JP2010093018A - 配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】複数層の配線層を有する配線基板において、抵抗値及びインダクタンス値を増大させることなく、配線の電気的特性を調整できるようにする。
【解決手段】複数の配線層を備えた配線基板は、複数の配線層のうちの第１の配線層６１に形成された第１の配線１ａと、複数の配線層のうちの第２の配線層６２に形成された第２の配線１ｂと、導体からなる接続部材であるビア５とを有している。ビア５は、第１の配線１ａと第２の配線１ｂとを接続する第１のビア５ａと第２のビア５ｂとから構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、配線基板に関し、特に一の層の配線と他の層の配線とが導体により接続されてなる信号配線を有する配線基板に関する。

近年、電子機器の性能が急速に進化し、それに用いる半導体素子が高速化、多機能化及び多ピン化してきている。これに伴い、半導体素子を集積化した半導体チップを実装する半導体パッケージ基板及び該半導体パッケージ基板を実装するマザーボードに要求される性能も高まってきている。

特に、半導体素子の動作の高速化により、高速信号を伝達する信号配線の電気的特性（以下、配線特性と称す。）が、半導体装置全体の電気的特性に大きく左右されるようになってきている。このため、半導体パッケージ基板及びマザーボード等の配線基板においては、配線特性の調整が必須となってきている。高速信号を伝達する配線に対しては、差動信号を使用し、且つその配線長をできるだけ等長にする等の、特に慎重な配線設計を行っている。

従来の配線特性の調整方法は、主に配線幅や配線長を変更することにより行っている。シングル配線（単線）に対しては、抵抗値及びインダクタンス値を減らすために、配線長を短くしたり、配線幅を太くしたりして配線特性の調整を行っている。特に、差動信号を伝達するための差動ペア配線に対しては、基本的に配線長を極力等しくするように調整を行っている（いわゆる等長配線）。

以下、従来の差動ペア配線の配線特性の調整方法について図６を参照しながら説明する。図６に示すように、配線基板１００には、第１の配線１０１ａ及び第２の配線１０１ｂからなる差動ペア配線が設けられている。第１の配線１０１ａ及び第２の配線１０１ｂにおいて、各始点１０２ａ、１０２ｂから各終点１０３ａ、１０３ｂまでを配線する際には、第１の配線１０１ａ及び第２の配線１０１ｂの配線長を等長とするため、配線長がより短い第１の配線１０１ａを終点１０３ａの近傍で延長することによって、第２の配線１０１ｂの配線長と等しくしている。

このように、差動ペア配線同士の配線長が等しく設定されることにより、互いの配線の配線特性が等しくなるため、ペア配線内を伝達される信号の遅延時間が等しくなるので、差動信号の特性劣化を極力抑制することが可能となる。
特開平１１−６７９７０号公報

しかしながら、前記従来の配線基板によると、第１の配線１０１ａの配線長をそれよりも長い第２の配線１０１ｂの配線長に合わせている。すなわち、配線長が短い第１の配線１０１ａの配線長を長くする必要から、配線長が長くなる分、それだけ配線の抵抗値及びインダクタンス値が増大してしまうという問題がある。

また、図６から分かるように、第１の配線１０１ａの配線長を長くする際に、迂回する分だけ該配線に複数の屈折部が生じてしまう。配線に屈折部が増えると、配線の抵抗値が増大するため、配線特性が劣化するという問題も生じる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、複数層の配線層を有する配線基板において、抵抗値及びインダクタンス値を増大させることなく、配線特性を調整できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、配線基板を、異なる配線層に形成された配線同士を電気的に接続する接続部を１本の配線の少なくとも２箇所に設ける構成とする。

具体的に、本発明に係る配線基板は、複数の配線層を備えた配線基板を対象とし、複数の配線層のうちの第１の配線層に形成された第１の配線と、複数の配線層のうちの第２の配線層に形成された第２の配線と、第１の配線と第２の配線とを少なくとも２箇所で接続する導体からなる第１の接続部材とを備えていることを特徴とする。

