JP7709880B2 - 回路基板 - Google Patents

Description

本発明は、回路基板に関する。

例えばスマートフォン又はミリ波レーダ等のように、電波の送受信を行う機器は、電波の送受信を行うアンテナ及び回路基板などの各種の部品を内蔵している。このような機器においては、例えばアンテナ給電線路などにおける損失（誘電損失）を低減することが望ましい。アンテナ給電線路などにおける損失を低減するために、いくつかの提案がなされている。

例えば、特許文献１に記載の回路基板は、金属導体と電源層との間の絶縁層に物理的に空隙を設けることで、実効的な比誘電率を下げることを開示している。また、特許文献２に記載の回路基板は、中心導体と電極との間に空洞を設けることで、実効的な比誘電率を下げることを開示している。また、特許文献３は、プリント基板内層における差動配線の対の間に、これら差動配線を含む層を上下から挟む誘電体層よりも低誘電率の誘電材料を配置することを開示している。また、特許文献４に記載の回路基板は、絶縁層に挟まれた信号層において、層厚の薄い絶縁層側に低損失誘電体を用いることで、信号が作る電界を低損失の誘電体側に集中させて、低損失化を図ることを開示している。

特開２００８－１６０７５０号公報 特開２００５－３０３７７８号公報 特開２００９－１４１２３３号公報 特開２００７－９６１５９号公報

回路基板のアンテナ給電線路における損失を低減させることが望ましい。また、そのような回路基板の製造コストを抑えることができれば有利である。

本開示の目的は、製造コストを抑えつつ損失を低減させた回路基板を提供することにある。

一実施形態に係る回路基板は、
第１導電体と、
第２導電体と、
前記第１導電体と前記第２導電体との間に配置される伝送線路と、
前記第１導電体と前記伝送線路との間に配置される層であって、少なくとも１つの第１誘電体を含む第１誘電体層と、
前記第２導電体と前記伝送線路との間に配置される層であって、少なくとも１つの第２誘電体を含む第２誘電体層と、
を備える。
前記第２誘電体層は、前記第１誘電体層よりも厚く構成される。
前記第１誘電体の誘電率及び／又は誘電正接は、前記第２誘電体の誘電率及び／又は誘電正接よりも小さく構成される。
前記第２誘電体層は、前記回路基板の厚さ方向に前記伝送線路と重ならない位置において、第１導電体及び第２導電体とは異なる第３導電体を備える。
前記伝送線路から前記回路基板の厚さ方向に向かう前記第２導電体までの間には導体が存在しない。

一実施形態によれば、製造コストを抑えつつ損失を低減させた回路基板を提供することができる。

一実施形態に係る回路基板の所定方向の断面を示す図である。 一実施形態に係る回路基板を説明するための比較例の所定方向の断面を示す図である。 一実施形態に係る回路基板の所定方向の断面を示す図である。 一実施形態に係る回路基板の所定方向の断面を示す図である。

以下、一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、一実施形態に係る回路基板の全体的な構成を概略的に示す図である。一実施形態に係る回路基板の用途は、特に限定されないが、例えばスマートフォン又はミリ波レーダ等のように、電波の送受信を行う機器などに用いられるものとしてよい。

図１に示すように、一実施形態に係る回路基板１は、例えばハイブリッド型の多層基板としてよい。図１は、一実施形態に係る回路基板１の断面を示す図である。図１に示す回路基板１は、図に示すＺ軸方向に多層化された構造を有する。すなわち、図１に示す回路基板１は、図に示すＺ軸方向を厚さ方向としてよい。後述のように、一実施形態に係る回路基板１は、信号ライン（ストリップライン）を構成するものとしてよい。図１に示す回路基板１において、図に示すＹ軸方向に信号が伝送されるものとしてよい。

図１に示すように、一実施形態に係る回路基板１は、導電体１１－１８を備えている。導電体１１－１８のそれぞれは、例えば銅を含んで構成されてよい。図１は、一実施形態に係る回路基板１の例として、導電体１１－１８の８層構造の場合を示している。しかしながら、一実施形態に係る回路基板１は８層構造に限定されず、任意の層数の多層構造としてよい。

