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JP2014027559A - Ebg構造体および回路基板 - Google Patents

Ebg構造体および回路基板 Download PDF

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Abstract

【課題】電磁波の遮断特性が向上したEBG構造体を提供する。
【解決手段】実施の形態のEBG(Electromagnetic Band Gap)構造体は、第1の導電体で形成される電極部と、電極部上に設けられる第1の絶縁層と、第1の絶縁層上に電極部に略平行に設けられ、第1の空隙を有し、第2の導電体で形成されるパッチ部と、パッチ部上に設けられる第2の絶縁層と、第1の絶縁層内のパッチ部と電極部との間に設けられ、パッチ部と電極部とに接続される第1のビアと、第1および第2の絶縁層内に設けられ、第1の空隙を貫通し、電極部に接続される第2のビアを備える。
【選択図】図1

Description

本発明の実施の形態は、EBG構造体および回路基板に関する。
例えば、従来のデジタル・アナログ・RF混在回路を搭載する回路基板、SOC(system on chip)、擬似SOC等では、素子間の相互の電磁界干渉やGND(グラウンド)、電源に伝播するノイズが誤動作を引き起こすという問題がある。この問題を回避するためには、素子間のスペースを大きく取る必要がある。このため、チップ面積や実装面積の縮小が困難であるという問題があった。
このスペースを削減させる手段として、例えば、GND、または、電源に伝播する、回路動作に有害な周波数領域のノイズを防ぐためのフィルタが使われる。この場合、遮断帯域という限られた周波数領域内のノイズレベルを落とすフィルタを利用する。フィルタは、例えば、インダクタチップとキャパシタ等の電子部品を用いて形成される。このため、例えば回路基板等に実装される電子部品の増加を招くことは避けられない。
そこで、チップ部品でフィルタを形成するより、回路基板等の縮小効果が高いことから、誘電体の基板内にEBG(Electromagnetic Band Gap)構造を設けることが考案されている。そして、このようなEBG構造の電磁波遮断特性の更なる特性向上が望まれている。
また、EBG構造の場合、遮断帯域を低い周波数領域(6GHz以下)に設定した場合、EBG構造が大きくなり、回路基板等が小型化できないという問題が残っている。また、広いストッパバンド領域を確保することが困難であるという問題がある。
これに対して、EBG構造の特性を向上させたり、大きさを縮小させたりするために、EBG構造を改良する取り組みが行われている。
特開2009−218966号公報
本発明が解決しようとする課題は、電磁波の遮断特性が向上したEBG構造体を提供することにある。
実施の形態のEBG構造体は、第1の導電体で形成される電極部と、前記電極部上に設けられる第1の絶縁層と、前記第1の絶縁層上に前記電極部に略平行に設けられ、第1の空隙を有し、第2の導電体で形成されるパッチ部と、前記パッチ部上に設けられる第2の絶縁層と、前記第1の絶縁層内の前記パッチ部と前記電極部との間に設けられ、前記パッチ部と前記電極部とに接続される第1のビアと、前記第1および第2の絶縁層内に設けられ、前記第1の空隙を貫通し、前記電極部に接続される第2のビアを備える。
第1の実施の形態の回路基板の模式図である。 第1の実施の形態の電磁界解析結果を示す図である。 第1の実施の形態のシミュレーションに用いたEBG構造体を示す模式図である。 第2の実施の形態のEBG構造体の要部の模式斜視図である。 第2の実施の形態の電磁界解析結果を示す図である。 第2の実施の形態のシミュレーションに用いたEBG構造体を示す模式図である。 金属のパッチ部の1辺長と遮断周波数の関係を示す図である。 第3の実施の形態の回路基板の模式図である。
本明細書中、「半導体デバイス(semiconductor device)」とは、SOC(system on chip)を含む半導体チップのみならず、例えば、複数の半導体チップを樹脂で接着し、相互のチップ間を配線層で接続する半導体部品、いわゆる疑似SOC(pseudo system on chip)も包含する概念である。
本明細書中、「半導体部品(semiconductor component)」とは、半導体デバイスが封止された半導体パッケージのみならず半導体デバイスが封止されていない状態のいわゆるベアチップも包含する概念である。
本明細書中、「電子部品(electronic component)」とは、半導体部品や、アンテナ、コンデンサまたは抵抗等の受動部品等、電子的に機能する部品全般を包含する概念とする。
