CN111837462A - 具有高密度压接式互连的多个电路板 - Google Patents

Abstract

一种印刷电路板(PCB)组件包括第一PCB、高速PCB以及将第一PCB和高速PCB电连接和物理连接的高速互连。

Description

具有高密度压接式互连的多个电路板

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年3月16日提交的美国专利申请号62/644,043与于2018年5月4日提交的美国专利申请号62/666,915的权益。每个申请的全部内容在此通过援引并入。

发明背景

1.发明领域

本发明涉及将多个电路板电连接和物理连接在一起的的架构和方法。更具体地，本发明涉及通过高密度压接式互连将常规印刷电路板连接到高速印刷电路板。

2.相关技术的描述

印刷电路板(PCB)是支承并电连接电部件的机械基板。相比先前可用的点对点接线方法，PCB技术提供一种减少尺寸、重量和电路成本的方式。PCB使用导电的(conductive)印制线、迹线、焊盘(pads)、导孔(vias)、通孔和镀覆到一个或多个导电片或从一个或多个导电片蚀刻出的其他特征，其中一个或多个导电片层压在非导电材料或绝缘基板材料的片层上以及非导电材料或绝缘基板材料的片层之间。PCB可以是单侧的，其中仅在非导电基板的一侧上具有导电层；PCB可以是双侧的，其中在非导电基板的两侧上都具有导电层；或者PCB是多层的，其中具有层压或接合在一起的交替的导电层和非导电层。

连接器和电部件可以被焊接到PCB上，以建立连接器与电部件及PCB之间的电连接和机械连接。部件的引脚、腿或端子可以被放置到PCB中的导电孔(通孔)中或与界定在PCB的暴露表面上的导电焊盘对准(表面安装技术(SMT))，然后被焊接在适当的位置。焊接提供部件与PCB之间的电连接和机械连接。

典型的PCB由层压到绝缘材料的平片的铜层、铜箔或其它导电金属组成，其中绝缘材料的平片形成基板。金属层随后被式样化(patterned)以界定单独的导电迹线、连接焊盘和用以在诸铜层之间传递连接的导孔，以及提供屏蔽、接地或其他目的的特征，诸如固体导电区域。诸导电迹线通过空气和基板材料相互绝缘。

PCB可以具有多个金属层。在多层PCB中，诸材料层按金属和绝缘基板交替夹心的方式被层压在一起，并且在诸层被层压在一起之前，任何内部导孔(内部导孔将不会延伸到成品多层板的两个外表面)被从头到尾镀覆(plated-through)。内金属层被相邻的基板层保护。金属厚度可以鉴于载流要求和散热需求而被优化。可以有许多交替的导电材料层和绝缘材料层。

FR-4是一种通常被用作绝缘基板的玻璃环氧树脂。FR-4是一种玻璃增强环氧层压材料，其包括具有阻燃环氧树脂粘合剂的玻璃纤维编织布。FR-4已被发现提供平衡大部分PCB所需的热性能、电性能、化学性能和机械性能的高性价比材料。

尽管FR-4是一种通用的PCB基板材料，但它不能满足所有的电路性能需求。可获得用以满足特定需要的替代基板材料和构造，包括增加的介电常数、降低的吸湿性和更高的粘合强度。由于这些需要和对应的材料较不常见，所以用于提供这些特殊要求的PCB材料价格更昂贵。

例如，鉴于PCB电路设计中的信号完整性(SI)和阻抗，材料的介电常数是重要的参数。SI和阻抗在高频电性能中是关键因素。材料的介电常数随频率变化并且通常随频率的增高而减小。由于介电常数确定信号传播速度，所以频率依赖性可在宽带应用中引入相位失真。而且，传输线的阻抗随频率降低；因此，相比较慢的信号，较快的信号产生的影响更多。因此，在宽的频率范围内具有稳定(flat)的介电常数的材料在高频率应用中更合需求。因此，具有FR-4基板的PCB将不会满足许多高速应用的需求。

