專利名稱：多層基底的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有高速互連結構的多層基底，以提供高速數據傳輸。
背景技術：
高速傳輸技術是下一代網絡和計算系統的主題。它們的成本是使系統在市場上有競爭力所要解決的重要問題。多層基底是重要技術之一，其能夠滿足在預定的頻帶和互連長度內高速和有成本效益的條件。能基于諸如微帶線、條帶線和共面線的傳輸線來發展多層基底(板)的平面導體層中的電布線。所述板中的主要用于連接設置在不同導體層中的平面傳輸線結構的垂直互連通常基于各種類型的通孔結構，諸如貫通孔、盲孔、沉孔和埋孔。 將通過終端之間的互連電路的整個路徑的特性阻抗保持在預定的水平內(例如在10%內)是重要的問題，尤其在高速數據傳輸中所使用的多層基底的設計中。該問題同樣地涉及單端信號和差分信號。此外，減少從差模到共模以及從共模到差模的變換是在高速多層基底中必須克服的另一問題。為了改善特征阻抗控制并減少高頻范圍中信號通孔結構的泄漏損耗，可以圍繞信號通孔結構(單端或差分結構)使用接地通孔。
此外，信號通孔結構的電性能在與多層基底的導體層中的其他導電表面無任何電接觸的情況下，取決于在用于多層基底的導體層中的信號通孔結構的區域中形成的、以提供通過信號通孔的間隙孔的形狀和尺寸。結果，從通孔結構(單端或差分結構)到平面傳輸線的過渡變成在前部，因為在該過渡中由于大的間隙孔而可以出現特征阻抗失配。該阻抗失配可以激發大的反射損失、雜散諧振及其他不需要的效應。此外，在差分互連電路中，阻抗失配可以引起差模與共模之間顯著增加的變換。 在日本專利申請公布(JP-P2004-363975A)中，提出了從信號通孔焊盤到共面傳輸線互連的過渡。在現有技術中，過渡具有共面傳輸線的形式，其具有信號帶的寬度和到接地平面的距離，以向共面傳輸線互連提供其特征阻抗匹配。在日本專利(JP-6-302964)中，示出了以多層板中的不同直徑的線性電阻分布特性連接通孔焊盤(墊)形式呈現的過渡。在日本專利申請公布(JP-P2003-218481A)中，提出了不同寬度的線性電阻分布特性連接平面傳輸。在美國專利申請公布(US2006/0091545A1)中，通過控制間隙孔的區域中的傳輸線分段的長度并且還通過這些分段的寬度的適當選擇，提供從差分信號通孔對到一對傳輸線的過渡。
發明內容
本發明的目的是提供一種多層基底，其包括作為單端或差分結構的使信號通孔或信號通孔對與平面傳輸線連接的阻抗可控結構。這樣的結構形成為多級過渡，其包括在間隙孔區域中的虛擬焊盤(或許多虛擬焊盤)以及使信號通孔焊盤與傳輸線接合的匹配部分。 本發明的另一目的減少在包括信號通孔對和傳輸線對的差分互連中差模與共模之間的變換。本發明中的該目的是通過在間隙孔的區域中形成合適的接地系統來實現，并且多級過渡包括連接至信號通孔的虛擬焊盤。 在本發明的示例性方面中，多層基底包括由多級過渡連接的平面傳輸線結構和信號通孔。多級過渡包括信號通孔焊盤，其構造成用作信號通孔與平面傳輸線的全值連接；以及虛擬焊盤，其連接至信號通孔，形成在信號通孔的信號端子與平面傳輸線之間設置的導體層中的間隙孔的區域中，并與導體層隔離。 在本發明的另一示例性方面中，提供差分信號傳播的多層基底包括由多級過渡連接的平面傳輸線對和信號通孔對。多級過渡包括兩個信號通孔焊盤，其構造成用作信號通孔對與平面傳輸線對的全值連接；以及兩個虛擬焊盤，其連接至兩個信號通孔，形成在信號通孔對的差分信號通孔端子與平面傳輸線對之間設置的導體層中的間隙孔的區域中，并彼此隔離以及與導體層隔離。 在本發明的又一示例性方面中，提供差分信號傳播的多層基底包括由多級過渡連接的平面傳輸線對和信號通孔對。多級過渡包括兩個信號通孔焊盤，其構造成用作信號通孔對與平面傳輸線對的全值連接；兩個虛擬焊盤，其連接至兩個信號通孔，形成在信號通孔對的差分信號通孔端子與平面傳輸線對之間設置的接地層中的間隙孔的區域中，并彼此隔離以及與接地層隔離；以及接地系統，其對稱地形成在接地層中的信號通孔對的通孔之間的間隙孔的區域中。
