JP2021164126A - 回路基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】種々の要求に対応することができる、回路基板、及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る回路基板は、第１面、及び前記第１面とは反対側の第２面を有し、誘電体により形成された第１基板と、第１面、及び前記第２面とは反対側の第２面を有し、前記第１基板とは異なる誘電率を有する誘電体により形成された、第２基板であって、当該第２基板の第１面と前記第１基板の第２面とが対向するように積層された第２基板と、前記第１基板の第１面に積層された第１伝送グランドと、前記第２基板の第２面に積層された第２伝送グランドと、前記第１基板と前記第２基板との間に配置された伝送パターンと、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、回路基板及びその製造方法に関する。

信号伝送のための回路基板としては、種々のものが提案されているが、例えば、特許文献１の回路基板は、一の基板の両面に、信号線及びグランドがそれぞれ形成されている。

実開昭５８−４３００２号公報

ところで、近年、回路基板の構造は複雑になっており、用途に応じて、種々の態様の回路基板が要望されていた。本発明は、この問題を解決するためになされたものであり、種々の要求に対応することができる、回路基板、及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る回路基板は、第１面、及び前記第１面とは反対側の第２面を有し、誘電体により形成された第１基板と、第１面、及び前記第２面とは反対側の第２面を有し、前記第１基板とは異なる誘電率を有する誘電体により形成された、第２基板であって、当該第２基板の第１面と前記第１基板の第２面とが対向するように積層された第２基板と、前記第１基板の第１面に積層された第１伝送グランドと、前記第２基板の第２面に積層された第２伝送グランドと、前記第１基板と前記第２基板との間に配置された伝送パターンと、を備えている。

上記回路基板においては、前記第１伝送グランド及び前記第２伝送グランドの少なくとも一方に、平面視において前記伝送パターンの外縁よりも外側に、当該伝送パターンと略平行に延びるスリットを形成することができる。

上記回路基板においては、前記第１伝送グランド及び前記第２伝送グランドの少なくとも一方に、平面視において前記伝送パターンを挟むように、当該伝送パターンと略平行に延びる少なくとも一対のスリットを形成することができる。

上記回路基板において、前記スリットは、平面視において前記伝送パターンの外縁よりも外側で、当該外縁の近傍に配置することができる。

この場合、前記スリットの幅は、λｇ／２以上にすることができる。但し、λｇは前記伝送パターンによって伝送される電磁波の波長を表す。

上記回路基板において、前記スリットは、平面視において前記伝送パターンの外縁から（λｇ／４＋ｎ＊λｇ）離れた位置の近傍に配置することができる。但し、λｇは前記伝送パターンによって伝送される電磁波の波長、ｎは整数を表す。

この場合、前記スリットの幅は、λｇ／６以下とすることができる。

本発明に係る回路基板の製造方法は、第１面、及び前記第２面とは反対側の第２面を有し、熱可塑性の誘電体により形成された第１基板、前記第１面及び前記第２面にそれぞれ積層された導電膜、を有する構造体を準備するステップと、前記構造体の第２面に形成された導電膜の一部を除去することで、所定の形状の伝送パターンを形成するステップと、前記第１基板とは異なる誘電率を有し、少なくとも一枚の熱硬化性のプリプレグを、前記構造体の伝送パターンを覆うように配置するステップと、前記プリプレグを覆うように、シート状の導電膜を配置するステップと、前記構造体、プリプレグ、及び導電シートを所定の温度で加圧することで、一体化するステップと、を備えている。

本発明によれば、種々の要求に対応することができる。

本発明の第１実施形態に係る回路基板の断面図である。 図１の平面図である。 第１実施形態に係る回路基板の製造方法を示す断面図である。 本発明の第２実施形態の態様１に係る回路基板の断面図である。 図４の平面図である。 本発明の第２実施形態の態様２に係る回路基板の断面図である。 図６の平面図である。 第１実施形態に係る回路基板における電気力線を示した断面図である。 本発明の第２実施形態の態様１に係る回路基板の断面図である。 本発明の第２実施形態の態様１に係る回路基板の断面図である。 本発明の第３実施形態の態様２に係る回路基板の断面図である。 本発明の実施例に係る回路基板の断面図である。 本発明の実施例に係る回路基板の断面図である。 図１２の回路基板におけるシミュレーションの結果を示すグラフである。 図１３の回路基板におけるシミュレーションの結果を示すグラフである。 本発明の実施例に係る回路基板の断面図である。 図１６の回路基板におけるシミュレーションの結果を示すグラフである。 本発明の実施例に係る回路基板の断面図である。 図１８の回路基板におけるシミュレーションの結果を示すグラフである。 図２０の回路基板におけるシミュレーションの結果を示すグラフである。 図２０の回路基板におけるシミュレーションの結果を示すグラフである。

