CN100563061C - 在pcb中使每单位面积电容最大同时使信号传输延迟最小 - Google Patents

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Abstract

提供一种使印刷电路板(PCB)的每单位面积的补偿电容最大同时使PCB中的信号传输延迟最小的PCB。该PCB包括：具有第一介电常数(DK)的第一部分，在第一部分之上或者之下设置的具有低于第一介电常数的第二介电常数的第二部分，在第一部分中设置多个串扰补偿元件，在第二部分中设置多个电路元件。

Description

在PCB中使每单位面积电容最大同时使信号传输延迟最小
技术领域
本发明涉及连接器中的串扰补偿领域，尤其涉及一种在串扰补偿印刷电路板(PCB，printed circuit board)中使信号传输延迟最小的同时使每单位面积电容最大的技术。
背景技术
已知在连接器中的导体之间的噪声或者信号干扰为串扰。串扰是在使用连接器的装置中常见的问题。尤其是，在经常与计算机一起使用的模块化插头要与模块化插座配对的系统中，插座和/或插头内的电线(导体)产生串扰。
发给Adriaenssens等人的美国5,997,358号专利(下文中称为“专利′358”)描述了一种在连接器中补偿串扰的多级方案。专利′358的全部内容在此引入作为参考。此外，还引入美国5,915,989、6,042,427、6,050,843和6,270,381号专利的主题作为参考。
专利′358减小了连接器接收插头的模块化插座中的原始串扰。插座包括具有在PCB层上布置的导体的PCB。通过以两个补偿级增加伪(补偿)串扰从而在插头-插座组合中抵消串扰，来减小或者补偿插座的导体之间的原始串扰。通过在PCB层上布置电容器并且在PCB层上的不同位置(级)处设置交越(crossed-over)导体来建立补偿串扰。
在这样的串扰补偿系统中，对于串扰补偿PCB，具有高介电常数(DK，dielectric constant)使得用于获得所需的容性串扰补偿的PCB空间最小是理想的。然而，PCB采用高DK材料导致在补偿级之间导体的信号传输路径中长的延迟，这对连接器的高频性能是有害的。
因此，需要一种能够在PCB中使信号传输延迟最小的同时使容性串扰补偿的有效PCB空间利用最大的技术。
发明内容
本发明克服了相关技术的串扰补偿装置的问题和限制。尤其是，本发明提供一种具有由高介电常数(DK)材料制成的一部分层和由低DK材料制成的其他层的串扰补偿PCB。然后，使串扰补偿电容器处于高DK材料的层，而使其他电子组件处于低DK材料的层。这提供了在使信号传输延迟最小的同时使每单位面积的补偿电容最大的PCB。
附图说明
通过以下参考附图对本发明实施例的详细说明，本发明的各方面将显而易见，其中：
图1是根据本发明第一实施例的串扰补偿PCB的剖视图；
图2是根据本发明第二实施例的串扰补偿PCB的剖视图；
图3是根据本发明第三实施例的串扰补偿PCB的剖视图。
具体实施方式
现在，详细参考本发明的优选实施例，在附图中示出了本发明优选实施例的例子。在附图中，相同的附图标记用于表示相同的元件。
本发明提供一种多层板，例如具有不同介电常数的不同层的PCB。这种板用于提供串扰补偿。介电常数是用于描述材料储存静电能量的能力的常用术语。板包括由高介电常数(DK)材料制成的层和由低DK材料制成的层。然后，使串扰补偿电容器处于高DK材料的层，而使例如用于传输信号的导体的其他组件处于低DK材料的层。这提供了在使信号传输延迟最小的同时使每单位面积的补偿电容最大的板。
图1是根据本发明第一实施例的串扰补偿PCB 10的剖视图。
参考图1，PCB 10包括：层叠层(laminate)或者内层(core)12，第一至第四预浸材料14、15、16和17，以及多个金属化层18和19。预浸材料是本领域中已知的介电材料片。层叠层/内层也是已知的，可以由包铜介电材料衬底12a与分别在介电材料衬底12a的上、下形成的铜片(金属化层)12b和12c制成。金属化层18和19可以是铜箔或者其他合适的导电层。
上金属化层18、第一预浸材料14和第二预浸材料15以该顺序堆叠在层叠层/内层12的上铜片12b上。第三预浸材料16、第四预浸材料17和下金属化层19以该顺序设置在层叠层/内层12的下铜片12c之下。
层叠层/内层12(即衬底12a)由高DK材料制成。第一和第四预浸材料14和17由低DK材料制成。第二和第三预浸材料15和16由高DK材料制成。
