CN102291929A - 印刷电路板及控制印刷电路板上通孔结构的阻抗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种印刷电路板及控制印刷电路板上通孔结构的阻抗的方法，通过至少两个通孔结构之间或通孔结构与参考结构之间的电介质上设置的非金属化孔或非金属化槽，改变了通孔结构之间通孔结构与参考结构之间的等效介电常数，进而改变了通孔结构的阻抗，同时避免了现有技术因为增加通孔结构到参考结构的距离而对电路板其他线路布线造成的不良影响。达到了在高密度、高功率的印刷电路板上能够控制通孔结构阻抗且不受工艺水平限制的目的。

Description

印刷电路板及控制印刷电路板上通孔结构的阻抗的方法

技术领域

本发明涉及印刷电路板技术，尤其涉及一种印刷电路板及控制印刷电路板上通孔结构的阻抗的方法。

背景技术

印刷电路板中，影响长距离传输信号质量的原因很多，但归根结底是损耗造成的。产生损耗的两个根本因素是传输过程中的介质损耗和阻抗不匹配。

所谓介质损耗，即，由于信号需要在某种绝缘环境如真空、空气或印刷电路板上两个导电层之间的电介质中传输，然而电介质并不是理论上的绝缘体，在实际情况中，尤其在交变信号的作用下，会有部分能量通过电介质回流到信号源，从而使传输中的信号能量受到损失。通常，对同一种介质来说，信号频率越高，介质损耗越大。目前介质损耗的主要解决方法是降低印刷电路板材料的损耗值。

而阻抗不匹配的问题就复杂一些。理论上说，在均匀介质中的结构均匀的长直传输结构才能够保持传输线的阻抗恒定。但在实际的电路设计中，这是不可能实现的，并且除了均匀长直传输结构这一种情况，传输结构的任何变化，如果不加以处理的话，都有可能引起传输线的阻抗变化。在影响信号传输的诸多传输线结构中，有一种结构对信号的影响非常大，这就是通孔结构。如图1A、图1B所示，印刷电路板上设置有两个通孔结构3，通孔结构3的孔壁31上设置有金属。参考结构1与通孔结构3之间、两个通孔结构3之间设置有电介质2。传输线结构中的通孔结构主要包括信号换层过孔和压接元件安装孔。

所谓换层过孔，指的是多层印刷电路板中，连接不同导电层的走线用的内壁镀有金属的孔结构。这种结构的出现是因为印刷电路板中不同位置器件互联的需要。

压接元件安装孔指的是压接元件安装所需要的、内壁镀有金属的孔结构。其中，压接元件不同于插焊器件(插焊器件即将引脚插入安装孔，然后焊接固定的器件)，压接元件安装在电路板上不需要使用焊锡焊接器件引脚，只需通过外部压力将压接元件引脚压入安装孔即可。这样做带来的好处是减少了生产的难度，同时避免了压接元件引脚过长带来尾桩影响信号的问题。所谓尾桩，指的是信号传输通道中无用的分支结构，这些无用的分支结构会使传输到其末端的信号反射到信号传输通道中，从而对有效传输信号造成不良影响。因此，压接元件通常用于需要传输高速信号的场合。

通孔结构由于其属于Z向连接结构(印刷电路板上大部分的互联结构属于XY平面互联结构)，现有技术方案对其进行阻抗控制，通常是控制通孔结构到其参考结构的距离，如图2所示，增加通孔结构3之间及通孔结构3与参考结构1之间的距离，在距离通孔结构适当的位置设置参考结构。其中，参考结构1即系统中的“地”系统。或者修改通孔结构的尺寸，以对通孔结构进行阻抗控制。

前一种方法存在的问题是；不仅需要有足够的空间来设计通孔的参考结构，而且对于压接元件安装孔来说，由于这种方法往往需要在过孔结构和参考结构之间设置较大距离，导致目前高密度、高功率的印刷电路板无法实现。后一种方法的问题是：如果缩小通孔结构的尺寸，则受限于工艺水平而无法实现；且压接元件的安装孔孔径和相对位置是绝对不能更改的，否则器件无法安装。

