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CN107969065B - 一种印刷电路板 - Google Patents

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CN107969065B CN201711060684.4A CN201711060684A CN107969065B CN 107969065 B CN107969065 B CN 107969065B CN 201711060684 A CN201711060684 A CN 201711060684A CN 107969065 B CN107969065 B CN 107969065B
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Abstract

本发明公开了一种印刷电路板，包括信号传递结构，所述信号传递结构包括：连接过孔的上层传输线和连接过孔的下层传输线；信号过孔，所述连接过孔的上层传输线通过所述信号过孔与所述连接过孔的下层传输线电连接；沿所述信号过孔的轴向依次设置的多个参考地平面，各个参考地平面与所述信号过孔同轴设置；以及接地部，所述接地部沿所述信号过孔的径向方向的截面形状呈圆弧形，所述接地部所在圆与所述信号过孔同轴设置；所述接地部与各个所述参考地平面固定连接。本发明通过在需要进行阻抗控制的信号过孔周围放置接地部，为信号过孔设置完整的参考地平面来控制过孔阻抗，减小线路损耗和反射，保证关键线路的信号完整性要求。

Description

一种印刷电路板
技术领域
本发明涉及印刷电路板的生产和设计技术领域，尤其涉及一种使信号过孔的阻抗连续的印刷电路板。
背景技术
随着通信系统信号传输速率和工作频率的不断提高，印刷电路板(PCB)对信号完整性的要求越来越高，除了要求控制传输线阻抗外，还必须对信号过孔的阻抗和损耗进行控制。信号过孔在传输线上表现为传输线阻抗不连续的断点，这会造成信号反射、辐射等问题，影响信号传输质量。信号过孔产生阻抗不连续的根本原因是信号过孔处没有参考平面，由此返回信号电流无法跳跃，使信号过孔的电感量增加，并导致更多的辐射、串扰。
目前，对信号过孔处的信号完整性的研究和优化方法已有很多，常用的方法有优化过孔的反焊盘。该方法已经得到广泛的应用，但仍存在信号过孔处的参考地平面并不连续的缺陷。具体来说，该方法的缺陷在于：首先，不同频率信号线上信号过孔的反焊盘大小不一致，不同信号过孔的反焊盘大小也不一致。由此，加工工艺复杂。其次，信号过孔无参考地平面，辐射大。可见，针对待解决的信号过孔的阻抗不连续的技术问题，上述优化过孔的反焊盘的方法并不可取。
因此，亟需一种既能够解决信号过孔的阻抗不连续的问题、又能保证信号过孔处的参考地平面连续的印刷电路板。
发明内容
本发明旨在提供一种既能够解决信号过孔的阻抗不连续的问题、又能保证信号过孔处的参考地平面连续的印刷电路板。
根据本发明的一个方面，提供了一种印刷电路板，其包括信号传递结构，所述信号传递结构包括：
连接过孔的上层传输线和连接过孔的下层传输线；
信号过孔，所述连接过孔的上层传输线通过所述信号过孔与所述连接过孔的下层传输线电连接；
沿所述信号过孔的轴向依次设置的多个参考地平面，各个参考地平面与所述信号过孔同轴设置；以及
接地部，所述接地部沿所述信号过孔的径向方向的截面形状呈圆弧形，所述接地部所在圆与所述信号过孔同轴设置；所述接地部与各个所述参考地平面固定连接。
优选的是，所述接地部通过电镀与各个所述参考地平面固定连接，所述接地部具有沿自身的轴向延伸的接地槽。
优选的是，所述多个参考地平面包括与所述连接过孔的上层传输线同层设置的顶层参考地平面、与所述连接过孔的下层传输线同层设置的底层参考地平面、以及位于所述顶层参考地平面和所述底层参考地平面之间的中间层参考地平面。
优选的是，所述信号传递结构还包括：设置在所述中间层参考地平面和所述底层参考地平面之间的中间层电平面，所述中间层电平面与所述信号过孔同轴设置。
优选的是，在每个所述参考地平面的内侧壁与所述信号过孔的外侧壁之间设置有过孔反焊盘区域。
优选的是，所述过孔反焊盘区域的外侧壁所在圆的半径大于或者等于所述接地部的内侧与所述信号过孔的中心的间距；并且，所述过孔反焊盘区域的外侧壁所在圆的半径小于或者等于所述接地部的外侧与所述信号过孔的中心的间距。
