JP2022055049A - 積層回路基板装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズ遮蔽用の専用のグランド層を利用することなく、電力線の電流変化に伴って発生する誘導磁場が隣接する他の層の信号線に影響を及ぼすのを抑制する積層回路基板装置を提供する。【解決手段】積層回路基板装置１０の第１層１０ａに電力線の回路パターンと信号線の回路パターンとを配置し、第２層１０ｂに保護対象の信号線の回路パターンを配置し、第３層１０ｃに電力線の回路パターンを配置する。第２層１０ｂの信号線回路パターンと対向する部位について、第１層１０ａの電力線の第１回路パターンと、第３層１０ｃの電力線の第２回路パターンとの形状を略一致させる。第１回路パターンの電流ｉ２ａと第２回路パターンの電流ｉ２ｂの向きを一致させる。電流ｉ２ａ変化による電磁誘導と、電流ｉ２ｂ変化による電磁誘導とを中央の第２層１０ｂの信号線回路パターンの位置で相殺させる。【選択図】図１

Description

本発明は、積層した複数層の回路パターンで構成される積層回路基板装置に関する。

車載装置など様々な電子回路においては、隣接する位置に存在する他の機器や配線などから発生するノイズの影響で、誤動作が発生したり装置の性能が低下する場合がある。したがって、従来より装置を設計する時点や装置を配置する際などにおいて、様々なノイズ対策が取られている。

例えば特許文献１は、一般の配線基板に配設されている配線又は半導体パッケージ内の配線リードのインダクタンスの低減と誘導性クロストークの低減のための技術を開示している。具体的には、絶縁基板上に所定の配線を配設し、該配線に近接する位置に電磁波遮蔽膜（金属箔）を配置してある。また、半導体チップの集積回路が形成されている面の上に絶縁膜を介して電磁波遮蔽膜を配置し、該電磁波遮蔽膜の上に絶縁膜を介してリードを配置し、このリードと半導体チップの外部端子とを電気的に接続し、封止材で封止して半導体装置を構成している。

また、特許文献２は、電力変換装置のノイズを低減するための技術を開示している。具体的には、電力変換装置は、変換した電力を出力する出力配線部に多層基板を有している。多層基板、グランド層と出力配線層（Ｕ，Ｖ，Ｗ）とを有し、各出力配線層間にビアを設ける。出力配線層は扁平形状の板であり、各出力配線層を広い面積をグランド層に対向させて並設する。ビアは、各出力配線層の間であって、グランド層から多層基板表面に貫通して複数形成する。多層基板の表面に露出したビア（グランド電位）の端部に導電性のシートが設けられる。

特開平１１－２２００５６号公報 特開２０１６－９２８６４号公報

ところで、例えば車両に搭載されるＤＣ／ＤＣコンバータや、電力経路切り替えのためのスイッチング装置のような電子機器の場合には、大電流を扱う電力系統の線路（電力線）と、扱う電流が非常に小さい各種信号だけが通る信号系統の線路（信号線）とが、同一のプリント基板上に混在する状態で配置されることがある。つまり、電力線と各種信号線とが互いに隣接する位置に配置される。

また、プリント基板上の配線パターンは、一般的には非常に薄い箔状の導電体で構成されているので、大きな電流を流す場合には基板上の電力線の配線パターンの抵抗に起因する電力損失を減らすことが重要になる。そこで、通常の設計では電力線やグランド線（アース）について、配線パターンの線幅や面積を十分に大きくすることで抵抗を減らすように工夫している。

また、多層基板を利用できる場合には、同一基板上の複数層のそれぞれに電力線の配線パターンを形成することも考えられる。例えば、２つの層の配線パターンを並列に接続すれば、配線パターンの単位面積あたりの抵抗値を半分に減らすことができるので、電力線の配線パターンの面積増大を抑制し、電子機器の基板が占有する面積を減らすことが容易になる。

しかしながら、同一基板の厚み方向に隣接する複数の層に、電力線と信号線とが存在する場合には、対向する電力線と信号線との配線パターン間の距離が非常に小さくなるため、信号線上にノイズの影響が現れることが懸念される。具体的には、電力線上の電流が変化した時に発生する誘導磁場の逆起電力により、隣接する信号線の配線パターン上にノイズ波形が重畳する。

特に、ＤＣ／ＤＣコンバータのような電子機器の場合には、大電流のスイッチングを高速で周期的に行うので、その電流が流れる電力線と隣接している信号線に、スイッチングの電流変化のタイミングに同期して大きなノイズが誘起することが懸念される。

このようなノイズに対する対策としては、ノイズの発生源と信号線との間にグランド線の配線パターンを配置して、電磁シールドを施すことが一般的な設計手法として想定される。

例えば、図７に示す構成例のように、第１層、第２層、及び第３層にそれぞれ導電体のパターンが形成された多層基板を利用する場合には、第１層に電力線を配置し、第３層に保護対象の信号線を配置して、第１層と第３層の間の第２層にグランド線の配線パターンを割り当てる。これにより、ノイズ発生源である第１層の電力線と、信号線の存在する第３層との間の第２層に電位が一定のグランド線が存在するので、誘導磁場を遮断し、第３層の信号線にノイズが誘起するのを抑制できる。

