JP6031198B2 - 信号伝送回路及びプリント基板 - Google Patents

Description

本発明は、高速信号用面付けコネクタが実装される基板を信号伝送路とする信号伝送回路及びプリント基板に関するものである。

近年、インタフェースの信号は伝送速度の高速化が進んでいる。例えばＳＡＳ（Ｓｅｒｉａｌ Ａｔｔａｃｈｅｄ Ｓｍａｌｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）において、ＡＮＳＩ（米国規格協会）にて規格制定されているもので最大の信号伝送速度は、初期規格であるＳＡＳ−１では３Ｇｂｐｓであるのに対し、現在主流のＳＡＳ−２で６Ｇｂｐｓであり、最新規格のＳＡＳ−３においては１２Ｇｂｐｓである。

また、ＰＣＩ Ｅｘｐｒｅｓｓ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｅｘｐｒｅｓｓ）において、ＰＣＩ−ＳＩＧ（ＰＣＩ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ Ｇｒｏｕｐ）にて規格制定されているもので最大の信号伝送速度は、初期規格であるＧｅｎ１では２．５Ｇｂｐｓ、現在主流のＧｅｎ２では５Ｇｂｐｓ、Ｇｅｎ３では８Ｇｂｐｓであり、現在規格制定中のＧｅｎ４では１６Ｇｂｐｓである。

また、ＤＤＲ ＳＤＲＡＭ（Ｄｏｕｂｌｅ Ｄａｔａ Ｒａｔｅ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）において、ＪＥＤＥＣ（半導体技術協会）にて規格制定されているもので最大の信号伝送速度は、旧世代のＤＤＲ２では１０６６Ｍｂｐｓであるのに対し、現在主流のＤＤＲ３で２１３３Ｍｂｐｓであり、最新規格のＤＤＲ４においては３２００Ｍｂｐｓが予定されている。

このような信号伝送速度の高速化を実現するためには、信号電流経路に対してリターン電流が流れるグランドのリターン電流経路を用意し、適切な特性インピーダンスを得られるように、信号電流経路とリターン電流経路との電磁的結合を制御することで、信号伝送品質を確保する必要性がより一層大きくなっている。このことから、信号品質の確保のためには、信号電流経路に沿ってリターン電流経路が存在した伝送系の設計を行うことが特に重要である。

信号電流経路に沿ったリターン電流経路を確保することを目的とした従来の技術は、例えば、特許文献１に記載されているものが知られている。特許文献１に記載されているリターン電流経路確保の方法は、複数のグランド層間を多数のスルーホールで接続し、信号配線に隣接したグランド層が途中で途切れた実装条件の場合でも、スルーホールを介してその他のグランド層へのリターン電流の迂回経路を設けることで、リターン電流が分断されることを回避する方法である。

特開２００３−１６３４６７号公報

しかし、迂回経路が確保されていた場合でも、近年のより一層の伝送速度の高速化に伴い、信号の波長が短くなってきており、リターン電流の迂回分の長さ自体が信号品質へ与える影響を無視できなくなってきている。

具体的には、近年の信号伝送速度の高速化に伴い、従来、高速伝送専用として開発された部品でさえ、そのミクロな実装構造によるリターン電流の迂回が、伝送信号の品質に影響を与える場合がある。以下、高速信号伝送用の面付けコネクタを従来技術で基板に実装した場合に生じるリターン電流の迂回と、それによる影響を図面を用いて説明する。

高速信号伝送用の面付けコネクタとしては、例えば、ＳＡＳコネクタなどが挙げられる。また、高速信号伝送用の面付けコネクタを用いた伝送系で代表的なものは、ＳＡＳ、ＰＣＩ Ｅｘｐｒｅｓｓ、ＤＤＲ ＳＤＲＡＭなどにおける、デバイスとコントローラとを結ぶ伝送系などが挙げられる。

図６は、ＡＮＳＩにて規格制定されているＳＡＳコネクタのピン配置の一部を示すピン配置構成図である。図６において、ＳＡＳコネクタの高速信号に関係するピンは、信号ピン（ピン番号Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１２、Ｓ１３）が８ピン、グランドピン（ピン番号Ｓ１、Ｓ４、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ１１、Ｓ１４）が６ピンの計１４ピンが存在する。

