JP2008166357A

JP2008166357A - プリント配線基板

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Publication number: JP2008166357A
Application number: JP2006351586A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Saito; 晋一郎齊藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2008-07-17
Also published as: US20080156523A1

Abstract

【課題】DCから高周波領域に亘りグランド（電源）プレーンの特性インピーダンスを０に近い状態に保ち、前記グランド（電源）プレーンの共振現象を抑圧し、広い帯域で優れた伝送特性をもちかつ不要電磁輻射の少ないプリント配線基板を提供する。
【解決方法】絶縁体で構成される基板と、前記基板の主面上又は前記基板内の少なくとも一方に形成された、電気信号を伝送するためにパターン状に形成された金属導体部からなる配線パターンと、前記基板の裏面上及び前記基板内の少なくとも一方に形成された電源層とを具備し、前記電源層は、その容量及びインダクタンスをそれぞれ増大及び減少させるための機構を含むようにしてプリント配線基板を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、プリント配線基板に関し、特に高速動作、高密度実装、及び多層化を要求されるプリント配線基板に関する。

高速動作ICを搭載し、高密度実装化、多層化された基板は，たとえばコンピュータなどの各種電子機器に使用されている。従来のプリント配線基板はマイクロストリップライン，ストリップライン，コプレーナウェーブガイドと呼ばれる伝送形態で高周波信号を伝送していた。こうした従来のプリント配線基板では、グランド層（グランドプレーン）若しくは電源層（電源プレーン）を構成する金属導体は一様なプレーン状であった。本来は、このようなグランドプレーンの下式（１）で示される特性インピーダンスはほとんど０であり、プレーン上に電位差は存在しなかった。

しかしながら、IC動作の高速化や伝送する信号の高速化（（１）式におけるω（角周波数）の増加）により一様であるはずのグランド（電源）プレーンに特性インピーダンスが生まれ，瞬時的にプレーンに電位差が生じるようになった。さらに高密度実装にともないグランド（電源）プレーンは細分化されDC抵抗成分（（１）式におけるＲ）の増加，キャパシタンスの低下（（１）式におけるＣ）及びインダクタンス（（１）式におけるＬ）の増大によりプレーンの特性インピーダンスは増大し、高周波信号に対する参照電位としての機能を失いつつあった。こうした状況下ではグランド（電源）プレーン上に定常波（定在波）による共振現象が生じ、様々な不具合を生んでいた。

例えば、ＩＣの誤作動、そしてこれに伴うスイッチングノイズの増大が挙げられる。また、こうしたノイズが信号へ重畳し、不要電磁輻射の増大、伝送特性・反射特性・漏話特性の劣化といった問題を引き起こしていた。

従来においては、多くのパスコンと呼ばれるコンデンサ部品を実装することで、上述した共振現象の回避を図っていた。しかしこうしたパスコンを多く実装することは他のＩＣなどの部品の実装面積を削り、ひいては電子機器の小型化の妨げとなっていた。しかも、伝送信号の多くはディジタル信号であり、こうした信号は多くの周波数成分の重ね合わせであることから極めて広い周波数成分を持っている。こうした信号に対して容量として機能させるには容量の異なる複数のパスコンを用意する必要があった。さらに、高周波領域では、そもそもパスコンそのものがコンデンサとして機能しなくなるという問題を抱えていた。

一方、特開平７−３２１４６３号（特許文献１）などに開示された技術においては、プリント配線基板に対して高速信号伝搬（伝送）特性を付与するために、上述したようなグランド（電源）プレーンではなく、メッシュ状のグランド（電源）配線とすることが記載されている。しかしながら、このようなメッシュ状のグランド（電源）配線においても、極めて広い周波数成分を持っているディジタル信号などを伝送信号として伝送する場合、前記グランド（電源）配線の特性インピーダンスを上述のような広範囲の周波数成分のディジタル信号に対して十分に低減することができないという問題があった。
特開平７−３２１４６３号

