JP2020021808A

JP2020021808A - 回路基板とその回路基板を有する電子装置

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Publication number: JP2020021808A
Application number: JP2018143937A
Authority: JP
Inventors: 武弘伊藤; Takehiro Ito
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2018-07-31
Filing date: 2018-07-31
Publication date: 2020-02-06
Also published as: US20200045815A1; KR102447839B1; KR20200014231A

Abstract

【課題】本発明に記載の回路基板は、電子機器の外部から印加される静電気等のノイズが内部の回路に伝搬されないようにしながら、回路に流れる電流とその電流の帰還電流により発生する放射ノイズを抑制することを目的とする。【解決手段】本発明は、複数の誘電体層と導電体層の積層構造で、最も外側に近い第１の導電体層にコネクタと前記コネクタを介して信号が入力される回路とが接続される回路基板であって、前記第１の導電体層は、前記第１の導電体層と前記コネクタの外装とが電気的に接続される第１の領域と、前記第１の導電体層と前記回路が電気的に接続される第２の領域の間に空間を有し、前記第１の導電体層と異なる少なくとも一つの導電体層は、前記少なくとも一つの導電体層が前記第１の領域と電気的に接続される領域と前記少なくとも一つの導電体層が前記第２の領域と電気的に接続される領域の間に空間を有さないことを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は回路基板と祖の回路基板を有する電子機器に関する。

電子機器には、複数の導電体層と複数の誘電体層の積層構造の回路基板が使用される。上記の回路基板には、電子機器と外部の装置を接続するためのＵＳＢコネクタやＬＡＮコネクタ等のコネクタやＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）が取り付けられる。回路基板に取り付けられるコネクタは金属製の外装を有しており、ハンダでコネクタの外装と導電体層を接続することにより回路基板に取り付けられる。

また、電子機器を外部の装置と接続するためのコネクタは、電子機器の外からデバイスを取り付けることができるよう、コネクタの差し込み口が電子機器の外に向くように取り付けられている。そのため、ユーザが電子機器の外からコネクタの外装に触れた等の外的要因によりコネクタの外装に静電気が印加されることがある。コネクタの外装で発生した静電気等の外来ノイズはコネクタの外装と導電体層の接合部を介して回路基板の導電体層に流れこむ。導電体層に流れ込んだ外来ノイズは回路基板に取り付けられたＩＣの誤動作等の原因となる可能性がある。

特許文献１では、図１のように、コネクタの金属筐体が導電体層と接続される領域と、基板上の回路が導電体層と接続される領域の間に空間を設けている。図１において、第１層７０４、第２層７０６、第３層７０８、第４層７１０は導電体層である。コネクタの外装は１００１で第１層７０４と接続されている。特許文献１は、コネクタの外装が導電体層と接続されている１００１の領域と、ＩＣ３０２が導電体層と接続されている領域の間に空間を設けることで、コネクタの外装に印加された静電気が空間を超えてＩＣに３０２に伝搬されることを抑制する。

特開２０１４−３６１３８号公報

引用文献１に記載の装置において、図１のようにコネクタの外装と導電体層が接する領域と、基板上のＩＣと導電体層が接する領域との間に空間が設けられている。そのため、信号線５０２に流れる電流の帰還電流が流れる経路は破線５０３のようになる。

一般的に、信号線に流れる電流の帰還電流の経路は短く、信号線に流れる電流とその帰還電流によりつくられるループが小さい方が発生する放射ノイズが少なく、放射ノイズによるＩＣへの影響は小さくなる。

本発明は、回路基板に外部から印加されるノイズの影響が基板上の回路に伝搬されることを抑制しながら、基板上の信号線に流れる電流とその帰還電流によるノイズの発生を抑制することを目的とする。

本発明に記載の回路基板は、複数の誘電体層と複数の導電体層の積層構造で、前記複数の導電体層のうち最も外側に近い第１の導電体層に導電性の外装を有するコネクタと、前記コネクタを介して入力される信号を処理する回路と、が接続される回路基板であって、前記複数の導電体層のうち前記第１の導電体層は、前記第１と前記コネクタの外装とが電気的に接続される領域と、前記第１の導電体層と前記回路が電気的に接続される領域の間に空間を有し、前記複数の導電体層のうち前記第１の導電体層と異なる少なくとも一つの導電体層は、前記少なくとも一つの導電体層と前記コネクタの外装が電気的に接続される領域と前記少なくとも一つの導電体層と前記回路が電気的に接続される領域の間に空間を有さないことを特徴とする。

