JP6733911B2 - プリント配線基板、電子部品付きプリント配線基板 - Google Patents

Description

本発明はプリント配線基板に関し、特に高周波回路に用いるプリント配線基板に関する。

近年、電子機器における情報処理の高度化に伴い、大容量のデータを高速に伝送する技術が求められている。このため、電子機器に搭載される配線基板は、高周波の信号を高速に伝送できるように設計される。例えば、特許文献１及び２には、差動伝送回路における配線の電気的対称性を保持することで、配線長のずれから生じる信号品質の低下を抑制する構成が開示されている。

特開平１１−１８６６７４号公報 特開２００３−２４９７６０号公報

高周波回路では、寄生容量の大きな電子部品を伝送線路内に実装する場合、その電子部品の近傍で局所的にインピーダンスが大きく低下してしまうことがある。そのため、ノイズ発生や信号伝送の品質低下等を招くおそれがある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、電子部品を実装した際の、電子部品におけるインピーダンス低下を抑制することが可能なプリント配線基板を提供するものである。

本発明に係るプリント配線基板は、基板と、前記基板の第１の配線層に設けられた第１の配線と、前記第１の配線に接続されたパッドと、前記第１の配線層と異なる第２の配線層に設けられた第２の配線と、前記第１の配線と前記第２の配線とを接続するビアホールと、を備え、前記ビアホールは、前記第２の配線におけるインピーダンスを基準インピーダンスとした場合、前記基準インピーダンスに対する前記パッドに実装された電子部品におけるインピーダンスの減少幅が所定の基準幅以下になるように、前記パッドにおけるインピーダンスが上昇するように形成されている。

本発明により、電子部品を実装した際の、電子部品におけるインピーダンス低下を抑制することが可能なプリント配線基板を提供することができる。

（ａ）は第１の実施形態に係るプリント配線基板を上から見たときの模式図であり、（ｂ）は（ａ）で示した伝送線路のインピーダンス変化を表すグラフである。 図１に示すプリント配線基板の、切断線ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。 （ａ）は第１の関連技術に係るプリント配線基板を上から見たときの模式図であり、（ｂ）は（ａ）で示した伝送線路のインピーダンス変化を表すグラフである。 （ａ）は第２の関連技術に係るプリント配線基板を上から見たときの模式図であり、（ｂ）は（ａ）で示した伝送線路のインピーダンス変化を表すグラフである。 第３の実施形態に係るプリント配線基板の断面図である。 第４の実施形態に係るプリント配線基板を上から見たときの模式図である。 第５の実施形態に係るプリント配線基板を上から見たときの模式図である。 第６の実施形態に係るプリント配線基板を上から見たときの模式図である。

以下では、具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面において、同一又は対応する要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略される。

以下に説明される複数の実施形態は、独立に実施されることもできるし、適宜組み合わせて実施されることもできる。これら複数の実施形態は、互いに異なる新規な特徴を有している。したがって、これら複数の実施形態は、互いに異なる目的又は課題を解決することに寄与し、互いに異なる効果を奏することに寄与する。

［第１の実施形態］
次に、本発明の第１の実施形態について、図１及び図２を用いて説明する。
図１（ａ）は、本実施形態に係るプリント配線基板１を上から見たときの模式図であり、図１（ｂ）は、プリント配線基板１に電子部品１８を実装した際の、伝送線路１９の各位置におけるインピーダンス変化を表すグラフである。また、図２は、図１（ａ）の切断線ＩＩ−ＩＩで切断したときの、プリント配線基板１の断面図である。
なお、右手系ｘｙｚ座標は構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものであり、各図面で共通である。本明細書中において、ｘ軸方向は伝送線路と略平行な方向を表し、ｚ軸正方向は鉛直上向きを表す。

図２に示すように、第１の実施形態に係るプリント配線基板１の基板１０は、表面に設けられた第１の配線層１１と、第２の配線層１２と、絶縁層１３と、を備える。第１の配線層１１には第１の配線１４が、第２の配線層１２には第２の配線１５が、それぞれ設けられている。第１の配線１４と第２の配線１５とは、ビアホール１６によって接続されており、第１の配線１４は、電子部品１８を実装するためのパッド１７と接続されている。電子部品１８は、寄生容量の大きな電子部品である。電子機器内においては、プリント配線基板１に電子部品１８が実装された状態、すなわち電子部品付きプリント配線基板の状態で使用される。

