JP5176736B2 - プリント配線基板 - Google Patents

Description

本発明は、プリント配線基板に関する。

近年、様々な電子機器において電磁波の不要輻射（電磁放射）が問題になっている。電磁放射の主な原因が信号線ではなく電源系にあること、すなわち、プリント配線基板の電源層とグランド層との間の電気的共振にあることが知られている。例えば、多層プリント配線基板が四角形の電源層とグランド層を有する場合、平行平板共振器となり、固有の共振周波数（定在波）が電源層とグランド層との間に発生する。

共振周波数は、誘電率と平板の辺の長さに依存し、平板間の距離には依存しないが、電磁放射の強度は距離に比例する。この共振を抑制する代表的な手法として、複数のキャパシタを電源層の端部とグランド層の端部との間に接続して電磁放射を低減させるプリント配線基板装置がある（特許文献１参照）。

また、樹脂フィルム上にナノサイズの磁性金属材料を薄く蒸着した結合遮蔽層を、電源層とグランド層の間に配置し、電源層とグランド層との間の共振を抑制するプリント配線基板（特許文献２参照）や、導電性ファイバ、磁気性充填物及び結合剤からなると共に、ある程度の導電性を有した損失物質を電源層とグランド層の間に配して、電源層の表面に滞留する高周波電流を減衰させるＥＭＩ抑制回路カードが知られている（特許文献３参照）。
特許第３０３６６２９号公報 特開２００６-２９４９６７号公報 特開平０７-０１４０１８号公報

本発明の目的は、電源層とグランド層との間の共振電流を抑制し、これによる電磁放射を抑制できるようにしたプリント配線基板を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下のプリント配線基板を提供する。

［１］グランド層と、前記グランド層に対向して設けられた電源層と、所定の周波数領域で信号を伝送する信号配線層と、前記グランド層、前記電源層及び前記信号配線層を絶縁する絶縁層と、前記グランド層、前記電源層、及び前記絶縁層の周縁を被うように設けられ、前記所定の周波数領域を含む周波数領域で誘電率が負であり、かつ透磁率が正の特性を有する電磁放射抑制部材とを備え、前記電磁放射抑制部材は、ナノサイズの金属又は半導体の微粒子を所定の密度で分散させた薄膜層を有することを特徴とするプリント配線基板を提供する。

［２］前記微粒子は、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｇ，Ｍｇ、Ｃｕ、Ｓｉ及びＣのうち少なくとも１つからなる合金または共析物である前記［１］に記載のプリント配線基板。

［３］前記電磁放射抑制部材は、前記薄膜層が被着される絶縁シートを有する前記［１］に記載のプリント配線基板。

請求項１に記載の発明によれば、電源層とグランド層との間の共振電流を抑制し、これによる電磁放射を抑制することができる。

請求項１に記載の発明によれば、本構成を採用しない場合と比べて、薄膜層の表面における不対電子の密度を激増させ、これによりマグノン共鳴周波数を高めることができる。

請求項２に記載の発明によれば、所定周波数域で誘電率が負で、透磁率が正になる特性の電磁放射抑制部材を構成することができる。

請求項３に記載の発明によれば、絶縁シートは、薄膜層と電源層及びグランド層との間を電気的に絶縁し、薄膜層が金属として振る舞ったとき、電源層がグランド層に短絡するのを防止することができる。

本発明の実施の形態に係るプリント配線基板は、グランド層と、前記グランド層に対向して設けられた電源層と、所定の周波数領域で信号を伝送する信号配線層と、前記グランド層、前記電源層及び前記信号配線層を絶縁する絶縁層と、前記絶縁層の周縁を被うように設けられ、前記所定の周波数領域を含む周波数領域で誘電率が負であり、かつ、透磁率が正の特性を有する電磁放射抑制部材とを備える。

