一种抑制封装中电源噪声的新型电磁带隙结构

李津,缪旻

(1.北京信息科技大学 信息与通信系统信息产业部重点实验室,北京 100101;2.北京信息科技大学 光电测试技术及仪器教育部重点实验室,北京 100101;3.北京信息科技大学 智能芯片与网络研究中心,北京 100101)

0 引言

在后摩尔时代,集成电路(integrated circuit,IC)系统级封装(system in package,SiP)的功能与元器件集成度不断提升,互连网络中的电磁耦合与寄生现象也随之快速增长,相应加剧了配电网络(power distribution network,PDN)和信号通路中的噪声问题。其中,随着信号沿升降速率、时钟频率和信号传输速率的快速上升,电源网络中的同步开关噪声(synchronous switching noise,SSN)日趋显著,对供电质量和信号品质构成威胁,成为SiP电源完整性和信号完整性设计面临的主要难题[1]。近年来,电磁带隙 (electromagnetic bandgap,EBG)结构在集成电路封装、SiP以及印刷电路板(printed circuit board,PCB) 组件的平面化电源网络中广泛应用,展现出吉赫兹(GHz)频率范围内的宽带抑制能力,有较好的阻带内噪声抑制能力以及在平面基板互连网络中集成方便等突出优点,引起越来越多的关注[2-3]。

近年来,由EBG结构构建的高阻抗表面(high impedance surface,HIS)已经成为抑制高频SSN的新方法。EBG结构最早由Yablonovitch[4]和John[5]引入。专家们提出蘑菇型EBG结构[6]和共面型EBG结构[7],来抑制高密度集成系统封装电路中的电源噪声传播。李坤坤等[8]提出一种新型蘑菇型EBG结构,减小了面积,增加了抑制频段的数量。常见的几种共面型EBG结构有:单面紧凑EBG (uniplanar-compact EBG,UC-EBG)结构、L型连桥EBG(L-bridge EBG)结构、交变阻抗EBG(alternating impedance EBG,AI-EBG)结构。2007年,Joo等[9]提出S-bridge结构。2015年,Shi等[10]提出了一种T型EBG结构。2020年,左盼盼等[11]提出一种S-CSRR EBG结构。共面型EBG结构还演化出微带互联的EBG结构[12]、子区域嵌入式EBG结构[13]、折线共面型EBG结构[14]等。共面型EBG结构具有采用标准PCB技术制造的优点,不需要专门设计过孔柱以及使用多层金属层,突破了蘑菇型EBG结构需要打孔和采用多层金属层的设计瓶颈。

本文提出的新型EBG结构,设计的关键点是在正方形贴片四角进行类L-bridge的折线刻蚀,在中心进行互补开口谐振环(complementary split-ring resonator,CSRR)形状刻蚀,相邻单元之间的桥连增加了电磁带隙单元之间的电感,有效抑制低频段SSN,拥有相对宽的带宽,且能够有效抑制阻带的SSN。

1 新型EBG结构的设计与分析

作为适用于高密度、高速互连网络中电源网络的一种EBG结构类型,共面型EBG结构通常将刻蚀有EBG结构的金属导体平面作为电源平面(P),将完整的金属导体平面作为地平面(G),形成一对电源面(P-G pair)。电磁带隙结构充分利用局部谐振原理来达到抑制高频SSN的目的。

1.1 单元结构

下面以常见的L-bridge EBG结构为例进行分析。图1所示为共面型EBG结构及其等效电路。可以看到,共面型EBG结构利用上层刻蚀的周期图案之间等效电容和电感组成的谐振回路来抑制SSN。其基本原理是:在谐振频率附近,回路输入阻抗趋于无穷大,故SSN在基板电源平面方向上的传播受到抑制。

