JP7134803B2

JP7134803B2 - プリント基板

Info

Publication number: JP7134803B2
Application number: JP2018175445A
Authority: JP
Inventors: 仁伊見; 資睦岡野; 俊博辻村
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Priority date: 2018-09-19
Filing date: 2018-09-19
Publication date: 2022-09-12
Anticipated expiration: 2038-09-19
Also published as: JP2020047795A; CN110933835A; CN110933835B; US10827614B2; US20200092996A1

Description

本発明の実施形態は、プリント基板に関する。

プリント基板は、ＬＡＮ（Local Area Network）などの情報通信を行う機器にも用いられている。近年、通信の更なる高速化が求められており、ビア配線においても高周波数帯でインピーダンス不整合が抑制されたプリント基板が求められる。

特開２００５－１９１５１８号公報

本発明の一実施形態は、高周波数帯でインピーダンス不整合が抑制されたプリント基板を提供するものである。

本実施形態によれば、基板と、基板の第１面上に設けられ、第１開口を有する第１グランドプレーンと、第１グランドプレーン上方に設けられる第１配線と、基板の第１面と対向する第２面上に設けられ、第２開口を有する第２グランドプレーンと、第２グランドプレーン上方に設けられる第２配線と、第１開口と第２開口の間の基板を貫通し、第１配線と第２配線とを接続する第３配線と、を備え、基板の第１面に垂直な方向から見た場合に、第３配線は、第１開口内及び前記第２開口内に設けられているプリント基板が提供される。第３配線は、板状部材と柱状部材を組み合わせた階段状である。第１グランドプレーンと第３配線との距離は、第１グランドプレーンと第１配線との距離よりも長く、第２グランドプレーンと第３配線との距離は、第２グランドプレーンと第２配線との距離よりも長い。

一実施形態によるプリント基板１００の要部を示す図。図１のＣ－Ｃ’線断面図。図１のＣ－Ｃ’線断面図。一実施形態によるプリント基板１０１の要部を示す図。プリント基板の通過特性の結果を示す図。プリント基板のＴＤＲ特性の結果を示す図。

以下、図面を参照して本開示の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

以下、図面を用いて実施形態を説明する。なお、図面中、同一又は類似の箇所には、同一又は類似の符号を付している。

本明細書中、同一又は類似する部材については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。

本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。

さらに、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件並びにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語や長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。

（実施形態）
図１から図４に一実施形態にかかるプリント基板１００、１０１の要部の図を示す。図１は、プリント基板１００の要部を示す図である。図１には、ビアコンタクト１１周辺のプリント基板１００が示されている。図２は、図１のＣ－Ｃ’線断面図での一例ある。図３は、図１のＣ－Ｃ’線断面図の一例である。図４は、図１のビアコンタクト１１の配線を差動配線とした図である。なお、図１では、第２絶縁膜１２から第７絶縁膜１５は省略している。

第１方向Ｘ、第２方向Ｙ、第３方向Ｚは、それぞれ交差する。第１方向Ｘ、第２方向Ｙ、第３方向Ｚは、それぞれ直交する方向であることが好ましい。

図１、図２、図３及び図４のプリント基板１００、１０１は、グランドプレーンと対向しない斜め方向に延びるビアコンタクトを備えており、高周波数帯におけるインピーダンス不整合が抑制されている。

図１、図２、図３及び図４のプリント基板１００、１０１は、表面側である第１面Ａと裏面側である第２面Ｂを有する基板１と、第１グランドプレーン２と、第１配線４と、第２グランドプレーン５と、第２配線７と、基板１を貫通する第３配線８と第１絶縁膜９とを有するビアコンタクト１１と、備える。

基板１は、プリント基板１００，１０１の母材である。基板１は、第１方向Ｘと第２方向Ｙに広がり、第３方向Ｚに複数積層した積層基板である。第１方向Ｘ及び第２方向は、基板１に対して平行な方向である。第３方向Ｚは、基板１を含めた部材の厚さ方向である。基板１には、対向する第１面Ａと第２面Ｂを有する。第３方向Ｚは、基板１の第１面Ａに対して垂直な方向である。第１面Ａは、最表面を含む場合と、積層基板を構成する１つの層の表面を含む場合がある。第２面Ｂは、基板１の最裏面を含む場合と、積層基板を構成する１つの層の裏面を含む場合がある。基板１は、例えば、ガラスエポキシ基板などである。

