プリント配線板およびプリント配線板における比誘電率および実効比誘電率の測定方法
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高速デジタル回路用プリント配線基板の絶縁材料部分における比誘電率および実効比誘電率の測定電極形状およびその測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、比誘電率測定電極形状およびその測定方法は、例えば、「ＪＩＳ Ｃ６４８１−１９９０：第１３頁〜第１８頁」、あるいは「ＭＷＥ９２ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ Ｄｉｇｅｓｔ：第８７頁〜第１０２頁」に開示されるものがある。
【０００３】文献１におけるブリッジ法，Ｑメータ法，自動平衡ブリッジ法といった容量法に分類される方法は、多層化前の銅張積層板単体の一部を加工することで測定電極とし、１ＭＨｚ程度の正弦波を印加して測定を行うものであった。また、文献２における平行導体板形誘電体円柱共振器法といった共振法に分類される方法は、絶縁材料のみを加工することで測定電極とし、１〜数１０ＧＨｚ程度の正弦波を印加して測定を行うものであった。また、反射波法、Ｓパラメータ法といった伝送法に分類される方法も、共振法と同様であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上述べたいずれの測定方法であっても、製品として一般に多層化してある高速デジタル回路用プリント配線板の絶縁材料の比誘電率および実効比誘電率測定方法としては、以下に示すような問題点があって、技術的に満足できるものではない。
【０００５】すなわち、共振法あるいは伝送法の場合、測定時の電磁界モードが実回路パターンの電磁界モードと異なるという問題がある。これは、絶縁材料は一般に基材と樹脂から構成される複合体で、特性に電磁界上の方向性があり、電磁界モードが異なる時の影響を無視できないためである。また、正弦波を基本とする測定しかできないという問題がある。これは、広帯域に及ぶ高調波成分を含むデジタル信号については測定できないためである。
【０００６】さらに、測定電極部の厚さに指定があるという問題がある。これは、同種類の絶縁材料であっても、厚さの異なるものはレジンコンテントが異なる場合があり、指定厚さのものだけでは実際の状態を測定しきれないためである。また、容量法の場合、導体部の大きさをあまり大きくできないという問題がある。これは、周波数の高い領域における分散や共振の影響を考慮すると、容量法の測定電極導体部は、その波長に比例してより小さくする必要があり、測定系に対して小さくなるほど測定系のストレーキャパシティの影響が増すためである。
【０００７】さらに、非破壊で測定できないという問題がある。これは、測定電極の形状とするために加工が必要であり、実際の工程を受けた製品レベルの測定ができないためである。また、マイクロストリップ導体の実効比誘電率の測定ができないという問題がある。これは、実効比誘電率に対しては、従来測定対象としていないためである。
【０００８】本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、比誘電率および実効比誘電率を実際の構造および使用状態に則して測定可能な、プリント配線板における比誘電率／実効比誘電率の測定電極形状およびその測定方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため、本発明は、高速デジタル回路用プリント配線板の絶縁材料部分に対する比誘電率あるいは実効比誘電率の測定電極形状を、実際のパターンとして使われるストリップ導体構造あるいはマイクロストリップ導体構造とし、かつ、この構造を製品上に設けるようにしたものである。すなわち、請求項１の発明は、回路パターン部およびテストパターン部を有するプリント配線板において、前記回路パターン部あるいはテストパターン部の少なくとも一方に、１組以上のストリップ導体構造を形成するように導体およびパッドを配置して形成された測定電極を備え、前記測定電極に入力される入力信号の波長をλとするとき、前記測定電極のパターン長Ｌの単位長当たりの前記入力信号の伝播遅延時間を求め、前記伝播遅延時間から前記プリント配線板の比誘電率および実効比誘電率を求めるために、前記測定電極のパターン長Ｌを（１）式を満たす長さに設定することとしたものである。
【数１】
請求項２の発明は、回路パターン部およびテストパターン部を有するプリント配線板において、前記回路パターン部あるいはテストパターン部の少なくとも一方に、１組以上のマイクロストリップ導体構造を形成するように導体およびパッドを配置して形成された測定電極を備え、前記測定電極に入力される入力信号の波長をλとするとき、前記測定電極のパターン長Ｌの単位長当たりの前記入力信号の伝播遅延時間を求め、前記伝播遅延時間から前記プリント配線板の比誘電率および実効比誘電率を求めるために、前記測定電極のパターン長Ｌを前記（１）式を満たす長さに設定することとしたものである。請求項３の発明は、上述した請求項１または２のプリント配線板において、前記入力信号の立ち上がり時間の劣化が問題とならないときに、測定電極のパターン長Ｌを、（２）式により求めることとしたものである。
【数２】
請求項４の発明は、上述した請求項１、２または３のプリント配線板において、前記入力信号が正弦波ではなく、高調波成分を有する波形のとき、前記入力信号の最高周波数成分の波長をもって前記入力信号の波長λとすることとしたものである。請求項５の発明は、上述した請求項１または２のプリント配線板において、前記プリント配線板の部品面に前記測定電極を形成する複数のストリップ導体側のパッドを等間隔で一列に並べ、これと平行に、複数のグラウンド導体側のパッドを前記ストリップ導体側のパッドと同じ間隔で一列に並べることとしたものである。請求項６の発明は、上述した請求項１または２のプリント配線板において、前記測定電極を形成するパッド間を結ぶマイクロストリップ導体およびストリップ導体を、前記プリント配線板の厚み方向に重なるように、その長手方向を合わせ、プリント配線板の所望の層に配置することとしたものである。
