JP2013012967A - プリント基板伝送系 - Google Patents

Abstract

【課題】
求められる伝送距離が１、２ｃｍに過ぎない１０Ｇｂｐｓ超領域の高速伝送では、特許文献１にあるようなモード変換構造を設けることは現実的ではない。また特許文献２のパッケージ構造を採用した場合、パッケージサイズの増大や信号線の本数制限が懸念される。
【解決手段】
第一の導体面と、前記第一の導体面と同じ層にある信号線と、前記第一の導体面の反対側の面である第二の導体面と、を備えるプリント基板と、グランドピンおよび信号ピンを備えて構成され、前記プリント基板と電気的に接続可能なパッケージと、前記パッケージを覆うように形成される誘電材料と、を備え、前記プリント基板の誘電率εｒ１が前記誘電材料の誘電率εｒ２よりも大きく、前記信号線と前記第一の導体面との距離ｄ、前記信号線の幅ｗ、前記第一の導体面の厚みｈ、前記信号線と前記第二の導体面との距離ｓが数３を満たす関係にあることを特徴とするプリント基板伝送系である。
【選択図】図１

Description

本発明は、プリント基板伝送系に関する。

固有の機能を持った半導体デバイスを封止したパッケージがいくつか実装されたプリント基板においてプリント基板配線とパッケージ間の高速な電気伝送を実現するためには、特性インピーダンスを整合させることに加えて、これらの伝送線路方向に対して伝送線路周りの電界や磁界の伝送モードが保たれているか、波長に対して伝送線路のモード変化が十分穏やかであることが求められる。

この原理に基づいた背景技術として、特開平１−５１０２号公報（特許文献１）がある。特許文献１には、「コプレナ線路の伝送モードからマイクロストリップ線路の伝送モードへの変換を特性劣化を伴わずに極めて容易にし、よってコプレナ線路を基本伝送線路としたモノリシックマイクロ波集積回路を、パッケージや測定用治具に容易に接続せしめることにある。」と記載されている（要約参照）。また、特開２０００−０４０７７１号公報（特許文献２）には、「高周波用信号線２をマイクロストリップ回路で構成することにより、高周波半導体素子６と高周波信号線２との接続部でのモード不整合を防止する。」と記載されている（要約参照）。

特開平０１-００５１０２号公報 特開２０００−０４０７７１号公報 特開２００９−２７７８５５号公報

特許文献１および特許文献２に開示された技術の背景にあるように、高周波領域での電気伝送では伝送モードを考慮しなければならない。そのため、パッケージの伝送モードとプリント基板の伝送モードを相互に変換するような構造（特許文献１）や、モード変換が必要ないようなパッケージの方法（特許文献２）が提案されている。しかし、求められる伝送距離が１、２ｃｍに過ぎない１０Ｇｂｐｓ超領域の高速伝送では、特許文献１にあるようなモード変換構造を設けることは現実的ではない。また特許文献２のパッケージ構造を採用した場合、パッケージサイズの増大や信号線の本数制限が懸念される。

上記課題を解決するために、たとえば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一特徴を挙げるならば、基板材料よりも高誘電率の材料によって覆われたプリント基板において、信号線との静電結合が強まった信号線と同層の金属面が電流の帰還路となるようにすることを特徴とする。

本発明を利用することでパッケージとプリント基板の間の信号反射を抑制することができる。

本発明に係るプリント基板伝送系を実現する構成要素を表した概念図である。 一般的な伝送系の概念図である。 本発明に係るプリント基板伝送系の比較例を示す図である。 本発明に係るプリント基板伝送系の実施例を示す図である。 信号線の長手方向に直角な断面における電気力線や帯電の様子を表わす図である。 本発明の実施例２に係るプリント基板断面を示す構造図である。 本発明の実施例３に係るプリント基板断面を示す構造図である。

図１は本実施例に係るプリント基板伝送系を実現する構成要素を表した概念図である。プリント基板伝送系は、主にプリント基板００１、プリント基板００１の上に実装されるパッケージ００２、パッケージ００２が実装された後プリント基板００１の表面を覆う高誘電材料００３にの３つの構成要素を備えている。

