(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリント回路基板に設けられたプリント回路基板用コンパクトビア伝送路であって、前記コンパクトビア伝送路は、
前記コンパクトビア伝送路の内側導体境界を構成し信号が伝達する中心導体と、
前記コンパクト伝送路の外側導体境界を構成する複数のグランドビアホールと、
前記グランドビアホールに接続する前記プリント回路基板の導体層からなるグランドプレートと、
前記内側導体境界と前記外側導体境界との間に設けられ前記プリント回路基板の比誘電率を調整するための比誘電率調整用ビアホールとを含み、
前記比誘電率調整用ビアホールは、前記プリント回路基板を構成する絶縁層の第１の比誘電率と異なる第２の比誘電率を有する一様な媒体または複合媒体で充填されているプリント回路基板用コンパクトビア伝送路。
【請求項２】
前記プリント回路基板は、複数の導体層を有する多層プリント回路基板である請求項１記載のプリント回路基板用コンパクトビア伝送路。
【請求項３】
前記コンパクトビア伝送路は、前記プリント回路基板に実装され、前記コンパクトビア伝送路は内部接続回路に接続される請求項１記載のプリント回路基板用コンパクトビア伝送路。
【請求項４】
前記第２の比誘電率の値は、前記第１の比誘電率の値よりも小さい請求項１記載のプリント回路基板用コンパクトビア伝送路。
【請求項５】
プリント回路基板に設けられたプリント回路基板用コンパクトビア伝送路であって、前記コンパクトビア伝送路は、
前記コンパクトビア伝送路の内側導体境界を構成し信号が伝達する中心導体と、
前記コンパクト伝送路の外側導体境界を構成する複数のグランドビアホールと、
前記グランドビアホールに接続する前記プリント回路基板の導体層からなるグランドプレートと、
前記内側導体境界と前記外側導体境界との間に設けられた比誘電率調整用ビアホールと、
前記内側導体境界と前記外側導体境界との間に前記プリント回路基板を穿つように設けられた空気孔とを含むプリント回路基板用コンパクトビア伝送路。
【請求項６】
前記空気孔は、前記プリント回路基板に設けられたビア伝送路とこのビア伝送路に接続する内部接続回路を有する請求項５記載のプリント回路基板用コンパクトビア伝送路。
【請求項７】
前記空気孔は、少なくとも２つの異なった大きさの円形形状からなる前記空気孔を含む請求項５記載のプリント回路基板用コンパクトビア伝送路。
【請求項８】
前記空気孔は、前記内側導体境界と前記外側導体境界との間に不規則に配置される請求項５記載のプリント回路基板用コンパクトビア伝送路。
【請求項９】
前記空気孔は、信号ビアホールに対して対称となるように配置される請求項５記載のプリント回路基板用コンパクトビア伝送路。
【請求項１０】
前記空気孔の縦断面形状の最大長が、前記プリント回路基板の絶縁層中を伝搬する信号の所定の周波数範囲における最小波長の１／８以下である請求項５記載のプリント回路基板用コンパクトビア伝送路。
【請求項１１】
前記グランドビアホールが円周上に配列される請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載のプリント回路基板用コンパクトビア伝送路。
【請求項１２】
前記グランドビアホールが正方形に配列される請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載のプリント回路基板用コンパクトビア伝送路。
【請求項１３】
前記プリント回路基板を伝搬する主たる電磁波の電界および磁界が伝搬方向に対して垂直方向であり、かつ電界と磁界とが互いに直交している請求項６記載のプリント回路基板用コンパクトビア伝送路。
【請求項１４】
プリント回路基板に設けられたプリント回路基板用コンパクトビア伝送路であって、前記コンパクトビア伝送路は、
前記コンパクトビア伝送路の２つの内側導体境界を構成し差動信号が伝達する２つの中心導体と、
前記２つの中心導体の周囲にそれぞれ配置された２つの外側導体境界を構成する複数のグランドビアホールと、
前記グランドビアホールに接続する前記プリント回路基板の導体層からなるグランドプレートと、
前記２つの内側導体境界と前記２つの外側導体境界との間に設けられ前記プリント回路基板の比誘電率を調整するための２つの比誘電率調整用ビアホールとを含み、
前記２つの比誘電率調整用ビアホールは、前記プリント回路基板を構成する絶縁層の第１の比誘電率と異なる第２の比誘電率を有する一様な媒体または複合媒体でそれぞれ充填されているプリント回路基板用コンパクトビア伝送路。
【請求項１５】
プリント回路基板に設けられたプリント回路基板用コンパクトビア伝送路の内側導体境界を構成し信号が伝達する中心導体と、前記コンパクト伝送路の外側導体境界を構成する複数のグランドビアホールおよびこのグランドビアホールに接続する前記プリント回路基板の導体層からなるグランドプレートとを含むプリント回路基板用コンパクトビア伝送路の設計方法であって、
前記内側導体境界と前記外側導体境界との間に前記プリント回路基板の比誘電率を調整するための比誘電率調整用ビアホールを設け、前記比誘電率調整用ビアホールを、前記プリント回路基板を構成する絶縁層の第１の比誘電率と異なる第２の比誘電率を有する一様媒体または複合媒体でそれぞれ充填するプリント回路基板用コンパクトビア伝送路の設計方法。
【請求項１６】
前記第２の比誘電率は、前記第１の比誘電率よりも小さい請求項１５記載のプリント回路基板用コンパクトビア伝送路の設計方法。
【請求項１７】
前記コンパクトビア伝送路は、前記プリント回路基板に実装され、前記コンパクトビア伝送路に接続される内部接続回路に接続される請求項１５記載のプリント回路基板用コンパクトビア伝送路の設計方法。
【請求項１８】
プリント回路基板に設けられたプリント回路基板用コンパクトビア伝送路の内側導体境界を構成し信号が伝達する中心導体と、前記コンパクト伝送路の外側導体境界を構成する複数のグランドビアホールおよびこのグランドビアホールに接続する前記プリント回路基板の導体層からなるグランドプレートとを含むプリント回路基板用コンパクトビア伝送路の設計方法であって、
前記内側導体境界と前記外側導体境界との間に比誘電率調整用ビアホールを設け、前記内側導体境界と前記外側導体境界との間にさらに前記プリント回路基板を穿つように空気孔を形成するプリント回路基板用コンパクトビア伝送路の設計方法。
【請求項１９】
前記空気孔は、前記プリント回路基板に設けられたビア伝送路とこのビア伝送路に接続する内部接続回路を有する請求項１８記載のプリント回路基板用コンパクトビア伝送路の設計方法。
【請求項２０】
前記プリント回路基板を伝搬する主たる電磁波の電界および磁界が伝搬方向に対して垂直方向であり、かつ電界と磁界とが互いに直交している請求項１９記載のプリント回路基板用コンパクトビア伝送路の設計方法。
【請求項２１】
前記空気孔の縦断面形状の最大長が、前記プリント回路基板の絶縁層中を伝搬する信号の所定の周波数範囲における最小波長の１／８以下である請求項１８記載のプリント回路基板用コンパクトビア伝送路の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプリント回路基板用コンパクトビア伝送路およびその設計方法に関し、特にビア伝送路を構成する比誘電率調整用ビアホールを充填した充填用媒体の比誘電率が、プリント回路基板を構成する絶縁層の構造パラメータと異なる小型化したプリント回路基板用コンパクトビア伝送路およびその設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明に関する現時点での技術水準をより十分に説明する目的で、本願で引用され或いは特定される特許、特許出願、特許公報、科学論文等の全てを、ここに、参照することでそれらの全ての説明を組入れる。
