JPWO2015045309A1

JPWO2015045309A1 - プリント基板及びプリント基板への実装方法

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Publication number: JPWO2015045309A1
Application number: JP2015538876A
Authority: JP
Inventors: 和弘柏倉
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2034-09-11
Also published as: CN105580196A; US20160205768A1; JP6327254B2; US9980370B2; WO2015045309A1

Abstract

伝送特性劣化を解決するプリント基板を提供することである。本発明のプリント基板は、基板と、前記基板上に設けられた円形の信号パッドと、前記信号パッドをドーナツ状に取り囲む前記基板を挟み、さらにその外周を取り囲むドーナツ状のグラウンドパッドと、前記信号パッドをドーナツ状に取り囲む前記基板上に、一つ以上配置された凹部と、を備える。

Description

本発明は、プリント基板及びプリント基板への実装方法に関し、特に、伝送特性の劣化を低減したプリント基板及びプリント基板への実装方法に関する。

通信用機器において、１０〜２５Ｇｂｐｓ程度の通信速度では、信号が入出力する同軸コネクタとプリント基板との間のインピーダンス不整合は問題にならなかった。しかし、４０〜６０Ｇｂｐｓ程度の高速通信になると、同軸コネクタとプリント基板の間にあるパッド部分での微小な浮遊容量ですら機器の伝送特性を低下させる要因となる。

伝送する信号のうち、高調波ノイズを抑制する技術として、信号ビアとグラウンドビアとの間に、信号層及びグラウンド層、あるいは他の層のパターン何れにも接続されない導体ビアを備える入力信号に対して所望の周波数帯域阻止特性を有した多層プリント基板に関する技術が、特許文献１に示されている。

特開２００７−１５８６７５号公報

しかし、特許文献１の技術には、同軸コネクタの端子とプリント基板のパッドとの接触によるインピーダンス低下、および、伝送特性劣化に関する解決手段は示されていない。

本発明の目的は、上述の課題である伝送特性劣化を解決するプリント基板を提供することである。

本発明のプリント基板は、基板と、前記基板上に設けられた円形の信号パッドと、前記信号パッドをドーナツ状に取り囲む前記基板を挟み、さらにその外周を取り囲むドーナツ状のグラウンドパッドと、前記信号パッドをドーナツ状に取り囲む前記基板上に、一つ以上配置された凹部と、を備える。

本発明のプリント基板への実装方法は、基板と、前記基板上に設けられた円形の信号パッドと、前記信号パッドをドーナツ状に取り囲む前記基板を挟み、さらにその外周を取り囲むドーナツ状のグラウンドパッドと、を備えるプリント基板に、前記信号パッドをドーナツ状に取り囲む前記基板上に、一つ以上配置された凹部を形成する。

本発明により、同軸コネクタとプリント基板の間の接触部分の浮遊容量によるインピーダンス不整合を抑制でき、良好な伝送特性を得られる。

本発明の第一の実施形態におけるプリント基板の上面図及び断面図である。本発明の第一の実施形態におけるプリント基板と凹部が無い場合のプリント基板の反射量を示した図である。本発明の第一の実施形態におけるプリント基板と凹部が無い場合のプリント基板の、反射損失特性を示した図である。本発明の第一の実施形態におけるプリント基板と凹部が無い場合のプリント基板の、挿入損失特性を示した図である。本発明の実施例におけるプリント基板に同軸コネクタを接続した一例の図である。本発明の実施例におけるプリント基板に同軸コネクタを接続した一例の断面図（一部）である。図６でのＡ−Ａ‘に沿った断面図である。図６でのＢ−Ｂ’に沿った断面図である。図６でのＣ−Ｃ‘に沿った断面図である。比較例としての、凹部が無い場合のプリント基板の上面図と断面図である。本発明の第二の実施形態におけるプリント基板の断面図（一部）である。本発明の第二の実施形態におけるプリント基板にコネクタを接続した場合を示す断面図（一部）である。本発明のその他の実施形態におけるプリント基板の上面図と断面図を示す図である。

