JP2012257084A

JP2012257084A - Ｅｂｇ構造及びプリント基板

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Publication number: JP2012257084A
Application number: JP2011129130A
Authority: JP
Inventors: Hajime Yoshinaga; 肇吉永
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2011-06-09
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2012-12-27

Abstract

【課題】ＥＢＧ構造を大型化することなくインダクタンス成分を増加させることで、バンドギャップ幅の広帯域化を実現したＥＢＧ構造及びプリント基板を提供する。
【解決手段】導体プレーンと、導体プレーン上に設けられた誘電体層と、誘電体層上の複数の導体パッチと、導体パッチの隣り合う２つの導体パッチを電気的に接続する接続部とを有するＥＢＧ構造であって、接続部は、一方の導体パッチと接続される第１ビアと、他方の導体パッチと接続される第２ビアと、第１ビアと第２ビアを接続する接続配線とからなり、接続配線は、第１ビアと第２ビアとの間においてヘリカルインダクタまたはスパイラルインダクタを構成していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＥＢＧ構造及びプリント基板に関する。

誘電率の異なる物質や、金属パッチ等を周期的に配列した構造では、電磁波の分散関係を人工的に制御することが可能である。特に、特定周波数帯において電磁波の伝播が禁止されるバンドギャップを有する分散関係を持つ構造は、エレクトロマグネティックバンドギャップ（ＥＢＧ）構造と呼ばれ、プリント基板やデバイスパッケージ基板に設置することで不要ノイズの伝播を抑制するフィルターとしての応用が期待されている。

一般的なＥＢＧ構造は、プリント基板等の誘電体層の表面に正方形の金属パッチを周期的に２次元配置させ、各パッチと誘電体層裏面の金属プレーンとの間をスルーホールビア等で電気的に接続した構造をとる。そして、各パッチ間に形成されるキャパシタンス成分とビアから形成されるインダクタンス成分がＬＣ並列共振回路として機能することにより共振周波数近傍でバンドギャップが生じる。このバンドギャップの幅は、上記のインダクタンス成分を増加させることによって低帯域側に広げることが可能である。しかしながら、通常インダクタンス成分を増加させるためにパッチと金属プレーンとを接続するスルーホールビアを長くする方法が採られるため、ＥＢＧ構造を小型化することが難しかった。

このような問題を解決する手段として、例えば、特許文献１のＥＢＧ構造１００では、図５に示すように、金属層１０１上に誘電体層を介して配置された複数の導体パッチにおいて、隣り合う２つの導体パッチ１０２、１０３間を、２つのビア１０４、１０５と１つの導体パターン１０６とにより構成されるステッチングビア１０７で電気的に接続している。特許文献１のＥＢＧ構造１００によれば、ビア１０４、１０５によるインダクタンス成分に、導体パターン１０６によるインダクタンス成分を増加させることができる。

特開２０１０−１０６４７（平成２２年１月１４日公開）

しかしながら、特許文献１のＥＢＧ構造においても、バンドギャップを十分に低帯域化できるまで、導体パターン１０６を長くしてインダクタンス成分を増加させることは、サイズ的な限界があり、ＥＢＧ構造を小型することができないという問題があった。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、ＥＢＧ構造を大型化することなくインダクタンス成分を増加させ、バンドギャップの広帯域化を実現したＥＢＧ構造及びプリント基板を提供することを目的とする。

導体プレーンと、導体プレーン上に設けられた誘電体層と、誘電体層上の複数の導体パッチと、導体パッチの隣り合う２つの導体パッチを電気的に接続する接続部とを有するＥＢＧ構造であって、接続部は、一方の導体パッチと接続される第１ビアと、他方の導体パッチと接続される第２ビアと、第１ビアと第２ビアを接続する接続配線とからなり、接続配線は、第１ビアと第２ビアとの間においてヘリカルインダクタまたはスパイラルインダクタを構成していることを特徴とする。

