JP3891737B2 - 発振器及びその発振特性調整方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、発振器及びその発振特性調整方法に関し、更に詳しくは、携帯電話、携帯型情報端末、無線LAN送受信機、衛星通信端末、GPS受信機等の高周波帯を利用する各種無線通信機器に搭載される小型の発振器及びその発振特性調整方法に関するものであり、特に数百MHz以上の高周波用途において、発振器の主要部であるモジュールを小型化するのに好適なものである。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、携帯電話に代表される高周波通信システム用端末機器の小型化に伴い、これら機器に搭載される高周波部品の1つである電圧制御発振器(VCO)等の発振回路モジュールの小型化が一段と進んでいる。
これらの高周波用(特に数百MHz以上の高周波用途)小型発振器モジュールにおいては、搭載される部品特性や、基板の配線パターンの寸法のばらつきが無視できず、個々のモジュールに対して調整を施し、発振周波数等の特性を所定の設計仕様に合わせることが実用上不可欠となっている。
【0003】
これら調整の手段としては、一般に回路基板の部品実装表面上に形成された回路パターンの一部を、サンドブラスターなどの機械的手段もしくはレーザー光などの光学的手段によって切除することで、導体パターンの長さや幅を変えて発振回路を構成するインダクターの調整を行う方法(特開平6−13807号公報)が用いられているほか、モジュールのより小型化を図るべく、回路基板を多層化することによって、発振回路を構成するインダクター(特許第2662748号)やコンデンサの一部分を基板内部に内装化する手段(特許第2531000号)も用いられている。
【0004】
図17、18は発振器を構成するインダクターの一部分を基板表面に引き出している発振器の事例の構成説明図であり、プリント配線基板21内に裏面接地導体22と、内装接地導体23と、これらの導体に挟まれたインダクター導体24とからなるトリプレート構造のストリップラインを形成し、このストリップラインのインダクター導体24aの一部がスルーホール25を介して基板表面上に設けられた導体パッド24bへ接続されており、その基板表面上の導体パッド24bに対しては、図18の26に示したようなトリミングが施されることで、当該インダクターの電気長を変更し、インダクタンスの調整、すなわち発振周波数などの発振(器)特性の調整を実施している。
【0005】
また、図19は、発振器を構成するコンデンサを基板に内装し、基板表面上に配した当該コンデンサの一方の電極のトリミングを行い、コンデンサの容量を調整することで、発振特性の調整を行う発振器の事例の断面構造図である。本事例では共振回路を構成するインダクターは上記の事例と同様プリント配線基板21の内部にトリプレート構造でストリップライン24として内装されており、その一端はスルーホール25を介して基板表面上に表面電極28として引き出されている。すなわち、インダクターに並列接続され、共振回路を構成するコンデンサ27は基板内装接地導体23と誘電体基板を介して対向する表面電極28によって基板に内装されており、当該表面電極28に対してトリミングを行い、電極面積を調整することでコンデンサ容量の調整、すなわち発振器の調整が行われる。
【0006】
しかしながら、上記の両先行事例においては、小型化を図るべく回路の一部分を基板内部に内装化しているものの、個々のモジュールの調整を行うに当たっては内装の導体パターンの一部分を基板の部品実装表面上に引き出して、該部分に対してトリミングなどを行う手段が用いられており(図17の24bの部分及び図19の28の部分)、部品実装面においてトリミングパッドがある程度の面積を専有することは、内装化の手法を用いない場合に同じである。
【0007】
また、これらのモジュールはほとんどの場合、搭載される隣接パーツとの電磁界的な相互干渉を避け、実装部品を保護するため、部品実装面をカバーする金属製のキャップシールドが設けられているが、このように部品実装面側の基板表面をトリミングする場合、キャップシールドを被せることに起因する特性のずれを予め見込んで調整を行った後でキャップシールドを被せるか、トリミング用のスリットや孔を設けたキャップシールドを基板上にかけた後レーザーなどでトリミングを行い、その後で導電性のシールなどでキャップシールドのスリットや孔を塞ぐ手法が用いられる。前者においては、キャップシールドをかけることによってモジュールの発振周波数などの特性にずれが生じるため、予めこれらのずれを予測したトリミング調整を行うことが必要となるが、先にも記したとおり、これらモジュール特性の個別のばらつきがもともと大きいため、一律なオフセットでは対応しきれないのが現実であり、精密な調整は不可能である。また、後者においては、キャップシールドを被せた後でレーザートリミングを行うため、トリミングによって飛散したトリミング部分の塵がキャップ内部に閉じ込められ、周辺部に付着する事態を生じやすく、信頼性を損なう結果を招く。
【0008】
上記の問題を解決する手段として、基板裏面側へ内装導体を引き出してトリミングを行うことが考えられるが、このような構造を採った場合、裏面側にある程度の面積でトリミング用のパッドを設けることが必要となる。この結果、モジュール裏面のシールドが困難となり、実装面側と同様のキャップシールドを設ける対策が必要となり、小型化が要求される本用途では実用的な方法とは言い難い。
また、同様に、上記問題点を解決する方法として、基板の裏面から内部に向かって垂直方向に、レーザートリミングを行うことで、多層構成とした内装コンデンサの電極面積を調整し、発振器の調整を行う方法が提案されている(特開平9−153737号公報)。
【0009】
図20は、本事例のモジュール全体の断面図であり、共振回路を構成するコンデンサ27は、基板の誘電体層を挟んで層状に電極27a及び27bを重ね合わせることで基板へ内装化されている。本事例では図21の28に示したごとく、モジュール裏面側から垂直方向にレーザートリミングを行うことで、内装コンデンサ27の電極27a及び27bの面積調整を行い、モジュールの調整を行う。
【0010】