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、DCから高周波領域に亘りグランド（電源）プレーンの特性インピーダンスを０に近い状態に保ち、前記グランド（電源）プレーンの共振現象を抑圧し、広い帯域で優れた伝送特性をもちかつ不要電磁輻射の少ないプリント配線基板の提供を目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明の一態様は、
絶縁体で構成される基板と、
前記基板の主面上又は前記基板内の少なくとも一方に形成された、電気信号を伝送するためにパターン状に形成された金属導体部からなる配線パターンと、
前記基板の裏面上及び前記基板内の少なくとも一方に形成された電源層とを具備し、
前記電源層は、その容量及びインダクタンスをそれぞれ増大及び減少させるための機構を含むことを特徴とする、プリント配線基板に関する。

上記態様によれば、プリント配線基板における電源層は、その容量及びインダクタンスをそれぞれ増大及び減少させるための機構を含んでいる。したがって、前記のような広帯域周波数の伝送信号に対しても、前記電源層の特性インピーダンスを十分に低減することができ、前記電源層における共振現象などを十分に抑圧することができる。

なお、本発明の他の態様において、前記電源層は、一様な板状の電源層と格子状の電源層とを含み、それらを互いに階層状に積層することや金属基板をハーフエッチングし、一様な板状の電源層にパターンを作成することによって形成することができる。この時、板状の電源層と格子状の電源層は互いに電気的に接続されている。この場合、主として格子状の電源層において、隣接する格子間において容量が形成され、これによって電源層の容量が増大するようになる。また、前記板状の電源層が電気的に接続されていることにより、高周波領域におけるインダクタンスの増大を抑制することができる。

また、本発明の上記態様においては、前記電源層が一様な板状の電源層を含むので、上述したディジタル信号などを伝送する際に、そのＤＣ成分は前記一様な板状の電源層内を伝導し、高周波成分は前記格子状の電源層の表皮を伝導するようになる。したがって、伝送信号に対する抵抗増大による特性インピーダンスの増大などの問題を生じることがない。結果として、本態様におけるように、電源層を、一様な板状の電源層と格子状の電源層とを含み、それらを互いに階層状に形成することによって、広帯域周波数の伝送信号に対しても、前記電源層の特性インピーダンスを十分に低減することができ、前記電源層における共振現象などを十分に抑圧することができる。

なお、上記のような態様において、前記電源層の高さをｈ、前記板状の電源層の面積をＳとした場合において、前記格子状の電源層によって形成される表面凹凸部の高さを０．２ｈ〜０．８ｈとし、前記格子状の電源層を介して露出する前記板状の電源層の割合を０．４Ｓ〜０．９Ｓとすることができる。この場合、上述したような作用効果をより効果的に発現させることができるようになる。

また、本発明のその他の態様においては、前記電源層は、一様な板状の電源層にその厚さ方向に複数の非貫通孔を有するようにして構成することができる。この場合、主として隣接する非貫通孔間において容量が形成され、これによって電源層の容量が増大するようになる。また、前記非貫通孔における表面凹凸により、高周波領域におけるインダクタンスの増大を抑制することができる。

さらに、上記態様においては、前記電源層が厚さ方向において非貫通孔が存在しない領域を含むので、上述したディジタル信号などを伝送する際に、そのＤＣ成分は前記非貫通孔の影響を受けることなく、前記電源層内を効率良く伝導することができる。したがって、前記電源層の特性インピーダンスを十分に低減することができ、前記電源層における共振現象などを十分に抑圧することができる。

また、上記プリント配線基板は種々の態様に構成することができる。例えば、前記金属導体部からなる配線パターンを、前記基板の主面上においてマイクロストリップライン(MSL)として形成することができる。また、前記金属導体部を、前記基板内においてストリップライン(SL)として形成することができる。さらには、前記金属導体部と略平行にその長さ方向に沿って、前記金属導体部を挟むようにして一対のグランド電極層を形成し、前記金属導体部及び前記グランド電極層によってコプレーナーウェーブガイド(CPW)を構成することができる。