以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。

（第一の実施形態）
次に、本実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本実施形態のプリント基板の上面図及び上面図におけるＸ−Ｘ‘に沿った断面図である。図１に示すように、本実施形態のプリント基板１００は基板１、信号パッド２、ＧＮＤ（グラウンド）パッド３、凹部４、信号スルーホール５、ＧＮＤスルーホール６を備えている。

図１の上面図に示すように基板１はその一面（すなわち基板１上）に、円形の信号パッド２と、その周囲をドーナツ状に取り囲む基板１を挟んでさらにその外周を取り囲むドーナツ状のＧＮＤパッド３を備えている。信号パッド２、ＧＮＤパッド３が円形であるから、信号パッド２を取り囲む基板１の形状もまた、円で構成される形状を有する。加えて、信号パッド２とＧＮＤパッド３の間の基板１上に円形の複数の凹部４が信号パッド２に対し略同心円状に略等間隔で配置されている。

信号パッド２は、図１の上面図に示すように基板１に設けられている。加えて、図１の断面図に示すように、信号パッド２はプリント基板１００の厚さ方向に形成された信号スルーホール５の端部と隣接し、かつ電気的にも接続している。

ＧＮＤパッド３は、図１の上面図に示すように信号パッド２と、信号パッド２を取り囲み、信号パッド２に対し略同心円状に設けられた複数の凹部を備える基板１を囲む形状で基板１に設けられている。加えて、図１の断面図に示すように、ＧＮＤパッド２はプリント基板１００の厚み方向に形成されたＧＮＤスルーホール６の端部と隣接し、かつ電気的にも接続している。

凹部４は、図１の上面図に示すように、信号パッド２を取り囲むように、信号パッド２の略同心円状に基板１上に複数設けられている。また、図１の断面図に示すように、信号パッド２とＧＮＤパッド３との間、および信号スルーホール５とＧＮＤスルーホール６との間の基板１に、プリント基板１００の厚さ方向に所定の深さで設けられている。

信号スルーホール５は、プリント基板１００の厚み方向に設けられている。また、信号スルーホール５はプリント基板１００の一面に設けられた信号パッド２と隣接し、かつ電気的に接続している。

ＧＮＤスルーホール６は、プリント基板１００の厚み方向に設けられる。また、ＧＮＤスルーホール６はプリント基板１００の一面に設けられたＧＮＤパッド３と隣接し、かつ電気的に接続している。

（作用の説明）
次に、本実施形態におけるプリント基板１００の作用について、同軸コネクタとの接触を例に説明する。

本実施形態のプリント基板１００を示す図１と、凹部４のないプリント基板２００を示す図８を対比して説明する。図１、及び８の上面図において、信号パッド２の直径（Ｄｓ）とＧＮＤパッド３の内径（Ｄｇ）によりプリント基板１００の接続部分の特性インピーダンスＺ０［Ω］は、
Ｚ０［Ω］＝６０／｛√εr × ｌｏｇ_ｅ（Ｄｇ／Ｄｓ）｝・・・式（１）
で計算できる。この計算は、図８の凹部４のないプリント基板２００においても同様である。ここでεrは基板１の比誘電率である。一般的には、接続予定の同軸コネクタの特性インピーダンスが５０Ωであるため、この値と一致させる（インピーダンス整合する）ため、Ｚ０［Ω］は５０Ωとなるよう設計される。

