JP2005175189A

JP2005175189A - プリント配線基板

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Publication number: JP2005175189A
Application number: JP2003412957A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Iguchi; 大介井口
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2023-12-11
Also published as: JP4385753B2

Abstract

【課題】電磁波放射を抑制し、ＧＨｚオーダーの信号を駆動する基板への適用を、低コスト且つ一般的なプリント基板の構造に対して若干の変更によって可能とするプリント配線基板を提供する。
【解決手段】プリント配線基板１０は、第１の信号配線層１２、第１のグランド層１４、第２のグランド層１６、第２の信号配線層１８が積層されてなり、信号配線１０２、１０４を接続するスルーホール１００が設けられている。第１のグランド層１４には電源線２６が、第２のグランド層１６には電源線３０が設けられ、電源線２６、３０の周囲には、誘電部材１１０、１１１が各々充填されている。第１のグランド層１４、導電層１５、第２のグランド層１６で構成されるグランド層１７にはスルーホール１０６が設けられ、スルーホール１００とスルーホール１０６との間には、誘電部材１１２が充填されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、プリント配線基板に係り、より詳しくは、パーソナルコンピューターや複写機、プリンタ、ファクシミリ等の電子機器に用いられるプリント配線基板に関する。

上記のような電子機器に用いられるプリント配線基板上におけるディジタル信号の伝送には、２値パルスの基本波の周波数に対して通常５倍以上の高調波成分まで十分に伝送できる必要がある。すなわち、ベースクロックが数百ＭＨｚ以上の高速なディジタル信号を伝送するには、ＧＨｚオーダーの高調波成分を考慮しなければならない。

プリント基板上におけるＧＨｚオーダーの信号伝送の阻害要因としては、誘電損失及び表皮効果によるものがあることが知られている。さらに、多層基板において異なる複数の層間を接続するためのビアホールを介して信号が複数の層を通過するときの損失も無視できない。

本発明者らの解析によれば、例えば２つの信号配線層の間に挟まれた電源層、グランド層などの複数の層をビアホールを介して信号が通過するときの減衰が特に著しい。これは以下の理由による。すなわち、プリント配線基板の信号の伝達では、信号配線を流れる信号電流の鏡像電流が、その信号配線層に隣接する電源層、グランド層などの参照面に見かけ上対称的に流れ、実際は信号電流と鏡像電流との間の電気力線の広がりに従って、参照面上にリターン電流が分布して流れる。そして、プリント配線基板の両面に配線された信号配線がビアホールによって複数の参照面を貫通するように接続された場合、リターン電流がこれらの参照面をまたがって流れることができない場合に信号電流が阻害され、減衰するのである。また、リターン電流が参照面を貫通して流れることができない場合、リターン電流が不完全になることにより遠方電磁界がキャンセルされないため、コモンモード放射が生じることが本発明者らの解析により明らかとなっている。なお、２つの参照面の間の結合が小さいほど信号の減衰は大きくなる。すなわち、２つの参照面の間隔が大きいほど信号の損失は大きくなる。

特許文献１には、電源層を主電源面とサブ電源面とに分割することで信号配線に流れる電流のリターン電流路が遮断されることに対して、対向する電源層とグランド層とをコンデンサにより接続し、高周波のリターン電流をグランド層へバイパスさせる技術が開示されている。

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、同一層に配置された主電源面及びサブ電源面を２個のコンデンサを用いて高周波的に接続することによりリターン電流をバイパスさせるため、コンデンサ自体が持つインダクタンス成分に加えて、コンデンサを電源層とグランド層との間で接続するためのビアホールや該ビアホールと配線を接続するためのパッドが持つインダクタンス成分がリターン電流路に直列に挿入されるため、例えば１ＧＨｚ以上の高周波領域においては十分に低いインダクタンスとすることができない。従って、インダクタンス成分が支配的になることにより、１ＧＨｚ以上の周波数成分の信号をバイパスすることができない、という問題があった。

発明者らによる特許文献２では、不要電磁波輻射を低減し、かつリターン電流が阻害されるのを防ぐことができるプリント配線基板を提案している。具体的には、信号配線を配線するための信号配線層、導電体によるグランド領域を有すると共に、少なくとも一方に電源配線を有する２つのグランド層を含むプリント配線基板において、２つのグランド層のグランド領域間が複数の導電性の層間接続手段で接続されたものである。

また、非特許文献１には、ＣＰＵ、ブリッジ、ＤＤＲメモリ等を含む領域について部分的に特許文献２に記載されたプリント配線基板と同様の構造、すなわちビアホールで密結合した２つのグランド面をもつ構造が記載されている。

このようなプリント配線基板では、信号伝達用のビアホールの近傍に、２つのグランド層の間を結ぶビアホールを配置するので、一般の多層プリント配線基板で問題となっている電源面とグランド面との間の共振による放射を抑え、低電磁波放射とすることができると同時に、２つのグランド層の間を接続するビアホールによってリターン電流の経路が確保されるため、高速伝送に適している。

しかしながら、詳細は後述するが、このようなプリント配線基板においてもＧＨｚオーダーにおける電磁波放射の抑制及び高速伝送の効果は限定的となる。

従来から問題となっている情報機器等の各種の電子機器から放射される電磁ノイズは、主にプリント配線基板上のクロック信号や、該クロック信号に同期したデジタル信号の信号線に起因するものと考えられており、このためプリント配線基板上の信号線や該信号線に接続されたワイヤーハーネス等に対して、様々な電磁放射防止対策が採られてきた。

