JP5168361B2 - 多層基板 - Google Patents

Description

本発明は、基板に設けられた垂直導体の間のクロストークが低減された、多層プリント配線基板等の多層基板に関する。

高速かつ高密度のデータ伝送チャンネルは、現代の、そして、次世代のスーパーコンピュータ及びネットワークシステムの要求である。このようなチャンネルのための電気的配線技術を実装するためには、インピーダンス整合の問題、クロストーク効果、望まれない共振等の数々の困難を克服することが必要になる。

異なる導電層に設けられたプレーナ型の伝送線路を接続する垂直配線は、高速システムの電気的配線を設けるための低コストの方策である多層基板技術を開発するために重要な要素である。したがって、クロストークの要求を同時に満たすような、垂直配線におけるインピーダンス制御の向上と密度の増加は、システムにおいて高速性を一層に促進する過程における複雑な問題である。

インピーダンス整合が向上され、垂直配線の間のクロストーク効果が低減された高密度垂直配線を提供する多層基板を提供するニーズが存在する。

特開２００３−３１９４５号公報は、開口部に複数のビアが設けられた多層配線基板を開示している。しかしながら、このようなビアの構造では、大きなクロストーク効果が起こり得る。

特開平０６−８５０９９号公報は、ビア構造が導電体層の接地ストリップに接続された接地ビアによって遮蔽される事を開示している。しかしながら、高密度構成においては、ビア作成工程の寸法公差のためにこのような遮蔽構造を信号ビアの間に採用することができない。また、現実の多層基板は、例えばアナログ及びデジタルの接地プレーン及び電源プレーンのような異なる平板型の導体層をいくつか有している。これらの層では、電位差により、ストリップを接地ビアに接続することができない。

特開２００５−２７７０２８号公報は、信号ビア構造の間のクロストークを低減するために接地ストリップが使用されることを開示している。しかし、この場合も、かかる方策を高密度構成において使用することは困難である。

特開２００３−３１９４５号公報 特開平０６−８５０９９号公報 特開２００５−２７７０２８号公報

本発明の目的は、インピーダンス整合が向上され、垂直配線の間のクロストーク効果が低減された高密度垂直配線を提供する多層基板を提供することにある。

本発明の一の観点では、多層基板が、複数の導電体プレーンが設けられた導電体プレーン領域と、該空き領域から該複数の導電体プレーンが排除されるように導電体プレーンに隣接して設けられた離隔領域とを備えている。複数の信号ビアが、それらが該導電体プレーンから絶縁されるように離隔領域を通過して設けられている。導電性ポストが、該導電体プレーンの一つに接続され、且つ、該離隔領域に設けられた信号ビアのうちの２つの間に設けられている。

図１Ａは、本発明の一実施形態における多層基板の上面図である。 図１Ｂは、図１Ａに図示された多層基板の、１Ｂ−１Ｂ断面における構造を示す垂直断面図である。 図１Ｃは、図１Ａに図示された多層基板の、１Ｃ−１Ｃ断面における構造を示す垂直断面図である。 図１Ｄは、図１Ａに図示された多層基板の構造を示す垂直断面図である。 図２Ａは、円形の離隔領域を有する、１４導電体層の多層基板の上面図である。 図２Ｂは、図２Ａに図示された多層基板の、２Ｂ−２Ｂ断面における構造を示す垂直断面図である。 図２Ｃは、正方形の離隔領域を有する、１４導電体層の多層基板の上面図である。 図２Ｄは、図２Ｃに図示された多層基板の、２Ｄ−２Ｄ断面における構造を示す垂直断面図である。 図２Ｅは、最適化された矩形の離隔領域を有する、１４導電体層の多層基板の上面図である。 図２Ｆは、図２Ｅに図示された多層基板の、２Ｆ断面における構造を示す垂直断面図である。 図３Ａは、本発明の他の実施形態の多層基板の上面図である。 図３Ｂは、図３Ａに図示された多層基板の、３Ｂ−３Ｂ断面における構造を示す垂直断面図である。 図３Ｃは、図３Ａに図示された多層基板の、３Ｃ−３Ｃ断面における構造を示す垂直断面図である。 図４Ａは、本発明の更に他の実施形態の多層基板の上面図である。 図４Ｂは、図４Ａに図示された多層基板の、４Ｂ−４Ｂ断面における構造を示す垂直断面図である。 図４Ｃは、図４Ａに図示された多層基板の、４Ｃ−４Ｃ断面における構造を示す垂直断面図である。 図５Ａは、本発明の更に他の実施形態の多層基板の上面図である。 図５Ｂは、図５Ａに図示された多層基板の５Ｂ−５Ｂ断面における構造を示す垂直断面図である。 図６は、（図５Ａ−５Ｂに示された構造について）離隔領域寸法によって最適化する前後の時間領域における特性インピーダンスを示すグラフである。 図７は、（図５Ａ−５Ｂに示された構造について）クロストークに対する導電性ポストの作用を示すグラフである。 図８は、導電性ポストが有る多層基板と無い多層基板における、１０ＧＨｚにおける電界分布を示している。

