JP5686630B2 - プリント配線板、光通信モジュール、光通信装置、モジュール装置および演算処理装置 - Google Patents

Description

この発明は、パッドが直接ハンダ付けされることで他のプリント配線板と接続されるプリント配線板、このプリント配線板を用いた光通信モジュール、光通信装置、モジュール装置および演算処理装置に関するものである。

携帯電話や光送受信モジュールなどのように、小型な筐体内で複数のプリント配線板（以下「基板」）間を跨る信号伝送では、基板と基板を接続する手段が多く用いられている。特にフレキシブル回路基板（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ、以下「ＦＰＣ基板」）は、携帯電話での向きが変わる２枚のリジット基板の間を接続する部位や、基板とモジュールとの間で高速な信号を伝送する通信系のアプリケーションでよく使用される。特に後者では、信号速度が年々向上し、数Ｇｂｐｓに達することも珍しくなく、信号波形に含まれる周波数成分も１０ＧＨｚを超えると共に、今後も継続的な速度向上が予想されている。

携帯電話など、従来では、２枚の基板の信号配線、電源、ＧＮＤの接続機構にコネクタを用いていた。一方、近年では、光送受信モジュールなどで高速化に対応するため、双方の信号配線、電源、ＧＮＤを基板上に設けたパッド（端子）で直接接触させることで、あるいはハンダ付けなどで接続することで、電気的導通を得る手法がとられていた。しかしながら、基板と基板の接続部分は、基板配線と異なりインピーダンスが不連続であり、信号波形の劣化の要因となっている。このため、接続機構における信号伝送路のインピーダンスをできるだけ整合させる手法がとられている（例えば特許文献１−３参照）。

この際、双方の基板で、信号配線用端子のみならず、ＧＮＤ用端子についても、端子と周辺の導体レイアウトの最適化を図ることで、インピーダンスを整合させている。

例えば図７（ａ）に示すように、ＦＰＣ基板１００の表面（図６に示すＦＰＣ基板１００の上面）の所定箇所には、信号導体１０１およびＧＮＤ導体１０２が形成されている。また、図７（ｂ）に示すように、ＦＰＣ基板１００の裏面（図６に示すＦＰＣ基板１００の下面）には、信号導体１０１先端側およびその周辺に対向する領域がくり抜かれたＧＮＤ導体１０３が形成されている。また、信号導体１０１先端に対向する位置には信号導体１０４および信号端子１０５が形成されている。また、ＧＮＤ導体１０２に対向する位置にはＧＮＤ端子１０６が形成されている。

また、例えば図８（ａ）に示すように、リジット基板２００の表面（図６に示すリジット基板２００の上面）には、信号導体２０１およびコの字型のＧＮＤ導体２０２が形成されている。この信号導体２０１の先端には、ＦＰＣ基板１００の信号端子１０５と対向する信号端子２０３が形成されている。また、ＧＮＤ導体２０２には、ＦＰＣ基板１００のＧＮＤ端子１０６と対向するＧＮＤ端子２０４が形成されている。また、図８（ｂ）に示すように、リジット基板２００の裏面（図６に示すリジット基板２００の下面）には、ＧＮＤ導体２０５が形成されている。

そしてＦＰＣ基板１００とリジット基板２００は、図６に示すように、双方の接続面の信号端子１０５，２０３間およびＧＮＤ端子１０６，２０４間が直接ハンダ付けされることによって接続される。なお図６では、図を分かりやすくするため、ハンダ３００を実際より厚く示している。

また、この一環として、信号用パッドの下のＧＮＤベタ層において、信号用パッドの下の領域のみＧＮＤベタを抜く処理が施される場合も多い。なお、ここで述べるＧＮＤとは、アナログ回路の意味合いであり、電気回路としてのＧＮＤと電源の双方を含むものとする（以下同様）。

