JP4772856B2

JP4772856B2 - 回路基板

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Publication number: JP4772856B2
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Inventors: イーレグニールケント; エルブランカーデビット; ユーオグブオーキリマーティン
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Description

本発明は、一般に回路基板構成に関し、より詳細には、高速電気的伝達用途のプリント回路基板上で使用されるビア配置に関する。

データ通信の分野では、データ転送速度が年々着実に上昇してきている。この速度の上昇のために、インターネット利用やデータ転送及び記憶用途等、電気通信分野で使用する高速電子部品の開発が必要とされてきた。電気信号を伝送する速度を高めるために、差動信号を使用することが知られている。

ツイストペア線は、一般に差動信号を送信するために使用され、最も一般には電気ケーブルに使用されている。そのような信号ケーブルは、ケーブルの長さ方向に沿って捩（ねじ）られた１組以上のツイストペア線を有し、そのような各ツイストペアは、関連した接地シールドによって取囲まれている。これらのツイストペアは、一般に、相補的な信号電圧を受け、すなわち、ツイストペアの一方の線は＋１．０ボルトの信号を伝え、ツイストペアの他方の線は−１．０ボルトの信号を伝える。ペア線は、各線がケーブルに沿った螺（ら）旋状経路で延在し、線がケーブルの全長に亘（わた）ってこの螺旋状経路に沿って同じ距離だけ離間されるように、ケーブルの軸方向に沿って一緒に捩られている。

信号ケーブルが、ある電子装置まで経路上を引回されるとき、信号ケーブルは、自ら電界を放射する他の電子装置の近くを通る場合がある。そのような装置は、信号ケーブルによって構成された伝送線路に電磁干渉を引起こす可能性がある。しかしながら、ケーブルのツイストペア構造は、ケーブル同士が容量結合するとともに、関連した接地シールド又はドレイン線と容量結合するように２本の線を望ましい向きに維持することによって誘導電界を最少にするか又は減少させ、それにより、この構造は、電磁干渉がケーブルに生じてケーブルを通してのデータ信号の伝送に影響を及ぼすのを実質的に防ぐ。

そのような伝送線路から関連した電子装置の回路までの電気性能の完全性を維持するために、伝送線路全体に亘って回路間のインピーダンスを実質的に一定にし、伝送線路のインピーダンスに大きな不連続性が生じることを防ぐことが望ましい。伝送線路のインピーダンスの大きな不連続性は、伝送線路の信号経路間に生じる望ましくないクロストーク又は電気的「ノイズ」の原因になることがある。このタイプのノイズ及びクロストークは何れも、高周波で送られる電気信号の完全性（又は、データ転送速度）に悪影響を及ぼす。電子装置間の「伝送線路」には、２台の装置を相互接続するケーブル及びコネクタだけでなく装置のプリント回路基板も含まれる。

信号導体及び接地シールドの特定の形状又は物理的配置を維持することは容易なので、ツイストペア伝送ケーブルのインピーダンスを制御することができるが、通常、ケーブルをコネクタに結合する領域、コネクタをプリント回路基板に実装する領域、及び、コネクタを回路基板に実装する領域では、インピーダンスの変化が生じる。この最後の領域は、当該技術分野では、回路基板上（又は、回路基板内）の伝送線路から、基板に実装されたコネクタに信号が送り出される「送出領域（launch area ）」と呼ばれる。同様に、コネクタから回路基板内に信号が送り出される場合があり、この領域は、一般に「延出（exit）」領域と呼ばれる。これらの領域は同一であるが、信号経路の向きと方向によって異なる名称で呼ばれる。すなわち、回路基板からコネクタへの信号経路であるか、コネクタから回路基板への信号経路であるかによって異なる名称で呼ばれる。本発明は、そのような回路基板の送出領域、又は、延出領域で使用される改良された構造に向けられたものである。

回路基板は、導電材料及び非導電材料の複数の層から成る。各層は、回路基板の複数の平面のうちの１つの平面を規定すると考えることができる。一非導電層が、回路基板のベースとして使用され、その表面は、銅箔（はく）や銅めっき等の導電材料で覆われる。該導電材料の部分が、一般に当該技術分野において「トレース」と呼ばれる基板表面上の導電範囲を形成するために除去される。これらのトレースは、基板のベース層上に回路経路を画定する。そして、ベース層の表面に次の非導電層が付着され、その層に他の導電被覆が付着され、あるパターンにエッチングされる。この第２の導電層の上に第３の非導電層が付着され、多層回路基板が形成されるまでこのプロセスが繰返される。異なる導電層は、一般的に、当該技術分野において「ビア」として知られるものによって接続される。ビアとは、回路基板を貫通して開けられた穴であり、その内側面がめっきされている。該めっきによって異なる導電層が相互接続される。回路基板上のトレースを他のトレースに接続したいときに、トレースがビアの位置まで延される。また、ビアは、コネクタのスルーホール取付ピンや他の取付ピンを収容するために使用されることがある。