また、図１に示すように、一実施形態に係る回路基板１は、誘電体層２１－２７を備えている。誘電体層２１－２７は、それぞれ、導電体１１－１８の間に配置されるものとしてよい。誘電体層２１－２７のそれぞれは、任意の誘電体を含んで構成されてよい。一実施形態において、誘電体層２１－２７のそれぞれは、例えばＦＲ－４規格の樹脂材が使用されてよい。

図１に示す誘電体層２１－２７のうち、例えば、誘電体層２１及び誘電体層２７については、誘電率及び／又は誘電正接が比較的低い基材が使用されてよい。すなわち、誘電体層２１及び誘電体層２７の誘電率及び／又は誘電正接は、所定の値よりも低いものとしてよい。誘電体層２１及び誘電体層２７は、例えばミリ波帯などの用途に使用されるものとしてよい。本開示において、伝送線路の誘電損失は、以下の式（１）におけるα（送電損失）として表すことができる。式（１）において、Ｋは比例定数を示し、ｆは周波数を示し、εｒは比誘電率を示し、ｔａｎδは誘電正接を示す。
α＝Ｋ × ｆ × √εｒ × ｔａｎδ （１）

上記の式（１）においてαによって示される伝送線路の誘電損失は、誘電率と誘電正接の両者に比例する。このため、一実施形態に係る回路基板１において、誘電体層２１及び誘電体層２７の誘電率及び誘電正接の少なくとも一方を低くしてよい。また、低誘電率、低誘電正接の値の一例として、例えば従来のミリ波レーダに使われている材料の場合、以下のような値を挙げることができる。すなわち、ＦＲ－４規格の樹脂材において、例えば、誘電率Ｄｋは４．４であり、誘電正接Ｄｆは１０ＧＨｚにおいて０．０２であるのに対し、誘電率Ｄｋが３．０であり、誘電正接Ｄｆが周波数１０ＧＨｚにおいて０．００１である場合としてよい。ただし、上記の値は、素材メーカ、型番、使用する周波数、及び／又は、周囲温度などによって変化し得る。

本開示において、誘電率は、比誘電率としてもよい。また、誘電正接（ｔａｎδ）とは、誘電体内における電気エネルギー損失の度合い（エネルギー損失率）を表す数値である。誘電正接（ｔａｎδ）は、信号電流Ｉｃとし、損失電流をＩｒとして、次の式（２）のように表すことができる。
ｔａｎδ＝Ｉｒ／Ｉｃ （２）

図１に示すように、一実施形態に係る回路基板１において、誘電体層２４をコア材として、導電体１４及び導電体１５の銅板をプレスしたものとして構成してよい。また、誘電体層２２、２３、２５、及び２６は、例えばプリプレグとしてよい。

図２は、一実施形態に係る回路基板１を説明するための比較例を示す図である。すなわち、図２は、一実施形態に係る回路基板１と対比するための比較例として、回路基板１００の一部を示す図である。また、図３は、一実施形態に係る回路基板１の一部を示す図である。図２及び図３において、図に示すＹ軸方向に信号が伝送されるものとしてよい。

図２に示す回路基板１００及び図３に示す回路基板１の双方とも、基板内層に信号ラインを構成している。図２に示す回路基板１００は、導電体１１及び導電体１３の間に、伝送線路１２を備えている。また、図２に示す回路基板１００は、導電体１１及び導電体１３の間に、誘電体層２１及び誘電体層２２を備えている。図３に示す回路基板１は、導電体１１及び導電体１４の間に、伝送線路１２を備えている。また、図３に示す回路基板１は、導電体１１及び導電体１４の間に、誘電体層２１、誘電体層２２、及び誘電体層２３を備えている。このように、図２に示す回路基板１００及び図３に示す回路基板１の双方とも、信号ラインとして用いられる伝送線路１２を、上下方向（Ｚ軸方向に）導電体及び誘電体層で挟む構造のストリップラインを構成している。

