(57)【要約】  【課題】  基板配線とスルーホール接続部の不整合反射を小さくすることによって高速伝送を可能とする多層配線基板を実現する。  【解決手段】  ２本のスルーホール１及び６を併設し、この間を接続するパターンのリターン電流経路となる電源・グランドパターン３の一部を除去する。これにより、基板配線とスルーホール接続部のインピーダンス不整合を低減した良好な伝送特性を持つ接続部構造を、基板厚の増加しない基板構造設計手法により実現することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号線となる基板配線パターンと、電源・グランドパターン導体とを誘電体層を介して積層し、かつ、前記積層を貫通する第１及び第２のスルーホールを所定の間隔で併設すると共にこれらのスルーホールを基板表面で電気的に接続する接続パターンを配設し、前記第１のスルーホールに接続すべき前記基板配線パターンを、前記第１のスルーホールに直接接続せず、前記基板表面に形成された接続パターンを介して第２のスルーホールに電気的に接続した構造を有する多層配線基板であって、
前記誘電体層を介して前記接続パターンに最も近い位置に設けられた前記電源・グランドパターン導体は、前記第１及び第２のスルーホール間の領域において導体の一部が取り除かれたカットパターン構造を有していることを特徴とする多層配線基板。
【請求項２】
請求項１記載の多層配線基板において、前記カットパターンを有する電源グランド・グランドパターン導体と前記カットパターンを有する電源グランド・グランドパターン導体に隣接して設けられた内層信号配線層内の少なくとも前記第１及び第２のスルーホール間の領域内に、誘電体層を介して前記接続パターンのインピーダンス調整用の導体パターンを挟持させたことを特徴とする多層配線基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層配線基板に係り、特に高速通信に好適な電子部品を搭載する多層配線基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
ギガヘルツ以上のピッチで信号を伝送するような高速信号伝送回路では、基板配線やケーブルなどの伝送路の信号減衰量が増加し、またＬＳＩや部品等との接続部分での寄生容量により生じる不整合反射の影響も大きくなるという問題がある。このため、減衰や反射の少ない伝送路の実現が高速伝送においては求められている。
【０００３】
図３は、多層配線基板における基板配線とスルーホール接続部の従来の要部拡大断面構造を示したものである。この構造では基板配線２がスルーホール１を介して電気部品ピン７と接続されるが、信号伝送として余分な伝送路であるスタブ９という部分がスルーホール１に生じている。このスタブ９が信号伝送において不整合反射を発生させ高速伝送において障害となる。
【０００４】
なお、同図において３ａ〜３ｅは電源もしくはグランドパターン、４は層間絶縁層となる誘電体をそれぞれ示している。この種の多層配線基板には、隣接する電源もしくはグランドパターン３の間に通常、多数の信号配線が存在し、この領域を信号配線層と呼んでいるが、この図はスルーホール１の近辺を示しているため、信号線２としては、たまたまスルーホール１に接続した基板配線２のみがパターン３ｂ−３ｃ間に示されているにすぎない。
【０００５】
このスルーホール部分での反射の影響を低減するための従来の技術として、例えば図４の断面図に示すような、スルーホール１のスタブ部分９をドリルで穴をあけること（バックドリル１０）によって、スルーホール１のスタブ寄生容量を取り除く特許文献１に記載の技術や、先に本願発明者が提案している特許文献２に記載の図５及び図６に示すようなスルーホール１に層の変換用にスルーホール６を設置し、その２本のスルーホール間を配線パターン８a、８ｂで接続することによりスタブとなる部分が生じない構造とする技術がある。なお、図５は、２本のスルーホール１及び６を使う多層配線基板の要部拡大断面図、図６は、図５の誘電体４を取り除いた透過断面斜視図であるが、スルーホール１に繋がる信号経路を電気部品ピン７ではなく伝送線５としている点が図５と異なる。
【０００６】
【特許文献１】特表２００３−５２１１１６（ＰＣＴ国際出願特許ＷＯ  ０１／５６３３８Ａ１対応）
【特許文献２】特願２００３−４２１９５４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、本発明者が特許文献２として先に提案している図５、図６に示した技術を使った基板配線２とスルーホール１を接続する構造を、実際の多層配線基板に適用する場合おいて発生する問題を解決するためのものである。
【０００８】
まず、基板配線とスルーホール接続部の電気特性について説明する。
