JP6008113B2

JP6008113B2 - プリント配線板

Info

Publication number: JP6008113B2
Application number: JP2012238027A
Authority: JP
Inventors: 寅雄御園
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2012-10-29
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2032-10-29
Also published as: JP2014090018A

Description

本発明は、多層プリント配線板と筐体との電気的導通を強化して、接地接続を十分にとるようにしたプリント配線板及び、プリント配線板接地構造体に関する。

特許文献１には、プリント配線板と筐体を固定するための取付ねじを介して、プリント配線板に形成された導体パターンと筐体との電気的接続、すなわち導通を確保し、筐体から接地、すなわちグランド（ＧＮＤ）接続を確保する技術を基本とし、さらに、取付ねじをねじ込むためのスルーホール若しくは、キリ穴などの貫通孔の周辺に、酸化防止コーティングのためのプリフラックス処理された導体パターンの上に、導電性の良いはんだクリームを使用して導通を改善したという技術が開示されている。

特開２０１０−２６７６７９号公報

特許文献１のように、プリント配線板ＧＮＤパターンと筐体ＧＮＤの接続には、プリント配線板固定用の貫通孔であるねじ孔を直接スルーホール化し、そのスルーホールとプリント配線板ＧＮＤパターンを接続し、プリント配線板を取付ねじにより、ねじ結合することによって、プリント配線板ＧＮＤパターンはスルーホールを介し、筐体に電気的に接続するという技術は知られているが、ねじ孔径が４ｍｍ以上になるとスルーホールのめっきの信頼性を確保することが難しくなり、従来のプリント配線板のプリント配線板ＧＮＤパターンと筐体との接続には、端子台と取付ねじを用いることによって行われてきた。そのときの構成を、図３と図４に示した。

図３は、従来のプリント配線板接地構造体１の構成の平面図であり、図４は、図３のＩＶ−ＩＶで切ったときの断面図である。図３、図４によると、従来のプリント配線板接地構造体１は、プリント配線板２、ねじ孔８、スルーホール１０、端子台６、内層ＧＮＤパターン４、筐体３から構成されている。導電性の内層ＧＮＤパターン４が、スルーホール１０を介し、さらにスルーホール１０に半田付けされた端子台６を介し、取付ねじ７により筐体３に固定されＧＮＤと導通をとるように構成されていた。

ねじ孔８は、筐体３に取り付けるための取付ねじ７でねじ結合するために、プリント配線板２に設けられた貫通孔である。スルーホール１０は、プリント配線板２に設置されており、外部と電気的に接続させるための導体パターンである導体ランド１１を備えている。多層の配線を有するプリント配線板２に備えたスルーホール１０には、多層の配線と対応して、各層に導体ランド１１を備えており、そのうちの１層は、内層ＧＮＤパターン４というベタパターンと接続されている。内層ＧＮＤパターン４から、スルーホール１０、取付ねじ７によって取り付けられた端子台６を介して、筐体３にＧＮＤ接続、すなわち、電気的に接地している。

図３、図４のように、従来のプリント配線板接地構造体１では、そのプリント配線板２の内層ＧＮＤパターン４と筐体３との接続は、スルーホール１０及び、取付ねじ７によって取り付けられた端子台６を介して接続されている。したがって、プリント配線板２の内層ＧＮＤパターン４は、筐体３との間に端子台６を介するため、その接続インピーダンスが高くなり、プリント配線板２と筐体３の間に電位差が生じ、ノイズ発生原因になり、問題となっていた。また端子台６は取付ねじ７の２倍の実装面積を確保する必要があり、製品の小型化に向けての制約となっていた。

本発明は、以上の点を考慮してなされたもので、プリント配線板と筐体の間の、接続インピーダンスを低くし、ノイズを低減可能な、プリント配線板を提供することを目的とする。

本発明は、外部の筐体と、取付ねじでねじ結合するためのねじ孔が備えられたプリント配線板であって、前記取付ねじのねじ頭部と接するプリント配線板の表面に第１の導体ランドが備えられ、前記第１の導体ランドと同形状の第２の導体ランドが、前記プリント配線板の前記表面とは反対側の裏面にも備えられ、さらに、前記第１、及び、第２の導体ランドと重なるように、前記第１、及び、第２の導体ランドと同形状の、第３の導体ランドが、プリント配線板内部に形成されている導体パターンからなる多層のプリント配線の各層に、それぞれ設けられ、前記第３の導体ランドの少なくとも１層は、導体からなる内層ＧＮＤパターンと接続され、前記第１から第３の導体ランドをすべて貫通させた導電性のスルーホールを、前記ねじ孔の周辺に複数本備えたことを特徴とするプリント配線板である。

