(57)【要約】【課題】多層基板のグランドや電源の導体板を起因とした放射ノイズを低減する。【解決手段】多層基板の電源層とグランド層の接続切り替えを行なう接続スイッチ１０−１〜１０−１５に対して、放射ノイズのきっかけとなるＬＳＩ２１と２４の動作状況をもとに接続制御回路４０により制御信号を送信し、電源層とグランド層の接続位置を常時変えることで、共振周波数を可変にし、特定周波数の放射頻度を下げることで、放射ノイズを低減する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導体層と、第２の導体層と、前記第１の導体層と前記第２の導体層とを接続する層間接続手段と、この層間接続手段の前記第１の導体層と前記第２の導体層との複数の接続位置の接続状態を制御する層間接続制御手段とからなり、
前記層間接続制御手段は、前記層間接続手段の前記接続位置を動的に変えることを特徴とする多層基板。
【請求項２】
請求項１に記載の多層基板であって、
前記層間接続制御手段は、前記層間接続手段の前記接続位置を動的に変えることによって、電磁波の放射を抑制することを特徴とする多層基板。
【請求項３】
請求項１に記載の多層基板であって、
前記層間接続制御手段は、実装した部品の動作状況に基づいて、前記層間接続手段の前記接続位置を変えることを特徴とする多層基板。
【請求項４】
第１の導体層と、第２の導体層と、前記第１の導体層と前記第２の導体層とを接続する第１のスイッチと、前記第１の導体層と前記第２の導体層とを接続する第２のスイッチと、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとを制御する層間接続制御手段と、表面に実装された電子部品とからなる多層基板の制御方法であって、
前記電子部品の動作を判定するステップと、
前記電子部品に供給するクロックに基づいて、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとのｏｎ／ｏｆｆを切り替えるステップとを有する多層基板の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層基板および多層基板の制御方法に係り、電子装置の放射ノイズを抑制する多層基板および多層基板の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子機器の筐体は、金属製であった。一方、近年コストとデザインの要求から金属筐体からプラスチック筐体へと変わってきている。しかし、プラスチックは、シールド性能を有していない。また、プラスチック筐体にシールド性能を付与することはできるが、廃棄時の分別が困難である。このため、プラスチック筐体を採用する場合、筐体内に搭載される基板で電磁遮蔽対策を行なわなくてはならない。
【０００３】
さらに、電子基板は、高速化に伴い多くの高調波成分を持つようになってきている。このため、基板の電源層とグランド層による共振周波数と、デバイスとデバイスに繋がる信号線路の動作速度に対する高調波が一致するようになってきた。この結果、従来は問題とされなかった基板の電源層とグランド層が支配的な放射要因となってきた。そのため、近年、基板の電源層とグランド層からの放射を下げるために、電源層とグランド層間にＶＩＡを介してパスコンを配置することで放射を低減する対策が行なわれるようになった。具体的には、電源層とグランド層が共振時の電界分布が腹になる位置にパスコンを配置することで放射を低減する事例が非特許文献１に挙げられている。
【０００４】
【非特許文献１】「第９回２００３ＥＭＣフォーラムテキスト  ＥＭＣ設計とシミュレーション」、ミマツコーポレーション企画編集、２００３年７月５日、Ｐ．５１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１の技術は、パスコンの配置で電界分布が変化するため、着目している周波数については放射を低減させることができる。しかし、コンデンサ自体はエネルギーを損失させるわけではない。すなわち、非特許文献１の技術は、共振周波数が他の周波数にシフトするだけで、共振エネルギー自体を損失させるわけではない。したがって、電源層とグランド層をコンデンサを介してＶＩＡ接続すると、電源−グランドの共振周波数がシフトする。このシフトが、デバイスやクロックの動作周波数の高調波と一致してしまうと、新たな放射を引起す問題がある。更に、接続位置を増やしても、共振周波数がシフトし、同じ問題が生じてしまう。
