多層プリント基板
【課題】 多数の高速，高周波の回路素子を搭載した多層プリント基板において、電源電流に基づく電磁誘導妨害を低減する。
【解決手段】 開示される多層プリント基板は、電源配線６を設けた電源層１の上下両側に、それぞれ電源絶縁材層４を介してグランド層２を積層し、さらにこれらの上下の片側又は両側に、基体絶縁材層５を介して信号配線を設けた信号層３を積層した構成を有している。
【解決手段】 開示される多層プリント基板は、電源配線６を設けた電源層１の上下両側に、それぞれ電源絶縁材層４を介してグランド層２を積層し、さらにこれらの上下の片側又は両側に、基体絶縁材層５を介して信号配線を設けた信号層３を積層した構成を有している。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、多数の、高速，高周波の回路素子を搭載した場合に、電源電流に基づく電磁誘導妨害を低減可能な、多層プリント基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＩＣ（Integrated Circuit）やＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）等のような、高速，高周波の回路素子が搭載された多層プリント基板では、電磁ノイズが発生するために、そのプリント基板に搭載された電子機器自体又は他の電子機器に、ＥＭＩ（Electro Magnetic Interference ：電磁干渉）を与えて、誤動作を発生させるという問題があることは、よく知られている。ＥＭＩのうちで、特に大きなウエィトを占めているのは，コモンモードノイズと呼ばれる、大地面又はグランド面を基準電位として生じる高周波源に起因する電磁ノイズである。しかしながら、コモンモードノイズは、推定される発生原因が多岐にわたるとともに、それぞれの発生機構が複雑なため、発生源に近いところでの、有効な対策方法がなかった。そのため、従来は、コモンモードノイズの主な伝搬経路又は放射アンテナとなるケーブルへの漏洩防止や放射防止の対策がとられているだけであった。
【０００３】これに対して、高速ディジタル回路における、コモンモードノイズの最大の発生原因の一つが、プリント基板に搭載されている高速，高周波の回路素子に対する電源電流にあることが、最近の研究結果によってわかってきた。この事実に基づいて、発明されたものとして、例えば、特許第２７３４４７号によって登録された技術や、特願平９−２５３５１９号によって出願された技術がある。
【０００４】これらの技術は、プリント基板に搭載されている、高速，高周波の回路素子にる対する直流電源供給を、線路の途中に高周波時に高いインピーダンスを呈するインダクタンス素子を挿入した電源配線によって行うようにしたり、又は、線路の周囲を磁性体で包囲することによって、特性インピーダンスを高くした電源供給線路によって行うとともに、回路素子の電源，グランド間にコンデンサを接続することによって、プリント基板に搭載されている回路素子の高速，高周波の動作を円滑に行わせながら、その動作に伴って発生する高周波電源電流が、プリント基板全体に拡散することを防止するようにしたものである。このような技術を、高性能コンピュータに適用することによって、電磁放射レベルを大幅に抑制するとともに、外部からの電気的又は電磁的外乱に対する耐力（イミュニティ）が向上することを確認した研究論文が、例えば、「磁性体内蔵デカップリング強化多層プリント基板」（電気学会マグネティクス研究会；１９９７−１２）や、「Novel decoupling circuit enabling notable electromagnetic noise suppression and high-density packing in a digital printed circuit board 」（IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility ；１９９８−８，Denver）等において発表されている。
【０００５】上記した従来技術においては、プリント基板の直流電源供給線路のインピーダンスを、高周波領域で高くする線路構造（以下、デカップリングインダクタという）を採用するとともに、回路素子の高速，高周波の動作に伴って発生する高周波電源電流を効率よく分流させるために、コンデンサ（以下、バイパスコンデンサという）を使用している。以下、ＥＭＩ抑制効果が顕著なものとして知られる従来技術として、特許第２７３４４７号の例を説明する。図５は、従来技術におけるプリント基板の断面図、図６は、従来技術のプリント基板における電源層を示す平面図、図７は、従来技術を適用した電源回路の等価回路（デカップリング回路）を示す図、図８は、従来技術を適用したプリント基板における高周波電源電流の拡散抑制効果を説明する図である。
【０００６】従来技術のプリント基板は、図５の断面図に示すように、電源層１０１と、グランド層１０２と、信号層１０３と、磁性絶縁層１０４と、誘電体絶縁層１０５とから構成されていて、上から下方向に順に、信号層１０３と、誘電体絶縁層１０５と、グランド層１０２と、磁性絶縁層１０４と、電源層１０１と、磁性絶縁層１０４と、グランド層１０２と、誘電体絶縁層１０５と、信号層１０３とが形成されている。ここで、磁性絶縁層１０４は、磁性体を混合した絶縁材からなっており、誘電体絶縁層１０５は、誘電特性のみを有する絶縁材からなっている。
【０００７】また、従来技術のプリント基板における電源層１０１においては、図６の平面図に示すように、幹配線１０６と、幹配線１０６から分岐した枝配線１０７が配置され、枝配線１０７の先端に、ヴァイアホール（不図示）を介して、プリント基板の部品面（例えば信号層１０３の表面）に取り付けられたＩＣ／ＬＳＩ１０８が接続されているとともに、枝配線１０７とＩＣ／ＬＳＩ１０８の接続部に、プリント基板の部品面（例えば信号層１０３の表面）に取り付けられたデカップリングコンデンサ１０９が接続されている。
【０００８】従来技術のプリント基板において、各ＩＣ／ＬＳＩに対する電源回路の等価回路は、図７に示すように、ＩＣ／ＬＳＩ１１０に対して、電源配線１１２を介して電源１１１を接続し、ＩＣ／ＬＳＩ１１０と電源１１１の帰路をグランド層１１３に接続している。この際、電源層の上下には、磁性絶縁層１０４が配置されているので、電源層に形成されている電源配線のインピーダンスが高くなって、図７に示すように、デカップリングインダクタ（Ｌ）１１４が挿入されたのと等価になる。このインダクタンス１１４と、デカップリングコンデンサによる容量（Ｃ）１１５とによって、ローパスフィルタが形成されるので、ＩＣ／ＬＳＩ１１０の動作に伴って電源供給線に流れる高周波電源電流が抑圧される。さらに、電源配線１１２に、つづら折り部１１０等からなるインピーダンス付加回路を用いて、デカップリングインダクタを大きくする構成とすることもできる。
【０００９】この従来技術においては、上記各図から知られるように、ＩＣやＬＳＩの動作に伴って、電源層に流入する高周波電源電流を、配線構造に挿入されたインダクタによって阻止するとともに、ＩＣやＬＳＩの近傍に配置されたバイパスコンデンサによって分流させるようにしている。