【０００３】
プリント回路基板の内部接続部は、デジタルデバイスおよび通信用デバイスの高速化および実装密度の向上にとって非常に重要であり、これらのデバイスの電気的特性に大きな影響を及ぼす。多層基板を含むプリント回路基板において、従来からローコストで、かつグランド、電源、信号をそれぞれ供給し絶縁層により相互に絶縁された多数の導体層を相互接続する内部接続技術が広く用いられている。これらの技術は、マイクロストリップライン、ストリップライン、コプレーナライン、スロットラインなどプレーナ伝送路のような内部接続回路の開発および設計において特に重要である。
【０００４】
従来、グランドプレートと接続するグランド用ビアホールを多層基板に設け、バイアスパターンに漏れ込んだ高周波信号がグランドプレートに挟まれた導電層を介して不要伝搬モードが発生するのを抑制する提案がなされている。この従来技術は例えば、特開平９−３２１５０１号公報（特許文献１）に開示される。
【０００５】
またプリント回路基板に、金属板、絶縁物、金属ピンにより所定のインピーダンスの同軸線路を構成し、ここに高周波信号を通すことにより所定インピーダンスの同軸線路を構成し、信号減衰を小さくする技術が、例えば特開平６−１０４６０１号公報（特許文献２）に開示されている。
【０００６】
さらに、電磁波を遮蔽するためのビアホールを各ビアホール同士の間隔が実効波長の１／２未満となるように四辺に配置して、共振を生じさせないような技術が、例えば特開２００１−６８５９６号公報（特許文献３）に開示されている。
【０００７】
上述した特許公報に記載されているように、プリント回路基板に垂直方向の内部接続部の代表的なものとしては、ビアホール構造がある。プリント回路基板に形成された単純なビアホールは、プリント回路基板を構成する絶縁層に寄生的な発振を生じさせ、プリント回路基板から不要な電磁輻射を発生する。このため、特許文献３に記載されているように、このような不要な輻射の影響を避けるためにグランドビアホールを障壁として用いる方法が行われている。
【０００８】
しかしながら、一つの信号ビアホールと、グランドビアホールの障壁からなる複合したビア伝送路に関してインピーダンスマッチングを正確に行うことは、複合したビア伝送路を小型化する場合に必須であるものの、どうしても避けて通れない困難な問題を生じているのが実状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平９−３２１５０１号公報
【特許文献２】特開平６−１０４６０１号公報
【特許文献３】特開２００１−６８５９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って本発明の主たる目的は、高密度実装に適した小型でかつ好適な特性インピーダンスを有するコンパクトビア伝送路を実現するとともに、多層プリント回路基板を含むプリント回路基板におけるビア伝送路の周波数範囲を拡大することである。
【００１１】
さらに本願発明の他の目的は、プリント回路基板を構成するコンパクトビア伝送路に対して、プリント回路基板の導体層間を絶縁する絶縁層の構造パラメータ例えば比誘電率および比透磁率と、コンパクトビア伝送路の比誘電率調整用ビアホールを構成する充填用媒体の構造パラメータとを異なるように形成することにより、内部接続回路およびプリント回路基板の小型化を図るとともに、所望の特性インピーダンスを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の側面は、プリント回路基板に設けられたプリント回路基板用コンパクトビア伝送路であって、前記コンパクトビア伝送路は、前記コンパクトビア伝送路の内側導体境界を構成し信号が伝達する中心導体と、前記コンパクト伝送路の外側導体境界を構成する複数のグランドビアホールと、前記グランドビアホールに接続する前記プリント回路基板の導体層からなるグランドプレートと、前記内側導体境界と前記外側導体境界との間に設けられ前記プリント回路基板の比誘電率を調整するための比誘電率調整用ビアホールとを含み、前記比誘電率調整用ビアホールは、前記プリント回路基板を構成する絶縁層の第１の比誘電率と異なる第２の比誘電率を有する一様な媒体または複合媒体で充填されている。
【００１３】
前記プリント回路基板は、複数の導体層を有する多層プリント回路基板であることが望ましい。
【００１４】
前記コンパクトビア伝送路は、前記プリント回路基板に実装され、前記コンパクトビア伝送路は内部接続回路に接続されていることが望ましい。
【００１５】
前記第２の比誘電率の値は、前記第１の比誘電率の値よりも小さいことが望ましい。
【００１６】
前記グランドビアホールは円周上に配列されてもよい。また、前記グランドビアホールが正方形に配列されてもよい。
【００１７】
本発明の第２の側面は、プリント回路基板に設けられたプリント回路基板用コンパクトビア伝送路であって、前記コンパクトビア伝送路は、前記コンパクトビア伝送路の内側導体境界を構成し信号が伝達する中心導体と、前記コンパクト伝送路の外側導体境界を構成する複数のグランドビアホールと、前記グランドビアホールに接続する前記プリント回路基板の導体層からなるグランドプレートと、前記内側導体境界と前記外側導体境界との間に設けられた比誘電率調整用ビアホールと、前記内側導体境界と前記外側導体境界との間に前記プリント回路基板を穿つように設けられた空気孔とを含む。
【００１８】
前記空気孔は、前記プリント回路基板に設けられたビア伝送路とこのビア伝送路に接続する内部接続回路を有することが望ましい。
【００１９】
前記空気孔は、少なくとも２つの異なった大きさの円形形状からなる前記空気孔を含んでもよい。
【００２０】
前記空気孔は、前記内側導体境界と前記外側導体境界との間に不規則に配置されてもよい。
【００２１】
前記空気孔は、信号ビアホールに対して対称となるよう配置されてもよい。
【００２２】
前記空気孔の縦断面形状の最大長が、前記プリント回路基板の絶縁層中を伝搬する信号の所定の周波数範囲における最小波長の１／８以下であることが望ましい。
【００２３】
前記グランドビアホールは円周上に配列されてもよい。また、前記グランドビアホールが正方形に配列されてもよい。
【００２４】
前記プリント回路基板を伝搬する主たる電磁波の電界および磁界が伝搬方向に対して垂直方向であり、かつ電界と磁界とが互いに直交していることが望ましい。
【００２５】
本発明の第３の側面は、プリント回路基板に設けられたプリント回路基板用コンパクトビア伝送路であって、前記コンパクトビア伝送路は、前記コンパクトビア伝送路の２つの内側導体境界を構成し差動信号が伝達する２つの中心導体と、前記２つの中心導体の周囲にそれぞれ配置された２つの外側導体境界を構成する複数のグランドビアホールと、前記グランドビアホールに接続する前記プリント回路基板の導体層からなるグランドプレートと、前記２つの内側導体境界と前記２つの外側導体境界との間に設けられ前記プリント回路基板の比誘電率を調整するための２つの比誘電率調整用ビアホールとを含み、前記２つの比誘電率調整用ビアホールは、前記プリント回路基板を構成する絶縁層の第１の比誘電率と異なる第２の比誘電率を有する一様な媒体または複合媒体でそれぞれ充填されている。
