JP2012195390A - 積層型回路基板およびこれを搭載した電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】積層型回路基板における良好なインピーダンスコントロールと十分な不要輻射シールド効果とを両立させる。
【解決手段】積層型回路基板１は、表層側から順に、導体により形成された第１のグランド層２ｂと、信号配線パターンが形成された信号配線層２ｃと、第１のグランド層による信号配線パターンのインピーダンスコントロールを可能とするための開口部２ｄ′を有する導体により形成された第２のグランド層２ｄとがそれぞれの間に絶縁層３ｃ，３ｄを挟んで積層された部分を含む。上記開口部の内側に、それぞれの間に開口が形成されるように配置された複数のグランド線７が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層型回路基板に関し、特に表層よりも内層側の信号配線層に高速差動信号等の信号を伝送するための信号配線パターンが形成された積層型回路基板に関する。

上記のような積層型回路基板では、信号配線パターンのインピーダンスコントロールを行う必要がある。このため、信号配線層の上下のうち一方にて隣接する層をいわゆるベタのグランド（ＧＮＤ）層とし、他方にて隣接するグランド層にインピーダンスコントロールに影響を与えないための開口部を設ける積層構造が従来用いられている。

特許文献１には、信号配線層にそれよりも内層側にて隣接する層をベタまたはメッシュ状の導体により形成されたＧＮＤ層とした回路基板が開示されている。この特許文献１にて開示された回路基板では、信号配線層に表層側にて隣接する層（表層）に信号配線パターンからの不要輻射（ＥＭＩ）をシールドするためのシールド層を設けている。シールド層の導体には、信号配線パターンのインピーダンスコントロールに影響を与えないようにするための開口部が形成されている。

特開２０１０−２１２４３９号公報

しかしながら、特許文献１にて開示された回路基板では、信号配線層よりも表層側のシールド層に設ける開口部の面積が大きいために、不要輻射のシールド効果が低いという問題がある。さらに、インピーダンスコントロールされた信号配線は、５０〜１００Ω程度のインピーダンスを持つため、これよりも低いインピーダンスを有する導体部分を高速差動信号のリターン電流が流れてコモン電流となり、これが不要輻射を放射するという問題もある。

本発明は、良好なインピーダンスコントロールと十分な不要輻射シールド効果とを両立させることができるようにした積層型回路基板を提供する。

本発明の一側面としての積層型回路基板は、表層側から順に、導体により形成された第１のグランド層と、信号配線パターンが形成された信号配線層と、第１のグランド層による信号配線パターンのインピーダンスコントロールを可能とするための開口部を有する導体により形成された第２のグランド層とがそれぞれの間に絶縁層を挟んで積層された部分を含む。該回路基板は、上記開口部の内側に、それぞれの間に開口が形成されるように配置された複数のグランド線が設けられていることを特徴とする。

なお、上記積層型回路基板を搭載した電子機器も本発明の他の一側面を構成する。

本発明では、信号配線層よりも内層側の第２のグランド層を構成する導体に開口部を形成することで、第１のグランド層による信号配線層の良好なインピーダンスコントロールを可能とする。しかも、第２のグランド層の開口部に複数のグランド線を配置したことにより、信号配線パターンからの不要輻射を十分にシールドすることができる。

本発明の実施例１である積層型回路基板に対する断面図。 実施例１の積層型回路基板の第３〜第５層の構成を示す平面図。 実施例１の積層型回路基板における信号線とグランドメッシュ線との積層方向から透視して見た場合の関係を示す図。 実施例１における信号線の幅ごとの信号線とグランドメッシュ線との交差角度に対する信号線インピーダンスのシミュレーション結果を示す図。 実施例１におけるグランドメッシュ線間の距離とグランドメッシュ線が信号線に対してなすねじれ角度とのシミュレーション結果を示す図。 本発明の実施例２である積層型回路基板の部分透視図。 本発明の実施例３である積層型回路基板の部分透視図。 本発明の比較例である従来の積層型回路基板の第３〜第５層の構成を示す平面図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である積層型回路基板１の断面を示している。

