(57)【要約】【課題】伝送信号の周波数が高く、伝送線路幅が極端に細く、また線路長が長い場合であっても、伝送線路の出来具合いを容易に評価することを可能とした配線回路基板の伝送線路の特性インピーダンスの算出方法を提供することを目的とする。【解決手段】ＩＣパッケージやプリント配線板等の抵抗成分・漏れ成分を含んだ伝送線路の評価において、伝送線路の両端からＴＤＲ波形の測定を行い、前記ＴＤＲ波形を合成・演算することによって、伝送線路の特性インピーダンスを算出するようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＣパッケージやプリント配線板等の抵抗成分・漏れ成分を含んだ伝送線路の評価において、伝送線路の両端からＴＤＲ波形の測定を行い、前記ＴＤＲ波形を合成・演算することによって、伝送線路の特性インピーダンスを算出することを特徴とする配線回路基板の伝送線路の特性インピーダンスの算出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路配線基板に形成された伝送線路の両端からＴＤＲ波形を測定し、ＴＤＲ波形を合成・演算することにより、伝送線路の特性インピーダンスを算出する回路配線基板の伝送線路の特性インピーダンスの算出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、電子製品の動作周波数の高速化が急激に進んでおり、このように信号周波数が高くなると、信号を確実に伝播させるのが困難となってくる。その際に、重要となるのが伝送線路のインピーダンス整合である。伝送線路にインピーダンスの差異があると、反射等の影響を受け、信号が正確に伝わらなくなってしまう。また、製品の小型化つまりは高密度化も進んでいるため、伝送線路は極めて細くなってきており、伝送線路におけるインピーダンス整合は難しいものとなっている。このような中、インピーダンスコントロールは大変重要なことであり、それを成すためにはその測定もまた重要である。
【０００３】
プリント配線板に形成された伝送線路の特性インピーダンスを測定する装置としてＴＤＲ（Time Domain Reflectometry）装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
このＴＤＲ測定器の測定端子にケーブルやプローブを接続し、測定対象となる線路にプローブを接続もしくは接触させ、測定対象物の終端を電気的にオープンにした状態で、ある立ち上がり時間を持つステップパルスを測定対象の線路に印加し、その反射係数を取ることで特定の時間（距離）における特性インピーダンスを測定する。
【０００４】
この測定においては、測定対象となる線路が理想線路として仮定することで測定を行っている。理想線路とは、線路に抵抗成分・漏れ成分の無い線路である。
【特許文献１】特開２００２−１４８２９１号公報（第１頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、伝送速度の高速化や高密度化に伴い、伝送信号の周波数は高く、伝送線路幅は極端に細くなり、伝送周波数に依存した抵抗損や伝送周波数及び絶縁材料のtanδに依存する誘電損など、従来の低周波伝送信号では考えなくても問題のなかった線路の抵抗成分・漏れ成分が無視出来なくなってくる。その結果、時間的に一定であるはずの特性インピーダンスの測定結果が時間的に徐々に上昇し、正しい結果が得られない（図２参照）。
また、ＴＤＲ測定器は、反射波から測定対象物の特性インピーダンスを求めているので、線路長の２倍で抵抗成分・漏れ成分の影響を受けることとなる。このように一定値でないＴＤＲ波形が測定される場合において、伝送線路の出来具合いを判断することが容易でなく、更にどこでの値を特性インピーダンスとするかが問題となる。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑み考案されたもので、伝送信号の周波数が高く、伝送線路幅が極端に細く、また線路長が長い場合であっても、伝送線路の出来具合いを容易に評価することを可能とした配線回路基板の伝送線路の特性インピーダンスの算出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に於いて上記課題を達成するために、本発明では、ＩＣパッケージやプリント配
