JP2020155520A

JP2020155520A - スルーホールビアおよび回路基板

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Publication number: JP2020155520A
Application number: JP2019051030A
Authority: JP
Inventors: 卓哉中村; Takuya Nakamura
Original assignee: NEC Platforms Ltd
Current assignee: NEC Platforms Ltd
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2020-09-24
Anticipated expiration: 2039-03-19
Also published as: JP6744034B1; US11778742B2; WO2020189610A1; US20220159835A1

Abstract

【課題】回路基板のスタブによるノイズを減少させる。【解決手段】回路基板１は、絶縁層の表面に導体パターン２を形成した配線層を複数備える。この回路基板１には、厚さ方向に貫通するスルーホールビア３が形成され、このスルーホールビア３は、貫通孔１ａ内に配置され、導体により形成された第１の貫通導体３ａと、この第１の貫通導体３ａとの間に間隔をおいて、配置された第２の貫通導体３ｂと、第１の貫通導体３ａを一の絶縁層（図１では上面の層）の導体パターン２に接続する第１のランド部３ｃと、第１の貫通導体３ａと第２の貫通導体３ｂとを一の絶縁層以外の層で接続する第２のランド部３ｄとを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、スルーホールビアおよび回路基板に関する。

導体回路パターンを複数層にわたって備えた、いわゆる多層プリント基板においては、一の層の回路パターンと他の層の回路パターンとの間での信号配線の配線層乗り換えを、スルーホールビア、すなわち、多数の配線層を貫通して配置された棒状（あるいは筒状）の導体を介して行うことがある。
この配線層乗り換えの際、回路パターンに接続されていて、スルーホールビアの信号伝送路となる以外の経路に存在する導体はスタブとなり、信号伝送の劣化要因となる。
このスタブは、長くなるほど信号劣化への影響が大きくなるため、スタブが短くなるように信号配線層を調整する。または、スタブが長くなった場合は、スタブとなる箇所を後に別途の工程において、バックドリル工法等の機械加工により除去し、できるだけスタブを短くすることが行われている。
このスタブへの対策に関連する技術として、特許文献１、２、３に記載されたものがある。

特許文献１は、スルーホールの一部を例えばバックドリルと呼ばれる機械加工処理によって除去することにより、スタブに起因する寄生容量の削減を図る技術を提案するものである。図６は、特許文献１に関連するバックドリルによる機械加工処理の例を模式化して示すものである。
多層基板１の表面には、回路導体２が設けられている。この回路導体２は、連続した円筒状のスルーホールビア３の上面の環状のランドに接続されている。前記スルーホールビア３は、複数の回路基板層４を有する多層基板１を厚さ方向に貫通する貫通孔を穿孔し、その内側に導体によって形成されている。また、この多層基板１にあっては、前記回路導体２と反対側、すなわち、図６の下面からドリル等の工具で切削してスルーホールビア３の一部を多層基板１とともに除去することにより、バックドリル穴５を形成する処理、すなわち、スルーホールビア３を構成する導体の面積を削減して、スタブを最小限とする処理がなされている。

すなわち、前記バックドリル穴５が形成されることにより、多層基板１の回路導体２によって、図６に矢印ａで示すような信号経路が形成されることとなり、前記バックドリル穴５によって信号経路と無関係な導体が取り除かれることにより、スタブの範囲が矢印ｂに示す範囲に短縮されている。

特開２０１３−１４３４６１号公報特開２０１４−２２９８６５号公報特開２０１６―１８１６２３号公報

しかしながら、図６に示すようなバックドリル加工によりスタブを取り除く加工は、スタブを短く抑えることができるももの、基板へスルーホールを形成するための機械加工工程や、スルーホール内に導体を設けるための、マスキングやめっき等の工程とは別に、バックドリルを用いた機械加工の工程を必要とするという問題がある。
また、バックドリル加工によって、スルーホールビア３より大きな径の孔（バックドリル穴５）が形成されるため、多層基板１の実装可能面積を減少させることとなり、多層基板への実装レイアウト計画に際し、あるいは導体パターンの設計に際し、バックドリル加工が施される個所を迂回する等の配慮が必要となる。すなわち、多層基板の実装レイアウトの自由度が制限され、さらには、多層基板の実装密度の高度化の妨げとなるという課題がある。