図７は、ＰＣＩ−ＳＩＧにて規格制定されているＰＣＩ Ｅｘｐｒｅｓｓコネクタのピン配置の一部を示すピン配置構成図である。図７において、高速信号に関係するピンはレーン数によって異なるが、ピン数が最も少ない１レーンコネクタの場合、例えば、信号ピン（ピン番号１４Ｓｉｄｅ Ｂ、１５Ｓｉｄｅ Ｂ、１６Ｓｉｄｅ Ａ、１７Ｓｉｄｅ Ａ）が４ピン、グランドピン（ピン番号１３Ｓｉｄｅ Ｂ、１６Ｓｉｄｅ Ｂ、１５Ｓｉｄｅ Ａ、１８Ｓｉｄｅ Ａ）が４ピンの計８ピンが存在する。

図８は、ＪＥＤＥＣにて規格制定されているＤＤＲ３コネクタのピン配置の一部を示すピン配置構成図である。図８において、ＤＤＲコネクタにおける一部のピンは、信号ピン（ピン番号３、４、６、７、９、１０、１２、１３、１５、１６）が１０ピン、グランドピン（ピン番号２、５、８、１１、１４）が５ピン存在する。なお、ＤＤＲ３コネクタの全ピン数は２４０ピンであり、ＤＤＲ４コネクタの全ピン数は２８８ピンである。

コントローラとデバイス間の接続の一例として，図９に、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）とコントローラ間の伝送系の概略図を示す。図９において、プリント基板１００上には、メス側コネクタ１５０とコントローラ４００が搭載されている。メス側コネクタ１５０はオス側コネクタ１６０に接続されており、オス側コネクタ１６０には、ＨＤＤ基板２００が接続されている。ＨＤＤ基板２００には、入出力チップ３００と出力回路３０１が搭載されている。コントローラ４００には、入力回路４０１が搭載されていると共に、信号処理回路および出力回路（いずれも図示せず）等が搭載されている。

ここで、コントローラ４００とデバイス（ＨＤＤ）との間でデータの授受が行われる場合、例えば、デバイス（ＨＤＤ）からコントローラ４００に信号が伝送される場合、入出力チップ３００内部の出力回路３０１から出力される信号は、ＨＤＤ２００上の配線、オス側コネクタ１６０およびメス側コネクタ１５０を経由し、基板１００上のスルーホール、内層信号層配線を通過した後、コントローラ４００内部の入力回路４０１に到達する。

図１０は、図９に示す伝送系のうち点線Ｃで囲った箇所を拡大した斜視図である。なお、図１０では、簡略化の為、コネクタピンとして、信号ピンが２ピン、グランドピンが２ピンの計４ピンのみのものが示されている。実際のコネクタとしては、図６から図８に示すものが用いられる。

図１０において、オス側コネクタ１６０は、グランドピン１ｐ、１Ｐと、差動信号ピン２ｐ、２Ｐを有しており、オス側コネクタ１６０の一部が、メス側コネクタ１５０内に着脱自在に挿入されている。メス側コネクタ１５０は、プリント基板１００上に搭載されている。プリント基板１００上には、部品接合パターン（以下、パッドと称する。）のうち、グランド用部品接合パターン（以下、グランドパッドと称する。）１ａ、１Ａと、信号用部品接合パターン（以下、信号パッドと称する。）２ａ、２Ａが配置され、グランドパッド１ａ、１Ａ上には、グランドピン１ｑ、１Ｑが半田付けされ、信号パッド２ａ、２Ａ上には、差動信号ピン２ｑ、２Ｑが半田付けされ、メス側コネクタ１５０が面付けコネクタとして構成される。

グランドパッド１ａ、１Ａは、プリント基板１００に配置された配線１ｂ、１Ｂ、グランドスルーホール１ｃ、１Ｃを介してグランド層（図示せず）に接続される。信号パッド２ａ、２Ａは、プリント基板１００に配置された配線２ｂ、２Ｂ、信号スルーホール２ｃ、２Ｃを介して内層信号層配線２０、２１に接続される。また、グランドピン１ｑ、１Ｑは、オス側コネクタ１６０とメス側コネクタ１５０とが結合された際に、オス側コネクタ１６０のグランドピン１ｐ、１Ｐに接続される。差動信号ピン２ｑ、２Ｑは、オス側コネクタ１６０とメス側コネクタ１５０とが結合された際に、オス側コネクタ１６０の差動信号ピン２ｐ、２Ｐに接続される。

ここで、ＨＤＤ基板２００上の出力回路３０１から出力された差動信号が、オス側コネクタ１６０を介してプリント基板１００に伝送するときに、その電流が理想的な経路で流れた場合、信号電流は、信号電流経路６ｊ、６Ｊに沿って流れ、リターン電流は、リターン電流経路５ｊ、５Ｊに沿って流れる。

