JP5480785B2 - 高周波回路基板 - Google Patents

Description

本発明は、高周波領域で使用する低損失な高周波回路基板に関する。

マイクロ波やミリ波などの高周波領域で使用される伝送線路はテフロン（登録商標）やガラスエポキシなどの絶縁体で構成された平面基板上に形成され、製造しやすいマイクロストリップ線路が用いられる。マイクロストリップ線路の表面導体には主として銅が使用されるが、銅は酸化、腐食して電気を通さなくなりやすいため銅の表面を保護する必要がある。

銅の表面保護としては、錫めっき、金、銀めっきを施す方法があるが、錫めっきは錫が細長い髭状に成長するウィスカーの問題があり、金および銀めっきは銅の拡散による劣化が問題となる。

また、銅の表面保護として基板を、溶融したはんだの中に浸漬した後、空気を吹きつけて銅以外の部分に付いた余分なはんだを飛ばすというはんだコートが用いられるが、基板を高温のはんだにくぐらせることによる基板の熱変形が問題となる。昨今は欧州連合（ＥＵ）による電気・電子機器における特定有害物質の使用制限の施行などの規制により、鉛を使わない電気・電子回路が必要となりつつあるが、錫、銀、銅を含む無鉛はんだは有鉛はんだよりも融点が高いため、無鉛はんだコートは基板の熱変形がさらに発生しやすくなる。

このため、特許文献１に示すように無鉛の高周波回路基板の銅の表面保護には、ニッケルめっきを施した後に金めっきを施す方法が用いられる。

特開２００３-３１８６１１号公報

しかしながら、金めっきの厚みは約０．１μｍと薄く、電流は主にニッケルめっきを流れることになる。高周波では表皮効果により電流は導体の表面へ集中するが、ニッケルは錫、銅等に比べて表皮深さが浅いため電流が流れる部分が薄いため抵抗が増加し、通過損失が増加してしまう。

このため、特許文献１に示す構成のマイクロストリップ線路基板を用いた通信装置において、送信系の増幅器は出力後のマイクロストリップ線路の通過損失の増加により、飽和出力電力が低下してしまう。また、受信系の低雑音増幅器は入力部のマイクロストリップ線路の通過損失の増加により雑音指数が劣化してしまう。さらに、マイクロストリップ線路を共振器とする電圧制御発振器においては、マイクロストリップ線路の通過損失の増加により振動増大係数が低下し、位相雑音が劣化してしまう。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、高周波信号を伝送するマイクロストリップ線路などの高周波伝送線路の通過損失が低減され、かつ生産性にすぐれた高周波回路基板を得ることを目的とする。さらには、このマイクロストリップ線路を用いた、増幅器を低雑音化、高飽和出力化し、電圧可変発振器を低位相雑音化することを目的とする。

この発明に係る高周波回路基板は、絶縁体基板の表面に金属導体とこの金属導体の表面に形成されたニッケルめっき層とこのニッケルめっき層の表面に形成された金メッキ層とで形成された伝送線路と、この伝送線路に高周波信号端子が接続された高周波電子部品と、前記高周波電子部品の所定の高周波信号端子が接続された前記伝送線路の表面に形成された、伝送される高周波信号電流の周波数における表皮深さ以上の厚みを有するはんだ層とを備えたものである。

本発明を実施することにより、マイクロストリップ線路の通過損失が低減される。

この発明の実施の形態１におけるマイクロストリップ線路を用いた高周波回路基板の斜視図である。 従来例のマイクロストリップ線路の断面図である。 この発明の実施の形態１におけるマイクロストリップ線路の断面図である。 この発明の実施の形態１における高周波回路基板の無鉛はんだの塗布工程図である。 従来のプリント配線基板の製造工程・部品実装工程図である。 通信装置の構成例である。 この発明の実施の形態２における高周波回路基板の構成図である。 この発明の実施の形態３における高周波回路基板の構成図である。 この発明の実施の形態４における電圧制御発振器回路の構成図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１におけるマイクロストリップ線路を用いた高周波回路基板の斜視図である。図１において、１は無鉛はんだ、２は金めっき、３はニッケルめっき、４は銅素地および銅めっきが施された導体パターン、５はテフロン（登録商標）やガラスエポキシなどの絶縁体、６は裏面グランドパターンである。