それぞれの構成要素の詳細は以下の通りである。
プリント基板００１は信号線００４、信号線００４と同じ層にある導体面００５、誘電体００６、誘電体００６内各層の導体面（図には示さず）あるいは裏面の導体面００７を備えて構成される構造であり、信号線００４と導体面００５あるいは裏面の導体面００７との間の電圧のパルス的時間変動によって信号を伝送する。
パッケージ００２は、グランドピン００９、信号ピン００８を備えて構成される構造であり、信号ピン００８やグランドピン００９をそれぞれ信号線００４や導体面００５と電気的接触させることによって、パッケージ００２に封止された機能素子はプリント基板との間で電気信号をやりとりする。ここで、本実施例を実現するためにはパッケージ００２の信号ピン００８とグランドピン００９は必ずしも交互に設けられる必要は無い。
高誘電材料００３は典型的には比誘電率が３以上の誘電率をもった材料であり、その詳細な条件は後に述べる（数１）および（数２）で表される。

尚、図１はあくまでも本願の概念図であり、パッケージ００２の外観、ピン００９、００８の形状、ピン００９、００８の並びならびに信号線００４や導体面００５の形状、あるいは誘電体００６の層構成などを制限していない。同電位にするために導体面００５と裏面の導体面００７の間に設けられるビアは省略されている。

図２は、一般的な伝送系の概念図である。において図１の各要素のうち、信号線０１３は図１における信号線００４に、負荷０１５は図１におけるパッケージ００２に、電流帰還経路０１４は図１における導体面００５あるいは裏面の導体面００７にそれぞれ対応し、信号線０１３や信号線０１４は交流電流０１６が流れる配線を表す。ここで、信号源０１２は図１の中には描かれていない。

図３は本発明に係るプリント基板伝送系の比較例、図４は本発明に係るプリント基板伝送系の実施例を示す図である。図中の線０１１は電流が流れる経路を示す。
図３は、信号線００４と裏面の導体面００７、導体面００５それぞれの間の容量結合の大きさに依存する帰還電流量が裏面の導体面００７により多く流れる状態となっている。一方、図４は、信号線００４と裏面の導体面００７、導体面００５それぞれの間の容量結合の大きさに依存する帰還電流量が導体面００５により多く流れる状態となっている。

パッケージ００２と信号線００４の接続部分での電気信号反射を小さくするためには、信号線００４と裏面の導体面００７、導体面００５それぞれの間の容量結合の大きさに依存する帰還電流量が、裏面の導体面００７よりも導体面００５により多く流れる状態のようにすることが望ましい。なぜならば、図３のように帰還電流が裏面の導体面００７を流れる場合、高周波伝送を阻害する経路の曲がりがあることによって、信号線を流れる電流に対してπだけ位相がずれているべき関係が崩れて電磁波放射の要因となり得るからである。一方、図４のように電流経路に顕著な曲がりがなく、信号線を流れる電流との位相も保たれやすい場合は反射が小さくなる。

図５は、信号線の長手方向に直角な断面における電気力線や帯電の様子を表わす図である。大きな帰還電流が導体面００５を流れる反射が小さな状況において、信号線００４の長手方向に直角な断面における電気力線や帯電の様子を表わす。ただし、ビア０１０は導体面００５と裏面の導体面００７を電気的に接続するために設けられたビアである。
後述の（数１）、（数２）を満たすような大きな誘電率によって、信号線００４と導体面００５の特に高誘電材料００３を挟んだ面間の静電容量を大きくする。そのため、より多くの対となる電荷が、信号線００４や導体面００５の高誘電材料００３に面した側それぞれに誘起される。一方で、信号線００４と裏面の導体面００７の間の静電容量は信号線００４と導体面００５の静電容量に比べて小さくするために、高誘電材料００３を設ける前に比べてより小さな電荷量しか誘起されなくなる。したがって、各点における誘起された電荷量の時間変動であるＡＣ電流は信号線００４や導体面００５の特に高誘電材料００３に面した面を流れる。このパッケージ００２がプリント基板に接合される面にそった電流のため、接合部における信号の反射を小さくすることができる。

さらに、
誘電体００６に面した面を電流が流れる場合よりも、パッケージ００２が実装された高誘電材料００３の面に電流を流した方が反射が小さくなる。これを実現するために、プリント基板を覆う誘電材料高誘電材料００３の比誘電率（εｒ２）をプリント基板材料００１の誘電体００６の比誘電率（εｒ１）よりも大きくする。

この条件を満たすものは、プリント基板材料ならば日立化成工業のＭＣＬ−ＦＸ−２（εｒ１＝３．４）、プリント基板を覆う誘電材料ならば粒状ガラスなどがある。

一方で、導体面００５を流れるＡＣ電流の振幅を裏面の導体面００７に流れるＡＣ電流の振幅よりも大きくするためには

となるように、信号線００４と導体面００５の間隔ｄ、信号線００４・導体面００５と裏面の導体面００７の間隔ｓ、信号線００４の幅ｗ、信号線００４・導体面００５の厚みｈを定めなければならない。
なお、この条件はプリント基板内で第１層と第２層の間隔を広げることによって達成しても、第２層以降については信号線直下にグランド面を設けないようにして達成しても良い。