＜Ａ．第１実施形態＞
以下、本発明の回路基板の第１実施形態について、図面を参照しつつ、説明する。図１は、本実施形態に係る回路基板の概略構成を示す断面図、図２は図１の平面図である。以下では、説明の便宜のため、図１及び図２に示す方向にしたがって、説明を行うこととする。但し、ここで規定した方向は、あくまでも説明のためであり、本発明に係る回路基板の向きを限定するものではない。

＜１．回路基板の概要＞
図１に示すように、この回路基板は、上下方向に下から上へ積層された、第１伝送グランド１、第１基板２、伝送パターン３、第２基板４、及び第２伝送グランド５を備えている。以下、各構成について、詳細に説明する。

第１基板２は、第１面（下面）２１、及びこれとは反対側の第２面（上面）２２を有し、ガラスエポキシ樹脂、ガラスフッ素樹脂等の誘電体によって形成されている。第１基板２の誘電率は、特には限定されないが、例えば、２〜１０とすることができる。そして、第１伝送グランド１は、第１基板２の第１面２１のほぼ全面に薄膜状に形成されている。

第２基板４は、第１面（下面）４１、及びこれとは反対側の第２面（上面）４２を有し、第１基板２と同様の材料の誘電体によって形成されている。但し、第２基板４は、第１基板２よりも高い誘電率を有しており、具体的には、２〜１０とすることができる。いる。そして、第２伝送グランド５は、第２基板４の第２面４２のほぼ全面に薄膜状に形成されている。

上記のように、第１基板２及び第２基板４は、誘電率が相違するが、例えば、第１基板２は、誘電率が低い熱可塑性樹脂によって形成することができる。一方、第２基板４は、熱硬化性樹脂によって形成することができる。

伝送パターン３は、第１基板２及び第２基板４の間に配置され、左右方向の中央付近で前後方向（紙面に垂直な方向）に線状に延びている。なお、伝送パターン３、及び各伝送グランド１，５は、例えば、金、銀、銅、銅合金、アルミニウム等の金属材料により形成することができる。

＜２．回路基板の製造方法＞
次に、上記のような回路基板の製造方法について、図３を参照しつつ説明する。まず、図３（ａ）に示すように、上述した第１基板２の両面に、薄膜状の第１導電膜２５及び第２導電膜２６が予め積層された基板構造体２０を準備する。第１導電膜２５は、第１伝送グランドに相当し、第２導電膜２６は伝送パターンに相当する。第１基板２は、例えば、熱可塑性樹脂によって形成され、導電膜２５，２６を両面に配置した状態で、約３００〜４００℃でプレス加工することで、基板構造体２０を形成する。次に、図３（ｂ）に示すように、基板構造体２０の第２導電膜２６に対し、エッチングを施し、上述した伝送パターン３を形成する。

続いて、上述した第２基板４を形成するために、少なくとも一枚のシート状のプリプレグ４０を準備する。プリプレグ４０は、例えば、第２基板４と同じ材料で形成された熱硬化性樹脂で形成することができる。プリプレグ４０の枚数は、特には限定されないが、第２基板４の厚さに合わせて準備すればよい。さらに、第２伝送グランド５を形成するための、導電シート５０を準備する。

続いて、図３（ｃ）に示すように、基板構造体２０、少なくとも一枚のプリプレグ４０、及び導電シート５０を、この順で積層する。このとき、基板構造体２０の伝送パターン３を覆うように、プリプレグ４０を配置する。この状態で、上述した基板構造体２０のプレス温度よりも低い、約１８０〜２５０℃で加圧し、これらの材料を一体化する。このとき、プリプレグ４０が溶融した後、硬化することで第２基板４が形成される。また、導電シート５０は、プリプレグ４０に接着し、第２伝送グランド５となる。こうして、図１及び図２に示すような、本実施形態に係る回路基板が形成される。

＜３．特徴＞
以上のように、次の効果を得ることができる。
（１）異なる誘電率を有する２つの基板２，４を用いているため、要望に応じて種々の回路基板を提供することができる。例えば、高速信号が伝送される基板を伝送ロスの少ないガラスフッ素樹脂により形成し、低速信号が伝送される基板を安価なガラスエポキシ樹脂（例えば、ＦＲ−４）により形成すると、全ての基板２，４をガラスフッ素樹脂により形成するよりも、安価に回路基板を形成することができる。さらに、全ての基板２，４をガラスエポキシ樹脂により形成するよりも、伝送ロスの低い回路基板を形成することができる。

