CN113286418B - 一种高性能电磁辐射抑制结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能电磁辐射抑制结构。在散热盖与PCB板之间加入周期排列的超材料吸波体，同时加入石墨烯阻性表面，提高屏蔽效果，实现所需频段的电磁辐射抑制，超材料吸波体由顶层谐振单元、有耗介质层和全金属背板构成，超材料吸波体布置在散热盖下方，与PCB板之间保持一定的距离，中间空出导热胶的位置，将石墨烯结构加载到导热胶上方有效的抑制芯片封装直接向上的辐射泄漏。本发明适用于封装器件的电磁辐射抑制，超材料结构的引入实现了屏蔽结构的小型化与极化不敏感等特性，在工作频段内具有良好的辐射吸收能力。在芯片、PCB板等封装设计中具有巨大应用价值。

Description

一种高性能电磁辐射抑制结构

技术领域

本发明涉及超材料吸收体以及电磁屏蔽技术领域，特别是涉及了一种高性能电磁辐射抑制结构，可应用于现代商用通信、芯片以及PCB板封装中的辐射抑制。

背景技术

5G时代的到来，使得现代电子设备的工作频率和集成度日益增加，电磁干扰和散热问题成为下一代电子产品所面临的重要挑战。在芯片封装中为保证工作时散热正常，通常利用导热胶连接散热盖与芯片封装。传统的散热盖一般采用高导电率的金属制成，这必然导致散热盖与PCB板之间形成谐振腔，芯片封装中的噪声电流被增强，同时部分辐射会直接通过导热胶耦合到散热盖上形成新的辐射源，影响其他电子器件。

降低辐射的传统方法是通过接地破坏谐振腔结构。但接地仅对低频有一定的效果，高频处反而有可能使得辐射恶化。目前，用于解决散热盖与封装辐射的抑制结构主要有两种，一种是反射型，比如使用溅射和电镀在封装上涂抹小于10μm的金属导电层，通过反射防止电磁干扰，一方面成本问题，另一方面反射回封装内部的电磁波有可能恶化辐射；另一种是吸收型，采用吸波结构和新型的电磁超材料可以有效进行辐射抑制，由于尺寸的局限设计小型化极化不敏感的吸波结构成为重点和难点。

发明内容

为克服以上现有技术的不足，本发明提供了一种高性能电磁辐射抑制结构，首先，超材料的引入使得吸波体实现极高的小型化程度；其次，石墨烯良好的导热与屏蔽性能既保障了芯片的正常工作，又同时抑制封装与散热盖直接耦合的电磁能量，最后将两者结合，阵列排布的超材料吸波体导热胶上方的石墨烯结构很好的解决了由散热盖引起的辐射超标问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

本发明包括散热盖和PCB板，散热盖位于PCB板上方，PCB板上设有芯片封装，芯片封装和散热盖底面之间通过导热胶连接，芯片封装周围的散热盖与PCB板之间具有空气间隙，空气间隙中靠近散热盖的区域布置有周期性排列的超材料吸波体，使得芯片封装周围布置有超材料吸波体；同时导热胶顶面和和散热盖底面之间添加有石墨烯结构。

所述超材料吸波体以周期性阵列形式固定在散热盖底面，且超材料吸波体底面和PCB板依然具有间隙。

每个所述超材料吸波体均是主要由顶层的谐振单元、中间层的有耗介质层和底层的全金属板构成，谐振单元固定贴附于散热盖底面；谐振单元主要有在对角线上两侧对称布置的开口环构成，每个开口环在靠近对角线中心的一端设置开口，靠近对角线中心的一端相比远离对角线中心的一端的宽度尺寸更大。

所述的介质板材料采用罗杰斯6010，介电常数为10.7，介质损耗角正切值为0.0027。

所述石墨烯结构贴附到导热胶上方，尺寸与导热胶保持一致。

所述的石墨烯结构与超材料吸波体之间存在空气间隙。

本发明是一个集成了超材料吸波体与石墨烯，当自由空间阻抗与输入阻抗相匹配时，吸波体顶层的谐振单元就会引起电谐振，同时底层会产生与顶层方向相反的电流分布，产生磁谐振，通过电磁谐振可以调控谐振频率，使得在工作频段内实现高吸收率，将吸收的电磁波通过介质损耗和欧姆损耗封锁在结构内消耗掉。