例えば、信号出力線にダンピング抵抗又はフィルタを付加して出力信号の立ち上がり及び立ち下がりをなまらせたり、信号線の近傍にグランド電位とされたガードパターンを配置して帰還電流ループを小さくする等の対策が広く一般に行われている。

また、プリント配線基板において観測される電磁波には、信号線上の電流分布から予測されるものとは周波数分布が異なり、しかも信号線の性質とは無関係に特定の周波数で鋭いピークを有するものがある。この電磁波発生の主な要因は、特許文献３にも記載されているように、プリント配線基板の信号線ではなく電源系にあり、対向する電源層及びグランド層において発生する電気的共振にあることが知られている。

これに対して、特許文献３には、プリント配線基板の端部における共振電流の反射率を低下させるため、プリント配線基板の端部に複数の第１のコンデンサを配置すると共に、この第１のコンデンサとプリント配線基板上に実装されたＩＣ等の能動素子との間に流れるループ電流を抑制するための第２のコンデンサを能動素子の電源端子に、又はその近傍の電源層とグランド層との間に接続する技術が開示されている。

しかしながら、特許文献３に記載された技術では、コンデンサ自体及びコンデンサの実装によるインダクタンスがあるため、例えば周波数が約１ＧＨｚを越えるような高周波の共振電流に対しては効果がなく、また、低い周波数帯においても共振電流を完全になくすことはできず、プリント配線基板の端部から放射される電磁波を完全に抑制することができない、という問題があった。

また、特許文献４には、プリント配線基板の配線密度を向上させるために、ビアホールを二重構造にする、すなわち同軸構造にすることにより、ビアホールの径を極力小さくしつつ複数の配線を層間接続する技術が開示されている。具体的には、例えばメカニカル・ドリルにより外側スルーホールを穿設し、これにメッキ層を形成して樹脂充填体を充填し、配線層を形成し、絶縁樹脂層をラミネートし、フォトリソグラフィー技術によりビアホールを形成し、樹脂充填体を熱硬化した後、サイクルパルス法によりレーザパルスを照射して、絶縁樹脂層及び樹脂充填体を貫通させて内側スルーホールを形成する。

しかしながら、特許文献４に記載された技術では、信号配線同士を２重構造化するため、むしろクロストークが増大したり、インピーダンスが不安定化したりするなどの悪影響がでる場合がある、という問題があった。

前述したように、ＧＨｚオーダーで高速に信号を伝送する場合、ビアホールを介して信号が複数の層を通過するときの損失が無視できない。また、リターン電流が途切れることによるコモンモード放射の影響も大きい。本発明者らは、２つの参照面の距離が９００μｍの場合において、２つのビアホールを往復する信号の減衰を解析した。その結果、周波数が２ＧＨｚの信号成分で２．５ｄＢ減衰することが見込まれることが明らかとなり、ＧＨｚオーダーの伝送では実用にならないことが判った。信号配線層の間に２つのグランド層が挟まれた構造のプリント配線基板では、信号用のビアホールの近傍に複数のグランド層を接続する接続用のビアホールを設け、リターン電流が複数のグランド層を貫通して流れるようにすることである程度改善することができる。しかしながら、信号用のビアホールの近傍、例えば１．５ｍｍの距離に接続用のビアホールを設けた場合でも、ＧＨｚオーダーではリターン電流が回り込まず、改善効果は小さい。

特許文献１に記載されているように、電源層及びグランド層を内層として備えた構造のプリント配線基板では、コンデンサによりリターン電流のバイパスが行われるが、コンデンサ自体及びコンデンサを接続するビアホールのインダクタンスにより、１ＧＨｚを超える周波数成分のバイパス効果は著しく制限される。

また、非特許文献１に記載された４層基板では、配線を低インピーダンス化して高速化するため、コア厚を１．２ｍｍとしている。信号の減衰は、信号が貫通して流れる２つの層の層間距離に依存するため、上記４層基板では、信号が複数の層を貫通して流れることによる信号品質劣化及びコモンモード放射増大の影響はさらに大きいと思われる。

ところで、近年アルミ等の金属をベースとするプリント基板が実用化されているが、熱伝導性で実装部品や基板自体の温度上昇を防止し、かつベース自体の電磁シールド性で電磁波障害を防止しようというものである。

また、非特許文献２に示されるように、プリント基板上で高速な信号駆動を行うには、デバイスと接続する電源のグランドに対するインピーダンスが十分低く、駆動される配線のインピーダンスと整合することが望ましいことが近年知られている。
特開平１１−２３３９５１号公報特開２００３−１６３４６７号公報特許第３０３６６２９号公報特開２００１−２０３４５８号公報インテル社、「Intel Pentium(R) 4 Processor in 478-Pin Package and Intel 845 Chipset Platform for DDR - Design Guide」電子情報通信学会、「高速信号で電源用バイパスキャパシタに代わる伝送線路型電源の検討」、電子情報通信学会２００３年度大会論文集１２Ｃ−０７、ｐ８５−８６

