(57)【要約】【課題】半導体素子からの放射電磁ノイズと電源面からの放射電磁ノイズを相殺して低減することができるプリント配線板を得る。【解決手段】電源面２に接続された電源ピン５と前記グランド面４に接続されたグランドピン６を有する半導体素子と、前記半導体素子１の電源ピン５と前記グランド面４の間に接続されたバイパスコンデンサ３とを設け、前記半導体素子１のグランドピン６の近傍のグランド面４と電源面２との間に両者を高周波的に短絡するコンデンサ７をさらに設け、給電インピーダンスの反共振周波数と共振周波数が、放射電磁ノイズが規制されている周波数帯域を挟むことにより、前記放射電磁ノイズの起因となる高周波の給電電流が７コンデンサを介して半導体素子１と電源層２にそれぞれ略同じ大きさで互いに逆方向に流れて相殺されるように、電源面２を第１の所定のインダクタンスに設定し、かつバイパスコンデンサ３を所定の静電容量に設定した。【選択図】図１
2005086184.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源回路の第１の端子に接続された電源層と、
前記電源回路の第２の端子に接続されたグランド層と、
前記電源層に接続された電源ピンと前記グランド層に接続されたグランドピンを有する半導体素子と、
前記半導体素子の電源ピンと前記グランド層の間に接続されたバイパスコンデンサとを備えたプリント配線板であって、
前記半導体素子のグランドピンの近傍の前記グランド層と前記電源層との間に両者を高周波的に短絡するコンデンサを設け、
給電インピーダンスの反共振周波数と共振周波数が、放射電磁ノイズが規制されている周波数帯域を挟むことにより、前記放射電磁ノイズの起因となる高周波の給電電流が前記コンデンサを介して前記半導体素子と前記電源層にそれぞれ略同じ大きさで互いに逆方向に流れて相殺されるように、前記電源層を第１の所定のインダクタンスに設定し、かつ前記バイパスコンデンサを所定の静電容量に設定した
ことを特徴とするプリント配線板。
【請求項２】
前記放射電磁ノイズが規制されている周波数帯域は、ＦＭ帯域である
ことを特徴とする請求項１記載のプリント配線板。
【請求項３】
前記電源層に第２の所定のインダクタンスを有するチップインダクタを設けた
ことを特徴とする請求項１記載のプリント配線板。
【請求項４】
前記放射電磁ノイズが規制されている周波数帯域は、前記半導体素子の所定の機能を発揮させる制御信号の周波数帯域である
ことを特徴とする請求項３記載のプリント配線板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自動車の電装品などのプリント配線板に関し、従来特に問題とされていなかった、電源面とグランド面を高周波的に短絡する点を、半導体素子のグランドピンに近づけ、また、問題となる周波数帯域で半導体素子と電源面に同程度の電流が流れるように電源面のインダクタンスとバイパスコンデンサの値を調整することにより、半導体素子からの放射電磁ノイズと電源面からの放射電磁ノイズを相殺して低減するプリント配線板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のプリント配線板は、高周波インピーダンスを高くして電源層に流れ込む高周波電源電流を低減し、電磁ノイズの発生を抑制するもので、電源導体を片面配線板で形成し、上下のプリプレグとの間に、スルーホール用及び接着用の穴を有する磁性材シートを挿入する。磁性材シートは高透磁率磁性材シートが低透磁率磁性材シートで挟まれた構造でも良い。また、電源導体の表面を磁性粉末、高抵抗金属膜で覆っても良く、また表面に凹凸を形成しても良い。さらには、枝配線間にイオン伝導体を形成しても良い。すなわち、半導体素子に電源パターンを接続して電源供給を行う構成において、電源パターンの持つインピーダンスを大きくし、電源面とバイパスコンデンサによってローパスフィルタ回路を形成することによって、放射電磁ノイズを低減している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１６３６３６号公報（第１頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したような従来のプリント配線板では、ローパスフィルタ回路を形成することによって放射電磁ノイズを低減しているが、半導体素子自体からの放射電磁ノイズを低減させることができないという問題点があった。