しかし、上記のような構成の場合には、３つの層のうち中間の第２層がノイズ対策のグランド線だけで占有されることになり、しかも電力線は第１層だけにしか配置できない。つまり、ノイズの発生源である電力線を第３層には配置できないので、電力線を複数層に分散してそれぞれ配置することができない。そのため、電力線の配線パターン面積を広げない限りその抵抗を減らすことができない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ノイズ遮蔽用の専用のグランド層を利用することなく、電力線の電流変化に伴って発生する誘導磁場が隣接する他の層の信号線に影響を及ぼすのを抑制することが可能な積層回路基板装置を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る積層回路基板装置は、下記（１）～（５）を特徴としている。
（１） 互いに平行な異なる面に第１層、第２層、及び第３層の回路パターンが箔状の導電体によりそれぞれ形成され、前記第１層、前記第２層、及び前記第３層の間が絶縁体により分離され、前記第２層が前記第１層と前記第３層の間に配置された積層回路基板装置であって、
前記回路パターンは、所定の電源と所定の負荷との間に流れる電流を通すための電力系統の回路パターンと、前記電力系統に比べて小さい電流を通す信号系統の回路パターンを含み、
前記第１層には前記電力系統の回路パターン、及び前記信号系統の回路パターンがそれぞれ配置され、
前記第２層には前記信号系統の回路パターンが配置され、
前記第３層には前記電力系統の回路パターンが配置され、
前記第２層における前記信号系統の回路パターンの少なくとも一部分の保護部位と対向する対向部位について、前記第１層の前記電力系統に属する第１回路パターンと、前記第３層の前記電力系統に属する第２回路パターンとの形状が略一致するように形成され、
前記第１回路パターンに流れる電流の向きと前記第２回路パターンに流れる電流の向きとが一致するように仕様が規定された、
積層回路基板装置。

（２） 前記第１回路パターンにおいて、当該箇所を流れる電流の向きと直交する方向のパターン幅が特定幅に形成され、
前記第２回路パターンにおいて、当該箇所を流れる電流の向きと直交する方向のパターン幅が、前記第１回路パターンと同じ前記特定幅に形成された、
上記（１）に記載の積層回路基板装置。

（３） 前記第１回路パターン及び前記第２回路パターンのそれぞれについて、
電流が流れる一端と他端との間に分岐部及び合流部が形成され、
前記分岐部と前記合流部との間に形成された複数の電流経路のパターン幅の合計が、前記第１回路パターンと前記第２回路パターンとで同じになるように形状が規定された、
上記（１）又は（２）に記載の積層回路基板装置。

（４） 前記第１回路パターンの一端と、前記第２回路パターンの一端とが、一端側共通回路を介して共通の電源、又は共通の負荷と接続可能に構成され、
前記第１回路パターンの他端と、前記第２回路パターンの他端とが、他端側共通回路を介して共通の負荷、又は共通の電源と接続可能に構成された、
上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の積層回路基板装置。

（５） 前記第１層、前記第２層、及び前記第３層は、単一のプリント基板上に厚み方向の位置が異なる独立した層としてそれぞれ形成され、
少なくとも前記第１層の回路パターンと、前記第３層の回路パターンとがそれぞれ均一な厚みを有し、前記第１層の回路パターンと前記第３層の回路パターンとが厚みの共通な箔状の導電体により形成されている、
上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の積層回路基板装置。

上記（１）の構成の積層回路基板装置によれば、ノイズ遮蔽用の専用のグランド層を設けなくても、第１層及び第３層の各回路パターンにおける電力線の電流変化に伴って発生する誘導磁場が、隣接する第２層の信号線に影響を及ぼすのを抑制できる。すなわち、ノイズから保護すべき第２層の信号線が第１層と第３層との間に存在しているので、第２層の信号線は第１層の電力線と第３層の電力線の両方の影響を受ける。しかし、第２層に対して、第１層と第３層とは互いに基板の厚み方向に対して上下逆方向に存在し、しかも電流の流れる方向が揃い、電流変化の大きさに応じて発生する誘導磁場の大きさも同等になる。したがって、第１層の電力線の影響による磁界と前記第３層の電力線の影響による磁界とが互いに相殺される。

上記（２）の構成の積層回路基板装置によれば、第１回路パターンにおけるパターン幅と、第２回路パターンにおけるパターン幅とが同一であるため、第１回路パターンの電流分布と、第２回路パターンの電流分布とを一致させることができる。そのため、第１回路パターンの電流変化により発生する誘導磁場の大きさと、第２回路パターンの電流変化により発生する誘導磁場の大きさとを揃えることができ、両者の誘導磁場の影響が第２層の信号線において相殺される。

上記（３）の構成の積層回路基板装置によれば、分岐部と合流部との間で、第１回路パターン及び第２回路パターンの中に空いた空間を形成することができる。したがって、この空いた空間の部位に別の回路を配置したり、電子部品を配置することが可能になる。また、パターン幅の合計が、第１回路パターンと第２回路パターンとで同じであるため、第１回路パターンに流れる電流の分布と、第２回路パターンに流れる電流の分布とを揃えることが容易になる。つまり、第１回路パターンの電流変化により発生する誘導磁場と、第２回路パターンの電流変化により発生する誘導磁場とを揃えることができる。

上記（４）の構成の積層回路基板装置によれば、一端側共通回路により、第１回路パターンの一端、及び第２回路パターンの一端を共通の電源、又は共通の負荷と接続することができる。また、他端側共通回路により、第１回路パターンの他端、及び第２回路パターンの他端を共通の負荷、又は共通の電源と接続することができる。したがって、第１回路パターン、及び第２回路パターンに対して共通の電流を流すことが容易になる。

上記（５）の構成の積層回路基板装置によれば、第１層の回路パターン、及び第３層の回路パターンが均一、且つ共通な厚みの導電体で形成されるので、両者における電流分布をパターン形状だけで揃えることが可能になる。

