高速、高封裝密度電路的噪訊對策技術

    最近幾年電子device高速化、高密度化的進步人目不暇給，電子迴路也隨著這股潮流朝向高密度封裝方向發展。雖然電子device的性能獲得飛躍般的提升，相對的造成電子device根本宿命更加複雜，也就是說?要是與利用電氣能量的技術，註定要與電子噪訊(noise)產生無法割捨的糾纏。
    所謂的噪訊(電磁波EMI: Electro Magnetic interfere與靜電SI:Static interfere )對策技術原本屬於電路設計的範疇，而不是事後防止噪訊發生或是強化耐噪訊能力，根本上必需根據設計條件賦與電路最適切的layout才是治本上策。
  
高速化、高密度化的衝擊
    電路高速化、高密度化對噪訊對策技術所帶來的衝擊，使得設計人員必需面臨圖1所示的對策技術。
 
圖1 電路高速化、高密度化所帶來的衝擊與有效的噪訊對策技術

(1).電路高速化的衝擊
    電路高速化后影響最大莫過於電磁氣現象，相對於物理尺寸的電氣長度(頻率×物理尺寸)，基本上因頻率數而變大，使得阻抗相對變得更加複雜，決定電流通路的阻抗(impedance)之中有兩個電抗(reactance)的影響最大，分別是:

• 電氣長度的增加
      頻率越高相對的電氣長度也越長，這意味著即使是相同的物理尺寸，由於波長的因素，使得分佈於電子組件與配線的電磁界也不盡相同。如果分佈於電子組件與配線的電磁界位相相同，且對外部都無影響時，基本上就可將處理對象視為近似集中定數電路。事實上波長越短分佈的電磁界位相如果不一樣時，就必需以分佈定數電路來處理。此外相對於能量行進方向所決定的電磁界特性若 不相同時，則需以三次元電磁界方式來處理。
• 電抗(reactance)增加的影響
      幾乎所有電子組件與配線都會有阻抗、電感(inductance)、電容 (capacitance) 成份，而且各成份所受到頻率的影響程度也都不同。一般而言電子組件的阻抗、電感、電容之中，又以所謂的電抗動作成份最明顯。需注意的是上述統稱的電抗，通常是指低頻領域所產生的現象，當頻率變高時該稱通有必要重新思考定義。有關配線在高頻領域，電流並不見的?沿著電路圖描的配線流動，根本上電流是在阻抗較小的路徑上流動，因此電路圖未描繪處如果發生電磁界結合時就會產生電流通路，此時就必需將電路配線視為三次元電磁界進行封裝對策。
• de-coupling capacitor的界限
      de-coupling capacitor在噪訊對策具有非常重要的效益，因此接著要以de-coupling capacitor為例，具體說明電路高速化后的衝擊。通常將高頻成份作旁通(bypass)的電容器(capacitor)，在高頻領域並無法獲得預期的動作效應。圖2是實驗用印刷電路板(PCB:Printing Circuit Board)上74ALVC IC周圍的近傍磁界分佈狀況，由圖可以清楚看到頻率為200MHz時，電容器將電源的高頻電流完整的旁通(bypass)；不過當頻率變為900MHz時，電容器幾乎無法將電源的高頻電流旁通。流向IC的接地(ground)電流，是由接地配線trace供給，而右上方未連接處IC接腳(pin)有一股強大的磁界流向IC晶元(chip)電源部，一般認為該現象是部分電源電流是由右上方IC，經由IC晶元路徑提供所造成的，在這種情況下即使印刷電路板的電源配線(亦稱為導線)IC，與右上方接腳IC晶元電源部結合，電源電流依然會流通。
      此外頻率為900MHz時，電源配線對的電源配線與接地配線的磁界強度並不相同，因此推測流通的電流也不相同。造成這種現象主要原因是當頻率增高時，電源配線端與接地配線的阻抗差異亦隨著加大，最後導致電流的平衡度劣化。由此可知de-coupling技巧本身對噪訊對策具有決定性的影響。
   
  圖2 高頻de-coupling capacitor周圍磁界分佈

(2).高密度化封裝的衝擊
    電路高速化后電磁氣的擴散會縮小，對噪訊對策而言，條件變好的情況反而有增多的趨勢。若從電子電路封裝角度觀之，電路的功能幾乎被濃縮在LSI內，所以高頻電流大多集中在LSI內，因此LSI內若未進行有效的噪訊對策的話，一旦組成電子成品后就無計可施，此外隨著IC大規模積體化，封裝時各電子組件的適用性經常受到額外的限制，造成與性能無關的電子組件與結構體很容易受到排擠，因此利用外部屏障(shield)結構作噪訊對策，與各種噪訊對策用單體組件的適應性，今後將面臨極大的挑戰與質疑。

高速、高密度化封裝的噪訊對策
(1).噪訊對策的方向
    高速、高密度化封裝的噪訊對策基本上是屬於發生機制的對策技術，因此接下來要探討電磁波干擾的對策技術。電磁波干擾的強度取決於輸出入電力的輻射電力比率，該比率則受到具天線(antenna)特性之輻射體結構影響，換言之為了抑制幅射，?要抑制激發輻射體的電力，同時使輻射體不易產生輻射，就可獲得相當良好的對策效果。抑制輻射體的激發電力，常用方式有兩種分別是:

