(57)【要約】【課題】  伝送線路とのインピーダンスマッチングがとれた差動伝送が容易に行える高速伝送用多層基板構造を得る。【解決手段】  差動伝送で使用される一対のビアと各グランドとの平均距離を用いて各ビア間の相互キャパシタンスや相互インダクタンス等を演算して、少なくともビアの半径、ビア間の距離を設定し、差動インピーダンスZを0.9Zb(Ω)≦Z≦1.1Zb(Ω)にする基板構造を得ることにより、伝送線路とのインピーダンスマッチングがとれ差動伝送を効率的に行える高速伝送用基板構造を容易に得ることができる。【選択図】  図２
2005277028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体層を複数積層して形成された多層基板に、上記誘電体層を貫通する少なくとも一対のビアと、所定の上記誘電体層間に上記ビアを囲むように複数のグランドを設けると共に、上記誘電体間あるいは誘電体層表面に信号ラインを設け、上記一対のビアを通して差動信号を伝送する高速伝送用基板構造において、
差動信号が伝送される上記各ビアのインダクタンスＬ及び上記ビア間の相互インダクタンスMを、上記各ビアと上記各グランド間の平均距離ｂ
b=a+[(D2/2-a)+sqrt((D2/2-a)2+(t/2)2)]/2
但し、D2:クリアランス(ビアとグランドが接触しないように抜いてある部分)の直径(m)
t:グランド間平均距離(m)
a:ビアの半径(m)
を用いて演算すると共に、
上記各ビアと上記グランド間のキャパシタンスCg及び各ビア間のキャパシタンスCmを併せて演算し、
差動信号伝送時の上記ビア間における特性インピーダンスＺを、
【数１】
2005277028.tif 000009
により求め、
この値Ｚが0.9Zb(Ω)≦Z≦1.1Zb(Ω) (Zb :基準差動インピーダンス)(Ω)となるように、少なくとも上記ビアの半径ａ、ビア間の距離ｄを設定したことを特徴とする高速伝送用基板構造。
【請求項２】
上記各ビアのインダクタンスＬは、
【数２】
2005277028.tif 000010
(μ0:真空中の透磁率(H/m)、l:ビアの長さ(m))
で演算されることを特徴とする請求項１記載の高速伝送用基板構造。
【請求項３】
上記ビア間の相互インダクタンスMは、
【数３】
2005277028.tif 000011
で演算されることを特徴とする請求項１又は２記載の高速伝送用基板構造。
【請求項４】
上記各ビアと上記グランド間のキャパシタンスCgは、
【数４】
2005277028.tif 000012
(εr:上記多層基板の比誘電率、Ｄ1:ビアにおけるランドの直径、Ｄ2：クリ  アランスの直径)
で演算されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の高速伝送用基板構造。
【請求項５】
各ビア間のキャパシタンスCmは、
【数５】
2005277028.tif 000013
(ε0：真空中の比誘電率)
で演算されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の高速伝送用基板構造。
【請求項６】
上記特性インピーダンスＺの値を0.95Zb (Ω)≦Ｚ≦1.05Zb(Ω)としたことを特徴とする
請求項１ないし５のいずれかに記載の高速伝送用基板構造。
【請求項７】
上記特性インピーダンスＺの値をZ= Zb (Ω)としたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の高速伝送用基板構造。
【請求項８】
上記多層基板１の最表層と最裏層にグランド付きコプレーナ線路を形成したことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の高速伝送用基板構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速伝送用基板構造、特に差動伝送用に適した基板構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の高速伝送用基板構造では、例えば特許文献１に示されるように、ビアの周囲にインピーダンスマッチングを目的として、擬似同軸線路構造となるようにグランドプレーンを配置したり、又はビアの周囲に同じくインピーダンスマッチングがとれるような擬似同軸線路構造となるようにグランドビアを配置することでビア部での高速伝送が可能としている。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−８５０９９号公報（段落０００４および００１４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなビア構造にあっては、単線での伝送を想定してインピーダンスマッチングがとれる構造を想定している。しかしながら、高速伝送においては差動での伝送が主流となりつつあり、差動伝送線路との接続において反射を減らすビア構造にする必要があるが特許文献１では考慮していない。
