JP4761524B2 - プリント配線板及びプリント回路板 - Google Patents

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Description

本発明は、多端子の半導体装置をプリント配線板に実装する技術に関し、特に多数の端子が平面状に配列された多端子素子を、プリント配線板に実装する技術に関するものである。
近年、パーソナルコンピュータに代表される電子機器には、USB、IEEE1394といった外部I/F(インターフェイス)が搭載されている。これらは、信号線の数(バス幅)を低減したうえで、バンド幅を確保するために、周波数に換算して数百メガヘルツに相当するパルス幅の、高速な信号を伝送している。また、高速性とノイズ耐性を確保するために数10mV程度の低振幅な差動信号が用いられている。これらの高速I/Fの信号は、機器内のプリント配線板では、それぞれのI/Fの規格に合わせた差動インピーダンスに整合された信号ラインによって配線されている。これは、プリント配線板上で、差動信号の反射や減衰による、信号品質の低下を避けるためである。
また、差動信号配線は差動インピーダンスマッチングをとった上で、少なくとも2本、専用GND(グラウンド)配線が必要となる。そのため2本の差動信号配線と2本のGND配線を、同一経路にて配線する必要があるために信号群の配線幅が広くなる。
例えばUSBの差動インピーダンス90Ωを第1層に配線し、第2層のGNDとの間の絶縁層厚が0.2mmで誘電率が4.5の場合を例にとって説明する。この配線の幅を市販の伝送線路シミュレータによって算出すると、SPACE/LINE/SPACE/LINE/SPACE=300μm+175μm+125μm+175μm+300μm=1075μmとなる。すなわち両端のクリアランスを含む配線群の全幅は約1.0mmになる。尚、この時の基板の設計最小値はL/S=0.125/0.125mmとして計算している。
このような配線を、1.0mmピッチで信号がアサインされているBGA信号端子から、インピーダンスのミスマッチ無く、引き出すためには、外側から1〜3列目までのボールに差動信号をアサインしなければならない。
これは4列目以降にアサインすると、1〜3列目までの他の信号の配線引出しに起因するスルーホールランドが障害になり、1.0mmの信号線群を通せないからである。たとえば、スルーホールランド径0.6mm、スルーホールピッチが1.0mmの場合スルーホールランド間距離は0.4mmであり、1.0mmの信号線群は通らない。
特開2000−349192号公報(特許文献1)には、BGA(ボール・グリッド・アレイ)パッケージを実装したプリント配線板が開示されている。特許文献1においては、高速差動信号を最も外側のピンにアサインして、配線引出しを容易にするとともに、他の信号との相互干渉を避ける方法が提案されている。
また、一般に信号配線の長さが波形に反射等の影響を与えるのは、信号が線路を往復する時間が、信号の立上がり時間を越える領域からである。通常、台形波の立上がり時間は、周期の5%程度である(碓井 有三「ボード設計者のための分布定数回路のすべて」(2000年)自費出版参照)。
たとえば周波数100MHzであれば周期は10nsecであり、立ち上がり時間は0.5nsecとなる。ここで信号が線路を往復する時間が、信号の立上り時間を越える領域を、一般のFR4基板上での信号伝搬速度0.006nsec/mmで換算すると相当する往復長さは0.5/0.006=83.3mm となる。片道では、83.3/2= 約42mmである。すなわち42mm以上の長さの線路のインピーダンスのミスマッチが波形品位に大きな影響を与えることになる。
ここで、BGAパッケージを形成するインターポーザ基板上では、プリント配線板上と異なり、配線密度が高いために、インピーダンス整合した配線を作成するのは非常に困難である。一般に広く用いられているBGAパッケージの一辺は50mm以下であり、中心からの最大距離は約35mm(対角線の半分の長さ)である。そのために、問題となる配線長に対して、インターポーザ上での配線は充分短かく、プリント配線板上の配線長だけを考慮していれば、問題はなかった。
特開2000−349192号公報
