JP6978217B2

JP6978217B2 - 層間伝送線路

Info

Publication number: JP6978217B2
Application number: JP2017078251A
Authority: JP
Inventors: 一正櫻井; 和弥脇田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-04-11
Filing date: 2017-04-11
Publication date: 2021-12-08
Anticipated expiration: 2037-04-11
Also published as: US20200045810A1; WO2018190121A1; JP2018182500A; US10842018B2

Description

本開示は、多層基板の積層方向に信号を伝送する技術に関する。

下記特許文献１には、多層の配線基板の両面に形成された信号線パターン同士をビア（以下、信号ビア）で接続し、信号ビアの周辺に接地電位を有するビア（以下、グランドビア）を配置することで、基板の積層方向への信号伝送に用いる低損失な伝送線路（以下、層間伝送線路）を形成する技術が記載されている。

特開２０１５−５０６８０号公報

しかしながら、発明者の詳細な検討の結果、特許文献１に記載された従来技術では、伝送する信号の周波数が高くなると、ビアのランドパターンや信号線パターン等、パターン間のクリアランスが確保できず、製造が困難になるという課題が見出された。

即ち、従来技術の伝送線路は、信号ビアを内部導体、グランドビアを外部導体とする擬似的な同軸線路を形成するため、周波数が高くなると信号ビアからグランドビアまでの距離を接近させる必要がある。ところが、パターンのサイズやパターン間のクリアランスは、製造技術によって決まり、信号の周波数が高くなったからといって、これらを小さくすることはできない。このため、周波数が高くなるほど、パターンの配置についての自由度が低下し、低損失な層間伝送線路の製造が困難になる。

本開示は、伝送信号の周波数によらず製造が容易な層間伝送線路を実現する技術を提供する。

本開示の１つの局面による層間伝送線路は、複数の誘電体層（Ｌ１〜Ｌ３）と、信号ビア（５）と、グランドプレーン（６）と、複数のグランドビア（７）と、を備える。
複数の誘電体層は、積層されている。信号ビアは、複数の誘電体層を積層方向に貫通し、積層された複数の誘電体層の両外面に形成された信号線パターン同士を接続する。グランドプレーンは、複数の誘電体層の間にそれぞれ配置され、信号ビアを中心とした円形の領域である除去部位の周囲を覆う。複数のグランドビアは、複数の誘電体層のうち少なくとも１層を誘電体層の積層方向に貫通し、かつ、信号ビアを中心とする複数の同心円に沿って配置され、グランドプレーンと導通する。

このような構成によれば、グランドビアの配置の自由度が高く、ビア間のクリアランスを容易に確保することができるため、層間伝送線路の設計、製造を容易にすることができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本開示の技術的範囲を限定するものではない。

第１実施形態の層間伝送線路の平面図である。図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。伝送損失をシミュレーションによって求めた結果を示すグラフである。第２実施形態の層間伝送線路の平面図である。図４におけるＶ−Ｖ断面図である。第３実施形態の層間伝送線路の平面図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１及び図２に示す層間伝送線路１は、２層の誘電体層Ｌ１，Ｌ２を挟むように形成された３層のパターン層Ｐ１〜Ｐ３を有する多層基板２に形成される。以下では、パターン層Ｐ１〜Ｐ３のうち、最も外側に位置する二つのパターン層Ｐ１，Ｐ３を外層、それ以外のパターン層Ｐ２を中間層という。

外層Ｐ１，Ｐ３には、それぞれ高周波信号を伝送する導波路となる信号線パターン３，４が形成されている。信号線パターン３，４には、例えば、エッチング等によって形成された銅箔が用いられる。両信号線パターン３，４の先端は、２層の誘電体層Ｌ１，Ｌ２を挟んで対向する位置に配置されており、多層基板２を貫通するビア（以下、信号ビア）５を介して相互に接続されている。

