JP3455498B2 - プリント基板および情報処理装置 - Google Patents

プリント基板および情報処理装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はプリント基板および
情報処理装置に関し、特に厳密なインピーダンス整合が
必要とされる高速信号インターフェースの実現に好適な
プリント基板およびそれを用いた情報処理装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】近年、パーソナルコンピュータなどのコ
ンピュータシステムにおいては、システム性能の向上を
図るために、CPUおよびメモリ速度の改善が進められ
ている。主記憶として使用されるメモリデバイスは、D
RAMからEDOモード付きDRAM、シンクロナスD
RAMへと移行し、また最近では、ラムバス社のRam
busDRAMなどの高速メモリデバイスが使用され始
めている。CPUのクロックについても、数百MHz程
度のものから最近では1GHzを越えるものの開発され
始めている。
【0003】このようなデバイスの高速化技術に伴い、
システム基板上でのサイクルタイムも年々高速化されお
り、高速バスの設計が必要とされつつある。このような
高速バスを使用する場合には、信号の反射等による不具
合を防止するために、厳密なインピーダンス整合を図る
ことが要求される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】高速信号を伝搬する場
合、信号線路の反射の影響を極力抑えるため終端に抵抗
をつけ反射を押さえる方法が良く用いられる。図18
は、プロセッサバス等に使用されるGTL(Gunni
ng Transceiver Logic)と呼ばれ
る高速バスインターフェースを模式的に示したものであ
る。信号線路14には、図示のように、ドライバ11、
終端抵抗12、およびレシーバ13が接続されている。
ドライバ回路11はオープンドレイン出力であり、信号
線路14とGNDとの間をオン・オフする。終端抵抗1
2はインピーダンスマッチングのために設けられた負荷
であり、電源端子に接続される。信号線路14のインピ
ーダンスZoと終端抵抗12の値を一致させることによ
り、反射が発生を防ぐことができ、歪みのない信号を伝
送することができる。図18の等価回路を図19に示
す。図19から分かるように、信号線路14は終端抵抗
12を介して給電されることになる。
【0005】終端抵抗12は電源端子に接続されるが、
その電源端子とグランド(GND)とのインピーダンス
が0であれば、理論通り反射のない波形になる。しかし
ながら実際のプリント基板では電源端子とGNDとの間
のインピーダンスは0とはならず、電源端子とGNDと
の間にいくらかのインピーダンスを持つ。このインピー
ダンスは、具体的には、プリント基板の配線層に電源端
子として設けられる電源プレーンと、その電源プレーン
を下層のグランド層に接続するためのスルーホール(接
地ビア)とによってもたらさせるものである。
【0006】つまり図20に示す通り、実際の終端抵抗
12の値は、終端抵抗12そのものの値と、電源とGN
Dとの間のインピーダンスとの和となる。よって、信号
線路14のインピーダンスと同じ例えば50オームの終
端抵抗12を信号線路14に接続しても、厳密なインピ
ーダンス整合を行うことは難しい。
【0007】電源プレーンのインピーダンスを下げるた
め手法としては、電源プレーンにパスコン(デカップリ
ングコンデンサ)をつけることが一般的である。しか
し、通常使われるセラミックコンデンサでは、そのコン
デンサの特性上、1GHzを越える周波数帯域において
は十分なインピーダンスの低下を期待することはできな
い。
【0008】本発明は上述の事情に鑑みてなされたもの
であり、基板構造を工夫することにより厳密なインピー
ダンス整合を行うことが可能なプリント基板およびそれ
を用いた情報処理装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明のプリント基板は、グランド層上に形成され
