JP3546823B2

JP3546823B2 - スルーホール構造および該スルーホール構造を含むプリント基板

Info

Publication number: JP3546823B2
Application number: JP2000271251A
Authority: JP
Inventors: 馨小林; 裕幸森; 公博山中
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2000-09-07
Filing date: 2000-09-07
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2020-09-07
Also published as: JP2002094205A; US6486414B2; US20020027020A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリント基板に関し、より詳細には、プリント基板に対して高周波用コネクタを接続するためのスルーホール構造および該スルーホール構造を含むプリント基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリント基板には、外部装置からの信号入力、電力供給といった種々の目的のため、プリント基板にコネクタを直接接続して用いる場合がある。このような場合、外部装置から入力される信号が高周波数になるほど、インピーダンスの不整合の問題が生じる。このようなインピーダンスの不整合は、信号の伝搬性を低下させたり、信号の伝搬をある場合には不可能とさせてしまうため、プリント基板と特に高周波用コネクタとの接続部におけるインピーダンス不整合をできるだけ生じさせないようにする必要がある。
【０００３】
このようなインピーダンスの整合は、従来では、信号用スルーホールの周囲に信号用スルーホールと平行に延びるスルーホール導体を設けることなどにより行われてきている。しかしながらこのような方法では、信号経路付近にスルーホール導体を配置するために、スルーホール導体の間の距離が小さくなり、この結果信号経路の静電容量が増加してしまうという問題も生じる。このような信号経路の静電容量の増加は、特に動作周波数を高めより後続の動作を可能とするべく、高周波用コネクタをプリント基板に接続して信号供給を行う場合には、浮遊容量の増加にも直結するため、充分な対応策とはいえない。
【０００４】
また、近年プリント基板に対する高密度実装の要求がますます高まって来ており、このため、高周波信号が伝搬するスルーホール付近に電力供給ラインが設けられる場合も多い。このような場合であっても容易、かつ効果的に高周波用コネクタの接続部におけるインピーダンスを調節できるスルーホール構造およびプリント基板が必要とされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、信号経路の静電容量の増加による浮遊容量の増加といった弊害を生じさせず、かつ高周波信号が伝搬される高周波用コネクタの接続部におけるインピーダンスを容易、かつ効果的に調節することができるスルーホール構造およびプリント基板を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、本発明のスルーホール構造およびプリント配線板を提供することにより達成される。
【０００７】
すなわち、本発明によれば、プリント基板にコネクタを接続するためのスルーホール構造であって、誘電体基板と、前記誘電体基板に形成され、信号を供給するための導通処理された信号用スルーホールと、前記誘電体基板に形成され、電力を供給するための導電処理された電力用スルーホールと、前記信号用スルーホールと前記電力用スルーホールの間に形成された誘電率調節部と、を含むスルーホール構造が提供される。また、前記誘電率調節部は、導通処理のなされていないスルーホールから構成することができる。前記電力用スルーホールは、前記信号用スルーホールの周囲に配置することができる。前記誘電率調節部は、前記信号用スルーホールと前記電力用スルーホールの間において中心対称または非対称に配置することができる。前記コネクタは、高周波用コネクタとすることができる。
【０００８】
