JP2013187248A - 誘電体フィルム、プリント基板、および特性インピーダンスの調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プリント基板の製造工程後に、特性インピーダンスを簡便に調整することを可能にする。これにより、製造歩留まりが上がり低コストでのプリント基板の製造を可能とする。
【解決手段】
誘電体とフィルムからなり、誘電体をフィルムに封入したことを特徴とする。基板上に配線を有するプリント基板に、前記誘電体フィルムを接着したことを特徴とする。また、基板上に配線を有するプリント基板に、前記誘電体フィルムを接着することで特性インピーダンスを調整する、特性インピーダンスの調整方法である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、プリント基板に関し、特にプリント基板の配線の特性インピーダンスを調整できる誘電体フィルム、およびこれを用いたプリント基板、および特性インピーダンスの調整方法に関する。

電気信号の変化時間に比べて、電気信号が回路を伝わる時間が無視できないほどの長さや大きさの場合、その回路を構成する媒体（プリント基板上のパタン配線やケーブル等々）は、集中定数部品を分布させて近似的に表現されることから、そのような回路は分布定数回路と呼ばれる。一般的なＰＣやサーバーなどの情報処理機器においては、おおよそ数百ＭＨｚ以上の周波数の電気信号で分布定数回路の考え方が適用される。

この分布定数回路の考え方が適用される媒体は伝送線路とも表現される。伝送線路で重要な要素は特性インピーダンスである。特性インピーダンスとは、その媒体を構成する材質や、材質間の距離などの関係によって決まり、ＭＨｚ以上の電気信号に対してほぼ一定のインピーダンス値を持ち、そのほぼ一定のインピーダンス値を特性インピーダンスと呼ぶ。この特性インピーダンスは、プリント基板とケーブルをつなげるなど形状等が異なる媒体を接続するとき、両者間でこの特性インピーダンスが整合していれば、電気信号のエネルギーを効率的に伝送できる。しかし、特性インピーダンスが不整合であると、その不整合の度合いに応じて、特性インピーダンスの不整合面で電気信号の反射等が発生し、電気信号のエネルギーの伝送ロスが発生する。

昨今のサーバーなどのマザーボードのプリント基板では、基板を構成する材質や層間の厚さ、パタン配線の幅などの条件を変えることで、同一のプリント基板上にそれぞれ異なる特性インピーダンスを持つパタン配線を作製しているものがほとんどである。

特開２００６−２４８２４号公報 特開平１１−２１４８１０号公報

回路設計の際には、狙いとする特性インピーダンス値、たとえば、特性インピーダンスの狙い値を１００Ωとした場合、実際に製造されるプリント基板上でも１００Ωに一致していて欲しいと考える。しかしながら、実際には、このパタン配線の特性インピーダンスは、プリント基板の層間厚やパタン幅等の製造ばらつきにより、ある程度の公差を持つ。

特に、内層側の配線に比べると、外層側の配線の特性インピーダンスは、プリント基板の外層側の配線形成の過程でメッキ工程が加わるため、製造ばらつきが大きくなる。そのため、ＧＨｚ以上の電気信号で一般的に要求される特性インピーダンスの公差である±１０％を満たそうとすると、プリント基板の製造歩留りの低減、あるいは、生産条件の管理が難しくなる等で、製造コストが増大していた。

また一方で、回路設計の際には、電気信号がより高速（高周波）になるにつれて、特性インピーダンスの不一致による伝送ロスの影響が大きくなるため、プリント基板上の特性インピーダンスの公差をできるだけ小さくしたいという要求があった。

特許文献１では、配線基板の絶縁体の厚さ、配線の導体幅や間隔の調整に依存することなく、信号線の特性インピーダンスをコントロールするために用いるインピーダンスコントロールフィルムが開示されている。すなわち、インピーダンスコントロールフィルムは、信号線やグランド線を含む配線層と絶縁層とを順次設けてなる基板の少なくとも片面に接するように被覆して用いるフィルムであって、絶縁性フィルムの片面に、開口金属層と、導電性接着剤層とを順次備えてなり、開口金属層は、複数の開口部を有し、開口部の面積の総和が金属層の全面積に占める比率、すなわち開口率を調整することにより、基板に被覆したときの信号線との間のキャパシタンスを所望の値に調整することで、特性インピーダンスをコントロールする。

しかしながら、特許文献１の方法は、プリント基板上の配線に合わせた開口部の形成や、開口部を配線に位置合わせするなどの新たな工程の追加が必要となり、製造コストが増大するなどの課題を生じていた。