た絶縁層であって、配線層が形成される第1および第2
の領域を有する絶縁層と、前記絶縁層上の前記第1領域
上に形成された信号線パターンと、前記絶縁層の前記第
2領域上に形成され、前記信号線パターンに終端抵抗を
介して接続される電源プレーンとを具備し、前記絶縁層
の前記第2領域上には、プリント基板にマーキングを施
すために用いられるマーキング塗料から構成される誘電
物質が前記電源プレーンを覆うように設けられている
とを特徴とする。
【0010】このように、絶縁層の前記第2領域上に、
プリント基板にマーキングを施すために用いられるマー
キング塗料から構成される誘電物質を前記電源プレーン
を覆うように設けることにより、電源プレーンのインピ
ーダンスの低下を図ることができ、終端抵抗のインピー
ダンスを容易に信号線路のインピーダンスに合わせるこ
とが可能となる。よって、厳密なインピーダンス整合を
行うことが可能となる。またマーキング塗料は部品の型
番などをプリント基板上に記すためのものであるが、比
誘電率は約3程度あるので、これを電源プレーンを覆う
誘電物質として利用することにより、特別な材料を用意
することなく容易に第2領域に形成された電源プレーン
のインピーダンスを下げることができる。
【0011】
【0012】
【0013】また、前記第2領域下の前記グランド層の
厚みが他の領域よりも厚くなるように、前記電源プレー
ン下の前記グランド層上に導電部材を設けて第2領域の
絶縁層を薄くしたり、第2領域下の前記絶縁層の厚みが
他の領域よりも薄くなるように、前記電源プレーンの下
部周辺の前記グランド層にスリットを設けても良い。こ
れらの基板構造により、電源プレーンとグランド層との
間の距離を縮めることができるので、電源プレーンのイ
ンピーダンスを下げることができる。
【0014】
【0015】
【0016】
【0017】
【0018】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を説明する。まず、図1および図2を参照して、
本発明の一実施形態に係るプリント基板の基本構造につ
いて説明する。このプリント基板(プリント配線基板、
またはプリント回路基板)は厳密なインピーダンス制御
が必要な高速信号伝送を伴う電子回路の実装に用いられ
るものであり、例えばコンピュータのシステムボード
や、携帯電話などの無線端末用のRF回路の実装等に利
用される。以下では、高速信号伝送に好適なマイクロス
トリップライン構造を例にとって、プリント基板の構造
を説明する。
【0019】図1は、高速信号線路として使用される高
速信号用の配線パターン(以下、高速信号パターンと称
する)21に接続される終端抵抗22および電源プレー
ン23を上から見た図であり、図2は図1を右側の矢印
の方向から見た断面図である。
【0020】絶縁基板からなる芯材(コア)上には、銅
箔のベタ層からなるリファレンスグランド層(リファレ
ンスGND層)27が形成されている。このリファレン
スGND層27上には、絶縁層26が形成されている。
さらに絶縁層26上には信号配線を形成するための配線
層が形成されている。この配線層には、高速信号パター
ン21、および電源プレーン23が設けられている。
【0021】電源プレーン23は、終端抵抗22を介し
て高速信号パターン21に給電を行うための電源端子で
あり、デカップリングコンデンサ(パスコン)24を介
してスルーホール25に接続されている。スルーホール
25は、絶縁層26を貫通するように設けられた接地ビ
アであり、デカップリングコンデンサ(パスコン)24
を介して電源プレーン23をリファレンスGND層27
に接続する。
【0022】本実施形態においては、電源プレーン23
のインピーダンスを下げる方法として、プリント基板に
以下の構造を設けることを特徴としている。
【0023】・電源プレーン23部の上部にマーキング
を塗布し、インピーダンスを下げる ・電源プレーン23下のリファレンスGND層27の厚
みを、他の部分に比べ厚くすることにより電源プレーン
23とリファレンスGND層27との距離を縮めインピ
ーダンスを下げる ・電源プレーン23の下部周辺のリファレンスGND層
