JP6137616B2 - フレキシブル基板 - Google Patents

Description

本発明は、フレキシブル基板に関し、例えばコプレーナ線路とマイクロストリップ線路を接続する変換部を有するフレキシブル基板に関する。

電子回路の接続にフレキシブル基板（ＦＰＣ）が用いられている（特許文献１）。フレキシブル基板には、両端にパッケージのリードピンが接続するパッドが形成されている。このパッドはコプレーナ線路により形成され、パッド間を接続する線路としてマイクロストリップ線路が形成されている。

特開２０１１−２３８８８３号公報

コプレーナ線路とマイクロストリップ線路とを接続する箇所において、コプレーナ線路とマイクロストリップ線路とのインピーダンス整合が取れない場合がある。本発明は、コプレーナ線路とマイクロストリップ線路とのインピーダンス整合を向上させることを目的とする。

本発明は、第１面と前記第１面に対向する第２面とを有する絶縁基板と、前記第１面に形成された第１信号線路と、前記第１信号線路に対向する領域の前記第２面に形成された第１グランドパターンと、を有するマイクロストリップ線路と、前記第１面に形成された第２信号線路と、前記第１面の前記第２信号線路の両側に離間して形成された第２グランドパターンと、を有するコプレーナ線路と、前記第１面に形成され前記第１信号線路と前記第２信号線路とを接続する接続線路と、前記接続線路に設けられた開口部と、前記第２面の前記接続線路に対向する領域を除いたその両側の領域に形成された第３グランドパターンと、を具備することを特徴とするフレキシブル基板である。本発明によれば、コプレーナ線路とマイクロストリップ線路とのインピーダンス整合を向上させることができる。

上記構成において、前記接続線路は、前記開口部により分岐された複数の分岐線路によって構成されてなり、前記分岐線路の１つは、前記第１信号線路と実質的に同じ幅で一直線上に配置されてなる構成とすることができる。

上記構成において、前記絶縁基板の前記第２面における、前記第２グランドパターンに対向した領域にグランド電位の領域を備える構成とすることができる。

上記構成において、前記第２グランドパターンに対向した領域における前記グランド電位の領域は、前記第２信号線路と前記第２グランドパターンの離間距離よりも大きい距離で、前記第２信号線路から離間してなる構成とすることができる。

上記構成において、前記コプレーナ線路のインピーダンスは前記マイクロストリップ線路のインピーダンスより小さい構成とすることができる。

上記構成において、前記マイクロストリップ線路、前記コプレーナ線路および前記接続線路が複数隣接して配置され、隣接する前記コプレーナ線路の前記第２グランドパターンは共用されてなる構成とすることができる。

本発明によれば、コプレーナ線路とマイクロストリップ線路とのインピーダンス整合を向上させることができる。

図１は、比較例に係るフレキシブル基板の平面図である。 図２（ａ）から図２（ｃ）は、それぞれ図１のＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図およびＣ−Ｃ断面図である。 図３（ａ）は、比較例に係るフレキシブル基板の等価回路、図３（ｂ）は、Ｓ１１を示すスミスチャートの模式図である。 図４は、実施例１に係るフレキシブル基板の平面図である。 図５（ａ）から図５（ｃ）は、それぞれ図４のＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図およびＣ−Ｃ断面図である。 図６（ａ）は、実施例１に係るフレキシブル基板の等価回路、図６（ｂ）は、Ｓ１１を示すスミスチャートの模式図である。 図７（ａ）は、実施例１の変形例に係るフレキシブル基板の等価回路、図７（ｂ）は、Ｓ１１を示すスミスチャートの模式図である。 図８は、実施例２に係るフレキシブル基板の平面図である。 図９は、周波数に対するＳ２１および反射特性を示す図である。 図１０は、実施例３の模式図である。 図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、フレキシブル基板の第１面および第２面を示す平面図である。 図１２は、フレキシブル基板の平面図である。 図１３（ａ）から図１３（ｃ）は、それぞれ図１２のＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図およびＣ−Ｃ断面図である。 図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、別のフレキシブル基板の第１面および第２面を示す平面図である。

