JP2019149489A

JP2019149489A - 電気回路基板の接続構造

Info

Publication number: JP2019149489A
Application number: JP2018034016A
Authority: JP
Inventors: 直弘高武; Naohiro Takatake; 健治古後; Kenji Kogo
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2019-09-05

Abstract

【課題】電気信号伝送線路のインピーダンス不整合を低減することにある。【解決手段】解決手段は、第１の配線が露出した第１の部分を有する第１の電気回路基板と、第２の配線が露出した第２の部分を有する第２の電気回路基板との接続構造であって、第１の部分と第２の部分とが対面して接触し、第１の配線と第２の配線とが電気的に接続されることを特徴とする電気回路基板の接続構造である。【選択図】図８

Description

本発明は、電気回路基板の接続構造に関し、特に高周波電気信号伝送用の電気回路基板の接続構造に関する。

データセンタ内の情報装置（例えば、サーバ、ストレージ。）の一部を構成する一枚の電気回路基板上に搭載されたCPU、GPU、スイッチASICなどの半導体集積回路装置(LSI)相互間のデータトラフィック量が増加している。電気回路基板は、例えば、誘電体材料層の両表面に電気回路または電子回路の配線を設けた、例えば、プリント回路基板(PCB)である。

なお、特許文献１には、PCBの伝送路内のインピーダンス不連続点での電気信号反射の問題を低減するための配線パターンの構成が開示されている。

特開２０１４−０８２３６０号公報

一枚の電気回路基板上のLSI相互間の電気信号伝送線路の１チャンネルあたりの電気信号伝送速度は、例えば、最大で50Gbit/s〜100 Gbit/sのように高速化の要求がある。
ところが、この要求を満足することが困難となってきている。伝送速度を上げると、電気信号伝送線路の一部を構成する誘電体による電気信号伝送損失が増大するためである。

本発明者らは、この問題点の改善に向けて検討を重ねた。ブレードを構成する一枚の電気回路基板上のLSI相互間の電気信号伝送線路の一部にメタルケーブルを用いることを検討した。PCB配線とメタルケーブルとの電気的接続に新たな問題点のあることを見出した。詳細は以下の通りである。

図１は電気回路基板102上の電子部品集積の一例を示す図である。電気回路基板102上の各LSI 101間の電気信号伝送用にメタルケーブル104を設けた点に特徴がある。LSI 101は各インターポーザ基板221、222上に設けられている。LSI 101の電気端子を電気回路基板102に直接、半田付けすることを避けるためである。

図２はケーブルモジュールの構成例を示す図である。ケーブルモジュール201は、第１のインターポーザ基板221と、第２のインターポーザ基板222と、その両者間を電気的に接続するメタルケーブル104とを組み合わせて構成される。

第１のインターポーザ基板221上には、差動ペア信号線203と、その外側に設けられたグランド配線205と、グランド配線204とが設けられている。同様に、第２のインターポーザ基板222上には、差動ペア信号線207と、その外側に設けられたグランド配線209と、グランド配線208とが設けられている。

メタルケーブル104の一端は、第１のインターポーザ基板221の差動ペア信号線203とグランド電位とに接続され、他端は第２のインターポーザ基板222の差動ペア信号線207とグランド電位とに接続される。

図３はメタルケーブルの断面の一例を示す図である。一対の差動ペア信号線303の周囲に誘電体絶縁部材302が設けられ、その表面にグランド配線301を設けている。

図４は、第１のインターポーザ基板401とケーブルモジュール402との電気的接続に金属製コネクタ404を用いる場合を説明するための図である。第１のインターポーザ基板401にLSI 101を半田付けして固定する。

LSI 101の電気端子にその一端が接続された差動ペア信号配線408はリード端子接続部405においてコネクタ404を構成するリード線の一端に接続される。
リード線の他端はリード端子接続部406にて差動ペア信号配線408に接続される。この差動ペア信号配線408の他端にて、上述のメタルケーブル104の一端側の差動ペア信号線303に半田付けする。メタルケーブル104の他端側は別のLSI 101に至る。

グランド配線410は第１のインターポーザ基板401の下面に設けられている。この面には支持部材407が設けられる。電気回路基板102上に固定される。
差動ペア信号配線408の両側にはグランド配線409が設けられている。電気回路基板403はケーブルモジュール402の一部を構成している。電気回路基板403の下層にグランド配線205が設けられる。

