JP6002083B2

JP6002083B2 - 多層配線基板

Info

Publication number: JP6002083B2
Application number: JP2013107583A
Authority: JP
Inventors: 浩岡山; 透高田
Original assignee: 株式会社ワカ製作所
Priority date: 2012-05-28
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2033-05-22
Also published as: US9271391B2; JP2014007390A; US20130313003A1

Description

本発明は、高周波信号インターフェースなどに使用され、コネクタなどの同軸構造体が接続される多層配線基板に関し、特に、良好な周波数特性を確保できるなど、その品質を向上した多層配線基板に関する。

近年、無線・光通信システムに用いられる各種通信機器について、装置規模の小型化の要求がより一層高まっている。通信機器を構成する基板や高周波デバイスモジュールについても必然的に小型化が要求され、通信機器の内部・外部インターフェースとして使われる高周波コネクタも寸法の小型化が望まれる。そのような市場要求に合わせたコネクタとして、プッシュオン型のＳＭＰ、ＳＭＰＭ等の小型コネクタが実用化されており、従来では、この小型コネクタを基板上に直接実装するようにしたものも知られている（特許文献１等参照）。

このように小型コネクタを基板上に直接実装するようにしたものにおいては、小型コネクタの中心導体は高周波信号線路に密着させ、小型コネクタの外部導体は該高周波信号線路と同一面内に設けられたグランド電極に密着させる。マイクロストリップ線路のように、基板裏面にグランド層を設ける場合、基板表面に設けられたグランド電極は、スルーホールを通じてマイクロストリップ線路の裏面グランド層と導通され、小型コネクタと基板との高周波信号の接続状態を図るようにしている。

また、限られたスペースにて通信機器の高機能化を図るためには、基板を多層化し、高周波信号の伝送特性を保ちつつ、制御信号経路をも同一基板内に組み入れた、所謂、多層配線基板が採用される。図１Ａおよび図１Ｂに示したものは、この多層配線基板の従来例の１つであり、多層配線基板２００には、高周波信号を伝搬させるための高周波信号線路４００を表面に有する誘電体層５００とグランド層６００に加え、多層配線基板２００上に実装する素子を制御する制御信号回路を形成するための制御信号層９００が設けられる。以上のように、小型コネクタ付き多層配線基板２００を高周波デバイスモジュールに採用することは、通信機器の小型・省スペース化を実現する上で重要である。

ここで、小型コネクタと多層配線基板の接続部において、高周波領域では特性インピーダンスが不連続になりやすい。特に、１０Ｇｂ／ｓ以上の高速データ信号を扱う場合には、信号帯域が広いため、特性インピーダンスの不連続性による信号波形品質劣化の問題が深刻になる。例えば、特許文献１における図５などに示される従来技術のものでは、特性インピーダンス不連続点での信号反射が多くなり、透過−周波数特性の平坦性を欠き、結果として高速データ信号の波形品質を劣化させてしまうという課題があった。

また、図１Ａおよび図１Ｂの多層配線基板の場合、小型コネクタ１００を多層配線基板２００に実装する際、小型コネクタ１００の中心導体３００は、誘電体層５００の表面上に設けられた高周波信号線路４００に接続され、グランドとなる小型コネクタ１００の外部導体１０００の突出部１０００Ａは、誘電体層５００の表面上に設けられたグランド電極１２００に接続される。高周波信号線路４００として機能を保つため、高周波信号線路４００を有する誘電体層５００上のグランド電極１２００は複数のスルーホール１３０を通じてグランド層６００と導通している。

しかし、これらのスルーホール１３０は誘電体層５００の基板厚さ分の長さがあるために、有限のインダクタンスを持ち、多数のスルーホールを設けたとしても、同軸構造体と基板接続部のグランドインダクタンスは十分に小さくならず、このことによるインピーダンスの不連続が高周波信号伝送における周波数特性劣化の原因となる。また、高速データ信号のような広帯域・高周波信号に対しては、スルーホール１３０の設置位置や寸法のばらつきの影響も加わり、良好な周波数特性を得ることが困難であるという課題があった。

