JP5815186B2 - 低減されたクロストークを有するプリント回路基板 - Google Patents

Description

（連邦政府による資金提供を受けた研究の記載）
本発明は、ＤＡＲＰＡによって与えられた契約番号ＨＲ００１１−０７−９−０００１の下で米国政府支援によってなされた。米国政府は、本発明において一定の権利を有する。

（技術分野）
本明細書において開示される技術は、一般にプリント回路基板に関し、特に信号トレース間のクロストークを低減するための構造を有するプリント回路基板に関する。

（背景技術）
回路基板密度やクロックスピードが上昇するにつれ、プリント回路基板上においてルーティングされた信号間の電磁場は、近傍のリード上において伝送された信号と干渉する。このようなクロストークは、信号の信号対雑音比を増大させ、これにより異なる回路構成要素間の通信能力を減少させる。

プリント回路基板上のトレース間のクロストークを低減するために使用されている技術の一例として、プリント回路基板の一つ以上の領域および／または異なる層に接地平面を配置する技術がある。これらの接地平面は、一つ以上の接地バイア（すなわち、プリント回路基板の様々な層を通って延伸する小さな導電性トンネル）に接続され得る。接地平面や接地バイアは、信号トレース間のクロストークの低減を促進するが、可能な場合、さらなるクロストークの低減が所望される。
本発明はさらに、たとえば、以下を提供する。
（項目１）
多層プリント回路基板であって、
信号を搬送するためのいくつかの導電性トレースと、いくつかの導電性接地バイアによって接続された一つ以上の接地平面とを有する多層基板を含み、
ここで該プリント回路基板は、該プリント基板の外層上に、該プリント回路基板上に設置されるコネクタのコンタクトと電気的に係合するように構成された一連の導電性ランディングパッドを含み、異なる信号と関連付けられたランディングパッドの間に位置づけられた一つ以上の微小バイアをさらに含み、ここで、それぞれの微小バイアは、該プリント回路基板の該外層上の接地平面と、該プリント回路基板の内層上の接地平面とに電気的に接続される、多層プリント回路基板。
（項目２）
信号は、それぞれの信号に対し前記コネクタに電気的に結合された二つのランディングパッドがあるように、一対のトレース上に差動的に搬送され、ここで、それぞれの微小バイアは、異なる信号と関連付けられた該二つのランディングパッドの間に位置づけされる、項目１に記載の多層プリント回路基板。
（項目３）
前記ランディングパッドは整列され、前記微小バイアは、異なる信号と関連付けられた該ランディングパッドの間に対称的に配置される、項目１に記載の多層プリント回路基板。
（項目４）
前記ランディングパッドは整列され、前記微小バイアは、異なる信号と関連付けられた該ランディングパッドの間に非対称的に配置される、項目１に記載の多層プリント回路基板。
（項目５）
前記微小バイアは、前記プリント回路基板の外層と前記プリント回路基板の隣接層との間を延伸する、項目１に記載の多層プリント回路基板。
（項目６）
前記微小バイアは、前記プリント回路基板の外層と前記プリント回路基板の隣接しない層との間を延伸する、項目１に記載の多層プリント回路基板。
（項目７）
多層プリント回路基板を製造する方法であって、該方法は、
該プリント回路基板の外層上に、コネクタと電気的に接続するいくつかのランディングパッドを形成すること、
該コネクタと結合する、異なる信号と関連付けられた該ランディングパッドの間に接地平面の一部を形成すること、および
異なる信号と関連付けられた該ランディングパッドの間に一つ以上の微小バイアを形成することであって、該微小バイアは、該回路基板の該外層上の接地平面と、該回路基板の内層上の接地平面とに電気的に接続されている、こと
を含む、方法。
（項目８）
多層プリント回路基板であって、該多層プリント回路基板は、
回路基板コネクタと接続するランディングパッドを有する外層を含む複数の回路基板層と、
一つ以上の回路トレーサであって、該回路トレーサ上において信号が異なるランディングパッドにルーティングされる、回路トレーサと、
異なる信号と関連付けられた該ランディングパッドの間に位置づけられた一つ以上の遮蔽構造と
を含む、多層プリント回路基板。
（項目９）
前記遮蔽構造は、微小バイアである、項目８に記載の多層プリント回路基板。
（項目１０）
前記微小バイアは、一端が前記ランディングパッドに隣接する接地パッドに電気的に接続され、他端が前記多層プリント回路基板の内層上の接地パッドに電気的に接続される、項目９に記載の多層プリント回路基板。

