JP6060759B2

JP6060759B2 - 差動信号伝送用ケーブルの接続構造およびケーブルコネクタアッセンブリ

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Publication number: JP6060759B2
Application number: JP2013058469A
Authority: JP
Inventors: 深作　泉; 泉深作; 洋輔石松
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2033-03-21
Also published as: JP2014183290A

Description

本発明は、差動信号伝送用ケーブルと基板との接続構造に関する。

数Gbit／s以上の高速デジタル信号を扱うサーバ、ルータ、ストレージなどの電子機器においては、差動インターフェース規格（例えば、ＬＶＤＳ（Low Voltage Differential Signal）が採用され、各機器間あるいは機器内の各回路基板間では、差動信号伝送用ケーブルを用いた差動伝送が行われている。

一般的な差動信号伝送用ケーブルは一対の心線を備えている。それぞれの心線には、位相を１８０度反転させたプラス側（ポジティブ）信号およびマイナス側（ネガティブ）信号が伝送される。これらの２つの信号（プラス側信号およびマイナス側信号）の電位差が信号レベルとなって、例えば電位差がプラスであれば「High」、マイナスであれば「Low」として、当該信号レベルを受信側で認識できるようになっている。

図６は、差動信号伝送用ケーブルと基板との従来の接続構造の一例を示す斜視図である。図示されている差動信号伝送用ケーブル１０１は、所定間隔で平行に並ぶ一対の心線１０２ａ，１０２ｂを備え、これら心線１０２ａ，１０２ｂは絶縁体１０３によって覆われている。また、絶縁体１０３はシールド導体１０４によって覆われ、シールド導体１０４は外皮１０５によって覆われている。

図６に示される接続構造では、基板１１０の表面に形成された一対の差動グランテッドコプレーナ配線１２２，１２３に差動信号伝送用ケーブル１０１の２本の心線１０２ａ，１０２ｂがそれぞれ接続されている。また、差動信号伝送用ケーブル１０１のシールド導体１０４が同じく基板１１０の表面に形成された外側グラウンド層１２０に接続されている。この外側グラウンド層１２０は、不図示のビアを介して基板１１０の内側に形成されている不図示の内側グラウンド層と接続されている。

特開２０１２−６４３３８号公報

差動信号の伝送モードには、“差動モード”と“同相モード”の２つが存在する。差動モードでは位相が１８０度反転した２つの信号が伝送され、同相モードでは位相が同一の２つの信号が伝送される。差動伝送では常に差動モードが維持されることが望ましいが、様々な要因によって差動モードから同相モードへ、または同相モードから差動モードへ伝送モードが変化する。

ここで、図６に示される差動グランテッドコプレーナ配線１２２，１２３のような表層配線を用いて差動信号を伝送する場合、差動モードのときの伝送速度は、表層配線間の実効誘電率で決まる。すなわち、差動モードのときの伝送速度は、空気および基板の誘電率に依存する。一方、同相モードのときの伝送速度は、表層配線とその下層のグラウンド層との間に介在する基板の誘電率に依存する。したがって、差動モードと同相モードで信号の伝搬速度が異なる。このため、差動モードと同相モードとの間の分散により信号が劣化する。また、信号が表層配線を伝搬するため、ノイズが放射されやすく、また、ノイズの影響を受けやすい。このため、複数の差動信号伝送用ケーブルが高密度に並べられた場合、クロストークによる信号劣化が発生しやすい。

本発明の目的は、差動信号の伝送品質をより一層向上させることである。

本発明の差動信号伝送用ケーブルと基板との接続構造では、基板の表面に設けられた外側グラウンド層と、前記基板の内側に設けられた内側グラウンド層と、前記基板の内側であって、前記内側グラウンド層と前記外側グラウンド層との間に設けられた配線層と、前記基板を貫いて前記外側グラウンド層と前記内側グラウンド層とを接続する層間接続導体と、が設けられる。そして、前記差動信号伝送用ケーブルの心線は前記基板の表面に露出している前記配線層の一部に接続され、前記差動信号伝送用ケーブルのシールド導体は前記基板の表面に露出している前記内側グラウンド層の一部に接続される。