しかしながら、従来の電源層とグランド層を有する基板においては、電源インピーダンスを制御することは困難であり、高速な信号駆動を行うのは困難である。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、電源層及びグランド層に起因する電磁波放射を抑制し、ベースクロックが１ＧＨｚ以上の高速動作する回路基板への適用を、低コスト且つ一般的なプリント基板の構造に対して若干の変更によって可能とするプリント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、請求項１記載の発明は、配線層、第１のグランド層及び第２のグランド層が積層されたプリント配線基板において、前記第１のグランド層及び前記第２のグランド層の少なくとも一方に設けられた電源配線と、前記配線層に接続され、前記第１のグランド層及び前記第２のグランド層を貫通する導電性の層間接続手段と、前記第１のグランド層と前記第２のグランド層との間に設けられ、前記第１のグランド層と前記第２のグランド層とを導電接続する導電領域を、少なくとも前記電源配線の周囲及び前記層間接続手段の周囲に備えた導電層と、前記電源配線の周囲に設けられ、前記電源配線と前記導電領域とを絶縁する第１の誘電部材と、前記層間接続手段の周囲に設けられ、前記層間接続手段と前記層間接続手段の周囲に設けられた導電領域とを絶縁する第２の誘電部材と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、２つのグランド層の間に、これらを導電接続する導電領域を、少なくともグランド層に設けられた電源配線の周囲及び層間接続手段の周囲に備えた導電層を備えると共に、電源配線の周囲及び層間接続手段の周囲には誘電部材が設けられている。

このように、二つのグランド層が導電層によって導通するように構成されているため、リターン電流が途切れるのを防ぐことができ、ＧＨｚオーダーの信号でも信号が減衰するのを防ぐことができると共に、コモンモード電流による電磁波放射が発生するのを抑制することができる。これにより信号の高速駆動が可能となる。

また、電源配線とグランド層との間に誘電部材が設けられ、この誘電部材によって電源配線とグランド層とを絶縁する構成にしているため、誘電部材を介してグランドに対して低インピーダンスの電源、すなわち、信号の高速駆動を可能とする電源を得ることができる。また、電源配線をグランド電位に対して強く容量結合させることができるため、例えば信号配線がこの配線層と隣接するグランド層の電源配線をまたぐように存在する場合において、その信号配線にＧＨｚオーダーの高周波信号が流れる場合でも、その信号に対するリターン電流が途切れることがなく、信号伝送特性を向上させることができる。

なお、請求項２に記載したように、前記導電領域が、前記導電層全体に亘って設けられた構成としすることができる。この場合、第１のグランド層と第２のグランド層とを良好に導電接続することができる。また、誘電体層を加工して導電物質の領域を多数作る必要がなく加工性も向上する。

また、請求項３に記載したように、前記第１のグランド層、前記導電層、及び前記第２のグランド層が、単一の導電性部材で一体化されて構成されるようにしてもよい。これにより、プリント配線基板の構造を簡略化することができると共に、低コストで作製することができる。

請求項４記載の発明は、前記層間接続手段及び前記層間接続手段の周囲の前記導電領域に関する特性インピーダンスと前記配線層の配線に関する特性インピーダンスが略同一となるように、前記層間接続手段の外径及び前記層間接続手段の周囲の前記導電領域の内径の少なくとも一方が調整されていることを特徴とする。

この発明によれば、層間接続手段の外径及び層間接続手段の周囲の導電領域の内径の少なくとも一方を調整することにより、層間接続手段及び層間接続手段の周囲の導電領域に関する特性インピーダンスと配線層の配線に関する特性インピーダンスを略同一とする。これにより、信号の反射等による信号品質の劣化や定在波の発生による電磁波放射の発生等を抑えることができる。

請求項５記載の発明は、前記層間接続手段及び前記層間接続手段の周囲の前記導電領域に関する特性インピーダンスと前記配線層の配線に関する特性インピーダンスが略同一となるように、前記第２の誘電部材の誘電率が調整されていることを特徴とする。

この発明によれば、第２の誘電部材の誘電率を調整することにより、層間接続手段の外径及び層間接続手段の周囲の導電領域の内径の少なくとも一方を調整するのと同様に、層間接続手段及び層間接続手段の周囲の導電領域に関する特性インピーダンスと配線層の配線に関する特性インピーダンスを略同一とすることができる。これにより、信号の反射等による信号品質の劣化や定在波の発生による電磁波放射の発生等を抑えることができる。

以上説明したように、本発明によれば、電源層及びグランド層に起因する電磁波放射を抑制し、ベースクロックが１ＧＨｚ以上の高速動作する回路基板への適用を、低コスト且つ一般的なプリント基板の構造に対して若干の変更によって可能とすることができる、という効果を有する。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について説明する。

図１（Ａ）には、本実施形態に係るプリント配線基板１０の概略断面図が示されている。図１（Ａ）に示すように、プリント配線基板１０は、第１の信号配線層１２、第１のグランド層１４、導電層１５、第２のグランド層１６、第２の信号配線層１８が積層された多層基板となっている。第１の信号配線層１２と第１のグランド層との間及び第２のグランド層１６と第２の信号配線層１８との間は絶縁材２０により絶縁されている。

図１（Ｂ）には、プリント配線基板１０を第１のグランド層１４側から見た平面図を示した。なお、同図においては、便宜上絶縁材２０を透過させた状態として示している。また、図１（Ａ）は、図１（Ｂ）のＡ−Ａ断面図である。

図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、プリント配線基板１０には、この基板を貫通する円柱状の導電性のスルーホール１００が設けられている。また、第１の信号配線層１２には、導電性の第１の信号配線１０２が、第２の信号配線層１８には、導電性の第２の信号配線１０４が形成されており、信号配線１０２と信号配線１０４とはスルーホール１００を介して接続（導通）されている。

