JP2013219182A - プリント回路板 - Google Patents

Abstract

【課題】電源パターン及びグラウンドパターンの電気抵抗値を低く保ちつつ、電源パターン及びグラウンドパターンのインダクタンス値を高めることが可能なプリント回路板を提供する。
【解決手段】プリント配線板１０１は、電源パターン１３１が形成された電源層１１３と、グラウンドパターン１２１が形成されたグラウンド層１１２とを有して構成されている。プリント配線板１０１には、半導体装置としてのＬＳＩ１０２と、電源供給部であるＬＳＩ１０４とが実装されている。プリント配線板１０１の表面に垂直な方向から見て、グラウンドパターン１２１において電源パターン１３１と重なる領域をグラウンド領域Ｒとする。また、ＬＳＩ１０２と重なる第１領域Ｒ１１と、ＬＳＩ１０４と重なる第２領域Ｒ２とを差し引いた第３領域Ｒ３には、第１領域Ｒ１１と第２領域Ｒ２とを連通させる幅狭の連通部分１２１ａを残して、欠損部１２２が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、プリント配線板に半導体装置を実装したプリント回路板に関するものである。

近年、半導体装置としての半導体集積回路（Ｌａｒｇｅ−Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ。以下、ＬＳＩ）の消費電流の増大に伴い、ＬＳＩの電源電位及びグラウンド電位の変動に起因する誤動作が問題となっている。

ＬＳＩが動作すると、電源端子及びグラウンド端子を流れる電流と、電源端子及びグラウンド端子から見たＬＳＩのインピーダンスとの積によって決まる電位変動（電源ノイズ）が発生する。この電位変動がプリント配線板の電源パターン及びグラウンドパターンを伝搬することにより、別のＬＳＩを動作させるための電源電位及びグラウンド電位を変動させ、ＬＳＩの誤動作を引き起こす場合がある。

このＬＳＩの動作による電源電位及びグラウンド電位の変動の伝搬を抑制するために、ＬＳＩの電源端子とプリント配線板の電源パターンとを高周波領域において電気的に分離するデカップリングをすることが考えられていた。このため、従来、ＬＳＩの電源端子とプリント配線板の電源パターンとの間にインダクタンス素子を挿入していたが、インダクタンス素子を挿入する分、部品点数が増加してしまう。

そこで、プリント配線板における電源パターンを細長いミアンダ形状に形成し、電源パターンのインダクタンス値を大きくすることにより、ＬＳＩをデカップリングするものが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００１−１１９１１０号公報

しかしながら、電源パターンを細くするに従って、電源パターンのインダクタンス値を大きくすることは可能であるが、これと同時に電源パターンの電気抵抗値も増大する。このように電源パターンの電気抵抗値が増大すると、ＬＳＩに供給する直流電流（平均消費電流）と電源パターンの電気抵抗値との積で決まる電源電圧降下が大きくなるため、ＬＳＩを駆動する直流の電源電圧が不足する場合が生じる。

そこで、本発明は、直流に対しては電源パターン及びグラウンドパターンの電気抵抗値を低く保ちつつ、高周波領域に対してはインダクタンス値を高めることが可能なプリント回路板を提供することを目的とするものである。

本発明のプリント回路板は、電源パターンが形成された電源層、及びグラウンドパターンが形成され、誘電体層を介して前記電源層に相対するグラウンド層を有するプリント配線板と、前記プリント配線板に実装され、電源端子が前記電源パターンに接続され、グラウンド端子が前記グラウンドパターンに接続された半導体装置と、前記プリント配線板に実装され、前記電源パターン及び前記グラウンドパターンを介して前記半導体装置に直流電力を供給する電源供給部と、を備え、前記プリント配線板の表面に垂直な方向から見て、前記グラウンドパターンにおいて前記電源パターンと重なるグラウンド領域のうち、前記半導体装置と重なる第１領域と、前記電源供給部と重なる第２領域とを差し引いた第３領域には、前記第１領域と前記第２領域とを連通させる、前記電源パターンの幅よりも幅狭の連通部分を残して、欠損部が形成されていることを特徴とする。

