JP2004080773A

JP2004080773A - 伝送線路型ノイズフィルタ

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Publication number: JP2004080773A
Application number: JP2003282369A
Authority: JP
Inventors: Tomoji Arai; 荒井　智次; Takayuki Inoi; 猪井　隆之; Yoshihiko Saiki; 斎木　義彦; Takeshi Toida; 戸井田　剛
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2004-03-11

Abstract

【課題】　大きな直流電流が流れても発熱が少ない伝送線路型ノイズフィルタを提供する。
【解決手段】　直流電源（７０）と電気負荷部品（８０）との間に接続可能であり、到来する直流を通過させる一方、交流は減衰するための伝送線路型ノイズフィルタである。第１導電体（１１）、第２導電体（２０）、および誘電体層（３０）は、容量形成部（５０）を構成している。第１導電体（１１）の厚さ（ｔ）は、第１導電体（１１）に流れる電流の直流成分によって生じる温度上昇を実質的に抑制するように設定されている。
【選択図】　　　図１

Description

　本発明は、電子装置または電子機器に搭載され、電子装置または機器内で発生したノイズを除去するためのノイズフィルタに関する。

　デジタル技術は、ＩＴ（Information Technology）産業を支える重要な技術である。最近では、コンピュータや通信関連機器だけではなく、家庭電化製品や車載用機器にもＬＳＩ（Large Scale Integration）等のデジタル回路技術が使用されている。

　しかし、ＬＳＩなどで発生した高周波電流は、ＬＳＩからＬＳＩチップを搭載しているプリント回路基板内の広い範囲に回路基板上の信号配線やグランド配線の誘導結合を含む電子伝播により広がり、信号ケーブルなどから電磁波として漏洩、輻射される。

　アナログ回路部とデジタル回路部を有する回路では、デジタル回路部からアナログ回路部への電磁干渉問題が深刻になってきている。

　この対策には、高周波電流の発生源であるＬＳＩチップを直流供給電源系から高周波的に分離すること、即ち、電源デカップリングの手法が有効である。従来からデカップリング用素子にはバイパスコンデンサなどのノイズフィルタが使用されてきている。電源デカップリングの動作原理は簡単明瞭である。

　従来の交流回路に用いられるノイズフィルタとしてのコンデンサとしては、２端子構成の集中定数型ノイズフィルタを構成している。これには、固体電解コンデンサ、電気二重層コンデンサ、あるいはセラミックコンデンサ等が多く用いられている。

　これらのコンデンサを用いて交流回路内における電気的ノイズの除去を、広い周波数帯域に亘って行う場合には、１つのコンデンサが対応できる周波数帯域は比較的狭いため、複数種類のコンデンサ、例えば、自己共振振動数が異なるアルミ電解コンデンサ、タンタルコンデンサ、およびセラミックコンデンサ等の異種のコンデンサを交流回路内に複数備えることによって行われていた。

　しかし、従来のノイズフィルタにおいては、広帯域の周波数の電気的ノイズを除去するために使用する複数のノイズフィルタの選定、設計プロセスが煩わしかった。また、異種のノイズフィルタを複数使用するためにコストが高い、サイズが大きい、重量が重いという問題があった。

　また、前述のごとく、より高速、高周波化されるデジタル回路に対応するためには、高周波数帯域までデカップリングを維持できる、高周波数帯域においても低インピーダンスなノイズフィルタが望まれている。

　しかし、２端子構成の集中定数型ノイズフィルタは、コンデンサの自己共振現象のために、高周波数帯域まで低インピーダンスを維持することは困難であり、高周波数帯域ノイズの除去性能に劣っている。

　それ故、高周波数帯域をも含む広帯域に亘ってノイズ除去特性に優れていると共に、小型で簡素な構造のノイズフィルタが望まれている。

　これらの要望に応えるべく、直流電源とＬＳＩチップ等の電気負荷部品との間に接続可能であり、到来する直流を通過させる一方、交流は減衰するための伝送線路型ノイズフィルタが注目されつつある。

　しかし、伝送線路型ノイズフィルタは、直流がフィルタ内部を通過するため、発熱する。大きな直流電流が流れる回路では発熱がとりわけ大きく、ノイズフィルタの寿命が縮まるという問題点がある。

