多层基底转让专利
申请号 : CN200780100406.5
文献号 : CN101790902A
文献日 : 2010-07-28
发明人 : 塔拉斯·库什塔
申请人 : 日本电气株式会社
摘要 :
一种多层基底，包括由多级过渡连接的平面传输线和信号通孔。多级过渡包括：信号通孔焊盘，其构造成用于信号通孔与平面传输线的全值连接；以及虚拟焊盘，其连接至信号通孔，形成在信号通孔的信号端子与平面传输线之间设置的导体层中的间隙孔的区域中，并且与导体层隔离。
权利要求 :
1.一种包括平面传输线结构和信号通孔的多层基底，其中，所述平面传输线结构和所述信号通孔由多级过渡连接，所述多级过渡包括：信号通孔焊盘，其被构造成用作所述信号通孔与所述平面传输线的全值连接；以及虚拟焊盘，其与所述信号通孔相连接，形成在所述信号通孔的信号端子与所述平面传输线之间所设置的导体层中的间隙孔的区域中，并与所述导体层相隔离。
2.根据权利要求1所述的多层基底，其中，
所述多级过渡包括所述信号通孔焊盘和多个与所述信号通孔相连接的、形成在所述信号通孔的信号端子与所述平面传输线之间设置的所述导体层中的所述间隙孔的区域中的、并且与所述导体层相隔离的所述虚拟焊盘。
3.根据权利要求1所述的多层基底，其中，
所述多级过渡包括所述信号通孔焊盘、所述虚拟焊盘和构造成使所述信号通孔焊盘与所述平面传输线相连接的匹配部分。
4.根据权利要求2所述的多层基底，其中，
所述多级过渡包括所述信号通孔焊盘、所述多个虚拟焊盘和构造成使所述信号通孔焊盘与所述平面传输线相连接的匹配部分。
5.一种提供差分信号传播的包括平面传输线对和信号通孔对的多层基底，其中，所述平面传输线对和所述信号通孔对由多级过渡连接，所述多级过渡包括：两个信号通孔焊盘，所述信号通孔焊盘被构造成用作所述信号通孔对与所述平面传输线对的全值连接；以及两个虚拟焊盘，所述虚拟焊盘与所述两个信号通孔相连接，形成在所述信号通孔对的差分信号通孔端子与所述平面传输线对之间设置的导体层中的间隙孔的区域中，并且彼此相隔离以及与所述导体层相隔离。
6.根据权利要求5所述的多层基底，其中，
所述多级过渡包括所述两个信号通孔焊盘和与所述信号通孔对的每个通孔相连接的相同数目的虚拟焊盘，所述虚拟焊盘形成在所述信号通孔对的所述差分信号通孔端子与所述平面传输线之间设置的所述导体层中的所述间隙孔的区域中并且与所述导体层相隔离。
7.根据权利要求5所述的多层基底，其中，
所述多级过渡包括所述两个信号通孔焊盘、所述虚拟焊盘和两个使所述两个信号通孔焊盘与所述平面传输线对相连接的匹配部分。
8.根据权利要求6所述的多层基底，其中，
所述多级过渡包括所述两个信号通孔焊盘、所述数目的虚拟焊盘和构造成使所述两个信号通孔焊盘与所述平面传输线对相连接的匹配部分。
9.一种提供差分信号传播的包括平面传输线对和信号通孔对的多层基底，其中，所述平面传输线对和所述信号通孔对由多级过渡连接，所述多级过渡包括：两个信号通孔焊盘，所述信号通孔焊盘被构造成用作所述信号通孔对与所述平面传输线对的全值连接；
两个虚拟焊盘，所述虚拟焊盘与所述两个信号通孔相连接，形成在所述信号通孔对的差分信号通孔端子与所述平面传输线对之间设置的接地层中的间隙孔的区域中，并且彼此相隔离以及与所述接地层相隔离；以及接地系统，其对称地形成在所述接地层中的所述信号通孔对的通孔之间的所述间隙孔的区域中。
10.根据权利要求9所述的多层基底，其中所述多级过渡包括：所述两个信号通孔焊盘；
与所述信号通孔对的每个信号通孔相连接的相同数目的虚拟焊盘，所述虚拟焊盘形成在所述信号通孔对的差分信号通孔端子与所述平面传输线之间设置的接地层处的间隙孔的区域中并且与所述接地层相隔离；
接地系统，其对称地形成在所述接地层处的所述信号通孔对的通孔之间的所述间隙孔的区域中。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种具有高速互连结构的多层基底，以提供高速数据传输。