一対の差動信号を伝えるために回路基板層内にペアのトレースが形成されることがあり、各ペアは、回路基板の差動信号伝送線路を画定する。各回路基板層又は平面は、一本以上のそのような差動信号伝送線路を支持する。回路基板設計と回路基板上の回路配置を過度に複雑にすることなく、装置の動作中のクロストーク及び電気的干渉を最少にするには、これらの伝送線路のインピーダンスを制御することが重要である。

したがって、本発明は、電気信号伝送線路を協力的に画定する回路基板ビアと該ビアからの導電トレースの延出部を利用して高レベルな動作性能を提供し、回路基板の信号伝送線路のインピーダンス等の所望の電気的特性を維持する回路基板設計に関する。

したがって、本発明の一般的な目的は、高速信号伝送に使用される回路基板構造を提供することであり、該回路基板構造において、接地面が、回路基板上の差動信号伝送線路のために設けられており、また、差動信号トレースが回路基板上のビアに接続される位置に関して優先的な位置に配設され、その結果、各差動信号トレースとそれに対応するビアのペアが、一対の導電トレース及びビアから成る近くの差動信号伝送線路ではなく、接地面と電気結合する。

本発明の他の一般的な目的は、改善された回路基板構造を提供することであり、該回路基板構造において、ビアに延在するかビアから延在する一対の導電差動信号トレースの構成が、回路基板上に差動信号伝送線路を構成する導電トレースのインピーダンスを制御するように具体的に構成されている。

本発明の他の目的は、電気コネクタ等の電子部品と結合する「送出」又は「延出」領域として使用することができるプリント回路基板構造を提供することであり、この構造は、回路基板の貫通ビアに結合された一対の差動信号トレースを有し、トレースは、ビアから出て差動信号システムのインピーダンスに影響を及ぼす領域内において特定の構造を有する。

本発明の更に他の目的は、一対の差動信号ビアが関連した接地ビアの近くに位置決めされた改良された回路基板構造を提供することであり、この回路基板には、少なくとも１つの接地面層が形成されており、この接地面は、２個の差動信号ビアを包囲するアンチパッドを備え、関連した接地ビアと、他のペアの差動信号ビアと関連した他の接地ビアとに接続されている。また、前記アンチパッドに隣接するように位置決めされ、第２の隣接する一対の差動信号ビアを包囲し、隣接する一対の差動信号ビアと関連した第２の接地ビアと接触している他のアンチパッドが形成されている。

本発明の更に他の目的は、一対の差動信号ビアから延在する導電トレース用の新しい延出パターンを備えた回路基板を提供することであり、この延出パターンが、トレースの延出部のそれぞれに曲がり部を有し、一方のトレース延出部の曲がり部が、他方の外側にあるトレース延出部の曲がり半径の内側にあり、その結果、それらが形成する伝送線路の本体から一方のトレースが関連したビアから出る位置まで、一方のトレース延出部が互いに類似の一貫した距離だけ離間される。

本発明の更に他の目的は、一対のそれぞれの差動信号ビアから出て回路基板上の差動信号伝送線路に至る一対の導電回路基板トレースのパターンを提供することであり、それぞれのトレースが、対応するビアを取囲み接触する導電カラー部と、該カラー部から延在し信号伝送部で終端する延出部とを有し、該延出部が幅広部を有し、信号伝送部が、一対の差動信号ビアから離間され、かつ、ビアと交差しない回路基板の範囲に沿って長手方向に延在し、延出部が、信号伝送部とつながるように少なくとも１つの方向変化部を有する。

本発明の更に他の目的は、前述の差動信号ビアトレース延出パターンを有する回路基板を提供することであり、この回路基板は、複数の接地面層を有し、接地面層がそれぞれアンチパッドを有し、その周辺部が、差動信号トレース対のカラー部及び延出部を包囲する。

本発明は、これらの目的、利点及び利益をその構造によって提供する。本発明の主要な一形態においては、回路基板に４つのビアが設けられる。ビアのうちの２個のビアは、差動信号ビアとして指定され、したがって、これらのビアは、回路基板の層内又は層上の差動信号ビアから離れる導電トレースを有し、これらのトレースは、回路基板層の差動信号伝送線路を画定する。残りの２個のビアは、接地ビアとして指定され、したがって、これらのビアは、接地基準面に接続され、この接地基準面は、差動信号伝送線路が延在する面又は層以外の回路基板の面又は層にあることが好ましい。接地基準面は、ペアの２個の差動信号ビアを包囲する開口部を備えるように形成される。接地基準面は、両方の接地ビアに接続される。４個のビアは、正方形、長方形、菱（ひし）形等の仮想の４辺形の角に配設され、接地基準面は、中実（solid ）でも平面でもよく、あるいは、グリッド状又は格子状構造でもよい。

