CN101752640B - 用于传输高频信号的载体及载体布线方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种用于传输高频信号的载体及载体布线方法，所述载体是包括基材及形成于所述基材的信号导线与参考平面，所述载体布线方法是依所传输的所述高频信号而定义所述载体的阻抗与厚度，并依所述阻抗与所述厚度定义布线参数，而所述布线参数包括在所述信号导线上形成导电层、在所述参考平面与所述信号导线之间形成共面波导、在所述信号导线形成粗糙部、在所述信号导线形成缩减部、以及所述基材选用高正切损失基材，根据所定义的所述布线参数进行布线，以提升所传输的所述高频信号的损失。
Description
技术领域
本发明涉及一种信号传输技术，尤指一种用于传输高频信号的载体及载体布线方法。
背景技术
通讯产品的数据传输速度是持续迈向高速化，为了维持高频信号的传输品质，在诸如电路板、排线、可挠性电路板等载体的设计上，线宽均需保持一致，以在信号导线之间传递电子信号时，确保特性阻抗(Characteristic impedance)的整合匹配(matching)。
同时，在不影响高频信号的基本上升时间、下降时间、时钟、抖动与眼图等的要求下，前述通讯产品通常可使用诸如软板(Flexible Printed Circuit Board，Flexible PCB)或软硬结合板(Flex-rigid PCB)等的可挠性电路板做为载体，在所述载体进行布线而形成所述信号传输结构，例如液晶荧幕(LCD)接口、电荷耦合元件(CCD)接口、周边装置元件互连(PCI，Peripheral ComponentInterconnect)接口、万用串列汇流排(USB)接口、串列周边接口(Serial PeripheralInterface，SPI)接口、IC连线汇流排(Inter-integrated Circuit，I2C)接口、音频编码(Audio Codec)接口、区域网路(LAN)接口、进阶技术附加(AdvancedTechnology Attachment，ATA)接口等接口则可经由前述信号传输结构传输高频信号至所述载体。
基于前述载体的信号传输结构在结合接口时会有产生噪声的问题，前述专利技术是以降低信号损失为设计理念。而且，一般来说是采取抑制信号衰减的对策，来解决高频噪声所引发的问题，而以往抑制信号衰减的对策不外乎通过电路技术的补偿(或补正)方法、或者是选择使用比较不容易造成信号衰减的材料。相关的专利技术例如有台湾专利证书第I229497号发明专利、台湾专利证书第I246251号发明专利。
以传输电路的特性而言，高频成分本来就比较容易衰减，而通过电路设计技术可加以补正。例如，在接收端的波形补正电路，刻意去衰减接收信号的低频成分，如此一来，信号的衰减就会一致化，解除波形失真的问题。当然，信号的振幅既然变小，就必须再仰赖后段的信号放大器，而补正电路的输入阻抗也必须匹配特性阻抗，避免造成波形信号品质的恶化。
举例来说，现有技术是在信号传输端与接收端之间加入低通滤波器(low-pass filter)，以滤除高频噪声。
但是，低通滤波器会让晶片面积大幅增加，且在制程变异下，诸如延迟单元的延迟时间难以控制也缺乏弹性。同时，由于电容与电阻在集成电路中所占面积较大，却也是滤波器必备的元件，因此低通滤波器将无可避免的大幅增加晶片面积。而且，延迟单元的延迟时间则会因制程变异而产生误差，此种误差是设计时难以掌控的，如此一来，不但可能影响效能，甚至可能影响系统稳定性。此外，在这样的设计下，延迟时间是固定而缺乏弹性的，对于不同频率的输入信号，将有可能与此延迟时间无法配合，而对系统稳定性造成影响。
再者，选择使用比较不容易造成信号衰减的材料做为基材时，较低的介电常数与较小的介电损失虽然可抑制高频信号的损失；然而，此种基材有着使用数量较少且价格较贵的劣势。因此，选用低损失基材时，无论是价格与产品交期均为有待仔细评估的课题。
由上可知，现有技术具有诸多问题，因此，如何提出一种改善载体的信号传输的技术，以避免现有技术中的种种缺失，实为目前欲解决的技术问题。
发明内容
鉴于上述现有技术的缺点，本发明的一目的在于提供一种用于传输高频信号的载体及载体布线方法，提升高频损失。
