JP5669499B2

JP5669499B2 - プリント回路板

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Publication number: JP5669499B2
Application number: JP2010214397A
Authority: JP
Inventors: 豊秀宮崎; 兼司小山
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Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2015-02-12
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Description

本発明は、回路素子が搭載されたプリント回路板に関するものである。

ＩＣ、ＬＳＩなどの回路素子が搭載されたプリント回路板は、その回路素子のオン／オフ動作に起因する電磁波ノイズが発生し、その電磁波ノイズが電子機器の他の回路や、他の電子機器に影響を与え、誤動作を引き起こす問題があることはよく知られている。その主な要因となるのは、回路素子を電気的に接続する配線構造がもつ寄生の容量成分やインダクタンス成分であり、それらの成分による電磁気的な結合を介して流れる高周波電流である。

近年、ＩＣやＬＳＩの高速化がますます進展し、その動作周波数は数百ＭＨｚから数ＧＨｚに達している。動作周波数が数百ＭＨｚを超えるような帯域では、対策部品自身やプリント回路板の配線構造がもつ寄生成分の影響が益々大きくなるために、対策部品が本来持つはずの効果が阻害され、十分な対策効果を得ることができなくなる。

そこで、数百ＭＨｚを超えるような帯域の放射ノイズを抑制するためには、エンベデッドキャパシタ基板のように、プリント回路板に寄生インダクタンス成分が小さいキャパシタ構造を作り込むような方法が用いられるようになってきている（特許文献１参照）。上記エンベデッドキャパシタ基板は、電源導体層及びグラウンド導体層の全面を電極とし、層間に厚さ１００μｍ以下の薄い誘電体層を設けることで、電源−グラウンド間にキャパシタを形成するものである。

一方、通常のプリント回路板においては、ＩＣ給電部と基幹給電部とを細く長い配線（パターンインダクタ）で接続する手段が提示されている（特許文献２参照）。これはＩＣ給電部と基幹給電部とをパターンインダクタにより高いインピーダンスで接続し、ノイズをＩＣ給電部に閉じ込め、基幹給電部に拡散するのを防止する効果を発揮するものである。

特許第２７３８５９０号公報特許第３５１３３３３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された構成では、電源層とグラウンド層の全面を電極としているために、回路素子の動作よって局所的に発生したノイズが、基板全体に拡散してしまい、放射ノイズが増加するという問題があった。

また仮に、上記特許文献２に記載されている細く長い配線で接続する手段を、上記特許文献１に記載されているエンベデッドキャパシタ基板に単純に適用しても、ノイズの拡散を抑制する効果は小さい。エンベデッドキャパシタ基板は、電源導体層とグラウンド導体層とが誘電体層を介して近接しているため、電源導体層とグラウンド導体層の配線同士の電磁気的な結合が強く、部分的に細く長い配線にしても高いインピーダンス接続にはならないからである。

そこで、本発明は、回路素子で発生したノイズの拡散を抑制することで、放射ノイズを低減するプリント回路板を提供することを目的とするものである。

本発明は、電源導体層、グラウンド導体層及び配線層を有し、前記電源導体層、前記グラウンド導体層及び前記配線層が誘電体層を介して積層され、前記配線層に回路素子が実装されたプリント回路板において、前記電源導体層には、前記回路素子に電源電位を供給する第一の電源プレーンと、前記電源導体層に前記第一の電源プレーンと間隔を空けて設けられた第二の電源プレーンと、前記第一の電源プレーンと前記第二の電源プレーンとを接続する接続配線とが設けられており、前記グラウンド導体層には、グラウンドプレーンが設けられており、前記電源導体層と前記グラウンド導体層の間に設けられた誘電体層の厚さは１００μｍ以下であり、前記グラウンドプレーンには、前記接続配線を前記グラウンド導体層に投影したときの投影像と重なる部分にグラウンド導体のない開口部が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、グラウンドプレーンにおける接続配線の投影像と重なる部分に開口部が形成されているので、接続配線とグラウンドプレーンによる実効インダクタンスが高くなり、接続インピーダンスが高くなる。したがって、回路素子の動作で第一の電源プレーンに発生したノイズが、第二の電源プレーンに拡散するのを抑制することができ、放射ノイズを低減することができる。

