一种基于缝隙波导理论的电磁辐射抑制结构及其应用的制作方法

本发明涉及了一种基于缝隙波导理论的电磁辐射抑制结构及其应用，尤其是涉及了一种基于缝隙波导理论的电磁辐射抑制结构及其应用。

技术背景

随着电子与电气设备的高速发展，高速数字系统中数据传输速率和时钟频率快速提高，电磁干扰和散热问题成为下一代电子产品所面临的一个重大挑战。为了解决散热问题，在印刷电路板及芯片的封装设计中通常会加入封装盖及散热器。传统的散热器和封装盖通常由高导热率和高导电率的金属制成，随着集成电路操作速率的不断提高，封装盖及散热器很容易与封装基板的金属地平面之间形成谐振腔，噪声电流会通过电容效应耦合到封装盖及散热器上，使散热器和封装盖成为新的辐射源，造成严重的emi问题。

传统解决由封装盖和散热器引起的电磁辐射问题的途径主要有接地和涂覆吸波材料。但是接地仅在低频时可以有效抑制电磁辐射，对高频的电磁辐射没有明显抑制作用，有时甚至会使高频的电磁辐射恶化。而在封装盖和散热器上涂覆吸波材料虽然可以有效抑制不同频段的电磁辐射，但吸波材料价格昂贵且会影响集成电路的工作性能及散热。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明目的在于提供了一种基于缝隙波导理论的电磁辐射抑制结构及其应用，通过在封装盖和散热器下表面增加ebg结构抑制相关电子产品的电磁辐射，解决了由散热器及封装盖引起的电磁辐射超标问题。

本发明解决相关技术问题所采用的技术方案如下：

在封装基板分别与散热封装盖或者散热器之间设有周期性的电磁带隙ebg结构，以在所需频段内实现pmc的边界条件进行电磁辐射抑制，以抑制不需要的电磁波的传播。

所述电磁带隙结构固定在散热封装盖或者散热器下表面。

考虑到加工工艺及散热问题，所述周期性的电磁带隙结构为间隔阵列均布的销钉型二维金属ebg结构和蘑菇型二维金属ebg结构。

所述销钉型二维金属ebg结构包括金属销钉，金属销钉上端固定在散热封装盖或者散热器的顶层金属板的下表面，封装基板包括介质层和底层金属板，金属销钉下端和封装基板的介质层之间具有空气缝隙。

所述蘑菇型二维金属ebg结构包括金属销钉和金属贴片，金属销钉上端固定在散热封装盖或者散热器的顶层金属板的下表面，金属销钉下端连接在金属贴片上端中心，金属贴片下端和封装基板的介质层之间具有空气缝隙，封装基板包括介质层和底层金属板。

所述的电磁带隙结构和封装基板之间具有空气缝隙，电磁带隙结构底面和封装基板之间的距离(即空气缝隙厚度+介质层厚度)小于工作频段中心频率对应波长的四分之一，使得由电磁带隙结构与封装基板的金属地平面共同形成缝隙波导，在工作频段内有效抑制封装盖或散热器与封装基板金属地平面之间的平行板模式和谐振，从而有效降低工作频段内的电磁辐射。在工作频段内，能够有效抑制封装盖或散热器与封装基板金属地平面之间的空腔模式和平行板模式，从而有效降低该频段内的电磁辐射。

本发明具体实施通过调节电磁带隙结构与封装基板之间的距离改变抑制电磁辐射的有效频段，也通过改变周期单元结构的几何尺寸包括周期长度、金属销钉的长度和边长、介质层厚度、空气缝隙厚度来改变制电磁辐射的有效频段。

所述散热器和封装盖与封装基板之间可以有物理连接，不会影响所设计散热器或封装盖对电磁辐射的抑制效果。

本发明没有引入带有损耗的材料，不会影响集成电路的工作性能和整个结构的散热性能。

本发明的技术方案中所涉及的封装基板材料可根据实际封装模型做出相应调整。

所述电磁辐射抑制结构在芯片或者印刷电路板封装中的应用。

本发明能用于芯片、印刷电路板等的封装设计中，抑制相关电子产品的电磁辐射。

本发明利用ebg结构在一定频段内实现pmc的边界条件。在特定频段内没有电磁波可以在金属平面及ebg结构之间的缝隙中传播，该缝隙的高度取决于ebg结构的相关几何参数，一般小于有效中心频率对应波长的四分之一。小于四分之一波长时，任何方向的电磁波均不能在电磁带隙ebg结构底面和封装基板顶面的两个平面之间的空气缝隙中传播，电磁波只能沿两平面间的传输线传播，如微带线、键合线等，而其他方向电磁波的传播将受到抑制。

