JP4752796B2

JP4752796B2 - フレキシブルプリント配線板

Info

Publication number: JP4752796B2
Application number: JP2007061597A
Authority: JP
Inventors: 亮吉馬場; 雅彦小林
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2007-03-12
Filing date: 2007-03-12
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2027-03-12
Also published as: JP2008227052A

Description

本発明は、高周波・高速伝送に適したフレキシブルプリント配線板に関するものである。

電子機器の軽量小形化、多機能高性能化に伴い、従来の電線を用いた配線方法に替わって、フレキシブルプリント配線板が、ノートブックパソコン、デジタルカメラ、携帯電話などの民生用ポータブル電子機器や、医療機器や電子計算機などの産業用電子機器内部の基板間の配線に使用されている。また近年では、電子機器の多機能高性能化に伴って、フレキシブルプリント配線板上の信号線で伝送されるデジタル信号は、より大容量かつ高速な信号となってきている。

デジタル信号の周波数がＭＨｚクラスの高周波信号でも、信号線により伝送される高周波デジタル信号が隣接する信号線や周囲の他の電子部品等に電気的ノイズを与える問題がある。
このような問題を回避する手段としては、高周波信号を伝送するフレキシブルプリント配線板の信号線の周囲に絶縁体を介して導電性ペーストを塗布したり、金属箔を貼り付けたりする方法で導電性のシールド層を形成し、このシールド層と、信号線に対して適切な位置に配置されたグランドとを電気的に接続する方法が従来から知られている。また、信号導体の上下・左右に絶縁体を介して接地導体を配置し、それら接地導体間を接続することにより、信号導体を接地導体で遮蔽する構造のフレキシブル並列多芯ケーブルが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、信号線とシールド層間の絶縁層の比誘電率の大きさ（通常使用されているポリイミドの比誘電率は３．８〜４．０程度）が要因となり、信号の伝搬速度の低下や伝送損失が問題となる。更に、絶縁層の加工精度や比誘電率のばらつきにより、パラレル信号伝送時に各信号間のスキューが発生する問題もある。

絶縁層材料中の信号線を伝搬する信号の伝搬速度ｖは、
ｖ＝ｃ／(ε_ｒ)^１/２ ……(１)
で表される。ここで、ｃは光速度、ε_ｒは絶縁層材料の比誘電率を示す。
(１)式に示されるように、伝搬速度ｖは絶縁層材料の比誘電率ε_ｒの１／２乗の逆数に比例するので、材料の比誘電率ε_ｒが小さいほど伝搬速度ｖは速くなる。また、比誘電率ε_ｒのばらつきは、パラレル信号伝送時の各信号間のスキューの原因となるので、誘電率の均一性も重要である。
更に、使用周波数がＧＨｚ帯になると絶縁層材料の誘電損失に起因する伝送損失が大きな問題となる。絶縁層材料の誘電損失Ｌ_Ｄは、
Ｌ_Ｄ＝k・ｆ・(ε_ｒ)^１/２・tanδ ……（２）
で表される。ここで、ｋは定数、ｆは周波数、ε_ｒは比誘電率、tanδは誘電正接を示す
。（２）式に示されるように、高周波における伝送損失は比誘電率ε_ｒと誘電正接tanδ
が小さいほど少なくなる。
以上の理由より、ＧＨｚ帯の高周波信号の伝送には、特に低誘電率な絶縁層材料が望まれる。

従来、伝搬速度の低下、伝送損失の増加の問題を回避する手段としては、液晶ポリマー（比誘電率は３．０程度）など様々な低誘電率絶縁材料の開発が進められている。また、絶縁層部に発泡したポリオレフィンを用い、絶縁材料中に空気層を形成することによって
実効的な比誘電率を下げ、伝搬速度の低下の抑制、伝送損失の低減を図る構造が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−１９３３０号公報実開平５−３６７１１号公報

