JP2010165845A - 高周波回路用プリント基板 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波回路用プリント基板に形成された高周波伝送路の信号線のパターンが障害範囲を回避しやすくし、また、一般の高周波伝送路に対し、接地導体間距離、線路インピーダンス、基板材質の条件を変更することなく、低損失で伝送効率のよい高周波伝送路を形成することのできる高周波回路用プリント基板を提供する。
【解決手段】高周波回路用プリント基板１０で、誘電体層１の内部または表面に形成された信号線路４のパターンを、誘電体層１に設けられているパターン不可侵範囲６ａ、６ｂに対してパターンを分岐した分岐部７ａ、７ｂによりパターン不可侵範囲６ａ、６ｂに侵入しないように形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波伝送路が形成された高周波回路用プリント基板に関する。

携帯電話機や無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）システムには８００ＭＨｚ帯や１．９（ＧＨｚ）帯、２．４（ＧＨｚ）帯などの周波数が利用されている。このような高周波回路や高速回路をプリント配線板上で設計する場合に、高周波伝送路における信号の反射が問題となる。信号の反射が発生すると、波形が崩れ、信号の伝送がうまく行かなくなり、回路が正常に機能しなくなるほか、余分な放射ＥＭＩ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）が発生する。

そこで、高周波伝送路での信号の反射を防止するために、高周波伝送路に同軸ケーブルと同種の機能を持たせるようにしている。そのような高周波伝送路として、一般に、ストリップ線路（あるいはマイクロストリップ線路）やトリプレート線路が知られている。

図７はマイクロストリップ線路の一例で、信号線路の方向に垂直な断面から見た場合の断面図を示している。すなわち、誘電体２１と、その誘電体２１の下面（即ち下層）に形成されたグランド導体（グランド層）２２と、その誘電体２１の上面（即ち上層）に形成された信号線路（信号導体線、ストリップ導体）２３とによって構成される。この例に示したマイクロストリップ線路では、各導体の寸法等は、例えば、誘電体２１の厚さが３２０μｍ、信号線路２３の線幅が５００μｍ、特性インピーダンス５０オームに設定されている。

また、図８はトリプレート線路の一例で、信号線路の方向に垂直な断面から見た場合の断面図を示している。すなわち、誘電体２１と、その誘電体２１の上面及び下面（即ち上層及び下層）に形成されたグランド導体２２と、その上下のグランド導体２２によって挟まれるように誘電体２１の内層に埋設された信号線路２３（信号導体線、ストリップ導体）とによって構成される。この例に示したトリプレート線路では、各導体の寸法等は、例えば、誘電体２１の厚さが３２０μｍ、信号線路２３の線幅が１１５μｍ、特性インピーダンス５０オームに設定されている。

これらのマイクロストリップ線路、あるいはトリプレート線路は、信号線路２３とグランド導体２２との電磁的な結合によって、あるいは、周波数２０〜３０ＧＨｚの高周波信号を信号線路２３の方向に沿って伝送する（例えば、特許文献１を参照）。

高周波伝送路は、伝送路の特性インピーダンスと負荷のインピーダンスが等しい場合は反射が発生しないので、従来から、プリント配線板上にストリップ線路やトリプレート線路を形成し、所望の特性インピーダンス（例えば、５０Ω）を得るインピーダンス管理が行われている。

回路基板構造におけるグランド層は、信号伝送路の特性インピーダンスを規定する電気的な基準面となる。そして、一般に特性インピーダンスはシングルエンドで５０Ω前後に、差動で１００Ω前後に選択される場合が多い。

一方、回路基板における特性インピーダンスは、信号伝送路の単位長さあたりのリアクタンスＬと、信号伝送路とグランド層との間における単位面積あたりの容量Ｃの比（リアクタンスＬ／容量Ｃ）の平方根で近似される値となる（例えば、特許文献２を参照）。

また、一般に、高周波伝送路では、伝送路の配線幅が小さくなるにつれて信号の減衰量が大きくなり、長距離伝送を行うことが困難になる。

また、ＧＨｚを超えるような高速伝送では、高周波伝送路の配線パターンの誘電体損失、導体損失等の原因で信号が減衰するという問題が一般的に知られている。誘電体損失は、プリント基板を低損失基板にすることで改善することが可能となり、導体損失は、高周波伝送路を構成する配線パターンの配線幅を広げることで改善することが可能となる。従って、長距離伝送を行うためには、信号の減衰量を抑制するために、高周波伝送路を構成する配線パターンの配線幅をできるだけ広く設計することになる（例えば、特許文献３を参照）。

