JP6441697B2

JP6441697B2 - 配線基板および電子装置

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Publication number: JP6441697B2
Application number: JP2015015637A
Authority: JP
Inventors: 株元　正尚; 正尚株元
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2015-01-29
Publication date: 2018-12-19
Anticipated expiration: 2035-01-29
Also published as: JP2016139772A

Description

本発明は、複数の信号導体と、複数の信号導体間に設けられた接地導体とを有する配線基板および電子装置に関するものである。

半導体素子および光素子等を含む電子部品が搭載される配線基板として、ガラスセラミック質焼結体等からなる絶縁基体と、絶縁基体の主面および内部に銅または銀等の金属材料を用いて設けられた配線導体および貫通導体とを有するものが多用されている。

配線導体のうち電子部品の信号が伝播する複数の信号導体が隣り合って形成される場合、複数の信号導体のうち互いに隣り合うもの同士等の間で互いの信号が漏れてしまう（クロストークが発生する）場合がある。このような場合には、複数の信号導体のうち互いに隣り合う信号導体の間に、接地導体（グランド導体）を設けることでクロストークを低減できることが知られている。

特開2003−133471号公報

しかしながら、近年、このような接地導体を設けたとしてもクロストークが十分に低減できない例が生じるようになってきた。

特に、絶縁基体の主面および主面につながった側面との間に位置する稜部周辺においては、貫通導体を形成する際にクラックが生じる可能性が高いため、接地導体の接地電位を安定させるための接地用の貫通導体を配置することが困難であった。そのため、絶縁基体の陵部周辺に配置した複数の信号導体間に設けた接地導体の接地電位が安定せず、複数の信号導体間にクロストークが発生してしまう可能性があった。

本発明の発明者は、上記問題点について検討した結果、接地電位の安定が難しいことに加えて、電子部品のより一層の高周波化により、複数の信号導体間に設けた接地導体を伝わって互いの信号が漏れてしまう（クロストークが発生する）可能性があることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明の一つの態様による配線基板は、主面および該主面につながった側面を有し、前記主面と前記側面との間に稜部を有する絶縁基体と、前記主面に設けられており、前記稜部に近接した端部を有する複数の信号導体と、前記複数の信号導体間に、該信号導体から離れて設けられた接地導体と、該接地導体に電気的に接続されている複数の接地貫通導体とを有しており、前記稜部周辺において前記接地貫通導体の非形成部を有して
いるとともに、前記接地導体は、前記接地貫通導体の前記非形成部において、前記複数の信号導体のうち互いに隣り合う信号導体同士の間にスリットを有し、該スリットは、近接した前記絶縁基体の前記稜部側に開放しており、前記絶縁基体の前記主面のうち前記接地貫通導体の前記非形成部よりも外側の部位まで延びて形成されており、前記複数の接地貫通導体は、前記スリットを挟んで配置されているものを含んでいる。

本発明の一つの態様による電子装置は、上記構成の配線基板と、前記絶縁基体の前記主面に搭載された電子部品と、前記複数の信号導体と前記電子部品とを電気的に接続する複数の金属ワイヤとを有している。

本発明の一つの態様による配線基板によれば、主面および主面につながった側面を有し、主面と側面との間に稜部を有する絶縁基体と、主面に設けられており、稜部に近接した端部を有する複数の信号導体と、複数の信号導体間に、信号導体から離れて設けられた接地導体と、接地導体に電気的に接続されている複数の接地貫通導体とを有しており、稜部周辺において接地貫通導体の非形成部を有しているとともに、接地導体は、接地貫通導体の非形成部において、複数の信号導体のうち互いに隣り合う信号導体の間にスリットを有し、スリットは、近接した絶縁基体の稜部側に開放しており、絶縁基体の主面のうち接地貫通導体の非形成部よりも外側の部位まで延びて形成されており、複数の接地貫通導体は、スリットを挟んで配置されているものを含んでいることで、互いに隣り合う信号導体間において接地導体上を高周波信号が伝播することを抑制することができる。したがって、信号導体間のクロストークを低減した配線基板および電子装置を提供することができる。

