JP2004037219A - インピーダンス測定方法及び配線板 - Google Patents

Abstract

【課題】配線板のスペースを効率的に利用して特性インピーダンスや差動インピーダンスの測定を行うことを可能とすること。
【解決手段】差動インピーダンステストパターン１０４を構成する２本の配線のうち、１本について特性インピーダンステストパターン１０５の配線を接続する。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、情報処理装置に用いられる配線板に係わり、特にインピーダンス精度を確認するためのインピーダンス測定方法や測定のためのテストパターンを有する配線板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の情報処理装置の処理速度の向上が著しい。これは、情報処理装置に内蔵される配線板の上に実装されたＣＰＵに代表される電子素子の動作周波数の増大によるところが大きい。このような電気信号の高速化に伴う安定動作のために、パーソナルコンピュータ内の配線板においては、ノイズの発生を抑えるための努力が続けられている。特に、配線板の特性インピーダンス値を整合することがノイズの低減に重要であることが知られている。
【０００３】
また、電子素子の動作周波数の増大や動作電圧の減少により、これまで以上に信号に対するノイズの影響が大きくなることが予想されている。ノイズの影響の低減のため、電子素子間の信号伝送に際して、差動信号線の使用が検討されている。差動信号線は、一つの信号を伝送するために二本で一対となる信号線を用いるものである。一本の信号線の特性インピーダンスと同様に、差動信号線に関しても差動インピーダンスが定義されている。
【０００４】
プリント配線板においては、特性インピーダンスや差動インピーダンスは絶縁層の厚さや配線パターンの幅などにより変動し、この値が製品精度の保証範囲に有るかどうかの試験はプリント配線板メーカから出荷される際に、製品や端材部分に設けられたテストパターンを用いて行われる。
【０００５】
このようなテストパターンは、特性インピーダンス測定用のテストパターンと差動インピーダンス測定用のテストパターンとを個別に設けていた。
【０００６】
なお、このような配線板のテストパターンに関する発明の一例として、一度の測定作業で２つのデータ伝送パターンのインピーダンスを測定することができるようにすることを目的とした、特開２００１−２５１０６１公報に開示された発明が挙げられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来、上記のように、配線板の製品精度を確認するための特性インピーダンス測定用のパターンや、差動インピーダンス測定用のパターンは別々に設けられていたため、配線板のスペースに余裕が少なくなる場合があった。
【０００８】
本発明は特性インピーダンスや差動インピーダンスの測定が可能で、スペースを効率的に利用できる配線板を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、配線板上に構成された、他の回路から電気的に孤立して配された一対の並行配線からなる第一の配線と、前記第一の配線を構成する一対の並行配線のうち、一方の配線と電気的に接続して配された第二の配線とを用いてインピーダンスを測定するインピーダンス測定方法であって、前記第一の配線の長さ及び前記第二の配線の長さとを入力する入力ステップと、前記入力ステップにおいて入力された第一の配線の長さの範囲で差動インピーダンスの測定を行う第一測定ステップと、前記入力ステップにおいて入力された第二の配線の長さの範囲で特性インピーダンスの測定を行う第二測定ステップとを具備することを特徴とする。
【００１０】
このような構成によれば、配線板のスペースを効率的に利用して特性インピーダンスや差動インピーダンスの測定を行うことが可能となる。
【００１１】
また、この発明は、電子素子を実装するための回路から電気的に孤立して配された一対の並行配線からなる第一の配線と、前記第一の配線を構成する一対の並行配線のうち、一方の配線と電気的に接続して配された第二の配線とを具備することを特徴とする。
