JPWO2016110945A1

JPWO2016110945A1 - 多層回路基板

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Publication number: JPWO2016110945A1
Application number: JP2016549530A
Authority: JP
Inventors: 聖児小松; 明道廣田; 田原　志浩; 志浩田原; 幸司澁谷; 慶洋明星
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-01-06
Filing date: 2015-01-06
Publication date: 2017-04-27
Anticipated expiration: 2035-01-06
Also published as: EP3244480A4; EP3244480A1; WO2016110945A1; JP6180648B2; US20170257942A1

Abstract

グランド層に形成された第１のグランド削除部３ａは、第１のグランド削除部３ａと部品パッド１ａとで決定される特性インピーダンスが、グランド導体２ａと伝送線路１ｂとで決定される特性インピーダンスよりも高くなる大きさに形成されている。部品パッド１ａの外形をグランド層に投影したとき、第１のグランド削除部３ａの中心に、部品パッド１ａ同士に挟まれた領域の中心が配置される。

Description

本発明は、絶縁体層を挟んで、信号層とグランド層をそれぞれ少なくとも１層ずつ積層してなる多層回路基板に関するものである。

近年、デジタル伝送の高速化が著しく、特性インピーダンスの不整合による反射特性の増加が顕著となっている。特にチップ部品やコネクタを実装するためのパッドは伝送線路より幅広となり、所望のパッドの特性インピーダンスが得られず、その結果、特性インピーダンス不整合が生じるため、上記パッドで反射が生じてしまう問題がある。

このようなパッドの特性インピーダンス不整合を解決するために、パッドのグランドを削除することで所望の特性インピーダンスを得る手法が知られている（例えば特許文献１）。

実開昭５５−２５３３９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来の技術では、基板製造時に積層ずれが起きた場合、パッドの特性インピーダンスが所望の値から著しく変化するため、パッドでの反射特性が劣化するという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、積層ずれが発生しても所望の特性インピーダンスから大きく外れることが無く、反射特性の劣化を抑制することができる多層回路基板を提供することを目的とする。

この発明に係る多層回路基板は、絶縁体層を挟んで、信号層とグランド層とをそれぞれ少なくとも１層ずつ積層してなる多層回路基板において、信号層に形成された伝送線路と、信号層に形成されるとともに伝送線路に接続され、かつ、伝送線路より幅広の導体パッドと、グランド層に形成され、導体を抜いた第１のグランド削除部を有するグランド導体と、第１のグランド削除部の内部に設けられ、グランド導体と接続された補助グランド導体とを備え、第１のグランド削除部は、第１のグランド削除部と導体パッドとで決定される特性インピーダンスが、グランド導体と伝送線路とで決定される特性インピーダンスよりも高くなる大きさに形成されたものである。

この発明に係る多層回路基板は、グランド層に形成された第１のグランド削除部は、第１のグランド削除部と導体パッドとで決定される特性インピーダンスが、グランド導体と伝送線路とで決定される特性インピーダンスよりも高くなる大きさに形成するようにしたものである。これにより、積層ずれが発生しても所望の特性インピーダンスから大きく外れることが無く、反射特性の劣化を抑制することができる。

この発明の実施の形態１に係る多層回路基板を模式的に示す構成図である。図１におけるＸ_１−Ｘ_２線断面図である。この発明の実施の形態１に係る多層回路基板の積層ずれを起こした場合の説明図である。図３におけるＸ_１−Ｘ_２線断面図である。従来の多層回路基板を模式的に示す構成図である。図５におけるＸ_１−Ｘ_２線断面図である。従来の多層回路基板の積層ずれを起こした場合の説明図である。図７におけるＸ_１−Ｘ_２線断面図である。この発明の実施の形態１に係る多層回路基板及び従来の多層回路基板による反射特性の解析結果を示す説明図である。この発明の実施の形態２に係る多層回路基板を模式的に示す構成図である。この発明の実施の形態２に係る多層回路基板の積層ずれを起こした場合の説明図である。この発明の実施の形態３に係る多層回路基板を模式的に示す構成図である。図１２におけるＸ_１−Ｘ_２線断面図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、本実施の形態による多層回路基板を模式的に示す構成図であり、図２は、図１におけるＸ_１−Ｘ_２線断面図である。実施の形態１では、マイクロストリップ線路による多層回路基板を構成する場合について示している。

