JP2003249731A - 同軸線路構造を有するプリント配線基板およびその製造方法 - Google Patents
同軸線路構造を有するプリント配線基板およびその製造方法Info
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Abstract
路を採用し、配線から生じる電磁界を同軸シールド構造
の内部に閉じこめることにより、配線間の信号クロスト
ークおよび外来雑音に対する耐性を飛躍的に高めること
を目指す。 【解決手段】 信号線1の周囲が絶縁層2で取り囲まれ
ており、その絶縁層2の外側をシールド電極3で覆うこ
とで、それぞれ同軸線路4が形成されている。そして、
隣り合う各同軸線路4は、シールド電極3の構成材によ
る連結部5を介して相互に接続されて、平面状に形成さ
れる。
Description
ステムの実装系で用いられる高密度プリント配線基板に
関するものであり、信号線として同軸線路構造を備え、
低クロストーク特性および高い雑音耐性を得ることがで
きる同軸線路構造を有するプリント配線基板およびその
製造方法に関するものである。
は、当該システムにおいて扱われる信号周波数がより高
周波化されており、これに加えて高密度実装化が進展し
ている。このような高周波化、並びに高密度実装化の進
展に伴い、信号伝達線路間における信号クロストークお
よび信号伝達線路から輻射されるノイズまたは外来ノイ
ズの対策がきわめて重要な課題となっている。
実装系で用いられる高密度プリント配線基板において
は、前記したノイズ対策として、信号線パターンに隣接
させてダミーの配線パターンを施し、当該ダミーの配線
パターンに対して電源ラインまたは接地ライン等の基準
電位を印加する手段が提案されている。また、信号伝達
線路間において発生するクロストークは、両者の線路間
における静電容量に起因するものであるため、その対策
として信号線間の間隔を広くする、または信号線の線幅
を互いに狭くする等の対処も考えられている。
た電子情報通信システムの実装系で用いられる高密度プ
リント配線基板においては、信号線路構造として、一般
的にストリップ線路またはマイクロストリップ線路が用
いられている。このようなストリップ線路またはマイク
ロストリップ線路の配線構造においては、配線から発生
する電磁界がグランド面に沿って横に広がっているため
に、配線間の信号クロストークおよび外来雑音の影響に
対して、十分な遮断特性を備えることは本質的に困難で
あった。
点に着目してなされたものであり、プリント配線基板内
の配線構造として同軸線路構造を採用し、配線から生じ
る電磁界を同軸シールド構造の内部に閉じこめることに
より、配線間の信号クロストークおよび外来雑音に対す
る耐性を飛躍的に向上させることができるプリント配線
基板およびその製造方法を提供することを課題とするも
のである。
成のプリント配線基板を製造するにあたり、同軸線路上
の特性インピーダンスを容易に調整する手法を提供する
ものであり、これにより、非常に高い信号周波数(例え
ば数百GHz以上)まで安定した伝送特性を有する配線
基板を提供することを課題とするものである。
ためになされたこの発明にかかる同軸線路構造を有する
プリント配線基板は、信号線の周りを絶縁層で取り囲
み、その外側をシールド電極で覆った同軸線路構造を有
し、隣り合う同軸線路が前記シールド電極の構成材によ
る連結部を介して相互に接続された構成とされる。
いては、各同軸線路を構成するシールド電極の各一面
と、前記連結部とが平面状に形成され、当該平面状に形
成された面にコア基板が積層された構成とされる。
るプリント配線基板を製造する1つの好ましい方法にお
いては、両面に薄膜の金属層を貼り合わせてなる絶縁層
における一方の面の金属層の一部を残して、信号線とな
る金属配線パターンをエッチングにより形成する工程
