JP4957543B2 - プリント回路基板 - Google Patents

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Description

本発明は、プリント回路基板に関する。
様々な電子機器に用いられるプリント回路基板は、高密度配線等を実現するために複数の層で構成されるのが一般的である。こうしたプリント回路基板の層構成は、層数が少ないほど製造コストを削減できるため、コスト重視の設計では層数の少ない4層構成が好まれる傾向がある。4層構成の典型的な構成はS−G−V−S構成である(特許文献1〜4)。ここでSは信号層、Gはグランド層、Vは電源層を表す。
ところで、電子機器の高速化に伴い、プリント回路基板からの不要輻射(Electro−Magnetic Interference,以下EMIと略す)問題が顕著となってきている。とりわけ上記の4層構成のプリント回路基板においては、信号ビアにより、信号配線と電源層の電源グランドプレーン対が交差する構造を採用することが一般的なので、信号を伝わる電磁波の一部が電源グランドプレーン対内に伝播し、電源グランドプレーン対端部からのEMIを増大させることが知られている。
図13は、従来の4層構成(S−G−V−S)のプリント回路基板の模式的な図である。具体的には、図13(a)は、従来の4層構成のプリント回路基板100の上面図であり、図13(b)は、図13(a)のA−A’断面における断面図である。
プリント回路基板100においては、1層の第1信号層(S層)には、LSIのドライバー101とレシーバー102が実装されており、ドライバー101とレシーバー102は信号配線で電気的につながれている。信号配線は、1層(第1信号層)に配置された第1信号配線となるマイクロストリップ線路103と、1層(第1信号層)に配置された第3信号配線となるマイクロストリップ線路111と、4層(第2信号層)に配置された第2信号配線となるマイクロストリップ線路110と、マイクロストリップ線路103及びマイクロストリップ線路110を接続する第1信号ビア104と、マイクロストリップ線路110及びマイクロストリップ線路111を接続する第2信号ビア109と、から構成される。
プリント回路基板100においては、1層の第1信号層は部品面とも呼ばれ、一般に信号配線とLSIを実装する。4層目の第2信号層は半田面とも呼ばれ、実装上の制約により一層だけでは信号実装面積が足りない場合に用いられる。そして、プリント回路基板100において、1層(第1信号層)のマイクロストリップ103、111と、4層(第2信号層)のマイクロストリップ110と、が第1信号ビア104及び第2信号ビア109で接続された構造を迂回配線と呼ぶことにする。
図14は、図13に示すプリント回路基板の迂回配線の要部を拡大して示した模式的な図である。具体的には、図14(a)は、図13(a)の迂回配線の平面図の要部を模式的に拡大した図であり、図14(b)は、図13(b)の迂回配線の断面図の要部を模式的に拡大した図である。
プリント回路基板100においては、第1信号ビア104及び第2信号ビア109が、2層(グランド層)のグランドプレーン106と、3層(電源層)の電源プレーン105とを貫通する部分、換言すれば、第1信号ビア104及び第2信号ビア109がグランドプレーン106及び電源プレーン105と重なっている部分は、クリアランス202により電気的に絶縁されている。
プリント回路基板100のように、層数が少ない4層構造の場合、実装上の制約により必然的に迂回配線が多数必要となる。ところが、迂回配線は、その構造により、第1信号ビア104、第2信号ビア109に流れる電流から、電源プレーン105とグランドプレーン106の挟まれた領域に電磁波107を漏らす構造である。その結果、電源プレーン105とグランドプレーン106で挟まれた領域の端部からEMI(漏洩電磁波)108を漏らすため、EMI抑制設計という点に問題を有する。
特開2001−326462号公報 特開2003−163467号公報 特開2007−81364号公報 特開2007−115772号公報
