CN101212860A - 电磁能隙结构及具该电磁能隙结构的多层印刷电路板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁能隙结构及具该电磁能隙结构的多层印刷电路板，此电磁能隙结构包括接地平面、导电区块及连通柱。导电区块概呈矩形，具有中心端，以及呈螺旋状且自中心端向外扩展的导电走线。导电区块设置于接地平面的上方，且通过连通柱连接至导电区块的中心端与接地平面。本发明除了可达到地弹噪声抑制，也能节省电磁能隙结构所需的布线空间，且能更弹性设计所需抑制的特定频率噪声。

Description

电磁能隙结构及具该电磁能隙结构的多层印刷电路板

技术领域

本发明涉及一种印刷电路板，尤其涉及一种电磁能隙结构及具该电磁能隙结构的多层印刷电路板。

背景技术

随着电路设计日趋高速、小体积、低电压等趋势发展，印刷电路板上，接地弹跳噪声(Ground Bounce Noise；GBN)(简称地弹噪声)效应对系统的影响愈加显著，相对地，抑制地弹噪声效应于高频数字电路设计上变得重要且必须。习知技术已有提出各种方法应用于印刷电路板中，以抑制地弹噪声效应。其方法包括有于噪声源四周增设去耦合电容，以形成电容墙保护；或者是，在电源平面间切割一矩形狭缝，以形成隔离的效果等等。

传统在多层电路板中，为了抑制电源层与接地层之间的地弹噪声，主要方式是加去耦合电容于电源层与接地层之间。但是加去耦合电容的方式将会因为其等效电感的特性，而限制其有效频段。然而，因应于高频数字电路设计上，朝向更高速、更高频的设计趋势，进而提出有利用电磁能隙结构来抑制高频段的电源层与接地层之间的地弹噪声。

现有的电磁能隙结构主要有下列两种方式：电源层切割设计和矩形阵列式信号层隔绝设计。然而，在电源层切割设计上，由于必须切割电源层，因此会造成较大的电压损失，并且由于信号线须跨越电源层，因此也会微幅影响到信号本身的质量。而在矩形阵列式信号层隔绝设计上，需占据较大的信号层空间，相当浪费布线空间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种电磁能隙结构及具该电磁能隙结构的多层印刷电路板，借以解决现有技术所揭露的地弹噪声抑制的问题。

因此，为实现上述目的，本发明所揭露的电磁能隙结构，包括：一接地平面；一导电区块，包括：一中心端；以及一导电走线，呈螺旋状，从该中心端向外扩展；以及一连通柱，连接至该中心端与该接地平面。

导电区块概呈矩形，具有中心端及导电走线。此导电走线呈螺旋状，且自中心端向外扩展。其中，导电区块的边长相应于导电区块的螺旋匝数、导电走线的线宽与导电走线间的线距。

导电区块设置于接地平面的上方，且通过连通柱连接至导电区块的中心端与接地平面。

于导电区块的上方可设置有一电源平面。

此电磁能隙结构可应用于多层电路板上，以抑制电源层与接地层之间的地弹噪声。

导电区块设置于一信号层上，接地平面设置于接地层上，而连通柱则贯穿信号层以连接导电区块与接地层(即，连接导电区块与接地层上的接地平面)。

其中，于信号层上可设置一个导电区块，或是设置多个呈矩形排列的导电区块。并且，多个导电区块分别以所对应的连通柱连接至接地层。

于导电区块的上方可设置有电源层，而电源层上则设置有电源平面。

而且，为实现上述目的，本发明提供一种印刷电路板，包括：一接地层；至少一信号层，位于该接地层上；多个导电区块，位于该信号层中之一上，呈矩形排列，每一该导电区块包括：一中心端；以及一导电走线，概呈螺旋状，从该中心端向外扩展；以及多个连通柱，分别对应于该导电区块，每一该连通柱贯穿该信号层，且连接于所对应的该导电区块的该中心端与该接地层。

