JP4978269B2

JP4978269B2 - 多層配線基板

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Publication number: JP4978269B2
Application number: JP2007083092A
Authority: JP
Inventors: 知一所
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2027-03-27
Also published as: US20080238585A1; US8072774B2; JP2008244179A

Description

この発明は、ＬＳＩ等の電子部品を実装する多層配線基板に係り、特に実装された電子部品間を伝送する信号の伝送速度の高速化のために必須なバランス配線を備えた多層配線基板に関する。

コンピュータや携帯電話等の電子機器の主要部を構成する電子部品の代表としてＬＳＩ（大規模集積回路）が数多く用いられているが、ＬＳＩは多層配線基板に実装されて電子機器に組み込まれる。このように各種電子機器に組み込まれた多くのＬＳＩ間を伝送する信号の伝送速度は、近年ますます高速化が進んでいる。ここで、ＬＳＩ間の信号の伝送速度の高速化のためには、信号をバランス化（差動化）させることが必須となっている。このようなバランス配線は、従来から、同一層バランス配線（横方向バランス配線とも称される）と、タンデムバランス配線との２種類が知られている。

図５は、同一層バランス配線１４を備えた従来の多層配線基板２１（第１の従来例）の概略構成を示す断面図、図６は同多層配線基板２１の概略構成を示す平面図である。同多層配線基板２１の同一層バランス配線は、図５及び図６から明らかなように、層間絶縁膜（層間膜と称する）を介して順次にＣＯＶＥＲ（カバー）層１０２、ＧＮＤ（グランド）層１０３、配線層１０４、ＧＮＤ層１０６が形成された構成において、ＬＳＩ１０１の一対（ペア）のハンダボール１１８からの一対の信号経路（配線経路）は、それぞれＬＳＩ１０１の直下の一対のスルーホール１１７を介して、同一層の配線層１０４に横方向の配線１１７ａ、１１８ａを経てＬＳＩ１０１の外側の配線１０７ｂ、１０８ｂに結合されるようになっている。そして、一対の信号間（配線間）の間隔と配線幅で特性インピーダンスが規定されるようになっている。符号１０９、１１０、１１２はそれぞれ層間厚を示している。

一方、図７は、タンデムバランス配線１５，１６を備えた従来の多層配線基板２２（第２の従来例）の概略構成を示す断面図、図８は同多層配線基板２２の概略構成を示す平面図である。同多層配線基板２２のタンデムバランス配線は、図７及び図８から明らかなように、図５及び図６と同じ層構成において、ＬＳＩ１０１の一対のハンダボール１１８からの一対の信号経路は、それぞれＬＳＩ１０１の直下のスルーホール１１７を介して、異なる層の配線層１０４，１０５に配線１１７ａ、１１８ａを経てＬＳＩ１０１の外側の配線１０７ｂ、１０８ｂに結合されるようになっている。そして、一対の配線間の層間厚１１１と配線幅で特性インピーダンスが規定されるようになっている。符号１１１は層間厚を示している。

ここで、従来の同一層バランス配線１４とタンデムバランス配線１５、１６とを比較すると、図９にも示すように、同一層バランス配線は一対の信号経路が多層配線基板２１の横方向（水平方向）の同一層の配線層１０４により形成できるという利点がある反面、配線のペア数が増加するとこれらの配線により多層配線基板の横方向のサイズが大きくなるという欠点がある。一方、タンデムバランス配線１５，１６は一対の信号経路が多層配線基板２１の縦方向（厚さ方向）に形成されているので、同信号経路が多層配線基板２２の横方向に形成されている同一層バランス配線１４よりも、配線の収容性に優れているという利点を有している。さらに、タンデムバランス配線１５、１６は上述のような理由により同一層バランス配線１４よりも、隣接ペアからのクロストークの影響を受けにくいという利点も有している。

ここで、ＬＳＩ等の電子部品を実装するための各種の配線基板あるいは多層配線基板が提供されている（特許文献１、特許文献２、特許文献３）。これらの中で、特許文献１に開示されている配線基板は、導体間の絶縁部層に凹部凸部を設けて信号配線とグランド間の距離を近づけることにより、細幅配線のインピーダンスを整合しているが、本願発明のように細幅の配線部のインピーダンスの整合に差動間の結合を利用することは行われていない。また、特許文献１の配線基板のように局所的に絶縁層の厚みを変更することは、技術的に難易度が高いのでコストアップが避けられないだけでなく実現性が低い。

