JP5882001B2

JP5882001B2 - プリント配線板

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Publication number: JP5882001B2
Application number: JP2011204939A
Authority: JP
Inventors: 厚雄浦澤
Original assignee: Bosch Corp
Current assignee: Bosch Corp
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2031-09-20
Also published as: JP2013065800A

Description

本発明はプリント配線板に関し、特に、コネクタからのノイズを低減するためのバイパスパスコンデンサを備えた多層プリント配線板に関する。

近年、高度な制御が必要となる自動車や電子機器等には多数の電子制御ユニット（ＥＣＵ）が設置されている。電子制御ユニット（ＥＣＵ）の内部には、プリント配線板が配置されており、各プリント配線板には、ＥＣＵ内外の他の配線板との信号の入出力のためにコネクタが設置されている。コネクタ間は、ワイヤハーネスにより接続される。

ところで、ＥＣＵの周囲には様々なノイズ源があり、これらのノイズが、ワイヤハーネスからコネクタを介してプリント配線板内の電子回路に流入する。このようなノイズはプリント配線板上の電子回路の誤動作の原因となるため、コネクタの近傍にノイズ吸収用素子を配置して、ノイズレベルを低減することが一般的である。

ノイズ吸収用素子には、コンデンサ、コイル、フェライトビーズ等の種々の素子があるが、主にコストの観点からコンデンサが利用されることが多い。このような目的でコネクタからの入力信号線とグランド（接地）との間に設けられたコンデンサをバイパスコンデンサという。

特開２００５−１４９７７８号公報

ところで、コネクタとバイパスコンデンサとの間は、プリントパターンによる配線があるため、この配線に起因するインダクタンスが存在する。このインダクタンスによって周波数が高くなるほどリアクタンスが大きくなる。配線によるインダクタンスとバイパスコンデンサは直列に接続されているため、高周波成分を含むノイズに対してはバイパスコンデンサによって十分なノイズ除去を行うことが難しいという問題があった。

この問題の対策として、コネクタとバイパスコンデンサとの間の配線を短くしてインダクタンスを小さくする方法がある。しかし、コネクタやバイパスコンデンサの設置には相応のスペースが必要となるため、短配線化には限界があった。他の方法として、特許文献１に記載の発明のように、コネクタを設置した背面にバイパスコンデンサを形成する方法があるが、十分なノイズ低減効果を得るためには比較的広い面積を使ってキャパシタンスの大きなコンデンサを形成する必要があり、コンデンサが形成された面では電子回路の配線に利用できる面積が少なくなってしまうという問題があった。このような背景に鑑み、ＥＭＣ（Electromagnetic Compatibility）特性の高い多層プリント配線板が求められていた。

上述した課題は、コネクタと、前記コネクタと接続されたバイパスコンデンサと、前記コネクタが接続された第１のランドと、第１のランドとは異なる層に、第１のランドと対向する位置に配置され、かつ接地された第２のランドと、を備えた多層プリント配線板等により解決することができる。なお、本願において「多層プリント配線板」とは、２層以上のプリント配線板を意味し、絶縁体の層の両面にプリントパターンを形成した両面プリント基板を含む。

多層プリント配線板は、プリントパターンで配線を形成された各層の間に、ガラスエポキシやテフロンなどの絶縁体の層を設けることにより、各層間を電気的に分離した構造をもつ。この構造を利用して、各層に設けられたランドと層間の絶縁体とでバイパスコンデンサを形成することにより、コネクタとバイパスコンデンサを直結する構造にすることができ、コネクタ・バイパスコンデンサ間のインダクタンスを大幅に小さくすることができる。また、コネクタを接続するためのランドがバイパスコンデンサの一方の電極を兼ねるため、必要な面積も小さくすることができる。