【００２６】
本発明の第４の側面は、プリント回路基板に設けられたプリント回路基板用コンパクトビア伝送路の内側導体境界を構成し信号が伝達する中心導体と、前記コンパクト伝送路の外側導体境界を構成する複数のグランドビアホールおよびこのグランドビアホールに接続する前記プリント回路基板の導体層からなるグランドプレートとを含むプリント回路基板用コンパクトビア伝送路の設計方法であって、前記内側導体境界と前記外側導体境界との間に前記プリント回路基板の構造パラメータを調整するための構造パラメータ調整用ビアホールを設け、前記構造パラメータ調整用ビアホールを、前記プリント回路基板を構成する絶縁層の第１の比誘電率と異なる第２の比誘電率を有する一様媒体または複合媒体でそれぞれ充填する。
【００２７】
前記第２の比誘電率は、前記第１の比誘電率よりも小さいことが望ましい。
【００２８】
前記コンパクトビア伝送路は、前記プリント回路基板に実装され、前記コンパクトビア伝送路に接続される内部接続回路に接続されることが望ましい。
【００２９】
本発明の第５の側面は、プリント回路基板に設けられたプリント回路基板用コンパクトビア伝送路の内側導体境界を構成し信号が伝達する中心導体と、前記コンパクト伝送路の外側導体境界を構成する複数のグランドビアホールおよびこのグランドビアホールに接続する前記プリント回路基板の導体層からなるグランドプレートとを含むプリント回路基板用コンパクトビア伝送路の設計方法であって、
前記内側導体境界と前記外側導体境界との間に比誘電率調整用ビアホールを設け、前記内側導体境界と前記外側導体境界との間にさらに前記プリント回路基板を穿つように空気孔を形成する。
【００３０】
前記空気孔は、前記プリント回路基板に設けられたビア伝送路とこのビア伝送路に接続する内部接続回路を有することが望ましい。
【００３１】
前記プリント回路基板を伝搬する主たる電磁波の電界および磁界が伝搬方向に対して垂直方向であり、かつ電界と磁界とが互いに直交していることが望ましい。
【００３２】
前記空気孔の縦断面形状の最大長が、前記プリント回路基板の絶縁層中を伝搬する信号の所定の周波数範囲における最小波長の１／８以下であることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１Ａ】プリント回路基板において、本願発明におけるコンパクトビア伝送路を示す平面図である。
【図１Ｂ】プリント回路基板において、本願発明におけるコンパクトビア伝送路を示す縦断面図である。
【図２Ａ】プリント回路基板において、グランドビアホールが円周上に配置された本願発明におけるコンパクトビア伝送路を示す平面図である。
【図２Ｂ】プリント回路基板において、グランドビアホールが円周上に配置された本願発明におけるコンパクトビア伝送路を示す縦断面図である。
【図３Ａ】プリント回路基板において、グランドビアホールが正方形に配置された本願発明におけるコンパクトビア伝送路を示す平面図である。
【図３Ｂ】プリント回路基板において、グランドビアホールが正方形に配置された本願発明におけるコンパクトビア伝送路を示す縦断面図である。
【図４Ａ】プリント回路基板において、コンパクトビア伝送路の構造パラメータ調整用ビアホールの領域に、空気孔が形成された本願発明におけるコンパクトビア伝送路を示す平面図である。
【図４Ｂ】プリント回路基板において、コンパクトビア伝送路の構造パラメータ調整用ビアホールの領域に、空気孔が形成された本願発明におけるコンパクトビア伝送路を示す縦断面図である。
【図５Ａ】プリント回路基板において、中心導体とグランドビアホール間に形成された空気孔を有し、構造パラメータ調整用ビアホールと、プリント回路基板のグランド層を形成する導体プレートを備えた本願発明におけるコンパクトビア伝送路を示す平面図である。
【図５Ｂ】プリント回路基板において、中心導体とグランドビアホール間に形成された空気孔を有し、構造パラメータ調整用ビアホールと、プリント回路基板のグランド層を形成する導体プレートを備えた本願発明におけるコンパクトビア伝送路を示す縦断面図である。
【図６Ａ】プリント回路基板において、円形でかつ異なる大きさの空気孔が形成された本願発明におけるコンパクトビア伝送路を示す平面図である。
【図６Ｂ】プリント回路基板において、円形でかつ異なる大きさの空気孔が形成された本願発明におけるコンパクトビア伝送路を示す縦断面図である。
【図７】本願発明における正方形および長方形の空気孔が形成されたコンパクトビア伝送路を示す平面図である。
【図８】本願発明における予め定められた基準に従って空気孔が配置されたコンパクトビア伝送路を示す平面図である。
【図９】本願発明における空気孔が不規則に配置されたコンパクトビア伝送路を示す平面図である。
【図１０Ａ】プリント回路基板において、本願発明におけるコンパクトビア伝送路からストリップラインに至る伝送路を示す平面図である。
【図１０Ｂ】プリント回路基板において、本願発明におけるコンパクトビア伝送路からストリップラインに至る伝送路を示す縦断面図である。
【図１１Ａ】プリント回路基板において、本願発明におけるコンパクトビア伝送路からマイクロストリップラインに至る伝送路を示す平面図である。
【図１１Ｂ】プリント回路基板において、本願発明におけるコンパクトビア伝送路からマイクロストリップラインに至る伝送路を示す縦断面図である。
【図１２】プリント回路基板において、本願発明における差動信号を伝送するためにコンパクトビア伝送路を形成するとともにそれぞれ２つのストリップラインと接続する複合ビアホール構造を有する２つの基本セルを示す平面図である。
【図１３】プリント回路基板において、本願発明におけるコンパクトビア伝送路が形成されストリップラインと接続したＳＭＡコネクタにおけるビアホール構造を示す平面図である。
【図１４Ａ】プリント回路基板において、グランドビアホールが円周上に配置され、中心導体、グランドビアホール、構造パラメータ調整用ビアホール、充填用媒体が多層プリント回路基板表面から途中まで形成された本願発明におけるコンパクトビア伝送路を示す平面図である。
【図１４Ｂ】プリント回路基板において、グランドビアホールが円周上に配置され、中心導体、グランドビアホール、構造パラメータ調整用ビアホール、充填用媒体が多層プリント回路基板表面から途中まで形成された本願発明におけるコンパクトビア伝送路を示す縦断面図である。
【図１５Ａ】コンパクトビア伝送路の構造パラメータ調整用ビアホールの領域に空気孔が形成され、中心導体、グランドビアホール、構造パラメータ調整用ビアホール、充填用媒体が多層プリント回路基板表面から途中まで形成された本願発明におけるコンパクトビア伝送路を示す平面図である。
【図１５Ｂ】コンパクトビア伝送路の構造パラメータ調整用ビアホールの領域に空気孔が形成され、中心導体、グランドビアホール、構造パラメータ調整用ビアホール、充填用媒体が多層プリント回路基板表面から途中まで形成された本願発明におけるコンパクトビア伝送路を示す縦断面図である。
【図１６Ａ】１２層の導体層からなる多層基板に実装された通常のビア伝送路及び本発明におけるコンパクトビア伝送路に対する反射係数のシミュレーション結果を示す図である。