なお、図２の例では、第２の配線層１２は基板１０の表面に設けられているが、第２の配線層１２は基板１０の内部、すなわち絶縁層１３の内部に設けられていてもよい。また、以下においては第１の配線１４と第２の配線１５は同じ材質、同じ厚さ、同じ線幅であるものとして説明するが、第１の配線１４と第２の配線１５は異なる材質、異なる厚さ、異なる線幅であってもよい。

図１（ａ）に示すように、第１の配線１４、第２の配線１５、ビアホール１６、パッド１７、及び電子部品１８はそれぞれ電気的に接続され、伝送線路１９を形成する。伝送線路１９におけるインピーダンスは、各位置における線幅や寄生容量などによって変化し、ＴＤＲ（Time Domain Reflectometry：時間領域反射）測定若しくはＴＤＲシミュレーション等によって求めることができる。

以下、伝送線路１９内のインピーダンス変化について、図１（ａ）及び図１（ｂ）を用いて説明する。なお、本明細書中において、第２の配線１５におけるインピーダンスを基準インピーダンスと定義する。第１の配線１４と第２の配線１５が同じ材質、同じ厚さ、同じ線幅を有している場合は、第１の配線１４のインピーダンスは、第２の配線１５のインピーダンスと等しくなる。以下の例において、基準インピーダンスは１００Ωであるとし、伝送線路１９のインピーダンス規格は８０Ω以上１２０Ω以下であるとする。

〔０≦ｘ＜１におけるインピーダンス〕
図１（ａ）に示す通り、０≦ｘ＜１における領域は第２の配線１５に対応する。この領域において、第２の配線１５の周囲にはインピーダンスを変化させる要因となる部品がないため、位置ｘが０≦ｘ＜１の領域におけるインピーダンスは第２の配線１５におけるインピーダンスと同じ値になる。すなわち、図１（ｂ）に示す通り、位置ｘが０≦ｘ＜１の領域においてインピーダンスは１００Ωである。

〔１≦ｘ＜２におけるインピーダンス〕
図１（ａ）に示す通り、１≦ｘ＜２における領域は第２の配線１５に対応する。この領域においては、第２の配線１５の近く（ｘ＝２）にビアホール１６が存在する。このため、ｘが大きくなるにつれてビアホール１６の影響を受けてインピーダンスが変化する。後述するように、ビアホール１６のインピーダンスは基準インピーダンスよりも高くなるように設けられている。このため、位置ｘが１≦ｘ＜２の領域では、図１（ｂ）に示す通り、ｘが大きくなるにつれてインピーダンスは徐々に高くなる。

〔ｘ＝２におけるインピーダンス〕
図１（ａ）に示す通り、ｘ＝２における箇所はビアホール１６に対応する。本実施形態においては、ビアホール１６のインピーダンスは基準インピーダンスよりも高くなるように設けられている。このため、図１（ｂ）に示す通り、ｘ＝２におけるインピーダンスは基準インピーダンスよりも増加幅ｗ_１だけ大きい値を示し、極大値となる。

〔２＜ｘ＜３におけるインピーダンス〕
図１（ａ）に示す通り、２＜ｘ＜３における領域は第１の配線１４に対応する。この領域においては、第１の配線１４の近く（ｘ＝２）にビアホール１６が存在する。また、第１の配線１４の近く（ｘ＝３）にパッド１７が存在する。このため、ｘが大きくなるにつれて、ビアホール１６の影響を受けなくなるとともにパッド１７の影響を受け、インピーダンスが変化する。後述するように、パッド１７におけるインピーダンスは第１の配線１４よりも低くなるように設けられている。このため、位置ｘが２＜ｘ＜３の領域では、図１（ｂ）に示す通り、ｘが大きくなるにつれてインピーダンスは徐々に低くなる。