【００１０】図５〜図７に示された従来技術を適用したプリント基板における高周波電源電流の拡散抑制効果は、図８に示される。図８においては、基板近傍の磁界分布を、磁界が強いほど濃い色で示している。図８（ａ）に示す従来例では、電源層が全面平板からなる基板であったため、高周波電源電流が基板全面に拡散しているとともに、一部に特に濃い色でノイズ発生源である電子機器が示されているが、図８（ｂ）に示す特許第２７３４４７号の場合は、電源層を配線化したため、高周波電源電流の拡散が減少し、電子機器からのコモンモード放射も抑制されたことが示されている。これは、電源層を配線化してＩＣやＬＳＩからの高周波電源電流の拡散を減少させたことと、電源配線と隣接するグランド層とによってストリップ線路を形成したことによって、電源層（線）と信号線との電磁結合が減少して、コモンモード電流が減少したためであると考えられる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の特許第２７３４４７号の技術は、従来のデカップリング技術の観点からは全く正しいものであるが、実用的な面からは、多くの課題を抱えている。第１の課題は、高速，高周波の動作に伴って発生する高周波電源電流を、どのようにして知るかということである。これがわからなければ、デカップリングインダクタやバイパスコンデンサを設計することができない。本来、回路設計は、回路電圧，電流及びインピーダンスのうちの、いずれか二つを適切な値に設定してゆく作業であるが、特にディジタル回路の場合は、入出力信号として、 "１”と "０”の二つの状態のみを使用するので、回路設計は、電圧のみに着目して行われ、電流及びインピーダンスを設計上において考慮することは、殆ど行われなかった。このため、事実上、世界的標準となっているものから客先仕様のものに至るまで、殆どすべての半導体ＩＣ及びＬＳＩに対する、インピーダンスと電流についての特性の開示は行われていないし、近い将来においても、これらのすべてについて開示が行われることは、期待できない。そこで、半導体メーカだけでなく、ユーザにおいても、高周波電源電流を測定できる方法が考案されるとともに、世界標準化に向けた動きが進展しているが、動作条件の設定と測定環境の設定が比較的難しく、そのため、設計ラインで効率よく測定を行うことは容易ではない。従って、当面、ある程度の設計誤差を見込んだ上で、高周波電源電流のデータに代わる、入手可能な特性データから、電源電流を推定することが必要になる。
【００１２】第２の課題は、基本的には、個々の半導体ＩＣやＬＳＩごとに、デカップリングインダクタとバイパスコンデンサのパラメータを設計しなければならない、ということである。半導体ＩＣやＬＳＩの高速，高周波の動作のためには、それに伴って発生する高周波電源電流を、効率よくバイパスコンデンサに分流する回路が必要になる。この回路は、半導体ＩＣやＬＳＩのタイプや使用条件の変化に応じて個別に設計されるべきことは、回路設計上の基本であって当然のことであるが、前述のように、ディジタル回路においては、従来、このような設計は殆ど行われていないので、短期的には設計者の負担が大きくなり、このような負担が増加することによって、設計期間が長くなるとともに、設計ミスも増加することになると思われる。すなわち、デカップリング設計を、製品設計に適用するためには、設計ツールの改良や、設計者の再教育を行う等の、十分な準備期間が必要になる。
【００１３】図９は、ＬＳＩの高周波電源電流特性の一例を示したものである。上述の第１及び第２の課題を解決するためには、基板上に搭載されたすべてのＩＣとＬＳＩについて、図９に示されたような、高周波電源電流特性を測定して、その１周期の波形の積分値である電荷量Ｑを求めて、個々のＩＣ，ＬＳＩの許容電圧変動を勘案して、必要なバイパスコンデンサの容量を求めなければならない。さらに、バイパスコンデンサとデカップリングインダクタのインピーダンス比から、所望のインダクタンス値を算出して、配線パターン長に置き換えるようにして、電源の配線設計を行うことが必要になる。
【００１４】第３の課題は、半導体ＩＣ，ＬＳＩの高速，高周波化に比べて、デカップリングインダクタとパイパスコンデンサの材料技術又は製造技術が遅れているということである。例えば、最近のパーソナルコンピュータに使用されているＣＰＵ（Central Processing Unit ）のスイッチング周波数は、５００ＭＨｚ程度まで上昇しており、このような、高速スイッチングを行う場合には、ＣＰＵを構成する半導体ＩＣやＬＳＩのの電源電流に、数ＧＨｚ以上の高次高調波が含まれることになる。しかしながら、現在のコンデンサ製造技術では、半導体ＩＣやＬＳＩの電源に対して必要な、０．１μＦ程度の静電容量を有するコンデンサの共振周波数は、数十ＭＨｚ以下にとどまっていて、これ以上の周波数では、コンデンサとして作用せず、インダクタとして振る舞うようになる。今後におけるディジタル回路の高速化を可能にするためには、バイパスコンデンサの高周波特性の向上は必須となるであらうが、近い将来において、共振周波数がＧＨｚオーダーに達する大容量小型コンデンサが、市場で入手できる可能性は少ない。デカップリングインダクタについても、構造と材料面の研究開発が進展しなければ、ＧＨｚ台の共振周波数を有し、数百ｎＨ程度のインダクタンスを有するとともに、電流容量が数Ａに達するようなインダクタを、近い将来、市場で入手できる可能性は少ない。
【００１５】電源回路については、このような各種の課題があるにもかかわらず、ディジタル回路の高速化を進めることが必要である。このため、比較的実用化が容易と思われる代替策が、少なくとも当面、必要となる。
【００１６】この発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであって、回路の高速，高周波の動作に伴って発生する高周波電源電流の値が開示されていなくても、また、デカップリングインダクタやバイパスコンデンサの高周波性能が不十分であっても採用することができ、半導体ＩＣやＬＳＩのタイプや使用条件に大きく依存することなく、半導体ＩＣ，ＬＳＩの電源の、高速，高周波の動作を可能にするような、直流電源供給線路構造を備えた多層プリント板を提供することを第１の目的としている。また、この発明は、半導体ＩＣやＬＳＩの高周波電源電流に基づく、コモンモードノイズの発生を抑圧できるような、直流電源供給線路構造を有する多層プリント基板を提供することを第２の目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、多層プリント基板に係り、電源配線を設けた電源層の上下両側に、それぞれ第１の絶縁材層を介してグランド層を積層し、さらにこれらの上下の片側又は両側に、第２の絶縁材層を介して信号配線を設けた信号層を積層してなることを特徴としている。
【００１８】また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の多層プリント基板に係り、上記第１の絶縁材層が、薄い絶縁材からなることを特徴としている。
【００１９】また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の多層プリント基板に係り、上記第１の絶縁材層が、高誘電率フィルムからなることを特徴としている。
【００２０】また、請求項４記載の発明は、請求項１記載の多層プリント基板に係り、上記グランド層が、スルーホール及びヴァイアホール以外の切り抜き又は独立した配線を含まない全面平板の導体層からなることを特徴としている。
【００２１】また、請求項５記載の発明は、請求項１記載の多層プリント基板に係り、上記電源配線が、回路電流による電圧降下が所定値以下となるような線路幅と、該電源配線の特性インピーダンスが所定値以下となるような線路幅とのうち、いずれか広い方の線路幅を有することを特徴としている。
【００２２】また、請求項６記載の発明は、請求項５記載の多層プリント基板に係り、上記電源配線が、上記電源層内の直流電源受電端子と各回路素子間に設けられた独立した線路構造からなり、該回路素子に対する電源電流に含まれる高周波成分の該線路上の波長に対して、該線路の終端条件によって定まる値を乗じた以上の長さを有することを特徴としている。
【００２３】また、請求項７記載の発明は、請求項５又は６記載の多層プリント基板に係り、上記電源配線が、一定面積内に一定幅を有する最も長い配線を収容可能な線路パターンからなることを特徴としている。
【００２４】また、請求項８記載の発明は、請求項７記載の多層プリント基板に係り、上記線路パターンがつづら折り配線からなることを特徴としている。
【００２５】また、請求項９記載の発明は、請求項５乃至８のいずれか１に記載の多層プリント基板に係り、上記電源配線が、回路素子との接続点とグランド層間、及び該電源配線が接続されている直流電源受電端子とグランド層間に、それぞれコンデンサを接続されていることを特徴としている。
【００２６】また、請求項１０記載の発明は、請求項９記載の多層プリント基板に係り、上記電源配線が、回路素子側で、電源電流に含まれる高周波成分の高周波帯域で低い特性インピーダンスを有するコンデンサで終端され、直流電源受電端子側で、上記電源電流に含まれる高周波成分の低周波帯域で低い特性インピーダンスを有するコンデンサで終端されることを特徴としている。
【００２７】また、請求項１１記載の発明は、請求項５乃至１０のいずれか１に記載の多層プリント基板に係り、上記直流電源受電端子と外部の電源ユニットとを接続する直流供給ケーブルが、上記電源配線と比べて高いコモンモードインピーダンスを有することを特徴としている。