直流に対しては電源パターン及びグラウンドパターンの電気抵抗値を低く保ちつつ、高周波領域に対してはインダクタンス値を高めることができる。

本発明の第１実施形態に係るプリント回路板の概略構成を示す説明図である。（ａ）はプリント回路板の断面図、（ｂ）はプリント配線板のグラウンド層の平面図、（ｃ）はプリント配線板の電源層の平面図、（ｄ）はプリント回路板の平面図である。 プリント回路板の電源配線とグラウンド配線に求められるインダクタンス値を検証するための回路構成を示した図である。 図２に示した回路の電気特性をシミュレーションしたときの透過特性を示すグラフである。 グラウンドパターンの第３領域に形成する欠損部の変形例を示す説明図である。（ａ）及び（ｂ）は欠損部が１つのグラウンド欠損からなる場合を示す図、（ｃ）及び（ｄ）は欠損部が複数のグラウンド欠損からなり、複数のグラウンド欠損を電源パターンの延びる方向と直交する方向に並設した場合を示す図である。（ｅ）及び（ｆ）は欠損部が複数のグラウンド欠損からなり、複数のグラウンド欠損を電源パターンの延びる方向と平行な方向に並設した場合を示す図である 本発明の第２実施形態に係るプリント回路板の概略構成を示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係るプリント回路板の要部を示す説明図であり、（ａ）はプリント配線板の電源層の平面図、（ｂ）は電源層における電源パターンの平面図、（ｃ）はプリント配線板のグラウンド層の平面図である。 欠損部の部分拡大図であり、（ａ）は欠損部の一例を示す図、（ｂ）は欠損部の他の例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るプリント回路板の電気特性を検証する図である。 半導体装置及び欠損部に対して電源供給部の位置を変えたときのグラウンドの電気抵抗値の変化を示すグラフである。 比較例１に係るプリント回路板の概略構成を示す説明図であり、（ａ）は電源パターン、グラウンドパターン、半導体装置の外形の重心点及び電源供給部の重心点を重ね書きした模式図である。（ｂ）は電源パターンの模式図、（ｃ）はグラウンドパターンの模式図である。 比較例２に係るプリント回路板の概略構成を示す説明図であり、（ａ）は電源パターン、グラウンドパターン、半導体装置の外形の重心点及び電源供給部の重心点を重ね書きした模式図である。（ｂ）は電源パターンの模式図、（ｃ）はグラウンドパターンの模式図である。 本発明の第２実施形態に係るプリント回路板と、比較例１，２に係るプリント回路板とにおける電源−グラウンドループのインダクタンス値及び電気抵抗値を示したグラフである。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るプリント回路板の概略構成を示す説明図である。図１（ａ）はプリント回路板の断面図、図１（ｂ）はプリント配線板のグラウンド層の平面図、図１（ｃ）はプリント配線板の電源層の平面図、図１（ｄ）はプリント回路板の平面図である。

プリント回路板１００は、プリント配線板１０１と、プリント配線板１０１に実装された半導体装置（第１の半導体装置）としてのＬＳＩ１０２と、プリント配線板１０１に実装された電源供給部としてのＬＳＩ１０４と、を備えている。更に、本第１実施形態では、プリント回路板１００は、プリント配線板１０１に実装された、ＬＳＩとは別の半導体装置（第２の半導体装置）であるＬＳＩ１０３を備えている。また、プリント回路板１００は、ＬＳＩ１０２の電源端子１０２ａとグラウンド端子１０２ｂとの間に接続された、デカップリング用のコンデンサ１０５を備えている。また、プリント回路板１００は、ＬＳＩ１０３の電源端子１０３ａとグラウンド端子１０３ｂとの間に接続された、デカップリング用のコンデンサ１０６を備えている。

プリント配線板１０１は、一方の表層である信号配線層１１１と、内層であるグラウンド層１１２と、内層である電源層１１３と、他方の表層である信号配線層１１４と、これら層間に配置された誘電体層１１５〜１１７と、を有する多層プリント配線板である。電源層１１３とグラウンド層１１２とは、誘電体層１１６を挟んで相対している。

プリント配線板１０１の一方の表層（表面）には、ＬＳＩ１０２，１０３，１０４が実装されている。また、プリント配線板１０１の他方の表層（表面）には、コンデンサ１０５，１０６が実装されている。

信号配線層１１１，１１４には、不図示の信号配線が形成されている。電源層１１３には、電源供給配線である電源パターン１３１が形成されており、グラウンド層１１２には、グラウンド配線であるグラウンドパターン１２１が形成されている。これら電源パターン１３１及びグラウンドパターン１２１は、平板状の導体で形成されている。

電源供給部であるＬＳＩ１０４は、外部電源からの直流電圧を、ＬＳＩ１０２，１０３に適した直流電圧に変換して、直流電力をＬＳＩ１０２，１０３に供給する電源回路である。ＬＳＩ１０４の電源端子１０４ａは、電源パターン１３１に電源ヴィア１４１を介して電気的に接続されており、グラウンド端子１０４ｂは、グラウンドパターン１２１にグラウンドヴィア１４２を介して電気的に接続されている。また、ＬＳＩ１０２の電源端子１０２ａは、電源パターン１３１に電源ヴィア１４３を介して電気的に接続されており、グラウンド端子１０２ｂは、グラウンドパターン１２１にグラウンドヴィア１４４を介して電気的に接続されている。また、ＬＳＩ１０３の電源端子１０３ａは、電源パターン１３１に電源ヴィア１４５を介して電気的に接続されており、グラウンド端子１０３ｂは、グラウンドパターン１２１にグラウンドヴィア１４６を介して電気的に接続されている。

