(57)【要約】【課題】非常に高いデータ密度を有する信号を伝送するようにしたプリント回路ボードを提供する。【解決手段】１対のプリント回路ボード１２，１４を有するプリント回路ボード組立体１０に於いて、ボード１２，１４は誘電体１６の表面から誘電体１６の内部領域１７に通り抜ける導体バイア２２を有し、基準電位層２０とその基準電位層２０に平行に配置された信号導線とを有していて、所定のインピーダンスを有する伝送線を与える。一方のボード１２の導体バイア２２に連結された信号コンタクト３８を有する第１の電気コネクタ３４が設けられ、他方のボード１４の導体バイア２２に連結された信号コンタクト３６を有する第２の電気コネクタ３２が設けられている。第１の電気コネクタ３４の第１の信号コンタクト３８は第２の電気コネクタ３２の第２のコンタクト３６に電気的に連結されるようにしてある。【選択図】図１
2011040785.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）第１及び第２のプリント回路ボードの各々が
誘電体の表面から内部領域に通り抜け、該誘電体の内部領域より表面領域においてより幅が広くなっている導体バイアと、
複数の基準電位層と、
上記誘電体において、上記基準電位層のうちの１対の隣接するものの間に、これに平行に配置された、上記導体バイアに連結されている信号導線と、
を備え、
上記導体バイアと上記複数の基準電位層のうちの１つとの第１の間隔が上記導体バイアと上記複数の基準電位層のうちの他の１つとの間隔よりも大きくなり、上記第１のプリント回路ボードの第１の間隔は上記第２のプリント回路ボードの第１の間隔より大きくなる、第１及び第２のプリント回路ボードを備えるプリント回路ボード組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概略的にはプリント回路ボードに関し、より詳細には、非常に高いデータ密度を有する信号を伝送するようにしたプリント回路ボードに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来知られているように、このような回路ボードの表面に装着された電気素子の間でデータの結合を行うためにプリント回路ボードが用いられる。このデータはボードにおいて種々のレベルで配置された信号導線を介して結合される。ボードはまた接地電位や素子供給電位のような基準電位を有する。種々のレベルの信号導線の間での分離を行うために、信号導線のレベル間に基準電位導電面が挿入される。
【０００３】
従来知られているように、素子への結合のために信号導線への連結のためボードの表面から内部領域に通り抜ける導線バイアが設けられる。このバイアは「信号入出部」と称されるものとなる。さらに多くの場合に１つのプリント回路ボードの素子を他のプリント回路ボードの素子に電気的に連結することが必要である。これは典型的には、電気コネクタ組立体によってなされる。コネクタ組立体は各々対応する１つのプリント回路ボードに装着された２つの部分を有する。かくして１つのボードを他のボードに連結することが望まれる時に、コネクタ部分は相互に嵌合する。
【０００４】
さらに従来知られているように、プリント回路ボードを通って伝わる信号のデータ密度は増大する一方である。このようなデータ密度が増大すると、１つのプリント回路ボードを通って他のプリント回路ボードに通過するデータの電気的結合の効率を改善することが必要である。より詳細には、信号導線、基準電位の面あるいは層、その間のボードの誘電体の部分が典型的には５０オームの所定のインピーダンスを有する伝送線を形成する。バイアの作用は伝送線のインピーダンスに対するインピーダンス不整合を与える。このインピーダンス不整合を補償するために用いられる１の手法はコネクタに補償部分を設けることである。ボードの信号トレースのインピーダンスより小さいインピーダンスを有するバイアでは、コネクタは平均的にインピーダンスがボードにおける接続部と同じになるように、より高いインピーダンス有するようにしてある。しかしながら、接続部の性能を制限し得る信号反射はインピーダンスの変化に応じたものになる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、誘電体の面から誘電体の内部領域内に通過する導体バイアを有するプリント回路ボードが提供される。誘電体の表面に平行な内部領域に基準電位層が配置される。所定のインピーダンスを有する伝送線を与えるように信号導体が誘電体において基準電位層に平行に配置される。導体バイアは伝送線にそのインピーダンスに実質的にマッチングしたインピーダンスを与えるような形状になっている。
