JP2735060B2 - プリント回路基板およびプリント回路基板の設計方法およびプリント回路基板作製装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は不要な電磁波の放射
を抑えるプリント回路基板の構造、およびこのプリント
回路基板を作製する設計方法、およびこの設計方法を自
動的に実現するプリント回路設計装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、不要な電磁波の発生を抑えるプリ
ント回路基板の構造として、例えば電磁環境工学情報、
Ｎｏ．６５、２２〜３０頁（１９９３年）や、特開平６
−１８７３９７号公報「プリント基板の配線処理方法」
に記載されているような技術が知られている。前記文献
および前記公報記載のプリント回路基板の構造を図１４
および図１５を用いて説明する。

【０００３】図１４は片面が信号層１、もう片面がグラ
ンドプレーン２で構成されたマイクロストリップ線路構
造の両面基板の一部を、信号層１側からみた平面図であ
る。信号層１には信号配線パターン３と、信号配線パタ
ーン３のない場所に、表面グランド領域４と、表面グラ
ンド領域４を裏面のグランドプレーン２と接続するビア
ホール５をもつ。

【０００４】表面グランド領域を配置すると、表面グラ
ンド領域上の、信号配線パターンと接近する位置に、信
号配線パターンを流れる電流の帰路電流が誘導される。
この構造は信号配線パターンに対して帰路電流の経路を
近くに作ることができるため、信号配線パターンと帰路
電流の経路とがつくるループの面積を小さくすることが
でき、不要な電磁波放射を抑えることができる。

【０００５】また、図１５は図１４と同様に、片面が信
号層１、もう片面がグランドプレーン２で構成された両
面基板である。信号層１には信号配線パターン３０と、
信号配線パターン３０と平行に配置した配線パターン３
１があり、この配線パターン３１は接続元と接続先をビ
アホールを用いて基板裏面のグランドプレーン２と接続
されている。この配線パターン３１を配置すると、配線
パターン３１には、信号配線パターン３０を流れる電流
の帰路電流が誘導されるため、信号配線パターン３０を
流れる電流と帰路電流とが作るループが小さくなり、不
要な電磁波の放射を抑えることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１４
に示したような信号層上の信号パターンがない場所に表
面グランド領域を配置する場合、表面グランド領域と裏
面のグランドプレーンとを接続する位置について従来は
明確な指針がなかった。

【０００７】また、図１５に示すように、信号パターン
に平行に配線パターンを配置して接続元と接続先を基板
裏面のグランドプレーンと接続する場合においても同様
に、配線パターンとグランドプレーンとを接続する位置
について明確な指針がなかった。

【０００８】図１６は、図１５に示した従来の両面基板
の放射電界を測定した例である。破線は図１５の両面基
板において、配線パターン上に設けたグランドプレーン
との接続元と接続先である２つのビアホール３３間の距
離が２３０mmである配線パターンを、基板裏面のグラン
ドプレーンと接続した場合の結果である。

【０００９】その結果、２３０mm間隔で配線パターンを
接続した場合には、３５０ＭＨｚ付近と７００ＭＨｚ付
近の放射電界が特異的に大きくなっていることがわか
る。図１４に示した従来の両面基板を測定した場合にお
いても同様に、特異的に放射電界の大きな領域が存在し
た。このように、従来の方法では、特異的に放射電界が
大きな領域が存在してしまうという問題があった。

【００１０】本発明の目的は、上記課題を解決し、放射
電界が特異的に大きな周波数領域をなくし、不要な電磁
波放射を抑えたプリント回路基板の構造を提供すること
と、このようなプリント回路基板を設計する方法と、こ
のようなプリント回路基板を自動的に設計するプリント
回路作製装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は、配線パター
ンとグランド層や電源層と接続する距離間隔を変えて、
放射電界を測定したところ、間隔によっては、不要な電
磁波放射として問題となる周波数領域において、放射電
界が特異的に変化することを見出し、本発明の創出に至
った。図１６に、接続間隔を変えて放射電界を測定した
結果を示す。

