臺灣博碩士論文加值系統

隨著科技日新月異，為了追求高速且高頻產品的研發，所以需要去探討多層印刷電路板中的差分訊號連通柱所產生的訊號完整性(Signal Integrity, SI)議題。本論文將分析多層印刷電路板中訊號連通柱對損耗的影響。透過模擬幾何結構參數的變化，觀測S11、S21、時域反射波形、時域透射波形和阻抗。藉由這些參數的變化，我們可以了解到哪個參數怎麼去影響訊號連通柱，而可以在設計的時候朝向那樣的參數跟尺寸做設計，改善多層印刷電路板中訊號連通柱對損耗的影響。

With the rapid advancement of technology, the development of high-speed and high-frequency products necessitates an exploration of the signal integrity (SI) issues arising from differential signal vias in multilayer printed circuit boards (PCBs). This thesis aims to analyze the impact of signal vias on losses in multilayer PCBs. By simulating variations in geometric structure parameters, we observe S11, S21, time-domain reflection waveforms, time-domain transmission waveforms, and impedance. Through these parameter variations, we can understand how each parameter affects the signal vias and design the parameters and dimensions accordingly during the design process to improve the impact of signal vias on losses in multilayer PCBs.

摘要 I
Abstract II
致謝 III
目次 V
圖目次 VII
表目次 XIV
第一章 簡介 1
1-1 研究動機 1
1-2 文獻回顧 2
1-3 研究問題和研究方法 3
1-4 成果貢獻 5
第二章 相關理論 6
2-1 特性阻抗 6
2-2 阻抗不連續與反射原理 9
2-3 S參數 11
2-4 連通孔之結構介紹 14
2-5 連通孔寄生效應 18
第三章 多層印刷電路板中訊號連通柱之損耗 22
3-1 比較穿層訊號連通柱與單純微帶線差異 22
3-2 不同層數印刷電路板中訊號連通柱之損耗分析 29
第四章 外層到外層的訊號連通柱結構變化對損耗的影響 37
4-1 訊號連通柱結構中訊號焊盤直徑變化之比較 37
4-2 訊號連通柱結構中訊號連通柱直徑變化之比較 43
4-3 訊號連通柱結構中接地連通柱直徑變化之比較 48
4-4 訊號連通柱結構中反焊盤直徑變化之比較 53
4-5 訊號連通柱結構中反焊盤結構變化之比較 58
4-6 訊號連通柱結構中訊號連通柱與訊號連通柱距離變化之比較 64
4-7 訊號連通柱結構中接地連通柱與訊號連通柱距離變化之比較 69
第五章 外層到內層的訊號連通柱結構變化對損耗的影響 74
5-1 訊號連通柱結構中穿層層數變化之比較 74
5-2 訊號連通柱結構中殘段長度變化之比較 81
第六章 訊號連通柱結構改善之實際案例分析與比較 95
6-1 實際案例一 95
6-2 實際案例二 99
第七章 結論 106
參考文獻 107

