(57)【要約】【課題】配線基板の反りや捩れを効果的に低減し、高周波信号に対する反射特性や挿入損失特性に優れた配線基板と回路モジュールの提供を図る。【解決手段】配線基板１は、樹脂素体２と、その表主面Ａ側に形成した高周波電子部品を実装する配線パターン３と、裏主面Ｂ側に形成した接地導体４とを備える。裏主面Ｂ側の接地導体４は、同心状に配置した環状導体４Ａ〜４Ｅと、放射状に延びる帯状導体９Ａ〜９Ｄにより構成している。この帯状導体９Ａ〜９Ｄにより環状導体４Ａ〜４Ｅを導通させ、接地導体４を接地電位に接続する。環状導体４Ａ〜４Ｅのうち、外側の環状導体は幅方向の寸法を大きくし、内側の環状導体は幅方向の寸法を小さくしている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂を含む板状の素体と、前記素体の表主面に形成した配線パターンと、前記素体の裏主面に形成した接地導体と、を備える配線基板において、
前記接地導体を、同心状に配置した複数の導体パターンで構成した配線基板。
【請求項２】
前記複数の導体パターンは、それぞれ前記素体の外形状に沿った外郭形状を有し、前記素体の中心または中心付近を同心中心とする請求項１に記載の配線基板。
【請求項３】
前記複数の導体パターンが隣接する方向に延びる複数の帯状導体を介して、前記複数の導体パターンを導通させた請求項１または２に記載の配線基板。
【請求項４】
前記複数の導体パターンのうち、外側の導体パターンの幅を、内側の導体パターンの幅に比べて大きくした請求項１〜３のいずれか１項に記載の配線基板。
【請求項５】
請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の配線基板の前記表主面の配線パターンに高周波電子部品を実装した回路モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高周波信号を伝搬する配線パターンが表主面に形成され、電磁シールド用の接地導体（グランド電極）が裏主面に形成された配線基板と、その配線基板に高周波部品が実装された回路モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１（Ａ）に示す従来の配線基板５１は、ガラスエポキシ等の樹脂を含む素体（以下、樹脂素体という。）５２の両主面を導体（Ｃｕ）で覆い、表主面Ａ側の導体にエッチング処理を施して配線パターン５３を形成し、裏主面Ｂ側の導体を接地導体５４とした積層構造体である。
【０００３】
このような積層構造体である配線基板５１に対して電子部品などを実装する場合、電子部品を載置した配線基板５１に対してリフロー処理などの熱処理を行い回路モジュールを製造するが、この熱処理工程では配線基板５１に熱ストレスがかかる。
【０００４】
積層構造体である配線基板５１では配線パターン５３や接地導体５４を構成する導体や、樹脂素体５２を構成する樹脂など、それぞれに固有の熱膨張率を有するため、熱ストレスによる膨張とその後の冷却時の収縮とにより隣接する層間に残留応力と歪みが生じる。
【０００５】
残留応力や歪みの大きさと方向（圧縮方向または引張方向）は、樹脂や導体など素材の熱膨張率や各層の厚み、熱処理における熱環境などによって異なり、また、配線基板の表主面Ａ側と裏主面Ｂ側それぞれに設けた導体のパターンや形成面積によっても異なる。
【０００６】
仮に、配線基板５１の表主面Ａ側と裏主面Ｂ側それぞれの残留応力および歪みが完全一致すれば、表主面Ａ側と裏主面Ｂ側とで残留応力および歪みが拮抗して配線基板５１全体としての変形はほとんど生じない。しかし、現実的には配線基板５１の表主面Ａ側にはエッチング処理による配線パターン５３が施されているため、表主面Ａ側の導体の形成面積は小さく残留応力も歪みも小さい、一方、裏主面Ｂ側にはエッチング処理を施していないベタの接地導体５４が形成されているため、導体の形成面積が大きく残留応力も歪みも大きい。したがって配線基板５１には熱ストレスにより表主面Ａ側と裏主面Ｂ側とで残留応力の不均衡が生じ、基板に反りが生じる。