〔３≦ｘ＜５におけるインピーダンス〕
図１（ａ）に示す通り、３≦ｘ＜５における領域はパッド１７及び電子部品１８の一部に対応する。パッド１７は電子部品１８をはんだ等で接続するための部品であり、第１の配線１４よりも幅が広いため、第１の配線１４よりも低いインピーダンスを有する。さらに、電子部品１８は寄生容量が大きいため、パッド１７よりもさらに低いインピーダンスを有する。このため、位置ｘが３≦ｘ＜５の領域では、図１（ｂ）に示す通り、ｘが大きくなるにつれてインピーダンスは徐々に低くなる。

〔ｘ＝５におけるインピーダンス〕
図１（ａ）に示す通り、ｘ＝５における箇所は電子部品１８の中心に対応する。前述した通り、電子部品１８のインピーダンスはパッド１７のインピーダンスよりも低いため、図１（ｂ）に示す通り、ｘ＝５におけるインピーダンスは基準インピーダンスよりも減少幅ｗ_２だけ小さい値を示し、極小値となる。

〔５＜ｘ≦１０におけるインピーダンス〕
図１（ａ）に示す通り、伝送線路１９はｘ＝５を中心に対称な構造を取っている。このため、図１（ｂ）に示す通り、５＜ｘ≦１０の領域におけるインピーダンス変化は、ｘ＝５を中心に対称となるように、０≦ｘ＜５のインピーダンス変化を折り返した形になる。

本実施形態においては、電子部品１８におけるインピーダンスがインピーダンス規格内に収まるように、パッド１７におけるインピーダンスを上昇させるようにビアホール１６を形成している。換言すると、基準インピーダンスに対する電子部品１８のインピーダンスの減少幅ｗ_２が所定の基準幅以下になるように、パッド１７におけるインピーダンスを上昇させるようにビアホール１６を形成している。
このため、図１（ｂ）に示すように、電子部品１８におけるインピーダンス低下を抑制し、伝送線路１９のインピーダンスをインピーダンス規格内に収めることができる。

パッド１７におけるインピーダンスを上昇させるためには、ビアホール１６のインピーダンスを高くするとよい。具体的には、図２で示すビアホール１６のランド径Ｒや穴径ｒを小さくするとよい。ランド径Ｒや穴径ｒを小さくすることで、信号の伝送される線幅が狭くなり、ビアホール１６におけるインピーダンスを上昇させることができる。
または、ビアホール１６の長さＬを大きくしてもよい。長さＬを大きくすることで、電送長が長くなり、ビアホール１６におけるインピーダンスを上昇させることができる。

さらに、図２で示すビアホール１６とパッド１７との距離ｄを小さくしてもよい。距離ｄを小さくすることで、第１の配線１４におけるインピーダンスの低下を抑制できるため、パッド１７におけるインピーダンスを、より上昇させることができる。

本実施形態では、基準インピーダンスに対するビアホール１６のインピーダンスの増加幅ｗ_１は、基準インピーダンスに対する電子部品１８におけるインピーダンスの減少幅ｗ_２以上となるように設計してもよい。このような構成をとることで、電子部品１８におけるインピーダンス低下をより確実に抑制することができる。

このとき、ビアホール１６のインピーダンスは、伝送線路１９のインピーダンス規格内に収まる範囲内に設計することが好ましい。換言すると、基準インピーダンスに対するビアホール１６のインピーダンスの増加幅ｗ_１が所定の基準幅以下になるようにビアホール１６を形成するとよい。

ところで、一般的な高周波信号の伝送線路として、本実施形態に係る伝送線路１９からビアホール１６を取り除いた構成も考えられる。しかしながら、ビアホール１６を含まない構成においては、電子部品１８におけるインピーダンス低下を抑制するのが困難である。ビアホール１６を含まない構成について、以下に関連技術として説明する。

はじめに、第１の関連技術に係るプリント配線基板１０１について、図３を用いて説明する。図３（ａ）は、第１の関連技術に係るプリント配線基板１０１を上から見たときの模式図であり、図３（ｂ）は、（ａ）で示したプリント配線基板１０１に電子部品１１８を実装した際の、伝送線路１１９の各位置におけるインピーダンス変化を表すグラフである。