しかし、同軸コネクタと信号パッド２との接触等により浮遊容量が発生し、εｒが増加するため、Ｚ０［Ω］が式（１）による計算値より減少する。この結果、同軸コネクタとプリント基板１００との接続の際、プリント基板側の特性インピーダンスＺ０［Ω］は５０Ωよりも小さくなる。特性インピーダンスが同軸コネクタとプリント基板１００とで一致しない（インピーダンスが整合されていない）状態を示す、信号の反射特性を図２に示す。図２は、信号としてガウシアンパルスを同軸コネクタ側から印加し、印加後の経過時間に対する反射量（％）を計算したものである。ここで計算値は、以下の寸法・材質のプリント基板での測定値から算出した値を参考として示しているが、信号の周波数に対する応答は、以下の寸法や材質に関わらず同様の挙動を示すと考えられる。測定に用いたプリント基板の同軸コネクタとの接続部分周辺の寸法は、Ｄｓが０．６〜０．７ｍｍ、Ｄｇが１〜２ｍｍ、凹部４の直径は０．２〜０．３ｍｍ、ＧＮＤパッドの外形は５ｍｍ、信号スルーホール及びＧＮＤスルーホールの内径は０．３〜０．４ｍｍ、信号スルーホールとＧＮＤスルーホールの間隔は１〜２ｍｍ程度であり、材質はεｒが４程度のガラスエポキシ材である。図２中に破線で示した値は凹部４が無い場合の反射量９であり、実線は凹部４がある場合の反射量１０である。図２に示すように、信号パッド２をドーナツ状に取り囲む基板１に凹部４を設けると、インピーダンスが同軸コネクタとプリント基板１００とで整合され、信号の反射量が低減されることが分かる。同様に、信号パッド２をドーナツ状に取り囲む基板１に凹部４を設ける前と後の反射損失（ＲｅｔｕｒｎＬｏｓｓ、リターンロス）の周波数依存性を図３に、挿入損失（ＩｎｓｅｒｔｉｏｎＬｏｓｓ、インサーションロス）の周波数依存性を図４に示す。図３において、破線は凹部４が無い場合の反射損失１１を示し、実線は凹部４がある場合の反射損失１２を示す。また、図４において、破線は凹部４が無い場合の挿入損失１３を示し、実線は凹部４がある場合の反射損失１４を示す。図２〜４より、凹部４がないプリント基板に比べ、本実施形態のプリント基板１００の方が反射量、挿入損失が少なく伝送特性が良好であることが分かる。

凹部４によってこのような効果が得られる理由を以下に述べる。絶縁体である基板１の比誘電率は３〜５程度であるのに対し、基板１上に凹部４が設けられていることで、基板１の凹部４の凹みの部分が、比誘電率が１の空気で置き換えられたことになる。このため、特性インピーダンスに寄与する領域の比誘電率が小さくなり（＝容量性結合が抑制され）、浮遊容量によって減少した信号パッド２の特性インピーダンスが増加する。

（効果の説明）
このように、信号パッド２の周囲の基板１に凹部４を設けることにより浮遊容量によるインピーダンス不整合を抑制でき、良好な伝送特性を得られる。

（実施例）
次に、第一の実施形態における本発明を適用した実施例を示す。図５は、本実施例におけるプリント基板３００と、実装される同軸コネクタ１０１のイメージを示している。同軸コネクタ１０１には同軸ケーブルを接続し、装置と測定器や装置同士などの接続を行う。ここで使用する同軸コネクタ１０１は、プリント基板３００との接続をネジ等による圧着で行うものを想定している。

図６は、図５中の平面Ｓによる断面構造（同軸コネクタ１０１はネジ穴のある部分以外）で、特に、同軸コネクタ１０１とプリント基板３００との接触部分を拡大したものである。さらに図６中のＡ−Ａ‘、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ‘に沿った断面が図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃに示されている。
図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃに示すように、Ａ−Ａ’およびＢ−Ｂ‘に沿った断面は同軸断面構造を有している。
つまり、Ａ−Ａ’に沿った断面が示す同軸コネクタ１０１とＢ−Ｂ‘に沿った断面が示す信号パッド２及びＧＮＤパッド３との間のインピーダンス整合は、特性インピーダンスの設計上は容易と言える。通常、これらの特性インピーダンスは５０Ωで設計される。Ｃ−Ｃ’断面についても擬似的な同軸構造で、特性インピーダンスを５０Ωで設計することは容易である。一般に、同一の特性インピーダンスの線路を接続すれば、インピーダンス整合され伝送特性に何ら影響を及ぼすことはないが、同軸コネクタ１０１とプリント基板３００のような異種形状の線路を接続するとインピーダンス不整合が発生する。これは図６および図７に示すように、境界面では不均一な物理構造となり、図６中に例として示したように浮遊容量が付加されるためと解釈することができる。

