KR20120019634A - 광대역 노이즈를 억제하는 전자기 밴드갭 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고속신호가 전송이 되는 인쇄회로기판(Printed Circuit Board; PCB)에서 전원층과 접지층에 유기되는 광대역 노이즈를 억제하는 전자기 밴드갭 구조에 관한 것으로, 본 발명은 다층 구조의 전자회로 패키지 및 PCB 구조에서 전원 공급을 위해 다층 구조 내부에 사용되는 전원층과 접지층으로 구성되는 전원분배회로망(PDN)에 있어서, 상기 전원층 혹은 접지층에는 상기 유전체를 사이에 두고 대면하는 주기적인 구조의 패치들이 배치되고, 상기 패치들은 상기 전원면과 상기 접지면과 연결되지 않은 상태에서 패키지 및 PCB를 관통하는 비아와 신호층에 위치하는 신호선을 통하여 연결되며, 상기 비아는 상기 패치간의 도통 경로가 상하 및 좌우로 대칭되고 그 길이가 최대한 길게 유지되도록 상기 각 패치 상에 위치하며, 상기 신호선은 굽은 신호선 형태로 그 길이를 가변하여 상기 비아와 비아를 통해 각각의 패치들을 연결함으로써, 고주파로 인하여 유기되는 넓은 대역의 주파수 노이즈를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 패치와 연결된 비아와 전송선을 이용하여 주파수 노이즈를 줄이는 대역을 더 확장시킬 수 있는 광대역 노이즈를 억제하는 전자기 밴드갭 구조를 제공한다.

Description

광대역 노이즈를 억제하는 전자기 밴드갭 구조{STRUCTURE OF ELECTROMAGNETIC BAND GAP FOR SUPPRESSING WIDE BAND NOISES}

본 발명은 노이즈 억제를 위한 새로운 형상의 전자기 밴드갭(Electromagnetic Band Gap; EBG) 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고속신호가 전송이 되는 인쇄회로기판(Printed Circuit Board; PCB)에서 전원층과 접지층에 유기되는 광대역 노이즈를 억제하는 전자기 밴드갭 구조에 관한 것이다.

최근 출시되는 멀티미디어기기를 포함한 대부분의 전자통신기기들은 휴대 및 이동성이 중시되면서 소형화되고 직접화되는 반면에, 유무선을 통하여 많은 양의 데이터를 전송하고 짧은 시간에 처리해야 한다. 이러한 유무선 전자통신기기들은 디지털과 아날로그 시스템이 공존하는 멀티시스템으로 구성되어 있다. 이러한 전자통신기기에서 사용되는 전자회로 패키지(package)와 PCB는 일반적으로 다층 구조를 이루고 있으며 주요 소자에 대한 전력 공급은 전력분배 네트워크(Power Distribution Network; PDN)을 통해 이루어진다.

다층 구조의 전자회로 패키지 및 PCB에서의 PDN 구조는 내부의 평행판 도파관(Parallel Plate Waveguide) 형태로 구성되는데, 특정 위치에서 발생된 노이즈가 이러한 평행판 도파관 구조의 PDN을 통해 전달됨으로 인하여 노이즈에 민감한 소자에 영향을 쉽게 미칠 수 있는 것으로 알려져 있다.

특히 전자통신기기 또는 전자통신시스템에서 사용되는 직접회로(Integrated Circuit; IC)의 클럭 주파수는 높아지고 클럭 및 데이터 펄스의 상승시간(Rising time)이 빨라짐으로 인하여 지금까지 고려하지 않았던 고주파 영역에서 새롭게 발생하는 노이즈에 대한 대책 마련의 필요성이 점점 대두되고 있다.

이러한 전자통신기기 또는 시스템에서 IC가 빠른 클럭속도를 가지고 동시에 신호가 상승과 하강을 할 경우, 전류의 급격한 변화와 PDN 자체에서 발생하는 인덕턴스 성분으로 인하여 예상치 못한 동시 스위칭 노이즈(Simultaneous Switching Noise; SSN)가 발생하게 된다. SSN은 기기 또는 시스템에 공급되는 DC 전원을 불안하게 하고 다른 시스템으로 유기되어 오작동을 일으킨다.

이러한 SSN을 억제하기 위한 예로 전원층과 접지층 사이에 디커플링 캐패시터(Decoupling Capacitor)를 갖는 소자를 설치해서 전원층 임피던스를 낮추는 해결 방법이 제시 되었으나 디커플링 캐패시터를 실장하는 것은 생산 비용을 증가시킬 뿐만 아니라, 디커플링 캐패시터가 갖고 있는 기생 인덕턴스 성분 때문에 또 다른 병렬 공진 주파수를 유발할 수 있는 문제점 있다. 따라서 지금까지 연구된 방법이 가진 한계를 극복하여 SSN 에 대한 획기적인 해결 방법이 필요한 실정이다.

