JP2013153041A - ノイズ抑制構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＬＳＩなどの多数の配線のノイズを一括して効果的に抑制することができる新たな構造として、小型且つ薄型のノイズ抑制構造体を提供する。
【解決手段】 誘電体層５と導電体層６からなる単位構造を周期的に連結してなる構造体であって、所定の周波数帯域に属する信号およびノイズの透過を阻止するＥＢＧ構造体２と、このＥＢＧ構造体２に誘電体層７を介して近接配置された電源線または信号線とグランド線の配線層８からなる配線部３と、この配線部３に誘電体層９を介して近接配置された導電体層１０の導電体部４とで構成され、ＥＢＧ構造体２の導電体層６と、配線部３のグランド線と、導電体部４の導電体層１０は、互いにビアホール１１を介して電気的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は電子機器や電子部品で発生する電磁ノイズや電磁干渉を抑制する構造体に関し、特に、電子機器や電子部品から発生する電磁ノイズを除去する機能を有するノイズ抑制構造体に関する。

従来から、機器内部から外部へと放射される電磁ノイズ、即ち当該機器と外部の電子機器との間に生じる電磁干渉を防止する様々な対策が提案されてきた。

一方、電子機器の高周波化、小型化、多機能化に伴い、機器内部における電子部品間、あるいは電子回路間の電磁干渉対策についても必要不可欠な状況となっている。このような問題の対策部品として、磁性金属粉末がポリマー中に分散された構造をもつノイズ抑制シートやインピーダンス素子が提案されている。また、特許文献１には、信号の高次高調波成分を減衰させるため、オープンスタブを備えたことを特徴とする積層誘電体フィルタのような電磁ノイズ対策部品が提案されている。

かかる状況において、近年、デバイス材料としてＥＢＧ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｂａｎｄ Ｇａｐ）構造体が着目されている。ＥＢＧ構造体とは、所定の等価回路で表現できる単位構造を周期的に連結してなる構造体である。ＥＢＧ構造体の特徴の一つとして、ＥＢＧ構造体に形成された導電体層を通過する信号のうち、所定の周波数帯域に属する信号およびノイズの透過を阻止するというものがある。これは、概略、ある周波数に対してエバネッセント場を構成するような単位構造を周期的に配置することにより、入射された信号およびノイズが、エバネッセント場において反射された信号およびノイズにより打ち消されてしまうといったメカニズムを利用するものである。これに関する提案としては、例えば特許文献２に開示されるものが挙げられる。

特開平１０−１７８３０２号公報 特開２００８−１３１５０９号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているようなノイズ対策部品を用いたとしても、部品実装と配線の高密度化等によりノイズ対策部品を実装するためのスペースを確保することが困難である点や、機器内部における電磁環境の複雑化によりノイズ除去効果が不十分である点が問題点として発生してきている。また、特許文献２に記載されているようなＥＢＧ構造体には、導電体層が２層存在するため、製造工程が複雑になる可能性がある。

特に、機器内部の部品の中でもＬＳＩは、内部のスイッチング素子などからノイズが発生し、ノイズの大きな発生源である。更に、ＬＳＩからは非常に多くの配線がでておりこれらの配線にノイズが流れてしまうと、周辺の他の内部部品等に与える影響は極めて大きいものとなるが、従来はこれらの配線のノイズを一括して抑制する方法がなかった。

そこで、本発明は、ＬＳＩなどの多数の配線のノイズを一括して効果的に抑制することができる新たな構造として、小型且つ薄型のノイズ抑制構造体を提供する。

上記の課題を解決するために、本発明は、ＥＢＧ構造体の上に誘電体層を介して信号配線を設けた配線部と、その上に新たな誘電体層と導電体層を設けて導電体部を構成し、ＥＢＧ構造体の導電体層と、配線部のグランド線と、導電体部の導電体層は、互いに導電体を介して電気的に接続したものである。

すなわち、本発明によれば、誘電体層と導電体層からなる単位構造を周期的に連結してなり、所定の周波数帯域に属する信号およびノイズの透過を阻止するＥＢＧ構造体と、前記ＥＢＧ構造体に誘電体層を介して近接配置された電源線または信号線とグランド線からなる配線層を備える配線部、および前記配線部に誘電体層を介して近接配置された導電体層からなる導電体部とで構成され、前記ＥＢＧ構造体の導電体層と、前記配線部のグランド線と、前記導電体部の導電体層は、互いに導電体を介して電気的に接続されていることを特徴とするノイズ抑制構造体が得られる。