しかしながら信号の高速化によって周波数は増大し、500MHz相当の信号や、それ以上の周波数相当の信号を利用せざるを得なくなってきつつある。
そして、前述の計算を、周波数500MHzにあてはめると、信号反射が問題となる配線長は8mmである。すなわち8mm以上の長さの線路のインピーダンスのミスマッチが波形品位に大きな影響を与えることになる。
したがって従来は問題とならなかった、インターポーザ上での配線長が、波形品位に大きな影響を及ぼすようになってきたため、高速差動信号ピンはBGAの内周部方向にアサインせざるを得なくなる。しかしながらこの場合、プリント配線板上における端子からの配線の引出しが困難となる。そのため、波形品位を保持して、配線を行なうためには、高価なIVH配線板や、ビルドアップ配線板を使用しなくてはならないという大きな問題が生じてきた。
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、BGAの内周方向に高速差動信号ピンを配置した場合でも、安価にプリント配線板上での配線を行なえるようにすることである。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わるプリント配線板は、少なくとも1対の差動信号端子を含む複数の接続用端子を有する多端子素子が実装される、2層以上の配線層を有するプリント配線板であって、前記多端子素子が実装される第1の配線層には前記多端子素子の接続用端子に対応するマトリクス状の接続用ランドが形成されており、1対の差動信号端子に対応して設けられ、お互いが隣接して配置された差動信号用ランドから配線される差動信号配線は、前記第1の配線層とは異なる配線層において前記多端子素子の外側に引き出すように配線されており、前記プリント配線板を前記第1の配線層側からみた場合に、前記差動信号配線が形成されている領域にはスルーホールが形成されておらず、該領域に位置する前記接続用ランドは、電気的接続されておらず、スルーホールへの接続もされていないことを特徴とする。
また、本発明に係わるプリント配線板は、少なくとも1対の差動信号端子を含む複数の接続用端子を有する多端子素子が実装される、2層以上の配線層を有するプリント配線板であって、前記多端子素子が実装される第1の配線層には前記多端子素子の接続用端子に対応するマトリクス状の接続用ランドが形成されており、1対の差動信号端子に対応して設けられ、お互いが隣接して配置された差動信号用ランドから配線される差動信号配線は、前記第1の配線層とは異なる配線層において前記多端子素子の外側に引き出すように配線されており、前記プリント配線板を前記第1の配線層側からみた場合に、前記差動信号配線が形成されている領域にはスルーホールが形成されておらず、該領域に位置する前記接続用ランドは、お互い接続された同電位のランドであることを特徴とする。
また、本発明に係わるプリント回路板は、少なくとも1対の差動信号端子を含む複数の接続用端子を有する多端子素子が、2層以上の配線層を有するプリント配線板に実装されたプリント回路板であって、前記多端子素子が実装される第1の配線層には、前記多端子素子の接続用端子に対応するマトリクス状の接続用ランドが形成されており、前記1対の差動信号端子に対応して設けられ、お互いが隣接して配置された差動信号用ランドから配線される差動信号配線は、前記第1の配線層とは異なる配線層において前記多端子素子の外側に引き出すように配線されており、前記プリント配線板を前記第1の配線層側からみた場合に、前記差動信号配線が形成されている領域にはスルーホールが形成されておらず、該領域に位置する前記接続用ランドは、電気的に接続されていない、もしくは同電位であることを特徴とする。
本発明によれば、BGAの内周方向に高速差動信号ピンを配置した場合でも、安価にプリント配線板上での配線を行うことが可能となる。
以下、本発明の好適な一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1Aは、本発明の一実施形態に係わるBGA部品を、プリント配線板に実装したときの斜視図である。図中20はICチップ、1はICチップ20を搭載しているインターポーザ基板である。ICチップ20を搭載しているインターポーザ基板1からなるBGA部品は、ボールはんだ30を介して、プリント配線板100に実装されている。