현재 SSN을 해결할 수 있는 효과적인 방법 중의 하나로 인쇄회로기판(PCB)상의 전원면 혹은 접지면 상에 주기적인 패턴을 삽입하여 특정 주파수 대역에서 매우 높은 임피던스를 가지도록 함으로써 도체면을 통해 전파하는 표면 전류의 흐름을 효과적으로 억제하는 방법인 전자기 밴드갭 구조(Electromagnetic Band-Gap; EBG) 구조를 들 수 있다. 도 1은 종래기술에 따른 전형적인 EBG 구조 중 하나를 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이 종래의 EBG 구조를 살펴보면, 단위 셀 사이의 유효 인덕턴스를 증가시킴으로써 밴드갭을 형성하여 Band-stop filter 와 같은 개념의 기능을 수행하도록 하고 있다.

도 1에 도시된 EBG 구조의 일반적인 적용형태는 전원 면에 주기적인 패턴을 삽입하여 일정 대역에서 필터의 기능이 나타나도록 하는 것으로서, 도 2 내지 도 4에 도시한 선행기술1에서 보는 것과 같이 Alternative Impedance Electromagnetic Band Gap (AI-EBG) 구조를 들 수 있다. 도 2는 종래기술에 따른 AI-EBG 구조를 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 AI-EBG 구조의 적층구조를 나타낸 도면이며, 도 4는 선행기술1에 개시된 AI-EBG구조의 단일셀 구조를 나타낸 도면이다.

선행기술1은 IEEE Trans. Advanced Packaging Vol.30, No.3에 J. Choi, D. G. Kam, D. Chung, Krishna Srinivasan, Vinu Govind, Joungho Kim, and Madhavan Swaminathan에 의하여 2007.5에 발표된 ‘Near-Field and Far-Field Analyses of Alternating Impedance Electromagnetic Band-gap(AI-EBG) Structure for Mixed-Signal Applications’라는 표제의 논문으로서, 혼합신호 시스템에서 노이즈 격리를 위해 개발되었다.

선행기술1은 고속 신호의 귀환 경로의 특징을 이용한 것으로서 도 2를 참조하면, 인덕턴스의 증가에 따라 각 패치(100)를 연결해 주는 연결부분(101)의 전원면과 접지면에서 불연속점이 발생하여 임피던스를 최소로 형성하는 귀환경로가 재생성되므로 인덕턴스가 커지게 되는 효과가 발생하게 된다.

선행기술1은 다층 PCB 및 패키지 구조에서 전원 공급을 위해 사용되는 PDN의 단일면(즉, 전원면) 상에 도 4에 도시된 바와 같이 임피던스가 다르도록 크기가 다른 패치를 주기적으로 배치시켜 저역통과필터 특성을 갖도록 하고, 패치 사이의 기생 커패시턴스 및 인덕턴스를 이용하여 대역통과필터를 구성함으로써, 특정 주파수대역에서 표면전류가 억제되도록 하고 이를 이용하여 PDN을 통해 전달되는 노이즈를 억제하는 구조로서, 전원면에 에칭(Etching) 등의 기법을 통해 특정 주파수대역에서 노이즈 억제 특성을 갖는 주기적인 구조를 구성함으로써 EBG를 구성하게 된다.

그러나 선행기술1에 의한 AI-EBG 구조는 넓은 대역에서 클럭 주파수의 노이즈 저감에는 한계가 있는 문제점이 있다.

선행기술2는 IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol.53, No.9에 2005.9 발표된, Tzong-Lin Wu, Yen-Hui Lin, Ting-Kuang Wang, Chien-Chung Wang, and Sin-Ting Chen이 저술한 논문 ‘Electromagnetic bandgap power/ground planes for the wideband suppression of ground bounce noise and radiated emission in high-speed circuits’로서, 다층 PCB 및 패키지 구조에서 전원 공급을 위해 사용되는 PDN의 단일면(즉, 전원면)상에 특정 형상의 주기 구조를 배열함으로써 주기 구조의 표면 전류 억제 특성을 이용하여 PDN을 통해 전달되는 노이즈를 억제하는 구조를 개시한다.