本発明の一つの態様による電子装置によれば、上記構成の配線基板と、前記絶縁基体の前記主面に搭載された電子部品と、前記複数の信号導体と前記電子部品とを電気的に接続する複数の金属ワイヤとを有していることから、信号導体間のクロストークを低減した電子装置を提供することができる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態の配線基板およびその配線基板を含む電子装置における上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。（ａ）は図１の配線基板の内層を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。（ａ）は本発明の第２の実施形態の配線基板およびその配線基板を含む電子装置における上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。図３の配線基板の内層を示す平面図である。

本発明のいくつかの例示的な実施形態について、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明における上下の区別は便宜的なものであり、実際に配線基板等が用いられるときの上下を特定するものではない。

（第１の実施形態）
図１（ａ）は本発明の第１の実施形態の配線基板およびその配線基板を含む電子装置における上面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。また、図２（ａ）は図１の配線基板の内層を示す平面図であり、図２（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。なお、図１（ａ）および図２では、理解を容易にするために、後述する信号導体３にハッチングを付して示している。

本発明の第１の実施形態に係る配線基板は、図１に示されているように、主面および主面につながった側面を有し、主面と側面との間に稜部２を有する絶縁基体１と、絶縁基体１の主面に設けられており、稜部２に近接した端部を有する複数の信号導体３と、複数の信号導体３間に、信号導体３から離れて設けられた接地導体４とによって基本的に形成されている。

本実施形態における絶縁基体１の主面とは、絶縁基体１を上または下から見たときに、絶縁基体１の少なくとも一部が露出している面を意味する。

なお、以下の説明においては主面が上面である場合を例に挙げて説明する。主面が下面である場合も同様の構成および効果となる。

実施形態における主面については、例えば、電子部品８が搭載されている面や、複数の信号導体３の端部が配置されている面である。稜部２とは、絶縁基体１の主面と主面につながった側面との交わる部位であり、例えば、後述するように、絶縁基体１の外周端部や、凹部の開口端部に位置する部位である。

絶縁基体１は、例えば平面視において四角形状（四角板状等）であり、電子部品８を搭載して固定すること等の機能を有する部位である。実施形態の配線基板10において、絶縁基体１は互いに高さが異なる三つの上面（主面）を有している。すなわち、絶縁基体１は、四角形状であって平面視で外周の一部に凹部を有する最上面と、この凹部の内側で段状に露出している二つの上面とを有している。この、段状の二つの上面は、凹部の縁に沿っているとともに後述する複数の信号導体３が設けられている中段の上面、および他の電子部品８が搭載されている最底部の上面である。

この絶縁基体１の主面（最上面および最下段の上面）にそれぞれ電子部品８が搭載される。電子部品８が信号導体３と電気的に接続され、必要に応じて電子部品８が樹脂材料等の封止材（図示せず）で封止されて電子装置20が形成される。

この例における絶縁基体１は、貫通孔を有する絶縁層１ａを含む４層の絶縁層１ａが互いに積層されて形成されている。この絶縁層１ａの平面視における形状および寸法が適宜調整されて、絶縁基体１に凹部が２段階の深さで設けられている。前述したように、複数（図１の例では２個）の電子部品８が凹部の最底部（最下段の上面）に搭載されている。この例においては４層の絶縁層１ａによって絶縁基体１が形成されているが、他の層数で形成されていても構わない。

また、凹部の段部（中段の上面）に複数の信号導体３の端部および信号導体３から離れて設けられた接地導体４の端部が配列され設けられている。信号導体３および接地導体４は、例えば図２に示すように絶縁基体１の内部（絶縁層１ａの層間）から段部にかけて設けられている。

電子装置20において、複数の信号導体３の端部は電子部品８と金属ワイヤ９によって電気的に接続されている。また、特性インピーダンスを所望の値に調整させる等、必要に応じて接地導体４の端部が電子部品８と電気的に接続されていてもよい。金属ワイヤ９は大きなインダクタンスを持つため、配線基板10における特性インピーダンスの変化を抑え高周波特性を向上させるためには、できるだけ短くすることが好ましい。そのため、段部に形成されている信号導体３の端部および接地導体４の端部はできるだけ凹部の開口に沿った稜部２に近接して設けられている。つまり、凹部の段部に設けられている信号導体３および接地導体４のそれぞれの端部と、凹部の最底部に搭載されている電子部品８との距離ができるだけ短くなるように設定されている。

