JP4912204B2 - 多層プリント配線板 - Google Patents

Description

本発明は、信号伝送用スルーホールにより接続された伝送線路を有する多層プリント配線板に関し、詳しくは、伝送線路の特性インピーダンスと、信号伝送用スルーホールの特性インピーダンスとが不整合であっても、信号伝送用スルーホールを含む伝送線路全体の特性インピーダンスの整合をとることができる多層プリント配線板に関する。

この種の多層プリント配線板において、信号品質を考慮されない信号伝送用スルーホールの特性インピーダンスは、これに接続されている伝送線路の特性インピーダンスと比較すると、小さいものであったり、場合によっては大きかったりするのが現状である。この場合、伝送線路と信号伝送用スルーホールとの接続点において伝送信号の反射が生じ、伝送信号の伝送品質の低下となる。

そこで、信号伝送用スルーホールの特性インピーダンスを、これに接続された伝送線路の特性インピーダンスに整合させるよう設定する技術として、信号伝送用スルーホールの周囲に設置電位となる付加物を設けるという技術がある（特許文献１及び特許文献２を参照）。

しかし、これら技術は信号伝送用スルーホールの周囲に付加物を設けるものであるため、多層プリント配線板を高密度配線させようとすると、これら付加物が障壁となる。また、付加物を微細構造としなければならない場合は、製造上の困難さも増大する。

そこで、信号伝送用スルーホールの周囲に付加物を設けずに信号伝送用スルーホール及び伝送線路の特性インピーダンスを整合させる技術として、信号伝送用スルーホールに接続された伝送線路において、信号伝送用スルーホールの近傍部分の形状を工夫することにより、信号伝送用スルーホール及び近傍部分からなる部位の特性インピーダンスと、伝送線路の特性インピーダンスとを整合させるという技術がある（特許文献３及び特許文献４を参照）。

特許文献３には、スルーホール及び平面回路からなるスルーホール接続部を有する多層プリント配線板であって、スルーホール接続部の平面回路にスルーホール接続部の特性インピーダンスを調整するための整合調整用平面回路が設けられている多層プリント配線板が記載されている。この整合調整用平面回路は、整合調整用伝送線路及びこの整合調整用伝送線路の他端に接続されたスタブからなるか、または、少なくとも２種類以上の異なった線路幅の直列接続された複数の整合調整用伝送線路からなる。この発明によれば、これらの幅と長さとを適宜設定することにより、スルーホール接続部の特性インピーダンスと、伝送線路の特性インピーダンスとを整合させることができる。

また、特許文献４には、伝送線路に広幅部と狭幅部とが設けられており、狭幅部の長さを特定の設定範囲に設定することにより、スルーホール近傍での特性インピーダンスの低下を防止できる多層プリント配線板が記載されている。

特開平０５−２０６６７８号公報 特開平１１−１５０３７１号公報 特開２００１−３０８５４７号公報 特開２００６−２１１０７０号公報

上記特許文献３や特許文献４に記載の技術によれば、製造上の困難性も小さく、高密度配線にも対応させることができる。しかしながら、これら技術においては、種々の構成に対する最適の設定値を与えるための手法は明示されていない。そのため、その最適の設定値を得るには試行錯誤によるしかなく、適切な設定値を得るのは容易でない。

そこで本発明は、信号伝送用スルーホールにより接続された伝送線路を有する多層プリント配線板において、伝送線路の特性インピーダンスと、信号伝送用スルーホールの特性インピーダンスとが不整合であっても、信号伝送用スルーホールを含む伝送線路全体の特性インピーダンスの整合をとることができ、そのための適切な設定値を容易に得ることができる多層プリント配線板を提供することを課題とする。

上記課題解決のための請求項１に記載の発明は、一方の面に特性インピーダンスがＺ_０（Ω）に設定された第１伝送線路及び上記第１伝送線路に接続された第１接続線路が設けられ、他方の面に特性インピーダンスがＺ_０（Ω）に設定された第２伝送線路及び上記第２伝送線路に接続された第２接続線路が設けられ、さらに、上記第１接続線路及び上記第２接続線路が信号伝送用スルーホールで接続された多層プリント配線板である。