また、本発明によれば、誘電体基板が積層されて形成されるプリント基板であって、前記誘電体基板に形成され、信号を供給するための導通処理された信号用スルーホールと、前記誘電体基板に形成され、電力を供給するための導電処理された電力用スルーホールと、前記信号用スルーホールと前記電力用スルーホールとの間に形成された誘電率調節部とを含む、コネクタを接続するためのスルーホール構造を有するプリント基板が提供される。前記誘電率調節部は、導通処理のなされていないスルーホールから構成することができる。前記電力用スルーホールは、前記信号用スルーホールの周囲に配置することができる。前記誘電率調節部は、前記信号用スルーホールと前記電力用スルーホールとの間において中心対称または非対称に配置することができる。前記コネクタは、高周波用コネクタとすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は下記実施の形態に限定されるものではない。
【００１０】
図１は、本発明によりプリント基板１に形成されたスルーホール構造２を示した上面図である。本発明のスルーホール構造２は、中心部に信号が伝搬される信号用の導通処理された信号用スルーホール３と、その周囲を取囲むようにして形成された導通処理された電力用スルーホール４と、信号用スルーホール３と、電力用スルーホール４との間に形成された複数の誘電率調節部５とから構成されている。信号用スルーホール３および電力用スルーホール４の導通処理は、ともにスルーホールの内面をメッキ処理することによりメッキスルーホールとすることにより行われている。
【００１１】
図１に示すように、本発明のスルーホール構造は、信号用スルーホール３と、この信号用スルーホール３を取囲むように形成された電力用スルーホール４の間のプリント基板領域に、誘電率調節部５が複数形成されていて、本発明のスルーホール構造２により構成される高周波用コネクタのインピーダンス特性を調節している。本発明においては高周波とは、例えば、０．８ＧＨｚ〜３０ＧＨｚ程度の周波数をいい、このような高周波数用コネクタとしては例えば、具体的にはＳＭＡコネクタを挙げることができる。
【００１２】
本発明において使用される誘電率調節部５は、種々の方法により構成することができる。例えば、図１に示した実施の形態においては、誘電率調節部５は、内部にメッキを施さないスルーホールにより構成されている。このように構成された誘電率調節部５は、内部に空気（比誘電率＝１）が充填され、通常エポキシ樹脂といった誘電体で形成されるプリント基板の平均的な比誘電率、約４よりも信号用スルーホール３と、電力用スルーホール４の間の平均比誘電率を低下させている。
【００１３】
一般に、インピーダンスまたはキャパシタンスは、誘電率調節部５としてスルーホールを用いる場合には、スルーホールの径、数、スルーホール内に充填されている誘電体の誘電率、およびスルーホール形成位置により変化する。スルーホール径を大きくすればインピーダンスを大きくすることができる。スルーホールの数を多くすれば、同様にインピーダンスを大きくすることができる。また、スルーホール内に充填する誘電体の誘電率についていえば、誘電率が小さいほどインピーダンスは高く、誘電率が大きいほど、インピーダンスは低くなる。さらにスルーホール位置についていえば、信号用スルーホール３と電力供給用するホールの中心を結ぶ直線上に誘電率調節部５としてのスルーホールを設けることがインピーダンスを大きく調整することができる。また、誘電率調節部５として用いられるスルーホールは、高周波数の信号の伝搬には均一な電磁界の形成が必要とされるため、誘電率調節部５は、信号用スルーホール３を中心として中心対称に配置することが望ましい。
【００１４】
また、本発明の誘電率調節部５は、誘電率調整のために形成したスルーホール５の内部に例えば、チタン酸バリウム、ＰＺＴ、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）といった無機または有機の強誘電体を充填することができる。この場合には、本発明により、周囲のエポキシ樹脂の比誘電率よりも、スルーホール構造２の領域における平均比誘電率を増加させることにより、インピーダンス整合を行うことも可能である。
【００１５】
