JP5201206B2 - 多層プリント配線基板 - Google Patents
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Description
本願は、2008年3月28日に、日本に出願された特願2008−086209号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
このような従来の多層PCBとして、例えば、図9に示すような、LSI等の部品をPCBの両面に配置する両面実装構成とされたものがある。また、同様に、部品を片面に実装する構成の多層PCBにおいても、多数の配線を効率良く且つ高密度に配線するため、バイア接続を介した配線が行われている。
特許文献1に記載の技術では、上述のような問題を解決するため、図10の模式図に示すような配線構造とすることが提案されている。特許文献1では、バイア配線を挿通させるためのクリアランスを設けた層の間に、このクリアランスの近傍で相互接続するバイア341、342を配置している。これらの追加バイアを当該配線の帰還回路として利用することで、ノイズ特性が改善されるとされている。
まず、第1の問題点として、静電気放電ノイズ等、外部からの電磁ノイズが多層PCBのグラウンドに印加された場合に、グラウンドに流れたノイズ電流によって、バイア接続の配線とグラウンドとの間にノイズが誘起されるということが挙げられる。
このような現象が生じる原因としては、配線の引き出し元並びに引き出し先であるLSIのグラウンドと、当該配線のノイズ印加にかかる結合経路に不整合が生じること等がある。詳細については、後述する。
しかしながら、上記特許文献1、2の技術では、その可逆性から、外部ノイズが原因で起こる回路電流への影響についても一定の効果を示すものの、ノイズ結合のメカニズムが異なる上記第1の問題点に対しては有効ではないという問題があった。
また、追加のフィルタ回路等を用いる場合には、その構成部品の追加による価格上昇や部品配置場所の確保、また、フィルタ回路を構成する部品の電気的損失による余分なエネルギーを低減すること等、新たに種々の課題が生じる虞があった。
そのため、良好な帰還回路を形成することができ、静電気放電ノイズ等の外部ノイズによって生じるノイズ誘起が抑制される。これにより、外部へのノイズ放出が低減でき、外部の電磁環境に対するノイズ特性を向上させることができ、外部ノイズに対する耐性を高めた電子機器を提供することが可能となる。
また、上記効果に加え、電子部品の追加を必要とせず、しかも部品点数を低減することが可能となるので、安価で省スペースであり、且つ余分なエネルギーを要することが無い、ノイズ特性に優れた多層プリント配線基板を実現することが可能となる。
2・・・第1層(配線層)、
4・・・第4層(配線層)、
5、53、73・・・グラウンドバイア、
7、17、57、77・・・クリアランス、
10b、10c、31、32・・・グラウンド層、
11、19、21、41、50、70・・・信号配線、
12、13・・・電源配線、
15、18、81、82・・・LSI、
16a、16b、54、44、61、62、74、75・・・配線バイア、
22、42、51、71・・・グラウンド配線
以下の説明において参照する図面は、本実施形態の多層PCBを説明するための図面であって、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の寸法関係とは異なることがある。
多層PCB1は、内層に少なくとも1層以上のグラウンド層31、32を備える。当該グラウンド層31、32を貫通するように少なくとも1以上のクリアランス7が設けられている。また、グラウンド配線22が、グラウンドバイア5を通じてグラウンド層31、32に接続されている。信号配線21及びグラウンド配線22、もしくは信号配線21及び電源配線(図2を参照)の各配線が対とされて設けられている。
グラウンド層31、32に設けられるクリアランス7には、層間で接続するための配線バイア61、62が対とされて同一のクリアランス7に挿通されている。対をなす配線バイア61、62の一方、図示例においては配線バイア61が、グラウンド配線22及びグランドバイア5を介してグラウンド層31、32に接続されている。