도 5는 선행기술2에 개시된 LPC-EBG 구조를 나타낸 것으로서, (a)는 9 Cell LPC-EBG Board를, (b)는 25 Cell LPC-EBG Board를 각각 나타낸 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 선행기술2는 단일면상에 주기적인 배열을 이용한 전자파 저지대 구조를 PCB 레벨에서의 노이즈 억제에 적용한 논문으로, 다층 PCB 구조에서 발생되는 노이즈를 넓은 주파수 대역에서 상당 부분 억제하는 특성을 보여주고 있으며, 그 이전의 문헌들에서 제시된 구조의 공정상, 비용상 단점을 없앴다는 장점은 있으나 신호선의 기준면상에 불연속 특성을 가짐으로써 불연속 구조의 기준면 위를 지나는 신호 특성에 영향을 준다는 단점을 가진다.

따라서 상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 비아(Via)와 전송선으로 연결한 새로운 형태의 전자기 밴드갭 구조를 이용하여 고속 스위칭 클럭 주파수를 사용하는 다층 PCB 및 패키지 구조에서 발생하는 SSN를 보다 넓은 주파수대역에서 억제할 수 있는 광대역 노이즈를 억제하는 전자기 밴드갭 구조를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광대역 노이즈를 억제하는 전자기 밴드갭 장치는, 다층 구조의 전자회로 패키지 및 PCB 구조에서 전원 공급을 위해 다층 구조 내부에 사용되는 전원층과 접지층으로 구성되는 전원분배회로망(PDN)에 있어서, 상기 전원층 혹은 접지층에는 상기 유전체를 사이에 두고 대면하는 주기적인 구조의 패치들이 배치되고, 상기 패치들은 상기 전원면과 상기 접지면과 연결되지 않은 상태에서 패키지 및 PCB를 관통하는 비아와 신호층에 위치하는 신호선을 통하여 연결되며, 상기 비아는 상기 패치간의 도통 경로가 상하 및 좌우로 대칭되고 그 길이가 최대한 길게 유지되도록 상기 각 패치 상에 위치하며, 상기 신호선은 굽은 신호선 형태로 그 길이를 가변하여 상기 비아와 비아를 통해 각각의 패치들을 연결하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 전원층 혹은 접지층 내에 주기적인 갭을 주어 특정 형태의 패치가 주기적으로 배치되도록 하여 동시 스위칭 등에 의해 전원분배회로망상에 유기되는 SSN과 같은 넓은 대역의 주파수 노이즈를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 패치와 연결된 비아와 전송선을 이용하여 주파수 노이즈를 줄이는 대역을 더 확장시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 고속의 스위칭 클럭을 사용하는 소자에서 발생되는 노이즈 신호가 평행판 도파관(Parallel Plate Waveguide) 형태의 전원분배회로망을 통해 다른 소자나 시스템으로 유기되는 것을 차단함으로써 시스템이 안정적인 동작을 할 수 있도록 하며, EBG에서 신호 특성이 저감되는 것을 최소화 할 수 있어서 데이터 신호전송에도 신뢰성을 확보 할 수 있도록 하는 장점이 있다.

이에 따라 본 발명은 디지털 회로와 아날로그/RF 회로가 동시에 존재하는 이종 시스템 사이에 불필요한 결합이 간결해져 시스템 개발이 용이해지고 가격 경쟁력도 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 EBG 구조를 나타낸 도면,
도 2는 종래기술에 따른 AI-EBG 구조를 나타낸 도면,
도 3은 도 2의 AI-EBG 구조의 적층구조를 나타낸 도면,
도 4는 선행기술1에 개시된 AI-EBG구조의 단일셀 구조를 나타낸 도면,
도 5는 선행기술2에 개시된 LPC-EBG 구조 중 (a) 9 Cell LPC-EBG Board와 (b) 25 Cell LPC-EBG Board를 각각 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 광대역 노이즈를 억제하는 전자기 밴드갭 구조를 나타낸 도면,
도 7은 도 6의 광대역 노이즈를 억제하는 전자기 밴드갭 구조의 적층구조를 나타낸 도면,
도 8은 도 6의 광대역 노이즈를 억제하는 전자기 밴드갭 구조의 변형례를 나타낸 도면,
도 9는 종래기술에 따른 AI-EBG 구조와 본 발명에 따른 EBG 구조의 노이즈 전달 특성을 함께 나타낸 그래프.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 하기 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 다층 PCB 및 패키지 구조에서, 전원 공급을 위해 사용되는 PDN의 단일면(전원면)상에 특정 형상의 주기 구조를 에칭(etching)과 같은 기법을 통해 주기적인 구조를 갖는 EBG를 형성하는 대신에 EBG 구조의 노이즈 억제 주파수대역을 높이기 위해 전원분배회로망을 구성하는 전원층 혹은 접지층 상에 주기적으로 배치되는 패치 구조에 비아와 전송선을 이용한 새로운 형태의 EBG 구조를 제안한다.

