JP2003283073A - 配線基板 - Google Patents
配線基板Info
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Abstract
層やグラウンド層で発生する電源電圧変動を防止し、不
要放射ノイズを広い周波数範囲にわたって簡単な構造で
容易に抑制することのできる配線基板を提供する。 【解決手段】表面に電子部品4を搭載するための電子部
品搭載部が設けられた絶縁基板2と、絶縁基板2の表面
および/または内部に形成され電子部品4と接続される
配線回路層3と、絶縁基板2の表面および/または内部
に絶縁層2a〜2cを介して電源層5とグラウンド層6
と、電子部品4と電源層5およびグラウンド層6と電気
的に接続するための接続体7とを具備する配線基板1に
おいて、電源層5を配線回路化しかつグラウンド層6を
ほぼ基板全面に形成するとともに、電源層5および/ま
たはグラウンド層6を低抵抗導体層5a,6aと高抵抗
導体層5b,6bを積層した2層以上の積層体によって
形成し、電源層5とグラウンド層6の少なくとも一方の
対向面側に高抵抗導体層5bおよびまたは6bを形成す
る。
Description
ランジスタ等の半導体素子が搭載される回路基板の電圧
変動及び不要放射ノイズの抑制構造に関するものであ
り、特に半導体素子などのディジタル回路を搭載する配
線基板に関する。
の電子部品を搭載して所定の電子回路を構成する回路基
板において、前記電子部品の作動時に電源層とグラウン
ド層の間に高周波成分を含む貫通電流が発生し、この高
周波電流が電子回路内に伝播し、回路自体の誤動作を引
き起こしたり、不要な放射ノイズの原因となったりして
いた。
源層やグラウンド層には大きな高周波ノイズが発生し、
これらがケーブル等が接続される領域の電源層やグラウ
ンド層に伝播するとケーブルにコモンモード電流が生
じ、強い放射ノイズが発生することになる。また、電源
層やグラウンド層の形状や層間容量により発生する共振
も電位変動の主な原因であった。
る電子部品の近傍にデカップリングコンデンサを搭載
し、高周波電流を閉じ込める方法が取られている。さら
に、特許第2988421号や特許第2988431号
では、電源層を配線化したり、高周波に対して高インピ
ーダンスとなるように磁性体層を設けることが、また、
特許第2991136号では配線導体の表面に高抵抗金
属膜を形成したり、磁性材料をコーティングすることが
提案されている。
には、基板内の電源層とグラウンド層の間の端部に抵抗
体を入れたり、特開2001−102702号には、電
源層およびグラウンド層の周縁部に高抵抗パターンを形
成することが提案されている。
プリングコンデンサを用いる方法では、デカップリング
コンデンサの容量と寄生インダクタンスによって決まる
特定の周波数においては高周波電流を閉じ込めることが
できるが、それ以外の周波数で新たに高周波電流を発生
させてしまい、これがノイズとなるなどの副作用があっ
た。これに対して、容量の異なる複数個のコンデンサを
用いる方法も提案されているが、広い周波数範囲に渡っ
て改善することは困難であった。
路層を高周波に対して高インピーダンスとなるように設
計するためノイズとなる電磁エネルギーをICやLSI
の近傍に閉じ込める効果があり、適切な設計を行えば大
きなノイズ低減効果が得られるが、配線のインダクタン
スを大きくする必要があるため長い配線となることや、
ICやLSI近傍に閉じこめたノイズエネルギーによっ
て動作に問題が生じたりする可能性もあった。
を入れたり、電源層およびグラウンド層の周縁部に高抵
抗パターンを形成する方法は、ノイズエネルギーを閉じ
込めるのではなく散逸させる方法であり、基板端部での
反射によって発生する電源層及びグラウンド層の定在波
に対しては大きな抑制効果をもつが、デカップリングコ
ンデンサと配線基板の容量との共振といったノイズに対
しては十分な効果が得られないという問題があった。
ることを主たる目的とするものであり、ディジタル動作
する電子部品、デカップリングコンデンサ、その他容量
および素子などが接続される電源層とグラウンド層で発