しかし、数ＧＨｚ以上の高周波信号を高速伝送する場合、ＭＨｚクラスの高周波信号の伝送に比べ、絶縁層の比誘電率が要因となり、伝搬速度の低下や伝送損失の増加がより大きな問題となる。
例えば、絶縁層の比誘電率による信号の伝搬速度の低下、伝送損失の増加の問題に関しては、比誘電率がポリイミドより小さな液晶ポリマーが開発されているが、現状では生産量が少なく価格が高い。一方、発泡した絶縁材料を絶縁層に用いる方法もあるが、絶縁材料の発泡を調節し絶縁層の比誘電率を均一にすることは困難である。特にパラレル信号伝送時には、絶縁層の加工精度のちがいにより各信号線の比誘電率にばらつきが起こり、各信号間のスキュー発生が大きな問題となる。また高速伝送を重視する場合には、より比誘電率の小さい材料が必要となる。

本発明は、上記課題を解決し、高周波信号を高速伝送可能なフレキシブルプリント配線板を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために、次のように構成されている。
本発明の第１の態様は、絶縁性シートと、前記絶縁性シート上に複数列設けられた導体と、前記複数列の導体のうち信号線となる前記導体の外周に空隙を形成しつつ覆う導電性シートとを有し、前記導電性シートは前記絶縁性シートの両面側にそれぞれ設けられると共に、前記複数列の導体のうちグランド線となる前記導体に電気的に接続されることを特徴とするフレキシブルプリント配線板である。
信号線を絶縁性シートのみで支持し、信号線の外周部をほとんどを空隙とした構造としているために、実効的な比誘電率を大幅に下げることができ、伝搬速度の低下、伝送損失を大幅に抑えることができる。
絶縁性シートの厚さは、導体の厚さに対して同等か若しくはそれよりも薄くするのが好ましい。

第１の態様において、前記導電性シートには、前記導体の長手方向に沿って所定の間隔にスリット又はストライプ状に厚みを薄くした薄肉部が形成される。
導電性シートに形成したスリットまたは薄肉部が、フレキシブルプリント配線板の屈曲時において、あたかも蛇腹状ないしコイルばね状に機能して、フレキシブルプリント配線板の可撓性が高まる。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記導電性シートが、前記信号線の外周に前記空隙を隔てて設けられるアーチ状部を有するフレキシブルプリント配線板である。

本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様において、前記導電性シートが、前記グランド線に電気的に接続される平面状部を有するフレキシブルプリント配線板である。

本発明の第４の態様は、第１〜第３の態様のいずれかの態様において、前記絶縁性シートの両面側に設けられた前記導電性シートは、前記グランド線に形成されたスルーホールにより互いに電気的に接続されていることを特徴とするフレキシブルプリント配線板である。

本発明の第５の態様は、第１〜第４の態様のいずれかの態様において、前記絶縁性シートには、前記導体の長手方向に沿って複数の貫通孔が形成されていることを特徴とするフレキシブルプリント配線板である。

本発明の第６の態様は、絶縁性シートと、前記絶縁性シート上の少なくとも片面に設けられた信号線と、前記絶縁性シート上の少なくとも片面に前記信号線に沿って設けられたグランド線と、前記絶縁性シートの両面側に前記グランド線に電気的に接続され且つ前記信号線の外周に空隙を形成しつつ覆う導電性シートとを有し、該導電性シートは前記信号線の長手方向に沿って所定の間隔にスリット又はストライプ状に厚みを薄くした薄肉部が形成され、且つ前記グランド線に形成されたスルーホールにより前記絶縁性シートの両面側に設けられた前記導電性シートが互いに電気的に接続されることを特徴とするフレキシブルプリント配線板である。

本発明によれば、可撓性を損なうことなく、信号の伝搬速度の向上、伝送損失の低減が図れる高周波信号の伝送に好適なフレキシブルプリント配線板を実現できる。

以下に、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１及び図２に、第１の実施形態を示す。図１は、第１の実施形態に係るフレキシブルプリント配線板の一部を示す斜視図であり、図２は、図１の横断面図である。

図１、図２に示すように、この第１の実施形態のフレキシブルプリント配線板は、可撓性の絶縁シートであるポリイミドシート５上に、導体である銅配線（信号線に相当し、以下、信号線とも呼ぶ）１が形成されている。信号線１の両側には一定間隔を隔てて、信号線１の幅と同等か信号線１よりも幅の広い導体である銅配線（グランドに相当し、以下、グランドとも呼ぶ）２が形成されている。また、信号線１が形成された側をポリイミドシート５の表面とすると、グランド２は、ポリイミドシート５の表裏両面に対になるよう形成されている。
なお、図１及び図２において、グランド２をポリイミドシート５の表面のみ、又は裏面のみに形成してもよい。
絶縁性シート及び導体の材料には、フレキシブル配線板に一般的に使用されて実績のある、ポリイミド、銅をそれぞれ選択した。

