(57)【要約】【課題】複数の配線層の信号配線が信号ビアを介して接続される伝送路を有する印刷配線板において伝送路の特性インピーダンスの不整合を低減することを目的とする。【解決手段】第１配線層に設けられた第１信号配線（１１）と、第２配線層に設けられた第２信号配線（１５）と、第１信号配線の一端と第２信号配線の一端とを接続する信号ビア（１３）と、接地されかつ信号ビアと並んで設けられたグラウンドビア（１７）とを備え、板面に垂直な方向から見たときに、グラウンドビア（１７）が、信号ビア（１３）の中心から第１信号配線に沿った第１線分（Ａ）と、信号ビアの中心から第２信号配線に沿った第２線分（Ｂ）とが成す１８０°以下の角を対象角（θｔ）として、対象角（θｔ）を二等分する方向から、対象角（θｔ）を二等分した角度の±５０％の範囲内に設けられている。【選択図】図２
2019149502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１配線層に設けられた第１信号配線と、
第２配線層に設けられた第２信号配線と、
前記第１信号配線の一端と前記第２信号配線の一端とを接続する信号ビアと、
接地されかつ前記信号ビアと並んで設けられたグラウンドビアとを備え、
板面に垂直な方向から見たときに、前記グラウンドビアが、前記信号ビアの中心から前記第１信号配線に沿った第１線分と、前記信号ビアの中心から前記第２信号配線に沿った第２線分とが成す１８０°以下の角を対象角として、前記対象角を二等分する方向から、前記対象角を二等分した角度の±５０％の範囲内に設けられ、かつ、
前記信号ビアと前記グラウンドビアとの中心間距離ｓが式（１）を満たす、
【数３】
2019149502.tif 000006
ここで、Ｚ０は前記第１信号配線及び前記第２信号配線の特性インピーダンス、ｄは前記信号ビアの外径、εｒは前記信号ビアと前記グラウンドビアとの間の絶縁材料の比誘電率
ことを特徴とする印刷配線板。
【請求項２】
板面に垂直な方向から見て、前記グラウンドビアは、前記対象角を二等分する方向に設けられていることを特徴とする請求項１記載の印刷配線板。
【請求項３】
前記対象角は１８０°であり、
板面に垂直な方向から見て、前記グラウンドビアは、前記第１線分及び第２線分により二分される領域のいずれか一方に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の印刷配線板。
【請求項４】
前記グラウンドビアは、スルーホールビアであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の印刷配線板。
【請求項５】
前記グラウンドビアは、非貫通ビアであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の印刷配線板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、印刷配線板に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速伝送用の伝送路を有する多層配線基板においては、伝送路の特性インピーダンスが調整される。高速伝送用の伝送路としては、単一の配線層に設けられた信号配線、あるいは、複数の配線層の信号配線とこれらを接続する信号ビアとを組み合わせた構成などがある。配線層に設けられる信号配線は、線幅、並びに、信号配線とグラウンド層との間の絶縁層厚等により特性インピーダンスが調整される。また、信号ビアは、信号ビアの周囲にグラウンドビアを設けて特性インピーダンスが調整される。
【０００３】
特許文献１には、配線層の信号配線と信号ビアとを接続する信号ビアパッドの形態を工夫することで、この部分に生じる過剰誘導性リアクタンスを補正する技術が開示されている。特許文献２には、信号配線と信号ビアとの接続部の周囲に設けられるアンチパッド領域の形態を工夫することで、信号配線と信号ビアとの接続部で生じる信号の反射損失を低減する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００９−５２８６９３号公報
【特許文献２】特開２０１４−１７０８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
