JP2016207834A

JP2016207834A - 印刷配線板

Info

Publication number: JP2016207834A
Application number: JP2015087840A
Authority: JP
Inventors: 博野口; Hiroshi Noguchi; 政則内藤; Masanori Naito
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2016-12-08

Abstract

【課題】差動配線を備えた印刷配線板に関して、等長の配線を設計変更することなく、かつ伝送特性に影響を与えず信号伝送品質の劣化を抑制した印刷配線板およびその設計方法を提供する。
【解決手段】近接する双配線を平行配置する差動配線を備えた印刷配線板において、前記差動配線に接続する２本の単線配線部における単線配線同士の間隙が、単線配線幅の３倍以上であり、単線配線部の一方の単線配線のみにミアンダ部を形成し、このミアンダ部の高さ方向の間隙が、単線配線幅の４倍以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、差動配線が等長形状を形成した印刷配線板に関する。

従来、電子機器の高機能化・高性能化に伴い、これに用いられる印刷配線板の高機能化・高性能化も進んでいる。
特に、１本の配線で信号を伝送するシングル伝送（非平衡伝送、不平衡伝送）に対し、２本の近接する平行配線に、２つの同一波形信号の一方を反転させた２信号を、当該平行する配線の各々に入力し、互いに他方の配線を基準として伝送し、伝送路（配線）終端で当該２信号の差を取る方式の差動伝送（平衡伝送）は、その構成から、信号／基準の比をシングル伝送の２倍とすることで、信号伝送品質を高めている。
通常、当該２信号は基準クロックにより同期が取れているので、同じタイミングで伝送路に入力された信号は、伝送路（配線）の長さが等しければ同じタイミングで終端に到達する。
すなわち、差動配線では双配線の配線長を等しくすること（等長処理）が非常に重要であり、配線長の差を生み出す要因を極力少なくする必要が有る。そのため、差動配線の双配線は可能な限り短く、かつ直線のみの構成とすることが望ましい。

また、電子機器の高機能化・高性能化と共に、小型化・薄型化も求められる昨今では、設計都合などにより差動配線の途中で屈曲部を持たせ進行方向を変えざるを得ない場合も発生している。
その解決手段として、例えば、特許文献１には、層間接続や誘電率の変更といった手段を用いずに、配線のレイアウト変更のみで双配線の配線長を等しくする手法として、等長配線に迂回延長配線部（ミアンダ部）を形成して長さ調整を行う手法が記載されている。

また、印刷配線板は、微細な回路形成のため、隣接する配線間の距離を可能な限り短縮した密な高周波回路が実現される必要があるが、高密度に配置された隣接する配線間にクロストーク現象が生じ、高周波帯域でアイソレーション劣化の問題が起こる場合がある。
そのため、例えば、特許文献２には、解決手段として、両伝送線路（配線）間での実行線路長差を設けて、両伝送線路間での実効誘電率差を設定することにより、総合線路領域内の異なる箇所において発生したクロストーク信号が、遠端クロストーク端子にて時間軸上で同じタイミングで加算されることに注目し、一方の伝送線路において常に時間的にタイミングをずらして加算するようにすれば、遠端クロストーク端子に生じるクロストーク信号の強度を抑圧し、かつスパイクノイズを発生させず、通信信号強度についても良好な特性を維持できる、ということが記載されている。

しかしながら、差動配線を引く時に、デバイスのピン配置等により等長にし難いケースがある場合、ＣＡＤなどの配線長を計測する機能を用いながら、必要に応じてシミュレーションを併用し、手作業で等長の配線に設計していた。これは、周波数毎の等長配線の標準配線パターンがないため、手作業以外に方法がなかったためであるが、効率が悪く、配線に時間が掛かっていた。また、シミュレーションと配線をシステム的に連携して実施していないため、伝送特性を出せていないことが多々あった。

特開２００３−１５２２９０号公報国際公開第２００６／１０６７６１号

本発明の課題は、差動配線を備えた印刷配線板に関して、等長の配線を設計変更することなく、かつ伝送特性に影響を与えず信号伝送品質の劣化を抑制した印刷配線板を提供することである。

本発明は、上記課題を解決するべく完成されたものであって、以下の構成からなる。
（１）近接する双配線を平行配置する差動配線を備えた印刷配線板において、前記差動配線に接続する２本の単線配線部における単線配線同士の間隙が、単線配線幅の３倍以上である印刷配線板。
（２）前記単線配線部の一方の単線配線のみに、ミアンダ部を形成した（１）に記載の印刷配線板。
（３）前記ミアンダ部の高さ方向の間隙が、単線配線幅の４倍以上である（２）に記載の印刷配線板。
（４）前記ミアンダ部を形成した単線配線が、単線配線部間にて、他方の単線配線と配線長を揃えた等長配線である（２）または（３）に記載の印刷配線板。

