CN101022696A - 具网状接地面的多层电路板特性阻抗控制方法及结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具网状接地面的多层电路板特性阻抗控制方法及结构，是多层电路板具有网状接地面层及传输线路层，其中，该网状接地面层由数个对称形状且作矩阵排列的网格组成，各网格的纵对角线分别与电路板的长度方向平行，又令传输线路层的传输线与纵对角线平行，且传输线与纵对角线的距离为两相邻网格交点距离d的特定比率；藉此，对传输线的对位偏差具有较高的容忍度，从而使该多层电路板具备理想的特性阻抗。

Description

具网状接地面的多层电路板特性阻抗控制方法及结构

技术领域

本发明公开一种多层电路板，尤指一种具有网状接地面的多层电路板及调整其特性阻抗控制的技术。

背景技术

一般电子产品的电路设计多半采用实心的接地面，但某些电子产品的电路设计，则将电流的回流路径设计成网状接地面，有别于前述一般常见的实心接地面，如此设计通常基于两个目的：

一.为了增加产品结构的强度：例如低温共烧陶瓷(LTCC)组件，由于陶瓷层与实心的金属层无法良好地结合，容易造成陶瓷层与金属层的层间结合力不足，因此将金属层设计成网格状可增加陶瓷材料与金属的机械结合力。又譬如在可挠曲的软性电路板中，将实心的接地面设计成网格状，可减少接地面金属所占的比例，以增加软性电路板的柔软度及可挠曲性，增进软性电路板耐弯折的特性。

二.为达成阻抗特性匹配，使高频高速的信号能有效地在电子组件间传递：例如在某些组件的电性要求下，要求传输线必须有很高的特性阻抗或是使其特性阻抗作连续性的改变，在此状况下，也可透过网状接地面的变化设计来达成此目的。

由于电子组件的发展趋势朝向高频高速发展，用于连接各电子组件的互连结构包含印刷电路板的特性阻抗控制已愈显重要。因此，用于上述不同产品的网状接地面上的传输线路也面临特性阻抗控制的问题。然而，在网状接地面上的传输线路，其特性阻抗设计的考虑有别于一般在实心接地面上的特性阻抗控制，除了必须考虑传输线宽度、传输线厚度、介电材料厚度以及介电系数以外，网状接地面的网格大小、网线宽度、网线几何形状设计以及传输线路与网状接地面网格的相对位置都会影响特性阻抗。

目前一些相关的专利只针对网格大小、网线宽度作探讨，至于线路与网状接地面的相对位置关系鲜少有人作深入探讨。如台湾专利公报公告第427584号“具改良阻抗特征之接地挠性印刷电路板”新型专利案，其提出的一种技术内容如其权利要求1所述(请参见图9和10所示)：

“一种扁平可挠电缆1，包括：

长形可绕绝缘基板2；

多数信号导体3纵向延伸于绝缘基板2的至少一面；以及

接地栅极4，位于绝缘基板2上，该接地栅极4具有不规则几何图型。”

前述的接地栅极4即为一网格形式，该专利进一步定义该网格形状为不规则形状。经参阅前述专利的说明书内容可知，其是利用不规则形状的网格以消除传输线路与网状接地面的相对位置所可能造成的特性阻抗变异。然而，不规则形状的网格无法利用线路布局软件进行自动布线，故在设计实务上有其困难，而且耗费人力时间。

由上述可知，基于结构强度的增进与达成特性阻抗的控制，在电路板的一面上形成有网状接地面为已知技术，但现有技术未考虑电路板上传输线路与网状接地面的相对位置可能造成特性阻抗变异的因素，或提出的解决方案有缺陷难行之处，故有待进一步检讨，并谋求可行的解决方案。

