TW202218504A

TW202218504A - 多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構

Info

Publication number: TW202218504A
Application number: TW109136030A
Authority: TW
Inventors: 林弘萱
Original assignee: 萬旭電業股份有限公司
Priority date: 2020-10-16
Filing date: 2020-10-16
Publication date: 2022-05-01
Also published as: TWI734633B

Abstract

一種多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構，包含一底端金屬層、一中間金屬層及一頂端金屬層；該底端金屬層包含一底端接地面及一底端導體區；該中間金屬層包含一中間接地面；該頂端金屬層包含一頂端接地面及一頂端導體區；該底端接地面定義並圍繞一底端環形隔離區域；該中間接地面定義並圍繞一中間隔離區域；該頂端接地面定義並圍繞一頂端環形隔離區域；該底端環形隔離區域圍繞該底端導體區的至少一部分；該頂端環形隔離區域圍繞該頂端導體區的至少一部分；該頂端環形隔離區域的大小形狀與該中間隔離區域的大小形狀不同。

Description

多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構

本發明係有關於一種多層印刷電路板，特別是一種多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構。

在多層電路板（例如多層印刷電路板）及低溫/高溫共燒陶瓷（LTCC/HTCC）結構中，導通孔（via）是用來連接不同層的金屬，用以傳輸訊號或是接地。如果訊號要在多層電路板的不同層之間傳輸，也需要複數之導通孔以形成跨層傳輸結構。如果傳輸的訊號的頻率越高（例如毫米波（millimeter wave），30GHz～300GHz），或如果是要傳輸的訊號的頻寬越大，由導通孔形成的這種跨層傳輸結構中的阻抗不連續、輻射損耗、基板之間共振與訊號交互耦合的不良現象會越嚴重，使得訊號大幅度地衰減以及產生不同訊號之間的干擾。

多層電路板的各項尺寸參數必須符合製造商所訂定的設計規範（design rule），例如最小線寬、最小線距、焊墊（pad）尺寸、導通孔孔徑、導通孔孔環的最小尺寸等等；不符合製造商所訂定的設計規範的多層電路板的尺寸參數會造成成品的良率的下降及電氣特性的不穩定。設計者必須具備微波/毫米波電路的觀念及具有電路模擬/三維電磁模擬軟體等等以設計出符合製造商所訂定的設計規範的並在特定頻率範圍內有良好電氣傳導特性的跨層傳輸結構。

請參考圖1，其係為相關技術之多層印刷電路板之一具體實施例之組合圖；請參考圖2，其係為相關技術之多層印刷電路板之一具體實施例之上視透視圖及側視透視圖；請參考圖3，其係為相關技術之多層印刷電路板之一具體實施例之透視圖；請參考圖4，其係為相關技術之多層印刷電路板之一具體實施例之剖視透視圖。

一相關技術之多層印刷電路板30包含一頂端金屬層L1、一第一中間金屬層L2、一第二中間金屬層L3、一第三中間金屬層L4、一第四中間金屬層L5、一底端金屬層L6、一頂端傳輸線142及一底端傳輸線144；該相關技術之多層印刷電路板30係定義一中央導通孔118、一隔離區域140、複數之接地導通孔120及複數之頂端接地導通孔121-1。該隔離區域140的面積大，且在每一層的該隔離區域140的大小/形狀都相同；該些接地導通孔120係為集中的（intensive）。

在多層電路板當中，傳遞高頻訊號的跨層傳輸結構一般地包含了該中央導通孔118以連接不同金屬層的傳輸線，該些接地導通孔120連接至射頻電路的接地導體以形成回流路徑；導通孔的孔環大小、該些接地導通孔120的大小、該些接地導通孔120的數量及該些接地導通孔120的間距可以被調整以控制跨層傳輸結構的等效阻抗，使得傳輸的頻帶有較佳的傳輸特性。在相關技術的多層電路板設計當中，訊號跨層傳輸結構（從最頂層至最底層）需要較多的貫孔（through-hole via）以包圍/形成C型的接地環，以防止高頻訊號在基板中側向地傳遞；這種設計限定了傳輸線（亦即，該頂端傳輸線142及該底端傳輸線144）出線方向並占用較大的面積，使得輻射洩漏較高，造成損耗較高及相鄰的傳輸線或是元件之間的交互耦合。

