JP6988614B2 - 差動伝送線路およびそれを用いたデータ伝送装置 - Google Patents

差動伝送線路およびそれを用いたデータ伝送装置 Download PDF

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Description

本発明は、互いに平行でかつ基板面に平行な方向に延在する3本以上の信号線を備えて構成される差動伝送線路、およびそれを用いてデータ伝送を行うデータ伝送装置に関するものである。
従来、この種の差動伝送線路としては、例えば、特許文献1に開示されたものがある。
特許文献1に開示されたこの差動伝送線路は、図1に断面が示され、正方形の断面形状を有する3本の信号線2A,2B,2Cが誘電体層d1,d2,d3に囲まれて構成される。3本の信号線2A,2B,2Cは互いに平行に配置され、同一円周上に略等間隔に配置される(l1=l2=l3)。
特開2009−10328号公報
上記従来の差動伝送線路では、3本の信号線2A,2B,2Cを上記のように配置し、信号線相互間の距離を等間隔に設定することで、差動伝送線路のインピーダンスを整合している。しかしながら、上記従来の差動伝送線路の構造では、基板厚に制約のあるプリント配線基板において、3本の信号線相互間の距離を等間隔に配置して、規定のインピーダンスに整合することが困難である。
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、
複数の誘電体層と、層間導体および導体を含む複数の導体層と、を備えた基板と、
複数の導電層のうちの少なくとも2つの導体層に設けられ、互いに平行でかつ基板面に平行な方向に延在してデータを伝送する、基板の厚さ方向における位置が同じ一対の信号線を含む少なくとも3本の信号線と、から構成される差動伝送線路において、
少なくとも3本の信号線は、基板の厚さ方向において、前記少なくとも2つの導体層とは別の、基準電圧が与えられる基板面に平行な一対の導体層の間に配置され、その相互間を誘電体層によって絶縁分離され、
導体は、前記一対の導体層に層間導体を介して接続され、
前記一対の信号線は、基板面に平行な方向において、一対の導体の間に誘電体層を介して配置され、
前記信号線は、前記一対の信号線間以外の信号線相互間の線間距離が同じ大きさに設定され、かつ、前記一対の信号線間の距離が前記信号線相互間の線間距離より大きく設定された
ことを特徴とする。
また、本発明は、ホストコンポーネントとペリフェラルコンポーネントとの間を接続する上記の差動伝送線路を用いてデータ伝送を行うデータ伝送装置を構成した。
本発明によれば、一対の信号線間以外の信号線相互間の線間距離と同じ距離を一対の信号線間に確保できない薄い厚さのプリント配線基板においても、各信号線間の差動インピーダンスの整合を図れる差動伝送線路、およびそれを用いたデータ伝送装置を提供することが可能になる。
従来の差動伝送線路が形成されたプリント配線基板の断面図である。 (a)は、本発明の一実施形態による差動伝送線路が形成されたプリント配線基板内部を示す斜視図、(b)は同プリント配線基板の断面図である。 一実施形態による差動伝送線路の特性インピーダンス変化を示すグラフである。 本発明の一実施形態による差動伝送線路を用いて構成されるデータ伝送装置の透視平面図である。 (a)は、一実施形態の第1変形例による差動伝送線路が形成されたプリント配線基板の断面図、(b)は、一実施形態の第2変形例による差動伝送線路が形成されたプリント配線基板の断面図である。 一実施形態の第3変形例による差動伝送線路が形成されたプリント配線基板の断面図である。
次に、本発明の差動伝送線路およびそれを用いたデータ伝送装置を実施するための形態について、説明する。
図2(a)は、本発明の一実施形態による差動伝送線路12が形成されたプリント配線基板11の内部構造を示す斜視図、図2(b)は、同図(a)のIIb−IIb線に沿ってプリント配線基板11を破断して矢視方向から見たプリント配線基板11の断面図である。
