JP4613671B2 - 多層配線板の製造方法およびマルチワイヤ配線板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、減衰ピークが生じる周波数を求める方法、減衰ピークが現れない伝送特性をもつ配線を設計する方法及びそれらを用いた配線板に関する。

プリント配線板中で波形の歪みを抑制して高周波信号を伝送するための一つの手段としては、信号線における高周波信号の反射の原因となる特性インピーダンス（以下Ｚｏと略す）の不連続点やＺｏの変動を抑制することが有効である。このための配線板構造としては、配線板の外層回路を信号線とし、その直下のグランド層からの距離を一定に保つマイクロストリップライン構造や、配線板の内層回路を信号線とし、その上下に電源層および／またはグランド層を配置し、これらの距離を一定に保つストリップライン構造が公知例として一般的である。高密度な配線を使用する産業用機器に使用されるものでは、配線収容量に応じて層数を容易に増加できるストリップライン構造の多層配線板が一般的である。

また、このストリップライン構造では信号線を増加させると、これに応じて信号線上下に配置する電源層および／またはグランド層の層数が多く必要となる。このため、信号線層を２層としてこの上下に電源層および／またはグランド層を配置する、いわゆるデュアルストリップラインが、配線板の合計層数を低減できるために多く採用されている。

さらに配線収容密度を高くするための多層配線板としては、所定の配線パターンに絶縁被覆ワイヤを使用したマルチワイヤ配線板（日立化成工業株式会社製、商品名）がある。例えば、特公昭４５−２１４３４号公報にあるように、熱硬化性樹脂積層板等の絶縁基板に、熱可塑性を保持する熱硬化性接着剤を積層または塗布したものに、数値制御布線機によりポリイミド樹脂等の耐熱性樹脂により被覆された絶縁被覆電線（以下、ワイヤと表記する）を這わせていくと同時に接着する（以下、布線と表現する）ことで所定のパターンを配線する。その後プレス等により配線したワイヤを固定し、ワイヤの端末でワイヤを横切るスルーホールをあけてスルーホール周壁に電線の切断面を露出させ、スルーホール内壁に電線の切断面と接続する無電解銅層を形成させて製造するものである。

このマルチワイヤ配線板は、同一配線面でワイヤの交差が可能であるという特徴をもち、多品種少量生産に適する高密度配線板としてコンピュータ、画像処理機器、各種試験機器等の高性能電子機器に使用されている。このマルチワイヤ配線板においても、Ｚｏを制御するために信号線であるワイヤの信号層の上下に電源層および／またはグランド層を配置するストリップ構造を採用してきた。
特公昭４５−２１４３４号公報

近年、電子回路の高速化に伴い、配線板の高周波電気特性の改善要求が高まっている。特に配線板の信号線を伝搬する信号の周波数がギガヘルツ領域の場合においては、メガヘルツ領域の周波数において使用される配線板と比較して、より正確に伝送線路のＺｏを均一に保つことが必要となってきた。

ところで、前記マルチワイヤ配線板においては、前記特徴である同一配線面でのワイヤの交差によって、Ｚｏが交差以外の場所と比較して若干低下することが分かっていたが、信号の周波数が１ＧＨｚ以下の場合には信号の歪みおよび伝送損失については実質上の問題は顕在化していなかった。

しかし、１ＧＨｚを超える周波数においては、配線板内の信号の波長が配線長と同程度の長さになるため、上記のＺｏの不連続による信号品質の劣化が無視できなくなってきた。具体的には、複数のＺｏ不連続点で信号が反射し、かつこれらの反射した信号が同位相で重畳する周波数で出力端における信号が減衰すること、この周波数を高調波成分にもつディジタル信号が歪むことが分かってきた。この現象は、通常の多層配線板で用いられる、上述したストリップ構造やマイクロストリップ構造、信号線層が２層からなるいわゆるデュアルストリップ構造においても、複数のＺｏの不連続点が含まれる信号線で発生しうるものである。

従来、配線板の電気特性は各種の構造、絶縁材料や配線パターンを用いてテスト基板を作製し、ベクトルネットワークアナライザ等を用いて信号線の通過特性を計測することによって確認してきた。しかしながら、最近の１ＧＨｚを越える高周波信号の通過特性を計測する場合には、単なる接触式の治具では、その治具自体の電気特性が高周波信号に対応していないため、配線板の真の電気特性を評価することが容易ではない状況である。このため、配線の端部には高周波信号に対応した例えばＳＭＡ型やＫ型等のコネクタを取り付けられるようにしたテスト基板を作製し、製品とは別に評価しているのが実状である。

そして上記テスト基板での評価の結果から、絶縁材料、配線板構造、配線パターン等の制約事項を導き出し、これをフィードバックして配線板を設計し、製造している。このようにして製造された実際の製品基板においては、基板中の全ての配線を実測することは極めて困難である。このため、実際の部品を実装して機能試験を行い、不具合があった場合は、その原因を究明して対策するという手順で製品化が行われており、製品化までの期間の短縮を妨げる要因となっている。

