王 霞,鄭龍飛,王蒙軍,張紅麗,吳建飛,4

(1.河北工業(yè)大學電子信息工程學院,天津 300401;2.電子材料與器件天津市重點實驗室,天津 300401;3.天津先進技術研究院,天津 300401;4.國防科技大學電子科學學院,湖南 長沙 410073)

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子、機器人和無人駕駛的興起，現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)應用領域的不斷擴大，F(xiàn)PGA得到快速發(fā)展。FPGA電路速度、集成密度和I/O端口數(shù)量的大量增加，是導致其產(chǎn)生電磁輻射的重要因素[1]。FPGA高密度、高速度、動態(tài)可重構性和多元化發(fā)展等發(fā)展特點和發(fā)展方向會導致面臨的電磁輻射問題更加復雜，而抑制電磁輻射以滿足集成電路電磁輻射標準一直是必不可少的環(huán)節(jié)[2]。

目前已經(jīng)發(fā)布了針對集成電路電磁發(fā)射的測試標準IEC 61967[3]，馬來西亞大學電磁兼容中心使用GTEM小室測試FPGA芯片的電磁輻射，研究了芯片位置對輻射的影響[4]，但是并沒有對芯片表面的電磁輻射分布進行研究分析。對于電磁屏蔽，金屬屏蔽層[5]或者屏蔽盒[6]是常見的處理方案，是封裝級屏蔽的主流趨勢之一。金屬屏蔽材料具有良好的屏蔽效能，并且穩(wěn)定、可靠，可以對芯片提供額外的物理保護[7]。但是，同樣存在明顯的缺點，即封裝成本高，以及由于連接焊盤而導致的空間損失，使得金屬類的屏蔽解決方案并不完美。

本文選取了2種不同的電磁屏蔽材料：一種是由納米金屬材料復合而成的新型高分子屏蔽材料；另一種是由聚氨醋海綿通過化學鍍工藝制造的電磁屏蔽材料。將這2種新型材料應用到FPGA的電磁輻射問題上，按照目前已經(jīng)發(fā)布的IEC61967-1[8]和IEC61967-3標準，選擇表面掃描方法來進行測試，觀察FPGA不同狀態(tài)下和屏蔽前后的電磁輻射發(fā)射結果。

2 芯片介紹

本文選擇的研究對象是XILINX的XC7K325T芯片，采用體硅28 nm HKMG工藝和900引線Flip-Chip BGA(FCBGA)封裝工藝，外型如圖1所示，是一款高性能、高性價比的SRAM型FPGA。其具有現(xiàn)場可編程特性，集成了功能強大、可以靈活配置組合的可編程資源，提供了豐富的布線資源，適用于實現(xiàn)夏雜、高速的數(shù)字邏輯電路。

Figure 1 FPGA chip圖1 FPGA芯片

FPGA有著豐富的引腳和復雜的結構，F(xiàn)PGA引腳示意圖如圖2所示。為了滿足可重構的特性，F(xiàn)PGA被設計成了一個島狀的邏輯塊矩陣電路，每個邏輯塊里又有很多個相同的子邏輯塊，每個子邏輯塊中有實現(xiàn)任意電路的各種元素。布線資源連通FPGA內(nèi)部的所有單元，而芯片的電流環(huán)路是主要的輻射源，IC脈沖電流是由時鐘信號驅動的硅芯片的晶體管同步開關噪聲造成的結果，這些電流通常從IC的源極端口引出，并通過IC的接地端口返回，從而引起IC的電磁輻射。

Figure 2 Schematic diagram of FPGA pins圖2 FPGA 引腳示意圖

芯片內(nèi)部的電流環(huán)路能夠引起遠場區(qū)域的磁場，式(1)給出了磁場的表達式。

(1)

其中，ω是角頻率，μ0是自由空間的磁導率，I是回路電流源，β0是相位常數(shù)，η0是自由空間的固有阻抗，θ是z軸方向與觀察點之間的角度，A是電流環(huán)路的面積，r是環(huán)路中的點到觀測點的徑向距離，α0是電磁場的單位向量。

電場和磁場都是由電荷產(chǎn)生的，另外，電場和磁場能夠互相產(chǎn)生對方，式(2)定義了電場的表示式。

(2)

3 電磁輻射屏蔽

3.1 屏蔽抑制原理分析

電磁屏蔽材料的屏蔽機理主要是基于電磁波的反射波和吸收，電磁屏蔽材料的電磁屏蔽能力被稱為屏蔽效能SE(Shielding Effectiveness)，其計算方式如式(3)所示：

(3)

其中，Ewithout是沒有屏蔽處理的電場，Ewithin是在相同位置施加屏蔽處理的電場。

當入射波傳播到屏蔽材料表面時，如圖3所示，會有一部分在到達屏蔽材料表面時就發(fā)生反射；一部分未被反射從而透過屏蔽材料達到衰減；剩余的透射波到達屏蔽材料的另一個表面，發(fā)生二次反射，并以轉換為熱能的形式在屏蔽材料內(nèi)部形成多次反射。式(4)定義了屏蔽的損耗SEdB為反射損耗RdB、吸收損耗AdB和多次反射損耗MdB的和:

SEdB=RdB+AdB+MdB

(4)

Figure 3 Principle of electromagnetic shielding圖3 電磁屏蔽原理

反射損耗RdB、吸收損耗AdB和多次反射損耗MdB的定義分別如式(5)～式(7)所示：

(5)

(6)

(7)

其中，t是屏蔽材料的厚度，δ是趨膚深度。

屏蔽效能取決于屏蔽材料的種類、厚度、體積、接地結構和所選取的頻率。從理論上講，材料的屏蔽效果主要取決于3種損耗機制：反射、吸收和多重反射。通過以上公式可以得知，選取合適的電磁屏蔽材料可以有效地實現(xiàn)芯片的電磁輻射抑制。

3.2 電磁屏蔽材料介紹

芯片的金屬封裝能夠起到物理保護作用，還有一定的電磁防護作用[9]。但是，由于芯片內(nèi)部電路的電磁輻射和外界復雜的電磁環(huán)境，簡單的金屬封裝可能無法為芯片提供足夠的保護[10]。如果在芯片表面繼續(xù)使用傳統(tǒng)的電磁屏蔽，將占用很大的空間，與目前的小型化和高集成度的發(fā)展趨勢不符。本文所選用的FPGA芯片周圍有豐富的元器件，針對其高集成度的特點，如圖4所示，選取了2種新型的電磁屏蔽材料。

Figure 4 Shield material and conductive sponge shielding material圖4 屏蔽罩材料和導電海綿屏蔽材料

一種電磁屏蔽材料是由導電無紡布、導電納米碳銅等材料復合而成的，如圖4a所示，是新型的高分子導電屏蔽材料。該材料在具有良好屏蔽效能的同時，還可替代傳統(tǒng)的金屬屏蔽罩蓋，從而實現(xiàn)芯片的輕薄化發(fā)展。在屏蔽材料將電磁輻射轉化為熱能的情況下，屏蔽罩良好的熱擴散性依舊能夠很好地擴散芯片的熱能，保證FPGA的正常運行[11]。

另一種電磁屏蔽材料是全方位導電海綿，是由聚氨醋海綿通過化學鍍工藝制造而成的，如圖4b所示，是具有優(yōu)異導電性能的EMI材料[12]。該材料采用的化學鍍工藝可以完整地保留海綿基材本身的結構穩(wěn)定性和韌性，極好的高壓縮和高回彈性使其具有優(yōu)異的抗沖擊效能，能夠對FPGA的航天航空等多方面的應用帶來有效的改善和幫助；化學鍍技術能夠更好地滲透海綿深層，其鍍層結合力更好、更均勻，使產(chǎn)品的電磁屏蔽性能更好。

4 測試設置

在集成電路電磁發(fā)射測試標準(IEC 61967)中，IEC61967-3為表面掃描法。采用表面掃描儀可以精確測試由集成電路輻射發(fā)射而形成的表面電場和磁場分布。圖5展示了表面掃描測試所需要的儀器。

Figure 5 Test software and hardware 圖5 測試軟硬件

本文選擇XILINX-7系列芯片作為表面掃描測試的待測設備。在測試過程中電磁環(huán)境的限值要求是6 dB，所以整個測試在屏蔽室中進行，以確保在電磁輻射發(fā)射掃描測試的過程中不會有其他輻射源產(chǎn)生干擾。FPGA測試板具有不規(guī)則形狀的特點，為了確保測試的安全性和標準性，本文使用絕緣膠帶將待測設備水平放置并固定在表面掃描儀的測試臺上，并做好儀器的防靜電設置。

本文選擇ICR HV-100-27磁場探頭作為測試探頭，為了保證測試結果的準確性，根據(jù)測試芯片的尺寸大小、晶振頻率等進行軟件的參數(shù)設置，如表1所示，其他配置由軟件自動配置。

Figure 6 Test spectrogram in different states圖6 不同狀態(tài)下的測試頻譜圖

Table 1 Parameter setting

5 測試結果與分析

5.1 不同狀態(tài)下的測試

所有測試設置工作準備好后，為了排除測試過程中其他輻射源的干擾，首先在FPGA非工作狀態(tài)下，測試屏蔽室中測試環(huán)境的底噪，驗證測試環(huán)境中有無其他的干擾源，以保證測試結果的準確性。

FPGA的可重構特性為研究芯片級電磁輻射提供了多樣性，可以通過配置不同的程序而不是更改其封裝參數(shù)來進行電磁輻射的研究。對多種狀態(tài)下的FPGA進行掃描測試，測試結果如圖6所示。