背景技术
高速传输技术是下一代网络和计算系统的主题。它们的成本是使系统在市场上有竞争力所要解决的重要问题。多层基底是重要技术之一，其能够满足在预定的频带和互连长度内高速和有成本效益的条件。能基于诸如微带线、条带线和共面线的传输线来发展多层基底(板)的平面导体层中的电布线。所述板中的主要用于连接设置在不同导体层中的平面传输线结构的垂直互连通常基于各种类型的通孔结构，诸如贯通孔、盲孔、沉孔和埋孔。
将通过终端之间的互连电路的整个路径的特性阻抗保持在预定的水平内(例如在10％内)是重要的问题，尤其在高速数据传输中所使用的多层基底的设计中。该问题同样地涉及单端信号和差分信号。此外，减少从差模到共模以及从共模到差模的变换是在高速多层基底中必须克服的另一问题。为了改善特征阻抗控制并减少高频范围中信号通孔结构的泄漏损耗，可以围绕信号通孔结构(单端或差分结构)使用接地通孔。
此外，信号通孔结构的电性能在与多层基底的导体层中的其他导电表面无任何电接触的情况下，取决于在用于多层基底的导体层中的信号通孔结构的区域中形成的、以提供通过信号通孔的间隙孔的形状和尺寸。结果，从通孔结构(单端或差分结构)到平面传输线的过渡变成在前部，因为在该过渡中由于大的间隙孔而可以出现特征阻抗失配。该阻抗失配可以激发大的反射损失、杂散谐振及其他不需要的效应。此外，在差分互连电路中，阻抗失配可以引起差模与共模之间显著增加的变换。
在日本专利申请公布(JP-P2004-363975A)中，提出了从信号通孔焊盘到共面传输线互连的过渡。在现有技术中，过渡具有共面传输线的形式，其具有信号带的宽度和到接地平面的距离，以向共面传输线互连提供其特征阻抗匹配。在日本专利(JP-6-302964)中，示出了以多层板中的不同直径的线性电阻分布特性连接通孔焊盘(垫)形式呈现的过渡。在日本专利申请公布(JP-P2003-218481A)中，提出了不同宽度的线性电阻分布特性连接平面传输。在美国专利申请公布(US2006/0091545A1)中，通过控制间隙孔的区域中的传输线分段的长度并且还通过这些分段的宽度的适当选择，提供从差分信号通孔对到一对传输线的过渡。
将通过终端之间的互连电路的整个路径的特性阻抗保持在预定的水平内(例如在10％内)是重要的问题，尤其在高速数据传输中所使用的多层基底的设计中。该问题同样地涉及单端信号和差分信号。此外，减少从差模到共模以及从共模到差模的变换是在高速多层基底中必须克服的另一问题。为了改善特征阻抗控制并减少高频范围中信号通孔结构的泄漏损耗，可以围绕信号通孔结构(单端或差分结构)使用接地通孔。
此外，信号通孔结构的电性能在与多层基底的导体层中的其他导电表面无任何电接触的情况下，取决于在用于多层基底的导体层中的信号通孔结构的区域中形成的、以提供通过信号通孔的间隙孔的形状和尺寸。结果，从通孔结构(单端或差分结构)到平面传输线的过渡变成在前部，因为在该过渡中由于大的间隙孔而可以出现特征阻抗失配。该阻抗失配可以激发大的反射损失、杂散谐振及其他不需要的效应。此外，在差分互连电路中，阻抗失配可以引起差模与共模之间显著增加的变换。
在日本专利申请公布(JP-P2004-363975A)中，提出了从信号通孔焊盘到共面传输线互连的过渡。在现有技术中，过渡具有共面传输线的形式，其具有信号带的宽度和到接地平面的距离，以向共面传输线互连提供其特征阻抗匹配。在日本专利(JP-6-302964)中，示出了以多层板中的不同直径的线性电阻分布特性连接通孔焊盘(垫)形式呈现的过渡。在日本专利申请公布(JP-P2003-218481A)中，提出了不同宽度的线性电阻分布特性连接平面传输。在美国专利申请公布(US2006/0091545A1)中，通过控制间隙孔的区域中的传输线分段的长度并且还通过这些分段的宽度的适当选择，提供从差分信号通孔对到一对传输线的过渡。
