JP3864093B2 - プリント配線基板、電波受信用コンバータおよびアンテナ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプリント配線基板、電波受信用コンバータおよびアンテナ装置に関し、特に、リフローなどのための熱処理後の反りを低減可能なプリント配線基板の構造および該プリント配線基板を備えた電波受信用コンバータおよびアンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から絶縁体よりなる基板上に配線パターンを形成したプリント配線基板は広く知られている。このプリント配線基板の一例として高周波回路基板がある。高周波回路基板上に形成される線路としては、マイクロストリップ線路やコプレーナ線路がよく使われている。
【０００３】
たとえばマイクロストリップ線路が形成された基板部分（以下「マイクロストリップ基板」と称する）は、部品面（伝送線路が形成される側の面）と接地面とで構成される。
【０００４】
図１３と図１４に、マイクロストリップ基板の模式図を示す。これらの図に示すように、マイクロストリップ基板は、誘電体よりなる基板２と、基板２の表面上に形成されたストリップ線路１と、基板２の裏面上に形成された接地パターン３とを有する。接地パターン３は、通常、マイクロストリップ基板の接地面全面を覆う金属層で構成されるが、本願明細書ではこのような全面金属層をも含めてパターンと称する。他方、コプレーナ回路では、伝送線路の周囲を接地パターンで囲む構成が一般的である。
【０００５】
たとえば上記のマイクロストリップ基板にリフロー等のための熱処理を施すと、基板２の表面と裏面の残留金属の面積の比率（以下、「残銅率」と称する）の違いにより基板２に反りが発生する。この残銅率の差が基板２の表面と裏面とで大きければ大きいほど、基板２の反り量が大きくなる。
【０００６】
通常、硬質基板では熱処理による基板の反りは発生しにくいが、ポリテトラフルオロエチレンを用いて作製された基板や、いわゆるフレキシブル基板等の軟質な基板では反りが顕著に現れ、基板性能や品質に大きな影響を与える。
【０００７】
そこで、従来から、反り発生防止のためにリフロー前に基板のマッサージを行ったり、低温リフローを実施したり、わざわざ別工程で反り校正を行って対応していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の対策を採ったとしても基板２に反りが生じ、該反りによるリフロー時の部品の脱落や、部品の位置ズレが生じていた。また、基板２を筐体に組み込む時にチップクラックなどが生じ、品質に関する重大な問題を引き起こす可能性もあった。さらに、基板２のマッサージ等の別工程によるロスも非常に大きくなるという問題もあった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、基板に形成された導体パターンに工夫を施すことで、製品の性能を劣化させることなく、かつ別工程によるロスをも小さく抑えながら熱処理後のプリント配線基板の反り量を小さくすることにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、上記プリント配線基板を組み込むことで信頼性が高く高性能な電波受信用コンバータおよびアンテナ装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るプリント配線基板は、１つの局面では、３ＧＨｚから３０ＧＨｚの周波数帯で使用可能なプリント配線基板であって、絶縁体よりなる基板と、基板の表面上に設けられた第１導体パターンと、基板の裏面上に設けられた第２導体パターンとを備える。そして、基板に達する開口を、隣接する間隔が一定になるように千鳥状に、第２導体パターンに設ける。なお、上記「絶縁体」は誘電体をも含み、上記「基板」はフィルム状等の可撓性基材をも含むものと定義する。
【００１２】