これらの図に示すように、実施の形態１の多層回路基板は、誘電体層（絶縁体層）４の上層と下層に、信号層（信号伝送用導体：部品パッド（導体パッド）１ａ及び伝送線路１ｂ）と、グランド層（グランド導体２ａ及び補助グランド導体２ｂ）とが形成され、さらに、グランド層にはグランド削除部（第１のグランド削除部３ａと第２のグランド削除部３ｂ）が形成されている。

信号伝送用導体は、一対となった２つの部品パッド１ａの一端側が近接するように配置され、かつ、それぞれ部品パッド１ａの他端側が伝送線路１ｂと接続されている。また、グランド層に形成された第１のグランド削除部３ａの内部には補助グランド導体２ｂが配置されており、さらに補助グランド導体２ｂの内部に第２のグランド削除部３ｂが配置されている。補助グランド導体２ｂは、グランド導体２ａと電気的に接続されている。
このように、実施の形態１に係る多層回路基板は、グランド層に、グランド導体２ａに囲まれた第１のグランド削除部３ａを設け、かつ、この第１のグランド削除部３ａ内に、グランド導体２ａと電気的に接続された補助グランド導体２ｂを配置し、さらに、補助グランド導体２ｂに囲まれた第２のグランド削除部３ｂを設けている。

ここで、第１のグランド削除部３ａは、第１のグランド削除部３ａと部品パッド１ａとで決定される特性インピーダンスが、グランド導体２ａと伝送線路１ｂとで決定される特性インピーダンスよりも高くなる大きさに形成されている。なお、これらの特性インピーダンスの関係については後述する。
また、一対の部品パッド１ａの外形をグランド層に投影したとき、第１のグランド削除部３ａの中心に、部品パッド１ａ同士に挟まれた領域の中心が配置され、かつ、部品パッド１ａの外形をグランド層に投影したとき、その外形が第２のグランド削除部３ｂ内に含まれるよう構成されている。また、第１のグランド削除部３ａの中心に補助グランド導体２ｂの中心が位置するよう補助グランド導体２ｂが配置されている。
さらに、補助グランド導体２ｂと第１のグランド削除部３ａは、それぞれが線対称となる形状を有している。

図１及び図２では、積層ずれが起きていない状況における実施の形態１の多層回路基板の構成を示している。一方、図３及び図４に、積層ずれを起こした状況における実施の形態１の多層回路基板の構成を示す。図３は図１に対応した部分平面図であり、図４は図２に対応した図３のＸ_１−Ｘ_２線断面図である。このような積層ずれを起こした場合の反射特性について、従来構成と比較して説明する。

図５及び図６は従来構成における積層ずれが起きていない状況であり、図７及び図８は積層ずれを起こしている状況を示している。なお、図５及び図７は部分平面図、図６及び図８は図５及び図７のＸ_１−Ｘ_２線断面図である。これらの図において、部品パッド１ａ，伝送線路１ｂ及びグランド導体２ａ，補助グランド導体２ｂは、図１〜図４と同様の構成であり、グランド削除部３ａは図１〜図４の第１のグランド削除部３ａに相当する部分である。

図１〜図４に示した実施の形態１の多層回路基板及び図５〜図８に示した従来の多層回路基板における積層ずれの有無の状況において、反射特性を解析した。
図９は、積層ずれの有無に対して、実施の形態１に係る多層回路基板及び従来の多層回路基板による反射特性の解析結果を示している。図９において、実線９０ａ，９０ｂが実施の形態１に係る多層回路基板による反射特性を示し、破線９１ａ，９１ｂが従来の多層回路基板による反射特性を示している。また、実線９０ａ及び破線９１ａがそれぞれ基準位置の実施の形態１の構成と従来構成の特性であり、実線９０ｂ及び破線９１ｂが、それぞれ積層ずれがあった場合の実施の形態１の構成と従来構成の特性を示している。
この図９に示すように、実施の形態１に係る多層回路基板では、従来構成に対し、積層ずれがあるときに反射特性が大きく改善していることがわかる。