本発明によれば、デバイスピンからの引き出し部分やビア周囲での配線において、配線同士の間隙を配線幅の３倍以上にして設置したので、近接する配線間が高密度化して伝送特性が悪化することはない。また、この双配線を非対称にする事により、結合する距離が長いまま、伝送特性の出る等長処理が可能な印刷配線板となる。

（ａ）は本発明の印刷配線板に係る配線の一実施形態を示す説明図であり、（ｂ）は別の実施形態を示す説明図であり、（ｃ）は（ｂ）の配線を有する印刷配線板の側断面図であり、（ｄ）は従来の印刷配線板の側断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、本発明の印刷配線板に係る配線のその他の実施形態を示す説明図である。図２（ａ）〜（ｃ）に示す配線の差動ＴＤＲ波形を示すグラフである。図２（ａ）〜（ｃ）に示す配線の透過特性（Sdd21）を示すグラフである。図２（ａ）〜（ｃ）に示す配線の差動群遅延を示すグラフである。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の印刷配線板に係る配線のさらにその他の実施形態を示す説明図である。図６（ａ）〜（ｄ）に示す配線の差動ＴＤＲ波形を示すグラフである。図６（ａ）〜（ｄ）に示す配線の透過特性（Sdd21）を示すグラフである。図６（ａ）〜（ｄ）に示す配線の差動群遅延を示すグラフである。

本発明の印刷配線板に係る配線の一実施形態は、図１（ａ）に示すように、送信側から受信側への差動伝送路で、直線状の配線１とミアンダ配線などにて配線長を調整した配線２とを備える配線部１０を有する。この配線部１０は、デバイスピンからの引き出し部分やビア周囲に形成され、配線１と配線２は、配線部１０において形状が非対称に形成される。この配線１と２のそれぞれの配線長Ｘは１１０ｍｍであり、配線１と２を平行に並べた時の差Ｙは１０ｍｍである。すなわち、配線部１０においては、配線１と２との差Ｙがミアンダ部の長さになり、配線１と２とは等長になる。また、前記配線部１０は、外層配線であり、ソルダーレジストの考慮はしていない。なお、矢印は信号の流れる方向を示している。
配線部１０の配線長を揃える箇所は、送信側であるのが良いが、部品配置やデバイスのピン配列などによっては、受信側で揃えてもよい。

印刷配線板に係る配線の別の実施形態は、図１（ｂ）に示す送信側から受信側への差動伝送路の配線部１０’が、直線状の単線配線３と、単線配線の一方に高さｈのミアンダ部５を形成したミアンダ配線４とからなり、双配線が間隙Ｔを設けて平行配置される単線配線部７を経て差動配線６に接続されている。なお、このとき、単線配線３とミアンダ配線４の配線幅Ｓ、Ｓ’は同一寸法であるのが良い。また、単線配線３とミアンダ配線４には、それぞれ銅配線が用いられるのが好ましい。
前記ミアンダ配線４は、単線配線部７にて単線配線３と配線長を揃えてある。すなわち、単線配線部７において、ミアンダ配線４と単線配線３は等長である。
前記ミアンダ配線４が必要な場合としては、例えば、部品の差動ピンの位置が対称となっていない場合や部品形状や配置位置の制約がある場合などが挙げられる。

単線配線３とミアンダ配線４との配線長を揃えるには、差動結合を弱めて、差動インピーダンスの１／２のシングルエンド配線部（単線配線部７）を作成し、配線長を揃えるのが良い。例えば、図１（ｂ）に示す配線部１０’では、差動配線６の差動インピーダンスが１００Ω、単線配線部７の差動インピーダンスが５０Ωとなっている。
配線長を揃える箇所は、送信側が良いが、部品配置やデバイスのピン配列などによっては難しい場合は、受信側でもよい。

また、単線配線部７における双配線の間隙Ｔは、単線配線３およびミアンダ配線４の幅Ｓ、Ｓ’の３倍以上を確保するのが良い。もし、間隙Ｔが、単線配線３およびミアンダ配線４の幅Ｓ、Ｓ’の３倍未満である場合、単線配線３とミアンダ配線４との結合が強くなり、伝送特性が悪化してしまう。

ミアンダ配線４に設けたミアンダ部５の間隔Ｌは、向かい合う電流i１とi２によって生じる電磁界の影響を最小限に留める間隙を確保するため、ミアンダ配線４の配線幅Ｓ’の４倍以上であるのが好ましい。
なお、ミアンダ配線４の高さｈは、単線配線３とミアンダ配線４との結合にほとんど影響を与えない。例えば、ミアンダ配線４の高さｈはミアンダ配線４の配線幅Ｓ’と同じであってもよい。

