JP2006294769A - 多層プリント配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 集積回路から多層プリント配線基板内部へと延びるビア配線に対し、不要な電磁波ノイズを遮断することができる多層プリント配線基板を提供する。
【解決手段】 電源側の第１電源配線層１１と、実装される集積回路側の第２電源配線層１２と、少なくとも１層のグランド配線層１３を含む２層以上の配線層と、各配線層間に設けられる絶縁層１５とを有する多層プリント配線基板において、第１電源配線層１１と第２電源配線層１２とを接続するビア配線２１を形成し、そのビア配線２１については、ビア芯線２２をビア絶縁層２３が覆う構造とした。このビア絶縁層２３は、絶縁層１５よりも高い比誘電率を有する誘電体材料からなる層、又は、絶縁層１５よりも高い比透磁率を有する磁性材料からなる層である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、集積回路が実装される多層プリント配線基板に関し、更に詳しくは、集積回路から発生する不要な電磁波ノイズを遮断する能力の高い多層プリント配線基板に関するものである。

現在のエレクトロニクス機器では、信号配線、電源配線及びグランド配線が絶縁層を介して積層された多層プリント配線基板上に、集積回路、電源回路及び電子素子等を配置する実装方法が用いられている。近年、集積回路の高性能化に伴って集積回路の消費電力が大きくなり、この集積回路が発する電磁波ノイズの影響が無視できなくなってきている。特に、集積回路から電源回路に高周波の電磁波ノイズが入ると、同じ電源回路から電源が供給される他の集積回路が誤動作したり、不要な電磁波ノイズが電源回路から外部に放射されるという悪影響がある。したがって、多層プリント配線基板上に集積回路を実装する場合に、電源回路に入りこむ電磁波ノイズを低減することが重要である。

電源回路に入りこむ電磁波ノイズを低減する方法として、電源配線に電源デカップリング素子を接続する方法が行われている。例えば、非特許文献１には、電源デカップリング素子としてのキャパシタを電源配線に接続する方法が記載されている。しかしながら、この方法では、電源デカップリング素子をノイズ発生源である集積回路の近傍に接続する必要があり、レイアウト上の問題がある。また、広い周波数帯域の電磁波ノイズを遮蔽しようとすると、異なる特性の複数の電源デカップリング素子を接続する必要があり、全ての電源デカップリング素子を集積回路の近傍に配置することは困難である。また、キャパシタの高周波でのインピーダンスはノイズを十分に遮蔽できるほど低くはならないので、特に高周波の電磁波ノイズの遮蔽が難しい。

また、特許文献１には、電源デカップリング素子として、キャパシタよりも広い周波数帯域で低いインピーダンスをもつ低インピーダンス線路素子を電源配線に接続する方法が提案されている。しかしながら、この低インピーダンス線路素子はその素子自身のサイズが大きく、集積回路の近傍に接続することが困難となる場合が多い。

他方、電源デカップリング素子を用いない方法として、例えば特許文献２には、第一の電源電極、第一の絶縁層、グランド電極、第二の絶縁層及び第二の電源電極がその順で積層した多層プリント配線基板において、第二の電源電極と第一の電源電極とを接続するビア部を囲む所定の範囲に、第一の絶縁層及び第二の絶縁層よりも誘電率の大きい第三の絶縁層を配置する方法が提案されている。この方法によれば、電源ビアのインピーダンスを低くすることができ、電源デカップリング素子を用いずに広い周波数帯域で高いノイズ遮蔽効果を得ることができる。
特開２００４−４８６５０号公報 特開２００４−８７５８９号公報 バコグルー著、「ＶＬＳＩシステム設計」、丸善、第３２４頁(１９９５年)

上記特許文献２に記載のように、第一の電源電極、グランド電極及び第二の電源電極を有する３層基板の場合には、広い周波数帯域のノイズを効果的に遮蔽することができるが、例えば４層基板のように、ベタ導体層である電源配線層とグランド配線層とが隣り合う場合や、ベタ導体層である電源配線層とグランド配線層とが信号配線層を挟んで隣り合う場合には、ベタ導体層間（グランド配線層とグランド配線層との間、又は、電源配線層と電源配線層との間）にビア部から侵入したノイズが伝播したり、信号配線層がビア部から侵入したノイズで汚染されたり、不要な電磁波放射を起こしたりすることがあり、広い周波数帯域で十分なノイズ遮蔽効果を得ることは困難であった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、集積回路から多層プリント配線基板内部へと延びるビア配線に対し、不要な電磁波ノイズを遮断することができる多層プリント配線基板を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の多層プリント配線基板は、電源側の第１電源配線層と、実装される集積回路側の第２電源配線層と、少なくとも１層のグランド配線層を含む２層以上の配線層と、各配線層間に設けられる絶縁層とを有する多層プリント配線基板であって、前記第１電源配線層と前記第２電源配線層とを接続するビア配線を有し、当該ビア配線はビア芯線をビア絶縁層が覆う構造であることを特徴とする。

