KR100382804B1 - 다층 프린트 기판 - Google Patents

Abstract

다수의 고속, 고주파의 회로소자를 탑재한 다층 프린트 기판에 있어서, 전원전류에 의거한 전자유도 방해를 저감한다.

개시된 다층 프린트 기판은, 전원배선 (6) 을 설치한 전원층 (1) 의 상하 양측에, 각각 전원절연재층 (4) 을 통하여 그라운드층 (2) 을 적층하고, 나아가서는 이들의 상하 편측 또는 양측에, 기체절연재층 (5) 을 통하여 신호배선을 설치한 신호층 (3) 을 적층한 구성을 가진다.

Description

다층 프린트 기판{MULTILAYER PRINT SUBSTRATE}

본 발명은, 다수의 고속, 고주파의 회로소자를 탑재한 경우에, 전원전류에 의거한 전자유도방해를 저감 가능한, 다층 프린트 기판에 관한 것이다.

IC (Integrated Circuit) 및 LSI (Large Scale Integrated circuit) 등과 같은, 고속, 고주파의 회로소자가 탑재된 다층 프린트 기판에서는, 전자기 노이즈가 발생하기 때문에, 그 프린트 기판에 탑재된 전자기기 자체 또는 다른 전자기기에, EMI (Electro Magnetic Interference: 전자기 간섭) 를 부여하여, 오동작을 발생시키는 문제가 있다는 것은, 잘 알려져 있다.

EMI 중에서, 특히 큰 비중을 차지하고 있는 것은, 커먼모드 노이즈라고 불리는, 대지면 또는 그라운드면을 기준전위로서 발생하는 고주파원에 기인하는 전자노이즈이다. 그러나, 커먼모드 노이즈는, 추정되는 발생원인이 다양함과 동시에, 각각의 발생기구가 복잡하기 때문에, 발생원에 근접한 유효한 대책방법이 없었다. 그리하여, 종래에는, 커먼모드 노이즈의 주요 전달경로 또는 방사안테나가 되는 케이블로의 누출방지 및 방사방지의 대책이 취해지고 있을 뿐이었다.

이에 대하여, 고속 디지털회로에서, 커먼모드 노이즈의 최대 발생원인의 하나가, 프린트 기판에 탑재되어 있는 고속, 고주파의 회로소자에 대한 전원전류에 있는 것이, 최근 연구결과로 밝혀졌다. 이 사실에 의거하여, 발명된 것으로서, 예컨대 특허 제 273447 호에 의하여 등록된 기술, 및 일본특허출원평 9-253519 호에 의하여 출원된 기술이 있다.

이들의 기술은, 프린트 기판에 탑재되어 있는, 고속, 고주파의 회로소자에 대한 직류전원공급을, 선로의 도중에 고주파시에 높은 임피던스를 나타내는 인덕턴스소자를 삽입한 전원배선에 의하여 실시하도록 하거나, 또는 선로의 주위를 자성체로 포위함으로써, 특성 임피던스를 높게 한 전원공급선로에 의하여 실시함과 동시에, 회로소자의 전원, 그라운드간에 콘덴서를 접속함으로써, 프린트 기판에 탑재되어 있는 회로소자의 고속, 고주파의 동작을 원활하게 실행시키면서, 그 동작에 수반되어 발생하는 고주파 전원전류가 프린트 기판 전체에 확산되는 것을 방지하도록 한 것이다.

이와 같은 기술을 고성능 컴퓨터에 적용함으로써, 전자방사 레벨을 대폭으로 억제함과 동시에, 외부로부터의 전기적 또는 전자적 외란에 대한 내력 (이뮤니티) 이 향상되는 것을 확인한 연구논문이, 예컨대, 「자성체내장 디커플링 강화 다층 프린트 기판」(전기학회 마그네틱스 연구회; 1997-12) 및, 「Novel decoupling circuit enabling notable electromagnetic noise suppression and high-density packing in a digital printed circuit board」(IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility; 1998-8, Denver) 등에서 발표되고 있다.

상기한 종래기술에 있어서는, 프린트 기판의 직류전원 공급선로의 임피던스를, 고주파영역에서 높게하는 선로구조 (이하, 디커플링 인덕터라고 함) 를 채용함과 동시에, 회로소자의 고속, 고주파의 동작에 따라서 발생하는 고주파 전원전류를 효율좋게 분류시키기 위하여 콘덴서 (이하, 바이패스 콘덴서라고 함) 를 사용하고 있다.

이하, EMI 억제효과가 현저한 것으로서 알려진 종래기술로서, 특허 제 273447 호의 예를 설명한다.

도 5 는, 종래기술에서의 프린트 기판의 단면도, 도 6 은, 종래기술의 프린트 기판에서의 전원층을 나타내는 평면도, 도 7 은 종래기술을 적용한 전원회로의 등가회로 (디커플링회로) 를 나타내는 도면, 도 8 은 종래기술을 적용한 프린트 기판에서의 고주파 전원전류의 확산억제효과를 설명하는 도면이다.