本发明的另一目的在于提供一种用于传输高频信号的载体及载体布线方法，提供设计弹性。
为达成上述目的及其他目的，本发明提供一种具有用于传输高频信号的载体，所述载体包括基材及形成于所述基材的信号导线与参考平面，所述载体具有以下的至少一种特征：设于所述信号导线上的导电层、形成于所述参考平面与所述信号导线间的共面波导、设于所述信号导线的粗糙部、设于所述信号导线的缩减部、以及所述基材为高正切损失基材，以提升高频信号损失。
本发明还提供一种用于传输高频信号的载体布线方法，包括：依所传输的所述高频信号而定义所述载体的阻抗与厚度；依所述阻抗与所述厚度定义布线参数，其中所述载体包括基材及形成于所述基材的信号导线与参考平面，而所述布线参数是选自以下的至少其中一种特征：在所述信号导线上形成导电层、在所述参考平面与所述信号导线之间形成共面波导、在所述信号导线形成粗糙部、在所述信号导线形成缩减部、以及所述基材选用为高正切损失基材；以及根据所定义的所述布线参数进行布线，以提升所传输的所述高频信号的损失。
前述的用于传输高频信号的载体及载体布线方法中，所述导电层可为镍层或其他导电系数差的金属材料层。所述粗糙部设于所述信号导线至少其中一表面，其中，所述粗糙部满足公式σc＝σ/Kw2，Kw＝1+exp(-(s/2h)1.6)，其中σ为导电系数，h为粗糙度，s为集肤深度。所述缩减部的截面积满足公式s＝(π×f×u×σc)(-1/2)，其中f为频率，u为导磁系数，所述缩减部设于所述信号导线的至少一侧。所述电路板中信号的单位损失(R)满足公式R＝σc/(w×s)，其中σ为导电系数，w为线宽，w×s为截面积。所述基材为有机玻璃纤维(FR4)基材。所述载体选自电路板、排线、可挠性电路板所组成群组其中之一。
再者，在前述的载体布线方法中，在依所述阻抗与厚度定义布线参数的步骤中，所述载体为电路板时，可评估设计所需的板厚。同时，可进行表面处理步骤，以在所述信号导线上设置形成所述导电层，其中，可采用电镀及喷镀的其中一种进行表面处理。此外，可进行化镍金(ENIG)制程，以增加所述导电层的厚度。
相较于现有技术，本发明设计采用提升高频损失的方式，而不需如现有技术使用低通滤波器来滤除高频噪声，由此提升高频损失来解决有关高频噪声的问题。同时，应用本发明的技术时，可依载体特性选用不同设计，相对具有设计弹性。
附图说明
图1是本发明用于传输高频信号的载体的第一实施例的示意图；
图2是本发明进行载体的迭构设计的流程示意图；
图3是本发明用于传输高频信号的载体的第二实施例的示意图；
图4是图3的布线示意图；以及
图5是本发明用于传输高频信号的载体的一变化例的示意图。
附图标记说明：1-载体；11-基材；13-参考平面；15、15’、15”-信号导线；151-粗糙部；153-缩减部；17-导电层；19-通孔；D1、D2、D3-间距；H、H1-高度；T-厚度；W1、W2、W3、W4-宽度。
具体实施方式
以下是通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，所属技术领域中具有通常知识者可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。
请参阅图1及2，是依本发明用于传输高频信号的载体的第一实施例所绘制的示意图。如图1所示，本实施例的载体1包括基材11、及设于所述基材11的参考平面13与信号导线15，所述参考平面13与所述信号导线15则构成一信号传输结构。
应注意的是，本实施例的载体1以及其他实施例的载体1皆可应用于通讯产品的电路板、排线、可挠性电路板，前述可挠性电路板可为软板(FlexiblePrinted Circuit Board，Flexible PCB)、软硬结合板(Flex-rigid PCB)、或其他等效电路板。
所述基材11为高正切损失(Tangent Loss，tanδ)基材，例如可为有机玻璃纤维(FR4)基材或其他高正切损失基材。
所述参考平面13是设于所述基材11表面，且可为电源平面、接地平面或其他平面。在本实施例中，所述信号传输结构至少包括所述参考平面13与所述信号导线15，而所属技术领域中具有通常知识者应知，所述信号传输结构并非局限于本实施例所述。
