JP5034285B2 - 多層配線基板及び特性インピーダンスの測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、多層配線基板及び特性インピーダンスの測定方法に関し、更に詳しくは、ＴＤＲ（Time domain Reflectometry）法を用い多層配線基板の信号配線の特性インピーダンスを測定する技術に関する。

近年、プリント基板（多層配線基板）に搭載される回路の動作速度がますます高速になってきている。高速作動の回路にあっては、インピーダンス不整合による反射波は、回路に不具合を発生させる原因となることがある。このため、プリント基板上の信号配線層の特性インピーダンスや、回路素子のひとつであるパターンインピーダンスを、それぞれ一定範囲に納めることが求められている。このため、従来から、プリント基板上に、インピーダンス測定専用のテストクーポンを設けて、製造ばらつきに起因するインピーダンスのばらつきをチェックしている。

従来は、プリント基板上の信号配線の特性インピーダンスや、パターンインピーダンスのインピーダンス値を保証するために、図５に示すような測定用テストクーポンをプリント配線基板上の空き領域に設置し、或いは、専用のテストクーポン基板を作成している。特に最近では、信号種類ごとに様々なインピーダンス値が存在しており、このため、テストクーポンは、一般に各配線層毎に対応して形成され、且つ、測定に際して必要な長さの直線部分を含むように形成される。しかし、図５に示すようなテストクーポンを形成すると、テストクーポンの専有面積が大きく、テストクーポンに必要な領域が配線基板上に確保できない状況が往々に発生している。

特許文献１は、図６に示すように、プリント配線基板６０の４隅にＬ字状のテストクーポン６１を配置する旨を記載している。同文献に記載の技術では、この４隅に設けたＬ字状のテストクーポン６１の基板端面に現れるテストパターンの断面寸法を測定することにより、容易にテストクーポンの特性インピーダンスが計算できるとしている。
特開平８−４６３０６号公報

上記特許文献１に記載の技術では、プリント配線基板の４隅にＬ字状のテストクーポンを形成したことにより、テストクーポンに必要な面積を縮小している。しかし、この技術では、テストクーポンに形成された配線の断面形状を測定することにより、プリント基板上の信号配線の特性インピーダンスを計算する構成を採用しているので、正確な特性インピーダンスの測定は困難である。特性インピーダンスを電気的に且つ正確に測定するためには、図５に示す形状のテストクーポンが必要なため、テストクーポンによる専有面積が増大する。

また、図５に示す従来のテストクーポンによる特性インピーダンスの測定に際しては、各信号配線層の特性インピーダンスを、それぞれＴＤＲ法で個別に測定する必要があり、測定に長時間を要する。このため、効率的な測定が可能な特性インピーダンスの測定方法が望まれていた。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、テストクーポンの形成に必要な面積を縮小し、且つ、正確で効率的な特性インピーダンスの測定が可能な特性インピーダンスの測定方法、並びに、そのようなテストクーポンを形成した多層配線基板を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る多層配線基板は、複数の信号配線層及び少なくとも１層のグランド層を有する多層配線基板において、各信号配線層に形成したインピーダンス測定用のテストクーポンと、前記各信号配線層のテストクーポンを直列に接続するスルーホールと、前記直列に接続されたテストクーポンの一端に接続された測定用パッド、及び、前記グランド層に接続された測定用パッドとを備え、前記テストクーポンは、相互に平行に延びる複数の直線部と該複数の直線部を相互につなぐ折り返し部とから構成され、前記折り返し部は、複数の折れ曲がり部から構成され、該折れ曲がり部の曲がり角度が４５°以下である、ことを特徴とする。

また、本発明の第２の態様に係る多層基板は、信号配線層にテストクーポンを形成した多層配線基板において、
前記テストクーポンが、相互に平行に延びる複数の直線部と該複数の直線部を相互につなぐ折り返し部とから構成され、前記折り返し部は複数の折れ曲がり部から構成され、該折れ曲がり部の曲がり角度が４５°以下である、ことを特徴とする。

また、本発明の特性インピーダンスの測定方法は、複数の信号配線層及び少なくとも１層のグランド層を有する多層配線基板の前記信号配線層の特性インピーダンスを測定する方法において、各信号配線層に相互に平行に延びる複数の直線部と該複数の直線部を相互につなぐ折り返し部とから構成され、前記折り返し部を、複数の折れ曲がり部から構成し、各折れ曲がり部の曲がり角度を４５°以下としたインピーダンス測定用のテストクーポンを形成し、前記各信号配線層のテストクーポンを直列に接続し、該直列に接続されたテストクーポンの一端に接続された測定用パッドと、前記グランド層に接続された測定用パッドとの間にステップパルスを印加し、前記直列に接続されたテストクーポンからの反射波の電圧を測定する、ことを特徴とする。

本発明の第１の態様に係る多層配線基板及び本発明の特性インピーダンスの測定方法によると、各信号配線層の特性インピーダンスを測定するためのテストクーポンを、スルーホールを介して直列に接続することにより、ステップパルスを各テストクーポンに一度に印加できるので、効率的な特性インピーダンスの測定が可能になる。