优选的是，所述接地部的长度等于所述过孔反焊盘区域的外侧壁的半径，其宽度根据所述印刷电路板的板厚与所述印刷电路板厚径比的比值确定。
优选的是，所述信号传递结构还包括分别与各个所述参考地平面一一对应的过孔焊盘；
其中，所述过孔焊盘和与其相对应的参考地平面同轴且同层设置；所述过孔焊盘的内侧壁与所述信号过孔的外侧壁贴合设置。
优选的是，所述信号过孔为单端信号过孔，所述信号传递结构包括一个所述接地部或者关于所述信号过孔的中心轴对称且平行于所述连接过孔的上层传输线或连接过孔的下层传输线的两个所述接地部。
优选的是，所述印刷电路板包括第一信号传递结构和第二信号传递结构，所述第一信号传递结构的第一信号过孔与所述第二信号传递结构的第二信号过孔构成差分信号过孔，所述第一信号传递结构的第一接地部与所述第二信号传递结构的第二接地部关于所述第一信号过孔的圆心和所述第二信号过孔的圆心的中垂线对称设置。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
本发明通过在需要进行阻抗控制的信号过孔周围一定范围内设置接地部，通过为信号过孔设置完整的参考地平面来控制过孔阻抗，有利于减小线路损耗和反射，从而保证了关键线路的信号完整性要求。进一步地，本发明对印刷电路板的单端信号过孔和差分信号过孔的阻抗都能进行有效的控制，能降低传输线路的衰减。此外，本发明同样适用于盲埋孔，背钻孔等信号过孔形式。本发明只需要按照常规印刷电路板加工工艺进行生产即可，不需要增加加工费用，从而具有极大的实用价值。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1示出了本发明实施例具有一个信号传递结构的印刷电路板的俯视图；
图2示出了本发明实施例具有一个信号传递结构的印刷电路板的剖面视图；
图3示出了本发明实施例具有两个信号传递结构的印刷电路板的俯视图；
图4示出了本发明实施例具有两个信号传递结构的印刷电路板的剖面视图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
实施例一：
本发明实施例一提供了一种如图1及图2所示的印刷电路板，该印刷电路板仅具有一个信号传递结构(这将在下文进行详细说明)。图1是本发明实施例一的印刷电路板的俯视图。图2是本发明实施例一的印刷电路板的剖面视图。
参照图1和图2，本发明实施例的印刷电路板仅包括一个信号传递结构。该信号传递结构包括连接过孔的上层传输线4、连接过孔的下层传输线5、多个参考地平面7、接地部1以及信号过孔6。
具体地，各个参考地平面7沿信号过孔6的轴向依次设置。各个参考地平面7与信号过孔6同轴设置。
接地部1沿信号过孔6的径向方向的截面形状呈圆弧形。接地部1所在圆与所述信号过孔6同轴设置。接地部1与各个参考地平面7固定连接。
上述连接过孔的上层传输线4通过信号过孔6与连接过孔的下层传输线5电连接。
上述多个参考地平面7包括与所述连接过孔的上层传输线4同层设置的顶层参考地平面71、与所述连接过孔的下层传输线5同层设置的底层参考地平面73、以及位于顶层参考地平面71和底层参考地平面73之间的中间层参考地平面72。
接地部1与上述各个参考地平面7通过电镀的方式固定连接。在本实施例中，采用电镀方式将所述接地部1的外侧壁与各个参考地平面7相接触之处固定连接，以使接地部与各个参考地平面7均具有相同的电位。
上述信号传递结构还包括中间层电平面8。中间层电平面8设置在中间层参考地平面72和底层参考地平面73之间。中间层电平面8与所述信号过孔6同轴设置。
根据图2所示，在一个优选的实施例中，在上述各个参考地平面7的内侧壁与信号过孔6的外侧壁之间设置有过孔反焊盘区域3。优选地，参照图3和图4，过孔反焊盘区域3的外侧所在圆的半径M大于或者等于所述接地部的内侧壁与所述信号过孔6的中心的间距R。另外，所述过孔反焊盘区域3的外侧所在圆的半径M小于或者等于所述接地部的外侧壁与所述信号过孔6的中心的间距R+D。
根据图2所示，在一个优选的实施例中，所述信号传递结构还包括分别与各个所述参考地平面7一一对应的过孔焊盘2。所述过孔焊盘2和与其相对应的参考地平面7同轴且同层设置。另外，所述过孔焊盘2的内侧壁与所述信号过孔6的外侧壁贴合设置。
