一种基于人工表面等离激元理论的吸波薄膜

摘要

本发明公开了一种基于人工表面等离激元理论的吸波薄膜，所述吸波薄膜结构由介质层和金属图案层两部分组成。其中介质层为由单一的介质构成的平整的方层；金属图案层附着在介质层表面，由三个结构环组成，每个结构环由圆周形均匀排布的人工表面等离激元结构单元构成。每个人工表面等离激元结构单元截取了十三个同心金属圆环阵列的一块扇形部分，并由一条笔直的金属条在中央串联而成。本发明可以有效降低其工作频段内的电磁辐射，且由于其具有超薄，宽带，易加工，工作频段高等特点，特别适用于芯片及印刷电路板等系统级封装中的高频微波辐射泄露抑制。

说明书

技术领域

本发明涉及了电磁兼容、人工表面等离激元和系统级封装领域，尤其是涉及了一种基于人工表面等离激元的吸波薄膜结构及其在系统级封装中微波频段辐射抑制的应用。

背景技术

通信技术的飞速发展对系统级封装技术提出了更高的要求，其中难点之一便是封装结构的辐射泄露抑制问题。一方面封装中无用的电磁信号会对其他模块的功能造成干扰，另一方面较强的辐射泄露还有可能导致设备的瘫痪。针对这一问题，传统的解决方案是使用商用吸波材料来吸收封装结构中泄露出的无用辐射波，但现有的吸波材料普遍存在着吸波性能有限、较占空间、价格昂贵等不足。

为了同时实现宽带和高吸收率的辐射抑制效果，研究者们设计了多种多样的电磁吸收体。其中周期排布的频率选择表面吸收体能够在实现良好的辐射抑制效果的同时，最大限度的减少吸收体的厚度，然而，周期性的结构的总体尺寸普遍较大，将它们应用于小型化封装时，由于可放置的结构单元数量有限，吸波性能也随之大打折扣。此外，铁磁体制成的磁性材料也有较好的吸波效果，但应用于小型化的系统级封装时，有限的厚度使得它们不能发挥出最大的吸波潜力。如今，随着5G技术的普及和大规模应用，芯片的工作频率越来越高，封装中的信号越来越复杂，因此对于可应用于小型化系统级封装结构内的宽带高频吸波结构的需求也愈加迫切。

表面等离激元是一种存在于金属和介质界面的光波段表面波。在微波频段，利用人工设计的金属结构可以模拟光波段表面等离激元的特性，也被称为人工表面等离激元。人工表面等离激元具有重要的应用价值，如超表面、天线、波导和滤波器等。近十年来，基于人工表面等离激元的新型吸波结构开始出现。等离激元吸波结构可以将电磁波耦合在其金属结构表面，并利用人工表面等离激元对应模式的色散特性，结合介质的损耗对电磁波进行耗散，从而实现吸波效果。

发明内容

鉴于现有的吸波技术有限的吸波性能及芯片等系统级封装中对于微波频段宽带高性能辐射吸收体的需要，本发明应用人工表面等离激元理论，设计了一种基于人工表面等离激元理论的吸波薄膜，可以有效地增强对高频微波电磁辐射抑制效果。通过在系统级封装的辐射源上方水平放置所述吸收薄膜结构，可以有效地抑制系统级封装中的所述结构工作频段内的电磁辐射泄露，从而更有效地解决系统级封装中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：

一种基于人工表面等离激元理论的吸波薄膜，所述吸波薄膜由介质层和金属图案层组成，所述的金属图案层附着于介质层一侧表面。

进一步地，所述的介质层为平整的正方形层，材质为聚酰亚胺，厚度为0.05mm，边长为Ls＝40mm。

进一步地，所述的金属图案层包括三个同心的结构环；每个结构环由多个人工表面等离激元结构单元构成，人工表面等离激元结构单元之间呈圆周形均匀排布。

进一步地，整个金属图案层中，所有人工表面等离激元结构单元规格均相同。

进一步地，所述人工表面等离激元结构单元包括扇环阵列和金属条，所述的扇环阵列为十三个同心金属圆环被同一扇形截取而成的十三个金属扇环构成的阵列，所述的金属条为串联十三个同心金属扇环中轴线的直金属条。

进一步地，所述扇形的圆心角为θ＝30°。

进一步地，所述的扇环阵列中，最内侧金属扇环的内径为R

进一步地，人工表面等离激元结构单元在结构环中的排布方式为：扇环阵列中半径最小的圆靠近结构环的圆心一侧，且所述的直金属条的延长线经过结构环的圆心。

进一步地，三个结构环的参数由内至外分别为：半径R

本发明为基于人工表面等离激元理论的吸波结构，可以将电磁波耦合在人工设计的金属结构表面，基于人工表面等离激元对应模式下的色散特性，结合介质的损耗，对电磁波进行耗散，辐射场的能量转化为热能并损耗掉，具体体现为辐射场被吸收而衰减。