図７は、従来技術として図３に示したスタブ９が存在する場合の基板配線２とスルーホール１の接続部分における伝送路構成を示したブロック図である。四角のブロックが基板配線２やスルーホール１を伝送線路として表現したもので、各伝送線路の電気特性は、特性インピーダンスＺｎ、遅延時間Ｔｄｎ（ｎ＝１、２、３‥）で示している。
【０００９】
図７の場合は、スルーホール１の一部がスタブ９となっており、信号伝送の伝送路として寄与する基板配線２、スルーホール１、スルーホール１に接続する伝送路１２（外部配線５もしくは電気部品ピン１に該当）の特性インピーダンスを等しくしてインピーダンス整合させた場合でも、スタブ９が存在するために反射による損失や共振現象の発生を除去することができない。
【００１０】
さらに、本発明者が先に提案している図５及び図６に示した２本のスルーホール１、６を設けた場合の基板配線２とスルーホール１、６の接続部の伝送路構成を、図７と同様にして図８のブロック図に示す。変換スルーホール６とスルーホール１は、スルーホール端部の接続パターン８a、８ｂにより接続されており、伝送経路としてはスタブを持たない構成となる。このため各伝送路の特性インピーダンスＺｎと遅延時間Ｔｄｎを適切に設計すれば反射の発生しない理想的な伝送線路に近づける設計を行うことが可能となる。この伝送線路の構成において理想的な条件とは、以下の式が成り立つ場合である。
【００１１】
特性インピーダンス（Ｚ）：
２・Ｚ１＝２・Ｚ３＝Ｚ２＝Ｚ４Ａ＝Ｚ４Ｂ＝Ｚ５＝Ｚ６    …（式１）
遅延時間（Ｔｄ）：
Ｔ４Ａ＋Ｔｄ５＝Ｔ４ｄＢ＋Ｔｄ６＋Ｔｄ２                …（式２）
以上の（式１）、（式２）が成り立つ条件では、基板配線２からスルーホールに接続される伝送路１２（外部配線５もしくは電気部品ピン１に該当）までの接続部分の伝送路は電気的に均質、つまりインピーダンスが整合した理想的な伝送線となるため反射や共振による問題が発生しない。
【００１２】
図９、図１０、図１１及び図１２は、図７、図８の伝送路構成において条件を変えたときの影響をシミュレーションしたものである。
【００１３】
すなわち、図９は反射ノイズ波形、図１０は信号透過波形、図１１はＳパラメータのＳ２１（透過率）、図１２はＳパラメータのＳ１１（反射率）を示す。
【００１４】
ここで条件（1）〜（5）(図面では丸付き数字表示)は、すべてＺ１（基板配線２の特性インピーダンス）＝Ｚ３（伝送路１２の特性インピーダンス）＝５０Ωであり、（1）は図７に示す１本のスルーホール１を使いスタブ９がある場合、（2）から（5）は本願発明者が先に提案した図８に示す変換スルーホール６を設けた場合で、（式２）が成立しており、スルーホール１、６の特性インピーダンスについては、
Ｚ４Ａ＝Ｚ４Ｂ＝Ｚ２＝１００Ω
という理想的な条件であるときに、接続パターン８a、８bの特性インピーダンスを変化させたもので、
（2）：Ｚ５＝Ｚ６＝５０Ω
（3）：Ｚ５＝Ｚ６＝７５Ω
（4）：Ｚ５＝Ｚ６＝９０Ω
（5）：Ｚ５＝Ｚ６＝１００Ω  [（式１）が成立]
と変化させている。
【００１５】
これらの結果は、高速伝送において良好な特性を得るためには、接続パターン８a及び８bの特性インピーダンスＺ５及びＺ６を、基板配線２のインピーダンスＺ１の２倍に近づけるような設計が必要であることを示している。
【００１６】
しかし、実際の基板にこれを適用する場合には、以下に述べるような課題が発生する。図１３は、基板内層配線であるストリップラインおよび、基板表面層配線であるマイクロストリップラインの誘電体厚（層厚）ｈと、特性インピーダンスＺ０との関係の一例を示している。
【００１７】
例えば基板配線２の特性インピーダンスＺ１が５０Ωの伝送系である場合、２つのスルーホール１及び６を接続する接続パターン８ａ及び８ｂの特性インピーダンスＺ５及びＺ６はそれぞれ１００Ωであることが理想的である。
【００１８】
よって高インピーダンス化とスタブを無くするという目的のためには、この接続パターン８ａ及び８ｂを表面層パターンとしたとき、図１３の例で内層配線と同一の配線幅ｗと誘電体厚ｈの場合では、接続パターン８ａ及び８ｂの特性インピーダンスＺ５及びＺ６は、いずれも８０Ω程度にしかならない。これを理想的な１００Ωの特性インピーダンスに近づけるためには、表面層の接続パターン８ａ及び８ｂの配線幅ｗを細くするか、誘電体厚ｈを２倍近くに厚くするかということが考えられるが、前者の配線幅ｗを細くすることは基板製造プロセス上の限界により実現困難な場合がある。
【００１９】
一方、後者の手法で本発明者が先に提案した図５の基板に対して表面層にある接続パターン８ａ及び８ｂの誘電体厚ｈを厚くした基板例が図１４である。誘電体厚４について、この図１４と図５とを対比すれば明らかなように、図１４の場合は、図５の基板に対して基板厚が増加することになり、これに伴いコスト増加やスルーホール長の増加による電気特性上の問題などが新たに浮上してきた。