本発明の一態様では、前記差動信号伝送用ケーブルの前記シールド導体が接続導体を介して前記外側グラウンド層に接続される。

本発明の他の態様では、前記差動信号伝送用ケーブルの前記心線および該心線が接続されている前記配線層の一部が前記接続導体によって覆われる。

本発明の他の態様では、前記基板は、第１の誘電体層、前記内側グラウンド層を挟んで前記第１の誘電体層に積層された第２の誘電体層および前記配線層を挟んで前記第２の誘電体層に積層され、表面に前記外側グラウンド層が形成された第３の誘電体層を含む。そして、前記差動信号伝送用ケーブルの前記心線が接続されている前記配線層の一部は、前記第３の誘電体層の端面よりも外側に突出している前記第２の誘電体層の表面に延在し、前記差動信号伝送用ケーブルの前記シールド導体が接続されている前記内側グラウンド層の一部は、前記第２の誘電体層の端面よりも外側に突出している前記第１の誘電体層の表面に延在する。

本発明のケーブルコネクタアッセンブリは、上記態様のいずれかにおける基板と同一の構成を備えたコネクタ基板と、該コネクタ基板に接続された差動信号伝送用ケーブルとを有する。

本発明によれば、差動信号の伝送品質のさらなる向上が実現される。

本発明の接続構造によって接続された差動信号伝送用ケーブルおよび基板の一例を示す斜視図である。（ａ）は図１に示される差動信号伝送用ケーブルおよび基板の模式的断面図であり、（ｂ）は同平面図である。本発明の接続構造によって接続された差動信号伝送用ケーブルおよび基板の他の一例を示す斜視図である。本発明の接続構造によって接続された差動信号伝送用ケーブルおよび基板のさらに他の一例を示す斜視図である。接続導体の変形例の一つを示す模式的平面図である。従来の接続構造によって接続された差動信号伝送用ケーブルおよび基板の斜視図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１，図２を参照しながら詳細に説明する。まず、接続対象である差動信号伝送用ケーブルおよび基板のそれぞれについて説明し、その後に両者の接続構造について説明する。

図１に示されるように、差動信号伝送用ケーブル１は、一対の心線２ａ，２ｂを備えている。これら心線２ａ，２ｂのいずれか一方には差動信号としてプラス側（ポジティブ）信号が伝送され、心線２ａ，２ｂのいずれか他方には差動信号としてマイナス側（ネガティブ）信号が伝送される。各心線２ａ，２ｂは、例えば、その表面に錫めっき処理が施された軟銅線（Tinned Annealed Copper Wire）によって形成されている。また、一対の心線２ａ，２ｂは共通の絶縁体３によって一括被覆されている。

絶縁体３は、差動信号伝送用ケーブル１に柔軟性を持たせるために、例えば、ポリエチレン系樹脂，フッ素系樹脂，ポリ塩化ビニル系樹脂などによって形成されており、差動信号伝送用ケーブル１の長手方向と直交する断面（横断面）における形状は略楕円形である。

絶縁体３は、一対の心線２ａ，２ｂが所定間隔で平行に並ぶようにこれら心線２ａ，２ｂを保持している。絶縁体３は、それぞれの心線２ａ，２ｂの周囲における肉厚が略同等となるように形成されている。本実施形態における絶縁体３の材料は発泡ポリエチレンであり、その溶融温度は１１０[℃]〜１２０[℃]に設定されている。

外来ノイズの影響を抑制するため、絶縁体３はシールド導体４によって覆われている。また、シールド導体４は外皮（シース）５によって覆われている。外皮５は、ポリエチレン系樹脂，フッ素系樹脂，ポリ塩化ビニル系樹脂などによって形成されている。図示は省略されているが、シールド導体４は、シート状の基材と、この基材の一面に形成された金属導体層とを含む二重構造を有している。金属導体層は、例えば銅箔によって形成される。

図１，図２に示されるように、基板１０は、第１の誘電体層を形成する下基板１１、第２の誘電体層を形成する中間基板１２および第３の誘電体層を形成する上基板１３がこの順で積層され、一体化された積層体である。下基板１１、中間基板１２および上基板１３はいずれも誘電材料によって作られている。すなわち、基板１０は誘電体基板である。

図１に示されるように、基板１０の表面には外側グラウンド層２０が形成されている。また、基板１０の内側には内側グラウンド層２１が形成されている。さらに、基板１０の内側であって、内側グラウンド層２１よりも上層には、一対の帯状の配線層２２，２３が形成されている。ここで、外側グラウンド層２０および内側グラウンド層２１は、平面視において配線層２２，２３と重複するように形成されている。すなわち、基板１０にはストリップ線路が形成されている。

