JP5506737B2 - 信号伝送回路 - Google Patents

Description

本発明は、電気信号を伝送する信号配線を実装する信号配線基板に関する。

近年、電子機器の高性能化に伴い、電子機器が実装しているＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）などの電子部品間の信号伝送速度は、３年毎に２倍程度の割合で高速化している。特にサーバ、ルータ等の大容量データ処理装置で用いられるバックプレーンでは、２０１３年頃に電気伝送の限界である２５Ｇｂｐｓ（Ｇｉｇａ ｂｉｔ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）を超える伝送速度が要求されると予測されている。

信号伝送速度が速くなると、ＬＳＩ間の信号伝送経路であるプリント基板配線と基板間を接続するコネクタにおける伝送損失が増大する。特に、プリント基板配線とコネクタピンを接続するスルーホールでは、その不連続な形状により反射波が発生して伝送損失が増大する。この反射波はノイズとなり、伝送可能距離が短くなったり、伝送情報のビット誤り率が上昇したりする要因になる。

そこで、プリント基板配線とコネクタピンを接続するスルーホールの不連続な形状を修正して反射波が生じない形状にして、ノイズの増加を低減する必要がある。

下記特許文献１には、貫通スルーホール基板において、スルーホールの信号伝送に寄与しないスタブ部分をドリルにより切削するバックドリルを施すことにより、反射波を低減する技術が記載されている。

下記特許文献２には、貼り合せ基板によりスタブ部分の長さを短くする技術が記載されている。

下記特許文献３には、信号配線と接続するコネクタピンのみ表面実装用のものを用いてコネクタを構成することにより、スルーホールを使用せず反射を最小化する技術が開示されている。

特願２００７−５３９２６２号公報 特開２００９−１５８８１５号公報 特開２００８−２０４８４０号公報

上記特許文献１に記載されている技術では、バックドリルで切削した後のスルーホールの長さは、コネクタピンをスルーホール内に挿入した状態でコネクタピンとスルーホール内壁が接触する程度に保つ必要がある。そのため、スルーホールの長さが冗長となってスタブ部分が生じ、信号伝搬特性が劣化する。その結果、同スルーホールに接続する信号配線は高速伝送信号を伝送させるために用いることができず、高速伝送信号用の信号配線またはその信号配線を配置するための信号層を追加する必要があり、信号配線基板のコストが増加する。

上記特許文献１において、コネクタピンとスルーホール内壁の間の接触を保ちつつスタブ長を短縮するためには、コネクタピン長を短縮してその分だけバックドリルによって切削する長さを増やせばよいとも考えられる。しかし、コネクタピン長を短縮すると、コネクタピンの挿抜強度が低下するので、コネクタを安定的に取り付けるためにスルーホールへ挿入したコネクタピンをはんだ付けする必要が生じ、コストが増加する。

上記特許文献２に記載されている技術でも、特許文献１と同様に、コネクタピンとスルーホール内壁が接触する程度にスルーホールの長さを保つ必要がある。したがって、スタブ長をある程度削減したとしても、特許文献１と同様の課題が残存すると考えられる。

上記特許文献３に記載されている技術では、信号配線と接続するコネクタピンは表面実装用のものであるので、コネクタピンと配線は基板の表面部分で接続され、信号配線とコネクタピンを接続するためにスルーホールを設ける必要はない。ただし、コネクタピンと接続する信号配線が基板表面部分のみとなるため、内層配線を用いてコネクタピンと信号配線を接続することができず、配線上の制約が大きい。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、信号配線基板に接続するコネクタピンの挿抜強度を維持しつつ、信号配線に接続するスルーホールのスタブ長を削減することを目的とする。

本発明に係る信号基板配線は、内層信号配線に接続するスルーホールがその他のスルーホールよりも短く形成されている。また、内層信号配線に接続するコネクタピンを挿入するスルーホールは、内層信号配線の深さに対応する長さに形成されている。

本発明に係る信号基板配線によれば、内層信号配線に接続するスルーホールを短くすることにより、スタブ長を削減することができる。また、内層信号配線に接続しないスルーホールは長く形成されているので、コネクタピンを深く挿入して挿抜強度を維持することができる。

実施形態１に係る信号基板配線１００の側断面図である。 図１に示した信号配線基板１００の寸法例を示す図である。 スルーホールの伝送損失の周波数特性を示すグラフである。 スルーホールの伝送損失のスタブ長依存特性を示すグラフである。 実施形態２に係る信号配線基板１００の側断面図である。 従来の信号配線基板１００の側断面図である。 図６に示した信号配線基板１００の寸法例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