中間層Ｐ２は、信号ビア５を中心とする円形の領域を除去領域６１として、二つの誘電体層Ｌ１，Ｌ２が当接する面のうち、除去領域６１以外の全体を覆うように形成されたグランドプレーン６を形成する。つまり、信号ビア５は、グランドプレーン６とは非導通となるように形成されている。なお、除去領域６１の半径は、信号ビア５を内部導体とする同軸線路において外部導体が配置されるべき位置が除去領域６１の外周縁と一致するように設定される。具体的には、信号ビア５を介して伝送される信号の周波数、信号ビア５が形成する層間伝送線路１のインピーダンス（例えば、５０Ω）、誘電体層Ｌ１，Ｌ２の誘電率等から求められる。

信号ビア５の周囲には、多層基板２を積層方向に貫通し、かつ、グランドプレーン６と導通する複数のビア（以下、グランドビア）７が設けられている。
各グランドビア７は、信号ビア５を中心とする三つの同心円Ｃ１〜Ｃ３のいずれかに沿って、該同心円にグランドビア７のスルーホールが外接するように設けられている。

同心円Ｃ１は、除去領域６１の外周縁が形成する円であり、以下、第１同心円という。
同心円Ｃ２，Ｃ３、信号ビア５を伝搬する信号の管内波長をλｇとして、λｇ／２の整数倍の半径を有する円である。ここでは、半径がλｇ／２の同心円Ｃ２を第２同心円、半径がλｇの同心円Ｃ３を第３同心円という。

以下では、信号ビア５から信号線パターン３が配線されている方向を０度として、左回りを正方向とし角度を定義する。第１同心円Ｃ１には、９０°及び２７０°の方向に１つずつ、合計２つのグランドビア７が配置されている。第２同心円Ｃ２には、４５°、１３５°、２２５°、３１５°の線を挟んだ両側（例えば、±１０°）の位置に１つずつ、合計８つのグランドビア７が配置されている。第３同心円Ｃ３には、９０°及び２７０°の方向に各一つ、４５°、１３５°、２２５°、３１５°の方向に各１つ、合計６つのグランドビア７が配置されている。

つまり、第３同心円Ｃ３に外接する各グランドビア７は、同心円の中心から見て、第２同心円Ｃ２に外接する各グランドビア７の間に位置し、且つ、信号線パターン３，４とは重複しないように配置されている。また、第２同心円Ｃ２に外接する各グランドビア７も、同心円の中心から見て、第１同心円Ｃ１に外接する各グランドビア７、および信号線パターン３，４と、信号ビアから見た方向が重複しないように配置されている。

［１−３．効果］
以上詳述した第１実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１ａ）層間伝送線路１では、信号ビア５を中心とする複数の同心円Ｃ１〜Ｃ３に沿ってグランドビア７を配置している。このため、信号ビア５を中心導体とする同軸線路の外部導体の位置にグランドビア７を配置する場合と比較して、グランドビア７同士やグランドビア７と信号線パターン３，４との間のクリアランスを十分に確保することができる。その結果、層間伝送線路１によれば、設計および製造を容易に行うことができる。

（１ｂ）層間伝送線路１では、グランドビア７を配置する同心円Ｃ２，Ｃ３の半径がλｇ／２の整数倍に設定されているため、信号ビア５を伝送する高周波信号を、効率よく閉じ込めることができ、低損失の伝送を実現することができる。

図３は、層間伝送線路１の伝送損失をシミュレーションによって求めた結果を示すグラフである。比較のため、第１同心円Ｃ１に外接するグランドビア７だけを設けた比較例の特性も示す。図３から、層間伝送線路１では比較例に対して伝送損失が１ｄＢ程度改善されていることがわかる。
［２．第２実施形態］
［２−１．第１実施形態との相違点］
第２実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

第２実施形態では、多層基板の構成が第１実施形態とは異なり、さらに、グランドビアが部分的に追加されている。
図４及び図５に示す層間伝送線路１ａは、３層の誘電体層Ｌ１〜Ｌ３を挟むように形成された４層のパターン層Ｐ１〜Ｐ４を有する多層基板２ａに形成される。以下では、パターン層Ｐ１〜Ｐ４のうち、最も外側に位置する二つのパターン層Ｐ１，Ｐ４を外層、それ以外のパターン層Ｐ２，Ｐ３を中間層という。

