TWI649015B - 多層印刷電路板 - Google Patents

Abstract

一種多層印刷電路板，包括：一第一層板、一第二層板、一第三層板、一第四層板、一或複數個短路貫通元件，以及一信號貫通元件。第一層板具有一第一導電區域和一第一非導電區域，其中第一層板更包括設置於第一非導電區域內之一信號導線。第二層板具有一第二導電區域和一第二非導電區域。第三層板具有一第三非導電區域。第四層板具有一接地導電區域。前述之短路貫通元件係使得第一導電區域、第二導電區域，以及接地導電區域能互相耦接。信號貫通元件係耦接至信號導線。信號貫通元件穿透第一層板之第一非導電區域、第二層板，再至第三層板。

Description

多層印刷電路板

本發明係關於一種多層印刷電路板(Multi-layer Printed Circuit Board)，特別係關於一種可用於傳輸線轉接(Transmission Line Transition)之多層印刷電路板。

在傳統多層印刷電路板(Multi-layer Printed Circuit Board)當中，其表層之50歐姆傳輸線(50-Ω Transmission Line)之線寬通常都小於0.1mm，故在測試多層印刷電路板之特性時，往往難以和市售之2.92mm/3.5mm高頻接頭互相接合(高頻接頭之中心針之寬度可達0.3mm)。另一方面，以傳統多層印刷電路板進行信號傳輸時，又常會面臨介入損失(Insertion Loss，IL)過大之問題。有鑑於此，實有必要提出一種全新設計，以克服先前技術所面臨之困境。

在較佳實施例中，本發明提供一種多層印刷電路板，包括：一第一層板，具有一第一導電區域和一第一非導電區域，其中該第一層板更包括設置於該第一非導電區域內之一第一信號導線；一第二層板，具有一第二導電區域和一第二非導電區域；一第三層板，具有一第三非導電區域；一第四層板，具有一接地導電區域；一或複數個短路貫通元件，用於穿透該 第一層板、該第二層板、該第三層板，以及該第四層板，使得該第一導電區域、該第二導電區域，以及該接地導電區域能互相耦接；以及一第一信號貫通元件，耦接至該第一信號導線，其中該第一信號貫通元件係穿透該第一層板之該第一非導電區域、該第二層板，再至該第三層板。

在一些實施例中，該第一信號導線和該接地導電區域共同形成一微帶線(Microstrip Line)。

在一些實施例中，該第一信號導線和該第二非導電區域各自皆呈現一直條形。

在一些實施例中，該第一信號導線於該第二層板上之一垂直投影係與該第二非導電區域完全重合。

在一些實施例中，該第一非導電區域之寬度係介於該第一信號導線之寬度之4倍至5倍之間。

在一些實施例中，該第三層板更包括設置於該第三非導電區域內之一第二信號導線，而該第二信號導線係耦接至該第一信號貫通元件。

在一些實施例中，該第二信號導線、該第二導電區域，以及該接地導電區域共同形成一帶狀線(Stripline)。

在一些實施例中，該多層印刷電路板更包括：一第二信號貫通元件，耦接至該第二信號導線，其中該第二信號貫通元件係穿透該第一層板、該第二層板，再至該第三層板。

在一些實施例中，該第三非導電區域之寬度係介於該第一信號導線之寬度之4倍至5倍之間。

在一些實施例中，該多層印刷電路板之一信號路 徑係從該第一信號導線起，經過該第一信號貫通元件和該第二信號導線，最後再至該第二信號貫通元件，或是從該第二信號貫通元件起，經過該第二信號導線和該第一信號貫通元件，最後再至該第一信號導線。