第１グランドプレーン２は、基板１の第１面Ａ上に設けられた導電層である。第１グランドプレーン２は、例えば、Ｃｕなどの導電性部材で構成されたベタ膜である。

第１配線４は、第１グランドプレーン２上方に設けられた導電部材である。第１配線４は、信号の伝送経路である。第１配線４は、基板１の第１面Ａ側に設けられた配線である。第１信号線４と第１グランドプレーン２の間には、レジストなどの第４絶縁膜３が配置されている。第１配線４は、Ｃｕなどの導電性部材である。

第１開口ａは、第１グランドプレーン２に設けられた開口である。第１開口ａと基板１を貫通するスルーホール９は連結している。

第２グランドプレーン５は、基板１の第２面Ｂ上に配置された導電層である。第２面Ｂは、第３方向Ｚにおいて第１面Ａと対向する。第２グランドプレーン５は、Ｃｕなどの導電性部材で構成されたベタ膜である。

第２配線７は、第２グランドプレーン５上方に設けられた導電部材である。第２配線７は、信号の伝送経路である。第２配線７は、基板１の第２面Ｂ側に設けられた配線である。第２配線７と第２グランドプレーン５の間には、第５絶縁膜６が配置されている。第２配線７は、Ｃｕなどの導電性部材である。

第２開口ｂは、裏面側Ｂにおける第２グランドプレーン５の開口である。第２開口ｂと基板１を開口するスルーホール９は連結している。

ビアコンタクト１１は、基板１を貫通するスルーホール９と、スルーホール９内に第３配線８と第１絶縁膜１０とを有する。ビアコンタクト１１は、基板１の第１面Ａ側の第１配線４と電気的に接続され、第２面Ｂ側の第２配線７と電気的に接続されている。実施形態の構成を採用することで、ビアコンタクト１１において、インピーダンス不整合が抑制される。

スルーホール９は、第１開口ａと第２開口ｂに挟まれた基板１の領域を貫通する孔である。スルーホール９は、第１開口ａ及び第２開口ｂと一体となっている。スルーホール９内は、第３配線８と第１絶縁膜１０で構成されていることが好ましい。スルーホール９内に、第３配線８以外の導電性部材が含まれると、この導電部材と第３配線８がキャパシタとなってしまいインピーダンス不整合が生じてしまう。実施形態では、スルーホール９内が第３配線８と第１絶縁膜１０で構成されていることで、第３配線８に起因するインピーダンス不整合が抑制されている。

第３配線８は、第１開口ａと第２開口ｂの間の基板１を貫通し、第１配線４と第２配線と接続する導電部材である。第３配線８は、ビアコンタクト１１内の導電部材である。第３配線８は、信号の伝送経路である。第３配線８は、第１面Ａ側の第１開口ａ上方で、第１配線４と電気的に接続されている。また、第３配線８は、第２面Ｂの第２開口ｂ上方で、第２配線７と電気的に接続されている。第３配線８は、基板１の第１面Ａに対して平行な方向及び基板１の第１面Ａに垂直な方向（図中の第１方向Ｘ及び第３方向Ｚ）に延在している。つまり、第３配線８は、斜め方向に延在している。基板１の第１面Ａに対して平行な方向（第１方向Ｘ）は、第３配線８の長さ方向であり、第３配線８の長さ方向の距離をＬとする。基板１の第１面Ａに対して垂直な方向（第３方向Ｚ）は、第３配線８の深さ方向であり、第３配線８の厚さ方向の距離をＤとする。

第３配線８は、例えば、図２に示すように、第１配線４及び第２配線７に挟まれた線状部材で構成することが出来る。線状部材が第１方向Ｘ及び第３方向Ｚに延在している。

第３配線８は、構成部材が斜めに延在する形態以外に、階段状の構成部材を採用することもできる。第３配線は、図３に示すように、板状部材（断面径が大きい部材）と柱状部材（断面径が小さい）を組み合わせて階段状に配置することで、斜め方向に延在させることも出来る。第３配線８は、Ｃｕなどの導電性部材である。

