高频宽带阻抗匹配的传输孔 【技术领域】
本发明涉及一种传输孔，应用于多层电路板、LTCC、IC、厚膜陶瓷、薄膜陶瓷、硅基板玻璃基板制程等，特别是涉及一种高频宽带阻抗匹配的传输孔。
背景技术
在电子系统产品中，包括电路板、低温共烧陶瓷(Low-TemperatureCofired Ceramics，LTCC)、IC、厚膜陶瓷、薄膜陶瓷、硅基板玻璃基板制程，其中用以承载电子元件的印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)，通常使用玻璃纤维布或软性基材所组成的平面状基板，再印刷上导电电路。随着电子产品走向“轻薄短小”的设计概念，印刷电路板也朝向小孔径、高密度、多层数、细线路发展。其中，多层印刷电路板是提高线路密度的良好解决方案。
然而，在印刷电路板层数增加的情况下，信号传输线势必要穿过各层而造成严重的干扰；另外，现今的电子产品朝向高频宽带、高速发展的趋势，对于信号传输效率与传输间阻抗精准度的要求更高，因不匹配的阻抗会造成信号反弹，轻者会使系统不稳，严重的话将导致系统毁损。因此印刷电路板需针对传输线线宽与线距进一步设计，建立均衡的阻抗设计，但是现有印刷电路板设计大多仅考虑平面间的传输，较少考虑到垂直的信号传输。由于多层印刷电路板的板间垂直信号传输一直是电路设计上的难点，许多高频宽带电路设计会避免通过板间导通孔(via)作垂直信号传输。
如美国早期公开号第20040053014号的申请案所述的多层印刷电路板，其具有第一与第二信号传输线，以及第一与第二接地层，第一信号传输线与第二信号传输线之间以垂直信号导通孔连接。第一与第二接地层之间以接地导通孔连接，接地导通孔接近但不连接于导通孔，第一接地层突出于第二接地层且较第二接地层接近信号导通孔，来稳定第一信号传输线的干扰。再配合第一接地层与第二接地层的交错设计可以达到良好的阻抗控制。然而，此方法会造成许多设计上的复杂度，减少电路应用的灵活度，而且整体多层印刷电路板的精密度控制不易。
【发明内容】
鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种高频宽带阻抗匹配传输孔，以多层印刷电路板为例，在信号传输线之间以垂直信号传输孔连接，并借由垂直接地导通孔来使垂直信号传输孔达到阻抗匹配，利用垂直信号传输孔可以灵活在各层金属之中配置传输线，使得高频宽带与高速的电气信号在立体空间传输更完整。
因此，为实现上述目的，本发明提出一种高频宽带阻抗匹配的传输孔，应用于一基材，所述基材具有相对的一第一表面与一第二表面，所述传输孔包括：
一第一信号传输线，设置于所述基材的第一表面；
一第二信号传输线，设置于所述基材的第二表面；
一垂直信号导通孔，设置于所述基材内，供所述第一信号传输线通过所述垂直信号导通孔连接所述第二信号传输线；以及
多个垂直接地导通孔，邻近于所述垂直信号导通孔，所有所述垂直接地导通孔与所述垂直信号导通孔间隔同一特定间距。
所述垂直信号导通孔的周围设置对称的多个所述垂直接地导通孔，使多层电路板沿信号导通孔与接地导通孔的剖面为近似共平面波导或同轴电缆线的结构。
所述的高频阻抗匹配的传输孔还包括一导电部设置于所述基材内，且连接多个所述垂直接地导通孔。
所述导电部圈绕于所述垂直信号导通孔。
所述导电部连接所述垂直接地导通孔并仅圈绕于所述垂直信号导通孔的一侧。
所述导电部呈现环状或半环状。
本发明还公开了一种高频宽带阻抗匹配的传输孔，应用于一基材，所述基材具有相对的一第一表面与一第二表面，所述传输孔包括：
一第一信号传输线，设置于所述基材的第一表面；
一第二信号传输线，设置于所述基材的第二表面；
一垂直信号导通孔，设置于所述基材内，供所述第一信号传输线通过所述垂直信号导通孔连接所述第二信号传输线；
多个垂直接地导通孔，邻近于所述垂直信号导通孔，使多层电路板沿信号导通孔与接地导通孔的剖面为近似共平面波导或同轴电缆线的结构；以及
一导电部，设置于所述基材内，且连接多个所述垂直接地导通孔，仅提供所述垂直接地导通孔之间的电性导通，该导电部呈现环状或半环状。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
【附图说明】
图1为本发明第一实施例的剖面示意图；
图2为本发明第二实施例的剖面示意图；
图3A、3B为本发明第三实施例的透视示意图；
图4A为本发明第一仿真实施例的三维结构示意图；
图4B为本发明第一仿真实施例仿真结果的阻抗分布示意图；
图5A、5B为本发明第二仿真实施例的三维结构示意图；以及
