JP4824445B2

JP4824445B2 - 多層プリント配線板

Info

Publication number: JP4824445B2
Application number: JP2006073106A
Authority: JP
Inventors: 健一東浦; 聡池田; 顕裕田中
Original assignee: Aica Kogyo Co Ltd
Current assignee: Aica Kogyo Co Ltd
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2006-03-16
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2026-03-16
Also published as: JP2007250885A

Description

本発明は、多層プリント配線板に関し、詳しくは、この多層プリント配線板に設けられた信号伝送用スルーホールの特性インピーダンスを、この信号伝送用スルーホールに接続された伝送線路の特性インピーダンスに対する設定範囲の中において整合させることのできる多層プリント配線板に関する。

プリント配線板においては、異なる層間の伝送線路を接続する手段としてスルーホールが用いられている。この伝送線路の特性インピーダンスは５０Ωに設定されていることが多く、一方、スルーホールの特性インピーダンスは制御することが難しく、これらの接続点において伝送信号の反射が生じ、伝送品質の劣化を招くことがある。

そこで、特許文献１には、基板の一方の面に設けた信号線路の１部を、２つのスルーホールを介して、該基板の他方の面、もしくは、該基板内の層間に設けるようにした実装基板において、このスルーホール夫々の近傍に、このスルーホールに対してグラウンド線をなすグラウンドスルーホールを１以上設けた実装基板が提案されている。なお、ここでいうグラウンドスルーホールとは、接地電位に接続されているスルーホールをいう。

この発明によれば、スルーホールの近傍にグラウンドスルーホールを設けることにより、スルーホールが同軸構造となり、スルーホールとグラウンドスルーホールとの距離やこれらの直径を適宜設定することにより、スルーホールの特性インピーダンスを伝送線路の特性インピーダンスに整合させることができる。

特開平１１−５４８６９号公報

上記技術を多層プリント配線板に適用する場合、信号伝送用スルーホールの特性インピーダンスは、グラウンドスルーホールとの位置関係だけでなく、信号伝送用スルーホールにおける伝送信号が流れる経路の長さや、内層プレーン層との距離などの影響を受ける。しかし、上記文献にはこの影響に関する技術は開示されていない。

そこで、本発明は、伝送線路の特性インピーダンスに対する設定範囲を適切に設定し、かつ、信号伝送用スルーホールの特性インピーダンスがこの設定範囲に含まれるよう、信号伝送用スルーホールに関わる設定値を適宜設定することにより、この多層プリント配線板に設けられた信号伝送用スルーホールの特性インピーダンスを、この信号伝送用スルーホールに接続された伝送線路の特性インピーダンスに対する設定範囲の中において整合させることのできる多層プリント配線板を得ることを課題とする。

前記課題解決のための請求項１に記載の発明は、
複数の絶縁層、及び、複数の内層プレーン層が積層されてなり、
第１伝送線路と、
前記第１伝送線路に接続され、穴径をａ（ｍ）とする信号伝送用スルーホールと、
前記信号伝送用スルーホールに接続され、前記第１伝送線路の特性インピーダンスと等しい特性インピーダンスである第２伝送線路と、
前記内層プレーン層のうち、接地電位の内層プレーン層に接続され、穴径をそれぞれ共にａ（ｍ）とするグラウンドスルーホールと、
前記内層プレーン層の信号伝送用スルーホールに該当する箇所に設けられたクリアランスホールであって、前記信号伝送用スルーホールと前記クリアランスホールの端部との距離をｒ（ｍ）とするクリアランスホールと、を有する多層プリント配線板において、
前記グラウンドスルーホールは前記信号伝送用スルーホールの中心を中心線として中心間距離をそれぞれ共にＤ（ｍ）とする対象の２つとし、前記信号伝送用スルーホールの特性インピーダンスＺ（Ω）が、前記第１伝送線路及び前記第２伝送線路の特性インピーダンスＺ_ｂ（Ω）に対して、０．８・Ｚ _ｂ〜１．２・Ｚ _ｂとなるよう、前記Ｄ、前記ａ及び前記ｒを設定してなることを特徴とする多層プリント配線板。

請求項１に記載の多層プリント配線板において、Ｚは式、Ｚ＝√（Ａ／Ｂ）（Ａ：信号伝送用スルーホールの伝送信号が流れる箇所のインダクタンス、Ｂ：信号伝送用スルーホールと２つのグラウンドスルーホールとの間の総キャパシタンス）により算出されるとともに、インダクタンス及び総キャパシタンスは、Ｄ、ａ及びｒより算出される。