複数の配線層の信号配線が信号ビアを介して接続される高速伝送用の伝送路においては、未だ特性インピーダンスの不整合を改善する余地がある。本発明者は、信号ビアに近い範囲においては、信号配線とグラウンドビアとの配置関係が変わることで、グラウンドビアから信号配線へのリターン電流の経路が長くなったりあるいは短くなったりして、信号配線の特性インピーダンスが変化することを見出した。
【０００６】
本発明は、複数の配線層の信号配線が信号ビアを介して接続される伝送路を有する印刷配線板において伝送路の特性インピーダンスの不整合を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１記載の発明は、
第１配線層に設けられた第１信号配線と、
第２配線層に設けられた第２信号配線と、
前記第１信号配線の一端と前記第２信号配線の一端とを接続する信号ビアと、
接地されかつ前記信号ビアと並んで設けられたグラウンドビアとを備え、
板面に垂直な方向から見たときに、前記グラウンドビアが、前記信号ビアの中心から前記第１信号配線に沿った第１線分と、前記信号ビアの中心から前記第２信号配線に沿った第２線分とが成す１８０°以下の角を対象角として、前記対象角を二等分する方向から、前記対象角を二等分した角度の±５０％の範囲内に設けられ、かつ、
前記信号ビアと前記グラウンドビアとの中心間距離ｓが式（１）を満たす、
【数１】
2019149502.tif 000003
ここで、Ｚ0は前記第１信号配線及び前記第２信号配線の特性インピーダンス、ｄは前記信号ビアの外径、εｒは前記信号ビアと前記グラウンドビアとの間の絶縁材料の比誘電率
ことを特徴とする印刷配線板である。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の印刷配線板において、
板面に垂直な方向から見て、前記グラウンドビアは、前記対象角を二等分する方向に設けられていることを特徴とする。
【０００９】
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の印刷配線板において、
前記対象角は１８０°であり、
板面に垂直な方向から見て、前記グラウンドビアは、前記第１線分及び第２線分により二分される領域のいずれか一方に設けられていることを特徴とする。
【００１０】
請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の印刷配線板において、前記グラウンドビアは、スルーホールビアであることを特徴とする。
【００１１】
請求項５記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の印刷配線板において、前記グラウンドビアは、非貫通ビアであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、複数の配線層の信号配線が信号ビアを介して接続される伝送路を有する印刷配線板において伝送路の特性インピーダンスの不整合を低減できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る実施形態の印刷配線板の一部を示す斜視図である。
【図２】図１の伝送路を板面に垂直な方向から見た図である。
【図３】図１の印刷配線板の各配線層を示す説明図である。
【図４】一方の信号配線が第１象限にある場合のグラウンドビアの配置を示す図である。
【図５】一方の信号配線が第２象限にある場合のグラウンドビアの配置を示す図である。
【図６】一方の信号配線が第２象限と第３象限との間にある場合のグラウンドビアの配置を示す図である。
【図７】一方の信号配線が第３象限にある場合のグラウンドビアの配置を示す図である。
【図８】一方の信号配線が第４象限にある場合のグラウンドビアの配置を示す図である。
【図９】シミュレーションを行ったグラウンドビアの複数の配置例を示す図である。
【図１０】シミュレーションで採用された各部の寸法を表わす図である。
【図１１】透過特性のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１２】反射特性のシミュレーション結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る実施形態の印刷配線板の一部を示す斜視図である。図２は、図１の伝送路を板面に垂直な方向から見た図である。図３は、図１の印刷配線板の各配線層を示す説明図である。
【００１６】
