(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の熱膨張係数および信号トレースを有するマザーボードであって、各信号トレースは前記マザーボードの表面上の接触パッドで終端しており、該接触パッドは前記マザーボードの表面上で所定のパターンに構成されている、マザーボードと、
第２の熱膨張係数および信号相互接続部を有するドータボードであって、各相互接続部は前記ドータボードの表面上の接触パッドで終端しており、該接触パッドは前記所定のパターンに構成されている、ドータボードと、
前記マザーボードの表面と前記ドータボードの表面との間に配置され、前記マザーボードの前記接触パッドと前記ドータボードの前記接触パッドとの間で所定のパターンに構成されているはんだコンパウンドのアレイと、
前記ドータボードの第２の表面上に第２のパターンに構成された付加的な接触パッドと、
前記第２のパターンに構成された接触パッドを有する表面を備えた第２のドータボードと、
前記ドータボードの前記第２の表面と前記第２のドータボードの前記表面との間で、前記ドータボードの前記付加的な接触パッドと前記第２のドータボードの前記接触パッドとの間に配置されたはんだコンパウンドの第２のアレイと、
前記ドータボード上の前記接触パッドの下にあって前記信号相互接続部に対して容量性プレートを形成する導電性領域を有するスタブと、
を備え、
前記信号相互接続部は、インダクタンスと所望の特性インピーダンスとを有し、前記スタブの前記導電性領域は、前記信号相互接続部の前記インダクタンスおよび前記所望の特性インピーダンスによって決まることを特徴とする、第１および第２の熱膨張係数を有するハイブリッド・プリント回路基板。
【請求項２】
前記ドータボード上の前記スタブの導電性領域が同じ面積を有することを特徴とする、請求項１に記載のハイブリッド・プリント回路基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はプリント回路基板の設計および製造に関し、詳細にいえば、異なる熱膨張係数を有するプリント回路基板に実装された回路の信頼性の高い相互接続に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ほとんどのＲＦおよびマイクロウェーブ回路の場合、高性能プリント回路基板に実装する必要があるのは一部に過ぎない。これらの高性能基板は高価であり、加工が困難である。経済的な理由から、回路基板設計者は実用上できるだけ多くの回路を廉価で、加工が容易な基板に実装し、高性能基板をＲＦまたはマイクロウェーブ作動を達成するのに必要なところだけに使用しようとしている。
【０００３】
図１に示すように、従来技術の一例では、廉価な基板、すなわちマザーボード１は面積が高性能基板、すなわちドータボード３よりも若干大きい穴２を有している。ドータボード３は穴２内に設置され、回路基板１および３は鋳造金属シールド４によってクランプされている。信号は回路基板１と３の間にはんだ付けされた軸方向リード・コンデンサ５により一方から他方へ送られる。シールド４が必要であり、また組立てのために手作業が必要とされるため、これは費用効果の高い製造プロセスではない。穴２はマザーボード１の構造的一体性を弱めるものでもある。信号リード線５の特性インピーダンスは制御が困難である。さらに、マザーボード１とドータボード３との間の設置の連続性が低い。
【０００４】
図２は従来技術の他の例を示すものであり、はんだペースト６が熱膨張係数がそろっている基板を有するマザーボード１とドータボード３に手作業で塗布されている。製造コストが高くなることに加え、はんだがオーバフローに関して遮蔽されていないため、接続部がブリッジとなりやすい。さらに、マザーボード１に対するドータボード３の自動整合は、整合の助けとなる接触パッドがないため、不可能である。
【０００５】
しかも、図２に示したはんだ接続部は主として接地面およびマザーボード１とドータボード３の機械的相互接続のために設けられている。その結果、これらのはんだ接続部は数が少なく、大きなものであり、応力がこれらのはんだ接続部に集中する。したがって、マザーボード１とドータボード３が異なる熱膨張係数を特徴としている場合には、温度変化があると、はんだ接続部は障害を受けることとなる。それ故、図２に示した従来技術の例は、異なる熱膨張係数を有するプリント回路基板が使用されるＲＦまたはマイクロウェーブ回路の実装に簡単に利用できない。
