JP2734447B2 - 多層プリント基板 - Google Patents
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Description
係り、特にトランジスタ、集積回路(IC)、大規模集
積回路(LSI)などのような回路素子が搭載された多
層プリント基板に関する。
な回路素子が搭載された多層プリント基板は電磁ノイズ
を発生するため、そのプリント基板が電子機器自身にあ
るいは他の電子機器に誤動作を引き起こす問題があるこ
とはよく知られている。
モードといわれる、回路の寄生容量や寄生相互インダク
タンスによって流れる電流(廻り込み電流)や電源供給
線に流れ込む高周波電流による放射であり、その発生機
構が複雑なため、発生源に近い所での有効な対策方法が
なかった。そのため、従来は電子機器全体を金属筐体で
電磁遮蔽をする対策がとられている。
電源層16による電源供給線とグランド層17によるグ
ランド線との間に接続された、高周波電源電流発生源で
あるIC/LSI3の近傍にデカップリングコンデンサ
4を並列に接続することがよく行われている。これは、
IC/LSI3のスイッチング動作に伴って、電源層1
6に流れる高周波電源電流をIC/LSI3近傍でデカ
ップリングコンデンサ4を介してバイパスさせると共
に、IC/LSI3のスイッチング動作に伴うIC/L
SI3の電源端子部の電圧変動を抑制しようとするため
である。
線となる電源層16は、全面導電膜の層で構成された、
いわゆる全面平板の電源層である。これにより、電流の
流れる面を最大にして電源供給線の抵抗値を小さくし、
直流電源電圧変動を抑圧する効果を得ている。
の多層プリント基板では、IC/LSIの動作に伴いデ
カップリングコンデンサを介して電源層に流れ込む高周
波電源電流を設計者がコントロールできないという問題
がある。
ピーダンスが小さいことから、IC/LSIの高周波電
源電流は、一つのIC/LSIの近傍に配置したデカッ
プリングコンデンサだけでなく、その他のIC/LSI
の近傍に配置したデカップリングコンデンサにも流れ込
むことにより、多層プリント基板全体では、高周波電源
電流の分布は非常に複雑であり、解析が困難であった。
このため、IC/LSI毎に配置するデカップリングコ
ンデンサの容量値を決定することができなかった。
は、電源層自身が全面平板となっているため、その経路
が複雑であり、場合によっては、大きなループを形成
し、電磁放射やイミュニティ劣化の要因になるという問
題がある。
電流が大であるIC/LSI3cと、高周波電源電流が
中程度であるIC/LSI3dと、高周波電源電流が小
であるIC/LSI3eがそれぞれ電源供給線16及び
グランド17に並列に接続されており、また、それぞれ
のIC/LSI3c〜3eの高周波電源電流量に応じ
て、IC/LSI3cの近傍には容量の大きな(インピ
ーダンスZが小さな)デカップリングコンデンサ4d
が、IC/LSI3dの近傍には容量が中程度の(イン
ピーダンスZが中程度の)デカップリングコンデンサ4
eが、IC/LSI3eの近傍には容量の小さな(イン
ピーダンスZが大きな)デカップリングコンデンサ4f
が、それぞれ配置されている場合は次のような問題があ
る。
傍に配置したデカップリングコンデンサ4fのインピー
ダンスが大きいため、IC/LSI3eからのすべての
高周波電源電流が、デカップリングコンデンサ4fでグ
ランド17にバイパスされず、一部がIC/LSI3c
又は3dに流れ込んでしまい、電流ループ面積が大きく
なり、結果として、放射電磁ノイズが増大し、イミュニ
ティが劣化する問題が起こり得る。
が、近傍に配置されたデカップリングコンデンサ4fで
バイパスされない場合、高周波電源電流の他経路への流
れ込みにより、経路のインピーダンスが大きくなり、そ