なお、特に例示しないものの、当業者が想到できるようなあらゆる種類の態様のマイクロ波回路基板とすることができる。

以上説明したように、本発明の上記態様によれば、DCから高周波領域に亘りグランド（電源）プレーンの特性インピーダンスを０に近い状態に保ち、前記グランド（電源）プレーンの共振現象を抑圧し、広い帯域で優れた伝送特性をもちかつ不要電磁輻射の少ないプリント配線基板を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明のプリント配線基板の一例を示す斜視図であり、図２は、図１に示すプリント配線基板における電源層の構成を示す斜視図であり、図３は、図２に示す電源層の横方向断面図である。

図１に示すプリント配線基板１０は、絶縁体からなる基板１１と、この基板１１の主面上に形成されたマイクロ波の電気信号を伝送するための金属導体部（配線パターン）１３と、基板１１の裏面側に形成された電源層１５とを含んでいる。この電源層１５は、金属導体部１３に対する参照電極としての役割を果たし、金属導体部１３に対して一定の電位に維持され、前記マイクロ波電気信号が金属導体部１３を良好な状態で伝送できるようにするためのものである。電源層１５は接地することもできるが、マイクロ波電気信号が金属導体部１３を良好に伝送できるものであれば特に限定されるものではなく、上述したように任意の電位に保持することができる。

なお、本例において、金属導体部（配線パターン）１３はマイクロストリップライン（MSL)として形成されている。

また、図２及び図３に示すように、電源層１５は、一様な板状の電源層１５１と格子状の電源層１５２とから構成されており、これらが互いに階層状に形成されたような構成を呈している。この時一様な板状の電源層１５１と格子状の電源層１５２は電気的に接続されている。本例においては、板状の電源層１５１の上下面において格子状の電源層１５２が階層状に形成されたような構造を呈している。

本例では、主として格子状の電源層１５２において、隣接する格子間において容量が形成され、これによって電源層の容量が増大するようになる。また、格子状の電源層１５２が板状の電源層１５１と互いに電気的に接続されていることにより、高周波領域におけるインダクタンスの増大を抑制することができる。また、ディジタル信号などの伝送信号におけるＤＣ成分は板状の電源層１５１内を伝導し、高周波成分は格子状の電極層１５２の表皮を伝導するようになる。したがって、伝送信号に対する抵抗増大による特性インピーダンスの増大などの問題を生じることがない。

結果として、広帯域周波数の伝送信号に対しても、電源層１５の特性インピーダンスを十分に低減することができ、電源層１５における共振現象などを十分に抑圧することができる。したがって、広い帯域で優れた伝送特性をもちかつ不要電磁輻射の少ないプリント配線基板１０を提供することができる。

なお、本例においては、図３に示すように、電源層１５の高さをｈ、板状の電源層１５１の面積をＳとした場合において、格子状の電源層１５２によって形成される表面凹凸部の高さを０．２ｈ〜０．８ｈとし、格子状の電源層１５２を介して露出する板状の電源層１５１の割合を０．４Ｓ〜０．９Ｓとすることができる。これによって、上述した電源層１５１に対する特性インピーダンスの増大などの問題をより効果的に低減することができる。ここで、上述した“板状の電源層１５１の格子状の電源層１５２を介して露出する割合”とは、図３において参照符号“ｔ”で示される部分の合計を意味するものである。

基板１１は所定の絶縁体から構成することができる。具体的には、紙基材（ＦＲ−１，ＦＲ−２，ＸＸＸｐｃ，Ｘｐｃ，ＦＲ−３等）、ガラス基材（ＦＲ−４，Ｇ−１０，ＦＲ−５，Ｇ―１１，ＧＰＹ等）、エポキシ系・ポリエステル系コンポジット基材（ＣＥＭ−１，ＣＥＭ−３，ＦＲ−６等）、ポリエステルベース系・ポリイミドベース系・ガラスエポキシ系フレキシブル基材，ポリサルフォン系・ポリエーテルイミド系・ポリエーテル系樹脂耐熱可塑性基材やアルミナ系・窒化アルミナ系・炭素珪素系・低温焼結系セラミック基材、液晶基材を例示することができる。