特開２００７−１５８８５６号公報 特開２００７−１２３７４４号公報 特許２００７−２３４５００号公報

しかしながら、特許文献１−３に開示される基板では、２枚の基板のＧＮＤ導体が対向する領域が存在する。この場合、対向領域で平行平板共振が生じてしまい、伝送特性が劣化してしまうという課題がある。

図９は、図６〜８に示すＦＰＣ基板１００とリジット基板２００とを用いた場合での差動信号通過特性である。この図９に示すように、２９ＧＨｚで通過特性が落ち込むリップルが生じている。このリップルに引きずられ、２９ＧＨｚ以下の周波数でも、通過特性が劣化している。
また図１０は、図６〜８に示すＦＰＣ基板１００とリジット基板２００との間での、水平方向の２９ＧＨｚにおける電界強度分布を示している。図１０に示すように、丸点線Ｂの部分（ＦＰＣ基板１００の裏面のＧＮＤ導体１０３とリジット基板２００の表面のＧＮＤ導体２０２とが対向している領域）で、強い電界が生じている。また図１０に示すように、ＦＰＣ基板１００の接続面とは逆の面の信号導体１０１と、リジット基板２００の接続面のＧＮＤ導体２０２との間にも対向領域が存在し、この対向領域においてＦＰＣ基板１００の信号配線のインピーダンス変動が発生している。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、２枚の基板のＧＮＤ導体が対向する領域をなくし、平行平板共振の発生を抑制することができ、伝送特性をさらに向上させることができるプリント配線板、光通信モジュール、光通信装置、モジュール装置および演算処理装置を提供することを目的としている。

この発明に係るプリント配線板は、
パッドが直接ハンダ付けされる、あるいは押し付けられることで他のプリント配線板と接続されるプリント配線板であって、当該プリント配線板は導体が基板の両面に形成された２層基板であり、他のプリント配線板との接続面のＧＮＤ導体は、当該接続面のパッド部分、または、当該接続面のパッド、スルーホールランドおよび当該パッドとスルーホールとの間部分に形成され、接続面とは反対面のＧＮＤ導体は、他のプリント配線板が接続された際に当該他のプリント配線板の接続面に形成されたＧＮＤ導体および信号端子を一体とする領域と対向する領域が狭くなるあるいは無くなる形状に形成されるものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、２枚の基板のＧＮＤ導体が対向する領域をなくし、平行平板共振の発生を抑制することができ、伝送特性をさらに向上させることができる。

この発明の実施の形態１に係るＦＰＣ基板とリジット基板との接続構造を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るＦＰＣ基板の表裏面の導体・端子の配置関係を示す図であり、（ａ）表面の導体・端子を示す図であり、（ｂ）裏面の導体・端子を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るリジット基板の表裏面の導体・端子の配置関係を示す図であり、（ａ）表面の導体・端子を示す図であり、（ｂ）裏面の導体・端子を示す図である。 この発明の実施の形態２に係るＦＰＣ基板とリジット基板との接続構造を示す図である。 この発明の実施の形態２に係るリジット基板の表裏面の導体・端子の配置関係を示す図であり、（ａ）表面の導体・端子を示す図であり、（ｂ）裏面の導体・端子を示す図である。 従来のＦＰＣ基板とリジット基板との接続構造を示す図である。 従来のＦＰＣ基板の表裏面の導体・端子の配置関係を示す図であり、（ａ）表面の導体・端子を示す図であり、（ｂ）裏面の導体・端子を示す図である。 従来のリジット基板の表裏面の導体・端子の配置関係を示す図であり、（ａ）表面の導体・端子を示す図であり、（ｂ）裏面の導体・端子を示す図である。 図６〜８に示す従来のＦＰＣ基板とリジット基板との接続構造での差動信号通過特性を示す図である。 図６〜８に示す従来のＦＰＣ基板とリジット基板との接続構造で生じた平行平板共振を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
以下では、２枚のプリント配線板として、ＦＰＣ基板１とリジット基板２を用い、リジット基板２に本願発明の構成を適用した場合について示す。
図１はこの発明の実施の形態１に係るＦＰＣ基板１とリジット基板２との接続構造を示す図であり、図２はＦＰＣ基板１の表裏面の導体・端子の配置関係を示す図であり、図３はリジット基板２の表裏面の導体・端子の配置関係を示す図である。なお図１は、図２，図３のＡ−Ａ’線側断面図である。また図２は、ＦＰＣ基板１の主要部分を平らにして示している。また図１〜３では、差動信号用ペア配線を有する基板を示している。

