JP5669773B2 - 曲面形状基板および曲面形状基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、誘電体層と導体パターン層とを備え、表面形状が、例えば球体形状あるいは回転楕円体形状のような曲面形状を有する曲面形状基板および曲面形状基板の製造方法に関する。

導体パターン層（導体層）と誘電体層とを備えた基板としては、プリント配線板が知られている。プリント配線板は、平面形状であり、その導体パターン層（銅配線）は、感光性レジストを用いた露光・現像法によって形成するのが一般的である。一方で、レドーム、アンテナ装置などへの用途では、表面形状が球体、あるいは回転楕円体のような曲面形状基板への要求があり、曲面形状基板を実現するための様々な方法が従来から知られている。

例えば、曲面形状基板の従来の製造方法としては、以下のようなものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
（方法１）平面基板と同様に全面に導体パターン層を形成した後、スポット的に露光する方法。
（方法２）導体パターン層を形成した平面基板を曲面化加工する方法。
（方法３）導体パターン層を形成した平面基板を分割し、タイル状に張り合わせて全体として曲面形状を形成する方法。
（方法４）全面に導体パターン層を形成した後、機械加工により導体パターン層を削る方法。

特開平９-１３９６１９号公報

しかしながら、上記の従来技術には、以下のような課題がある。
方法１の露光法は、高精度の導体パターン層を形成しようとした場合には、露光ヘッドをロボットアーム等で３次元的に制御する必要がある。したがって、大型の曲面に対応するためには、大規模な露光装置が必要となる。また、スポット的に何回も露光するため、生産性に劣る。

方法２の曲面化加工法は、平面を曲げるため、球面の曲率が大きくなるとシワやズレが生じ、高精度の曲面導体パターンが形成できない。

同様に、方法３の平面基板を張り合わせて擬似的に曲面を実現する方法も、厳密には曲面ではないため、張り合わせ部で隙間やズレが生じる。

方法４の機械加工法は、既存の機械加工設備で製造でき、かつズレ等も生じないが、１つ１つ機械加工する必要があり、方法１の露光法と同様に生産性に劣る。

このように、方法１〜方法４による従来技術では、導体パターン精度の向上と生産性の向上を両立させることができないという課題があった。さらに、この曲面形状基板をアンテナ装置に適用する場合には、導体パターン層（給電パッチ層）への給電が難しいという課題があった。

そこで、本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、導体パターン層精度の向上と生産性の向上を両立させるとともに、導体パターン層への給電が良好にできる曲面形状基板および曲面形状基板の製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る曲面形状基板は、表面に凹部を有する２個の誘電体層の凹部が形成されていない表面同士を、接着層を介して貼り合わせることで、表裏面にそれぞれ凹部が形成された構成を有し、かつ表面の凹部と裏面の凹部との間を貫通穴で接続した曲面形状の誘電体層と、誘電体層に設けられた表面の凹部および裏面の凹部のそれぞれに導電性ペーストを充填することによって形成される導体パターン層と、誘電体層に設けられた貫通穴に導電性ペーストを充填することによって形成され、表裏面に設けられた導体パターン層間を接続する層間接続部とを備え、導体パターン層と層間接続部は、表面の凹部、裏面の凹部、および貫通穴に導電性ペーストを１回の工程で充填することによって同時に形成されるものである。

また、本発明に係る曲面形状基板の製造方法は、誘電体層および導体パターン層で構成される曲面形状基板の製造方法において、表面に凹部を有する誘電体層を形成する工程と、誘電体層を形成する工程により形成された２個の誘電体層について、各誘電体層の凹部が形成されていない表面同士を、接着層を介して貼り合わせる工程と、各誘電体層の積層方向において、各誘電体層表面の凹部同士が重なる部分に貫通穴を形成する工程と、各誘電体層の凹部および貫通穴に導電性ペーストを充填することで、凹部に導体パターン層を形成するとともに、貫通穴に導体パターン層間を接続する層間接続部を同時に形成する工程とを備えたものである。

