JP6620911B1 - フレキシブル基板 - Google Patents

Abstract

フレキシブル基板（１）は折り曲げ部（２）で折り曲げられる。誘電体板（３）は互いに反対側の第１及び第２の主面を持つ。高周波信号線路（４）が誘電体板（３）の第１の主面に設けられている。グランド導体（５）が誘電体板（３）の第２の主面に設けられている。高周波信号線路（４）とグランド導体（５）がマイクロストリップ線路を構成する。グランド導体（５）には、折り曲げ部（２）のみにおいて高周波信号線路（４）に対向して局所的な欠損部（６）が設けられている。

Description

本発明は、フレキシブル基板に関する。

光通信用の送受信モジュールを含むシステムにおいて、大容量、高速化と共に省スペースを実現するために小型化の要求が高まっている。そのため、送信・受信モジュールパッケージそのものの小型化の要求だけではなく、送受信モジュールをシステム内に搭載するためのスペースも狭くなる傾向にある。送受信モジュールの高周波信号入出力に用いられるフレキシブル基板について短尺化、急峻な折り曲げ構造の必要性も高まっている。

なお、フレキシブル基板の特性インピーダンスの高精度な制御、不要放射の低減、折り曲げの容易性等を実現するために様々な構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、従来のフレキシブル基板は、平坦な状態と折り曲げた状態で特性インピーダンスが変化しないことを前提にしており、折り曲げた状態で最適な特性インピーダンスになっていない。

日本特開２００７−１２３７４０号公報

急峻な折り曲げ構造では、従来の緩やかな曲げ構造と比較して短い範囲で折り曲げが行われる。そのため、例えばフレキシブル基板の高周波信号線路としてマイクロストリップ線路を用いる場合、急峻な折り曲げにより誘電体の厚みが変化し、特性インピーダンスも変化してしまう。従って、急峻な折り曲げ部の特性インピーダンスと平坦部の特性インピーダンスに不連続が発生する。この結果、急峻な折り曲げ部での高周波信号の反射又は損失の発生により効率的な高周波信号の伝搬を実現できないという問題があった。特に１０ＧＨｚ以上の高周波信号を伝搬する場合に通過損失が大きくなる。高速・大容量の情報伝搬の要求から、高周波信号の高周波化が一層進むことは必至である。従って、フレキシブル基板に含まれる高周波信号線路の曲げによる性能低下等の影響は顕著になる。高性能の維持又は潜在するモジュール性能を最大限に引き出すと言った観点から、その影響は無視できなくなる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は平坦部の特性インピーダンスと折り曲げ部の特性インピーダンスの不連続を解消することができるフレキシブル基板を得るものである。

本発明に係るフレキシブル基板は、折り曲げ部で折り曲げられるフレキシブル基板であって、互いに反対側の第１及び第２の主面を持つ誘電体板と、前記誘電体板の前記第１の主面に設けられた高周波信号線路と、前記誘電体板の前記第２の主面に設けられたグランド導体とを備え、前記高周波信号線路と前記グランド導体がマイクロストリップ線路を構成し、前記グランド導体には、前記折り曲げ部のみにおいて前記高周波信号線路に対向して局所的な欠損部が設けられ、前記欠損部は前記グランド導体を窓状に欠損させた構造であり導体膜で覆われていないことを特徴とする。

本発明では、グランド導体には、折り曲げ部のみにおいて高周波信号線路に対向して局所的な欠損部が設けられている。これにより、折り曲げ部で高周波信号線路とグランド導体が近づくことによる容量の増加を防ぐことができる。即ち、欠損部によりフレキシブル基板の平坦部の特性インピーダンスに対する折り曲げ部の局所的な特性インピーダンスの変化が補償される。従って、フレキシブル基板の平坦部の特性インピーダンスと折り曲げ部の特性インピーダンスの不連続を解消することができる。この結果、信号の反射を低減すると共に通過損失を低減することができるため、光通信用の送受信モジュールの高周波信号を安定かつ効率的に伝播することができる。