このように、信号電流経路６ｊ、６Ｊに対して、リターン電流が流れるリターン電流経路５ｊ、５Ｊを用意し、適切な特性インピーダンスを得られるよう、信号電流経路６ｊ、６Ｊとリターン電流経路５ｊ、５Ｊとの間の電磁的結合を制御することで、信号伝送品質を確保することができる。

しかしながら、信号伝送速度の高速化に伴い、従来は問題とならなかったリターン電流の迂回路が顕在化し、信号品質に影響を与える場合がある。その現象を以下で説明する。

図１１は、従来構造の面付けパッドが配置されたプリント基板の要部平面図である。図１１Ａは、図１１の直線Ａに沿ったｘｚ平面方向の垂直断面図である。図１１Ｂは、図１１の直線Ｂに沿ったｘｚ平面方向の垂直断面図である。

図１１において、メス側コネクタ１５０の差動信号ピン２ｑ、２Ｑに接続される信号パッド２ａ、２Ａは、配線２ｂ、２Ｂを介して信号スルーホール２ｃ、２Ｃに接続される。信号スルーホール２ｃ、２Ｃは、図１１Ａに示すように、内層信号層配線２０に接続される。同様に、メス側コネクタ１５０のグランドピン１ｑ、１Ｑに接続されるグランドパッド１ａ、１Ａは、配線１ｂ、１Ｂを介してグランドスルーホール１ｃ、１Ｃに接続される。グランドスルーホール１ｃ、１Ｃは、図１１Ｂに示すように、グランド層１０、１１に接続される。

図１１と図１１Ａ及び図１１Ｂに示される各部品の寸法は、一般的な例として以下の値に設定されている。グランドパッド１ａ、１Ａと信号パッド２ａ、２Ａの大きさは、ｘ方向が３ｍｍで、ｙ方向が０．６５ｍｍであり、各パッドのｙ方向におけるピッチは、１．２７ｍｍである。グランドパッド１ａ、１Ａと信号パッド２ａ、２Ａから引き出される配線１ｂ、１Ｂ、２ｂ、２Ｂは、配線幅が、０．５ｍｍで、配線長さが、０．８５ｍｍである。内層信号層配線２０は、配線幅が、０．１ｍｍで、配線長さが、０．２３ｍｍである。グランドパッド１ａ、１Ａと、その直下でグランドパッド１ａ、１Ａに隣接したグランド層１０間の絶縁層厚は、０．１７５ｍｍであり、内層信号層配線２０と、その直下で内層信号層配線２０に隣接したグランド層１１間の絶縁層厚は、０．１０７ｍｍである。プリント基板１００の板厚は、４．６ｍｍであり、グランドスルーホール１ｃ、１Ｃと信号スルーホール２ｃ、２Ｃの仕上がり径は、０．３ｍｍである。

図１１Ａにおいて、信号が信号ピン２ｑから内層信号層配線２０に向かって伝送する場合、信号ピン２ｑと内層信号層配線２０とを結ぶ信号電流経路６ｋが形成される。この信号電流経路６ｋに対する理想的なリターン電流経路は、図１１Ｂに示す、グランド層１１とグランドパッド１ａを結ぶ経路となる。

しかし、信号パッド２ａ、２Ａとグランドパッド１ａ、１Ａとの距離よりも、信号パッド２ａ、２Ａとグランド層１０との距離の方が短いので、信号パッド２ａ、２Ａとグランドとの電磁的結合は、信号パッド２ａ、２Ａとグランドパッド１ａ、１Ａとの電磁的結合よりも、信号パッド２ａ、２Ａとグランド層１０との電磁的結合の方が強くなる。このため、図１１Ａに示すように、信号パッド２ａに信号電流が流れた場合、リターン電流が、信号パッド２ａの直下で隣接するグランド層１０内を、リターン電流経路５ｓに沿って流れようとする。

しかし、グランド層１０内を、リターン電流経路５ｓに沿って流れるリターン電流は、最終的にはグランドピン１ｑまで到達しなければならないため、図１１Ｂに示すように、グランドパッド１ａ端部直下のグランド層１０内で折り返し、グランドスルーホール１ｃ直下のグランド層１０内まで戻るリターン電流経路５ｔを流れ、その後、グランドスルーホール１ｃ、配線１ｂ、グランドパッド１ａ、グランドピン１ｑを結ぶリターン電流経路５ｋを流れる。即ち、リターン電流は、リターン電流経路５ｕ、５ｓ、５ｔ、５ｋに沿って流れ、リターン電流経路５ｓ、５ｔがリターン電流の迂回経路となる。