と、前記絶縁層における信号線が形成された面に対し
て、片面に金属層を貼り合わせてなる絶縁層の絶縁面を
積層する工程と、前記信号線をほぼ中央にして、一方の
金属層から他方の金属層に達するように、それぞれ溝加
工を施す工程と、少なくとも前記溝加工を施した部分に
対して金属メッキを実行することで、前記信号線を取り
囲んだ絶縁層の外側をシールド電極で覆った同軸線路構
造を形成する工程とを順次実行するようになされる。
るプリント配線基板を製造する他の好ましい方法におい
ては、両面に薄膜の金属層を貼り合わせてなる絶縁層に
おける一方の面の金属層の一部を残して、信号線となる
金属配線パターンをエッチングにより形成する工程と、
前記絶縁層における信号線が形成された面に対して、片
面に金属層を貼り合わせてなる絶縁層の絶縁面を積層す
る工程と、前記いずれか一方の絶縁層に貼り合わされた
金属層に対して、コア基板を積層する工程と、前記信号
線をほぼ中央にして、コア基板の積層側とは反対面か
ら、前記コア基板を積層した金属層に達するように、そ
れぞれ溝加工を施す工程と、少なくとも前記溝加工を施
した部分に対して金属メッキを実行することで、前記信
号線を取り囲んだ絶縁層の外側をシールド電極で覆った
同軸線路構造を形成する工程とを順次実行するようにな
される。
用するにしても、前記各絶縁層に、エポキシ系樹脂、P
EEK系樹脂、液晶ポリマー系樹脂、ポリイミド系樹
脂、もしくはテフロン系樹脂のいずれかによるプリプレ
グを用いることが望ましい。また、前記絶縁層に貼り合
わされる金属層としては、好ましくは、銅箔が用いられ
る。
はレーザービームの照射による加工手段を好適に採用す
ることができ、また、当該溝加工を施した部分になされ
る金属メッキとしては、銅メッキを好適に採用すること
ができる。
有するプリント配線基板の製造方法においては、前記信
号線となる金属配線パターンの延長方向に直交する断面
形状がほぼ矩形状になされ、断面矩形状における金属配
線パターンの幅および厚さを相互に制御することによ
り、前記同軸線路の特性インピーダンスを定めるように
なされる。
られるこの発明にかかるプリント配線基板によると、信
号線の周囲が絶縁材料で取り囲まれ、さらに絶縁材料の
周囲が金属箔によるシールド電極により包囲されて同軸
線路構造になされる。そして、各同軸線路構造は、絶縁
材料を構成するプリプレグに予め貼り合わされた金属箔
による連結部を介して相互に並列状態に接続された構成
とされる。この場合、必要に応じてさらにコア基板をホ
ットプレス等の手段で積層することで、配線基板に対し
て強度を持たせることができる。
によると、配線基板上に形成される各信号線間のクロス
トークおよび外来雑音に対する耐性を飛躍的に向上させ
ることができる。
ほぼ中央に配して接合される第1と第2の絶縁層の素材
として同一材料を利用することにより、信号線の周りを
同一の絶縁材料で取り囲むことができる。したがって、
線路の延長方向において、均一なインピーダンス特性を
有する同軸線路構造を得ることができ、これにより、非
常に高い周波数まで安定した伝送特性を有する配線基板
を得ることが可能となる。
においては、信号線となる金属配線パターンは、プリプ
レグに予め貼り合わせる金属箔の厚さを適宜選定すると
共に、後述するようにビアフィリング用金属メッキ工程
におけるメッキ厚を制御することにより、同軸線路の特
性インピーダンスを適性に定めることができる。同様に
前記した製造方法を採用した場合においては、エッチン
グにより成形される線幅を適性に制御することにより、
同じく同軸線路の特性インピーダンスを適性に定めるこ
とが可能となる。
構造を有するプリント配線基板について、図に示す実施
の形態に基づいて説明する。図1にはこの発明の実施例
として、3本の同軸線路が並んだ状態の配線基板におい