前記において、Ａは次式、Ａ＝Ｌ・ｐで算出される。
ｐ：信号伝送用スルーホールの伝送信号が流れる箇所の長さ（ｍ）
Ｌ：式（ｉ）により算出される信号伝送用スルーホールの単位長さあたりのインダクタンスＬ（Ｈ／ｍ）

（μ：絶縁層の透磁率）

前記の多層プリント配線板において、Ｂは、Ｂ＝ｃ_１・ｔ・ｋ_１＋ｃ_２・ｋ_２＋ｃ_３・ｋ_３
で算出される。
ｃ_１：信号伝送用スルーホールと２つのグラウンドスルーホールとの間の単位長さあたりのキャパシタンス（Ｆ／ｍ）
ｔ：信号伝送用スルーホールの総長さ（ｍ）
ｋ_１：第１定数
ｃ_２：信号伝送用スルーホールの外層ランドと内層プレーン層との間の単位長さあたりのキャパシタンス（Ｆ／ｍ）
ｋ_２：第２定数
ｃ_３：信号伝送用スルーホールと内層プレーン層との間の単位長さあたりのキャパシタンス（Ｆ／ｍ）
ｋ_３：第３定数

ここで、前記Ｂの算出式の右辺の第１項は、信号伝送用スルーホールと、２つのグラウンドスルーホールとの間の軸方向に生じるキャパシタンスを算出する項であって、これは、信号伝送用スルーホールと２つのグラウンドスルーホールとの間の単位長さあたりのキャパシタンスに信号伝送用スルーホールの総長さを乗じ、これにさらに第１定数を乗じて算出される。この第１定数とは、前記キャパシタンスを正確に算出するための適宜設定された定数である。

前記Ｂの算出式の右辺第２項は、信号伝送用スルーホールの外層ランドと内層プレーン層との間のキャパシタンスを算出する項であって、信号伝送用スルーホールの外層ランドと内層プレーン層との間の単位長さあたりのキャパシタンスに適宜設定された第２定を乗じて算出される。

前記Ｂの算出式の右辺第３項は、信号伝送用スルーホールと内層プレーン層との間に生じるキャパシタンスを算出する項であって、信号伝送用スルーホールと内層プレーン層との間の単位長さあたりのキャパシタンスに、適宜設定された第３定数を乗じて算出される。

前記の多層プリント配線板において、ｃ_１は、式（ｉｉ）により算出される。

（ε：絶縁層の比誘電率）

前記の多層プリント配線板において、ｃ_２は、式（ｉｉｉ）により算出される。

（ε：絶縁層の比誘電率）
前記の多層プリント配線板において、ｃ_３は、式（ｉｖ）により算出される。

（ε：絶縁層の比誘電率）

請求項１に記載の多層プリント配線板は、第１伝送線路及び第２伝送線路の特性インピーダンスＺ_ｂ（Ω）に対する設定範囲を適切に設定し、かつ、信号伝送用スルーホールの特性インピーダンスＺが０．８・Ｚ _ｂ〜１．２・Ｚ _ｂとなるよう、Ｄ、ａ及びｒを設定してなることにより、信号伝送用スルーホールの特性インピーダンスを、第１伝送線路及び第２伝送線路の特性インピーダンスに対する設定範囲の中において整合させることができ、さらに、この設定範囲を０．９・Ｚ_ｂ〜１．１・Ｚ_ｂとすることにより、第１伝送線路及び第２伝送線路の特性インピーダンスに対して、信号伝送用スルーホールの特性インピーダンスをより好ましい値に設定することができる。る。

信号伝送用スルーホールの特性インピーダンスの算出にあたり、この特性インピーダンスを算出するのに必要な信号伝送用スルーホールの伝送信号が流れる箇所のインダクタンス、及び、信号伝送用スルーホールと２つのグラウンドスルーホールとの間の総キャパシタンスを用いるものであって、これらインダクタンス及び総キャパシタンスをＤ、ａ及びｒにより算出することができる。

前記の多層プリント配線板において、Ａは次式、Ａ＝Ｌ・ｐで算出されるので、信号伝送用スルーホールの伝送信号が流れる箇所のインダクタンスを、Ｄ及びａから容易に算出することができる。