综合上述，本发明除了可达到地弹噪声抑制，也能节省电磁能隙结构所需的布线空间，且能更弹性设计所需抑制的特定频率噪声。

有关本发明的特征与实作，兹配合图示作最佳实施例详细说明如下。

附图说明

图1为根据本发明第一实施例的电磁能隙结构的截面图；

图2为于根据本发明的电磁能隙结构中导电区块的第一实施例的俯视图；

图3为于根据本发明的电磁能隙结构中导电区块的第二实施例的俯视图；

图4为根据本发明第二实施例的电磁能隙结构的截面图；

图5为根据本发明第一实施例的印刷电路板的截面图；

图6为根据本发明第二实施例的印刷电路板的俯视图；

图7为根据本发明第三实施例的印刷电路板的截面图；

图8为根据本发明第四实施例的印刷电路板的俯视图；以及

图9为裸板、矩形状电磁能隙结构与螺旋状电磁能隙结构的S21模拟示意图。

其中，附图标记：

110：接地平面

120：导电区块

122：中心端

124：导电走线

130：连通柱

140：电源平面

150：接地层

160：信号层

170：电源层

180：信号走线

d：导电区块的边长

s：导电走线间的线距

w：导电走线的线宽

具体实施方式

以下举出具体实施例以详细说明本发明的内容，并以图示作为辅助说明。说明中提及的符号参照图式符号。

参照图1，为根据本发明一实施例的电磁能隙结构，包括：接地平面110、导电区块120及连通柱130。

导电区块120设置于接地平面110的上方，两者之间以连通柱130连接，连通柱130的结构为贯穿导通孔(Via hole)结构。

请再参照图2，导电区块120具有一中心端122及一导电走线124。其中导电走线124呈螺旋状，且自中心端122向外扩展。连通柱130则连接至接地平面110与中心端122，在此，连通柱130为贯穿导通孔(Via hole)结构，而中心端122也为空心结构但却与连通柱130电性导通。

此导电区块120概呈矩形。其中，导电区块120的边长d相应于导电区块120的螺旋匝数、导电走线124的线宽w与导电走线124间的线距s(即，s部份为切割开的部份，以形成导电走线124)。在一实施例中，导电区块120与导电走线124的关系式可如下列公式：d＝(2N+1)w+2Ns，其中d代表导电区块120的边长、N代表导电区块120的螺旋匝数、w代表导电走线124的线宽，而s代表导电走线124间的线距。

以导电区块120的螺旋匝数为1匝(N＝1)为例(如图2所示)，其导电区块120的边长d等于3倍的导电走线124的线宽w加上2倍的导电走线124间的线距s。

以导电区块120的螺旋匝数为2匝(N＝2)为例(如图3所示)，其导电区块120的边长d等于5倍的导电走线124的线宽w加上4倍的导电走线124间的线距s。

于此虽仅以螺旋匝数为1匝和2匝为例，然本发明并不以此为限，可配合实际需求，调整导电区块的螺旋匝数为任意匝数。

于导电区块120的上方可设置有一电源平面140，如图4所示。

导电区块120与接地平面110形成一电容效应，且此电容效应的电容值相应于导电区块120的面积及导电区块120与接地平面110的距离h。于此，其等效电容值大小如下：

$C1={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\ϵ}}_o\frac{A}{h}$

其中C1为导电区块120与接地平面110之间的等效电容值、ε_γ、ε_o为介电常数、A代表导电区块120的面积，而h代表导电区块120与接地平面110的距离。

导电区块120与电源平面140也会形成一电容效应，且此电容效应的电容值相应于导电区块120的面积及导电区块120与电源平面140的距离。于此，其等效电容值大小如下：

$C2={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\ϵ}}_o\frac{A}{h}$

其中C2为导电区块120与电源平面140之间的等效电容值、ε_γ、ε_o为常数、d代表导电区块120的面积，而h代表导电区块120与电源平面140的距离。

导电区块120与连通柱130形成一电感效应，且此电感效应的等效电感值相应于连通柱130的长度。于此，其等效电感值大小如下：

$L=\frac{1}{2}{L}^{\′}\left(2h\right)$

其中L为导电区块120与连通柱130之间的等效电感值，而h代表导电区块120与电源平面140的距离(即，连通柱130的长度)。

此电磁能隙结构可应用于一多层电路板上，以抑制电源层与接地层之间的地弹噪声。

参照图5，为根据本发明一实施例的电磁能隙结构，包括：导电区块120、连通柱130、接地层150及信号层160。

于图标中虽仅绘制一信号层160，然本发明并不以此为限，可配合实际需求而于接地层150上设置有一层或多层信号层160，而导电区块120则位于其中一信号层160上，并通过连通柱130贯穿信号层160而连接导电区块120与接地层150(即，连通柱130连接导电区块120与接地层150上的接地平面)。

其中，参照图2、图3与图5，每一导电区块120具有一中心端122及一导电走线124。其中导电走线124呈螺旋状，且自中心端122向外扩展。连通柱130分别对应于导电区块120，其贯穿信号层160，以连接所对应的导电区块120的中心端122与接地层150。在此，连通柱130为贯穿导通孔(Via hole)结构，而中心端122也为空心结构但却与连通柱130电性导通。

其中，于信号层160上可设置一个导电区块120，或是设置多个呈矩形排列的导电区块120，如图6所示。

于导电区块120的上方可设置有一电源层170，如图7所示。其中，电源层170上设置有电源平面。

此外，由于电路板上难免有许多信号走线180穿梭其中，在一般的现实情况中，这样会降低其过滤噪声的效果。而本发明可于呈矩形排列的多个导电区块120中间让出一空隙，可以让信号走线180可自呈矩形排列的多个导电区块120的中间穿越，如图8所示，但是对其过滤噪声的效果并不会有受到太大的影响。此螺旋形结构能给予信号走线更大的弹性，而不会像传统的结构对电路板的布线影响甚巨。

