TWI381575B - 用於傳輸高頻訊號之載體及載體佈線方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關一種訊號傳輸技術，尤指一種應用於用於傳輸高頻訊號之載體及載體佈線方法。
通訊產品之資料傳輸速度係持續邁向高速化，為了維持高頻訊號的傳輸品質，在諸如電路板、排線、可撓性電路板等載體之設計上，線寬均需保持一致，以在訊號導線之間傳遞電子訊號時，確保特性阻抗(Characteristic impedance)的整合匹配(matching)。
同時，在不影響高頻訊號之基本上升時間、下降時間、時脈、抖動與眼圖等的要求下，前述通訊產品通常可使用諸如軟板(Flexible Printed Circuit Board,Flexible PCB)或軟硬結合板(Flex-rigid PCB)等之可撓性電路板做為載體，於該載體進行佈線而形成該訊號傳輸結構，例如液晶螢幕(LCD)介面、電荷耦合元件(CCD)介面、週邊裝置元件互連(PCI,Peripheral Component Interconnect)介面、萬用串列匯流排(USB)介面、串列周邊介面(Serial Peripheral Interface,SPI)介面、IC連線匯流排(Inter-integrated Circuit,I2C)介面、音頻編碼(Audio Codec)介面、區域網路(LAN)介面、進階技術附加(Advanced Technology Attachment,ATA)介面等介面則可經由前
述訊號傳輸結構傳輸高頻訊號至該載體。
基於前述載體之訊號傳輸結構在結合介面時會有產生雜訊之問題，前述專利技術係以降低訊號損失為設計理念。而且，一般來說係採取抑制訊號衰減的對策，來解決高頻雜訊所引發之問題，而以往抑制訊號衰減的對策不外乎藉由電路技術的補償(或補正)方法、或者是選擇使用比較不容易造成訊號衰減的材料。相關之專利技術例如有台灣專利證書第I229497號發明專利、台灣專利證書第1246251號發明專利。
以傳輸電路的特性而言，高頻成分本來就比較容易衰減，而藉由電路設計技術可加以補正。例如，在接收端的波形補正電路，刻意去衰減接收訊號的低頻成分，如此一來，訊號的衰減就會一致化，解除波形失真的問題。當然，訊號的振幅既然變小，就必須再仰賴後段的訊號放大器，而補正電路的輸入阻抗也必須匹配特性阻抗，避免造成波形訊號品質的惡化。
舉例來說，習知技術係在訊號傳輸端與接收端之間加入低通濾波器(low-pass filter)，以濾除高頻雜訊。
惟，低通濾波器會讓晶片面積大幅增加，且在製程變異下，諸如延遲單元的延遲時間難以控制也缺乏彈性。同時，由於電容與電阻在積體電路中所佔面積較大，卻也是濾波器必備的元件，因此低通濾波器將無可避免的大幅增加晶片面積。而且，延遲單元的延
遲時間則會因製程變異而產生誤差，此種誤差是設計時難以掌控的，如此一來，不但可能影響效能，甚至可能影響系統穩定性。此外，在這樣的設計下，延遲時間是固定而缺乏彈性的，對於不同頻率的輸入訊號，將有可能與此延遲時間無法配合，而對系統穩定性造成影響。
再者，選擇使用比較不容易造成訊號衰減的材料做為基材時，較低的介電常數與較小的介電損失雖然可抑制高頻訊號的損失；然而，此種基材有著使用數量較少且價格較貴之劣勢。因此，選用低損失基材時，無論是價格與產品交期均為有待仔細評估之課題。
由上可知，習知技術具有諸多問題，是故，如何提出一種改善載體之訊號傳輸的技術，以避免習知技術中之種種缺失，實為目前亟欲解決之技術問題。
鑒於上述習知技術之缺點，本發明之一目的在於提供一種用於傳輸高頻訊號之載體及載體佈線方法，俾提升高頻損失。