導体パッチ間の接続部においてインダクタンス成分が増加され、ＥＢＧ構造を大きくすることなくバンドギャップを広帯域化することができる。

実施例１に係るＥＢＧ構造の斜視図である。実施例１に係るＥＢＧ構造の周波数特性のグラフである。実施例２に係るＥＢＧ構造の斜視図である。実施例２に係るＥＢＧ構造の周波数特性のグラフである。従来技術に係るＥＢＧ構造のの斜視図である。従来技術に係るＥＢＧ構造の周波数特性のグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明のＥＢＧ構造は、単位素子が周期的に配置される構成であるが、各斜視図には単位素子構造を理解し易いように、２つの単位素子の連結状態を取り出して図示している。また、プリント基板における導電体層のパターンを識別し易いように、導電体層の間に設けられる誘電体層を省略して図示している。

図１は、本発明の第１の実施例であるＥＢＧ構造１の斜視図である。ＥＢＧ構造１は、導電体層と誘電体層が交互に積層されたプリント基板に設けられ、第１導電体層に形成された導体プレーン２と、導体プレーン２上に設けられた誘電体層と、誘電体層上に設けられた第２導電体層に形成された複数の導体パッチ３とを備えており、導体プレーン２と導体パッチ３はキャパシタンスを構成している。また、導体パッチ３は周期的に配置されており、隣り合う導体パッチ、例えば、導体パッチ３と導体パッチ４は、接続部５で電気的に接続されており、接続部５はインダクタンスを構成している。

接続部５は、各導電体層の層間を接続する複数のビア６〜９と、各ビア間に配置される複数の接続配線１０〜１２とにより接続されている。導体パッチ３と導体パッチ４には、導体パッチ３と導体パッチ４を互いに電気的に接続するための第１ビア６と第２ビア７がそれぞれ接続されている。また、導体パッチ３と導体パッチ４の隙間には、第１ビア６と第２ビア７の間の接続を中継するための第３ビア８、第４ビア９が配置されている。

各ビア間の接続は、第１ビア６と第３ビア８が第３導電体層に形成された第１接続配線１０で接続されており、第２ビア７と第４ビア９が第３導電体層に形成された第２接続配線１１で接続されており、第３ビア８と第４ビア９が第２導電体層に形成された第３接続配線１２で接続されている。また、第１接続配線１０と第２接続配線１１は、第３接続配線１２の上方に一部が重なって配置されている。

接続部５は、第１ビア６から、第１接続配線１０、第３ビア８、第３接続配線１２、第４ビア９、第２接続配線１１を経て、第２ビア７へ接続されることにより、第２導電体層と第３導電体層の間を周回するヘリカルインダクタを構成している。このため、全体の配線長を同じにして直線上に接続するよりも大きいインダクタンス成分を付与することができる。

また、第１接続配線１０と第２接続配線１１が同じ導電体層で形成され、第３接続配線１２が導体パッチ３、４と同じ導電体層で形成されていることにより、少ない層数で薄型化された接続部５を構成することができる。

図２は、第１の実施例に係るＥＢＧ構造１の周波数特性グラフである。図６は、比較例として、従来のＥＢＧ構造１００（図５）の周波数特性グラフである。

これらの周波数特性グラフは、解析モデルとして単位素子サイズを１０ｍｍ×１０ｍｍ、導体パッチのサイズを９ｍｍ×９ｍｍ、導体パターン幅を０．３ｍｍ、導電体層厚を０．１ｍｍ、導電率を５．８×１０^７Ｓ／ｍ、誘電体層厚（コア）を１ｍｍ、誘電体層厚（コア以外）を０．１ｍｍ、比誘電率を４．８、ビアピッチを５ｍｍ、及びビア径を０．３ｍｍとして、電磁界解析により求めた。