本明細書中、「プリント配線板(printed wiring board)」とは、導電体のプリント配線を形成した板であり、電子部品が実装されていない状態のもの、いわゆるベアボードを意味する。
本明細書中、「回路基板(circuit board)」とは、プリント配線板に電子部品が実装された状態のものを意味する。
また、本明細書中、EBG構造体の「遮断帯域」は、例えば、挿入損失を示すSパラメータであるS21等が−20dB以下、すなわち、−20dBより遮断量(挿入損失)の大きい周波数帯域で定義するものとする。
(第1の実施の形態)
本実施の形態のEBG(Electromagnetic Band Gap)構造体は、第1の導電体で形成される電極部と、電極部上に設けられる第1の絶縁層と、第1の絶縁層上に電極部に略平行に設けられ、第1の空隙を有し、第2の導電体で形成されるパッチ部と、パッチ部上に設けられる第2の絶縁層と、第1の絶縁層内のパッチ部と電極部との間に設けられ、パッチ部と電極部とに接続される第1のビアと、第1および第2の絶縁層内に設けられ、第1の空隙を貫通し、電極部に接続される第2のビアを備える。
また、本実施の形態の回路基板は、上記EBG構造体を備える。
本実施の形態のEBG構造体は、上記構成を備えることにより、例えば、第2のビアがバッチ部の第1の空隙を貫通しない構成と比較して、ノイズとなる電磁波に対する遮断特性を向上させることが可能となる。また、第2のビアがパッチ部を貫通させる構成とすることで、グラウンド電位または電源電位の伝送経路形成の自由度が増大する。したがって、回路基板や半導体部品の小型化を実現することが可能となる。
以下、EBG構造体が回路基板を構成するプリント配線板内に形成される場合を例に説明する。
図1は、本実施の形態の回路基板の模式図である。図1(a)は回路基板の模式断面図、図1(b)はEBG構造体の要部の模式斜視図である。
回路基板100には、プリント配線板10上に、複数の電子部品12a、12b、12c、12dが、例えばバンプ部14を介して実装される。電子部品12a、12b、12c、12dは、例えば、ロジックLSI、メモリ等の半導体部品あるいはコンデンサ、抵抗、コイル等の受動部品である。半導体部品は、SOCや疑似SOCであってもかまわない。
プリント配線板10内にEBG構造体20が形成される。EBG構造体20は、第1の導電体で形成される電極部22と、電極部22上に設けられる第1の絶縁層24と、第1の絶縁層24上に電極部22に略平行に設けられ、第1の空隙26を有し、第2の導電体で形成されるパッチ部28と、パッチ部28上に設けられる第2の絶縁層30と、第1の絶縁層24内のパッチ部28と電極部22との間に設けられ、パッチ部28と電極部22とに接続される第1のビア32と、第1および第2の絶縁層24、30内に設けられ、第1の空隙26を貫通し、電極部22に接続される第2のビア34を備える。
図1(a)中、点線で囲まれた領域が、EBG構造体20の1ユニットとなる。この1ユニットが規則的あるいは周期的に配置される構成となっている。本実施の形態のEBG構造体は、いわゆるマッシュルーム構造である。
電極部22は、例えば、グラウンド面またはグラウンド線である。電源面または電源線であってもかまわない。電極部22は、いわゆるリファレンス面である。第1の導電体は、例えば、アルミニウム(Al)または金(Au)等の金属である。
第1の絶縁層24は、例えば、樹脂で形成される。
パッチ部28は、第2の導電体で形成される。第2の導電体は、例えば、アルミニウム(Al)または金(Au)等の金属である。パッチ部28の形状は、特に限定されるものではなく、四角形、円形、その他の形状であってもかまわない。
パッチ部28のサイズは、所望の遮断帯域(ストップバンド領域)を得るために最適化される。パッチ部28のサイズは、回路基板等のサイズを小さくする観点から、10mm角以下であることが望ましい。
パッチ部28には、第1の空隙26が設けられている。第1の空隙26の形状は、特に限定されるものではなく、四角形、円形、その他の形状であってもかまわない。
第2の絶縁層30は、例えば、樹脂で形成される。
第1のビア32、第2のビア34はそれぞれ導電体で形成される。用いられる導電体は特に限定されず、金属、半導体、または導電性の樹脂であってもかまわない。
第1のビア32は、第1の絶縁層24内のパッチ部28と電極部22との間に設けられ、パッチ部28と電極部22とに接続されている。一方、第2のビア34は、第1の絶縁層24、第2の絶縁層30内に設けられる。