【０００７】
このような配線基板の反りを低減する配線基板が特許文献１に開示されている。図１（Ｃ）は特許文献１に記載された配線基板６１を裏主面Ｂ側からみた下面図であり、図１（Ｂ）は配線基板６１のＣ−Ｃ´断面構成図である。樹脂素体６２の裏主面Ｂ側の接地導体６４にはミアンダライン状の（または櫛歯状の）スリット６５が設けられる。裏主面Ｂ側にスリット６５を設けているため、裏主面Ｂ側の接地導体６４による残留応力と歪みが分散し、この裏主面Ｂ側の接地導体６４による残留応力と歪みと、表主面Ａ側の配線パターン６３による残留応力と歪みとの不均衡が低減される。
【特許文献１】特開平０９−２８３８６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の特許文献１の配線基板６１では、接地導体６４にスリット６５が設けられているため、表主面Ａ側と裏主面Ｂ側との残留応力の不均衡は低減され、配線基板６１の反りも低減される。しかしながら、このスリット６５はミアンダライン形状であるため、図中で横向きのスリットが所定の形成位置に集まり、縦方向の反りを不十分にしか低減できない。また、形状異方性が大きいミアンダライン形状であるため、主面内で残留応力と歪みの偏りが生じ易く、捩れが生じ易い。
【０００９】
また、配線基板の表主面Ａ側の配線パターンに流れる信号がＭＨｚ帯やＧＨｚ帯を利用する高周波信号であれば、ミアンダライン状のスリットを設けた接地導体では接地電流が不十分なものとなり、高周波電子部品の挿入損失の増大や反射特性の劣化が極めて大きくなって高周波特性に対する要求性能を満足することが困難になる。
【００１０】
具体的には、スリット部を設けることで、接地導体に流れる接地電流がスリット部を迂回して流れ、電流経路が伸長し導体損失の増加、および配線パターンにおけるインピーダンス変化が生じる。このことはミアンダラインのような、スリット長が長いスリットの場合に顕著である。また、ミアンダラインのような形状異方性が大きいスリットでは、表主面Ａ側に設ける配線パターンの形状や方向によっても導体損失の増大や配線パターンにおけるインピーダンスの変化が極めて大きなものとなる。
【００１１】
そこで、本発明は、配線基板の反りや捩れを効果的に低減し、高周波信号に対する反射特性や挿入損失特性に優れた配線基板と回路モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明の配線基板は、樹脂を含む板状の素体と、前記素体の表主面に形成した配線パターンと、前記素体の裏主面に形成した接地導体と、を備える配線基板において、前記接地導体を、同心状に配置した複数の導体パターンで構成する。
【００１３】
このように複数の導体により接地導体を構成するので、リフロー半田付けなどの熱処理時に生じる裏主面側の残留応力と歪みが分散する。したがって、裏主面側の残留応力および歪みと、配線パターンを設けている表主面側の残留応力および歪みとの不均衡が是正される。これにより配線基板の反りが低減される。さらに、導体を同心状に配置するため、裏主面側の残留応力と歪みを方向に依らずに一様にでき、配線基板の捩れを抑制できる。
【００１４】
また、導体の間のスリット部分には接地電流が流れることができないが、スリット部分それぞれのスリット長は、ミアンダライン状のスリットに比べて短くでき、電流経路長を低減して導体損失を少なくできる。また、配線パターンにおけるインピーダンスの変化も小さくできる。また、導体間のスリット部分の形状異方性がミアンダライン状のスリットの形状異方性に比べて小さく、表主面Ａ側に設ける配線パターンの形状や方向による影響を低減できる。したがって、高周波電子部品の挿入損失や反射特性の劣化を抑制できる。