图1示出一个PCB的已知架构，该PCB是多层的并且以线路传送功率、控制信号和高速数据信号。控制信号可以控制集成电路(IC)101。PCB 100和IC 101可以被包括在IC或管芯封装中。例如，如果集成电路是专用集成电路(ASIC)，那么控制信号可以包括设置ASIC操作的信号。高速被定义为波特率超过10千兆波特的任何数字信令技术，即对于NRZ、PAM4、PAM8等的信令码元率大于或等于10千兆赫的任何数字信令技术。例如，PCB 100可以包括24层至36层并且可以是3.5毫米至4.0毫米厚，用导孔103来传输(即，发送和接收)高速信号。图1示出在两侧上都具有部件的PCB 100。PCB 100的顶侧可以包括IC 101。IC 101可以是任何硅芯片，包括，例如，ASIC、开关IC，现场可编程门阵列(FPGA)或其它部件。PCB 100的底侧可以包括旁路电容器104，旁路电容器104与电源或其它部件一起使用。图1还示出高速连接器，高速连接器可以是铜的或光学的，可以被附连到PCB 100的顶侧和/或底侧。PCB 100在IC 101和高速连接器之间传输高速信号。高速信号可以通过在PCB 100的顶表面和底表面上的迹线以及通过连接PCB 100的顶侧和底侧的导孔103传输。导孔103可以是高速导孔。高速导孔103具有被设计以最大化带宽和最小化影响(reflection)的特定间距和数目的接地(以及可能未在图中示出的其他内部金属式样)。高速通孔103可以大于10千兆波特地传输高速信号，其中速度小于10千兆波特的信号通常是功率信号和控制信号。在美国申请号61/531,714、13/607,281、13/607,298和13/607,338中示出了高速导孔103的示例。这些申请中每一个申请的全部内容在此通过援引并入。由于高速信号的高频率，PCB 100需要由昂贵的高性能材料制成。由于当信号在通过PCB 100上或在PCB 100内的迹线传输时SI降级，已知的是将高速连接器尽可能地靠近IC 101放置以减少SI降级。但是，路径长度不为零，且信号的SI仍然降级，相比较低的频率，较高的频率降级得更多。

因此，整个PCB 100必须由高性能材料制成并且可以包括附加的隔离接地面以保护敏感的高速数据信号不受较慢的功率信号和控制信号的影响，其中功率信号和控制信号不易受干扰的影响。这导致PCB100更复杂和更昂贵，具有折衷的电气设计。

发明内容

为了克服上述问题，本发明的优选实施例提供了提供PCB架构的组件和方法，该PCB架构允许低速的功率信号/控制信号与高速的数据信号分离。更具体地，在由FR-4或类似材料构造的较低成本的PCB上以线路传送低速的功率信号/控制信号，在使用工程PCB材料的高速PCB上以线路传送高速信号，并且使用高密度压接式互连将两个PCB连接在一起，这使得能够根据需要将一系列PCB连接在一起，以满足设计要求并降低或最小化成本。

根据本发明的优选实施例，印刷电路板(PCB)组件包括第一PCB、高速PCB以及将第一PCB和高速PCB电连接和物理连接的高速互连。

第一PCB优选地传输功率信号和控制信号。第一PCB优选地包括在第一PCB和高速PCB之间传输高速信号的高速导孔。优选地，第一PCB包括集成电路(IC)，并且高速导孔在IC和高速PCB之间传输高速信号。PCB组件还优选地包括管芯封装，该管芯封装包括第一PCB和集成电路(IC)。

高速PCB优选地传输高速数据信号。PCB组件还优选地包括高速连接器，该高速连接器连接到高速PCB。高速连接器优选地可以是铜连接器或具有光连接器的电组件/光组件。高速PCB优选地包括工程PCB材料。第一PCB优选地包括FR-4。

高速互连优选地是压接式(compression)互连。高速互连优选地包括压接式接触件。

根据本发明的优选实施例，高速印刷电路板(PCB)组件包括高速PCB和高速互连，高速PCB包括工程PCB材料，高速互连电连接且物理连接到高速PCB，并且可以与另一个PCB对接。

高速PCB优选地传输高速数据信号。高速PCB优选地包括高速连接器。高速连接器优选地可以是铜连接器或具有光连接器的电组件/光组件。高速互连优选地是压接式互连。高速互连优选地包括压接式接触件。