【００２８】また、請求項１２記載の発明は、請求項１記載の多層プリント基板に係り、上記第２の絶縁材層が、ガラスエポキシ樹脂板からなることを特徴としている。
【００２９】また、請求項１３記載の発明は、請求項１記載の多層プリント基板に係り、上記第２の絶縁材層が、セラミック板からなることを特徴としている。
【００３０】この発明において、電源層をグランド層で挟まれた低インピーダンスの線路構造とする理由は、次の通りである。すなわち、プリント基板に搭載されているＩＣ，ＬＳＩ等のような、高速，高周波の回路素子にとっての、理想的な直流電源の形態は、広い周波数帯域にわたって内部インピーダンスが充分小さい値を有することと、このような電源が、ＩＣ，ＬＳＩ等の回路素子ごとに設けられていることである。これによって、ＩＣ，ＬＳＩ等のような回路素子の、高速，高周波の動作に伴う高周波電源電流を円滑にグランドに流下させて、その結果、信号波形の歪みを抑制できるとともに、直流電源を共用することによる、電圧安定度の劣化に基づく、ＩＣ，ＬＳＩ等の回路素子の相互間の干渉を排除することが可能になる。
【００３１】しかしながら、回路素子ごとに電源を独立に設置することは、回路部品数が増大して、機器のコストを上昇させるとともに、機器のサイズを増大させ、さらに、機器の故障確率を高くするという問題を生じるため、必ずしも現実的ではない。このため、比較的小規模の電子機器の場合は、特に必要がない限り、同一電圧の電源は、一つに集約されることが多い。すなわち、プリント基板用の直流電源は、プリント基板とは独立したユニットで発生させ、高周波の影響についての配慮が払われていない電線を介して供給するのが普通である。
【００３２】そこで、このような形態でプリント基板に供給される直流電源を、プリント基板内で，上述した理想に近い形で、ＩＣやＬＳＩに供給できるようにすることが必要になる。理想に近い形で、直流電流を分配するためには、大きく分けて二つの方法が考えられる。一つは、直流電源の独立設置を優先しつつ、可能な限り、電源のインピーダンスを低くするという考え方であって、従来の電源層にインピーダンス付加回路を形成する方法（例えば、特願平８−１３７９０４号公報参照）がこれに含まれる。他の考え方は、電源の低インピーダンス化を優先しつつ、可能な限り、電源の独立性を保つという考え方であって、この発明は、後者の考え方に基づいている。
【００３３】
【作用】この発明の構成によれば、多層プリント基板を上記のように構成することによって、プリント基板に搭載されているＩＣ，ＬＳＩ等の回路素子に対して、理想的な直流電源を、見かけ上、個別に供給できるため、ＩＣ，ＬＳＩ等の回路素子の高速動作に対する、電源部による制約要因を排除できるとともに、高周波電流が流れているプリント基板の電源供給線路と信号線路との間の電磁結合と、プリント基板の電源供給線路から装置内の電源供給ケーブルへの高周波電流の流出を抑制することが可能になる。これによって、プリント基板に搭載されているＩＣ，ＬＳＩ等の回路素子の高速，高周波の動作を保証するとともに、ディジタル機器をはじめとする、高速，高周波の電子機器からの電磁放射を抑制し、また外部からの電気的又は電磁的外乱に対する耐力を向上することができるようになる。
【００３４】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。説明は、実施例を用いて具体的に行う。図１は、この発明の一実施例である多層プリント基板の構造を示す断面図、図２は、この発明の一実施例である多層プリント基板における電源層の構成を示す平面図、図３は、つづら折り配線の例を示す図、図４は、ストリップ線路構造を説明する図である。この例の多層プリント基板は、図１に示すように、電源層１と、グランド層２と、信号層３と、電源絶縁材層４と、基体絶縁材層５とから構成されている。この例においては、上から下方向に順に、信号層３と、基体絶縁材層５と、グランド層２と、電源絶縁材層４と、電源層１と、電源絶縁材層４と、グランド層２と、基体絶縁材層５と、信号層３とが形成されているが、いずれか一方の信号層３と、基体絶縁材層５とを欠く構成にすることもできる。
【００３５】電源層１は、銅箔パターンによって、直流電源受電端子から各回路素子に対する電源配線が形成されている層である。グランド層２は、銅箔によって形成された、接地のための層であって、スルーホールやヴァイアホール以外の切り抜きや、独立した配線を含まない全面平板とすることが望ましい。信号層３は、銅箔パターンによって、各回路素子に対する信号線路が形成されている層である。電源絶縁材層４は、電源層１とグランド層２とを絶縁するための絶縁材層であって、高誘電率を有する、充分薄い絶縁材によって形成されている。基体絶縁材層５は、プリント基板の基体層を構成するとともに、信号層５とグランド層３とを絶縁するための絶縁材層である。
【００３６】この例における電源層１は、図２に示すように、電源配線６と、つづら折り配線７と、直流電源受電端子８とからなっている。各電源配線６は、銅箔パターンからなり、一端に、スルーホールやヴァイアホール（不図示）を介して、プリント基板の部品面（例えば信号層３の表面）に取り付けられているＩＣ／ＬＳＩ９と接続され、他端を、直流電源受電端子８に接続されている。電源配線６の一部には、つづら折り配線７が設けられている場合もある。電源配線６とＩＣ／ＬＳＩ９との接続部には、スルーホールやヴァイアホール（不図示）を介して、プリント基板の部品面（例えば信号層３の表面）に取り付けられている、バイパスコンデンサ１０が接続されている。さらに、直流電源受電端子８には、スルーホールやヴァイアホール（不図示）を介して、プリント基板の部品面（例えば信号層３の表面）に取り付けられている、終端コンデンサ１１が接続されている。直流電源受電端子８には、外部に設けられている電源ユニット１２が、直流供給ケーブル１３を介して接続されている。
【００３７】電源配線６には、一定の面積内に、一定の幅を有する最も長い配線を収容することができるような、線路パターンを使用する。このような線路パターンの例としては、例えば、図３に示すような、つづら折り状に形成した線路パターンである、つづら折り配線１４がある。この線路パターンは、単純に２点間を結ぶ直線状の配線パターンと比較して、効果的に線路長を長くすることができる。電源配線の特性インピーダンスは、線路幅が広いほど低く、線路とグランド層との間隔が狭いほど低く、また、線路とグランド層間の絶縁材の誘電率が高いほど低くなる。電源配線の特性インピーダンスを保証する周波数の下限は、線路長に比例して低くなる。また、電源配線の特性インピーダンスをある程度保証できる周波数の上限は、一般的なガラス繊維強化エポキシ材使用のプリント基板において、数ＧＨｚに及ぶことが期待できるため、ある程度以上の高周波数領域において、低インピーダンスの線路を形成することが可能である。なお、電源配線の形状は、図３に示されたつづら折り配線に限定されるものでなく、単純な２点間直線配線の長さ（マンハッタン長）よりも長くなるような配線方法であれば、どのような形状であってもよい。
【００３８】電源層の設計を行う場合には、線路とグランド層との間隔、及び絶縁材の誘電率をプリント基板の材料設計時点で決定し、次に、プリント基板に搭載される半導体ＩＣやＬＳＩを消費電力に基づいて自由に分類して、それぞれのグループごとに、電源配線の線路幅を決定したのち、適切なルールに従って配線設計を行い、その結果によって、半導体ＩＣ，ＬＳＩごとのバイパスコンデンサを選定するという、比較的単純な作業によって、設計を進めることができる。バイパスコンデンサの選定に関しては、電源配線が高周波数帯域のインピーダンスを保証するために、その選定の自由度が高く、従って、コストアップや設計ミスが生じるおそれが少ないと考えられる。
【００３９】この例では、電源配線の幅をある程度広くした上で、電源層１とグランド層２間の電源絶縁材層４を薄くすることによって、電源配線の特性インピーダンスを広い範囲の高周波数帯域で低下させている。この場合の電源配線の特性インピーダンスは、電源配線を図４に示すような、電源配線をストリップ導体１５とし、グランド層を上下の接地導体１６とし、電源絶縁材層をグランド絶縁体１７とするストリップ線路と見なすことによって求められる。この場合における、ストリップ線路の特性インピーダンス（Ｚ０ ）は、周知の次の簡易式を適用することによって、容易に決定することができる。
