JP2008147580A

JP2008147580A - 電磁ノイズ低減用の誘電体シート、および電磁ノイズ低減方法

Info

Publication number: JP2008147580A
Application number: JP2006336051A
Authority: JP
Inventors: Sukemutsu Okano; 資睦岡野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-12-13
Filing date: 2006-12-13
Publication date: 2008-06-26

Abstract

【課題】ＥＭＩをより低減する。
【解決手段】電磁ノイズ低減用の誘電体シート２０は、誘電率の異なる少なくとも２つの誘電体層であって、比較的に誘電率の高い高誘電体層２２と、比較的に誘電率の低い低誘電体層２４とを含んで構成されており、高誘電体層２２の誘電率および厚さが、低誘電体層側から入射して高誘電体層側から放射される電磁ノイズの放射効率を極小値近傍とするように決定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁ノイズ低減用の誘電体シート、および電磁ノイズ低減方法に関する。

プリント配線基板は、電子機器の回路が形成された部材である。プリント配線基板は、ガラスエポキシ、セラミックス等の絶縁層の表面に銅箔を張り合わせた後、銅箔をエッチングする等により回路を形成したものである。プリント配線基板からは電磁波が発生しており、この電磁波が人体や他の電子機器等に悪影響を与えるＥＭＩ（Electro Magnetic Interference：電磁波干渉）として問題になっている。

従来文献（特許文献１）には、ＥＭＩを抑制するための不要放射吸収体の一例が示されている。この不要放射吸収体では、誘電率の異なる多数の誘電体を積層している。
特開平１０‐１４５０７４号公報

特許文献１記載の不要放射吸収体では、ＥＭＩ発生源に対して外側の誘電体層ほど誘電率が小さくなるだけであり、ＥＭＩをより抑制するための最適化については考慮されていない。よって、ＥＭＩの低減に関して、さらに改善する余地があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、ＥＭＩの発生をより低減することが可能な誘電体シートおよびＥＭＩ低減方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の電磁ノイズ低減用の誘電体シートは、誘電率の異なる少なくとも２つの誘電体層であって、比較的に誘電率の高い高誘電体層と、比較的に誘電率の低い低誘電体層とを含んで構成されており、高誘電体層の誘電率および厚さが、低誘電体層側から入射して高誘電体層側から放射される電磁ノイズの放射効率を極小値近傍とするように決定されていることを特徴とする。

また、本発明の電磁ノイズ低減方法は、誘電率の異なる少なくとも２つの誘電体層であって、比較的に誘電率の高い高誘電体層と比較的に誘電率の低い低誘電体層とを含んで構成される誘電体シートを用いた電磁ノイズ低減方法であって、高誘電体層の誘電率および厚さを、低誘電体層側から入射して高誘電体層側から放射される電磁ノイズの放射効率を極小値近傍とした誘電体シートを用意するステップと、誘電体シートを電磁ノイズ発生源に貼り付けるステップと、を含む電磁ノイズ低減方法である。

本発明によれば、ＥＭＩをより低減することが可能な誘電体シートおよび電磁ノイズ低減方法を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係るプリント配線基板１０およびそれに貼り付けられた誘電体シート２０の側面図である。プリント配線基板１０は、複数の回路層および複数の絶縁層を積層して形成された多層基板である。このプリント配線基板１０の上側に、フレキシブルな誘電体シート２０が貼り付けられて重ね合わされている。

誘電体シート２０は、誘電率の異なる２つの誘電体を積層したものであり、比較的に誘電率の高い高誘電体層２２と、比較的に誘電率の低い低誘電体層２４とを含んで構成される。低誘電体層２４は、プリント配線基板１０に密接するように配置されており、高誘電体層２２は、プリント配線基板１０から遠い側に配置されている。

高誘電体層２２は、フレキシブルな誘電体ポリマーの中に、強誘電体である硬質の誘電体粒子を均等に混入させたものである。ここで、誘電体ポリマーとしては、誘電率の高い材料を用いることが好ましく、例えばポリフッ化ビニリデンを用いればよい。同様に、誘電体粒子としては、誘電率の高い材料を用いることが好ましく、例えばチタン酸バリウムを用いればよい。誘電体ポリマーおよび誘電体粒子の誘電率を考慮しつつ、適量の誘電体粒子を誘電体ポリマーに混入させることで、高誘電体層２２全体としての誘電率を所望の値に調節することができる。