為解決上述問題，本發明之目的在於提供一種多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構。

為達成本發明之上述目的，本發明之多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構包含：一底端金屬層；至少一中間金屬層，該至少一中間金屬層係設置於該底端金屬層上；及一頂端金屬層，該頂端金屬層係設置於該至少一中間金屬層上。其中該底端金屬層包含一底端接地面及一底端導體區；該至少一中間金屬層包含至少一中間接地面；該頂端金屬層包含一頂端接地面及一頂端導體區；該底端接地面定義一底端環形隔離區域；該底端接地面圍繞該底端環形隔離區域；該至少一中間接地面定義至少一中間隔離區域；該至少一中間接地面圍繞該至少一中間隔離區域；該頂端接地面定義一頂端環形隔離區域；該頂端接地面圍繞該頂端環形隔離區域；該底端環形隔離區域圍繞該底端導體區的至少一部分；該頂端環形隔離區域圍繞該頂端導體區的至少一部分；該頂端環形隔離區域的大小與該至少一中間隔離區域的大小不同，或是該頂端環形隔離區域的形狀與該至少一中間隔離區域的形狀不同，藉以調節該多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構之阻抗特性。

再者，在如上所述之本發明之該多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構之一具體實施例當中，其中該底端環形隔離區域的大小與該至少一中間隔離區域的大小不同，或是該底端環形隔離區域的形狀與該至少一中間隔離區域的形狀不同，藉以調節該多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構之阻抗特性。

再者，在如上所述之本發明之該多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構之一具體實施例當中，其中該底端導體區及該頂端導體區定義一中央導通孔；該底端導體區及該頂端導體區圍繞該中央導通孔；該中央導通孔貫穿該底端導體區及該頂端導體區；該底端導體區及該頂端導體區透過該中央導通孔彼此連接。

再者，在如上所述之本發明之該多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構之一具體實施例當中，其中該底端接地面、該至少一中間接地面及該頂端接地面定義複數之接地導通孔；該底端接地面、該至少一中間接地面及該頂端接地面圍繞該些接地導通孔；該底端接地面、該至少一中間接地面及該頂端接地面連接至該些接地導通孔。

再者，在如上所述之本發明之該多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構之一具體實施例當中，其中該至少一中間接地面在該至少一中間隔離區域中定義至少一徑向槽孔；該至少一中間接地面圍繞該至少一徑向槽孔。

再者，在如上所述之本發明之該多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構之一具體實施例當中，其中該底端導體區係為一傳輸線結構；該頂端導體區係為一傳輸線結構。

再者，在如上所述之本發明之該多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構之一具體實施例當中，係應用於一電子元件，其中該多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構更包含至少一電子元件焊墊；該電子元件焊墊連接至該底端導體區或該頂端導體區。

再者，在如上所述之本發明之該多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構之一具體實施例當中，其中該底端金屬層定義一底端隔離槽孔；該至少一中間金屬層定義至少一中間隔離槽孔；該頂端金屬層定義一頂端隔離槽孔；該底端隔離槽孔圍繞該底端接地面及該些接地導通孔；該至少一中間隔離槽孔圍繞該至少一中間接地面及該些接地導通孔；該頂端隔離槽孔圍繞該頂端接地面及該些接地導通孔。

再者，在如上所述之本發明之該多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構之一具體實施例當中，其中該中央導通孔及該些接地導通孔係為複數之電鍍通孔。

本發明之功效在於使該多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構在特定頻段具有較佳之高頻訊號傳導特性。

為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得到深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

在本揭露當中，提供了許多特定的細節，藉以提供對本發明之具體實施例之徹底瞭解；然而，本領域技術人員應當知曉，在沒有一個或更多個該些特定的細節的情況下，依然能實踐本發明；在其他情況下，則未顯示或描述眾所周知的細節以避免模糊了本發明之主要技術特徵。茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下：

請參考圖9，其係為本發明之多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構之一具體實施例之分解圖。本發明之一種多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構10包含一頂端金屬層L1、至少一中間金屬層L2～L5（亦即，一第一中間金屬層L2、一第二中間金屬層L3、一第三中間金屬層L4及一第四中間金屬層L5）、一底端金屬層L6、一第一介電質層L11（dielectric layer）、一第二介電質層L21、一第三介電質層L31、一第四介電質層L41及一第五介電質層L51。