本方法によると、上記問題は解決されるものの、ある程度の容量範囲の調整を行うためにはコンデンサの電極構造を少なくとも3層〜4層以上の多層構造とする必要があり、結局、回路基板全体が多層化し、基板厚みの増加、コストの上昇を招く結果となる。
【0011】
また、レーザー光によるトリミングにおいては、トリミングに十分なパワーが得られ、かつ数十μm程度のスポットへの集光が可能な特性を有することより、YAGレーザーが用いられることが多い反面、YAGレーザーの基本波長1.06μmでは第22図に示すように、トリミング対象となる導体を構成するCuなどの金属に対しては非常に反射率が高く、加工を行うにあたって、より大きなパワーで加工を行う必要があり、結果的にトリミングを行う導体裏側の基板へオーバートリミングを生じ易く、該部分の炭化などによって、充分な絶縁が得られないなど、期待されるトリミング効果が得られない事態が生じることもある。また、特に、上記の先行例のように誘電体中の内装導体を誘電体と一度にトリミングする場合においては、特に最適な加工パワーの調整が困難となる。
【0012】
上記のような問題に鑑み、本発明の目的の一つは、主に共振回路のインダクターを構成する内装導体パターンのトリミングを基板裏面から直接行う構造の、小型、高性能、高信頼性の発振器(モジュール)及びその高密度調整方法を提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内部に誘電体層を有する回路基板の表側主面上に発振回路部品を実装し、裏側主面にその大部分の面を覆って裏側接地導体を配し、更に表側主面および裏側接地導体から誘電体層の一部を介して、接地導体パターン層と、この接地導体パターン層と裏側接地導体との間に、発振回路を構成するインダクター素子の少なくとも一部分とをそれぞれ内装し、
前記裏側接地導体が、その一部に形成され、それを介してレーザー光線で前記誘電体層と共に前記インダクター素子の内装された一部分を部分的に切除することにより発振特性を調整可能なスリットもしくはピンホールを有し、このスリットもしくはピンホールは、その最大接触円の径をレーザー光線の照射スポットの2倍以上とし、
更にスリットもしくはピンホールに対向してインダクター素子の内装された一部分と接地導体パターンとの間で、かつ該インダクター素子の所定のトリミングポイントに重なる位置に、誘電体層の他の一部を介してレーザー光線ブロック用導体を、裏側接地導体を含む発振回路から電気的に絶縁して、内装してなる発振器を提供する。
【0014】
すなわち本発明は、回路基板の裏面主面を覆う裏側導体に、スリットもしくはピンホールを設け、これらのスリットもしくはピンホールを通して、内装されたインダクター素子の一部をレーザー光線によって、裏側導体と内装導体(内装されたインダクター素子の一部:導体パターン)との間の誘電体層ごと一緒に切除(トリミング)し、それによって発振特性を所望のものに調整できるようにするものである。ここでスリットは、レーザー光の照射スポット径の2倍以上の幅がレーザー光線の通過に適合し、同2倍〜3倍の幅がより適合する。一方、ピンホールは、同じくレーザー光線の通過に対してレーザー光照射スポット径の2倍以上の直径が適合する。
【0015】
また、本発明では、回路基板の誘電体層部分が、有機系材料、具体的には融点数百度以下のガラスエポキシ(樹脂)、アラミド系樹脂などを主成分として形成されるのが好ましく、これは、トリミングに際して、ターゲットとなる内装インダクター導体部分の上部にある誘電体層部分をトリミング用レーザーで容易に焼き切ることが可能であり、トリミングの作業効率を高めることが可能となるほか、トリミング過程で溶融した周囲の誘電体層部分がトリミングレーザー照射終了後、流動してトリミング導体部分の上部(基板裏面のスリット側)をカバーした状態で固まり、耐湿性の悪化を防止する効果があるからである。
【0016】
また、本発明では、裏側導体(例えば接地導体)に設けられたスリットもしくはピンホール内部に露出している部分の誘電体層の部分に凹部を設け、スリットの設けられていない部分の当該誘電体層の厚みより薄くした構造としてもよく、それによって、トリミングに際して、内装導体上部(裏面スリット側)の誘電体層をより容易に焼き切ることが可能となるため、一層のトリミング作業の効率アップが可能となるほか、基板の誘電体材料としてセラミックなどの、高いエネルギーを要する材質の採用も可能となり、基板材料の選択の自由度が広がる。
【0017】
更に、本発明では、内装導体の少なくともトリミング対象となる部分にトリミングに用いられるレーザー光の波長域の吸収を高めるための着色処理を施してもよく、それによって内装導体におけるレーザー光の反射が減少し、より少ないパワーで内装導体のトリミングが可能となり、更に、発振器裏面のトリミング用スリットとトリミング対象の内装導体の間の誘電体基板部分と、内装導体を一度に焼き切って、かつ内装導体のトリミングスリットの反対側へのオーバートリミングを避けるための最適なレーザー光パワーの調整が容易になる。
【0018】
具体的な着色処理としては、通常この分野で適用される処理が適用できるが、例えば内装導体のトリミング対象部分を予め酸化処理によって黒色化させることもできる。
【0019】
本発明は、更に、インダクター素子から誘電体層の他の一部を介して表側に、少なくとも前記スリットもしくはピンホールに対向して、レーザー光線ブロック用導体(又は第2の導体層)を内装するよう構成すると、内装インダクターの所定のトリミングポイントに重なる位置の裏面上にスリットもしくはピンホールが設けられているので、トリミングの際、このスリットやピンホールを目印として、表面からは直接見ることができない内装インダクターに対する位置合わせを行うことが可能となる。また、発振器裏面のスリットもしくはピンホールから入射するトリミングレーザー光が、トリミング開始ポイント近傍などで、トリミングターゲットの内装インダクタ導体層がない部分に当たり、基板の表側(レーザー光が入射するのと反対側)へオーバートリミングを生じる場合においても、スリットもしくはピンホールの直下に(対向して)レーザー光線ブロック用導体が設けられているため、レーザー光線はブロック用導体によってブロックされ、反対側の基板実装面側表面の配線パターンや、搭載部品にダメージを与えることが防止される。
【0020】