本發明之另一目的在於提供一種用於傳輸高頻訊號之載體及載體佈線方法，俾提供設計彈性。
為達成上述目的及其他目的，本發明提供一種具有用於傳輸高頻訊號之載體，該載體包括基材及形成於該基材之訊號導線與參考平面，並具有以下之至少
一種特徵：設於該訊號導線上之導電層、形成於該參考平面與該訊號導線間之共面波導、設於該訊號導線之粗糙部、設於該訊號導線之縮減部、以及該基材為高正切損失基材，以提升高頻訊號損失。
本發明復提供一種用於傳輸高頻訊號之載體佈線方法，包括：依所傳輸之該高頻訊號而定義該載體之阻抗與厚度；依該阻抗與該厚度定義佈線參數，其中該載體包括基材及形成於該基材之訊號導線與參考平面，而該佈線參數係選自以下之至少其中一種特徵：於該訊號導線上形成導電層、於該參考平面與該訊號導線之間形成共面波導、於該訊號導線形成粗糙部、於該訊號導線形成縮減部、以及該基材選用為高正切損失基材；以及根據所定義之該佈線參數進行佈線，以提升所傳輸之該高頻訊號之損失。
前述之用於傳輸高頻訊號之載體及載體佈線方法中，該導電層係可為鎳層或其他導電係數差之金屬材料層。該粗糙部係設於該訊號導線至少其中一表面，其中，該粗糙部係滿足公式σc
=σ/Kw2
，Kw=1+exp(-(s/2h)1.6
)，其中σc
及σ為導電係數，單位為Siemens/meter，Kw為調整導電係數的參數，無單位，h為粗糙度，單位為meter，s為集膚深度，單位為meter。該縮減部之截面積係滿足公式s=(π×f×u×σc
)(-1/2)
，其中f為頻率，單位為Hz，u為導磁係數，單位為Henry/meter，該縮減部係設於該訊號導線之至少
一側。該電路板中訊號之單位損失(R)係滿足公式R=σc
/(w×s)，其中R的單位為ohms/meter，σc
為導電係數，w為線寬，單位為meter，w×s為截面積。該基材係為有機玻璃纖維(FR4)基材。該載體係為選自包括電路板、排線、可撓性電路板所組成群組之其中一者。
再者，於前述之載體佈線方法中，於依該阻抗與厚度定義佈線參數的步驟中，該載體為電路板時，可評估設計所需之板厚。同時，可進行表面處理步驟，以於該訊號導線上設置形成該導電層，其中，可採用電鍍及噴鍍之其中一者進行表面處理。此外，可進行化鎳金(ENIG)製程，以增加該導電層之厚度。
相較於習知技術，本發明設計採提升高頻損失之方式，而不需如習知技術使用低通濾波器來濾除高頻雜訊，藉此提升高頻損失來解決有關高頻雜訊之問題。同時，應用本發明之技術時，可依載體特性選用不同設計，相對具有設計彈性。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，所屬技術領域中具有通常知識者可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。
請參閱第1及第2圖，係為依本發明用於傳輸高頻訊號之載體之第一實施例所繪製之示意圖。如第1
圖所示，本實施例之載體1包括基材11、及設於該基材11之參考平面13與訊號導線15，該參考平面13與該訊號導線15則構成一訊號傳輸結構。
應注意的是，本實施例之載體1以及其他實施例之載體1皆可為應用於通訊產品之電路板、排線、可撓性電路板，前述可撓性電路板可為軟板(Flexible Printed Circuit Board,Flexible PCB)、軟硬結合板(Flex-rigid PCB)、或其他等效電路板。
該基材11係為高正切損失(Tangent Loss,tanδ)基材，例如可為有機玻璃纖維(FR4)基材或其他高正切損失基材。