積層ずれが起きた従来の多層回路基板では、積層ずれが起きた実施の形態１に係る多層回路基板よりも部品パッド１ａとグランド層２が重なる面積が大きくなるため、容量の変化が大きく、その結果、特性インピーダンス不整合が大きくなって、反射特性が低下してしまう。

一方、実施の形態１では、マイクロストリップ線路で第１のグランド削除部３ａ内に補助グランド導体２ｂと第２のグランド削除部３ｂを設けた構成とすることで、図３、図４のように積層ずれが起きた場合でも、部品パッド１ａとグランド層２が重なる面積を従来の多層回路基板より小さくできる。その結果、容量の変化を小さくすることができ、従って、特性インピーダンスの不整合を小さくできるため、反射特性を良好のまま維持することができる。以下、この点をさらに詳細に説明する。

特性インピーダンスＺは、Ｚ＝（Ｌ／Ｃ）＾１／２で与えられる。ここで、Ｌはインダクタンス、Ｃは容量である。一般的に、入力から出力まで特性インピーダンスＺはできるだけ一定に設計しないと反射特性が悪化する。このため、基準位置における部品パッド１ａの特性インピーダンスＺｃｐは、部品パッド１ａに接続された伝送線路１ｂの特性インピーダンスＺｃｔとほぼ同じに設計する。そして、積層ずれが生じた場合は、部品パッド１ａと伝送線路１ｂの容量のみ変化が起きるので、特性インピーダンスの不整合が生じ、反射特性が悪化する。関係性は以下の通りである。
・容量の変化が大きい→特性インピーダンスの不整合が大きい→反射特性が悪化
・容量の変化が小さい→特性インピーダンスの不整合が小さい→反射特性が良好

反射特性を良好に保つためには、積層ずれが起きてもできるだけ容量の変化量を小さくし、一定に保つことが重要である。このため、基準位置において、従来構成ではＺｃｐ＝Ｚｃｔとなるように、第１のグランド削除部３ａのサイズを決定する（図５，図６）が、従来構成で積層ずれが生じると（図７、図８）、部品パッド１ａとグランド導体２ａの重なる面積が大きくなり、容量の変化が大きくなる（矢印８０参照）。これに対し、実施の形態１では、積層ずれが生じた場合でも部品パッド１ａとグランド導体２ａ間の容量の変化が小さくなる（矢印４０参照）ように、第１のグランド削除部３ａのサイズを図５のグランド削除部３ａより広くする。このように、第１のグランド削除部３ａを広くする＝容量の変化は小さくする＝ＺｃｐはＺｃｔより高くする、となる。すなわち、ＺｃｐはＺｃｔより高くするということが「積層ずれが発生しても所望の特性インピーダンスから大きく外れることが無い」ということになる。

また、補助グランド導体２ｂについては、基準位置において、ＺｃｐとＺｃｔの整合がとれ（第１のグランド削除部３ａの面積を広くしたため）、かつ、積層ずれ発生時に、部品パッド１ａと補助グランド導体２ｂの重なる面積が、従来の構成よりも小さくなる形状とすることが必要である。

なお、図９から明らかなように、積層ずれが起きていない場合は、実施の形態１の多層回路基板と従来の多層回路基板の反射特性（実線９０ａ，破線９１ａ参照）は同等の値を得ることができる。

以上説明したように、実施の形態１の多層回路基板によれば、絶縁体層を挟んで、信号層とグランド層とをそれぞれ少なくとも１層ずつ積層してなる多層回路基板において、信号層に形成された伝送線路と、信号層に形成されるとともに伝送線路に接続され、かつ、伝送線路より幅広の導体パッドと、グランド層に形成され、導体を抜いた第１のグランド削除部を有するグランド導体と、第１のグランド削除部の内部に設けられ、グランド導体と接続された補助グランド導体とを備え、第１のグランド削除部は、第１のグランド削除部と導体パッドとで決定される特性インピーダンスが、グランド導体と伝送線路とで決定される特性インピーダンスよりも高くなる大きさに形成されたので、積層ずれが発生しても所望の特性インピーダンスから大きく外れることが無く、反射特性の劣化を抑制することができる。