发明内容

本发明提出一种印刷电路板及控制印刷电路板上通孔结构的阻抗的方法，以达到控制印刷电路板上通孔结构的阻抗且不受工艺水平限制的目的。

本发明提供了一种印刷电路板，包括至少两个通孔结构，其中，所述至少两个通孔结构之间的电介质上设置有非金属化孔或非金属化槽。

本发明还提供了一种印刷电路板，包括通孔结构和参考结构，其中，所述通孔结构与参考结构之间的电介质上设置有非金属化孔或非金属化槽。

本发明还提供了一种控制印刷电路板上通孔结构的阻抗的方法，包括：

在至少两个通孔结构之间的电介质上开设非金属化孔或非金属化槽。

本发明还提供了一种控制印刷电路板上通孔结构的阻抗的方法，包括：

在通孔结构与参考结构之间的电介质上开设非金属化孔或非金属化槽。

本发明提供的印刷电路板及控制印刷电路板上通孔结构的阻抗的方法，通过至少两个通孔结构之间或通孔结构与参考结构之间的电介质上设置的非金属化孔或非金属化槽，改变了通孔结构之间或通孔结构与参考结构之间的等效介电常数，进而改变了通孔结构的阻抗，同时避免了现有技术因为增加通孔结构到参考结构的距离而对电路板其他线路布线造成的不良影响。达到了在高密度、高功率的印刷电路板上能够控制通孔结构阻抗且不受工艺水平限制的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A为通孔结构的示意图；

图1B为图1A的剖视图；

图2为现有技术控制通孔结构阻抗的示意图；

图3为单端传输线的等效电路模型图；

图4为差分传输线的等效电路模型图；

图5A为本发明实施例提供的一种印刷电路板的部分示意图；

图5B为图5A的剖视图；

图5C为本发明实施例提供的一种印刷电路板的部分示意图；

图5D为图5C的剖视图；

图6A为通孔结构之间的电场示意图；

图6B为图6A所示通孔结构之间设置非金属化孔或非金属化槽后的电场示意图；

图7A为本发明实施例提供的另一种印刷电路板的结构示意图；

图7B为图7A在AA方向上的剖视图；

图7C为本发明实施例提供的再一种印刷电路板的结构示意图；

图7D为图7C在AA方向上的剖视图；

图8A为本发明实施例提供的又一种印刷电路板的结构示意图；

图8B为图8A的剖视图；

图8C为本发明实施例提供的又一种印刷电路板的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的一种印刷电路板包括至少两个通孔结构，其中，所述至少两个通孔结构之间的电介质上设置有非金属化孔或非金属化槽，即孔壁或槽壁上不附着金属的通孔或槽结构。

本实施例中，印刷电路板通过至少两个通孔结构之间的电介质上设置的非金属化孔或非金属化槽，改变了通孔结构之间的等效介电常数，进而改变了通孔结构的阻抗，同时避免了现有技术因为增加通孔结构到参考结构的距离而对电路板其他线路布线造成的不良影响。

为了进一步说明上述实施例的技术方案，首先对影响传输线阻抗的因素进行说明。

单端传输线的等效电路模型如图3所示，单端传输线的阻抗可以用以下简化的方程式描述：

$Z=\sqrt{\frac{L}{C}}---\left(1\right)$

其中，Z表示一小段均匀结构传输线的阻抗；L表示这一段传输回路的电感量；C表示这一段走线与参考网络间的电容量。

差分传输线的阻抗与此类似，只是需要多考虑一下两根走线之间的耦合电感和耦合电容问题。如图4所示，差分传输线的等效电路模型中，L1、L2、C1、C2表示的是和图3相同的单根传输线自身的分布式电容和回路电感；而额外增加的M12和C12则表示两根传输线间的耦合电感和耦合电容。

而决定电容容值的有三个重要因素，一个是不同导体之间电介质的厚度；另一个是电介质的介电常数；还有一个是导体的面积。以下是平行板电容器的容值计算方法，从中可以很清楚的看到这三个因素对电容值的影响。

$C=\frac{\mathrm{\ϵ}\·S}{4\mathrm{\π}\·k\·d}---\left(2\right)$

其中，C表示平行板电容器的容值；ε表示电介质的介电常数；S表示金属导体的面积；π表示圆周率，k表示静电常量，这二者为定值；d表示金属导体间电介质的厚度。

从公式(1)可知，若要改变传输线的阻抗，需要改变的是传输线的回路电感量或者分布电容量。结合公式(2)分析可知，通过改变电介质的介电常数或等效介电常数来改变分布点容量。

改变电介质的介电常数只能通过使用不同的电介质材料来实现。但在微小的通孔结构周围使用一种和电路板其他地方不一样的材料，很难实现。因此，本发明实施例通过改变等效介电常数来改变分布电容量，进而改变传输线的阻抗。