前記の多層プリント配線板において、Ｂは、
Ｂ＝ｃ_１・ｔ・ｋ_１＋ｃ_２・ｋ_２＋ｃ_３・ｋ_３
で算出されるので、信号伝送用スルーホールと２つのグラウンドスルーホールとの間のキャパシタンスと、信号伝送用スルーホールの外層ランドと内層プレーン層との間のキャパシタンスと、信号伝送用スルーホールと内層プレーン層との間のキャパシタンスとを考慮し、信号伝送用スルーホールに寄生する総キャパシタンスを正確に算出することができる。

前記の多層プリント配線板において、ｃ_１は、式（ｉｉ）により算出されるので、信号伝送用スルーホールと２つのグラウンドスルーホールとの間の単位長さあたりのキャパシタンスをＤ及びａから容易に算出することができる。

前記の多層プリント配線板において、ｃ_２は、式（ｉｉｉ）により算出されるので、信号伝送用スルーホールの外層ランドと内層プレーン層との間の単位長さあたりのキャパシタンスをａ及びｒから容易に算出することができる。

前記の多層プリント配線板において、ｃ_３は、式（ｉｖ）により算出されるので、信号伝送用スルーホールと内層プレーン層との間の単位長さあたりのキャパシタンスをａ及びｒから容易に算出することができる。

図１は、本発明の多層プリント配線板に設けられた信号伝送用スルーホール１、及び、２つのグラウンドスルーホール３及び４の構成を示す図である。詳しくは、これらをこの多層プリント配線板の第１層の上から見た図である。この多層プリント配線板は、複数の絶縁層（図示せず）、及び、複数の内層プレーン層（図示せず）が積層されてなり、第１伝送線路２と、信号伝送用スルーホール１と、第２伝送線路９と、２つのグラウンドスルーホール３及び４と、クリアランスホール６と、が設けられている。

この多層プリント配線板は図１に示されている面を第１層とし、以下、この第１層から図１の背面方向に向けて内層プレーン層または信号層が設けられている層を第２層、第３層、・・、とする。第１伝送線路２は、この多層プリント配線板の第１層に設けられている。信号伝送用スルーホール１は、この多層プリント配線板を貫いて形成されており、第１伝送線路２に接続され、穴径をａ（ｍ）としている。また、外層ランド５が形成されている。

第２伝送線路９は、信号伝送用スルーホール１に接続されており、かつ、第１伝送線路２の特性インピーダンスと等しい特性インピーダンスとしている。なお、この第２伝送線路９は、この多層プリント配線板の設計に従い、第２層以下のいずれかの層に形成されるものである（実施例を参照）。

２つのグラウンドスルーホール３及び４は、内層プレーン層のうち接地電位の内層プレーン層に接続されている。これら２つのグラウンドスルーホール３及び４は、穴径をそれぞれ共にａ（ｍ）とし、かつ、信号伝送用スルーホール１との中心間距離をそれぞれ共にＤ（ｍ）としている。

図２は信号伝送用スルーホール１をＡ−Ａ線で切断した部分断面図である。図１及び図２を参照すると、穴径ａとは、信号伝送用スルーホール１と、２つのグラウンドスルーホール３及び４において、これらスルーホールを形成するためのスルーホールめっき層７を含まない箇所の径、すなわち、図２では、符号ａで示されている箇所の径をいう。例えば、これらスルーホールを形成する際、ドリルで穴加工する場合は、このドリルの径がこれらスルーホールの穴径に等しい。

また、クリアランスホール６は、内層プレーン層８の信号伝送用スルーホール１に該当する箇所に設けられており、信号伝送用スルーホール１とクリアランスホール６の端部との距離をｒ（ｍ）としている。

以下、本発明の多層プリント配線板における、Ｄ、ａ及びｒの設定方法を実施例により説明する。

（第１実施例）
図３は、第１実施例の多層プリント配線板の層構成を示す模式図である。図３の左側に記載のＬ１、Ｌ２、・・、はそれぞれ、第１層、第２層、・・、を示し、黒塗りで記載された箇所は、信号層及び内層プレーン層の少なくともいずれかを示し、ハッチングで示して箇所は各層間の絶縁層を示す。また、右側に記載した数字は、各層及び各絶縁層の厚み（ｍｍ）を示す。

図３を参照すると、この第１実施例の多層プリント配線板は、絶縁層を７層構成とし、内層プレーン層を第２層、第４層、第５層及び第７層に設けるものである。これら内層プレーン層は、電源供給用、及び、接地電位用の少なくともいすれかとする。また、第１層、第３層、第６層及び第８層を信号層とする。

