WO2011016192A1 - 回路基板 - Google Patents

Abstract

　絶縁体層（２）を挟んで、一方の面に信号伝送路（３ａ，３ｂ）が形成され、他方の面にグランド層（４）が形成される。前記グランド層（４）には、さらに絶縁体層（７，８）を介してシールド層（９）が積層されると共に、前記グランド層（４）は、前記信号伝送路（３ａ，３ｂ）に沿う位置において金属箔が敷設されない開口部（４Ｂ）になされる。　この構成により、前記信号伝送路の特性インピーダンスは、信号伝送路と前記シールド層との間で形成される結合容量に依存されることになり、グランド層（４）にメッシュ状の導体部を用いることなく、線路の特性インピーダンスの制御を十分に果たすことができる。

Description

回路基板

　この発明は、グランド層と前記グランド層に対して絶縁体層を介して信号配線を配設した回路基板に関する。

　例えば高周波帯で動作するディバイスを実装する回路基板は、信号の反射や波形歪みの発生を抑えるために信号伝送路の特性インピーダンス（以下、Ｚｏとも称する。）を、前記ディバイスの入出力インピーダンスに整合させる必要がある。
　前記した信号伝送路の特性インピーダンスを整合させるためには、適切なパターン幅の信号伝送路（ストリップライン）に適切な厚さの絶縁層を挟んでグランド層を対峙させるマイクロストリップ構造が採用されている。

　前記した回路基板構造における前記グランド層は、信号伝送路の特性インピーダンスを規定する電気的な基準面となる。そして、一般に特性インピーダンスはシングルエンド伝送で５０Ω前後に、差動伝送で１００Ω前後に選択される場合が多い。

　図２は、ペア配線による差動伝送路が絶縁体層を介してグランド層に対峙し、マイクロストリップ構造を形成した従来の回路基板の例を断面図で示したものである。この回路基板１は、両面基板を基本にして構成され、ベース基材となる絶縁体層２の一方の面（表面）に貼着された金属箔（銅箔）３の一部は、例えばエッチング処理により信号伝送路、すなわちペア配線３ａ，３ｂとして形成され、このペア配線が互いに差動伝送路を構成している。

　前記絶縁体層２の他方の面（裏面）には、同じく金属箔（銅箔）が全面にわたってベタ電極として貼着され、これがグランド層４を構成している。
　加えて、前記金属箔３およびペア配線３ａ，３ｂの表面には、接着層５を介して被覆層６が積層され、また前記グランド層４の裏面には、同じく接着層７を介して被覆層８が積層されている。

　前記した構成の回路基板１における信号伝送路（ペア配線３ａ，３ｂ）の特性インピーダンスＺｏは、信号伝送路の単位長さあたりのリアクタンスＬと、前記信号伝送路とグランド層との間における単位面積あたりの静電（結合）容量Ｃの比（リアクタンスＬ／結合容量Ｃ）の平方根で近似される値となる。

　すなわち、図２に示す回路基板構造における信号伝送路の特性インピーダンスは、ペア配線３ａ，３ｂの各線幅Ｗ１と、ベース基材となる絶縁体層２の厚さｔ１、および前記絶縁体層２を構成する素材の比誘電率に依存することになる。

　ところで、近年においては前記したディバイスを実装する回路基板として、薄いリジッド基板やフレキシブル回路基板が多用されている。
　このような回路基板を採用した場合においては、当然ながら前記グランド層と信号伝送路との間の絶縁体層の厚さを薄く成形せざるを得ない。したがって、信号伝送路とグランド層における結合容量Ｃの値が前記層間の寸法にほぼ反比例して上昇し、これにより伝送路の特性インピーダンスを適切に制御することが困難になる。　

　図３は、前記した従来の薄物の回路基板の例を断面図で示したものである。なお図３においては、すでに説明した図２に示す各部と同一の機能を果たす部分を同一符号で示しており、したがってその詳細な説明は省略する。
　図３に示すように、絶縁体層２の厚さがより薄く構成され、その厚さがｔ２になされた回路基板１において、所望の前記Ｚｏを得ようとするには、絶縁体層２に比誘電率の小さな素材を選択すれば良いことになるが、これには限界がある。
　そこで、信号伝送路３ａ，３ｂの各線幅をより狭く（細く）形成し、模式的にＷ２で示した線幅にすることで、前記結合容量Ｃの上昇を抑える手段を採用せざるを得ない。