これら銅配線１，２が形成されたポリイミドシート５の両面側に、導電性シートであるリン青銅のシートがシールド材６として設けられている。シールド材６は、信号線１を挟み所定の間隔で形成されたグランド２、２間にまたがり、且つ信号線１の外周部に円形乃至楕円形断面の空隙（空間）Ａを形成するように設けられている。即ち、シールド材６は、グランド２に電気的に接続される平面状部６ｂと、信号線１の外周に空隙Ａを隔てて設けられるアーチ状部６ａとからなり、平面状部６ｂとアーチ状部６ａとが交互に連続してつながった形状となっている。シールド材６にリン青銅シートを用いたのは、リン青銅がバネ特性の良好な導電性材料であることによるが、シールド材６は、これに限定されるものではない。また、シールド材６にアーチ状部６ａを形成することで、外部導体となるシールド材６に覆われた領域の略中央に、内部導体となる信号線１を設ける構成とした。これにより、フレキシブルプリント配線板の一部が略同軸形状に形成される。シールド材６のアーチ状部６ａには、信号線１に沿って一定間隔でスリット７が設けられ、アーチ状部６ａの可撓性が高められている。なお、平面状部６ｂにも同様に、スリットを設けるよう
にしても良い。

本実施形態では、グランド２部における、ポリイミドシート５及び表裏面のグランド２を貫通させてスルーホール３が形成されている。スルーホール３はグランド２の長手方向に沿って一定間隔に形成されている。各スルーホール３内及びグランド２表面には導電性ペースト４が塗布または充填されており、ポリイミドシート５表面側のシールド材６、ポリイミドシート５表裏面のグランド２、及びポリイミドシート５裏面側のシールド材６が構造的にも電気的にも接続されている。
なお、図１及び図２では、信号線１が２本のみ描かれているが、実際のフレキシブルプリント配線板では、より多くの本数の信号線１が形成され、また信号線１の長手方向も図示のものより長いが、便宜上、その分は図示省略している。

次に、上記構造のフレキシブルプリント配線板の作製方法の一例を説明する。
ポリイミドシート５及び銅配線１、２を作成する素材には、２層フレキシブル銅張積層板を使用する。この２層フレキシブル銅張積層板は、ポリイミドシート上に接着剤を用いず直接銅箔が貼り付けられたもの、又はポリイミドシート上に銅めっき層が形成されたものである。このような２層フレキシブル銅張積層板を用いることにより、接着剤を用いることなくポリイミドシート５上に銅配線１、２を形成でき、接着剤による誘電率の増加を防ぐことができる。ポリイミドシート５の厚さは、例えば、５０、３８、２５、１２．５μｍなどがあり、銅配線１、２の厚さは、例えば、キャスト法（銅箔上にペースト状のポリイミド樹脂を塗布する方法）で５〜７０μｍ、めっき法（ポリイミドシート上に銅をめっき法で成長させる方法）で０．２〜２０μｍに形成される。この２層フレキシブル銅張積層板の銅箔・銅めっき層をエッチングすることにより、銅配線１、２を複数列形成する。これら銅配線１、２は通常のフレキシブルプリント配線板のようにカバーレイで保護されないので、必要に応じて銅配線１、２の表面を金などでめっきして保護するようにしてもよい。

グランドとなる銅配線２の部分には、レーザー加工により、銅配線２の長手方向に沿って一定間隔でスルーホール３が設けられ、グランド２表面及びスルーホール３内に導電性ペースト４が塗布または充填される。シールド材６であるリン青銅のシートには、パンチング又はエッチングによりスリット７が設けられ、その後、プレス機により成形加工され、アーチ状部６ａのアーチ形状が形成される。この成形加工されたリン青銅のシートの平面状部６ｂが、導電性ペースト４を介して、グランド２部分に接着される。