また、図１及び図２を参照すると、特性インピーダンスＺ_ｂを５０Ωとする第１伝送線路２を第１層に、そして、この第１伝送線路２に接続され、穴径をａ（ｍ）とする信号伝送用スルーホール１を設けた。

さらに、この信号伝送用スルーホール１に接続され、第１伝送線路２の特性インピーダンスと等しい特性インピーダンス、すなわち、特性インピーダンスＺ_ｂを５０Ωとする第２伝送線路９を第８層に設けた。

またさらに、内層プレーン層のうち、接地電位の内層プレーン層に接続され、穴径をそれぞれ共にａ（ｍ）とし、かつ、信号伝送用スルーホール１との中心間距離をそれぞれ共にＤ（ｍ）とする２つのグラウンドスルーホール３及び４を設けた。

また、内層プレーン層８には、信号伝送用スルーホール１とクリアランスホール６の端部との距離をｒ（ｍ）とするクリアランスホール６を設けた。

この多層プリント配線板は、信号伝送用スルーホール１の特性インピーダンスＺが、第１伝送線路２及び第２伝送線路９の特性インピーダンスＺ_ｂ＝５０Ωに対する設定範囲を設定し、このＺがこの設定範囲に含まれるよう、Ｄ、ａ及びｒを設定する。

この多層プリント配線板において、Ｚは式、
Ｚ＝√（Ａ／Ｂ）
（Ａ：信号伝送用スルーホール１の伝送信号が流れる箇所のインダクタンス、Ｂ：信号伝送用スルーホール１と２つのグラウンドスルーホール３及び４との間の総キャパシタンス）
により算出する。そして、これらインダクタンス及び総キャパシタンスを、Ｄ、ａ及びｒの少なくともいずれかにより算出するものである。

Ａは次式、
Ａ＝Ｌ・ｐ
で算出する。
ｐ：信号伝送用スルーホール１の伝送信号が流れる箇所の長さ（ｍ）
Ｌ：式（ｉ）により算出される信号伝送用スルーホール１の単位長さあたりのインダクタンスＬ（Ｈ／ｍ）

（μ：絶縁層の透磁率）

第１実施例の多層プリント配線板では、信号伝送用スルーホール１の伝送信号が流れる箇所は第１層から第８層であり、ｐは次の通りである。
ｐ＝（０．０４５＋０．１５＋０．０３５＋０．２＋０．０３５＋０．２＋０．０３５＋０．２＋０．０３５＋０．２＋０．０３５＋０．２＋０．０３５＋０．１５＋０．０４５）×１０^−３
＝１．６×１０^−３（ｍ）
＝１．６（ｍｍ）

Ｂは、
Ｂ＝ｃ_１・ｔ・ｋ_１＋ｃ_２・ｋ_２＋ｃ_３・ｋ_３
で算出する。
ｃ_１：信号伝送用スルーホール１と２つのグラウンドスルーホール３及び４との間の単位長さあたりのキャパシタンス（Ｆ／ｍ）
ｔ：信号伝送用スルーホール１の総長さ（ｍ）
ｋ_１：第１定数
ｃ_２：信号伝送用スルーホール１の外層ランド５と内層プレーン層との間の単位長さあたりのキャパシタンス（Ｆ／ｍ）
ｋ_２：第２定数
ｃ_３：信号伝送用スルーホール１と内層プレーン層との間の単位長さあたりのキャパシタンス（Ｆ／ｍ）
ｋ_３：第３定数

ここで第１実施例の多層プリント配線板においては、ｔは次の通りである。
ｔ＝（０．０４５＋０．１５＋０．０３５＋０．２＋０．０３５＋０．２＋０．０３５＋０．２＋０．０３５＋０．２＋０．０３５＋０．２＋０．０３５＋０．１５＋０．０４５）×１０^−３
＝１．６×１０^−３（ｍ）
＝１．６（ｍｍ）