図１は、開示された技術の実施形態に従って構成された多層プリント回路基板の部分的等角図である。 図２は、開示された技術の実施形態に従って構成された多層プリント回路基板の上面図である。 図３は、開示された技術の実施形態に従って構成された多層プリント回路基板の断面図である。

以下にさらに詳細に説明されるように、本明細書において開示される技術は、多層プリント回路基板に関し、特に、多層回路基板における信号トレース間のクロストークを低減するための構造に関する。

回路基板コネクタと係合する導電性ランディングパッドの領域において発生するクロストークをさらに低減するための機能を含むプリント回路基板のデザインが本明細書において開示される。特に、多層プリント回路基板は、コネクタとの電気的接触を形成するように構成された外層上に一つ以上のランディングパッドを含む。異なる信号と関連付けられるランディングパッド間には、一つ以上の「微小」バイアがある。一つの実施形態において、それぞれの微小バイアは、プリント回路基板の外層上の接地平面と、プリント回路基板の内層上の接地平面とに電気的に接続される。

一つの開示された実施形態において、プリント回路基板における信号は、コネクタに伝送される信号のそれぞれが二つの導電性ランディングパッドに関連付けられるような態様で、異なる信号トレース上で搬送される。一つ以上の微小バイアが、異なる信号と関連付けられた隣接するコンタクトランディングパッド間に位置づけられる。

一つの実施形態において、微小バイアは、プリント回路基板の導電性ランディングパッド間に対称的に配置される。別の実施形態において、微小バイアは、導電性ランディングパッド間に非対称的に配置される。

図１は、開示された技術の実施形態に従って構成された多層プリント回路基板１０の部分的等角図を表す。多層回路基板は、外側上面層１２と、一つ以上の内側接地平面層１４、１６とを含む。プリント回路基板デザイン分野の当業者は、一般的に、信号層、電力層などの一つ以上の層が層１４、１６間にさらにあることを理解する。

例示された多層プリント回路基板の実施形態において、信号は、一対のトレース２２、２４、２６によって基板上において差動的に搬送される。示された実施形態において、これらのトレースの各対は、多層プリント回路基板の内側信号層上に位置する。それぞれの個別の信号トレースは、トレース上において搬送される信号がプリント回路基板において層を変更できるように、多層プリント回路基板を通って延伸する縦信号バイア３０に接続される。

示される実施形態において、信号バイア３０は、それぞれ多層プリント回路基板に設置されている電気コネクタ（図示せず）と係合するように構成された導電性ランディングパッド４０に電気的に接続される。示された実施形態において、ランディングパッド４０は、それぞれ長方形型導電性金属片である。ランディングパッド４０は、プリント回路基板１０の上面層に沿って細長い領域に整列させられる。示された実施形態において、ランディングパッドは、それぞれ一対の差動的に伝送された信号のうちの一つに関連付けられる。信号バイア３０は、ランディングパッド４０に接続する信号バイア３０が、一組のランディングパッドの長さに沿って交互に配向されるように回路基板１０上に配列される。

プリント回路基板内の信号トレース間のクロストークを低減するために、プリント回路基板は、いくつかの接地バイア５０を含む。接地バイア５０は、それぞれ多層プリント回路基板の外層上の接地平面６０と、多層プリント回路基板の異なる内層上に位置する一つ以上の他の接地平面とに電気的に接続している。また、多層プリント回路基板の外層上の接地平面６０は、異なる信号と関連付けられているランディングパッド４０間に拡張する。そして、接地平面６０は、遮蔽性を提供しクロストークを低減するために、ランディングパッド４０と信号バイア３０とを取り囲む。接地平面における切り抜きまたは「アンチパッド」は、各層上において異なる電気コンタクトおよびバイアのための空間を提供する。