【００４０】
【数１】
【００４１】電源配線の特性インピーダンスを低下させる手段として、電源絶縁材層４を薄くするためには、例えば印刷（塗装）手法によって形成された、薄膜又は厚膜の誘電体からなる絶縁材層を用いることができる。さらにこの例では、電源絶縁材層４を形成する絶縁材の誘電率を高くすることによって、より特性インピーダンスを低下させるようにしている。具体的には、例えば、電源配線を高誘電率材料からなる絶縁フィルムで挟んで、さらにその両側からグランド層によって積層して、多層プリント基板を形成する方法をとることもできる。
【００４２】このようにして、同一配線幅の場合に、電源配線の特性インピーダンスが極力低くなるような、多層基板構造を決定し、その上で、プリント基板に搭載されるＩＣ，ＬＳＩ等の回路素子を消費電力で分類したグループごとに、許容電流の観点から最小配線幅を決定する。配線幅を定めるための他の条件は、特性インピーダンス値であるが、これに対しても、消費電力でグループ分けして、（１）式に基づいて最小配線幅を決定する。実際には、このようにして定められた配線幅から、いずれか幅の広い方の値を採用すればよい。
【００４３】電源配線の線路長によって、特性インピーダンス値を保証する最低周波数が規定される。具体的には、誘電体による波長短縮効果を見込んだ波長の１／４又は１／２よりも長い場合に、ほぼ、特性インピーダンスが保証される。波長の１／４をとるか、又は１／２をとるかは、線路の終端条件（オープン又はショート）に依存する。図１の例では、電源供給線路の両端が、充分低いインピーダンス（例えば０．１オーム程度）を有するコンデンサで終端されるので、この場合の線路長は、１／２波長となる。
【００４４】ＩＣ，ＬＳＩ等の回路素子側の電源配線に使用するコンデンサは、比較的高い周波数領域（例えば、３０ＭＨｚから１００ＭＨｚ）で電源供給線路を終端し、プリント基板の直流電源受電端子８側の電源配線に使用するコンデンサは、比較的低い周波数領域（例えば、１５０ＫＨｚから３０ＭＨｚ）で電源供給線路を終端する。これによって、半導体ＩＣ，ＬＳＩの、高速，高周波の動作に伴う高周波電源電流を、これらの回路素子側で、バイパスコンデンサと電源配線に円滑に分流させるとともに、電源配線の高周波数領域から低周波数領域にいたる広い周波数帯域の電源電流が、特性インピーダンスの差によって、プリント基板に直流を供給している直流電源受電端子８に流入することを抑制できる。また、プリント基板の直流電源受電端子８から直流供給ケーブル１３に高周波電流が漏洩しにくくするために、直流供給ケーブル１３のコモンモードインピーダンスを充分大きく（例えば数十オーム以上）することが望ましい。
【００４５】以上、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られたものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、基体絶縁材層５を構成する絶縁材として、ガラスエポキシ樹脂板を用いてもよく、又はセラミック板を用いることもできる。電源絶縁材層４を形成する薄膜誘電体は、蒸着によって形成してもよく、同じく厚膜誘電体は、スパッタリングによって形成してもよい。
【００４６】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば、多層プリント基板に搭載される半導体ＩＣやＬＳＩ等の回路素子に対して、個別に低インピーダンスの独立電源を設けた場合と同様の状態で、直流電源を供給できるとともに、プリント基板に搭載されているＩＣ，ＬＳＩ等の回路素子の高速，高周波の動作を阻害することなく、ディジタル機器をはじめとする、高速，高周波の電子機器からの電磁放射を抑制することができ、さらに、外部からの電気的又は電磁的外乱に対する耐力を向上することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例である多層プリント基板の構造を示す断面図である。
【図２】この発明の一実施例である多層プリント基板における電源層の構成を示す平面図である。
【図３】つづら折り配線の例を示す図である。
【図４】ストリップ線路構造を説明する図である。
【図５】従来技術におけるプリント基板の断面図である。
【図６】従来技術のプリント基板における電源層を示す平面図である。
【図７】従来技術を適用した電源回路の等価回路（デカップリング回路）を示す図である。
【図８】従来技術を適用したプリント基板における高周波電源電流の拡散抑制効果を説明する図である。
【図９】ＬＳＩの高周波電源電流特性の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ 電源層
２ グランド層
３ 信号層
４ 電源絶縁材層（第１の絶縁材層）
５ 基体絶縁材層（第２の絶縁材層）
６ 電源配線
７ つづら折り配線
８ 直流電源受電端子
９ ＩＣ／ＬＳＩ（回路素子）
１０ バイパスコンデンサ
１１ 終端コンデンサ
１２ 電源ユニット
１３ 直流供給ケーブル
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、多数の、高速，高周波の回路素子を搭載した場合に、電源電流に基づく電磁誘導妨害を低減可能な、多層プリント基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＩＣ（Integrated Circuit）やＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）等のような、高速，高周波の回路素子が搭載された多層プリント基板では、電磁ノイズが発生するために、そのプリント基板に搭載された電子機器自体又は他の電子機器に、ＥＭＩ（Electro Magnetic Interference ：電磁干渉）を与えて、誤動作を発生させるという問題があることは、よく知られている。ＥＭＩのうちで、特に大きなウエィトを占めているのは，コモンモードノイズと呼ばれる、大地面又はグランド面を基準電位として生じる高周波源に起因する電磁ノイズである。しかしながら、コモンモードノイズは、推定される発生原因が多岐にわたるとともに、それぞれの発生機構が複雑なため、発生源に近いところでの、有効な対策方法がなかった。そのため、従来は、コモンモードノイズの主な伝搬経路又は放射アンテナとなるケーブルへの漏洩防止や放射防止の対策がとられているだけであった。
【０００３】これに対して、高速ディジタル回路における、コモンモードノイズの最大の発生原因の一つが、プリント基板に搭載されている高速，高周波の回路素子に対する電源電流にあることが、最近の研究結果によってわかってきた。この事実に基づいて、発明されたものとして、例えば、特許第２７３４４７号によって登録された技術や、特願平９−２５３５１９号によって出願された技術がある。
【０００４】これらの技術は、プリント基板に搭載されている、高速，高周波の回路素子にる対する直流電源供給を、線路の途中に高周波時に高いインピーダンスを呈するインダクタンス素子を挿入した電源配線によって行うようにしたり、又は、線路の周囲を磁性体で包囲することによって、特性インピーダンスを高くした電源供給線路によって行うとともに、回路素子の電源，グランド間にコンデンサを接続することによって、プリント基板に搭載されている回路素子の高速，高周波の動作を円滑に行わせながら、その動作に伴って発生する高周波電源電流が、プリント基板全体に拡散することを防止するようにしたものである。このような技術を、高性能コンピュータに適用することによって、電磁放射レベルを大幅に抑制するとともに、外部からの電気的又は電磁的外乱に対する耐力（イミュニティ）が向上することを確認した研究論文が、例えば、「磁性体内蔵デカップリング強化多層プリント基板」（電気学会マグネティクス研究会；１９９７−１２）や、「Novel decoupling circuit enabling notable electromagnetic noise suppression and high-density packing in a digital printed circuit board 」（IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility ；１９９８−８，Denver）等において発表されている。
