JP2009224638A - 実装基板の伝送線路構造 - Google Patents

Abstract

【課題】例えばＤＣ（直流）からＧＨｚまでの広い周波数帯域において、低損失な伝送特性を有しかつ所定の遅延特性を有する、実装基板の伝送線路構造を提供する。
【解決手段】電子部品接続用パッド９と、そのパッド９に接続する信号層１と、グランド層２と、電源層４とを少なくとも有する実装基板３０の伝送線路構造であって、パッド９とそのパッド９に対向するグランド層２との間に、パッド９と信号層１との不連続インピーダンスを補正する電磁絶縁部２０を設け、その電磁絶縁部２０が高透磁率材料７及び／又は低誘電率材料８を有するように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、実装基板の伝送線路構造に関し、さらに詳しくは、半導体チップ、パッケージ、インターポーザ、プリント基板等を搭載し、低損失な伝送特性を有しかつ所定の遅延特性を有する伝送線路構造に関する。

比較的面積の大きな電子部品接続用パッドの形成部では、グランド層との間に生じる電気的容量が比較的大きくなる。そのため、パッドの形成部では、パッドに接続する信号線の形成部に対してインピーダンスが低くなり、高速・高周波特性を劣化させることが知られている。

こうした問題に対し、例えば特許文献１には、パッド下部のグランド層にスリットを設けることで電気的容量の低減を図る方法が提案されている。しかし、原理的にスリット周辺部ではそのグランド層をリファレンスとする信号をレイアウトすることができないという難点があった。また、そのためにスリットを小さくすれば電気的容量の低減効果が低下するといった課題があった。さらに、製造上のばらつきによりスリットの寸法と位置が設計値とずれることにより、所定の高周波特性及び遅延特性が得られないという問題があった。
特開平７−３０７５７８号公報

なお、関連する技術として、特許文献２では、多層配線基板の誘電体層に空洞を設け、高周波特性の劣化低減を図った例が提案され、特許文献３では、高周波用半導体パッケージを、表面凹部内に低誘電率材料を埋め込んだ外部回路基板上に実装することにより、高周波信号の伝送特性の劣化低減を図った例が提案されている。
特開２００２−３３５０８１号公報 特開平１１−３１２８５６号公報

上記のように、パッドの形成部において、パッドに接続する信号線の形成部に対するインピーダンスの変動を抑制でき、高速・高周波特性を低下させない伝送線路構造が期待されている。

また、ＧＨｚを超える高周波帯での伝送や、Ｇｂｐｓを超える高速伝送がさまざまな装置で利用されるようになってきているが、そうした高速・高周波に使用する実装基板の伝送線路構造においては、製造上のばらつきのために、インピーダンスを所定の設計値を実現することが困難であり、その結果、高周波特性や遅延特性の低下を招くという問題がある。そのため、インピーダンスの設計自由度を高め、所定の高周波特性及び遅延特性を得ることができる実装基板の伝送線路構造が求められている。

本発明は、上記要請に基づいてなされたものであって、その目的は、例えばＤＣ（直流）からＧＨｚまでの広い周波数帯域において、低損失な伝送特性を有しかつ所定の遅延特性を有する、実装基板の伝送線路構造を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の実装基板の伝送線路構造は、電子部品接続用パッドと、該パッドに接続する信号層と、グランド層と、電源層とを少なくとも有する実装基板の伝送線路構造であって、前記パッドと該パッドに対向するグランド層との間に、前記パッドと前記信号層との不連続インピーダンスを補正する電磁絶縁部を設け、該電磁絶縁部が高透磁率材料及び／又は低誘電率材料を有することを特徴とする。

本発明の実装基板の伝送線路構造の好ましい態様として、（１）前記電磁絶縁部が、前記パッドと前記グランド層との間にある誘電体よりも大きな透磁率を有する、（２）前記電磁絶縁部が、前記パッドと前記グランド層との間にある誘電体よりも小さな誘電率を有する、又は、（３）前記電磁絶縁部が、前記パッドと前記グランド層との間にある誘電体よりも大きな透磁率を有する第１絶縁部と、該第１絶縁部よりもグランド層側に設けられて前記誘電体よりも小さな誘電率を有する第２絶縁部とを備える、のいずれかとなるように構成する。

本発明の実装基板の伝送線路構造の好ましい態様として、前記電磁絶縁部は、平面透視において、前記パッドよりも大きい形状をなしているとともに、前記パッドと前記信号層との接続部と、該接続部に最も近い電磁絶縁部の端部との距離が、伝送信号波長の４分の１以下であるように構成する。