以下では、数種類の多層基板が、該多層基板に形成された高速連結構造の全体におけるカップリングを低減して最終的にはクロストーク効果を低減するために、導電性ポストが信号ビアの間で使用されるビア構造を備えている。

一実施形態では、図１Ａ乃至図１Ｄに図示されているように、多層基板１１０が複数の符号１Ｌ１乃至１Ｌ１４で示された複数の導電体層を備えている。導電体層１Ｌ１乃至１Ｌ１４には、絶縁体１０９で絶縁された導電体プレーンが設けられている。これらの導電体プレーンは、接地プレーン１０６と電源プレーン１０７と信号層１０８とを含んでいる。

多層基板１１０は、導電体プレーン領域と隔離領域とで構成されている。導電体プレーンは、導電体プレーン領域内にのみ設けられている。即ち、導電体プレーンは、隔離領域１０４から排除されている。図１Ａ乃至図１Ｄでは、隔離領域は、符号１０４で示されている。

信号ビア１０１および１０２は、多層基板１１０の隔離領域１０４を通過して設けられている。隔離領域１０４は、信号ビア１０１及び１０２を導電体プレーンから絶縁する。

隔離領域１０４の寸法は、図１Ｄに図示されているように、信号ビアと導電体プレーンの容量結合Ｃｖによってビア構造の特性インピーダンスを制御するための有効なツールである。

本実施形態では、信号ビア１０１及び１０２の間のクロストークを低減するために導電性ポスト１０５が用いられている。本実施形態では、導電性ポスト１０５は、導電層１Ｌ１、１Ｌ２、１Ｌ４、１Ｌ５、１Ｌ６、１Ｌ９、１Ｌ１３及び１Ｌ１４の導電体プレーンに接続されている。導電性ポスト１０５は、信号ビア１０１及び１０２の間の領域に向けて導電体プレーンから延伸するように設けられている。

導電性ポスト１０５の効果と隔離領域１０４の最適寸法を決定する方法を説明するために、下記の手順が用いられてもよい。まず第１に、一般的に使用される円形のものと比較すると、隔離領域１０４の平面形状は矩形であることが好ましい。なぜなら、矩形の隔離領域１０４は、ビア構造の寸法をより小型化させるからである。これは、以下に与えられる説明から辿ることができる。

図２Ａ及び２Ｂにおいては、円形の隔離領域２０４と共に２つの信号ビア２０１及び２０２を備えたビア構造が図示されている。隔離領域２０４の直径はｄ_ｃｉｒである。図２Ａ及び２Ｂにおいては、信号ビア２０１、２０２と隔離領域２０４が、円形の導電性の外側境界と共に、同軸の伝送線路を構成している。

図２Ｃ及び２Ｄにおいては、正方形の隔離領域２０４と共に２つの信号ビア２０１及び２０２を備えた、他のビア構造が提示されている。図２Ｃ及び２Ｄにおける信号ビア２０１、２０２及び隔離領域２０４は、矩形の導電性の外境界と共に同軸の伝送線路を構成している。

円形の同軸伝送線路の外直径ｄ_ｃｉｒと正方形の同軸伝送線路の辺ｄ_ｓｑとが下記の等式を満たすとき、円形の同軸伝送線路と正方形の同軸伝送線路は同一の特性インピーダンスの大きさを持つことは良く知られている。
ｄ_ｃｉｒ ＝ １．０７８７ ｄ_ｓｑ． （１）
ここで、円形の同軸伝送線路と正方形の同軸伝送線路の他のパラメータ、例えば、信号ビアの寸法及び多層基板２１０を満たす誘電材料２０９の組成パラメータ（比誘電率ε及び比透磁率μ）が同じである場合に、式（１）が成立することに留意されたい。

