JP2015154145A

JP2015154145A - 多層プリント配線基板

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Publication number: JP2015154145A
Application number: JP2014024496A
Authority: JP
Inventors: 聖児小松; Seiji Komatsu; 幸司澁谷; Koji Shibuya
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-02-12
Filing date: 2014-02-12
Publication date: 2015-08-24
Anticipated expiration: 2034-02-12
Also published as: JP6300555B2

Abstract

【課題】信号ビアに接続される複数の信号伝送用導体が異なる特性インピーダンスである場合にも、特性インピーダンス不整合による反射特性の増加を改善する。
【解決手段】第一，二の伝送線路２ａ，２ｂの特性インピーダンスに応じて、当該第一，二の伝送線路２ａ，２ｂ間における信号ビア４の特性インピーダンスを段階的に変化させる特性インピーダンス勾配領域６を備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数の信号伝送用導体が接続された信号ビアを有する多層プリント配線基板に関するものである。

近年、デジタル伝送の高速化が著しく、複数の信号伝送用導体が接続された信号ビアを有する高周波向けの多層プリント配線基板において、特性インピーダンスの不整合による伝送損失が顕著化している。そして、回路基板の高密度化も著しく、それに伴い、コネクタのピン間から引き出す配線が細くなり、その特性インピーダンスが所望の値に整合できない場合がある。

それに対し、多層プリント配線基板の配線幅を広く設計すると、特性インピーダンスは下がるが導体損失が改善される。このため、バックプレーン配線などの長い伝送線路では、配線幅を広くすることにより、高周波において伝送特性の改善を行うことが提案されている。

このように、配線の特性インピーダンスが一つの系で異なる状況が生じており、その多くは信号ビアに接続される伝送線路やコネクタピンなどの信号伝送用導体の特性インピーダンスが異なる場合である。そして、信号ビアに接続される信号伝送用導体の特性インピーダンスが入力と出力とで異なる場合、特性インピーダンス不整合により反射特性が増加するという課題がある。

一方、信号ビアの伝送特性の改善を図った技術が知られている（例えば特許文献１，２参照）。特許文献１では、信号ビアに接続される伝送線路に面しているグランド層のクリアランス領域の径を小さくし、その他のグランド層のクリアランス領域の径を大きくすることで、信号ビアの伝送特性の改善を図っている。また、特許文献２では、信号ビアにダミーパッドなるものを接続することで、信号ビアの伝送特性の改善を図っている。

特開２００１−２４４６３３号公報特表２０１０−５３８４４６号公報

しかしながら、特許文献１，２に開示された技術では、信号ビアに接続される複数の信号伝送用導体が異なる特性インピーダンスであることを前提としておらず、特性インピーダンス不整合による反射特性の増加を改善することができないという課題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、信号ビアに接続される複数の信号伝送用導体が異なる特性インピーダンスである場合にも、特性インピーダンス不整合による反射特性の増加を改善することができる多層プリント配線基板を提供することを目的としている。

この発明に係る多層プリント配線基板は、複数の信号伝送用導体が接続された信号ビアを有する多層プリント配線基板において、各信号伝送用導体の特性インピーダンスに応じて、当該信号伝送用導体間における信号ビアの特性インピーダンスを段階的に変化させる特性インピーダンス勾配領域を備えたものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、信号ビアに接続される複数の信号伝送用導体が異なる特性インピーダンスである場合にも、特性インピーダンス不整合による反射特性の増加を改善することができる。

この発明の実施の形態１に係る多層プリント配線基板の概要を説明する模式図である。この発明の実施の形態１に係る多層プリント配線基板の構成を示す模式図であり、（Ａ）部分平面図であり、（Ｂ）Ｘ₁−Ｘ₂間の断面図である。従来の多層プリント配線基板の構成を示す模式図であり、（Ａ）部分平面図であり、（Ｂ）Ｘ₁−Ｘ₂間の断面図である。この発明の実施の形態１に係る多層プリント配線基板及び従来の多層プリント配線基板による反射特性の解析結果を模式的に示すグラフである。この発明の実施の形態２に係る多層プリント配線基板の構成を示す模式図であり、（Ａ）部分平面図であり、（Ｂ）Ｘ₁−Ｘ₂間の断面図である。この発明の実施の形態３に係る多層プリント配線基板の構成を示す模式図であり、（Ａ）部分平面図であり、（Ｂ）Ｘ₁−Ｘ₂間の断面図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る多層プリント配線基板の概要を説明する模式図であり、図２はその具体例を示す模式図である。
図１，２に示すように、多層プリント配線基板は、誘電体１の間に、複数の信号伝送用導体である伝送線路２（図１，２では第一，二の伝送線路２ａ，２ｂ）と、互いに間隔を置いて複数積層されたグランド層３（図２ではグランド層３ａ〜３ｄ）とが介在することで構成されている。また、多層プリント配線基板には、第一，二の伝送線路２ａ，２ｂと接続された信号ビア４が設けられている。