積層型回路基板１は、ガラス繊維をエポキシ樹脂で固めることで形成された絶縁層３ａ〜３ｈと、銅等の導体の薄板により形成された導体層２ａ〜２ｈとをそれぞれ８層ずつ交互に、かつ最も表層側に絶縁層３ａが配置されるように積層した構成を有する。言い換えれば、８層の導体層２ａ〜２ｈが間に絶縁層３ｂ〜３ｈを挟んで積層されて構成されている。最も裏層側の導体層２ｈは、エポキシ樹脂により形成された被覆層４によって絶縁されている。

以下、導体層２ａを第１層といい、導体層２ｂを第２層という。同様に、導体層２ｃを第３層、導体層２ｄを第４層、導体層２ｅを第５層、導体層２ｆを第６層、導体層２ｇを第７層、導体層２ｈを第８層という。また、導体層２ａ〜２ｈおよび絶縁層３ａ〜３ｈが積層された方向（図中の上下方向）を積層方向という。

図２には、第３層２ｃ、第４層２ｄおよび第５層２ｅを積層方向から見て示している。

第１層２ａ、第２層２ｂおよび第４〜第８層２ｄ〜２ｈはグランド（ＧＮＤ）層として設けられている。これらグランド層のうち第１層２ａ、第２層（第１のグランド層）２ｂおよび第５〜第８層２ｅ〜２ｈは、大きな開口部を有さないいわゆるベタ（solid）の導体薄板により形成されたグランド層である。

第３層２ｃは信号配線層として設けられている。該第３層２ｃには、高速差動信号用の差動信号線５ａ，５ｂを含む信号配線パターンが形成されている。差動信号線５ａ，５ｂ（信号配線パターン）のインピーダンスは、約１００Ωにコントロールされている。

本実施例では、第１層２ａの積層方向での厚さを１２μｍとする。同様に、第２層２ｂの厚さを１２μｍ、第３層２ｃの厚さを１２μｍ、第４層２ｄの厚さを１８μｍ、第５層２ｅの厚さを１８μｍ、第６層２ｆの厚さを１２μｍ、第７層２ｇの厚さを１２μｍ、第８層２ｈの厚さを１２μｍに設定している。

また、絶縁層３ａの厚さを６０μｍ、絶縁層３ｂの厚さを１００μｍ、絶縁層３ｃの厚さを１５０μｍ、絶縁層３ｄの厚さを２００μｍ、絶縁層３ｅの厚さを１５０μｍに設定している。さらに、絶縁層３ｆの厚さを１００μｍ、絶縁層３ｇの厚さを６０μｍ、絶縁層３ｈの厚さを３５μｍ、被膜層４の厚さを３５μｍに設定している。

このような構成において、第３層２ｃに設けられた差動信号線５ａ，５ｂのインピーダンスを約１００Ωとするため、これら差動信号線５ａ，５ｂのそれぞれの線幅ａを１００μｍに設定し、差動信号線５ａ，５ｂの間の間隔ｂを１５０μｍに設定している。

さらに、本実施例では、第３層２ｃよりも内層側の第４層（第２のグランド層）２ｄを構成する導体薄板に、差動信号線５ａ，５ｂのインピーダンスコントロールを可能とするための開口部２ｄ′を設けている。開口部２ｄ′は、第３層２ｃにおける差動信号線５ａ，５ｂが形成された領域に対応するように形成されている。

このように、本実施例の積層型回路基板１は、表層側から順に、第１のグランド層（第２層２ｂ）と信号配線層（第３層２ｃ）と第２のグランド層（第４層２ｄ）とが絶縁層３ｃ，３ｄを挟んで積層された部分を含む。