また、本発明によれば、前記ＥＢＧ構造体の上に磁性体層を備えていることを特徴とする上記のノイズ抑制構造体が得られる。

また、本発明によれば、前記ＥＢＧ構造体の誘電体層と、前記配線部の誘電体層と、前記導電体部の誘電体層は、ガラス繊維と樹脂の複合体、高分子フィルム、ポリイミド、ＦＲ４のいずれかであることを特徴とする上記のノイズ抑制構造体が得られる。

また、本発明によれば、前記ＥＢＧ構造体の導電体層と、前記配線層と、前記導電体部の導電体層は、銅、アルミニウムのいずれか、またはこれらの合金であることを特徴とする上記のノイズ抑制構造体が得られる。

また、本発明によれば、前記ＥＢＧ構造体の導電体層が、中央部のパッチ電極と周辺部のグランド電極とそれらを電気的に接続するインダクタラインからなることを特徴とする上記のノイズ抑制構造体が得られる。

また、本発明によれば、半導体ベアチップと外部の電気回路とを接続するための配線ピッチ変換基板であることを特徴とする上記のノイズ抑制構造体が得られる。

前記ＥＢＧ構造体に誘電体層を介して近接配置された前記配線層のグランド線は、前記ＥＢＧ構造体のグランド部に接地していることが望ましい。

本発明によれば、電磁ノイズの発生源により近い位置で配線ノイズを一括して抑制することができるので、半導体パッケージ内部あるいは電子機器内部での電磁干渉を抑制することができる。したがって、例えば携帯電話端末など小型の無線通信機器においても、その端末内で発生する電磁ノイズにより通信品質が劣化する等の不具合を解消することができる。

本発明の実施の形態１に係るノイズ抑制構造体の模式断面図。 本発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造体の平面図。 本発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造体単位セルの平面図。 本発明の実施の形態１に係る配線部の平面図。 本発明の実施の形態１に係る配線部の一部拡大平面図。 本発明の実施の形態１に係る導電体部の平面図。 本発明の実施の形態１に係る６角形単位セルを用いたＥＢＧ構造体の平面図。 本発明の実施の形態１に係る６角形単位セルの平面図。 本発明の実施の形態２に係るノイズ抑制構造体の模式断面図。 本発明の実施の形態３に係るノイズ抑制構造体の模式断面図。 従来のノイズ抑制構造体の模式断面図。 透過パラメータＳ２１の電磁界シミュレーション結果。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

（実施の形態１）
本発明のノイズ抑制構造体の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係るノイズ抑制構造体の模式断面図である。図２は、本発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造体の平面図である。図３は、本発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造体単位セルの平面図である。図４は、本発明の実施の形態１に係る配線部の平面図である。図５は、本発明の実施の形態１に係る配線部の一部拡大平面図である。図６は、本発明の実施の形態１に係る導電体部の平面図である。図７は、本発明の実施の形態１に係る６角形単位セルを用いたＥＢＧ構造体の平面図である。図８は、本発明の実施の形態１に係る６角形単位セルの平面図である。

本発明のノイズ抑制構造体１は、ＥＢＧ構造体２と配線部３と導電体部４で構成される。ＥＢＧ構造体２は、誘電体層５と導電体層６からなる単位構造を周期的に連結してなる構造体で、所定の周波数帯域に属する信号またはノイズの透過を阻止する。ＥＢＧ構造体２の導電体層６の上に誘電体層７を介して、電源線または信号線とグランド線の配線層８を設けて配線部３とする。さらに、配線部３の上に誘電体層９を介して配置された導電体層１０を設けて導電体部４とする。ＥＢＧ構造体２の導電体層６と、配線層８のグランド線と、導電体部４の導電体層１０とが、互いに導電体のビアホール１１を介して電気的に接続されてノイズ抑制構造体１が構成されている。

図２に示すように、ＥＢＧ構造体２は、ポリイミドシートよりなる誘電体層５の上に、銅箔よりなる４角形の導体パターンを形成する導電体層６により構成する。導電体層６の導体パターンは、４角形の単位セル３１を５行５列にならべて構成する。図３は、ＥＢＧ構造体の単位セル３１の構成を示している。４角形の単位セル３１はパッチ電極３３と、パッチ電極３３を取り巻くグランド電極３２、およびパッチ電極３３とグランド電極３２を電気的に接続するインダクタライン３４で構成する。また、グランド電極３２は、隣接セルのグランド電極３２と一体として、大きなグランド電極を形成する。

