众所周知,很多微波结构如键合线、微带线等实际上是处于开放的环境中,很容易暴露在一些恶劣的外部环境中。为了保障这些开放的微波互连结构能够正常的工作,需要人为地提供电磁屏蔽以及物理保护。在实际工程应用中,工程师经常会在这些开放的微波结构中放置金属封装Lid。金属封装Lid可以有效地防止这些微波电路受到来自外界的物理伤害以及周围电路和电子设备的干扰。但是传统的封装Lid一般是由铜、铝等高导电率的金属制成,很容易与封装基板或PCB板上的电源/地平面之间形成谐振腔。如下图所示,为了给电路系统的输入/输出线缆提供足够的空间,通常会在芯片封装基板与封装Lid之间留出一些缝隙。然而,来自封装内部的EMI辐射很容易从这些缝隙中泄露出去。相关研究人员已经证明空腔谐振会导致EMI辐射泄露现象恶化,引起EMI辐射超标问题。
对于封装Lid引起的EMI辐射超标问题,很多工程师及研究人员已经给出了很多传统的解决方案,如给封装Lid接地或在封Lid上贴附吸波材料。但给封装Lid接地仅在低频时有效,当电子产品的工作频率升高,该方案效果有限且会引起新的EMI问题。在封装Lid下表面贴附吸波材料,可以有效的抑制宽频带内的电磁辐射,但由于封装盖距离键合线、微带线等信号传输线很近,吸波材料会对电子设备的性能产生影响。
1.封装盖辐射原理
封装盖(Lid)通过与PCB或封装基板上的地平面相连,构成较为完整的屏蔽腔,屏蔽芯片和封装基板对外的辐射,如下图所示。
但是该屏蔽腔也可以作为谐振腔工作,谐振频率能够采用常见的矩形空腔谐振器公式估算:
由于当前封装Lid的尺寸较大,一般有几十毫米,这导致谐振腔的谐振频率在GHz量级,处于芯片工作频率内,遇到频率与固有谐振频率相同的噪声时,容易激励起空腔谐振,严重影响芯片正常工作。
2.差分线辐射原理
常见的差分线如下图所示,是指相互之间存在耦合关系的一对传输线。
差分线比单端线存在以下优点:
1、差分线中电流随时间的变化速率比起单端线时显著降低,因此常见的地弹、轨道塌陷和电磁干扰等问题的不良影响更小。
2、差分信号往往在紧耦合的差分线中传播,因此比起在单端线中传播的单端信号拥有更好的鲁棒性。
3、电子设备中的地弹和开关噪声对差分信号的影响更小。
由于卓越的抗干扰性能和优秀的抗辐射泄露能力,差分线被广泛的应用与PCB和封装中。然而差分线存在一个巨大的缺点:对共模噪声的抑制能力较差。差分电流在差分线中中产生的电磁场方向相反,会相互抵消;但是共模电流在差分线中产生的电磁场方向相同,会相互叠加,增强辐射。由于芯片及其封装的工作频率逐步上升,实际应用在WB-BGA封装中的差分线长度接近四分之一个波长,已经是较为理想的天线,遇到共模噪声时极其容易产生强烈的辐射。
3.键合线辐射原理
典型的键合线结构如下图所示,其横截面变化极大,即键合线是一个阻抗连续性非常糟糕的结构,会通过对SI的影响,输出噪声,恶化其他存在明显天线效应结构的电磁干扰问题,同时随着频率的提高,键合线的尺寸与波长愈发接近,本身就有可能作为天线,对外产生辐射,而且键合线自身的寄生电容、电感等参数也会在高频造成产生谐振,在谐振点造成明显的EMI辐射问题。
4.片内电感辐射原理
当前高速芯片的内部往往会采用锁相环(PLL)作为时钟信号或者本振信号的发生器。而常见的PLL由鉴频鉴相器(PFD)、电荷泵(CP)、环路滤波器(LF)、压控振荡器(VCO)、分频器(divider)等结构构成,如下图所示。
其中VCO在高频时一般采用LC振荡器作为PLL内部高频信号的发生器,LC振荡器中的片内电感当前主流的实现方法是平面螺旋电感,如下图所示,尺寸较大,且自身电磁场较强,容易与其他结构耦合,例如封装Lid,对外产生EMI辐射。