本実施の形態では、信号線１の厚さを０．０７ｍｍ、信号線１の幅を２．０ｍｍとした。このとき、信号線１と隣り合うグランド線２との間隔を１．０ｍｍとすると、信号線の特性インピーダンスを５０Ωとするためには、ポリイミドシート５の表面側と対向するシールド材６の内側面の頂点から、信号線１表面までの距離を０．８ｍｍにすればよいことが分かった。なお、フレキシブルプリント配綿板の形状・寸法はこれに限定されるものではなく、信号線の形状・寸法や求められる特性インピーダンスにより適宜決定すればよい。
このようにして作製されたフレキシブルプリント配線板により、少なくとも５ＧＨｚの高周波信号をアイパターンを保ちつつ伝送することができる。信号の伝搬速度の低下、伝送損失の増加、パラレル信号伝送時の各信号間のスキューの発生等も十分に抑制できる。また、シールド材６をスリットを有するアーチ形状にすることで従来のフレキシブルプリント配線板と同様に、可撓性を損なわずに曲げることができる。
本実施形態では、シールド材６のアーチ状部６ａに２．０ｍｍ幅のスリットを２．０ｍｍ間隔で設けたが、スリットの幅、間隔はこれに限定されるものではない。スリットの幅、間隔は、フレキシブル基板に求められる可撓性を考慮して形成されると共に、外部からの電気ノイズがシールド材により遮へいされるように形成される。更に、高周波信号の伝
送時に、スリットを形成したシールド材が信号線から放射される電磁波のアンテナとして作用しないように、伝送される高周波信号の波長λに対してスリット幅を十分小さく(ス
リット幅≦λ/10)して形成される。

図３及び図４に第２の実施形態を、図５に第３の実施形態を示す。図３は第２の実施形態に係るフレキシブルプリント配線板の一部を示す斜視図であり、図４は図３の横断面図である。また、図５は第３の実施形態に係るフレキシブルプリント配線板の一部を示す横断面図である。第２の実施形態と第３の実施形態とは、シールド材１３、１４の断面形状が相違するだけなので、以下にまとめて説明する。

可撓性の絶縁シートであるポリイミドシート１２上に、銅配線（信号線に相当し、以下に信号線とも呼ぶ）８が形成されており、信号線８を挟むように両側には、信号線８よりも幅の広い銅配線（グランドに相当し、以下にグランドとも呼ぶ）９が形成されている。また、上記第１の実施形態と同様に、信号線８が形成された側をポリイミドシート１２の表面とすると、グランド９は、ポリイミドシート１２の表裏両面に対になるよう形成されている。

この銅配線８、９が形成されたポリイミドシート１２の両面側に、導電性シートであるリン青銅のシートがシールド材１３（図４）、シールド材１４（図５）として設けられている。シールド材１３、１４には、ポリイミドシート１２上に一定間隔で設けられた信号線８に対応させて溝部が形成されており、これら溝部をそれぞれの信号線８に位置させることにより、シールド材１３、１４は、信号線８を挟み所定の間隔で形成されたグランド９、９間にまたがり、信号線８の外周に空隙Ａを形成しつつ覆う。このため、ポリイミドシート１２上に支持された信号線８は、ポリイミドシート１２を除いて考えると、信号線８外周に六角形状ないし八角形状断面（図４）や矩形断面（図５）の空隙Ａが形成された中空に設けられた構造となる。
上記第１の実施形態と同様に、グランド９には、ポリイミドシート１２及び表裏のグランド９、９を連通するスルーホール１０がグランド９の長手方向に一定間隔に設けられてる。更に、スルーホール１０内およびグランド９表面には導電性ペースト１１が塗布または充填されており、ポリイミドシート１２表面側のシールド材１３（又は１４）、ポリイミドシート１２表面側のグランド９、ポリイミドシート１２裏面側のグランド９及びシールド材１３（又は１４）が構造的にも電気的にも接続されている。