【０００６】
この形態において、プリント回路ボードの内部にインピーダンスマッチングがなされ、それによってコネクタの入出部を通してのインピーダンス不整合により生ずる反射が減少するようにしてこのボードを他のボードに連結することができる。ボードのインピーダンスに対する接続部の平均的インピーダンスのマッチングにより、特に高い周波数の信号に関して、接続部の性能が制限されることが認識された。プリント回路ボードのインピーダンスにより類似したインピーダンスを有するバイアの利点が認識された。
【０００７】
本発明の他の特徴によれば、誘電体の表面から誘電体の内部領域に通り抜ける導体バイアを有するプリント回路ボードが提供される。導体バイアは誘電体の内部領域より誘電体の表面領域においてより幅の広い領域を有している。基準電位層が誘電体の内部領域に配置される。所定のインピーダンスを有する伝送線を与えるように誘電体において基準電位層に平行に信号導体が配置される。信号導体は導体バイアに連結される。導体バイアは伝送線のインピータンスに実質的にマッチングしたインピーダンスを伝送線に与えるような形状になっている。より詳細には、コネクタの伝送ピンに適合するように中空導体バイアのより広い表面部分が選択され、インピーダンスマッチングのため導体バイアのより狭い内部部分が選択される。
【０００８】
本発明の他の特徴によれば、誘電体の面から誘電体の内部領域内に通り抜ける導体バイアを有するプリント回路ボードが提供される。導体バイアは誘電体の内部領域より誘電体の表面領域においてより幅の広い領域を有している。誘電体の内部領域において表面に平行に複数の異なるレベルの基準電位層が配置される。複数の層は導体バイアから異なる距離に達する縁部を有している。
【０００９】
本発明の他の特徴によれば、１対のプリント回路ボードを有するプリント回路ボード組立体が提供される。各々のボードは誘電体の面から誘電体の内部領域に通り抜ける導体バイアを有する。各々のプリント回路ボードは所定のインピーダンスを有する伝送線を与えるように基準電位層と、基準電位層に平行に誘電体に配置された信号導線とを有する。各々のボードの信号導線は導体バイアに連結されている。各々のボードにおける導体バイアはその伝送線のインピーダンスに実質的にマッチングしたインピーデンスを伝送線に与えるような形状になっている。一方のボードの導体バイアに連結された信号コンタクトを有する第１の電気コネクタが設けられ、他方のボードの導体バイアに連結された信号コンタクトを有する第２の電気コネクタが設けられる。第１の導電体の第１の信号コンタクトは第２の導電体の第２のコンタクトに電気的に連結されるようにしてある。
【００１０】
本発明の他の特徴によれば、１対のプリント回路ボードが電気コネクタを介して電気的に相互に接続されている。各々のプリント回路ボードは誘電体の面から誘電体の内部領域に通り抜ける導体バイアを有している。誘電体の内部領域において表面に平行に基準電位層が配置される。所定のインピーダンスを有する伝送線を与えるように誘電体において基準電位層に平行に信号導線が配置される。導体バイアは電送線のインピーダンスに実質的にマッチングしたインピーダンスを伝送線に与えるような形状になっている。一方のボードから電気コネクタを通って他方のボードに至るインピーダンスは実質的に一定である。
【００１１】
本発明のこれらの、また他の特徴は、本発明自体とともに添付の図面を参照して以下の詳細な説明からより明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明によるプリント回路ボード組立体の破断した断面図である。
【図２】本発明による図１のプリント回路ボード組立体の組立てた断面図である。
【図３】図２の円３−３で囲まれた組立体の部分の拡大図である。
【図４】図２の円４−４で囲まれた組立体の他の部分の拡大図である。
【図５】本発明によるプリント回路ボードを設計する方法を理解するのに用いられるグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
