JP2007150000A - プリント配線板 - Google Patents

Abstract

【課題】差動信号配線のインピーダンス特性を改良し、ＥＭＩノイズを低減する。
【解決手段】プリント配線板１００は、第１層（表面層）１０４に一対の差動信号配線１０１およびシングルエンド信号配線１０７を有し、絶縁層１０８を挟んで、ＧＮＤ配線１０２およびＧＮＤまたは電源プレーン１０３を備えた第２層１０５を有する。第２層１０５は、第１層１０４の差動信号配線１０１を有する差動信号配線領域の直下に幅Ｓｇ１の開口部を有し、その中央に幅Ｗｇ１のＧＮＤ配線１０２が配設される。第２層１０５の開口部の幅Ｓｇ１とＧＮＤ配線１０２の幅Ｗｇ１が差動信号配線の幅Ｗ１と配線間隙Ｓ１に対して以下の関係を満たすことで、差動信号配線１０１のインピーダンス特性を改善し、ＧＮＤの連続性を保つ。
Ｓｇ１≧（Ｓ１＋４×Ｗ１） Ｗｇ１＜（Ｓ１＋２×Ｗ１）
【選択図】図１

Description

本発明は、差動信号伝送特性を改良したプリント配線板に関するものである。

差動伝送を採用している高速信号伝送インターフェイス規格は、プリント配線板の差動の特性インピーダンスを９０Ωや１００Ωと定めていることが多い。また、ＧＨｚオーダーの高速な信号伝送においてプリント配線板を設計する際には、表皮効果によって信号の高周波成分の減衰を避けるために、差動信号配線の線幅を太くする必要がある。

しかし一般的に、配線幅を太くすると、配線とＧＮＤとの結合が増えることにより容量が増加するので、シングルエンドインピーダンスＺｏは低下する。ここで、差動インピーダンスは、簡易的には、２×Ｚｏで計算される。しかし、シングルエンド信号と同じ配線層に、差動インピーダンスが９０Ωや１００Ωの差動信号配線を配線するためには、ＧＮＤだけでなく対となる線路間の電磁的結合によるシングルエンドインピーダンスＺｏの低下を考慮した配線構造にしなければならない。その結果、差動信号配線は特性インピーダンス５０Ω程度のシングルエンド信号配線よりも細い線幅となり、高周波領域では、δ＝√（２／ωμσ）で電流の流れる領域が狭くなるので、表皮効果による減衰が大きくなってしまう。

そのため、高速信号伝送インターフェイスでは、配線幅を太くしながらも、差動インピーダンスを９０Ωや１００Ωに制御する技術が必要である。

従来は、特許文献１および特許文献２に開示されたように、配線層と対向するプレーン層にて、信号配線の直下や直上に開口部（切抜き部）を設けることで、ＧＮＤとの容量結合を制御し、配線のインピーダンスを制御していた。
特開平０５−３４３８２０号公報 特開平０９−０３６５０４号公報

上記従来の技術においては、配線と交差するプレーン層の開口部は、信号の進行方向に対して線路の特性インピーダンスを不連続にしているので、信号波形に悪影響を与えていた。加えて、ＧＮＤ面が信号配線に対して常に対向していないため、リターン電流のループも大きくなり、ＥＭＩノイズが増大する原因にもなっていた。

また、従来の技術は、インピーダンスを高くすることや、差動伝送のバランスを取るための技術であって、信号の高速伝送化による表皮効果による信号の減衰についての考慮がされていなかった。

本発明は、差動信号配線の線幅を太くして表皮効果よる減衰を少なくしながらも、所定の差動インピーダンスを保ち、かつ、ＧＮＤの連続性を維持することのできるプリント配線板を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明のプリント配線板は、差動信号を伝送する一対の差動信号配線を有する少なくとも１つの差動信号配線領域を備えた信号層と、前記信号層の下または上にＧＮＤまたは電源プレーンを有するプレーン層と、を備えたプリント配線板において、前記プレーン層は、前記差動信号配線領域の直下または直上に、前記差動信号配線の線幅の４倍と配線間隙との和以上の幅の開口部を有し、前記開口部の中心位置には、前記差動信号配線に沿ったＧＮＤ配線が、前記差動信号配線の線幅の２倍と配線間隙との和未満の線幅で配設されていることを特徴とする。

例えば表面層の差動信号配線領域の直下に、差動信号配線領域の中心に位置するＧＮＤ配線を配設することで、電流の流れる方向に対するインピーダンスの不連続を回避する。同時に、リターン電流も差動信号配線の直下にあるＧＮＤ配線を流れるので、電流ループが最小となり、ＥＭＩノイズが大きくなることはない。