まず、ＦＰＣ基板１の構成について図１，２を参照しながら説明する。
図２（ａ）に示すように、ＦＰＣ基板１の表面（図１に示すＦＰＣ基板１の上面）の所定箇所には、信号導体１１およびＧＮＤ導体１２が形成されている。
また、図２（ｂ）に示すように、ＦＰＣ基板１の裏面（図１に示すＦＰＣ基板１の下面）には、信号導体１１先端側およびその周辺に対向する領域がくり抜かれたＧＮＤ導体１３が形成されている。また、信号導体１１先端に対向する位置には信号導体１４および信号端子（パッド）１５が形成されている。また、ＧＮＤ導体１２に対向する位置にはＧＮＤ端子（パッド）１６が形成されている。なお図２に示す例では、信号導体１４と信号端子１５は完全一致しており、ＧＮＤ端子１６はＧＮＤ導体１３に含まれている。
さらに、ＦＰＣ基板１には、表面と裏面の導体（信号導体１１と信号導体１４、ＧＮＤ導体１２とＧＮＤ導体１３）を接続するビアホール１７が形成されている。

また、配線（信号導体１１）からパッド（信号端子１５）に至る接続部１１ａの形状（信号端子１５に対向する先端部分に至るまでの信号導体１１の形状）がテーパ状に形成されている。また、ＧＮＤ導体１３のくり抜き部１３ａもテーパ状に形成されている。これは、接続部１１ａで急激に幅が変化することによる電磁界の急激な方向転換を避けるためである。

また、一般的にはＦＰＣ基板１の表裏面には保護膜が形成されているが、図では省略している。なお、この保護膜は端子１５，１６部分が開口しており、ハンダ３が塗られている。また、ＦＰＣ基板１とリジット基板２とのハンダ付けを行う際に、ＦＰＣ基板１の表面からビアホール１７を介して端子１５，１６のハンダ３に熱を加えるため、端子１５，１６と略同一領域の導体１１，１２部分の保護膜も開口している。

次に、リジット基板２の構成について図１，３を参照しながら説明する。
図３（ａ）に示すように、リジット基板２の表面（図１に示すリジット基板２の上面）には、信号導体２１およびＧＮＤ導体２２が形成されている。この信号導体２１の先端には、ＦＰＣ基板１の信号端子１５と対向する信号端子（パッド）２３が形成されている。また、ＧＮＤ導体２２には、ＦＰＣ基板１のＧＮＤ端子１６と対向するＧＮＤ端子（パッド）２４が形成されている。
また、図３（ｂ）に示すように、リジット基板２の裏面（図１に示すリジット基板２の下面）には、ＧＮＤ導体２５が形成されている。
さらに、リジット基板２には、表面と裏面の導体（ＧＮＤ導体２２とＧＮＤ導体２５）を接続するスルーホール２６が形成されている。

また、リジット基板２は、配線（信号導体２１）の幅とパッド（信号端子２３）の幅を同じにしたうえで、配線とＧＮＤ導体２５との距離を離している。これにより配線インピーダンスを所望の値に保つことができる。

このように構成されたＦＰＣ基板１とリジット基板２は、図１に示すように、双方の接続面の信号端子１５，２３間およびＧＮＤ端子１６，２４間が直接ハンダ付けされることによって接続される。なお図１では、図を分かりやすくするため、ハンダ３を実際より厚く示している。