（第二の実施形態）
図９に本発明の第二の実施形態のプリント基板４００の断面図を示す。本実施形態は、基板１上の複数のランド（信号ランド１５またはＧＮＤランド１６）の間の基板１に凹部４を設ける点で第一の実施形態と異なる。

複数のコネクタ端子１０３ａを有するコネクタ１０３をプリント基板４００に設置した状態の断面図を図１０に示す。ここでコネクタ１０３はコネクタ端子１０３ａとモールド１０３ｂを有する。プリント基板４００の構成は、凹部４を複数のランド（信号ランド１５またはＧＮＤランド１６）の間の基板１に配置する点以外は第一の実施形態と同様である。すなわち、２つの信号ランド１５の間、２つのＧＮＤランド１６の間、信号ランド１５とＧＮＤランド１６の間に凹部４を配置することができる。

この構成により、実施形態１における同軸コネクタ１０１を設置した場合と同様に浮遊容量を低減し、伝送特性を良好に保つ効果がある。より具体的な実施例としては、コネクタ１０３としてバックプレーンやサブボードを接続するコネクタを用いることが挙げられる。

第二の実施形態においては、複数のコネクタ端子を有するコネクタ１０３を設置する例を示したが、１つのコネクタ端子を有するコネクタを複数設置する場合でも、複数のランド間の基板１に凹部４を設ければ、同様の効果を得ることができる。

（その他の実施形態）
第一の実施形態において、プリント基板１００は基板１、信号パッド２、ＧＮＤパッド３、凹部４、信号スルーホール５、ＧＮＤスルーホール６を備えているとしたが、図１１に示すように、プリント基板１００は、ＧＮＤ層８など、種々の部材・構造を適宜備えていてよい。プリント基板１００の内部では、信号ランド７内に信号スルーホール７が設けられる。同様に、ＧＮＤスルーホール６はＧＮＤ層８と物理的・電気的に接続している。
また、第一の実施形態においては信号パッド２とＧＮＤパッド３の間の基板１に円形の複数の凹部４が信号パッド２に対し略同心円状に略等間隔で配置されている例を示した。凹部４は少なくとも１つ配置されていれば容量性結合を抑制できるため効果があるが、信号パッド２に対して略同心円状に配置すると、同軸コネクタとプリント基板１００、２００との接続部分の電磁界の分布を極力変化させず、伝送する信号の特性劣化を抑制して効果を得ることができ、より好ましい。略同心円状でなくても、前述の電磁界の分布の変化を抑制した配置であればよく、例えば、信号パッド２に対して略点対称、略線対称となるよう配置することができる。他にも、信号パッド２を取り囲むようにドーナツ状に凹部４を形成することができる。凹部４を配置する箇所の数や大きさは、生じている浮遊容量などに合わせて適宜変更できる。また、凹部４の深さ方向の断面で見た場合の形状は、お椀状、円柱状となるよう形成できる。また、凹部４はドリル穴であってもよい。

以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。

（付記１）
基板と、
前記基板上に設けられた円形の信号パッドと、
前記信号パッドをドーナツ状に取り囲む前記基板を挟み、さらにその外周を取り囲むドーナツ状のグラウンドパッドと、
前記信号パッドをドーナツ状に取り囲む前記基板上に、一つ以上配置された凹部と、を備えるプリント基板。

（付記２）
前記凹部は、前記信号パッドに対し略点対称または略線対称となるよう配置されている、付記１に記載のプリント基板。

（付記３）
前記凹部は、前記信号パッドに対し略同心円状に、かつ略等間隔に配置されている、付記１または２に記載のプリント基板。

（付記４）
前記凹部は、前記信号パッドに対し、同軸コネクタ接続時に生じる電磁界の分布を変化させないよう配置されている、付記１から３のいずれかに記載のプリント基板。