发明内容
本发明的目的是提供一种多层基底，其包括作为单端或差分结构的使信号通孔或信号通孔对与平面传输线连接的阻抗可控结构。这样的结构形成为多级过渡，其包括在间隙孔区域中的虚拟焊盘(或许多虚拟焊盘)以及使信号通孔焊盘与传输线接合的匹配部分。
本发明的另一目的减少在包括信号通孔对和传输线对的差分互连中差模与共模之间的变换。本发明中的该目的是通过在间隙孔的区域中形成合适的接地系统来实现，并且多级过渡包括连接至信号通孔的虚拟焊盘。
在本发明的示例性方面中，多层基底包括由多级过渡连接的平面传输线结构和信号通孔。多级过渡包括：信号通孔焊盘，其构造成用作信号通孔与平面传输线的全值连接；以及虚拟焊盘，其连接至信号通孔，形成在信号通孔的信号端子与平面传输线之间设置的导体层中的间隙孔的区域中，并与导体层隔离。
在本发明的另一示例性方面中，提供差分信号传播的多层基底包括由多级过渡连接的平面传输线对和信号通孔对。多级过渡包括：两个信号通孔焊盘，其构造成用作信号通孔对与平面传输线对的全值连接；以及两个虚拟焊盘，其连接至两个信号通孔，形成在信号通孔对的差分信号通孔端子与平面传输线对之间设置的导体层中的间隙孔的区域中，并彼此隔离以及与导体层隔离。
在本发明的又一示例性方面中，提供差分信号传播的多层基底包括由多级过渡连接的平面传输线对和信号通孔对。多级过渡包括：两个信号通孔焊盘，其构造成用作信号通孔对与平面传输线对的全值连接；两个虚拟焊盘，其连接至两个信号通孔，形成在信号通孔对的差分信号通孔端子与平面传输线对之间设置的接地层中的间隙孔的区域中，并彼此隔离以及与接地层隔离；以及接地系统，其对称地形成在接地层中的信号通孔对的通孔之间的间隙孔的区域中。
本发明的另一目的减少在包括信号通孔对和传输线对的差分互连中差模与共模之间的变换。本发明中的该目的是通过在间隙孔的区域中形成合适的接地系统来实现，并且多级过渡包括连接至信号通孔的虚拟焊盘。
在本发明的示例性方面中，多层基底包括由多级过渡连接的平面传输线结构和信号通孔。多级过渡包括：信号通孔焊盘，其构造成用作信号通孔与平面传输线的全值连接；以及虚拟焊盘，其连接至信号通孔，形成在信号通孔的信号端子与平面传输线之间设置的导体层中的间隙孔的区域中，并与导体层隔离。
在本发明的另一示例性方面中，提供差分信号传播的多层基底包括由多级过渡连接的平面传输线对和信号通孔对。多级过渡包括：两个信号通孔焊盘，其构造成用作信号通孔对与平面传输线对的全值连接；以及两个虚拟焊盘，其连接至两个信号通孔，形成在信号通孔对的差分信号通孔端子与平面传输线对之间设置的导体层中的间隙孔的区域中，并彼此隔离以及与导体层隔离。
在本发明的又一示例性方面中，提供差分信号传播的多层基底包括由多级过渡连接的平面传输线对和信号通孔对。多级过渡包括：两个信号通孔焊盘，其构造成用作信号通孔对与平面传输线对的全值连接；两个虚拟焊盘，其连接至两个信号通孔，形成在信号通孔对的差分信号通孔端子与平面传输线对之间设置的接地层中的间隙孔的区域中，并彼此隔离以及与接地层隔离；以及接地系统，其对称地形成在接地层中的信号通孔对的通孔之间的间隙孔的区域中。
附图说明
图1A至1D是示出根据本发明第一实施例的、包括信号通孔结构与平面传输线之间的多级过渡的多层基底的示意图；
图2A至2F是示出根据本发明另一实施例的、包括信号通孔结构与平面传输线之间的多级过渡的多层基底的数值示例的示意图；
图3是在示出使用信号通孔结构与平面传输线之间的多级过渡的优点的时域中的特征阻抗的曲线；
图4A至4D是示出根据本发明又一实施例的、包括信号通孔结构与平面传输线之间的多级过渡的多层基底的示意图；
图5A至5C是示出根据本发明又一实施例的、包括差分信号通孔结构与差分平面传输线之间的差分多级过渡的多层基底的示意图；以及