このため、基板製造前の配線設計段階で、配線板の電気特性を評価することは重要であり、１ＧＨｚを越える高周波信号を通す配線板においては、高周波信号の通過特性を予測する手段が必要となってきた。現状において高周波信号の通過特性の予測は、電磁界解析等のシミュレーションに依存している。しかしながらシミュレーションの扱いと実行には、配線板材料の物性値や幾何学的寸法に関する高度な知識と熟練が必要である点が、通過特性を予測する上での課題であった。本発明はこれらの課題を解決するものであり、配線板の設計段階で高周波伝送特性を容易に予測する方法すなわち減衰ピークの周波数を求める方法、配線を設計する方法と、この方法に基づいて得られた、配線収容密度の高い配線板を提供するものである。

本発明は、以下のとおりである。
（１）マイクロストリップ構造またはストリップ構造をもつ配線板に含まれる信号線に高周波信号を通した場合に、フーリエ変換の演算を用いて信号線において減衰ピークが生じる周波数を求める方法。
（２）配線板の信号線の特性インピーダンスを決定する要素である、当該信号線となる導体の幾何学的断面寸法、電源層および／またはグランド層と導体の幾何学的距離、絶縁層の比誘電率の値、信号線近傍にあるスルーホールやＩＶＨの幾何学的寸法や位置情報、信号線近傍の電源層および／またはグランド層にある導体を除去した領域の幾何学的寸法や位置情報を、フーリエ変換の演算に使用した項（１）に記載の信号線において減衰ピークが生じる周波数を求める方法。
（３）ストリップ構造の配線板において２層以上の当該信号線が配線される信号線層を持ち、信号線層の各々の層に信号線があって、これらが配線板の上面から見たときに交差する部分の位置を信号線交点とする場合、信号線の始終端から信号線交点までの位置情報をフーリエ変換の演算に使用した項（１）に記載の信号線において減衰ピークが生じる周波数を求める方法。
（４）配線板の信号線の特性インピーダンスの実測値を、フーリエ変換の演算に使用した項（１）に記載の信号線において減衰ピークが生じる周波数を求める方法。
（５）項（１）〜（４）に記載の信号線において減衰ピークが生じる周波数を求める方法を用いて、減衰ピークが現れない伝送特性をもつ配線を設計する方法。
（６）項（５）に記載の方法を用いて設計された配線を有する配線板。
（７）絶縁被覆されたワイヤを信号線の導体として用いた配線板に含まれる信号線に高周波信号を通した場合に、フーリエ変換の演算を用いて信号線において減衰ピークが生じる周波数を求める方法。
（８）配線板の信号線の特性インピーダンスを決定する要素である、当該信号線となるワイヤの幾何学的寸法、電源層および／またはグランド層と導体の距離、絶縁層の比誘電率の値、信号線近傍にあるスルーホールやＩＶＨの幾何学的寸法や位置情報、信号線近傍の電源層および／またはグランド層にある導体を除去した領域の幾何学的寸法や位置情報を、フーリエ変換の演算に使用した項（７）に記載の信号線において減衰ピークが生じる周波数を求める方法。
（９）配線板の信号線であるワイヤと交差する他のワイヤとの交点があり、信号線の始終端から信号線交点までの距離をフーリエ変換の演算に使用した項（７）に記載の信号線において減衰ピークが生じる周波数を求める方法。
（１０）配線板の信号線の特性インピーダンスの実測値をフーリエ変換の演算に使用した項（７）に記載の信号線において減衰ピークが生じる周波数を求める方法。
（１１）項（７）〜（１０）に記載の信号線において減衰ピークが生じる周波数を求める方法を用いて、減衰ピークが現れない伝送特性をもつ配線を設計する方法。
（１２）項（１１）に記載の方法を用いて設計された配線を有する配線板。

本発明によって、減衰ピークの周波数を求めることで信号線の高周波伝送特性を予測する方法、配線を設計する方法と、この方法に基づいて配線板のコストを上げることなく、配線収容密度が高く、信号の伝送特性に優れた配線板を容易に提供することができた。

まず、本発明の配線板の構成について詳述する。
信号線として使用する導体は、サブトラクト法によって銅張積層板上に形成された配線パターンや、アディティブ法またはセミアディティブ法によって絶縁基板上に無電解銅めっきや電解銅めっきによって形成された配線パターンなどが挙げられる。

その後、絶縁層として広く用いられる、プリプレグと呼ばれる、ガラスクロスに樹脂を含浸させ半硬化状態とした絶縁シートと重ね合わせて多層板構造とするが、この時に絶縁樹脂との密着性を向上するために、導体表面には酸化および／または還元反応や、エッチングによって微細な凹凸を付与する内層表面処理が一般的に行われている。このような、微細な凹凸は１ＧＨｚを超える高周波信号にとっては導体抵抗の増加につながるため、できるだけ凹凸の大きさを低減する必要がある。さらに前述した方法によって形成した配線パターンは、一般的に断面が矩形であるため、高周波信号の伝搬時には導体断面の角部分に電流が集中し、導体抵抗が増加する。従って導体断面は可能な限り円形に近いことが望ましい。

