Glass cloth wiring board

本発明は電子装置に使用するガラスクロス配線基板に係り、特に信号配線の特性インピーダンスや伝送損失のばらつきを低減することができるガラスクロス配線基板に関する。

近年、電子装置の高性能、高機能、高密度及び小型化の傾向が強まり、電子装置に用いられる配線基板は、信号配線の高密度化と同時に高速信号伝送に適した特性が要求されている。 信号配線の高密度化を実現するためには、信号配線の導体幅、導体厚さ、及び絶縁層厚さを低減すると同時に、絶縁層を構成する材料にも高密度化、微細化に適した特性を有するものを用いる必要がある。 配線基板の材料には、配線基板の反り、寸法安定性、加工性、機械的強度等を改善するためにガラスクロスに樹脂を含有したガラスクロス基板材料が用いられているが、信号配線の高密度化、微細化を実現するには、ガラスクロスの機械的特性を最適化する必要がある。

例えば特許文献１には、配線基板の高密度化、微細化に適したガラスクロス材料として、数μｍの非常に細いガラス繊維を用いて、ガラスクロスの縦糸幅と縦糸間の隙間、あるいは横糸幅と横糸間の隙間を最適な寸法にすることで、樹脂含浸性、表面平滑性、穴加工性に優れたガラスクロスを実現することが記載される。

さらに特許文献２には、多層プリント配線基板の熱伸縮や反り、捩れといった寸法変化を少なくし、信頼性を向上することを目的とし、回路基板に積層する各々のプリプレグにおける繊維体の繊維方向が互いに異なるように重ね合わせた構造とすることが記載される。

また特許文献３には、内挿基板とプリプレグとを交互に複数枚積層する際、内層基板の繊維方向とプリプレグの繊維方向とを、異なる角度（ほぼ４５度）で交差するように配置する構造が記載される。

一方特許文献４には、ガラスクロス基板ではないが、高速信号伝送を考慮した配線基板について記載される。 ここでは、信号配線の上面及び下面の絶縁層を介して挟んだ導体面に、一定周期を有するパターンを設け、かつ上面と下面のパターンを互いに当該周期の半分ずらして形成することにより、配線容量の分布が均一化し特性インピーダンスの変動量も減少すると述べている。

特開２００４−１２４３２４号公報

特開２００２−１５８４４２号公報

特開平８−３２１６７９号公報

特開昭６３−８６４９５号公報

配線基板に用いられるガラスエポキシ樹脂等の材料は、ガラスクロスをエポキシ等の樹脂で固めた材料で構成されている。 ガラスクロスは配線基板内で、基板平面のＸ−Ｙ軸方向の直交方向に沿って格子状に編み込まれているが、ガラスクロスの束の寸法は数１０〜１００μｍ程度あり、信号配線の導体幅である数１０μｍに比べて大きいため、ガラスクロスの密度の違いが、特性インピーダンスや伝送損失のばらつきを引き起こすという課題があった。

すなわち、信号配線がガラスクロスの縦横糸幅に比べて細い場合は、ガラスクロスの縦横糸の部分と、樹脂の部分を信号配線が通過する場合で、絶縁層の実効的な比誘電率や誘電正接が異なるため、信号配線の特性インピーダンスや伝送損失がばらつくことになる。 この場合の特性ばらつきとしては、各信号配線とガラスクロスとの位置関係に起因する特性ばらつきと、一本の信号配線上の位置により特性インピーダンスが周期的に変動するという２つの問題が含まれる。

例えば信号配線の方向をガラスクロスの縦横糸方向に対して４５度傾けて斜めに配置することで、信号配線の特性に影響する比誘電率や誘電正接の寄与を平均化することは期待できるが、一本の信号配線上で特性インピーダンスが周期的に変動する問題は解決できない。

上記特許文献１〜３に記載される配線基板の構成は、配線基板に加わる熱による反り、捩れ、寸法変化といった機械的特性安定化を目的としたものであり、高速信号伝送という電気的特性の安定化についての配慮はなされていない。 また、信号配線とガラスクロスの位置関係についても、特に明示されていない。

なお、上記特許文献４の技術では配線基板の高速信号伝送が考慮されている。 仮に、特許文献４の技術をガラスクロス配線基板に適用することを想定した場合、高速信号電流の帰路でありかつ電源給電の役割を果たす導体面に一定周期のパターンを設けることになる。 このような構成は、電源給電経路のインピーダンスを増加させ、その結果、電源ノイズの増加を引き起こすという新たな問題を生じることが予想される。