【００１２】図１６に、図１５のプリント基板の配線パ
ターン上に設けたグランドプレーンとの接続元と接続先
である２つのビアホール３３間の距離を２３０mmとした
場合を破線で、その半分の１１５mm間隔とした配線パタ
ーンを、基板裏面のグランドプレーンと接続した場合の
結果を実線で示す。

【００１３】その結果、２３０mm間隔でパターンを接続
した場合には、３５０ＭＨｚ付近と７００ＭＨｚ付近の
放射電界が特異的に大きくなっているが、１１５mm間隔
でパターンを接続すると３５０ＭＨｚ付近の特異点はな
くなるが、７００ＭＨｚ付近で放射電界が特異的に大き
くなることがわかる。

【００１４】そこで、前記課題を解決するために本発明
は、信号層と電源層とグランド層の積層からなるプリン
ト回路基板であって、信号層の空き領域に導電体膜が設
けられ、導電体膜を信号層に隣接する電源層またはグラ
ンド層に接続するための接続点が、導電体膜上の信号配
線パターン側端部でかつ信号配線パターンの始点に近い
位置と終点に近い位置とに配置され、両接続点の間隔が
放射電磁波として問題となるプリント基板上の波長の半
分より短いことを特徴とするプリント回路基板である。

【００１５】また、上記両接続点の間隔が放射電磁波と
して問題となるプリント回路基板上での波長の半分より
長い場合には、接続点間の距離が半分より短くなるよう
に前記両接続点の間に接続点が増設されていることを特
徴とするプリント回路基板である。

【００１６】そのプリント基板の設計方法は、信号層と
電源層とグランド層をもつプリント回路基板の信号層の
空き領域に導電体膜を作製し、導電体膜と信号層上の信
号配線パターンとの位置関係を把握し、導電体膜上の信
号配線パターン側端部でかつ信号配線パターンの始点に
近い位置と終点に近い位置とにそれぞれビアホールを設
置し、両ビアホールの間隔が放射電磁波として問題とな
るプリント回路基板上での波長の半分より長いかどうか
を調べ、波長に比べ長い場合にはビアホールの間隔が波
長の半分より短くなるように両ビアホールの間にビアホ
ールを増設してから、ビアホールを導電体膜の存在する
層と隣接する電源層またはグランド層と接続し、波長に
比べ短い場合はビアホールを増設せずにビアホールを隣
接する電源層またはグランド層と接続することを特徴と
する。

【００１７】またそのプリント基板の作製装置は、信号
層に空き領域があるかを調べる手段と、空き領域があれ
ば空き領域に導電体膜を作製する手段と、導電体膜上の
信号配線パターン側端部でかつ信号配線パターンの始点
に近い位置と終点に近い位置とにビアホールを設置する
手段と、両ビアホールの間隔が放射電磁波として問題と
なるプリント回路基板上での波長の半分より長いかどう
かを調べ、間隔が波長の半分より長い場合にはビアホー
ルの間隔が半分より短くなる位置にビアホールを増設す
る手段と、ビアホールを導電体膜の存在する層と隣接す
る電源層またはグランド層と接続する手段を有すること
を特徴とする。

【００１８】さらに、本発明の第２のプリント基板は、
電磁波放射が大きいと予想される信号層の信号配線パタ
ーンと平行に配線パターンが配置され、配線パターンは
配線パターンが存在する層と隣接する電源層またはグラ
ンド層とビアホールを用いて接続され、ビアホールが配
線パターンの始点に近い位置と終点に近い位置とに設置
され、両ビアホールの間隔が放射電磁波として問題とな
るプリント回路基板上での波長の半分より長い場合に
は、ビアホール間の距離が半分より短くなる位置にビア
ホールが増設されていることを特徴とする。

