TWI469704B - 用於金屬焊墊之阻抗匹配方法及系統 - Google Patents

Description

用於金屬焊墊之阻抗匹配方法及系統

本發明係指一種用於一金屬焊墊之阻抗匹配方法及系統，尤指一種可節省成本及增加效率之阻抗匹配方法及系統。

隨著各種高速訊號傳輸介面不斷地被提出，例如數位視訊介面(DVI)、高解析多媒體影音介面(High Definition Multimedia Interface，HDMI)等，因此針對印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)上高速訊號傳輸線之設計也越來越重要。在傳輸高速訊號時，很多情況下會影響傳輸高速訊號的完整性，舉例來說，傳輸線路或元件間之阻抗匹配性不足或元件本體的阻抗不連續等，皆有可能會產生阻抗不連續的現象。此外，由於元件之接腳需藉由金屬焊墊以焊接於印刷電路板上，金屬焊墊與印刷電路板內佈線層之金屬佈線(即參考地)間所引起的電容效應，其也是阻抗不連續的主要地方。

因此，傳統上針對金屬焊墊所造成之阻抗不連續問題的做法是淨空位於金屬焊墊下方之印刷電路板內第一層佈線層之金屬佈線(即金屬焊墊下方之第一層佈線層內沒有金屬材質)，藉此以降低其電容效應。更進一步的做法則是利用特製付費之阻抗計算軟體，描述元件與印刷電路板之模型參數，以模擬計算來決定需淨空位於金屬焊墊下方之印刷電路板內第幾層佈線層中之金屬佈線，以達到金 屬焊墊與傳輸線間之阻抗連續。

然而，固定地只淨空金屬焊墊下方印刷電路板內第一層佈線層中之金屬佈線，僅可確保能降低電容效應，但無法真正達到阻抗連續的目的。另外，以特製付費之阻抗計算軟體來模擬計算雖可以精確保證阻抗之連續，但卻需花費模擬時間(如需描述元件與印刷電路板等模型參數)及購買計算軟體，嚴重影響效率。因此，如何能利用最簡單的方法、最短時間以及最少花費，來實現多層結構印刷電路板上金屬焊墊之阻抗匹配，便是所需努力的課題。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種用於一金屬焊墊之阻抗匹配方法及其系統，其可節省成本及增加效率。

本發明揭露一種用於一金屬焊墊之阻抗匹配方法，該金屬焊墊位於具有至少一佈線層及相對應至少一介質層之一印刷電路板上，並耦接於具有阻抗值為一特徵阻抗值之一傳輸線，該阻抗匹配方法包含根據該金屬焊墊之一厚度、該金屬焊墊之一寬度、該至少一介質層之一介電常數以及該金屬焊墊與該至少一佈線層間之至少一相對距離，計算並產生對應於該至少一相對距離之至少一預測阻抗值；分別將該至少一預測阻抗值與該特徵阻抗值作比較，以選取該至少一預測阻抗值中最接近該特徵阻抗值為一匹配阻抗值；獲得該至少一佈線層中對應於該匹配阻抗值之一匹配佈線層；以及淨空該 金屬焊墊下方與該匹配佈線層之間的該至少一佈線層中之金屬佈線，且於該匹配佈線層設置金屬佈線。

本發明另揭露一種非暫時電腦可讀取式媒體儲存可於一電腦裝置中執行用於一金屬焊墊阻抗匹配方法之一程式，該金屬焊墊位於具有至少一佈線層及相對應至少一介質層之一印刷電路板上，並耦接於具有阻抗值為一特徵阻抗值之一傳輸線，該程式包含一程式碼用來根據該金屬焊墊之一厚度、該金屬焊墊之一寬度、該至少一介質層之一介電常數以及該金屬焊墊與該至少一佈線層間之至少一相對距離，計算並產生對應於該至少一相對距離之至少一預測阻抗值；一程式碼用來分別將該至少一預測阻抗值與該特徵阻抗值作比較，以選取該至少一預測阻抗值中最接近該特徵阻抗值為一匹配阻抗值；以及一程式碼用來獲得該至少一佈線層中對應於該匹配阻抗值之一匹配佈線層；其中，淨空該金屬焊墊下方與該匹配佈線層之間的該至少一佈線層中之金屬佈線，且於該匹配佈線層設置金屬佈線，以達成該金屬焊墊之阻抗匹配。