また特許文献２に記載されたスタブ処理の技術は、スルーホールの端部を電気伝導体で塞ぐものであるが、この電気伝導体を設ける工程を製造工程にさらに追加すること必要となる。

また特許文献３に記載されたスタブ処理の技術は、単にスルーホールの導体を分割したに過ぎず、複数層の導体パターンが重ねられたいわゆる多層基板にいかに適用するかについての具体的構成は、未だ開発されていない。

本発明は、従来のスタブの低減方法である配線層の調整やバックドリル工法とは異なり、信号伝送経路を変更するスルーホールビアの加工により、複数層構成の基板における信号劣化の原因となるスタブ低減方法を提案する。

上記課題を解決するために、本発明のスルーホールビアは、絶縁層の表面に導体パターンを形成した配線層を複数備えた回路基板を厚さ方向に貫通するスルーホールビアであって、前記回路基板を貫通する孔内に配置され導体により形成された第１の貫通導体とこの第１の貫通導体との間に前記孔の円周方向に間隔をおいて、前記孔内に配置された第２の貫通導体と、前記第１の貫通導体を一の絶縁層の導体パターンに接続する第１のランド部と、前記第１の貫通導体と第２の貫通導体とを前記一の絶縁層とは異なる他の絶縁層で接続する第２のランド部とを有する。

本発明によれば、複数層基板の実装レイアウトや導体パターンの設計変更を最小限にしつつ、ビア長を短くすることができる。

本発明の最小構成を示すもので、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は下面図である。比較例として、本発明の第１実施形態を採用されていたスリットが設けられていないスルーホールビアを示すもので、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は下面図、（ｄ）はスルーホールビア部のみの斜視図である。本発明の第１実施形態を示すもので、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は下面図、（ｄ）はスルーホールビア部のみの斜視図である。本発明の第２実施形態を示すもので、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は下面図、（ｄ）はスルーホールビア部のみの斜視図である。本発明の第３実施形態を示すもので、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は下面図、（ｄ）はスルーホールビア部のみの斜視図である。本願に関連するバックドリルによる穴形成を示すもので、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は下面図、（ｄ）はスルーホールビア部、バックドリル部のみの斜視図である。

本発明の最小構成にかかるスルーホールビアを図１により説明する。
回路基板１は、絶縁層の表面に導体パターン２を形成した配線層を複数備える。この回路基板１には、厚さ方向に貫通するスルーホールビア３が形成されている。
このスルーホールビア３は、前記回路基板１を貫通する貫通孔１ａ内に配置され、導体により形成された第１の貫通導体３ａと、この第１の貫通導体３ａとの間に間隔をおいて、前記貫通孔１ａ内に配置された第２の貫通導体３ｂと、前記第１の貫通導体３ａを一の絶縁層（図１では上面の層）の導体パターン２に接続する第１のランド部３ｃと、前記第１の貫通導体３ａと第２の貫通導体３ｂとを前記一の絶縁層以外であって、信号接続の無い他の絶縁層（図１では下面の層）で接続する第２のランド部３ｄとを有する。

上記構成のスルーホールビア３は、第１の貫通導体３ａから分離している第２の貫通導体３ｂが回路基板１の下面で第２のランド部３ｄによって電気的に接続されているため、第２の貫通導体３ｂがいわゆるスタブとしてノイズの原因となるリスクが小さくなる。また、スルーホールビア３は、通常のスルーホールビアと同径の貫通孔１ａ内に設けることができ、回路基板の実装計画や、導体パターン設計の制約となることが少ない。

図２、図３により本発明の第１実施形態を説明する。なお、図中図１と共通の構成には同一符号を付し、説明を簡略化する。
図２は本発明の構造を適用する前のスルーホールビアを比較例として示すものである。
多数層で構成された回路基板１は、絶縁層の表面に導体パターン２を形成した配線層を複数備える。内部の回路基板層を符号４，内部の導体パターンを符号２Ａ、２Ｂ、２Ｃで示す。この回路基板１には、厚さ方向に貫通するスルーホールビア３が形成されている。図２では、スルーホールビア３の全体が一体の電気伝導体、例えば銅により形成されている。また上面のランド１３には、図２（ａ）に示すように、導体パターン２が接続され、下面のランド１３には、図２（ｃ）に示すように、導体パターン２が接続されていない。またスルーホールビア３の中間部分には、内部の回路層の導体パターン２Ａが接続されている。

