CN109121290A - 在垂直方向上调节传输线阻抗的结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在垂直方向上调节传输线阻抗的结构及方法，包括：位于两个平行平面的第一金属层、第二金属层，以及连接于第一金属层及第二金属层之间的第一过孔；其中，第一过孔包括至少两个并联设置的过孔；且第一金属层及第二金属层的面积均大于与之连接的各过孔的截面积之和。调节金属层的面积以实现对过孔区域容抗的控制，调节过孔的数量及连接关系以实现对过孔区域感抗的控制，使得过孔的特性阻抗与信号传输线的特性阻抗匹配。本发明采用精确的阻抗控制方式，使得信号在更宽频的范围内都能保持阻抗的一致性，对于超高速更高阶的信号传输有更小的反射，插入损耗更均匀，能满足光通信200G，400G以及800G的芯片封装和信号传输的设计要求。

Description

在垂直方向上调节传输线阻抗的结构及方法

技术领域

本发明涉及通信领域，特别是涉及一种在垂直方向上调节传输线阻抗的结构及方法。

背景技术

从微带或者带状传输线理论可以知道，传输线从微观来看，可以等效成电感L、电阻R，电容C和电导G的集合，如图1所示。对于无耗传输线，忽略R和G，直接近似成L和C，该传输线的特性阻抗近似为：

即特性阻抗由无限小的线段的等效电感L和等效电容C决定。

在PCB(Printed Circuit Board，印制电路板或印刷线路板)电路板上走信号线不可避免地会遇到需要过孔实现不同信号层之间的连接，如图2所示，第一信号线11通过过孔15依次穿过第一基板12及第二基板13与第二信号线14连接，其中，第一基板12及第二基板13接地。而每一个过孔都是一个阻抗不连续的点，对于高速数字信号，尤其是高阶调制(如PAM4)的信号，阻抗不连续造成的信号反射会直接影响接收端信号的正确识别。

一般的处理方式是通过反过孔和在过孔旁加地过孔的方式，调节信号过孔的阻抗。如图3所示，于过孔15旁边增加地过孔16，所述第一基板12上表面及所述第二基板13下表面的回流电流通过过地孔16流入参考地，对于一个信号过孔15和一个地过孔16的结构来说，过孔电感等效于：

其中，μ为磁导率，h为第一基板12与第二基板13的距离，s为信号过孔15和地过孔16的轴线距离，r为过孔的半径(即d/2)。通过增加地过孔的个数，可以减小信号过孔的电感，如图4所示，当地过孔增加到极限时，也就形成了同轴结构，过孔电感等效于：

即电感为原来的1/2，这是该技术对电感调节的极限。

对于低阻抗走线要求，例如激光器驱动器这种需要25Ohm传输线这种情况，可能还需要过孔电感的进一步减小，且随着数字信号的速率越来越高，要在更宽的频段里面实现信号阻抗的连续，对传统技术来讲，存在很大的挑战采用此传统技术方案。

因此，如何减小元器件焊盘以及过孔带来的阻抗不连续的影响，进而减小高阶调制高速信号(例如56Gbps PAM4)传输过程中失真，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种在垂直方向上调节传输线阻抗的结构及方法，用于解决现有技术中在更宽的频段时间信号阻抗连续的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种在垂直方向上调节传输线阻抗的结构，所述在垂直方向上调节传输线阻抗的结构至少包括：

位于两个平行平面的第一金属层、第二金属层，以及连接于所述第一金属层及所述第二金属层之间的第一过孔；

其中，所述第一过孔包括至少两个并联设置的过孔；且所述第一金属层及所述第二金属层的面积均大于与之连接的各过孔的截面积之和。

优选地，所述第一金属层及所述第二金属层分别连接第一信号传输线及第二信号传输线。

优选地，还包括位于所述第一金属层及所述第二金属层的上层或下层的至少一层第三金属层，所述第三金属层与所述第一金属层及所述第二金属层平行，各金属层之间通过过孔连接，各过孔为单个过孔或至少两个过孔的并联结构。