종래기술의 프린트 기판은, 도 5 의 단면도에 나타나듯이, 전원층 (101) 과, 그라운드층 (102) 과, 신호층 (103) 과, 자성절연층 (104) 과, 유전체 절연층 (105) 으로 구성되어 있어, 위에서 아래방향으로 순서대로, 신호층 (103) 과, 유전체 절연층 (105) 과, 그라운드층 (102) 과, 자성절연층 (104) 과, 전원층 (101) 과, 자성절연층 (104) 과, 그라운드층 (102) 과, 유전체 절연층 (105) 과, 신호층 (103) 이 형성되어 있다.

여기서, 자성절연층 (104) 은, 자성체를 혼합한 절연재로 이루어져 있고, 유전체 절연층 (105) 은, 유전특성만을 갖는 절연재로 이루어져 있다.

또, 종래기술의 프린트 기판에서의 전원층 (101) 에 있어서는, 도 6 의 평면도에 나타나듯이, 간(幹)배선 (106) 과, 간배선 (106) 에서 분기한 지배선 (107) 이 배치되고, 지배선 (107) 의 선단에, 비아홀 (도시생략) 을 통하여, 프린트 기판의 부품면 (예컨대 신호층 103 의 표면) 에 부착된 IC/LSI (108) 가 접속되어 있음과 동시에, 지배선 (107) 과 IC/LSI (108) 의 접속부에, 프린트 기판의 부품면 (예컨대 신호층 103 의 표면) 에 부착된 디커플링 콘덴서 (109) 가 접속되어 있다.

종래기술의 프린트 기판에 있어서, 각 IC/LSI 에 대한 전원회로의 등가회로는, 도 7 에 나타나듯이, IC/LSI (110) 에 대하여, 전원배선 (112) 을 통하여 전원 (111) 을 접속하고, IC/LSI (110) 과 전원 (111) 의 귀로를 그라운드층 (113) 에 접속하고 있다.

이때, 전원층의 상하에는, 자성절연층 (104) 이 배치되어 있기 때문에, 전원층에 형성되어 있는 전원배선의 임피던스가 높아져, 도 7 에 나타나듯이, 디커플링 인덕터 (L)(114) 가 삽입된 것과 등가가 된다. 이 인덕턴스 (114) 와, 디커플링 콘덴서에 의한 용량 (C)(115) 에 의하여, 로우패스 필터가 형성되므로, IC/LSI (110) 의 동작에 수반하여 전원공급선에 흐르는 고주파 전원전류가 억압된다. 또한, 전원배선 (112) 에, 구부러진 부분 (110) 등으로 이루어지는 임피던스 부가회로를 사용하여, 디커플링 인덕터를 크게 하는 구성으로 할 수도 있다.

이 종래기술에 있어서는, 상기 각 도면에서 알 수 있듯이, IC 및 LSI 의 동작에 수반하여, 전원층에 유입하는 고주파 전원전류를, 배선구조에 삽입된 인덕터에 의하여 저지함과 동시에, IC 및 LSI 의 근방에 배치된 바이패스 콘덴서에 의하여 분류시키도록 하고 있다.

도 5 ∼ 도 7 에 나타난 종래기술을 적용한 프리트 기판에서의 고주파 전원전류의 확산억제효과는, 도 8 에 나타난다. 도 8 에 있어서는, 기판 근방의 자계분포를, 자계가 강할수록 진한색으로 표시하고 있다.

도 8 (a) 에 나타나는 종래예에서는, 전원층이 전면 평판으로 이루어지는 기판이었기 때문에, 고주파 전원전류가 기판 전면에 확산됨과 동시에, 일부에 특히 진한 색으로 노이즈 발생원인 전자기기가 표시되어 있으나, 도 8(b) 에 나타나는 특허 제 273447 호의 경우는, 전원층을 배선화하였기 때문에, 고주파 전원전류의 확산이 감소하고, 전자기기로부터의 커먼 모드 방사도 억제된 것이 나타나있다.

이것은 전원층을 배선화하여 IC 및 LSI 로부터의 고주파 전원전류의 확산을 감소시킨 것과, 전원배선과 인접하는 그라운드층에 의하여 스트립 선로를 형성함으로써, 전원층 (선) 과 신호선과의 전자결합이 감소하여, 커먼모드전류가 감소하였기 때문이라고 생각된다.

한편, 상술한 특허 제 273447 호의 기술은, 종래의 디커플링기술의 관점에서는 완전히 올바른 것이나, 실용적인 면에서는, 많은 과제를 안고 있다.