本発明における回路基板は、外部から印加されるノイズの影響が基板上の回路に伝搬されることを抑制しながら、基板上の信号線に流れる電流とその帰還電流によるノイズの発生を抑制することができる。

全ての導電体層でフレームグラウンドとシグナルグラウンドの間にスリットが入っている場合の回路基板の断面図の一例を示す図である。本実施形態における、回路基板を上面から見た図である。本実施形態における、回路基板のＢ−Ｂ‘断面図である。本実施形態における、回路基板のＡ−Ａ‘断面図である。本実施形態における、コネクタの形状を示す図である。第２の実施形態における、回路基板を上面から見た図である。第２の実施形態における、回路基板のＤ−Ｄ‘断面図である。

＜第１の実施形態＞
以下に本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。

図２は、第１の実施形態における回路基板１０の上面図であり、図３は回路基板１０のＢ−Ｂ‘断面であり、図４は回路基板１０のＡ−Ａ’断面である。

本実施形態における回路基板は、図３に示すように４つの導電体層と３つの誘電体層が交互に配置された積層構造の基板である。本実施形態では、４つの導電体層をコネクタの取り付けられる層から順に第１層７０４、第２層７０６、第３層７０８、第４層７１０と記載する。なお、４つの導電体層のうち最も外側にある導電体層の上にはソルダレジストが堆積している。

はじめに、図２を用いて回路基板１０全体の構成を説明する。板金５００は、回路基板１０がビス４０１〜４０７で固定される金属板である。板金５００は、電子機器の金属筐体であってもよい。本実施形態において、板金５００は電源のアースに接続されている。

ビス４０１〜４０７は、回路基板１０の板金５００への取り付けに用いられる。ビス４０１〜４０７は導電性の材料で構成される。すなわち、回路基板１０の導電体層のうち、ビス４０１〜４０７のそれぞれに接している箇所は板金５００と電気的に接続されており、板金５００と同電位である。

コネクタ２０１、２０２は金属の外装で囲まれたメス型のコネクタである。コネクタ２０１、２０２は、ＬＡＮコネクタやＵＳＢコネクタ、ＨＤＭＩ（登録商標）コネクタ等の汎用的なコネクタであり、外部装置から回路基板に入力された信号を回路基板上に取り付けられたＩＣに入力する。コネクタ２０１のピン２１１、２１２はコネクタのグラウンド端子であり、コネクタ２０１はピン２１１、２１２を介して回路基板１０の導電体層に接続される。一方で、コネクタ２０１のピン２１５〜２１７はＩＣ３０２に接続される端子であり、外部の装置からコネクタ２０２を介して入力された信号をＩＣ３０２に供給するための端子である。コネクタ２０１のピン２１３、２１４はコネクタをグラウンドに接続する端子であり、コネクタ２０１の外装を回路基板１０の導電体層に接続するための端子である。一方で、コネクタ２０１のピン２１９、２２０は外部の装置やケーブルからコネクタ２０１を介して入力された信号をＩＣ３０１に供給するための端子である。

図５は、コネクタ２０２の外観の一例を示した図である。図５（ａ）はコネクタ２０２を上面から見た図である。６００はコネクタ２０２の外装である金属製のシェルである。ピン２１５〜２１８は回路基板１０の第１層７０４と接続され、コネクタ２０２に入力された信号をＩＣ３０２に供給するためのピンであり、コネクタの差し込み口とは反対側に伸びるピンである。図５（ｂ）はコネクタ２０２をコネクタの差し込み口側から見た場合の図である。ピン２１１，２１２はコネクタ２０２を回路基板１０に接続し、コネクタ２０２の外装６００をグラウンドに接続するためのピンである。ピン２１１、２１２が回路基板１０の第１層７０４に設けられたパッドにハンダで取り付けられることで、コネクタ２０２が回路基板１０に取り付けられる。ピン２１１，２１２が回路基板１０の第１層７０４に取り付けられることコネクタ２０２の外装と回路基板１０の第１層７０４が電気的に接続される。図５（ｂ）に示すように、外装６００の内側に信号の入力に用いられるピンが備えられている。ユーザが基板に取り付けられたコネクタに外部の装置のコネクタや、ケーブルのコネクタを差し込むことで、外部の装置と回路基板１０とが接続される。これらのコネクタは電子機器の筐体の外からコネクタを差し込むことのできる位置に配置されている。また、コネクタの形状やピンの本数等は上記のものに限らない。