更优选地，连接同一金属层的上下两层过孔交错分布。

更优选地，顶层金属层及底层金属层分别连接第一信号传输线及第二信号传输线。

更优选地，各金属层与其所在平面的参考地平面电气隔离。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种在垂直方向上调节传输线阻抗的方法，所述在垂直方向上调节传输线阻抗的方法至少包括：

调节上述在垂直方向上调节传输线阻抗的结构中金属层的面积以实现对过孔区域容抗的控制；

调节上述在垂直方向上调节传输线阻抗的结构中过孔的数量及连接关系以实现对过孔区域感抗的控制；

通过调节所述过孔区域的容抗及感抗，使得过孔的特性阻抗与连接所述过孔的信号传输线的特性阻抗匹配。

优选地，金属层的面积越大，所述过孔区域的容抗越大，进而阻抗越小。

优选地，电感的并联数量越多，所述过孔区域的感抗越小，进而阻抗越小。

如上所述，本发明的在垂直方向上调节传输线阻抗的结构及方法，具有以下有益效果：

本发明采用精确的阻抗控制方式，使得信号在更宽频的范围内都能保持阻抗的一致性，对于超高速更高阶的信号传输有更小的反射，插入损耗更均匀，能满足光通信200G，400G以及800G的芯片封装和信号传输的设计要求。

附图说明

图1显示为现有技术中的微带理论的传输线等效电路图。

图2显示为现有技术中的传输线及过孔结构示意图。

图3显示为现有技术中的增加一个过地孔的结构示意图。

图4显示为现有技术中的过地孔形成同轴结构的示意图。

图5显示为本发明的在垂直方向上调节传输线阻抗的结构的一种实施方式。

图6显示为本发明的在垂直方向上调节传输线阻抗的结构的另一种实施方式。

图7显示为本发明与传统方法的阻抗曲线实部仿真图。

图8显示为本发明与传统方法的阻抗曲线虚部仿真图。

图9显示为本发明与传统方法的回波损耗仿真图。

图10显示为本发明与传统方法的插入损耗仿真图。

元件标号说明

11～12 第一信号线

12 第一基板

13 第二基板

14 第二信号线

15 过孔

16 地过孔

2 在垂直方向上调节传输线阻抗的结构

211～215 第一～第五金属层

221～224 第一～第四过孔

231～232 第一～第二信号线

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图5～图10。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图5所示，本实施例提供一种在垂直方向上调节传输线阻抗的结构2，所述在垂直方向上调节传输线阻抗的结构2包括：

位于两个平行平面的第一金属层211、第二金属层212，以及连接于所述第一金属层211及所述第二金属层212之间的第一过孔221；

其中，所述第一过孔221包括至少两个并联设置的过孔；且所述第一金属层211及所述第二金属层212的面积均大于与其连接的各过孔的截面积之和。

如图5所示，所述第一金属层211与第一信号传输线231连接，用于传递信号。

具体地，在本实施例中，所述第一金属层211为矩形结构，在实际使用中，所述第一金属层211的形状可根据需要(面积需要，空间排布需要)进行设定，不以本实施例为限。所述第一金属层211的面积大于所述第一过孔221的横截面积。所述第一金属层211的面积越大，其本身的电容越大，进而阻抗越小，可根据需要设定所述第一金属层211的面积。

如图5所示，所述第二金属层212与所述第一金属层211平行，且所述第二金属层212位于所述第一金属层211的下方，所述第二金属层212与第二信号传输线232连接，用于传递信号。

具体地，在本实施例中，所述第二金属层212为矩形结构，且与所述第一金属层211的面积相等，在实际使用中，所述第二金属层212的形状可根据需要进行设定，不以本实施例为限。所述第二金属层212的面积大于所述第一过孔221的横截面积。所述第二金属层212的面积越大，其本身的电容越大，进而阻抗越小，可根据需要设定所述第二金属层212的面积。

