JP2018037430A - 多層プリント基板 - Google Patents

Abstract

【課題】頻繁に設計を繰り返すことなく容易にＥＭＩ対策を完遂できる多層プリント基板を提供する。【解決手段】多層プリント基板は、表面を一部切削したスルーホール１０４のランド２０２に六角ナット１０２をハンダ付けして、トリマコンデンサを構成する。このトリマコンデンサを用いて、多層プリント基板上にバンドパスフィルタやバンドエリミネーションフィルタ等を構成することで、ＥＭＩ対策が容易に実現できる。【選択図】図２

Description

本発明は、多層プリント基板に関する。

特に産業用途において、近年の電子回路は大規模化が進んでいる。多層プリント基板はそのような大規模な電子回路を構成する重要な要素である。また、近年のデジタル電子回路は使用されるクロックの周波数が上昇する傾向にあり、ＥＭＩ（electromagnetic interference）対策が要求される。また、回路の高周波化に伴い、多層プリント基板のプリントパターンに生じる浮遊容量や浮遊インダクタンス等が無視できなくなっている。

本発明に関係すると思われる先行技術文献として、プリント基板にトリマコンデンサを形成する技術が開示されている特許文献１がある。

特開平５−５５７２１号公報

プリント基板の配線パターンの形状や長さが変化すると、輻射ノイズのレベルが増減したり、輻射ノイズの周波数が変動したりする。このため、プリント基板製造現場では、ＥＭＩ対策として、プリント基板を試作して、ＥＭＩ試験を行い、更に配線パターンを変更したプリント基板を試作して、ＥＭＩ試験を行う、というカットアンドトライを繰り返している。これは非常に非効率である。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、頻繁に設計を繰り返すことなく容易にＥＭＩ対策を完遂できる多層プリント基板を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の多層プリント基板は、表面に導体によるプリントパターンが形成される最上位単層基板と、表面に導体による導体層が形成される最下位単層基板と、表面に導体によるプリントパターンが形成されると共に、最上位単層基板と最下位単層基板との間に挟まれて多層基板を構成する、１枚以上の中間単層基板と、中間単層基板と最下位単層基板とを貫通するスルーホールの内壁に形成され、最下位単層基板のスルーホール周縁に存在する導体層と電気的導通を有し、かつ最上位単層基板のスルーホール周縁に設けられたプリントパターンの一部であるランドと電気的導通を持たないように形成された導体メッキとを具備する。更に、ランドに電気的導通を伴って固定される、雌ねじが形成された雄ねじ収容部品と、雄ねじ収容部品に収容されて、導体メッキとランドとの間にトリマコンデンサを構成する雄ねじとを具備する。

本発明の多層プリント基板によれば、頻繁に設計を繰り返すことなく容易にＥＭＩ対策を完遂できる多層プリント基板を実現することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施形態である、多層プリント基板の表側の外観斜視図と、裏側の外観斜視図である。 多層プリント基板上に形成されたトリマコンデンサを表側から見た外観上面図と、断面図である。 多層プリント基板の基となる単層基板の集合体を示す概略図と、多数の単層基板の集合体を圧着した多層プリント基板を示す概略図と、多層プリント基板にトリマコンデンサのためのスルーホールを形成した状態を示す概略図と、スルーホールを形成した多層プリント基板の横断面図である。 スルーホールを形成した多層プリント基板に１回目の銅メッキを施した状態を示す横断面図と、銅メッキを施した多層プリント基板のスルーホールに切削処理を施した状態を示す横断面図と、多層プリント基板にプリントパターンをエッチングレジストにて印刷した上で、更にスルーホールを樹脂プレートで塞いだ状態を示す横断面図と、エッチングレジストを除去した後、プリントパターンにナットをハンダ付けした状態を示す横断面図である。 別の実施形態における、多層プリント基板上に形成されたトリマコンデンサを表側から見た外観上面図と、断面図である。