本発明の他の主要な形態においては、一対の差動信号ビアから延在する導電トレースのための新しい送出又は延出パターンが提供される。該延出パターンは、回路基板の面又は層内において、一対の関連したビア、好ましくは、一対の差動信号ビアから延在する一対の導電トレースを有し、各トレースは、トレースの送出部又は延出部に曲がり部を有する。一方のトレース延出部の曲がり部は、他方（外側の）トレース延出部の曲がり半径の内側に配設されており、ペアのトレース延出部相互間の間隔が、関連したビアから伝送線路の本体まで概して類似の一定した距離となっている。

本発明の更に他の主要な形態においては、一対のそれぞれの差動信号ビアから出て（又は、入る）回路基板上の差動信号伝送線路に至る一対の導電回路基板トレースのためのパターンが提供される。それぞれのトレースは、対応するビアを包囲し接触する導電カラー部を有し、さらに、カラー部から延在して信号伝送線路につながるか又は終端する延出部を有する。該延出部は、幅広部を有し、一実施形態において、この幅広部は、一方の差動信号ビアの中心から他方の差動信号ビアまで延在する中心線の近くで始まることができる。この幅広部は、信号伝送線路まで延在し、信号伝送線路までの経路において少なくとも１つの曲がり部を通ってもよく、接続される信号伝送線路の幅に狭まることによって終端する。他の実施形態においては、幅広部は、上から、すなわち、導電トレースの面と垂直な方向から見たときに「旗」の形状を有する。幅広部は、また、結合のために互いに狭い間隔で接近する。幅広部は、通常、ビアから信号伝送線路までの経路に沿って、少なくとも１つの曲がり部を通る、すなわち、方向を変える。

本発明の上記及びその他の目的、機能及び利点は、以下の詳細な説明を検討することにより明確に理解されるであろう。

この詳細な説明において、添付図面をしばしば参照する。

図１は、本明細書において「マザーボード」１０１と呼ばれるプリント回路基板が、一個以上のコネクタ１０３によって二次回路基板１０２に接続されたバックプレーン組立体１００の斜視図である。コネクタ１０３は、当該技術分野で知られているように、マザーボード１０１の表面に配設された導電トレース１０５を利用する導電回路１０４を、二次回路基板１０２上に配設された類似の回路１０６に接続する。これらの回路１０４、１０６は、通常、回路基板に取付けられた電子部品１１０に至る。

図１の組立体１００を他の電子組立体に接続するためにケーブルが使用されるであろうが、そのようなケーブルは、電子信号伝送線路の一形態に過ぎない。他の形態のそのような伝送線路が、組立体の回路基板１０４、１０６に組込まれてもよく、そのような一形態は、回路基板の平面又は層の上又は中に配設された複数の導電トレースである。この伝送線路の例が図２に示されており、今日電子産業で使用されている回路基板構造の代表的なものである。

図２において、回路基板１２０は、該回路基板１２０に実装された電子部品（図示せず）の対応する導電テール部を収容するパターンで配列された複数のビア１２１を有するように示されている。該ビア１２１は、通常、回路基板１２０の厚さ全体を貫通する穴１２２を有する。ビア１２１は、その内側面１２８に沿ってめっきされており、ビア１２１は、通常、回路基板１２０の穴と表面の交差部分に集まることができるめっき材料１２３の小さな環状リングを有する。ビア１２１から延在する一対の導電トレース１２４、１２５が示されており、差動信号用途において、２本のトレース１２４、１２５は、協働してコネクタや電子部品等に至る差動信号伝送線路「ＳＴ」を画定する。

ビア１２１は、回路基板１２０にコネクタと部品を実装するために使用されるだけでなく、基板の様々な回路を相互接続するためにも使用される。以上のように、回路基板は、通常、ガラス繊維樹脂又は類似の複合材料の一連の層で構成される。これらの層のうちの一層にめっき層が付着されてエッチングされ、層の表面に導電トレースが形成される。最初の層にガラス繊維又は樹脂の他の層が付着され、回路トレースが形成され、この処理が、基板内の異なる層上に延在する複数の回路を有する多層回路基板が形成されるまで繰返えされる。ビアは、回路基板に穴を開け、導電層を露出させることによって形成される。次にビアの内側面がめっきされ、それにより、穴の縁に接触しているすべての層が接続される。