すなわち、ビア間の相互キャパシタンスや相互インダクタンスを考慮しつつ、伝送線路とのインピーダンスマッチングを図る必要がある。
【０００５】
また、同軸ケーブルであれば、信号線とグランド間の距離が一定であり、インピーダンスを計算することも簡単なので、マッチングをとるのも容易である。しかし、基板の場合は、グランドの位置やグランド層間の距離、基板厚等が用途によって異なり、必ずしも信号線とグランド間の距離は一定ではなく、ビアと信号線路をつなぐランドの寸法によってもインピーダンスは変動するため、インピーダンスを計算すること自体が困難であり、インピーダンスマッチングを行うのは容易ではない。
【０００６】
本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、伝送線路とのインピーダンスマッチングがとれ差動伝送が効率的に行える高速伝送用多層基板構造を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、誘電体層を複数積層して形成された多層基板に、上記誘電体層を貫通する少なくとも一対のビアと、所定の上記誘電体層間に上記ビアを囲むように複数のグランドを設けると共に、上記誘電体間あるいは誘電体層表面に信号ラインを設け、上記一対のビアを通して差動信号を伝送する高速伝送用基板構造において、
差動信号が伝送される上記各ビアのインダクタンスＬ及び上記ビア間の相互インダクタンスMを、上記各ビアと上記各グランド間の平均距離ｂ
b=a+[(D2/2-a)+sqrt((D2/2-a)2+(t/2)2)]/2)
但し、D2:クリアランス(ビアとグランドが接触しないように抜いてある部分)の直径(m)
t:グランド間平均距離(m)
a:ビアの半径(m)
を用いて演算すると共に、上記各ビアと上記グランド間のキャパシタンスCg及び各ビア間のキャパシタンスCmを併せて演算し、差動信号伝送時のビア間における特性インピーダンスＺを、
【数６】
2005277028.tif 000003
により求め、この値Ｚが0.9Zb(Ω)≦Z≦1.1Zb(Ω) (Zb :基準差動インピーダンス)(Ω)となるように、少なくとも上記ビアの半径ａ、ビア間の距離ｄを設定したものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明による高速伝送用基板構造によれば、差動伝送で使用される一対のビア間の相互キャパスタンスや相互インダクタンス等を演算して、少なくとも上記ビアの半径ａ、ビア間の距離ｄを設定した基板構造とし、差動インピーダンスZを0.9Zb(Ω)≦Z≦1.1Zb(Ω)にすることができるので、伝送線路とのインピーダンスマッチングがとれ差動伝送を効率的に行える高速伝送用基板構造を容易に得ることができる。
また、これまで厳密には考慮してこなかった、各ビアと各グランド間の平均距離を用いて、インダクタンス値等を計算しているので、構造が異なる様々な基板に対しても適応することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による高速通信用基板構造を示す平面図、図２はそのＡ−Ａ線断面図である。
図において、多層基板１はセラミック等からなる誘電体層を複数積層して形成され、これらの誘電体層を上下に貫通する孔にメタライズ等で形成された一対のビア２が設けられている。各ビア２の周囲の所定の誘電体層間には、ビア２を囲むように複数のグランド３が設けられ、グランド３が形成された誘電体層に挟まれた誘電体層間には、メタライズ等からなり差動信号が伝送される信号ライン４が設けられている。また、各ビア２にはその周囲を取り囲むようにランド５が多層基板１の最表層と最裏層及び各誘電体層間に形成されている。
【００１０】
このような基板構造において、差動伝送に適したビア構造を設定するため、各ビア２と各グランド３間のキャパシタンスCg、各ビア２間のキャパシタンスCm、各ビア２のインダクタンスＬ、及びビア２間の相互インダクタンスMを演算する。
まず、ビア２のグランド３とのキャパシタンス成分を計算する。
グランド３面とビア２のキャパシタンスCgは、ビア２の長さl(m)、ランド５の直径D1(m)、クリアランス６(ビア２とグランド３が接触しないように抜いてある部分)の直径D2(m)とした時、式(1)で計算できる。基板の比誘電率：εr
【数７】
2005277028.tif 000004
差動伝送を行う場合は、ビア２間のキャパシタンスCmを計算する必要があり、真空での誘電率ε0、ビア２の半径a(m)、ビア２間の中心距離d(m)とした時に式(2)で表される。