第2のビア34は、パッチ部28の第1の空隙26を貫通し、電極部22と接続される。第2のビア34は、プリント配線板10上に実装される電子部品12a〜dに、バンプ部14を介して電気的に接続され、グラウンド電位または電源電位を供給する配線として機能する。
図2は、本実施の形態の電磁界解析結果を示す図である。解析はシミュレーションにより行っている。図3は、シミュレーションに用いたEBG構造体を示す模式図である。図3(a)が、第2のビア34がパッチ部28を貫通しない構造(非貫通ビア)、図3(b)が、第2のビア34がパッチ部28を貫通する構造(貫通ビア)である。
それぞれ端子1から信号を入力した時に、端子2に通過する信号の周波数依存性を評価している。図2の横軸は伝送信号の周波数、縦軸は挿入損失(S21パラメータ)である。また図2の黒丸が第2のビア34がパッチ部28を貫通しない構造、白丸が第2のビア34がパッチ部28を貫通する構造の通過特性(遮断特性)である。
図2から明らかなように、第2のビア34がパッチ部28を貫通する構造の場合に、挿入損失が大きくなるとともに、遮断帯域の幅が広がっていることが分かる。このように、本実施の形態のEBG構造体20によれば、電磁波に対する遮断特性を向上させることが可能となる。
これは、第2のビア34を上下方向に流れる電流に起因するTEM(Transverse Electric Wave)が、電流がパッチ部28に設けられる第1の空隙26を貫通して流れることにより、効率よくバッチ部28で遮断されるからと考えられる。
また、本実施の形態では、第2のビア34がパッチ部28を貫通する構造をとることで、EBG構造体20を設ける時の、グラウンド線または電源線の引き回しの自由度が増大する。例えば、グラウンド線または電源線となる第2のビア34が、EBG構造体20のパッチ部28を避けて設ける必要があるとする。すると、グラウンド線または電源線の引き回しのために必要な領域が増大し、回路基板等の面積増大につながる。また、グラウンド線または電源線の引き回しによる抵抗増大が、グラウンド電位や電源電位の不安定性を引き起こす恐れもある。
本実施の形態によれば、第2のビア34がパッチ部28を貫通する構造をとることで、最短距離でのグラウンド線または電源線の引き回しが可能となる。したがって、回路基板等の小型化、および、グラウンド電位や電源電位の安定化に寄与する。
なお、EBG構造体が回路基板を構成するプリント配線板内に形成される場合を例に説明した。しかしながら、EBG構造体は、例えば、疑似SOCやSOC等の半導体部品の中に、半導体デバイスと一体化して形成されるものであってもかまわない。
また、1個のパッチ部28に第1の空隙26が1個設けられる場合を例に説明した。しかしながら、例えば、1個のパッチ部28に第1の空隙26を2個以上複数設け、複数の第2のビア34がこれらの空隙を貫通する構造とすることも可能である。
また、パッチ部28が複数個、周期的に配列する場合を例に説明したが、パッチ部28が1個、あるいは、不規則に配列する場合を排除するものではない。
(第2の実施の形態)
本実施の形態のEBG構造体は、電極部が、パッチ部の直下の領域に第2の空隙を備えること以外は第1の実施の形態のEBG構造体と同様である。したがって、第1の実施の形態と重複する内容については記述を省略する。
図4は、本実施の形態のEBG構造体の要部の模式斜視図である。図4(a)が全体図、図4(b)が電極部のみを示す図である。
図4(a)、(b)に示すように、本実施の形態のEBG構造体は、電極部22が、パッチ部28の直下の領域に、スリット状の第2の空隙40を備える。ここで、パッチ部28の直下の領域とは、電極部22の面に、電極部22の面の法線方向にパッチ部28を投影した領域を意味する。
本実施の形態によれば、EBG構造体のパッチ部28のサイズや、第1のビアの長さ等を抑制しつつ、例えば、1GHz近傍の低周波帯域のノイズを遮断することが可能となる。
図5は、本実施の形態の電磁界解析結果を示す図である。解析はシミュレーションにより行っている。図6は、シミュレーションに用いたEBG構造体を示す模式図である。図6(a)は上面図、図6(b)が断面図、図6(c)が電極部の第2の空隙のパターンを示す図である。
電極部22は40mm×20mm、金属のパッチ部28は10mm×10mm、第1のビア32の長さは0.8mmとした。バッチ部28は間隔0.5mmで、3個配置した。電極部22のパッチ部28の直下の領域に、1mm×10mmのスリットを第2の空隙40として設けた。
端子1から信号を入力した時に、端子2に通過する信号の挿入損失(S21)の周波数依存性を評価している。同様に、端子4と端子3間の挿入損失(S34)、端子1と端子3間の挿入損失(S31)、端子1と端子4間の挿入損失(S41)を評価している。比較のため、EBG構造体がない場合のS21特性も評価し、図5に示している。