图1 共面型EBG结构及其等效电路Fig.1 Coplanar EBG structure and its equivalent circuit

L-bridge EBG的等效电路如图1(c)所示,其中Lp为周期金属贴片的等效电感,Cpg为周期金属贴片和地平面的等效电容,Lb为相邻金属贴片间连桥的等效电感,Cgap为相邻金属贴片的耦合电容。由于耦合电容很小,一般将其忽略。相邻的EBG单元结构之间的连桥可以等效为LC谐振电路,可以计算出输入阻抗为

(1)

式中:ω为电路的角频率。由式(1)可知,当周期性EBG单元结构发生谐振时,其输入阻抗会变为无穷大,阻止谐振频率点附近的电磁波传播,从而形成频率带隙。

谐振频率为

(2)

带隙的相对带宽为

(3)

式中:μ、ε分别为介质基板的磁导率和电导率。

起始截止频率为

(4)

通过式(3)、式(4)可知,当Cpg一定时,增大连桥的长度和减小宽度来增加Lb的值,可以减小起始截止频率fL,同时也可以增大带隙带宽。所以,通常的设计思路是在保证噪声抑制深度的情况下,改变连桥的形状来达到设计要求的阻带带宽。

结合上述分析,本文将EBG单元结构在常规结构L-bridge的基础上改变连桥形状和大小并在每个单元内结合CSRR结构进行设计。图2为常规L-bridge EBG的单元结构[15],相关尺寸参数为l1=30.0 mm、l2=28.8 mm、w1=w2=w3=0.3 mm。

图2 常规L-bridge EBG单元结构Fig.2 Conventional L-bridge EBG unit structure

根据常规L-bridge EBG的尺寸参数,可以求得其连桥的长宽比为

(5)

图3为本文设计的新型EBG结构的单元结构。在工艺制板允许的最小尺寸范围内,达到增大连桥电感的目的。相关几何尺寸参数值为l1=30 mm、l2=26.650 mm、l3=2.925 mm、l4=8 mm、d1=5.1 mm、d2=5.7 mm、w1=w2=w4=0.30 mm、w3=0.25 mm。

图3 新型EBG单元结构Fig.3 New EBG unit structure

可以计算得到新型EBG单元结构连桥的长宽比为

(6)

如图3所示,EBG单元结构的四边刻蚀有长方形图形,相邻单元连接构成连桥,由于新结构连桥的长宽比更大,它比片式结构具有更大的等效电感值,在单元间连桥枝节形成谐振电路时,根据式(2)～(4),新型EBG结构具有更大的带宽和较小的下限截止频率,可以起到更好的阻带效果。为了达到更好的优化效果,在单元结构内部中心刻蚀CSRR,谐振环之间的间隙会产生缝隙电流,产生谐振电路,也能一定程度上降低结构的下限截止频率,提高阻带的抑制宽度。2种刻蚀单元相结合构成新型EBG单元结构,降低了起始截止频率,提高了对低频电源噪声的抑制能力,加宽了阻带带宽,提高了对高频电源噪声的抑制能力。

1.2 新型EBG结构建模

为验证本文提出的新型电磁带隙结构对电源噪声的抑制性能,运用电磁全波仿真软件HFSS对其进行建模仿真。新型EBG结构由3×3个单元组成,整板尺寸为90 mm×90 mm×0.035 mm,如图4所示。该结构由地平面、介质基板以及刻有类L-bridge和CSRR结构的电源平面组成,介质基板材料为环氧玻璃纤维板FR4,损耗角为0.02,相对介电常数εr取值为4.4,相对磁导率μr取值为1。

图4 新型EBG结构Fig.4 New EBG structure

2 仿真结果与数据分析

2.1 新型EBG结构的传输特性分析

利用HFSS软件对新型EBG结构进行抑制特性仿真。以图4所示板子结构的左上角为坐标原点,设置2个集总端口,端口1(15 mm,15 mm)设置为输入端口,端口2(45 mm,45 mm)设置为输出端口,如图5所示。仿真得到插入损耗,即端口1和端口2之间的传输系数S21。

