CN114885493A

CN114885493A - 导容柱、信号完整性增强结构和电磁带隙结构

Info

Publication number: CN114885493A
Application number: CN202210534484.2A
Authority: CN
Inventors: 胡玉生; 郭丑伟; 方宝忠; 荣星
Original assignee: Jimei University
Current assignee: Jimei University
Priority date: 2022-05-17
Filing date: 2022-05-17
Publication date: 2022-08-09

Abstract

本发明公开了一种导容柱、信号完整性增强结构和电磁带隙结构。其中，所述导容柱，其结构为圆柱状多层结构，包括依序层叠的第一导体层、介质层和第二导体层，所述介质层的相对介电常数大于25；所述导容柱用于：嵌设于印刷线路板中，所述导容柱的高度和所述印刷线路板的厚度一致，所述印刷线路板的顶层和底层分设有电源平面和地平面；所述第一导体层和所述第二导体层分别和所述电源平面或所述地平面连接，从而在所述印刷线路板顶层和底层的电源平面、地平面之间形成容性连接。导容柱可单独使用，也可排列成周期结构形成电磁带隙结构。离散地应用导容柱可显著增强信号完整性和电源完整性，亦有助于抑制电磁干扰。

Description

导容柱、信号完整性增强结构和电磁带隙结构

技术领域

本发明涉及印刷线路板制造领域，尤其涉及一种导容柱和基于导容柱的信号完整性增强结构和电磁带隙结构。

背景技术

在高速数字系统中，印刷线路板中的高速互连线路的阻抗不连续会产生严重的反射，从而产生信号完整性问题，同步开关噪声会引起电源平面或参考地平面电压的波动，该波动电压不仅会导致时序逻辑错误，而且也是重要的电磁干扰源，此外，信号或噪声的传播耦合会引起串扰、辐射发射等电磁干扰问题。信号完整性、电源完整性和电磁干扰问题是高速、高频、高密度、小型化电路中的三个非常关键的问题。解决信号完整性、电源完整性和电磁干扰(EMI)的传统方法是采用分立式去耦电容、嵌入式电容等。目前，高速数字系统的工作频率逐渐向毫米波、太赫兹方向发展，由于传统的分立式器件存在等效串扰电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)等寄生能数，在频率较高时会产生谐振，已不能满足性能要求。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的是提供一种电磁干扰抑制电子元件，可应用于印刷线路板制造，以解决信号完整性、电源完整性和电磁干扰问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种导容柱，其结构为圆柱状多层结构，包括依序层叠的第一导体层、介质层和第二导体层，所述介质层的相对介电常数大于25；所述导容柱用于：嵌设于印刷线路板中，所述导容柱的高度和所述印刷线路板的厚度一致，所述印刷线路板的顶层和底层分设有电源平面和地平面；所述第一导体层和所述第二导体层分别和所述电源平面或所述地平面连接，从而在所述印刷线路板顶层和底层的电源平面、地平面之间形成容性连接。

进一步的，所述第一导体层和所述第二导体层的材质为铜、铝或银。

进一步的，所述的介质层为高介电常数材料制备的陶瓷薄膜。

进一步的，所述介质层的厚度为0.01－0.5毫米。

进一步的，所述导容柱的直径为1.0－2.5毫米。

进一步的，所述导容柱和所述印刷线路板的厚度一致，通过沉铜工艺，将所述第一导体层和印刷线路板顶层的铜箔连接，及将所述第二导体层和所述印刷线路板底层的铜箔连接。

进一步的，所述导容柱和所述印刷线路板的顶层铜箔和底层铜箔之间的中间层的厚度一致，所述导容柱预先嵌设于所述中间层中，并通过压合工艺，将所述第一导体层和印刷线路板顶层的铜箔连接，及将所述第二导体层和所述印刷线路板底层的铜箔连接。

本发明还提出了一种基于导容柱的信号完整性增强结构，在高速信号的过孔的周围布置若干个导容柱，所述导容柱为如上所述的导容柱，各导容柱的第一导体层均与印刷线路板顶层的电源平面连接，各导容柱的第二导体层均与印刷线路板底层的地平面连接；或各导容柱的第一导体层均与印刷线路板顶层的地平面连接，各导容柱的第二导体层均与印刷线路板底层的电源平面连接。

本发明还提出了一种基于导容柱的电磁带隙结构，包括多个导容柱，所述导容柱以阵列方式嵌设于印刷线路板上形成电磁带隙结构；所述导容柱为如上所述的导容柱，所述印刷线路板顶层和底层分设电源平面和地平面，各导容柱的第一导体层和所述印刷线路板顶层的电源平面或地平面连接，各导容柱的第二导体层和所述印刷线路板底层的地平面或电源平面连接；所述导容柱阵列的节距根据所述电磁带隙结构的禁带频率要求进行设定。