如图5所示，所述第一过孔221连接于所述第一金属层211与所述第二金属层212之间，以实现不同层信号传输线的连接。

具体地，在本实施例中，所述第一过孔221包括四个并联连接的过孔，通过多个电感的并联可减小所述第一金属层211与所述第二金属层212之间过孔电感的值，进而减小阻抗，并联的过孔的数量可根据需要的电感值进行设定，不以本实施例为限。

更具体地，在本实施例中，各过孔为侧壁包括管状金属侧壁，所述管状金属侧壁的材料包括但不限于铜或铝。所述管状金属侧壁内部还可以填充树脂材料。

需要说明的是，各金属层与其所在平面的参考地平面电气隔离。

通过调整所述第一金属层211、所述第二金属层212的面积，以及所述第一过孔221包括的过孔数量可将过孔区域的特性阻抗调节至与其连接的信号传输线匹配，进而实现信号阻抗的连续。在本实施例中，增大所述第一金属层211及所述第二金属层212的面积，并增加并联的过孔的数量，以此实现特性阻抗的匹配。

本实施例在传输线阻抗不连续的地方(过孔区域或者作为焊盘的金属层)精确控制电感和电容的大小，使之与信号传输线的特性阻抗匹配，使阻抗曲线更加平滑，达到调节更宽频段内阻抗连续的效果。

实施例二

如图6所示，本实施例提供一种在垂直方向上调节传输线阻抗的结构2，本实施例与实施例一的不同之处在于，本实施例包括金属层与过孔的叠层结构，以此实现对特性阻抗更精确的控制。

如图6所示，所述在垂直方向上调节传输线阻抗的结构2包括：

平行设置于不同平面的第一金属层211、第二金属层212、第三金属层213、第四金属层214、第五金属层215，以及设置于各金属层之间的第一过孔221、第二过孔222、第三过孔223及第四过孔224。

如图6所示，所述第一金属层211、所述第二金属层212、所述第三金属层213、所述第四金属层214及所述第五金属层215从上到下依次排布，各金属层的面积均大于与其连接的过孔横截面之和。

具体地，所述第一金属层211及所述第五金属层215为矩形结构，所述第二金属层212、所述第三金属层213及所述第四金属层214为顺延与其连接的过孔外轮廓的不规则图形，各金属层的图形及面积可根据需要设定，在此不一一赘述。所述第一金属层211及所述第五金属层215分别连接所述第一信号传输线231及所述第二信号传输线232。

如图6所示，所述第一过孔221、所述第二过孔222、所述第三过孔223及所述第四过孔224从上到下依次设置于各金属层之间。

具体地，所述第一过孔221、所述第二过孔222及所述第四过孔224分别包括两个并联的过孔，所述第三过孔223包括一个过孔，各过孔通过串联、并联和串并联的方式实现对过孔区域感抗的调节。其中，所述第一过孔221、所述第二过孔222及所述第四过孔224上下对齐分布；所述第三过孔223与所述第一过孔221、所述第二过孔222及所述第四过孔224交错分布，即所述第三过孔223在所述第五金属层215上的正投影与所述第一过孔221、所述第二过孔222及所述第四过孔224在所述第五金属层215上的正投影不重叠。