제 1 과제는, 고속, 고주파의 동작에 수반하여 발생하는 고주파 전원전류를, 어떤 방법으로 아느냐 하는 것이다. 이것을 모르면, 디커플링 인덕터 및 바이패스 콘덴서를 설계할 수 없다. 본래, 회로설계는, 회로전압, 전류 및 임피던스 중, 어느 두개를 적절한 값으로 설정해 나가는 작업이나, 특히 디지털회로의 경우에는, 입출력신호로서, "1" 과 "0" 의 2 개의 상태만을 사용하기 때문에, 회로설계는, 전압만을 고려하여 실시되고, 전류 및 임피던스를 설계상에서 고려하는 것은 거의 이루어지지 않았다. 그리하여 사실상, 세계적 표준이 되고 있는 것에서부터 여러 곳의 사양의 것에 이르기까지, 대부분 모든 반도체 IC 및 LSI 에 대한, 임피던스와 전류에 대한 특성의 개시는 이루어져있지 않고, 가까운 장래에도, 이들 모든것에 대하여 개시가 이루어지는 것은 기대할 수 없다.

그리하여, 반도체 제조자뿐 아니라, 사용자에 있어서도, 고주파 전원전류를 측정할 수 있는 방법이 고안됨과 동시에, 세계표준화를 향한 움직임이 진전되고 있으나, 동작조건의 설정과 측정환경의 설정이 비교적 어렵고, 이때문에 설계라인에서 효율좋게 측정을 행하는 것은 용이하지 않다. 따라서 당면, 어느 정도의 설계오차를 예상한 상태에서, 고주파 전원전류의 데이터를 대신할, 입수가능한 특성데이터로부터 전원전류를 추정하는 것이 필요해진다.

제 2 과제는, 기본적으로는 개개의 반도체 IC 및 LSI 별로, 디커플링 인덕터와 바이패스콘덴서의 파라미터를 설계해야만 한다는 것이다. 반도체 IC 및 LSI 의 고속, 고주파의 동작을 위해서는, 그것에 수반하여 발생하는 고주파전원전류를, 효율적으로 바이패스 콘덴서에 분류하는 회로가 필요해진다. 이 회로는, 반도체 IC 및 LSI 의 타입 및 사용조건의 변화에 따라서 개별로 설계되어야 하는 것은, 회로설계상의 기본으로 당연한 일이지만, 상술하였듯이, 디지털회로에서는, 종래, 이와같은 설계는 거의 이루어지지 않았기 때문에, 단기적으로는 설계자의 부담이 커지고, 이와같은 부담이 증가함으로써, 설계기간이 길어짐과 동시에, 설계 실수도 증가하게 된다고 생각된다. 즉, 디커플링설계를, 제품설계에 적용하기 위해서는, 설계도구의 개량 및, 설계자의 재교육을 행하는 등, 충분한 준비기간이 필요해진다.

도 9 는, LSI 의 고주파 전원전류 특성의 일예를 나타낸 것이다. 상술한 제 1 및 제 2 과제를 해결하기 위해서는, 기판상에 탑재된 모든 IC 와 LSI 에 대하여, 도 9 에 나타난 바와 같이, 고주파 전원전류 특성을 측정하여, 그 1 주기의 파형의 적분치인 전하량 Q 를 구하여, 개개의 IC, LSI 의 허용전압 변동을 감안하여, 필요한 바이패스 콘덴서의 용량을 구해야 한다. 또한 바이패스 콘덴서와 디커플링 인덕터의 임피던스비로부터 목적하는 인덕턴스값을 산출하여, 배선패턴길이로 치환하도록 하여, 전원의 배선설계를 실시하는 것이 필요해진다.

제 3 과제는, 반도체 IC, LSI 의 고속, 고주파화에 비하여, 디커플링 인덕터와 바이패스 콘덴서의 재료기술 또는 제조기술이 뒤쳐져 있다는 것이다. 예컨대 최근 퍼스널 컴퓨터에 사용되고 있는 CPU (Central Processing Unit) 의 스위칭 주파수는, 500 MHz 정도까지 상승하고 있고, 이와같은 고속스위칭을 행할 경우에는, CPU를 구성하는 반도체 IC 및 LSI 의 전원전류에, 수 GHz 이상의 고차고주파가 포함되게 된다.

그러나, 현재의 콘덴서 제조기술에서는, 반도체 IC 및 LSI 의 전원에 대하여 필요한, 0.1 μF 정도의 정전용량을 갖는 콘덴서의 공진주파수는, 수십 MHz 이상에 머물러, 이 이상의 주파수에서는, 콘덴서로서 작용하지 않고, 인덕터로서 작용하게 된다.

앞으로의 디지털회로의 고속화를 가능하게 하기 위해서는, 바이패스 콘덴서의 고주파특성의 향상은 필수가 되겠으나, 가까운 장래에, 공진주파수가 GHz 오더에 도달하는 대용량 소형콘덴서가, 시장에서 입수될 가능성은 적다. 디커플링 인덕터에 대해서도, 구조와 재료면의 연구개발이 진전되지 않으면, GHz 대의 공진주파수를 가지고, 수백 nH 정도의 인덕턴스를 가짐과 동시에, 전류용량이 수A 에 달하는 인덕터를, 가까운 미래에, 시장에서 입수할 가능성은 적다.