実施の形態１に係るフレキシブル基板を示す斜視図である。 図１のＩ−ＩＩに沿った断面図である。 実施の形態１に係るフレキシブル基板を折り曲げた状態を示す斜視図である。 実施の形態１に係るフレキシブル基板を折り曲げた状態を示す斜視図である。 図３の折り曲げ部を拡大した断面図である。 実施の形態１に係るフレキシブル基板の平坦部と折り曲げ部を拡大した断面図である。 比較例に係るフレキシブル基板の折り曲げ部を拡大した断面図である。 比較例に係るフレキシブル基板の折り曲げ部を拡大した断面図である。 実施の形態２に係るフレキシブル基板を示す斜視図である。 図９のフレキシブル基板が折り曲げられた状態のＩ−ＩＩに沿った断面図である。 図９のフレキシブル基板が平坦な状態のＩＩＩ−ＩＶに沿った断面図である。 実施の形態３に係るフレキシブル基板を示す斜視図である。 図１２のフレキシブル基板が折り曲げられた状態のＩ−ＩＩに沿った断面図である。 図１２のフレキシブル基板が平坦な状態のＩＩＩ−ＩＶに沿った断面図である。 実施の形態３に係るフレキシブル基板の変形例を示す斜視図である。 実施の形態４に係るフレキシブル基板を示す斜視図である。 図１６のＩ−ＩＩに沿った断面図である。 実施の形態４に係るフレキシブル基板を折り曲げた状態の折り曲げ部を拡大した断面図である。 実施の形態５に係るフレキシブル基板を示す斜視図である。

実施の形態に係るフレキシブル基板について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るフレキシブル基板を示す斜視図である。図２は図１のＩ−ＩＩに沿った断面図である。フレキシブル基板１は例えば光通信用送受信モジュールパッケージと上位システムとを電気的に接続するために用いられる。フレキシブル基板１は、Ｉ−ＩＩに沿った折り曲げ部２で折り曲げられるが、図１，２では折り曲げていない状態を示している。

誘電体板３は互いに反対側の第１及び第２の主面を持つ。高周波信号線路４が誘電体板３の第１の主面に設けられている。グランド導体５が誘電体板３の第２の主面に設けられている。高周波信号線路４とグランド導体５がマイクロストリップ線路を構成する。グランド導体５には、折り曲げ部２のみにおいて高周波信号線路４に対向して局所的な欠損部６が設けられている。欠損部６はグランド導体５を窓状に欠損させた構造である。複数の折り曲げ部２がある場合は、各折り曲げ部２につき１つの欠損部６が設けられる。

図３及び図４は、実施の形態１に係るフレキシブル基板を折り曲げた状態を示す斜視図である。図５は図３の折り曲げ部を拡大した断面図である。図３はグランド導体５側を凸に折り曲げた場合を示し、図４は高周波信号線路４側を凸に折り曲げた場合を示している。何れの場合でもフレキシブル基板１を折り曲げると誘電体板３の厚みが薄くなる。フレキシブル基板１の平坦部７における誘電体板３の厚みをｄ０、９０°に折り曲げたフレキシブル基板１の折り曲げ部２で最も薄くなる誘電体板３の厚みをｄ１とすると、ｄ０＞ｄ１となる。

図６は、実施の形態１に係るフレキシブル基板の平坦部と折り曲げ部を拡大した断面図である。ＭＩＭ（メタル−インシュレータ−メタル）構造の容量は導体の面積に比例し、誘電体の厚みに反比例する。平坦部７及び欠損部６が無い折り曲げ部２の導体の面積をＳ０とすると、平坦部７における高周波信号線路４とグランド導体５との間の容量Ｃ０はＣ０＝εＳ０／ｄ０である。欠損部６が無い折り曲げ部２における容量Ｃ１はＣ１＝εＳ０／ｄ１である。ｄ０＞ｄ１であるため、Ｃ０＜Ｃ１となる。従って、平坦部７と欠損部６が無い折り曲げ部２の間で容量が相違する。一方、欠損部６が有る折り曲げ部２の導体の面積をＳ１とすると、その折り曲げ部２における容量Ｃ２はＣ２＝εＳ１／ｄ１である。Ｓ１＜Ｓ０であるため、Ｃ０≒Ｃ２となる。従って、平坦部７と欠損部６が有る折り曲げ部２の間で容量が同程度になる。

