KR102188294B1

KR102188294B1 - 인쇄 배선판

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Publication number: KR102188294B1
Application number: KR1020197002278A
Authority: KR
Inventors: 요시타카 토요타; 켄고 이오키베; 씽샤오위 린; 토시유키 카네코; 마사노리 나이토; 토시히사 우에하라
Original assignee: 고꾸리츠 다이가꾸 호우징 오까야마 다이가꾸; 교세라 가부시키가이샤
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2017-07-20
Publication date: 2020-12-08
Also published as: TWI658768B; JPWO2018021150A1; TW201811141A; JP6611066B2; KR20190021401A; US10542622B2; US20190274214A1; CN109496460A; WO2018021150A1; CN109496460B

Abstract

본 개시의 인쇄 배선판은 전원층과 그라운드층을 포함하고, 전원층의 일부에 형성되는 전원층 패턴이 인접하는 EBG 단위셀 사이를 접속하는 직류 급전로인 브랜치와, 이 브랜치를 따라 설치된 슬릿을 통해 접속하는 전원층 전극을 포함하고, 상기 전원층 전극과 대향하도록 층간을 두고 배치되는 용량 결합 소자가 상기 전원층 패턴 내의 브랜치와, 비아를 통해 접속되는 EBG 단위셀이 주기적으로 배치된 구조를 갖는다.

Description

인쇄 배선판

본 개시는 전자 밴드 갭 구조를 갖는 인쇄 배선판에 관한 것이다.

다층 인쇄 배선판의 전원층―그라운드층에서 생기는 평행 평판 공진 억제 또는 고주파 노이즈 전파 억제에는 노이즈 억제 부품 또는 노이즈 전파 억제를 갖는 다층 인쇄 배선판이 고려된다. 다층 인쇄 배선판에 있어서의 전원계 노이즈의 저감에는 통상 콘덴서가 사용된다. 한편, 노이즈 전파 억제에는 전원층―그라운드층에 대하여 전자 밴드 갭(Electromagnetic band gap: EBG) 구조체가 이용된다. 이러한 EBG 구조체를 이용한 인쇄 배선판은 예를 들면, 특허문헌 1~5에 개시되어 있다.

일본특허공개 2010-10183호 공보 일본특허공개 2013-58585호 공보 일본특허공개 2013-183082호 공보 일본특허공개 2013-255259호 공보 일본특허공개 2014-27559호 공보

본 개시의 인쇄 배선판은 전원층과 그라운드층을 포함한다. 전원층에 형성되는 전원층 패턴이 인접하는 EBG 단위셀 사이를 접속하는 직류 급전로인 브랜치와, 이 브랜치를 따라 설치된 슬릿을 통해 접속하는 전원층 전극을 포함한다. 전원층 전극과 대향하도록 층간을 두고 배치되는 용량 결합 소자가 전원층 패턴의 브랜치와, 비아를 통해 접속되는 EBG 단위셀이 주기적으로 배치된 구조를 갖는다.

도 1은 본 개시의 일실시형태에 의한 인쇄 배선판을 나타내는 설명도이다.
도 2(a)는 도 1에 나타내는 인쇄 배선판에 설치된 EBG 구조의 일실시형태를 나타내는 설명도이며, 도 2(b)는 EBG 구조에 포함되는 전원층 패턴을 나타내는 설명도이며, 도 2(c)는 EBG 구조에 포함되는 용량 결합 소자를 나타내는 설명도이다.
도 3은 본 개시의 전원 전극을 2층 구조로 함으로써 소형화의 원리 설명을 위한 EBG 단위셀에 포함되는 병렬 공진 회로의 등가 회로도이다.
도 4는 병렬 공진 회로의 공진 주파수가 전원층 전극과 용량 결합 소자의 거리에 의존하는 것을 나타내는 전자계 시뮬레이션 결과의 그래프이다.
도 5는 투과 특성의 전자계 시뮬레이션용의 인쇄 배선판의 일실시형태를 나타내는 설명도이다.
도 6은 도 5의 인쇄 배선판을 사용한 전자계 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7(a)는 EBG 구조의 다른 실시형태를 나타내는 설명도이며, 도 7(b)는 EBG 구조에 포함되는 전원층 패턴을 나타내는 설명도이며, 도 7(c)는 EBG 구조에 포함되는 용량 결합 소자를 나타내는 설명도이다.
도 8은 도 7(a)에 나타내는 EBG 구조를 구성하고 있는 EBG 단위셀에 포함되는 공진 회로 부분의 등가 회로이다.
도 9는 도 7(a)에 나타내는 EBG 단위셀 중의 공진 회로의 공진 주파수를 구하기 위한 전자계 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10(a)는 EBG 구조의 또 다른 실시형태를 나타내는 설명도이며, 도 10(b)는 EBG 구조에 포함되는 전원층 패턴을 나타내는 설명도이며, 도 10(c)는 EBG 구조에 포함되는 용량 결합 소자를 나타내는 설명도이다.