ここで図１及び２を参照すると、プリント回路ボード組立体１０が示されている。この組立体は１対の多レベルプリント回路ボード１２，１４を含み、その一方はバックプレインプリント回路ボード１２であり、他方はドータカードプリント回路ボードである。各々のボード１２，１４はその内部領域においてボードの種々のレベルに配置された複数の導電体１８を有する誘電体１６を含み、信号導線１８のこのようなレベルの一例が図３及び４に示されている。導電体１８のレベルの間に基準電位層ないし導電材料のシート２０が配置されている。これらの基準電位層２０はプリント回路ボード１２の表面に装着された、図示しない電気部分に接地電位ないし基準電圧を与えるために用いられる。導体バイア２２は、その一例が示されているが、誘電体１６の表面２４から誘電体１６の内部領域１７に通り抜ける。導電体１８は図示のように導体バイア２２に連結されている。
【００１４】
前述のように、複数の基準電位層２０は基準層２０に平行に、その間に配置されている。これらの基準電位層２０はまた１対の基準電位層２０の間に配置された信号導線１８の間の電気的シールドを与える。基準電位層２０、下側の信号導線１８及びその間の誘電体１６の部分は所定のインピーダンスを有するマイクロストリップ伝送線２５を与えることがわかる。また信号導線１８は導体バイア２２に連結されていることがわかる。ここで導体バイア２２はマイクロストリップ伝送線２５のインピーダンスに実質的にマッチングした成端インピーダンスをマイクロストリップ伝送線に与えるような形状になっている。より詳細には、導体バイア２２の形状、導体バイア２２の間隔及び基準電位層２０の縁部２８はこのような導電性シート２０、導線１８及びその間の誘電体１６の部分によって形成されるマイクロストリッブ伝送線２５をマッチングした負荷、すなわちこのようなマイクロストリップ伝送線２５のインピーダンスにマッチングした成端インピーダンスに接続するように選択され、それによって信号導線１８での導体バイア２２へのデータ伝送効率を最大にする。
【実施例】
【００１５】
図４の形状を用いたテストボードが用いられる。このボードは厚さが５．６ｍｍ（０．２２２インチ）である。バイア２２のより幅の広い部分２９は、孔の表面に導電層を施した後に、０．５６ｍｍ（０．０２２インチ）の内径で直径が０．６６ｍｍ（０．０２６インチ）であった。孔は０．６４ｍｍ（０．０２５インチ）の深さに形成された。バイア２２のより幅の狭い部分３１は  ０．３６ｍｍ（０．０１４インチ）の直径であった。距離Ｓ１及びＳ２はそれぞれ０．３３ｍｍ（０．０１３インチ）、０．５３ｍｍ（０．０２１５インチ）に設定された。１００ｐ秒の立上がり時間を有する信号についてバイアのインピーダンスが測定された。インピーダンスの測定値は４５．３オームであり、これは５０オームの目標値の１０％以内であった。比較のため、一様な直径を有し接地面への段差３．３ｍｍ（０，１３インチ）で一様であるボードに別個のバイアが形成された。このバイアはインピーダンス測定値が３５オームであった。
【００１６】
組立体１０（図１及び２）は１対の電気コネクタ３２，３４を有する電気コネクタ組立体３０を含む。電気コネクタ３２は一方のボード、ここではバックプレインのプリント回路ボード１２の導体バイア２２に連結された複数の信号コンタクト３６を有している。電気コネクタ３４は他方のボード、ここではドータカードのプリント回路ボード１４の導体バイア２２に連結された信号コンタクト３８を有している。導電体３２の信号コンタクト３６はプリント回路ボード１２，１４への電気的接続のため従来のように、図示される電気コネクタ３４のコンタクト３８に電気的に連結されるようにしてある。
【００１７】
より詳細に、それぞれ図３及び４でのプリント回路ボード１２，１４をより詳細に参照し、このボード１２，１４の各々における導体バイア２２の一例を考えると、この導体バイア２２は誘電体１６の表面２４から誘電体１６の内部領域１７に通り抜けている。導体バイア２２は下側の内側部分３１より幅の広い上側の表面部分２９を有する中空体になっている。上側部分２９はコネクタ３２の端子ピン４０を受け入れるように選択された幅を有している。ここで、２つの型のこのような端子ピン４０が示されている。バックプレインのプリント回路ボード１２におけるバイア２２の端子ピン４０（図３）はバイア２２のより幅の広い表面２９に押し込められる時にこの端子ピン４０が幾分圧縮できるように形成された中空領域４１を有する弾性の端子ピンである。ドータボードのプリント回路ボード１４におけるバイア２２の端子ピン４０（図４）はバイア２２のより幅の広い表面部分２９に挿入されるピン４０であり、その際バイア２２のより幅の広い部分２９ははんだ４３で満たされる。コネクタ３２の端子ピン４０と信号導線１８との間の結合は信号出入部と呼ばれる。
【００１８】