図５は図４のA−A断面の部分拡大図である。図５の符号502は意図する電流の流れる向きである。低周波数成分の電気伝送信号の電流は大部分、この向きに流れる。
ところが、例えば、50Gbit/s〜100 Gbit/s程度の高周波成分の信号電流は、符号503の方向にも一部、流れる。
第１のインターポーザ基板401のリード端子接続部405とグランド配線410との間に寄生容量ができ、この両者間にも電流が流れるためである。符号501は電気力線を示す。

図６は、図４のＢ−Ｂ断面を示す図である。但し、リード端子のコネクタ404の図示は省略してある。この図では、差動ペア信号配線408とその両側にグランド配線409が示されている。

寄生容量は、差動ペア信号配線408とグランド配線410との間だけでなく、差動ペア信号配線408とグランド配線409との間にも発生している。それぞれの電気力線を符号701で示し、寄生容量のできる部分を符号711〜714で示す。

このような寄生容量発生の原因は、特に、差動ペア信号配線408およびグランド配線410の延在方向に対して、ほぼ垂直方向にコネクタ404のリード線が設けられるためである。コネクタ404は、第１のインターポーザ基板401の省スペース化の要請から、通常、第１のインターポーザ基板401表面に対し、垂直方向にリード線が延在する。
特に、リード端子のコネクタ404と、第１のインターポーザ基板401の差動ペア信号配線408との接続部405が、電気信号伝送線路の不連続点となる。

図７は、時間領域反射（TDR：Time Domain Reflectometry）を用いた特性インピーダンスの解析結果の一例を示す図である。この図の符号611の部分および符号612の部分で特性インピーダンスの低下が顕著である。

なお、符号601は、第１のインターポーザ基板401の差動ペア信号配線408が設けられた区間での特性インピーダンスの変化を示す。符号602は、コネクタ404のリード端子が設けられた区間での特性インピーダンスの変化を示す。符号603は、電気回路基板403上の差動ペア信号配線408が設けられた区間での特性インピーダンスの変化を示す。
符号601の区間の右端近傍から特性インピーダンス値が低下している。接続部405の不連続性が原因と考えられる。下がった特性インピーダンス値が上昇しているのは、リード端子のコネクタ404の誘導性が原因と考えられる。

本発明の課題は、電気信号伝送線路の不連続性に基づくインピーダンス不整合を低減することにある。

本発明に係る電気回路基板の接続構造の好ましい一側面は、第１の配線が露出した第１の部分を有する第１の電気回路基板と、第２の配線が露出した第２の部分を有する第２の電気回路基板との接続構造であって、前記第１の部分と前記第２の部分とが対面して接触し、前記第１の配線と前記第２の配線とが電気的に接続されることを特徴とする電気回路基板の接続構造である。

電気信号伝送線路の不連続性に基づくインピーダンス不整合の低減が可能である。

図１は電気回路基板102上の素子集積の一例を示す図である。図２はケーブルモジュールの構成例を示す図である。図３はメタルケーブルの断面の一例を示す図である。図４は第１のインターポーザ基板とケーブルモジュールとの電気的接続にコネクタを用いる構成を説明するための図である。図５は図４のＡ−Ａ断面の部分拡大図であり、伝送線路接続部の不連続性を説明するための図である。図６は図４のＢ−Ｂ断面を示す図であり、伝送線路接続部の不連続性を説明するための図である。図７は時間領域反射を用いた特性インピーダンスの解析結果の一例を示す図である。図８は実施例１に係る電気回路基板モジュールの基本構成を示し、２つの回路基板を組み合わせ、接触させて基板モジュールとする構成を示す図である。図９Ａは実施例１に係る電気回路基板の接続構造の具体的構成例を示す図である。図９Ｂは実施例２に係る電気回路基板の接続構造の具体的構成例を示す図である。図１０は実施例１に係る電気回路基板の接続構造の電気信号伝送線路の特性インピーダンスのシミュレーション結果を示す図である。図１１は実施例３に係る電気回路基板の接続構造を説明するための図であり、凹部と凸部を係合することにより電気回路基板の接続構造とする構成を示す図である。図１２は実施例４に係る電気回路基板の接続構造を説明するための図である。図１３は実施例４に係る電気回路基板の接続構造を説明するための図である。図１４は実施例５に係る電気回路基板の接続構造を説明するための図である。図１５は実施例５に係る電気回路基板の接続構造を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら、実施例１を説明する。図８は、実施例１に係る電気回路基板の接続構造の基本構成を示す図である。