このため、高密度配線の実現と導体損失低減の観点からは、導体表面凹凸が小さくかつ均一断面形状をもつ、押出し加工を行った微細銅芯線にポリイミド樹脂等の絶縁層を塗布した絶縁被覆ワイヤが好ましい。このような微細な絶縁被覆ワイヤとしては、上記文献等に記載された様なマルチワイヤ配線板用に量産されているワイヤがある。例としては直径０．０８ｍｍの軟銅線にポリイミドを約２０μｍ焼付け塗装し、さらにフェノキシ樹脂系の樹脂層をＢステージ状態で約１０μｍ塗布したものが好適で、市販品としては日立電線製のＨＡＷ−２１６Ｃがある。

このワイヤを布線、固定する熱可塑性を保持する熱硬化性接着剤としては、合成ゴムを主成分とする樹脂にエポキシ樹脂とその硬化剤を添加した樹脂組成物や、フェノキシ樹脂にエポキシ樹脂とカチオン性光重合開始材と、これを熱に対して不安定化させる成分を加えた樹脂組成物や、さらにはＴｇの高いエンプラであるポリアミドイミド樹脂を主成分として、これにエポキシ樹脂や架橋促進剤を加えた樹脂組成物が適用できる。市販品としては日立化成工業製の光硬化性をもつＡＳ−Ｕ０１（商品名）がある。

これらワイヤおよび接着シート層を配置する絶縁基板としては、一般に市販されている銅張積層板が利用できる。市販品としては、日立化成工業製のＦＲ−４材であるＭＣＬ−Ｅ−６７や、さらにＴｇの高いＭＣＬ−Ｉ−６７１等がある。また電気特性を良好とするためには、誘電率、誘電正接が小さなＭＣＬ−ＬＸ−６７などがある。

また、固定したワイヤ層を持つ基板を他の基板と一体化するためには、一般に市販されているガラスクロスに絶縁樹脂を含浸させてＢステージとした、いわゆるプリプレグが使用できる。市販品としては、日立化成工業製のＦＲ−４材であるＧＥＡ−６７やＴｇの高いＧＥＡ−６７９、さらにＴｇが高く耐熱性に優れたＧＩＡ−６７１などがある。また電気特性を良好とするためには誘電率、誘電正接が小さなＧＥＡ−ＬＸ６７等がある。

信号の伝送方式としてはグランドもしくは電源層に挟まれ、１本の信号線を伝送線路としたシングルエンド伝送方式や、ペアとなる２本の導体を伝送線路とした差動伝送方式が挙げられるが、高速高周波信号の伝送を行う点からは差動伝送方式が好ましい。

以下、図面を用いて本発明について説明する。この説明においては信号線として絶縁被覆されたワイヤを用いたマルチワイヤ配線板の実施形態について説明するが、電気特性に関する記述は、信号線としてサブトラクト法、アディティブ法およびセミアディティブ法等によって銅張積層板上に形成された導体を信号線に用いた配線板においても同様に適用できる。

図１は本発明の実施形態の一例を示し、配線の交差部分を拡大したものである。図１（ａ）は配線交差部分を平面から見た透視図であり、図１（ｂ）はＡ−Ａ’部分、図１（ｃ）はＢ−Ｂ’部分の断面図である。図１（ａ）において、信号線となるワイヤ１、１’、２，２’は差動信号伝送用のペア配線であり、１と１’（または２と２’）の２本で一対の信号線（ワイヤ）を構成している。このワイヤはポリイミドで絶縁被覆されたものが好適で、あらかじめ基板上に形成された接着剤層４によってワイヤは固定され、さらにプリプレグ層３とグランド層または電源層５を形成している。ペア配線間のワイヤ距離は、特性インピーダンスの設計値に合わせて調整されるべきであるが、上下に配置するグランド層および／または電源層の距離やワイヤ芯線の直径、使用する絶縁層の種類によって決定する。一例を示すと、ワイヤの芯線の直径が０．０８、上下に配置するグランド層および／または電源層の距離が０．４ｍｍ、使用する材料が市販のＦＲ−４材と同等の誘電特性であって、ワイヤ１’に対するワイヤ１の差動インピーダンスを１００Ωとして設定したい場合には、ワイヤ中心間の距離は０．２３ｍｍが好適である。絶縁されたワイヤを使用しているためワイヤ同士は交差が可能であり、図１（ｂ）に示した信号線長さ方向に垂直な断面図では、交差ワイヤ２がワイヤ１の上部を跨ぐ配置を例示しているが、ワイヤ２はワイヤ１の下部を潜る配置であってもよい。

さらに図２を用いて図１の構造を形成する方法の一例を以下に説明するが、本発明は、これに限定するものではない。まず、図２（ａ）は回路形成した銅張積層板６であり、グランド層または電源層５の導体回路を予め設けた状態を示した。この回路は、ガラス布エポキシ樹脂銅張積層板やガラス布ポリイミド樹脂銅張積層板等を公知のエッチング法等により形成できる。なお、この内層回路は多層回路とすることもできる。