外層Ｐ１，Ｐ４には、それぞれ信号線パターン３，４が形成されている。両信号線パターン３，４の先端は、３層の誘電体層Ｌ１〜Ｌ３を挟んで対向する位置に配置されており、多層基板２ａを貫通するビア（以下、信号ビア）５を介して相互に接続されている。

中間層Ｐ２，Ｐ３には、それぞれグランドプレーン６が形成されている。
多層基板２ａには、第１実施形態と同様の位置に設けられた合計１６個のグランドビア７に加えて、二つのグランドビア（以下、層間ビア）７ａが設けられている。

層間ビア７ａは、同心円の中心から見て、０°及び１８０°の方向に１つずつ設けられている。層間ビア７ａは、誘電体層Ｌ２を貫通し、中間層Ｐ２，Ｐ３に形成された二つのグランドプレーン６を相互に導通させるように形成されている。

［２−３．効果］
以上詳述した第２実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果（１ａ）（１ｂ）を奏し、さらに、以下の効果を奏する。

（２ａ）層間伝送線路１ａでは、信号線パターン３，４が形成された同心円の中心から見て０°及び１８０°の方向についても、層間ビア７ａが配置されている。従って、層間伝送線路１ａによれば、信号ビア５を伝送する高周波信号をより効果的に閉じ込めることができ、伝送効率をより向上させることができる。

多層配線基板が３層以上の場合、信号線の上下には、層間ビアを配置する。
スルーホールの代わりに金属壁を形成することで、同様の効果を得ることができる。
［３．第３実施形態］
［３−１．第２実施形態との相違点］
第３実施形態は、基本的な構成は第２実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１及び第２実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

第３実施形態では、第２同心円及び第３同心円に設けられるグランドビアの構造が第２実施形態と相違する。
図６に示す層間伝送線路１ｂは、第２実施形態と同様に、３層の誘電体層Ｌ１〜Ｌ３及び４層のパターン層Ｐ１〜Ｐ４を有する多層基板２ａに形成される。

信号線パターン３，４、信号ビア５、第１同心円Ｃ１に沿って設けられる二つのグランドビア７および二つの層間ビア７ａは、第２実施形態のものと同様である。
第２及び第３同心円Ｃ２，Ｃ３上には、グランドビア７の代わりに、これら同心円Ｃ２，Ｃ３に沿って多層基板２ａを貫通する銅箔壁７ｂが、信号線パターン３，４が配線されている部位を除いて設けられている。つまり、銅箔壁７ｂは、第２及び第３同心円Ｃ２，Ｃ３をビア径とする同心円状の二つのグランドビアを形成する。

［３−２．効果］
以上詳述した第２実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果（１ａ）（１ｂ）を奏し、さらに、以下の効果を奏する。

（３ａ）層間伝送線路１ｂによれば、グランドビア７、層間ビア７ａ、銅箔壁７ｂによって、信号ビア５を伝搬する信号を、更に効果的に閉じ込めることができ、伝送効率を更に向上させることができる。

［４．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（４ａ）上記実施形態では、２層または３層の誘電体層を有する多層基板について説明したが、より多くの誘電体層が積層された多層基板を用いてもよい。この場合、グランドプレーン６が形成される中間層が増える以外は、上記実施形態と同様の構成となる。

（４ｂ）上記実施形態では、三つの同心円に沿ってグランドビア７等を配置したが、同心円の数は、これに限定されるものではない。例えば、同心円の数は、二つであってもよいし四つ以上であってもよい。

（４ｃ）上記第２及び第３実施形態では、信号線パターン３，４が配線された部位にだけ層間ビア７ａを配置しているが、これ以外の部位に層間ビア７ａを配置してもよい。
（４ｄ）上記第２及び第３実施形態では、層間ビア７ａは、誘電体層Ｌ２だけを貫通し多層基板２ａに全体が埋もれるように形成されているが、信号線パターン３，４が配線されていない側の外層に層間ビア７ａの一端が露出するように形成してもよい。

