CN102378488A - 印刷电路板及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提出了一种印刷电路板，包括硬板部分和软板部分，所述硬板部分采用微带线设计，信号的参考地为所述微带线的上层或下层导体形成的地平面；所述软板部分采用CPW设计，且所述软板部分的CPW结构中的地信号与所述硬板部分的地信号相连。本发明的实施例另一方面还提出了一种印刷电路板的设计方法。本发明提出的上述方案，解决了在相同的PCB面积下，微同轴电缆不能传输大量G比特差分信号的问题。此外，本发明提出的上述方案，还解决了采用微带线设计方法的软硬结合PCB中，为了减小G比特信号的传输差损必须采用两张以上的柔性材料芯板进行层压所带来的PCB分层问题。

Description

印刷电路板及其设计方法

技术领域

本发明涉及电子电路领域，具体而言，本发明涉及印刷电路板及其设计方法。

背景技术

随着现代电技术的高速发展，PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)板间的数据传输速率越来越高，目前一对差分线已经能达到了10G比特每秒的传输速率，同时采用了越来越多的信号线来提高传输数据的吞吐率。

现有PCB板的设计解决方案有以下形式：

1)采用普通微同轴线缆；

2)采用微带线设计方法设计的软硬结合PCB。

采用普通微同轴线缆的方案具有以下特点：

优点是单线的传输速率高；

缺点是PCB的单位面积下的信号数量少：由于一根微同轴线只能传输单根信号，如果要传输差分信号，就需要2根，微同轴线的直径在1mm左右，将导致PCB的单位面积下的能够使用的信号数量少，不能用于大吞吐传输速率的场合。

采用微带线设计方法设计的软硬结合PCB的方案具有以下特点：

如图1所示，为现有多层柔性材料制作的PCB截面图，图中，

部分为聚酰亚胺树脂(Polyimide，PI)或聚酯树脂(PET)，

部分为环氧树脂胶；

部分为铜箔。

优点是可提高PCB的单位面积下的信号数量。

缺点是为了减小G比特信号的传输差损，必须采用两张以上的柔性材料芯板进行层压，容易造成PCB板的分层。

普通软板板材的结构图2如下：基材部分(Substrcate)为聚酰亚胺树脂(Polyimide，PI)或聚酯树脂(PET)，粘结剂部分(Adhesive)为环氧树脂胶；导体部分(Conductor)为铜箔

普通软板板材的结构如下表所示：

部分为聚酰亚胺树脂(Polyimide，PI)或聚酯树脂(PET)，

部分为环氧树脂胶；部分为铜箔。

软板板材采用2层结构为最优，但目前材料供应商少，且提供的板材的中间介质层厚度较薄，常用板材的厚度规格有15um、25um、40um等，介质层较厚的板材基本没有现货，需要和材料供应商订制，货期长，价格昂贵。

如果要采用2层结构，在选择板材时只能选用1～2mil的板材。就决定了信号层与参考地之间的介质厚度只有1～2mil。为了保证差分阻抗为100欧，采用嵌入式微带差分线结构时，介质厚度为1mil，计算差分阻抗，线宽只有2mil左右，制板厂无法加工；介质厚度为2mil时，计算差分阻抗，线宽只有4mil，但信号差损过大不利于高速信号的传输。

在本发明中，使用的单位mil为本领域的常用单位，1mil为1英寸的千分之一，单位um为1mm的千分之一。

鉴于采用2层结构有一定的困难，可采用3层结构，三层结构存在固有的可靠性问题。3层柔性印制板的X-Y截面图如图2所示。

3层结构的板材的变形量小于2层结构的板材，是因为粘结剂(环氧树脂，epoxy)为热固性树脂其分子键的柔性较小，因此有粘结剂的板材的产品特性较硬，无粘结剂的板材的产品特性较软易弯曲。

3层结构的板材的环氧树脂(epoxy)与铜箔(Cu)的表面能较好，所以层间剪应力较小，2层结构的板材的聚酰亚胺树脂(PI)与铜箔(Cu)的表面能力差，所以层间剪应力较大。

3层结构的板材的层间剥离应力大于2层结构的板材，是因为粘结剂(环氧树脂，epoxy)的分子链的键能较小，高温下容易降解，因此在层间界面的抗剥离强度较差，易分层从而导致可靠性问题。

传统的柔性印制板板材(3层结构)必须以粘结剂作为基材与铜箔的粘结，但这一层粘结剂明显造成一些缺点：1、粘结剂无法耐高温，在垂直方向上的接触强度较差，影响多层板的品质；2、在高速信号的情况下，粘结剂的绝缘性能恶化而导致柔性印制板的性能下降。

