JP2002016368A - 多層配線基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 不要輻射ノイズを効果的に抑制することが可
能な多層配線基板を提供する。 【解決手段】 回路動作が行われる信号線層と、信号線
層にグラウンド電位を与えるグラウンド層と、信号線層
に電源電位を与える電源層とが積層され、電源層に複数
の島状電源パターン１、２が設けられた多層配線基板で
あって、互いに隣接する島状電源パターンどうしの対向
部分の両端近傍において、互いに隣接する島状電源パタ
ーンどうしが容量性部材３によって接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多層配線基板にお
ける不要輻射ノイズの低減対策に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、パソコン等のデジタル機器では、
処理能力向上の観点からＣＰＵのクロック周波数の高速
化が進んでおり、不要輻射ノイズすなわちＥＭＩが問題
となってきている。

【０００３】デジタル機器において、システムのクロッ
ク信号やデータ信号の高調波成分が不要輻射ノイズや伝
導エミッションの直接的な要因となる。また、このよう
な信号に起因する高周波電流が、システム内の導線、プ
リント基板或いは筐体に流れ込んだ場合の非意図的なア
ンテナの放射特性も、不要輻射の要因となる。したがっ
て、これらを抑制することがＥＭＩ対策として重要であ
る。

【０００４】プリント基板内の高周波電流は、信号線と
グラウンドとの間で高周波信号が伝送することによるデ
ィファレンシャルモードと、クロック信号のオン／オフ
時に電源及びグラウンドに流れ込むスイッチング電流な
どによるコモンモードとに分解できる。ディファレンシ
ャルモード電流は、大きさが等しく方向が反対であり、
機能上必要な電流である。これに対して、コモンモード
電流は不要な電流であり、予測が困難でディファレンシ
ャルモード電流よりも小さい。ディファレンシャルモー
ド電流は、大きさが等しく方向が逆であるので、放射電
界も互いに打ち消し合う傾向にあるが、コモンモード電
流は、足し合わせによって放射電界が生成されるので、
一般にディファレンシャルモード電流よりも大きい放射
ノイズを引き起こす。したがって、コモンモードノイズ
を減らすことが、今後のＥＭＩ対策に望まれている。

【０００５】通常は、ＩＣの電源ピンやＩＣ周辺にデカ
ップリングコンデンサを配置し、電源ノイズをグラウン
ドに逃がすなどの工夫がはかられている。また、多層配
線基板内における電源層とグラウンド層を対向して配置
し、電源インピーダンスを減らすようにしている。しか
し、電源層に流れ込んだ高周波電流には、クロック周波
数の高調波まで含まれており、いったん電源層に流れ込
んだ高周波電流は、電源層とグラウンド層の金属パター
ンによって形成される部分で共振を引き起こし、放射ノ
イズが発生することが知られている。

【０００６】図１８は、特開平１１−２６１１８１号公
報に記載された技術を示したものである。多層プリント
回路基板において、上側の信号線層に、複数のビアホー
ルを介してそれぞれ電源層及びグラウンド層に接続され
た電源パターンとグラウンドパターンが設けてあり、電
源パターンとグラウンドパターンの間には、適当な間隔
でコンデンサ或いはコンデンサと抵抗の直列回路が挿入
されている。すなわち、電源パターンとグラウンドパタ
ーンをコンデンサで接続することにより、共振を低減す
るというものである。

【０００７】図１９は、特開平１１−３４０６２９号公
報に記載された技術を示したものである。グラウンド層
と電源層とで信号線層を挟むような構造のプリント配線
板において、電源層を複数の電源パターンに分割し、分
割した導電パターン間がインダクタンス素子で接続され
ている。これにより、信号線からの電磁界を低減して放
射ノイズを抑制するというものである。この場合、導電
パターン間をインダクタンス素子で接続することから、
直流及び低周波成分は通過させることができるが、高周
波成分は通過させることはできない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように、デジタル
機器の処理速度の高速化に伴って不要輻射ノイズが問題
となってきており、それに対する改善策も提案されてい
る。しかしながら、多層配線基板において電源層が複数
の島状電源パターンを有している場合、電源層とグラウ
ンド層に挟まれた部分において島状電源パターンの幅や
長さに依存した共振が起こり、幅や長さの短い島状電源
パターンでは容易にノイズが端部に到達し、周囲の導電
パターンや外部空間にノイズが伝達するという問題があ
り、このような問題に対しては的確な改善策が提案され
ていなかった。

