高 成 ，李 維 ，梅 亮 ，林辰正 ，黃姣英

（1.北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100191；2.航天科工防御技術(shù)研究試驗中心，北京 100854）

0 引言

21 世紀(jì)后的電子產(chǎn)品都在追求一個相同的目標(biāo)：便攜、輕薄。這對現(xiàn)代半導(dǎo)體設(shè)備的輕量小型化、綜合化[1]以及高可靠性提出了更高的要求，如何在這方面取得突破也成為微系統(tǒng)領(lǐng)域的一個研究熱點[2]。但技術(shù)發(fā)展同時也暴露出許多問題：光刻技術(shù)受限；散熱、漏電問題；高集成度影響芯片性能；成本問題[3]等。因此研究者們開始著眼于封裝技術(shù)，如系統(tǒng)級封裝（System in Package，SiP）。它是指多個有源器件的組合，這些功能不同的器件被組裝在一個單元中，單元提供系統(tǒng)或子系統(tǒng)功能[4-9]。這種具有3D 封裝特色的封裝方案[10]不僅極大程度縮減封裝體積，還具有開發(fā)周期短、低成本、低功耗、高性能的優(yōu)點，能提高生產(chǎn)效率，簡化系統(tǒng)開發(fā)，提升開發(fā)彈性與靈活度，降低供應(yīng)鏈管理難度，這也使SiP 器件在宇航、武器裝備、可穿戴設(shè)備以及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域里得以廣泛應(yīng)用[7-8，11-15]。

SiP 技術(shù)不斷發(fā)展，頻率較低的頻譜資源逐漸無法滿足人們的使用需求，SiP 器件的工作頻率越來越高，過程集成技術(shù)不斷進(jìn)步，其內(nèi)部更高的開關(guān)速度和更復(fù)雜的電路增加了產(chǎn)生的電磁發(fā)射量，這也帶來了電磁環(huán)境干擾的問題[16]，電路中的部分走線在波長相近時可能會形成“天線”，產(chǎn)生電磁輻射耦合[17]。例如在醫(yī)療領(lǐng)域，高頻手術(shù)刀、微波設(shè)備等精密儀器如果受到電磁輻射影響，后果不堪設(shè)想。鑒于電磁輻射干擾造成的不良影響，國際社會越來越關(guān)注電磁輻射干擾問題。迄今幾乎每一個國家都有一套針對自己國家市場內(nèi)電子產(chǎn)品的EMC 電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，只有通過了相應(yīng)國家的電磁兼容檢測，電子設(shè)備才能進(jìn)入市場[18]。

電磁輻射看不見、摸不著，必須借助于一定的儀器設(shè)備、測試技術(shù)來獲得對它的量的認(rèn)識。在近場區(qū)，磁場和電場強(qiáng)度大小沒有一個確定的相關(guān)關(guān)系，近場區(qū)的電場、磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)場區(qū)，從這個角度來看，電磁輻射問題的關(guān)注重點應(yīng)在近場區(qū)。在電磁輻射問題的眾多研究技術(shù)中，近場掃描技術(shù)由于其方便簡單、精度高、測量系統(tǒng)對測試環(huán)境具有高可操作性的特點[19]，故得以廣泛應(yīng)用。

根據(jù)測試方法來分，目前近場電磁輻射測試手段主要分為兩種：其一是通過電子開關(guān)控制陣列天線，這種方法掃描速度快，掃描一次就能得到電路板的近場電磁輻射信息，例如加拿大EMSCAN 公司的EMxpert 系統(tǒng)，將被測設(shè)備放置在由1 280 個探頭組成的掃描板上，掃描板連接到頻譜儀、計算機(jī)，顯示出掃描板探測的電磁輻射[20]；其二是利用測量探頭連接至頻譜儀進(jìn)行機(jī)械掃描測試，這種方法可用機(jī)器控制探頭，也可由測試人員手動移動探頭進(jìn)行掃描測試，例如德國Langer EMV 公司的推出的FLS-106 系統(tǒng)，采用單個探頭的掃描測量，探頭連接至頻譜儀進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、分析。這種方法雖然覆蓋頻率范圍廣，使用靈活，但是不同情況下要頻繁地更換探頭[21-23]。

這些方法目前對電磁輻射的研究大多停留在PCB板級，對單個器件的測試研究較少。在過去，大部分情況下都是由一塊安裝了各類元器件的PCB 板來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。而如今，SiP 技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展使得在更多情況下，系統(tǒng)功能通過單個SiP 器件來完成[24]。因此，對于單個SiP 器件的近場電磁輻射測試研究必不可少。近年來，雖然國際電工委員會相繼發(fā)布IEC 61967 和IEC 62132標(biāo)準(zhǔn)，但是我國尚未建立完善的相應(yīng)測試國家標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)技術(shù)、文檔等尚未成熟[25-26]，再加上電子產(chǎn)品電磁輻射測試的設(shè)計難度、試驗場地等問題的存在[27]，因此本文主要參考IEC61967 系列標(biāo)準(zhǔn)，基于表面掃描法，對SiP器件的近場電磁輻射測試方法進(jìn)行研究，并進(jìn)行了實例測試。

