JP2007194423A - プリント配線板のスルーホール構造及びプリント配線板 - Google Patents

Abstract

【課題】より厚いプリント配線板の製造が可能となり、搭載する電子機器の筐体構造やプリント配線に搭載する電子部品のリード長の選択の自由度をも増大させることを可能とする。
【解決手段】複数の導体層を持つプリント配線板1が、全部で８層の導体層L1層〜L8層を持つ。導体層L1層、L8層が表面及び裏面の外層導体層2、導体層L2層〜L4層が内部の配線密度が高い導体層3、導体層L5層〜L7層が内部の配線密度が低い導体層4である。プリント配線板1に設けられるスルーホール6は、銅めっき被膜層5が形成されている。スルーホール6は、配線密度が高い導体層L2層〜L4層の内部の導体層3の部分で穴径を小さく、導体層L2層〜L4層より配線密度が低い導体層L5層〜L7層の内部の導体層4部分で穴径が大きくなるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、プリント配線板のスルーホール構造及びプリント配線板に係り、特に、複数の層により構成されるプリント配線板のスルーホール構造及びプリント配線板に関する。

従来、プリント配線板上に形成された信号または電源の配線パターンを電気的に接続することを目的としたスルーホールは、プリント配線板を構成する複数層のうち最も配線密度の高い導体層に設置可能なスルーホール径で全層を一様な径で貫通する構造を有している。このスルーホールは、例えば、ツイストドリル等による機械加工で穴明けした後、無電解銅めっき、または、無電解銅めっきと電解銅めっきとの組合せ等により、穴壁に導電性を付与することにより形成されるのが一般的であった。

機械加工に用いるツイストドリルは、刃径が細いほど、また、刃長が長いほど耐折損性や穴位置精度が悪化することが一般的に知られている。この結果、スルーホール穴径に対する板厚の比率（以下、アスペクト比という）が高くなるに従って、ドリル折損が生じたり、穴位置不良といったスルーホール品質の悪化が発生しやすくなる。このため、高い穴位置精度を確保するための小径深穴用ドリルに関する技術が、例えば、特許文献１等に記載されて知られている。

図２は従来技術によるプリント配線板のスルーホール構造を説明するプリント配線板の断面構造の例を示す図である。図２において、１はプリント配線板、２は外層導体層、３、４は内層導体層、５はスルーホール内壁めっき層、６はスルーホールである。

図２に示す例は、図２（ａ）にプリント配線板の縦断面を示すように、信号または電源の配線のための複数の導体層を持つプリント配線板１が、プリント配線板１の表面及び裏面の外層導体層を含めて全部で８層の導体層Ｌ１層〜Ｌ８層を持つものとしている。そして、導体層Ｌ１層、Ｌ８層がプリント配線板１の表面及び裏面の配線パターンを形成する外層導体層２であり、導体層Ｌ２層〜Ｌ４層がプリント配線板１の内部の配線パターンを形成する導体層３であり、また、導体層Ｌ５層〜Ｌ７層がプリント配線板１の内部の配線パターンを形成する導体層４である。導体層Ｌ２層〜Ｌ４層の配線パターンを形成する導体層３は、導体層Ｌ５層〜Ｌ７層の配線パターンを形成する導体層４よりも配線密度が高く形成されている。また、プリント配線板１に設けられるスルーホール６は、その内部に銅めっき被膜によるスルーホール内壁めっき層５が形成されている。

前述したように構成されるプリント配線板１に設けられるスルーホール６は、その穴径がプリント配線板１を構成する複数の導体層の配線密度の最も高い層の配線密度により決定され、配線密度が高くなるほどスルーホール６の穴径を小さくしなければならない。スルーホール６の穴径を小さくすると、図２（ａ）に示しているように、スルーホール６自体を正確な形状とすることが困難になり、その結果、図２（ａ）に示す例では、プリント配線板１の表面と裏面とでその位置がずれてしまっているように示している。なお、図２（ａ）に示す例では、外層に設けられた配線パターンである外層導体層２と内層に設けられたＬ５層の配線パターンである導体層４がスルーホール内壁めっき層５により電気的に接続されている。