の結果、交流電圧変動も大きくなり、IC/LSI自身
の安定動作にも影響することするあり得る。
器全体を金属筐体内に収納することにより、電磁遮蔽を
しているが、金属筐体には電子機器の操作部その他を設
ける必要上、開口部を設けなければならないために、完
全に電磁ノイズの外部への漏れを防止することは困難で
ある。
デカップリングコンデンサに流れ込んでしまうIC/L
SI動作に伴う高周波電源電流を従来に比べて小さくで
きる多層プリント基板を提供することを目的とする。
なる電源層に廻り込むIC/LSIの高周波電源電流を
コントロールできる多層プリント基板を提供することに
ある。
C/LSIの動作安定化を可能とする多層プリント基板
を提供することにある。
発生を大幅に低減し得る多層プリント基板を提供するこ
とにある。
成するため、電源層とグランド層と信号層がそれぞれ絶
縁材を介在して積層された多層プリント基板において、
電源層を配線化したインピーダンス付加回路が形成され
た構成としたものである。
め、電源層を絶縁材を介在してグランド層に両側から挟
まれていることを特徴とし、電源層の上下両側の絶縁材
を、磁性体を含む磁性体混合絶縁材で形成し、電源層の
上下両側の絶縁材を除く他の絶縁材は、誘電体特性のみ
を有する絶縁材で形成したものである。
ら挟むグランド層は、スルーホール及びヴィアホール以
外の孔及び配線を含まない全面平板であることが、信号
線のリターンパス、すなわち信号の帰路電流のルートを
最短に確保する意味で望ましい。また、インピーダンス
付加回路は、限られた領域で大なるインダクタンスが得
られる線路パターンで形成されている。このインピーダ
ンス付加回路は、つづら折り状や交差状の線路パターン
であることが、経路長を長くできる点で望ましい。
したインピーダンス付加回路が形成されている。このイ
ンピーダンス付加回路としては、例えば図4(a)に示
すようにつづら折り状に形成した線路パターン11があ
る。この線路パターン11は単純に2点間を結ぶ直線状
の線路パターンよりも経路長が長い。線路パターンのイ
ンダクタンスは経路長に比例するので、この線路パター
ン11で構成されるインピーダンス付加回路はインダク
タンスが直線状パターンで構成した場合よりも大きくな
り、結果的に実際の部品を使用せずに大きな値のインダ
クタンスを確保することができる。
して、特に大きな線路インダクタンスを得たい場合にお
いて、基板配線領域上の制約を受ける場合には、図4
(c)に示すような、スパイラル状線路パターン13が
有効である。つづら折りに代表される配線例では、配線
インダクタンスは線路長に応じて大きくなるが、スパイ
ラル状に配線した場合は、巻数の二乗に応じた大きなイ
ンダクタンスを得られるという利点がある。
18よりの配線は、グランド層にヴィアホールを介して
引き出して、できる限り短い線長で配線パターンを形成
するか、ヴィアホールを介して部品を搭載している表面
層まで配線を引き出して、その引き出し点に、コンデン
サを低インピーダンスで接続した上で、電源層に戻すと
いう配線処理が必要となる。
ーダンス付加回路が形成された電源層とを比較すると、
インピーダンス付加回路が形成された電源層の方が、電
流の流れる経路を設計者が特定でき、高周波電源電流の
発生源であるIC/LSI毎に最適デカップリングコン
デンサを決定できるという特徴がある。
4(b)に示すような交差状の線路パターン12を用い
ることもでき、また、この線路パターン12と線路パタ
ーン11又は線路パターン13と組み合わせて用いるこ
ともできるし、線路パターンの形状も図4に示されるも
のに限定されない。線路パターン12は線路パターン1
1を簡単化した線路パターンである。
の面上に平板状磁性体15を重ねた構造体のA−A’間
の単位面積当りのインピーダンスZは次式で求められ
る。