図２に示す回路基板１００においては、導電体１１と伝送線路１２との間隔は、伝送線路１２と導電体１３との間隔よりも大きくなっている。すなわち、図２に示す回路基板１００においては、誘電率及び／又は誘電正接が比較的低い誘電体層２１は、プリプレグの誘電体層２２よりも厚さ（図に示すＺ軸方向のサイズ）が大きい。ここで、誘電体層２２の誘電率及び／又は誘電正接は、誘電体層２１の誘電率及び／又は誘電正接よりも大きいものとしてよい。このような構成において、信号ライン（伝送線路１２）の電界分布は、図２に示すようにグランドプレーンに近い側の導電体１３に多く入りこむ。すなわち、信号ラインの電界分布において、誘電率及び／又は誘電正接の大きい誘電体層２２が支配的となる。

一方、図３に示す回路基板１においては、図１の構造と比較して、導電体１３を省いた構造としてある。このため、図３に示す回路基板１においては、導電体１１と伝送線路１２との間隔は、伝送線路１２と導電体１４との間隔よりも小さくなっている。このような構成において、信号ライン（伝送線路１２）の電界分布は、図３に示すようにグランドプレーンに近い側の導電体１１に多く入りこむ。すなわち、信号ラインの電界分布において、誘電率及び／又は誘電正接の小さい誘電体層２１が支配的となる。したがって、図３に示す回路基板１においては、伝送線路１２の伝送損失を低くすることができる。

このように、一実施形態に係る回路基板１は、第１導電体１１と、第２導電体１４と、伝送線路１２と、第１誘電体層２１と、第２誘電体層（２２，２３）と、を備える。伝送線路１２は、第１導電体１１と第２導電体１４との間に配置されてよい。第１誘電体層２１は、第１導電体１１と伝送線路１２との間に配置される層であって、少なくとも１つの第１誘電体を含んでよい。第２誘電体層（２２，２３）は、第２導電体１４と伝送線路１２との間に配置される層であって、少なくとも１つの第２誘電体を含んでよい。

また、一実施形態に係る回路基板１において、第２誘電体層（２２，２３）は、第１誘電体層２１よりも厚く構成される。また、一実施形態に係る回路基板１において、第１誘電体層２１における第１誘電体の誘電率及び／又は誘電正接は、第２誘電体層（２２，２３）における第２誘電体の誘電率及び／又は誘電正接よりも小さく構成される。

一実施形態に係る回路基板１によれば、伝送線路１２の伝送損失を低くすることができる。また、比較的コストの高い誘電率及び／又は誘電正接の小さい誘電体の使用量を抑えることができる。このため、一実施形態に係る回路基板１によれば、製造コストを抑えつつ損失を低減させた回路基板を提供することができる。

また、一実施形態に係る回路基板１において、より良好に誘電率及び／又は誘電正接の小さい誘電体に電解を向けるために、上下（図に示すＺ軸）方向の誘電体層の材料を同種のものとしてもよい。すなわち、一実施形態に係る回路基板１において、第１誘電体層２１における第１誘電体及び第２誘電体層（２２，２３）における第２誘電体は、同種の材料によって構成されてもよい。

図３に示す回路基板１においては、図１の構造と比較して、導電体１３を省いた構造を説明した。図３においては、導電体１３を完全に省いた状態の例について説明した。一方、一実施形態に係る回路基板１において、図１の構造と比較して、導電体１３の一部を省いた構造としてもよい。例えば、図４に示す回路基板１のように、信号ライン（伝送線路１２）の直下（図に示すＺ軸の負方向）に存在する導電体１３のみを除くようにしてもよい。このように、信号ライン（伝送線路１２）の直下（図に示すＺ軸の負方向）に以外の部分に存在する導電体１３の他の領域は、例えばグランドプレーンとして使用してもよい。さらに、一実施形態において、図４に示すように、伝送線路１２の直下（図に示すＺ軸の負方向）よりも少し余裕を持たせた領域に存在する導電体１３を除いてもよい。

以下、一実施形態に係る回路基板１による効果について、さらに記す。

例えば、上述した特許文献１のように、導体と電源層との間の絶縁層に物理的に空隙を設けることで、実効的な誘電率を下げることも考えられる。空気（又は真空）の誘電率は1であるため、空気は絶縁層として理想的ともいえる。しかしながら、特許文献１のように空隙を作るためには特別な製造工程が必要になる。したがって、このような構造はコストアップにつながることが想定される。また、絶縁層は非常に薄い構造となるため、精度良く空隙を設けることには困難が伴うことも想定される。