また、実施の形態１の多層回路基板によれば、導体パッドは一対に構成され、かつ、導体パッドの外形をグランド層に投影したとき、第１のグランド削除部の中心に、導体パッド同士に挟まれた領域の中心が配置されるようにしたので、特性インピーダンスの不整合を小さくすることができ、反射特性の劣化を抑制することができる。

また、実施の形態１の多層回路基板によれば、第１のグランド削除部の中心に、補助グランド導体の中心が配置されるようにしたので、特性インピーダンスの不整合を小さくすることができ、反射特性の劣化を抑制することができる。

また、実施の形態１の多層回路基板によれば、補助グランド導体はその内部に第２のグランド削除部を有し、導体パッドの外形をグランド層に投影したとき、導体パッドが第２のグランド削除部内に配置されるようにしたので、特性インピーダンスの不整合を小さくすることができ、反射特性の劣化を抑制することができる。

また、実施の形態１の多層回路基板によれば、補助グランド導体及び第１のグランド削除部は、線対称となる形状を有するようにしたので、特性インピーダンスの不整合を小さくすることができ、反射特性の劣化を抑制することができる。

実施の形態２．
実施の形態２は、補助グランド導体２ｂの部品パッド１ａに対向する面を凹凸形状としたものである。以下、実施の形態１と同様に、マイクロストリップ線路による多層回路基板を構成する例を説明する。
実施の形態１では、第２のグランド削除部３ｂを有した補助グランド導体２ｂが電気的に接続された構成を示した。それに対し、実施の形態２では、第１のグランド削除部３ａの形状を変化させて、積層ずれが起きても、部品パッド１ａとグランド層が重なる面積を抑えられる場合について示す。

図１０は、実施の形態２に係る多層回路基板を模式的に示す構成図である。実施の形態２に係る多層回路基板は、図１〜図４に示す実施の形態１に係る多層回路基板から第２のグランド削除部３ｂを省き、補助グランド導体２ｂの部品パッド１ａ側の面を凹凸形状としたものである。すなわち、この構成は第１のグランド削除部３ａの側面形状が凹凸を有するよう構成されているのと同等である。なお、第１のグランド削除部３ａは、第１のグランド削除部３ａと部品パッド１ａとで決定される特性インピーダンスが、グランド導体２ａと伝送線路１ｂとで決定される特性インピーダンスよりも高くなる大きさに形成されているのは実施の形態１と同様である。その他の構成は実施の形態１と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。

実施の形態２の多層回路基板では、マイクロストリップ線路で第１のグランド削除部３ａの側面の形状を凹凸にした構成とすることで、積層ずれが起きた場合に、部品パッド１ａとグランド層（グランド導体２ａ及び補助グランド導体２ｂ）が重なる面積を従来の多層回路基板より小さくできる。図１１は、実施の形態２の多層回路基板で積層ずれが起きた状況を示す説明図である。図７の従来構成の積層ずれが起きた場合に比べて部品パッド１ａとグランド導体２ａまたは補助グランド導体２ｂと重なる面積が小さいのが分かる。

このように、実施の形態２の多層回路基板では、積層ずれが起きても部品パッド１ａとグランド層の重なる面積が小さくなるようにしたので、実施の形態１と同様に、容量の変化が大きくなるのを抑え、特性インピーダンス不整合が小さくなり反射特性を改善することができる。

なお、積層ずれが起きていない場合は、実施の形態２の多層回路基板と、グランド層に第１のグランド削除部３ａを削除した従来の多層回路基板の反射特性はほぼ同等の値を得ることができる。

以上説明したように、実施の形態２の多層回路基板によれば、補助グランド導体は、導体パッドに対向する面が凹凸形状であるようにしたので、積層ずれが発生しても所望の特性インピーダンスから大きく外れることが無く、反射特性の劣化を抑制することができる。