因为层叠层/内层12与第二和第三预浸材料15和16用高DK材料制成，所以将用于补偿串扰的补偿容性元件22布置在PCB 10的不同补偿级的层叠层/内层12的铜片12b和/或12c的一部分上，或者布置为其一部分。容性元件22可以是交指电容器或者平行板电容器的平板。交指电容器是具有各自处于不同电位的共面排列的两个互相啮合的金属梳的电容器，它是已知的。平行板电容器是由各自处于不同电位的两个平行金属板构成的电容，它也是已知的。此外，容性元件22可以是作为层叠层/内层12的铜片12b和12c与介电材料衬底12a的一部分而形成的埋孔(buried via)。已知可以用各自处于不同电位的两个孔(via)来制成电容器。根据这种结构，通过补偿容性元件22的存在在PCB 10中提供所需的串扰补偿，同时，因为高DKPCB层在PCB上提供每单位面积的大电容，所以使PCB10上每单位面积的补偿电容最大。此外，这种结构提供PCB10的紧凑设计。
此外，因为上和下金属化层18和19与用低D K材料制成的第一和第四预浸材料14和17相邻，所以将电路元件20布置在上和/或下金属化层18和19的一部分上，或者布置为其一部分。电路元件20是主要用于为通过PCB 10的信号提供传输路径的电子元件。电路元件20可以是导电走线、阻性元件、感性元件等。包围电路元件20的低D K材料防止信号沿电路元件20移动时长的信号传输延迟，使得可以将信号明显更快地传遍PCB 10。其结果是，在PCB 10中使信号传输延迟最小的同时，PCB 10使每单位面积的补偿电容最大。
图2是根据本发明第二实施例的串扰补偿PCB 30的剖视图。除了在第二实施例中用由低DK材料制成的层叠层/内层并蚀刻掉层叠层/内层的铜片中的一个来代替低DK层中的每一个和抵接的金属化层之外，PCB 30与第一实施例的PCB 10相同。
特别地，参考图2，PCB 30包括高DK层叠层/内层12、在层叠层/内层12上形成的高DK预浸材料15、在层叠层/内层12之下形成的高D K预浸材料16、上层叠层/内层32和下层叠层/内层34，全部以图2所示的顺序堆叠。
上层叠层/内层32包括低DK衬底32a(例如具有低DK的包铜衬底)和仅在低DK衬底32a的一侧形成的一个铜片(金属化层)32b。类似地，下层叠层/内层34包括低DK衬底34a(例如具有低DK的包铜衬底)和仅在低DK衬底34a的一侧形成的一个铜片(金属化层)34b。
通常，层叠层/内层包括介电材料衬底和在衬底的上、下形成的两个铜片。一种实现方式是，作为上和下层叠层/内层32和34，通过从低DK层叠层/内层中蚀刻或者除去铜片中的一个，可以使用市场上可得到的低DK层叠层/内层。这降低了PCB的成本，并且简化了PCB的制作工艺。
因为层叠层/内层12与第二和第三预浸材料15和16用高DK材料制成，所以将补偿容性元件22布置在PCB 30的不同补偿级的层叠层/内层12的铜片12b和/或12c和/或介电材料衬底12a的一部分上，或者布置为其一部分。根据这种结构，在PCB 30中提供所需的串扰补偿，同时，因为有包围补偿容性元件22的高DK PCB层，所以使PCB 30上每单位面积的补偿电容最大。
此外，因为铜片32b和34b与用低DK材料制成的衬底32a和34a相邻，所以将电路元件20布置在铜片32b和/或34b的一部分上，或者布置为其一部分。包围电路元件20的低D K材料防止电路元件20之间的长的信号传输延迟。其结果是，在PCB 30中使信号传输延迟最小的同时，PCB 30使每单位面积的补偿电容最大。
图3是根据本发明第三实施例的串扰补偿PCB 50的剖视图。当希望使补偿元件处于上和/或下金属化层上并使信号传输路径处于PCB 50的内部金属化层上时使用本实施例。在本实施例中，代替图1所示的低DK材料处于PCB的外层且高DK材料处于PCB的内层，低DK材料处于PCB的内层而高DK材料处于PCB的外层。
特别地，参考图3，PCB 50包括：层叠层/内层50，第一至第四预浸材料54、55、56和57，以及上和下金属化层18和19，全部如图3所示堆叠。层叠层/内层50由低DK衬底50a(例如低DK包铜材料衬底)与分别在低DK衬底50a的上、下形成的铜片50b和50c(金属化层)构成。
第一和第四预浸材料54和57由高DK材料制成。第二和第三预浸材料55和56由低DK材料制成。
因为预浸材料54和57用高DK材料制成，所以将补偿容性元件22布置在PCB 50的不同补偿级的上和/或下金属化层18和/或19的一部分上，或者布置为其一部分。根据这种结构，在PCB 50中提供所需的串扰补偿，同时，因为有包围补偿元件22的高DK PCB层，所以使PCB 50上每单位面积的补偿电容最大。
