JP2011010209A - 差動信号線路及び配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】高密度配線基板における所望の周波数での反射特性を改善し、かつ、配線の形状変化を少なくし、設計自由度を向上させることが可能な差動信号線路を提供すること。
【解決手段】第１、第２配線部から構成された第１差動信号線路と、第１、第２配線部から構成されるとともに、前記第１差動信号線路の差動インピーダンスと異なる第２差動信号線路と、前記第２差動信号線路の前記第１配線部から延在した第１配線部、及び前記第１差動信号線路の前記第２配線部から延在した第２配線部から構成された第３差動信号線路と、前記第１差動信号線路の前記第１配線部、及び前記第３差動信号線路の前記第１配線部を接続する第１接続配線部と、前記第２差動信号線路の前記第２配線部、及び前記第３差動信号線路の前記第２配線部を接続する第２接続配線部と、を備え、前記第３差動信号線路の長さは、実効波長の１／４である。
【選択図】図１

Description

本発明は、差動信号が流れる差動信号線路及び配線基板に関し、特に、配線中のインピーダンス不整合を解消するインピーダンス変換部を有する差動信号線路及び配線基板に関する。

近年、配線基板においては、高速データ転送の要求に伴う駆動周波数の高周波数化や、バス幅の増大化に対して、不要輻射ノイズ抑制や、外来ノイズに対する耐性の観点から、差動信号伝送技術が利用されるケースが増えている。差動信号伝送技術では、差動信号が流れる２本の信号線路間に逆相の差動モード電流だけが流れるように差動ドライバＩＣが設計されており、信号が互いに磁界を打ち消すため、シングルエンド信号に比べて放射するノイズが小さい。また、差動信号伝送技術では、低電圧差動信号伝送（ＬＶＤＳ：Low Voltage Differential Signaling）に代表されるように、電圧振幅が受信端のアンプで合成されるため、配線ごとの電圧振幅をより小さく設計することができる。このように、差動信号伝送技術は高速データ転送において優れた特性を有している。

しかしながら、チャネル数の多い高密度配線基板において差動信号伝送技術を用いた場合、基板上に実装されるインターポーザのバンプや、貫通ビアなどの障害物間を配線する必要が生じている。このことにより、差動配線の線幅や配線間隔などの形状を変化させているため、インピーダンスが整合せず、反射特性が劣化するという問題があった。

上記問題を解決する技術として、例えば、特許文献１において、配線幅がテーパー状に変化した配線が複数形成されてなる伝送線路であって、配線領域を確保することが困難な配線領域外で、前記配線の配線幅、及び、配線と配線との配線間隔を段階的に広げるように設計し、前記配線の特性インピーダンスを段階的に低減させた配線と、前記配線の配線幅、及び、配線と配線との配線間隔を段階的に狭めるように設計し、前記配線の特性インピーダンスを段階的に増幅させた配線と、が形成されてなる伝送線路が開示されている（図１０参照）。この伝送経路では、配線面積の取れない領域における差動線路との接続において、線路形状をテーパー状とし、インピーダンス変化を連続的にすることによって、反射特性の劣化を抑制している。また、この伝送経路では、配線面積の確保できる領域では、配線幅をできるだけ広くとることによって、伝送損失を低減している。

特開２００６−２４５２９１号公報

特許文献１に記載の伝送線路のようなテーパー構造を、差動インピーダンスの異なる差動信号線路に適用した場合、インピーダンス変化を緩やかにするためにはテーパー部を長く形成することが考えられるが、テーパー部を長くすると線幅が減少してしまう。線幅が減少すると挿入損失の劣化を引き起こすため、トレードオフの関係となってしまう。

また、伝送損失を低くするために、特許文献１に記載の伝送線路の配線幅を広げると、基準インピーダンスを保つためには配線間隔も広げる必要がある。そのため、近年の高密度基板の設計トレンドに適応しえないおそれがある。

さらに、特許文献１に記載の伝送線路は、設計自由度の制限により、差動信号線路が理想的な対称形に設計できない状況では適用することができないおそれがある。

本発明の主な課題は、高密度配線基板における所望の周波数での反射特性を改善し、かつ、配線の形状変化を少なくし、設計自由度を向上させることが可能な差動信号線路及び配線基板を提供することである。

本発明の第１の視点においては、差動信号線路において、所定間隔をおいて伝送方向に延在した第１配線部及び第２配線部から構成された第１差動信号線路と、所定間隔をおいて前記伝送方向に延在した第１配線部及び第２配線部から構成されるとともに、前記第１差動信号線路の差動インピーダンスと異なる第２差動信号線路と、前記第１差動信号線路と前記第２差動信号線路との間に配されるとともに、前記第２差動信号線路の前記第１配線部から同じ配線幅で前記伝送方向に延在した第１配線部、及び前記第１差動信号線路の前記第２配線部から同じ配線幅で前記伝送方向に延在した第２配線部から構成された第３差動信号線路と、前記第１差動信号線路の前記第１配線部、及び前記第３差動信号線路の前記第１配線部を接続する第１接続配線部と、前記第２差動信号線路の前記第２配線部、及び前記第３差動信号線路の前記第２配線部を接続する第２接続配線部と、を備え、前記第３差動信号線路の前記伝送方向の長さは、実効波長の１／４であることを特徴とする。