基板１０の積層構造についてより詳しく説明する。主に図２（ａ），（ｂ）に示されるように、下基板１１と中間基板１２と間に内側グラウンド層２１が設けられている。また、中間基板１２と上基板１３との間に一対の配線層２２，２３が設けられている。さらに、上基板１３の表面に外側グラウンド層２０が設けられている。換言すれば、内側グラウンド層２１は、第１の誘電体層と第２の誘電体層との層間に設けられている。また、配線層２２，２３は、第２の誘電体層と第３の誘電体層との層間に設けられている。さらに、外側グラウンド層２０は、第３の誘電体層の表面に設けられている。外側グラウンド層２０と内側グラウンド層２１とは、基板１０を貫く層間接続導体としてのビア２４を介して接続されている。すなわち、外側グラウンド層２０と内側グラウンド層２１とは同電位（グラウンド電位）に保たれる。

図１に示されるように、下基板１１、中間基板１２および上基板１３は同一の幅（Ｗ）を有する。一方、下基板１１、中間基板１２および上基板１３の全長は互いに異なる。具体的には、下基板１１の全長（Ｌ１）が最も長く、上基板１３の全長（Ｌ３）が最も短い。また、中間基板１２の全長（Ｌ２）は、下基板１１の全長（Ｌ１）よりも短く、上基板１３の全長（Ｌ３）よりも長い。

上記のように全長が異なる下基板１１、中間基板１２および上基板１３は、互いの長手方向一方の端面が面一となるように積層されている。この結果、これら３つの基板１１，１２，１３の長手方向他方の端部は階段状にずれている。具体的には、図２（ａ），（ｂ）に示されるように、下基板１１の紙面右側の端部は、中間基板１２の紙面右側の端面よりも外側に突出している。また、中間基板１２の紙面右側の端部は、上基板１３の紙面右側の端面よりも外側に突出している。そして、下基板１１と中間基板１２との間に設けられている内側グラウンド層２１は、中間基板１２の端面から突出している下基板１１の突出端部１１ａの表面にまで延在している。また、中間基板１２と上基板１３との間に設けられている配線層２２，２３は、上基板１３の端面から突出している中間基板１２の突出端部１２ａの表面にまで延在している。すなわち、内側グラウンド層２１および配線層２２，２３の大部分は基板１０の内側に埋設されているが、一部は基板１０の表面に露出している。そこで、以下の説明では、基板１０の表面に露出している内側グラウンド層２１の一部を“露出部２１ａ”と呼ぶ。また、基板１０の表面に露出している配線層２２，２３のそれぞれの一部を“露出部２２ａ”，“露出部２３ａ”と呼ぶ。

次に、差動信号伝送用ケーブル１と基板１０との接続構造について説明する。図１に示されるように、差動信号伝送用ケーブル１には端末処理が施され、心線２ａ，２ｂが絶縁体３の端面から突出している。また、外皮５の一部が除去されてシールド導体４の一部が露出されている。

図２を参照する。差動信号伝送用ケーブル１は、露出されたシールド導体４が下基板１１の突出端部１１ａに載せられて内側グラウンド層２１の露出部２１ａに重なり、心線２ａ，２ｂが中間基板１２の突出端部１２ａに載せられて配線層２２，２３の露出部２２ａ，２３ａに重ねられている。内側グラウンド層２１の露出部２１ａに重ねられているシールド導体４の径方向下部は、半田によって露出部２１ａに接合されている。同じく、配線層２２，２３の露出部２２ａ，２３ａに重ねられている心線２ａ，２ｂは、半田によってそれぞれの露出部２２ａ，２３ａに接合されている。

図１に示されるように、差動信号伝送用ケーブル１のシールド導体４の径方向上部と上基板１３の表面に設けられている外側グラウンド層２０とは板状の接続導体３０を介して接続されている。接続導体３０は、シールド導体４の径方向上部に被さる被覆部３１と、被覆部３１の幅方向両側から外側グラウンド層２０に向けて延びる一対の腕部３２ａ，３２ｂとを有し、平面視において略コ字形の形状を呈する。すなわち、一対の腕部３２ａ，３２ｂの間には開口部３３が存在しており、この開口部３３から差動信号伝送用ケーブル１の心線２ａ，２ｂが露出している。接続導体３０の被覆部３１は半田によってシールド導体４に接合されており、それぞれの腕部３２ａ，３２ｂは半田によって外側グラウンド層２０に接合されている。ここで、外側グラウンド層２０および内側グラウンド層２１がグラウンド電位に保たれることは既述のとおりである。すなわち、内側グラウンド層２１，外側グラウンド層２０，接続導体３０およびシールド導体４は同電位（グラウンド電位）に保たれる。