【図１６Ｂ】１２層の導体層からなる多層基板に実装された通常のビア伝送路及び本発明におけるコンパクトビア伝送路に対する透過係数のシミュレーション結果を示す図である。
【図１７Ａ】１２層の導体層からなる多層基板に実装された通常のビア伝送路及びコ本発明におけるンパクトビア伝送路に対する反射係数のシミュレーション結果を示す図である。
【図１７Ｂ】１２層の導体層からなる多層基板に実装された通常のビア伝送路及び本発明におけるコンパクトビア伝送路に対する透過係数のシミュレーション結果を示す図である。
【図１８Ａ】１２層の導体層からなる多層基板に実装された通常のビア伝送路及び本発明におけるコンパクトビア伝送路に対する反射係数のシミュレーション結果を示す図である。
【図１８Ｂ】１２層の導体層からなる多層基板に実装された通常のビア伝送路及び本発明におけるコンパクトビア伝送路に対する透過係数のシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
次に、本発明の実施の形態の概要について説明する。
【００３５】
本発明によるコンパクトビア伝送路（Ｃｏｍｐａｃｔ  ｖｉａ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）は、コンパクトビア伝送路の内側導体層の境界を形成し信号用ビアホールを構成する中心導体と、この中心導体の周囲に配置されコンパクトビア伝送路の外側導体層の境界を形成する複数のグランドビアホールと、プリント回路基板導体層からなる複数の導体プレートと、コンパクトビア伝送路の内側導体層の境界を伝搬する信号と外側導体層の境界電位とを高周波信号帯域においてクロストークしないように電気的に分離するための構造パラメータ調整用ビアホールとを有している。この構造パラメータ調整用ビアホールは、一様の物質または異なる複数の物質からなる複合材料で充填されていても良い。特別な例として、信号用ビアホールを構成する中心導体とビア伝送路のグランドビアホール間に、空気孔を形成してプリント回路基板の構造パラメータを調整する方法がある。
【００３６】
本発明の構造パラメータ調整用ビアホールを充填する充填用媒体は、プリント回路基板を小型化するとともに、通常このコンパクトビア伝送路とプリント回路基板に実装されコンパクトビア伝送路に接続する回路との特性インピーダンスを整合するようにして選択される。構造パラメータ調整用ビアホールを充填した媒体材料または空気孔の誘電率と透磁率のどちらか一方、あるいは両方のパラメータをプリント回路基板を構成する絶縁層の対応するパラメータとは異なるように選択することにより、プリント回路基板を小型化することができるので、実装密度を向上することが出来る。また、本発明のビア伝送路を用いたプリント回路基板は、広帯域の周波数で動作可能なので、高速のデジタル信号を伝送することが出来る。
【００３７】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００３８】
以下の実施の形態においては、主として１つの信号ビアホールを含むコンパクトビア伝送路に関して説明を行うが、本願発明は必ずしもコンパクトビア伝送路に限定されるものではないし、また例えば１対の信号ビアホールのように、プリント回路基板に実装されたコンパクトビア伝送路における任意の複数の信号ビア伝送路に対しても容易に適用し得る。
【００３９】
複雑で高密度にビアホールが配置された任意数のコンパクトビア伝送路は、プレーナ伝送路などの任意の種類の内部接続回路を接続するのに用いることができる。また本願発明のコンパクトビア伝送路は、任意の伝送路を有する多層プリント回路基板に対しても適用可能である。
【００４０】
図１Ａ及び図１Ｂは、プリント回路基板において、本願発明におけるコンパクトビア伝送路を示す平面図及び縦断面図である。図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、多層プリント回路基板の設計例として、１０層の導体層１〜１０からなる多層プリント回路基板に形成されたコンパクトビア伝送路の例が示されている。多層プリント回路基板において、絶縁層１０５によって絶縁された導体層１〜１０によって、グランドライン１０７、信号ライン１０８、電源ライン１０９が形成される。コンパクトビア伝送路は、中心導体１０１と、中心導体１０１の周囲に配置されたグランドビアホール１０２と、導体層１０６から形成されたグランドプレート１０６と、充填用媒体１０４によって充填された直径ｄｃｌｅの構造パラメータ調整用ビアホール１０３とを含む構成とされる。ここで、信号ビアホールを構成する中心導体１０１は、高周波信号を伝送する。
【００４１】
充填用媒体１０４の構造パラメータ、例えば誘電率や透磁率の一方あるいは両方が、小型化と内部回路との特性インピーダンス整合との両方を満足するように、絶縁層１０５の構造パラメータとは異なるように選択される。すなわち、コンパクトビア伝送路に結合された回路から入射される電磁波信号のエネルギーはその結合点において反射によってその一部が戻ってしまうが、コンパクトビア伝送路のディメンションや、誘電率や透磁率の一方あるいは両方の値を調整することにより、反射をきわめて小さくすることができ、信号振幅をほとんど減衰させずに信号の伝送を行うことができる。
【００４２】
また、隣接したグランドビアホール間の距離がλ／４（λは所定の周波数範囲においてプリント回路基板の絶縁層における伝搬信号の最小波長）よりも十分小さくなる程度にビア伝送路の外側導体境界を形成するグランドビアホールの数が多い場合は、このビア伝送路は十分絶縁された伝送路として考察することが可能である。またグランドビアホールを含むビア伝送路の外側境界は近似的に連続した導体による境界として考察することが可能である。ビア伝送路の特性インピーダンスは、連続した導体による境界を同軸ケーブルの一部として見なし、この境界に沿って信号波が進むとして良い近似で計算可能である。
【００４３】
プリント回路基板に実装されたビア伝送路を小型化するための物理的基礎条件について説明するために、ビア伝送路に関するいくつかの典型的な幾何学形状並びに配置について考察する。
【００４４】
図２Ａ及び図２Ｂは、プリント回路基板において、グランドビアホールが円周上に配置された本願発明におけるコンパクトビア伝送路を示す平面図及び縦断面図である。図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、図２Ａ及び図２Ｂに示すコンパクトビア伝送路の基本構造は図１Ａ及び図１Ｂに示された構造と、グランドビアホール２０２が中心導体２０１を中心として円周上に、かつ等間隔で配置されている点を除き同様である。プリント回路基板に用いられている導体層を互いに絶縁するために用いられている絶縁層２０５と、構造パラメータ調整用ビアホール２０３の充填用媒体２０４とが同じであれば、このビア伝送路の特性インピーダンスは、円周上の連続した内側導体境界と外側導体境界との間を信号波が進むとした場合に用いられる良く知られた次の（１）式で近似できる。
【００４５】
【数１】
0004652230.tif 000002
【００４６】
ここでＺｒは、コンパクトビア伝送路の特性インピーダンス、Ｒｒ＝Ｄｒ／２は中心導体の中心と外側導体境界を構成するグランドビアホール間の距離、ｒｒｏｄ＝ｄｒｏｄ／２は中心導体の半径、εは絶縁層２０５の比誘電率であり、絶縁材２０５の比透磁率は１とした。
【００４７】