【０００５】上記した従来技術においては、プリント基板の直流電源供給線路のインピーダンスを、高周波領域で高くする線路構造（以下、デカップリングインダクタという）を採用するとともに、回路素子の高速，高周波の動作に伴って発生する高周波電源電流を効率よく分流させるために、コンデンサ（以下、バイパスコンデンサという）を使用している。以下、ＥＭＩ抑制効果が顕著なものとして知られる従来技術として、特許第２７３４４７号の例を説明する。図５は、従来技術におけるプリント基板の断面図、図６は、従来技術のプリント基板における電源層を示す平面図、図７は、従来技術を適用した電源回路の等価回路（デカップリング回路）を示す図、図８は、従来技術を適用したプリント基板における高周波電源電流の拡散抑制効果を説明する図である。
【０００６】従来技術のプリント基板は、図５の断面図に示すように、電源層１０１と、グランド層１０２と、信号層１０３と、磁性絶縁層１０４と、誘電体絶縁層１０５とから構成されていて、上から下方向に順に、信号層１０３と、誘電体絶縁層１０５と、グランド層１０２と、磁性絶縁層１０４と、電源層１０１と、磁性絶縁層１０４と、グランド層１０２と、誘電体絶縁層１０５と、信号層１０３とが形成されている。ここで、磁性絶縁層１０４は、磁性体を混合した絶縁材からなっており、誘電体絶縁層１０５は、誘電特性のみを有する絶縁材からなっている。
【０００７】また、従来技術のプリント基板における電源層１０１においては、図６の平面図に示すように、幹配線１０６と、幹配線１０６から分岐した枝配線１０７が配置され、枝配線１０７の先端に、ヴァイアホール（不図示）を介して、プリント基板の部品面（例えば信号層１０３の表面）に取り付けられたＩＣ／ＬＳＩ１０８が接続されているとともに、枝配線１０７とＩＣ／ＬＳＩ１０８の接続部に、プリント基板の部品面（例えば信号層１０３の表面）に取り付けられたデカップリングコンデンサ１０９が接続されている。
【０００８】従来技術のプリント基板において、各ＩＣ／ＬＳＩに対する電源回路の等価回路は、図７に示すように、ＩＣ／ＬＳＩ１１０に対して、電源配線１１２を介して電源１１１を接続し、ＩＣ／ＬＳＩ１１０と電源１１１の帰路をグランド層１１３に接続している。この際、電源層の上下には、磁性絶縁層１０４が配置されているので、電源層に形成されている電源配線のインピーダンスが高くなって、図７に示すように、デカップリングインダクタ（Ｌ）１１４が挿入されたのと等価になる。このインダクタンス１１４と、デカップリングコンデンサによる容量（Ｃ）１１５とによって、ローパスフィルタが形成されるので、ＩＣ／ＬＳＩ１１０の動作に伴って電源供給線に流れる高周波電源電流が抑圧される。さらに、電源配線１１２に、つづら折り部１１０等からなるインピーダンス付加回路を用いて、デカップリングインダクタを大きくする構成とすることもできる。
【０００９】この従来技術においては、上記各図から知られるように、ＩＣやＬＳＩの動作に伴って、電源層に流入する高周波電源電流を、配線構造に挿入されたインダクタによって阻止するとともに、ＩＣやＬＳＩの近傍に配置されたバイパスコンデンサによって分流させるようにしている。
【００１０】図５〜図７に示された従来技術を適用したプリント基板における高周波電源電流の拡散抑制効果は、図８に示される。図８においては、基板近傍の磁界分布を、磁界が強いほど濃い色で示している。図８（ａ）に示す従来例では、電源層が全面平板からなる基板であったため、高周波電源電流が基板全面に拡散しているとともに、一部に特に濃い色でノイズ発生源である電子機器が示されているが、図８（ｂ）に示す特許第２７３４４７号の場合は、電源層を配線化したため、高周波電源電流の拡散が減少し、電子機器からのコモンモード放射も抑制されたことが示されている。これは、電源層を配線化してＩＣやＬＳＩからの高周波電源電流の拡散を減少させたことと、電源配線と隣接するグランド層とによってストリップ線路を形成したことによって、電源層（線）と信号線との電磁結合が減少して、コモンモード電流が減少したためであると考えられる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の特許第２７３４４７号の技術は、従来のデカップリング技術の観点からは全く正しいものであるが、実用的な面からは、多くの課題を抱えている。第１の課題は、高速，高周波の動作に伴って発生する高周波電源電流を、どのようにして知るかということである。これがわからなければ、デカップリングインダクタやバイパスコンデンサを設計することができない。本来、回路設計は、回路電圧，電流及びインピーダンスのうちの、いずれか二つを適切な値に設定してゆく作業であるが、特にディジタル回路の場合は、入出力信号として、 "１”と "０”の二つの状態のみを使用するので、回路設計は、電圧のみに着目して行われ、電流及びインピーダンスを設計上において考慮することは、殆ど行われなかった。このため、事実上、世界的標準となっているものから客先仕様のものに至るまで、殆どすべての半導体ＩＣ及びＬＳＩに対する、インピーダンスと電流についての特性の開示は行われていないし、近い将来においても、これらのすべてについて開示が行われることは、期待できない。そこで、半導体メーカだけでなく、ユーザにおいても、高周波電源電流を測定できる方法が考案されるとともに、世界標準化に向けた動きが進展しているが、動作条件の設定と測定環境の設定が比較的難しく、そのため、設計ラインで効率よく測定を行うことは容易ではない。従って、当面、ある程度の設計誤差を見込んだ上で、高周波電源電流のデータに代わる、入手可能な特性データから、電源電流を推定することが必要になる。
【００１２】第２の課題は、基本的には、個々の半導体ＩＣやＬＳＩごとに、デカップリングインダクタとバイパスコンデンサのパラメータを設計しなければならない、ということである。半導体ＩＣやＬＳＩの高速，高周波の動作のためには、それに伴って発生する高周波電源電流を、効率よくバイパスコンデンサに分流する回路が必要になる。この回路は、半導体ＩＣやＬＳＩのタイプや使用条件の変化に応じて個別に設計されるべきことは、回路設計上の基本であって当然のことであるが、前述のように、ディジタル回路においては、従来、このような設計は殆ど行われていないので、短期的には設計者の負担が大きくなり、このような負担が増加することによって、設計期間が長くなるとともに、設計ミスも増加することになると思われる。すなわち、デカップリング設計を、製品設計に適用するためには、設計ツールの改良や、設計者の再教育を行う等の、十分な準備期間が必要になる。
【００１３】図９は、ＬＳＩの高周波電源電流特性の一例を示したものである。上述の第１及び第２の課題を解決するためには、基板上に搭載されたすべてのＩＣとＬＳＩについて、図９に示されたような、高周波電源電流特性を測定して、その１周期の波形の積分値である電荷量Ｑを求めて、個々のＩＣ，ＬＳＩの許容電圧変動を勘案して、必要なバイパスコンデンサの容量を求めなければならない。さらに、バイパスコンデンサとデカップリングインダクタのインピーダンス比から、所望のインダクタンス値を算出して、配線パターン長に置き換えるようにして、電源の配線設計を行うことが必要になる。
【００１４】第３の課題は、半導体ＩＣ，ＬＳＩの高速，高周波化に比べて、デカップリングインダクタとパイパスコンデンサの材料技術又は製造技術が遅れているということである。例えば、最近のパーソナルコンピュータに使用されているＣＰＵ（Central Processing Unit ）のスイッチング周波数は、５００ＭＨｚ程度まで上昇しており、このような、高速スイッチングを行う場合には、ＣＰＵを構成する半導体ＩＣやＬＳＩのの電源電流に、数ＧＨｚ以上の高次高調波が含まれることになる。しかしながら、現在のコンデンサ製造技術では、半導体ＩＣやＬＳＩの電源に対して必要な、０．１μＦ程度の静電容量を有するコンデンサの共振周波数は、数十ＭＨｚ以下にとどまっていて、これ以上の周波数では、コンデンサとして作用せず、インダクタとして振る舞うようになる。今後におけるディジタル回路の高速化を可能にするためには、バイパスコンデンサの高周波特性の向上は必須となるであらうが、近い将来において、共振周波数がＧＨｚオーダーに達する大容量小型コンデンサが、市場で入手できる可能性は少ない。デカップリングインダクタについても、構造と材料面の研究開発が進展しなければ、ＧＨｚ台の共振周波数を有し、数百ｎＨ程度のインダクタンスを有するとともに、電流容量が数Ａに達するようなインダクタを、近い将来、市場で入手できる可能性は少ない。
