JP4391278B2

JP4391278B2 - 位相配線構造

Info

Publication number: JP4391278B2
Application number: JP2004080509A
Authority: JP
Inventors: 智樹高群; 功治松浦
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2024-03-19
Also published as: JP2005268602A

Description

この発明は、例えば、差動対配線が高密度に設けられている印刷配線板において、更に、高密度に配線を行うことのできる位相配線構造に関するものである。

従来より、信号伝送方式として、外来ノイズへの耐性を向上させるため差動信号伝送が知られている。この差動信号伝送とは、一つの信号に対して２本の信号線を用い、これら２本の信号線に互いに逆相の信号を送り、その差分をとることによって、出力を得るようにしたものである。

従来、このような差動信号伝送のための位相配線構造としては、信号線を並列する２本に分岐された信号配線パターンで構成し、これらの信号配線パターンとＧＮＤパターンとの位置関係を、２本の信号配線パターンのそれぞれから発生する高周波電流の方向が互いに対向するように配置するようにしたものがあった（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−２７４４２７号公報

しかしながら、従来の位相配線構造においては、信号線間の干渉を抑えるためには、各信号間の間隔を広くとるか、または、各信号線間に遮蔽物を挿入していたため、大量の信号線を配線する場合、信号線以外の部分を大量に必要とし、高密度配線の障害の一つになっていた。特に、昨今の信号速度の急速な向上により差動対配線が増加しており、このため、信号配線に必要とされる体積も急激に増加してきている。

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、密度の高い配線を行う配線板において遮蔽層を低減し、高密度配線を可能とする位相配線構造を得ることを目的とする。

この発明に係る位相配線構造は、それぞれが一方の信号線と他方の信号線からなる複数の差動対配線を有する位相配線構造であって、いずれかの差動対配線における一方の信号線と他方の信号線が、他の差動対配線の信号線に対して、物理的な位置が等距離にない場合、前記一方または他方の信号線を前記他の差動対配線の信号線に対して電気的に等距離に近づけるため、信号を流さない導体としての機能を持ち、静電容量を増加させることにより電気的な距離を短くするダミー配線を設けたものである。

この発明の位相配線構造は、それぞれが一方の信号線と他方の信号線からなる複数の差動対配線を有する位相配線構造であって、いずれかの差動対配線における一方の信号線と他方の信号線が、他の差動対配線の信号線に対して、物理的な位置が等距離にない場合、前記一方または他方の信号線を前記他の差動対配線の信号線に対して電気的に等距離に近づけるため、信号を流さない導体としての機能を持ち、静電容量を増加させることにより電気的な距離を短くするダミー配線を設けたため、密度の高い配線を行う配線板であっても遮蔽層の必要性がなく、従って、高密度配線を可能とする位相配線構造を得ることができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を説明する。
図１は、この発明の実施の形態１による位相配線構造を示す基本構成図である。

実施の形態１は、図示のように、差動対配線１の一方の信号線１ａと他方の信号線１ｂから物理的に等距離にある位置に他の信号線２を設けたものである。即ち、一方の信号線１ａと他方の信号線１ｂは、それぞれ干渉する電磁エネルギを出し合っているが、ほぼ等しい電磁エネルギ量を与える中央位置（図中破線で示している）に、他の信号線２を配置している。従って、他の信号線２は一方の信号線１ａと他方の信号線１ｂに対して電気的に等距離となる。尚、他の信号線２の設置位置は、電気的中心位置（図中の破線上）であれば図中に示した位置以外の位置であってもよい。

図２は、この発明の実施の形態１による位相配線構造を示す断面図である。
図２は、印刷配線板の断面を示しており、一方の信号線１ａ、他方の信号線１ｂおよび他の信号線２は誘電体３を介してＧＮＤプレーン４ａ，４ｂとの間に設けられている。ここで、一方及び他方の信号線１ａ，１ｂと他の信号線２とは、図１に示すような物理的かつ電気的に等距離となる位置に設けられている。

