JP2007180371A

JP2007180371A - 基板及び電子モジュール

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Publication number: JP2007180371A
Application number: JP2005378813A
Authority: JP
Inventors: Kenji Mizobuchi; 憲司溝淵; Izumi Fukasaku; 泉深作; Kinya Yamazaki; 欣哉山嵜
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2007-07-12

Abstract

【課題】曲げによる応力や張力を小さく抑える基板及び電子モジュールを提供する。
【解決手段】シート状の可撓性基材２ａ，２ｂの片面又は両面に導体層３，４を重ねた基板１ａ，１ｂにおいて、上記可撓性基材２ａ，２ｂがその内部に気体層５ａ，５ｂを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、可撓性基材に導体層を重ねた部分を有する基板に係り、曲げによる応力や張力を小さく抑える基板及び電子モジュールに関する。

近年、フレキシブル基板と呼ばれる可撓性のある基板が電子機器に多用されている。フレキシブル基板は、シート状の可撓性基材の片面又は両面に導体層を重ねたものである。例えば、図３に示したフレキシブル基板３１は、厚さＨの可撓性基材３２の下面にＧＮＤパターンとして広く導体層３３を形成し、可撓性基材３２の上面には信号ラインとして幅Ｗ（この向きを基板面の横方向とする）、厚みＴの導体層３４を縦方向に引き回すことにより、インピーダンス線路（マイクロストリップライン）を形成し、このインピーダンスにより高周波を伝送している。

また、部品を搭載するリジッド部と折り曲げ可能なフレックス部を持つリジッドフレキ基板も知られている。フレキシブル基板とリジッドフレキ基板は、シート状の可撓性基材の片面又は両面に導体層を重ねた部分を有するという点で共通する。以下、フレキシブル基板とリジッドフレキ基板の上位概念として単に基板という語を使用する。

可撓性基材３２の厚さＨ、導体層３４の幅Ｗ、厚みＴ、可撓性基材３２の比誘電率εｒはインピーダンス線路の特性を左右する変数となる。具体例として、可撓性基材３２にポリイミドを用いると、ポリイミドの比誘電率εｒは約２．８である。導体層３４の厚みＴ＝１８μｍ、幅Ｗ＝０．１２ｍｍ、可撓性基材３２の厚さＨ＝５０μｍとすると、インピーダンス線路のインピーダンスＺは４９ｏｈｍということになる。なお、導体層３４の幅Ｗは０．１ｍｍ以下にすることは基板の信頼性上、製造することが難しい。

この構造において、インピーダンス線路のインピーダンスＺを変えずに可撓性基材３２の厚さＨを薄くするためには、可撓性基材３２の比誘電率εｒを小さくする必要がある。しかし、比誘電率εｒが小さい可撓性基材３２はコストが高く、さらに比誘電率εｒの大きさにも限界がある。

一般に、フレキシブル基板、リジッドフレキ基板などの基板は、可撓性があることが最も重要な利点であり、電子機器の中に曲げられた状態で収容されたり、伸縮・開閉といった機械的可動部に使用されたりする。しかし、可撓性があるといっても、曲げられれば応力を生じるし、曲げの外側となる面では張力が生じる。もし、可撓性基材の厚さＨが厚いと、その可撓性基材を曲げたとき応力及び張力が大きく、可撓性基材自体やその上に載っている導体層にダメージが生じてしまう。よって、可撓性基材の厚さＨは極力小さくする必要がある。

特開平７−３８２０９号公報

このように、従来のフレキシブル基板は、インピーダンス線路のインピーダンスＺを変えずに可撓性基材３２の厚さＨを薄くすることが難しいという問題がある。また、可撓性基材３２の厚さＨによって、曲げによる応力や張力が発生するという問題もある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決する基板及び電子モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の基板は、シート状の可撓性基材の片面又は両面に導体層を重ねた部分を有する基板において、上記可撓性基材がその内部に気体層を含むものである。

上記片面導体層又は両面の導体層の一方が信号ラインであってもよい。

上記可撓性基材は、基板面の縦方向に延びた複数のウェブ材と横方向に延びた複数のウェブ材とが交差したメッシュ構造をなし、ウェブ材間に上記気体層が形成されていてもよい。