本發明另揭露一種用於一金屬焊墊之阻抗匹配系統，包含有一中央處理器；以及一儲存裝置，儲存有一程式碼，該程式碼用來指示該中央處理器執行該金屬焊墊之阻抗匹配方法，該金屬焊墊位於具有至少一佈線層及相對應至少一介質層之一印刷電路板上，並耦接於具有阻抗值為一特徵阻抗值之一傳輸線，該阻抗匹配方法包含根據該金屬焊墊之一厚度、該金屬焊墊之一寬度、該至少一介質層 之一介電常數以及該金屬焊墊與該至少一佈線層間之至少一相對距離，計算並產生對應於該至少一相對距離之至少一預測阻抗值；分別將該至少一預測阻抗值與該特徵阻抗值作比較，以選取該至少一預測阻抗值中最接近該特徵阻抗值為一匹配阻抗值；以及獲得該至少一佈線層中對應於該匹配阻抗值之一匹配佈線層；其中，淨空該金屬焊墊下方與該匹配佈線層之間的該至少一佈線層中之金屬佈線，且於該匹配佈線層設置金屬佈線，以達成該金屬焊墊之阻抗匹配。

請參考第1圖，第1圖為本發明實施例一印刷電路板10之側視剖面示意圖。如第1圖所示，印刷電路板10為多層結構之電路板，包含有金屬傳輸線TR、介質層D_1~D_n以及佈線層M_1~M_n，其可利用如積層法或增層法等交叉堆疊而製成。金屬傳輸線TR為印刷電路板10表面上之導線，佈線層M_1~M_N為印刷電路板10內之導線線路層，可為訊號線路、電源線路或是接地線路等而並非全為金屬材質，藉由蝕刻等方法來實現所設計電路之金屬佈線，金屬佈線主要材質為銅或錫等，金屬傳輸線TR可以透過過孔(Via)來與佈線層M_1~M_N內之金屬佈線傳輸訊號。金屬焊墊102、104與金屬傳輸線TR相連接，也是導電材質所製成，具有一厚度T及一寬度W，用以與一元件20之接腳焊接用，使得元件20可以固定於印刷電路板10上，並可將接腳訊號經由金屬焊墊102、104傳導至金屬傳輸線TR或透過過孔至佈線層M_1~M_n。介質層D_1~ D_N用來保持導線線路及各層之間的絕緣性，常見的材質為環氧樹酯、氮化鋁或碳化矽等絕緣材質，依據其不同的材質而具有其不同的介電常數Er，係為介質材質之導電特性。

詳細而言，因金屬焊墊102與佈線層M_1~M_n內之金屬佈線會產生電容效應，而影響金屬傳輸線TR與金屬焊墊102間之傳輸阻抗，造成傳輸線阻抗不匹配的現象。有鑑於此，請參考第2圖，第2圖為本實施例中金屬焊墊102之一阻抗匹配流程20之示意圖，如第2圖所示，阻抗匹配流程20包含以下步驟：

步驟200：開始。

步驟202：根據金屬焊墊102之厚度T、金屬焊墊102之寬度W、介質層之介電常數Er以及金屬焊墊102與佈線層M_1~M_n間之相對距離H_1~H_n，計算並產生對應於相對距離H_1~H_n之相對阻抗值Z_1~Z_n。