発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、多層のプリント配線板１００は、一対の差動信号配線１０１を備えた差動信号配線領域を有し、その直下に、ＧＮＤ配線１０２とＧＮＤまたは電源プレーン１０３とが配設されたマイクロストリップライン構造を有する。

両差動信号配線１０１の間隙の中心位置から対称に、ＧＮＤまたは電源プレーン１０３を、各差動信号配線の幅（線幅）Ｗ１の４倍と配線間隙Ｓ１との和以上の幅Ｓｇ１で削除した領域（開口部）が形成される。ＧＮＤ配線１０２は、両差動信号配線１０１の間隙の中心位置（Ｘ＝０）から対称に配設され、ＧＮＤ配線１０２の幅（線幅）Ｗｇ１は、各差動信号配線１０１の幅（線幅）Ｗ１の２倍と配線間隙Ｓ１との和未満とする。

この構成により、差動信号配線幅を太くして減衰を少なくすると同時に、差動信号配線領域の直下にＧＮＤ配線を配置することで、インピーダンスの不連続を回避できる。加えて、最短の電流のリターン経路を確保し、ＥＭＩノイズの増大を防ぐことができる。

また、多層のプリント配線板の内層に２つの差動信号配線を有する差動信号配線領域を備え、その直下および直上の層にＧＮＤまたは電源プレーンがあるストリップライン構造においても、差動信号配線領域とＧＮＤ配線の配線位置および線幅を上記と同様に設定するとよい。これによって、差動信号配線幅を太くして減衰を少なくすると同時に、インピーダンスの不連続を回避できる。また、最短の電流のリターン経路を確保できる。

図１は実施例１の構成を説明する図である。多層のプリント配線板１００は、第１〜第３層１０４〜１０６を有し、表面層である第１層１０４は、差動信号配線１０１とシングルエンド信号配線１０７を備える信号層である。第１層１０４との間に厚みＨ１の第１の絶縁層１０８を挟んだ第２層１０５は、ＧＮＤまたは電源プレーン１０３を有するプレーン層である。そして、第２の絶縁層１０９を挟んで第３層１０６があるが、これは信号層または電源・ＧＮＤ層（プレーン層）のいずれでもよい。

それぞれの線幅がＷ１で、配線間隙がＳ１である２つの差動信号配線１０１は、第１層１０４に配置され、幅Ｗｇ１のＧＮＤ配線１０２は第２層１０５に配置されている。このとき、配線間隙Ｓ１の中点とＧＮＤ配線１０２の幅Ｗｇ１の中点はＸ＝０で一致している。

そして、各差動信号配線１０１の幅Ｗ１は、Ｗｇ１＜（Ｓ１＋２×Ｗ１）の関係にある。第２層１０５のＧＮＤまたは電源プレーン１０３は、幅Ｓｇ１の開口部を有し、開口部の幅Ｓｇ１の中点と配線間隙Ｓ１の中点の位置は、Ｘ＝０で一致している。また、差動信号配線１０１とＧＮＤまたは電源プレーン１０３の離間距離はＳｗ１であり、開口部の幅Ｓｇ１は、Ｓｇ１≧（Ｓ１＋４×Ｗ１）の関係にある。

幅Ｗｓ１のシングルエンド配線１０７は、第１層１０４のＧＮＤまたは電源プレーン１０３が投影されている位置に配置され、ＧＮＤまたは電源プレーン１０３の開口部の幅Ｓｇ１の領域には配置されない。そして、差動信号配線１０１の幅Ｗ１との関係はＷｓ１＜Ｗ１である。

図１の構成では、第１層が信号層になっているが、４層以上のＭ層（Ｍは整数）からなるプリント配線板の場合、第Ｍ層が信号層、第Ｍ−１層が電源・ＧＮＤ層になり、両側の表面層で構成してもよい。また、差動信号配線は一対であるが、複数対あってもよい。この際、どの配線対も第１層の差動信号配線と第２層のＧＮＤ配線の関係は上記の関係を保っている。また、プリント配線板内で差動信号配線が存在しないＹ方向の領域では、ＧＮＤ配線とＧＮＤまたは電源プレーンは接続されていてもよい。