本発明の目的は、上記課題を解決し、信号配線の特性インピーダンスや伝送損失のばらつきを低減するガラスクロス配線基板を提供することである。

本発明は、信号配線と複数のガラスクロス層と導体面とを積層し、それらの間隙に樹脂を含浸したガラスクロス配線基板において、上記ガラスクロス層はガラス繊維の束を格子状に織り上げたものであり、隣接する上記ガラスクロス層のガラス繊維の縦横糸方向を、互いに所定の角度だけ回転させて積層した構造とする。 ここに、隣接する前記ガラスクロス層のガラス繊維の縦横糸方向の回転角は、３０度〜６０度が好適である。

本発明によれば、ガラスクロス配線基板における特性インピーダンスや伝送損失のばらつきを低減し、高速信号伝送特性を改善することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて具体的に説明する。

図１は、本発明の実施例１にかかるガラスクロス配線基板の構造を示す斜視図である。 図１において、１１０，１１１は高速信号電流の帰路となる導体面、１００，１０１は信号配線、１２０，１２１は２層のガラスクロスである。 信号配線１００，１０１は２層のガラスクロス１２０，１２１に挟まれており、導体面１１０，１１１で挟まれた空間（間隙）は樹脂１３０で満たされている。 上側ガラスクロス１２０と下側ガラスクロス１２１の繊維の方向は互いに異なり、上側ガラスクロス１２０の縦横糸方向Ｘ−Ｙに対して、下側ガラスクロス１２１の縦横糸方向Ｕ−Ｖを４５度回転させて構成している。 ここにガラスクロスは、１本が数μｍのガラス繊維を１００μｍ幅程度の束にして、格子状に織り上げたものである。

図２は、図１のガラスクロス配線基板の内部構造を示す透視図である。 導体面１１０，１１１は省略し、２層のガラスクロス１２０，１２１と信号配線１０２，１０３の配置例を示す。 上側ガラスクロス１２０と下側ガラスクロス１２１とは、縦横糸方向をそれぞれ４５度回転させて積層している。 信号配線１０２，１０３は上側ガラスクロス１２０の縦糸方向（Ｙ方向）に平行に配置し、信号配線１０３は縦糸の位置に一致した場合、１０２は隣接する縦糸の中間位置に配置した場合を例に挙げる。 ガラスクロス１２０，１２１を上側と下側とで縦横糸方向がそれぞれ４５度回転させて配置しているので、信号配線１０２，１０３に対して近接する、ガラスクロス及び樹脂１３０の出現頻度が２層のガラスクロス１２０，１２１により均等化される。

その結果、信号配線の平面方向の相対的な位置関係の違い（例えば信号配線１０２，１０３で示すようなＸ方向位置の違い）や、信号配線上のＹ方向位置の違いにより発生する、当該信号配線の特性インピーダンスや伝送損失のばらつきを低減することができる。

図３は、本発明の実施例２にかかるガラスクロス配線基板の内部構造を示す透視図である。 ここでは、実施例１における上側ガラスクロス１２０に対し下側ガラスクロス１２１'を、縦横糸方向をそれぞれ３０度（あるいは６０度）回転させて積層した場合である。 信号配線１０５は上側ガラスクロス１２０の縦糸の位置に一致した場合、信号配線１０４は隣接する縦糸の中間位置に配置した場合を例に挙げる。

この場合にも、信号配線１０４，１０５に対して近接する、上側ガラスクロス１２０、下側ガラスクロス１２１'及び樹脂１３０の出現頻度が均等化され、当該信号配線の特性インピーダンスや伝送損失のばらつきを低減することができる。

図４は、本発明の実施例３にかかるガラスクロス配線基板の構造を示す斜視図である。 図１と同じ要素には同一符号を付しており、その説明は省略する。 実施例３では、１２０〜１２３は４層のガラスクロスであり、導体面１１０側から、２層の上側ガラスクロス１２２，１２０、信号配線１００，１０１、２層の下側ガラスクロス１２１，１２３の順に積層して構成している。 そして、隣接する各ガラスクロス１２２，１２０，１２１，１２３の縦横糸方向は互いに４５度回転させている。