本発明の前記差動信号線路において、前記第１差動信号線路における前記第１配線部及び前記第２配線部の各配線幅は一致し、前記第２差動信号線路における前記第１配線部及び前記第２配線部の各配線幅は一致し、前記第１差動信号線路の前記第１配線部の配線幅は、前記第２差動信号線路における前記第１配線部と一致していなくてもよい。

本発明の前記差動信号線路において、前記第１差動信号線路における前記第１配線部及び前記第２配線部の各配線幅は一致し、前記第２差動信号線路における前記第１配線部及び前記第２配線部の各配線幅は一致し、前記第１差動信号線路の前記第１配線部の配線幅は、前記第２差動信号線路における前記第１配線部と一致していることが好ましい。

本発明の前記差動信号線路において、前記第１差動信号線路の配線間隔は、前記第２差動信号線路の配線間隔よりも大きくてもよい。

本発明の前記差動信号線路において、前記第１差動信号線路の配線間隔は、前記第２差動信号線路の配線間隔と一致していることが好ましい。

本発明の前記差動信号線路において、前記第１差動信号線路における前記第１配線部及び前記第２配線部の対称線は、前記第２差動信号線路における前記第１配線部及び前記第２配線部の対称線と一致していることが好ましい。

本発明の前記差動信号線路において、前記第１差動信号線路の前記第１配線部、前記第１接続配線部、前記第３差動信号線路の前記第１配線部、及び前記第２差動信号線路の前記第１配線部から構成される第１配線の配線長は、前記第１差動信号線路の前記第２配線部、前記第２接続配線部、前記第３差動信号線路の前記第２配線部、及び前記第２差動信号線路の前記第２配線部から構成される第２配線の配線長と一致していることが好ましい。

本発明の前記差動信号線路において、前記第１差動信号線路、前記第２差動信号線路、前記第３差動信号線路、前記第１接続配線部、及び前記第２接続配線部は、同じ配線層に形成されたマイクロストリップ線路であることが好ましい。

本発明の前記差動信号線路において、前記マイクロストリップ線路と接する基板の厚をＨとし、前記第１差動信号線路の配線間隔をＳ_１とし、前記第２差動信号線路の配線間隔をＳ_２とし、前記第１差動信号線路の前記第１配線部、及び前記第３差動信号経路の前記第１配線部の前記第２配線部側の各端面の変化量をｍとし、前記第３差動信号線路の前記第２配線部、及び前記第２差動信号経路の前記第２配線部の前記第１配線部側の各端面の変化量をｎとすると、下記［式１］を満たすことが好ましい。
［式１］

本発明の前記差動信号線路において、前記第１差動信号線路、前記第２差動信号線路、前記第３差動信号線路、前記第１接続配線部、及び前記第２接続配線部は、同じ配線層に形成されたストリップ線路であってもよい。

本発明の前記差動信号線路において、前記ストリップ線路と接する基板の厚をＨとし、前記第１差動信号線路の配線間隔をＳ_１とし、前記第２差動信号線路の配線間隔をＳ_２とし、前記第１差動信号線路の前記第１配線部、及び前記第３差動信号経路の前記第１配線部の前記第２配線部側の各端面の変化量をｍとし、前記第３差動信号線路の前記第２配線部、及び前記第２差動信号経路の前記第２配線部の前記第１配線部側の各端面の変化量をｎとすると、下記［式２］を満たすことが好ましい。
［式２］

本発明の第２の視点においては、配線基板において、誘電体基板と、前記誘電体基板の一方の面上の同じ配線層に形成された前記差動信号線路と、前記誘電体基板の他方の面上に形成されたグランドパタンと、を備えることを特徴とする。

本発明の第３の視点においては、配線基板において、誘電体基板と、前記誘電体基板の中の同じ配線層に形成された前記差動信号線路と、前記誘電体基板の両面上に形成されたグランドパタンと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、目的とする実効波長での反射特性を改善する、λ／４インピーダンス変換器の差動信号線路への適用において、特別なインピーダンス変換構造を挿入することなく、連続的な配線でインピーダンス変換器を構成できる。また、差動信号線路において非対称構造であることによって、配線上の制約の厳しい高密度配線においても容易に適用可能である。