【００１５】電源回路については、このような各種の課題があるにもかかわらず、ディジタル回路の高速化を進めることが必要である。このため、比較的実用化が容易と思われる代替策が、少なくとも当面、必要となる。
【００１６】この発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであって、回路の高速，高周波の動作に伴って発生する高周波電源電流の値が開示されていなくても、また、デカップリングインダクタやバイパスコンデンサの高周波性能が不十分であっても採用することができ、半導体ＩＣやＬＳＩのタイプや使用条件に大きく依存することなく、半導体ＩＣ，ＬＳＩの電源の、高速，高周波の動作を可能にするような、直流電源供給線路構造を備えた多層プリント板を提供することを第１の目的としている。また、この発明は、半導体ＩＣやＬＳＩの高周波電源電流に基づく、コモンモードノイズの発生を抑圧できるような、直流電源供給線路構造を有する多層プリント基板を提供することを第２の目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、多層プリント基板に係り、電源配線を設けた電源層の上下両側に、それぞれ第１の絶縁材層を介してグランド層を積層し、さらにこれらの上下の片側又は両側に、第２の絶縁材層を介して信号配線を設けた信号層を積層してなることを特徴としている。
【００１８】また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の多層プリント基板に係り、上記第１の絶縁材層が、薄い絶縁材からなることを特徴としている。
【００１９】また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の多層プリント基板に係り、上記第１の絶縁材層が、高誘電率フィルムからなることを特徴としている。
【００２０】また、請求項４記載の発明は、請求項１記載の多層プリント基板に係り、上記グランド層が、スルーホール及びヴァイアホール以外の切り抜き又は独立した配線を含まない全面平板の導体層からなることを特徴としている。
【００２１】また、請求項５記載の発明は、請求項１記載の多層プリント基板に係り、上記電源配線が、回路電流による電圧降下が所定値以下となるような線路幅と、該電源配線の特性インピーダンスが所定値以下となるような線路幅とのうち、いずれか広い方の線路幅を有することを特徴としている。
【００２２】また、請求項６記載の発明は、請求項５記載の多層プリント基板に係り、上記電源配線が、上記電源層内の直流電源受電端子と各回路素子間に設けられた独立した線路構造からなり、該回路素子に対する電源電流に含まれる高周波成分の該線路上の波長に対して、該線路の終端条件によって定まる値を乗じた以上の長さを有することを特徴としている。
【００２３】また、請求項７記載の発明は、請求項５又は６記載の多層プリント基板に係り、上記電源配線が、一定面積内に一定幅を有する最も長い配線を収容可能な線路パターンからなることを特徴としている。
【００２４】また、請求項８記載の発明は、請求項７記載の多層プリント基板に係り、上記線路パターンがつづら折り配線からなることを特徴としている。
【００２５】また、請求項９記載の発明は、請求項５乃至８のいずれか１に記載の多層プリント基板に係り、上記電源配線が、回路素子との接続点とグランド層間、及び該電源配線が接続されている直流電源受電端子とグランド層間に、それぞれコンデンサを接続されていることを特徴としている。
【００２６】また、請求項１０記載の発明は、請求項９記載の多層プリント基板に係り、上記電源配線が、回路素子側で、電源電流に含まれる高周波成分の高周波帯域で低い特性インピーダンスを有するコンデンサで終端され、直流電源受電端子側で、上記電源電流に含まれる高周波成分の低周波帯域で低い特性インピーダンスを有するコンデンサで終端されることを特徴としている。
【００２７】また、請求項１１記載の発明は、請求項５乃至１０のいずれか１に記載の多層プリント基板に係り、上記直流電源受電端子と外部の電源ユニットとを接続する直流供給ケーブルが、上記電源配線と比べて高いコモンモードインピーダンスを有することを特徴としている。
【００２８】また、請求項１２記載の発明は、請求項１記載の多層プリント基板に係り、上記第２の絶縁材層が、ガラスエポキシ樹脂板からなることを特徴としている。
【００２９】また、請求項１３記載の発明は、請求項１記載の多層プリント基板に係り、上記第２の絶縁材層が、セラミック板からなることを特徴としている。
【００３０】この発明において、電源層をグランド層で挟まれた低インピーダンスの線路構造とする理由は、次の通りである。すなわち、プリント基板に搭載されているＩＣ，ＬＳＩ等のような、高速，高周波の回路素子にとっての、理想的な直流電源の形態は、広い周波数帯域にわたって内部インピーダンスが充分小さい値を有することと、このような電源が、ＩＣ，ＬＳＩ等の回路素子ごとに設けられていることである。これによって、ＩＣ，ＬＳＩ等のような回路素子の、高速，高周波の動作に伴う高周波電源電流を円滑にグランドに流下させて、その結果、信号波形の歪みを抑制できるとともに、直流電源を共用することによる、電圧安定度の劣化に基づく、ＩＣ，ＬＳＩ等の回路素子の相互間の干渉を排除することが可能になる。
【００３１】しかしながら、回路素子ごとに電源を独立に設置することは、回路部品数が増大して、機器のコストを上昇させるとともに、機器のサイズを増大させ、さらに、機器の故障確率を高くするという問題を生じるため、必ずしも現実的ではない。このため、比較的小規模の電子機器の場合は、特に必要がない限り、同一電圧の電源は、一つに集約されることが多い。すなわち、プリント基板用の直流電源は、プリント基板とは独立したユニットで発生させ、高周波の影響についての配慮が払われていない電線を介して供給するのが普通である。
【００３２】そこで、このような形態でプリント基板に供給される直流電源を、プリント基板内で，上述した理想に近い形で、ＩＣやＬＳＩに供給できるようにすることが必要になる。理想に近い形で、直流電流を分配するためには、大きく分けて二つの方法が考えられる。一つは、直流電源の独立設置を優先しつつ、可能な限り、電源のインピーダンスを低くするという考え方であって、従来の電源層にインピーダンス付加回路を形成する方法（例えば、特願平８−１３７９０４号公報参照）がこれに含まれる。他の考え方は、電源の低インピーダンス化を優先しつつ、可能な限り、電源の独立性を保つという考え方であって、この発明は、後者の考え方に基づいている。
【００３３】
【作用】この発明の構成によれば、多層プリント基板を上記のように構成することによって、プリント基板に搭載されているＩＣ，ＬＳＩ等の回路素子に対して、理想的な直流電源を、見かけ上、個別に供給できるため、ＩＣ，ＬＳＩ等の回路素子の高速動作に対する、電源部による制約要因を排除できるとともに、高周波電流が流れているプリント基板の電源供給線路と信号線路との間の電磁結合と、プリント基板の電源供給線路から装置内の電源供給ケーブルへの高周波電流の流出を抑制することが可能になる。これによって、プリント基板に搭載されているＩＣ，ＬＳＩ等の回路素子の高速，高周波の動作を保証するとともに、ディジタル機器をはじめとする、高速，高周波の電子機器からの電磁放射を抑制し、また外部からの電気的又は電磁的外乱に対する耐力を向上することができるようになる。
【００３４】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。説明は、実施例を用いて具体的に行う。図１は、この発明の一実施例である多層プリント基板の構造を示す断面図、図２は、この発明の一実施例である多層プリント基板における電源層の構成を示す平面図、図３は、つづら折り配線の例を示す図、図４は、ストリップ線路構造を説明する図である。この例の多層プリント基板は、図１に示すように、電源層１と、グランド層２と、信号層３と、電源絶縁材層４と、基体絶縁材層５とから構成されている。この例においては、上から下方向に順に、信号層３と、基体絶縁材層５と、グランド層２と、電源絶縁材層４と、電源層１と、電源絶縁材層４と、グランド層２と、基体絶縁材層５と、信号層３とが形成されているが、いずれか一方の信号層３と、基体絶縁材層５とを欠く構成にすることもできる。