进一步的，所述电磁带隙结构设置于接收端和噪声源之间；所述接收端和所述噪声源之间的电磁带隙结构宽度不小于3个节距。

本发明实现了如下技术效果：

本发明的导容柱，结构简单、成本低、易于安装。可以应用于印刷线路板制造，改善高速数字系统中印刷线路板中的高速互连线路的信号完整性、电源完整性和电磁干扰等问题。

本发明的导容柱可离散使用，可显著增强高速信号的信号完整性。

本发明的导容柱可排列成周期结构形成电磁带隙结构，以分隔接收端和噪声源，从而提高接收端的接收灵敏度。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的导容柱的结构图；

图2是本发明的导容柱的工作原理示意图；

图3是本发明的导容柱嵌设于印刷线路板的方式1；

图4是本发明的导容柱嵌设于印刷线路板的方式2；

图5是本发明的基于导容柱的信号完整性增强结构；

图6是本发明的基于导容柱的电磁带隙结构。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明提供一种电磁干扰抑制电子元件，可称为导容柱或导容片，为导体介质复合的柱状结构，其兼具导体反射和容性的特性，以下简称导容柱。导容柱1为圆柱状多层结构，从上到下包括由上导体层101、高介电常数的介质层102和下导体层103组成。上导体层101、下导体层103可以采用铜、铝、银等导体材料；介质层102夹在上导体层101和下导体层103之间。在本实施例中，导容柱1的厚度h根据所要嵌入的印刷线路板的厚度而定，一般为0.2mm-2.00mm。上导体层101的厚度h1和下导体层103的厚度h2可以取相等值或不同值，介质层选用具有高介质常数的材料，其相对介电常数一般要求大于25。优选的，选用由高介电常数陶瓷材料，如钛酸钡、钛酸锶钡等制备的高介电常数陶瓷薄膜。高介电常数陶瓷薄膜的相对介电常数为50-200，高介电常数陶瓷薄膜的厚度δ与多层PCB内层电源层的厚度有关，可设为0.01mm到0.5mm不等，典型的可取50μm、0.1mm、0.2mm等。导容柱1的直径φ1可根据需要设定，为方便加工和嵌设，直径φ1的取值为1mm-2.5mm为宜。

如图2所示，在信号完整性的应用中，上导体层101和下导体层103提供理想的电流返回路径，上导体层101、下导体层103及其之间的介质层102可实现较大的电容以降低返回路径阻抗。介质层102的相对介电常数为ε2，印刷电路板2的中间层202中绝缘层的相对介电常数为ε1，其中，ε2远大于ε1。该导容柱特别适用于PCB板较厚的情形。由于导容柱较大的电容值同时也有利于增强电源完整性。当阵列导容柱组成电磁带隙(EBG)结构时，由于导体柱具有非常高的折射率，可显著增强噪声隔离度，并大大提高了频率禁带范围。所提导容柱结构简单、成本低、易于安装，应用灵活。

本发明的导容柱可单独使用，也可排列成周期结构形成电磁带隙结构。离散地应用导容柱可显著增强信号完整性和电源完整性。

如图3和图4所示，导容柱1和印刷线路板2可通过以下方式实现电连接。

(1)导容柱1和印刷线路板2的厚度一致。印刷线路板2包括顶层201、底层203和中间层202(在双层印刷线路板中中间层包含一绝缘层，在多层印刷线路板中，中间层包含若干个层叠的绝缘层和铜箔)。印刷线路板在沉铜工艺前通过CNC钻孔，将导容柱1嵌入印刷线路板中，再通过沉铜工艺，将第一导体层101和印刷线路板2的顶层201的铜箔连接，及将下导体层103和印刷线路板2的底层203的铜箔连接。因导容柱1和印刷线路板2是紧密结合的，因此在沉铜工艺时，可以通过工艺控制，避免出现导容柱1的上导体层101和下导体层103发生短路的情形。

(2)导容柱1和印刷线路板2的中间层202的厚度一致。导容柱1预先嵌设于中间层202中，并通过压合工艺，将所述上导体层101和印刷线路板2的顶层201的铜箔连接，及将下导体层103和印刷线路板2的底层203的铜箔连接。