該頂端金屬層L1係設置於該至少一中間金屬層L2～L5上；該至少一中間金屬層L2～L5係設置於該底端金屬層L6上。更詳細地說，該頂端金屬層L1係設置於該第一介電質層L11上；該第一介電質層L11係設置於該第一中間金屬層L2上；該第一中間金屬層L2係設置於該第二介電質層L21上；該第二介電質層L21係設置於該第二中間金屬層L3上；該第二中間金屬層L3係設置於該第三介電質層L31上；該第三介電質層L31係設置於該第三中間金屬層L4上；該第三中間金屬層L4係設置於該第四介電質層L41上；該第四介電質層L41係設置於該第四中間金屬層L5上；該第四中間金屬層L5係設置於該第五介電質層L51上；該第五介電質層L51係設置於該底端金屬層L6上。

該底端金屬層L6包含一底端接地面102及一底端導體區114；該至少一中間金屬層L2～L5包含至少一中間接地面104；該頂端金屬層L1包含一頂端接地面106及一頂端導體區116；該底端接地面102定義一底端環形隔離區域108以及一底端導體狹縫115；該底端接地面102圍繞該底端環形隔離區域108以及該底端導體狹縫115；該至少一中間接地面104定義至少一中間隔離區域110；該至少一中間接地面104圍繞該至少一中間隔離區域110；該頂端接地面106定義一頂端環形隔離區域112以及一頂端導體狹縫117；該頂端接地面106圍繞該頂端環形隔離區域112以及該頂端導體狹縫117；該底端導體狹縫115圍繞該底端導體區114的至少一部分；該頂端導體狹縫117圍繞該頂端導體區116的至少一部分。

該頂端環形隔離區域112的大小與該至少一中間隔離區域110的大小不同，或是該頂端環形隔離區域112的形狀與該至少一中間隔離區域110的形狀不同，藉以調節該多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構10之阻抗特性，使得該多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構10在特定頻段具有較佳之高頻訊號傳導特性。該底端環形隔離區域108的大小與該至少一中間隔離區域110的大小不同，或是該底端環形隔離區域108的形狀與該至少一中間隔離區域110的形狀不同，藉以調節該多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構10之阻抗特性，使得該多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構10在特定頻段具有較佳之高頻訊號傳導特性。

該底端導體區114及該頂端導體區116定義一中央導通孔118（center via）；該底端導體區114及該頂端導體區116圍繞該中央導通孔118；該中央導通孔118貫穿該頂端金屬層L1/該頂端導體區116、該第一介電質層L11、該第二介電質層L21、該第三介電質層L31、該第四介電質層L41、該第五介電質層L51及該底端金屬層L6/該底端導體區114；該頂端導體區116、該第一介電質層L11、該第二介電質層L21、該第三介電質層L31、該第四介電質層L41、該第五介電質層L51及該底端導體區114透過該中央導通孔118彼此連接。

該底端接地面102、該至少一中間接地面104、該頂端接地面106、該第一介電質層L11、該第二介電質層L21、該第三介電質層L31、該第四介電質層L41及該第五介電質層L51定義複數之接地導通孔120（ground via）；該頂端接地面106、該第一介電質層L11及該至少一中間接地面104（亦即，該第一中間金屬層L2）定義複數之頂端接地導通孔121-1；該底端接地面102、該第五介電質層L51及該至少一中間接地面104（亦即，該第四中間金屬層L5）定義複數之底端接地導通孔121-2；該底端接地面102、該至少一中間接地面104及該頂端接地面106圍繞該些接地導通孔120；該底端接地面102、該至少一中間接地面104及該頂端接地面106連接至該些接地導通孔120。該些接地導通孔120貫穿該頂端金屬層L1、該至少一中間金屬層L2～L5、該第一介電質層L11、該第二介電質層L21、該第三介電質層L31、該第四介電質層L41、該第五介電質層L51及該底端金屬層L6。該些頂端接地導通孔121-1貫穿該頂端接地面106、該第一介電質層L11及該第一中間金屬層L2；該些底端接地導通孔121-2貫穿該底端接地面102、該第五介電質層L51及該第四中間金屬層L5。

該底端導體區114包含一底端孔環124（annular ring）；該底端孔環124圍繞該中央導通孔118；該頂端導體區116包含一頂端孔環126；該頂端孔環126圍繞該中央導通孔118。依據阻抗特性與製造商的印刷電路板的製程規範，該至少一中間金屬層L2～L5可能也有上述之孔環。該底端導體區114係為一傳輸線結構；該頂端導體區116係為一傳輸線結構。