本発明の積層回路基板装置によれば、ノイズ遮蔽用の専用のグランド層を設けることなく、電力線の電流変化に伴って発生する誘導磁場が、隣接する他の層の信号線に影響を及ぼすのを抑制できる。したがって、複数層を有効に利用して電力線の抵抗を減らし、電力線の配線パターン面積を減らすことが容易になる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１は、本発明の実施形態に係る積層回路基板装置の構成を示す縦断面図である。 図２は、積層回路基板装置の各層の配線パターンの例を示す平面図である。 図３（ａ）、図３（ｂ）、及び図３（ｃ）は、それぞれ第１層、第２層、及び第３層における配線パターンの例を示す平面図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、それぞれ第１層及び第３層における配線パターンの例を示す平面図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、互いに隣接する位置の２つの電流の方向と誘導磁場の影響との関係を示す模式図である。 図６は、電圧波形及びノイズ波形の例を示すタイムチャートである。 図７は、本発明と比較するための一般的な構成例として想定される多層基板の構成を示す縦断面図である。

本発明に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。

＜積層回路基板装置の構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る積層回路基板装置１０の構成を表す縦断面図である。また、図２は、この積層回路基板装置１０における各層の配線パターンの平面図である。また、図３（ａ）、図３（ｂ）、及び図３（ｃ）は、それぞれ第１層、第２層、及び第３層における配線パターンの例を示す平面図である。

図１に示すように、積層回路基板装置１０は、第１層１０ａ、第２層１０ｂ、及び第３層１０ｃを有する３層の多層基板により構成されている。第１層１０ａ、第２層１０ｂ、及び第３層１０ｃは、絶縁体１１、１２で構成される基板の面上に貼り付けられた厚みが一定の銅箔などの導電体により形成されている。つまり、この多層基板は３層構成のプリント基板である。

したがって、第１層１０ａ、第２層１０ｂ、及び第３層１０ｃは、それぞれ厚みが均一な導電層である。実際には、基板の全面に形成された導電体のうち、必要な回路を形成する部位の配線パターン以外は除去されて絶縁体１１、１２が表面に露出した状態になっている。したがって、複数の独立した配線パターンは、絶縁体１１、１２によって電気的に分離されることができる。

図１に示した積層回路基板装置１０においては、第１層１０ａに電力線及び信号線の各配線パターンが形成され、第２層１０ｂには保護対象の信号線の配線パターンが形成され、第３層１０ｃには電力線の配線パターンが形成されている。

電力線の配線パターンは、例えば数アンペア～数十アンペア程度の大きな電流を流す電力系統の回路を接続するために利用される。また、信号線の配線パターンは、例えば数ミリアンペア程度の非常に小さい電流しか流れない信号系統の回路を接続するために利用される。

信号系統の中には、例えば回路のインピーダンスが高い場合や、微弱な信号を扱う場合など、外部から到来するノイズの影響を受けやすい回路も存在する。そのような信号線の回路は、ノイズの影響をできるだけ低減し保護する必要がある。第２層１０ｂには、そのような回路の配線パターンが配置されている。

また、電力線の配線パターンは非常に大きい電流を流す必要があるので、銅箔のように薄い導電層の配線パターンを使う場合には、電流の通過する方向と直交する幅方向のパターン幅を広くしないと、抵抗値が大きくなり電力の損失が増大する。一方、電力線の電流のオンオフを周期的にスイッチングして切り替えるような用途においては、電流が大きく変化するときに発生する誘導磁場の逆起電力により、周囲の配線パターンにノイズが発生する。

したがって、保護対象の信号線の配線パターンは、近傍の電力線の配線パターンから発生する誘導磁場のノイズから保護される必要がある。そのために、図１に示した積層回路基板装置１０においては、電力線の配線パターンは第１層１０ａ及び第３層１０ｃの両方に配置されると共に、保護対象の信号線の配線パターンはそれらの中央の位置にある第２層１０ｂに配置されている。つまり、積層回路基板装置１０の厚み方向（Ｚ軸方向）について、第２層１０ｂの配線パターンから第１層１０ａまでの距離と、第３層１０ｃまでの距離とが同じになるように配置されている。

更に、少なくとも第２層１０ｂの配線パターンと対向する箇所については、第１層１０ａにおける電力線の配線パターンと、第３層１０ｃにおける電力線の配線パターンとが同じパターン形状になるように構成してある。また、第１層１０ａの電力線を流れる電流ｉ２ａと、第３層１０ｃの電力線を流れる電流ｉ２ｂの方向が揃うように積層回路基板装置１０の仕様が定められている。

一方、積層回路基板装置１０上の電力線の配線パターン形成部位における一端側、及び他端側のそれぞれに、この多層基板を厚み方向に貫通するビア（ｖｉａ）１３及び１４が形成されている。ビア１３は、一端側で第１層１０ａの電力線と、第３層１０ｃの電力線との間を電気的に共通に接続している。また、ビア１４は、他端側で第１層１０ａの電力線と、第３層１０ｃの電力線との間を電気的に共通に接続している。

図１に示した例では、電源２１が電線２２を介して積層回路基板装置１０のビア１３と電気的に接続されている。また、負荷２４が電線２３を介して積層回路基板装置１０のビア１４と接続されている。

