JP5384947B2 - 多層基板におけるバイア相互接続から平面状伝送線への広帯域遷移部構造 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には多層基板技術に関し、バイアパッドから多層基板の同じ導体層に配置された平面状伝送線への広帯域遷移部構造に関する。

高性能高速電子回路の設計は、多層基板技術に基づく相互接続を実施するために最も重要な問題の一つである。例えば特性インピーダンス不整合は、高速信号伝送特性を大幅に劣化させる大きな反射損失を引き起こす可能性がある。低コスト技術である多層基板は、平面の導体層と、異なる導体層に配置された平面状伝送線回路を接続する垂直方向の遷移部とを含む。多層基板における垂直遷移部は通常バイア(via)により実現される。

多層基板において相互接続回路を形成するバイアと平面状伝送線とを結合するために通常、平面状伝送線と同じ導体層に作られるパッドが使用される。バイアパッドは、バイアと平面状伝送線との接続を与えるためにバイアスルーホール直径より大きい寸法を有する。このパッドは通常、円形または正方形の形状を有し、平面状伝送線に直接接続される。しかしながらパッドから平面状伝送線へのこのような遷移部は、平面状伝送線を形成する接地面が垂直方向には存在しないクリアランスホール領域に配置された平面状伝送線の過剰誘導性リアクタンスによってより高い周波数において特性インピーダンス不整合の増加を与える可能性がある。特にこの問題は、クリアランスホールの横方向寸法が十分に大きい場合に重要である。この状況は、クリアランスホールの横断面形状と寸法とが特性インピーダンスを制御するために有効なパラメータであるという理由で、高速の相互接続を設計するときに生ずる可能性がある。

特開２００４−３６３９７５号（特許文献１）には、信号バイアパッドから共面伝送線相互接続が提示されている。この考えでは、遷移部は、信号線路の幅とその特性インピーダンス整合を共面伝送線相互接続に与えるグランド面までの距離とを有する共面伝送線の形状を有する。しかしながらこのような遷移部は、基板の同じ導体における共面伝送線のために形成されるだけであって、また正方形または矩形のクリアランスホールのために、すなわち共面伝送セグメントが形成され得るクリアランスホールのために適用される。また線路幅と、線路と同じ導体層におけるグランド層との間の距離とは、予め決められた特性インピーダンスを与えるように選択されなくてはならない。あるいくつかの場合には、遷移部の信号線と、接続の代わりの共面伝送線相互接続との間のエッジ結合は、これらのインピーダンス不整合を増加させる可能性がある。

特開平８−２５０９１２号（特許文献２）では、信号バイアとストリップラインとを接続するためにテーパーが使用されている。しかしながらこのテーパーの長さは、ストリップラインの方向におけるクリアランスホールの特性寸法と比較して小さく、またクリアランスホールの領域における線路の過剰リアクタンスに有効に作用することはできない。
特開２００４−３６３９７５号公報 特開平８−２５０９１２号公報

バイア構造体におけるクリアランスホールの横断面形状は、パッド寸法と比較して十分に大きい可能性があり、バイア構造体の高い電気性能を与えるために円形だけでなく種々の形状（例えば、矩形、正方形、楕円形、その他の複雑な形状）をとり得る。この場合に関して、クリアランスホールの領域における伝送線導体の過剰なリアクタンスの補正を与えるための方法と構造とが、特により高い周波数において必要である。

本発明の目的は、多層基板、例えば多層プリント回路基板または多層パッケージにおいてバイアパッドから平面状伝送線への高性能広帯域遷移部を提供することである。

本発明の第１の観点によれば、多層基板における信号バイアと、前記信号バイアの周囲に設けられたクリアランスホール（間隙孔）とを含むバイア構造体の平面状伝送線との広帯域遷移部構造であって、前記信号バイアと前記平面状伝送線との接続のための信号バイアパッドと、前記クリアランスホール領域における前記信号バイアパッドと前記平面状伝送線との間の伝送線路による過剰誘導性リアクタンスを補正するために、形状と寸法を選択することにより形成され、且つ、前記信号バイアパッドから前記平面状伝送線への遷移部に追加キャパシタンスを導入するための、前記信号バイアパッドと前記平面状伝送線とに接続された補正部と、を含み、前記補正部は、テーパー（先細り部）の横方向の寸法が一方の端において前記信号バイアパッドの直径に等しく、他方の端において前記平面状伝送線の信号線路幅に等しいテーパーの形を含み、
前記クリアランスホール内の信号バイアパッド及び平面状伝送線の一つの組に接続された一つの前記補正部は、前記クリアランスホールの領域内の前記過剰誘導性リアクタンスの補正を与える、異なった形状と寸法とを有する２つのテーパーを含む、広帯域遷移部構造が提供される。
また、本発明の第２の観点によれば、多層基板における信号バイアと、前記信号バイアの周囲に設けられたクリアランスホール（間隙孔）とを含むバイア構造体の平面状伝送線との広帯域遷移部構造であって、前記信号バイアと前記平面状伝送線との接続のための信号バイアパッドと、前記クリアランスホール領域における前記信号バイアパッドと前記平面状伝送線との間の伝送線路による過剰誘導性リアクタンスを補正するために、形状と寸法を選択することにより形成され、且つ、前記信号バイアパッドから前記平面状伝送線への遷移部に追加キャパシタンスを導入するための、前記信号バイアパッドと前記平面状伝送線とに接続された補正部と、を含み、前記補正部は、テーパー（先細り部）の横方向の寸法が一方の端において前記信号バイアパッドの直径に等しく、他方の端において前記平面状伝送線の信号線路幅に等しいテーパーの形を含み、前記クリアランスホール内の信号バイアパッド及び平面状伝送線の一つの組に接続された一つの前記補正部は、前記クリアランスホールの領域内の前記過剰誘導性リアクタンスの補正を与える、異なった形状と寸法とを有する複数のテーパーを含む、広帯域遷移部構造が提供される。
更に、本発明の第３の観点によれば、多層基板における信号バイアと、前記信号バイアの周囲に設けられたクリアランスホール（間隙孔）とを含むバイア構造体の平面状伝送線との広帯域遷移部構造であって、前記信号バイアと前記平面状伝送線との接続のための信号バイアパッドと、前記クリアランスホール領域における前記信号バイアパッドと前記平面状伝送線との間の伝送線路による過剰誘導性リアクタンスを補正するために、形状と寸法を選択することにより形成され、且つ、前記信号バイアパッドから前記平面状伝送線への遷移部に追加キャパシタンスを導入するための、前記信号バイアパッドと前記平面状伝送線とに接続された補正部と、を含み、前記補正部は、テーパー（先細り部）の横方向の寸法が一方の端において前記信号バイアパッドの直径に等しく、他方の端において前記平面状伝送線の信号線路幅に等しいテーパーの形を含み、前記補正部はその幅が前記平面状伝送線に近づくにつれて増加する第１の部分と、その幅が前記平面状伝送線に近づくにつれて減少する第２の部分とを含む、広帯域遷移部構造が提供される。
更に、本発明の第４の観点によれば、多層基板における信号バイアと、前記信号バイアの周囲に設けられたクリアランスホール（間隙孔）とを含むバイア構造体の平面状伝送線との広帯域遷移部構造であって、前記信号バイアと前記平面状伝送線との接続のための信号バイアパッドと、前記クリアランスホール領域における前記信号バイアパッドと前記平面状伝送線との間の伝送線路による過剰誘導性リアクタンスを補正するために、形状と寸法を選択することにより形成され、且つ、前記信号バイアパッドから前記平面状伝送線への遷移部に追加キャパシタンスを導入するための、前記信号バイアパッドと前記平面状伝送線とに接続された補正部と、を含み、前記補正部は、テーパー（先細り部）の横方向の寸法が一方の端において前記信号バイアパッドの直径に等しく、他方の端において前記平面状伝送線の信号線路幅に等しいテーパーの形を含み、前記補正部はその幅が一定である第１の部分と、その幅が前記平面状伝送線に近づくにつれて減少する第２の部分とを含む、広帯域遷移部構造が提供される。