設計要素としてドータボードを考慮しながら、モジュール回路基板設計を促進する効率のよいプリント回路基板設計法が望まれている。また、マザーボードの基板に関するドータボードの基板の熱膨張係数の相違がボード間の接続の信頼性に影響を及ぼしてはならない。得られるボードは製造が容易で、経済的なものでもなければならない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、容易に、経済的に製造することのできる、熱膨張係数の異なる複数の基板を有するハイブリッド・プリント回路基板を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
異なる熱膨張係数を有する２枚の基板からなるハイブリッド・プリント回路基板を、自動表面実装技法を使用して製造することができる。廉価な材料からなるマザーボードはその上面に一連の接触パッドを備えて構成される。底面に対応するパターンの接触パッドを有するドータボードは、標準的な自動表面実装技法を使用してマザーボードに接続されるので、ドータボードとマザーボードの接触パッドは適切に整合することとなる。
【０００８】
接触パッドを信号トレースに接続してもかまわない。あるいは、マザーボードの接触パッドをマザーボード内に収められている接地面に接続することもできる。設計の融通性に加えて、良好な接地連続性があり、これは相互接続部の品質を高める。相互接続の特性インピーダンスは接触パッドの下におかれたスタブのサイズを決定することによって制御できる。この設計法はプリント回路基板のモジュール設計を促進し、異なるドータボードを接続することでマザーボードに関連する機能をカスタム化できるようにするものである。
【０００９】
【実施例】
図３は本発明の実施の形態の１つによるハイブリッド・プリント回路基板１０の平面図を示す。マザーボード１２は上面１２Ｂに所定のパターンの接触パッドのアレイ１２Ａを有している。ドータボード１４は底面１４Ｂに同一のパターンの接触パッドのアレイ１４Ａを有している。ドータボード１４はその上に実装された抵抗１１Ａや増幅器１１Ｂなどの受動または能動構成要素を有することができる。はんだコンパウンド１６をマザーボード１２の接触パッド１２Ａに塗布するのが好ましい。あるいは、はんだコンパウンドをドータボード１４の接触パッド１４Ａに塗布することもできる。
【００１０】
マザーボード１２は通常、General Electric製の６層積層のＧｅｔｅｋなどの廉価なプリント回路基板材料である。マザーボード１２の基板厚が０．０５６インチ（０．１４２ｃｍ）である場合、この材料からなるマザーボードの平面における関連した熱膨張係数は１２−１４ｐｐｍ／℃である。ドータボード１４はＡｒｌｏｎ  ＣｕＣｌａｄ２５０などの高性能基板で形成されている。ドータボード１４の基板の厚さが０．０６０インチ（０．１５２ｃｍ）である場合、この材料からなるドータボードの平面における関連した熱膨張係数は９−１０ｐｐｍ／℃である。接触パッドの第１および第２のアレイ１２Ａ、１４Ａははんだでメッキされた微量な金または銅などの導電性材料である。ドータボード１４は標準的な自動表面実装技法を使用してマザーボード１２に接続されている。
【００１１】
この実施の形態において、はんだコンパウンド１６はドータボード１４および付加的な構成要素（図示せず）を接続するためにマザーボード１２にステンシル塗布される。次に、構成要素とドータボード１４はＦｕｊｉ  ＩＰ−IIなどのピックアンドプレース機械を使用してマザーボード１２に載置される。ドータボード１４の接触パッド１４Ａはマザーボード１２の接触パッド１２Ａと揃えられ、マザーボードに対するドータボードの自動整合が行われる。はんだコンパウンド１６は次いでリフローされ、構成要素とドータボード１４のマザーボード１２への接続が行われる。所定の複数のパターンの接触パッド１２Ａ、１４Ａがマザーボード１２の表面１２Ｂおよびドータボード１４の表面１４Ｂにあるため、マザーボードとドータボードの基板の熱膨張係数の相違による応力が、ボード間の界面全体にわたり離隔している多数のはんだ接続部に分散される。このことは図２に示した従来技術の例によってもたらされるものよりも高い信頼性をもたらす。