ピーダンス μ0:真空の透磁率 μa:磁性体15の比透磁率 d :磁性体15の厚さ 従って、本発明のように、インピーダンス付加回路が形
成された電源層を仮に図5の金属板とし、その電源層の
上下両側の絶縁材を磁性体15に相当する磁性体混合磁
性材料で形成することにより、電源層のインピーダンス
Zが高くなり、その結果、電源層の線路インピーダンス
を高くできると共に、磁性体15により電源層の配線イ
ンダクタンスをより高くできる。
加回路を用いて電源層の配線分布インダクタンスを確保
する理由について説明する。図7に示すように、高周波
電源電流が大であるIC/LSI3cと、高周波電源電
流が中程度であるIC/LSI3dと、高周波電源電流
が小であるIC/LSI3eがそれぞれ電源供給線16
及びグランド17に並列に接続されており、また、それ
ぞれのIC/LSI3c〜3eの高周波電源電流量に応
じて、IC/LSI3cの近傍には容量の大きな(イン
ピーダンスZが小さな)デカップリングコンデンサ4d
が、IC/LSI3dの近傍には容量が中程度の(イン
ピーダンスZが中程度の)デカップリングコンデンサ4
eが、IC/LSI3eの近傍には容量の小さな(イン
ピーダンスZが大きな)デカップリングコンデンサ4f
が、それぞれ配置されているものとする。
及び10cを図示のように接続しない場合は、図11と
共に説明したように、それぞれのデカップリングコンデ
ンサ4d〜4fのインピーダンスが異なるため、例えば
IC/LSI3eの近傍に配置したデカップリングコン
デンサ4fのインピーダンスが大きいため、IC/LS
I3eからのすべての高周波電源電流が、デカップリン
グコンデンサ4fでグランド17にバイパスされず、I
C/LSI3c又は3dの流れ込んでしまうことがあり
得る。すなわち、デカップリングコンデンサ4d〜4f
だけでは、個々のIC/LSI3c〜3eを高周波的に
分離するには不十分である。
6にインダクタンス10a、10b及び10cを設ける
ことにより、IC/LSI3c〜3eの各高周波電源電
流を近傍に配置したデカップリングコンデンサ4d〜4
fでバイパスさせ、電流ループを小さくし、他のIC/
LSIへの流れ込みを遮断することができるため、個々
のIC/LSI3c〜3eを高周波的に分離することが
できる。
電源層は、直流電圧降下を抑えつつプリント基板全体に
直流を分配することを目的とする幹配線と、搭載された
独立と見なされる回路間を高周波的に分離するために高
周波インピーダンスを高くすることを目的とする枝配線
とで構成されることを特徴とする。前記枝配線を構成す
るものが上述のインピーダンス付加回路である。
なされる回路との接続点には回路の高周波電源電流特性
に適合する第1のコンデンサ(デカップリングコンデン
サ)が接続され、幹配線と枝配線との接続点に第1のコ
ンデンサの作用を補完するための第2のコンデンサ(デ
カップリングコンデンサ)が接続されていることを特徴
とする。
め、使用する磁性体混合絶縁材の透磁率の実数部は設定
した周波数帯域内において低下せず、磁性体混合絶縁材
の透磁率の虚数部は上記設定した周波数対域内において
一定な特性を有しているものが効果的である。すなわ
ち、図6(a)に示すように、使用する磁性体混合絶縁
材の透磁率μの実数部μ’は、高い周波数(数百MH
z)での低下傾向が小さく、一方、使用する磁性体混合
絶縁材の透磁率の虚数部μ″は高い周波数(数百MHz
以上)での増加傾向が大きくないものが効果的である。
加回路による分布インダクタンス値が十分でないような
場合、上記の特性の磁性体混合絶縁材を使用すると、透
磁率の実数部μ’に比例して、分布インダクタンスが大
きくなるという効果があるからである。更に、この磁性
体混合絶縁材の透磁率μの実数部μ’に関しては、電源
配線に流れ込むIC/LSIの電源高周波成分を、IC
又は他の能動素子によって構成される独立と見なされる