図３（ａ）に示すように、第１の関連技術に係るプリント配線基板１０１においては、第１の配線１１４と、パッド１１７と、電子部品１１８とが電気的に接続され、伝送線路１１９を形成している。第１の配線１１４は、基板１１０の第１の配線層１１１に備えられている。このような構成においては、図１に示した、伝送線路１９のビアホール１６に対応するような、インピーダンスを上昇させる構成要素がない。

このため、図３（ｂ）に示すように、伝送線路１１９の０≦ｘ≦５におけるインピーダンスは単調に減少する。従って、電子部品１１８のインピーダンス低下を抑制することができず、インピーダンス規格を満たさなくなってしまう。

次に、第２の関連技術に係るプリント配線基板１０２について、図４を用いて説明する。図４（ａ）は、第２の関連技術に係るプリント配線基板１０２を上から見たときの模式図であり、図４（ｂ）は、（ａ）で示したプリント配線基板１０２に電子部品１２８を実装した際の、伝送線路１２９の各位置におけるインピーダンス変化を表すグラフである。

図４（ａ）に示すように、第２の関連技術に係るプリント配線基板１０２においては、第１の配線１２４と、中継ライン１２６と、パッド１２７と、電子部品１２８とが電気的に接続され、伝送線路１２９を形成している。第１の配線１２４は、基板１２０の第１の配線層１２１に備えられている。また、中継ライン１２６は、第１の配線１２４よりも線幅が細くなるように設けられている。

中継ライン１２６は、第１の配線１２４よりも線幅が細いため、第１の配線１２４よりも高いインピーダンスを有する。従って、図４（ｂ）に示すように、中継ライン１２６に対応する位置（１≦ｘ＜３）では、第１の配線１２４よりもインピーダンスが高くなる。

しかし、実際のプリント配線基板においては、信号強度の確保や断線防止等の観点から、中継ライン１２６を一定幅よりも細くすることは難しい。このため、中継ライン１２６のインピーダンスが一定値以上になるように設計するのは困難である。従って、図４（ｂ）に示すように、電子部品１２８のインピーダンス低下に対応できず、インピーダンス規格を満たさなくなってしまう場合がある。

これに対し、本実施形態においては、中継ライン１２６よりもインピーダンスが大きなビアホール１６（図１、図２参照）を用いているため、電子部品１８におけるインピーダンス低下を抑制することができる。また、ビアホール１６のランド径Ｒ、穴径ｒ、長さＬ、及びパッド１７との距離ｄを調節することによってもインピーダンスを調節することができるため、電子部品１８のインピーダンスに応じてビアホール１６を適宜設計することができる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態に係る構成においては、ビアホール２６の第１の配線層１１側におけるインピーダンスが、第２の配線層１２側におけるインピーダンスよりも大きくなるように形成されている。これによって、第１の配線層１１側におけるインピーダンスと第２の配線層１２側におけるインピーダンスが等しいビアホールを用いた場合に比べて、パッド１７におけるインピーダンスをより大きくすることができる。

例えば、ビアホール２６の第１の配線層１１側の電気伝導率が、第２の配線層１２側の電気伝導率よりも小さくなるようにビアホール２６を形成する。このような構成にすることで、第１の配線層１１側におけるインピーダンスを、第２の配線層１２側におけるインピーダンスよりも大きくすることができる。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態について、図５を用いて説明する。
図５は、第３の実施形態に係るプリント配線基板３の断面図である。第３の実施形態では、第１の実施形態に係る基板１０の代わりに、第１の配線層１１及び第２の配線層１２とは異なる層にグランド層３１及び電源層３２をさらに備える基板３０が用いられている。

さらに、図５に示すように、第１の配線層１１とグランド層３１との距離は、第２の配線層１２とグランド層３１との距離よりも大きくなるように形成されている。一般に、回路のインピーダンスは、グランドからの距離が大きいほど大きくなるため、このような構成をとることで、第１の配線層１１側のインピーダンスをより高くすることができる。