高誘電体層２２には、さらに導電性材料の粒子が混入されている。この導電性粒子は、高誘電体層２２における誘電体損失を向上させて、プリント基板から発生する電磁ノイズを低減させるためのものである。導電性材料としては、様々な材料を用いることができ、例えばカーボンを用いればよい。カーボンは、導電率が０．０６１×１０^６／ｍΩであることから電磁ノイズの低減効果が高く、また、１ＭＨｚの磁界変化に対して透磁率が２０Ｈ／ｍ〜１００Ｈ／ｍであることから高誘電体層２２における電界に殆ど影響を与えないため、本実施形態における電磁ノイズの放射効率の低減に特に適している。

なお、カーボンを基準として考えると、上記の導電性材料としては、１ＭＨｚの磁界変化に対して透磁率が１００Ｈ／ｍよりも小さいもの、より好ましくは透磁率が６０Ｈ／ｍよりも小さいもの、さらに好ましくは透磁率が２０Ｈ／ｍよりも小さいものを用いることが好ましい。また、この透磁率の条件に加えて、上記の導電性材料として、０．０６１×１０^６／ｍΩよりも導電率が大きいものを用いることが好ましい。

低誘電体層２４は、高誘電体層２２よりも低い誘電率を有する低誘電体からなる層である。低誘電体層２４としては、比較的に誘電率の低い材料であれば、様々な材料を用いることができ、例えばポリエチレン、ポリスチレン、ナイロン、ポリ４フッ化エチレンなどである。また、低誘電体層２４に用いられる材料は、比誘電率が通常１０未満、好ましくは８未満、より好ましくは５未満の誘電体である。低誘電体層の比誘電率が小さくなるほど、ＥＭＩの発生を抑制する効果が高くなるため好ましい。

本実施形態の誘電体シート２０では、誘電率の異なる２つの誘電体を積層することにより、プリント配線基板１０から発生する電磁波を屈折させ、低誘電体層２４側から入射して高誘電体層２２側から放射される電磁ノイズの放射を抑制している。以下、図２を参照して、プリント配線基板１０から発生する電磁波を屈折する原理について説明する。なお、本実施形態では、誘電体シート２０を２つの誘電体を積層したものとしているが、プリント配線基板１０から発生する電磁波を屈折させるものであれば、３つ以上の誘電体を積層したものであってもよい。

図２は、比誘電率ε１の誘電体Ｉと、比誘電率ε２の誘電体ＩＩとが接した基板の接合状態を示す概念図である。この接合状態において、誘電体Ｉの電束密度の大きさがＤ１でその方向が境界の法線に対してθ１、誘電体ＩＩの電束密度の大きさがＤ２でその方向が境界の法線に対して角度θ２としたとき、境界面で電荷が存在しないと仮定すると、誘電体Ｉの電束密度の法線成分Ｄ１ｎと誘電体ＩＩの電束密度の法線成分Ｄ２ｎとの間には、
Ｄ１ｎ＝Ｄ２ｎ・・・（１）
の関係が成り立ち、電束密度の法線成分が連続となる。

一方、電場については接線成分が連続となり、誘電体Ｉの電界の接線成分Ｅ１ｔと誘電体ＩＩの電界の接線成分Ｅ２ｔとの間には、
Ｅ１ｔ＝Ｅ２ｔ・・・（２）
の関係が成り立つ。

このため、Ｄ１、Ｄ２およびＥ２の間には、以下の関係が成り立つ。
Ｄ２＝Ｄ１｛ｃｏｓ^２θ１＋（ε２／ε１）ｓｉｎ^２θ２｝^１／２・・・（３）
Ｅ２＝Ｄ１｛ｃｏｓ^２θ１＋（ε２／ε１）ｓｉｎ^２θ２｝^１／２／ε２・・（４）
θ２＝ｔａｎ^−１｛（ε２／ε１）ｔａｎθ１｝・・・（５）

そこで、誘電体Ｉを高誘電体、誘電体ＩＩを低誘電体として、ε１がε２よりも十分に大きいと仮定すると（ε１＞＞ε２）、以下の関係が成り立ち、基板から放射される電場を高誘電体層Ｉ内で閉じ込めることができるようになると考えられる。