生するノイズエネルギーを吸収、散逸させ、不要放射ノ
イズを広い周波数範囲にわたって簡単な構造で容易に抑
制することのできる配線基板を提供することを目的とす
るものである。
面に電子部品を搭載するための電子部品搭載部が設けら
れた絶縁基板と、該絶縁基板の表面および/または内部
に形成され前記電子部品と接続される配線回路層と、前
記絶縁基板の表面および/または内部に絶縁層を介して
電源層とグラウンド層と、前記電子部品と前記電源層お
よび前記グラウンド層と電気的に接続するための接続体
とを具備するものであって、前記電源層を配線回路化し
かつ前記グラウンド層をほぼ基板全面に形成するととも
に、前記電源層および/またはグラウンド層を低抵抗導
体層と高抵抗導体層を積層した2層以上の積層体によっ
て形成したことを特徴とするものである。
0.01Ω/sq〜10000Ω/sqであることが適
当であり、また、前記高抵抗導体層の厚さが、前記電源
層とグラウンド層の間の絶縁層の厚さの1/5〜1であ
ることによって高周波ノイズ電流のほとんどが高抵抗導
体層を流れることになり、ノイズエネルギーを減衰させ
ることができる。
が、高インピーダンスとなる回路パターンからなること
が望ましい。
導体層と高抵抗導体層を積層した2層以上の積層体から
なる場合、前記低抵抗導体層および高抵抗導体層の両方
ともに配線回路化してもよいし、記低抵抗導体層のみ配
線回路化し、前記高抵抗導体層を基板のほぼ全面にわた
り形成することもできる。
oのうち少なくとも1種を主成分とする導体材料によっ
て、また、前記高抵抗導体層は、SnO2、LaB6のう
ちの少なくとも1種を主体とする導体材料によって形成
されているか、またはCu、W、Moから選ばれる少な
くとも1種の導体に、Re、Ru、絶縁体から選ばれる
少なくとも1種を含有させた導体材料によって形成され
ていることが望ましい。
よって、電源層および/またはグラウンド層において、
ディジタルICやLSIで発生した高周波ノイズエネル
ギーが高抵抗導体層で減衰、散逸するため、電源層及び
グラウンド層内の電圧変動を小さくすることができる。
しかも、ICやLSIの動作に必要な低周波の電力供給
は低抵抗導体層で行えるため動作上の問題が発生するこ
とはない。
いは低抵抗導体層と高抵抗導体層とを配線回路化するこ
とによって、ノイズ発生源からのノイズエネルギーを伝
播すると共に、ノイズエネルギーを配線回路化した部分
で効率的に散逸させることができる。
て、具体的な構造を図面を参照しながら説明する。図1
は本発明による配線基板の第1の実施の形態を示す概略
断面図、図2の(a)は、図1の配線基板における電源
層およびグラウンド層の構造を説明する概略斜視図であ
る。
層2a〜2cの積層体からなる絶縁基板2の表面には信
号伝達用の配線回路層3が形成されており、ディジタル
動作する電子部品としてC−MOSなどの半導体素子4
が配線基板1表面の搭載部に搭載され、表面の配線回路
層3と接続されている。
よびグラウンド層6が絶縁層2bを介して形成されてお
り、半導体素子4は、その電源端子4aおよびグラウン
ド端子4bと、配線基板1に絶縁基板2を貫通するよう
に設けられたビア導体7a、7bからなる接続体によっ
て、電源層5およびグラウンド層6と電気的に接続され
ている。
5aは、半導体素子4で発生したノイズエネルギーを例
えば外部回路との入出力端子8に伝播させないという点
から配線回路化されていることも大きな特徴である。以
下、配線回路化された電源層5を電源回路層5と称す
る。
においては、電源回路層5およびグラウンド層6の両方
ともに、低抵抗導体層5a、6aと高抵抗導体層5b、
6bとを積層した積層体からなり、電源回路層5とグラ
ウンド層6とが互いに対向する面側に高抵抗導体層5
a、6aが形成されており、その高抵抗導体層5b、6
bの前記対向面とは反対側の面側に低抵抗導体層5a、
6aが形成されている。そして、半導体素子4との接続
体であるビア導体7a、7bは、いずれも電源回路層5
およびグラウンド層6の低抵抗導体層5a、6aと接続
されている。
5に着目して説明すると、半導体素子4で発生した高周
波電流は、電源端子4a、ビア導体7を経由して電源回
