基于陶瓷基微系統外殼的電磁兼容性仿真研究

Research on Electromagnetic Compatibility Simulation of Ceramic-based Shells for Microsystems

MA JiajiSHAO Wenlong YU Ximeng YANG Zhentao DUAN QiangLIU Linjie （The 13th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation）

Abstract： System in Package （SiP）ceramic shels，whichcan integrate digital，analog circuit systems orsubsystems into one package.This paper uses electromagnetic simulation software to construct a thre-dimensional model and analyze electromagneticproblemssuchasouplingsoace，adiation，androtalkbetweendigitalandaalogsgnalsinaic shels.Tesimulationresultsprovideastrongbasisforcomprehensiveanalysisofelectromagneticproblemsandcaneffciently optimize thestructural designofSiPceramic sels.Itisfound thatbychanging thepower ground distribution，cavitylayout， andotherpackagingstructuresofdigitalandanalogcircuits，ElectromagneticCompatibility（EMC）issuescanbeavoided，wich includestrongcoupling，resonance，andcrosstalk.Basedontheresultsofthisresearch，theefciencyofsubsequentnewproduct design can be significantly enhanced，and the production cycle and quality of products can be improved.

Keywords： digital microwave integration; electromagneticcompatibility; microsystems; ceramic package shells

0 引言

發展，半導體產業的工藝和系統的集成性也發展的越來越快。系統級封裝（SysteminPackage，SiP）陶瓷外殼，融合了微細加工，厚膜印刷，多層布線電子設備向著小型化、高可靠、多功能等要求

等技術，可以將數字、模擬電路系統或子系統集成到一個封裝外殼中。該技術具有封裝集成度高、工藝兼容性好、電性能好、成本低和可靠性高等優點，受到消費電子、醫療設備、軍用產品的廣泛關注[-2]。但是半導體制造工藝的快速發展導致集成電路的時鐘頻率不斷地提高，這意味著信號上升沿不斷地縮短，更短的上升沿可能會引起反射噪聲，過量的串擾和軌道塌陷等電磁干擾問題，使得產品性能降低、失效甚至損毀。因此，在數字、微波集成一體化外殼設計中，對于整個封裝殼體電磁兼容問題的研究必不可少[3-5]

本論文借助電磁仿真軟件構建三維模型，分析了SiP型陶瓷外殼中數字信號和模擬信號的耦合、諧振、輻射等電磁問題，基于本研究結果可大幅度提升后續新產品設計效率，提升產品生產周期和質量。

1仿真模型

本文仿真對象是一款數字、微波類集成外殼，主要由陶瓷主體、復合封口環和熱沉底盤組成，根據不同的功能分區及隔離要求將外殼進行分腔設計，其結構及功能分區如圖1所示。其關鍵信號排布如圖2所示，通過表面圖形可以看到，該外殼涉及到的微波傳輸線有共面波導、帶狀線、垂直互連等典型的微波傳輸結構。該多芯片陶瓷管殼主要實現某微波組件的小型化集成化設計，內部實現了大功率信號電路、小功率信號電路、射頻與中頻信號電路和模擬與控制調制電路的一體化集成。該類型的管殼特別適合實現多芯片的混合集成電路一體化集成，是實現微波組件小型化的優良途徑。

2 電磁干擾的原因分析

磁干擾的產生有3個基本要素：（1）電磁干擾源：任何可以產生電磁干擾的電子設備、系統或者自然現象等；（2）耦合通道：電磁能量通過一定方式耦合到敏感設備的途徑；（3）敏感源：對電磁干擾比較敏感的設備。發生電磁干擾時，上述3個基本要素呈串聯關系，缺少任何一種基本要素都不能構成電磁干擾。電磁兼容（ElectroMagneticCompatibility，EMC）設計從這3個基本要素出發也可分為3點：（1）研究電磁干擾源的來源，即分析干擾源產生的原因，以及干擾源的頻譜、時間、強度等；（2）研究電磁干擾的傳輸通道，找出相應的能夠阻斷耦合通道的措施；（3）研究敏感源，找出能夠減小其受到干擾的方法[6-7]。