本发明的有益效果是：

本发明在不改变封装原有结构，且不影响其功能和散热的前提下，有效地抑制了相关电子产品工作频段内的电磁辐射泄露，从而防止了电磁辐射对系统级封装中其他功能模块的干扰，进一步使相关电子产品满足电磁干扰的行业标准。

本发明适用于芯片及印刷电路板等系统级封装中的辐射抑制，尤其是对于26.3-31.6GHz频段的电磁辐射有明显的抑制作用，可以实现90％及以上的辐射抑制效果，在不同的封装中可以有灵活和广泛的应用；又因为其具有工作频段高、频带宽的特点，特别适用于系统级封装中Ka频段附近的宽带电磁辐射抑制。

本发明具有超薄、结构简单的特点，无需占据过多空间，易于在芯片等封装结构中添加。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明提供的吸波薄膜三维结构拆解示意图；

图2为本发明提供的吸波薄膜结构示意图；

图3为本发明吸波薄膜中的人工表面等离激元结构单元的参数及获取方法示意图；

图4为本发明吸波薄膜的三个结构环的排布参数示意图；

图5为本发明实施例中的系统级封装模型示意图

图6为本发明实施例中的系统级封装模型的仿真应用的示意图；

图7为实施例中封装结构对外辐射的最大3米电场值对比图；

图8为实施例中本发明提供的吸波薄膜和商用吸波材料在系统级封装仿真模型中的吸波效果仿真对比曲线图；

图中：(1)介质层，(2)金属图案层，(3)人工表面等离激元结构单元，(4)散热器，(5)吸波薄膜，(6)芯片或其他可能产生辐射的电子元件，(7)PCB底板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明提供了一种基于人工表面等离激元理论的吸波薄膜，所述吸波薄膜由介质层1和金属图案层2两部分组成。其中介质层1为平整的正方形层，材质为聚酰亚胺，厚度为0.05mm，边长Ls＝40mm；金属图案层2附着在介质层1表面，由三个结构环组成，每个结构环由呈圆周形均匀排布的多个人工表面等离激元结构单元3构成。

如图3所示，单个人工表面等离激元结构单元3的结构和参数。每个人工表面等离激元结构单元3截取了十三个同心金属圆环阵列的一块圆心角为θ＝30°的扇形部分，并由一条笔直的金属条在中央串联形成。扇环阵列中，最内侧金属扇环的内径为R

如图4所示，金属图案层2中人工表面等离激元结构单元3的排布及参数。所述的三个结构环的参数由内至外分别为：半径R

图5展示了所述的吸波薄膜在应用场景中的系统级封装模型示意图，系统级封装模型主要由散热器4、本发明提供的吸波薄膜5、芯片或其他可能产生辐射的电子元件6和PCB底板7由上至下依次叠置组成。实际工作时，吸波薄膜5水平放置于芯片或其他可能产生辐射的电子元件6上方，散热器与PCB间距为6mm，吸波薄膜与PCB的间距为2mm。

如图6所示为在仿真软件中搭建的系统级封装结构仿真模型，散热器4与PCB底板7的间距为6mm。在该场景下使用本发明提供的吸波薄膜5作为吸收体时，将其水平放置于模拟芯片等结构的辐射效果的辐射源走线上方，并使得附着有金属图案层的一面朝向辐射源，且吸波薄膜与PCB的间距为2mm。

如图7所示，在上述系统级封装结构仿真模型中进行仿真，分别仿真得到添加和不添加本发明吸波薄膜结构时封装结构对外辐射的最大3米电场值，两个结果的差值即可反映所述吸波结构的辐射抑制效果，从图中可以明显地看出，在添加本发明所提供的吸波薄膜结构后，相比不添加所述吸波薄膜，在26.3-31.6GHz频段内，封装模型对外辐射的电场值降低了至少10dB，达到了90％及以上的吸波效果。根据仿真得到的电场值，可以根据以下两个公式进一步计算吸波结构的吸收率A：

E(dBμV/m)＝20log10(E/(1μV))

其中P

如图8所示为使用本发明所述吸波薄膜和其它几款商用吸波材料仿真后计算得到的吸收率对比图，为了便于比较，吸波材料的大小、厚度及放置位置与本发明吸波薄膜一致。从图中可以清楚的观察到相较于使用商用吸波材料，使用本发明所述的吸波薄膜结构，从吸波带宽和吸波效率上都实现了更加优异的辐射抑制效果，且在26.3-31.6GHz频段内实现了90％以上的吸收率。由此可知，应用本发明所述的吸收体结构可以在其工作频段内有效降低整个系统级封装场景的辐射泄露。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明的精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。