JPWO2016117320A1 - 配線基板およびその設計方法 - Google Patents

Abstract

［課題］設計の自由度を確保しつつ、差動信号配線を構成する２本の信号配線間の遅延量の差を抑制することが可能な配線基板を得る。［解決手段］配線基板を、第１の絶縁層１と、第１の信号配線２と、第２の信号配線３を備える構成とする。第１の絶縁層１は、第１の方向に長軸を有し第１の間隔で略平行に並んだ繊維４と、第１の方向の繊維４の間を満たすように充てんされた絶縁材５を備えている。第１の信号配線２は、第１の絶縁層１上に第１の方向と略平行に形成されている。第２の信号配線３は、第１の信号配線２と平行に、第１の信号配線２との間隔が第１の間隔の略整数倍となるように形成され、第１の信号配線２で伝送される信号の差動信号を伝送する。

Description

本発明は、高周波信号を伝送する配線基板に関するものであり、特に高周波帯の差動信号を伝送する配線基板に関するものである。

情報通信社会の発達とともにデータ通信や信号処理が大容量で高速に行われるようになり、伝送される信号の高速化が進んでいる。信号の高速化とともに、配線基板上で伝送される際の信号の損失や遅延の影響が無視できなくなっている。そのため、大容量のデータを高速に処理するような電子装置の信号配線は、要求特性を満たす配線幅や配線長で設計する必要がある。一方で、大容量化や高速化に対応した半導体装置等を実装する配線基板では、信号の本数が増加するとともに高密度化し配線の設計が複雑化している。そのため、信号を高速で伝送するような配線基板では、信号配線の線幅や配置位置などを決定する際の自由度が出来るだけ確保されていることが望ましい。

信号の伝送速度が１０Ｇｂｐｓ（Giga bit per second）を超え、２８Ｇｂｐｓや５６Ｇｂｐｓなどのギガ領域で高速化が進み、プリント基板のような配線基板における信号配線では、差動信号配線が主流となっている。差動信号は、２本の信号配線で位相が逆の信号として伝送される。出力側で差動信号を正しく処理するためには、位相が逆の２つの信号の遅延時間の差が出来るだけ抑制されている必要がある。しかし、信号配線や絶縁層の電気特性の影響などにより、位相が逆の２つの信号間に遅延時間の差が生じると、出力側で逆位相の状態からずれて出力側の半導体装置等において正しく信号を検出することができない可能性がある。そのため、高速の差動信号を伝送するプリント基板のような配線基板において、２つの信号の遅延の差が抑制されている必要がある。

配線基板上での信号の損失や遅延を抑制するため、配線基板を形成する絶縁材料の低誘電率化等が行われている。また、プリント基板などの配線基板では、基板の機械強度の維持のため構造材としてガラスクロスが用いられることがある。ガラスクロスのガラス繊維は低誘電率化されている絶縁層に比べて比誘電率が高い。

プリント基板に用いられるガラスクロスは、数本の繊維束となったガラス繊維を縦方向と横方向に平織することにより形成されている。ガラスクロスでは、縦方向および横方向にそれぞれ並んだ繊維束の間には間隔が生じている。そのため、プリント基板上に形成された信号配線で伝送される信号は、ガラスクロスの存在する部分と絶縁用の樹脂のみの部分とを通過する。ガラスクロスのガラス繊維と絶縁層の樹脂は比誘電率が異なるため、ガラス繊維の部分を通過するときと、樹脂のみの部分を通過するときでは、信号の遅延量や損失量に差が生じる。そのため、それぞれ異なる位置を通る２つ差動信号配線で伝送される信号間の遅延量に差が生じる。差動信号の２つの信号間の遅延量の差が大きくなると、信号間の位相のずれが大きくなるため、挿入損失が増加して出力側での信号の処理に異常が生じる。そのため、プリント配線基板上に形成された差動信号配線において、設計上の自由度を確保しつつ信号間の遅延量の差を抑制できる技術があることが望ましい。高速の差動信号を伝送する配線基板において、信号の遅延を抑制する技術としては、例えば、特許文献１のような技術が開示されている。

特許文献１は、２つの異なる配線層に正信号と負信号の信号配線が形成された差動信号配線を備える配線基板に関するものである。特許文献１の配線基板では、２つの異なる配線層にそれぞれ差動信号配線が形成されている。特許文献１の配線基板では、差動信号配線としての１つのペアである２本の配線が、互いに重ならないように２つの異なる配線層に形成されている。特許文献１では、１つのペアの２本の信号配線の水平方向のずれ量、信号配線の幅および信号配線間の絶縁層の膜厚を基に計算される所定のパラメータが、一定の範囲内となるように、各設計値が設定される。特許文献１は、所定のパラメータが条件を満たすように設計することにより、差動信号の伝送損失を抑制することができるとしている。

特許文献２には、配線基板における最適なビアの配置方法が示されている。特許文献２では、格子の各点にビアを配置し、格子の各点でのビアの有無と配線特性などを基にビアの配置が適切であるかを判断している。特許文献２は、格子の各点にビアを配置して評価を行うことで、ビアが過剰な状態や少なすぎる状態を防ぐことができるとしている。

また、特許文献３には、信号の配線幅を適切に設定することにより差動信号配線間の遅延量の差を抑制する技術が示されている。特許文献３は、ガラスクロスを内部に有する絶縁層上に形成された差動信号配線を備える配線基板に関するものである。特許文献３では、ガラスクロスの折り目、すなわちガラス繊維の間隔に対し、信号の配線幅が７５パーセント乃至９５パーセントになるように設定されている。このように、特許文献３は、ガラスクロスの折り目の間隔に対して、配線幅を一定の範囲内に設定することにより伝送時間差の変化を抑制することができるとしている。

