(57)【要約】【課題】差動配線が、この差動配線が設けられた配線層に隣接する別の配線層に設けられるベタプレーンの複数のカットラインと交差する場合にも、コモンモードノイズを低減し、信号品質を確保すること。【解決手段】プリント配線基板は、1つの配線層上に設けられたペアの差動配線1、2と、差動配線1、2が設けられた配線層に隣接する他の配線層上に設けられた複数のカットライン11〜14によって分割されたベタプレーン101〜105とにより構成されている。図示例では、差動配線1、2とカットライン11〜14のそれぞれとが、角度θ11〜θ14で交差している。本発明は、差動配線1、2がカットライン11〜14と交差する角度θ11〜θ14の平均を90度に近づけるよう制限することにより、具体的には、60度から120度の間になるよう設定する。これにより、差動信号のコモンモードノイズが低減され、信号伝送品質を向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源層またはグランド層に隣接する配線層に信号用の差動配線が配置されたプリント配線基板であって、
前記電源層またはグランド層は、複数のカットラインによって分割されており、前記差動配線が前記カットラインと交差するように配置されており、前記隣接する配線層に配置される差動配線と前記カットラインとの複数の交差位置での交差角度の平均が６０度から１２０度の間になるように設定されたことを特徴とするプリント配線基板。
【請求項２】
プリント配線基板を用いて構成される電子装置であって、前記プリント配線基板として、請求項１記載のプリント配線基板を１枚または複数枚備えて構成されることを特徴とする電子装置。
【請求項３】
請求項２記載の電子装置であって、前記プリント配線基板を複数枚備え、前記差動配線が複数枚の配線基板に渡って信号の伝送を行うものである場合、前記複数枚のプリント配線基板に渡る前記差動配線とカットラインとの複数の交差位置での全ての交差角度の平均が６０度から１２０度の間になるよう設定されることを特徴とする電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プリント配線基板及び電子装置に係り、特に、差動信号を伝送する信号配線を有するプリント配線基板及びそれを用いた電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子装置の高性能化に伴い、電子装置に使用するプリント配線基板には、信号配線の高密度化と同時に、より高速な信号伝送を可能とする技術が求められている。そこで、プリント配線基板上の信号配線における信号伝送方式てして、外部からのノイズの影響を受けにくく、高速な信号伝送に向いているといった利点から、差動信号伝送方式が用いられることがある。この差動信号伝送方式とは、１つの信号に対して２本の結合した信号配線を用い、それぞれに逆極性の信号を与えて、この２本の配線の電位差により信号を認識する信号伝送方式である。この２本の信号配線のペアは、差動配線と呼ばれることがある。
【０００３】
一方、プリント配線基板は、複数の配線層が積層されて構成されているのが一般的であり、差動配線が配置された層に隣接する層のうち、片側または両側の層に、電源層またはグランド層と呼ばれるプレーン状の導体が配置されていることが多く、このプレーン状導体が信号のリファレンスとなる場合がある。前述のプレーン状の導体は、総称してベタプレーンと呼ばれる。このベタプレーンは、複数の電源電圧を供給する等の理由により、１枚のプレーンを導体のない溝によって複数に分割された形状に構成されていることがある。このベタプレーンを分割する溝は、カットラインと呼ばれることがある。このカットラインは、文献によっては、スリット、スプリット、パーティション、アンチエッチ等の異なった名称で呼ばれることがあるが、以下では、カットラインと呼ぶこととする。
【０００４】
ところで、お互いに隣接する配線層に設けられる差動配線とベタプレーンのカットラインとが交差して配置されると、差動配線上を伝送される信号品質が劣化することが知られている。このような信号品質の劣化を避けるための従来技術が、例えば、非特許文献１等に記載されて知られている。この従来技術は、差動配線がカットラインを交差して配置されることがないようにプリント基板上の配線を行うための実装技術である。また、他の従来技術として、特許文献１等に記載された技術が知られている。この従来技術は、差動配線がカットラインを交差する場合の信号品質劣化を事前に見積もり、設計に反映させるというものである。
【０００５】
前述で説明したように、従来、差動信号の信号品質を劣化させないために、差動配線がカットラインと交差しないような実装がなされてきた。
【０００６】
図５は差動配線がカットラインと交差しないように実装された従来技術による配線基板の構成例を示す図である。
【０００７】