本発明によれば、曲面形状の誘電体層の表裏面に凹部を形成し、さらにこの凹部間を貫通する穴を形成し、これらの凹部および貫通穴に導電性ペーストを充填して導体パターン層および層間接続部を形成したので、時間を必要とする工程を機械加工による成形型の誘電体層の製造工程だけに限定することができ、さらに、誘電体層に導体パターン層と層間接続部とを同時に形成できるため、導体パターン層と層間接続部間に界面が存在しないことにより、導体パターン精度の向上と生産性の向上を両立させるとともに、導体パターン層への給電が良好にできる曲面形状基板および曲面形状基板の製造方法を得ることができる。

本発明の実施の形態１による曲面形状基板を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による曲面形状基板の製造プロセス（１）を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による曲面形状基板の製造プロセス（２）を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による曲面形状基板の製造プロセス（３）を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による曲面形状基板の製造プロセス（４）を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による曲面形状基板の製造プロセス（５）を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による曲面形状基板の製造プロセス（６）を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による曲面形状基板の製造プロセス（７）を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による曲面形状基板の製造プロセス（８）を示す断面図である。 本発明の実施の形態２による曲面形状基板を示す断面図である。 本発明の実施の形態２による曲面形状基板を示す断面図である。 本発明の実施の形態２による曲面形状基板の製造プロセスを示す断面図である。 本発明の実施の形態３によるレドーム一体型アンテナを示す断面図である。 本発明の実施の形態３によるレドーム一体型アンテナの製造プロセス（１）を示す断面図である。 本発明の実施の形態３によるレドーム一体型アンテナの製造プロセス（２）を示す断面図である。

以下、本発明の曲面形状基板および曲面形状基板の製造方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による曲面形状基板１００を示す断面図である。図１に示す曲面形状基板１００は、表面形状が、例えば球体あるいは回転楕円体のような曲面形状の表裏面に凹部が形成された誘電体層１と、この表裏面の凹部に充填される導電性ペーストからなる導体層２ａ、２ｂと、その導体層２ａ−２ｂ間を導通するための導電性ペーストからなる層間接続部２ｃとを備える。簡便に説明するため、以下の説明においては、曲面の断面を、平面的な断面で擬似的に表現することとする。

図２ａ〜図２ｈは、それぞれ、本発明の実施の形態１による曲面形状基板の製造プロセス（１）〜（８）を示す断面図である。まず、図２ａに示すように、曲面形状の成形型３を準備する。成形型３の材料としては、ＳＵＳやアルミなどの金属、あるいは石膏などが使用でき、好ましくは、重量の観点からアルミ製が最適である。

次に、図２ｂに示すように、曲面形状の成形型３に溝４を形成する。後述するが、溝４が形成されていない部分が、後々、誘電体層１に形成される凹部となり、導体パターン層（導体層）２が形成される部分となる。また、溝４の深さは、０．０５ｍｍ以上０．３ｍｍ未満が好ましい。

この理由は、溝４の深さが０．０５ｍｍ未満の場合には、研磨時に、導体パターン層も研磨されてしまい、逆に、溝４の深さが０．３ｍｍ以上の場合には、曲面形状の曲率によっては、成形型３から製品を脱型したときに、溝４の誘電体層１が成形型３に残り、脱落してしまうためである。さらに、溝４を形成した後に、成形型３は、離型性のあるフッ素樹脂によりコーティングすることが好ましい。これは、成形型３から製品をより脱型し易くするためである。

次に、図２ｃに示すように、溝４を形成した曲面形状の成形型３を用いて、誘電体層１を形成する。ここで、誘電体層１は、強度、剛性の観点から、繊維５と樹脂からなる繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Glass Fiber Reinforced Plastics）とするのが好ましい。また、繊維強化プラスチックに用いる繊維５は、絶縁性の繊維であれば、特に限定されるものではない。ただし、レドーム等に適用する場合には、電波透過性の観点から、比誘電率、誘電正接の小さな石英繊維が好ましい。

また、繊維５は、平織りクロスが好ましく、さらに好ましくは、曲面へ賦型したときに（すなわち、成形型３で曲面状にしたときに）、伸びてもシワにならない程度に、薄く、かつ隙間のある繊維クロスが好ましい。繊維強化プラスチックに用いる樹脂も、特に限定されるものではない。ただし、電波透過性と耐熱性を兼ね備え、硬化前の樹脂が常温で低粘度の液体であるビスＥ型のシアネートエステル樹脂が好ましい。