100、200‧‧‧多層印刷電路板

101、201‧‧‧第一輸入輸出節點

102、202‧‧‧第二輸入輸出節點

110‧‧‧第一層板

120‧‧‧第二層板

130‧‧‧第三層板

140‧‧‧第四層板

151‧‧‧第一導電區域

152‧‧‧第二導電區域

155‧‧‧接地導電區域

161‧‧‧第一非導電區域

162‧‧‧第二非導電區域

163‧‧‧第三非導電區域

170‧‧‧短路貫通元件

171‧‧‧第一信號貫通元件

172‧‧‧第二信號貫通元件

180‧‧‧第一信號導線

181‧‧‧第一信號導線之第一端

182‧‧‧第一信號導線之第二端

190‧‧‧第二信號導線

191‧‧‧第一信號導線之第一端

192‧‧‧第一信號導線之第二端

LC1‧‧‧剖面線

S11‧‧‧S11參數

S22‧‧‧S22參數

S21‧‧‧S21參數

W1、W2、W3‧‧‧寬度

第1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之多層印刷電路板之第一層板之示意圖。

第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之多層印刷電路板之第二層板之示意圖。

第1C圖係顯示根據本發明一實施例所述之多層印刷電路板之第三層板之示意圖。

第1D圖係顯示根據本發明一實施例所述之多層印刷電路板之第四層板之示意圖。

第1E圖係顯示根據本發明一實施例所述之多層印刷電路板之剖面圖。

第2A圖係顯示根據本發明另一實施例所述之多層印刷電路板之第一層板之示意圖。

第2B圖係顯示根據本發明另一實施例所述之多層印刷電路板之第二層板之示意圖。

第2C圖係顯示根據本發明另一實施例所述之多層印刷電路板之第三層板之示意圖。

第2D圖係顯示根據本發明另一實施例所述之多層印刷電路板之第四層板之示意圖。

第2E圖係顯示根據本發明另一實施例所述之多層印刷電路板之剖面圖。

第3圖係顯示根據本發明另一實施例所述之多層印刷電路板之S參數圖。

為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

在說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。本領域技術人員應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及申請專利範圍當中所提及的「包含」及「包括」一詞為開放式的用語，故應解釋成「包含但不僅限定於」。「大致」一詞則是指在可接受的誤差範圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題，達到所述基本之技術效果。此外，「耦接」一詞在本說明書中包含任何直接及間接的電性連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接至一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電性連接至該第二裝置，或經由其它裝置或連接手段而間接地電性連接至該第二裝置。

第1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之多層印刷電路板(Multi-layer Printed Circuit Board)100之第一層板(First Layer)110之示意圖。第1B圖係顯示根據本發明一實施例 所述之多層印刷電路板100之第二層板(Second Layer)120之示意圖。第1C圖係顯示根據本發明一實施例所述之多層印刷電路板100之第三層板(Third Layer)130之示意圖。第1D圖係顯示根據本發明一實施例所述之多層印刷電路板100之第四層板(Fourth Layer)140之示意圖。第1E圖係顯示根據本發明一實施例所述之多層印刷電路板100之剖面圖(沿一剖面線LC1)。

請一併參考第1A-1E圖以理解本發明。在第1A-1E圖之實施例中，多層印刷電路板100包括一第一層板110、一第二層板120、一第三層板130、一第四層板140、一或複數個短路貫通元件(Shorting Via Element)170，以及一第一信號貫通元件(Signaling Via Element)171，其中第二層板120係介於第一層板110和第三層板130之間，而第三層板130係介於第二層板120和第四層板140之間。第一層板110、第二層板120、第三層板130，以及第四層板140可彼此鄰近，並具有相同之形狀及尺寸。

如第1A圖所示，第一層板110具有一第一導電區域(Conductive Region)151和一第一非導電區域(Nonconductive Region)161。第一導電區域151可用一金屬材質製成，例如：銅、銀、鋁、鐵，或是其合金(Alloy)。第一非導電區域161可用一非導體材質製成，例如：一低介電常數材質(其介電常數可小於或恰等於3.5)。

在一些實施例中，第一導電區域151大致呈現一倒U字形，而第一非導電區域161大致呈現一矩形，其中第一非導電區域161係位於第一導電區域151所界定之一缺口(Notch)內。 第一層板110更可包括設置於第一非導電區域161內之一第一信號導線(Signaling Conductive Line)180，其中第一信號導線180可以大致呈現一直條形。