詳しくは、上記多層プリント配線板は、上記第１接続線路と上記信号伝送用スルーホールと上記第２接続線路とからなるスルーホール近傍線路の長さが請求項１に記載の式（１）及び（２）により算出されるＬ（ｍｍ）に設定されており、さらに、上記第１接続線路及び上記第２接続線路の特性インピーダンスが、ともに請求項１に記載の式（３）により算出されたＺ_１（Ω）となるよう設定されていることを特徴とする。

請求項１に記載の多層プリント配線板は、スルーホール近傍線路の特性インピーダンスを第１伝送線路及び第２伝送線路の特性インピーダンスに容易に整合させることができる。すなわち、伝送線路の特性インピーダンスと、信号伝送用スルーホールの特性インピーダンスとが不整合であっても、伝送線路全体の特性インピーダンスが場所によって不整合とならず、さらに、そのための適切な設定値を容易に得ることができる。

本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の多層プリント配線板に設けられた信号伝送用スルーホール１４の近傍を拡大して見た図である。詳しくは、図１を参照すると、この多層プリント配線板の一方の面には、特性インピーダンスがＺ_０（Ω）に設定された第１伝送線路１０及びこの第１伝送線路１０に接続された第１接続線路１２が設けられており、また、他方の面には特性インピーダンスが同じくＺ_０（Ω）に設定された第２伝送線路１１及びこの第２伝送線路１１に接続された第２接続線路１３が設けられている。さらに、第１接続線路１２及び第２接続線路１３は信号伝送用スルーホール１４で接続されている。実際の多層プリント配線板では、第１伝送線路１０、第１接続線路１２、第２接続線路１３及び第２伝送線路１１の上はソルダーレジストで被覆されている。図１ではこのソルダーレジストは記載していない。

図２は、この多層プリント配線板を図１におけるＡ−Ａ線で切断した断面を模式的に示した図である。なお、この図２においては、上述のソルダーレジスト及び内層に形成されている配線は記載していない。図２において、第１接続線路１２、信号伝送用スルーホール１４及び第２接続線路１３とからなる伝送線路をスルーホール近傍線路１５と称することとする。このスルーホール近傍線路１５の長さは、下記式（１）及び（２）により算出されるＬ（ｍｍ）に設定されている。さらに、第１接続線路１２及び第２接続線路１３の特性インピーダンスが、ともに下記式（３）により算出されたＺ_１（Ω）となるよう設定されている。

Ｔ_ｒ＝０．３５／ｆ_ｓ ・・・（１）
Ｌ＝（Ｔ_ｒ・Ｃ_０）／（ｎ・√ε_ｒ） ・・・（２）
Ｔ_ｒ：信号伝送用スルーホール１４を流れる信号の立ち上り時間（ｓ）
ｆ_ｓ：信号伝送用スルーホール１４を流れる信号の周波数成分（Ｈｚ）
Ｃ_０：光速度
ｎ：集中定数として扱う事ができる長さを規定する定数（３．５〜１０）
ε_ｒ：絶縁層の比誘電率

ｌ_ｔｈ：信号伝送用スルーホール１４の長さ（ｍｍ）
ｌ_１：第１接続線路１２及び第２接続線路１３の長さ（ｍｍ）であって、下記式により算出する。
ｌ_１≦（Ｌ−ｌ_ｔｈ）／２
Ｚ_ｔｈ：信号伝送用スルーホール１４の特性インピーダンス（Ω）

なお、図１では、第１接続線路１２及び第２接続線路１３の幅は、それぞれ、第１伝送線路１０及び第２伝送線路１１の幅よりも小さくなっている。Ｚ_ｔｈ＜Ｚ_０である場合、このような形態となる。

一方、Ｚ_ｔｈ＞Ｚ_０の場合は、図３に示すように、第１接続線路１２及び第２接続線路１３の幅は、それぞれ、第１伝送線路１０及び第２伝送線路１１の幅よりも大きい形態となる。