【００１２】
得られるハイブリッド・プリント回路基板１０はドータボード１４を設計要素として考慮しているモジュール・プリント回路基板設計を促進する。構成要素１１Ａ、１１Ｂを備えたドータボード１４がマザーボード１２に関連する機能をカスタム化するように、マザーボード１２を柔軟に設計することもできる。得られるハイブリッド回路基板１０も製造が容易である。
【００１３】
図４はハイブリッド・プリント回路基板１０の断面図を示す。接触パッド１４Ａはドータボード１４の底面１４Ｂの任意の場所に配置することができる。マザーボード１２およびドータボード１４の接触パッド１２Ａ、１４Ａをマザーボード内における信号トレース１３または接地面１５に接続することができる。図３に示した構成要素１１Ａ、１１Ｂは次いで、ドータボード１４の信号トレース１３に接続される。接触パッド１２Ａ、１４Ａと信号トレース１３の間、および接触パッドと接地面１５の間の電気接続は相互接続部１７によってもたらされる。相互接続部１７はメッキしたスルーホールでよい。設計の融通性に加えて、接地連続性が良好であり、これは相互接続部１７の特性インピーダンスを制御することによって、相互接続部の品質を改善する。この設計法はプリント回路基板のモジュール設計を改善し、ドータボード１４を接続することによって、マザーボード１２に関連した機能をカスタム化するようにする。
【００１４】
図５はハイブリッド・プリント回路基板の他の実施の形態１０’を示す。オプションの第２のドータボード１８または構成要素（図示せず）をドータボード１４の上に配置することもできる。ドータボード１４およびオプション・ボード１８をはんだコンパウンドおよび上述の標準的な自動表面実装技法を使用して接続してから、ドータボード１４をマザーボード１２に接続する。
【００１５】
図６Ａおよび図６Ｂは好ましい相互接続部１７と、これに対する等価の回路モデルを示す。図６Ａは相互接続部１７の図である。図６Ｂは相互接続部１７の電気的モデルを示す。このモデルを使用して、相互接続部１７が形成する遷移部のインピーダンスを制御するのに必要なスタブ１９Ａ、１９Ｂのサイズを決定する。
【００１６】
図６Ａに示すように、ドータボード１４の出力伝送線２０はマザーボード１２の入力伝送線２２に接続されている。この例において、入力および出力伝送線２０、２２は特性インピーダンスＺ0を有している。式１を使用すると、相互接続部１７のメッキ・スルーホールのインダクタンスＬが決定される（単位：マイクロヘンリ）。
【００１７】
Ｌ ＝ 0.002ｔ[Ｌｏｇ10(2ｔ/Ｒpth)-1]      (1)
【００１８】
ｔはドータボード１４の厚さである（単位：ｃｍ）。ドータボード１４はドータボードを構成する材料によって決まる所与の誘電率を有している。Ｒpthはメッキ・スルーホールの半径である（単位：ｃｍ）。式２において、Ｌを補償するのに必要なキャパシタンスが決定される。
【００１９】
Ｃc ＝ Ｌ／Ｚo2                  (2)
【００２０】
Ｚ0は接続部の所望特性インピーダンスであり、Ｃcはメッキ・スルーホールのインダクタンスを補償するのに必要なキャパシタンスである。
【００２１】
銅パッチなどのスタブ１９Ａ、１９Ｂがドータボード１４に追加され、各々のキャパシタンスがＣc／２となるようになっている。スタブ１９Ｂはドータボード１４の接触パッド１４Ａの下にあるのが好ましい。このキャパシタンスを達成するのに必要なスタブ１９Ａ、１９Ｂのサイズはボードの厚さｔとドータボード材料の誘電率によって決まる。これは数値計算、解析計算、あるいは実験によって計算することができる。
【００２２】
以上、本発明の実施例について詳述したが、以下、本発明の各実施態様の例を示す。
【００２３】
[実施態様１]