コンデンサ１０５の一方の端子は電源ヴィア１４３に、他方の端子はグラウンドヴィア１４４にそれぞれ接続されている。コンデンサ１０６の一方の端子は電源ヴィア１４５に、他方の端子はグラウンドヴィア１４６にそれぞれ接続されている。

ＬＳＩ１０２とＬＳＩ１０３とは、同一の電圧で動作するものである。ＬＳＩ１０４は、直流電力（直流電圧及び直流電流）を、電源パターン１３１及びグラウンドパターン１２１を介してＬＳＩ１０２及びＬＳＩ１０３に供給する。ＬＳＩ１０２及びＬＳＩ１０３は、共通のＬＳＩ１０４からの給電により動作する。

本第１実施形態では、グラウンドパターン１２１は、図１（ｂ）に示すように、プレーン状に形成されたベタパターンである。また、電源パターン１３１は、図１（ｃ）に示すように、ＬＳＩ１０４からＬＳＩ１０２及びＬＳＩ１０３に延びるように形成されており、ＬＳＩ１０２とＬＳＩ１０３とで電源配線を共通化している。

なお、プリント配線板１０１には、ＬＳＩ１０２，１０３とは異なる電圧で動作する不図示の半導体装置や不図示の電源供給部等が実装されており、これらの電源端子同士を電気的に接続する不図示の電源パターンが電源層１１３に形成されている。これら不図示の半導体装置や不図示の電源供給部等のグラウンド端子は、グラウンドパターン１２１に共通に接続されている。

ここで、ＬＳＩ１０４からＬＳＩ１０２に至る電源パターン１３１には、直流の電源電流が流れる。電源パターン１３１は、他の電源パターンを形成する関係上、グラウンドパターン１２１のようなベタパターンにすることはできないが、電気抵抗値を低減させるために、できるだけ幅広く形成するのが好ましい。一方、ＬＳＩ１０２からＬＳＩ１０４に至るグラウンドパターン１２１には、直流のグラウンド電流が流れる。グラウンドパターン１２１はベタパターンであるので、電源パターン１３１よりも電気抵抗値が低く、また、グラウンド電流は最短の経路で流れることとなる。

このＬＳＩ１０２が給電されて動作すると、電圧変動（電源ノイズ）が発生する。ＬＳＩ１０２で発生した電源ノイズは、コンデンサ１０５を介してＬＳＩ１０２に戻されるが、電源ノイズの周波数が高くなるに連れ、コンデンサ１０５の素子に寄生成分として含まれる誘導性成分が無視できなくなる。

ところで、ＬＳＩ１０２で発生した電源ノイズが電源パターン１３１を伝搬する際には、グラウンドパターン１２１には、電源パターン１３１をノイズ電流が進行する方向とは逆方向にリターン電流が発生する。このリターン電流の経路は、直流電流のような最短経路ではなく、電源パターン１３１を流れるノイズ電流に沿った経路となる。したがって、リターン電流の経路を規定すれば、電源パターン１３１において同様の経路をノイズ電流が流れることとなる。

そこで、本第１実施形態では、グラウンドパターン１２１において電源パターン１３１に沿った経路中にパターンが欠損している欠損部１２２を形成している。以下、グラウンドパターン１２１の構成について具体的に説明する。図１（ｂ）〜図１（ｄ）は、プリント配線板１０１の表面に対して垂直な方向（法線方向）から見た図である。

グラウンドパターン１２１には、プリント配線板１０１の表面に対して垂直な方向から見て、図１（ｂ）に示すように、電源パターン１３１と重なるグラウンド領域Ｒが存在する。このグラウンド領域Ｒは、図１（ｃ）に示す電源パターン１３１を、プリント配線板１０１の表面に対して垂直な方向から見て、グラウンド層１１２に投影した領域である。

このグラウンド領域Ｒのうち、プリント配線板１０１の表面に対して垂直な方向から見て、ＬＳＩ１０２と重なる領域を第１領域Ｒ１１、ＬＳＩ１０３と重なる領域を第１領域Ｒ１２とする。また、このグラウンド領域Ｒのうち、プリント配線板１０１の表面に対して垂直な方向から見て、ＬＳＩ１０４と重なる領域を第２領域Ｒ２とする。そして、グラウンド領域Ｒから第１領域Ｒ１１，Ｒ１２及び第２領域Ｒ２を差し引いた領域を第３領域Ｒ３とする。

本第１実施形態では、グラウンドパターン１２１における第３領域Ｒ３に、第１領域Ｒ１１と第２領域Ｒ２とを連通させる連通部分１２１ａを残して、欠損部１２２が形成されている。つまり、欠損部１２２は、第３領域Ｒ３が複数の部位に分割されないように形成されている。したがって、欠損部１２２が形成されたグラウンドパターン１２１の第３領域Ｒ３を電源パターン１３１に投影した際、電源供給部であるＬＳＩ１０４と、電源が供給されるＬＳＩ１０２とが、高周波領域において分断されない。連通部分１２１ａの幅（ノイズ電流が流れる方向と直交する方向の幅）は、電源パターン１３１の幅（電源パターン１３１が延びる方向に直交する方向の幅）よりも幅狭に設定されている。なお、仮に第３領域Ｒ３を分割してしまうと、電源パターンを流れるノイズ電流の経路とグラウンドパターンを流れるリターン電流の経路とが離れてしまい、電磁波の放射量の増大につながる。