本発明は１０Ｇｂｐｓ超の高速伝送で求められる伝送距離が１、２ｃｍ程度であるために信号損失よりも反射の方が問題になることに着目し、プリント基板およびプリント基板とパッケージの接続部分を信号損失の観点から低誘電率材料が好まれていたレジストにあえて高誘電材料を用いることによってパッケージとプリント基板の間で伝送モードが保持するようにしている。これにより接続部分における信号反射が抑制されるという効果が奏する。
本発明を適用することにより、サーバーやルーターなどの高速な電気伝送を必要とする機器において伝送速度をより向上させることに貢献することができる。

実施例１では、プリント基板に工夫することによってプリント基板の電流経路を反射が小さくなるように設計したのに対して、実施例２ではさらにパッケージを工夫をすることによって、より本願の効用を高める方法を述べる。

図６は、本発明の実施例２に係るプリント基板断面を示す構造図である。
実施例２に係るプリント基板断面は、信号線００４が導体面（グランド面）００５よりも厚くなっている点に特徴を有する。このような凸凹のプリント基板００１に実装できるように、ピンの底面にオフセットを持ったパッケージを用いている。プリント基板を覆う高誘電材料やプリント基板内は実施例１で述べたのと同様である。
上で述べたような構造をとることで、対向面積が増加することにより電流が表面を流れるようにする（数１）の条件がより得やすくなる。

実施例２ではプリント基板の信号線がグランド面よりも厚くなるようにすることによって、（数１）で示された条件を得やすくなることについて述べた。この実施例の目的を達成するためにはパッケージのピンのオフセットがあった方が実装する際のバランスが保ちやすい点において望ましいが、必ずしも必要ではない。

図７は、本発明の実施例３に係るプリント基板断面を示す構造図である。実施例３では、ピンの高さにオフセットを持たないパッケージを信号線００４とグランド面００５で厚みの異なるパッケージに実装するために、図７のようにパッケージのグランド線（グランドピン）００９とプリント基板のグランド面００５の間をはんだで埋める。

図１に記載の伝送系における誘電体が、プリント基板の伝送線路部分とプリント基板とパッケージの接続部分で異なる誘電率を持った材料を用いる。全体を均一な誘電体によって覆うと、プリント基板と接続部分が構造的に異なることに由来する特性インピーダンス整合の困難さを緩和することができる。

００１・・・プリント基板、００２・・・パッケージ、００３・・・高誘電材料（レジスト）、００４・・・信号線、００５・・・導体面（グランド面）、００６・・・誘電体、００７・・・裏面の導体面（グランド面）、００８・・・信号ピン、００９・・・グランドピン、０１０・・・ビア、０１１・・・電流の流れを示す矢印、０１２・・・信号源、０１３・・・信号線、０１４・・・グランド、０１５・・・負荷、０１６・・・交流電流

Claims (4)

1. 第一の導体面と、前記第一の導体面と同じ層にある信号線と、前記第一の導体面の反対側の面である第二の導体面と、を備えるプリント基板と、
   グランドピンおよび信号ピンを備えて構成され、前記プリント基板と電気的に接続可能なパッケージと、
   前記パッケージを覆うように形成される誘電材料と、を備え、
   前記プリント基板の誘電率εｒ１が前記誘電材料の誘電率εｒ２よりも大きく、
   前記信号線と前記第一の導体面との距離ｄ、前記信号線の幅ｗ、前記第一の導体面の厚みｈ、前記信号線と前記第二の導体面との距離ｓが数３を満たす関係にあることを特徴とするプリント基板伝送系。
   

   
2. 請求項１に記載のプリント基板伝送系であって、
   前記信号線が前記第一の導体面よりも厚いことを特徴とするプリント基板伝送系。
3. 請求項１または２に記載のプリント基板伝送系であって、
   前記プリント基板は、グランデッドコプレナ型の伝送線路を有するプリント基板であり、前記信号線の下には前記第一の導体面が配置されていないことを特徴とするプリント基板伝送系。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のプリント基板伝送系であって、
   前記プリント基板の誘電率と前記誘電材料の誘電率とが異なることを特徴とするプリント基板伝送系。

Images