所谓等效介电常数，就是指多种不同电介质组合在一起时，对外表现出来的介电常数值。所以本发明实施例的核心就是通过改变通孔结构到其参考结构之间电介质的等效介电常数、或改变通孔结构之间的电介质的等效介电常数来达到控制单端通孔结构或差分通孔结构阻抗的目的

通过大量的工程实践分析可知，通孔结构的阻抗，如果不加处理的话，一般来说会低于传输线所要求的目标阻抗。由上述公式(1)及公式(2)可知，在传输线回路电感不变的情况下，若阻抗偏小，则是因为分布电容值过大。

要提高通孔结构的阻抗，需要将电路板材料的等效介电常数变小。一般来说，印刷电路板常用材料的相对介电常数在3.2到4.5之间，要有效减小等效介电常数的方法就是将一种介电常数更低的电介质与之混合。从工程的角度上来说，将电路板的材料和空气进行混合，可有效减小等效介电常数，因为空气的相对介电常数是1.0。

如图5A、图5B所示，在通孔结构3之间的电介质2上钻非金属化孔4，使得空气与Z向的通孔结构3的电介质2混合，从而减小了通孔结构3之间的等效介电常数。本领域技术人员应理解为：通孔结构3之间的电介质2上的非金属化孔不限于图5A所示的非金属化孔4的大小和形状，也可以是多个尺寸小于非金属化孔4的非金属化孔或非金属化槽。如图5C、图5D所示，通孔结构3之间的电介质2上设置有3个非金属化槽51。

具体地，当通孔结构3中的信号电场穿越电介质2时，如果两个通孔结构3之间没有非金属化槽孔或非金属化槽，则如图6A所示，电场线完全分布在电路板的电介质2中，因此电场所“感受”到的电介质介电常数由电介质本身的特性决定。其中虚线表示通孔结构之间以及通孔结构与参考结构之间的电场分布情况。如果两通孔结构3中存在非金属化槽孔或非金属化槽，如图6B所示，两个通孔结构3之间的电场线有一部分在穿越电路板电介质2同时也要穿越空气，因此，电场所“感受”到的电介质2的介电常数就发生了变化，不再单纯由电路板的电介质决定，同时还必须考虑空气作为电介质，其介电常数对于整个电场通道介电常数的影响。

电介质经过与空气混合，其介电常数必然下降，这就使通孔结构的分布电容容值下降。从上述公式(1)可知，分布电容容值下降，而回路电感量不改变，通孔结构的阻抗值将随之上升。而通孔结构的阻抗通常会低于通道设计所要求的正常阻抗值，本发明实施例通过通孔结构之间的电介质上设置非金属化孔或非金属化槽使通孔结构的阻抗上升，达到了实现过孔阻抗的控制，并使之与传输通道阻抗保持一致的目的。

可见，上述实施例提供的技术方案既不需要改变通孔结构与其参考结构的距离，也不需要修改通孔结构的尺寸和相对位置，避免了改变通孔结构与参考结构距离及改变通孔结构尺寸位置所带来的种种弊端，提高了电路板空间的利用率，确保元器件可以正常安装，且不会提高对电路板厂家的制板能力的要求，能够更好地应用于各种需要对通孔结构进行阻抗控制的场合。

图7A为本发明实施例提供的另一种印刷电路板的结构示意图。图7B为图7A的剖视图。如图7A、图7B所示，印刷电路板包括通孔结构3和参考结构1，其中，所述通孔结构3与参考结构1之间的电介质2上设置有4个对称的非金属化孔4。非金属化孔4的结构及设置非金属化孔4的原理详见上述实施例中的非金属化孔说明。本领域技术人员应理解为：通孔结构3与参考结构1之间的电介质2上设置的非金属化孔的位置及数量不限于图7A所示的非金属化孔4的位置及数量，可视实际需要控制通孔结构3所要达到的阻抗的大小而定，设置相应数量、位置的非金属化孔或非金属化槽。如图7C、图7D所示，通孔结构3与参考结构1之间的电介质2上均匀设置有5个非金属化槽52。

本实施例提供的印刷电路板适用于单端通孔结构阻抗的控制。

所述通孔结构可至少有两个，所述通孔结构中可至少有一个与所述参考结构之间的电介质上设置有非金属化孔或非金属化槽。所述通孔结构之间的电介质上也可设置有非金属化孔或金属槽。

