JP2008130976A - プリント配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】プリント配線基板のスルーホールで寄生的に構成されるスタブの特性劣化を抑制し、良好な高速伝送特性を実現すること。
【解決手段】誘電体層１３の間に電源層／接地層１１と信号配線１２ｂが介在するとともに、信号配線１２ｂと接続されるスルーホール１２が形成されたプリント配線基板１０において、スルーホール１２と電源層／接地層１１の間の領域にアンチパッドとなるクリアランス１４が設けられており、信号配線１２ｂは、スルーホール１２からクリアランス１４を通じて電源層／接地層１１の下に延在し、電源層／接地層１１は、クリアランス１４部分に配された信号配線１２ｂ部分のうち電源層／接地層１１の近傍の部分について、スルーホール１２から離れるにしたがい特性インピーダンスを低くするように形成されたインピーダンス勾配領域１７を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プリント配線基板に関し、特に、高速信号伝送用のスルーホールを有するプリント配線基板に関する。

通信装置の処理能力は年々上昇し、それに伴いバックプレーンの伝送速度が向上している。信号速度は、既に１Ｇｂｐｓを超え、１０Ｇｂｐｓにまで至る勢いである。バックプレーンにおけるスルーホールで寄生的に構築される分岐（スタブ）は、高速伝送特性を劣化させる要因であることが知られている。１０Ｇｂｐｓ以上の伝送を実現するには、バックプレーンにおいてスルーホールのスタブを如何に作りこまないかにかかっている。

従来の通信装置におけるバックプレーンシステムを図５に示す。バックプレーンシステムでは、バックプレーンとなるプリント配線基板１１０と、回線カード１３０、１５０やスイッチカード１４０とを接続する際に、コネクタ１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃを介して接続している。コネクタ１２０の端子１２１には一般的にプレスフィット（圧着）端子を使用するため、プリント配線基板１１０においてスルーホール１１２は欠かせない。

従来技術において、スルーホールのスタブによる特性劣化については、以下のような技術が提案されている。

特開２００３−２１７７４５号公報 特開２００４−１６５２００号公報 特開２００４−３２７６９０号公報 特開２００５−１７５１８９号公報 特開２００５−３５１７３１号公報 特開２００６−２１１０７０号公報

特許文献１では、ドータボードのスルーホール近傍の伝送路に電気的なショートスタブを設けることにより、ドータボードとバックボードとのインピーダンス不整合を吸収できるという技術が開示されている。しかしながら、高速信号では、信号の立ち上がりが急峻になるため、ショートスタブやスルーホール内のスタブですら伝送線路として振舞い、更に多重反射を発生する要因になることは明白である。また、ショートスタブによりＧＮＤ（接地）に接続されるため、実際の信号伝送では意図しないオフセット電圧になるという問題もある。

特許文献２では、差動信号のスキュー削減に関する技術が開示されている。しかしながら、スルーホールの反射抑制の課題に対しては言及がない。

特許文献３では、プリント配線基板のスルーホールにおけるリターン電流経路を確保するため、スルーホールを同軸型にしたものが開示されている。しかしながら、多層配線基板で発生するスルーホールのスタブに関する解決策が示されていない。

特許文献４では、プリント配線基板のスルーホールにおけるリターン電流経路を確保するため、２つのグランド層の間に導電層を設けたものが開示されている。しかしながら、特許文献３と同様、多層配線基板におけるスルーホールのスタブの解決策が示されていない。

特許文献５では、接地（ＧＮＤ）に接続された導体パターンのスルーホール中に金属プローブを挿入することによりテストソケットを構築する技術が開示されている。しかしながら、特許文献３と同様、スルーホールのスタブに関する言及がない。

特許文献６では、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するものが開示されている。しかしながら、スルーホールの周囲にはスルーホールとグランド層を絶縁するためのクリアランスが必ず存在し、スルーホールと接続される信号線が当該クリアランス上を通過するため、信号線のスルーホール近傍の部分では信号線のインピーダンスコントロールができないという問題がある。特に、高周波になるほどクリアランスの長さ（隙間）が無視できないため、高周波になるほど信号線のインピーダンスコントロールができなくなる。また、高密度設計において、信号線の広幅部の幅は設計・製造ルールの限界値にすることが多いため、広幅部よりも狭い狭幅部を使用することが困難となる。

