【摘 要】
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随着现代高速芯片系统时钟频率和集成度的逐步提高,芯片、封装乃至印刷电路板面临着越来越严重的电磁干扰问题,而传统的电磁屏蔽和滤波技术难以在高频率和高集成度的封装场景中实现良好的辐射抑制效果。因此,本文对一种商用倒装芯片封装模型的辐射风险项进行了探究,在此基础上围绕5G通信的高频段设计了两种超材料吸波体结构来实现宽带的辐射抑制效果。论文的主要工作如下:1.针对一种商用的倒装芯片封装模型,结合3米场辐射
【基金项目】
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国家自然科学基金（62071424）；
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随着现代高速芯片系统时钟频率和集成度的逐步提高,芯片、封装乃至印刷电路板面临着越来越严重的电磁干扰问题,而传统的电磁屏蔽和滤波技术难以在高频率和高集成度的封装场景中实现良好的辐射抑制效果。因此,本文对一种商用倒装芯片封装模型的辐射风险项进行了探究,在此基础上围绕5G通信的高频段设计了两种超材料吸波体结构来实现宽带的辐射抑制效果。论文的主要工作如下:1.针对一种商用的倒装芯片封装模型,结合3米场辐射值、噪声信号的传输系数、近场电场分布等分析了倒装芯片封装的辐射风险项。利用金属谐振腔原理探究了散热器的辐射恶化特性,通过添加Bump和补充地结构进一步研究了电感线圈与电源分配网络的耦合问题。最后从共模和差模辐射、走线的串扰、过孔的阻抗不匹配等方面探究了PCB板级辐射发射的特性,为后续的辐射抑制方案设计奠定了基础。2.根据芯片封装模型的实际需求设计了高频宽带的超材料吸波体结构。首先介绍了超材料吸波体结构的基本理论和设计思路,在此基础上设计了一种以金属谐振为主的E字型超材料吸波体,在25 GHz-50.0 GHz的范围内表现出良好的电磁吸收响应,相对带宽达到66.7%,且具有一定的角度稳定性。其次利用等效介质理论和电场分布解释了吸波机理,通过建立等效电路模型进一步分析了单元结构间的相互作用。最后通过实验验证了吸收性能。3.为进一步扩大工作带宽,设计了一种新型电阻膜超材料吸波体结构。通过在玻璃基板的两侧溅射氧化铟锡薄膜,并在顶层设计强耦合结构实现了超带宽吸收,对称性和小型化的设计也使得提出的吸波体具有极化不敏感和角度稳定性。利用等效介质理论和多反射干涉理论,结合电场分布和能量损耗分布探讨了工作机理。实物测试结果显示该吸波体结构在17 GHz-41 GHz频率范围内具有90%以上的吸收率,相对带宽达到了82.8%,为高频宽带超材料吸波体的设计提供了参考。4.为了验证所提出结构在封装中的辐射抑制效果,将设计的两种超材料吸波体结构与封装模型进行了联合仿真,所设计的结构均可以在18 GHz-47 GHz范围内实现5 d B以上的辐射电场衰减。此外,通过在散热器与导热胶之间加载石墨烯,改变吸波体的排布方式,添加金属框架结构和改变导热胶厚度等一系列措施可进一步优化辐射抑制效果。所提出的超材料吸波体具有良好的辐射抑制能力,为芯片封装系统的高频以及宽带辐射抑制的难题提供了新的解决思路。
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