(1)対となる配線バイア61、62を沿うように設けている。
(2)配線バイア61、62を同じクリアランス7に挿通させて配置している。
(3)一方の配線バイア61がグラウンド配線22及びグラウンドバイア5を介してグラウンド層31、32に接続されている。
この多層PCB1は、第1層(配線層)2側にLSI81を、第4層(配線層)4側にLSI82を搭載した両面実装基板である。また、第1層(配線層)2及び第4層(配線層)4は、配線バイア61、62によって相互に接続されている。
なお、図1も含め、本実施形態で参照する図面においては、説明上において特に必要の無い電源分配の構成や、他の信号配線、グラウンド層31とグラウンド層32とを接続する多数のグラウンドバイア5の一部、また、その他の構成部品等を省略している。
本実施形態の多層PCB1は、配線バイア62に沿って設けられる配線バイア61を備えている。この配線バイア61は、グラウンド層31、32に接続されることでグラウンド機能を有している。これにより、グラウンドバイア5とグラウンド配線22を用いて、配線バイア61とグランド層31、32との間が接続される。
図9に示すように、外部ノイズ90が、多層プリント配線基板(多層PCB)100のグラウンド層120、121に印加されると、LSI115のグラウンド端子115bの電位レベルを直接に揺さぶる。
一方、配線層110上の配線112は、グラウンド層120、121に伝わる外部ノイズ90の影響を、クリアランス170の各々で受け、LSI115及びLSI135へ伝える。
この結果、結合経路の相違による位相差、及び、結合レベルの不整合が生じる。このため、LSI115並びにLSI135において、配線端子115a、135aとグラウンド端子115b、135bとの間に電位差、つまりノイズが発生する。
これに対し、バイア接続の無い構成においては、クリアランス部分での結合が起こらない。そのため、グラウンドと配線とは、その間の浮遊容量によって整合してノイズの影響を受ける。その結果、両者間に位相差を生じず、バイア接続がある場合よりも、LSI端子間でのノイズ誘起は小さく抑制される。
図5のグラフにおいては、図8に示すようなバイア接続を行なわない従来の構成の多層PCB200と、図9に示すようなバイア接続を行なう構成とされた従来の多層PCB100の各々に対し、外部ノイズ90を印加した場合の誘起電圧を示している。ここでは、各々のLSI115、135、215、216における、配線端子115a、135a、215a、216aとグラウンド端子115b、135b、215b、216bとの間に誘起される電圧を算出している。
図5において、横軸は時間(秒)を示しており、縦軸は誘起電圧(V)を示している。グラフg1は、バイア接続無しの場合を示している。また、グラフg2は、バイア接続ありの場合を示している。
図5のグラフに示す結果より、従来の多層プリント配線基板においては、バイア接続を行なうことにより、誘起電圧が増加することがわかる。ここで、図9に示す従来の構成の多層PCB100は、その構造の説明の為に層間を広げて図示している。しかし、LSIの搭載面が片面から両面になること、及び、バイアが設けられていること以外は、図8に示す多層PCB200と全て条件を統一している。
しかしながら、クリアランス170の開口径を大きくすると、上記特許文献1の技術において効果が期待された帰還回路が、配線112から離れることになる。そのため、外部へのノイズ放出を低減できず、ひいては、外部の電磁環境に対するノイズ特性を悪化させてしまうという問題がある。
なお、本例においては、図9に示す構成の多層PCB100を従来例とし、図1に示すような本発明の実施形態に係る構成の多層PCB1を本実施形態例として、それぞれの多層PCB1、100に外部ノイズ90を印加した場合について説明する。ここでは、各LSI81、115のグラウンド端子81b、115bと、配線端子81a、115aとの間に誘起される電圧を算出している。
図6に示す3つの波形の内、太線で示す波形(グラフg3)は、従来の構成の多層PCB100における誘起電圧である。細線で示す波形は、本実施形態に係る構成とされた多層PCB1の誘起電圧である。具体的には、グラフg4は、本実施形態のグラウンド線配置における誘起電圧を示している。また、グラフg5は、本実施形態の電源線配置における誘起電圧を示している。