このように、プリント配線板の内層ＧＮＤパターンと筐体のＧＮＤ接続について、ねじ孔の周辺の、プリント配線板及び、導体ランドの両方を貫通したスルーホールを介して接続される構造とすることにより、プリント配線板の内層ＧＮＤパターンと筐体のＧＮＤ接続は、必要実装面積を小さくでき、且つ、インピーダンスを低く抑えられる。したがって、プリント配線板の内層ＧＮＤパターンと、筐体との間のＧＮＤレベルの電位差の発生を抑制でき、これに起因するノイズの発生を抑制できるという効果がある。

本発明により、プリント配線板と筐体の間の、接続インピーダンスを低くし、ノイズを低減可能な、プリント配線板を提供することが可能である。

実施形態のプリントプリント配線板設置構造体の平面図である。実施形態のプリントプリント配線板設置構造体の断面図である。従来構造のプリントプリント配線板設置構造体の平面図である。従来構造のプリントプリント配線板設置構造体の断面図である。実施形態のスルーホール個数とインピーダンスの関係図である。実施形態のスルーホール個数とインピーダンスの関係図である。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

図１は、実施形態のプリント配線板接地構造体１の平面図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩで切ったときの断面図である。図３、４に示すような従来例としての、従来構成のプリント配線板接地構造体１は、プリント配線板ＧＮＤパターンである導電性の内層ＧＮＤパターン４が、導電性のスルーホール１０を介し、さらにスルーホール１０に半田付けされた端子台６を介し、取付ねじ７により筐体３に固定されＧＮＤと導通をとるように構成されていたが、実施形態においては、従来構成から、端子台６を無くし、ねじ孔８の周囲に、導体ランド１２と複数のスルーホール５を備え、スルーホール５の配置位置と個数、及び、ねじ孔８の面積の大きさについて最適化することにより改善を行った。

図１や図２に示すように、実施形態のプリント配線板接地構造体１は、プリント配線板２に設けられた内層ＧＮＤのベタパターン４が、筐体３へＧＮＤ接続できるように、ねじ孔８の周辺に第１の導体ランド１２の導体パターンを設け、その第１の導体ランド１２の領域内に、プリント配線板２を貫通した複数本のスルーホール５を設けている。なお、プリント配線板２は、少なくとも１層、若しくは、それ以上の、導体パターンからなる多層のプリント配線を有している。また、内層ＧＮＤパターン４は、プリント配線板２の回路を構成する接地が必要な導体パターンである。

実施形態のねじ孔８は、筐体３に取り付けるための取付ねじ７をねじ結合するために、プリント配線板２に設けられた貫通孔であり、第１の導体ランド１２のパターンは、取付ねじ７のねじ頭部と接するプリント配線板２の表面に形成されており、第１の導体ランド１２のパターンは、ねじ頭部と同等か、それ以上の面積の大きさを有している。第１の導体ランド１２と、同形状の第３の導体ランド１４が、プリント配線板２に形成されている導体パターンからなる多層のプリント配線の各層に、それぞれ設けられ、第３の導体ランド１４の複数層のうちのひとつは内層ＧＮＤパターン４と接続され、プリント配線板２のねじ頭部と接する表面とは反対側の裏面に、第１の導体ランド１２と同形状の第２の導体ランド１３があり、各層にある同形状の第３の導体ランド１４のパターンを貫通させるスルーホール５が、ねじ孔８の周辺に複数存在している。また、各層の同形状の第３の導体ランド１４は、プリント配線板２を貫通したスルーホール５によって、筐体３と接触接続されている。筐体３は必要に応じて、ＧＮＤ接続される。

