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芯片封装电磁干扰可视化——测试系统4EM500

背景分析
电子封装是集成电路制造中的一项关键工艺。在硅或砷化镓等晶圆上通过使用薄膜工艺技术制造的IC器件尺寸极为微小,且结构也极其脆弱,因此必须使用一套保护措施把它们“包”装起来,防止IC器件因受到外力或环境因素的影响在输送与取置的过程中受到破坏。此外,集成电路器件也必须与电阻、电容等无源器件组合成为一个系统才可以发挥特定的功能。因此,电子封装的主要功能是建立IC器件的保护与组织架构,封装工艺流程始于IC芯片完成之后,包括IC芯片的粘结固定、电路互连、结构密封、与电路板的接合、系统组合、以至于产品完成之间的所有工艺,其目的是完成IC芯片与其它必要的电路零件的组合,以传递电能与电路信号、承载结构保护、提供散热途径等功能。

芯片的封装有各种不同的形态,封装的形态以及该用何种工艺技术与材料去完成由产品的电磁、热传导、可靠度之需求、材料与工艺技术、成本价格等因素所决定。

集成电路(IC)的电磁环境可靠性,也叫集成电路的电磁兼容性,是衡量IC器件在预定电磁环境下工作时是否会对其他器件的工作产生骚扰,同时自身性能是否会受到其他器件所骚扰的一个指标。对于集成电路来说,这个指标的提出是电子产品电磁环境高可靠设计的需求,同时也是芯片集成度日益增高时电磁环境可靠性问题越来越突出以致直接关系到芯片性能的结果。建立可靠的EMI调试手段的目的则在于排除产品内部的EMI问题,提高产品质量;体现在电路设计上,应当从源头环节降低产品对外的电磁干扰;在电路设计上考虑产品的抗干扰性能,提高产品的电磁环境适应能力。

必要性分析

任务的技术特点和难点

随着电子产品芯片复杂度不断提高,噪声容限、功耗和特征尺寸不断降低,同时,随着互连线所传输的脉冲信号扩展到微波、毫米波频段,互连线已不能简单视为无电阻,无电容,无电感的金属导线。在高频或交流的情况下,信号的波长已与封装引线的尺寸处于同一数量级,信号脉冲在互连线上呈现明显的波动效应。因此,在现代高速大规模集成电路系统中,封装结构尤其是互连线系统对整个电路系统电特性的影响日趋明显,对互连、封装结构电气特性的分析在整个高速集成电路系统的分析和设计中占有越来越重要的地位。

由于集成电路的由于其设计任务不同,以致功能不同,设备构成不同,这样影响辐射的基本条件因素较为多样,很难得到形成具有普遍制导意义的规则,需要利用测试设备进行电磁问题识别。

芯片级电磁兼容的描述是一个相对较新的学科,尽管对于电子系统及子系统已经有了说明详细的标准和辐射参考标准,但对于在这些系统中应用到的集成电路来说却是一个空白。尤其是近年来集成电路的制造工艺在不断提高,已从超深亚微米进入到纳米阶段,加工芯片的特征尺寸进一步减小。于是,越来越多的功能,甚至是一个完整的系统都能够被集成到单个芯片之中。这就使得芯片级电磁兼容显得尤为突出。

进行集成电路封装电磁辐射噪声测试,需要达到两个方面的要求:
(1)要了解集成电路在当前封装下的辐射噪声量级;
(2)要定位出当前小片上集成电路封装内电磁辐射量过大的区域;

要完成这样的要求,最可靠的测试是采用近场测试系统对集成电路封装进行直接的测试,而目前的普通近场电磁辐射测试系统设备的空间分辨率精度普遍在1mm的左右,对于芯片这样的尺寸来说显较大,因此需要空间测试精度更高的测试系统对封装本体和引脚进行细致的扫描。