図1Bは、本発明の一実施形態に係わるBGA(ボール・グリッド・アレイ)部品を上面から透視して見たマトリクス状に配置された端子配置を示す模式図である。ここでのBGA部品は、辺縁部に端子をもつペリフェラル型である。
図1Bにおいて、1はインターポーザ基板であり、ここでは約半分の状態を表している。2は差動信号端子である。差動信号なので端子は2つある。差動信号端子2と差動信号端子2の直近の辺との間にある端子3は、本実施形態ではNC端子(電気的非接続端子)にアサインされている。端子3は差動信号端子2の一方と同じ列であり、それよりも外周に位置する接続用端子である。その他の信号端子および、電源端子、GND端子は、本実施形態の特徴的な端子群と区別するためにSで表示されている。なお、以下では、実際に配線の必要がない端子以外に、後述するGND端子などの同電位端子のように、個別に配線することが不要な端子も含めてNC端子(電気的非接続端子)と呼ぶことにする。なお、個別に配線することが不要な端子とは、後述するプリント配線板の第2の信号配線層を用いずに、第1の信号配線層だけでまとめて配線が可能な端子のことを言う。また、このNC端子に対応するプリント配線板側のパッドをNCパッドと呼ぶ。
図2は、図1Bに示した本実施形態のBGA部品が搭載される、プリント配線板の信号配線層の透視模式図であり、差動信号端子付近の拡大図である。また、図3は図2のプリント配線板の第1の配線層のみの模式図であり、図4は第2の信号配線層のみの模式図である。
図中ではBGA部品搭載パッドの一部と、プリント配線板100上の、配線の引出しが示されており、ここでは図示した端子のうちの全端子の配線の引出しを記載している。
また、ここでは、プリント配線板として4層板を想定している。電源層、およびGND層の2層を内層に含む4層板における2つの表層が信号配線層を構成している。これをそれぞれ第1の信号配線層、および第2の信号配線層と呼ぶ。BGA部品の実装される層を第1の信号配線層とし、第1の信号配線層の配線は実線4で、第2の信号配線層の配線は破線5で表わされている。また、スルーホールおよびスルーホールランドは黒丸で表されている。
ここで、プリント配線板のBGA搭載パッド7のピッチは、信号配線が1本通過できる間隔をもつサイズに設定されている。したがって、図に示すようにBGAパッドの外側から1列目と2列目の接続端子の信号は、第1の信号配線層にて配線が可能である。
そして、第3列目の信号は、第1の信号配線層での配線経路が無くなるため、スルーホール6aを介して、第2の信号配線層での配線が必要になる。このときスルーホールの並ぶピッチは、パッド間に配置するため、BGAピッチとほぼ同一となる。
第4列目に配置された差動信号端子用パッド9は、やはり、スルーホール6bを介して、第2の信号配線層に配線されるものであるが、第3列の信号引出しのために配置されたスルーホール6aの間を配線しなければならない。このとき、既に述べたように、スルーホールの並ぶピッチは、パッド間に配置されるため、BGAピッチとほぼ同一となる。そのため、通常パッド間には信号線は1本しか通すことができない。すなわち差動信号配線を平行して引き出することはできない。
そこで図2では、プリント配線板側のBGA部品のNC端子3に対応する位置に、スルーホールが不要であるNC(電気的非接続)パッド群8が設けられている。このNCパッド群8は、電気的に非接続で良いため、スルーホールを介して配線を、第2の信号配線層に引き出す必要はない。すなわち、第2の信号配線層における、NCパッド群8の下部において、スルーホールの間隔は、少なくとも1ピッチ分広がっている。このピッチが広がった部分を用いて、容易に所望のインピーダンスに基づいた配線幅の差動信号配線11を配置している。
なお、差動信号配線の幅は、市販の伝送線路シミュレータや電磁界シミュレータによって、線路インピーダンス値、各層の寸法、物性値を元に、容易に算出することが可能である。これによって所望のインピーダンス値の差動配線群の幅を求められる。
