JP4540493B2 - プリント配線基板 - Google Patents

Description

この発明は、各種電子機器に使用されるプリント配線基板に関し、特に外来ノイズの影響やプリント配線基板自体からの不要輻射ノイズを抑制することができるプリント配線基板に関する。

一般に、電磁障害と言われる現象は、何らかのノイズを発生させるノイズ発生源があり、このノイズ発生源で発生した電磁波が、導体や空間を媒体にして妨害を受ける機器に伝搬されることによって起こる。このように、ノイズの電磁波の伝搬には導体伝導と空間伝導があるが、周波数が高いノイズの場合には、空間伝導によって障害を発生させる頻度の方が高くなる。

また、近年のデジタル機器は、高機能化及び高速処理化に伴ってさらなる高周波化が進んでいる。このデジタル機器もその内部にクロック発振器、デジタルＩＣ及びスイッチングレギュレータ等のノイズ発生源を多く備えており、これらから発生したノイズはプリント配線基板の配線パターンや、電源線、信号線・制御線、Ｉ／Ｏケーブル、駆動系ケーブル、センサなどを伝わって流れるとともに、それらの導体自体がアンテナとなってそのノイズの一部を空中に放射する。

特に、それらの導体によるノイズ電流が流れる経路にインピーダンスが急に変化する部分があると、そこで反射が起きて定在波が発生し、その周波数付近でアンテナ効率が高くなり、強力な電磁波を空間に放射してしまうことになる。
ここで、その定在波の周波数について説明すると、アンテナとなる導体がそれ自体のインピーダンスより低いインピーダンスで終端されている場合には、導体長さが１／４波長の偶数倍となる周波数付近で強い定在波が生じる。また、導体がそれ自体のインピーダンスより高いインピーダンスで終端されている場合、例えば開放端となっている場合には、導体長さが１／４波長の奇数倍となる周波数付近で強い定在波が発生する。

ところで、プリント配線基板上の配線パターンから放射する場合の特徴としては、ケーブルや電源線の場合よりも短い導体で共振を起こしやすいことにある。これは、プリント配線基板上の配線パターンが、大気より比誘電率の大きい基板に接しているため、導体周辺の平均的な比誘電率が大きくなって電磁波の速度が遅くなっている状態にあるためである。すなわち、同じ長さの導体を有するケーブルの場合より１／４波長で共振する周波数や１／２波長で共振する周波数が低くなる。このように、プリント配線基板上の配線パターンは、比較的短い導体でも比較的低い周波数で共振しやすく、ノイズのアンテナになりやすい。

そして、このようなプリント配線基板からのノイズの発生を防ぐための従来の対策としては、例えば特許文献１には、ノイズ発生源となるプリント配線基板の配線パターン上にノイズシールドとなる導体層を設けることが提案されている。このようなプリント配線基板では、まず絶縁基板上に信号パターン、電源パターン及び接続部からなる配線パターン層を形成し、この配線パターン層を被覆するように通常アンダーコート層と称される第１絶縁層を形成する。そして、この第１絶縁層上に接続部を介して上記配線パターンと接続するように、銀・銅ペースト等の導電層を被覆形成し、さらに、この導電層の上に通常オーバーコートと称される第２絶縁層を被覆形成している。
特開平７−２８３５８０号公報

このようなプリント配線基板では、導電層とその導電層が絶縁される配線パターン層の接続部との間の抵抗を減少させるために、基板表面に形成された配線パターンと導電層との接続面積を可能な限り大きくするようにしている。
また、配線パターンと導電層との接続部は、単に接続可能な箇所に設けるか、あるいは、電子デバイスとプリント配線基板との接続用ランドのまわりに設けるようにしている。さらに、導電層は、電源パターンの極性にかかわらず一様に形成する方法が採られている。
この構成によれば、導体層がノイズシールドとして機能するとともに、配線パターン層中の電源パターンと導体層を逆の極性にすることによって、それらの間に浮遊容量（stray capacitance）が生じることになり、これらのシールド効果と浮遊容量によって、外来ノイズや不要輻射ノイズを抑制できる。

また、図９に示すような一般の多層基板において、多層の絶縁体である基板本体５０の一方の面に形成する配線パターンの一部である電源電極を一定電位のベタパターンの平面電極５１とし、他方の面の部品実装領域以外の領域に配線パターンの一部として上記電位と異なる電位のベタパターンの平面電極５２を形成するようにしたものもある。この対向する平面電極５１，５２間の基板本体５０は、ガラス、ガラス粉末繊維、紙、紙フェノール、エポキシ等からなる絶縁体であり、誘電率を持つ。したがって、この平面電極５１，５２と基板本体５０とによってコンデンサを構成し、そのフィルタ効果によってノイズを吸収できることが知られている。