　それ故、本発明の目的は、大きな直流電流が流れても発熱が少ない伝送線路型ノイズフィルタを提供することである。

　本発明による伝送線路型ノイズフィルタは、直流電源（７０）と電気負荷部品（８０）との間に接続可能であり、到来する直流を通過させる一方、交流は減衰するための伝送線路型ノイズフィルタであって、伝送線路に平行な第１方向（Ｘ）の長さ（Ｌ）、前記第１方向（Ｘ）に直交する第２方向（Ｙ）の幅（Ｗ）、ならびに前記第１および前記第２方向（Ｘ、Ｙ）に直交する第３方向（Ｚ）の厚さ（ｔ）を持つ板状を呈する第１導電体（１１）と、前記第１導電体（１１）上に形成された誘電体層（３０）と、前記誘電体層（３０）上に形成された第２導電体（２０）と、前記第１導電体（１１）の前記第１方向（Ｘ）の一端に接続されると共に、直流電源（７０）に接続するための第１陽極（１２）と、前記第１導電体（１１）の前記第１方向（Ｘ）の他端に接続されると共に、電気負荷部品（８０）に接続するための第２陽極（１３）とを有し、前記第２導電体（２０）は、基準電位に接続するための陰極として機能し、前記第１導電体（１１）、前記第２導電体（２０）、および前記誘電体層（３０）は、容量形成部（５０）を構成し、前記第１導電体（１１）の前記厚さ（ｔ）は、該第１導電体（１１）に流れる電流の直流成分によって生じる温度上昇を実質的に抑制するように設定されていることを特徴としている。

　前記第１導電体（１１）は、弁作用金属から成り、前記誘電体層（３０）は、前記弁作用金属の酸化膜によって構成されていてもよい。

　前記弁作用金属は、アルミニウムであり、前記第１導電体（１１）の前記厚さ（ｔ）は、２．０ｍｍ以下であってもよい。

　前記弁作用金属は、タンタルであり、前記第１導電体（１１）の前記厚さ（ｔ）は、１．５ｍｍ以下であってもよい。

　前記弁作用金属は、ニオブであり、前記第１導電体（１１）の前記厚さ（ｔ）は、１．０ｍｍ以下であってもよい。

　前記第１導電体（１１）ならびに前記第１および前記第２陽極（１２、１３）は、金属板によって一体に構成されていてもよい。

　本発明による伝送線路型ノイズフィルタは、大きな直流電流が流れても発熱が少く、信頼性に優れ、寿命も長い。

　以下、図面を参照して、本発明の実施の形態による伝送線路型ノイズフィルタについて説明する。

　図１（ａ）〜（ｃ）を参照して、本伝送線路型ノイズフィルタは、直流電源７０と電気負荷部品としてのＬＳＩ８０との間に接続可能であり、到来する直流を通過させる一方、交流は減衰するための電子装置である。

　本伝送線路型ノイズフィルタは、第１導電体１１と、第２導電体２０と、第１陽極１２と、第２陽極１３とを有している。

　第１導電体１１は、伝送線路（ストリップ線路）に平行な第１方向Ｘの長さＬ、第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙの幅Ｗ、ならびに第１および第２方向Ｘ、Ｙに直交する第３方向Ｚの厚さｔを持っていると共に、板状を呈している。誘電体層３０は、第１導電体１１の第１方向Ｘにおける両端部を露出するようにして第１導電体１１の周囲に形成されていると共に、層状を呈している。第２導電体２０は、誘電体層３０の周囲に形成されていると共に、層状を呈している。第１陽極１２は、第１導電体１１の第１方向Ｘの一端に接続されている。第１陽極１２は、第１導電体１１を直流電源７０に接続可能である。第２陽極１３は、第１導電体１１の第１方向Ｘの他端に接続されている。第２陽極１３は、第１導電体１１をＬＳＩ８０に接続可能である。第２導電体２０はまた、基準電位としてのグラウンドに接続するための陰極として機能する。