スリット１４０は、回路基板１０の第１層７０４と第４層７１０を以下の領域１１０と領域１２０に分けるための空間である。領域１１０は、回路基板１０のうち、ビス４０１〜４０７のいずれかを介して板金と電気的に接続されている部分、および、コネクタ２０１、２０２の外装が回路基板１０の第１層４０７と接する部分を含む領域である。すなわち、コネクタの外装と電気的に接続されたフレームグラウンドの領域である。コネクタ２０１のピン２１３、２１４はコネクタ２０１の外装と回路基板１０の第１層７０４を接続するピンであり領域１１０に配置される。また、コネクタ２０２のピン２１１、２１２もコネクタ２０２の外装と回路基板１０の第１層４０７を接続するピンであり、領域１１０に配置される。

コネクタ２０１、２０２の外装で発生した静電気は、スリット１４０を越えないため、回路基板１０の導電体層のうち最も表層に近い層を介してビス４０１〜４０５のいずれかに流れ込む。コネクタ２０１、２０２の外装で発生した静電気はビス４０１〜４０５から板金５００を介して、電源のアース線に流れ込む。このように、回路基板１０がスリット１４０を有することで、コネクタ２０１、２０２の外装で発生した静電気は、ＩＣ３０１、３０２には流れ込まず、電子機器の外部で発生した静電気によるＩＣ３０１、３０２の誤動作を防ぐことができる。

領域１２０は、回路基板１０のうち、領域１１０と異なる領域であり、ＩＣ３０１、３０２のグラウンド端子が回路基板１０と接続されるシグナルグラウンドの領域である。ＩＣ３０１、３０２のグラウンド端子は領域１２０と接しており、ＩＣ３０１、３０２の基準電位は回路基板１０のグラウンド層である。コネクタ２０１のピン２１９、２２０はＩＣ３０１と接続されるピンであり、領域１２０に配置される。コネクタ２０２のピン２１５〜２１８はＩＣ３０２と接続されるピンであり、領域１２０に配置される。

図３を用いて、回路基板１０の構成と板金５００への取り付け方法を説明する。

回路基板１０は誘電体層であるプリプレグ７０５、７０９、コア材７０７と導電体層７０４、７０６、７０８、７１０を交互に堆積された基板である。プリプレグ７０５、７０９、およびコア材７０７は、絶縁体材料で構成され、各導電体層７０４、７０６、７０８、７１０を絶縁するために用いられる。

各導電体層７０４、７０６、７０８、７１０は銅箔で形成される。第１層７０４、第４層７１０は、ＩＣへの信号の入力等に用いられる信号層である。第１層７０４、および、第４層には信号線に加え、コネクタ２０１、２０２やＩＣ３０１，３０２を取り付けるためのパッドやスルーホールが形成される。第１層７０４と第４層７１０のパッドやスルーホール等デバイスが取り付けられる部分以外の領域にはソルダレジスタが塗布されている。ソルダレジスタは、第１層７０４、第４層７１０の銅箔の酸化防止や、パッド以外へのハンダ付着を防止するためのものである。

第２層７０６は、グラウンド（ＧＮＤ）層と呼ばれる層であり、回路基板１０に配置されたＩＣ３０１、３０２に入力される信号に対する基準電位となる層である。グラウンド層には、信号線を流れる電流の帰還電流を流すためのパターンが形成される。第３層７０８は、電源層であり、回路基板１０に配置されたＩＣ３０１、３０２に電力を供給するためのパターンが形成された層である。