進行產品的電磁兼容設計，首先需要分析和研究造成電磁干擾的原因。有害的電磁能量經過耦合路徑傳到敏感設備，會造成設備性能下降。電

在系統級封裝外殼中，數字信號只要保證從發送端到接收端接收到的干擾不足以影響邏輯狀態的判別即可。而模擬信號一般需要經過調制、變頻、放大、傳播、解調等一系列過程才能被恢復，在此過程之中，噪聲不斷地疊加到信號上，必須保證足夠的信噪比才能正確解調。因此，模擬信號較數字信號對隔離度要求更高。數字信號采用方波形式傳輸，其中豐富的高頻諧波會產生很強的輻射，對模擬信號而言屬于強干擾源。綜上所述，對于數字、微波集成一體化外殼，可以將數字信號看作干擾源，數字信號路徑和模擬信號路徑之間的空間可以看作耦合路徑，模擬信號可以看作敏感源。因此，為保證模擬信號的正確傳輸，需要對產品的電磁屏蔽進行設計。

3電磁兼容仿真分析與優化

3.1殼體介質內的電源地耦合干擾仿真與分析

數字、微波集成外殼設計時，為避免數字信號和微波信號相互間的耦合，需要將兩類信號進行分區設計\"。為避免噪聲通過共地阻抗耦合，要使用專門的地平面層來提高信號質量。地平面的設計主要存在如圖3所示的4種處理方式：（1）將數字地與模擬地不分割，數字模塊與模擬模塊使用統一地，但把各自模塊分開布局布線；（2）為將數字地與模擬地嚴格分開；（3）為將數字地與模擬地分割，并在一點相連；（4）將數字地與模擬地分割，在數字信號跨分割的地方添加旁路電容，為高速信號提供就近的回流路徑。

為表征以上幾種數字地和微波地處理方式的隔離效果，對不同分區內的帶線（GSG結構）隔離度進行仿真，結果如圖4所示。由圖可見，將數字地、微波地完全分開時，內層帶線之間的隔離度約-60dB左右，可有效減小數字地與微波地之間的傳導噪聲，效果最好。因此，在保證關鍵傳輸信號有完整回流路徑的前提下，采用分割數字地、模擬地的處理方式，可以有效提升數字信號和模擬信號之間的隔離度。

3.2殼體介質外的空間輻射干擾仿真與分析

2.5D封裝是一種先進的異構芯片封裝，可以實現多個芯片的高密度線路連接，集成為一個封裝。圖1所采用的模型可以實現2.5D封裝，腔體高度方向上可集成大量的芯片/器件以提高封裝密度。如圖5所示。為避免殼體介質外數字電路和微波電路空間內電磁輻射帶來的相互干擾，需要對代表產品腔體內的電磁分布情況進行分析。制定以下3種方案分析腔體內電磁分布及干擾情況，如圖6所示，分別是（1）常規設計，（2）隔離腔體設計，（3）隔離腔體 + 屏蔽蓋板設計3種方案。

根據隔墻屏蔽理論分析可知，理論上可以把金屬隔墻屏蔽體理想化成為無洞、無孔、無縫隙、接地又無限大的均勻平面。良好的分腔設計可以起到兩個作用：（1）改變腔體諧振頻率，使得腔體的諧振頻率在整個系統的工作頻段之外；（2）阻斷空間輻射，使得數字信號的高頻諧波無法穿透金屬隔墻，從而無法對模擬信號產生輻射干擾。

3種方案的隔離度仿真結果見圖7。通過對比仿真數據可以看出，采用隔離腔體 + 屏蔽蓋板方案的隔離度在S波段內明顯優于其他兩種方案，是適用于數字、微波集成一體化外殼的封裝結構。該結構可良好的屏蔽殼體外帶來的電磁干擾，實現良好的電磁兼容。

4結語

本文基于電磁兼容理論，首先對幾種常用的電磁隔離方法，從理論分析和模型仿真的角度進行電磁特征的表征和分析，其仿真結果為電磁問題的綜合性分析提供有力依據，可高效優化SiP型陶瓷外殼的結構設計。對于數字、微波混合信號，提高兩者之間的隔離度，可以采取的措施有：一是在保證關鍵傳輸信號有完整回流路徑的前提下，采用分割數字地、模擬地的處理方式，可以有效提升數字信號和模擬信號之間的隔離度。二是采用隔離腔體+ 屏蔽蓋板的方法也可以有效提升數字信號和模擬信號之間的隔離度。

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