【００１０】また、上述したプリント配線板における比誘電率および実効比誘電率の測定方法を、ストリップ導体あるいはマイクロストリップ導体の単位長当たりの伝搬遅延時間を時間領域伝送特性の測定から得て、この伝搬遅延時間の値を用いて、計算により求めるものである。すなわち、請求項７の発明は、ストリップ導体の単位長当たりの伝搬遅延時間Δｔを求め、ストリップ導体構造におけるプリント配線板の比誘電率εr を、（３）式により求めることとしたものである。
【数３】
請求項８の発明は、マイクロストリップ導体の単位長当たりの伝搬遅延時間Δｔを求め、マイクロストリップ導体構造におけるプリント配線板の実効比誘電率εeff を、（４）式により求めることとしたものである。請求項９の発明は、上述した請求項７または８のプリント配線板における比誘電率および実効比誘電率の測定方法において、立ち上がり時間を調整可能としたステップ状波によりストリップ導体およびマイクロストリップ導体の単位長当たりの伝搬遅延時間を求め、この伝搬遅延時間を用いて比誘電率および実効比誘電率を求めることとしたものである。
【数４】
【００１１】
【作用】上述した構成を有する本発明は、測定電極の形状を、パターン長Ｌが（１）式を満たす長さのストリップ導体構造あるいはマイクロストリップ導体構造としてあり、比誘電率あるいは実効比誘電率を測定すべき絶縁材料を挟む導体にステップ状波を通し、この時の伝搬遅延時間を求めて、この伝搬遅延時間の値を用いて計算により比誘電率あるいは実効比誘電率を求める。
【００１２】
【実施例】以下、図面を参照して実施例を説明する。図１は本発明の一実施例における測定電極形状を示すプリント配線板の要部平面図、図２は本実施例におけるプリント配線板の全体斜視図であり、まず、図２を用いてプリント配線板の全体構造から説明する。
【００１３】図において、１はプリント配線板、２はこのプリント配線板の本体部で、この本体部２には、製造，組み立て用余白部３がミシン目４を介して付属している。そして、本体部２上のＡ部には、測定電極５が、製造上回路パターンとして配置してある。また、製造，組み立て用余白部３上のＢ部にも、測定電極５が、製造上テストパターンとして配置してある。
【００１４】ここで、測定電極５は、通常は用途や仕様に応じてＡ部またはＢ部の一方のみに配置される。なお、本体部２上のＡ部の場合、該本体部２への部品搭載に支障がない位置に測定電極５が配置される。そして、図１は上述したプリント配線板におけるＡ部およびＢ部の拡大平面図である。ここで、測定電極は８層のプリント配線板用を想定したものである。
【００１５】プリント配線板１の部品面（第１層とする）には、第１層ストリップ導体６ａを配置してある。第３層には第３層ストリップ導体６ｂが配置してあり、第６層には第６層ストリップ導体６ｃを配置してある。そして、半田面（第８層）には、第８層ストリップ導体６ｄを配置してある。この内、内層にある第３層ストリップ導体６ｂと第６層ストリップ導体６ｃ、および半田面にある第８層ストリップ導体６ｄは、部品面との導通を図るため、ストリップ導体側バイアホール７に接続してある。そして、このストリップ導体側バイアホール７は、部品面にてストリップ導体導体側パッド８に接続してある。また、これらのストリップ導体に対し、ここでは図示しないグラウンド導体側は、グラウンド導体側バイアホール９によって、部品面のグラウンド導体側パッド１０に接続してある。
【００１６】ここで、上述した４本のストリップ導体６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄは、それぞれ異なる層に配置されているので、その長手方向を合わせて重なるように配置してある。そして、ストリップ導体側パッド８は、４本のストリップ導体６ａ〜６ｄのそれぞれ両端に直接あるいはストリップ導体側バイアホール７を介して接続され、ストリップ導体６ａ〜６ｄと平行に等間隔で一列に並べて配置してある。また、グラウンド導体側パッド１０は、ストリップ導体側パッド８と平行に、かつストリップ導体側パッド８と１対１で対応するように等間隔で一列に並べて配置してある。
【００１７】図３は図１のＣ−Ｃ線断面図である。図３に示すように、プリント配線板１の第２層には第２層グラウンド導体１１ａが配置してあり、第４層には第４層グラウンド導体１１ｂが配置してあり、第５層には第５層グラウンド導体１１ｃが配置してあり、第７層には第７層グラウンド導体１１ｄが配置してある。
【００１８】これら４つのグラウンド導体１１ａ〜１１ｄは、部品面との導通を図るためと各グラウンド層の電位を同じにするために、グラウンド導体側バイアホール９に接続してある。また、４つのグラウンド導体１１ａ〜１１ｄは、ストリップ導体側バイアホール７に対し、絶縁材料１２を介して間隔を持たせてある。上述した図２，図３より、グラウンド導体が配置されていない層にストリップ導体が配置され、部品面から見ると第１層ストリップ導体６ａと第２層グラウンド導体１１ａによりマイクロストリップ導体構造となって、導体間の絶縁材料１２の実効比誘電率（εeff1）を求めることができる。
【００１９】また、第２層グラウンド導体１１ａと第３層ストリップ導体６ｂと第４層グラウンド導体１１ｂによりストリップ導体（トリプレート）構造となって、グラウンド導体間（１１ａ−１１ｂ間）の絶縁材料１２の比誘電率（εr1）を求めることができる。同様に、第５層グラウンド導体１１ｃと第６層ストリップ導体６ｃと第７層グラウンド導体１１ｄによりストリップ導体（トリプレート）構造となって、グラウンド導体間（１１ｃ−１１ｄ間）の絶縁材料１２の比誘電率（εr2）を求めることができる。また、第７層グラウンド導体１１ｄと第８層ストリップ導体６ｄによりマイクロストリップ導体構造となって、導体間の絶縁材料１２の実効比誘電率（εeff2）を求めることができる。
【００２０】図４は時間領域伝送特性の測定装置を示す説明図である。なお、測定対象は、マイクロストリップ導体，ストリップ導体等不平衡伝送線路を想定している。１３はステップ状波発生器で、このステップ状波発生器１３は、立ち上がり時間が速く、繰り返し周波数が十分低い台形波、いわゆるステップ状波を発生する。なお、このステップ状波発生器１３で発生するステップ状波の立ち上がり時間は調整可能で、所望の立ち上がり時間を得ることができるようになっている。