步驟204：分別將相對阻抗值Z_1~Z_n與金屬傳輸線TR所具有之一特徵阻抗值作比較，以選取相對阻抗值Z_1~Z_n中最接近該特徵阻抗值之一匹配阻抗值。

步驟206：獲得佈線層M_1~M_n中對應於匹配阻抗值之一匹配佈線層。

步驟208：淨空金屬焊墊102下方與匹配佈線層之間的佈線層中之金屬佈線，且於匹配佈線層設置金屬佈線。

步驟210：結束。

於步驟202中，可將金屬焊墊102與佈線層M_1~M_n間之相對距離H_1~H_n、金屬焊墊102之厚度T、金屬焊墊102之寬度W以及介質層之介電常數Er代入下列阻抗值公式以獲得相對阻抗值Z：Z =57.2933+(20.2675*T )-(7.5301*Er )-(2.3343*W )+(4.0627*H )-(6.3202*T ² )+(0.2422*T *Er )+(0.0446*T *W )+(0.0041*T *H )+(0.2317*Er ² )+(0.0907*Er *W )-(0.1675*Er *H )+(0.0199*W ² )-(0.0125*W *H )-(0.0308*H ² )其中，H係為相對距離H_1~H_n以及Z係為相對阻抗值Z_1~Z_n；當H等於H_1時，可以得到金屬焊墊102下方佈線層M_1內如果有存在金屬佈線時之相對阻抗值Z_1，並可依照同樣方法計算得到其他相對阻抗值Z_2~Z_n。

於步驟204~206中比較相對阻抗值Z_1~Z_n與傳輸線所具有之特徵阻抗值，以從阻抗值Z_1~Z_n中選取最接近特徵阻抗值成為匹配阻抗值，並可獲得其對應之匹配佈線層。舉例而言，當相對距離H_2經由公式所得到之阻抗值Z_2最接近特徵阻抗值時，則代表匹配阻抗值為相對阻抗值Z_2，而對應的匹配佈線層便是佈線層M_2。

於步驟208中，淨空金屬焊墊102下方與匹配佈線層之間的佈線層中之金屬佈線，即介於金屬焊墊102下方與匹配佈線層之間的佈線層中位於金屬焊墊102下方區域為絕緣介質材質，以及於匹配 佈線層設置金屬佈線，即匹配佈線層中位於金屬焊墊102下方區域為金屬佈線，藉此，便可以達到金屬焊墊102阻抗匹配且連續(即金屬焊墊102之相對阻抗值最接近傳輸線所具有之特徵阻抗值)。

同樣地，金屬焊墊104也可以經由阻抗匹配流程20來簡單計算出之相對阻抗值，便可決定如何設置金屬焊墊104下方之佈線層。簡言之，阻抗匹配流程20主要根據會影響金屬焊墊電容效應之參數，如金屬焊墊厚度、金屬焊墊寬度、介質層介電常數以及該金屬焊墊與佈線層間之相對距離，便可簡單地經由公式加乘計算得到阻抗值，決定金屬焊墊下方需淨空幾層佈線層之金屬佈線，因此不需花費描述元件與印刷電路板等模型參數之時間及購買計算軟體，可以省下昂貴的計算軟體費用，並提升工作效率。

更進一步地，為了更清楚的說明阻抗匹配流程20，請參考第3圖，第3圖為第1圖中印刷電路板10之一範例示意圖。如第3圖所示，印刷電路板10由金屬傳輸線TR、介質層D_1~D_3及佈線層M_1~M_3所組成，金屬傳輸線TR厚度為1.9密耳(mil，千分之一吋)，介質層D_1~D_3及佈線層M_0~M_3交疊各層之厚度由上至下分別為2.7密耳、1.3密耳、3密耳、1.3密耳、26密耳以及1.3密耳。金屬焊墊102之厚度T為1.9密耳、金屬焊墊102之寬度W為20密耳以及介質層之介電常數Er為4。同時，一般常見的高速訊號傳輸線之特徵阻抗值為42.5歐姆。

如此一來，首先，可先計算出金屬焊墊102與佈線層M_1~M_3間之相對距離H_1~H_3：H_1=2.7密耳

H_2=2.7+1.3+3=7密耳

H_3=2.7+1.3+3+1.3+26=34.3密耳接著，可得出相對阻抗值Z_1~Z_3：Z_1=26.86歐姆

Z_2=39.02歐姆

Z_3=89.77歐姆由此可知，相對阻抗值Z_2為39.02歐姆最接近特徵阻抗值42.5歐姆，所以可以得知阻抗匹配流程20中匹配佈線層為佈線層M_2。因此淨空金屬焊墊102下方與佈線層M_2之間(即佈線層M_1)的金屬佈線(如第3圖中所示佈線層M_1中以非斜線來表示之區域)，即佈線層M_1中位於金屬焊墊102下方區域為絕緣介質材質，且佈線層M_2中位於金屬焊墊102下方區域為金屬佈線，藉此，便可以達到金屬焊墊102之阻抗值39.02歐姆，而其最接近特徵阻抗值42.5歐姆。