如图8A、图8B所示，图8A为本发明实施例提供的又一种印刷电路板的结构示意图。图8B为图8A的剖视图。本实施例中，印刷电路板上的通孔结构3有两个，为差分通孔结构。两个通孔结构3之间的电介质2上设置有非金属化孔41，两个通孔结构3与参考结构1之间的电介质2上均设置有非金属化孔42。本领域技术人员应理解为：通孔结构3之间的非金属化孔不限于图8A所示的非金属化孔41的数量、位置、大小及形状，也可为多个非金属化孔或非金属化槽。类似地，通孔结构与参考结构之间非金属化孔也不限于图8A所示的非金属化孔42的数量、位置、大小及形状，也可为其他数量、位置、大小及形状的非金属化孔或非金属化槽，具体视实际需要的等效介电常数的大小而定。如图8C所示，通孔结构31与参考结构1之间设置有两个非金属化孔42和两个非金属化槽53，通孔结构32与参考结构1之间设置有三个非金属化孔42和一个非金属化槽53，通孔结构31与通孔结构32之间设置有一个非金属化孔43和两个非金属化槽54。

本发明实施例提供的一种控制印刷电路板上通孔结构的阻抗的方法包括：在至少两个通孔结构之间的电介质上开设非金属化孔或非金属化槽。如在至少两个通孔结构之间的电介质上钻一个孔或槽。

本发明实施例提供的另一种控制印刷电路板上通孔结构的阻抗的方法包括：在通孔结构与参考结构之间的电介质上开设非金属化孔或非金属化槽。如在通孔结构与参考结构之间的电介质上钻一个孔或槽。

所述通孔结构至少有两个，在通孔结构与参考结构之间的电介质上开设非金属化孔或非金属化槽包括：

在至少一个所述通孔结构与参考结构之间的电介质上开设非金属化孔或非金属化槽。如在至少一个所述通孔结构与参考结构之间的电介质上钻一个孔或槽。

当需要进一步提高通孔结构阻抗时，控制印刷电路板上通孔结构的阻抗的方法还可包括：在所述通孔结构之间的电介质上开设非金属化孔或非金属化槽。如在所述通孔结构之间的电介质上钻一个孔或槽。

本领域技术人员应理解为，除上述用于差分通孔结构、单端通孔结构的阻抗控制的实施方案之外，任何以在两通孔结构之间或通孔结构与参考结构之间添加非金属化孔/槽的方式，实现通孔结构阻抗控制的方式均属于本方案所涵盖的范畴。并且，通孔结构之间、通孔结构与参考结构之间的非金属化孔或非金属化槽的数量可视实际需要的等效介电常数的大小而定，非金属化孔或非金属化槽越多，等效介电常数越小。但必须注意的是，非金属化孔或非金属化槽不能无限多，其数量和尺寸需要根据实际情况计算确定。

上述实施例提供的印刷电路板及控制印刷电路板上通孔结构的阻抗的方法，通过在通孔结构之间或通孔结构与参考结构之间的电介质上设置非金属化孔或非金属化槽，有效地避免了现有技术因为增加通孔结构到参考结构的距离而对电路板其他线路布线造成的影响，以及通孔结构尺寸和位置无法改变时的阻抗控制问题。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种印刷电路板，包括至少两个通孔结构，其特征在于，所述至少两个通孔结构之间的电介质上设置有非金属化孔或非金属化槽。

2.一种印刷电路板，包括通孔结构和参考结构，其特征在于，所述通孔结构与参考结构之间的电介质上设置有非金属化孔或非金属化槽。

3.根据权利要求2所述的印刷电路板，其特征在于，所述通孔结构至少有两个，所述通孔结构中至少有一个与所述参考结构之间的电介质上设置有非金属化孔或非金属化槽。

4.根据权利要求3所述的印刷电路板，其特征在于，所述通孔结构之间的电介质上设置有非金属化孔或金属槽。

5.一种控制印刷电路板上通孔结构的阻抗的方法，其特征在于，包括：

在至少两个通孔结构之间的电介质上开设非金属化孔或非金属化槽。

6.一种控制印刷电路板上通孔结构的阻抗的方法，其特征在于，包括：

在通孔结构与参考结构之间的电介质上开设非金属化孔或非金属化槽。

7.根据权利要求6所述的控制印刷电路板上通孔结构的阻抗的方法，其特征在于，所述通孔结构至少有两个，在通孔结构与参考结构之间的电介质上开设非金属化孔或非金属化槽包括：

在至少一个所述通孔结构与参考结构之间的电介质上开设非金属化孔或非金属化槽。

8.根据权利要求7所述的控制印刷电路板上通孔结构的阻抗的方法，其特征在于，还包括：

在所述通孔结构之间的电介质上开设非金属化孔或非金属化槽。

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