また、接地導体４の電位を安定させるため、接地導体４に複数の接地貫通導体５が設けられ、異なる層に配置された接地導体４と電気的に接続されている。ただし、稜部２から近い場所に接地貫通導体５を設けた場合、稜部２近傍において絶縁基体１にクラックが生じる可能性があるため、稜部２の近くでは接地貫通導体５が非形成となっている。例えば図２に示すように、稜部２から内側に仮想線（二点鎖線）で示した部位までを接地貫通導体５の非形成部としている。稜部２から二点鎖線までの距離（非形成部の幅）は、例えば約0.3〜0.6ｍｍ程度である。

接地導体４は、接地貫通導体５の非形成部において、接地貫通導体５が形成されている部分に比べてインダクタンス成分が大きくなり電位が安定しない傾向がある。そのため、例えば信号導体３を伝送される信号のより一層の高周波化等に起因して、接地導体４を伝播して隣り合う複数の信号導体３間にクロストークが発生しやすくなる傾向がある。そこで、複数の信号導体３のうち互いに隣り合う信号導体３同士の間にスリット７が設けられている。このスリット７により、非形成部における接地導体４のうち互いに隣り合う信号導体３同士の間に位置している部分に互いに離間し合った部分が生じる。これによって複
数の信号導体３間のクロストークの発生を低減させることが可能になっている。また、接地導体４のうち信号導体３と隣り合っている部分においては、特性インピーダンスを調整するために、信号導体３の全長にわたって隣り合うように配置される必要がある。

この場合、互いに隣り合う信号導体３の間に位置する接地導体４自体は、スリット７以外の部分では連続した導体で電気的につながったものであるが、このスリット７によって上記のようなクロストークの信号導体３間の伝播が効果的に抑制できる。これはより具体的に説明すれば次の通りである。すなわち、接地貫通導体５の非形成部に配置された接地導体４は電位が安定しない（ノイズが伝わりやすい）ため、スリット７を設けることによって、互いに隣り合う信号導体３間の接地導体４の電位が安定しない部分を伝播するノイズを減らすことで、クロストークの低減が可能となる。

このような効果を得るためには、スリット７は、非形成部において信号導体３に沿った部分の全長にわたって、接地導体４に設けられていることが望ましい。特に、スリット７は近接した絶縁基体１の稜部２側に開放していることが望ましい。すなわち、接地導体４は接地貫通導体５から稜部２側に近づくほど電位が安定しないため、スリット７を稜部２側が開放した形状にすることで、よりクロストークの低減が可能となる。

スリット７の幅（平面視において互いに隣り合う信号導体３同士の結ぶ方向におけるスリット７の寸法）は、配線基板10および電子装置20の用途、信号導体３を伝送される信号の周波数、信号導体３の端部の長さおよび絶縁基体１等の材料等の条件に応じて適宜設定されていてよい。

例えば、絶縁基体１がガラスセラミック焼結体からなり、信号導体３が銅を主成分とする金属材料からなり、信号導体３を伝送される信号の周波数が20〜60ＧＨｚ等の場合であれば、スリット７の幅は、約0.1〜１ｍｍ程度に設定されていればよい。

また、スリット７は、近接した絶縁基体１の稜部２側に開放しているとともに、絶縁基体１の主面のうち接地貫通導体５の非形成部よりも外側の部位まで延びて形成されており、複数の接地貫通導体５は、スリット７を挟んで配置されているものを含んでいることが望ましい。このような配置にすることで、スリット７によって、接地導体４のうち接地電位の安定しない部位を分離することができる。また、信号導体３と隣り合っている部分に配置した接地導体４が接地貫通導体５の非形成部より外側で電気的につながっていても、複数の接地貫通導体５がスリット７を挟んで配置されているため、信号導体３から発生するノイズを効果的にシールドすることが可能となる。