また、上述した構成に加え、第２のランドとは異なる積層方向に積層された層に、第１のランドと対向する位置に配置され、かつ接地された第３のランドを設けることが望ましい。すなわち、接地された第２のランドと第３のランドとで、コネクタの端子が接続されている第１のランドを挟む構造とすることにより、第１のランドと第２のランドとで形成される第１のバイパスコンデンサと、第１のランドと第３のランドとで構成される第２のバイパスコンデンサの２つのバイパスコンデンサを並列接続することができ、より大きなキャパシタンスを得ることができる。

この際、第１のランドと第２のランドとが対向する面積と、第１のランドと第３のランドとが対向する面積とが異なるようにすることが望ましい。配線によるインダクタンスとバイパスコンデンサのキャパシタンスは共振回路を形成する。ランドにより形成されたバイパスコンデンサのキャパシタンスの大きさはランドの面積に比例する。したがって、第１のバイパスコンデンサと第２のバイパスコンデンサとで対向する部分の面積を変えることにより、異なる複数の共振点を持たせることができる。これにより、プリント配線板に流入するノイズ成分のうち、異なる複数の周波数成分のノイズの低減効果を特に高めることが可能となる。

また、第１のランドと第２のランドとが対向する面積と、第１のランドと第３のランドとが対向する面積とが異なるようにすることに代えて（または面積を異なるようにするとともに）、第１のランドと第２のランドとの間に配置された第１の絶縁体層の厚さと、第１のランドと第３のランドとの間に配置された第２の絶縁体層の厚さとが異なるものとしてもよい。さらに、第１の絶縁体層と第２の絶縁体層とに異なる誘電率の絶縁材料（プリプレグ）を使用しても、同様の効果を得ることができる。

本発明により、ＥＭＣ特性の高い多層プリント配線板を提供することができる。

本発明の一実施形態である多層プリント配線板の斜視図である。本発明の一実施形態である多層プリント配線板の上層の配線図（ａ）および下層の配線図（ｂ）である。本発明の一実施形態の等価回路図である。本発明の一実施形態である多層プリント配線板のＥＭＣ特性を示す図である。本発明の他の実施形態である多層プリント配線板の配線図（（ａ）が上層、（ｂ）が中間層、（ｃ）が下層）である。本発明の他の実施形態の等価回路図である。

図１に本発明の一実施形態であるプリント配線板１の斜視図である。プリント配線板１は両面基板で、絶縁体の基体３の上下のそれぞれに配線層２、４が形成されている。各配線層２、４には銅箔によるプリント配線により電子回路が形成されている。また、上層２にはコネクタ５が配置されている。

図２（ａ）および（ｂ）に、それぞれコネクタ５近傍の上層２および下層４の配線図を示す。上層２には、コネクタ５の各端子を挿入するためのスルーホール２０とランド２１が形成され、コネクタ５の端子とランド２１とは接続されている。ランド２１は隣接するランド２２と短絡しないように配慮しつつ、かつ、できるだけ大きな面積をとるために矩形状の形状となっている。また、コネクタから流入するノイズを低減するためのバイパスコンデンサ２４が取り付けられており、コネクタの端子とバイパスコンデンサ２４の間はプリントパターンによる配線２３で接続されている。

下層４には、コネクタ５の端子を挿入するためのスルーホール４０および端子をはんだ付けするためのランド４２が形成されている。ランド４２の周囲は、接地されたランド４１が形成されている。ランド４１とランド４２とは絶縁されている。なお、図２（ｂ）において破線で示したランド４１は概念上のランドであり、周囲のグランド配線と独立したランドではなく、ベタ配線のグランド配線の一部である。本願では、このような配線も「ランド」と称する。

なお、本実施態様のプリント配線板１では、バイパスコンデンサが上層２に取り付けられているが、下層４に配置するように設計することも可能である。また、コネクタ５とバイパスコンデンサ２４と接続する配線は、バイパスコンデンサ２４と同じ層に配置する必要はなく、別の層に設けてもよい。