【０００６】
多くの場合、パスコンの配置数を増やすと、共振周波数が高周波側にシフトする。現在、日本国内のＥＭＩ規格は３０〜１０００ＭＨｚで規定されている。しかし、近年、国際規格で６０００ＭＨｚまで要求されるようになってきた。更に、ＣＰＵ等デバイスの動作速度も高速化が進められ、電源層とグランド層のパスコン位置により共振周波数をシフトさせる対策方法は、ますます難しくなることが考えられる。
【０００７】
本発明は、多層基板の電源やグランドの導体板を放射起因とした放射ノイズを低減する多層基板および多層基板の制御方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題は、第１の導体層と、第２の導体層と、第１の導体層と第２の導体層とを接続する層間接続手段と、この層間接続手段の第１の導体層と第２の導体層との複数の接続位置の接続状態を制御する層間接続制御手段とからなり、層間接続制御手段は、層間接続手段の接続位置を動的に変える多層基板により、達成できる。
【０００９】
第１の導体層と、第２の導体層と、第１の導体層と第２の導体層とを接続する第１のスイッチと、第１の導体層と第２の導体層とを接続する第２のスイッチと、第１のスイッチと第２のスイッチとを制御する層間接続制御手段と、表面に実装された電子部品とからなる多層基板の制御方法であって、電子部品の動作を判定するステップと、電子部品に供給するクロックに基づいて、第１のスイッチと第２のスイッチとのｏｎ／ｏｆｆを切り替えるステップとを有する多層基板の制御方法により、達成できる。
【発明の効果】
【００１０】
層間の導体の接続位置を動的に変え、導体間の共振周波数を動的に変更し、特定周波数の放射頻度をさげることで、放射ノイズを低減する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下本発明の実施の形態について、実施例を用い図面を参照しながら、詳細に説明する。なお、実質同一部位には同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。
【００１２】
図１を参照して、共振周波数可変基板の実装を説明する。ここで、図１は共振周波数可変基板の実装図である。図１において、共振周波数可変基板１００は、入出力端子として、入力信号端子２７と出力信号端子２８および直流電圧入力端子３１、ならびに接続制御回路４０の外部入力端子である制御信号設定入力端子２９と３０が多層基板５０に実装されている。入力信号端子２７より入力された信号は、ＬＳＩ２１〜ＬＳＩ２４で処理を施し、出力信号として出力信号端子２８より出力する。
【００１３】
接続スイッチ１０は、コンデンサを介して、多層基板５０のグランド層と電源層とを接続するスイッチである。接続スイッチ１０−１〜１０−１０は、基板全体の放射ノイズを抑制するために実装されている。接続スイッチ１０−１〜１０−１０は、接続制御回路４０−２の接続スイッチ制御信号配線と多層基板５０の内層により接続されている。接続スイッチ１０−１１〜１０−１５は、ＬＳＩ２１に起因した放射ノイズを抑制するために実装されている。接続スイッチ１０−１〜１０−１０は、接続制御回路４０−１の接続スイッチ制御信号配線と多層基板５０の内層により接続されている。
【００１４】
接続制御回路４０−１と４０−２は、ＬＳＩ２１とＬＳＩ２４の動作信号を受信し、接続スイッチ１０を制御する接続スイッチ制御信号を送信するタイミング制御を行なう。なお、当該ＬＳＩの数や基板の大きさに合せて接続スイッチ１０および接続制御回路４０の数を増減させて搭載する。ここで、単位面積当たりの接続スイッチ１０および接続制御回路４０の数が多いほど細かな制御が可能になる。
【００１５】
図２および図３を参照して、層間接続手段である接続スイッチの多層基板上での実装配置を説明する。ここで、図２は多層基板表面の実装図である。図３は多層基板の層間の接続図である。