Ｄ２＝Ｄ１ｃｏｓθ１・・・（６）
Ｅ２＝Ｄ１ｃｏｓθ１／ε２・・・（７）
θ１≒９０° ・・・（８）
θ２≒０° ・・・（９）

電場と磁場は相互作用があるため、電場を外へ放出させないことにより結果的に電磁ノイズを誘電体シート２０の外へ放出する（ＥＭＩ）ことを抑制することができる。

本実施形態の誘電体シート２０では、高誘電体層２２の誘電率および厚さを調節することにより、電磁ノイズの放射効率（プリント配線基板１０から発生して誘電体シート２０の低誘電体層２４側から入射した電磁ノイズのうち、誘電体シート２０を通過して高誘電体層２２側から放射された電磁ノイズの比率）を極小値近傍としている。なお、「電磁ノイズの放射効率の極小値近傍」とは、電磁ノイズの放射効率が極小値となる場合だけでなく、電磁ノイズの放射効率を極小値とした場合とほぼ同等な効果が得られる近傍の範囲を含むことを意味している。以下、図３，４，５，６を参照して、電磁ノイズの放射効率の極小化について説明する。

図３は、高誘電体層２２の比誘電率εに対する電磁ノイズの放射効率を示すグラフである。図４は、高誘電体層２２の厚さｔに対する電磁ノイズの放射効率を示すグラフである。図３のグラフでは、高誘電体層２２の厚さｔを２５μｍ，５０μｍ，７５μｍ，１００μｍとしている。図４のグラフでは、高誘電体層２２の比誘電率を３，５，１０，２０，３０，３５，４０，４５，５０，６０，７０，８０，１００としている。

図３に示されるように、電磁ノイズの放射効率が極小値近傍となる条件（高誘電体層２２の比誘電率ε）は、高誘電体層２２の厚さｔによって異なる。また、図４に示されるように、電磁ノイズの放射効率が極小値近傍となる条件（高誘電体層２２の厚さｔ）は、高誘電体層２２の比誘電率εによって異なる。すなわち、比誘電率εおよび誘電体厚ｔが大きければＥＭＩ低減効果が大きくなるとは言えず、比誘電率εの値によっては高誘電体層２２が薄くてもＥＭＩ低減効果の大きい場合があり、誘電体厚ｔによっては比誘電率εが小さくてもＥＭＩ低減効果の大きい場合がある。

電磁ノイズの放射効率Ｆと、比誘電率εおよび誘電体厚ｔとの関係は、次の数式（１０）で表すことができる。
Ｆ ∝ Ｆ（ｔ，ε）・・・（１０）
この数式（１０）は、電磁ノイズの放射効率Ｆは、比誘電率εおよび誘電体厚ｔにより決定されることを意味しており、電磁ノイズの放射効率Ｆを極小値近傍とするためには、比誘電率εおよび誘電体厚ｔを最適解とする必要があることを意味している。

図３および図４の関係から理解できることは、電磁ノイズの放射効率が極小値近傍となる条件（高誘電体層２２の比誘電率ε、高誘電体層２２の厚さｔ）は、電磁ノイズの放射効率を実際に計測したり解析しなければ決定できない、ということである。本実施形態では、電磁ノイズの放射効率を実際に計測したり解析することにより、電磁ノイズの放射効率が極小値近傍となる条件（高誘電体層２２の比誘電率ε、高誘電体層２２の厚さｔ）を決定している。さらに、高誘電体層２２の比誘電率εがこの決定された比誘電率εとなるように、誘電体ポリマーおよび誘電体粒子の配合比が決定されている。

図５は、誘電体粒子の充填率ｘに対する高誘電体層２２の誘電率εを示すグラフである。このグラフでは、一例として、誘電体ポリマーの比誘電率ε１を３とし、誘電体粒子の比誘電率ε２を３００，１０００，３０００としている。図５に示されるように、高誘電体層２２の誘電率εは、誘電体粒子の充填率ｘが小さいほど小さく、誘電体粒子の充填率ｘが大きいほど大きい。高誘電体層２２の誘電率εと、誘電体粒子の充填率ｘとの関係は、次の数式（１１）で表すことができる。
ε ＝ ε（ｘ）・・・（１１）

既述のとおり、誘電体粒子の充填率ｘを大きくして、高誘電体層２２の誘電率を大きくするほど、電磁ノイズの誘電体損失率が大きくなり、誘電体シート２０のＥＭＩ低減効果をより大きくすることができる。但し、誘電体粒子の充填率ｘが大きくなり過ぎてしまうと、高誘電体層２２において誘電体粒子どうしが連鎖してしまい、高誘電体層２２全体が硬質化してしまう。よって、誘電体粒子の充填率ｘの増加には限界があり、図５では誘電体粒子の充填率ｘは最大でも０．７４程度となっている。