ここで、ＧＮＤ導体２２は、図３（ｂ）に示すように、ＧＮＤ端子２４とスルーホール２６のランドおよびその間の部分にのみ形成されている。このため、ＧＮＤ導体２２のほとんどは、ＦＰＣ基板１のＧＮＤ端子１６にハンダ付けされる。よって、ＦＰＣ基板１のＧＮＤ導体１３と、リジット基板２のＧＮＤ導体２２との対向領域はほとんどない。これにより、ＦＰＣ基板１のＧＮＤ導体１３とリジット基板２のＧＮＤ導体２２との間の結合を抑制することができ、平行平板共振の発生を抑制することができる。

また、従来のプリント配線板では、ＦＰＣ基板の接続面とは逆の面の信号導体と、リジット基板の接続面のＧＮＤ導体との間にも対向領域が存在し、この対向領域においてＦＰＣ基板の信号配線のインピーダンス変動が発生していた。しかしながら、図１に示すＦＰＣ基板１およびリジット基板２では、ＦＰＣ基板１の信号導体１１と、リジット基板２のＧＮＤ導体２２との対向領域はほとんどない。これにより、ＦＰＣ基板１の信号導体１１とリジット基板２のＧＮＤ導体２２との間の結合も抑制することができ、ＦＰＣ基板の信号配線のインピーダンス変動の発生を抑制することができる。
そのため、数１０ＧＨｚまでの高周波特性が良好となるようなプリント配線板接続を実現することができる。

なお、図３に示すリジット基板２では、基板両面に導体が形成された２層基板を用いたが、これに限るものではなく、基板両面に加えて、少なくとも１つ以上の内層にも導体が形成された多層基板を用いてもよい。すなわち、ＦＰＣ基板１との接続面において、ＧＮＤ端子２４とスルーホール２６のランドおよびその間の部分にのみＧＮＤ導体２２が形成された３層以上の多層基板を用いてもよい。

また、図１〜３では、リジット基板２に本願発明の構成を適用した場合について示したが、ＦＰＣ基板１の導体パターンとリジット基板２の導体パターンを逆にし、ＦＰＣ基板１に本願発明の構成を適用するようにしてもよい。
また、図１〜３では、差動信号用ペア配線を用いた場合について示したが、これに限るものではなく、シングルエンド用配線を用いてもよく、また、差動信号用ペア配線またはシングルエンド用配線を複数設けてもよい。
また図１〜３では、リジット基板２とＦＰＣ基板１との接続の例を示したが、リジット基板どうし、ＦＰＣ基板どうしなど、接続する２枚のプリント基板の種類は問わない。

以上のように、この実施の形態１によれば、リジット基板２において、ＦＰＣ基板１との接続面のＧＮＤ端子２４とスルーホール２６のランドおよびその間部分にのみＧＮＤ導体２２を形成するように構成したので、ＦＰＣ基板１裏面のＧＮＤ導体１３とリジット基板２表面のＧＮＤ導体２２とが対向する領域がなくなり、平行平板共振の発生を抑制することができ、伝送特性をさらに向上させることができる。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２に係るＦＰＣ基板１とリジット基板２との接続構造を示す図であり、図５はリジット基板２の表裏面の導体・端子の配置関係を示す図である。なお、ＦＰＣ基板１の表裏面の導体・端子の配置関係は図２と同一である。また図４は、図２，図５のＡ−Ａ’線側断面図である。また図２，４，５では、差動信号用ペア配線を有する基板を示している。
図５に示す実施の形態２に係るリジット基板２は、図３に示す実施の形態１に係るリジット基板１にくり抜き部２７を追加し、ＧＮＤ導体２５の一部をくり抜いたものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明は省略する。