（２）第２基板４を形成するために、熱硬化性樹脂からなるプリプレグ４０を用いているため、一体化する際のプレス温度を、基板構造体２０をプレス加工で形成する際の温度よりも低くすることができる。したがって、基板構造体２０が熱によって損傷するのを防止することができる。

＜Ｂ．第２実施形態＞
次に、本発明の回路基板の第２実施形態について、図面を参照しつつ、説明する。第２実施形態に係る回路基板が、第１実施形態と相違するのは、第２伝送グランド５の構成である。したがって、以下では、第２伝送グランド５以外の説明を省略する。

＜１．伝送グランドの態様１＞
図４は、態様１の第２伝送グランドを有する回路基板の断面図、図５は図４の平面図である。図４及び図５に示すように、本実施形態の第２伝送グランド５には、伝送パターン３を挟むように、伝送パターン３と概ね平行に延びる一対のスリット５１が形成されている。これらスリット５１は、図４及び図５に示すように、平面視において伝送パターン３の近傍に形成することができる。「近傍」とは、伝送パターン３の左右方向の外縁よりも外側で、この外縁とスリット５１との距離（以下、スリット距離という）がλｇ／４以下であることを意味する。この場合には、スリット５１の幅は、例えば、λｇ／６以上であることが好ましく、λｇ／３以上であることがさらに好ましい。スリット５１の幅の上限は特には限定されないが、後述するように、λｇ／２以上になると伝送ロスの低減効果が向上しないため、λｇ／２以下にすることが好ましい。但し、λｇは伝送パターンによって伝送される電磁波の波長を表す。

＜２．伝送グランドの態様２＞
図６は、態様２の第２伝送グランドを有する回路基板の断面図、図７は図６の平面図である。図６及び図７に示すように、この態様２では、各スリット５１のスリット距離を、（λｇ／４＋ｎ＊λｇ）の付近に形成することができる。但し、λｇは伝送パターン３によって伝送される電磁波の波長、ｎは整数を表す。例えば、スリット５１は、伝送パターンの外縁からλｇ／４＋λｇ、λｇ／４＋２λｇ、λｇ／４＋３λｇのいずれか１つ以上点の付近に配置することができる。なお、「付近」とは、各点から±λｇ／４の範囲を意味する。

＜３．特徴＞
以上の構成によれば、次の効果を得ることができる。
（１）例えば、第１実施形態のような回路基板では、図８に示すように、伝送パターン３に電流が流れているとき、伝送パターン３から各伝送グランド１，５へ電気力線（図８の矢印）が向かうが、電気力線の一部Ｚには、誘電率の低い第１基板２を経由して誘電率の高い第２基板４に向かう経路が生じる。このような電気力線が生じると、電界の漏れにより磁界分布に歪みが生じ、伝送パターン３を流れる電流が小さくなる。その結果、伝送ロスが悪化するおそれがある。

これに対して、態様１のようにスリット５１を形成すると、図９に示すように、伝送パターン３から第２伝送グランド５に向かう電気力線が、スリット５１よりも内側の擬似的な短絡部Ｘに集中するため、電気力線が第１基板２経由することなく、第２基板４から第２伝送グランド５に向かうようにすることができる。その結果、電界の漏れが小さくなるため、磁界の歪みが抑えられ、伝送ロスを低減することができる。

（２）一方、態様２のようにスリット５１を形成すると、図１０に示すように、スリット５１が擬似的な開放部となり、それよりも内側に擬似的な短絡部Ｘが生じる。そして、伝送パターン３から第２伝送グランド５に向かう電気力線は、この短絡部Ｘに集中するため、電気力線が第１基板２を経由することなく、第２基板４から第２伝送グラウンド５に向かうようにすることができる。

なお、上記のようなスリット５１は、第１伝送グランド１にも同様に形成することができる。このメカニズムは、第２伝送グランド５にスリットを形成している場合と同じである。すなわち、第１基板２で発生する電界の漏れを抑制することができる。

＜Ｃ．第３実施形態＞
上記各実施形態では、２つの基板２，４を用いて回路基板を形成したが、第１基板２、第２基板４、及びこれらの間に配置される伝送パターン３を有する基板ユニットを形成し、複数の基板ユニットにより回路基板を形成することもできる。