在一个优选的实施例中，上述信号过孔6为单端信号过孔，上述信号传递结构包括一个所述接地部或者关于上述信号过孔6的中心轴对称且平行于连接过孔的上层传输线4或连接过孔的下层传输线5的两个接地部。
在一个优选的实施例中，上述接地部1也可以制成接地槽，即通过电钻在上述各个参考地平面上铣成一个长度A等于过孔反焊盘2的半径M，宽度D根据所述印制板的板厚与所述印制板厚径比的比值确定的接地槽，之后采用电镀方式将该接地部的外侧壁与各个参考地平面7相接触之处固定连接，以使接地部与各个参考地平面7均具有相同的电位。本发明实施例一只需要按照常规印刷电路板加工工艺进行电钻铣槽、电镀、生产即可，不需要增加加工费用，从而具有极大的实用价值。例如，如果印刷电路板加工厂家的批生产能力的厚径比为10:1，印刷电路板设计厚度为2mm，则接地槽的宽度为0.2mm(生产厂家的厚径比是按照电镀工艺能力来确定的，如果厚径比过高，则孔径过小，可能会造成过孔中部镀层残缺，过孔出现短路的情况。)
本发明实施例一中所述的印刷电路板，上述接地部1的内侧壁与信号过孔6的中心的间距R可根据所述信号过孔6的特性阻抗Z0的控制要求进行调整。具体依据以下表达式：
Figure GDA0001592076640000051
Figure GDA0001592076640000052
Figure GDA0001592076640000053
L＝5.08l[ln(4l/d)+1] (1-4)
Figure GDA0001592076640000054
上述表达式中，R0表示信号过孔电阻；G0表示信号过孔电导；ω＝2πf；L表示信号孔电感；C表示信号过孔寄生电容，l表示信号过孔长度；f表示连接过孔的上层传输线、连接过孔的下层传输线与信号过孔的工作频率；μ表示磁导率；ρ表示电导率；dl表示信号过孔直径；
Figure GDA0001592076640000055
表示介质损耗角。R表示接地部1内侧壁与信号过孔中心间距；r表示信号过孔孔半径；A表示接地部1对应信号过孔区域的弧长；εr表示板材介电常数。
联解式(1-1)至(1-5)可求得接地部1的内侧壁与信号过孔6中心的间距R的值。
在本实施例中，利用仿真计算接地部1的内侧壁与信号过孔6的中心的间距R的具体步骤为：
步骤S1：确定连接过孔的上层传输线4、连接过孔的下层传输线5和信号过孔6的工作频率f；
步骤S2：根据印刷电路板叠层结构使用SI9000软件计算出信号过孔6的目标阻抗为Z0时的连接过孔的上层传输线4和连接过孔的下层传输线5的线宽；
步骤S3：试给定信号过孔6的直径d，信号过孔6中心与接地部1内侧壁的间距R；
步骤S4：使用HFSS软件对信号过孔6、连接过孔的上层传输线4、连接过孔的下层传输线5、接地部1和印刷电路板叠层结构进行建模并求出所述工作频率下信号过孔6的特性阻抗Z；
步骤S5：将Z与Z0进行对比，若Z不在Z0允许误差范围内则返回至步骤S3，若Z在Z0允许误差范围内则进入步骤S5；
步骤S6：得到满足要求的信号过孔6的直径d，信号过孔6的中心与接地部1内侧壁之间的间距R。
实施例二：
本发明实施例二提供了一种如图3及图4所示的一种印刷电路板，该印刷电路板具有两个上述信号传递结构。图3是本发明实施例二的印刷电路板的差分信号过孔的俯视图；图4是本发明实施例二的印刷电路板的差分信号过孔的剖面视图。
参照图3所示，本发明实施例二包括两个信号传递结构，具体为第一信号传递结构和第二信号传递结构，上述第一信号传递结构的第一信号过孔61与第二信号传递结构的第二信号过孔62构成差分信号过孔，上述第一信号传递结构的第一接地部11与所述第二信号传递结构的第二接地部12关于所述第一信号过孔61的圆心和所述第二信号过孔62的圆心的中垂线对称设置。
上述第一信号传递结构包括：第一连接过孔的上层传输线41、第一连接过孔的下层传输线51、多个参考地平面7、第一接地部11以及第一信号过孔61。
具体地，上述多个参考地平面7沿上述第一信号过孔61的轴向依次设置。各个参考地平面7与第一信号过孔61同轴设置。第一接地部11沿所述第一信号过孔的径向方向的截面形状呈圆弧形。上述第一接地部11的外侧壁与上述各个参考地平面7固定连接。
上述第一连接过孔的上层传输线41通过所述第一信号过孔61与第一连接过孔的下层传输线51电连接。上述过孔反焊盘2与其相对应的参考地平面7同轴且同层设置。
