JP6611065B2 - 印刷配線板 - Google Patents

Description

本開示は、電磁バンドギャップ構造を有する印刷配線板に関する。

多層印刷配線板の電源層−グラウンド層で生じる平行平板共振抑制または高周波ノイズ伝搬抑制には、ノイズ抑制部品またはノイズ伝搬抑制を有する多層印刷配線板が考えられる。多層印刷配線板における電源系ノイズの低減には、通常、コンデンサが用いられる。一方、ノイズ伝搬抑制には、電源層−グラウンド層に対して電磁バンドギャップ（Electromagnetic band gap:ＥＢＧ）構造体が利用される。このようなＥＢＧ構造体を利用した印刷配線板は、例えば特許文献１〜５に開示されている。

特開２０１０−１０１８３号公報 特開２０１３−５８５８５号公報 特開２０１３−１８３０８２号公報 特開２０１３−２５５２５９号公報 特開２０１４−２７５５９号公報

本開示の印刷配線板は、電源層およびグラウンド層を含む。電源層に形成される電源層パターンが、隣接するＥＢＧ単位セル間を接続する直流給電路であるブランチと、電源層電極とを含む。容量結合素子本体を含む容量結合素子が、電源層電極と対向するように層間を設けて配置される。電源層パターンが、電源層電極から延在して該電極周囲の少なくとも一部を囲むように形成された電源層配線をさらに含むか、容量結合素子が、容量結合素子本体から延在して該本体周囲の少なくとも一部を囲むように形成された容量結合素子配線をさらに含むか、あるいは電源層パターンが電源層配線をさらに含みかつ容量結合素子が容量結合素子配線をさらに含む。電源層パターンと容量結合素子とが、電源層配線および容量結合素子配線の少なくとも一方に接続されたビアを介して接続されるＥＢＧ単位セルが周期的に配置されたＥＢＧ構造を有する。

図１は、本開示の印刷配線板の一実施形態を示す説明図である。 図２（Ａ）は図１に示す印刷配線板に設けられたＥＢＧ構造の一実施形態を示す説明図であり、図２（Ｂ）はＥＢＧ構造に含まれる電源層パターンを示す説明図であり、図２（Ｃ）はＥＢＧ構造に含まれる容量結合素子を示す説明図である。 図３は、図２（Ａ）に示すＥＢＧ構造を構成しているＥＢＧ単位セルに含まれる共振回路部分の等価回路である。 図４は、図２（Ａ）に示すＥＢＧ単位セル中の共振回路の共振周波数を求めるための電磁界シミュレーション結果を示すグラフである。 図５（Ａ）はＥＢＧ構造の他の実施形態を示す説明図であり、図５（Ｂ）はＥＢＧ構造に含まれる電源層パターンを示す説明図であり、図５（Ｃ）はＥＢＧ構造に含まれる容量結合素子を示す説明図である。 図６は、図５（Ａ）に示すＥＢＧ単位セルの共振回路の共振周波数を求めるための電磁界シミュレーション結果を示すグラフである。

一般に使用されているコンデンサでは、等価直列インダクタンス（ＥＳＬ）の影響によって、数百ＭＨｚ以上でノイズ抑制の効果を期待できない。１ＧＨｚ以上の周波数でのノイズ伝搬抑制については、ＥＢＧ構造を基板に設けることが有効とされている。しかし、実用化にはＥＢＧ構造の小型化が不可欠であり、小型化が容易なオープンスタブを使用したＥＢＧ構造が報告されている。このＥＢＧ構造では、電源層−グラウンド層間にビアを形成する必要があり、コスト面で不利となる。一方、電源層−グラウンド層間にビアが形成されていないＥＢＧ構造は、一般的に小型化しにくいという問題がある。

本開示の印刷配線板に設けられているＥＢＧ構造は、電源層−グラウンド層間にビアが形成されていなくても、電源層に容量結合素子を付加して電源電極を２層構造とすることによって、より小型化を実現することができる。以下、本開示の印刷配線板について詳細に説明する。

本開示の一実施形態に係る印刷配線板を図１に示す。図１に示す印刷配線板１は、電源層２とグラウンド層３とを含み、この電源層２は、その一部にＥＢＧ構造４を有している。電源層２およびグラウンド層３は、例えば銅などの導電性材料を含むベタパターンで形成されている。電源層２の厚さは特に限定されず、例えば１８〜７０μｍ程度である。グラウンド層３の厚さも特に限定されず、例えば１８〜７０μｍ程度である。