第３配線８は、中実でも中空でもよい。

第１絶縁膜１０は、スルーホール９内で第３配線８を被覆している。第１絶縁膜１０は、例えば、レジストである。

基板１の第１面Ａに垂直な方向からプリント基板１００を見た場合に第３配線８は、第１開口ａ内及び第２開口ｂ内に設けられていることが好ましい。つまり、第３方向Ｚにおいて、第３配線８は、第１開口ａ及び第２開口ｂと対向することが好ましい。第３配線８が第１開口ａ及び第２開口ｂと対向することで、第３配線８が第１グランドプレーン２および第２グランドプレーン５の両方と対向しない。第３配線８がグランドプレーンと対向しないことで、第３配線８と第１グランドプレーン２の間の容量（電気容量）と第３配線８と第２グランドプレーン５の間の容量（電気容量）が低減する。容量が低減することで、ビアコンタクト１１を挟んだ第１配線４と第２配線７のインピーダンス不整合が抑制される。インピーダンス不整合を抑制するために以下の構成とすることがより好ましい。

第１グランドプレーン２と第３配線８との距離は、第１グランドプレーン２と第１配線４との距離よりも長いことが好ましい。第１グランドプレーン２と第３配線８との距離が第１グランドプレーン２と第１配線４との距離以下であると、面積の大きい第１グランドプレーン２との第１開口ａ側で金属等と対向しなくても、第３配線８と第１グランドプレーン２間の容量が増大してしまい、インピーダンス不整合が増加しやすい。同理由により、第２グランドプレーン５と第３配線８との距離は、第２グランドプレーン５と第２配線７との距離よりも長いことが好ましい。同理由により第１グランドプレーン２と第１配線４の距離を１としたときに、第３配線８と第１グランドプレーン２の距離は１．０より大きく１．２以下が好ましい。同様に、第２グランドプレーン５と第２配線７の距離を１としたときに、第３配線８と第２グランドプレーン５の距離は、１．０より大きく１．２以下であることが好ましい。

第３配線８の基板１の第１面Ａに平行な方向（第１方向Ｘ）の距離が短いと、垂直ビアに近くなりインピーダンス不整合が大きくなりやすい。そこで、第３配線８の基板１の第１面Ａに平行な方向（第１方向Ｘ）の距離Ｌと基板１の第１面Ａに垂直な方向（第３方向Ｚ）の距離Ｄの比である［第３配線８の基板１の第１面Ａに平行な方向（第１方向Ｘ）の距離Ｌ］／［前記第３配線の基板１の第１面Ａに垂直な方向（第３方向Ｚ）の距離］は、０．５以上２．０以下が好ましく、０．９以上１．１以下であることがより好ましく、０．９９以上１．０１以下がさらにより好ましい。

また、第３配線８は、基板１の第１面Ａに垂直な方向（第３方向Ｚ）において、第１配線４及び第２配線７を除いて導電性部材と対向しないことが好ましい。第３配線８が図示していない導電性部材と第３方向Ｚにおいて対向すると第３配線８のインピーダンス特性が低下しやすい。

上述したようにインピーダンス不整合を抑制する観点から、ビアコンタクト１１の第１面Ａ側の面は、第１配線４以外の導電性部材と接していないことが好ましい。そこで、図示するようにビアコンタクト１１の第１面Ａ側の面は、第１配線４の一部及び第２絶縁膜１２と接していることが好ましい。第３配線８の第１面Ａ側は、第１配線４及び第２絶縁膜１２と対向していることが好ましい。第２絶縁膜１２は、例えば、第１配線４と同じ層内に配置され第１面Ａ側のビアコンタクト１１上に配置されている。ビアコンタクト１１の第１面Ａ側の全面は、第１配線４の一部及び第２絶縁膜１２の一部と直接的に接していることがより好ましい。また、第１配線４及び第２絶縁膜１２上には、第６絶縁膜１３が配置されていることが好ましい。