上記の広帯域遷移部構造において、２つのテーパーの全長は、前記平面状伝送線の方向における前記クリアランスホールの半径に等しいようにしてもよい。

信号バイアパッドと平面状伝送線とに接続された補正部は、上記補正部の形状と寸法とを適切に選択することによってクリアランスホールの領域に位置する伝送線の一部分の過剰な誘導性リアクタンスの補正のために役立つ。

公的な実施形態の下記の説明は、バイアパッドから平面状伝送線への遷移部の幾つかのタイプに向けられたものであるが、この説明が上記の請求項を狭めるものではない。

図面を参照すると図１、２に、バイア構造・多層プリント回路基板（ＰＣＢ）設計の単に一例として役立つ１４導体層プリント回路基板（ＰＣＢ）におけるバイア構造体が示されている。これらの図において、アイソレーション材料１０６によって分離されたＰＣＢの平面導体層の配列は下記のとおりである：すなわち接地面は１Ｌ１、１Ｌ２、１Ｌ４、１Ｌ７、１Ｌ９、１Ｌ１１、１Ｌ１３、１Ｌ１４層であり；電源面は１Ｌ５、１Ｌ６層であり；信号面は１Ｌ３、１Ｌ８、１Ｌ１０、１Ｌ１２層である。このバイア構造体は、１個の信号バイア１０１と、接地プレート１０５に接続された４個の接地バイア１０２と、平面導体層からこの信号バイアを分離するクリアランスホール１０３とからなる。信号層１Ｌ１２においてストリップライン１０９は、ストリップライン１０９と同じ幅を有し、信号バイアパッド１０１ａおよびストリップライン１０９と同じ導体層に形成されたストリップセグメント１０４によって信号バイアパッド１０１ａに接続されている。

ここで我々は、時間領域反射率測定法（ＴＤＲ）データによる下記の寸法：ｄ＝１．６ｍｍ、１．２ｍｍまたは０．８ｍｍ；ｄｐａｄ＝２．２ｍｍ；ｄｃｌｅ＝４．１ｍｍ；ｄｒ，ｇ＝１．７５ｍｍ；Ｄｇｒ＝５．０８ｍｍを有する１４導体層ＰＣＢに埋め込まれたバイア構造体の電気的性能を示す。この１４導体層ＰＣＢはシミュレーションで想定されたように、相対誘電率ｅｒ＝４．２を有するＦＲ−４材料によって分離された１４層の銅平面導体層を含んでいる。平面導体層間の間隔（図３を参照）は：Ｈ２＝０．３８５ｍｍ、Ｈ３＝０．２ｍｍ、Ｈ４＝０．５２ｍｍ、Ｈ５＝０．１５ｍｍであり；ＰＣＢに埋め込まれた導体面の厚さは０．０３５ｍｍであり；最上部と最下部の導体面の厚さは０．０５５ｍｍである。このモデルの信号バイアは、最上部および最下部の導体層におけるバイアパッドと同じ直径を有するパッドによってＰＣＢの第１２番目の導体層に配置されたストリップラインに接続されている。このストリップラインの幅は、約５０オームの特性インピーダンスを与えるためにｗｓｔｒ＝０．１１ｍｍである。

我々の場合、ＴＤＲデータは有限差時間領域（ＦＤＴＤ）アルゴリズムを備えた３次元全波電磁界ソルバーを使用して取得される。我々は、図１、２、３に示すテスト構造体をシミュレートするための入力信号として図４に示すガウス形パルスを使用している。使用パルスの幅は極めて短い（０．５振幅レベルで約４０ｐｓ）。これは、提示された考えが高速回路に関連していることを意味する。