図２は、従来例のマイクロストリップ線路の断面図である。図２において、図１と同一の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。図２において、７は高周波電流の伝送域である。

図３は、この発明の実施の形態１におけるマイクロストリップ線路の断面図である。図３において、図１および図２と同一の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。

高周波信号は高周波回路基板の表面に形成されたマイクロストリップ線路の表面導体を高周波電流として伝送し、この高周波電流が表面導体を流れるとき、表面導体の断面において、高周波電流の電流密度は表面導体の表面で大きく、表面から離れると小さくなる現象がある。この現象を表皮効果と呼ぶ。電流が表面の電流の１／ｅ（約０．３７）倍となる表面導体の断面方向の深さを表皮深さと呼び、表皮深さは√（１／（πσμｆ））メートルで表される。ここでσは導体の導電率、μは導体の透磁率、ｆは高周波信号の信号周波数を表す。

ニッケルは金、銀、銅等に比べて透磁率が高いため、表皮深さが浅く、高周波電流が流れる表面導体の断面積が狭くなるので、高周波信号の通過損失が大きい。ニッケルめっき３、金めっき２の上に√（１／（πσμｆ））メートル以上の厚さの無鉛はんだ１を塗布することで、高周波電流はニッケルめっき３に流れず、表皮効果による高周波電流が流れる断面積が広い無鉛はんだ１を高周波電流が流れ、高周波信号の通過損失が低減される。

例えば、高周波信号を１２ＧＨｚの信号周波数としたときにおいて、表皮効果による金の表皮深さは０．７２μｍである。銅パターンの表面にめっきで形成された金めっき２の厚みＬ２は約０．１μｍ、ニッケルめっき３の厚みＬ３は約５μｍであり、再上層の金めっき２の厚みは金の表皮深さに対して不足しているので、図２に示すように、ほとんどの電流はニッケルめっき３を流れることになる。しなしながら、ニッケルの表皮深さは０．０５μｍと浅いため、高周波電流が流れる断面積が狭いので、高周波信号の通過損失が大きくなる。

錫：９６．５％／銀：３％／銅：０．５％を標準組成とする無鉛はんだ１の表皮深さは１．５３μｍであり、１．５３μｍ以上の厚さＬ１の無鉛はんだ１を金めっき２の表面に塗布することで、図３に示すように高周波電流は電流が流れる断面積がニッケルめっき３より広い無鉛はんだ１を流れるため、高周波信号の通過損失が低減される。

無鉛はんだ１の形成方法について説明する。図４は、この発明の実施の形態１における高周波回路基板の無鉛はんだの塗布工程図である。無鉛はんだ１の塗布は、はんだ印刷工程（Ｓ１）とリフロー工程（Ｓ３）で実施される。

はんだ印刷工程（Ｓ１）において、ニッケルめっき３および金メッキ２が施された導体パターン４のはんだを塗布したい部分に穴を開けたはんだ印刷マスクを基板上に載置し、この印刷マスクの上からペースト状の無鉛はんだ１を塗ることにより穴の開いた部分の導体パターン４に無鉛はんだ１を印刷する工程である。リフロー工程（Ｓ３）において、はんだ印刷工程（Ｓ１）において無鉛はんだ１が印刷された高周波回路基板が炉内温度が２４５℃のリフロー炉内を搬送され、印刷された無鉛はんだ１を溶融させて、無鉛はんだ１を導体パターン４に密着させる。

溶融した無鉛はんだの浸漬させるはんだコートでは、２５０℃の温度で溶融した無鉛はんだに８秒間高周波基板を浸漬させる必要があるが、リフロー工程による無鉛はんだ塗布方法においては、はんだコートより５℃低い２４５℃の温度で無鉛はんだを溶融させるため、高周波基板の熱変形がはんだコートによる方法に比べて、緩和される。また、リフロー工程においては、高周波回路基板を金属製の固定治具に固定してリフロー炉内を搬送できるため、高周波回路基板の変形を抑止することができる。