［多層プリント基板１０１の外観］
図１Ａは、本発明の実施形態である、多層プリント基板１０１の表側の外観斜視図である。図１Ｂは、多層プリント基板１０１の裏側の外観斜視図である。
図１Ａに示すように、多層プリント基板１０１の一部には金属製の六角ナット１０２が設けられており、六角ナット１０２には金属製のマイナスねじであるネジ１０３が装着されている。
図１Ｂに示すように、多層プリント基板１０１の、ネジ１０３が装着されている箇所はスルーホール１０４が形成されている。また、多層プリント基板１０１の四隅には、位置決めのための穴であるアライメントマーク１０５が設けられている。

［多層プリント基板１０１に形成されたトリマコンデンサの外観と内部構成］
図２Ａは、多層プリント基板１０１上に形成されたトリマコンデンサを表側から見た外観上面図である。
図２Ｂは、図２ＡにおけるＡ−Ａにて切断したときの、トリマコンデンサが形成された多層プリント基板１０１の断面図である。
また、図２Ｃは、図２Ｂの状態からトリマコンデンサの静電容量を変化させた状態における、多層プリント基板１０１の断面図である。

図２Ｂに示すように、多層プリント基板１０１は中間銅箔層２０４と樹脂層２０６が交互に積層されて構成される。
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、多層プリント基板１０１の表面に形成されているプリントパターン２０１にランド２０２が形成され、そのランド２０２の中心にスルーホール１０４が形成される。この時
、スルーホール１０４の内側に形成されている銅メッキ層２０３は、多層プリント基板１０１の層間に形成されている中間銅箔層２０４と、多層プリント基板１０１の裏側に形成されている裏側銅箔層２０５（導体層）と、電気的接続が達成されている。

このように形成された多層プリント基板１０１において、このスルーホール１０４を、多層プリント基板１０１の表面側からドリル等で切削加工して、スルーホール１０４の内側に形成されている銅メッキ層２０３（導体メッキ）を一部除去する。スルーホール１０４には、銅メッキ層２０３が除去された空間１０４ａが形成される。
すると、本来ならスルーホール１０４の内側に形成されている銅メッキ層２０３と電気的接続が達成されていた、多層プリント基板１０１の表面に形成されているプリントパターン２０１とランド２０２は、ドリル等の切削加工によって、銅メッキ層２０３が一部除去されたことにより、電気的な絶縁が生じる。
スルーホール１０４の太さは、ネジ１０３の軸１０３ａを収容でき、且つ、軸１０３ａと銅メッキ層２０３が接触しない太さである。すなわち、軸１０３ａと銅メッキ層２０３は、その間に存在する空気を誘電体とした、トリマコンデンサを形成する電極となる。

多層プリント基板１０１の表側は、部品が実装されるためにプリントパターン２０１が形成される。一方、多層プリント基板１０１の裏側は、表側と同様にプリントパターン２０１が形成される場合もあれば、部品を実装しない場合もある。多層プリント基板１０１の裏側に部品を実装しない場合は、いわゆる「ベタアース」と呼ばれる、エッチングによるプリントパターン２０１を形成せず、全面が接地ノードである裏側銅箔層２０５のままの状態になる。

スルーホール１０４の、多層プリント基板１０１の表側に形成されているランド２０２には、六角ナット１０２がハンダ付けされている。その上で、六角ナット１０２にネジ１０３が装着されている。なお、ネジ１０３のネジ頭はプラスでもトリマコンデンサとしての機能は達成されるが、トリマコンデンサを調整する際には合成樹脂等の非金属のドライバーを使用する必要があるため、ネジ頭がマイナスで形成されている方が、非金属のドライバーを傷め難いので好ましい。
六角ナット１０２の材質は、ハンダ付けされる関係上、ハンダ付けが可能な金属であることが必要である。例えば、鉄及びその合金、真鍮等が挙げられる。
ネジ１０３の材質は、ハンダ付けを必要としないので、金属であればその目的を達成できる。例えば、六角ナット１０２と同様の、鉄及びその合金、真鍮等に加え、ハンダ付けが困難なアルミニウム合金等も利用可能である。