S−G−V−S構成のプリント回路基板に実装された信号配線において、4層配線を用いた迂回配線の信号ビア部に起因するEMIを抑制する手段として、例えばキャパシタによる対策がある。
図15は、第1信号層(S層)にキャパシタを実装した対策方法を説明するための模式的な図である。具体的には、図15(a)は、図13(a)に示すプリント回路基板100において、第1信号層(S層)に、マイクロストリップ線路103と平行にキャパシタ301を設置した状態を示す上面図である。また、図15(b)は、B−B’断面における模式的な断面図である。
図15に示す、キャパシタ301による対策では、第1信号ビア104又は第2信号ビア109の脇に、キャパシタ301が表面実装される。より具体的には、3層(電源層)の電源プレーン105と2層(グランド層)のグランドプレーン106とを接続するための電源端子用ビア302、グランド端子用ビア303、及びパッド304を実装しておき、パッド304にキャパシタ301が表面実装される。キャパシタ301を実装することにより、キャパシタ301に流れる電流を、第1信号ビア104を流れる電流の模擬的なリターンパスとし、電源プレーン105とグランドプレーン106との間に漏れる電磁波を低減しやすくなる。
しかしながら、キャパシタ301を実装する際に必然的に伴われるはんだやパッド304等の等価インダクタンスの影響で、最初の自己共振周波数を越える周波数帯では効果が弱められる課題がある。さらに、キャパシタ301を実装すること自体が、高集積化実装の妨げとなる課題もある。
このように、信号配線を実装した4層プリント回路基板の代表的な層構成であるS−G−V−Sの順の層構成においては、部品実装面の1層(S層、第1信号層)だけでは信号配線用の実装断面積が十分でないため、必然的に第1信号ビア及び第2信号ビアを用いて、1層と4層(S層、第2信号層)とを接続した迂回配線が多用される。そして、その結果、第1信号ビアや第2信号ビアから電源系への漏洩電磁波がEMIを増大させる傾向になる。したがって、S−G−V−Sの順の層構成を有するプリント回路基板においては、EMIを低減する必要があるという課題がある。
そして、こうした課題を解決するための対策手法として考えられるキャパシタ実装では、パッドや端子構造に起因する等価インダクタンスにより、最初の自己共振周波数を越える周波数帯ではEMI低減の効果が弱められる課題がある。加えて、キャパシタ実装では、実装面積上の制約という課題もある。
本発明の目的は、上記課題を解決するためになされたものである。具体的には、4層のプリント回路基板の代表的なS−G−V−Sの順の層構成において、実装面積を増加させることなく、1層(S層、第1信号層)と、4層(S層、第2信号層)とが第1信号ビア及び第2信号ビアで接続された迂回配線を設けた場合に発生するEMIを、効果的に抑制するプリント回路基板を提供することにある。
上記課題を解決するための本発明のプリント回路基板は、少なくとも第1信号配線及び第3信号配線が設けられた第1信号層と、グランド層と、電源層と、少なくとも第2信号配線が設けられた第2信号層と、をこの順に有し、さらに、前記グランド層及び前記電源層をそれぞれ貫通しかつ該グランド層及び該電源層と電気的に絶縁された第1信号ビア及び第2信号ビアを有するプリント回路基板であって、前記第1信号ビアが前記第1信号配線の一端と前記第2信号配線の一端とを接続し、前記第2信号ビアが前記第2信号配線の他端と前記第3信号配線の一端とを接続することにより迂回配線が形成され、前記電源層が、前記第1信号ビアが前記電源層を貫通する部分及び前記第2信号ビアが前記電源層を貫通する部分を含む部分グランドと、該部分グランドの外側の領域と、に分割され、前記部分グランドと前記グランド層とがグランドビアにより接続されている、ことを特徴とする。
本発明のプリント回路基板の好ましい態様においては、前記グランドビアを前記部分グランドの周辺に沿って複数配置する。
本発明のプリント回路基板の好ましい態様においては、前記部分グランドと、該部分グランドの外側の領域とが、スリットにより分割されている。