式（１）から導きだされるように、正方形の隔離領域を持ったビア構造の横寸法は、同一の特性インピーダンスを提供する円形の隔離領域を持ったビア構造よりも小さくなる。

高密度ビア構造において正方形の隔離領域を採用すると、図２Ｅ及び図２Ｆに図示されているような長方形の隔離領域の構造となる。この、２つの信号ビア２０１、２０２を持つビア構造は、矩形の隔離領域２０４によって多層基板の導電層から絶縁されている。この隔離領域２０４の最適な寸法は、例えば、図２Ｅにおいてａ及びｂとして示された隔離領域２０４の辺を逐次に変更するシミュレーションによって決定可能である。

しかしながら、図２Ｅ及び２Ｆに図示されたビア構造では、クロストーク（カップリング効果）が顕著に増加する可能性があり、結果として、多層基板に基づく配線の電気的特性が劣化する可能性がある。

このような問題を軽減する一つの手法は、信号ビア構造の間に、異なる導電体層に設けられた導電性ストリップを設けることかもしれない。しかしながら、高密度ビア構成においては、ビア作製工程の寸法公差により、そのようなストリップを適用することは困難である。図２Ｅでは、直径ｄ_ｔが作製工程の公差を決めている。この図から理解されるように、信号ビアの間にストリップを設けることは不可能である。なぜなら、この場合には信号ビアとストリップの絶縁を確保することができないからである。

本実施形態では、解決手法として、図１Ａ乃至１Ｄに図示されているように導電性ポスト１０５が設けられている。そのようなポストの使用は、信号ビアと導電性ポストの間の領域に電磁界を集中させ、信号ビアの間のカップリングを低減する。

図３Ａ乃至３Ｃには、多層基板の他の実施形態が図示されている。多層基板３１０は、符号３Ｌ１乃至３Ｌ１４によって示された１４の導電層と２つの信号ビア３０１及び３０２を備えている。隔離領域３０４は、信号ビア３０１及び３０２を導電層３Ｌ１乃至３Ｌ１４の導電体プレーンから絶縁する。導電性ポスト３０５は、導電層３Ｌ１、３Ｌ２、３Ｌ４、３Ｌ５、３Ｌ６、３Ｌ９、３Ｌ１３及び３Ｌ１４において信号ビア３０１及び３０２の間に対称的に形成されており、信号ビア３０１及び３０２の間のクロストーク効果を低減している。各導電体層の導電体プレーンは、接地プレーン３０６と電源プレーン３０７と信号層３０８とを含んでいる。

導電性ポスト３０５は、導電層３Ｌ１、３Ｌ２、３Ｌ４、３Ｌ５、３Ｌ６、３Ｌ９、３Ｌ１３及び３Ｌ１４に設けられていることに留意されたい。ビア構造における特性インピーダンスの制御は、導電性ポスト３０５の長さｌ、幅ｗを調節することによって達成してもよい。ビア作製構成の寸法公差は、導電性ポストの長さと幅を決めるアプローチとして採用してもよい。このアプローチでは、導電性ポスト３０５の寸法は、ビア作製工程の公差を決める仮想的な直径ｄ_ｔの円に交わらないように決定される。図１乃至３では、多層基板は、シングルエンドのビア構造を備えている。

また、差動シグナリングは、例えば高速データ伝送チャンネルに適用される重要な技術である。図４Ａ及び４Ｂにおいては、差動回路のための多層基板が図示されている。多層基板４１０は、信号ビア４０１及び４０１Ａで第１の対が構成され、信号ビア４０２及び４０２Ａで第２の対が構成され、信号ビア４０３及び４０３Ａで第３の対が構成された差動ビア対を備えている。信号ビア４０１〜４０３及び４０１Ａ〜４０３Ａは、接地プレーン４０６、電源プレーン４０７、及び信号層４０８から差動ビア対を絶縁する隔離領域４０４を通過して設けられている。隔離領域４０４の寸法は、広い周波数帯においてビア構造に対するインピーダンス整合を向上させるために使用してもよい。例えば、隔離領域の辺の長さａを、特性インピーダンスを制御するパラメータとして用いてもよい。ここでは、クロストーク効果を低減し、更に、追加の自由度として特性インピーダンスを制御するために、導電性ポスト４０５が適用される。導電性ポスト４０５の長さと幅は、ビア作製工程の寸法公差によって決めてもよい。

