JP7100487B2 - 印刷配線板 - Google Patents

Description

本発明は、印刷配線板に関する。

一般的に、信号配線のインピーダンス値が目標より低い場合、下記の対応をすることがある。

一つには信号配線の幅を細くして、インピーダンスを整合する手法である。
他の一つには、図１０(a)に示すように信号配線１０１とグラウンドプレーン１０２との層間（絶縁材１１５）が薄い場合、図１０(b)に示すように直下のグラウンドパターン１０２Ｂに間隙１０２Ａを設けた上、更に下の層のグラウンドプレーン１０３との間で、インピーダンスを整合する手法である。
図１０(a)に示すように信号配線１０１とグラウンドプレーン１０２との層間厚が薄くなると、特性インピーダンスが低くなり、信号配線１０１の配線幅を細くしても、目標とする特性インピーダンス値を得られない場合がある。
そこで、図１０(b)に示すように目標とする特性インピーダンス値を得る為に、信号配線１０１の直下を切り抜き、切り抜いたグラウンドプレーン１０２Ｂの下側に、更に別のグラウンドプレーン１０３を設けて、目標とする特性インピーダンス値を得ることがある。
この手法における課題としては、第一にグラウンドプレーンが新たに必要となり、印刷配線板の厚さが厚くなる、第二に特性インピーダンスの値は、信号配線１０１とグラウンドプレーン１０３との層間厚が支配的となり、場合によっては、信号配線１０１直下層１０２Ｂの切り抜きだけではなく、更に多くの層を切り抜かなければならない場合がある。

さらに他の一つには、信号配線２０１の直下のグラウンド層を、図１１(a)に示すような全面ベタパターンのグラウンドプレーン２０２から図１１(b)に示すようなメッシュパターンのグラウンドメッシュ２０３にする手法である。
この場合において、グラウンドメッシュ２０３のメッシュの開口部の大きさを変えることで、信号配線２０１とグラウンドメッシュ２０３の電磁界結合が変わり、特性インピーダンスの整合を行える。
全面ベタパターンのグラウンドプレーン２０２の場合は、信号配線２０１の幅のみで特性インピーダンス値を調整しなければならなかったが、グラウンドメッシュ２０３にすることで、信号配線２０１の幅とメッシュサイズとで特性インピーダンスを調整でき、選択の幅が広がる。
ただし、本手法の場合、信号配線２０１とグラウンドメッシュ２０３との交差位置２０４によって、特性インピーダンス値が変わってしまう。このことは、特性インピーダンスを調整したい信号配線が複数ある場合、信号配線とグラウンドメッシュの交差する位置を、
すべての信号配線に対して同じ位置にしなければならなくなる。つまり、配線の自由度が低くなるという問題がある。

また、図１２に示すように信号配線３０１と同じ層面に、グラウンド配線３０２，３０２を並行配置する手法もある。図１２(a)に示す従来例Ａと、図１２(b)に示す従来例Ｂとでは、信号配線３０１とグラウンドメッシュ２０３との交差位置に違いがある。図１３のグラフにこれらのシミュレーションによるＴＤＲ波形を示す。図１３に示すように従来例Ａと従来例Ｂとで約７Ωの差が発生する。この差は、信号配線とグラウンドメッシュとの交差位置の違いのために発生する。

グラウンドパターンのメッシュ位置による特性インピーダンスの差を軽減する為に、図１４に示すように信号配線３０１に沿うＸ方向のパターンを有したグラウンドメッシュ３０３を作成する手法もある。
本手法の場合にグラウンドに流れる信号のリターン電流を考えると、信号配線３０１に沿ったＸ方向のパターン３０３Ｘもグラウンドメッシュ３０３中に必要になる。図１４に示す構成の場合、信号配線３０１とＹ方向のパターン３０３Ｙとの距離（Ｘ方向）によって、特性インピーダンスのバラつきが生じる。

図１５に示すように信号配線４０１（４０２）に沿うＸ方向のパターンと、隣り合うＸ方向のパターンを繋ぐ長さのＹ方向のパターンとを組み合わせたグラウンドメッシュ４０３を作成する手法もある。Ｙ方向のパターンのＸ方向ピッチを一定とすることで、信号配線が複数あったとしても、同じ特性インピーダンスになるメッシュ構造とする。
しかし、あらゆる信号配線の配置で、メッシュと重なる面積を同じにすることはできない。図１５の場合で、信号配線４０１と信号配線４０２とでは、グラウンドメッシュ４０３と重なる面積は違う。