なお、グランド層１０におけるリターン電流経路５ｓは、図１１Ａに示すように、信号パッド２ａ直下を流れるのが実際であるが、リターン電流の迂回経路を分かりやすくするために、図１１Ｂでは、リターン電流経路５ｓを、便宜的に一点鎖線で示してある。

ここで、リターン電流が、リターン電流の迂回経路となるリターン電流経路５ｓ、５ｔ（合計長さ＝約７．５ｍｍ）を通過した時間は、５０ｐｓ程度であり、５０ｐｓを１／２波長とする１０ＧＨｚ付近に共振が発生することが推定できる。

上記の現象を確認するために、図１１と図１１Ａ及び図１１Ｂの実装条件が適用された面付けパッドと、図１１と図１１Ａ及び図１１Ｂに示す基板の全ての領域を含むものを従来モデルとして、この従来モデルにおける信号パッド２ａ、２Ａから内層信号層配線２０、２１までの差動信号透過特性（以下、Ｓｄｄ２１と称する。）を３次元電磁界シミュレータ（Ａｎｓｙｓ社ＨＦＳＳ）にて計算した。この従来モデルの各寸法は、図１１に示される面付けパッドの値である。

従来モデルのシミュレーション結果を、図２の特性カーブ５００（破線）で示す。図２に示されるシミュレーション結果から、差動信号には、１０ＧＨｚ付近に共振点が存在していることが分かる。この際、上記の推定の通り、リターン電流の迂回経路となるリターン電流経路５ｓ、５ｔが、差動信号の１０ＧＨｚ付近で共振点が生じる主要因となっていることが確認できる。信号の伝送速度が高速化するに伴い、この共振が、信号の伝送品質に与える影響が大きくなる。

以上のように、高速信号用面付けコネクタの信号パッド２ａ、２Ａに差動信号が流れ、グランドパッド１ａ、１Ａにリターン電流が流れる際に、リターン電流経路がグランドに形成される過程で、リターン電流経路の中にリターン電流の迂回経路が形成され、この迂回経路の長さが長くなると、信号伝送速度の高速化に伴って信号の伝送品質へ与える影響が大きくなるという課題がある。

本発明の目的は、リターン電流の迂回経路の長さを短くすることによって、信号の伝送特性を改善することができる信号伝送回路及びプリント基板を提供することである。

前記目的を達成するために、本発明は、信号伝送路に対する、リターン電流伝送路を、基板表面層上に形成されたグランドパッドと、前記グランドパッドに接続される複数のグランドスルーホールとから構成し、前記複数のグランドスルーホールを、前記信号伝送路中の信号スルーホールに隣接して配置されるグランドスルーホールと、当該グランドスルーホールに対して前記グランドパッドを間にして反対側に配置される、少なくとも１以上のグランドスルーホールから構成したことを特徴とする。

本発明によれば、リターン電流の迂回経路の長さを短くすることによって、信号の伝送特性を改善することができる。

本発明の第１実施例を示す図であって、高速信号用面付けコネクタが実装されるプリント基板の要部平面図である。 図１の直線Ａに沿ったｘｚ平面方向の垂直断面図である。 図１の直線Ｂに沿ったｘｚ平面方向の垂直断面図である。 第１実施例と従来例の差動信号透過特性を示す特性図である。 本発明の第２実施例を示す図であって、高速信号用面付けコネクタが実装されるプリント基板の要部平面図である。 本発明の第２実施例における差動信号透過特性を示す特性図である。 本発明の第２実施例におけるグランドスルーホール間距離と信号の基本周波数との関係を示す特性図である。 ＳＡＳコネクタのピン配置の一部を抜粋したものを示す構成図である。 ＰＣＩ Ｅｘｐｒｅｓｓコネクタのピン配置の一部を抜粋したものを示す構成図である。 ＤＤＲ３コネクタのピン配置の一部を抜粋したものを示す構成図である。 ＨＤＤとコントローラ間の伝送系の概略構成図である。 図９に示すコネクタとプリント基板の接続箇所を拡大した斜視図である。 従来例を示すプリント基板の要部平面図である。 図１１の直線Ａに沿ったｘｚ平面方向の垂直断面図である。 図１１の直線Ｂに沿ったｘｚ平面方向の垂直断面図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、実施例では、１箇所の信号パッドに対し、１箇所のグランドパッドを備えている例を示したが、信号パッドとグランドパッドを少なくとも１箇所以上備える基板であれば、本発明は適用できる。また、信号は差動信号を例としているが、差動信号、シングルエンド信号を問わず、本発明は適用できる。