図２（ｂ）は、形成したグランド層および／または電源層の表面に絶縁層３を形成した図である。これはこの表面上に配置するワイヤとの距離を一定に保ち、特性インピーダンスを調整するために設けられる。この絶縁層３には、通常のガラス布エポキシ樹脂やガラス布ポリイミド系樹脂のＢステージのプリプレグ、あるいはガラスクロスを含まないＢステージの樹脂シート等が使用できる。これらの絶縁層３は、基板にラミネートした後、必要に応じて熱処理あるいは積層による硬化等を行う。

次に、図２（ｃ）に示すように、絶縁被覆ワイヤを布線、固定するための接着剤層４を形成する。接着剤層４を設ける方法としては、前記接着剤（熱可塑性を保持する熱硬化性接着剤）をスプレーコーティング、ロールコーティング、スクリーン印刷法等で直接絶縁基板に塗布、乾燥する方法等がある。また均一な膜厚の接着剤層４を得るには、ポリプロピレンやポリエチレンテレフタレート等のキャリアフィルムに、一旦ロールコートして塗工乾燥しドライフィルムとした後、絶縁基板にホットロールラミネートまたはプレスラミネートする方法が好ましい。

次に、図２（ｄ）に示すように、絶縁被膜したワイヤ１を布線する。この布線は、一般に布線機により超音波振動等を加えながら加熱して行う。これにより、接着剤層４が軟化して接着剤層４中に埋め込まれる。その後、布線した基板表面の凹凸を低減し、部品実装時にふくれの原因となる接着剤層４内に残存している空隙（ボイド）を除去する加熱プレス工程を追加できる。また、必要に応じてこの加熱プレス後、加熱処理により接着剤層４に残存している揮発分を除去しても良い。

次に、図２（ｅ）に示すように、絶縁被覆したワイヤ１を保護し、さらにストリップ構造とするために絶縁層３と銅箔１０を重ね合せて加熱プレスする。この絶縁層３としては、上述した通常のガラス布エポキシ樹脂やガラス布ポリイミド樹脂のＢステージのプリプレグ、あるいはガラスクロスを含まないＢステージの樹脂シート等が適用できる。

次に、図３（ｆ）に示すように、必要な箇所に穴明けを行った後、めっきを行う。ワイヤ１末端でワイヤを横切る穴明け（スルーホール）を行い、ワイヤの端末、スルーホール周壁に電線の切断面を露出させ、スルーホール内壁に電線の切断面と接続するめっきを形成させてワイヤとの導通を図る。以上のような製造方法で布線層が２層のマルチワイヤ配線板が完成する。

次に、完成した２層布線のマルチワイヤ配線板を図３（ｇ）に示すように、２枚のマルチワイヤ配線板を絶縁層３としてガラス布エポキシ樹脂やガラス布ポリイミド樹脂のＢステージのプリプレグ、あるいはガラスクロスを含まないＢステージの樹脂シート等を介して、積層接着する。その後、必要な箇所に穴明けを行った後、めっきを行う。以上のような製造方法で布線層が４層のマルチワイヤ配線板が完成する。また、２層布線のマルチワイヤ配線板を３枚以上用いて、絶縁層３を介して積層接着することにより、布線層が６層以上のマルチワイヤ配線板とすることもできる。また、必要に応じて、２枚以上の２層布線マルチワイヤ配線板の間に、回路を形成した層を含ませることもできる。

さらに、図３（ｈ）に示すように、図２（ｄ）で作製した２層のワイヤ配線層を持つ基板９と、図２（ａ）に例示した回路加工した銅張積層板６で、上述のプリプレグを挟んで交互に重ね合わせて一括で積層する事で、ワイヤ配線層を４層以上持つマルチワイヤの高多層板を作製することができる。

本発明は、マイクロストリップ構造またはストリップ構造をもつ配線板に含まれる信号線に高周波信号を通した場合に、信号線において減衰ピークが生じる周波数をフーリエ変換の演算を用いて求める方法である。また本発明は、絶縁被覆されたワイヤを信号線の導体として用いた配線板に含まれる信号線に高周波信号を通した場合に、信号線において減衰ピークが生じる周波数をフーリエ変換の演算を用いて求める方法である。以下前記構成で製造される配線板中の信号線において、減衰のピークが生じる周波数を予測する手法について述べる。この手法はマルチワイヤ配線板について当該信号線の端部からワイヤ交差点までの距離を用いて予測する手法について述べるものであるが、一般的なサブトラクト法、アディティブ法、セミアディティブ法等で作製したストリップライン構造もしくはマイクロストリップライン構造の配線板においても、例えば配線板断面の幾何学的寸法である導体幅、高さ、グランド層または／および電源層と信号線層との距離等、Ｚｏを決定する因子を用いて同様に適用できるものである。また、この手法は差動伝送方式について述べるものであるが、シングルエンド伝送方式であっても同様に適用できるものである。