図３にコネクタ５の端子近傍の等価回路図を示す。コネクタの端子５０は、配線２３を介してバイパスコンデンサ２４に接続されている。配線２３にはインダクタンスが存在するため、インダクタンス２３とバイパスコンデンサ２４は直列接続されていることになる。また、上層２のランド２１は、絶縁体の基体３を挟んで対向する下層４のランド４１とともにバイパスコンデンサ５１を形成する。このランドによるバイパスコンデンサ５１は配線によるインダクタンス２３と並列接続されている。

図３の等価回路から明らかなように、バイパスコンデンサ２４、５１とインダクタンス２３は共振回路を形成する。そして、バイパスコンデンサ２４、５１のキャパシタンスとインダクタンス２３とにより共振点（共振周波数）が決定することができる。このうち、ランドにより形成されたバイパスコンデンサ５１のキャパシタンスは、絶縁体の基体３の誘電率、基体３の厚さおよび対向するランド２１、４１の面積により決定される。多層プリント配線板１では、下層４のランド４１はベタ配線のため、上層のランド２１の面積を変えることにより共振点を決定することができる。

図４に多層プリント配線板１のＥＭＣ（Electromagnetic Compatibility）特性の実験結果を示す。実験では、外部からコネクタ５を通じてノイズを入力し、プリント配線板１に形成された電子回路が動作異常を引き起こすノイズレベル（ノイズの電流量）を調べた。図４の横軸はノイズの周波数、縦軸は動作異常を引き起こすノイズレベルをそれぞれ示す。動作異常を引き起こすノイズレベルが高いほどＥＭＣ特性が高いことを示す。実線３０がランド２１、４１により形成されたバイパスコンデンサ５１がない場合（すなわち、バイパスコンデンサ２４のみの場合）の周波数特性を、破線３１がランド２１、４１により形成されたバイパスコンデンサ５１がある場合の周波数特性を示す。

実線３０と破線３１との比較から明らかなように、ランド２１、４１により形成されたバイパスコンデンサ５１がある方が、特に高周波成分でＥＭＣ特性が向上していることがわかる。また、共振点３２付近でＥＭＣ特性が大幅に改善されていることもわかる。

図５は、本発明の別の実施態様である３層プリント配線板の各配線層の配線図である。図において（ａ）が上層７０、（ｂ）が中間層８０、（ｃ）が下層９０の配線図である。各層間は、絶縁体の基体で電気的に絶縁されており、上層７０にコネクタとパイバスコンデンサとが配置されている。中間層８０にコネクタの端子が接続されたランド８３があり、ランド８３と対向する位置に上層７０のランド７３と下層９０のランド９３とが形成されている。上層７０のランド７３と下層９０のランド９３は接地されている。

上層７０には、コネクタの端子を挿入するためのスルーホール７１および端子をはんだ付けするためのランド７２が形成されている。ランド７２の周囲は、接地されたランド７３が形成されている。図２（ｂ）と同様に、破線で示したランド７３は概念上のランドであり、周囲のグランド配線と独立したランドではなく、ベタ配線のグランド配線の一部である。また、バイパスコンデンサ７７の一端を挿入するためのスルーホール７５とはんだ付けするためのランド７５が形成されている。バイパスコンデンサ７５の他端はグランド配線に接続されている。ランド７２、７５とグランド配線とは絶縁されている。

中間層８０には、コネクタの端子を挿入するためのスルーホール８１とランド８３が形成されており、コネクタの端子とランド８３とは接続されている。ランド８３は隣接するランド８２と短絡しないように配慮しつつ、かつ、できるだけ大きな面積をとるために矩形状の形状となっている。また、バイパスコンデンサ７４の一端を挿入するためのスルーホール８４が形成されており、バイパスコンデンサ７４の一端は配線８５を介してランド８３と接続されている。

下層９０には、コネクタの端子を挿入するためのスルーホール９１および端子をはんだ付けするためのランド９２が形成されている。ランド９２の周囲は、接地されたランド９３が形成されている。ランド９３はグランド配線と電気的に結合されているものの、上層７３のグランド配線のようにベタ配線ではなく、矩形状に形成されている。下層９０のランド９３の面積は、上層７０のランド７３の面積とは異なる面積となっている。なお、下層９０にもバイパスコンデンサ７７の他端を挿入するためのスルーホールおよびランドが形成されているが、煩雑さを避けるため図示しない。