回路間で高周波的に分離する目的で、高い周波数(数百
MHz)での低下傾向が小さいことが必要である。
の虚数部μ″は、抵抗成分であり、インダクタンスを補
完する作用とは逆に、高周波でのインピーダンスを低下
させる作用があるので、高い周波数(数百MHz以上)
での増加傾向が大きくないものが必要である。
磁性体混合絶縁材は、搭載された独立と見なされる回路
を流れる直流電流で飽和せず、励磁可能なヒステリシス
特性の磁性体を含有している。すなわち、使用する磁性
体混合絶縁材は、十分大きな値の飽和磁束密度Bsと、
十分小さな残留磁束密度Brを有する磁性体を含有して
おり、搭載された独立と見なされる回路をある程度の電
流(数アンペア)での励磁が可能であるという特性を有
するものが望ましい。すなわち、図6(b)に示すよう
な、B−H曲線と言われる磁化曲線におけるヒステリシ
ス特性が、ある程度の電流(数アンペア)で飽和せず、
励磁可能であることが必要である。ここで、Bは磁束密
度を示し、Hは磁界を表し、電流値に比例している。
源電流は、IC/LSIのスイッチング動作時に流れる
貫通電流に代表されるように、瞬時にある程度の大きな
電流が流れることがあり、その場合にも励磁可能な磁性
体混合絶縁材である必要がある。
態の平面図、図2は本発明の一実施の形態の断面図を示
す。本発明の実施の形態は、図2の断面図に示すよう
に、信号層5とグランド層6と電源層7が計8層、絶縁
材8又は9を介在して積層された8層プリント基板であ
る。
信号層5、グランド層6、信号層5、信号層5、グラン
ド層6、電源層7、グランド層6及び信号層5が形成さ
れており、信号層5と信号層5又はグランド層6との間
は誘電特性のみを有する絶縁材8が介在されているが、
電源層7の上下両側の絶縁材のみは磁性体混合絶縁材9
が用いられている。絶縁材9の磁性体として例えば、セ
ンダスト粉砕物を用い得る。
うに、銅箔パターンにより、直流電圧降下を抑えつつプ
リント基板全体に直流を分配することを目的とする幹配
線1と、搭載された独立と見なされる回路3間を高周波
的に分離するために高周波インピーダンスを高くするこ
とを目的とする枝配線2が形成されている。枝配線2を
構成するインピーダンス付加回路は、図4(a)に示し
たつづら折り状の線路パターン11及び図4(b)に示
した交差状の線路パターン12とが組み合わされた構成
である。
子によって構成される独立と見なされる回路3及びデカ
ップリングコンデンサ4、4’は、電源層7ではなく、
表面の部品面(表面層)に実装されており、ヴィアホー
ルを介して電源層7に接続されている。
3との接続点には回路の高周波電源電流特性に適合する
第1のコンデンサであるデカップリングコンデンサ4が
低インピーダンスで接続され、幹配線1と枝配線2との
接続点にもデカップリングコンデンサ4の作用を補完す
るための第2のコンデンサであるデカップリングコンデ
ンサ4’が接続されている。
ダンス付加回路が形成されている電源層7の上下両側の
絶縁材に磁性体混合絶縁材9が用いられていることか
ら、従来の全面平板の電源層に比べて電源層7の線路イ
ンピーダンスを高くできる。更に、電源層7の上下両側
の絶縁材9は磁性体材料で構成されているため、前記し
たように、電源層7の配線インダクタンスをより高くで
きる。
示すように、電源層7によるIC/LSI3a及び3b
をそれぞれ電源層7による電源供給線とグランド層6に
よる接地との間に共通接続するように搭載し、これらの
IC/LSI3a及び3bのそれぞれの近傍に別々にデ
カップリングコンデンサ4a及び4bを配置し、更に、
デカップリングコンデンサ4cに共通接続した構成の電
源回路を設けた場合は、電源層7のインピーダンス付加
回路の配線により分布インダクタンス10が確保され
る。
ングコンデンサ4a、4b、4cと共にフィルタを構成
し、電源供給線に流れ込むIC/LSI動作に伴う高周