本願発明のコンパクトビア伝送路においては、直径ｄｃｌｅの構造パラメータ調整用ビアホール２０３を充填する充填用媒体２０４の比誘電率が、プリント回路基板を構成する絶縁層２０５の比誘電率と異なることが必須である。
【００４８】
従ってこの場合においては、プリント回路基板に実装されたビア伝送路の特性インピーダンスは、構造パラメータ調整用ビアホール２０３を充填した充填用媒体２０４の比誘電率と、プリント回路基板の絶縁層２０５の比誘電率との両方から定まる実効比誘電率により算出される。この実効比誘電率は、既知の理論および実験的方法により求められる。もし、コンパクトビア伝送路の構造パラメータ調整用ビアホールに充填した充填用媒体２０４の比誘電率が絶縁層２０５の比誘電率よりも小さい場合、ビア伝送路の実効比誘電率は、絶縁層２０５の比誘電率よりも小さくなる。
【００４９】
これにより、充填用媒体２０４と絶縁層２０５の材料が同じビア伝送路と、上記に説明した本願発明によるコンパクトビア伝送路とを比較した場合、２つのビア伝送路の特性インピーダンスが等しく、かつ構造パラメータ調整用ビアホールを充填した充填用媒体以外のパラメータが等しいとして、本願発明によるコンパクトビア伝送路の断面積は、従来の充填用媒体２０４と絶縁層２０５の材料が同じビア伝送路の断面積よりも小さくなる。
【００５０】
上述したことからわかるように、図２Ａ及び図２Ｂに示すグランドビアホール２０２が円周上に配置されたコンパクトビア伝送路の特性インピーダンスは、次の（２）式で表される。
【００５１】
【数２】
0004652230.tif 000003
【００５２】
ここで、ＺＣＶＴ，ｒはコンパクトビア伝送路の特性インピーダンス、εｅｆｆは絶縁層２０５と構造パラメータ調整用ビアホールを充填した充填用媒体２０４の両方から定まる実効比誘電率である。
【００５３】
（２）式からわかるように、構造パラメータ調整用ビアホールを充填している充填用媒体の比誘電率が小さくなると、実効比誘電率も小さくなり、特性インピーダンスを一定、例えば５０Ωに保つには必然的に距離Ｒｒが小さくなる。このことはコンパクトビア伝送路を開発するための設計方針を与える。このように、プリント回路基板のビア伝送路の小型化を実現するためには、構造パラメータ調整用ビアホールを充填する絶縁層の比誘電率を、プリント回路基板の導体層を絶縁する絶縁材料の比誘電率よりも小さくするように選択することが重要である。
【００５４】
図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれグランドビアホール３０２が中心導体３０１を囲むように正方形に配置されたプリント回路基板におけるコンパクトビア伝送路を示す平面図および断面図である。説明を簡略化するために、図１Ａ及び図１Ｂと同様に、コンパクトビア伝送路はプリント回路基板に組み込まれているものとして示されている。
【００５５】
もしコンパクトビア伝送路を構成する直径ｄｃｌｅの構造パラメータ調整用ビアホール３０３が、プリント回路基板の導体層を絶縁する絶縁層と同じ材料で充填されている場合、ビア伝送路の特性インピーダンスは、正方形の連続した内側導体境界と外側導体境界との間を信号波が進むとした場合に用いられる良く知られた次の（３）式で近似できる。
【００５６】
【数３】
0004652230.tif 000004
【００５７】
ここでＺｓｑは、コンパクトビア伝送路の特性インピーダンス、Ｒｓｑ＝Ｄｓｑ／２は中心導体の中心と外側導体境界を構成するグランドビアホールのうち中心導体に最も近いグランドビアホール間の距離、ｒｒｏｄ＝ｄｒｏｄ／２は中心導体の半径、εは絶縁層３０５の比誘電率であり、絶縁層３０５の比透磁率は１とした。
【００５８】
プリント回路基板にコンパクトビア伝送路を形成するために、構造パラメータ調整用ビアホール３０３を充填する充填用媒体３０４の比誘電率を、プリント回路基板の導体層を絶縁する絶縁層３０５の比誘電率よりも小さくすることが必要であり、この場合において、図３Ａ及び図３Ｂに示すグランドビアホールが正方形に配置されたコンパクトビア伝送路の特性インピーダンスは、次の（４）式で表される。
【００５９】
【数４】
0004652230.tif 000005
【００６０】
ここで、ＺＣＶＴ，ｒはコンパクトビア伝送路の特性インピーダンス、εｅｆｆは絶縁層３０５と構造パラメータ調整用ビアホールを充填した充填用媒体３０４の両方から定まる実効比誘電率である。
【００６１】
正方形に配置されたグランドビアホールを用いたコンパクトビア伝送路に対する考察からの結論は、円周上に配置されたグランドビアを用いたコンパクトビア伝送路から得られた結論と同様である。すなわち、構造パラメータ調整用ビアホールを充填する充填用媒体の比誘電率を小さくすることにより、コンパクトビア伝送路を小型化することが可能となる。このように、上述した２つの実施の形態は、信号ビアを構成する中心導体を囲むようにグランドビアを形成し、かつ構造パラメータ調整用ビアホールを充填する充填用媒体がプリント回路基板の導体層を絶縁するための絶縁材料とは異なるように形成するという設計思想に基づくものである。
【００６２】
複合媒体を形成する上で特別で大変重要な方法は、ビアホール構造として空気孔を用いた方法である。この理由は、空気の比誘電率と比透磁率は実質的には１であることから、空気孔を用いた複合媒体はコンパクトビア伝送路を構成する上で好適であるためである。
【００６３】
以下に空気孔を用いてコンパクトビア伝送路を形成した実施の形態について説明する。図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ信号ビアホールを構成する中心導体４０１の周囲に正方形に配置されたグランドビアホール４０２を有するコンパクトビア伝送路を示す平面図および断面図である。このコンパクトビア伝送路において、構造パラメータ調整用ビアホール４０３を充填した複合絶縁体４０４は、複合絶縁体４０４の比誘電率がプリント回路基板の導体層を絶縁するための絶縁層４０５の比誘電率よりも小さく、構造的には構造パラメータ調整用ビアホール４０３の領域にある絶縁層４０５を穿つように空気孔が設けられて形成されている。ここで、プリント回路基板の導体層配置については図１Ａ及び図１Ｂに示した構造と同様である。絶縁層４０５を穿つように設けられた空気孔４１０は、プリント回路基板の絶縁層４０５の比誘電率よりも実効的に比誘電率が小さいと見なすことができるような構造パラメータ調整用ビアホール４０３の複合媒体を形成する。構造パラメータ調整用ビアホール４０３の複合媒体の実効比誘電率は、空気孔４１０によって占有される体積に依存し、既知の理論と実験結果とから求めることが出来る。このような構造パラメータ調整用ビアホールに形成された複合媒体を用いて、空気孔を用いない場合のビア伝送路の特性インピーダンスと同じ値を保ちながら、より小型のビア伝送路を開発することが可能である。この結論は、コンパクトビア伝送路構造において、グランドビアホールが円周上または正方形に配置された場合の特性インピーダンスを表す前述の（２）式〜（４）式を用いて導き出すことが出来る。さらに空気孔を形成して複合媒体の実効誘電率を減少させ、プリント回路基板の絶縁層よりも実効損失係数を小さくすることが出来る。
【００６４】
