(57)【要約】【課題】本発明は、リターン電流パスの確保を効率よく行うことができる電子回路を実現することを目的とする。【解決手段】第一の信号層２と第二の信号層３が第一のビア１により接続されるとともに、電源層４、５および接地層６とを備える電子回路において、  前記電源層４、５と前記接地層６との一方と電気的に接続され、前記電源層４、５と前記接地層６との他方とは電気的に接続されていない第二のビア１３を、前記第一のビア１近傍に設けたことを特徴とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の信号層と第二の信号層が第一のビアにより接続されるとともに、電源層および接地層とを備える電子回路において、
前記電源層と前記接地層との一方と電気的に接続され、前記電源層と前記接地層との他方とは電気的に接続されていない第二のビアを、前記第一のビア近傍に設けたことを特徴とする電子回路。
【請求項２】
前記第二のビアは、前記第一のビアから５ｍｍ以内の距離に設けられたことを特徴とする、請求項１記載の電子回路。
【請求項３】
前記第二のビアは、前記第一のビアから（２ｎ＋１）λ／４の位置に設けられたことを特徴とする、請求項１記載の電子回路。ただし、λは信号層を流れる信号の波長、ｎは０以上の正の整数。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばGbps単位の高速な信号伝送を行う電子回路に関する発明であり、特に異なる信号配線層間での信号乗換時におけるリターン電流パスを確保し、信号の伝送損失を低減した電子回路に関する。
【０００２】
以下、電子回路としては、情報処理装置などに用いられるプリント配線基板／回路基板を想定して、本発明について説明する。
【背景技術】
【０００３】
情報処理装置に用いられる回路基板には、１乃至複数の信号配線層が形成される。複数の信号配線層が回路基板に設けられる場合、異なる層間に信号を流すために、これら信号配線層を接続するビアも形成される。また、回路基板には、回路基板に搭載された各種電子部品に電源を供給する電源層と、接地層とが形成される。電子部品によっては異なる電圧で動作するものも存在するため、それぞれの電子部品に適合した動作電圧を供給する複数の電源層が回路基板に形成されることもある。
【０００４】
回路基板では、信号層に信号が流れると、この信号が流れる方向とは逆方向に、接地層および電源層にリターン電流が流れることが知られている。
【０００５】
図１は、回路基板におけるリターン電流の流れを説明する図面である。
【０００６】
図1に図示される回路基板では、それぞれ層が異なる信号層２と信号層３とが層乗換用のビア１により接続されている。信号７は信号層３を図示左から右に向けて流れ、ビア１を介して信号層２に図示左から右に流れる。このように、ビア１によって、信号が流れる信号層の乗換が行われる。
【０００７】
図１に図示された回路基板には更に、二つの電源層４、５と、接地層６が設けられている。信号層２、３に信号７が流れる際には、これら電源層４、５および接地層６にリターン電流が流れる。
【０００８】
信号層３に信号７が流れている範囲では、信号層３近傍の電源層５にリターン電流１０が流れる。同様に、信号層２に信号７が流れている範囲では、信号層２近傍の電源層４にリターン電流９が流れる。また、図１の例では、信号層２および信号層３に挟まれた接地層６にもリターン電流８が流れている。
【０００９】
ここで、接地層６に流れるリターン電流８については、信号７が信号層２を流れる範囲と、信号層３を流れる範囲とで、同じ接地層６を流れることができる。しかし、電源層２、３を流れるリターン電流９、１０については、図示×で示された部分でリターン電流のパスが途切れてしまう。このようなリターン電流パスの分断が生じることによって、信号層を流れる信号の伝送損失が増加してしまうという問題がある。
【００１０】
このようなリターン電流パスの分断による問題を解決するために、電源層および接地層をバイパスコンデンサにより接続する手法が用いられていた。
【００１１】
図２は、信号層２と信号層３とを接続するビア１の周辺に、バイパスコンデンサ１１を配置した様子を上面および側面から見た状態を示した図面である。また、図３はバイパスコンデンサが配置された回路基板の断面を模式的に図示した図面であり、それぞれの電流が流れる様子が示されている。
【００１２】
図３に図示されるように、電源層４と接地層６の間には、バイパスコンデンサ１１が接続されている。同様に、電源層５と接地層６との間には、バイパスコンデンサ１２が接続されている。バイパスコンデンサ１１、１２は、交流的に電源層と接地層とを短絡させるため、リターン電流を流すことができる。
【００１３】
