JP4161323B2 - プリント配線板 - Google Patents

Description

本発明は、基板上に形成された高周波回路部と低周波回路部を有するプリント配線板に関し、特に基板外部に放出される不要な高周波信号を低減する技術に関する。

現在、高周波信号を伝送するプリント配線板としては、部品搭載が容易であり、且つ配線の形状等を目視で確認でき、設計変更が容易であることなどから、マイクロストリップラインを用いたプリント配線板が良く用いられている。マイクロストリップラインでは、高周波信号を伝送する伝送路で構成された回路部（以後高周波回路部）の裏面には基準電圧を有するグランド面を設ける必要があるため、通常のプリント配線板とは異なり、基板両面に部品搭載を行うことが困難である。従って、一般的には直流又は低周波信号を伝送する伝送路で構成された回路部（以後低周波回路部）は高周波回路部と同一面上に配設される。

高周波回路部を構成する構成部材のうち、FETやダイオードなどの非線形素子は所望の周波数の信号を生成するが、同時に高調波のような不要な高周波信号をも生成してしまう恐れがあった。これらの高周波は高周波や低周波の伝送路もしくは空間を伝わって低周波回路部等に伝播する。プリント配線板は低周波回路部を介して外部機器と接続されているため、低周波回路部に伝播した不要な高周波信号等が低周波伝送路を通じて回路外部に漏洩してしまう。特に二倍および三倍の高調波の発生量は他の高調波よりも大きな出力であるため、上記プリント基板においてはそのような不要な高周波信号が外部に漏洩しない様に、フィルタ回路等の回路検討が行われていた。

従来、伝送路を伝わって低周波回路に流入する不要な高周波信号を抑制する技術としては、伝送路間の電磁結合を用いたラインフィルタ、抵抗とコンデンサを用いたローパスフィルタ、インダクタンス等のフィルターを基板上に構成してなる接合回路部を介して高周波回路部と低周波回路部を接合することで、高周波の低周波回路部への流入を抑制していた。

一方、空間を伝わって伝播する不要な高周波信号を抑制する技術としては、隣接する高周波回路部と低周波回路部の間に基準電圧を有するグランド部を設置するなどの手法が用いられてきた。
また、高周波回路部に対して伝送路上に塗膜等を行い、高周波回路部のインピーダンスを変化させて、不要な高周波信号の空間伝播を抑制する方法も用いられている（特許文献−１）。この方法は、高周波回路の伝送路上に一定厚の絶縁層を設け、更に導電層を塗膜してＧＮＤ層と導通する形にしている。この方式により、高周波回路部をマイクロストリップラインではなく、ストリップラインとして形成されるために、外部への放射を防止しつつ伝送特性を向上させることが可能となり、且つ不要な高周波信号の伝播を抑制することが可能となる。
特開２００２−０９４１９５号

ところが、プリント配線板上に形成したフィルタでは、伝送路上を伝わる不要な高周波信号を抑制することはできるが、空間を伝播する不要な高周波信号に関しては、抑制が困難である。また、空間電波を抑制するためのグランド部の設置は、回路面積の増大を招いたり、回路構成の制約が付与されてしまう。
また、特許文献−１のように、マイクロストリップラインで形成した高周波回路上に塗膜を行うと、高周波回路に対しての塗膜後の部品実装や、高周波回路の伝送路の調整が困難となってしまう。また部品実装を行った後に塗膜を行うと、電子部品の端子にも塗膜されてしまうため、電子部品の高周波特性が変動してしまい、インピーダンスのずれを発生させて、高周波信号の伝送効率を低下させてしまう可能性もあった。

また、高周波信号の伝送効率が悪くなると、高周波回路部上において高周波信号の反射が発生し、その反射によって不要な高周波信号が発生する可能性があるため、伝送路上の不要な高周波信号が増大する恐れもあった。