【００２０】
したがって、本発明は、実際の多層配線基板において、２つのスルーホール１−６間を接続する接続パターン８ａ及び８ｂの特性インピーダンスＺ５及びＺ６を理想的な条件に近づける場合に生じる上記の課題を解決することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
前記の目的を達成するために、本発明の多層配線基板においては、接続パターン８ａ及び８ｂのリターン電流経路となる、接続パターンに最も近い電源・グランドパターン導体３の一部である２つのスルーホール１−６間の領域を取り除き、カットパターンとしている点に特徴がある。すなわち、接続パターンに最も近い電源・グランドパターン導体３を、２つのスルーホール１−６間の領域に限りカットしたパターンとしたものである。
【００２２】
これにより、隣接する２つのスルーホールを電気的に接続する接続パターン８ａ及び８ｂの特性インピーダンスを理想的な条件に近づけることができ、接続パターンに最も近い電源・グランドパターン導体３がリターン電流経路となって生じる問題を容易に解決することができ、高速信号伝送回路に好適な多層配線基板を実現することができる。
【発明の効果】
【００２３】
基板配線とスルーホール接続部のインピーダンス不整合を低減した良好な伝送特性を持つ接続部構造を、基板厚の増加しない基板構造設計手法により実現することができる。
【００２４】
すなわち、第１及び第２の２本のスルーホール間を接続する接続パターンのリターン経路を、上記カットパターンを有する電源グランド・グランドパターン導体により離すことによって、接続パターンの特性インピーダンスを基板配線の特性インピーダンスの２倍近くとすることができる。
【００２５】
本発明では、表面層の誘電体厚を特に厚くすることがないため、高速伝送において基板配線とスルーホールの接続部分が良好な電気特性となる多層配線基板を、製造工程や材料の増加などによるコストの増加や、スルーホール長の増加による課題の発生なしで、接続部の構造の設計により実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下に本発明の代表的な多層配線基板の構造例を示す。
（１）第１の発明に係る多層配線基板の特徴は、信号線となる基板配線パターンと、電源・グランドパターン導体とを誘電体層を介して積層し、かつ、前記積層を貫通する第１及び第２のスルーホールを所定の間隔で併設すると共にこれらのスルーホールを基板表面で電気的に接続する接続パターンを配設し、前記第１のスルーホールに接続すべき前記基板配線パターンを、前記第１のスルーホールに直接接続せず、前記基板表面に形成された接続パターンを介して第２のスルーホールに電気的に接続した構造を有する多層配線基板であって、
前記誘電体層を介して前記接続パターンに最も近い位置に設けられた前記電源・グランドパターン導体は、前記第１及び第２のスルーホール間の領域において導体の一部が取り除かれたカットパターン構造を有している点にある。
（２）第２の発明に係る多層配線基板の特徴は、（１）において、前記カットパターンを有する電源グランド・グランドパターン導体と前記カットパターンを有する電源グランド・グランドパターン導体に隣接して設けられた内層信号配線層内の少なくとも前記第１及び第２のスルーホール間の領域内に、誘電体層を介して前記接続パターンのインピーダンス調整用の導体パターンを挟持させた点にある。
【実施例】
【００２７】
以下、図面にしたがって本発明の実施例を具体的に説明する。
【００２８】
＜実施例１＞
本発明の基板配線とスルーホール接続部の第１の実施例について、図１及び図２により説明する。
図１は、スルーホール１に部品の接続ピン７を接続している場合の実施例を示した多層配線基板の要部断面拡大図で、部品ピン７の近傍に変換スルーホール６を設けて基板配線２と接続する。この変換スルーホール６とスルーホール１間を基板表面に設けた接続パターン８aと８ｂの両方で接続している。この接続パターン８a、８bに信号を伝送するとき信号リターン電流が流れる経路となる、接続パターン８a、８ｂに最も近い電源・グランドパターン導体３ａ及び３ｅの一部分、すなわち、接続パターン８a、８ｂに近接した変換スルーホール６とスルーホール１間の領域に当たる部分３ａ´及び３ｄ´を取り除いている。
【００２９】
なお、この例では接続パターン８a及び８ｂに近接した変換スルーホール６とスルーホール１間の領域で、電源・グランドパターン導体３ａ及び３ｅの両方を切り欠いたカットパターン３ａ´及び３ｅ´を設けたが、いずれか一方に設けるだけでも本発明においては有効である。
【００３０】
図２は、図１の基板配線２とスルーホールの接続部構造の配線誘電体を透過し導体の一部をカットした透過カット図である。ただし、図２ではスルーホール１に繋がる信号経路を電気部品ピン７ではなく伝送線５の構成であるところが図１とは異なるが、本発明の原理の説明としては同じである。