図6のグラフに示す結果のように、図5に示すようなバイア接続の無い場合に比べれば、誘起電圧は上昇するものの、一定のノイズ誘起の低減効果があることがわかる。
図7に示す結果より、配線バイア61、62間の距離が近づくにつれ、誘起電圧が低減することが明らかである。なお、図7のグラフ中において、1点のみ、上記効果において不連続な箇所が見られるが、全体の増減傾向に対して大きな影響を与えること無く、上記効果が発現していることが明らかである。
図2に示す多層PCB10は、LSI15の電源端子15aに接続された電源配線12が、配線バイア16aに接続されている。この場合に得られる効果の一例について、上記した図6のグラフ中において、点線波形(グラフg4)で示している。図6に示す結果のように、多層PCB10は、グラウンド配線を用いた場合に比べて効果は小さいものの、一定の効果が得られることが確認できる。また、電源供給を配線で行うプリント基板において、配線層に余裕のない場合などに、追加のグラウンド配線を追加することが困難な場合がある。
このような場合において、本実施形態の多層PCB10の構成は、既存の電源配線を使える等、配線密度が増加した場合に極めて有効である。
図3に示す例では、他の配線バイア接続のために備えられたグラウンド層52のクリアランス57が設けられている。信号配線50とグラウンド配線51は、それぞれ、近傍に配置される配線バイア55と配線バイア54に接続される。この際、グラウンド配線51は、その他端がグラウンドバイア53に接続される。
またさらに、その他の多数の配線バイアとクリアランス77を共有する場合の実施形態を、図4の平面図に示すが、この場合の基本的な構成は、図3に示す例に準じたものとなっている。
本発明の実施形態によって上記効果が得られる最大の要因としては、クリアランス7の部分で、信号配線21を鉛直方向に配線するための配線バイア62に沿って、配線バイア61を配置することにある。このため、グラウンドバイア61の配置は、信号配線21が利用するクリアランスと同じ、クリアランス7を利用する必要がある。次に、配線バイア62と配線バイア61の位置関係であるが、外部ノイズの結合を低減させる最良の結果を得るためには、各配線バイア61、62を接触しない範囲で可能な限り近接させる。
また、配線バイア61に接続されるグラウンド配線22を、グラウンド層31、32に接続する。この接続は、図1に示すように、グラウンド配線22を用いるのが一般的である。しかし、このグラウンド配線22は、一定の線幅である必要はなく、また、直線でなくとも良い。また、図1に示す例では、グラウンドバイア5によって配線バイア61の他端をグラウンド層31、32に電気的に接続する構成としている。しかし、グラウンド配線22は、LSI81のグラウンド端子81bに接続してもよい。さらに、グラウンド配線22には図示略の抵抗器が挿入されても良いが、その抵抗値は0Ωから数Ω程度の低抵抗とする必要がある。
なお、上述のような接続方法は、LSI82が実装される面においても同様の扱いになる。
多層プリント配線基板においては、例えば、対とされた配線バイアの全長が、信号配線を用いて配線される信号周波数の電気長に近くなると、この配線バイアに流れる電流が一様でなくなる現象が発生する場合がある。電気設計的には、所謂、分布定数回路の設計が求められる場合である。このような場合には、バイアを伝送線路として考え、特性インピーダンスを考慮することが必要になる。この特性インピーダンスを決定する関連設計パラメータは、対とされた各配線バイア間の間隔であるが、上述した条件と異なり、各バイアの近接は制限を受けることになる。具体的には、各バイアをできるだけ近接させることとした上述の条件では、外部ノイズの結合は低減するものの、特性インピーダンスについての考慮が無く、信号伝送の観点からは障害となる場合がある。特性インピーダンスを考慮した近接の限度については、バイア部分の設計法は確立されており、本発明の実施形態の特殊要件ではあるが、本質ではない。つまり設計事項にあたるので、この設計法の詳細説明は、本実施形態においては省略する。