1 SiP 器件近場電磁輻射測試

1.1 基于表面掃描法的近場測試方法

將X 光掃描技術(shù)和近場掃描技術(shù)相結(jié)合，通過對SiP器件進(jìn)行電磁輻射發(fā)射測試，對表面掃描法進(jìn)行了研究，提出了一套基于表面掃描法的針對SiP 器件近場電磁輻射測試方法，如圖1 所示。

圖1 測試方法示意圖

（1）通過3D-X 光掃描技術(shù)對器件進(jìn)行掃描，結(jié)合SiP器件的原理圖研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與模塊劃分，分析器件內(nèi)部可能的干擾源。

（2）通過硬件層、軟件層的搭建，使器件進(jìn)入工作狀態(tài)。

（3）搭建近場測試系統(tǒng)，制定完善的測試方案，對器件在不同工作狀態(tài)下進(jìn)行電磁輻射近場測試，測試時先進(jìn)行電路板級的掃描，再進(jìn)行器件級掃描，遵循“從整體到局部”的原則。依據(jù)干擾幅度與傳播距離成反比的原則[28]，定位和驗證電磁輻射干擾源，評估電磁輻射干擾大小。

1.2 測試系統(tǒng)的搭建

本文主要參考IEC61967 系列標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)IEC61967-3，電磁輻射近場測試系統(tǒng)主要由測量探頭組、機(jī)械掃描儀、前置放大器、EMI 接收機(jī)以及上位機(jī)組成[29]，搭建的近場測試系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 近場測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

首先在上位機(jī)中安裝FLS-106 掃描儀的控制軟件ChipScan-Scanner，安裝必要的驅(qū)動程序。然后將掃描儀通過USB 線與上位機(jī)連接。前置放大器的安裝位置在掃描儀上方機(jī)械臂上，機(jī)械臂側(cè)邊有標(biāo)有PA 標(biāo)志的接口，放大器電源輸入接入12 V 接口。探頭安裝在機(jī)械臂固定臺上后通過線纜與放大器相連。EMI 接收機(jī)的輸入口與掃描儀的輸出口通過射頻線纜連接，再將接收機(jī)通過網(wǎng)線接口與上位機(jī)連接。除了這些信號傳輸線纜連接之外，還有電源線的連接。

出于安全考慮，引出的急停開關(guān)與掃描儀后端接口之間的線纜連接要確保穩(wěn)固，在實驗時，急停開關(guān)要確保放在能夠讓操作人員快速觸及的位置。待測設(shè)備由一根Micro USB 數(shù)據(jù)線直連供電。

其中，電磁輻射信號在測試系統(tǒng)中的傳輸路徑與過程如圖3 所示，電磁輻射信號首先產(chǎn)生于待測設(shè)備SiP器件，然后被近場掃描探頭捕捉，隨后經(jīng)過前置放大器放大，經(jīng)過射頻線纜傳輸?shù)紼MI 接收機(jī)進(jìn)行縮小還原，最后再傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件進(jìn)行分析、顯示。

圖3 電磁輻射信號傳輸路徑

2 案例研究

2.1 測試對象

選取的測試對象為ESP32-PICO-D4 系統(tǒng)級封裝模組，樣品尺寸為7.000 mm×7.000 mm×0.940 mm，內(nèi)部封裝ESP32 芯片以及所有外圍器件，主要功能是Wi-Fi/藍(lán)牙連接及數(shù)據(jù)處理，主要工作頻率在2.4 GHz 附近。通過X 光機(jī)掃描獲得其3D-X 光照片，如圖4（a）所示，其簡化后的內(nèi)部示意圖如圖4（b）所示。

圖4 ESP32-PICO-D4 模組

位于器件左上角的是內(nèi)置的ESP32 芯片，該芯片被埋置在基板中，并且能看到從管腳引出的鍵合絲與其他外圍器件連接。在右側(cè)基板上有一個比較大的4 管腳芯片，其余為電阻、電容等外圍器件。結(jié)合電路常見干擾源分析，該模組內(nèi)部主要干擾源為ESP32 芯片，其內(nèi)部包括藍(lán)牙模塊和Wi-Fi 模塊，這兩個模塊在工作時會發(fā)射頻段高至2.4 GHz 的射頻電磁輻射。在實例測試中用到的測試電路板如圖5 所示。