一般而言，电磁能隙结构要过滤越低频的噪声所需的面积也要相对变大，请参照图9，为裸板、现有的矩形状电磁能隙结构与本发明的螺旋状电磁能隙结构的S21模拟示意图。其中，——表示裸板的电磁能隙结构的模拟示意图；………表示现有的矩形状电磁能隙结构的模拟示意图；-·-·为本发明的螺旋状电磁能隙结构N＝1的模拟示意图；——表示本发明的螺旋状电磁能隙结构N＝2的模拟示意图。其中，S21为隔离度，由图9可发现，在相同的面积下，螺旋状电磁能隙结构可以抑制的噪声频率可以比传统现有的矩形状电磁能隙结构低很多。其中N＝2螺旋状电磁能隙结构又比N＝1螺旋状电磁能隙结构所能抑制的频率更低，而螺旋状电磁能隙结构相较于矩形状电磁能隙结构更能提供较大的电感，且电容(C1与C2)却不会受到太大的影响。因此，要过滤相同频率的噪声，螺旋状电磁能隙结构可以使用较小的布线面积来达到所需抑制的特定频率噪声。请参照表1，电磁能隙结构厚度1.54mm，ε_γ＝4.4，间隙宽度(gap widh)＝0.4mm，如下：

表1

类型	中心频率(GHz)	尺寸(mm)	缩小尺寸(％)	连通柱直径(mm)	连通柱高度(mm)	FBW
							矩形	2.3	12×12	-	0.8	0.77	58.8％
N＝1	2.3	7.2×7.2	40％	0.8	0.77	38.5％
							N＝2	2.3	3.6×3.6	70％	0.8	0.77	31.6％

由上表1可知，传统矩形类型的矩形阵列式信号层隔绝设计其过滤效果FBW(Frequence Band Width，理论上愈大愈好)虽然较大(58.8％)，但其所占的布线面积也较大，而本发明的螺旋状电磁能隙结构于螺旋匝数N为1时其整体布线面积缩小40％，且效率却仅减少20.3％(58.8％-35.5％)，其整体效率优于传统的矩形阵列式信号层隔绝设计；而于螺旋匝数N为2时，效率会更佳。

如此一来，本发明除了可达到地弹噪声抑制，也能节省电磁能隙结构所需的布线空间，且能更弹性设计所需抑制的特定频率噪声。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的普通技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (12)

1.一种电磁能隙结构，其特征在于，包括：

一接地平面；

一导电区块，包括：

一中心端；以及

一导电走线，呈螺旋状，从该中心端向外扩展；以及

一连通柱，连接至该中心端与该接地平面。

2.根据权利要求1所述的电磁能隙结构，其特征在于，还包括：一电源平面，位于该导电区块的上方。

3.根据权利要求1所述的电磁能隙结构，其特征在于，该连通柱为一贯穿导通孔结构。

4.根据权利要求1所述的电磁能隙结构，其特征在于，该导电区块概呈矩形。

5.根据权利要求4所述的电磁能隙结构，其特征在于，该导电区块的边长的关系式为d＝(2N+1)w+2Ns，其中d代表该导电区块的边长、N代表该导电区块的螺旋匝数、w代表该导电走线的线宽，且s代表该导电走线间的线距。

6.根据权利要求1所述的电磁能隙结构，其特征在于，该中心端为一空心结构且与该连通柱电性导通。

7.一种印刷电路板，其特征在于，包括：

一接地层；

至少一信号层，位于该接地层上；

多个导电区块，位于该信号层中之一上，呈矩形排列，每一该导电区块包括：

一中心端；以及

一导电走线，概呈螺旋状，从该中心端向外扩展；以及

多个连通柱，分别对应于该导电区块，每一该连通柱贯穿该信号层，且连接于所对应的该导电区块的该中心端与该接地层。

8.根据权利要求7所述的印刷电路板，其特征在于，还包括：一电源层，位于该信号层上。

9.根据权利要求7所述的印刷电路板，其特征在于，该该连通柱为一贯穿导通孔结构。

10.根据权利要求7所述的印刷电路板，其特征在于，该导电区块为矩形。

11.根据权利要求10所述的印刷电路板，其特征在于，该导电区块的边长的关系式为d＝(2N+1)w+2Ns，其中d代表该导电区块的边长、N代表该导电区块的螺旋匝数、w代表该导电走线的线宽，且s代表该导电走线间的线距。

12.根据权利要求7所述的印刷电路板，其特征在于，该中心端为一空心结构且与该连通柱电性导通。

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