前述したように、誘電体１６の内部領域１７に表面２４に平行に複数の基準電位層２０が配置されている。層２０は導体バイア２２の近接位置に達する縁部４８を有している。導体バイア２２の側部と縁部４８との間の距離Ｓは典型的には導体バイア２２と基準電位層２０との間で不意に短絡するのを防止する程度の許容差を与えるようなある最小の距離となるようにプリント回路ボードの製造において選択される。かくして、誘電体１６の内部１７の深さ全体にわたって同じ最小の距離Ｓ１が用いられる。例えば、ここで距離Ｓ１は０．３３ｍｍ（０．０１３インチ）である。しかしながらここで、基準電位層２０の縁部４８と導体バイア２２の側部との間の距離Ｓ２は前述したように、このような導電性シート２０と、導線１８と、その間の誘電体１６とによって形成されるマイクロストリップ伝送線２５をマッチングした負荷に、すなわちこのマイクロストリップ電送線２５のインピーダンスにマッチングした端子インピーダンスに接続され、それによって信号導線１８での導体バイア２２へのデータ伝送効率を最大にするように選択される。より詳細には、複数の基準電位層２０は導体バイア２２から異なる所定の距離Ｓ１，Ｓ２に達する縁部４８を有していることがわかる。より詳細には、誘電体１６の下側の内部領域３１に近接する基準電位層２０の縁部４８は導体バイア２２のより幅の広い表面部分２９に近接する基準電位層２０の最小の間隙Ｓ１より大きい距離Ｓ２だけ導体バイア２２から離れている。距離Ｓ２は基準電位層２０の縁部４８と導体バイア２２との間のキャパシタンスを減小させるように選択される。しかしながらこの基準電位層２０のいずれかの側に配置された１対の信号導線１８の間にシールド損失があるために、Ｓ２は任意に大きくはできない。
【００１９】
またバックプレインのプリント回路ボード１２及びドータカードのプリント回路ボード１４の両方におけるバイア２２は各々のボード１２，１４における伝送線２５がこのマイクロストリップ伝送線２５にマッチングしたインピーダンスとなるように選択されていることがわかる。かくして、プリント回路ボード１２，１４の各々におけるマイクロストリップ伝送線２５のインピーダンスにマッチングしたインピーダンスを有する伝送線として形成された電気コネクタ組立体では、コネクタがプリント回路ボードにおける信号トレースのインピーダンスにきわめてマッチングしたインピーダンスを有するように設計されれば、信号導線１８でのデータがコネクタ組立体３０を通ってプリント回路ボード間に最大の効率で伝送される。かくして、一方のボードから電気コネクタを通って他方のボードまでのインピーダンスは実質的に一定である。
【００２０】
かくして、中空の導体バイア２２のより幅の広い表面部分２９は端子ピン４０に適合するように選択され、また導体バイアのより幅の狭い内部領域３１はマイクロストリップ伝送線２５のインピーダンスマッチングした成端となるように選択される。
【００２１】
導体バイア２２を形成する方法は、例えば従来の時間領域反射率計を用いてプリント回路ボード１２，１４における伝送線２５のインピーダンスを決定することを含む。前述したように、伝送線２５は誘電体１６の部分によって基準電位層２０で分離された信号導線１８を有している。そのとき導体バイア２２の形状（すなわちより幅の広い表面部分２９の幅、より幅の広い表面部分２９の深さ及びより幅の狭い内側部分３１の幅）は、基準電位層２０の縁部と導体バイアとの間の距離Ｓ２とともに、このような距離Ｓ２でのシールドの損失を考えて伝送線２５のインピーダンスに実質的にマッチングした成端インピーダンスを伝送線に与えるように選択される。他のプリント回路ボードについても同様の手順で行われる。
【００２２】
ここで例えばバイアによって与えられるインピーダンスはこのようなバイアを有するプリント回路ボードのインピーダンスの１０％以内である。コネクタを通じてのインピーダンスはこのようなコネクタが連結されるバイアのインピーダンスの１０％以内である。
【００２３】
ここで与えた数字は例示のためであることがわかるであろう。接地面とバイアとの段差関して用いられる正確な寸法はいくつかの要因に依存する。ボードの厚さはＳ１及びＳ２の寸法に影響するであろう。より厚いボードではより大きい段差が必要となろう。
【００２４】
本発明は厚いボード特に有用であろう。３．２ｍｍ（０．１２５インチ）より小さい厚さを有するボードは厚さの減小した部分がなく接地面からの標準的段差から外れずに所望の１０％以内のインピーダンスを与えるであろう。５．１ｍｍ（０．２００インチ）より厚いボードの場合本発明は特に有利である。
【００２５】