特開２００４−３６３５９３号公報

本発明は、上記のような課題を解決するためなされたものであり、コネクタなどの同軸構造体と多層配線基板の接続構造において、グランドインダクタンス増大の問題を解決する構成を実現し、コネクタなどの同軸構造体と多層配線基板間の接続部における良好な周波数特性を確保することを目的とする。

上記した課題を解決するため、本発明の一態様によれば、中心導体と外部導体とを備え、電気信号を伝送するための同軸構造体が接続される多層配線基板が提供される。この多層配線基板は、第１の誘電体層と、前記第１の誘電体層の第１の面に形成される高周波信号線路であって、前記同軸構造体の前記中心導体と電気的に接続可能な高周波信号線路と、前記第１の誘電体層の第２の面に形成されるグランド層と、前記グランド層の一部を覆う第２の誘電体層とを備えている。前記第２の誘電体層は、前記同軸構造体が前記多層配線基板に接続される際に該同軸構造体に対向する前記第１の誘電体層の縁部から離間した縁部を有する。前記第２の誘電体層の前記縁部は、前記第１の誘電体層の前記縁部よりも前記多層配線基板の内方に位置し、これにより前記第１の誘電体層の前記縁部と前記第２の誘電体層の前記縁部との間で前記グランド層のグランド露出部を露出させる。前記グランド層は、前記グランド露出部において前記同軸構造体の前記外部導体と電気的に直接接続可能であり、前記同軸構造体が前記多層配線基板に接続されるときに前記接続部の近傍で前記高周波信号線路が前記多層配線基板の外部に露出する。

換言すれば、上記多層配線基板は、高周波線路を有する誘電体層、グランド層および制御信号回路を形成する制御信号層を内部に有する多層構造に構成され、中心導体と外部導体とを備え、電気信号を伝送可能な同軸構造体が接続される多層配線基板である。前記同軸構造体と多層配線基板とが接続される接続部位において前記グランド層を露出させると共に、該接続部位に、該グランド層の露出部分と前記外部導体とを電気的に導通するべく直接接続する接続構造を施した。

前記グランド露出部は、該グランド露出部に塗布された半田材、銀ペースト、又は導電性接着材により前記同軸構造体の外部導体と電気的に接続されていてもよい。あるいは、前記グランド露出部は、前記同軸構造体の外部導体から延出する接触突起部との接触により前記同軸構造体の外部導体と電気的に接続されていてもよい。また、前記グランド露出部は、前記同軸構造体が接続されたときに該同軸構造体の中心導体の直下部分に位置することが好ましい。また、前記第２の誘電体層の表面には制御信号回路を形成するための制御信号層が形成されていてもよい。

また、前記同軸構造体は、前記多層配線基板に実装されるコネクタであってもよい。

本発明によれば、多層配線基板のグランド層とコネクタなどの同軸構造体の外部導体を直に接続する構成であるため、グランンドインダクタンスの増大が抑圧され、透過−周波数特性が平坦で反射の少ない高周波接続が同軸構造体と多層配線基板の間で実現し、高速データ信号の波形品質劣化が抑えられる。