本发明的有益效果是：

本发明在不影响集成电路散热及性能的前提下，有效的抑制了相关电子产品工作频段内的电磁辐射，从而使相关电子产品满足电磁干扰的标准。

本发明可用于芯片、印刷电路板等的封装设计中，尤其对于高频的电磁辐射由明显的抑制作用，且可以通过调整相关参数改变其有效频段，扩大应用范围。

本发明适用于电子设备中封装盖及散热器的设计，尤其是提出的蘑菇型二维金属ebg结构的实施例可以有效减小同类金属ebg结构的尺寸，实现设计尺寸的小型化，使本发明中的封装盖及散热器设计方案的应用范围和应用频段更加广泛。

附图说明

图1是本发明的原理示意图。

图2是本发明中所用销钉型金属表面单元结构的三维结构图。

图3是本发明中所用蘑菇型金属表面单元结构的三维结构图。

图4是本发明中利用销钉型金属表面设计的新型封装盖三维结构图。

图5是本发明中利用蘑菇型金属表面设计的新型封装盖三维结构图。

图6是本发明中利用蘑菇型金属表面设计的新型散热器三维结构图。

图7是利用销钉型金属表面设计的新型封装盖在wb-bga封装中应用的正视图。

图8是利用蘑菇型金属表面设计的新型封装盖在wb-bga封装中应用的正视图。

图9是利用蘑菇型金属表面设计的新型散热器在wb-bga封装中的应用(a)正视图和(b)俯视图

图10是利用销钉型金属表面设计的新型封装盖应用于wb-bga封装的3m场辐射图。

图11是利用蘑菇型金属表面设计的新型封装盖应用于wb-bga封装的3m场辐射图。

图12是利用蘑菇型金属表面设计的新型散热器应用于wb-bga封装的3m场辐射图。

图中：1、散热封装盖或者散热器，2、电磁带隙结构，3、空气缝隙，4、封装基板；5、顶层金属板，6、金属销钉，7、空气缝隙，8、介质层，9、底层金属板；10、顶层金属板，11、金属销钉，12、金属贴片，13空气缝隙，14、介质层，15、底层金属板；16，金属封装盖、17、销钉型二维金属ebg结构，18、蘑菇型二维金属ebg结构，19、散热器，20、蘑菇型二维金属ebg结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步说明。

如图2和图3所示，传统封装中常用的封装盖下表面为一个光滑的金属平面，且通常与封装基板的距离很小。由于封装盖距离噪声源很近，大量噪声电流会耦合到封装盖上，并且传统封装盖与封装基板的金属地平面之间会形成谐振腔，两平行板之间的谐振会使整个结构的电磁辐射大幅度增强。基于上述缝隙波导理论，在封装盖的下表面设计本发明ebg结构，与封装基板金属地平面一起形成缝隙波导，可以在设计频段内抑制不需要的电磁波的传播从而降低该频段内的电磁辐射。

实施例1

如图4所示，在封装基板4与散热封装盖1之间的散热封装盖1下表面设有周期性的电磁带隙ebg结构2，周期性的电磁带隙结构2为间隔阵列均布的销钉型二维金属ebg结构，包括金属销钉6，金属销钉6上端固定在散热封装盖或者散热器的顶层金属板5的下表面，封装基板4包括介质层8和底层金属板9，封装基板4的底层金属板9作为金属地平面，金属销钉6下端和封装基板4的介质层8之间具有空气缝隙7。具体实施根据设计需要，调整单元结构的周期，金属销钉的长度和宽度及空气缝隙的高度设计有效频段，抑制特定频段内的电磁辐射。

实施例2

如图5所示，在封装基板4与散热封装盖1之间的散热封装盖1下表面设有周期性的电磁带隙ebg结构2，周期性的电磁带隙结构2为间隔阵列均布的蘑菇型二维金属ebg结构，包括金属销钉11和金属贴片12，金属销钉11上端固定在散热封装盖或者散热器的顶层金属板10的下表面，金属销钉11下端连接在金属贴片12上端中心，金属贴片12为正方形，金属贴片12下端和封装基板4的介质层14之间具有空气缝隙13，封装基板4包括介质层14和底层金属板15，封装基板4的底层金属板9作为金属地平面。具体实施可以根据设计需要，调整单元结构的周期，金属销钉的长度和宽度，金属贴片的边长及空气缝隙的高度设计有效频段，抑制特定频段内的电磁辐射。