上記のように第２導体パターンに基板に達する開口を設けることにより、第２導体パターンが形成された側の基板表面の残銅率を調節することができる。それにより、基板の表面と裏面の残銅率の差を調節することができ、熱処理時の基板と導体パターンの熱膨張係数の違いに起因する熱応力を緩和することができる。その結果、熱処理後の基板の反り量を低減することができる。
【００１３】
上記開口は、熱処理後の基板の反り防止のための開口であり、基板表面を露出させるものである。このとき、基板の母材自体が露出してもよいが、基板表面の被覆層が露出してもよい。
【００１４】
また、第１導体パターンは伝送線路であり、第２導体パターンは接地パターンであることが好ましい。すなわち、接地パターンに上記開口を設けることが好ましい。それにより、製品の性能を劣化させることなく基板の反り量を低減することができる。
【００１５】
また上記第１導体パターンはマイクロストリップ線路の線路パターンであってもよい。この場合、開口の最大幅は管内波長以下とする。それにより、伝送損失を抑制しながら基板の反り量を低減することができる。
【００１６】
基板の表面上に接地パターンとなる第３導体パターンを設け、該第３導体パターンに上記開口を設けてもよい。この場合にも、基板の表面と裏面の残銅率の差を調節することができ、基板の反り量を低減することができる。
【００１７】
上記第１導体パターンはコプレーナ線路の線路パターンであってもよい。この場合にも、開口の最大幅を管内波長以下とする。それにより、マイクロストリップ線路の場合と同様に、基板の反り量を低減することができる。
【００１８】
本発明に係るプリント配線基板は、他の局面では、３ＧＨｚから３０ＧＨｚの周波数帯で使用可能なプリント配線基板であって、絶縁体よりなる第１基板と、第１基板上に導体パターンを介して積層され第１基板とは異なる材質の絶縁体よりなる第２基板とを備える。そして、隣接する間隔が一定になるように千鳥状に導体パターンに貫通孔を設ける。
【００１９】
このように基板間の中間導体層に貫通孔を設けた場合にも、基板間の中間導体層に貫通孔を設けているので、各基板の表面と裏面の残銅率の差を調節することができ、熱処理後の基板の反り量を低減することができる。それに加え、各基板と導体パターンとの接触面積をも低減することができるので、異なる材質の基板間の熱膨張率の差に起因する膨張、収縮による応力をも吸収することができる。このことも、基板の反り量低減に寄与し得る。
【００２０】
上記貫通孔は、熱処理後の基板の反り防止のための貫通孔であり、第１および第２基板を表面に達する。なお、該貫通孔は、第１および第２基板で止まり、これらを貫通する必要はない。
【００２１】
また、上記第１基板は第１伝送線路を有し、第２基板は第２伝送線路を有し、導体パターンは接地パターンであることが好ましい。
【００２２】
また上記貫通孔の最大幅を管内波長以下としてもよい。この場合には、伝送損失を抑制しながら基板の反り量を低減することができる。
【００２８】
本発明の電波受信用コンバータは、上記のプリント配線基板を備える。また、本発明のアンテナ装置は、当該電波受信用コンバータと、受信電波を反射して電波受信用コンバータに導く反射用パラボラ部とを備える。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１０を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１のプリント配線基板におけるマイクロストリップ線路部分の断面模式図であり、図２は、図１に示すプリント配線基板の裏面図である。
【００３０】
図１および図２に示すように、プリント配線基板は、誘電体（絶縁体）からなる基板（基材）２と、該基板２の表面上に形成され伝送線路であるストリップ線路（第１導体パターン）１と、基板２の裏面全面を覆うように形成された接地金属層（接地パターン）３とを備える。
【００３１】
基板２は、たとえばガラス繊維とポリテトラフルオロエチレンを用いて作製される。ストリップ線路１と接地金属層３は、たとえば銅で構成される。腐食防止のため、銅表面に金メッキやハンダメッキ、有機樹脂などをコーティングしてもよい。
【００３２】