実施の形態３．
実施の形態１、２では、マイクロストリップ線路の構成を示した。それに対し、実施の形態３では、ストリップ線路で構成された場合を示す。

図１２は、実施の形態３に係る多層回路基板を模式的に示す構成図であり、図１３は図１２におけるＸ_１−Ｘ_２線断面図である。
これらの図に示すように、信号伝送用導体（部品パッド１ａ，伝送線路１ｂ）の上下のグランド層が基準グランドとなる。上下のグランド層には、それぞれ実施の形態１と同様に、グランド導体２ａ，補助グランド導体２ｂ及び第１のグランド削除部３ａ，第２のグランド削除部３ｂが形成されている。

実施の形態３では、ストリップ線路で上下のグランド層に補助グランド導体２ｂと第１のグランド削除部３ａ及び第２のグランド削除部３ｂを実施の形態１と同様にそれぞれ設けた構成とすることで、積層ずれが起きた場合に、部品パッド１ａとグランド層が重なる面積を従来の多層回路基板より小さくできる。

このように実施の形態３の多層回路基板では、ストリップ線路の構成において、積層ずれが起きても部品パッド１ａとグランド層の重なる面積が小さくなるようにしたので、実施の形態１及び実施の形態２と同様に、容量の変化が大きくなるのを抑え、特性インピーダンス不整合が小さくなり反射特性を改善することができる効果を奏する。

なお、積層ずれが起きていない場合は、実施の形態３の多層回路基板と、ストリップ線路で上下のグランド層に第１のグランド削除部３ａをそれぞれ削除して構成された従来の多層回路基板の反射特性はほぼ同等の値を得ることができる。

また、実施の形態３では、ストリップ線路で上下のグランド層に補助グランド導体２ｂと第１のグランド削除部３ａ及び第２のグランド削除部３ｂを実施の形態１と同様にそれぞれ設けた構成について説明したが、実施の形態２と同様に第１のグランド削除部３ａの側面の形状を凹凸にした構成であってもよい。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

以上のように、この発明に係る多層回路基板は、絶縁体層を挟んで、信号層とグランド層をそれぞれ少なくとも１層ずつ積層してなる多層回路基板に関するものであり、チップ部品やコネクタの実装部に用いるのに適している。

１ａ部品パッド、１ｂ伝送線路、２ａグランド導体、２ｂ補助グランド導体、３ａ第１のグランド削除部、３ｂ第２のグランド削除部、４誘電体層。

Claims

絶縁体層を挟んで、信号層とグランド層とをそれぞれ少なくとも１層ずつ積層してなる多層回路基板において、
前記信号層に形成された伝送線路と、
前記信号層に形成されるとともに前記伝送線路に接続され、かつ、当該伝送線路より幅広の導体パッドと、
前記グランド層に形成され、導体を抜いた第１のグランド削除部を有するグランド導体と、
前記第１のグランド削除部の内部に設けられ、前記グランド導体と接続された補助グランド導体とを備え、
前記第１のグランド削除部は、当該第１のグランド削除部と前記導体パッドとで決定される特性インピーダンスが、前記グランド導体と前記伝送線路とで決定される特性インピーダンスよりも高くなる大きさに形成されたことを特徴とする多層回路基板。
前記導体パッドは一対に構成され、かつ、当該導体パッドの外形を前記グランド層に投影したとき、前記第１のグランド削除部の中心に、前記導体パッド同士に挟まれた領域の中心が位置することを特徴とする請求項１記載の多層回路基板。
前記第１のグランド削除部の中心に、前記補助グランド導体の中心が配置されることを特徴とする請求項１記載の多層回路基板。
前記補助グランド導体はその内部に第２のグランド削除部を有し、
前記導体パッドの外形を前記グランド層に投影したとき、当該導体パッドが前記第２のグランド削除部内に配置されることを特徴とする請求項１記載の多層回路基板。
前記補助グランド導体は、前記導体パッドに対向する面が凹凸形状であることを特徴とする請求項１記載の多層回路基板。
前記補助グランド導体及び前記第１のグランド削除部は、線対称となる形状を有することを特徴とする請求項１記載の多層回路基板。