CN110060981A - 基于人工表面等离子体的电磁干扰辐射抑制结构 - Google Patents

基于人工表面等离子体的电磁干扰辐射抑制结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于人工表面等离子体的电磁干扰辐射抑制结构。整个抑制结构分为上层金属层和下层有耗介质层，金属层印刷在有耗介质层上表面，金属层主要由四个人工表面等离子体单元沿周向均布排列构成；每个人工表面等离子体单元由13个的“十”字形结构依次串接组合而成，每个“十”字形结构包括短长金属条，短长金属条的中点相交并垂直布置；短金属条沿同一直线依次连接成同一金属条，长金属条相平行，从中间至两边的长金属条的长度h逐渐增加且两边以中间呈对称分布。本发明适用于封装芯片的EMI辐射抑制，能在较宽的频带内对芯片实现有效抑制，且具有结构简单，易于设计，厚度薄，抑制效果好，使用范围广，不受噪声源限制等优点。

Description

基于人工表面等离子体的电磁干扰辐射抑制结构
技术领域
本发明涉及芯片以及印刷电路板的电磁干扰抑制技术领域，具体涉及了一种基于人工表面等离子激元(Spoof Surface Plasmon Polariton,SSPP)的EMI(ElectromagneticInterference,EMI)辐射抑制结构，可以应用于芯片以及印刷电路板的辐射抑制。
背景技术
随着通信技术的高速发展，新一代芯片技术的集成度和复杂的进一步提高，同时也给抑制EMI技术提出了新的要求和挑战。根据国际电工委员会规定，不同电子产品在3米和10米处最大电场必须低于相应指标以规范电子产品的辐射量，若辐射量超标将被禁售。因此，对EMI辐射抑制新方法的研究格外迫切。
传统的EMI辐射抑制方法包括20-H准则，共模滤波器，电磁带隙结构和分离式电容去耦墙等。20-H准则作为经验法则并不能针对大多数抑制问题，共模滤波器明显增加了布线密度，从而不利于提高集成度。电磁带隙结构由于其复杂的三维结构，一定程度上增加了系统结构的复杂度。
发明内容
为了解决以上背景技术和现有方法的不足，本发明提出了基于SSPP的EMI辐射抑制方案。本发明能够在特定频带内将芯片附件的电磁场限制在SSPP结构附近，既不能向外辐射也不能传播到PCB板的边缘，只能在SSPP驻波结构上来回震荡，从而被介质和金属所消耗，减小了EMI辐射。本发明在封装芯片和EMI辐射抑制领域具有着重要应用价值。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案如下：
整个抑制结构分为位于上层的金属层P和位于下层的有耗介质层D，金属层P印刷在有耗介质层D上表面，金属层P主要由四个人工表面等离子体单元在有耗介质层D上表面沿周向均布排列构成，四个人工表面等离子体单元对称排列在有耗介质层D上表面中心的四边，四个人工表面等离子体单元结合和尺寸相同但方向布置不同；每个人工表面等离子体单元由13个的“十”字形结构依次串接组合而成，每个“十”字形结构包括相垂直交叉布置的短金属条和长金属条，短金属条和长金属条的中点相交并垂直布置；13个的“十”字形结构的短金属条沿同一直线依次连接成同一金属条，13个的“十”字形结构的长金属条相平行，13个的“十”字形结构从中间至两边的长金属条的长度h逐渐增加且两边以中间呈对称分布，形成对称特征。
短金属条连接构成的金属条垂直于有耗介质层D中心向外的径向方向。
所述的短金属条的长度小于长金属条的长度。
所述有耗介质层D采用FR4板材，介电常数为4.4，介质损耗角的正切值为0.02。
所述抑制结构的抑制工作频段为8.4GHz–12GHz。
本发明的EMI辐射抑制结构能够应用于芯片封装和EMI辐射抑制。
本发明的抑制结构基于表面等离子体的表面波特性和传播截止特性，使得芯片辐射出的电磁场在与芯片平面垂直的纵向迅速衰减，电磁场只能被束缚在表面等离子体表面附近。而在横向由于不同尺寸的截止特性而形成驻波，避免了其传播到基板边缘后辐射出去，因此电磁波只能被限制在表面等离子体结构内部，进而被介质和金属损耗，最终实现对辐射的抑制。
本发明的SSPP抑制结构属于片外抑制方案，所涉及到的EMI包括所有板内谐振引起的对外辐射干扰，且实际芯片的封装基板改变，辐射抑制仍然有效。
本发明方法和结构可用于所有带有封装lid的芯片的辐射抑制，以解决实际电子产品电磁辐射干扰的问题。
本发明所具有的有益效果：
本发明所提出基于SSPP的辐射抑制结构成功将表面等离子体的物理概念应用在实际EMI抗干扰设计中，并且抑制效果良好，为EMI新方案的开发提供了新的方向，具有很大的实际意义。
本发明所提出的SSPP抑制结构对介质板材厚度的要求很低，最终可以实现很薄的抑制结构，减小占用空间。
本发明可以实现较高频率段的辐射抑制，并且可以通过调整单元尺寸适当的调整抑制频段与带宽。本发明属于片外抑制方案，因此并不受封装内噪声源的形式，可以抑制任意噪声源的对外辐射干扰。
本发明在芯片封装和EMI辐射抑制领域具有重要的应用价值。
本发明适用于封装芯片的EMI辐射抑制，能在较宽的频带内对芯片实现有效抑制，且具有结构简单、易于设计、厚度薄、抑制效果好、使用范围广、不受噪声源限制等优点。
附图说明
图1是本发明基于SSPP的抑制结构的三维图；
图2是本发明实例中所采用的带有封装lid的芯片模型图；
图3是本发明实施实例中简化芯片模型图；
图4是本发明采用的“十”字型结构图；
图5是本发明采用的“十”字形结构的色散曲线图；
图6是本发明实施实例中SSPP结构单元图；