【０００５】
厳しいノイズ規制がある場合、半導体素子自体からの放射電磁ノイズも低減させる必要がある。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、従来特に問題とされていなかった、電源面とグランド面を高周波的に短絡する点を、半導体素子のグランドピンに近づけ、また、問題となる周波数帯域で半導体素子と電源面に同程度の電流が流れるように電源面のインダクタンスとバイパスコンデンサの値を調整し、半導体素子からの放射電磁ノイズと電源面からの放射電磁ノイズを相殺して低減することができるプリント配線板を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係るプリント配線板は、電源回路の第１の端子に接続された電源層と、前記電源回路の第２の端子に接続されたグランド層と、前記電源層に接続された電源ピンと前記グランド層に接続されたグランドピンを有する半導体素子と、前記半導体素子の電源ピンと前記グランド層の間に接続されたバイパスコンデンサとを備えたプリント配線板であって、前記半導体素子のグランドピンの近傍の前記グランド層と前記電源層との間に両者を高周波的に短絡するコンデンサを設け、給電インピーダンスの反共振周波数と共振周波数が、放射電磁ノイズが規制されている周波数帯域を挟むことにより、前記放射電磁ノイズの起因となる高周波の給電電流が前記コンデンサを介して前記半導体素子と前記電源層にそれぞれ略同じ大きさで互いに逆方向に流れて相殺されるように、前記電源層を第１の所定のインダクタンスに設定し、かつ前記バイパスコンデンサを所定の静電容量に設定したものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係るプリント配線板は、給電インピーダンスの反共振周波数と共振周波数の間の周波数帯域の放射電磁ノイズが低減されるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るプリント配線板について図面を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るプリント配線板の断面構造を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１０】
図１において、このプリント配線板は、半導体素子１と、電源面（電源層）２と、バイパスコンデンサ３と、グランド面（グランド層）４と、電源ピン５と、グランドピン６と、コンデンサ７と、バッテリなどの電源回路８とが設けられている。この電源回路８は、プラス端子（第１の端子）と、自動車のシャーシと同電位のマイナス端子（第２の端子）を有する。なお、自動車のシャーシと基板のグランドが電気的に絶縁されている場合にも、この発明は成り立ちます。
【００１１】
すなわち、上記プリント配線板は、電源回路８のプラス端子に接続された電源面２と、電源回路８のマイナス端子に接続されたグランド面４と、電源面２に接続された電源ピン５とグランド面４に接続されたグランドピン６を有する半導体素子１と、半導体素子１の電源ピン５とグランド面４の間に接続されたバイパスコンデンサ３とが設けられ、半導体素子１のグランドピン６の近傍のグランド面４と電源面２の間にコンデンサ７がさらに設けられている。このコンデンサ７は、電源面２とグランド面４を高周波的に短絡するものである。
【００１２】
電源面２は、絶縁体の基板上に設けられた長方形の金属導体層で、電源回路８のプラス端子に接続されている。グランド面４も、同様に、絶縁体の基板上に設けられた、例えば５０ｍｍ×１００ｍｍの長方形の金属導体層で、電源回路８のマイナス端子に接続されている。また、電源面２とグランド面４の間の距離は、例えば０．８ｍｍである。図では、電源面２及びグランド面４である金属導体層の断面が描かれている。また、電源面２及びグランド面４の大きさを無視して描いてある。
【００１３】
半導体素子１には、電源回路８から電源面２を通じて直流電源が供給される。この直流電源により半導体素子１がスイッチング動作する際に生じる半導体素子１の貫通電流（給電電流）が、電源面２に流れて、電源面２や半導体素子自体から放射され、放射電磁ノイズとなる。