平坦部７における高周波信号線路４の特性インピーダンスをＺ０とする。折り曲げたフレキシブル基板１の折り曲げ部２における高周波信号線路４の特性インピーダンスを、欠損部６が無い場合はＺ１、欠損部６がある場合はＺ２とする。ここで、特性インピーダンスをＺ、高周波信号線路４のインダクタンスをＬ、高周波信号線路４とグランド導体５との間の容量をＣとした場合、Ｚ＝√（Ｌ／Ｃ）の関係式が成り立つ。上記の容量の関係性をこの関係式に当てはめると、Ｚ０＞Ｚ１、Ｚ０≒Ｚ２となる。従って、欠損部６を設けることで、フレキシブル基板１の平坦部７の特性インピーダンスと折り曲げ部２の特性インピーダンスの不連続を解消できることが分かる。なお、欠損部６の寸法は、折り曲げによる誘電体板３の厚みの変化量、誘電体板３の比誘電率、折り曲げ角度、伝搬する高周波信号の周波数等に応じて最適な値を選択する必要がある。

図７及び図８は、比較例に係るフレキシブル基板の折り曲げ部を拡大した断面図である。図７はグランド導体５側を凸に折り曲げた場合を示し、図８は高周波信号線路４側を凸に折り曲げた場合を示している。比較例には欠損部６が設けられていない。ｄ１／ｄ０＝ｃｏｓθである。折り曲げ角度が９０°でθ＝４５°の場合、ｄ１／ｄ０≒０．７１となる。図７及び図８の折り曲げ部２の特性インピーダンスＺ１ａ，Ｚ２ｂはＺ１ａ≒Ｚ２ｂ≒３５．５Ωとなる。平坦部７の特性インピーダンスＺ０は通常５０Ωで設計されるのに対し、比較例の折り曲げ部２では５０Ω以下となる。従って、比較例では特性インピーダンスの不連続が発生するため、ＲＦの反射が発生し、通過損失が大きくなる。

これに対して、本実施の形態では、グランド導体５には、折り曲げ部２のみにおいて高周波信号線路４に対向して局所的な欠損部６が設けられている。これにより、折り曲げ部２で高周波信号線路４とグランド導体５が近づくことによる容量の増加を防ぐことができる。即ち、欠損部６によりフレキシブル基板１の平坦部７の特性インピーダンスに対する折り曲げ部２の局所的な特性インピーダンスの変化が補償される。従って、フレキシブル基板１の平坦部７の特性インピーダンスと折り曲げ部２の特性インピーダンスの不連続を解消することができる。この結果、信号の反射を低減すると共に通過損失を低減することができるため、光通信用の送受信モジュールの高周波信号を安定かつ効率的に伝播することができる。

なお、本実施の形態ではフレキシブル基板１に１本の高周波信号線路４が設けられているが、高周波信号線路４が複数本でもよいし、ＤＣ線路と混在していてもよい。フレキシブル基板１は単層構造に限らず多層構造でもよい。折り曲げ部２が複数でもよく、曲げ方向が反対向きの折り曲げ部２が混在していてもよい。

実施の形態２．
図９は、実施の形態２に係るフレキシブル基板を示す斜視図である。図１０は図９のフレキシブル基板が折り曲げられた状態のＩ−ＩＩに沿った断面図である。図１１は図９のフレキシブル基板が平坦な状態のＩＩＩ−ＩＶに沿った断面図である。Ｉ−ＩＩに沿った折り曲げ部２のみにおいて高周波信号線路４の幅が局所的に狭くなっている。

フレキシブル基板１を折り曲げた状態での折り曲げ部２の誘電体板３の厚みｄ１は平坦部７の誘電体板３の厚みｄ０よりも薄くなる（ｄ１＜ｄ０）。従って、折り曲げ部２における高周波信号線路４とグランド導体５の間の容量Ｃ１は平坦部７における容量Ｃ０よりも大きくなる（Ｃ１＞Ｃ０）。