線板等の抵抗成分・漏れ成分を含んだ伝送線路の評価において、伝送線路の両端からＴＤＲ波形の測定を行い、前記ＴＤＲ波形を合成・演算することによって、伝送線路の特性インピーダンスを算出することを特徴とする配線回路基板の伝送線路の特性インピーダンスの算出方法としたものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、伝送信号の周波数が高く、伝送線路幅が極端に細い場合、若しくは線路長が長い伝送線路の特性インピーダンスを測定する際、抵抗成分・漏れ成分の影響を受けて、時間的に徐々に上昇するような測定結果であっても、抵抗成分・漏れ成分を除去した伝送線路の特性インピーダンスを容易に算出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、請求項１に記載の本発明の配線回路基板の伝送線路の特性インピーダンスを測定するのに用いた測定装置の一例を示す。演算機能を内蔵したＴＤＲ測定器１０から、ある立ち上がりを持つステップパルスが、周波数特性の良好なケーブル１１を伝搬し、測定プローブ１２の信号線１３から、配線回路基板２１上の伝送線路２２に印加される。
【００１０】
測定プローブ１２は、ＴＤＲ測定器１０が配線回路基板２１の伝送線路２２に印加するステップパルスが高周波成分を含むため、周波数特性が良いものが望ましく、その構造は、例えば、信号線１３に対してその近傍（５００μｍ以下）にグランド線１４があるものや、信号線１３の両脇にグランド線１４があるものを使用する。また、信号線１３、グランド線１４の長さは短いものを使用する。
【００１１】
なお、特性インピーダンスを測定するにあたって、測定したＴＤＲ波形を合成する必要があるために、配線回路基板２１における伝送線路２２の電気長（伝送線路の物理的長さに対応したＴＤＲ波形上での長さ）、すなわちＴＤＲ波形における伝送線路の始端と終端とが詳しく分かる必要がある。
【００１２】
そこでまず、伝送線路の始端の決定方法であるが、以下のような２通りの方法によって行うものとする。
〔１〕：測定プローブ１２の信号線１３とグランド線１４をショート状態（測定されるインピーダンスが０Ω）にした時に、一般的には５０Ωの整合がとられている測定器からプローブのインピーダンス値が、半分（この場合２５Ω）に落ちる位置を伝送線路の始端P１とし、その時刻をｔ＝ｔ１、位置は線路始端としたのでｘ＝０とする（図３参照）。
〔２〕：測定器自体が持っている機能により、測定対象の始端を決定する。
この場合も〔１〕と同様、伝送線路の始端をＰ１として、その時刻をｔ＝ｔ１、位置は線路の始端であるのでｘ＝０とする。
【００１３】
次に、伝送線路の終端の決定方法であるが、これは本発明を実施する以前に評価の対象とする伝送線路の伝搬時間≒線路電気長を測定しておき、その線路長分の時間を前項で算出した始端Ｐ１に加算することで伝送線路の終端位置が決定できる。具体的な方法としては、図４に示すように、何も測定端子を接触させない状態でＴＤＲ測定を行う（測定端子部でオープン状態）。次に、測定対象の伝送線路の測定パッド部に接触させ、その線路の反対端がオープンな状態でＴＤＲ測定を行う。そして、これらの波形のずれ量（インピーダンスが無限大に向かっていく途中で、２つの波形がほぼ平行な位置における時間的ずれ量）から伝送線路中の伝搬時間、すなわち線路電気長が分かる。
従って、前項で得られた伝送線路の始端位置に、ここで得られた線路電気長を加算することによって伝送線路の終端Ｐ２が決定される。このＰ２も始端と同様にその時刻をｔ＝ｔ２、位置は線路終端なので位置は線路長と等しいとしてｘ＝Lとする。
【００１４】
配線回路基板の伝送線路の評価方法であるが、図５に示すような伝送線路の測定対象を考え、この伝送線路の左端から測定した抵抗成分・漏れ成分を含んだＴＤＲ波形をＷLとし、右端から測定した抵抗成分・漏れ成分を含んだＴＤＲ波形をＷRとする。ただし、伝送線路の両端から測定した波形は見かけ上、左から右へ向かう測定波形であるが、実際には両端から測定をしているので、以下、ＷLの波形を基準として横軸座標をとり、すなわちＷRの波形の始端をＰ２、終端をＰ１とすることとする。
すると、これらは横軸時間の関数でｔの関数、時間はすなわち位置と同等なのでｘの関数で与えられる。更にＴＤＲ波形の各々の位置における値は、各々の点における特性インピーダンス値に加えて抵抗成分・漏れ成分を含んでいて、これらは測定端子からの距離に比例していくものである。これらを図示すると図５のようになり、伝送線路ｘ＝０からｘ＝Lの長さLの伝送線路区間において、線路の位置ｘにおける伝送線路の特性インピーダンスをZ（ｘ）として、WL及びWRを式で示すと、