そして、接地金属層３に複数の開口４を設けている。図１および図２に示す例では、開口４は、基板２の裏面全面にわたってほぼ均等に形成され、基板２の表面あるいは基板２の表面上に形成された被覆層に達している。したがって、開口４の底部において、基板２の表面あるいは基板２の表面上に形成された被覆層が露出している。この開口４は、たとえばエッチングにより形成可能である。
【００３３】
マイクロストリップ線路は、基板の片方の面に伝送線路を形成し、もう片方の接地面に接地金属層を形成するので、それぞれの面での金属面比率（残銅率）が極端に異なるケースが多い。そのため、熱膨張係数の異なる金属層と誘電体（基板２）との間で大きな応力が発生し、基板２の反りが発生する。
【００３４】
図５に、基板２の材料として比較的柔らかいポリテトラフルオロエチレンを使用し、基板２の両面全面にCu層１２，１３を形成し、接地面（片側の面）のCu層１３に開口部を形成して接地面の残銅率を下げ、これに２００度以上（たとえば２００度〜２３０度程度）の熱処理を施した場合の基板２の反り量のデータを示す。
【００３５】
図５に示すように、接地面の残銅率が１００％の場合には基板２の反りはないが、残銅率を下げていくにつれて基板２の反り量が大きくなるのがわかる。特に、残銅率０〜２５％付近で、基板２の反り量が最も大きくなる。
【００３６】
次に、マイクロストリップ線路を有する実際のプリント配線基板に本実施の形態１の思想を適用した場合の反りテスト結果を図６に示す。
【００３７】
このテストでは、ポリテトラフルオロエチレンを使用し、０．５ｍｍの厚みで１１０×１１０ｍｍのサイズの基板２を有するプリント配線基板を採用した。該プリント配線基板上には、各種の配線パターンや電子部品を搭載する。このようなプリント配線基板の接地金属層３に開口４を設けて接地面の残銅率を調節し、種々の残銅率の基板に対し図５の場合と同様の熱処理を施したときの基板反り量を測定した。
【００３８】
図６に示すように、上記の例では残銅率が最適なポイントは７５％付近であるが、残銅率が約７０〜８０％の場合に基板２の反り量を小さい値とすることができた。つまり、本発明に基づく開口４を接地金属層３に設けることで、基板２の反り量を低減することができる。
【００３９】
なお、最適な残銅率は、基板２の種類や熱膨張係数、基板２の表面の配線パターンの引き回し状況、基板２の硬さや厚みやサイズ等により異なるので、実際に実験を行って最適な残銅率を個別に決定する必要がある。
【００４０】
マイクロストリップ線路の特性は、接地面の状況により変動する。したがって任意に銅層を除去すると、大きな特性劣化を伴う場合がある。そこで、高周波回路基板に対し本発明を適用する場合には、次のような特有の工夫が必要となる。
【００４１】
すなわち、使用周波数に応じて開口４の形状や大きさを選択する必要がある。具体的には、開口４の最大幅をマイクロストリップ線路が設置される導波管の管内波長λｇ以下とする。それにより、マイクロストリップ線路の特性劣化を抑制することができる。図３に示す例では、開口４の形状を円形としているが、この場合には開口４の直径を管内波長λｇ以下とする。また、開口４の直径をλｇ／４以下としてもよい。
【００４２】
次に、開口４の設計方法について説明する。ここでは、円形の開口４の設計方法の一例について説明する。
【００４３】
基板２の誘電率をε、管内波長をλｇとしたときの開口４（円孔）の直径Rｇ（図３のＤ）は、下記の数式（１）で表される。
【００４４】
Rg＝λｇ／４ …（１）
また、基板２中の波長をλとすると、数式（１）は下記の数式（２）のようになる。
【００４５】
Rg＝（λ／４）×（１／√ε） …（２）
上記の数式（１）、（２）にしたがって開口４の直径Rgを設定することにより、マイクロストリップ線路の性能劣化を回避することができる。
【００４６】
次に、開口４の配置方法の一例について説明する。
図３に示す様に開口４の直径Ｄを上記数式（１）で求めた後、残銅率に対する開口４の配置を決める。たとえば、７５％の残銅率の場合は、Ｌ１×Ｌ２＝２Rg√３となる。
（実施の形態２）
次に、図４を用いて、本発明の実施の形態２について説明する。図４は、本実施の形態２におけるプリント配線基板の部分平面図である。
【００４７】