　このように所望のＺｏを得るために、信号伝送路３ａ，３ｂの線幅Ｗ２を細く形成しようとする場合には、伝送路の加工が困難なほどに細くせざるを得ない場合も生ずる。
　また、たとえ伝送路の加工が可能であっても、伝送路が細いほど回路加工精度および線幅ばらつきの比率が高まり、これに伴ってＺｏのばらつきが増大する。

　このために、前記Ｚｏの変化が大きな伝送路部分において、信号の反射や波形歪みを発生させるという問題を招来させる。さらに、伝送路の配線抵抗値が高くなるために、これに供給される信号周波数が高いほど、伝送特性の悪化の要因になる等の問題を抱えることになる。

　そこで、前記した技術的な課題を解決するために、いわゆるベタ電極層として形成される前記グランド層４をメッシュ状に銅抜きして、単位面積あたりのグランド層４と伝送路３ａ，３ｂとの対向面積を実質的に小さくさせることで、前記伝送路の線幅Ｗ２を適切に確保する提案がなされている。これは次に示す先行技術文献に開示されている。

特開平７－３２１４６３号公報

　図３に示す符号４Ａは、前記グランド層４に施されたメッシュ状の開口敷設部、すなわちメッシュ状導体部を示すものであり、図４はメッシュ状導体部４Ａが施されたグランド層４に対してペアの信号伝送路３ａ，３ｂが対峙した状態を、回路基板１の板面に直交する方向から透視した状態で示している。

　なお、図４に示すメッシュの構成例は、交差する二方向の各線によりグランド層４に多数の菱形の開口を形成させたものであり、信号配線３ａ，３ｂの長手方向に対するグランド層４側における前記二方向の線の交差角度が略同一となるように構成されている。

　ところで、前記したように層間が益々薄く形成される回路基板において、最低限の線幅Ｗ２を確保しようとすれば、図３および図４に示すメッシュ状導体部４Ａの導体残存率をより低く設定すれば良いことになる。

　しかしながら、導体残存率をある程度を超えて低くするとメッシュがまばらになるために、前記Ｚｏのばらつきが部分的に発生し、信号波形に歪みを発生させるなど、高周波特性に影響を与えることになる。したがって、図３および図４に示したメッシュ状導体部４Ａの採用にも限界が生ずる。

　この発明は、前記した技術的な問題点に着目してなされたものであり、信号伝送路の線幅を確保しつつ、前記したメッシュ状導体部を用いることなく線路の特性インピーダンスの制御を十分に果たすことが可能であり、さらに屈曲が可能なフレキシブル基板にも好適に採用することができる回路基板を提供することを課題とするものである。

　前記した課題を解決するためになされたこの発明にかかる回路基板は、絶縁体層を挟んで、一方の面に信号伝送路が形成され、他方の面にグランド層が形成された回路基板であって、前記グランド層には、さらに絶縁体層を介してシールド層が積層されると共に、前記グランド層は、前記信号伝送路に沿う位置において金属箔が敷設されない開口部になされ、前記信号伝送路と前記シールド層との間で形成される結合容量により、前記信号伝送路の特性インピーダンスの制御がなされるように構成したことを特徴とする。

　この場合、前記シールド層は、好ましくは導電性ペーストもしくは導電性シールドフィルムにより構成される。そして、前記グランド層とシールド層との間の絶縁体層には、望ましくはビアホールが形成され、このビアホールを介して、前記シールド層がグランド層に接続された構成にされる。

　加えて、前記信号伝送路と前記グランド層との間に介在される絶縁体層としては、好ましくはフィルム状ベース基材を用いた構成にされる。

　前記した回路基板によれば、信号伝送路に沿う位置におけるグランド層は金属箔が敷設されない開口部になされ、前記信号伝送路はさらに絶縁体層を介して積層されたシールド層との間における結合容量により、特性インピーダンスの制御がなされるように構成される。これにより、回路基板の薄型化に伴って発生する信号伝送路の特性インピーダンス制御の問題点を容易に解消することができる。