図５において、方程式１にしたがって計算された信号バイアスルーホールの３つの異なる直径（１．６ｍｍ、１．２ｍｍ、０．８ｍｍ）に関する時間領域における特性インピーダンスが提示されている。

ここでＺ０はテスト構造体の入力および出力ポートの特性インピーダンスであり、ρ（ｔ）は時間領域で取られたテスト構造体からの反射係数である。

ガウス形パルスは、図３に示すようにポート１からポート２に伝播している。ポート１は信号バイアパッドの始まりにあり、ポート２はストリップラインのためにある。図５に示すデータから見られるように、ポート１相互接続構造体とストリップラインの特性インピーダンスは、約５０オームである。しかしながらこのバイア構造体は、信号スルーホールバイアの直径ｄに依存する過剰な容量性リアクタンスを示している。バイア構造体の特性インピーダンスは、下記の最大量：すなわち信号バイアスルーホール直径１．６ｍｍに関して計算された４０オーム；信号バイアスルーホール直径１．２ｍｍに関して計算された４４．５オーム；信号バイアスルーホール直径０．８ｍｍに関して計算された４７オームを有する。信号バイアスルーホールの直径を減少させることは、５０オーム入力ポートと、信号バイア１０１とグランドバイア１０２とによって形成されたバイア構造体との間の特性インピーダンス整合の改善につながる。この効果は、信号バイアスルーホールの直径の減少による信号バイアとグランドバイアとの間の容量値減少によって説明できる。この場合、テストバイア構造体の特性インピーダンスＺνは次のように定義できる：

ここでＬはバイア構造体の分布インダクタンスであり、Ｃはバイア構造体の分布容量である。このように、信号バイアスルーホール直径または信号バイアからグランドバイアまでの距離またはこれらのパラメータの両者を操作して、バイア構造体の過剰な容量性リアクタンスを効果的に制御できる。

ＰＣＢの導体層のグランド層と信号バイアスルーホールとの間の容量的効果を減少させるために、考えられているバイア構造体のクリアランスホールがグランドバイア表面にまで延長されていることは考慮されるべきである。したがってこの場合、容量性リアクタンスは、グランドバイアと信号バイアと、ＰＣＢのアイソレーション材料（提示されている相互接続構造体では、ＦＲ−４材料である）の相対誘電率と相対透磁率とによって定義される。

また図５から分るように過剰な誘導性リアクタンスは、インピーダンス不整合に極めて大きく寄与する。例えばこの場合、特性インピーダンスの誘導性部分の大きさは、約６２オームに達する。これは、相互接続回路全体を通じて使用される５０オームとはかなり異なっている。

この過剰なリアクタンスの主な理由は、バイアパッドとストリップライン１０９との間のセグメント１０４のインダクタンスである。図１、２、３に示す相互接続構造内の信号伝播は、図６に示すブロック図にしたがって説明できる。このブロック図では、特性インピーダンスＺνを有するバイア構造体から特性インピーダンスＺｓｔｒを有する平面状伝送線（我々の場合、ストリップライン）への遷移部は、Ｌ不連続性として表され得る。線路１０４の形式のこの遷移部は、フラットワイヤインダクタとして機能する。このようなインダクタの特性インピーダンスは近似的に、下記の公式によって表され得る：

ここでＸｗはストリップセグメント１０４の誘導性リアクタンスである。

ストリップセグメントの誘導性リアクタンスは、
ω＝２πｆとして

のように、定義できる：
ここでｆは信号の周波数であり、Ｌは線路１０４のインダクタンスである。

多層ＰＣＢにおける信号バイアパッドから平面状伝送線への遷移部に特性インピーダンス整合を与えるために、接続用ストリップセグメントに追加容量性リアクタンスＸａｄｄ＝−１／ωＣａｄｄを導入することによってクリアランスホールの領域内の線路の過剰誘導性リアクタンスを補正する方法を提案している。この場合、考慮下の相互接続構造体は、図７に示すブロック図によって表される。多層プリント回路基板における信号バイアパッドから平面状伝送線への遷移部の全インピーダンスＺｔはそれぞれ：

として表すことができる。ここでＬはクリアランスホールの領域内の線路セグメントの全インダクタンスであり、Ｃはクリアランスホールの領域内の全線路容量である。

図５から分かるように、信号バイアパッドと平面状伝送線との間の線路に適当な追加キャパシタンスを導入して、クリアランスホールの領域におけるストリップセグメントの過剰な誘導性リアクタンスを減少させる、または補正することができる。

上述の追加キャパシタンスは、例えば適当な形状と寸法のクリアランスホールの領域に線路を形成することによって達成できる。

図８、９、１０に示すようなバイア構造体とストリップラインとの相互接続部を考えてみる。このバイア構造体は、図１、２、３に示すバイア構造体に類似しているが、バイア構造体における過剰な容量性リアクタンスを抑制するために接地バイアまで延びる横断面形状と寸法とを有するクリアランスホールを持っている。クリアランスホール６０３のこの横断面形状は、グランドバイア６０２を部分的に越えるｄｃｌｅ，ｓｑ＝４．１ｍｍの辺を有する正方形として形成される。図１、２、３と同様にこのバイア構造体は、１個の信号バイア６０１と、グランドプレート６０５に接続された４個の接地バイア６０２とを含む。またこのバイア構造体の考えられているモデルでは、ｄ＝０．８ｍｍ、ｄｐａｄ＝１．６ｍｍである。信号層６Ｌ１２においてストリップライン６０９は、ストリップライン６０９と同じ幅を有し、信号バイアパッド６０１ａおよびストリップライン６０９と同じ導体層に形成された線路６０４によって信号バイアパッドに接続されている。

図１１には、図８、９、１０に示す相互接続構造の時間領域における特性インピーダンスが示されている。このインピーダンスは、図１０に示すようなポート１からポート２に伝播する信号に関してＦＤＴＤアルゴリズムによって計算された。図１１から分かるように、バイア構造体の適当な寸法（クリアランスホール寸法を含む）の使用は、考慮下の相互接続構造における過剰な容量性リアクタンスの抑制という結果をもたらすことができる。しかしながらバイア構造体と平面状伝送線とを含む相互接続回路の整合には、もう一つの重要な問題が現れる。これは、この場合には約７２オームに達する過剰な誘導性リアクタンスである。これは、相互接続回路で使用される５０オームとは極めて異なっている。