本実施形態の印刷配線板１は、信号配線が形成される配線層Ｌ１と、電極プレーン（グラウンドプレーン又は電源プレーン）Ｇ１が形成される配線層Ｌ２と、電極プレーン（グラウンドプレーン）Ｇ２が形成される配線層Ｌ３と、信号配線が形成される配線層Ｌ４とを有する多層配線基板である。配線層Ｌ１〜Ｌ４の間には絶縁層が形成されている。印刷配線板１には、配線層Ｌ１の信号配線１１と、配線層Ｌ４の信号配線１５と、信号配線１１の一端と信号配線１５の一端とを接続する信号ビア１３と、信号ビア１３の特性インピーダンスを調整するグラウンドビア１７とが設けられている。信号ビア１３と信号配線１１、１５はランドを介して接続される。信号配線１１、１５と信号ビア１３との組み合わせは、高速の信号を伝送する高速伝送用の伝送路である。図３に示すように、電極プレーンＧ１、Ｇ２には、信号ビア１３と電気的に断絶されるよう信号ビア１３の周辺にアンチパッド領域Ｒａが設けられている。グラウンドビア１７は、電極プレーンＧ１、Ｇ２に接続されている。なお、電極プレーンＧ１が電源プレーンである場合には、電極プレーンＧ１のグラウンドビア１７の周囲にアンチパッド領域Ｒｂ（図３を参照）が設けられる。これらのうち、配線層Ｌ１と配線層Ｌ２が本発明に係る第１配線層と第２配線層との一例に相当する。信号配線１１、１５が、本発明に係る第１信号配線と第２信号配線との一例に相当する。
【００１７】
続いて、図２に示すように、信号配線１１、１５の角度、信号ビア１３及びグラウンドビア１７の距離、グラウンドビア１７の配置角度について説明する。以下では、印刷配線板１の板面に垂直な方向から見たときの形態について説明する。
【００１８】
信号ビア１３の近傍において、信号配線１１と信号配線１５とは直線状である。以下では、この近傍の部分の信号配線１１に沿った線分を第１線分Ａ、信号配線１５に沿った線分を第２線分Ｂ、第１線分Ａと第２線分Ｂとが交わる信号ビア１３の中心を頂点Ｃ、第１線分Ａと第２線分Ｂとが成す角のうち１８０°以下の方の角を対象角θｔと表わす。信号ビア１３の近傍とは、例えば後述する中心間距離ｓ以内の範囲を意味する。
【００１９】
グラウンドビア１７は、電極プレーンＧ１、Ｇ２に接続（接地）されたスルーホールビアである。グラウンドビア１７は信号ビア１３に並んで設けられる。１つの信号ビア１３に対して１つのグラウンドビア１７が設けられる。なお、グラウンドビア１７は、印刷配線板１の全層を貫通している必要はなく、信号配線１１、１５の層と電極プレーンＧ１、Ｇ２の層に及ぶ非貫通ビアであってもよい。
【００２０】
グラウンドビア１７と信号ビア１３との中心間距離ｓは、次式（１）を満たすように設定される。式（１）は、ツイストペアケーブルの特性インピーダンスを表わす関係式である。
【数２】
2019149502.tif 000004
ここで、Ｚ０は信号配線１１及び信号配線１５の特性インピーダンス、ｄは信号ビア１３の外径、εｒは信号ビア１３とグラウンドビア１７との間の絶縁材料の比誘電率である。
【００２１】
グラウンドビア１７の配置角度（中心の配置角度）は、対象角θｔを二等分する方向から、対象角θｔを二等分した角度の±５０％の範囲内に設定される。また、この配置角度は、対象角θｔを二等分する方向としてもよく、この場合、特性インピーダンスの不整合がより改善される。
【００２２】
＜変形例＞
続いて、信号配線１１、１５の角度が異なる複数の配線パターンにおけるグラウンドビアの配置例を示す。図４、図５、図７、図８は、一方の信号配線がそれぞれ第１象限〜第４象限にある場合のグラウンドビアの配置を示す図である。図６は、一方の信号配線が第２象限と第３象限との間にある場合のグラウンドビアの配置を示す図である。これらの図では、伝送路の一端に高速信号を送信するドライバＩＣ（集積回路）４１が接続され、伝送路の他端に高速信号を受信するレシーバＩＣ４２が接続されている例を示す。
【００２３】
ここでは、印刷配線板１の板面に垂直な方向から見たときの形態について説明する。信号ビア１３の近傍において信号配線１１が延びる直線Ｋ１と、信号ビア１３の中央を通り直線Ｋ１に垂直な直線Ｋ２を境とする４つの領域を、時計周りに第１象限から第４象限とそれぞれ表わす。図４〜図８の破線で示した円ｂは、信号ビア１３から上述の中心間距離ｓの位置を示す。
【００２４】
図４の例では、信号ビア１３の近傍において、配線層Ｌ４の信号配線１５は、第１象限に配置されている。このような場合、グラウンドビア１７は、第１象限において、対象角θｔを二等分する方向で、信号ビア１３から中心間距離ｓの位置に設けられる。
【００２５】