图6为本发明第三仿真实施例的三维结构示意图。
其中，附图标记：
110-电路层 111-第一信号传输线
112-第二信号传输线 113-垂直信号导通孔
114-垂直接地导通孔 120-绝缘层
115-第一接地层 116-第二接地层
117-导电部
311-第一信号传输差动对 312-第二信号传输差动对
314-多个垂直接地导通孔 316-中空导电部
320-绝缘层 311-第一信号传输差动对
312-第二信号传输差动对 313-垂直信号导通孔
314-垂直接地导通孔 315-平面导线
316-导电部 317-导电部
411-第一信号传输线 412-第二信号传输线
413-垂直信号导通孔 414-垂直接地导通孔
415-环状导电部 416-半环状导电部
420-绝缘层 D-特定间距
【具体实施方式】
本发明所公开的高频宽带阻抗匹配传输孔，应用于各种基材，譬如为多层电路板、LTCC、IC、厚膜陶瓷、薄膜陶瓷、硅基板玻璃基板制程等，通过接地导通孔配置于信号导通孔的周围，使得垂直信号导通孔的信号传输具有阻抗匹配。以下结构以多层电路板为例子，通过结构设计使多层电路板达到阻抗匹配的目的。多层电路板结构为堆栈多个绝缘层和电路层的组合，利用垂直信号导通孔来提供电路层的电性连接，并且于结构中加入垂直接地导通孔，使得垂直信号导通孔的信号传输达成阻抗匹配，其结构设计地实施例公开如下。
多层印刷电路板为多个电路及绝缘层的组合，电路层与绝缘层交错层叠设置。请参照图1，其为本发明第一实施例的剖面示意图。以六层电路板结构为例，其由下至上具有六电路层110，电路层110间则间隔绝缘层120，本发明的结构包括第一信号传输线111、第二信号传输线112、垂直信号导通孔113、垂直接地导通孔114、第一接地层115及第二接地层116。第一信号传输线111设置于底面电路层110(可视为基材的第一表面)，第二信号传输线112设置于顶端电路层110(可视为基材的第二表面)，并且间隔多个绝缘层120，使第一信号传输线111、第二信号传输线112、第一接地层115、与第二接地层116分别位于不同层。于此，第一信号传输线111与邻近的第二接地层116形成微带传输线(microstrip line)结构，而第二信号传输线112则与邻近的第一接地层115形成微带传输线(microstrip line)结构。第一信号传输线111通过垂直信号导通孔113导通于第二信号传输线112；第一接地层115通过垂直接地导通孔114导通于第二接地层116。垂直接地导通孔114贯穿内部的电路层110、邻近于垂直信号导通孔113并与垂直信号导通孔113间隔一特定间距D。这样，借由控制特定间距D则可以控制阻抗，使得垂直信号导通孔113的信号传输具有阻抗匹配。
此外也可在垂直信号导通孔的周围设置对称的多个垂直接地导通孔，可视为共平面波导或近似的共平面波导。请参照图2，其为本发明第二实施例的剖面示意图。同样以六层电路板结构为例，其由下至上具有六电路层110，电路层110间则间隔有绝缘层120，本发明的结构包括第一信号传输线111与第二信号传输线112、垂直信号导通孔113、两个垂直接地导通孔114、第一接地层115及第二接地层116。第一信号传输线111设置于底面电路层110，第二信号传输线112设置于顶端电路层110，并且间隔多个绝缘层120，使第一信号传输线111、第二信号传输线112、第一接地层115与第二接地层116分别位于不同层。于此，第一信号传输线111与邻近的第二接地层116形成微带传输线(microstrip line)结构，第二信号传输线112与邻近的第一接地层115形成微带传输线(microstrip line)结构。第一信号传输线111通过垂直信号导通孔113导通于第二信号传输线112；第一接地层115通过垂直接地导通孔114导通于第二接地层116。两个垂直接地导通孔114邻近并对称于垂直信号导通孔113设置，垂直接地导通孔114分别贯穿内部的电路层110并与垂直信号导通孔113间隔一特定间距D。垂直接地导通孔114通过中间挖空的导电部117互相导通。在第二实施例中的导电部117为中空环状导电部，此中空环状导电部连接接地孔。