图6A和6B是用于反射信号的S参数的幅值的曲线，该反射信号示出对于包括多级过渡和接地系统的差分互连从差模到共模显著减小的变换。
图2A至2F是示出根据本发明另一实施例的、包括信号通孔结构与平面传输线之间的多级过渡的多层基底的数值示例的示意图；
图3是在示出使用信号通孔结构与平面传输线之间的多级过渡的优点的时域中的特征阻抗的曲线；
图4A至4D是示出根据本发明又一实施例的、包括信号通孔结构与平面传输线之间的多级过渡的多层基底的示意图；
图5A至5C是示出根据本发明又一实施例的、包括差分信号通孔结构与差分平面传输线之间的差分多级过渡的多层基底的示意图；以及
图6A和6B是用于反射信号的S参数的幅值的曲线，该反射信号示出对于包括多级过渡和接地系统的差分互连从差模到共模显著减小的变换。
具体实施方式
以下，将参考附图来详细描述根据本发明的在信号通孔结构与平面传输线之间具有多级过渡的几种多层基底。在此，应理解的是，不应将该说明看作限制所附的权利要求。
在图1A至1D中，示出了根据本发明第一示例性实施例的多层基底的示例。多层基底的示例呈现10个导体层印刷电路板(PCB)，其中设置有由通过多级过渡连接的通孔结构和平面传输线构成的互连电路。应理解的是，多层基底中的导体层的数目可以是不同的并且可以根据特定的应用来确定。
在图1A至1D中，导体层110由绝缘材料层111分开。信号通孔101用以使平面传输线106与作为用于耦合其他互连电路、部件、装置等的端子的焊盘109连接。应指出的是，在该多层基底的示例中，信号通孔101由接地通孔102围绕，该接地通孔102用以连接结构的接地引脚，并且还用于减少端子焊盘109与传输线106的端部之间的信号通孔互连中的泄漏损耗。间隙孔103用于将信号通孔与多层基底的其他导电部件隔离。
在较高的频率范围中，接地通孔的数目和它们的位置以及间隙孔103的形状和尺寸是以如下方式来控制信号通孔互连中的特征阻抗的重要参数：由于整个互连设置在导致改善其电性能的多层基底中，所以减少来自信号通孔互连的回波损耗。然而，在许多实际应用中，间隙孔的尺寸可以足够大。在该情况下，由于感抗的增强，所以平面传输线在间隙孔的区域中的分段可以是特征阻抗失配的源。
由装置构成的部件的电特性的具体特征在于阻抗的幅值，并且还可通过阻抗来描述用以接合这些部件的互连。装置的总电性能取决于部件的特征阻抗与差异必须尽可能小的互连之间的对应关系。此外，整个互连电路必须保持特征阻抗能够引起较低的回波损耗和辐射损耗的预定水平，减少不想要的谐振以及对于装置较好的功耗。
在多层基底的情况下，特征阻抗在从端子焊盘109到传输线106并通过传输线106的互连电路中示出相同的值。通孔结构的特征阻抗可以标记为Zv，平面传输线的特征阻抗可以限定为Ztr，并且必须满足以下的条件：
Zv-Ztr＝Zconnect (1)
其中Zconnect为用于互连电路特征阻抗的预定幅值，例如，50Ω或100Ω。在实际的设计中，难以保持通过整个互连电路的相同值的特征阻抗。也就是说，为什么在例如标称幅值的±10％、也就是说，例如50±5Ω或100±10Ω的预定水平上建立特征阻抗的偏差的原因。因此，
Zv≈Ztr (2)
应指出的是，
其中Lv是通孔结构的分布电感，而Cv是通孔结构的分布电容。此外，
其中Ltr是传输线的分布电感，而Ctz是传输线的分布电容。在用于间隙孔的区域中的传输线分段能够在整个互连电路的阻抗匹配中起重要作用，因为由于间隙孔中没有接地平面，所以其特征阻抗与传输线的特征阻抗不同。该分段的特征阻抗Zsgm可以大致限定为：
其中Cpl是由传输线中的接地平面所引起的分布电容。因此，如从方程式(5)所得出的，传输线分段的特征阻抗由于电容降低将示出过多的感抗，尤其是在该分段的电长度足够大的情况下。在本发明中，提出在信号通孔与平面传输线之间使用多级过渡，以便以改善在多层基底中设置的互连电路的阻抗匹配的方式，为间隙孔的区域中的传输线分段加入附加的电容Cadd。结果，传输线分段的特征阻抗限定为：