そこで、本発明においては、回路面積を増大させること無く、高周波回路における高周波信号の伝送特性を確保しつつ、且つ高周波回路からの低周波回路部への不要な高周波信号の伝播を抑制して、簡便に不要な高周波信号の外部への漏洩を低減することが可能なプリント配線板を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために本発明は、基板と、基板上に配線された高周波信号を伝送する高周波伝送路と高周波回路部品からなる高周波回路部と、前記基板上の前記高周波回路部と同一平面状に配線された直流および低周波を伝送する低周波伝送路と低周波回路部品からなる低周波回路部と、前記基板上の前記高周波回路部と前記低周波回路部との結合部に設けられ、前記高周波信号が前記低周波回路部に流入するのを防止するためのフィルターを有する結合回路部と、を備えるプリント配線板において、前記高周波回路部及び前記結合回路部と接しないように、前記結合回路部の直後の前記低周波回路部を樹脂層で被覆したことを特徴とするプリント配線板を提供する。
かかる構成によれば、低周波回路部が高周波的にストリップラインとみなされることに起因する波長短縮効果によって、高周波回路部からパターンを通じて低周波回路部に流入する不要な高周波信号を抑制できる。また、被覆した樹脂層の誘電体損によって、高周波回路部から空間を通じて低周波回路部へ伝播する不要な高周波信号を抑制することが可能となる。
さらに、高周波回路部に樹脂層を塗布した場合に生じる、高周波回路部の伝送特性の変化を考慮する必要がないため、樹脂層の材質を自由に選択でき、簡便に不要な高周波信号の伝播抑制効果を発現することができる。
上述した効果により、通常、高周波回路部と低周波回路部の間に不要な高周波信号の伝播抑制のために設けるグランド部を用いることなく、不要な高周波信号の低周波回路部への伝播を抑制できるため、回路面積の小型化が可能となる。

本発明の一つの実施形態にかかるプリント配線板では、請求項１乃至２いずれかひとつに記載されたプリント配線板において、前記樹脂層が、レジストの塗布により形成された層であることを特徴とする。
かかる構成によれば、プリント配線板作製時おいて、樹脂層塗布の工程とランドからの半田流出を防止するためのレジスト形成の工程を同時に行えるため、製造工程を増加させることなく、簡便に不要な高周波信号の伝播抑制効果を発現できる。

以上のように、本発明によれば、低周波回路部を樹脂層で被覆することにより、高周波回路部の高周波伝送効率や結合回路部に形成されたフィルターの効果を低下させることなく、低周波回路部への高周波の伝播を抑制することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明にかかる、高周波電子回路用プリント配線板の構成例である。

図１に示すように、プリント配線板１００は基板材１４０上に配線された高周波信号を伝送する高周波伝送路と高周波回路部品からなる高周波信号を伝送する高周波回路部１１０と、低周波伝送路と低周波回路部品からなる直流または低周波信号を伝送する低周波回路部１２０と、が同一平面状に配置され、その背面にはグランド面１５０を備える。また、プリント配線板１００は基板材１４０図１においては高周波回路部１１０と低周波回路部１２０は平行に隣接しているが、どちらかの回路がＵ字またはＶ字に屈曲していても良いし、お互いが接続されていても良い。

図１にあるように、低周波回路部１２０を樹脂層１３０で被覆すると、被覆された回路部は高周波的にはストリップラインとみなされる。すなわち、樹脂層１３０を塗布した回路部においては高周波信号の伝送形態が変化することによる波長短縮効果が生じる。この現象を用いて、高周波回路部１１０から伝送路を伝わって低周波回路部１２０へ流入する高周波を反射させ、流入を抑制することが可能になる。

また、空間を伝わって伝播する高周波に対しては、低周波回路部１２０は樹脂層１３０で被覆されているため、低周波回路部１２０に高周波が伝播するには、樹脂層１３０を通過しなければならない。高周波が樹脂層を通過する際、樹脂層１３０と空間の誘電率の違いによる波長短縮効果が働く。また、誘電体内を高周波が通過するときには誘電体損と呼ばれる損失が生じる。これら現象によって低周波に伝播しようとする高周波信号は、樹脂層１３０の境界面で反射したり、樹脂層内部で減衰されることにより、高周波の低周波回路部１２０への空中伝播を抑制することが可能となる。