本発明は、さらに、レーザー光線ブロック用導体の肉厚を、インダクター素子のそれより大きくすると、発振器の性能への影響を少なくできる。すなわち、第2の導体層を貫通するためには、内装インダクター層を貫通するより多くのパワーが必要となる上に、第2の導体層は内装インダクター層よりもレーザー入射面から見て深いところにある。このため、内装インダクターが存在する部分において、内装インダクターおよびその直下の誘電体基板の一部までで深さ方向のトリミングがストップするよう、レーザー光のパワーが適正に設定されている条件においては、トリミングスタートポイントなどの内装インダクターがない部分でも、第2の導体層を貫通してしまうことはなく、発振器の性能への影響を少なくできる。
【0021】
本発明は、さらに、レーザー光線ブロック用導体を、裏側導体としての接地導体を含む発振回路から電気的に絶縁すると、発振器の万一の事態が発生しても、性能への影響を少なくできるので、好ましい。すなわち、内装インダクターの所定の部分より深い方向にトリミングが進み、下層の誘電体層の切除が第2の導体まで到達した場合、特に、内装インダクターの下層の誘電体層が樹脂などの有機物の場合には、切除部分周辺に炭化物が残留することがあるので、これらの炭化物が導体となり、トリミング部分の内装インダクターと第2の導体間が、電気的に短絡する可能性が生じるが、万一、このような事態が発生した場合でも、トリミング部分直下の第2の導体は、接地導体も含めて発振器を構成する回路パターンとは絶縁されているため、発振器の性能に及ぼす影響を最小限とすることができる。
【0022】
本発明は、さらに、レーザー光線のスリットもしくはピンホールの最大隣接円の径が照射スポット径の2倍以上にすると好ましく、上述の切除部分は、内装インダクター導体に到達するまでの誘電体部分に関しても、同様に残留炭化物が基板裏面のスリットもしくはピンホールのエッジと内装インダクターを短絡する可能性があるが、本発明のスリットもしくはピンホールの幅又は直径がトリミングレーザー光の照射スポット径の2倍以上の寸法であるため、切除部分とスリットもしくはピンホールの間のスペースが大きくなり、短絡の危険性を減少させることができる。
【0023】
更に、裏側導体のスリットもしくはピンホールが形成されている領域が発振器を構成する他の接地領域(接地導体)を含むすべての回路と絶縁されていると、万一、スリットもしくはピンホールのエッジと内装インダクター部分の短絡が発生した場合でも発振器の性能に及ぼす影響を最小限にすることができる。
【0024】
更に、トリミングレーザー光を照射するスリットもしくはピンホールの近傍の裏側導体にヒートシンク(温度上昇を抑えるための吸・放熱部材又は装置)を接触させながらレーザー光照射を行うと、トリミングの際に発生する温度上昇を抑えることが可能であり、レーザー光照射部周辺の誘電体基板の溶融などのダーメージの発生や基板裏側導体からの伝熱によるキャップシール固定半田の溶融などの不具合を抑えることが可能となる。
【0025】
本発明は、別の観点によれば、内部に誘電体層を有する回路基板の表側主面上に発振回路部品を実装し、裏側主面にその大部分の面を覆って裏側接地導体を配し、更に表側主面および裏側接地導体から誘電体層の一部を介して、接地導体パターン層と、この接地導体パターン層と裏側接地導体との間に、発振回路を構成するインダクター素子の少なくとも一部分とをそれぞれ内装した発振器の発振特性を調整するに際して、
予め、前記裏側接地導体の一部にスリットもしくはピンホールを、その最大接触円の径がレーザー光線の照射スポットの2倍以上になるよう形成し、更にスリットもしくはピンホールに対向してインダクター素子の内装された一部分と接地導体パターンとの間で、かつ該インダクター素子の所定のトリミングポイントに重なる位置に、誘電体層の他の一部を介してレーザー光線ブロック用導体を、裏側接地導体を含む発振回路から電気的に絶縁して内装し、
前記スリットもしくはピンホールを介して、レーザー光線で前記誘電体層及びインダクター素子の内装された一部分を部分的に切除する発振器の発振特性調整方法を提供する。
【0026】
かかる発振器の調整方法は、発振回路の主にインダクタンス成分を構成する内装導体パターンを基板表面に引き出すことなく、内装面で、基板裏側導体(例えば接地導体)のスリットもしくはピンホールを通して導入したレーザー光でトリミングしその長さ、幅の変更を行い、それによってインダクタンスの調整して発振周波数などの発振器特性の調整を行う。更に内装導体一層の長さあるいは幅を調整することによって十分なインダクタンスの可変が可能であり、トリミング電極多層化などの構造は不要であり、薄い基板をもっての調整が可能である。
【0027】
また、本発明の調整方法では、基板表面上の部品実装面に対してキャップシールドを被せた後でトリミングを行うことができるので、トリミングを行った後でキャップシールドを被せた場合のような調整点のずれの問題がなくなり、精度の高い調整を行うことが可能である。
【0028】
また、本発明の調整方法では、望ましくはそのトリミング加工に際して、YAGレーザー光の基本発振光を非線形光学素子に通して得られる二次以上の高調波光を用いる。これによって、加工レーザー光の波長として、YAGレーザー基本波長1.06μmの1/2、1/3などの短い波長を用いることが可能となるため、第13図に示したごとく、トリミング対象となる内装導体においてレーザー光の吸収率を向上することが可能であり、より少ないパワーでの内装導体のトリミングが可能になり、これによって発振器裏面のトリミング用スリットとトリミング対象の内装導体の間の誘電体基板部分と、内装導体を一度に焼き切って、かつ内装導体のトリミングスリットの反対側へのオーバートリミングを避けるための最適なレーザー光パワーの調整が容易になる。
【0029】
更に、内装されたインダクター素子の少なくとも一部分をスリットもしくはピンホールを介して部分的に切除するに際して、トリミングレーザー光を照射するスリットもしくはピンホールの近傍の裏側導体にヒートシンクを接触させながらレーザー光照射をおこなうと、トリミングの際に発生する温度上昇を抑えることが可能であり、レーザー照射部周辺の誘電体基板の溶融等のダメージの発生や基板裏側導体からの電熱によるキャップシール固定半田の溶融等の不具合を抑えることが可能となる。
【0030】