以下は信号線のＺｏに影響を及ぼす要因として、マルチワイヤ配線板のワイヤ交差を例に取って説明したものであるが、特に要因をこれに限定するものではない。まず、伝送特性の予測を行う信号線について、当該信号線の端部から他の信号線と交差する点までの距離を求める。例えば図４（ａ）に示すように、信号線となるワイヤに対し、他のワイヤが交差している場合、始点Ｓから各交差点までの距離はｅ、ｅ＋ｐ、ｅ＋２ｐ、・・・・ｅ＋ａ＋ｂ、ｅ＋ａ＋ｂ＋ｐ、ｅ＋ａ＋ｂ＋２ｐ・・・となる。なお、多層配線板がデュアルストリップ構造の場合には、２層の当該信号線が配線される信号線層を持ち、信号線層の各々の層に信号線があって、これらが基板の上面から見たときに交差する部分の位置を信号線交点とする。

このとき信号線の距離の精度を決定する、距離の最小単位（以後、配線物理長の分解能と定義し、Δｘで表記する）は、当該信号線の始点から終点までの距離と比較して十分短く設定することが望ましい。Δｘを決める目安は次に述べる通りである。まず、フーリエ変換によって求めようとする所望の周波数帯域の最大周波数をｆ_ｍａｘ［Ｈｚ］と定義する。次に配線板中を伝搬する信号の波長短縮率をαと定義する。そして以下の（１）式を満たす範囲にΔｘを設定する。

例えば一般的なＦＲ４材における波長短縮率を例に挙げると、α＝０．５３であり、ｆ_ｍａｘ＝２０［ＧＨｚ］とする場合であれば、（１）式よりΔｘ＜３．９７５［ｍｍ］となる。これは時間領域の連続信号を離散区間でサンプリングした場合に、元の連続信号を復元するためには連続信号に含まれる最大周波数成分の２倍のサンプリング周期を必要とする標本化定理に基づく。また、さらにΔｘの精度を上げることによって、ｆ_ｍａｘを高く設定する場合は、例えばΔｘ＝１［ｍｍ］や、Δｘ＝０．１［ｍｍ］としてもよい。

次に、当該信号線端部からの任意の距離をｘ_ｋ＝ｋΔｘ（ｋは整数）と定義する。そして距離ｘ_ｋ［ｍｍ］の位置において、単位区間長あたりに含まれる交差点数をｆ（ｘ_ｋ）［点／ｍｍ］と定義し、ｆ（ｘ_ｋ）を求める。例えば単位区間長をａ［ｍｍ］とし、当該信号線端部からの距離がｘ_ｋ［ｍｍ］の位置を起点とした、ａ［ｍｍ］の区間内に含まれる交差点数がｎ_ｋ点であった場合は、ｆ（ｘ_ｋ）は以下の（２）式によって表すことができる。

このときの区間ａの値は任意に設定することができるが、ディジタル信号の立ち上がり時間内に信号が進む物理長と同程度であることが好ましい。例えば一般的なＴＤＲオシロスコープのステップ信号の立ち上がり時間を例に挙げると、立ち上がり時間＝３５ｐｓｅｃ程度であり、一般的なＦＲ４材の波長短縮率αをα＝０．５３とすると、３５ｐｓｅｃ間に信号が進む物理長は約５．５ｍｍとなる。従って例えばａ＝５．５ｍｍとすることもできる。以後、ｆ（ｘ_ｋ）を配線物理長に対する交差点密度分布と呼ぶ。

次に、フーリエ変換を行うために、配線物理長に対する交差点密度分布を、時間領域に対する交差点密度分布に変換する。配線板中を伝搬する信号の信号の伝搬速度をｖ［ｍｍ／ｓｅｃ］と定義すると、ｖは波長短縮率：αを用いて以下の（３）式で求められる。

従って時間領域に対する交差点密度分布をｆ（ｔ_ｋ）［点／ｓｅｃ］と定義すると、ｆ（ｔ_ｋ）は（２）式のｆ（ｘ_ｋ）をｖで割った、以下の（４）式によって求められる。ここで当該信号線の始点から終点までの長さをＬ［ｍｍ］と定義した。

本発明の説明においてはｆ（ｔ_ｋ）を時間領域に対する交差点密度分布と定義したが、一般的なサブトラクト法、アディティブ法、セミアディティブ法等で作製したストリップライン構造もしくはマイクロストリップライン構造の配線板においては、ｆ（ｔ_ｋ）は時間領域に対する信号線の長さ方向に対する配線幅の分布、配線高さの分布、グランド層または／および電源層と信号線との距離の分布など、Ｚｏを決定する他の因子に置き換えることができる。

次に、（４）式のｆ（ｔ_ｋ）に対してフーリエ変換を行う。一般的に時間領域における連続信号は、フーリエ変換によって周波数領域の関数で表すことができるが、本発明においてｆ（ｔ_ｋ）は離散値であるため、離散フーリエ変換（ＤＦＴ：Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を行う必要がある。ＤＦＴの結果、（４）式で得た時間領域に対する交差点密度分布は、周波数領域に対する交差点密度分布に変換される。なお、ＤＦＴの定義より、変換後の周波数分解能Δｆは、Δｆ＝ｖ／Ｌ［Ｈｚ］、周波数帯域の最大周波数ｆ_ｍａｘは、ｆ_ｍａｘ＝ｖ／（２Δｘ）［Ｈｚ］となる。