この図２ｃにおいて、まず、溝４を形成した曲面形状の成形型３の上に、石英繊維５を配置し、その上に、ピールプライ６、フローメディア７を重ね、全体をバギングフィルム８で覆い、その後、チューブ１０とともにシーラント９でシールする。次に、チューブ１０を介して、真空ポンプ（図示せず）でバギングフィルム８内を減圧する。次に、シーラント９でシールされたチューブ１０を介して、樹脂タンク（図示せず）から低粘度の未硬化の液状樹脂を供給する。

このとき、樹脂は、繊維５よりも目の粗いフローメディア７を優先的に通り、面内に拡散し、送られて、面外にしみ込み、繊維５に含浸する。繊維５の全体に樹脂が含浸した後、樹脂供給口および真空排気口をバルブ等で閉じて、バギングフィルム８内を減圧したまま、オーブンに入れて硬化する。樹脂として、ビスＥ型のシアネートエステル樹脂を用いた場合には、１８０°Ｃで２時間保持する。

次に、成形型３から脱型し、図２ｄに示すような、片面に凹部１１を有する繊維強化プラスチック１ａを得る。なお、繊維強化プラスチック上の、ピールプライ６、フローメディア７、およびバギングフィルム８は、繊維強化プラスチックとピールプライ６の界面で引き剥がすことができる。

このような、真空引きにより樹脂を含浸して繊維強化プラスチックを製造する方法である、いわゆるＶａＲＴＭ成形法（Vacuum assisted Resin Transfer Molding成形法：真空含浸成形法）で誘電体層１ａを成形することにより、溝４中に樹脂が充填されるという利点がある。

また、成形型３を分割して繊維強化プラスチックを成形することで、曲面形状の曲率が大きい場合でも、繊維強化プラスチックを脱型するために分割する必要がなく、しかも大型の繊維強化プラスチックを一体成形できる。

次に、図２ｅに示すように、片面に凹部１１を有する繊維強化プラスチック１ａを２つ用意し、凹部の形成されていない面同士を、接着層１２を用いて貼り合わせ、表裏面に凹部１１を有する誘電体層１ｂをオートクレーブ成形もしくは、プレス成形により形成する。

なお、接着層１２は、絶縁性であれば、特に限定されるものではない。ただし、レドーム等に適用する場合には、電波透過性の観点から、比誘電率、誘電正接が同じ繊維強化プラスチックの半硬化のもの（プリプレグ）か、電波透過性に影響を与えないほど厚みの薄い接着フィルムが好ましい。

次に、図２ｆに示すように、表裏面に凹部を有する誘電体層１ｂに形成された表裏面の凹部１１が、積層方向において重なる部分に貫通穴２ｄを形成する。貫通穴２ｄは、例えばドリルで形成することができる。

次に、図２ｇに示すように、スキージを用いて、表裏面に凹部を有する誘電体層１ｂの凹部１１、貫通穴２ｄに導電性ペースト２を充填する。ここで、導電性ペースト２としては、無加圧で導電性が発現する低温乾燥型銀ペーストが好ましい。また、導電性ペースト２は、塗工後、１２０°Ｃで１０分間、オーブンで乾燥する。

次に、図２ｈに示すように、サンドペーパー、もしくは誘電体層１と同じ曲率を有する冶具で、凸部の導電性ペースト２を研磨により除去し、導体パターン層２ａ、２ｂおよび層間接続部２ｃを形成する。凸部以外の導電性ペーストを削るとき、繊維強化プラスチック１が露出することがないようにする必要がある。

以上のように、実施の形態１によれば、凹部を形成した曲面形状の成形型を用いて、凹部のある誘電体層を形成し、誘電体層に形成された凹部に導体を形成することで、曲面形状基板を製造している。ここで、時間を掛けて機械加工するのは、成形型だけでよい。したがって、このような製造方法によれば、導体パターン層を有する曲面形状基板を、複数、生産性よく製造することができる。