【００１９】第２のプリント基板の設計方法は、電磁波
放射が大きいと予想される信号配線パターンと平行に配
線パターンを配置し、配線パターンの始点と終点に近い
位置にビアホールをそれぞれ配置し、両ビアホールの間
隔が放射電磁波として問題となるプリント回路基板上で
の波長の半分より長いかどうかを調べ、長い場合にはビ
アホールの間隔を波長の半分より短くなるようにビアホ
ールを増設してから、ビアホールを配線パターンの存在
する層と隣接する電源層またはグランド層と接続し、短
い場合にはビアホールを増設せずに前記ビアホールを電
源層またはグランド層と接続することを特徴とする。

【００２０】第２のプリント基板の作製装置は、電磁波
放射が大きいと予想される信号配線パターンと平行に配
線パターンを作製する手段と、配線パターンの始点と終
点に近い位置にそれぞれビアホールを設置する手段と、
両ビアホールの間隔が放射電磁波として問題となるプリ
ント回路基板上での波長の半分以下であるかどうかを調
べ、間隔が前記波長の半分より大きい場合にはビアホー
ル間隔が半分以下となるようにビアホールを配線パター
ンに増設する手段と、ビアホールを配線パターンの存在
する層と隣接する電源層またはグランド層と接続する手
段を有することを特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態を図面を参
照して説明する。

【００２２】図１は、本発明の第１の実施の形態にかか
るプリント回路基板の一部平面図である。このプリント
回路基板は片面が信号層１、もう片面がグランドプレー
ン２で構成されたマイクロストリップ線路構造をとって
いる。信号層１には信号配線パターン３と、信号配線パ
ターンがない場所に、グランド層と同電位の表面グラン
ド領域（導電体膜）４が配置されている。表面グランド
領域４は信号配線パターン３に沿った端部の両端におい
て、ビアホール５を介して基板裏面のグランドプレーン
２と接続されている。

【００２３】ビアホール５ａと５ｂとの間隔は放射電界
を抑制する必要のある周波数に対応するプリント回路基
板上での波長の１／２以下に設定する。例えば、世界の
主要各国においては不要電磁波放射に関する限度値は３
０ＭＨｚから１ＧＨｚで規定されている。そのような電
磁波放射を抑えるには、前記ビアホールの間の間隔はこ
れらの周波数のうち上限である１ＧＨｚに対応して決定
すればよい。

【００２４】この実施の形態によるプリント回路基板で
は、波長短縮率が０．５４の場合を考える。例えば、周
波数１ＧＨｚでは自由空間波長は３００mmに対し、前記
プリント回路基板においては１６２mmとなる。したがっ
て、ビアホール間の間隔はその半分である８１mm以下に
しなくてはならない。ビアホール５（５ａと５ｂ）の間
の間隔が表面グランド領域４の端部両端だけでは、８１
mmを越える場合には、図２に示すように表面グランド領
域の端部の中心点においてもビアホール５ｃを設けるな
ど、ビアホール５の数を増やしてグランドプレーン２と
接続する。

【００２５】図３、図４は、本発明の第２の実施の形態
にかかるプリント回路基板の一部平面図である。このプ
リント回路基板は、信号層６の下にグランド層７と信号
層６′がある積層構造のプリント回路である。

【００２６】信号層６には信号配線パターン８と、信号
配線パターン８を取り囲むグランド領域（導電体膜）９
があり、信号配線パターン８はビアホール１０を用いて
グランド層７の下にある信号層６′の信号配線パターン
と接続されている。グランド領域９はビアホール１１を
用いて、グランド層７と接続されている。このビアホー
ル１１はグランド領域９上で、かつ信号配線パターンの
ビアホール１０に近い位置に設置する。

【００２７】図３は、ビアホール１１を信号配線パター
ン８の脇に配置した場合を表している。この場合、ビア
ホール１１は信号配線パターン１本につき４個必要にな
るが、グランド領域９上の信号配線パターン８側端部
に、信号配線パターンの帰路電流を流すことができる。
ビアホールの数を減らしたい場合には、図４に示すよう
に、信号配線パターン８のビアホール１０に近い位置に
ビアホール１１を配置してもよい。

【００２８】また、ビアホール１１の間の間隔が、第１
の実施の形態で示したように、電磁波放射として問題と
なるプリント基板上の波長の１／２より長い場合は、ビ
アホール１１をグランド領域上の信号パターン側端部に
追加して、上記条件が満足されるようにする。