このＤＦＴの演算を計算機によって行う方法は特に限定しないが、一般にＤＦＴは演算量が極めて多くなることがあるため、高速に演算を行う場合は高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を用いることが望ましい。ＦＦＴの演算を行う場合は時系列データのサンプル点数は１０２４ポイント、２０４８ポイント、４０９６ポイント等、２のべき乗である必要がある。交差点密度分布ｆ（ｔ_ｋ）のサンプリング点数をＮとしたとき、Ｎがこれら２のべき乗に満たない場合（例えばＮ＝１０００、２０００、３０００など）は、（イ）不足分のポイントを全て零とする方法、（ロ）ポイント数を満たすまでｆ（ｔ_ｋ）の数値を繰り返す方法、（ハ）ｆ（ｔ_ｋ）のサンプリング間隔に適当な係数を乗じてポイント数に合わせる方法が挙げられ、この方法は特に限定しない。ただし（ハ）の方法を用いる場合はＦＦＴを行った後、再び係数を除して補正を行うことで正しいＦＦＴ結果を得ることができる。また、ＦＦＴ演算を行う際の窓関数は、ハミング窓、ハニング窓、ブラックマンハリス窓、窓関数なしのＦＦＴなどが挙げられるが、この窓関数の種類と適用の有無は特に限定しない。

以上の手順を経て演算を行ったフーリエ変換の結果から、周波数領域に対する交差点密度分布が得られる。これを交差点密度分布のフーリエ係数スペクトラムと定義する。このとき現れるスペクトラムのピークが、当該信号線に高周波信号を伝搬させた場合に大きく減衰ピークが生じる周波数に対応する。スペクトラムのピークが現れる周波数をｆｏ、当該信号線に高周波信号を伝搬させた場合に大きく減衰ピークが生じる周波数をｆ’ｏとすると、これらの周波数の間には以下の関係式（５）が成立する。

これによって、ネットワークアナライザ等を用いて当該信号線の通過特性を測定することなく、配線の交差位置データから当該信号線で発生する減衰の極大値の周波数を求めることができる。また、スペクトラムのピーク値から、当該信号線で発生する減衰の相対的な大きさも求めることができる。

本発明の手法を用いて配線に高周波信号を通過させた場合に生じる減衰の極大値を求める配線パターンを図４（ａ）、（ｂ）に示した。同図（ａ）に示す配線パターンは実製品には見られないパターンではあるが、配線ピッチ０．２３ｍｍの差動伝送用のペア配線であり、このワイヤに０．２３ｍｍピッチで４４本を幅９．９１ｍｍ（図４（ａ）中のａ）にわたってワイヤを交差させたパターンを２５．４ｍｍ（図４（ａ）のｃ＝ａ＋ｂ）の繰返し単位で１１個配置したものである。なお、ペア配線の長さは４００ｍｍ、交差するワイヤの長さは５０ｍｍである。以後このパターンをパターンＡと呼ぶ。同図（ｂ）に示す配線パターンは、同図（ａ）と同様に信号線にワイヤが交差したパターンであるが、ワイヤの交差間隔に周期性はなく、ばらばらの間隔で交差ワイヤが配置されている。ペア配線の長さと交差するワイヤの長さは同図（ａ）と同じである。以後このパターンをパターンＢと呼ぶ。

これらの配線パターンの配線交差点密度分布を図５（ａ）、（ｂ）に示した。ここでは単位区間長を１ｍｍとし、０．１ｍｍ間隔で交差密度を算出した。このとき配線を伝搬する信号の速度は、誘電体の実効比誘電率εｒ＝４として、ｖ＝ｃ／√εｒ＝１６０ｍｍ／ｎｓｅｃとすると、ペア配線の長さ４００ｍｍを信号が通過する時間は４００／１６０＝２．５ｎｓｅｃ、０．１ｍｍ区間の通過時間Δｔ＝０．１／１６０＝０．０００６２５ｎｓｅｃ、またポイント数は４００／０．１＝４０００ポイントである。本実施例においてフーリエ変換は９６ポイント分の零を追加し、４０９６ポイントのＦＦＴを行った。従ってＦＦＴ後の周波数分解能Δｆは、Δｆ＝１／２．５ｎｓｅｃ＝４００ＭＨｚ、周波数帯域ｆ_ｍａｘは、ｆ_ｍａｘ＝１／２Δｔ＝８００ＧＨｚとなる。図５の交差点密度分布を時間領域に換算した結果を図６（ａ）、（ｂ）に示した。