本発明の実施の形態に係るプリント回路板の概略構成を示す説明図である。電源導体層及びグラウンド導体層の等価回路を示す電気回路図である。実施例におけるプリント回路板のシミュレーションモデルの分解斜視図である。比較例におけるプリント回路板のシミュレーションモデルの分解斜視図である。実施例のプリント回路板のシミュレーション結果と、比較例のプリント回路板のシミュレーション結果を示す図である。実施例のプリント回路板のシミュレーションモデルから一部の導体層を切り出した平面図であり、（ａ）はグラウンド導体層を示す図、（ｂ）は電源導体層を示す図である。比較例に対する実施例のプリント回路板のシミュレーションモデルによるノイズ伝播抑制効果を示す図であり、（ａ）は比（Ａ／ａ）に対するノイズ伝播抑制効果を示す図、（ｂ）は比（Ｂ／ｂ）に対するノイズ伝播抑制効果を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るプリント回路板の概略構成を示す説明図である。本実施形態におけるプリント回路板１は、いわゆる多層プリント回路板であり、第一の配線層２、グラウンド導体層３、電源導体層４、第二の配線層５を有し、各層が絶縁体層（誘電体層）２１，２２，２３を介して順次積層されてなる。

各絶縁体層２１，２２，２３には、例えば樹脂やガラス繊維等で形成された絶縁体（誘電体）が設けられている。そして、電源導体層４とグラウンド導体層３とが絶縁体層２２を挟んで対向して配置されてエンベデッドキャパシタが形成されている。エンベデッドキャパシタを構成する絶縁体層２２は、厚みが１００μｍ以下であるか、材質が比誘電率５以上の高誘電体であるか、その両方を満たすものである。第一の配線層２には、ＩＣやＬＳＩなどの回路素子としての半導体装置６が実装され、不図示の信号配線、電源配線、グラウンド配線などが設けられている。

電源導体層４には、基幹給電部プレーン７及びＩＣ給電部プレーン８が互いに間隔を空けて設けられている。そして、基幹給電部プレーン７とＩＣ給電部プレーン８とは、接続配線１０により接続されている。

ＩＣ給電部プレーン８は、基幹給電部プレーン７に供給された電源電位（電力）を半導体装置６に供給するための第一の電源プレーンである。ＩＣ給電部プレーン（第一の電源プレーン）８は半導体装置６を電源導体層４に投影したときの投影像の範囲を含む大きさに形成することが好ましい。本実施形態では、ＩＣ給電部プレーン８は、半導体装置６を電源導体層４に投影したときの投影像と重なる（一致する）大きさに形成されている。そして、半導体装置６の電源端子は、ビア１３などを介してＩＣ給電部プレーン８に接続されている。なお、ＩＣ給電部プレーン８は、半導体装置６を電源導体層４に投影したときの投影像よりも小さく形成されていてもよい。

基幹給電部プレーン７は、電源導体層４にＩＣ給電部プレーン８と間隔を空けて設けられた第二の電源プレーンである。具体的に説明すると、基幹給電部プレーン７とＩＣ給電部プレーン８とは、略Ｃ字形状の開口部９により島状に分割されて、接続配線１０により接続されている。

接続配線１０は、直線状に延びる帯状に形成され、基幹給電部プレーン７とＩＣ給電部プレーン８の互いに対向する辺同士を接続するように設けられている。以上の構成により、半導体装置６の電源端子に給電可能となっている。なお、図１では接続配線１０が１箇所のみ示しているが、必要に応じて複数箇所設けることも可能である。

グラウンド導体層３には、略面全体にグラウンドプレーン１１が設けられている。そして、半導体装置６のグラウンド端子は、ビア１４などを介してグラウンドプレーン１１に接続されている。グラウンドプレーン１１には、接続配線１０をグラウンド導体層３に投影したときの投影像と重なる部分に開口部１２が形成されている。本実施形態では、開口部１２は、接続配線１０の投影像と略一致する形状に形成されている。

第二の配線層５には不図示の配線パターンや電子部品が設けられている。なお、本実施形態では、電源導体層４及びグラウンド導体層３のうち半導体装置６が実装された第一の配線層２に近い方の層は、グラウンド導体層３であるが、電源導体層４であってもよい。

半導体装置６が動作すると、その動作に伴って発生したノイズ電流がＩＣ給電部プレーン８から接続配線１０を介して、基幹給電部プレーン７に向かって流れようとする。このとき、グラウンド導体層３にはノイズの帰還電流がグラウンドプレーン１１を流れようとする。すなわち接続配線１０を流れる電流とグラウンドプレーン１１を流れる電流とは互いに逆相の成分を持つことになる。