図１は、本発明に係る高速信号用面付けコネクタが実装されるプリント基板の要部平面図である。図１Ａは、図１の直線Ａに沿ったｘｚ平面方向の垂直断面図である。図１Ｂは、図１の直線Ｂに沿ったｘｚ平面方向の垂直断面図である。

図１において、プリント基板１００は、高速信号用面付けコネクタとして、例えば、メス側コネクタ１５０（図９参照）が実装されるプリント基板として構成される。プリント基板１００の基板表面層上には、面付けコネクタパッドとして、長方形形状のグランドパッド１ａ、１Ａと長方形形状の信号パッド２ａ、２Ａがｘ方向に沿って、互いに平行になって配置されている。グランドパッド１ａ、１Ａ上には、グランドピン１ｑ、１Ｑの一端が半田付けされ、信号パッド２ａ、２Ａ上には、差動信号ピン２ｑ、２Ｑの一端が半田付けされている。また、プリント基板１００の基板表面層上には、配線１ｂ、１Ｂ、２ｂ、２Ｂ、１ｄ、１Ｄがｘ方向に沿って配置されていると共に、グランドスルーホール１ｃ、１Ｃ、１ｅ、１Ｅと信号スルーホール２ｃ、２Ｃがｘ方向に沿って配置されている。さらに、プリント基板１００には、グランドスルーホール１ｃ、１Ｃ、１ｅ、１Ｅと信号スルーホール２ｃ、２Ｃが、ｚ方向に沿って形成されている。

グランドパッド１ａ、１Ａは、ｘ方向における一端側が、グランドパッド１ａ、１Ａに対してｘ軸正方向の配線１ｂ、１Ｂとグランドスルーホール１ｃ、１Ｃを介して、基板内層中のグランド層１０、１１（図１Ｂ参照）に接続され、ｘ方向における他端側が、グランドパッド１ａ、１Ａに対してｘ軸負方向の配線１ｄ、１Ｄとグランドスルーホール１ｅ、１Ｅを介して、基板内層中のグランド層１０、１１（図１Ｂ参照）に接続される。即ち、長方形形状のグランドパッド１ａ、１Ａは、長手方向の一端側が、配線１ｂ、１Ｂとグランドスルーホール１ｃ、１Ｃを介してグランド層１０、１１に接続され、長手方向の他端側が、配線１ｄ、１Ｄとグランドスルーホール１ｅ、１Ｅを介してグランド層１０、１１に接続される。

この際、グランドパッド１ａ、１Ａの長手方向の他端側（ｘ軸負方向の端部側）に、複数の配線を接続し、各配線を複数のグランドスルーホールにそれぞれ接続し、各グランドスルーホールを絶縁層中のグランド層に接続する構造を採用することもできる。即ち、信号スルーホール２ｃ、２Ｃに隣接してグランドスルーホール１ｃ、１Ｃを配置すると共に、グランドスルーホール１ｃ、１Ｃに対してグランドパッド１ａ、１Ａを間にして反対側に配置されるグランドスルーホールとして、グランドスルーホール１ｅ、１Ｅの他に、１以上のグランドスルーホールを配置することもできる。このように、グランドパッド１ａ、１Ａには、１箇所あたり、少なくとも２方向の配線１ｂ、１Ｂ、１ｄ、１Ｄが引き出し配線として接続される。

信号パッド２ａ、２Ａは、プリント基板１００に配置された配線２ｂ、２Ｂ、信号スルーホール２ｃ、２Ｃを介して内層信号層配線２０に接続される（図１Ａ参照）。また、グランドピン１ｑ、１Ｑは、オス側コネクタ１６０とメス側コネクタ１５０とが結合された際に、オス側コネクタ１６０のグランドピン１ｐ、１Ｐに接続される（図１０参照）。差動信号ピン２ｑ、２Ｑは、オス側コネクタ１６０とメス側コネクタ１５０とが結合された際に、オス側コネクタ１６０の差動信号ピン２ｐ、２Ｐに接続される（図１０参照）。