特開２０１４－１１６５７４号公報 特開平７－２３５７４１号公報

従来の技術では以下のような問題があった。
まず、信号配線の直下層のグラウンドプレーンに間隙を設けると、共振現象が発生しやすくなる。すなわち、単純に直下の導体層に間隙を設けた上、更に下の層のグラウンドプレーンとの間で、インピーダンスを整合しようとすると、信号配線は直下のグラウンドプレーンと更に下の層のグラウンドプレーンの両方から影響を受け、その結果として共振に至るという問題がある。
一方、信号配線の幅を細くした場合は、信号配線の抵抗が増加し、伝送特性が低下する。信号配線の幅が製造限界未満になってしまうこともある。インピーダンスを調整するには、次のことを考慮しなければならない。すなわち、信号配線とグラウンドプレーンとの距離が近くなると、電磁界結合が強くなるので、インピーダンスは低下し、距離が離れると、電磁界結合が弱まるので、インピーダンスは増加する。また、信号配線の幅を太くするとインピーダンスは低下し、細くするとインピーダンスは増加する。太くすると、信号配線とグラウンドプレーンの対向する導体の面積が増える為、電磁界結合が強くなり、インピーダンスは低下する。信号配線を細くすると対向する導体の面積が減少するので、電磁界結合が弱まりインピーダンスは増加する。
薄型印刷配線板の場合、層間厚が５０μｍ以下もあり、配線幅の調整だけでは、信号配線の幅が製造限界未満になってしまい、調整しきれないこともある。

本発明は、以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、印刷配線板において、信号配線の伝送特性を損なうことなく、また信号配線とグラウンドとの共振を抑えつつ、インピーダンスを整合することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、信号配線と、第一グラウンド導体と、第二グラウンド導体とが異なる層に形成された印刷配線板であって、
前記第一グラウンド導体は、積層方向に見て前記信号配線と前記第二グラウンド導体との間に位置し、開口部を有し、
前記開口部は、前記信号配線の延設方向に沿って連続開口を成しており、
前記開口部の開口幅は、前記信号配線の前記延設方向の位置に応じて変化している印刷配線板である。

請求項２記載の発明は、前記開口幅の変化は周期的である請求項１に記載の印刷配線板である。

請求項３記載の発明は、前記開口幅の周期的な変化のピッチが、前記開口幅を一定にした場合に発生する信号の共振波長の五分の一以下である請求項２に記載の印刷配線板である。

請求項４記載の発明は、前記開口幅の周期的な変化のピッチが、前記開口幅を一定にした場合に発生する信号の共振周波数の低い方から一番目と二番目の平均値の相当波長の五分の一以下である請求項２に記載の印刷配線板である。

請求項５記載の発明は、前記開口幅の最小値は、前記信号配線の幅以下である請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載の印刷配線板である。

請求項６記載の発明は、前記開口部を画成する外形線の前記信号配線に対する最後退位置と、これに近接する前記信号配線のエッジとの距離（Ｂ）は、前記信号配線と前記第二グラウンド導体との層間距離（Ａ）以下である請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載の印刷配線板である。

本発明によれば、第一グラウンド導体に開口部を設けることで、信号配線直下が全面ベタの場合よりも、導体の密度が低下し電磁界結合が弱くなる。その結果、インピーダンスが増加し、信号配線の幅を太くし、配線抵抗を低減させることが可能となり、伝送特性が向上する。
また、開口部の開口幅を空間的に変化させて、第一グラウンド導体が信号配線に近づく部分をつくることで、その部分と信号配線との結合が強くなり、共振を抑えることができる。
以上により、信号配線の伝送特性を損なうことなく、また信号配線とグラウンドとの共振を抑えつつ、インピーダンスを整合することができる。