そして、以上のように構成される積層型回路基板１において、差動信号線５ａ，５ｂのインピーダンスコントロールがなされる。

高速差動信号は、ＬＶＤＳ(Low voltage differential signaling)、ＵＳＢ(Universal Serial Bus)、ＩＥＥＥ１３９４等により規格された差動伝送方式により伝送される。差動伝送(differential signaling)とは、等長、等間隔の２本の信号線を利用して電気信号を伝送する方式である。すなよち、一方の信号線により元の信号を伝送し、他方の信号線により元の信号に対して位相が反転した（逆位相の）信号を伝送する方式である。さらに、差動伝送は、等長、等間隔に配線された２本の信号線がどちらも接地（グランド接続）されない耐ノイズ性能が高い伝送方式でもある。

差動信号は、理想的な状態で伝送されれば、等長、等間隔に配線された２本の信号線の電磁カップリングによりリターン電流は発生しない。しかし、実際には、配線の状態や出力側のＩＣの精度等の問題により、両信号の立ち上がりおよび立ち下がりのタイミングに差異が生じ、これにより電磁カップリングの均衡が崩れてリターン電流が発生し、コモン電流となる。そして、コモン電流の発生により、不要輻射が発生する。

この問題を、比較例としての従来の積層型回路基板を示す図８を用いて説明する。図８には、図１に示した本実施例の積層型回路基板と同様に、８層の導体層が間に絶縁層を挟んで積層されて構成された積層型回路基板のうち第３層２ｃ−８、第４層２ｄ−８および第５層２ｅ−８を示している。第３層２ｃ−８には、図１の第３層２ｃと同様に、高速差動信号用の信号配線パターン６−８が形成されている。また、第４層２ｄ−８には、図１の第４層２ｄと同様に、インピーダンスコントロールを可能とするための開口部１１が形成されている。第５層２ｅ−８は、図１の第５層２ｅに相当し、インピーダンスコントロール層８−８を有する。

この構成では、信号配線パターン６−８の直近の第４層２ｄ−８に、長いスリット状の単なる開口部１１が形成されている。そして、このような長い（大きな開口面積の）スリット状の開口部１１により、第４層２ｄ−８の不要輻射のシールド効果が低下する。また、高速差動信号のリターン電流が電流リターンパスとして設けられたインピーダンスコントロール層８−８を戻らず、制御できないコモン電流となり、該コモン電流が不要輻射を放射する。

これに対し、本実施例では、第４層２ｄにおいてインピーダンスコントロールを可能とするために設けられた開口部２ｄ′の内側に、グランド接続された複数のグランド線７を設けている。隣り合うグランド線７の間には、開口が形成されている。本実施例では、図２に示すように、複数のグランド線７が、それらの間に四角形（平行四辺形や菱形）の開口を形成するように互いに交差するメッシュ状に配置されている。

このようなグランド線７を開口部２ｄ′の内側に設けることで、図８に示した開口部１１に比べて、開口部２ｄの実質的な開口面積が縮小される。この結果、不要輻射の放射が抑えられる。また、第５層２ｅに設けられたインピーダンスコントロール層８が高インピーダンスであることから、高速差動信号のリターン電流がグランド線７を流れるため、コモン電流が制御可能となり、これにより、不要輻射の放射を抑えることができる。

図３には、本実施例における差動信号線５ａ，５ｂとグランド線７との関係を示す。図３では、実際には異なる層に設けられている差動信号線５ａ，５ｂとグランド線７とを積層方向から見て１つの平面上に重ねて示している。

差動信号線５ａ，５ｂはそれぞれ、第１の部分５ａ１，５ｂ１と、該第１の部分が延びる方向に対して直交する方向に延びる第２の部分５ａ２，５ｂ２とを有する。さらに、第１の部分５ａ１，５ｂ１と第２の部分５ａ２，５ｂ２に対して４５度の角度をなして該第１の部分５ａ１，５ｂ１と第２の部分５ａ２，５ｂ２を繋ぐ第３の部分５ａ３，５ｂ３を有する。そして、グランド線７は、第３の部分５ａ３，５ｂ３に対して積層方向において重なる位置を通り（図３では交差する位置を通り）、かつ第３の部分５ａ３，５ｂ３が延びる方向に対して１０度の角度をなす方向に延びている。