また、高周波回路用プリント基板を多層にした場合の内層回路板の表面処理方法についての技術も開示されている（例えば、特許文献４を参照）。

特開２００４−３２０１０９号公報 特開２００７−１４１９９０号公報 特開２００６−２４５２９１号公報 特開平５−３０８１９１号公報

しかしながら、プリント積層基板の高密度化や高積層化に伴い、高周波回路を形成する積層基板内にはビアホールやスルーホール等が存在し、高速伝送路の障害となりうる構造が頻繁に発生する場合が多い。高周波伝送路はより高密度化が要請されているが、障害により高周波伝送路を直線で最短距離に結ぶように配置させることが不可能な場合が生ずる。

従来では、高周波伝送路の障害を回避する場合、障害の個所を移動させるか、高周波伝送路を、障害の範囲だけ迂回させる等の手段を講じてきた。しかし、迂回させる場合は、高周波伝送路を迂回させる分について、プリント基板に必要スペースを存在させなければならないことになり、プリント基板の面積を広くしなければならない。

しかも、高速伝送路が形成されている積層基板の薄型化や高積層化により、プリント基板内の高周波伝送路の占める厚さは薄くせざるをえない傾向にある。高周波伝送路の薄型化は伝送線路損失の増大を招き、これの低減のためには、高周波伝送路の占める厚さ、線路インピーダンス、基板材質等の設計条件を変更する必要が生じている。

本発明は、これらの事情にもとづいてなされたもので、高周波回路用プリント基板に形成された高周波伝送路の信号線路のパターンが障害範囲であるパターン不可侵範囲を回避しやすくする。さらに、一般の高周波伝送路に対し、接地導体間距離、線路インピーダンス、基板材質の条件を変更することなく、低損失で伝送効率のよい高周波伝送路を形成することのできる高周波回路用プリント基板を提供することを目的としている。

本発明の一態様によれば、基板を形成する誘電体層と、この誘電体層の少なくとも一面に形成された接地導体と、前記誘電体層に設けられたパターン不可侵範囲と、前記誘電体層の内部または他面の表面に形成され、前記パターン不可侵範囲に対してパターンを分岐した分岐部により該パターン不可侵範囲に侵入しないように形成されたパターンを形成した信号線路とを有する高周波回路用プリント基板が提供される。

本発明の一態様に係る高周波回路用プリント基板は、前記信号路線の前記パターンは、前記分岐部が前記不可侵範囲の前後で少なくとも一方が合流していることを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る高周波回路用プリント基板は、前記パターン不可侵範囲は、ビアホールあるいはスルーホールに対して設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、高周波回路用プリント基板に形成された高周波伝送路の信号線路のパターンが、障害範囲であるパターン不可侵範囲を回避しやすくなる。また、一般の高周波伝送路に対し、接地導体間距離、線路インピーダンス、基板材質の条件を変更することなく、低損失で伝送効率のよい高周波伝送路を形成することのできる高周波回路用プリント基板を提供できる。

本発明の高周波伝送路が形成された高周波回路用プリント基板の一例を示す、部分切り出し透視斜視図である。 図１においてＡ１及びＡ２を通る仮想平面で高周波回路用プリント基板をスライスしたものを、矢印Ｂ方向に見た平面図である。 図１において、矢印Ｃ方向から見た側面断面図である。 本発明の高周波伝送路としてのストリップ線路の側面断面図である。 本発明の高周波伝送路の具体例の信号線路のパターンの平面図である。 本発明の高周波伝送路が形成された高周波回路用プリント基板の部分切り出し透視斜視図である。 マイクロストリップ線路の側面断面図である。 トリプレート線路の側面断面図である。

以下、本発明の高周波回路用プリント基板についての実施をするための形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の高周波伝送路が形成された高周波回路用プリント基板の一例を示す、部分切り出し透視斜視図である。また、図２は、図１においてＡ１及びＡ２を通る仮想平面で高周波回路用プリント基板をスライスしたものを、矢印Ｂ方向に見た平面図である。また、図３は、図１において、矢印Ｃ方向から見た側面断面図である。