一つのプリント配線基板901上に第１の電気回路基板902が設けられる。第１の電気回路基板902の一端部の表面（図８の上向きの面）である第１の面904と、第２の電気回路基板903の一端部の表面（図８の下向きの面）である第２の面906とを重ね合わせ、第１の面904の表面と第２の面906の表面とを接触させて、第１の差動ペア信号配線907と第２の差動ペア信号配線908とを電気的に接続する。

ここで、例えば、平行する２本の差動信号配線を組み合わせ、その組み合わせた差動信号配線を第１の差動ペア信号配線907という。同様に、例えば、平行する２本の配線を組み合わせ、その組み合わせた差動信号配線を第２の差動ペア信号配線908という。以下、同様である。第１および第２の電気回路基板902、903には誘電体基板を用いることができる。

ここで、第１の差動ペア信号配線907を第１の配線ともいう。第２の差動ペア信号配線908を第２の配線ともいう。第１の面904を第１の部分ともいう。第１の部分は面でなく、例えば、点であってもよい。第２の面906を第２の部分ともいう。第２の部分は面でなく、例えば、点であってもよい。

例えば、図８の第１の電気回路基板902の表面部分に設けた段差部を第１の段差部という。例えば、図８の第２の電気回路基板903の表面（図８に図示する第１の電気回路基板902の表面に対向する面。）部分に設けた段差部を第２の段差部という。第１の段差部は、図８に示すような第１の面904と、第１の面904とは異なる面と、その２つの面の間の部分を有する。第１の部分はこの第１の段差部のうちの例えば、第１の面904の少なくとも一部をいう。図８の第１の電気回路基板902の表面部分に設けた段差部を第１の段差部という。第２の段差部は、図８に示すような第２の面906と、第１の面906とは異なる面と、その２つの面の間の部分を有する。第２の部分はこの第２の段差部のうちの例えば、第２の面906の少なくとも一部をいう。

図９Ａは、実施例１に係る電気回路基板の接続構造の具体的構成例を示す図である。第１の電気回路基板902上にはLSI 101が設けられる。第１の電気回路基板902内部には第１の差動ペア信号配線907が設けられている。

第１の差動ペア信号配線907の一端は第１の電気回路基板902に設けられた貫通ビアおよび配線層1001を介して、LSI 101の電気端子に接続される。第１の差動ペア信号配線907の他端側の一部は第１の電気回路基板902の第１の表面904上に露出する。

第２の差動配線用電極パッド1004が第２の電気回路基板903の面1020上に設けられる。第２の差動配線用電極パッド1004に対し、メタルケーブル104の差動ペア信号線303端部を半田付けする。図３に示したメタルケーブルであって、メタルケーブル内部の誘電体絶縁部材の比誘電率値が2.2〜2.4であるメタルケーブルを用いることが好適である。

誘電体絶縁部材302の比誘電率値は、上述のPCBの比誘電率値よりも小さい方が好ましい。PCBの比誘電率値は、例えば、4.7〜5.0である。
差動ペア信号線303を有するメタルケーブルを各LSI 101間の電気信号伝送線路の一部に用いることにより、高周波電気信号の伝送損失の低減が可能である。

第２の差動ペア信号配線908は、第２の電気回路基板903に設けられた貫通ビアおよび内部配線を介して、第２の差動配線用電極パッド1004に接続される。第２の電気回路基板903の内層に第２の差動ペア信号配線908を設け、内層の一部を除去する。これにより、第２の差動ペア信号配線908の一端部は、第２の表面906上に露出する。

第１の表面904、第２の表面906はそれぞれ平面であることが望ましい。平滑であることが望ましい。第１の表面904と第２の表面906の両面間には、例えば、常時圧力を加えて固定することが望ましい。第１の表面904、第２の表面906は、例えば、曲面であってもよい。両者を組み合わせて電気的に接続できれば、どのような構成でもよい。

以下、第１の電気回路基板902と第２の電気回路基板903とを組み合わせた構造を、以下、電気回路基板の接続構造と称する。第１の差動ペア信号配線907と、第１のグランド配線1003と、第１の差動ペア信号配線907と第１のグランド配線1003と間に設けられた誘電体材料とでマイクロストリップ線路を構成することが可能である。