このような接続とされた結果、比較例にあっては、図２（ｂ）あるいは（ｄ）に矢印ａで示す信号伝送経路が形成され、上面の導体パターン２から導体パターン２Ａに到る矢印ａで示す信号伝送経路より下部のスルーホールビア３において、図中矢印ｂで示す範囲がスタブとなっている。

図３は第１実施形態を示すものである。
このスルーホールビア３は、前記回路基板１を貫通する貫通孔１ａ内に配置され、導体により形成された第１の貫通導体３ａと、この第１の貫通導体３ａとの間に貫通孔１ａの円周方向へ相互に間隔をおいて、前記貫通孔１ａ内に配置された第２の貫通導体３ｂと、前記第１の貫通導体３ａを一の絶縁層（図１では上面の層）の導体パターン２に接続する第１のランド部３ｃと、前記第１の貫通導体３ａと第２の貫通導体３ｂとを前記一の絶縁層以外であって、信号接続の無い他の絶縁層（図３（ｃ）に示すように下面の層）で接続する、環状の第２のランド部３ｄとを有する。

前記第１の貫通導体３ａと第２の貫通導体３ｂとは、例えば、一体の筒状に形成された導体層に回路基板１の厚さ方向へのスリットを形成することによって互いに分離することにより、容易に形成することができる。また第１のランド部３ｃ、第２のランド部３ｄは、導体パターン２、あるいはスルーホールビア３を形成するめっき、トリミング等の加工に際して、これらと一体に形成することができる。

なお、図３において点描により影を付して示す領域（符号Ｇを付す）は、第１の貫通導体３ａと第２の貫通導体３ｂとの間に設けられた間隙を示すものであって、実際には導体、絶縁体等が存在しない空間である。図３（ａ）の上面図に示すように、０時位置の前後の範囲、６時位置の前後の範囲が間隙Ｇとなっていて、第１の貫通導体３ａと第２の貫通導体３ｂとを絶縁している。

上記構成の回路基板にあっては、図３に矢印ａで示すように、導体パターン２から、第１の貫通導体３ａ〜第２のランド部３ｄ〜第２の貫通導体３ｂ〜導体パターン２Ａに到る信号伝送経路が形成され、導体パターン２Ａより上側の第２の貫通導体３ｂの矢印ｂで示す範囲がスタブとなる。

図３に示す第１実施形態にあっては、矢印ｂで示す範囲がスタブとなり、図２に示す比較例の場合よりスタブとなる長さが狭くなり、スタブの長さ（面積）の大きさに依存して発生する寄生容量の増加に起因する、多層回路基板の電気的特性への悪影響を小さくすることができる。

図４は第２実施形態を示すものである。
このスルーホールビア３は、前記第１実施形態と同様、第１の貫通導体３ａと、この第１の貫通導体３ａとの間に間隔をおいて、前記貫通孔１ａ内に配置された第２の貫通導体３ｂと、前記第１の貫通導体３ａを一の絶縁層の導体パターン２に接続する第１のランド部３ｃと、第２のランド部３ｄとを有する。なお図４において点描により影を付して示す領域（符号Ｇを付す）は、第１の貫通導体３ａと第２の貫通導体３ｂとの間に設けられた間隙であって、図４（ａ）の上面図に示すように、０時〜２時の位置の前後、６時〜８時の位置の前後が間隙Ｇとなっていて、第１の貫通導体３ａと第２の貫通導体３ｂとを絶縁している。

上記第２実施形態にあっても、図４に矢印ａで示すように、導体パターン２から、第１の貫通導体３ａ〜第２のランド部３ｄ〜第２の貫通導体３ｂ〜導体パターン２Ａに到る信号伝送経路が形成され、導体パターン２Ａより上側の第２の貫通導体３ｂの矢印ｂで示す範囲がスタブとなる。したがって、矢印ｂで示す範囲がスタブとなり、図２に示す比較例の場合よりスタブとなる範囲が狭くなり、多層回路基板の電気的特性への悪影響を小さくすることができる。