該參考平面13係設於該基材11表面，且可為電源平面、接地平面或其他平面。於本實施例中，該訊號傳輸結構至少包括該參考平面13與該訊號導線15，而所屬技術領域中具有通常知識者應知，該訊號傳輸結構並非侷限於本實施例所述者。
該訊號導線15係設於該基材11表面，且具有粗糙部151以及寬度W1
。於本實施例中，該粗糙部151係設於該訊號導線15之兩側表面，藉此，增加該訊號導線15之粗糙度(roughness)。如此，可降低材料於高頻時之導電性，提升高頻損失。當然，於其他實施例中，亦可設於該訊號導線15之其中一表面。
同時，於本實施例中可採用共面波導(coplanar waveguide)結構，減少同一層面之訊號導線15與參
考平面13的間距(D1
)。表面電流密度越高，高頻損失越大，此種結構可大幅增加表面電流密度。
在進行諸如電路板之載體的疊構設計時，如第2圖所示，可如步驟101先取得阻抗設計參數與製程參數，其中，該阻抗設計參數例如可為介電常數(DK)、耗散因數(dissipation factor,DF)、相對應板材厚度、或其他電路板廠所需考量之阻抗設計參數，該製程參數可為例如線寬、線距、鎳層厚度、粗糙度、總板厚、或其他電路板廠所需考量之製程參數。其中，製程參數包括佈線參數。
於步驟103中，依該所傳輸之該高頻訊號而定義該載體1之阻抗與厚度。於本實施例中，該載體1係應用於通訊產品，可依通訊產品之需求決定前述阻抗與厚度；當該載體1為電路板時，於此係評估設計所需之板厚。
於步驟105中，依該阻抗與該厚度定義佈線參數，藉此評估設計所需之疊構。於本實施例中，可使用阻抗計算軟體來評估所需之疊構，例如包括輸入線寬、線距、DK、高度、以及距離等佈線參數來計算阻抗，亦即，該佈線參數可包括以下之至少其中一種特徵：於該訊號導線15上形成導電層17、於該參考平面13與該訊號導線15之間形成共面波導、於該訊號導線15形成粗糙部151、於該訊號導線15形成縮減部(容後陳述)、以及該基材11選用高正切損失基材，以提
升高頻訊號損失。該阻抗計算軟體可為例如英國POLAR公司所提供之阻抗計算軟體，但並非侷限於此。
於依該阻抗與該厚度定義佈線參數之步驟中，可考慮例如以下之設計公式：(1)σc
=σ/Kw2
Kw=1+exp((-(s/2h)1.6
))
其中，σc
及σ為導電係數，單位為Siemens/meter，Kw為調整導電係數的參數，無單位，h為粗糙度，單位為meter，s為集膚深度(Skin Depth)，單位為meter。
(2)R(單位損失)=σc
/(w×s)
其中，R的單位為ohms/meter，σc
為導電係數，w為線寬，單位為meter，w×s為截面積。
(3)s=(π×f×u×σc
)(-1/2)
其中，f為頻率，單位為Hz，u為導磁係數，單位為Henry/meter。
(4)V=IR。
其中，V為電壓，I為電流，R為電阻。表面電流密度越高，高頻損失越大。
(5)γ=jω(με‘(1-jtanδ))1/2
。
其中，tanδ為正切損失，正切損失越大，高頻損失越大。
於本實施例中，係例如由前述公式(1)、(2)、以及(3)增加該訊號導線15之粗糙度，根據所定義之
該佈線參數進行佈線，以提升所傳輸該高頻訊號之損失。所屬技術領域中具有通常知識者皆知，由於集膚效應(Skin Effect)的影響，越高頻的訊號，電流會越集中於訊號導線之表面，該訊號導線表面之粗糙度會產生如同阻抗般的作用，以相同材質的載體而言，訊號頻率越高，以粗糙度較高之訊號導線來傳播電流時，訊號損失就越大。
於步驟107中，係確認前述疊構(佈線參數)是否符合製程需求。若前述疊構符合製程需求，則結束疊構設計；若前述疊構不符合製程需求，則回到步驟105，再次評估設計所需之疊構。在依該阻抗與該厚度定義該佈線參數後，依所定義之該佈線參數進行佈線，以提升所傳輸該高頻訊號之損失。