【数８】
2005277028.tif 000005
【００１１】
次に、ビア２のインダクタンス成分を計算する。
両ビア２の自己インダクタンスLは式(3)で表される。
【数９】
2005277028.tif 000006
b(m):ビア-グランド間平均距離
b=a+[(D2/2-a)+sqrt((D2/2-a)2+(t/2)2)]/2     (4)
t:グランド間平均距離(m)(基板におけるグランド-グランド間の平均距離)
両ビア間の相互インダクタンスMは式(5)で表される。
【数１０】
2005277028.tif 000007
そして、これらの値を用いて、両ビアの差動インピーダンスＺは式(6)で表される。
【数１１】
2005277028.tif 000008
【００１２】
ここで図３に示すように、差動インピーダンスＺの値によって反射係数|Γ|(＝|(100-Z)/(100+Z)|：(基準の差動インピーダンスZbを100Ωとした場合))は変わり、ZをZbに近づけるほど反射は減る。
【００１３】
従って、この実施形態１においては、各ビア２と上記各グランド５との平均距離ｂを用いて各ビア２間の相互キャパシタンスや相互インダクタンス等を演算して、少なくともビア２の半径、ビア２間の距離、各ビア２と各グランド３との平均距離を設定し、差動インピーダンスZを0.9Zb(Ω)≦Z≦1.1Zb(Ω)にする基板構造を得る。
図４は，伝送線路の特性インピーダンスを示したＴＤＲ（Time Domain Reflectometry）波形であるが，図にあるように従来のビア構造においては、インピーダンスマッチングを考慮した設計を行っていなかったため、ビア部の特性インピーダンスが100Ωから外れた構造となり、反射が起き、伝送に障害を与えていたが、本発明の効果により、この部分のインピーダンスマッチングがとれ、反射が起きないため、伝送に有利な構造となる。
このように本発明によれば、伝送線路とのインピーダンスマッチングがとれた高速伝送用基板構造を容易に実現でき、差動伝送を効率的に行うことができる。
なお、基板設計においてインピーダンスは基準インピーダンスの値の±10％以内に入るように設計することが基板メーカでは一般的であり、このような構造にすることで、反射を5(%)以内に抑えられるので伝送特性に与える影響が少なくなる。故にインピーダンスZは、0.9Zb(Ω)≦Z≦1.1Zb (Ω)にすることが好ましく、さらに好ましくは0.95Zb (Ω)≦Ｚ≦1.05Zb (Ω)、Z＝Zb (Ω)とすることが最も好ましい。
【００１４】
実施の形態２．
例えば、図５に示す基板構造において、多層基板１の最表層と最裏層がグランド３で、最表層と最裏層にはグランド付きコプレーナ線路７が通っており、その差動インピーダンスが100Ωであるとする。
この時、両層をつなぐビア２があり、差動信号が最表層から最裏層に伝送されるとき、ビア２の部分がコプレーナ線路７とインピーダンスマッチングしていないと反射が大きくなり、伝送できなくなる。
【００１５】
このような基板構造において本発明を適用すると、図５のように最表層と最裏層以外にグランド層が２つある場合で、基板１の厚さ(＝ビア２の長さ)1.8e-3(m)、平均グランド-グランド間距離0.6e-3(m)、基板１の比誘電率4.1、ビアの半径0.1e-3(m)、クリアランス６の直径1.25e-3(m)、ランド５の直径0.4e-3(m)、ビア２間距離2e-3(m)でほぼ差動100(Ω)となり、伝送線路とのインピーダンスマッチングがとれて差動伝送に有利な基板構造を得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１による高速通信用基板構造を表す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】差動インピーダンスＺと反射係数|Γ|との関係を示す特性図である。
【図４】伝送線路の特性インピーダンスを示したＴＤＲ波形図である。
【図５】本発明の実施の形態２による高速通信用基板構造を表す断面図である。
【符号の説明】
【００１７】
１  多層基板
２  ビア
３  グランド
４  信号ライン
５  ランド
６  クリアランス
７  グランド付きコプレーナ線路
【図１】
2005277028.tif 000014
【図２】
2005277028.tif 000015
【図３】
2005277028.tif 000016
【図４】
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【図５】
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