＜従来の信号配線基板＞
以下では、本発明と比較するため従来の信号配線基板の構成を始めに説明し、その後に本発明に係る信号配線基板の構成を説明する。

図６は、従来の信号配線基板１００の側断面図である。信号配線基板１００は、信号配線１１１および１１２、信号ピン用スルーホール１２１および１２２、グランド電源ピン用スルーホール１３１および１３２を備える。信号ピン用スルーホール１２１および１２２の底部には、バックドリル加工によってバックドリル穴１４１および１４２が形成されている。

コネクタ２００は、信号配線基板１００が備える各スルーホールに接続する接続部材であり、信号ピン２１１および２１２、グランド電源ピン２２１および２２２を備える。

信号配線１１１と１１２は、高速信号を伝送するための信号配線であり、信号配線基板１００の内部に内層配線として実装されている。

信号ピン用スルーホール１２１および１２２は、コネクタ２００の信号ピン２１１および２１２をそれぞれ挿入して固定するためのスルーホールである。信号ピン用スルーホール１２１および１２２の側壁には導体が形成されており、それぞれ信号配線１１１および１１２と電気的に接続されている。信号ピン用スルーホール１２１および１２２に信号ピン２１１および２１２が挿入されると、これらは電気的に接続される。

グランド電源ピン用スルーホール１３１および１３２は、コネクタ２００のグランド電源ピン２２１および２２２をそれぞれ挿入して固定するためのスルーホールである。グランド電源ピン用スルーホール１３１および１３２の側壁には導体が形成されており、それぞれグランド配線または電源配線と電気的に接続されている。

バックドリル穴１４１および１４２は、信号ピン用スルーホール１２１および１２２のスタブ１５１および１５２を削減するために設けられている。

信号配線基盤１００とコネクタ２００によって構成される信号伝送回路の電気信号は、信号ピン２１１および２１２から入力され、信号ピン用スルーホール１２１および１２２、信号配線１１１および１１２を介して伝送される。信号ピン用スルーホール１２１および１２２にスタブが形成されていると、その不連続な形状により反射波が発生して伝送損失が増大するため、スタブ長を短縮する必要がある。

図６に示す構成の下では、特にスタブ１５１が長いため、信号配線１１１は高速伝送信号を伝送させるために用いるには適していないと考えられる。

図７は、図６に示した信号配線基板１００の寸法例を示す図である。本例において、信号配線基板１００の全体厚さは、表層配線を含めて１．１３ｍｍである。スタブ１５１の長さは０．８ｍｍであり、基板厚さに対してスタブ１５１が非常に長いといえる。

＜実施の形態１：基板構成＞
図１は、本発明の実施形態１に係る信号基板配線１００の側断面図である。信号基板配線１００の構成要素は図６と同様であるため、図６と同じ符号を用いた。

図１において、バックドリル穴１４１は図６よりも深く形成され、信号ピン用スルーホール１２１が図６よりも短くなっている。これにより、スタブ１５１を図６よりも短くして、信号配線１１１上の信号伝送特性を向上させることができる。信号ピン用スルーホール１２２は、より深い位置に配置されている信号配線１１２と接続されているので、元来よりスタブ１５２の長さは短い。そのため、信号ピン用スルーホール１２２を短くしてスタブ１５２の長さを削減する必要はない。

ただし、単にバックドリル穴１４１を深く形成すると、信号ピン２１１と信号ピン用スルーホール１２１の内壁が接触する部分まで併せて掘削し、信号ピン２１１と信号ピン用スルーホール１２１が接触できなくなってしまう。そこで本実施形態１では、信号ピン２１１を他のコネクタピンよりも短くし、信号ピン用スルーホール１２１の上部で信号ピン２１１と信号ピン用スルーホール１２１の内壁が接触するようにした。

上記構成の結果、信号ピン２１１は他のコネクタピンよりも短く形成されており、信号ピン用スルーホール１２１もこれに併せて信号ピン用スルーホール１２２よりも短く形成されている。

図２は、図１に示した信号配線基板１００の寸法例を示す図である。信号配線基板１００自体の寸法は図６と同じである。本例において、信号ピン２１１の長さは０．８ｍｍであり、図６〜図７で説明した構成よりも短く形成されている。また、スタブ１５１の長さは０．５ｍｍであり、図６〜図７で説明した構成と比較してスタブ１５１の長さが削減されていることが分かる。