しかし、上記特許文献１に記載されているようなプリント配線基板では、上述したように、導電層によるシールド効果と、導電層と逆極性となる電源パターンとの間の浮遊容量だけで外来ノイズや不要輻射ノイズを抑制しているため、ノイズの抑制効果が十分得られないという問題がある。それは、近年のデジタル機器の高機能化に伴って、電子・電気デバイスを流れる電流も高周波化しているため、プリント配線基板のパターン導体が十分広い面積で厚く形成されていても、導体の表面や端に電流が集中してアンテナが形成されやすいことと、ベタパターンでは十分なシールド効果も得られないためである。

すなわち、図９に示したようなプリント配線基板に形成したベタパターンによる対の平面電極５１，５２間のフィルター効果については、コンデンサとしての容量値が大きい程その効果も大きくなりそうであるが、実際には容量値に関係なく、図１０の周波数特性に示すように、ある一定以上の周波数に対してはフィルタ効果が急減してしまう。この固有周波数は、ベタパターンの電極間の絶縁体の材料によって異なる。図１０における曲線Ａは通常の基板材料の場合、曲線Ｂは比誘電率εが小さく、誘電正接tanδが小さい材料の場合、曲線Ｃは比誘電率ε及び誘電正接tanδが最も小さい真空状態の場合の特性を示している。

この図１０から判るように、比誘電率が小さく、誘電正接tanδが小さい材料程上記固有周波数が高くなり、最も固有周波数が高くなる絶縁体は真空の空隙であるが、この場合には容量値が小さくなるという欠点がある。そして、この固有周波数を超える周波数のノイズに対して、ベタパターンの電極間ではインダクタンスを生じてしまい、インピーダンスが増加して外部に輻射しやすいアンテナを形成してしまう。

ところで、コンデンサにおける電圧抑制効果はその容量値で制限されるものであり、また高周波の電流に対しては全て通過させてしまうため抑制効果はない。逆にインダクタンスは、電流抑制効果を有しているが電圧抑制効果はない。このように、コンデンサやインダクタンスを用いた回路は与える周波数によって種々に等価回路を変化させるものであり、またコンデンサとインダクタンスを組み合わせた回路は、ある周波数で高いＱを持つ共振状態となり、高いエネルギーを有するアンテナ源となることがある。

このように、プリント配線基板に搭載した部品の特性や配線の長さによってコンデンサとインダクタンスを組み合わせた等価回路が確定しても、それについての電磁障害に対する完全な対策を講じることはできなかった。
この発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、不要輻射ノイズを高い周波数帯域まで効果的に抑制できるプリント配線基板を提供することを目的とする。

この発明によるプリント配線基板は、上記の目的を達成するため、それぞれ異なる一定電位にされる対の平面電極を対向して備え、その対の平面電極間に空隙を有する領域を設け、その領域における上記対の平面電極間に、該平面電極より導電率が小さく、かつ上記平面電極間の総合抵抗値で１０ｋΩ〜１００ｋΩの範囲になる抵抗値を有する柱状の抵抗体を挟持させて配設したことを特徴とする。

上記領域に上記空隙を挟んで対向する対の絶縁板を設け、その対の絶縁板の各外表面に上記平面電極を形成し、上記柱状の抵抗体がその対の絶縁板をそれぞれ貫通して上記対の平面電極に接触するようにしてもよい。
上記空隙を真空又は真空に近い状態にするのが望ましい。
あるすは、上記空隙に、上記対の平面電極間の電位差以上の絶縁耐圧を有する絶縁体を充填してもよい。

この発明によるプリント配線基板は、広い周波数帯域に亘る不要輻射ノイズを効果的に抑制できる。

以下、この発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
この発明によるプリント配線基板の一実施形態について説明する。図２はそのプリント配線基板の要部平面図、図１は図２のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。
このプリント配線基板１は、絶縁体からなる基板本体１０の部品実装領域以外の領域の両面に、それぞれ配線パターンの一部としてあるいは配線パターンとは別に、導電率の高い銅箔などのベタパターンによる対の平面電極１１，１２を形成している。なお、配線パターンは図示していない。