導電性の第１のグランド層１４と第２のグランド層１６とは、導電性の導電層１５を挟んで対向して配置された構造となっている。従って、第１のグランド層１４と第２のグランド層１６とは略同電位（グランド電位）となる。これにより、第１のグランド層１４、導電層１５、及び第２のグランド層１６によってグランド層１７が構成される。

導電層１５は、例えば金属微粒子を拡散したフィラー系導電性樹脂やアルミ等の金属材料等で構成することができる。なお、これらの材料に限らず、導電性を有するものであれば他の材料で構成されていてもよい。

第１のグランド層１４には、電源線２６が設けられている。この電源線２６は、例えば図示しないスルーホール等を介して第１の信号配線層１２上に設けられた図示しない電源配線に接続される。そして、この電源配線に供給された電源が、基板上に搭載されたＩＣ等の各種部品に供給される。

電源線２６の周囲には、誘電部材１１０が充填されている。この誘電部材１１０により、電源線２６と、第１のグランド層１４及び導電層１５とが絶縁される。

同様に、第２のグランド層１６には、電源線３０が設けられており、電源線３０の周囲には、誘電部材１１１が設けられている。この誘電部材１１１により、電源線３０と、第２のグランド層１６及び導電層１５とが絶縁される。

また、第１のグランド層１４、導電層１５、及び第２のグランド層１６で構成されるグランド層１７には、図１（Ｂ）に示すように、内径ｒ２の円柱状のスルーホール１０６が設けられており、スルーホール１０６の内径ｒ２は、スルーホール１００の外径ｒ１よりも大きくなっている。すなわち、スルーホール１００は、グランド層１７に囲まれており、これにより基板を貫通する同軸構造の伝送路が構成される。また、スルーホール１００とスルーホール１０６との間には、誘電部材１１２が充填されている。これにより、スルーホール１００とグランド層１７とが絶縁される。

誘電部材１１０、１１、１１２としては、例えば一般のガラスエポキシ、高速用ガラスセラミック、超高速誘電率材であるガラスクロス基材等を用いることができる。

図７には、従来におけるプリント配線基板２００を示した。図７に示すように、第１のグランド層２０２と第２のグランド層２０４とが接続されない場合において、信号配線２０６を流れる信号が第１のスルーホール２０８により第１のグランド層２０２及び第２のグランド層２０４をまたがって信号配線２１０側に流れる場合、リターン電流が途切れる。これにより、特にＧＨｚオーダーでの信号伝送特性が悪化し、第１のグランド層２０２及び第２のグランド層２０４をまたがって信号が流れることで信号が減衰してしまうと共に、リターン電流が途切れることによって誘起されるコモンモード電流による電磁波放射が発生する。

これに対し、本実施形態に係るプリント配線基板１０では、第１のグランド層１４と第２のグランド層１６との間に導電層１５が設けられ、第１のグランド層１４と第２のグランド層１６とが導通するように構成されているため、リターン電流が途切れるのを防ぐことができ、ＧＨｚオーダーの信号でも信号が減衰するのを防ぐことができると共に、コモンモード電流による電磁波放射が発生するのを抑制することができる。これにより信号の高速駆動が可能となる。

また、電源線２６と第１のグランド層１４との間に誘電部材１１０が設けられ、この誘電部材１１０によって電源線２６と第１のグランド層１４とを絶縁する構成にしているため、誘電部材１１０を介してグランドに対して低インピーダンスの電源、すなわち、信号の高速駆動を可能とする電源を得ることができる。また、電源線２６は、グランド電位に対して強く容量結合することとなるため、電源線２６をまたぐような信号配線が第１の信号配線層１２上に存在する場合において、その信号配線にＧＨｚオーダーの高周波信号が流れる場合でも、その信号に対するリターン電流が途切れることがなく、信号伝送特性を向上させることができる。なお、電源線３０と第２のグランド層１６との間にも誘電部材１１１が設けられているが、これについても上記と同様である。

ところで、スルーホール１００の外径ｒ１及びスルーホール１０６の内径ｒ２を変化させることにより、スルーホール１００及びグランド電位となるスルーホール１０６から成る同軸構造の伝送路に関する特性インピーダンスＺを制御することができる。特性インピーダンスＺは、次式で表される。

ここで、μはスルーホール１００とスルーホール１０６との間の誘電部材１１２の透磁率、εはスルーホール１００とスルーホール１０６との間の誘電部材１１２の誘電率である。

すなわち、透磁率μ、誘電率εが一定である場合、スルーホール１００及びスルーホール１０６に関する特性インピーダンスは、スルーホール１００の外径ｒ１及びスルーホール１０６の内径ｒ２に依存する。

従って、スルーホール１００及びスルーホール１０６に関する特性インピーダンスが、第１の信号配線１０２、第２の信号配線１０４、及びこれらの信号配線に接続されるデバイスの入出力特性等から予め求められる特性インピーダンスと略一致するように、スルーホール１００の外径ｒ１及びスルーホール１０６の内径ｒ２を設定することが好ましい。（１）式から明らかなように、特性インピーダンスＺを上げたい場合には、スルーホール１００の外径ｒ１を小さくするかスルーホール１０６の内径ｒ２を大きくすればよく、特性インピーダンスＺを下げたい場合には、スルーホール１００の外径ｒ１を大きくするかスルーホール１０６の内径ｒ２を小さくすればよい。このように、スルーホール１００の外径ｒ１及びスルーホール１０６の内径ｒ２の少なくとも一方を調整して信号伝送路のインピーダンスを整合させることにより、ＧＨｚオーダーの信号でも、信号の反射による信号品質の劣化をより抑えることができる。