プリント配線基板は、配線パターンが３層以上の多層基板でも、配線パターンが２層からなる２層基板でもよい。

上記構成において、信号配線層に所定の周波数領域の信号を伝送させると、電磁放射抑制部材は、所定の周波数領域を含む周波数領域で金属として振る舞い、グランド層と電源層との間で共振による電磁波が発生しても、電磁波が電磁放射抑制部材によって吸収され、電磁放射が抑制される。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るプリント配線基板を示し、（ａ）は、全体を示す断面図、（ｂ）は、側部の詳細を示す断面図である。

このプリント配線基板１００は、図１（ａ）に示すように、所定のパターンによって同一平面上に複数の第１の信号配線層１が中間部に設けられていると共に四角形等の形状を有する絶縁層２と、絶縁層２の一方の面（下面）に設けられた電源層３と、絶縁層２の他方の面（上面）に設けられたグランド層４と、グランド層４より小さい面積を有してグランド層４上に設けられた第１の絶縁基板層５と、第１の絶縁基板層５の表面に所定のパターンで設けられた複数の第２の信号配線層６と、電源層３より小さい面積を有して電源層３の表面に設けられた第２の絶縁基板層７と、第２の絶縁基板層７の表面に所定のパターンで設けられた複数の第３の信号配線層８と、絶縁層２及び第１，第２の絶縁基板層５，７の周縁を被うように設けられた電磁放射抑制部材２０とを備えている。

電磁放射抑制部材２０は、図１（ｂ）に示すように、２枚重ねにして設けられる絶縁シート９と薄膜層１０とからなり、絶縁層２、電源層３及びグランド層４の全側面を被い、更に、第１，第２の絶縁基板層５，７の表面の所定部分を被うように設けられている。即ち、電磁放射抑制部材２０は、コ字形を成すように設けられている。なお、絶縁シート９は、電源層３及びグランド層４が絶縁層２の端面より内側にあり、電源層３及びグランド層４が薄膜層１０に接触しない場合には、設けないことも可能である。

絶縁シート９は、例えば、膜厚が２０〜１０，０００ｎｍのポリエステルフィルムからなる。この絶縁シート９は、塗布、スピンコート、スパッタ、蒸着、ＣＶＤ、溶射等によって、直接に絶縁層２及び第１，第２の絶縁基板層５，７の側面に設けてもよい。また、絶縁シート９上に薄膜層１０を形成したものを、絶縁層２及び第１，第２の絶縁基板５、７の側面に接着剤等を用いて貼り付けてもよい。

薄膜層１０は、例えば、２０〜１００００ｎｍの厚みを有し、かつ、１Ω／□以上のシート抵抗を有する薄膜或いはクラスタ状の微粒子を含む絶縁シートであり、ＣＶＤ、蒸着、スパッタ、溶射等によって絶縁シート９の表面に設けられる。この薄膜層１０は、例えば、ＰＶＤ法（Physical Vapor Deposition：物理蒸着法）により製造することができる。その他の蒸着技術として、ＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition：化学蒸着法）、ＰＥ−ＣＶＤ（Plasma Enhanced-ＣＶＤ）等がある。

上記微粒子として、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｇ，Ｍｇ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｃの中から選ばれた少なくとも１つからなる合金、共析物を推奨することができる。特に、Ａｌは、３ｐ軌道に不対電子を持ち、電磁波との相互作用でマグノン（ｍａｇｎｏｎ）として振る舞う領域では正の透磁率を持つことから適している。更に、微粒子は、ナノサイズにすることにより、表面における不対電子の密度を激増させることができ、これによってマグノン共鳴周波数を高くすることができるという利点がある。なお、微粒子の粒径、密度等は、第１〜第３の信号配線層１，６，８を伝送する信号の周波数域に応じて適宜選択する。