本発明の実装基板の伝送線路構造の好ましい態様として、前記電磁絶縁部は、バイアス磁界の強度を制御することにより所定の透磁率に設定できる磁性体材料を有する、及び／又は、前記電磁絶縁部は、バイアス電界の強度を制御することにより所定の誘電率に設定できる誘電体材料を有する、ように構成する。

本発明の実装基板の伝送線路構造によれば、パッドとそのパッドに対向するグランド層との間に、パッドと信号層との不連続インピーダンスを補正する電磁絶縁部を設け、その電磁絶縁部が高透磁率材料及び／又は低誘電率材料を有するように構成しているが、その高透磁率材料を有する電磁絶縁部はインダクタンス成分を変化させることができるので、パッド形成部の容量変化により生じるインピーダンスの低下を補償することができる。また、低誘電率材料を有する電磁絶縁部はパッド形成部の容量を変化させることができるので、前記同様、インピーダンスの低下を補償することができる。したがって、高透磁率材料と低誘電率材料の一方又は両方を任意に選択して電磁絶縁部を構成すれば、パッドと信号層との不連続インピーダンスを補正することができ、例えばＤＣ（直流）からＧＨｚまでの広い周波数帯域において、低損失な伝送特性を有しかつ所定の遅延特性を有するように調整することができる。

また、本発明の実装基板の伝送線路構造によれば、電磁絶縁部として、パッドとグランド層との間にある誘電体よりも大きな透磁率を有する第１絶縁部と、第１絶縁部よりもグランド層側に設けられて誘電体よりも小さな誘電率を有する第２絶縁部とを備えるように構成することにより、前記の効果をより高めることができる。

さらに、本発明の実装基板の伝送線路構造によれば、外部磁界により透磁率が変化する磁性体材料や、外部電界により誘電率が変化する誘電体材料を用いた場合には、バイアス磁界やバイアス電界を印加することで、パッドと信号層との接続部のインピーダンスの調整が可能となる。

以下、本発明の実装基板の伝送線路構造について図面を参照しつつ詳しく説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されない。

図１は、本発明に係る実装基板の伝送線路構造の一例を示す模式的な断面図であり、図２は、本発明に係る実装基板の伝送線路構造の他の一例を示す模式的な断面図である。図１及び図２に示す実装基板３０の伝送線路構造は、電子部品接続用パッド（以下、単に「パッド」という。）９と、そのパッド９に接続する信号層１と、グランド層２と、電源層４とを少なくとも有している。そして、その特徴は、パッド９とそのパッド９に対向するグランド層２との間に、パッド９と信号層１との不連続インピーダンスを補正する電磁絶縁部２０が設けられており、そして、その電磁絶縁部２０が、高透磁率材料７及び／又は低誘電率材料８を有することにある。

実装基板３０は、図１及び図２に示すように、３層の誘電体５，５，５をそれぞれ挟む金属導体層（信号層１、グランド層２、信号層３、電源層４）を有している。最上層の誘電体５の上面には、電子部品接続用パッド９と、そのパッド９に接続する信号層１（信号線路ともいう。）とが設けられている。最上層の誘電体５と上から２層目の誘電体５との間には、グランド層２が設けられている。グランド層２上には、２層目の誘電体５に埋め込まれるように電磁絶縁部２０が設けられている。その電磁絶縁部２０は、平面透視において、パッド９に対向する位置に設けられている。上から２層目の誘電体５と上から３層目の誘電体５との間には、信号層３が設けられている。この信号層３と、最上層の誘電体５上に形成された信号層１とは、ビア１１を介して電気的に接続されている。上から３層目の誘電体５の下面には、電源層４が設けられている。

本発明に係る伝送線路構造を備えた実装基板３０は、図１及び図２に示す形態に限定されず、誘電体５がさらに積層されていてもよいし、他の信号線、電源層、グランド層や他のビアが設けられていてもよい。

なお、パッド９には、電子部品６が半田ボール１０等の接続手段を介して接続されている。電子部品６としては、実装基板３０に搭載可能な、半導体チップ、パッケージ、インターポーザ、プリント基板等を挙げることができる。また、接続手段としては、ＢＧＡ（Ball grid array）やＬＧＡ（Land grid array）等を挙げることができる。