利得が−４０ｄＢとなる周波数に着目すると、従来のＥＢＧ構造１００は、図６に示すように約１．６ＧＨｚであるのに対し、本発明のＥＢＧ構造１は、図２に示すように約１．２ＧＨｚとなっており、本発明のＥＢＧ構造によりバンドギャップ幅を低帯域側に広げられることが分かる。

従って、第１の実施例に係るＥＢＧ構造１によれば、導体パッチ３、４間の接続部５においてインダクタンス成分を増加させることができるため、ＥＢＧ構造１を大きくすることなくバンドギャップ幅が低帯域側に広がり、このようなＥＢＧ構造１を周期的に配置したプリント基板において、不要ノイズの伝播を抑制する広帯域フィルターとして用いることができる。

なお、第１の実施例において、ヘリカルインダクタの周回数を１回以上としてもよい。この場合、第３ビア８、第４ビア９と第３接続配線１２からなる接続体を、導体パッチ３、４間の隙間に周回分だけ並べて、第１接続配線１０や第２接続配線１１と同じ導電体層を用いて第４接続配線を形成して上記接続体間を接続することにより、周回数を増やしたヘリカルインダクタを構成することができる。ヘリカルインダクタの周回数を増加させることによりインダクタンス成分をさらに大きくすることができる。

図３は、本発明の第２の実施例に係るＥＢＧ構造１の斜視図である。第１の実施例に係るＥＢＧ構造１と同様の構成については同様の符号を付している。ＥＢＧ構造１は、導電体層と誘電体層が交互に積層されたプリント基板に設けられ、第１導電体層に形成された導体プレーン２と、導体プレーン２上に設けられた誘電体層と、誘電体層上に設けられた第２導電体層に形成された複数の導体パッチ３とを備えており、導体プレーン２と導体パッチ３はキャパシタンスを構成している。また、導体パッチ３は周期的に配置されており、隣り合う導体パッチ、例えば、導体パッチ３と導体パッチ４は、接続部５で電気的に接続されており、接続部５はインダクタンスを構成している。

接続部５は、各導電体層の層間を接続する複数のビア６〜８と、各ビア間に配線される複数の接続配線１０〜１１とにより接続されている。導体パッチ３と導体パッチ４には、導体パッチ３と導体パッチ４を互いに電気的に接続するための第１ビア６と第２ビア７がそれぞれ接続されている。また、導体パッチ３と導体パッチ４の隙間には、第１ビア６と第２ビア７の間の接続を中継するための第３ビア８が配置されている。

各ビア間の接続は、第１ビア６と第３ビア８が第３導電体層に形成された第１接続配線１０で接続されており、第２ビア７と第３ビア８が第４導電体層に形成された第２接続配線１１で接続されている。そして、第１接続配線１０と第２接続配線１１の少なくともいずれか一方がスパイラル形状となっている。

接続部５は、第１ビア６から、第１接続配線１０、第３ビア８、第２接続配線１１を経て、第２ビア７へ接続されるため、例えば、第１接続配線１０をスパイラル形状とした場合は、第３導電体層の面内方向にスパイラルインダクタを構成される。このため、全体の配線長を同じにして直線上に接続するよりも大きいインダクタンス成分を付与することができる。

図４は、第２の実施例に係るＥＢＧ構造１の周波数特性グラフである。解析モデルは、第１の実施例に示した周波数特性グラフと同様であり、詳細な説明は省略する。

利得が−４０ｄＢとなる周波数に着目すると、従来のＥＢＧ構造１００は、図６に示すように約１．６ＧＨｚであるのに対し、本発明のＥＢＧ構造１は、図４に示すように約１．１ＧＨｚとなっており、本発明のＥＢＧ構造によりバンドギャップ幅を低帯域側に広げられることが分かる。

従って、第２の実施例に係るＥＢＧ構造１によれば、導体パッチ３、４間の接続部５においてインダクタンス成分を増加させることができるため、ＥＢＧ構造１を大きくすることなくバンドギャップ幅を低帯域側に広がり、このようなＥＢＧ構造１を周期的に配置したプリント基板において、不要ノイズの伝播を抑制する広帯域フィルターとして用いることができる。