【００１５】
【数１】
2006038803.tif 000003
【００１６】
【数２】
2006038803.tif 000004
となる。
ここで、Δ（Ｒ＋Ｇ）は単位長さあたりの抵抗成分・漏れ成分の損失成分を表す。
【００１７】
そして、これらの和を演算し伝送線路の評価を行うのであるが、式（１）と式（２）を合成した波形Ｗは、
Ｗ＝２Ｚ（ｘ）＋２ＬΔ（Ｒ＋Ｇ）・・・・・・・式（３）
となり、式（３）の右辺第２項を見て分かるように、伝送線路の抵抗成分・漏れ成分が線路の位置によらない定数項となる。すなわち、このように伝送線路の両端からＴＤＲ測定を行うことにより、抵抗成分・漏れ成分を含む伝送線路でも伝送線路の評価、例えば、伝送線路幅のばらつきであるとか、絶縁層の厚さばらつき等の判定が容易に行える。
【００１８】
しかし、これだけでは伝送線路の特性インピーダンスを評価することはできないので、次のような処理により伝送線路の特性インピーダンスを求める。
式（３）を見れば分かるように、２ＬΔ（Ｒ＋Ｇ）が分かればよいので、これを求めるためには、（ＷRのＰ１測定値）−（ＷLのＰ１測定値）及び（ＷLのＰ２測定値）−（ＷRのＰ２測定値）により、線路一往復分の抵抗成分・漏れ成分、すなわち２ＬΔ（Ｒ＋Ｇ）が求められることとなる。このように、どちらかの計算をすれば２ＬΔ（Ｒ＋Ｇ）は求められるのであるが、測定には誤差を含んでいるため、上記の計算が等しい値にならない。
従って、両計算の平均値を用いることが望ましい。
つまり、
２ＬΔ（Ｒ＋Ｇ）＝｛ＷR（０）−ＷL（０）＋ＷL（Ｌ）−ＷR（Ｌ）｝／２
とすることにより誤差の少ない結果が得られる。
【００１９】
しかし、ｘ＝０、ＬにおけるＷL及びＷRの値を用いて演算することは望ましくない。前述した伝送線路の始端の決定方法は、伝送線路の位置や長さを規定するための方法であって、実際にはパルスの立ち上がり時間等により時間遅れが生じる（測定器から発生するパルスの立ち上がり時間（数十ps〜数百psなど）の違いによっても変化する）。そのため、決定した伝送線路の始端位置、終端位置でのインピーダンスを計算に用いることは適切でない。
【００２０】
そこでｘ＝０、ＬにおけるＷL 及びＷR の値の代わりに、上記、伝送線路の始端を決定する際に測定端子のシグナルピンとグランドピンをショート状態にした時に、測定されるインピーダンスが０Ωになる位置Ｐ１’、Ｐ２’（実際のインピーダンスが測定される最
初の位置であって、始端位置からΔｘずれる位置）での時刻を測定時刻とし、この時刻におけるインピーダンスを測定値とする（図５参照）。
従って、
２ＬΔ（Ｒ＋Ｇ）＝｛ＷR（ｘ１）−ＷL（ｘ１）＝ＷL（ｘ２）−ＷR（ｘ２）｝／２
で表されることになる。
ここで、ｘ１＝Δｘ、ｘ２＝Ｌ−Δｘであり、Δｘは上記伝送線路の始端の決定方法で規定した端点位置と当項で規定した測定位置とのずれ量である。
【００２１】
従って、伝送線路の両端からＴＤＲ測定を行った測定結果の合成波形Ｗから前記２ＬΔ（Ｒ＋Ｇ）を一様に減じることにより、伝送線路の特性インピーダンスの２倍値が得られ、すなわちこれを２で除すことにより、伝送線路の特性インピーダンスが得られることとなり、伝送線路が規定の精度を有しているか否かの評価・判定が容易に可能となる。
【実施例１】
【００２２】
以下伝送線路の評価方法の具体的実施例について説明する。
まず、伝送線路の出来が良い場合の実施例を示す。
ある伝送線路の左端からのＴＤＲ測定結果を図６に、右端からのＴＤＲ測定結果を図７に示す。
これを見ただけでは伝送線路の出来がどういった具合いかは評価することが出来ない。そこで、本発明による評価方法を用いて伝送線路の評価を行うとする。まず、それぞれの伝送線路の始端、終端となる位置を決定し、波形を合成する為にそれぞれの測定波形の始端と終端を合わせる。そして合成した波形を図８に示す。
この波形を見ることにより、伝送線路中における特性インピーダンスのばらつきが、２Ω程度（この合成波形には特性インピーダンスの２倍値が示されているので、実際には１Ω程度のばらつき）と言うことがわかり、線路幅の変動や絶縁層の厚みの変動もそれほどないことが容易に推測される。
【００２３】
次に、実際の特性インピーダンスがどの程度なのかを調べるために、２ＬΔ（Ｒ＋Ｇ）を算出する。ＷR（ｘ１）−ＷL（ｘ１）を求めると、５４．２８Ω−５１．４７Ω＝２．８１Ωとなり、ＷL（ｘ２）−ＷR（ｘ２）では、５４．２５Ω−５１．３９Ω＝２．８６Ωとなり、これらの和を２で割ることにより２．８４Ωが得られ、これが２ＬΔ（Ｒ＋Ｇ）に相当するものとなる。