この発明によれば、第１電源配線層と第２電源配線層とを接続するビア配線を有し、且つそのビア配線はビア芯線をビア絶縁層が覆う構造であるので、ビア配線が低インピーダンス化する。その結果、集積回路側の第２電源配線層と、ビア配線との界面において、インピーダンスの不一致によるノイズの反射率が高くなり、集積回路で発生する不要な電磁波ノイズを効率的に遮蔽することができる。また、不要な電磁波ノイズが第２電源配線層とビア配線との界面で主に反射するので、多層プリント配線基板の積層配線数にかかわらず、ビア配線が貫通する配線層への電磁波ノイズの伝播を低減することができる。また、ビア配線は、多層プリント基板の最上層となる第２電源配線層から第１電源配線層に達する線路構造となっており、こうした線路構造のインピーダンスの周波数依存性は小さいので、本発明の多層プリント配線基板は、広い周波数帯域にわたって十分なノイズ遮蔽効果を実現することができる。

本発明の多層プリント配線基板において、前記ビア絶縁層が、前記絶縁層よりも高い比誘電率を有する誘電体材料からなる層、又は、前記絶縁層よりも高い比透磁率を有する磁性材料からなる層であることを特徴とする。

この発明によれば、ビア絶縁層が、絶縁層よりも高い比誘電率を有する誘電体材料からなる層又は高い比透磁率を有する磁性材料からなる層であるので、低インピーダンス化されたビア配線内部に侵入した電磁波ノイズを、誘電損失又は磁性損失により熱化して減衰させることができる。特に高周波でのインピーダンスを低下させることができるので、高いノイズ遮蔽効果を得ることができる。

本発明の多層プリント配線基板において、前記ビア絶縁層の誘電損失係数が０．１以上であること、又は、前記ビア絶縁層の磁性損失係数が０．１以上であることが好ましい。

本発明の多層プリント配線基板において、前記ビア配線は、グランドビア芯線をさらに有し、前記ビア絶縁層が当該グランドビア芯線と前記ビア芯線との間に設けられていることを特徴とする。

この発明によれば、ビア配線がグランドビア芯線をさらに有するので、線路構造になってインピーダンスが安定化するため、対ＥＭＩの点でより好ましい。

本発明の多層プリント配線基板によれば、低インピーダンス化したビア配線を有するので、集積回路側の第２電源配線層とビア配線との界面において、インピーダンスの不一致によるノイズの反射率が高くなり、集積回路で発生する不要な電磁波ノイズを効率的に遮蔽することができる。その結果、多層プリント配線基板の積層配線数にかかわらず、ビア配線が貫通する配線層への電磁波ノイズの伝播を低減することができる。また、ビア配線はインピーダンスの周波数依存性が小さい線路構造であるので、本発明の多層プリント配線基板は、広い周波数帯域にわたって十分なノイズ遮蔽効果を実現することができる。

また、本発明の多層プリント配線基板によれば、ビア配線中に入ったノイズを誘電損失又は磁性損失により熱化して減衰させることができるので、特に高周波帯域のノイズを効果的に遮蔽することができる。

本発明の多層プリント配線基板は、実装される集積回路から発した電磁波ノイズを効果的に遮蔽することができるので、集積回路の誤動作を抑制したり、外部に放射されるノイズを低減することができる。

以下に、本発明の多層プリント配線基板について図面を参照して説明する。なお、本発明の範囲は以下の実施形態に限定解釈されるものではない。

（第１実施形態）
図１は、本発明の多層プリント配線基板の第１実施形態を示す概略図であり、（Ａ）はその模式平面図であり、（Ｂ）はその模式断面図である。また、図２は、本発明の多層プリント配線基板に集積回路が実装された態様を示す模式断面図である。なお、図２において、符号２４は集積回路であり、符号２５は多層プリント配線基板側の電極パッドであり、符号２６は接続部材（はんだバンプ等）であり、符号２７は集積回路側の電極パッドである。