本発明の一実施形態の印刷配線板を示す断面図(a)及び第一グラウンド導体の平面図(b)である。 本発明の一実施形態の印刷配線板に係り、信号配線層の平面図(a)、第一グラウンド導体の平面図(b)及び第二グラウンド導体の平面図(c)である。 比較例１の印刷配線板を示す断面図(a)及び配線の平面図(b)である。 比較例２の印刷配線板を示す断面図(a)及び配線の平面図(b)である。 本発明例の印刷配線板を示す断面図(a)及び配線の平面図(b)である。 シミュレーションによる比較例１，２と本発明例のＴＤＲ波形を示すグラフである。 シミュレーションによる比較例１，２と本発明例の透過特性（S21）を示すグラフである。 第一グラウンド導体２０の開口幅の変化ピッチに応じたＴＤＲ波形を示すグラフである。 第一グラウンド導体２０の開口幅の変化ピッチに応じた透過特性（S21）を示すグラフである。 従来の一例の印刷配線板の断面図である。 従来の一例の印刷配線板に係る配線の平面図である。 従来例Ａに係る印刷配線板の配線の平面図(a)と、従来例Ｂに係る印刷配線板の配線の平面図(b)である。 シミュレーションによる従来例Ａ及び従来例ＢのＴＤＲ波形を示すグラフである。 従来の一例の印刷配線板に係る配線の平面図である。 従来の一例の印刷配線板に係る配線の斜視図(a)及び平面図(b)である。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

まず、本発明の一実施形態につき図１及び図２を参照して説明する。本実施形態の印刷配線板１は、信号配線１０と、第一グラウンド導体２０と、第二グラウンド導体３０とを備える。信号配線１０と、第一グラウンド導体２０と、第二グラウンド導体３０とが異なる層に形成された多層配線板である。信号配線１０の延設方向をＸ、信号配線１０の幅方向をＹ、積層方向をＺとしてＸＹＺ座標を図中に示す。
信号配線１０の存在層をＬ１層、第一グラウンド導体２０の存在層をＬ２層、第二グラウンド導体３０の存在層をＬ３層とし図中に示す。Ｌ１層と、Ｌ２層との間は第一絶縁材層１５である。Ｌ２層とＬ３層との間は第二絶縁材層２５である。信号配線１０はソルダーレジスト５で被覆されている。ソルダーレジスト５をＳＲ層とする。

第一グラウンド導体２０は開口部２１を有する。開口部２１は、積層方向Ｚに見て信号配線１０と第二グラウンド導体３０との間に配置されている。開口部２１は絶縁材で埋められている。開口部２１は、信号配線１０に対して積層方向Ｚに配置されている。本実施形態では、Ｌ２層において信号配線１０の積層方向Ｚに必ず開口部２１が存在するように構成している。開口部２１は、信号配線１０の延設方向Ｘに沿って信号配線１０と同様に延設された連続開口であり、積層方向Ｚに見て信号配線１０と第一グラウンド導体２０との交差部分はない。
第二グラウンド導体３０は、全体的にベタパターンで構成されている。第一グラウンド導体２０と第二グラウンド導体３０とはグラウンドビア２６（図２(b)(c)）により接続されている。

第一グラウンド導体２０は、図１(b)に平面図を示すように、開口部２１のＹ方向両側に凸導体部２２と、さらに凸導体部２２の外側のベタ導体部２３とからなる。
開口部２１は、信号配線１０の積層方向Ｚに相当する最細直線部２１ａと、Ｙ方向両側への拡幅部２１ｂとからなる。Ｙ方向に沿った開口部２１の開口幅ＷをＸ方向の位置に応じて変化させる態様で、開口部２１を画成する外形線ＴＬ，ＴＲが形成されている。開口幅Ｗの変化は周期的であり、一方側の外形線ＴＬと他方側の外形線ＴＲは、中心線ＴＣを軸に対称である。中心線ＴＣは信号配線１０の中心線をＺ方向に投影した位置を示す。開口幅Ｗの最小値は信号配線１０の幅以下とされる。本実施形態では、開口幅Ｗの最小値は信号配線１０の幅に等しくされている。