第１の実施形態の例においては、複数の電子部品８が金属ワイヤ９によってそれぞれ信号導体３に接続されており、複数の信号導体３は、互いに異なる電子部品８と電気的に接続されていることから、複数の電子部品８間において互いに及ぼすクロストークを低減することが可能となる。

絶縁基体１は、例えばガラスセラミック質焼結体または酸化アルミニウム質焼結体等からなる複数の絶縁層１ａが積層されて形成されている。絶縁基体１を形成するガラスセラミック質焼結体は、例えば、次のようにして製作することができる。まず、セラミックフィラー粉末を用意する。セラミックフィラー粉末としては、酸化アルミニウム、酸化クロム、酸化銅、酸化ジルコニウム、スピネルおよびクォーツ等が挙げられる。また、ガラス粉末を用意する。ガラス粉末は、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＣａＯ−ＢａＯ−ＳｒＯ系等のガラスが挙げられる。これらのセラミックフィラー粉末およびガラス粉末を含む原料粉末に適当な有機バインダおよび有機溶剤を添加混合してスラリーを作製する。次に、このスラリーをドクターブレード法やリップコーター法等のシート
成形技術を採用してシート状に成形することによって複数枚のセラミックグリーンシートを作製する。その後、セラミックグリーンシートを切断加工および打ち抜き加工等から選択した加工方法によって適当な形状とするとともにこれを複数枚積層し、最後にこの積層したセラミックグリーンシートを還元雰囲気中において約900〜1000℃の温度で焼成する
ことによって絶縁基体１を製作することができる。

信号導体３および接地導体４および接地貫通導体５は、例えば絶縁基体１（絶縁層１ａ）の表面部分に形成された銅等のメタライズ層を含んでいる。銅のメタライズ層は、例えば、銅の粉末を有機溶剤およびバインダとともに混練して作製した金属ペーストを、絶縁基体１（絶縁層１ａ）となるセラミックグリーンシートの所定部位にスクリーン印刷法等の方法で塗布して同時焼成することによって形成することができる。このうち接地貫通導体５については、あらかじめセラミックグリーンシートの所定位置に機械的な孔あけ加工またはレーザ加工等によって貫通孔を形成しておき、この貫通孔内に上記のような金属ペーストを充填して同時焼成すればよい。

この場合、例えば、接地導体４となる金属ペーストのスクリーン印刷に用いる製版（版面）について、所定のスリット７のパターンで非印刷部分が設けられたものを用いればよい。これによって、非印刷部に対応した形状および寸法で、接地導体４（接地導体４となる金属ペースト）にスリット７を設けることができる。

電子部品８としては、ＩＣおよびＬＳＩ等の半導体集積回路素子、ならびにＬＥＤ（発光ダイオード）、ＰＤ（フォトダイオード）およびＣＣＤ（電荷結合素子）等の光半導体素子を含む半導体素子、弾性表面波素子および水晶振動子等の圧電素子、容量素子、抵抗器、半導体基板の表面に微小な電子機械機構が形成されてなるマイクロマシン（いわゆるＭＥＭＳ素子）等の種々の電子部品が挙げられる。

図３（ａ）は本発明の第２の実施形態の配線基板10およびその配線基板10を含む電子装置20における上面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。また、図４は図３の配線基板10の内層を示す平面図である。図３および図４において図１および図２と同様の部位には同様の符号を付している。

第２の実施形態の配線基板10Ａは、主面として互いに高さが異なる二つの上面を有する絶縁基体１を含んでいる。絶縁基体１の二つの上面は、外周部に段部を有しているとともに中央部に電子部品が搭載される最上面、および最上面の外周部に設けられているとともに信号導体３等が設けられた段部上面である。また、第２の実施形態の配線基板10Ａは、互いに同様の構造の二つの絶縁基体１を有し、これらの絶縁基体１の段部の底面に設けられた信号導体３が金属ワイヤ９によって互いに電気的に接続されている。また、二つの絶縁基体１にそれぞれ電子部品８が搭載されて第２の実施形態の電子装置20Ａが形成されている。これらの点以外について、第２の実施形態の配線基板10Ａおよび電子装置20Ａは第１の実施形態の配線基板10および電子装置20と同様である。以下の説明において、これらの同様の点については説明を省略する。