図５の例では、信号ビア１３の近傍において、配線層Ｌ４の信号配線１５は、第２象限に配置されている。このような場合、グラウンドビア１７は、第１象限において、対象角θｔを二等分する方向で、信号ビア１３から中心間距離ｓの位置に設けられる。
【００２６】
図６の例では、信号ビア１３の近傍において、配線層Ｌ４の信号配線１５は、第２象限と第３象限との境界に配置されている。すなわち、少なくとも信号ビア１３の近傍において、信号配線１１と信号配線１５とは同一方向に延びるように設けられている。このような場合、グラウンドビア１７は、第１象限と第２象限との境界、又は、第３象限と第４象限との境界のうちいずれか一方に設けられる。図６では、前者の例を示している。この場合でも、グラウンドビア１７は、対象角θｔを二等分する方向で、信号ビア１３から中心間距離ｓの位置に設けられる。
【００２７】
図７の例では、信号ビア１３の近傍において、配線層Ｌ４の信号配線１５は、第３象限に配置されている。このような場合、グラウンドビア１７は、第４象限において、対象角θｔを二等分する方向で、信号ビア１３から中心間距離ｓの位置に設けられる。
【００２８】
図８の例では、信号ビア１３の近傍において、配線層Ｌ４の信号配線１５は、第４象限に配置されている。このような場合、グラウンドビア１７は、第４象限において、対象角θｔを二等分する方向で、信号ビア１３から中心間距離ｓの位置に設けられる。
【００２９】
なお、図４〜図８の例では、グラウンドビア１７が対象角θｔを二等分する方向に設けられた例を示したが、グラウンドビア１７は、前述したように、対象角θｔを二等分する方向から、対象角θｔを二等分した角度の±５０％の範囲内に設けてもよい。
【００３０】
＜特性インピーダンス＞
続いて、グラウンドビアの配置が異なる複数の伝送路についてのシミュレーション結果を説明する。図９は、シミュレーションを行ったグラウンドビアの複数の配置例を示す図である。図１０（Ａ）、（Ｂ）は、シミュレーションで採用される各部の寸法を表わす図である。図９においては、ランドを省略してグラウンドビア１７Ａ〜１７Ｊを示している。
【００３１】
シミュレーションの条件は、次の通りである。すなわち、図９に示すように、信号ビア１３の近傍において、信号ビア１３から信号配線１１に沿った第１線分Ａと、信号ビア１３から信号配線１５に沿った第２線分Ｂとの成す角度を１３５°とした。また、各配置例のグラウンドビア１７Ａ〜１７Ｊの各中心は、信号ビア１３との中心間距離ｓが前述の式（１）を満たすように、信号ビア１３を中心とするφ１.９ｍｍの円上に配置した。
【００３２】
図１０（Ａ）に示すように、信号配線１１、１５の線幅ｗを０．２３ｍｍ、信号配線１１の配線長ｌ１を２８ｍｍ、信号配線１５の配線長ｌ２を２８.５８ｍｍとし、信号配線１１、１５の特性インピーダンスは５０Ωとした。配線層Ｌ２、Ｌ３の電極プレーンＧ１、Ｇ２のアンチパッド領域の直径φ２を０．９ｍｍとした。図１０（Ｂ）に示すように、信号ビア１３及びグラウンドビア１７Ａ〜１７Ｊは内径φ１１が０．２ｍｍ、外径φ１２が０．２５ｍｍ、ランドの直径φ１３が０．４８ｍｍとした。
【００３３】
さらに、印刷配線板１は、下記の表に示すように、配線層Ｌ１の上面と配線層Ｌ４の下面とにソルダーレジスト層ＳＲが形成され、配線層Ｌ１〜Ｌ４の間の絶縁層がＦＲ４（ガラス布基材エポキシ樹脂）である構成を採用した。表の２列目は各層の厚み、表の３列目は各層の特性を示している。ｅｒは比誘電率、ｔａｎδは誘電正接を示す。
【表１】
2019149502.tif 000005
【００３４】
シミュレーションでは、グラウンドビア１７Ａ〜１７Ｊの配置角度を、図９に示す１０通りに変えた複数のパターンＴｙｐｅＡ〜ＴｙｐｅＪの各々に対して、信号の透過特性と反射特性とを求めた。１０通りのパターンのうち、パターンＴｙｐｅＡ、Ｃ、Ｄが、本発明の実施形態に係るグラウンドビア１７の配置であり、その他は比較例である。図９のψ２は、対象角θｔを二等分した方向から、対象角θｔを二等分した角度の±５０％の範囲を示す。
【００３５】
図１１は、透過特性のシミュレーション結果を示すグラフである。図１２は、反射特性のシミュレーション結果を示すグラフである。透過特性は、信号配線１１の一端から入力した高周波信号と、この信号が信号ビア１３を通過して信号配線１５の他端まで到達した信号との、パワー比率を表わす。反射特性は、信号配線１１の一端から入力した高周波信号と、伝送路を通過する過程で反射して戻された信号との、パワー比率を表わす。
【００３６】