【００１６】
図２および図３において、接続スイッチ１０は、ＭＯＳ型チップトランジスタ４３とチップコンデンサ４２で構成される。ＭＯＳ型チップトランジスタ４３のドレイン（Ｄ）は、グランドＶＩＡ４５を介してグランド層４６に接続される。ＭＯＳ型チップトランジスタ４３のソース（Ｓ）は、絶縁分離のためのコンデンサ４２と電源ＶＩＡ４１とを介して電源層４７に接続される。ＭＯＳ型チップトランジスタ４３のゲート（Ｇ）は、接続スイッチ制御信号４４が入力される。
【００１７】
接続スイッチ１０は、ＭＯＳ型チップトランジスタ４３のゲート（Ｇ）に印加される接続スイッチ制御信号４４によりグランド層と電源層の接続切り替えを行なう。
グランド層同士または電源層同士の同電位の層間の接続については、コンデンサ４２を取り除き、電源ＶＩＡ４１を直接ＭＯＳ型チップトランジスタ４３のソース（Ｓ）に接続し、グランド層４６と電源層４７をグランド層同士または電源層同士として扱えばよい。接続スイッチ１０は、ＭＯＳ型チップトランジスタに限らず、電気的に接続を切り替えることが出来るスイッチであれば良い。
【００１８】
接続制御回路４０−１と４０−２に対して、制御信号設定入力端子２９と３０より各接続スイッチを切り替えたときの放射ノイズを観測し、接続スイッチ１０−１〜１０−１５の組合せに対して状態を割付ける。状態の割付け方のフローチャートを図４を用いて説明する。ここで、図４は実測による制御スイッチの設定取得のフローチャートである。
【００１９】
図４において、まず全ての接続スイッチ１０の組み合わせ（２＾１５）を実測したか判定する（Ｓ３１）。ＹＥＳのとき、終了する。ステップ３１でＮＯのとき、接続スイッチ１０の一つを切替える（Ｓ３２）。この状態で、放射ノイズを測定する（Ｓ３３）。尖頭値が規格値を満たしたか判定する（Ｓ３４）。ＹＥＳのとき、接続スイッチ１０−１〜１０−１５の組合せを接続制御回路４０に設定して（Ｓ３６）、終了する。ステップ３４でＮＯのとき、他のスイッチ状態で尖頭値が規格値超えた周波数は、規格値を満たしたか判定する（Ｓ３７）。ＹＥＳのとき、ステップ３７の周波数以外の周波数は、規格値を超えたか判定する（Ｓ３８）。ＹＥＳのとき、そのスイッチの組合せを記録し（Ｓ３９）、状態番号を割付け、（Ｓ４１）、ステップ３１に遷移する。ステップ３７でＮＯのとき、そのままステップ３１に遷移する。ステップ３８でＮＯのとき、接続スイッチ１０−１〜１０−１５の組合せを接続制御回路４０に設定して（Ｓ４２）、終了する。
【００２０】
装置から出る放射ノイズが規格値を満たすかの判断は、尖頭値ではなく準尖頭値で行なわれる。準尖頭値は、放射電界強度と頻度によって決まり、放射ノイズの平均値と尖頭値の間程の値になる。そのため、放射ノイズの尖頭値が規格値を超えてしまう周波数が重なると、接続スイッチを切り替えても頻度を低減できなくなる。したがって、図４のフローでは、放射ノイズの尖頭値が規格値を満たさない周波数が重ならないように、接続スイッチの組合せに対して番号を割付ける。以下の説明では、状態１、状態２、状態３、状態４として、説明する。
【００２１】
全ての接続スイッチをｏｆｆし、放射ノイズ（電界強度）を測定する。放射ノイズの尖頭値が規格値を超えた周波数を確認し、状態番号として１を割付ける。状態１での放射ノイズの尖頭値を図５に示す。ここで、図５は周波数と電界強度の関係と規格値を説明する図である。図５において、横軸は周波数である。また、縦軸は電界強度である。破線は規格値である。実線は測定値である。測定値には、１０箇所のピーク値があり、周波数の低い側から、１箇所目と４箇所目が規格値を超えている。
【００２２】
接続スイッチを切り替え、放射ノイズの尖頭値で規格値を超える周波数がシフトし、状態１と放射ノイズの規格値を超えた周波数が一致しないことを確認し、そのときの接続スイッチの組合せに対して状態番号を割付ける。接続スイッチを切り替えた状態で放射ノイズを測定したときに、放射ノイズの尖頭値が規格値を超える周波数が別の状態と同じ場合は、番号を割付けない。接続スイッチを切り替えて放射ノイズを測定した結果、放射ノイズの尖頭値と準尖頭値が規格を超えないとき、接続スイッチを常時切り替える必要はなく、制御信号設定入力端子２９と３０より、接続制御回路４０−１と４０−２にそのときの接続スイッチの組合せで設定し（Ｓ３６またはＳ４２）、接続スイッチを固定しても良い。