電磁絶縁部２０は、図１及び図２に示すように、パッド９とそのパッド９に対向するグランド層２との間の誘電体５内に埋め込まれるように、グランド層２上に設けられている。図３は、電磁絶縁部２０とパッド９の寸法及び位置関係を示す平面透視図である。電磁絶縁部２０は、平面透視において、パッド９よりも大きい形状をなし、両者が重なり合うように形成される。電磁絶縁部２０の平面視形状は、パッド９よりも大きければ四角形（図１参照）でも円形でもよいし、他の形状であってもよい。また、パッド９が四角形等の角形である場合（図示しない）においても、そのパッド９よりも大きければよく、その平面視形状は限定されない。このように、平面透視で重なり合う電磁絶縁部２０の大きさをパッド９よりも大きくしているのは、電磁界強度分布に基づいて規定したものである。すなわち、電磁界強度はパッド９直下が強いので、パッド９と電磁絶縁部２０の大きさは同じであってもよいが、パッド９の外側にも電磁界が分布しているで、電磁絶縁部２０をパッド９よりも大きくすることが好ましいのである。

上記のように配置された電磁絶縁部２０は、パッド９と信号層１との不連続インピーダンスを補正するように、言い換えればインピーダンスの変動を抑制するように作用する。なお、電磁絶縁部２０とパッド９との間には、図１及び図２に示すように誘電体５が存在し、両者が直接接触しないように構成されている。そのように構成されていれば、電磁絶縁部２０の厚さはインピーダンスの変動の抑制効果が小さいので特に限定されない。

電磁絶縁部２０は、高透磁率材料７で形成されていてもよいし、低誘電率材料８で形成されていてもよいし、高透磁率材料７と低誘電率材料８の両方で形成されていてもよい。通常は、誘電体５に埋め込むように電磁絶縁部２０を形成する。具体的には、埋め込む誘電体５の所定の位置（パッド９と平面透視で重なり合う位置）に充填用の凹部を形成し、そこに、必要に応じてバインダーを混ぜた高透磁率材料７及び／又は低誘電率材料８を充填することによって、電磁絶縁部２０を形成することができる。

高透磁率材料７を用いて電磁絶縁部２０を形成する場合は、誘電体５よりも透磁率の大きな磁性体材料７を用いる。実装基板３０を構成する通常の誘電体５は比透磁率がおよそ１であるので、フェライト等の一般的な磁性体材料（通常、透磁率が１よりも大きい）を高透磁率材料７として使用することができる。電磁絶縁部２０の透磁率を誘電体５の透磁率よりも大きくすることにより、インダクタンス成分を高める効果があり、パッド形成部の容量増加により生じるインピーダンスの低下を補償することができる。

好ましい透磁率の大きさは特に限定されないが、例えば１０〜１００の範囲の透磁率を挙げることができる。そうした透磁率を有する高透磁率材料７としては、スピネル系フェライト、マグネトプランバイト系フェライト等の磁性体材料を例示できる。

高透磁率材料７として、バイアス磁界（外部磁界）により透磁率が変化する材料を使用すること、すなわちバイアス磁界の強度を制御することにより所定の透磁率に設定できる磁性体材料を用いることがより好ましい。こうした高透磁率材料７を採用することにより、バイアス磁界を印加することで伝送路接続部（パッド９と信号層１との接続部１２）のインピーダンスの調整が可能となるという効果がある。そのため、電磁絶縁部２０を埋め込んで実装基板３０を構成した後の実際のインピーダンス不整合を補正することができるという効果があり、調整コストを抑えることができ、良好な高周波特性及び遅延特性を実現する実装基板３０を得ることができる。このように、電子部品を実装した後であってもインピーダンス不整合を調整可能であるため、製造上のばらつきによる特性上の不具合、またそれによる再製造のリスクを低減することができるという効果がある。

一方、低誘電率材料８を用いて電磁絶縁部２０を形成する場合は、誘電体５よりも誘電率の小さい誘電率材料８を用いる。実装基板３０を構成する通常の誘電体５であるＦＲ４は比誘電率がおよそ４であるので、テフロン（登録商標）等の一般的な樹脂材料（通常、誘電率が４よりも小さい）を低誘電率材料８として使用することができる。電磁絶縁部２０の誘電率を誘電体５の誘電率よりも小さくすることにより、パッド９とグランド層２との間の容量を低下できるので、パッド形成部の容量増加により生じるインピーダンスの低下を補償することができる。なお、ＦＲ４とは、Flame Retardant Type 4の略であり、ガラス繊維とエポキシ樹脂の複合材料からなる難燃性のプリント基板材料の名称である。

好ましい誘電率の大きさは特に限定されないが、例えば１〜３の範囲の誘電率を挙げることができる。そうした誘電率を有する低誘電率材料８としては、テフロン（登録商標）、ベンゾシクロブテン等の誘電体材料を例示できる。