て、その前後の端部を破断した状態の斜視図が示されて
いる。図1に示すように、信号線1の周囲が絶縁層2で
取り囲まれており、その絶縁層2の外側をシールド電極
3で覆うことで、それぞれ同軸線路4が形成されてい
る。
線路を構成するシールド電極3の各一面(図1において
は同軸線路の各底面)が、シールド電極3の構成材によ
る連結部5を介して相互に接続されて、平面状に形成さ
れている。なお、図1には示されていないが、同軸線路
4の各底面と前記連結部5とにより平面状に形成された
下側面に、後述するようにコア基板を積層することによ
り、プリント配線基板の強度を増加させることもでき
る。
4を、長手方向に直交する方向で切断した状態の断面図
が示されている。ここで、wは信号線1の幅、tは信号
線厚、gは信号線1とシールド電極3の横方向の間隔、
bはシールド電極3の上下間隔、cは信号線1とシール
ド電極3の縦方向の間隔を示している。
nsmission Line Handbook 」Artech House Publi
sher,1991年によると、図2に示す構成において、b=
2c+tの場合としての、上下が対称の断面構造となる
同軸線路の特性インピーダンスZ0 は、次の数式で表さ
れる。なお、εr は、絶縁層2を構成する絶縁体の比誘
電率である。
を用いて、w=55μm、t=36μm、g=100μ
m、b=236μmとすれば、特性インピーダンスZ0
は、49.3Ωと計算することができる。
するプリント配線基板を得る場合の製造方法を順に説明
するプロセスフロー図である。なお、図2に示すように
前記した寸法関係が、b=2c+tの場合は、同軸線路
の上下が対称の断面構造となるが、次に述べる作製方法
においては、同軸線路の上下は対称とならず、信号線が
若干下方にずれた構造となる。そして、図3において
は、絶縁層としてエポキシ系プリプレグを用い、コア基
板を併用した場合について説明する。
しての銅箔12,13を両面に貼り合わせたエポキシ系
銅貼り両面プリプレグ11を用意する。そして、(b)
に示すように、このプリプレグ11の下面に貼り合わせ
た銅箔13の一部を残して、化学エッチングにより前記
した同軸線路の信号線1となる銅配線パターン13aを
形成する。そして、図3には示していないが、ドリルま
たはレーザーにより、信号線1の引き出し部を構成する
ビアホールを、例えば同軸線路の端部となる部分に形成
した後、その全面に銅メッキを実施する。なお、前記し
たエッチング工程は、プラズマエッチングを用いてもよ
い。
しての銅箔16を片面にのみ貼り合わせたエポキシ系銅
貼り片面プリプレグ15を用意して、プロセス(b)で
パターン形成されたプリプレグ11の面に対して、プリ
プレグ15の面をホットプレス加工により積層する。こ
れにより、信号線として機能する銅配線パターン13a
は、ストリップライン線路構造となる。
プレグに貼り合わされた前記銅箔16に対して、(d)
に示すようにエポキシ系コア基板18をホットプレスに
より積層する。続いて、(e)に示すように信号線とし
て機能する銅配線パターン13aをほぼ中央にして、コ
ア基板18の積層側とは反対面から、コア基板を18積
層した金属層16に達するように、それぞれ溝加工を施
し、縦溝20を形成する。
ームの照射により実行される。また図には示されていな
いが、この時、信号線1の引き出し部となるビアホール
を、適宜ドリルまたはレーザービームにより形成する。
そして、最終的にプロセス(e)で加工した各縦溝20
および前記ビアホールを含めて全面に銅メッキを施すこ
とにより、(f)として示すように各縦溝20の壁面に
対しても、シールド電極22が形成される。
周りを絶縁層2で取り囲み、その外側をシールド電極3
(22)で覆った同軸線路構造を備えたプリント配線基
板を得ることができる。なお、この図3に示したプロセ