図２は、ＧＮＤ配線の幅Ｗｇ１をパラメータとした、実施例１と、ＧＮＤ配線のない従来例による、各周波数における放射ノイズを示したグラフである。この時各部の寸法は、図３に示すように、Ｗ１＝０．３ｍｍ、Ｓ１＝０．３ｍｍ、Ｓｇ１＝１．５ｍｍ、Ｈ１＝０．１ｍｍ、Ｔ１＝０．０３５ｍｍである。

図２から、従来例のように差動信号配線の直下にＧＮＤ配線が完全に無い場合と、本実施例のように差動信号配線の間隙の中心に線対称の形状でＧＮＤ配線を配設した場合のＥＭＩノイズを比較すると、本実施例の方が、全周波数帯域でＥＭＩノイズが低いことが分かる。

また、図３に示すように、シングルエンド信号配線が５０Ωになる配線幅の２倍の線幅で差動信号配線を設けてあるので、表皮効果による信号の減衰も抑えることができる。さらに、ＧＮＤ配線の幅Ｗｇ１が、０から差動信号配線の２倍の幅２×Ｗ１とその配線間隙Ｓ１の和の未満（＜Ｓ１＋２×Ｗ１）にある場合は、図４に示すようにほぼリニアにインピーダンスが変化しているので、ＧＮＤ配線の幅Ｗｇ１を制御することで差動インピーダンスを制御できる。

Ｗｇ１≧（Ｓ１＋２×Ｗ１）となると、配線に対向する面のＧＮＤまたは電源プレーンに除去による開口部が無いときとほぼ同等の構造になり、インピーダンスも開口部が無い場合とほぼ同じ差動インピーダンスになってしまう。よって、差動信号配線１０１の幅を太くしながらインピーダンスを高くするという効果を出すためには、Ｗｇ１＜（Ｓ１＋２×Ｗ１）の関係を満たす必要がある。

また、ＧＮＤまたは電源プレーン１０３は、開口部の幅Ｓｇ１の大きさが、Ｓｇ１＝１．５ｍｍを超えると差動信号配線１０１およびＧＮＤ配線１０２との結合が弱くなり、インピーダンス値の制御はＧＮＤプレーン１０３が支配的になる。従って、Ｓｇ１≧（Ｓ１＋４×Ｗ１）の関係を満たす必要がある。

図５は実施例２の構成を示す図である。多層のプリント配線板２００において、第Ｎ−１層２０４はＧＮＤまたは電源プレーン２０３を有するプレーン層である。厚みＨ２ａの第１の絶縁層２０８を挟んで第Ｎ層２０５は、信号層である。厚みＨ２ｂの第２の絶縁層２０９を挟んで第Ｎ＋１層２０６はＧＮＤまたは電源プレーン２０３を有するプレーン層である。

それぞれの線幅がＷ２で、配線間隙がＳ２の２つの差動信号配線２０１は、第Ｎ層２０５に配置されている。幅（線幅）Ｗｇ２のＧＮＤ配線２０２は、第Ｎ−１層２０４および第Ｎ＋１層２０６に配置されている。

このとき、配線間隙Ｓ２の中点とＧＮＤ配線２０２の幅Ｗｇ２の中点はＸ＝０で一致している。そして、Ｗｇ２＜（Ｓ２＋２×Ｗ２）の関係を満たす。ＧＮＤまたは電源プレーン２０３は、幅Ｓｇ２の開口部を有し、第Ｎ−１層２０４および第Ｎ＋１層２０６に配置されている。このとき、幅Ｓｇ２の開口部の中点と配線間隙Ｓ２の中点の位置は、Ｘ＝０で一致している。また、差動信号配線２０１とＧＮＤまたは電源プレーン２０３の離間距離はＳｗ２であり、開口部の幅Ｓｇ２は、Ｓｇ２≧（Ｓ２＋４×Ｗ２）の関係にある。幅Ｗｓ２のシングルエンド信号配線２０７は、第Ｎ層２０５の、第Ｎ−１層２０５および第Ｎ＋１層２０６のＧＮＤまたは電源プレーン２０３が投影されている位置に配置され、ＧＮＤまたは電源プレーン２０３の開口部の幅Ｓｇ２の領域には配置されない。そして、差動信号配線２０１の幅Ｗ２との関係はＷｓ２＜Ｗ２である。

図５では差動信号配線は一対であるが、複数あっても構わない。この場合、第Ｎ層の差動信号配線と、第Ｎ−１層および第Ｎ＋１層のＧＮＤ配線の関係は上記の関係を保っている。また、プリント配線板内で差動信号配線が存在しないＹ方向の領域では、ＧＮＤ配線とＧＮＤまたは電源プレーンは接続されていてもよい。