図２（ｂ）には図２（ａ）における配線密度の高いＬ２層〜Ｌ４層の部分の配線仕様の概略を平面図として示しており、また、図２（ｃ）には図２（ａ）における配線密度の低いＬ６層、Ｌ７層の部分の配線仕様の概略を平面図として示している。図２（ｂ）に示すように、Ｌ２層〜Ｌ４層の内層の配線パターンの導体層３は、２本のスルーホール間に２本の配線が設置されている。また、図２（ｃ）に示すように、Ｌ６層及びＬ７層の内層の配線パターンの導体層４は、２本のスルーホール間に１本の配線が設置されている。

図２（ｂ）、図２（ｃ）において、いま、スルーホール間の距離であるスルーホールピッチＰに対して、スルーホール間に配置される配線の配線数を、C1、C2、……、Cn（但し、Cn-1＜Cn）とし、各配線数に対応するスルーホール径を、D1、D2、……、Dnとし、各配線の配線幅をW1、W2、……、Wnとし、配線間の絶縁性を確保するための所望の導体間の間隔を、SL1、SL2、……、SLn とし、スルーホールと配線との間の絶縁性を確保するための所望の導体間の間隔を、SP1、SP2、……、SPn とした場合、
Dn≦P-{2 SPn+CnWn+（Cn-1）SLn}
Dn-1＝Dn
の数式が成り立つようにスルーホール径が設定される。

また、無電解銅めっき、及び、無電解銅めっきと電解銅めっきとの組合せによるめっき皮膜の形成には、化学的な反応によるものに加えて、深穴であるスルーホール内部において、銅めっき用薬液の物理的な流動性、置換性が大きく影響する。この結果、アスペクト比が高くなるに従って、安定的なめっき皮膜の形成が困難となる。このため、高アスペクト比スルーホール内部への銅めっき用薬液の流動・置換を改善し、めっき皮膜形成を安定化する技術が、例えば、特許文献２等に記載されて知られている。
特開２００２−１４４１２３号公報 特許登録第２６４４８４８号公報

前述した従来技術は、プリント配線板のスルーホール径の選定を、プリント配線板を構成する複数層のうちスルーホールを設ける位置で最も配線密度の高い導体層に設置可能なスルーホール径とするという方法で行っていた。そして、プリント配線板の板厚は、前述のようにして選択したスルーホール径に対して、安定的な穴加工及びめっき皮膜の形成が可能な板厚が製造可能なプリント配線板の板厚として決定されていた。一方、プリント配線板に求められる板厚は、例えば、プリント配線板を搭載する電子機器の筐体構造やプリント配線板に搭載する電子部品のリード長などにより規定されることがある。また、機械的な曲げ強さを付与するために、所望の板厚を要求されることがある。

このため、前述した従来技術は、スルーホール安定形成限界による板厚限界が、これらの構造的要求を満たさない場合、プリント配線板の製造が困難となるという問題点を生じていた。

本発明の目的は、前述した従来技術の問題点を解決し、より厚いプリント配線板の製造が可能となり、搭載する電子機器の筐体構造やプリント配線板に搭載する電子部品のリード長の選択の自由度をも増大させることができるプリント配線板のスルーホール構造及びこのスルーホールを備えるプリント配線板を提供することにある。

本発明によれば前記目的は、信号または電源用の配線を形成する導体層を３層以上有し、それらの導体層の配線密度が２種以上であり、前記導体層間を接続するスルーホールを有するプリント配線板のスルーホール構造において、前記スルーホールが、各導体層の配線密度に従って厚さ方向で２種以上の異なる穴径を有して構成されることにより達成される。

本発明によれば、複数層で構成されるプリント配線板の複数層の一部に配線密度の高い導体層を設けた場合にも、より厚いプリント配線板の製造が可能となり、搭載する電子機器の筐体構造やプリント配線板に搭載する電子部品のリード長の選択の自由度をも増大させることができる。

以下、本発明によるプリント配線板のスルーホール構造の実施形態を図面により詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態によるプリント配線板のスルーホール構造を説明するプリント配線板の断面構造の例を示す図である。図１における符号は図２の場合と同様である。