根据本发明的优选实施例，传输装置包括可移除地连接到高速印刷电路板的管芯封装和位于管芯封装和高速印刷电路板之间的高速互连。管芯封装优选地包括FR-4基板。

根据本发明的优选实施例，缆线组件包括多个功率和控制PCB，多个功率和控制PCB各自通过位于功率和控制PCB上的柔性电路、同轴缆线或双轴缆线以及可选管芯互连到公共的功率和控制(power-and-control)PCB。

根据本发明的优选实施例，缆线组件可以包括多个通过柔性电路、同轴缆线或双轴缆线互连到公共的高速PCB的多个高速PCB。

通过以下参考附图对本发明的优选实施例的详细描述，本发明的以上和其他特征、要素、特性、步骤和优点将变得更加明显。

附图的简要说明

图1示出已知的多层PCB的侧视图。

图2示出根据本发明的优选实施例的示例性双PCB架构的侧视图。

图3示出根据本发明的优选实施例的双PCB架构的分解图。

图4和图5分别是根据本发明的优选实施例的示例性高速压接式互连的俯视图和仰视图。

图6是根据本发明的优选实施例的使用高速压接式互连连接到一个PCB的5个PCB的视图。

图7是图3的双PCB架构的横截面剖视图。

图8是在两个相对侧上具有压接式接触件的压接式连接器的横截面剖视图。

优选实施例的具体描述

图2示出本发明优选实施例，其包括被连接在一起的两个PCB 10、20。图2示出一个功率或控制PCB 10，或者一个功率和控制PCB 10和一个高速PCB 20。以线路传送功率和控制信号的功率和控制PCB 10是较简单且较低成本的PCB，例如，可以由诸如8至10层的FR-4基板材料层或其他类似的低成本PCB材料构造，其总厚度为大约1毫米至大约2毫米。如图2中所示，功率和控制PCB 10的顶侧可以包括集成电路(IC)11或其它部件，并且底侧可以包括可以与电源或其他部件一起使用的旁路电容器14。PCB 10和IC 11可以包括在IC或管芯封装中。IC 11可为任何硅芯片，包括，例如ASIC或开关IC。功率和控制PCB 10包括信号导孔13，该信号导孔13在IC 11和高速PCB 20之间传输信号，例如差分信号。IC 11和高速PCB 20之间的高速信号可以仅使用竖直导孔13传输，而无需使用图1中邻近于功率和控制PCB 10的两个相对的主平行表面的相对于导孔103垂直地延伸的任何水平迹线传输。关于图2，在本文中竖直被定义为具有经低成本PCB材料的厚度延伸的数量和方向向量。换句话说，竖直是指导孔在低成本PCB材料的两个相对的主平行侧面或表面之间的方向上延伸。

图2中示出的高速PCB 20，例如，以线路传送高速数据信号并且可以由诸如8至10层的工程PCB材料层构造。高速PCB 20包括：数据传输速率大于或等于15千兆比特/秒但小于或等于114千兆比特/秒的PCB，其中多源、最坏情况、异步的时域串扰少于1％或2％或3％或4％；数据传输速率大于或等于20千兆比特/秒但小于或等于114千兆比特/秒的PCB，其中多源、最坏情况、异步的时域串扰少于1％或2％或3％或4％；数据传输速率大于或等于25千兆比特/秒但小于或等于114千兆比特/秒，其中多源、最坏情况、异步的时域串扰少于1％或2％或3％或4％；数据传输速率大于或等于40千兆比特/秒但小于或等于114千兆比特/秒或240千兆比特/秒的PCB，其中多源、最坏情况、异步的时域串扰少于1％或2％或3％或4％；数据传输速率大于或等于60千兆比特/秒但小于或等于114千兆比特/秒或240千兆比特/秒的PCB，其中多源、最坏情况、异步的时域串扰少于1％或2％或3％或4％；数据传输速率大于或等于100千兆比特/秒但小于或等于240千兆比特/秒的PCB，其中多源、最坏情况、异步的时域串扰少于1％或2％或3％或4％；或者数据传输速率大于或等于112千兆比特/秒但小于或等于240千兆比特/秒的PCB，其中多源、最坏情况、异步的时域串扰少于1％或2％或3％或4％。工程PCB材料可以包括具有以下一种或多种性能的诸如陶瓷、PTFE、聚酰亚胺、pyrlux、金属芯、氰酸酯、聚苯醚等的材料：低损耗、低铜表面粗糙度和选择性的玻璃纤维编织。工程PCB材料可以包括非玻璃纤维材料。基于工程PCB材料特定的性质或高速信令能力选择工程PCB材料，并且工程PCB材料可以包括在树脂及编织材料之间的匹配的介电常数，以及在工程PCB材料和紧密编织的材料之间的匹配的热膨胀系数，以减少编织中的气隙。

