基板式構裝電磁干擾最佳化分析與模型建立 - 系統構裝電磁干擾抑制與模型化研究

本論文第三章已探討釘架式構裝 QFN/QFP 的電磁干擾效應以及針對其物理結構建立等效電路模型，並對其模型進行參考平面回流不連續修正以符合 IEC62433 電磁相容模型萃取之規範。而基板式構裝如 BGA 因具備基板線路結構，具有較優異之電氣特性，在高階產品中經常見到，因此針對此構裝型態之電磁輻射最佳化以及物理結構等效模型將於本章進行討論。

4.1 電磁干擾量測設定

圖 4-1~圖 4-3 為基板式構裝 BGA 之電磁干擾量測環境與相關使用設備，與釘架式構裝相同，皆採用符合 IEC61967-3 規範之近場掃描方法進行構裝訊號電磁波探測，採用之近場探頭型號為 LANGER XF1，機台為經濟部標準檢驗局汐止辦公室第六組所提供的儀器如電磁相容分析儀、訊號產生器、自動掃描設備以及設備整合控制軟體。

圖 4-1、經濟部標準檢驗局(BSMI)近場電磁干擾測試環境

EMC Analyzer

Controller

Near-field

station

Signal

Generator

42

(a) 控制軟體 (b) 電磁相容分析儀

圖 4-2、經濟部標準檢驗局(BSMI)近場電磁干擾測試用之儀器

圖 4-3、經濟部標準檢驗局(BSMI)近場電磁干擾測試用之探頭

43

圖 4-4 為基板式構裝 BGA 之近場掃描量測範圍，主要之量測範圍為黑膠上方 0.5mm 處，固定高度且沿著二維平面 9x9mm

²

進行探頭掃描。並使訊號產生器恆定輸出第四代行動通訊 LTE-2600MHz 的頻率，藉由構裝線路產生高頻輻射，已讓接收探頭接收輻射訊號。並將探頭於構裝上每個位置收到之訊號，繪製成三維場型分布圖，並針對不同結構予以分析及數據比對，找出 BGA 構裝最佳輻射抑制結構。

圖 4-4、基板式構裝待測物量測範圍

圖 4-5、基板式構裝待測物量測圖

4.2 量測結果分析

圖 4-6~圖 4-11 為 BGA 構裝中各種不同打線情況下的近場量測場型結果而圖 4-12 為各式打線狀態之輻射強度比較，從結果來看其與釘架型式的構裝有相似的結果。X 軸的場型分布可看出兩側的金線因為具有高阻抗特性，因此有較強的輻射訊號，而傳輸線晶片處(3~5mm 處)則因晶片本身優異之特性，輻射的強度較弱；

而從 Y 軸來看，因主要訊號路徑兩旁並無其他干擾源，所以輻射訊號具有高斯分布的場強，中間訊號流經處有較大的電磁波，而往兩旁則訊號以指數形式遞減。

9mm

Input 9mm

Load

Signal Input Load

Near-Field

H Probe

44 Radiation [dBm]

-68 -63 -58 -53 -48

Radiation [dBm]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Radiation [dBm]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Radiation [dBm]

0 Radiation [dBm]

-68 -63 -58 -53 -48

Radiation [dBm]

45

(a) X 軸 (b) Y 軸

圖 4-9、BGA 構裝中 GSG 打線型態於 LTE-2600MHz 頻段之二維場型圖

圖 4-10、BGA 構裝中 GS-Ring-GS 打線型態於 LTE-2600MHz 頻段之三維場型圖

(a) X 軸 (b) Y 軸

圖 4-11、BGA 構裝中 GS-Ring-GS 打線型態於 LTE-2600MHz 頻段之二維場型圖

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Radiation [dBm]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Radiation [dBm]

0 Radiation [dBm]

-68 -63 -58 -53 -48

Radiation [dBm]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Radiation [dBm]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Radiation [dBm]

46

從圖 4-12 的 BGA 構裝打線型態之輻射強度比較圖可看出，GSG 打線因為比 GS 打線有更多的參考地路徑，因此電磁場不易散出至構裝體外，近場探頭所得到的電磁輻射亦會較少；GS 的 Ground 線先連接至接地環(Ground ring)的結構 GS-Ring-GS 也會比單純 GS 打線還來的優異許多，原因則為其縮短金線總長及利的 Thermal/Ground Ball 結構，由於其在導熱路徑上為將熱源直接傳遞至構裝的接地平面，因此對電訊號的改善也有一定的幫助，從量測結果來看，其在輻射訊號