27にスリットを入れ、その部分に絶縁層26を流し込
み絶縁層26を他の部分より薄くすることによりインピ
ーダンスを下げる ・電源プレーン23とリファレンスGND層27の間の
絶縁層26を、より比誘電率Erの高いものに変えイン
ピーダンスを下げる ・多層基板の場合、電源プレーン23とリファレンスG
ND層27を交互に複数配置する 以下、これら構造について具体的に説明する。
【0024】(第1実施形態)次に、図3乃至図5を参
照して、本発明の第1実施形態について説明する。図3
は、高速信号パターン21に接続される終端抵抗22お
よび電源プレーン23を上から見た図であり、図4は図
3を右側の矢印の方向から見た断面図、そして図5は図
3を右側の矢印と直交する方向から見た断面図である。
【0025】絶縁層26上に形成された電源プレーン2
3上には、それを覆うようにマーキング塗料31が塗布
されている。マーキング塗料31は、プリント基板の最
終製造工程(部品実装前)でそのプリント基板上に部品
の型番などを記すために用いられるものであり、その比
誘電率は約3程度と比較的高い。電源プレーン23は高
速信号パターン21と同様にマイクロストリップライン
構造を有している。マイクロストリップラインでは、絶
縁層26の比誘電率が高いほどインピーダンスが下が
り、また絶縁層26との接触面積が大きいほどインピー
ダンスが下がることが知られている。
【0026】よって、比誘電率の高いマーキング塗料3
1で電源プレーン23を覆うことにより、電源プレーン
23のより広い面積を絶縁層26に接触させることが可
能となるので、電源プレーン23のインピーダンスを低
下することが可能となる。
【0027】このように、図1、図2で説明した基板構
造に、電源プレーン23をマーキング塗料31で覆うと
いう構成を追加するだけで、電源プレーン23のインピ
ーダンスを低下させることができる。したがって、容易
に、信号の反射による影響をより少なくすることが可能
となる。
【0028】(第2実施形態)次に、図6乃至図8を参
照して、本発明の第2実施形態について説明する。図6
は、高速信号パターン21に接続される終端抵抗22お
よび電源プレーン23を上から見た図であり、図7は図
6を右側の矢印の方向から見た断面図である。
【0029】電源プレーン23の下部周辺のリファレン
スGND層27には、スリット51が図示のように設け
られている。電源プレーン23とリファレンスGND層
27間の絶縁層26には通常プリプレグ(prepre
g)と呼ばれる材料がよく用いられる。この材料は製造
過程において流動性があり、コアとプリプレグとを重ね
合わせプレスして多層基板製造する際、プリプレグはリ
ファレンスGND層27にあけられたスリット51に流
れ込む。このスリット51は電源プレーン23の下部も
しくは周囲にあるため、プリプレグがスリット51に流
れ込んだ分電源プレーン23の下部の絶縁層26の厚み
は、高速信号パターン21が形成される領域の部分より
も薄くなる。この結果、電源プレーン23とリファレン
スGND層27の距離が縮まり電源プレーン23のイン
ピーダンスを下げることができる。また、高速信号パタ
ーン21が形成される領域については影響を与えないの
で、高速信号パターン21の信号線路については必要な
所望のインピーダンス(例えば50オーム)を得ること
ができる。
【0030】図8は、本第2実施形態に前述の第1実施
形態の構造を適用した場合の例であり、図示のように、
電源プレーン23をマーキング塗料31で覆うことによ
り、電源プレーン23のインピーダンスをさらに下げる
ことができる。
【0031】(第3実施形態)図9には、本発明の第3
実施形態に係るプリント基板の断面構造が示されてい
る。本第3実施形態においては、絶縁層26の材質が電
源プレーン23直下の領域のみ異なっており、他の部分
よりも比誘電率が高く設定されている。すなわち、絶縁
層26は比誘電率が異なる2種類の材料を用いて実現さ
れており、電源プレーン23直下の絶縁層61として用
いられる材料は、他の部分の絶縁層26の材料よりも比
誘電率の高いものが用いられている。これは、例えばシ