図３は、回路基板１２０のビア１２１を有する層を拡大して詳細に示す。ビアは、めっきされ、穴１２２を取囲むめっき材料の内側被覆１２８を有する。基板層上に間隙（げき）Ｇが形成され、この間隙は、ビアめっき１２８と、ビア１２１を取囲む接地基準面導体層１２９を分離する。この間隙Ｇは、短絡から保護するために設けられ、また、接地面層が、一対の差動信号ビアからの差動信号の伝送に悪影響を及ぼすことが発見された。しかしながら、この構造によって、ビアと基準面の縁との間に存在する間隙Ｇにより、ビアは基準面に対してキャパシタとして働く。この効果は、特に、単一ビアを取囲む間隙又は開口部を備えた複数の接地面がある構造において著しく、ビアは信号反射を引起こす可能性がある。この反射によって、伝送線路システム全体からエネルギーが奪われる。

図３Ａは、回路基板１２９の異なる層１２９ａ、１２９ｂ、１２９ｃと、表面トレース１２４ａ、並びに、内側層トレース１２４ｂ及び１２４ｃを結合するために、ビアホール１２２が層１２９ａ〜ｃのすべてを貫通している様子とを概略的に示す。

回路基板上の差動信号ビアの性能を改善する１つの方法が図４に示されており、これは、２００３年８月１９日に発行されＴｅｒａｄｙｎｅ社に譲渡された米国特許第６，６０７，４０２号に記載されている。この特許では、回路基板１２０は、複数のビア１２１が形成されているように示されている。ビア１２１は、差動信号伝送のためにペアで配設され、回路基板１２０は、接地基準面１２９を有する。一対の差動信号ビアを取囲む下側の接地面領域の一部１３０が除去され、開口部が形成されている。この除去された領域（すなわち、開口部１３０）は、一般に、当該技術分野において「アンチパッド（anti-pad）」と呼ばれている。４０２特許では、アンチパッド１３０が２個のビア１２１を取囲まなければならないと記載されている。この構造には、それに関連したいくつかの不都合がある。例えば、ビア１２１は、該ビア１２１と接地面開口部の縁との間の間隙を横切る複数箇所でキャパシタとして働く。このキャパシタの効果は、ビア１２１に接続される任意の信号伝送線路からエネルギーを奪う傾向がある。この小さいサイズのビアアンチパッドの使用は、２個の信号ビア１２１を電気的に疎結合しようとするものであるが、取囲む接地パッド又は接地面が近いために、２個の差動信号ビア１２１の間の真に強力な差動結合が抑制される。

図５は、回路基板ビアに対する他の既知の改良を示し、アンチパッド１３１は、全体が「ドッグボーン」又は「ダンベル」の外観になるように２個のビア１２１の間で中央部１３３が細くされている。この外観により、アンチパッド１３１は、ビア１２１を取囲む領域１３５が大きいが、２個のビアの間の領域１３６では少し狭くなっている。狭くすることによって、動作の際に通常失われる系のエネルギーの一部が取戻されるが、接地面アンチパッドの面積が小さいため適切な性能が得られない。この構造は、系のキャパシタンスを平衡状態にし、かつ、周囲の接地面に対する２個の信号ビアの親和性を維持したまま２個の信号ビアを疎結合しようとするものである。

非対称的な優先的ビア配置
図６は、本明細書において「５ダイ（5-die ）」ビアパターンと呼ぶものが形成された他の回路基板２００を示す。このパターンは、単一の介在接地ビア２０５の両側に配設された２対の差動信号ビア２０２、２０４を有する。そのような差動信号ビアの各ペアは、２個の別個のビア２０２ａ、２０２ｂと、２０４ａ、２０４ｂとを有する。そのような各差動ペアの２個のビアは、通常、（図７で左下から右上に延在するように示された）第１の軸Ｌ１の方向に位置合せされている。このパターンは、第１の軸Ｌ１と交わる方向に沿って繰返される。差動信号ビア２０２ａ−ｂ、２０４ａ−ｂは、通常、これらのビアから回路基板２００の他の箇所に至る導電トレースを有し、接地ビア２０５は、通常、回路基板２０５内の内側面に配設され、図６には示されていない接地面層に接続されている。

このタイプのビアパターンにおいて、２対の差動信号ビアが、それぞれ、パターンの中心にある単一の接地ビアを共有する。我々は、この５ダイパターンがクロストークを発生させ、その様な系のインピーダンスを極めて細かく制御することが困難であることを見出した。差動ビアのペア２０２、２０４のうちの１個と中央接地ビアのグループ化は、図６に太線Ｔで表わした仮想三角形の頂点に３個のビアがある三角形の形状であることが好ましい。