高速PCB 20可以界定减压腔(未示出)，当将高速PCB 20附连到功率和控制PCB 10时，旁路电容器14可以位于该减压(relief)腔中。

图2示出连接器，该连接器以图2中的粗线的矩形为边界，物理连接和电连接到功率和控制PCB 10或管芯封装。该连接器可以包括高速连接器12，高速连接器12可以被安装在高速PCB 20的一侧上，并且高速互连21可将功率和控制PCB 10连接到高速PCB 20。高速互连21可以包括壳体或基板，如图4和图5所示，或高速互连21可以不包括壳体或基板，即，接触件直接附连到如图2所示的高速PCB 20。图2示出两个高速连接器12，且图3示出8个高速连接器12，但是任何数量的高速连接器12都是可能的。高速连接器12可以是铜连接器或光连接器。对于铜连接器，高速连接器可以是压接式、LGA-LGA、SMT对LGA、SMT对SMT或其他可接受的连接接口。可替代地，连接器可以仅包括高速PCB 20和高速缆线连接器12。

如图2所示，缆线15从高速连接器12延伸。缆线15可以包括铜线或光纤。如果使用铜缆线，那么它可以是单线、同轴缆线，或双轴缆线。如果使用光纤，则可以使用有源光缆(AOC)。AOC包括连接到高速PCB 20的收发器。收发器可以包括有源的电子部件和光学部件。有源的电子部件和光学部件可以将电信号转换成光信号和/或将光信号转换成电信号。可以使用的收发器的示例是印第安纳州新奥尔巴尼的申泰(Samtec)公司的FireFly^TM光学收发器。缆线15连接到高速连接器12的部分从高速连接器12沿一方向延伸，该方向平行于或在制造公差内基本平行于高速PCB 20的面对的表面。由于缆线15从高速连接器12平行延伸，需要更多的高速PCB 20上的空间来与高速连接器12对接，这降低了数据信号的密度。替代平行延伸，连接到高速连接器12的缆线15的部分可以以任何角度从高速连接器12延伸，包括，例如垂直于或在制造公差内基本垂直于高速PCB 20的面对的表面延伸，这样可以增加数据信号的密度。

如图2中所示，高速PCB 20使用导孔13和迹线来增加数据信号的密度，以便能够使用功率和控制PCB 10中的高速导孔13在高速连接器12和IC 11之间传输数据信号，这最小化或消除了由功率和控制PCB 10导致的信号完整性(SI)的降级。相比没有高速PCB 20，使用高速PCB 20能使信号更接近IC 11，并且为每个高速连接器12的每个数据信号提供相同或在制造公差内基本相同的经过功率和控制PCB 10的路径长度。因为每个数据信号经过功率和控制PCB 10的路径长度相同或基本相同，所以功率和控制PCB 10导致每个数据信号相同或近似相同的SI降级。如果经过高速PCB 20的路径长度变化，则高速PCB 20会导致数据信号的不同程度的SI降级。高速PCB 20还可以包括在旁路电容器被安装到功率和控制PCB10的位置的直接下方的开口或腔，开口或腔为旁路电容器提供机械间隙。高速PCB 20的中心可以在中心敞开以允许具有这样的腔。