また、特許文献２では、絶縁体と導体の積層物から成る複合シートを、絶縁体の表面に形成された接着剤によって回路基板のリード上に貼り付け、これにより特性インピーダンスを調整する回路基板を開示している。この場合は、導体に渦電流が流れることで特性インピーダンスを調整する。渦電流は、プリント基板のリード電流による磁束を打ち消すように流れるため、回路基板の自己インダクタンスを小さくする。即ち、特許文献２の方法では、原理的に、特性インピーダンスを小さくすることしかできなかった。

本発明は、上記の課題を解決し、特に、メッキ工程による膜厚ばらつきなどが大きいことで、特性インピーダンスのばらつきの大きい外層側の配線の特性インピーダンスを、プリント基板の製造工程後に簡便に調整することを可能とする。これにより、低コストなメッキ工程によるばらつきの問題が解決され、製造歩留まりが向上することによる低コストでのプリント基板の製造を可能とすることを目的としている。

誘電体とフィルムからなり、誘電体をフィルムに封入した誘電体フィルムとすることを特徴とする。基板上に配線を有するプリント基板に、前記誘電体フィルムを接着したことを特徴とする。また、基板上に配線を有するプリント基板に、前記誘電体フィルムを接着することで特性インピーダンスを調整する、特性インピーダンスの調整方法である。

メッキ工程による膜厚ばらつきなどが大きいことで、特性インピーダンスのばらつきの大きい外層側の配線の特性インピーダンスを、プリント基板の製造工程後に簡便に調整することを可能とした。これにより、低コストなメッキ工程によるばらつきの問題が解決され、製造歩留まりが向上することによる低コストでのプリント基板の製造を可能とした。

本発明の実施の形態の誘電体フィルムの断面構造を示す図である。 本発明の実施の形態の誘電体フィルムを用いたプリント基板の断面構造を示す図である。 本発明の実施の形態の誘電体フィルムを用いたプリント基板の断面構造を示す図である。

以下、図を参照しながら、本発明の最良の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。

本発明の実施の形態では、まず、さまざまな誘電率を有する誘電体材料を、薄いシート状のフィルムに封入した誘電体フィルムとする。フィルムの材質は、３００℃程度の耐熱性を有すれば、より好適である。この誘電体フィルムの表面に片側のみ粘着物質を塗布する。これをレジストなどに覆われたプリント基板上の外層側の配線上に貼り付ける。これにより、外層側の配線周辺の実効的な比誘電率が変化し、外層側の配線の特性インピーダンスを調整することができる。

図１は、本発明の実施の形態の誘電体フィルムの構造を表す断面図である。誘電体フィルム１は、誘電体２とこれを封入するフィルム３とからなる。

誘電体材料は、有機材料と無機材料のいずれも可能であり、また、フィルムに封入することから、固体のみならず液体や気体も可能である。誘電体材料としては、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、チタン酸ストロンチウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、ロッシェル塩、二酸化チタン、酸化チタン、水、エチレングリコール、メタノール、エタノール、黒鉛、塩化銀、セルローズ、セロファン、塩化ナトリウム、マイカ、二酸化マンガン、ポリウレタン、ベークライト、石英、ガラス、シリコン、ポリエステル、アクリル、ポリアミド、ポリスチレン、ポリエチレン、カルシウム、キシレン、酸化亜鉛、フェライト、空気、酸素、窒素、ネスカフェ粉などが可能である。上記の誘電体材料の中から選択することにより、比誘電率を０．５程度から５０００程度の範囲で変えることができる。

フィルム材料としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリイミド、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリアミドなどが可能である。

図２は、本発明の実施の形態の、誘電体フィルムをプリント基板に貼り付けた構造を表す断面図である。誘電体フィルム１は接着層４を介して、プリント基板の表面に接着する。プリント基板は、基板８上にメッキ工程によって形成された配線９を有する。さらに、配線９は絶縁層１０に覆われている。

図３は、本発明の実施の形態の、誘電体フィルムをプリント基板に貼り付けた構造を表す断面図である。誘電体フィルム１は接着層４を介して、プリント基板５の外層部分６の表面に接着する。プリント基板５は外層部分６と内装部分７とからなる。外層部分７は、基板８上にメッキ工程によって形成された配線９を有する。さらに、配線９は絶縁層１０に覆われている。内層部分７は、基板８、配線１２、絶縁層１０からなる。

外層部分６と内層部分７とは、メタル層１１を介して配置されている。メタル層１１は、広い面積を持つ銅箔などであり、一般にベタ、またはプレーンと呼ばれる。外層部分６の配線９の下の層の銅箔ベタは外層パタンのリファレンスプレーンとなる。