本発明の主な課題は、プリント配線基板のスルーホール（特に、プレスフィットコネクタに対応するもの）で寄生的に構成されるスタブの特性劣化を抑制し、良好な高速伝送特性を実現することである。

本発明の一視点においては、誘電体層の間に電源層／接地層と信号配線が介在するとともに、前記信号配線と接続されるスルーホールが形成されたプリント配線基板において、前記スルーホールと前記電源層／接地層の間の領域にアンチパッドとなるクリアランスが設けられており、前記信号配線は、前記スルーホールから前記クリアランスを通じて前記電源層／接地層上又は下に延在し、前記電源層／接地層は、前記クリアランス部分に配された前記信号配線の部分のうち前記電源層／接地層の近傍の部分について、前記スルーホールから離れるにしたがい特性インピーダンスを低くするように形成されたインピーダンス勾配領域を有することを特徴とする。

本発明の前記プリント配線基板において、前記電源層／接地層は、前記スルーホール及び前記クリアランスが配された領域に空所となった窓部を有し、前記窓部は、前記信号配線が延在する方向に、前記スルーホールから離れるにしたがい先細になった切欠き部が形成されており、前記切欠き部が配された領域は、前記インピーダンス勾配領域となることが好ましい。

本発明の前記プリント配線基板において、前記電源層／接地層は、前記スルーホール及び前記クリアランスが配された領域に空所となった窓部を有し、前記窓部は、前記信号配線が延在する方向に、前記スルーホールに近づくにしたがい先細になった突出部が形成されており、前記突出部が配された領域は、前記インピーダンス勾配領域となることが好ましい。

本発明の前記プリント配線基板において、前記クリアランスは、前記クリアランス内に前記スルーホールが１個存在する場合、前記スルーホールの中心を軸とする同心円に形成されていることが好ましい。

本発明の前記プリント配線基板において、前記クリアランスは、前記クリアランス内に前記スルーホールが複数個存在する場合、四角形に形成されていることが好ましい。

本発明の前記プリント配線基板において、前記電源層／接地層は、前記インピーダンス勾配領域において、前記スルーホールから離れるにしたがい前記信号配線との重なる領域が増加するように構成されていることが好ましい。

本発明の前記プリント配線基板において、前記クリアランス部分の領域には、前記信号配線を除き、誘電体層が配されることが好ましい。

本発明によれば、スルーホールと信号配線との間に、高特性インピーダンスから徐々に配線部の特性インピーダンスへ変化する特性インピーダンス勾配部を構成することで、伝送特性を向上させることができる。また、プリント配線基板のスルーホールに寄生的に発生する分岐（スタブ）による伝送特性劣化を改善し、良好な高速伝送特性を実現することができる。また、クリアランスのインピーダンスが高いほど、良好な特性を発揮させることができる。さらに、設計・製造ルールによらず、良好な高速伝送特性を実現することができる。

（実施形態１）
本発明の実施形態１に係るプリント配線基板について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態１に係るプリント配線基板の構成を模式的に示した（Ａ）部分平面図、（Ｂ）Ｘ−Ｘ´間の断面図、（Ｃ）Ｙ−Ｙ´間の断面図である。