圖目次
圖 2-1 印刷電路板上之傳輸線示意圖 6
圖 2-2 RLGC等效電路模型 7
圖 2-3 訊號沿傳輸線傳播受到阻抗改變時示意圖 10
圖 2-4 two-port network之示意圖 12
圖 2-5 印刷電路板上視示意圖 14
圖 2-6 外層到外層的印刷電路板側視示意圖 15
圖 2-7 外層到內層的印刷電路板側視示意圖 15
圖 2-8 訊號路徑和回流路徑之3D示意圖 16
圖 2-9 訊號路徑和回流路徑之側視圖(一) 17
圖 2-10 訊號路徑和回流路徑之側視圖(二) 17
圖 2-11 外層到外層印刷電路板的等效電路示意圖 18
圖 2-12 外層到內層印刷電路板的等效電路示意圖 18
圖 2-13 外層到外層印刷電路板的等效電路側視示意圖 19
圖 2-14 外層到內層印刷電路板的等效電路側視示意圖 19
圖 2-15 訊號連通柱的寄生效應之等效電路側視示意圖 20
圖 2-16 連通柱和連通柱之間的回路電感效應等效電路側視示意圖 21
圖 3-1 16層印刷電路板之上視示意圖 23
圖 3-2 16層印刷電路板之側視示意圖 23
圖 3-3 16層印刷電路板差分微帶線之側視示意圖 24
圖 3-4 單純微帶線之上視示意圖 25
圖 3-5 單純微帶線之側視示意圖 25
圖 3-6 比較穿層訊號連通柱與單純微帶線差異之頻域反射波形 26
圖 3-7 比較穿層訊號連通柱與單純微帶線差異之頻域透射波形 26
圖 3-8 比較穿層訊號連通柱與單純微帶線差異之時域反射波形 27
圖 3-9 比較穿層訊號連通柱與單純微帶線差異之時域透射波形 27
圖 3-10 比較穿層訊號連通柱與單純微帶線差異之阻抗波形 28
圖 3-11 12層印刷電路板之上視示意圖 30
圖 3-12 12層印刷電路板之側視示意圖 30
圖 3-13 12層印刷電路板差分微帶線之側視示意圖 30
圖 3-14 16層印刷電路板之上視示意圖 31
圖 3-15 16層印刷電路板之側視示意圖 31
圖 3-16 16層印刷電路板差分微帶線之側視示意圖 32
圖 3-17 20層印刷電路板之上視示意圖 32
圖 3-18 20層印刷電路板之側視示意圖 33
圖 3-19 20層印刷電路板差分微帶線之側視示意圖 33
圖 3-20 不同層數的印刷電路板之頻域反射波形 34
圖 3-21 不同層數的印刷電路板之頻域透射波形 34
圖 3-22 不同層數的印刷電路板之時域反射波形 35
圖 3-23 不同層數的印刷電路板之時域透射波形 35
圖 3-24 不同層數的印刷電路板之阻抗波形 36
圖 4-1 訊號連通柱結構中訊號焊盤直徑變化之上視示意圖 38
圖 4-2 訊號連通柱結構中訊號焊盤直徑變化之側視示意圖 38
圖 4-3 16層印刷電路板差分微帶線之側視示意圖 38
圖 4-4 訊號連通柱結構中訊號焊盤直徑變化之頻域反射波形 39
圖 4-5 訊號連通柱結構中訊號焊盤直徑變化之頻域透射波形 40
圖 4-6 訊號連通柱結構中訊號焊盤直徑變化之時域反射波形 40
圖 4-7 訊號連通柱結構中訊號焊盤直徑變化之時域透射波形 41
圖 4-8 訊號連通柱結構中訊號焊盤直徑變化之阻抗波形 41
圖 4-9 訊號連通柱結構中訊號連通柱直徑變化之上視示意圖 43
圖 4-10 訊號連通柱結構中訊號連通柱直徑變化之側視示意圖 44
圖 4-11 16層印刷電路板差分微帶線之側視示意圖 44
圖 4-12 訊號連通柱結構中訊號連通柱直徑變化之頻域反射波形 45
圖 4-13 訊號連通柱結構中訊號連通柱直徑變化之頻域透射波形 45
圖 4-14 訊號連通柱結構中訊號連通柱直徑變化之時域反射波形 46