図５に示すプリント配線基板は、１つの配線層上に設けられたペアの差動配線５、６と、差動配線５、６が設けられた配線層に隣接する他の配線層上に設けられたカットラインのない１枚のベタプレーン３０１とにより構成されている。この図５に示すような差動配線がカットラインと交差しない従来技術によるプリント配線基板の構造は、理想的な構造であるということができる。しかし、この従来技術は、理想的なプリント配線基板の構造を実現するために、余裕のある実装領域を用意したり、プリント配線基板の層数を増加する等が必要となり、コストアップが避けられないことになるという問題点を生じさせている。
【０００８】
一方、近年、電子装置の実装密度の向上やコスト低減のためのプリント配線基板の配線層の低減等による実装上の制約から、差動配線がカットラインと交差することを避けるのが困難になってきている。このような場合に、前述した差動配線がカットラインを交差する場合の信号品質の劣化を事前に見積もり、設計に反映させるという従来技術が有効である。しかし、この従来技術も、電子装置の高性能化に伴う信号の伝送速度の高速化が図られるに従って、信号品質を確保するように設計を行うことが困難になってきており、このため、実装上の制約から差動配線がカットラインを交差することが避けられない場合に、信号品質を劣化させないようにすることが困難になってきている。
【０００９】
信号品質を劣化させる原因の１つとして、コモンモードノイズの重畳が挙げられる。理想的な差動信号は完全に対称な信号波形を有している。この差動信号にコモンモードノイズが重畳されると信号波形が対称でなくなる。差動信号で動作する回路にとって、対称でない信号波形であるコモンモード電圧は、不要なノイズであり、コモンモード電圧の重畳は、回路動作を不安定にする要素となる。そのため、コモンモードノイズを低減することが要求されている。実際、近年、情報通信機器業界で標準的に採用されている差動インターフェース規格には、コモンモード電圧の上限値が規定されるようになってきており、コモンモードノイズを低減して、信号品質を確保することが求められている。
【００１０】
コモンモードノイズが重畳される原因の１つは、差動配線がカットラインに対して斜めに交差することであり、次に、図面を参照して、差動配線がカットラインに対して斜めに交差することにより、コモンモードノイズが差動配線に重畳されることを説明する。
【００１１】
図６はコモンモードノイズが差動配線に重畳されない例として、差動配線がカットラインに直角に交差する場合の例を示す図であり、まず、これについ説明する。
【００１２】
図６（ａ）、図６（ｂ）に示すプリント配線基板は、どちらも同一の構造を有するものであり、１つの配線層上に設けられたペアの差動配線７、８と、差動配線７、８が設けられた配線層に隣接する他の配線層上に設けられたカットライン４１によって分割された２枚のベタプレーン４０１、４０２とにより構成されている。そして、図示例では、差動配線７、８とカットライン４１とが直角に交差している。
【００１３】
前述において、いま、図６（ａ）に示しているように、配線７に図で右方向に流れる電流４１１を流したものとする。この電流４１１によって、ベタプレーン４０１には、リターン電流４１２が生じ、さらに、このリターン電流４１２によって、配線８に逆方向に流れる起電流４１３が生じる。一方、配線７、８は、差動配線であるので、配線７に図で右方向に流れる電流４１１を流すときには、配線８には、図６（ｂ）に示すように、逆向きの左方向への電流４２１が流されることになる。この電流４２１によって、ベタプレーン４０１には、リターン電流４２２が生じ、さらにこのリターン電流４２２によって、配線７に右方向に流れる起電流４２３が生じる。
【００１４】
図６に示す例は、カットライン４１に対して差動配線７、８が直角に交差しているため、配線７から見たベタプレーン４０１及び配線８の形状と配線８から見たベタプレーン４０１及び配線７の形状とは完全に対称である。そのため、起電流４１３と４２３とは、大きさが等しく、お互いに逆方向の電流となる。この結果、配線７、８に差動信号を加えた場合、出力側に重畳される起電流が、互いに逆極性で大きさが等しいので、出力信号波形の対称性は保たれ、コモンモードノイズは発生しないことになる。
【００１５】
図７はコモンモードノイズが発生して差動配線に重畳される例として、差動配線がカットラインに斜めに交差する場合の例を示す図であり、次に、これについ説明する。
【００１６】
図７（ａ）、図７（ｂ）に示すプリント配線基板は、どちらも同一の構造を有するものであり、１つの配線層上に設けられたペアの差動配線９、１０と、差動配線９、１０が設けられた配線層に隣接する他の配線層上に設けられたカットライン５１によって分割された２枚のベタプレーン５０１、５０２とにより構成されている。そして、図示例では、差動配線９、１０とカットライン４１とが斜めに交差している。
【００１７】