【００１４】
例えば、自動車の電装品のプリント配線板の場合、ＦＭ帯域（７６ＭＨｚ〜１１０ＭＨｚ）の放射電磁ノイズが自動車に搭載されているＦＭラジオに影響を与えるため、特に厳しい規制がある。
【００１５】
スイッチング周波数が２４ＭＨｚで動作するバッファＩＣを半導体素子１として実装した場合、２４ＭＨｚのスイッチング周波数の高調波のうち、９６ＭＨｚの４倍高調波がＦＭ帯域にある。従って、９６ＭＨｚの放射電磁ノイズを低減させる必要がある。
【００１６】
そこで、プリント配線板の給電インピーダンスの反共振周波数と共振周波数が、９６ＭＨｚの４倍高調波を含むＦＭ帯域を挟むように、プリント配線板の回路定数、特に、電源面２のインダクタンス（金属導体層の大きさと、電源面２とグランド面４の距離で決まる。）とバイパスコンデンサ３の静電容量の値を次のように決定する。なお、給電インピーダンスの反共振周波数と共振周波数が、ＦＭ帯域を挟むように設定することにより、放射電磁ノイズを低減させることができる理由については後で説明する。
【００１７】
（１）電源面２のインダクタンスが７ｎＨとなるように、金属導体層の大きさを３５ｍｍ×５ｍｍとした。
（２）バイパスコンデンサ３の静電容量を１０００ｐＦとした。但し、寄生インダクタンスが０．８ｎＨのバイパスコンデンサ３を実装した。
（３）コンデンサ７の静電容量を１０μＦとした。このコンデンサ７は、静電容量が十分大きく、半導体素子１がスイッチング動作する周波数では十分小さなインピーダンスを持つ。
【００１８】
給電インピーダンスの反共振周波数ｆａは、次の式により表される。
ｆａ＝１／｛２π×√（（Ｌ１＋Ｌ２）×Ｃ）｝
ここで、Ｌ１はバイパスコンデンサ３の寄生インダクタンス、Ｌ２は電源面２のインダクタンス、Ｃはバイパスコンデンサ３の静電容量である。
【００１９】
バイパスコンデンサ３の寄生インダクタンスが０．８ｎＨ、電源面２のインダクタンスが７ｎＨ、バイパスコンデンサ３の静電容量が１０００ｐＦであるので、給電インピーダンスの反共振周波数ｆａは、次のように求まる。
ｆａ＝１／｛２π×√（（０．８＋７）×１０−９×１０００×１０−１２）｝
≒６０×１０６
【００２０】
また、給電インピーダンスの共振周波数ｆｒは、次の式により表される。
ｆｒ＝１／｛２π×√（Ｌ１×Ｃ）｝
【００２１】
バイパスコンデンサ３の寄生インダクタンスが０．８ｎＨ、バイパスコンデンサ３の静電容量が１０００ｐＦであるので、給電インピーダンスの共振周波数ｆｒは、次のように求まる。
ｆｒ＝１／｛２π×√（０．８×１０−９×１０００×１０−１２）｝
≒１６０×１０６
【００２２】
上記のプリント配線板では、上述したように、給電インピーダンスの反共振周波数が６０ＭＨｚ、共振周波数が１６０ＭＨｚとなった。その結果、９６ＭＨｚの放射電磁ノイズは、ＦＭ帯域が給電インピーダンスの反共振周波数と共振周波数の間にない従来例にくらべ、１０ｄＢ小さかった。すなわち、ＦＭラジオに妨害を与える放射電磁ノイズが低減される。
【００２３】
つぎに、給電インピーダンスの反共振周波数と共振周波数が、ＦＭラジオに影響を及ぼすため規制されているＦＭ帯域を挟むように設定する理由について図面を参照しながら説明する。
【００２４】
図２及び図３は、この発明の実施の形態１に係るプリント配線板の動作を説明するための図である。
【００２５】
図２のように、給電インピーダンスの反共振周波数（６０ＭＨｚ）以下では、バイパスコンデンサ３のインピーダンスより電源面２のインピーダンスが小さいため、電源面２を介して半導体素子１に高周波の給電電流が流れる。
【００２６】
また、図３のように、給電インピーダンスの共振周波数（１６０ＭＨｚ）以上では、電源面２のインピーダンスよりバイパスコンデンサ３のインピーダンスが小さくなるため、バイパスコンデンサ３を介して半導体素子１に高周波の給電電流が流れる。
【００２７】
反共振周波数（６０ＭＨｚ）と共振周波数（１６０ＭＨｚ）の間では、バイパスコンデンサ３から半導体素子１に給電電流が流れると同時に、電源面２に同程度（略同じ大きさ）の給電電流が誘起される。この給電電流が、放射電磁ノイズを小さくするために寄与している。
【００２８】