本発明の配線基板によると、第１の配線と第２の配線とを少なくとも２箇所で接続する導体からなる第１の接続部材を備えているため、少なくとも２箇所で接続される配線の抵抗値及びインダクタンス値は減少する。これにより、配線特性を調整する際に、抵抗値及びインダクタンス値の増大を防ぐことができる。

本発明の配線基板において、第１の配線及び第２の配線はシングル配線を構成していてもよい。

本発明の配線基板は、第１の配線層に形成された第３の配線と、第２の配線層に形成された第４の配線と、第３の配線と第４の配線とを少なくとも１箇所で接続する導体からなる第２の接続部材とをさらに備え、第１の配線及び第２の配線と第３の配線及び第４の配線とは、差動ペア配線を構成していることが好ましい。

この場合に、第１の配線及び第２の配線は、差動ペア配線のうち長さが長い方の配線であってもよい。

また、この場合に、第１の配線及び第２の配線は、差動ペア配線のうち長さが短い方の配線であってもよい。

また、差動ペア配線を構成している場合に、第２の接続部材は、第３の配線と第４の配線とに対して少なくとも２箇所に設けられていることが好ましい。

また、本発明の配線基板は、第３の配線層に形成された第５の配線と、第４の配線層に形成された第６の配線と、第５の配線と第５の配線とを少なくとも２箇所で接続する導体からなる第３の接続部材とをさらに備えていてもよい。

本発明の配線基板において、導体はそれぞれビアを構成していてもよい。

また、本発明の配線基板において、導体はそれぞれソルダボールを構成していてもよい。

また、本発明の配線基板において、導体はそれぞれバンプを構成していてもよい。

また、本発明の配線基板において、導体はそれぞれスルーホールを構成していてもよい。

本発明に係る配線基板によると、抵抗値及びインダクタンス値を増大させることなく、配線特性を調整することができる。その上、通常の製造プロセスで実現できるため、製造コストが増大することもない。

本発明の実施形態に係る配線基板について説明する。なお、本発明は下記の各実施形態には限定されず、本発明の技術的思想の範囲内において種々の変更が可能であることはいうまでもない。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の第１の実施形態に係る配線基板を模式的に示している。図１に示す配線基板１０において、第１の配線層６１に形成された第１の配線１ａと第２の配線層６２に形成された第２の配線１ｂとが、導体からなる接続部材としての第１のビア５ａ及び第２のビア５ｂからなるビア５により接続されている。なお、図示はしていないが、第１の配線層６１と第２の配線層６２との間には少なくとも１層の絶縁膜（層間絶縁膜）が形成されている。ここで、ビア５ａ、５ｂを構成する導体には、例えばタングステン（Ｗ）を用いることができ、すなわち、公知の半導体製造プロセスにおいて用いることができる導体であればよい。

第１の実施形態に係る配線基板１０によると、第１の配線１ａと第２の配線１ｂとを接続する複数のビア、ここでは第１のビア５ａと第２のビア５ｂとを配置する際に、第１のビア５ａ及び第２のビア５ｂの配置位置及びその間隔により配線特性を調整することができる。

このように、ビア５を第１のビア５ａと第２のビア５ｂとの２つのビアにより構成した場合の配線特性（抵抗値、インダクタンス値及びキャパシタンス値）は、ビア５を１つのビアで構成する場合と比べて、抵抗値及びインダクタンス値は減少し、キャパシタンス値は増大する。すなわち、第１のビア５ａと第２のビア５ｂとの間隔を大きくする程、抵抗値及びインダクタンス値は減少し、逆にキャパシタンス値は増大する。