전원회로에 대해서는, 이와같은 각종 과제가 있음에도 불구하고, 디지털회로의 고속화를 진행시킬 필요가 있다. 이때문에, 비교적 실용화가 용이하다고 생각되는 대책안이 적어도 당면, 필요해진다.

이 발명은, 상술한 사정을 고려하여 이루어진 것으로, 회로의 고속, 고주파의 동작에 수반하여 발생하는 고주파 전원전류의 값이 개시되어 있지 않아도, 또 디커플링 인덕터 및 바이패스 콘덴서의 고주파 성능이 불충분하더라도 채용할 수 있고, 반도체 IC 및 LSI 의 타입 및 사용조건에 크게 의존하는일 없이, 반도체 IC, LSI 의 전원의, 고속, 고주파의 동작을 가능하게 하는, 직류전원 공급선로구조를 구비한 다층프린트판을 제공하는 것을 제 1 목적으로 하고 있다.

또, 이 발명은, 반도체 IC 및 LSI 의 고주파 전원전류에 의거하여, 커먼모드 노이즈의 발생을 억압할 수 있는, 직류전원공급 선로구조를 갖는 다층 프린트 기판을 제공하는 것을 제 2 목적으로 하고 있다.

도 1 은 본 발명의 일실시예인 다층 프린트 기판의 구조를 나타내는 단면도.

도 2 는 본 발명의 일실시예인 다층 프린트 기판에서의 전원층의 구성을 나타내는 평면도.

도 3 은 구부러진 배선의 예를 나타내는 도면.

도 4 는 스트립 선로구조를 설명하는 도면.

도 5 는 종래기술에서의 프린트 기판의 단면도.

도 6 은 종래기술의 프린트 기판에서의 전원층을 나타내는 평면도.

도 7 은 종래기술을 적용한 전원회로의 등가회로 (디커플링회로) 를 나타내는 도.

도 8 은 종래기술을 적용한 프린트 기판에서의 고주파 전원전류의 확산억제효과를 설명하는 도.

도 9 는 LSI 의 고주파 전원전류 특성의 일예를 나타내는 도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *

1 : 전원층 2 : 그라운드층

3 : 신호층 4 : 전원절연재층 (제 1 절연재층)

5 : 기체절연재층 (제 2 절연재층) 6 : 전원배선

7 : 구부러진 배선 8 : 직류전원 수전단자

9 : IC/LSI (회로소자) 10 : 바이패스 콘덴서

11 : 종단 콘덴서 12 : 전원유니트

13 : 직류공급 케이블

상기 과제를 해결하기 위하여, 청구항 1 에 기재된 발명은, 다층 프린트 기판에 관련되며, 전원배선을 설치한 전원층의 상하 양측에, 각각 제 1 절연재층을통하여 그라운드층을 적층하고, 또한 이들의 상하 편측 또는 양측에, 제 2 절연재층을 통하여 신호배선을 형성한 신호층을 적층하여 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다.

또 청구항 2 의 발명은, 청구항 1 에 기재된 다층 프린트 기판에 관련되며, 상기 제 1 절연재층이, 얇은 절연재로 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다.

또 청구항 3 에 기재된 발명은, 청구항 1 에 기재된 다층 프린트 기판에 관련되며, 상기 제 2 절연재층이 고유전율필름으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또, 청구항 4 에 기재된 발명은, 청구항 1 에 기재된 다층 프린트 기판에 관련되며, 상기 그라운드층이, 스루홀 및 비아홀 이외의 천공 또는 독립한 배선을 포함하지 않는 전면 평판의 도체층을 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또, 청구항 5 에 기재된 발명은, 청구항 1 에 기재된 다층 프린트 기판에 관련되며, 상기 전원배선이 회로전류에 의한 전압강하가 소정치 이하가 되도록 선로폭과, 해당 전원배선의 특성 임피던스가 소정치 이하가 되도록 선로폭 중, 넓은쪽의 선로폭을 갖는 것을 특징으로 한다.

또, 청구항 6 에 기재된 발명은, 청구항 5 에 기재된 다층 프린트 기판에 관련되며, 상기 전원배선이, 상기 전원층내의 직류전원 수전단자와 각 회로소자간에 형성된 독립된 선로구조로 이루어지며, 해당 회로소자에 대한 전원전류에 포함되는 고주파 성분의 해당 선로상의 파장에 대하여, 해당 선로의 종단 조건에 의하여 정해지는 값을 곱한 이상의 길이를 갖는 것을 특징으로 한다.

또, 청구항 7 의 발명은, 청구항 5 또는 6 에 기재된 다층 프린트 기판에 관련되며, 상기 전원배선이, 일정면적내에 일정폭을 갖는 가장 긴 배선을 수용가능한 선로패턴으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또, 청구항 8 에 기재된 발명은, 청구항 7 에 기재된 다층 프린트 기판에 관련되며, 상기 선로패턴이 꼬불꼬불한 배선으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또, 청구항 9 에 기재된 발명은, 청구항 5 내지 8 중 어느 한항에 기재된 다층 프린트 기판에 관련되며, 상기 전원배선이, 회로소자와의 접속점과 그라운드층간, 및 해당 전원배선이 접속되어 있는 직류전원 수전단자와 그라운드층 사이에, 각각 콘덴서가 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.