＜実施の形態１：伝送特性＞
バックプレーン形の伝送経路は、バックプレーン基板に２枚のプリント基板を接続する形態であることが多く、２個のコネクタを介して信号を伝送する。そのため、コネクタと信号配線基板が接続されている部位が１経路あたり４箇所存在する。

伝送経路の伝送損失は、高速伝送規格のＩＥＥＥ８０２．３ａｐ（１０Ｇｂｐｓ）によると、中央値で２５ｄＢの伝送損失を想定している。このうち、信号配線やコネクタ本体による伝送損失が約２０ｄＢを占めると仮定すると、信号ピンに接続されるスルーホールには約６ｄＢが割り当てられると見込まれる。この場合、スルーホール１個当たり、伝送損失を１．５ｄＢ以下に低減する必要があると考えられる。

図３は、スルーホールの伝送損失の周波数特性を示すグラフである。スルーホールの伝送損失は周波数が高くなると増大し、スタブ長が長くなると増大する特徴がある。

図４は、スルーホールの伝送損失のスタブ長依存特性を示すグラフである。伝送速度１０Ｇｂｐｓのデータ基底周波数は５ＧＨｚ、伝送速度１４Ｇｂｐｓのデータ基底周波数は７ＧＨｚ、伝送速度２５Ｇｂｐｓのデータ基底周波数は１２．５ＧＨｚである。データ基底周波数が高くなるにつれて、伝送損失のスタブ長依存性が急激に増加する特徴がある。

図４のグラフによると、スルーホールの伝送損失を１．５ｄＢ以下にするためには、伝送速度１０Ｇｂｐｓではスタブ長を１．７ｍｍ以下とし、伝送速度１４Ｇｂｐｓではスタブ長を１．２ｍｍ以下とし、伝送速度２５Ｇｂｐｓではスタブ長を０．５ｍｍ以下に制限する必要がある。

本実施形態１では、伝送速度２５Ｇｂｐｓでスタブ長を０．５ｍｍ以下に合致するために、信号ピン２１１の長さを０．８ｍｍとし、バックドリル穴１４１で信号ピン用スルーホール１２１を切削して、スタブ１５１の長さを０．５ｍｍに短縮している。

信号配線１１２に接続する信号ピン用スルーホール１２２に接続する信号ピン２１２については、スタブ１５２の長さは０．２７ｍｍ以下となり、伝送速度２５Ｇｂｐｓにおいて要求されるスタブ長の条件０．５ｍｍ以下を満たすため、信号ピン２１２を短縮する必要はない。

一方、信号ピン２１１を短縮する場合、一般的には他のコネクタピンも同じ長さに揃えると考えられる。すなわち、信号ピン２１２、グランド電源ピン２２１および２２２を信号ピン２１１と同じ長さに短縮することが考えられる。

しかし、コネクタピンの長さを短縮すると、コネクタ２００の挿抜強度が劣化して、挿抜回数が制限される。この課題は、はんだ付け、コネクタのねじ止め、または挿抜強度を確保するための太いピンを用いることによって解消することができるが、組立工数が増えて製品コストが増加する。特に、コネクタピンを機械的にスルーホールに嵌め込むことによってコネクタ２００を取り付けるタイプの製品では、組立工程の簡便さ損なわれてしまうので、上記のような構成は望ましくない。

そこで本実施形態１では、スタブ長を短くする必要があるスルーホールに接続する信号ピンのみを短縮し、その他の信号ピンやグランド電源ピンは従来と同様の長さのままとした。これにより、長さを短縮していないコネクタピンでコネクタ２００の挿抜強度を維持するとともに、スタブ長を削減することができる。

＜実施の形態１：まとめ＞
以上のように、本実施形態１に係る信号配線基板１００は、信号配線１１１に接続する信号ピン用スルーホール１２１は、その他のスルーホールよりも短く形成されている。また、信号ピン用スルーホール１２１は信号配線１１１の深さに対応する長さに形成され、信号ピン２１１は他のコネクタピンよりも短く形成されている。これにより、信号配線１１１上の信号伝送特性を良好に保つことができる。また、他のコネクタピンは信号ピン２１１よりも長いので、コネクタ２００の挿抜強度を保ちつつ、コネクタ２００の横方向の可動範囲を確保することができる。

また、本実施形態１に係る信号配線基板１００によれば、信号配線１１１を用いて高速伝送信号を伝送させることができるので、高速伝送信号を伝送させるための信号配線またはこれを配置するための信号配線層を別途設ける必要がなくなり、コスト増加を抑制して低コストの信号基板配線１００を提供することができる。