信号伝送用スルーホール１と２つのグラウンドスルーホール３及び４との間の単位長さあたりのキャパシタンスｃ_１（Ｆ／ｍ）は、式（ｉｉ）により算出する。

（ε：絶縁層の比誘電率）

信号伝送用スルーホール１の外層ランド５と内層プレーン層との間の単位長さあたりのキャパシタンスｃ_２（Ｆ／ｍ）は、式（ｉｉｉ）により算出する。

（ε：絶縁層の比誘電率）

信号伝送用スルーホール１と内層プレーン層との間の単位長さあたりのキャパシタンスｃ_３（Ｆ／ｍ）は、式（ｉｖ）により算出する。

（ε：絶縁層の比誘電率）

また、絶縁層の透磁率μ、及び、絶縁層の比誘電率εは、それぞれ、次の通りとした。
ε＝４．７
μ＝１２．５６

第１実施例の多層プリント配線板においては、第１伝送線路２及び第２伝送線路９の特性インピーダンスＺ_ｂに対する設定範囲を０．９・Ｚ_ｂ〜１．１・Ｚ_ｂ、すなわち、４５〜５５（Ω）とする。

Ｚがこの設定範囲に含まれるよう、前記算出式に基づいてＤ、ａ及びｒが下記の通り算出された。
Ｄ＝１．０×１０^−３（ｍ）＝１．０ｍｍ
ａ＝０．２５×１０^−３（ｍ）＝０．２５ｍｍ
ｒ＝０．３×１０^−３（ｍ）＝０．３ｍｍ
そして、これら値によれば、Ｚ＝４９．６Ωとなった。

（第２実施例）
上記第１実施例の多層プリント配線板において、第２伝送線路９を６層に設けたものを第２実施例の多層プリント配線板とした。この第２実施例の多層プリント配線板においては、ｐ及びｔは、次の通りである。
ｐ＝（０．０４５＋０．１５＋０．０３５＋０．２＋０．０．０３５＋０．２＋０．０３５＋０．２＋０．０３５＋０．２＋０．０３５／２）×１０^−３
＝１．１５２５×１０^−３（ｍｍ）
＝１．１５２５（ｍｍ）
ｔ＝（０．０４５＋０．１５＋０．０３５＋０．２＋０．０３５＋０．２＋０．０３５＋０．２＋０．０３５＋０．２＋０．０３５＋０．２＋０．０３５＋０．１５＋０．０４５）×１０^−３
＝１．６×１０^−３（ｍ）
＝１．６（ｍｍ）

この第２実施例の多層プリント配線板においては、設定範囲を０．８・Ｚ_ｂ〜１．２・Ｚ_ｂ、すなわち、Ｚが４０〜６０とした。そして、この設定範囲にＺが含まれるよう、前記算出式に基づいてＤ、ａ及びｒが下記の通り算出された。
Ｄ＝１．０×１０^−３（ｍ）＝１．０ｍｍ
ａ＝０．２５×１０^−３（ｍ）＝０．２５ｍｍ
ｒ＝０．３×１０^−３（ｍ）＝０．３ｍｍ
これらの値によれば、Ｚ＝４２．１Ωとなった。

本発明の多層プリント配線板に設けられた信号伝送用スルーホール、及び、２つのグラウンドスルーホールの構成を示す図。信号伝送用スルーホールをＡ−Ａ線で切断した拡大部分断面図。第１実施例の多層プリント配線板の層構成を示す模式図。

１信号伝送用スルーホール
２第１伝送線路
３グラウンドスルーホール
４グラウンドスルーホール
５外層ランド
６クリアランスホール
７スルーホールめっき層
８内層プレーン層
９第２伝送線路

Claims

複数の絶縁層、及び、複数の内層プレーン層が積層されてなり、第１伝送線路と、
前記第１伝送線路に接続され、穴径をａ（ｍ）とする信号伝送用スルーホールと、
前記信号伝送用スルーホールに接続され、前記第１伝送線路の特性インピーダンスと等しい特性インピーダンスである第２伝送線路と、
前記内層プレーン層のうち、接地電位の内層プレーン層に接続され、穴径をそれぞれ共にａ（ｍ）とするグラウンドスルーホールと、
前記内層プレーン層の信号伝送用スルーホールに該当する箇所に設けられたクリアランスホールであって、前記信号伝送用スルーホールと前記クリアランスホールの端部との距離をｒ（ｍ）とするクリアランスホールと、を有する多層プリント配線板において、
前記グラウンドスルーホールは前記信号伝送用スルーホールの中心を中心線として中心間距離をそれぞれ共にＤ（ｍ）とする対象の２つとし、前記信号伝送用スルーホールの特性インピーダンスＺ（Ω）が、前記第１伝送線路及び前記第２伝送線路の特性インピーダンスＺ_ｂ（Ω）に対して、０．８・Ｚ _ｂ〜１．２・Ｚ _ｂとなるよう、前記Ｄ、前記ａ及び前記ｒを設定してなることを特徴とする多層プリント配線板。