スフローにおいては、エポキシ系コア基板18をホット
プレスにより積層する工程が実施されるが、コア基板1
8が不必要である場合には、当然ながら(d)として示
すプロセスは省略される。
へのメッキ工程については、例えば特開平10−653
13に開示されているが、この時に利用されるレーザー
としては、できるだけ波長の短いものが望ましく、例え
ばCO2 レーザー、YABレーザー、エキシマレーザー
などを好適に利用することができる。ただし、CO2レ
ーザーにおいては、加工時に発生する熱が問題となるた
め、冷却方法の改善、加工スピードの最適化などの対策
が必要である。
工性に優れたものが望まれ、さらに、誘電体として低誘
電率性と低誘電損失性も合わせて望まれる。前記した実
施例のようにエポキシ系樹脂を用いることも好ましい
が、これは、若干誘電損失が大きい。このために、誘電
損失が低いものとする場合には、PEEK(ポリエーテ
ルエーテルケトン)系樹脂、液晶ポリマー系樹脂、ポリ
イミド系樹脂、テフロン(登録商標)系樹脂などを選択
するのが望ましい。
ては、信号線が若干下方にずれた構造になされるが、同
軸線路の上下が対称の断面構造とする場合においては、
互いに接合される各プリプレグ11および15の厚さを
適宜調整すればよい。
て、極低温デバイスのテスト評価システムで用いること
を目的として設計された同軸配線プリント基板の信号線
パターンの一例を示している。ここでは、基板の上下端
および左側端に沿って、例えば同軸ケーブルに接続され
るビアホール32が形成されており、基板の右側端の近
傍における正方形の領域にBGAソケットの電極端子3
1(端子数40)が設けられている。
ットの各電極端子31に対して、同軸線路4が配列され
ている。そして、この同軸線路4は曲げ部分でのインピ
ーダンス変動を押さえるために、最大曲げ角度を45度
に抑えて、パターン設計されている。
づいて作製された同軸配線プリント基板に関して、同軸
線路4上を含む各箇所の特性インピーダンスの分布を測
定評価した結果が示されている。この測定は、TDR
(Time Domain Reflectometry)法により、インピー
ダンス表示機能を有するTDRデジタルサンプリングオ
シロスコープを用いて実施された。なお、図5における
縦軸は特性インピーダンス(Characteristic impedanc
e(Ω))を示しており、横軸は時間(Time(ps))を示して
いる。
軸ケーブル部分に至る部分(Coaxial cable)、同軸ケ
ーブルとケーブルハンダ付け部分(Soldered joint pa
rt)、基板内の同軸線路部分(Coaxial wiring boad p
art)、開放端部分(Open)の順番に、それぞれのインピ
ーダンスの分布を読み取ることができる。これによると
信号線の平均インピーダンスは50Ωである。
40本すべての信号線について、同様に特性インピーダ
ンスを測定評価した結果が示されている。ここでは、実
線が同軸線路4における特性インピーダンス(Charact
eristic impedance(Ω))、破線が同軸ケーブルと同軸配
線基板のハンダ付け部分のインピーダンス変動最大値
(Maximum impedance value of connected part)を示
している。そして、図6における横軸は、40本の信号
線に対して便宜的にそれぞれ付されたライン番号(Lin
e No.)を示している。これによると、実線で結んだ特
性インピーダンスは、50Ω±10%の範囲に制御され
ていることが判る。なお、35番の信号線は、入力端子
で短絡状態であった。
を求めるために、図7に示すように長さl=1000μ
mの評価用3次元対称同軸線路モデルにより、TML
(Transmission Line Matrix )法により電磁界解析
を行った。用いた基本パラメータの数値は、εr =3.