仮に、図３や図４の端子導通スルーホール１０まで到達できる位に、取付ねじ頭部が大きいネジやワッシャーを用いた場合、接触という点では、ねじ頭部スルーホール１０との接触がより確実に確保できるので好ましい。しかし、ネジやワッシャーの材質は、鉄（Ｆｅ）であり、導電パターンの銅（Ｃｕ）と比較したらＦｅのほうが高インピーダンスとなる理由から、取付ねじ頭を過渡に大きくし、Ｆｅに流れる電流の距離を敢えて長くしても、インピーダンスが低くならずに反して高くなる方向へいくため好ましくなく、実施形態のように、図１や図２のねじ孔８の周辺に、第１の導体ランド１２を備えた複数のスルーホール５を設けた方が好ましい。

仮に、ねじ孔８について、ねじ孔８内側面にめっきを行いスルーホール化した場合、ねじ孔径が４ｍｍ以上になるとスルーホール化したねじ孔８内側面のめっき厚のばらつきが大きくなり品質を確保することが難しくなる。これとは別に、実際に取付ねじ７を締めたときに、取付ねじ７とスルーホール化したねじ孔８内側面のめっきされた部分が接触し、めっきが剥れてしまう可能性がある。したがって、ねじ孔８内側面のめっきはしない方が好ましい。具体的に、ねじ径が、４．０ｍｍ、すなわち、Ｍ４の取付ねじ７を用いる場合は、ＧＮＤ接続させるためのスルーホール化したねじ孔８として機能させるよりも、実施形態のように、さらに低インピーダンスにするには、ねじ孔８の周辺に、第１の導体ランド１２を備えた複数のスルーホールを設けた方が好ましい。

表１は、図３、４に示した従来例に対し、図１、２に示した実施形態のインピーダンスがどのくらいの値をもっているのかを示した表である。表１のインピーダンス値は、プリント配線板接地構造体１での値であり、プリント配線板２のＧＮＤと筐体３の間のインピーダンスを測るために、内層ＧＮＤパターン４に繋がる端子と筐体３にプローブをあてて測定した値である。また、周波数は、４５MHｚで測定した。その結果、実施形態のほうが、インピーダンスが低い傾向がある値を示している。なお、ねじ孔８の径、すなわち、直径は４．２ｍｍであり、実施形態のスルーホール５の直径は０．４ｍｍであり、スルーホール５は１１個のときの値である。なお、図１では、スルーホール５は、図示の便宜上、６個となっている。

表２は、上記のサンプルを用いて、従来例に対し、実施形態の、ノイズを測定したデータであり、周波数に応じて測定した。その結果、実施形態の方が、ノイズが低い傾向がある値を示している。ノイズが低いということは、つまり、プリント配線板２のＧＮＤの電位が、ＧＮＤにしっかりおちているということを示している。なぜなら、元々プリント配線板２のＧＮＤの電位が不安定だと、それを基準にしているプリント配線板２の各配線自体の電位も不安定になり、外部にノイズとして放出されてしまうからである。従って、実施形態の構成により、インピーダンスを低減することで、プリント配線板２の内層ＧＮＤパターン４と、筐体３との間のＧＮＤレベルの電位差の発生を抑制でき、これに起因するノイズの発生を抑制できる。

図１と図２に示した、実施形態のねじ孔８と、その周辺に設けられたスルーホール５の大きさについて説明する。スルーホール５の円周の長さの合計が、ねじ穴８の円周の長さよりも長くなるように設計する必要がある。その理由は、内層ＧＮＤパターン４と筐体３間の接続インピーダンスを低くする為である。本実施形態においては、円周率をπとして、例えば、ねじ孔８の径、すなわち、直径が４．２ｍｍであり、スルーホール５の直径は０．４ｍｍであると、ねじ穴８の円周の長さは、４．２πｍｍ、スルーホール５の円周の長さは、０．４πとなる。したがって、この場合の必要なスルーホール５の個数をｎ個とすると、０．４πｎ＞４．２πとなり、ｎ＞１０．５個となるので、１１個以上が好ましいということになった。同様に、スルーホール５の直径が０．６ｍｍであれば、７個以上が好ましいということになる。

また、実施形態のねじ孔８と、その周辺に設けられたスルーホール５の大きさについて補足する。ねじ孔８の円から、その周辺に設けられたスルーホール５までの距離は、０．５ｍｍ以上離して配置するのが好ましい。また、隣り合う複数のスルーホール５の間隔も０．５ｍｍ以上離して配置するのが好ましい。その理由は、プリント配線板２の強度を確保する為である。したがって、本実施形態において、例えば、ねじ孔径が４．２ｍｍであり、スルーホール５の直径は０．４ｍｍであると、スルーホール５は１１個以上が必要であるが、上限は、４７個以下ということになる。