【００２１】このステップ状波発生器１３で発生させたステップ状波は、同軸ケーブル１４から第１のプローブ１５をスルーで通過し、伝送線経路部であるストリップ導体１６およびグラウンド導体１７へ供給する。ストリップ導体１６とグラウンド導体１７は、各長さＬの等長にしてあり、その対面端にて第２のプローブ１８を通じ、終端抵抗１９で終端する。
【００２２】２０は前記ステップ状波発生器１３で発生させたステップ状波を検出するサンプリングオシロスコープで、このサンプリングオシロスコープ２０へのピックアップは、２か所、ここでは第１のプローブ１５および第２のプローブ１８とそれぞれ同じ位置で行うこととしており、第３のプローブ２１を介してストリップ導体１６およびグラウンド導体１７の開始端に接続するとともに、第４のプローブ２２を介してストリップ導体１６およびグラウンド導体１７の終端に接続する。なお、第３のプローブ２１および第４のプローブ２２は、高入力インピーダンスで低ストレーキャパシティである物を使用する。ここで、各プローブを除く全ての測定系は、定インピーダンス化されている。
【００２３】図５は上述した第３のプローブ２１および第４のプローブ２２における波形の変化を示す波形図で、縦軸に電圧変化量、横軸に時間をとっている。ｔ１およびｔ２はそれぞれステップ波通過時の立ち上がり時間であり、Δｔがパターン長Ｌに対する伝搬遅延時間である。図６〜８は、このような測定装置により、図１〜３で説明したプリント配線板の測定電極を用いて計測したパターン長に対する伝搬遅延時間（単位はｎｓ／ｍ）の変化を示すグラフである。ここで、プリント配線板の材質は、ガラス布基材ＢＴ（ビスマレイミド＋トリアジン樹脂）レジンである。
【００２４】なお、図６は、マイクロストリップ導体構造でソルダレジスト付きの場合、図７はマイクロスリップ導体構造でソルダレジスト無しの場合、図８はストリップ導体構造の場合を示している。まず、図４で説明した測定装置の第３のプローブ２１，第４のプローブ２２、および第１のプローブ１５，第２のプローブ１８を、図１〜図３で説明したプリント配線板１において、比誘電率あるいは実効比誘電率を測定すべき絶縁材料１２を挟むストリップ導体とグラウンド導体に対応するストリップ導体側パッド８およびグラウンド導体側パッド１０へ接続する。ここで、図１に示されるように、接続される各パッドは等間隔に部品面に並べられており、測定は効率良く、全て部品面側から行うことができる。また、配線スペースを多く必要とするストリップ導体を層を重ねて構成してあるので、最小限の配線スペースに収めることができる。
【００２５】また、図４におけるストリップ導体１６およびグラウンド導体１７は、図１，３で説明したマイクロストリップ導体構造およびストリップ導体構造に対応する。よって、マイクロストリップ導体構造およびストリップ導体構造において、絶縁材料の比透磁率μr ＝１、また、伝搬する電磁界がＴＥＭモードと考えられるとき、図４における測定装置を用いて求めた伝搬遅延時間Δｔより、比誘電率εr1，εr2および実効比誘電率εeff1，εeff2を以下に示す（５）式および（６）式より求めることができる。
【００２６】
【数５】
【００２７】ここで、Δｔは単位パターン長当たりの伝搬遅延時間、α，βは板厚が厚く、バイアホールの影響が無視できない場合の補正項（通常α，β＝０で近似）、Ｃは光速（３×１０8 ｍ／ｓ）である。なお、上記（６）式では、ソルダレジスト付きの場合でも適用可能である。これは、測定時の電磁界モードが実回路パターンと同等であるためである。
【００２８】さらに、デジタル信号による測定と同等であるため、高調波成分の影響を含んだ形の結果を得ることができ、かつ、図５における立ち上がり時間ｔ１を調整することで、実際の使用条件に合わせることができる。ただし、図６〜図８に示す測定結果より、測定系に下記の条件があることが判別した。
【００２９】すなわち、図５に示す立ち上がり時間ｔ１の信号に対してパターンがＴＥＭモードを有し、分布定数回路として扱えるパターンが必要になる点である。そして、分布定数回路として扱える最短のパターン長Ｌは、信号の最高周波数成分の波長λ-3（材料上の短縮率を含む）により、下記の（７）式および（８）式から、（９）式に表せることがわかった。
【００３０】
【数６】
【００３１】また、立ち上がり時間の劣化が問題にならない場合は、下記の（１０）式のようにするとよい。
【００３２】
【数７】
【００３３】さらに、高損失の材料では測定しにくいことがわかった。また、立ち上がり時間ｔ１の最小限度は、その最高周波数成分が高次モードを発生しない時間までになる。なお、入力される信号が正弦波の場合は、その波長λをもって上記（９），（１０）式を用い、パターン長Ｌを求めることができる。
【００３４】以上の条件を考慮し、実際の測定電極を設計することで、図２に示すプリント配線板１の本体部２のＡ部における測定電極５および製造，組み立て用余白部３のＢ部における測定電極５を用いて比誘電率／実効比誘電率を求めることができる。なお、本実施例ではプリント配線板が８層の場合で説明したが、何層構造のものであっても、上述したようにストリップ導体構造あるいはマイクロストリップ導体構造で測定電極を配置することで、絶縁材料の比誘電率および実効比誘電率の測定が可能である。
【００３５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、測定電極形状をストリップ導体構造およびマイクロストリップ導体構造にすることで、比誘電率および実効比誘電率の測定を実回路パターンと同じ電磁界モードの測定としたので、複合体としての絶縁材料を再現性よく測定することができる。特に、マイクロストリップ導体構造では、実効比誘電率が測定できる。また、厚さの異なる絶縁材料でも測定することができる。