圖5 測試電路板實物圖

2.2 測試參數(shù)配置

在測量時，應(yīng)遵循“從大范圍到小范圍，從整體到局部”的掃描邏輯，先對整個電路板進(jìn)行大范圍低分辨率的快速掃描，再針對電磁輻射比較強(qiáng)的地方進(jìn)行小范圍高分辨率的掃描測試。測試參數(shù)配置如表1 所示。

表1 測試參數(shù)設(shè)置

2.3 測試結(jié)果分析

2.3.1 藍(lán)牙發(fā)射工作狀態(tài)下的電路板級掃描

通過硬件、軟件兩個層次的準(zhǔn)備使器件進(jìn)入工作狀態(tài)，在藍(lán)牙發(fā)射工作狀態(tài)下進(jìn)行近場掃描測試。先進(jìn)行整個電路板級別的掃描，分別測試近場電場、近場X 軸方向/Y 軸方向/Z 軸方向磁場，并對4 種測試結(jié)果進(jìn)行比較。板級掃描結(jié)果如圖6 所示。

圖6 藍(lán)牙發(fā)射狀態(tài)板級掃描結(jié)果

從測量結(jié)果可以看出，電場強(qiáng)度最高達(dá)到了90.8 dB，磁場強(qiáng)度最高達(dá)到81.6 dB，并且在SiP 器件附近出現(xiàn)了明顯的高場強(qiáng)聚集點，說明電路板上主要的電磁輻射來源于工作中的SiP 器件。此SiP 器件為塑封器件，并沒有金屬外殼的電磁屏蔽效果，因此產(chǎn)生的電磁輻射大量泄露到外界。

2.3.2 藍(lán)牙發(fā)射工作狀態(tài)下的器件級掃描

根據(jù)電路板級的掃描結(jié)果，可以將電路板上電磁輻射主要的干擾源定位到工作狀態(tài)下的SiP 器件附近，再對這些場強(qiáng)比較高的區(qū)域即SiP 器件附近進(jìn)行小范圍高精度的掃描測試，測試結(jié)果如圖7 所示。

從測試結(jié)果可以看出，SiP 器件的電磁輻射分布主要集中在器件的左上角，電場最大發(fā)射值達(dá)到了90.8 dB，磁場最大發(fā)射值達(dá)到了78.0 dB。并且每一個測試結(jié)果點都有對應(yīng)的全頻帶頻譜波形，如圖8 所示。

圖8 是圖7 中電場掃描結(jié)果中峰值點的頻譜波形，電磁輻射基本集中在2.4 GHz，與藍(lán)牙的工作頻率吻合.結(jié)合之前拍攝的3D-X 光照片可知，左上角輻射較強(qiáng)的區(qū)域恰好與器件內(nèi)部封裝的ESP32 芯片重合，這與之前分析的ESP32 芯片為主要干擾源相吻合。

圖7 藍(lán)牙發(fā)射狀態(tài)器件級掃描結(jié)果

圖8 測點頻譜分析結(jié)果

此次近場測試中電磁輻射發(fā)射比較集中，主要集中在干擾源ESP32 芯片附近，并且由于此SiP 器件封裝并沒有金屬外殼，因此并沒有多少對電磁輻射的屏蔽效果，可能會對電路板上其他元器件造成電磁干擾。

3 結(jié)論

本文通過對SiP 器件進(jìn)行電磁輻射發(fā)射測試，對表面掃描法進(jìn)行了研究，并結(jié)合3D-X 光掃描技術(shù)提出了一套針對SiP 器件的電磁輻射近場測試方法：（1）結(jié)合X光照片研究對象器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、模塊劃分，分析器件內(nèi)電磁輻射干擾源；（2）通過硬件層、軟件層兩個層次的搭建，使器件進(jìn)入工作狀態(tài)；（3）搭建近場測試系統(tǒng)，對不同工作狀態(tài)下的器件進(jìn)行電磁輻射近場測試，測試時先進(jìn)行電路板級的掃描，再進(jìn)行器件級掃描，遵循“從整體到局部”的原則。并定位和驗證電磁輻射干擾源，評估電磁輻射干擾大小。

通過對某型SiP 器件進(jìn)行案例測試驗證，可以認(rèn)為這一套方法對于近場電磁輻射發(fā)射的測試是行之有效的。在后續(xù)有兩點可以繼續(xù)深入研究：（1）在近場電磁輻射測試中，由于器件功能、功率以及探頭掃描頻率的限制，并未對所有可能導(dǎo)致輻射發(fā)射的因素（如同步開關(guān)噪聲、邏輯門數(shù)量等）進(jìn)行驗證；（2）研究電子元器件抗電磁輻射干擾的能力評估方法。