上記可撓性基材は、発泡体からなってもよい。

上記可撓性基材は、充実な可撓性基材の内部にレーザ穴開け加工によって上記気体層が形成されていてもよい。

本発明の電子モジュールは、上記基板を用いたものである。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）曲げによる応力や張力を小さく抑えることができる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１（ａ）あるいは図１（ｂ）に示されるように、本発明に係る基板１ａ，１ｂは、シート状の可撓性基材２ａ，２ｂの片面又は両面に導体層３，４を重ねたフレキシブル基板１ａ，１ｂにおいて、上記可撓性基材２ａ，２ｂがその内部に気体層５ａ，５ｂを含むものである。

基板１ａ，１ｂは、フレキシブル基板でもリジッドフレキ基板でもよいが、以下ではフレキシブル基板とする。

図１（ａ）の実施形態について詳しく述べると、可撓性基材２ａは、基板面の縦方向（紙面に直交する方向）に延びた複数のウェブ材６と横方向（左右方向）に延びた複数のウェブ材（図示せず）とが交差したメッシュ構造をなし、ウェブ材間に気体層５ａが形成されているものである。縦方向ウェブ材６と横方向ウェブ材は互いに貫通し合って交わり、両ウェブ材の上部と下部は平面材７で覆われている。従って、これら両ウェブ材と上下部平面材７により囲まれた立方体あるいは直方体の空間に空気又はその他の気体が閉じ込められて気体層５ａを形成している。ウェブ材６、平面材７は可撓性材料からなる。

図１（ｂ）の実施形態について詳しく述べると、可撓性基材２ｂは、発泡体からなっている。この発泡体の不定形かつ大小様々の気泡が気体層５ｂを形成している。発泡体は、流体状の可撓性材料に空気又はその他の気体を注入して固化したものである。以下、可撓性材料としてポリイミドを用いるものとする。

図１（ａ）及び図１（ｂ）のフレキシブル基板１ａ，１ｂは、可撓性基材２ａ，２ｂの内部に気体層５ａ，５ｂが含まれているので、可撓性基材２ａ，２ｂ全体の比誘電率εｒをその材料であるポリイミドの比誘電率２．８より小さくすることができる。つまり、空気の比誘電率はポリイミドより小さいから、可撓性基材２ａ，２ｂ全体の比誘電率εｒは２．８より小さくなる。ポリイミドに対する空気の体積比率が大きくなるほど、可撓性基材２ａ，２ｂ全体の比誘電率εｒは１に近くなる。空気以外の気体でも原理は同じである。

一方、もともと可撓性のあるポリイミドを構造材とする可撓性基材２ａ，２ｂの内部に気体層５ａ，５ｂが含まれていることにより、可撓性はいっそう高まる。つまり、同じサイズの可撓性基材を従来のように充実なポリイミドで構成した場合に比べ、フレキシブル基板１ａ，１ｂは、可撓性が高い。

図示しない実施形態のフレキシブル基板として、あらかじめ充実な可撓性基材を形成しておき、その可撓性基材の内部にレーザ穴開け加工によって穴を開け、この穴を気体層とするとよい。この場合、発泡体を使用するのに比べて穴の径や配置を自在に制御することができる。よって、可撓性基材全体の比誘電率や可撓性の度合いを所望する値に作り込むことができる。

このように、本発明のフレキシブル基板１ａ，１ｂ（あるいは図示しない形態のもの）は、比誘電率εｒを小さくすることができる。ということは、インピーダンスＺに影響を与えることなく可撓性基材２ａ，２ｂの厚さＨを薄くすることができる。つまり、厚さＨを薄くして、曲げによる応力や張力を小さく抑えることができる。

ここで、本発明に用いるマイクロストリップライン計算式を定義しておく。

ただし、Ｗは信号ラインの幅
ｈは誘電体の高さ
εｒｅは誘電体と空気に挟まれたマイクロストリップラインの実効比誘電率
εｒは信号ラインとＧＮＤベタ間物質の比誘電率
Ｚ０はインピーダンス
この式に従い、Ｗ／ｈとεｒの条件を変えたときの各値を表１、表２に示す。

上記マイクロストリップライン計算式に示したインピーダンスＺ０の算出式によると、インピーダンスＺ０を一定にした場合、比誘電率εｒが小さくなると誘電体の高さｈは低くなる。つまり、誘電体の厚さが薄くなる。