透過特性のシミュレーションの結果（図１１）、全ての信号帯域で、パターンＴｙｐｅＡ、Ｃ、Ｄの透過特性が、他のパターンの値に比べて高くなり伝送路の特性インピーダンスの不整合が改善されていることが分かった。
【００３７】
また、反射特性のシミュレーションの結果（図１２）、２ＧＨｚ〜２０ＧＨｚの信号帯域で、パターンＴｙｐｅＡ、Ｃ、Ｄの反射特性が、他のパターンの値に比べて顕著に低くなり、伝送路の特性インピーダンスの不整合が改善されていることが分かった。
【００３８】
以上のように、本実施形態の印刷配線板１によれば、図２に示すように、グラウンドビア１７が、対象角θｔを二等分する方向から、対象角θｔを二等分する角度の±５０％の範囲に設けられている。グラウンドビア１７と信号ビア１３との中心間距離ｓが、前述の式（１）を満たしている。これにより、図１１及び図１２のシミュレーション結果に示したように、信号ビア１３を介した高速伝送用の伝送路の特性インピーダンスの不整合を改善することができる。上述した伝送路が１３５°に屈曲している場合のシミュレーション結果は一例である。このような特徴的な配置構成による効果は、板面に垂直な方向から信号ビア１３の近傍を見たときに、信号ビア１３の中心を頂点として、信号配線１１と信号配線１５とが何度に屈曲していても、顕著に表れる。
【００３９】
なお、信号配線１１、１５が信号ビア１３の近傍だけでなく、全範囲において直線状であれば、グラウンドビア１７の最適な配置角度は、対象角θｔを二等分する方向であると考えられる。一方、信号配線１１、１５の一方又は両方が、信号ビア１３から離れた範囲で屈曲している場合には、信号配線１１、１５とグラウンドビア１７との間に生じるリターン電流の経路長が、信号配線１１、１５の屈曲により影響を受ける。したがって、このような場合、グラウンドビア１７の最適な配置角度は、対象角θｔを二等分する方向からずれる場合があるが、対象角θｔを二等分する角度の±５０％の範囲には十分に含まれる。
【００４０】
本実施形態の印刷配線板１によれは、図６に示したように、対象角θｔが１８０°である場合、板面に垂直な方向から見て、信号配線１１、１５により二分される領域の一方において、上記の配置条件を満たすようにグラウンドビア１７が設けられる。これにより、図２の場合と同様に特性インピーダンスの不整合を改善することができる。
【００４１】
本実施形態の印刷配線板１において、グラウンドビア１７は、スルーホールビア又は非貫通ビアである。スルーホールビアである場合と、非貫通ビアである場合とで、グラウンドビア１７と信号配線１１、１５との間のリターン電流の経路に差異が生じない。したがって、グラウンドビア１７をスルーホールビアとした場合でも、非貫通ビアとした場合でも、同様に特性インピーダンスの不整合を改善することができる。
【００４２】
以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限られるものでない。例えば、上記実施形態では、信号ビアとグラウンドビアとの中心間距離の値を厳密に示したが、中心間距離には公差の範囲で誤差が含まれていてもよい。また、シミュレーションにおいて、各構成要素の寸法及び特性について一例を示したが、これらは本発明の各構成要素を限定するものではない。印刷配線板とは、配線層を印刷により形成することを意味するものでなく、多層配線基板と言い換えてもよい。その他、実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１  印刷配線板
Ｌ１〜Ｌ４  配線層
１１、１５  信号配線
１３  信号ビア
１７  グラウンドビア
Ａ  第１線分
Ｂ  第２線分
θｔ  対象角
Ｇ１、Ｇ２  電極プレーン
Ｒａ、Ｒｂ  アンチパッド領域
【図１】
2019149502.tif 000007
【図２】
2019149502.tif 000008
【図３】
2019149502.tif 000009
【図４】
2019149502.tif 000010
【図５】
2019149502.tif 000011
【図６】
2019149502.tif 000012
【図７】
2019149502.tif 000013
【図８】
2019149502.tif 000014
【図９】
2019149502.tif 000015
【図１０】
2019149502.tif 000016
【図１１】
2019149502.tif 000017
【図１２】
2019149502.tif 000018