　すなわち、前記した構成の回路基板によれば、回路基板の薄型化に伴って採られる信号伝送路の極端な細線化を抑制することができ、また信号伝送路に対峙するグランド層をメッシュ化した場合において、導体残存率の極端な低下に起因するＺｏの部分的なばらつきの発生等も、効果的に解消することができる。

この発明にかかる回路基板を断面図で示した積層構造図である。 従来の回路基板の一例を断面図で示した積層構造図である。 従来の回路基板の他の例を断面図で示した積層構造図である。 図３に示す回路基板におけるグランド層と信号伝送路の一部の構成を示した透視図である。

　以下、この発明にかかる回路基板について、図に示す実施の形態に基づいて説明する。図１は、この発明にかかる回路基板の積層構造を示すものであり、図１においては、すでに説明した図２に示す各部と同一の機能を果たす部分を同一符号で示している。

　すなわち、図１に示す回路基板１は、両面基板を基本にして構成され、中央のベース基材となる絶縁体層２の厚さは、より薄く形成されて模式的にｔ３で示す厚さに形成されている。
　そして、中央のベース基材となる前記絶縁体層２の一方の面（表面）に貼着された金属箔（銅箔）３の一部は、例えばエッチング処理により信号伝送路、すなわちペア配線３ａ，３ｂとして形成され、このペア配線が互いに差動伝送路を構成している。

　また、前記絶縁体層２の他方の面（裏面）には、同じく金属箔（銅箔）がベタ電極として貼着されて、これがグランド層４を構成している。なお、前記グランド層４における前記信号伝送路３ａ，３ｂが対峙する部分は、前記信号伝送路３ａ，３ｂに沿うようにして、前記金属箔が敷設されない開口部４Ｂになされている。

　また、前記金属箔３および信号伝送路３ａ，３ｂの表面には、接着層５（以下、第１の接着層とも言う。）を介して被覆層６（以下、第１の被覆層とも言う。）が積層され、また前記グランド層４の裏面には、同じく接着層７（以下、第２の接着層とも言う。）を介して被覆層８（以下、第２の被覆層とも言う。）が積層され、前記第２の接着層７と第２の被覆層８とにより絶縁体層を構成している。
　さらに、前記第２の被覆層８の裏面には、シールド層９が形成されており、このシールド層９は、前記第２の接着層７および第２の被覆層８からなる前記絶縁体層を貫通するようにして形成されたビアホール８ａを介して前記グランド層４に接続されている。

　前記した構成により信号伝送路３ａ，３ｂは、前記シールド層９との間で形成される結合容量により、特性インピーダンスの制御がなされるマイクロストリップ構造を構成している。

　中央の絶縁体層として機能する前記ベース基材２は、回路基板１のコアとなる機能も有している。前記ベース基材２の素材としては、樹脂フィルム、繊維基材等を挙げることができる。

　前記樹脂フィルムを構成する素材としては、例えばポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂等のポリイミド系樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂や液晶ポリマーなどの熱可塑性樹脂等を用いることができる。
　これらの中でもポリイミド樹脂または液晶ポリマーが好ましい。例えばポリイミド樹脂の場合は、耐熱性や機械特性に優れ、かつ入手するのが容易である。また、液晶ポリマーの場合は、その比誘電率の低さにより高速信号伝送用途に好適であり、かつ吸湿性の低さにより寸法安定性等にも優れる。

　また、絶縁体層に用いられる繊維基材としては、例えばガラス繊布、ガラス不繊布等のガラス繊維基材、あるいはガラス以外の無機化合物を成分とする繊布又は不繊布等の無機繊維基材、芳香族ポリアミド樹脂、ポリアミド樹脂、芳香族ポリエステル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂等の有機繊維で構成される有機繊維基材等が挙げられる。これら基材の中でも強度、吸水率の点でガラス繊布に代表されるガラス繊維基材が好ましい。

　前記絶縁体層に繊維基材を用いる場合においては、好ましくは前記繊維基材に樹脂を含浸させた状態で利用される。前記繊維基材に含浸される樹脂としては、好ましくはエポキシ樹脂系、アクリル樹脂系などの熱硬化性樹脂が用いられ、これらの中でも耐熱性の面からエポキシ樹脂系が好ましい。