Radiation [dBm]

BGA_Bonding_Comparison

Radiation [dBm]

BGA_Bonding_Comparison GS-GS

GSG-GSG GS-Ring-GS

47 Radiation [dBm]

-68 -63 -58 -53 -48

Radiation [dBm]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Radiation [dBm]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Radiation [dBm]

0 Radiation [dBm]

-68 -63 -58 -53 -48

Radiation [dBm]

48

Radiation [dBm]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Radiation [dBm]

0 Radiation [dBm]

-68 -63 -58 -53 -48

Radiation [dBm]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Radiation [dBm]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Radiation [dBm]

49

圖 4-19、BGA 構裝中 GS 打線型態有電源 Via 於 LTE-2600MHz 頻段之三維場型圖

(a) X 軸 (b) Y 軸

圖 4-20、BGA 構裝中 GS 打線型態有電源 Via 於 LTE-2600MHz 頻段之二維場型圖

圖 4-21、BGA 構裝中 GS 打線型態有 Thermal/Ground Ball 於 LTE-2600MHz 頻段之三維場型圖

Radiation [dBm]

-68 -63 -58 -53 -48

Radiation [dBm]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Radiation [dBm]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Radiation [dBm]

0 Radiation [dBm]

-68 -63 -58 -53 -48

Radiation [dBm]

50

(a) X 軸 (b) Y 軸

圖 4-22、BGA 構裝中 GS 打線型態有 Thermal/Ground Ball 於 LTE-2600MHz 頻段之二維場型圖

Radiation [dBm]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Radiation [dBm]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Radiation [dBm]

BGA_Structure_Comparison GS-GS

w/o Ground Ring w/o Power Ring Ground Via Power Via Thermal Ball

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Radiation [dBm]

BGA_Structure_Comparison GS-GS

w/o Ground Ring w/o Power Ring Ground Via Power Via Thermal Ball

51

表 4-1、BGA 構裝中各類打線及結構型態於 LTE-2600MHz 頻段之輻射強度最大值

打線型態最大輻射強度(dBm) 改善程度

GS-GS -48.78 N/A

GS-Ring-GS -51.57 Ο

GSG-GSG -50.04 Ο

GS-GS

w/o Ground Ring -47.46

х

GS-GS

w/o Power Ring -47.87

х

GS-GS_Ground Via -51.93 Ο

GS-GS_Power Via -49.82

Δ

GS-GS

Thermal/Ground Ball -57.68 Ο

Ο:優異Δ:普通 х :無效果

4.3 寬頻等效電磁模型建立

為針對 IEC62433 所提出的積體電路電磁等效電路模型，以達到快速設計之需求，本論文先前已針對釘架式構裝完成構裝模型建立，而於本章節將持續討論基板式構裝之元件模型萃取。

基板型式構裝如 BGA，為將晶片訊號線路引出構裝體，利用的是如圖 4-24 的高頻傳輸線結構，因此根據傳輸線理論便可針對模型中最基礎之元件進行萃取。

從參考文獻[27]-[29]提出之理論中，可利用(4-1)~(4-2)的公式如特性阻抗及時間延遲推導出(4-3)的單位長度電感值公式以及(4-4)的單位長度電容值公式，再將此公式對傳輸線長度做乘積即可得到實際電感值(4-5)、電容值(4-6)。

··· (4-1)

0 87 5.98

ln( )

1.41 0.8

r

Z h

 w t

  

52 Top layer

Polyimide

BTM layer ε

Port1 Port2

Rs_high

R_Sub

53

表 4-2、BGA 傳輸線路之寬頻等效模型值 PKG IP Passive components

Finger R

_s

_L

_high

_sub

(a)Return loss(dB) (b)Insertion loss(dB)

(c)Return loss(deg) (d)Insertion loss(deg) 圖 4-26、Finger 之寬頻等效模型(Blue)與實際量測(Red)之 S 參數比對

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Freq [GHz]

-60

Return loss [dB]

BGA_Finger_RL Simulation M easurement M odeling

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Freq [GHz]

-3

Insertion loss [dB]

BGA_Finger_IL Simulation M easurement M odeling

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Freq [GHz]

-180

Return loss [deg]

BGA_Finger_RL_Phase Simulation M easurement M odeling

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Freq [GHz]

-60

Insertion loss [deg]