図１に示す例は、図２により説明したと同様に、また、図１（ａ）に示すプリント配線板の縦断面を示すように、信号または電源の配線のための複数の導体層を持つプリント配線板１が、プリント配線板１の表面及び裏面の外層導体層を含めて全部で８層の導体層Ｌ１層〜Ｌ８層を持つものとしている。そして、導体層Ｌ１層、Ｌ８層がプリント配線板１の表面及び裏面の配線パターンを形成する外層導体層２であり、導体層Ｌ２層〜Ｌ４層がプリント配線板１の内部の配線パターンを形成する導体層３であり、また、導体層Ｌ５層〜Ｌ７層がプリント配線板１の内部の配線パターンを形成する導体層４である。導体層Ｌ２層〜Ｌ４層の配線パターンを形成する導体層３は、導体層Ｌ５層〜Ｌ７層の配線パターンを形成する導体層４よりも配線密度が高く形成されている。また、プリント配線板１に設けられるスルーホール６は、その内部に銅めっき被膜によるスルーホール内壁めっき層５が形成されている。

前述したように構成されるプリント配線板１に設けられるスルーホール６は、配線密度が高い導体層Ｌ２層〜Ｌ４層の内部の配線パターンを形成する導体層３の部分で穴径を小さく、また、導体層Ｌ２層〜Ｌ４層より配線密度が低い導体層Ｌ５層〜Ｌ７層の内部の配線パターンを形成する導体層４の部分で穴径が大きくなるように構成されている。そして、外層に設けられた配線パターンである外層導体層２と内層に設けられたＬ５層の配線パターンである導体層４がスルーホール内壁めっき層５により電気的に接続されている。

図１（ｂ）、図１（ｃ）において、いま、スルーホール間の距離であるスルーホールピッチＰに対して、スルーホール間に配置される配線の配線数を、C1、C2、……、Cn（但し、Cn-1＜Cn）とし、各配線数に対応するスルーホール径を、D1、D2、……、Dnとし、各配線の配線幅をW1、W2、……、Wnとし、配線間の絶縁性を確保するための所望の導体間の間隔を、SL1、SL2、……、SLn とし、スルーホールと配線との間の絶縁性を確保するための所望の導体間の間隔を、SP1、SP2、……、SPn とした場合、本発明の実施形態では、
Dn≦P-{2 SPn+CnWn+（Cn-1）SLn}
Dn-1＞P-{2 SPn+CnWn+（Cn-1）SLn}
の数式が成り立つようにスルーホール径が設定される。

次に、本発明の実施形態によるプリント配線板の試作結果及び従来技術による試作結果について、具体的に説明する。

試作したプリント配線板１は、その板厚が3.0mm であり、図１、図２に示して説明したと同様に、２層の外層導体層と６層の内層導体層とから構成した。プリント配線板１を貫通するスルーホールは0.8mm のピッチで設置し、Ｌ２層〜Ｌ４層の内層パターンの導体層３には、スルーホール間に幅0.07mmの配線が２本設置されるようにし、配線同士の間隔を0.07mmとした。また、Ｌ５層〜Ｌ７層の内層パターンの導体層４には、スルーホール間に幅0.11mmの配線が１本設置されるようにした。そして、このような設計仕様のプリント配線板を、一般的な内層パターン形成工程及び積層工程により多層化した後、ツイストドリルによる機械加工で貫通穴を明けた。

その際、本発明の実施形態でのスルーホール６は、Ｌ１層〜Ｌ４層までは直径0.15mmの穴を明け、Ｌ５層〜Ｌ８層までは直径0.30mmの穴を明けて形成した。この穴明けは、例えば、最初に、細いツイストドリルによりプリント配線板１の表面側からＬ１層〜Ｌ４層までに穴明けを行い、その後、最初のツイストドリルより太いツイストドリルによりプリント配線板１の裏面側からＬ８層〜Ｌ５層までに穴明けを行という方法により行うことができる。前述の手順は逆であってもよいことは言うまでもない。また、他の方法として、工具が特殊なものとなるが、段差のあるツイストドリルにより１度で済ませるようにすることもできる。さらに、他の方法として、プリント配線板１をＬ１層〜Ｌ４層までのものとＬ５層〜Ｌ８層までのものとにより構成し、それぞれの基板に穴明けを行った後に双方を張り合わせるという方法であってもよい。一方、従来技術でのスルーホール６は、Ｌ１層〜Ｌ８層まで、直径0.15mmの同一径の穴を明けた。