일반적으로 사용되고 있는 콘덴서에서는 등가 직렬 인덕턴스(ESL)의 영향에 의해 수백 MHz 이상에서 노이즈 억제의 효과를 기대할 수 없다. 1GHz 이상의 주파수에서의 노이즈 전파 억제에 대해서는 EBG 구조를 기판에 설치하는 것이 유효하게 되어 있다. 그러나, 실용화에는 EBG 구조의 소형화가 불가결하며, 소형화가 용이한 오픈 스터브를 사용한 EBG 구조가 보고되어 있다. 이 EBG 구조에서는 전원층―그라운드층 사이에 비아를 형성할 필요가 있으며, 비용면에서 불리해진다. 한편, 전원층―그라운드층 사이에 비아가 형성되어 있지 않은 EBG 구조는 일반적으로 소형화하기 어렵다는 문제가 있다.

본 개시의 인쇄 배선판에 설치되어 있는 EBG 구조는 전원층―그라운드층 사이에 비아가 형성되어 있지 않아도 전원층에 용량 결합 소자를 부가해서 전원 전극을 2층 구조로 함으로써 보다 소형화를 실현할 수 있다. 이하, 본 개시의 인쇄 배선판에 대해서 상세히 설명한다.

본 개시의 일실시형태에 의한 인쇄 배선판(1)은 도 1에 나타내는 바와 같이 전원층(2)과 그라운드층(3)을 포함하고, 이 전원층(2)은 그 일부에 EBG 구조(4)를 갖고 있다. 전원층(2)과 그라운드층(3) 사이는 절연층(9)이 형성되어 있다. 전원층(2) 및 그라운드층(3)은 예를 들면, 구리 등의 도전성 재료를 포함하는 솔리드 패턴으로 형성되어 있다. 전원층(2)의 두께는 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 18~70㎛ 정도이다. 그라운드층(3)의 두께도 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 18~70㎛ 정도이다.

전원층(2)과 그라운드층(3) 사이, 전원층(2)의 상면, 및 그라운드층(3)의 하면에는 절연층(9)이 형성되어 있다. 절연층(9)은 절연성을 갖는 소재로 형성되어 있으면 특별히 한정되지 않는다. 절연성을 갖는 소재로서는 예를 들면, 에폭시 수지, 비스말레이미드-트리아진 수지, 폴리이미드 수지, 폴리페닐렌에테르 수지 등의 유기 수지 등을 들 수 있다. 이들의 유기 수지는 2종 이상을 혼합해서 사용해도 좋다.

절연성을 갖는 소재로서 유기 수지를 사용하는 경우, 유기 수지에 보강재를 배합해서 사용해도 좋다. 보강재로서는 예를 들면 유리 섬유, 유리 부직포, 아라미드 부직포, 아라미드 섬유, 폴리에스테르 섬유 등의 절연성 포재를 들 수 있다. 보강재는 2종 이상을 병용해도 좋다. 또한, 절연성을 갖는 소재에는 실리카, 황산바륨, 탤크, 클레이, 유리, 탄산칼슘, 산화티탄 등의 무기 충전재가 포함되어 있어도 좋다.

EBG 구조(4)는 EBG 단위셀(41)을 브랜치를 따른 방향으로 복수개, 주기적으로 1차원 배치해서, 또는 이것에 직교하는 방향으로도 복수개, 주기적으로 2차원 배치해서 나란히 형성된다.

이하, 도 2(a)~(c)에 의거하여 일실시형태에 의한 EBG 구조(4)를 설명한다. 도 2(a)에 나타내는 일실시형태에 의한 EBG 구조(4)에서는 EBG 단위셀(41)을 브랜치를 따른 방향으로 3개 나란히 배치하고 있지만, 사용 형태에 따라서 적당히 배치의 변경은 가능하다.

EBG 단위셀(41)은 도 2(a)에 나타내는 바와 같이 전원층 패턴(42)의 상방에 층간을 두고 용량 결합 소자(43)가 배치된 구조를 갖는다. 이 EBG 단위셀(41)은 설계 단계에서 인쇄 배선판(1) 내에 설치하기 때문에 노이즈 억제 부품과 달리 인쇄 배선판 제작 후의 실장 비용이 불필요해진다. EBG 단위셀(41)의 형상은 특별히 한정되지 않지만, 배치했을 때에 공간 절약이 되는 대략 직사각형 형상인 것이 좋다.