低誘電率材料８として、バイアス電界（外部電界）により誘電率が変化する材料を使用すること、すなわちバイアス電界の強度を制御することにより所定の誘電率に設定できる誘電体材料を用いることがより好ましい。こうした低誘電率材料８を採用することにより、バイアス電界を印加することで伝送路接続部（パッド９と信号層１との接続部１２）のインピーダンスの調整が可能となるという効果がある。そのため、電磁絶縁部２０を埋め込んで実装基板３０を構成した後の実際のインピーダンス不整合を補正することができるという効果があり、調整コストを抑えることができ、良好な高周波特性及び遅延特性を実現する実装基板３０を得ることができる。このように、電子部品を実装した後であってもインピーダンス不整合を調整可能であるため、製造上のばらつきによる特性上の不具合、またそれによる再製造のリスクを低減することができるという効果がある。

また、高透磁率材料７と低誘電率材料８との両方を用いて電磁絶縁部２０を形成する場合は、両者の混合物で電磁絶縁部２０を形成してもよいが、図２に示すように、電磁絶縁部２０が、パッド９とグランド層２との間にある誘電体５よりも大きな透磁率を有する第１絶縁部７’と、その第１絶縁部７’よりもグランド層２側に設けられて誘電体５よりも小さな誘電率を有する第２絶縁部８’とで構成することが好ましい。このように、高透磁率材料７と低誘電率材料８の両方を用いる場合、大きな透磁率を有する材料を信号層１に近い方に配置することが好ましい理由は、信号層１を流れる高周波信号電流によって生じる磁界強度が信号層１に近いほど大きいためである。この場合においても、高透磁率材料７と低誘電率材料８を単独で用いる場合において説明した上記技術要素を適用できることは言うまでもない。

また、図３に示すように、電磁絶縁部２０は、平面透視において、パッド９と信号層１との接続部１２と、その接続部１２に最も近い電磁絶縁部２０の端部１３との距離Ｌが、伝送信号波長の４分の１以下であることが好ましい。伝送信号波長の４分の１以下の寸法としているのは、信号線路部（パッド９と信号線１）において、電磁絶縁部２０がある部分と無い部分とのインピーダンス不整合によって生じる共振の影響を回避することができ、高周波特性の劣化を抑えることができる。

以上説明したように、本発明の実装基板の伝送線路構造によれば、パッド９とそのパッド９に対向するグランド層２との間に、パッド９と信号層１との不連続インピーダンスを補正する電磁絶縁部２０を設け、その電磁絶縁部２０が高透磁率材料７及び／又は低誘電率材料８を有するように構成しているが、その高透磁率材料７を有する電磁絶縁部２０はインダクタンス成分を変化させることができるので、パッド形成部の容量変化により生じるインピーダンスの低下を補償することができる。また、低誘電率材料８を有する電磁絶縁部２０はパッド形成部の容量を変化させることができるので、前記同様、インピーダンスの低下を補償することができる。したがって、高透磁率材料７と低誘電率材料８の一方又は両方を任意に選択して電磁絶縁部を構成すれば、パッド９と信号層１との接続部で生じるインピーダンス不整合を補正することができ、例えばＤＣ（直流）からＧＨｚまでの広い周波数帯域において、低損失な伝送特性を有しかつ所定の遅延特性を有するように調整することができる。

以下、実施例と比較例を挙げて本発明をさらに詳しく説明する。

（実施例１）
図１と同じ断面構成を有し、ＦＲ４（比誘電率が約４）を誘電体５とし、平面視サイズが約５０ｍｍ×５０ｍｍの実施例１の実装基板３０を作製した。この実装基板３０は、図１と同様、３層の誘電体５，５，５をそれぞれ挟むように信号層１、グランド層２、信号層３及び電源層４を設け、最上層の誘電体５には、信号層１に接続した電子部品接続用パッド９を形成し、そのパッド９には、半田ボール１０を介してチップ実装部品６を搭載している。パッド９とグランド層２との間の誘電体５には、低誘電率材料８からなる電磁絶縁部２０を埋め込んでいる。ここでは、低誘電率材料８としては、比誘電率が約２であるＰＴＦＥ系樹脂を用いた。パッド９は直径１ｍｍの円形形状からなり、そのパッド９と平面透視で重なり合う電磁絶縁部２０は一辺２ｍｍの正方形からなるように形成した。また、電磁絶縁部２０は、平面透視において、パッド９と信号層１との接続部１２と、その接続部１２に最も近い電磁絶縁部２０の端部１３との距離Ｌが、伝送信号波長である５ｍｍの４分の１以下となる０．５ｍｍとした。