前述において、いま、図７（ａ）に示しているように、配線９に図で右方向に流れる電流５１１を流したものとする。この電流５１１によって、ベタプレーン５０１には、リターン電流５１２が生じ、さらに、このリターン電流５１２によって、配線１０に逆方向に流れる起電流５１３が生じる。一方、配線９、１０は、差動配線であるので、配線９に図で右方向に流れる電流５１１を流すときには、配線１０には、図７（ｂ）に示すように、逆向きの左方向への電流５２１が流されることになる。この電流４２１によって、ベタプレーン４０１には、リターン電流５２２が生じ、さらにこのリターン電流４２２によって、配線７に右方向に流れる起電流５２３が生じる。
【００１８】
図７に示す例は、カットライン４１に対して差動配線９、１０が斜めに交差しているため、配線９から見たベタプレーン５０１及び配線１０の形状と配線１０から見たベタプレーン５０１及び配線９の形状とは対称ではない。そのため、ベタプレーン５０１に生じるリターン電流は、図７（ａ）と図７（ｂ）とで流れる経路や大きさ、タイミング等が異なることになり、その結果、起電流５１３と５２３とは、大きさやタイミングが異なるものとなる。すなわち、配線９、１０に差動信号を加えた場合、出力側に重畳される起電流は、大きさやタイミングが異なるので、出力信号波形が対称でなくなり、コモンモードノイズが生じることになる。
【特許文献１】特開２００８−１７２０３６
【非特許文献１】高橋一平  田中顕裕  “高速差動信号伝送におけるプリント配線版リファレンス面の影響”  第２０回エレクトロニクス実装学会講演大会講演論文集、22B-04、2006
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
前述したように、従来技術によるプリント配線基板は、差動配線が設けられた配線層に隣接する別の配線層に設けられるベタプレーンの複数のカットラインと差動配線とが斜めに交差する場合に、コモンモードノイズを発生させて信号品質を劣化させてしまうという問題点を有している。
【００２０】
本発明の目的は、前述した従来技術の問題点を解決し、実装上の都合により差動配線が、この差動配線が設けられた配線層に隣接する別の配線層に設けられるベタプレーンの複数のカットラインと交差する場合にも、コモンモードノイズを低減し、信号品質を確保することができるプリント配線基板及びそれを用いた電子装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明によれば、前記目的は、電源層またはグランド層に隣接する配線層に信号用の差動配線が配置されたプリント配線基板であって、前記電源層またはグランド層は、複数のカットラインによって分割されており、前記差動配線が前記カットラインと交差するように配置されており、前記隣接する配線層に配置される差動配線と前記カットラインとの複数の交差位置での交差角度の平均が６０度から１２０度の間になるように設定されたことにより達成される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、実装上の都合により差動配線が、この差動配線が設けられた配線層に隣接する別の配線層に設けられるベタプレーンの複数のカットラインと交差する場合にも、コモンモードノイズを低減し、信号品質を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明によるプリント配線基板及び電子装置の実施形態を図面により詳細に説明する。
【００２４】
図１は本発明一実施形態によるプリント配線基板の構成例を示す図である。
【００２５】
図１に示すプリント配線基板は、１つの配線層上に設けられたマイクロストリップライン構造を持つペアの差動配線１、２と、差動配線１、２が設けられた配線層に隣接する他の配線層上に設けられた複数のカットライン１１〜１４によって分割された５枚のベタプレーン１０１〜１０５とにより構成されている。そして、図示例では、ベタプレーンが信号配線である差動配線１、２が設けられる配線層の下側の配線層にのみに設けられているものとしている。また、図示例では、差動配線１、２とカットライン１１〜１４のそれぞれとが、角度θ１１〜θ１４で交差している。差動配線１、２がカットライン１１〜１４と交差する角度θ１１〜θ１４は、それぞれθ１１＝１３５度、θ１２＝４５度、θ１３＝１３５度、θ１４＝４５度である。
【００２６】