プリント配線基板１０は、誘電体層１３の間に電源層／接地層１１と信号配線１２ｂが介在しており、信号配線１２ｂと直接接続されるスルーホール１２が形成されている。

スルーホール１２は、積層した誘電体層１３を貫通して形成されたドリル穴１５の穴縁部ないし穴表面にメッキが形成された構成となっている。スルーホール１２は、メッキで仕上ったときに形成される仕上げ穴１６で貫通しており、仕上げ穴１６の両側の穴縁部にランド１２ａが形成されている。スルーホール１２は、信号配線１２ｂと直接接続されている。スルーホール１２と電源層／接地層１１（ベタ、パッド）との間の領域には、製造精度の問題で、アンチパッドとなるクリアランス１４が設けられている。クリアランス１４は、一般的に、図６（Ａ）のクリアランス１１４のように、信号配線１２ｂの有無に関わらず、スルーホール１２の中心を軸とする同心円を描いている。なお、クリアランス１４は、差動信号に対応した構成では、場合によって、同心円ではなく図８のように四角形のクリアランス１１４を使用することもある。クリアランス１４の部分には、誘電体層１３が配されることになる。

信号配線１２ｂは、ドリル穴１５にてスルーホール１２を接続されている。信号配線１２ｂは、クリアランス１４を通じて電源層／接地層１１間（電源層／接地層１１上又は下）に延在している。信号配線１２ｂは電源層／接地層１１と直接されておらず、信号配線１２ｂと電源層／接地層１１の間には、誘電体層１３が介在している。

電源層／接地層１１は、誘電体層１３の間にて複数層（１層でも可）配されている。電源層／接地層１１は、スルーホール１２及びクリアランス１４が配された領域に空所となった窓部１１ａを有する。窓部１１ａには、信号配線１２ｂが延在する方向に、スルーホール１２から離れるにしたがい先細になった切欠き部１１ｂが形成されている。切欠き部１１ｂは、クリアランス１４部分に配された信号配線１２ｂの部分のうち電源層／接地層１１の近傍の部分について、高特性インピーダンスから電源層／接地層１１の本来の特性インピーダンスへと徐々に変化するように（スルーホール１２から離れるにしたがい特性インピーダンスが低くなるように）形成されており、信号配線１２ｂについてのインピーダンス勾配領域１７となる。ここで、一般に、信号配線１２ｂの特性インピーダンスは、電源層／接地層１１との電磁気的結合で決まり、物理的距離が関わっている。信号配線１２ｂと電源層／接地層１１との重なり方を徐々に変化させる（スルーホール１２から離れるにしたがい重なる領域が増加する）ことで、特性インピーダンス勾配が構築されることになる。窓部１１ａないし切欠き部１１ｂ内のクリアランス１４の部分の領域には、信号配線１２ｂを除き、誘電体層１３が配される。

次に、本発明の実施形態１に係るプリント配線基板の特性インピーダンス勾配の有効性について図面を用いて説明する。図２は、本発明の実施形態１に係るプリント配線基板の特性インピーダンス勾配を説明するための模式図である。図７は、従来例１に係るプリント配線基板の特性インピーダンス勾配を説明するための模式図である。図３は、実施形態１と従来例１に係るプリント配線基板の差動伝送における挿入損失（Ｓｄｄ２１）をシミュレーションした結果を模式的に示したグラグである。

図２、図７の模式図では、信号源（６０、１６０）から送信される信号を理想コネクタ（２０、１２０）を介してスルーホール（１２、１１２）へ接続している。スルーホール（１２、１１２）の途中で信号配線（１２ｂ、１１２ｂ）が引き出されるため、図１（Ｂ）、図６（Ｂ）のように信号配線（１２ｂ、１１２ｂ）より下側はスタブ（１８、１１８）となり信号伝播特性を劣化させる要因となる。図７に対応する図６の構成では、クリアランス１１４上の信号配線１１２ｂは電源層／接地層１１１との電磁気的結合が疎になるため、信号配線１１２ｂのパターンの特性インピーダンスは高くなり、このクリアランス１１４の部分と信号配線１１２ｂのパターンとが接続される。これに対し、図２に対応する図１の構成では、クリアランス１４の部分で特性インピーダンス勾配を構成しており、高特性インピーダンスから信号配線１２ｂのパターンへの特性インピーダンスへ徐々に近づく構成になっている。