図３の例では、信号層２に流れる信号７に対応して電源層４を流れるリターン電流９は、図示９ａの経路でバイパスコンデンサ１１を介して接地層６に流れ込む。接地層６に流れ込んだ電流は、図示９ｂの経路でバイパスコンデンサ１２を介して電源層５に流れ込む。これによって、電源層４と電源層５とをつなぐリターンパスが形成され、図１の例で生じていたリターン電流パスの分断が解消される。
【特許文献１】特開平１１−２３３９５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、このようなバイパスコンデンサを設ける構成には、下記のような問題点があった。
【００１５】
図３の例では、バイパスコンデンサは電源層と接地層とを接続するように設けられる。ここで、回路基板で用いられている信号配線層が多くなると、その分配置すべきバイパスコンデンサの数も多くなり、バイパスコンデンサを配置するためのスペースが大きくなるという問題が生じる。
【００１６】
また、個々のバイパスコンデンサを配置する際にも、少なくともバイパスコンデンサの大きさだけ配置スペースが必要となる。このため、回路基板の配線のためのアートワーク領域が、バイパスコンデンサの配置スペースにより圧迫され、また配線を引き回す際に制約を生じてしまうという問題がある。
【００１７】
本発明は、このような問題に鑑み、電子回路上へのバイパスコンデンサ配置による様々な制約の発生を防止した上で、リターン電流パスの確保を効率よく行うことができる電子回路を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の課題は、第一の信号層と第二の信号層が第一のビアにより接続されるとともに、電源層および接地層とを備える電子回路において、前記電源層と前記接地層との一方と電気的に接続され、前記電源層と前記接地層との他方とは電気的に接続されていない第二のビアを、前記第一のビア近傍に設けた電子回路により解決される。
【００１９】
また、上記課題は、前記第二のビアを、前記第一のビアから５ｍｍ以内の距離に設けることで解決される。
【００２０】
更に、上記課題は、前記第二のビアを、前記第一のビアから（２ｎ＋１）λ／４の位置に設けることで解決される。ただし、λは信号層を流れる信号の波長、ｎは０以上の正の整数である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、バイパスコンデンサを設けることなく、電子回路のリターンパスを効率的に確保することが可能となり、また配線層を流れる信号の伝送損失量を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図４は、本発明の一実施形態による回路基板での、ビアの配置状況を示した図面である。図において、１は層乗換用ビア、２および３は信号層、１３は電源層−接地層間に形成されるビアである。
【００２３】
また、図５は、本発明の一実施形態による回路基板の断面を模式的に示した図面である。図５において、図１および図３と同符号の構成要素は、それぞれ図１および図３と同じものとする。また、図５において、１３は電源層−接地層間に形成されるビアである。
【００２４】
本実施形態では、層乗換用ビア１の近傍に、ビア１３が形成される。ここで、ビア１３は電源層あるいは接地層の一方と電気的に接続され、電源層あるいは接地層の他方とは電気的に隔絶されている。図５の例では、ビア１３は接地層６と電気的に接続される一方、電源層４および電源層５とは電気的に隔絶されている。もちろん、ビア１３が電源層４、５と電気的に接続され、且つ接地層６とは電気的に隔絶される構成を採用してもよい。また、図５の例では、複数の電源層４、５に対して共通のビア１３を形成しているが、電源層４−接地層６間に設けられるビアと、電源層５−接地層６間に設けられるビアとを別のビアとしてもよい。これらは、実際の回路基板の配線や部品実装に応じて適宜選択可能である。
【００２５】
ビア１３と電源層４とは電気的には接続されていないが、両者間には寄生容量１４が生じる。同様に、ビア１３と電源層５との間には、寄生容量１５が生じる。これら寄生容量１４および寄生容量１５は、図３に図示されたバイパスコンデンサと同様の作用をなす。つまり、直流的にはビア１３と電源層４、ビア１３と電源層５とは電気的に絶縁される一方、交流的にはビア１３と電源層４、ビア１３と電源層５とは電気的に短絡していると見なすことができる。
【００２６】
各電源層をリターン電流が流れる様子を、図５を用いて説明する。信号層２に流れる信号７に対応して電源層４を流れるリターン電流９は、電源層４とビア１３との間に生じる寄生容量１４を介して、図示１６の経路でビア１３に流れる。また、ビア１３に流れ込んだ電流は、電源層５とビア１３との間に生じる寄生容量１５を介して、図示１７の経路で電源層５に流れる。これによって、バイパスコンデンサを用いることなく、リターン電流のパスが分断することを防止可能となる。
【００２７】