一般而言，阻抗匹配流程20可編寫成程式儲存於非暫態電腦可讀取媒體中，程式包含有步驟200~步驟206之程式碼，並可藉由指令執行系統、微處理器或電腦系統等來執行以獲得與特徵阻抗值匹配之匹配阻抗值以及對應之匹配佈線層。在此情形下，淨空金屬焊墊下方與匹配佈線層之間的佈線層中之金屬佈線，且於匹配佈線 層設置金屬佈線，便可達到金屬焊墊之阻抗匹配。

另一方面，關於阻抗匹配流程20之運作，也可於一阻抗匹配系統來實現。阻抗匹配系統包含一中央處理器以及一儲存裝置。儲存裝置用來儲存程式碼，程式碼用以指示中央處理器執行阻抗匹配流程20。如此一來，可藉由阻抗匹配系統計算並得出最接近特徵阻抗值之匹配佈線層為何，同樣地，進而可以決定金屬焊墊下方佈線層之佈線配置。

綜上所述，習知技術需購買計算軟體來模擬計算，才能決定金屬焊墊下方之佈線層配置，以實現金屬焊墊之阻抗匹配，相較之下，本發明藉由公式加乘計算得到阻抗值，便可決定金屬焊墊下方之佈線層配置，不需花費模擬時間及購買計算軟體，可以省下昂貴的計算軟體費用，並提升工作效率。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10‧‧‧印刷電路板

20‧‧‧元件

102、104‧‧‧金屬焊墊

W‧‧‧寬度

T‧‧‧厚度

H_1~H_n‧‧‧相對距離

M_1~M_n‧‧‧佈線層

D_1~D_n‧‧‧介質層

TR‧‧‧金屬傳輸線

20‧‧‧流程

200~210‧‧‧步驟

第1圖為本發明實施例一印刷電路板之側視剖面示意圖。

第2圖為本實施例金屬焊墊之一阻抗匹配流程20之示意圖。

第3圖為第1圖中印刷電路板之一範例示意圖。

10‧‧‧印刷電路板

20‧‧‧元件

102、104‧‧‧金屬焊墊

W‧‧‧寬度

T‧‧‧厚度

H_1~H_n‧‧‧相對距離

M_1~M_n‧‧‧佈線層

D_1~D_n‧‧‧介質層

TR‧‧‧金屬傳輸線

Claims (9)

