JP4912960B2 - プリント配線板 - Google Patents

Description

本発明は、プリント配線板に係わり、とくに電気・電子機器の小型化・高性能化への要求に対応した高速信号を伝送するためのプリント配線板の構造に関する。

電子機器における信号の処理速度は、近年益々向上している。このため、プリント配線板を通る信号の伝送速度も高速化されている。高速信号の伝送においては、信号配線の特性インピーダンスの整合が必要で、不整合が生じると信号の反射が起こり、損失となってしまう。

一般に、特性インピーダンスは、シングルエンドでは５０Ω、差動線路では各信号配線において５０Ωである。所望のインピーダンスを得るために高速信号を扱うプリント配線板では、図８に示すように、信号配線１とグランド配線２とがベース基材３を挟んで対向するように配置したマイクロストリップラインを適用している。

通常、マイクロストリップラインのグランド配線は、べたグランド、つまり信号配線の無い面全てがグランド層となっている構造を適用する。ただし、フレキシブルプリント配線板の場合、ベース基材の多くは２５μｍで、一般には１２．５〜５０μｍと薄いために信号配線とグランド配線との間に発生するキャパシタンスが大きくなり、マイクロストリップラインの特性インピーダンスが下がってしまう。

例えば、厚さ１００μｍのガラス‐エポキシ系プリプレグ（比誘電率４）においてべたグランドのマイクロストリップラインを形成する場合、信号配線幅１２２μｍで特性インピーダンス５０Ωとなるが、２５μｍのポリイミド（比誘電率３．３）において同信号配線幅でマイクロストリップラインを形成した場合、特性インピーダンスは８Ω以下となってしまう。

同仕様にて信号配線−べたグランド間に発生するキャパシタンスを低減し、特性インピーダンスを５０Ωとするためには、信号配線幅は１７μｍと狭くする必要がある。このような信号配線は導体を薄くすることで形成可能となるが、配線幅が狭く厚さも薄いため、直流抵抗が大きくなる。

また、信号配線幅が狭いため、形成する信号配線幅のぶれの影響を受け易く、所望のインピーダンスを精度良く得ることが困難となる。このため、グランド配線を正方形（特許文献１参照）、ないしはひし形（特許文献２参照）に刳り貫いたメッシュ形状が多く用いられている。

しかし、メッシュグランド配線を適用した場合、信号配線がメッシュグランド配線の開口部に位置するか、グランド配線の導体部に位置するかにより特性インピーダンスが違うため不整合となり、信号の反射や損失の原因となる。

また、信号配線が折れ曲がって配置されるような場合、折れ曲がる前における信号配線に対するメッシュ形状と折れ曲がった後の信号配線に対するメッシュ形状とが変わるため、特性インピーダンスが不整合となる。

そこで、信号配線の曲線形状に対応してメッシュ形状を追従させる手法が提案されている（特許文献３参照）。あるいは曲線形状の外周と内周のメッシュ開口サイズをコントロールする、ないしは信号配線幅をコントロールする手法が提案されている（特許文献４参照）。
特開２０００−１１４７２２号公報 特開２００６−１４７８３７号公報 特開２００６−１７３３１０号公報 特開２０００−０７７８０２号公報 特開２００１−０８５８０５号公報

特許文献３に示したように曲線形状にメッシュを追従させる場合、曲線形状前後の信号配線に対するメッシュ形状は同じとなるが、曲線形状の信号配線に対するメッシュ形状は連続的に変化する。信号配線に対するメッシュ形状の変化がごく小さければその影響は無視できるが、その長さが伝送する周波数の１／４波長より長い場合、インピーダンスの不整合として影響が現れる。

一般に、反射防止の観点から曲線形状の信号配線は一定の曲率半径で曲がっており、曲率半径が大きいほど反射には有利である。例えば、曲率半径５ｍｍ、曲線形状角度９０°の場合、曲線形状の長さは約７．９ｍｍとなる。