ここで、エンベデッドキャパシタ基板となる電源導体層４及びグラウンド導体層３の等価回路を図２に示す。図２において、Ｌｖは接続配線１０の自己インダクタンス成分、Ｌｇはグラウンドプレーン１１の開口部１２近傍の自己インダクタンス成分、Ｍは接続配線１０とグラウンドプレーン１１の開口部１２近傍との間の相互インダクタンス成分である。Ｃｍは基幹給電部プレーン７とグラウンド導体層３との間の容量成分であり、ＣｓはＩＣ給電部プレーン８とグラウンド導体層３との間の容量成分である。

Ｌｖｖは主にＩＣ給電部プレーン８と半導体装置６の電源端子とを接続するビア１３によるインダクタンス成分である。Ｌｖｇは主にグラウンド導体層３と半導体装置６のグラウンド端子を接続するビア１４によるインダクタンス成分である。ノイズ電流の拡散を抑制するためには、接続配線１０の部分の実効インダクタンスＬｘを高めればよい。ここで、実効インダクタンスＬｘは、以下の式で表される。

この場合、半導体装置６への給電のために接続配線１０とグラウンドプレーン１１に流れる高周波電流は逆方向であり、相互インダクタンス成分Ｍは、各インダクタンス成分Ｌｖ，Ｌｇの和から差し引かれることになる。

つまり、開口部１２が接続配線１０をグラウンド導体層３に投影させたときの投影像の位置にあれば、相互インダクタンス成分Ｍは、開口部１２がないとした場合よりも小さくなる。したがって、開口部１２の大きさに関係なく、開口部１２が投影像と重なる部分に形成されていれば、相互インダクタンス成分Ｍが小さくなるため、実効インダクタンスＬｘが大きくなり、接続インピーダンスが高くなる。

つまり、基板全体に拡散してしまうノイズを、ＩＣ給電部プレーン８に高インピーダンス接続により閉じ込めることができる。したがって、基板自体がアンテナとなって放射するノイズだけではなく、ノイズが基板端部等に配置されたコネクタを介してケーブルに伝播し、ケーブルや筐体がアンテナとなって放射するノイズを抑制することができる。このように、接続配線１０の部分のインピーダンスが高くなるので、半導体装置６の動作でＩＣ給電部プレーン８に発生したノイズが、基幹給電部プレーン７に拡散するのを抑制することができ、放射ノイズを低減することができる。

ここで、開口部１２は、接続配線１０をグラウンド導体層３に投影したときの投影像の大きさ（サイズ）以上の大きさに形成されているのが好ましい。相互インダクタンス成分Ｍの大きさは、導体間の距離に反比例するため、層間の薄い多層プリント回路板において、鉛直方向から見た投影面において導体同士が対向する位置関係から外れることにより急速に値が減少する。特にエンベデッドキャパシタ基板においては、その傾向が顕著にあらわれる。したがって、開口部１２が大きくなるほど、相互インダクタンス成分Ｍが小さくなる。

このように、開口部１２を接続配線１０の大きさ以上の大きさに形成することで、実効インダクタンスＬｘをより効果的に大きくすることができ、より効果的にノイズ電流の拡散を抑制することができ、より効果的に放射ノイズを低減することができる。

特に、開口部１２を、接続配線１０をグラウンド導体層３に投影したときの投影像と略一致する形状に形成するのが好ましい。これにより、実効インダクタンスＬｘをより効果的に大きくしながらも、開口部１２の面積を小さく抑えて、グラウンドプレーン１１の面積を確保し、信号電流の帰路を確保することができる。したがって、より効果的にノイズ電流の拡散を抑制することができ、より効果的に放射ノイズを低減することができる。

なお、上記実施の形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。上記実施の形態の説明では、４層構造の多層プリント回路板で説明したが、層数が違う場合においても、エンベデッドキャパシタ構造とし、上記実施の形態の構造を適用することにより、同様の効果が得られることは明白である。

また、上記実施の形態では、グラウンドプレーン１１に接続配線１０と同じ大きさ（長方形状）の開口部１２を形成した場合について説明したが、この形状に限定するものではない。

例えばグラウンドプレーン１１が、半導体装置６をグラウンド導体層３に投影したときの投影像の範囲を含む第一のグラウンドプレーンと、グラウンド導体層３に第一のグラウンドプレーンと間隔を空けて設けられた第二のグラウンドプレーンとに分割されてもよい。この場合、グラウンドプレーン１１が、第一のグラウンドプレーンと第二のグラウンドプレーンとに分割されるように、開口部が形成されればよい。そして、第一のグラウンドプレーンと第二のグラウンドプレーンとを接続する接続配線は、接続配線１０をグラウンド導体層３に投影したときの投影像と重ならない位置に配置されていればよい。