本実施形態における差動伝送線路12は、例えば、スマートフォンにおける、mipi(mobile industry prosessor interface) C−PHY規格に合致した伝送方式のデータ伝送に用いられ、3本の信号線12a,12b,12cを使用して3値レベルの信号をデータとして高速に伝送する。この際、3本の信号線12a,12b,12cのうちの2線路と残りの1線路とには逆相の信号が伝搬される。したがって、差動伝送線路12は、伝送信号が互いに磁束を打ち消し合う、ノイズを放射し難い構造になっている。なお、伝送するデータには基準となるグランド電位は含まれない。プリント配線基板11は、厚さ20μmの5層の導体層T1〜T5が、それらの間に厚さ40μmの誘電体層D1〜D4を挟んで積層されて構成され、基板厚が約260μmの極薄い厚さを有する。各導体層T1〜T5は銅等の導電体材料から形成され、誘電体層T1〜T5は、FR−4と呼ばれるガラス・エポキシ樹脂等の誘電体材料から形成される。
信号線12a,12b,12cは、導体層T4に形成される一対の信号線12a,12cと、導体層T2に形成される1本の信号線12bとから構成され、相互間が誘電体を介して絶縁分離されている。一対の信号線12a,12cは導体層T4がエッチングされてそれぞれ20μmの幅に形成され、1本の信号線12bは導体層T2がエッチングされて同じ20μmの幅に形成されている。したがって、各信号線12a,12b,12cは断面が正方形状をしている。導体層T4において、信号線12a,12c間に挟まれる幅200μmの部分、および、各信号線12a,12c両外側の幅70μmの各部分には、エッチングにより導電体材料が除去された後、誘電体層D1〜D4と同じ誘電体材料が充填されている。また、導体層T2において、信号線12b両側の幅180μmの各部分にも、エッチングにより導電体材料が除去された後、誘電体層D1〜D4と同じ誘電体材料が充填されている。また、基板の厚さ方向において導体層T2およびT4間に挟まれる導体層T3も、導体層T2およびT4における誘電体材料が存在する幅に合わせて、380(=180+20+180)μmの幅の導電体材料部分が除去されて、誘電体層D1〜D4と同じ誘電体材料が充填されている。
各信号線12a,12b,12cは、互いに平行で、かつ基板面に平行な方向に延在している。一対の信号線12a,12cは基板の厚さ方向における位置が同じ導体層T4の位置に配置されている。また、信号線12bは、一対の信号線12a,12c間を均等に2分する線C上で、一対の各信号線12a,12cから等距離L1,L3(L1=L3)にある。本実施形態では、一対の信号線12a,12c間の距離L2が距離L1,L3より大きくなっている(L2>L1,L3)。したがって、3本の信号線12a,12b,12cは、一対の信号線12a,12c間以外の信号線相互間、つまり、信号線12a,12b間および信号線12b,12c間の線間距離が同じ大きさL1,L3に設定され、かつ、一対の信号線12a,12c間の距離L2が、一対の信号線12a,12c間以外の信号線相互間の線間距離L1,L3より大きくなっている。
3本の信号線12a,12b,12cは、基板の厚さ方向において、基板面に平行な一対の導体層T1,T5に挟まれて囲まれている。本実施形態では、一対の導体層T1,T5には接地電圧が基準電圧として与えられる。また、一対の信号線12a,12cは基板面に平行な方向において一対の導体T41,T42に挟まれており、一対の導体T41,T42は各導体層T1,T5に層間導体13によって接続されている。層間導体13は導体層T1〜T5と同じ導電体材料により形成され、一対の導体T41,T42には接地電圧が与えられる。また、一対の各信号線12a,12cとそれらを挟む一対の各導体T41,T42との間の各距離A1,A2(=70μm)は、一対の各信号線12a,12cと1本の信号線12bとの間における基板面に平行な各距離B1,B2(=90μm)より短く設定されている。