【００１５】
また、この発明の前記複数の導体パターンは、それぞれ前記素体の外形状に沿った外郭形状を有するので、極めて効果的に配線基板の反りと配線基板の捩れを抑制できる。また、前記素体の中心または中心付近を同心中心とするので、極めて効果的に電流経路長を低減して導体損失を少なくでき、配線パターンにおけるインピーダンスの変化も小さくできる。
【００１６】
また、この発明は、前記複数の導体パターンが隣接する方向に延びる複数の帯状導体を介して、前記複数の導体パターンを導通させるので、帯状導体によってスリット部分が寸断され個々のスリット長が短くなる。したがって電流経路長を低減して導体損失を少なくし、配線パターンにおけるインピーダンスの変化も小さくできる。この場合であっても帯状導体を放射状に設けているため、形状異方性が小さく、表主面Ａ側に設ける配線パターンの形状や方向による影響を低減できる。したがって、高周波電子部品の挿入損失や反射特性の劣化を抑制できる。
【００１７】
また、この発明は、前記複数の導体パターンのうち、外側の導体パターンの幅を、内側の導体パターンの幅に比べて大きくしたので、接地電流の電流経路が長い外側の導体における導体損失を効果的に低減できる。また、内側の導体の幅方向の寸法を小さくしたので、内側の導体における残留応力と歪みをさらに低減して、配線基板の反りを効果的に低減できる。
【００１８】
また、この発明は、上記の配線基板の前記表主面の配線パターンに高周波電子部品を実装して回路モジュールを構成するので、高周波電子部品における挿入損失や反射特性を改善できる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように本発明によれば、配線基板の反りや捩れを効果的に低減し、高周波信号に対する反射特性や挿入損失特性に優れた配線基板と回路モジュールを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
この発明の配線基板の第１の実施形態について図２を参照して説明する。
図２（Ａ）は、表主面Ａ側から配線基板１を見た上面図であり、図２（Ｂ）は、裏主面Ｂ側から配線基板１を見た下面図である。ここでは、ＭＨｚ帯の基準信号を発振する電圧制御発振回路モジュールに用いる基板構成例を示しており、図示する配線基板１は基板サイズ８×６ｍｍ、板厚０．７ｍｍの極めて小型のものである。
【００２１】
この配線基板１は、ガラスエポキシ等の樹脂を含む樹脂素体２の表主面Ａ側に、金属Ｃｕからなる配線パターン３を形成し、樹脂素体２の裏主面Ｂ側に金属Ｃｕからなる接地導体４を形成したものである。なお、ここでは配線パターン３が表主面Ａの面積に占める割合を２０．８％にしている。また接地導体４が裏主面Ｂの面積に占める割合を５８．３％にしている。
【００２２】
裏主面Ｂ側の樹脂素体２の端辺に設けた半円状の切欠６は、樹脂素体２を樹脂シートから切り出す際に、樹脂シートに予め設けておいたスルーホールを分断したものであり、内面に電極（不図示）を設けて表主面Ａ側の配線パターン３と裏主面Ｂ側の接地導体４および端子電極７とを導通している。この切欠６の電極は、高周波電子部品実装後の電圧制御発振回路モジュールを、外部装置の電極端子に接続するのに用いる。
【００２３】
また、表主面Ａ側の配線パターンに図示する黒丸はビアホール８であり、これらのビアホール８が配線パターン３を裏主面Ｂ側の接地導体４に導通させる。
【００２４】