図７は、本発明の原理に従って構成されたビア配置を有する回路基板３００の上面図であり、この図において、一方の対の差動信号ビア「ＡＡ」が、他方の対の差動信号ビア「ＢＢ」よりも、（パターンのほぼ中心に示した）関連した接地ビア３０２の近くに配設されるように、ビアの間隔が変えられている。複数のビア３０１が回路基板３００に形成されており、関連した接地ビア３０２は、一対の差動信号ビア３０３と関連付けられて提供され、好ましくは、一対の差動信号ビア３０３と位置合せされている。２個の差動信号ビア３０３が、第１の軸Ｌ１に沿って並べられて一対の差動信号ビアが形成されることが好ましく、それと関連した接地ビア３０２は、第１の軸Ｌ１から離れているが、第１の軸Ｌ１と交わる方向で見たときに２個の信号ビアの間に配設されている。

我々は、この構造を「優先的接地（preferential ground ）」ビア配置と呼ぶ。その理由は、一方の差動信号ビア対ＡＡとその関連した接地ビア３０２との間隔Ｗ１が、接地ビア３０２と別の隣接する差動信号ビア３０３の対ＢＢとの間隔Ｗ２よりも小さいためである。このようにして、一方の差動信号ビア対ＡＡは、それに関連したアース３０２Ａに対しての結合が強められ、他方の隣接する差動信号ビア対ＢＢ又はその差動信号ビア対ＢＢと関連した接地ビア３０２Ｂに対しての結合は強められない。

図８〜１０は、本発明の他の実施形態を示し、この実施形態において、回路基板の一以上の接地基準面は、差動信号ビアのペアを構成する２個の差動信号ビアを包囲する特別構成のアンチパッドを備えている。これらの構成の寸法関係は、最初に、図８に示されており、ここで、参照符号４００は、複数の信号ビア４０１を有する回路基板を示し、そのうちの２個の信号ビアが結合されて差動信号ビアのペア４０２が構成されている。大きな接地面４０５が、回路基板の表面又はその内側層上にある。接地面４０５には大きなアンチパッド４１０が形成されており、図８で分かるように、アンチパッド４１０は、示したような寸法Ｂ及びＨを有するほぼ長方形である。開口部は、式ＡＲ＝Ｈ／Ｂによって求められる約１．２〜１．５の縦横比ＡＲを有することが好ましい。

差動信号ビア４０１のペア４０２を取囲む接地面４０５は、図示のような大きな接地面とすることができる。このようにして、差動信号ペアが複数のシングルエンド信号（single-ended signal ）に分離される可能性が低くなる。差動信号ビア４０１は、回路基板４００の上側金属接地面層４０５を貫通していることが分かり、開口部、すなわち、アンチパッド４１０の外寸のＢ又はＨよりも小さい（中心間）間隔を有する。このようにして、アンチパッド４１０は、差動信号ペアから有効に減結合され、同相モード結合が最小にされ、同時に、２個の差動信号ビア間の差動モード結合が大きくなる。

さらに、２個の接地ビア４０３、４０４のうちの一方のビア４０４は、優先的接地として規定される。すなわち、ビア４０４は、他方よりも差動ペア４０２の近くに配設され、したがって、主接地基準として指定される。この非対称的な関係によって、差動信号ビアのペアの同相モード結合は最小にされ、系のインピーダンス、すなわち、回路基板全体の広がりに沿ったインピーダンスを後で調整するために規定される。接地面がそのように使用される場合は、接地面４０５は、図９に示したように回路基板の上側面と下側面において接地ビアに接続され、図１０に示したように、内側接地面層が接地ビアに選択的に接続されることが好ましい。図９では、接地面４０５が、大きな中実な接地面層ではなく、グリッド状又は格子状の構造の形をとっていることに注意されたい。このようなグリッド又は格子は、高密度なペアの差動信号ビアを有する回路基板の領域に使用される。

図１０において、複数の層又は平面の回路基板が示されており、分かりやすくするために、樹脂や他の絶縁性材料が除去されている。接地面４０５ａ、４０５ｂは、回路基板の両側の上側面と下側面に配設され、接地ビア４０３及び４０４の両方に接続されている。内側接地基準平面層４０５ｃ及び４０５ｄでは、接地面は２個のビア４０３、４０４の何れにも接続されていない。接地面層４０５ｅと４０５ｆとの間の差動信号ビアのペア４２０から一対の信号トレース４２０が出ているように示されている。回路基板４００及びその層スタックを全体を通してビア性能を最適化するために、信号トレース４２０の側面にある２つの接地面は、接地ビア４０３、４０４に接続されている。

３個のビア４０１〜４０３の間での導電信号トレース４２０の延出経路（exit path ）が図１０Ａに最もよく示されている。図１０Ａは、図１０のビア及び接地面構造の上面図であり、回路基板（分かりやすくするために基板構造が除去されている）の上面の接地面を示し、２本の内部信号トレースの差動信号ビアのペアへの接続を示している。またこの図は、信号トレース４２０が差動信号ビアから分岐、すなわち、差動信号ビアから出る経路を示す。

