JPWO2017006553A1

JPWO2017006553A1 - プリント配線基板

Info

Publication number: JPWO2017006553A1
Application number: JP2017527079A
Authority: JP
Inventors: 和弘柏倉; 文子上村
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2015-07-08
Filing date: 2016-07-04
Publication date: 2018-04-05
Also published as: CN107852812A; US20180184516A1; WO2017006553A1

Abstract

本発明の目的は電気ケーブルからのＥＭＩ放射を抑制できるプリント基板を提供することである。そのために本発明のプリント基板は、電気ケーブルが接続される信号配線を備えたプリント基板であって、前記電気ケーブルが接続される信号配線の両側を上下にグランド層で挟み、前記上下のグランド層を複数のスルーホールで接続し、前記スルーホールは前記信号配線とその近傍に、抑制したい電磁波の最大周波数に対応する波長に応じた間隔を開けて設ける。

Description

本発明は、ＥＭＩ（Electromagnetic Interference）放射を抑制するプリント配線基板に関し、特に電気ケーブルからのＥＭＩ放射を抑制するプリント配線基板に関する。

情報通信機器のＥＭＩ対策は万全な対策を施していても、電気信号ケーブルや給電用ケーブルをプリント基板に接続すると著しく劣化することが経験的に知られており、その都度対策を施すということを繰り返していた。

近年、情報通信機器の大容量化は、信号の高速化や機器の大型化を招き電源雑音の高周波化、機器内部の共振モードの多用化を引き起こし、ＶＣＣＩ（Voluntary Control Council for Interference by Information Technology Equipment）などのＥＭＩ規格を準拠するのが困難になっている。特に情報通信機器では電気ケーブルで機器間を接続することが多いため、プリント基板内部で発生した電磁波が電気ケーブルに伝搬しプリント基板外部に電磁波として放射される（ＥＭＩ放射される）現象が抑えきれていない。

以下に説明するようにＥＭＩ低減技術が次の通り提案されているが、解決に至っていない。

特許文献１（特開2013-254759号公報）には、ＬＳＩ回路基板の外周にＧＮＤ配線をリング状に配し、基板内部にあるＧＮＤ層と複数箇所のＧＮＤビアを介して接続する技術が開示されている（同文献[００１４]〜[００１９]段落、図１等）。ＧＮＤビアが配置されているのである程度のＥＭＩの抑制効果はあるものの、ＧＮＤ配線がリング状で大きな隙間がありその隙間から電磁波が漏れるので、基板内部において電磁波の遮断には効果が乏しい。更に、プリント基板で発生した電磁波が電気ケーブルに乗り、電気ケーブルからＥＭＩ放射されることを遮断する手法の開示はない。

また特許文献２（特開平10-270862号公報）及び特許文献３（特開2001-53449号公報）には、ＬＳＩ（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）の給電配線にインダクタを持たせ外部電源とのインピーダンスを高め電源雑音の外部への伝搬を抑制する技術が開示されている（特許文献２では[００２３]、[００２５]段落、図２、３。特許文献３では[００３６]〜[００３７]段落、図２、３。）。しかし電源雑音は電源−ＧＮＤ間が伝送線路と化し周囲に電磁波を伝搬させることで生じる。そのため根本的なＥＭＩ抑制は難しい。また上記特許文献１と同じく、プリント基板から電気ケーブルへの電磁波遮断についての開示はない。

また特許文献４（国際公開第2014/080610号）には、プリント基板から電気ケーブルへ伝搬する電磁波を解析する手法が開示されている。しかし放射を抑制する手法に関する開示はない。

また特許文献５（特開2000-216509号公報）には、絶縁基体上に形成した信号用配線導体から発生する電磁波が外部に漏れ出さないように、信号用配線導体の上下と両側に上下にグランド層を形成し、信号用配線導体を両側から挟むように貫通導体（スルーホール）を少なくとも２列形成している（同文献図１ではスルーホールを基板全体に形成している）。さらに、１列目と２列目の貫通導体の間隔を、信号用配線導体に伝搬させる高周波信号の波長λの1/4以下にすることが記載されている。（同文献[００１７]〜[００１８]、[００２３]、図１、３、４）
しかしこの特許文献５は、絶縁基体から外部へ電磁波の漏出を小さくすることを目的としており、絶縁基体から電気ケーブルへの電磁波を遮断する手法の開示はない。