したがって、図１に示した例では、電源２１から供給される電流ｉ１は、電線２２を通り、ビア１３で２系統の電流ｉ２ａ、ｉ２ｂに分流され、電流ｉ２ａは第１層１０ａの電力線の配線パターン、電流ｉ２ｂは第３層１０ｃの電力線の配線パターンをそれぞれ通り、ビア１４で合流した電流ｉ３は、電線２３を通って負荷２４に供給されるようになっている。

ここで、第１層１０ａの電力線の配線パターンの形状と、第３層１０ｃの電力線の配線パターンの形状とを揃えることにより、電流ｉ１を２分割して２系統の電流ｉ２ａ、ｉ２ｂの電流値や電流分布を共通に揃えることができる。その結果、電流ｉ２ａの変化に伴って発生する誘導磁場と、電流ｉ２ｂの変化に伴って発生する誘導磁場とを揃えることができる。

また、第１層１０ａと第３層１０ｃの中央に配置されている第２層１０ｂの配線パターンの位置では、電流ｉ２ａの変化に伴って発生する誘導磁場の影響と、電流ｉ２ｂの変化に伴って発生する誘導磁場の影響とが逆方向になるため、互いの影響が相殺されることになる。つまり、第２層１０ｂに配置されている保護対象の信号線の配線パターンにおいては、その近傍に存在している電力線（第１層１０ａ＋第３層１０ｃ）から発生する誘導磁場の影響がなくなり、ノイズの発生が抑制される。

図２及び図３（ａ）に示すように、第１層１０ａには比較的面積が大きい電力系配線パターンＰ１ｐと、複数の信号系配線パターンＰ１ｓとが形成されている。この例では図３（ａ）中のＹ軸方向に電流を流すので、電力系配線パターンＰ１ｐはＸ軸方向の幅が十分に大きくなるように形成されている。これにより、電力系配線パターンＰ１ｐの電気抵抗を減らすことができる。電力系配線パターンＰ１ｐのパターン幅はＹ軸方向の一端から他端にかけてどの部位でも均一に形成されている。

第１層１０ａ上の複数の信号系配線パターンＰ１ｓは、それぞれ電力系配線パターンＰ１ｐから少し離れた位置に配置されている。したがって、各信号系配線パターンＰ１ｓと電力系配線パターンＰ１ｐとの間は絶縁体１１により電気的に絶縁されている。各信号系配線パターンＰ１ｓには、比較的小さい電流が流れるので、これらのパターン幅は電力系配線パターンＰ１ｐのように大きくする必要がない。なお、図１の構成例では第１層１０ａの各信号系配線パターンＰ１ｓは誘導磁場に対する保護対象ではない。

図２及び図３（ｂ）に示すように、第２層１０ｂには保護対象の信号系配線パターンＰ２ｓが形成されている。つまり、ノイズの発生源となる電力系統の配線パターンは第２層１０ｂ上に存在しない。図２及び図３（ｂ）に示した第２層１０ｂの信号系配線パターンＰ２ｓの中には、厚み方向に隣接する位置に存在する電力系配線パターンＰ１ｐと対向する部位が含まれている。つまり、信号系配線パターンＰ２ｓ中のその部位は、近距離で隣接している電力系配線パターンＰ１ｐの電流変化により発生する誘導磁場の影響を受ける可能性がある。

図２及び図３（ｃ）に示すように、第３層１０ｃには電力系配線パターンＰ３ｐのみが形成されている。そして、第３層１０ｃの電力系配線パターンＰ３ｐのパターン形状は、第１層１０ａの電力系配線パターンＰ１ｐと同一になっている。つまり、電力系配線パターンＰ３ｐのパターン幅、面積、及び形状が、電力系配線パターンＰ１ｐと共通になっている。また、２つの電力系配線パターンＰ１ｐ、Ｐ３ｐの面が互いに対向するように、電力系配線パターンＰ３ｐを形成する位置は、電力系配線パターンＰ１ｐのＸ、Ｙ方向の位置に合わせて配置してある。

したがって、信号系配線パターンＰ２ｓ上の領域のうち、第１層１０ａの電力系配線パターンＰ１ｐと対向している部位については、第３層１０ｃの電力系配線パターンＰ３ｐとの間でも同じように対向するように位置関係を合わせてある。

これにより、第１層１０ａの電力系配線パターンＰ１ｐの電流変化により生じる誘導磁場の影響と、第３層１０ｃの電力系配線パターンＰ３ｐの電流変化により生じる誘導磁場の影響とを、中間の第２層１０ｂの信号系配線パターンＰ２ｓの位置で相殺することが可能になる。但し、電流ｉ２ａ、ｉ２ｂの方向を揃え、それらの電流の大きさや分布状態も一致させる必要がある。

＜配線パターンの具体例＞
積層回路基板装置１０の第１層１０ａ及び第３層１０ｃにおける電力線の配線パターンの構成例を、平面図である図４（ａ）及び図４（ｂ）にそれぞれ示す。

図４（ａ）の例では、図２（ａ）に示した電力系配線パターンＰ１ｐに相当する部位が、一端側共有部３１、分岐・合流部３２、個別パターン３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、分岐・合流部３４、及び他端側共有部３５を含んでいる。

一端側共有部３１の電流経路は、分岐・合流部３２で３方向に分岐して、個別パターン３３ａ、３３ｂ、及び３３ｃと接続されている。また、個別パターン３３ａ、３３ｂ、及び３３ｃの３つの電流経路は、分岐・合流部３４で合流して他端側共有部３５と接続されている。

なお、個別パターン３３ａ、３３ｂの間に形成されている空間部３６や、個別パターン３３ｂ、３３ｃの間に形成されている空間部３７については、例えば信号系配線パターンＰ１ｓを配置したり、必要な電子部品を配置するために利用できる。