六角ナット１０２とネジ１０３は、多層プリント基板１０１の表面に形成されるプリントパターン２０１と電気的に接続される。このプリントパターン２０１は、多くの場合、不平衡接続の信号線か、平衡接続のホット側信号線である。一方、スルーホール１０４の内側に形成されている銅メッキ層２０３は、不平衡接続の接地ノードか、平衡接続のコールド側信号線に接続されている。
このように、六角ナット１０２と、六角ナット１０２に装着されるネジ１０３と、スルーホール１０４の内側に形成されている銅メッキ層２０３は、信号経路上に挿入されるトリマコンデンサを形成する。
本発明の実施形態に係る多層プリント基板１０１は、このトリマコンデンサが一体的に形成された多層プリント基板１０１である。

図２Ｃに示すように、トリマコンデンサを構成する六角ナット１０２に装着されているネジ１０３を緩めると、ネジ１０３の軸１０３ａと、スルーホール１０４の内側の銅メッキ層２０３と相対する面の面積が減少する。すると、ネジ１０３と銅メッキ層２０３との間に形成されているコンデンサの静電容量が低下する。
トリマコンデンサの静電容量を調整する際には、ノイズの混入を防ぐために、ネジ１０３を非金属のドライバーで回すことが好ましい。

トリマコンデンサの静電容量を調整するには、多層プリント基板１０１を実稼動状態にして、多層プリント基板１０１から所定の信号を測定しながら調整する。先ず、多層プリント基板１０１に必要な部品を実装して、製品として半完成状態にする。次に、多層プリント基板１０１に規定の電源と信号を与えて、多層プリント基板１０１に構成される電子回路を実稼動状態にする。その上で、何らかのプローブを多層プリント基板１０１に装着し、検出される信号を所定の計測機器等で計測しながらネジ１０３を回して、トリマコンデンサの静電容量を調整する。
調整が完了したトリマコンデンサの静電容量を固定するには、ネジ１０３と六角ナット１０２に、紫外線硬化樹脂等の接着剤を塗布して固化させればよい。

［多層プリント基板１０１の製造工程］
以下、本発明の実施形態に係る多層プリント基板１０１の製造工程を説明する。
図３Ａは、多層プリント基板１０１の基となる単層基板の集合体を示す概略図である。
図３Ｂは、多数の単層基板の集合体を圧着した多層プリント基板１０１を示す概略図である。
図３Ｃは、多層プリント基板１０１にトリマコンデンサのためのスルーホール１０４を形成した状態を示す概略図である。
図３Ｄは、図３Ｃに示すスルーホール１０４を形成した多層プリント基板１０１の横断面図である。

先ず、図３Ａに示すように、片面にプリント配線パターンが形成された、多層プリント基板１０１の基となる単層基板３０１ａ、３０１ｂ、…３０１ｎを用意する。図３Ａにおいて、単層基板３０１ａは単層基板群の最上位に配置され、多層プリント基板１０１の表面になる。同様に、図３Ａにおいて、単層基板３０１ｎは単層基板群の最下位に配置され、多層プリント基板１０１の裏面になる。

各層の単層基板３０１ａ、３０１ｂ、…３０１ｎには、四隅にアライメントマーク１０５が設けられている。なお、最上面の単層基板３０１ａ（最上位単層基板）と最下面の単層基板３０１ｎ（最下位単層基板）には、プリント配線パターンを形成せず、全面に銅メッキを施した単層基板を配する。また、図示は省略しているが、最上面の単層基板３０１ａと最下面の単層基板３０１ｎに挟まれる単層基板３０１ｂ、…３０１ｍ（中間単層基板）の表面または裏面には、予めプリント配線パターンが形成されている。