次に、配線部を有する印刷配線板（基板）について説明する。図１（ｃ）は図１（ｂ）の配線を有する印刷配線板の側断面図であり、図１（ｄ）は従来の印刷配線板の側断面図である。
配線部１０が載置されるのは、一般的なＦＲ４基材（難燃性エポキシ樹脂含浸ガラス布材）であり、物性値は、比誘電率ｅｒ＝４．４，誘電正接ｔａｎδ＝０．０１３、想定される信号はPCI-Ex(5Gbps),USB3.0(5Gbps)であり、計算周波数は５Ｇｂｐｓ（２．５ＧＨｚ）の信号を想定し、高調波成分を考慮し２０ＧＨｚまでの特性を評価した。なお、図１（ｃ）、（ｄ）にそれぞれ示す印刷配線板は、単線配線同士の間隔と単線配線幅とが異なる以外は同一部材で構成されている。
また、図１（ｃ）、（ｄ）それぞれの配線導体の厚みは５３μｍ、基板（FR4）の層間の厚みは２００μｍである。なお、この基板と配線導体とを任意に積層し印刷配線板としてもよい。

図１（ｃ）に示す印刷配線板は、配線部１０’において単線配線３の幅Ｓおよびミアンダ配線４の幅Ｓ’が共に０．３４ｍｍであり、単線配線３とミアンダ配線４の間隔Ｔが１．０２ｍｍである。よって、単線配線同士の間隔が単線配線幅の３倍となっている。
このとき、前記配線部１０’の差動インピーダンス（Zdiff）は９８．６Ω、特性インピーダンス（Zo）は５０．５Ω、コモンモードインピーダンス（Zcom）は２５．９Ωであった。
すなわち、単線配線３とミアンダ配線４とは、特性インピーダンス（Zo）を５０．５Ωとし、結合によるインピーダンス低下が起きない距離を確保して、差動１００Ω配線を確保している。
また、図１（ｄ）に示す印刷配線板は、単線配線３１の幅Ｐおよびミアンダ配線４１の幅Ｐ’が共に０．１８ｍｍ、単線配線３１とミアンダ配線４１の間隔Ｑが０．１５ｍｍである。よって、単線配線同士の間隔が単線配線幅の０．８３倍となっている。
このとき、差動インピーダンス（Zdiff）は１００．４Ω、特性インピーダンス（Zo）は６５．５Ω、コモンモードインピーダンス（Zcom）は４０．４Ωであった。
すなわち、単線配線３１とミアンダ配線４１とは、特性インピーダンス（Zo）を６５．５Ωと高くすることで、結合によるインピーダンス低下分を考慮して、差動１００Ω配線を確保している。
したがって、図１（ｃ）に示す印刷配線板では、単線配線同士の間隔が単線配線幅の３倍とすることで結合によるインピーダンス低下が起きない距離を確保しているのに対して、図１（ｄ）に示す従来の印刷配線板では、予め接する配線間の高密度化によるインピーダンスの低下分を考慮していることがわかる。図１（ｃ）に示すような本発明に係る印刷配線板においては、このようなインピーダンス低下分を考慮しなくてもよい。

（ミアンダ部の設置箇所の数）
図２（ａ）〜（ｃ）に示す配線１１〜１３は、図１（ｂ）に示す配線１０’と同じように単線配線３’とミアンダ配線４’とが等長になる単線配線部７’を有し、ミアンダ配線４’にミアンダ部５’をそれぞれ１箇所、２箇所、４箇所設けたものである。なお、図１（ｂ）に示す配線１０’と同じ部材の説明は省略する。
また、図２（ａ）に示す配線１１のミアンダ部５’の高さｈは、ミアンダ配線４’が単線配線３’と等長であるため、ミアンダ部５’の設置箇所が増加すると高さｈは減っていく。すなわち、図２（ｂ）に示す配線１２のミアンダ部５’の高さはそれぞれｈ／２、図２（ｃ）に示す配線１３のミアンダ部５’の高さはそれぞれｈ／４となる。

図３は、図２（ａ）〜（ｃ）に示す配線１１〜１３の伝送特性を、差動伝送線路のインピーダンス整合評価として差動ＴＤＲ（Time Domain Reflectometry）の評価をしたグラフである。
この評価は、市販の電磁界シミュレータを使用し、配線基板を伝送するときの差動インピーダンス（Ω）を時間軸（ｎｓ）でシミュレーションを実施した。
差動インピーダンスの変動（上下幅）は、大きいほど信号の伝送品質悪化の原因となるものであり、配線１１は配線１２、１３より伝送品質が良いことを示している。