差動伝送線路規格に一般的に規定される差動インピーダンス値は、2本の各線路間について100±10Ωとなっている。差動伝送線路において、各線路間の距離L1,L2,L3が等しく、L1=L2=L3の場合、差動インピーダンスはこのインピーダンス値100±10Ωに整合することが可能である。しかし、基板厚に制約があり、例えば、本実施形態のプリント配線基板11のように基板厚が約260μmである場合、基板の厚さ方向における位置が同じ一対の信号線12a,12c間の距離L2は、一対の信号線12a,12c間以外の信号線12a,12b間および12b,12c間の各線間距離L1,L3と同じ距離を確保できない。このため、差動インピーダンスをインピーダンス値100±10Ωに整合することができない。
距離L2が距離L1,L3より長くなる場合、一対の信号線12a,12c間に生じる差動インピーダンスZac(=Z)は、距離L2が距離L1,L3より長い分に応じて信号線12a,12c間の電磁結合が弱まる。そのため、差動インピーダンスZacは、信号線12a,12b間および12b,12c間に生じる各差動インピーダンスZabおよびZbc(=Z)よりも小さくなる。したがって、一対の信号線12a,12c間に生じる差動インピーダンスZacは、信号線12a,12b間および12b,12c間に生じる差動インピーダンスZab,Zbcに合わせられず、各差動インピーダンスZabおよびZbcとの間に差分δが生じる。
しかし、本実施形態の差動伝送線路12によれば、プリント配線基板11の基板厚に制約があって、このような差分δが各差動インピーダンスZacおよびZab,Zbc間に生じても、一対の信号線12a,12cを基板面に平行な方向で挟む一対の導体T41,T42と一対の信号線12a,12cとの各間の電磁結合によって生じるインピーダンスにより、その差分δを相殺もしくは低減することができる。
本実施形態の差動伝送線路12においては、上記のように、信号線12aと導体T41との間の距離A1、および、信号線12cと導体T42との間の距離A2が、信号線12aと信号線12bとの間における基板面に平行な距離B1、および、信号線12bと信号線12cとの間における基板面に平行な距離B2より短く設定されている。したがって、一対の各信号線12a,12cとそれらを挟む一対の各導体T41,T42との間に生じる電磁結合は、距離L1,L3と距離L2との差に応じて弱まる電磁結合に等しく設定できる。このため、一対の各信号線12a,12cとそれらを挟む一対の各導体T41,T42との間の電磁結合により生じるインピーダンスは、一対の信号線12a,12c間に生じる差動インピーダンスZacと、一対の信号線12a,12c間以外の信号線相互間に生じる各差動インピーダンスZab,Zbcとの差分δを埋めるのに足りる大きさに確保することができる。
したがって、一対の信号線12a,12c間に生じる差動インピーダンスZacは、一対の信号線12a,12c間以外の信号線相互間に生じる各差動インピーダンスZab,Zbcと同じ値Zに調節され、各信号線12a,12b,12c間の差動インピーダンスの整合を図ることができる。このため、信号線12a,12b間および12b,12c間の各線間距離L1,L3と同じ距離を一対の信号線12a,12c間に確保できない薄い厚さのプリント配線基板11においても、各信号線12a,12b,12c間の差動インピーダンス値が、差動伝送線路規格に一般的に規定される100±10Ωの差動インピーダンス値に整合した差動伝送線路12を構成することが可能になる。
なお、信号線12bは、一対の信号線12a,12c間を完全に均等に2分する線C上で、一対の各信号線12a,12cから全く等しい距離L1,L3にある必要はない。各信号線12a,12b,12c間の差動インピーダンス値が100±10Ωの差動インピーダンス値に整合する範囲内において、信号線12bは、一対の信号線12a,12c間をほぼ均等に2分する線C上で、一対の各信号線12a,12cからほぼ等しい距離L1,L3にあればよい。
図3は、本実施形態による差動伝送線路12における、一対の信号線12a,12c間に生じる差動インピーダンスZacと、信号線12a,12b間に生じる差動インピーダンスZabとの各値をシミュレーションした結果を示すグラフである。