具体实施中，本发明可以通过调节超材料吸波体实现所需频段的高吸收率，包括结构的谐振单元与介质的尺寸，或者介质的材料，同时也可以调节吸波体与PCB板之间的距离，增加吸收效率。超材料吸波体的阵列单元数也会影响辐射抑制效果，石墨烯结构尺寸同样影响着工作频段的变化，但要保证全覆盖导热胶，进一步的加强电磁辐射抑制效果。

本发明的超材料吸波体与石墨烯结构可以根据不同的实际封装模型做出相对应的改变。

本发明的电磁辐射抑制结构可以在商用通信、芯片以及PCB板封装中应用，可用于芯片与PCB板封装中，抑制相关电子产品的电磁辐射。

在散热盖与PCB板之间加入周期排列的超材料吸波体，同时引入石墨烯阻性表面便于导热，提高屏蔽效果，实现所需频段的电磁辐射抑制，具体为超材料吸波体由顶层谐振单元、有耗介质层和全金属背板构成，将其按阵列形式排列在散热盖下方，与PCB板之间保持一定的距离，中间空出导热胶的位置，将石墨烯结构加载到导热胶上方有效的抑制芯片封装直接向上的辐射泄漏。

本发明的辐射抑制结构工作原理如下：

首先是吸波体，当辐射源的电磁波以不同入射角的方式到达结构表面时，从能量角度考虑，存在反射的能量R(w)，透射的能量T(w)以及吸收的能量A(w)，能量总和为1。因此，吸收能量可以表示为：A(w)＝1-R(w)-T(w)＝1-|S₁₁|²-|S₂₁|²。超材料吸波体的底层为全金属背板，即透射的能量为0，此时反射系数尽可能的小是实现高吸收率的前提。电磁波入射到结构表面通过电磁谐振引起介电常数和磁导率的变化，从而灵活调控电磁波。本发明在设计时采用中心对称结构，当自由空间阻抗与输入阻抗相等时，反射系数为0，实现高吸收率。

对于石墨烯，作为一种平面二维结构材料，属于碳基吸波材料，一般封装的电磁辐射主要由腔体谐振引起，散热盖与封装之间同样，当存在共模电流噪声就会激发谐振腔，增加辐射。将石墨烯贴附在导热胶上方导热的同时破坏谐振腔实现辐射抑制。两者结合使用使得一部分超标辐射量被超材料吸波体吸收，另一部分被石墨烯吸收，大大减少芯片封装对外的辐射。

本发明的有益效果是：

本发明高性能电磁辐射抑制结构引入超材料利用其特性实现吸波结构的小型化，但由于超材料吸波体导热性能差，石墨烯的良好导热性克服这一缺点，最终单元尺寸约为0.05λ，厚度为0.04λ，在狭小的空间内可以排列多组超材料吸波体，保障其吸波性能，实际加工中可以采用传统PCB工艺实现，大大减少了生产的成本。

本发明在不影响散热的前提下，可以有效的抑制芯片等电子产品在不同频段内的辐射，使其可以满足电磁干扰的标准。

本发明适用于封装电子器件设计中，在高频处有明显的抑制效果，同时可以通过超材料吸波体的变化灵活调控抑制频段，扩大吸收范围。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2是本发明超材料吸波体单元结构的三维图；

图3是本发明超材料吸波体单元结构的主视图；

图4是本发明超材料吸波体在不同入射角下TE极化波吸收率曲线；

图5是本发明超材料吸波体在不同入射角下TM极化波吸收率曲线；

图6是超材料结构与散热盖结合的三维模型图；

图7是利用超材料吸波体与石墨烯结构的设计在封装中的应用俯视图；

图8是利用超材料吸波体应用在倒装封装的3m场辐射图；

图9是利用石墨烯结构应用在倒装封装的3m场辐射图；

图10是超材料吸波体与石墨烯结构的结合应用在倒装封装的3m场辐射图；

图中：1、散热盖，2、超材料吸波体，3、石墨烯结构，4、导热胶，5、芯片封装，6、空气间隙，7、PCB板，8、谐振单元，9、介质层，10、全金属板。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