これは、フレキシブルプリント配線板に汎用されるポリイミド（εｒ＝３．３）の、５ＧＨｚでの約１／４波長に相当する。この場合、５ＧＨｚ以上の信号を伝送する際にインピーダンス不整合の影響が現れる。曲率半径がさらに大きくなれば曲線形状はさらに長くなり、結果として、インピーダンス不整合の影響が現れる周波数は低周波数にシフトする。

また、特許文献４に示されるように、曲線形状のメッシュ開口ないしは信号配線幅をコントロールする場合、製品ごとにメッシュ開口ないしは信号配線幅をシミュレートし、実際の製品にて検証し、必要に応じて再設計する、というサイクルが必要である。

このため、所望の特性を得るためには時間がかかり、大量生産には不向きである。また、メッシュに対し信号配線に露光や積層の位置合わせのずれが生じると、信号配線およびこれに対向するメッシュグランド配線の各面積が変わってしまい、所望のインピーダンスを得ることができなくなる。

そこで、信号配線と線状のグランド配線とを平行に対向させることで、配線の曲線形状に拘わらず、信号配線に対するグランド配線の形状を一定にする方法が提案されている（特許文献５参照）。

しかしながら、これら線状のグランド配線５の幅は、図９（ａ）に示すように必ず信号配線４の幅と同じであるか、あるいは太い。線状のグランド配線と信号配線との位置合わせずれがないと仮定した場合においても、これら線状のグランド配線は対向する信号配線と同じ面積であるため、信号配線−グランド配線間に発生するキャパシタンスは、べたグランドのそれと同じである。

したがって、信号配線−グランド配線間にフレキシブルプリント配線板のように薄い絶縁層を介する場合、前述のごとく大電流の伝送ができないか、あるいは精度良くインピーダンスを制御することが困難となる。

また、実際の製造工程においては、図９（ｂ）に示すように位置合わせずれが発生し、信号配線６と対向するグランド配線７の面積が変わってしまい、所望のインピーダンスが得られなくなる。

本発明は上述の点を考慮してなされたもので、べたグランドが適用できないフレキシブルプリント配線板のような薄い絶縁層を介するプリント配線板において、曲線形状がある場合においても信号配線に対するグランド配線の形状を一定とし、しかも露光ずれや積層ずれによって信号配線と対向するグランド配線の面積が変化しないマイクロストリップラインを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的達成のため、
信号配線が曲線形状であるマイクロストリップライン構造を有するプリント配線板において、
絶縁層を介して前記信号配線に対向配置された線状のグランド配線をそなえ、
前記グランド配線の配線ピッチが前記信号配線の線幅の１／ｎ（ｎは、１または２の自然数）である
ことを特徴とするプリント配線板、
を提供する。

（本発明の概要）
この構成により、図１にあるように、信号配線８に沿って線状のグランド配線９を対向して配置することで、信号配線の曲線形状によらず、信号配線に対するグランド配線の形状は常に一定となる。

また、線状のグランド配線を信号配線幅に対し、１／ｎの配線ピッチとすることで、位置ずれが起きた際にも信号配線と対向するグランド配線の面積を一定に保つことが可能となる。ここで、ｎは１または２の自然数である。

この際、ベース基材となる層間絶縁樹脂を、例えばポリイミド、液晶ポリマー、フッ素樹脂のような低誘電率の材料とすることで、信号配線とグランド配線との間に発生するキャパシタンスを低減できる。

この結果、信号配線幅を太くすることができ、これと平行に配置される線状のグランド配線も太くすることができるため、エッチングによる加工の難度を低減することができる。

また、これら材料は通常ガラスエポキシ基板に比べて誘電正接が低いため、高周波における誘電体損失を抑制することが可能となり、高速信号の伝送に有利である。

本発明によれば、フレキシブルプリント配線板のような薄い絶縁層を有するプリント配線板にマイクロストリップラインを形成する際、信号配線の曲線形状によらず信号配線に対するグランド配線形状が常に一定となり、また位置ずれがあっても信号配線に対向するグランド配線の面積を一定に保つことが可能となる。