波電源電流を抑制する効果がある。分布インダクタンス
10の値は、電源層7のインピーダンス付加回路の構成
により調整することができるため、上記のフィルタの定
数を調整できる。
SI3a、3bの近傍に配置したデカップリングコンデ
ンサ4a、4bを介して、電源供給線に流れ込んでしま
うIC/LSI動作に伴う高周波電源電流を従来に比べ
て大幅に小さくでき、このため、多層プリント基板から
の電磁放射を抑制することができる。従って、従来の金
属筐体から外部へ漏れる電磁放射を十分に抑制でき、場
合によっては金属筐体をも不要にできる。
れるものではなく、例えばインピーダンス付加回路は図
4(a)〜(c)に示した形状のものに限定されるもの
ではないし、プリント基板の層数や層の構成も図2に示
したものに限定されるものではない。
加回路を用いて配線化し、デカップリング回路を強化し
た電子機器(EWS:エンジニアリングワークステーシ
ョン)の放射磁界の測定結果を示し、同図(a)は電源
層が全面平板であるオリジナル基板の測定結果、同図
(b)は電源層を本発明により配線化した基板の測定結
果である。
結果を比較すると、電源層配線化基板の方が、クロック
周波数(40MHz)の逓倍波のスペクトラム(320
MHz、360MHz、480MHz、800MHz、
920MHz)が顕著に抑制されており、放射磁界の低
減効果があることが分かる。
ジナル基板と電源層を配線化した基板(EWS)の基板
上に磁界測定プローブを走査して得られた近傍磁界分布
の測定結果を示し、同図(a)がオリジナル基板の測定
結果、同図(b)が電源層配線化基板の測定結果であ
る。周波数はクロック周波数の2倍波である80MHz
にて測定した。図11の分布図において、色の濃い個所
は磁界強度の強い個所を表し、色が薄くなるにつれて磁
界強度が弱くなっていくことを示す。近傍磁界分布図の
中の左下部分で色の濃い個所にノイズ発生源であるCP
U及び大きなLSIが配置された基板である。
ル基板の測定結果である近傍磁界分布図と、同図(b)
の電源層を配線化した基板の測定結果である近傍磁界分
布図とを比較すると、電源層配線化基板の近傍磁界分布
図の方が左下のCPU、大きなLSIを配置した個所の
磁界強度が強く、逆に右上等の周辺の磁界強度が弱くな
っている(周りへの拡散が減少している)ことが分か
る。
きなLSIからの高周波電源電流が近傍に配置したデカ
ップリングコンデンサによって、グランドに効率良くバ
イパスされ、他のLSI/IC等への廻り込みが減った
ことを意味し、配線化によるLSI/IC単位でのアイ
ソレーションによるデカップリング効果が高まったこと
を示している。
電源層をインピーダンス付加回路が形成された構成とす
ることにより、実際の部品を使用せずに比較的大きな値
のインダクタンスを確保することができるため、広い範
囲にわたって実装されているデカップリングコンデンサ
に流れ込んでしまうIC/LSI動作に伴う高周波電源
電流を従来に比べて小さくできる。また、本発明によれ
ば、従来にくらべて、電源層に廻り込む電流の流れる経
路を設計者が特定でき、高周波電源電流の発生源である
IC/LSI毎に最適デカップリングコンデンサを決定
できる。
の絶縁材を磁性体を含む絶縁材で形成することにより、
電源層のインピーダンスが更に大きな値となり、上記の
効果をより一層高めることができる。同時に、IC/L
SI毎に最適のデカップリングコンデンサ容量を決定す
ることができるため、IC/LSI電源端子部の交流電
圧変動を小さくすることが容易となり、この結果、IC
/LSIの動作安定化が図られる。
ダンス付加回路による配線化によって、デカップリング
コンデンサのフィルタ効果を高めるようにしたため、放
射ノイズを抑制することができ、これに電源層の上下両
側の絶縁材を磁性体を含む絶縁材で形成することと相ま