圖1A至1D是示出根據本發明第一實施例的、包括信號通孔結構與平面傳輸線之間的多級過渡的多層基底的示意圖； 圖2A至2F是示出根據本發明另一實施例的、包括信號通孔結構與平面傳輸線之間的多級過渡的多層基底的數值示例的示意圖； 圖3是在示出使用信號通孔結構與平面傳輸線之間的多級過渡的優點的時域中的特征阻抗的曲線； 圖4A至4D是示出根據本發明又一實施例的、包括信號通孔結構與平面傳輸線之間的多級過渡的多層基底的示意圖； 圖5A至5C是示出根據本發明又一實施例的、包括差分信號通孔結構與差分平面傳輸線之間的差分多級過渡的多層基底的示意圖；以及 圖6A和6B是用于反射信號的S參數的幅值的曲線，該反射信號示出對于包括多級過渡和接地系統的差分互連從差模到共模顯著減小的變換。
具體實施例方式
以下，將參考附圖來詳細描述根據本發明的在信號通孔結構與平面傳輸線之間具有多級過渡的幾種多層基底。在此，應理解的是，不應將該說明看作限制所附的權利要求。
在圖1A至1D中，示出了根據本發明第一示例性實施例的多層基底的示例。多層基底的示例呈現IO個導體層印刷電路板(PCB)，其中設置有由通過多級過渡連接的通孔結構和平面傳輸線構成的互連電路。應理解的是，多層基底中的導體層的數目可以是不同的并且可以根據特定的應用來確定。
在圖IA至ID中，導體層110由絕緣材料層111分開。信號通孔101用以使平面
傳輸線106與作為用于耦合其他互連電路、部件、裝置等的端子的焊盤109連接。應指出的
是，在該多層基底的示例中，信號通孔101由接地通孔102圍繞，該接地通孔102用以連接
結構的接地引腳，并且還用于減少端子焊盤109與傳輸線106的端部之間的信號通孔互連
中的泄漏損耗。間隙孔103用于將信號通孔與多層基底的其他導電部件隔離。 在較高的頻率范圍中，接地通孔的數目和它們的位置以及間隙孔103的形狀和尺
寸是以如下方式來控制信號通孔互連中的特征阻抗的重要參數由于整個互連設置在導致
改善其電性能的多層基底中，所以減少來自信號通孔互連的回波損耗。然而，在許多實際應
用中，間隙孔的尺寸可以足夠大。在該情況下，由于感抗的增強，所以平面傳輸線在間隙孔
的區域中的分段可以是特征阻抗失配的源。 由裝置構成的部件的電特性的具體特征在于阻抗的幅值，并且還可通過阻抗來描述用以接合這些部件的互連。裝置的總電性能取決于部件的特征阻抗與差異必須盡可能小的互連之間的對應關系。此外，整個互連電路必須保持特征阻抗能夠引起較低的回波損耗和輻射損耗的預定水平，減少不想要的諧振以及對于裝置較好的功耗。
在多層基底的情況下，特征阻抗在從端子焊盤109到傳輸線106并通過傳輸線106的互連電路中示出相同的值。通孔結構的特征阻抗可以標記為Zv，平面傳輸線的特征阻抗可以限定為Z^，并且必須滿足以下的條件
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中Z。。me。t為用于互連電路特征阻抗的預定幅值，例如，50Q或100Q 。在實際的設計中，難以保持通過整個互連電路的相同值的特征阻抗。也就是說，為什么在例如標稱幅值的±10%、也就是說，例如50±50或100士10Q的預定水平上建立特征阻抗的偏差的原因。因此，<formula>formula see original document page 6</formula>應指出的是，<formula>formula see original document page 6</formula>