所述信号导线15是设于所述基材11表面，且具有粗糙部151以及宽度W1。在本实施例中，所述粗糙部151是设于所述信号导线15的两侧表面，由此，增加所述信号导线15的粗糙度(roughness)。如此，可降低材料于高频时的导电性，提升高频损失。当然，在其他实施例中，也可设于所述信号导线15的其中一表面。
同时，在本实施例中可采用共面波导(coplanar waveguide)结构，减少同一层面的信号导线15与参考平面13的间距(D1)。表面电流密度越高，高频损失越大，此种结构可大幅增加表面电流密度。
在进行诸如电路板的载体的迭构设计时，如图2所示，可如步骤101先取得阻抗设计参数与制程参数，其中，所述阻抗设计参数例如可为介电常数(DK)、耗散因数(dissipation factor，DF)、相对应板材厚度、或其他电路板厂所需考量的阻抗设计参数，所述制程参数可为例如线宽、线距、镍层厚度、粗糙度、总板厚、或其他电路板厂所需考量的制程参数。其中，制程参数包括布线参数。
在步骤103中，依所述所传输的所述高频信号而定义所述载体1的阻抗与厚度。在本实施例中，所述载体1是应用于通讯产品，可依通讯产品的需求决定前述阻抗与厚度；当所述载体1为电路板时，在此是评估设计所需的板厚。
在步骤105中，依所述阻抗与所述厚度定义布线参数，由此评估设计所需的迭构。在本实施例中，可使用阻抗计算软件来评估所需的迭构，例如包括输入线宽、线距、DK、高度、以及距离等布线参数来计算阻抗，也即，所述布线参数可包括以下的至少其中一种特征：在所述信号导线15上形成导电层17、在所述参考平面13与所述信号导线15之间形成共面波导、在所述信号导线15形成粗糙部151、在所述信号导线15形成缩减部(容后陈述)、以及所述基材11选用高正切损失基材，以提升高频信号损失。所述阻抗计算软件可为例如英国POLAR公司所提供的阻抗计算软件，但并非局限于此。
在依所述阻抗与所述厚度定义布线参数的步骤中，可考虑例如以下的设计公式：
(1)σc＝σ/Kw2
Kw＝1+exp((-(s/2h)1.6))
其中，h为粗糙度，s为集肤深度(Skin Depth)。
(2)R(单位损失)＝σc/(w×s)
其中，σ为导电系数，w为线宽，w×s为截面积。
(3)s＝(π×f×u×σc)(-1/2)
其中，f为频率，u为导磁系数。
(4)V＝IR。
其中，V为电压，I为电流，R为电阻。表面电流密度越高，高频损失越大。
(5)γ＝jω(με‘(1-jtanδ))1/2。
其中，tanδ为正切损失，正切损失越大，高频损失越大。
在本实施例中，是例如由前述公式(1)、(2)、以及(3)增加所述信号导线15的粗糙度，根据所定义的所述布线参数进行布线，以提升所传输所述高频信号的损失。所属技术领域中具有通常知识者皆知，由于集肤效应(SkinEffect)的影响，越高频的信号，电流会越集中于信号导线的表面，所述信号导线表面的粗糙度会产生如同阻抗般的作用，以相同材质的载体而言，信号频率越高，以粗糙度较高的信号导线来传播电流时，信号损失就越大。
在步骤107中，是确认前述迭构(布线参数)是否符合制程需求。若前述迭构符合制程需求，则结束迭构设计；若前述迭构不符合制程需求，则回到步骤105，再次评估设计所需的迭构。在依所述阻抗与所述厚度定义所述布线参数后，依所定义的所述布线参数进行布线，以提升所传输所述高频信号的损失。
在本实施例的载体布线方法中，是先在所述基材11设置所述信号传输结构，所述信号传输结构至少包括所述参考平面13与所述信号导线15，且所述信号导线15设有所述粗糙部151。同时，前述方法中，由于所述参考平面13与所述信号导线15位于同一层面，故形成共面波导于所述参考平面13与所述信号导线15之间；换言之，在本实施例中，是例如由前述公式(4)来提高表面电流的密度，由此也可增加高频损失，并且通过满足例如公式(5)使正切损失越大，而进一步令高频损失越大。当然，虽本实施例中是设计同时具有所述粗糙部151、共面波导、与正切损失大的信号传输结构，但在其他实施例中也可设置择一或设置一种以上的结构，而非局限于此。
请参阅图3及4，为依本发明的第二实施例所绘制的示意图，其中与第一实施例相同或类似的元件是以相同或类似的元件符号表示的，并省略详细的说明。