第１の配線１ａ及び第２の配線１ｂにおける第１のビア５ａから第２のビア５ｂまでの間の配線幅及び配線長が等しいとした場合に、第１のビア５ａから第２のビア５ｂまでの間の第１の配線１ａに生じるインダクタンス値をＬa、抵抗値をＲaとし、第１のビア５ａから第２のビア５ｂまでの間の第２の配線１ｂに生じるインダクタンス値をＬb（＝Ｌa）、抵抗値をＲb（＝Ｒa）とし、各ビア５ａ、ビア５ｂに生じるそれぞれのインダクタンス値をＬvとし、抵抗値をＲvとすると、第１のビア５ａの始点（第１の配線１ａ側）から第２のビア５ｂの終点（第２の配線１ｂ側）までの経路に生じるインダクタンス値Ｌ及び抵抗値Ｒは、以下の式（１）及び式（２）のようになる。
Ｌ＝（Ｌa＋Ｌv）／２ …（１）
Ｒ＝（Ｒa＋Ｒv）／２ …（２）

なお、キャパシタンス値は、ビアを複数個設けたことにより、配線の面積が大きくなるため、微量ではあるが増大する。また、式（１）及び式（２）は、配線の周囲の状況（例えば、接地電位（ＧＮＤ）の配置位置及び他の配線等）による影響や、第１の配線１ａ及び第２の配線１ｂ同士の間の干渉、ビア５ａ、５ｂ同士の間の干渉の影響により値は若干異なるが、配線特性の調整が可能であることに変わりはない。

また、抵抗値、インダクタンス値及びキャパシタンス値の増減量は、配線基板１０自体の構成及び組成等により様々であるため、汎用の電磁界解析ツール等を用いて配線特性を調整してもよい。これらにより、第１のビア５ａ及び第２のビア５ｂの配置位置及びその間隔によって、所望の配線特性を実現することが可能となる。

なお、ビア５の構成要素であるビア５ａ等の個数を増やすと、式（１）及び式（２）が成り立たなくなることはいうまでもないが、構成要素を増やすと、インダクタンス値及び抵抗値の減少量は大きくなり、キャパシタンス値の増加量も大きくなる。

また、第１の配線１ａ及び第２の配線１ｂのインピーダンス値を調整したい場合は、インダクタンス値Ｌとキャパシタンス値Ｃとをビア５ａ等の個数及び間隔によって調整することにより、所望のインピーダンス値を得ることができる。

なお、第１の実施形態においては、２つの配線層６１、６２の間を接続するためのビアを例に説明したが、図２に示す配線基板２０のように、第１の配線層６１、第２の配線層６２及び第３の配線層６３にわたって第１の配線１ａ、第２の配線及び第３の配線１ｃを接続する複数のビア５、６のそれぞれに第１のビア５ａ及び第２のビア５ｂと、第３のビア６ａ及び第４のビア６ｂとを設ける構成としてもよい。

また、第１の実施形態においては、第１の配線１ａと第１の配線１ｂとを電気的に接続する導体からなる接続部材として、ビアを用いたが、ビアに限られない。例えば、ソルダボール、バンプ又はコンタクトホールの少なくとも壁面上に導体を設けたスルーホールであってもよい。なお、接続部材がソルダボール及びバンプの場合は、接続される２つの配線は、互いに異なる配線基板の配線であることはいうまでもない。

（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面を参照しながら説明する。

図３は本発明の第２の実施形態に係る配線基板を模式的に示している。図３に示すように、第２の実施形態に係る配線基板３０は、第１の配線層６１に形成された第１の配線１ａと第２の配線層６２に形成された第２の配線１ｂとが、導体からなる接続部材としての第１のビア５ａ及び第２のビア５ｂからなるビア５により接続されている。これにより、第１の配線１ａと第２の配線１ｂとは、第１の層間接続配線１を構成している。

同様に、第１の配線層６１に第１の配線１ａと並行して形成された第３の配線２ａと、第２の配線層６２に第２の配線１ｂと並行して形成された第４の配線２ｂとが、導体からなる接続部材としての第３のビア７により接続されている。これにより、第３の配線２ａと第４の配線２ｂとは、第２の層間接続配線２を構成している。なお、図示はしていないが、第１の配線層６１と第２の配線層６２との間には少なくとも１層の絶縁膜（層間絶縁膜）が形成されている。