　前記ベース基材２の厚さは、好ましくは１～１００μｍの範囲になされ、さらに好ましくは５～５０μｍの範囲、より好ましくは１０～３０μｍの範囲になされる。
　前記ベース基材２の厚さを前記下限値以上にすることで、信号伝送路の線幅を加工限界以上にすることが容易となり、一方、前記厚さを上限値以下にすることで剛性が高くなり過ぎることを抑え、柔軟さというフレキシブル回路基板など薄物基板の特徴を保持することができる。

　前記ベース基材２の表面に配列された信号伝送路３ａ，３ｂは、図１に示されたようにベース基材２に直接設けられても良いが、接着剤を介して設けられていてもよい。そして、各信号伝送路の端部もしくは適宜の中間部において、図示しない半導体ディバイス等の実装パッドに接合され、回路基板として機能する。

　前記信号伝送路３ａ，３ｂを覆う第１接着層５には、例えばアクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂等を好適に使用することができる。これらの中でもエポキシ系樹脂が好ましい。これにより、耐熱性と屈曲性を向上することができる。

　前記接着層５の厚さは、特に限定されないが、５～４０μｍであることが好ましく、特に１０～３０μｍが好ましい。接着層５の厚さを前記下限値以上にすることで、回路の埋め込み性低下を抑制し、前記上限値以下にすることで接着層５のシミ出し量の増加を抑制し、かつ層間接着の信頼性を維持することができる。

　前記接着層５の表面に積層された第１の被覆層６は、樹脂材料で構成されていることが好ましい。この被覆層６を構成する好ましい樹脂材料としては、例えばポリエステル系樹脂、ポリイミド、液晶ポリマー等を挙げることができる。これらの中でもポリイミドが好ましい。これにより、耐熱性と屈曲性を向上させることができる。

　前記第１の被覆層６の厚さは、特に限定されないが、５～５０μｍであることが好ましく、特に１０～３０μｍが好ましい。前記被覆層６の厚さを前記下限値以上にすることで、樹脂層の強度を実用範囲に維持することが容易となり、前記上限値以下にすることで摺動性や屈曲性を最大限に発揮させることが容易となる。

　なお、前記第１の被覆層６には、前記第１の接着層５が予め積層され、カバーレイフィルムとして形成されたものを用いることができる。

　前記ベース基材２の裏面に積層されたグランド層４としての銅箔は、前記したとおり、信号伝送路３ａ，３ｂが対峙する部分は、前記信号伝送路３ａ，３ｂに沿うようにして、前記金属箔が敷設されない開口部４Ｂになされている。

　そして、前記グランド層４の裏面には、第２の接着層７が設けられている。この第２接着層７を構成する材料としては、前記した第１接着層５を構成する材料と同様に、例えばアクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂等を挙げることができる。
　これらの中でもエポキシ系樹脂が好ましい。これにより、耐熱性と屈曲性を向上させることができる。なお、前記した第１の接着層５と第２の接着層７を構成する材料は、同じであっても異なっていてもよい。

　前記第２の接着層７の厚さは、特に限定されないが、５～４０μｍであることが好ましく、特に１０～３０μｍが好ましい。
　これはすでに説明した第１の接着層５と同様に、第２の接着層７の厚さを前記下限値以上にすることで、回路の埋め込み性低下を抑制し、前記上限値以下にすることで接着層７のシミ出し量の増加を抑制し、かつ層間接着の信頼性を維持することができる。
　また、前記第１の接着層５の厚さと、第２の接着層７の厚さとは、同じであっても異なっていても良い。

　前記接着層７の裏面に設けられた第２の被覆層８は、樹脂材料で構成されていることが好ましい。これに用いられる樹脂材料としては、前記した第１の被覆層６と同様に、例えばポリエステル系樹脂、ポリイミド、液晶ポリマー等が挙げられる。これらの中でもポリイミドが好ましい。これにより、耐熱性と屈曲性を向上することができる。
　また、第１の被覆層６を構成する樹脂材料と、第２の被覆層８とを構成する樹脂材料とは、同じであっても異なっていても良い。

　前記第２の被覆層８の厚さは、特に限定されないが、５～５０μｍであることが好ましく、特に１０～３０μｍが好ましい。
　これはすでに説明した第１の被覆層６と同様に、第２の被覆層８の厚さを前記下限値以上にすることで、樹脂層の強度を実用範囲に維持することが容易となり、前記上限値以下にすることで摺動性や屈曲性を最大限に発揮させることが容易となる。