其中Lv是通孔結構的分布電感，而c;是通孔結構的分布電容。此外，<formula>formula see original document page 6</formula>
其中Lte是傳輸線的分布電感，而Ctz是傳輸線的分布電容。在用于間隙孔的區域中的傳輸線分段能夠在整個互連電路的阻抗匹配中起重要作用，因為由于間隙孔中沒有接地平面，所以其特征阻抗與傳輸線的特征阻抗不同。該分段的特征阻抗Z，可以大致限定為
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中C^是由傳輸線中的接地平面所引起的分布電容。因此，如從方程式(5)所得出的，傳輸線分段的特征阻抗由于電容降低將示出過多的感抗，尤其是在該分段的電長度足夠大的情況下。在本發明中，提出在信號通孔與平面傳輸線之間使用多級過渡，以便以改善在多層基底中設置的互連電路的阻抗匹配的方式，為間隙孔的區域中的傳輸線分段加入附加的電容C』。結果，傳輸線分段的特征阻抗限定為 <formula>formula see original document page 7</formula>
如果Cadd " Cpl，則傳輸線分段的特征阻抗將對應于通孔結構和傳輸線的特征阻抗。 在圖IA至ID中，在用于間隙孔的區域中設置的多級過渡包括信號通孔焊盤104和虛擬焊盤108。應指出的是，虛擬焊盤108包括信號通孔焊盤107。包括通孔焊盤107的虛擬焊盤108在與信號通孔焊盤104相鄰的導體層中形成在端子焊盤109與信號通孔焊盤104之間。由于提供傳輸線分段在預定的值內的特征阻抗，所以可以獲得虛擬焊盤108的形狀和尺寸。對于提出的梯形虛擬焊盤，可以通過角度①和長度ld的逐步變化來限定所需的特征阻抗(見圖1D)。 考慮多層基底的數值示例，其中通孔結構與平面傳輸線通過如圖2A至2F所示的多級過渡來連接。在該示例中，通孔結構由被接地通孔202圍繞的信號通孔201構成，并且具有以下尺寸ds = 0. 7mm， dp,s = 1. 6mm， dqr = 1. 75mm， Dqr = 5. 08mm， rsh = 3. 59mm，以及dqr,sh = 0. 3mm。方形間隙孔203的尺寸dele = 4. 2mm。基底(多層PCB)由10個銅平面導體層210構成，該10個銅平面導體層210由在仿真中假定具有、=4. 2的相對電容率的FR-4材料211隔離。平面導體層之間的間隔(見圖2F)為& = 0. 2mm，h2 = 0. 385mm，h3 = 0. 2mm， h4 = 0. 52mm和h5 = 0. 15mm ;在PCB中嵌入的導體平面的厚度為0. 035mm ;頂部和底部導體平面的厚度為0. 055mm。信號通孔210通過具有與頂部導體層中的端子焊盤209相同的直徑的焊盤204來連接至在PCB的第八導體層中設置的條帶線206。條帶線的寬度為w^二0. 11mm，以提供大約50Q的特征阻抗。在該數值示例中，應用了將信號通孔204與條帶線206連接的匹配部分205。匹配部分205被制成具有lm = 2. 1mm長度的線性電阻分布特性形狀。包括直徑dp,d = 1. 6mm的信號通孔焊盤207的虛擬焊盤208形成為具有ld和Wd的側面的矩形板。 在圖3中，通過時域反射(TDR)數據示出圖2A至2F所示的從端子焊盤208到傳輸線206的端部的、具有上述尺寸的互連電路的電性能。通過使用基于有限時域差分法(FDTD)算法的三維全波電磁場解算器來獲得這些數據。通過時域中的特征阻抗來示出數據。附圖使由方程式(1)至(6)說明的機理清楚明了。具體地，細實曲線示出了特征阻抗的最大幅值為大約73 Q 。示出電感應類型的特征阻抗的該曲線對應于用于間隙孔的區域中的條帶線部分，其具有與第八導體層中的信號條帶線相同的寬度。具有lm = d^/2的長度的線性電阻分布特性的應用導致感抗減小達到大約63 Q (見圖3中的虛線)。