リフロー工程は、図５に示すように、表面実装部品の端子実装部に無鉛はんだを塗布して、表面実装部品を基板に実装する工程であるため、表面実装部品の実装と同時にマイクロストリップ線路に無鉛はんだが塗布されることにより、生産性を損なわずに無鉛はんだの塗布が実施される効果がある。

この発明の実施の形態１では、マイクロストリップ線路を用いた高周波回路基板について説明したが、コプレーナ線路を用いても良い。

実施の形態２．
図６は、通信装置の構成例である。９は通信用アンテナ、１０は送受信信号分配／合成器、１１は送信用増幅器、１２は受信用低雑音増幅器、１３は帯域通過フィルタ、１４はミキサ、１５は電圧制御発信器、１６は位相比較器である。

この発明の実施の形態２は、送受信信号分配／合成器１０と、受信用低雑音増幅器１２との間のマイクロストリップ線路にこの発明の実施の形態１に示す処理を施すものである。図７は、この発明の実施の形態２における高周波回路基板の構成図である。１７はこの発明の実施の形態１に示すマイクロストリップ線路を用いた、送受信信号分配／合成器１０と受信用低雑音増幅器１２とを接続する受信用低雑音増幅器の入力部である。

この発明の実施の形態２の高周波回路基板の製造方法について説明する。送受信信号分配／合成器１０と、受信用低雑音増幅器１２は表面実装部品である。図５は従来のプリント配線基板の製造工程・部品実装工程図である。

図５において、はんだ印刷工程（Ｓ１０）は、ニッケルめっき３および金メッキ２が施された導体パターン４に送受信信号分配／合成器１０や受信用低雑音増幅器１２などの表面実装部品を実装したい部分に穴を開けたはんだ印刷マスクを基板上に載置し、この印刷マスクの上からペースト状の無鉛はんだ１を塗ることにより穴の開いた部分の導体パターン４に無鉛はんだ１を印刷する工程である。

部品装着工程（Ｓ２０）において、塗布された無鉛はんだ１の所定の位置に表面実装部品の端子が載置されるように、表面実装部品を装着する。

リフロー工程（Ｓ３０）において、部品装着工程（Ｓ２０）において表面実装部品が装着されたプリント配線基板が炉内温度が２４５℃のリフロー炉内を搬送され、印刷された無鉛はんだ１を溶融させて、表面実装部品の端子を導体パターン４に密着させる。

図４で示すこの発明の実施の形態１における高周波回路基板の無鉛はんだの塗布工程図
および図５で示すプリント配線基板の製造工程・部品実装工程図において、はんだ印刷工
程（Ｓ１０）とはんだ印刷工程（Ｓ１）とは基板上に載置した印刷マスク上からペースト
状の無鉛はんだを塗布する作業であり、リフロー工程（Ｓ３０）とリフロー工程（Ｓ３）
とは印刷された無鉛はんだをリフロー炉内で溶融させる作業であり、それぞれ共に同じ作
業である。

したがって、はんだ印刷工程（Ｓ１０）で基板上に載置する印刷マスクに、ニッケルめっき３および金メッキ２が施された導体パターン４のはんだを塗布したい部分にも穴を開けておくことにより、高周波電子部品の導体パターン４への無鉛はんだ付けと導体パターン４の所定の表面への無鉛はんだ１の塗布が同時に実施されるため、従来のプリント配線基板の製造工程・部品実装工程でこの発明の実施の形態２の高周波回路基板が製造され、生産性を損なわない効果がある。

すなわち、印刷マスクおいて、送受信信号分配／合成器１０と受信用低雑音増幅器１２とが実装される部分および送受信信号分配／合成器１０と受信用低雑音増幅器１２との間の導体パターン４の全面の部分に穴を開けておくことにより、送受信信号分配／合成器１０と受信用低雑音増幅器１２の無鉛はんだ付けおよび無鉛はんだが塗布された入力部１７が同時に形成される。