図６は、ＧＮＤ配線の幅Ｗｇ２をパラメータとした実施例２と、ＧＮＤ配線のない従来例による、各周波数における放射ノイズを示したグラフである。この時各部材の寸法は、図７に示すように、Ｗ２＝０．３ｍｍ、Ｓ２＝０．３ｍｍ、Ｓｇ２＝１．５ｍｍ、Ｈ２ａ＝０．２５ｍｍ、Ｈ２ｂ＝０．２５ｍｍ、Ｔ２＝０．０３５ｍｍである。従来例のように差動信号配線の直上および直下のＧＮＤが完全に無い場合と、本実施例のように差動信号配線の間隙の中心に線対称の形状でＧＮＤ配線を配設した場合のＥＭＩノイズを比較すると、本実施例の方が、全周波数帯域でＥＭＩノイズが低いことが分かる。

また、図７に示すように、シングルエンド信号配線が５５Ωになる配線幅の２倍の線幅で差動信号配線を設けてあるので、表皮効果による信号の減衰も抑えることができる。さらに、ＧＮＤ配線の幅Ｗｇ２が、０から差動信号配線の２倍の幅２×Ｗ２とその配線間隙Ｓ２の和の未満（＜Ｓ２＋２×Ｗ２）にある場合は、図８に示すように、ほぼリニアにインピーダンスが変化しているので、ＧＮＤ配線の幅を制御することで差動インピーダンスを制御できる。

Ｗｇ２≧（Ｓ２＋２×Ｗ２）となると配線に対向する面のＧＮＤまたは電源プレーンに開口部が無いときとほぼ同等の構造になり、インピーダンスも開口部が無い場合とほぼ同じになってしまう。よって、差動信号配線の幅を太くしながらインピーダンスを高くするという効果を出すためには、Ｗｇ２＜（Ｓ２＋２×Ｗ２）を満たす必要がある。

また、ＧＮＤまたは電源プレーン２０３は、開口部の幅Ｓｇ２の大きさが、Ｓｇ２＝１．５ｍｍを超えると差動信号配線２０１およびＧＮＤ配線２０２との結合が弱くなり、インピーダンス値の制御はＧＮＤまたは電源プレーン２０３が支配的になる。従って、Ｓｇ２≧（Ｓ２＋４×Ｗ２）の関係を満たす必要がある。

実施例１によるプリント配線板の構成を示すもので、（ａ）はその模式断面図、（ｂ）は上方からみた配線構造を示す平面図である。 実施例１と従来例を比較した放射ノイズを示すグラフである。 実施例１の具体例を説明する図である。 実施例１のＧＮＤ配線の幅と差動インピーダンスの関係を示すグラフである。 実施例２によるプリント配線板の構成を示すもので、（ａ）はその模式断面図、（ｂ）は上方からみた配線構造を示す平面図である。 実施例２と従来例を比較した放射ノイズを示すグラフである。 実施例２の具体例を説明する図である。 実施例２のＧＮＤ配線の幅と差動インピーダンスの関係を示すグラフである。

符号の説明

１００、２００ プリント配線板
１０１、２０１ 差動信号配線
１０２、２０２ ＧＮＤ配線
１０３、２０３ ＧＮＤまたは電源プレーン
１０７、２０７ シングルエンド信号配線

Claims (2)

1. 差動信号を伝送する一対の差動信号配線を有する少なくとも１つの差動信号配線領域を備えた信号層と、前記信号層の下または上にＧＮＤまたは電源プレーンを有するプレーン層と、を備えたプリント配線板において、前記プレーン層は、前記差動信号配線領域の直下または直上に、前記差動信号配線の線幅の４倍と配線間隙との和以上の幅の開口部を有し、前記開口部の中心位置には、前記差動信号配線に沿ったＧＮＤ配線が、前記差動信号配線の線幅の２倍と配線間隙との和未満の線幅で配設されていることを特徴とするプリント配線板。
2. 差動信号を伝送する一対の差動信号配線を有する少なくとも１つの差動信号配線領域を備えた信号層と、前記信号層の下および上にＧＮＤまたは電源プレーンを有するプレーン層と、を備えたプリント配線板において、前記プレーン層は、前記差動信号配線領域の直下および直上に、前記差動信号配線の線幅の４倍と配線間隙との和以上の幅の開口部を有し、前記開口部の中心位置には、前記差動信号配線に沿ったＧＮＤ配線が、前記差動信号配線の線幅の２倍と配線間隙との和未満の線幅で配設されていることを特徴とするプリント配線板。

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