前述のカットライン１１と差動配線１、２との交差位置において、差動配線１、２は、カットライン１１に対して斜め１３５度で交差するので、図７（ａ）、図７（ｂ）で説明したように、大きさやタイミングが異なる起電流が差動配線１、２に重畳されるためにコモンモードノイズが生じる。また、カットライン１２と差動配線１、２との交差位置において、差動配線１、２は、カットライン１２に対して逆方向の斜め４５度で交差するので、図７（ａ）、図７（ｂ）で説明したように、大きさやタイミングが異なる起電流が差動配線１、２に重畳されるためにコモンモードノイズが生じる。しかし、このカットライン１２の個所で生じる起電流の大きさやタイミングは、前述したカットライン１１の箇所で生じる起電流と逆になる。そのため、カットライン１１の箇所とカットライン１２の箇所とで生じる起電流の差が互いに打ち消されることになり、差動配線１、２上のコモンモードノイズが低減される。実際には、差動配線１、２上のコモンモードノイズは、カットライン１１からカットライン１２との間での信号伝送損失の影響等の様々な要因により、完全に打ち消すことはできないものの、大幅に低減される。
【００２７】
前述において、カットライン１２の箇所とカットライン１３の箇所とについても同様なことが言え、また、カットライン１３の箇所とカットライン１４の箇所とについても同様なことが言える。この結果、図１に示す例における差動配線１、２の一方の端から他方の端へ信号を伝送する場合にも、差動配線１、２上に生起するコモンモードノイズが低減されて、品質のよい信号の伝送を行うことができる。
【００２８】
そして、発明者等が実際にテストした結果によると、複数のカットラインのそれぞれに対して差動配線が交差する角度の平均が６０度から１２０度となっていれば、差動配線１、２上のコモンモードノイズを伝送する信号の品質に影響を与えないような大きさにできることが確認できた。また、カットラインと差動配線との交差数は奇数であってもよい。
【００２９】
図２は差動配線とカットラインの交差角度を制御しない場合のプリント配線基板の構成例を示す図である。
【００３０】
図２に示すプリント配線基板は、本発明の効果を説明するためのもので、１つの配線層上に設けられたペアの差動配線３、４と、差動配線３、４が設けられた配線層に隣接する他の配線層上に設けられた複数のカットライン２１〜２４によって分割された５枚のベタプレーン２０１〜２０５とにより構成されている。そして、図示例では、差動配線３、４とカットライン２１〜２４のそれぞれとが、角度θ２１〜θ２４で交差している。差動配線３、４がカットライン２１〜２４と交差する角度θ２１〜θ２４は、全て１３５度である。
【００３１】
図３は図１、図２、図５に示すプリント配線基板の差動配線のＳパラメータと呼ばれる信号伝送特性を試験した結果を示す図であり、次に、図３を参照して本発明の効果について説明する。図３に示す試験結果のグラフは、ＳパラメータのうちＳｃｄ２１と呼ばれるパラメータと周波数との関係を示したものであり、差動信号がコモンモードノイズに変換される成分の大きさの周波数特性を示すものである。そして、Ｓｃｄ２１は、その値が大きいほど出力側でのコモンモードノイズが大きくなることを示している。従って、Ｓｃｄ２１の値は、小さいほど望ましい。
【００３２】
図５に示して説明したプリント配線基板は、前述で説明したように、差動配線がカットラインを通過しない場合の理想的な状態である。このため、このプリント配線基板の差動配線上の差動信号がコモンモードノイズに変換される成分の大きさを示すＳｃｄ２１の周波数特性の曲線は、特性曲線３１として示すように、Ｓｃｄ２１の値の小さなものであった。
【００３３】
また、図２に示して説明したプリント配線基板は、前述で説明したように、差動配線が複数のカットラインのそれぞれと交差する角度が全て１３５度となっており、差動配線に重畳される起電流が全てのカットラインのそれぞれと交差する箇所で同一の方向となって加算されてしまうため、コモンモードノイズが大きくなり、Ｓｃｄ２１の周波数特性の曲線は、特性曲線３３として示すように、Ｓｃｄ２１の値の大きなものとなった。
【００３４】
これらに対して、図１に示して説明したプリント配線基板は、差動配線と複数のカットラインとが交差する箇所で生じる起電流が互いに打ち消されることになり、差動配線上のコモンモードノイズは、完全に打ち消すことはできないものの大幅に低減され、この結果、Ｓｃｄ２１の周波数特性の曲線は、特性曲線３２として示すように、特性曲線３１と３３との中間の特性を示すものが得られた。
【００３５】
さらに、複数のカットラインのそれぞれに対して差動配線が交差する角度の平均が図１に示したような９０度ではなく、６０度または１２０度とした場合、Ｓｃｄ２１の周波数特性の曲線として、特性曲線３４として示すように、特性曲線３２と３３との中間の特性を示すものを得ることができた。
【００３６】
図３により説明した試験の結果から、図２に示して説明したプリント配線基板に比較して、図１に示して説明したプリント配線基板の方がＳｃｄ２１が小さく、コモンモードノイズが低減されていることが判る。また、全てのプリント配線基板において、周波数が高いほどＳｃｄ２１が大きくなる傾向があり、動作周波数が高いほど本発明の効果が重要になっている。
【００３７】