受信用低雑音増幅器１２の入力部１７にこの発明の実施の形態１に示すマイクロストリップ線路を用いることにより、通過損失が低減され、通信装置の雑音指数が低減される。

実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３における高周波回路基板の構成図である。図８において、図６および図７と同一の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。２１はこの発明の実施の形態１に示すマイクロストリップ線路を用いた送信用増幅器１１と送受信信号分配／合成紀器１０とを接続する送信用増幅器の出力部である。

この発明の実施の形態３における高周波回路基板の製造方法については、この発明の実施の形態２の高周波回路基板の製造方法と同じである。なお、印刷マスクは送受信信号分配／合成器１０と送信用増幅器１１とが実装される部分および送信用増幅器１１と送受信信号分配／合成器１０との間の導体パターン４の全面の部分に穴を開けている。

送信用増幅器１１の出力部２１に実施の形態１に示すマイクロストリップ線路を用いることにより、通過損失が低減され、通信装置の飽和出力電力が増加される。

実施の形態４．
図９は、実施の形態４における電圧制御発振器回路の構成図である。図９において、図６と同一の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。２２はこの発明の実施の形態１に示すマイクロストリップ線路で形成された共振器、２３は電圧制御発振器の能動素子、２４は同調素子、２５は共振器２２と能動素子２３とを接続するこの発明の実施の形態１に示すマイクロストリップ線路で形成された伝送線路である。

この発明の実施の形態４における高周波回路基板の製造方法については、この発明の実施の形態２の高周波回路基板の製造方法と同じである。なお、印刷マスクは能動素子２３と同調素子２４とが実装される部分および共振器２２の導体パターン４の全面と共振器２２と能動素子２３との間の導体パターン４の全面の部分に穴を開けている。

電圧制御発振器２３の共振器２２の損失が大きいと、系から散逸する電力が大きくなり振動増大係数が低下、位相雑音が劣化してしまうが、電圧制御発振器２３の共振器２２に実施の形態１に示すマイクロストリップ線路を用いることにより、共振器２２の通過損失が低減し、位相雑音が低下される。

１ 無鉛はんだ ２ 金めっき ３ ニッケルめっき
４ 導体パターン ５ 絶縁体
６ 裏面グランドパターン ７ 高周波電流が流れる範囲
９ 通信用アンテナ １０ 送受信信号分配／合成器
１１ 送信用増幅器 １２ 受信用低雑音増幅器 １３ 帯域通過フィルタ
１４ ミキサ １５ 電圧制御発信器 １６ 位相比較器
１７ 入力部
２１ 出力部
２２ 共振器
２３ 能動素子 ２４ 同調素子 ２５ 伝送線路

Claims (4)

1. 絶縁体基板の表面に金属導体とこの金属導体の表面に形成されたニッケルめっき層とこのニッケルめっき層の表面に形成された金メッキ層とで形成された伝送線路と、この伝送線路に高周波信号端子が接続された高周波電子部品と、前記高周波電子部品の所定の高周波信号端子が接続された前記伝送線路の表面に形成された、伝送される高周波信号電流の周波数における表皮深さ以上の厚みを有するはんだ層とを備えた高周波回路基板。
2. 前記高周波電子部品は、低雑音増幅器であり、前記はんだ層は、この低雑音増幅器の高周波信号入力端子が接続された前記伝送線路の表面に形成された、請求項１に記載の高周波回路基板。
3. 前記高周波電子部品は、高出力電力増幅器であり、前記はんだ層は、この送信用増幅器の高周波信号出力端子が接続された前記伝送線路の表面に形成された、請求項１に記載の高周波回路基板。
4. 前記高周波電子部品の所定の高周波信号端子が接続された前記伝送線路は、共振器であり、前記はんだ層は、この共振器の共振周波数における表皮深さ以上の厚みを有する請求項１に記載の高周波回路基板。

Images