一般的に、信号線の周りには電界と磁界が発生している。今、一方の信号線１ａと他方の信号線１ｂについて考えると、これらの信号線１ａ，１ｂを流れる電流によって発生する磁界は、これら信号線１ａ，１ｂとは等距離にある他の信号線２に対して、方向が反対でかつ大きさが等しいため、相殺される。また、逆に、他の信号線２は、一方および他方の信号線１ａ，１ｂに対して、同じ大きさ（同相）の起電力を与えるため、相殺されることになる。

また、電界についても、他の信号線２が位置する電気的中心位置では、一方および他方の信号線１ａ，１ｂの差動信号が発生する分については変動がない（１８０度位相が異なる信号であるため、電位は必ずその信号の中間となる）。そして、このように、変動がない位置では起電力は生じない。反対に、他の信号線２から一方及び他方の信号線１ａ，１ｂに対しては、上記の磁界の場合と同様に、一方及び他方の信号線１ａ，１ｂに対して同相の等しい起電力が発生するため、相殺されることになる。

以上のように、実施の形態１によれば、差動対配線１のそれぞれの信号線１ａ，１ｂに対して、電気的に等距離の位置に他の信号線２を設けたので、一方及び他方の信号線１ａ，１ｂから他の信号線２への干渉エネルギ、および、他の信号線２から一方及び他方の信号線１ａ，１ｂへの干渉エネルギを相殺することが可能となる。従って、従来であれば、差動対信号線の距離を離すか遮蔽物を入れるといった、体積を大きく取り、配線数を多く取れなかった部分に対して高密度配線を行うことが可能となる。また、干渉エネルギを削減できるため、基板全体のノイズを減少させることが可能となり、その結果、ノイズに弱い搭載部品でも使用可能である等、基板としての性能向上を図ることができる。

実施の形態２．
実施の形態２は、第１の差動対配線とこれとは異なる第２の差動対配線がそれぞれ干渉し合う位置となるように、二組の差動対配線を設けたものである。

図３は、この発明の実施の形態２による位相配線構造を示す基本構成図である。
実施の形態２は、図示のように、第１の差動対配線５（一方及び他方の信号線５ａ，５ｂ）と、第２の差動対配線６（一方及び他方の信号線６ａ，６ｂ）がそれぞれ干渉しあうよう、即ち、第１の差動対配線５の一方及び他方の信号線５ａ，５ｂと、第２の差動対配線６の一方及び他方の信号線６ａ，６ｂとが電気的に等距離となるよう、これら二組の差動対配線が設けられている。尚、図中、それぞれの破線は、第１の差動対配線５および第２の差動対配線６の電気的中心位置を示している。

図４は、この発明の実施の形態２による位相配線構造を示す断面図である。
図４は、印刷配線板の断面を示しており、ＧＮＤプレーン４ａ，４ｂの間に、一方の信号線５ａ，６ａの配線層と他方の信号線５ｂ，６ｂの配線層とが設けられ、かつ、これら配線層の間とＧＮＤプレーン４ａ，４ｂとの間に誘電体３が位置するよう構成されている。また、第１の差動対配線５（一方および他方の信号線５ａ，５ｂ）の電気的中心位置に第２の差動対配線６（一方および他方の信号線６ａ，６ｂ）が位置するといったように、互いの電気的中心位置上にこれらの差動対配線が位置するよう構成されている。

このような構成により、第１の差動対配線５と第２の差動対配線６は、それぞれ等しいエネルギが干渉するため、これらの干渉エネルギは相殺されることになる。

以上のように、実施の形態２によれば、それぞれが一方の信号線と他方の信号線からなる第１の差動対配線５と第２の差動対配線６とを有する位相配線構造であって、第１の差動対配線５の一方および他方の信号線５ａ，５ｂと、第２の差動対配線６の一方および他方の信号線６ａ，６ｂとが電気的に等距離となるようこれら差動対配線５，６を設けたので、高密度配線が可能になると共に、基板全体のノイズ削減が可能となる。