絶縁層の誘電率が４．７、信号伝送用スルーホール１４の長さが１．６０ｍｍ、第１伝送線路１０及び第２伝送線路１１の特性インピーダンスＺ_０が５０Ωの多層プリント配線板において、信号伝送用スルーホール１４の特性インピーダンスＺ_ｔｈが４５．６Ωであった。

この信号伝送用スルーホール１４に周波数が４ＧＨｚの信号を流すと、信号伝送用スルーホール１４を流れる信号の立ち上り時間Ｔ_ｒ（ｓ）は
Ｔ_ｒ＝０．３５／（４×１０^９）＝８７．５×１０^−１２＝８７．５ｐｓ
である。
ゆえに、このときのスルーホール近傍線路１５の長さＬは、ｎ＝４として、
Ｌ＝（８７．５×１０^−１２×３．０×１０^８）／（４×√（４．７））
＝３．０３×１０^−３（ｍ）
＝３．０３（ｍｍ）
となる。

第１接続線路１２及び第２接続線路１３の長さはｌ_１は下記の通りである。
Ｌ＝ｌ_１＋ｌ_１＋１．６０＝３．０３であるので、
ｌ_１＝（３．０３−１．６０）／２＝０．７２ｍｍ
となる。

ゆえに、第１接続線路１２及び第２接続線路１３の特性インピーダンスの設定値Ｚ_１は、式（３）よりＺ_１＝５０×（１＋１．６０／（２×０．７２））−（４５．６×１．６０／（２×０．７２））
=５４．９
（Ω）
となる。

そこで第１接続線路１２及び第２接続線路１３は、長さをともに０．７２ｍｍとし、これらの特性インピーダンスが５４．９Ωとなるよう、それぞれの幅を設定する。この設定方法は従来公知の方法によればよい。

多層プリント配線板の信号伝送用スルーホールの近傍拡大図 多層プリント配線板のＡ−Ａ線切断断面図 Ｚ_ｔｈ＞Ｚ_０の場合の信号伝送用スルーホールの近傍を拡大して見た図

符号の説明

１０ 第１伝送線路
１１ 第２伝送線路
１２ 第１接続線路
１３ 第２接続線路
１４ 信号伝送用スルーホール
１５ スルーホール近傍線路

Claims (1)

1. 一方の面に特性インピーダンスがＺ_０（Ω）に設定された第１伝送線路及び上記第１伝送線路に接続された第１接続線路が設けられ、他方の面に特性インピーダンスがＺ_０（Ω）に設定された第２伝送線路及び上記第２伝送線路に接続された第２接続線路が設けられ、さらに、上記第１接続線路及び上記第２接続線路が信号伝送用スルーホールで接続された多層プリント配線板であって、上記多層プリント配線板は、上記第１接続線路と上記信号伝送用スルーホールと上記第２接続線路とからなるスルーホール近傍線路の長さが下記式（１）及び（２）により算出されるＬ（ｍｍ）に設定されており、さらに、上記第１接続線路及び上記第２接続線路の特性インピーダンスが、ともに下記式（３）により算出されたＺ_１（Ω）となるよう設定されていることを特徴とする多層プリント配線板。
   Ｔ_ｒ＝０．３５／ｆ_ｓ ・・・（１）
   Ｌ＝（Ｔ_ｒ・Ｃ_０）／（ｎ・√ε_ｒ） ・・・（２）
   Ｔ_ｒ：信号伝送用スルーホールを流れる信号の立ち上り時間（ｓ）
   ｆ_ｓ：信号伝送用スルーホールを流れる信号の周波数成分（Ｈｚ）
   Ｃ_０：光速度
   ｎ：集中定数として扱う事ができる長さを規定する定数（３．５〜１０）
   ε_ｒ：絶縁層の比誘電率
   

   

   ｌ_ｔｈ：信号伝送用スルーホールの長さ（ｍｍ）
   ｌ_１：第１接続線路及び第２接続線路の長さ（ｍｍ）であって、下記式により算出する。
   ｌ_１≦（Ｌ−ｌ_ｔｈ）／２
   Ｚ_ｔｈ：信号伝送用スルーホールの特性インピーダンス（Ω）

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