回路基板１０はビス４０２、４０５、４０７で板金５００に取り付けられている。ビスは導電材料でできており、第１層７０４の領域１１０、第２層７０６、第４層７１０の領域１１０と接している。すなわち、第１層７０４の領域１１０、第２層７０６、第４層の領域１１０と板金５００はビス４０２、４０５、４０７を介して電気的に接続されており、いずれも板金５００と同電位である。図３には不図示であるビス４０１、４０３、４０４、４０６も、第１層７０４の領域１１０と第２層７０６、第４層の領域１１０と接しており、板金５００とこれらは同電位である。

ビア８００、８０１は第１層７０４、第２層７０６、第４層７１０を導通させるための箇所である。ビアは複数の導電層を接続するために内側を銅めっきされたスルーホールのうち、部品の挿入に用いられないスルーホールを指す。ビア８００、８０１を介して第１層７０４の領域１２０と第２層７０６、第４層７１０の領域１２０は電気的に接続される。ビアは８００，８０１以外の箇所にも適宜配置されており、電源層である第３層７０８以外の第１層７０４、第２層７０６、第４層７１０を電気的に接続する。

スリット１４０は、回路基板１０の第１層７０４と第４層７１０の両方を領域１１０と領域１２０に分けるための空間である。図３の断面図で示すように、スリット１４０は、回路基板１０の第１層４０７と第４層４１０の領域１１０と領域１２０を分離するためのものであり、第２層はスリット１４０により分離されていない。従って、回路基板１０の第２層は領域１１０、１２０に関わらず電気的に接続されている。

さらに、本実施形態では、回路基板１０の中央にあるビス４０７の周囲についてもスリット１４０を設ける。図３の断面で示すように、第１層７０４、第４層７１０でビス４０７のまわりのスリット１４０があり、第２層７０６のビス４０７のまわりにはスリット１４０がない。第１層７０４の領域１１０、第４層の領域１１０、第２層４０６、板金５００はビス４０７により電気的に接続されている。そのため、静電気等のノイズが板金５００に印加された場合、ノイズがビス４０７を介して第１層７０４や第４層７１０に印加される。ビス４０７の周囲にスリット１４０を設けることで、信号線のある第１層７０４の領域１２０や第４層７１０の領域１２０には静電気等のノイズが印加されないようにすることができる。

図４を用いて、回路基板１０のＡ−Ａ‘断面を説明する。Ａ−Ａ’断面はコネクタ２０２の信号線を含む断面である。

コネクタ２０２は、ＵＳＢコネクタやＬＡＮコネクタのように当該電子機器を他の装置と接続するためのコネクタである。ユーザが当該コネクタにコネクタの形状にあったデバイスやケーブルを差し込んで電子機器と外部の装置を接続する。コネクタ２０２は、接続されたデバイスやケーブルから入力信号を受け付ける。入力された信号は信号線３０３を介してＩＣ３０２入力される。ＩＣ３０２のグラウンド端子に流れ込む電流は、グラウンド端子の接合部を介して回路基板１０の第１層７０４に流れる。基板の第１層に流れ込んだ電流はビア７０１を介して第２層７０６に流れ込む。第２層７０６に流れ込んだ電流は第２層７０６内を矢印方向に沿って流れ、ビア７００を介して基板の第１層７０４に流れる。その後、第１層に流れた電流は、コネクタ２０２のグラウンド端子２１２、２１１のいずれかからコネクタ２０２に流れ込む。

本実施形態では、回路基板１０の導電体層のうち、最も外側にある層と異なる層である第２層７０６にスリットをいれないようにする。このようにすることで、ＩＣ３０２のグラウンドに流れ込んだ電流がコネクタに戻る帰還回路が第２層４０６を介して、回路基板１０の領域１１０に流れ込むことができるようになる。そのため、全ての層でフレームグラウンドとシグナルグラウンドの間にスリットを開ける場合と比較して、帰還電流の流れる経路を短くすることができる。また、帰還電流が第２層７０６を流れてコネクタ２０２に戻ることでコネクタの信号線を介して出力される信号と、その信号の帰還電流のループの大きさも図１と比較して小さくなる。したがって、信号線３０３と帰還電流により発生する放射ノイズは、全ての層のフレームグラウンドとシグナルグラウンドの間でスリットを設ける場合と比較して少なくなる。