図４、図５に示すように、配線部３は、エポキシ樹脂層からなる誘電体層７と、その上の銅箔配線パターンからなる電源線または信号線８ａとグランド線８ｂの配線層８により構成する。配線部３の中心部に設けられたＩＣ搭載部３５にＩＣチップ２１（図示せず）を、実装する。グランド線８ｂは、ビアホール１１によりＥＢＧ構造体２の導電体層６と導通させる。

導電体部４は、図６に示すようにエポキシ樹脂層からなる誘電体層９と、その上の銅箔パターンからなる導電体層１０により構成する。導電体部４の導電体層１０に設けられたビアホール１１により、配線部３の配線層８のグランド線８ｂとＥＢＧ構造体２の導電体層６と電気的に接続する。また、貫通部１２は、ＩＣチップ２１の搭載のために、誘電体層９と導電体層１０が無い部分となっている。

電源線または信号線８ａは、ＥＢＧ構造体のパッチ電極３３および導電体部４の導電体層１０との間で大きなキャパシタンスを形成する。このキャパシタンスと、電源線または信号線の導体パターンを流れる電流の作るインダクタンスとで構成されるＬＣ直列共振が、広帯域な低インピーダンスの周波数領域を作り、電源線または信号線８ａ上を通過する信号に極めて広い周波数帯域の伝導阻止帯域を付与する。ＬＣ直列共振では、キャパシタンスが大きい方が、低インピーダンスの周波数範囲が広くなる。従って、電源線または信号線の線幅は大きい方がキャパシタンスを高められ、より効果的な減衰を得ることができる。

実施の形態１では、ＥＢＧ構造体における単位構造の導電体層が４角形単位セルの場合について示したが、６角形でも良い。図７は、本発明の実施の形態に係る６角形単位セルを用いたＥＢＧ構造体の平面図である。図８は、本発明の実施の形態に係る６角形単位セルの平面図である。単位セル３１が四角形の場合、直交する２方向に周期構造を作れるが、単位セルが６角形の場合には、６０度づつずれた３方向に周期構造を作れる。図７の６角形の単位セル３１は、ポリイミドシートからなる誘電体層５の上に、６角形の単位セル３１が５×５セル接続される周期構造の導体パターンからなる導電体層６により構成している。導電体層６は、銅箔で形成されている。単位セルは、図８に示すように、４角形セルの場合と同様に、グランド電極３２、パッチ電極３３、インダクタライン３４により構成されている。

ＥＢＧ構造体における単位構造の導電体層は、４角形もしくは６角形であることが望ましい。

ＥＢＧ構造体２の誘電体層５と、配線部３の誘電体層７と、導電体部４の誘電体層９は、ガラス繊維と樹脂の複合体、高分子フィルム、ポリイミド、ＦＲ４のいずれかにより構成されている。

ＥＢＧ構造体２の導電体層６と、配線部３の配線層８と、導電体部４の導電体層１０は、銅、アルミニウムのいずれか、またはこれらの合金により構成されている。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は、実施の形態１の構成に、ＥＢＧ構造体２上に磁性体層１５を設けた構成である。図９は、本発明の実施の形態２に係るノイズ抑制構造体の模式断面図である。この磁性体層１５は、磁性体薄膜やフェライト、フェライトめっき膜等で構成されて、ノイズ抑制構造体１において、ＥＢＧ構造体２の導電体層６と、配線部３の誘電体層７の間に設けられる。

例えばフェライトめっき法により形成されたフェライトめっき膜などの磁性体層をＥＢＧ構造体に近接させることにより、ノイズ抑制効果を高める効果が期待できる。フェライトめっき法とは、固体表面に、金属イオンとして少なくともＦｅ^２＋（第１鉄イオン）を含む水溶液を接触させ、その固体表面にＦｅ^２＋またはこれと他の水酸化金属イオンを吸着させ、続いて吸着したＦｅ^２＋を酸化させることによりＦｅ^３＋（第２鉄イオン）を得、これが水溶液中の水酸化金属イオンとの間でフェライト結晶化反応を起こすことを利用して、固体表面にフェライト膜を形成する方法である。この方法により形成されたフェライトめっき膜は、結晶相同士が密に配列した構造を有し交換結合による小さな異方性分散が期待でき、バルクのフェライトよりも高い周波数まで透磁率実部μ’が伸びるため、１桁高い自然共鳴周波数を有する。また、組成を変えることで自然共鳴周波数も制御可能である。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３は、実施の形態１のノイズ抑制構造体１を、半導体ベアチップと外部の電気回路とを接続するための配線ピッチ変換基板（インターポーザ）に適用した構成である。図１０は、本発明の実施の形態３に係るノイズ抑制構造体の模式断面図である。