次に、図３Ｂに示すように、各層の単層基板３０１ａ、３０１ｂ、…３０１ｎのアライメントマーク１０５に図示しないピンを通して位置決めし、単層基板３０１ａ、３０１ｂ、…３０１ｎの各層間を、接着剤等を介して圧着して、多層プリント基板１０１を構成する。
次に、図３Ｃに示すように、多層プリント基板１０１の所望の場所にトリマコンデンサを形成するための穴を開け、スルーホール１０４を形成する。すると、図３Ｄに示すように、スルーホール１０４内側の断面には、単層基板３０１ａ、３０１ｂ、…３０１ｎの樹脂層２０６とプリント配線パターンを構成する中間銅箔層２０４の断面が露出する。また、エッチングを施す前の段階なので、多層プリント基板１０１の表側には、プリントパターン２０１が形成される前の段階である、表側銅箔層３０２が存在する。

図４Ｅは、図３Ｃ及び図３Ｄに示す、スルーホール１０４を形成した多層プリント基板１０１に銅メッキを施した状態を示す横断面図である。
図４Ｆは、図４Ｅに示す、銅メッキを施した多層プリント基板１０１のスルーホール１０４にドリルで切削加工を施した状態を示す横断面図である。
図４Ｇは、図４Ｆに示す、スルーホール１０４にドリルで切削加工を施された多層プリント基板１０１に、プリントパターン２０１を形成するためのエッチングレジストを印刷し、更にドライフィルム４０２ａ、４０２ｂをスルーホール１０４に貼り付けた状態を示す横断面図である。

図４Ｈは、図４Ｇに示す、エッチングレジストが印刷され、ドライフィルム４０２ａ、４０２ｂが貼り付けられた多層プリント基板１０１にエッチングを施して、銅箔が部分的に除去されてプリントパターン２０１が形成された後、エッチングレジスト４０１とドライフィルム４０２ａ、４０２ｂを除去し、スルーホール１０４上面に形成されたランド２０２に六角ナット１０２をハンダ付けした状態を示す横断面図である。
すなわち、本発明の実施形態に係る多層プリント基板１０１の製造方法は、ドライフィルムを用いたテンティング法を応用した製造方法である。

図４Ｅに示すように、図３Ｄにおいて多層プリント基板１０１に形成されたスルーホール１０４に銅メッキを施すと、多層プリント基板１０１の表面と裏面と、スルーホール１０４の内側には銅メッキ層２０３が形成される。すると、スルーホール１０４内側の断面に露出する中間銅箔層２０４は、銅メッキ層２０３を通じて電気的導通が達成される。また、表側銅箔層３０２と裏側銅箔層２０５は、銅メッキ層２０３が重なることでその厚みが増す。ここまでは、従来の一般的な多層プリント基板１０１におけるスルーホール１０４の形成手順と全く同じである。
次に、図４Ｆに示すように、スルーホール１０４にドリルで切削加工を施す。この切削加工は、プリントパターン２０１のランド２０２がスルーホール１０４の内側に形成されている銅メッキ層２０３と電気的絶縁が達成される程度の深さだけ切削する。すると、スルーホール１０４には、銅メッキ層２０３が除去された空間１０４ａが形成される。

次に、図４Ｇに示すように、プリントパターン２０１を形成するためのエッチングレジスト４０１を、多層プリント基板１０１の表面と裏面に塗布する。その際、スルーホール１０４周縁部分も含めて、エッチングレジスト４０１を塗布する。
エッチングレジスト４０１を塗布しただけでは、エッチングの際、中空状態になったスルーホール１０４に塩化第二鉄等のエッチング液が侵入してしまい、スルーホール１０４内部の銅メッキ層２０３を侵食してしまう。そこで、スルーホール１０４の、多層プリント基板１０１の表側の開口部分にドライフィルム４０２ａを、裏側の開口部分にドライフィルム４０２ｂを、それぞれ貼り付けて、スルーホール１０４内部の銅メッキ層２０３をエッチング液から保護する。