比較例に係るフレキシブル基板について説明する。図１は、比較例に係るフレキシブル基板の平面図である。図２（ａ）から図２（ｃ）は、それぞれ図１のＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図およびＣ−Ｃ断面図である。図１から図２（ｃ）に示すように、フレキシブル基板１０１は、マイクロストリップ線路５０、変換部５２およびコプレーナ線路５４を備えている。マイクロストリップ線路５０は、例えばポリイミド等の樹脂からなる絶縁基板１０の第１面に形成された信号線路１２（第１信号線路）と第１面と反対の面である（対向する）第２面に形成されたグランドパターン２２（第１グランドパターン）とを有している。なお、信号線路１２およびグランドパターン２２は、例えば金（Ａｕ）などの金属からなる。

コプレーナ線路５４は、第１面に形成された信号線路１６（第２信号線路）と、第１面の信号線路１６の両側に離間して形成されたグランドパターン２０（第２グランドパターン）と、第２面に形成されたグランドパターン２６と、を有している。グランドパターン２６は、信号線路１６に対向する領域には形成されていない。これは、信号線路１６とグランドパターン２６とにより形成される容量成分を抑制するためである。また、グランドパターン２６は、グランドパターン２０に対向した領域グランド電位の領域として形成されている。ビア金属２８を介し、グランドパターン２０と２６とは電気的に接続されている。このように、グランドパターン２６がグランドパターン２０に対向する領域に形成されていることにより、マイクロストリップ線路５０のグランドパターン２０をグランドパターン２６を介しグランドパターン２０に電気的に接続することができる。なお、信号線路１６およびグランドパターン２０、グランドパターン２６は、例えば金（Ａｕ）などの金属からなる。

変換部５２は、第１面に形成され信号線路１２と信号線路１６とを接続する接続線路１４と、第２面に形成されたグランドパターン２４（第３グランドパターン）と、を有している。信号線路１２の幅より信号線路１６の幅が広いため、この間を接続する接続線路１４は台形状を有している。グランドパターン２４は、接続線路１４が設けられる面とは反対側の絶縁基板１０に設けられている。グランドパターン２４は、接続線路１４に対向する領域には設けられていない。グランドパターン２４は接続線路１４に対向する領域の両側の領域に、接続線路１４の外形のパターンに沿った形状で形成されている。接続線路１４とグランドパターン２４の間には、容量成分Ｃ０が存在する。グランドパターン２４は、グランドパターン２０と２６とを電気的に接続している。変換部５２においては、接続線路１４とグランドパターン２４とにより、擬似的なコプレーナ線路が形成されている。なお、接続線路１４およびグランドパターン２４は、例えば金（Ａｕ）などの金属からなる。

図３（ａ）は、比較例に係るフレキシブル基板の等価回路、図３（ｂ）は、Ｓ１１を示すスミスチャートの模式図である。図３（ａ）に示すように、ノードＮ４とＮ３との間にコプレーナ線路５４、変換部５２およびマイクロストリップ線路５０が接続されている。コプレーナ線路５４は分布定数線路４４として表される。変換部５２は容量成分を有するオープンスタブ４２として表される。マイクロストリップ線路５０は、分布定数線路４０として表される。コプレーナ線路５４と変換部５２との間のノードをノードＮ１、変換部５２とマイクロストリップ線路５０との間のノードをノードＮ２とする。分布定数線路４０および４４の特性インピーダンスＺ_０を５０Ωとする。ノードＮ４は、抵抗Ｒによりインピーダンスが５０Ωに終端されている。例えばノードＮ４には入力または出力インピーダンスが５０Ωの端子が接続されている。ノードＮ３側からみたＳ１１について以下に示す。