또한, 본 발명은 도전판을 비아와 전송선을 사용하여 다른 도전판과 연결하고, 전송선은 굽은 전송선을 사용하여 도전판과 연결하며, 도전판에서 비아의 위치는 동일 선상에서 주기적으로 배열하는 대신에 모서리 쪽으로 위치하고 각 패치의 비아의 수는 3개 이하를 유지함으로써, 도전판간 도통 길이를 길게 하여 성능을 향상시킨다.

본 발명에 따른 광대역 노이즈를 억제하는 전자기 밴드갭 구조를 설명하기에 앞서, 먼저 선행기술1과 같은 기존 AI-EBG 구조의 전자파 특성(노이즈 억제 특성)을 확인하기 위해 상용 3D 시뮬레이션 프로그램을 이용한다.

전술한 도 2의 기존 AI-EBG 구조를 갖는 PCB 보드의 크기는 47 mm x 47 mm, 패치(100) 크기는 14 mm x 14 mm, 간극(101) 크기는 1 mm x 1 mm 로 각각 설계하고, 적층 구조는 총 4층으로 내층 2개가 전원면(203)과 접지면(205)으로 구성된다. 또한, 전술한 도 3에서 유전체(201)는 유전율이 3.4인 Nelco를 사용하였고 두께는 0.3 mm 이다. 그리고 전원면(203)과 접지면(205)의 두께는 0.018mm 로 PCB의 총 두께는 0.972mm로 구성되어 있다.

위와 같은 기존의 PCB 구조물에서의 전달특성을 보면, 밴드저지대역(Band Stop Width)은 2.3GHz에서 7.5GHz까지 -30dB 이상의 차단 특성을 나타내었다. 이는 넓은 대역에서 클럭 주파수의 노이즈 저감에는 한계가 있으며, 이를 해결하기 위해서는 차단 주파수(Cutoff Frequency)를 더욱 낮추고 밴드저지 대역을 높임으로써 고속의 디지털 시스템의 노이즈를 저감할 수 있다는 것을 시사한다.

즉, 고속의 스위칭 클럭을 사용하는 시스템에서 발생되는 노이즈 신호가 다른 시스템으로 유기되는 것을 차단함으로써 시스템이 안정적인 동작을 할 수 있도록 하며, EBG에서 신호 특성이 저감되는 것을 최소화 할 수 있어서 데이터 신호전송에도 신뢰성을 확보 할 수 있게 된다. 따라서 이종 시스템간의 결합이 간결해져 시스템 개발이 용이해지고 가격 또한 경쟁력을 가질 수 있게 된다.

먼저, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광대역 노이즈를 억제하는 전자기 밴드갭 구조를 도 6및 도 7에 도시하였다. 도 7은 적층구조를 나타낸 것이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 EBG 구조는 1개의 공극이 없는 접지면(307)과 주기적으로 배치된 패치들(300)로 구성된 전원층(305)으로 이루어진다. 도 2에 도시한 종래기술에 따른 EBG 구조에서 패치(100)와 패치(100) 사이를 단순한 간극(101)으로 연결한 것과는 달리, 본 발명에 따른 광대역 노이즈를 억제하는 EBG 구조는 도 6에 도시된 바와 같이 전원층(305)의 패치(300)와 패치(300) 사이를 비아(303)와 최상층에 위치하는 신호선(301)을 통하여 연결한다. 이때, 접지층(307)에 안티패드(Anti-pad, 미도시함)를 추가로 구비하여 접지층(307)과의 단락을 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 광대역 노이즈를 억제하는 EBG 구조의 전자기적 특성, 즉 노이즈 억제 특성을 확인하고 종래기술에 따른 EBG 구조와 비교하기 위해 하기와 같은 크기를 갖는 구조를 설계하고 3D 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 해석하였다.

비아(303)는 지름 0.564mm, 패드 0.67mm, 높이 0.972mm 로 구성된다. 비아(303)와 비아(303)는 전송선(301)으로 연결되어 패치(300)와 패치(300) 간이 도통되도록 설계한다. 여기서 전체 PCB의 크기는 47 mm x 47 mm 이고, 패치(300)의 크기는 14 mm x 14 mm 이다. 패치(300) 사이의 갭(302)이 존재하며 갭(302)의 크기는 1mm 간격이고 총 9개의 패치(300)가 존재한다. 여기서 비아(303)는 패치(300)간의 도통 경로가 상하 및 좌우로 대칭되고 그 길이가 최대한 길게 유지될 수 있는 패치(300)의 모서리에 위치한다.