本発明のプリント回路基板の好ましい態様においては、前記第1信号ビア及び前記第2信号ビアが前記グランド層及び前記電源層をそれぞれ貫通する部分において、前記第1信号ビア及び前記第2信号ビアと、前記グランド層及び前記電源層との間に一定のクリアランスを設けることにより、前記第1信号ビア及び前記第2信号ビアが前記グランド層及び前記電源層と電気的に絶縁される。
本発明のプリント回路基板によれば、迂回配線を含むS−G−V―S層構成のプリント回路基板において、第1信号ビア及び第2信号ビアから電源層に漏れる漏洩電磁波を抑制し、その結果として電源系から漏れるEMIをも抑制することが可能となる。そして、こうしたEMIを、プリント配線回路の実装面積を増加させることなく効果的に抑制しやすくなる。
以下、本発明の実施例につき説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において任意に変形して実施することができる。
図1は、本発明のプリント回路基板の一例の模式的な図である。具体的には、図1(a)は、本発明のプリント回路基板の一例の上面図であり、図1(b)は、図1(a)のC−C’断面における断面図である。
プリント回路基板1は、少なくとも第1信号配線となるマイクロストリップ線路2及び第3信号配線となるマイクロストリップ線路4が設けられた第1信号層12と、グランド層たるグランドプレーン7と、電源層たる電源プレーン8と、少なくとも第2信号配線となるマイクロストリップ線路3が設けられた第2信号層13と、をこの順に有する。さらに、プリント回路基板1は、グランドプレーン7及び電源プレーン8をそれぞれ貫通し、かつグランドプレーン7及び電源プレーン8と電気的に絶縁された第1信号ビア5及び第2信号ビア6を有する。
プリント回路基板1においては、第1信号ビア5がマイクロストリップ線路2(第1信号配線)の一端とマイクロストリップ線路3(第2信号配線)の一端とを接続し、第2信号ビア6がマイクロストリップ線路3(第2信号配線)の他端とマイクロストリップ線路4(第3信号配線)の一端とを接続することにより迂回配線が形成されている。このように、迂回配線は、1層―4層―1層の順に実装されている。
プリント回路基板1においては、電源プレーン8が、第1信号ビア5が電源プレーン8を貫通する部分及び第2信号ビア6が電源プレーン8を貫通する部分を含む部分グランド9と、部分グランドの外側の領域15と、に分割されている。そして、部分グランド9とグランドプレーン7とがグランドビア11により接続されている。こうした構成を採用することにより、第1信号ビア5及び第2信号ビア6が部分グランド9に囲まれるようになる。その結果、電源プレーン8に漏れる漏洩電磁波をシールドしやすくなる。加えて、通常、上下に導体があると、電磁波はこれら導体間を進みやすくなるが、プリント回路基板1においては、電源プレーン8が部分グランド9と、部分グランドの外側の領域15とに分断されているので、当該分断部分において電磁波が進みにくくなる。こうした2つの作用が働くことにより、電源系から漏れるEMIを抑制することが可能となる。そして、キャパシタ等を用いることなく、電源プレーン(電源層)8を、部分グランド9と部分グランドの外側の領域15とに分割することによって行うので、プリント配線回路の実装面積を増加させることなくEMIの抑制を効果的に行いやすくなる。以下、プリント回路基板1についてさらに説明する。
プリント回路基板1では、上述のとおり、S−G−V−Sの層構成で、1層―4層―1層の順に実装された迂回配線を含む。そして、4層構成(S−G−V−S)の3層目の電源プレーン8内において、迂回配線の複数の信号ビア(第1信号ビア5及び第2信号ビア6)を囲む導体領域をスリット10により分割して部分グランド9を形成する。さらに、2層目のグランドプレーン7と部分グランド9とを、信号ビア(第1信号ビア5及び第2信号ビア6)近辺のグランドビア11により接続している。
図2は、3層の電源層(電源プレーン)の平面図を模式的に示したものである。具体的には、図1において、電源プレーン8を抜き出してその上面を示したものである。