购置的必要性

标准的EMI测试需要在暗室里完成。对于已经有电磁兼容测试暗室,但暗室测试只能判断产品是否合格,无法具体细则判断什么原因造成测试不合格。使得无法进行较有针对性的整改工作,通过经验整改后的产品也无法立刻进行测试;由此,构建一套在一般普通实验室环境下就可以实现的集成电路封装EMC测试手段,能进行针对性而高效的电磁兼容预测试就尤为必要,使得设计人员对所开发中集成电路产品的实施电磁兼容特性的摸底测试。可视化的高精度电磁干扰预测试技术,能使设计人员在不同功能和任务电子设备研制过程中,通过EMC预测试手段来发现问题,及时采取有针对性的措施,降低纠错成本。实践证明,在产品开发过程中,越早考虑电磁兼容,所付出的成本越低,解决的手段越多,效率也越高。

由于产品设计的问题和一定的客观因素的存在,导致了电磁兼容状况不容忽视。在电磁兼容测试过程中,设备还是有个别项通不过或个别频段难以达标。原因主要有以下两点:

(1)仿真软件的局限性。
当前的CAE和EDA软件在某些领域和项目上有较好的制导作用,如EDA软件仿真对于信号完整性(SI)仿真比较准确,而对于电磁兼容仿真(EMC),往往和芯片模型、结构、工艺等各方面多个因素有关,所以仿真出来的结果和实际测试有很大差距。而且国军标规定的多项中,有大部分无法进行软件的仿真,即便进行了仿真,由于目前电磁兼容领域设计领域广泛,现有的仿真技术程度无法保证在所有的测试项目中具有较好的精确度,使得仿真的结果往往是相差十几分贝甚至更高,稍微好的仅仅在趋势上具有指导意义,无法达到形成或接近硬件测试这样高的精确度。

(2)测试的局限性。
当前不具备进行针对性的测试手段,无法把电磁兼容问题在设计阶段解决,等到产品生产测试阶段才发现,反过来再进行设计阶段的问题的整改,其在整改难度、研发周期、额外费用多个方面都影响较大。
传统EMI对策,是将试制完成的产品(EUT)送到电磁兼容(EMC)认证测试中心的暗室,实测它发出的电磁辐射;针对实测结果,采取相应对策。如果测试未通过,就由EMI工程师负责采取屏蔽、滤波、接地等手段把EMI“关”在产品内部。这种办法是把EMI对策作为产品上市的最后一道工序来考虑的。采取的方法是“弥补”方式,经常需要反复多次去EMC认证测试中心,随着产品工作频率的提高,这种方法的工作量越来越大,而且被“关”在产品内部的电磁辐射可能会影响其他电路的正常工作,导致EMC过了,产品其他技术指标可能被降低了,或者产品的性能很不稳定。暗室测试的优点是了解设备整体的EMC状态,但是无法定位EMC/EMI问题点。

产品功能和组成

电磁可视化测试系统主机4EM200
系统采用磁场探头测试,探头的扫描步进的幅度和轨迹由控制BOX进行控制,该控制BOX由马达控制PCI卡与PC机进行通信。扫描测试的信号通过扫电缆输入到频谱分析仪,频谱分析仪通过分析后,由GPIB-USB方式通信给PC机,PC机进行测试结果的可视化图形显示和数值显示。

扫描能测试电磁场分布。把近场测得的信号变成数字信号后,供记录、分析、文件存档。设备将得到电磁干扰情况的图像,通过图像分析,设计人员找出问题所在并加以解决。测试系统由下面几部分所组成:
1. 扫描控制器;
2. 高精度扫描仪;
3. 扫描仪控制测量软件;
4. PC和频谱分析仪(用户采购)。


图1 测试系统的组成架构

测试系统的功能主要有以下两点:
(1)通过测量给出频率范围内的单个频率的幅度峰值,这样便可与EMC标准进行对比,得到有问题的频率点和范围;


图2 得到对应频段电流值

(2)通过确定选定频率点的辐射源的位置和辐射的强度,可以通过测试系统的可是化软件得到辐射强度分布图,可以和设计的PCB结构层叠在一起,直观的观察到当前设计中辐射较强的器件或走线部分等。