또한, 실시예에서 사용된 PCB의 총 층수는 4층으로, 최상위층(308), 전원층(305), 접지층(307) 및 최하위층(309)으로 구성되고, 유전체(306)는 유전율이 3.4인 Nelco를 사용하며, 두께는 0.3mm 이다. 그리고 전원층(305)과 접지층(307) 두께는 0.018mm이며, PCB 총 두께는 0.972mm로 구성된다.

상술한 본 발명에 따른 광대역 노이즈를 억제하는 EBG 구조의 밴드저지대역을 더욱 확장할 수 있는 구조를 도 8에 도시하였다. 도 8은 도 6의 광대역 노이즈를 억제하는 전자기 밴드갭 구조의 변형례를 나타낸 도면으로서, 도 8에 나타낸 바와 같이 본 발명의 일 실시예는 도 6의 전송선(301)에 굽은 신호선(Meander line, 401)을 사용한다. 도 8에 따르면, 신호선(401) 길이는 공극(402) 간격을 1mm 로 했을 때 신호선(401) 길이는 1.5mm 에서 최대 12mm 로 가변 할 수 있으므로, 신호선(401)의 길이변화에 따라 밴드저지대역의 넓이를 변화시킬 수 있다.

도 9는 종래기술에 따른 AI-EBG 구조와 본 발명에 따른 EBG 구조의 노이즈 전달 특성을 함께 나타낸 그래프로서, 도 9를 참조하면 종래기술에 따른 AI-EBG 구조는 -30dB에서의 밴드저지대역이 5.2 GHz 이고, 본 발명에 따른 광대역 노이즈를 억제하는 EBG 구조의 밴드저지대역은 9.1 GHz로 월등히 우수한 밴드저지 특성을 나타내고 있다. 따라서 본 발명에 따른 광대역 노이즈를 억제하는 EBG 구조는 전원층에서 노이즈 신호를 저감시키는데 매우 효율적임을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 광대역 노이즈를 억제하는 EBG 구조는 전원층 내에 주기적인 갭을 주어 고주파로 인하여 유기되는 넓은 대역의 주파수 노이즈를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 패치와 연결된 비아와 전송선을 이용하여 밴드저지대역을 더 확장시키는데 유효하다.

또한, 본 발명에 따른 광대역 노이즈를 억제하는 EBG 구조는 고속의 스위칭 클럭을 사용하는 시스템에서 발생되는 노이즈 신호가 평행판 도파관(Parallel Plate Waveguide) 형태의 전원분배회로망을 통해 다른 소자나 시스템으로 유기되는 것을 차단함으로써 시스템이 안정적인 동작을 할 수 있도록 하고, EBG에서 신호 특성이 저감되는 것을 최소화 할 수 있어서 데이터 신호전송에도 신뢰성을 확보 할 수 있으므로, 디지털 회로와 아날로그/RF 회로가 동시에 존재하는 이종 시스템 사이에 불필요한 결합이 간결해져 시스템 개발이 용이해지고 가격 경쟁력도 향상시킬 수 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.

100 : 패치 101 : 패치 연결부분
201 : 유전체 203 : 전원면
205 : 접지면 300 : 주기적으로 배치된 패치들
301 : 신호선 302 : 패치 사이의 갭
303 : 비아 305 : 전원층
306 : 유전체 307 : 접지층
308 : 최상위층 309 : 최하위층

Claims (1)

1. 다층 구조의 전자회로 패키지 및 PCB 구조에서 전원 공급을 위해 다층 구조 내부에 사용되는 전원층과 접지층으로 구성되는 전원분배회로망(PDN)에서 전자기 밴드갭 장치에 있어서,
   상기 전원층 혹은 접지층에는 상기 유전체를 사이에 두고 대면하는 주기적인 구조의 패치들을 배치하고,
   상기 패치들은 상기 전원면과 상기 접지면과 연결되지 않은 상태에서 패키지 및 PCB를 관통하는 비아와 신호층에 위치하는 신호선을 통하여 연결하며,
   상기 비아는 상기 패치간의 도통 경로가 상하 및 좌우로 대칭되며 길이가 최대한 길게 유지되도록 상기 각 패치 상에 위치시키며,
   상기 신호선은 굽은 형태로 그 길이를 가변하여 상기 비아를 통해 각각의 패치들을 연결하는 것을 특징으로 하는, 광대역 노이즈를 억제하는 전자기 밴드갭 장치.

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