信号ヴィア
２４、２７ グランドヴィア

Claims (4)

1. プリント配線基板に設けた信号ヴィアと、前記信号ヴィアの円筒の中央に挿入するグランドピンと、前記グランドピンの一端を前記プリント配線基板のグランド部と接続する手段と、前記信号ヴィアと前記グランドピンとの隙間を充填する誘電性樹脂とを有することを特徴とするプリント配線基板のヴィア構造。
2. 前記グランド部は、グランドパッドまたはグランドヴィアを有することを特徴とする請求項１記載のプリント配線基板のヴィア構造。
3. 前記グランドピンは、前記グランドパッドと半田付接続するかまたは前記グランドヴィアとプレスフィットピン接続することを特徴とする請求項２記載のプリント配線基板のヴィア構造。
4. 前記信号ヴィアのキャパシタンスは、前記信号ヴィアの直径と、前記グランドピンの直径と、前記誘電性樹脂の材質とにより調節を行うことを特徴とする請求項１記載のプリント配線基板のヴィア構造。
   

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