如图1所示，包括散热盖1和PCB板7以及阵列排布的超材料吸波体与石墨烯阻性表面，散热盖1位于PCB板7上方，PCB板7上设有芯片封装5，芯片封装5和散热盖1底面之间通过导热胶4连接，芯片封装5周围的散热盖1与PCB板7之间具有空气间隙6，空气间隙6中靠近散热盖1的区域布置有周期性排列的超材料吸波体2，使得芯片封装5周围布置有超材料吸波体2，超材料吸波体2用以吸收边缘辐射；超材料吸波体2以周期性阵列形式固定在散热盖1底面，且超材料吸波体2底面和PCB板7依然具有间隙。

同时导热胶4顶面和和散热盖1底面之间添加有石墨烯结构3，通过石墨烯结构3提高散热且保证耦合到散热盖的能量被吸收。散热盖与PCB板之间存在一定的空气间隙6，本发明通过超材料吸波体2结构的加入减小缝隙，同时对四周的辐射进行抑制。

如图1所示，这里为了说明问题，简化散热盖为矩形金属块，在芯片正常工作时，大量的噪声电流会通过导热胶耦合到散热盖上，其余辐射分散在封装周围，散热盖与PCB板之间形成金属谐振腔放大了对外辐射，严重影响其他电子器件。据此提出了高性能电磁辐射抑制结构，所述方案包含多个紧密排列的超材料吸波体单元，将其固定在散热盖下方，形成一个“回”字形，中间为导热胶空出位置，同时在导热胶上方加入石墨烯结构保证向上的辐射泄漏在特定的频段内被抑制，导热胶的目的是连接散热盖与芯片封装，导出多余热量，维持芯片正常工作。超材料吸波体与石墨烯结构的共同作用破坏了PCB板与散热盖之间的谐振腔作用，从而减少辐射。

如图2所示，每个超材料吸波体2均是主要由顶层金属的谐振单元8、中间层的有耗介质层9和底层的全金属板10构成，谐振单元8中心对称布置，谐振单元8固定贴附于散热盖1底面；谐振单元8主要有在对角线上两侧对称布置的开口环构成，每个开口环在靠近对角线中心的一端设置开口，靠近对角线中心的一端相比远离对角线中心的一端的宽度尺寸更大。具体实施的开口环可以为开口的方环，谐振单元8表面按照田字形分为四个区域，处于其中一个对角的两个区域中布置方环，方环在靠近对角线中心的一角设置开口，方环在靠近对角线中心的两条边的宽度尺寸大于在远离对角线中心的两条边的宽度尺寸。超材料吸波体2的工作频率在10GHz附近，保持在10GHz附近具有高吸收率。

如图3所示，超材料吸波体的谐振单元为弯曲对称的金属条，同时内臂以不同的宽度向内延伸，中间留出空隙，便于调节谐振频率。

具体实施中，石墨烯结构3贴附到导热胶4上方，尺寸与导热胶保持一致，导热胶位于芯片封装5上方。本发明引入的石墨烯具有良好的导热性能，不会影响整个结构的散热性能。石墨烯结构3与超材料吸波体2之间存在一定的空气间隙。

如图4和图5所示，由于设计方案工作环境的复杂性，对设计的超材料吸波体进行极化角度稳定性仿真，结果表示TE和TM极化波基本相同，在0°-60°范围内，10GHz处均能实现80％以上的吸收率，具有极化不敏感，入射角稳定等特点。

如图6所示，所述超材料吸波体紧密排列在散热盖下方，厚度较小，适用于小型化的电子设备的辐射抑制结构中，可以根据需要的抑制的频段去动态调节超材料吸波体单元的谐振频率，实现良好的辐射抑制。