图5 仿真端口示意图Fig.5 Simulation port diagram

新型EBG结构在0～30 GHz的传输系数如图6所示。从仿真结果可以看到,以国际公认数值-30 dB定义阻带带隙抑制深度,即S21=-30 dB时,新型EBG结构的下限截止频率为0.4 GHz,上限截止频率可延伸至16.2 GHz,阻带宽度达到15.8 GHz。以-40 dB作为抑制深度时,新型EBG结构阻带宽度达到12.9 GHz。

图6 新型EBG的传输系数Fig.6 Transmission coefficient of new EBG

表1为常规EBG、其他文献提出的EBG和本文提出的新型EBG结构的主要噪声抑制性能参数。可以看出,与常规共面型EBG结构相比,本文提出的新型结构不仅大大扩展了阻带抑制带宽,还提高了抑制深度。

表1 几种EBG结构的抑制带宽对比Table 1 Comparison of suppression bandwidth for several EBG structures

2.2 抑制性能分析

电源/地平面具有多个谐振模式。当它在谐振频率处受到激励时,其自阻抗和转移阻抗将会达到最大值,在高速电路中开关状态切换过程中,受激励的同步开关噪声电流在谐振频率处对电路性能的影响也将达到最大,在封装内引起严重的电源完整性问题。因此,需要从电磁传播角度进一步分析平面对设计对谐振模式处SSN的抑制性能。

一般地,平面对作为波导,可视为侧壁开放的谐振腔,谐振模式主要分为横电模(transverse electric mode,TE mode)和横磁模(transverse magnetic mode,TM mode)2种。电源/地平面谐振频率为

(7)

式中:a、b分别为对应平面对的长和宽;m、n为电磁波的模数。主模和第一高次模处电源网络噪声源的能量较为集中,且可能通过沿电源平面方向的传播,在不同通路间实现噪声的耦合。因此,可以根据主模TM10模谐振频率处的场分布来分析SSN在电源/地平面对之间的能量耦合和抑制特性。

本文分别对完整电源/地平面和所设计的新型EBG结构进行了比较。根据式(7)可以计算出完整电源/地平面对的TM10模谐振频率为0.79 GHz。作为1阶近似,可认为新型EBG的TM10模也具有相同的谐振频率0.79 GHz。当噪声源在电源/地平面对端口1处激励时,对于2种电源/地平面设计的TM10模在谐振频率处的电场分布的分析结果分别如图7(a)、(b)所示。可以发现完整电源/地平面在谐振频率处发生了明显的噪声传播,导致整个平面电压分布不均匀,如图7(a)所示。而新型EBG结构可以抑制噪声的传播,将噪声抑制在单元格内,在端口2处不受影响,如图7(b)所示。图7(c)、(d)为本文所设计的新型EBG结构在阻带内2个反谐振峰所对应高次模频率4.9 GHz和10.2 GHz处的电场分布。从图中可以看到,当端口1处受到噪声激励时,所产生的噪声电磁波的传播均受到显著抑制,影响区域基本局限在端口1所在的单元区域,对其他单元基本没有影响。对比分析可知,本文提出的新型EBG结构对噪声的抑制要远远优于完整电源/地平面对的设计,可以很好地抑制SSN在PDN结构中的传播。

图7 完整电源/地平面和新型EBG结构的电场分布Fig.7 Electric field distribution of complete power/ground plane and novel EBG structure

3 结束语

本文提出一种用于抑制同步开关噪声的EBG结构。在设计中对常规共面型L-bridge EBG的连桥结构进行了改进,提出类L-bridge连桥结构,并结合CSRR谐振金属贴片单元设计,通过2种结构的组合提出了新的EBG单元设计。电磁全波仿真结果表明,相比于常规共面型结构和其他文献提出的EBG结构,本文设计的新型EBG结构的电磁抑制频段范围大幅扩展,在抑制深度为-40 dB时,可有效覆盖0.5～13.4 GHz,实现了对高密度集成系统封装电路中SSN的有效抑制。