本発明の実施例１に係る差動信号線路の構造を模式的に示した平面図である。 本発明の実施例１に係る差動信号線路の構造を模式的に示した図１のＸ−Ｘ´間、Ｙ−Ｙ´間、及びＺ−Ｚ´間の断面図である。 差動マイクロストリップ線路の構造を模式的に示した断面図である。 差動マイクロストリップ線路における差動インピーダンスの配線幅、および配線間隔の依存性を模式的に示したグラフである。 本発明の実施例２に係る差動信号線路の構造を模式的に示した平面図である。 本発明の実施例３に係る差動信号線路の構造を模式的に示した平面図である。 本発明の実施例４に係る差動信号線路の構造を模式的に示した平面図である。 差動ストリップ線路の構造を模式的に示した断面図である。 参考例に係る無損失単相線路の単相λ／４インピーダンス変換器の構造を模式的に示した平面図である。 従来例に係る異種配線接続における差動配線の構造を模式的に示した平面図である。

本発明の実施形態に係る差動信号線路では、所定間隔をおいて伝送方向に延在した第１配線部（図１の１１）及び第２配線部（図１の２１）から構成された第１差動信号線路（図１の１）と、所定間隔をおいて前記伝送方向に延在した第１配線部（図１の１２）及び第２配線部（図１の２２）から構成されるとともに、前記第１差動信号線路（図１の１）の差動インピーダンスと異なる第２差動信号線路（図１の２）と、前記第１差動信号線路と前記第２差動信号線路との間に配されるとともに、前記第２差動信号線路の前記第１配線部から同じ配線幅で前記伝送方向に延在した第１配線部（図１の１２）、及び前記第１差動信号線路の前記第２配線部から同じ配線幅で前記伝送方向に延在した第２配線部（図１の２１）から構成された第３差動信号線路（図１の３ａ）と、前記第１差動信号線路の前記第１配線部、及び前記第３差動信号線路の前記第１配線部を接続する第１接続配線部（図１の１３）と、前記第２差動信号線路の前記第２配線部、及び前記第３差動信号線路の前記第２配線部を接続する第２接続配線部（図１の２３）と、を備え、前記第３差動信号線路の前記伝送方向の長さは、実効波長の１／４である。

本発明の実施例１に係る差動信号線路について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施例１に係る差動信号線路の構造を模式的に示した平面図である。図２は、本発明の実施例１に係る差動信号線路の構造を模式的に示した図１のＸ−Ｘ´間、Ｙ−Ｙ´間、及びＺ−Ｚ´間の断面図である。図３は、差動マイクロストリップ線路の構造を模式的に示した断面図である。図４は、差動マイクロストリップ線路における差動インピーダンスの配線幅、および配線間隔の依存性を、後述する基板条件と解析式を用いて、模式的に示したグラフである。なお、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。

実施例１に係る差動信号線路は、差動信号が流れる第１配線１０及び第２配線２０で構成される（図１参照）。第１配線１０及び第２配線２０は、誘電体基板３０と接する同一配線層に設けられている（図３参照）。差動信号線路は、差動インピーダンスが異なる第１差動信号線路１及び第２差動信号線路２を有し、第１差動信号線路１と第２差動信号線路２との間に配線１０、２０中のインピーダンス不整合を解消するインピーダンス変換部となる第３差動信号線路３を有する（図１参照）。

第１配線１０は、第１１配線部１１及び第１２配線部１２のが第１ベンド配線部１３によって接続された信号線路である。

第１１配線部１１は、伝送方向（図１の左右方向）に延在した配線部であり、第１差動信号線路１の構成部である。第１１配線部１１は、第２配線２０の第２１配線部２１に対して配線間隔Ｓ_１を介して配されている（図１、図２参照）。第１１配線部１１の配線幅Ｗ_１は、第２１配線部２１の配線幅Ｗ_１と一致している。第１１配線部１１の一端は、第１ベンド配線部１３と接続されている。

第１２配線部１２は、伝送方向（図１の左右方向）に延在した配線部であり、第２差動信号線路２及び第３差動信号線路３の構成部である。第１２配線部１２は、差動信号線路３ａから第２差動信号線路２の領域にわたって、一定の配線幅Ｗ_２で連続的に配されている。第１２配線部１２は、第１１信号線路の一端（第１ベンド配線部１３との接続部）よりも先側（図１の右側）に配されている。第１２配線部１２の中心線Ｃ_１２は、第１１配線部１１の中心線Ｃ_１１よりも第２配線２０側にずれている。第１２配線部１２の第２配線２０側の端面は、第１１配線部１１の第２配線２０側の端面に対して、第１差動信号線路１の配線間隔Ｓ_１と第３差動信号線路３ａの配線間隔Ｓ_ｔとの差（Ｓ_１−Ｓ_ｔ）に相当するΔＳ_ｘ分ずれている。なお、配線間隔は「Ｓ_１＞Ｓ_ｔ＞Ｓ_２」の関係にある。第１２配線部１２は、第２配線２０の第２１配線部２１に対して配線間隔Ｓ_ｔを介して配されるとともに、第２配線２０の第２２配線部２２に対して配線間隔Ｓ_２を介して配されている（図１、図２参照）。第１２配線部１２の配線幅Ｗ_２は、第１１配線部１１の配線幅Ｗ_１よりも小さく（Ｗ_２＜Ｗ_１）、第２２配線部２２の配線幅Ｗ_２と一致している。第１２配線部１２の一端は、第１ベンド配線部１３と接続されている。