本実施形態では、差動信号伝送用ケーブル１の心線２ａ，２ｂが接続される配線層２２，２３が基板１０の内側に設けられている。すなわち、差動信号伝送用ケーブル１から基板１０に入力された信号は内層配線を介して伝送される。よって、差動モードおよび同相モードにおける実効誘電率が揃い、両モード間における伝搬速度が一致する。さらに、配線層２２，２３の上下にグラウンド層（内側グラウンド層２１および外側グラウンド層２０）が設けられているので、基板１０からのノイズ放射が低減され、クロストークによる信号劣化が抑制される。加えて、内側グラウンド層２１，外側グラウンド層２０，接続導体３０およびシールド導体４が同電位に保たれるのでインピーダンスの整合が容易になる。本件発明者らが行なったシミュレーションによれば、差動モードおよび同相モードの双方において特性インピーダンスの改善が確認された。具体的には、差動モードにおける特性インピーダンスの最大変動幅が７％前後から４％前後に低減された。また、同相モードにおける特性インピーダンスの最大変動幅が１８％前後から７％前後に低減された。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図３を参照しながら説明する。但し、既に説明した構成と同一の構成については図３中に同一の符号を付して説明を省略する。

図３に示される基板１０では、中間基板１２の全長が拡張され、中間基板１２の突出端部１２ａと反対側の端部も下基板１１および上基板１３の端面よりも外側に突出している。そして、中間基板１２と上基板１３との間に設けられている配線層２２，２３は、下基板１１および上基板１３の端面よりも外側に突出している中間基板１２の突出端部１２ｂの表面にまで延在している。すなわち、第１の実施形態では、それぞれの配線層２２，２３の長手方向一端側のみが基板１０の表面に露出していたのに対し、本実施形態では、配線層２２，２３の長手方向他端側も基板１０の表面に露出している。

上記構造の基板１０はコネクタ基板として機能する。例えば、中間基板１２の突出端部１２ｂを不図示の相手方コネクタ（雌型コネクタ）に差し込むことにより、突出端部１２ｂの表面に露出している配線層２２，２３の露出部２２ａ，２３ａを相手方コネクタが備える配線層やコンタクト端子などに接続させることができる。すなわち、差動信号伝送用ケーブル１を同一機器内の他の基板や別の機器内の基板などに接続することができる。換言すれば、図３に示される基板１０と該基板１０に接続された差動信号伝送用ケーブル１は、全体としてケーブルコネクタアッセンブリを構成している。

図４に示されるように、図３に示される基板１０を拡幅し、複数の差動信号伝送用ケーブル１を共通の基板１０に接続することもできる。この場合、コネクタ基板として機能する基板１０を介して複数の差動信号伝送用ケーブル１を一括して同一機器内の他の基板や別の機器内の基板などに接続することができる。

本発明は上記の実施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。上記実施形態の変形例の１つを図５に示す。図示されている変形例は、接続導体３０に関して上記実施形態と異なる。具体的には、図１や図３などに示される接続導体３０では、一対の腕部３２ａ，３２ｂの間に開口部３３が存在しており、この開口部３３から差動信号伝送用ケーブル１の心線２ａ，２ｂが露出していた。これに対し、図５に示される接続導体３０には開口部が存在していない。すなわち、図５に示される接続導体３０は平面視において矩形であり、配線層２２，２３の露出部２２ａ，２３ａおよび露出部２２ａ，２３ａに接合されている心線２ａ，２ｂは、接続導体３０によって覆われている。配線層２２，２３と心線２ａ，２ｂとの接続部分が接続導体３０によって覆われることで、インピーダンスの整合がより一層容易になるとともに、接続部分からのノイズの放射が低減され、クロストークによる信号劣化がより一層抑制される。すなわち、接続導体３０はシールドカバーとしての機能も有する。

上記の実施形態では、下基板１１、中間基板１２および上基板１３の全長が互いに異なることによって、内側グラウンド層２１や配線層２２，２３の一部が露出されている（図１）。しかし、内側グラウンド層が形成されている第１の基板に重ねられる第２の基板の一部を切り欠いて内側グラウンド層を露出させることもできる。また、配線層が形成されている第２の基板に重ねられる第３の基板の一部を切り欠いて配線層の一部を露出させることもできる。

導体層が予め形成された複数の基板を重ね合わせるのではなく、誘電体膜および導体膜の形成とエッチングを繰り返して、第１の誘電体層と、内側グラウンド層を挟んで第１の誘電体層に積層された第２の誘電体層と、配線層を挟んで第２の誘電体層に積層され、表面に外側グラウンド層が形成された第３の誘電体層とを形成することもできる。

