JP6548608B2 - プリント回路基板 - Google Patents

Description

この発明は、部品が接続された差動線路とグラウンド層とを有するプリント回路基板に関するものである。

プリント回路基板の構成として、対になった信号配線に同振幅逆位相の信号を伝搬させて通信する差動信号伝送を用いるものがある。このようなプリント回路基板では、信号の受信側では対になった信号の差分をとることで１線あたりの電圧の振幅を小さくし、同振幅逆位相の信号を対にすることで放射する電磁界を相殺し放射ノイズを抑制することができる。また対になった信号の差分をとることで外部からのノイズの影響を打ち消すことができる。
しかし、差動信号伝送では、線路構造の対称性が崩れると、高速信号が伝送できなくなり、通信回路の差動線路の平衡度が劣化することによって差動線路上にコモンモードノイズが伝搬し、差動線路からの放射ノイズが増大すると共に、差動線路の耐ノイズ性が低下してしまう。
このため、信号に高い周波数成分を含む高速差動インタフェースでは、線路構造の対称性を損なわないように基板上の線路設計を行う必要がある。

従来、このような差動線路を有するプリント回路基板として、差動線路を構成する第１及び第２の導体を実装する層とグラウンド層とを誘電体を挟んで構成した回路に対して、例えば雷サージ対策により部品を実装する必要がある場合、この第１及び第２の導体に対して第１及び第２の部品を接続するための第１及び第２の接続導体を設け、差動線路の各配線に対して各部品と各接続導体がグラウンド層との間に形成する容量の差分を、設計目標の範囲内にすることで、平衡度を高くしたものがあった（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−３５４６８号公報

従来のプリント回路基板は、差動線路の各線に接続された容量値に注目し差動線路の各線に接続された容量の差分が設計目標の範囲内となるように調整することで、差動線路の平衡度を高くしている。しかしながら、差動線路の第１の導体と第１の接続導体が接している部分の長さと、第２の導体と第２の接続導体の接している部分の長さの差分が、平衡度設計を検討する必要のある周波数と比較して無視できない長さとなった場合は平衡度が劣化するという問題があり、このような問題への対応が求められていた。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、差動線路上のコモンモードノイズを抑制し、差動線路からの放射ノイズを抑制すると共に、差動線路の耐ノイズ性を向上させることのできるプリント回路基板を得ることを目的とする。

この発明に係るプリント回路基板は、配線及び部品を実装する層とグラウンド層とを有し、配線及び部品を実装する層に形成された第１の導体と第２の導体から成る差動線路と、第１の導体に接続された第１の導体側接続導体と、第１の導体側接続導体に接続された第１の部品と、第２の導体に接続された第２の導体側接続導体と、第２の導体側接続導体に接続された第２の部品とを備え、第１の部品と第１の導体側接続導体を合わせた平面形状が第２の部品と第２の導体側接続導体を合わせた平面形状と異なり、第１の部品とグラウンド層との間に生じる静電容量及び第１の導体側接続導体とグラウンド層との間に生じる静電容量の合成容量と、第２の部品とグラウンド層との間に生じる静電容量及び第２の導体側接続導体とグラウンド層との間に生じる静電容量の合成容量との差分を設定値以下とし、かつ、第１の導体と第１の導体側接続導体が接している部分の長さと、第２の導体と第２の導体側接続導体が接している部分の長さの差分を、平衡度設計の対象となる周波数の１／１０波長以下としたものである。

この発明のプリント回路基板は、第１の導体側に接続される部材の静電容量と、第２の導体側に接続される部材の静電容量との差分を設定値以下とし、かつ、第１の導体と第１の導体側接続導体が接している部分の長さと、第２の導体と第２の導体側接続導体が接している部分の長さの差分を、平衡度設計の対象となる周波数の１／１０波長以下としたので、第１の部品と第１の導体側接続導体を合わせた平面形状と、第２の部品と第２の導体側接続導体を合わせた平面形状が異なるものにおいて、差動線路上のコモンモードノイズを抑制し、差動線路からの放射ノイズを抑制すると共に、差動線路の耐ノイズ性を向上させることができる。