第１ベンド配線部１３は、第１１配線部１１と第１２配線部１２との間を接続する配線である。第１ベンド配線部１３の配線幅は、第２差動信号線路２に係る第２２配線部２２の配線幅Ｗ_２と一致している。

第２配線２０は、第２１配線部２１及び第２２配線部２２のが第２ベンド配線部２３によって接続された信号線路である。

第２１配線部２１は、伝送方向（図１の左右方向）に延在した配線部であり、第１差動信号線路１及び第３差動信号線路３の構成部である。第２１配線部２１は、第１差動信号線路１から差動信号線路３ａの領域にわたって、一定の配線幅Ｗ_１で連続的に配されている。第２１配線部２１は、第１配線１０の第１１配線部１１に対して配線間隔Ｓ_１を介して配されるとともに、第１配線１０の第１２配線部１２に対して配線間隔Ｓ_ｔを介して配されている（図１、図２参照）。第２１配線部２１の配線幅Ｗ_１は、第１１配線部１１の配線幅Ｗ_１と一致している。第２１配線部２１の一端は、第２ベンド配線部２３と接続されている。

第２２配線部２２は、伝送方向（図１の左右方向）に延在した配線部であり、第２差動信号線路２の構成部である。第２２配線部２２は、第２１信号線路の一端（第２ベンド配線部２３との接続部）よりも先側（図１の右側）に配されている。第２２配線部２２の中心線Ｃ_２２は、第２１配線部１１の中心線Ｃ_２１よりも第１配線１０側にずれている。第２２配線部２２の第１配線１０側の端面は、第２１配線部２１の第１配線１０側の端面に対して、第３差動信号線路３ａの配線間隔Ｓ_ｔと第２差動信号線路２の配線間隔Ｓ_２との差（Ｓ_ｔ−Ｓ_２）に相当するΔＳ_ｙ分ずれている。なお、配線間隔は「Ｓ_１＞Ｓ_ｔ＞Ｓ_２」の関係にある。第２２配線部２２は、第１配線１０の第１２配線部１２に対して配線間隔Ｓ_２を介して配されている（図１、図２参照）。第２２配線部２２の配線幅Ｗ_２は、第２１配線部２１の配線幅Ｗ_１よりも小さく（Ｗ_２＜Ｗ_１）、第１２配線部１２の配線幅Ｗ_２と一致している。第２２配線部２２の一端は、第２ベンド配線部２３と接続されている。

第２ベンド配線部２３は、第２１配線部２１と第２２配線部２２との間を接続する配線である。第２ベンド配線部２３の配線幅は、第２差動信号線路２に係る第１２配線部１２の配線幅Ｗ_２と一致している。

ここで、ベンド配線部１３、２３は伝送方向（図１の左右方向）に対し直角ではなく、斜角の４５度で配線されているが、ベンド配線部１３、２３の形状は任意でよい。ベンド配線部１３、２３の配線長の合計は、４５度のとき、［数１］となり、高密度配線基板で用いられる配線密度を考慮すると、目的とする実効波長に対して十分短いのが通常である。

第１差動信号線路１は、平行に配された第１配線１０の第１１配線部１１、及び第２配線２０の第２１配線部２１で構成される。第１差動信号線路１の配線幅は、第１１配線部１１及び第２１配線部２１のそれぞれが配線幅Ｗ_１で対称になっている。第１差動信号線路１の配線間隔は、第１１配線部１１と第２１配線部２１との配線間隔Ｓ_１である。第１差動信号線路１の差動インピーダンスＺ_ｄ１は、第２差動信号線路２の差動インピーダンスＺ_ｄ２、及び第３差動信号線路３ａの差動インピーダンスＺ_ｄｔと異なる。第１差動信号線路１における第１１配線部１１は、第３差動信号線路３ａ側の端部にて第１ベンド配線部１３に接続されている。第１差動信号線路１における第２１配線部２１は、第３差動信号線路３ａの領域まで延在している。

第２差動信号線路２は、平行に配された第１配線１０の第１２配線部１２、及び第２配線２０の第２２配線部２２で構成される。第２差動信号線路２の配線幅は、第１２配線部１２及び第２２配線部２２のそれぞれが配線幅Ｗ_２で対称になっている。第２差動信号線路２の配線間隔は、第１２配線部１２と第２２配線部２２との配線間隔Ｓ_２である。第２差動信号線路２の差動インピーダンスＺ_ｄ２は、第１差動信号線路１の差動インピーダンスＺ_ｄ１、及び第３差動信号線路３ａの差動インピーダンスＺ_ｄｔと異なる。第２差動信号線路２における第１２配線部１２は、第３差動信号線路３ａの領域まで延在している。第２差動信号線路２における第２２配線部２２は、第３差動信号線路３ａ側の端部にて第２ベンド配線部２３に接続されている。