또 청구항 10 에 기재된 발명은, 청구항 9 에 기재된 다층 프린트 기판에 관련되며, 상기 전원배선이, 회로소자측에서, 전원전류에 포함되는 고주파 성분의 고주파 대역에서 낮은 특성 임피던스를 갖는 콘덴서로 종단되고, 직류전원 수전단자측에서, 상기 전원전류에 포함되는 고주파 성분의 저주파대역에서 낮은 특성임피던스를 갖는 콘덴서로 종단되는 것을 특징으로 한다.

또, 청구항 11 에 기재된 발명은, 청구항 5 내지 10 중 어느 한항에 기재된 다층 프린트 기판에 관련되며, 상기 직류전원 수전단자와 외부의 전원유니트를 접속하는 직류공급 케이블이, 상기 전원배선에 비하여 높은 커몬 모드 임피던스를 갖는 것을 특징으로 한다.

또 청구항 12 에 기재된 발명은, 청구항 1 에 기재된 다층 프린트 기판에 관련되며, 상기 제 2 절연재층이 유리에폭시수지판으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또, 청구항 13 에 기재된 발명은, 청구항 1 에 기재된 다층 프린트 기판에 관련되며, 상기 제 2 절연재층이 세라믹판으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이 발명에서, 전원층을 그라운드층으로 끼워진 저임피던스의 선로구조로 하는 이유는, 다음과 같다. 즉, 프린트 기판에 탑재되어 있는 IC, LSI 등과 같은, 고속, 고주파의 회로소자에 있어서의 이상적 직류전원형태는, 넓은 주파수 대역에 걸쳐서 내부 임피던스가 충분히 작은 값을 갖는 것과, 이와같은 전원이, IC, LSI 등의 회로소자별로 형성되어 있는 것이다. 이것으로써, IC, LSI 등과 같은 회로소자의 고속, 고주파의 동작에 수반하는 고주파 전원전류를 원활하게 그라운드에 전달시키고, 그 결과 신호파형의 변형을 억제할 수 있음과 동시에, 직류전원을 공용함에 의한, 전압안정도의 열화에 의거하는 IC, LSI 등의 회로소자의 상호간의 간섭을 배제하는 것이 가능해진다.

그러나, 회로소자별로 전원을 독립적으로 설치하는 것은, 회로부품수가 증대하여, 기기의 비용을 상승시킴과 동시에, 기기의 사이즈를 증대시키며, 또한 기기의 고장확률을 높인다는 문제를 일으키기 때문에, 반드시 현실적이지는 않다. 그리하여, 비교적 소규모의 전자기기의 경우에는, 특히 필요가 없는한, 동일 전압의 전원은, 하나로 집약되는 경우가 많다. 즉, 프린트 기판용 직류전원은, 프린트 기판과는 독립된 유니트에서 발생시키고, 고주파의 영향에 대한 배려가 이루어지지 않은 전선을 통하여 공급하는 것이 보통이다.

그리하여 이와같은 형태에서 프린트 기판에 공급되는 직류전원을, 프린트 기판내에서, 상술한 이상에 가까운 형태로, IC 및 LSI 에 공급할 수 있도록 하는 것이 필요해진다.

이상에 가까운 형태로, 직류전류를 분배하기 위해서는, 크게 나누어 2 가지 방법이 생각된다. 하나는, 직류전원의 독립서치를 우선하면서, 가능한한, 전원의 임피던스를 낮게한다는 생각으로, 종래의 전원층에 임피던스 부가회로를 형성하는 방법 (예컨대, 특원평 8-137904 호 공보참조) 이 여기에 포함된다. 다른 생각은, 전원의 낮은 임피던스화를 우선하면서, 가능한, 전원의 독립성을 유지한다는 생각으로서, 이 발명은 후자의 생각에 의거한다.

이 발명의 구성에 의하면, 다층 프린트 기판을 상기와 같이 구성함으로써 프린트 기판에 탑재되어 있는 IC, LSI 등의 회로소자에 대하여, 이상적인 직류전원을, 외관상, 개별로 공급할 수 있기 때문에, IC, LSI 등의 회로소자의 고속동작에 대한, 전원부에 의한 제약요인을 배제할 수 있음과 동시에, 고주파전류가 흐르고 있는 프린트 기판의 전원공급선로와 신호선로의 사이의 전자결합과, 프린트 기판의 전원공급선로에서 장치내의 전원공급케이블로의 고주파 전류의 유출을 억제하는 것이 가능해진다. 이것으로써, 프린트 기판에 탑재되어 있는 IC, LSI 등의 회로소자의 고속, 고주파의 동작을 보증함과 동시에, 디지털 기기를 비롯한, 고속, 고주파의 전자기기로부터의 전자방사를 억제하고, 또 외부로부터의 전기적 또는 전자적 외란에 대한 내력을 향상시킬 수 있게된다.