上記と同様に、図４（ｂ）の例では図２（ｃ）に示した電力系配線パターンＰ３ｐに相当する部位が、一端側共有部４１、分岐・合流部４２、個別パターン４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、分岐・合流部４４、及び他端側共有部４５を含んでいる。

つまり、一端側共有部４１の電流経路は、分岐・合流部４２で３方向に分岐して、個別パターン４３ａ、４３ｂ、及び４３ｃと接続されている。また、個別パターン４３ａ、４３ｂ、及び４３ｃの３つの電流経路は、分岐・合流部４４で合流して他端側共有部４５と接続されている。

ここで、図４（ａ）に示した構成の電力系配線パターンＰ１ｐと、図４（ｂ）に示した電力系配線パターンＰ３ｐとは、全体的に類似した形状を有しているが、部分的に違いがある。すなわち、ビア１４が存在する一端側、及びビア１３が存在する他端側における、ビア部分のパターン幅（電流の方向と直交する方向の幅）Ｌ０は２層の電力系配線パターンＰ１ｐ、Ｐ３ｐに共通（同一）であり、個別パターン３３ａのパターン幅ＬＡ１と個別パターン４３ａのパターン幅ＬＡ３とも共通（同一）である。一方、パターン幅ＬＢ１と、パターン幅ＬＢ３とは異なり、パターン幅ＬＣ１と、パターン幅ＬＣ３とが異なっている。

本実施形態では、パターン幅Ｌ０を１００％とした場合の比率で表すと、パターン幅ＬＡ１、ＬＢ１、及びＬＣ１が、それぞれ５０％、３０％、及び２０％であり、パターン幅ＬＡ３、ＬＢ３、及びＬＣ３が、それぞれ５０％、２０％、及び３０％に定めてある。

そのため、個別パターン３３ａ、３３ｂ、３３ｃの部位における合計のパターン幅（ＬＡ１＋ＬＢ１＋ＬＣ１：１００％）と、一端側共有部３１、他端側共有部３５の各部位におけるパターン幅Ｌ０（１００％）とが同一になる。また、個別パターン４３ａ、４３ｂ、４３ｃの部位における合計のパターン幅（ＬＡ３＋ＬＢ３＋ＬＣ３：１００％）と、一端側共有部４１、他端側共有部４５の各部位におけるパターン幅Ｌ０（１００％）とが同一になる。

したがって、第１層１０ａにおける幅方向（Ｘ）の単位寸法あたりの電流密度が、一端側共有部３１、他端側共有部３５、及び個別パターン３３ａ、３３ｂ、３３ｃの各部位で均一になる。同様に、第３層１０ｃについても、幅方向（Ｘ）の単位寸法あたりの電流密度が、一端側共有部４１、他端側共有部４５、及び個別パターン４３ａ、４３ｂ、４３ｃの各部位で均一になる。また、２層の電流ｉ２ａ、ｉ２ｂを同一にすることで、第１層１０ａの電力線における電流密度と第３層１０ｃにおける電力線の電流密度とが同一になる。

また、第１層１０ａの個別パターン３３ａと、第３層１０ｃの個別パターン４３ａとが第２層１０ｂを挟んで互いに対向するように、各層の面内で位置合わせした状態で配置されている。また、個別パターン３３ａと個別パターン４３ａとは同一形状である。

したがって、図１～図３に示した積層回路基板装置１０の場合と同様に、第２層１０ｂに配置される保護対象の信号系配線パターンＰ２ｓのうち、第１層１０ａの個別パターン３３ａと、第３層１０ｃの個別パターン４３ａとで挟まれる領域については、個別パターン３３ａから受ける誘導磁場と個別パターン４３ａから受ける誘導磁場とが同じ大きさになる。そしてそれらの影響の方向が互いに逆になるので、個別パターン３３ａから受ける誘導磁場と、個別パターン４３ａから受ける誘導磁場とが相殺される。

つまり、誘導磁場の影響から保護すべき信号系配線パターンＰ２ｓは、形状が同じ個別パターン３３ａ、４３ａと対向する部位の第２層１０ｂ上に配置すれば、ノイズの発生を抑制できる。また、大きな電流が流れる電力系配線パターンＰ１ｐ、Ｐ３ｐと、微弱な電流を扱う信号系配線パターンＰ２ｓとを同一の基板上に配置できる。

なお、パターン幅ＬＢ１、ＬＢ３が異なり、パターン幅ＬＣ１、ＬＣ３が異なるので、第２層１０ｂ上で、第１層１０ａの個別パターン３３ｂ、第３層１０ｃの個別パターン４３ｂと対向する部位や、第１層１０ａの個別パターン３３ｃ、第３層１０ｃの個別パターン４３ｃと対向する部位については、誘導磁場の影響が発生する。しかし、誘導磁場の影響を受けにくい回路や電子部品をその部位に配置することで、問題の発生を回避できる。

＜電流の方向と誘導磁場の影響との関係＞
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、互いに隣接する位置の２つの電流の方向と誘導磁場の影響との関係を示す模式図である。

図５（ａ）は、互いに同じ方向に向かって平行に流れる電流ｉ２ａ、ｉ２ｂとこれらの変化に起因して発生する誘導磁場Ｈ２ａ、Ｈ２ｂとの関係を表している。すなわち、図１に示した第１層１０ａ、第３層１０ｃの各電力線を流れる電流ｉ２ａ、ｉ２ｂによる誘導磁場に相当する状況を示している。