【００２９】図５は、本発明によるプリント回路基板を
設計するフローチャートである。まず、信号層に空き領
域があるか検査し、信号層の空き領域にグランド領域
（導電体膜）を作製する。次にグランド領域と信号配線
パターンとの位置関係を把握する。グランド領域の端部
上の信号配線パターンの始点、終点に近い位置にビアホ
ールを配置し、始点と終点のビアホールの間隔が放射電
磁波として問題となるプリント基板上の波長の半分より
長いか調べる。波長に比べ長い場合はビアホールの間隔
を波長の半分より短くなるようにビアホールの数を増や
してから、ビアホールとこのグランド領域のある層と隣
接するグランド層とを電気的に接続する。波長に比べ短
い場合はそのまま、これらのビアホールとグランド層と
を接続することでプリント回路基板が作製できる。

【００３０】また、この方法の各工程を自動的に行うソ
フトウエアを従来からあるプリント回路基板作製装置に
組み込むことで、電磁波放射を抑えたプリント回路基板
作製装置が実現できる。

【００３１】本発明のグランド領域４および９の幅は限
定されるものではなく、グランド領域の代わりに、図６
に示すように信号パターン３と同じ幅の配線パターン１
２も適用できる。

【００３２】また本発明は、信号層とグランド層で構成
されたプリント回路基板について説明したが、グランド
層の代わりに電源層がある場合には、グランド領域を電
源層と同電位の電源領域と考えることで、同じ効果が得
られる。

【００３３】また、本発明は両面基板に限定されたもの
ではなく、信号層とグランド層または信号層と電源層が
隣り合って構成されている多層のプリント回路基板全般
についても同様に適用できる。

【００３４】

【発明の効果】図７〜図１３に、本発明を実施したプリ
ント回路基板による放射電界を測定した結果を示す。

【００３５】図７は表面が信号層、裏面がグランド層で
あるマイクロストリップ線路構造のプリント回路基板１
５である。基板の大きさは２３０mm×１５０mm×１．６
mmで、材質は比誘電率約４．８のガラスエポキシ樹脂の
ものを用いている。信号層には、特性インピーダンスを
５０オームに設計した信号配線パターン１６と、信号パ
ターンがない場所にグランド領域（導電体膜）１７が配
置されている。グランド領域には裏面のグランド層と接
続するためにビアホール１８が配置できるようになって
いる。

【００３６】測定は、信号層にグランド領域１７もな
く、信号配線パターン１６のみがある基板（以下、基板
Ａ）と、信号層に信号配線パターン１６と信号配線パタ
ーン１６がない場所にグランド領域１７があり、かつグ
ランド領域１７がビアホール１８ａ、１８ａ′を用いて
グランド層と接続されている基板（基板Ｂ）と、本発明
の第１の実施例である、信号層に信号配線パターン１５
とグランド領域１７があり、かつ、グランド領域１７が
ビアホール１８ｂ、１８ｂ′および１８ｅ、１８ｅ′を
用いてグランド層と接続されている基板（基板Ｃ）と、
本発明の第２の実施例である、信号層に信号配線パター
ン１６とグランド領域１７があり、かつ、グランド領域
１７がビアホール１８ｂ、１８ｂ′、１８ｃ、１８
ｃ′、１８ｄ、１８ｄ′、および１８ｅ、１８ｅ′を用
いて接続されている基板（基板Ｄ）を用いて行った。１
８ｂと１８ｅおよび１８ｂ′と１８ｅ′との距離は約１
７０mmである。１８ｃ、１８ｃ′、１８ｄ、１８ｄ′は
１８ｂと１８ｅの間および１８ｂ′と１８ｅ′の間を三
等分するように配置した。