また特許文献６（特開平11-220263号公報）では、電源層と信号層を上下にグラウンド層で挟み、上下のグラウンド層を複数のスルーホールで接続している。（[０００８]〜[０００９]、図１、２）
しかしこの特許文献６は、プリント配線板から外部へ電磁波の漏出を小さくすることを目的としており、絶縁基体から電気ケーブルへの電磁波を遮断する手法の開示はない。

特開2013-254759号公報特開平10-270862号公報特開2001-53449号公報国際公開第2014/080610号特開2000-216509号公報特開平11-220263号公報特開平09-266370号公報特開平07-321429号公報

以上述べた特許文献１〜８はいずれも、プリント基板で発生した電磁波が電気ケーブルに乗り、電気ケーブルからＥＭＩ放射される問題について解決できていない。

本発明の目的は、以上述べた問題点を解決し、電気ケーブルからのＥＭＩ放射を抑制できるプリント基板を提供することである。

本発明は、電気ケーブルが接続される信号配線を備えたプリント基板であって、前記電気ケーブルが接続される信号配線の両側を上下にグランド層で挟み、前記上下のグランド層を複数のスルーホールで接続し、前記スルーホールは前記信号配線とその近傍に、抑制したい電磁波の最大周波数に対応する波長に応じた間隔を開けて設けることを特徴とするプリント基板である。

本発明により、電気ケーブルからのＥＭＩ放射を抑制できるようになる。

本発明の第１の実施形態のプリント基板を示す平面図及び断面図である。第１の実施形態における電磁界解析の解析モデルを示す図である。第１の実施形態のケーブル伝送用差動信号配線６１を示す平面図である。プリント基板から電気ケーブルへ電磁波が回り込むＥＭＩ放射メカニズムを説明する図である。ＧＮＤスルーホールを形成していない場合のプリント基板内外の電界強度の解析結果を示す図である。図４のＧＮＤスルーホールを形成していない場合に、基板外の観測点にプローブを置き、そこでの周波数と電界強度との関係を解析した結果である。ＧＮＤスルーホールを基板外周に１層（１列）だけ形成した場合のプリント基板内外の電界強度の解析結果を示す図である。図７の場合を図５と同様に解析した図である。プリント基板外周とケーブル用信号配線周囲の両方にＧＮＤスルーホールを形成した場合のプリント基板内外の電界強度の解析結果を示す図である。図９の場合を図５と同様に解析した図である。ＧＮＤスルーホールなし、同１列、同２列、同３列の場合の、周波数と電界強度との関係を解析した図である。本発明の第２の実施形態を示す平面図である。

（第１の実施形態）
（構成の説明）
図１は本発明第１の実施形態を示す平面図と断面図である。断面図は平面図に示した一点鎖線Ａ−Ａ’における断面を示す。また断面図にはＧＮＤスルーホール３の間を通っている信号配線６と電源層５を示してある。ＩＣ２の信号端子と接続された信号配線６は基板中を通ってパルストランス８と接続され、電気ケーブル１００に接続している。また電気ケーブル１００に接続しない信号配線６２、信号配線６３も基板上及び基板内に形成されている。

プリント基板１は多層プリント基板であり、絶縁層を間に挟んで電源層５、電気ケーブルに接続される信号配線６が形成されている。本実施形態では信号配線６は具体的には図２に示すケーブル伝送用差動配線６１，６１’である。ＩＣ２とパルストランス８の間がケーブル伝送用差動配線６１であり、パルストランス８とコネクタ７の間がケーブル伝送用差動配線６１’である。図３はケーブル伝送用差動信号配線６１，６１’の配線の様子を示す平面図である。ＩＣ２と接続される信号スルーホール３１にケーブル伝送用差動信号配線６１，６１’が接続され、格子状に整列したＧＮＤスルーホール３の間を同層で近接して平行して配線されている。ケーブル伝送用差動信号配線６１，６１’の両側に、インピーダンス制御するためのＧＮＤスルーホール３を２列ずつ置いている。