また、本発明のフレキシブル基板は、導体層４の幅Ｗを広くすることができる。前述のように導体層４の幅Ｗは、製造技術により、０．１ｍｍとするのは難しい。マイクロストリップライン計算式より、あるインピーダンスＺ０を作る場合、可撓性基材（誘電体）の厚さｈが一定のとき、誘電体の比誘電率εｒが小さければ小さいほど導体層４の幅Ｗは大きくなる。つまり、製造しやすくなり、導体層４の幅Ｗの精度が上がり、その結果、インピーダンスＺ０の精度も上がる。

さらに、本発明のフレキシブル基板は、前述のように可撓性基材（誘電体）の比誘電率を小さくすることができる。空気の誘電正接は、可撓性基材より小さい。誘電正接とは、絶縁体内部での電気エネルギ損失度合いを示すものである。このエネルギ損失は、信号伝達時に発熱やノイズ、高消費電力等の問題となって現れる。周波数と材料の誘電正接に比例して損失が大きくなるため、伝送周波数が高くなるほど誘電正接が低いことが求められる。本発明では、比誘電率と誘電正接を小さくすることができる。これにより、エネルギ損失を小さくすることができる。

図２に示したフレキシブル基板２１は、複数の角柱状のウェブ材２２を基板面の縦方向に延ばして横方向に適宜間隔で配置し、その上に、複数の角柱状のウェブ材２３を基板面の横方向に延ばして縦方向に適宜間隔で配置することで、ウェブ材２２，２３が交差したメッシュ構造の可撓性基材２４を形成したものである。図１（ａ）のフレキシブル基板１ａとの差異は、フレキシブル基板１ａの縦横のウェブ材が互いに貫通し合っているのに対して、フレキシブル基板２１はウェブ材２２の上にウェブ材２３が載っている。この構成においても、ウェブ材２２，２３間に気体層２５が形成される。

この実施形態においても、ウェブ材２２，２３をポリイミドで構成するとき、可撓性基材２４全体の比誘電率εｒをポリイミドの比誘電率２．８より小さくすると共に、可撓性をより高めることができる。

図４に示されるように、薄いメッシュ状の可撓性シート４１を複数枚用いる。これら、可撓性シート４１をランダムな向きにして何枚も重ねて可撓性基材４２を構成すると、可撓性基材４２の内部に気体層を含むことができる。このような可撓性基材４２の表面・裏面に導体層を重ねることで本発明の基板を製造することができる。

なお、各実施形態では、フレキシブル基板の積層構造を簡素化して説明したが、導体層３，４の外側にカバーレイを重ねたり、可撓性基材２ａ，２ｂ，２４と導体層３，４の間に接着層を設けたりしても、本発明は実施できる。

本発明は、シート状の可撓性基材２ａ，２ｂの片面又は両面に導体層３，４を重ねた基板１ａ，１ｂにおいて、上記可撓性基材２ａ，２ｂがその内部に気体層５ａ，５ｂを含むようにしたので、曲げによる応力や張力を小さく抑えることができる。気体層５ａ，５ｂの体積が可撓性基材２ａ，２ｂの材料体積より多いほど、可撓性基材２ａ，２ｂ全体の比誘電率は小さくなる。そのため導体層３においてインピーダンス線路を作る場合、可撓性基材２ａ，２ｂの厚さを薄くでき、より可撓性を持たせることができる。

次に、本発明の基板を応用した光トランシーバについて説明する。

図５（ａ）に示されるように、本発明に係る光トランシーバ１１０は、ハウジング１１１の中に光モジュール１１２と電気回路基板１１３，１１４，１１５とを内蔵したものである。ハウジング１１１は、光伝送路である光ファイバ１１６の光コネクタ１１７を挿入するためのコネクタ口１１８を一端に形成し、反対端側の大部分が通信機器（図示せず）内のケージ（図示せず）に挿入されるようになっている。コネクタ口１１８のある端部は通信機器に設けた窓１２０から露出することになる。そして、ケージに入る方の端部には、電気回路基板１１５のエッジ端子１１９がハウジング１１１から露出して通信機器内の信号コネクタ１２１に挿入されるようになっている。