また、導電性ポスト４０５は、付近の信号ビアに同じカップリング効果を与えるために該信号ビアから等距離だけ離されていても良い。これは、差動ビア対におけるスキューを低減するために重要である。

図４Ａ〜４Ｃにおいては、差動対を構成するビアが垂直面Ａ−Ａ’に対して対称的に置かれている。

図５Ａ、５Ｂにおいては、差動ビア対を備える他の多層基板が提示される。この５導電層基板においては、差動ビア対を構成するビアの位置が、垂直平面Ａ−Ａ’に対して非対称的である。例えば、一の差動対が信号ビア５０１及び５０１Ａによって得られ、他のビア対が信号ビア５０２及び５０２Ａで構成されている。差動ビア対は、隔離領域５０４を通過して設けられている。隔離領域５０４は、差動ビア対を導電体層５Ｌ１〜５Ｌ４の導電体プレーンから絶縁する。長さｌ、幅ｗを有する導電性ポスト５０５が、差動ビア対の間のクロストーク効果を低減するために使用されている。

図５Ａ、５Ｂに提示されている５導電体層基板が、導電性ポストの効果と、そのようなポストを適用することによるクロストークの低減につながるメカニズムを示すために使用される。

シミュレーションにおいては、良く知られており、且つ、最も正確な数値解析方法の一つである時間領域差分法が使用された。図５Ａ、５Ｂに示されている基板の寸法は、次の通りである：ｄ_ｓ＝０．１ｍｍ、ｄ_ｐ＝０．１５ｍｍ、ｈ＝０．２ｍｍ、ｔ_ｃ＝０．０１２ｍｍ、ｄ_ｖ＝０．２５ｍｍ、ｄ_ｈ＝０．４ｍｍ。ＬＴＣＣ（低温同時焼成セラミック）基板が多層基板５１０として使用されている。誘電材料５０９は、比誘電率が７．１のＬＴＣＣ材料でできている。導電性ポストの寸法は、ｌ＝０．２３ｍｍ、ｗ＝０．０４ｍｍである。

最適化の手順を示すために、時間領域における特性インピーダンスが図６に提示されている。この図では、最適化の前ではａ＝０．８ｍｍであり、最適化の後ではａ＝１．０ｍｍである。これで理解できるように、漸次に離隔領域の寸法を変化させることにより、特性インピーダンスを相当に向上させることができる。

また、図７には、差動モードの近端カップリング係数が、Ｓ_３１パラメータの大きさにより提示されている。この図から理解されるように、隔離領域５０４において導電性ポスト５０５を使用することにより、特に高周波数においてクロストーク（近端カップリング係数）が有効に低減する。

図８には、クロストークの低減につながるメカニズムが、シミュレーションで得られた、多層基板５１０の断面に取られた１０ＧＨｚの電界のピークによって提示されている。これで理解できるように、導電性ポスト５０５を使用することにより、該導電性ポストと信号ビアの間の領域に電界を集中させると共に、クロストークが有効に低減される。

本発明が実施形態を参照しながら具体的に図示され記述されているが、本発明は、これらの実施形態に限定されない。特許請求の範囲に規定された本願発明の思想や技術的範囲から離れることなく、形態や詳細における様々な変更がなされ得ることは、当業者には理解されよう。

Claims (5)

1. 複数の導電体プレーンが設けられた導電体プレーン領域と、
   前記導電体プレーンが排除されるように、前記導電体プレーン領域に隣接して設けられた隔離領域と、
   前記複数の導電体プレーンから絶縁されるように、前記隔離領域を通過して設けられた複数の信号ビアと、
   前記複数の導電体プレーンの一に接続され、前記隔離領域の前記信号ビアの２つの間の領域に延伸するように設けられた導電性ポスト
   とを備える
   多層基板。
2. 請求項１に記載の多層基板であって、
   前記隔離領域の平面形状が矩形である
   多層基板。
3. 請求項１又は２に記載の多層基板であって、
   前記導電性ポストが、前記信号ビアの前記２つから等距離だけ離されている
   多層基板。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の多層基板であって、
   前記導電性ポストの長さは、前記信号ビアの前記２つと前記導電性ポストの間に接触通路を形成しないビア作製工程の寸法公差によって決定されている
   多層基板。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の多層基板であって、
   前記複数の信号ビアは、差動シグナリングに使用される差動ビア対を含んでいる
   多層基板。

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