信号ビア４は、多層プリント配線基板の誘電体１を貫通したスルーホール４１と、当該スルーホール４１に接続された複数のビアパッド４２（図１，２ではビアパッド４２ａ〜４２ｃ）とから構成されている。そして、ビアパッド４２ａ，４２ｂは、第一，二の伝送線路２ａ，２ｂと接続されている。
また、多層プリント配線基板には、スルーホール４１の周囲に、信号ビア４のスルーホール４１と各グランド層３ａ〜３ｄとの電気的接触を避ける複数のクリアランス領域５（図２ではクリアランス領域５ａ〜５ｄ）が設けられている。

このように構成された多層プリント配線基板において、図１に示すように、第一の伝送線路２ａの特性インピーダンスはＺ_1aであり、第二の伝送線路２ｂの特性インピーダンスはＺ_1aより低いＺ_1bであるとする。この場合、信号ビア４の設計を、第一，二の伝送線路２ａ，２ｂの特性インピーダンスＺ_1a，Ｚ_1bのどちらかに合わせて行うと、特性インピーダンス不整合が生じ、反射特性が増加してしまう。

そこで、本発明の多層プリント配線基板では、図１に示すように、信号ビア４の設計において、第一，二の伝送線路２ａ，２ｂの両方の特性インピーダンスＺ_1a，Ｚ_1bに合わせるため、特性インピーダンス勾配領域６を持たせる。

図２に示すように、実施の形態１では、多層プリント配線基板に特性インピーダンス勾配領域６を持たせるため、第一，二の伝送線路２ａ，２ｂ間における各クリアランス領域５ａ〜５ｃを、特性インピーダンスが低い第二の伝送線路２ｂに向かい段階的に小さくさせて、キャパシタンスＣを段階的に増加させている。
ここで、高周波における特性インピーダンスＺは、Ｚ＝√（インダクタンスＬ÷キャパシタンスＣ）で近似することができる。よって、図２に示す構成によりキャパシタンスＣを段階的に増加させることで、第一，二の伝送線路２ａ，２ｂ間における信号ビア４の特性インピーダンスをＺ_1a以下Ｚ_1b以上の範囲で段階的に低下させることができる。

次に、実施の形態１に係る多層プリント配線基板及び従来の多層プリント配線基板による反射特性の解析結果を図４に示す。なお、従来の多層プリント配線基板は、図３に示すような構成となっている。すなわち、従来の多層プリント配線基板には本発明の特性インピーダンス勾配領域６が設けられておらず、第一，二の伝送線路２ａ，２ｂ間における各クリアランス領域５ａ〜５ｃは一定の大きさとなっている。
また、図４において、実線が実施の形態１に係る多層プリント配線基板による反射特性を示し、破線が従来の多層プリント配線基板による反射特性を示している。この図４に示すように、実施の形態１に係る多層プリント配線基板では、従来構成に対し、反射特性が大きく改善していることがわかる。

以上のように、この実施の形態１によれば、第一，二の伝送線路２ａ，２ｂ間における複数のクリアランス領域５の大きさを、特性インピーダンスが低い第二の伝送線路２ｂに向かい段階的に小さくさせるように構成したので、信号ビア４に接続される複数の信号伝送用導体が異なる特性インピーダンスである場合にも、特性インピーダンス不整合による反射特性の増加を改善することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、特性インピーダンス勾配領域６として、第一，二の伝送線路２ａ，２ｂ間における複数のクリアランス領域５を段階的に変化させる場合について示した。それに対し、実施の形態２では、クリアランス領域５の大きさを変化させることが困難な場合などに、第一，二の伝送線路２ａ，２ｂ間における複数のビアパッド４２の径を段階的に変化させる場合について示す。

図５はこの発明の実施の形態２に係る多層プリント配線基板の構成を示す模式図である。この図５に示す実施の形態２に係る多層プリント配線基板は、図２に示す実施の形態１に係る多層プリント配線基板の各クリアランス領域５の大きさを一定に変更し、第一，二の伝送線路２ａ，２ｂ間にさらに複数のビアパッド４２を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。

実施の形態２では、多層プリント配線基板に特性インピーダンス勾配領域６を持たせるため、第一，二の伝送線路２ａ，２ｂ間にさらに複数のビアパッド４２（図５ではビアパッド４２ｄ〜４２ｆ）を設けている。そして、第一，二の伝送線路２ａ，２ｂ間における各ビアパッド４２ａ，４２ｄ〜４２ｆ，４２ｂの径を、特性インピーダンスが低い第二の伝送線路２ｂに向かい段階的に大きくさせて、キャパシタンスＣを段階的に増加させている。
そして、図５に示す構成によりキャパシタンスＣを段階的に増加させることで、第一，二の伝送線路２ａ，２ｂ間の信号ビア４の特性インピーダンスをＺ_1a以下Ｚ_1b以上の範囲で段階的に低下させることができる。