この対の平面電極１１，１２は、例えば電源端子と接地端子に接続されて所定の電源電位とアース電位（０電位）に、あるいは電源の正極端子と負極端子に接続されて所定の正電位と負電位にされるように、それぞれ異なる一定電位にされる。この２つの異なる電位は、プリント配線基板の使用状態によって最も使用頻度の多い電位などに決めればよい。
そして、この対の平面電極間１１，１２に空隙１３を有する領域１４を設け、その領域１４における対の平面電極１１，１２の間に、その平面電極１１，１２より導電率が小さい（抵抗率が大きい）抵抗体１５を挟持させて配設している。この例では、図１及び図２に示すように、複数本の同等の太さ及び長さの角柱状の抵抗体１５を等間隔に複数列に配設して、領域１４内に散在させている。

この抵抗体１５の材料としては、カーボン（炭素Ｃ）あるいはそれを微細な多孔状に加工したナノチューブ等を使用するのが望ましい。巻線抵抗はインダクタンス成分を有するので好ましくない。抵抗体１５の抵抗値は、平面電極１１，１２の間の総合抵抗値で１０ｋΩ〜１００ｋΩの範囲になるような値にする。
この角柱状の複数の抵抗体１５は対の平面電極１１，１２を支持する機能も果たしている。この平面電極１１，１２の間の空隙１３には空気を存在させた状態（大気圧：７６０ｍｍＨｇ）でもよいが、それから減圧した状態で真空又は真空に近い状態にするのが望ましい。そうすることにより、図１０に示した容量と周波数特性の関係から判るように、高い周波数帯域までコンデンサとしての機能を充分果たすようになる。

対の平面電極１１，１２間の空隙１３中に抵抗体１５を配設した理由は、平面電極１１，１２がベタパターンの電極であっても、プリント配線基板１の実装状態により、平面電極１１，１２に電流が流れる方向が鎖交してお互いに完全に磁束を打ち消すようになれば何ら問題がないが、今般のように高機能な回路部品が搭載されているプリント配線基板においては、磁束を完全に打ち消すことは不可能である。そのため、ベタパターンの電極上のごく一部分でインダクタンスとなり、平面電極１１，１２間のコンデンサと共振することになってしまう。その共振のＱを下げるＱダンプの抵抗として機能させるためである。

そのＱは次式で表わされる。
Ｑ＝ωＬ／Ｒ＝１／ωＣＲ
（ω：角周波数、Ｌ：インダクタンス、Ｃ：容量、Ｒ：抵抗）
領域１４の所々に抵抗体１５が散在するため、たとえ共振回路が形成されても、Ｑの鋭さがなくなり、アンテナ効率を低下させることができる。一般に、共振回路のＱの強さと、電流経路の面積及び電流の強さによってアンテナ効果が強くなり、強く輻射されることになる。放射電界強度をＥとすると、次式で表わされる。
Ｅ＝Ｋ・Ｓ・Ｉｎ・ｆ^２／ｄ
（Ｓ：ループ面積、Ｉｎ：ノイズ電流、ｆ：周波数、ｄ：導体長さ、Ｋ：定数）

指標的には、図４示すようにＳパラメータを使って表現する。この図において、各記号の意味は次のとおりである。
Ｃ：平面電極１１，１２間の容量
Ｒ１，Ｒ２：平面電極間に設けた各抵抗体１５の抵抗
Ｓ：Ｓパラメータ
（Ｓ１１，Ｓ２２：反射係数、Ｓ１２，Ｓ２１：伝達係数）
ａ１，ａ２：プリント配線基板に入ってくる波（入射波）
ｂ１，ｂ２：プリント配線基板から出てくる波（伝送波）
したがって、ｂ１，ｂ２は次式によって求められる。
ｂ１＝Ｓ１１・ａ１＋Ｓ１２・ａ２
ｂ２＝Ｓ２１・ａ１＋Ｓ２２・ａ２

この構成によれば、プリント配線板１は容量値Ｃは変化しないので、配線パターンの場所とそのときの長さにより、図５に示すＴ型フィルタと、図６に示すπ型フィルタの複合的なフィルタ回路を形成して、入力・出力のインピーダンスが小さいとき（Ｔ型で効果）も、大きいとき（π型で効果）も、フィルタ回路として作用することになる。
そのフィルタ回路も共振点があり、それは抵抗体１５でＱダンプさせる。また、入射波と反射波、伝送波のパラメータがあるが、結果的にローパスフィルタ（ＬＰＦ）の効果を十分に引き出せるために反射波が少なくなり、プリント配線基板に接続された他の基板に良好な状態の波を送り出せる。