特許文献２に開示されている多層配線基板は、導体配線とグランド配線との間に誘電層を介在させて特性インピーダンスを一定にしているが、本願発明のように細幅の配線部のインピーダンスの整合に差動間の結合を利用することは行われていない。また、特許文献２の多層配線基板は特性インピーダンスを一定に整合することと、基板全体の厚さを薄くすることを目的としているが、本願発明のように細幅配線から太幅配線への乗り換えの際に特性インピーダンスの不整合及び信号の減衰量の増加を防止し、配線基板の層数そのものを削減することや配線の収容性を良くすることは目的としていない。

特許文献３に開示されている配線基板は、内側パターン配線の断線を防止することを目的として、内側パターン配線の配線幅を外側パターン配線の配線幅より十分に広くしているが、本願発明のように細幅の配線部のインピーダンスの整合に差動間の結合を利用することは行われていない。、
特開２００１−０５３５０７号公報特開２００２−０５７４６７号公報特開平０４−２５５２８７公報

ところで、前述したような従来の第１の従来例及び第２の従来例では、いずれも次に説明するように、配線の特性インピーダンスに不整合が生ずるので、信号伝送の際に信号の反射が起きるという問題がある。
いずれの従来例においても、図６及び図８に示すように、ＬＳＩ１０１を実装する基板の領域にはＬＳＩ１０１と多層配線基板２１，２２とを接続するための、ハンダボール１１８用のＬＳＩ接続パッド１１３とスルーホール１１７が密集しているので、配線を通過させかつ配線の収容性を良くすることを目的として、ＬＳＩ１０１の直下の基板の領域の配線の配線幅Ｗ１（細幅配線）はスペースの制約があるので細く形成される。一方、ＬＳＩ１０１の直下の基板の領域を通過してＬＳＩ１０１の外側の基板の領域に形成される配線の配線幅Ｗ２（太幅配線）は、スペースに余裕があるので、信号の減衰を抑えかつ多層配線基板の製造性を良くすることを目的として、太く（Ｗ１＜Ｗ２）形成される。

ここで、配線の特性インピーダンスは、配線幅Ｗ１、配線幅Ｗ２のどちらかで、所望の値となるように各層間厚１０９〜１１２を規定するため、配線の配線幅Ｗ１の部分の特性インピーダンスと、配線幅Ｗ２の特性インピーダンスとは等しくならない。したがって、配線の特性インピーダンスに不整合が生ずるので、信号伝送の際に信号の反射が起きる要因となっている。

上述のような理由で、ＬＳＩ１０１の直下の基板の領域の配線は細幅配線に、かつＬＳＩ１０１の外側の基板の領域の配線は太幅配線に形成せざるを得ないので、配線の細幅配線の部分の特性インピーダンスは太幅配線の部分のそれよりも高くなる。この結果、上述のように配線の特性インピーダンスに不整合が生ずるので、信号伝送の際に信号の反射が起きている。ところで、近年の信号の伝送速度の高速化による信号の減衰量の増加やＬＳＩの低電圧化によって、ＬＳＩの動作マージンの確保が困難になっている事情を考慮すると、信号伝送の際に起きる信号の反射は許容できなくなっている。

このような背景で、配線の特性インピーダンスの不整合を抑えるために、配線幅Ｗ１で特性インピーダンスを規定すべく、この配線幅Ｗ１のみでＬＳＩ間を配線することも考えられるが、この場合には、信号の減衰が大きくなるので、信号の伝送速度の高速化に伴って実現は困難である。また、同一層バランス配線の場合、横方向に隣接している２本の配線間で特性インピーダンスを規定することも可能であるが、ＬＳＩの直下の基板の領域にはＬＳＩ接続パッドやスルーホール等が密集していることを考慮すると、２本の配線のピッチの調整が難しくなる。加えて、通過できる信号数が少なくなるので、図９を参照して説明したように、タンデムバランス配線と比較して配線の収容性及びクロストークの点で劣る欠点がある。したがって、高品質な信号伝送が不可能になる。