図２、図７のモデルを用い、差動伝送における挿入損失（Ｓｄｄ２１）をシミュレーションした結果が図３である。実施形態１（図２参照）では、１０ＧＨｚ（伝送レート換算２０Ｇｂｐｓ）で従来例１（図７参照）よりも０．５ｄＢ程度、特性が改善される。例えば、通信装置のバックプレーンシステム（図５参照）では、スルーホール１１２は少なくとも４箇所（回線カード１３０に１箇所、プリント配線基板１１０に２箇所、スイッチカード１４０に１箇所）あるため、伝送系としては２ｄＢの改善ができる。なお、図３のシミュレーション例は、あるモデルの一例であって、条件が異なれば更なる効果も期待ができるはずである。

一般に、特性インピーダンスの異なる伝送線路での透過係数は、それぞれの特性インピーダンスをＺ１、Ｚ２として、Ｚ１からＺ２へ伝播する場合、数式１で表される。Ｚ１＝Ｚ２の場合、透過係数は１となり全ての信号は透過する。

（数式１）
透過係数＝２×Ｚ２÷（Ｚ２＋Ｚ１）

さらに、特性インピーダンスＺ１から特性インピーダンスＺ３、Ｚ４の分岐に到る場合、Ｚ３、Ｚ４は並列インピーダンスとして表すことができ、数式２のように置くことで数式１と同一式で表すことができる。例えば、Ｚ３＝Ｚ４の場合は、Ｚ２＝Ｚ３÷２となる。

（数式２）
Ｚ２＝Ｚ３×Ｚ４÷（Ｚ３＋Ｚ４）

ここで、特性インピーダンスＺ１の伝送路から、特性インピーダンスＺ１、Ｚ３への伝播を考えると、Ｚ１とＺ３の合成インピーダンスがＺ１に近ければ、透過係数は１に近づくため、伝送には有利であることが解かる。すなわち、従来例１（図６参照）においてもクリアランス１１４の部分の特性インピーダンスが高いため、この条件に当てはまる。しかし、クリアランス１１４から信号配線１１２ｂへ接続されるところで数式１により実際に信号配線１１２ｂのパターンへ透過する信号は減少することになる。

そこで、実施形態１では、クリアランス１４に特性インピーダンス勾配を持たせることで伝送特性を改善させている。

実施形態１によれば、従来、高速伝送において特性劣化の要因であったスルーホールの寄生的なスタブを容易な配線パターン形状で特性を改善できる。これにより、従来、１０Ｇｂｐｓ以上の伝送にはスタブが発生しないＢＧＡ（Ball Grid Array）コネクタと内層ビアホールが必要であるといわれていたことに対し、従来技術であるプレスフィットコネクタと貫通スルーホールで実現できる。また、プレスフィットコネクタで実現できることは、カード挿抜時の信頼性を維持し、コスト的なメリットの恩恵を受けることになる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２に係るプリント配線基板について図面を用いて説明する。図４は、本発明の実施形態２に係るプリント配線基板の構成を模式的に示した部分平面図である。

実施形態２に係るプリント配線基板は、差動伝送のバックプレーン用コネクタのスルーホールを有するものである。実施形態２に係るプリント配線基板（図４参照）に対する従来技術は図８である。図４のクリアランス１４は、差動対を１つの四角形で構成している。クリアランス１４の部分から信号配線１２ｂの部分への接続の特性インピーダンス勾配は、電源層／接地層１１に切欠き部（図１の１１ｂ）を形成するのではなく、突出部１１ｃを形成することで構成している。これは、コネクタ部分は、信号が密集し、切欠き部を形成すると他の信号配線１２ｂの特性インピーダンス制御を阻害するおそれがあるからである。電源層／接地層１１は、スルーホール１２及びクリアランス１４が配された領域に空所となった窓部１１ａを有する。窓部１１ａは、信号配線１２ｂが延在する方向に、スルーホール１２に近づくにしたがい先細になった突出部１１ｃが形成されている。突出部１１ｃが配された領域は、インピーダンス勾配領域となる。

