JP2006278718A - 多層プリント配線板 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＥＭＩ対策部品等の追加を抑え、高周波ノイズを効果的に除去することのできる多層プリント配線板を得る。
【解決手段】 多層プリント配線板内に、表面と裏面とを貫通する貫通孔を設けると共に、その貫通孔に絶縁性の軟磁性複合体２を充填する。更に、絶縁性の軟磁性複合体２にスルーホール３を設け、このスルーホール３と配線パターン４とを接続し、配線パターン４に、ノイズを抑制する対象となる配線を接続する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、情報処理装置や通信装置などの電子機器に用いられる２層以上の層数を有する多層プリント配線板に関し、特に、信号あるいは電源に重畳する高周波ノイズを効果的に除去し、半導体デバイスの動作の信頼性確保とＥＭＩ（Electromagnetic Interference；電磁波妨害）抑制を目的としたノイズ除去構造を有した多層プリント配線板に関するものである。

近年、電子機器の高速・高性能化の進展に伴って電子機器に使用される半導体デバイスの動作周波数が高まり、ＬＳＩ等の半導体デバイスから多層プリント配線板の電源分配回路に漏れ出る高周波ノイズが増加する傾向にある。このような高周波ノイズが、多層プリント配線板上の近隣しているＬＳＩに伝わると、電磁干渉や高周波電源変動を発生させ、半導体デバイスの動作の信頼性を損なう要因ともなる。

また、上記の高周波ノイズは多層プリント配線板の電源分配回路やグランド、配線パターンを介し複雑なループを形成することにより外部に放射電磁波を発生させたり、多層プリント配線板から電子機器に接続されている電源やＬＡＮ等のケーブルに伝導し、ケーブルを放射媒体として外部に大きな放射電磁波を発生させたりするため、多層プリント配線板は主要な放射ノイズや伝導ノイズ発生源の一つと考えられている。

放射ノイズと伝導ノイズはＥＭＩと称され、他の使用電子装置に影響を及ぼさないように日本ではＶＣＣＩ（Voluntary Control Council For Interference by Data Processing Equipment Office Machines ；情報処理装置等電波障害自主規制協議会）、米国ではＦＣＣ、欧州ではＥＮが決めた各種規格により規制されている。従って、電子機器を設計する上で、電子機器を構成する多層プリント配線板に対する半導体デバイスの動作の信頼性確保と、放射ノイズや伝導ノイズに関する対策は避けて通れない問題となっている。

このような問題に対処するため、例えば特許文献１に記載されているように、外装パッケージ内部のインナーリード部分に作製した貫通穴に、別途作製した貫通型ＥＭＩフィルタを挿入固定すると共に、直流電源供給用インナーリード対の間に接続されるチップコンデンサをパッケージ内部に構成したＬＳＩ等の半導体デバイスがあった。このような構成により、半導体デバイスが外部に高周波ノイズを漏らすことにより発生するＥＭＩの抑制効果を高めることができる。

特開２００１−２７４３１４号公報

しかしながら、上述した従来例においては次のような問題点があった。即ち、ＥＭＩフィルタ素子付き集積回路では、電源の数の分だけ外装パッケージ内部のインナーリード部分に作製した貫通穴に、別途作製した貫通型ＥＭＩフィルタを挿入し固定した状態に実装するとともに直流電源供給用インナーリード対の間に接続されるチップコンデンサをパッケージ内部に構成しなければならない。この構成では、ＥＭＩフィルタ素子を実装する難易度が高く部品の製造コストが掛かり、部品コストが高くなるという問題点があった。

また、単純なロジック回路については前記のようなＥＭＩフィルタ付き集積回路は現状ほとんどないために、製品において使用する全ての回路にＥＭＩフィルタ素子付き集積回路を選択することはできない。従って多層プリント配線板上に実装する全ての半導体デバイスとして、ＥＭＩフィルタ素子付き集積回路を使用することは現状では困難である。