図６に３層プリント配線板のコネクタ端子近傍の等価回路図を示す。コネクタの端子５３は、配線８５を介してバイパスコンデンサ７７に接続されている。配線８５にはインダクタンスが存在する。配線によるインダクタンス８５とバイパスコンデンサ７７は直列接続されている。中間層８０のランド８３は、絶縁体の基体を挟んで対向する上層７０のランド７３との間でバイパスコンデンサ５４を、また絶縁体の基体を挟んで対向する下層９０のランド９３との間でバイパスコンデンサ５５をそれぞれ形成する。バイパスコンデンサ５４、５５は、インダクタンス８５と並列接続されている。

本実施態様の３層プリント配線板では、３つのランド７３、８３、９３により、並列接続されたバイパスコンデンサ５４、５５が形成されるため、より大きなキャパシタンスを得ることが可能となる。これにより、ノイズ低減効果を高めることができる。また、上層７０のランド７３と中間層８０のランド８３とが対向する面積と、下層９０のランド９３と中間層８０のランド８３とが対向する面積とが異なるため、異なる複数の共振点をもつ共振回路を形成することができる。加えて、信号線のランド８３の上下層に接地されたランド７３、９３が形成されるために、シールドとしての効果も期待できる。

以上、本発明に係る技術的思想を特定の実施態様を参照しつつ詳細にわたり説明したが、本発明の属する分野における当業者には、請求項の趣旨及び範囲から離れることなく様々な変更及び改変を加えることが出来ることは明らかである。例えば、ランドの形状は矩形である必要はなく、十分な容量が得られるように適宜設計変更可能である。また、コネクタ、バイパスコンデンサ、およびそれらを接続する配線は、同一層にある必要はなく、適宜変更可能である。

また、図５のように上層のランドと中間層のランドとが対向する面積と、中間層のランドと下層のランドとが対向する面積とが異なるようにすることに代えて（または面積を異なるようにするとともに）、上層と中間層との間に配置された第１の絶縁体層の厚さと、中間層と下層の間に配置された第２の絶縁体層の厚さとを異なるものとしてもよい。絶縁体層（基体）の厚さの調整は、絶縁体層を構成する材料（プリプレグ）の厚さを調整してもよいし、所定の厚さのプレプリグを積層する枚数を調整してもよい。さらに、第１の絶縁体と第２の絶縁体とに異なる誘電率のプリプレグを使用してもよい。このように、ランドの対向面積、プレプレグの厚さ、枚数、誘電率などを適宜設定することにより、これらの相関によって所望の容量が得られるように設定することができ、所望の共振点をもつ共振回路を形成することができる。

１プリント配線板
２、７０上層
３基体
４、９０下層
５コネクタ
２１、２２、４１、７３、８３、９３ランド
２４、７７バイパスコンデンサ
８０中間層

Claims

コネクタと、
前記コネクタと接続されたバイパスコンデンサと、
前記コネクタが接続された第１のランドと、
第１のランドとは異なる層に、第１のランドと対向する位置に配置され、かつ接地された第２のランドと、
第２のランドとは異なる積層方向に積層された層に、第１のランドと対向する位置に配置され、かつ接地された第３のランドをさらに備え、
前記第１のランドが形成される層において、前記コネクタと前記バイパスコンデンサが前記第１のランドを介して接続されていることを特徴とする、多層プリント配線板。
第１のランドと第２のランドとが対向する部分の面積と、第１のランドと第３のランドとが対向する部分の面積とが異なることを特徴とする請求項１に記載の多層プリント配線板。
第１のランドと第２のランドとの間に配置された第１の絶縁体層の厚さと、第１のランドと第３のランドとの間に配置された第２の絶縁体層の厚さとが異なることを特徴とする請求項１または２に記載の多層プリント配線板。