ここで、ベタパターンであるグラウンドパターン１２１は、図１（ｂ）に示すように、欠損部１２２を除くグラウンド層１１２の領域全体に存在する。この欠損部１２２は、本第１実施形態では、１つの矩形形状のグラウンド欠損である。欠損部１２２は、第３領域Ｒ３の幅方向の一方の境界に接し、他方の境界と間隔をあけて形成されている。これにより、第３領域Ｒ３において電源パターン１３１の幅よりも幅狭である１本の連通部分１２１ａが、直線状に延びて形成されている。なお、図１（ｂ）では、欠損部１２２を矩形として長方形で描画しているが、長方形に限定するものではなく、また、矩形に限定するものでもない。

以上、本第１実施形態によれば、グラウンドパターン１２１において、電源ノイズのリターン電流は、電源パターン１３１よりも幅が狭い（細い）連通部分１２１ａを通過することとなる。そして、リターン電流に対応して電源パターン１３１を流れる電源ノイズの電流は、電源パターン１３１において連通部分１２１ａに対向する部分に集中して流れることとなる。これにより、電源ノイズに対して、電源パターン１３１及びグラウンドパターン１２１におけるインダクタンス値が高められ、高周波電流のデカップリング効果を得ることができる。

また、電源パターン１３１のインダクタンス値を高めるために電源パターン１３１に欠損を設けるなど、電源パターン１３１の幅を狭くする必要がないので、電源パターン１３１において、直流に対する電気抵抗値の上昇を抑制することができる。また、ＬＳＩ１０２の動作に起因する直流の電源電流のリターン経路も、欠損部１２２によって遮られることはないので、グラウンドパターン１２１の電気抵抗値の上昇を抑制することができる。

このように、高周波デカップリングのためのインダクタンス値の増大と電源パターン１３１及びグラウンドパターン１２１の直流に対する電気抵抗値の低減とを両立することが可能となる。そして、ＬＳＩ１０２で発生した電源ノイズが、同電位の電源電圧が供給されるＬＳＩ１０３に伝搬することを抑制することが可能となる。また、ＬＳＩ１０２で発生した電源ノイズが、電源供給部であるＬＳＩ１０４を介して他の機器に伝搬するのも抑制することが可能である。

ここで、欠損部１２２を形成する領域１５０について説明する。ＬＳＩ１０２において発生した電位変動は、電源パターン１３１及びグラウンドパターン１２１を伝搬して、ＬＳＩ１０３における誤動作の原因となる。電位変動の伝搬を抑制するためには、電源パターン１３１におけるＬＳＩ１０２の近傍を、高インダクタンスにすることが効果的である。欠損部１２２を用いた配線による特性をフィルタとしてのインダクタンスとして作用させるためには、電位変動の上限とする周波数以下の帯域において集中定数である必要がある。

１波長の１／８の領域内においては、プリント配線板１０１の配線構造を集中定数回路として取り扱うことが可能である。電位変動の上限周波数をｆとおいた際に、上限周波数以下の帯域で集中定数と見なせる距離は、光の速度をＣ、誘電体の比誘電率をεｒ、上限周波数ｆから、波長短縮を考慮し、式１でおおよそ求めることができる。
（Ｃ／（ｆ×√εｒ））／８・・・式１

次に、電源配線とグラウンド配線に求められるインダクタンス値と電気抵抗値について説明する。図２は、プリント回路板の電源配線とグラウンド配線に求められるインダクタンス値を検証するための回路構成を示した図である。ノード３０１は図１で示したＬＳＩ１０２、ノード３０２がＬＳＩ１０３に相当する。パッケージ構造がフリップチップ型のＬＳＩを想定したとき、ＬＳＩ１０２のパッケージ部のインダクタンス値が１０ｐＨである。また、コンデンサ１０５の容量値が５μＦ、インダクタンス値が３０ｐＨ、ＬＳＩ１０２とＬＳＩ１０３とを接続する電源配線経路を等価的に表したインダクタンス値がＬｄｅｃａｐである。

周波数が１ＧＨｚ、誘電体の比誘電率を４．５としたとき、式１より高インダクタンス化する配線領域は１７．７ｍｍと算出できる。

プリント配線板１０１が、以下の表１の断面構造をなす４層のプリント配線板である場合において、第２層に幅１５ｍｍの電源パターン１３１、第３層にベタパターンのグラウンドパターン１２１がそれぞれ形成されているものとする。ＬＳＩ１０２の端面から１６ｍｍまでの領域における電源パターン１３１とグラウンドパターン１２１とのインダクタンス値をＳＩＧＲＩＴＹ社のＰｏｗｅｒＳＩを用いて算出すると２．２ｎＨとなる。