一方、上記のようなＥＭＩフィルタ素子付き集積回路を使用する代わりに、多層プリント配線板にフェライトビーズやフェライトコア等のＥＭＩ対策部品を追加する方法や、電子機器そのものをシールドすることによりノイズ対策を行う方法があるが、この場合は製品としての価格が高くなるという問題があった。

更に、多層プリント配線板端に設置するガイドレールや製品筐体との接続部、また他の多層プリント配線板等に接続するためのコネクタが実装された箇所には、部品の大きさに合わせたスペースを確保しなければならない等の実装的な制約があるため、通常その部分にはＥＭＩ対策部品を実装することができないという問題もあった。これらの理由から可能な限りＥＭＩ対策部品の追加や電子機器そのものをシールドするといった対策を避けることが望まれていた。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、設計段階からＥＭＩ対策を考慮することができ、筐体の導電塗装や遮蔽カバー、ＥＭＩ対策部品の追加を極力抑え、半導体デバイスの動作の信頼性が確保された多層プリント配線板を提供することを目的とする。

この発明に係る多層プリント配線板は、多層プリント配線板内に、表面と裏面とを貫通する貫通孔を設けると共に、その貫通孔に絶縁性の磁性体を充填する。そして、絶縁性の磁性体にスルーホールを設け、このスルーホールを介してノイズを抑制する対象となる配線を接続するようにしたものである。

この発明の多層プリント配線板は、多層プリント配線板内に絶縁性の磁性体部を充填し、かつ、この絶縁性の磁性体部にスルーホールを設けたので、設計段階からＥＭＩ対策を考慮することができ、筐体の導電塗装や遮蔽カバー、ＥＭＩ対策部品といった手段の追加を極力抑え、半導体デバイスの動作の信頼性が確保された多層プリント配線板を提供することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による多層プリント配線板を示す斜視図である。
図において、多層プリント配線板は、導体層１ａ（１ａ−１〜１ａ−６）と、この導体層１ａ間に挟まれる誘電体層１ｂ（１ｂ−１〜１ｂ−５）から構成されている。例えば、図示のように層構成を６層とした場合、導体層１ａの構成として第１層（１ａ−１）を信号配線層、第２層（１ａ−２）を電源層あるいはＧＮＤ層、第３層（１ａ−３）および第４層（１ａ−４）を信号配線層、第５層（１ａ−５）を電源層またはＧＮＤ層、第６層（１ａ−６）を信号配線層としている。また、このような多層プリント配線板は、少なくとも電源ピン、ＧＮＤピン、信号ピンを有するＬＳＩが実装される配線板である。

このような構造を有する多層プリント配線板は、次のように形成する。
導体層１ａの第２層（１ａ−２）と第５層（１ａ−５）との間には、金属磁性体やアモルファス軟磁性合金等の軟磁性の粉末とプラスチック、樹脂、ゴム等との混合体により形成した絶縁性の軟磁性複合体のペーストを圧入して硬化させることにより、絶縁性の軟磁性複合体部２を形成し、第１層（１ａ−１）と第６層（１ａ−６）を積層する。

次に、６層となった多層プリント配線板中に形成された絶縁性の軟磁性複合体部２の中心を、第１層（１ａ−１）から第６層（１ａ−６）に貫通するよう孔をあけ、メッキを施す等により、電気的導通用のスルーホール３を形成する。スルーホール３は、第１層（１ａ−１）と第６層（１ａ−６）に設けた配線パターン４と接続されており、この配線パターン４に、高周波ノイズを抑制したい、直流電源、グランド、フレームグランド、または、多層プリント配線板外部からコネクタを介して接続される信号配線等の配線を接続し、これらの経路が絶縁性の軟磁性複合体部２を少なくとも１回通るようにする。

絶縁性の軟磁性複合体部２は、軟磁性体（金属磁性体、アモルファス軟磁性合金等）の粉末とプラスチック、樹脂、ゴムなどとの混合体により形成する。例えば、軟磁性体粉末を絶縁体にて被覆した粒状体を含有させた絶縁性の軟磁性複合体、または、粒状軟磁性体粉末を高導電性の銅または銀にて表面被覆させた粒状体を含有させた絶縁性の軟磁性複合体とする。