ＥＢＧ構造体２の上に、配線部３と導電体部４を構成したノイズ抑制構造体１において、配線部３の誘電体層７に、貫通部１２を利用してＩＣチップ２１を搭載して、ＩＣチップ２１の減衰させる必要のない信号線２２をＥＢＧ構造体２の下部に配線する。ＩＣチップ２１からの信号線は、配線部３の誘電体層７上に配線層８として配線し、同時にＩＣチップ２１のグランド配線、電源配線も配線部３の誘電体層７上に配線する。

この構成により、ＩＣチップ２１からの信号線は、ＥＢＧ構造体２の導電体層６および導電体部４の導電体層１０との間で大きなキャパシタンスを形成する。そこで、減衰させたい信号線は導電体部４とＥＢＧ構造体２の間を通し、減衰させる必要のない信号線２２は、導電体部４とＥＢＧ構造体２の間を通さない構造にするのが好ましい。これにより、減衰させる配線数を減らせるので、線幅を広く取れ、より大きな減衰を得ることができる。広い線幅でキャパシタンスを大きく取れれば、共振周波数を低くできるので、配線ピッチ変換基板の小型化が可能となる。

ＥＢＧ構造体に誘電体層を介して近接配置された電源線または信号線とグラウンド線からなる配線層は、主に半導体パッケージで発生する電磁ノイズを当該パッケージ内部で遮断する、という効果をもたらすために、半導体ベアチップと外部の電気回路とを接続するための配線ピッチ変換基板ないしはリードフレームであることが望ましい。

本発明のノイズ抑制構造体と従来のノイズ抑制構造体を作製して比較を行った。本実施例では、ノイズ抑制構造体の例として、実施の形態３と同様に、伝送線路として半導体ベアチップと外部の電気回路とを接続するための配線ピッチ変換基板を想定した構成とした。

（実施例）
図２に示すように、ＥＢＧ構造体２の誘電体層５は、厚み５０μｍのポリイミドシートで構成した。このポリイミドシートの上に厚み９μｍの銅箔よりなる４角形の導体パターンを形成して導電体層６を構成した。導電体層６の導体パターンは、４×４ｍｍの単位セル３１を５行５列にならべて構成し、全体の導体パターンは、２０×２０ｍｍのサイズとした。図３は、ＥＢＧ構造体の単位セル３１の構成を示している。４角形の単位セル３１は４×４ｍｍのパッチ電極３３と、パッチ電極３３を取り巻くグランド電極３２、およびパッチ電極３３とグランド電極３２を電気的に接続するインダクタライン３４で構成した。インダクタライン３４の線幅は０．２５ｍｍであり、長さは０．５ｍｍとした。グランド電極３２は、単位セル内の幅は０．２５ｍｍであるが、隣接セルのグランド電極３２と一体として、幅０．５ｍｍのグランド電極３２を形成した。

図４、図５に示すように、配線部３は、厚み１５μｍのエポキシ樹脂層からなる誘電体層７と、その上の厚み１２μｍの銅箔配線パターンからなる電源線または信号線８ａとグランド線８ｂからなる配線層８で構成した。配線部３の中心部に設けられたＩＣ搭載部３５にＩＣチップ２１（図示せず）を、実装した。グランド線８ｂは、ビアホール１１によりＥＢＧ構造体２の導電体層６と導通させた。

導電体部４は、図６に示すようにエポキシ樹脂層からなる誘電体層９と、その上の銅箔パターンからなる導電体層１０により構成した。導電体部４の導電体層１０に設けられたビアホール１１により、配線部３の配線層８のグランド線８ｂとＥＢＧ構造体２の導電体層６と電気的に接続した。また、貫通部１２を利用して、ＩＣチップ２１の搭載を行った。

図１０に示すように、配線部３の誘電体層７にＩＣチップ２１を搭載して、ＩＣチップ２１の減衰させる必要のない信号線２２をＥＢＧ構造体２の下部に配線した。ＩＣチップ２１からの信号線は、配線部３の誘電体層７上に配線層８として配線し、同時にＩＣチップ２１のグランド配線、電源配線も配線部３の誘電体層７上に配線した。