そして、図４Ｇの状態から、多層プリント基板１０１にエッチングを施す。スルーホール１０４の内部はエッチングレジスト４０１とドライフィルム４０２ａ、４０２ｂによってエッチング液の侵入から守られる。エッチングが終わったら、ドライフィルム４０２ａ、４０２ｂとエッチングレジスト４０１を除去する。これにより、多層プリント基板１０１の表面には、スルーホール１０４の周囲に銅箔のランド２０２が形成される。このランド２０２には、六角ナット１０２がハンダ付けにて固定される。こうして、図４Ｈに示す、トリマコンデンサの構成要素が完成する。この六角ナット１０２にネジ１０３を装着すれば、図２に示すトリマコンデンサの完成となる。

通常、トリマコンデンサは単体の部品として入手できる。しかし、トリマコンデンサはその大きさが直径５〜７ｍｍ程度と大きい。また、超小型の表面実装部品のトリマコンデンサも市販されてはいるが、高価である。
本発明の実施形態に係る多層プリント基板１０１は、トリマコンデンサと多層プリント基板１０１が一体化した構造であり、一般的に極めて入手が容易な六角ナット１０２とネジ１０３で実現できる。スルーホール１０４に六角ナット１０２をハンダ付けすればよいので、極めて低価格のトリマコンデンサを実現できる。また、ネジ及びスルーホール１０４の寸法を変更することで、トリマコンデンサの最大静電容量を増大させることも可能である。
この、六角ナット１０２で実現できるトリマコンデンサの静電容量は、数〜数十ｐＦ程度の容量である。しかし、高周波領域の電磁波であるＥＭＩの対策には、この程度の静電容量で十分である。

なお、ネジを収容する部品として六角ナット１０２を例示したが、目的はネジを収容することであるので、必ずしも六角ナット１０２でなくてもよい。ハンダ付けが可能な金属にネジ１０３の軸１０３ａを収容する雌ねじが形成されていればよいので、例えば薄い鋼板に雌ねじを切って構成してもよい。
このような雌ねじが形成された薄い鋼板と、六角ナット１０２を包含する上位概念として、雌ねじが形成された雄ねじ収容部品と呼ぶこととする。

また、上述の実施形態では、雌ねじを必要とする通常のネジ１０３と、雌ねじを提供する六角ナット１０２の組み合わせを用いたトリマコンデンサを例示したが、ネジの種類はこれに限られない。雌ねじを必要としないタッピンねじと呼ばれるものも、利用可能である。この場合、六角ナット１０２の代わりに、穴を開けた薄い金属板をランド２０２にハンダ付けすることとなる。

［多層プリント基板１０１に配置するナットの固定方法］
図３及び図４では、六角ナット１０２を多層プリント基板１０１のランド２０２に正確に配置してハンダ付けを行う方法について言及していない。六角ナット１０２を正しくスルーホール１０４の中心に配置しないと、ネジ１０３の軸１０３ａがスルーホール１０４の内側にある銅メッキ層２０３と接触してしまい、トリマコンデンサの役目を果たさなくなってしまう。このため、六角ナット１０２または雄ねじ収容部品を、スルーホール１０４に正確に位置決めする方法を考慮しなければならない。これには様々な方法が考えられる。

図５Ａは、多層プリント基板１０１上に形成されたトリマコンデンサを表側から見た外観上面図である。
図５Ｂは、図５ＡにおけるＡ−Ａにて切断したときの、トリマコンデンサが形成された多層プリント基板１０１の断面図である。
図５Ｃは、図５Ｂの状態からトリマコンデンサの静電容量を変化させた状態における、多層プリント基板１０１の断面図である。
図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃに示すトリマコンデンサの、図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃに示したトリマコンデンサとの相違点は、雄ねじ収容部品として六角ナット１０２の代わりに、段差を形成するスリーブ５０１ａを有するクリンチングファスナ５０１を使用したことである。そして、多層プリント基板１０１の表面に形成するランド２０２には、クリンチングファスナ５０１のスリーブ５０１ａを収容するためのザグリ加工を施している。このザグリ加工は、図４Ｅまたは図４Ｆの段階、すなわちスルーホール１０４にドリルで切削加工を施す前または後であり、図４Ｇの、エッチングレジスト４０１を多層プリント基板１０１の表面と裏面に塗布し、スルーホール１０４をドライフィルム４０２ａ及び４０２ｂを貼り付けて塞ぐ前の段階で形成することとなる。