特開２００８−１０９３３１号公報 特開２０１２−５３７２６号公報 特開２０１４−１３０８６０号公報

しかしながら、特許文献１の技術は次のような点で十分ではない。特許文献１の技術は、異なる層に形成された２本の信号配線の間に入る絶縁層の平均的な特性は考慮しているが、実際に配線が通過する部分のガラスクロスと樹脂の特性の違いは考慮していない。よって、特許文献１では水平方向において絶縁層の電気特性が場所によって異なるとき、２本の信号配線が異なる電気特性の絶縁層上に形成されると、信号の損失や遅延量に差が生じ得る。また、特許文献２の技術は、ビアの水平方向の配置を行うためのものである。特許文献２でも、配線が実際に通過する水平方向の場所による絶縁層の電気特性の差については考慮されていない。よって、特許文献１と同様に差動信号配線として用いられる２本の信号配線において絶縁層の電気特性の差による信号の損失や遅延の差が生じ得る。そのため、特許文献１および特許文献２の技術は、差動信号配線を構成する２本の信号配線間の遅延の差を抑制する技術としては十分ではない。

特許文献３の技術は、絶縁層中のガラスクロスの間隔に対して、配線幅を所定の範囲内に設定している。そのため、特許文献３では、ガラスクロスの間隔により配線幅が大きく制約される。高周波信号の伝送路として用いる信号配線では、高周波信号の減衰等を抑制して伝送する上での信号配線の電気特性の制約も大きい。そのため、配線幅が所定の範囲内に制約されると、配線の膜厚等のパラメータによって電気特性を維持しなければならず、設計上で大きな制約を受けるか、動作可能な配線基板を設計できない恐れがある。また、特許文献３の技術では、配線を形成する位置については規定していないため、２本の差動信号配線のそれぞれの位置によっては、絶縁層の電気特性の違いによる遅延量の差が生じ得る。よって、特許文献３の技術は、設計の自由度を維持しつつ、差動信号配線を構成する２本の信号配線間の遅延の差を抑制する技術としては十分ではない。

本発明は、設計の自由度を確保しつつ、差動信号配線を構成する２本の信号配線間の遅延量の差を抑制することが可能な配線基板を得ることを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明の配線基板は、第１の絶縁層と、第１の信号配線と、第２の信号配線を備えている。第１の絶縁層は、第１の方向に長軸を有し第１の間隔で略平行に並んだ繊維と、第１の方向の繊維の間を満たすように充てんされた絶縁材を備えている。第１の信号配線は、第１の絶縁層上に第１の方向と略平行に形成されている。第２の信号配線は、第１の信号配線と平行に、第１の信号配線との間隔が第１の間隔の略整数倍となるように形成され、第１の信号配線で伝送される信号の差動信号を伝送する。

本発明の配線基板の製造方法は、第１の方向に長軸を有し第１の間隔で略平行に並んだ繊維と、第１の方向の繊維の間を満たすように充てんされた第１の絶縁材とを備える第１の絶縁層上に、第１の信号配線と、第２の信号配線とを形成する。第１の信号配線は、第１の方向と略平行に形成される。第２の信号配線は、第１の信号配線と平行に、第１の信号配線との間隔が第１の間隔の略整数倍となるように形成される。

本発明の配線基板の設計方法は、第１の方向に長軸を有する繊維が第１の繊維間隔で略平行に並んだ第１のガラスクロスと、第３の方向に長軸を有する繊維が第３の繊維間隔で略平行に並んだ第２のガラスクロスを、第１の絶縁層と第２の絶縁層に用いるガラスクロスとして第１の繊維間隔と第３の繊維間隔が一致するように選択する。本発明の配線基板の設計方法は、第１の絶縁層および第２の絶縁層の間に、第１の信号配線と、第１の信号配線で伝送される信号の差動信号を伝送する第２の信号配線を配置する。本発明の配線基板の設計方法は、第１の信号配線および第２の信号配線を、第１の方向と平行に、第１の信号配線と第２の信号配線の間隔が第１の繊維間隔の略整数倍となるように配置する。

本発明によると、設計の自由度を確保しつつ、差動信号配線を構成する２本の信号配線間の遅延量の差を抑制することができる。

本発明の第１の実施形態の構成の概要を示す図である。 本発明の第２の実施形態の構成の概要を示す図である。 本発明の第２の実施形態の構成の一部を示した図である。 本発明の第２の実施形態で用いられているガラスクロスの構成の例を示した図である。 本発明の第２の実施形態の構成の一部を示した図である。 本発明の第２の実施形態における信号配線とガラスクロスの位置関係を模式的に示した図である。 差動信号における遅延の例を示した図である。 本発明と対比した構成における差動信号配線の信号の遅延時間の例を示した図である。 本発明と対比した構成における差動信号配線の信号の挿入損失の例を示した図である。 本発明の第２の実施形態における差動信号配線の信号の遅延時間の例を示した図である。 本発明の第２の実施形態における差動信号配線の信号の挿入損失の例を示した図である。 本発明の第２の実施形態における配線基板の設計フローの概要を示した図である。 本発明の第２の実施形態におけるガラスクロスの特性の例を示す図である。 本発明の他の構成の例を示した図である。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態の配線基板の構成の概要を示したものである。本実施形態の配線基板は、第１の絶縁層１と、第１の信号配線２と、第２の信号配線３を備えている。第１の絶縁層１は、第１の方向に長軸を有し第１の間隔で略平行に並んだ繊維４と、第１の方向の繊維４の間を満たすように充てんされた絶縁材５を備えている。第１の信号配線２は、第１の絶縁層１上に第１の方向と略平行に形成されている。第２の信号配線３は、第１の信号配線２と平行に、第１の信号配線２との間隔が第１の間隔の略整数倍となるように形成され、第１の信号配線２で伝送される信号の差動信号を伝送する。