図５（ａ）のように、各電流ｉ２ａ、ｉ２ｂの位置からそれぞれ距離ｄだけ離れた中間位置においては、距離ｄに反比例する磁界強度になる。また、誘導磁場Ｈ２ａの方向と、誘導磁場Ｈ２ｂの方向とが反対になるためこれらの影響が互いに相殺される。つまり、積層回路基板装置１０のように電流ｉ２ａの変化と、電流ｉ２ｂの変化とが同一である場合には、それらの中間位置となる第２層１０ｂの信号線の箇所で、合成された誘導磁場Ｈ２ａ、Ｈ２ｂの影響がゼロになる。したがって、第２層１０ｂの信号系配線パターンＰ２ｓに影響するノイズを抑制できる。

図５（ａ）の状況においては、誘導磁場Ｈ２ａ、Ｈ２ｂが互いに打ち消し合う相殺領域になる。また、中間位置に対して電流ｉ２ａの位置よりも外側の箇所、及び電流ｉ２ｂの位置よりも外側の箇所では、２つの誘導磁場Ｈ２ａ、Ｈ２ｂが加算されるため、いずれか一方だけの場合と比べてより影響が大きくなる。つまり相乗領域である。

一方、図５（ｂ）は、互いに反対の方向に向かって平行に流れる電流ｉ２ａ、ｉ２ｂとこれらの変化に起因して発生する誘導磁場Ｈ２ａ、Ｈ２ｂとの関係を表している。これは、例えば２本の差動信号線を流れる電流とそれが発生する誘導磁場との関係に相当する。

図５（ｂ）のように、各電流ｉ２ａ、ｉ２ｂの位置からそれぞれ距離ｄだけ離れた中間位置においては、誘導磁場Ｈ２ａの方向と、誘導磁場Ｈ２ｂの方向とが同じになるため、これらの影響が互いに加算される。つまり、電流ｉ２ａの位置と電流ｉ２ｂの位置との間の範囲は相乗領域になるため、差動信号線を採用してもこの範囲のノイズを低減することはできない。

一方、図５（ｂ）の状態において、電流ｉ２ｂの外側では電流ｉ２ａによる磁界強度は（ｒ＋ｄ）に反比例し、電流ｉ２ｂによる磁界強度は（ｒ－ｄ）に反比例し、誘導磁場Ｈ２ａ、Ｈ２ｂの方向は互いに逆になる。したがって、中間位置から非常に大きい距離ｒ（ｒ＞＞ｄ）だけ離れた遠方の位置においては、誘導磁場Ｈ２ａ、Ｈ２ｂの影響がほぼ同じになり、互いに相殺される。

つまり、図５（ｂ）の例では、電流ｉ２ａ、ｉ２ｂの各位置の外側が相殺領域になりその範囲内でノイズを低減することができる。しかし、電流ｉ２ａ、ｉ２ｂの各位置の内側の範囲では逆にノイズが増大してしまう。

＜波形の例＞
図６は、電圧波形及びノイズ波形の例を示すタイムチャートである。
図６に示した電圧波形Ｖｐは、例えば図１に示した積層回路基板装置１０の電力線に電流ｉ１を流すための電源２１における電圧の周期的なスイッチング（Ｈ／Ｌの切替）の波形に相当する。したがって、電圧波形Ｖｐとタイミングが同期した似た波形で電流ｉ１が流れる。また、電圧波形ＶｐのＨ／Ｌが切り替わるタイミングで、電流ｉ１に大きな変化が発生し、これにより誘導磁場が発生する。また、積層回路基板装置１０における各電流ｉ２ａ、ｉ２ｂは、それぞれ電流ｉ１の半分の大きさになる。

図６に示した電圧波形Ｖｓ１は、図１に示した積層回路基板装置１０の第２層１０ｂに形成されている信号系配線パターンＰ２ｓに現れる信号電圧の時系列変化の例を表している。また、図６に示した電圧波形Ｖｓ２は、例えば第３層１０ｃに電力線が存在しない場合のように、本発明を実現するための条件を満たさない状況において、第２層１０ｂに形成された信号系配線パターンＰ２ｓに現れる信号電圧の時系列変化の例を表している。

図６に示すように、電圧波形Ｖｓ２においては、電圧波形ＶｐのＨ／Ｌの切り替わりのタイミングに同期して発生するノイズ波形Ｗｎがクロストークとして重畳している。つまり、第１層１０ａの電流ｉ２ａの変化で発生する誘導磁場の影響が、第２層１０ｂの信号系配線パターンＰ２ｓ上にノイズ波形Ｗｎとして現れている。

一方、電圧波形Ｖｓ１においては、電圧波形Ｖｓ２のようなノイズ波形Ｗｎが現れていない。つまり、第１層１０ａの電流ｉ２ａの変化で発生する誘導磁場の影響と、第３層１０ｃの電流ｉ２ｂの変化で発生する誘導磁場の影響とがそれらの中間にある第２層１０ｂの位置で相殺されてゼロになるため、電圧波形Ｖｓ１上にはノイズ波形Ｗｎが現れない。