つづいて、静電容量の大きなコンデンサ７を半導体素子１のグランドピン６の近傍に設ける理由について図面を参照しながら説明する。
【００２９】
図４及び図５は、この発明の実施の形態１に係るプリント配線板の動作を説明するための図である。
【００３０】
図４のように、半導体素子１のグランドピン６から離れて、電源面２とグランド面４を接続するコンデンサ７を設けた場合、反共振周波数（６０ＭＨｚ）と共振周波数（１６０ＭＨｚ）の間の周波数において、バイパスコンデンサ３から半導体素子１に流れる給電電流と、バイパスコンデンサ３からコンデンサ７に流れる給電電流は同じ時計回りになる。従って、これらの給電電流からの放射電磁ノイズは相殺されない。
【００３１】
しかし、図５のように、本実施の形態では、バイパスコンデンサ３から半導体素子１に流れる高周波の給電電流の向きと、バイパスコンデンサ３から電源面２に流れる高周波の給電電流の向きを、時計回りと反時計回りにすることによって、給電電流が互いに相殺され、結果として放射電磁ノイズが低減される。
【００３２】
このメカニズムを検証するために、モーメント法による電磁界解析を実行した。図６は、この実施の形態１に係るプリント配線板の電磁界解析結果を示す図である。図６において、横軸は周波数（ＭＨｚ）、縦軸は単位電流あたりの放射強度（Ｖ／ｍＡ）をそれぞれ示す。また、黒四角印は、グランドピン６とコンデンサ７が離れた位置の場合（図４）、白丸印は、グランドピン６とコンデンサ７が近傍の位置の場合（図５）の電磁界解析結果をそれぞれ示す。
【００３３】
反共振周波数が６０ＭＨｚ付近にあり、また共振周波数が１６０ＭＨｚ付近にある。ＦＭ帯域（７６ＭＨｚ〜１１０ＭＨｚ）では、コンデンサ７を、半導体素子１のグランドピン６に近づけて設けた場合（図５）は、グランドピン６と離れた位置に設けた場合（図４）に比べ、５〜１０ｄＢだけ放射電磁ノイズが小さくなることが解析できた。
【００３４】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るプリント配線板について説明する。この発明の実施の形態２に係るプリント配線板の構造は、チップインダクタを電源面に実装したことを除き、図１に示す実施の形態１の構造と同様である。
【００３５】
この実施の形態２に係るプリント配線板は、半導体素子１と、電源面（電源層）２と、バイパスコンデンサ３と、グランド面（グランド層）４と、電源ピン５と、グランドピン６と、コンデンサ７と、バッテリなどの電源回路８と、チップインダクタ（部品）（図示せず）とが設けられている。この電源回路８は、プラス端子（第１の端子）と、自動車のシャーシと同電位のマイナス端子（第２の端子）を有する。
【００３６】
すなわち、上記プリント配線板は、電源回路８のプラス端子に接続された電源面２と、電源回路８のマイナス端子に接続されたグランド面４と、電源面２に接続された電源ピン５とグランド面４に接続されたグランドピン６を有する半導体素子１と、半導体素子１の電源ピン５とグランド面４の間に接続されたバイパスコンデンサ３とが設けられ、半導体素子１のグランドピン６の近傍のグランド面４と電源面２の間にコンデンサ７がさらに設けられている。このコンデンサ７は、電源面２とグランド面４を高周波的に短絡するものである。また、電源面２にチップインダクタ（部品）が設けられている。
【００３７】
電源面２は、絶縁体の基板上に設けられた長方形の金属導体層で、電源回路８のプラス端子に接続されている。グランド面４も、同様に、絶縁体の基板上に設けられた、例えば５０ｍｍ×１００ｍｍの長方形の金属導体層で、電源回路８のマイナス端子に接続されている。また、電源面２とグランド面４の間の距離は、例えば０．８ｍｍである。
【００３８】
例えば、スイッチング周波数、あるいは制御信号が３０ＭＨｚで動作するＩＣを半導体素子１として実装した場合、もっとも放射電磁ノイズの大きい３０ＭＨｚの放射電磁ノイズを低減させる必要がある。なお、上記の制御信号は、半導体素子１の所定の機能を発揮させるために、半導体素子１の制御ピン（図示せず）に流れる信号である。
【００３９】