【０００９】本発明は上記従来の課題に対してなされた
ものであり、電源層が複数の島状電源パターンを有して
いる場合に、不要輻射ノイズを効果的に抑制することが
可能な多層配線基板を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、回路動作が行
われる信号線層と、前記信号線層にグラウンド電位を与
えるグラウンド層と、前記信号線層に電源電位を与える
電源層とが積層され、前記電源層に複数の島状電源パタ
ーンが設けられた多層配線基板であって、互いに隣接す
る前記島状電源パターンどうしの対向部分の両端近傍に
おいて、該互いに隣接する島状電源パターンどうしが容
量性部材によって接続されていることを特徴とする。

【００１１】本発明のように容量性部材を設けない場合
には、共振時に島状電源パターンの端部において、高周
波電流が最小（電流の節）になると同時に電圧（電界）
が最大（電圧の腹）となり、端部から大きな放射ノイズ
が生じる。本発明のように隣接する島状電源パターンど
うしの対向部分の両端近傍に容量性部材を設けることに
より、容量性部材を介して隣接する島状電源パターン間
を高周波電流が容易に通過し、島状電源パターンの端部
での電界が小さくなる。また、容量性部材を介して島状
電源パターン間を高周波電流が拡散することから電流経
路が長くなり、導体損や誘電体損によって高周波ノイズ
を減衰させることができる。このような作用により、島
状電源パターンの端部における電界が大幅に弱められ、
不要輻射ノイズを大幅に低減することができる。

【００１２】また、前記対向部分の中央近傍においてさ
らに、互いに隣接する島状電源パターンどうしを容量性
部材によって接続することにより、高周波電流の腹に対
応した部分で島状電源パターン間を電流が効率的に通過
し、不要輻射ノイズをより低減させることが可能とな
る。

【００１３】また、前記対向部分の長さをＬとしたと
き、対向部分の両端から０．１Ｌ以内の位置において、
互いに隣接する島状電源パターンどうしが容量性部材に
よって接続されていることが好ましい。この場合には、
１０次共振までの高次共振に基づくノイズを効率的に低
減することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。

【００１５】図１は、本発明に係る多層配線基板の実施
形態の一例を示した図であり、図１（ａ）は多層配線基
板における電源層及び上層側の信号線層を示した上面透
視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ′に沿っ
た断面図である。

【００１６】図１に示した多層配線基板は、上層側から
下層側に向かって信号線層、電源層、グラウンド層、信
号線層が積層された４層構造となっている。

【００１７】電源層は、信号線層に所定の電源電位を与
えるための層であり、金属膜からなる複数の島状電源パ
ターン（島状導電パターン）が形成されている。各島状
電源パターンの電位は同一でもよいし異なっていてもよ
い。図面上では、面積の広い島状電源パターン１（Ｂ電
源パターン）と、面積の狭い二つの島状電源パターン２
（Ｃ電源パターン）が描かれている。Ｂ電源パターン１
とＣ電源パターン２とは、両者の対向部分の両端近傍に
おいて容量性部品（容量性部材）によって接続されてい
る。具体的には、容量性部品としてコンデンサ３を用
い、Ｂ電源パターン１とＣ電源パターン２とを、電極パ
ッド４及びスルーホール５を介してコンデンサ３によっ
て接続している。Ｂ電源パターン１とＣ電源パターン２
とが接続される位置は、両者の対向部分の長さをＬとし
たとき、対向部分の両端から０．１Ｌ以内であることが
好ましい。

【００１８】グラウンド層は、信号線層にグラウンド電
位を与えるための層であり、ほぼ全面に金属膜からなる
グラウンドパターン６が形成されている。信号線層は実
際の回路動作が行われる層であり、回路パターン１０等
が形成されている他、ＩＣや上述したコンデンサ３も搭
載されている。電源層、グラウンド層及び信号線層は、
ＦＲ４や紙フェノールなどの絶縁体層７によって絶縁さ
れている。

【００１９】以下、上述した構造によって放射磁界ノイ
ズが低減される理由について説明する。

【００２０】クロック信号のオン・オフ時に、ＩＣの電
源ピン及びグラウンドピンから電源層及びグラウンド層
に流れ込む高周波電源ノイズは、クロック周波数の高調
波を含んでいる。このような高調波成分が電源層に流れ
込むと、電源層とグラウンド層の金属パターンで挟まれ
た領域で共振が引き起こされ、放射磁界ノイズの原因と
なる。

【００２１】電源層及びグラウンド層において起こる最
も低周波の共振を１次共振と呼び、図２にその周波数で
の電圧の分布と電流の分布を示す。１次共振は、島状電
源パターンの長手方向における端部が電圧の腹、中央部
が電流の腹となる。電源パターンの両端で生じている電
界が放射磁界ノイズの原因となる。