またＳ１及びＳ２の寸法はボードが動作する周波数に依存するであろう。周波数はボードによって移送される最も速い信号の立ち上がり時間として表されることが多い。３００ｐ秒より遅い立ち上がり時間で動作するボードは１０％以内のバイアのインピーダンスを得るために異なる段差を必要とはしないであろう。しかしながら本発明は３００ｐ秒以下の立ち上がり時間で動作するボードの場合に特に有用であり、立ち上がり時間が２００ｐ秒以下になると特に有用である。
【００２６】
前述のことから、寸法Ｓ１及びＳ２はボードの厚さ及び動作速度によって変化することがわかるであろう。プリント回路ボードを設計する者は以下の方法によりいくつかの要因に基づいてＳ１及びＳ２の寸法を選択するであろう。すなわち、直径Ｄ２は典型的にはプリント回路ボードの製造者がボードに容易に形成できる最も小さい孔によって支配されよう。寸法Ｓ１はまたボード製造工程における標準パラメータとなろう。
【００２７】
プリント回路ボードの設計者により孔に挿入されるコネクタの型に基づいて直径Ｄ２及び高さＨが選択されよう。
【００２８】
これらのパラメータが設定されると、信号入出部全体のインピーダンスを決定するため種々のＳ２の値でインピーダンスの計算が行われる。この種のインピーダンスの計算は典型的にはインピーダンス計算用に開発された市販のソフトウェアパッケージを用いて行われる。それからボードの製造のために所望のインピーダンスを与えるＳ２の値が選択される。
【００２９】
このグラフを用いるために、プリント回路ボードを設計する者はボードの厚さ及び動作周波数を同定するであろう。それから製造者はこの情報から最も近いＳ２の値を見いだすであろう。図５はボードの厚さＢ１，周波数Ｆ１を表す点を示している。この点はＳｃの値を有していて曲線に最も近い。かくしてＳｃがＳ２の寸法として選択されよう。Ｓｃはそれに対応する、インピーダンスの計算から導かれる実際の数値を有することがわかるであろう。
【００３０】
Ｓ２を選択する工程が各ボードの各孔に関して反復されよう。Ｓ２の値を選択するグラフによる方法を用いるために、各々の孔の大きさについて異なるグラフが必要となろう。
【００３１】
本発明の範囲内で他の実施例が考えられる。
例えば、ただ寸法Ｓ２を変えるだけでインピーダンスの制御がなされると説明した。寸法Ｓ１を変えることによってもインピーダンスの制御がなされるであろう。しかしながら信号トレースを配線するのに用いられる回路ボード上の面積が減少するのでＳ１を増大させるのは望ましくないであろう。親指の規則として、信号トレースは接地面との間の垂直方向の間隔の２倍よりも、近接する接地面の縁部に近接して配線すべきではない。しかしながら、所望のインピーダンスを有する信号入出部を得るために、Ｓ２をバイア２２に近接する接地面が表面の孔２９に近接する接地面よりもバイア２２の中心から離れる程度の大きさにすることが必要であり、Ｓ１の寸法を増大させるのが好ましいであろう。
【００３２】
この場合に、Ｓ１及びＳ２を、バイア２２及び孔２９に近接する接地面をバイア２２の中心から同じ距離に配置するレベルに設定するのが好ましいであろう。
【００３３】
また、プリント回路ボードの製造者がプリント回路ボードを設計するのに必要な情報を設計者に与えられるグラフによる手法を説明した。同じ情報及び補助がコンピュータプログラムとして与えられることがわかるであろう。コンピュータプログラムはボードの厚さ及び動作周波数を入力として受け取るであろう。ボードの厚さはインチ、ミリメートル、ボードにおける層の数あるいは他の便宜的な単位で特定されよう。コンピュータプログラムはまた上側の面の孔の寸法の指示を入力として必要とするであろう。このデータは長さの単位で特定され、あるいは孔に取り付けられるデバイスの型を用いて特定されよう。
【００３４】
このようなコンピュータプログラムはそれから所望であればＳ２の必要な寸法を計算できる。コンピュータプログラムは実質的に図５に関連して示された操作を行うことによって動作するであろう。あるいはコンピュータプログラムは数学的手法を用いて必要な寸法を決定するようにプログラムされよう。
【符号の説明】
【００３５】
１２，１４      プリント回路ボード
１６            誘電体
１８            信号導線
２０            基準電位層
２２            導体バイア
２５            伝送線
３２，３４      電気コネクタ
３６，３８      信号コンタクト
【図１】
2011040785.tif 000003
【図２】
2011040785.tif 000004
【図３】
2011040785.tif 000005
【図４】
2011040785.tif 000006
【図５】
2011040785.tif 000007