(발명의 실시형태)

이하, 도면을 참조하여, 이 발명의 실시형태에 대하여 설명한다. 설명은 실시예를 사용하여 구체적으로 실시한다.

도 1 은 이 발명의 일실시예인 다층 프린트 기판의 구조를 나타내는 단면도, 도 2 는, 이 발명의 일실시예인 다층 프린트 기판에서의 전원층의 구조를 나타내는 평면도, 도 3 은, 구부러진 배선의 예를 나타내는 도면, 도 4 는 스트립 선로구조를 설명하는 도면이다.

이 예의 다층 프린트 기판은, 도 1 에 나타나듯이, 전원층 (1) 과, 그라운드층 (2) 과, 신호층 (3) 과, 전원절연재층 (4) 과, 기체절연재층 (5) 으로 구성되어 있다.

이 예에서는, 위에서 아래방향으로 순서대로, 신호층 (3) 과, 기재절연재층 (5) 과, 그라운드층 (2) 과, 전원절연재층 (4) 과, 전원층 (1) 과, 전원절연재층 (4) 과, 그라운드층 (2) 과, 기체절연재층 (5) 과, 신호층 (3) 이 형성되어 있으나, 어느 한쪽의 신호층 (3) 과 기체절연재층 (5) 을 뺀 구성으로 할 수도 있다.

전원층 (1) 은, 구리박 패턴에 의하여, 직류전원 수단자에서 각 회로소자에 대한 전원배선이 형성되어 있는 층이다. 그라운드층 (2) 은, 구리박에 의하여 형성된, 접지를 위한 층으로서, 스루홀 및 비아홀 이외의 천공 및 독립된 배선을 포함하지 않는 전면 평판으로 하는 것이 바람직하다. 신호층 (3) 은, 구리박 패턴에 의하여, 각 회로소자에 대한 신호선로가 형성되어 있는 층이다.

전원절연재층 (4) 은, 전원층 (1) 과 그라운드층 (2) 을 절연하기 위한 절연재층으로서, 고수전율을 갖는다. 충분히 얇은 절연재에 의하여 형성되어 있다. 기체절연재층 (5) 은, 프린트 기판의 기체층을 구성함과 동시에, 신호층 (5) 과 그라운드층 (3) 을 절연하기 위한 절연재층이다.

이 예에서의 전원층 (1) 은, 도 2 에 나타나듯이, 전원배선 (6) 과, 구부러진 배선 (7) 과, 직류전원 수전단자 (8) 로 이루어져 있다.

각 전원배선 (6) 은, 구리박 패턴으로 이루어지고, 일단에, 스루홀 및 비아홀 (도시하지 않음) 을 통하여, 프린트 기판의 부품면 (예컨대 신호층 3 의 표면) 에 부착되어 있는 IC/LSI (9) 와 접속되고, 타단은, 직류전원 수전단자 (8) 에 접속되어 있다. 전원배선 (6) 의 일부에는, 구부러진 배선 (7) 이 설치되어 있는 경우도 있다. 전원배선 (6) 과 IC/LSI (9) 와의 접속부에는, 스루홀 및 비아홀 (도시하지 않음) 을 통하여, 프린트 기판의 부품면 (예를 들면 신호층 (3) 의 표면) 에 부착되어 있는 바이패스 콘덴서 (10) 가 접속되어 있다. 또한 직류전원 수전단자 (8) 에는, 스루홀 및 비아홀 (도시하지 않음) 을 통하여, 프린트 기판의 부품면 (예컨대 신호층 3 의 표면) 에 부착되어 있는 종단 콘덴서 (11) 가 접속되어 있다.

직류전원 수전단자 (8) 에는, 외부에 설치되어 있는 전원유니트 (12) 가, 직류공급 케이블 (13) 을 통하여 접속되어 있다.

전원배선 (6) 에는, 일정한 면적내에, 일정한 폭을 갖는 가장 긴 배선을 수용할 수 있는 선로패턴을 사용한다. 이와같은 선로패턴의 예로서는, 예컨대 도 3 에 나타난, 구부러진 형상으로 형성한 선로패턴인, 구부러진 배선 (14) 이 있다. 이 선로패턴은, 단순하게 2 점간을 연결하는 직선상의 배선패턴에 비하여, 효과적으로 선로길이를 길게할 수 있다.

선로배선의 특성 임피던스는, 선로폭이 넓을수록 낮고, 선로와 그라운드층의 간격이 좁을수록 낮고, 또, 선로와 그라운드층간의 절연재의 유전율이 높을수록 낮아진다. 전원배선의 특성 임피던스를 보증하는 주파수의 하한은, 선로길이에 비례하여 낮아진다. 또 전원배선의 특성 임피던스를 어느 정도 보증할 수 있는 주파수의 상한은, 일반적인 유리섬유강화 에폭시재 사용의 프린트 기판에 있어서,수 GHz 에 달할 것으로 기대할 수 있기 때문에, 어느정도 이상의 고주파수 영역에 있어서, 저임피던스의 선로를 형성하는 것이 가능하다. 그리고 전원배선의 형상은, 도 3 에 나타낸 구부러진 배선으로 한정되는 것이 아니라, 단순한 2 점간 직선배선의 길이 (맨해튼 길이) 보다도 길어지는 배선방법이라면 어떤 형상이라도 된다.