【００３１】
この場合も図示のように接続パターン８a及び８ｂに近接した変換スルーホール６とスルーホール１間の領域で、電源・グランドパターン導体３ａ及び３ｅの両方を切り欠いたカットパターン３ａ´及び３ｅ´を設けている。
【００３２】
上記したように本発明においては、図１、図２に示したように、２つのスルーホール１及び６を接続する接続パターン８a、８ｂに対して最も近い位置にある信号リターン電流が流れる電源・グランドパターン導体３の一部分を、２つのスルーホール間の領域で取り除くようなパターン構造となっている。
【００３３】
＜実施例２＞
本発明の基板配線とスルーホール接続部の第２の実施例について、図１５により説明する。
【００３４】
図１５は、上記第１の実施例である図１及び図２と同様に、接続パターン８ａ、８ｂに最も近い電源・グランドパターンの導体３ａ及び３ｅから、２つのスルーホール１−６間の領域においてその一部３ａ´及び３ｅ´を取り除いており、更に隣接する電源・グランドパターン導体３ａ−３ｂ間及び３ｄ−３ｅ間の配線領域（基板内層の本来は信号配線を設ける導体層）に、それぞれ接続パターンの信号リターン電流のための電源・グランド層の一部として新たにインピーダンス調整用の導体パターン１１を設けた実施例の基板断面図である。
【００３５】
これは、図１、図２の実施例では接続パターンとリターン電流経路の距離が遠くなりすぎて特性インピーダンスが高くなりすぎてしまう場合おいて、その調整用に行われる実施例である。これにより更なるインピーダンスの調整が可能となる。
【００３６】
なお、この例ではインピーダンス調整用の導体パターン１１を、電源・グランドパターン導体３ａ−３ｂ間及び３ｄ−３ｅ間の両方の配線領域に設けたが、上記接続パターン８ａ、８ｂに最も近い電源・グランドパターン導体３ａ及び３ｅの切り欠きパターン３ａ´及び３ｅ´を設けた場合と同様に、いずれか一方に設けるだけでも本発明においてはインピーダンスの整合に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施例における多層配線基板の基板配線とスルーホールの接続部分の拡大断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例における多層配線基板の誘電体を取り除いた基板配線とスルーホール接続部分の透視一部断面拡大斜視図である。
【図３】従来技術におけるスタブ部分の説明のための基板要部の断面拡大図である。
【図４】従来技術におけるバックドリルを使ったスタブの除去を説明するための基板要部の断面拡大図である。
【図５】従来の技術における２本のスルーホールを使ったスタブの除去を説明するための基板要部の断面拡大図である。
【図６】本発明者が先に提案した２本のスルーホールを使ったスタブの除去を説明するための誘電体を取り除いた基板配線とスルーホール接続部分の透視一部断面拡大斜視図である。
【図７】スタブのある基板配線とスルーホールの接続部の伝送線路接続を説明するブロック図である。
【図８】２本のスルーホールを使った基板配線とスルーホールの接続部の伝送線路接続を説明するブロック図である。
【図９】各条件下（回路シミュレーション結果）の反射波形を示すグラフである。
【図１０】各条件下（回路シミュレーション結果）の伝送波形を示すグラフである。
【図１１】各条件下（回路シミュレーション結果）のＳ２１（透過率）を示すグラフである。
【図１２】各条件下（回路シミュレーション結果）のＳ１１（反射率）を示すグラフである。
【図１３】マイクロストリップラインとストリップラインの誘電体厚と特性インピーダンスの関係の一例を示すグラフである。
【図１４】表面層の誘電体厚を厚くしたことにより接続部の特性インピーダンスを高くする基板構成例を示す要部断面拡大図である。
【図１５】本発明の第２の実施例における多層配線基板の基板配線とスルーホールの接続部分の断面拡大図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…スルーホール、
２…基板配線、
３、３ａ〜３ｅ…電源・グランドパターン、
３ａ´、３ｅ´…電源・グランドパターンのカット部、
４…誘電体、
５…スルーホールと接続する伝送路、
６…変換スルーホール、
７…電気部品ピン、
８、８ａ、８ｂ…接続パターン、
９…スタブ、
１０…バックドリル（削除部分）、
１１…信号層に追加したグランドパターン（インピーダンス調整用導体パターン）、
１２…外部伝送路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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