此外，因为层叠层/内层50与预浸材料55和56用低DK材料制成，所以将电路元件20布置在铜片50b和/或50c的一部分上，或者布置为其一部分。包围电路元件20的低DK材料防止电路元件20之间的长的信号传输延迟。其结果是，当希望在PCB 50中使补偿电容器/元件处于上和/或下金属化层上并且使信号传输路径处于内部金属化层上时，在使信号传输延迟最小的同时，PCB 50使每单位面积的补偿电容最大。
在本发明的实施例中，高DK可以在4.0～5.0的范围内，低DK可以在2.5～3.5的范围内。优选地，高DK可以是或者约4.5，低DK可以是或者约3.0。例如，在图1中，层叠层/内层12具有4.5的DK，第一和第四预浸材料14和17具有3.0的DK，第二和第三预浸材料15和16具有4.5的DK。
此外，在本发明的实施例中，作为补偿电容器22，可以使用各种类型的电容器。可以使用例如交指电容器、平行板电容器或者由埋孔形成的电容器。在本领域中，这些元件是已知的。
虽然在附图中示出了五个PCB衬底(除金属化层之外)，但是显然，PCB可以使用任何其他数量的PCB衬底和/或金属化层。重要的方面在于用高DK材料包围要布置补偿元件22的位置，用低DK材料包围要布置电子元件20的位置。
虽然通过在如上所述的附图中所示的实施例说明了本发明，但是本领域的普通技术人员应当理解，本发明不限于上述实施例，可以对实施例进行各种变化或者变形，而不脱离本发明的精神。

Claims (29)

1.一种印刷电路板，包括：
第一部分，其具有第一介电常数；
第二部分，其具有低于所述第一介电常数的第二介电常数并设置在所述第一部分之上或者之下；
至少一个串扰补偿元件，其设置在所述第一部分中；以及
至少一个电路元件，其设置在所述第二部分中；
其中，所述至少一个串扰补偿元件是布置在所述印刷电路板的不同补偿级的用于补偿原始串扰的容性元件。
2.根据权利要求1所述的印刷电路板，其特征在于，所述第一部分包括：
第一层叠层，其包括具有所述第一介电常数的衬底和附在所述衬底的至少一个表面处的金属片；
第一预浸材料，其位于所述第一层叠层之上；以及
第二预浸材料，其位于所述第一层叠层之下。
3.根据权利要求2所述的印刷电路板，其特征在于，所述第一和第二预浸材料具有所述第一介电常数。
4.根据权利要求3所述的印刷电路板，其特征在于，将所述至少一个串扰补偿元件设置在所述第一层叠层的金属片处。
5.根据权利要求3所述的印刷电路板，其特征在于，所述第二部分包括：
第三预浸材料，其位于所述第一预浸材料之上；
第一金属层，其位于所述第三预浸材料之上；
第四预浸材料，其位于所述第二预浸材料之下；以及
第二金属层，其位于所述第四预浸材料之下。
6.根据权利要求5所述的印刷电路板，其特征在于，所述第三和第四预浸材料具有所述第二介电常数。
7.根据权利要求6所述的印刷电路板，其特征在于，将所述至少一个电路元件设置在所述第一和/或第二金属层处，将所述至少一个串扰补偿元件的至少一部分设置在所述第一层叠层的金属片和/或衬底处。
8.根据权利要求3所述的印刷电路板，其特征在于，所述第二部分包括：
第二层叠层，其位于所述第一预浸材料之上；以及
第三层叠层，其位于所述第二预浸材料之下，
其中，所述第二和第三层叠层具有所述第二介电常数。
9.根据权利要求8所述的印刷电路板，其特征在于，所述第二和第三层叠层中的每一个包括介电材料衬底和在所述衬底上的单金属片。
10.根据权利要求9所述的印刷电路板，其特征在于，将所述至少一个电路元件设置在所述第二和/或第三层叠层的所述单金属片处，将所述至少一个串扰补偿元件的至少一部分设置在所述第一层叠层的金属片和/或衬底处。
11.根据权利要求1所述的印刷电路板，其特征在于，所述第二部分包括：
第一层叠层，其包括具有所述第二介电常数的衬底和附在所述衬底的至少一个表面处的金属片；
第一预浸材料，其位于所述第一层叠层之上；以及
第二预浸材料，其位于所述第一层叠层之下。
12.根据权利要求11所述的印刷电路板，其特征在于，所述第一和第二预浸材料具有所述第二介电常数。
13.根据权利要求12所述的印刷电路板，其特征在于，所述第一部分包括：
第三预浸材料，其位于所述第一预浸材料之上；
第一金属层，其位于所述第三预浸材料之上；
第四预浸材料，其位于所述第二预浸材料之下；以及
第二金属层，其位于所述第四预浸材料之下。
14.根据权利要求13所述的印刷电路板，其特征在于，所述第三和第四预浸材料具有所述第一介电常数。
15.根据权利要求14所述的印刷电路板，其特征在于，将所述至少一个串扰补偿元件的至少一部分设置在所述第一和/或第二金属层处，将所述至少一个电路元件设置在所述第一层叠层的金属片处。