このように、空気孔とプリント回路基板の絶縁材料とから構成される複合媒体によって、コンパクトビア伝送路の断面積を小さくした本願発明によるコンパクトビア伝送路を構成することが出来る。また実効比誘電率と、外側導体層を形成するグランドビアへの距離を小さくすることにより、コンパクトビア伝送路において、高次の高調波成分が伝送可能となり、これによりコンパクトビア伝送路の動作周波数範囲を拡大することが出来る。さらに、プリント回路基板に実装されたコンパクトビア伝送路の空気孔は空冷する際の空気循環を良好にし、これにより高密度実装における放熱特性を改善することができる。
【００６５】
コンパクトビア伝送路において電磁波のうちの基本波は、主として信号ビアホールを構成する中心導体と外側導体境界を構成するグランドビアホール間に存在するので、応用上、空気孔は構造パラメータ調整用ビアホールの領域だけでなく、中心導体とグランドビアホール間の全ての領域に形成することができる。
【００６６】
図５Ａ及び図５Ｂはそれぞれ、中心導体とグランドビアホール間に形成された空気孔を有し、構造パラメータ調整用ビアホール５０３と、プリント回路基板のグランド層を形成する導体プレートを備えたコンパクトビア伝送路を表す平面図および断面図である。空気孔５１０が構造パラメータ調整用ビアホール５０３の領域と、導電層５０７からなる導電プレート５０６を穿つようにこの領域とグランドビアホール５０２間の領域とに形成されている。コンパクトビア伝送路における空気孔の断面は、任意形状および任意サイズとすることが出来るが、プリント回路基板の導体層を絶縁するための絶縁層５０５を進行する伝搬信号の波長λよりもかなり小さく、例えばｌ＜λ／８とする必要がある。ここで、ｌは空気孔の断面における最大の長さ、λは所定の周波数範囲においてプリント回路基板の絶縁層における伝搬信号の最小波長である。
【００６７】
図６Ａ及び図６Ｂは、プリント回路基板において、円形でかつ異なる大きさの空気孔が形成された本願発明におけるコンパクトビア伝送路を示す平面図及び縦断面図である。図６において、それぞれ直径ｄａ１と直径ｄａ２の円柱状の空気孔が、中心導体６０１と正方形の外側導体境界を形成するグランドビアホール６０２間に配置されている。
【００６８】
図７は、本願発明における正方形および長方形の空気孔が形成されたコンパクトビア伝送路を示す平面図である。図７において空気孔７１０の水平断面形状は、正方形および長方形をしており、図示するように正方形と長方形とでは異なった大きさをしている。図７において、縦断面図は示していないが図５Ｂに示した縦断面図構造と同様である。すなわち、空気孔７１０は水平断面形状が図７に示した正方形および長方形をした柱状の構造を有している。
【００６９】
空気孔は、所定の規則に従って配置されるか、または不規則に配置されてもよい。図８に、空気孔８１０があらかじめ定められた規則により配置されたコンパクトビア伝送路の具体例が示される。コンパクトビア伝送路の外側導体境界を構成するグランドビアホール８０２が、中心導体８０１の周囲に、中心導体８０１からの距離が等しくなるように円周上に配置され、空気孔８１０は、中心導体８０１の周囲に、隣接した空気孔同士の距離が等しくなるように、また中心導体８０１からの距離が等しくなるように配置されている。
【００７０】
図９は、中心導体９０１と外側導体境界を構成するグランドビアホール９０２との間に空気孔９１０を不規則に配置した、コンパクトビア伝送路を示す平面図である。
【００７１】
コンパクトビア伝送路における空気孔の形成方法としては、機械的に穴を形成する方法、レーザ光により穴を形成する方法など様々な方法が考えられる。
【００７２】
プリント回路基板用のコンパクトビア伝送路を、プリント回路基板の種々の内部接続回路を結合するために用いるのは当然であるが、図１０Ａ及び図１０Ｂに、１２層の多層プリント回路基板において、コンパクトビア伝送路と、ストリップライン１０１１としてのプレーナ伝送路とを結合した具体例について示す。図１０Ａ及び図１０Ｂからわかるように、コンパクトビア伝送路は、中心導体１００１と、正方形に配置されたグランドビアホール１００２と、プリント回路基板を構成する導体層１００７からなるグランドプレート１００６と、構造パラメータ調整用ビアホール１００３とを有している。
【００７３】
コンパクトビア伝送路における複合媒体は、プリント回路基板の導体層を絶縁するための絶縁層１００５と、予め決められた規則により、コンパクトビア伝送路の中心導体１００１とグランドビアホール１００２との間に異なった大きさに形成された空気孔１０１０とから構成されている。ここで、４つの大きな空気孔は、隣接した空気孔同士の距離が等しく、かつ中心導体１００１の周囲に均等配置され、３つの小さな空気孔は、隣接した大きな空気孔の間に、中心導体１００１の周囲に均等配置されている。さらに、全ての空気孔は、ストリップライン１０１１の水平軸に対して対称となるように配置される。ここで、図１０Ａからわかるように、ストリップライン１０１１を含む領域には、対応する小さな空気孔は存在しない。コンパクトビア伝送路における複合媒体の実効比誘電率は、絶縁層１００５の比誘電率よりも小さく、このため、ストリップライン１０１１の特性インピーダンスを同じ値に保ちながら、ストリップライン１０１１に接続する伝送路を小型化することができる。
【００７４】
図１１Ａ及び図１１Ｂに、１２層の多層プリント回路基板において、コンパクトビア伝送路と、マイクロストリップライン１１１２としてのプレーナ伝送路とを結合した具体例について示す。図１１Ａ及び図１１Ｂからわかるように、コンパクトビア伝送路は、中心導体１１０１と、円周上に配置されたグランドビアホール１１０２と、プリント回路基板を構成する導体層１１０７からなるグランドプレート１１０６と、構造パラメータ調整用ビアホール１１０３とを有している。
【００７５】
コンパクトビア伝送路における複合媒体は、プリント回路基板の導体層を絶縁するための絶縁層１１０５と、マイクロストリップライン１１１２の領域を除いてコンパクトビア伝送路の中心導体１１０１とグランドビアホール１１０２との間に不規則に配置された空気孔１１１０とから構成されている。コンパクトビア伝送路における複合媒体の実効比誘電率は、絶縁層１１０５の比誘電率よりも小さく、このため、マイクロストリップライン１１１２の特性インピーダンスを同じ値に保ちながら、マイクロストリップライン１１１２に至る伝送路を小型化することができる。
【００７６】
図１２は、差動信号を伝送するためのコンパクトビア伝送路の一例を示しており、高密度ビアホール構造を有する２つの基本セルが示されている。これら２つの基本セルは信号ビアホール対を構成し、プレーナ伝送路の一例としてのストリップ伝送路対にそれぞれ接続される。コンパクトビア伝送路は、グランドビアホール１２０２によってそれぞれ囲まれた２つの信号ビアホール１２０１と、導体層から構成されるグランド層と、２つの構造パラメータ調整用ビアホール１２０３とから構成される。空気孔１２１０は、ビア伝送路を小型化するためと、コンパクトビア伝送路とストリップ伝送路対との特性インピーダンス整合をとることのために形成されている。
【００７７】
図１３は、コンパクトビア伝送路の応用例であるＳＭＡ（ｓｕｂ−ｍｉｎｉａｔｕｒｅ−ｔｙｐｅ−Ａ）コネクタにおけるビアホール構造を示す平面図である。通常のＳＭＡコネクタのピンは、信号ビアホール１３０１とグランドビアホール１３１３とを備えている。同図において、再度プレーナ伝送路構造の一例としてのストリップライン１３１１と信号ビアホール１３０１との接続が示されている。
【００７８】