そこで、プリント配線板の給電インピーダンスの反共振周波数と共振周波数が、３０ＭＨｚのスイッチング周波数、あるいは制御信号を含む帯域を挟むように、プリント配線板の回路定数、特に、電源面２のインダクタンス（金属導体層の大きさと、電源面２とグランド面４の距離で決まる。）とバイパスコンデンサ３の静電容量の値を次のように決定する。なお、給電インピーダンスの反共振周波数と共振周波数が、上記帯域を挟むように設定することにより、放射電磁ノイズを低減させることができる理由については上記実施の形態１で説明した通りである。
【００４０】
（１）電源面２のインダクタンスが７ｎＨとなるように、金属導体層の大きさを３５ｍｍ×５ｍｍとした。さらに、電源面２である金属導体層の一部を切り取って挿入接続することにより実装したチップインダクタのインダクタンスを７００ｎＨとした。
（２）バイパスコンデンサ３の静電容量を１０００ｐＦとした。但し、寄生インダクタンスが０．８ｎＨのバイパスコンデンサ３を実装した。
（３）コンデンサ７の静電容量を１０μＦとした。このコンデンサ７は、静電容量が十分大きく、半導体素子１がスイッチングする周波数では十分小さなインピーダンスを持つ。
【００４１】
給電インピーダンスの反共振周波数ｆａは、次の式により表される。
ｆａ＝１／｛２π×√（（Ｌ１＋Ｌ２）×Ｃ）｝
ここで、Ｌ１はバイパスコンデンサ３の寄生インダクタンス、Ｌ２は電源面２のインダクタンス、Ｃはバイパスコンデンサ３の静電容量である。
【００４２】
電源面２のインダクタンスは、チップインダクタのインダクタンスを足したものとなるので、バイパスコンデンサ３の寄生インダクタンスが０．８ｎＨ、電源面２のインダクタンスが（７＋７００）ｎＨ、バイパスコンデンサ３の静電容量が１０００ｐＦとなり、給電インピーダンスの反共振周波数ｆａは、次のように求まる。
ｆａ＝１／｛２π×√（（０．８＋７＋７００）×１０−９×１０００×１０−１２）｝
≒６×１０６
【００４３】
また、給電インピーダンスの共振周波数ｆｒは、次の式により表される。
ｆｒ＝１／｛２π×√（Ｌ１×Ｃ）｝
【００４４】
バイパスコンデンサ３の寄生インダクタンスが０．８ｎＨ、バイパスコンデンサ３の静電容量が１０００ｐＦであるので、給電インピーダンスの共振周波数ｆｒは、次のように求まる。
ｆｒ＝１／｛２π×√（０．８×１０−９×１０００×１０−１２）｝
≒１６０×１０６
【００４５】
上記のプリント配線板では、上述したように、給電インピーダンスの反共振周波数が６ＭＨｚ、共振周波数が１６０ＭＨｚとなった。その結果、スイッチング周波数や制御信号である３０ＭＨｚの放射電磁ノイズは、スイッチング周波数、あるいは制御信号が給電インピーダンスの反共振周波数と共振周波数の間にない従来例にくらべ８ｄＢ小さくなった。すなわち、放射電磁ノイズによる誤動作を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】この発明の実施の形態１に係るプリント配線板の断面構造を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るプリント配線板の動作を説明するための図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るプリント配線板の動作を説明するための図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係るプリント配線板の動作を説明するための図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係るプリント配線板の動作を説明するための図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係るプリント配線板の電磁界解析結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  半導体素子、２  電源面、３  バイパスコンデンサ、４  グランド面、５  電源ピン、６  グランドピン、７  コンデンサ、８  電源回路。
【図１】
2005086184.tif 000003
【図２】
2005086184.tif 000004
【図３】
2005086184.tif 000005
【図４】
2005086184.tif 000006
【図５】
2005086184.tif 000007
【図６】
2005086184.tif 000008