シミュレーションは、各信号線12a,12b,12cに長手方向の一端から測定電流iを流し、信号線12a,12b,12cの他端までの各箇所に伝搬して生じる電圧vと電流iとの関係から、差動インピーダンスZac,Zabを算出することで行った。同グラフの横軸は時間Time[ps]を表し、データ伝送方向に沿った信号線12a,12b,12cの長手方向の一端から他端までの各箇所に電流iが到達する時間を表す。したがって、各時間は、信号線12a,12b,12cの長手方向の一端から各箇所までの距離に相当する。また、同グラフの縦軸は、差動インピーダンスZac,Zabの値Z[Ω]を表す。また、実線の特性線Pは、一対の信号線12a,12c間の差動インピーダンスZacの、データ伝送方向に沿った距離変化に対応したインピーダンス変化を示す。点線の特性線Qは、信号線12a,12b間の差動インピーダンスZabの、データ伝送方向に沿った距離変化に対応したインピーダンス変化を示す。この特性線Qは、信号線12b,12c間における差動インピーダンスZbcの同様なインピーダンス変化特性と同じである。
同グラフに示されるように、各差動インピーダンスZac,Zabのインピーダンス変化は、差動伝送線路規格に一般的に規定される差動インピーダンス値の許容範囲である100±10Ωの範囲内に収まっている。すなわち、本実施形態による差動伝送線路12によれば、各信号線12a,12b,12c間の差動インピーダンス値が整合することが、シミュレーションによって確認された。
したがって、一対の信号線12a,12cと1本の信号線12bとの3本から構成される本実施形態による差動伝送線路12によれば、3本の信号線によって構成される、mipi C−PHY規格に合致した伝送方式の差動伝送線路を構成することが可能になる。
図4は、上記実施形態による差動伝送線路12を用いて構成されたデータ伝送装置21の透視平面図である。なお、同図において図2と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。
差動伝送線路12はホストコンポーネント22とペリフェラルコンポーネント23との間を接続する。ホストコンポーネント22は例えばホストIC(集積回路)であり、ペリフェラルコンポーネント23は例えばカメラモジュールやディスプレイモジュールといったデバイスである。ホストコンポーネント22およびペリフェラルコンポーネント23の各端子と、各信号線12a,12b,12cとは層間導体14によって接続されている。データ伝送装置21は、ホストコンポーネント22とペリフェラルコンポーネント23との間で、差動伝送線路12を用いて、mipi C−PHY規格に合致した伝送方式で、データ伝送を行う。
このような構成によれば、一対の信号線12a,12c間以外の信号線相互間の線間距離L1,L3と同じ距離を一対の信号線12a,12c間に確保できない薄い厚さのプリント配線基板11を使って、差動伝送線路12によるデータ伝送を行えるデータ伝送装置21を構成することが可能になる。
なお、本実施形態では、一対の信号線12a,12cが下層側の導体層T4、一本の信号線12bが上層側の導体層T2に形成される場合について説明したが、これとは逆に、図5(a)に示すように、一対の信号線12a,12cが上層側の導体層T2、一本の信号線12bが下層側の導体層T4に形成されるようにして、差動伝送線路12Aを構成してもよい。この場合、信号線12aと導体T21との間の距離A1、および、信号線12cと導体T22との間の距離A2が、信号線12aと信号線12bとの間における基板面に平行な距離B1、および、信号線12cと信号線12bとの間における基板面に平行な距離B2より短く設定される。なお、図5において図2と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。
また、本実施形態では、導体層T1およびT5がプリント配線基板11の表面および裏面に形成され、その間に差動伝送線路12が構成される場合について説明したが、図5(b)に示すように、導体層T1およびT5がプリント配線基板11の内層に形成され、その間に差動伝送線路12Bが構成されるようにしてもよい。また、導体層T1またはT5のいずれか一方がプリント配線基板11の表面または裏面に露出し、他方が内層に埋まるように構成してもよい。