図４に示すように、ストリップ線路１が形成される側の基板２のマイクロストリップ線路面に接地パターン６を設け、該接地パターン６に開口４を設けてもよい。この場合にも、残銅率を調節することができ、基板２の反りの低減を図ることができる。なお、開口４の形状や設計方法は、実施の形態１と同様である。
（実施の形態３）
次に、図７を用いて、本発明の実施の形態３について説明する。図７は、本実施の形態３のプリント配線基板の部分断面図である。本実施の形態３は、本発明を、積層基板を有するプリント配線基板に適用したものである。
【００４８】
図７に示すように、プリント配線基板は、異質の材料からなる基板７、９と、基板７、９間に形成された中間層８と、各基板７、９の表面にストリップ線路（伝送線路）１とを有する。
【００４９】
基板７は、たとえばＦＲ−４で作製され、基板９は、たとえばポリテトラフルオロエチレンを用いて作製される。また中間層８は、銅等の金属層で構成される。
【００５０】
本実施の形態３では、各基板７、９に達する貫通孔５を中間層８に形成している。このように貫通孔５を設けることにより、熱処理時における異質材料の熱膨張係数の違いによる内部応力の発生を抑え、基板２の反りの低減に貢献できる。
【００５１】
なお、貫通孔５の最大幅も伝送線路が設置される導波管の管内波長λｇ以下とする。それにより、伝送線路の特性劣化を抑制することができる。また、貫通孔５の開口形状を、円形としてもよく、この場合には貫通孔５の開口部の直径を管内波長λｇ以下とする。また、上記開口部の直径をλｇ／４以下としてもよい。
【００５２】
上記の貫通孔５に対しても、実施の形態１と同様の設計手法を採用することができるが、貫通孔５の開口部の直径の計算の際には、基板７，９の誘電率εの大きい方を採用して直径を決める必要がある。また、２種類以上の周波数を扱う場合は周波数の高い方を基準に計算することが必要である。
（実施の形態４）
次に、図８を用いて、本発明の実施の形態４について説明する。図８は、本実施の形態４のプリント配線基板の部分断面斜視図である。
【００５３】
本実施の形態４は、本発明をプリント配線基板におけるコプレーナ線路部分に適用したものである。
【００５４】
図８に示すように、本実施の形態４におけるプリント配線基板は、基板２の同一表面上に、線路パターン（信号ライン）１７と、接地パターン１８とを備える。そして、接地パターン１８に開口４を設ける。それにより、基板２の線路面における残銅率を調節することができ、熱処理後の基板２の反り量を低減することができる。
（実施の形態５）
次に、図９と図１０を用いて、本発明の実施の形態５とその変形例について説明する。図９は、本実施の形態５のプリント配線基板の部分平面図である。本実施の形態５は、スルーホールを有するプリント配線基板に本発明を適用したものである。
【００５５】
通常、高周波回路では伝送面と裏面の接地面とを電気的に接地させるためスルーホール１０を使う。スルーホール１０の内表面はメッキ等で形成された金属層（導体部）１６で覆われているため、スルーホール１０の熱伝導率が周辺の誘電体よりも大きくなる。そのため、基板２全体の熱分布が乱れスルーホール１０の集中しているエリアの基板２に反りが発生しやすくなる。
【００５６】
そこで、スルーホール１０の周囲の接地パターン（導体パターン）６と、スルーホール１０間に開口１５を設ける。それにより、リフロー等の熱処理時にスルーホール１０内の金属層１６に蓄えられる熱が接地パターン６に伝達される経路の面積を小さくすることができる。それにより、熱処理時にスルーホール１０から接地パターン６への熱拡散を抑制することができ、かかる熱拡散に起因する基板２の反りを抑制することができる。
【００５７】
特に、図９に示すように、スルーホール１０を取り囲むように開口１５を設けることにより、スルーホール１０を接地パターン６から独立させることができる。つまりスルーホール１０を基板面上の導体パターンから独立させることができる。それにより、スルーホール１０から基板面への熱の拡散をやわらげることができ、局所的な熱集中による基板２の反りを低減できる。
【００５８】