本発明は、更に別の観点によれば、内部に誘電体層を有する回路基板の表側主面上に発振回路部品を実装し、裏面主面にその大部分を覆って裏側導体(例えば接地導体)を配し、更にこの裏側導体から誘電体層の一部を介して、発振回路を構成するインダクター素子の少なくとも一部分を内装し、かつ前記裏側導体が、発振特性の調整のために、裏側導体に形成されたスリットもしくはピンホールを介して誘電体層と共に一部切除された発振器を提供する。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による発振器の実施の形態を図面に基づいて説明する。
[実施の形態1]
図1は、本発明による発振器の1つの実施の形態として内装導体パターンを有する電圧制御発振器(VCO)のモジュールの分解斜視図、図2は図1の断面図である。
【0032】
図1、2において、電圧制御発振器(VCO)のモジュールMは、ガラスエポキシ(樹脂)製銅プリント配線基板(回路基板)1の表面上に発振回路部品としてチップ抵抗、チップ型コンデンサ、トランジスタ、バリキャップダイオードの表面実装型部品2をリフローはんだ付けによって実装し、その上部より、金属製薄板を曲げ加工したキャップシールド3を被せた構造となっている。
【0033】
さらに、プリント配線基板1は、表側(表側主面)の部品実装導体パターン面(層)1−a、内装接地導体層1−bと裏面(裏側主面)の接地導体層1−dとに挟まれたトリプレート構造の内装ストリップライン導体パターン層1−cよりなる4層構造の貼り合わせ積層基板構造となっており、導体パターンの厚みは約10〜30μm、表側の部品実装パターン面1−aと内装接地導体層1−bの間及び内装導体パターン層1−cと裏面の接地導体層1−d間の基板(誘電体層:ガラスエポキシ)厚みはそれぞれ約150μm、内装接地導体層1−bと内装導体パターン層1−cの間の基板(誘電体層:ガラスエポキシ)厚みは約200μmとなっている。内装導体パターン層1−cの一端は基板側面に設けられ、表面の導体パターン面1−a、内装接地導体層1−b及び裏面の接地導体層1−dを接続する切り欠き(スルーホールを半分に割ったもの)内壁に設けられた導体1−eを介して接地されており、他方端は上部の内装接地導体層1−bの一部をカットして設けられた窓11の中央部を貫いて表面の導体パターン1−aへVIA1−fによって電気的に接続されている。また、上記以外に基板上面の配線である導体パターン面1−aのVcc(4)、制御端子(5)、RF出力端子(6)のそれぞれの端子は、基板側面に設けられた切り欠き(スルーホールを半分に割ったもの)内壁に設けられた導体1−g、1−h、1−iを介して基板裏面側に引き回されている。
【0034】
図3は、本モジュールMの回路図である。
図3に示す本モジュールMの回路を構成するトランジスタTr、抵抗R、バリキャップダイオードVc、コンデンサCは、プリント配線基板(回路基板)1の表面上に実装される部品類2によって構成され、発振回路を構成するインダクターLは主にトリプレート構造で基板内部に内装されるストリップライン導体パターン層1−cによって構成される。
同モジュールMは、同図に示す制御端子5に加える電圧を制御することで、バリキャップダイオードVcの容量を変化させ、RF出力端子6より得られるRF信号の発振周波数を変化させる。
【0035】
しかしながら、回路を構成する個別の素子特性のばらつきや、プリント配線基板の寸法のばらつき、部品実装時の物理的条件のばらつきにより、個々のモジュールにおいて発振周波数にばらつきが生じるため、バリキャップダイオードが設計目標とする発振周波数範囲を所定の制御電圧の印加によって達成するよう、モジュールの製造工程において発振回路を構成するインダクター素子としてのインダクターLのインダクタンス調整を個々のモジュールに対して行う。
このインダクターLのインダクタンスの調整はインダクターLを構成する内装導体パターン層1−cの長さ及び幅を調整することによって行う。
【0036】
図4は本例における内装導体パターン層1−cをモジュールMの表面側から見た平面図であり、基板の切り欠きの導体1−e側が基板側面を通じて接地されており、VIA1−fを介して基板表面上に実装される他の発振器構成素子としての部品2と接続されている。
この導体は、図4の太線8で示す部分をトリミングする(切除する)ことにより、その電気長をおよそ2α分だけ長くするとともに、幅も狭くすることができる。分布定数型高周波回路の並列接地導体で構成されるインダクターにおいて、その電気長を長くするか、もしくはその幅を狭くすることで、そのインダクタンスを高くすることが可能であるので、本例においては、予めトリミングを行わない状態でのモジュールの発振周波数を所要値より高めに設定しておき、該部分8のトリミングを行うことによって発振器を構成するインダクタンスLを大きく変化させ、それによって発振周波数を下げて所要の発振周波数を得る調整を行う。
本例におけるトリミング部分の幅は約数十μm、長さは0〜1mm程度である。
【0037】
図5は、本例モジュールを裏面側より見た平面図であり、Vcc端子4、制御端子5、RF出力端子6及びその周囲の絶縁帯9を除く大部分は接地導体層1−dでカバーされているが、内装導体パターン層1−cのトリミングターゲットとなる部分に重なる部分には幅300μm、長さ1mmの寸法で導体層を設けないトリミング用のスリット10が設けられている。
【0038】
図6は第4図の2点鎖線B−B’に沿った断面のトリミング部分付近の拡大図であり、前記のスリット10を介して、YAGレーザーのSHG(第2次高調波)光12(波長530nm)の照射を行い、内装導体パターン層1−cをスリット10の間にあるガラスエポキシ製基板ごと焼き切ることでトリミングを実施する。レーザー光12のパワーは、照射部分の発振器裏側のトリミング用スリット10とトリミング対象となる内装導体パターンの間のガラスエポキシ層及び内装導体の銅配線パターン1−cは完全にバーンアウトして除去し、該導体パターンのレーザー照射サイドの反対側のガラスエポキシ基板は炭化による絶縁不良などを生じないようなレベルに適切にコントロールされる。YAGレーザーのSHG光12の使用は、図22に示したごとく、基本波長(1.06μm)の場合に比較して、トリミング対象となる内装銅(Cu)配線パターン8におけるレーザー光の大幅な反射率低減を可能とするため、トリミング達成のためのパワー低減が図られ、レーザー照射側より裏側のガラスエポキシ製基板へのオーバートリミングの低減など、周辺のトリミング不要部分へのダメージを抑え、必要部分のみをトリミングする最適パワー調整をより容易に行うことを可能とする。