• 降低激發電力。
• 設法使激發電力不會傳遞至輻射體。

有鑒於版面限制，本文將討論焦點鎖定於輻射體結構對輸出入電力的輻射電力比率。

(2).利用配線結構之噪訊對策
討論利用輻射體結構作輻射噪訊對策之前，必需先釐清配線結構與輻射電力的互動關係。

由線路產生的放射
此處以micro strip為例作說明，假設:
Pin:輸入電力。
Prad:輻射電力。
Zo:micro strip線路的特性阻抗(impedance)。
η0:自由空間的特性阻抗。
λ:波長。
h:線路與接地面的間隙。
Fi:由micro strip線路非連續部位決定的係數。
    輸出入電力的輻射電力比率，可由下式求得:
 
    由上式可知，輻射電力與輸入電力是由線路結構決定，為了抑制輻射必需縮小線路與接地面之間的間隔h與，加大特性阻抗Zo同時減低Fi，具體而言除了開放終端之外，構造上儘可能使終端形成短路狀態，就可獲得令人滿意的效果。

共振器產生的放射
    實際上micro strip線路幾乎不會產生輻射，大多是由支配性輻射體的共振器造成。圖3是共振器內部輸入電力變成輻射電力的能量流動過程，依圖所示輸入電力經過幾次電磁界結合激發共振器，共振所產生的反應能量(reactive energy)被儲存於共振器內。此處假設:
Wr:共振器全反應能量的平均時間。
Prad:輻射電力。
Qr:輻射的Q值。
ω:角頻率數。
    輻射電力可由下式求得:
Prad=ωWr/Qr
    換句話說輻射電力是由全反應能量電力Wr與Qr決定，Qr則取決於共振器的結構，天線模式則是常用的典型範例。
 
圖3 共振器產生輻射時的能量流動
    有關共振器即使輸入電力非常小，不過共振器卻可以產生巨大的電界與磁界。雖然利用共振所獲得的反應能量，本身並不會傳遞制到外部領域，不過相對於該能量，會有一定比率成為傳遞至遠方的輻射電力。電源與接地層通常被視為印刷電路板(PCB: Printed Circuit Board；以下簡稱為PCB)的支配性輻射體，PCB的端緣呈開放式矩形平行平板，雖然為了要抑制輻射，理論上電源與接地層的絕緣體厚度越薄效果越好，不過基於端緣為開放式矩形平行平板的構造，同時也會決定Q值，所以放式矩形平行平板PCB並無法完全杜絕輻射，這意味著必需合併使用屏障(shield)技術才能獲得實際效益，尤其是在高速、高封裝密度迴路的前提下，噪訊對策尚不完備時，有必要重新檢討配線的結構，才能將輻射降低至理想範圍內。

(3).低EMI PCB
    圖4是低EMI PCB抑制EMI的動作機制，由於PCB的端緣呈開放式矩形平行平板，因此成為端緣磁流的放射源。為了抑制端緣磁流的放射，所以將電源與接地層所構成的第一接地層，和電源與接地層所構成的第二接地層，作成對稱性夾層構造，利用這種特殊設計在PCB端緣將第一接接地層-電源與電源-第二接地層的磁流(又稱為磁界)抵銷，進而達到抑制輻射的目的，不過在頻率較高的領域，上述PCB的對稱性會劣化，產生小peak現象。有鑒於此特別把第一接地層與第二接地層的端緣連接，如此一來端緣便不會發生輻射，這種新型PCB簡稱為低EMI PCB，它的端緣幾乎全被銅電鍍層連接。如照片1是低EMI PCB實際外觀。
 
圖4 低EMI PCB抑制EMI的動作機制
 
照片1 低EMI PCB外觀

為了驗證低EMI PCB的輻射抑制效果，因此分別以

• 傳統夾層結構PCB。
• 電源與接地層對稱化夾層結構之PCB。
• 電源與接地層對稱化且接地層端源鏈接，低EMI印刷電路板(PCB)。

    進行最大輻射強度比較，測試條件是在6面電波暗室內，距離壁面3m，以頻譜分析儀(spectrum analyzer)量測，測試結果如圖5所示。由圖顯示由於電源與接地層之間的絕源體很薄，因此共振能量與端源磁流都呈減少趨勢，該印刷電路板雖然可以降低輻射，不過卻殘留有電源與接地層之間共振所造成的巔峰值。
 
圖5 低EMI PCB降低輻射的效果
    表面與背面被接地層覆蓋的夾層式PCB，可抑制電磁界的對稱性所產生的放射，進而降低輻射，不過頻率超過700MHz時對，對稱性會開始劣化，進而產生微小的巔峰值(peak)；低EMI PCB除了可以降低放射之外。還可以消除巔峰值，該PCB結構上不需要外部屏障組件與噪訊對策組件，以及用來確保配線領域之beer，因此可輕易達成高密度封裝目的，同時還能抑制電源與接地層之間的電位變動，以信號防衛(SI)觀點而言，低EMI PCB確實可獲得良好的動作特性。

結語
    隨著電子技術應用層面的擴大，維持和諧的電磁波環境成為工程人員設計電路時不可或缺的技巧，因此噪訊對策技術的重要性也日益受到重視。相信在高速電路與高密度封裝的時代，噪訊對策技術會對電子產業產生具大幫助。