전원층의 설계를 행하는 경우에는, 선로와 그라운드층의 간격, 및 절연재의 유전율을 프린트 기판의 재료설계 시점에서 결정하고, 다음은, 프린트 기판에 탑재되는 반도체 IC 및 LSI 를 소비전력에 의거하여 자유로 분류하여, 각각의 그룹별로, 전원배선의 선로폭을 결정한후, 적절한 룰에 따라서 배선설계를 행하고, 그 결과에 의하여, 반도체 IC, LSI 별 바이패스 콘덴서를 선정한다는, 비교적 단순한 작업에 의하여 설계를 진행할 수 있다.

바이패스 콘덴서의 선정에 관해서는, 전원배선이 고주파수 대역의 임피던스를 보증하기 위하여, 그 선정의 자유도가 높고, 따라서 비용 증가나 설계 미스가 발생할 염려가 적다고 생각된다.

이 예에서는, 전원배선의 폭을 어느 정도 넓게한 상태에서, 전원층 (1) 과 그라운드층 (2) 사이의 전원절연재층 (4) 을 얇게함으로써, 전원배선의 특성 임피던스를 넓은 범위의 고주파수 대역에서 저하시키고 있다. 이 경우의 전원배선의 특성 임피던스는, 전원배선을 도 4 에 나타내는 듯한, 전원배선을 스트립도체 (15) 로 하고, 그라운드층을 상하의 접지도체 (16) 로 하고, 전원절연재층을 그라운드 절연체 (17) 로 하는 스트립 선로로 인정함으로써 구할 수 있다.

이 경우의, 스트립선로의 특성 임피던스 (Zo) 는, 주지의 다음 간이식을 적용함으로써 용이하게 결정할 수 있다.

t: 스트립 도체의 두께

a: 스트립 도체의 폭

b: 그라운드 절연체의 두께, 단 0.05 < t/b < 0.5

ε_r: 스트립 도체를 사이에 끼우는 절연체의 비유전율 (=유효 유전율 ε_eff)

전원배선의 특성임피던스를 저하시키는 수단으로서, 전원절연재층 (4) 을 얇게 하기 위해서는, 예컨대 인쇄 (도장) 수법에 의하여 형성된, 박막 또는 후막의 유전체로 이루어지는 절연재층을 사용할 수 있다.

또한 이 예에서는, 전원절연재층 (4) 을 형성하는 절연재의 유전율을 높게함으로써, 보다 특성 임피던스를 저하시키도록 하고 있다. 구체적으로는, 예컨대 전원배선을 고유전율 재료로 이루어지는 절연필름으로 끼우고, 또한 그 양측에서 그라운드층에 의하여 적층하여, 다층 프린트 기판을 형성하는 방법을 취할수도 있다.

이와같이 하여, 동일 배선폭의 경우에, 전원배선의 특성 임피던스가 매우 낮아지는, 다층기판구조를 결정하고, 그 상태에서 프린트 기판에 탑재되는 IC, LSI 등의 회로소자를 소비전력으로 분류한 그룹별로, 허용전류의 관점에서 최소 배선폭을 결정한다.

배선폭을 결정하기 위한 다른 조건은, 특성 임피던스값이지만, 이것에 대해서도, 소비전력으로 그룹 분류하여, 수학식 1 에 의거하여 최소 배선폭을 결정한다.

실제로는, 이와같이 하여 정해진 배선폭에서, 넓은쪽의 값을 채용하면 된다.

전원배선의 선로길이에 따라서, 특성 임피던스값을 보증하는 최저 주파수가 규정된다. 구체적으로는, 유전체에 의한 파장 단축효과를 예상한 파장의 1/4 또는 1/2 보다도 긴 경우에, 대개, 특성 임피던스가 보증된다. 파장의 1/4 를 취하거나, 또는 1/2 를 취하는가는, 선로의 종단조건 (오픈 또는 쇼트) 에 의존한다. 도 1 의 예에서는, 전원공급선로의 양단이, 충분히 낮은 임피던스 (예컨대 0.1 오옴 정도) 를 갖는 콘덴서로 종단시키기 때문에, 이 경우의 선로길이는 1/2 파장이 된다.