如第1B圖所示，第二層板120具有一第二導電區域152和一第二非導電區域162。第二導電區域152可用一金屬材質製成，例如：銅、銀、鋁、鐵，或是其合金(Alloy)。第二非導電區域162可用一非導體材質製成，例如：一低介電常數材質(其介電常數可小於或恰等於3.5)。在一些實施例中，第二導電區域152大致呈現一倒U字形，而第二非導電區域162大致呈現一直條形，其中第二非導電區域162係位於第二導電區域152所界定之一缺口內。第二非導電區域162可視為一開口槽孔(Open Slot)，其具有一開口端和一閉口端。第二導電區域152之面積可以大於前述第一導電區域151之面積，而第二非導電區域162之面積可以小於前述第一非導電區域161之面積。詳細而言，第一信號導線180於第二層板120上之一垂直投影(Vertical Projection)係與第二非導電區域162完全重合。亦即，第一信號導線180和第二非導電區域162兩者可具有全等之形狀和尺寸，且其位置亦能互相對應。

如第1C圖所示，第三層板130具有一第三非導電區域163。第三非導電區域163可用一非導體材質製成，例如：一低介電常數材質(其介電常數可小於或恰等於3.5)。在一些實施例中，第三非導電區域163大致呈現一較大矩形，而第三非導電區域163之面積係遠大於前述第一非導電區域161之面積和前述第二非導電區域162之面積。

如第1D圖所示，第四層板140具有一接地導電區域(Grounding Conductive Region)155，其可為多層印刷電路板100提供一接地電位(Grounding Voltage)。接地導電區域155可用一金屬材質製成，例如：銅、銀、鋁、鐵，或是其合金(Alloy)。在一些實施例中，接地導電區域155大致呈現一較大矩形，而接地導電區域155之面積係大於前述第一導電區域151之面積和前述第二導電區域152之面積。另外，接地導電區域155和第三非導電區域163可具有全等之形狀和尺寸。

如第1A-1E圖所示，一或複數個短路貫通元件170係用於穿透第一層板110、第二層板120、第三層板130，以及第四層板140，使得第一導電區域151、第二導電區域152，以及接地導電區域155能互相耦接。必須理解的是，前述短路貫通元件170之數量和分佈方式在本發明中並不特別限制；在其他實施例中，多層印刷電路板100亦可包括更多或更少個短路貫通元件170，其分佈位置亦可再調整。另一方面，第一信號貫通元件171係耦接至第一信號導線180，並用於穿透第一層板110之第一非導電區域161、第二層板120，再至第三層板130(但未穿透至第四層板140)。必須注意的是，第一信號導線180和第二導電區域152並無互相耦接之關係。亦即，第一信號貫通元件171和第二導電區域152並未有直接接觸(例如，可以在第二導電區域152上打洞，使得第一信號貫通元件171能無接觸地穿過)。詳細而言，第一信號導線180具有一第一端181和一第二端182，其中第一信號導線180之第一端181可作為多層印刷電路板100之一第一輸入輸出(Input/Output，I/O)節點101，而 第一信號導線180之第二端182係經由第一信號貫通元件171穿透第二層板120再耦接至第三層板130。第一信號貫通元件171可作為多層印刷電路板100之一第二輸入輸出節點102。

多層印刷電路板100之操作原理可如下列所述。第一信號導線180和接地導電區域155可共同形成一微帶線(Microstrip Line)。若一信號由第一輸入輸出節點101處進入多層印刷電路板100，則此信號將由前述之微帶線進行傳遞，再由第二輸入輸出節點102處作輸出。第一信號貫通元件171及其第二輸入輸出節點102更可再耦接至另一傳輸線，以達成傳輸線轉接(Transmission Line Transition)之目的。反之，若一信號由第二輸入輸出節點102處進入多層印刷電路板100，則此信號亦可由前述之微帶線進行傳遞，再由第一輸入輸出節點101處作輸出。在本發明中，由於第二層板120之第二導電區域152可降低第一層板110和第三層板130之間不必要之信號耦合(Undesired Signal Coupling)，故信號之電場強度將更集中於第一信號導線180和第二層板120之第二非導電區域162之間。亦即，第二層板120之第二非導電區域162可用於避免信號之電場太過往外發散。根據實際量測結果，此種設計可有效降低多層印刷電路板100之微帶線執行信號傳輸時之介入損失(Insertion Loss，IL)。相反地，若將第二層板120移除且信號直接沿著第一層板110作傳送，則容易因阻抗不連續面過多而造成整體損耗增加及信號傳輸品質下降。