（４ｅ）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

（４ｆ）上述した層間伝送線路の他、当該層間伝送線路を構成要素とするシステム、多層基板における層間伝送方法など、種々の形態で本開示を実現することもできる。

１，１ａ，１ｂ…層間伝送線路、２，２ａ…多層基板、３，４…信号線パターン、５…信号ビア、６…グランドプレーン、７…グランドビア、７ａ…層間ビア、７ｂ…銅箔壁、６１…除去領域、Ｌ１〜Ｌ３…誘電体層、Ｐ１〜Ｐ４…パターン層。

Claims

積層された複数の誘電体層（Ｌ１〜Ｌ３）と、
前記複数の誘電体層を積層方向に貫通し、積層された前記複数の誘電体層の両外面に形成された信号線パターン（３，４）同士を接続する信号ビア（５）と、
前記複数の誘電体層の間にそれぞれ配置され、前記信号ビアを中心とした円形の領域である除去部位（６１）の周囲を覆うグランドプレーン（６）と、
前記複数の誘電体層のうち少なくとも１層を該誘電体層の積層方向に貫通し、かつ、前記信号ビアを中心とする複数の同心円に沿って配置され、前記グランドプレーンと導通する複数のグランドビア（７，７ａ，７ｂ）と、
を備え、
前記除去部位の外周縁が、前記信号ビアを内部導体とする同軸線路において外部導体が配置されるべき位置と一致するように前記同軸線路のインピーダンスに従って設定され、
前記グランドビアが配置される前記複数の同心円は、最も内側の前記同心円が前記除去部位の外周縁が形成する円であり、最も内側以外の前記同心円の半径が前記信号ビアを伝搬する信号の管内波長の１／２の整数倍に設定された
層間伝送線路。
請求項１に記載の層間伝送線路であって、
前記複数のグランドビアは、それぞれが前記複数の同心円のいずれかに外接するように配置されている、
層間伝送線路。
請求項２に記載の層間伝送線路であって、
隣接する二つの前記同心円のうち、外側の同心円に外接する複数のグランドビアは、前記同心円の中心から見て、内側の同心円に外接する複数のグランドビアの間に位置するように配置されている、
層間伝送線路。
請求項１に記載の層間伝送線路であって、
前記複数のグランドビアの一部（７ｂ）は、前記複数の同心円のいずれかの径をビア径とするように構成されている、
層間伝送線路。
積層された複数の誘電体層（Ｌ１〜Ｌ３）と、
前記複数の誘電体層を積層方向に貫通し、積層された前記複数の誘電体層の両外面に形成された信号線パターン（３，４）同士を接続する信号ビア（５）と、
前記複数の誘電体層の間にそれぞれ配置され、前記信号ビアを中心とした円形の領域である除去部位（６１）の周囲を覆うグランドプレーン（６）と、
前記複数の誘電体層のうち少なくとも１層を該誘電体層の積層方向に貫通し、かつ、前記信号ビアを中心とする複数の同心円に沿って配置され、前記グランドプレーンと導通する複数のグランドビア（７，７ａ，７ｂ）と、
を備え、
前記除去部位の外周縁が、前記信号ビアを内部導体とする同軸線路において外部導体が配置されるべき位置と一致するように前記同軸線路のインピーダンスに従って設定され、
前記グランドビアが配置される前記複数の同心円は、最も内側の前記同心円が前記除去部位の外周縁が形成する円であり、最も内側以外の前記同心円の半径が前記ビアを伝搬する信号の管内波長の１／２の整数倍に設定され、前記複数のグランドビアの一部（７ｂ）は、前記複数の同心円のいずれかの径をビア径とするように構成されている、
層間伝送線路。
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の層間伝送線路であって、
前記誘電体層を３層以上有し、前記グランドビアの少なくとも一部（７ａ）は、前記信号線パターンが形成される二つの誘電体層以外の誘電体層である中間層を貫通し、前記中間層に接する前記複数のグランドプレーンと導通するように形成された、
層間伝送線路。