路層5の低抵抗導体配線5aに伝播するが、低抵抗導体
配線5aと接続された高抵抗導体層5b及びグラウンド
層6側の高抵抗導体層6bによって吸収、減衰される結
果、入出力端子8が接続される電源回路層5及びグラウ
ンド層6の電位変動が抑制され、入出力端子やケーブル
等からの放射ノイズが低減できる。
源回路層5とグラウンド層6の間のノイズエネルギーを
吸収するが、吸収されにくいモードの高周波ノイズをも
効果的に吸収、減衰させる上で、広い面積を有すること
が望ましい。
は、電源回路層5を形成している低抵抗導体層5a、高
抵抗導体層5bのうち、低抵抗導体層5aのみが配線回
路化されており、高抵抗導体層5bおよびグラウンド層
6における高抵抗導体層6bは、いずれも互いに対向す
る面側において、ほぼ基板全体にわたって形成されてい
る。
び低周波の電力をICやLSIに供給するため直流的に
は低抵抗であることが望ましいが、直流および低周波の
電力をICやLSIに供給する以外は、高周波に対して
高インピーダンスであることが望ましい。そのために、
電源回路層5における低抵抗導体層5aは、図2に示す
ように、(b)ミアンダ状(つづら折り状、ジグザグ
状)あるいは(c)スパイラル状の配線回路パターンに
形成されてなることが望ましい。
層5および/またはグラウンド層6のほぼ全面に形成
し、重ねて低抵抗導体層5aをミアンダ状あるいはスパ
イラル状のパターンで配線回路化することによって、低
抵抗導体層5aの高周波に対するインピーダンスが増
し、高周波ノイズ成分は高抵抗導体層5bを伝播するこ
とになる。この結果、高抵抗導体層5b、6bのノイズ
エネルギー散逸効果が有効に機能し、電源回路層5及び
グラウンド層6の電圧変動は大きく抑制される。
造に限られず、高抵抗導体層の形成は、電源回路層5ま
たはグラウンド層6のいずれか一方でもよいし、電源回
路層5においては、低抵抗導体層5aと高抵抗導体層5
bとの配置は逆であってもよい。
配線基板における電源回路層およびグラウンド層の具体
的な構造を説明するための他の実施形態を示すもので、
これらはいずれも電源回路層5とグラウンド層6の間に
絶縁層2bが介在した構造からなる。
5およびグラウンド層6が低抵抗導体層5a、6aと高
抵抗導体層5b、6bとの積層体によって形成されてお
り、電源回路層5における高抵抗導体層5bを低抵抗導
体層5aと同じパターンで配線回路化したものである。
5を低抵抗導体層5aと高抵抗導体層5bの積層体によ
って形成し、高抵抗導体層5bをほぼ基板全体に形成
し、グラウンド層6をほぼ基板全体に形成した低抵抗導
体層6aのみによって形成したものであり、電源回路層
5における低抵抗導体層5aを高抵抗導体層5bのグラ
ウンド層6と対向する側に形成したものである。なお、
グラウンド層6においては、低抵抗導体層6aと絶縁層
2bとの間に高抵抗導体層を形成してもよい。
層6をのみを低抵抗導体層6aと高抵抗導体層6bの積
層体によって、それぞれほぼ基板全体に形成したもので
あり、高抵抗導体層6bは、電源層5と対向する側に形
成したものである。
層6が、低抵抗導体層6aと高抵抗導体層6bとの積層
体によって基板の全面にわたって形成され、電源回路層
5ではパターン化された低抵抗導体層5aの周囲に高抵
抗導体層5bが形成されたものである。このように、低
抵抗導体層5aの周囲に高抵抗導体層5bを形成した場
合においても、ノイズエネルギーの一部が高抵抗導体層
5bによって減衰する効果が得られる。
は、低抵抗導体層5a、6aや配線回路層3を形成する
導体材料よりも高いシート抵抗を有するものである。こ
の「高いシート抵抗」とは、単位面積当たりにおけるシ
ート抵抗が、低抵抗導体層を構成する導体材料のシート
抵抗に比較して、相対的に高いことを意味するものであ
る。
は、0.01Ω/sq〜10000Ω/sqであること
が望ましい。これは、このシート抵抗が0.01Ω/s
qよりも低いと、ノイズを吸収し、減衰させる能力が充
分でなくなり、10000Ω/sqよりも高いと高周波
ノイズ電流が高抵抗導体層を伝播しなくなり効果が低減
するためである。高抵抗導体層のシート抵抗値は、0.