＜積層回路基板装置の変形例＞
図１に示した積層回路基板装置１０の例では、一端側のビア１３に電源２１を接続して他端側のビア１４に負荷２４を接続してあり、ビア１３側からビア１４側に向かう方向に電流ｉ１、ｉ２ａ、ｉ２ｂ、ｉ３が流れる場合を想定している。しかし、車載システムでは、電源２１及び負荷２４の両方が充電可能なバッテリーのような場合もある。その場合には、電源２１のバッテリーを充電するために電流の方向を切り替えて、負荷２４側から電源２１に向かう方向に電流ｉ１、ｉ２ａ、ｉ２ｂ、ｉ３を流してもよい。図１と反対の方向に電流ｉ１、ｉ２ａ、ｉ２ｂ、ｉ３を流す場合でも、電流ｉ２ａ、ｉ２ｂの方向が揃っていれば、第２層１０ｂの信号系配線パターンＰ２ｓを電力系配線パターンＰ１ｐ、Ｐ３ｐの誘導磁場から保護することができる。

なお、図１の例では積層回路基板装置１０の外側に電源２１及び負荷２４を接続する場合を想定しているが、電源２１及び負荷２４のいずれか一方又は両方を積層回路基板装置１０と同一の基板上に配置してもよい。

なお、図４（ａ）、図４（ｂ）に示した例では、第１層１０ａにおけるパターン幅の合計（ＬＡ１＋ＬＢ１＋ＬＣ１）と、第３層１０ｃにおけるパターン幅の合計（ＬＡ３＋ＬＢ３＋ＬＣ３）とが完全に一致するように形状を規定しているが、完全に一致していない場合でも、信号系配線パターンＰ２ｓに発生するノイズ波形Ｗｎを低減する効果を得ることは可能である。

なお、図１に示した積層回路基板装置１０は、単一の多層基板に含まれる３層の導電体パターンを利用する場合を想定しているが、複数枚のプリント基板を所定のスペーサを介して厚み方向に積層する場合も考えられる。但し、複数枚のプリント基板を積層する場合は、複数層間での平面方向の位置ずれの可能性や、応力による厚み幅のずれの可能性などが想定されるので、図１のように単一の多層基板だけで構成することが望ましい。

なお、図１の例では積層回路基板装置１０の基板内にあるビア１３、１４で第１層１０ａの電力線と、第３層１０ｃ電力線とを接続しているが、ビア１３、１４と同等の機能を果たす回路を基板の外側に接続してもよい。

＜積層回路基板装置１０の利点＞
図１～図３に示した積層回路基板装置１０においては、第１層１０ａと第３層１０ｃの中央の位置にある第２層１０ｂ上の信号系配線パターンＰ２ｓに対して、それに隣接する電力系配線パターンＰ１ｐ、Ｐ３ｐからの誘導磁場の影響でノイズ波形Ｗｎが重畳するのを抑制できる。また、電力線からのノイズを遮蔽するためにグランドパターンの層を用意する必要がないので、第１層１０ａ、第３層１０ｃの両方を電力線のパターン配置に利用できる。したがって、電力線のパターンが占有する面積を減らしても、複数層の利用により電力線の抵抗を減らし、電力の損失を減らすことができる。そのため、積層回路基板装置１０を小型化することが容易である。

また、保護対象の信号系配線パターンＰ２ｓと対向する部位以外では、必ずしも電力系配線パターンＰ１ｐ、Ｐ３ｐの形状を一致させる必要はなく、例えば図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように様々な形状のパターンを形成することが可能である。また、第１層１０ａにおけるパターン幅の合計（ＬＡ１＋ＬＢ１＋ＬＣ１）と、第３層１０ｃにおけるパターン幅の合計（ＬＡ３＋ＬＢ３＋ＬＣ３）とが一致するように形状を規定することで、効果的にノイズ波形Ｗｎを低減できる。

ここで、上述した本発明の実施形態に係る積層回路基板装置の特徴をそれぞれ以下［１］～［５］に簡潔に纏めて列記する。
［１］ 互いに平行な異なる面に第１層（１０ａ）、第２層（１０ｂ）、及び第３層（第３層１０ｃ）の回路パターンが箔状の導電体によりそれぞれ形成され、前記第１層、前記第２層、及び前記第３層の間が絶縁体（１１、１２）により分離され、前記第２層が前記第１層と前記第３層の間に配置された積層回路基板装置であって、
前記回路パターンは、所定の電源（２１）と所定の負荷（２４）との間に流れる電流を通すための電力系統の回路パターンと、前記電力系統に比べて小さい電流を通す信号系統の回路パターンを含み、
前記第１層には前記電力系統の回路パターン（電力系配線パターンＰ１ｐ）、及び前記信号系統の回路パターン（信号系配線パターンＰ１ｓ）がそれぞれ配置され、
前記第２層には前記信号系統の回路パターン（信号系配線パターンＰ２ｓ）が配置され、
前記第３層には前記電力系統の回路パターン（電力系配線パターンＰ３ｐ）が配置され、
前記第２層における前記信号系統の回路パターンの少なくとも一部分の保護部位と対向する対向部位について、前記第１層の前記電力系統に属する第１回路パターン（電力系配線パターンＰ１ｐ）と、前記第３層の前記電力系統に属する第２回路パターン（電力系配線パターンＰ３ｐ）との形状が略一致するように形成され、
前記第１回路パターンに流れる電流（ｉ２ａ）の向きと前記第２回路パターンに流れる電流（ｉ２ｂ）の向きとが一致するように仕様が規定された、
積層回路基板装置。

［２］ 前記第１回路パターン（電力系配線パターンＰ１ｐ）において、当該箇所を流れる電流の向きと直交する方向（Ｘ軸方向）のパターン幅が特定幅に形成され、
前記第２回路パターン（電力系配線パターンＰ３ｐ）において、当該箇所を流れる電流の向きと直交する方向（Ｘ軸方向）のパターン幅が、前記第１回路パターンと同じ前記特定幅に形成された（図３（ａ）、図３（ｃ）参照）、
上記［１］に記載の積層回路基板装置。