（付記５）
前記凹部は、前記基板上から基板の厚さ方向にお椀状または円柱状に形成されている凹みである、付記１から４のいずれかに記載のプリント基板。

（付記６）
前記凹部がドリル穴である、付記１から５のいずれかに記載のプリント基板。

（付記７）
前記凹部は、前記信号パッドを取り囲むドーナツ状に形成されている、付記１に記載のプリント基板。

（付記８）
基板と、
前記基板上に設けられたドーナツ形の複数のランドの間の前記基板に、一つ以上配置された凹部と、を備えるプリント基板。

（付記９）
前記複数のランドは、信号ランド、グラウンドランド、もしくはその両方である、付記８に記載のプリント基板。

（付記１０）
前記凹部は、前記基板上からお椀状または円柱状に形成されている凹みである、付記８または９に記載のプリント基板。

（付記１１）
基板と、
前記基板上に設けられた円形の信号パッドと、
前記信号パッドをドーナツ状に取り囲む前記基板を挟み、さらにその外周を取り囲むドーナツ状のグラウンドパッドと、を備えるプリント基板に、
前記信号パッドをドーナツ状に取り囲む前記基板上に、一つ以上配置された凹部を形成する、プリント基板への実装方法。

（付記１２）
前記凹部は、前記信号パッドを取り囲むドーナツ状に形成されている、付記８または９に記載のプリント基板。

この出願は、２０１３年９月２４日に出願された特願２０１３−１９７４１９を基礎とする優先権を主張し、その開示を全てここに取り込む。

１基板
２信号パッド
３ＧＮＤパッド
４凹部
５信号スルーホール
６ＧＮＤスルーホール
７信号ランド
８ＧＮＤ層
９凹部が無い場合の反射量
１０凹部がある場合の反射量
１１凹部が無い場合の反射損失
１２凹部がある場合の反射損失
１３凹部が無い場合の挿入損失
１４凹部がある場合の挿入損失
１５信号ランド
１６ＧＮＤランド
１００プリント基板
１０１同軸コネクタ
１０３コネクタ
１０３ａコネクタ端子
１０３ｂモールド
２００プリント基板
３００プリント基板
４００プリント基板

Claims

基板と、
前記基板上に設けられた円形の信号パッドと、
前記信号パッドをドーナツ状に取り囲む前記基板を挟み、さらにその外周を取り囲むドーナツ状のグラウンドパッドと、
前記信号パッドをドーナツ状に取り囲む前記基板上に、一つ以上配置された凹部と、を備えるプリント基板。
前記凹部は、前記信号パッドに対し略点対称または略線対称となるよう配置されている、請求項１に記載のプリント基板。
前記凹部は、前記信号パッドに対し略同心円状に、かつ略等間隔に配置されている、請求項１または２に記載のプリント基板。
前記凹部は、前記信号パッドに対し、同軸コネクタ接続時に生じる電磁界の分布を変化させないよう配置されている、請求項１から３のいずれかに記載のプリント基板。
前記凹部は、前記基板上から基板の厚さ方向にお椀状または円柱状に形成されている凹みである、請求項１から４のいずれかに記載のプリント基板。
前記凹部がドリル穴である、請求項１から５のいずれかに記載のプリント基板。
基板と、
前記基板上に設けられたドーナツ形の複数のランドの間の前記基板に、一つ以上配置された凹部と、を備えるプリント基板。
前記複数のランドは、信号ランド、グラウンドランド、もしくはその両方である、請求項７に記載のプリント基板。
前記凹部は、前記基板上からお椀状または円柱状に形成されている凹みである、請求項７または８に記載のプリント基板。
基板と、
前記基板上に設けられた円形の信号パッドと、
前記信号パッドをドーナツ状に取り囲む前記基板を挟み、さらにその外周を取り囲むドーナツ状のグラウンドパッドと、を備えるプリント基板に、
前記信号パッドをドーナツ状に取り囲む前記基板上に、一つ以上配置された凹部を形成する、プリント基板への実装方法。