本実施形態の配線基板では、第１の絶縁層１上に、第１の方向に長軸を有し第１の間隔で略平行に並んだ繊維４と略平行になるように第１の信号配線２が形成されている。また、第１の信号配線２で伝送される信号の差動信号を伝送する第２の信号配線３が第１の信号配線２と平行に、第１の信号配線２との間隔が第１の間隔の略整数倍となるように形成されている。

第１の信号配線２と第２の信号配線３の間隔を、第１の絶縁層１の繊維４間の第１の間隔の整数倍とすることで、第１の信号配線２と第２の信号配線３がそれぞれ通過する部分の繊維４と絶縁材５の面積比はほぼ等しくなる。そのため、第１の信号配線２と第２の信号配線３で伝送される信号が、第１の絶縁層１の電気特性からそれぞれ受ける影響はほぼ等しくなる。よって、第１の信号配線２と第２の信号配線３で伝送される差動信号の遅延量の差を抑制することができる。また、第１の信号配線２と第２の信号配線３の間隔を、第１の絶縁層１の繊維４間の第１の間隔の整数倍として選択できるので、配線設計の自由度の低下を抑えることができる。以上より、本実施形態の配線基板では、設計の自由度を確保しつつ、差動信号配線を構成する２本の信号配線間の遅延量の差を抑制することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図２は、本実施形態の配線基板の構成の概要を示したものである。

本実施形態の配線基板は、第１の絶縁層１１と、第２の絶縁層１２と、第１の信号配線１３と、第２の信号配線１４と、第１の電極１５と、第２の電極１６を備えている。また、第２の絶縁層１２の上層には、第２の電極１６を介して第３の絶縁層１７が積層されている。

本実施形態の配線基板は、多層配線構造を有するプリント基板である。本実施形態の配線基板では、第１の絶縁層１１および第３の絶縁層１７がコア材として機能する。また、第２の絶縁層１２は、積層した多層配線基板を圧接により形成する際に用いられるプリプレグ材である。第１の信号配線１３および第２の信号配線１４は、高周波帯域の差動信号を伝送する信号配線である。本実施形態では、第１の信号配線１３で正信号、第２の信号配線１４で負信号がそれぞれ伝送される。

図３は、図２に示した配線基板のうち第１の絶縁層１１、第１の信号配線１３および第２の信号配線１４の部分を示したものである。図３の上段は、配線基板の平面図である。図３の下段は、図２と同様に示した配線基板の断面図であり、第１の絶縁層１１、第１の信号配線１３および第２の信号配線１４の部分の断面図を示している。

第１の絶縁層１１は、ガラスクロス２１と、樹脂２２を備えている。第１の絶縁層１１は、配線基板のコア材料として配線基板の構造および機械強度を維持する機能を担う。

ガラスクロス２１は、第１の絶縁層１１の構造材として機能する。ガラスクロス２１は、図３の上段に示すように２つの方向のガラス繊維が互いに直交するように平織で織り込まれている。ガラス繊維の方向とは、ガラス繊維の長軸に平行な方向のことをいう。本実施形態では、２つの方向をそれぞれ、第１の方向、第２の方向と呼ぶ。

図４は、ガラスクロス２１の部分のみを示した図である。本実施形態のガラスクロス２１は、第１の方向の長軸を有するガラス繊維の束がほぼ等間隔で平行に並んでいる。本実施形態では、第１の方向の長軸を有するガラス繊維の間隔をＰｇ（ｘ）とする。また、同様に第１の方向と直交する第２の方向に長軸を有するガラス繊維の束がほぼ平行に並んでいる。本実施形態においてガラス繊維の束が平行とは、同じ方向の繊維の束が互いに交差することなく長軸方向を合わせて並んでいて、ほぼ平行とみなせることをいう。本実施形態では、第２の方向の長軸を有するガラス繊維の間隔をＰｇ（ｙ）とする。ガラス繊維の間隔Ｐｇ（ｘ）およびＰｇ（ｙ）は、数本で１つの束を形成しているガラス繊維の中心間の距離である。本実施形態のガラスクロス２１は、第１の方向の繊維の束と、第２の方向の繊維の束が互いに直交するように平織で織り込まれている。第１の方向の１つの束の繊維は、第２の方向の繊維の束と直交する際に、第２の方向の繊維の１つの束ごとに上と下を交互に通る。

樹脂２２は、絶縁特性を有し、ガラスクロス２１のガラス繊維の間を満たすように充てんされている。樹脂２２には、例えば、エポキシ樹脂を用いることができる。本実施形態の第１の絶縁層１１は、第１の実施形態の第１の絶縁層１に相当する。また、本実施形態の樹脂２２は、絶縁材５に相当する。本実施形態のガラスクロス２１のガラス繊維は、第１の実施形態の繊維４に相当する。

第２の絶縁層１２は、ガラスクロス２３と、樹脂２４を備えている。ガラスクロス２３および樹脂２４の材質は、第１の絶縁層１１のガラスクロス２１および樹脂２２とそれぞれ同様である。本実施形態の第２の絶縁層１２に用いられるガラスクロス２３のガラス繊維の間隔は、第１の絶縁層１１のガラスクロス２１の繊維の間隔と同じである。

第１の信号配線１３および第２の信号配線１４は、高周波の差動信号を伝送する配線として備えられている。第１の信号配線１３および第２の信号配線１４では、互いに逆相の信号が伝送される。第１の信号配線１３および第２の信号配線１４は、互いに平行になるように形成される。また、第１の信号配線１３および第２の信号配線１４は、信号配線の直線部分が第１の方向または第２の方向と平行になるように形成される。第１の方向と平行とは、第１の方向と信号配線の直線部分がほぼ平行とみなせることをいう。また、第２の方向と平行とは、第２の方向と信号配線の直線部分がほぼ平行とみなせることをいう。例えば、第１の方向に平行な第１の信号配線１３が、第１の方向に長軸を有する複数のガラス繊維の束と交差しないような状態のとき、平行であるとみなすことができる。第１の信号配線１３および第２の信号配線１４の間隔は、信号配線の方向と平行な方向に長軸を有するガラス繊維の間隔の正の整数倍となるように設定される。