該底端金屬層L6定義一底端隔離槽孔130（isolation slot）；該至少一中間金屬層L2～L5定義至少一中間隔離槽孔132；該頂端金屬層L1定義一頂端隔離槽孔134；該底端隔離槽孔130圍繞該底端接地面102及該些接地導通孔120；該至少一中間隔離槽孔132圍繞該至少一中間接地面104及該些接地導通孔120；該頂端隔離槽孔134圍繞該頂端接地面106及該些接地導通孔120。該中央導通孔118及該些接地導通孔120係為複數之電鍍通孔（plating through hole）。

請參考圖5，其係為本發明之多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構之一具體實施例之組合圖；圖5顯示一過渡區段136（transition section）及一傳輸線區段138（transmission line section）。

請參考圖6，其係為本發明之多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構之一具體實施例之上視透視圖及側視透視圖；圖6係主要地顯示該頂端金屬層L1及該第一中間金屬層L2之該些頂端接地導通孔121-1，以及主要地顯示該第四中間金屬層L5及該底端金屬層L6之該些底端接地導通孔121-2。

請參考圖7，其係為本發明之多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構之一具體實施例之透視圖。請參考圖8，其係為本發明之多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構之一具體實施例之剖視透視圖。

請參考圖10，其係為本發明之該第二中間金屬層或該第三中間金屬層之一具體實施例之上視圖；該至少一中間接地面104在該至少一中間隔離區域110中定義至少一徑向槽孔122（圖10的上半部）；該至少一中間接地面104圍繞該至少一徑向槽孔122。

請參考圖11，其係為本發明之一具體實施例之應用圖；該多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構10係應用於一電子元件20；該多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構10更包含至少一電子元件焊墊128；該電子元件焊墊128連接至該底端導體區114或該頂端導體區116。

綜上所述，本發明是一種新的跨層傳輸結構設計，巧妙地設計多層印刷電路板的導通孔的排列以及各層的金屬圖樣；請再次參考圖5～11，本發明包含以下特點：

1. 該些接地導通孔120儘量朝向該中央導通孔118集中，藉以縮小回流路徑差以獲得較佳的頻寬特性。

2. 該底端環形隔離區域108及該頂端環形隔離區域112縮小，使得向外部空氣的輻射洩漏可以降低。

3. 該至少一中間隔離區域110適度地放大，或是增加該徑向槽孔122，以調整跨層傳輸結構阻抗。

4. 隔離槽孔（亦即，該底端隔離槽孔130、該至少一中間隔離槽孔132及該頂端隔離槽孔134）增加至各層的接地面（亦即，該底端接地面102、該至少一中間接地面104及該頂端接地面106）的該些接地導通孔120的外圍，以抑制高頻訊號沿著接地金屬側向的（lateral）洩漏。

結合以上特點，本發明之新的跨層傳輸結構設計可以在特定頻帶具有較佳的傳輸特性，且具有彈性的傳輸線出線方向。

圖5～11之具體實施例係包含六層金屬層，以形成本發明之該多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構10；該些六層金屬層從頂端至底端依序為該頂端金屬層L1、該第一中間金屬層L2、該第二中間金屬層L3、該第三中間金屬層L4、該第四中間金屬層L5及該底端金屬層L6。高頻訊號藉由該頂端金屬層L1及該底端金屬層L6的兩傳輸線（亦即，該頂端導體區116及該底端導體區114）連接/傳送至跨層結構而能跨層傳輸；然而，連接/傳送至跨層傳輸結構不限於任何形式的傳輸線，其亦可為積體電路（IC）或是電子元件的腳位焊墊（亦即，該電子元件焊墊128），甚至整合成via-in-pad的形式。

該頂端金屬層L1及該底端金屬層L6的傳輸線（亦即，該頂端導體區116及該底端導體區114）係為微帶線（microstrip line）的形式；該第一中間金屬層L2及該第四中間金屬層L5分別地具有對應的中間接地面104，但為了進一步地減少高頻訊號的交互耦合，該頂端金屬層L1及該底端金屬層L6也分別地具有輔助的接地面（亦即，該頂端接地面106及該底端接地面102）；該頂端接地面106透過該頂端金屬層L1及該第一中間金屬層L2之該些頂端接地導通孔121-1連接該第一中間金屬層L2之該中間接地面104；該底端接地面102透過該第四中間金屬層L5及該底端金屬層L6之該些底端接地導通孔121-2連接該第四中間金屬層L5之該中間接地面104；因此，可形成類似接地共面波導（grounded coplanar waveguide，GCPW）的結構。