　製品としての本伝送線路型ノイズフィルタにおいて、第１導電体１１は、例えば、長さＬが７．３または１５．０ｍｍ、幅Ｗが４．３または１１．０ｍｍである。

　第１および第２導電体１１、２０ならびに誘電体層３０は、容量形成部５０を構成している。

　第１導電体１１ならびに第１および第２陽極１２、１３は、金属板状のアルミエッチング箔１０として一体に構成されてもよい。

　第１陽極、第２陽極、および第２導電体（陰極）１２、１３、および２０はそれぞれ、回路基板９０上の第１、第２、および第３ランド４１、４２、および４３にそれぞれハンダ付けによって実装される。第１および第２ランド４１および４２はそれぞれ、直流電源７０の電源出力端子およびＬＳＩ８０の電源入力端子に接続されている。第３ランド４３は、直流電源７０およびＬＳＩ８０に共通の基準電位としてのグランド（図示せず）に接続されている。

　本伝送線路型ノイズフィルタは、電気的導通のために第１陽極、第２陽極、および第２導電体（陰極）１２、１３、および２０の電気的接続部または端子（図示せず）を除いて樹脂によってパッケージを施し、１つの電子デバイスとして構成してもよい。

　アルミエッチング箔１０の材料であるアルミニウムは、弁作用金属の１つである。尚、本発明において弁作用金属とは、酸化されることで当該酸化膜が弁作用をなす金属を指すものとする。したがって、誘電体層３０は、アルミニウムから成る第１導電体１１の酸化膜によって構成されている。誘電体層３０の厚さは例えば１μｍであるが、図１（ｂ）および（ｃ）では説明の便宜上実際よりもかなり分厚く描いている。また、第２導電体２０は、誘電体層３０上に順に形成された固体電解質層、グラファイト層、および銀塗料層によって構成されている。第２導電体２０の厚さは、例えば５０μｍであるが、図１（ｂ）および（ｃ）では分厚く描いている。

　アルミニウム箔をエッチングする理由は、これら弁作用金属表面を凹凸状とし、これら表面に形成される酸化膜である誘電体層の表面積を大きくし、この結果、高容量を得るためである。

　本発明において、弁作用金属としては、アルミニウムに限らず、タンタルやニオブであってもよい。この場合、第１導電体１１は、タンタルまたはニオブ粉末を真空中で焼結することによって形成されることが好ましい。これら焼結体は、凹凸表面を有し、比較的表面積が大きい。このため、焼結体の表面上に形成される誘電体層３０としての酸化膜の面積も比較的広い。したがって、伝送線路型ノイズフィルタが高容量となる。

　第１導電体１１の厚さｔは、第１導電体１１に流れる電流の直流成分によって生じる温度上昇を実質的に抑制するように設定されている。このことについて、以下に説明する。

　回路基板９０を介して直流電源７０とＬＳＩ８０との間に接続された本伝送線路型ノイズフィルタは、到来する直流を通過させる一方、交流は減衰する。即ち、金属板としてのアルミエッチング箔１０には、ＬＳＩ８０に供給される直流電流が流れる。

　直流電流は、第１ランド４１から入力され、第１陽極１２、第１導電体１１、および第２陽極１３を通過し、そして、第２ランド４２から出力される。この際に、アルミエッチング箔１０、特に、第１導電体１１においてジュール熱が発生する。このため、フィルタの温度が上昇する。伝送線路型ノイズフィルタの温度上昇は、ノイズフィルタの寿命が短くなるなどの問題を引き起こす。

　第１導電体１１の直流電流による温度上昇ならびに本発明によるその対策について、以下に説明する。

　図２は、第１導電体１１の模式図である。第１導電体１１は、長さＬ、幅Ｗ、および厚さｔを有している。直流電流は、図２から明らかなように、第１方向Ｘに流れる。

　第１導電体１１における発熱量は、第１導電体１１の電気抵抗値に比例する。第１導電体１１の平面形状または寸法を一定とした場合に、第１導電体１１の電気抵抗値は、厚さｔに反比例する。よって、第１導電体１１の厚さｔが厚いほど、第１導電体１１の発熱量は小さい。一方、第１導電体１１の厚さｔが厚いほど、放熱量は小さく、ノイズフィルタの温度が上昇する。本発明者等は、発熱量と放熱量とのバランスに基づいて、第１導電体１１の厚さｔの最適な範囲を見出した。より具体的には、第１導電体１１の厚さｔは、次のような実験を行うことにより求められた。