相较于第一实施例(如图1所示)，第一实施例的信号导线15与参考平面13之间具有间距(D1)，即，所述导电层17距离同层的参考平面13的距离为间距D1，而所述信号导线15的宽度为W1，第二实施例的信号导线15’与参考平面13之间具有间距D2，而所述信号导线15’的宽度为W2，其中间距D1小于间距D2，而宽度W1大于宽度W2。
如图3所示，所述信号导线15’可选择设置缩减部153。在本实施例中，所述缩减部153是设于所述信号导线15’的相对两侧，而且位于所述信号导线15’的宽度方向，使第一实施例中所述信号导线15的宽度W1大于第二实施例中所述信号导线15’的宽度W2；但在其他实施例中，所述缩减部153也可设于所述信号导线15’的所有侧边，也即，位于所述信号导线15’的宽度方向与厚度方向，使所述信号导线15的宽度W1与厚度均大于所述信号导线15’的宽度W2与厚度。因此，在本实施例中是可例如由前述公式(3)来减少信号导线的宽度及/或厚度；换言之，只要所述缩减部153是设于所述信号导线15’的至少一侧，由此减少电流流过的截面积，以提升损失，即适用于本实施例。
同时，可进行表面处理步骤。例如，可在所述信号导线15’上设置形成导电层17。在本实施例中，是采用诸如电镀或喷镀的方式，在所述信号导线15’以及所述参考平面13上镀上诸如镍的材料，使所述导电层17全面覆盖所述信号导线15’以及所述参考平面13，而所述信号导线15’与所述参考平面13之间并无所述导电层17，且是形成诸如镍层的导电层17；当然，也可形成其他导电系数差的导电层，例如铝层或其他以导电系数差的金属所形成的导电层，且并非以单一材料形成所述导电层17，所述导电层17也可为合金层，而形成所述导电层17则可为任何现有的制程，均非局限于本实施例中所述。而且，如欲增加所述导电层17的厚度，可进行例如化镍金(Electroless Ni andImmersion Gold，ENIG)制程；如此一来，同时可以保护载体的表面，省略后续的防焊处理。
此外，如图4所示，由布线示意图来看，所述信号导线15’具有宽度W2的线宽，间距D2为线距，所述参考平面13中尚有诸如通孔19的结构，但应知各所述通孔19的设置位置并非局限于本实施例所示。
当然，本发明还可以有其他变化，例如组合至少其中一种前述布线参数。如图5所示，所述导电层17也可全面覆盖信号导线15”、所述参考平面13、以及所述基材11表面。同时，如图所示，所述基材11的高度为H；所述参考平面13与所述信号导线15”间的间距为D3；所述信号导线15”具有厚度T，且呈例如梯形，即，上表面具有宽度W3以及下表面具有宽度W4，且宽度W3小于宽度W4；所述导电层17的高度为H1。间距D3可选择小于前述间距D1与间距D2。
换言之，在制程中，定义前述高度H、高度H1、间距D3(间距D1、间距D2)、厚度T、宽度W3(宽度W1、宽度W2、宽度W4)、介电常数、以及预估的阻抗，即可使用阻抗计算软件评估所需的迭构。其中，厚度T也会影响截面积，也即截面积公式可为w×T-(w-2s)(T-2s)＝2s(w+T)-4s2，其中s是集肤深度。
举例来说，根据下表所示，可利用诸如minitab质量统计软件的分析软件得到以下数据。
| 间距D1(mils) | 导电层厚度(H1) | 900MHz下的传输损失(dB) | 900MHz下的电场(E-Field)(dB) |
| 2.4 | 0.15 | -1.01 | 2.0141 |
| 3 | 0.0 | -0.28 | 3.8875 |
| 3 | 0.1 | -0.84 | 3.6922 |
| 3 | 0.2 | -0.88 | 3.2305 |
| 4.5 | 0.08 | -0.63 | 5.0483 |
| 4.5 | 0.15 | -0.68 | 5.3633 |
| 4.5 | 0.22 | -0.72 | 5.0638 |
| 6 | 0.0 | -0.31 | 6.5087 |
| 6 | 0.1 | -0.62 | 6.0139 |
| 6 | 0.2 | -0.69 | 6.8932 |
| 6.6 | 0.15 | -0.65 | 7.0628 |
由上表可知，在形成有所述导电层17(镀镍或其他低导电系数金属)的实施态样下，只要距离同层参考地平面距离(即间距D1)，均能大幅增加传输损失，且不会额外增加此信号传输结构所产生的辐射。同时，在例如间距均为3时，所述导电层17的厚度H1从0.1mils增加至0.2mils的情况下，能增加的传输损失有限，必须搭配较小的间距才能使效果更明显。
