JP6988614B2

JP6988614B2 - 差動伝送線路およびそれを用いたデータ伝送装置

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Publication number: JP6988614B2
Application number: JP2018052014A
Authority: JP
Inventors: 雅司大室; 和輝山本
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2022-01-05
Anticipated expiration: 2038-03-20
Also published as: JP2019165354A

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_１）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_０）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_０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_０[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、ｍｉｐｉＣ−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、ｍｉｐｉＣ−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

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。
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。
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。
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。