図１と図１Ａ及び図１Ｂにおける各部品の寸法は、一般的な例として以下の値に設定されている。グランドパッド１ａ、１Ａと信号パッド２ａ、２Ａの大きさは、ｘ方向が３ｍｍで、ｙ方向が０．６５ｍｍであり、グランドパッド１ａ、１Ａと信号パッド２ａ、２Ａのｙ方向におけるピッチが１．２７ｍｍである。グランドスルーホール１ｃ、１ｅ間の距離Ｌ及びグランドスルーホール１Ｃ、１Ｅ間の距離Ｌは５．０ｍｍである。グランドパッド１ａ、１Ａと信号パッド２ａ、２Ａを基準に、ｘ軸正方向に引き出された配線１ｂ、１Ｂ、２ｂ、２Ｂの配線幅は０．５ｍｍで、配線１ｂ、１Ｂ、２ｂ、２Ｂの長さは０．８５ｍｍである。グランドパッド１ａ、１Ａを基準に、ｘ軸負方向に引き出された配線１ｄ、１Ｄの配線幅は０．５ｍｍで、配線１ｄ、１Ｄの配線長さは１．１５ｍｍである。内層信号層配線２０の配線幅は０．１ｍｍで、内層信号層配線２０の配線長さは０．２３ｍｍである。内層信号層配線２０は、配線幅が、０．１ｍｍで、配線長さが、０．２３ｍｍである。グランドパッド１ａ、１Ａと、その直下でグランドパッド１ａ、１Ａに隣接したグランド層１０間の絶縁層厚は、０．１７５ｍｍであり、内層信号層配線２０と、その直下で内層信号層配線２０に隣接したグランド層１１間の絶縁層厚は、０．１０７ｍｍである。プリント基板１００の板厚は、４．６ｍｍであり、グランドスルーホール１ｃ、１Ｃと信号スルーホール２ｃ、２Ｃの仕上がり径は、０．３ｍｍである。

図１Ａにおいて、差動信号が、差動信号ピン２ｑから内層信号層配線２０に向かって伝送する場合、差動信号ピン２ｑと内層信号層配線２０とを結ぶ信号電流経路６ｋが信号伝送路として形成される。この信号電流経路６ｋに対する理想的なリターン電流経路は、図１Ｂに示す、グランド層１１とグランドパッド１ａを結ぶリターン電流伝送路となる。

しかし、信号パッド２ａ、２Ａとグランドパッド１ａ、１Ａとの距離（ｙ方向における距離）よりも、信号パッド２ａ、２Ａとグランド層１０との距離（ｚ方向の距離）の方が短いので、信号パッド２ａ、２Ａとグランドとの電磁的結合は、信号パッド２ａ、２Ａとグランドパッド１ａ、１Ａとの電磁的結合よりも、信号パッド２ａ、２Ａとグランド層１０との電磁的結合の方が強くなる。このため、図１Ａに示すように、信号パッド２ａに信号電流が流れた場合、リターン電流が、信号パッド２ａの直下で隣接するグランド層１０内を、リターン電流経路５ｓに沿って流れようとする。

しかし、グランド層１０内を、リターン電流経路５ｓに沿って流れるリターン電流は、最終的にはグランドピン１ｑまで到達しなければならないが、図１Ｂに示すように、グランド層１０内でグランドスルーホール１ｃ、１Ｃまで折り返すことなく、グランドスルーホール１ｅ直下のグランド層１０と、グランドスルーホール１ｅと、配線１ｄ及びグランドパッド１ａを結ぶリターン電流経路５ｖに沿って流れ、その後、グランドパッド１ａとグランドピン１ｑとを結ぶリターン電流経路５ｗに沿って流れる。この結果、リターン電流は、図１Ｂに示すように、リターン電流経路５ｕ、５ｓ、５ｖ、５ｗを実際のリターン電流伝送路として流れるので、リターン電流の迂回経路を短くすることができ、結果として、リターン電流の迂回を低減することができる。

なお、グランド層１０におけるリターン電流経路５ｓは、図１Ａに示すように、信号パッド２ａ直下を流れるのが実際であるが、リターン電流の迂回経路を分かりやすくするために、図１Ｂでは、リターン電流経路５ｓを、便宜的に一点鎖線で示してある。

このように、グランドパッド１ａ、１Ａには、グランドパッド１ａ、１Ａ直下のグランド層１０、および内層信号層配線２０に隣接したグランド層１１に接続されるグランドスルーホールとして、グランドスルーホール１ｃ、１Ｃに加えて、グランドスルーホール１ｅ、１Ｅが接続され、リターン電流の迂回経路が短くなり、結果として、リターン電流の迂回を低減できるので、差動信号の伝送特性を改善することができる。

上記の効果を確認するために、図１と図１Ａ及び図１Ｂの実装条件が適用された面付けパッドと、図１と図１Ａ及び図１Ｂに示す基板の全ての領域を含むものをモデルとして、このモデルにおける信号パッド２ａ、２Ａから内層信号層配線２０、２１までのＳｄｄ２１（差動信号透過特性）を３次元電磁界シミュレータ（Ａｎｓｙｓ社ＨＦＳＳ）にて計算した。このモデルの各寸法は、図１に示される面付けパッドの値である。