金属導体部１３及び電源層１５は、例えば銅、銀、金、アルミニウムあるいはこれらの合金等の電気的良導体を挙げることができる。

また、プリント配線基板１０の全体構成としては、リジッド基板あるいはフレキシブル基板のいずれの形態とすることもできる。

図４は、図１〜３に示すプリント配線基板の変形例を示す斜視図である。本例では、図１〜３に示す例と、電源層の構成が異なるのみで、その他の構成については同様である。なお、同一又は類似の構成要素に関しては同一の参照数字を用いている。

図１〜３に示す例では、電源層１５を一様な板状の電源層１５１と格子状の電源層１５２とから形成しているが、図４に関する本例では、電源層１５を一様な板状の電源層に対してその厚さ方向に複数の非貫通孔１５５を形成するようにして構成している。この場合、主として隣接する非貫通孔１５５間において容量が形成され、これによって電源層の容量が増大するようになる。また、非貫通孔１５５を有する電源層と一様な板状の電源層が互いに電気的に接続されていることにより、高周波領域におけるインダクタンスの増大を抑制することができる。

さらに、電源層１５が厚さ方向において非貫通孔１５５が存在しない領域を含むので、上述したディジタル信号などを伝送する際に、そのＤＣ成分は非貫通孔１５５の影響を受けることなく、電源層１５内を効率良く伝導することができる。したがって、広帯域周波数の伝送信号などに対して電源層１５の特性インピーダンスを十分に低減することができ、電源層１５における共振現象などを十分に抑圧することができる。

なお、基板や金属導体部の構成材料など、その他の要件については上述した具体例と同一であるので、説明を省略する。

図５は、本発明のプリント配線基板の他の例を示す斜視図である。なお、同一又は類似の構成要素に関しては上記具体例と同一の参照数字を用いている。

図５に示すプリント配線基板１０は、絶縁体からなる基板１１と、この基板１１の厚さ方向における略中心部において、基板１１の主面及び裏面と略平行に基板１１の長さ方向に延在したマイクロ波の電気信号を伝送するための金属導体部（配線パターン）１３と、基板１１の主面及び裏面側に形成された電源層１５とを含んでいる。この電源層１５は、金属導体部１３に対する参照電極としての役割を果たし、金属導体部１３に対して一定の電位に維持され、前記マイクロ波電気信号が金属導体部１３を良好な状態で伝送できるようにするためのものである。電源層１５は接地することもできるが、マイクロ波電気信号が金属導体部１３を良好に伝送できるものであれば特に限定されるものではなく、上述したように任意の電位に保持することができる。

なお、本例において、金属導体部（配線パターン）１３はストリップライン(SL)として形成されている。また、本例においては、特に明示しないものの、電源層１５は、図１〜３に示すような一様な板状の電源層１５１と格子状の電源層１５２とからなり、これらが互いに階層状に形成されたような構成、あるいは図４に示すような、電源層１５を一様な板状の電源層に対してその厚さ方向に複数の非貫通孔１５５を形成するようにした構成などとして形成する。これら二つの電源層は互いに電気的に接続されている。これによって、広帯域周波数の伝送信号などに対して電源層１５の特性インピーダンスを十分に低減することができ、電源層１５における共振現象などを十分に抑圧することができる。

また、基板や金属導体部の構成材料など、その他の要件については上述した具体例と同一であるので、説明を省略する。

図６は、本発明のプリント配線基板のその他の例を示す斜視図である。なお、同一又は類似の構成要素に関しては上記具体例と同一の参照数字を用いている。

図６に示すプリント配線基板１０は、絶縁体からなる基板１１と、この基板１１の主面上に形成されたマイクロ波の電気信号を伝送するための金属導体部１３と、基板１１の裏面側に形成された電源層１５とを含んでいる。この電源層１５は、金属導体部１３に対する参照電極としての役割を果たし、金属導体部１３に対して一定の電位に維持され、前記マイクロ波電気信号が金属導体部１３を良好な状態で伝送できるようにするためのものである。電源層１５は接地することもできるが、マイクロ波電気信号が金属導体部１３を良好に伝送できるものであれば特に限定されるものではなく、上述したように任意の電位に保持することができる。