その後、無電解銅めっき薬品を使用した標準工法によって、スルーホール６の内壁に目標厚さ0.03mmのスルーホール内壁めっき層５を形成する処理を実施した。本発明の実施形態により完成した基板、及び、従来技術により完成した基板を縦断面研磨した後、スルーホールと内層導体との間隙及びめっきつきまわり（スルーホール中央部のめっき厚さ／同入り口厚さ×100 ％）を、各完成基板毎に２０個のスルーホールを穴観察した。

その結果、本発明の実施形態によるものでは、２０個のスルーホールの全てが、内層導体層に対して充分な間隙を確保していたのに対して、従来技術によるものでは、穴位置精度不足により内層導体層とスルーホールとの間で間隙不足となる現象が発生していた。また、本発明の実施形態によるものでは、２０個のスルーホールの全てが、めっきつきまわり95％以上であったのに対して、従来技術によるものでは、めっきつきまわり70％以下のスルーホールが観察された。

前述で説明したように、本発明の実施形態によれば、３層以上の複数層で構成されるプリント配線板の複数層の一部に配線密度の高い導体層を設けた場合にも、より厚いプリント配線板の製造が可能となり、搭載する電子機器の筐体構造やプリント配線板に搭載する電子部品のリード長の選択の自由度をも増大させることができる。

前述した本発明の実施形態は、導体層が８層のプリント配線板の例により説明したが、本発明は、３層以上の層で構成されたプリント配線板であれば、何層であっても適用することができる。また、図１により説明した例では、スルーホールと電気的に接続する内層をＬ５層としているが、本発明は、スルーホールと接続される接続層の位置及び接続層数を制限するものではない。また、本発明の実施形態では、スルーホールの径を２種類としているが、各層の配線密度に応じて、３種類以上のスルーホール径を持つスルーホールとすることもできる。また、スルーホールの穴明方法、穴明順序は特に制限されるものではなく、所望のスルーホール構造を実現することができる任意の工法を選択することが可能である。更に、配線密度の種類数とスルーホール径の種類数とは、必ずしも一致させる必要はない。また、プリント配線板の上下方向の中央部の導体層の配線密度が小さい場合にも、中央部だけ穴径を大きくしたスルーホールとすることができる。この場合、穴明け後に複数の基板を張り合わせる方法が使用される。

本発明の一実施形態によるプリント配線板のスルーホール構造を説明するプリント配線板の断面構造の例を示す図である。 従来技術によるプリント配線板のスルーホール構造を説明するプリント配線板の断面構造の例を示す図である。

符号の説明

１ プリント配線板
２ 外層導体層
３、４ 内層導体層
５ スルーホール内壁めっき層
６ スルーホール

Claims (4)

1. 信号または電源用の配線を形成する導体層を３層以上有し、それらの導体層の配線密度が２種以上であり、前記導体層間を接続するスルーホールを有するプリント配線板のスルーホール構造において、前記スルーホールは、各導体層の配線密度に従って厚さ方向で２種以上の異なる穴径を有して構成されることを特徴とするプリント配線板のスルーホール構造。
2. 前記導体層の配線密度に従って厚さ方向で異なるスルーホールの穴径は、前記配線密度が高くなるほど小さな穴径とされることを特徴とする請求項１記載のプリント配線板のスルーホール構造。
3. 前記スルーホールの相互間距離であるスルーホールピッチＰに対して、スルーホール間に配置される配線の配線数を、C1、C2、……、Cn（但し、Cn-1＜Cn）とし、各配線数に対応するスルーホール径を、D1、D2、……、Dnとし、各配線の配線幅をW1、W2、……、Wnとし、配線間の絶縁性を確保するための所望の導体間の間隔を、SL1、SL2、……、SLn とし、スルーホールと配線との間の絶縁性を確保するための所望の導体間の間隔を、SP1、SP2、……、SPn としたとき、
   Dn≦P-{2 SPn+CnWn+（Cn-1）SLn}
   Dn-1＞P-{2 SPn+CnWn+（Cn-1）SLn}
   の数式が成り立つように前記スルーホール径が設定されることを特徴とする請求項１または２記載のプリント配線板のスルーホール構造。
4. 信号または電源用の配線を形成する導体層を３層以上有し、それらの導体層の配線密度が２種以上であり、前記導体層間を接続するスルーホールを有するプリント配線板において、前記スルーホールは、請求項１、２または３記載のスルーホール構造を有していることを特徴とするプリント配線板。

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