【0039】
一方、レーザー光の照射によってバーンアウトする内装導体パターンからスリット側のガラスエポキシ製基板の周囲の近接部分においてはエポキシ樹脂の溶融が生じ、トリミング終了後のごく短時間において、当該部分の溶融樹脂がトリミング部分に流入し、該部分をコートした状態で硬化することによる封止効果も得られ、耐湿特性の悪化が防止される。ここで、封止効果をより確実に得るため、トリミング後のスリット部分に、封止用の樹脂を充填することもある。
また、内装導体パターン層1−cを形成する銅の裏面側(スリット側)の表面は基板の積層貼り合わせ前に酸化処理によって表面が黒色化しており、レーザー光の反射率が低減され、より少ないパワーでの加工が可能となっており、先に説明したSHGレーザー光の使用と併せて、最適レーザー光パワーの調整の容易化に寄与している。もちろん、該表面の黒化などによるレーザー光の吸収率の改善は染料など着色剤による手法を用いても良い。
【0040】
本トリミングは、モジュールの組立がすべて終了した後に、第6図に示したごとくモジュールの裏面側からYAGレーザーを用いて行う。トリミングにおいては、実際にモジュールの各端子にプローブをあてて、モジュールを動作させた状態で発振周波数をモニターしながら行い、トリミングポイントをスリットに沿って図4のA方向に移動させながらトリミング長さを増加させ、所定の発振周波数になったところでトリミングを停止するファンクショントリミングを実施する。
この場合、モジュールは既にキャップシール3が取り付けられているので、部品実装面側からトリミングを行った後、キャップシールを被せる手法のように、キャップシールを被せたことに起因する発振周波数などの特性のずれ分を予め考慮する必要はなく、精度の高いトリミング調整が可能となっている。
もちろん、スリット部分のうちトリミングが行われない部分については、ガラスエポキシ製基板がそのまま残るので、その部分の内装導体パターン層1−cが外部へ露出することはなく、耐湿性の悪化などを防止できる。
【0041】
[実施の形態の変形例]
次に、上記実施の形態の変形の形態について以下に説明を行う。
図7は本例のトリミング部分断面図である。
本変形例においては、上記実施の形態に裏面の接地導体層1−dに設けられたトリミング用のスリット10の底部に露出しているガラスエポキシ製基板の部分に凹部が設けられており、スリットのない部分に比較してその部分の厚さが薄くなっている。本例では、当該部分の厚さは、約20μmであり、より少ないレーザーパワーで、よりシャープな形状でのトリミングを可能としている。その他の部分の構造に関しては、すべて上記実施の形態と同じとなっている。
【0042】
本例の基板の製造方法に関しては、基板の積層を行う前に、部品実装導体パターン層1−c上部(裏面のスリット側)に20μmの厚さで樹脂(例えばエポキシ樹脂)コーティングを実施し、その上にスリット10にあたる部分に貫通孔を設けたガラスエポキシ製基板を積層する手法を用いているが、もちろん、積層後に当該部分にエッチングなどの化学的手法や、機械的な手法で凹部を設ける手法を用いてもよい。
【0043】
また、本例のように、トリミング部分の内装導体のスリット側にある誘電体層(上記例ではエポキシ樹脂など)が非常に薄い構造となる場合、当該部分をバーンアウトするのにあまり大きなパワーが必要ないので、例えばこの部分が、低温焼成ガラスセラミック(焼結温度800〜900℃程度)で形成されている場合にも本発明の適用が可能である。これら低温焼成ガラスセラミック基板の場合、その製造法はこれらセラミックに有機性可塑剤やバインダーを加えたグリーンシートの状態で導体の印刷、スリットのくり抜き、圧着積層を行った後、一括焼成することで、上記のような内装導体パターンやスリットを擁する配線基板を得ることができる。その他の製造法及び調整法は上記実施の形態と同じである。
【0044】
〔第2の実施の形態〕
図8は本発明による内装導体パターンを有する電圧制御発振器(VCO)のモジュールの構造分解斜視図、図9は図8の断面図である。
図8、9において、本モジュールは、ガラスエポキシ(樹脂)製銅プリント配線基板1の表面上にチップ抵抗、チップ型コンデンサ、トランジスタ、バリキャップダイオードの表面実装型部品2をリフロー半田付けによって実装し、その上部より、金属製薄板を曲げ加工したキャップシールド3を被せた構造となっている。
【0045】
さらに、プリント配線基板1は、表側の部品実装パターン面(層)1−a、内装接地導体層1−bと裏面の接地導体層1−dとに挟まれたトリプレート構造の内装ストリップライン導体パターン層1−cよりなる4層構造の貼り合わせ積層基板構造となっており、各導体パターンの厚みは、基板表面及び裏面のパターン面(層)1−a、1−d及び内装インダクターが形成されている導体パターン層1−cが約20μm、内装接地導体が形成されている第2の内装接地導体層1−bが約35μmとなっている。また、表側の部品実装パターン面1−aと内装接地導体層1−bの間1−mおよび内装導体パターン層1−cと裏面の接地導体層1−d間の1−oのガラスエポキシ基板厚みは約150μm、内装接地導体層1−bと内装導体パターン層1−cの間の1−nの基板厚みは約200μmとなっている。
【0046】
内装導体パターン層1−cの一端は、基板側面に設けられ、表面のパターン面(層)1−a、内装接地導体層1−bおよび裏面の接地導体層1−dを接続する切り欠き内壁に設けられた導体(スルーホールを半分に割ったもの)1−eを介して接地されており、他方端は上部の内装接地導体層1−bの一部をカットして設けられた窓17の中央部を貫いて表面の導体パターン面1−aへVIA1−fによって電気的に接続されている。また、上記以外に基板上面の配線パターン面1−a層のVcc(4)、制御端子(5)、RF出力端子(6)のそれぞれの端子は、基板側面に設けられた切り欠き(スルーホールを半分に割ったもの)内壁に設けられた導体1−g、1−h、1−iを介して基板裏面側に引き回されている。
【0047】
本モジュールの回路図は、第1の実施の形態に示した図3と同じ回路図で表され、本モジュールの回路を構成するトランジスタTr、抵抗R、バイキャップダイオードVc、コンデンサCは、回路基板1の表面上に実装される部品類2によって構成され、発振回路を構成するインダクターLは主にトリプレート構造で基板内部に内装されるストリップライン内装導体パターン1−cによって構成される。