また、透磁率μ、スルーホール１００の外径ｒ１、及びスルーホール１０６の内径ｒ２が一定である場合、スルーホール１００及びスルーホール１０６に関する特性インピーダンスは、誘電率εに依存する。

従って、スルーホール１００及びスルーホール１０６に関する特性インピーダンスが、第１の信号配線１０２、第２の信号配線１０４、及びこれらの信号配線に接続されるデバイスの入出力特性等から予め求められる特性インピーダンスと略一致するような誘電率の誘電部材１１２を用いてもよい。例えば、誘電率を低くすることにより、スルーホール１００の外径ｒ１を小さくするかスルーホール１０６の内径ｒ２を大きくするのと同様に特性インピーダンスＺを上げることができ、誘電率を高くすることにより、スルーホール１００の外径ｒ１を大きくするかスルーホール１０６の内径ｒ２を小さくするのと同様に特性インピーダンスＺを下げることができる。このように、スルーホール１００とスルーホール１０６との間の誘電部材１１２の誘電率を調整して信号伝送路のインピーダンスを整合させることにより、ＧＨｚオーダーの信号でも、信号の反射による信号品質の劣化をより抑えることができる。

プリント配線基板１０の製造方法としては、まず、導電層１５に、誘電部材１１０を充填するための凹部をエッチングや切削等の公知の手法を用いて形成し、誘電部材１１０を充填する。誘電部材１１０の形成には、熱的手段、化学的手段、機械的手段の何れの方法を用いてもよい。ここで、熱的手段とは、例えば導電層１５に熱硬化性の導電性樹脂を用いた場合に、充填された誘電部材１１０に熱を供給して熱硬化させる手段であり、化学的手段とは、誘電部材１１０を化学反応により硬化させる手段であり、機械的手段とは、例えば固体の誘電部材１１０を用いた場合に、導電層１５に形成した凹部に誘電部材１１０を嵌め合わせる手段等をいう。なお、誘電部材１１１についても同様である。

誘電部材１１０、１１１を導電層１５に形成した後、従来の一般的なプリント配線基板の製造方法と同様に、２つの第１のグランド層１４及び第２のグランド層１６を形成する金属を導電層１５の両側に形成し、エッチング等の手段によって不要部分の金属を除去し、電源線２６、３０を形成する。

スルーホール１００、１０６の形成には、例えば前記特許文献４に記載された方法を用いることが可能である。また、この方法に限らず、グランド層１７を形成した後、ドリル、レーザー等の切削手段で第１の貫通穴を形成し、前記第１の貫通穴にメッキを施してスルーホール１０６を形成し、このスルーホール１０６に誘電部材１１２を充填した後、第１のグランド層１４に第１のプリプレグ層及び第１の信号配線層１２、第２のグランド層１６に第２のプリプレグ層及び第２の信号配線層１８を積層し、誘電部材１１２が充填された領域に前記切削手段で第２の貫通穴を形成し、前記第２の貫通穴にメッキを施してスルーホール１００を形成し、このスルーホール１００と接続されるように第１の信号配線層１２上に第１の信号配線１０２を、第２の信号配線層１８上に第２の信号配線１０４を形成することによりプリント配線基板１０を作製することができる。

このように、従来の多層プリント配線基板とほとんど変わらないプロセスにより、大きなコストアップを伴うことなくプリント配線基板１０を作製することができる。

また、本発明は、例えば特許文献２及び非特許文献１に記載されたようなプリント配線基板にも適用可能であるが、特許文献２に記載されてたプリント配線基板のように２つのグランド層を接続する多数のビアホールは必要ない。

図２には、本発明を適用したプリント配線基板の具体例を示した。図２（Ａ）に示すように、プリント配線基板１６０は、第１の信号配線層１２、第１のグランド層１４、第２のグランド層１６、第２の信号配線層１８が絶縁材２０を介して積層された多層構造の４層基板となっている。

図２（Ｂ）には、第１のグランド層１４の平面図が示されている。なお、図２（Ａ）は、図２（Ｂ）のＡ−Ａ断面図である。

図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第１のグランド層１４と第２のグランド層１６との間には、導電層１５が設けられている。これにより、第１のグランド層１４と第２のグランド層１６とを略同電位とすることができる。

また、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、第１のグランド層１４には、グランドパターン２４及び線状の電源線２６が分離独立して形成されている。第２のグランド層１６には、グランドパターン２８及び線状の電源線３０が分離独立して形成されている。

また、電源線２６及び電源線３０は、基板端部からグランドパターン２４を挟んで内側に形成されている。

電源線２６と、グランドパターン２４及び導電層１５との間には、誘電部材１１０が設けられており、電源線３０と、グランドパターン２８及び導電層１５との間には、誘電部材１１１が設けられている。

電源線２６と電源線３０とは、ビアホール３２により層間接続されている。電源線２６には、例えば第１の信号配線層１２上に実装される直流電圧電源３４のプラス端子がビアホール３５を介して接続される。直流電圧電源３４のマイナス端子は、ビアホール３７を介してグランドパターン２４に接続される。これにより、電源線２６及び電源線３０には、直流電圧電源３４から所定の直流電圧Ｖｃｃが印加される。