本実施形態の第１の信号配線１３は、第１の実施形態の第１の信号配線２に相当する。また、本実施形態の第２の信号配線１４は、第１の実施形態の第２の信号配線３に相当する。

第１の方向に平行な第１の信号配線１３と第２の信号配線１４の間隔をＰｄｘとすると、配線間隔Ｐｄｘは、Ｐｄｘ＝Ｎｘ×Ｐｇ（ｘ）を満たすように設定される。Ｎｘは自然数である。ガラスクロスの間隔Ｐｇ（ｘ）から算出される配線間隔Ｐｄｘの値は、製造誤差を考慮してミリメートル単位で小数点第２位以下までの精度があることが望ましい。よって、整数倍の倍率を規定するＮｘの値も、厳密に整数である必要はなく、ある整数からのずれが小数点第２位以下のずれ、すなわち、０．１０未満のずれであれば、整数と見なすことができる。そのため、以下では、整数から０．１０未満のずれであるような略整数倍の状態も含めて、整数倍と呼ぶ。

第２の方向に平行な第１の信号配線１３と第２の信号配線１４の間隔をＰｄｙとすると、配線間隔Ｐｄｙは、Ｐｄｙ＝Ｎｙ×Ｐｇ（ｙ）を満たすように設定される。Ｎｙは自然数である。第１の方向と同様にガラスクロスの間隔Ｐｇ（ｙ）から算出される配線間隔Ｐｄｙの値は、ミリメートル単位で小数点第２位以下までの精度があることが望ましい。よって、整数倍の倍率を規定するＮｙの値も、厳密に整数である必要はなく、ある整数からのずれが小数点第２位以下のずれ、すなわち、０．１０未満のずれであれば、整数と見なすことができる。

ＮｘとＮｙは異なる値でもよい。第１の方向と第２の方向の信号配線が電気的に連続した信号配線である場合には、ＰｄｘとＰｄｙが等しくなるように設定されていることが望ましい。屈曲部の配線の間隔を等しくすることで配線が通過する部分のガラスクロスと樹脂の割合が等しくなる可能性を高く、屈曲部における信号の遅延量の差を小さくすることができる。

信号配線を、ガラス繊維の方向と平行かつガラス繊維の間隔の正の整数倍とする構成は、基板全面で適用しなくてもよい。例えば、共通の電源配線やグランド配線などのような大規模な配線や低速の信号を伝送する配線には適用しなくともよい。本実施形態の構造は、配線基板上に実装された半導体装置や電子部品の間でギガ帯域の高速信号を伝送する差動信号配線に適用すれば遅延量の抑制の効果を得ることができる。また、配線基板内で配線ピッチが狭い領域で用いることで特に大きな効果を得ることができる。信号の遅延への絶縁層の電気特性の影響は、微細配線になるほど大きくなるからである。

第１の信号配線１３および第２の信号配線１４の配線幅および厚みは、配線基板の設計に応じた特性インピーダンスとなるように設定されている。本実施形態の第１の信号配線１３および第２の信号配線１４は、銅を用いて形成されている。第１の信号配線１３および第２の信号配線１４は、他の金属で形成されていてもよく、また、複数の金属の合金として形成されていてもよい。

第１の電極１５は、第１の信号配線１３および第２の信号配線１４に対して第１の絶縁層１１を介して対向側に備えられている。第１の電極１５は、銅を用いて形成されている。第１の電極１５は、他の金属で形成されていてもよく、また、複数の金属の合金として形成されていてもよい。本実施形態の第１の電極１５は、第１の信号配線１３および第２の信号配線１４とストリップ線路を構成している。第１の電極１５には、ＧＮＤ電圧が印加される。本実施形態では、信号配線はストリップ線路として構成されているが、マイクロストリップ線路として構成されていてもよい。

第２の電極１６は、第１の信号配線１３および第２の信号配線１４に対して第２の絶縁層１２を介して対向側に備えられている。第２の電極１６の材質は、第１の電極１５と同様である。本実施形態の第２の電極１６には、ＧＮＤ電圧が印加される。第１の電極１５および第２の電極１６には、電源の電圧が印加されてもよい。

第３の絶縁層１７は、第１の絶縁層１１と同様の構成である。

図５を参照して本実施形態の配線基板についてより詳細に説明する。図５は、図２に示した配線基板のうち、第１の絶縁層１１と第２の絶縁層１２に相当する部分の構造を示している。図５では、第１の絶縁層１１と第２の絶縁層１２の間に３組の差動信号配線２５が形成されている。差動信号配線２５は、第１の信号配線１３および第２の信号配線１４の組み合わせで形成されている。

図５の中央の２本の信号配線で形成されている差動信号配線２５は、第１の絶縁層１１および第２の絶縁層１２のガラスクロスの間隔Ｐｇと配線間隔Ｐｄが等しくなるように形成されている。中央の２本の信号配線のうち左側を正信号の信号配線、右側を負信号の信号配線とする。また、正信号の信号配線と第１の絶縁層１１のガラスクロス２１のガラス繊維とのずれ幅をΔＤｐｃ、負信号の信号配線と第１の絶縁層１１のガラス繊維とのずれ幅をΔＤｎｃとする。このとき、ΔＤｐｃ＝ΔＤｎｃとなり、第１の絶縁層１１のガラス繊維と正信号の信号配線の重なり幅と、第１の絶縁層１１のガラス繊維と負信号の信号配線の重なり幅が等しくなる。よって、正信号と負信号が第１の絶縁層１１から受ける電気特性の影響はほぼ等しい。