第１実施形態に係る多層プリント配線基板１０は、電源側の第１電源配線層１１と、実装される集積回路側の第２電源配線層１２と、１層のグランド配線層１３と、３層の信号配線層１４と、各配線層間に設けられる絶縁層１５とを有している。具体的には、最下層側から、絶縁層１５／第１電源配線層１１／絶縁層１５／グランド配線層１３／絶縁層１５／信号配線層１４／絶縁層１５／信号配線層１４／絶縁層１５／信号配線層１４／絶縁層１５／第２電源配線層１２、の順に積層された６層基板である。そして、本発明の特徴は、第１電源配線層１１と第２電源配線層１２とを接続するビア配線２１を有し、そのビア配線２１はビア芯線２２をビア絶縁層２３が覆う構造となっていることにある。なお、本発明において、各配線層とは、第１電源配線層１１、第２電源配線層１２、グランド配線層１３及び信号配線層１４を指しており、通常、銅、アルミニウム等の金属導体で形成されている。以下、各構成について具体的に説明する。

第１電源配線層１１は、多層プリント配線基板１０に実装される集積回路（図２を参照）に電源電圧を供給する配線層である。この第１電源配線層１１は、通常、集積回路と共に多層プリント配線基板１０上に実装される電源回路（図示せず）に接続される。

第２電源配線層１２は、実装される集積回路に電源電圧を供給するための多層プリント配線基板側の接続部となる電極である。第２電源配線層１２は、図２に示すように、接続部材２６を介して電極パッド２７に接続できるだけの大きさで形成されている。

グランド配線層１３は、多層プリント配線基板１０に実装される集積回路にアース電位を供給する配線層である。このグランド配線層１３は、平面抵抗分を減少させるために、多層プリント配線基板のほぼ全面にわたって形成されていることが好ましい。

信号配線層１４は、多層プリント配線基板１０に実装される集積回路からの信号を伝播する配線層である。この信号配線層１４には、集積回路の出力信号が信号ビア配線（図示せず）を通じて入力される。

絶縁層１５は、各配線層（第１電源配線層１１、第２電源配線層１２、グランド配線層１３及び信号配線層１４）の間の絶縁性を確保するために挿入される層であり、通常、多層プリント配線基板のほぼ全面にわたって形成されている。絶縁層１５は、全て同じ材料及び厚さからなる層であってもよいし、異なる材料及び厚さからなる層であってもよい。絶縁層１５の形成材料としては、例えば、ガラスエポキシ樹脂等の樹脂材料が好ましく用いられる。

ビア配線２１は、第１電源配線層１１と第２電源配線層１２とを接続するものであり、ビア芯線２２と、そのビア芯線２２の周りを覆うビア絶縁層２３とで構成されている。ビア配線２１は、多層プリント配線基板を構成する各層を貫通するように形成されている。

ビア芯線２２は、第１電源配線層１１と第２電源配線層１２とを電気的に接続するものであり、上記の配線層と同様、銅、アルミニウム等の金属導体で形成されている。ビア絶縁層２３は、ビア芯線２２を覆うように形成されて、ビア芯線２２と各配線層とを電気的に絶縁する。このビア絶縁層２３は、ビア配線２１の高周波でのインピーダンスを低下させることのできる材料で形成されている。

ビア絶縁層２３は、配線層間に形成されている絶縁層１５よりも高い比誘電率を有する誘電体材料からなる層、又は、その絶縁層１５よりも高い比透磁率を有する磁性材料からなる層であることが好ましい。こうしたビア絶縁層２３を有するビア配線２１は、低インピーダンス化されたビア配線内部に侵入した電磁波ノイズを、誘電損失又は磁性損失により熱化して減衰させることができる。特に高周波でのインピーダンスを低下させることができるので、高いノイズ遮蔽効果を得ることができる。