このようにして、相互接続構造に関して提示されたデータから分かるように、多層プリント回路基板における信号バイアとグランドバイアとによって形成されたバイア構造体と多層プリント回路基板における平面状伝送線とは、例えば５０オームという確定した十分に制御可能な特性インピーダンスを与えることができる。しかしながらバイア構造体からクリアランスホールの領域内の平面状伝送線への適切な遷移部という問題は、これがバイア構造体と平面状伝送線との間のインピーダンス整合にかなり影響する可能性があるという理由で、残る。

したがって、本発明の主な目的は、多層プリント回路基板における信号バイアから平面状伝送線への遷移部における特性インピーダンスを制御する方法と、提案された方法に基づいて信号バイアパッドから平面状伝送線への広帯域でのインピーダンス整合された遷移を与える構造体を提供することである。

したがって、上記に提案された方法によれば、過剰な誘導性リアクタンスは、線路への追加キャパシタンスの導入によって予め決められた値にまで減らされるか、補正されることが可能となる。

図１２、１３に示すように、信号バイアパッド１００１ａから一つの直線的なテーパー（先細り）形状のストリップライン１００９への遷移部の補正された部分を考えてみる。相互接続構造は図１、２、３のものと同じである。丸いクリアランスホールの領域における過剰な誘導性リアクタンスを補正するために単に一つの直線状のテーパーが形成されている。テーパー１０１０の横方向寸法は、一方の端ではバイアパッド直径に等しく、他方の端ではストリップ幅に等しい。テーパー１０１０の長さは、クリアランスホール１００３の特性寸法に等しい。丸いクリアランスホール１００３のこの例では、テーパーの長さはクリアランスホールの半径に等しい、すなわちｌ＝ｄｃｌｅ／２である。考えられている構造に関して補正された遷移部の利点を示すために、我々は、時間領域における特性インピーダンスを計算した。バイア構造体の寸法と１４導体層プリント回路基板のパラメータは、図８のものと同じである。この考えでは、バイア構造体の適当な特性インピーダンスを与えるようにスルーホール直径ｄ＝０．８ｍｍを有する信号バイアがシミュレートされている。

またここで、テーパー長の選択が重要である。比較のために、クリアランスホールの半径より短い長さと、長い長さとを有する異なるテーパーに関するデータを提示する。図１４には、直線状のテーパーを持たないテストバイア構造体と、それを持つテストバイア構造体の時間領域における特性インピーダンスに関するシミュレーション結果が示されている。この図から分かるように、バイア構造体のクリアランスホールに等しい長さを有する直線状テーパーに関して、実際的な観点からの良好なインピーダンス整合（５０オーム以内）が達成されている。

図１５、１６には、信号バイア８０１からストリップライン８０９への補正された遷移部が示されている。グランドバイアの正方形配置に関しては、信号バイアとグランドバイアとの間のグランドプレートの容量性を減少させるという理由で、正方形クリアランスホールは円形クリアランスホールよりも良い。信号バイアパッド８０１ａとストリップラインとの間に位置するこの補正された遷移部は、２つの直線状テーパー８１０、８１１によって形成される。これらのテーパーの使用は、導体層８０５（例えば、８Ｌ１１と８Ｌ１３）のグランドプレートへの遷移部とバイア構造体のグランドバイア８０２への遷移部との容量結合の増加を与える。この結合は、考えられている相互接続における過剰な誘導性リアクタンスを望ましい値にまで減少させるための追加容量Ｃａｄｄを与える。

インピーダンス整合に対する提案された補正遷移部の効果を示すために、図１１のものと同じストリップラインに接続され、同じ１４導体層プリント回路基板に埋め込まれた同じバイア構造体がシミュレーションされている。テーパー８１０、８１１の寸法（図１５、１６参照）は次のとおり、すなわち：ｌ１=１．０ｍｍ、ｌ２＝１．０５ｍｍ、φ＝３０゜である。これらのテーパーの全長は、クリアランスホール８０３の特性寸法に等しい長さである。

図１７には、補正部を有する考慮下の相互接続部及び補正部を有さない考慮下の相互接続部に関して、時間領域における特性インピーダンスが示されている。この図からわかるように２つの直線状テーパーからなる補正部を有する相互接続構造では、過剰な誘導性リアクタンスは予め決められた値にまで減らされている。この場合、この予め決められた値は５０±５オーム以内である。これは、高速伝送回路において許容可能な大きさである。

したがって、もし多層基板においてバイア構造体から平面状伝送線への遷移部における過剰な誘導性リアクタンスを補正することが必要であれば、２個の直線状テーパーの形の補正部が使用できる。これらのテーパーの全長は、伝送線の方向におけるクリアランスホールの特性寸法に等しくすることができる（前述の構造体を参照のこと）。信号バイアに接続された第１のテーパーの長さとテーパー角（前述の構造体においてφで示された角度）とは、相互接続回路の特性インピーダンスの変化の、予め決められた限度を達成するために、前述のパラメータの一つを徐々に変化させる３次元全波電磁界シミュレータによってシミュレーションできる。平面伝送線に接続された第２のテーパーのパラメータはテーパーの全長が知られているので第１のテーパーの寸法によって自動的に決定されることに留意すること。

したがって、図１５、１６に示すテスト構造体のシミュレーションデータは、信号バイアから平面状伝送線への遷移部における過剰な誘導性リアクタンスの補正によってバイア構造体と平面状伝送線との間のインピーダンス整合を与えるための提案された方法の適用可能性を示している。