因此，有必要提出一种有效的设计方法，以解决3层结构软板的可靠性问题和2层结构软板的上微带传输线差损大的问题。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别通过采用了一张两层结构并且厚度小于1.5mil的柔性材料芯板，降低软板材料的成本，并对PCB的硬板部分采用微带线的设计方法，对软板部分采用CPW(Co-planar Waveguide，共面波导架构)的设计方法来减小信号传输损耗，以及对软板部分的CPW结构中地信号打孔和硬板部分的地信号相连以提高软板部分的信号线阻抗的一致性。

为了达到上述目的，本发明的实施例一方面提出了一种印刷电路板，包括硬板部分和软板部分，

所述硬板部分采用微带线设计，信号的参考地为所述微带线的上层或下层导体形成的地平面；

所述软板部分采用共面波导CPW设计，且所述软板部分的CPW结构中的地信号与所述硬板部分的地信号相连。

本发明的实施例另一方面还提出了一种印刷电路板的设计方法，包括以下步骤：

对印刷电路板的硬板部分采用微带线设计，信号的参考地为所述微带线的上层或下层导体形成的地平面；

对印刷电路板的软板部分采用共面波导CPW设计；

将所述软板部分的CPW结构中的地信号与所述硬板部分的地信号相连。

本发明提出的上述方案，解决了在相同的PCB面积下，微同轴电缆不能传输大量G比特差分信号的问题。此外，本发明提出的上述方案，还解决了采用微带线设计方法的软硬结合PCB中，为了减小G比特信号的传输差损必须采用两张以上的柔性材料芯板进行层压所带来的PCB分层问题。本发明提出的上述方案，解决了采用微带线设计方法的软硬结合PCB中传输G比特速率信号的差损问题，采用本方案在传输G比特速率信号的差损小于前者的60％。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为多层柔性材料制作的PCB截面图；

图2为3层柔性印制板的X-Y截面图；

图3为有限宽度地平面共面波导FW-CPW结构图；

图4为有限宽度地平面差分线对共面波导FW-CPW结构图；

图5为差分微带线结构示意图；

图6为差分线对的CPW结构示意图；

图7为差分微带线结构H1＝2mil，S1＝8mil，W1＝4mil的差损图；

图8为差分线对的CPW结构H1＝2mil，S1＝4.5mil，W1＝10mil，D1＝5.4mil的差损图；

图9为差分线对的CPW结构H1＝2mil，S1＝4mil，W1＝16mil，D1＝4mil的差损图；

图10为软硬结合板侧面截面图；

图11为本发明软板部分采用CPW共面波导的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

为了便于理解本发明，首先介绍一下CPW共面波导的相关知识。共平面波导由三条导线构成，中间导体为信号线，两边导线为地平面，如图3所示，信号在传播时为时变信号，所以信号线和接地面随时在变动。其电气特性如特征阻抗是由信号线宽度及两边槽孔宽度决定，较不受基板厚度影响，故能实现比传统微带线(Microstrip line)型式带线结构更宽的频宽，另外亦具有较低的色散效应。由于信号线与地平面都在同一平面内，使电路组件间的连接比较容易。

CPW结构假设在介质板的上表面的信号传输线两边具有半无限宽度的地平面。在实际设计中，这个要求是无法实现的。所以只能采取变形结构——有限宽度地平面共面波导(FW-CPW)。

信号传输线的宽度、传输线到接地面的距离、介质厚度和介质的介电常数共同决定了FW-CPW的有效介电常数、特性阻抗和衰减特性。

图3为有限宽度地平面共面波导(FW-CPW)结构图。

在此基础之上又开发出差分线对的FW-CPW结构，如图4所示。

图5为微带差分线结构图，图中，基材厚度为H1，线间距为S1，设计线宽为W1，为了保证差分阻抗，同时考虑到目前PCB制造厂商的生产能力，采用线宽为4mil，线间距为8mil，距地线间距2mil，计算出的差分阻抗为93欧，在1.5GHz(3Gbps)频点的差损约为-7.5db/m，差损图如图7所示。

采用差分线对的CPW结构，如图6所示的设计柔性PCB的差分传输线，图中，基材厚度为H1，线间距为S1，设计线宽为W1，距地线间距为D1。考虑到接插件的间距限制，采用线宽为10mil，线间距为4.5mil，距地线间距5.4mil，计算出的差分阻抗为113欧，在1.5GHz(3Gbps)频点的差损约为-3db/m，差损图如图8所示，衰减比微带差分线(差损图为图7)减小了约4db/m。