高周波回路用プリント基板１０は高周波伝送路として、背景技術の項で説明したトリプレート線路が形成されている。すなわち基本構成は、ベース基材である誘電体層１と、その誘電体層１の上面及び下面（即ち上層及び下層）に形成された接地導体２、３と、その上下の接地導体２、３によって挟まれるように誘電体層１の内層に埋設された信号線路（信号導体線、ストリップ導体）４とによって構成されている。また、上下の接地導体２、３には任意の位置にビアホール（あるいはスルーホール）５が形成されている。

また、誘電体層１の内層に埋設された信号線路４のパターンに対してはパターン不可侵範囲６ａ、６ｂが存在する。不可侵範囲は、ビアホール５（あるいはスルーホール）等と接触あるいは近接してはならないパターン不可侵範囲６ａや、スルーホールを形成するためのパターン不可侵範囲６ｂとして設けている。

信号線路４は、線状の銅、アルミニウム、金等の金属配線材を用いたパターンで形成された配線層である。信号線路４は、直線的にパターンを形成することによってビアホール５によるパターン不可侵範囲６ａに侵入してしまう場合、ビアホール５の前後でビアホール５を非接触に取り囲むようにパターンを分岐した分岐部７ａ、７ｂを形成している。また、分岐部７ａ、７ｂの最外側は、直線状のパターン不可侵範囲６ｂに侵入しない範囲になるように設けられている。

しかも、両分岐部７ａ、７ｂの線幅の和と、非分岐部７ａ、７ｂの線幅とは近似している。したがって、高周波伝送路としての特性インピーダンスの大きな変動を抑制することができ、高周波伝送路として発生する障害を防ぐことができる。

図１に示したように、パターン不可侵範囲６ｂの個所では並走している両分岐部７ａ、７ｂは、パターン不可侵範囲６ａを通過後の位置で合流して一本のパターンの信号線路４になる。ただし、パターン不可侵範囲６ａ、６ｂの形状や大きさや配置によっては、パターンは合流しないままの場合もある。

誘電体層１は、ガラスエポキシ、ポリイミド、液晶ポリマー、テフロン（登録商標）等の絶縁性樹脂（誘電体）などの有機膜を絶縁層とし機能すると共に、高周波回路用プリント基板１０の基板のコアとなる機能も有している。

なお、上述の場合、高周波伝送路としてトリプレート線路について説明したが、図４に側面断面図を示したように、多層基板の一部の２点鎖線の領域Ｄに注目すれば、ストリップ線路が形成されていると見做すこともできる。なお、図４において、図３と同一部位には同一符号を付して、その個々の説明を省略する。図４の場合では、誘電体層１の一方の表面に接地導体３が形成され、他方の面に信号線路４が形成されている構成である。

したがって、本発明に用いられる高周波伝送路は、トリプレート線路であってもストリップ線路であってもよい。

次に、上述の高周波伝送路の具体例について説明する。

（具体例）
図５は、高周波伝送路の信号線路のパターンの平面図で、図６は、高周波伝送路が形成された高周波回路用プリント基板の部分切り出し透視斜視図である。なお、図５および図６において、図１と同一部位には同一符号を付して、その個々の説明を省略する。

すなわち、図５で示したように、テフロン（登録商標）（比誘電率；２．１）で形成された誘電体層１のＸ軸方向には、外径がφ０．２ｍｍの３つのスルーホール５（あるいはビアホール５）が２列に、外径間ピッチ０．２３ｍｍで形成されている。

Ｚ軸方向から中央のスルーホールの中心と中心線を一致させて、厚さが０．０１３ｍｍで、線幅０．２３ｍｍの信号線路４のパターンが形成されている。このパターンの形状は、スルーホール５の位置まで直進状に形成すると、スルーホール５と接触してしまうため、パターンは中央のスルーホール５の手前で、左右に２つに分岐して並走した分岐部７ａ、７ｂを形成している。分岐部７ａ、７ｂのパターンの線幅は、双方共には０．０９ｍｍである。なお、パターンの抵抗値は、分岐以前の一本の個所は２０Ω、２本が並走している分岐部７ａ、７ｂは４０Ωである。分岐部７ａ、７ｂのパターンは２つのスルーホール５の間を非接触で通過するように形成され、２列のスルーホール５を通過後に分岐部７ａ、７ｂは合流して、分岐前と同じ線幅０．２３ｍｍの一本のパターンになる。