1Ω/sq〜1000Ω/sq、さらには0.5Ω/s
q〜100Ω/sqの範囲が最適である。さらには、低
抵抗導体層と高抵抗導体層のシート抵抗差が0.08Ω
/sq以上、とくに0.48Ω/sq以上であることが
望ましい。
6aや配線回路層3は、通常の導体材料として用いられ
ているCu、W、Moのうち少なくとも1種を主成分と
する導体材料によって形成されていることが望ましい。
抵抗を高めるために、低抵抗導体層5a、6aよりも高
い抵抗を有する導体材料によって形成することが望まし
い。この高い抵抗を有する導体材料としては、Sn
O2、LaB6のうちの少なくとも1種を主成分とする抵
抗体材料によって形成したり、Cu、W、Moから選ば
れる少なくとも1種の導体に、Re、Ru、酸化物、窒
化物、炭化物などの絶縁体の群から選ばれる少なくとも
1種を含有させた導体材料によって形成することによっ
てシート抵抗を高めることができる。
薄すぎると周波数の低い領域(例えば100MHz以
下)のノイズに対して低減効果が小さくなるため厚いほ
どよいが、厚すぎると配線基板にき裂やそりを生じる原
因となるため、製造上限界がある。また、電源回路層5
とグラウンド層6の間の絶縁層2bの厚さが薄いほど薄
い高抵抗導体層5b、6bで効果が得られるため、有効
な高抵抗導体層5b、6bの厚さは、電源回路層5とグ
ラウンド層6の間の絶縁層2bの厚さの1/5〜1であ
ることが好適である。高抵抗導体層の厚さの下限及び上
限は、製造可能で配線基板の強度や寸法精度に問題がな
い範囲内であれば特に定めるものではないが、実質的に
は1μm〜300μmの範囲が望ましい。
ICやLSIが必要とする低周波電力に対して、動作に
支障をきたさない程度の低抵抗であるように決める必要
がある。必要な低周波電力はICやLSIによって異な
るため、低抵抗導体層5a、6aの厚さもそれに応じて
決める必要がある。製造上の制約などから低抵抗導体層
5a、6aの下限値が5μmで、上限値は製造可能で配
線基板の強度や寸法精度に問題がない範囲内であれば特
に定めるものではないが、300μmを越えてもその効
果は実質的に同じである。従って、5〜300μmが適
当である。
抵抗導体層5b、6bと低抵抗導体層5a、6aとは、
電気的に導通するように連続的に積層されているもので
ある。
アルミナ(Al2O3)、窒化アルミニウム(AlN)、
窒化珪素(Si3N4)、炭化珪素(SiC)、ムライト
(3Al2O3・2SiO2)の群から選ばれる少なくと
も1種を主成分とするセラミックス、またはガラス、あ
るいはガラスとセラミックスとを複合化させたガラスセ
ラミックスのほか、エポキシ樹脂、ガラスーエポキシ複
合材料等の有機樹脂を含有する絶縁材料によって形成す
ることができる。
構成する材料としては、低抵抗導体層5a、6aと同様
に、Cu、W、Moの群から選ばれる少なくとも1種ま
たはこれらを含む合金によって形成できる。
搭載し、これを気密に封止する半導体素子収納用パッケ
ージや、半導体素子の他にコンデンサや抵抗体等の各種
電子部品が搭載される混成集積配線基板等に好適に使用
することができる。
ウンド層6は、例えば、絶縁基板がセラミックスからな
る場合、以下の方法によって形成される。まず、絶縁層
を形成する各セラミックグリーンシートを作製した後、
そのグリーンシートの表面に、低抵抗導体層を形成する
導体材料を含む導体ペーストを用いてスクリーン印刷法
などによって、所定のパターンに印刷塗布、乾燥した
後、その上に高抵抗導体層を形成する導体材料を含む導
体ペーストをスクリーン印刷法などによって印刷塗布す
る、あるいは高抵抗導体層を印刷した後に低抵抗導体層
を印刷塗布する。その後、他のグリーンシートを積層圧
着し、焼成することによって形成できる。なお、この場