また、本実施形態の、第2の信号配線層における差動配線群が配線される領域の幅は、差動配線群に近接するスルーホールランド及び/又は他の信号配線との間隔によって決まる。図4においては、 差動配線群を配置できる領域の幅は、スルーホールランド10と他の信号配線14との間隔12によって決められる。この間隔は、本実施形態におけるNCパッド群8の列数を増加することによって拡大できるので、本実施形態のNCパッド群の列数を増加すれば、いかなる幅の差動配線群においても、所望のインピーダンスの配線を、第2の信号配線層に配置することができる。
また、NC端子群が、GND電位や電源電位といった同電位の端子群でも良く、同電位の場合は、同電位の端子同士が第1の信号配線層にて配線される。
またさらに、ここではペリフェラル型のBGAで説明しているが、フルマトリクス型でも、中央部にも端子を持つペリフェラル型でも良い。
次に、具体的な実施例について説明する。
(実施例1)
図5は、BGA部品のNC端子群を同電位のGND電位端子にアサインした場合の、プリント配線板の信号配線層の透視模式図であり、差動信号端子付近を拡大した模式図である。また、図6は図5のプリント配線板の第1の配線層のみの模式図であり、図7は第2の信号配線層のみの模式図である。
ここでは、BGA接続パッド7の直径0.5mm、ピッチ1.0mm、スルーホールランド6の直径0.6mmであり、配線の最小L/S は 0.125/0.125mmである。BGA接続パッド間の距離は、
ボールピッチ−接続パッド径の半分−接続パッド径の半分であり、すなわち、
1−(0.5/2)−(0.5/2)=0.5mm
となるため、L/S が 0.125/0.125mmの配線は1本だけが通せる。したがって第3列目よりも内側の接続パッドからの配線は、スルーホールを介して第2の信号配線層に配置する必要がある。
差動信号端子が接続されるパッド9からの配線の方法は、上記の実施形態で説明した方法と同じである。
図6からわかるように、同電位とされた端子が接続される3個の接続パッド(GNDパッド)13は、同電位であるために第1の信号配線層で、各々が配線によって接続され、引き出される。特に、本来はスルーホールが必要な第3列目のパッドにおいても、スルーホールを設けることなく、配線されている。
図7からわかるように、スルーホールが不要なNCパッド群13の存在によりスルーホールランド6が排除された領域に差動信号配線11が配置されている。
ここでは差動信号配線11の配線幅は、差動インピーダンス90Ω、プリント配線板の物性値として、絶縁層厚が0.2mmで誘電率が4.5にて、市販の伝送線路シミュレータによって算出しており、
SPACE/LINE/SPACE/LINE/SPACE=300μm+175μm+125μm+175μm+300μm=1075μm
となり、クリアランス込みの全体の幅は1.075mmである。
差動信号配線11の配線領域での最も狭い部分は12の部分であり、これはスルーホールランド10と第4列から引き出された信号配線14の間である。
この間隔は、
(BGAパッドピッチ×2)−左スルーホールランドの半径−右スルーホールランドの半径−クリアランス−(信号配線14の配線幅)
で表される。
具体的には(1.0×2)−0.3−0.3−0.125−0.125=1.15mmであり、1.075mmの差動信号は、インピーダンスの不整合なく配線できる。本実施形態を適用しなかった場合には15で示されるスルーホールランドと信号配線の間隔 が0.15mmであるために配線ができなかったり、インピーダンス不整合部分が発生してしまう。
以上のように、本実施形態によれば、配線層数を増加することなく、所望のインピーダンスの差動配線をプリント配線板上に配置することができる。
(実施例2)
図8は、中央部にも端子を持つペリフェラル型のBGAに、NC端子として同電位の端子(GND電位端子)をアサインしたBGA部品を上面から透視して見た場合の端子配置を示す模式図である。
ここでは、差動信号端子2は中央部の端子位置に存在し、NC端子としての同電位端子16との位置関係がオフセットした配置となっている。さらに、ここでは同電位端子16が2列設けられている。