【００２２】図３は、図１に示したような構造におい
て、コンデンサ３を設けていない場合の共振周波数にお
ける高周波電流が流れる主な方向を示したものである。
Ｂ電源パターン１とＣ電源パターン２とでは大きさが異
なるため、それぞれの共振周波数は異なる値をとり、異
なる放射磁界ノイズ特性を示す。

【００２３】図４は、図１に示したような構造におい
て、コンデンサ３を設けた場合の共振周波数における高
周波電流が流れる主な方向を示したものである。この場
合には、Ｂ電源パターン１とＣ電源パターン２が一体と
なった共振モードとなる。コンデンサ３を設けていない
場合には、電源パターンの端部で高周波電流が最小にな
ると同時に電界が最大となり、大きな放射磁界ノイズが
引き起こされていた。コンデンサ３を設けた場合には、
電源パターンの端部においてコンデンサ３を介して高周
波電流が互いに行き交うようになる。そのため、一方の
電源パターンから他方の電源パターンへ高周波ノイズが
拡散され、電源パターンの端部での電界が小さくなる。
また、共振時の高周波電流は図３の場合よりも長い経路
を２種類の経路で通ることになり、電源・グラウンド間
の形成する伝送線路において、導体損や誘電体損によっ
て高周波ノイズを減衰させることができる。したがっ
て、電源パターンの端部での電界が小さくなり、放射磁
界ノイズを低減させることができる。

【００２４】ここで、隣接する電源パターン間におい
て、高周波電流がどのような周波数依存性を持つかを示
す。Ｂ電源パターン１とＣ電源パターン２の間に、図４
のようにバイパスコンデンサ（以下、パスコンと呼ぶ）
を接続する場合と、図３のように接続しない場合とにつ
いて、それぞれ図５〜図７にＳパラメータ特性を示す。
図５はＢ電源パターン１のパッド８とＣ電源パターン２
のパッド９との間の通過特性Ｓ１２を、図６はＢ電源パ
ターン１のパッド８での反射特性Ｓ１１を、図７はＣ電
源パターン２のパッド９での反射特性Ｓ１１を示したも
のである。

【００２５】図５に示すように、Ｂ電源パターン１とＣ
電源パターン２の間にパスコンを接続することにより、
Ｂ電源パターン１とＣ電源パターン２の間の高周波電流
が特定の周波数で増加していることがわかる。

【００２６】図６に示すように、Ｂ電源パターン１とＣ
電源パターン２の間にパスコンを接続すると、Ｂ電源パ
ターン１の共振周波数におけるＳ１１の落ち込みが小さ
くなっている。これは、高周波ノイズのＣ電源パターン
２への拡散が生じ、共振周波数での損失が大きくなった
ためである。

【００２７】図７に示すように、Ｂ電源パターン１とＣ
電源パターン２の間にパスコンを接続すると、Ｃ電源パ
ターン２の共振周波数におけるＳ１１の落ち込みが小さ
くなっている。これは、高周波ノイズのＢ電源パターン
１への拡散が生じ、共振周波数での損失が大きくなった
ためである。また、図７ではパスコンを接続すること
で、低周波側に共振周波数が一つ増加している。これ
は、図６の場合にも同様の共振周波数が現れていること
から、Ｂ電源パターン１とＣ電源パターン２の間におい
て高周波電流が最も長く流れる経路で生じた共振である
と考えられる。

【００２８】図８は、図３及び図４の構成においてＢ電
源パターン１に励振回路を接続した場合の３ｍ法による
放射磁界ノイズを調べた結果を示したものである。Ｂ電
源パターン１とＣ電源パターン２との間にコンデンサを
接続することで、共振周波数での放射強度が小さくなっ
ている。これは、共振周波数がＢ電源パターン１及びＣ
電源パターン２一体となったものに変わり、かつ、高周
波電源ノイズの隣接電源パターンへの拡散によって導体
損や誘電体損が増加したためである。

【００２９】図９は、隣接する電源パターンどうしの対
向部分の中央部にのみコンデンサを接続した場合を示し
た図である。この場合の共振時における高周波電流の経
路は、基本的にはコンデンサを接続しない図３と同様で
あり、電源パターンの端部で大きな電界が生じているの
で放射磁界ノイズは小さくならない。また、隣接する電
源パターンどうしがコンデンサを介して接続されるため
に新たな共振が起こり、放射磁界ノイズが増大する可能
性がある。