この発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、従来のタンデムバランス配線の利点を残したままで、配線の特性インピーダンスの不整合をなくすことで、高品質な信号伝送を可能にするとともに実装する電子部品の動作マージンを確保することができる多層配線基板を提供することを目的とする

上記問題を解決するために、請求項１記載の発明は、実装される電子部品間を伝送する信号の伝送速度の高速化のために必須なバランス配線を備えた多層配線基板に係り、上記バランス配線は、一対の信号経路が上記電子部品の直下の基板の領域ではそれぞれ異なる層の配線層に細幅配線で形成されるとともに、上記電子部品の外側の基板の領域では、上記一対の信号経路のうち、一方の信号経路は、上記電子部品の直下の基板の領域で当該一方の信号経路が形成されている上記配線層と異なる配線層に乗り換えて形成され、かつ両方の信号経路が太幅配線で形成されていることを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の多層配線基板に係り、上記電子部品の外側の基板の領域では、上記一対の信号経路のうち、他方の信号経路は、上記電子部品の直下の基板の領域で当該他方の信号経路が形成されている上記配線層と同一の配線層に形成されていることを特徴としている。

また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の多層配線基板に係り、上記バランス配線は、一対のグランド経路が上記電子部品の直下の基板の領域ではそれぞれ異なる層の配線層に形成されるとともに、上記電子部品の外側の基板の領域では、上記一対のグランド経路のうち、一方のグランド経路は、上記電子部品の直下の基板の領域で当該一方のグランド経路が形成されている上記配線層と異なる配線層に乗り換えて形成されていることを特徴としている。

また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の多層配線基板に係り、上記電子部品の外側の基板の領域では、上記一対のグランド経路のうち、他方のグランド経路は、上記電子部品の直下の基板の領域で当該他方のグランド経路が形成されている上記配線層と同一の配線層に形成されていることを特徴としている。

また、請求項５記載の発明は、請求項３又は４記載の多層配線基板に係り、上記一方の信号経路あるいは上記一方のグランド経路が半貫通スルーホールを介して上記配線層と異なる配線層に乗り換えることを特徴としている。

また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１つに記載の多層配線基板に係り、上記電子部品が大規模集積回路であることを特徴としている。

この発明の多層配線基板２５によれば、配線の細幅配線の部分の特性インピーダンスは太幅配線の部分のそれと等しい所望の特性インピーダンスになる。したがって、配線の収容性に優れるとともに、クロストークの影響を受けにくいという従来のタンデムバランス配線の利点を残したままで、電子部品間を接続している配線の全区間において特性インピーダンスの不整合をなくすことできるため、高品質な信号伝送を可能にするとともに実装する電子部品の動作マージンを確保することができる。

多層配線基板２５は、ＬＳＩ１の一対のハンダボール１８からの一対の信号経路は、ＬＳＩ１の直下の基板の領域ではそれぞれＬＳＩ１の直下のスルーホール１７を介して、異なる層の配線層４，５に配線７ａ、８ａが配線幅Ｗ１で形成されるとともに、ＬＳＩ１の外側の基板の領域では一方の配線７ａがスルーホール１９を介して配線層４ａに乗り換えて、配線幅Ｗ２の配線７ｂへ変更され、他方の配線８ａはＬＳＩ１の外側の基板の領域においても配線層を変更することなく、配線幅Ｗ２の配線８ｂに配線幅のみ変更されている。

図１は、この発明の実施例である多層配線基板の概略構成を示す断面図、図２は同多層配線基板の概略構成を示す平面図、図３及び図４は同多層配線基板により得られた効果を従来例と比較して示す図である。
この例の多層配線基板２５のバランス配線は、図１及び図２に示すように、層間膜を介して順次にＣＯＶＥＲ２、ＧＮＤ層３、配線層４、配線層５、ＧＮＤ層６が形成された構成において、ＬＳＩ１の一対のハンダボール１８からの一対の信号経路は、ＬＳＩ１の直下の基板の領域ではそれぞれＬＳＩ１の直下のスルーホール１７を介して、異なる層の配線層４，５に配線７ａ、８ａが配線幅Ｗ１で形成されるとともに、ＬＳＩ１の外側の基板の領域では一方の配線７ａがスルーホール１９を介して配線層４ａに乗り換えて、配線幅Ｗ２の配線７ｂへ変更されている。また、他方の配線８ａはＬＳＩ１の外側の基板の領域においても配線層を変更することなく、配線幅Ｗ２の配線８ｂに配線幅のみ変更されている。同様に、一対のＧＮＤ経路は、ＬＳＩ１の直下の基板の領域ではそれぞれ異なる層のＧＮＤ層３，６に形成されるとともに、ＬＳＩ１の外側の基板の領域では一方のＧＮＤ層３のみがスルーホールを介してＧＮＤ層３ａに乗り換えられている。ここで、スルーホール１９は信号の反射に影響するスタブ（分岐）とならないように、半貫通に形成されていることが望ましい。