なお、グランド線７は、差動信号線５ａ，５ｂにおける第１、第２および第３の部分５ａ１〜５ａ３，５ｂ１〜５ｂ３のうちいずれかの部分に対して積層方向において重なる位置を通り、当該部分が延びる方向に対して１０度の角度をなす方向に延びていればよい。

また、各グランド線７は、差動信号線５ａ，５ｂのうち第１の部分５ａ１，５ｂ１および第２の部分５ａ２，５ｂ２が延びる方向に対しては、１０度以上８０度以下の角度をなす方向に延びている。

また、互いに平行に延びる２本のグランド線７間の離間距離（以下、グランド線間距離ともいう）Ｌは５０ｍｍ以上に設定され（すなわち、２本のグランド線７が５０ｍｍ以上離れ）ている。さらに、各グランド線７の幅（以下、グランド線幅ともいう）Ｗは３ｍｍ以下に設定されている。

図４には、差動信号線５ａ，５ｂが延びる方向とグランド線７が延びる方向とがなす角度（以下、ねじれ角度ともいう）と差動信号線５ａ，５ｂのインピーダンスとの関係を、グランド線幅を異ならせてシミュレーションした結果を示している。また、図５には、上記ねじれ角度とグランド線間距離と差動信号線５ａ，５ｂのインピーダンスとの関係をグランド線幅が３ｍｍの場合についてシミュレーションした結果を示している。

図４によれば、グランド線幅が１ｍｍである場合には、ねじれ角度が０度から１０度未満の範囲では差動信号線５ａ，５ｂのインピーダンスが４８Ωから５５Ω付近まで急激に変化し、安定していない。しかし、ねじれ角度が１０度以上、８０度以下の範囲では、インピーダンスは５５〜５６Ωの間で変化するにすぎず、安定している。

また、グランド線幅が２ｍｍや３ｍｍである場合にも、ねじれ角度が０度から１０度未満の範囲ではインピーダンスが４９Ωから５３〜５４Ω付近まで急激に変化して安定していない。しかし、ねじれ角度が１０度以上８０度以下の範囲では、５３〜５５Ωの間で安定している。

一方、グランド線幅が４ｍｍである場合には、ねじれ角度が０度から２０度の範囲でインピーダンスが４９Ωから５４Ω付近まで急激に変化し、安定していない。

したがって、差動信号線５ａ，５ｂが延びる方向とグランド線７が延びる方向とがなすねじれ角度が１０度以上であり、かつグランド線幅が３ｍｍ以下であれば、差動信号線５ａ，５ｂの安定したインピーダンスコントロールが可能となる。

また、図５によれば、グランド線幅が３ｍｍの場合に、単一のグランド線（１本のグランド線）ではねじれ角度が１０度以上のときに差動信号線５ａ，５ｂのインピーダンスは５４Ωである。そして、ねじれ角度が１０度以上であり、かつグランド線間距離が５０ｍｍ以上であれば、差動信号線５ａ，５ｂのインピーダンスが５３Ω以上で安定している。

したがって、グランド線間距離を５０ｍｍ以上に設定することで、単一のグランド線とほぼ同じ差動信号線５ａ，５ｂの安定したインピーダンスを得ることができる。

以上により、差動信号線５ａ，５ｂに対するねじれ角度を１０度以上８０度以下とし、グランド線間距離Ｌを５０ｍｍ以上とし、グランド線幅Ｗを３ｍｍ以下として、差動信号線５ａ，５ｂのインピーダンスに影響を与えないグランド線７を形成することが好ましい。

図６には、本発明の実施例２である積層型回路基板における差動信号線５ａ，５ｂとグランド線７との関係を、図３と同様に１つの平面上にて示している。図６は、図３と同様に第１から第３の部分５ａ１〜５ａ３，５ｂ１〜５ｂ３を有する差動信号線５ａ，５ｂのうち第１の部分５ａ１，５ｂ１に対してグランド線７が１０度のねじれ角度を有する場合を示している。