同様に正信号の信号配線と第２の絶縁層１２のガラスクロス２３のガラス繊維とのずれ幅をΔＤｐｐ、負信号の信号配線と第２の絶縁層１２のガラス繊維とのずれ幅をΔＤｎｐとする。このとき、ΔＤｐｐ＝ΔＤｎｐとなり、第２の絶縁層１２のガラス繊維と正信号の信号配線の重なり幅と、第２の絶縁層１２のガラス繊維と負信号の信号配線の重なり幅が等しくなる。よって、正信号と負信号が第２の絶縁層１２から受ける電気特性の影響はほぼ等しい。その結果、正信号および負信号が第１の絶縁層１１および第２の絶縁層１２からそれぞれ受ける電気特性の影響はほぼ等しくなり、正信号と負信号の遅延量が等しくなる。

また、本実施形態の配線基板では第１の絶縁層１１のガラスクロス２１と第２の絶縁層１２のガラスクロス２３は、互いに間隔が等しく、長軸方向が平行であれば正信号の負信号の遅延量の差が等しくなる。すなわち、第１の絶縁層１１のガラスクロス２１のガラス繊維と第２の絶縁層１２のガラスクロス２３のガラス繊維の基板垂直方向から見た位置が一致していない場合でも、正信号と負信号が受ける影響は等しくなる。本実施形態の配線基板は、第１の絶縁層１１と第２の絶縁層１２を重ね合せる際にガラスクロスのガラス繊維の方向のみをそろえればよいため製造が容易となる。

図５の配線基板の左側の２本の信号配線で形成されている差動信号配線２５は、ガラス繊維の間隔に対して、信号の配線間隔が２倍となっている。このような場合においても、第１の絶縁層１１のガラス繊維と２本の信号配線のずれ量はそれぞれ等しく、２本の信号配線とガラス繊維の重なり幅もそれぞれ等しい。また、２本の信号配線は、第２の絶縁層１２のガラス繊維に対しても同様に等しい重なり幅を有する。よって、正信号と負信号が第１の絶縁層１１および第２の絶縁層１２から受ける電気特性の影響はほぼ等しい。その結果、正信号および負信号が第１の絶縁層１１および第２の絶縁層１２からそれぞれ受ける電気特性の影響はほぼ等しくなり、正信号および負信号の遅延量の差が等しくなる。差動信号配線の間隔が、ガラス繊維の間隔に対して３以上の正の整数倍となった場合においても同様である。

図６は、図２および図５に示した配線基板の第１の絶縁層１１と差動信号配線２５の部分をより模式的に示したものである。２本の信号配線が、第１の絶縁層１１のガラスクロスのガラス繊維と重なる幅はそれぞれ等しい。また、同様に２本の信号配線が、第１の絶縁層１１の樹脂のみの領域と重なる幅はそれぞれ等しい。信号配線の間隔がガラスクロスのガラス繊維の間隔が正の整数倍である限り、ガラス繊維および樹脂との重なり幅が等しくなる関係は成り立つ。また、第２の絶縁層１２を形成した場合において、第２の絶縁層１２のガラス繊維および樹脂に対しても、2本の信号配線のガラス繊維および樹脂との重なり幅が等しくなる関係は同様に成り立つ。よって、正信号および負信号が第１の絶縁層１１および第２の絶縁層１２からそれぞれ受ける電気特性の影響はほぼ等しくなり、正信号および負信号の遅延量の差を抑制することができる。

正信号および負信号の遅延量の差を抑制する効果は、第１の絶縁層１１のガラス繊維の位置と第２の絶縁層１２のガラス繊維の水平方向の位置が互いに一致していなくとも得ることができる。すなわち、配線間隔をガラス繊維の間隔の正の整数倍とすることで、長軸方向に直交する方向へのずれ量が信号の遅延量の差に与える影響は小さい。本実施形態の配線基板では、製造時にコア材およびガラス繊維を重ねあわせる際に、ガラス繊維および信号配線の長軸方向と直交する方向へのガラス繊維のずれ量を厳密に管理しなくてよいので製造工程の複雑化を防ぐことができる。

本実施形態の配線基板の動作について説明する。本実施形態の配線基板では、高周波の正信号が第１の信号配線１３の入力側の一端から信号配線に入力され、出力側まで伝送されて出力される。また、正信号と周波数が同じで位相が逆の負信号が第２の信号配線１４の入力側の一端から信号配線に入力されて出力側まで伝送されて出力される。また、正信号および負信号は、第１の信号配線１３、第２の信号配線１４および第１の電極１５で構成されるストリップ線路上を伝送される。第１の信号配線１３を伝送される正信号と第２の信号配線１４を伝送される負信号は差動信号として入力され、出力側に接続された半導体装置や電子装置において差動信号の処理が行われる。

本実施形態の配線基板を用いた場合における、差動信号の正信号と負信号の遅延量の差の抑制効果について説明する。図７は、差動信号配線による信号の遅延の例について位相差を用いて示した図である。図７の左側に配線基板に差動信号を入力した際の信号が示されている。また、図７の右側には出力時の信号の例が示されている。差動信号は、入力時には正信号と負信号が逆位相となるように入力される。すなわち、配線基板への入力時の正信号と負信号の位相差は１８０度である。配線基板上の信号配線で信号が伝搬する際に、配線基板の電気特性の影響を受けて、正信号と負信号には遅延差（スキュー）が生じる。

図７の例では、遅延差、すなわち、位相の遅延量の差が１８０度生じて、出力時の正信号と負信号の位相差が０度となった場合が示されている。差動信号では、逆位相とすることで信号の振幅差を大きくして出力側での信号の検出が容易になる。よって、出力側で位相がずれて、例えば、同位相となった場合には信号の振幅差が小さくなり、出力側で信号を正しく検出できない異常が生じ得る。よって、差動信号を用いる場合には信号の遅延差を出来る限り抑制する必要がある。