外形線ＴＬ，ＴＲの信号配線１０に対する最後退位置Ｐ１は、ベタ導体部２３の端縁位置である。この最後退位置Ｐ１に近接する信号配線１０のエッジＰ２と同最後退位置Ｐ１との距離が距離Ｂである。信号配線１０と第二グラウンド導体３０との層間距離が距離Ａである。距離Ｂは、距離Ａ以下とされる。これは、Ｌ１層の信号配線１０から発生する電界と磁界の影響を、極力Ｌ３層に及ばないようにするためである。
距離Ａ以下で距離Ｂを決め、第一絶縁材層１５の層厚及び距離Ｂに基づき自ずと距離Ｃが決まる。距離Ｃは拡幅部２１ｂのＹ方向幅に相当する。また、距離Ｃは開口幅Ｗの最大値と最小値との差の二分の一に相当する。また、信号配線１０のエッジＰ２をＺ方向にＬ２層まで投影した位置をＰ３とする。距離ＣはＰ１－Ｐ３間の距離に相当する。

さらにＬ３層への影響を軽減する為に、ベタ導体部２３から内側に延びる凸導体部２２を設けた。凸導体部２２の先端部（Ｐ３位置）は、信号配線１０の外側（Ｐ２）とＹ座標が一致するように設けた。これにより、信号配線１０に対向する領域に第一グラウンド導体２０の開口を確保した。

凸導体部２２の役割は、次の通りである。
まず、信号配線１０の直下の第一グラウンド導体２０の開口部２１を狭める凸導体部２２を第一グラウンド導体２０に形成することで、可能な限り信号配線１０の外側エッジＰ２に第一グラウンド導体２０（凸導体部２２）を近づけ、信号配線１０の電界と磁界の影響を極力Ｌ３層の第二グラウンド導体３０に及ぼさないようにする。
また、開口部２１の狭幅部を形成する凸導体部２２を設けて周期的に開口幅Ｗを変化させる外形線ＴＬ，ＴＲの形状とすることで、凸導体部２２のピッチ、すなわち、開口幅Ｗの周期的な変化のピッチによって、信号配線とベタ導体によるグラウンド導体を異なる層に配置し、さらにその間に信号配線のＺ方向に対応する部分を開口させたグラウンド導体を配置した際に発生する透過特性（S21）の共振を抑制できるようにする。
なお、図１中に、一例の寸法を示した。凸導体部２２は位置Ｐ１に長辺を、位置Ｐ３に短辺を置く台形状である。

（シミュレーション）
次に、ＴＤＲ波形と透過特性（S21）のシミュレーションと、シミュレーション結果に基づく実施例を開示する。
シミュレーションの対象モデルは、比較例１，２と本発明例である。比較例１の断面構造、層厚、特性値を図３(a)に、配線の平面図を図３(b)に示す。比較例２の断面構造、層厚、特性値を図４(a)に、配線の平面図を図４(b)に示す。本発明例の断面構造、層厚、特性値を図５(a)に、配線の平面図を図５(b)に示す。
比較例１においては、Ｌ２層のグラウンド導体１２０は全面ベタパターンで開口部は無い。比較例２においては、信号配線２１０に隣接するＬ２層の第一グラウンド導体２２０に信号配線２１０に沿った直線状の開口部２２１を設け、さらに全面ベタパターンの第二グラウンド導体２３０をＬ３層に設けた。本発明例は、上記実施形態に従うもので、さらに図５に示した構造、特性値のものである。
共通事項として、絶縁材にガラス布基材エポキシ樹脂を、導電材に銅を適用し、配線距離１５ｍｍのＡ１－Ａ２間の特性をシミュレーションする。
ＴＤＲ波形のシミュレーション結果を図６に、透過特性（S21）のシミュレーション結果を図７に示す。

比較例１，２及び本発明例の特性インピーダンスは、ＴＤＲ波形より、５０Ωを目標に調整した。
図６に示すように特性インピーダンスが概ね一致していても、Ｌ２層の形状の違いにより、下記の特徴が現れる。
比較例１では、図７に示すように共振現象はないが、Ｌ２層のグラウンド導体１２０に開口部を設けなかった為に、信号配線１１０の幅が細く損失が大きい（透過が少ない）。
これに対し比較例２では、信号配線２１０の直下の第一グラウンド導体２２０に開口部２２１を設けて信号配線２１０の幅を太くしたが、Ｌ２層に開口部２２１を設けた影響で、図７に示すように共振が発生している。
これに対し本発明例では、信号配線１０の直下の第一グラウンド導体２０に開口部２１を設け、さらに開口部２１に臨む凸導体部２２を上述したように設けた。
比較例２と本発明例とでは、信号配線の幅は同じなので、透過特性は同じような傾きを示しているが、比較例２にあった共振が、本発明例では抑制されている。
以上のことから、本発明例のように開口部２１に臨む凸導体部２２を設けることで、比較例１よりも信号配線幅を太くし、尚且、比較例２よりも、共振を抑制した品質の良い伝送特性を得ることができる。本発明例によれば、高周波信号の伝送に優位である。