図３は、ＳＹＮＯＰＳＹＳ社のＨＳＰＩＣＥを用いて図２の回路シミュレーションを実施したときの、ノード３０１からノード３０２に対する透過特性の解析結果を示している。一般的な電源配線構造におけるインダクタンス値は前述の２．２ｎＨである。Ｌｄｅｃａｐが２．２ｎＨのときの透過特性を基準とする。このときに、コンデンサ１０５による制御が困難となる１００ＭＨｚの帯域において、ノード３０１からノード３０２への電源ノイズの透過量を１／２以下に抑制するためには、Ｌｄｅｃａｐを５．４ｎＨとする必要がある。電源ノイズの伝搬量が１／２以下に抑制されていれば、誤動作のリスクは大きく低減される。

ここで、プリント配線板１０１の表面に垂直な方向から見て、電源パターン１３１においてＬＳＩ１０２の外形の端面に対応する部分から式１で求められる距離以内の部分領域のインダクタンス値をＬａとする。また、プリント配線板１０１の表面に垂直な方向から見て、電源パターン１３１の部分領域と重なるグラウンドパターン１２１の部分領域のインダクタンス値Ｌｂとする。その際、欠損部１２２は、グラウンドパターン１２１の部分領域であって、これらインダクタンス値Ｌａとインダクタンス値Ｌｂとの和が５．４ｎＨ以上となるように形成するのが望ましい。

また、電源パターン１３１における電源電圧降下が５％以内に抑制するよう、電源パターン１３１を形成するのが好ましい。具体例を挙げると、ＬＳＩ１０２が１Ｖの電源に１０Ａを供給する必要があるとき、電源電圧降下を５％以内に抑制するために、プリント配線板１０１の電源パターン１３１の電気抵抗値を５ｍΩ以下になるように電源パターン１３１を形成しておくことが望ましい。

図１（ｄ）に示したプリント回路板１００において、線分Ｌは、ＬＳＩ１０２の外形の重心点Ｇ１と、電源供給部としてのＬＳＩ１０４の外形の重心点Ｇ２とを結んだものである。欠損部１２２は、図１（ｄ）に示すように、プリント配線板１０１の表面に垂直な方向から見て、線分Ｌに交わらない位置に形成されている。

ＬＳＩ１０２からの直流電源電流のリターン電流は、グラウンドパターン１２１内を線分Ｌで示す経路を直進するように流れ、欠損部１２２で最短距離を通過するのを妨げられることはない。したがって、より効果的にグラウンドパターン１２１における直流に対する電気抵抗値の上昇を抑制することができる。

なお、第１実施形態では、欠損部１２２が１つの矩形形状のグラウンド欠損であり、１本の連通部分１２１ａが、直線状に延びて形成される場合について説明したが、これに限定するものではない。図４は、グラウンドパターン１２１の第３領域Ｒ３に形成する欠損部の変形例を示す説明図である。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、欠損部が１つのグラウンド欠損からなる場合を示す図である。図４（ａ）に示すように、欠損部１２２Ａが第３領域Ｒ３からグラウンド領域以外の領域にはみ出して形成されていてもよい。また、図４（ｂ）に示すように、欠損部１２２Ｂが第３領域Ｒ３の内部であって第３領域Ｒ３の境界に接しないように形成されていてもよい。

また、図４（ｃ）及び図４（ｄ）は、欠損部が複数のグラウンド欠損からなり、複数のグラウンド欠損を電源パターンの延びる方向と直交する方向に並設した場合を示す図である。

図４（ｃ）に示すように、欠損部１２２Ｃが、複数（この場合３つ）のグラウンド欠損４０１，４０２，４０３で構成されていてもよい。図４（ｃ）では、グラウンド欠損４０１，４０３が第３領域Ｒ３からはみ出して形成され、グラウンド欠損４０２が第３領域Ｒ３の内部に形成されている。なお、グラウンド欠損４０１，４０３が第３領域からはみ出さないように形成されていれば、グラウンドパターンの電気抵抗値の上昇をより効果的に抑制することができる。

また、図４（ｄ）に示すように、欠損部１２２Ｄが、複数（この場合３つ）のグラウンド欠損４０４，４０５，４０６からなり、全てのグラウンド欠損４０４，４０５，４０６が第３領域Ｒ３の境界に接しないよう第３領域Ｒ３の内部に形成されていてもよい。

これら複数のグラウンド欠損が並ぶ方向については、特に制約はなく、図４（ａ）及び図４（ｂ）に図示したように横に並んでいる構造であっても良いが、規則正しく並んでいなくてもよい。また、グラウンド欠損の数も、２つ以上形成されていればよい。