また、ＩＣが複数の異なる電源を必要とする場合、ＩＣ給電部に配置された第一の電源プレーン及び基幹給電部である第二の電源プレーンは、複数の配線により構成されることは自明のことである。

上記実施の形態の効果を検証するために、電磁界シミュレータＭＷ−Ｓｔｕｄｉｏ（ＣＳＴ社製）を用いてシミュレーションを行った。図３は、本実施例におけるシミュレーションモデルの各導体層を切り出して配線構造を示した分解斜視図である。図３において、第一の配線層２、グラウンド導体層３、電源導体層４、第二の配線層５を示している。図３に示すプリント回路板１は、短辺が４０ｍｍ、長辺が９０ｍｍの長方形である。第一の配線層２、グラウンド導体層３、電源導体層４及び第二の配線層５は厚さ５０μｍの銅で構成されている。

各導体層間には、比誘電率４．３の誘電体層である絶縁体層２１，２２，２３（図１参照）が配置されている。絶縁体層２１の厚さは１００μｍ、絶縁体層２２の厚さは５０μｍ、絶縁体層２３の厚さは１．３ｍｍである。

ＩＣ給電部プレーン８は一辺が２６ｍｍの正方形をしており、幅４ｍｍの空隙を持って基幹給電部プレーン７と分離されている。また、ＩＣ給電部プレーン８と基幹給電部プレーン７とを接続する接続配線１０は、帯状に延びる導体であり、プリント回路板の長手方向と平行な方向の長さ４ｍｍ、短手方向と平行な方向の長さ５ｍｍである。つまり、接続配線１０の延びる方向の長さが４ｍｍ、延びる方向と直交する幅方向の長さが５ｍｍである。

グラウンドプレーン１１には、接続配線１０をグラウンド導体層３に投影させたときの投影像と一致する大きさでプリント回路板の長手方向と平行な方向の長さ４ｍｍ、短手方向と平行な方向の長さ５ｍｍの開口部１２が形成されている。

入力ポート１２０は一端がＩＣ給電部プレーン８と、他端がグラウンド導体層３と接続されており、出力ポート１２１は一端が基幹給電部プレーン７と、他端がグラウンド導体層３と接続されており、それぞれが５０Ωのインピーダンスを有している。このようなモデルを用いて、入力ポート１２０に振幅１Ｖのガウシアンパルスを入力したとき、出力ポート１２１へのノイズ伝播量をシミュレーションにより算出した。

また、本実施例のノイズ伝播抑制効果を確認するために、従来技術に相当する比較例のプリント回路板のシミュレーションモデルを作成し計算結果を比較した。図４は、比較例のプリント回路板３０１のシミュレーションモデルの各導体層を切り出して配線構造を示した分解斜視図である。この図４に示した比較例のプリント回路板３０１のシミュレーションモデルにおいて、図３における実施例のプリント回路板１のシミュレーションモデルと違うのは、グラウンド導体層３０２に開口部が設けられていない点である。

実施例のプリント回路板１のシミュレーション結果と、比較例のプリント回路板３０１のシミュレーション結果を図５に示す。図５において、横軸は周波数、縦軸はノイズ伝播量であり、実線が実施例の結果、破線が比較例の結果である。図５から明らかなように、実施例のプリント回路板１の方が比較例のプリント回路板３０１と比べて、入力ポート１２０から出力ポート１２１へのノイズ電流の伝播が大きく低減していることが分かる。つまり、実施例のプリント回路板１の構造とすることで、ノイズ電流のプリント回路板全体への拡散が抑制されているということがわかる。

次に、グラウンドプレーン１１に形成した開口部１２を長方形状とし、一辺の長さ（接続配線１０が延びる方向と平行な方向の長さ）及び一辺に直交する他辺の長さ（接続配線１０の幅方向と平行な方向の長さ）とノイズ伝播抑制効果との関係を調べた。ここで、図６は、実施例のプリント回路板１のシミュレーションモデルから一部の導体層を切り出して平面図にしたものであり、図６（ａ）はグラウンド導体層３、図６（ｂ）は電源導体層４である。

図６（ａ）において、符号Ａは開口部１２における接続配線１０が延びる方向と平行な一辺の長さを表しており、符合Ｂは開口部１２における接続配線１０の幅方向と平行な他辺の長さを表している。また、図６（ｂ）において、符号ａは接続配線１０の延びる方向の長さを表しており、符合ｂは接続配線１０の幅方向の長さを表している。