また、本発明の第２の態様に係る多層配線基板によると、テストクーポンを、平行に延びる複数の直線部とこれら直線部をつなぐ折り返し部とで構成したことにより、狭い専有面積でもテストクーポンが形成できるので、テストクーポンの専有面積の縮小が可能な多層配線基板が得られる。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るプリント配線基板上に形成されるテストクーポンを示している。なお、図１では、プリント配線基板１０の各信号配線層に形成されるテストクーポンをそれぞれ平面図で示している。

プリント配線基板１０に形成されるテストクーポンの全体は、各信号配線層内に形成される個別のテストクーポン（パターン配線部）１１と、各パターン配線部１１と上層又は下層のパターン配線部１１とを接続するスルーホール１５とから構成される。各信号配線層のパターン配線部１１は、スルーホール１５との接続部から延び、幅が０．０８ｍｍ〜０．３ｍｍで、長さが約５０ｍｍの６本の直線部１２と、この６本の直線部を折り返して１つなぎに接続する折り返し部１３とから成る。つまり、各信号配線層のテストクーポンの全長はほぼ３００ｍｍである。隣接する２つの直線部１２の間隔は、それらの中心間距離で１．２７ｍｍである。このような中心間距離を確保することにより、線間ストロークの影響が実質的に無視できる。

第１層（Ｓ１）のパターン配線部１１の一端は、プローブピンによって測定が行われる最上層の測定用パッド１４にスルーホールを介して接続されている。第１層の信号配線層のパターン配線部１１の他端は、第２層（Ｓ２）の信号配線層のパターン配線部１１の一端にスルーホール１５を介して接続される。第２層から第６層までの各信号配線層（Ｓ２〜Ｓ６）のパターン配線部１１は、順次に直列に接続されており、第６層の信号配線層のパターン配線部１１の末端は開放されて、開放端１７を構成している。隣接する２つの信号配線層の間に挟まれる各グランド層は、全てのグランド層がスルーホール１８によって共通に、且つ、測定用パッド１６に接続されている。

第１層の信号配線層のパターン配線部１１の一端、つまり、全体のテストクーポンの一端を構成する測定用パッド（プローブパッド）１４、及び、グランド層に接続される測定用パッド１６は、それぞれ最上層で並んで露出しており、ＴＤＲ法による測定に際して、プローブピンによって、各層のテストクーポンのインピーダンスが、従って、例えば各信号配線層の特性インピーダンスが測定可能である。

図２（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、各信号配線層のパターン配線部１１の折り返し部１３を構成するコーナー部２０、及び、測定用パッド１４、１６の各構造を示している。コーナー部２０は、折れ曲がり部２１のそれぞれで４５°以下の折れ曲がり角度を有する。この例では、各直線部のそれぞれで、コーナーから長さ０．３１７５ｍｍ離れた位置で、角度４５°の折れ曲がり部となるように形成してある。従って、折れ曲がり部２１は各コーナー部で４個が配置される。２つの折れ曲がり部２１で挟まれた部分の斜辺２２の長さは約０．４４９ｍｍである。

２つの測定用パッド１４、１６は、相互に並んで配置されており、各測定パッド１４、１６は、０．９５２４ｍｍ×２．５４ｍｍの長方形状を有する。２つの測定用パッド相互間の離隔距離は、パターン配線部１１の直線部１２の中心間距離である１．２７ｍｍと同じである。

図３は、図５に示した従来のテストクーポンを用い、ＴＤＲ法で測定した際にサンプリングオシロで得られた測定結果を示す。このオシロスコープは、５０Ωの内部抵抗を有し、測定には１ボルトのステップパルスが使用された。グラフは横軸に時間を、縦軸に電圧をプロットしてある。ＴＤＲ測定法では、ステッピングパルスを測定器から出力し、パターン配線部５１の一端に印加し、他端から戻る反射波を観測して、そこからインピーダンスを算出する。

従来のテストクーポンでは、各パターン配線部５１にそれぞれ１ボルトのステッピングパルスを印加し、その反射波の電圧を測定する。図３において、最初に観測される反射波の波形３０は、同軸ケーブルによる反射波であり、次の反射波３１がテストクーポンからの反射波である。インピーダンスの算出式は、
Ｚ_０＝５０×電圧／（１−電圧） （１）
で表される。この（１）式に基づいて、パターン配線部の反射時間領域の電圧値から、各パターン配線部５１のインピーダンスが算出できる。

図４は、上記実施形態に係るテストクーポンを用い、同様なＴＤＲ法で反射波を測定した際に、サンプリングオシロの画面で得られた波形である。この測定では、全てのパターン配線部１１からの反射波の電圧を、１回のステッピングパルスの印加で測定する。ステッピングパルス印加後に観測される最初の反射波４０は、測定プローブに接続された同軸ケーブルからの反射波である。次の反射波４１は、第１信号配線層のパターン配線部１１からの反射波である。その後に、逐次第２信号配線層から第６信号配線層までの各パターン配線部１１からの反射波４２〜４６が観測される。