【００２４】
前記により算出した伝送線路の抵抗成分・漏れ成分（線路一往復分）の２ＬΔ（Ｒ＋Ｇ）を図８の波形から一様に減じて、特性インピーダンス値の２倍値の波形を図９に示し、更にこれを２で割った値、すなわち伝送線路の特性インピーダンスを表す波形を図１０に示す。これらより、伝送線路の特性インピーダンスは約５１Ωであり、伝送線路中では±１．０Ω程度のばらつきであることが分かる。
【実施例２】
【００２５】
次に、伝送線路の出来が悪い場合の実施例を示す。
実施例１と同様にして、ある伝送線路の左端からのＴＤＲ測定結果を図１１に、右端からのＴＤＲ測定結果を図１２に示す。これを見ただけでは伝送線路の出来がどういった出来具合いかは評価することが出来ない。そこで、本発明による評価方法を用いて伝送線路の評価を行うとする。まず、それぞれの伝送線路の始端、終端となる位置を決定し、波形を合成する為にそれぞれの測定波形の始端と終端を合わせる。そして合成した波形を図１３に示す。
【００２６】
この波形を見ることにより、伝送線路中における特性インピーダンスは、伝送線路の左から右に行くに連れて減少していくのが明確に分かり、つまりは伝送線路の線路幅が広が
っているか、若しくは絶縁層の厚さが薄くなっているかのいずれかの可能性があることを示している。
【００２７】
次に、実際の特性インピーダンスがどの程度なのかを調べるために、２ＬΔ（Ｒ＋Ｇ）を算出する。ＷR（ｘ１）−ＷL（ｘ１）を求めると、６５．４４Ω−６１．３６Ω＝４．０８[Ω]となり、ＷL（ｘ２）―ＷR（ｘ２）では、５９．７４Ω−５５．３４Ω＝４．４０Ωとなり、これらの和を２で割ることにより４．２４Ωが得られ、これが２ＬΔ（Ｒ＋Ｇ）に相当するものとなる。
【００２８】
前記により算出した伝送線路の抵抗成分・漏れ成分（線路一往復分）の２ＬΔ（Ｒ＋Ｇ）を図１３の波形から一様に減じて、特性インピーダンス値の２倍値の波形を図１４に示し、更にこれを２で割った値、すなわち伝送線路の特性インピーダンスを表す波形を図１５に示す。これらより、伝送線路の特性インピーダンスは６０Ωから５５Ωへと不均等であり、線路中において６Ω程度の変動幅があることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の回路配線基板の伝送線路の特性インピーダンスを算出するのに用いた測定装置の一例を示す説明図である。
【図２】損失系伝送線路のＴＤＲ波形の一例を示す説明図である。
【図３】伝送線路の始端及び特性インピーダンスの測定位置を決定するのに用いるＴＤＲ波形の一例を示す説明図である。
【図４】伝送線路の電気長（伝送線路の終端）を決定するのに用いるＴＤＲ波形の一例を示す説明図である。
【図５】伝送線路の両端から測定したＴＤＲ波形を用いて伝送線路の特性インピーダンスを算出するための説明図である。
【図６】実施例１における伝送線路の左端からのＴＤＲ測定波形ＷLの一例を示す説明図である。
【図７】実施例１における伝送線路の右端からのＴＤＲ測定波形ＷRの一例を示す説明図である。
【図８】ＴＤＲ測定波形ＷLとＴＤＲ測定波形ＷRとを合成した合成波形の一例を示す説明図である。
【図９】伝送線路の抵抗成分・漏れ成分を合成波形から除去した合成波形の一例を示す説明図である。
【図１０】実施例１における伝送線路の特性インピーダンスの一例を示す説明図である。
【図１１】実施例２における伝送線路の左端からのＴＤＲ測定波形ＷLの一例を示す説明図である。
【図１２】実施例２における伝送線路の右端からのＴＤＲ測定波形ＷRの一例を示す説明図である。
【図１３】ＴＤＲ測定波形ＷLとＴＤＲ測定波形ＷRとを合成した合成波形の一例を示す説明図である。
【図１４】伝送線路の抵抗成分・漏れ成分を合成波形から除去した合成波形の一例を示す説明図である。
【図１５】実施例２における伝送線路の特性インピーダンスの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０……ＴＤＲ測定器
１１……ケーブル
１２……測定プローブ
１３……信号線
１４……グランド線
２１……回路配線基板
２２……伝送線路
２３……グランド端子
【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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