16.根据权利要求1所述的印刷电路板，其特征在于，所述第一介电常数在4.0～5.0的范围内，所述第二介电常数在2.5～3.5的范围内。
17.根据权利要求1所述的印刷电路板，其特征在于，所述至少一个串扰补偿元件包括布置在所述印刷电路板的不同补偿级处的多个电容器。
18.一种使印刷电路板的电容面积最大同时使印刷电路板中的信号传输延迟最小的方法，所述方法包括：
提供步骤a，提供具有第一部分和在所述第一部分之上或者之下的第二部分的印刷电路板，所述第一部分具有第一介电常数，所述第二部分具有低于所述第一介电常数的第二介电常数；
提供步骤b，在所述印刷电路板的所述第一部分中提供至少一个串扰补偿元件；以及
提供步骤c，在所述印刷电路板的所述第二部分中提供至少一个电路元件；
其中，所述至少一个串扰补偿元件是布置在所述印刷电路板的不同补偿级的用于补偿原始串扰的容性元件。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，在所述提供步骤a中，所述第一部分包括：
第一层叠层；
第一预浸材料，其位于所述第一层叠层之上；以及
第二预浸材料，其位于所述第一层叠层之下，
其中，所述第一层叠层与所述第一和第二预浸材料具有所述第一介电常数。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，在所述提供步骤a中，所述第二部分包括：
第三预浸材料，其位于所述第一预浸材料之上；
第一金属层，其位于所述第三预浸材料之上；
第四预浸材料，其位于所述第二预浸材料之下；以及
第二金属层，其位于所述第四预浸材料之下，
其中，所述第三和第四预浸材料具有所述第二介电常数。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，在所述提供步骤b和c中，将所述至少一个电路元件设置在所述第一和/或第二金属层处，将所述至少一个串扰补偿元件设置在所述第一层叠层的金属片和/或介电衬底处。
22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，在所述提供步骤a中，所述第二部分包括：
第二层叠层，其位于所述第一预浸材料之上；以及
第三层叠层，其位于所述第二预浸材料之下，
其中，所述第二和第三层叠层具有所述第二介电常数。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述提供步骤a包括：
从所述第二和第三层叠层中的每一个中除去两个金属片中的一个。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，在所述提供步骤b和c中，将所述至少一个电路元件设置在所述第二和/或第三层叠层的剩余的金属片处，将所述至少一个串扰补偿元件设置在所述第一层叠层的金属片和/或介电衬底处。
25.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，在所述提供步骤a中，所述第二部分包括：
第一层叠层；
第一预浸材料，其位于所述第一层叠层之上；以及
第二预浸材料，其位于所述第一层叠层之下，
其中，所述第一层叠层与所述第一和第二预浸材料具有所述第二介电常数。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，在所述提供步骤a中，所述第一部分包括：
第三预浸材料，其位于所述第一预浸材料之上；
第一金属层，其位于所述第三预浸材料之上；
第四预浸材料，其位于所述第二预浸材料之下；以及
第二金属层，其位于所述第四预浸材料之下，
其中，所述第三和第四预浸材料具有所述第一介电常数。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，在所述提供步骤b和c中，将所述至少一个串扰补偿元件设置在所述第一和/或第二金属层处，将所述至少一个电路元件设置在所述第一层叠层的金属片处。
28.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，在所述提供步骤a中，所述第一介电常数在4.0～5.0的范围内，所述第二介电常数在2.5～3.5的范围内。
29.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述提供步骤b包括：
在印刷电路板的不同补偿级处布置多个串扰补偿电容器。
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