図６で得られた時間領域のデータをＦＦＴによって周波数領域に変換した結果を図７（ａ）、（ｂ）に示した。なお、同図の結果は周波数軸を１／２に補正し、１〜１０ＧＨｚの周波数帯域で示した。同図（ａ）より、パターンＡのＦＦＴ結果では３．２ＧＨｚ、６．４ＧＨｚ、９．６ＧＨｚ付近にピークが現れている。一方パターンＢのＦＦＴ結果では、パターンＡで見られるようなピークは現れていない（図７（ｂ）参照）。

次に、図４（ａ）、（ｂ）で示した配線パターンを実際にマルチワイヤ配線板で作製した。まずガラス布ポリイミド系樹脂を用いた両面銅張積層板ＭＣＬ−Ｉ−６７１（日立化成工業株式会社会製、商品名）に通常のエッチング法により回路を形成した。次いで、仕上り厚み５０μｍのガラス布ポリイミド系樹脂プリプレグＧＩＡ−６７１（日立化成工業株式会社製、商品名）を該基板の両面にプレス、硬化して絶縁層を形成した。次いで、ワイヤ固定用の接着剤層として厚み８０μｍのＡＳ−Ｕ０１（日立化成工業株式会社、商品名）を該基板の両面にロール温度１００℃、送り速度０．４ｍ／分の条件でホットロールラミネートして接着剤層を形成した。

続いて、ＡＳ−Ｕ０１の離形処理ＰＥＴフィルムを剥がした該基板に片面づつポリイミド被覆ワイヤ（日立電線株式会社製、ワイヤＨＡＷ−２１６Ｃ、銅線径０．０８ｍｍ）を布線機により、超音波加熱を加えながら布線した。この布線に用いた配線パターンは図４（ａ）、（ｂ）に示したパターンと同じものを使用した。

その後、布線に続いて高圧水銀灯により、両面に５００ｍＪ／ｃｍ^２の光照射を行った。次いで、該基板をシリコンゴムをクッション材として１３０℃、３０分、２０ｋｇｆ／ｃｍ^２の条件で加熱プレスした。引き続き、高圧水銀灯により、両面に３Ｊ／ｃｍ^２の光照射を行って、接着剤層を硬化させた。

次に仕上り厚み９０μｍのガラス布ポリイミド系樹脂プリプレグ（日立化成工業株式会社製、ＧＩＡ−６７１）３枚、その外側に３５μｍ厚みの銅箔を両面に配置し、プレス、硬化させた。続いて、必要箇所に穴をあけた後、ホールクリーニングなどの前処理を行い、さらに、無電解銅めっき液に浸漬し、３０μｍの厚さにスルーホールめっきを行った後、表面に回路を形成した。

続いて信号線ワイヤの高周波特性を測定するために、ワイヤ端部からスルーホールで引き出した信号線にＳＭＡコネクタ（ＳＵＨＮＥＲ社製８２ＳＭＡ−５０−０−１／１１１ＮＨ）をはんだ付けし、完成基板とした。ネットワークアナライザ（Ａｇｉｌｅｎｔ社製Ｅ８３６４Ｂ＋Ｎ１９５７Ａ−Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ Ｔｅｓｔ Ｓｙｓｔｅｍ）を用い、図４に示した配線パターンの差動通過特性（ＳＤＤ２１）を実測した結果を図７に示した。同図より、パターンＡのＳＤＤ２１は、周波数の増加と共にほぼ一定の傾きで低下しているが、３．２ＧＨｚ、６．４ＧＨｚ、９．６ＧＨｚ付近に減衰のピークが現れている。なお、５．８ＧＨｚ付近に現れているピークは、配線とケーブルを接続するコネクタ部における不整合に起因するものであり、配線パターンの減衰とは無関係である。

これに対し、パターンＢのＳＤＤ２１はパターンＡに見られた減衰のピークは現れていない。そしてこれらの結果はフーリエ変換によって配線の交差点密度分布から求めた図７の結果とピーク周波数、ピークの有無が一致しており、ピークの相対強度もほぼ一致している。

以上述べたように、配線設計段階で明らかになっている配線の交差密度分布のみから、パターンの周期性に起因した減衰が生じる周波数を求めることができるため、上記結果に基づいて予め配線パターンの変更を行うことで、減衰ピークが現れない伝送特性をもつ配線板を製造することができる。

本発明は配線板の製造工程において特殊な材料を使用する、もしくは工程を付加する必要なく、信号の伝送特性に優れた配線板を製造することができる。また本発明による設計方法を使用することによって、配線板のコストを上げることなく、配線収容密度が高く、信号の伝送特性に優れた配線板を容易に提供することができる。

この発明の実施形態を示す配線板の構造の一例を示した断面図および平面から見た透視図。 この発明の実施形態を示す配線板の断面図。 この発明の実施形態を示す配線板の断面図。 この発明の実施例の配線パターンの一例を示した図。 図４の配線パターンの交差点密度分布と配線長との関係を示した図。 図４の配線パターンの交差点密度分布と信号の伝搬時間との関係を示した図。 この発明の実施によって得た交差点密度分布のフーリエ変換結果を示した図。 この発明の実施形態に基づいて作成した配線板の信号線について、通過特性を測定した結果示した図。