发明内容

本发明要解决的主要问题是提供一种实现容易且可获致理想特性阻抗的具网状接地面的多层电路板特性阻抗控制方法。

本发明要解决的另一个问题是提供一种具网状接地面的多层电路板，该多层电路板对于传输线的对位偏差不敏感，而具有理想的阻抗特性。

为了解决上述问题，本发明的方法包括下列步骤：

在多层电路板上至少形成网状接地面层及传输线路层，该网状接地面层由数个对称形状且作矩阵排列的网格组成；

所述网状接地面层上各网格的纵对角线与电路板的长度方向平行；

传输线路层上各传输线与纵对角线平行，且使该传输线中心与纵对角线的距离为两相邻网格交点距离d的特定比率。

所述网状接地面层的网格形状可为正方形、菱形、多角形、圆形或椭圆形等对称的几何形状。

相应地，本发明的多层电路板包括：

第一绝缘层，为扁长形的可挠构造；

网状接地面层，形成于所述第一绝缘层的底面，由数个且呈对称形状的金属网格组成，各网格的纵对角线分别与第一绝缘层的长度方向平行；

传输线路层，由至少一条传输线构成，其形成于第一绝缘层的表面，该传输线与纵对角线平行，且其二者的距离为两相邻网格交点距离d的特定比率。

所述传输线中心与纵对角线的距离为d/2。

所述传输线中心与纵对角线的距离为d/4。

所述传输线路层包括数个传输线，每一传输线中心与纵对角线的距离为d/2或d/2的整数倍。

所述传输线路层包括数个传输线，每一传输线中心与纵对角线之距离为d/4或d/4的奇数倍。

所述第一绝缘层表面形成有第二绝缘层，并覆盖其上的传输线路层。

所述第二绝缘层上进一步形成有第二网状接地面层，由数个且呈对称形状的金属网格组成，各网格的纵对角线分别与第二绝缘层的长度方向平行；又传输线路层上的传输线与纵对角线平行，且其二者的距离为两相邻网格交点距离d的特定比率。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

由于传输线被定义在多层电路板的特定位置上，且传输线在该位置上的特性阻抗值稳定性最高，换言之，对于制程中传输线的对位偏差较不敏感，因而可获致稳定而理想的特性阻抗值。

附图说明

图1是本发明第一较佳实施例的平面图；

图2是本发明第一较佳实施例的剖视图；

图3是本发明第二较佳实施例的剖视图；

图4是本发明第一较佳实施例中传输线单位长度的电感值曲线图；

图5是本发明第一较佳实施例中传输线单位长度的电容值曲线图；

图6是本发明第一较佳实施例中传输线在横轴上不同位置的特性阻抗曲线图；

图7是本发明第三较佳实施例的平面图；

图8是本发明第三较佳实施例中传输线在横轴上不同位置的特性阻抗曲线图；

图9是台湾专利公报公告第427584号新型专利案的平面图；

图10是台湾专利公报公告第427584号新型专利案的局部放大图。

【主要组件符号说明】

10：第一绝缘层        20、20’：网状接地面层

21、21’、22：网格    30：传输线路层

31：传输线            40：第二绝缘层

具体实施方式

如图1和2所示，本发明的多层电路板包括：

第一绝缘层10，为扁长形的可挠构造；

至少一个网状接地面层20，于本实施例中，是于前述第一绝缘层10的底面形成网状接地面层20，该网状接地面层20由数个且呈对称形状的金属网格21组成，在本实施例中，各网格21为正方形，除此以外，其可为菱形、多角形、圆形或椭圆形等对称的几何形状。再者，各网格21的纵对角线Y分别与第一绝缘层10的长度方向平行；

传输线路层30，由至少一条传输线31构成，其形成于第一绝缘层10的表面，该传输线31与纵对角线Y平行，且其二者的距离为两相邻网格交点距离d的特定比率。一般多层电路板上的传输线路层30多半由数个传输线31组成，在此状况下，各传输线31与选定纵对角线Y的距离依序为d/2、d/2的整数倍，或d/4或d/4的奇数倍(其定义与具体工作原理在后面详述)。

第二绝缘层40，形成于第一绝缘层10的表面，并覆盖其上的传输线路层30。

由上述可知，本发明一个较佳实施例的具体构造，除前述实施例所揭示的结构型态外，本发明的结构可为另种实施型态，请参见图3所示，揭示有本发明第二实施例的具体构造，其整体构造与前一实施例大致相同，不同之处在于第二绝缘层40表面进一步形成第二网状接地面层20’，该第二网状接地面层20’仍由数个且呈对称形状的金属网格(图中未示)组成，各网格的纵对角线分别与第二绝缘层40的长度方向平行，该第二网状接地面层20’上各网格与传输线路层30上各传输线31的关系与前述网状接地面层20相同，意即传输线31与网格的纵对角线平行，且其二者的距离为两相邻网格交点距离d的特定比率。