於本實施例之載體佈線方法中，係先於該基材11設置該訊號傳輸結構，該訊號傳輸結構至少包括該參考平面13與該訊號導線15，且該訊號導線15設有該粗糙部151。同時，前述方法中，由於該參考平面13與該訊號導線15位於同一層面，故形成共面波導於該參考平面13與該訊號導線15之間；換言之，於本實施例中，係例如由前述公式(4)來提高表面電流之密度，藉此亦可增加高頻損失，並且藉由滿足例如公式(5)使正切損失越大，而進一步令高頻損失越大。當然，雖本實施例中係設計同時具有該粗糙部151、共面波導、與正切損失大之訊號傳輸結構，但於其他實施
例中亦可設置擇一或設置一者以上之結構，而非侷限於此。
請參閱第3及第4圖，係為依本發明之第二實施例所繪製之示意圖，其中與第一實施例相同或類似之元件係以相同或類似之元件符號表示之，並省略詳細之說明。
相較於第一實施例(如第1圖所示)，第一實施例之訊號導線15與參考平面13之間具有間距(D1
)，即，該導電層17距離同層之參考平面13的距離為間距D1
，而該訊號導線15之寬度為W1
，第二實施例之訊號導線15’與參考平面13之間具有間距D2
，而該訊號導線15’之寬度為W2
，其中間距D1
小於間距D2
，而寬度W1
大於寬度W2
。
如第3圖所示，該訊號導線15’可選擇設置縮減部153。於本實施例中，該縮減部153係設於該訊號導線15’之相對兩側，而且位於該訊號導線15’之寬度方向，使第一實施例中該訊號導線15之寬度W1
大於第二實施例中該訊號導線15’之寬度W2
；但於其他實施例中，該縮減部153亦可設於該訊號導線15’之所有側邊，亦即，位於該訊號導線15’之寬度方向與厚度方向，使該訊號導線15之寬度W1
與厚度均大於該訊號導線15’之寬度W2
與厚度。是以，於本實施例中係可例如由前述公式(3)來減少訊號導線之寬度及/或厚度；換言之，只要該縮減部153係設於該訊號導線15’
之至少一側，藉此減少電流流過之截面積，以提升損失，即適用於本實施例。
同時，可進行表面處理步驟。例如，可於該訊號導線15’上設置形成導電層17。於本實施例中，係採用諸如電鍍或噴鍍的方式，在該訊號導線15’以及該參考平面13上鍍上諸如鎳之材料，使該導電層17全面覆蓋該訊號導線15’以及該參考平面13，而該訊號導線15’與該參考平面13之間並無該導電層17，且係形成諸如鎳層之導電層17；當然，亦可形成其他導電係數差之導電層，例如鋁層或其他以導電係數差之金屬所形成之導電層，且並非以單一材料形成該導電層17，該導電層17亦可為合金層，而形成該導電層17則可為任何現有之製程，均非侷限於本實施例中所述者。而且，如欲增加該導電層17之厚度，可進行例如化鎳金(Electroless Ni and Immersion Gold,ENIG)製程；如此一來，同時可以保護載體之表面，省略後續之防焊處理。
此外，如第4圖所示，由佈線示意圖來看，該訊號導線15’具有寬度W2
之線寬，間距D2
為線距，該參考平面13中尚有諸如通孔19之結構，但應知各該通孔19之設置位置並非侷限於本實施例所示者。
當然，本發明還可以有其他變化，例如組合至少其中一種前述佈線參數。如第5圖所示，該導電層17亦可全面覆蓋訊號導線15”、該參考平面13、以及該
基材11表面。同時，如圖所示，該基材11之高度為H；該參考平面13與該訊號導線15”間之間距為D3
；該訊號導線15”具有厚度T，且呈例如梯型，即，上表面具有寬度W3
以及下表面具有寬度W4
，且寬度W3
小於寬度W4
；該導電層17之高度為H1
。間距D3
可選擇小於前述間距D1