第３差動信号線路３ａは、平行に配された第１配線１０の第１２配線部１２、及び第２配線２０の第２１配線部２１で構成される。第３差動信号線路３ａの配線幅は、第１２配線部１２が配線幅Ｗ_２で、第２１配線部２１が配線幅Ｗ_１で、非対称になっている。第３差動信号線路３ａの配線間隔は、第１２配線部１２と第２１配線部２１との配線間隔Ｓ_ｔである。第３差動信号線路３ａの差動インピーダンスＺ_ｄｔは、第１差動信号線路１の差動インピーダンスＺ_ｄ１、及び第２差動信号線路２の差動インピーダンスＺ_ｄ２と異なる。第３差動信号線路３ａにおける第１２配線部１２は、第２差動信号線路２の領域まで延在しており、第１差動信号線路１側の端部にて第１ベンド配線部１３に接続されている。第３差動信号線路３ａにおける第２１配線部２１は、第１差動信号線路１の領域まで延在しており、第２差動信号線路２側の端部にて第２ベンド配線部２３に接続されている。

ここで、異なるインピーダンスを有する平面線路のインピーダンス変換の例として、図９の無損失単相線路の単相λ／４インピーダンス変換器の構成がよく知られている。インピーダンス変換単相線路２０３は、特性インピーダンスがそれぞれＺ_１、Ｚ_２である単相平面線路２０１、２０２間に挿入される。インピーダンス変換単相線路２０３の特性インピーダンスＺ_ｔが［数２］を満たす配線幅Ｗ_ｔを設計し、配線長を所望の実効波長λの１／４の長さとすることによって、信号の反射を相殺する。

第３差動信号線路部３ａは、差動インピーダンスが［数２］を満たすように設計されており、目的とする実効波長λの１／４となる長さを有することで、インピーダンス変換器を構成している。

平面差動信号線路として、図３の差動マイクロストリップ構造を例に、実施例１を詳細に説明する。

誘電体基板３０の比誘電率をε_ｒとし、基板厚をＨとし、配線１０、２０の配線厚をＴとし、配線幅をＷとし、配線間隔をＳとすると、単相マイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ_０の近似式は、［数３］のように表される。

［数３］より、単相マイクロストリップ線路におけるパターン設計では線幅Ｗを調整することで、インピーダンス変換器を設計することができる。

差動マイクロストリップ線路の差動インピーダンスＺ_ｄは、配線間隔Ｓ、単相マイクロストリップ線路での特性インピーダンスをＺ_０としたとき、［数４］の近似式が知られている。

［数３］、［数４］から算出した差動マイクロストリップ線路の差動インピーダンスＺ_ｄの配線幅Ｗ、および配線間隔Ｓの依存性を、図４に示す。ただし、設計条件を比誘電率ε_ｒ＝３．３２、配線厚Ｔ＝１８μｍ、基板厚Ｈ＝１５０μｍとした。

差動マイクロストリップ線路では、配線幅Ｗと配線間隔Ｓが設計パラメータとなる。［数４］より、十分距離の離れた差動信号線路では、単相マイクロストリップ線路の特性インピーダンスの２倍が差動マイクロストリップ線路の差動インピーダンスとなり、配線間隔が近づくに従って差動インピーダンスは低下することがわかる。実施例１では、配線間隔Ｓは３００μｍ以下の高密度基板を想定している。

第１差動信号線路１の配線幅Ｗ_１と、第２差動信号線路２の線幅Ｗ_２とが異なる場合、インピーダンス変換部となる第３差動信号線路３ａは非対称となる。非対称な第３差動信号線路３ａにおいて、解析的にインピーダンスを求めるのは困難であるが、２次元電磁界解析を用いることにより、［数２］を満たす第３差動信号線路３ａの配線間隔Ｓ_ｔは容易に決定できる。

実際の誘電体基板３０では、外層配線にはソルダーレジスト膜が塗布され、エンベディッドな（組み込んだ）差動マイクロストリップ線路となることから、［数３］、［数４］より求めた値と実測値は一致しない。実効誘電率を考慮することで［数３］の補正が可能であるが、より精確な計算には２次元電磁界解析を用いて数値解を求めることが望ましい。

実施例１によれば、目的とする実効波長での反射特性を改善する、λ／４インピーダンス変換器の差動信号線路への適用において、特別なインピーダンス変換構造を挿入することなく、連続的な配線でインピーダンス変換器を構成できる。また、非対称構造であることによって、配線上の制約の厳しい高密度配線においても容易に適用可能である。