ビアからの信号トレース取出し
また、トレースがビアから出て回路基板上の伝送経路を構成する領域内の伝送線路のインピーダンスを制御することが望ましい。それらの延出部で問題が起こる。従来、導電トレースペアの間隔を差動信号ビアのペア間に延在する中心線に対して対称的な構成で維持しようとすることは知られていた。これを図１４に示す。ここで、一対の差動信号ビアの２個のビア５０１、５０２が距離Ｄだけ互いに離されている。一対の導電トレース５０３が、ビア５０１、５０２に接続されそこから出ている。それらの延出経路は、最初、トレースが均一な間隔ＤＤだけ離れるまで、トレースの延出部５０４に沿って２個のビア５０１を分ける中心線Ｃの方に斜めに延在する。これらの延出部５０３は、長さが短いため、その延在範囲では互いに交差することはなく、中心線Ｃの両側に互いに平行に延在する対応する細長い部分５０５につながっている。２個のビア５０１、５０２とその関連したトレース５０３は、それらを支持する回路基板５００の信号伝送線路を画定する。単一ペアの差動信号ビアの場合は、２本のトレースの必要な間隔、形状及び長さが対称的に維持され、それにより、延出部の変動が絶対的最小に維持される。回路トレースの形状と対称性を維持することによって、この領域のインピーダンスを制御することができる。しかしながら、特に、差動信号ビア対が高密度で又は接近して設けられている回路基板の領域では、ビアから対称パターンでトレースを引出すことができるとは限らない。

問題は、一対の差動信号ビアから出る導電トレースが互い違いにされ、その結果、トレースが等しい長さでなくなるか、それらのパターンがペアとして対称的でなくなるときに起こる。そのような問題のある構成を図１５に示し、この図において、回路基板５００は、２列にペアで配設されたビア５０１、５０２の配列を有するように示されている。２個のビア５０１、５０２が差動信号ペアを構成し、２本の導電トレース５０５、５０６が、ビアから信号伝送線路５０７に至るように示されている。一方のトレース５０６は短い延出部５１０を有し、他方のトレース５０５は、２個のビア５０１、５０２間の間隔を考慮して、それより長い延出部５１１を有する。トレースの信号伝送線路部分５０７が、２列のビアの間に延在している。信号伝送線路のインピーダンスが所望の値を維持するようにするためには、トレースの２つの延出部５１０、５１１の長さと角度の違いを考慮して、伝送線路部分５０７の長さを等しくしなければならない。これは、部分ループとして示された補償部５１２を挿入することによって行われる。この部分ループは、横方向の長さを過度に大きくすることなくトレース５０６の全長を長くする。しかしながら、そのような補償部５１２を使用すると、追加の回路のために使用することができる回路基板上の貴重なスペースが取られ、したがって、回路基板の信号伝送線路のインピーダンスを制御するこの解決策としては望ましくない。

図１１〜１３及び１１Ａは、差動信号ビア６０８ａ、６０８ｂの対６０９から出る、望ましいインピーダンス特性の信号伝送線路６１０を提供する回路トレースパターン６０１を有する回路基板６００の一実施形態を示す。この構成について、我々は、図示したように２本の導電トレース６１３ａ、６１３ｂから成る関連した信号伝送線路６１２全体に亘って、ビア６０８ａ、６０８ｂからの伝送システムの性能を「調整（tune）」することができることを見出した。これらの図に示した回路トレースパターンは、一般に回路基板６００と内側層上に見られるものであり、２本のトレース６１３ａ、６１３ｂは、めっきされた本体部６０４に沿って差動信号ビア６０８ａ、６０８ｂと結合されている（図１２）。本発明のパターンを使用する際に、我々は、トレースが差動信号ビアから離れる、すなわち、「出る」ときに系のエネルギーを発射する可能性があることを見出した。そのような構造は、系にエネルギーを戻す働きをする。このようにして、本発明は、ビアのペアの間にある仮想の位置から連続的に結合された差動トレースペアを提供することができる。

以上のように、ビア６０９のペアにはエネルギーの大きな集中が生じ、このエネルギーを取戻すために、ビア延出部６２０には、環状カラー部６２２によってビアに接続された幅広部又は領域６２１がある。幅広部６２１は、さらに、我々が「旗」部６２３と呼んでいるものによってビアめっき６２２に接合されている。これらの旗部６２３と、部分的に幅広部６２１とは、電気エネルギーが集中するビア間の領域のキャパシタンスを増大させるために、より広い金属板領域を提供する。旗部６２３は、延出部の最初の部分に良好な９０度の中心線を与える。