しかしながら通常のビア伝送路は、高周波において大きな輻射と遺漏損失とを生じ、グランドビアホール１３１３との距離に依存する高次の励起発振に起因して動作周波数範囲の制限を受ける。
【００７９】
ＳＭＡコネクタにおける良好なビアホール構造を実現するために、本願発明によるコンパクトビア伝送路を用いることが有効である。図１３においてコンパクトビア伝送路は、信号ビアホールを構成する中心導体１３０１と、円周上に配置されたグランドビアホール１３０２と、プリント回路基板の導体層から構成される電源プレート、グランドプレートなどの導体プレートと、構造パラメータ調整用ビアホール１３０３とを有する。また複合媒体は、絶縁層に空気孔１３１０を穿つことで形成される。
【００８０】
中心導体１３０１とグランドビアホール１３１３の距離と、空気孔１３１０の数と大きさとは、ＳＭＡコネクタとストリップラインを含む内部接続回路において、特性インピーダンスを最適化するように定められる。そして所定の周波数範囲において、主として基本モードの電磁波のみが伝播するような構造とする。より具体的には、プリント回路基板を伝搬する主たる電磁波の電界および磁界が伝搬方向に対して垂直方向であり、かつ電界と磁界とが互いに直交して伝搬するように設定する。但し、実際のプリント回路基板を伝搬する電磁波には上記に説明した基本モードの電磁波のみでなく、伝搬方向に対して電界および磁界が垂直方向からずれており、かつ電界と磁界とが互いに直交していないような電磁波も同時に含まれている。この場合においても、本願発明は同様に適用し得る。
【００８１】
上記の実施の形態においては、中心導体、グランドビアホール、構造パラメータ調整用ビアホール、充填用媒体は、多層プリント回路基板の表面から裏面に貫通するようにして設けたが、必ずしも貫通する必要はなく、多層プリント回路基板の表面から多層プリント回路基板を構成する内部の基板に至るまで中心導体、グランドビアホール、構造パラメータ調整用ビアホール、充填用媒体の一部あるいは全部を形成するようにしてもかまわない。
【００８２】
図１４Ａ及び図１４Ｂは、プリント回路基板において、それぞれグランドビアホール１４０２が円周上に配置され、中心導体１４０１、グランドビアホール１４０２、構造パラメータ調整用ビアホール１４０３、充填用媒体１４０４が多層プリント回路基板表面から途中まで形成された本願発明によるコンパクトビア伝送路を示す平面図および断面図である。前述した図２Ａ及び図２Ｂに示す構造においては、中心導体２０１、グランドビアホール２０２、構造パラメータ調整用ビアホール２０３、充填用媒体２０４は、多層プリント回路基板の表面から裏面に貫通するようにして設けた。一方、本実施の形態における図１４Ａ及び図１４Ｂに示した構造では、最表面層である第１層から第３層に亘り中心導体１４０１を形成し、最表面層である第１層から第４層に亘りグランドビアホール１４０２、構造パラメータ調整用ビアホール１４０３、充填用媒体１４０４を形成している。
【００８３】
図１５Ａ及び図１５Ｂは、それぞれコンパクトビア伝送路の構造パラメータ調整用ビアホールの領域に空気孔が形成され、中心導体１５０１、グランドビアホール１５０２、構造パラメータ調整用ビアホール１５０３、空気孔１５１０が多層プリント回路基板表面から途中まで形成された本願発明によるコンパクトビア伝送路を示す平面図および断面図である。図１５Ａ及び図１５Ｂに示す本実施の形態の構造は、前述した図４Ａ及び図４Ｂに示す構造と以下の点を除き類似する。図１５Ａ及び図１５Ｂに示す本実施の形態では、最表面層である第１層から第３層まで中心導体１５０１を形成し、最表面層である第１層から第４層までグランドビアホール１５０２、構造パラメータ調整用ビアホール１５０３、空気孔１５１０を形成している。
【００８４】
このように、多層プリント回路基板の表面から多層プリント回路基板を構成する内部の基板に至るまで中心導体、グランドビアホール、構造パラメータ調整用ビアホール、充填用媒体の一部あるいは全部を形成することにより、コンパクトビア伝送路の特性インピーダンスをより最適化することができる。
【００８５】
次にコンパクトビア伝送路の優位性を示すために、コンパクトビア伝送路を含む構造において、高速信号伝搬についての幾つかのシミュレーション結果について説明する。シミュレーション結果は、差分時間領域（ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ＝ＦＤＴＤ）法によって計算されたＳパラメータの大きさでコンパクトビア伝送路の優位性を示す。このＦＤＴＤ法は、内部接続回路の特徴を表すのに最も正確で、適切かつ多目的な理論計算手法といえる。
【００８６】
図１６Ａは、５０Ωの同軸ケーブルからコンパクトビア伝送路を介して他の５０Ωの同軸ケーブルに伝送する場合において、１２層の導体層からなる多層基板に実装された通常のビア伝送路及び本発明におけるコンパクトビア伝送路に対する反射係数（Ｓ１１パラメータ）の周波数依存性のシミュレーション結果を示す図である。図１６Ｂは、５０Ωの同軸ケーブルからコンパクトビア伝送路を介して他の５０Ωの同軸ケーブルに伝送する場合において、１２層の導体層からなる多層基板に実装された通常のビア伝送路及び本発明におけるコンパクトビア伝送路に対する透過係数（Ｓ１２パラメータ）の周波数依存性のシミュレーション結果を示す図である。コンパクトビア伝送路は、１２層の多層プリント回路基板に実装されており、中心導体と、正方形に配置された８つのグランドビアホールと、導体層からなる電源プレート、グランドプレートなどの導体プレート、８つの空気孔と構造パラメータ調整用ビアホールとにより形成されている。
【００８７】
シミュレーションに用いられたコンパクトビア伝送路と１２層の多層基板の幾何学形状については、図６Ａ及び図６Ｂに示したものと同じである。ここでシミュレーションに用いられた中心導体と８つのグランドビアホールの大きさは、下記の通りである。すなわち、中心導体の直径ｄｒｏｄは０．６５ｍｍ、グランドビアホールが配置された一辺の長さＲｓｑ＝Ｄｓｑ／２は１．６６ｍｍ、信号ビアホールのパッド直径は０．９５ｍｍ、コンパクトビア伝送路の構造パラメータ調整用ビアホールの直径ｄｃｌｅは１．６５ｍｍ、大きな空気孔の直径ｄａ１は０．５ｍｍ、小さな空気孔の直径ｄａ２は０．３ｍｍである。
【００８８】
このコンパクトビア伝送路を含む内部接続構造に対してのＳパラメータの大きさは、１５ＧＨｚまで実線により示されている。また比較のために、同じプリント回路基板に実装されたビア伝送路に対して同一のパラメータを有する通常の同軸ケーブルのＳパラメータが、破線で示されている。図１６Ａにおいて、反射係数｜Ｓ１１｜は小さい程伝送特性は良好である。例えば１０ＧＨｚにおいて、通常のビア伝送路とコンパクトビア伝送路の｜Ｓ１１｜の差は６ｄＢ程度であるが、これは、リニアスケールではコンパクトビア伝送路における信号の反射量は通常ビア伝送路の反射量の半分になることを示している。
【００８９】
また、図１６Ｂにおいて、透過係数｜Ｓ２１｜が示されているが、これは信号の損失量を示しており、ゼロに近いほど伝送特性は良好であるといえる。１０ＧＨｚにおいて、コンパクトビア伝送路における信号損失は−０．３ｄＢであり、リニアスケールでは、３％程度であるのに対し、通常ビア伝送路における信号損失は、−１．０ｄＢ以上であり、リニアスケールでは１０％以上となる。このように、シミュレーションによって得られたＳパラメータの比較により、信号の反射量と損失量に関して、通常ビアに対するコンパクトビア伝送路の優位性は明らかである。