なお、２列のスルーホール５を分岐部７ａ、７ｂのパターンが通過する部位でのパターンの幅方向の端部とスルーホール５の最外径との間隔はそれぞれ、０．０７ｍｍが確保されている。

したがって、高周波伝送路に対し、信号伝送の際の悪影響は回避され、かつ、パターンの線幅も確保されているので信号の減衰量も抑制することができ、良好な信号伝送をおこなうことができる。

なお、誘電体層１の上下面に設けられている銅製の接地導体２、３は、いずれも厚さが０．０１３ｍｍで、接地導体２、３の相互の間隔（誘電体層１の厚さと同じ）は０．１ｍｍであり、相互の間隔の中央部に信号線路４が配置されている。

なお、上述の具体例では、３つのスルーホール５で、隣接するスルーホール５同士の間隔が等しい場合のため、分岐した分岐部７ａ、７ｂの線幅は等しくしたが、隣接したスルーホール５の間隔同士が等しくない場合は、分岐した分岐部７ａ、７ｂの線幅に差異が生じる場合もある。その場合でも、分岐部７ａ、７ｂのパターンの幅方向の端部とスルーホール５の最外径との間隔については、所定間隔を確保している必要がある。その際の所定間隔は誘電体層１を形成する誘電体の材質による比誘電率や、信号線路４の断面積や外の様々な要因により異なる。したがって、誘電体の材質や信号線路４の断面積等の様々な要因を勘案して設定する必要があり、一律に数値では示せない。

つまり、スルーホール５等の障害要因が密集する領域に形成する信号線路４は、分岐部７ａ、７ｂを形成して分岐し、各分岐部７ａ、７ｂはパターンの線幅を細く設計することになる。その際、パターン全体の特性インピーダンスが所望のインピーダンスとなるように設計する。

また、スルーホール５等が無い領域に形成する信号線路４は、信号の減衰量が小さくなるようにパターンの線幅を広く設計することになる。パターンの線幅を広く設計することで、信号の減衰量を小さくすることが可能になる。ただし、パターンの線幅を広く設計した場合、信号線路４の特性インピーダンスが低下することになり、５０Ω線路と線路をつなげる場合は、中間にインピーダンス整合回路を挟むなど、インピーダンスを制御する設計を変える必要がある。

以上に説明したように、高周波回路用プリント基板１０に信号伝送の障害となるスルーホール５等によるパターン不可侵範囲６ａ、６ｂが存在した場合、信号線路４のパターンをパターン不可侵範囲６ａ、６ｂに接触しないように分岐する。

それにより、信号線路４を、高周波回路用プリント基板１０に設けられて信号伝送の障害となるスルーホール５等によるパターン不可侵範囲６ａ、６ｂに対し、大きく迂回させたりする必要がなくなる。したがって、高周波回路用プリント基板１０の面積を拡大する必要がなく、かつ、パターン設計も容易になる。

なお、本発明は上記の実施形態のそのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…誘電体層、２…接地導体、３…接地導体、４…信号線路、５…ビアホール、スルーホール、６ａ、６ｂ…パターン不可侵範囲、７ａ、７ｂ…分岐部、１０…高周波回路用プリント基板。

Claims (3)

1. 基板を形成する誘電体層と、この誘電体層の少なくとも一面に形成された接地導体と、前記誘電体層に設けられたパターン不可侵範囲と、前記誘電体層の内部または他面の表面に形成され、前記パターン不可侵範囲に対してパターンを分岐した分岐部により該パターン不可侵範囲に侵入しないように形成されたパターンを形成した信号線路とを有する高周波回路用プリント基板。
2. 前記信号路線の前記パターンは、前記分岐部が前記不可侵範囲の前後で少なくとも一方が合流していることを特徴とする請求項１記載の高周波回路用プリント基板。
3. 前記パターン不可侵範囲は、ビアホールあるいはスルーホールに対して設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の高周波回路用プリント基板。

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