図４は、図２（ａ）〜（ｃ）に示す配線１１〜１３の電気信号の透過特性（ｓｄｄ２１）のシミュレーション結果を示すグラフである。
図４のグラフの縦軸は、差動モード入力および差動モード出力での減衰量を示し、横軸は周波数を示している。
ｓｄｄ２１特性は０ｄＢに近いほど特性が優れることを表すものであり、配線１１は配線１２、１３より高周波特性に優れることがわかる。

図５は、図２（ａ）〜（ｃ）に示す配線１１〜１３の差動群遅延の要素をシミュレーションした結果を示すグラフである。
図５より、配線１１の方が各周波数間における遅延の変動が少ないことがわかる。

図３〜５より明らかなように、図２（ａ）に示す配線１１が最も伝送品質が良く、ミアンダ部５の設置箇所が増えると、伝送品質が悪化することがわかる。

（ミアンダ部の高さ）
図６（ａ）〜（ｄ）に示す配線１５〜１８は、図１（ｂ）に示す配線１０’ と同じように単線配線３０とミアンダ配線４０とが等長になる単線配線部７０を有し、それぞれ高さ（Ｗ）の異なるミアンダ部５１〜５４をミアンダ配線４０に一箇所ずつ形成したものである。なお、図１（ｂ）に示す配線１０’と同じ部材の説明は省略する。

図６（ａ）〜（ｄ）に示す配線において、ミアンダ部の高さＷは、単線配線３およびミアンダ配線４の幅Ｓ、Ｓ’に等しく、図６（ａ）のミアンダ部５１をＷとした場合、ミアンダ部５２がＷ×３、ミアンダ部５３がＷ×５、ミアンダ部５４がＷ×７となる。

図７は、図６（ａ）〜（ｄ）に示す配線１５〜１８の伝送特性を、差動伝送線路のインピーダンス整合評価として差動ＴＤＲの評価をしたグラフである。
図７によれば、ＴＤＲ波形においては、概ね４Ω程度の変動が生じているが、一般的なインピーダンスコントロール基板では±１０％程度を許容範囲としている為、問題ない範囲である。
この図７における評価を、ミアンダ部を複数箇所設けた場合の解析結果（図３）と比較した場合、ミアンダ部の数が増加すると、インピーダンスの変動が、目標としているインピーダンスから乖離していく傾向が図３からは見られ、ミアンダ部の数とインピーダンス値を考慮する必要がある。しかしながら、ミアンダ部の高さを変えたことによるインピーダンス変動の傾向は図７からは見られず、意図したインピーダンスを確保することが容易になることがわかる。

図８は、図６（ａ）〜（ｄ）に示す配線１５〜１８の電気信号の透過特性（ｓｄｄ２１）のシミュレーション結果を示すグラフである。
図８によれば、ミアンダ部の高さによる透過特性の変動は軽微となっている。すなわち、ミアンダ部の高さは、ミアンダ部の設置箇所の数（図４）よりも透過特性に影響しないことがわかる。

図９は、図６（ａ）〜（ｄ）に示す配線１５〜１８の差動群遅延の要素をシミュレーションした結果を示すグラフである。
図９によれば、各周波数間における急激な遅延変動は、概ね抑えられている結果となっている。また、ミアンダ部を増やした場合の結果（図５）と比較しても、ミアンダ部の高さによる影響の差異は少ないことがわかる。

以上、図３〜５と図７〜９に示すグラフから、ミアンダ配線におけるミアンダ部の数が増加すると、損失（伝送特性の悪化）が増加し、また、ミアンダ部の高さは可能な限り大きくしても、伝送特性への影響は軽微であることがわかる。
したがって、配線のミアンダ部は１箇所とし、ミアンダ部の高さにて配線長を揃える方が、配線の伝送特性に影響が無く、有効であることがわかる。

１配線
２配線
３、３’、３０、３１単線配線
４、４’、４０、４１ミアンダ配線
５、５’、５１、５２、５３、５４ミアンダ部
６差動配線
７、７’、７０単線配線部
１０，１０’ 配線部
１１，１２，１３配線
１５，１６，１７，１８配線

Claims

近接する双配線を平行配置する差動配線を備えた印刷配線板において、前記差動配線に接続する２本の単線配線部における単線配線同士の間隙が、単線配線幅の３倍以上である印刷配線板。
前記単線配線部の一方の単線配線のみに、ミアンダ部を形成した請求項１に記載の印刷配線板。
前記ミアンダ部の高さ方向の間隙が、単線配線幅の４倍以上である請求項２に記載の印刷配線板。
前記ミアンダ部を形成した単線配線が、単線配線部間にて、他方の単線配線と配線長を揃えた等長配線である請求項２または３に記載の印刷配線板。