类似于图2，图3和图7示出管芯封装，该管芯封装包括在一侧上安装有IC 11的功率和控制PCB 10。图3和图7还示出在一侧上安装有高速连接器12的高速PCB 20，以及在功率和控制PCB 10和高速PCB 20之间的高速互连21。图3还示出间隔件/加强件30，间隔件/加强件30用于保持在功率和控制PCB 10和高速PCB 20之间的间隔以及设置高速互连21的接触件22的压接。

间隔件30保持图3示出的两个PCB 10、20之间的预定间隔，使得当功率和控制PCB10和高速PCB 20附连在一起时高速互连21的接触件22没有非弹性变形。间隔件30还改善整个双PCB组件的机械完整性。如图3中所示，间隔件30可以界定相接的矩形形状，该相接的矩形形状包括高速互连21。图3和图7中的间隔件30还包括通孔，其中紧固硬件(图3中未示出)从功率和控制PCB 10或高速PCB 20中一者的外表面穿过，经间隔件30到高速PCB 20或功率和控制PCB 10中另一者的外表面，以将两个PCB 10、20和高速互连21附连在一起。例如，如图7中所示，螺栓40可以用于将两个PCB 10、20连接在一起。两个PCB 10、20可以被软连接，即，不是永久地连接，使得在不损坏PCB 10、20的情况下，PCB 10、20可以断开连接，或者两个PCB 10、20可以被硬连接，即，永久地连接，使得在不损坏PCB 10、20的情况下，PCB 10、20就不可以断开连接。软连接允许两个PCB 10、20，以及相关的系统被单独地制造。

两个PCB 10、20可以以任何适当的方式，使用任何合适的技术连接在一起，包括例如相同或不同类型的中介层(interposer)、可分离的连接器、BGA技术、弹簧针)。连接器可以使用压配合、压接、通孔或SMT。任何允许可分离的Z轴连接的连接器可用于连接功率和控制PCB 10与高速PCB 20。例如，可以使用任何合适的RF连接器，诸如超小型版本A(SMA)、超小型推入式(SMP)等。

例如，图2和3中所示的高速互连21优选地可以是如图8的横截面剖视图所示的来自申泰(Samtec)的Z-

高密度阵列，或者可以是任何其他合适的压接式连接器。美国专利号7,056,131、7,371,073和7,758,351，公开了可以用于高速互连21的连接器的示例，这些专利中的每个专利的全部内容通过援引并入本文。

图4和图5示出图3中所示的一个高速互连21的俯视图和仰视图。高速互连21可以为如图8所示的在两侧均具有压接式接触件22的薄型、高密度的一体式阵列。压接式接触件22可以由铍铜(BeCU)制成，但其它合适的材料也是可行的。在替代配置中，可以用两侧上焊球替换接触件22，或者可以用只一侧上焊球同时另一侧上仍使用压接式接触件22来替换接触件22。如图4和图5中所示，压接式接触件22被界定为两个阵列，尽管任何数量的阵列和任何尺寸的阵列都是可能的。在图4、图5和图8中，高速互连21包括压接式接触件22嵌入其中的可选基板。在没有这种基板的情况下将接触件直接附连到高速PCB 10是可行的，这免除具有两组接触件的需要。

例如，高速互连21的纵断面可以是0.33毫米至4.00毫米高，具有0.80毫米至1.27毫米的接触件间距，以及具有至少15Gbps的性能和上述其他性能。多种自定义配置是可能的。

如上所述，使用两个以上的PCB和多个高速压接式互连51的PCB架构是可行的。例如，图6示出PCB 60上的高速压接式互连51。缆线组件可以包括多个功率和控制PCB 50,多个功率和控制PCB 50中的每一个功率和控制PCB 50通过柔性电路、同轴缆线或双轴缆线互连到公共的功率和控制PCB 50。在图6中，管芯可以位于功率和控制PCB 50上，并且PCB 60可以是高速PCB。可替代地，PCB 50可以是高速PCB，并且PCB 60可以是功率和控制PCB。在图6中，PCB 60的未示出的侧面可以包括与五个压接式互连51相对应的五个管芯或IC。