圖 4-15 訊號連通柱結構中訊號連通柱直徑變化之時域透射波形 46
圖 4-16 訊號連通柱結構中訊號連通柱直徑變化之阻抗波形 47
圖 4-17 訊號連通柱結構中接地連通柱直徑變化之上視示意圖 48
圖 4-18 訊號連通柱結構中接地連通柱直徑變化之側視示意圖 49
圖 4-19 16層印刷電路板差分微帶線之側視示意圖 49
圖 4-20 訊號連通柱結構中接地連通柱直徑變化之頻域反射波形 50
圖 4-21 訊號連通柱結構中接地連通柱直徑變化之頻域透射波形 50
圖 4-22 訊號連通柱結構中接地連通柱直徑變化之時域反射波形 51
圖 4-23 訊號連通柱結構中接地連通柱直徑變化之時域透射波形 51
圖 4-24 訊號連通柱結構中接地連通柱直徑變化之阻抗波形 52
圖 4-25 訊號連通柱結構中反焊盤直徑變化之上視示意圖 53
圖 4-26 訊號連通柱結構中反焊盤直徑變化之側視示意圖 54
圖 4-27 16層印刷電路板差分微帶線之側視示意圖 54
圖 4-28 訊號連通柱結構中反焊盤直徑變化之頻域反射波形 55
圖 4-29 訊號連通柱結構中反焊盤直徑變化之頻域透射波形 55
圖 4-30 訊號連通柱結構中反焊盤直徑變化之時域反射波形 56
圖 4-31 訊號連通柱結構中反焊盤直徑變化之時域透射波形 56
圖 4-32 訊號連通柱結構中反焊盤直徑變化之阻抗波形 57
圖 4-33 訊號連通柱結構中反焊盤結構變化之雙圓形柱上視示意圖 58
圖 4-34 訊號連通柱結構中反焊盤結構變化之雙圓形柱側視示意圖 59
圖 4-35 訊號連通柱結構中反焊盤結構變化之橢圓形柱上視示意圖 59
圖 4-36 訊號連通柱結構中反焊盤結構變化之橢圓形柱側視示意圖 60
圖 4-37 16層印刷電路板差分微帶線之側視示意圖 60
圖 4-38 訊號連通柱結構中反焊盤結構變化之頻域反射波形 61
圖 4-39 訊號連通柱結構中反焊盤結構變化之頻域透射波形 62
圖 4-40 訊號連通柱結構中反焊盤結構變化之時域反射波形 62
圖 4-41 訊號連通柱結構中反焊盤結構變化之時域透射波形 63
圖 4-42 訊號連通柱結構中反焊盤結構變化之阻抗波形 63
圖 4-43 訊號連通柱結構中訊號連通柱與訊號連通柱距離變化之上視示意圖 64
圖 4-44 訊號連通柱結構中訊號連通柱與訊號連通柱距離變化之側視示意圖 65
圖 4-45 16層印刷電路板差分微帶線之側視示意圖 65
圖 4-46 訊號連通柱結構中訊號連通柱與訊號連通柱距離變化之頻域反射波形 66
圖 4-47 訊號連通柱結構中訊號連通柱與訊號連通柱距離變化之頻域透射波形 66
圖 4-48 訊號連通柱結構中訊號連通柱與訊號連通柱距離變化之時域反射波形 67
圖 4-49 訊號連通柱結構中訊號連通柱與訊號連通柱距離變化之時域透射波形 67
圖 4-50 訊號連通柱結構中訊號連通柱與訊號連通柱距離變化之阻抗波形 68
圖 4-51 訊號連通柱結構中接地連通柱與訊號連通柱距離變化之上視示意圖 69
圖 4-52 訊號連通柱結構中接地連通柱與訊號連通柱距離變化之側視示意圖 70
圖 4-53 16層印刷電路板差分微帶線之側視示意圖 70
圖 4-54 訊號連通柱結構中接地連通柱與訊號連通柱距離變化之頻域反射波形 71
圖 4-55 訊號連通柱結構中接地連通柱與訊號連通柱距離變化之頻域透射波形 71
圖 4-56 訊號連通柱結構中接地連通柱與訊號連通柱距離變化之時域反射波形 72
圖 4-57 訊號連通柱結構中接地連通柱與訊號連通柱距離變化之時域透射波形 72
圖 4-58 訊號連通柱結構中接地連通柱與訊號連通柱距離變化之阻抗波形 73