本实施例结构相对于实施例1的销钉型金属表面，在相同的有效频段内几何尺寸更小，可以应用于小尺寸的芯片封装，其应用范围和频段更加广泛。当蘑菇型二维金属ebg结构的金属表面与金属地平面的距离小于设计频段中心频率对应波长的四分之一时，没有电磁波可以在两平面间的空隙缝隙中传播。但当空气缝隙中存在传输线如微带线、键合线等时，电磁波只可以沿着传输线传播，其他方向电磁波的传播将受到抑制。

对比图4和图5可以发现，蘑菇型金属表面ebg结构的高度远小于销钉型金属表面，更适用于小型化的封装应用场景，其应用范围和频段也更加广泛。

实施例3

如图6所示，在封装基板4与散热器1之间的散热器1下表面设有周期性的电磁带隙ebg结构2，周期性的电磁带隙结构2为间隔阵列均布的蘑菇型二维金属ebg结构。

如图6所示，19为芯片封装中常用的板间散热器，其上部为用于散热的散热齿，下表面为光滑的金属面，一般安装于散热封装盖上方，与封装盖之间通过一层很薄的胶体连接。考虑到实际应用场景，在散热器下表面中间部分保留光滑的金属面，作为封装盖和封装基板提供足够的空间，因此蘑菇型二维金属ebg结构布置在封装盖周围的环形区域中，周期结构的排布和数量可以根据实际应用场景做出相应的调整。

蘑菇型二维金属ebg结构包括金属销钉11和金属贴片12，金属销钉11上端固定在散热封装盖或者散热器的顶层金属板10的下表面，金属销钉11下端连接在金属贴片12上端中心，金属贴片12为正方形，金属贴片12下端和封装基板4的介质层14之间具有空气缝隙13，封装基板4包括介质层14和底层金属板15，封装基板4的底层金属板9作为金属地平面。具体实施可以根据设计需要，调整单元结构的周期，金属销钉的长度和宽度，金属贴片的边长及空气缝隙的高度设计有效频段，抑制特定频段内的电磁辐射。

本实施例结构相对于实施例1的销钉型金属表面，在相同的有效频段内几何尺寸更小，可以应用于小尺寸的芯片封装，其应用范围和频段更加广泛。当蘑菇型二维金属ebg结构的金属表面与金属地平面的距离小于设计频段中心频率对应波长的四分之一时，没有电磁波可以在两平面间的空隙缝隙中传播。但当空气缝隙中存在传输线如微带线、键合线等时，电磁波只可以沿着传输线传播，其他方向电磁波的传播将受到抑制。

本发明实例以典型的商业封装模型引线键合-球栅阵列(wire-bondedballgridarray，wb-bga)封装为例，具体阐述所设计屏蔽盖和散热器的实施及其对电磁辐射的抑制效果。

图7和图8为利用销钉型金属表面和蘑菇型金属表面设计的封装盖在wb-bga封装中的应用模型正视图。调整两种ebg结构的几何尺寸，使两种封装盖抑制电磁辐射的有效频段均为10-17ghz。此时销钉型金属表面的相关几何尺寸如下：周期单元结构的周期为6mm，金属销钉的长度和宽度分别为5mm和1mm，空气缝隙的高度为0.4mm。蘑菇型金属表面的相关几何尺寸为：周期单元结构的周期为4.4mm，金属销钉的长度和宽度分均为1mm，空气缝隙的高度为0.4mm。图10和图11分别为应用销钉型金属表面和蘑菇型金属表面设计的散热封装盖与应用传统封装盖整个wb-bga封装的3m场辐射曲线对比图。由此可知，在设计频段内利用新型封装盖可以有效降低整个结构的3m场辐射。

图9为上述利用蘑菇型金属表面设计的散热器在商用wb-bga封装中的应用模型示意图，(a)为正视图，(b)为俯视图。所设计的蘑菇型金属表面的周期单元结构的相关几何参数如下：周期为5mm，金属销钉的长度为1.5mm，金属销钉的宽度为0.5mm，金属贴片的边长为4.6mm，空气缝隙高度为1.5mm，对应的抑制电磁辐射的有效频段为8.2～16.2ghz。图12为应用新型散热器和传统散热器整个wb-bga封装的3m场辐射曲线对比图。由此可知，在设计频段内利用新型散热器可有效降低整个结构的3m场辐射。