多層プリント配線基板においては、電源供給を配線で行う場合、図2に示すように、第1層の電源配線12と第4層の電源配線19の扱いが重要になる。2つのLSI15、18は、それぞれ端子の数だけ配線を有している。図2おいては、LSI15に接続される配線のうち、電源配線12と信号配線11のみを示している。ここで、外部ノイズの結合を低減するために本発明の実施形態を適用できる配線としては、配線端子15bに接続される信号配線11のみということになる。なぜなら、上述のグラウンド配線は、至るところから引き出され、図示を省略した他の配線にも同様の処置が容易に行えるのに対し、図2に示すような電源配線は、通常は1本しか無いからである。つまり、電源配線を用いて本発明の実施形態による対処を行う場合には、適用範囲が限定されるということになる。逆に言えば、電源配線を利用する際には、対象となる信号配線11が複数になる場合、第1層の電源配線12、第4層の電源配線19を分岐して、意図的に電源配線を増やす必要があるということになる。このような前提に基づき、電源配線を利用する場合について以下に詳述する。
ところで、図2においては省略されているが、電源配線12、もしくは電源配線13は、電源供給を行うための配線に少なくとも1箇所以上で接続されている。この際の接続場所は、LSI15の電源端子15aであるか、LSI18の同様の電源端子18aであるか、また、電源配線12、19の途中であるか或いは端部であるか、さらには、図中に示す第1層若しくは第4層以外の層から供給される場合も含めて、適宜決定することが可能である。
図3及び図4がこの形態にあたるが、上述した説明との違いは、同一のクリアランス57(77)内に多数の配線バイア55(75)が存在することである。図3及び図4は、対象とする配線バイア55(75)を限定した場合を説明している。ここで、高密度実装の場合に起こりうる配置であるが、配線バイア55(75)のそれぞれのクリアランス57(77)が密集する場合には、それぞれのクリアランスが重なったり(図4)、配線のためのクリアランスと共用化されたり(図3)してしまう。この場合には、対象とする特定の信号配線にのみ、本実施形態を適用する。基本構成は上記に準じており、相違点は、対象とする配線バイア55(75)以外には、グラウンド配線51(71)が設けられず、また、グラウンド配線51(71)に接続される配線バイア54(74)が配置されないことである。この場合にも、電源配線をグラウンド配線の代わりに用いることができるが、その際、配線バイア54(74)接続されるグラウンド配線51(71)は電源配線に置き換えられるため、グラウンドバイア53(73)に接続されることはない。
Claims (3)
- 電子部品間で電気信号を送受する信号配線と、
回路のグラウンドに接続されるグラウンド配線と、
電源層に接続されて電子部品に電力を供給する電源配線と、
内層に設けられる1層以上のグラウンド層と、
前記グラウンド層を貫通する1以上のクリアランスと、
前記グラウンド配線と前記グラウンド層とを接続するグラウンドバイアとを備え、
前記信号配線及び前記グラウンド配線、もしくは前記信号配線及び前記電源配線の各配線が対とされて設けられおり、
前記グラウンド層に設けられる前記クリアランスには、層間で接続するための配線バイアが対とされて同一のクリアランスに挿通され、前記対をなす配線バイアの一方が、前記グラウンド配線を介して前記グラウンド層に接続されている多層プリント配線基板。 - 直流的に分離された少なくとも2以上の電源種別を有しており、前記電源配線は、該電源配線と対をなす他方の配線が接続される電子部品に供給する電源の内の、少なくとも一部を供給する請求項1に記載の多層プリント配線基板。
- 前記対をなす配線バイアは、前記グラウンド層に設けられる前記クリアランス内に少なくとも2以上の前記配線バイアが隣接配置されて挿通された際、前記対をなす配線バイアの各中心を互いに結ぶ直線上において、他の配線バイアが配されない位置関係とされ、且つ、前記対をなす配線バイアの間隔が、他の配線バイアとの間よりも近接した間隔とされている請求項1又は2に記載の多層プリント配線基板。
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