圖 5-1 訊號連通柱結構中穿層層數變化之上視示意圖 75
圖 5-2 訊號連通柱結構中穿層層數變化之側視示意圖 76
圖 5-3 16層印刷電路板差分微帶線之側視示意圖 76
圖 5-4 16層印刷電路板差分帶線之側視示意圖(一) 76
圖 5-5 16層印刷電路板差分帶線之側視示意圖(二) 77
圖 5-6 訊號連通柱結構中穿層層數變化之頻域反射波形 78
圖 5-7 訊號連通柱結構中穿層層數變化之頻域透射波形 78
圖 5-8 訊號連通柱結構中穿層層數變化之時域反射波形 79
圖 5-9 訊號連通柱結構中穿層層數變化之時域透射波形 79
圖 5-10 訊號連通柱結構中穿層層數變化之阻抗波形 80
圖 5-11 訊號連通柱結構中殘段長度變化之上視示意圖 81
圖 5-12 16層印刷電路板差分微帶線之側視示意圖 82
圖 5-13 16層印刷電路板差分帶線之側視示意圖(一) 82
圖 5-14 16層印刷電路板差分帶線之側視示意圖(二) 82
圖 5-15 訊號連通柱L1-L3結構中殘段長度變化之側視示意圖 84
圖 5-16 訊號連通柱L1-L3結構中殘段長度變化之頻域反射波形 84
圖 5-17 訊號連通柱L1-L3結構中殘段長度變化之頻域透射波形 85
圖 5-18 訊號連通柱L1-L3結構中殘段長度變化之時域反射波形 85
圖 5-19 訊號連通柱L1-L3結構中殘段長度變化之時域透射波形 86
圖 5-20 訊號連通柱L1-L3結構中殘段長度變化之阻抗波形 86
圖 5-21 訊號連通柱L1-L10結構中殘段長度變化之側視示意圖 87
圖 5-22 訊號連通柱L1-L10結構中殘段長度變化之頻域反射波形 88
圖 5-23 訊號連通柱L1-L10結構中殘段長度變化之頻域透射波形 88
圖 5-24 訊號連通柱L1-L10結構中殘段長度變化之時域反射波形 89
圖 5-25 訊號連通柱L1-L10結構中殘段長度變化之時域透射波形 89
圖 5-26 訊號連通柱L1-L10結構中殘段長度變化之阻抗波形 90
圖 5-27 訊號連通柱L1-L14結構中殘段長度變化之側視示意圖 91
圖 5-28 訊號連通柱L1-L14結構中殘段長度變化之頻域反射波形 92
圖 5-29 訊號連通柱L1-L14結構中殘段長度變化之頻域透射波形 92
圖 5-30 訊號連通柱L1-L14結構中殘段長度變化之時域反射波形 93
圖 5-31 訊號連通柱L1-L14結構中殘段長度變化之時域透射波形 93
圖 5-32 訊號連通柱L1-L14結構中殘段長度變化之阻抗波形 94
圖 6-1 外層到外層的訊號連通柱結構改善之上視示意圖 96
圖 6-2 外層到外層的訊號連通柱結構改善之側視示意圖 96
圖 6-3 16層印刷電路板差分微帶線之側視示意圖 97
圖 6-4 外層到外層的訊號連通柱結構改善之頻域反射波形 98
圖 6-5 外層到外層的訊號連通柱結構改善之頻域透射波形 98
圖 6-6 外層到內層的訊號連通柱結構改善之上視示意圖 100
圖 6-7 16層印刷電路板差分微帶線之側視示意圖 100
圖 6-8 16層印刷電路板差分帶線之側視示意圖 101
圖 6-9 外層到內層的訊號連通柱L1-L3結構改善之側視示意圖 102
圖 6-10 外層到內層的訊號連通柱L1-L3結構改善之頻域反射波形 102
圖 6-11 外層到內層的訊號連通柱L1-L3結構改善之頻域透射波形 103
圖 6-12 外層到內層的訊號連通柱L1-L14結構改善之側視示意圖 104
圖 6-13 外層到內層的訊號連通柱L1-L14結構改善之頻域反射波形 104
圖 6-14 外層到內層的訊號連通柱L1-L14結構改善之頻域透射波形 105