裏主面Ｂ側の接地導体４は複数の同心状に配置した導体（環状導体４Ａ〜４Ｅ）と、それらを導通する帯状導体９Ａ〜９Ｄとにより構成している。なお、最も内側の導体は環状ではないが、ここでは便宜的に環状導体４Ａと呼ぶ。当然、最も内側の導体を環状に構成してもよい。環状導体４Ａ〜４Ｅは、外側のものほど幅広に形成していて、環状導体４Ａは略矩形の外郭を有する形状である。環状導体４Ｂ〜４Ｄは略矩形の内郭と外郭を有する形状である。環状導体４Ｅは配線基板１の端辺の切欠６の内側に設けた電極端子（グランド電極端子）に導通するよう形状を適宜設計した外郭と、略矩形の内郭とを有する形状である。また、帯状導体９Ａ〜９Ｄは、環状導体４Ａ〜４Ｅの内郭と外郭の角同士を接続する位置に放射状に設けている。なお、以下では各環状導体４Ａ〜４Ｅの間の、帯状導体９Ａ〜９Ｄにより分断された導体非形成部分をそれぞれスリット５Ａ〜５Ｄと呼ぶ。スリット５Ａ〜５Ｄは内側のものほど幅広に形成している。
【００２５】
この配線基板１は、ＭＨｚ帯の基準信号を発振する電圧制御発振回路モジュールに用いるため、表主面Ａ側の配線パターン上に、高周波電子部品である発振素子やコンデンサ、抵抗素子などをリフローはんだ法により実装することになる。その工程では、配線パターン上の各素子の実装位置にはんだペーストを印刷塗布し、そのはんだペースト上に各素子を載置しておき、遠赤外線リフロー炉によって加熱する。
【００２６】
この工程時、樹脂素体２、配線パターン３、接地導体４、端子電極７はそれぞれ熱膨張する。樹脂素体２はガラスエポキシであり、配線パターン３、接地導体４、端子電極７は金属Ｃｕであり、それぞれの熱膨張率は異なるため、各部で熱膨張の差が生じ、表主面Ａ側では配線パターン３と樹脂素体２の表層との間に残留応力と歪みが生じる。また、裏主面Ｂ側では接地導体４と樹脂素体２の表層との間に残留応力と歪みが生じる。表主面Ａ側と裏主面Ｂ側とでは金属Ｃｕの形成面積とパターンとが異なるため、残留応力と歪みの大きさに表主面Ａ側と裏主面Ｂ側とで差が生じ、樹脂素体２に反りが生じる。
【００２７】
しかしながら、裏主面Ｂ側にはスリット５Ａ〜５Ｄを設け、図示する縦方向、横方向ともにスリット５Ａ〜５Ｄを内側から外側に亘って配置しているため、残留応力と歪みは環状導体４Ａ〜４Ｅの位置に分散し低減される。したがって、表主面Ａ側の残留応力と歪みと、裏主面Ｂ側の残留応力と歪みと、の不均衡が低減され、配線基板１の反りも低減したものとなる。また、環状導体４Ａ〜４Ｅを同心状に配置し、帯状導体９Ａ〜９Ｄを放射状に配置するため、裏主面側の残留応力と歪みを基板中心からの方向に依らずに一様にでき、主面内で残留応力と歪みの偏りが生じ難く、捩れも低減したものとなる。
【００２８】
なお発明者が実際に行った常温２５℃から１６０℃に加熱する加熱実験では、ベタ電極（接地導体の裏主面Ｂの面積に対する割合７２．９％）の場合に比べて基板の反り量を２０％低減でき、捩れもほとんど生じなかった。
【００２９】
また従来、ミアンダライン状のスリットを設けた接地導体を用いた場合、表主面Ａ側の配線パターンに流れる信号がＭＨｚ帯を利用する高周波信号であると、電流経路の伸長により、接地導体では接地電流が不十分にしか流れず、高周波電子部品の挿入損失の増大や反射特性の劣化が生じていた。これに対して、本実施形態の配線基板１のように環状に導体を設けることで、接地導体の形成面積の抑制とスリット長の短縮とが同時に図れ、配線基板１の反りの低減を図りながら、高周波電子部品の挿入損失の増大や反射特性の劣化を抑制できる。
【００３０】
また従来、ミアンダライン状のスリットを設けた接地導体を用いた場合、接地導体の形状異方性が大きく、配線パターンの形状や方向による高周波特性劣化の問題を無視できず、配線パターンの引き回しが限定されることがあったが、本実施形態の配線基板１のように環状導体４Ａ〜４Ｅと帯状導体９Ａ〜９Ｄとを設けることで、接地導体の形状異方性を低減して、配線パターンの形状や方向による影響が低減し、表主面側の配線パターンの設計自由度が高まる。
【００３１】