このように、第２の実施形態においては、配線基板３０における第１の層間接続配線１及び第２の層間接続配線２により、差動ペア配線を構成している。

第２の実施形態に係る配線基板３０においても、第１の配線１ａと第２の配線１ｂとを接続する複数のビア、ここでは第１のビア５ａと第２のビア５ｂとを配置する際に、第１のビア５ａ及び第２のビア５ｂの配置位置及びその間隔により配線特性を調整することができる。

前述したように、ビア５を第１のビア５ａと第２のビア５ｂとの２つのビアにより構成した場合の配線特性（抵抗値、インダクタンス値及びキャパシタンス値）は、ビア５を１つのビアで構成する場合と比べて、抵抗値及びインダクタンス値は減少し、キャパシタンス値は増大する。すなわち、第１のビア５ａと第２のビア５ｂとの間隔を大きくする程、抵抗値及びインダクタンス値は減少し、逆にキャパシタンス値は増大する。

ここで、第１の配線１ａ及び第２の配線１ｂにおける第１のビア５ａから第２のビア５ｂまでの間の配線幅及び配線長が等しいとした場合に、第１のビア５ａから第２のビア５ｂまでの間の第１の配線１ａに生じるインダクタンス値をＬa、抵抗値をＲaとし、第１のビア５ａから第２のビア５ｂまでの間の第２の配線１ｂに生じるインダクタンス値をＬb（＝Ｌa）、抵抗値をＲb（＝Ｒa）とし、各ビア５ａ、ビア５ｂに生じるそれぞれのインダクタンス値をＬvとし、抵抗値をＲvとすると、第１のビア５ａの始点（第１の配線１ａ側）から第２のビア５ｂの終点（第２の配線１ｂ側）までの経路に生じるインダクタンス値Ｌ及び抵抗値Ｒは、第１の実施形態で示した式（１）及び式（２）のようになる。

なお、キャパシタンス値は、ビアを複数個設けたことにより、各層間接続配線１、２の面積が大きくなるため、微量ではあるが増大する。また、式（１）及び式（２）は、配線の周囲の状況（例えば、接地電位（ＧＮＤ）の配置位置及び他の配線等）による影響や、第１の配線１ａ及び第２の配線１ｂ同士の間の干渉、ビア５ａ、５ｂ同士の間の干渉の影響により値は若干異なるが、配線特性の調整が可能であることに変わりはない。

また、第１の層間接続配線１における抵抗値、インダクタンス値及びキャパシタンス値の増減量は、配線基板３０自体の構成及び組成等により様々であるが、第１のビア５ａ及び第２のビア５ｂの配置位置及びその間隔により、所望の配線特性を実現することができる。

次に、差動ペア配線における配線特性の調整方法について説明する。差動ペア配線は、隣接する配線同士の配線長が等長になることが望ましい。しかしながら、事実上、差動ペア配線を配線基板に配置する場合、互いの配線長を等しくすることは困難である。このため、従来は、ペア配線のうち配線長が短くなる方の配線に対してその配線長を延長し、なるべく等長になるように調整を行っている。

第２の実施形態においては、配線長が長い方の第１の層間接続配線１に複数のビア（ここでは２つ）を設け、該第１の層間接続配線１におけるインダクタンス値及び抵抗値が減少するように配線特性の調整を行う。

図４に差動ペア配線における２つの配線の配線長を調整する前の配線基板４０を示す。図４に示すように、調整前の配線基板４０は、第１の配線１ｄ及び第２の配線１ｅからなる第１の層間接続配線１Ａと、第３の配線２ａ及び第４の配線２ｂからなる第２の層間接続配線２とを有している。第１の層間接続配線１Ａの配線長は、第２の層間接続配線２の配線長よりもΔαだけ長い。