図３に示したように、誘電体フィルム１をプリント基板５の外層部分６の表面に貼り付ける。外層部分６の配線９の特性インピーダンスは、配線９の周囲の比誘電率やリファレンスプレーンとの距離などの関係によって決まる。この配線９の近くに誘電体フィルムを貼り付けることで、配線９の周囲の実効的な比誘電率が変化する。これにより、配線９の特性インピーダンスを調整することが可能となる。

すなわち、プリント基板を構成する基板８や絶縁層１０などの比誘電率に対して、大きい比誘電率を有する誘電体材料を用いた誘電体封入フィルム１は、特性インピーダンスを小さくする効果を有し、逆に、小さい比誘電率を有する誘電体材料を用いた誘電体封入フィルム１は、特性インピーダンスを大きくする効果を有する。

本実施の形態によれば、従来、プリント基板を製造した後では簡便に調整することができなかった配線の特性インピーダンスに関して、特に、メッキ工程に起因するばらつきの大きかった外層側の配線において、プリント基板を製造した後でも、簡便な調整が可能となる。さらに、誘電体フィルムに封入する誘電体の種類を変える、あるいは、複数の誘電体を複合させるなどによって、実効的な比誘電率を調整することで、特性インピーダンスの調整範囲はさらに拡大する。すなわち、誘電体フィルムを貼り付ける前の特性インピーダンスを、誘電体フィルムを貼り付けることによって、大きくしたり小さくしたり調整することが可能である。

また、誘電体材料は、フィルムに封入されるために固体、液体、気体を問わない。液体や気体であることで、誘電体フィルムには柔軟性の向上という更なる特長が付加される。これにより、高い柔軟性を求められるフレキシブルプリント基板にも適用しやすい誘電体封入フィルムとすることができる。

本実施の形態によれば、ＧＨｚ以上の電気信号の伝送に要求される、プリント基板上の配線の特性インピーダンスの製造公差±１０％に対して、基板に近い側である内層側の配線に比べるとばらつきの大きい外層側の配線の特性インピーダンスについて、プリント基板製造後に、公差を逸脱した場合であっても、公差内に収めることが可能となり、製造歩留りを向上させることができる。さらに、本実施の形態により、外層側の特性インピーダンスの製造公差を、現状より小さく設定することが可能になり、回路設計における特性インピーダンスの製造公差を小さくしたいという要求に対して、容易に応じることを可能とする。

なお、本実施の形態の誘電体フィルムは、必ずしも誘電体材料をフィルムに封入する構造である必要はなく、誘電体材料が単独でフィルム状の構造を維持するものであれば単体の誘電体フィルムでも良く、また、誘電体材料をフィルムに貼り付けた構造の誘電体フィルムでも良い。

