FPCの高周波特性の一考察
電子電装開発センタ渡宮邉澤裕
春

人 1 ・桑夫 2 ・定原
方雅伸之 1 ・坂行3

口征

治 1 ・横山朝也1An Investigation of FPC's High Frequency Characteristics
H．Watanabe，M．Kuwahara，Y．Sakaguchi，T．Yokoyama，H．Miyazawa & N．Sadakata

フレキシブルプリント基板（FPC）に高周波信号を伝送する場合，信号の反射による波形ひずみを防止するためにインピーダンスを整合する必要がある．また，高周波で使用すると FPC の減衰量が大きくなるので，回路設計を行う上で，減衰量の周波数特性を考慮する必要がある．今回，グランド層をメッシュ構造としたときのインピーダンス整合と FPCの減衰量の周波数依存性について報告する．

When the flexible printed circuit（FPC）with high frequency signal is operated, the impedance match isrequired in order to prevent the voltage waveform distortion. Furthermore, since the transmission loss with highfrequency becomes large, it is necessary to take the frequency characteristic of transmission loss into
consideration. In this paper, we report the impedance matching of FPC with meshed ground plane and thecharacteristic of transmission loss of FPC.

１．まえが100MHz の信号を伝送させた場合の波形を示す．インピーきダンス整合が取られることにより，反射波の影響がなくな
近年，ネットワークの高速化やアプリケーションの変化

り，波形ひずみが小さくなる．このように使用する周波数にともない，プリント配線板では伝送速度が数百 Mbps 〜が高くなると，インピーダンス不整合による反射波の影響

数 Gbps の高速な信号を扱うようになってきた．フレキシが大きくなるため，高い周波数で使用するFPCはインピーブルプリント配線板（Flexible Printed Circuit, FPC）は，ダンスを制御し，インピーダンスが整合した状態で使用す携帯電話やデジタルスチルカメラ，デジタルビデオカメラ，ることが必要である．

ノート型パソコンといった小型電子機器の内部で使用され，これら機器間のインタフェースとして USB 2.0 や３．FPC のインピーダンス制御

IEEE1394などの高速シリアル通信が多く用いられている．
グランド層をベタ構造（ベタ GND 構造）とした場合にこのため，FPC 上で扱う信号も高速化が要求されており，ついては，FPCのポリイミドや接着剤層の厚さと誘電率か高周波特性を考慮した FPCの要求が高まりつつある．

らシミュレーションを用いて信号線のパターン幅を設計することにより，インピーダンスが制御可能であることが報

２．インピーダンス不整合による信号への影響

告されている 1）．
FPC と接続される基板や部品とのインピーダンスが整合

一方，曲げやすさや省スペース化の要求のため，FPC がしていないと，伝送路遠端で反射が生じ，信号波と反射波薄型化する傾向がある．FPC が薄型化すると，信号線との重畳により波形ひずみが生じる．図 1 に反射波の伝送信グランド層との距離が近くなり信号線の容量成分が増加

号への影響の例を示す．（a）はインピーダンス整合が取らし，同一のインピーダンスを保つためには信号線のパターれていない伝送路での周波数 30MHz の信号波形を示し，ン幅を細くして容量成分を減少させる必要がある．しか（b）は同じ伝送路での100MHz の信号波形を示す．30MHz

し，信号線のパターン幅が細くなると抵抗損失の増加，直では波形の乱れが小さいが，100MHz になると波形ひずみ流抵抗の増加等の問題があるため，一定のパターン幅をが大きくなり，信号伝送に問題が生じる可能性が高くな保った状態でFPC のインピーダンスを制御することを要求る ．（ c ） は イ ン ピ ー ダ ン ス 整 合 が 取 ら れ た 伝 送 路 にされる場合がある．このような場合，グランド層をメッシュ状にした構造（メッシュ GND 構造）とすると，信号線の容量成分が小さくなり，パターン幅を細くせずにイン1 回路技術開発部
2 回路技術開発部グループ長
3 回路技術開発部部長

ピーダンスを一定に保つことが可能である．また，メッシュ GND 構造にすることにより FPC が軟らかくなり，折192006 年 ４ 月

フ ジ ク ラ 技 報（a）f=30MHz（Z制御なし）

第 110 号（b）f=100MHz（Z制御なし）（c）f=100MHz（Z制御あり）

図１ 反射波による伝送信号の影響
Fig. 1. Effect of transmission signal caused by reflection wave.

ベタGND構造のインピーダンス制御FPC

メッシュGND構造のインピーダンス制御FPC

図２ インピーダンス制御 FPC
Fig. 2. Impedance controlled FPC.
S ：パターン間隔

S ：パターン間隔

残銅率 α = 1 −L ：パターン幅S2(S + L)2× 100（%）

L ：パターン幅

図３ グランド層メッシュ残銅率の定義
Fig. 3. The definition of copper area rate.