図３（ｂ）に示すように、ノードＮ４およびＮ１からノードＮ４の方をみたインピーダンスのＳ１１は、ともに５０Ωである。よって、ノードＮ１およびＮ４のＳ１１はスミスチャートの中心に位置する。ノードＮ２のＳ１１は、オープンスタブ４２の容量成分により中心からずれる。ノードＮ３においては、ノードＮ２からスミスチャートの中心を中心に円周状に回転する。このように。変換部５２の容量成分により、ノードＮ２からＮ３の間のＳ１１がスミスチャートの中心からずれてしまう。よって、伝送特性が悪化する。

図４は、実施例１に係るフレキシブル基板の平面図である。図５（ａ）から図５（ｃ）は、それぞれ図４のＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図およびＣ−Ｃ断面図である。図４から図５（ｃ）に示すように、フレキシブル基板１００においては、接続線路１４に開口部１５が形成されている。変換部５２に開口部１５が設けられたことにより、接続線路１４とグランドパターン２４との容量成分Ｃ１を抑制することができる。これにより、コプレーナ線路５４およびマイクロストリップ線路５０に対する、変換部５２のインピーダンス整合を向上させることができる。この開口部１５は接続線路１４を構成する導体に設けられている。開口部１５の内側は空間であり、そこに絶縁基板１０を構成する樹脂は充填されていない。開口部１５は接続線路１４を構成する導体をパターンニングする際に、導体と同時に設けられる。その他の構成は、比較例の図１から図２（ｃ）と同じであり説明を省略する。

実施例１では、開口部１５は変換部５２に隣接する領域の信号線路１６にも延長されている。開口部１５が信号線路１６にも延長されていることにより、変換部５２に隣接する領域の容量成分も低減できる。これにより、コプレーナ線路５４およびマイクロストリップ線路５０に対する、変換部５２のインピーダンス整合が更に向上する。実施例１では、変換部５２の接続線路１４はコプレーナ線路５４からマイクロストリップ線路５０にかけて徐々に変化したスロープ形状を有している。しかし接続線路１４の形状はこれに限らない。例えば、接続線路１４において、その幅をスロープ状ではなく複数段のステップ状に変化させてもよい。あるいはコプレーナ線路５４の信号線路１６の幅を持った領域と、マイクロストリップ線路５０の信号線路１２の幅を持った領域とを付き合わせた１段のステップ形状で接続線路１４を構成してもよい。また、実施例１のコプレーナ線路５４は、その両側にグランドパターン２０が設けられているが、信号線路１６に対向する絶縁基板１０の面には、グランドパターンが配置されていない。これは後述する変形例および他の実施例においても同じである。

図６（ａ）は、実施例１に係るフレキシブル基板の等価回路、図６（ｂ）は、Ｓ１１を示すスミスチャートの模式図である。コプレーナ線路５４とマイクロストリップ線路５６は、いずれも５０Ωである。図６（ａ）に示すように、変換部５２における容量成分が小さくなったためオープンスタブ４２の長さが短くなっている。図６（ｂ）に示すように、変換部５２における容量成分が小さくなったため、ノードＮ２におけるスミスチャート中心からのずれが小さくなる。よって、ノードＮ３のＳ１１は、比較例に比べ中心に近くなる。よって、伝送特性が比較例に比べ改善する。

実施例１によれば、接続線路１４が開口部１５を有する。これにより、変換部５２における容量成分を抑制でき、コプレーナ線路とマイクロストリップ線路とのインピーダンス整合を向上させることができる。

例えば、接続線路１４は、開口部１５により、信号線路１２から分岐されそれぞれ信号線路１６に接続する複数の分岐線路１８を有する。信号線路１２は、信号線路１６より狭い場合、分岐線路１８は、２等辺三角形の２辺に対応することが好ましい。これにより、分岐線路１８間で位相か変わらず伝送特性を向上できる。