【００１２】
このような構成によれば、配線板のスペースを効率的に利用して特性インピーダンスや差動インピーダンスの測定を行うことが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について以下の通り説明する。図１は本発明の実施形態の一つである情報処理装置の例である、ノート型コンピュータを示す斜視図である。この情報処理装置１は、主に本体部２と表示部３とからなり、ヒンジ部４によって本体部２と表示部３は回動自在に接続される。本体部２の内部には、後述するＣＰＵチップや、メモリなどを実装した配線板が含まれている。
【００１４】
図２はこの情報処理装置１に実装される前の配線板について示す図である。この配線板はいわゆるプリント配線板であり、後述するような多重構造を有している。本実施形態は４層の配線板の例にあたる。この配線板の出荷状態では、情報処理装置１に実際に内蔵される部分である製品部１０１とそれ以外の端材部１０２とが、まだ切り離されない状態で出荷されることが多い。インピーダンステストパターン１０３は、この配線板１００のうち、端材部分１０２に設けられる。
インピーダンステストパターン１０３は配線板１００上に設けられる、各種電子素子を実装するための回路や配線とは電気的に孤立しており、インピーダンス測定のために用いるものである。なお、本実施形態では配線板の実装時にインピーダンステストパターン１０３が切り離されることを想定しているが、このインピーダンステストパターン１０３が製品部１０１の中に設けられても構わない。実装時に小型化を優先する場合は切り離すことが好ましく、切断のコストを抑えることを優先する場合は製品部１０１の中に設けることが好ましい。
【００１５】
インピーダンステストパターン１０３について、図３と図４とを参照して以下の通り説明する。図３は、配線板１００のうち、インピーダンステストパターン１０３の周辺を拡大した図である。インピーダンステストパターン１０３は、図４で後述する信号パッド３０１〜３０４やＶ／Ｇパッド４０１〜４０４と、差動インピーダンステストパターン１０４と特性インピーダンステストパターン１０５とからなる。差動インピーダンステストパターン１０４は一対の信号線からなる。この対となっている信号線の差動インピーダンスを測定して、配線板１００の差動信号線の精度を測定するためのパターンである。長さは１００ｍｍ程度である。
【００１６】
特性インピーダンステストパターン１０５は、差動インピーダンステストパターン１０４のうち、一方のパターンに電気的に接続しており、直線状に伸びている。長さは差動インピーダンステストパターンと同様に、１００ｍｍ程度である。特性インピーダンステストパターン１０５は図３において太い線で表している部分であるが、実際の配線においても、製造する配線板に応じてそのインピーダンス精度等により太さが変わりうる。これら配線が設けられている信号層等については後述する。
【００１７】
図４は、インピーダンステストパターン１０３のうち、パッド部分を中心に拡大した図である。配線板１には後述する第一の信号層に差動インピーダンステストパターン１０４や特性インピーダンステストパターン１０５が設けられている。また、配線板１には、この差動インピーダンステストパターン１０４に電気的に接続する信号パッド３０１、３０２と、後述する電源層・グラウンド層に接続する参照用のＶ／Ｇパッド４０１、４０２が設けられている。第一の信号層について差動インピーダンスや特性インピーダンスを測定する場合は、この信号パッド３０１とＶ／Ｇパッド４０１とのペアと、信号パッド３０２とＶ／Ｇパッド４０２とのペアをそれぞれ測定装置と接続する。信号パッド３０１、３０２とＶ／Ｇパッド４０１、４０２にはそれぞれ、スルーホール５０１、５０２、５０３、５０４が設けられている。
【００１８】