合、低抵抗導体層および高抵抗導体層の配置や、形成の
順序は、その図3に示したような様々な態様に応じて、
適宜、順序を変更すればよい。
みが非常に厚くなる場合、例えば、グリーンシートの所
定箇所に開口を形成し、他のグリーンシートと積層した
後、開口内に低抵抗導体層用導体ペーストと高抵抗導体
層用導体ペーストとを流し込むことによって積層体を形
成することができる。その後、他のグリーンシートを積
層して焼成することによっても作製することができる。
る場合には、焼成済のセラミック絶縁基板2の表面に、
CuやAg等を主体とする低抵抗導体層用導体ペースト
と高抵抗導体層用導体ペーストを用いて、スクリーン印
刷法などによって塗布、乾燥して積層体を形成し、所定
の温度で焼き付けることによっても形成できる。
a)、b)に沿って詳細に説明する。
としてアルミナ質焼結体を用いた。まず、Al2O3粉末
に対して、SiO2、MgO、CaOの焼結助剤を7重
量%添加した混合粉末に有機バインダ、可塑剤、溶剤を
添加混合して泥漿を調製し、該泥漿を周知のドクターブ
レード法により厚さ約120μmのセラミックグリーン
シートを成形した。次に、所定の位置にビア13を形成
するために、該セラミックグリーンシートにスルーホー
ルをマイクロドリルによって形成した。
る粉末原料に、適当な有機バインダ、可塑剤、溶剤等を
添加し、混合して得た金属ペーストをスクリーン印刷に
よって前記セラミックグリーンシートのスルーホール内
に充填するとともに、前記金属ペーストを印刷塗布して
ビア接続パッド13a、13a’を形成した。
2)や窒素(N2)の混合ガスからなる還元性雰囲気中、
約1600℃の温度で焼成することにより、縦56mm
×80mm厚さ約100μmのアルミナ配線基板を得
た。
ラウンド層15の高抵抗導体層15bと低抵抗導体層1
5a及び電源接続パッド14aを、裏面側に電源回路層
12の高抵抗導体層12bと低抵抗導体層12aを以下
の方法によって形成した。
用いて、グラウンド層の低抵抗導体層15a、電源回路
層の低抵抗導体層12aを高抵抗導体層15b、12b
を形成することなく、印刷塗布し900℃で焼き付け処
理した。
源回路層12および/またはグラウンド層15の少なく
とも一方に対して、Cu−Ni、LaB6またはSnO2
を含有する高抵抗導体層用導体ペーストを、ビア接続パ
ッド13a、13a’を除いたほぼ全面に塗布し、90
0℃で焼き付け処理し、高抵抗導体層12bおよび/ま
たは15bを形成した。その後、Cuペーストを用い
て、ほぼ全面にグラウンド層の低抵抗導体層15aを高
抵抗導体層15bの上から重ねて印刷塗布し、900℃
で焼き付け処理した。
パイラル状に電源層の低抵抗導体12aを印刷塗布し9
00℃で焼き付け処理した。
ついては高抵抗導体層12b、15bの厚さを30μm
とし、試料No.10〜14については、高抵抗導体層
12b、15bの厚さがそれぞれ10、20、50、1
00、120μmとなるように、印刷マスクの厚さや印
刷回数を調整した。なお、低抵抗導体層12a、15a
の厚さは全て20μmである。
途作製した水晶発振器20、ディジタルIC(74LV
C04)10、負荷容量19を半田実装した回路基板2
2を搭載した。そしてパッド14aとグラウンド層15
の低抵抗導体層15aの間にデカップリングコンデンサ
18を半田実装した。さらに電池接続用リード21をそ
れぞれ半田によって接続固定し、評価用配線基板モジュ
ールを作製した。
ュールを20MHzで駆動し、グラウンド層の低抵抗導
体層15aの電圧変動を接触式の高インピーダンスの測
定用プローブで測定した。30MHz〜1000MHz
の範囲での最大電位差を測定し、高抵抗導体層を形成し