また、軟磁性体には磁界を吸収して消磁する性質のもの、例えば、ＭｎＺｎフェライト，ＮｉＺｎフェライト，アモルファス，高純度Ｆｅ，ＦｅＮｉＭｏ（パーマロイ），センダスト等の高透磁率のものが適している。また、磁性体の初透磁率μが１０００以下、かつ、保磁力Ｈｃ〔Ｏｅ〕が１以上のものは磁界の吸収能力が劣るため、これを使用した場合は高周波ノイズを完全に防止することができない。

更に、軟磁性体の応用において重要となる磁気特性の一つに、複素比透磁率μ_rがある。これは、磁界の時間変化に対する反応の敏感さを表す指標で、複素比透磁率μ_rはノイズを除去したい周波数帯域で高いことが望まれる。複素比透磁率μ_rは、例えば、図２のような周波数特性をもっており、一般にμ_r＝μ_r’−ｊμ_r”と表すことができるが、この虚数成分であるμ_r”は、ある周波数以上で損失特性として現れ、速い磁界の変化に追従できなくなった遅れを表す指標となり、高周波において純抵抗のようにふるまう。

このため高周波領域で高いインピーダンス特性を実現するためにはμ_r”の高い絶縁性の軟磁性複合体を使用する。例えば軟磁性体として、低周波領域ではＭｎＺｎフェライト、高周波領域ではＮｉＺｎフェライト等を用いることにより効果的に磁界を吸収することができる。

以上のように、実施の形態１の多層プリント配線板によれば、多層プリント配線板内に、表面と裏面とを貫通する貫通孔を設けると共に、この貫通孔に絶縁性の磁性体を充填し、かつ、絶縁性の磁性体にスルーホールを設けて、スルーホールを介してノイズを抑制する対象となる配線を接続したので、設計段階からＥＭＩ対策を考慮することができ、筐体の導電塗装や遮蔽カバー、ＥＭＩ対策部品といった手段の追加を極力抑え、半導体デバイスの動作の信頼性が確保された多層プリント配線板を提供することができる。

即ち、絶縁性の磁性体部の高周波における高いインピーダンス特性と、多層プリント配線板内に構成した電気的導通用のスルーホールの長い物理経路を利用して、信号や電源、グランド等における不要な高周波ノイズを磁性体部に吸収させることができるため、高周波ノイズを効果的に除去することが可能な多層プリント配線板を提供することができる。そして、高周波ノイズを効果的に除去することにより、ＬＳＩ等の半導体デバイスの動作の信頼性を確保すると共に、多層プリント配線板が要因となるＥＭＩの抑制効果を高めることができる。

また、絶縁性の磁性体のペーストを使用するようにしたため、複数の絶縁性の磁性体部を同時に形成でき、その結果、安価に多層プリント配線板を提供できる効果がある。

また、実施の形態１の多層プリント配線板によれば、絶縁性の磁性体を、高透磁率で磁界を吸収して消磁する性質を有する材料で構成したので、更に、高周波ノイズを効果的に除去することができる。

また、実施の形態１の多層プリント配線板によれば、磁性体を軟磁性体としたので、更に効果的に高周波ノイズを除去することが可能な多層プリント配線板を提供することができる。

実施の形態２．
図３および図４は、実施の形態２の多層プリント配線板の斜視図である。
実施の形態２における多層プリント配線板の配線板と絶縁性の軟磁性複合体部２との基本的な構成は実施の形態１と同様である。即ち、導体層１ａ（１ａ−１〜１ａ−６）と誘電体層１ｂ（１ｂ−１〜１ｂ−５）とからなる多層の配線板中に、絶縁性の軟磁性複合体部２が設けられている。一方、実施の形態２では、絶縁性の軟磁性複合体部２中に、スルーホール３を複数形成している。そして、それぞれのスルーホール３は、絶縁性の軟磁性複合体部２の内部を貫通する距離が一番長くなるような接続方法とし、スルーホール３と多層プリント配線板上の配線パターン４とにより、スパイラル構造を構成し、インダクタとして機能させている。