如图7所示，应用超材料吸波体与石墨烯结构结合的俯视图，超材料吸波体以13×13的阵列形式排列在散热盖下方，由于超材料吸波体散热能力差，中间空出导热胶的位置，石墨烯贴附在导热胶上方，最外围的阴影部分表示PCB板。

在具体实施中，所述的介质板9采用罗杰斯6010板材，介电常数为10.7，介质损耗角正切值为0.0027。

本发明实施例采用的结构尺寸见表1。在实际应用中根据具体设计频段来改变超材料吸波体的顶层谐振单元，同时也可以通过改变介质板材料得到不同频段的吸收效果。

表1本发明超材料吸波体各部分尺寸

a	b	c	d
				0.1mm	0.2mm	1.0mm	1.1mm
e	L
				0.1mm	2.2mm

本发明实施例以典型的商业封装模型倒装封装为例具体阐述高性能电磁辐射抑制结构的应用以及工作在10GHz附近的抑制效果。

本实施例初始模型与超材料吸波体、石墨烯结构、超材料吸波体结合石墨烯的3m场辐射分别如图8、图9和图10所示，可以发现单独使用其中任何一种方法得到的抑制效果都很有限。主要原因是由于超材料吸波体的背板全覆铜，导致谐振腔效果依然存在，同时大量噪声通过导热胶直接耦合到散热盖，该位置无超材料吸波体；单独使用石墨烯结构的封装模型主要对12GHz以上的高频段有一定的抑制效果，而对10GHz处效果并不明显。因此本发明方案将两者结合使用，大大减少10GHz附近的辐射泄漏。9GHz-14GHz除个别点外均满足辐射抑制需求，具有明显的抑制效果。

因此本发明实现了高性能电磁辐射抑制的设计，适用于封装器件的电磁辐射抑制，超材料结构的引入实现了屏蔽结构的小型化与极化不敏感等特性，在工作频段内具有良好的辐射吸收能力。在芯片、PCB板等封装设计中具有巨大应用价值。

Claims (6)

1.一种高性能电磁辐射抑制结构，包括散热盖(1)和PCB板(7)，散热盖(1)位于PCB板(7)上方，PCB板(7)上设有芯片封装(5)，芯片封装(5)和散热盖(1)底面之间通过导热胶(4)连接，其特征在于：芯片封装(5)周围的散热盖(1)与PCB板(7)之间具有空气间隙(6)，空气间隙(6)中靠近散热盖(1)的区域布置有周期性排列的超材料吸波体(2)，使得芯片封装(5)周围布置有超材料吸波体(2)；同时导热胶(4)顶面和散热盖(1)底面之间添加有石墨烯结构(3)；

所述的石墨烯结构(3)与超材料吸波体(2)之间存在环形的空气间隙。

2.根据权利要求1所述的一种高性能电磁辐射抑制结构，其特征在于：

所述超材料吸波体(2)以周期性阵列形式固定在散热盖(1)底面，且超材料吸波体(2)底面和PCB板(7)依然具有间隙。

3.根据权利要求2所述的一种高性能电磁辐射抑制结构，其特征在于：

每个所述超材料吸波体(2)均是主要由顶层的谐振单元(8)、中间层的有耗介质层(9)和底层的全金属板(10)构成，谐振单元(8)固定贴附于散热盖(1)底面；谐振单元(8)主要有在对角线上两侧对称布置的开口环构成，每个开口环在靠近对角线中心的一端设置开口，靠近对角线中心的一端相比远离对角线中心的一端的宽度尺寸更大。

4.根据权利要求3所述的一种高性能电磁辐射抑制结构，其特征在于：

所述的介质层(9)材料采用罗杰斯6010，介电常数为10.7，介质损耗角正切值为0.0027。

5.根据权利要求1所述的一种高性能电磁辐射抑制结构，其特征在于：

所述石墨烯结构(3)贴附到导热胶(4)上方，尺寸与导热胶保持一致。

6.权利要求1～5任一所述高性能电磁辐射抑制结构的应用，其特征在于：所述的电磁辐射抑制结构在商用通信、芯片以及PCB板封装中的应用。

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