図２には、本発明のスルーホール構造２の別の実施の形態を示した図である。図２に示したスルーホール構造２の別の実施の形態では、上述した誘電率調節部５が、信号用スルーホール３と、電力用スルーホール４との間に中心対称ではなく、非対称に配置されているのが示されている。本発明においては、上述した誘電率調節部５は、スルーホール構造２の領域においてインピーダンスの不整合を、特に高周波数において低下させることができる限り、いかなる数および配置としても形成することができる。
【００１６】
上述した誘電率調節部５をスルーホールで形成する場合には、スルーホールの径を、約３００μｍとすることができる。このスルーホールの径についても本発明においては適宜用いることができる。また、誘電率調節部５は、スルーホールの径、配置、誘電率調節部５の内部の誘電体の比誘電率、プリント基板１の構造・材質にも依存するが、高周波用コネクタとして本発明のスルーホール構造２を提供する場合には、インピーダンスが３５Ω〜７０Ωの範囲となるように適宜設定することができる。
【００１７】
図３は、本発明のスルーホール構造２が形成された領域において、図１の矢線Ａ−Ａに沿って断面とした本発明のプリント基板１の断面を示した図である。本発明のスルーホール構造２は、エポキシ樹脂といった誘電体層６で形成された基板が積層されて、多層の構成として形成されている。この誘電体層６の内部には、電力を供給するための電力用配線７および電気信号を伝搬させるための信号配線８などが形成されている。本発明のスルーホール構造２は、プリント基板１を通して上下に延ばされているのが示されている。
【００１８】
図３に示されたスルーホール構造２は、電力用スルーホール４が、メッキスルーホールで形成されており、誘電率調節部５が、メッキされていないスルーホールで形成され、内部に空気が充填されている。さらにスルーホール構造２の中心部には、高周波信号が伝搬される信号用スルーホール３が形成されているのが示されている。図３においては、信号用スルーホール３と、電力用スルーホール４と、誘電率調節部５とが中心対称に配置されているのが示されているが、上述したように本発明においては、インピーダンス不整合を低減させることができる限り、いかなる配置とすることもできる。
【００１９】
図４は、本発明のスルーホール構造のインピーダンス調整の大きさをシミュレーションした図である。図４は、誘電率調節部５としてスルーホールを用い、所定の径の誘電率調節用のスルーホールに対して、誘電率調節用のスルーホール径を変化させた場合の相対スルーホール径を横軸としている。また、図４では、縦軸には誘電率調節用のスルーホールを形成しない従来のスルーホール構成のインピーダンスおよびキャパシタンスを１００％としたときの本発明のスルーホール構成により得られるインピーダンスおよびキャパシタンスの変化とされている。
【００２０】
なお、シミュレーションは、誘電率調節用のスルーホールを２つ配置したスルーホール構成および誘電率調整用のスルーホールを４つ配置したスルーホール構成の２種のスルーホール構成について行い、誘電率調節用のスルーホール内には、空気を充満させたものとして行った。図５には、シミュレーションに用いたスルーホール構成を、図５に示す。図５（ａ）が、２スルーホールを誘電率調節部５として配置した本発明のスルーホール構成であり、図５（ｂ）が、４スルーホールを誘電率調節部５として配置した本発明のスルーホール構成を示した図である。
【００２１】
図４に示されるように、相対スルーホール径を変化させることにより、インピーダンスおよびキャパシタンスを連続的に調節できることがわかる。したがって、本発明によれば、インピーダンスまたはキャパシタンスの調節を、従来にまして容易かつ高精度に行うことができることがわかる。
【００２２】
図６は、図２に示した本発明のスルーホール構造２を形成したプリント基板１へと高周波信号を入力した際に生じる、反射の過渡的特性を示した図である。図６においては、縦軸が電圧（ｍＶ：１Ｄｉｖ＝２０ｍＶ）であり、横軸が時間（１Ｄｉｖ＝５０ｐｓ）である。誘電率調節部５として形成したスルーホールは、図２に示す実施の形態においては非対称とされているが、誘電率調節部５を、中心対称に配置しても同様の効果を得ることができる。入力信号としては、入力電圧Ｖ_ｉ＝２００ｍＶ、立上がり時間Ｔ_ｒ＝５０ｐｓの信号を用いた。図６に示されているように、本発明のスルーホール構造２により構成された高周波コネクタにおける反射は、約１２ｍＶのディップを形成している。さらに、ディップが形成された後には、反射により生じる電圧変動における振幅が低減されているのが示されている。