また、例えば、小型化の要求がより一層高まっている小型コネクタ付き多層配線基板に有利となる。

図１Ａは、従来技術の小型コネクタ付き多層配線基板の一例を示す側面図である。図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ線矢視図である。図２Ａは、本発明に係る多層配線基板としての小型コネクタ付き多層配線基板の第１の実施形態の概略構成を示す平面図である。図２Ｂは、図２ＡのＢ−Ｂ線断面図である。図２Ｃは、図２ＢのＣ−Ｃ線矢視図である。図３Ａは、第１の実施形態における多層配線基板の概略構成を示す平面図である。図３Ｂは、図３ＡのＤ−Ｄ線断面図である。図３Ｃは、図３Ａに示す多層配線基板のコネクタ実装前の構成を示す平面図である。図４は、本発明に係る多層配線基板としての小型コネクタ付き多層配線基板の第２の実施形態の概略構成を示す図である。図５Ａは、本発明と従来技術とを比較するため、高周波信号の透過、反射量の周波数特性を測定した結果を示すグラフであり、本発明の構成を採用した多層配線基板における測定結果を示すグラフである。図５Ｂは、本発明と従来技術とを比較するため、高周波信号の透過、反射量の周波数特性を測定した結果を示すグラフであり、従来技術の構成を採用した多層配線基板における測定結果を示すグラフである。図６Ａは、本発明に係る多層配線基板としての小型コネクタ付き多層配線基板の第３の実施形態の概略構成を示す図である。図６Ｂは、図６ＡのＥ−Ｅ線矢視図である。

以下、添付された図面を参照して本発明に係る多層配線基板について詳細に説明する。図２Ａ〜図２Ｃは、本発明でいうところの同軸構造体としての小型コネクタ１を実装した本発明に係る多層配線基板としての小型コネクタ付き多層配線基板２の第１の実施形態の概略構成を示す図である。図２Ａは多層配線基板２の平面図、図２Ｂは図２ＡのＢ−Ｂ線断面図、図２Ｃは図２ＢのＣ−Ｃ線矢視図である。すなわち、多層配線基板２は、上面に高周波信号線路４が形成された第１の誘電体層５と、第１の誘電体層５の下面に形成されたグランド層６と、グランド層６の一部を覆う第２の誘電体層２０と、制御信号回路を形成する少なくとも１つ以上の制御信号層９と、第３の誘電体層２２とを内部に有する多層構造を備えている。多層配線基板２には、少なくとも１つ以上の小型コネクタ１が実装されている。

この場合、高周波信号線路４上の線路形式は、図３Ａに示すように、中心信号線路の両脇にグランド電極部１２を設けるグランディドコプレーナ型であり、該グランド電極部１２には複数のスルーホール１３が形成されている。これらのスルーホール１３を介して、小型コネクタ１の円筒状の外部導体１０の突出部１０Ａ（図２Ａ参照）からグランド層６への導通が図られる。小型コネクタ１は、図３Ｃに示した実装前の状態から、図２Ａに示すように実装される。そして、この小型コネクタ１を多層配線基板２へ実装する際において、小型コネクタ１の中心導体３と多層配線基板２の高周波信号線路４は、最短距離で電気的に導通（接合、接着、密着）されている。例えば、半田や銀ペースト等による接合、若しくは、導電性接着剤による接着などを行うことができる。

また、上面（第１の面）に高周波信号線路４が設けられている誘電体層５の下面（第２の面）にはグランド層６が形成されており、高周波信号線路４とグランド層６により、高周波信号の特性インピーダンスが所定の値になるよう、高周波信号線路４の幅と誘電体層５の厚さが決められている。

ここで、本発明では、多層配線基板２の小型コネクタ1が実装される接続部位７にて、グランド層６が露出され（グランド露出部６Ａ）、それ以外の部位８では、制御信号回路が形成される制御信号層９が設けられる。より詳細には、図２Ｂに示すように、第２の誘電体層２０が第１の誘電体層５の縁部から離間して配置されており、これにより第１の誘電体層５の縁部（接続部位７）においてグランド層６の一部が露出してグランド露出部６Ａが形成されている。そして、接続部位７には、グランド層６のグランド露出部６Ａと小型コネクタ１の外部導体１０とを電気的に接続する接続構造１１が設けられている。この接続構造１１としては、例えば、半田や銀ペースト等による接合、若しくは、導電性接着剤による接着などを利用することができる。

したがって、かかる多層配線基板２の構成では、外部導体１０とグランド層６とが直接接続されて良好に導通する構成であるため、グランド側の高周波信号経路が最短距離での接続が可能になり、小型コネクタ1と多層配線基板２のグランドインダクタンス増大が抑圧され、高速データ信号の波形品質が確保される。