図１１に最もよく示したように、回路基板６００に配設された２対のビアは、第１の軸Ｌ１に沿って配設されている。図の下側にある一対のビアは一対の差動信号ビアであり、導電トレース延出部６２０は幅広のものであり、最初にその第１の軸に沿って互いに近付く方向に延在し、次に図１１にＡＸ２で示した第２の軸に沿って第１の軸から所定の角度で外方に延在し、第２の軸は、例示したように第１の軸Ｌ１に対して直交する方向に延在することが好ましい。次に、トレースは、一方のトレース６１３ａが他方のトレース６１３ｂの内側に収まるような半径を有する一対の曲がり部６８０、６８１に沿って向きを変え、第３の軸ＡＸ３に沿って続く。該第３の軸ＡＸ３は、軸Ｌ１とほぼ平行で、かつ、軸ＡＸ２に対してほぼ直交方向である。このように、旗部６２３が互いに近付く方向に延在する領域ＸＸから延出部が信号伝送領域ＳＴにつながる領域まで、２本のトレース間の間隔ＥＥが一定に維持されている。これは、差動信号トレースの連続的な結合を提供する。

図１１Ａは、一対のトレースの延出部の上面図である。この実施形態においては、２個の差動信号ビアは、図５に示したものと類似のドッグボーン型開口部６９０で取囲まれている。前述のように、また本実施形態に示したように、トレースの延出部６２３は旗型構造の形をとる。この構造は、ビアから延在する細いトレースの代わりのプレート型領域である。これらのプレート領域は、ビア領域内のトレース間の容量結合を高め、またインダクタンスを下げる。旗部は、また、ビアから延出する箇所においてトレース間の所望の間隔を維持するように互いに接近し（第１の軸に沿って延在する）、次に、延出部は、第１の軸と交差する第２の軸に沿って旗部から外方に延在する。トレースが、最初に軸Ｌ１に沿った経路、次に軸ＡＸ２に沿った経路、最後に軸ＡＸ３に沿った経路の３つの異なる経路を辿（たど）ることが分かる。軸Ｌ１とＡＸ２とは交差し、同じように、軸ＡＸ２とＡＸ３とが交差する。

図１３Ａは、本発明の他の実施形態の上面図であり、この図は、一対のビア５５１から信号伝送線路５５２につながるまでの一対の導電トレース５５０の延出経路を示す。トレース５５０は、その延出部の一部として旗部５５５を有し、延出部は、ビアから軸Ｌ１に沿って互いに近付く方向に延出する拡大プレート領域を有する。一方のトレース５５０ａは、他方のトレース５５０ｂの内側にある。何故なら、トレース５５０ｂは折返すように湾曲して、軸Ｌ１に対してほぼ直交して延在する信号伝送線路部分５５２に達しているからである。延出部は、さらに、約５つの別個の曲がり部を有する経路を通り、図１３Ａの構造の各曲がり部は、線Ｂ−Ｂで示され、各曲がり部は、トレース延出部が方向を変えるときに生じる。

接地基準面５９０は、トレース延出パターンの上に重ねられて示されている。回路基板のこの層に、基準面５９０及び環状カラー部５９１が見られる。これらは、トレース延出パターンの上の層に配設されているように示されているが、トレース延出パターンの下の層に配設することもできる。接地面５９０に相互接続された２個の接地ビア５９３があり、これらのビアは、接地面に形成され２個の差動信号ビア５５１を包囲する開口部５９４の縁に配設されている。接地ビア５９３ａの一方は、ペアの差動信号ビア５５１と関連した主接地ビアであり、他方の接地ビア５９３ｂは、左側にあり、図１３Ａに示されていないペアの差動信号ビアと関連したものである。ペアの差動信号ビア５５１は、それに関連した接地ビア５９３ａの方により接近させて配設されており、接地ビア５９３ａから距離Ｗ１だけ離れており、この距離は、ペアが接地ビア５９３ｂからの離間距離Ｗ２よりも短い。これらの接地ビアの環状カラー部５９５は、図１３Ａの接地ビアの右半分に示したように、３６０度の環状経路に沿って延在しないように除去されている。より正確に言うと、このようなタイプの環状カラー部は、約１５０〜２００度の湾曲した広がりを有することが好ましく、約１８０度が好ましい。これは、信号トレース延出部とこれに関連していない接地ビア５９３ｂとの間の容量結合を減少させるために行われる。

図１６は、本発明の原理によって構成された他の型の回路トレース延出又は取出しパターンを示す。この構成において、２本の導電トレース４５０ａ、４５０ｂは、関連した一対のビア４０１、４０２から出ている。これらのトレース４５０ａ、４５０ｂの延出部の一方のトレース部４７１は、他方のトレース曲がり部４７０に入れ子にされた小さい曲げ半径を有する。この内側トレース４７１は、折返すように湾曲していると考えることができる。何故なら、内側トレース４７１は、最初にビア４０１から、このビアと対を成す他方のビア４０２の方に延在し、そして折返しているからである。この構造の重要な部分は、ビア４０１からペアになった他方のビア４０２まで延在する最初の部分に見ることができる。この場合、トレースは、外側ビアの延出部４７１の近くに離間された湾曲部に続く。このように、２本のトレースの近さと類似の経路長の両方が維持される。