（電磁放射抑制部材の特性）
図２は、本発明の第１の実施の形態に係るプリント配線基板における電磁放射抑制部材の周波数特性を示し、（ａ）は誘電率の周波数特性図、（ｂ）は透磁率の周波数特性図である。図２（ａ）に示すように、電磁放射抑制部材２０の薄膜層１０の誘電率εは、プラズモン共鳴が生じる周波数ωｐ（例えば、１００ＧＨｚ）を境にして、ωｐより低い周波数域では誘電率εが負になり、ωｐより高い周波数域では誘電率εが正になる。これは、ωｐより高い周波数域では、薄膜層１０が誘電体として機能することを示している。

プラズモン共鳴は、電磁放射抑制部材２０の薄膜層１０に含まれる微粒子が電気的に金属又は導電体であるため、プラズマとして振る舞う自由電子を表面に持ち、微粒子数から求められる周波数より上で高周波のフォトンと相互作用することにより生じる。

また、図２（ｂ）に示すように、薄膜層１０の透磁率μは、マグノン共振が生じる周波数ωｍ（例えば、数Ｍ〜１００ＭＨｚ）を境にして、ωｍより低い周波数域では透磁率μが負になり、ωｍより高い周波数域では透磁率μが正になる。これは、ωｍより高い周波数域では薄膜層１０が磁性体として機能し、ωｍ〜ωｐの領域では金属として振る舞うことを示している。

図２（ａ），（ｂ）から明らかなように、電磁放射抑制部材２０の薄膜層１０は、超短波（ＶＨＦ）より上の周波数領域では、透磁率μが正であり、超短波からマイクロ波の領域では金属として振る舞って電磁界を反射する。また、光の領域では、表面に電流は流れるが、誘電体的に振る舞うので電磁界を透過する。逆に、超短波より低い周波数の領域では、透磁率μが負になって、所謂、メタマテリアルとして振る舞い、ＤＣでは導電性を持たない。

例えば、『電子情報通信学会総合大会、Ａ−３−９、９９頁、「シャントコンダクタンスを挿入したオンチップ伝送線路のアイパターン評価」』に示されるように、Ｇ＝ＲＣ／Ｌのシャントコンダクタンスを終端に挿入することによって無歪伝送が可能になる。この理論は、信号伝送線路だけでなく、電源層３とグランド層４の組み合わせにも適用される。本実施の形態は、シャントコンダクタンスを電磁放射抑制部材２０によって形成するものであるが、電源層３とグランド層４との間に発生する共振を電源供給を損なうことなく低減するには、ＤＣにおける損失を十分小さくしながら、同時に、ＥＭＩが問題となる周波数域の電磁波によって十分なコンダクタンスが誘起される必要がある。

これに対し、電磁放射抑制部材２０は、上記した特性を有するため、ωｍ〜ωｐを第１〜第３の信号配線層１，６，８における信号伝送の周波数域にすれば、ＤＣ（直流）における損失を十分小さくしながら、信号伝送の周波数域でコンダクタンスを誘起させるという、上記した条件を満たすことができる。

本発明者らは、伝搬する電磁波との相互作用がなければ、電磁放射抑制部材２０にコンダクタンスが生じないことを見出した。すなわち、共振周波数以外の周波数域では、電源層３とグランド層４との間に形成されるキャビティ（cavity）には伝搬する電磁波モードがないため、コンダクタンスに影響しない。従って、コンダクタンスは、共振周波数によってのみ誘起される。

（プリント配線基板のインピーダンス特性）
図３（ａ）は、図１に示したプリント配線基板のインピーダンス特性図、図３（ｂ）は、図１に示したプリント配線基板から電磁放射抑制部材を除去したプリント配線基板のインピーダンス特性図である。図３（ｂ）に示すように、プリント配線基板１００に電磁放射抑制部材２０を設けないプリント配線基板（従来構成）は、複数の周波数で共振が生じている。これに対し、図３（ａ）に示す本実施の形態に係るプリント配線基板１００は、共振は１つで、ＶＨＦ帯以上では安定している。このことから、電源層３とグランド層４との間のインピーダンス（電源系インピーダンス）に影響を与えないことがわかる。