これら図４（ｃ）及び図４（ｄ）に示すグラウンド欠損同士は、互いに接触しないように間隔をあけて形成すればよい。これによって、第３領域Ｒ３が、複数の領域に分割されることはない。即ち、複数のグラウンド欠損が形成された第３領域Ｒ３を電源パターン１３１に投影しても、ＬＳＩ１０２とＬＳＩ１０４とが分断されることはない。

また、図４（ｅ）及び図４（ｆ）は、欠損部が複数のグラウンド欠損からなり、複数のグラウンド欠損を電源パターンの延びる方向と平行な方向に並設した場合を示す図である。

図４（ｅ）に示すように、欠損部１２２Ｅが２つのグラウンド欠損４０７，４０８からなり、グラウンド欠損４０７は、第３領域Ｒ３における一方の境界に跨り、グラウンド欠損４０８は、第３領域Ｒ３における他方の境界に跨るように形成されている。このように、グラウンド欠損４０７，４０８を互い違いに配置することで、第３領域Ｒ３における連通部分１２１ａを、クランク状にすることが可能となる。このようにすることで、連通部分１２１ａの長さを確保することができ、上記第１実施形態よりも、電源パターン１３１及びグラウンドパターン１２１におけるインダクタンスの増大効果を高めることができる。

また、図４（ｆ）に示すように、欠損部１２２Ｆが２つのグラウンド欠損４０９，４１０からなり、グラウンド欠損４０９，４１０を、第３領域Ｒ３の境界からはみ出さないように第３領域Ｒ３の境界に互い違いに接触させて形成するのがより好ましい。これによっても、電源パターン１３１及びグラウンドパターン１２１におけるインダクタンスの増大効果を高めることができる。また、第３領域Ｒ３の内部にのみグラウンド欠損４０９，４１０が形成されているため、図４（ｅ）で示した構造と比較して、グラウンド欠損の面積を削減することが可能となり、グラウンドパターン１２１の電気抵抗値の増加を抑制することができる。

以上のように、グラウンド欠損を複数用いることで、電源、グラウンドを低抵抗に保ちつつインダクタンスを高める効果を得ながら、ＬＳＩのグラウンド端子の位置に応じたグラウンド配線設計が可能となる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係るプリント回路板について説明する。図５は、本発明の第２実施形態に係るプリント回路板の概略構成を示す説明図である。本第２実施形態におけるプリント回路板２００では、図５中破線で示す領域１５０における欠損部の構成が、上記第１実施形態と異なるものであり、その他の構成は上記第１実施形態と同様である。

図６は、本発明の第２実施形態に係るプリント回路板２００の要部を示す説明図であり、図６（ａ）はプリント配線板２０１の電源層の平面図、図６（ｂ）は電源層における電源パターンの平面図、図６（ｃ）はプリント配線板２０１のグラウンド層の平面図である。本第２実施形態では、欠損部１２２Ｇは、グラウンドパターン１２１における連通部分１２１ｂがミアンダ形状となる形状に形成されている。

具体的には、欠損部１２２Ｇは、複数（図６では８つ）のグラウンド欠損６０１〜６０８からなり、これら複数のグラウンド欠損６０１〜６０８が電源パターン１３１の延びる方向に沿って互いに間隔をあけてグラウンドパターン１２１に並設されている。そして、複数のグラウンド欠損６０１〜６０８は、電源パターン１３１の延びる方向と直交する方向に、互い違いに形成されている。つまり、連通部分１２１ｂは、ノイズのリターン電流が真っ直ぐに進行するのを妨げるように、２箇所以上のクランク部分を有しており、グラウンド欠損は、３つ以上形成されている。

このミアンダ形状の連通部分１２１ｂにおいて電源パターン１３１と平行な方向に延びる部分の幅と、電源パターン１３１と直交する方向に延びる部分の幅とは、略同一とするのが好ましい。

図７は、欠損部１２２Ｇの部分拡大図であり、図７（ａ）は、欠損部１２２Ｇの一例を示し、図７（ｂ）は、欠損部の他の例を示している。図７（ａ）及び図７（ｂ）では、欠損部１２２Ｇのグラウンド欠損のうち、３つのグラウンド欠損６０１，６０２，６０３が図示されている。

図７（ａ）において、グラウンド欠損６０１，６０３は、第３領域Ｒ３における一方の境界に跨り、グラウンド欠損６０２は、第３領域Ｒ３における他方の境界に跨るように形成されている。このように、グラウンド欠損６０１，６０２，６０３を互い違いに配置することで、第３領域Ｒ３における連通部分１２１ｂを、ミアンダ形状の構造（蛇行構造）にすることが可能となる。このようにすることで、連通部分１２１ｂの長さを確保することができ、上記第１実施形態よりも、電源パターン１３１及びグラウンドパターン１２１におけるインダクタンスの増大効果を高めることができる。