以上のように、この実施の形態２によれば、第一，二の伝送線路２ａ，２ｂ間における複数のビアパッド４２の径を、特性インピーダンスが低い第二の伝送線路２ｂに向かい段階的に大きくさせるように構成しても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
特性インピーダンス勾配領域６として、実施の形態１では第一，二の伝送線路２ａ，２ｂ間における複数のクリアランス領域５を段階的に変化させる場合について示し、実施の形態２では第一，二の伝送線路２ａ，２ｂ間における複数のビアパッド４２の径を段階的に変化させる場合について示した。それに対し、実施の形態３では、クリアランス領域５とビアパッド４２の大きさを変化させることが困難な場合などに、第一，二の伝送線路２ａ，２ｂ間におけるスルーホール４１の径を段階的に変化させる場合について示す。

図６はこの発明の実施の形態３に係る多層プリント配線基板の構成を示す模式図である。この図６に示す実施の形態３に係る多層プリント配線基板は、図２に示す実施の形態１に係る多層プリント配線基板の各クリアランス領域５の大きさを一定に変更し、スルーホール４１の形状を変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。

実施の形態３では、多層プリント配線基板に特性インピーダンス勾配領域６を持たせるため、第一，二の伝送線路２ａ，２ｂ間におけるスルーホール４１の径を、特性インピーダンスが低い第二の伝送線路２ｂに向かい段階的に大きくさせて、キャパシタンスＣを段階的に増加させている。
そして、図６に示す構成によりキャパシタンスＣを段階的に増加させることで、第一，二の伝送線路２ａ，２ｂ間の信号ビア４の特性インピーダンスをＺ_1a以下Ｚ_1b以上の範囲で段階的に低下させることができる。

以上のように、この実施の形態３によれば、第一，二の伝送線路２ａ，２ｂ間におけるスルーホール４１の径を、特性インピーダンスが低い第二の伝送線路２ｂに向かい段階的に大きくさせるように構成しても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明の特性インピーダンス勾配領域６として、実施の形態１ではクリアランス領域５を段階的に大きくし、実施の形態２ではビアパッド４２の径を段階的に大きくし、実施の形態３ではスルーホール４１の径を段階的に大きくする場合を示した。それに対し、実施の形態１〜３の構成の中から２つ乃至全てを組み合わせて特性インピーダンス勾配領域６を構成してもよく、同様の効果を得ることができる。

また、実施の形態１〜３に係る多層プリント配線基板では、伝送線路２及び信号ビア４がシングルエンドにより構成される場合を想定して説明を行ったが、これに限るものではなく、差動線路により構成される場合に対しても同様に本発明を適用可能であり、同様の効果を得ることができる。

また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１誘電体、２，２ａ，２ｂ伝送線路、３，３ａ〜３ｄグランド層、４信号ビア、５，５ａ〜５ｄクリアランス領域、６特性インピーダンス勾配領域、４１スルーホール、４２，４２ａ〜４２ｆビアパッド。

Claims

複数の信号伝送用導体が接続された信号ビアを有する多層プリント配線基板において、
前記各信号伝送用導体の特性インピーダンスに応じて、当該信号伝送用導体間における前記信号ビアの特性インピーダンスを段階的に変化させる特性インピーダンス勾配領域を備えた
ことを特徴とする多層プリント配線基板。
前記信号伝送用導体間に互いに間隔を置いて複数積層されたグランド層と、
前記信号ビアと前記各グランド層との電気的接触を避ける複数のクリアランス領域とを備え、
前記特性インピーダンス勾配領域は、前記信号伝送用導体間における前記各クリアランス領域を、当該信号伝送用導体のうち特性インピーダンスが低い方に向かい段階的に小さくすることで形成される
ことを特徴とする請求項１記載の多層プリント配線基板。
前記信号伝送用導体間に互いに間隔を置いて複数積層され、前記信号ビアに接続されたビアパッドを備え、
前記特性インピーダンス勾配領域は、前記信号伝送用導体間における前記各ビアパッドの径を、当該信号伝送用導体のうち特性インピーダンスが低い方に向かい段階的に大きくすることで形成される
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の多層プリント配線基板。
前記特性インピーダンス勾配領域は、前記信号伝送用導体間における前記信号ビアの径を、当該信号伝送用導体のうち特性インピーダンスが低い方に向かい段階的に大きくすることで形成される
ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の多層プリント配線基板。
前記各信号伝送用導体及び前記信号ビアは、シングルエンド又は差動線路で構成される
ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の多層プリント配線基板。