って、多層プリント基板からの電磁放射を大幅に抑制す
ることができる。
図である。
の一例を示す図である。
る。
る。
ある。
図である。
である。
サを配置した例を示す図である。
る独立と見なされる回路 4、4’、4a〜4f デカップリングコンデンサ 5 信号層 6 グランド層 7 電源層 8 誘電体特性のみを有する絶縁材 5 磁性体混合絶縁材 7、7’、8 線路パターン 10、10a〜10c 分布インダクタンス 11、12、13 線路パターン 14 金属板 15 磁性体 16 電源層による電源供給線 17 グランド 18 スパイラル状パターンの内側端点
Claims (11)
- 【請求項1】 電源層とグランド層と信号層がそれぞれ
絶縁材を介在して積層された多層プリント基板におい
て、 前記電源層は配線化したインピーダンス付加回路が形成
され、かつ、前記電源層の上下両側の前記絶縁材は、磁
性体を含む磁性体混合絶縁材で形成されていることを特
徴とする多層プリント基板。 - 【請求項2】 前記電源層は、前記絶縁材を介在してグ
ランド層に両側から挟まれていることを特徴とする請求
項1記載の多層プリント基板。 - 【請求項3】 前記絶縁材のうち前記電源層の上下両側
の絶縁材を除く他の絶縁材は、誘電体特性のみを有する
絶縁材で形成されていることを特徴とする請求項1記載
の多層プリント基板。 - 【請求項4】 前記電源層を前記絶縁材を介在して両側
から挟むグランド層は、スルーホール及びヴィアホール
以外の孔及び配線を含まない全面平板であることを特徴
とする請求項1又は2記載の多層プリント基板。 - 【請求項5】 前記インピーダンス付加回路は、限られ
た領域で大なるインダクタンスが得られる線路パターン
で形成されていることを特徴とする請求項1又は2記載
の多層プリント基板。 - 【請求項6】 前記インピーダンス付加回路は、つづら
折り状、交差状及びスパイラル状のうちのいずれか一又
はそれらの二以上の組み合わせの線路パターンであるこ
とを特徴とする請求項1又は2記載の多層プリント基
板。 - 【請求項7】 前記スパイラル状の線路パターンは、一
端が前記電源層に直接接続され、他端が前記グランド層
又は表面層を経由して該電源層に接続されることを特徴
とする請求項6記載の多層プリント基板。 - 【請求項8】 前記電源層は、直流電圧降下を抑えつつ
プリント基板全体に直流を分配することを目的とする幹
配線と、搭載された独立と見なされる回路間を高周波的
に分離するために高周波インピーダンスを高くすること
を目的とする枝配線とで構成されることを特徴とする請
求項1又は2記載の多層プリント基板。 - 【請求項9】 前記電源層は、直流電圧降下を抑えつつ
プリント基板全体に直流を分配することを目的とする幹
配線と、搭載された独立と見なされる回路間を高周波的
に分離するために高周波インピーダンスを高くすること
を目的とする枝配線とで構成され、該枝配線と該独立と
見なされる回路との接続点には該回路の高周波電源電流
特性に適合する第1のコンデンサが接続され、該幹配線
と枝配線との接続点に該第1のコンデンサの作用を補完
するための第2のコンデンサが接続されていることを特
徴とする請求項1又は2記載の多層プリント基板。 - 【請求項10】 前記磁性体混合絶縁材の透磁率の実数
部は設定した周波数帯域内において低下せず、該磁性体
混合絶縁材の透磁率の虚数部は上記設定した周波数対域
内において一定な特性を有していることを特徴とする請
求項1記載の多層プリント基板。 - 【請求項11】 前記磁性体混合絶縁材は、搭載された
独立と見なされる回路を流れる直流電流で飽和せず、励
磁可能なヒステリシス特性の磁性体を含有していること
を特徴とする請求項1記載の多層プリント基板。
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