　図３は、幾つかの試料としての第１導電体１１の温度上昇に関する実験結果を示す。この実験では、第１導電体１１としての複数の試料は、アルミニウム純度９９．９６％のアルミエッチング箔から製造された。各試料は、長さＬが全て同じ１ｃｍ、幅Ｗが全て同じ１ｃｍ、そして厚さｔが異なる０．０１〜５．０ｍｍを有している。各試料に対して３０Ａの直流電流を各試料の温度が一定になるのに十分な６０秒間流し、各厚さｔと温度上昇との関係を調べた。この結果、図３から明らかなように、実質的に温度上昇を抑制するためにはアルミニウムから成る第１導電体１１の厚さｔは２．０ｍｍ以下が好ましいと云える。

　さらに、焼結したタンタルおよび焼結したニオブから成る第１導電体１１について、上記と同様の実験を行った。この実験結果も図３に示す。

　実験の結果、図３から明らかなように、温度上昇を抑制するためには、タンタルから成る第１導電体１１の場合には厚さｔは１．５ｍｍ以下が好ましい。また、ニオブから成る第１導電体１１の場合には厚さｔは１．０ｍｍ以下が好ましい。

　図４は、第１導電体１１の長さＬの、第１導電体１１の温度上昇と厚さｔとの関係への何らかの影響を検証するための他の実験の結果を示す。この実験では、第１導電体１１としての複数の試料は、アルミニウム純度９９．９６％のアルミエッチング箔から製造された。各試料は、長さＬが異なる０．５、１．０、２．０、４．０ｃｍ、幅Ｗが全て同じ１ｃｍ、そして厚さｔが異なる０．０１〜５．０ｍｍを有している。各試料に対して３０Ａの直流電流を各試料の温度が一定になるのに十分な６０秒間流し、各厚さｔと温度上昇との関係を調べた。この結果、図４から明らかなように、第１導電体の長さＬは温度上昇と厚さｔとの関係に殆ど影響しないことと、実質的に温度上昇を抑制するためにはアルミニウムから成る第１導電体１１の厚さｔは２．０ｍｍ以下が好ましいことが分かる。

　図５は、第１導電体１１の幅Ｗの、第１導電体１１の温度上昇と厚さｔとの関係への何らかの影響を検証するためのさらに他の実験の結果を示す。この実験では、第１導電体１１としての複数の試料は、アルミニウム純度９９．９６％のアルミエッチング箔から製造された。各試料は、長さＬが全て同じ１ｃｍ、幅Ｗが異なる０．２、０．５、１．０、１．５ｃｍ、そして厚さｔが異なる０．０１〜５．０ｍｍを有している。各試料に対して３０Ａの直流電流を各試料の温度が一定になるのに十分な６０秒間流し、各厚さｔと温度上昇との関係を調べた。この結果、図５から明らかなように、第１導電体の厚さｔが２．０ｍｍよりも厚い範囲においては温度上昇に第１導電体の幅Ｗの違いが影響しているものの、実質的に温度上昇を抑制するためにはアルミニウムから成る第１導電体１１の厚さｔは２．０ｍｍ以下が好ましいことが分かる。

　図６は、第１導電体１１に流す電流値の影響を検証するためのさらなる実験の結果を示す。この実験でも、第１導電体１１としての複数の試料は、アルミニウム純度９９．９６％のアルミエッチング箔から製造された。各試料は、長さＬが全て同じ１ｃｍ、幅Ｗが全て同じ１ｃｍ、そして厚さｔが異なる０．０１〜５．０ｍｍを有している。各試料に対して異なる５Ａ、１０Ａ、３０Ａの直流電流を６０秒間流し、各厚さｔと温度上昇との関係を調べた。この結果、図６から明らかなように、第１導電体の厚さｔが２．０ｍｍよりも厚い範囲においては温度上昇に電流値の違いが影響しているものの、実質的に温度上昇を抑制するためにはアルミニウムから成る第１導電体１１の厚さｔは２．０ｍｍ以下が好ましいと云える。