由上可知，前述实施例中，只要选择至少一公式(布线参数)来设计信号传输结构，即可达成增加高频损失的目的，且也可选择结合不同的公式，而非局限于各实施例中所述。例如，可同时采用表面处理步骤来增加导电层厚度(导电系数差的导电层可提升损失)以及减少信号导线的厚度与宽度(减少电流流过的截面积，以提升损失)；或者，可同时采用共面波导(减少同一层面的信号导线与参考平面的距离)以及减少信号导线的厚度与宽度(减少电流流过的截面积，以提升损失)。同时，由于前述改变为所属技术领域中具有通常知识者可理解并据以实施者，故在此省略对应的图式与相关说明。
以上实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何所属技术领域中具有通常知识者均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由后述的申请专利范围所涵盖。
Claims (8)
1.一种用于传输高频信号的载体，包括基材及形成于所述基材上且位于同一层面的信号导线与参考平面，其特征在于，所述载体具有以下特征：设于所述信号导线上的导电层、所述信号导线的至少其中一表面具有粗糙部、以及所述基材为高正切损失基材，以提升高频信号损失，其中所述粗糙部满足公式σc＝σ/Kw2，Kw＝1+exp(-(s/2h)1.6)，σ为导电系数，h为粗糙度，s为集肤深度，所述载体中信号的单位损失R满足公式R＝σc/(w×s)，其中σ为导电系数，w为线宽，w×s为截面积，σc为高频信号在粗糙部传输时的导电系数，所述信号导线具有厚度T，所述厚度满足截面积公式w×T-(w-2s)(T-2s)＝2s(w+T)-4s2。
2.根据权利要求1所述的用于传输高频信号的载体，其特征在于，所述导电层为镍层，所述基材为有机玻璃纤维基材，所述载体为电路板、排线、可挠性电路板所组成群组的其中之一。
3.根据权利要求1所述的用于传输高频信号的载体，其特征在于，更包含设于所述信号导线的至少一侧的缩减部，所述缩减部满足公式s＝(π×f×u×σc)(-1/2)其中f为频率，u为导磁系数，σc为高频信号在粗糙部传输时的导电系数，s为集肤深度。
4.一种用于传输高频信号的载体布线方法，其特征在于，包括：
依所传输的所述高频信号而定义所述载体的阻抗与厚度；
依所述阻抗与所述厚度定义布线参数，其中所述载体包括基材及形成于所述基材上且位于同一层面的信号导线与参考平面，而所述布线参数具有以下特征：在所述信号导线上形成导电层、在所述信号导线的至少其中一表面制作粗糙部、以及所述基材选用高正切损失基材，其中所述粗糙部满足公式σc＝σ/Kw2，Kw＝1+exp(-(s/2h)1.6)，σ为导电系数，h为粗糙度，s为集肤深度，所述载体中信号的单位损失R满足公式R＝σc/(w×s)，其中σ为导电系数，w为线宽，w×s为截面积，σc为高频信号在粗糙部传输时的导电系数，所述信号导线具有厚度T，所述厚度满足截面积公式w×T-(w-2s)(T-2s)＝2s(w+T)-4s2；以及
根据所定义的所述布线参数进行布线，以提升所传输所述高频信号的损失。
5.根据权利要求4所述的用于传输高频信号的载体布线方法，其特征在于，所述载体为电路板、排线、可挠性电路板所组成群组的其中之一，在依所述阻抗与厚度定义布线参数的步骤中，所述载体为电路板，并且评估设计所需的板厚。
6.根据权利要求4所述的用于传输高频信号的载体布线方法，其特征在于，还进行表面处理步骤，以在所述信号导线上设置形成所述导电层。
7.根据权利要求4所述的用于传输高频信号的载体布线方法，其特征在于，还进行化镍金制程，以增加所述导电层的厚度。
8.根据权利要求4所述的用于传输高频信号的载体布线方法，其特征在于，所述布线参数还具有以下特征：在所述信号导线的至少一侧制作缩减部，其中，
所述缩减部满足公式s＝(π×f×u×σc)(-1/2)，其中f为频率，u为导磁系数，s为集肤深度，σc为高频信号在粗糙部传输时的导电系数。
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