図5の横軸は伝送信号の周波数、縦軸は挿入損失である。いずれの場合でも、1GHzという低周波の電磁波を遮断することが可能となる。特に、端子となる第2のビア34が2個ともパッチ部28を貫通する場合(S34)、端子間の距離がより大きい場合(S31)と比較しても、遮断量が大きくなっていることが分かる。
本実施の形態において、パッチ部28のサイズが10mm×10mm、第1のビア32の長さが0.8mmと、比較的小さなサイズのEBG構造体で1GHzという低周波の遮断特性が実現されている。これは、電極部22に第2の空隙40を設けることにより、パッチ部28と電極部22の容量結合を低減させたことに起因すると考えられる。そして、第2のビア34がパッチ部28を貫通する構造とすることにより、第2のビア34からのTEM波を遮断し、遮断量(挿入損失)を増大させることが可能となる。
図7は、金属のパッチ部の1辺長と遮断周波数の関係を示す図である。電極部22に第2の空隙40を設けず、第2のビア34もパッチ部28を貫通させず、正方形のパッチ部の1辺長をパラメータとして遮断周波数を評価している。第1のビア長が1mm以下となる条件で評価している。
図7の横軸は金属のパッチ部の1辺長、縦軸は遮断周波数帯域の中央値である。図7から明らかなように、遮断周波数はパッチ部28を大きくすれば低下するが、30mm角でも1GHzに到達することができない。30mm角のパッチ部は、回路基板等の小型化を考えると実用的なサイズとは言い難い。
図7中、星(☆)印が本実施の形態で実現できる特性である。本実施の形態の構造により、小さなサイズのEBG構造体で、1GHzの遮断が実現できることが分かる。
なお、第2の空隙40の形状はスリット状に限らず、L字形状、四角形、円形、その他の形状であってもかまわない。
また、第2の空隙40の間隔は、遮断しようとする周波数に対応する波長の1/2、1/4または1/8とすることが望ましい。
もっとも、第2の空隙40の間隔を、遮断しようとする周波数に対応する波長の、1/2、1/4または1/8以外に設定することや、ランダムにすることを排除するものではない。
(第3の実施の形態)
本実施の形態の回路基板は、回路基板に複数の電子部品が実装されることで異なる機能を備える複数の回路ブロックが形成される。そして、異なる回路ブロックには異なるパッチ部を貫通する第2のビアが接続される。第1または第2の実施の形態と重複する内容については記述を省略する。
図8は、本実施の形態の回路基板の模式図である。図8(a)は上面図、図8(b)は図8(a)のAA断面図、図8(c)は図8(a)のBB断面図である。
本実施の形態の回路基板200は、複数の電子部品が実装されることで異なる機能を備える複数の回路ブロック、例えば、回路ブロックA、回路ブロックB、回路ブロックCが形成されている。例えば、回路ブロックAはデジタル回路、回路ブロックBはアナログ回路、回路ブロックCはRF回路である。
なお、回路ブロックは、複数の電子部品の集合であっても、SOCや疑似SOC等の単体の電子部品であってもかまわない。
図8(b)、(c)に示すように、異なる回路ブロックには異なるパッチ部28を貫通する第2のビア34が接続される。なお、プリント配線基板10に形成されるEBG構造体20は、第1または第2の実施の形態で説明したEBG構造体である。
このように、異なる回路ブロックには異なるパッチ部28を貫通する第2のビア34を接続することで、回路ブロック毎のグラウンドまたは電源のアイソレーションを高めることが可能となる。したがって、それぞれの回路ブロックのグラウンドまたは電源の安定性が向上し、回路基板の誤動作が抑制される。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、実施の形態の説明においては、EBG構造体、回路基板等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされるEBG構造体、回路基板等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのEBG構造体、回路基板が、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。
10 プリント配線板
12a〜d 電子部品
20 EBG構造体
22 電極部
24 第1の絶縁層
26 第1の空隙
28 パッチ部
30 第2の絶縁層
32 第1のビア
34 第2のビア
40 第2の空隙
50 第2のEBG構造体
100 回路基板