図８は、本実施形態の配線基板との比較のため、正信号配線をガラスクロスのガラス繊維の割合が最も多い領域に配置し、負信号配線を樹脂の割合が最も多い領域に配置した構造における信号の遅延量を示した図である。図８は、横軸を信号の周波数、縦軸を遅延時間（Group Delay）として設定して、正信号（単体（Ｐ)）と負信号（単体（Ｎ））の遅延時間をそれぞれ示している。

図９は、図８同様の構造における信号の周波数ごとの挿入損失を縦軸として示したものである。正信号と負信号の位相が逆位相からずれて、振幅差が小さくなることは、挿入損失が生じる要因の１つである。図９に示すように２０ＧＨｚの信号において、正信号と負信号が不平衡状態となる。すなわち、各信号の単独での挿入損失は、それぞれ−１０ｄＢ程度であるのに対して、差動信号（差動）の挿入損失は−１５ｄＢ程度となる。

図１０は、本実施形態の配線基板における遅延時間の周波数依存性を示したグラフである。図１０のグラフは、図８と同様に横軸を信号の周波数、縦軸を遅延時間として正信号と負信号の遅延時間をそれぞれ示している。図８と図１０を比較すると、本実施形態の配線基板における遅延時間を示す図１０の方が、正信号と負信号の遅延の差が小さい。

また、図１１は、本実施形態の配線基板を伝送された差動信号の周波数ごとの挿入損失を縦軸として示したものである。図１１に示すように、本実施形態の配線基板を用いた場合には、正信号および負信号と差動信号の挿入損失はほぼ等しく、２０ＧＨｚで−１０ｄＢ程度である。図９の例で−１５ｄＢ程度であったので、本実施形態の構成の配線基板を用いることで挿入損失が低減されている。以上より、本実施形態の配線基板では、正信号と負信号の信号配線がガラスクロス上と樹脂を通る割合をそろえることで、遅延量の差が抑制され差動信号の挿入損失が低減されている。

次に本実施形態の配線基板の設計方法について説明する。図１２は、本実施形態の配線基板の設計段階において、ガラスクロスおよび配線間隔を設定する際のフローの概要を示したものである。本実施形態の配線基板の設計方法は、主に以下の４つのステップにより構成される。

（ステップ１）コア材およびプリプレグ材、すなわち、第１の絶縁層１１および第２の絶縁層１２の構造材の選択において、共通の特性を有するガラスクロスとして、ガラスクロスの番号が一致するガラスクロスを選択する。

ガラスクロス番号が一致するガラスクロスを用いることで、第１の絶縁層１１のガラスクロス２１のガラス繊維の間隔と第２の絶縁層１２のガラスクロス２３のガラス繊維の間隔は等しくなる。すなわち、ステップ１では、第１の絶縁層１１および第２の絶縁層１２に適用するガラスクロスとして、ガラス繊維の間隔が同じガラスクロスの選択が行われている。

（ステップ２）選択したガラスクロスのガラスクロス密度からガラスクロスの間隔Ｐｇを算出する。

（ステップ３）ガラスクロスの間隔Ｐｇを基に差動信号配線の配線間隔Ｐｄを設定する。すなわち、第１の信号配線１３と第２の信号配線１４の配線間隔Ｐｄを、Ｐｇの正の整数倍となるように設定する。ガラスクロスの一方向の間隔Ｐｇ（ｘ）とそれと直交する方向の間隔Ｐｇ（ｙ）が異なる場合は、配線の間隔は方向ごとに設定される。ガラスクロスの間隔Ｐｇから算出される配線間隔Ｐｄの値は、製造誤差を考慮してミリメートル単位で小数点第２位以下まで設定されていることが望ましい。

（ステップ４）所定のインピーダンスとなるように配線幅を決定する。所定のインピーダンスは、配線基板への要求特性に応じて、比誘電率、配線幅、配線間隔および絶縁膜厚など配線の電気特性に影響を与える特性に基づいて決定される。

以上により得られた配線間隔の設計ルールに基づいて、本実施形態の配線基板に形成する配線パターンの設計が行われる。

図１３は、ガラスクロスの密度からガラスクロス間隔を計算した例を示した表である。図１３の表のＩＰＣは、ＩＰＣ(Association Connecting Electronics Industries、旧名称Institute for Interconnecting and Packaging Electronics Circuits)で規定されているガラスクロスの番号を示している。第１の絶縁層１１および第２の絶縁層１２にガラスクロス番号が一致しているガラスクロスを選択することで、ガラスクロスのガラス繊維の間隔が同一のガラスクロスを選択することができる。

また、図１３のガラスクロス密度は２５ｍｍの間に含まれているガラス繊維の本数を示している。ガラスクロス密度は平織で形成されているガラスクロスの縦方向と横方向についてそれぞれ示されている。例えば、縦は本実施形態における第１の方向、横は本実施形態における第２の方向に相当する。ガラスクロス間隔は、ガラスクロス密度からガラスクロスの間隔を算出した値を縦方向と横方向についてそれぞれ示している。

次に本実施形態の配線基板の製造方法について説明する。始めに第１の絶縁層１１に第１の信号配線１３および第２の信号配線１４の配線パターン並びに第１の電極１５が形成される。第１の信号配線１３および第２の信号配線１４の配線パターンの直線部分は、ガラスクロスのガラス繊維の長軸方向に沿って形成される。ガラスクロスのガラス繊維の長軸方向は、第１の絶縁層１１を形成する際に所定の方向を向くように配置されている。本実施形態の配線基板は、長方形または正方形の配線基板を想定した場合にガラスクロスの第１の方向および第２の方向がそれぞれ基板の端面に対して平行な方向となるように形成されている。長方形または正方形の配線基板を想定した場合とは、基板端面に切欠き等がある場合に、切欠き部分が無いものとして基板の外形を考えた場合のことをいう。