［３］ 前記第１回路パターン及び前記第２回路パターンのそれぞれについて、
電流が流れる一端と他端との間に分岐部（分岐・合流部３２、４２）及び合流部（分岐・合流部３４、４４）が形成され、
前記分岐部と前記合流部との間に形成された複数の電流経路のパターン幅の合計（ＬＡ１＋ＬＢ１＋ＬＣ１、ＬＡ３＋ＬＢ３＋ＬＣ３）が、前記第１回路パターンと前記第２回路パターンとで同じになるように形状が規定された、
上記［１］又は［２］に記載の積層回路基板装置。

［４］ 前記第１回路パターンの一端と、前記第２回路パターンの一端とが、一端側共通回路（ビア１３）を介して共通の電源（２１）、又は共通の負荷と接続可能に構成され、
前記第１回路パターンの他端と、前記第２回路パターンの他端とが、他端側共通回路（ビア１４）を介して共通の負荷（２４）、又は共通の電源と接続可能に構成された、
上記［１］乃至［３］のいずれかに記載の積層回路基板装置。

［５］ 前記第１層、前記第２層、及び前記第３層は、単一のプリント基板上に厚み方向の位置が異なる独立した層としてそれぞれ形成され、
少なくとも前記第１層の回路パターンと、前記第３層の回路パターンとがそれぞれ均一な厚みを有し、前記第１層の回路パターンと前記第３層の回路パターンとが厚みの共通な箔状の導電体により形成されている（図１参照）、
上記［１］乃至［４］のいずれかに記載の積層回路基板装置。

１０ 積層回路基板装置
１０ａ 第１層
１０ｂ 第２層
１０ｃ 第３層
１１，１２ 絶縁体
１３，１４ ビア
２１ 電源
２２，２３ 電線
２４ 負荷
３１，４１ 一端側共有部
３２，３４，４２，４４ 分岐・合流部
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，４３ａ，４３ｂ，４３ｃ 個別パターン
３５ 他端側共有部
３６，３７，４６，４７ 空間部
Ｈ２ａ，Ｈ２ｂ 誘導磁場
ｉ１，ｉ２ａ，ｉ２ｂ，ｉ３ 電流
Ｌ０，ＬＡ１，ＬＢ１，ＬＣ１ パターン幅
ＬＡ３，ＬＢ３，ＬＣ３ パターン幅
Ｐ１ｐ，Ｐ３ｐ 電力系配線パターン
Ｐ１ｓ，Ｐ２ｓ 信号系配線パターン
Ｖｓ１，Ｖｓ２，Ｖｐ 電圧波形
Ｗｎ ノイズ波形

Claims (5)

1. 互いに平行な異なる面に第１層、第２層、及び第３層の回路パターンが箔状の導電体によりそれぞれ形成され、前記第１層、前記第２層、及び前記第３層の間が絶縁体により分離され、前記第２層が前記第１層と前記第３層の間に配置された積層回路基板装置であって、
   前記回路パターンは、所定の電源と所定の負荷との間に流れる電流を通すための電力系統の回路パターンと、前記電力系統に比べて小さい電流を通す信号系統の回路パターンを含み、
   前記第１層には前記電力系統の回路パターン、及び前記信号系統の回路パターンがそれぞれ配置され、
   前記第２層には前記信号系統の回路パターンが配置され、
   前記第３層には前記電力系統の回路パターンが配置され、
   前記第２層における前記信号系統の回路パターンの少なくとも一部分の保護部位と対向する対向部位について、前記第１層の前記電力系統に属する第１回路パターンと、前記第３層の前記電力系統に属する第２回路パターンとの形状が略一致するように形成され、
   前記第１回路パターンに流れる電流の向きと前記第２回路パターンに流れる電流の向きとが一致するように仕様が規定された、
   積層回路基板装置。
2. 前記第１回路パターンにおいて、当該箇所を流れる電流の向きと直交する方向のパターン幅が特定幅に形成され、
   前記第２回路パターンにおいて、当該箇所を流れる電流の向きと直交する方向のパターン幅が、前記第１回路パターンと同じ前記特定幅に形成された、
   請求項１に記載の積層回路基板装置。
3. 前記第１回路パターン及び前記第２回路パターンのそれぞれについて、
   電流が流れる一端と他端との間に分岐部及び合流部が形成され、
   前記分岐部と前記合流部との間に形成された複数の電流経路のパターン幅の合計が、前記第１回路パターンと前記第２回路パターンとで同じになるように形状が規定された、
   請求項１又は請求項２に記載の積層回路基板装置。
4. 前記第１回路パターンの一端と、前記第２回路パターンの一端とが、一端側共通回路を介して共通の電源、又は共通の負荷と接続可能に構成され、
   前記第１回路パターンの他端と、前記第２回路パターンの他端とが、他端側共通回路を介して共通の負荷、又は共通の電源と接続可能に構成された、
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の積層回路基板装置。
5. 前記第１層、前記第２層、及び前記第３層は、単一のプリント基板上に厚み方向の位置が異なる独立した層としてそれぞれ形成され、
   少なくとも前記第１層の回路パターンと、前記第３層の回路パターンとがそれぞれ均一な厚みを有し、前記第１層の回路パターンと前記第３層の回路パターンとが厚みの共通な箔状の導電体により形成されている、
   請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の積層回路基板装置。

Images