如果Cadd≈Cpl，则传输线分段的特征阻抗将对应于通孔结构和传输线的特征阻抗。
在图1A至1D中，在用于间隙孔的区域中设置的多级过渡包括信号通孔焊盘104和虚拟焊盘108。应指出的是，虚拟焊盘108包括信号通孔焊盘107。包括通孔焊盘107的虚拟焊盘108在与信号通孔焊盘104相邻的导体层中形成在端子焊盘109与信号通孔焊盘104之间。由于提供传输线分段在预定的值内的特征阻抗，所以可以获得虚拟焊盘108的形状和尺寸。对于提出的梯形虚拟焊盘，可以通过角度Φ和长度ld的逐步变化来限定所需的特征阻抗(见图1D)。
考虑多层基底的数值示例，其中通孔结构与平面传输线通过如图2A至2F所示的多级过渡来连接。在该示例中，通孔结构由被接地通孔202围绕的信号通孔201构成，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。方形间隙孔203的尺寸dcle＝4.2mm。基底(多层PCB)由10个铜平面导体层210构成，该10个铜平面导体层210由在仿真中假定具有εr＝4.2的相对电容率的FR-4材料211隔离。平面导体层之间的间隔(见图2F)为：h1＝0.2mm，h2＝0.385mm，h3＝0.2mm，h4＝0.52mm和h5＝0.15mm；在PCB中嵌入的导体平面的厚度为0.035mm；顶部和底部导体平面的厚度为0.055mm。信号通孔210通过具有与顶部导体层中的端子焊盘209相同的直径的焊盘204来连接至在PCB的第八导体层中设置的条带线206。条带线的宽度为wstr＝0.11mm，以提供大约50Ω的特征阻抗。在该数值示例中，应用了将信号通孔204与条带线206连接的匹配部分205。匹配部分205被制成具有lm＝2.1mm长度的线性电阻分布特性形状。包括直径dp，d＝1.6mm的信号通孔焊盘207的虚拟焊盘208形成为具有ld和wd的侧面的矩形板。
在图3中，通过时域反射(TDR)数据示出图2A至2F所示的从端子焊盘208到传输线206的端部的、具有上述尺寸的互连电路的电性能。通过使用基于有限时域差分法(FDTD)算法的三维全波电磁场解算器来获得这些数据。通过时域中的特征阻抗来示出数据。附图使由方程式(1)至(6)说明的机理清楚明了。具体地，细实曲线示出了特征阻抗的最大幅值为大约73Ω。示出电感应类型的特征阻抗的该曲线对应于用于间隙孔的区域中的条带线部分，其具有与第八导体层中的信号条带线相同的宽度。具有lm＝dcle/2的长度的线性电阻分布特性的应用导致感抗减小达到大约63Ω(见图3中的虚线)。
在许多实际应用中，来自于一侧的条带线分段和通孔架构以及来自于另一侧的条带线的特征阻抗的差足够大。也就是说，如能通过图3所示的其他三个曲线所描绘地，提出的由虚拟焊盘构成的多级过渡的使用是控制间隙孔的区域中的条带的特征阻抗的有效方法。对于这些曲线，应用包括信号通孔焊盘的矩形形状的虚拟焊盘。虚拟焊盘的宽度为wd＝dp，d＝1.6mm，而将长度ld设定为1.4mm或1.6mm或1.8mm。这样逐步改变虚拟焊盘的长度产生限定从实际的观点可接受的值的可能性。在考虑的情形中，该值为在10％的偏差框架内的ld＝1.8mm。
因此，本数值示例示出多层基底应用的有效性以及如何限定该过渡的虚拟焊盘的最优尺寸。如果连接至信号通孔的一个虚拟焊盘的应用不足以实现所需的阻抗匹配，则提出在从信号通孔到平面传输线的多级过渡中使用多个虚拟焊盘。在图4A至4D中，提出了这样的多级过渡。该过渡包括两个虚拟焊盘408和413，其包括信号通孔焊盘407和412。在该情况下，基于虚拟焊盘的数目以及虚拟焊盘的形状和尺寸提供控制特征阻抗。此外，图4A至4D所示的多级过渡包括匹配部分405，其包括信号通孔焊盘404。在示例性实施例中，匹配部分的形状可以限定为从信号通孔焊盘404到平面传输线406的条带的电阻分布特性，其在传输线406的方向上具有等于或小于间隙孔403的特征尺寸的长度。