点線で示す信号線２０２は、配線板１００の裏側、後述する第二の信号層に設けられた信号線を示している。この信号線は信号パッド３０３、３０４とそれぞれスルーホール５０５、５０６を介して電気的に接続している。また、後述する電源層・グラウンド層に接続する参照用のＶ／Ｇパッド４０３、４０４が設けられている。第二の信号層について差動インピーダンスや特性インピーダンスを測定する場合は、この信号パッド３０３とＶ／Ｇパッド４０３とのペアと、信号パッド３０４とＶ／Ｇパッド４０４とのペアをそれぞれ測定装置と接続する。信号パッド３０３、３０４とＶ／Ｇパッド４０３と４０４にはそれぞれ、スルーホール５０５、５０６、５０７、５０８が設けられている。
【００１９】
図５は、本実施形態の配線板１００について、図４に示す１−１’線に沿って切断した断面を示す断面図であり、４層配線板の構成が示されている。一番上の層が表面の第一の信号層６０１である。切断線上には信号線が設けられていないので、信号パッド３０４以外には特に銅箔等は存在しない。この下に絶縁層６０２が設けられている。この絶縁層６０２により、信号層６０１と電源層６０３とが絶縁される。電源層６０３とグラウンド層６０５との間にも同様に絶縁層６０４が設けられている。グラウンド層６０５と配線板裏面の第二の信号層６０７との間にも同様に絶縁層６０６が設けられている。
【００２０】
電源層６０３は、この配線板１００が情報処理装置１に内蔵されたときに、配線板上に実装された各種素子に対して電源を供給するための層である。グラウンド層６０５は、この配線板１００が情報処理装置１に内蔵されたときに、配線板上に実装された各種素子に対してグラウンドを提供するための層である。本実施形態では電源層６０３の方がグラウンド層６０５の上に配置されているが、逆の配置でも構わない。これら電源層６０３やグラウンド層６０５は、本発明における差動インピーダンスの測定や、特性インピーダンスの測定にあたってはリファレンスを提供する層の役割を果たすので、便宜的にまとめて参照層と称することにする。
【００２１】
このような配線板にスルーホール５０６が設けられている。このスルーホールは文字通り配線板を貫通しており、例えば配線板の表面に実装された素子と裏面に実装された素子同士を接続するための配線の役割を果たす。ショートを防ぐために、電源層６０３やグラウンド層６０５といった参照層の間にはクリアランスが設けられている。
【００２２】
図６は、本実施形態の配線板１００について、図４に示す２−２’線に沿って切断した断面を示す断面図である。こちらはＶ／Ｇパッドについての断面に相当する。図５と同様に、信号層６０１、６０７、絶縁層６０２、６０４、６０６、電源層６０３、グラウンド層６０４を具備する。図５と異なるのは、スルーホール５０８と、電源層６０３及びグラウンド層６０４といった参照層との間にクリアランスが無く、電気的に接続されている点である。これは特性インピーダンスを測定するためのリファレンスとして用いるためである。
【００２３】
図７はインピーダンステストパターン１０３に対して、実際に測定を行う測定装置のプローブの例を示した図である。測定装置のプローブには信号パッドに当てるための２本の信号用ピン７０１と、Ｖ／Ｇパッドに当てるための２本のグラウンド用ピン７０２を具備している。この測定装置を用い、差動インピーダンスや特性インピーダンス測定を行うためには、この信号用ピン７０１を先述の信号パッド３０１のスルーホール５０１と信号パッド３０２のスルーホール５０２に挿入し、併せてグラウンド用ピン７０２をＶ／Ｇパッド４０１に設けられたスルーホール５０３と、Ｖ／Ｇパッド４０２に設けられたスルーホール５０４に挿入する。
【００２４】
図８を参照して、本願発明の実施形態の一つである配線板の差動インピーダンスや特性インピーダンスの測定の流れについて、以下の通り説明する。まず、ユーザは測定装置に対して、差動インピーダンステストパターンの長さと、特性インピーダンステストパターンの長さの情報を入力する（ステップＳ１０１）。本実施形態の例では、差動インピーダンステストパターン長として１００ｍｍ、特性インピーダンステストパターン長として１００ｍｍと入力する。これらの値は、後述するように、測定装置がインピーダンス値を計算するときに使用するプログラムを切り替えるために用いる。
【００２５】
それぞれのテストパターンの長さの情報を入力した後、測定装置は差動インピーダンスの計算を行う（ステップＳ１０２）。測定装置からの距離に対応した位置のインピーダンス値を、測定装置からの入射電圧と、回路からの反射電圧の測定値に基いて計算することで実行される。