図１６Ａは、図１６の上面図であり、図１３Ａと同じように、トレース延出パターンの上又は下に重ねられた接地基準面を示す。この接地基準面において、関連した接地ビアは、関連していない接地ビアよりも差動信号ビアのペアに接近させて離間されている。この図は、離間距離を確立するために、延出部４７３が最初に、ビア４０１から、このビアと対を成す他方のビア４０２の方に延在している様子を最もよく示している。次に、トレースは、所望の離間距離で外側ビアの内側に沿うことができる場所４７４でループ状に折返す。

本発明が使用される環境、すなわち、高速信号及びデータ転送のためのバックプレーン環境の概略図である。２個のビアが形成された既知の回路基板構造の平面図である。回路基板の表面のビア開口部の斜視図である。回路基板の本体の所定の場所に形成され、回路基板を完全に貫通するビアを有する既知のプリント回路基板の詳細図であり、この回路基板は、回路基板の本体内又は他の層の間の層として配設された複数の接地面を有する。差動信号用途の他の既知の回路基板構成の平面図であり、ビア対を取囲む導電接地面に形成された非導電領域によって取囲まれた回路基板の２個の差動信号ビアを示す。図４に示したものと類似の２個のビアが形成された更に他の既知の回路基板構成の平面図であり、ビアを取囲む非導電領域の端が、非導電領域の残りの部分よりも大きくされて、開口領域が「ドッグボーン」又は「ダンベル」の形にされている。差動信号用途に使用されるビアの５ダイパターンを示す回路基板の斜視図である。優先的接地構成を示す、本発明の原理に従って構成された回路基板ビア配置の平面図である。図７と同じ図であるが、分かりやすくするために幅広い接地面層が回路基板の上の適所にあり、２個の接地ビアに接続されており、この図は、ペアの差動信号ビアを取囲む開口領域の寸法構成を示す。回路基板部の上面に示された接地面と２個の接地ビアとの間の相互接続箇所を示す、図８と類似のビア配置の斜視図であり、接地面がグリッド又は格子状構成を有し、一対の差動信号ビアを包囲する周辺部を備えた開口領域を有する。図９のビア配置の斜視図であるが、更に他の接地面層を回路基板構造全体の一部として示し、開口領域が、回路基板の高さ、すなわち、深さ全体に亘って差動信号ビア対を包囲し、接地面が配設の接地ビアに優先的に接続されている。図１０のビア及び接地面配置の上面図であり、一対の関連した差動信号ビアから出る一対の差動信号伝送線路トレースを更に示す。少し斜めに見た上面図であり、一対の差動信号ビアと、このビアから出る、すなわち、「送出される」か又は「取出され」て差動信号伝送線路につながる一対の導電トレースを示す。図１１に示したものと類似の構造の上面図であるが、延出部には旗形状はあるが幅広部はない。図１１と同じ図であるが、９０度回転されもう少し斜めに見た図であり、ビアの深さと信号ビアに接続された信号トレース取出し部分を示す。異なる角度で端から見た図１１の配設の斜視図であり、回路トレースがその関連した２個のビアから出ている様子を示すとともに、導電トレースの幅広部を示す。本発明の原理によって構成された他の導電トレース延出パターンの上面図である。既知の差動信号ビア構成とこの差動信号ビア構成とから出る一対の回路トレースの平面図である。他の既知の差動信号ビア構成の平面図であり、一対のトレースが、この差動信号ビアから出て構成回路基板の信号伝送線路を形成している。差動信号トレース延出パターンの他の実施形態の斜視図である。接地基準面がトレースパターンの上に重ねられた状態の図１６の差動信号トレース延出パターンの上面図である。

Claims

差動信号用途に使用される回路基板であって、回路基板が、前記回路基板を通して差動信号を伝えるために使用される一対のめっきされたビアを含み、前記回路基板が、さらに、前記ビアから出て前記ビアから離れた前記回路基板の位置まで延在する一対の導電性のトレースを有し、改良点が、
一対の前記ビアが第１の軸に沿って配設され、前記トレースが、延出部及び伝送部を備え、前記延出部が、前記ビアから外方に延在し、前記第１の軸に沿って互いに近付く方向に延在する拡大領域を含み、前記延出部が、さらに、前記第１の軸と交差する第２の軸に沿って前記拡大領域から延在する脚部を含み、該脚部が前記伝送部につながっていることである回路基板。
前記伝送部が、前記第２の軸と交差する第３の軸に沿って延在する、請求項１に記載の回路基板。
前記拡大領域が、旗の形状を備える、請求項１に記載の回路基板。