表目次
表 3-1 16層印刷電路板之結構參數與材料特性 24
表 3-2 單純微帶線之結構參數與材料特性 25
表 3-3 比較穿層訊號連通柱與單純微帶線差異之損耗比較 28
表 3-4 12層印刷電路板之結構參數與材料特性 31
表 3-5 16層印刷電路板之結構參數與材料特性 32
表 3-6 20層印刷電路板之結構參數與材料特性 33
表 3-7 不同層數的印刷電路板之損耗比較 36
表 4-1 訊號連通柱結構中訊號焊盤直徑變化之結構參數與材料特性 39
表 4-2 訊號連通柱結構中訊號焊盤直徑變化之損耗比較 42
表 4-3 訊號連通柱結構中訊號連通柱直徑變化之結構參數與材料特性 44
表 4-4 訊號連通柱結構中訊號連通柱直徑變化之損耗比較 47
表 4-5 訊號連通柱結構中接地連通柱直徑變化之結構參數與材料特性 49
表 4-6 訊號連通柱結構中接地連通柱直徑變化之損耗比較 52
表 4-7 訊號連通柱結構中反焊盤直徑變化之結構參數與材料特性 54
表 4-8 訊號連通柱結構中反焊盤直徑變化之損耗比較 57
表 4-9 訊號連通柱結構中反焊盤結構變化之雙圓形柱結構參數與材料特性 60
表 4-10 訊號連通柱結構中反焊盤結構變化之橢圓形柱結構參數與材料特性 61
表 4-11 訊號連通柱結構中反焊盤結構變化之損耗比較 63
表 4-12 訊號連通柱結構中訊號連通柱與訊號連通柱距離變化之結構參數與材料特性 65
表 4-13 訊號連通柱結構中訊號連通柱與訊號連通柱距離變化之損耗比較 68
表 4-14 訊號連通柱結構中接地連通柱與訊號連通柱距離變化之結構參數與材料特性 70
表 4-15 訊號連通柱結構中接地連通柱與訊號連通柱距離變化之損耗比較 73
表 5-1 訊號連通柱結構中穿層層數變化之結構參數與材料特性 77
表 5-2 差分微帶線和差分帶線之結構參數與材料特性 77
表 5-3 訊號連通柱結構中穿層層數變化之損耗比較 80
表 5-4 訊號連通柱結構中殘段長度變化之結構參數與材料特性 83
表 5-5 差分微帶線和差分帶線之結構參數與材料特性 83
表 5-6 訊號連通柱L1-L3結構中殘段長度變化之損耗比較 87
表 5-7 訊號連通柱L1-L10結構中殘段長度變化之損耗比較 90
表 5-8 訊號連通柱L1-L14結構中殘段長度變化之損耗比較 94
表 6-1 外層到外層的訊號連通柱結構改善之結構參數與材料特性 97
表 6-2 外層到外層的訊號連通柱結構改善之損耗比較 99
表 6-3 外層到內層的訊號連通柱結構改善之結構參數與材料特性 101
表 6-4 差分微帶線和差分帶線之結構參數與材料特性 101
表 6-5 外層到內層的訊號連通柱L1-L3結構改善之損耗比較 103
表 6-6 外層到內層的訊號連通柱L1-L14結構改善之損耗比較 105

[1]S. H. Hall and H. L. Heck, Advanced Signal Integrity for High-Speed Digital System Design. New York, NY, USA: Wiley, 2009.

[2]Hall, S. H., Hall, G. W., & McCall, J. A. (2000). In High-Speed Digital System Design: A Handbook of Interconnect Theory and Design Practices (pp. 94–95). Hoboken, NJ: Wiley.

[3]Ansys, Pittsburgh, PA, USA. (2020). Ansys HFSS. Ver. 21. [Online]. Available: http://www.ansys.com

[4]Angilent Inc., Santa Clara, CA, USA. (2009). Advanced Design System. [Online]. Available: http://www.home.agilent.com

[5]Hall, S. H., Hall, G. W., & McCall, J. A. (2000). In High-Speed Digital System Design: A Handbook of Interconnect Theory and Design Practices (pp. 13–14). Hoboken, NJ: Wiley.

[6]E. Bogatin, Signal and Power Integrity-Simplified, Pearson Education, Inc., 2018.

[7]于爭(2013)。《信號完整性揭秘：于博士SI設計手記》。北京:機械工業。