【００２６】
測定装置は続いてこの測定が差動インピーダンステストパターン長に到達したかどうかを判別する（ステップＳ１０３）。この判別は、ステップＳ１０１で入力された値と、実際に測定を行った距離とを比較して行う。ここでまだ差動インピーダンステストパターン長に到達していないと判別した場合、測定装置は作動インピーダンスの測定を継続する（ステップＳ１０４のＮｏからステップＳ１０３）。差動インピーダンステストパターン長に到達したと判別した場合、測定装置はプログラムの切り替えを行う（ステップＳ１０３のＹｅｓからステップＳ１０４）。
【００２７】
このプログラムの切り替えは、差動インピーダンス計算用のプログラムから特性インピーダンス計算用のプログラムへ切り替えることで実行される。プログラムの切り替えを行ったあと、測定装置は特性インピーダンスの測定を継続する（ステップＳ１０５）。測定装置は続いてこの測定が特性インピーダンステストパターン長に到達したかどうかを判別する（ステップＳ１０６）。この判別は、差動インピーダンスの場合と同様に、ステップＳ１０１で入力された値と、実際に測定を行った距離とを比較して行う。ここでまだ特性インピーダンステストパターン長に到達していないと判別した場合、測定装置は特性インピーダンスの測定を継続する（ステップＳ１０６のＮｏからステップＳ１０５）。特性インピーダンステストパターン長に到達したと判別した場合、測定装置は測定を終了する。
【００２８】
図９は本発明を用いて差動インピーダンスと特性インピーダンスの測定試験を行った結果の例を示す図である。横軸が測定装置からの距離、縦軸が特性インピーダンス値を示す。グラフ中、左から順に測定装置の信号用ピンの先端部を含むプローブ部を指す領域、差動インピーダンステストパターンの測定部分を示す領域、特性インピーダンステストパターンの測定部分を示す領域、となる。特性インピーダンステストパターンの測定領域を過ぎると、測定装置としては、特性インピーダンスが無限大となる形で認識される。図８は、差動インピーダンスの方が特性インピーダンスよりも大きい配線板の測定結果の例となっている。
【００２９】
このように、本願発明の第一の実施形態によれば、特性インピーダンスや差動インピーダンスの測定が可能で、スペースを効率的に利用することができる。
【００３０】
図９に本発明の第二の実施形態に係わる配線板の上面図を示す。本発明の第二の実施形態は、差動インピーダンステストパターンに接続された特性インピーダンステストパターンの一部がＵ字型に湾曲している例である。
【００３１】
特性インピーダンステストパターン１０５のうち、差動インピーダンステストパターンと接続する部分の一部をＵ字型に湾曲させ、差動インピーダンス測定用の配線と略平行となるように配する。ここで、測定時のノイズ等の悪影響を抑えるため、特性インピーダンスパターン１０５と差動インピーダンスパターン１０４との間は最小でも０．５ｍｍ程度空けておくことが好ましい。このようなクリアランスの確保という観点からも、特性インピーダンステストパターン１０５は差動インピーダンステストパターン１０４の２本の配線の間ではなく、外側に回りこむように配することが好ましい。
【００３２】
第一の実施形態のように、差動インピーダンステストパターン１０４から特性インピーダンステストパターン１０５が直線的に伸びている場合、配線板の大きさや配線パターンによっては、その特性インピーダンステストパターンを配するだけの長さを確保することが困難である場合が起こりうる。第二の実施形態によれば、特性インピーダンステストパターン１０５の一部がＵ字型に湾曲しているため、直線的に伸びた配線を配するための長さを確保することが困難な場合でも対応することが可能となる。この湾曲した接続部は、差動インピーダンステストパターン１０４の一部を用いても構わない。
【００３３】
図１０に第三の実施形態に係わる配線板の上面図を示す。本発明の第二の実施形態は、差動インピーダンステストパターン１０４に接続された特性インピーダンステストパターン１０５の一部がＬ字型に湾曲している例である。この湾曲した接続部は、差動インピーダンステストパターン１０４の一部を用いても構わない。第二の実施形態と同様に、第一の実施形態のような配置が困難である場合に適用可能であり、特に、配線板の角の部分などにテストパターンを形成する場合に好適である。