実施の形態３．
実施の形態３は、複数組の差動対配線の全ての組み合わせに対してエネルギを相殺する位置に配置できない場合に、差動対配線の一方または他方の信号線を他の差動対配線の信号線に対して電気的に等距離に近づけるためのダミー配線を設けるようにしたものである。

図５は、実施の形態３による位相配線構造を示す基本構成図である。
実施の形態３は、図示のように、複数（図示例では四つ）の差動対配線７，８，９，１０に対して、ダミー配線１１，１２を設けている。即ち、実施の形態３は、複数組の差動対配線に対して、可能な限り、実施の形態２のように等しいエネルギが干渉するよう配線し、全ての組み合わせに対してエネルギを相殺する位置に配置できない場合に、ダミー配線１１，１２を用いることにより、干渉による障害を最小限に抑えるようにしたものである。ここで、ダミー配線１１，１２は、いずれかの差動対配線における一方の信号線と他方の信号線が、他の差動対配線の信号線に対して、物理的な位置が等距離にない場合、一方または他方の信号線を他の差動対配線の信号線に対して電気的に等距離に近づけるための配線である。

図６は、この発明の実施の形態３による位相配線構造を示す断面図である。
図６は、印刷配線板の断面を示しており、配線層が３層となっている。即ち、３層の配線層が誘電体３を介してＧＮＤプレーン４ａ，４ｂ間に設けられている。また、実施の形態３では、第１の配線層（図面において上側の層）に、第１の差動対配線７の一方の信号線７ａ、ダミー配線１１、第３の差動対配線９の一方の信号線９ａが設けられ、第２の配線層（図面において中間の層）に、第１の差動対配線７の他方の信号線７ｂ、第２の差動対配線８の一方の信号線８ａ、第３の差動対配線９の他方の信号線９ｂ、第４の差動対配線１０の一方の信号線１０ａが設けられ、また、第３の配線層（図面において下側の層）には、第２の差動対配線８の他方の信号線８ｂ、ダミー配線１２、第４の差動対配線１０の他方の信号線１０ｂが、それぞれ設けられている。尚、図中、大文字と小文字のペアが差動対配線を示し、「ｚ」はダミー配線を示している。

このように、実施の形態３の位相配線構造では、最も隣接する差動対配線同士は、それぞれの差動対配線の構成する面（一方および他方の信号線を結ぶ面）が９０度異なるよう配線されている（例えば、第３の差動対配線９と第４の差動対配線１０）。そして、同一方向にある差動対配線間に、他の差動対配線が存在しない場合（例えば、第２の差動対配線８と第４の差動対配線１０）は、その間にダミー配線（例えばダミー配線１２）を挿入している。尚、ダミー配線１１，１２は信号を流さない導体としての機能を持った配線である。

次に、このようにダミー配線が挿入されたことによる電気的な改善効果について説明する。
図７は、ダミー配線による動作を示す説明図である。
図６に示したような位相配線構造において、図７の（ａ）に示すように、第３の差動対配線９（Ｃとｃのペア）は、第４の差動対配線１０（Ｄとｄのペア）のほぼ電気的中心位置にあるため（実際には物理的に等距離とする）、これら第３の差動対配線９および第４の差動対配線１０について相互に及ぼす影響はほとんど無い。

次に、第２の差動対配線８（Ｂとｂのペア）と第４の差動対配線１０の関係を考えた場合、図７（ｂ）に示すように、これら差動対配線のみでは等距離にはない（ｂ−Ｄ間の距離と、Ｂ−Ｄ間の距離が異なる）。このような場合、図７（ｃ）に示すように、他方の信号線８ｂと他方の信号線１０ｂとの間にダミー配線１２（ｚ）を挿入する。これにより、これらの間の電気的な距離が短くなるため、図７（ｂ）の場合に比べて、干渉による障害を抑制することができる。また、ダミー配線によって電気的距離が短くなる理由は次の通りである。

図８は、ダミー配線を設けた場合の原理説明図である。
今、図８（ａ）に示すように、平行している２線間の信号線で、極めて短い区間のそれぞれが対向している面積をｄＳ、距離をＤとすると、この場所の静電容量は、Ｃ＝ε×ｄＳ／Ｄとなる（εは定数）。