【００３５】電源層１は、銅箔パターンによって、直流電源受電端子から各回路素子に対する電源配線が形成されている層である。グランド層２は、銅箔によって形成された、接地のための層であって、スルーホールやヴァイアホール以外の切り抜きや、独立した配線を含まない全面平板とすることが望ましい。信号層３は、銅箔パターンによって、各回路素子に対する信号線路が形成されている層である。電源絶縁材層４は、電源層１とグランド層２とを絶縁するための絶縁材層であって、高誘電率を有する、充分薄い絶縁材によって形成されている。基体絶縁材層５は、プリント基板の基体層を構成するとともに、信号層５とグランド層３とを絶縁するための絶縁材層である。
【００３６】この例における電源層１は、図２に示すように、電源配線６と、つづら折り配線７と、直流電源受電端子８とからなっている。各電源配線６は、銅箔パターンからなり、一端に、スルーホールやヴァイアホール（不図示）を介して、プリント基板の部品面（例えば信号層３の表面）に取り付けられているＩＣ／ＬＳＩ９と接続され、他端を、直流電源受電端子８に接続されている。電源配線６の一部には、つづら折り配線７が設けられている場合もある。電源配線６とＩＣ／ＬＳＩ９との接続部には、スルーホールやヴァイアホール（不図示）を介して、プリント基板の部品面（例えば信号層３の表面）に取り付けられている、バイパスコンデンサ１０が接続されている。さらに、直流電源受電端子８には、スルーホールやヴァイアホール（不図示）を介して、プリント基板の部品面（例えば信号層３の表面）に取り付けられている、終端コンデンサ１１が接続されている。直流電源受電端子８には、外部に設けられている電源ユニット１２が、直流供給ケーブル１３を介して接続されている。
【００３７】電源配線６には、一定の面積内に、一定の幅を有する最も長い配線を収容することができるような、線路パターンを使用する。このような線路パターンの例としては、例えば、図３に示すような、つづら折り状に形成した線路パターンである、つづら折り配線１４がある。この線路パターンは、単純に２点間を結ぶ直線状の配線パターンと比較して、効果的に線路長を長くすることができる。電源配線の特性インピーダンスは、線路幅が広いほど低く、線路とグランド層との間隔が狭いほど低く、また、線路とグランド層間の絶縁材の誘電率が高いほど低くなる。電源配線の特性インピーダンスを保証する周波数の下限は、線路長に比例して低くなる。また、電源配線の特性インピーダンスをある程度保証できる周波数の上限は、一般的なガラス繊維強化エポキシ材使用のプリント基板において、数ＧＨｚに及ぶことが期待できるため、ある程度以上の高周波数領域において、低インピーダンスの線路を形成することが可能である。なお、電源配線の形状は、図３に示されたつづら折り配線に限定されるものでなく、単純な２点間直線配線の長さ（マンハッタン長）よりも長くなるような配線方法であれば、どのような形状であってもよい。
【００３８】電源層の設計を行う場合には、線路とグランド層との間隔、及び絶縁材の誘電率をプリント基板の材料設計時点で決定し、次に、プリント基板に搭載される半導体ＩＣやＬＳＩを消費電力に基づいて自由に分類して、それぞれのグループごとに、電源配線の線路幅を決定したのち、適切なルールに従って配線設計を行い、その結果によって、半導体ＩＣ，ＬＳＩごとのバイパスコンデンサを選定するという、比較的単純な作業によって、設計を進めることができる。バイパスコンデンサの選定に関しては、電源配線が高周波数帯域のインピーダンスを保証するために、その選定の自由度が高く、従って、コストアップや設計ミスが生じるおそれが少ないと考えられる。
【００３９】この例では、電源配線の幅をある程度広くした上で、電源層１とグランド層２間の電源絶縁材層４を薄くすることによって、電源配線の特性インピーダンスを広い範囲の高周波数帯域で低下させている。この場合の電源配線の特性インピーダンスは、電源配線を図４に示すような、電源配線をストリップ導体１５とし、グランド層を上下の接地導体１６とし、電源絶縁材層をグランド絶縁体１７とするストリップ線路と見なすことによって求められる。この場合における、ストリップ線路の特性インピーダンス（Ｚ０ ）は、周知の次の簡易式を適用することによって、容易に決定することができる。
【００４０】
【数１】
【００４１】電源配線の特性インピーダンスを低下させる手段として、電源絶縁材層４を薄くするためには、例えば印刷（塗装）手法によって形成された、薄膜又は厚膜の誘電体からなる絶縁材層を用いることができる。さらにこの例では、電源絶縁材層４を形成する絶縁材の誘電率を高くすることによって、より特性インピーダンスを低下させるようにしている。具体的には、例えば、電源配線を高誘電率材料からなる絶縁フィルムで挟んで、さらにその両側からグランド層によって積層して、多層プリント基板を形成する方法をとることもできる。
【００４２】このようにして、同一配線幅の場合に、電源配線の特性インピーダンスが極力低くなるような、多層基板構造を決定し、その上で、プリント基板に搭載されるＩＣ，ＬＳＩ等の回路素子を消費電力で分類したグループごとに、許容電流の観点から最小配線幅を決定する。配線幅を定めるための他の条件は、特性インピーダンス値であるが、これに対しても、消費電力でグループ分けして、（１）式に基づいて最小配線幅を決定する。実際には、このようにして定められた配線幅から、いずれか幅の広い方の値を採用すればよい。
【００４３】電源配線の線路長によって、特性インピーダンス値を保証する最低周波数が規定される。具体的には、誘電体による波長短縮効果を見込んだ波長の１／４又は１／２よりも長い場合に、ほぼ、特性インピーダンスが保証される。波長の１／４をとるか、又は１／２をとるかは、線路の終端条件（オープン又はショート）に依存する。図１の例では、電源供給線路の両端が、充分低いインピーダンス（例えば０．１オーム程度）を有するコンデンサで終端されるので、この場合の線路長は、１／２波長となる。
【００４４】ＩＣ，ＬＳＩ等の回路素子側の電源配線に使用するコンデンサは、比較的高い周波数領域（例えば、３０ＭＨｚから１００ＭＨｚ）で電源供給線路を終端し、プリント基板の直流電源受電端子８側の電源配線に使用するコンデンサは、比較的低い周波数領域（例えば、１５０ＫＨｚから３０ＭＨｚ）で電源供給線路を終端する。これによって、半導体ＩＣ，ＬＳＩの、高速，高周波の動作に伴う高周波電源電流を、これらの回路素子側で、バイパスコンデンサと電源配線に円滑に分流させるとともに、電源配線の高周波数領域から低周波数領域にいたる広い周波数帯域の電源電流が、特性インピーダンスの差によって、プリント基板に直流を供給している直流電源受電端子８に流入することを抑制できる。また、プリント基板の直流電源受電端子８から直流供給ケーブル１３に高周波電流が漏洩しにくくするために、直流供給ケーブル１３のコモンモードインピーダンスを充分大きく（例えば数十オーム以上）することが望ましい。
【００４５】以上、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られたものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、基体絶縁材層５を構成する絶縁材として、ガラスエポキシ樹脂板を用いてもよく、又はセラミック板を用いることもできる。電源絶縁材層４を形成する薄膜誘電体は、蒸着によって形成してもよく、同じく厚膜誘電体は、スパッタリングによって形成してもよい。
【００４６】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば、多層プリント基板に搭載される半導体ＩＣやＬＳＩ等の回路素子に対して、個別に低インピーダンスの独立電源を設けた場合と同様の状態で、直流電源を供給できるとともに、プリント基板に搭載されているＩＣ，ＬＳＩ等の回路素子の高速，高周波の動作を阻害することなく、ディジタル機器をはじめとする、高速，高周波の電子機器からの電磁放射を抑制することができ、さらに、外部からの電気的又は電磁的外乱に対する耐力を向上することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例である多層プリント基板の構造を示す断面図である。