なお、波長短縮率は物体を流れる波が比誘電率１（空間の比誘電率）と物体を流れるときの波長比を指し、おおよそ｛（√εｒ）＋１｝／２で表され、物体と空間の誘電体の平均と同義で示される。
上式より、低周波回路に塗布する樹脂層１３０の誘電率は高いほうが大きな波長短縮効果を得ることがわかる。従って、所望の箇所における高周波信号の伝播度合いに応じて塗布する樹脂層の誘電率を選択することで、所望の高周波伝播抑制効果を得ることが可能である。

上述した高周波伝播抑制効果は、高周波の伝送特性がインピーダンス整合に関わるという高周波の特性に起因する。特許文献１のように、高周波回路１１０側に樹脂層１３０を塗布した場合、マイクロストリップラインが樹脂層によりストリップラインとみなされてしまうことに起因する波長短縮効果のため、塗布される側の高周波回路部１１０は樹脂層１３０によるインピーダンスの変化を考慮に入れた設計が必要となってしまう。上述したように、樹脂層１３０の塗布により所望の高周波伝播抑制効果を得るためには樹脂層の材質の選択が必要になるが、材質を変更すると、樹脂層１３０を塗布した高周波回路部１１０のインピーダンスも変更してしまうため、それらのマッチングが難しく、意図した高周波伝播抑制効果が得られない可能性がある。また、一度樹脂層を塗布してしまうと、その後の回路部品変更などができなくなるため、設計の自由度が低下してしまう等といった問題点がある。
一方低周波回路部を流れる高周波の波長は、数十Ｈｚ程度であり、高周波のような厳密なインピーダンス整合を必要としない。従って低周波回路部１１０を樹脂層１３０で被覆する場合においては上述したような、塗布される回路部の影響は考慮する必要がないため、自由に樹脂の材質を選択でき、所望の高周波伝播抑制効果を得ることが可能となる。また、回路の高周波伝播状態を確かめてから後塗りすることも可能になるため、不要な高周波信号の伝播元を特定することもできる。
上記理由より、高周波の低周波回路部１２０への伝播抑制の目的で樹脂層１３０を塗布する場合には、低周波回路部１２０に塗布することが望ましい。

樹脂層として塗布する材質は上述したように多様に選択できるが、たとえば、光硬化性レジストや熱硬化性レジストのようなレジスト材を選択することにより、低周波回路部１２０の防錆効果も得ることができる。また、上記のようなレジスト材は、通常ランドパターン周辺などに一般的に用いられている。そのため、それらの部分にレジストを塗布する工程時に、別段新たな作業工程を加えることなく、低周波回路部１２０へも塗布できるため、作業工程の簡略化が可能である。

図２に、高周波回路部１１０と低周波回路部１２０が結合されている回路構成の一例を示す。高周波回路部１１０と低周波回路部１２０の結合部には、一般的に、高周波信号が低周波回路部１２０に流入するのを防ぐための、結合回路部１６０が設けられる。結合回路部の構成としてはただのパターンでも良いが、通常、高周波回路部１１０を伝播する高周波が低周波回路部１２０へ、伝送路を伝わって流入することを抑制するため、高周波回路と低周波回路の境界部分にラインアンドスペースや抵抗およびコンデンサ、インダクタンスなどのフィルター類を設置する。このような結合回路部１６０により、伝送路を通じた低周波回路部１２０への高周波の流入は大幅に抑制することができる。

しかし、上記フィルター類の高周波流入抑制効果は、流入を抑制したい高周波の周波数とフィルター類の寸法の関係で決まる。周波数が高くなるほど、寸法を厳密に設計することが求められるが、基板作製時には、数十μｍ程度の寸法誤差は避けられないため、その誤差による影響から、高周波の流入を完全に防止することはできない。また、上記フィルター類は伝送路を通じて流入する高周波にのみ有効であって、空間を通じて伝播する高周波については防ぐことが困難である。
上記課題に対し、結合回路部１６０と低周波回路部１２０より低周波側を樹脂層１３０で被覆することによって、結合回路部１６０で除去しきれなかった不要な高周波信号を反射し、かつ、空間から伝播する不要な高周波信号を減衰させることによる高調波の低周波回路部への伝播抑制効果を付与することができ、より確実な高周波信号抑制効果を得ることが可能となる。

