《IEEE Access》：Design of Electromagnetic Bandgap Structures in Glass Interposers based on Dispersion Analysis for Signal and Power Integrity Improvement
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本文针对玻璃中介层中电源/地噪声耦合问题，提出了一种基于色散分析的高效电磁带隙（EBG）结构设计方法。研究人员通过将EBG结构单元建模为传输线，系统分析了贴片电容、玻璃通孔（TGV）电感及缺陷结构对噪声抑制频带的影响，并制备了多种测试载体进行验证。结果表明，该方法能准确预估噪声抑制带隙，且设计的EBG结构可实现宽带噪声抑制，显著提升了玻璃中介层的信号与电源完整性，为高性能封装设计提供了重要参考。
随着电子设备向更高性能和更小尺寸发展，先进封装技术如玻璃中介层（Glass Interposer）因其优异的电气性能和高频特性而受到广泛关注。然而，在高速电路中，电源分配网络（Power Delivery Network, PDN）内的开关噪声会通过电源/地平面耦合到相邻的信号通道中，严重威胁信号的完整性（Signal Integrity, SI）和电源的完整性（Power Integrity, PI）。这种噪声耦合可能导致时序错误、误码率上升，甚至系统失效。传统的去耦电容方法在应对高频噪声时效果有限，因此，寻找一种能够有效抑制宽带噪声的新型结构成为当务之急。电磁带隙（Electromagnetic Bandgap, EBG）结构作为一种周期性结构，能够在一定频率范围内产生带隙，从而阻止电磁波的传播，为抑制电源/地噪声提供了有前景的解决方案。然而，在玻璃中介层这一特定平台上，如何高效地设计EBG结构，使其在不增加额外工艺步骤的前提下实现最优的噪声抑制性能，仍然是一个挑战。本研究旨在通过一种基于色散分析（Dispersion Analysis）的系统性方法，来解决这一设计难题。
本研究发表于《IEEE Access》，作者团队提出并验证了一种针对玻璃中介层的EBG结构高效设计流程。为达成研究目标，作者主要采用了几个关键技术方法：首先，将EBG结构的单元细胞（Unit Cell）等效为传输线（Transmission Line）模型，从而进行高效的色散分析以预估噪声抑制频带；其次，系统性地研究了关键设计参数——包括金属贴片（Patch）引入的电容、玻璃通孔（Through Glass Via, TGV）产生的电感以及缺陷结构（Defected Structure）——对带隙特性的影响；最后，研究通过加工制造多种测试载体（Test Vehicles）并进行实际测量，以及利用三维电磁仿真（3-dimensional Electromagnetic Simulation）对设计进行验证，并将噪声传播和耦合至TGV通道的行为作为评估信号与电源完整性的关键指标。
研究结果
基于色散分析的带隙预估
研究人员将EBG结构的单元细胞建模为传输线，通过分析其色散特性，能够快速且准确地估计出电源/地噪声的抑制频带（即带隙）。该方法为后续的优化设计提供了理论依据和快速评估工具，避免了完全依赖耗时的大型电磁仿真。
设计参数对噪声抑制带的影响
研究详细表征了贴片电容、TGV电感以及缺陷结构这三个关键参数对噪声抑制频带位置和宽度的影响。结果表明，通过调整这些参数，可以有效地调控EBG结构的带隙特性，从而实现针对特定噪声频率的定制化设计或拓宽抑制带宽。
实验验证与仿真相关性
加工完成的多种测试车辆的测量结果与通过色散分析预估的噪声抑制带隙显示出良好的相关性。这一结果有力地验证了所提出的基于色散分析的设计方法的有效性和准确性。
宽带噪声抑制EBG结构的设计与应用
为了展示所提方法的实用性，研究人员进一步设计了一种包含多个噪声抑制频带的EBG结构，旨在实现宽带噪声抑制。通过三维电磁仿真验证了该设计的有效性。
对信号与电源完整性的改善效果
最终，通过分析噪声在电源分配网络中的传播以及其耦合到TGV信号通道的情况，证实了所设计的EBG结构集成在玻璃中介层后，能够显著改善系统的信号完整性和电源完整性。
结论与讨论
本研究的核心结论是，基于色散分析的电磁带隙结构设计方法能够高效、准确地指导玻璃中介层中EBG结构的优化。该方法充分考虑了玻璃中介层的工艺特点，利用其固有的结构（如TGV）实现EBG功能，无需增加额外的制造步骤，具有很高的实用价值。讨论部分强调，通过系统性地调控贴片、TGV和缺陷结构等参数，可以灵活地设计出满足特定带宽需求的EBG结构，甚至实现宽带噪声抑制。这项研究不仅为玻璃中介层这一先进封装平台提供了一种可靠的电源完整性解决方案，其基于色散分析的设计思路也对其他类型的封装基板或电路板上的EBG结构设计具有重要的借鉴意义。最终，该技术有助于推动更高性能、更可靠的高速电子系统的发展。