其他结构及原理与实施例一相同，在此不一一赘述。

将传统方法与本发明在同一条件下进行比较，实线为本发明，虚线为传统方法。如图7所示，在0～25GHz频段内，本发明实现了在25Ohm附近的更小阻抗波动；如图8所示，在0～25GHz频段内，本发明的阻抗虚部更接近0°(阻抗虚部为正则表示感性，阻抗虚部为负则表示容性)，且相较于传统方法更平滑；如图9～图10所示，本发明的回波损耗优于传统方法(回波损耗越小越好)，插入损耗也优于传统方法(插入损耗越接近0dB越好)。因此，在一个高速激光驱动器的FCBGA封装中，实现56Gbps PAM4信号的传输，要求的传输线阻抗为单端25Ohm，差分50Ohm，采用本实施例的在垂直方向上调节传输线阻抗的结构，通过对金属层(过孔焊盘以及信号线)多打孔，并增大金属层(过孔焊盘)的方式，可实现阻抗在垂直方向的连续，达到高带宽的设计要求。

综上所述，本发明提供一种在垂直方向上调节传输线阻抗的结构及方法，包括：位于两个平行平面的第一金属层、第二金属层，以及连接于所述第一金属层及所述第二金属层之间的第一过孔；其中，所述第一过孔包括至少两个并联设置的过孔；且所述第一金属层及所述第二金属层的面积均大于与之连接的各过孔的截面积之和。调节金属层的面积以实现对过孔区域阻抗的控制，调节过孔的数量及连接关系以实现对过孔区域感抗的控制，使得过孔的特性阻抗与连接所述过孔的信号传输线的特性阻抗匹配。本发明采用精确的阻抗控制方式，使得信号在更宽频的范围内都能保持阻抗的一致性，对于超高速更高阶的信号传输有更小的反射，插入损耗更均匀，能满足光通信200G，400G以及800G的芯片封装和信号传输的设计要求。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述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。任何熟悉此技术的人士皆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或改变。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，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种在垂直方向上调节传输线阻抗的结构，其特征在于，所述在垂直方向上调节传输线阻抗的结构至少包括：

位于两个平行平面的第一金属层、第二金属层，以及连接于所述第一金属层及所述第二金属层之间的第一过孔；

其中，所述第一过孔包括至少两个并联设置的过孔；且所述第一金属层及所述第二金属层的面积均大于与之连接的各过孔的截面积之和。

2.根据权利要求1所述的在垂直方向上调节传输线阻抗的结构，其特征在于：所述第一金属层及所述第二金属层分别连接第一信号传输线及第二信号传输线。

3.根据权利要求1所述的在垂直方向上调节传输线阻抗的结构，其特征在于：还包括位于所述第一金属层及所述第二金属层的上层或下层的至少一层第三金属层，所述第三金属层与所述第一金属层及所述第二金属层平行，各金属层之间通过过孔连接，各过孔为单个过孔或至少两个过孔的并联结构。

4.根据权利要求3所述的在垂直方向上调节传输线阻抗的结构，其特征在于：连接同一金属层的上下两层过孔交错分布。

5.根据权利要求3所述的在垂直方向上调节传输线阻抗的结构，其特征在于：顶层金属层及底层金属层分别连接第一信号传输线及第二信号传输线。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的在垂直方向上调节传输线阻抗的结构，其特征在于：各金属层与其所在平面的参考地平面电气隔离。

7.一种在垂直方向上调节传输线阻抗的方法，其特征在于，所述在垂直方向上调节传输线阻抗的方法至少包括：

调节如权利要求1～6任意一项所述的在垂直方向上调节传输线阻抗的结构中金属层的面积以实现对过孔区域容抗的控制；

调节如权利要求1～6任意一项所述的在垂直方向上调节传输线阻抗的结构中过孔的数量及连接关系以实现对过孔区域感抗的控制；

通过调节所述过孔区域的容抗及感抗，使得过孔的特性阻抗与连接所述过孔的信号传输线的特性阻抗匹配。

8.根据权利要求7所述的在垂直方向上调节传输线阻抗的方法，其特征在于：金属层的面积越大，所述过孔区域的容抗越大，进而阻抗越小。

9.根据权利要求7所述的在垂直方向上调节传输线阻抗的方法，其特征在于：电感的并联数量越多，所述过孔区域的感抗越小，进而阻抗越小。