プリント回路基板における接地バイア５０の存在に関わらず、多くの多層プリント回路基板は依然として一定レベルの信号間クロストークを示す。開示された技術の実施形態に従って、クロストークの一つの原因が、プリント回路基板上のコネクタと係合するように適合された隣接するランディングパッド４０間で発生することが発見されている。異なる信号トレースと関連付けられたランディングパッド間に拡張する接地平面６０の存在にも関わらず、クロストークは依然として発生する。

異なる信号と関連付けられたランディングパッド間において発生するクロストークをさらに低減するために、開示された技術の実施形態に従うプリント回路基板は、ランディングパッド４０間に位置づけされた一つ以上の微小バイア８０を含む。微小バイア８０は、それぞれ、一端で多層プリント回路基板１０の外層１２上の接地平面６０に、他端で多層プリント回路基板の内層１４上の接地平面に電気的に結合する。示された実施形態において、内層１４は、外層１２に隣接する。しかし、微小バイア８０は、所望される場合、多層プリント回路基板において２層よりさらに延伸し得る。

示された実施形態において、微小バイア８０の一端に接続する内層１４は、接地平面のみを含み、信号トレースや他の回路基板パターン（電力パッドなど）を一切含まない。接地平面は、その全体がコネクタと係合する各ランディングパッド４０の下にあり、それにより電磁場がプリント回路基板の他の層に放射され得る場所を制限する。他の実施形態において、内層１４は、所望される場合、信号トレースまたは他の回路基板パターンを含み得る。

図２は、開示された技術の実施形態に従った多層プリント回路基板１０の上面図を表す。プリント回路基板１０は、異なる信号トレース２２、２４、２６と各々関連付けられた、４０ａ−４０ｆとラベル付けされたランディングパッドを含む。微小バイア８０ａは、異なる信号と関連付けられたランディングパッド４０ｂと４０ｃとの間に位置づけられる。同様に、微小バイア８０ｂは、異なる信号と関連付けられたランディングパッド４０ｄと４０ｅとの間に位置づけられる。また、図２には、ランディングパッド４０ａ−４０ｆに接続する信号バイア３０の外側に位置づけされた接地バイア５０が示されている。

示された実施形態において、微小バイア８０は、ランディングパッド４０の長さに沿って対称的に配置される。しかし、微小バイア８０は、非対称的（例えば、ランディングパッドに対して偏心的）にも配置され得る。また、異なる信号と関連付けられたランディングパッド間に複数の微小バイア８０が位置づけられ得る。

図３は、開示された技術の実施形態に従って構成された多層プリント回路基板の断面図を表す。この断面図は、信号バイア３０、接地バイア５０、微小バイア８０の長さの差を示す。示された実施形態において、接地バイア５０および信号バイア３０は、多層プリント回路基板１０の厚さ全体を通って延伸する。しかし、微小バイア８０は、多層プリント回路基板の外層とプリント回路基板の内層との間のみに延伸する。例示された実施形態において、微小バイア８０は、多層プリント回路基板１０の外層と第一の隣接層との間を延伸する。

一つの実施形態において、微小バイア８０は、多層プリント回路基板に孔を穿孔またはレーザエッチングし、はんだのような導電性素材で孔を充填することによって作製される。一つの実施形態において、微小バイア８０は、それぞれ約０．００８インチの直径を有する。回路基板は、その後回路基板の外層および内層上における接地平面と微小バイアとの間に電気的接続を形成するために加熱される。微小バイアは、円状であるように示されるが、所望される場合、正方形、長方形、三角形、六角形などのような他の形状で使用され得る。微小バイア８０が、異なる信号と関連付けされたランディングパッド４０の間に配置されると、微小バイアを有さないプリント回路に比べ、隣接信号間のクロストークが４ＧＨｚにおいてさらに−１５ｄＢ低減することがコンピュータモデルにおいて示されている。