【００２３】
ここで、状態番号の割付けについて詳しく説明する。接続スイッチ１０−１と１０−１０のみｏｎにすると、放射ノイズの尖頭値が図６となり、規格値を超える周波数が状態１と一致しないので、状態２として割付ける。図６および後述する図７ならびに図８の縦軸、横軸、規格値は、図５と同じなので、それらの説明は、省く。図６において、ピーク値の周波数は図５と同じであるが、周波数の低い側から、２箇所目と５箇所目が規格値を超えている。
【００２４】
次に接続スイッチ１０−１と１０−９のみｏｎにすると、放射ノイズの尖頭値が図７となり、規格値を超える周波数が状態１と状態２に一致しないので、状態３に割付ける。図７において、ピーク値の周波数は図５と同じであるが、周波数の低い側から、６箇所目が規格値を超えている。
【００２５】
接続スイッチ１０−２と１０−９のみｏｎにすると、放射ノイズの尖頭値が図８となり、規格値を超える周波数が他の状態と一致しないので状態４を割付ける。図８において、ピーク値の周波数は図５と同じであるが、周波数の低い側から、３箇所目と７箇所目が規格値を超えている。
【００２６】
状態１から状態４までをまとめると図９になる。同様な方法で、状態番号の割付けを行なう。ここで、図９は接続スイッチのｏｎ／ｏｆｆと状態番号との関係を説明する図である。図９において、接続スイッチ１０−ｎ（ｎ：１〜１５）を、接続スイッチｎと記載する。状態１において、接続スイッチ１０は、全てｏｆｆ状態である。状態２において、接続スイッチ１０−１、１０−１０のみｏｎ状態である。状態３において、接続スイッチ１０−１、１０−９のみｏｎ状態である。状態４において、接続スイッチ１０−２、１０−９のみｏｎ状態である。
【００２７】
電源層４１とグランド層４６を平行平板線路と仮定し、接続スイッチ１０を抵抗とインダクダンスとキャパシタンスでモデル化し、電磁界解析を行なうと、共振周波数により図９と同じことを確認できる。状態１に対して図１０、状態２に対して図１１、状態３に対して図１２、状態４に対して図１３が対応し、極大点が平行平板の共振点である。図１０、図１１、図１２、図１３は周波数とシミュレーションの電界強度の関係を説明する図である。これらの図において、横軸は周波数である。また、縦軸は電界強度である。実線は、シミュレーション値である。シミュレーション値には、２箇所の極大値があり、ほぼ該当するピーク値に対応する。
【００２８】
図１０と図５、図１１と図６、図１２と図７、図１３と図８を比較すると、平行平板の共振周波数と規格値を超えた周波数が一致する。したがって、電磁界解析を用いて、予め状態を推測しても良いことがわかる。すなわち、図４で説明したフローを、シミュレータに実行させてもよい。
【００２９】
制御信号設定入力端子２９と３０より接続スイッチ１０のタイミングを設定された接続制御回路４０−１と４０−２は、ＬＳＩ２１と２４より動作信号を受信し、接続制御回路４０−１と４０−２内の内部カウンタにより計測を行なう。制御回路４０−１と４０−２は、設定されたタイミングで接続スイッチ１〜１５に接続スイッチ制御信号を送信し、電源層とグランド層の接続位置を切り替える。この状態で、放射ノイズ測定を行なって、準尖頭値が規格値を満たすように、各状態のタイミングと状態数を調整する。
【００３０】
詳しく説明すると、図９の状態をもとに、接続制御回路に図１４のタイミングチャートを設定する。図１４は接続制御回路のタイミングチャートである。図１４において、最上部にクロック、次にＬＳＩ動作信号、以下接続スイッチ１０−１から接続スイッチ１０−１５のタイミングチャートである。初期状態において、ＬＳＩ２１と２４が動作していないとき、ＬＳＩ動作信号はｏｆf状態（Ｌｏｗ）にあり、接続スイッチ１０はいずれもｏｎ状態（Ｈｉｇｈ）である。ＬＳＩ２１と２４が動作を開始すると、ＬＳＩ動作信号はｏｎ状態に遷移する。接続スイッチ１０はすべてｏｆｆ状態（状態１）に遷移する。
【００３１】