図３に示す実施の形態１に係るリジット基板２では、表面（ＦＰＣ基板１との接続面）のＧＮＤ導体２２を、ＧＮＤ端子２４とスルーホール２６のランドおよびその間の部分にのみ形成している。これにより、ＧＮＤ導体２２とＦＰＣ基板１裏面のＧＮＤ導体１３との対向領域をなくし、平行平板共振の発生を抑制している。しかしながら、リジット基板２の厚みが薄い場合、リジット基板２裏面のＧＮＤ導体２５がＦＰＣ基板１のＧＮＤ導体１３と結合する可能性がある。

そこで、図５に示すように、リジット基板２裏面にくり抜き部２７を設けてＧＮＤ導体２５の一部をくり抜き、ＧＮＤ導体２５とＦＰＣ基板１裏面のＧＮＤ導体１３と対向領域を狭めることで、ＧＮＤ導体２５とＧＮＤ導体１３との結合を防止することができる。これにより、薄いリジット基板２を用いた場合であっても、数１０ＧＨｚまでの高周波特性が良好となるようなプリント配線板接続を実現することができる。

なお、一般的に、端子の幅は配線の幅より広く、また２種類の基板１，２の配線幅も異なる場合が多く、端子付近ではＧＮＤの形状が配線の部分とは異なる。また、両面ＦＰＣ基板１のビアホール１７は、内部が導体で満たされているので、表面にハンダを塗る端子の下にも配置できるが、リジット基板２のスルーホール２６は、内部が空洞であるため、表面にハンダを塗る端子の下には置けない。このため、端子サイズが同じでも、ＦＰＣ基板１の端子を含む最小導体サイズとリジット基板２の端子を含む最小導体サイズは、同一形状にはならない。これらの理由により、双方の基板１，２で配線のインピーダンスを整合させても、端子周辺では整合せず、低インピーダンスになることが多い。
そこで、図５に示すように、信号端子１５と対向するＧＮＤ導体２５もくり抜くことで、信号端子１５での寄生容量を軽減し、インピーダンスの不整合を緩和することができる。図５のリジット基板２裏面のＧＮＤ導体２５のくり抜きは、信号端子１５と対向する部分のくり抜きとＦＰＣ基板１と対向する部分のくり抜きとが一体となっている。

なお、図５に示すリジット基板２では、基板両面に導体が形成された２層基板を用いたが、これに限るものではなく、基板両面に加えて、少なくとも１つ以上の内層にも導体が形成された多層基板を用いてもよい。すなわち、ＦＰＣ基板１との接続面に隣接する少なくとも１層以上の内層のＧＮＤ導体の一部を、ＦＰＣ基板１のＧＮＤ導体１３との対向領域を狭めるようにくり抜いた３層以上の多層基板を用いてもよい。また、接続面の反対面および全ての内層のＧＮＤ導体の一部を、ＦＰＣ基板１のＧＮＤ導体１３との対向領域を狭めるようにくり抜いて構成しても同様の効果を得ることができる。

また、図２，４，５では、リジット基板２に本願発明の構成を適用した場合について示したが、ＦＰＣ基板１の導体パターンとリジット基板２の導体パターンを逆にし、ＦＰＣ基板１に本願発明の構成を適用するようにしてもよい。
また、図２，４，５では、差動信号用ペア配線を用いた場合について示したが、これに限るものではなく、シングルエンド用配線を用いてもよく、また、差動信号用ペア配線またはシングルエンド用配線を複数設けてもよい。
また、図２，４，５では、リジット基板２とＦＰＣ基板１との接続の例を示したが、リジット基板どうし、ＦＰＣ基板どうしなど、接続する２枚のプリント基板の種類は問わない。

以上のように、この実施の形態２によれば、リジット基板２裏面のＧＮＤ導体２５の一部をくり抜き、ＦＰＣ基板１が接続された際にＦＰＣ基板１のＧＮＤ導体１３と対向する領域が狭くなるように構成したので、薄いリジット基板２を用いた場合にも、平行平板共振の発生を抑制することができ、伝送特性をさらに向上させることができる。
また、リジット基板２裏面のＧＮＤ導体２５の一部をくり抜き、ＦＰＣ基板１が接続された際にＦＰＣ基板１のＧＮＤ導体１３と対向する領域が無くなるように構成してもよい。