まず、Δα分のインダクタンス値Ｌαを計算する。インダクタンス値Ｌαの計算はファラデーの法則である式（３）を元に有限要素法等を用いた汎用解析ツールにより計算することができる。
Ｖ＝−Ｌα（ｄＩ／ｄｔ） …（３）

ここで、Ｖは誘導起電力を表し、Ｉは電流を表し、ｔは時間を表す。なお、インダクタンス値を求める近似式は配線基板の構造によっては、他の文献又は論文等でも紹介されているため、配線基板の構造に合った近似式を用いてもよい。

次に、図３に示した、第１の層間接続配線１を構成する第１のビア５ａ及び第２のビア５ｂ同士の間の配線のインダクタンス値Ｌは、前述した式（１）及び式（２）により求めることができる。ここで、第２の層間接続配線２を構成する第３のビア７におけるインダクタンス値をＬｖ２とすると、以下に示す式（４）の関係が成り立つ。
Ｌv2−｛（Ｌa＋Ｌv）／２｝＝Ｌα …（４）

また、抵抗値に関しても、式（４）のＬをＲに置き換えることにより、以下に示す式（５）の関係が成り立つ。
Ｒv2−｛（Ｒa＋Ｒv）／２｝＝Ｒα …（５）

ここで、Ｒv2は第２の層間接続配線２における第３のビア７の抵抗値を表し、Ｒaは第１の配線１ａ又は第２の配線１ｂにおける第１のビア５ａと第２のビア５ｂとの間の抵抗値を表し、Ｒｖは第１のビア５ａ又は第２のビア５ｂの抵抗値を表し、ＲαはΔα分の抵抗値を表す。なお、抵抗値Ｒαは、以下に示す式（６）により算出することができる。
Ｒα＝ρ×Δα／Ｓ …（６）

ここで、ρは配線の抵抗率（Ω・ｍ）を表し、Ｓは配線の断面積（ｍ^２）を表す。

以上説明したように、図４に示す第１の層間接続配線１Ａにおける配線特性を、図３に示す第１のビア５ａ及び第２のビア５ｂの間隔を調整することにより、所望の配線特性を付与することができる。もちろん、式（１）及び式（２）は、配線の周囲の状況（例えば、接地電位（ＧＮＤ）の配置位置及び他の配線等）による影響や、第１の配線１ａ及び第２の配線１ｂ同士の間の干渉、ビア５ａ、５ｂ同士の間の干渉の影響により値は若干異なるが、配線特性の調整が可能であることに変わりはない。

また、抵抗値、インダクタンス値及びキャパシタンス値の増減量は、配線基板３０自体の構成及び組成等により様々であるため、汎用の電磁界解析ツール等を用いて配線特性を調整してもよい。いずれにおいても、第１の層間接続配線１に設ける第１のビア５ａ及び第２のビア５ｂの配置位置及びその間隔によって、第１の層間接続配線１及び第２の層間接続配線２からなる作動ペア配線に対して所望の配線特性を実現することができる。

なお、第２の実施形態においては、第１の層間接続配線１及び第２の層間接続配線２のうち、配線長が長い第１の層間接続配線１に対して、そのインダクタンス値Ｌ及び抵抗値Ｒを調整する方法を述べたが、作動ペア配線におけるキャパシタンス値Ｃを調整することも可能である。この場合は、差動ペア配線のうちの配線長が短い方の配線、ここでは第２の層間接続配線２に複数のビアを設けて、複数のビアの個数及び間隔を調整することにより、作動ペア配線に所望の配線特性を得ることが可能となる。

また、第２の実施形態においては、差動ペア配線のうちの第１の層間接続配線１に対して 複数のビアを設けることにより配線特性を調整したが、図５に示した配線基板５０のように、第１の層間接続配線１だけでなく、第２の層間接続配線２に対しても複数のビア、例えば第３のビア７ａ及び第４のビア７ｂを設けることにより、差動ペア配線の配線特性を調整してもよい。