図６は、電磁ノイズの周波数に対する電磁ノイズの放射効率を示すグラフである。このグラフでは、高誘電体層２２の厚さｔを５０μｍ，１００μｍ，１０００μｍとし、誘電体損失率ｔａｎδを０．０１，０．１として、電磁ノイズの放射効率を測定している。なお、誘電体損失とは、高誘電体層２２において電磁ノイズが減衰して失われる現象であり、誘電体損失率は、高誘電体層２２における電磁ノイズの減衰率が大きいほど大きくなり、高誘電体層２２における電磁ノイズの減衰率が小さいほど小さくなる。

図６に示されるように、電磁ノイズの放射効率は、電磁ノイズの周波数が低いほど小さく、電磁ノイズの周波数が高いほど大きい傾向がある。また、電磁ノイズの放射効率は、誘電体損失率ｔａｎδが小さい場合には全周波数範囲に渡って大きくなり、誘電体損失率ｔａｎδが大きい場合には全周波数範囲に渡って小さくなる傾向がある。具体的には、電磁ノイズの放射効率は、誘電体損失ｔａｎδを１０倍にすると１０ｄＢ程度小さくなっている。

電磁ノイズの放射効率Ｆと、誘電体損失率ｔａｎδとの関係は、次の数式（１２）で表すことができる。
Ｆ ∝ ｔａｎδ ＊ａ・・・（１２）
ここで、ａは定数である。

一方、誘電体損失率ｔａｎδは、導電性粒子の混入量ｚが小さいほど小さく、導電性粒子の混入量ｚが大きいほど大きい。誘電体損失率ｔａｎδと、導電性粒子の混入量ｚとの関係は、次の数式（１３）で表すことができる。
ｔａｎδ ＝ｔａｎδ（ｚ）・・・（１３）

上記の関係から理解できることは、高誘電体層２２に含まれる導電性粒子を多くして、電磁ノイズの誘電体損失率を大きくするほど、電磁ノイズの放射効率を小さくすることができる、ということである。このような考察に基づいて、高誘電体層２２に含まれる導電性粒子の混入量ｚを大きくすることにより、誘電体シート２０のＥＭＩ低減効果をより大きくすることができる。但し、導電性粒子の混入量ｚが大きくなり過ぎてしまうと、高誘電体層２２において導電性粒子どうしが連鎖してしまい、高誘電体層２２全体が導電体化してしまう。よって、導電性粒子の混入量ｚの増加には限界がある。

上記の数式（１０）〜（１３）より、次の数式（１４）が成立する。
Ｆ＝ｔａｎδ＊ａ＋Ｆ（ｔ，ε）
＝ｔａｎδ（ｚ）＊ａ＋Ｆ（ｔ，ε（ｘ））・・・（１４）

本実施形態の誘電体シート２０では、上記の数式（１４）の関係を考慮して、電磁ノイズの放射効率を極小値近傍とするように、高誘電体層２２の誘電率および厚さが決定されている。すなわち、本実施形態の誘電体シート２０では、電磁ノイズの放射効率を極小値近傍とするように、誘電体粒子の充填率ｘおよび高誘電体層２２の誘電体厚ｔが決定されている。また、電磁ノイズの放射効率を出来るだけ小さくするように、導電性粒子の混入量ｚが大きくされて、誘電体シート２０における誘電体損失が大きくされている。

次に、誘電体シート２０を構成する材料の配合比を材料コストおよび重量の観点から最適化する方法について説明する。

高誘電体層２２の体積Ｖ［ｍ^３］（＝面積Ｓ＊厚さｔ）とし、誘電体粒子の単価をＡ［円／ｋｇ］、比重をＨ［ｋｇ／ｍ^３］とし、誘電体ポリマーの単価をＢ［円／ｋｇ］、比重をＩ［ｋｇ／ｍ^３］とし、導電性粒子の単価をＣ［円／ｋｇ］とする。また、高誘電体層２２において、誘電体粒子の配合比はｘ［ｍ^３］であり、誘電体ポリマーの配合比は（１−ｘ）［ｍ^３］であり、導電性粒子の重さはｚ［ｋｇ］である。