その結果、信号配線１００，１０１に対して近接する、ガラスクロス及び樹脂１３０の出現頻度が４層のガラスクロス１２２，１２０，１２１，１２３によりさらに均等化される。 その結果、信号配線の平面方向の相対的な位置関係の違いや、信号配線上の位置の違いにより発生する、当該信号配線の特性インピーダンスや伝送損失のばらつきを低減することができる。

図５は、本発明の実施例４にかかるガラスクロス配線基板の構造を示す斜視図である。 図１と同じ要素には同一符号を付しており、その説明は省略する。 実施例４では、信号配線１００，１０１の片側（ここでは下側）のみに２層のガラスクロス１２１，１２３を配置した構造である。 １１１は高速信号電流の帰路となる導体面で、その上に２層のガラスクロス１２３，１２１、信号配線１００，１０１を積層し、信号配線１００，１０１と導体面１１１の間の空間は樹脂１３０で満たされている。 本実施例でも、ガラスクロス１２３の縦横糸方向に対して、ガラスクロス１２１の縦横糸方向を４５度回転させている。

その結果、信号配線１００，１０１に対して近接する、ガラスクロス及び樹脂１３０の出現頻度が２層のガラスクロス１２１，１２３により均等化される。 本実施例ではガラスクロスが信号配線の片側にのみ存在する構造であるが、信号配線の平面方向の相対的な位置関係の違いや、信号配線上の位置の違いにより発生する、当該信号配線の特性インピーダンスや伝送損失のばらつきを低減することができる。
［比較例］

図６は、比較例として従来のガラスクロス配線基板の構造を示す斜視図である。 ２１０，２１１は導体面、２００，２０１信号配線、２２０，２２１は２層のガラスクロスである。 信号配線２００，２０１は２層のガラスクロス２２０，２２１に挟まれている。 従来の構造は、上側ガラスクロス２２０の縦横糸方向Ｘ−Ｙと下側ガラスクロス２２１の縦横糸方向Ｕ−Ｖを一致させて積層している。 このような構造では、信号配線の平面方向の相対的な位置関係の違いや、信号配線上の位置の違いにより、信号配線の特性インピーダンスや伝送損失がばらつくという問題がある。 以下、その理由を図７と図８で説明する。

図７は、図６の配線基板のＸ方向（Ｕ方向）の断面図を示す。 信号配線２００，２０１近傍の上側ガラスクロス２２０の縦糸を３３０、横糸の交差位置を３３１で示す。 そして、信号配線２００，２０１の位置が、ガラスクロスの縦糸または横糸と近接しているかどうかに注目する。 図７では、信号配線２００，２０１のＸ方向の位置が、上側ガラスクロス２２０の縦糸３３０に近接している場合である。 なお、横糸は信号配線２００，２０１に直交しかつＹ方向に沿って交互に近接するから、信号配線２００，２０１からの距離はＸ方向の位置に対し不変である。 また、下側ガラスクロス２２１の縦糸および横糸と、信号配線２００，２０１との距離関係についても同様のことが言える。

図７のような構成の場合には、信号配線２００，２０１が上下のガラスクロス２２０，２２１の縦糸３３０と近接対向するため、当該信号配線の電気的特性はガラスクロスの影響を大きく受ける。 具体的には、当該信号配線の特性インピーダンスや伝送損失は、ガラスクロスの実効的な比誘電率や誘電正接の影響を強く受けた値となる。

一方図８は、図６の配線基板において、信号配線２０２，２０３を位置をずらして配置した場合のＸ方向（Ｕ方向）の断面図を示す。 信号配線２０２，２０３のＸ方向の位置が、上側ガラスクロス２２０の縦糸３３０から離れ、横糸の交差位置３３１に近接している場合である。

図８のような構成の場合には、信号配線２０２，２０３が上下のガラスクロス２２０，２２１の横糸交差位置３３１と近接対向するため、ガラスクロスだけでなく樹脂の影響も受けることになる。 その結果、当該信号配線の特性インピーダンスや伝送損失の平均値はガラスクロスと樹脂の双方の電気特性の影響を受けた値となる。