これにより、高速信号の伝送に適したマイクロストリップライン構造を有するプリント配線板を提供することが可能となり、電子機器の小型化・高性能化に貢献することとなる。

本発明の具体的実施例を挙げれば、ベース基材の厚さが１２．５〜５０μｍ、導体の厚さが５〜１８μｍの範囲にある材料を用いて、信号配線の幅を２５〜５００μｍの範囲とし、線状のグランド配線の配線ピッチを２５〜５００μｍの範囲とすることで、特性インピーダンス５０Ωのマイクロストリップラインを形成することが可能となる。

また、これらマイクロストリップラインは、高精度に形状を制御する必要がある。層間接続のためのめっきを行った後にマイクロストリップラインを形成しようとすると、めっきの厚さのばらつきにより、形状にばらつきが生じ、インピーダンスを精度良くコントロールすることが困難となる。

このため、層間導通のためのめっきを行う前に予め信号配線および線状のグランド配線を形成し、当該箇所を除去可能な保護膜でマスキングし、層間導通のためのめっきを行い、保護膜を除去することで信号配線および線状のグランド配線の形状を精度よく形成することが可能となり、延いてはインピーダンスコントロールの精度が向上する。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図２は、本発明の一実施例によるマイクロストリップラインの断面図である。

出発材料は、ここでは両面銅張り積層板として、メタロイヤル（東洋メタライジング株式会社製）ＰＩ−２５Ｄ−ＣＣＷ−０８Ｄ０（＃２５）を用いた。

当該材料を選定した理由は、２点ある。

（１）マイクロストリップラインにおいて、ベース基材の誘電率が高いと、グランド配線との間に発生するキャパシタンスが大きくなるため、所望の特性インピーダンスを得るためには信号配線の幅を狭くしなければならない。

しかし、信号配線幅を狭くすると配線形成の難易度が高くなり、精度の良いインピーダンスコントロールができなくなる。したがって、ベース基材は誘電率の低いポリイミドが望ましい。

（２）銅張り板の銅箔は、通常ベース基材との接着力を確保するために、裏面処理と呼ばれる粗化処理が施されている。しかし、裏面処理によるインダクタンスの増大が特性インピーダンスの制御に不利である。したがって、裏面処理のない銅張り板が望ましい。

ここで、ベース基材であるポリイミド１０の厚さは２５μｍ、銅箔の厚さは８μｍである。本材料を用いてマイクロストリップラインを形成する。そして、マイクロストリップラインのグランド配線１２は信号配線１１に沿った線状とし、その配線ピッチは信号配線幅の１／ｎとする（ここで、ｎは１または２の自然数とする）。

特性インピーダンス５０Ωを実現するため、ここでは、一例として信号配線幅を９２μｍ、ｎ＝１、グランド配線の配線ピッチを９２μｍ、グランド配線幅を４６μｍとし、グランド配線の配線本数は信号配線本数３に対し７本とした。

図３は、本発明の実施例２の断面図である。この実施例２では、ベース基材１３を、実施例１におけるポリイミドに代えて、より誘電率の低い液晶ポリマーとした。これにより、信号配線とグランド配線との間に発生するキャパシタンスがより低減されるため、信号配線幅の加工難易度を抑制することが可能となる。

また、液晶ポリマーは、ポリイミドに比べて誘電正接が低いため高周波領域における誘電体損失を抑制でき、高速信号の伝送に有利である。出発材料は、ここでは両面銅張り積層板エスパネックスＬＢ−０９−２５−０９ＮＥ（新日鐵化学株式会社製）を用いた。

この場合、ベース基材である液晶ポリマーの厚さは２５μｍであり、銅箔の厚さは元の厚さ９μｍをハーフエッチングにより５μｍとした。このハーフエッチングを行った材料を用いて、マイクロストリップラインを形成する。

マイクロストリップラインのグランド配線１５は、信号配線１４に沿った線状とし、その配線ピッチは信号配線幅の１／ｎとする（ここで、ｎは１または２の自然数とする）。

特性インピーダンス５０Ωを実現するため、ここでは一例として信号配線幅を１００μｍ、ｎ＝２、グランド配線の配線ピッチを５０μｍ、グランド配線幅を２５μｍとし、グランド配線の配線本数は信号配線の本数３本に対し１４本とした。