전원층 패턴(42)은 도 2(b)에 나타내는 바와 같이 인접하는 EBG 단위셀(41) 사이를 전원 급전에 필요한 직류 전류를 흘릴 수 있는 범위에서 되도록 가는 브랜치(45)에 의해 접속한 구조를 갖고 있다. 이 브랜치(45)와 슬릿(46)을 사이에 두고 단부에서 접속한 전원층 전극(47)이 설치되어 있다. 또한, 전원층 패턴(42)은 용량 결합 소자(43)의 비아(44b)와 접속하는 비아(44a)를 적어도 1개 갖는다. 여기서, 「단부」란 EBG 단위셀(41)에 있어서 슬릿(46)을 끼워 브랜치(45)와 대향하는 전원층 전극(47)의 변의 단부, 구체적으로는 비아(44a)와 반대측의 단부(모서리)로부터 변의 길이의 약 1/8까지의 위치를 의미한다.

용량 결합 소자(43)는 도 2(c)에 나타내는 바와 같이 전원층 패턴(42)의 비아(44a)와 접속하는 비아(44b)를 적어도 1개 갖는다. 이 용량 결합 소자(43)는 전원층 전극(47)의 상방으로부터 포개지도록 배치한다. 이 용량 결합 소자(43)는 예를 들면, 구리 등의 도전성 재료로 형성되어 있다. 또한, 용량 결합 소자(43)는 전원층 패턴(42)과 같은 도전성 재료이어도 좋다.

이 전원층 전극(47)과 용량 결합 소자(43)는 평행 평판 콘덴서를 형성하고, 용량 결합(결합 용량(Cs))을 실현한다.

도 2(a)에 나타내는 바와 같이, EBG 단위셀(41) 내에 있어서 브랜치(45)의 인덕턴스(Lb)와, 상기 결합 용량(Cs)과 비아(44)의 인덕턴스(Lv)의 직렬 회로에 의해 도 3에서 나타내는 병렬 공진 회로가 형성된다. 이 공진 주파수가 2.4GHz가 되도록 인덕턴스(Lb)와 결합 용량(Cs)을 설계하면 2.4GHz 부근의 대역에 전자파가 전파되지 않는 저지 영역을 설정할 수 있다. 전원층 전극(47)이나 용량 결합 소자(43)의 형상이나 간격을 Cs가 증가하도록 설계하면 공진 주파수를 낮출 수 있어 EBG 구조(4)의 소형화를 실현할 수 있다.

브랜치(45)는 전원 공급에 필요한 직류 전류를 흐르게 하기 위한 것이며, EBG 단위셀(41) 내에 배치되어 있다. 슬릿(46)을 통해 평행 평판 콘덴서를 형성하기 위한 전원층 전극(47)을 배치한다. 이 전원층 전극(47)에 대향 전극이 되는 용량 결합 소자(43)를 층간을 두고 설치한다. 전원층 전극(47)과 용량 결합 소자(43)의 층간의 두께는 25㎛ 이하이어도 좋고, 충분한 결합 용량(Cs)을 갖도록 하기 위해서 5~20㎛이어도 좋다. 브랜치(45)는 EBG 단위셀(41)의 임의의 장소에 배치되어도 좋다. 용량 결합 소자(43)가 겹치지 않도록 배치되면, 보다 인덕턴스를 크게 할 수 있다. 도 4나 도 6의 전자계 시뮬레이션 결과가 얻어졌을 때의 브랜치(45)의 폭이나 EBG 단위셀(41)의 사이즈는 각각 0.25mm×0.25mm 및 2.0mm×2.0mm이다.

이렇게 본 개시에서는 전원층 전극(47)의 상방에 용량 결합 소자(43)를 배치 함으로써 평행 평판 콘덴서를 형성하고, 용량 결합을 실현한다. 상세하게 말하면, 전원층 전극(47)과 용량 결합 소자(43)의 층간에 결합 용량(Cs)을 갖게 하고, 브랜치(45)의 단에서 전원층 전극(47)과 접속함과 아울러 브랜치(45)의 다른 한 쪽의 단에 설치된 비아(44)에 의해 용량 결합 소자(43)를 접속시키고, 브랜치(45)에서 발생하는 인덕턴스(Lb)와의 사이에서 병렬 공진 회로를 EBG 단위셀(41) 내에 형성했다.