各信号配線層のパターン配線部１１からの伝播遅延時間は、理論計算により事前に算出できるので、各パターン配線部１１からの反射波がそれと認識できる。このため、従来のテストクーポンとは異なり、複数層のパターン配線部１１からの反射波の電圧が１回のステッピングパルスの印加で測定できる。これら認識された反射波の電圧値を測定し、（１）式を用いて特性インピーダンスを算出する。

上記のように、各信号配線層のパターン配線部１１をジグザグ配線として構成したので、テストクーポンの専有面積の縮小が可能となる。特に、配線パターンのコーナー部に、４５°以下の曲がり角度の折れ曲がり部を形成したことにより、特性インピーダンスの測定に際して、コーナー部における意図しない信号反射の発生が防止できる。このため、正確なインピーダンス測定が可能になる。また、配線同士の相互作用で測定結果に影響が出ないように、線間ギャップを１．２７ｍｍ以上としたことで、正確な測定結果が得られる。

更に、従来は、信号配線層のそれぞれを独立したパターン配線部として、それぞれに測定用のパッドを形成していたが、上記実施形態のテストクーポンは測定用パッドを共通とし、信号配線層ごとの配線をスルーホールでお互いに接続してある。これにより、専有面積の縮小と、効率的なインピーダンス測定とが可能になる。

上記実施形態では、パターン配線部を複数の直線部とこれら直線部を相互に接続する折り返し部とで構成する例を挙げたが、本発明の第１の態様に係る多層配線基板では、パターン面積の縮小が可能であれば、この例には限定されない。また、上記実施形態では、複数のパターン配線部をスルーホールで接続する例を示したが、本発明の第２の態様に係る多層配線基板では、この例には限定されない。

以上、本発明をその好適な実施態様に基づいて説明したが、本発明の多層配線基板及び特性インピーダンスの測定方法は、上記実施態様の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施態様の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

本発明の一実施形態に係る多層配線基板におけるテストクーポンの各配線層毎のパターンを示す平面図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、図１に示したテストクーポンのコーナー部及び測定用パッドの詳細を示す平面図。 従来のパターン配線部におけるＴＤＲ法によるオシロスコープの観測波形。 本実施形態のパターン配線部におけるＴＤＲ法によるオシロスコープの観測波形。 従来のテストクーポンを示す平面図。 公報に記載された従来のテストクーポンの斜視図。

符号の説明

１０：多層配線基板（プリント配線基板）
１１：パターン配線部（テストクーポン）
１２：直線部
１３：折り返し部
１４：測定用パッド（テストクーポン用）
１５：スルーホール
１６：測定用パッド（グランド用）
１７：開放端
１８：スルーホール
２０：コーナー部
２１：折れ曲がり部
２２：斜辺

Claims (5)

1. 複数の信号配線層及び少なくとも１層のグランド層を有する多層配線基板において、
   各信号配線層に形成したインピーダンス測定用のテストクーポンと、
   前記各信号配線層のテストクーポンを直列に接続するスルーホールと、
   前記直列に接続されたテストクーポンの一端に接続された測定用パッド、及び、前記グランド層に接続された測定用パッドとを備え、
   前記テストクーポンは、相互に平行に延びる複数の直線部と該複数の直線部を相互につなぐ折り返し部とから構成され、
   前記折り返し部は、複数の折れ曲がり部から構成され、該折れ曲がり部の曲がり角度が４５°以下である、
   ことを特徴とする多層配線基板。
2. 前記各信号配線層に形成したテストクーポンを、多層配線基板の積層方向に実質的に重なり合うように配置した、
   ことを特徴とする請求項１に記載の多層配線基板。
3. 信号配線層にテストクーポンを形成した多層配線基板において、
   前記テストクーポンが、相互に平行に延びる複数の直線部と該複数の直線部を相互につなぐ折り返し部とから構成され、
   前記折り返し部は複数の折れ曲がり部から構成され、該折れ曲がり部の曲がり角度が４５°以下である、
   ことを特徴とする多層配線基板。
4. 複数の信号配線層及び少なくとも１層のグランド層を有する多層配線基板の前記信号配線層の特性インピーダンスを測定する方法において、
   各信号配線層に相互に平行に延びる複数の直線部と該複数の直線部を相互につなぐ折り返し部とから構成され、前記折り返し部を、複数の折れ曲がり部から構成し、各折れ曲がり部の曲がり角度を４５°以下としたインピーダンス測定用のテストクーポンを形成し、
   前記各信号配線層のテストクーポンを直列に接続し、該直列に接続されたテストクーポンの一端に接続された測定用パッドと、前記グランド層に接続された測定用パッドとの間にステップパルスを印加し、
   前記直列に接続された各テストクーポンからの反射波の電圧を測定する、
   ことを特徴とする特性インピーダンスの測定方法。
5. 前記各信号配線層に形成したテストクーポンを、多層配線基板の積層方向に実質的に重なり合うように配置する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の特性インピーダンスの測定方法。

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