図４は本発明の実施例３の平面図を示し、図５Ａおよび図５Ｂはそれぞれ図４におけるＡ−Ａ’線およびＢ−Ｂ’線に沿う断面図を示す。

まず、図５Ａ（１）に示すように、銅箔の厚さが４μｍの両面銅張り積層板１６を用意する。この材料としては、実施例１で示した理由により、例えば両面銅張り積層板「メタロイヤル（東洋メタライジング株式会社製）ＰＩ−２５Ｄ−ＣＣＷ−０４Ｄ０（＃２５）」などが挙げられる。

次いで図５Ａ（２）に示すように、層間接続用のビアとなる穴１７を形成する。ビアの種類は、貫通、非貫通を問わない。また、穴の形成方法としては、貫通であれば機械的なドリル、パンチ、レーザードリル、プラズマ、化学エッチングなどが挙げられ、非貫通であればレーザードリル、プラズマ、化学エッチングなどが挙げられる。ここでは、ＵＶ−ＹＡＧレーザにて直径５０μｍの貫通穴を形成した。

さらに図５Ｂ（３）に示すように、マイクロストリップラインを形成する。マイクロストリップラインのグランド配線１９は、信号配線１８に沿った線状とし、その配線ピッチは信号配線幅の１／ｎとする（ここで、ｎは１または２の自然数とする）。

ここでは一例として、信号配線の幅を９６μｍ、ｎ＝２、グランド配線の配線ピッチを４８μｍ、グランド配線の幅を２４μｍとし、特性インピーダンスを５０Ωとした。また、グランド配線の配線本数は、信号配線の本数５に対し１１本とした。

この後、図５Ａ（４）に示すように、図５Ｂ（３）で形成したグランド配線および信号配線に保護層２０を形成した。保護層２０の素材は、この後に行う層間接続のためのめっき工程に耐え、その後、剥離可能なものであれば特に限定されるものではない。ここでは、厚さ２０μｍのドライフィルムレジストＳＰＧ２０２（旭化成エレクトロニクス株式会社製）をラミネートし、グランド配線および信号配線にのみ露光し、現像した。

次いで、図５Ａ（５）に示すように、層間接続のためのめっき２１を行う。信号配線およびグランド配線は保護層により被覆されているため、めっきが析出することはない。ただし、めっきの厚さは保護層の厚さより薄くし、ここでは１０μｍとした。

最後に、図５Ａ（６）に示すように、保護膜を剥離、マイクロストリップラインを除く箇所の配線パターン２２を形成する。この際、ビア１７のランド径は、先に形成した信号配線１８およびグランド配線１９と、後から形成する配線パターン２２との露光位置ずれを考慮した径とする。

以上により、高精度でインピーダンスが制御されたマイクロストリップラインを有するフレキシブルプリント配線板を形成することが可能である。

図６は本発明の実施例４の平面図を示し、図７Ａおよび図７Ｂはそれぞれ図６におけるＡ−Ａ’線およびＢ−Ｂ’線に沿う断面図を示す。

まず、図７Ａ（１）に示すように、銅箔の厚さが９μｍの両面銅張り積層板２３を用意する。ここでは、実施例１および同２で示した理由により、両面銅張り積層板エスパネックスＬＢ−０９−２５−０９ＮＥ（新日鐵化学株式会社製、銅箔の厚さ９μｍ）を適用した。

次いで、図７Ａ（２）に示すように層間接続用のビアとなる穴２４を形成する。ビアの種類は、貫通、非貫通を問わない。また、穴の形成方法としては、貫通であれば機械的なドリル、パンチ、レーザードリル、プラズマ、化学エッチングなどが挙げられ、非貫通であればレーザードリル、プラズマ、化学エッチングなどが挙げられ、特に限定するものではない。ここでは、ＵＶ−ＹＡＧレーザにて直径５０μｍの非貫通穴を形成した。