도 3은 도 2(a)에 나타내는 EBG 단위셀(41)에 포함되는 병렬 공진 회로 부분의 등가 회로이다. 이 때, Lb는 브랜치(45)의 인덕턴스 성분을 나타낸다. 또한, Cs는 전원층 패턴(42)이 슬릿(46)에 의해 분할된 전원층 전극(47)과 용량 결합 소자(43)의 결합 용량을 나타내고, Lv는 전원층 패턴(42)으로부터 비아(44(44a, 44b))를 통해 용량 결합 소자(43)에 접속되는 경로의 인덕턴스 성분을 나타내고 있다. 전원층 전극(47)과 용량 결합 소자(43)의 층간의 두께에 Lv는 의존하지만, 두께가 충분히 얇으면 설계상 무시해도 좋다. 정밀도를 구하는 경우는 Lv의 크기를 고려하여 설계를 행할 수도 있다.

도 2에 나타내는 것과 같은 EBG 구조를 갖고, 전원층 전극과 용량 결합 소자의 층간 두께가 다른 3개의 EBG 구조(25㎛ 두께, 12㎛ 두께 및 8㎛ 두께)에 포함되는 병렬 공진 회로의 공진 주파수를 전자계 시뮬레이션에 의해 조사한 그래프를 도 4에 나타낸다. 도 4에 의하면, 25㎛ 두께의 EBG 구조를 사용했을 경우, 공진 주파수는 3.45GHz이었다.

12㎛ 두께 및 8㎛ 두께에서는 각각 2.4GHz, 1.9GHz가 공진 주파수가 되고, 얇아질수록 공진 주파수가 저주파측으로 시프트하는 것을 알 수 있다. 이것은 전원층 전극과 용량 결합 소자의 층간의 두께를 얇게 할수록 EBG 구조를 소형화할 수 있는 것을 나타내고 있다.

도 5는 투과 특성의 시뮬레이션용의 인쇄 배선판(10)의 일실시형태를 나타내는 설명도이다. 이 인쇄 배선판(10)에 있어서, 포트(51), 포트(52, 53)와는 EBG 구조(40)에 의해 분단되어 있다. EBG 구조(40)는 EBG 단위셀(41)을 인쇄 배선판(10)의 길이방향으로 3개, 폭방향으로 8개, 즉, 횡단면방향으로 24개 배치한 구조를 나타내고 있다. 인쇄 배선판(10)의 길이방향은 EBG 단위셀(41)을 브랜치를 따르게 한 방향과 같다. EBG 단위셀(41)은 상술의 도 2(a)에 나타내는 것과 같은 형상이며, 전원층 전극과 용량 결합 소자의 층간의 두께가 12㎛이며, EBG 단위셀(41)은 2.0mm×2.0mm로 형성된다. 이 때, EBG 구조(40)의 폭은 길이방향이 6.0mm, 횡단면방향이 48.0mm이다. 인쇄 배선판(10)의 두께방향의 그라운드층 및 절연층은 생략되어 있다.

인쇄 배선판(10)을 사용한 전자계 시뮬레이션에서 포트(51)―포트(52) 및 포트(51)―포트(53) 사이의 투과 특성을 각각 평가한 결과를 도 6에 나타낸다. 굵은 선은 EBG 구조(40)를 형성했을 경우, 가는 선은 EBG 구조(40)가 없을(솔리드 구조) 경우(Reference)의 투과 특성을 나타내고 있다. 또한, 도면 중의 S21은 포트(51)―포트(52) 사이, S31은 포트(51)―포트(53) 사이를 나타내고 있다.

도 6으로부터 EBG 구조(40)를 형성했을 경우, 2.4GHz 부근에서 투과량이 20dB 이상 감소하고, 고주파의 전자 노이즈를 전파시키지 않는 저지 영역이 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 이 결과로부터 EBG 단위셀 내의 전원층 패턴이나 용량 결합 소자의 형상을 바꾸면, 가일층의 소형화 또는 다른 주파수 영역에 저지 영역을 형성하는 것이 가능한 것을 알 수 있다.

이어서, 도 7(a)~(c)에 의거해서 다른 실시형태에 의한 EBG 구조(4')를 설명한다. 상술의 일실시형태에 의한 EBG 구조(4)와 동일한 부재에 대해서는 동일 부호를 붙여 상세한 설명은 생략한다.

다른 실시형태에 의한 EBG 구조(4')에서는 전원층 패턴(42')은 도 7(a) 및 (b)에 나타내는 바와 같이 인접하는 EBG 단위셀(41) 사이를 브랜치(45)에 의해 접속하고, 이 브랜치(45)와 슬릿(46)을 사이에 두고 단부 이외에서 접속한 전원층 전극(47)을 설치하고 있다. 여기서, 「단부 이외」란 상술의 「단부」이외의 부분을 말하고, 비아(44a)와 반대측의 단부(모서리)로부터 변의 길이의 약 1/8의 위치로부터 비아(44a)측의 단부(모서리)까지의 것을 의미한다. EBG 구조(4')에 있어서, 전원층 전극(47)과 용량 결합 소자(43)의 층간 두께는 12㎛이다.