ビア絶縁層２３を形成する誘電体材料としては、高い比誘電率を有する誘電体材料、又は、高い比誘電率を有する誘電体材料を含む材料を挙げることができる。例えば、ＰＢ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３系の複合酸化物（ε＝１０００、tanδ＝２（at １ＧＨｚ））等を挙げることができる。また、ビア絶縁層２３を形成する磁性材料としては、例えば、酸化物系の絶縁性の磁性材料を挙げることができる。なお、比誘電率とは、ＪＩＳ Ｒ１６２７「マイクロ波用ファインセラミックスの誘電特性の試験方法」で定義されている複素比誘電率をε＝ε’−ｊε’’（ここで、ｊは虚数単位である）としたときの実数部ε’であり、比透磁率とは、ＪＩＳ Ｃ２５６１「フェライト磁心の材質性能試験方法」で定義されている複素比透磁率をμ＝μ’−ｊμ’’（ここで、ｊは虚数単位である）としたときの実数部μ’である。

ビア絶縁層２３は、誘電損失係数が０．１以上であること、又は、磁性損失係数が０．１以上であることが好ましい。ノイズのほとんどは第２電源配線層１２とビア配線２１との界面で反射するが、誘電損失係数又は磁性損失係数を０．１以上とすることにより、その界面を透過してきたノイズを熱化してその１周期の時間で最低４分の１となる程度まで減衰させることができる。なお、誘電損失係数とは、上記の複素比誘電率ε＝ε’−ｊε’’を用いてε’’／ε’で定義される量であり、磁性損失係数とは、上記の複素比透磁率μ＝μ’−ｊμ’’を用いてμ’’／μ’で定義される量である。

こうした第１実施形態に係る多層プリント配線基板は、低インピーダンス化されたビア配線２１を有するので、集積回路側の第２電源配線層１２とビア配線２１との界面において、インピーダンスの不一致によるノイズの反射率が高くなり、集積回路で発生する不要な電磁波ノイズを効率的に遮蔽することができる。また、不要な電磁波ノイズが第２電源配線層とビア配線との界面で主に反射するので、多層プリント配線基板の積層配線数にかかわらず、ビア配線２１が貫通する配線層への電磁波ノイズの伝播を低減することができる。

（第２実施形態）
図３は、本発明の多層プリント配線基板の第２実施形態を示す概略図である。第２実施形態に係る多層プリント配線基板２０は、電源側の第１電源配線層１１と、実装される集積回路側の第２電源配線層１２と、２層のグランド配線層１３と、各配線層間に設けられる絶縁層１５とを有している。具体的には、最下層側から、第１電源配線層１１／絶縁層１５／グランド配線層１３／絶縁層１５／グランド配線層１３／絶縁層１５／第２電源配線層１２、の順に積層された４層基板である。そして、本発明の特徴は、上記第１実施形態と同様、第１電源配線層１１と第２電源配線層１２とを接続するビア配線２１を有し、そのビア配線２１はビア芯線２２をビア絶縁層２３が覆う構造となっていることにある。この第２実施形態に係る多層プリント配線基板において、集積回路側に形成された第２電源配線層１２は、ビア配線２２と集積回路とを接続する線路を構成している。なお、図１と同じ符号で表した各層は、第１実施形態の場合と同じであるので、ここでは省略する。

（第３実施形態）
図４は、本発明の多層プリント配線基板の第３実施形態を示す概略図である。第３実施形態に係る多層プリント配線基板３０は、第１実施形態に係る多層プリント配線基板と同様の６層基板であって、ビア配線４１は、グランドビア芯線３２をさらに有し、ビア絶縁層２３がグランドビア芯線３２とビア芯線２２との間に設けられていることを特徴とする。なお、この第３実施形態の多層プリント配線基板には、グランドビア芯線３２をグランドビア絶縁層３３が覆う構造からなるグランドビア配線３１が形成されている。また、図１と同じ符号で表した各層は、第１実施形態の場合と同じであるので、ここでは省略する。こうした構成からなるビア配線４１は、ペアの線路構造となってインピーダンスが安定し、なおかつ低インピーダンス化による電磁波ノイズ遮蔽の点でより好ましい。

以下、実施例と比較例を挙げて本発明を更に具体的に説明する。

（実施例１）
先ず、厚さ３５６μｍの銅箔と、厚さ１．１４ｍｍで誘電率３．５の絶縁層１５とが交互に形成された４層基板を準備し、その両面のベタ導電層をパターニングして幅２５４μｍの第１電源配線層１１と第２電源配線層１２を形成した。なお、誘電率３．５の絶縁層はガラスエポキシ樹脂で形成し、絶縁層１５間のベタ導電層はグランド配線層１３として機能させた。