由上述说明可了解本发明两具体实施例的详细构造，至于该等实施例中传输线31在定义在多层电路板的特定位置上，以获致理想的特性阻抗控制，其定义方式及原理详述如后：

如前面所述的传输线其特性阻抗Z0在无损耗的情况下，可由传输线的单位长度的电感(L)与单位长度的电容(C)得出，其关系式为：

$Z_0=\sqrt{L/C}.$

在电路设计上，常用二维特性阻抗仿真软件或是近似计算公式来估计某种特殊叠板结构下传输线路的特性阻抗，譬如

$Z_0=\frac{199.9}{\sqrt{2({\mathrm{\ϵ}}_r+1)}}\left[\ln (4(h/w)+\sqrt{16(h/w)+\sqrt{16{(h/w)}^2+2}})\right]$

这些现有的设计工具均是假设接地面为实心，且传输线上任意位置的剖面结构一致，不随距离远近而改变。然而，当传输线路层所对应的接地面为网状时，传输线上任意位置的剖面结构即随距离远近而随时在改变。当网格尺寸远小于传输线宽度时，可以接地面遮蔽率多寡来估计特性阻抗升高的幅度，仅需将二维阻抗软件及近似计算公式求出的阻抗值乘上一个与遮蔽率有关的参数即可。

但是，当接地面的网格大到与传输线宽度接近甚至超过传输线宽度时，影响特性阻抗的因素就不再只是遮蔽率的问题，还加入了传输线与网格间彼此对位的关系。

由于不同的对位关系会造成接地面上的信号回流路径改变，因此无法使用一般的二维阻抗设计软件或是文献上所提供的计算公式作设计，而必须藉助3D电磁场仿真软件的协助及实作的验证以建立设计数据库来辅助设计。

在前述实施例中，是采用网状接地面，以正方形网格为例，传输线31的方向与网格21纵对角线Y平行(如图1所示)，今若定义网格21在横轴X上与相邻网格21’的交点距离为d。则将传输线31以已定义的纵对角线Y为原点往横轴X的正值方向移动，可发现每隔d/2的距离适与相邻网格21’的纵对角线重叠，亦即传输线31在横轴X上相对位置变化的周期为d/2(＝0.5×d)。经由3D电磁场仿真软件的分析，可得随着d/2周期变化的传输线，其单位长度的电感值L如图4所示，单位长度的电容值C则如图5所示。

如前面所述，传输线的特性阻抗Z0在无损耗的情况下为 因此得到特性阻抗随着横轴X上坐标的周期变化状况如图6所示，由第五图观察，特性阻抗在传输线31与网格21交点重叠时(横轴X上坐标等于0.5d的整数倍)，其特性阻抗值最高；而当传输线31位置与相邻两网格21交点的距离为等距时(横轴X上坐标等于0.25d的奇数倍)其特性阻抗值最低，根据3D电磁场仿真软件的分析，传输线31在前述的两种位置时，阻抗值对横轴X变化的斜率为零，其意味着当传输线31被定义在此两种特殊位置上时，其特性阻抗对于线路位置的稍微对位偏差较不敏感，从而可获致最稳定的阻抗值。

再如图7所示，揭示有本发明再一较佳实施例，不同之处在于该网状接地面层20中的网格22为圆形，先定义一个纵对角线Y，其由各网格22的直径方向通过且平行于多层电路板的长度方向，又定义以前述纵对角线Y为原点的横轴X；如将传输线31由横轴X轴原点往正值方向移动，也可发现该传输线31在每隔d/2的距离处适与相邻网格22的纵对角线重叠，由于传输线31在横轴X位置上的变化周期为d/2(＝0.5×d)。同样的，透过3D电磁场仿真软件的分析(如图8所示)，特性阻抗在传输线31与网格22交点重叠时(横轴X上坐标等于0.5d的整数倍)，其特性阻抗值最高；而当传输线31位置与相邻两网格22交点的距离为等距时(横轴X上坐标等于0.25d的奇数倍)其特性阻抗值最低，换言之，传输线31在前述的两种位置时，阻抗值对横轴X变化的斜率为零，其依然意味着当传输线31被定义在此两种特殊位置上时，其特性阻抗对于线路位置的稍微对位偏差较不敏感，从而可获致最稳定的阻抗值。