例えば、図１１に示すように、２つの基板ユニット１００，２００を積層することで、回路基板を形成することができる。以下では、説明の便宜上、図１１の上側の基板ユニットを第１基板ユニット１００、下側の基板ユニットを第２基板ユニット２００と称することとする。図１１の回路基板では、第１基板ユニット１００の第１基板２と第２基板ユニット２００の第２基板４とが対向するように配置する。そして、両基板ユニット１００，２００の間には、中間伝送グランド３００が配置される。また、第１基板ユニット１００の第２基板４上には（上側）、第１外側伝送グランド４００が配置され、第２基板ユニット２００の第１基板２上（下側）には、第２外側伝送グランド５００が配置される。

そして、第１外側伝送グランド及び第２外側伝送グランドに、第２実施形態で示したようなスリットを形成する。

このような構成の場合、少なくとも第１基板ユニット１００の伝送パターン３では、伝送ロスが生じるのを抑制することができる。なお、この例では、２つの基板ユニットを設けているが、３以上の基板ユニットを積層することもできる。

＜Ｄ．変形例＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。例えば、以下の変更が可能である。また、以下の変形例は、適宜組み合わせることができる。

＜１＞
伝送パターン３の形状は特には限定されず、上述したような直線状のほか、Ｌ字状、Ｔ字状など、種々の形状にすることができる。また、複数の伝送パターンを配置することもできる。

＜２＞
各基板２，４の厚みは同じでもよいし、異なっていてもよい。

＜３＞
回路基板の製造方法は、特には限定されず、上述した方法以外でもよい。

以下、本発明の実施例について説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されない。

本発明に係る回路基板について、以下の検討を行った。

＜１．スリットの位置の検討＞
シミュレーションにより、以下のような回路基板の解析モデルを生成した。概要は図１２及び図１３に示すとおりである。
(1) 第１基板
・厚み：０．１ｍｍ
・誘電率：８．０
・サイズ：横幅２４×奥行き１０ｍｍ
(2) 第２基板
・厚み：０．１ｍｍ
・誘電率：３．０
・サイズ：横幅２４×奥行き１０ｍｍ
(3) 伝送パターン
・厚み：０．０１８ｍｍ
・幅：０．１ｍｍ
・長さ(奥行き)：１０ｍｍ
(4) 伝送グランド
・厚み：０．０１８ｍｍ
・スリットの幅：０．１ｍｍ
(5) 解析周波数：４０ＧＨｚ(空間波長：７．４９ｍｍ、誘電体中波長λｇ：３．０６ｍｍ)
なお、回路基板全体の実効誘電率は、６．０とした。また、特に断りのない限り、以下のシミュレーションでは、以上の条件にて解析モデルを作成している。

上記のような解析モデルにおいて、図１２に示すように、第２伝送グランドにスリットを形成し、スリット距離を変化させながら、伝送ロスを算出した。結果は、図１４に示すとおりである。同図には、スリットがある場合、スリットがない場合、スリットを１つだけ（伝送パターンの左右の一方のみ）設けた場合、及びスルーホール（ＴＨ）を形成した場合の結果を示している。同図に示すように、スリットが伝送パターンの近傍に形成されていると、スリットがない場合と比べ、伝送ロスが低いことが分かった。また、スリット距離が、λｇ／４＋λｇ（３．８３ｍｍ）、λｇ／４＋２λｇ（６．８９ｍｍ）、λｇ／４＋３λ（９．９５ｍｍ）の付近では、スリットがない場合に比べ、伝送ロスが低くなっている。また、スリットが１つだけの場合、伝送パターンの近傍では伝送ロス低減効果はほとんどないが、λｇ／４＋λｇ、λｇ／４＋２λｇ、λｇ／４＋３λの各点付近では、スリットが２つの場合よりは伝送ロスは高いものの、スリットがない場合よりも伝送ロスは改善している。

また、図１３に示すように、第１伝送グランドにスリットを形成し、スリット距離を変化させながら、伝送ロスを算出した。結果は、図１５に示すとおりである。同図には、スリットがある場合、及びスリットがない場合の結果を示している。同図に示すように、スリットが伝送パターンの近傍に形成されていると、スリットがない場合と比べ、伝送ロスが低いことが分かった。また、スリット距離が、λｇ／４＋λｇ、λｇ／４＋２λｇ、λｇ／４＋３λの付近では、スリットがない場合に比べ、伝送ロスが低くなっている。

＜２．スリットの幅の検討＞
次に、スリットの幅について検討した。まず、図１６に示すように、伝送パターンの近傍（スリット距離が０．１ｍｍ）にスリットを形成したモデルを作成した。そして、スリットの幅を変化させつつ、伝送ロスを算出した。結果は、図１７に示すとおりである。同図に示すように、スリットの幅が広くなると、伝送ロスは大幅に改善するが、スリットの幅が約１．５ｍｍを超えると、伝送ロスは概ね一定になることが分かった。