【００３４】
第二、第三の実施形態において、Ｕ字型やＬ字型に湾曲している例を示したが、それぞれ湾曲部の数は１個ずつである。この湾曲部の数を増やすことも可能であり、配線パターンに応じてテストパターンを設定することができる。ただし、湾曲部の数が増えることにより、インピーダンス測定時のノイズとなる可能性がある。湾曲部の数は少ない方が好ましい。
【００３５】
なお、上記の各実施形態の説明では、４層の多層プリント配線板を対象に説明を行ったが、もちろん４層以外の構造を有する配線板に適用することが可能である。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、配線板のスペースを効率的に利用して特性インピーダンスや差動インピーダンスの測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の各実施形態に係わる情報処理装置の例を示す斜視図。
【図２】本発明の各実施形態に係わる配線板の例を示す上面図。
【図３】本発明の第一の実施形態に係わるインピーダンステストパターンを示す上面図。
【図４】本発明の第一の実施形態に係わるインピーダンステストパターンのパッド部分の例を示す上面図。
【図５】本発明の各実施形態に係わる配線板の断面を示す断面図。
【図６】本発明の各実施形態に係わる配線板の断面を示す断面図。
【図７】本発明の各実施形態に用いられる測定装置のプローブ部分を示す斜視図。
【図８】測定装置の測定時の動作を示すフローチャート図。
【図９】特性インピーダンスの測定例を示す図。
【図１０】本発明の第二の実施形態に係わるインピーダンステストパターンを示す上面図。
【図１１】本発明の第三の実施形態に係わるインピーダンステストパターンを示す上面図。
【符号の説明】
１…情報処理装置、２…本体部、３…表示部、４…ヒンジ部、
１００…配線板、１０１…製品部、１０２…端材部、１０３…インピーダンステストパターン、１０４…差動インピーダンステストパターン、１０５…特性インピーダンステストパターン、２０１、２０２…信号線、３０１、３０２、３０３、３０４…信号パッド、４０１、４０２、４０３、４０４…Ｖ／Ｇパッド、５０１、５０２、５０３、５０４、５０５、５０６、５０７、５０８…スルーホール、６０１、６０７…信号層、６０２、６０４、６０６…絶縁層、６０３…電源層、６０４…グラウンド層、７０１…信号用ピン、７０２…グラウンド用ピン

Claims (5)

1. 配線板上に構成された、他の回路から電気的に孤立して配された一対の並行配線からなる第一の配線と、前記第一の配線を構成する一対の並行配線のうち、一方の配線と電気的に接続して配された第二の配線とを用いてインピーダンスを測定するインピーダンス測定方法であって、
   前記第一の配線の長さ及び前記第二の配線の長さとを入力する入力ステップと、
   前記入力ステップにおいて入力された第一の配線の長さの範囲で差動インピーダンスの測定を行う第一測定ステップと、
   前記入力ステップにおいて入力された第二の配線の長さの範囲で特性インピーダンスの測定を行う第二測定ステップとを具備することを特徴とするインピーダンス測定方法。
2. 電子素子を実装するための回路から電気的に孤立して配された一対の並行配線からなる第一の配線と、
   前記第一の配線を構成する一対の並行配線のうち、一方の配線と電気的に接続して配された第二の配線とを具備することを特徴とする配線板。
3. 前記第二の配線は前記第一の配線のうち一方の配線の端部から、前記第一の配線を延長するように直線的に接続されることを特徴とする請求項２記載の配線板。
4. 前記配線板は更に、前記第一の配線のうち一方の配線と前記第二の配線とを電気的に接続するＵ字型の接続部を具備することを特徴とする請求項２記載の配線板。
5. 前記配線板は、前記第一の配線のうち一方の配線と前記第二の配線とを電気的に接続するＬ字型の接続部を具備することを特徴とする請求項２記載の配線板。

Images