本実施例におけるシミュレーション結果を図２に示す。図２において、特性カーブ（実線）６００は、実施例１でのシミュレーション結果であり、特性カーブ（破線）５００は、従来例でのシミュレーション結果である。従来例では、差動信号の１０ＧＨｚ付近に−２８ｄＢ程度の共振が存在しているが、本実施例では、差動信号の共振周波数は１６ＧＨｚ付近に移動し、その絶対値は−１６ｄＢ程度まで低減している。これは、従来例のものと比べ、本実施例のものは、より速い信号伝送速度まで対応可能であることを示している。

本実施例によれば、グランドパッド１ａ、１Ａに、グランドパッド１ａ、１Ａ直下のグランド層１０に接続されるグランドスルーホールとして、グランドスルーホール１ｃ、１Ｃに加えて、グランドスルーホール１ｅ、１Ｅを接続し、リターン電流の迂回経路を短くし、リターン電流の迂回を低減したので、Ｓｄｄ２１を改善することができる。

図３は、本発明の第２実施例を示す図であって、高速信号用面付けコネクタが実装されるプリント基板の要部平面図である。図３において、プリント基板１００上には、面付けコネクタパッドとして、第１実施例と同様に、面付けコネクタパッドとして、長方形形状のグランドパッド１ａ、１Ａと長方形形状の信号パッド２ａ、２Ａがｘ方向に沿って、互いに平行になって配置され、グランドパッド１ａ、１Ａ上には、グランドピン１ｑ、１Ｑの一端が半田付けされ、信号パッド２ａ、２Ａ上には、差動信号ピン２ｑ、２Ｑの一端が半田付けされている。この際、本実施例は、グランドスルーホール１ｃ、１ｅ間の距離Ｌと、グランドスルーホール１Ｃ、１Ｅ間の距離Ｌを調整可能に構成したものであり、他の構成は、第１実施例と同様である。

ここで、グランドスルーホール１ｃ、１ｅ間及びグランドスルーホール１Ｃ、１Ｅ間の距離Ｌを変化させて、信号（差動信号）の伝送特性を３次元電磁界シミュレータ（Ａｎｓｙｓ社ＨＦＳＳ）でシミュレーションしたところ、図４に示す結果が得られた。

図４において、特性カーブ７００は、Ｌ＝４．３５ｍｍの場合のシミュレーションの結果、特性カーブ７１０は、Ｌ＝５．００ｍｍの場合のシミュレーション結果、特性カーブ７２０は、Ｌ＝６．００ｍｍの場合のシミュレーション結果、特性カーブ７３０は、Ｌ＝８．００ｍｍの場合のシミュレーション結果である。

図４に示すシミュレーション結果から、Ｌの値が小さくなるに従って、共振点での周波数およびＳｄｄ２１が高くなっており、信号の伝送特性が改善していることが分かる。

ここで、各特性カーブ７１０〜７３０のＳｄｄ２１共振点から２ＧＨｚ程度低い周波数が、信号を伝送できる周波数の上限であると考えた。このとき、コネクタを通す信号の基本周波数Ｆの２倍高調波が共振の影響を回避するためのＦ［ＧＨｚ］とグランドスルーホール間の距離Ｌ［ｍｍ］との関係を図５に示す。

図５において、Ｌ＝４．３５ｍｍの場合、コネクタを通す信号の基本周波数Ｆは、約８．１［ＧＨｚ］、Ｌ＝５．００ｍｍの場合、コネクタを通す信号の基本周波数Ｆは、約６．８［ＧＨｚ］、Ｌ＝６．００ｍｍの場合、コネクタを通す信号の基本周波数Ｆは、約５．５［ＧＨｚ］、Ｌ＝８．００ｍｍの場合、コネクタを通す信号の基本周波数Ｆは、約４．１［ＧＨｚ］である。

図５に示す関係から、Ｆ［ＧＨｚ］とＬ［ｍｍ］の関係式として以下の数１式を導くことができる。

ここで、コネクタを通す信号の基本周波数がＦ［ＧＨｚ］である場合、Ｌが、Ｆの（−０．８８）乗に２７．３を掛け算した値に等しいか、あるいは小さい値となるように、グランドスルーホール間の距離［ｍｍ］を調整すればよいことになる。