도 8은 도 7(a)에 나타내는 EBG 단위셀(41)에 포함되는 병렬 공진 회로 부분의 등가 회로이다. 이 때, L_b/2는 브랜치(45)의 인덕턴스 성분을 나타낸다. 또한, Cs는 전원층 패턴(42')이 슬릿(46)에 의해 분할된 전원층 전극(47)과 용량 결합 소자(43)의 결합 용량을 나타낸다. 도 7(a)에서는 전원층 패턴(42')은 브랜치(45)와 슬릿(46)을 사이에 두고 거의 중앙부에서 접속한 전원층 전극(47)을 설치하고 있기 때문에 인덕턴스 성분은 L_b/2이다. 접속 위치에 따라 분모는 다른 값을 채용한다.

도 9는 도 7(a)에 나타내는 EBG 구조(4') 중의 병렬 공진 회로의 공진 주파수를 구하기 위한 전자계 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다. 이 공진 해석 결과로부터 EBG 구조(4')는 3.3GHz 부근의 대역에 전자 노이즈 전파를 억제하는 저지 영역을 설정할 수 있는 것을 알 수 있다. 「단부」의 그래프는 상술의 EBG 단위셀(41)(12㎛ 두께)의 결과를 나타낸다.

본 개시의 인쇄 배선판에 의하면, EBG 구조체가 전원층과 그라운드의 비아를 갖지 않음에도 불구하고 EBG 구조체(EBG 단위셀)의 소형화가 가능하다. 또한, 설계 단계에서 EBG 구조를 인쇄 배선판 내에 설치하기 때문에 인쇄 배선판 제작 후의 실장 비용이 불필요해진다.

또한, 도 7(a)에 나타내는 EBG 구조(4')와 같이 접속 위치를 변경한다는 비교적 용이한 설계 변경으로 적용하는 주파수를 변경할 수 있다.

이상, 본 개시의 인쇄 배선판을 설명했지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고 다양한 개선이나 개량이 가능한다.

브랜치는 EBG 단위셀 내의 어느 곳에 배치되어도 좋다. 예를 들면, 도 10에 나타내는 또 다른 실시형태에 의한 EBG 구조(4'')에서는 브랜치(45')가 EBG 단위셀(41)의 대략 중앙부에 배치되어 있다. 상술의 일실시형태에 의한 EBG 구조(4)와 동일한 부재에 대해서는 동일 부호를 붙여 상세한 설명은 생략한다.

1, 10 인쇄 배선판 2 전원층
3 그라운드층 4, 4', 4'', 40 EBG 구조
41 EBG 단위셀 42, 42' 전원층 패턴
43 용량 결합 소자 44, 44a, 44b 비아
45, 45' 브랜치 46 슬릿
47 전원층 전극 51~53 포트
9 절연층

Claims

전원층과, 비아와, 용량 결합 소자를 포함한 EBG 단위셀을 복수개 갖고,
상기 전원층의 일부에 형성되는 전원층 패턴이 브랜치와 전원층 전극을 포함하고,
상기 브랜치는 인접한 상기 EBG 단위셀 사이를 접속하는 직류 급전로이고,
상기 전원층 전극은 상기 브랜치를 따라 설치되고, 해당 브랜치의 한쪽 단에 접속되어 있음과 동시에, 슬릿을 통해 배치되어 있으며,
상기 비아는 상기 전원층 전극과 접속된 상기 브랜치의 상기 한쪽 단과는 반대측의 다른 단에 설치되어 있으며,
상기 용량 결합 소자는 상기 전원층 전극과 대향하도록, 층간을 두고 배치되어 있으며, 상기 브랜치와 상기 비아를 통해 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 인쇄 배선판.
제 1 항에 있어서,
전원층 패턴이 상기 브랜치와 상기 슬릿을 통해 단부에서 접속하는 전원층 전극을 포함하는 인쇄 배선판.
제 1 항에 있어서,
전원층 패턴이 상기 브랜치와 상기 슬릿을 통해 단부 이외에서 접속하는 전원층 전극을 포함하는 인쇄 배선판.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 브랜치가 EBG 단위셀의 단부에 배치되는 인쇄 배선판.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전원층 전극과 상기 용량 결합 소자의 층간의 두께가 25㎛ 이하인 인쇄 배선판.