提出的多级过渡可以用于获得提供高性能差分信号的多层基底。应指出的是，因为差分互连能够明显消除来自接地面的噪音并且减少从系统的辐射，所以差分互连是用于高速系统应用的重要结构。
在图5A至5C中，提出了包括两个差分信号通孔对的多层基底。这些通孔对以图5B所示的那样的方式由信号通孔501形成，其中差分传输线506的连接被示出为一个差分通孔对。其他的信号通孔501形成另一差分通孔对。在图5A至5C中，应用由条带514连接的接地通孔502，以减少从差分信号通孔对的泄漏损耗，并且还改善差分通孔对中的特征阻抗控制。间隙孔503使通孔对与多层基底的其他导电部件分开。间隙孔的尺寸在实际应用中可以是足够大的，并且在该情况下，在用于间隙孔的区域中设置的传输线分段中会出现阻抗失配。此外，该阻抗失配可以导致从差模到共模的显著增强的变换，并且结果，导致信号品质的降低。
在提出的以减小差分互连中的阻抗失配和模变换的应用中，使用从差分通孔对到差分传输线的多级过渡。该多级过渡包括两个虚拟焊盘508，该两个虚拟焊盘508同样包括信号通孔焊盘507。应强调的是，特定的接地系统515在相同的导体层中形成为虚拟焊盘。在该示例中，该接地系统由两个接地条带构成，并且在间隙孔的区域中设置在条带分段上方。选择这些条带的尺寸和虚拟焊盘的形状与尺寸，以提供所需的阻抗匹配以及差模与共模之间的变换水平。
在图6A和6B中，提出了为图5A至5C所示的差分互连获得的从差模到共模的变换的数值示例。在计算中所使用的多层基底的参数与图3中的相同，但只是信号通孔的直径为0.25mm，信号通孔与接地通孔之间的节距为1.0mm，而选择差分传输线的尺寸选择以提供100Ω。如从这些图形所看到的，提出的虚拟焊盘和接地系统的应用在基于多层基底技术的差分互连中能够显著地减小从差模到共模的变换。此外，该模式之间的变换的减小还意味着改善了由具有特定圆形系统的多级过渡构成的差分互连中的阻抗匹配。
应理解的是，还可以为不被接地通孔围绕的垂直互连(也就是说为只包括信号通孔的垂直互连)形成多层基底中的多级过渡。此外，还可以在具有不同形状的信号通孔间隙孔中应用多级过渡(就示例而言，圆形、椭圆形、矩形等)。
在图1A至1D中，示出了根据本发明第一示例性实施例的多层基底的示例。多层基底的示例呈现10个导体层印刷电路板(PCB)，其中设置有由通过多级过渡连接的通孔结构和平面传输线构成的互连电路。应理解的是，多层基底中的导体层的数目可以是不同的并且可以根据特定的应用来确定。
在图1A至1D中，导体层110由绝缘材料层111分开。信号通孔101用以使平面传输线106与作为用于耦合其他互连电路、部件、装置等的端子的焊盘109连接。应指出的是，在该多层基底的示例中，信号通孔101由接地通孔102围绕，该接地通孔102用以连接结构的接地引脚，并且还用于减少端子焊盘109与传输线106的端部之间的信号通孔互连中的泄漏损耗。间隙孔103用于将信号通孔与多层基底的其他导电部件隔离。
在较高的频率范围中，接地通孔的数目和它们的位置以及间隙孔103的形状和尺寸是以如下方式来控制信号通孔互连中的特征阻抗的重要参数：由于整个互连设置在导致改善其电性能的多层基底中，所以减少来自信号通孔互连的回波损耗。然而，在许多实际应用中，间隙孔的尺寸可以足够大。在该情况下，由于感抗的增强，所以平面传输线在间隙孔的区域中的分段可以是特征阻抗失配的源。
由装置构成的部件的电特性的具体特征在于阻抗的幅值，并且还可通过阻抗来描述用以接合这些部件的互连。装置的总电性能取决于部件的特征阻抗与差异必须尽可能小的互连之间的对应关系。此外，整个互连电路必须保持特征阻抗能够引起较低的回波损耗和辐射损耗的预定水平，减少不想要的谐振以及对于装置较好的功耗。