また図１のプリント基板１の表面である部品面の直下と裏面である半田面の直上にはそれぞれＧＮＤ層４１，４３が形成されており、基板１の中間にも電源層４２が形成されている。ＧＮＤ層４１，４２，４３はＧＮＤベタつまり全面グラウンドである。なお図１では半田の表示を省略している。

ＩＣ２はプリント基板１上にイーサ―などの電気ケーブルを駆動するために実装され、ＲＪ４５などのコネクタ７を介して電気ケーブル（カッパーケーブル）１００と信号配線６を介してつながっている。このＩＣ２は一般にはＰＨＹ（Physical Layer）チップと呼ばれる。一般にＰＨＹとＲＪ４５コネクタの間にはパルストランス８が実装され、直流分カットやＣＭＣ(コモンモードチョークコイル:Common mode choke-coil)による雑音抑制などが行われる。

信号配線６の上層および下層はＧＮＤ層（グランド層）４１，４２であり、基板周囲には少なくともこの２枚のＧＮＤ層を接続するＧＮＤスルーホール３が配されている。本実施形態ではＧＮＤスルーホール３はＧＮＤ層４１、４２、４３の全てを接続している。ＩＣ２１（ＰＨＹ）からコネクタへ接続する配線の周囲には間隔ｄ（ｄの条件は後述）で格子状にＧＮＤスルーホール３を配している。
（動作の説明）
図２は本実施形態における電磁界解析の解析モデルを示す図である。図２を用いて、プリント基板１から電気ケーブル１００へ電磁波が回り込むＥＭＩ放射メカニズムを説明する。本実施形態で適用する基板構成はＧＮＤ層で挟まれた電源層５である。ＩＣ２１の動作により電源電流が変化しそれに追従するように電源層５−ＧＮＤ層４間の電位の変化、すなわち電界が変化することにより電磁波が発生する。電源電流の変化を雑音源９で模擬している。増幅器２２が図１のＩＣ２に該当する。雑音源９により発生した電磁波は電源層５−ＧＮＤ層４間を伝送路と化し四方八方へと伝搬される。広がった電磁波は電源層５がない領域でも、例えばＧＮＤ層４−ＧＮＤ層４間あるいは他の電源層−ＧＮＤ層間、あるいは、電源層−電源層間を伝送路と化し更に基板端まで広がっていく。基板端から基板外部へ伝搬した電磁波がＥＭＩ放射である。

今ここにＧＮＤ層４−ＧＮＤ層４間にケーブル伝送用差動配線６１が配してあるとする。雑音源９により発生した電磁波はこのケーブル伝送用差動配線６１へと励起される。そのため電磁波は、信号配線６からコネクタ７、電気ケーブル１００を介してプリント基板１の外部へと伝搬し、ＥＭＩ放射となる。パルストランスやＣＭＣが実装されている場合、電磁波はパルストランス自体にも影響するため、パルストランスやＣＭＣでは著しい効果は期待できない。

電気ケーブルからのＥＭＩ放射を回避するため本実施形態ではケーブル伝送用差動配線６１の周囲にＧＮＤスルーホール３を格子状に配列させた。格子間隔ｄは、抑制したい最大周波数ｆ_ｍａｘの波長λの１／４以下にすることが望ましい。すなわち、プリント基板の比誘電率ε_ｒ、光速Ｃ_０として
ｄ≦λ／４＝Ｃ_０／（４・ｆ_ｍａｘ・√ε_ｒ）・・・式１
なる条件導くことが出来る。

なおλ／２より長い波長の電磁波はＧＮＤスルーホール３の格子を通過することができない。もしＧＮＤスルーホール３が完全導体であればλ／２で規定すればよい。しかし実際のスルーホールは完全導体ではないため、間隔λ／２では電磁波はＧＮＤスルーホール３の格子をすり抜ける可能性がある。このため、格子間隔をλ／４とし、上記の式１を定義している。プリント基板の比誘電率を４、抑制したい最大周波数ｆ_ｍａｘを１ＧＨｚとすると、ｄ≦３×１０^８／（４×１×１０^９×√４）＝３７．５ｍｍとなる。