さらに、図７Ｂ（３）に示すごとく、マイクロストリップラインを形成する。ここで、マイクロストリップラインのグランド配線２６は信号配線２５に沿った線状とし、その配線ピッチは信号配線幅の１／ｎとする（ここで、ｎは１または２の自然数とする）。

ここでは一例として、信号配線幅を１００μｍ、ｎ＝１、グランド配線の配線ピッチを１００μｍ、グランド配線幅を５０μｍとし、特性インピーダンスを５０Ωとした。また、グランド配線の配線本数は、信号配線の本数５に対し１１本とした。

この後、図７Ａ（４）に示すように、図７Ａ（３）で形成したグランド配線および信号配線に保護層２７を形成した。保護層２７の素材は、この後に行う層間接続のためのめっき工程に耐え、その後、剥離可能なものであれば特に限定されるものではない。

ここでは、厚さ２０μｍのドライフィルムレジストＳＰＧ２０２（旭化成エレクトロニクス株式会社製）をラミネートし、グランド配線および信号配線にのみ露光し、現像した。

次いで、図７Ａ（５）に示すように、層間接続のためのめっき２８を行う。信号配線、およびグランド配線は保護層により被覆されているため、めっきが析出することはない。ただし、めっき厚さは保護層の厚さより薄くし、ここでは１０μｍとした。

最後に、図７Ａ（６）に示すように、保護膜を剥離、マイクロストリップラインを除く箇所の配線パターン２９を形成する。この際、ビア２４のランド径は、先に形成した信号配線１２５およびグランド配線２６と、後から形成する配線パターン２９との露光位置ずれを考慮した径とする。

以上により、高精度でインピーダンスが制御されたマイクロストリップラインを有するフレキシブルプリント配線板を形成することが可能である。

本発明に係るマイクロストリップラインの代表的な構造を示す斜視図。 本発明の実施例１による断面構造図。 本発明の実施例２による断面構造図。 本発明の実施例３によるフレキシブルプリント配線板の実装部配線層から見た平面図。 本発明の実施例３によるフレキシブルプリント配線板の形成方法を説明するための断面図であり、図４におけるＡ−Ａ’線に沿った断面図。 本発明の実施例３によるフレキシブルプリント配線板の形成方法を説明するための断面図であり、同じくＢ−Ｂ’線に沿った断面図。 本発明の実施例４によるフレキシブルプリント配線板の実装部配線層から見た平面図。 本発明の実施例４によるフレキシブルプリント配線板の形成方法を説明するための断面図であり、図６におけるＡ−Ａ’線に沿った断面図。 本発明の実施例４によるフレキシブルプリント配線板の形成方法を説明するための断面図であり、同じくＢ−Ｂ’線に沿った断面図。 従来のマイクロストリップラインの断面構造図。 従来の信号配線に平行なグランド配線の問題点を説明するための断面模式図。

符号の説明

１ 信号配線
２ べたグランド
３ ベース基材
４ 信号配線
５ 線状のグランド配線
６ 信号配線
７ 位置ずれした線状のグランド配線
８ 信号配線
９ 線状のグランド配線
１０ ポリイミド
１１ 信号配線
１２ 線状のグランド配線
１３ 液晶ポリマー
１４ 信号配線
１５ 線状のグランド配線
１６ 両面銅張り積層板
１７ 穴
１８ 信号配線
１９ 線状のグランド配線
２０ 保護層
２１ めっき
２２ 信号配線、グランド配線を除く配線パターン
２３ 両面銅張り積層板
２４ 穴
２５ 信号配線
２６ 線状のグランド配線
２７ 保護層
２８ めっき
２９ 信号配線、グランド配線を除く配線パターン

Claims (1)

1. 絶縁層上に配された信号配線が曲線形状であるマイクロストリップライン構造をそなえたプリント配線板において、
   前記絶縁層を介して前記信号配線に対向配置された線状のグランド配線をそなえ、
   前記グランド配線の配線ピッチが前記信号配線の線幅の1／ｎ（ｎは、１または２の自然数）である
   ことを特徴とするプリント配線板。

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