【００３０】図１０は、本発明の実施形態の他の例を示
した図である。図に示すように、コンデンサ３を隣接す
る島状電源パターンどうしの対向部分の両端近傍に接続
するとともに、対向部分の中央近傍にもさらにコンデン
サ３を接続している。このコンデンサ３の接続位置は、
Ｂ電源パターン１とＣ電源パターン２の対向部分の長さ
をＬとしたとき、対向部分の中央から０．２５Ｌ以内で
あることが好ましい。本例でも、図１等に示した例と同
様の効果が得られる他、中央近傍のコンデンサ３によっ
て高周波電流をより効率的に拡散させることができる。

【００３１】図１１は、本発明の実施形態のさらに他の
例を示した図である。図に示すように、隣接する電源パ
ターン間において対向する辺どうしが複数ある場合、辺
と辺の交わる角どうしも隣接する。このような場合に
は、それぞれの辺が交わる角部に２個のコンデンサを必
ずしも接続する必要はなく、１個のコンデンサを接続す
るだけでも十分に放射磁界ノイズの低減をはかることが
できる。

【００３２】図１２は、本発明の実施形態のさらに他の
例を示した図である。Ｂ電源パターン１及びＣ電源パタ
ーン２が、それぞれの短い辺どうしで対向する場合があ
る。この場合、対向する短い辺どうしをコンデンサ３で
接続すると、コンデンサ３を介して高周波電流が流れ、
対向していない他方の端部はそれぞれ開放端となる。そ
の結果、コンデンサ３が配置されている側を電圧の節
（電流の腹）、開放端側を電圧の腹（電流の節）とした
電源長をλ／４（λ：波長）とする新たな共振が生じ、
コンデンサ３を接続しないときに比べて共振周波数が低
周波化するため、放射ノイズが増大する可能性がある。

【００３３】そこで、図１２に示した例では、Ｂ電源パ
ターン１及びＣ電源パターン２それぞれの端部に電源・
グラウンド間を接続するデカップリングコンデンサ１２
ａを配置し、高周波電流ノイズをグラウンドに逃がすよ
うにしている。また、Ｂ電源パターン１及びＣ電源パタ
ーン２がＡ電源パターン１１のような大きな島状電源パ
ターンに長い辺方向で対向している場合、Ｂ電源パター
ン１及びＣ電源パターン２とＡ電源パターン１１が対向
する辺の両端をコンデンサ３で接続することで、低周波
側の共振を小さくするとともに、開放端がＡ電源パター
ン１１に接続されるため、端部での電界を小さくするこ
とができ、放射磁界ノイズの低減をはかることができ
る。

【００３４】また、Ａ電源パターン１１のような面積の
広い電源パターンは放射強度が大きくなる傾向があるた
め、Ａ電源パターン１１の角部に高周波電流をグラウン
ドに流すためのデカップリングコンデンサ１２ｂを配置
し、放射ノイズを低減するようにしている。

【００３５】このように、図１２に示した例では、電源
パターンどうしを接続するバイパスコンデンサ３と電源
・グラウンド間を接続するデカップリングコンデンサ１
２ａ及び１２ｂを併用することにより、より大きな共振
低減効果が得られ、放射磁界ノイズの低減に有効であ
る。

【００３６】図１３は、本発明の実施形態のさらに他の
例を示した図である。図に示すように、隣接する電源パ
ターン１及び２にまたがってＩＣ１３を配置する場合が
ある。このような場合、ＩＣ１３の貫通電流により隣接
する電源パターン間に高周波電流が流れる場合がある。
そこで、Ｂ電源パターン１とＣ電源パターン２の対向部
分の両端をコンデンサ３で接続することにより、高周波
電流のリターン経路ができ、コモンモードノイズの低減
をはかることができる。

【００３７】図１４は、本発明の実施形態のさらに他の
例を示した図である。図に示すように、隣接する電源パ
ターン１及び２間を配線１４がまたがる場合がある。従
来は、配線１４の近くにリターン経路を設けるためにコ
ンデンサを置くことが知られている。しかし、共振の低
減を目的とする場合には、本例のように、Ｂ電源パター
ン１とＣ電源パターン２の対向部分の両端をコンデンサ
３で接続することが有効である。

【００３８】図１５は、本発明の実施形態のさらに他の
例を示した図である。ＩＣが高速化して電源ノイズが高
周波化すると、１次共振だけでなく、２次、３次共振等
の高次共振を低減する必要も生じてくる。そのような場
合には、図に示すように、共振時における電圧の腹に対
応する箇所にコンデンサ３を配置して、隣接する電源パ
ターン１及び２間をコンデンサ３を介して接続するよう
にする。このように共振時における電圧の腹に対応した
部分をコンデンサ３を介して接続することにより、有効
に高周波電流を隣接する電源パターンに拡散させること
ができる。その結果、共振の低減効果によって、より高
周波まで放射磁界ノイズの低減をはかることができる。