誘電体シート２０のコストＣｏｓｔは、次の数式（１５）で算出することができる。
Ｃｏｓｔ＝Ａ＊Ｖ＊ｘ＊Ｈ＋Ｂ＊Ｖ＊（１−ｘ）＊Ｉ＋Ｃ＊ｚ
＝Ａ＊（Ｓ＊ｔ）＊ｘ＊Ｈ＋Ｂ＊（Ｓ＊ｔ）＊（１−ｘ）＊Ｉ＋Ｃ＊ｚ
・・・（１５）

誘電体シート２０の重さＷｅｉｇｈｔは、次の数式（１６）で算出することができる。
Ｗｅｉｇｈｔ＝Ｖ＊ｘ＊Ｈ＋Ｖ＊（１−ｘ）＊Ｉ＋ｚ
＝（Ｓ＊ｔ）＊ｘ＊Ｈ＋（Ｓ＊ｔ）＊（１−ｘ）＊Ｉ＋ｚ
・・・（１６）

誘電体シート２０を構成する材料が既に決まっている場合、パラメータ[Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｈ，Ｉ]は設計時に調節できないパラメータである。よって、誘電体シート２０のコストおよび重さは、設計時にパラメータ[ｔ，Ｓ，ｘ，ｚ]を調節することで最適化することができる。すなわち、上記の数式（１５）および（１６）利用して、誘電体シート２０のコストが最低値となるように各材料の配合比を求めたり、誘電体シート２０の重さが最低値となるように各材料の配合比を求めればよい。但し、誘電体シート２０が硬質化しない範囲で誘電体粒子の配合比を決定する必要がある。また、誘電体シート２０が導電体化しない範囲で導電性粒子の配合比を決定する必要がある。

なお、上述した実施形態では、誘電体シート２０は、プリント配線基板１０に貼り付けられるものであったが、誘電体シート２０は、他のノイズ源に貼り付けられて利用されてもよい。

プリント配線基板に貼り付けられた誘電体シートを示す側面図である。誘電率の異なる２つの誘電体層の接合面を示す概念図である。高誘電体層の比誘電率εに対する電磁ノイズの放射効率を示すグラフである。高誘電体層の厚さｔに対する電磁ノイズの放射効率を示すグラフである。誘電体粒子の充填率ｘに対する高誘電体層の誘電率εを示すグラフである。電磁ノイズの周波数に対する電磁ノイズの放射効率を示すグラフである。

符号の説明

１０…プリント配線基板、２０…誘電体シート、２２…高誘電体層、２４…低誘電体層

Claims

誘電率の異なる少なくとも２つの誘電体層であって、比較的に誘電率の高い高誘電体層と、比較的に誘電率の低い低誘電体層とを含んで構成されており、
前記高誘電体層の誘電率および厚さが、前記低誘電体層側から入射して前記高誘電体層側から放射される電磁ノイズの放射効率を極小値近傍とするように決定されていることを特徴とする電磁ノイズ低減用の誘電体シート。
前記高誘電体層は、誘電体粒子および誘電体ポリマーが配合されて形成されており、前記誘電体粒子および前記誘電体ポリマーの配合比を調節することにより、前記高誘電体層の誘電率を前記決定された誘電率に一致させていることを特徴とする請求項１に記載の電磁ノイズ低減用の誘電体シート。
前記高誘電体層は、導電性材料が配合されて形成されており、前記導電性材料の配合比を調節することにより、前記所定の誘電体損失率を有していることを特徴とする請求項１に記載の電磁ノイズ低減用の誘電体シート。
前記導電性材料は、透磁率が１００Ｈ／ｍより小さく、かつ、導電率が０．０６１×１０^６／ｍΩより大きい材料であることを特徴とする請求項１に記載の電磁ノイズ低減用の誘電体シート。
前記導電性材料は、カーボンであることを特徴とする請求項４に記載の電磁ノイズ低減用の誘電体シート。
誘電率の異なる少なくとも２つの誘電体層であって、比較的に誘電率の高い高誘電体層と比較的に誘電率の低い低誘電体層とを含んで構成される誘電体シートを用いた電磁ノイズ低減方法であって、
前記高誘電体層の誘電率および厚さを、前記低誘電体層側から入射して前記高誘電体層側から放射される電磁ノイズの放射効率を極小値近傍とした誘電体シートを用意するステップと、
前記誘電体シートを電磁ノイズ発生源に貼り付けるステップと、
を含む電磁ノイズ低減方法。