電源プレーン8は、部分グランド9と、部分グランドの外側の領域15とが、スリット10により分割されている。スリット10の幅は、通常0.1μm以上である。スリット10は、部分グランド9と部分グランドの外側の領域15とを電気的に切断できるような幅とすればよい。スリット10を設けることにより、第1信号ビア5及び第2信号ビア6に流れる電流から電源プレーン8とグランドプレーン7の挟まれた領域に発生する電磁波が、スリット10の部分で効果的に反射するようになり、EMIの抑制がより行いやすくなる。またスリットにより、部分グランドの外側の領域15とグランドプレーン7との絶縁が確保されやすくなる。
部分グランド9において、第1信号ビア5及び第2信号ビア6が、グランドプレーン7及び電源プレーン8を貫通する部分には、第1信号ビア5及び第2信号ビア6と、グランドプレーン7及び電源プレーン8との間に一定のクリアランス14が設けられている。クリアランス14により、第1信号ビア5及び第2信号ビア6とグランドプレーン7及び電源プレーン8とを電気的に絶縁することができる。
部分グランド9において、4つのグランドビア11が部分グランド9の周辺に沿って配置されている。グランドビア11により、グランドプレーン7と部分グランド9とが電気的に接続され、部分グランド9はアースと同電位となる。一方、部分グランドの外側の領域15は電源プレーン8に印加される電圧と同電位になっている。その結果、第1信号ビア5及び第2信号ビア6に流れる電流によって発生する電磁波は、グランドビア11でアースされた部分グランド9によってシールドされることになり、EMIを低減しやすくなる。加えて、スリット10によってグランドビア11を用いることだけではシールドしきれない電磁波をシールドできる。本発明では、こうしたシールドの相乗効果が発揮されるようになる。
図3は、図1の部分グランドで囲まれた領域の要部を拡大して示した模式的な図である。図4は、図3のD−D’断面での模式的な断面図である。図5は、図3のE−E’断面での模式的な断面図である。具体的には、図3は、図1(a)の部分グランド9で囲まれた領域の要部を模式的に拡大して示すとともに、第1信号ビア5及び第2信号ビア6がグランドプレーン7及び電源プレーン8を貫通する際に設けられているクリアランス14を透視して示してある。図4は、図1(b)の部分グランド9で囲まれた領域の要部を模式的に拡大して示している。そして、図5は、図3のE−E’断面における断面図を模式的に示したものである。なお、図3〜5においては、図1に縮尺・拡大を加えて、第1信号ビア5、第2信号ビア6、クリアランス14、部分グランド9、スリット10、グランドビア11等の位置関係をわかりやすく示している。
プリント回路基板1は、図4に示すように、第1信号ビア5及び第2信号ビア6がグランドプレーン7及び電源プレーン8をそれぞれ貫通する部分において、第1信号ビア5及び第2信号ビア6と、グランドプレーン7及び電源プレーン8との間に一定のクリアランス14を設けることにより、第1信号ビア5及び第2信号ビア6がグランドプレーン7及び電源プレーン8と電気的に絶縁されている。
プリント回路基板1においては、図5に示すように、グランドビア11は、グランドプレーン7と部分グランド9とを接続し、プリント回路基板1を貫通するように形成されている。グランドビア11は、グランドプレーン7と部分グランド9とを接続する役目を有するので、基本的には、2層と3層との間に設けられていれば十分であるが、プリント回路基板1を貫通した構成を採用することにより、コスト上昇を抑制しつつグランドビア11をプリント回路基板1に配置することができるようになる。但し、グランドビア11は、マイクロストリップ線路2(第1信号配線)やマイクロストリップ線路4(第3信号配線)等の第1信号層12(1層)に設けられた信号配線とは絶縁されるように、プリント回路基板1に取り付けられている。さらに、グランドビア11は、マイクロストリップ線路3(第2信号配線)等の第2信号層13(4層)に設けられた信号配線とも絶縁されるように、プリント回路基板1に取り付けられている。