また、分岐線路１８の幅が小さくなると、開口部１５が大きくなり容量成分は削減される。実施例１の変換部５２は、信号線路１２の中心軸を基点に線対称に形成している。このため、分岐線路１８は同等の伝送特性を有している。これにより、複数の分岐線路１８間のアンバランスに起因する伝送特性の劣化が防止できる。なお、実施例１の分岐線路１８の幅は信号線路１２と同程度である。

接続線路１４とグランドパターン２４とは、オーバーラップしないことが好ましい。オーバーラップさせないためには、接続線路１４とグランドパターン２４の作製時におけるマージンを設けることが好ましい。実施例１では、接続線路１４の縁辺とグランドパターン２４の縁辺の間は、５０μｍの間隔（マージン）を設けている。

図７（ａ）は、実施例１の変形例に係るフレキシブル基板の等価回路、図７（ｂ）は、Ｓ１１を示すスミスチャートの模式図である。実施例１ではコプレーナ線路５４の特性インピーダンスは５０Ωであったが、本変形例ではコプレーナ線路５４の特性インピーダンスを４５Ωとしている。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。図７（ｂ）に示すように、ノードＮ４においては、Ｓ１１は５０Ωである。分布定数線路４４の特性インピーダンスが４５Ωのため、ノードＮ１のＳ１１はコプレーナ線路５４の長さに応じ変化する。コプレーナ線路５４の特性インピーダンスは、信号線路１６の幅やグランドパターン２０との間隔を変更することで変更することができる。さらに、オープンスタブ４２の容量成分によりノードＮ２のＳ１１はスミスチャートの中心に近づく。ノードＮ３のＳ１１は分布定数線路４０の長さに応じスミスチャートの中心を中心に回転する。

実施例１においては、図６（ｂ）のように、ノードＮ２において、Ｓ１１は変換部５２の容量成分によりスミスチャートの中心からずれる。ノードＮ３では、スミスチャートの中心からずれたままで分布定数線路４０の長さに応じ円状に回転する。一方、変形例においては、図７（ｂ）のように、分布定数線路４４の特性インピーダンスを５０Ωより小さくし、ノードＮ１のＳ１１をスミスチャートの中心から適切にずらす。オープンスタブ４２の容量成分によりノードＮ２のＳ１１をスミスチャートの中心に近づける。このように、容量成分によるＳ１１のずれに相当する分、分布定数線路４４を用いＳ１１を中心からずらしておく、すなわち、コプレーナ線路５４の特性インピーダンスをマイクロストリップ線路５０の特性インピーダンスより小さくする。これにより、実施例１より、ノードＮ３のＳ１１をスミスチャートの中心近くに設定できる。よって、伝送特性をより改善できる。

実施例２は、２つのコプレーナ線路を差動伝送線路として用いる例である。図８は、実施例２に係るフレキシブル基板の平面図である。図８に示すように、フレキシブル基板１０２には、複数のマイクロストリップ線路５０、変換部５２およびコプレーナ線路５４が設けられている。コプレーナ線路５４において、隣接する信号線路１６間のグランドパターン２０が共用されている。共用されたグランドパターン２０の中心線を基点に、信号線路１２および１６、分岐線路１８ａおよび１８ｂは、対称に設けられている。これにより、差動信号間の位相特性を向上できる。２つの信号線路１６間距離と、２つの信号線路１２間距離とは同じである。このため、分岐線路１８ａと、信号線路１２とは直線状となっている。開口部１５は直角三角形となっている。信号線路１２と分岐線路１８ａとの幅が実質的に同じで、双方が一直線上に配置されている。このように、接続線路は、開口部１５により分岐された複数の分岐線路１８ａおよび１８ｂによって構成されている。分岐線路１８ａおよび１８ｂの１つは、信号線路１２と実質的に同じ幅で一直線上に配置されている。このため、信号線路１２と分岐線路１８ａとの連続性が高く、この接続部分における不整合が抑制できる。