【００３６】さらに、最短の測定電極のパターン長Ｌを入力信号の波長をλとしたとき、（１）式あるいは（２）式を満たす長さに設定することで、導体部の大きさを分布定数回路として扱える大きさとしたので、測定系のストレーキャパシティの影響を少なくできる。また、入力信号として使用条件に合わせた立ち上がり時間を持つステップ状波を用いて比誘電率および実効比誘電率を測定するので、広帯域におよぶ高調波成分を含むデジタル信号についての測定結果を得られる。
【００３７】また、比誘電率および実効比誘電率は伝搬遅延時間から計算により求めるようにしたので、非破壊で実際の製品レベルの測定ができる。さらに、ストリップ導体側パッドをプリント配線板の部品面に等間隔で一列に並べて配置し、かつ、グラウンド導体側パッドをストリップ導体側パッドに１対１で対応するようにプリント配線板の部品面に該ストリップ導体側パッドと同じ等間隔で一列に並べて配置したので、プリント配線板の部品面側から効率良く測定できる。
【００３８】また、ストリップ導体をその長手方向を合わせて層を重ねて配置したので、最小限の配線スペースに配置できる。そして、実際の製品に上述した形状のストリップ導体構造およびマイクロストリップ導体構造の測定電極を配置することで、製品個別に比誘電率および実効比誘電率を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における測定電極形状を示すプリント配線板の要部平面図である。
【図２】本実施例におけるプリント配線板の全体斜視図である。
【図３】図１のＣ−Ｃ線断面図である。
【図４】時間領域伝送特性の測定装置を示す説明図である。
【図５】時間領域伝送特性の測定装置における波形の変化を示す波形図である。
【図６】伝搬遅延時間の変化の一例を示すグラフである。
【図７】伝搬遅延時間の変化の一例を示すグラフである。
【図８】伝搬遅延時間の変化の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１ プリント配線板
５ 測定電極
６ａ 第１層ストリップ導体
６ｂ 第３層ストリップ導体
６ｃ 第６層ストリップ導体
６ｄ 第８層ストリップ導体
８ ストリップ導体側パッド
１０ グラウンド導体側パッド
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高速デジタル回路用プリント配線基板の絶縁材料部分における比誘電率および実効比誘電率の測定電極形状およびその測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、比誘電率測定電極形状およびその測定方法は、例えば、「ＪＩＳ Ｃ６４８１−１９９０：第１３頁〜第１８頁」、あるいは「ＭＷＥ９２ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ Ｄｉｇｅｓｔ：第８７頁〜第１０２頁」に開示されるものがある。
【０００３】文献１におけるブリッジ法，Ｑメータ法，自動平衡ブリッジ法といった容量法に分類される方法は、多層化前の銅張積層板単体の一部を加工することで測定電極とし、１ＭＨｚ程度の正弦波を印加して測定を行うものであった。また、文献２における平行導体板形誘電体円柱共振器法といった共振法に分類される方法は、絶縁材料のみを加工することで測定電極とし、１〜数１０ＧＨｚ程度の正弦波を印加して測定を行うものであった。また、反射波法、Ｓパラメータ法といった伝送法に分類される方法も、共振法と同様であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上述べたいずれの測定方法であっても、製品として一般に多層化してある高速デジタル回路用プリント配線板の絶縁材料の比誘電率および実効比誘電率測定方法としては、以下に示すような問題点があって、技術的に満足できるものではない。
【０００５】すなわち、共振法あるいは伝送法の場合、測定時の電磁界モードが実回路パターンの電磁界モードと異なるという問題がある。これは、絶縁材料は一般に基材と樹脂から構成される複合体で、特性に電磁界上の方向性があり、電磁界モードが異なる時の影響を無視できないためである。また、正弦波を基本とする測定しかできないという問題がある。これは、広帯域に及ぶ高調波成分を含むデジタル信号については測定できないためである。
【０００６】さらに、測定電極部の厚さに指定があるという問題がある。これは、同種類の絶縁材料であっても、厚さの異なるものはレジンコンテントが異なる場合があり、指定厚さのものだけでは実際の状態を測定しきれないためである。また、容量法の場合、導体部の大きさをあまり大きくできないという問題がある。これは、周波数の高い領域における分散や共振の影響を考慮すると、容量法の測定電極導体部は、その波長に比例してより小さくする必要があり、測定系に対して小さくなるほど測定系のストレーキャパシティの影響が増すためである。
【０００７】さらに、非破壊で測定できないという問題がある。これは、測定電極の形状とするために加工が必要であり、実際の工程を受けた製品レベルの測定ができないためである。また、マイクロストリップ導体の実効比誘電率の測定ができないという問題がある。これは、実効比誘電率に対しては、従来測定対象としていないためである。
【０００８】本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、比誘電率および実効比誘電率を実際の構造および使用状態に則して測定可能な、プリント配線板における比誘電率／実効比誘電率の測定電極形状およびその測定方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため、本発明は、高速デジタル回路用プリント配線板の絶縁材料部分に対する比誘電率あるいは実効比誘電率の測定電極形状を、実際のパターンとして使われるストリップ導体構造あるいはマイクロストリップ導体構造とし、かつ、この構造を製品上に設けるようにしたものである。すなわち、請求項１の発明は、回路パターン部およびテストパターン部を有するプリント配線板において、前記回路パターン部あるいはテストパターン部の少なくとも一方に、１組以上のストリップ導体構造を形成するように導体およびパッドを配置して形成された測定電極を備え、前記測定電極に入力される入力信号の波長をλとするとき、前記測定電極のパターン長Ｌの単位長当たりの前記入力信号の伝播遅延時間を求め、前記伝播遅延時間から前記プリント配線板の比誘電率および実効比誘電率を求めるために、前記測定電極のパターン長Ｌを（１）式を満たす長さに設定することとしたものである。