また、第１の信号配線層１２には、動作周波数や信号周波数が高周波（例えば数ＧＨｚ）であるＩＣ（例えばデジタルＩＣ）３６、３８、４０，４２が実装されている。ＩＣ３６の電源端子３６Ｖは、接続パターン４４、ビアホール４６を介して電源線２６と接続されており、ＩＣ３６のグランド端子３６Ｇは、ビアホール４８を介して第１のグランド層１４と接続されている。これにより、電源端子３６Ｖに、電源線２６から直流電圧Ｖｃｃが供給され、ＩＣ３６が動作可能となる。

ＩＣ３８の電源端子３８Ｖは、接続パターン５０、ビアホール５２を介して電源線３０と接続されており、ＩＣ３８のグランド端子３８Ｇは、ビアホール５４を介して第１のグランド層１４と接続されている。これにより、電源端子３８Ｖに、電源線３０から直流電圧Ｖｃｃが供給され、ＩＣ３８が動作可能となる。

ＩＣ４０の電源端子４０Ｖは、接続パターン５６、ビアホール５８を介して電源線２６と接続されており、ＩＣ４０のグランド端子４０Ｇは、ビアホール６０を介して第１のグランド層１４と接続されている。これにより、電源端子４０Ｖに、電源線２６から直流電圧Ｖｃｃが供給され、ＩＣ４０が動作可能となる。

ＩＣ４２の電源端子４２Ｖは、接続パターン６２、ビアホール６４を介して電源線３０と接続されており、ＩＣ４２のグランド端子４２Ｇは、ビアホール６６を介して第１のグランド層１４と接続されている。これにより、電源端子４２Ｖに、電源線３０から直流電圧Ｖｃｃが供給され、ＩＣ４２が動作可能となる。

また、ＩＣ３６の信号端子３６Ｓ₁は、スルーホール１００Ａを介して第２の信号配線層１８に形成された線状の信号配線７０の一端と接続されている。信号配線７０の他端は、スルーホール７２を介してＩＣ３８の信号端子３８Ｓ₁と接続されている。

スルーホール１００Ａは、グランド層１７に形成された円柱状のスルーホール１０６Ａにより覆われると共に、スルーホール１００Ａとスルーホール１０６Ａとの間には、誘電部材１１２Ａが充填されている。同様に、スルーホール１００Ｂは、グランド層１７に形成された円柱状のスルーホール１０６Ｂにより覆われると共に、スルーホール１００Ｂとスルーホール１０６Ｂとの間には、誘電部材１１２Ｂが充填されている。このため、例えばＩＣ３６の信号端子３６Ｓ₁から、スルーホール１００Ａ、信号配線７０、スルーホール１００Ｂを経由してＩＣ３８の信号端子３８Ｓ₁に出力される場合のように、複数の層をまたがって信号が流れる場合でも、信号品質が劣化するのを抑えることができると共に、電磁波放射を抑制することができる。

ＩＣ３６の信号端子３６Ｓ₂は、スルーホール７４を介して第２の信号配線層１８に形成された線状の信号配線７６の一端と接続されている。信号配線７６の他端は、スルーホール７８を介してＩＣ３８の信号端子３８Ｓ₂と接続されている。これにより、ＩＣ３６とＩＣ３８との間で信号の授受が可能となる。

さらに、ＩＣ４０の信号端子４０Ｓ₁は、信号配線８０によりＩＣ４２の信号端子４２Ｓ₁と接続されており、ＩＣ４０の信号端子４０Ｓ₂は、信号配線８２によりＩＣ４２の信号端子４２Ｓ₂と接続されている。これにより、ＩＣ４０とＩＣ４２との間で信号の授受が可能となる。

このように、プリント配線基板１０は、第１のグランド層１４及び第２のグランド層１６と対向する電源層が存在せず、第１のグランド層１４に電源線２６が、第２のグランド層１６に電源線３０が形成されているため、電源層とグランド層との間の共振による電磁波放射が生じることがなく、また、内層に電源線を設けているため、信号配線層の実装密度を高めることができる。さらに、電源線２６と、グランドパターン２４及び導電層１５との間には、誘電部材１１０が設けられており、電源線３０と、グランドパターン２８及び導電層１５との間には、誘電部材１１１が設けられているため、グランドに対して低インピーダンスの電源を得ることができ、信号の高速駆動が可能となる。また、電源線とグランドパターンとが強く容量結合することにより、信号配線を流れる信号電流が高周波であっても、そのリターン電流が途切れることがなく、電磁波放射をより効果的に防ぐことができる。また、特許文献２に示される技術のように、信号配線が電源配線をまたがるのを避ける必要が無く、配線設計の自由度を高くすることができる。

なお、本実施形態では、導電層１５は、プリント配線基板１０を平面視した場合における誘電部材１１０、１１１が形成された部分を除く全ての領域において、第１のグランド層１４及び第２のグランド層１６と接続されるように導電領域が形成された場合について説明したが、図３に示すプリント配線基板１０Ａのように、プリント配線基板１０を平面視した場合における電源線２６、３０の周囲及びスルーホール１０６の周囲のみに、第１のグランド層１４と第２のグランド層１６とを接続する導電領域１２０を形成し、その他の領域を絶縁材２０で構成するように構成してもよい。これにより、導電層１５の導電領域を少なくすることができ、低コストで作製可能となる。

また、図４に示すプリント配線基板１０Ｂのように、所定の剛性を有する導電性部材を用いて導電層１５を形成し、第１のグランド層１４及び第２のグランド層１４を省略した構成としてもよい。これにより、導電層１５がグランド層として機能する。このようなプリント配線基板１０Ｂは、第１のグランド層１４及び第２のグランド層１４を形成する工程を省略することにより、前述した製造方法とほぼ同様の製造方法で作製することができる。このため、プリント配線基板の構造を簡単にすることができると共に、低コストで作製することができる。