図１Ａは、この発明の実施の形態１によるプリント回路基板を示す平面図、図１Ｂは図１ＡのＡ−Ａ線断面図である。 図２Ａ〜図２Ｄは、この発明の実施の形態１によるプリント回路基板と比較例の平衡度の測定結果の説明図である。 この発明の実施の形態１によるプリント回路基板の変形例を示す構成図である。 図４Ａは、この発明の実施の形態２によるプリント回路基板を示す平面図、図４Ｂは図４ＡのＢ−Ｂ線断面図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるプリント回路基板を示す構成図であり、図１Ａはプリント回路基板を模式的に示す平面図、図１Ｂは図１ＡのＡ−Ａ線断面図である。
図において、プリント回路基板１は、配線及び部品を実装する層とグラウンド層７０とを有している。配線及び部品を実装する層とグラウンド層７０の層間は誘電体６０があるものとする。第１の導体１１と第２の導体１２は、配線及び部品を実装する層に形成された差動線路を成す。第１の部品３１及び第２の部品３２は、差動線路をはさみ近接した位置に設けられている。第１の接続導体２１は、第１の部品３１と第１の導体１１とを接続する第１の導体側接続導体である。第２の接続導体２２は、第２の部品３２と第２の導体１２とを接続する第２の導体側接続導体である。

ここで、第１の接続導体２１とグラウンド層７０との間のインピーダンスは、第１の接続導体２１及び第１の部品３１とグラウンド層７０との間の容量に依存する。同様に、第２の接続導体２２とグラウンド層７０との間のインピーダンスは、第２の接続導体２２及び第２の部品３２とグラウンド層７０との間の容量に依存する。
よって、第１の接続導体２１及び第１の部品３１とグラウンド層７０との間の静電容量（これを第１の容量とする）と、第２の接続導体２２及び第２の部品３２とグラウンド層７０との間の静電容量（これを第２の容量とする）の差分を設計目標の範囲内に調整することで、差動線路の平衡度を高くすることができる。

ここでさらに、第１の導体１１と第１の接続導体２１が接している部分の長さと、第２の導体１２と第２の接続導体２２が接している部分の長さの差分を、平衡度設計を検討する必要がある周波数、すなわち平衡度設計の対象となる周波数の１／１０波長以下になるよう調整することで、差動線路の平衡度を高くすることができる。なお、差動線路の平衡度として所望する値が得られるのであれば１／１０波長という値はある程度の許容範囲を含むものとする。

ここで、第１の容量と第２の容量の差分を設計目標の範囲内にする、ということは次のようなことである。すなわち、プリント回路基板として要求される放射ノイズの規格や、プリント回路基板からのノイズ放射効率、あるいはプリント回路基板が収められる筐体の構造といった種々の条件に基づいて、プリント回路基板からの放射ノイズを予め設定した規制値以内に抑制するための設計目標が設定される。ここで「容量の差分を０＝第１の容量と第２の容量を等しく調整する」という場合は、理論上、プリント回路基板からの放射ノイズを０にすることであり、このような調整も設計目標の範囲内として含むものである。ただ、実際の設計ではコストや工作効率等の関係もあり、ある程度の範囲内で放射ノイズを許容した値とする。この値の範囲が設計目標の範囲内の値である。

図２は、この発明の実施の形態１に係るプリント回路基板と比較例の平衡度の測定結果の説明図である。ここでは、基板の平衡度を表す指標として、ミックスドモードＳパラメータのＳｃｄ２１を用いた。このＳｃｄ２１はプリント回路基板の送信側から送信された差動信号が、プリント回路基板の受信側に至るまでにコモンモードに変換される量を表しており、Ｓｃｄ２１が低いほど信号のモード変換量が小さく、平衡度が高い基板であるといえる。図２ＡはＳｃｄ２１の周波数依存性である。図２Ｂ〜図２Ｄは、図１Ａのプリント回路基板の模式平面図における第１の導体１１、第１の接続導体２１、第１の部品３１、第２の導体１２、第２の接続導体２２、第２の部品３２の部分拡大図である。図２Ｂ〜図２Ｄのプリント回路基板は、全て第１の接続導体２１及び第１の部品３１とグラウンド層７０との間の静電容量（第１の容量）と、第２の接続導体２２及び第２の部品３２とグラウンド層７０との間の静電容量（第２の容量）の差分が０になるように調整されている。また、図２Ｂは比較例であり、第１の導体１１と第１の接続導体２１が接している部分の長さと、第２の導体１２と第２の接続導体２２が接している部分の長さの差分を、平衡度設計を検討する必要がある周波数の１／１０波長以下になるよう調整していない構成を示している。図２Ｃ及び図２Ｄは、第１の導体１１と第１の接続導体２１が接している部分の長さと、第２の導体１２と第２の接続導体２２が接している部分の長さの差分が０になるように調整したものであり、それぞれ具体例１及び具体例２を示している。

図２Ａでは、図２Ｂの比較例の測定結果を特性１０１で示す。また、図２Ｃの具体例１の測定結果を特性１０２で、図２Ｄの具体例２の測定結果を特性１０３で示している。図２Ａの特性１０１〜特性１０３から明らかなように、図２Ｃ及び図２Ｄに示す具体例１、２のプリント回路基板の方が、図２Ｂに示す比較例のプリント回路基板と比較して平衡度が高いことが分かる。