【図２】この発明の一実施例である多層プリント基板における電源層の構成を示す平面図である。
【図３】つづら折り配線の例を示す図である。
【図４】ストリップ線路構造を説明する図である。
【図５】従来技術におけるプリント基板の断面図である。
【図６】従来技術のプリント基板における電源層を示す平面図である。
【図７】従来技術を適用した電源回路の等価回路（デカップリング回路）を示す図である。
【図８】従来技術を適用したプリント基板における高周波電源電流の拡散抑制効果を説明する図である。
【図９】ＬＳＩの高周波電源電流特性の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ 電源層
２ グランド層
３ 信号層
４ 電源絶縁材層（第１の絶縁材層）
５ 基体絶縁材層（第２の絶縁材層）
６ 電源配線
７ つづら折り配線
８ 直流電源受電端子
９ ＩＣ／ＬＳＩ（回路素子）
１０ バイパスコンデンサ
１１ 終端コンデンサ
１２ 電源ユニット
１３ 直流供給ケーブル
【特許請求の範囲】
【請求項１】 電源配線を設けた電源層の上下両側に、それぞれ第１の絶縁材層を介してグランド層を積層し、さらにこれらの上下の片側又は両側に、第２の絶縁材層を介して信号配線を設けた信号層を積層してなることを特徴とする多層プリント基板。
【請求項２】 前記第１の絶縁材層が、薄い絶縁材からな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】 前記第１の絶縁材層が、高誘電率フィルムからな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】 前記グランド層が、スルーホール及びヴァイアホール以外の切り抜き又は独立した配線を含まない全面平板の導体層からな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５】 前記電源配線が、回路電流による電圧降下が所定値以下となるような線路幅と、該電源配線の特性インピーダンスが所定値以下となるような線路幅とのうち、いずれか広い方の線路幅を有す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６】 前記電源配線が、前記電源層内の直流電源受電端子と各回路素子間に設けられた独立した線路構造からなり、該回路素子に対する電源電流に含まれる高周波成分の該線路上の波長に対して、該線路の終端条件によって定まる値を乗じた以上の長さを有することを特徴とする請求項５記載の多層プリント基板。
【請求項７】 前記電源配線が、一定面積内に一定幅を有する最も長い配線を収容可能な線路パターンからなることを特徴とする請求項５又は６記載の多層プリント基板。
【請求項８】 前記線路パターンがつづら折り配線からなることを特徴とする請求項７記載の多層プリント基板。
【請求項９】 前記電源配線が、回路素子との接続点とグランド層間、及び該電源配線が接続されている直流電源受電端子とグランド層間に、それぞれコンデンサを接続されていることを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１に記載の多層プリント基板。
【請求項１０】 前記電源配線が、回路素子側で、電源電流に含まれる高周波成分の高周波帯域で低い特性インピーダンスを有するコンデンサで終端され、直流電源受電端子側で、前記電源電流に含まれる高周波成分の低周波帯域で低い特性インピーダンスを有するコンデンサで終端されることを特徴とする請求項９記載の多層プリント基板。
【請求項１１】 前記直流電源受電端子と外部の電源ユニットとを接続する直流供給ケーブルが、前記電源配線と比べて高いコモンモードインピーダンスを有することを特徴とする請求項５乃至１０のいずれ１に記載の多層プリント基板。
【請求項１２】 前記第２の絶縁材層が、ガラスエポキシ樹脂板からな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１３】 前記第２の絶縁材層が、セラミック板からな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１】 電源配線を設けた電源層の上下両側に、それぞれ第１の絶縁材層を介してグランド層を積層し、さらにこれらの上下の片側又は両側に、第２の絶縁材層を介して信号配線を設けた信号層を積層してなることを特徴とする多層プリント基板。
【請求項２】 前記第１の絶縁材層が、薄い絶縁材からな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】 前記第１の絶縁材層が、高誘電率フィルムからな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】 前記グランド層が、スルーホール及びヴァイアホール以外の切り抜き又は独立した配線を含まない全面平板の導体層からな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５】 前記電源配線が、回路電流による電圧降下が所定値以下となるような線路幅と、該電源配線の特性インピーダンスが所定値以下となるような線路幅とのうち、いずれか広い方の線路幅を有す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６】 前記電源配線が、前記電源層内の直流電源受電端子と各回路素子間に設けられた独立した線路構造からなり、該回路素子に対する電源電流に含まれる高周波成分の該線路上の波長に対して、該線路の終端条件によって定まる値を乗じた以上の長さを有することを特徴とする請求項５記載の多層プリント基板。
【請求項７】 前記電源配線が、一定面積内に一定幅を有する最も長い配線を収容可能な線路パターンからなることを特徴とする請求項５又は６記載の多層プリント基板。
【請求項８】 前記線路パターンがつづら折り配線からなることを特徴とする請求項７記載の多層プリント基板。
【請求項９】 前記電源配線が、回路素子との接続点とグランド層間、及び該電源配線が接続されている直流電源受電端子とグランド層間に、それぞれコンデンサを接続されていることを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１に記載の多層プリント基板。
【請求項１０】 前記電源配線が、回路素子側で、電源電流に含まれる高周波成分の高周波帯域で低い特性インピーダンスを有するコンデンサで終端され、直流電源受電端子側で、前記電源電流に含まれる高周波成分の低周波帯域で低い特性インピーダンスを有するコンデンサで終端されることを特徴とする請求項９記載の多層プリント基板。
【請求項１１】 前記直流電源受電端子と外部の電源ユニットとを接続する直流供給ケーブルが、前記電源配線と比べて高いコモンモードインピーダンスを有することを特徴とする請求項５乃至１０のいずれ１に記載の多層プリント基板。
【請求項１２】 前記第２の絶縁材層が、ガラスエポキシ樹脂板からな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１３】 前記第２の絶縁材層が、セラミック板からなることを特徴とする請求項１記載の多層プリント基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００１−５３４４９（Ｐ２００１−５３４４９Ａ）
【公開日】平成１３年２月２３日（２００１．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平１１−２２９５２５
【出願日】平成１１年８月１３日（１９９９．８．１３）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１３年２月２３日（２００１．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１１年８月１３日（１９９９．８．１３）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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