例えば、図３に示す例では、スルーホール３を絶縁性の軟磁性複合体部２中に２つ形成したものであり、図４に示す例では、スルーホール３を絶縁性の軟磁性複合体部２中に４つ形成した例である。これらの例では、スルーホール３が絶縁性の軟磁性複合体部２の内部を貫通する距離が一番長くなるような接続方法としている。

複数のスルーホール３により高周波ノイズを除去する場合、その複数のスルーホール３全てが含有される大きさの絶縁性の軟磁性複合体部２を形成する。これについて次に説明する。

図５は反磁場が無いとき横軸を有効磁場としたときの軟磁性体のヒステリシス曲線５と硬磁性体のヒステリシス曲線６である。軟磁性体であるために保持力７が小さく、通常の硬磁性体と比較して軟磁性体は外部のごく弱い磁界により飽和に達する。

しかし、反磁場があると大きな外部磁場をかけないと飽和しない。
図６は、反磁場のある場合の軟磁性体ヒステリシス曲線８を示す説明図である。
反磁場のある場合の軟磁性体ヒステリシス曲線８の勾配は材料の種類によらず、反磁場係数のみで決まる。即ち、反磁場係数が大きい形状で使うと高透磁率の材料も、反磁場の影響によりその役目を果たすことができない。このため反磁場の影響を少なくするために十分長い形状で使うか、磁束の経路を確保し表面に磁極が現れないようにしてやる必要がある。トランスでは、鉄心を閉じた形にして磁束の経路を形成することにより、反磁場の影響を免れている。

本発明では反磁場の影響を少なくするために、図７のように、電気的導通用のスルーホール３よりも大きい絶縁性の軟磁性複合体部２を形成し、スルーホール３の周囲に発生する磁束の経路９を確保する。尚、図７において、（ａ）に示す例は絶縁性の軟磁性複合体部２中にスルーホール３を一つ設けた例、（ｂ）はスルーホール３を２つ設けた例、（ｃ）は４つ設けた例、（ｄ）は、更に多くのスルーホール３を設けた例を示している。このように、磁束の経路９を確保することにより、スルーホール３の周囲に生じた高周波電流による高周波ノイズを有効に絶縁性の軟磁性複合体部２に吸収させることができる。

以上のように、実施の形態２の多層プリント配線板によれば、絶縁性の軟磁性複合体に複数のスルーホールを設け、複数のスルーホールがスパイラル構造を形成するようこれらのスルーホールを接続するようにしたので、更に、高周波ノイズの抑制を効果的に行うことができる。

実施の形態３．
図８は、実施の形態３の多層プリント配線板の要部構成図である。
実施の形態３の多層プリント配線板は、図８に示すように、絶縁性の軟磁性複合体部２中に複数のスルーホール３を設けると共に、複数のスルーホール３を用いてスパイラル構造を２つ形成し、かつ、これらの構造を同心となるよう配置してコモンモードチョークとしたものである。

即ち、それぞれの経路を構成するスルーホール３は、絶縁性の軟磁性複合体部２の内部を貫通する距離が一番長くなるよう接続されており、かつ、それぞれのスパイラル構造が同心となるよう配設されている。このような構成により、絶縁性の軟磁性複合体部２中の複数のスルーホール３が相互インダクタとして機能するため、多層プリント配線板でループを形成すると大きな放射ノイズの原因となるコモンモードノイズを減衰させることができる。

以上のように実施の形態３の多層プリント配線板によれば、スパイラル構造を２つ形成し、かつ、これらの構造を同心となるよう配置してコモンモードチョークとしたので、更に、高周波ノイズとしてコモンモードノイズも減衰させることができる効果がある。