図５は第３実施形態を示すものである。
このスルーホールビア３は、前記第１実施形態、第２実施形態と同様、第１の貫通導体３ａと、この第１の貫通導体３ａとの間に間隔をおいて、前記貫通孔１ａ内に配置された第２の貫通導体３ｂと、前記第１の貫通導体３ａを一の絶縁層の導体パターン２に接続する第１のランド部３ｃと、第２のランド部３ｄとを有する。なお図５において点描により影を付して示す領域（符号Ｇを付す）は、第１の貫通導体３ａと第２の貫通導体３ｂとの間に設けられた間隙であって、図５（ｃ）の下面図に示すように、０時前後の範囲、６時前後の範囲が間隙Ｇとなっていて、第１の貫通導体３ａと第２の貫通導体３ｂとを絶縁している。
なお第３実施形態にあっては、第２の貫通導体３ｂに接続された導体パターン２Ａが回路基板１の下面寄りの位置に配置されていることから、第２のランド部３ｄを回路基板１の上面、すなわち、導体パターン２Ａから遠い側で第１のランド部３ｃに接続する構成とすることによって、スタブｂを短くするよう配慮されている。

上記第３実施形態にあっても、図５に矢印ａで示すように、下面の導体パターン２から、第１の貫通導体３ａ〜第２のランド部３ｄ〜第２の貫通導体３ｂ〜導体パターン２Ａに到る信号伝送経路が形成され、導体パターン２Ａより下側の第２の貫通導体３ｂの矢印ｂで示す範囲がスタブとなる。したがって、矢印ｂで示す範囲がスタブとなり、図２に示す比較例の場合よりスタブとなる範囲が狭くなり、多層回路基板の電気的特性への悪影響を小さくすることができる。

上記第１〜第３実施形態にあっては、上面、下面のいずれか一方に第１のランド部を設け、いずれか他方に第２のランド部を設けたが、多層構成とされた回路基板の中間層に第１のランド部、第２のランド部のいずれか、あるいは両方を設けるようにしても良い。すなわち、層毎の電気的特性の相違、ありは、層毎を流れる信号の周波数の相違等を好著して、スタブの影響を受け易い回路層がいずれであるかに応じて、第１のランド部、第２のランド部の位置、数、あるいは、スルーホールビアの数、配置を決定すべきものである。

以上、第１〜第３実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明は、導体パターンの回路を複数層にわたって備えた回路基板に利用することができる。

１回路基板（多層基板）
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ導体パターン（回路導体）
３スルーホールビア
３ａ第１の貫通導体
３ｂ第２の貫通導体
３ｃ第１のランド部
３ｄ第２のランド部
４回路基板層
１３ランド

Claims

絶縁層の表面に導体パターンを形成した配線層を複数備えた回路基板を厚さ方向に貫通するスルーホールビアであって、
前記回路基板を貫通する孔内に配置され、導体により形成された第１の貫通導体と、
この第１の貫通導体との間に前記孔の円周方向に間隔をおいて、前記孔内に配置された第２の貫通導体と、
前記第１の貫通導体を一の絶縁層の導体パターンに接続する第１のランド部と、
前記第１の貫通導体と第２の貫通導体とを前記一の絶縁層とは異なる他の絶縁層で接続する第２のランド部と、
を有するスルーホールビア。
前記第２のランド部は、信号が流れる導体パターンが形成されていない他の絶縁層で前記第１の貫通導体と第２の貫通導体とを互いに接続する、
請求項１に記載のスルーホールビア。
前記第２のランド部は、前記第１の貫通導体と第２の貫通導体との間に前記孔の周囲を囲んで設けられてこれらを互いに接続する環状の導体パターンである、請求項１または２のいずれか１項に記載のスルーホールビア。
前記第１のランド部は、前記第１の貫通導体と第２の貫通導体との間に前記孔の周囲を囲んで設けられてこれらを互いに接続する環状の導体パターンを環状の導体の一部を切り欠くことによって互いに分離して形成された、請求項１〜３のいずれか１項に記載のスルーホールビア。
前記第１のランド部は前記回路基板の上下いずれか一方の面に設けられ、前記第２のランド部は、前記回路基板の上下いずれか他方の面に設けられた、請求項１〜４のいずれか１項に記載のスルーホールビア。
前記第２のランド部は、前記第２の貫通導体が接続される一の導体パターンが形成された絶縁層から遠い他の絶縁層で前記第１の貫通導体と第２の貫通導体とを接続する請求項１〜５のいずれか１項に記載のスルーホールビア。
請求項１〜６のいずれか１項に記載のスルーホールビアと、複数層の導体パターンとを有する回路基板。