電源層２とグラウンド層３との間、電源層２の上面、およびグラウンド層３の下面には、絶縁層５が形成されている。絶縁層５は絶縁性を有する素材で形成されていれば特に限定されない。絶縁性を有する素材としては、例えば、エポキシ樹脂、ビスマレイミド−トリアジン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂などの有機樹脂などが挙げられる。これらの有機樹脂は２種以上を混合して用いてもよい。

絶縁性を有する素材として有機樹脂を使用する場合、有機樹脂に補強材を配合して使用してもよい。補強材としては、例えば、ガラス繊維、ガラス不織布、アラミド不織布、アラミド繊維、ポリエステル繊維などの絶縁性布材が挙げられる。補強材は２種以上を併用してもよい。さらに、絶縁性を有する素材には、シリカ、硫酸バリウム、タルク、クレー、ガラス、炭酸カルシウム、酸化チタンなどの無機充填材が含まれていてもよい。

図１に示す印刷配線板１は、電源層２の一部にＥＢＧ構造４を有している。ＥＢＧ構造４の一実施形態を、図２（Ａ）〜（Ｃ）に基づいて説明する。図２（Ａ）は、図１に示す印刷配線板１に設けられたＥＢＧ構造４の一部分を示す。図２（Ａ）に示すように、ＥＢＧ構造４は、複数のＥＢＧ単位セル４１で形成されている。図２（Ａ）は、図１に示すＥＢＧ構造４のうち、ブランチ４２２に沿った方向に３つ並べて配置したＥＢＧ単位セル４１を抜き出して示している。

ＥＢＧ構造４は、電源層パターン４２および容量結合素子４３で形成されており、電源層パターン４２は、図２（Ｂ）に示すように、電源層電極４２１およびブランチ４２２で構成されている。すなわち、電源層パターン４２は、電源層２の一部において、スリットを形成することによって、電源層電極４２１およびブランチ４２２に区別されている。電源層電極４２１は略矩形を有し、ブランチ４２２の一部で接続されている。電源層電極４２１の上方に重ねるように容量結合素子４３が配置され、両者は容量結合されている。容量結合素子４３の一部から容量結合素子配線４３２が延在し、その先端部でビア４４を介してブランチ４２２と接続されている。

容量結合素子４３は、図２（Ｃ）に示すように、容量結合素子本体４３１および容量結合素子配線４３２で構成されている。容量結合素子４３は、例えば銅などの導電性材料で形成されている。容量結合素子４３は電源層パターン４２と同じ導電性材料であってもよい。容量結合素子本体４３１は略矩形を有しており、電源層電極４２１と略同じ大きさである。一方、容量結合素子配線４３２は、容量結合素子本体４３１の角部４３１ａからブランチ４２２が延在している方向に延在している。

電源層電極４２１と容量結合素子４３とは絶縁層５を介して容量結合されている。一方、電源層電極４２１の一部とブランチ４２２は接続され、同時に、容量結合素子４３から延在している容量結合素子配線４３２の先端部でビアを介してブランチ４２２と接続されている。ビアは、例えば銅などの導電性材料で形成されている。

図３は、ＥＢＧ構造４を構成しているＥＢＧ単位セル４１に含まれる共振回路部分の等価回路を示している。図３において、各記号は以下のとおりである。
Ｌｂ：ブランチ部分のインダクタンス成分。
Ｃｓ：電源層パターンと容量結合素子との結合容量。
Ｌｖ：電源層パターンと容量結合素子とを接続するビア部分のインダクタンス成分。
Ｌｗ：容量結合素子からビアまでを接続する容量結合素子配線部分のインダクタンス成分。

電源層パターン４２と容量結合素子４３との層間の厚さは、特に限定されない。電源層パターン４２と容量結合素子４３との間に結合容量Ｃｓを有するようにするために、電源層パターン４２と容量結合素子４３との層間の厚さは２５μｍ以下であってもよい。十分な結合容量Ｃｓを有するようにするために、層間の厚みは１０〜２０μｍ以下であってもよい。