実施の形態４．
図９および図１０は、実施の形態４による要部構成図および裏面側から見た構成図である。
実施の形態４の多層プリント配線板は、絶縁性の軟磁性複合体部２の内部にコネクタ１０のコネクタピン１１が挿入できるよう、スルーホール３をそれぞれのコネクタピン１１に対応した位置に複数形成し、図９および図１０に示すように、それぞれのスルーホール３にコネクタピン１１を挿入し、配線パターン４を介して外部に接続される配線を接続するようにしたものである。

以上のように、実施の形態４の多層プリント配線板によれば、スルーホールにコネクタピンを挿入し、コネクタピンを介して外部に接続される配線を接続したようにしたので、コネクタを介して外部に漏れ出る高周波ノイズを減衰させることができるだけでなく、外部から多層プリント配線板に侵入する高周波ノイズを減衰させることができる効果がある。

実施の形態５．
図１１は、実施の形態５による多層プリント配線板の斜視図である。
実施の形態５は、図示のように、絶縁性の軟磁性複合体部２を充填する貫通孔に、特性インピーダンスを調整し、ノイズ除去特性を向上させるためのメッキ１２を施したものである。その他の構成は、実施の形態１と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。尚、図１１では、実施の形態１に適用した例を示しているが、実施の形態１〜実施の形態４のいずれであっても同様に適用可能である。

以上のように、実施の形態５の多層プリント配線板によれば、貫通孔にメッキを施したので、スルーホール３にて特性インピーダンス不連続となるのを防止することができ、更に高周波ノイズの除去特性の向上を図ることができる。

この発明の実施の形態１による多層プリント配線板の構成図である。 この発明の実施の形態に使用する軟磁性体の比透磁率の周波数特性の一例を示す説明図である。 この発明の実施の形態２による多層プリント配線板の構成図である。 この発明の実施の形態２による多層プリント配線板の他の例の構成図である。 軟磁性体のヒステリシス曲線と硬磁性体ヒステリシス曲線を比較して示す説明図である。 反磁場のある場合の軟磁性体のヒステリシス曲線を示す説明図である。 本発明の実施の形態における反磁場の影響を少なくするための磁束の経路を示した説明図である。 この発明の実施の形態３による多層プリント配線板の要部構成図である。 この発明の実施の形態４による多層プリント配線板の要部構成図である。 この発明の実施の形態４による多層プリント配線板の要部を裏面側から見た構成図である。 この発明の実施の形態５による多層プリント配線板の構成図である。

符号の説明

１ａ 導体層、１ｂ 誘電体層、２ 絶縁性の軟磁性複合体部、３ スルーホール、４ 配線パターン、９ 磁束の経路、１０ コネクタ、１１ コネクタピン、１２ メッキ。

Claims (7)

1. 多層プリント配線板内に、表面と裏面とを貫通する貫通孔を設けると共に、当該貫通孔に絶縁性の磁性体を充填し、
   かつ、前記絶縁性の磁性体にスルーホールを設けて、当該スルーホールを介してノイズを抑制する対象となる配線を接続した多層プリント配線板。
2. 絶縁性の磁性体に複数のスルーホールを設け、
   当該複数のスルーホールがスパイラル構造を形成するよう前記複数のスルーホールを接続したことを特徴とする請求項１記載の多層プリント配線板。
3. スパイラル構造を２つ形成し、かつ、これらの構造を同心となるよう配置してコモンモードチョークとしたことを特徴とする請求項２記載の多層プリント配線板。
4. スルーホールにコネクタピンを挿入し、当該コネクタピンを介して外部に接続される配線を接続したことを特徴とする請求項１記載の多層プリント配線板。
5. 貫通孔にメッキを施したことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の多層プリント配線板。
6. 絶縁性の磁性体は、高透磁率で磁界を吸収して消磁する性質を有する材料で構成したことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の多層プリント配線板。
7. 磁性体は、軟磁性体であることを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載の多層プリント配線板。
   

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