図５に示したクリンチングファスナ５０１とザグリ加工の他にも、雄ねじ収容部品をランド２０２に正確に位置決めする方法には、様々な手法が考えられる。以下、列挙する。
（１）六角ナット１０２の形状に合わせて、ランド２０２をエッチングする。六角ナット１０２は多層プリント基板１０１の、ランド２０２がエッチングで除去された六角形の空きパターン内に配置される。つまり、銅メッキ層の厚みが六角ナット１０２を位置決めする。六角ナット１０２の代わりに雌ねじが形成された金属板を用いても同様である。
（２）六角ナット１０２の形状に合わせて、３本のピンをランド２０２に植え込み、正三角形状に配置する。ピンは六角ナット１０２の３辺を押さえる。
（３）多層プリント基板１０１の裏側から、スルーホール１０４に、多層プリント基板１０１の厚みより長い軸のネジを差し込み、このネジに六角ナット１０２をねじ込む。その状態で、六角ナット１０２とランド２０２にハンダ付けを行う。ハンダ付けが終わったら、ネジを六角ナット１０２から抜き取る。六角ナット１０２の代わりに雌ねじが形成された金属板を用いても同様である。

本発明の実施形態においては、多層プリント基板１０１を開示した。
多層プリント基板１０１は、表面を一部切削したスルーホール１０４のランド２０２に六角ナット１０２をハンダ付けして、トリマコンデンサを構成する。このトリマコンデンサを用いて、多層プリント基板１０１上にバンドパスフィルタやバンドエリミネーションフィルタ等を構成することで、ＥＭＩ対策が容易に実現できる。このことにより、従来、多層プリント基板１０１を設計する際に何度も試作を行っていた手間が不要になり、多層プリント基板１０１を設計する上で大幅な納期の短縮を実現できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。

１０１…多層プリント基板、１０２…六角ナット、１０３…ネジ、１０４…スルーホール、１０５…アライメントマーク、２０１…プリントパターン、２０２…ランド、２０３…銅メッキ層、２０４…中間銅箔層、２０５…裏側銅箔層、２０６…樹脂層、３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｍ、３０１ｎ…単層基板、３０２…表側銅箔層、４０１…エッチングレジスト、４０２ａ、４０２ｂ…ドライフィルム、５０１…クリンチングファスナ

Claims (3)

1. 表面に導体によるプリントパターンが形成される最上位単層基板と、
   表面に導体による導体層が形成される最下位単層基板と、
   表面に導体によるプリントパターンが形成されると共に、前記最上位単層基板と前記最下位単層基板との間に挟まれて多層基板を構成する、１枚以上の中間単層基板と、
   前記中間単層基板と前記最下位単層基板とを貫通するスルーホールの内壁に形成され、前記最下位単層基板の前記スルーホールの周縁に存在する前記導体層と電気的導通を有し、かつ前記最上位単層基板の前記スルーホールの周縁に設けられた前記プリントパターンの一部であるランドと電気的導通を持たないように形成された導体メッキと、
   前記ランドに電気的導通を伴って固定される、雌ねじが形成された雄ねじ収容部品と、
   前記雄ねじ収容部品に収容されて、前記導体メッキと前記ランドとの間にトリマコンデンサを構成する雄ねじと
   を具備する、多層プリント基板。
2. 前記ランドと前記導体メッキとの絶縁は、前記ランドの中心から切削加工にて前記導体メッキが除去されることで達成される、
   請求項１に記載の多層プリント基板。
3. 前記導体メッキは、１枚以上の前記中間単層基板の前記プリントパターンとも電気的導通を有する、
   請求項２に記載の多層プリント基板。
   

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