３クロック後、接続スイッチ１０−１、１０−１０のみ、ｏｎ状態（状態２）に遷移する。３クロック後、接続スイッチ１０−９のみｏｎ状態、接続スイッチ１０−１０のみｏｎ状態（状態３）に遷移する。３クロック後、接続スイッチ１０−１のみｏｆｆ状態、接続スイッチ１０−２のみｏｎ状態、（状態４）に遷移する。３クロック後、接続スイッチ１０−２、１０−９のみ、ｏｆｆ状態（状態１）に遷移する。以下この順に遷移を繰り返す。
【００３２】
状態１の図５において、放射ノイズの尖頭値が規格値を満たさない周波数は、状態２〜４の図６、図７、図８では規格値を満たしている。したがって、状態１〜状態４と繰り返すことで、状態１での放射電界強度の頻度を低下させる。準尖頭値は、放射電界強度と頻度によって決まり、放射ノイズの平均値と尖頭値の間程の値になる。状態数Ｎを増加させると準尖頭値は、状態１での放射電界強度の頻度が低減され、状態１〜状態Ｎまでの放射電界強度の平均値に近づけることがきる。
【００３３】
したがって、本実施例によれば、放射ノイズの尖頭値が規格値を超える時間と、放射ノイズの尖頭値が規格値より低いときの時間を調整することで、放射ノイズの尖頭値が規格値を超える周波数での頻度を低減する。すなわち、放射ノイズの規格を満たすことができる。
【００３４】
本実施例の共振周波数可変基板は、接続切り替えを行なう層のＶＩＡを一つの対を成すように基板の厚み方向に平行に配置し、接続スイッチに接続される。接続スイッチは、層間接続制御手段である接続制御回路の制御信号により、異なる層間の接続切り替えを行なう。接続制御回路は、放射の要因となるＬＳＩやＣＰＵ等のデバイスの信号線の監視や専用の制御信号を受信することで、デバイスの動作状況に応じて接続スイッチに制御信号を送信することを特徴とする。また、デバイスの動作状況とは独立に内部カウンタで制御信号を接続スイッチに送信しても良い。接続制御回路は、制御信号の送出タイミングを外部入力により設定できる。
【００３５】
本実施例の共振周波数可変基板は、信号層と電源層およびグランド層からなる多層基板において、電源層とグランド層にＶＩＡが接続され、ＶＩＡは接続している層以外では絶縁のためクリアランスが設けられ、異なる電位との接続時はパスコンと層間接続手段である接続スイッチを用いることにより層間の接続切り替えができ、同電位との接続時は接続スイッチにより層間の接続切り替えを行なえる。本実施例によれば、設計時に決まってしまう共振周波数を、変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】共振周波数可変基板の実装図である。
【図２】多層基板表面の実装図である。
【図３】多層基板の層間の接続図である。
【図４】実測による制御スイッチの設定取得のフローチャートである。
【図５】周波数と電界強度の関係と規格値を説明する図である（状態１）。
【図６】周波数と電界強度の関係と規格値を説明する図である（状態２）。
【図７】周波数と電界強度の関係と規格値を説明する図である（状態３）。
【図８】周波数と電界強度の関係と規格値を説明する図である（状態４）。
【図９】接続スイッチのｏｎ／ｏｆｆと状態番号との関係を説明する図である。
【図１０】周波数とシミュレーションの電界強度の関係を説明する図である（状態１）。
【図１１】周波数とシミュレーションの電界強度の関係を説明する図である（状態２）。
【図１２】周波数とシミュレーションの電界強度の関係を説明する図である（状態３）。
【図１３】周波数とシミュレーションの電界強度の関係を説明する図である（状態４）。
【図１４】接続制御回路のタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００３７】
１０…接続スイッチ、２１…ＬＳＩ、２２…ＬＳＩ、２３…ＬＳＩ、２４…ＬＳＩ、２７…入力信号端子、２８…出力信号端子、２９…制御信号設定入力端子、３０…制御信号設定入力端子、４０…接続制御回路、４１…電源ＶＩＡ、４２…コンデンサ、４３…ＭＯＳ型チップトランジスタ、４４…接続スイッチ制御信号、４５…グランドＶＩＡ、４６…グランド層、４７…電源層、５０…多層基板、１００…共振周波数可変基板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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