さらに、導体パターン層の精度は、成形型に形成した凹部の精度に依存し、成形型の凹部は、機械加工により形成される。このため、高精度の導体パターン層が形成できる。

さらに、片面に凹部を有する繊維強化プラスチックを、凹部の形成されていない面で接着層を用いて貼り合わせ、表裏面に凹部を有する誘電体層を形成し、誘電体層に形成された凹部に貫通穴を形成し、誘電体層に形成された凹部および貫通穴に同時に導電性ペーストを充填・研磨している。これにより、導体パターン部と層間接続部に界面が存在しないため、信頼性の高い層間接続を備える曲面形状基板およびその製造方法を得ることができる。

さらに、凹部のある誘電体層をＶａＲＴＭ法により形成していることにより、凸部に樹脂をボイドなく充填することができ、かつ成形型を分割することで、比較的大きな曲面形状基板を一体成形できる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、貫通穴２ｄおよび層間接続部２ｃの形状が、先の実施の形態１とは異なる場合について説明する。

図３ａおよび図３ｂは、本発明の実施の形態２による曲面形状基板２００を示す断面図である。本実施の形態２における曲面形状基板２００は、基本的には先の実施の形態１における曲面形状基板１００と同様の構成を備えている。ただし、本実施の形態２における曲面形状基板２００は、導体層２ａ、２ｂを導通するための層間接続部２ｃの形状が、先の実施の形態１のように円柱ではなく、図３ａに示すように、テーパーのある形状である点において異なる。より好ましくは、図３ｂに示すように、表裏面双方から対称的なテーパーを備えた形状である点において異なる。

図４は、本発明の実施の形態２による曲面形状基板２００の製造プロセスを示す断面図である。本実施の形態２における曲面形状基板２００の製造プロセスは、基本的には先の実施の形態１における曲面形状基板１００と同様の工程を備えている。ただし、表裏面に凹部を有する誘電体層１ｂに形成された表裏の凹部１１が重なる部分に貫通穴２ｄを形成する工程において、テーパーを付ける点が異なる。より好ましくは、表裏面からテーパーを付けるように貫通穴２ｄを形成する。テーパーを付けた貫通穴２ｄは、例えばドリルで形成することができる。

以上のように、実施の形態２によれば、導体層を導通するための層間接続部の形状が円柱ではなく、テーパーのある形状で構成されている。この結果、導体層と層間接続部の界面の面積が大きく、より導通信頼性の高い層間接続を得ることができる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、本発明の曲面形状基板を適用したレドーム一体型アンテナについて説明する。

図５は、本発明の実施の形態３によるレドーム一体型アンテナ３００を示す断面図である。本実施の形態３におけるレドーム一体型アンテナ３００は、導体層２ｅ（周波数選択面（ＦＳＳ：Frequency Selective Surface））を備えたレドーム層３０１と、基本的には先の実施の形態１における曲面形状基板１００と同様の構造を含み導体層２ａ（給電パッチ）−導体層２ｂ（分配回路）間に導体層２ｆ（グランド層）を備えたアンテナ層３０２とを設け、レドーム層３０１とアンテナ層３０２との間に発泡材１３を備えて構成されている。

なお、導体層２ａ（給電パッチ）は、電波を送信する機能を、ＦＳＳは、特定の周波数だけを透過し送受信する機能を有する。

図６ａおよび図６ｂは、図５に示した本発明の実施の形態３によるレドーム一体型アンテナ３００の製造プロセス（１）および（２）をそれぞれ示す断面図である。本実施の形態３におけるレドーム一体型アンテナ３００の製造プロセスは、基本的には先の実施の形態１における曲面形状基板１００と同様の工程を含んでいる。

ただし、図６ａに示すように、片面に凹部１１を有する繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）１ａを２つ用意し、凹部が形成されていない表面同士を接着層１２を介して貼り合わせて表裏面にそれぞれ凹部を有する誘電体層１ｂを形成する前に、あらかじめ凹部１１に導電性ペースト２を充填した導体層２ｆ（グランド層：図６ｂ参照）を備えた誘電体層を、間に挟んで積層する工程を含んでいる点が異なっている。