【数１】
請求項２の発明は、回路パターン部およびテストパターン部を有するプリント配線板において、前記回路パターン部あるいはテストパターン部の少なくとも一方に、１組以上のマイクロストリップ導体構造を形成するように導体およびパッドを配置して形成された測定電極を備え、前記測定電極に入力される入力信号の波長をλとするとき、前記測定電極のパターン長Ｌの単位長当たりの前記入力信号の伝播遅延時間を求め、前記伝播遅延時間から前記プリント配線板の比誘電率および実効比誘電率を求めるために、前記測定電極のパターン長Ｌを前記（１）式を満たす長さに設定することとしたものである。請求項３の発明は、上述した請求項１または２のプリント配線板において、前記入力信号の立ち上がり時間の劣化が問題とならないときに、測定電極のパターン長Ｌを、（２）式により求めることとしたものである。
【数２】
請求項４の発明は、上述した請求項１、２または３のプリント配線板において、前記入力信号が正弦波ではなく、高調波成分を有する波形のとき、前記入力信号の最高周波数成分の波長をもって前記入力信号の波長λとすることとしたものである。請求項５の発明は、上述した請求項１または２のプリント配線板において、前記プリント配線板の部品面に前記測定電極を形成する複数のストリップ導体側のパッドを等間隔で一列に並べ、これと平行に、複数のグラウンド導体側のパッドを前記ストリップ導体側のパッドと同じ間隔で一列に並べることとしたものである。請求項６の発明は、上述した請求項１または２のプリント配線板において、前記測定電極を形成するパッド間を結ぶマイクロストリップ導体およびストリップ導体を、前記プリント配線板の厚み方向に重なるように、その長手方向を合わせ、プリント配線板の所望の層に配置することとしたものである。
【００１０】また、上述したプリント配線板における比誘電率および実効比誘電率の測定方法を、ストリップ導体あるいはマイクロストリップ導体の単位長当たりの伝搬遅延時間を時間領域伝送特性の測定から得て、この伝搬遅延時間の値を用いて、計算により求めるものである。すなわち、請求項７の発明は、ストリップ導体の単位長当たりの伝搬遅延時間Δｔを求め、ストリップ導体構造におけるプリント配線板の比誘電率εr を、（３）式により求めることとしたものである。
【数３】
請求項８の発明は、マイクロストリップ導体の単位長当たりの伝搬遅延時間Δｔを求め、マイクロストリップ導体構造におけるプリント配線板の実効比誘電率εeff を、（４）式により求めることとしたものである。請求項９の発明は、上述した請求項７または８のプリント配線板における比誘電率および実効比誘電率の測定方法において、立ち上がり時間を調整可能としたステップ状波によりストリップ導体およびマイクロストリップ導体の単位長当たりの伝搬遅延時間を求め、この伝搬遅延時間を用いて比誘電率および実効比誘電率を求めることとしたものである。
【数４】
【００１１】
【作用】上述した構成を有する本発明は、測定電極の形状を、パターン長Ｌが（１）式を満たす長さのストリップ導体構造あるいはマイクロストリップ導体構造としてあり、比誘電率あるいは実効比誘電率を測定すべき絶縁材料を挟む導体にステップ状波を通し、この時の伝搬遅延時間を求めて、この伝搬遅延時間の値を用いて計算により比誘電率あるいは実効比誘電率を求める。
【００１２】
【実施例】以下、図面を参照して実施例を説明する。図１は本発明の一実施例における測定電極形状を示すプリント配線板の要部平面図、図２は本実施例におけるプリント配線板の全体斜視図であり、まず、図２を用いてプリント配線板の全体構造から説明する。
【００１３】図において、１はプリント配線板、２はこのプリント配線板の本体部で、この本体部２には、製造，組み立て用余白部３がミシン目４を介して付属している。そして、本体部２上のＡ部には、測定電極５が、製造上回路パターンとして配置してある。また、製造，組み立て用余白部３上のＢ部にも、測定電極５が、製造上テストパターンとして配置してある。
【００１４】ここで、測定電極５は、通常は用途や仕様に応じてＡ部またはＢ部の一方のみに配置される。なお、本体部２上のＡ部の場合、該本体部２への部品搭載に支障がない位置に測定電極５が配置される。そして、図１は上述したプリント配線板におけるＡ部およびＢ部の拡大平面図である。ここで、測定電極は８層のプリント配線板用を想定したものである。
【００１５】プリント配線板１の部品面（第１層とする）には、第１層ストリップ導体６ａを配置してある。第３層には第３層ストリップ導体６ｂが配置してあり、第６層には第６層ストリップ導体６ｃを配置してある。そして、半田面（第８層）には、第８層ストリップ導体６ｄを配置してある。この内、内層にある第３層ストリップ導体６ｂと第６層ストリップ導体６ｃ、および半田面にある第８層ストリップ導体６ｄは、部品面との導通を図るため、ストリップ導体側バイアホール７に接続してある。そして、このストリップ導体側バイアホール７は、部品面にてストリップ導体導体側パッド８に接続してある。また、これらのストリップ導体に対し、ここでは図示しないグラウンド導体側は、グラウンド導体側バイアホール９によって、部品面のグラウンド導体側パッド１０に接続してある。
【００１６】ここで、上述した４本のストリップ導体６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄは、それぞれ異なる層に配置されているので、その長手方向を合わせて重なるように配置してある。そして、ストリップ導体側パッド８は、４本のストリップ導体６ａ〜６ｄのそれぞれ両端に直接あるいはストリップ導体側バイアホール７を介して接続され、ストリップ導体６ａ〜６ｄと平行に等間隔で一列に並べて配置してある。また、グラウンド導体側パッド１０は、ストリップ導体側パッド８と平行に、かつストリップ導体側パッド８と１対１で対応するように等間隔で一列に並べて配置してある。