信号配線の斜め方向への屈曲部分は、第１の信号配線１３と第２の信号配線１４が互いに平行な状態を保ち、間隔が直線部分と同じになるように形成される。第１の信号配線１３、第２の信号配線１４および第１の電極１５として用いる金属層は、銅箔シートを第１の絶縁層１１に表面に貼り付けることによって形成される。また、金属層は、スパッタ法によって成膜されてもよい。本実施形態は金属層として銅が用いられる。また、第１の信号配線１３および第２の信号配線１４の配線パターンは、金属層の成膜後にフォトリソグラフィ法で形成される。

フォトリソグラフィ法で配線パターンを形成する際には、基板上にあらかじめ形成されたアライメントマーカーを用いて、ガラス繊維の長軸方向と信号配線の方向を合わせることにより、ガラス繊維の長軸と平行な信号配線を形成することができる。信号配線を形成する際の方向合わせは、配線基板の外形を用いて行ってもよい。

第１の絶縁層１１に配線パターン等が形成されると、第２の絶縁層１２として用いられるプリプレグ材およびプリプレグ材を介して接続される第３の絶縁層１７と重ね合わされる。第３の絶縁層１７には、第１の絶縁層１１と同様に配線パターンや電極が形成されている。積層されるコア材の絶縁層の数は３層以上としてもよい。また、第１の絶縁層１１が１層のみ備えられた配線基板とすることもできる。

第１の絶縁層１１と第２の絶縁層１２のプリプレグ材の重ね合わせを行う際には、ガラスクロスの軸方向が合うように重ね合わされる。ガラスクロスの軸方向とは、ガラスクロスを構成するガラス繊維の長軸方向のことをいう。また。軸ごとに第１の絶縁層１１と第２の絶縁層１２のプリプレグ材を構成するガラスクロスのガラス繊維の間隔は一致している。本実施形態では、外形で合わせることによりガラスクロスの軸方向が合うように設計されている。

第１の絶縁層１１、プリプレグ材である第２の絶縁層１２および他の絶縁層が重ね合わされると、圧着により各層は１枚の配線基板として形成される。１枚の配線基板として形成されると、必要に応じてスルーホールおよび最外層の配線パターンの形成、基板の切断等が行われて、配線基板が完成する。完成した配線基板は、半導体装置や電子部品が実装されて高周波信号を伝送するための電子回路として用いられる。

本実施形態の配線基板では、配線基板のコア材である第１の絶縁層１１上に第１の信号配線１３と第２の信号配線１４が差動信号配線として形成されている。第１の信号配線１３と第２の信号配線１４の配線の間隔は、第１の信号配線１３および第２の信号配線１４と長辺方向と同じ方向に長軸を有する第１の絶縁層１１のガラス繊維の間隔の正の整数倍として設定されている。差動信号配線の配線間隔を絶縁層のガラス繊維の間隔の整数倍とすることで、正信号が通過する部分におけるガラス繊維と樹脂の体積比と、負信号が通過する部分におけるガラス繊維と樹脂の体積比が等しくなる。そのため、差動信号配線で伝送される正信号と負信号が、絶縁層の電気特性から受ける影響の差がほぼ等しくなる。

また、第２の絶縁層１２として用いられるプリプレグ材のガラス繊維の間隔についても、第１の信号配線１３と第２の信号配線１４の配線の間隔が、第２の絶縁層１２のガラス繊維の間隔の正の整数倍となるように設定することで同様の効果を得ることができる。そのため、差動信号配線を構成する２本の信号配線の各々が、上下の絶縁層の電気特性から受ける影響はほぼ等しい。絶縁層から受ける影響がほぼ等しくなるくことで、差動信号配線で伝送される正信号と負信号の遅延量の差を抑制することができる。差動信号配線で伝送される正信号と負信号の遅延量の差を抑制することで、本実施形態の配線基板で伝送される差動信号の挿入損失を小さくすることができる。

本実施形態の配線基板では、第１の信号配線１３と第２の信号配線１４の配線間隔が第１の絶縁層１１と第２の絶縁層１２を構成するガラス繊維の間隔の整数倍であればよいので信号配線の設置の自由度が低下を避けることができる。そのため、本実施形態の配線基板では、配線設計の自由度を確保することができる。以上より、本実施形態の配線基板では、設計の自由度を確保しつつ、差動信号配線を構成する２本の信号配線間の遅延量の差を抑制することができる。

また、本実施形態の配線基板では、第１の絶縁層１１と第２の絶縁層１２を構成するガラス繊維の長軸方向がほぼ平行であれば、垂直方向のガラス繊維の位置が互いに一致してなくても遅延量を抑制することができる。そのため、第１の絶縁層１１と第２の絶縁層１２の重ね合せが容易となる。その結果、本実施形態の配線基板は製造が容易となる。

第２の実施形態では、差動信号配線と、差動信号配線に対して絶縁層の反対側に形成されたＧＮＤ電極によって構成されているストリップ線路を備える配線基板に適用する例について説明した。差動信号配線の配線間隔をガラスクロスの繊維間隔の正の整数倍とする構成は、プレナー線路に適用してもよい。すなわち、差動信号配線が、ＧＮＤ配線と同相あるいは異なる層に形成されたＧＮＤ配線と平行に形成された配線構造に、差動配線の配線間隔をガラスクロスの繊維間隔の正の整数倍とする構成を適用することができる。

図１４は、差動信号配線の配線間隔がガラスクロスの繊維間隔の整数倍のプレナー線路の構造を模式的に示したものである。図１４に示すプレナー線路の配線構造を有する配線基板は、ＧＮＤ配線３１と、差動信号配線３２と、ガラスクロス３３と、樹脂３４と、絶縁層３５を備えている。ＧＮＤ配線３１は、図２の配線基板の第１の電極１５に相当する。差動信号配線３２は、図２の配線基板の第１の信号配線１３および第２の信号配線１４に相当する。ガラスクロス３３および樹脂３４は、図２の配線基板の同名称の部位と同様である。絶縁層３５は図２の配線基板の第１の絶縁層１１に相当する。