200 回路基板

Claims (17)

  1. 第1の導電体で形成される電極部と、
    前記電極部上に設けられる第1の絶縁層と、
    前記第1の絶縁層上に前記電極部に略平行に設けられ、第1の空隙を有し、第2の導電体で形成されるパッチ部と、
    前記パッチ部上に設けられる第2の絶縁層と、
    前記第1の絶縁層内の前記パッチ部と前記電極部との間に設けられ、前記パッチ部と前記電極部とに接続される第1のビアと、
    前記第1および第2の絶縁層内に設けられ、前記第1の空隙を貫通し、前記電極部に接続される第2のビアを備えることを特徴とするEBG(Electromagnetic Band Gap)構造体。
  2. 前記電極部が、前記パッチ部の直下の領域に第2の空隙を備えることを特徴とする請求項1記載のEBG構造体。
  3. 前記電極部がグラウンド面、グラウンド線、電源面または電源線であることを特徴とする請求項1または請求項2記載のEBG構造体。
  4. 前記第2の空隙が周期的に配置されることを特徴とする請求項1ないし請求項3いずれか一項記載のEBG構造体。
  5. 前記第1の導電体がアルミニウム(Al)または金(Au)であり、前記第2の導電体がアルミニウム(Al)または金(Au)であることを特徴とする請求項1ないし請求項4いずれか一項記載のEBG構造体。
  6. 第1の導電体で形成される電極部と、
    前記電極部上に設けられる第1の絶縁層と、
    前記第1の絶縁層上に前記電極部に略平行に設けられ、第1の空隙を有し、第2の導電体で形成され周期的に配列される複数のパッチ部と、
    前記パッチ部上に設けられる第2の絶縁層と、
    前記第1の絶縁層内の前記パッチ部と前記電極部との間に設けられ、前記パッチ部と前記電極部とに接続される第1のビアと、
    前記第1および第2の絶縁層内に設けられ、前記第1の空隙を貫通し、前記電極部に接続される第2のビアを備えることを特徴とするEBG(Electromagnetic Band Gap)構造体。
  7. 前記電極部が、前記パッチ部の直下の領域に第2の空隙を備えることを特徴とする請求項6記載のEBG構造体。
  8. 前記電極部がグラウンド面、グラウンド線、電源面または電源線であることを特徴とする請求項6または請求項7記載のEBG構造体。
  9. 前記第2の空隙が周期的に配置されることを特徴とする請求項6ないし請求項8いずれか一項記載のEBG構造体。
  10. 前記第1の導電体がアルミニウム(Al)または金(Au)であり、前記第2の導電体がアルミニウム(Al)または金(Au)であることを特徴とする請求項6ないし請求項9いずれか一項記載のEBG構造体。
  11. 複数の電子部品が実装される回路基板であって、
    第1の導電体で形成される電極部と、
    前記電極部上に設けられる第1の絶縁層と、
    前記第1の絶縁層上に前記電極部に略平行に設けられ、第1の空隙を有し、第2の導電体で形成される複数のパッチ部と、
    前記パッチ部上に設けられる第2の絶縁層と、
    前記第1の絶縁層内の前記パッチ部と前記電極部との間に設けられ、前記パッチ部と前記電極部とに接続される第1のビアと、
    前記第1および第2の絶縁層内に設けられ、前記第1の空隙を貫通し、前記電子部品および前記電極部に接続される第2のビアを有するEBG(Electromagnetic Band Gap)構造体を備える回路基板。
  12. 前記電極部が、前記パッチ部の直下の領域に第2の空隙を備えることを特徴とする請求項11記載の回路基板。
  13. 前記電極部がグラウンド面、グラウンド線、電源面または電源線であることを特徴とする請求項11または請求項12記載の回路基板。
  14. 前記第2の空隙が周期的に配置されることを特徴とする請求項11ないし請求項13いずれか一項記載の回路基板。
  15. 前記第1の導電体がアルミニウム(Al)または金(Au)であり、前記第2の導電体がアルミニウム(Al)または金(Au)であることを特徴とする請求項11ないし請求項14いずれか一項記載の回路基板。
  16. 前記回路基板に前記複数の電子部品が実装されることで異なる機能を備える複数の回路ブロックが形成され、異なる前記回路ブロックには異なる前記パッチ部を貫通する第2のビアが接続されることを特徴とする請求項11ないし請求項15いずれか一項記載の回路基板。
  17. 前記複数のパッチ部が周期的に配置されることを特徴とする請求項11ないし16いずれか一項記載の回路基板
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