スルーホール１０を接地パターン６と電気的に接続する必要がある場合、図１０に示すように、熱容量の小さい細幅の接続パターン１１でスルーホール１０内の金属層１６と接地パターン６とを接続する。それにより、スルーホール１０から接地パターン６へ熱が伝達される際の経路の面積を小さくすることができ、スルーホール１０から基板面への熱伝導を小さくすることができる。
【００５９】
上記の接続パターン１１は、たとえば銅等の金属のパターンで構成することができる。図１０に示す例では、４つの接続パターン１１を設けているが、接続パターン１１の数は単数でも複数でもよい。
【００６０】
また、図１０に示す例では、接続パターン１１は開口１５上に橋架するように設けられる。その結果、見かけ上スルーホール１０の周囲に複数の開口が設けられたような状態となっている。
【００６１】
さらに、接地パターン６をエッチング等によりパターニングし、スルーホール１０の周囲に複数の開口を設けることも考えられる。この場合にも、上記の場合と同様にスルーホール１０から基板面への熱伝導を小さくすることができる。
【００６２】
上記の実施の形態では、本発明を高周波回路基板に適用した場合について説明したが、それ以外のプリント配線基板にも本発明は適用可能である。すなわち、熱処理後の基板の反りを防止するために基板表面に形成された導体パターンを選択的に除去するものであれば、本発明の範囲に属する。
【００６３】
高周波回路基板に本発明を適用する場合には、上述のように開口等の形状や大きさによる電気的影響が大きいので、上述の設計手法にしたがって開口等の形状や大きさ選定する必要がある。しかし、高周波回路基板以外に本発明を適用する場合には、高周波回路基板の場合のような制約はない。よって、回路特性を低下させない範囲で、導体パターンを選択的に除去して任意形状の開口、貫通孔、スリット、切り欠き等を設ければよい。
（実施の形態６）
次に、図１１と図１２を用いて、本発明を適用した高周波回路基板を組み込んだ電波受信用コンバータ（ＬＮＢ：Low Noise Block down Converter）およびアンテナ装置について説明する。
【００６４】
図１１に示すように、衛星からの電波（信号）は、反射用パラボラ部２１によって反射して集中され、電波受信用コンバータ２０に導かれて取り込まれる。この反射用パラボラ部２１と電波受信用コンバータ２０とからアンテナ装置が構成される。
【００６５】
衛星からの電波は、円偏波であり、右旋円偏波と左旋円偏波が含まれる。電波受信用コンバータ２０では、この２つの成分を分離して、その各成分を増幅し、１０数ＧＨｚ帯の電波から１ＧＨｚ帯の信号に変換する。変換された信号は、ケーブルを経由して屋内の受信機器、たとえばサテライトレシーバ２２を介してテレビジョン２３に送られる。
【００６６】
上記の電波受信用コンバータ２０は、図１２に示すように、出力端子（Ｆ型コネクタ）２５を有する金属製のシャーシ２４と、高周波回路基板２６と、シャーシ２４に組み付けられる金属製のフレーム２７とを備える。この電波受信用コンバータ２０に組み込まれる高周波回路基板２６として、本発明のプリント配線基板を使用する。
【００６７】
フレーム２７はビスによりシャーシ２４に固定され、シャーシ２４とフレーム２７とにより電波受信用コンバータ２０の筐体が形成される。この筐体内に、本発明の高周波回路基板２６が組み込まれることとなる。
【００６８】
上述のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、熱処理後の基板の反り量を低減することができる。本願発明者が、実際にある高周波回路基板について裏面接地面の残銅率を７０〜８０％になるように導体パターンに開口を設けて熱処理を施したところ、熱処理後の基板の反り量を従来の５分１から１０分の１程度まで改善することが可能となった。このように基板の反り量を低減することができるので、基板の反りによる部品の脱落・ズレを低減することができ、基板の信頼性を向上することができる。また、筐体に製品を組み込んだ後の信頼性をも向上することができる。さらに、本発明の開口や貫通孔はエッチングなどの手法で容易に形成することができるので、基板のマッサージ等を行う場合と比較して別工程によるロスを小さく抑えることもできる。