なお、図５の例では、第１の配線層１１側にグランド層３１を備え、第２の配線層１２側に電源層３２を備える構成を示したが、第２の配線層１２側にグランド層３１を備え、第１の配線層１１側に電源層３２を備える構成をとってもよい。このような構成をとることで、より第１の配線層１１とグランド層３１との距離を広くすることができ、第１の配線層１１側のインピーダンスをより高くすることができる。

なお、図５の例では、基板３０が第１の配線層１１、第２の配線層１２、グランド層３１、及び電源層３２から成る構成を示したが、これらの他にも層を備えた多層構造になっていてもよい。例えば、グランド層３１と電源層３２の間に、第１の配線層１１及び第２の配線層１２とは異なる他の配線層を備えていてもよい。

［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態について、図６を用いて説明する。
図６は、第４の実施形態に係るプリント配線基板４を上から見たときの模式図である。第４の実施形態では、パッド１７に接続された２本の第１の配線１４のうち、１本のみがビアホール１６と接続されている。

このような構成においては、ビアホール１６を２つ用いる場合に比べるとパッド１７のインピーダンスの増加量は小さくなるが、信号が通過するビアホール１６の数を減らすことができる。従って、ビアホール１６を通過する際に生じる信号波形の乱れを抑制することができる。

［第５の実施形態］
次に、本発明の第５の実施形態について、図７を用いて説明する。
図７は、第５の実施形態に係るプリント配線基板５を上から見たときの模式図である。第５の実施形態では、第１の配線１４がビアホール１６を介して第２の配線１５と接続された後、再びビアホール１６を介して第１の配線１４と接続されている。このような構成においては、接続するビアホール１６の数が増えるため、パッド１７のインピーダンスをより高くすることができる。

［第６の実施形態］
次に、本発明の第６の実施形態について、図８を用いて説明する。
図８は、第６の実施形態に係るプリント配線基板６を上から見たときの模式図である。第６の実施形態では、第１の配線１４及び第２の配線１５がそれぞれ対になって設けられている。このような構成においては、対になった配線に、差動信号を伝送することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１、３〜６ プリント配線基板
１０、３０ 基板
１１ 第１の配線層
１２ 第２の配線層
１３ 絶縁層
１４ 第１の配線
１５ 第２の配線
１６ ビアホール
１７ パッド
１８ 電子部品
１９ 伝送線路
３１ グランド層
３２ 電源層
１２６ 中継ライン
ｄ 距離
Ｒ ランド径
ｒ 穴径
ｗ_１ 増加幅
ｗ_２ 減少幅

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板の第１の配線層に設けられた第１の配線と、
   前記第１の配線に接続されたパッドと、
   前記第１の配線層と異なる第２の配線層に設けられた第２の配線と、
   前記第１の配線と前記第２の配線とを接続するビアホールと、を備え、
   前記ビアホールは、前記第２の配線におけるインピーダンスを基準インピーダンスとした場合、前記基準インピーダンスに対する前記パッドに実装された電子部品におけるインピーダンスの減少幅が所定の基準幅以下になるように、前記パッドにおけるインピーダンスが上昇するように形成されており、前記第１の配線層側におけるインピーダンスが、前記第２の配線層側におけるインピーダンスよりも大きくなるように形成されている、プリント配線基板。
2. 前記ビアホールは、前記第１の配線層側の電気伝導率が、前記第２の配線層側の電気伝導率よりも小さくなるように形成されている、請求項１に記載のプリント配線基板。
3. 前記基板は、前記第１の配線層及び前記第２の配線層とは異なる層にグランド層をさらに備え、
   前記第１の配線層と前記グランド層との距離は、前記第２の配線層と前記グランド層との距離よりも大きい、請求項１又は２に記載のプリント配線基板。
4. 前記基準インピーダンスに対する前記ビアホールのインピーダンスの増加幅が、前記基準インピーダンスに対する前記電子部品におけるインピーダンスの減少幅以上である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のプリント配線基板。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のプリント配線基板の前記パッドに、前記電子部品が電気的に接続された、電子部品付きプリント配線基板。

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