図３は、この発明の実施の形態１の第１の導体１１と第１の接続導体２１の接続に係るプリント回路基板の模式平面図の部分拡大図であり、第１の接続導体２１の形状の変形例である。図３では、第１の導体１１と第１の部品３１を接続する第１の接続導体２１の他に、第３の導体８０を第１の導体１１に対して接続する。ここでは、第１の接続導体２１と第３の導体８０を第１の導体側接続導体とする。また、第１の接続導体２１及び第３の導体８０及び第１の部品３１とグラウンド層との間の静電容量と、第２の接続導体及び第２の部品とグラウンド層との間の静電容量との差分が設計目標の範囲内になるよう調整されている。

また、第１の導体１１と第１の接続導体２１が接している部分の長さと第３の導体８０と第１の導体１１が接している部分の長さを合わせた長さと、第２の導体と第２の接続導体が接している部分の長さとの差分が平衡度設計を検討する必要がある周波数の１／１０波長以下になるよう調整されている。なお、第１の接続導体２１の形状は、矩形や直線から成る形状に限らず、曲線カットされた形状でも同様に適用可能である。また、第２の導体１２、第２の部品３２、第２の接続導体２２及び調整のために新たに第２の導体１２に第４の導体（図示省略している）を接続した場合でも、これらの形状についても同様に適用可能である。

すなわち、第１の導体１１に接続される導体や接続導体及び部品といった第１の導体１１側に設置される部材とグラウンド層７０との静電容量と、第２の導体１２に接続される導体や接続導体及び部品といった第２の導体１２側に設置される部材とグラウンド層７０との静電容量とを調整すると共に、第１の導体１１に接続される部材が接している全ての長さと、第２の導体１２に接続される部材が接している全ての長さとの差分を調整することで、第１の導体１１と第２の導体１２にどのような導体が接続されたとしても差動線路の平衡度を高くすることができる。

なお、実施の形態１では、２層構成のプリント回路基板について実装を説明したが、２層に限らず、ここで説明した実装部分で直接使用しない他の層を含む多層構成のプリント回路基板に対しても適用することができる。

以上説明したように、実施の形態１のプリント回路基板によれば、配線及び部品を実装する層とグラウンド層とを有し、配線及び部品を実装する層に形成された第１の導体と第２の導体から成る差動線路と、第１の導体に接続された第１の導体側接続導体と、第１の導体側接続導体に接続された第１の部品と、第２の導体に接続された第２の導体側接続導体と、第２の導体側接続導体に接続された第２の部品とを備え、第１の部品とグラウンド層との間に生じる静電容量及び第１の導体側接続導体とグラウンド層との間に生じる静電容量の合成容量と、第２の部品とグラウンド層との間に生じる静電容量及び第２の導体側接続導体とグラウンド層との間に生じる静電容量の合成容量との差分を設定値以下とし、かつ、第１の導体と第１の導体側接続導体が接している部分の長さと、第２の導体と第２の導体側接続導体が接している部分の長さの差分を、平衡度設計の対象となる周波数の１／１０波長以下としたので、差動線路の平衡度を高くすることができ、その結果、差動線路上のコモンモードノイズを抑制し、差動線路からの放射ノイズを抑制すると共に、差動線路の耐ノイズ性を向上させることができる。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２に係るプリント回路基板の一例を示す構成図である。図４Ａは、プリント回路基板の模式平面図、図４Ｂは図４ＡのＢ−Ｂ線断面図である。
実施の形態２のプリント回路基板１ａは、配線及び部品を実装する層とグラウンド層７０とを有している。第１の導体１１と第２の導体１２は、配線及び部品を実装する層に形成された差動線路を成す。第１の接続導体２１は、第１の導体１１に接続される。第２の接続導体２２は、第２の導体１２に接続される。第１の部品３１は、第１の絶縁体５１をはさんで第１の接続導体２１の上方の層に設置される。第２の部品３２は、第２の絶縁体５２をはさんで第２の接続導体２２の上方の層に設置される。

ここで、第１の接続導体２１とグラウンド層７０との間のインピーダンスは、第１の接続導体２１とグラウンド層７０との間の容量に依存する。同様に、第２の接続導体２２とグラウンド層７０との間のインピーダンスは、第２の接続導体２２とグラウンド層７０との間の容量に依存する。
よって、第１の接続導体２１とグラウンド層７０との間の静電容量（第１の容量）と、第２の接続導体２２とグラウンド層７０との間の静電容量（第２の容量）との差分を設計目標の範囲内に調整することで、差動線路の平衡度を高くすることができる。
また、第１の導体１１と第１の接続導体２１が接している部分の長さと、第２の導体１２と第２の接続導体２２が接している部分の長さの差分を平衡度設計を検討する必要がある周波数の１／１０波長以下になるよう調整することで、差動線路の平衡度を高くすることができる。