上記第２，３の実施形態のフレキシブルプリント配線板の作製方法の一例を説明する。シールド材１３、１４の部分以外は上記第１の実施形態と同様であるので省略し、シールド材１３、１４の作製方法のみを次に説明する。
シールド材１３には、リン青銅のシートに対してエッチングにより、信号線８を囲む領域が周囲よりも薄く削られた、図４に示すような台形状の断面プロファイルのエッチング領域（溝部）１３ａが形成される。シールド材１３のエッチング領域（溝部）１３ａで信号線８を上下から挟んで覆うことにより、信号線８外周には六角形状ないし八角形状断面の空隙Ａが形成される。
また、エッチングの代わりにプレス機による成形加工によって、信号線８を囲む領域が周囲よりも薄く成形された、図５に示すような矩形断面プロファイルのプレス加工領域（溝部）１４ａを有するシールド材１４が成形加工される。シールド材１４のプレス加工領域（溝部）１４ａで信号線８を上下から挟んで覆うことにより、信号線８外周には矩形断面（図５）の空隙Ａが形成される。
こうして得られた図４、図５のリン青銅のシールド材１３、１４は、上記第１の実施形態と同様に、導電性ペースト１１を介して、グランド９部分に接着される。
上記第２，３の実施形態のフレキシブルプリント配線板は、第１の実施形態と比べ可撓性は劣るものの、他の特性は同等程度の結果が得られる。

また、フレキシブルプリント配線板の可撓性を高めるために、上記実施形態における絶縁性シートであるポリイミドシート５、１２に、信号線１，８に沿って一定間隔にスリットを、又は格子状に貫通孔をパンチング加工で形成するようにしても良い。これにより、シールド材６，１３，１４内におけるポリイミドシート５，１２の体積を減らし、実効的な誘電率を下げることになり、信号の伝搬速度の低下や伝送損失の増大を抑えることができる。また、第１の実施形態において、例えば、アーチ状部６ａのスリット７の位置に、厚みを薄くしたストライプ状の薄肉部を形成して可撓性を高めるようにしても良い。
以上の通り、本願発明のフレキシブルプリント配線板に拠れば、信号線が設けられるポリイミドシート以外の信号線周囲の絶縁層を空気とすることができる。これにより絶縁層の比誘電率を下げ、伝送信号の伝搬速度の低下や伝送損失の増加を抑えることができる。更に、絶縁層を空気とすることで、絶縁層を加工する工程の加工精度のばらつきの問題も無くなり、パラレル信号伝送においても、各信号間のスキュー発生を抑えることができる。

本発明に係るフレキシブルプリント配線板の実施形態の一部を示す斜視図である。図１の横断面図である。他の実施形態のフレキシブルプリント配線板の一部を示す斜視図である。図３の横断面図である。他の実施形態のフレキシブルプリント配線板の一部を示す横断面図である。

符号の説明

１、８銅配線（信号線）
２、９銅配線（グランド）
３、１０スルーホール
４、１１導電性ペースト
５、１２ポリイミドシート（絶縁性シート）
６、１３、１４シールド材（導電性シート）
７スリット
１３ａエッチング領域
１４ａプレス加工領域
Ａ空隙

Claims

絶縁性シートと、
前記絶縁性シート上に複数列設けられた導体と、
前記複数列の導体のうち信号線となる前記導体の外周に空隙を形成しつつ覆う導電性シートとを有し、
前記導電性シートは前記絶縁性シートの両面側にそれぞれ設けられると共に、前記複数列の導体のうちグランド線となる前記導体に電気的に接続され、
前記導電性シートには、前記導体の長手方向に沿って所定の間隔にスリット又はストライプ状に厚みを薄くした薄肉部が形成されることを特徴とするフレキシブルプリント配線板。
前記導電性シートが、前記信号線の外周に前記空隙を隔てて設けられるアーチ状部を有することを特徴とする請求項１に記載のフレキシブルプリント配線板。
前記導電性シートが、前記グランド線に電気的に接続される平面状部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のフレキシブルプリント配線板。
前記絶縁性シートの両面側に設けられた前記導電性シートは、前記グランド線に形成されたスルーホールにより互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のフレキシブルプリント配線板。
前記絶縁性シートには、前記導体の長手方向に沿って複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のフレキシブルプリント配線板。
絶縁性シートと、
前記絶縁性シート上の少なくとも片面に設けられた信号線と、
前記絶縁性シート上の少なくとも片面に前記信号線に沿って設けられたグランド線と、
前記絶縁性シートの両面側に前記グランド線に電気的に接続され且つ前記信号線の外周に空隙を形成しつつ覆う導電性シートとを有し、
該導電性シートは前記信号線の長手方向に沿って所定の間隔にスリット又はストライプ状に厚みを薄くした薄肉部が形成され、且つ前記グランド線に形成されたスルーホールにより前記絶縁性シートの両面側に設けられた前記導電性シートが互いに電気的に接続されることを特徴とするフレキシブルプリント配線板。