プリント回路基板1においては、図1〜5に示すプリント回路基板構成を用いることにより、グランドプレーン7とグランドビア11を介して接続された部分グランド9が、第1信号ビア5及び第2信号ビア6を含む領域に形成されることになる。その結果、部分グランド9が、第1信号ビア5及び第2信号ビア6の貫通部分で、第1信号ビア5及び第2信号ビア6を囲むように配置される。したがって、第1信号ビア5及び第2信号ビア6の電流のリターンパスは、グランドビア11と部分グランド9により連続性を保つことになり、第1信号ビア5及び第2信号ビア6から部分グランド9とグランドプレーン7との間に漏れる電磁波がシールドされ、外部への漏洩が抑制される。加えて、一部漏れた電磁波も、スリット10により反射される傾向となり、電源プレーン8のうち部分グランドの外側の領域15とグランドプレーン7で挟まれた領域に漏れにくくなる。こうした作用が発揮される結果として、電源プレーン8とグランドプレーン7で挟まれた領域の端部から漏れるEMIが抑制されるようになる。
なお、プリント回路基板1においては、グランドビア11は第1信号ビア5及び第2信号ビア6の両脇に配置している。しかしながら、グランドビアは、必ずしも第1信号ビアや第2信号ビアの両脇に配置しなくても、グランドビアを部分グランドの周辺に沿って複数配置すれば、一定のEMI抑制効果が得られると考えられる。図6は、本発明のプリント回路基板の他の一例を示す模式的な図である。具体的には、図6は、図3と同様の形式でプリント回路基板を示したものである。プリント回路基板20では、6つのグランドビア11を部分グランドの周辺に沿って複数配置することにより、第1信号ビア5及び第2信号ビア6から発生した電磁波が外側の電源プレーン及びグランドプレーン間へ伝播するのを抑制しやすくなる。
以下に、本発明のプリント回路基板の具体例を、図面を用いて示す。
図7は、4層(S−G−V−S)構成のプリント回路基板の模式的な図である。具体的には、図7は、4層構成のプリント回路基板の上面図を示している。
プリント回路基板30は、20MHzの発信器16とクロックジェネレータ17によりLSIのドライバー101を模擬した信号発生器を構成し、50Ωの終端抵抗18によりLSIのレシーバー102を模擬している。信号を発生させるための発信器を動作させるための電源は、乾電池箱20内の乾電池(3.6ボルト)により構成し、フェライト19を付けたケーブルにより電源プレーン8と接続した。
プリント回路基板30において、第1信号ビア5、第2信号ビア6近辺で対策をほどこさない構成を「対策なし」とし、キャパシタを第1信号ビア5及び第2信号ビア6近辺に実装する方法を「キャパシタ対策」とし、本発明のプリント回路基板で採用する、電源プレーン(電源層)に部分グランドを形成し、これをグランドビアによりグランドプレーン(グランド層)と接続する方法を「グランドビア&3層部分グランド」として、評価基板を作成した。
図8は、「対策なし」の評価基板における第1信号ビア及び第2信号ビア近辺の要部構成を模式的に示した図である。図9は、「キャパシタ対策」の評価基板における第1信号ビア及び第2信号ビア近辺の要部構成を模式的に示した図である。図10は、「グランドビア&3層部分グランド」の評価基板における第1信号ビア及び第2信号ビア近辺の要部構成を模式的に示した図である。
図8〜10に示すプリント回路基板において、500MHz〜1GHzの周波数帯において、信号配線に同一のクロック信号を印加したときの漏洩電磁波(EMI)を測定した。図11は、「対策なし」の評価基板及び「キャパシタ対策」の評価基板におけるEMIの測定結果であり、図12は、「対策なし」の評価基板及び「グランドビア&3層部分グランド」の評価基板におけるEMIの測定結果である。図11,12より、本発明のプリント回路基板である「グランドビア&3層部分グランド」の構成を用いることにより、「対策なし」の場合や、「キャパシタ対策」の場合よりも、500MHz〜1GHzの間でEMIが抑制される傾向にあることがわかる。
以上、本発明のプリント回路基板につき具体例を用いて説明してきたが、本発明のプリント回路基板は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において適宜設計変更等を行うことができる。