図２のような、結合回路１６０を有する回路部に樹脂層１３０を塗布する際には結合回路１６０の回路部に樹脂層が接しないように注意する必要がある。
結合回路１６０に樹脂層を塗布すると、波長短縮効果等によるインピーダンスのずれが生じ、波長と寸法の関係が崩れ、高周波信号抑制効果が大きく減衰してしまう。そのような観点から、高周波回路部１１０と低周波回路部１２０が結合回路１６０を介して結合している回路部近傍においては、図２のように、結合回路１６０直後の低周波回路部１２０から結合回路１６０と樹脂層１３０が接しないように塗布することによって確実な高周波信号抑制効果を発現することができる。

図３に高周波回路部１１０近傍に低周波回路部１２０が隣接している場合の回路構成の一例を示す。

上記「近傍」とは、「基板内において、高周波が低周波回路部１２０に十分伝播すると予測される距離」を指す。一般に高周波が空間伝播するとされる回路部間距離ｄは基板厚さｈと基板の比誘電率εに関係し、一般にｄ＝εｈの関係があるとされる。従って本報告書において「近傍」と称する場合は、回路部間の距離がεｈ以下の場合を指すと定義する。

図３の高周波回路部１１０のように伝送路の屈曲部や、伝送路のエッジは電界の集中により電波が放射されやすい。また、図１の様に高周波回路部１１０と低周波回路部１２０が平行に隣接している場合においても、電波のクロストークの影響により、高周波が低周波側に伝播されやすい。それ以外の回路部においても、高周波回路部１１０と低周波回路部１２０が近傍に隣接する場合、低周波回路部１２０は高周波の空中伝播の影響を受ける可能性がある。通常は図４のように高周波回路部１１０と低周波回路部１２０が隣接する場合、スルーホール１７１でグランド面１５０と接続されたグランド部１７０が高周波回路部１１０と低周波回路部１２０の間に設置され、高周波の伝播を抑制する。しかし、グランド部１７０はスルーホール１７１による接地の確保が必要な分、広い幅方向寸法を必要とするため、回路面積の増大を招く。
上記課題に対し、図３のように、高周波回路部１１０と隣接する低周波回路部１２０を樹脂層１３０で被覆することにより、高周波回路部１１０から伝播する不要な高周波信号は、大気と樹脂層１３０の誘電率の違いによる波長短縮効果により、樹脂層１３０と大気の境界面で反射され、かつ、樹脂層１３０を通過した信号も誘電体損による減衰が生じるため、グランド部がなくとも高周波信号伝播抑制効果を得ることが可能となるため回路面積を増大することなく高周波の低周波回路部１２０への伝播を抑制することが可能となる。

図３のように高周波回路部１１０と低周波回路部１２０が互いの近傍に隣接して設置される箇所の低周波回路部１２０に樹脂層１３０を被覆する場合、樹脂層１３０の幅は広いほど、また、厚さは厚いほど高周波伝播抑制効果は高くなるが、樹脂層１３０が高周波回路部１１０と接触してしまうと、高周波回路部１１０のインピーダンスが変化し、高周波回路部１１０の高周波伝送特性を劣化させる恐れがある。従って、図３のように高周波回路部１１０と低周波回路部１２０が近傍にて隣接する回路部においては、樹脂層１３０は高周波回路部と接しない範囲を被覆する必要がある。

また、図４に示されるような高周波回路部１１０の近傍に低周波回路部１２０が設置され、かつ、高周波回路部１１０と低周波回路部１２０の間にグランド部１７０が設置されているような回路部においても、グランド部１７０からの２次的な高周波の伝播や、空中からの高周波の伝播をさらに抑制する目的で樹脂層１３０を塗布してもよい。樹脂層１３０の塗布により、更なる高周波伝播抑制効果を得ることができる。

図４のようにグランド部１７０を介して高周波回路部１１０と低周波回路部１２０が設置されている場合においては、グランド部１７０と樹脂層１３０が接触していても問題はない。樹脂層１３０の幅が広いほど、厚さが厚いほど、誘電体損の効果により樹脂層１３０内の高周波は減衰されるため、樹脂層１３０はグランド部１７０と接触させても良い。