図１４に戻ると、短い長さ（我々の場合ではｌ＝１．３８ｍｍ）を有するテーパーは、高い過剰な誘導性リアクタンス（テーパーを持たないテストバイア構造体と同様の）を示す。これに対して長いテーパー（このテスト構造体では３．０５ｍｍ）は、より高い過剰な容量性リアクタンスという結果をもたらす。

したがって、バイアパッドから平面状伝送線への高性能遷移部を実現するためのキーポイントは、直線状テーパーの形の補正部の使用ばかりでなく、図１４に示すデータから分かるようにその長さである。

より長いテーパーの場合には、テスト構造体に過剰な容量性リアクタンスが注入されることに注意すること。これは、平面状伝送線（この場合にはストリップライン）の幅の差によって説明できる。

クリアランスホール領域の境界における平面状伝送線の部分は、予め決められた特性インピーダンス（例えば５０オーム）を有するストリップラインに接続されたテーパーの端部と比較された場合に、より広い幅を有する。より幅広いストリップラインはより大きなキャパシタンスを有するので、長いテーパーはバイアから伝送線への遷移部における大きな過剰な容量を与える可能性がある。

ここに提案された方法は、バイア構造体のクリアランスホールの横断面寸法が十分に大きいときに効果的である。バイア構造体の過剰な容量性リアクタンスを減らすために、高速度相互接続部の設計には、大きなクリアランスホールが使用され得る。しかしながらこの場合、クリアランスホールの領域内の線路は、過剰な誘導性リアクタンスを生み出す可能性がある。我々の方法は、過剰な誘導性リアクタンスが現れる構造体に関するものである。

図１、２、３に示すような接続構造を考えてみる。この構造体の寸法は図５のものと同じであるが、単にｄ=０．８ｍｍとｄｐａｄ＝１．６ｍｍだけが使用されている。またここでは、クリアランスホールの異なる寸法が適用される。図１８で我々は、２．０ｍｍ、２．４ｍｍ、３．０ｍｍ、３．８ｍｍ、４．１ｍｍに等しいクリアランスホール直径について構造体のシミュレーション結果を提示する。これらのシミュレーション結果から分かるように、接続構造における過剰な誘導性リアクタンスは、３．０ｍｍ、３．８ｍｍ、４．１ｍｍのクリアランスホール直径に関して現れる。したがって、このようなクリアランスホールに関しては、過剰な誘導性リアクタンスを補正する方法の適用が必要である。我々は、これらのクリアランスホールを「大きな」クリアランスホールと名づける。

大きなクリアランスホールという用語を決定する最小寸法は、例えば図１９に示すような方法によって確定できる。この図は、クリアランスホール直径の関数としての過剰な誘導性リアクタンスによる特性インピーダンスの最大量を示す。これらの大きさは、図１８に提示されたデータから確定される。近似、例えば線形近似を使用して、過剰な誘導性リアクタンスが消えるクリアランスホールの最大直径を得ることができる。この場合、これはｄｃｌｅ≒２．７ｍｍである。したがって、２．７ｍｍより大きな直径を有するクリアランスホールは、大きなクリアランスホールであると考えることができる。

バイア構造体のクリアランスホールの「大きな」寸法を決定する上述のアプローチは、バイア構造体で使用される種々の横断面形状のクリアランスホールに適用できる。

過剰な誘導性リアクタンスの補正のための方法として１つの直線状テーパーの他のバイア構造体への適用を考えてみる。図２０、２１には、多層プリント回路基板における信号バイアパッドから平面状伝送線への遷移部が示されている。図１２、１３に示す構造体と同様にこのテスト構成は、１個の信号バイア１４０１と、グランドプレート１４０５に接続された４個のグランドバイアとを含むが、平面導体層から信号バイアを分離する正方形のクリアランスホール１４０３を含む。信号バイアパッド１４０１ａから信号層１２に配置されたストリップライン１４０９への広帯域遷移部は、直線状テーパー１４１０によって実現される。

この場合の直線状テーパーの長さは正方形クリアランスホールの辺の半分に等しい、すなわちｌ＝ｄｃｌｅ，ｓｑ／２である。

シミュレーションではテスト構造体の寸法は図１７のものと同じであるが、単にｄ=１．６ｍｍとｄｐａｄ＝２．２ｍｍである。直線状テーパーを持つ、および持たない相互接続構造体に関して計算された特性インピーダンスは、図２２に示されている。この図から分かるように直線状テーパーの使用は、丸いクリアランスホールの場合と同様に多層プリント回路基板における過剰な誘導性リアクタンスの大幅な削減とインピーダンス整合の改善とを生み出す。しかしながら伝送線の方向におけるクリアランスホールの特性寸法に等しい直線状テーパーの長さの使用は、ある幾つかの場合には不十分である。図２２において直線状テーパーを有する構造体に関する特性インピーダンスの大きさは、５６オームに達している。多くの用途では、このような過剰な誘導性リアクタンスは、多層基板に埋め込まれた相互接続のためには許容できない。

これが、ここで我々が多層基板における信号バイアパッドから平面状伝送線への遷移部の更なる改善のための他の方法と構造体とを提案する理由である。図１４、２２で分かるように、改善にもかかわらず、平面状伝送線の方向におけるクリアランスホールの特性寸法に等しい長さを有する直線状テーパーに関して過剰な誘導性リアクタンスが存在する。