BGA_Finger_IL_Phase Simulation M easurement M odeling

54

(a)Return loss(dB) (b)Insertion loss(dB)

(c)Return loss(deg) (d)Insertion loss(deg)

圖 4-27、Transmission line 之寬頻等效模型(Blue)與實際量測(Red)之 S 參數比對

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Freq [GHz]

-60

Return loss [dB]

BGA_Line_RL Simulation M easurement M odeling

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Freq [GHz]

-100

Return loss [deg]

BGA_Line_RL_Phase Simulation Measurement Modeling

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Freq [GHz]

-180

Insertion loss [deg]

BGA_Line_IL_Phase Simulation Measurement Modeling

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Freq [GHz]

-3

Insertion loss [dB]

BGA_Line_IL Simulation M easurement M odeling

55

(a)Return loss(dB) (b)Insertion loss(dB)

(c)Return loss(deg) (d)Insertion loss(deg) 圖 4-28、Ball land 之寬頻等效模型(Blue)與實際量測(Red)之 S 參數比對

(a)Return loss(dB) (b)Insertion loss(dB)

(c)Return loss(deg) (d)Insertion loss(deg)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Freq [GHz]

-65

Return loss [dB]

BGA_Ball land_RL Simulation M easurement M odeling

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Freq [GHz]

-3

Insertion loss [dB]

BGA_Ball land_IL Simulation M easurement M odeling

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Freq [GHz]

-140

Return loss [deg]

BGA_Ball land_RL_Phase Simulation Measurement Modeling

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Freq [GHz]

-10

Insertion loss [deg]

BGA_Ball land_IL_Phase Simulation M easurement M odeling

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Freq [GHz]

-60

Return Loss [dB]

PKG_IP_Ball_Return Loss_M ag Simulation

M odeling

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Freq [GHz]

-1

Insertion Loss [dB]

PKG_IP_Ball_Insertion Loss_M ag Simulation

M odeling

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Freq [GHz]

-20

Return Loss [deg]

PKG_IP_Ball_Return Loss_Phase Simulation

M odeling

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Freq [GHz]

-20

Insertion Loss [deg]

PKG_IP_Ball_Insertion Loss_Phase Simulation

M odeling

56

圖 4-29、Solder ball 之寬頻等效模型(Blue)與實際量測(Red)之 S 參數比對上述已針對 BGA 構裝中傳輸線路的四項佈局元件做模型萃取驗證及探討，然而 BGA 構裝基板為多層板結構，晶片訊號經由第一層引出，其中經過鍍穿孔 (Plating-Through-Hole, PTH)將訊號導至底層的傳輸線並連至錫球端輸出，因此於構裝基板中，鍍穿孔在訊號傳遞中的角色相當重要，故要完成構裝之模型庫，因此其高頻物理模型也是需要進行萃取。圖 4-30 為鍍穿孔的物理結構，h 為其長度，

以壓合基板而言為基板之厚度，D 為鍍穿孔之直徑、T 為基板中核心層之厚度，

D1 及 D2 分別為鍍穿孔於二、三層的金屬墊直徑以及隔離圈之直徑，ε

_r

則為介電材料的有效介電常數。

圖 4-31 與表 4-3 為壓合式構裝基板中鍍穿孔的寬頻等效模型以及模型元件值，

其模型以一階模型 L1~L3、Cp1 為基礎向上疊加因構裝基板電源/接地層所產生的共振腔效應等效而成的電阻、電感以及電容，並且針對上下層訊號回流不連續施以電路補償 L_Return。其中一階模型可利用參考文獻[30]所提供之電感公式(4-7) 及電容公式(4-8)計算求出，而高階共振腔模型則可由電磁模擬軟體之諧振模態模擬得到相對值，並利用電路模擬軟體進行最佳化萃取。

圖 4-30、構裝基板鍍穿孔物理結構

H D

h : Length of via D : Diameter of via

T : Thickness of substrate D1 : Diameter of via pad D2 : Diameter of anti-pad ε _r : Dielectric constant T

D1 D2

H

57

3.4GHz、3.9GHz、5GHz、6.1GHz 及 7GHz 處有著較大的插入損耗，原因為訊號在此些頻段因為高頻波動產生之入射及反射疊加進而產生駐波的緣故，使得電源/

接地層變成一大型共振腔，造成訊號無法進行傳遞。而此依參考文獻[30]提出之公式及模擬軟體交互使用萃取完成之模型可精準預測鍍穿孔產生之共振頻率點，其頻寬可高達 7GHz。