【００９０】
通常のビアにおいて、反射量を減らすために、比誘電率４．２と中心ビアホール導体の直径ｄｒｏｄ＝０．６５ｍｍとを一定に保ちながら、５０Ωの特性インピーダンス整合が行われるように、中心導体とグランドビアホール間の距離を調整することを考えてみる。前述の（３）式に従えば、図６Ａ及び図６Ｂに示したコンパクトビア伝送路の寸法の約１．５倍まで中心導体とグランドビアホールとの距離を増加させると、インピーダンス整合が実現できるが、通常構造が大きい程、より低い周波数において高次周波数の不要伝搬モードが発生するため、使用可能な周波数は低くなってしまう。以上説明したように、ビア伝送路を小型化する上で、空気孔を用いることは極めて有効であることがこれらのシミュレーション結果から理解することができる。
【００９１】
図１７Ａは、コンパクトビア伝送路を介して５０Ωの同軸ケーブルと５０Ωストリップラインとの間で信号を伝送する場合において、１２層の導体層からなる多層基板に実装された通常のビア伝送路及び本発明におけるコンパクトビア伝送路に対する反射係数（Ｓ１１パラメータ）の周波数依存性のシミュレーション結果を示す図である。図１７Ｂは、コンパクトビア伝送路を介して５０Ωの同軸ケーブルと５０Ωストリップラインとの間で信号を伝送する場合において、１２層の導体層からなる多層基板に実装された通常のビア伝送路及び本発明におけるコンパクトビア伝送路に対する透過係数（Ｓ１２パラメータ）の周波数依存性のシミュレーション結果を示す図である。
【００９２】
コンパクトビア伝送路とストリップラインとは、図１０Ａ及び図１０Ｂに示されているように１２層の多層基板に実装されている。ここで、プリント回路基板、信号ビアホール、グランドビアホール、構造パラメータ調整用ビアホール、コンパクトビア伝送路を構成する空気孔に関する全ての大きさは、上述したシミュレーション結果の際に用いた寸法と同一である。またグランドビアホールと空気孔の配列は、上述した場合と同様であるが、図１０Ａ及び図１０Ｂからわかるように、１つの小さい方の空気孔がストリップライン１０１１が配置されている領域から除外されており、その代わりに第３導体層１０１１が設けられている。
【００９３】
同軸ケーブルは、プリント回路基板の底面に配置された第１２層の導体層により形成されたコンパクトビア伝送路の信号ビアホールに接続している。コンパクトビア伝送路、同軸ケーブル、ストリップラインとを含む内部接続構造に対するＳパラメータの大きさは、１５ＧＨｚまで実線により示されている。
【００９４】
また比較のために、同じ内部接続構造を有し空気孔を設けていない点だけが異なるビア伝送路についてのＳパラメータが、破線で示されている。図１６Ａ及び図１６Ｂを参照して前述したのと同様に、これら図１７Ａ及び図１７Ｂから、信号ビアホールとグランドビアホール間に空気孔を設けることにより電気的特性を改善し、かつビア伝送路の小型化を図れることが理解される。
【００９５】
図１８Ａは、コンパクトビア伝送路を介して５０Ωの同軸ケーブルと５０Ωマイクロストリップラインとの間で信号を伝送する場合において、１２層の導体層からなる多層基板に実装された通常のビア伝送路及び本発明におけるコンパクトビア伝送路に対する反射係数（Ｓ１１パラメータ）の周波数依存性のシミュレーション結果を示す図である。図１８Ｂは、コンパクトビア伝送路を介して５０Ωの同軸ケーブルと５０Ωマイクロストリップラインとの間で信号を伝送する場合において、１２層の導体層からなる多層基板に実装された通常のビア伝送路及び本発明におけるコンパクトビア伝送路に対する透過係数（Ｓ１２パラメータ）の周波数依存性のシミュレーション結果を示す図である。
【００９６】
図１８Ａ及び図１８Ｂに示す内部接続構造に関する全てのパラメータと配置とは、図１７Ａ及び図１７Ｂで検討したものと同一であるが、図１７Ａ及び図１７Ｂのストリップラインが基板表面の第１層に形成された５０Ωのマイクロストリップラインに置き換えられている点のみが異なっている。コンパクトビア伝送路、同軸ケーブル、マイクロストリップラインを含む内部接続構造に対するＳパラメータの大きさは、１５ＧＨｚまで実線により示されている。
【００９７】
また比較のために、同じ内部接続構造を有し空気孔を設けていない点だけが異なるビア伝送路についてのＳパラメータが、破線で示されている。また上述した２つの内部接続構造に関するシミュレーション結果から得られた結論は、図１８Ａ及び図１８Ｂに示す構造についても同様である。即ち図１６Ａ、図１６Ｂ、図１７Ａ及び図１７Ｂを参照して前述したのと同様に、これら図１８Ａ及び図１８Ｂから、信号ビアホールとグランドビアホール間に空気孔を設けることにより電気的特性を改善し、かつビア伝送路の小型化を図れることが理解される。
【００９８】
以上説明したように、同軸ケーブル、ボンディングワイヤ、ＬＳＩの各ピン、プレーナ伝送路などあらゆる種類の内部接続構造に本発明によるプリント回路基板用コンパクトビア伝送路を用いることは、プリント回路基板を小型化し、プリント回路基板に形成された信号配線の動作周波数範囲を安定して拡大するために極めて有効である。またビアホールを信号が通過する際の信号損失を低減することが出来る。
【００９９】
特別な例として、中心導体とコンパクトビア伝送路の外側導体層境界との間に複数の空気孔を形成することにより、必要な比誘電率を有する媒体材料で構造パラメータ調整用ビアホールを充填したと同様の効果が得られる。
【０１００】
この空気孔は、この空気孔の断面形状における最大長ｌが、所定の周波数範囲においてプリント回路基板の絶縁層における伝搬信号の最小波長として定められた波長λよりも大幅に小さく（通常ｌ＜λ／８）する制限はあるものの、コンパクトビア伝送路を満たす物質の要求特性を実現するために、任意形状で任意の配置を行うことが出来る。
【０１０１】
付加的効果として、空気孔はビア伝送路の信号損失を減少させるだけでなく、空冷用の空気の流れを改善し、これにより高密度実装における放熱特性を改善することが出来る。また本願発明によるコンパクトビア伝送路は、プリント回路基板に実装された複雑で高密度のビアホール構造並びに差動信号で伝達するビアホール構造の開発および設計に対して、極めて有効である。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明は、プリント回路基板用コンパクトビア伝送路及びその設計方法に関するものであれば、あらゆるものに適用することが可能であり、その利用の可能性において何ら限定するものではない。
【０１０３】
幾つかの好適な実施の形態及び実施例に関連付けして本発明を説明したが、これら実施の形態及び実施例は単に実例を挙げて発明を説明するためのものであって、限定することを意味するものではないことが理解できる。本明細書を読んだ後であれば、当業者にとって等価な構成要素や技術による数多くの変更および置換が容易であることが明白であるが、このような変更および置換は、添付の請求項の真の範囲及び精神に該当するものであることは明白である。
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１２】
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【図１３】
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