接続導体の形状は特定の形状に限定されない。例えば、接続導体は平面視でＴ字形やＵ字形であってもよい。要するに、接続導体の形状は、基板の外側グラウンド層と差動信号伝送用ケーブルのシールド導体とを接続可能な形状であればよく、配線層と心線との接続部分を覆うことが可能な形状であればさらによい。

１差動信号伝送用ケーブル
２ａ，２ｂ心線
４シールド導体
１０基板
１１下基板
１２中間基板
１３上基板
１１ａ，１２ａ，１２ｂ突出端部
２０外側グラウンド層
２１内側グラウンド層
２２，２３配線層
２１ａ，２２ａ，２３ａ露出部
２４ビア
３０接続導体

Claims

差動信号伝送用ケーブルと基板との接続構造であって、
前記基板の表面に設けられた外側グラウンド層と、
前記基板の内側に設けられた内側グラウンド層と、
前記基板の内側であって、前記内側グラウンド層と前記外側グラウンド層との間に設けられた配線層と、
前記基板を貫いて前記外側グラウンド層と前記内側グラウンド層とを接続する層間接続導体と、を有し、
前記基板は、第１の誘電体層、前記内側グラウンド層を挟んで前記第１の誘電体層に積層された第２の誘電体層および前記配線層を挟んで前記第２の誘電体層に積層され、表面に前記外側グラウンド層が形成された第３の誘電体層を含み、
前記差動信号伝送用ケーブルの心線は、前記第３の誘電体層の端面よりも外側に突出している前記第２の誘電体層の表面に延在している前記配線層の一部に接続され、
前記差動信号伝送用ケーブルのシールド導体は、前記第２の誘電体層の端面よりも外側に突出している前記第１の誘電体層の表面に延在している前記内側グラウンド層の一部に重ねられて接続されると共に、前記シールド導体の径方向上部に被せられた接続導体を介して前記外側グラウンド層に接続される、差動信号伝送用ケーブルと基板との接続構造。
請求項１に記載の差動信号伝送用ケーブルと基板との接続構造において、
前記接続導体は、前記シールド導体の径方向上部に被さる被覆部と、前記被覆部の幅方向両側から前記外側グラウンド層に向けて延びる一対の腕部とを有する、差動信号伝送用ケーブルと基板との接続構造。
請求項１に記載の差動信号伝送用ケーブルと基板との接続構造において、
前記差動信号伝送用ケーブルの前記心線および該心線が接続されている前記配線層の一部が前記接続導体によって覆われる、差動信号伝送用ケーブルと基板との接続構造。
コネクタ基板および該コネクタ基板に接続された差動信号伝送用ケーブルを備えるケーブルコネクタアッセンブリであって、
前記コネクタ基板の表面に設けられた外側グラウンド層と、
前記コネクタ基板の内側に設けられた内側グラウンド層と、
前記コネクタ基板の内側であって、前記内側グラウンド層と前記外側グラウンド層との間に設けられた配線層と、
前記コネクタ基板を貫いて前記外側グラウンド層と前記内側グラウンド層とを接続する層間接続導体と、を有し、
前記基板は、第１の誘電体層、前記内側グラウンド層を挟んで前記第１の誘電体層に積層された第２の誘電体層および前記配線層を挟んで前記第２の誘電体層に積層され、表面に前記外側グラウンド層が形成された第３の誘電体層を含み、
前記差動信号伝送用ケーブルの心線は、前記第３の誘電体層の端面よりも外側に突出している前記第２の誘電体層の表面に延在している前記配線層の一部に接続され、
前記差動信号伝送用ケーブルのシールド導体は、前記第２の誘電体層の端面よりも外側に突出している前記第１の誘電体層の表面に延在している前記内側グラウンド層の一部に重ねられて接続されると共に、前記シールド導体の径方向上部に被せられた接続導体を介して前記外側グラウンド層に接続される、ケーブルコネクタアッセンブリ。
請求項４に記載のケーブルコネクタアッセンブリにおいて、
前記接続導体は、前記シールド導体の径方向上部に被さる被覆部と、前記被覆部の幅方向両側から前記外側グラウンド層に向けて延びる一対の腕部とを有する、ケーブルコネクタアッセンブリ。
請求項４に記載のケーブルコネクタアッセンブリにおいて、
前記差動信号伝送用ケーブルの前記心線および該心線が接続されている前記配線層の一部が前記接続導体によって覆われる、ケーブルコネクタアッセンブリ。