【００７０】
本発明の電波受信用コンバータおよびアンテナ装置は、上記のプリント配線基板を備えるので、信頼性が高く高性能なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１のプリント配線基板におけるマイクロストリップ線路部分の断面模式図である。
【図２】 図１に示すプリント配線基板の裏面図である。
【図３】 図２に示す開口の部分拡大図である。
【図４】 本実施の形態２におけるプリント配線基板の部分平面図である。
【図５】 接地面の残銅率と基板の反り量との関係を示す図である。
【図６】 実際のパターンを形成した場合の接地面の残銅率と基板の反り量との関係を示す図である。
【図７】 本発明の実施の形態３のプリント配線基板の部分断面図である。
【図８】 本発明の実施の形態４のプリント配線基板の部分斜視図である。
【図９】 本発明の実施の形態５のプリント配線基板の部分平面図である。
【図１０】 図９に示す例の変形例の部分平面図である。
【図１１】 本発明の電波受信用コンバータおよびアンテナ装置を示す概念図である。
【図１２】 本発明の電波受信用コンバータの分解斜視図である。
【図１３】 従来のマイクロストリップ線路を有する基板の斜視図である。
【図１４】 図１３に示す基板の断面図である。
【符号の説明】
１ ストリップ線路、２，７，９ 基板、３ 接地金属層、４，１４，１５ 開口、５ 貫通孔、６，１８ 接地パターン、８ 中間層、１０ スルーホール、１１ 接続パターン、１２，１３ Ｃｕ層、１６ 金属層、１７ 線路パターン、２０ 電波受信用コンバータ、２１ 反射用パラボラ部、２２ サテライトレシーバ、２３ テレビジョン、２４ シャーシ、２５ 出力端子、２６ 高周波回路基板、２７ フレーム。

Claims (10)

1. ３ＧＨｚから３０ＧＨｚの周波数帯で使用可能なプリント配線基板であって、
   絶縁体よりなる基板と、
   前記基板の表面上に設けられた第１導体パターンと、
   前記基板の裏面上に設けられた第２導体パターンとを備え、
   前記基板に達する開口を、隣接する間隔が一定になるように千鳥状に、前記第２導体パターンに設け、
   前記開口は、熱処理後の前記基板の反り防止のための開口であり、前記基板表面を露出させる、プリント配線基板。
2. 前記第１導体パターンは伝送線路であり、
   前記第２導体パターンは接地パターンである、請求項１に記載のプリント配線基板。
3. 前記第１導体パターンはマイクロストリップ線路の線路パターンであり、
   前記開口の最大幅は管内波長以下である、請求項２に記載のプリント配線基板。
4. 前記基板の表面上に接地パターンとなる第３導体パターンを設け、該第３導体パターンに前記開口を設けた、請求項２または請求項３に記載のプリント配線基板。
5. 前記第１導体パターンはコプレーナ線路の線路パターンであり、
   前記開口の最大幅は、管内波長以下である、請求項２に記載のプリント配線基板。
6. ３ＧＨｚから３０ＧＨｚの周波数帯で使用可能なプリント配線基板であって、
   絶縁体よりなる第１基板と、
   前記第１基板上に導体パターンを介して積層され、前記第１基板とは異なる材質の絶縁体よりなる第２基板とを備え、
   隣接する間隔が一定になるように千鳥状に前記導体パターンに貫通孔を設け、
   前記貫通孔は、熱処理後の前記基板の反り防止のための貫通孔であり、
   前記第１および第２基板表面に達する、プリント配線基板。
7. 前記第１基板は第１伝送線路を有し、
   前記第２基板は第２伝送線路を有し、
   前記導体パターンは、接地パターンである、請求項６に記載のプリント配線基板。
8. 前記貫通孔の最大幅は管内波長以下である、請求項６または請求項７に記載のプリント配線基板。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載のプリント配線基板を備えた電波受信用コンバータ。
10. 請求項９記載の電波受信用コンバータと、受信電波を反射して前記電波受信用コンバータに導く反射用パラボラ部とを備えたアンテナ装置。

Images