與間距D2
。
換言之，在製程中，定義前述高度H、高度H1
、間距D3
(間距D1
、間距D2
)、厚度T、寬度W3
(寬度W1
、寬度W2
、寬度W4
)、介電常數、以及預估之阻抗，即可使用阻抗計算軟體評估所需之疊構。其中，厚度T也會影響截面積，亦即截面積公式可為w×T-(w-2s)(T-2s)=2s(w+T)-4s2
，其中T的單位為meter，w為線寬，單位為meter，s是集膚深度，單位為meter。
舉例來說，根據下表所示，可利用諸如minitab質量統計軟體之分析軟體得到以下數據。
由上表可知，在形成有該導電層17(鍍鎳或其他低導電係數金屬)的實施態樣下，只要距離同層參考地平面距離(即間距D1
)，均能大幅增加傳輸損失，且不會額外增加此訊號傳輸結構所產生的輻射。同時，在例如間距均為3時，該導電層17之厚度H1
從0.1 mils增加至0.2 mils的情況下，能增加的傳輸損失有限，必須搭配較小的間距才能使效果更明顯。
由上可知，前述實施例中，只要選擇至少一公式(佈線參數)來設計訊號傳輸結構，即可達成增加高頻損失之目的，且亦可選擇結合不同之公式，而非侷限於各實施例中所述者。例如，可同時採用表面處理步驟來增加導電層厚度(導電係數差之導電層可提升損失)以及減少訊號導線之厚度與寬度(減少電流流過之截面積，以提升損失)；或者，可同時採用共面波導(減少同一層面之訊號導線與參考平面之距離)以及減少訊號導線之厚度與寬度(減少電流流過之截面積，以提升損失)。同時，由於前述改變係為所屬技術領域中具有通常知識者可理解並據以實施者，故於此省略對應之圖式與相關說明。
以上實施例僅例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何所屬技術領域中具有通常知識者均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，舉凡所屬技術領
域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示之精神與技術思想下所完成之一切等效修飾或改變，仍應由後述之申請專利範圍所涵蓋。
1‧‧‧載體
11‧‧‧基材
13‧‧‧參考平面
15、15’、15”‧‧‧訊號導線
151‧‧‧粗糙部
153‧‧‧縮減部
17‧‧‧導電層
19‧‧‧通孔
D1
、D2
、D3
‧‧‧間距
H、H1
‧‧‧高度
T‧‧‧厚度
W1
、W2
、W3
、W4
‧‧‧寬度
第1圖係本發明用於傳輸高頻訊號之載體的第一實施例之示意圖；第2圖係本發明進行載體的疊構設計之流程示意圖；第3圖係本發明用於傳輸高頻訊號之載體的第二實施例之示意圖；第4圖係第3圖之佈線示意圖；以及第5圖係本發明用於傳輸高頻訊號之載體的一變化例之示意圖。
1‧‧‧載體
11‧‧‧基材
13‧‧‧參考平面
15‧‧‧訊號導線
151‧‧‧粗糙部
153‧‧‧縮減部
Claims (18)
- 一種用於傳輸高頻訊號之載體，係包括基材及形成於該基材之訊號導線與參考平面，並具有設於該訊號導線之粗糙部的特徵，該粗糙部係滿足公式σc =σ/Kw2 ,Kw=1+exp(-(s/2h)1.6 )，其中σc 及σ為導電係數，單位為Siemens/meter，Kw為調整導電係數的參數，無單位，h為粗糙度，單位為meter，s為集膚深度，單位為meter，及以下之至少一種特徵：設於該訊號導線上之導電層、形成於該參考平面與該訊號導線間之共面波導、設於該訊號導線之縮減部、以及該基材為高正切損失基材，以提升高頻訊號損失。
- 如申請專利範圍第1項之用於傳輸高頻訊號之載體，其中，該導電層係為鎳層。