なお、本実施形態では、信号電流がスルーホール１００を介して二つのグランド層をまたがって流れる場合について説明したが、信号電流に限らず、電源電流が流れる場合にも本発明を適用可能であり、本発明の効果を得ることができる。

（実施例）
次に、本発明の実施例について説明する。図５には、図１に示したプリント配線基板１０や図７に示す従来構造のプリント配線基板２００等における信号の減衰量と周波数との関係をＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain Method）法によりシミュレーションした結果を示した。また、図６（Ａ）には、図７に示す従来構造のプリント配線基板における遠方電界についてＦＤＴＤ法によりシミュレーションした結果を、図６（Ｂ）には、図１に示したプリント配線基板１０における遠方電界についてＦＤＴＤ法によりシミュレーションした結果をそれぞれ示した。

プリント配線基板１０におけるシミュレーションの条件として、第１のグランド層１４と第２のグランド層１６との間隔は０．９ｍｍ、第１の信号配線層１２上の第１の信号配線１０２、第２の信号配線層１８の第２の信号配線１０４は幅が０．５ｍｍ、信号配線１０２と第１のグランド層１４との間隔及び信号配線１０４と第２のグランド層１６との間隔は０．３ｍｍのマイクロストリップ線路とした。また、スルーホール１００の外径は０．５ｍｍ、スルーホール１０６の内径は２ｍｍとした。絶縁材２０等の誘電体の誘電率εは全て４．７、配線等の金属部分はすべて完全導体とした。他のプリント配線基板の条件についても略同様である。

図５に示す「従来構造」は、図７に示すプリント配線基板２００のシミュレーション結果である。「近傍ビア」は、図７に示すプリント配線基板２００のスルーホール２０８から２．５ｍｍ離間した位置にスルーホール２０８と同径のビアホールを第１のグランド層２０２と第２のグランド層２０４との間に設けたプリント配線基板のシミュレーション結果である。「単一面」は、単一のグランド層が第１の信号配線層と第２の信号配線層との間に挟まれた構造のプリント配線基板のシミュレーション結果である。なお、スルーホールの穴径は２ｍｍ、マイクロストリップ線路、すなわち第１の信号配線層に形成された信号配線及び第２の信号配線層に形成された信号配線の幅は０．５ｍｍ、マイクロストリップ線路の高さ、すなわち第１の信号配線層とグランド層との距離、及び第２の信号配線層とグランド層との距離はともに０．３ｍｍである。「新構造」は、図１に示した本発明に係るプリント配線基板１０のシミュレーション結果である。

なお、配線及びグランド層の端部はＭｕｒ１次の吸収境界条件としてシミュレーションを行った。

図５は、信号が第１の信号配線層から第２の信号配線層へスルーホールを介して流れた場合における信号の減衰量と周波数との関係を示している。

図５に示すように、「従来構造」では、信号の周波数が２〜３ＧＨｚで最大約１．４ｄＢ減衰し、信号が往復して２個のスルーホールを通ると減衰は２．８ｄＢにもなり、ＧＨｚオーダーの信号伝送では実用に耐えないといえる。

「近傍ビア」では、「従来構造」に比べて改善されるものの、その効果は０．２dB程度にすぎない。

これに対して、本発明に係るプリント配線基板１０のシミュレーション結果である「新構造」では、「従来構造」、「近傍ビア」と比較して減衰量が減少すると共に、単一のグランド層でリターン電流が途切れることがない構造のプリント配線基板のシミュレーション結果である「単一面」と比較して、ほぼ同じ減衰量となっている。

発明者らによる解析の結果、「従来構造」で示す従来構造のプリント配線基板における信号の減衰量は、２つのグランド層の間隔に略比例して大きくなることが判っている。すなわち、単一のグランド層では問題とならないが、グランド層が２つの場合は、その間隔によって信号の減衰量が変化するのである。これに対し、「新構造」で示す本発明に係るプリント配線基板は、「単一面」で示す単一のグランド層を備えたプリント配線基板のシミュレーション結果との比較に示されるとおり、２つのグランド層の間隔によらず良好な信号伝達特性が得られている。

すなわち、信号配線の低インピーダンス化のために外層である第１の信号配線層と第１のグランド層との間隔や、第２の信号配線層と第２のグランド層との間隔を小さくすると、基板の反りや部品実装時の半田による熱の影響を回避するために、一般のプリント基板では第１のグランド層と第２のグランド層との間隔を大きくしなければならないが、本発明に係るプリント配線基板では信号伝達特性への悪影響がなく、ＧＨｚオーダーの高速伝送に適したものといえる。

図６（Ａ）には、図７に示す従来構造のプリント配線基板２００において、信号が複数の層をまたがって流れる場合における電磁波放射の変化を表すものとして、遠方電界の水平偏波及び垂直偏波をシミュレーションした結果を、図６（Ｂ）には、第１実施形態で説明したプリント配線基板１０において、上記と同様に遠方電界の水平偏波及び垂直偏波をシミュレーションした結果をそれぞれ示した。両者とも、プリント配線基板を水平に設置し、水平方向から観測する１ＧＨｚの遠方電磁界をシミュレーションした。