また、差動ペア配線のインピーダンス値を調整したい場合は、インダクタンス値Ｌとキャパシタンス値Ｃとの両方をビア５ａ等の個数及び間隔によって調整することにより、所望のインピーダンスを得ることができる。

また、第２の実施形態においても、第１の配線１ａと第１の配線１ｂとの電気的な接続及び第３の配線２ａと第４の配線２ｂとの電気的な接続部材として、導体からなるビアを用いたが、ビアに限られない。例えば、ソルダボール、バンプ又はコンタクトホールの少なくとも壁面上に導体を設けたスルーホールであってもよい。なお、接続部材がソルダボール及びバンプの場合は、接続される２つの配線は、互いに異なる配線基板の配線となる。

本発明に係る配線基板は、抵抗値及びインダクタンス値を増大させることなく、配線特性を調整することができ、一の層の配線と他の層の配線とが導体（ビア、ソルダボール、バンプ及びスルーホール等）により接続される信号配線を有する配線基板（ＬＳＩ、マザーボード及びパッケージ基板等）に有用である。

本発明の第１の実施形態に係る配線基板を示す模式的な斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る配線基板の他の例を示す模式的な斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る配線基板を示す模式的な斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る調整前の配線基板を示す模式的な斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る配線基板の他の例を示す模式的な斜視図である。 従来の配線基板の作動ぺア配線を示す平面図である。

符号の説明

１ 第１の層間接続配線
１ａ 第１の配線
１ｂ 第２の配線
１ｃ 第３の配線
１Ａ 第１の層間接続配線
１ｄ 第１の配線
１ｅ 第２の配線
２ 第２の層間接続配線
２ａ 第３の配線
２ｂ 第４の配線
５ ビア
５ａ 第１のビア
５ｂ 第２のビア
６ ビア
６ａ 第３のビア
６ｂ 第４のビア
７ ビア
７ａ 第３のビア
７ｂ 第４のビア
１０ 配線基板
２０ 配線基板
３０ 配線基板
４０ 調整前の配線基板
５０ 配線基板
６１ 第１の配線層
６２ 第２の配線層
６３ 第３の配線層

Claims (11)

1. 複数の配線層を備えた配線基板であって、
   前記複数の配線層のうちの第１の配線層に形成された第１の配線と、
   前記複数の配線層のうちの第２の配線層に形成された第２の配線と、
   前記第１の配線と前記第２の配線とを少なくとも２箇所で接続する導体からなる第１の接続部材とを備えていることを特徴とする配線基板。
2. 前記第１の配線及び第２の配線は、シングル配線を構成していることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
3. 前記第１の配線層に形成された第３の配線と、
   前記第２の配線層に形成された第４の配線と、
   前記第３の配線と前記第４の配線とを少なくとも１箇所で接続する導体からなる第２の接続部材とをさらに備え、
   前記第１の配線及び第２の配線と前記第３の配線及び第４の配線とは、差動ペア配線を構成していることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
4. 前記第１の配線及び第２の配線は、前記差動ペア配線のうち長さが長い方の配線であることを特徴とする請求項３に記載の配線基板。
5. 前記第１の配線及び第２の配線は、前記差動ペア配線のうち長さが短い方の配線であることを特徴とする請求項３に記載の配線基板。
6. 前記第２の接続部材は、前記第３の配線と前記第４の配線とに対して少なくとも２箇所に設けられていることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の配線基板。
7. 前記第３の配線層に形成された第５の配線と、
   前記第４の配線層に形成された第６の配線と、
   前記第５の配線と前記第５の配線とを少なくとも２箇所で接続する導体からなる第３の接続部材とをさらに備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の配線基板。
8. 前記導体は、それぞれビアを構成することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の配線基板。
9. 前記導体は、それぞれソルダボールを構成することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の配線基板。
10. 前記導体は、それぞれバンプを構成することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の配線基板。
11. 前記導体は、それぞれスルーホールを構成することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の配線基板。

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