この実施の形態２における第１及び第２の接続導体についても、図２に示した実施の形態１における接続導体の形状と同様に説明できる。また、実施の形態２においても、図３に示したような第３の導体８０を接続した場合の調整については実施の形態１と同様に行うことができる。さらに、第１の導体１１または第２の導体１２に対して複数の接続導体を配置し、かつ、ぞれぞれの接続導体の上方の層に部品を配置した場合の静電容量はそれぞれの接続導体とグラウンド層と間の静電容量として調整を行う。また、実施の形態２のような部品を接続導体の上方の層に配置した構成と実施の形態１の構成とを組み合わせてもよい。この場合、配線及び部品を実装する層に部品が直接配置されている部分は実施の形態１と同様に部品と接続導体とグラウンド層との間の静電容量として調整を行う。

また、この実施の形態２では、２層構成のプリント回路基板について実装を説明したが、２層に限らず、ここで説明した実装部分で直接使用しない他の層を含む多層構成のプリント回路基板に対しても適用することもできる。

以上説明したように、実施の形態２のプリント回路基板によれば、配線及び部品を実装する層とグラウンド層とを有し、配線及び部品を実装する層に形成された第１の導体と第２の導体から成る差動線路と、第１の導体に接続された第１の導体側接続導体と、第１の導体側接続導体の上方の層に配置された第１の部品と、第２の導体に接続された第２の導体側接続導体と、第２の導体側接続導体の上方の層に配置された第２の部品とを備え、第１の導体側接続導体とグラウンド層との間に生じる静電容量と、第２の導体側接続導体とグラウンド層との間に生じる静電容量との差分を設定値以下とし、かつ、第１の導体と第１の導体側接続導体が接している部分の長さと、第２の導体と第２の導体側接続導体が接している部分の長さの差分を、平衡度設計の対象となる周波数の１／１０波長以下としたので、差動線路の平衡度を高くすることができ、その結果、差動線路上のコモンモードノイズを抑制し、差動線路からの放射ノイズを抑制すると共に、差動線路の耐ノイズ性を向上させることができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１，１ａ プリント回路基板、１１ 第１の導体、１２ 第２の導体、２１ 第１の接続導体、２２ 第２の接続導体、３１ 第１の部品、３２ 第２の部品、５１ 第１の絶縁体、５２ 第２の絶縁体、６０ 誘電体、７０ グラウンド層、８０ 第３の導体。

Claims (2)

1. 配線及び部品を実装する層とグラウンド層とを有し、
   前記配線及び部品を実装する層に形成された第１の導体と第２の導体から成る差動線路と、
   前記第１の導体に接続された第１の導体側接続導体と、
   前記第１の導体側接続導体に接続された第１の部品と、
   前記第２の導体に接続された第２の導体側接続導体と、
   前記第２の導体側接続導体に接続された第２の部品とを備え、
   前記第１の部品と前記第１の導体側接続導体を合わせた平面形状が、前記第２の部品と前記第２の導体側接続導体を合わせた平面形状と異なり、
   前記第１の部品と前記グラウンド層との間に生じる静電容量及び前記第１の導体側接続導体と前記グラウンド層との間に生じる静電容量の合成容量と、前記第２の部品と前記グラウンド層との間に生じる静電容量及び前記第２の導体側接続導体と前記グラウンド層との間に生じる静電容量の合成容量との差分を設定値以下とし、
   かつ、
   前記第１の導体と前記第１の導体側接続導体が接している部分の長さと、前記第２の導体と前記第２の導体側接続導体が接している部分の長さの差分を、平衡度設計の対象となる周波数の１／１０波長以下としたことを特徴とするプリント回路基板。
2. 配線及び部品を実装する層とグラウンド層とを有し、
   前記配線及び部品を実装する層に形成された第１の導体と第２の導体から成る差動線路と、
   前記第１の導体に接続された第１の導体側接続導体と、
   前記第１の導体側接続導体の上方の層に配置された第１の部品と、
   前記第２の導体に接続され、平面形状が前記第１の導体側接続導体の平面形状と異なる第２の導体側接続導体と、
   前記第２の導体側接続導体の上方の層に配置された第２の部品とを備え、
   前記第１の導体側接続導体と前記グラウンド層との間に生じる静電容量と、前記第２の導体側接続導体と前記グラウンド層との間に生じる静電容量との差分を設定値以下とし、
   かつ、
   前記第１の導体と前記第１の導体側接続導体が接している部分の長さと、前記第２の導体と前記第２の導体側接続導体が接している部分の長さの差分を、平衡度設計の対象となる周波数の１／１０波長以下としたことを特徴とするプリント回路基板。

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