更に図９は、上記図７と図８の配線基板の透視図を示す。 信号配線２００（２０１）は図７の場合、信号配線２０２（２０３）は図８の場合の配線位置である。 信号配線２００では、配線方向（Ｙ方向）に沿って、常にガラスクロスの縦糸３３０が近接対向している。 よって、信号配線２００の特性インピーダンスは配線上の位置によって変動しない。 一方、信号配線２０２では、配線方向（Ｙ方向）に沿って、ガラスクロスの横糸３３１と樹脂１３０とが繰り返し近接対向する。 このような場合は、当該信号配線に沿ってガラスクロスと樹脂の影響を交互に、かつ周期的に受け、当該信号配線の特性インピーダンスが信号配線上の位置により周期的に変動する。 その結果、共振現象が発生し高速信号伝送の観点からは好ましくない。

図１０は、上記実施例によるガラスクロス配線基板の電気的特性を示す図である。 ここでは、上記実施例１，２および比較例の配線基板の信号配線に沿った特性インピーダンスを示す。 （ａ）は実施例１（図２、回転角＝４５度）の場合、（ｂ）は実施例２（図３、回転角＝３０度）の場合で、比較例とともに示す。

図１０（ａ）において、曲線９００は、比較例（図９）の信号配線２０２の特性である。 曲線９２０は、実施例１（図２）の信号配線１０２の特性であり、曲線９３０は信号配線１０３の特性である。 なお、信号配線１０３の特性は比較例（図９）の信号配線２００の特性と一致する。 このように、実施例１によれば、信号配線１０２，１０３で示すようなＸ方向位置の違いに基づく特性インピーダンスのばらつきが低減する。 また、信号配線１０２のように信号配線の位置がガラスクロスと樹脂とが交互に対向する場合であっても、信号配線上のＹ方向位置の違いにより発生する特性インピーダンスの変動が低減する。

また図１０（ｂ）において、曲線９４０は、実施例２（図３）の信号配線１０４の特性で、曲線９５０は信号配線１０５の特性である。 このように回転角が３０度の場合でも、信号配線１０４，１０５で示すようなＸ方向位置の違いに基づく特性インピーダンスのばらつきが低減する。 また、信号配線１０４のように信号配線の位置がガラスクロスと樹脂とが交互に対向する場合であっても、信号配線上のＹ方向位置の違いにより発生する特性インピーダンスの変動が低減する。

いずれの場合でも、上記実施例によるガラスクロス配線基板は、特に、信号配線に沿った特性インピーダンスの変動が少ないため、より高速信号伝送に適している。 曲線９３０，９５０は設計中心に対してオフセットを持っているが、信号配線に沿った特性インピーダンスのばらつきが低減しているため、より高速信号伝送に適していると言える。

上記実施例では、ガラスクロスの層数が２層または４層の場合であったが、層数はこれに限らず任意の複数層であって良い。 また、信号配線に対し、ガラスクロスを両側に配置しても、片側に配置しても良い。 その際隣接するガラスクロスの縦横糸方向が互いに回転させて積層し、その回転角は３０〜６０度の範囲内が好適である。

本発明によれば、基板配線密度の増加とともに課題となる高速信号の波形ひずみや波形ばらつきの改善と周波数限界の向上が図れる。 そして、本発明によるガラスクロス配線基板を適用することで、電子計算機、通信装置、または医療用装置等の電子装置の高性能化と小型化に寄与する。

本発明の実施例１にかかるガラスクロス配線基板の構造を示す斜視図。

図１のガラスクロス配線基板の内部構造を示す透視図。

本発明の実施例２にかかるガラスクロス配線基板の内部構造を示す透視図。

本発明の実施例３にかかるガラスクロス配線基板の構造を示す斜視図。

本発明の実施例４にかかるガラスクロス配線基板の構造を示す斜視図。

比較例として従来のガラスクロス配線基板の構造を示す斜視図。

図６の配線基板のＸ方向の断面図。

図６の配線基板において、信号配線の位置をずらした場合の断面図。

図７と図８の配線基板の透視図。

上記実施例によるガラスクロス配線基板の電気的特性を示す図。

符号の説明

１００〜１０５，２００〜２０３…信号配線、
１１０，１１１，２１０，２１１…導体面、
１２０〜１２３，２２０，２２１…ガラスクロス、
３３０…ガラスクロスの縦糸、
３３１…ガラスクロスの横糸及び交差する位置、
１３０…樹脂、
９００，９２０〜９５０…配線基板の特性インピーダンス。