図４は、本発明に係る多層配線基板としての小型コネクタ付き多層配線基板の第２の実施形態の概略構成を示す図であり、第１の実施形態の図２Ｃに対応するものである。第１の実施形態と同様に、多層配線基板２の小型コネクタ１が実装される接続部位７にて、グランド層６が露出され、それ以外の部位８では、制御信号回路が形成される制御信号層９が設けられている（図２Ｂ参照）。

そして、この第２の実施形態では、小型コネクタ1の外部導体１０とグランド層６のグランド露出部６Ａとの導通を図る際、接続部位７におけるグランドインダクタンスの増大をさらに抑圧するために、小型コネクタ１の中心導体３に相対向する部位付近に位置するグランド層６のグランド露出部６Ａのみが、小型コネクタ１の外部導体１０と接続される。本実施形態では、中心導体３に相対向する部位付近、例えば、中心導体３の直下部分１４（図３Ｂ参照）に位置するグランド層６のグランド露出部６Ａと外部導体１０とが電気的に導通するよう、例えば、半田や銀ペースト等による接合部材１５がグランド層６のグランド露出部６Ａと外部導体１０の間に充填されて、これらが接合される。

ここで、小型コネクタ１の中心導体３とグランド面との電気力線の密度は、中心導体３に相対向する部位付近、例えば、実施形態の如く中心導体３の直下部分１４、すなわち、グランド面との距離が最短となるような部位が最も高い。かかる構成では、中心導体３の直下部分１４の接合部材１５により、グランド層６のグランド露出部６Ａと外部導体１０が最短長で導通しているため、高周波信号線路４とグランド層６との間の電気力線の乱れが小型コネクタ１と多層配線基板２との接続部位７（図２Ｂ参照）において極力削減され、その結果、当該部位においてグランドインダクタンスの増大が抑圧され、良好な高周波伝搬特性が実現する。

図５Ａおよび図５Ｂに、本実施形態を採用した小型コネクタ付き多層配線基板と従来技術の小型コネクタ付き多層配線基板を用い、長さ１０ｍｍのスルーラインを製作し、高周波信号の透過、反射量の周波数特性を測定した結果を示した。図５Ａが本実施形態に係る多層配線基板を用いた場合を示し、図５Ｂが従来の多層配線基板を用いた場合を示している。これらの結果を比較すると、本実施形態によるスルーラインでは、反射が少なく、透過量−周波数特性の平坦性が優れていることが明白である。

本実施形態によれば、中心導体３の直下部分１４の接合部材１５により、グランド層６のグランド露出部６Ａと外部導体１０が最短長で導通しているため、特性インピーダンスの不連続性は、図１Ａおよび図１Ｂに示した従来技術のものと比較すれば緩和される。したがって、本実施形態によれば、特性インピーダンスの不連続性が低減し、高速データ信号の波形品質劣化を抑圧することができる。

図６Ａおよび図６Ｂは、本発明に係る多層配線基板としての小型コネクタ付き多層配線基板の第３の実施形態の概略構成を示す図である。図４に示す第２の実施形態では、接合部材１５にて中心導体３の直下部分１４と外部導体１０の間を充填しているが、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、小型コネクタ１の外部導体１０の形状を変更して外部導体１０から延出する接触突起部１７を設けて、この接触突起部１７を中心導体３の直下においてグランド層６のグランド露出部６Ａに密着および接触させる構造を採っても良い。

なお、高周波信号線路４上の線路形式は、グランディドコプレーナ型でなくても、高周波信号線路４の両脇にグランドパターンのないマイクロストリップ型でもよく、本発明を適用でき同様の効果が得られる。