図５は、実施形態において、ねじ孔８の径Ｄが４．２ｍｍ、スルーホール５の径ｄが、０．４ｍｍの場合の、スルーホール５の個数ｎとインピーダンスＲの関係を示したグラフである。なお、インピーダンスは、交流での合成抵抗であるが、測定は、直流で行っているため、直流抵抗となっているが、直流においては、インピーダンスと同じである。上記の説明から、スルーホール５の個数が、１０．５個、すなわち、１１個以上が好ましいとなっているが、実際に、スルーホール５の個数が１１個の場合の、直流におけるインピーダンス、すなわち、直流抵抗値は７．９０×１０^−５Ωであり、つまり、ねじ孔８の径Φ４．２をスルーホール化したときのインピーダンスの値よりも低抵抗ということを意味している。従って、このねじ孔８の径Φ４．２をスルーホール化したときのインピーダンス値である８．２８×１０^−５Ωを閾値として、これよりも低いとノイズが低減され好ましいが、高いとノイズが増加して好ましくないということになる。

図６は、図５と同様に、ねじ孔径が４．５ｍｍ、スルーホール径が、０．４ｍｍの場合の、スルーホールの個数とインピーダンスの関係を示したグラフである。図５に比べて、ねじ孔径が４．２ｍｍから、４．５ｍｍになっている点以外は、同じである。結果は、傾向は同じであり、この場合の、スルーホール５の個数は、１１．２個、すなわち、１２個以上が好ましいとなっている。

図５、６の結果から、他のねじ孔径、スルーホール径を変えても、傾向は同じであることを示しており、プリント配線板と筐体の間の、接続インピーダンスを低くし、ノイズを低減するために、実施形態の構成が好ましく、ねじ孔径、スルーホール径に応じて、適宜調整することが可能であることを確認できた。

表３は、上記で説明した条件以外の場合の、ねじ孔径Ｄとスルーホール径ｄに応じた、ノイズ低減するために少なくとも必要なスルーホール５の個数ｎを算出した表である。スルーホールの円周の合計の長さが、ねじ孔の円周の長さよりも長くなるように、スルーホール５の個数を算出すると、計算式は、“Ｄ×π≦ｄ×π×ｎ”となり、この式から、スルーホール最小配置数は、“ｎ≧Ｄ／ｄ”となる。

実施形態のスルーホール５は、プリント配線板２を貫通させたねじ孔８、及び、そのねじ孔８の周辺に設けたプリント配線板２の各層にある同形状の第１から第３の導体ランド１２、１３、１４を貫通させている。スルーホール５は銅（Ｃｕ）でメッキされているため、スルーホール５は導電性である。なお、スルーホール５の形状は、円形以外でもよく、多角形でもよい。

実施形態において、第１の導体ランド１２には、複数本のスルーホール５の端部を備えており、取付ねじ７のねじ頭部、またはワッシャーは、複数本のすべてのスルーホール５と接していることが好ましいが、一部だけが接しているだけでもよい。

ところで、複数のスルーホール５は、過渡に多く設ければよいわけではなく、少なすぎるとインピーダンスが高くなり精度良くＧＮＤ接続ができなくなり、多すぎると基板の強度が弱くなり、クラックが発生してしまうので、最適にしておくことが好ましい。最適なスルーホールの数量は、別表の最大配置数量と最小配置数量の間を用いることが好ましい。

前述の実施形態の例で、ねじ孔径が４．２ｍｍ、スルーホール径が、０．４ｍｍの場合に、あるスルーホールと隣接するスルーホールとの間隔が０．５ｍｍよりも小さくなると、プリント配線板２にクラックが発生し、割れてしまう。その、評価結果を，表４に示した。表４中の、○は不具合なしであり、×はクラックが発生したものを示す。これによると、間隔が０．３ｍｍでクラックが発生し、０．５ｍｍで不具合となっており、少なくとも０．５ｍｍ以上の間隔を維持することが必要であるということを示している。