【００３９】図１６は、本発明の実施形態のさらに他の
例を示した図である。ある箇所にコンデンサを置くこと
によって著しく共振が増大して放射磁界ノイズが増大す
るような場合には、そのような箇所にはコンデンサを置
かない方が望ましいが、著しく放射磁界ノイズが増大し
た共振周波数の電流は隣接する電源パターンに流さない
ようにし、その他の周波数の電流は隣接する電源パター
ンに流すことで、導体損失及び誘電体損失による共振低
減をはかることも可能である。本例はこのような観点に
基づくものであり、隣接する電源パターン１及び２間に
コンデンサ３と抵抗１５の直列接続回路を接続してい
る。このような直列接続回路により、図１７に示すよう
なフィルタ特性が得られ、所望の周波数を選択的に隣接
する電源パターン間で通過させることができるため、よ
り効率的に共振低減をはかることができる。なお、コン
デンサと抵抗の直列接続の代わりに、同様の特性を備え
たフィルタ部品を用いることも可能である。

【００４０】以上、本発明の実施形態を説明したが、本
発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣
旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施するこ
とが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階
の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み
合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例え
ば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除
されても、所定の効果が得られるものであれば発明とし
て抽出され得る。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、島状電源パターンの端
部における電界を大幅に弱めることができ、不要輻射ノ
イズを大幅に低減することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る多層配線基板の一例を
示した図。

【図２】１次共振における電圧分布と電流分布を示した
図。

【図３】図１に示したような構造においてコンデンサを
設けていない場合の高周波電流が流れる主な方向を示し
た図。

【図４】図１に示したような構造においてコンデンサを
設けた場合の高周波電流が流れる主な方向を示した図。

【図５】図３及び図４それぞれの構成における島状電源
パターン１と島状電源パターン２との間の通過特性Ｓ１
２について示した図。

【図６】図３及び図４それぞれの構成における島状電源
パターン１の反射特性Ｓ１１について示した図。

【図７】図３及び図４それぞれの構成における島状電源
パターン２の反射特性Ｓ１１について示した図。

【図８】図３及び図４それぞれの構成における３ｍ法に
よる放射磁界強度について示した図。

【図９】隣接する島状電源パターンどうしの対向部分の
中央にのみコンデンサを接続した場合について示した
図。

【図１０】本発明の実施形態に係る多層配線基板の他の
例を示した図。

【図１１】本発明の実施形態に係る多層配線基板のさら
に他の例を示した図。

【図１２】本発明の実施形態に係る多層配線基板のさら
に他の例を示した図。

【図１３】本発明の実施形態に係る多層配線基板のさら
に他の例を示した図。

【図１４】本発明の実施形態に係る多層配線基板のさら
に他の例を示した図。

【図１５】本発明の実施形態に係る多層配線基板のさら
に他の例を示した図。

【図１６】本発明の実施形態に係る多層配線基板のさら
に他の例を示した図。

【図１７】図１６に示したコンデンサと抵抗の直列接続
回路の周波数特性をコンデンサのみの場合と対比して示
した図。

【図１８】従来技術に係る多層配線基板の一例を示した
図。

【図１９】従来技術に係る多層配線基板の他の例を示し
た図。

【符号の説明】 １、２、１１…島状電源パターン ３、１２ａ、１２ｂ…コンデンサ ４…電極パッド ５…スルーホール ６…グラウンドパターン ７…絶縁体層 ８、９…パッド １０…回路パターン １３…ＩＣ １４…配線 １５…抵抗

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回路動作が行われる信号線層と、前記信号
   線層にグラウンド電位を与えるグラウンド層と、前記信
   号線層に電源電位を与える電源層とが積層され、前記電
   源層に複数の島状電源パターンが設けられた多層配線基
   板であって、 互いに隣接する前記島状電源パターンどうしの対向部分
   の両端近傍において、該互いに隣接する島状電源パター
   ンどうしが容量性部材によって接続されていることを特
   徴とする多層配線基板。
2. 【請求項２】前記対向部分の中央近傍においてさらに、
   前記互いに隣接する島状電源パターンどうしが容量性部
   材によって接続されていることを特徴とする請求項１に
   記載の多層配線基板。
3. 【請求項３】前記対向部分の長さをＬとしたとき、前記
   対向部分の両端から０．１Ｌ以内の位置において、前記
   互いに隣接する島状電源パターンどうしが前記容量性部
   材によって接続されていることを特徴とする請求項１に
   記載の多層配線基板。