抵抗体１５は、図１及び図２に示したように角柱状にするか、あるいは円柱状にすると、平面電極１１，１２を支持し易く、実装時などの強度的にも強い。また、空気もしくは真空領域を確保するために空隙１３が必要であるが、その間隔を十分に小さくすることによって容量を上げることが出来る。
抵抗体の均一性を確保し、プリント配線板の強度も増すために、平面電極間に配設する抵抗体として従来使用されていた、均一な形状の貫通孔が多数形成された抵抗材からなるシート状抵抗体の例を図３に示す。（ａ）は縦横格子状、（ｂ）は網目状もしくは蜂の巣（ハニカム）状、（ｃ）はたこ焼き器状に、それぞれ多数の孔が隣接して形成されたシート状抵抗体１６，１７，１８を示し、黒い部分がカーボン等の抵抗体で、白抜き部分が孔である。

次に、この発明によるプリント配線基板の他の実施形態を図７及び図８によって簡単に説明する。図７及び図８は発明によるプリント配線基板の他の異なる実施形態を示す図１と同様な要部断面図であり、図１と同じ部分には同一の符号を付してあり、それらの説明は省略する。
図７に示すプリント配線基板２では、図２に示した領域１４に相当する部分に、空隙１３を形成するためのスペーサ２３挟んで対向する対のガラス等の対の絶縁板２１，２２を設け、その絶縁板２１，２２の各外表面に平面電極１１，１２を形成し、各柱状の抵抗体１５が対の絶縁板２１，２２をそれぞれ貫通して対の平面電極１１，１２に接触している。このようにすれば、平面電極１１，１２間の絶縁性と支持強度を高めることができる。

この場合も、空隙１３内は空気でもよいが、真空又は真空に近い状態にした方がよい。
また、図７における絶縁板２１，２２に代えて、平面電極１１，１２間の絶縁のために、その各内側の電極面をソルダーレジストで被覆するように構成にしてもよい。
図８に示すプリント配線基板３は、図１に示した空隙１３に、対の平面電極１１，１２間の電位差以上の絶縁耐圧を有する絶縁体３０を充填している。この絶縁体には、比誘電率εがなるべく小さく、誘電正接tanδも小さい材料、例えば紙やエポキシ等を使用するのが望ましい。また、この絶縁体３０を多層の絶縁層にして、その絶縁層間に別の導電層を設けてもよい。

以上説明したように、この発明によれば、不要輻射ノイズを高い周波数帯域まで効果的に抑制できるプリント配線基板を提供することができる。そして、各種の電子機器、特に高機能化及び高速処理化したデジタル機器に使用するプリント配線基板にも適用でき、高い周波数帯域のノイズの影響も効果的に低減させることができる。

図２のＸ−Ｘ線に沿う要部断面図である。 この発明によるプリント配線基板の一実施形態の要部平面図である。 従来使用されていたシート状抵抗体の例を示す部分的な平面図である。 この実施形態による入射波と伝送波の関係を説明するための説明図である。 この実施形態によるＴ型フィルタ回路を構成する部分の等価回路図である。 この実施形態によるＴ型フィルタ回路を構成する部分の等価回路図である。。

この発明によるプリント配線基板の他の実施形態の図１と同様な要部断面図である。 この発明によるプリント配線基板のさらに他の実施形態の図１と同様な要部断面図である。 従来のプリント配線基板の一例のベタパターンによる対の平面電極を形成した部分の断面図である。 ベタパターンによる対の平面電極間の絶縁体の材料による容量と周波数特性の関係を示す線図である。

符号の説明

１，２，３：プリント配線基板 １１，１２：対の平面電極 １３：空隙
１４：空隙を有する領域 １５：抵抗体 １６，１７，１８：シート状抵抗体
２１，２２：絶縁板 ２３：スペーサ ３０：絶縁体（多層の絶縁層）

Claims (4)

1. それぞれ異なる一定電位にされる対の平面電極を対向して備え、
   該対の平面電極間に空隙を有する領域を設け、
   該領域における前記対の平面電極間に、該平面電極より導電率が小さく、かつ前記平面電極間の総合抵抗値で１０ｋΩ〜１００ｋΩの範囲になる抵抗値を有する柱状の抵抗体を挟持させて配設したことを特徴とするプリント配線基板。
2. 請求項１記載のプリント配線基板において、
   前記領域に前記空隙を挟んで対向する対の絶縁板を設け、該対の絶縁板の各外表面に前記平面電極を形成し、前記柱状の抵抗体が前記対の絶縁板をそれぞれ貫通して前記対の平面電極に接触していることを特徴とするプリント配線基板。
3. 請求項１又は２記載のプリント配線基板において、
   前記空隙が、真空又は真空に近い状態であることを特徴とするプリント配線基板。
4. 請求項１又は２記載のプリント配線基板において、
   前記空隙に、前記対の平面電極間の電位差以上の絶縁耐圧を有する絶縁体が充填されていることを特徴とするプリント配線基板。

Images