ていない試料No.1の最大電位差を1とした場合の電
位差比を求めた。表1に各評価基板の最大電位差比を示
す。
比較して、本発明に従い、高抵抗導体層を形成した試料
No.2〜22では、最大電位差比を小さくすることが
できた。特に、図1で比較すると、高抵抗導体層におけ
る高抵抗導体層のシート抵抗が0.1Ω/sq〜100
0Ω/sqの試料No.3〜7、10〜14の配線基板
では最大電位差の比が0.5以下と低く抑えられてい
た。
ば、電源層および/またはグラウンド層のうち、電源層
を配線回路化し、また電源層および/またはグラウンド
層の少なくとも一方を低抵抗導体層と高抵抗導体層との
積層体によって形成することによって、ディジタル素子
の動作によって生じる電源回路層およびグラウンド層の
高周波ノイズを高抵抗導体層で散逸させることができ、
電圧変動が原因となるノイズやケーブルからの放射ノイ
ズが低減でき、回路の信頼性を高めることができる。
である。
よびグラウンド層の構造を説明する概略斜視図と、
(b)(c)電源回路層における低抵抗導体層のパター
ンの例を示す平面図である。
図である。
を示す(a)平面図、(b)(a)のA−A’断面図で
ある。
Claims (8)
- 【請求項1】表面に電子部品を搭載するための電子部品
搭載部が設けられた絶縁基板と、該絶縁基板の表面およ
び/または内部に形成され前記電子部品と接続される配
線回路層と、前記絶縁基板の表面および/または内部に
絶縁層を介して電源層とグラウンド層と、前記電子部品
と前記電源層および前記グラウンド層と電気的に接続す
るための接続体とを具備する配線基板において、 前記電源層を配線回路化しかつ前記グラウンド層をほぼ
基板全面に形成するとともに、前記電源層および/また
はグラウンド層を低抵抗導体層と高抵抗導体層を積層し
た2層以上の積層体によって形成したことを特徴とする
配線基板。 - 【請求項2】前記高抵抗導体層のシート抵抗値が0.0
1Ω/sq〜10000Ω/sqであることを特徴とす
る請求項1記載の配線基板。 - 【請求項3】前記高抵抗導体層の厚さが、前記電源層と
グラウンド層の間の絶縁層の厚さの1/5〜1であるこ
とを特徴とする請求項1又は請求項2記載の配線基板。 - 【請求項4】前記電源層における低抵抗導体層が、高イ
ンピーダンスとなる回路パターンからなることを特徴と
する請求項1乃至請求項3のいずれか記載の配線基板。 - 【請求項5】前記電源層が、低抵抗導体層と高抵抗導体
層との積層体からなり、前記低抵抗導体層および高抵抗
導体層の両方ともに配線回路化したことを特徴とする請
求項1乃至請求項4のいずれか記載の配線基板。 - 【請求項6】前記電源層が、低抵抗導体層と高抵抗導体
層との積層体からなり、前記低抵抗導体層のみ配線回路
化し、前記高抵抗導体層を基板のほぼ全面にわたり形成
したことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか
記載の配線基板。 - 【請求項7】前記低抵抗導体層が、Cu、W、Moのう
ち少なくとも1種を主成分とする導体材料によって形成
されてなることを特徴とする請求項1乃至請求項6のい
ずれか記載の配線基板。 - 【請求項8】前記高抵抗導体層が、SnO2、LaB6の
うちの少なくとも1種を主体とする導体材料によって形
成されているか、またはCu、W、Moから選ばれる少
なくとも1種の導体に、Re、Ru、絶縁体から選ばれ
る少なくとも1種を含有させた導体材料によって形成さ
れていることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいず
れか記載の配線基板。
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