【００１７】図３は図１のＣ−Ｃ線断面図である。図３に示すように、プリント配線板１の第２層には第２層グラウンド導体１１ａが配置してあり、第４層には第４層グラウンド導体１１ｂが配置してあり、第５層には第５層グラウンド導体１１ｃが配置してあり、第７層には第７層グラウンド導体１１ｄが配置してある。
【００１８】これら４つのグラウンド導体１１ａ〜１１ｄは、部品面との導通を図るためと各グラウンド層の電位を同じにするために、グラウンド導体側バイアホール９に接続してある。また、４つのグラウンド導体１１ａ〜１１ｄは、ストリップ導体側バイアホール７に対し、絶縁材料１２を介して間隔を持たせてある。上述した図２，図３より、グラウンド導体が配置されていない層にストリップ導体が配置され、部品面から見ると第１層ストリップ導体６ａと第２層グラウンド導体１１ａによりマイクロストリップ導体構造となって、導体間の絶縁材料１２の実効比誘電率（εeff1）を求めることができる。
【００１９】また、第２層グラウンド導体１１ａと第３層ストリップ導体６ｂと第４層グラウンド導体１１ｂによりストリップ導体（トリプレート）構造となって、グラウンド導体間（１１ａ−１１ｂ間）の絶縁材料１２の比誘電率（εr1）を求めることができる。同様に、第５層グラウンド導体１１ｃと第６層ストリップ導体６ｃと第７層グラウンド導体１１ｄによりストリップ導体（トリプレート）構造となって、グラウンド導体間（１１ｃ−１１ｄ間）の絶縁材料１２の比誘電率（εr2）を求めることができる。また、第７層グラウンド導体１１ｄと第８層ストリップ導体６ｄによりマイクロストリップ導体構造となって、導体間の絶縁材料１２の実効比誘電率（εeff2）を求めることができる。
【００２０】図４は時間領域伝送特性の測定装置を示す説明図である。なお、測定対象は、マイクロストリップ導体，ストリップ導体等不平衡伝送線路を想定している。１３はステップ状波発生器で、このステップ状波発生器１３は、立ち上がり時間が速く、繰り返し周波数が十分低い台形波、いわゆるステップ状波を発生する。なお、このステップ状波発生器１３で発生するステップ状波の立ち上がり時間は調整可能で、所望の立ち上がり時間を得ることができるようになっている。
【００２１】このステップ状波発生器１３で発生させたステップ状波は、同軸ケーブル１４から第１のプローブ１５をスルーで通過し、伝送線経路部であるストリップ導体１６およびグラウンド導体１７へ供給する。ストリップ導体１６とグラウンド導体１７は、各長さＬの等長にしてあり、その対面端にて第２のプローブ１８を通じ、終端抵抗１９で終端する。
【００２２】２０は前記ステップ状波発生器１３で発生させたステップ状波を検出するサンプリングオシロスコープで、このサンプリングオシロスコープ２０へのピックアップは、２か所、ここでは第１のプローブ１５および第２のプローブ１８とそれぞれ同じ位置で行うこととしており、第３のプローブ２１を介してストリップ導体１６およびグラウンド導体１７の開始端に接続するとともに、第４のプローブ２２を介してストリップ導体１６およびグラウンド導体１７の終端に接続する。なお、第３のプローブ２１および第４のプローブ２２は、高入力インピーダンスで低ストレーキャパシティである物を使用する。ここで、各プローブを除く全ての測定系は、定インピーダンス化されている。
【００２３】図５は上述した第３のプローブ２１および第４のプローブ２２における波形の変化を示す波形図で、縦軸に電圧変化量、横軸に時間をとっている。ｔ１およびｔ２はそれぞれステップ波通過時の立ち上がり時間であり、Δｔがパターン長Ｌに対する伝搬遅延時間である。図６〜８は、このような測定装置により、図１〜３で説明したプリント配線板の測定電極を用いて計測したパターン長に対する伝搬遅延時間（単位はｎｓ／ｍ）の変化を示すグラフである。ここで、プリント配線板の材質は、ガラス布基材ＢＴ（ビスマレイミド＋トリアジン樹脂）レジンである。
【００２４】なお、図６は、マイクロストリップ導体構造でソルダレジスト付きの場合、図７はマイクロスリップ導体構造でソルダレジスト無しの場合、図８はストリップ導体構造の場合を示している。まず、図４で説明した測定装置の第３のプローブ２１，第４のプローブ２２、および第１のプローブ１５，第２のプローブ１８を、図１〜図３で説明したプリント配線板１において、比誘電率あるいは実効比誘電率を測定すべき絶縁材料１２を挟むストリップ導体とグラウンド導体に対応するストリップ導体側パッド８およびグラウンド導体側パッド１０へ接続する。ここで、図１に示されるように、接続される各パッドは等間隔に部品面に並べられており、測定は効率良く、全て部品面側から行うことができる。また、配線スペースを多く必要とするストリップ導体を層を重ねて構成してあるので、最小限の配線スペースに収めることができる。
【００２５】また、図４におけるストリップ導体１６およびグラウンド導体１７は、図１，３で説明したマイクロストリップ導体構造およびストリップ導体構造に対応する。よって、マイクロストリップ導体構造およびストリップ導体構造において、絶縁材料の比透磁率μr ＝１、また、伝搬する電磁界がＴＥＭモードと考えられるとき、図４における測定装置を用いて求めた伝搬遅延時間Δｔより、比誘電率εr1，εr2および実効比誘電率εeff1，εeff2を以下に示す（５）式および（６）式より求めることができる。
【００２６】
【数５】
【００２７】ここで、Δｔは単位パターン長当たりの伝搬遅延時間、α，βは板厚が厚く、バイアホールの影響が無視できない場合の補正項（通常α，β＝０で近似）、Ｃは光速（３×１０8 ｍ／ｓ）である。なお、上記（６）式では、ソルダレジスト付きの場合でも適用可能である。これは、測定時の電磁界モードが実回路パターンと同等であるためである。
【００２８】さらに、デジタル信号による測定と同等であるため、高調波成分の影響を含んだ形の結果を得ることができ、かつ、図５における立ち上がり時間ｔ１を調整することで、実際の使用条件に合わせることができる。ただし、図６〜図８に示す測定結果より、測定系に下記の条件があることが判別した。