第２の実施形態の配線基板10Ａおよび電子装置20Ａは、金属ワイヤ９が二つの絶縁基体１に設けられた信号導体３同士を電気的に接続している点で、第１の実施形態と異なる。このように複数の電子装置20Ａを金属ワイヤ９で接続した場合でも、上記のようなクロストークを低減する効果が得られ、電子装置20Ａ間において高周波信号の伝送効率を向上させることが可能である。また、第２の実施形態においては、互いに同様の構造の二つの配線基板10Ａを金属ワイヤ９で接続させた構造であるが、配線基板10Ａを異なる構造の電子装置（図示せず）に接続させても同様の効果が得られる。

第２の実施形態の配線基板10Ａおよび電子装置20Ａにおいても、段部上面に信号導体３および接地導体４のそれぞれの端部が設けられている。これによって、信号導体３および接地導体４への金属ワイヤ９の接続が容易に行なえるようになっている。接地導体４についても、第１の実施形態の場合と同様に、後述する非形成部を除いて複数の接地貫通導体５が接続されている。

また、絶縁基体１の稜部２の近くに仮想線（二点鎖線）で示した範囲で接地貫通導体５の非形成部が設けられている。この非形成部において接地貫通導体５は形成されていない。また、非形成部において、互いに隣り合う信号導体３同士の間で接地導体４にスリット７が設けられている。

第２の実施形態の配線基板10Ａおよび電子装置20Ａにおいても、第１の実施形態の場合と同様に、上記の構成を有することから、稜部２の近くにおける絶縁基体１のクラック等の機械的な破壊の可能性が効果的に低減されている。

また、接地導体４に上記のようなスリット７が設けられていることから、互いに隣り合う信号導体３同士の間のクロストークの可能性が効果的に低減されている。したがって、複数の信号導体３間のクロストークノイズの抑制、および絶縁基体１のクラックの抑制等において有効な配線基板10Ａおよび電子装置20Ａを提供することができる。

なお、本発明の配線基板および電子装置は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内であれば種々の変更は可能である。例えば、稜部２は、最上面等の主面と側面とのなす角が直角であるものに限らず、鋭角でもよく鈍角でもよい。また、円弧状に成形されている部分を含んでいてもよい。

１・・・絶縁基体
１ａ・・絶縁層
２・・・稜部
３・・・信号導体
４・・・接地導体
５・・・接地貫通導体
７・・・スリット
８・・・電子部品
９・・・金属ワイヤ
10、10Ａ・・配線基板
20、20Ａ・・電子装置

Claims

主面および該主面につながった側面を有し、前記主面と前記側面との間に稜部を有する絶縁基体と、
前記主面に設けられており、前記稜部に近接した端部を有する複数の信号導体と、
前記複数の信号導体間に、該信号導体から離れて設けられた接地導体と、
該接地導体に電気的に接続されている複数の接地貫通導体とを備えており、
前記稜部周辺において前記接地貫通導体の非形成部を有しているとともに、
前記接地導体は、前記接地貫通導体の前記非形成部において、前記複数の信号導体のうち互いに隣り合う信号導体同士の間にスリットを有し、
該スリットは、近接した前記絶縁基体の前記稜部側に開放しており、前記絶縁基体の前記主面のうち前記接地貫通導体の前記非形成部よりも外側の部位まで延びて形成されており、前記複数の接地貫通導体は、前記スリットを挟んで配置されているものを含んでいることを特徴とする配線基板。
請求項１に記載された配線基板と、
前記絶縁基体の前記主面に搭載された電子部品と、
前記複数の信号導体と前記電子部品とを電気的に接続する複数の金属ワイヤとを備えることを特徴とする電子装置。
複数の前記電子部品が前記絶縁基体の前記主面に搭載されており、
前記複数の信号導体は、前記複数の電子部品のうち互いに異なる電子部品と電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の電子装置。