される．

り曲げがしやすくなる効果もある．
図 2 にベタ GND 構造とメッシュ GND 構造のインピーダ

ベタ GND 構造とメッシュ GND 構造の FPC を試作した．

ンス制御 FPC を表面から撮影した写真を示す．メッシュ

ベタ GND 構造は，ポリイミド基材に接着剤で銅箔を貼りGND構造では，グランド層がパターン幅 L，パターン間隔あわせた銅張積層板（3 層材 CCL）と接着剤層のない銅張S のメッシュになっている．このメッシュの単位面積当た積層板（2 層材 CCL）の 2 種類の FPC を試作し，メッシュりに残っている銅の面積を残銅率 α と呼び，図 3 に示すよ

GND構造は2 層材 CCLを用いて，メッシュ率の異なる2 種

うに定義する．メッシュ GND 構造の FPC のインピーダン類の FPC を試作した．カバーレイ層を除いた概略図を図 4

スはグランド層の残銅率と信号線のパターン幅により決定に示す．

信号線ポリイミド
接着剤

メッシュGNDベタGND（a）ベタGND構造3層材CCL（b）ベタGND構造2層材CCL

図４ 試作サンプル構造概略図
Fig. 4. Outline figure of trial FPC.

20（c）メッシュGND構造2層材CCL

FPC の高周波特性の一考察試作したサンプルは，Time domain reflectometry

抵抗損と誘電損からなる．抵抗損は，導体の断面積が小さ（TDR）を用いて特性インピーダンスの測定を行った．測くなると大きくなる．また，周波数が高くなると表皮効果定結果を図 5 に示す．

により電流が導体表面に集中し，周波数の平方根に比例し特性インピーダンス 50 Ωのパターン幅を設計するとき，て抵抗損が増加する．銅箔厚が薄く，パターン幅が細い信ベタGND構造で3 層材 CCL を用いるとパターン幅 130μ m

号線を高周波で使用する場合は抵抗損が大きくなる．になるが，2 層材 CCLを用いるとパターン幅が50μ m と細一方，誘電損は線路を構成する誘電体（絶縁体）に起くなる．一方，メッシュ GND 構造にして，グランド層の因する損失である．誘電損は誘電体の誘電正接と周波数に残銅率を小さくすると，同じパターン幅でのインピーダン比例して増加する．抵抗損は周波数の平方根に比例し，誘スを高くすることができ，2 層材 CCL を用いても 3 層材電損は周波数に比例するので，周波数が高くなると誘電損CCL と同程度のパターン幅とすることが可能である．の影響が相対的に大きくなる．

このようにグランドメッシュの残銅率を変化させると，FPC の単位長さあたりの抵抗損と誘電損の周波数特性

同じインピーダンスでのパターン幅の設計値に自由度を持の計算例を図 7 に示す．

たせることが可能である．特性インピーダンス 50 Ω設計

FPC の単位長さ当たりの減衰量と FPC の長さを考慮し時の残銅率と設計パターン幅の関係の一例を図 6 に示す．て，使用周波数における減衰量が回路設計上許容できる値

残銅率を下げると，特性インピーダンス 50 Ω設計時のパより小さくなるように，材料選択，パターン幅設計を行う

ターン幅を広くすることができる．この例ではパターン幅必要がある．特に 1GHz を超える高周波では，誘電損によを100 μ m に設計したいときは，残銅率を40 ％に設定すれる減衰の割合が大きくなるので，伝送路の長い FPC ではば良いことがわかる．

誘電損の小さい誘電体を用いるのが効果的である．

４．伝送損失の顕在化

５．FPC の減衰量の測定伝送する信号の周波数が高くなると，伝送路を構成するベタGND構造，メッシュGND構造のFPC と誘電体に液材料に起因する伝送損失の影響が大きくなる．伝送損失は07060−10

特性 50イン 40
ピー
ダ 30ン
ス20（Ω）

減衰量−20(dB/m)
ベタGND（3層材CCL）
ベタGND（2層材CCL）10

抵抗損による減衰量−30

メッシュGND（残銅率大）メッシュGND（残銅率小）誘電損による減衰量
合計の減衰量0−405010015010100

パターン幅（μ m）

100010,000

周波数（MHz）

図７ 抵抗損と誘電損の周波数特性例
Fig. 7. Frequency characteristic of conductor loss anddielectric loss.

図５ メッシュGND構造 FPC の特性インピーダンス
Fig. 5. Impedance of FPC designed by meshed GND.

2500200
パ
ター 150ン
幅（μm）100−5減衰量−10−15(dB/m)−2050−250−30

ベタ GND
メッシュ GND
LCP020406080

10100

100

1000

10,000周波数（MHz）

残銅率（％）

図６ 特性インピーダンス 50 Ωの残銅率とパターン幅の関係
Fig. 6. Impedance of FPC designed by meshed GND.

図８ FPC の減衰量周波数特性例
Fig. 8. The example of frequency characteristic of loss.

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2006 年 ４ 月

フ ジ ク ラ 技 報

第 110 号

晶ポリマ（LCP）を用いたFPCを試作し，ベクトルネットピーダンスを制御できることを確認した．また，FPCの単ワークアナライザを用いて減衰量の周波数特性を測定し位長さ当たりの減衰量を測定し，回路設計時の減衰量の目た．測定結果を図 8 に示す．

安となるデータを取得した．
今後は，コネクタとの接続を考慮して，FPCとコネクタベタ GND 構造とメッシュ GND 構造を比較すると，減衰を含めた高周波での特性について調査を行う．

量の周波数特性に大きな差はない．一方，誘電体に LCP

最後に，本テーマに関連しご指導，ご協力をいただいたを用いた FPC は減衰量が小さいので，伝送路の長い FPC関係各位に感謝いたします．

を高周波で使用する場合には有効である．

６．むすび

参

インピーダンス制御 FPC のグランド層をメッシュ構造と考

文献1） 坂口ほか： FPC におけるインピーダンス制御の一考察，フすることにより，パターン幅を細くすることなく，インジクラ技報，第 109号，pp. 27-30，2005

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