上述第二信号传递结构包括：第二连接过孔的上层传输线42、第二连接过孔的下层传输线52、多个参考地平面7、第二接地部12以及第二信号过孔62。
具体地，上述多个多个参考地平面7沿上述第二信号过孔62的轴向依次设置。各个参考地平面7与上述第二信号过孔62同轴设置。第二接地部12沿上述第二信号过孔的径向方向的截面形状呈圆弧形。上述第二接地部12的外侧壁与各个所述参考地平面7的固定连接。
上述第二连接过孔的上层传输线42通过所述第二信号过孔62与所述第二连接过孔的下层传输线52电连接。过孔反焊盘2与其相对应的参考地平面7同轴且同层设置。
在一个优选的实施例中，上述第一接地部11及第二接地部12分别与各个参考地平面7通过电镀的方式固定连接。
在一个优选的实施例中，上述第一接地部11所在圆与所述第一信号过孔61同轴设置；上述第二接地部12所在圆与所述第二信号过孔62同轴设置。
如图4所述，本实施例中，上述多个参考地平面7包括中间层参考地平面72、与第一连接过孔的上层传输线41以及第二连接过孔的上层传输线42同层设置的顶层参考地平面71、以及与所述第二连接过孔的下层传输线51以及第二连接过孔的下层传输线52同层设置的底层参考地平面73。
在一个优选的实施例中，上述信号传递结构还包括：设置在上述中间层参考地平面72和底层参考地平面之间73的中间层电平面8。上述中间层电平面8相对于所述第一信号过孔61圆心与第二信号过孔52圆心的中心呈轴对称设置。
在一个优选的实施例中，上述信号传递结构(这里指第一信号结构和第二信号传递结构)还包括分别与各个所述参考地平面7对应的第一过孔焊盘31及第二过孔焊盘32。上述第一过孔焊盘31和第二过孔焊盘32与其相对应的参考地平面7同层设置。上述第一过孔焊盘31的内侧壁与所述第一信号过孔61的外侧壁贴合设置。上述第二过孔焊盘32的内侧壁与所述第二信号过孔62的外侧壁贴合设置。
在一个优选的实施例中，上述第一接地部11和第二接地部12的大小尺寸相同。具体地，第一接地部11和第二接地部12的长度A等于过孔反焊盘2的半径M，第一接地部11和第二接地部12的宽度D根据所述印制板的板厚与所述印制板厚径比的比值确定。例如，如果印刷电路板加工厂家的批生产能力的厚径比为10:1，印刷电路板设计厚度为2mm，则第一接地部及第二接地部的宽度为0.2mm(生产厂家的厚径比是按照电镀工艺能力来确定的，如果厚径比过高，则孔径过小，可能会造成过孔中部镀层残缺，过孔出现短路的情况。)
上述过孔反焊盘2和与其相对应的参考地平面7同轴且同层设置。上述过孔反焊盘2的半径M设置为第一接地部11外侧壁与第一信号过孔61中心的间距R+D或设置为第二接地部11外侧壁与第二信号过孔61中心的间距R+D。
根据图3所示的一种印刷电路板，在一个优选的实施例中，其中，上述第一接地部11和第二接地部12的半径R以及差分信号过孔的间距J根据信号过孔的特性阻抗Z0的控制要求进行调整，其具体表达式如下：
Figure GDA0001592076640000081
Figure GDA0001592076640000082
Figure GDA0001592076640000083
上述表达式中，Ls-信号过孔与接地部间的电感；Lm-差分信号过孔间的电感Cs-信号过孔与接地部的寄生电容；Cm-差分信号过孔间的寄生电容。
联解式(2-1)～(2-3)可求得第一接地部11和第二接地部12的半径R以及差分信号过孔间距J的值。
上述两条表层传输线的间距S根据特性阻抗Z0的控制要求进行调整，其具体表达式如下：
Figure GDA0001592076640000091
Figure GDA0001592076640000092
Figure GDA0001592076640000093
Figure GDA0001592076640000094
上述表达式中，S为两条表层传输线边缘间距；W为表层传输线线宽；T为表层传输线铜箔厚度；Zdiff1为两条表层传输线差分对阻抗；Zdiff2为两条连接过孔的下层传输线差分对阻抗；H为介质厚度。联解式(3-1)～(3-4)可求得S的值。
在一个优选的实施例中，利用仿真计算第一接地部11内侧壁与第一信号过孔61中心的间距R的具体步骤为：
步骤S1：确定第一连接过孔的上层传输线、第一连接过孔的下层传输线以及第一信号过孔的工作频率；