【００２３】
比較のため、図７に示した構成として、誘電率調整用のスルーホールを形成せずに、高周波用コネクタを構成し、同一の入力信号に対する過渡的特性について検討を加えた。図７においては、縦軸が電圧（ｍＶ：１Ｄｉｖ＝１０ｍＶ）であり、横軸が時間（１Ｄｉｖ＝５０ｐｓ）である。図７に示されたスルーホール構造には、誘電率調節部５が全く形成されていない。図８に、図７に示したスルーホール構造を用いた場合について得られた入力信号に対する過渡的反射特性を示す。
【００２４】
図８に示されるように、図７の構成として形成された誘電率調節部５を用いないスルーホール構造を用いた高周波用コネクタでは、入力信号に対して約２０ｍＶのディップが形成されているのが示されている。また、ディップが形成された後の電圧の振幅も図６に示した本発明の実施の形態のスルーホール構造を用いた高周波用コネクタに比して大きいことがわかる。したがって、本発明のスルーホール構造および該スルーホール構造を用いたプリント基板は、インピーダンス整合を可能とし、この結果反射を低減させ、さらには反射後の電圧変動を低減させることが可能となる。
【００２５】
これまで本発明を図面に示した実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、誘電率調節部の形状、配置、数、およびビルドアッププリント配線板、銅張りプリント配線板といった、プリント基板の種類・材料などについては、これまで知られたいかなる構成であっても、本発明の効果が得られる限り本発明が適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスルーホール構造を示した図。
【図２】本発明のスルーホール構造の別の実施例を示した図。
【図３】本発明のスルーホール構造が形成された部分におけるプリント基板の断面図。
【図４】インピーダンスおよびキャパシタンスの相対スルーホール径に対する変化をシミュレーションした図。
【図５】図４のシミュレーションに使用したスルーホール構成を示した図。
【図６】本発明のプリント配線板に形成された高周波用コネクタの反射過渡特性を示した図。
【図７】誘電率調節部を設けずにスルーホールにより形成した高周波用コネクタ部の上面図。
【図８】図７に示した高周波用コネクタの反過渡射特性を示した図。
【符号の説明】
１…プリント基板
２…スルーホール構造
３…信号用スルーホール
４…電力用スルーホール
５…誘電率調節部
６…誘電体層
７…電力用配線
８…信号配線

Claims

プリント基板にコネクタを接続するためのスルーホール構造であって、
誘電体基板と、
前記誘電体基板に形成され、信号を供給するための導通処理された信号用スルーホールと、
前記誘電体基板に形成されると共に前記信号用スルーホールの周囲に配置され、かつ電力を供給するための導電処理された電力用スルーホールと、
前記信号用スルーホールと前記電力用スルーホールの間に形成された誘電率調節部と、を含むスルーホール構造。
前記誘電率調節部は、導通処理のなされていないスルーホールから構成される、請求項１に記載のスルーホール構造。
前記誘電率調節部は、前記信号用スルーホールと前記電力用スルーホールの間において中心対称または非対称に配置される、請求項１または２に記載のスルーホール構造。
前記コネクタは、高周波用コネクタである請求項１〜３のいずれか１項に記載のスルーホール構造。
誘電体基板が積層されて形成されるプリント基板であって、前記誘電体基板に形成され、信号を供給するための導通処理された信号用スルーホールと、前記誘電体基板に形成されると共に前記信号用スルーホールの周囲に配置され、かつ電力を供給するための導電処理された電力用スルーホールと、前記信号用スルーホールと前記電力用スルーホールとの間に形成された誘電率調節部とを含む、コネクタを接続するためのスルーホール構造を有する、プリント基板。
前記誘電率調節部は、導通処理のなされていないスルーホールから構成される、請求項５に記載のプリント基板。
前記誘電率調節部は、前記信号用スルーホールと前記電力用スルーホールとの間において中心対称または非対称に配置される、請求項５または６に記載のプリント基板。
前記コネクタは、高周波用コネクタである、請求項５〜７のいずれか１項に記載のプリント基板。