　なお、前記第２の被覆層８には、前記第２の接着層７が予め積層され、カバーレイフィルムとして形成されたものを用いることができる。

　さらに、前記した第２の被覆層８の裏面には、シールド層９が形成されており、このシールド層９は、前記したとおり第２の接着層７および第２の被覆層８を貫通するようにして形成されたビアホール８ａを介して前記グランド層４に接続されている。

　前記シールド層９としては、例えば導電性ペーストもしくは導電性シールドフィルムにより構成されていることが望ましい。
　シールド層９に用いられる導電性ペーストとしては、例えば周知の銀、銅、もしくはカーボン等の導電性粒子を樹脂材料に分散させたものを用いることができ、その厚さは印刷等の手段により１０～２０μｍ程度に設定することができる。
　これにより、回路基板の屈曲性等の機能を損ねることなく、シールド層９を構成することができ、同時に前記ビアホール８ａを介してグランド層４に接続することができる。

　また、前記シールド層９には導電性シールドフィルムを用いることができ、樹脂製フィルムに例えば銀素材を蒸着した銀シールド材を利用することができる。この銀シールド材に代表される導電性シールドフィルムを用いる場合においても、回路基板の屈曲性等の機能を損ねることなく、シールド層９を構成することができる。　

　前記した回路基板の構成により、基板１の裏面に形成されたシールド層９は、前記グランド層４と同電位になされ、前記信号伝送路３ａ，３ｂは、シールド層９との間の距離ｔ４に依存した結合容量に基づいた特性インピーダンスになされることになる。

　すなわち、図１に示すように薄物の回路基板を構成した場合においても、信号伝送路３ａ，３ｂの特性インピーダンスは、シールド層９との間の距離ｔ４に基づいて決定されることになり、これにより伝送路３ａ，３ｂ線幅は、適切なＷ２で示す幅をもって形成することができる。

　さらに、信号伝送路３ａ，３ｂとシールド層９との間の距離ｔ４を確保できるので、シールド層９としてベタ電極を採用することができ、図３に示すようにグランド層をメッシュ化することにより発生するＺｏの部分的なばらつきの発生等も、効果的に解消することができる。

　以上説明した実施の形態は、ペア配線による差動伝送路を採用した回路基板を例にしているが、これはシングルエンドの伝送線路を構成した場合においても、同様の作用効果を得ることができる。

　また、前記した実施の形態におけるグランド層およびシールド層には、回路の基準電位が印加される場合もあり、また回路基板に搭載される各ディバイスの動作電源が重畳される場合もある。したがって、グランド層およびシールド層に印加される電位は特に限定されるものではない。

　この発明にかかる回路基板は、特に高周波帯で動作するディバイスを実装する例えばフレキシブルプリント配線板、多層フレキシブルプリント配線板等の薄物の回路基板に好適に採用することができる。

　１　　　　　回路基板
　２　　　　　ベース基材（絶縁体層）
　３　　　　　金属箔（銅箔）
　３ａ，３ｂ　信号伝送路（ペア配線）
　４　　　　　グランド層
　４Ｂ　　　　金属箔の開口部
　５　　　　　第１の接着層
　６　　　　　第１の被覆層
　７　　　　　第２の接着層
　８　　　　　第２の被覆層
　８ａ　　　　ビアホール
　９　　　　　シールド層
 

Claims (4)

1. 　絶縁体層を挟んで、一方の面に信号伝送路が形成され、他方の面にグランド層が形成された回路基板であって、
   　前記グランド層には、さらに絶縁体層を介してシールド層が積層されると共に、前記グランド層は、前記信号伝送路に沿う位置において金属箔が敷設されない開口部になされ、前記信号伝送路と前記シールド層との間で形成される結合容量により、前記信号伝送路の特性インピーダンスの制御がなされるように構成したことを特徴とする回路基板。
2. 　前記シールド層は、導電性ペーストもしくは導電性シールドフィルムにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載された回路基板。
3. 　前記グランド層とシールド層との間の前記絶縁体層に形成されたビアホールを介して、前記シールド層がグランド層に接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された回路基板。
4. 　前記信号伝送路と前記グランド層との間に介在される絶縁体層は、フィルム状ベース基材により構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載された回路基板。
    
    

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