在多层基底的情况下，特征阻抗在从端子焊盘109到传输线106并通过传输线106的互连电路中示出相同的值。通孔结构的特征阻抗可以标记为Zv，平面传输线的特征阻抗可以限定为Ztr，并且必须满足以下的条件：
Zv-Ztr＝Zconnect (1)
其中Zconnect为用于互连电路特征阻抗的预定幅值，例如，50Ω或100Ω。在实际的设计中，难以保持通过整个互连电路的相同值的特征阻抗。也就是说，为什么在例如标称幅值的±10％、也就是说，例如50±5Ω或100±10Ω的预定水平上建立特征阻抗的偏差的原因。因此，
Zv≈Ztr (2)
应指出的是，
其中Lv是通孔结构的分布电感，而Cv是通孔结构的分布电容。此外，
其中Ltr是传输线的分布电感，而Ctz是传输线的分布电容。在用于间隙孔的区域中的传输线分段能够在整个互连电路的阻抗匹配中起重要作用，因为由于间隙孔中没有接地平面，所以其特征阻抗与传输线的特征阻抗不同。该分段的特征阻抗Zsgm可以大致限定为：
其中Cpl是由传输线中的接地平面所引起的分布电容。因此，如从方程式(5)所得出的，传输线分段的特征阻抗由于电容降低将示出过多的感抗，尤其是在该分段的电长度足够大的情况下。在本发明中，提出在信号通孔与平面传输线之间使用多级过渡，以便以改善在多层基底中设置的互连电路的阻抗匹配的方式，为间隙孔的区域中的传输线分段加入附加的电容Cadd。结果，传输线分段的特征阻抗限定为：
如果Cadd≈Cpl，则传输线分段的特征阻抗将对应于通孔结构和传输线的特征阻抗。
在图1A至1D中，在用于间隙孔的区域中设置的多级过渡包括信号通孔焊盘104和虚拟焊盘108。应指出的是，虚拟焊盘108包括信号通孔焊盘107。包括通孔焊盘107的虚拟焊盘108在与信号通孔焊盘104相邻的导体层中形成在端子焊盘109与信号通孔焊盘104之间。由于提供传输线分段在预定的值内的特征阻抗，所以可以获得虚拟焊盘108的形状和尺寸。对于提出的梯形虚拟焊盘，可以通过角度Φ和长度ld的逐步变化来限定所需的特征阻抗(见图1D)。
考虑多层基底的数值示例，其中通孔结构与平面传输线通过如图2A至2F所示的多级过渡来连接。在该示例中，通孔结构由被接地通孔202围绕的信号通孔201构成，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。方形间隙孔203的尺寸dcle＝4.2mm。基底(多层PCB)由10个铜平面导体层210构成，该10个铜平面导体层210由在仿真中假定具有εr＝4.2的相对电容率的FR-4材料211隔离。平面导体层之间的间隔(见图2F)为：h1＝0.2mm，h2＝0.385mm，h3＝0.2mm，h4＝0.52mm和h5＝0.15mm；在PCB中嵌入的导体平面的厚度为0.035mm；顶部和底部导体平面的厚度为0.055mm。信号通孔210通过具有与顶部导体层中的端子焊盘209相同的直径的焊盘204来连接至在PCB的第八导体层中设置的条带线206。条带线的宽度为wstr＝0.11mm，以提供大约50Ω的特征阻抗。在该数值示例中，应用了将信号通孔204与条带线206连接的匹配部分205。匹配部分205被制成具有lm＝2.1mm长度的线性电阻分布特性形状。包括直径dp，d＝1.6mm的信号通孔焊盘207的虚拟焊盘208形成为具有ld和wd的侧面的矩形板。
在图3中，通过时域反射(TDR)数据示出图2A至2F所示的从端子焊盘208到传输线206的端部的、具有上述尺寸的互连电路的电性能。通过使用基于有限时域差分法(FDTD)算法的三维全波电磁场解算器来获得这些数据。通过时域中的特征阻抗来示出数据。附图使由方程式(1)至(6)说明的机理清楚明了。具体地，细实曲线示出了特征阻抗的最大幅值为大约73Ω。示出电感应类型的特征阻抗的该曲线对应于用于间隙孔的区域中的条带线部分，其具有与第八导体层中的信号条带线相同的宽度。具有lm＝dcle/2的长度的线性电阻分布特性的应用导致感抗减小达到大约63Ω(见图3中的虚线)。