特性インピーダンスは容量とインダクタンスＬの比で決まる。インダクタンスＬは高周波信号線路４の線路幅と対応する。そこで、本実施の形態では、折り曲げ部２における高周波信号線路４の幅ｗ１を平坦部７における幅ｗ０よりも局所的に狭くしている（ｗ１＜ｗ０）。折り曲げ部２のインダクタンスＬ１が平坦部７のインダクタンスＬ０よりも大きくなる（Ｌ１＞Ｌ０）。このように折り曲げ部２のインダクタンスＬ１を局所的に増加させることで、フレキシブル基板１の平坦部７の特性インピーダンスに対する折り曲げ部２の局所的な特性インピーダンスの変化を補償している。これにより、フレキシブル基板１の平坦部７の特性インピーダンスＺ０と折り曲げ部２の特性インピーダンスＺ１の不連続を解消することができる（Ｚ１≒Ｚ０）。なお、折り曲げ部２における高周波信号線路４の幅ｗ１は、折り曲げによる誘電体板３の厚みの変化量、誘電体板３の比誘電率、折り曲げ角度、伝搬する高周波信号の周波数等に応じて最適な値を選択する必要がある。

実施の形態３．
図１２は、実施の形態３に係るフレキシブル基板を示す斜視図である。図１３は図１２のフレキシブル基板が折り曲げられた状態のＩ−ＩＩに沿った断面図である。図１４は図１２のフレキシブル基板が平坦な状態のＩＩＩ−ＩＶに沿った断面図である。

実施の形態１と同様に、グランド導体５には、折り曲げ部２のみにおいて高周波信号線路４に対向して局所的な欠損部６が設けられている。折り曲げ部２のみにおいて高周波信号線路４のサイドにグランド導体８が局所的に設けられている。グランド導体５とグランド導体８は、誘電体板３を貫通するビア９を介して互いに電気的に接続されている。

平坦部７において高周波信号線路４とグランド導体５がマイクロストリップ線路を構成している。折り曲げ部２において高周波信号線路４とグランド導体８がコプレーナ線路を構成している。

折り曲げ部２では誘電体板３の厚みが薄くなるが、欠損部６が設けられているため、折り曲げ部２の特性インピーダンスは誘電体板３の厚みの影響を無視することができる。コプレーナ線路を構成する折り曲げ部２の特性インピーダンスＺ３は、プレーナ線路の高周波信号線路４の幅ｗ３、高周波信号線路４とグランド導体８の間隔ｓ３、誘電体板３の誘電率によって決まる。なお、誘電体板３の誘電率による影響は表層部が支配的である。

そこで、高周波信号線路４とグランド導体８との間の距離ｓ３を高周波信号線路４とグランド導体５との距離よりも十分に小さくしている。これにより、フレキシブル基板１の平坦部７の特性インピーダンスに対する折り曲げ部２の局所的な特性インピーダンスの変化が補償される。従って、フレキシブル基板１の平坦部７の特性インピーダンスと折り曲げ部２の特性インピーダンスの不連続を解消することができる。

また、グランド導体８を設けることによって折り曲げ形状を容易に維持することができる。従って、設置時の外力又は温度変化等によるフレキシブル基板１への応力に対し、高周波特性を安定化できる。

なお、欠損部６の寸法、コプレーナ線路の高周波信号線路４の幅ｗ３、高周波信号線路４とグランド導体８の間隔ｓ３等は、折り曲げによる誘電体板３の厚みの変化量、誘電体板３の比誘電率、折り曲げ角度、伝搬する高周波信号の周波数等に応じて最適な値を選択する必要がある。

図１５は、実施の形態３に係るフレキシブル基板の変形例を示す斜視図である。コプレーナ線路を構成するグランド導体８が高周波信号線路４の片側のみに設けられている。実際の配線において限られたスペースに複数本の高周波信号線路４を設ける場合がある。そのような場合、グランド導体８を高周波信号線路４の片側のみに設けることで、省スペース化が図れ、他の配線の配置に対する制約を軽減することができる。その他の構成及び効果は実施の形態３と同様である。

実施の形態４．
図１６は、実施の形態４に係るフレキシブル基板を示す斜視図である。図１７は図１６のＩ−ＩＩに沿った断面図である。図１８は、実施の形態４に係るフレキシブル基板を折り曲げた状態の折り曲げ部を拡大した断面図である。誘電体板３の第２の主面には、折り曲げ部２のみにおいて高周波信号線路４に対向して局所的な凹部１０が設けられている。凹部１０にグランド導体５が埋め込まれている。