また、上述の実施形態では、小型コネクタ１の外部導体１０がスルーホール１３を通じてグランド層６に接続されている例が示されているが、外部導体１０がグランド層６のグランド露出部６Ａに電気的に直接接続されていれば多層配線基板２にスルーホール１３を形成する必要はない。

また、本発明は、小型コネクタ付き多層配線基板について説明したが、上述した実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、小型コネクタを介さず、同軸構造体としての高周波同軸ケーブルと多層配線基板を接続する形態においても、本発明は有効である。具体的には、高周波同軸ケーブルの外部導体を多層配線基板のグランド層に接合する際に、多層配線基板内部のグランド層のグランド露出部と直接接続することにより、グランドインダクタンス増大を抑圧し、高周波データ信号の波形品質へ影響を軽減できる。

多層配線基板のグランド層と同軸構造体の外部導体を直に接続する構成であるため、グランドインダクタンスの増大が抑圧され、透過−周波数特性が平坦で反射の少ない高周波接続が同軸構造体と多層配線基板の間で実現し、高速データ信号の波形品質劣化が抑えられるため、小型コネクタを実装した小型コネクタ付き多層配線基板に有利となる。

１小型コネクタ
２多層配線基板
３中心導体
４高周波信号線路
５第１の誘電体層
６グランド層
６Ａグランド露出部
７多層配線基板の小型コネクタが実装される接続部位
９制御信号層
１０外部導体
１１接合部材
１４中心導体の直下部分
１５接合部材
１７接触突起部
２０第２の誘電体層
２２第３の誘電体層

Claims

中心導体と外部導体とを備え、電気信号を伝送するための同軸構造体が接続される多層配線基板であって、
第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層の第１の面に形成される高周波信号線路であって、前記同軸構造体の前記中心導体と電気的に接続可能な接続部を有する高周波信号線路と、
前記第１の誘電体層の第２の面に形成されるグランド層と、
前記グランド層の一部を覆う第２の誘電体層とを備え、前記第２の誘電体層は、前記同軸構造体が前記多層配線基板に接続される際に該同軸構造体に対向する前記第１の誘電体層の縁部から離間した縁部を有し、前記第２の誘電体層の前記縁部は、前記第１の誘電体層の前記縁部よりも前記多層配線基板の内方に位置し、これにより前記第１の誘電体層の前記縁部と前記第２の誘電体層の前記縁部との間で前記グランド層のグランド露出部を露出させ、
前記グランド層は、前記グランド露出部において前記同軸構造体の前記外部導体と電気的に直接接続可能であり、
前記同軸構造体が前記多層配線基板に接続されるときに前記接続部の近傍で前記高周波信号線路が前記多層配線基板の外部に露出する
多層配線基板。
前記グランド層の前記グランド露出部は、該グランド露出部に塗布された半田材、銀ペースト、及び導電性接着材のうちの少なくとも１つにより前記同軸構造体の前記外部導体と電気的に直接接続される、請求項１に記載の多層配線基板。
前記グランド層の前記グランド露出部は、前記同軸構造体の前記外部導体から延出する接触突起部により前記同軸構造体の前記外部導体と電気的に直接接続される、請求項１に記載の多層配線基板。
前記グランド露出部は、前記同軸構造体が接続されたときに該同軸構造体の前記中心導体の直下部分に位置する、請求項１から３のいずれか一項に記載の多層配線基板。
前記第２の誘電体層の表面に形成された、制御信号回路を形成するための制御信号層をさらに備えた。請求項１から４のいずれか一項に記載の多層配線基板。
前記同軸構造体は、前記多層配線基板に実装されるコネクタである、請求項１から５のいずれか一項に記載の多層配線基板。
前記第１の誘電体層の前記縁部は、前記同軸構造体が前記多層配線基板に接続されるときに前記同軸構造体に接触する、請求項１から６のいずれか一項に記載の多層配線基板。
前記高周波信号線路は、前記同軸構造体の前記中心導体と最短距離で電気的に接続可能である、請求項１から７のいずれか一項に記載の多層配線基板。