（比較例）
図１１は、従来のノイズ抑制構造体の模式断面図である。従来のノイズ抑制構造体は、ＥＢＧ構造体２と配線部３で構成した。ＥＢＧ構造体２は、誘電体層５と導電体層６からなる単位構造を周期的に連結してなる構造体であって所定の周波数帯域に属する信号またはノイズの透過を阻止する。ＥＢＧ構造体２の導電体層６の上に誘電体層７を介して、電源線または信号線とグランド線の配線層８を設けて配線部３とした。その他の構成は、実施例と同様とした。

実施例のノイズ抑制構造体１と従来のノイズ抑制構造体における配線部３の誘電体層７に、図５に示すように、電源線または信号線８ａとグランド線８ｂ間にＡポート９ａとＢポート９ｂを設定して、その間の透過パラメータＳ２１（透過／入射）を３次元電磁界シミュレーションにより算出させた。

図１２は、透過パラメータＳ２１の電磁界シミュレーション結果である。その結果、図１２に示すように、本発明のノイズ抑制構造体に信号およびノイズの透過を阻止する帯域が形成され、比較例よりも全周波数帯域において、大きなノイズの減衰を得ることが予測される結果となった。よって、従来よりもノイズ抑制効果が大きいことを確認することができた。

本発明におけるノイズ抑制構造体は、従来のＥＢＧ構造体上に、配線部を設けた構造において、配線層の電源線または信号線とグラウンド線の周波数帯域に属する信号およびノイズの透過を阻止する効果を有する。しかし、配線部上に対して更に、誘電体層を介して近接配置された導電体層を有する導電体部を設けることが、信号およびノイズの透過を阻止する効果を高めるために必要不可欠である。実施例では、導電体部の導電体層がベタ銅箔の場合についてのみ示したが、例えばＥＢＧ構造体の導電体層と同様のパターンを形成しても構わない。

以上、実施例を用いて、この発明の実施の形態を説明したが、この発明は、これらの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれる。

１ ノイズ抑制構造体
２ ＥＢＧ構造体
３ 配線部
４ 導電体部
５、７、９ 誘電体層
６、１０ 導電体層
８ 配線層
８ａ 電源線または信号線
８ｂ グランド線
９ａ Ａポート
９ｂ Ｂポート
１１ ビアホール
１２ 貫通部
１５ 磁性体層
２１ ＩＣチップ
２２ 減衰させる必要のない信号線
３１ 単位セル
３２ グランド電極
３３ パッチ電極
３４ インダクタライン
３５ ＩＣ搭載部

Claims (7)

1. 誘電体層と導電体層からなる単位構造を周期的に連結してなり、所定の周波数帯域に属する信号およびノイズの透過を阻止するＥＢＧ構造体と、
   前記ＥＢＧ構造体に誘電体層を介して近接配置された電源線または信号線とグランド線からなる配線層を備える配線部、
   および前記配線部に誘電体層を介して近接配置された導電体層からなる導電体部とで構成され、
   前記ＥＢＧ構造体の導電体層と、前記配線部のグランド線と、前記導電体部の導電体層は、互いに導電体を介して電気的に接続されていることを特徴とするノイズ抑制構造体。
2. 前記ＥＢＧ構造体の導電体層上に磁性体層を備えていることを特徴とする請求項１に記載のノイズ抑制構造体。
3. 前記ＥＢＧ構造体の誘電体層と、前記配線部の誘電体層と、前記導電体部の誘電体層は、ガラス繊維と樹脂の複合体、高分子フィルム、ポリイミド、ＦＲ４のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載のノイズ抑制構造体。
4. 前記ＥＢＧ構造体の導電体層と、前記配線層と、前記導電体部の導電体層は、銅、アルミニウムのいずれか、またはこれらの合金であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のノイズ抑制構造体。
5. 前記ＥＢＧ構造体の導電体層が、中央部のパッチ電極と周辺部のグランド電極とそれらを電気的に接続するインダクタラインからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のノイズ抑制構造体。
6. 半導体ベアチップと外部の電気回路とを接続するための配線ピッチ変換基板であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のノイズ抑制構造体。
7. 前記ＥＢＧ構造体に誘電体層を介して近接配置された前記配線層のグランド線は、前記ＥＢＧ構造体のグランド部に接地していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のノイズ抑制構造体。

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