開示された実施形態は、差動信号を搬送するコネクタと共に使用するためのランディングパッド４０を有する回路基板を例示するが、開示された技術は、シングルエンド信号のためのコネクタと関連付けられたランディングパッド間のクロストークを低減するためにも使用され得ることが理解される。この場合、一つ以上の微小バイアが、異なる信号と関連付けられた各ランディングパッド間に配置され得る。

一つの実施形態において、多層回路基板１０の外表面上におけるランディングパッド４０と結合されたコネクタは、サムテック社製のＱＳＨ／ＱＴＨ高速ソケットコネクタなどである。しかし、ランディングパッド間に配置された微小バイアは、ランディングパッドの他の形状または構成と関連付けられた他種のコネクタに対しても役立つことが理解される。

上記から、本発明の特定の実施形態は、例示のために本明細書において記載されるが、発明の精神および範囲を逸脱することなくさまざまな改変がなされ得ることが理解される。例えば、導電性スラットやシートなどのような遮蔽構造の他の構成が、回路基板コネクタと接続するランディングパッド間に配置され得る。よって、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限される。

Claims (9)

1. 多層プリント回路基板であって、
   信号を搬送するためのいくつかの導電性トレースと、いくつかの導電性接地バイアによって接続された一つ以上の接地平面とを有する多層基板を含み、
   ここで該プリント回路基板は、該プリント基板の外層上に、該プリント回路基板上に設置されるソケットコネクタのコンタクトと電気的に係合するように構成された一連の導電性ランディングパッドを含み、異なる信号と関連付けられたランディングパッドの間に位置づけられた一つ以上の微小バイアをさらに含み、ここで、それぞれの微小バイアは、該プリント回路基板の該外層上の接地平面と、該プリント回路基板の内層上の接地平面とに電気的に接続される、多層プリント回路基板。
2. 信号は、それぞれの信号に対し前記コネクタに電気的に結合された二つのランディングパッドがあるように、一対のトレース上に差動的に搬送され、ここで、それぞれの微小バイアは、異なる信号と関連付けられた該二つのランディングパッドの間に位置づけられる、請求項１に記載の多層プリント回路基板。
3. 前記ランディングパッドは整列され、前記微小バイアは、異なる信号と関連付けられた該ランディングパッドの間に対称的に配置される、請求項１に記載の多層プリント回路基板。
4. 前記ランディングパッドは整列され、前記微小バイアは、異なる信号と関連付けられた該ランディングパッドの間に非対称的に配置される、請求項１に記載の多層プリント回路基板。
5. 前記微小バイアは、前記プリント回路基板の外層と前記プリント回路基板の隣接層との間を延伸する、請求項１に記載の多層プリント回路基板。
6. 前記微小バイアは、前記プリント回路基板の外層と前記プリント回路基板の隣接しない層との間を延伸する、請求項１に記載の多層プリント回路基板。
7. 多層プリント回路基板を製造する方法であって、該方法は、
   該プリント回路基板の外層上に、ソケットコネクタと電気的に接続可能ないくつかのランディングパッドを形成すること、
   該コネクタと結合する、異なる信号と関連付けられた該ランディングパッドの間に接地平面の一部を形成すること、および
   異なる信号と関連付けられた該ランディングパッドの間に一つ以上の微小バイアを形成することであって、該微小バイアは、該回路基板の該外層上の接地平面と、該回路基板の内層上の接地平面とに電気的に接続されている、こと
   を含む、方法。
8. 多層プリント回路基板であって、該多層プリント回路基板は、
   回路基板コネクタと接続可能なランディングパッドを有する外層を含む複数の回路基板層と、
   一つ以上の回路トレースであって、該回路トレース上において信号が異なるランディングパッドにルーティングされる、回路トレースと、
   異なる信号と関連付けられた該ランディングパッドの間に位置づけられた一つ以上の遮蔽構造であって、各遮蔽構造は、該回路基板の該外層上の接地平面と、該回路基板の内層上の接地平面とに電気的に接続されている、遮蔽構造と
   を含む、多層プリント回路基板。
9. 前記遮蔽構造は、微小バイアである、請求項８に記載の多層プリント回路基板。

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