JP2007324511A - 差動インピーダンス整合プリント配線板 - Google Patents

Abstract

【課題】差動伝送線路が拡開する線路開口部において、差動インピーダンスの変動を抑制し、信号反射を低減することができるプリント配線板の提供。
【解決手段】一対の差動伝送線路１ａ，１ｂが設けられ、かつ当該差動伝送線路１ａ，１ｂの出力端Ｂ１，Ｂ２方向に差動伝送線路１ａ，１ｂが拡開する線路拡開領域３が設けられたプリント配線板において、当該線路拡開領域３に沿うように帰還電流スペース５を介して帰還電流パターン７が、一対の差動伝送線路１ａ，１ｂの内側又は／及び外側に配置されていることを特徴とする差動インピーダンス整合プリント配線板。
【選択図】図１

Description

本発明は、差動インピーダンスを整合させることのできるプリント配線板に関し、特に差動伝送線路の開口部において差動インピーダンスの変動を抑制し、信号反射を低減させる際に優れた差動インピーダンス整合プリント配線板に関する。

近年、携帯電話などの通信機器を始めとして、家電製品に至るまで様々な電気機器が高機能化されている。これらの高機能化に伴い、プリント配線板における高速化及び高周波対応が要求され、プリント配線板に使用される伝送線路は差動伝送線路が使用されることが多くなっている。

差動伝送を有効に機能させるためには、差動インピーダンスを高精度で制御し、終端抵抗と整合させる事が重要となる。そのために、差動伝送を行うペアの配線について、その幅およびペア配線間の間隔を一定に保持することが重要である。

これまで、前記差動伝送を行うペア配線に関しては多くの技術が開示されている。

例えば、後記特許文献１には、一対の差動伝送線路においてビアを設けた場合でもインピーダンスのずれを抑制して信号波形の崩れを防止することを課題として、当該課題を、基板に設けられた一対の差動伝送線路と、一対の差動伝送線路の各々に接続され、その差動伝送線路の延びる方向と垂直な方向で基板内に設けられる一対のビアと、一対の差動伝送線路の各々から対応する一対のビアに向けて各々延設される一対の接続線路とを備える回路基板において、一対の接続線路の平面視形状が、一対の差動伝送線路の中心線に対して対称に設けることにより解決する技術が開示されている。

また、後記特許文献２には、パターンレイアウトを工夫することにより、ノイズ対策に必要な専用部品を用いることなく、差動型信号線やクロックラインが発生の原因であるノイズを低減させ、開発工数を減らすことができるプリント基板を提供することを課題として、当該課題を、差動信号回路等を用い、差動で動作する信号線の配線パターンが形成されるプリント基板において、それぞれ対になる２本のパターンを平行に、且つお互いの直近にレイアウトする。また他の信号線は前記差動信号線からなるべく離れた位置にレイアウトする。さらに、多層基板を用い、差動信号線を電源層に配置することにより不要輻射ノイズを抑圧し、クロストークの発生を防止し、かつ、基板の一層の多層化を避け、配線パターンの細線化を防ぐことにより解決する技術が開示されている。

しかしながら、実際の回路パターンにおいては伝送路端部でパッドや終端抵抗との接続、あるいは、差動伝送特性評価用回路のコネクタとの接続部などで差動インピーダンスは大きく変動する問題を生じていた。図６を使用して当該問題について説明する。

線路スペース６２を介して、差動信号が入力端Ａ１及び入力端Ａ２から、出力端Ｂ１及び出力端Ｂ２へ伝送される差動伝送線路６１において、出力端Ｂ１及び出力端Ｂ２の先に抵抗体などの部品が接続される場合は、当該部品の形状に伴い、線路開口部６３を基点として差動伝送線路６１の配線間の間隔を開かざるを得ない状況となる。

このような場合、差動インピーダンスは大きく変動し、信号反射の影響を受ける。また、ここでの信号反射の影響は、プリント配線板に実装されるＩＣなどの誤動作などを引き起こす可能性を生じる。

さらに、ここでの信号反射の影響は、高速伝送ないし高周波信号の環境においては顕著な影響を受け、微細配線加工されたプリント配線板においては、差動インピーダンスの変化が大きくなるために問題である。

上記問題は、前記プリント配線板における高速化及び高周波対応が要求されている背景、及び今後の小型化・高速化が進む電子機器において、差動インピーダンス制御は一層高精度での制御が要求される背景においては、解決すべき問題である。
特開２００６−０３２５１３号公報 特開２００１−２６７７０１号公報