Lpad1 L1 L2 L2 L3 Lpad2

Cp1

Cp1 Cp1

Rp11 Lp11 Rp21 Lp21 Rp31 Lp31

Port1

L-return

Rp12 Lp12 Rp22 Lp22 Rp32 Lp32

Cp11 Cp12

Cp21

Cp22 Cp32

Cp31

Lpad1 Lpad2 L1 L2 L3 Cp1

0.12 nH 0.12 nH 0.24 nH 0. 238 nH 0.24 nH 0.07 pF

Lp11 Lp12 Lp21 Lp22 Lp31 Lp32

5.87 nH 1.35 nH 4.22 nH 0.88 nH 1.72 nH 0.86 nH

Cp11 Cp12 Cp21 Cp22 Cp31 Cp32

0.85 pF 0.65 pF 0.46 pF 0.26 pF 0.85 pF 0.85 pF

Rp11 Rp12 Rp21 Rp22 Rp31 Rp32

0.39 Ω 1.15 Ω 7 Ω 2 Ω 1.9 Ω 2 Ω

58

(a)Return loss(dB) (b)Insertion loss(dB)

(c)Return loss(deg) (d)Insertion loss(deg) 圖 4-32、Via 之寬頻等效模型(Blue)與實際量測(Red)之 S 參數比對

Freq [GHz]

-55

Return loss [dB]

PKG_IP_Via_Return Loss M easurement M odeling

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Freq [GHz]

-14

Insertion loss [dB]

PKG_IP_Via_Insertion Loss M easurement M odeling

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Freq [GHz]

-200

Return loss [deg]

PKG_IP_Via_Return Loss_Phase M easurement

M odeling

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Freq [GHz]

-200

Insertion loss [deg]

PKG_IP_Via_Insertion Loss_Phase M easurement

M odeling

Trace Via Trace Wirebond Die Wirebond

L_via

R_bounce_high L_bounce_high C_bounce_high

Trace Via Trace

L_via

R_bounce_high L_bounce_high C_bounce_high

Power-Ground bounce Modification

Power-Ground bounce

Modification

Ground Via

59

考平面於第三層(電源層)之平面，但實際上構裝系統之參考位準為第二層平面(接地層)，因此於量測時參考地會產生較大的電位差異，於是此效應必須在模型中將此電位之差異進行電路補償，如圖 4-35(a)所示，具體之電路表現為因高速時變回流之快速切換所產生等效之高頻電感、介質層夾板所產生之等效電容效應及高頻等效高階電導響應，相互構成電源層及接地層之不連續響應；而圖 4-35(b)則表示原先 BGA 封裝於線路量測時沒有考慮到的接地鍍穿孔響應，此接地鍍穿孔於 Finger 處連接晶片的接地金線以及封裝的接地平面，扮演著將晶片-構裝兩系統的地平面互相連接的功能。

圖 4-34、基板式構裝系統不連續效應示意圖(三維圖)

(a)Power-Ground Bounce (b)Ground via 圖 4-35、基板式構裝系統不連續效應示意圖(二維圖)

60

圖 4-36、BGA 構裝之寬頻等效模型(Blue)與實際量測(Red)之 S 參數比對綜合以上所有 BGA 構裝部分模型以及晶片-構裝不連續效應之電位補償機制模型，將其與晶片-構裝之量測效應作相互比對，其結果如圖 4-36 所示。從此 S-Parameter 比較圖可看出整體模型頻寬於 7GHz 內皆有相當好的一致性，甚至在 10GHz 的頻寬內之響應也相當符合電磁模擬與實際量測，對於現今之高階封裝產品如 Double Data Rate SDRAM III (DDR3)和手機處理器 Application Processors (AP) 以及系統間的通訊界面如 Peripheral Component Interconnect Express (PCIE)和 Universal Serial Bus (USB)之預測封裝效應而言已有相當優異的響應，可快速地在電路模擬軟體上完成此些產品及通訊界面的快速且高效率的驗證。

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Freq [GHz]

-40 -30 -20 -10 0

Return loss [dB]

BGA M odeling Extraction Simulation M easurement M odeling

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Freq [GHz]

-40 -30 -20 -10 0

Insertion loss [dB]

BGA M odeling Extraction Simulation M easurement M odeling

61

在文檔中系統構裝電磁干擾抑制與模型化研究 (頁 54-74)