在許多實際應用中，來自于一側的條帶線分段和通孔架構以及來自于另一側的條帶線的特征阻抗的差足夠大。也就是說，如能通過圖3所示的其他三個曲線所描繪地，提出的由虛擬焊盤構成的多級過渡的使用是控制間隙孔的區域中的條帶的特征阻抗的有效方
法。對于這些曲線，應用包括信號通孔焊盤的矩形形狀的虛擬焊盤。虛擬焊盤的寬度為Wd=dp,d = 1. 6mm，而將長度ld設定為1. 4mm或1. 6mm或1. 8mm。這樣逐步改變虛擬焊盤的長度產生限定從實際的觀點可接受的值的可能性。在考慮的情形中，該值為在10%的偏差框架內的ld = 1.8mm。 因此，本數值示例示出多層基底應用的有效性以及如何限定該過渡的虛擬焊盤的最優尺寸。如果連接至信號通孔的一個虛擬焊盤的應用不足以實現所需的阻抗匹配，則提出在從信號通孔到平面傳輸線的多級過渡中使用多個虛擬焊盤。在圖4A至4D中，提出了這樣的多級過渡。該過渡包括兩個虛擬焊盤408和413，其包括信號通孔焊盤407和412。在該情況下，基于虛擬焊盤的數目以及虛擬焊盤的形狀和尺寸提供控制特征阻抗。此外，圖4A至4D所示的多級過渡包括匹配部分405，其包括信號通孔焊盤404。在示例性實施例中，匹配部分的形狀可以限定為從信號通孔焊盤404到平面傳輸線406的條帶的電阻分布特性，其在傳輸線406的方向上具有等于或小于間隙孔403的特征尺寸的長度。
提出的多級過渡可以用于獲得提供高性能差分信號的多層基底。應指出的是，因為差分互連能夠明顯消除來自接地面的噪音并且減少從系統的輻射，所以差分互連是用于高速系統應用的重要結構。 在圖5A至5C中，提出了包括兩個差分信號通孔對的多層基底。這些通孔對以圖5B所示的那樣的方式由信號通孔501形成，其中差分傳輸線506的連接被示出為一個差分通孔對。其他的信號通孔501形成另一差分通孔對。在圖5A至5C中，應用由條帶514連接的接地通孔502，以減少從差分信號通孔對的泄漏損耗，并且還改善差分通孔對中的特征阻抗控制。間隙孔503使通孔對與多層基底的其他導電部件分開。間隙孔的尺寸在實際應用中可以是足夠大的，并且在該情況下，在用于間隙孔的區域中設置的傳輸線分段中會出現阻抗失配。此外，該阻抗失配可以導致從差模到共模的顯著增強的變換，并且結果，導致信號品質的降低。 在提出的以減小差分互連中的阻抗失配和模變換的應用中，使用從差分通孔對到差分傳輸線的多級過渡。該多級過渡包括兩個虛擬焊盤508，該兩個虛擬焊盤508同樣包括信號通孔焊盤507。應強調的是，特定的接地系統515在相同的導體層中形成為虛擬焊盤。在該示例中，該接地系統由兩個接地條帶構成，并且在間隙孔的區域中設置在條帶分段上方。選擇這些條帶的尺寸和虛擬焊盤的形狀與尺寸，以提供所需的阻抗匹配以及差模與共模之間的變換水平。 在圖6A和6B中，提出了為圖5A至5C所示的差分互連獲得的從差模到共模的變換的數值示例。在計算中所使用的多層基底的參數與圖3中的相同，但只是信號通孔的直徑為0. 25mm，信號通孔與接地通孔之間的節距為1. Omm，而選擇差分傳輸線的尺寸選擇以提供100Q。如從這些圖形所看到的，提出的虛擬焊盤和接地系統的應用在基于多層基底技術的差分互連中能夠顯著地減小從差模到共模的變換。此外，該模式之間的變換的減小還意味著改善了由具有特定圓形系統的多級過渡構成的差分互連中的阻抗匹配。
應理解的是，還可以為不被接地通孔圍繞的垂直互連(也就是說為只包括信號通孔的垂直互連)形成多層基底中的多級過渡。此外，還可以在具有不同形狀的信號通孔間隙孔中應用多級過渡(就示例而言，圓形、橢圓形、矩形等)。
權利要求