この誘導性リアクタンスを更に減らすために我々は、直線状テーパーの長さを増加させることによって小さな過剰な容量性リアクタンスを導入するであろう。このアプローチは、方程式５を使用して説明できる。長さｌａを有する、図２３に示すようなストリップライン１６０９の領域内の直線状テーパーの部分１６１１は、通常の平面状伝送線１６０９のキャパシタンスと比較して追加のキャパシタンスを与える。したがって、過剰な誘導性リアクタンスを必要とされる大きさにまで減らすために、テーパーの長さを徐々に増やして、接続構造に小さな追加キャパシタンスを注入することができる。図２５には、長さが滑らかに徐々に変化するテーパーに関して計算された時間領域における特性インピーダンスが示されている。考慮されている構造体の寸法は、図２０のものと同じである。図２５から分かるようにストリップライン１６０９の領域における過剰なキャパシタンスは、バイアパッド１６０１からストリップライン１６０９への遷移部における過剰な誘導性リアクタンスを減らすことができる。極値点は実際には、図２５に示されるように同時に存在する。異なる長さを有するテーパーのためにこのような計算を使用して、必要とされる過剰な誘導性リアクタンス削減を与えることのできる直線状テーパーの形の接続構造の補正部のための設計カーブを得ることができる。図２６には、正方形クリアランスホールの辺の半分より長い長さを有する直線状テーパーのためのこのような設計カーブが示されている。この図には、図２５に示す極値点において取られた特性インピーダンス対テーパーの長さと正方形クリアランスホールの辺の半分との間の差が提示されている。この差Δｌは下記の方程式：

で定義される。

したがって、図２６を使用して信号バイアパッドから平面状伝送線への接続における過剰な誘導性リアクタンスの必要な補正を与える直線状テーパーの長さを確定することができる。

しかしながら図２３、２４に示すバイア構造体のための過剰な誘導性リアクタンスの削減にもかかわらず、キャパシタンス・リアクタンスの最大値は、図２５に示すように４０オームより大きい。このキャパシタンス・リアクタンスを減らすための方法の一つは、信号バイアスルーホールの直径を減らすことである（図５を参照のこと）。図２７には、図２３、２４に示す構造体に関する時間領域における特性インピーダンスが示されている。この構造体の寸法は、図２５のものと同じであるが、単にバイアスルーホール直径は０．８ｍｍである。図２７から分かるように２．８１ｍｍ長さのテーパーを有する構造体は、多くの実際の用途で許容可能である１０％以内の特性インピーダンスの変化を示している。

クリアランスホールの領域における過剰な誘導性リアクタンスの補正を与えるもう一つの方法が図１５、１６にしたがって上記に示されていたことに留意すること。

上記の方法が不平衡終端・差動基板といった多層基板における他のバイア相互接続に適用可能であることは明らかである。

図２８、２９には、１２導体層プリント回路基板における１個の信号バイアパッド１９０１からストリップライン１９０９への広帯域接続構造が示されている。この接続構造における補正部は、２つの直線状テーパーによって：すなわち必要とされる補正を達成するために一方のテーパー１９１０がクリアランスホール１９０３の領域内にあり；他方のテーパー１９１１が平面状伝送線１９０９の領域にある２つの直線状テーパーによって実現される。

また広帯域接続構造は、異なる数のグランドバイアと異なる形状のクリアランスホールとを有するバイア構造体のためにも形成できる。図３０、３１には、２つの接地バイアと一つの楕円形クリアランスホールとを有するバイア構造体が、一例として示されている。

広帯域接続構造が複数のグランドバイアに関する平面状伝送線の任意の位置についても（対称的に、または非対称的に）形成できる。この場合の平面状伝送線とクリアランスホールの領域内の適当な直線状テーパーとの非対称位置の一例は、図３２に示されている。

多層プリント回路基板におけるバイア構造体からの広帯域接続構造を形成するための前述の方法は、マイクロストリップライン、共面導波管、ストリップラインなどといった種々のタイプの伝送線に適用可能である。図３３、３４には、信号バイアから１４導体層ＰＣＢの第１４番目の導体層に配置された共面マイクロストリップラインへの広帯域接続構造が一例として示されている。この接続構造は、２つの直線状テーパー：すなわち一方のテーパー２２１０がクリアランスホールの領域内に形成され；他方のテーパー２２１１がクリアランスホールと平面状伝送線２２０９との領域内に形成される２つの直線状テーパーからなる。平面状伝送線の領域内に長さｌａを有するテーパー２２１１の部分は追加キャパシタンスを与える。これらの直線状テーパーの形状と長さは、クリアランスホールの領域における過剰な誘導性リアクタンスの補正を与えるように選択される。過剰な誘導性リアクタンスの補正を得るために、異なる数の直線状テーパーが使用できる。図３５、３６には、信号バイアパッドから１４導体層ＰＣＢの第１０番目の導体層に配置されたストリップラインへの広帯域接続構造が示されている。この接続構造は、クリアランスホールの領域内のストリップの過剰な誘導性リアクタンスを必要な値にまで補正するための形状と寸法とを有する３つの直線状テーパーを含む。

多層基板における信号バイアパッドから平面状伝送線への接続構造形状は、過剰な誘導性リアクタンスの所望の値までの補正を与えるために異なることがあり得る。図３７、３８には、信号バイアパッドからストリップラインへの滑らかな接続構造２００４が提示されている。

多層基板における重要なバイア構造体の一つは、差動信号送出のために使用できる信号バイア対である。差動信号伝播は、不平衡終端信号送出と比較した場合に、全く異なる電磁気的振舞いを示す。特に差動信号送出は、グランド接続からの雑音を大幅に除去し、電磁放射を大幅に減らすことができる。したがって、多層プリント回路基板における差動バイアと平面状伝送線とを含む相互接続の広帯域動作を与えることが重要である。図３９には、矩形クリアランスホールの中心に配置されたバイア対と差動平面状伝送線の広帯域接続が示されている。この接続は、２つの接続として行われる。２つの直線状テーパーからなる各接続構造は、伝送線の方向におけるクリアランスホールの特性寸法ｄｒｅｃ，ｌ／２に等しい全長ｌ１＋ｌ２を有する。この図では中心バイア軸に関する差動ストリップの対称配置が示されていることに留意すること。

提示されている補正技術が中心バイア軸に関する差動ストリップライン対の非対称配置にも適用可能であることは明らかである。図４０には、差動相互接続のこの場合に関して形成された直線状テーパーが提示されている。