缆线组件可以包括连接PCB 50的四个柔性电路、同轴缆线束或双轴缆线束55，其中柔性电路或缆线55各自连接到一个PCB 50，并且其中所有的柔性电路、同轴缆线束或双轴缆线束55连接到相同的或公共的中心PCB 50。通过柔性电路、同轴缆线束或双轴缆线束55连接在一起的五个PCB 50中的每一个PCB 50通过高速互连51连接到一个大的PCB 60。许多替代的配置是可行的。如图6中所示，柔性电路、同轴缆线束或双轴缆线束55可以直接地连接到PCB 60，或者柔性电路、同轴缆线束或双轴缆线束55可以包括连接器，诸如图2所示的高速连接器12，高速连接器12允许柔性电路、同轴缆线束或双轴缆线束55更容易地连接到PCB 60以及与PCB 60断开连接。

具有高速互连21的高速PCB 20可用于被测器件(DUT)应用中，其中具有高速互连21的高速PCB 20可用作DUT板以向被测器件提供连接。

应当理解，以上描述仅是对本发明的说明。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员可以设计出各种替代和修改。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求的范围内的所有这样的替代、修改和变体。本文描述的任何实施例的任何元素或描述可以与本文描述的任何其他实施例混合、添加至本文描述的任何其他实施例或从本文描述的任何其他实施例中删减。

Claims (23)

1.一种印刷电路板(PCB)组件，其特征在于，包括：

第一PCB；

高速PCB；以及

将所述第一PCB和所述高速PCB电连接和物理连接的高速互连。

2.根据权利要求1所述的PCB组件，其特征在于，所述第一PCB传输功率和控制信号。

3.根据权利要求1或2所述的PCB组件，其特征在于，所述第一PCB包括高速导孔，所述高速导孔在所述第一PCB和所述高速PCB之间传输高速信号。

4.根据权利要求3所述的PCB组件，其特征在于，

第一PCB包括集成电路(IC)；以及

高速导孔在IC与高速PCB之间传输高速信号。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的PCB组件，其特征在于，还包括管芯封装，所述管芯封装包括所述第一PCB和集成电路(IC)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的PCB组件，其特征在于，所述高速PCB传输高速数据信号。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的PCB组件，其特征在于，还包括连接到所述高速PCB的高速连接器。

8.根据权利要求7所述的PCB组件，其特征在于，所述高速连接器是铜连接器或具有光连接器的电组件/光组件。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的PCB组件，其特征在于，所述高速PCB包括工程PCB材料。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的PCB组件，其特征在于，所述第一PCB包括FR-4。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的PCB组件，其特征在于，所述高速互连是压接式互连。

12.根据权利要求11所述的PCB组件，其特征在于，所述高速互连包括压接式接触件。

13.一种高速印刷电路板(PCB)组件，其特征在于，包括：

高速PCB，所述高速PCB包括工程PCB材料；以及

高速互连，所述高速互连电连接并且物理连接到高速PCB，并且能够与另一个PCB对接。

14.根据权利要求13所述的高速PCB组件，其特征在于，所述高速PCB传输高速数据信号。

15.根据权利要求13或14所述的高速PCB组件，其特征在于，所述高速PCB包括高速连接器。

16.根据权利要求15所述的高速PCB组件，其特征在于，所述高速连接器是铜连接器或具有光连接器的电组件/光组件。

17.根据权利要求13至16中任一项所述的高速PCB组件，其特征在于，所述高速互连是压接式互连。

18.根据权利要求17所述的高速PCB组件，其特征在于，所述高速互连包括压接式接触件。

19.一种传输设备，其特征在于，包括可拆卸地连接到高速印刷电路板的管芯封装。

20.根据权利要求19所述的传输设备，其特征在于，还包括位于所述管芯封装与所述高速印刷电路板之间的高速互连。

21.根据权利要求19或20所述的传输设备，其特征在于，所述管芯封装包括FR-4基板。

22.一种缆线组件，其特征在于，包括：

多个功率和控制PCB，每个功率和控制PCB通过柔性电路、同轴缆线或双轴缆线互连到公共的功率和控制PCB；以及

位于功率和控制PCB上的管芯。

23.一种缆线组件，其特征在于，包括通过柔性电路、同轴缆线或双轴缆线互连到公共的高速PCB的多个高速PCB。

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