ＥＢＧ構造４は、この容量結合ＣｓがインダクタンスＬｖとＬｗを介して接続され、電源層電極４２１の少なくとも一部を囲むように形成されたブランチ４２２で発生するインダクタンスＬｂを使い共振させる。容量結合素子４３に、容量結合素子本体４３１の少なくとも一部を囲むように容量結合素子配線４３２の経路を長くし、インダクタンスＬｗを大きくする。これにより、見かけ上容量結合Ｃｓを大きくすることができるため、並列共振周波数を下げることができる。これは、ＥＢＧ単位セル４１を小さくできることを示しており、その結果、ＥＢＧ構造４を小型化することが可能となる。ＥＢＧ単位セル４１の大きさは、略矩形状の場合、例えば縦横がそれぞれ３ｍｍ以下であり、１．５ｍｍ以下であってもよい。

図４は、ＥＢＧ単位セル４１中の共振回路の共振周波数を求めるための電磁界シミュレーション結果を示すグラフである。この共振解析結果から、ＥＢＧ構造４は、ＥＢＧ単位セルが１．９５ｍｍ×１．８５ｍｍにもかかわらず、２．４ＧＨｚ付近の帯域に電磁ノイズ伝搬を抑制する阻止域を設定できることがわかる。

次に、本開示の印刷配線板に設けられているＥＢＧ構造の他の実施形態を、図５（Ａ）〜（Ｃ）に基づいて説明する。

図５（Ａ）は、図１に示す印刷配線板１に設けられたＥＢＧ構造４の一部分を示す。図５（Ａ）に示すように、ＥＢＧ構造４’は、複数のＥＢＧ単位セル４１’で形成されている。図５（Ａ）は、図１に示すＥＢＧ構造４のうち、ブランチ４２２に沿った方向に３つ並べて配置したＥＢＧ単位セル４１’を抜き出して示している。

図５（Ａ）に示すＥＢＧ単位セル４１’と図２（Ａ）に示すＥＢＧ単位セル４１とは、電源層パターンに設けられた電源層配線４２３および容量結合素子に設けられた容量結合素子配線４３２’の長さが相違する。すなわち、図２（Ａ）に示すＥＢＧ単位セル４１では、図２（Ｂ）に示すように電源層パターン４２に電源層配線は存在せず、図２（Ｃ）に示すように容量結合素子４３の容量結合素子配線４３２は略矩形状の容量結合素子本体４３１の略一辺の長さを有している。一方、図５（Ａ）に示すＥＢＧ単位セル４１’では、電源層パターン４２’の電源層配線４２３および容量結合素子４３’の容量結合素子配線４３２’が、図５（Ｂ）および（Ｃ）に示すように、略矩形状の電源層電極４２１’および略矩形状の容量結合素子本体４３１’の周囲をそれぞれ、略一辺および略半周分囲んでいる。

具体的には、図５（Ｂ）に示すように、電源層パターン４２’は、電源層２の一部において、スリットを形成することによって、電源層電極４２１’、ブランチ４２２’および電源層配線４２３に区別されている。電源層電極４２１’は略矩形を有している。電源層配線４２３は、電源層電極４２１’の１つの角部４２１ａから隣接する一方の角部４２１ｂまで、電源層電極４２１’の略一辺の長さを有している。ブランチ４２２’は、隣接する電源層配線４２３を介して、その先端部で電源層電極４２１’の１つの角部と接続されている。ブランチ４２２’と電源層電極４２１’の１つの角部との接続は、隣接する電源層配線４２３を介さないで、両者の一部で直接接続されるのでもよい。

図５（Ｃ）に示すように、容量結合素子本体４３１’は略矩形を有しており、電源層電極４２１’と略同じ大きさである。容量結合素子配線４３２’は、ブランチ４２２’の１つの角部４２１ａと略同じ位置となるように、容量結合素子本体４３１’の周囲を半周以上囲むように形成されている。

電源層電極４２１’と容量結合素子４３’とは絶縁層５を介して容量結合されている。一方、電源層電極４２１’の一部とブランチ４２２’は隣接する電源層配線４２３を介するなどして接続される。同時に、容量結合素子４３’から延在している容量結合素子配線４３２’の先端部でビアを介してブランチ４２２’と接続されている。ビアは、例えば銅などの導電性材料で形成されている。