同モジュールは、同図に示す制御端子5に加える電圧を制御することで、バイキャップダイオードVcの容量を変化させ、RF出力端子6より得られるRF信号の発振周波数を変化させる。
【0048】
しかしながら、回路を構成する個別の素子特性のばらつきや、プリント配線基板の寸法のばらつき、部品実装時の物理的条件のばらつきにより、個々のモジュールにおいて発振周波数にばらつきが生じるため、バリキャップダイオードが設計目標とする発振周波数範囲を所定の制御電圧の印加によって達成するよう、モジュールの製造工程において発振回路を構成するインダクターLのインダクタンス調整を個々のモジュールに対して行う。
このインダクターLのインダクタンスの調整は、インダクターLを構成する内装導体パターン1−cの長さおよび幅を調整することによって行う。
【0049】
図10は本例における内装導体パターン層1−cをモジュール表面側から見た平面図を示し、基板の切り欠き1−e側が基板側面を通じて接地されており、VIA1−fを介して基板表面上に実装される他の発振器の構成素子としての部品2と接続されている。
この導体は、図10の太線で示す部分28をトリミングすることにより、その電気長をおよそ2αだけ長くすると共に、幅も狭くすることができる。分布定数型高周波回路の並列接地導体で構成されるインダクターにおいて、その電気長を長くする、もしくはその幅を狭くすることで、そのインダクタンスを高くすることが可能であるので、本例においては、予めトリミングを行わない状態でのモジュールの発振周波数を所定値より高めに設定しておき、該部分28のトリミングを行うことによって、発振器を構成するインダクタンスLを高く変化させ、それによって発振周波数を下げて所要の発振周波数を得る調整を行う。
本例におけるトリミング部分28の幅は約数十μm、長さは0〜1mm程度である。
【0050】
図11は本例モジュールの裏面図であり、Vcc端子4、制御端子5、RF出力端子6およびその周囲の絶縁帯29を除く、大部分は接地導体1−dでカバーされているが、内装導体パターン1−cのトリミングターゲットとなる部分に重なる部分は幅200μm、長さ1mmの寸法で導体層を設けないトリミング用のスリット30が設けられており、さらにそのスリットが設けられている部分の導体1−d2は絶縁体29を介して接地導体1−dと電気的に絶縁されている。
【0051】
図12は図10の2点鎖線B−B’に沿った断面のトリミング部分付近の拡大図であり、前記のスリット30を介して、YAGレーザー光12(波長1.06μm)の照射を行い、内装導体パターン1−cをスリット30との間にあるガラスエポキシ基板1−oごと焼き切ることでトリミングを実施する。レーザー光12のパワーは、照射部分発振器裏側のトリミング用スリット30とトリミング対象となる内装導体パターンの間のガラスエポキシ層1−oおよび内装導体1−cの銅配線パターン1−cが完全にバーンアウトによって除去され、内装導体該導体パターンのレーザー照射サイドの裏側のガラスエポキシ基板1−nの途中でトリミングが止まるようなレベルに適切にコントロールされる。
【0052】
トリミングによって生じる溝8の、内装導体パターンからスリット側のガラスエポキシ基板層1−o部分は、レーザー照射スポット周辺部への伝熱により近接部分においてはエポキシ樹脂の溶融や燃焼が生じ、形成される溝の幅はスポット径より概ね2倍以上の大きさとなる。また溝の周辺部には、炭化したエポキシ樹脂の残留物8−bが付着する場合もあり、この炭化残留物8−bが吸湿などによって導体となり、スリット30のエッジ部分と内装導体のトリミング部分を短絡する危険性が生じるが、本例においては、スリット30の幅はレーザースポット径の50μmより4倍大きな200μmであり、スリット30のエッジ部分とトリミングにより形成される溝の開口エッジ部分が接触する危険性は少なくなっている。
【0053】
また、スリット30が形成されている裏面導体1−d2は周囲の接地導体1−dと絶縁帯29(図11参照)を介して電気的に絶縁されているため、万一スリットエッジ部分と内装導体のトリミング部分との短絡が生じた場合でも、発振器の性能への影響は最小限に抑えられる。
【0054】
トリミング工程においては、実際にモジュールの各端子にプローブをあてて、モジュールを動作させた状態で発振周波数をモニターしながら行い、図10および図11に示したように、裏面上のスリット30の一端の中点A−sをスタートポイントとしてレーザー光スポット12の照射ポイントの位置合わせを行なった後、該スポットをスリットに沿って同図A方向に移動させながらトリミング長さを増加させ、所定の発振周波数になったところでトリミンングを停止するファンクショントリミングを実施する。
【0055】
なお、このファンクショントリミング実施の際、図16に示したようにモジュールの各端子へのプロービングを行うためのプローバー19と同時に、レーザー照射を行うスリット30近傍の基板裏面導体1−d2に銅、アルミニウムなどの熱伝導性の高い材質で形成されたヒートシンク20が接触するようにセットされ、トリミング時に発生する熱の放熱を行い、周辺部への伝熱によるトリミング部近傍のガラスエポキシ基板のダメージ発生や、トリミング部分に比較的近い部分にあるキャップシールドと基板の半田付けポイントにおける半田の再溶融などの不具合の原因となる可能性が高い現象の発生を抑える。
【0056】
図10に示したように、導体パッドに切り込みを入れることで電気長を伸ばす場合、トリミング開始ポイントA−sは内装インダクターの導体パターン1−cの外側となり、トリミング部分が、レーザー照射スポットの走査によって導体部分にかかるまでの間(図10のβの部分)は内装導体がない部分に対してトリミングを行うこととなる。
【0057】