なお、本例において、金属導体部１３の両側には、この金属導体部１３を挟み込むようにして一対のグランド電極層１９が形成されてなり、金属導体部１３及びグランド電極層１９によって配線パターンをコプレーナーウェーブガイド(CPW)として構成している。

また、本例においても、特に明示しないものの、電源層１５は、図１〜３に示すような一様な板状の電源層１５１と格子状の電源層１５２とからなり、これらが互いに階層状に形成されたような構成、あるいは図４に示すような、電源層１５を一様な板状の電源層に対してその厚さ方向に複数の非貫通孔１５５を形成するようにした構成などとして形成する。これら二つの電源層は互いに電気的に接続されている。これによって、広帯域周波数の伝送信号などに対して電源層１５の特性インピーダンスを十分に低減することができ、電源層１５における共振現象などを十分に抑圧することができる。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。

本発明のプリント配線基板の一例を示す斜視図である。図１に示すプリント配線基板における電源層の構成を示す斜視図である。図２に示す電源層の横方向断面図である。図１〜３に関するプリント配線基板の変形例を示す斜視図である。本発明のプリント配線基板の他の例を示す斜視図である。本発明のプリント配線基板のその他の例を示す斜視図である。

符号の説明

１０プリント配線基板
１１（絶縁体）基板
１３金属導体部
１５電源層
１９グランド電極

Claims

絶縁体で構成される基板と、
前記基板の主面上又は前記基板内の少なくとも一方に形成された、電気信号を伝送するためにパターン状に形成された金属導体部からなる配線パターンと、
前記基板の裏面上及び前記基板内の少なくとも一方に形成された電源層とを具備し、
前記電源層は、その容量及びインダクタンスをそれぞれ増大及び減少させるための機構を含むことを特徴とする、プリント配線基板。
前記電源層は、一様な板状の電源層と格子状の電源層とを含み、それらが互いに階層状に形成されかつ電気的に接続されてなることを特徴とする、請求項１に記載のプリント配線基板。
前記電源層の高さをｈ、前記板状の電源層の面積をＳとした場合において、前記格子状の電源層によって形成される表面凹凸部の高さが０．２ｈ〜０．８ｈであり、前記格子状の電源層を介して露出する前記板状の電源層の割合が０．４Ｓ〜０．９Ｓであることを特徴とする、請求項２に記載のプリント配線基板。
前記電源層は、一様な板状の電源層に対してその厚さ方向に複数の非貫通孔を形成してなることを特徴とする、請求項１に記載のプリント配線基板。
前記電源層は、銅又はメッキ材料で構成されてなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載のプリント配線基板。
前記基板は、ポリイミド系樹脂からなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載のプリント配線基板。
前記配線パターンは、前記基板の主面上においてマイクロストリップライン(MSL)として形成したことを特徴とする、請求項1〜６のいずれか一に記載のプリント配線基板。
前記配線パターンは、前記基板内においてストリップライン(SL)として形成したことを特徴とする、請求項1〜６のいずれか一に記載のマイクロは回路基板。
前記金属導体部と略平行にその長さ方向に沿って、前記金属導体部を挟むようにして一対のグランド電極層が形成されてなり、前記金属導体部及び前記グランド電極層によって前記配線パターンをコプレーナーウェイブガイド(CPW)として構成することを特徴とする、請求項1〜６のいずれか一に記載のプリント配線基板。
請求項１〜９のいずれか一に記載のプリント配線基板を１ユニットとして、前記プリント配線基板の複数のユニットが互いに積層されてなることを特徴とする、多層プリント配線基板。