また、図７（ｂ）に示すように、グラウンド欠損６０１，６０２，６０３を、第３領域Ｒ３の境界からはみ出さないように第３領域Ｒ３の境界に互い違いに接触させて形成するのがより好ましい。これによっても、電源パターン１３１及びグラウンドパターン１２１におけるインダクタンスの増大効果を高めることができる。また、第３領域Ｒ３の内部にのみグラウンド欠損６０１，６０２，６０３が形成されているため、図７（ａ）で示した構造と比較して、グラウンド欠損の面積を削減することが可能となり、グラウンドパターン１２１の電気抵抗値の増加を抑制することができる。

なお、欠損部１２２Ｇは、複数（３以上）の短冊状（長方形）のグラウンド欠損で構成されていたが、これらの形状に限定するものではない。例えば、２つの櫛歯状のグラウンド欠損を櫛歯部分が互い違いとなるように形成してもよい。

次に、本第２実施形態のプリント回路板２００の構成において、シミュレーションを行った。プリント配線板２０１の物性は、第１実施形態と同様、表１に示す物性とした。また、以下の表２に示す通り、グラウンドパターンには１ｍｍ幅のグラウンド欠損を１ｍｍ間隔で交互に８個設ける構造とした。

表１に示す層構成の各パラメータを用いて、ＳＩＧＲＩＴＹ社のＰｏｗｅｒＤＣ、ＰｏｗｅｒＳＩによって各特性を算出した。ＬＳＩ１０２の重心点Ｇ１と電源供給部であるＬＳＩ１０４の重心点Ｇ２とを結ぶ電源、グラウンドループの電気抵抗値は４．７ｍΩ、インダクタンス値は７０．６ｎＨとなった。これらはＬＳＩ１０２の外形の端面から１６ｍｍ以内の配線における電気特性を算出した値である。電気抵抗値及びインダクタンス値が共に、上記第１実施形態で示した電気特性を満足している。

ここで、ＬＳＩ１０２の重心点Ｇ１とＬＳＩ１０４の重心点Ｇ２、及びグラウンドパターン１２１の欠損部１２２Ｇの位置における電気特性への影響について、図８及び図９を用いて説明する。図８に示したように、重心点Ｇ１を中心として電源供給部であるＬＳＩ１０４の重心点Ｇ２を、線分Ｌを半径とする同心円状に、１５度刻みで９０度分移動させたときの電気特性を算出した。図９は、前述ＰｏｗｅｒＤＣによって算出されたグラウンドの電気抵抗値を示している。図８において、重心点Ｇ２が、重心点Ｇ１から欠損部１２２Ｇ上を通過してプリント回路板２００の図８中下方に配置された状態を０度としている。また線分Ｌは、重心点Ｇ２が３０度の位置に配置されたときまで、欠損部１２２Ｇの領域を通過している。欠損部１２２Ｇと線分Ｌとが交わる領域においては、グラウンドの電気抵抗値が著しく上昇していることが確認できる。

次に、図５に示す本第２実施形態のプリント回路板２００と、比較例１，２のプリント回路板とのインダクタンス値及び電気抵抗値の比較を行った。図１０は、比較例１に係るプリント回路板の概略構成を示す説明図であり、電源パターン及びグラウンドパターン共に、欠損部の無いプリント回路板の構成を示している。図１０（ａ）は、電源パターン１００１、グラウンドパターン１００２、ＬＳＩ１０２の外形の重心点Ｇ１、電源供給部であるＬＳＩ１０４の重心点Ｇ２を重ね書きした説明図である。図１０（ｂ）は電源パターン１００１、図１０（ｃ）はグラウンドパターン１００２を図示しており、それぞれ、表１に示すプリント回路板の第３層、第２層に配線されている。

図１１は、比較例２に係るプリント回路板の概略構成を示す説明図であり、電源パターンをミアンダ構造とした従来のプリント回路板の構成を示している。図１１には、電源パターン１１０１のミアンダ部１１０３が図示されている。図１１（ａ）は、電源パターン１１０１、グラウンドパターン１１０２、ＬＳＩ１０２の外形の重心点Ｇ１、電源供給部であるＬＳＩ１０４の重心点Ｇ２を重ね書きしたものである。図１１（ｂ）は電源パターン１１０１、図１１（ｃ）はグラウンドパターン１１０２を図示しており、それぞれ、表１に示すプリント回路板の第３層、第２層に配線されている。また、表２に示す通り、電源パターンのミアンダ構造は、１ｍｍ幅の電源パターンを１ｍｍ間隔で交互に８個設けている。

なお、図７、図１０、図１１に示す各電源、グラウンドの共通構造として、電源パターンの配線幅を１５ｍｍ、ＬＳＩ１０２の重心点Ｇ１と電源供給部であるＬＳＩ１０４の重心点Ｇ２とを結ぶ線分Ｌのマンハッタン長を１００ｍｍとした。また、グラウンドパターンをベタパターンとした。