図9はNC端子群を同電位のGND電位端子にアサインしたBGA部品が搭載される、プリント配線板の信号配線層の透視模式図であり、差動信号端子付近を拡大した模式図である。また、図10は図9のプリント配線板の第1の配線層のみの模式図であり、図11は第2の信号配線層のみの模式図である。
NCパッドとしての同電位パッド13はGND接続パッドであり、差動信号端子9とオフセットした位置に設けられている。また、設計ルールは、実施例1と同じで、BGA接続パッド7の直径0.5mm、ピッチ1.0mm、スルーホールランド6の直径0.6mmであり、配線の最小L/S は 0.125/0.125mmである。したがって、BGA接続パッド間の距離は実施例1と同じ0.5mmであり、第3列目よりも内側の接続パッドからの配線は、スルーホールを介して第2の配線層に配置する必要がある。
図10において、NC端子としての同電位とされた端子が接続される8個の接続パッド(NCパッド)13は、同電位であるために第1の配線層で、各々が配線によって接続され、引き出される。特に、本来はスルーホールが必要な第3列目および第4列目のパッドにおいても、スルーホールを設けることなく、配線されている。
図11において。NCパッドとしての同電位の端子パッドに隣接する、第3列、および第4列の接続パッドからの配線引出しのために設けられたスルーホールランド間の距離12は、
(BGAパッドピッチ×2)−左スルーホールランドの半径−右スルーホールランドの半径で表され、具体的には(1.0×2)−0.3−0.3=1.4mmである。そのため、1.4mm以下の差動信号線群を、インピーダンスの不整合なく配置することが可能である。NCパッドを用いない場合に許容される配線群の幅は15の間隔となり、0.4mmで、差動信号線を配置することができない。
さらに、差動信号端子9(BGA上では2)と、NCパッド群8(BGA上ではNC端子3)の位置関係は、直線上にあっても良いし、配線が可能な範囲で位置がオフセットしていても良い。図12は、図10及び図11に示す場合よりも差動信号端子9とNCパッド群8をオフセットさせたときのプリント配線板を示している。
以上説明したように、上記の実施形態によれば、底面に多数の接続用端子が平面状に配列された多端子素子において、直近の辺の外側から数えて、「パッド間に通せる信号本数+2」よりも内側に差動信号端子が配置されているとき、BGA部品の差動信号端子が接続されるパッドと、該差動信号パッドから直近の辺までの間にある接続パッド群を少なくとも1列、電気的非接続(NC)パッドまたは同電位パッドとすることで、2層以上の配線層を持つプリント配線板上の、差動信号端子が接続されるパッドと該差動信号端子から直近の辺までの間にある接続パッド群のスルーホールを排除できる。それによって、NCパッド群又は同電位パッド群の直下の、第2の信号配線層での配線可能な領域を広げ、所望のインピーダンスの差動信号を容易にかつ、少ない配線層で配線できる多端子素子部品およびプリント配線板を提供することができる。
本発明の一実施形態に係わるBGA部品を、プリント配線板に実装したときの斜視図である。 本発明の一実施形態に係わるBGA(ボール・グリッド・アレイ)部品を上面から透視して見た端子配置を示す模式図である。 図1Bに示したBGA部品が搭載される、プリント配線板の信号配線層の透視模式図であり、差動信号パッド付近の拡大図である。 図2のプリント配線板の第1の配線層のみの模式図である。 図2のプリント配線板の第2の信号配線層のみの模式図である。 BGA部品のNC端子群を同電位のGND電位端子にアサインした場合の、プリント配線板の信号配線層の透視模式図である。 図5のプリント配線板における第1の配線層のみを上面から見た模式図である。 図5のプリント配線板の第2の配線層のみを上面から見た模式図である。 中央部にも端子を持つペリフェラル型のBGAに、NC端子として同電位の端子(GND電位端子)をアサインしたBGA部品を上面から透視して見た場合の端子配置を示す模式図である。 NC端子群を同電位のGND電位端子にアサインしたBGA部品が搭載される、プリント配線板の信号配線層の透視模式図であり、差動信号端子付近を拡大した模式図である。 図9のプリント配線板における第1の配線層のみを上面から見た模式図である。 図9のプリント配線板における第2の配線層のみを上面から見た模式図である。 図10及び図11に示す場合よりも差動信号端子とNCパッド群をオフセットさせたときのプリント配線板を示す図である。