ート状の絶縁層26に切り欠きを設けておき、その絶縁
層26を積層した後に、その切り欠き部に絶縁層61の
部材を埋め込むことによって実現することができる。
【0032】電源プレーン23のインピーダンスは、リ
ファレンスGND層27との間にある絶縁材の比誘電率
に影響を受け、比誘電率が高ければ高いほどインピーダ
ンスは低くなる。よって、図9の基板構造により、他の
部分に影響を与えることなく、電源プレーン23のイン
ピーダンスを下げることができる。
【0033】図10は、本第3実施形態に前述の第1実
施形態の構造を適用した場合の例であり、図示のよう
に、電源プレーン23をマーキング塗料31で覆うこと
により、電源プレーン23のインピーダンスをさらに下
げることができる。
【0034】(第4実施形態)図11には、本発明の第
4実施形態に係るプリント基板の断面構造が示されてい
る。本第4実施形態においては、電源プレーン23下の
絶縁層26の厚みが他の領域よりも薄くなるように、電
源プレーン23下のリファレンスGND層27上に導電
部材62が設けられている。導電部材62は、電源プレ
ーン23下部のリファレンスGND層27に局所的なメ
ッキを施すことにより実現できる。これにより、リファ
レンスGND層27の厚みを、電源プレーン23下での
み増すことができる。
【0035】電源プレーン23のインピーダンスは、リ
ファレンスGND層27との距離が短ければ短いほど下
がることが知られている。よって、図11の基板構造に
より、他の部分に影響を与えることなく、電源プレーン
23のインピーダンスを下げることができる。
【0036】図12は、本第4実施形態に前述の第1実
施形態の構造を適用した場合の例であり、図示のよう
に、電源プレーン23をマーキング塗料31で覆うこと
により、電源プレーン23のインピーダンスをさらに下
げることができる。
【0037】(第5実施形態)図13には、本発明の第
5実施形態に係るプリント基板の断面構造が示されてい
る。本第5実施形態は多層プリント基板に適用したもの
であり、コア上には、リファレンスGND層27と電源
プレーン23とが絶縁層26を介して交互に3層ずつ積
層されている。3つのリファレンスGND層27は図示
のようにスルーホール25a,25bの2つのスルーホ
ールによって互いに接続されている。2つのスルーホー
ル25a,25bを用いているのは、リファレンスGN
D層27間を接続する配線幅を太くするためである。ス
ルーホール25aは上述の第1乃至第4実施形態におけ
るスルーホール25に対応するものであり、その上端は
コンデンサ24に接続されている。3つの電源プレーン
23は図示のようにスルーホール71a,71bの2つ
のスルーホールによって互いに接続されている。2つの
スルーホール71a,71bを用いているのは、電源プ
レーン23間を接続する配線幅を太くするためである。
【0038】電源プレーン23とリファレンスGND層
27(GNDパターンも含む)の位置は縦方向に重なる
ように設定されているため、絶縁層26とそれを挟む電
源プレーン23およびリファレンスGND層27とによ
って1つのコンデンサが構成される。よって、図13の
基板構造においては、図14に示すように5つのコンデ
ンサが実現されていることになる。図14においてVは
電源プレーン23の電源電位、Gは接地電位である。よ
って、図14の等価回路を考えると、図15のように5
つのコンデンサが並列に接続された構成となる。このよ
うなコンデンサの並列接続により、配線層の電源プレー
ン23とリファレンスGND層27との間に存在する誘
電率は高められる。よって、電源プレーン23のインピ
ーダンスを下げることが可能となる。なお、並列接続さ
れるコンデンサの数は2つ以上であればよい。
【0039】図16は、本第5実施形態に前述の第1実
施形態の構造を適用した場合の例であり、図示のよう
に、配線層の電源プレーン23をマーキング塗料31で
覆うことにより、電源プレーン23のインピーダンスを
さらに下げることができる。
【0040】以上説明した各実施形態の基板構造は、信
号反射の防止のために終端抵抗を利用した様々な電子機
器に適用することができ、携帯電話、コンピュータ等に