本発明の実施例２に係る差動信号線路について図面を用いて説明する。図５は、本発明の実施例２に係る差動信号線路の構造を模式的に示した平面図である。

実施例２では、第１差動信号線路１および第２差動信号線路２の配線幅Ｗを一定としたものである。第３差動信号線路３ｂの配線幅、及びベンド配線部１３の配線幅もＷである。言い換えると、第１配線１０及び第２配線２０の配線幅はＷで一定である。その他の構成は、実施例１と同様である。

配線幅Ｗを一定としたことにより、差動インピーダンスを決定するパラメータは配線間隔Ｓのみとなるため、［数４］より「Ｓ_１＞Ｓ_ｔ＞Ｓ_２」のとき「Ｚ_１＞Ｚ_ｔ＞Ｚ_２」となる。

第１差動信号線路１および第２差動信号線路２の配線幅Ｗが一定という条件下では、インピーダンス変換部となる第３差動信号線路３ｂが対称となるため、電界分布もひずみの無い対称形となり、放射ノイズを低く抑えることが可能である。

このとき、インピーダンス変換部となる第３差動信号線路３ｂが対称構造となることから、第３差動信号線路３ｂの差動インピーダンスＺ_ｄｔを［数４］により表現できるため、［数２］により解析的に設計条件式が導出できる。［数２］は［数５］のように近似する。

ＰＣＩ（Peripheral Component Interconnect） Ｅｘｐｒｅｓｓ（ＩＯシリアルインタフェース）の基板設計仕様を例に挙げると、差動インピーダンスは１００±２０Ωに規定されている。基準インピーダンス１００Ω、インピーダンス偏差２０％のとき、［数５］の近似による誤差は、最大０．６１％となり、ほぼ等価とみなしても問題ないことが判る。

［数４］を［数５］に代入して整理すると、［数６］を得る。

ここで、第１差動信号配線１から第３差動信号線路３ｂへの配線間隔の変化量ΔＳ_ｘと、第３差動信号線路３ｂから第２差動信号配線２への配線間隔の変化量ΔＳ_ｙにおいて、「ΔＳ_ｘ：ΔＳ_ｙ＝ｍ：ｎ」とおくと、第３差動信号線路３ｂでの配線間隔Ｓ_ｔ、およびΔＳ_ｘ、ΔＳ_ｙは、［数７］のように表せる。

以上により、［数７］における第３差動信号線路３ｂの配線間隔Ｓ_ｔを［数６］に代入すると、［数８］を得る。

［数８］を用いることにより、配線幅Ｗを一定としたときの設計条件が解析的に求められる。設計条件の例として、比誘電率ε_ｒ＝３．３２、配線厚Ｔ＝１８μｍ、基板厚Ｈ＝１５０μｍ、第１差動信号線路１の配線間隔Ｓ_１＝１００μ、ｍ：ｎ＝１０：９とする。このとき、「Ａ＝Ｅｘｐ（−０．９６×１００／１５０）＝０．５２７６」より、［数８］を用いて「Ｂ＝６５．１１」が求まる。ゆえに、Ｓ_２＝６４．３６μｍ、Ｓ_ｔ＝８１．２４μｍとなる。

ここで、第１差動信号線路１の差動インピーダンスを「Ｚ_ｄ１＝１００Ω」とすると、配線幅Ｗ＝１８７．９３μｍ、単相マイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ_０＝６６．９０Ω、第３差動信号線路３ｂの差動インピーダンスＺ_ｄ２＝９２．９０、Ｚ_ｄｔ＝９６．３８となる。

差動信号配線１、２の差動インピーダンスＺ_ｄ１、Ｚ_ｄ２を決定後に第３差動信号線路３ｂの配線間隔Ｓ_ｔを求めてもよい。その場合、［数４］を用いることにより、インピーダンス変換器となる第３差動信号線路３ｂの配線間隔Ｓ_ｔが容易に決定できる。

実施例２によれば、実施例１と同様な効果を奏するとともに、配線幅Ｗを一定にすることで、電界分布もひずみの無い対称形となり、放射ノイズを低く抑えることが可能である。

本発明の実施例３に係る差動信号線路について図面を用いて説明する。図６は、本発明の実施例３に係る差動信号線路の構造を模式的に示した平面図である。

実施例３では、実施例１（図１参照）の配線間隔の変化量ΔＳ_ｘ及びΔＳ_ｙを等しい量ΔＳとし、第１配線１０の配線長と第２配線２０の配線長を一致させたものである。第１差動信号線路１の対称線Ｌ_１と、第２差動信号線路２の対称線Ｌ_２とは一致している。その他の構成は、実施例１と同様である。

なお、実施例１（図１参照）では、第１差動信号線路１から第３差動信号線路３ａへの配線間隔の変化量ΔＳ_ｘと、第３差動信号線路３ａから第２差動信号線路２への配線間隔の変化量ΔＳ_ｙとが異なるため、その差分だけ配線長が異なっていた。