圖中S1為FPGA正常通電狀態(tài)下的測試結果，S2為FPGA運行自我檢測程序狀態(tài)下的測試結果，S3為FPGA運行FIFO程序狀態(tài)下的結果。經(jīng)過頻譜圖的對比發(fā)現(xiàn)，輻射峰值出現(xiàn)在FPGA的晶振頻率及其倍頻部分，為了更好地分析不同狀態(tài)下FPGA的輻射發(fā)射，對測試結果進行數(shù)據(jù)分析。

圖7顯示了在晶振頻率及其倍頻點處，F(xiàn)PGA在3種狀態(tài)下對應的測量結果,以及FPGA在燒錄過程前后的輻射發(fā)射差值。通過對比分析可知，在運行FIFO傳輸程序狀態(tài)下，F(xiàn)PGA的電磁輻射發(fā)射情況較為嚴重、問題明顯。因此，本文選擇在該狀態(tài)下的FPGA進行電磁輻射的屏蔽抑制分析。

5.2 電磁屏蔽抑制分析

為了能夠更好地研究電磁屏蔽材料對FPGA輻射發(fā)射的抑制作用，在運行FIFO傳輸程序的狀態(tài)下，選擇2種不同的屏蔽材料對待測芯片進行輻射發(fā)射抑制。通過近場掃描測試，將FPGA屏蔽前后的測試結果進行對比分析，觀察電磁屏蔽材料的屏蔽效能。

由金屬材料復合成的屏蔽罩材料具有金屬材料優(yōu)秀的電磁輻射吸收能力，同時具有輕薄、柔性好的特點，如圖8所示，屏蔽罩材料可以與芯片更好地貼合。圖9顯示了施加導電海綿材料的FPGA，該屏蔽材料的高壓縮特點和回彈性有助于FPGA在更復雜的環(huán)境下應用。

Figure 7 Spectrum analysis chart圖7 頻譜分析圖

Figure 8 FPGA with shield applied圖8 施加屏蔽罩的FPGA

Figure 9 FPGA with conductive sponge圖9 導電海綿下的FPGA

經(jīng)過近場表面掃描測試,在屏蔽前所測得的芯片輻射值為-69.5～-55.4 dBm，在采用屏蔽罩和導電海綿屏蔽材料后測得的輻射以及色階變化值分別為-79.4～-58.8 dBm和-79.2～-58.1 dBm。為了更直觀地比較、判斷FPGA屏蔽前后的差別，將3組測試結果放在同一參考系中做對比，因此將輻射發(fā)射色階變化的參考數(shù)值設置為-79.4～-55.4 dBm，結果如圖10所示。

Figure 10 Comparison of radiation emission before and after shielding圖10 屏蔽前后的輻射發(fā)射對比圖

圖10a表示的是FPGA屏蔽前的測試結果，圖10b和圖10c分別表示采用屏蔽罩材料和導電海綿材料后的測試結果。測試芯片輻射發(fā)射的整體趨勢沒有發(fā)生變化，2種電磁屏蔽材料都起到了電磁輻射屏蔽的作用。

在同一參考體系下，通過測試結果以及色階變化的比較可知，屏蔽罩材料的屏蔽效能要優(yōu)于吸波導電海綿材料的；針對屏蔽前后變化較大的單一頻點進行分析，比較屏蔽前后的輻射發(fā)射測試結果，屏蔽罩的屏蔽增益最高可達到10 dBm左右，體現(xiàn)了金屬材料優(yōu)秀的電磁輻射屏蔽能力，這也是金屬屏蔽層目前作為主流屏蔽材料的原因之一，隨著FPGA緊密結合需求進行多元化的發(fā)展，屏蔽材料除了需要具備良好的屏蔽效能外，還應該有助于多領域的應用。 導電海綿材料的特性就突出了其功能性，其壓縮性和回彈性能夠對芯片起到額外的保護。

6 結束語

本文選取了XILINX的28 nm高性能芯片作為研究對象，以集成電路電磁輻射測試標準為依據(jù)，在不同狀態(tài)下對FPGA進行了近場表面掃描測試，針對其高集成度的特點，選取了2種新型的電磁屏蔽材料對FPGA芯片進行輻射發(fā)射屏蔽抑制。理論上金屬材料能夠更有效地屏蔽電磁波的輻射發(fā)射。實驗結果也驗證了這一點，含有金屬復合材料的屏蔽罩的屏蔽效能優(yōu)于導電海綿屏蔽材料的。通過實驗表明，將新型屏蔽材料應用到FPGA上，有效改善了FPGA的輻射發(fā)射問題，并有助于FPGA在航空、航天等復雜場景的多領域應用，具有實際應用意義。由于電磁屏蔽材料的屏蔽機理是將吸收的電磁波轉化為熱能，后續(xù)可以針對屏蔽材料的厚度對屏蔽的影響、電磁波與熱能間的轉換等方面進一步研究分析。