裏面側である第２面Ｂ側も同様に、ビアコンタクト１１の第２面Ｂ側の面は、第２配線７以外の導電性部材と接していないことが好ましい。そこで、図示するように、ビアコンタクト１１の第２面Ｂ側の面は、第２配線７の一部及び第３絶縁膜１４と接していることが好ましい。第３配線８の第２面Ｂ側は、第２配線７及び第３絶縁膜１４と対向していることが好ましい。第３絶縁膜１４は、例えば、第２配線７と同じ層内に配置され第２面Ｂ側のビアコンタクト１１上に配置されている。ビアコンタクト１１の第２面Ｂ側の全面は、第２配線７の一部及び第３絶縁膜１４の一部と直接的に接していることがより好ましい。また、第２配線７及び第３絶縁膜１４上には、第７絶縁膜１５が配置されていることが好ましい。

また、インピーダンス不整合を抑制する観点から、基板１の第１面Ａに垂直な方向である第３方向Ｚは第１方向Ｘ及び第２方向Ｙと直交し、第１開口ａの全面と、第２開口ｂの全面は、第３方向Ｚにおいて対向することが好ましい。基板１の第１面Ａに垂直な方向（第３方向Ｚ）において、開口部分の全面が対向するとき、基板１の第１面Ａに垂直な方向（第３方向Ｚ）において、第３配線８は、第１グランドプレーン２とも第２グランドプレーン５とも対向していないため、インピーダンス特性の観点から好ましい。

また、第１配線４（第２配線７）と第３配線８は直接的に接続するため、一部対向するが、対向する比率が大きいとインピーダンス不整合が大きくなりやすい。そこで、基板１の第１面Ａに垂直な方向（第３方向Ｚ）において、第１配線４と第３配線８が対向する距離は、０．２Ｌ以下であることが好ましい。同観点から、基板１の第１面Ａに垂直な方向（第３方向Ｚ）において、第２配線７と第３配線８が対向する距離は、０．２Ｌ以下であることが好ましい。

図１では、シングルエンド配線のビアコンタクトを示しているが、図４に示すように、実施形態のプリント基板は、差動配線にも適用できる。差動配線である場合、第１配線４は、それぞれ平行で第２方向Ｙに並んだ第１信号線４ａ及び第２信号線４ｂを含み、第２配線７は、それぞれ平行で第２方向Ｙに並んだ第３信号線７ａ及び第４信号線７ｂを含み、第３配線８は、それぞれ平行で第２方向Ｙに並んだ第５信号線８ａ及び第６信号線８ｂを含む。そして、第５信号線８ａは、第１信号線４ａ及び第３信号線７ａと接続され、第６信号線８ｂは、第２信号線４ｂ及び第４信号線７ｂと接続されている。

シングルエンド配線でも差動配線でも第１配線４と第１グランドプレーン５とが離れていると第１配線４のインピーダンスが高くなりやすい。差動配線では、平行な２本の配線が等間隔に配置されていることが好ましいが、第３配線８と接続される第１配線４と第２配線７の先端部分は、例えば円形に広がった形状であるため、グランドプレーンと離れやすい。先端側においてもグランドプレーンと配線の距離が近くなるように、第１グランドプレーン２は、第１信号線４ａと第２信号線４ｂの間に、基板１の第１面Ａに平行な方向（第１方向Ｘ）に延びる第１突出部ｃを有することが好ましい。裏面側も同様に、第２グランドプレーン５は、第３信号線７ａと第４信号線７ｂの間に、基板１の第１面Ａに平行な方向（第１方向Ｘ）に延びる第２突出部ｄを有することが好ましい。

図５に高周波数帯を含む通過特性の結果を示す。実線は、差動配線で、斜めビアコンタクトを有するプリント基板の結果であり、破線は、差動配線で斜めビアコンタクトを有するがグランドプレーンが配線（実施形態でいう第１配線４及び第２配線７）の外周を囲むように形成され、斜めビアコンタクトの配線（実施形態でいう第３配線）が全体的にグランドプレーンと対向しているプリント基板の結果である。実線は、破線と比べて顕著にインピーダンスの変化が小さく、谷が浅い。この結果から、実施形態のプリント基板のインピーダンス特性が優れていることが示されている。