【００３７】図８は放射電界測定に用いた測定装置の構
成図である。測定は六面に電波吸収体がある小型の簡易
電波暗室内で行った。測定にはネットワークアナライザ
１９、広帯域アンテナ２０（１０ＭＨｚ〜２００ＭＨ
ｚ：バイコニカルアンテナ、２００ＭＨｚ〜１ＧＨｚ：
ログペリオディックアンテナ）、２５ｄＢのアンプ２１
を用いた。

【００３８】広帯域アンテナ２０は基板１５から約２．
４m 離れた位置に配置し、高さを１．２m 、向きを水平
に固定して用いた。基板１５は信号配線パターン１６の
向きをアンテナ１５と同じ水平に向け、信号配線パター
ン１６のある面をアンテナ２０に向けて配置した。基板
１５は固定している木製の机２２の上に置いた。

【００３９】図９〜１３に測定結果を示す。縦軸は基板
とアンテナ間の伝送特性を表している。

【００４０】図９、図１０は１０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚ
の周波数範囲において、放射電界を測定した結果であ
る。図９、図１０の実線は基板Ａ、図９の点線は基板
Ｂ、図１０の一点破線は基板Ｃを用いた場合の測定結果
である。

【００４１】図９から、図７の基板において、グランド
領域１７とビアホール１８ａ、１８ａ′を配置した基板
Ｂを用いると、８０ＭＨｚの周波数範囲まで放射電界を
抑制する効果があった。しかし、８０ＭＨｚ以上の周波
数範囲では抑制効果がなかった。

【００４２】これに対して、図１０に示されるように、
本発明の第１の実施例である基板Ｃによれば、２００Ｍ
Ｈｚ以下の周波数範囲で基板Ａに比べ放射電界を抑制で
き、かつ従来の基板Ｂよりも広帯域で放射電界を抑制す
ることができた。

【００４３】図１１、図１２は、２００ＭＨｚ〜１ＧＨ
ｚの周波数範囲において、放射電界を測定した結果であ
る。図９、図１０と同様に、実線は基板Ａ、点線は基板
Ｂ、１点破線は基板Ｃを用いた場合の結果を表してい
る。

【００４４】図１１から、従来の基板Ｂを用いると、２
７０ＭＨｚ以下の周波数範囲で基板Ａより放射電界が大
きくなった。特に２８０ＭＨｚから５２０ＭＨｚの周波
数範囲で電磁波の放射源で共振現象が発生したことによ
る特性が現れている。

【００４５】これに対して、図１２に示すように、本発
明の第１の実施例の基板Ｃを用いると、５２０ＭＨｚ以
下の周波数範囲で基板Ａに比べ放射電界を小さくするこ
とができた。以上の結果から、本発明の第１の実施例で
ある基板Ｃは従来技術である基板Ｂに比べ放射電界を抑
制する周波数範囲が広いことがわかる。

【００４６】ここで、基板Ｃではビアホール１８を配置
する間隔が１７０mmであったことから、基板の波長短縮
率を考慮に入れた１／２波長が１７０mmである約５７０
ＭＨｚ付近で放射電界が大きくなった。この放射電界を
抑制するために、ビアホールを配置する間隔を約５７mm
とした基板Ｄの放射電界測定結果を図１３に示す。

【００４７】二点破線が基板Ｄによる結果である。この
結果より、基板Ｃの測定結果にあった５７０ＭＨｚ付近
のピークをなくすことができた。上記のように、ビアホ
ールの間隔を狭くすることによって、基板Ｄでは基板
Ａ、基板Ｂ、基板Ｃに比べ、広い周波数範囲で放射電界
を抑制できた。

【００４８】以上のように、本発明によれば、信号配線
パターンの空き領域にグランド領域を設け、グランド領
域とグランド層とを接続するビアホールをグランド領域
上の信号配線パターン側端部の、信号配線パターン始
点、終点付近に配置することで放射電界が抑制できる。
さらに、ビアホールの間隔が不要電磁波放射として問題
となるプリント回路基板上の波長の１／２以下になるよ
うにビアホールを配置することで、放射電界が抑制でき
る周波数帯域を広げることができる。