比較例２の透過特性（S21)では、２５ＧＨｚと２７ＧＨｚ近辺に共振があるので、共振を抑制するための基準周波数を、２６ＧＨｚとした。すなわち、開口幅を一定にした場合に発生する信号の共振周波数の低い方から一番目と二番目の平均値として２６ＧＨｚを採用した。
一般的に、１/１０波長以下となる配線において共振現象は発生しないので、２６ＧＨｚの１/１０波長（５４０μｍ）を、凸導体部２２のピッチを決める際の基準寸法とした。
ＴＤＲ波形と透過特性(S21)を考慮しながら、１/１０波長から徐々に波長を長くしたピッチ寸法で凸導体部２２を配置していき、インピーダンスが５０Ωに近く、尚且つ、５０ＧＨｚまで共振の少ない透過特性（S21）となる凸導体部２２のピッチ寸法をシミュレーション（ＨＦＳＳ）で求めた。波長計算を表Iに、１／３波長～１／７波長のＴＤＲ波形を図８に、透過特性(S21)を図９に示す。
その結果、２６ＧＨｚの１/５波長（１０８０μｍ）で、条件を満たす結果となり、凸導体部２２のピッチ寸法を１０８０μｍとした。

以上説明したように、第一グラウンド導体２０に開口部２１を設けることで、信号配線１０直下が全面ベタの場合（比較例１）よりも、導体の密度が低下し電磁界結合が弱くなる。
その結果、インピーダンスが増加し、信号配線１０の幅を太くし、配線抵抗を低減させることが可能となり、伝送特性が向上する。
また、開口部２１の開口幅Ｗを信号配線１０の延設方向の位置に応じて変化させ、第一グラウンド導体２０が信号配線１０に近づく部分（凸導体部２２）をつくることで、その部分と信号配線１０との結合が強くなり、共振を抑えることができる。
以上により、信号配線の伝送特性を損なうことなく、また信号配線とグラウンドとの共振を抑えつつ、インピーダンスを整合することができる。

１ 印刷配線板
５ ソルダーレジスト
１０ 信号配線
１５ 第一絶縁材層
２０ 第一グラウンド導体
２１ 開口部
２１ａ 最細直線部
２１ｂ 拡幅部
２２ 凸導体部
２３ ベタ導体部
２５ 第二絶縁材層
２６ グラウンドビア
３０ 第二グラウンド導体
ＴＣ 中心線
ＴＬ，ＴＲ 開口部の外形線
Ｗ 開口幅
Ｘ 延設方向
Ｚ 積層方向

Claims (6)

1. 信号配線と、第一グラウンド導体と、第二グラウンド導体とが異なる層に形成された印刷配線板であって、
   前記第一グラウンド導体は、積層方向に見て前記信号配線と前記第二グラウンド導体との間に位置し、開口部を有し、
   前記開口部は、前記信号配線の延設方向に沿って連続開口を成しており、
   前記開口部の開口幅は、前記信号配線の前記延設方向の位置に応じて変化している印刷配線板。
2. 前記開口幅の変化は周期的である請求項１に記載の印刷配線板。
3. 前記開口幅の周期的な変化のピッチが、前記開口幅を一定にした場合に発生する信号の共振波長の五分の一以下である請求項２に記載の印刷配線板。
4. 前記開口幅の周期的な変化のピッチが、前記開口幅を一定にした場合に発生する信号の共振周波数の低い方から一番目と二番目の平均値の相当波長の五分の一以下である請求項２に記載の印刷配線板。
5. 前記開口幅の最小値は、前記信号配線の幅以下である請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載の印刷配線板。
6. 前記開口部を画成する外形線の前記信号配線に対する最後退位置と、これに近接する前記信号配線のエッジとの距離（Ｂ）は、前記信号配線と前記第二グラウンド導体との層間距離（Ａ）以下である請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載の印刷配線板。

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