【００２９】すなわち、図５に示す立ち上がり時間ｔ１の信号に対してパターンがＴＥＭモードを有し、分布定数回路として扱えるパターンが必要になる点である。そして、分布定数回路として扱える最短のパターン長Ｌは、信号の最高周波数成分の波長λ-3（材料上の短縮率を含む）により、下記の（７）式および（８）式から、（９）式に表せることがわかった。
【００３０】
【数６】
【００３１】また、立ち上がり時間の劣化が問題にならない場合は、下記の（１０）式のようにするとよい。
【００３２】
【数７】
【００３３】さらに、高損失の材料では測定しにくいことがわかった。また、立ち上がり時間ｔ１の最小限度は、その最高周波数成分が高次モードを発生しない時間までになる。なお、入力される信号が正弦波の場合は、その波長λをもって上記（９），（１０）式を用い、パターン長Ｌを求めることができる。
【００３４】以上の条件を考慮し、実際の測定電極を設計することで、図２に示すプリント配線板１の本体部２のＡ部における測定電極５および製造，組み立て用余白部３のＢ部における測定電極５を用いて比誘電率／実効比誘電率を求めることができる。なお、本実施例ではプリント配線板が８層の場合で説明したが、何層構造のものであっても、上述したようにストリップ導体構造あるいはマイクロストリップ導体構造で測定電極を配置することで、絶縁材料の比誘電率および実効比誘電率の測定が可能である。
【００３５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、測定電極形状をストリップ導体構造およびマイクロストリップ導体構造にすることで、比誘電率および実効比誘電率の測定を実回路パターンと同じ電磁界モードの測定としたので、複合体としての絶縁材料を再現性よく測定することができる。特に、マイクロストリップ導体構造では、実効比誘電率が測定できる。また、厚さの異なる絶縁材料でも測定することができる。
【００３６】さらに、最短の測定電極のパターン長Ｌを入力信号の波長をλとしたとき、（１）式あるいは（２）式を満たす長さに設定することで、導体部の大きさを分布定数回路として扱える大きさとしたので、測定系のストレーキャパシティの影響を少なくできる。また、入力信号として使用条件に合わせた立ち上がり時間を持つステップ状波を用いて比誘電率および実効比誘電率を測定するので、広帯域におよぶ高調波成分を含むデジタル信号についての測定結果を得られる。
【００３７】また、比誘電率および実効比誘電率は伝搬遅延時間から計算により求めるようにしたので、非破壊で実際の製品レベルの測定ができる。さらに、ストリップ導体側パッドをプリント配線板の部品面に等間隔で一列に並べて配置し、かつ、グラウンド導体側パッドをストリップ導体側パッドに１対１で対応するようにプリント配線板の部品面に該ストリップ導体側パッドと同じ等間隔で一列に並べて配置したので、プリント配線板の部品面側から効率良く測定できる。
【００３８】また、ストリップ導体をその長手方向を合わせて層を重ねて配置したので、最小限の配線スペースに配置できる。そして、実際の製品に上述した形状のストリップ導体構造およびマイクロストリップ導体構造の測定電極を配置することで、製品個別に比誘電率および実効比誘電率を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における測定電極形状を示すプリント配線板の要部平面図である。
【図２】本実施例におけるプリント配線板の全体斜視図である。
【図３】図１のＣ−Ｃ線断面図である。
【図４】時間領域伝送特性の測定装置を示す説明図である。
【図５】時間領域伝送特性の測定装置における波形の変化を示す波形図である。
【図６】伝搬遅延時間の変化の一例を示すグラフである。
【図７】伝搬遅延時間の変化の一例を示すグラフである。
【図８】伝搬遅延時間の変化の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１ プリント配線板
５ 測定電極
６ａ 第１層ストリップ導体
６ｂ 第３層ストリップ導体
６ｃ 第６層ストリップ導体
６ｄ 第８層ストリップ導体
８ ストリップ導体側パッド
１０ グラウンド導体側パッド
【特許請求の範囲】
【請求項１】 回路パターン部およびテストパターン部を有するプリント配線板において、前記回路パターン部あるいはテストパターン部の少なくとも一方に、１組以上のストリップ導体構造を形成するように導体およびパッドを配置して形成された測定電極を備え、前記測定電極に入力される入力信号の波長をλとするとき、前記測定電極のパターン長Ｌの単位長当たりの前記入力信号の伝播遅延時間を求め、前記伝播遅延時間から前記プリント配線板の比誘電率および実効比誘電率を求めるために、前記測定電極のパターン長Ｌを（１）式を満たす長さに設定することを特徴とするプリント配線板。
【数１】
【請求項２】 回路パターン部およびテストパターン部を有するプリント配線板において、前記回路パターン部あるいはテストパターン部の少なくとも一方に、１組以上のマイクロストリップ導体構造を形成するように導体およびパッドを配置して形成された測定電極を備え、前記測定電極に入力される入力信号の波長をλとするとき、前記測定電極のパターン長Ｌの単位長当たりの前記入力信号の伝播遅延時間を求め、前記伝播遅延時間から前記プリント配線板の比誘電率および実効比誘電率を求めるために、前記測定電極のパターン長Ｌを（１）式を満たす長さに設定することを特徴とするプリント配線板。
【数１】
【請求項３】 前記入力信号の立ち上がり時間の劣化が問題とならないときに、測定電極のパターン長Ｌを、（２）式により求めることを特徴とする請求項１または２記載のプリント配線板。
【数２】
【請求項４】 前記入力信号が正弦波ではなく、高調波成分を有する波形のとき、前記入力信号の最高周波数成分の波長をもって前記入力信号の波長λとすることを特徴とする請求項１、２または３記載のプリント配線板。
【請求項５】 前記プリント配線板の部品面に前記測定電極を形成する複数のストリップ導体側のパッドを等間隔で一列に並べ、これと平行に、複数のグラウンド導体側のパッドを前記ストリップ導体側のパッドと同じ間隔で一列に並べたことを特徴とする請求項１または２記載のプリント配線板。