符号の説明
1 BGA部品外形
2 差動信号端子
3 NC端子
4 第1の配線層の配線
5 第2の配線層の配線
6 スルーホールおよびスルーホールランド
7 BGA搭載パッド
8 NCパッド
9 差動信号端子用パッド
10 スルーホール
11 差動信号配線
12 スルーホールランドと信号配線との間隔
13 同電位の接続パッド
14 配線
15 スルーホールランドと信号配線の間隔
16 同電位のBGA部品端子

Claims (8)

  1. 少なくとも1対の差動信号端子を含む複数の接続用端子を有する多端子素子が実装される、2層以上の配線層を有するプリント配線板であって、
    前記多端子素子が実装される第1の配線層には前記多端子素子の接続用端子に対応するマトリクス状の接続用ランドが形成されており、一対の差動信号端子に対応して設けられ、お互いが隣接して配置された差動信号用ランドから配線される差動信号配線は、前記第1の配線層とは異なる配線層において前記多端子素子の外側に引き出すように配線されており、前記プリント配線板を前記第1の配線層側からみた場合に、前記差動信号配線が形成されている領域にはスルーホールが形成されておらず、該領域に位置する前記接続用ランドは、電気的接続されておらず、スルーホールへの接続もされていないことを特徴とするプリント配線板。
  2. 前記差動信号配線は、前記差動信号端子に対応する差動信号用ランドの一方の差動信号用ランドと同じ行の下部において前記多端子素子の外側に引き出すように配線されていることを特徴とする請求項に記載のプリント配線板。
  3. 前記差動信号配線は、前記差動信号端子に対応する差動信号用ランドと同じ行から、オフセットした位置に配置されていることを特徴とする請求項に記載のプリント配線板。
  4. 前記複数の接続用端子は、お互いが分離された外周部と該外周部に囲まれた中央部に形成されており、前記1対の差動信号端子は前記中央部に形成されており、前記差動信号配線は、前記中央部から、前記外周部を経由して引き出されていることを特徴とする請求項1に記載のプリント配線板。
  5. 少なくとも1対の差動信号端子を含む複数の接続用端子を有する多端子素子が実装される、2層以上の配線層を有するプリント配線板であって、
    前記多端子素子が実装される第1の配線層には前記多端子素子の接続用端子に対応するマトリクス状の接続用ランドが形成されており、1対の差動信号端子に対応して設けられ、お互いが隣接して配置された差動信号用ランドから配線される差動信号配線は、前記第1の配線層とは異なる配線層において前記多端子素子の外側に引き出すように配線されており、前記プリント配線板を前記第1の配線層側からみた場合に、前記差動信号配線が形成されている領域にはスルーホールが形成されておらず、該領域に位置する前記接続用ランドは、お互い接続された同電位のランドであることを特徴とするプリント配線板。
  6. 前記同電位のランドとは、グラウンド電位のランドであることを特徴とする請求項に記載のプリント配線板。
  7. 前記同電位のランドとは、電源電位のランドであることを特徴とする請求項に記載のプリント配線板。
  8. 少なくとも1対の差動信号端子を含む複数の接続用端子を有する多端子素子が、2層以上の配線層を有するプリント配線板に実装されたプリント回路板であって、
    前記多端子素子が実装される第1の配線層には、前記多端子素子の接続用端子に対応するマトリクス状の接続用ランドが形成されており、前記一対の差動信号端子に対応して設けられ、お互いが隣接して配置された差動信号用ランドから配線される差動信号配線は、前記第1の配線層とは異なる配線層において前記多端子素子の外側に引き出すように配線されており、前記プリント配線板を前記第1の配線層側からみた場合に、前記差動信号配線が形成されている領域にはスルーホールが形成されておらず、該領域に位置する前記接続用ランドは、電気的に接続されていない、もしくは同電位であることを特徴とするプリント回路板。
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