さらに、図６ｂに示すように、片面に設けた凹部に導電性ペーストを充填することにより形成された導体層２ｅを備えたレドーム層３０１と、図６ａに示すようにして形成したアンテナ層３０２との間に、発泡材１３を配置するとともに、接着層１２で積層し、サンドイッチ構造とする工程を含む点も異なっている。

以上のように、本実施の形態３によれば、導体層の間に導体層を設けて多層化することができ、レドーム層とアンテナ層とを一体化することができる。一般的にレドーム層は、風圧に耐える剛性を確保するため、サンドイッチ構造が採用されるが、裏面のスキン層がアンテナ層を兼ねることができ、軽量化することができる。

１ 誘電体層（繊維強化プラスチック）、１ａ 片面に凹部を有する誘電体層、１ｂ 両面に凹部を有する誘電体層、２ 導電性ペースト、２ａ 導体層（給電パッチ）、２ｂ 導体層（分配回路）、２ｃ 層間接続部、２ｄ 貫通穴、２ｅ 導体層（周波数選択面）、２ｆ 導体層（グランド）、３ 曲面形状の成形型、４ 溝、５ 繊維、６ ピールプライ、７ フローメディア、８ バギングフィルム、９ シーラント、１０ チューブ、１１ 凹部、１２ 接着層、１３ 発泡材、１００、２００ 曲面形状基板、３００ レドーム一体型アンテナ、３０１ レドーム層、３０２ アンテナ層。

Claims (6)

1. 表面に凹部を有する２個の誘電体層の凹部が形成されていない表面同士を、接着層を介して貼り合わせることで、表裏面にそれぞれ凹部が形成された構成を有し、かつ表面の凹部と裏面の凹部との間を貫通穴で接続した曲面形状の誘電体層と、
   前記誘電体層に設けられた前記表面の凹部および前記裏面の凹部のそれぞれに導電性ペーストを充填することによって形成される導体パターン層と、
   前記誘電体層に設けられた前記貫通穴に導電性ペーストを充填することによって形成され、前記表裏面に設けられた前記導体パターン層間を接続する層間接続部と
   を備え、
   前記導体パターン層と前記層間接続部は、前記表面の凹部、前記裏面の凹部、および前記貫通穴に導電性ペーストを１回の工程で充填することによって同時に形成される
   ことを特徴とする曲面形状基板。
2. 請求項１に記載の曲面形状基板において、
   前記貫通穴は、テーパー形状を有する
   ことを特徴とする曲面形状基板。
3. 請求項１または２に記載された曲面形状基板の構成を含むアンテナ層と、
   裏面に凹部が形成された曲面形状の誘電体層の構成を含むレドーム層と、
   前記アンテナ層と前記レドーム層の間に挟まれた発泡材と
   を備え、前記アンテナ層と前記レドーム層によるサンドイッチ構造を有する曲面形状基板。
4. 請求項３に記載の曲面形状基板において、
   前記アンテナ層は、給電パッチ・分配回路を構成しており、
   前記レドーム層は、周波数選択性を付与しており、
   前記アンテナ層と前記レドーム層で発泡材を挟むサンドイッチ構造を有することでレドーム一体型アンテナに適用される曲面形状基板。
5. 誘電体層および導体パターン層で構成される曲面形状基板の製造方法において、
   表面に凹部を有する誘電体層を形成する工程と、
   前記誘電体層を形成する工程により形成された２個の誘電体層について、各誘電体層の凹部が形成されていない表面同士を、接着層を介して貼り合わせる工程と、
   前記各誘電体層の積層方向において、各誘電体層表面の凹部同士が重なる部分に貫通穴を形成する工程と、
   各誘電体層の前記凹部および前記貫通穴に導電性ペーストを充填することで、前記凹部に導体パターン層を形成するとともに、前記貫通穴に前記導体パターン層間を接続する層間接続部を同時に形成する工程と
   を備えたことを特徴とする曲面形状基板の製造方法。
6. 請求項５に記載の曲面形状基板の製造方法において、
   前記誘電体層を形成する工程は、ＶａＲＴＭ法（真空含浸成形法）が採用され、繊維強化プラスチックによる誘電体層が形成される
   ことを特徴とする曲面形状基板の製造方法。

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