フレキシブル基板１が折り曲げられると、折り曲げ部２の外側にある高周波信号線路４の長さｌ１は折り曲げ部２の内側にあるグランド導体５の長さｌ２に対して大きく延びる。折り曲げ部２の急峻さが小さく、折り曲げ部２の折り曲げ領域が比較的広い場合、誘電体板３の厚みが薄くなる影響と比較して高周波信号線路４の延びが特性インピーダンスに与える影響が大きくなる。このため、折り曲げ部２でインダクタンスが大きくなることによって逆に特性インピーダンスが高くなる場合がある。

これに対し、本実施の形態では折り曲げ部２に凹部１０を設けてグランド導体５で埋め込んでいる。これにより、折り曲げ部２で高周波信号線路４とグランド導体５との間の距離が短くなり容量が増加する。この構造によりフレキシブル基板１の平坦部７の特性インピーダンスに対する折り曲げ部２の局所的な特性インピーダンスの変化が補償される。従って、フレキシブル基板１の平坦部７の特性インピーダンスと折り曲げ部２の特性インピーダンスの不連続を解消することができる。

なお、凹部１０の深さ、大きさ等は、高周波信号線路４の曲げによる延び（ｌ１−ｌ２）、折り曲げによる誘電体板３の厚みの変化量、誘電体板３の比誘電率、折り曲げ角度、伝搬する高周波信号の周波数等に応じて最適な値を選択する必要がある。

実施の形態５．
図１９は、実施の形態５に係るフレキシブル基板を示す斜視図である。誘電体板３の誘電率とは異なる誘電率を持つ誘電体１１が高周波信号線路４に対向する領域において折り曲げ部２のみに局所的に誘電体板３に埋め込まれている。グランド導体５が設けられた誘電体板３の第２の主面を掘り込んで誘電体１１を埋め込んでいるが、高周波信号線路４が設けられた第１の主面を掘り込んで誘電体１１を埋め込んでもよい。

折り曲げによって折り曲げ部２の特性インピーダンスが低くなる場合には、誘電体１１の材料として比誘電率が誘電体板３の比誘電率よりも小さい材料を選択する。折り曲げによって折り曲げ部２の特性インピーダンスが高くなる場合には、誘電体１１の材料として比誘電率が誘電体板３の比誘電率よりも大きい材料を選択する。この構造によりフレキシブル基板１の平坦部７の特性インピーダンスに対する折り曲げ部２の局所的な特性インピーダンスの変化が補償される。従って、フレキシブル基板１の平坦部７の特性インピーダンスと折り曲げ部２の特性インピーダンスの不連続を解消することができる。

誘電体１１の比誘電率、誘電体１１の埋め込み深さ、誘電体１１の大きさ等は、折り曲げによる誘電体板３の厚みの変化量、誘電体板３の比誘電率、折り曲げ角度、伝搬する高周波信号の周波数等に応じて最適な値を選択する必要がある。

１ フレキシブル基板、２ 折り曲げ部、３ 誘電体板、４ 高周波信号線路、５ グランド導体、６ 欠損部、８ グランド導体、１０ 凹部、１１ 誘電体

Claims (2)

1. 折り曲げ部で折り曲げられるフレキシブル基板であって、
   互いに反対側の第１及び第２の主面を持つ誘電体板と、
   前記誘電体板の前記第１の主面に設けられた高周波信号線路と、
   前記誘電体板の前記第２の主面に設けられたグランド導体とを備え、
   前記高周波信号線路と前記グランド導体がマイクロストリップ線路を構成し、
   前記グランド導体には、前記折り曲げ部のみにおいて前記高周波信号線路に対向して局所的な欠損部が設けられ、
   前記欠損部は前記グランド導体を窓状に欠損させた構造であり導体膜で覆われていないことを特徴とするフレキシブル基板。
2. 前記フレキシブル基板の平坦部の特性インピーダンスに対する前記折り曲げ部の局所的な特性インピーダンスの変化が補償されていることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル基板。

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