前述したように、本発明の実施形態によれば、実装上の都合により差動配線が隣接する配線層のベタプレーンの複数のカットラインと交差する場合でも、交差角度の平均を、６０度から１２０度の間となるように配置することにより、コモンモードノイズを低減して、差動配線上での信号伝送品質を向上させることができる。そして、このような効果は、信号の伝送速度が高速になるほど顕著なものとなる。
【００３８】
図４は前述までに説明した本発明の実施形態によるプリント配線基板を使用した電子装置の構成を示す図である。
【００３９】
図４に示す電子装置１０００は、１枚のバックボード基板８０１と２枚のドーターボード基板８０２、８０３とから構成されている。そして、ドーターボード基板８０２、８０３上には、それぞれ電子回路６０１、６０２が設けられており、これらの電子回路６０１、６０２は、差動配線７０１〜７０６によって接続されて動作している。バックボード基板８０１、ドーターボード基板８０２、８０３は、前述で説明した本発明の実施形態によるプリント配線基板が使用されている。
【００４０】
前述において、実装の都合により、バックボード基板８０１、ドーターボード基板８０２、８０３を構成する各プリント配線基板のそれぞれで、差動配線が隣接する配線層のベタプレーンに設けられたカットラインと交差する角度の平均を６０度〜１２０度の間に設定することができなかった場合でも、複数のプリント配線基板全体で差動配線がカットラインと交差する角度を平均９０度に近づける、すなわち、６０度〜１２０度の間に設定することにより、差動配線に伝送される差動信号がコモンモードに変換される成分を低減できる。
【００４１】
前述した電子装置１０００は、バックボード基板８０１、ドーターボード基板８０２、８０３の３枚のプリント配線基板を使用するものとして説明したが、電子装置１０００に使用するプリント配線基板の数は、必要により任意の数であってよい。
【００４２】
前述で説明したように、本発明の実施形態によれば、実装上の都合によりフリント配線基板の配線層上の差動配線が隣接する配線層上のベタプレーンに設けられたカットラインと交差する場合にも、コモンモードノイズを低減することができるため、差動配線上の高速な信号伝送の伝送品質を向上させることができる。
【００４３】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、図１に示して説明した例は、マイクロストリップライン構造の信号配線が設けられる配線層の下側の配線層のみにベタプレーンが設けられているものとしたが、本発明は、信号配線が設けられる配線層の上下の配線層に複数のカットラインにより分割されたベタプレーンが設けられた構造であってもよい。また、信号配線がストリップライン構造の場合、上下の配線層のベタプレーンの両方にカットラインがあってもよいし、片側のベタプレーンのみにカットラインがあってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、コンピュータ機器、ネットワーク機器、デジタル家電機器等のプリント配線基板を使用して構成され、配線基板上の差動配線により高速に信号を伝送して動作する電子装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明一実施形態によるプリント配線基板の構成例を示す図である。
【図２】差動配線とカットラインの交差角度を制御しない場合のプリント配線基板の構成例を示す図である。
【図３】図１、図２、図５に示すプリント配線基板の差動配線のＳパラメータと呼ばれる信号伝送特性を試験した結果を示す図である。
【図４】本発明の実施形態によるプリント配線基板を使用した電子装置の構成を示す図である。
【図５】差動配線がカットラインと交差しないように実装された従来技術による配線基板の構成例を示す図である。
【図６】コモンモードノイズが差動配線に重畳されない例として、差動配線がカットラインに直角に交差する場合の例を示す図である。
【図７】コモンモードノイズが発生して差動配線に重畳される例として、差動配線がカットラインに斜めに交差する場合の例を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１〜１０、７０１〜７０６  差動配線
１１〜１４、２１〜２４、４１、５１  カットライン
１０１〜１０５、２０１〜２０５、３０１、４０１、４０２、５０１、５０２  ベタプレーン
６０１、６０２  電子回路
８０１  バックボード基板
８０２、８０３  ドーターボード基板
１０００  電子装置
【図１】
2010141023.tif 000003
【図２】
2010141023.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010141023.tif 000008
【図７】
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