（プリント配線基板における等価磁流と電界）
図４は、本発明の第１の実施の形態に係るプリント配線基板における等価磁流と電界の生成を説明する図である。電源層３とグランド層４が平行平板共振器を形成して共振周波数にあるとき、電源層３とグランド層４との間の電界Ｅは、図４に示すように、両端部（図４の左右両端）１００ａ，１００ｂにおいて電位差が最大になる。また、電界Ｅが発生している両端部１００ａ，１００ｂに電界Ｅに直交する等価磁流Ｉ_ｅｍが生じ、この等価磁流Ｉ_ｅｍに基づいたＴＥＭ（transverse Electromagnetic Mode:伝搬方向に電場の成分と磁場の成分がゼロである導波路のモード。）波が空間に電磁波として放射される。この電磁波は、電磁放射抑制部材２０の薄膜層１０に導電性を誘起し、薄膜層１０が導電体となることにより、共振エネルギーが電源層３とグランド層４との間で消費される。この結果、電源層３とグランド層４との間の共振電流が抑制され、同時に、基板端部からの電磁放射が低減する。

（リターンロス特性）
図５は、本発明の第１の実施の形態に係るプリント配線基板のＳ_１１（入力反射係数）パラメータにおけるリターンロス（反射損失）特性を示し、図５（ａ）は、図１に示したプリント配線基板のリターンロス特性図、図５（ｂ）は、図１に示したプリント配線基板から電磁放射抑制部材を除去したプリント配線基板のリターンロス特性図である。図５（ｂ）に示すように、プリント配線基板１００に電磁放射抑制部材２０を設けないプリント配線基板（従来構成）は、複数の共振周波数でリターンロスが発生している。これに対し、図５（ａ）に示す本実施の形態に係るプリント配線基板１００は、共振は発生せず、リターンロスは僅かである。

（ＥＭＩの抑制比較）
図６は、ＥＭＩ（Electromagnetic Interference：電磁妨害）の抑制効果を示し、図６（ａ）は、図１に示したプリント配線基板の電磁放射特性図、図６（ｂ）は、図１に示したプリント配線基板から電磁放射抑制部材を除去したプリント配線基板の電磁放射特性図である。これらの特性は、１０ＭＨｚのクロック信号を電源層３とグランド層４との間に印加し、その際の放射ノイズを水平アンテナで受信して観測したものである。

図６（ｂ）に示すように、プリント配線基板１００に電磁放射抑制部材２０を設けないプリント配線基板（従来構成）は、第１次共振周波数の３５０ＭＨｚ付近でＥＭＩとなる電磁放射が発生している。これに対し、図６（ａ）に示す本実施の形態に係るプリント配線基板１００は、最大振幅で比較すると、３５０ＭＨｚ付近のＥＭＩが、図６（ｂ）に示す特性に比べて６０％以下に抑制されている。

［第２の実施の形態］
図７は、本発明の第２の実施の形態に係るプリント配線基板を示し、（ａ）は主要部の断面図、（ｂ）は要部の平面図である。なお、図７（ｂ）においては、電磁放射抑制部材２０の図示を省略している。

本実施の形態は、第１の実施の形態において、第１，第２の絶縁基板層５，７を絶縁層２と同一サイズにし、更に、第１，第２の絶縁基板層５，７の表面の周辺に帯状の金属パッド（金属層）１１Ａ，１１Ｂを設け、この金属パッド１１Ａ，１１Ｂと、電源層３及びグランド層４とを複数のビアホール（層間接続部材）１２で接続したものであり、その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。なお、金属パッド１１Ａ，１１Ｂは、任意の幅にすることができる。