多層基板がアイソレーション材料（例えば誘電体）によって分離された多数の平面導体層からなるいかなる構造体をも含むことは留意されるべきである。例えば多層ＰＣＢ、多層パッケージその他の相互接続技術がこれらの構造体に関連する可能性がある。

１４導体層ＰＣＢにおけるバイア構造体からストリップラインへの従来技術の遷移の第１２番目の導体層の平面図である。 この１４導体層ＰＣＢにおけるバイア構造体からストリップラインへの従来技術の遷移の横断面図である。 この１４導体層ＰＣＢにおけるバイア構造体からストリップラインへの従来技術の遷移の横断面図である。 シミュレーションで使用された入力ガウス形パルスを示す図である。 時間領域における図１に示すテスト構造体の特性インピーダンスを示す図である。 図１、２、３に示す相互接続構造体における信号伝播のブロック図である。 Ｌ不連続性のキャパシタンス補正を有する相互接続構造体における信号伝播のブロック図である。 信号バイアと接地バイアとの間の過剰なキャパシタンス・リアクタンスを減らすために大きなクリアランスホールが使用される１４導体層ＰＣＢにおけるバイア構造体からストリップラインへの従来技術の遷移の第１２番目の導体層の平面図である。 この１４導体層ＰＣＢにおけるバイア構造体からストリップラインへの従来技術の遷移の横断面図である。 図８、９に示す相互接続構造体のシミュレーションにおけるポート表記を示す図である。 時間領域における図８、９、１０に示す相互接続構造体の特性インピーダンスを示す図である。 直線状テーパーの形状の補正部を有する１４導体層ＰＣＢにおけるバイア構造体からストリップラインへの広帯域遷移の第１２番目の導体層の平面図である。 直線状テーパーの形状の補正部を有する１４導体層ＰＣＢにおけるバイア構造体からストリップラインへの広帯域遷移の横断面図である。 異なるテーパー長を有する直線状テーパーの形状の補正部を持たない、および補正部を持つ時間領域における０．８ｍｍのスルーホール直径を有するテスト構造体の特性インピーダンスを示す図である。 正方形クリアランスホールの辺の半分に等しい全長を有する２つの直線状テーパーからなる補正部を有する１４導体層ＰＣＢにおける正方形クリアランスホールを持つバイア構造体からストリップラインへの広帯域遷移の第１２番目の導体層の平面図である。 正方形クリアランスホールの辺の半分に等しい全長を有する２つの直線状テーパーからなる補正部を有する、正方形クリアランスホールを持つバイア構造体からストリップラインへの広帯域遷移の横断面図である。 それぞれ図８、９と図１５、１６とに示す補正部を持たない、および持つ相互接続回路の時間領域における特性インピーダンスを示す図である。 異なるクリアランスホール直径を有する図１、２、３に示すテスト構造体の特性インピーダンスを示す図である。 クリアランスホール直径の関数としての過剰な誘導性リアクタンスによる特性インピーダンスの大きさの最大値を示す図である。 直線状テーパーの形状の補正部を有する１４導体層ＰＣＢにおけるバイア構造体からストリップラインへの広帯域遷移の第１２番目の導体層の平面図である。 直線状テーパーの形状の補正部を有するバイア構造体からストリップラインへの広帯域遷移の第１２番目の導体層の横断面図である。 正方形クリアランスホールの辺の半分に等しい長さを有する直線状テーパーの形の補正部を持たない、および補正部を持つ、時間領域における１．６ｍｍのバイアスルーホールと正方形クリアランスホールとを有するテスト構造体の特性インピーダンスを示す図である。 クリアランスホールと平面状伝送線との領域に配置された直線状導電性テーパーの形状の補正部を有するバイア構造体からストリップラインへの広帯域遷移の第１２番目の導体層の平面図である。 クリアランスホールと平面状伝送線との領域に配置された直線状導電性テーパーの形状の補正部を有するバイア構造体からストリップラインへの広帯域遷移の横断面図である。 テーパーの長さの増加によって小さな追加キャパシタンスが注入される直線状テーパーの形の補正部を有する、時間領域における１．６ｍｍのバイアスルーホールと正方形クリアランスホールとを有するテスト構造体の特性インピーダンスを示す図である。 時間領域における正方形クリアランスホールを有するテスト構造体の図２５に示す極値点における特性インピーダンスの大きさ対テーパーの長さと正方形クリアランスホールの辺の半分との間の差を示す図である。 テーパーの長さの増加によって小さな追加キャパシタンスが注入される直線状テーパーの形の補正部を有する、時間領域における０．８ｍｍのバイアスルーホール直径と正方形クリアランスホールとを有するテスト構造体の特性インピーダンスを示す図である。 ２つの直線状テーパー：すなわち一方はクリアランスホールの領域内にあり、他方は平面状伝送線の領域内にある２つの直線状テーパーからなる補正部を有する１２導体層ＰＣＢにおける１個の信号バイアからストリップラインへの広帯域遷移の第１０番目の導体層の平面図である。 直線状テーパーの形の補正部を有する単一の信号バイアからストリップラインへの広帯域遷移の横断面図である。 ２個の接地バイアを取り囲み、予め決められた形のクリアランスホールを有する信号バイアから直線状テーパーの形の補正部を有するストリップラインへの１４導体層ＰＣＢにおける広帯域遷移の第１２番目の導体層の平面図である。 接地バイアを取り囲み、予め決められた形のクリアランスホールを有する信号バイアから直線状テーパーの形の補正部を有するストリップラインへの広帯域遷移の横断面図である。 信号バイアから接地バイアに関して非対称に配置されたストリップラインへの多層ＰＣＢの導体層における広帯域遷移の平面図である。 信号バイアから第１４番目導体層に配置された共面マイクロストリップラインへの１４導体層ＰＣＢにおける広帯域遷移の底面図である。 信号バイアから第１４番目導体層に配置された共面マイクロストリップラインへの広帯域遷移の平面図である。 正方形クリアランスホールの辺の半分に等しい全長を有する３つの直線状テーパーからなる補正部を有する１４導体層ＰＣＢにおけるバイア構造体からストリップラインへの広帯域遷移の第１０番目導体層の平面図である。 正方形クリアランスホールの辺の半分に等しい全長を有する３つの直線状テーパーからなる補正部を有するバイア構造体からストリップラインへの広帯域遷移の横断面図である。 信号バイアパッドからストリップラインへの滑らかな遷移からなる補正部を有する１０導体層ＰＣＢにおけるバイア構造体からからストリップラインへの広帯域遷移の第８番目導体層の平面図である。 信号バイアパッドからストリップラインへの滑らかな遷移からなる補正部を有する１０導体層ＰＣＢにおけるバイア構造体からからストリップラインへの広帯域遷移の横断面図である。 ストリップの対称配置を有する差動バイア対から差動平面状伝送線への広帯域遷移の導体層の平面図である。 ストリップの対称配置を有する差動バイア対から差動平面状伝送線への広帯域遷移の導体層の平面図である。