また、上述した特許文献２のように、誘電率を下げるためにくぼみを形成する場合も、特別な製造工程が必要になり、コストアップにつながることが想定される。

例えば、信号層の上下を誘電体層で挟む構造（いわゆるストリップライン）において、上下の層を低誘電率、特に低誘電正接の材料に置き換えると、材料費が高価になる。したがって、このような回路基板は、製造コストが上昇しがちになる。そこで、例えば、片面のみ低誘電率、特に低誘電正接の材料に置き換えることも考えられる。上述した特許文献４は、絶縁層に挟まれた信号層（すなわちストリップラインを形成）において、層厚の薄い絶縁層側に低損失の誘電体を用いることで、信号が作る電界を低損失の誘電体側に集中させている。上述した特許文献４に開示のプリント配線板は、低損失化が期待できるとともに、片面だけ高価な低損失の誘電体を用いてコストアップをある程度抑え得る。しかしながら、このような低損失の誘電体を用いる構成は、低誘電率材料の層の厚さを薄くする場合に限られる。

一実施形態に係る回路基板１によれば、上述した各特許文献に記載のような課題を克服し得る。

すなわち、一実施形態に係る回路基板１によれば、信号ラインからの放射電界は、信号ラインの近くに位置する導体に多く入るようになる。そこで、一実施形態に係る回路基板１は、信号ラインの近くに位置する導体との間の誘電体の誘電率及び／又は誘電正接が比較的小さくなるようにすることで、誘電率及び／又は誘電正接を等価的に低くすることができる。このため、一実施形態に係る回路基板１によれば、損失（誘電損失）を低く抑え得る。

一般的に、誘電率及び／又は誘電正接の低い材料は、コストの上昇を招く原因となり得る。しかしながら、一実施形態に係る回路基板１によれば、誘電率及び／又は誘電正接の低い材料を片面のみに実装する。このため、一実施形態に係る回路基板１によれば、材料費の上昇を抑えることができる。また、一実施形態に係る回路基板１によれば、誘電率及び／又は誘電正接が低い側の層が厚くても、当該層の厚さを変更することなく、パターンを変更するのみで、損失（誘電損失）を低く抑え得る。すなわち、一実施形態に係る回路基板１によれば、特別な製造工程を経ることなく従来の工程により製造可能なため、製造コストの上昇を抑えることができる。

上述した各実施形態は、回路基板１の発明として説明したが、このような実施のみならず、そのような回路基板を採用して行う各種方法の発明として実施してもよい。

１ 回路基板
１１－１８ 導電体
１１ 第１導電体
１３ 第３導電体
１４ 第２導電体
１２ 伝送線路
２１－２７ 誘電体層
２１ 第１誘電体層
２２，２３ 第２誘電体層

Claims (4)

1. 第１導電体と、
   第２導電体と、
   前記第１導電体と前記第２導電体との間に配置される伝送線路と、
   前記第１導電体と前記伝送線路との間に配置される層であって、少なくとも１つの第１誘電体を含む第１誘電体層と、
   前記第２導電体と前記伝送線路との間に配置される層であって、少なくとも１つの第２誘電体を含む第２誘電体層と、
   を備える回路基板であって、
   前記第２誘電体層は、前記第１誘電体層よりも厚く構成され、
   前記第１誘電体の誘電率及び／又は誘電正接は、前記第２誘電体の誘電率及び／又は誘電正接よりも小さく構成され、
   前記第２誘電体層は、前記回路基板の厚さ方向に前記伝送線路と重ならない位置において、第１導電体及び第２導電体とは異なる第３導電体を備え、
   前記伝送線路から前記回路基板の厚さ方向に向かう前記第２導電体までの間には導体が存在しない、回路基板。
2. 前記伝送線路から前記回路基板の厚さ方向に向かう前記第２導電体までの間の前記第２誘電体層は、同じ誘電材料により形成されている、請求項１に記載の回路基板。
3. 前記第３導電体は同じ誘電材料の前記第２誘電体層により囲まれている、請求項１に記載の回路基板。
4. 前記第２誘電体層は、少なくとも２つの誘電材料の層を含む、請求項１に記載の回路基板。