8、信号線幅w=100μm、信号線厚t=36μm、
信号線と左右シールド壁の距離g=100μm、信号線
と上下シールド壁の距離c=100μmである。
べて左右x方向に10μmづつ変位させた時の特性インピ
ーダンスの値を求めた結果である。また、図9は、信号
線の相対的位置を図7に比べて上下y方向に10μmづつ
変位させた時の特性インピーダンスの値を求めた結果で
ある。なお、図8および図9において、縦軸は共に特性
インピーダンス(Characteristic impedance(Ω))を示
しており、また横軸は共に図7に示すモデルに比較した
信号線1の変位量(Shift of signal conductor(μ
m))を示している。
ように、対称同軸線路に対して信号線1が40μm変位
しても、特性インピーダンスの変化は、5%の範囲内で
ある。したがって、信号線1の位置のズレは、特性イン
ピーダンスへの影響が小さいことが判る。
ら10μmづつ狭めた時の特性インピーダンスの値を求
めた結果である。ここで図10の縦軸は、同様に特性イ
ンピーダンス(Characteristic impedance(Ω))を示し
ており、また横軸は信号線幅(Width W(μm))を
示している。これによると信号線幅wの変動は、特性イ
ンピーダンスへの影響が大きい。また、図7に示したモ
デルにおいて、w=55μmにすれば特性インピーダン
スが50Ωとなることが判る。
を再現性よく実現するためには、信号線幅を一定に制御
して、製造する必要がある。そのためには、図3(b)
のエッチング工程において、エッチング用レジストパタ
ーン形成精度、エッチング時の加工精度などを向上させ
る必要がある。換言すれば、この発明にかかる製造方法
を採用した場合においては、エッチングにより成形され
る配線パターン13aの線幅を適性に制御することによ
り、同軸線路の特性インピーダンスを適性に定めること
が可能となる。
して変化させて時の特性インピーダンスの値を求めた結
果である。ここで、図11の縦軸は同様に特性インピー
ダンス(Characteristic impedance(Ω))を示してお
り、また横軸は信号線厚(Thickness t(μm))を
示している。これによると、信号線厚tの変動は、特性
インピーダンスへの影響が大きい。
を再現性よく実現するためには、信号線厚tを一定に制
御して、製造する必要がある。そのためには図3(b)
に示すプロセスで実行されるビアフィリング用銅メッキ
工程において、銅メッキ厚の制御を向上させる必要があ
る。換言すれば、この発明にかかる製造方法を採用した
場合においては、信号線となる金属配線パターンは、プ
リプレグに予め貼り合わせる金属箔の厚さを適宜選定す
ると共に、ビアフィリング用金属メッキのメッキ厚を適
性に制御することにより、同様に同軸線路の特性インピ
ーダンスを適性に定めることが可能となる。
を3.8から減少させた時の特性インピーダンスの値を
求めた結果である。ここで、図12の縦軸は同様に特性
インピーダンス(Characteristic impedance(Ω))を示
しており、また横軸は比誘電率(Relative dielectric
constant)を示している。
が小さくなると、特性インピーダンスが増大することが
判る。したがって、比誘電率の小さい絶縁材料を採用し
た場合には、信号線幅wおよびまたは信号線厚tの値を
より大きく設定することで、所望の特性インピーダンス
を得ることができる。
にかかる製造方法によって得られるプリント配線基板に
よれば、プリント配線基板内の配線構造として同軸線路
が形成され、信号線から生じる電磁界が同軸シールド構
造の内部に閉じこめられるため、信号線間のクロストー
クおよび外来雑音に対する耐性を飛躍的に高めることが
できる。
る配線基板において、その前後の端部を破断した状態の
斜視図である。
路を、長手方向に直交する方向で切断した状態の断面図
である。
方法を説明するプロセスフロー図である。
軸配線プリント基板の信号線パターン例を示す平面図で