なお、第２の実施例において、第１接続配線１０と第２接続配線１１の両方がスパイラル形状であってもよい。この場合、上下のスパイラル部に流れる電流の方向を同じにすることでより大きなインダクタンス成分を付与することができる。

本発明によれば、小型でバンドギャップ幅が広帯域化されたＥＢＧ構造を実現することができるので、不要な電磁波ノイズが発生するあらゆる電子機器および、電子機器に搭載するプリント基板に利用することができる。

１ＥＢＧ構造
２導体プレーン
３、４導体パッチ
５接続部
６、７、８、９ビア
１０、１１、１２接続配線

Claims

導体プレーンと、
前記導体プレーン上に設けられた誘電体層と、
前記誘電体層上の複数の導体パッチと、
前記導体パッチの隣り合う２つの導体パッチを電気的に接続する接続部と
を有するＥＢＧ構造であって、
前記接続部は、
一方の導体パッチと接続される第１ビアと、
他方の導体パッチと接続される第２ビアと、
前記第１ビアと前記第２ビアを接続する接続配線とからなり、
前記接続配線は、前記第１ビアと前記第２ビアとの間においてヘリカルインダクタまたはスパイラルインダクタを構成していることを特徴とするＥＢＧ構造。
導体プレーンと、
前記導体プレーン上に設けられた誘電体層と、
前記誘電体層上の複数の導体パッチと、
前記導体パッチの隣り合う２つの導体パッチを電気的に接続する接続部と
を有するＥＢＧ構造であって、
前記接続部は、
一方の導体パッチと接続される第１ビアと、
他方の導体パッチと接続される第２ビアと、
２つの導体パッチの隙間に配置される第３ビアと第４ビアと、
前記第１ビアと前記第３ビアを接続する第１接続配線と、
前記第２ビアと前記第４ビアを接続する第２接続配線と、
前記第３ビアと前記第４ビアを接続する第３接続配線とからなり、
前記第１接続配線と前記第２接続配線の一部分が、前記第３接続配線と上下に重なるように形成され、前記第１ビアと前記第２ビアとの間においてヘリカルインダクタを構成していることを特徴とする請求項１に記載のＥＢＧ構造。
前記導体プレーンは、第１の導電体層で形成され、
前記複数の導体パッチと前記第３接続配線は、第２の導電体層で形成され、
前記第１接続配線と前記第２接続配線は、前記第１の導電体層および前記第２の導電体層の上に誘電体層を介して設けられた第３の導電体層で形成されていることを特徴とする請求項２に記載のＥＢＧ構造。
導体プレーンと、
前記導体プレーン上に設けられた誘電体層と、
前記誘電体層上の複数の導体パッチと、
前記導体パッチの隣り合う２つの導体パッチを電気的に接続する接続部と
を有するＥＢＧ構造であって、
前記接続部は、
一方の導体パッチと接続される第１ビアと、
他方の導体パッチと接続される第２ビアと、
２つの導体パッチの隙間に配置される第３ビアと、
前記第１ビアと前記第３ビアを接続する第１接続配線と、
前記第２ビアと前記第３ビアを接続する第２接続配線とからなり、
前記第１接続配線と前記第２接続配線の少なくともどちらか一方はスパイラル形状を有し、前記第１ビアと前記第２ビアとの間においてスパイラルインダクタを構成していることを特徴とする請求項１に記載のＥＢＧ構造。
前記第１接続配線と前記第２接続配線はスパイラル形状を有し、前記第１接続配線と前記第２接続配線のスパイラル部に流れる電流の方向が同じであることを特徴とする請求項４に記載のＥＢＧ構造。
請求項１から請求項５のいずれかに記載のＥＢＧ構造を周期的に配置したことを特徴とするプリント基板。