実施形態２によれば、実施形態１と同様な効果を奏する。

本発明の実施形態１に係るプリント配線基板の構成を模式的に示した（Ａ）部分平面図、（Ｂ）Ｘ−Ｘ´間の断面図、（Ｃ）Ｙ−Ｙ´間の断面図である。 本発明の実施形態１に係るプリント配線基板の特性インピーダンス勾配を説明するための模式図である。 実施形態１と従来例１に係るプリント配線基板の差動伝送における挿入損失（Ｓｄｄ２１）をシミュレーションした結果を模式的に示したグラフである。 本発明の実施形態２に係るプリント配線基板の構成を模式的に示した部分平面図である。 従来の通信装置におけるバックプレーンシステムの構成を模式的に示した斜視図である。 従来例１に係るプリント配線基板の構成を模式的に示した（Ａ）部分平面図、（Ｂ）Ｘ−Ｘ´間の断面図、（Ｃ）Ｙ−Ｙ´間の断面図である。 従来例１に係るプリント配線基板の特性インピーダンス勾配を説明するための模式図である。 従来例２に係るプリント配線基板の構成を模式的に示した部分平面図である。

符号の説明

１０、１１０ プリント配線基板
１１、１１１ 電源層／接地層
１１ａ、１１１ａ 窓部
１１ｂ 切欠き部
１１ｃ 突出部
１２、１１２ スルーホール
１２ａ、１１２ａ ランド
１２ｂ、１１２ｂ 信号配線
１３、１１３ 誘電体層
１４、１１４ クリアランス（アンチパッド）
１５、１１５ ドリル穴
１６、１１６ 仕上げ穴
１７、１１７ インピーダンス勾配領域
１８、１１８ スタブ（分岐）
２０、１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ コネクタ
２１、１２１ 端子
６０、１６０ 信号源
１３０、１５０ 回線カード
１４０ スイッチカード
Ｒ 反射信号
Ｓ、Ｓ１、Ｓ２ 信号
Ｔ１、Ｔ２ 高速バックプレーン伝送

Claims (7)

1. 誘電体層の間に電源層／接地層と信号配線が介在するとともに、前記信号配線と接続されるスルーホールが形成されたプリント配線基板において、
   前記スルーホールと前記電源層／接地層の間の領域にアンチパッドとなるクリアランスが設けられており、
   前記信号配線は、前記スルーホールから前記クリアランスを通じて前記電源層／接地層上又は下に延在し、
   前記電源層／接地層は、前記クリアランス部分に配された前記信号配線の部分のうち前記電源層／接地層の近傍の部分について、前記スルーホールから離れるにしたがい特性インピーダンスを低くするように形成されたインピーダンス勾配領域を有することを特徴とするプリント配線基板。
2. 前記電源層／接地層は、前記スルーホール及び前記クリアランスが配された領域に空所となった窓部を有し、
   前記窓部は、前記信号配線が延在する方向に、前記スルーホールから離れるにしたがい先細になった切欠き部が形成されており、
   前記切欠き部が配された領域は、前記インピーダンス勾配領域となることを特徴とする請求項１記載のプリント配線基板。
3. 前記電源層／接地層は、前記スルーホール及び前記クリアランスが配された領域に空所となった窓部を有し、
   前記窓部は、前記信号配線が延在する方向に、前記スルーホールに近づくにしたがい先細になった突出部が形成されており、
   前記突出部が配された領域は、前記インピーダンス勾配領域となることを特徴とする請求項１記載のプリント配線基板。
4. 前記クリアランスは、前記クリアランス内に前記スルーホールが１個存在する場合、前記スルーホールの中心を軸とする同心円に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載のプリント配線基板。
5. 前記クリアランスは、前記クリアランス内に前記スルーホールが複数個存在する場合、四角形に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載のプリント配線基板。
6. 前記電源層／接地層は、前記インピーダンス勾配領域において、前記スルーホールから離れるにしたがい前記信号配線との重なる領域が増加するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載のプリント配線基板。
7. 前記クリアランス部分の領域には、前記信号配線を除き、誘電体層が配されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載のプリント配線基板。

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