以上のような背景に基づき本発明が解決しようとする課題は、部品の実装などに伴い、差動伝送線路が拡開する線路開口部において、差動インピーダンスの変動を抑制し、信号反射を低減させる際に有利な差動インピーダンス整合プリント配線板を提供することにある。

発明者は上記課題を解決するために種々検討を重ねた。その結果、一対の差動伝送線路の出力端方向に、差動伝送線路が拡開する線路拡開領域がある場合には、当該線路拡開領域に沿うように帰還電流スペースを介して帰還電流パターンを配置すれば、極めて良い結果が得られることを見出して本発明を完成するに至った。

すなわち本発明は、一対の差動伝送線路１ａ，１ｂが設けられ、かつ差動伝送線路１ａ，１ｂの出力端Ｂ１，Ｂ２方向に、当該差動伝送線路１ａ，１ｂが拡開する線路拡開領域３が設けられたプリント配線板において、当該線路拡開領域３に沿うように帰還電流スペース５を介して帰還電流パターン７が、一対の差動伝送線路１ａ，１ｂの内側又は／及び外側に配置されていることを特徴とする差動インピーダンス整合プリント配線板により上記課題を解決したものである。

また、本発明は、前記帰還電流スペース５の幅が、前記一対の差動伝送線路１ａ，１ｂ間の線路スペース２と同一のスペース幅であることを特徴とする差動インピーダンス整合プリント配線板により上記課題を解決したものである。

また、本発明は、前記帰還電流スペース５の幅が、前記一対の差動伝送線路１ａ，１ｂ間の線路スペース２よりも狭いスペース幅であることを特徴とする差動インピーダンス整合プリント配線板により上記課題を解決したものである。

また、本発明は、前記線路開口部３の線路開口角度が９０度未満であることを特徴とする差動インピーダンス整合プリント配線板により上記課題を解決したものである。

また、本発明は、前記帰還電流パターン７が、他の導体配線とは電気的に接続されない単独浮島状であることを特徴とする差動インピーダンス整合プリント配線板により上記課題を解決したものである。

本発明によれば、差動伝送線路を有するプリント配線板において、差動伝送線路が拡開する線路開口部において、差動インピーダンスの変動を抑制し、信号反射を低減させることができる。

本発明を実施するための最良の形態を、図面と共に説明する。

図１は、本発明の差動インピーダンス整合プリント配線板の第一の実施形態を示したものである。

（第一の実施形態）
図１に示される構造体においては、間隙となる線路スペース２を介して一対の差動伝送線路、すなわち差動伝送線路１ａ及び差動伝送線路１ｂが平行に配置されている。このように、一対の差動伝送線路１ａ，１ｂを線路スペース２を介して平行に配置することで、当該一対の差動伝送線路１ａ，１ｂ間における差動インピーダンスの整合がとれる。

線路スペース２を介して、差動信号が入力端Ａ１及び入力端Ａ２から、出力端Ｂ１及び出力端Ｂ２へ伝送される差動伝送線路１ａ及び差動伝送線路１ｂにおいて、出力端Ｂ１及び出力端Ｂ２の先に部品実装用のパッドや終端抵抗などが設けられることが多く、前記部品が接続される場合は、当該部品の形状に伴い、線路開口部３ａを基点として一対の差動伝送線路１ａ，１ｂが拡開する線路拡開領域３が設けられる。そのような場合、前記線路開口部３ａ付近において、信号の反射不具合を生じ、差動インピーダンスは大きく変動する。

そこで本発明においては、差動伝送線路１ａ，１ｂの出力端Ｂ１，Ｂ２方向にある線路拡開領域３の開口形状に沿うような形状で、帰還電流スペース５を介して帰還電流パターン７が設けられている。これにより信号の反射を抑制することで差動インピーダンスの変動を低減させる。

ここで、帰還電流パターン７と帰還電流スペース５の特徴について説明する。帰還電流パターン７は、線路拡開領域３の開口形状に沿うような形状で設けられる。その一例としては、図１に示されるように、帰還電流パターン７をベタ状態の導体形状にすると共に、線路拡開領域３における一対の差動伝送線路１ａ，１ｂの内側に、当該内側の開口角度に沿うように帰還電流スペース５を介して帰還電流パターン７を配置する。

また、前記帰還電流パターン７は、他の導体配線とは電気的に接続されない単独浮島状とする。電気的に接続されない単独浮島状とすることで、差動伝送線路１ａ，１ｂの帰還電流路となるためである。