一種包括平面傳輸線結構和信號通孔的多層基底，其中，所述平面傳輸線結構和所述信號通孔由多級過渡連接，所述多級過渡包括信號通孔焊盤，其被構造成用作所述信號通孔與所述平面傳輸線的全值連接；以及虛擬焊盤，其與所述信號通孔相連接，形成在所述信號通孔的信號端子與所述平面傳輸線之間所設置的導體層中的間隙孔的區域中，并與所述導體層相隔離。
2. 根據權利要求l所述的多層基底，其中，所述多級過渡包括所述信號通孔焊盤和多個與所述信號通孔相連接的、形成在所述信 號通孔的信號端子與所述平面傳輸線之間設置的所述導體層中的所述間隙孔的區域中的、 并且與所述導體層相隔離的所述虛擬焊盤。
3. 根據權利要求l所述的多層基底，其中，所述多級過渡包括所述信號通孔焊盤、所述虛擬焊盤和構造成使所述信號通孔焊盤與 所述平面傳輸線相連接的匹配部分。
4. 根據權利要求2所述的多層基底，其中，所述多級過渡包括所述信號通孔焊盤、所述多個虛擬焊盤和構造成使所述信號通孔焊 盤與所述平面傳輸線相連接的匹配部分。
5. —種提供差分信號傳播的包括平面傳輸線對和信號通孔對的多層基底，其中，所述 平面傳輸線對和所述信號通孔對由多級過渡連接，所述多級過渡包括兩個信號通孔焊盤，所述信號通孔焊盤被構造成用作所述信號通孔對與所述平面傳輸 線對的全值連接；以及兩個虛擬焊盤，所述虛擬焊盤與所述兩個信號通孔相連接，形成在所述信號通孔對的 差分信號通孔端子與所述平面傳輸線對之間設置的導體層中的間隙孔的區域中，并且彼此 相隔離以及與所述導體層相隔離。
6. 根據權利要求5所述的多層基底，其中，所述多級過渡包括所述兩個信號通孔焊盤和與所述信號通孔對的每個通孔相連接的 相同數目的虛擬焊盤，所述虛擬焊盤形成在所述信號通孔對的所述差分信號通孔端子與所 述平面傳輸線之間設置的所述導體層中的所述間隙孔的區域中并且與所述導體層相隔離。
7. 根據權利要求5所述的多層基底，其中，所述多級過渡包括所述兩個信號通孔焊盤、所述虛擬焊盤和兩個使所述兩個信號通孔 焊盤與所述平面傳輸線對相連接的匹配部分。
8. 根據權利要求6所述的多層基底，其中，所述多級過渡包括所述兩個信號通孔焊盤、所述數目的虛擬焊盤和構造成使所述兩個 信號通孔焊盤與所述平面傳輸線對相連接的匹配部分。
9. 一種提供差分信號傳播的包括平面傳輸線對和信號通孔對的多層基底，其中，所述 平面傳輸線對和所述信號通孔對由多級過渡連接，所述多級過渡包括兩個信號通孔焊盤，所述信號通孔焊盤被構造成用作所述信號通孔對與所述平面傳輸 線對的全值連接；兩個虛擬焊盤，所述虛擬焊盤與所述兩個信號通孔相連接，形成在所述信號通孔對的 差分信號通孔端子與所述平面傳輸線對之間設置的接地層中的間隙孔的區域中，并且彼此 相隔離以及與所述接地層相隔離；以及接地系統，其對稱地形成在所述接地層中的所述信號通孔對的通孔之間的所述間隙孔的區域中。
10.根據權利要求9所述的多層基底，其中所述多級過渡包括所述兩個信號通孔焊盤；與所述信號通孔對的每個信號通孔相連接的相同數目的虛擬焊盤，所述虛擬焊盤形成在所述信號通孔對的差分信號通孔端子與所述平面傳輸線之間設置的接地層處的間隙孔的區域中并且與所述接地層相隔離；接地系統，其對稱地形成在所述接地層處的所述信號通孔對的通孔之間的所述間隙孔的區域中。
全文摘要
一種多層基底，包括由多級過渡連接的平面傳輸線和信號通孔。多級過渡包括信號通孔焊盤，其構造成用于信號通孔與平面傳輸線的全值連接；以及虛擬焊盤，其連接至信號通孔，形成在信號通孔的信號端子與平面傳輸線之間設置的導體層中的間隙孔的區域中，并且與導體層隔離。
文檔編號H05K1/02GK101790902SQ20078010040
公開日2010年7月28日 申請日期2007年8月31日 優先權日2007年8月31日
發明者塔拉斯·庫什塔 申請人:日本電氣株式會社