図６にＴＤＲ（Time Domain Reflectometry）結果を示す。実線は、差動配線で、斜めビアコンタクトを有するプリント基板の結果であり、破線は、差動配線で斜めビアコンタクトを有するがグランドプレーンが配線（実施形態でいう第１配線４及び第２配線７）の外周を囲むように形成され、斜めビアコンタクトの配線（実施形態でいう第３配線）が全体的にグランドプレーンと対向しているプリント基板の結果である。実線は、谷が小さくインピーダンスの整合性が高いが、破線は、大きな谷がありインピーダンスの整合性が高くない。この結果から、実施形態のプリント基板のインピーダンス特性が優れていることが示されている。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００、１０１…プリント基板、１…基板、２…第１グランドプレーン、３…第４絶縁膜、４…第１配線、５…第２グランドプレーン、６…第５絶縁膜、７…第２配線、８…第３配線、９…スルーホール、１０…第１絶縁膜、１１…ビアコンタクト、１２…第２絶縁膜、１３…第６絶縁膜、１４…第３絶縁膜、１５…第７絶縁膜、ａ…第１開口、ｂ…第２開口、ｃ…第１突出部、ｄ…第２突出部、Ａ…第１面（表面側）、Ｂ…第２面（裏面側）、Ｘ…第１方向、Ｙ…第２方向、３…第３方向

Claims

基板と、
前記基板の第１面上に設けられ、第１開口を有する第１グランドプレーンと、
前記第１グランドプレーン上方に設けられる第１配線と、
前記基板の前記第１面と対向する第２面上に設けられ、第２開口を有する第２グランドプレーンと、
前記第２グランドプレーン上方に設けられる第２配線と、
前記第１開口と前記第２開口の間の前記基板を貫通し、前記第１配線と前記第２配線とを接続する第３配線と、
を備え、
前記基板の前記第１面に垂直な方向から見た場合に、前記第３配線は、前記第１開口内及び前記第２開口内に設けられていて、
前記第３配線は、板状部材と柱状部材を組み合わせた階段状であり、
前記第１グランドプレーンと前記第３配線との距離は、前記第１グランドプレーンと前記第１配線との距離よりも長く、
前記第２グランドプレーンと前記第３配線との距離は、前記第２グランドプレーンと前記第２配線との距離よりも長いプリント基板。
前記第３配線における、前記基板の前記第１面に垂直な方向の距離に対する、前記基板の前記第１面に平行な方向の距離の比である［前記第３配線の前記基板の前記第１面に平行な方向の距離］／［前記第３配線の前記基板の前記第１面に垂直な方向の距離］は、０．９以上１．１以下である請求項１に記載のプリント基板。
前記第１配線、前記第２配線及び前記第３配線は、差動配線である請求項１又は２に記載のプリント基板。
前記第１配線は、それぞれ平行に並んだ第１信号線及び第２信号線を含み、
前記第２配線は、それぞれ平行に並んだ第３信号線及び第４信号線を含み、
前記第３配線は、それぞれ平行に並んだ第５信号線及び第６信号線を含み、
前記第５信号線は、前記第１信号線及び前記第３信号線と接続され、
前記第６信号線は、前記第２信号線及び前記第４信号線と接続され、
前記第１グランドプレーンは、前記第１信号線と前記第２信号線の間に、前記基板の前記第１面に平行な方向に延びる第１突出部を有し、
前記第２グランドプレーンは、前記第３信号線と前記第４信号線の間に、前記基板の前記第１面に平行な方向に延びる第２突出部を有し、
前記第５信号線は、板状部材と柱状部材を組み合わせた階段状であり、
前記第６信号線は、板状部材と柱状部材を組み合わせた階段状である請求項１ないし３のいずれか１項に記載のプリント基板。
前記第３配線は、前記基板の前記第１面に垂直な方向において、前記第１配線及び前記第２配線を除いて、導電性部材と対向しない請求項１ないし４のいずれか１項に記載のプリント基板。
前記第１開口の上部は第１絶縁膜と前記第１配線とで覆われ、前記第２開口の上部は第２絶縁膜と前記第２配線とで覆われている、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のプリント基板。