符号の説明

８０１ 信号バイア
８０２ 接地バイア
８０３ クリアランスホール
８０９ ストリップライン
８１０ 直線状テーパー
８１１ 直線状テーパー

Claims (5)

1. 多層基板における信号バイアと、前記信号バイアの周囲に設けられたクリアランスホール（間隙孔）とを含むバイア構造体の平面状伝送線との広帯域遷移部構造であって、
   前記信号バイアと前記平面状伝送線との接続のための信号バイアパッドと、
   前記クリアランスホール領域における前記信号バイアパッドと前記平面状伝送線との間の伝送線路による過剰誘導性リアクタンスを補正するために、形状と寸法を選択することにより形成され、且つ、前記信号バイアパッドから前記平面状伝送線への遷移部に追加キャパシタンスを導入するための、前記信号バイアパッドと前記平面状伝送線とに接続された補正部と、を含み、
   前記補正部は、テーパー（先細り部）の横方向の寸法が一方の端において前記信号バイアパッドの直径に等しく、他方の端において前記平面状伝送線の信号線路幅に等しいテーパーの形を含み、
   前記クリアランスホール内の信号バイアパッド及び平面状伝送線の一つの組に接続された一つの前記補正部は、前記クリアランスホールの領域内の前記過剰誘導性リアクタンスの補正を与える、異なった形状と寸法とを有する２つのテーパーを含む、広帯域遷移部構造。
2. ２つのテーパーの全長は、前記平面状伝送線の方向における前記クリアランスホールを形成する正方形の一辺の半分の長さに等しい、請求項１に記載の広帯域遷移部構造。
3. 多層基板における信号バイアと、前記信号バイアの周囲に設けられたクリアランスホール（間隙孔）とを含むバイア構造体の平面状伝送線との広帯域遷移部構造であって、
   前記信号バイアと前記平面状伝送線との接続のための信号バイアパッドと、
   前記クリアランスホール領域における前記信号バイアパッドと前記平面状伝送線との間の伝送線路による過剰誘導性リアクタンスを補正するために、形状と寸法を選択することにより形成され、且つ、前記信号バイアパッドから前記平面状伝送線への遷移部に追加キャパシタンスを導入するための、前記信号バイアパッドと前記平面状伝送線とに接続された補正部と、を含み、
   前記補正部は、テーパー（先細り部）の横方向の寸法が一方の端において前記信号バイアパッドの直径に等しく、他方の端において前記平面状伝送線の信号線路幅に等しいテーパーの形を含み、
   前記クリアランスホール内の信号バイアパッド及び平面状伝送線の一つの組に接続された一つの前記補正部は、前記クリアランスホールの領域内の前記過剰誘導性リアクタンスの補正を与える、異なった形状と寸法とを有する複数のテーパーを含む、広帯域遷移部構造。
4. 多層基板における信号バイアと、前記信号バイアの周囲に設けられたクリアランスホール（間隙孔）とを含むバイア構造体の平面状伝送線との広帯域遷移部構造であって、
   前記信号バイアと前記平面状伝送線との接続のための信号バイアパッドと、
   前記クリアランスホール領域における前記信号バイアパッドと前記平面状伝送線との間の伝送線路による過剰誘導性リアクタンスを補正するために、形状と寸法を選択することにより形成され、且つ、前記信号バイアパッドから前記平面状伝送線への遷移部に追加キャパシタンスを導入するための、前記信号バイアパッドと前記平面状伝送線とに接続された補正部と、を含み、
   前記補正部は、テーパー（先細り部）の横方向の寸法が一方の端において前記信号バイアパッドの直径に等しく、他方の端において前記平面状伝送線の信号線路幅に等しいテーパーの形を含み、
   前記補正部はその幅が前記平面状伝送線に近づくにつれて増加する第１の部分と、その幅が前記平面状伝送線に近づくにつれて減少する第２の部分とを含む、広帯域遷移部構造。
5. 多層基板における信号バイアと、前記信号バイアの周囲に設けられたクリアランスホール（間隙孔）とを含むバイア構造体の平面状伝送線との広帯域遷移部構造であって、
   前記信号バイアと前記平面状伝送線との接続のための信号バイアパッドと、
   前記クリアランスホール領域における前記信号バイアパッドと前記平面状伝送線との間の伝送線路による過剰誘導性リアクタンスを補正するために、形状と寸法を選択することにより形成され、且つ、前記信号バイアパッドから前記平面状伝送線への遷移部に追加キャパシタンスを導入するための、前記信号バイアパッドと前記平面状伝送線とに接続された補正部と、を含み、
   前記補正部は、テーパー（先細り部）の横方向の寸法が一方の端において前記信号バイアパッドの直径に等しく、他方の端において前記平面状伝送線の信号線路幅に等しいテーパーの形を含み、
   前記補正部はその幅が一定である第１の部分と、その幅が前記平面状伝送線に近づくにつれて減少する第２の部分とを含む、広帯域遷移部構造。

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