图7是本发明实施实例中加载SSPP的封装芯片整体结构图；
图8是本发明实施实例中加载SSPP的芯片整体结构侧视图；
图9是本发明实施例加载和未加载SSPP结构的3米场对比图。
图10是未加载SSPP抑制结构的芯片近场分布图；
图11是加载SSPP抑制结构芯片近场分布图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明基于SSPP的EMI辐射抑制结构是由四个尺寸相同方向不同的金属单元P和有耗介质层D组成，顶部金属层P印刷在介质层D的上表面。金属层P主要由四个人工表面等离子体单元在有耗介质层D上表面沿周向均布排列构成，四个人工表面等离子体单元对称排列在有耗介质层D上表面中心的四边，四个人工表面等离子体单元结合和尺寸相同但方向布置不同；每个人工表面等离子体单元由13个的“十”字形结构依次串接组合而成，每个“十”字形结构包括相垂直交叉布置的短金属条和长金属条，短金属条和长金属条的中点相交并垂直布置；13个的“十”字形结构的短金属条沿同一直线依次连接成同一金属条，13个的“十”字形结构的长金属条相平行，13个的“十”字形结构从中间至两边的长金属条的长度h逐渐增加且两边以中间呈对称分布，形成对称特征。短金属条的长度小于长金属条的长度，短金属条连接构成的金属条垂直于有耗介质层D中心向外的径向方向。
实际上，顶部金属单元P由13个“十”字型金属贴片构成，每个金属贴片的纵向长度各不相同且左右对称，中间向两边，纵向长度逐渐增加。本实施例中有耗介质层D的介质板采用FR4，介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02，厚度为0.3mm。金属采用的是铜。
实施例中采用的芯片封装模型可以如图2所示，主要包括地平面G，封装基板B和封装lid L。底层是地平面G，封装基板B位于中间层，封装lid L覆盖于封装基板B之上。
具体实施的实施例封装lid下简化的芯片模型可以如图3所示，该结构包含了芯片EMI辐射的主要风险向如走线Z、键合线J、金属贴片T以及金属通孔V。
图4展示了本发明提出的“十”字形结构，该结构横向周期p＝1mm,纵向金属宽度为a＝0.5mm，长度h可变。当h变化时，该“十”字形结构对应的色散曲线的截止频率就会发生变化，h越大，截止频率越低。
图5展示了本发明提出的“十”字形结构h＝9mm和h＝14mm对应的色散曲线。从色散曲线中可以得到以下结论：
(a)h＝9mm和h＝14mm所对应的色散曲线均在light line下方区域，说明h＝9mm和h＝14mm的结构中支持的是表面波模式；
(b)h＝9mm对应的截止频率为f1,说明该结构不支持频率高于f1的表面波的传输，同理h＝14mm对应的截止频率为f2(f2<f1),说明该结构不支持频率高于f2的表面波的传输.
图6展示了本发明提出的基本SSPP单元结构。该单元由13个图4展示的“十”字基本结构连接组合而成且呈现左右对称特征。中间至两边，“十”字形纵向长度逐渐增加。其具体数值分别为h1＝9mm,h2＝9.8mm,h3＝10.95mm,h4＝12mm,h5＝12.5mm,h6＝14mm.
图7展示了本发明实施例中加载SSPP的封装芯片整体结构，SSPP抑制结构放置在芯片正上方，距离芯片封装lid的距离为s＝0.81mm，如图8侧视图所示。本发明能有效抑制辐射的原理如下：
封装芯片内部辐射风险项辐射出的电磁场因为封装lid的存在主要由基板边缘辐射出去，当SSPP结构放置在电磁场比较集中的封装边缘时，近场能够在SSPP上激发起表面波模式，电磁场只能沿着SSPP结构表面传播，在垂直于SSPP结构的方向上迅速衰减。而在SSPP结构表面上，中间“十”字结构的纵向长度较短，对应的截止频率为f1，这时低于f1的电磁波能在该部分传播。而在SSPP单元两边的“十”字结构纵向距离较长，对应的截止频率为f2，这时低于f2的电磁波能在该部分传播，而高于f2的电磁波将被截止。当芯片辐射的电磁场频率在f2至f1范围时，电磁波将在SSPP结构上形成驻波，在不断的来回震荡中被介质和金属损耗。电磁波在垂直于芯片的方向上迅速衰减，在SSPP结构上形成表面波，而表面波又被限制在SSPP结构内部形成驻波，不能传播到边缘辐射出去，只能在SSPP结构内部被消耗掉。基于上述原理分析，本发明中SSPP结构能够有效的实现EMI辐射抑制。
图9展示了加载SSPP抑制结构和未加载SSPP抑制结构时，封装芯片在8GHz至13GHz范围内的3m处电场最大值。可以看出在8.4GHz至12GHz范围内，本发明提出的SSPP结构均有抑制效果，且在9.7GHz至11.3GHz范围内能够抑制5dBV/m以上。
图10和图11分别展示了未加载SSPP抑制结构和加载SSPP抑制结构时的切面近场分布图，可以看出加载之前，电场从封装边缘辐射到自由空间中，加载SSPP结构之后，电场在SSPP结构附近迅速衰减，电场被束缚在SSPP结构表面附近，不能被辐射到自由空间中。进一步说明了本发明能够有效的实现EMI辐射的抑制。
由此可见，本发明基于表面等离子体的表面波特性和色散截止特性，使得芯片辐射出的电磁场在与芯片平面垂直的纵向迅速衰减，电磁场只能被束缚在表面等离子体表面附近，而在横向由于不同尺寸的截止特性而形成驻波，避免了其传播到基板边缘后辐射出去，因此电磁波只能被限制在表面等离子体结构内部，进而被介质和金属损耗，最终实现对辐射的抑制。
综上所述，本发明有效的实现了对封装芯片的EMI辐射的抑制，并且具有着结构简单，厚度薄，不受噪声源限制的优点，芯片封装和EMI辐射抑制领域具有重要的应用价值。