おいて十分にノイズの少ない高速信号インターフェース
を実現することができる。
【0041】なお、以上の各実施形態では、マイクロス
トリップライン構造についてのみ説明したが、第2乃至
第5実施形態の構造は、配線層を内層側に設けるストリ
ップライン構造にも同様にして適用することができる。
さらに、マーキング塗料31の代わりに、他の絶縁物質
(誘電物質)を用いてもよい。また、各実施形態は適宜
組み合わせて用いることができる。
【0042】またさらに、配線層の電源プレーン23は
コンデンサ24と共に給電部を構成するものであが、給
電部の回路としては、コンデンサ24の代わりに、他の
様々な電子部品を利用することもできる。
【0043】(情報処理装置)図17には、上記各実施
形態のプリント基板をシステムボードとして用いた情報
処理装置の一例として、コンピュータシステムの構成が
示されている。このコンピュータシステムはラップトッ
プタイプまたはノートブックタイプ等のパーソナルコン
ピュータ(PC)であり、そのシステムボード上に実装
された各種電子部品から構成されている。
【0044】すなわち、本コンピュータシステムのシス
テムボード上には、CPUバス(プロセッサバス)1、
PCIバス2、ISAバス3、メモリバス4、CPU1
11、ホスト−PCIブリッジ112、主メモリ11
4、PCI−ISAブリッジ117、他の各種PCIデ
バイス118、およびBIOS−ROM119などが実
装されている。
【0045】CPU111は本システム全体の動作を制
御するためのものであり、システムBIOSおよびオペ
レーティングシステムを初め、各種アプリケーションプ
ログラムを実行する。ホスト−PCIブリッジ112
は、CPUバス1とPCIバス2を双方向で接続するバ
スブリッジ装置であり、ここにはシステム回路基板上に
実装された主メモリ114をアクセス制御するためのメ
モリコントローラ113が内蔵されている。メモリコン
トローラ113は図示のようにメモリバスライン4を介
して内部メモリ114およびメモリ拡張スロット115
に接続されている。
【0046】主メモリ114としては、ラムバス規格の
Rambusメモリなどの高速半導体メモリデバイスが
使用される。システムボード上には高速半導体メモリデ
バイスのチップを実装するための複数のメモリ実装エリ
アが設けられており、最大でメモリ実装エリアの数だけ
メモリデバイスを実装することができる。メモリデバイ
スの実装個数は、本コンピュータシステムの製品モデル
などに合わせて決定される。メモリバスライン4は前述
の高速信号パターン21によって実現されている。
【0047】PCI−ISAブリッジ117は、PCI
バス2とISAバス3を双方向で接続するブリッジ装置
であり、ホスト−PCIブリッジ112と共に、本コン
ピュータシステムの周辺チップセットとして機能する。
【0048】BIOS−ROM119には、システムB
IOS(Basic I/O System)が格納されてい
る。システムBIOSは、本コンピュータシステムのハ
ードウェア制御のための機能を体系化したものであり、
システムの電源オン/オフ制御、およびシステム起動処
理などを実行する。
【0049】またCPUバス1についても、前述の高速
信号パターン21を適用することができる。
【0050】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
基板構造を工夫することにより電源とGNDとの間のイ
ンピーダンスを小さくできるようになり、厳密なインピ
ーダンス整合をとることが可能となる。よって、信号反
射の防止のために終端抵抗を利用した様々な電子機器に
おいて、十分にノイズの少ない高速信号インターフェー
スを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係るプリント基板の基本
構造を説明するための平面図。
【図2】図1のプリント基板の断面図。
【図3】本発明の第1実施形態に係るプリント基板の構
造を示す平面図。
【図4】図3のプリント基板の断面図。
【図5】図3のプリント基板の断面図。