如前面所述，网状接地面层的网格形状不限前述实施例所举例的正方形及圆形，只要是对称的几何形状均具备相同的特性，而至少涵盖如正方形、菱形、多角形、圆形、椭圆形等形状。

由上述可知，在电路板的一面上形成有网状接地面，以增进结构强度或达成特性阻抗控制为已知技术，但现有技术未考虑电路板上传输线路与网状接地面的相对位置可能造成特性阻抗变异的因素，或提出的解决方案在实际的线路设计存在困难，而本发明提出的多层电路板及其特性阻抗控制技术，将传输线定义在多层电路板的特定位置上，使传输线的特性阻抗在该位置上时对于对位偏差的敏感度较低，从而可获致理想的特性阻抗控制，并解决现有技术的瓶颈。由此可见，本发明确己具备突出的技术特征且非显而易见，故已符合发明专利要件，依法提出申请。

Claims (10)

1.一种具网状接地面的多层电路板特性阻抗控制方法，包括下列步骤：

在多层电路板上至少形成网状接地面层和传输线路层，该网状接地面层由数个对称形状且作矩阵排列的网格组成；

所述网状接地面层上各网格的纵对角线与电路板的长度方向平行；

传输线路层上各传输线与纵对角线平行，且使该传输线与纵对角线的距离为两相邻网格交点距离d的特定比率。

2.如权利要求1所述的具网状接地面的多层电路板特性阻抗控制方法，该网状接地面层的网格形状为正方形、菱形、多角形、圆形或椭圆形等对称的几何形状。

3.一种具网状接地面的多层电路板，包括：

第一绝缘层，为扁长形的可挠构造；

网状接地面层，形成于所述第一绝缘层的底面，由数个且呈对称形状的金属网格组成，各网格的纵对角线分别与第一绝缘层的长度方向平行；

传输线路层，由至少一条传输线构成，其形成于第一绝缘层的表面，该传输线与纵对角线平行，且其二者的距离为两相邻网格交点距离d的特定比率。

4.如权利要求3所述的具网状接地面的多层电路板，该传输线中心与纵对角线的距离为d/2。

5.如权利要求3所述的具网状接地面的多层电路板，该传输线中心与纵对角线的距离为d/4。

6.如权利要求3所述的具网状接地面的多层电路板，该传输线路层包括数个传输线，每一传输线中心与纵对角线的距离为d/2或d/2的整数倍。

7.如权利要求3所述的具网状接地面的多层电路板，该传输线路层包括数个的传输线，每一传输线中心与纵对角线的距离为d/4或d/4的奇数倍。

8.如权利要求3至7所述的任意一种具网状接地面的多层电路板，该第一绝缘层表面形成有第二绝缘层，并覆盖其上的传输线路层，该第二绝缘层上进一步形成有第二网状接地面层，该第二网状接地面层由数个且呈对称形状的金属网格组成，各网格的纵对角线分别与第二绝缘层的长度方向平行；又传输线路层上的传输线与纵对角线平行，且其二者的距离为两相邻网格交点距离d的特定比率。

9.如权利要求3至7所述的任意一种具网状接地面的多层电路板，该网状接地面层的网格形状为正方形、菱形、多角形、圆形或椭圆形等对称的几何形状。

10.如权利要求9所述的具网状接地面的多层电路板，该第一绝缘层表面形成有第二绝缘层，并覆盖其上的传输线路层，该第二绝缘层上进一步形成有第二网状接地面层，该第二网状接地面层由数个且呈对称形状的金属网格组成，各网格的纵对角线分别与第二绝缘层的长度方向平行；又传输线路层上的传输线与纵对角线平行，且其二者的距离为两相邻网格交点距离d的特定比率。

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