このような構造にすることで、差動伝送線路１ａ，１ｂに対して帰還電流路を設ける構造となり、配線間隔が広がることで失われる結合容量を補うことができる。これにより、差動伝送線路１ａ，１ｂの特に線路開口部３ａ付近で生じる差動インピーダンスの変動を抑制し、信号反射の低減をすることが可能となる。

帰還電流スペース５の設計においては、平行に配置された一対の差動伝送線路１ａと１ｂとの間の線路スペース２と同一幅，もしくは帰還電流スペース５が線路スペース２よりも狭い構造とするのが望ましい。

例えば、線路スペース２の幅が５０μｍであった場合、帰還電流スペース５の幅は５０μｍないし５０μｍよりも狭くするのが良い。

これは電気信号の反射を考慮した場合、帰還電流スペース５の幅が線路スペース２の幅と同一であることが、信号反射が最も少ない構造として好適なためである。一方、帰還電流スペース５の幅が線路スペース２の幅よりも広い場合、配線間隔が広がることで結合容量が失われる。そのため、帰還電流スペース５が線路スペース２よりも狭い構造であることが良い。

また、プリント配線板の回路形成方法においても、帰還電流スペース５の幅が線路スペース２と同一幅もしくは、帰還電流スペース５が線路スペース２よりも狭い構造であることが、エッチング液の流れ性を考慮すると回路形成し易いため好適である。

図２は、本発明の差動インピーダンス整合プリント配線板の第二の実施形態を示したものである。

（第二の実施形態）
前記帰還電流パターン７は、差動伝送線路１ａ，１ｂの出力端Ｂ１，Ｂ２方向にある線路拡開領域３の開口形状に沿うような形状で、帰還電流スペース５を介して設けることで、信号の反射が抑制され、差動インピーダンスの変動を低減させる。そのため、帰還電流パターン７の配置は、図２に示される構造であっても良い。

すなわち、差動伝送線路１ａ，１ｂの出力端Ｂ１，Ｂ２方向にある線路拡開領域３の開口形状に沿うような形状で、帰還電流スペース５を介して、他の導体配線とは電気的に接続されない単独浮島状に、前記線路拡開領域３における一対の差動伝送線路１ａ，１ｂの外側に帰還電流パターン７ａを設けても良く、あるいは当該一対の差動伝送線路１ａ，１ｂの内側に帰還電流パターン７ｂを設けても良い。

このような図２に示される構造であっても、差動伝送線路１ａ，１ｂの出力端Ｂ１，Ｂ２方向にある線路拡開領域３の開口形状に沿うような形状で、帰還電流パターン７が配置されているため、線路開口部３ａの付近で生じる信号の反射を低減することができ、差動インピーダンスの整合を行なうことができるためである。

なお、前記線路拡開領域３における一対の差動伝送線路１ａ，１ｂの外側に設けられた帰還電流パターン７ａ、及び当該一対の差動伝送線路１ａ，１ｂの内側に設けられた帰還電流パターン７ｂはどちらか一方でも良く、また両方を備えた構造であっても良い。

図３は、本発明の差動インピーダンス整合プリント配線板における線路拡開領域３の線路開口角度８について示したものである。

線路開口角度８を設けるプリント配線板の設計上の理由としては、線路スペース２を介して、差動信号が入力端Ａ１及び入力端Ａ２から、出力端Ｂ１及び出力端Ｂ２へ伝送される差動伝送線路１ａ及び１ｂにおいて、出力端Ｂ１及び出力端Ｂ２の先に抵抗体などの部品が接続される場合は、当該部品の形状に伴い、差動伝送線路１ａ，１ｂの配線間の間隔を開かざるを得ない状況となるためである。

すなわち、線路開口角度８はプリント配線板の設計及びプリント配線板に実装される部品の形状などにより、角度が異なる。そのため、線路開口角度８は９０度未満であれば任意の角度が実際のプリント配線板で使用される。

このような背景に鑑み、本発明では９０度未満の線路開口角度８とすることにより対応を可能としている。

例えば、線路開口角度８が３０度から９０度未満の場合においては、図１に示されるような構造体を使用し、線路開口部３における一対の差動伝送線路１ａ，１ｂの内側に、当該線路拡開領域３に沿うように帰還電流スペース５を介して帰還電流パターン７を配置する。

他方、線路開口角度８が３０度未満の場合においては、図１に示されるような線路拡開領域３における一対の差動伝送線路１ａ，１ｂの内側に帰還電流パターン７を設けることが困難になるため、図２に示されるように線路拡開領域３における一対の差動伝送線路１ａ，１ｂの外側に帰還電流パターン７ａを設けることにより対応することができる。