窓１２０や信号コネクタ１２１は通信機器の部材であって、光トランシーバ１１０とは別途に製造される。通信機器も光トランシーバ１１０も複数のメーカによる種々の機種が存在することから、それらの互換性を持たせるために、ハウジング１１１の外形寸法と、窓１２０や信号コネクタ１２１の位置に対する光モジュール１１２及びエッジ端子１１９の位置が規格により規定されている。例えば、図５（ｃ）の光軸とエッジ線の落差ｈは規定値におさめなくてはならない。

図５（ｂ）に示されるように、光モジュール１１２には、送信用と受信用の２種類があり、光軸を平行にして並べて配置される。２つの光モジュール１１２は長さが異なるので、光モジュール基板１１３も送信用と受信用に形成されており、これら２つの光モジュール基板１１３はそれぞれフレキ基板１２２を介して電気回路基板１１４と接続されている。さらに、電気回路基板１１５はフレキ基板１２３を介して電気回路基板１１５と接続されている。

図５（ｃ）に示されるように、光モジュール１１２の光軸を基準に考えると、光モジュール基板１１３は直角な姿勢で配置されている。光モジュール１１２の端面からはリード１２４が光軸に並行に突き出ており、このリード１２４を光モジュール基板１１３のスルーホールに通し、光モジュール基板１１３が光モジュール１１２の端面に正対するようにしてはんだ付けをすることで光モジュール基板１１３が光モジュール１１２に固定されている。

電気回路基板１１５は光軸に平行な姿勢で配置されている。しかも、電気回路基板１１５はエッジ線の高さ位置に配置されている。これは、先に説明したように、規格に適合させるためである。

電気回路基板１１４は光モジュール１１２のうちのレーザダイオードを駆動するＬＤドライバＩＣ１２５を搭載したものである。その他の回路部品は、ＬＤドライバＩＣ１２５を搭載した面の余白あるいは裏側面に搭載するとよい。

電気回路基板１１４は光軸に対して傾斜させて配置されている。ここで、電気回路基板１１４の傾斜の理由を説明すると、レーザダイオードとＬＤドライバＩＣ１２５間の伝送距離を短くするためであり、単に電気回路基板１１５を光モジュール基板１１３の方へ延ばして電気回路基板１１５にＬＤドライバＩＣ１２５を搭載すると、電気回路基板１１５と光モジュール基板１１３とをつなぐフレキ基板がＵ字状に膨らんで、結果的に伝送距離が長くなるので、ＬＤドライバＩＣ１２５を搭載した電気回路基板１１４と電気回路基板１１５を分離し、電気回路基板１１４の端部が光モジュール基板１１３の端部より下に位置しているように、電気回路基板１１４を傾斜させたのである。

この光トランシーバ１１０において、フレキ基板１２２，１２３に図１（ａ）及び図１（ｂ）に示した本発明のフレキシブル基板１ａ，１ｂを用いるとよい。この光トランシーバ１１０に限らず、フレキシブル基板を有する電子モジュールの全てにおいてフレキシブル基板として本発明のフレキシブル基板１ａ，１ｂを用いることができる。

（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ本発明の一実施形態を示す基板の断面図である。本発明の一実施形態を示す基板の内部斜視図及び外観斜視図である。従来のフレキシブル基板の断面図である。本発明の一実施形態を示す基板の構造説明図である。本発明の電子モジュールである光トランシーバの図であり、（ａ）は光トランシーバ全体の側断面図、（ｂ）は内蔵部品の斜視図、（ｃ）は内蔵部品の側面視図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ基板（フレキシブル基板）
２ａ，２ｂ可撓性基材
３導体層（ＧＮＤパターン）
４導体層（インピーダンス線路）
５ａ，５ｂ気体層

Claims

シート状の可撓性基材の片面又は両面に導体層を重ねた部分を有する基板において、上記可撓性基材がその内部に気体層を含むことを特徴とする基板。
上記片面導体層又は両面の導体層の一方が信号ラインであることを特徴とする請求項１記載の基板。
上記可撓性基材は、基板面の縦方向に延びた複数のウェブ材と横方向に延びた複数のウェブ材とが交差したメッシュ構造をなし、ウェブ材間に上記気体層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の基板。
上記可撓性基材は、発泡体からなることを特徴とする請求項１記載の基板。
上記可撓性基材は、充実な可撓性基材の内部にレーザ穴開け加工によって上記気体層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の基板。
請求項１〜５いずれか記載の基板を用いたことを特徴とする電子モジュール。