まず、図６（ａ）における開口部１２の一辺の長さＡを、１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲で変化させたときのノイズ伝播量をシミュレーションにより求め、その結果を比較例によるノイズ伝播量と比較して、差分をノイズ伝播抑制効果として示した。図７（ａ）がその結果である。横軸に開口部１２の一辺の長さ（基板長手方向の長さ）Ａと接続配線１０の延びる方向の長さ（基板長手方向の長さ）ａとの比（Ａ／ａ）を取り、縦軸に１．５ＧＨｚにおけるノイズ伝播抑制効果を取っている。

なお、ノイズ伝播抑制効果については、数百ＭＨｚから数ＧＨｚという広い帯域にわたって一定の傾向を示しており、本実施例である１．５ＧＨｚでの結果は、それを代表するものである。

図７（ａ）に示すように、比（Ａ／ａ）が１以上になるとノイズ伝播抑制効果はほぼ変化しない。このことから、開口部１２の一辺の長さＡが接続配線１０の延びる方向の長さａ以上の寸法とすることで、ノイズ伝播抑制効果が最大限発揮されるといえる。

次に、図６（ａ）における開口部１２の他辺の長さＢを１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲で変化させたときのノイズ伝播量をシミュレーションにより求め、その結果を比較例によるノイズ伝播量と比較して、差分をノイズ伝播抑制効果として示した。図７（ｂ）がその結果である。横軸に開口部１２の他辺の長さ（基板短手方向の長さ）Ｂと接続配線１０の幅方向の長さ（基板短手方向の長さ）ｂとの比（Ｂ／ｂ）を取り、縦軸に１．５ＧＨｚにおけるノイズ伝播抑制効果を取っている。

図７（ｂ）に示すように、比（Ｂ／ｂ）が１以上になるとノイズ伝播抑制効果が高まる。特に、比（Ｂ／ｂ）が１と１．２の間で、急激にノイズ伝播抑制効果が高まる。したがって、比（Ｂ／ｂ）が１．２以上とすると、ノイズ伝播抑制効果がより高まる。このことから、開口部１２の他辺の長さＢが接続配線１０の幅方向の長さｂ以上の寸法とすることで、ノイズ伝播抑制効果が最大限発揮されるといえる。

ここで、電源導体層４とグラウンド導体層３との間に積層される誘電体層は１００μｍ以下の厚さであれば良く、好ましくは１平方センチメートル辺り３８ｐＦ〜４４２７ｐＦの容量が形成される厚さと誘電率を有していることが望ましい。この値は、誘電体の比誘電率の範囲４．３〜２５と厚さの範囲５μｍ〜１００μｍに基づいている。

１プリント回路板
２第一の配線層
３グラウンド導体層
４電源導体層
５第二の配線層
６半導体装置（回路素子）
７基幹給電部プレーン（第二の電源プレーン）
８ＩＣ給電部プレーン（第一の電源プレーン）
１０接続配線
１１グラウンドプレーン
１２開口部
２２絶縁体層（誘電体層）

Claims

電源導体層、グラウンド導体層及び配線層を有し、前記電源導体層、前記グラウンド導体層及び前記配線層が誘電体層を介して積層され、前記配線層に回路素子が実装されたプリント回路板において、
前記電源導体層には、前記回路素子に電源電位を供給する第一の電源プレーンと、前記電源導体層に前記第一の電源プレーンと間隔を空けて設けられた第二の電源プレーンと、前記第一の電源プレーンと前記第二の電源プレーンとを接続する接続配線とが設けられており、
前記グラウンド導体層には、グラウンドプレーンが設けられており、
前記電源導体層と前記グラウンド導体層の間に設けられた誘電体層の厚さは１００μｍ以下であり、
前記グラウンドプレーンには、前記接続配線を前記グラウンド導体層に投影したときの投影像と重なる部分にグラウンド導体のない開口部が形成されていることを特徴とするプリント回路板。
前記開口部は、前記接続配線を前記グラウンド導体層に投影したときの投影像の大きさ以上の大きさに形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプリント回路板。
前記第一の電源プレーンから前記第二の電源プレーンに延びる方向の前記接続配線の長さをａとし、前記接続配線の延びる方向と平行な方向の前記開口部の長さをＡとしたとき、Ａ／ａの値は１以上であり、前記接続配線の幅方向の長さをｂとし、前記接続配線の幅方向と平行な方向の前記開口部の長さをＢとしたとき、Ｂ／ｂの値は１．２以上であることを特徴とする請求項２に記載のプリント回路板。