また、図２と図４とを比較すれば判る通り、従来はバイパスコンデンサを配置するために少なからぬスペースを必要としていたのに対し、本実施形態では回路基板を貫通するビアを形成するだけでよい。このため、本実施形態では、リターンパスを確保するための配線のアートワーク領域を小さくすることができ、配線の制約などが従来のものと比較して小さくなるという利点がある。
【００２８】
なお、信号伝送の損失を低減させるために、本実施形態ではビア１とビア１３との間隔（図示ａ）に着目した。
【００２９】
図６は、ビア１（図中「信号用Ｖｉａ」）とビア１３（図中「Ｖ／Ｇ用Ｖｉａ」）の間隔と、信号の伝送損失との関係をシミュレートした結果を示した図面である。なお、図６では、ビア１とビア１３の間隔が２０ｍｍ以内の領域では５ｍｍ間隔で、それ以上の領域では１０ｍｍ間隔でプロットされている。ここで、図６の例では下記を条件としている。
【００３０】
基材の誘電率εｒ＝４．４
光の速度ｃ＝３ｅ８（ｍ／ｓ）
信号周波数＝１．２５ＧＨｚ、２．５ＧＨｚ
また、
信号伝送速度ｖ＝ｃ／√εｒ＝１．４３ｅ（ｍ／ｓ）
波長λ＝ｖ／ｆ＝１０４．４（ｍｍ）（１．２５ＧＨｚ）
５７．２（ｍｍ）（２．５ＧＨｚ）
で与えられる。
【００３１】
また、図６において、伝送損失が０．０ｄｂに近いほど、つまり伝送損失値が図示上方に近いほど、伝送損失が小さいものとする。
【００３２】
詳細に検討を加えると、ビア１−ビア１３間隔がλ／４、３λ／４、５λ／４・・・の関係が成り立つ場合に、伝送損失が小さくなることが見いだされた。
【００３３】
例えば、周波数が２．５ＧＨＺの場合には、λ／４＝１４．３ｍｍの場合に、伝送損失が小さくなる（図６図示Ａ付近）。同様に、３λ／４＝４２．９ｍｍの場合に、伝送損失が小さくなる．
周波数が１．２５ＧＨｚの場合には、λ／４＝２８．６ｍｍの場合に伝送損失が小さくなる（図６図示Ｂ付近）。
【００３４】
このように、ビア１とビア１３との間隔が特定の場合に、信号の伝送損失が小さくなることが見いだされる。
【００３５】
ここで、信号の伝送損失が少ない点（図示ＢあるいはＥ）と、信号の伝送損失が多い点（図示ＣあるいはＤ）との伝送損失値を比較する。周波数が１．２５ＧＨｚの場合、図６図示Ｂと図６図示Ｃとの損失の差はおよそ−０．２ｄｂである。同様に、周波数が２．５ＧＨｚの場合、図６図示Ｄと図６図示Ｅとの損失の差はおよそ−０．２ｄｂである。
【００３６】
なお、プリント基板の伝送損失が−１５（ｄｂ／ｍ）とした場合、上記した伝送損失値の−０．２ｄｂの差を配線長に換算すると、
−０．２（ｄｂ）／−１５（ｄｂ／ｍ）＝約１３ｍｍ
となる。つまり、周波数が２．５ＧＨｚの場合、点Ｅの場合と同等の伝送損失値を達成しようとした場合、点Ｄの場合には配線長を約１３ｍｍ短くする必要がでてくる。
【００３７】
一枚の回路基板上に層乗換用のビアが４個あるとした場合、点Ｅの場合と点Ｄの場合とで互いに同等の伝送損失を確保するのであれば、配線長の差は
１３ｍｍ×４＝５２ｍｍ
となる。この５２ｍｍという配線長の差は、装置の実装構造に与える影響が大きいため、配線長に余裕を持たせるためには、伝送損失値が小さくなるビア１−ビア１３間隔の条件を用いることが非常に重要となる。
【００３８】
一方、周波数が１．２５ＧＨｚの場合、ビア１−ビア１３間隔が１５ｍｍの付近より、ビア１−ビア１３間隔が縮まるにつれて、伝送損失値が次第に小さくなる傾向がある。同様に、周波数が２．５ＧＨｚの場合には、ビア１−ビア１３間隔が１０ｍｍの付近より、ビア１−ビア１３間隔が縮まるにつれて、伝送損失値が小さくなる。
【００３９】
この伝送損失値が小さくなる範囲と、図示の範囲で伝送損失値が最大となっている点（図示ＣあるいはＤ）との伝送損失値の差を見ると、ビア１−ビア１３間隔が５ｍｍ程度となる付近では、最大の伝送損失値と比較して伝送損失値が−０．２ｄｂほど小さくなる。
【００４０】
つまり、ビア１−ビア１３間隔が５ｍｍ以下の範囲では、図６図示点Ｅあるいは点Ｂと同等の伝送損失値を達成可能となる。したがって、ビア１−ビア１３間隔が５ｍｍ以下となる範囲も、ビア１３を形成するに好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】層間乗換時のリターン電流の流れを説明する模式図である。
【図２】バイパスコンデンサを設けた電子機器を示す図面である。
【図３】バイパスコンデンサが設けられた電子機器の模式図である。
【図４】本発明の一実施形態におけるビアが形成された電子機器を示す図面である。
【図５】本発明の一実地形態におけるビアが形成された電子機器の模式図である。
【図６】ビア間隔と信号の伝送損失との関係を示す図面である。
【符号の説明】
【００４２】
１：ビア、２、３：信号層、４、５：電源層、６：接地層、１３：ビア、１４、１５：寄生容量
【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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