步骤S2：根据印刷电路板叠层结构使用SI9000软件计算出目标阻抗为Z0时的连接过孔的上层传输线线宽和连接过孔的上层传输线线间距S；
步骤S3：试给定第一信号过孔的直径d，差分信号过孔间距J，第一信号过孔与第一接地部11内侧壁的间距R；
步骤S4：使用HFSS软件对第一信号过孔、第一连接过孔的上层传输线、第一连接过孔的下层传输线、第一接地部11和印刷电路板叠层结构进行建模并求出所述工作频率下第一信号过孔的特性阻抗Z；
步骤S5：将Z与Z0进行对比，若Z不在Z0允许误差范围内则返回至步骤S3，若Z在Z0允许误差范围内则进入步骤S6；
步骤S6：得到满足要求的第一信号过孔的孔径d、差分信号过孔间距J、第一信号过孔中心分别与第一接地部内侧壁的间距R。
可见，应用本发明实施例一以及本发明实施例二提供的印刷电路板，通过在需要进行阻抗控制的信号过孔周围一定范围内设置具有接地槽的接地部，通过为信号过孔设置完整的参考地平面来控制过孔阻抗，有利于减小线路损耗和反射，从而保证了关键线路的信号完整性要求。进一步地，本发明对印刷电路板的单端信号过孔和差分信号过孔的阻抗都能进行有效的控制，能降低传输线路的衰减。另外，本发明只需要按照常规印刷电路板加工工艺进行生产即可，不需要增加加工费用，从而具有极大的实用价值。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种印刷电路板，其特征在于，包括信号传递结构，所述信号传递结构包括：
连接过孔的上层传输线和连接过孔的下层传输线；
信号过孔，所述连接过孔的上层传输线通过所述信号过孔与所述连接过孔的下层传输线电连接；
沿所述信号过孔的轴向依次设置的多个参考地平面，各个参考地平面与所述信号过孔同轴设置；以及
接地部，所述接地部沿所述信号过孔的径向方向的截面形状呈圆弧形，所述接地部所在圆与所述信号过孔同轴设置；所述接地部与各个所述参考地平面固定连接；
所述过孔反焊盘区域的外侧所在圆的半径大于或者等于所述接地部的内侧壁与所述信号过孔的中心的间距；并且，所述过孔反焊盘区域的外侧所在圆的半径小于或者等于所述接地部的外侧壁与所述信号过孔的中心的间距。
2.根据权利要求1所述的印刷电路板，其特征在于，所述接地部通过电镀与各个所述参考地平面固定连接，所述接地部具有沿自身轴向延伸的接地槽。
3.根据权利要求1所述的印刷电路板，其特征在于，所述多个参考地平面包括与所述连接过孔的上层传输线同层设置的顶层参考地平面、与所述连接过孔的下层传输线同层设置的底层参考地平面、以及位于所述顶层参考地平面和所述底层参考地平面之间的中间层参考地平面。
4.根据权利要求3所述的印刷电路板，其特征在于，所述信号传递结构还包括：设置在所述中间层参考地平面和所述底层参考地平面之间的中间层电平面，所述中间层电平面与所述信号过孔同轴设置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的印刷电路板，其特征在于，在每个所述参考地平面的内侧壁与所述信号过孔的外侧壁之间设置有过孔反焊盘区域。
6.根据权利要求5所述的印刷电路板，其特征在于，所述接地部的长度等于所述过孔反焊盘区域的外侧壁的半径，其宽度根据所述印刷电路板的板厚与所述印刷电路板厚径比的比值确定。
7.根据权利要求5所述的印刷电路板，其特征在于，所述信号传递结构还包括分别与各个所述参考地平面一一对应的过孔焊盘；
其中，所述过孔焊盘和与其相对应的参考地平面同轴且同层设置；所述过孔焊盘的内侧壁与所述信号过孔的外侧壁贴合设置。
8.根据权利要求1所述的印刷电路板，其特征在于，所述信号过孔为单端信号过孔，所述信号传递结构包括一个所述接地部或者关于所述信号过孔的中心轴对称且平行于所述连接过孔的上层传输线或连接过孔的下层传输线的两个所述接地部。
9.根据权利要求1所述的印刷电路板，其特征在于，所述印刷电路板包括第一信号传递结构和第二信号传递结构，所述第一信号传递结构的第一信号过孔与所述第二信号传递结构的第二信号过孔构成差分信号过孔，所述第一信号传递结构的第一接地部与所述第二信号传递结构的第二接地部关于所述第一信号过孔的圆心和所述第二信号过孔的圆心的中垂线对称设置。
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