如果不考虑接插件的限制，单纯的计算差分100欧阻抗的话，设置铜厚为1盎司，设计线宽为16mil，线间距为4mil，距地线间距4mil，在1.5GHz(3Gbps)频点的差损约为-2.6db/m，与113欧的差损差别不大，差损图如图9所示。

为了实现本发明之目的，本发明公开了一种印刷电路板，包括硬板部分和软板部分，

硬板部分采用微带线设计，信号的参考地为微带线的上层或下层导体形成的地平面；软板部分采用共面波导CPW设计，且软板部分的CPW结构中的地信号与硬板部分的地信号相连。

其中，软板部分为采用两层结构并且厚度小于1.5mil的柔性材料芯板。

在上述实施例中，导体例如为铜箔或其它导体。

在上述实施例中，柔性材料芯板中的一层为铜箔，另外一层为聚酰亚胺树脂或聚酯树脂。

其中，软板部分的CPW结构中的地信号与硬板部分的地信号相连具体为：对软板部分CPW结构中的地信号进行打孔，从而和硬板部分的地信号相连。软板部分的CPW结构中地信号打孔和硬板部分的地信号相连，能有效提高软板部分的信号线阻抗的一致性。

在上述实施例中，硬板区域是指由软板芯板和普通树脂材料层压后形成的不可弯曲的部分，不限于4层软硬结合结构，可为6，8层以上，见图10中硬板部分示意。软板区域是指由柔性芯板材料制作的可弯曲的部分，见10中软板部分示意。

基于上述方案，图10为本发明实施例软硬结合板侧面截面图，图11为本发明实施例软板部分采用CPW共面波导的示意图。

本发明另一方面还提出了一种印刷电路板的设计方法，包括以下步骤：

对印刷电路板的硬板部分采用微带线设计，信号的参考地为微带线的上层或下层导体形成的地平面；对印刷电路板的软板部分采用共面波导CPW设计；将软板部分的CPW结构中的地信号与硬板部分的地信号相连。

在上述方法中，软板部分为采用两层结构并且厚度小于1.5mil的柔性材料芯板。

其中，导体例如为铜箔或其它导体。

其中，柔性材料芯板中的一层为铜箔，另外一层为聚酰亚胺树脂或聚酯树脂。

此外，软板部分的CPW结构中的地信号与硬板部分的地信号相连具体为：对软板部分CPW结构中的地信号进行打孔，从而和硬板部分的地信号相连。

本发明提出的上述方案，解决了在相同的PCB面积下，微同轴电缆不能传输大量G比特差分信号的问题。此外，本发明提出的上述方案，还解决了采用微带线设计方法的软硬结合PCB中，必须采用两张以上的柔性材料芯板进行层压来减小G比特信号的传输差损而带来的PCB分层问题。本发明提出的上述方案，解决了采用微带线设计方法的软硬结合PCB中传输G比特速率信号的差损问题，采用本方案在传输G比特速率信号的差损小于前者的60％。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种印刷电路板，其特征在于，包括硬板部分和软板部分，

所述硬板部分采用微带线设计，信号的参考地为所述微带线的上层或下层导体形成的地平面；

所述软板部分采用共面波导CPW设计，且所述软板部分的CPW结构中的地信号与所述硬板部分的地信号相连。

2.如权利要求1所述的印刷电路板，其特征在于，所述软板部分为采用两层结构并且厚度小于1.5mil的柔性材料芯板。

3.如权利要求2所述的印刷电路板，其特征在于，所述导体为铜箔。

4.如权利要求3所述的印刷电路板，其特征在于，所述柔性材料芯板中的一层为铜箔，另外一层为聚酰亚胺树脂或聚酯树脂。

5.如权利要求1所述的印刷电路板，其特征在于，所述软板部分的CPW结构中的地信号与所述硬板部分的地信号相连具体为：

对所述软板部分CPW结构中的地信号进行打孔，从而和所述硬板部分的地信号相连。

6.一种印刷电路板的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

对印刷电路板的硬板部分采用微带线设计，信号的参考地为所述微带线的上层或下层导体形成的地平面；

对印刷电路板的软板部分采用共面波导CPW设计；

将所述软板部分的CPW结构中的地信号与所述硬板部分的地信号相连。

7.如权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述软板部分为采用两层结构并且厚度小于1.5mil的柔性材料芯板。

8.如权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述导体为铜箔。

9.如权利要求8所述的设计方法，其特征在于，所述柔性材料芯板中的一层为铜箔，另外一层为聚酰亚胺树脂或聚酯树脂。

10.如权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述软板部分的CPW结构中的地信号与所述硬板部分的地信号相连具体为：

对所述软板部分CPW结构中的地信号进行打孔，从而和所述硬板部分的地信号相连。

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