これら効果を検証するため図４のようなモデルを作成し、電磁界解析により効果を確認した。解析モデルは２枚のＧＮＤ層４に挟まれた電源層と信号配線を配している。図４ではケーブルを配線６５で模擬している。またプリント基板１内の信号配線６とは容量２００で結合させている。これはパルストランス８の１次側（ＩＣ側）と２次側（電気ケーブル側）の容量性結合を模擬している。図４の右側に、このパルストランス８部分のモデルを示している。図４で示したモデルにＧＮＤスルーホールの有無を条件として加え電磁界解析により電界分布と近傍電界強度を計算する。

図５〜図１０にこれらの解析結果を示す。図５、図６はプリント基板にＧＮＤスルーホールなしの場合である。図７、図８はプリント基板周囲だけにＧＮＤスルーホールを配した場合である。図９、図１０はプリント基板周囲とケーブル用信号配線周囲の両方にＧＮＤスルーホールを配した場合である。図６、８，１０はそれぞれ図５，７，９の場合に、基板外の観測点（図中の×印）にプローブを置き、そこでの周波数と電界強度との関係を示した図である。

実際の電源層（電源線）は通常は細長い形状であるが、解析を簡略にするためここでは正方形で解析している。また図５，７，９の右上のスケールはゼロからマイナスに向かうスケールであり、マイナスに向かうほど電界強度が小さく、ゼロに向かうほど電界強度が強い。単位はｄＢ・Ｖ／ｍであるが、図５，７，９では注入したエネルギーをｍａｘ（０ｄＢｏｒ１）とした相対値でプロットしているため図中のスケールでは単位を「ｍａｘｄＢ・Ｖ／ｍ」と表記している。

図５はＧＮＤスルーホール３を形成していない場合の解析結果であり、電気ケーブル１００の形状が明確に見て取ることができ、電気ケーブル１００周辺の電界強度が他の基板外の場所に比べて高いことが明らかである。また図６を見ると、１ＧＨｚ以上で電界強度が−２０ｄＢ・Ｖ／ｍを超え最大（１．３〜１．６ＧＨｚ）で２０ｄＢ／ｍ近くに達している。

図７はＧＮＤスルーホール３をプリント基板外周に１周（１列）だけ形成した場合の解析結果であり、基板外へのＥＭＩ放射をある程度抑制できている。しかし電気ケーブル１００周辺の電界強度は他の場所に比べて高く、電気ケーブル１００からの放射を抑制することはできていないことが分かる。図８を見ると電界強度が最大（１．７ＧＨｚ近辺）で０ｄＢ・Ｖ／ｍに達していて、電磁波の抑制は不十分である。

図９はプリント基板周囲とケーブル用信号配線周囲の両方にＧＮＤスルーホールを形成した場合であり、電気ケーブル１００からの放射とそれ以外の基板外の場所との区別が付かない。図１０を見ると電界強度は最大（２ＧＨｚ近辺）でも−２０ｄＢ・Ｖ／ｍと低下していて、電磁波を抑制出来ていることが分かる。つまりケーブル用信号配線周囲のＧＮＤスルーホールが、電気ケーブル１００からの放射を抑制していることが分かる。

図５〜１０では、信号配線６が走る両側にＧＮＤスルーホール３を三列ずつ形成している。しかし最低限二列ずつ形成すればよい。図１１はＧＮＤスルーホールなし、同一列、二列、三列の場合の、周波数と電界強度との関係を解析した結果である。ＧＮＤスルーホールなしが図６、一列が図８、三列が図１０に相当する。二列の場合、電界強度は最大（２ＧＨｚ近辺）でも−４０ｄＢ・Ｖ／ｍと低下していて、二列で十分効果があることがわかる。なお図１１では図６、８、１０と比較して、ＧＮＤスルーホールなし、一列、三列の場合の電界強度が絶対値としてはやや異なる。これは測定対象の基板の条件の差等が起因している。しかし二列の場合との条件は同じであり、十分比較に用いることができるデータである。