ある。
DR法により測定された信号線路上における特性インピ
ーダンスを示す特性図である。
号線に関して測定された特性インピーダンスを示す特性
図である。
3次元同軸線路モデルを示す斜視図である。
を左右に変位させた時のインピーダンス値の変化状態を
示す特性図である。
を上下に変位させた時のインピーダンス値の変化状態を
示す特性図である。
せた時のインピーダンス値の変化状態を示す特性図であ
る。
せた時のインピーダンス値の変化状態を示す特性図であ
る。
る絶縁材料の比誘電率を変更した時のインピーダンス値
の変化状態を示す特性図である。
Claims (9)
- 【請求項1】 信号線の周りを絶縁層で取り囲み、その
外側をシールド電極で覆った同軸線路構造を有し、隣り
合う同軸線路が前記シールド電極の構成材による連結部
を介して相互に接続された同軸線路構造を有するプリン
ト配線基板。 - 【請求項2】 各同軸線路を構成するシールド電極の各
一面と、前記連結部とが平面状に形成され、当該平面状
に形成された面にコア基板が積層されてなる請求項1に
記載の同軸線路構造を有するプリント配線基板。 - 【請求項3】 両面に薄膜の金属層を貼り合わせてなる
絶縁層における一方の面の金属層の一部を残して、信号
線となる金属配線パターンをエッチングにより形成する
工程と、 前記絶縁層における信号線が形成された面に対して、片
面に金属層を貼り合わせてなる絶縁層の絶縁面を積層す
る工程と、 前記信号線をほぼ中央にして、一方の金属層から他方の
金属層に達するように、それぞれ溝加工を施す工程と、 少なくとも前記溝加工を施した部分に対して金属メッキ
を実行することで、前記信号線を取り囲んだ絶縁層の外
側をシールド電極で覆った同軸線路構造を形成する工程
と、 からなる同軸線路構造を有するプリント配線基板の製造
方法。 - 【請求項4】 両面に薄膜の金属層を貼り合わせてなる
絶縁層における一方の面の金属層の一部を残して、信号
線となる金属配線パターンをエッチングにより形成する
工程と、 前記絶縁層における信号線が形成された面に対して、片
面に金属層を貼り合わせてなる絶縁層の絶縁面を積層す
る工程と、 前記いずれか一方の絶縁層に貼り合わされた金属層に対
して、コア基板を積層する工程と、 前記信号線をほぼ中央にして、コア基板の積層側とは反
対面から、前記コア基板を積層した金属層に達するよう
に、それぞれ溝加工を施す工程と、 少なくとも前記溝加工を施した部分に対して金属メッキ
を実行することで、前記信号線を取り囲んだ絶縁層の外
側をシールド電極で覆った同軸線路構造を形成する工程
と、 からなる同軸線路構造を有するプリント配線基板の製造
方法。 - 【請求項5】 前記各絶縁層に、エポキシ系樹脂、PE
EK系樹脂、液晶ポリマー系樹脂、ポリイミド系樹脂、
もしくはテフロン(登録商標)系樹脂のいずれかによる
プリプレグを用いたことを特徴とする請求項3または請
求項4に記載の同軸線路構造を有するプリント配線基板
の製造方法。 - 【請求項6】 前記絶縁層に貼り合わされる金属層が、
銅箔である請求項3または請求項4に記載の同軸線路構
造を有するプリント配線基板の製造方法。 - 【請求項7】 前記溝加工がレーザービームの照射によ
り実行される請求項3または請求項4に記載の同軸線路
構造を有するプリント配線基板の製造方法。 - 【請求項8】 前記溝加工を施した部分になされる金属
メッキが、銅メッキである請求項3または請求項4に記
載の同軸線路構造を有するプリント配線基板の製造方
法。 - 【請求項9】 前記信号線となる金属配線パターンの延
長方向に直交する断面形状がほぼ矩形状になされ、断面
矩形状における金属配線パターンの幅および厚さを相互
に制御することにより、前記同軸線路の特性インピーダ
ンスを定めるようになされた請求項3または請求項4に
記載の同軸線路構造を有するプリント配線基板の製造方
法。
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