＜実施の形態２＞
図５は、本発明の実施形態２に係る信号配線基板１００の側断面図である。実施形態１では、信号ピン２１１のみを短く構成した例を説明したが、かかる構成を採用すると、コネクタ２００の信号ピンを個別に加工する必要があり、製造コストの観点から望ましくない。そこで本実施形態２では、全ての信号ピンを同じ長さに揃えた。具体的には、短いほうの信号ピン２１１の長さに揃えている。

信号ピン用スルーホール１２２は、信号基板配線１００の深い位置で信号配線１１２と接続されているので、信号ピン２１２を短くしてもスタブ１５２は長くならない。したがって本実施形態２では、実施形態１と同様の効果を発揮することができる。また、コネクタ２００の製造コストの観点から有利である。

＜実施の形態３＞
実施形態１〜２では、信号配線基板１００を貫通するスルーホールを設けた後にバックドリル穴１４１および１４２によってスタブ長を削減する例を説明したが、スタブ長を削減する手法はこれに限られない。スタブ長を削減した信号配線基板１００を製造する手法として、例えば以下のようなものが考えられる。

（スタブ長を削減する手法その１）
ビアと内層配線を有する信号配線基板を張り合わせることにより、多層配線基板を製造することができる。このとき、張り合わせる各基板のスルーホールの位置を合わせれば、基板を貫通するスルーホールを形成することができる。スルーホールの位置を互いにずらして基板を張り合わせれば、基板の途中までビアが設けられた信号配線基板を得ることができる。スルーホール自体の長さと、基板を張り合わせる位置を調整することにより、実施形態１〜２と同様の構成を備えた信号配線基板１００を製造することができる。

（スタブ長を削減する手法その２）
ビアと内層配線を有する信号配線基板をあらかじめ作成し、その基板上に配線層を積層することにより、多層配線基板を製造することができる。スルーホールは、レーザ加工やフォトリソグラフィによって形成することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

１００：信号配線基板、１１１〜１１２：信号配線、１２１〜１２２：信号ピン用スルーホール、１３１〜１３２：グランド電源ピン用スルーホール、１４１〜１４２：バックドリル穴、１５１〜１５２：スタブ、２００：コネクタ、２１１〜２１２：信号ピン、２２１〜２２２：グランド電源ピン。

Claims (6)

1. 電気信号を伝送する信号配線を実装する信号配線基板と、
   前記信号配線基板が有するスルーホールに接続するコネクタピンを備えたコネクタと、
   を有し、
   前記信号配線基板は、
   前記信号配線基板の厚さ方向に設けられた複数のスルーホールと、
   前記信号配線基板の内部に設けられ、複数の前記スルーホールのうちいずれかと接続された信号配線と、
   を備え、
   前記信号配線と接続された前記スルーホールは、
   その他の前記スルーホールよりも短く形成されており、
   前記信号配線は、
   第１信号配線と、
   前記第１信号配線よりも深い位置に形成された第２信号配線と、
   を含んでおり、
   前記第１信号配線に接続された前記スルーホールは、前記第２信号配線に接続された前記スルーホールよりも短く形成されており、
   前記コネクタピンは、
   電気信号を伝送する１以上の信号ピンと、
   グランドまたは電源に接続するグランド電源ピンと、
   を含んでおり、
   前記信号ピンは、
   前記信号配線と接続された前記スルーホールに嵌合するように構成されており、
   前記グランド電源ピンは、
   前記信号ピンのうち最も短いものよりも長く形成されている
   ことを特徴とする信号伝送回路。
2. 前記信号配線と接続された前記スルーホール以外の前記スルーホールは、電源線またはグランド線に接続されている
   ことを特徴とする請求項１記載の信号伝送回路。
3. 前記信号配線と接続された前記スルーホールは、いったん貫通ビアとして形成した後、バックドリルによってその他の前記スルーホールよりも短く形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の信号伝送回路。
4. 前記信号配線基板は、あらかじめ前記信号配線と前記スルーホールを形成した基板を張り合わせることによって形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の信号伝送回路。
5. 前記信号配線基板は、あらかじめ前記信号配線と前記スルーホールを形成した基板上に配線層を積層することによって形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の信号伝送回路。
6. 同じ長さの前記信号ピンを複数備え、
   各前記信号ピンは、前記スルーホールのうち最も短いものと嵌合する長さに構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の信号伝送回路。

Images