続いて、図１８に示すように、伝送パターンから約（λｇ／４＋λｇ）の位置（スリット距離が４．０ｍｍ）にスリットを形成したモデルを作成した。そして、スリットの幅を変化させつつ、伝送ロスを算出した。結果は、図１９に示すとおりである。同図に示すように、スリットの幅が広くなると、伝送ロスは大幅に改善するが、スリットの幅が約０．１ｍｍを超えると、伝送ロスは悪化し、概ね一定になることが分かった。

＜３．２つの基板ユニットを有する回路基板の検討＞
図１１に示すような回路基板を形成した。そして、第１外側伝送グランド４００及び第２外側伝送グランド５００に形成されたスリット５１のスリット距離を変化させつつ、伝送ロスを算出した。図２０は、第１基板ユニット１００の伝送パターンの伝送ロスの結果（スリット有（多層））とともに、第１基板ユニット１００のみで回路基板を構成したときの伝送ロスの結果（スリット有（単層））も併せて示している。第１基板ユニット１００のみで構成した回路基板は、中間伝送グランド３００も含む。図２０に示すように、第１基板ユニット１００の伝送パターンは、単層の回路基板と同等の伝送ロスの低減効果を示している。

一方、図２１は、第２基板ユニット２００の伝送パターンの伝送ロスの結果（スリット有（多層））とともに、第２基板ユニット２００のみで回路基板を構成したときの伝送ロスの結果（スリット有（単層））も併せて示している。第２基板ユニット２００のみで構成した回路基板は、中間伝送グランド３００も含む。図２１に示すように、第２基板ユニット２００の伝送パターンは、スリット距離が１．０ｍｍ以下の場合は、単層の回路基板よりも伝送ロスが低減されているが、スリット幅が１．０ｍｍよりも大きくなると、伝送ロスの低減効果がほとんど見られなかった。

１ 第１伝送グランド
２ 第１基板
３ 伝送パターン
４ 第２基板
５ 第１伝送グランド
５１ スリット

Claims (8)

1. 第１面、及び前記第１面とは反対側の第２面を有し、誘電体により形成された第１基板と、
   第１面、及び前記第２面とは反対側の第２面を有し、前記第１基板とは異なる誘電率を有する誘電体により形成された、第２基板であって、当該第２基板の第１面と前記第１基板の第２面とが対向するように積層された第２基板と、
   前記第１基板の第１面に積層された第１伝送グランドと、
   前記第２基板の第２面に積層された第２伝送グランドと、
   前記第１基板と前記第２基板との間に配置された伝送パターンと、
   を備えている、回路基板。
2. 前記第１伝送グランド及び前記第２伝送グランドの少なくとも一方に、平面視において前記伝送パターンの外縁よりも外側に、当該伝送パターンと略平行に延びるスリットが形成されている、請求項１に記載の回路基板。
3. 前記第１伝送グランド及び前記第２伝送グランドの少なくとも一方に、平面視において前記伝送パターンを挟むように、当該伝送パターンと略平行に延びる少なくとも一対のスリットが形成されている、請求項１に記載の回路基板。
4. 前記スリットは、平面視において前記伝送パターンの外縁よりも外側で、当該外縁の近傍に配置されている、請求項２または３に記載の回路基板。
5. 前記スリットの幅が、λｇ／２以上である、請求項４に記載の回路基板。
   但し、λｇは前記伝送パターンによって伝送される電磁波の波長を表す。
6. 前記スリットは、平面視において前記伝送パターンの外縁から（λｇ／４＋ｎ＊λｇ）離れた位置の近傍に配置されている、請求項２または３に記載の回路基板。
   但し、λｇは前記伝送パターンによって伝送される電磁波の波長、ｎは整数を表す。
7. 前記スリットの幅が、λｇ／６以下である、請求項６に記載の回路基板。
8. 第１面、及び前記第２面とは反対側の第２面を有し、熱可塑性の誘電体により形成された第１基板、前記第１面及び前記第２面にそれぞれ積層された導電膜、を有する構造体を準備するステップと、
   前記構造体の第２面に形成された導電膜の一部を除去することで、所定の形状の伝送パターンを形成するステップと、
   前記第１基板とは異なる誘電率を有し、少なくとも一枚の熱硬化性のプリプレグを、前記構造体の伝送パターンを覆うように配置するステップと、
   前記プリプレグを覆うように、導電シートを配置するステップと、
   前記構造体、プリプレグ、及び導電シートを所定の温度で加圧することで、一体化するステップと、
   を備えている、回路基板の製造方法。

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