ビア配線２１として、先ず、１ＧＨｚでの比誘電率が１０００であり誘電損失係数が０．８であるＰＢ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３系の複合酸化物を、ビア芯線用の直径２５４ｍｍの穴をあけた状態で焼成して、外径０．７ｍｍの円筒状成形品を準備した。この成形品のビア芯線用の穴に、直径２５４μｍの銅製のビア芯線２２をはめ込んだ後、その成型品を、直径０．７ｍｍの穴をあけた４層基板に接着剤で固定した。ビア芯線２２と第１電源配線層１１との接続、及びビア芯線２２と第２電源配線層１２との接続は、はんだにより行った。こうして、第１電源配線層１１／絶縁層１５／グランド配線層１３／絶縁層１５／グランド配線層１３／絶縁層１５／第２電源配線層１２からなり、かつ第１電源配線層１１と第２電源配線層１２とを接続するビア配線２１を有した実施例１に係る多層プリント配線基板を作製した。

（比較例１）
実施例１において、ビア配線を単純な直径２５４μｍ銅製ビア芯線とした他は実施例１と同様にして比較例１の多層プリント配線基板を作製した。

（評価）
図５は、実施例１及び比較例１の多層プリント配線基板の電磁波透過係数の周波数特性を示すグラフである。図中、符号Ａは実施例１の結果であり、符号Ｂは比較例１の結果である。この電磁波透過係数の周波数特性は、第２電源配線層１２と上側グランド配線層１３とからなる線路の固有準ＴＥＭモードでノイズ源としての高周波を入力し、第１電源配線層１１と下側グランド配線層１３とからなる線路からの出力を計測する。伝送線路である第２電源配線層１２、ビア配線２１及び第１電源配線層１１を伝播する電磁波が遮蔽される効果を示すＳ２１パラメータを、実施例１の多層プリント配線基板と比較例１の多層プリント配線基板とで比較した。解析には、ドイツ コンピュータシミュレーションテクノロジー社のMicrowave Studio version5を用いた。

図５からわかるように、比較例１の従来基板ではほとんどの電磁波が素通りに近い状態であったのに対し、実施例１の低インピーダンス内蔵基板では広く測定帯域全体に渡って非常に高い電磁波遮蔽能力を示していた。

本発明の多層プリント配線基板の第１実施形態を示す概略図である。 本発明の多層プリント配線基板に集積回路が実装された態様を示す模式断面図である。 本発明の多層プリント配線基板の第２実施形態を示す概略図である。 本発明の多層プリント配線基板の第３実施形態を示す概略図である。 実施例１及び比較例１の多層プリント配線基板の電磁波透過係数の周波数特性を示すグラフである。

符号の説明

１０，２０，３０ 多層プリント配線基板
１１ 第１電源配線層
１２ 第２電源配線層
１３ グランド配線層
１４ 信号配線層
１５ 絶縁層
２１ ビア配線
２２ ビア芯線
２３ ビア絶縁層
２４ 集積回路
２５ 多層プリント配線基板側の電極パッド
２６ 接続部材
２７ 集積回路側の電極パッド
３１ グランドビア配線
３２ グランドビア芯線
３３ グランドビア絶縁層
４１ ビア配線

Claims (5)

1. 電源側の第１電源配線層と、実装される集積回路側の第２電源配線層と、少なくとも１層のグランド配線層を含む２層以上の配線層と、各配線層間に設けられる絶縁層とを有する多層プリント配線基板であって、
   前記第１電源配線層と前記第２電源配線層とを接続するビア配線を有し、当該ビア配線はビア芯線をビア絶縁層が覆う構造であることを特徴とする多層プリント配線基板。
2. 前記ビア絶縁層が、前記絶縁層よりも高い比誘電率を有する誘電体材料からなる層、又は、前記絶縁層よりも高い比透磁率を有する磁性材料からなる層であることを特徴とする請求項１に記載の多層プリント配線基板。
3. 前記ビア絶縁層の誘電損失係数が、０．１以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の多層プリント配線基板。
4. 前記ビア絶縁層の磁性損失係数が、０．１以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の多層プリント配線基板。
5. 前記ビア配線は、グランドビア芯線をさらに有し、前記ビア絶縁層が当該グランドビア芯線と前記ビア芯線との間に設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の多層プリント配線基板。

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