メタルケーブル104の他端側は、他の電気回路基板の接続構造の一部を構成する他の第２の電気回路基板上の第２の差動配線用電極パッド1004に接続される。高周波電気信号は、LSI 101からのメタルケーブル104を介して他のLSI 101へ至る。符号1006はグランド配線を指す。

図１０に、実施例１に係る電気回路基板の接続構造の電気信号伝送線路に50Gbit/s〜100 Gbit/s程度の速度の高周波電気信号を伝送する場合の電気信号伝送線路の特性インピーダンスのシミュレーション結果を示す。

第１の電気回路基板902から第２の電気回路基板903に至るまでの1102に示す区間の電気信号伝送線路部分の解析結果を示している。また、第１の差動ペア信号配線907および第２の差動ペア信号配線908は、それぞれの特性インピーダンス値が１００Ωになるように、各配線の線路幅と線路間隔を調整している。

第１の差動ペア信号配線907と第２の差動ペア信号配線908との接続部分では、図１０に符号1101として図示するように、特性インピーダンス低下を抑制できることがわかる。この接続部分での接続が滑らかであることが好ましい。接続部の不連続による伝送信号の反射の低減が可能である。

第１の差動ペア信号配線907の断面構造と、第２の差動ペア信号配線908の断面構造とは同一構造であることが好ましい。反射低減のためには、電気伝送線路の構造上の不連続性の低減が期待できるからである。またこれらの配線は同じ材料により構成されることが好ましい。

実施例１によれば、第１の電気回路基板内に設けられた差動ペア信号配線と、第２の電気回路基板内に設けられた差動ペア信号配線との接続部分の構造に起因するインピーダンス不整合の低減が可能である。

なお、第１の電気回路基板内の差動ペア信号配線と、第２の電気回路基板内の差動ペア信号配線は、多層配線基板の公知の製法による製造が可能である。

電気回路基板の製造工程のうちの基板の内層製造工程において、内層に差動ペア信号配線を設ける。その後、差動ペア信号配線に一部が露出するように、電気回路基板の一部を除去する。第１および第２の電気回路基板のそれぞれの一端部近傍の断面を階段形状に加工し、それぞれの内層配線である差動ペア信号配線の一部を露出させる。

実施例２は、図９Ｂに示すように、差動ペア信号配線を露出させる面の部位が実施例１とは異なる点に特徴がある。第１の差動ペア信号配線907の一部が第１の電気回路基板902の表面（図９Ｂの下向きの面）である第１の面909上に露出する。第１の差動ペア信号配線908の一部が第２の電気回路基板903の表面（図９Ｂの上向きの面）である第２の面910上に露出する。

第１の面909は一つのプリント配線基板901の一の表面と対向する向きに設けられ、第２の面910はプリント配線基板901の一の表面と同じ向きに設けられる。第１の面、第２の面909, 910を対向させ、最終的には両面が接するように配置する。

これ以外にも、種々の構成を採ることが可能である。電気的に接続する２つの面を対向するように重ね合わせることが可能であり、かつ、両者間を電気的に接続できれば、どのような構成でもよい。

実施例３は、図１１に示すように、二つの基板の凹部と凸部とを係合することにより電気回路基板の接続構造とする点に特徴がある。図１１の第１の電気回路基板1601の一端部に凹部1603が設けられ、第２の電気回路基板1602の一端部に凸部1606が設けられている点が図９Ａの構成と異なる。

凸部1606と凹部1603を例えば係合させることにより、第１の電気回路基板1601上の第１の差動ペア信号配線1605と、第２の電気回路基板1602上の第２の差動ペア信号配線1604とを電気的に接続し、電気回路基板の接続構造とすることが可能である。

なお、第１の電気回路基板1601の一端部に凸部を設け、第２の電気回路基板1602の一端部に凹部を設けるようにしてもよい。

実施例４は、他の電気回路基板の接続構造に関する。図１２−図１３に示すように、実施例４では位置合わせ用治具1201を準備する。治具1201は、断面の外周形状が四角形で、断面内部が空となっている樹脂製の枠体構造である。
治具1201の内周面の一部にメタルプレート1202を設ける。２枚のメタルプレート1202の間に形成される空間に第１の電気回路基板902と、第２の電気回路基板903とを挿入する。