［数１］で示したように、ベンド配線部１３、２３の配線長は、第１差動信号線路１の配線間隔Ｓ_１と第２差動信号線路２の配線間隔Ｓ_２との差が小さいほど短くなるため、ベンド配線部１３、２３の配線長の差も非常に短いのが通常である。しかしながら、配線形状の変化が多数存在する場合、問題となる可能性がある。

そこで、実施例３では、差動信号線路における第１配線１０の配線長と第２配線２０の配線長とを一致させることによって、スキュー（ゆがみ）のない構造となるため、コモンモードノイズの少ない構造となっている。このとき、インピーダンス変換部の配線間隔が、［数９］を満たすことが条件となる。

実施例２（図５参照）で示したように、配線幅Ｗが一定の条件では「Ｓ_１＝Ｓ_２、Ａ＝Ｂ」となってしまうため、設計は不可能である。［数５］の条件を満たすためには、第１差動信号線路１、および第２差動信号線路２のどちらか一方のインピーダンスが固定されていない必要がある。

実施例１（図１参照）と同様に、インピーダンス変換部となる第３差動信号線路３ａが非対称となるため、設計寸法を決定する際は数値解析手法を用いることが望ましい。

実施例３によれば、実施例１と同様な効果を奏するとともに、差動信号線路における第１配線１０の配線長と第２配線２０の配線長とを一致させることによって、スキューのない構造となるため、コモンモードノイズの少なくすることができる。

本発明の実施例４に係る差動信号線路について図面を用いて説明する。図６は、本発明の実施例４に係る差動信号線路の構造を模式的に示した平面図である。

実施例４では、第１配線１０と第２配線２０との配線間隔Ｓを一定とし、配線幅Ｗのみを変化させたものである。第１差動信号線路１の対称線Ｌ_１と、第２差動信号線路２の対称線Ｌ_２とは一致している。その他の構成は、実施例１と同様である。

なお、配線間隔を一定としたことにより、差動インピーダンスＺ_ｄを決定するパラメータは、配線幅Ｗのみとなるため、Ｗ_１＞Ｗ_２のときＺ_ｄ１＜Ｚ_ｄｔ＜Ｚ_ｄ２となる。

実施例４では、実施例１（図１参照）と同様に、インピーダンス変換部となる第３差動信号線路３ｄの配線部１２、２１が非対称となるため、設計寸法を決定する際は数値解析手法を用いることが望ましい。

実施例４によれば、実施例１と同様な効果を奏するとともに、配線間隔Ｓを一定としたことで配線１０、２０がより連続的に形成でき、構造不連続による寄生容量の影響が少ないため、高周波領域での特性を良くすることができる。

なお、本発明の差動信号線路構造は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。

また、上記実施例では差動マイクロストリップ線路を例に説明したが、本発明が適用可能な信号線路基板はこれに限定されるものではない。例えば、図８に示したような、配線１０、２０と上下のグランドパタン４０（グランド電位の導体）との間の距離ｈが等しい差動ストリップ線路では、単相マイクロストリップ線路での特性インピーダンスＺ_０、および差動ストリップ線路の差動インピーダンスＺ_ｄの近似式として、［数１０］、［数１１］が知らており、同様の技術思想で適用が可能である。

また、実施例２と同様に、差動ストリップ線路において、配線幅Ｗを一定としたときの配線間隔Ｓの設計条件が求まる。［数８］のＡ、およびＢにおいて、指数部の係数を変更することで［数１２］を得る。

また、ブロードサイド型の差動信号線路においても、上下の配線幅Ｗを変更することによって適用が可能である。ブロードサイド型の差動信号線路では、配線間隔Ｓが一定となっているため、差動インピーダンスＺ_ｄを決定するパラメータは配線幅Ｗのみとなる。したがって、実施例４と同様に、上下の配線幅Ｗの各形状変化部を伝播方向に対して、目的とする実効波長λの１／４の長さだけ離すことによって実施される。

１、１０１ 第１差動信号線路
２、１０２ 第２差動信号線路
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、１０３ 第３差動信号線路
１０、１１０ 第１配線
１１、１１１ 第１１配線部（第１差動信号線路の第１配線部）
１２、１１２ 第１２配線部（第２、第３差動信号線路の第１配線部）
１３、１１３ 第１ベンド配線部（第１接続配線部）
２０、１２０ 第２配線
２１、１２１ 第２１配線部（第１、第３差動信号線路の第２配線部）
２２、１２２ 第２２配線部（第２差動信号線路の第２配線部）
２３、１２３ 第２ベンド配線部（第２接続配線部）
３０ 誘電体基板
４０ グランドパタン
２０１ 第１単相平面線路
２０２ 第２単相平面線路
２０３ インピーダンス変換単相線路

Claims (13)