このように、配線基板の反りや捩れを効果的に低減し、高周波信号に対する反射特性や挿入損失特性に優れた配線基板と回路モジュールを提供できる。
【００３２】
ここで、図２に示す本発明の接地導体と従来の接地導体とのシミュレーションに基づく高周波特性の比較結果を図３、図４に示す。
図３は幅４．０ｍｍ、長さ５．０ｍｍ厚さ０．５ｍｍの樹脂素体の表主面Ａ側に、幅１．０５ｍｍ、長さ５．０ｍｍ、厚さ０．０１８ｍｍのストリップラインを設け、裏主面Ｂ側に厚さ０．０１８ｍｍで図２に示す接地導体を設けた場合の入力側から見た伝達係数Ｓ２１を示すスミスチャートであり、図４はその反射係数Ｓ１１を示した図である。各図において（Ａ）は従来のベタ電極からなる接地導体を裏主面Ｂ側に設けた場合であり、（Ｂ）は本発明の環状導体からなる接地導体を裏主面Ｂ側に設けた場合であり、（Ｃ）は上述の特許文献のミアンダライン状のスリットを備えた接地導体を裏主面Ｂ側に設けた場合である。なお、本シミュレーションでは解析周波数範囲を０．１ＧＨｚ〜１０．１ＧＨｚとした。
【００３３】
図３（Ａ）に示すように、ベタ電極からなる接地導体を用いた場合、伝達係数Ｓ２１は損失が極めて小さい等抵抗円上を移動する。また、図３（Ｃ）に示すように、ミアンダライン状のスリットを設けた接地導体を用いた場合、伝達係数Ｓ２１は損失が大きい等抵抗円上を移動する。一方、本発明の環状導体からなる接地導体を用いた場合、伝達係数Ｓ２１は図３（Ｃ）に示すミアンダラインの場合よりも損失が小さく、図３（Ａ）に示すベタ電極の場合よりも損失が大きい等抵抗円上を移動する。このことから、接地導体にスリットを設けて基板の反りを低減する場合であっても、本発明のように環状導体４Ａ〜４Ｅと帯状導体９Ａ〜９Ｄとを設けることで、配線パターンや高周波電子部品による挿入損失が低減することがわかる。
【００３４】
また、図４に示す反射係数Ｓ１１は、いずれの場合でも周波数の上昇によって整合のとれた状態から離れていく。しかしながら図４（Ａ）に示すベタ電極からなる接地導体を用いた場合、反射係数Ｓ１１の変化は小さい。また、図４（Ｃ）に示すミアンダライン状のスリットを設けた接地導体を用いた場合、反射係数Ｓ１１の変化は極めて大きい。一方、本発明の環状導体からなる接地導体を用いた場合、反射係数Ｓ１１は図４（Ａ）に示すベタ電極の場合よりも変化が大きいが、図４（Ｃ）に示すミアンダラインの場合よりも変化が小さい。このことから、接地導体にスリットを設けて基板の反りを低減する場合であっても、本発明のように環状導体４Ａ〜４Ｅと帯状導体９Ａ〜９Ｄとを設けることで、配線パターンや高周波電子部品による反射特性の劣化が低減することがわかる。
【００３５】
次に、他の接地導体の形成パターンについて図５に基づいて説明する。
【００３６】
図５（Ａ）には第１の実施形態で示した接地導体とは、帯状導体９Ａ〜９Ｄの形成位置が異なる裏主面Ｂ側のパターンを示している。なお、以下では第１の実施形態で示した配線基板１と同一の構成部分には同一の符号を付して説明を省いている。
【００３７】
配線基板１１は、その裏主面Ｂ側に接地導体１４を設けている。裏主面Ｂ側の接地導体１４は複数の同心状に配置した環状導体４Ａ〜４Ｅと、それらを導通する帯状導体１９Ａ〜１９Ｄとにより構成している。帯状導体１９Ａ〜１９Ｄは、環状導体４Ａ〜４Ｅの内郭と外郭の各辺中央同士を接続する位置に放射状に設けている。
【００３８】
このように帯状導体はどのような位置に設けてもよく、放射状に設ければ好適である。なお、図２で示した環状導体の内郭と外郭の角の位置に帯状導体を設ける構成と図５（Ａ）で示した環状導体の内郭と外郭の各辺中央同士を接続する位置に帯状導体を設ける構成とを合わせて行うようにしてもよい。この場合であっても放射状に配置することで接地導体４の形状異方性を低減したまま、スリット長を短くすることができる。
【００３９】