【図6】本発明の第2実施形態に係るプリント基板の構
造を示す平面図。
【図7】図6のプリント基板の断面図。
【図8】同第2実施形態のプリント基板に第1実施形態
の構造を適用した場合の基板構造を示す断面図。
【図9】本発明の第3実施形態に係るプリント基板の構
造を示す断面図。
【図10】同第3実施形態のプリント基板に第1実施形
態の構造を適用した場合の基板構造を示す断面図。
【図11】本発明の第4実施形態に係るプリント基板の
構造を示す断面図。
【図12】同第4実施形態のプリント基板に第1実施形
態の構造を適用した場合の基板構造を示す断面図。
【図13】本発明の第5実施形態に係るプリント基板の
構造を示す断面図。
【図14】図13のプリント基板にそれぞれ多層配置さ
れた電源プレーンとグランド層とによって構成される複
数のコンデンサを説明するための図。
【図15】図14の複数のコンデンサ間の電気的な接続
関係を示す図。
【図16】同第5実施形態のプリント基板に第1実施形
態の構造を適用した場合の基板構造を示す断面図。
【図17】各実施形態に係るプリント基板を用いたコン
ピュータシステムの構成の一例を示すブロック図。
【図18】通常の高速バスインターフェース回路の構成
を示す図。
【図19】図18の等価回路を示す図。
【図20】図18の回路において電源とグランド間に存
在するインピーダンスを説明するための図。
【符号の説明】
21…高速信号パターン 22…終端抵抗 23…電源プレーン 24…デカップリングコンデンサ 25,25a,25b,71a,71b…スルーホール 26,61…絶縁層 27…リファレンスGND層 31…マーキング塗料 51…スリット 62…導電部材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H05K 1/02 H05K 1/18 H05K 3/46

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 グランド層上に形成された絶縁層であっ
    て、配線層が形成される第1および第2の領域を有す
    縁層と、 前記絶縁層上の前記第1領域上に形成された信号線パタ
    ーンと、 前記絶縁層の前記第2領域上に形成され、前記信号線パ
    ターンに終端抵抗を介して接続される電源プレーンとを
    具備し、 前記絶縁層の前記第2領域上には、プリント基板にマー
    キングを施すために用いられるマーキング塗料から構成
    される誘電物質が前記電源プレーンを覆うように設けら
    れている ことを特徴とするプリント基板。
  2. 【請求項2】 グランド層上に形成された絶縁層であっ
    て、配線層が形成される第1および第2の領域を有する
    絶縁層と、 前記絶縁層上の前記第1領域上に形成された信号線パタ
    ーンと、 前記絶縁層の前記第2領域上に形成され、前記信号線パ
    ターンに終端抵抗を介して接続される電源プレーンとを
    具備し、 前記第2領域の前記絶縁層の厚みが前記第1領域よりも
    薄くなるように、前記電源プレーンの下部周辺の前記グ
    ランド層にはスリットが設けられていることを特徴とす
    るプリント基板。
  3. 【請求項3】 前記絶縁層の前記第2領域上には、前記
    電源プレーンを覆うように誘電物質が設けられているこ
    とを特徴とする請求項2記載のプリント基板。
  4. 【請求項4】 グランド層上に絶縁層を介して配線層が
    形成されてなるプリント基板であって、 前記配線層と同層に設けられ、前記配線層の信号線路に
    接続される終端抵抗を介して前記信号線路に給電を行う
    ための電源プレーンと、 前記絶縁層を貫通するスルーホールを介して、前記電源
    プレーンと前記グランド層間を結合する手段と、 前記電源プレーン下の前記絶縁層の厚みが他の領域より
    も薄くなるように、前記電源プレーンの下部周辺の前記
    グランド層に設けられたスリットとを具備することを特
    徴とするプリント基板。
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