（実施例２）
実施例１において、高透磁率材料７からなる第１絶縁部７’と低誘電率材料８からなる第２絶縁部８’とを積層した電磁絶縁部２０を採用した以外は、実施例１と同様にして、図２に示す形態の実施例３の実装基板３０を作製した。ここでは、高透磁率材料７としては、比透磁率が約１０であるスピネル系フェライト材料を用い、低誘電率材料８としては、比誘電率が約２であるＰＴＦＥ系樹脂を用いた。この態様では、図２について説明したように、信号層１に流れる高周波信号電流により生じる電界強度を考慮して、高透磁率材料７は、低誘電率材料８よりも信号層１及びパッド９に近い位置に配置する構造とした。

（実施例３）
実施例１において、高透磁率材料７からなる電磁絶縁部２０を採用した以外は、実施例１と同様にして、実施例３の実装基板３０を作製した。ここでは、高透磁率材料７としては、比透磁率が約１０であるスピネル系フェライト材料を用いた。

（比較例１）
実施例１において、電磁絶縁部２０を設けない以外は、実施例１と同様にして、比較例１の実装基板を作製した。

（伝送特性の結果）
図４は、実施例１〜３及び比較例１の伝送線路構造と、得られた伝送特性との関係を示すグラフである。図４に示すように、実施例１〜３の実装基板の伝送特性は、比較例１の実装基板で伝送特性に比べ、インピーダンスがより均一で損失の小さな伝送線路構造を実現できた。特に実施例２の実装基板が最もよい結果となった。

本発明の伝送線路構造は、半導体チップ、パッケージ、インターポーザ、プリント基板等を搭載し、低損失な伝送特性を有しかつ所定の遅延特性を有するものとすることができる。本発明は、ＧＨｚを超える高速・高周波用の回路に利用することができるが、利用周波数を限定するものではなく、ＧＨｚ以下の周波数帯の装置にも利用することができる。具体的には、通信装置、レーダ装置、計測装置、その他に利用できる。

本発明の実装基板の伝送線路構造の一例を示す模式的な断面図である。 本発明の実装基板の伝送線路構造の他の一例を示す模式的な断面図である。 電磁絶縁部とパッドの寸法及び位置関係を示す平面透視図である。 実施例１〜３及び比較例１の伝送線路構造と、得られた伝送特性との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ パッドに接続する信号層（第１層）
２ グランド層（第２層）
３ 信号層（第３層）
４ 電源層（第４層）
５ 誘電体
６ 電子部品
７ 高透磁率材料
７’ 第１絶縁部
８ 低誘電率材料
８’ 第２絶縁部
９ パッド
１０ 半田ボール
１１ ビア
１２ パッドと信号層との接続部
１３ 電磁絶縁部の端
２０ 電磁絶縁部
３０ 実装基板

Claims (7)

1. 電子部品接続用パッドと、該パッドに接続する信号層と、グランド層と、電源層とを少なくとも有する実装基板の伝送線路構造であって、
   前記パッドと該パッドに対向するグランド層との間に、前記パッドと前記信号層との不連続インピーダンスを補正する電磁絶縁部を設け、該電磁絶縁部が高透磁率材料及び／又は低誘電率材料を有することを特徴とする実装基板の伝送線路構造。
2. 前記電磁絶縁部が、前記パッドと前記グランド層との間にある誘電体よりも大きな透磁率を有する、請求項１に記載の実装基板の伝送線路構造。
3. 前記電磁絶縁部が、前記パッドと前記グランド層との間にある誘電体よりも小さな誘電率を有する、請求項１に記載の実装基板の伝送線路構造。
4. 前記電磁絶縁部が、前記パッドと前記グランド層との間にある誘電体よりも大きな透磁率を有する第１絶縁部と、該第１絶縁部よりもグランド層側に設けられて前記誘電体よりも小さな誘電率を有する第２絶縁部とを備える、請求項１に記載の実装基板の伝送線路構造。
5. 前記電磁絶縁部は、平面透視において、
   前記パッドよりも大きい形状をなしているとともに、
   前記パッドと前記信号層との接続部と、該接続部に最も近い電磁絶縁部の端部との距離が、伝送信号波長の４分の１以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の実装基板の伝送線路構造。
6. 前記電磁絶縁部は、バイアス磁界の強度を制御することにより所定の透磁率に設定できる磁性体材料を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の実装基板の伝送線路構造。
7. 前記電磁絶縁部は、バイアス電界の強度を制御することにより所定の誘電率に設定できる誘電体材料を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の実装基板の伝送線路構造。

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