1. 所定間隔をおいて伝送方向に延在した第１配線部及び第２配線部から構成された第１差動信号線路と、
   所定間隔をおいて前記伝送方向に延在した第１配線部及び第２配線部から構成されるとともに、前記第１差動信号線路の差動インピーダンスと異なる第２差動信号線路と、
   前記第１差動信号線路と前記第２差動信号線路との間に配されるとともに、前記第２差動信号線路の前記第１配線部から同じ配線幅で前記伝送方向に延在した第１配線部、及び前記第１差動信号線路の前記第２配線部から同じ配線幅で前記伝送方向に延在した第２配線部から構成された第３差動信号線路と、
   前記第１差動信号線路の前記第１配線部、及び前記第３差動信号線路の前記第１配線部を接続する第１接続配線部と、
   前記第２差動信号線路の前記第２配線部、及び前記第３差動信号線路の前記第２配線部を接続する第２接続配線部と、
   を備え、
   前記第３差動信号線路の前記伝送方向の長さは、実効波長の１／４であることを特徴とする差動信号線路。
2. 前記第１差動信号線路における前記第１配線部及び前記第２配線部の各配線幅は一致し、
   前記第２差動信号線路における前記第１配線部及び前記第２配線部の各配線幅は一致し、
   前記第１差動信号線路の前記第１配線部の配線幅は、前記第２差動信号線路における前記第１配線部と一致していないことを特徴とする請求項１記載の差動信号線路。
3. 前記第１差動信号線路における前記第１配線部及び前記第２配線部の各配線幅は一致し、
   前記第２差動信号線路における前記第１配線部及び前記第２配線部の各配線幅は一致し、
   前記第１差動信号線路の前記第１配線部の配線幅は、前記第２差動信号線路における前記第１配線部と一致していることを特徴とする請求項１記載の差動信号線路。
4. 前記第１差動信号線路の配線間隔は、前記第２差動信号線路の配線間隔よりも大きい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差動信号線路。
5. 前記第１差動信号線路の配線間隔は、前記第２差動信号線路の配線間隔と一致し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差動信号線路。
6. 前記第１差動信号線路における前記第１配線部及び前記第２配線部の対称線は、前記第２差動信号線路における前記第１配線部及び前記第２配線部の対称線と一致し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差動信号線路。
7. 前記第１差動信号線路の前記第１配線部、前記第１接続配線部、前記第３差動信号線路の前記第１配線部、及び前記第２差動信号線路の前記第１配線部から構成される第１配線の配線長は、前記第１差動信号線路の前記第２配線部、前記第２接続配線部、前記第３差動信号線路の前記第２配線部、及び前記第２差動信号線路の前記第２配線部から構成される第２配線の配線長と一致してい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差動信号線路。
8. 前記第１差動信号線路、前記第２差動信号線路、前記第３差動信号線路、前記第１接続配線部、及び前記第２接続配線部は、同じ配線層に形成されたマイクロストリップ線路であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一に記載の差動信号線路。
9. 前記マイクロストリップ線路と接する基板の厚をＨとし、
   前記第１差動信号線路の配線間隔をＳ_１とし、
   前記第２差動信号線路の配線間隔をＳ_２とし、
   前記第１差動信号線路の前記第１配線部、及び前記第３差動信号経路の前記第１配線部の前記第２配線部側の各端面の変化量をｍとし、
   前記第３差動信号線路の前記第２配線部、及び前記第２差動信号経路の前記第２配線部の前記第１配線部側の各端面の変化量をｎとすると、
   下記［式１］を満たすことを特徴とする請求項８記載の差動信号線路。
   ［式１］
   

   
10. 前記第１差動信号線路、前記第２差動信号線路、前記第３差動信号線路、前記第１接続配線部、及び前記第２接続配線部は、同じ配線層に形成されたストリップ線路であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一に記載の差動信号線路。
11. 前記ストリップ線路と接する基板の厚をＨとし、
    前記第１差動信号線路の配線間隔をＳ_１とし、
    前記第２差動信号線路の配線間隔をＳ_２とし、
    前記第１差動信号線路の前記第１配線部、及び前記第３差動信号経路の前記第１配線部の前記第２配線部側の各端面の変化量をｍとし、
    前記第３差動信号線路の前記第２配線部、及び前記第２差動信号経路の前記第２配線部の前記第１配線部側の各端面の変化量をｎとすると、
    下記［式２］を満たすことを特徴とする請求項１０記載の差動信号線路。
    ［式２］
    

    
12. 誘電体基板と、
    前記誘電体基板の一方の面上の同じ配線層に形成された請求項１乃至９のいずれか一に記載の差動信号線路と、
    前記誘電体基板の他方の面上に形成されたグランドパタンと、
    を備えることを特徴とする配線基板。
13. 誘電体基板と、
    前記誘電体基板の中の同じ配線層に形成された請求項１乃至７、１０、１１のいずれか一に記載の差動信号線路と、
    前記誘電体基板の両面上に形成されたグランドパタンと、
    を備えることを特徴とする配線基板。

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