Claims (6)

1.一种基于人工表面等离子体的EMI辐射抑制结构，其特征在于：整个抑制结构分为位于上层的金属层P和位于下层的有耗介质层D，金属层P印刷在有耗介质层D上表面，金属层P主要由四个人工表面等离子体单元沿周向均布排列构成；每个人工表面等离子体单元由13个的“十”字形结构依次串接组合而成，每个“十”字形结构包括短金属条和长金属条，短金属条和长金属条的中点相交并垂直布置；13个的“十”字形结构的短金属条沿同一直线依次连接成同一金属条，13个的“十”字形结构的长金属条相平行，13个的“十”字形结构从中间至两边的长金属条的长度h逐渐增加且两边以中间呈对称分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于人工表面等离子体的EMI辐射抑制结构，其特征在于：短金属条连接构成的金属条垂直于有耗介质层D中心向外的径向方向。
3.根据权利要求1所述的一种基于人工表面等离子体的EMI辐射抑制结构，其特征在于：所述的短金属条的长度小于长金属条的长度。
4.根据权利要求1所述的一种基于人工表面等离子体的EMI辐射抑制结构，其特征在于：所述有耗介质层D采用FR4板材，介电常数为4.4，介质损耗角的正切值为0.02。
5.根据权利要求1所述的一种基于人工表面等离子体的EMI辐射抑制结构，其特征在于：所述抑制结构的抑制工作频段为8.4GHz–12GHz。
6.根据权利要求1～6任一所述的一种基于人工表面等离子体的EMI辐射抑制结构的应用，其特征在于：应用于芯片封装和EMI辐射抑制。
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