　尚、アルミニウム、タンタル、あるいはニオブ等から成る第１導電体１１の厚さｔは、機械的強度を確保する等の目的から、数μｍ以上であることが好ましい。

　以上幾つかの実施の形態によって本発明を説明したが、本発明の種々に変形は、当業者にとって当然のことである。

　例えば、本発明によるノイズフィルタをＬＳＩと接続かつ樹脂からなる共通パッケージ内に収容し、ノイズフィルタを有するＬＳＩチップとして構成してもよい。

（ａ）、（ｂ）、ならびに（ｃ）は、本発明の実施の形態による伝送線路型ノイズフィルタの構成を示す平面図、図１（ａ）の伝送線路型ノイズフィルタの１Ｂ−１Ｂ線における断面図、ならびに図１（ａ）の伝送線路型ノイズフィルタの１Ｃ−１Ｃ線における断面図である。第１導電体のサイズと温度上昇との関係を説明するための、本発明による伝送線路型ノイズフィルタにおける第１導電体の概念的な斜視図である。本発明による伝送線路型ノイズフィルタに用いられる第１導電体の温度上昇と厚さとの関係を異なる材質毎に検証した試験の結果を示すグラフである。本発明による伝送線路型ノイズフィルタに用いられる第１導電体の温度上昇、厚さ、および長さの関係を検証した他の試験の結果を示す他のグラフである。本発明による伝送線路型ノイズフィルタに用いられる第１導電体の温度上昇、厚さ、および幅の関係を検証したさらに他の試験の結果を示すさらに他のグラフである。本発明による伝送線路型ノイズフィルタに用いられる第１導電体の温度上昇および厚さと第１導電体に流される電流値の関係を検証したさらなる試験の結果を示すさらなるグラフである。

符号の説明

　１０　　アルミエッチング箔
　１１　　第１導電体
　１２　　第１陽極
　１３　　第２陽極
　２０　　第２導電体
　３０　　誘電体層
　４１　　第１ランド
　４２　　第２ランド
　４３　　第３ランド
　５０　　容量形成部
　７０　　直流電源
　８０　　ＬＳＩ（電気負荷部品）
　９０　　回路基板
　　Ｌ　　長さ
　　Ｗ　　幅
　　ｔ　　厚さ
　　Ｘ　　第１方向
　　Ｙ　　第２方向
　　Ｚ　　第３方向

Claims

　直流電源（７０）と電気負荷部品（８０）との間に接続可能であり、到来する直流（ＤＣ電流）を通過させる一方、交流（ＡＣ電流）は減衰するための伝送線路型ノイズフィルタであって、
　伝送線路に平行な第１方向（Ｘ）の長さ（Ｌ）、前記第１方向（Ｘ）に直交する第２方向（Ｙ）の幅（Ｗ）、ならびに前記第１および前記第２方向（Ｘ、Ｙ）に直交する第３方向（Ｚ）の厚さ（ｔ）を持つ板状を呈する第１導電体（１１）と、
　前記第１導電体（１１）上に形成された誘電体層（３０）と、
　前記誘電体層（３０）上に形成された第２導電体（２０）と、
　前記第１導電体（１１）の前記第１方向（Ｘ）の一端に接続されると共に、直流電源（７０）に接続するための第１陽極（１２）と、
　前記第１導電体（１１）の前記第１方向（Ｘ）の他端に接続されると共に、電気負荷部品（８０）に接続するための第２陽極（１３）とを有し、
　前記第２導電体（２０）は、基準電位に接続するための陰極として機能し、
　前記第１導電体（１１）、前記第２導電体（２０）、および前記誘電体層（３０）は、容量形成部（５０）を構成し、
　前記第１導電体（１１）の前記厚さ（ｔ）は、該第１導電体（１１）に流れる電流の直流成分によって生じる温度上昇を実質的に抑制するように設定されていることを特徴とする伝送線路型ノイズフィルタ。
　前記第１導電体（１１）は、弁作用金属から成り、
　前記誘電体層（３０）は、前記弁作用金属の酸化膜によって構成される請求項１に記載の伝送線路型ノイズフィルタ。
　前記弁作用金属は、アルミニウムであり、
　前記第１導電体（１１）の前記厚さ（ｔ）は、２．０ｍｍ以下である請求項２に記載の伝送線路型ノイズフィルタ。
　前記弁作用金属は、タンタルであり、
　前記第１導電体（１１）の前記厚さ（ｔ）は、１．５ｍｍ以下である請求項２に記載の伝送線路型ノイズフィルタ。
　前記弁作用金属は、ニオブであり、
　前記第１導電体（１１）の前記厚さ（ｔ）は、１．０ｍｍ以下である請求項２に記載の伝送線路型ノイズフィルタ。
　前記第１導電体（１１）ならびに前記第１および前記第２陽極（１２、１３）は、金属板によって一体に構成されている請求項１に記載の伝送線路型ノイズフィルタ。