図１４の例では、ＧＮＤ配線３１の間に２本の差動信号配線３２が形成されている。また、差動信号配線３２の配線間隔Ｐｄはガラスクロスのガラス繊維の間隔ＰｇのＮ倍となるように設定されている。Ｎは自然数である。このような構成とすることで第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、プレナー配線構造では、ＧＮＤ配線３１が２本の差動信号配線の間にあるために差動信号配線の配線間隔Ｐｄとガラスクロスのガラス繊維の間隔Ｐｇを一致させることは困難である。よって、Ｎが２以上の整数Ｎ倍とすることの効果がマイクロストリップ線路よりも大きくなる。

図１４の例では１方向の例について示したが、図１４の構成は、第２の実施形態と同様に、ガラスクロス３３および差動信号配線３２等と直交する方向にもさらに適用することができる。また、他の絶縁層についてもガラスクロスと配線間隔に関する図１４の構成を同様に適用することで遅延量の抑制効果を得ることができる。

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。

この出願は、２０１５年１月２１日に出願された日本出願特願２０１５−９８１７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１ 第１の絶縁層
２ 第１の信号配線
３ 第２の信号配線
４ 繊維
５ 絶縁材
１１ 第１の絶縁層
１２ 第２の絶縁層
１３ 第１の信号配線
１４ 第２の信号配線
１５ 第１の電極
１６ 第２の電極
１７ 第３の絶縁層
２１ ガラスクロス
２２ 樹脂
２３ ガラスクロス
２４ 樹脂
２５ 差動信号配線
３１ ＧＮＤ配線
３２ 差動信号配線
３３ ガラスクロス
３４ 樹脂
３５ 絶縁層

Claims (10)

1. 第１の方向に長軸を有し第１の間隔で略平行に並んだ繊維と、前記第１の方向の前記繊維の間を満たすように充てんされた絶縁材とを備える第１の絶縁層と、
   前記第１の絶縁層上に前記第１の方向と略平行に形成された第１の信号配線と、
   前記第１の信号配線と平行に、前記第１の信号配線との間隔が前記第１の間隔の略整数倍となるように形成され、前記第１の信号配線で伝送される信号の差動信号を伝送する第２の信号配線と、
   を備えることを特徴とする配線基板。
2. 前記第１の方向と略平行な第３の方向に長軸を有し前記第１の間隔で略平行に並んだ繊維と、前記第３の方向の前記繊維の間を満たすように充てんされた第２の絶縁材とを備える第２の絶縁層をさらに備え、
   前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層が積層構造を形成していることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
3. 前記第１の絶縁層は、前記第１の方向とは異なる第２の方向に長軸を有し第２の間隔で略平行に並んだ繊維をさらに備え、前記第１の絶縁材は、前記第２の方向の前記繊維の間をさらに充てんし、
   前記第２の絶縁層は、前記第２の方向と略平行な第４の方向に長軸を有し前記第２の間隔で略平行に並んだ繊維をさらに備え、前記第２の絶縁材は、前記第２の方向の前記繊維の間をさらに充てんしていることを特徴とする請求項２に記載の配線基板。
4. 前記第２の方向と略平行に形成された第３の信号配線と、
   前記第３の信号配線と平行に、前記第３の信号配線との間隔が前記第２の間隔の略整数倍となるように形成され、前記第３の信号配線で伝送される信号の差動信号を伝送する第４の信号配線と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の配線基板。
5. 前記第１の信号配線および前記第２の信号配線は、前記第１の絶縁層の表面上に形成され、
   前記第１の信号配線と前記第２の信号配線の間が、前記第２の絶縁層で充てんされていることを特徴とする請求項２から４いずれかに記載の配線基板。
6. 第１の方向に長軸を有し第１の間隔で略平行に並んだ繊維と、前記第１の方向の前記繊維の間を満たすように充てんされた第１の絶縁材とを備える第１の絶縁層上に、
   前記第１の方向と略平行に形成された第１の信号配線と、
   前記第１の信号配線と平行に、前記第１の信号配線との間隔が前記第１の間隔の略整数倍となる第２の信号配線と、
   を形成することを特徴とする配線基板の製造方法。
7. 前記第１の方向と略平行な第３の方向に長軸を有し前記第１の間隔で略平行に並んだ繊維と、前記第３の方向の前記繊維の間に充てんされた第２の絶縁材とを備える第２の絶縁層を、
   前記第１の絶縁層と積層構造となるように形成することを特徴とする請求項６に記載の配線基板の製造方法。
8. 前記第１の信号配線および前記第２の信号配線を、前記第１の絶縁層の表面上に形成し、
   前記第１の信号配線と前記第２の信号配線の間が、前記第２の絶縁層で充てんされるように前記第２の絶縁層を形成することを特徴とする請求項７に記載の配線基板の製造方法。
9. 第１の方向に長軸を有する繊維が第１の繊維間隔で略平行に並んだ第１のガラスクロスと、第３の方向に長軸を有する繊維が第３の繊維間隔で略平行に並んだ第２のガラスクロスを、第１の絶縁層と第２の絶縁層に用いるガラスクロスとして前記第１の繊維間隔と前記第３の繊維間隔が一致するように選択し、
   前記第１の絶縁層および前記第２の絶縁層の間に、第１の信号配線と、前記第１の信号配線で伝送される信号の差動信号を伝送する第２の信号配線を、前記第１の方向と略平行に、前記第１の信号配線と前記第２の信号配線の間隔が前記第１の繊維間隔の略整数倍となるように配置することを特徴とする配線基板の設計方法。
10. 前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層に用いるガラスクロスを選択する際に、
    前記第１のガラスクロスの前記第１の方向と直交する繊維の第２の繊維間隔と、前記第２のガラスクロスの前記第３の方向と直交する繊維の第４の繊維間隔とをさらに一致させるように前記ガラスクロスを選択することを特徴とする請求項９に記載の配線基板の設計方法。

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