表５は、上記で説明した条件以外の場合の、ねじ孔径Ｄとスルーホール径ｄに応じた、クラックを発生させないために必要なスルーホール５の上限個数ｎを算出した表である。隣接するスルーホールの間隔は０．５ｍｍ以上確保する必要があることを考慮して算出した。

実施形態の、プリント配線板２は、取付ねじ７により、ねじ孔８を介して、筐体３の一部とねじ結合できるように貫通されており、筐体３にねじ結合され、内層ＧＮＤパターン４と筐体３が電気的にＧＮＤ接続したものである。筐体３には、プリント配線板２のねじ孔８から出てきた取付ねじ７の先端をねじ結合し固定するための穴が、繰り抜かれている。プリント配線板２の内層ＧＮＤパターン４と筐体３のＧＮＤ接続について、ねじ孔８の周辺の、プリント配線板２及び、第１から第３の導体ランド１２、１３、１４の両方を貫通したスルーホール５を介して接続される構造とすることにより、プリント配線板２の内層ＧＮＤパターン４と筐体３のＧＮＤ接続は、必要実装面積を小さくでき、且つ、インピーダンスを低く抑えられる。したがって、プリント配線板２の内層ＧＮＤパターン４と、筐体３との間のＧＮＤレベルの電位差の発生を抑制でき、これに起因するノイズの発生を抑制できるという効果がある。

１プリント配線板接地構造体
２プリント配線板
３筐体
４内層ＧＮＤパターン
５、１０スルーホール
６端子台
７取付ねじ
８ねじ孔
１１導体ランド
１２第１の導体ランド
１３第２の導体ランド
１４第３の導体ランド

Claims

外部の筐体と、取付ねじでねじ結合するためのねじ孔が備えられたプリント配線板であって、
前記取付ねじのねじ頭部と接するプリント配線板の表面に第１の導体ランドが備えられ、
前記第１の導体ランドと同形状の第２の導体ランドが、前記プリント配線板の前記表面とは反対側の裏面にも備えられ、さらに、前記第１、及び、第２の導体ランドと重なるように、前記第１、及び、第２の導体ランドと同形状の、第３の導体ランドが、プリント配線板内部に形成されている導体パターンからなる多層のプリント配線の各層に、それぞれ設けられ、
前記第３の導体ランドの少なくとも１層は、導体からなる内層ＧＮＤパターンと接続され、
前記第１から第３の導体ランドをすべて貫通させた導電性のスルーホールを、前記ねじ孔の周辺に複数本備え、前記複数のスルーホールのすべての円周の長さが、ねじ孔の円周の長さよりも長く、
前記ねじ孔の円から、前記スルーホールまでの距離は、０．５ｍｍ以上離して配置され、且つ、隣り合う複数のスルーホールの間隔も０．５ｍｍ以上離して配置されたことを特徴とするプリント配線板。
前記第１の導体ランドは、ねじ頭部と同等、または、それ以上の面積の大きさを有していることを特徴とする請求項１に記載のプリント配線板。
接地された筐体と、
前記筐体に取り付けるための取付ねじをねじ結合するためのねじ孔が備えられたプリント配線板を有するプリント配線板接地構造体であって、
前記取付ねじのねじ頭部と接するプリント配線板の表面に第１の導体ランドが備えられ、
前記第１の導体ランドと同形状の第２の導体ランドが、前記プリント配線板の前記表面とは反対側の裏面にも備えられ、さらに、前記第１、及び、第２の導体ランドと重なるように、前記第１、及び、第２の導体ランドと同形状の、第３の導体ランドが、プリント配線板内部に形成されている導体パターンからなる多層のプリント配線の各層に、それぞれ設けられ、
前記第３の導体ランドの少なくとも１層は、導体からなる内層ＧＮＤパターンと接続され、
前記第１から第３の導体ランドをすべて貫通させた導電性のスルーホールを、前記ねじ孔の周辺に複数本備え、前記複数のスルーホールのすべての円周の長さが、ねじ孔の円周の長さよりも長く、
前記ねじ孔の円から、前記スルーホールまでの距離は、０．５ｍｍ以上離して配置され、且つ、隣り合う複数のスルーホールの間隔も０．５ｍｍ以上離して配置されたプリント配線板を有することを特徴とするプリント配線板接地構造体。