另外，本发明可应用于差动对的信号传输，请参照图3A，其为本发明第三实施例的透视示意图，其结构包括第一信号传输差动对311与第二信号传输差动对312、一对信号导通孔、多个垂直接地导通孔314及中空导电部316。第一信号传输差动对311与第二信号传输差动对312间隔绝缘层320，并以多个信号导通孔连接第一信号传输差动对311与第二信号传输差动对312。信号导通孔由多个垂直信号导通孔313及平面导线315组成，垂直信号导通孔313交错设置于绝缘层320中，提供垂直的电性连接。即，多个垂直信号导通孔313可位于不同层，不同层的垂直信号导通孔313以相互错位的方式连接，不同的垂直信号导通孔313之间通过平面导线315连接，平面导线315设置于绝缘层320，提供平面的电性导通；垂直接地导通孔314则邻近于信号导通孔并对称设置于两侧，且配合垂直信号导通孔313设置于绝缘层320中，垂直接地导通孔通过中间挖空的导电部316互相导通。
如图3A所示，中间挖空的导电部316完全圈绕于垂直信号导通孔313，另外，也可将其设计为利用导电部317仅圈绕于垂直信号导通孔313一侧(见图3B)。
为更清楚描述本发明，采用六层板的印刷电路板结构进行高频电磁效应的仿真，其规格如下：各绝缘层厚度为10mil(千分之一英寸)，金属层厚度为1mil，导通孔直径为10mil，环状导电部的直径为20mil，传输线全长为200mil；绝缘层材质为玻璃纤维FR4(DK＝4.2，DF＝0.03)。以下是相关的仿真结果与三维结构示意图。
请参照图4A，其为本发明第一仿真实施例的三维结构示意图，结构包括第一信号传输线411与第二信号传输线412、垂直信号导通孔413及两个垂直接地导通孔414。第一信号传输线411与第二信号传输线412间隔绝缘层420，第一信号传输线411通过垂直信号导通孔413导通于第二信号传输线412；两个垂直接地导通孔414则邻近垂直信号导通孔413并间隔一特定间距D，两个垂直接地导通孔414对称设置于垂直信号导通孔413的两侧。
请参照图4B，其为本发明第一仿真实施例仿真结果的阻抗分布示意图，纵轴为阻抗(Z)，横轴为时间(T)。以不具有垂直接地导通孔的相同结构作为对照，再以具有不同D值的第一仿真实施例结构进行仿真。其结果为不具有垂直接地导通孔的结构，其阻抗极不匹配，最大差异值为40.1％。而垂直接地导通孔与垂直信号导通孔间隔约为10mil(D＝10mil)的第一仿真实施例结构，其阻抗匹配的最大差异值为9.5％。垂直接地导通孔与垂直信号导通孔间隔约为15mil(D＝15mil)的第一仿真实施例结构，其阻抗匹配的最大差异值为5.3％。由仿真结果可知本发明能够有效地改善阻抗不匹配的情况，并且可借由调整垂直接地导通孔与垂直信号导通孔的特定间距D来得到较佳的阻抗匹配。
还可加入导电部连接各个垂直接地导通孔。请参照图5A，其为本发明第二仿真实施例的三维结构示意图，其结构包括第一信号传输线411与第二信号传输线412、垂直信号导通孔413、两个环状导电部415及两个垂直接地导通孔414。第一信号传输线411与第二信号传输线412间隔绝缘层420，第一信号传输线411通过垂直信号导通孔413导通于第二信号传输线412；两个垂直接地导通孔414则邻近垂直信号导通孔413，且两个垂直接地导通孔414对称于设置垂直信号导通孔413的两侧，借由两个环状导电部415连接两个垂直接地导通孔414，使各垂直接地导通孔414电性连接，以达到等电位。另一方面，请参照图5B，第一信号传输线411与邻近的接地层形成微带传输线(microstrip line)结构，第二信号传输线412与邻近的接地层形成微带传输线(microstrip line)结构，并且间隔多个绝缘层420，也可以直接利用多个垂直接地导通孔414对称地设置于垂直信号导通孔413周围，也就是多个垂直接地导通孔414以相同间距环绕垂直信号导通孔413，来达到类似于同轴电缆线(co-axial cable)的结构。
另外，导电部也可为半环状，请参照图6，其为本发明第三仿真实施例的三维结构示意图，其结构包括第一信号传输线411与第二信号传输线412、垂直信号导通孔413、两个环状导电部415、两个半环状导电部416及两个垂直接地导通孔414。第一信号传输线411与第二信号传输线412间隔绝缘层420，第一信号传输线411通过垂直信号导通孔413导通于第二信号传输线412；两个垂直接地导通孔414则邻近垂直信号导通孔413，且两个垂直接地导通孔414对称设置于垂直信号导通孔413的两侧，借由两个环状导电部415连接两个垂直接地导通孔414，使各垂直接地导通孔414电性连接，并且于两个垂直接地导通孔414的顶端与底面，各以半环状导电部416连接以提供电性导通，以达到等电位。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。