IC, LSI 등의 회로소자측의 전원배선에 사용하는 콘덴서는, 비교적 높은 주파수 영역 (예컨대, 30 MHz 에서 100 MHz) 에서 전원공급선로를 종단하고, 프린트 기판의 직류전원 수전단자 (8) 측의 전원배선에 사용하는 콘덴서는, 비교적 낮은 주파수 영역 (예컨대, 150 KHz 에서 30 MHz) 에서 전원공급선로를 종단한다. 이것으로써, 반도체 IC, LSI 의, 고속, 고주파의 동작에 수반하는 고주파 전원전류를, 이들의 회로소자측에서, 바이패스 콘덴서와 전원내선에 원활하게 분류시킴과 동시에, 전원배선의 고주파수 영역에서 저주파수 영역에 이르는 넓은 주파수 대역의 전원전류가, 특성 임피던스의 차에 의하여, 프린트 기판에 직류를 공급하고 있는 직류전원 수전단자 (8) 에 유입하는 것을 억제할 수 있다.

또, 프린트 기판의 직류전원 수전단자 (8) 에서 직류공급 케이블 (13) 에 고주파 전류가 누설되기 어렵게 하기 위하여, 직류공급 케이블 (13) 의 커먼모드 임피던스를 충분히 크게 (예컨대 수십 옴 이상) 하는 것이 바람직하다.

이상, 이 발명의 실시예를 도면에 의하여 상술하여 왔으나, 구체적인 구성은 이 실시예로 한정되는 것은 아니고, 이 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위의 설계의 변경 등이 있어도 이 발명에 포함된다. 예컨대, 기체절연재층 (5) 을 구성하는 절연재로서, 유리에폭시 수지판을 사용할 수도 있고, 또는 세라믹판을 사용할 수도 있다. 전원절연재층 (4) 을 형성하는 박막유전체는, 증착에 의하여 형성할 수도 있고, 마찬가지로 후막 유전체는, 스패터링에 의하여 형성할 수도 있다.

이상 설명하였듯이, 이 발명에 의하면, 다층 프린트 기판에 탑재되는 반도체 IC 및 LSI 등의 회로소자에 대하여, 개별로 낮은 임피던스의 독립전원을 설치한 경우와 동일한 상태에서, 직류전원을 공급할 수 있음과 동시에, 프린트 기판에 탑재되어 있는 IC, LSI 등의 회로소자의 고속, 고주파의 동작을 저해하지 않고, 디지털 기기를 비롯한, 고속, 고주파의 전자기기로부터의 전자기 방사를 억제할 수 있고, 또한 외부로부터의 전기적 또는 전자적 외란에 대한 내력을 향상시키는 것이 가능해진다.

Claims (13)

1. 전원배선을 설치한 전원층의 상하 양측에 각각 제 1 절연재층을 통하여 그라운드층을 적층하고, 이후 이들의 상하 편측 또는 양측에 제 2 절연재층을 통하여 신호배선을 설치한 신호층을 적층하여 이루어지며,

   상기 전원배선은 상기 전원층내의 직류전원 수전단자와 상기 신호층 상의 각 회로소자간에 설치되는 독립된 선로구조로 이루어 지는 것을 특징으로 하는 다층 프린트 기판.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 절연재층이, 얇은 절연재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층 프린트 기판.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 절연재층이, 고유전율 필름으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층 프린트 기판.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 그라운드층이, 스루홀 및 비아홀 이외의 천공 또는 독립된 배선을 포함하지 않는 전면 평판의 도체층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층 프린트 기판.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 전원배선이, 회로전류에 의한 전압강하가 소정치 이하가 되는 선로폭과, 상기 전원배선의 특성 임피던스가 소정치 이하가 되는 선로폭중, 넓은쪽의 선로폭을 갖는 것을 특징으로 하는 다층 프린트 기판.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 전원배선은, 상기 회로소자에 대한 전원전류에 포함되는 고주파 성분의 상기 선로상의 파장에 대하여, 상기 선로의 종단조건에 의하여 정해지는 값을 곱한 것 이상의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 다층 프린트 기판.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 전원배선이, 일정 면적내에 일정폭을 갖는 가장 긴 배선을 수용가능한 선로 패턴으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층 프린트 기판
8. 제 7 항에 있어서, 상기 선로 패턴이 구부러진 배선으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층 프린트 기판.
9. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 전원배선이, 회로소자와의 접속점과 그라운드층간, 및 상기 전원배선이 접속되어 있는 직류전원 수전단자와 그라운드층간에, 각각 콘덴서가 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 다층 프린트 기판.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 전원배선이, 회로소자측에서, 전원전류에 포함되는 고주파성분의 고주파대역에서 낮은 특성 임피던스를 갖는 콘덴서에서 종단되고, 직류전원 수전단자측에서, 상기 전원전류에 포함되는 고주파성분의 저주파대역에서 낮은 특성 임피던스를 갖는 콘덴서에서 종단되는 것을 특징으로 하는 다층 프린트 기판.
11. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 직류전원 수전단자와 외부의 전자유니트를 접속하는 직류공급 케이블이, 상기 전원배선에 비하여 높은 커먼모드 임피던스를 갖는 것을 특징으로 하는 다층 프린트 기판.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 절연재층이, 유리에폭시 수지판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층 프린트 기판.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 절연재층이, 세라믹판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층 프린트 기판.