多層印刷電路板100之元件尺寸可如下列所述。第一信號導線180之寬度W1可約為22mil(約等於0.5588mm)。第一 非導電區域161之寬度W2可介於第一信號導線180之寬度W1之4倍至5倍之間，且較佳為4.5倍(亦即，W2=W1×4.5)。另外，第三非導電區域163之寬度W3(可指在上、下方之短路貫通元件170之間之寬度)亦可介於第一信號導線180之寬度W1之4倍至5倍之間，且較佳為4.5倍(亦即，W3=W1×4.5)。根據實際量測結果，前述寬度比例有助於調整微帶線之阻抗匹配(Impedance Matching)，使得微帶線之阻抗值更接近50歐姆。因為第一信號導線180具有足夠大之寬度W1(大於0.3mm)，其將能與市售測試儀器之高頻接頭更容易作接合，有利於簡化多層印刷電路板100之校正及測試程序。

第2A圖係顯示根據本發明另一實施例所述之多層印刷電路板200之第一層板110之示意圖。第2B圖係顯示根據本發明另一實施例所述之多層印刷電路板200之第二層板120之示意圖。第2C圖係顯示根據本發明另一實施例所述之多層印刷電路板200之第三層板130之示意圖。第2D圖係顯示根據本發明另一實施例所述之多層印刷電路板200之第四層板140之示意圖。第2E圖係顯示根據本發明另一實施例所述之多層印刷電路板200之剖面圖(沿一剖面線LC1)。

請一併參考第2A-2E圖以理解本發明。第2A-2E圖和第1A-1E圖相似，兩者之差異在於，多層印刷電路板200更包括一第二信號貫通元件172，而第三層板130更包括設置於第三非導電區域163內之一第二信號導線190。第二信號貫通元件172係耦接至第二信號導線190，並用於穿透第一層板110、第二層板120，再至第三層板130(但未穿透至第四層板140，即信 號不會到達第四層板140)。必須注意的是，第二信號導線190和第一導電區域151、第二導電區域152皆無互相耦接。亦即，第二信號貫通元件172和第一導電區域151、第二導電區域152皆未有直接接觸(例如，可以在第一導電區域151、第二導電區域152上打洞，使得第二信號貫通元件172能無接觸地穿過)。第二信號導線190可以大致呈現一直條形。詳細而言，第二信號導線190具有一第一端191和一第二端192，其中第二信號導線190之第一端191係耦接至第一信號貫通元件171，而第二信號導線190之第二端192係耦接至第二信號貫通元件172。第一信號導線180之第一端181可作為多層印刷電路板200之一第一輸入輸出節點201，而第二信號貫通元件172可作為多層印刷電路板200之一第二輸入輸出節點202。

多層印刷電路板200之操作原理可如下列所述。除了第一信號導線180和接地導電區域155可共同形成一微帶線以外，第二信號導線190、第二導電區域152，以及接地導電區域155可共同形成一帶狀線(Stripline)。是以，多層印刷電路板200可視為一轉接裝置(Adapter Device)，其能將一微帶線和一帶狀線互相轉接。若一信號由第一輸入輸出節點201處進入多層印刷電路板200，則此信號將由前述微帶線轉帶狀線之轉接結構進行傳遞，再由第二輸入輸出節點202處作輸出。反之，若一信號由第二輸入輸出節點202處進入多層印刷電路板200，則此信號可由前述帶狀線轉微帶線之轉接結構進行傳遞，再由第一輸入輸出節點201處作輸出。換言之，多層印刷電路板200之一信號路徑(Signal Path)可從第一信號導線180起，經過第一 信號貫通元件171和第二信號導線190，最後再至第二信號貫通元件172(微帶線轉帶狀線)，或是從第二信號貫通元件172起，經過第二信號導線190和第一信號貫通元件171，最後再至第一信號導線180(帶狀線轉微帶線)。第2A-2E圖之多層印刷電路板200之其餘特徵皆與第1A-1E圖之多層印刷電路板100類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