なお、この実施の形態１，２に係るプリント配線板は、光通信モジュール、光通信モジュールを用いた光通信装置、モジュール装置や、モジュール装置を用いた演算処理装置に適用可能である。
また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ ＦＰＣ基板（プリント配線板）、２ リジット基板（プリント配線板）、３ ハンダ、１１ 信号導体、１１ａ 接続部、１２ ＧＮＤ導体、１３ ＧＮＤ導体、１３ａ くり抜き部、１４ 信号導体、１５ 信号端子、１６ ＧＮＤ端子、１７ ビアホール、２１ 信号導体、２２ ＧＮＤ導体、２３ 信号端子、２４ ＧＮＤ端子、２５ ＧＮＤ導体、２６ スルーホール、２７ くり抜き部。

Claims (11)

1. パッドが直接ハンダ付けされる、あるいは押し付けられることで他のプリント配線板と接続されるプリント配線板であって、
   当該プリント配線板は導体が基板の両面に形成された２層基板であり、
   上記他のプリント配線板との接続面のＧＮＤ導体は、当該接続面のパッド部分、または、当該接続面のパッド、スルーホールランドおよび当該パッドとスルーホールとの間部分に形成され、
   上記接続面とは反対面のＧＮＤ導体は、上記他のプリント配線板が接続された際に当該他のプリント配線板の接続面に形成されたＧＮＤ導体および信号端子を一体とする領域と対向する領域が狭くなるあるいは無くなる形状に形成される
   ことを特徴とするプリント配線板。
2. パッドが直接ハンダ付けされる、あるいは押し付けられることで他のプリント配線板と接続されるプリント配線板であって、
   当該プリント配線板は導体が基板の両面および少なくとも１層以上の内層に形成された多層基板であり、
   上記他のプリント配線板との接続面のＧＮＤ導体は、当該接続面のパッド部分、または、当該接続面のパッド、スルーホールランドおよび当該パッドとスルーホールとの間部分に形成され、
   上記接続面に隣接する少なくとも１層以上の内層のＧＮＤ導体は、上記他のプリント配線板が接続された際に当該他のプリント配線板の接続面に形成されたＧＮＤ導体および信号端子を一体とする領域と対向する領域が狭くなるあるいは無くなる形状に形成される
   ことを特徴とするプリント配線板。
3. パッドが直接ハンダ付けされる、あるいは押し付けられることで他のプリント配線板と接続されるプリント配線板であって、
   当該プリント配線板は導体が基板の両面および少なくとも１層以上の内層に形成された多層基板であり、
   上記他のプリント配線板との接続面のＧＮＤ導体は、当該接続面のパッド部分、または、当該接続面のパッド、スルーホールランドおよび当該パッドとスルーホールとの間部分に形成され、
   上記接続面とは反対面および内層のＧＮＤ導体は、上記他のプリント配線板が接続された際に当該他のプリント配線板の接続面に形成されたＧＮＤ導体および信号端子を一体とする領域と対向する領域が狭くなるあるいは無くなる形状に形成される
   ことを特徴とするプリント配線板。
4. 上記接続面には、少なくとも１つ以上のシングルエンド用配線が形成される
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のプリント配線板。
5. 上記接続面には、少なくとも１つ以上の差動信号用配線が形成される
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のプリント配線板。
6. リジットな配線板で構成される
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載のプリント配線板。
7. フレキシブルな配線板で構成される
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載のプリント配線板。
8. 請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載のプリント配線板を用いた
   ことを特徴とする光通信モジュール。
9. 請求項８記載の光通信モジュールを用いた
   ことを特徴とする光通信装置。
10. 請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載のプリント配線板を用いた
    ことを特徴とするモジュール装置。
11. 請求項１０記載のモジュール装置を用いた
    ことを特徴とする演算処理装置。

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