图3 集成电路封装电磁辐射可视化分布

  近场测试的结果 远场测试的结果(3M)
测试1
测试2

通过确定选定频率点的辐射源的位置和辐射的强度,可以通过测试系统的可是化软件得到辐射强度分布图,可以和设计的PCB结构层叠在一起,直观的观察到当前设计中辐射较强的器件或走线部分等。

扫描仪的测量结果可以输出到EMIStream,使得问题部位(元件、模块、引脚)的判断变得容易。而且,利用EMIStream的PCB板分层显示功能,不仅是测量面,还可以找出内层和背面的骚扰源和问题部位。

电磁可视化系统可以以多种方式显示测试近场探头的测试结果,相比与其他的测试系统,多样的显示方式可以更快的定位PCB的问题点,让研发人员全面了解产品的当前的电磁干扰状态。

(1)电磁辐射峰值显示
通过近场磁场探头得到当前测试PCB的峰值进行显示,这样可以定位PCB,芯片等电磁干扰点问题的所处位置,另外可以很容易地确认峰值频率。

(2) 不同频率辐射分布显示
对于某些情况下,需要了解PCB在不同频率下的电场分布情况,如基频的谐波成分的分布,这样的时候就需要进行不同频率的显示。另外,还可以做t 倍时钟确认,以及外部干扰不显示功能。

下面图为测量某芯片设备工作时,在不同的频率下芯片和外围电路电磁噪声辐射的分布:


(1) 120MHz

(2) 480MHZ

(3) 960 MHZ

(3)AB差分功能
AB差分的功能是为了比较两次相同条件下测得的结果的差分数据,该功能显示出两次集成电路封装测试的差值分布。该功能常用在比较对芯片进行整改后分析整改效果时使用。

(4)X/Y合成功能
该功能对X,Y两方向的测量结果进行合成处理。由于磁场探头有方向性(要求磁场通过探头前端环路),这样如果要求得到精度更高的测试结果,可以通过测试探头对X 和Y方向的测试结果进行合成,以达到更进一步的高精度测试。

X方向测试结果
Y方向测试结果
XY方向测试结果

另外对于XY合成的结果,同样可以查看指定频率下的相关参数:


图4 测试设备主机外形

表一 产品技术规格

测试探头
测试探头是磁场探头,通过近距离的靠近测试的元件,PCB或者设备外壳,可以得到电磁场的分布情况,以及相关频率干扰的数据。本系统测试频率覆盖范围为150K~18GHz,可以达到国军标151-97A中的RE102的上限频率18GHz。

MP-10 CP-2S AEMP002
150K~1GHz 10M~3GHz 10M~18GHz

 

软件
系统中软件由控制软件和结果分析处理软件两部分构成,控制软件完成对磁场探头测试轨迹的控制;结果分析软件用来可视化测试结果。

生产商和供应商介绍

生产厂商
电磁可视化高精度测试系统由欧洲著名的瑞士SPEAG公司推出,该公司在设备的电磁兼容、电磁测量、生物电磁学等领域在世界范围内有着广泛的影响。SPEAG公司有着完善的产品体系,其高精度的硬件测试设备为电子产品的研发可靠性提供了保证,测试系统由于其优良的特性,已出口到国际上多个国家和机构,得到了广泛的使用。

供应商
北京天源博通科技有限公司,专业提供最先进的电磁兼容测试系统,电磁兼容仿真软件解决方案,并提供专家级的技术和咨询服务,公司的主要服务对象是电子产品研发和生产型企业,帮助企业建立经济有效的电磁兼容设计、测试和诊断系统。

与其他设备的比较

性能比较 4EM500 EMSCAN
测试范围 覆盖范围广: 150K~18GHz 测试范围为: 10M-4GHz
探头距离 探头步进距离可调节, 最低可达为:0.01mm 探头固定不可移动 探头间距离7.6mm
探头测定方式 磁场探头可四轴(四个方向) 测量
可以测定(x,y,z,theta(1°))
只可以二维测量(x,y)
是否需要频谱仪 需要 需要

 

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