【請求項６】 前記測定電極を形成するパッド間を結ぶマイクロストリップ導体およびストリップ導体を、前記プリント配線板の厚み方向に重なるように、その長手方向を合わせ、プリント配線板の所望の層に配置したことを特徴とする請求項１または２記載のプリント配線板。
【請求項７】 ストリップ導体の単位長当たりの伝搬遅延時間Δｔを求め、ストリップ導体構造におけるプリント配線板の比誘電率εr を、（３）式により求めることを特徴とするプリント配線板における比誘電率の測定方法。
【数３】
【請求項８】 マイクロストリップ導体の単位長当たりの伝搬遅延時間Δｔを求め、マイクロストリップ導体構造におけるプリント配線板の実効比誘電率εeff を、（４）式により求めることを特徴とするプリント配線板における実効比誘電率の測定方法。
【数４】
【請求項９】 立ち上がり時間を調整可能としたステップ状波によりストリップ導体およびマイクロストリップ導体の単位長当たりの伝搬遅延時間を求め、この伝搬遅延時間を用いて比誘電率および実効比誘電率を求めることを特徴とする請求項７または８記載のプリント配線板における比誘電率および実効比誘電率の測定方法。
【請求項１】 回路パターン部およびテストパターン部を有するプリント配線板において、前記回路パターン部あるいはテストパターン部の少なくとも一方に、１組以上のストリップ導体構造を形成するように導体およびパッドを配置して形成された測定電極を備え、前記測定電極に入力される入力信号の波長をλとするとき、前記測定電極のパターン長Ｌの単位長当たりの前記入力信号の伝播遅延時間を求め、前記伝播遅延時間から前記プリント配線板の比誘電率および実効比誘電率を求めるために、前記測定電極のパターン長Ｌを（１）式を満たす長さに設定することを特徴とするプリント配線板。
【数１】
【請求項２】 回路パターン部およびテストパターン部を有するプリント配線板において、前記回路パターン部あるいはテストパターン部の少なくとも一方に、１組以上のマイクロストリップ導体構造を形成するように導体およびパッドを配置して形成された測定電極を備え、前記測定電極に入力される入力信号の波長をλとするとき、前記測定電極のパターン長Ｌの単位長当たりの前記入力信号の伝播遅延時間を求め、前記伝播遅延時間から前記プリント配線板の比誘電率および実効比誘電率を求めるために、前記測定電極のパターン長Ｌを（１）式を満たす長さに設定することを特徴とするプリント配線板。
【数１】
【請求項３】 前記入力信号の立ち上がり時間の劣化が問題とならないときに、測定電極のパターン長Ｌを、（２）式により求めることを特徴とする請求項１または２記載のプリント配線板。
【数２】
【請求項４】 前記入力信号が正弦波ではなく、高調波成分を有する波形のとき、前記入力信号の最高周波数成分の波長をもって前記入力信号の波長λとすることを特徴とする請求項１、２または３記載のプリント配線板。
【請求項５】 前記プリント配線板の部品面に前記測定電極を形成する複数のストリップ導体側のパッドを等間隔で一列に並べ、これと平行に、複数のグラウンド導体側のパッドを前記ストリップ導体側のパッドと同じ間隔で一列に並べたことを特徴とする請求項１または２記載のプリント配線板。
【請求項６】 前記測定電極を形成するパッド間を結ぶマイクロストリップ導体およびストリップ導体を、前記プリント配線板の厚み方向に重なるように、その長手方向を合わせ、プリント配線板の所望の層に配置したことを特徴とする請求項１または２記載のプリント配線板。
【請求項７】 ストリップ導体の単位長当たりの伝搬遅延時間Δｔを求め、ストリップ導体構造におけるプリント配線板の比誘電率εr を、（３）式により求めることを特徴とするプリント配線板における比誘電率の測定方法。
【数３】
【請求項８】 マイクロストリップ導体の単位長当たりの伝搬遅延時間Δｔを求め、マイクロストリップ導体構造におけるプリント配線板の実効比誘電率εeff を、（４）式により求めることを特徴とするプリント配線板における実効比誘電率の測定方法。
【数４】
【請求項９】 立ち上がり時間を調整可能としたステップ状波によりストリップ導体およびマイクロストリップ導体の単位長当たりの伝搬遅延時間を求め、この伝搬遅延時間を用いて比誘電率および実効比誘電率を求めることを特徴とする請求項７または８記載のプリント配線板における比誘電率および実効比誘電率の測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【特許番号】特許第３２０９３０９号（Ｐ３２０９３０９）
【登録日】平成１３年７月１３日（２００１．７．１３）
【発行日】平成１３年９月１７日（２００１．９．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平６−５９５１２
【出願日】平成６年３月２９日（１９９４．３．２９）
【公開番号】特開平７−２７０４６１
【公開日】平成７年１０月２０日（１９９５．１０．２０）
【審査請求日】平成９年１２月８日（１９９７．１２．８）
【出願人】（００００００２９５）沖電気工業株式会社 (6,645)
【参考文献】
【文献】特開 昭６１−７６９６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開 平４−１１６４０８（ＪＰ，Ｕ）
【登録日】平成１３年７月１３日（２００１．７．１３）
【発行日】平成１３年９月１７日（２００１．９．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成６年３月２９日（１９９４．３．２９）
【公開番号】特開平７−２７０４６１
【公開日】平成７年１０月２０日（１９９５．１０．２０）
【審査請求日】平成９年１２月８日（１９９７．１２．８）
【出願人】（００００００２９５）沖電気工業株式会社 (6,645)
【参考文献】
【文献】特開 昭６１−７６９６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開 平４−１１６４０８（ＪＰ，Ｕ）
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