実施例２では分岐線路１８ｂの幅は、分岐線路１８ａの幅より狭く形成されている。実施例２のコプレーナ線路５４は、絶縁基板１０の信号線路１６が設けられる面と、その反対側の面の両方にグランドパターンが設けられている。実施例２ではコプレーナ線路５４の信号線路１６とグランドパターン２０との間隔は、グランドパターン２６との間隔よりも小さい。例えばグランドパターン２０に対向した領域におけるグランドパターン２６（グランド電位の領域）は、信号線路１６とグランドパターン２０の離間距離よりも大きい距離で、信号線路１６から離間している。このため、信号線路１６が設けられる面における信号線路１６とグランド電位との結合を強くすることができる。

次に、Ｓ２１および反射特性をシミュレーションした。図８において、コプレーナ線路５４の長さＬ１を１ｍｍ、接続線路１４の長さＬ２を０．２２ｍｍ、信号線路１６の幅Ｌ４を０．５ｍｍ、信号線路１６とグランドパターン２０とのギャップＬ３を０．１ｍｍとした。信号線路１６とグランドパターン２４とのギャップＬ５を０．０５ｍｍとした。信号線路１６とグランドパターン２６とのギャップＬ６を０．１５ｍｍとした。絶縁基板１０としては比誘電率が３．５の絶縁体を用いた。このとき、コプレーナ線路５４の特性インピーダンスは４５Ωである。マイクロストリップ線路５０の特性インピーダンスを５０Ωとした。開口部１５のないものを比較例とした。

図９は、周波数に対するＳ２１および反射特性を示す図である。なお、Ｓ２１はフレキシブル基板の両端間の通過特性を示し、反射特性は、フレキシブル基板の片端から信号を入力した場合の反射特性である。図９に示すように、実施例２のＳ２１は、比較例に対し、信号の周波数が２５ＧＨｚ以上で改善する。５０ＧＨｚにおいても、実施例２のＳ２１は比較例より大きい。実施例２の反射特性は、比較例に対し、信号の周波数が２５ＧＨｚ以上で改善する。このように、実施例２においては、特に信号周波数が２５ＧＨｚ以上の場合に伝送特性が改善する。さらに、３０ＧＨｚ、４０ＧＨｚでも改善し、５０ＧＨｚにおいても改善する。

実施例２において、図７（ｂ）のように、伝送特性を改善するためには、特性インピーダンスが４５Ωのコプレーナ線路の長さＬ１は、周波数が５０ＧＨｚにおける信号波長をλｇとし、λｇ／４＜Ｌ１＜λｇ／３であることが好ましい。これは、Ｌ１が０．８ｍｍから１．２ｍｍに相当する。また、Ｌ２＜λｇ／１８であることが好ましい。これは、Ｌ２が０．２５ｍｍ以下に相当する。

実施例３は、実施例１から実施例２を光モジュールに適用した例である。図１０は、実施例３の模式図である。図１０は、筐体６２の断面を示し、その他の部品の側面を示している。筐体６２内にレセプタクル６４、筐体６６、リードピン３０、絶縁体６８、フレキシブル基板１０６および回路基板７０が設けられている。レセプタクル６４には光ファイバ６１が接続されたコネクタ６０が挿入される。筐体６６内には、例えばフォトダイオード等の受光素子および受光素子の出力を増幅するプリアンプが設けられている。光ファイバ６１から入力された光信号は、受光素子において電気信号に変換され、プリアンプにより増幅される。増幅された電気信号は、絶縁体６８、リードピン３０およびフレキシブル基板１００を介し回路基板７０に伝送される。絶縁体６８内には、電気信号や電源を伝送する線路が形成されている。フレキシブル基板１０６は、主に筐体６６内に直流電源を供給する。フレキシブル基板１０６は、筐体６６内と回路基板７０との間で高周波信号を接続する。