次に、図８（ｂ）に示すように、２線間に導体が設けた場合（導体と信号線間の距離はそれぞれＤ／３とする）、導体内では電界がほぼ０で、どこでも同じ電位であると考えられるため、この場合の静電容量は、Ｃ＝１／（Ｄ／３εｄＳ＋Ｄ／３εｄＳ）＝（３／２）×ε×（ｄＳ／Ｄ）となり、この場合の静電容量は（ａ）に示した場合の３／２倍の容量を持つことになる。従って、（ｂ）の構成では、（ａ）の場合に対して２／３の距離になったのと同等ということになる。

このように、信号線間にダミー配線を存在させることによって、電気的な距離を小さくすることができ、その電気的特性を改善することができる。

その結果、複数組の差動対配線の全ての組み合わせに対してエネルギを相殺する位置に配置できない場合であっても、干渉による障害を最小限に抑えることができる。

例えば論理回路といった場合では、上記のような干渉による障害が多少存在しても正常に動作する。これは、０か１かを（２値論理回路の場合）を正確に判別できればよいため、十分な効果を得ることができるからである。即ち、一般的なＬＶＴＴＬという論理回路では、０は−１Ｖ〜０．８Ｖ、１は２Ｖ〜４．３Ｖといったように、その範囲に余裕がある。従って、信号の波形が多少乱れたとしても正確に信号を伝達することができるため、このような論理回路に対して本実施の形態は十分に適用することができる。

尚、上記実施の形態３では、３層配線の場合を説明したが、４層以上であっても同様に適用することができる。

以上のように実施の形態３によれば、それぞれが一方の信号線と他方の信号線からなる複数の差動対配線を有する位相配線構造であって、いずれかの差動対配線における一方の信号線と他方の信号線が、他の差動対配線の信号線に対して、物理的な位置が等距離にない場合、一方または他方の信号線を他の差動対配線の信号線に対して電気的に等距離に近づけるためのダミー配線を設けたので、たとえ複数組の差動対配線の全ての組み合わせに対してエネルギを相殺する位置に配置できない場合であっても、干渉による障害を最小限に抑えることができるという効果がある。

尚、上記各実施の形態では、位相配線構造として、ＧＮＤプレーン４ａ，４ｂを設けたが、これらのＧＮＤプレーン４ａ，４ｂの構成は必須ではなく、信号線のみであっても有効である。このため本発明の位相配線構造は信号線の引き回し等に対しても適用可能である。

この発明の実施の形態１による位相配線構造を示す基本構成図である。この発明の実施の形態１による位相配線構造を示す断面図である。この発明の実施の形態２による位相配線構造を示す基本構成図である。この発明の実施の形態２による位相配線構造を示す断面図である。この発明の実施の形態３による位相配線構造を示す基本構成図である。この発明の実施の形態３による位相配線構造を示す断面図である。この発明の実施の形態３におけるダミー配線による動作を示す説明図である。この発明の実施の形態３におけるダミー配線を設けた場合の原理説明図である。

符号の説明

１，７，８，９，１０差動対配線、１ａ，５ａ，６ａ，７ａ，８ａ，９ａ，１０ａ一方の信号線、１ｂ，５ｂ，６ｂ，７ｂ，８ｂ，９ｂ，１０ｂ他方の信号線、２他の信号線、５第１の差動対配線、６第２の差動対配線。

Claims

それぞれが一方の信号線と他方の信号線からなる複数の差動対配線を有する位相配線構造であって、いずれかの差動対配線における一方の信号線と他方の信号線が、他の差動対配線の信号線に対して、物理的な位置が等距離にない場合、前記一方または他方の信号線を前記他の差動対配線の信号線に対して電気的に等距離に近づけるため、信号を流さない導体としての機能を持ち、静電容量を増加させることにより電気的な距離を短くするダミー配線を設けたことを特徴とする位相配線構造。