上記のように導電体層と誘電体層の積層構造の回路基板において、導電体層のうち最も外側にある第１層について、導電体層とコネクタの外装と接している領域と、導電体層と集積回路のグラウンドのピンと接続される領域の間にスリットを入れる。このようにすることで、ユーザがコネクタの外装等の金属に触れた際に静電気が発生しても、当該静電気が回路基板の第１層を介して集積回路等に伝わることを防ぐことができる。さらに、導電体層のうち、最も外側にある第１層と異なる層には上記のスリットを入れないようにする。このようにすることで、回路基板に流れた信号の帰還電流の流れる経路を短くし、信号と帰還電流により発生しる放射ノイズを抑制することができる。

＜第２の実施形態＞
第１の実施形態では、コネクタ２０１、２０２の外装をグラウンドとグラウンドを接続するピンが回路基板１０の第１層７０４のみに接触する場合を例に説明した。コネクタ２０１、２０２の外装をフレームグラウンドと接続するための端子が第１層７０４だけでなくグラウンド層よりも下にある第４層に接する場合がある。このとき、コネクタ２０１、２０２のグラウンドに接続される端子がグラウンド層である第２層に接してしまうと、コネクタの外装にノイズが発生したときに、当該ノイズがグラウンド層である第２層にのってしまう。そこで、第２の実施形態では、グラウンド層である第２層７０６のうち、コネクタのグラウンドに接続される端子が配置される箇所は、スリットを入れ、第２層７０６とコネクタのピンが触れないようにする。一方で、コネクタのグラウンドに接続されるピンが配置されていない箇所では、グラウンド層にスリットを入れず、帰還電流が領域１１０に流れ込めるようにする。

このようにすることで、グラウンド層を跨ぐ複数の信号層とコネクタの外装と接続されたグラウンド端子を接続する場合であっても、回路基板のグラウンド層に外来ノイズがのるのを抑制しながら、信号の帰還電流による放射ノイズの発生を抑制する。

第２の実施形態における回路基板１０を構成する材質、層の構造は第１の実施形態と同様である。

図６は、回路基板１０を上面からみたときの図である。第２の実施形態では、Ｄ−Ｄ‘の断面に注目する。Ｄ−Ｄ’断面は、コネクタ２０２のピンのうち、グラウンドに接続されるピン２１１を含む平面である。

図７は回路基板１０のＤ−Ｄ‘断面図である。ピン２１１はコネクタ２０２の外装を回路基板１０の第１層７０４、第４層７１０に接している。第１層７０４、第４層７１０のうちピン２１１が接している領域は、ビス等を介して板金５００と同電位になっており、板金を基準電位とするフレームグラウンドの領域である。コネクタ２０２の外装でノイズが発生した場合、当該ノイズはピン２１１を介して回路基板１０の第４層７１０を経由して、図７では不図示のピス４０１〜４０７のいずれかから板金５００に流れる。なお、本実施形態では、ピン２１１のインピーダンスがビス４０１〜４０６のいずれのインピーダンスよりも小さく、静電気などのノイズはピン２１１に流れるものとする。

一方で、コネクタの金属シェルを回路基板の第１層に接続するピン２１１を含まないＡ−Ａ‘断面は第１の実施形態と同様に図４のようになる。図４では、回路基板１０の第２層７０６のフレームグラウンドとシグナルグラウンドが接しており、スリットが設けられていない。このようにすることで、コネクタの外装とグラウンドを接続するピンが回路基板１０のグラウンド層を跨ぐ複数の層と接する場合であっても、信号の帰還回路による放射ノイズを抑えることができる。

上記のように、第２の実施形態では、コネクタの外装と接続されるグラウンド端子が、回路基板の複数の信号層と接続される場合に、グラウンド端子と基板のグラウンド層の銅箔が接触しないよう基板のグラウンド層にスリットを入れる。また、グラウンド層はグラウンド端子のある部分以外の領域でフレームグラウンドと接続される。このようにすることで、回路基板の信号層を流れる信号の帰還電流の経路が短くなるようにすることができる。