なお、以上の構成例では、帯状導体を最も内側の環状導体から最も外側の環状導体まで直線状に連続して配したが、本発明はこのような構成に限らず、非連続に位置に異ならせて帯状導体を配置してもよい。例えば、帯状導体を環状導体間の角の位置に設ける構成と、帯状導体を環状導体間の各辺中央の位置に設ける構成と、を環状導体間で交互に繰り返すようにしてもよい。また、各環状導体間に帯状導体を４つ設ける以外にも、より多くの帯状導体を各環状導体間に設けるようにしても良い。また、環状導体の各辺中央の位置や角の位置ではなく、他の位置から各環状導体の内郭や外郭に垂直になるように帯状導体を設けるようにしてもよい。
【００４０】
また、以上の構成例では、外側の環状導体を太くし内側の環状導体を細くする構成としたが、本発明はこのような構成に限らず、外側の環状導体を細くし、内側の環状導体を太くするように構成しても良い。また、各環状導体の幅を均一に構成しても良い。また、スリット部分の幅についてもどのように構成しても良い。環状導体を太くすれば高周波特性の面で優れ、スリット部分の幅を太くすれば反りと捩れの低減の面で優れるため、表主面側の配線パターンに流れる信号の周波数に従って適宜設計するとよい。高周波信号の流れる配線パターンの裏側での接地導体面積が大きく、低周波信号の流れる配線パターンの裏側での接地導体面積が小さくなるようにすると好適である。
【００４１】
また、図５（Ｂ）に示す接地導体２４は、帯状導体を設けない場合の裏主面Ｂ側のパターンである。
【００４２】
配線基板２１は、その裏主面Ｂ側に接地導体２４を設けている。裏主面Ｂ側の接地導体２４は複数の同心状に配置した環状導体４Ａ〜４Ｅと、それらを導通するためのビアホール２９とにより構成している。ここではビアホール２９を帯状導体の代わりに用いて、環状導体４Ａ〜４Ｅを表主面の接地電位の電極に接続する。そのため、配線基板２１の表主面側には裏主面Ｂ側の各環状導体４Ａ〜４Ｅを接続する配線パターンを設けている。このビアホール２９はどのような位置に設けてもよく、この場合であっても接地導体４の形状異方性を低減したまま、ミアンダライン状のスリットを設けるよりもスリット長を短くすることができる。
【００４３】
以上に示したように、本発明は様々な接地導体のパターンに適応でき、本発明の趣旨を逸脱しない限り、配線基板の反りや捩れを効果的に低減し、高周波信号に対する反射特性や挿入損失特性に優れた配線基板や回路モジュールを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】従来の配線基板の構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る配線基板の主面図である。
【図３】シミュレーションの結果の伝達係数を示すスミスチャートである。
【図４】シミュレーションの結果の反射特性を示すスミスチャートである。
【図５】他の接地導体の形成パターンを示す下面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１，１１，２１，５１，６１−配線基板
２，５２，６２−樹脂素体
３，５３，６３−配線パターン
４，１４，２４，５４，６４−接地導体
４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ−環状導体
５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，６５−スリット
６−切欠
７−端子電極
８，２９−ビアホール
９Ａ〜９Ｄ，１９Ａ〜１９Ｄ−帯状導体
Ａ−表主面
Ｂ−裏主面
Ｓ１１−反射係数
Ｓ２１−伝達係数
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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