なお図５〜１０ではプリント基板の外周にＧＮＤスルーホールを一周形成しているが、これは次のような理由による。ＥＭＩ放射は基板内の電源層等からのものと、電気ケーブルからのものがある。前者を排除しておかないと、本実施形態によって後者を抑制する効果があるかどうか判別が付かない。そのため外周にＧＮＤスルーホールを形成したものを解析している。
（効果の説明）
電気ケーブルに接続される信号配線６の周囲にＧＮＤスルーホール３を配した場合、プリント基板１からの電磁波は電気ケーブル１００とは完全に遮断される。この結果により電気ケーブル１００からのＥＭＩ放射を十分抑制できていることが明らかである。本実施形態のプリント基板１を用いれば製品の設計、開発が容易になる。

なお、図１のプリント基板１には電源層５もある。電源層５からのＥＭＩ放射も考えられるが、電源層５の上にＧＮＤ層４２を設けている。そのため電源層５から信号配線６には電磁波は伝搬しない。

なお本実施形態では信号配線６としてケーブル伝送用差動配線を用いたが、差動配線ではなく１本の信号配線でも適用できる。
（第２の実施形態）
図１２に本発明の第２の実施形態を示す。機器内部で子基板１５（ドーターカード、サブカードなど）のような２階建て基板を構成している。図１２に破線で示した部分が子基板１５であり、子基板１５上にケーブル（不図示）と接続されるコネクタ７、信号配線６１、ＩＣ２が搭載されている。本実施形態は子基板１５上にＩＣ２とコネクタ７を接続する配線が形成されている場合であるが、そのような場合にも適用できる。
（第３の実施形態）
上述の第１、２の実施形態ではＧＮＤスルーホール３を信号配線６と平行に配列しているが、信号配線６の走る方向に対してジグザグにつまり千鳥状に配列しても良い。このように配置するとスルーホールの間隔を狭くできる。そのためスルーホールを形成する領域の面積を狭くできる。
以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。
この出願は、２０１５年７月８日に出願された日本出願特願２０１５−１３７０９２を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１プリント基板
２ＩＣ
３ＧＮＤスルーホール
４、４１，４２，４３ＧＮＤ層
５電源層
６信号配線
６２、６３信号配線
６１、６１’ ケーブル伝送用差動配線
６５配線
７コネクタ
８パルストランス
９雑音源
１５子基板
２２増幅器
１００電気ケーブル
２００容量

Claims

電気ケーブルが接続される信号配線を備えたプリント基板であって、前記電気ケーブルが接続される信号配線の両側を上下にグランド層で挟み、前記上下のグランド層を複数のスルーホールで接続し、前記スルーホールは前記信号配線の両側に、抑制したい電磁波の最大周波数に対応する波長に応じた間隔を開けて設けることを特徴とするプリント基板。
前記スルーホールは前記信号配線の両側に２列ずつ設ける請求項１に記載のプリント基板。
前記プリント基板は複数層のグランド層を備え、前記グランド層間を接続するスルーホールを前記基板周囲に設ける請求項１に記載のプリント基板。
前記スルーホール間の間隔は前記抑制したい電磁波の最大周波数に対応する波長の1/4以下である請求項１または２に記載のプリント基板。
前記グランド層は全面グランド層である請求項１から４のいずれか一項に記載のプリント基板。
前記電気ケーブルが接続される信号配線は途中にトランスを介してコネクタと接続され、前記コネクタで前記電気ケーブルと接続される請求項１から５のいずれか１項に記載のプリント基板。
前記スルーホールは前記信号配線と平行または斜めに配列されている請求項１から６のいずれか一項に記載のプリント基板。
プリント基板上に子基板が設けられ、前記電気ケーブルが接続される前記信号配線は前記子基板上に配設されている請求項１から７のいずれか１項に記載のプリント基板。