図５に、図４のプリント配線版においてシールドケース１８０とグランド部１７０が接触する場合の樹脂層１３０塗布様態の一例を示す。シールドケースはプリント配線版１００から放出される高周波が外部に漏洩しないよう、金属で配線版全体を保護するものである。図示するように、高周波の低周波回路部１２０への伝播抑制のため、シールドケース１８０内部に壁面を設けてグランド部１７０と接続し、より確実に接地させる場合がある。樹脂層１３０はグランド部１７０に塗布しても問題はないが、図５の様態においてはシールドケース１８０とグランド部１７０の接地を妨げることになるので、その接触面を避けて樹脂層１３０を塗布することによって、シールドケース１８０とグランド部１７０の接地を確保し、かつ樹脂層１３０によって、グランド部から２次的に低周波回路部１２０に伝播する不要な高周波を、樹脂層１３０の誘電体損により減少することができるため、より確実な高周波伝播抑制効果を発現することが可能となる。

図６に、回路部品１８０が搭載されている低周波回路部１２０の回路回路構成の一例と樹脂層１３０の塗布例を示す。
上記までの説明においては回路部の伝送路の保護についてのみ述べたが、図６のような回路部品が搭載されている場合、部品の電極、または部品の電極と回路部を接続するランド部から高周波が伝播する恐れがある。このような箇所には、部品搭載前に樹脂層で被覆してしまうと、部品の搭載が不可能となってしまうため、十分厚みを持ち、かつ部品搭載後に塗布が可能な、ポッティング材のような樹脂層１３２を、回路部品１８０を含めた低周波回路部１２０全体に塗布することによって、回路部品１８０の電極部やランド部への不要な高周波信号の伝播を抑制することが可能となる。また、その際塗布する樹脂材の選択としては、低周波回路全体をポッティング材のような樹脂層１３２で被覆しても良いし、図のような構成においてはレジスト材のような材質の樹脂層１３３で被覆し、実装部分のみを異なる材質の樹脂層１３２で被覆しても同様の高周波信号抑制効果を発現することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる

：高周波回路部１１０近傍に低周波回路部１２０が設置されたプリント配線板の一例 ：高周波回路部１１０と低周波回路部１２０が結合回路１６０により結合されているプリント配線板の一例 ：高周波回路部１１０近傍に低周波回路部１２０が隣接しているプリント配線板の一例 ：高周波回路部１１０近傍に低周波回路部１２０が隣接し、かつ、高周波回路部１１０と低周波回路部１２０の間にグランド部１７０が設置されているプリント配線板の一例 ：図４のプリント配線板においてグランド部１７０とシールドケース１８０が接続する場合の樹脂塗布様態の一例 ：回路部品１８０が搭載されている低周波回路部１２０における樹脂層１３０の塗布例

符号の説明

１００：プリント配線板
１１０：高周波回路部
１２０：低周波回路部
１３０：樹脂層
１３２：ポッティング材
１３３：レジスト材
１４０：基板材
１５０：グランド面
１６０：結合回路
１６１：フィルター部
１７０：グランド部
１７１：スルーホール
１８０：シールドケース

Claims (2)

1. 基板と、
   基板上に配線された高周波信号を伝送する高周波伝送路と高周波回路部品からなる高周波回路部と、
   前記基板上の前記高周波回路部と同一平面状に配線された直流および低周波を伝送する低周波伝送路と低周波回路部品からなる低周波回路部と、
   前記基板上の前記高周波回路部と前記低周波回路部との結合部に設けられ、前記高周波信号が前記低周波回路部に流入するのを防止するためのフィルターを有する結合回路部と、
   を備えるプリント配線板において、
   前記高周波回路部及び前記結合回路部と接しないように、前記結合回路部の直後の前記低周波回路部を樹脂層で被覆したことを特徴とするプリント配線板。
2. 請求項１に記載されたプリント配線板において、
   前記樹脂層が、レジストの塗布により形成された層であることを特徴とするプリント配線板。

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