本発明のプリント回路基板の一例の模式的な図である。 3層の電源層(電源プレーン)の平面図を模式的に示したものである。 図1の部分グランドで囲まれた領域の要部を拡大して示した模式的な図である。 図3のD−D’断面での模式的な断面図である。 図3のE−E’断面での模式的な断面図である。 本発明のプリント回路基板の他の一例を示す模式的な図である。 4層(S−G−V−S)構成のプリント回路基板の模式的な図である。 「対策なし」の評価基板における第1信号ビア及び第2信号ビア近辺の要部構成を模式的に示した図である。 「キャパシタ対策」の評価基板における第1信号ビア及び第2信号ビア近辺の要部構成を模式的に示した図である。 「グランドビア&3層部分グランド」の評価基板における第1信号ビア及び第2信号ビア近辺の要部構成を模式的に示した図である。 「対策なし」の評価基板及び「キャパシタ対策」の評価基板におけるEMIの測定結果である。 「対策なし」の評価基板及び「グランドビア&3層部分グランド」の評価基板におけるEMIの測定結果である。 従来の4層構成(S−G−V−S)のプリント回路基板の模式的な図である。 図13に示すプリント回路基板の迂回配線の要部を拡大して示した模式的な図である。 第1信号層(S層)にキャパシタを実装した対策方法を説明するための模式的な図である。
符号の説明
1,20,30,100 プリント回路基板
2 マイクロストリップ線路(第1信号配線)
3 マイクロストリップ線路(第2信号配線)
4 マイクロストリップ線路(第3信号配線)
5 第1信号ビア
6 第2信号ビア
7 グランドプレーン(グランド層)
8 電源プレーン(電源層)
9 部分グランド
10 スリット
11 グランドビア
12 第1信号層
13 第2信号層
14 クリアランス
15 部分グランドの外側の領域
16 発信器
17 クロックジェネレータ
18 終端抵抗
19 フィライト
20 乾電池
101 ドライバー
102 レシーバー
103 マイクロストリップ線路(第1信号配線)
104 第1信号ビア
105 電源プレーン(電源層)
106 グランドプレーン(グランド層)
107 電磁波
108 EMI
109 第2信号ビア
110 マイクロストリップ線路(第2信号配線)
111 マイクロストリップ線路(第3信号配線)
201,202 クリアランス
301 キャパシタ
302 電源端子用ビア
303 グランド端子用ビア
304 パッド

Claims (4)

  1. 少なくとも第1信号配線及び第3信号配線が設けられた第1信号層と、グランド層と、電源層と、少なくとも第2信号配線が設けられた第2信号層と、をこの順に有し、さらに、前記グランド層及び前記電源層をそれぞれ貫通しかつ該グランド層及び該電源層と電気的に絶縁された第1信号ビア及び第2信号ビアを有するプリント回路基板であって、
    前記第1信号ビアが前記第1信号配線の一端と前記第2信号配線の一端とを接続し、前記第2信号ビアが前記第2信号配線の他端と前記第3信号配線の一端とを接続することにより迂回配線が形成され、
    前記電源層が、前記第1信号ビアが前記電源層を貫通する部分及び前記第2信号ビアが前記電源層を貫通する部分を含む部分グランドと、該部分グランドの外側の領域と、に分割され、
    前記部分グランドと前記グランド層とがグランドビアにより接続されている、
    ことを特徴とするプリント回路基板。
  2. 前記グランドビアを前記部分グランドの周辺に沿って複数配置する、請求項1に記載のプリント回路基板。
  3. 前記部分グランドと、該部分グランドの外側の領域とが、スリットにより分割されている、請求項1又は2に記載のプリント回路基板。
  4. 前記第1信号ビア及び前記第2信号ビアが前記グランド層及び前記電源層をそれぞれ貫通する部分において、前記第1信号ビア及び前記第2信号ビアと、前記グランド層及び前記電源層との間に一定のクリアランスを設けることにより、前記第1信号ビア及び前記第2信号ビアが前記グランド層及び前記電源層と電気的に絶縁される、請求項1〜3のいずれか1項に記載のプリント回路基板。
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