なお、上記の３０度表記に関しては例示であり、プリント配線板のアディティブ法などに代表される微細な回路形成方法を使用すれば、線路拡開領域３における差動伝送線路１ａ，１ｂの内側及び外側の所望の箇所に帰還電流パターン７を設けることができる。

（試験例）
本発明の差動インピーダンス整合プリント配線板は、差動伝送線路の線路開口部において信号の反射が少なく、差動インピーダンスを整合する際に有利である。ここでは試験例として、本発明における電気特性を明確にするために、差動インピーダンスの特性について従来技術との比較試験を行なった。

試験方法としては、ＣＳＴ社製の電磁界解析シミュレータ（ＭＷ−Ｓｔｕｄｉｏ）を使用して、図１に示される本発明の構造と、図６に示される従来技術の構造の両方におけるモデルを作製し、非定常解析によって伝送特性の比較を検討した。

図４は本発明の差動インピーダンス整合プリント配線板における、差動インピーダンス特性を示したものである。縦軸を差動インピーダンス〔Ｚｄｉｆｆ（単位：Ω）〕として、横軸を時間（単位：ｓ）として、測定結果を示したものである。ここでの差動インピーダンス特性の評価方法としては１００Ωを設定し、当該設定に対しての実測定を記録した。

その結果、１００Ωの設定に対して、測定された差動インピーダンスは最大でも１０２Ωであり、信号反射が抑制され、差動インピーダンスを整合できる結果が得られた。

一方、従来技術との差を明確にすることを目的として、前記試験方法と同様に、図６に示される従来技術の構造におけるモデルを作製し、非定常解析によって伝送特性の比較を検討し、その結果を図５に示した。

その結果、１００Ωの設定に対して、測定された差動インピーダンスは１３０Ω以上であり、信号反射が抑制されず、差動インピーダンスを整合することに適さない構造であるという結果が得られた。

上記図４及び図５に示される結果より、本発明の差動インピーダンス整合プリント配線板は、一対の差動伝送線路１ａ，１ｂに対し帰還電流パターン７を設けることで、従来の差動伝送線路の線路開口部付近で失われる結合容量を補う事ができ、その結果、差動インピーダンスの変動を抑制し、信号反射を低減することが可能となる。

今後、プリント配線板の高速化、狭ピッチ化がさらに要求されることから、この差動インピーダンスの変動は無視できないものとなり、信号反射による誤動作の問題が顕在化してくる可能性が高い。そのためにも、本発明の差動インピーダンス整合プリント配線板の構造は重要となる。

本発明プリント配線板の第１の実施の形態を示す模式説明図。 本発明プリント配線板の第２の実施の形態を示す模式説明図。 本発明プリント配線板における線路開口角度を示す模式説明図。 本発明プリント配線板の差動インピーダンス特性を示すグラフ。 従来プリント配線板の差動インピーダンス特性を示すグラフ。 従来プリント配線板を示す模式説明図。

符号の説明

１ａ，１ｂ：差動伝送線路
２：線路スペース
３：線路拡開領域
３ａ：線路開口部
５：帰還電流スペース
７，７ａ，７ｂ：帰還電流パターン
８：線路開口角度
６１：差動伝送線路
６２：線路スペース
６３：線路開口部

Claims (5)

1. 一対の差動伝送線路（１ａ），（１ｂ）が設けられ、かつ当該差動伝送線路（１ａ），（１ｂ）の出力端Ｂ１，Ｂ２方向に差動伝送線路（１ａ），（１ｂ）が拡開する線路拡開領域（３）が設けられたプリント配線板において、当該線路拡開領域（３）に沿うように帰還電流スペース（５）を介して帰還電流パターン（７）が、一対の差動伝送線路（１ａ），（１ｂ）の内側又は／及び外側に配置されていることを特徴とする差動インピーダンス整合プリント配線板。
2. 前記帰還電流スペース（５）の幅が、前記一対の差動伝送線路（１ａ），（１ｂ）間の線路スペース（２）と同一のスペース幅であることを特徴とする請求項１に記載の差動インピーダンス整合プリント配線板。
3. 前記帰還電流スペース（５）の幅が、前記一対の差動伝送線路（１ａ），（１ｂ）間の線路スペース（２）よりも狭いスペース幅であることを特徴とする請求項１に記載の差動インピーダンス整合プリント配線板。
4. 前記線路開口部（３）の線路開口角度が９０度未満であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の差動インピーダンス整合プリント配線板。
5. 前記帰還電流パターン（７）が、他の導体配線とは電気的に接続されない単独浮島状であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の差動インピーダンス整合プリント配線板。

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