また、筐体６６内には、例えばレーザダイオード等の発光素子および発光素子を駆動する駆動回路が設けられている。回路基板７０からフレキシブル基板１００、リードピン３０および絶縁体６８を介し電気信号が駆動回路に伝送される。駆動回路は電気信号を増幅する。レーザダイオードは増幅された電気信号を光信号に変換し、レーザ光を光ファイバ６１に出力する。

図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、フレキシブル基板の第１面および第２面を示す平面図である。フレキシブル基板１０６の両端にコプレーナ線路５４が形成されている。コプレーナ線路５４間はマイクロストリップ線路５０が接続している。コプレーナ線路５４とマイクロストリップ線路５０との間に開口部１５を有する接続線路１４を備えた変換部５２が形成されている。その他の構成は、実施例１または２と同じであり説明を省略する。

図１２は、フレキシブル基板の平面図である。図１３（ａ）から図１３（ｃ）は、それぞれ図１２のＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図およびＣ−Ｃ断面図である。図１２から図１３（ｂ）のように、コプレーナ線路５４の信号線路１６およびグランドパターン２０上にリードピン３０が接合されている。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例３によれば、光モジュール１０４は、フレキシブル基板１０６と光素子を備えている。光素子は、入力または出力信号を入力または出力するリードピン３０を有する。フレキシブル基板１０６の信号線路１６は、リードピン３０に接続されている。これにより、高周波信号として光素子に入出力する入出力信号のフレキシブル基板における損失を抑制できる。

図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、別のフレキシブル基板の第１面および第２面を示す平面図である。フレキシブル基板１０８の接続線路１４は、四角状の開口部１５を有する。コプレーナ線路５４の信号線路１６は、第２面の電極２７とビア金属２８を介し電気的に接続されている。その他の構成は、実施例３の図１１（ａ）および図１１（ｂ）と同じであり、説明を省略する。実施例３の変形例のように、開口部１５の形状は、四角状でもよい。その他の形状でもよい。また、コプレーナ線路５４の信号線路１６に対応する第２面に電極２７が形成され、信号線路１６と電極２７とは電気的に接続されていてもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 絶縁基板
１２、１６ 信号線路
１４ 接続線路
１８ 分岐線路
２０、２２、２４、２６ グランドパターン
２８ ビア金属
３０ リードピン

Claims (4)

1. 第１面と前記第１面に対向する第２面とを有する絶縁基板と、
   前記第１面に設けられた第１信号線路と、前記第１信号線路に対向する領域の前記第２面に設けられた第１グランドパターンと、を有するマイクロストリップ線路と、
   前記第１面に設けられ、前記第１信号線路より幅の大きい第２信号線路と、その両側の前記第１面に離間して設けられた第２グランドパターンと、を有するコプレーナ線路と、
   前記第１面に設けられ、前記第１信号線路と前記第２信号線路とを接続する接続線路と、
   前記接続線路に設けられた開口部と、
   を具備することを特徴とするフレキシブル基板。
2. 前記第２面における、前記接続線路に対向する領域を除いて、その両側の辺に沿った領域に設けられた第３グランドパターンと、
   前記第２面における、前記第２グランドパターンに対向した領域に設けられ、前記第３グランドパターンと接続する第４グランドパターンと、
   を具備し、
   前記第２面における前記第２信号線路に対向した領域と前記第４グランドパターンとの距離は、前記第２信号線路と前記第２グランドパターンとの離間距離より大きい、請求項１に記載のフレキシブル基板。
3. 前記接続線路の幅は、前記第１信号線路側から前記第２信号線路側に向かって連続的に大きくなり、前記開口の幅は、前記第１信号線路側から前記第２信号線路側に向かって連続的に大きくなる、請求項１または２に記載のフレキシブル基板。
4. 前記接続線路は、前記開口部により分岐された複数の分岐線路によって構成されてなり、前記分岐線路の１つは、前記第１信号線路と実質的に同じ幅で一直線上に配置されてなる、請求項１から３のいずれか一項に記載のフレキシブル基板。

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