符号の説明

１、１’：信号線ワイヤ
２、２’：交差線ワイヤ
３：プリプレグ層（絶縁層）
４：接着剤層
５：グランド層または電源層
６：回路加工した銅張積層板
７：スルーホール
８：スルーホールめっき
９：２層のワイヤ配線層を持つ基板
１０：銅箔

Claims (6)

1. マイクロストリップ構造またはストリップ構造を有し、第１の信号線が形成された第１の信号線層と、前記第１の信号線に交差する複数の第２の信号線が形成された第２の信号線層と、を含む多層配線板の製造方法であって、
   前記第１の信号線の端部からの距離をｘ_ｋとした場合に、前記多層配線板の積層方向から見たときに前記第１の信号線と前記第２の信号線とが交差する交差点の数を前記距離ｘ_ｋの位置における単位区間長ごとに算出し、前記第１の信号線の配線物理長に対する交差点密度分布ｆ（ｘ_ｋ）[点／mm]を求める第１ステップと、
   前記第１の信号線を伝播する信号の伝播速度を用いて、前記第１ステップで求めた前記第１の信号線の前記配線物理長に対する前記交差点密度分布ｆ（ｘ_ｋ）を時間領域に対する交差点密度分布ｆ（ｔ_ｋ）[点／sec]に変換する第２ステップと、
   フーリエ変換の演算を用いて、前記第２ステップで求めた前記時間領域に対する交差点密度分布ｆ（ｔ_ｋ）を周波数領域に対する交差点密度分布に変換する第３ステップと、
   前記第３ステップで求めた前記周波数領域に対する交差点密度分布において、前記多層配線板に高周波信号を通した場合に減衰ピークが生じる周波数が存在するか否かを検出する第４ステップと、
   前記第４ステップにおいて、前記減衰ピークが生じる周波数が検出された場合に、前記第１の信号線に対する前記第２の信号線の配線パターンを再設計する第５ステップと、
   を含む多層配線板の製造方法。
2. 前記第１及び第２の信号線の特性インピーダンスを決定する要素である、前記第１及び第２の信号線となる導体の幾何学的断面寸法、電源層および／またはグランド層と導体の距離、絶縁層の比誘電率の値、前記第１及び第２の信号線近傍にあるスルーホールやＩＶＨの幾何学的寸法、前記第１及び第２の信号線近傍の電源層および／またはグランド層にある導体を除去した領域の幾何学的寸法を、フーリエ変換の演算に使用した請求項１に記載の多層配線板の製造方法。
3. 前記第１及び第２の信号線における特性インピーダンスの計算値または実測値を、フーリエ変換の演算に使用した請求項１に記載の多層配線板の製造方法。
4. 絶縁被覆されたワイヤを信号線の導体として用い、第１の信号線が形成された第１の信号線層と、前記第１の信号線に交差する複数の第２の信号線が形成された第２の信号線層と、を含むマルチワイヤ配線板の製造方法であって、
   前記第１の信号線の端部からの距離をｘ_ｋとした場合に、前記マルチワイヤ配線板の積層方向から見たときに前記第１の信号線と前記第２の信号線とが交差する交差点の数を前記距離ｘ_ｋの位置における単位区間長ごとに算出し、前記第１の信号線の配線物理長に対する交差点密度分布ｆ（ｘ_ｋ）[点／mm]を求める第１ステップと、
   前記第１の信号線を伝播する信号の伝播速度を用いて、前記第１ステップで求めた前記第１の信号線の前記配線物理長に対する前記交差点密度分布ｆ（ｘ_ｋ）を時間領域に対する交差点密度分布ｆ（ｔ_ｋ）[点／sec]に変換する第２ステップと、
   フーリエ変換の演算を用いて、前記第２ステップで求めた前記時間領域に対する交差点密度分布ｆ（ｔ_ｋ）を周波数領域に対する交差点密度分布に変換する第３ステップと、
   前記第３ステップで求めた前記周波数領域に対する交差点密度分布において、前記マルチワイヤ配線板に高周波信号を通した場合に減衰ピークが生じる周波数が存在するか否かを検出する第４ステップと、
   前記第４ステップにおいて、前記減衰ピークが生じる周波数が検出された場合に、前記第１の信号線に対する前記第２の信号線の配線パターンを再設計する第５ステップと、
   を含むマルチワイヤ配線板の製造方法。
5. 前記第１及び第２の信号線の特性インピーダンスを決定する要素である、前記第１及び第２の信号線となるワイヤの径、電源層および／またはグランド層と導体の距離、絶縁層の比誘電率の値、信号線近傍にあるスルーホールやＩＶＨの幾何学的寸法、前記第１及び第２の信号線近傍の電源層および／またはグランド層にある導体を除去した領域の幾何学的寸法を、フーリエ変換の演算に使用した請求項４に記載のマルチワイヤ配線板の製造方法。
6. 前記第１及び第２の信号線における特性インピーダンスの計算値または実測値をフーリエ変換の演算に使用した請求項４に記載のマルチワイヤ配線板の製造方法。
   

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