また、上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。

付記
（付記１）
誘電体とフィルムとからなり、前記誘電体を前記フィルムに封入したことを特徴とする誘電体フィルム。
（付記２）
前記誘電体が、
チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、チタン酸ストロンチウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、ロッシェル塩、二酸化チタン、酸化チタン、水、エチレングリコール、メタノール、エタノール、黒鉛、塩化銀、セルローズ、セロファン、塩化ナトリウム、マイカ、二酸化マンガン、ポリウレタン、ベークライト、石英、ガラス、シリコン、ポリエステル、アクリル、ポリアミド、ポリスチレン、ポリエチレン、カルシウム、キシレン、酸化亜鉛、フェライト、空気、酸素、窒素、ネスカフェ粉から選択される少なくとも１種類であることを特徴とする、付記１記載の誘電体フィルム。
（付記３）
前記フィルムが、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリイミド、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリアミドから選択される少なくとも１種類であることを特徴とする、付記１乃至２の何れか１項記載の誘電体フィルム。
（付記４）
基板上に配線を有するプリント基板であって、前記プリント基板上に誘電体フィルムを接着したことを特徴とする、プリント基板。
（付記５）
前記誘電体フィルムを少なくとも前記配線に対向して接着したことを特徴とする、付記４記載のプリント基板。
（付記６）
前記誘電体フィルムが、誘電体とフィルムとからなることを特徴とする、付記４乃至５の何れか１項記載のプリント基板。
（付記７）
前記誘電体フィルムが、前記誘電体を前記フィルムに封入したことを特徴とする、付記４乃至６の何れか１項記載のプリント基板。
（付記８）
前記誘電体が、
チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、チタン酸ストロンチウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、ロッシェル塩、二酸化チタン、酸化チタン、水、エチレングリコール、メタノール、エタノール、黒鉛、塩化銀、セルローズ、セロファン、塩化ナトリウム、マイカ、二酸化マンガン、ポリウレタン、ベークライト、石英、ガラス、シリコン、ポリエステル、アクリル、ポリアミド、ポリスチレン、ポリエチレン、カルシウム、キシレン、酸化亜鉛、フェライト、空気、酸素、窒素、ネスカフェ粉から選択される少なくとも１種類であることを特徴とする、付記７記載のプリント基板。
（付記９）
前記フィルムが、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリイミド、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリアミドから選択される少なくとも１種類であることを特徴とする、付記６乃至８の何れか１項記載のプリント基板。
（付記１０）
前記配線がメッキ工程によって形成されたことを特徴とする、付記４乃至９の何れか１項記載のプリント基板。
（付記１１）
基板上に配線を有するプリント基板に、誘電体フィルムを接着したことを特徴とする、特性インピーダンスの調整方法。
（付記１２）
前記誘電体フィルムを少なくとも前記配線に対向して接着したことを特徴とする、付記１１記載の特性インピーダンスの調整方法。
（付記１３）
前記誘電体フィルムが、誘電体とフィルムとからなることを特徴とする、付記１１乃至１２の何れか１項記載の特性インピーダンスの調整方法。
（付記１４）
前記誘電体フィルムが、前記誘電体を前記フィルムに封入したことを特徴とする、付記１１乃至１３の何れか１項記載の特性インピーダンスの調整方法。
（付記１５）
前記誘電体が、
チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、チタン酸ストロンチウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、ロッシェル塩、二酸化チタン、酸化チタン、水、エチレングリコール、メタノール、エタノール、黒鉛、塩化銀、セルローズ、セロファン、塩化ナトリウム、マイカ、二酸化マンガン、ポリウレタン、ベークライト、石英、ガラス、シリコン、ポリエステル、アクリル、ポリアミド、ポリスチレン、ポリエチレン、カルシウム、キシレン、酸化亜鉛、フェライト、空気、酸素、窒素、ネスカフェ粉から選択される少なくとも１種類であることを特徴とする、付記１４記載の特性インピーダンスの調整方法。
（付記１６）
前記フィルムが、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリイミド、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリアミドから選択される少なくとも１種類であることを特徴とする、付記１３乃至１５の何れか１項記載の特性インピーダンスの調整方法。
（付記１７）
前記配線がメッキ工程によって形成されたことを特徴とする、付記１１乃至１６の何れか１項記載の特性インピーダンスの調整方法。

１ 誘電体フィルム
２ 誘電体
３ フィルム
４ 接着層
５ プリント基板
６ 外層部分
７ 内層部分
８ 基板
９ 配線
１０ 絶縁層
１１ メタル層
１２ 配線

Claims (10)

1. 基板上に配線を有するプリント基板に、誘電体フィルムを接着したことを特徴とする、特性インピーダンスの調整方法。
2. 前記誘電体フィルムを少なくとも前記配線に対向して接着したことを特徴とする、請求項１記載の特性インピーダンスの調整方法。
3. 前記誘電体フィルムが、誘電体とフィルムとからなることを特徴とする、請求項１乃至２の何れか１項記載の特性インピーダンスの調整方法。
4. 前記誘電体フィルムが、前記誘電体を前記フィルムに封入したことを特徴とする、請求項３記載の特性インピーダンスの調整方法。
5. 前記誘電体が、
   チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、チタン酸ストロンチウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、ロッシェル塩、二酸化チタン、酸化チタン、水、エチレングリコール、メタノール、エタノール、黒鉛、塩化銀、セルローズ、セロファン、塩化ナトリウム、マイカ、二酸化マンガン、ポリウレタン、ベークライト、石英、ガラス、シリコン、ポリエステル、アクリル、ポリアミド、ポリスチレン、ポリエチレン、カルシウム、キシレン、酸化亜鉛、フェライト、空気、酸素、窒素、ネスカフェ粉から選択される少なくとも１種類であることを特徴とする、請求項４記載の特性インピーダンスの調整方法。
6. 基板上に配線を有するプリント基板であって、前記プリント基板上に誘電体フィルムを接着したことを特徴とする、プリント基板。
7. 前記誘電体フィルムを少なくとも前記配線に対向して接着したことを特徴とする、請求項６記載のプリント基板。
8. 前記誘電体フィルムが、誘電体とフィルムとからなることを特徴とする、請求項６乃至７の何れか１項記載のプリント基板。
9. 前記誘電体フィルムが、前記誘電体を前記フィルムに封入したことを特徴とする、請求項８記載のプリント基板。
10. 誘電体とフィルムとからなり、前記誘電体を前記フィルムに封入したことを特徴とする誘電体フィルム。

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