【００４９】さらに、グランド領域の幅を信号配線パタ
ーンと同じ幅とした場合でも、同様の効果が得られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示すプリント回路
基板の構成図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態を示すプリント回路
基板の構成図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態を示すプリント回路
基板の構成図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態を示すプリント回路
基板の構成図である。

【図５】本発明によるプリント回路設計のフローチャー
ト図である。

【図６】本発明の第３の実施の形態を示すプリント回路
基板の構成図である。

【図７】本発明による効果を検証するために用いたプリ
ント回路基板の構成図である。

【図８】放射電界の測定装置の構成図である。

【図９】従来のプリント回路基板による放射電界の測定
結果である。

【図１０】本発明のプリント回路基板による放射電界の
測定結果である。

【図１１】従来のプリント回路基板による放射電界の測
定結果である。

【図１２】本発明のプリント回路基板による放射電界の
測定結果である。

【図１３】本発明のプリント回路基板による放射電界の
測定結果である。

【図１４】従来のプリント回路基板の構成図である。

【図１５】従来のプリント回路基板の構成図である。

【図１６】ビアホール間隔を変えて放射電界を測定した
結果を示す図である。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】信号層と電源層とグランド層をもつプリン
   ト回路基板であって、前記信号層の空き領域に導電体膜
   が設けられ、前記導電体膜を前記信号層に隣接する電源
   層またはグランド層に接続するための接続点が、前記導
   電体膜上の信号配線パターン側端部でかつ信号配線パタ
   ーンの始点に近い位置と終点に近い位置とに配置され、
   前記両接続点の間隔が放射電磁波として問題となるプリ
   ント回路基板上での波長の半分より短いことを特徴とす
   るプリント回路基板。
2. 【請求項２】信号層と電源層とグランド層をもつプリン
   ト回路基板であって、前記信号層の空き領域に導電体膜
   が設けられ、前記導電体膜を前記信号層に隣接する電源
   層またはグランド層に接続するための接続点が、前記導
   電体膜上の信号配線パターン側端部でかつ信号配線パタ
   ーンの始点に近い位置と終点に近い位置とに設置され、
   前記両接続点の間隔が放射電磁波として問題となるプリ
   ント回路基板上での波長の半分より長い場合には、接続
   点間の距離が半分より短くなるように前記両接続点の間
   に接続点が増設されていることを特徴とするプリント回
   路基板。
3. 【請求項３】信号層と電源層とグランド層をもつプリン
   ト回路基板の信号層の空き領域に導電体膜を作製し、前
   記導電体膜と前記信号層上の信号配線パターンとの位置
   関係を把握し、前記導電体膜上の信号配線パターン側端
   部でかつ信号配線パターンの始点に近い位置と終点に近
   い位置とにそれぞれビアホールを設置し、前記両ビアホ
   ールの間隔が放射電磁波として問題となるプリント回路
   基板上での波長の半分より長いかどうかを調べ、波長に
   比べ長い場合にはビアホールの間隔が波長の半分より短
   くなるように前記両ビアホールの間にビアホールを増設
   してから、前記ビアホールを前記導電体膜の存在する層
   と隣接する電源層またはグランド層と接続し、波長の半
   分より短い場合はビアホールを増設せずに前記ビアホー
   ルを隣接する電源層またはグランド層と接続することを
   特徴とするプリント回路基板の設計方法。
4. 【請求項４】信号層に空き領域があるかを調べる手段
   と、空き領域があれば前記空き領域に導電体膜を作製す
   る手段と、前記導電体膜上の信号配線パターン側端部で
   かつ信号配線パターンの始点に近い位置と終点に近い位
   置とにビアホールを設置する手段と、前記両ビアホール
   の間隔が放射電磁波として問題となるプリント回路基板
   上での波長の半分より長いかどうかを調べ、前記間隔が
   波長の半分より長い場合にはビアホールの間隔が半分よ
   り短くなる位置にビアホールを増設する手段と、前記ビ
   アホールを導電体膜の存在する層と隣接する電源層また
   はグランド層と接続する手段を有することを特徴とする
   プリント回路基板作製装置。