第２の実施形態では、上記のように、基板の信号層において板金を基準電位とする領域とグラウンド層を基準電位とする領域との間に空間を設けることでコネクタの外装で発生した静電気等のノイズが回路内のＩＣや基板のグラウンド層に流れ込むのを抑制する。さらに、グラウンド層がコネクタのグラウンド端子と接触しないよう、グラウンド端子のまわりに空間を開けることで、ＩＣに流れ込む信号と、その帰還電流により発生する放射ノイズを抑制することができる。

＜その他の実施形態＞
本実施形態では、導電体層は４層、誘電体層は３層が交互に堆積された回路基板を用いて説明した。導電体層と誘電体層が交互に堆積するのであれば、導電体層の数と誘電体層の数は上記の数に限定されない。

Claims

複数の誘電体層と複数の導電体層の積層構造で、
前記複数の導電体層のうち最も外側に近い第１の導電体層に導電性の外装を有するコネクタと、前記コネクタを介して信号が入力される回路と、が接続される回路基板であって、
前記複数の導電体層のうち前記第１の導電体層は、前記第１の導電体層と前記コネクタの外装とが電気的に接続される第１の領域と、前記第１の導電体層と前記回路が電気的に接続される第２の領域の間に空間を有し、
前記複数の導電体層のうち前記第１の導電体層と異なる少なくとも一つの導電体層は、前記少なくとも一つの導電体層が前記第１の領域と電気的に接続される領域と前記少なくとも一つの導電体層が前記第２の領域と電気的に接続される領域の間に空間を有さないことを特徴とする回路基板。
前記回路基板はビスを用いて電子機器の金属筐体に取り付けられおり、
前記第１の導電体層の前記第１の領域は、前記第１の導電体層のうち前記ビスと接することを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
前記第１の導電体層の前記第２の領域は、前記回路基板を前記電子機器の前記金属筐体に取り付ける前記ビスと接していないことを特徴とする請求項２に記載の回路基板。
前記コネクタの信号が入力される端子は前記第１の導電体層の前記第２の領域に接続されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の回路基板。
前記第１の導電体層は、前記コネクタからの信号を前記回路に入力するための信号線が配置される層であり、
前記少なくとも一つの第１の導電体層と異なる導電体層は、グラウンド層であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の回路基板。
前記グラウンド層は、前記複数の導電体層のうち前記第１の導電体層と最も近い導電体層であることを特徴とする請求項５に記載の回路基板。
前記グラウンド層は、電子機器の金属筐体と電気的に接続されていることを特徴とする請求項６に記載の回路基板。
前記回路基板の前記第１の導電体層と、前記グラウンド層はビアを介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項７に記載の回路基板。
前記導電体層の前記複数の導電体層の一つは電源層であり、前記電源層は、前記回路に電流を供給することを特徴とする請求項５乃至８のいずれか一項に記載の回路基板。
前記グラウンド層と前記電源層は電気的に接続されていないことを特徴とする請求項９に記載の回路基板。
前記第１の領域は、前記回路基板の端を含む領域であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の回路基板。
前記第１の領域はフレームグラウンドであり、前記第２の領域はシグナルグラウンドであることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の回路基板。
電子機器の金属筐体はアースされていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の回路基板。
前記コネクタは、ＵＳＢコネクタ、または、ＬＡＮコネクタであることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の回路基板。
前記回路基板は前記複数の導電体層のうち、複数の信号層において、前記第１の領域と前記第２の領域の間に空間を有することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の回路基板。
複数の誘電体層と複数の導電体層の積層構造の回路基板であって、
前記回路基板は、導電性のコネクタの外装が電気的に接続される第１の領域と、前記コネクタを介して信号が入力される回路が電気的に接続される第２の領域の間に空間を有する第１の導電体層と、
前記第１の領域と電気的に接続される領域と前記第２の領域と電気的に接続される領域の間に空間を有さない少なくとも一つの導電体層と、を有することを特徴とする回路基板。
請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の回路基板を備えた電子機器。