ＥＢＧ構造４’を構成しているＥＢＧ単位セル４１’に含まれる共振回路部分の等価回路は、図３に示すＥＢＧ構造４を構成しているＥＢＧ単位セル４１に含まれる共振回路部分の等価回路と同じである。ただし、電源層パターン４２’では電源層パターン４２に存在しない電源層配線４２３が形成されている。さらに、容量結合素子４３’では容量結合素子４３に比べて容量結合素子配線４３２’の経路をより長くしている。そのため、両者のインダクタンス成分の総和であるインダクタンスＬｗは、ＥＢＧ単位セル４１’ではＥＢＧ単位セル４１より大きくすることができる。インダクタンスＬｗを大きくすることで、見かけ上容量結合Ｃｓを大きくすることができるため、結果として並列共振周波数を下げることができる。これは、ＥＢＧ単位セル４１’をより小さくできることを示しており、その結果、ＥＢＧ構造４’をより小型化することが可能となる。

図６は、ＥＢＧ単位セル４１’の共振回路の共振周波数を求めるための電磁界シミュレーション結果を示すグラフである。この共振解析結果から、ＥＢＧ構造４’は、ＥＢＧ単位セルが１．５ｍｍ角にもかかわらず、２．４ＧＨｚ付近の帯域に電磁ノイズ伝搬を抑制する阻止域を設定できることがわかる。

本開示の印刷配線板は、上述の実施形態に限定されない。例えば、上述のＥＢＧ構造４およびＥＢＧ構造４’は、略矩形状の電源層電極および容量結合素子本体を有している。しかし、電源層電極および容量結合素子本体の形状は限定されず、例えば、円形、多角形（五角形や六角形）、凹みがあるような他の形状を有していてもよい。

さらに、本開示の印刷配線板において、ＥＢＧ構造を構成しているＥＢＧ単位セルの数は、特に限定されない。通常、ブランチに沿った方向に２〜４個程度であればよい。

１ 印刷配線板
２ 電源層
３ グラウンド層
４ ＥＢＧ構造
４１、４１’ ＥＢＧ単位セル
４２、４２’ 電源層パターン
４２１、４２１’ 電源層電極
４２１ａ、４２１ｂ 角部
４２２、４２２’ ブランチ
４２３ 電源層配線
４３、４３’ 容量結合素子
４３１、４３１’ 容量結合素子本体
４３１ａ 角部
４３２、４３２’ 容量結合素子配線
４４、４４’ ビア
５ 絶縁層

Claims (4)

1. 電源層およびグラウンド層を含み、
   電源層に形成される電源層パターンが、隣接するＥＢＧ単位セル間を接続する直流給電路であるブランチと、電源層電極とを含み、
   容量結合素子本体を含む容量結合素子が、前記電源層電極と対向するように層間を設けて配置され、
   前記電源層パターンが、前記電源層電極から延在して該電極周囲の少なくとも一部を囲むように形成された電源層配線をさらに含むか、前記容量結合素子が、前記容量結合素子本体から延在して該本体周囲の少なくとも一部を囲むように形成された容量結合素子配線をさらに含むか、あるいは前記電源層パターンが前記電源層配線をさらに含みかつ前記容量結合素子が前記容量結合素子配線をさらに含み、
   前記電源層パターンと前記容量結合素子とが、前記電源層配線および前記容量結合素子配線の少なくとも一方に接続されたビアを介して接続されるＥＢＧ単位セルが周期的に配置されたＥＢＧ構造を有する印刷配線板。
2. 前記電源層電極および前記容量結合素子本体が略矩形で略同じ大きさを有しており、
   前記ブランチが、スリットを形成することによって区別されている電源層電極の１つの角部から隣接する一方の角部近傍まで延在し、
   前記容量結合素子配線が、容量結合素子本体の角部からブランチが延在している方向に延在し、
   ブランチと容量結合素子配線とが、それぞれの先端部でビアを介して接続されている請求項１に記載の印刷配線板。
3. 前記電源層電極および前記容量結合素子本体が略矩形で略同じ大きさを有しており、前記電源層配線が電源層電極周囲を少なくとも略一辺の長さを有しており、前記容量結合素子配線が容量結合素子本体周囲を少なくとも半周囲み、
   電源層配線と容量結合素子配線とが、それぞれの先端部でビアを介して接続されている請求項１に記載の印刷配線板。
4. 前記電源層パターンと前記容量結合素子との層間の厚みが２５μｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載の印刷配線板。

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