在许多实际应用中，来自于一侧的条带线分段和通孔架构以及来自于另一侧的条带线的特征阻抗的差足够大。也就是说，如能通过图3所示的其他三个曲线所描绘地，提出的由虚拟焊盘构成的多级过渡的使用是控制间隙孔的区域中的条带的特征阻抗的有效方法。对于这些曲线，应用包括信号通孔焊盘的矩形形状的虚拟焊盘。虚拟焊盘的宽度为wd＝dp，d＝1.6mm，而将长度ld设定为1.4mm或1.6mm或1.8mm。这样逐步改变虚拟焊盘的长度产生限定从实际的观点可接受的值的可能性。在考虑的情形中，该值为在10％的偏差框架内的ld＝1.8mm。
因此，本数值示例示出多层基底应用的有效性以及如何限定该过渡的虚拟焊盘的最优尺寸。如果连接至信号通孔的一个虚拟焊盘的应用不足以实现所需的阻抗匹配，则提出在从信号通孔到平面传输线的多级过渡中使用多个虚拟焊盘。在图4A至4D中，提出了这样的多级过渡。该过渡包括两个虚拟焊盘408和413，其包括信号通孔焊盘407和412。在该情况下，基于虚拟焊盘的数目以及虚拟焊盘的形状和尺寸提供控制特征阻抗。此外，图4A至4D所示的多级过渡包括匹配部分405，其包括信号通孔焊盘404。在示例性实施例中，匹配部分的形状可以限定为从信号通孔焊盘404到平面传输线406的条带的电阻分布特性，其在传输线406的方向上具有等于或小于间隙孔403的特征尺寸的长度。
提出的多级过渡可以用于获得提供高性能差分信号的多层基底。应指出的是，因为差分互连能够明显消除来自接地面的噪音并且减少从系统的辐射，所以差分互连是用于高速系统应用的重要结构。
在图5A至5C中，提出了包括两个差分信号通孔对的多层基底。这些通孔对以图5B所示的那样的方式由信号通孔501形成，其中差分传输线506的连接被示出为一个差分通孔对。其他的信号通孔501形成另一差分通孔对。在图5A至5C中，应用由条带514连接的接地通孔502，以减少从差分信号通孔对的泄漏损耗，并且还改善差分通孔对中的特征阻抗控制。间隙孔503使通孔对与多层基底的其他导电部件分开。间隙孔的尺寸在实际应用中可以是足够大的，并且在该情况下，在用于间隙孔的区域中设置的传输线分段中会出现阻抗失配。此外，该阻抗失配可以导致从差模到共模的显著增强的变换，并且结果，导致信号品质的降低。
在提出的以减小差分互连中的阻抗失配和模变换的应用中，使用从差分通孔对到差分传输线的多级过渡。该多级过渡包括两个虚拟焊盘508，该两个虚拟焊盘508同样包括信号通孔焊盘507。应强调的是，特定的接地系统515在相同的导体层中形成为虚拟焊盘。在该示例中，该接地系统由两个接地条带构成，并且在间隙孔的区域中设置在条带分段上方。选择这些条带的尺寸和虚拟焊盘的形状与尺寸，以提供所需的阻抗匹配以及差模与共模之间的变换水平。
在图6A和6B中，提出了为图5A至5C所示的差分互连获得的从差模到共模的变换的数值示例。在计算中所使用的多层基底的参数与图3中的相同，但只是信号通孔的直径为0.25mm，信号通孔与接地通孔之间的节距为1.0mm，而选择差分传输线的尺寸选择以提供100Ω。如从这些图形所看到的，提出的虚拟焊盘和接地系统的应用在基于多层基底技术的差分互连中能够显著地减小从差模到共模的变换。此外，该模式之间的变换的减小还意味着改善了由具有特定圆形系统的多级过渡构成的差分互连中的阻抗匹配。
应理解的是，还可以为不被接地通孔围绕的垂直互连(也就是说为只包括信号通孔的垂直互连)形成多层基底中的多级过渡。此外，还可以在具有不同形状的信号通孔间隙孔中应用多级过渡(就示例而言，圆形、椭圆形、矩形等)。