図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、従来構造のプリント配線基板では、水平偏波面の電界強度が、本発明に係るプリント配線基板１０よりも約１１ｄＢ大きいことが判る。これは、複数のグランド層を信号がまたがって流れるときのリターン電流が途切れることによって生じる水平方向のコモンモード電流が電磁波放射にとって支配的であることによる。

なお、本シミュレーションでは計算を発散させないようにするため、２つのグランド層の端部にはＭｕｒ１次の吸収境界条件を用いており、信号伝達用のビアホールによる電磁界が例えば内層として設けられた電源層とグランド面との間の電磁界とカップリングする実際の場合とでは、本発明に係るプリント配線基板との違いがさらに大きくなる。これは、例えば「多層プリント板におけるビア配線と不要輻射との関連」（電子情報通信学会総合大会、 B-4-2 2002-3）に示されるように、ビアホールを流れる高周波電流により例えば内層として設けられた電源層とグランド層との間の共振が励起されるため、電磁波放射が増大するものである。しかしながら、本発明に係るプリント配線基板では原理的にこのような悪影響は生じない。

すなわち、本発明によって、複数のグランド層を貫通するスルーホールにより信号品質劣化を抑制し、プリント配線基板上のＧＨｚオーダーの超高速伝送に対応することが可能となる。同時に、コモンモードノイズのさらなる抑制も可能であり、低ＥＭＩにも寄与する。また、本発明は、プリント配線基板自体の構造を一般的なものに対して大きく変更する必要がなく、電磁波放射対策部品を減らすことができ、コストダウンを図ることができる。

さらに、本発明によれば、電源配線を非常に低インピーダンスで構成することができるため、高速で信号を駆動するデバイスに対し、低インピーダンスで高速のトランジェント電流を供給することが可能になり、ＧＨｚオーダーの信号処理を行うのに適している。また、本発明による電源配線はグランド層と密に容量結合をしているため、この電源配線を跨る高速な信号配線の帰還電流が高周波的に途切れることが無く、信号品質の向上も可能となる。また、特許文献２に記載されたプリント配線基板のように多数のグランド間を接続するためのビアホールを設ける必要が無く、電源配線上を避けて信号配線を置く必要もないなど、実装面積の節約と配線の自由度を損なうことがない等の利点がある。

さらに、本発明は、プリント配線基板自体の構造を一般的なものに対して大きく変更する必要がなく、電磁波放射対策部品をむしろ減らすことができるため、コストダウンも可能となる。

なお、上記のシミュレーション結果は、信号の伝達のみならず、電源の高速な過渡的電流の伝達特性にも同様にあてはまるものである。

（Ａ）は、（Ｂ）に示す本発明に係るプリント配線基板のＡ−Ａ断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の概略平面図である。（Ａ）は、（Ｂ）に示す本発明の具体例に係るプリント配線基板のＡ−Ａ断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の概略平面図である。本発明の変形例に係るプリント配線基板の断面図である。本発明の変形例に係るプリント配線基板の断面図である。各プリント配線基板における信号の減衰量と周波数との関係についてシミュレーションした結果を示す線図である。（Ａ）は従来構造のプリント配線基板における遠方電界についてシミュレーションした結果を示す線図、（Ｂ）は本発明に係るプリント配線基板における遠方電界についてシミュレーションした結果を示す線図である。（Ａ）は、（Ｂ）に示す従来におけるプリント配線基板のＡ−Ａ断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の概略平面図である。

符号の説明

１０、１０Ａ、１０Ｂプリント配線基板
１２第１の信号配線層
１４第１のグランド層
１５導電層
１６第２のグランド層
１７グランド層
１８第２の信号配線層
２０絶縁材
２６、３０電源線
１００、１０６スルーホール
１０２第１の信号配線
１０４第２の信号配線
１１０、１１１、１１２誘電部材

Claims

配線層、第１のグランド層及び第２のグランド層が積層されたプリント配線基板において、
前記第１のグランド層及び前記第２のグランド層の少なくとも一方に設けられた電源配線と、
前記配線層に接続され、前記第１のグランド層及び前記第２のグランド層を貫通する導電性の層間接続手段と、
前記第１のグランド層と前記第２のグランド層との間に設けられ、前記第１のグランド層と前記第２のグランド層とを導電接続する導電領域を、少なくとも前記電源配線の周囲及び前記層間接続手段の周囲に備えた導電層と、
前記電源配線の周囲に設けられ、前記電源配線と前記導電領域とを絶縁する第１の誘電部材と、
前記層間接続手段の周囲に設けられ、前記層間接続手段と前記層間接続手段の周囲に設けられた導電領域とを絶縁する第２の誘電部材と、
を備えたことを特徴とするプリント配線基板。
前記導電領域が、前記導電層全体に亘って設けられたことを特徴とする請求項１記載のプリント配線基板。
前記第１のグランド層、前記導電層、及び前記第２のグランド層が、単一の導電性部材で一体化されて構成されたことを特徴とする請求項２記載のプリント配線基板。
前記層間接続手段及び前記層間接続手段の周囲の前記導電領域に関する特性インピーダンスと前記配線層の配線に関する特性インピーダンスが略同一となるように、前記層間接続手段の外径及び前記層間接続手段の周囲の前記導電領域の内径の少なくとも一方が調整されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のプリント配線基板。
前記層間接続手段及び前記層間接続手段の周囲の前記導電領域に関する特性インピーダンスと前記配線層の配線に関する特性インピーダンスが略同一となるように、前記第２の誘電部材の誘電率が調整されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のプリント配線基板。