また、本実施形態では、差動伝送線路12が3本の信号線12a,12b,12cから構成される場合について説明したが、3本以上の信号線から構成されるようにしてもよい。例えば、図6に示すように、4本の信号線12a,12b,12c,12dから差動伝送線路12Cを構成するようにしてもよい。なお、図6において図2と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。
この場合、一対の信号線12a,12c間、および一対の信号線12b,12d間の各距離L5は、これら信号線以外の信号線相互間、つまり、信号線12a,12b間、および信号線12c,12d間の各距離L4より大きくなっている。また、信号線12a,12bと導体T41,T21との間の距離D1、および、信号線12c,12dと導体T42,T22との間の距離D2は、一対の信号線12a,12c間および12b,12d間以外の、信号線12a,12bと信号線12c,12dとの間における基板面に平行な方向の距離Eより短くなっている。
このような各構成による差動伝送線路12A,12B,12Cによっても、上記の実施形態による差動伝送線路12と同様な作用効果が奏される。また、差動伝送線路12A,12B,12Cを用いて、ホストコンポーネント22とペリフェラルコンポーネント23との間を接続することで、上記の実施形態によるデータ伝送装置21と同様な作用効果を奏するデータ伝送装置を構成することができる。
上記の実施形態では、本発明による差動伝送線路をスマートフォンに適用した場合について説明したが、その他のモバイル機器等にも同様に適用することができる。そして、その場合においても、上記実施形態と同様に、データ転送レートを高速にしながら、基板厚の薄いプリント配線基板に差動インピーダンスが整合した差動伝送線路およびそれを用いたデータ伝送装置を構成することができる。
11…プリント配線基板
12,12A,12B,12C…差動伝送線路
12a,12c、12b,12d…一対の信号線
12b…1本の信号線
13,14…層間導体
21…データ伝送装置
22…ホストコンポーネント
23…ペリフェラルコンポーネント
T1〜T5…導体層
T41,T42、T21,T22…一対の導体
D1〜D4…誘電体層

Claims (4)

  1. 複数の誘電体層と、層間導体および導体を含む複数の導体層と、を備えた基板と、
    複数の導電層のうちの少なくとも2つの導体層に設けられ、互いに平行でかつ基板面に平行な方向に延在してデータを伝送する、基板の厚さ方向における位置が同じ一対の信号線を含む少なくとも3本の信号線と、から構成される差動伝送線路において、
    少なくとも3本の信号線は、基板の厚さ方向において、前記少なくとも2つの導体層とは別の、基準電圧が与えられる基板面に平行な一対の導体層の間に配置され、その相互間を誘電体層によって絶縁分離され、
    導体は、前記一対の導体層に層間導体を介して接続され、
    前記一対の信号線は、基板面に平行な方向において、一対の導体の間に誘電体層を介して配置され、
    前記信号線は、前記一対の信号線間以外の信号線相互間の線間距離が同じ大きさに設定され、かつ、前記一対の信号線間の距離が前記信号線相互間の線間距離より大きく設定された
    ことを特徴とする差動伝送線路。
  2. 前記信号線は、前記一対の信号線と、前記一対の信号線間を均等に2分する線上で前記一対の各信号線から等距離にある1本の信号線との3本から構成されることを特徴とする請求項1に記載の差動伝送線路。
  3. 前記一対の各信号線とそれらを挟む前記一対の各導体との間の各距離は、前記一対の各信号線と前記1本の信号線との間における基板面に平行な各距離より短いことを特徴とする請求項2に記載の差動伝送線路。
  4. ホストコンポーネントとペリフェラルコンポーネントとの間を接続する請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の差動伝送線路を用いてデータ伝送を行うデータ伝送装置。
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