通常有複數個接地面，分佈於各金屬層，並與該些接地導通孔120連接。在本實施例，該頂端金屬層L1及該底端金屬層L6是具有傳輸線（亦即，該頂端導體區116及該底端導體區114）的金屬層，該頂端金屬層L1及該底端金屬層L6的接地面（亦即，該頂端接地面106及該底端接地面102）係分別地連接至該頂端金屬層L1及該底端金屬層L6的輔助射頻地；相較於傳統設計，該底端環形隔離區域108及該頂端環形隔離區域112的尺寸比較小，以降低輻射損耗。

該至少一中間金屬層L2～L5（亦即，該第一中間金屬層L2、該第二中間金屬層L3、該第三中間金屬層L4及該第四中間金屬層L5）之該至少一中間隔離區域110係改變尺寸或形狀以調整特性。該至少一中間隔離區域110可以等於該頂端環形隔離區域112加上額外的該徑向槽孔122，或是該至少一中間隔離區域110可以直接地擴大該頂端環形隔離區域112的尺寸，但是保留該些接地導通孔120。在本發明當中，對於不同的機板介質層厚度、具有不同材質的印刷電路板疊層或具有不同介電常數（dielectric constant）的印刷電路板疊層，該至少一中間隔離區域110為可調整的，藉以最佳化對應至所需頻率範圍的該多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構10的電氣特性。

該些接地導通孔120係較為稀疏地排列，以提供該至少一中間隔離區域110較大的變化空間，但高頻訊號可能較容易地在基板中傳播；為了解決這樣的問題，本發明提供隔離槽孔（亦即，該底端隔離槽孔130、該至少一中間隔離槽孔132及該頂端隔離槽孔134）以抑制由高頻訊號在基板中側向地傳播所引起的共振及訊號交互耦合。隔離槽孔可使得該多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構10、該頂端導體區116、該底端導體區114、該頂端接地面106、該至少一中間接地面104及該底端接地面102的不連續以抑制基板間的傳播或共振模態；如果該多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構10的某一層沒有大面積的銅箔的接地面，則隔離槽孔即成為該多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構10、該頂端導體區116及該底端導體區114的外型邊界。

本發明之功效在於使該多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構10在特定頻段具有較佳之高頻訊號傳導特性。

然以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能限定本發明實施之範圍，即凡依本發明請求項所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍意圖保護之範疇。本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的請求項的保護範圍。綜上所述，當知本發明已具有產業利用性、新穎性與進步性，又本發明之構造亦未曾見於同類產品及公開使用，完全符合發明專利申請要件，爰依專利法提出申請。

10:多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構

20:電子元件

30:相關技術之多層印刷電路板

102:底端接地面

104:中間接地面

106:頂端接地面

108:底端環形隔離區域

110:中間隔離區域

112:頂端環形隔離區域

114:底端導體區

115:底端導體狹縫

116:頂端導體區

117:頂端導體狹縫

118:中央導通孔

120:接地導通孔

121-1:頂端接地導通孔

121-2:底端接地導通孔

122:徑向槽孔

124:底端孔環

126:頂端孔環

128:電子元件焊墊

130:底端隔離槽孔

132:中間隔離槽孔

134:頂端隔離槽孔

136:過渡區段

138:傳輸線區段

140:隔離區域

142:頂端傳輸線

144:底端傳輸線

L1:頂端金屬層

L2:第一中間金屬層

L3:第二中間金屬層

L4:第三中間金屬層

L5:第四中間金屬層

L6:底端金屬層

L11:第一介電質層

L21:第二介電質層

L31:第三介電質層

L41:第四介電質層

L51:第五介電質層

圖1為相關技術之多層印刷電路板之一具體實施例之組合圖。

圖2為相關技術之多層印刷電路板之一具體實施例之上視透視圖及側視透視圖。

圖3為相關技術之多層印刷電路板之一具體實施例之透視圖。

圖4為相關技術之多層印刷電路板之一具體實施例之剖視透視圖。

圖5為本發明之多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構之一具體實施例之組合圖。

圖6為本發明之多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構之一具體實施例之上視透視圖及側視透視圖。

圖7為本發明之多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構之一具體實施例之透視圖。

圖8為本發明之多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構之一具體實施例之剖視透視圖。

圖9為本發明之多層印刷電路板中高頻訊號跨層傳輸結構之一具體實施例之分解圖。

圖10為本發明之該第二中間金屬層或該第三中間金屬層之一具體實施例之上視圖。

圖11為本發明之一具體實施例之應用圖。