第１の熱膨張係数および信号トレースを有するマザーボードであって、各信号トレースはマザーボード表面上の接触パッドで終端しており、該接触パッド（１２Ａ）は前記マザーボードの表面上で所定のパターンに構成されているマザーボード（１２）と、
第２の熱膨張係数および信号相互接続部を有するドータボードであって、各相互接続部は該ドータボードの表面上の接触パッドで終端しており、該接触パッド（１４Ａ）は所定のパターンに構成されているドータボード（１４）と、
前記マザーボードの表面と前記ドータボードの表面との間に配置され、該マザーボードの接触パッドと前記ドータボードの接触パッドとの間で所定のパターンに構成されているはんだコンパウンドのアレイ（１６）と、
を備えて成るハイブリッド・プリント回路基板（１０）。
【００２４】
[実施態様２]
前記ドータボードの第２の表面上に第２のパターンに構成された付加的な接触パッドと、
前記第２のパターンに構成された接触パッドを有する表面を備えた第２のドータボード（１８）と、
前記第１のドータボードの表面と、前記第２のドータボードの表面との間に配置され、前記第１のドータボードの付加的な接触パッドと前記第２のドータボードの接触パッドとの間で所定のパターンに構成されているはんだコンパウンドの第２のアレイと、
をさらに備えている実施態様１に記載のハイブリッド・プリント回路基板。
【００２５】
[実施態様３]
信号相互接続部に対して容量性プレートを形成する前記ドータボード上の接触パッドの下における導電性領域を有するスタブ（１９Ａ、１９Ｂ）と、
インダクタンスと所望の特性インピーダンスとを有する前記信号相互接続部（１７）とをさらに備えて成り、
前記スタブの導電性領域が前記信号相互接続部のインダクタンスおよび所望の特性インピーダンスによって決まることを特徴とする実施態様１に記載のハイブリッド・プリント回路基板。
【００２６】
[実施態様４]
前記ドータボード上のスタブ（１９Ａ、１９Ｂ）の導電性領域が同じ面積を有することを特徴とする、実施態様３に記載のハイブリッド・プリント回路基板。
【００２７】
[実施態様５]
前記ドータボード（１４）が高性能基板であることを特徴とする、実施態様１に記載のハイブリッド・プリント回路基板。
【００２８】
[実施態様６]
前記高性能基板がＲＦ用途に適していることを特徴とする、実施態様５に記載のハイブリッド・プリント回路基板。
【００２９】
[実施態様７]
前記マザーボード（１２）が該マザーボードの接触パッドに接続された埋め込み接地面および相互接続部をさらに備えて成り、前記マザーボードの信号相互接続部の少なくとも１つが前記埋め込み接地面と交差することを特徴とする、実施態様１に記載のハイブリッド・プリント回路基板。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明を用いることにより、容易に、経済的に製造することのできる、熱膨張係数の異なる複数の基板を有するハイブリッド・プリント回路基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のマザーボードの穴内に配置されたドータボードを示す図である。
【図２】従来のマザーボードの周縁に沿って接続されたドータボードを示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の１つによるハイブリッド・プリント回路基板の斜視図である。
【図４】図３に示したハイブリッド・プリント回路基板の断面図である。
【図５】本発明によるハイブリッド・プリント回路基板の他の実施の形態を示す図である。
【図６Ａ】相互接続部を示す図である。
【図６Ｂ】相互接続部に等価の電気回路を示す図である。
【符号の説明】
１０：ハイブリッド・プリント回路基板
１２：マザーボード
１２Ａ：接触パッドのアレイ
１４：ドータボード
１４Ａ：接触パッドのアレイ
【図１】
0003935529.tif 000002
【図２】
0003935529.tif 000003
【図３】
0003935529.tif 000004
【図４】
0003935529.tif 000005
【図５】
0003935529.tif 000006
【図６Ａ】
0003935529.tif 000007
【図６Ｂ】
0003935529.tif 000008