ここで、配線幅Ｗ１で形成される配線７ａ、８ａは、配線７ａ、８ａとの結合によって、所望の特性インピーダンスとなるように、層間厚１１を形成する。また、配線７ｂは配線幅Ｗ２とＧＮＤ層３ａとの関係で、所望の特性インピーダンスとなるように、層間厚９と層間厚１０を規定する。さらに、配線８ｂは配線幅Ｗ２とＧＮＤ層６との関係で、所望の特性インピーダンスとなるように、層間厚１２を規定する。

層間厚９、１０、１２の配線７ａ、８ａに対する影響は、層間厚１１と比較して小さく、層間厚１１の配線７ｂに対する影響は、層間厚９、１０と比較して小さく、さらに配線８ｂに対する影響は層間厚１２よりも小さいため、ＬＳＩ１の直下の基板の領域を通過した後の配線７ｂ、８ｂの特性インピーダンスは、全て所望の特性インピーダンスとなる。したがって、ＬＳＩ１間を接続する配線の全区間において特性インピーダンスの不整合は発生しなくなる。

すなわち、この例の多層配線基板２５のバランス配線において、配線幅W１（細幅配線）の配線７ａと配線８ａの特性インピーダンスは、ＧＮＤ層３との層間厚１０、ＧＮＤ層６との層間厚１２、配線間の層間厚１１のそれぞれに対する、配線幅Ｗ１との関係で規定される。換言すると、特性インピーダンスが合うように，配線幅Ｗ１とそれぞれの層間厚を規定する。また、配線幅Ｗ２（太幅配線）の配線７ｂと配線８ｂの特性インピーダンスは、配線７ａと７ｂそれぞれ、配線７ｂは、配線幅Ｗ２とＧＮＤ層３ａとの層間厚１０が支配項となり、配線８ｂに対しては、配線幅Ｗ２とＧＮＤ層３ａとの層間厚１１と、ＧＮＤ層６との層間厚１２が支配項となった上で、さらに特性インピーダンスとして規定される。換言すると特性インピーダンスの不整合が発生しないように、配線幅Ｗ２を規定する（配線膜は変更できない）配線幅Ｗ１＜Ｗ２とすることが可能となる。ただし、層間厚１０≠層間厚１１≠層間厚１２の前提条件が必要となる。

図３は、この例の多層配線基板２５のバランス配線により得られた特性インピーダンス（ZO）を従来のタンデムバランス配線により得られたそれと比較して示すもので、特性インピーダンス１００Ωをターゲットにした例を示している。同図から明らかなように、従来のタンデムバランス配線では、[１]、[２]のいずれも細幅配線と太幅配線との値に差が生じているが、本発明[３]では両者の値にほとんど差がなく、特性インピーダンスの不整合が発生しないことを示している。

また、図４は、従来の同一層バランス配線（ａ）、タンデムバランス配線（ｂ）及び本発明（ｃ）における多層配線基板の層構成を比較して示すものである。例えば、２ペアの配線を形成する例で示すと、（ａ）では７層が必要になるのに対して、（ｂ）、（ｃ）ではいずれも６層のみ必要となる。

図３及び図４から明らかなように、本発明を従来のタンデムバランス配線と比較すると、配線の収容性及びクロストークの点で優れているという利点を残したままで、特性インピーダンスの不整合をなくすことができ、また本発明を従来の同一層バランス配線と比較すると、層数を増加させることなく特性インピーダンスの不整合をなくすことができる。この点、従来のタンデムバランス配線の場合は、特性インピーダンスの不整合をなくすには、ＬＳＩ間を接続する全配線の細幅配線で規定するしかないので信号の減衰を抑えることができないが、本発明によれば細幅配線はＬＳＩの直下の基板の領域のみに限定できるので、信号の減衰を抑えたままで特性インピーダンスの不整合をなくすことができる。したがって、本発明によれば高品質な信号伝送が可能になる。