必須注意的是，本發明並不僅限於此。在其他實施例中，第二信號導線190亦可由其他不同種類之傳輸線取代，以達成微帶線轉換成另一傳輸線之功效。

第3圖係顯示根據本發明另一實施例所述之多層印刷電路板200之S參數圖(S Parameter)，其中橫軸代表操作頻率(GHz)，而縱軸代表S參數(dB)。在第3圖之實施例中，係將第一輸入輸出節點201設定為一第一埠(Port 1)，並將第二輸入輸出節點202設定為一第一埠(Port 2)，然後再據此量測第一埠和第二埠之S11參數、S22參數，以及S21(或S12)參數。詳細而言，S11參數之絕對值代表第一埠之返回損失(Return Loss，RL)，S22參數之絕對值代表第二埠之返回損失，而S21(或S12)參數之絕對值係代表第一埠和第二埠之間之介入損失(Insertion Loss，IL)。根據第3圖之量測結果可知，多層印刷電路板200之中心操作頻率可約為39GHz，且其操作頻寬(Operation Bandwidth)約可達30%。另外，在0GHz至50GHz之全頻帶範圍內，多層印刷電路板200之返回損失皆可大於10dB，且介入損失皆可小於1.8dB，此已能滿足一般高頻通訊之實際應用需求。

本發明提出一種新穎之多層印刷電路板，相較於傳統技術，其至少具有下列優勢：(1)可輕易與一般市售測試儀器之高頻接頭作接合；(2)可具有將微帶線轉接其他種類傳輸線之用途；(3)可涵蓋較寬之操作頻帶；(4)可大幅改善信號之返回損失和介入損失；以及(5)可無須增加外部電路即可實現，從而能降低整體電路之複雜度。因此，本發明很適合應用於各種各式之信號傳輸或轉接裝置當中。

值得注意的是，以上所述之元件尺寸、元件形狀，以及頻率範圍皆非為本發明之限制條件。設計者可以根據不同需要調整這些設定值。本發明之多層印刷電路板並不僅限於第1-3圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-3圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之，並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之多層印刷電路板當中。

在本說明書以及申請專利範圍中的序數，例如「第一」、「第二」、「第三」等等，彼此之間並沒有順序上的先後關係，其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (9)

1. 一種多層印刷電路板，包括：一第一層板，具有一第一導電區域和一第一非導電區域，其中該第一層板更包括設置於該第一非導電區域內之一第一信號導線；一第二層板，具有一第二導電區域和一第二非導電區域；一第三層板，具有一第三非導電區域；一第四層板，具有一接地導電區域；一或複數個短路貫通元件，用於穿透該第一層板、該第二層板、該第三層板，以及該第四層板，使得該第一導電區域、該第二導電區域，以及該接地導電區域能互相耦接；以及一第一信號貫通元件，耦接至該第一信號導線，其中該第一信號貫通元件係穿透該第一層板之該第一非導電區域、該第二層板，再至該第三層板；其中該第一非導電區域之寬度係介於該第一信號導線之寬度之4倍至5倍之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之多層印刷電路板，其中該第一信號導線和該接地導電區域共同形成一微帶線(Microstrip Line)。
3. 如申請專利範圍第1項所述之多層印刷電路板，其中該第一信號導線和該第二非導電區域各自皆呈現一直條形。
4. 如申請專利範圍第1項所述之多層印刷電路板，其中該第一信號導線於該第二層板上之一垂直投影係與該第二非導電區域完全重合。
5. 如申請專利範圍第1項所述之多層印刷電路板，其中該第三層板更包括設置於該第三非導電區域內之一第二信號導線，而該第二信號導線係耦接至該第一信號貫通元件。
6. 如申請專利範圍第5項所述之多層印刷電路板，其中該第二信號導線、該第二導電區域，以及該接地導電區域共同形成一帶狀線(Stripline)。
7. 如申請專利範圍第5項所述之多層印刷電路板，更包括：一第二信號貫通元件，耦接至該第二信號導線，其中該第二信號貫通元件係穿透該第一層板、該第二層板，再至該第三層板。
8. 如申請專利範圍第1項所述之多層印刷電路板，其中該第三非導電區域之寬度係介於該第一信號導線之寬度之4倍至5倍之間。
9. 如申請專利範圍第7項所述之多層印刷電路板，其中該多層印刷電路板之一信號路徑係從該第一信號導線起，經過該第一信號貫通元件和該第二信號導線，最後再至該第二信號貫通元件，或是從該第二信號貫通元件起，經過該第二信號導線和該第一信號貫通元件，最後再至該第一信號導線。