［第３の実施の形態］
図８は、本発明の第３の実施の形態に係るプリント配線基板の主要部を示す断面図である。本実施の形態は、第１の実施の形態において、第１，第２の絶縁基板層５，７を絶縁層２と同一サイズにして電源層３及びグランド層４の端部が第１，第２の絶縁基板層５，７のプリプレグで覆われるようにし、更に、第１，第２の絶縁基板層５，７の表面の所定部分が、電磁放射抑制部材２０の絶縁シート９及び薄膜層１０の両端部で覆われる構成にしたものであり、その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。

［第４の実施の形態］
図９は、本発明の第４の実施の形態に係るプリント配線基板の主要部を示す断面図である。本実施の形態は、第１の実施の形態において、絶縁層２から第１の信号配線層１及び第１，第２の絶縁基板層５，７を除去し、電源層３及びグランド層４に割り込むようにして絶縁層２上に各１つの第２，第３の信号配線層６，８を設けて２層基板としたものであり、その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、その要旨を変更しない範囲内で種々な変形が可能である。例えば、各実施の形態間の構成要素の組合せは任意に行うことができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係るプリント配線基板を示し、（ａ）は、全体を示す断面図、（ｂ）は、側部の詳細を示す断面図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態に係るプリント配線基板における電磁放射抑制部材の周波数特性を示し、（ａ）は誘電率の周波数特性図、（ｂ）は透磁率の周波数特性図である。 図３（ａ）は、図１に示したプリント配線基板のインピーダンス特性図、図３（ｂ）は、図１に示したプリント配線基板から電磁放射抑制部材を除去したプリント配線基板のインピーダンス特性図である。 図４は、本発明の第１の実施の形態に係るプリント配線基板における等価磁流と電界の生成を説明する図である。 図５は、本発明の第１の実施の形態に係るプリント配線基板のＳ_１１パラメータにおけるリターンロス特性を示し、図５（ａ）は、図１に示したプリント配線基板のリターンロス特性図、図５（ｂ）は、図１に示したプリント配線基板から電磁放射抑制部材を除去したプリント配線基板のリターンロス特性図である。 図６は、ＥＭＩの抑制効果を示し、図６（ａ）は、図１に示したプリント配線基板の電磁放射特性図、図６（ｂ）は、図１に示したプリント配線基板から電磁放射抑制部材を除去したプリント配線基板の電磁放射特性図である。 図７は、本発明の第２の実施の形態に係るプリント配線基板を示し、（ａ）は主要部の断面図、（ｂ）は平面図である。 図８は、本発明の第３の実施の形態に係るプリント配線基板の主要部を示す断面図である。 図９は、本発明の第４の実施の形態に係るプリント配線基板の全体を示す断面図である。

符号の説明

１…第１の信号配線層、２…絶縁層、３…電源層、４…グランド層、５…第１の絶縁基板層、６…第２の信号配線層、７…第２の絶縁基板層、８…第３の信号配線層、９…絶縁シート、１０…薄膜層、１１Ａ，１１Ｂ…金属パッド、１２…ビアホール、２０…電磁放射抑制部材、１００…プリント配線基板、１００ａ〜１００ｄ 端部

Claims (3)

1. グランド層と、
   前記グランド層に対向して設けられた電源層と、
   所定の周波数領域で信号を伝送する信号配線層と、
   前記グランド層、前記電源層及び前記信号配線層を絶縁する絶縁層と、
   前記グランド層、前記電源層、及び前記絶縁層の周縁を被うように設けられ、前記所定の周波数領域を含む周波数領域で誘電率が負であり、かつ透磁率が正の特性を有する電磁放射抑制部材とを備え、
   前記電磁放射抑制部材は、ナノサイズの金属又は半導体の微粒子を所定の密度で分散させた薄膜層を有することを特徴とするプリント配線基板。
   
2. 前記微粒子は、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｇ，Ｍｇ、Ｃｕ、Ｓｉ及びＣのうち少なくとも１つからなる合金または共析物である請求項１に記載のプリント配線基板。
3. 前記電磁放射抑制部材は、前記薄膜層が被着される絶縁シートを有する請求項１に記載のプリント配線基板。

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