1. 一種用於一金屬焊墊之阻抗匹配方法，該金屬焊墊位於具有至少一佈線層及相對應至少一介質層之一印刷電路板上，並耦接於具有阻抗值為一特徵阻抗值之一傳輸線，該阻抗匹配方法包含：根據該金屬焊墊之一厚度、該金屬焊墊之一寬度、該至少一介質層之一介電常數以及該金屬焊墊與該至少一佈線層間之至少一相對距離，計算並產生對應於該至少一相對距離之至少一預測阻抗值；分別將該至少一預測阻抗值與該特徵阻抗值作比較，以選取該至少一預測阻抗值中最接近該特徵阻抗值為一匹配阻抗值；獲得該至少一佈線層中對應於該匹配阻抗值之一匹配佈線層；以及淨空該金屬焊墊下方與該匹配佈線層之間的該至少一佈線層中之金屬佈線，且於該匹配佈線層設置金屬佈線。
2. 如請求項1所述之阻抗匹配方法，其中於該匹配佈線層設置金屬佈線係指於該匹配佈線層之位於該金屬焊墊下方一區域設有金屬佈線。
3. 如請求項1所述之阻抗匹配方法，其中該至少一預測阻抗值之每一阻抗值係依照下列公式計算而得：Z =57.2933+(20.2675*T )-(7.5301*Er )-(2.3343*W )+(4.0627*H )-(6.3202*T ² )+(0.2422*T *Er )+(0.0446*T *W )+(0.0041*T *H )+(0.2317*Er ² )+(0.0907*Er *W )-(0.1675*Er *H )+(0.0199*W ² )-(0.0135*W *H )-(0.0308*H ² )其中，Z為該至少一預測阻抗值中欲計算之一阻抗值；T為該金屬焊墊之該厚度；Er為該至少一介質層之該介電常數；W為該金屬焊墊之該寬度；以及H為該至少一相對距離中欲計算之一相對距離。
4. 一種非暫態電腦可讀取媒體儲存可於一電腦裝置中執行用於一金屬焊墊阻抗匹配方法之一程式，該金屬焊墊位於具有至少一佈線層及相對應至少一介質層之一印刷電路板上，並耦接於具有阻抗值為一特徵阻抗值之一傳輸線，該程式包含：一程式碼用來根據該金屬焊墊之一厚度、該金屬焊墊之一寬度、該至少一介質層之一介電常數以及該金屬焊墊與該至少一佈線層間之至少一相對距離，計算並產生對應於該至少一相對距離之至少一預測阻抗值；一程式碼用來分別將該至少一預測阻抗值與該特徵阻抗值作比較，以選取該至少一預測阻抗值中最接近該特徵阻抗值為一匹配阻抗值；以及一程式碼用來獲得該至少一佈線層中對應於該匹配阻抗值之一匹配佈線層；其中，淨空該金屬焊墊下方與該匹配佈線層之間的該至少一佈線層中之金屬佈線，且於該匹配佈線層設置金屬佈線，以 達成該金屬焊墊之阻抗匹配。
5. 如請求項4所述之非暫態電腦可讀取媒體，其中於該匹配佈線層設置金屬佈線係指於該匹配佈線層之位於該金屬焊墊下方一區域設有金屬佈線。
6. 如請求項4所述之非暫態電腦可讀取媒體，其中該至少一預測阻抗值之每一阻抗值係依照下列公式計算而得：Z =57.2933+(20.2675*T )-(7.5301*Er )-(2.3343*W )+(4.0627*H )-(6.3202*T ² )+(0.2422*T *Er )+(0.0446*T *W )+(0.0041*T *H )+(0.2317*Er ² )+(0.0907*Er *W )-(0.1675*Er *H )+(0.0199*W ² )-(0.0135*W *H )-(0.0308*H ² )其中，Z為該至少一預測阻抗值中欲計算之一阻抗值；T為該金屬焊墊之該厚度；Er為該至少一介質層之該介電常數；W為該金屬焊墊之該寬度；以及H為該至少一相對距離中欲計算之一相對距離。
7. 一種用於一金屬焊墊之阻抗匹配系統，包含有：一中央處理器；以及一儲存裝置，儲存有一程式碼，該程式碼用來指示該中央處理器執行該金屬焊墊之阻抗匹配方法，該金屬焊墊位於具有至少一佈線層及相對應至少一介質層之一印刷電路板上，並耦接於具有阻抗值為一特徵阻抗值之一傳輸線，該阻抗匹配方法包含： 根據該金屬焊墊之一厚度、該金屬焊墊之一寬度、該至少一介質層之一介電常數以及該金屬焊墊與該至少一佈線層間之至少一相對距離，計算並產生對應於該至少一相對距離之至少一預測阻抗值；分別將該至少一預測阻抗值與該特徵阻抗值作比較，以選取該至少一預測阻抗值中最接近該特徵阻抗值為一匹配阻抗值；以及獲得該至少一佈線層中對應於該匹配阻抗值之一匹配佈線層；其中，淨空該金屬焊墊下方與該匹配佈線層之間的該至少一佈線層中之金屬佈線，且於該匹配佈線層設置金屬佈線，以達成該金屬焊墊之阻抗匹配。
8. 如請求項7所述之阻抗匹配系統，其中於該匹配佈線層設置金屬佈線係指於該匹配佈線層之位於該金屬焊墊下方一區域設有金屬佈線。
9. 如請求項7所述之阻抗匹配系統，其中該至少一預測阻抗值之每一阻抗值係依照下列公式計算而得：Z =57.2933+(20.2675*T )-(7.5301*Er )-(2.3343*W )+(4.0627*H )-(6.3202*T ² )+(0.2422*T *Er )+(0.0446*T *W )+(0.0041*T *H )+(0.2317*Er ² )+(0.0907*Er *W )-(0.1675*Er *H )+(0.0199*W ² )-(0.0135*W *H )-(0.0308*H ² )其中，Z為該至少一預測阻抗值中欲計算之一阻抗值；T為該 金屬焊墊之該厚度；Er為該至少一介質層之該介電常數；W為該金屬焊墊之該寬度；以及H為該至少一相對距離中欲計算之一相對距離。