实施例1

如图5所示，导容柱可用于增强高速信号的信号完整性。在高速多层PCB中由于信号过孔的电流返回路径不连续，导致阻抗不连续，会使传输的信号产生反射，传输性能下降，此外，信号过孔周围的电磁波会在PCB板的电源/地平面间传播，而电源/地平面呈谐振腔结构，在频率很高时会产生谐振现象，谐振会使信号完整性进一步恶化。为保证信号完整性，本发明给出了一种低成本的方法：在高速信号的过孔204周围布置若干个导容柱1，典型的可取1到4个。导体柱的上导体层101和下导体层103分别与电源平面和地平面连接，上导体层101和下导体层103之间的陶瓷薄膜避免了短路，且陶瓷薄膜的介电常数较高，厚度很薄，因此电容较大，使得返回路径阻抗很小，上导体层101和下导体层103一方面为过孔信号提供了理想的返回路径，另一方面便于和印刷线路板2的顶层201和底层203的铜箔连接，从而将元件牢固地焊接到印刷线路板2的电源平面和地平面上。

实施例2

导容柱可以阵列方式形成电磁带隙结构。该电磁带隙结构用于隔离信号接收端的电磁噪声。图6所示为高速多层PCB电源/地平面之间的噪声隔离问题，导容柱阵列形成的电磁带隙结构位于左侧的噪声源和右侧的接收端之间，将接收端和噪声源隔开。导容柱按周期结构嵌入在电源/地平面之间，在噪声源和接收端之间的电磁带隙结构至少应有3个周期，调节周期长度(即节距)可调整频率禁带的中心频率。对多噪声源、多方向的噪声耦合，事实上导容柱可在整个PCB的电源/地平面之间布置。相对于通常的介质柱型电磁带隙结构，基于导容柱的电磁带隙结构具有更高的噪声隔离度和更宽的频率禁带。这是因为金属相当于介电常数为无穷大的介质材料，具有很高的折射率。导容柱之间的高介电常数陶瓷薄膜的功能一方面是避免上下短路，另一方面是提供低阻抗电流返回路径，从而形成电流环路以增强电感的作用，从电路上实现L/C高阻抗谐振，以阻止噪声的传播。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明作出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims

1.一种导容柱，其特征在于，其结构为圆柱状多层结构，包括依序层叠的第一导体层、介质层和第二导体层，所述介质层的相对介电常数大于25；所述导容柱用于：嵌设于印刷线路板中，所述导容柱的高度和所述印刷线路板的厚度一致或和所述印刷线路板的顶层和底层铜箔之间的中间层的厚度一致，所述印刷线路板的顶层和底层分设有电源平面和地平面；所述第一导体层和所述第二导体层分别和所述电源平面或所述地平面连接，从而在所述印刷线路板顶层和底层的电源平面、地平面之间形成容性连接。

2.如权利要求1所述的导容柱，其特征在于，所述第一导体层和所述第二导体层的材质为铜、铝或银。

3.如权利要求1所述的导容柱，其特征在于，所述的介质层为高介电常数材料制备的陶瓷薄膜。

4.如权利要求1所述的导容柱，其特征在于，所述介质层的厚度为0.01－0.5毫米。

5.如权利要求1所述的导容柱，其特征在于，所述导容柱的直径为1.0－2.5毫米。

6.如权利要求1所述的导容柱，其特征在于，所述导容柱和所述印刷线路板的厚度一致，通过沉铜工艺，将所述第一导体层和印刷线路板顶层的铜箔连接，及将所述第二导体层和所述印刷线路板底层的铜箔连接。

7.如权利要求1所述的导容柱，其特征在于，所述导容柱和所述印刷线路板的顶层铜箔和底层铜箔之间的中间层的厚度一致，所述导容柱预先嵌设于所述中间层中，并通过压合工艺，将所述第一导体层和印刷线路板顶层的铜箔连接，及将所述第二导体层和所述印刷线路板底层的铜箔连接。

8.一种基于导容柱的信号完整性增强结构，其特征在于，在高速信号的过孔的周围布置若干个导容柱，所述导容柱为权利要求1-7任一项所述的导容柱，各导容柱的第一导体层均与印刷线路板顶层的电源平面连接，各导容柱的第二导体层均与印刷线路板底层的地平面连接；或各导容柱的第一导体层均与印刷线路板顶层的地平面连接，各导容柱的第二导体层均与印刷线路板底层的电源平面连接。

9.一种基于导容柱的电磁带隙结构，其特征在于，包括多个导容柱，所述导容柱以阵列方式嵌设于印刷线路板上形成电磁带隙结构；所述导容柱为权利要求1-7任一项所述的导容柱，所述印刷线路板顶层和底层分设电源平面和地平面，各导容柱的第一导体层和所述印刷线路板顶层的电源平面或地平面连接，各导容柱的第二导体层和所述印刷线路板底层的地平面或电源平面连接；所述导容柱阵列的节距根据所述电磁带隙结构的禁带频率要求进行设定。

10.如权利要求9所述的基于导容柱的电磁带隙结构，其特征在于，所述电磁带隙结构设置于接收端和噪声源之间；所述接收端和所述噪声源之间的电磁带隙结构宽度不小于3个节距。