図13は、上記β部分に該当する図10における2点鎖線C−C’に沿った断面のトリミング部分付近の拡大図を示している。本例のトリミングに使用しているYAGレーザー光(波長:1.06μm)の内装導体である銅に対する反射率は非常に大きく(90数%)、照射レーザーパワーの大部分が当該導体層のトリミングのために費やされるため、図13のようにターゲットとなる内装インダクターの導体層がない部分においては、トリミング域は、ガラスエポキシ層1−nを貫通し、レーザー照射面から見て、もう1層下にある第2の内装導体1−b2にまで到達するが、この第2の内装導体層(1−bおよび1−b2)の厚さは、トリミングターゲットである内装インダクター1−cよりも1.75倍程度厚いため、この導体層を貫通することはない。また、トリミングターゲットの内装インダクター層1−cがある部分に対するトリミング(図12)において、多少のレーザーパワーの変動や、基板の厚さのばらつきなどが生じ、トリミングがより深く進んだ場合においても、第2の導体層1−bが、レーザー光線に対するブロック層として作用し、基板表面側への貫通などの最悪の事態を回避できる。
【0058】
また、上記のごとく、トリミングが第2の導体層に及んだ場合、前述の残留炭化物8−bに起因する内装インダクター1−cと裏面スリットエッジの短絡の可能性と同様に、第2の内装導体層1−cと内装インダクター1−cとの短絡の可能性を生じる。本例においては、第2の導体層1−bの大部分は、裏面接地導体1−dとの組み合わせにより、内装導体層1−cに対してトリプレート構造の内装インダクターを形成するための接地導体層であるが、裏面スリット10に重なるトリミングが行われる可能性のある部分は、絶縁帯9を介して接地導体1−cと電気的に絶縁された構造1−b2となっており、万一短絡が生じた場合にも、発振器の性能への影響は最小限に抑えられる。
【0059】
本トリミングは、モジュールの組立てがすべて終了した後に、モジュールの裏面側からYAGレーザーを照射することによって行われるので、部品実装面側からトリミングを行なった後、キャップシールを被せる手法のように、キャップシールを被せたことに起因する発振周波数などの特性のずれ分を予め考慮する必要はなく、精度の高いトリミング調整が可能となっている。
なお、トリミングの後、トリミング溝8への異物の侵入や、残留炭化物8−bの吸湿を防止するため、エポキシ樹脂などを用いて該部分の封止を行う場合がある。
【0060】
〔第2の実施の形態の第1の変形例〕
次に、上記実施の形態の第1の変形例について、以下に説明を行う。
図14は、第1の変形例のモジュール断面図である。
本変形例は、上記実施の形態における第2の内装導体層1−bの厚さが、内装インダクター1−cと同じ厚さの約20μmとなっている。この変形例の第2の内装導体層においても、トリミングスリット30に重なる部分は、上記実施の形態と同様に同層の大部分を占める内装接地導体と電気的に絶縁されたランド状のパターン1−b2となっているが、当該ランドパターン部分1−b2には、ランド部分と同種の厚さ約20μmの銅箔1−b3がトリミングレーザー光入射方向の裏側に密着積層して形成されている。結果的にこの部分の第2の導体層の厚さが、トリミングターゲットである内装インダクター1−b積層基板の約2倍の厚さを有する構造となっており、前記実施の形態において、第2の内装導体全体を厚くしたのと同様、深さ方向のオーバートリミングに対するブロック効果を得ることが可能となっている。
【0061】
本変形例においては、トリミング部分に重なる第2の導体層のランド部分1−b2の厚みを増す手法として、積層基板1の製造工程において、ガラスエポキシ製コア基板1−nの両面に銅箔1−b、1−cを貼り付けた後、それぞれの銅箔に内装接地導体層(第2の内装導体層)および内装インダクター層のパターンをエッチングプロセスなどによって形成した後、第2の内装導体層が形成されている側の導体ランド部分1−b2上に銅箔1−b3を貼り付け、このコア基板両面上にガラスエポキシ板を圧着し、ガラスエポキシ層1−m、1−oを形成する手法を採っているが、銅箔1−b3を貼り付けるかわりに、印刷によって当該部分に銅の層を形成し、厚みを増す手法を用いてもよい。
【0062】
また、コア基板1−nの表面側(トリミングレーザー光入射の反対側)に積層圧着するガラスエポキシ板1−mのコア基板に対向する側の面上に予め第2の内装導体層1−bを形成し、そのランド部分1−b2上に銅箔1−b3を貼り付け、もしくは印刷形成した後、コア基板に圧着する手順を採ってもよい。この場合には、トリミング部に重なる第2の導体層のランド部分の厚みは、図14と反対に、基板裏側方向(レーザー入射面側)へ増加する構造となる。
【0063】
また、本変形例において、第2の内装導体層のランド部分1−b2に密着積層形成する箔もしくは層1−b3の材質は、上記の銅以外にも、トリミングに使用するYAGレーザー光に対して反射率の高い各種金属の利用が可能である。
その他の部分の構造および作用に関しては、すべて上記実施の形態と同じとなっている。
【0064】
〔第2の実施の形態の第2の変形例〕
次に、上記実施の形態の第2の変形例について、以下に説明を行う。
図15は第2の変形例のモジュールの断面図である。
上記実施の形態及びその第1の変形例において、内装接地導体パターン1−bと当該パターンから絶縁されたランド部分1−b2は同一面内に形成されているのに対し、本第2の変形例においては、トリミング部分に重なり、深さ方向のオーバートリミングのブロック作用を担う第2の導体層1−b2は、基板裏面上に形成される接地導体1−dと併せて、内装導体層1−cに対してトリプレート構造の内装インダクター素子を形成するための内装接地導体パターン1−bと別の層に形成されている。
【0065】
本例の構造によれば、トリミング部分背面の第2の内装導体1−b2は、前記第2の実施の形態及びその第1の変形例同様に、接地も含めてすべての発振回路と絶縁された構造となっているので、前記の第2の実施の形態で述べた短絡による不具合発生の危険性を抑える効果が得られ、かつ、内装接地導体1−bは、前記の第2の実施の形態及びその第1の変形例のように、トリミング部分に重なる場所においても途切れることがないため、基板厚みが厚くなる欠点はあるが、より安定した発振特性を得ることが可能となる。
その他の部分の構造および作用に関しては、すべて上記実施の形態と同じになっている。
【0066】
【発明の効果】
本発明によれば、接地導体のスリットもしくはピンホールを介して内装された状態のインダクター素子をトリミングできるので、基板上の部品実装表面上にトリミング用の導体パッドを引き出す必要がなく、発振器(モジュール)のより小型化が可能となる。また、トリミングは回路基板の裏面の大部分を覆う接地導体(層)の一部に開けられたスリットもしくはピンホールを通して行われるため、基板裏面のシールドは概ね保たれ、裏面に新たなシールドケースなどを設ける必要も生じない。また、トリミングを行わない部分に関しては、内装導体が外部に露出した構造とならないため、耐湿性の悪化を防止でき、高い信頼性を得ることができる。