第１の電気回路基板902の第１の表面1301と第２の電気回路基板903の第２の表面1302とが対向するような向きに挿入する。
二つの面が接した状態でネジを締める。例えば、棒状部材1203に雄ネジが設けられ、メタルプレート1202に雌ネジが設けられている。第１の電気回路基板902と第２の電気回路基板903との間に圧力が加わり、両者がより強固に固定される。

実施例５は、他の電気回路基板の接続構造に関する。図１４に示すように、第１の電気回路基板902の一端部には一対の凸型のガイドピン1401を設け、第２の電気回路基板903の一端部には一対のガイド凹部1402を設ける点に特徴がある。これらのガイドは、例えば電気回路基板の製造工程で設ける。

位置合わせ用治具1201を構成する樹脂材料では製造精度が相対的に低いことがある。その場合、位置合わせ精度が低くなる。より精度の高いガイドとして、ガイドピン1401、ガイド凹部1402を設け、例えば、両者を係合させる。これにより、電気回路基板間の位置決め精度の向上が可能である。図１５の構成では、第１の電気回路基板902の一端部には一対のガイド凹部1501が設けられ、第２の電気回路基板903の一端部には一対のガイド部材1502が設けられている。他の構成は図１４と同じである。

104 メタルケーブル
901 プリント配線基板
902 第１の電気回路基板
903 第２の電気回路基板
907 第１の差動ペア信号配線
908 第２の差動ペア信号配線
1003 第１のグランド配線
1201 位置合わせ用樹脂製治具
1202 メタルプレート
1203 棒状部材
1401 一対の凸型のガイドピン
1402 一対のガイド凹部
1501 ガイド凹部
1502 ガイド部材

Claims

第１の配線が露出した第１の部分を有する第１の電気回路基板と、第２の配線が露出した第２の部分を有する第２の電気回路基板との接続構造であって、前記第１の部分と前記第２の部分とが対面して接触し、前記第１の配線と前記第２の配線とが電気的に接続されることを特徴とする電気回路基板の接続構造。
前記第１の部分は前記第１の電気回路基板の一部の面を有し、前記第２の部分は前記第２の電気回路基板の一部の面を有することを特徴とする請求項１記載の電気回路基板の接続構造。
前記第１の電気回路基板は第１の段差部を有し、
前記第２の電気回路基板は第２の段差部を有し、
前記第１の部分が前記第１の段差部の一部であり、
前記第２の部分が前記第２の段差部の一部であることを特徴とする請求項１記載の電気回路基板の接続構造。
前記第１の部分は凸部を有し、前記第２の部分は凹部を有し、前記凸部と前記凹部とが係合して接続されることを特徴とする請求項１記載の電気回路基板の接続構造。
前記第２の電気回路基板は、メタルケーブルの端子を有することを特徴とする請求項１記載の電気回路基板の接続構造。
前記メタルケーブル内部の誘電体絶縁部材の比誘電率値が2.2〜2.4であることを特徴とする請求項５記載の電気回路基板の接続構造。
前記第１の電気回路基板は、半導体集積回路装置が搭載可能なLSIの電気端子を有することを特徴とする請求項１記載の電気回路基板の接続構造。
前記第１の配線は第１の差動ペア信号配線であり、
前記第１の差動ペア信号配線と、前記第１の電気回路基板に設けられた第１のグランド配線と、前記第１の差動ペア信号配線と前記第１のグランド配線と間に設けられた誘電体材料とでマイクロストリップ線路を構成することを特徴とする請求項１記載の電気回路基板の接続構造。
請求項１記載の前記第１の電気回路基板および前記第２の電気回路基板を有する電気回路基板モジュール。
請求項１記載の前記第１の配線と前記第２の配線とが対面して接触させ、ガイドピンにて前記第１の電気回路基板と前記第２電気回路基板との位置決めをすることを特徴とする電気回路基板の接続構造。
請求項１記載の前記第１の配線と前記第２の配線とが対面して接触し、前記第１の電気回路基板および前記第２の電気回路基板を固定するために、前記第１の電気回路基板に凹部が設けられ、前記第２の電気回路基板に凸部が設けられ、前記凹部と前記凸部とを係合させ、前記第１の第１の電気回路基板と前記第２電気回路基板との位置決めをすることを特徴とする電気回路基板の接続構造。