本実施例によれば、グランドパッド１ａ、１Ａに接続するグランドスルーホール１ｃ、１Ｃに加え、グランドスルーホール１ｅ、１Ｅを数１式の条件を満たす位置に設置すると共に、グランドパッド１ａ、１Ａに接続し、信号伝送速度に適した分だけ、リターン電流の迂回を低減することで、効率よくＳｄｄ２１を改善する効果が得られる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、サーバ装置に適用することができる。この際、サーバ装置は、電源システムと、電源システムから電力が供給される電子回路とから構成される。電子回路に、実施例１、２のプリント基板１００を用いる。

また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ａ、１Ａ グランドパッド、１ｂ、１Ｂ 配線、１ｃ、１Ｃ グランドスルーホール、１ｄ、１Ｄ 配線、１ｅ、１Ｅ グランドスルーホール、１ｐ、１Ｐ グランドピン、１ｑ、１Ｑ グランドピン、２ａ、２Ａ 信号パッド、２ｂ、２Ｂ 配線、２ｃ、２Ｃ 信号スルーホール、５ｕ、５ｓ、５ｖ、５ｗ リターン電流経路、６ｋ 信号電流経路、１０、１１ グランド層、２０、２１ 内層信号層、１００ プリント基板、１５０ メス側コネクタ、１６０ オス側コネクタ、２００ ＨＤＤ基板、３００ 入出力チップ、３０１ 出力回路、４００ コントローラ、４０１ 入力回路。

Claims (9)

1. 信号を伝送する信号伝送路に対する、リターン電流伝送路を有し、
   前記リターン電流伝送路は、
   基板表面層上に形成されたグランドパッドと、
   基板内層のグランド層と前記グランドパッドに接続される複数のグランドスルーホールと、を含み、
   前記複数のグランドスルーホールは、
   前記信号伝送路中の信号スルーホールに隣接して配置されるグランドスルーホールと、当該グランドスルーホールに対して前記グランドパッドを間にして反対側に配置される、少なくとも１以上のグランドスルーホールから構成されることを特徴とする信号伝送回路。
2. 請求項１に記載の信号伝送回路において、
   前記少なくとも１以上のグランドスルーホールは、
   前記基板内層のグランド層のうち、前記基板表面層上に形成され、前記信号スルーホールに接続される信号パッドと前記グランドパッドとの距離よりも、前記信号パッドとグランド層との距離が短いグランド層に接続されていることを特徴とする信号伝送回路。
3. 請求項１に記載の信号伝送回路において、
   前記各グランドスルーホール間の距離は、前記信号の周波数との関係から設定されていることを特徴とする信号伝送回路。
4. 請求項３に記載の信号伝送回路において、
   前記各グランドスルーホール間の距離Ｌ［ｍｍ］とし、前記信号の周波数Ｆ［ＧＨｚ］とした場合、
   Ｌ≦２７．３×Ｆ^{−０．８８}で定義されることを特徴とする信号伝送回路。
5. 信号を伝送する信号伝送路に対する、リターン電流伝送路を有するプリント基板であって、
   前記リターン電流伝送路は、
   基板表面層上に形成されたグランドパッドと、
   前記基板表面層上及び基板内層に形成され、前記グランドパッドと前記基板内層のグランド層に接続される複数のグランドスルーホールと、を含み、
   前記複数のグランドスルーホールは、
   前記信号伝送路中の信号スルーホールに隣接して配置されるグランドスルーホールと、当該グランドスルーホールに対して前記グランドパッドを間にして反対側に配置される、少なくとも１以上のグランドスルーホールから構成されることを特徴とするプリント基板。
6. 請求項５に記載のプリント基板において、
   前記少なくとも１以上のグランドスルーホールは、
   前記基板内層のグランド層のうち、前記基板表面層上に形成され、前記信号スルーホールに接続される信号パッドと前記グランドパッドとの距離よりも、前記信号パッドとグランド層との距離が短いグランド層に接続されていることを特徴とする信号伝送回路。
7. 請求項５に記載のプリント基板において、
   前記各グランドスルーホール間の距離は、前記信号の周波数との関係から設定されていることを特徴とするプリント基板。
8. 請求項７に記載のプリント基板において、
   前記各グランドスルーホール間の距離Ｌ［ｍｍ］とし、前記信号の周波数Ｆ［ＧＨｚ］とした場合、
   Ｌ≦２７．３×Ｆ^{−０．８８}で定義されることを特徴とするプリント基板。
9. 請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の信号伝送回路あるいは請求項５〜８のうちいずれか１項に記載のプリント基板を使用したことを特徴とするサーバ装置。