図３と図６から分かるように、差動信号線５ａ，５ｂの屈曲部分である第３の部分５ａ３，５ｂ３の他の部分５ａ１，５ａ２，５ｂ１，５ｂ２に対する角度を４５度とすると、第１から第３の部分のいずれかに対して１０度のねじれ角度でグランド線７を配置できる。これにより、上述したねじれ角度の条件である１０度以上８０度以下を満足することができる。

図７には、本発明の実施例３である積層型回路基板における差動信号線５ａ，５ｂとグランド線７との関係を、図３と同様に１つの平面上にて示している。図７に示すように、全てのグランド線７を互いに平行に延びるように配置してもよい。本実施例でも、グランド線７間には開口が形成されている。そして、本実施例においても、上述したねじれ角度、グランド線間距離およびグランド線幅の条件を満足することが好ましい。

以上説明した各実施例によれば、差動信号線の良好なインピーダンスコントロールと十分な不要輻射シールド効果とが得られる積層型回路基板を実現することができる。

なお、各実施例にて説明した各層の構成や厚さ、差動信号線の線間距離や線幅は例に過ぎず、他の構成や数値を採用してもよい。

また、実施例１には、第１のグランド層としての第２層２ｂをベタのグランド層として形成した場合を示したが、第２層に、第４層に形成された開口部と同様の開口部を設けてもよい。

そして、各実施例にて説明した積層型回路基板は、パーソナルコンピュータ、撮像装置、プロジェクタ、半導体露光装置、複写機、プリンタ、ＤＶＤプレーヤ、ゲーム機その他の電子機器に搭載して使用される。これにより、高速差動信号を安定的に伝送でき、不要輻射が低減された電子機器を実現することができる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

差動信号線の良好なインピーダンスコントロールと十分な不要輻射シールド効果とが得られる積層型回路基板を提供できる。

１ 積層型回路基板
２ａ，２ｂ，２ｄ〜２ｈ 導体層（グランド層）
２ｃ 導体層（信号配線層）
２ｄ′開口部
３ａ〜３ｈ 絶縁層
５ａ，５ｂ 差動信号線
７ グランド線

Claims (6)

1. 表層側から順に、導体により形成された第１のグランド層と、信号配線パターンが形成された信号配線層と、前記第１のグランド層による前記信号配線パターンのインピーダンスコントロールを可能とするための開口部を有する導体により形成された第２のグランド層とがそれぞれの間に絶縁層を挟んで積層された部分を含む積層型回路基板であって、
   前記開口部の内側に、それぞれの間に開口が形成されるように配置された複数のグランド線が設けられていることを特徴とする積層型回路基板。
2. 前記各グランド線は、前記信号配線パターンにおける信号線が延びる方向に対して、１０度以上８０度以下の角度をなす方向に延びており、
   前記複数のグランド線のうち互いに平行に延びる２本のグランド線が５０ｍｍ以上離れ、かつ前記各グランド線の幅が３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の積層型回路基板
3. 前記複数のグランド線が、四角形の前記開口を形成するように互いに交差していることを特徴とする請求項１又は２に記載の積層型回路基板
4. 前記信号線は、第１の部分と、該第１の部分が延びる方向に対して直交する方向に延びる第２の部分と、前記第１の部分および前記第２の部分に対して４５度の角度をなして該第１および第２の部分を繋ぐ第３の部分とを有しており、
   前記グランド線が、前記第１、第２および第３の部分のうちいずれかの部分に対して積層方向において重なる位置を通り、当該部分が延びる方向に対して１０度の角度をなす方向に延びていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の積層型回路基板。
5. 前記信号線が、高速差動信号用の信号線であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の積層型回路基板。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の積層型回路基板を搭載していることを特徴とする電子機器。