- 如申請專利範圍第1項之用於傳輸高頻訊號之載體，其中，該粗糙部係設於該訊號導線至少其中一表面。
- 如申請專利範圍第1項之用於傳輸高頻訊號之載體，其中，該縮減部係滿足公式s=(π×f×u×σc )(-1/2) ，其中f為頻率，單位為Hz，u為導磁係數，單位為Henry/meter。
- 如申請專利範圍第1項之用於傳輸高頻訊號之載體，其中，該電路板中訊號之單位損失(R)係滿足公式R=σc /(w×s)，其中R的單位為ohms/meter， σc 為導電係數，w為線寬，單位為meter，w×s為截面積。
- 如申請專利範圍第1項之用於傳輸高頻訊號之載體，其中，該訊號導線具有厚度(T)，該厚度係滿足截面積公式w×T-(w-2s)(T-2s)=2s(w+T)-4s2 ，其中T的單位為meter，w為線寬，單位為meter。
- 如申請專利範圍第1項之用於傳輸高頻訊號之載體，其中，該縮減部係設於該訊號導線之至少一側。
- 如申請專利範圍第1項之用於傳輸高頻訊號之載體，其中，該基材係為有機玻璃纖維(FR4)基材。
- 如申請專利範圍第1項之用於傳輸高頻訊號之載體，其中，該載體係為選自包括電路板、排線、可撓性電路板所組成群組之其中一者。
- 一種用於傳輸高頻訊號之載體佈線方法，包括：依所傳輸之該高頻訊號而定義該載體之阻抗與厚度；依該阻抗與該厚度定義佈線參數，其中該載體包括基材及形成於該基材之訊號導線與參考平面，而該佈線參數係具有於該訊號導線形成粗糙部的特徵，該粗糙部係滿足公式σc =σ/Kw2 ,Kw=1+exp(-(s/2h)1.6 )，其中σc 及σ為導電係數，單位為Siemens/meter，Kw為調整導電係數的參數，無單位，h為粗糙度，單位為meter，s為集膚深度，單位為meter，及選自以下之至少其中一種特徵：於 該訊號導線上形成導電層、於該參考平面與該訊號導線之間形成共面波導、於該訊號導線形成縮減部、以及該基材選用高正切損失基材；以及根據所定義之該佈線參數進行佈線，以提升所傳輸該高頻訊號之損失。
- 如申請專利範圍第10項之用於傳輸高頻訊號之載體佈線方法，其中，該載體係為選自包括電路板、排線、可撓性電路板所組成群組之其中一者。
- 如申請專利範圍第11項之用於傳輸高頻訊號之載體佈線方法，其中，於依該阻抗與厚度定義佈線參數的步驟中，該載體為電路板，並且評估設計所需之板厚。
- 如申請專利範圍第10項之用於傳輸高頻訊號之載體佈線方法，其中，係進行表面處理步驟，以於該訊號導線上設置形成該導電層。
- 如申請專利範圍第13項之用於傳輸高頻訊號之載體佈線方法，其中，係採電鍍及噴鍍之其中一者進行表面處理。
- 如申請專利範圍第10項之用於傳輸高頻訊號之載體佈線方法，其中，係進行化鎳金製程以增加該導電層之厚度。
- 如申請專利範圍第10項之用於傳輸高頻訊號之載體佈線方法，其中，該縮減部係滿足公式s=(π×f×u×σc )(-1/2) ，其中f為頻率，單位為Hz，u為導磁係數， 單位為Henry/meter。
- 如申請專利範圍第10項之用於傳輸高頻訊號之載體佈線方法，其中，該載體中訊號之單位損失(R)係滿足公式R=σc /(w×s)，其中R的單位為ohms/meter，σc 為導電係數，w為線寬，單位為meter，w×s為截面積。
- 如申請專利範圍第10項之用於傳輸高頻訊號之載體佈線方法，其中，該訊號導線具有厚度(T)，該厚度係滿足截面積公式w×T-(w-2s)(T-2s)=2s(w+T)-4s2 ，其中T的單位為meter，w為線寬，單位為meter。
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