更に、トリミング部分背面の接地導体パターン層が、接地も含めてすべての発振回路と絶縁された構造となっているので、短絡による不具合発生の危険性を抑える効果が得られ、かつ、接地導体パターン層は、トリミング部分に重なる場所においても途切れることがないため、より安定した発振特性を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る発振器の1つの実施の形態による電圧制御発振器の分解斜視図である。
【図2】図1の電圧制御発振器の断面図である。
【図3】図1の電圧制御発振器の回路図である。
【図4】図1の電圧制御発振器に用いるプリント基板の内装導体パターン層の平面図である。
【図5】同じくプリント基板の底面図である。
【図6】本発明の実施の形態におけるプリント基板トリミング部断面図である。
【図7】本発明の実施の形態の変形例におけるプリント基板トリミング部断面図である。
【図8】本発明の第2の実施の形態による電圧制御発振器の斜視図である。
【図9】本発明の第2の実施の形態による電圧制御発振器の断面図である。
【図10】本発明の第2の実施の形態におけるプリント配線基板内装導体の平面図である。
【図11】本発明の第2の実施の形態による電圧制御発振器の裏面図である。
【図12】本発明の第2の実施の形態におけるプリント基板トリミング部(図10のB−B’断面)の拡大断面図である。
【図13】本発明の第2の実施の形態におけるプリント基板トリミング部(図10のC−C’断面)の拡大断面図である。
【図14】本発明の第2の実施の形態の第1の変形例による電圧制御発振器の断面図である。
【図15】本発明の第2の実施の形態の第1の変形例による電圧制御発振器の断面図である。
【図16】本発明のトリミングを説明する説明斜視図である。
【図17】従来の発振器の構成説明図である。
【図18】図17の発振器の電極のトリミング部分詳細説明図である。
【図19】従来の発振器の構成説明図である。
【図20】従来の発振器の構成説明図である。
【図21】図20の発振器におけるトリミング部断面詳細説明図である。
【図22】代表的金属の反射特性を示すグラフである。
【符号の説明】
1 プリント配線基板
2 表面実装型部品
3 キャップシールド
1−a 表面部品実装面配線パターン
1−b 内装接地導体
1−c 内装導体パターン(内装されたインダクター素子)
1−d 裏面接地導体
1−e 側面接地導体
1−f VIAホール
1−g 側面Vcc端子導体
1−h 側面制御端子導体
1−i 側面出力端子導体
4 Vcc端子
5 制御端子
6 RF出力端子
7 接地端子
Tr: トランジスタ
R: 抵抗
Vc: バリキャップダイオード
C: コンデンサ
L: インダクター
8 内装導体トリミングエリア
9 絶縁帯
10 トリミング用スリット
11 内装接地導体絶縁窓
12 レーザー光(線)
20 ヒートシンク
29 絶縁体
30 トリミング用スリット
Claims (9)
- 内部に誘電体層を有する回路基板の表側主面上に発振回路部品を実装し、裏側主面にその大部分の面を覆って裏側接地導体を配し、更に表側主面および裏側接地導体から誘電体層の一部を介して、接地導体パターン層と、この接地導体パターン層と裏側接地導体との間に、発振回路を構成するインダクター素子の少なくとも一部分とをそれぞれ内装し、
前記裏側接地導体が、その一部に形成され、それを介してレーザー光線で前記誘電体層と共に前記インダクター素子の内装された一部分を部分的に切除することにより発振特性を調整可能なスリットもしくはピンホールを有し、このスリットもしくはピンホールは、その最大接触円の径をレーザー光線の照射スポットの2倍以上とし、
更にスリットもしくはピンホールに対向してインダクター素子の内装された一部分と接地導体パターンとの間で、かつ該インダクター素子の所定のトリミングポイントに重なる位置に、誘電体層の他の一部を介してレーザー光線ブロック用導体を、裏側接地導体を含む発振回路から電気的に絶縁して、内装してなる発振器。 - 誘電体層が、有機系材料を主成分として形成されてなる請求項1の発振器。
- 誘電体層が、裏側接地導体のスリットもしくはピンホールを介して露出する部分に、レーザー光線による切除を容易にするための凹部を有する請求項1の発振器。
- インダクター素子が、その内装された一部分の表面にレーザー光線の反射を低減させる着色処理を施されてなる請求項1の発振器。
- レーザー光線ブロック用導体が、その肉厚をインダクター素子のそれより大きくしてなる請求項1の発振器。
- スリットもしくはピンホールが、その幅又は径をレーザー光線の照射スポットの2倍以上としてなる請求項1の発振器。
- 内部に誘電体層を有する回路基板の表側主面上に発振回路部品を実装し、裏側主面にその大部分の面を覆って裏側接地導体を配し、更に表側主面および裏側接地導体から誘電体層の一部を介して、接地導体パターン層と、この接地導体パターン層と裏側接地導体との間に、発振回路を構成するインダクター素子の少なくとも一部分とをそれぞれ内装した発振器の発振特性を調整するに際して、
予め、前記裏側接地導体の一部にスリットもしくはピンホールを、その最大接触円の径がレーザー光線の照射スポットの2倍以上になるよう形成し、更にスリットもしくはピンホールに対向してインダクター素子の内装された一部分と接地導体パターンとの間で、かつ該インダクター素子の所定のトリミングポイントに重なる位置に、誘電体層の他の一部を介してレーザー光線ブロック用導体を、裏側接地導体を含む発振回路から電気的に絶縁して内装し、
前記スリットもしくはピンホールを介して、レーザー光線で前記誘電体層及びインダクター素子の内装された一部分を部分的に切除する発振器の発振特性調整方法。 - レーザー光線として、YAGレーザーの発振波の二次以上の高調波を使用する請求項7の発振器の発振特性調整方法。
- 内装されたインダクター素子の少なくとも一部分をスリットもしくはピンホールを介して部分的に切除するに際して、裏側接地導体の前記スリットもしくはピンホールの近傍にヒートシンクを接触させる請求項7の発振器の発振特性調整方法。
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