In this paper, a novel electromagnetic bandgap(EBG) structure with a significantly extended noise isolation is proposed. So we called a vertical multi-stacked EBG (VMS-EBG) structure, fabricated on a low-temperature co-fired ceramic (LTCC) multilayer substrate. The VMS-EBG structure was devised for wideband suppression of simultaneous switching noise (SSN) coupling in multi-layer System-in-Package (SiP) and Printed Circuit Board applications.
The proposed VMS-EBG structure was analyzed by using an analytical modeling method for mushroom-type EBG unit cell. Design approach was enabled by combining multi EBG layers embedded between each power and ground plane pairs. The multi EBG layers had different band gaps from using different cell sizes. In this paper, we embedded two kinds of EBG layer in each multi-layer power ground plane pairs. Enhanced wideband suppression of the SSN coupling was validated using a 12.5 GHz noise stop bandwidth with 30 dB isolation in frequency domain measurements up to 20 GHz.
LTCC-based X/Ku-band transceiver SiP with VMS-EBG was fabricated for validating the effect of the proposed VMS-EBG structure. The fabricated transceiver SiP is composed of Ku-band transceiver. The effect of VMS-EBG which gives 30dB isolation over Ku-band range was demonstrated through frequency domain measurement.
현재 시스템 인 패키지 시장은 더욱 성장세를 보이고 있고 이와 더불어 하나의 시스템 안에 들어가는 터미널의 수 역시 더욱 증가하여 집적도는 훨씬 높아지고 있다. 이런 추세에 패키지 기술 역시 top층에는 신호선을 거의 놓을 수 없고 inner 층을 늘림으로써 그 해결책을 찾고 있다. 따라서 이런 다층 기판상에서 대부분의 시스템 인 패키지는 혼성 신호 시스템이다. 즉, 한 패키지 안에 노이즈를 잘 발생시키는 디지털 회로들 뿐만 아니라, 노이즈에 민감한 RF 및 아날로그 회로들이 모두 함께 존재한다. 이 때, 빠르게 스위칭하는 디지털 회로들은 광대역 Power/Ground Noise를 발생시키며, 이렇게 발생된 고주파 광대역 Power/Ground noise 는 전자파의 형태로 노이즈에 민감한 RF 및 아날로그 회로들로 노이즈 커플링을 일으키게 된다. 이에 따라 광대역 잡음 억제를 위한 광대역 Stopband를 가지는 EBG 구조가 필요하게 된다.
본 논문에서는 다층 패키지 및 다층 선로기판 상에서 광대역 Stopband를 가지는 Multi-stacked EBG구조 (VMS-EBG) 를 제안하였다. 이 VMS-EBG 구조의 개념은 각각 다른 power/ground 쌍안에서 일정한 크기의 EBG cell을 집적하고 각 power/ground 사이에 집적된 EBG cell의 크기에 의해 stopband를 광대역으로 만들 수 있다. 즉, 다시 말해 다른 EBG cell의 크기에서 오는 Stopband를 모두 노이즈 차단을 위하여 사용할 수 있다는 것이다. 이로써, 광대역 Stopband를 형성할 수 있게 된다.
본 논문에서는, 제안된 VMS-EBG 구조의 Stopband를 예측하기 위하여, 간단하고 빠른 Analytical Modeling 방법을 VMS-EBG에 맞게 제안하고, 측정을 통하여 검증을 하였다. 이 Modeling 방법은 단위 셀에 행해지던 하나의 power/ground 상에서 1차원 모델을 통하여, 다층 기판 상으로 확대하여 VMS-EBG 구조의 Stopband를 예측할 수 있는 방법이다.
제안된 새로운 VMS-EBG 구조의 효과를 보기 위하여, Ku-band Transceiver SiP 를 제작하였다. 제작된 Transceiver SiP에 집적된 VMS-EBG는 Ku-band 주파수 대역 에서 -30 dB 이상의 isolation을 보였으며, 또한 Ku-band 주파수 대역의 Power/ground noise의 isolation 효과를 frequency-domain 측정을 통하여 성공적으로 검증할 수 있었다.