このように、この例の多層配線基板２５によれば、ＬＳＩ１の一対のハンダボール１８からの一対の信号経路は、ＬＳＩ１の直下の基板の領域ではそれぞれＬＳＩ１の直下のスルーホール１７を介して、異なる層の配線層４，５に配線７ａ、８ａが配線幅Ｗ１で形成されるとともに、ＬＳＩ１の外側の基板の領域では一方の配線７ａがスルーホール１９を介して配線層４ａに乗り換えて、配線幅Ｗ２の配線７ｂへ変更され、また、他方の配線８ａはＬＳＩ１の外側の基板の領域においても配線層を変更することなく、配線幅Ｗ２の配線８ｂに配線幅のみ変更されている。
したがって、従来のタンデムバランス配線の利点を残したままで、配線の特性インピーダンスの不整合をなくすことで、高品質な信号伝送を可能にするとともに実装する電子部品の動作マージンを確保することができる。

以上、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施例に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、多層配線基板に実装する電子部品としてはＬＳＩに例をあげて説明したが、これに限らず多端子を備えたキャパシタ、抵抗などの他の電子部品に適用することもできる。また、多層配線基板には２ペアの配線を形成する例で説明したが、これに限らず必要に応じてさらに多くのペアの配線を形成することができる。

この発明の実施例である多層配線基板の概略構成を示す断面図である。同多層配線基板の概略構成を示す平面図である。同多層配線基板により得られた効果を従来例と比較して示す図である。同多層配線基板により得られた効果を従来例と比較して示す図である。第１の従来例による多層配線基板の概略構成を示す断面図である。同多層配線基板の概略構成を示す平面図である。第２の従来例による多層配線基板の概略構成を示す断面図である。同多層配線基板の概略構成を示す図である。第１及び第２の従来例の概略構成を比較して平面図である。

符号の説明

１ＬＳＩ
２ＣＯＶＥＲ層
３、３ａ、６ＧＮＤ層
４、４ａ、５配線層
７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂ配線
９〜１２層間厚
１３ＬＳＩ接続パッド
１４（同一層バランス配線）横方向配線
１５，１６タンデムバランス配線
１７，１９スルーホール
１８ハンダボール
２５多層配線基板

Claims

実装される電子部品間を伝送する信号の伝送速度の高速化のために必須なバランス配線を備えた多層配線基板であって、
前記バランス配線は、一対の信号経路が前記電子部品の直下の基板の領域ではそれぞれ異なる層の配線層に細幅配線で形成されるとともに、前記電子部品の外側の基板の領域では、前記一対の信号経路のうち、一方の信号経路は、前記電子部品の直下の基板の領域で当該一方の信号経路が形成されている前記配線層と異なる配線層に乗り換えて形成され、かつ両方の信号経路が太幅配線で形成されていることを特徴とする多層配線基板。
前記電子部品の外側の基板の領域では、前記一対の信号経路のうち、他方の信号経路は、前記電子部品の直下の基板の領域で当該他方の信号経路が形成されている前記配線層と同一の配線層に形成されていることを特徴とする請求項１記載の多層配線基板。
前記バランス配線は、一対のグランド経路が前記電子部品の直下の基板の領域ではそれぞれ異なる層の配線層に形成されるとともに、前記電子部品の外側の基板の領域では、前記一対のグランド経路のうち、一方のグランド経路は、前記電子部品の直下の基板の領域で当該一方のグランド経路が形成されている前記配線層と異なる配線層に乗り換えて形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の多層配線基板。
前記電子部品の外側の基板の領域では、前記一対のグランド経路のうち、他方のグランド経路は、前記電子部品の直下の基板の領域で当該他方のグランド経路が形成されている前記配線層と同一の配線層に形成されていることを特徴とする請求項３記載の多層配線基板。
前記一方の信号経路あるいは前記一方のグランド経路が半貫通スルーホールを介して前記配線層と異なる配線層に乗り換えることを特徴とする請求項３又は４記載の多層配線基板。
前記電子部品が大規模集積回路であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の多層配線基板。