図１２は、上述したシミュレーションツールを用いて電気抵抗値及びインダクタンス値を解析した結果を示している。このシミュレーションでは、ＬＳＩ１０２の重心点Ｇ１とＬＳＩ１０４の重心点Ｇ２を結ぶ電源−グラウンドループの電気抵抗値とインダクタンス値を求めた。

本第２実施形態の構造では、電気抵抗値は、電源パターン及びグラウンドパターンに欠損の無い比較例１の構造と同等の値であり、かつ、インダクタンス値は、電源配線のミアンダ構造を用いた比較例２の構造と同等の値となっている。

なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。

上記第１及び第２実施形態では、プリント配線板が、信号配線層、グラウンド層、電源層、信号配線層の順に配置され、これら層間に誘電体層を配置して構成されていたが、これに限定するものではない。グラウンド層と電源層とは、誘電体層を挟んで隣接していれば入れ替わっていても複数存在しても良い。

また、上記第１及び第２実施形態では、プリント配線板が４層構造の場合について説明したが、電源層及びグラウンド層を有する２層以上のプリント配線板であればよい。

また、上記第１及び第２実施形態では、電源供給部がＬＳＩ（半導体装置）である場合について説明したが、これに限定するものではない。電源供給部が、複数の半導体装置で構成されていてもよいし、半導体装置に加えて、更にインダクタやコンデンサ、抵抗器等を組み合わせたものでもよい。また、電源供給部が外部電源に接続されるコネクタであってもよい。

また、上記第１及び第２実施形態では、ＬＳＩ１０２，１０３，１０４がプリント配線板の一方の面に実装される場合について説明したが、これに限定するものではない。これらＬＳＩ１０２，１０３，１０４の一部又は全部がプリント配線板の他方の面に実装される場合であってもよい。

また、上記第１及び第２実施形態では、半導体装置としてのＬＳＩ１０２と、電源供給部としてのＬＳＩ１０４とをつなぐ電源パターンに、他の半導体装置としてＬＳＩ１０３が接続された場合について説明したが、これに限定するものではない。電源パターンにＬＳＩ１０２の他、複数の半導体装置が接続される場合であってもよいし、ＬＳＩ１０２以外に半導体装置が接続されない場合であってもよい。なお、複数の半導体装置を接続する場合、これら半導体装置には、上記第１及び第２実施形態と同様、それぞれにデカップリング用のコンデンサを接続するのが好ましい。また、デカップリング用のコンデンサは、プリント配線板の他方の表層ではなく、半導体装置が実装される一方の表層に設けてもよいし、プリント配線板の内層に設けてもよい。

また、上記第１及び第２実施形態では、欠損部をＬＳＩ１０２に対応して形成したが、他方のＬＳＩ１０３に対して形成してもよく、また、両方に対応して形成してもよい。電源パターンに複数の半導体装置が接続される場合についても同様に、欠損部を少なくとも１つの半導体装置に対応して形成すればよい。

また、上記第１及び第２実施形態では、コンデンサ１０５（１０６）が、１つのコンデンサ素子である場合について説明したが、複数のコンデンサ素子からなるように構成していても良い。

１００…プリント回路板、１０１…プリント配線板、１０２…ＬＳＩ（半導体装置）、１０２ａ…電源端子、１０２ｂ…グラウンド端子、１０４…ＬＳＩ（電源供給部）、１０４ａ…電源端子、１０４ｂ…グラウンド端子、１１２…グラウンド層、１１３…電源層、１１５〜１１７…誘電体層、１２１…グラウンドパターン、１２１ａ…連通部分、１２２…欠損部、１３１…電源パターン

Claims (3)

1. 電源パターンが形成された電源層、及びグラウンドパターンが形成され、誘電体層を介して前記電源層に相対するグラウンド層を有するプリント配線板と、
   前記プリント配線板に実装され、電源端子が前記電源パターンに接続され、グラウンド端子が前記グラウンドパターンに接続された半導体装置と、
   前記プリント配線板に実装され、前記電源パターン及び前記グラウンドパターンを介して前記半導体装置に直流電力を供給する電源供給部と、を備え、
   前記プリント配線板の表面に垂直な方向から見て、前記グラウンドパターンにおいて前記電源パターンと重なるグラウンド領域のうち、前記半導体装置と重なる第１領域と、前記電源供給部と重なる第２領域とを差し引いた第３領域には、前記第１領域と前記第２領域とを連通させる、前記電源パターンの幅よりも幅狭の連通部分を残して、欠損部が形成されていることを特徴とするプリント回路板。
2. 前記欠損部は、前記プリント配線板の表面に垂直な方向から見て、前記半導体装置の外形の重心点と前記電源供給部の外形の重心点とを結ぶ線分に交わらない位置に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプリント回路板。
3. 前記欠損部は、前記連通部分がミアンダ形状となる形状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のプリント回路板。

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