背景分析
電子封裝是集成電路制造中的一項(xiàng)關(guān)鍵工藝。在硅或砷化鎵等晶圓上通過使用薄膜工藝技術(shù)制造的IC器件尺寸極為微小，且結(jié)構(gòu)也極其脆弱，因此必須使用一套保護(hù)措施把它們“包”裝起來，防止IC器件因受到外力或環(huán)境因素的影響在輸送與取置的過程中受到破壞。此外，集成電路器件也必須與電阻、電容等無源器件組合成為一個(gè)系統(tǒng)才可以發(fā)揮特定的功能。因此，電子封裝的主要功能是建立IC器件的保護(hù)與組織架構(gòu)，封裝工藝流程始于IC芯片完成之后，包括IC芯片的粘結(jié)固定、電路互連、結(jié)構(gòu)密封、與電路板的接合、系統(tǒng)組合、以至于產(chǎn)品完成之間的所有工藝，其目的是完成IC芯片與其它必要的電路零件的組合，以傳遞電能與電路信號(hào)、承載結(jié)構(gòu)保護(hù)、提供散熱途徑等功能。

芯片的封裝有各種不同的形態(tài)，封裝的形態(tài)以及該用何種工藝技術(shù)與材料去完成由產(chǎn)品的電磁、熱傳導(dǎo)、可靠度之需求、材料與工藝技術(shù)、成本價(jià)格等因素所決定。

集成電路（IC）的電磁環(huán)境可靠性，也叫集成電路的電磁兼容性，是衡量IC器件在預(yù)定電磁環(huán)境下工作時(shí)是否會(huì)對(duì)其他器件的工作產(chǎn)生騷擾，同時(shí)自身性能是否會(huì)受到其他器件所騷擾的一個(gè)指標(biāo)。對(duì)于集成電路來說，這個(gè)指標(biāo)的提出是電子產(chǎn)品電磁環(huán)境高可靠設(shè)計(jì)的需求，同時(shí)也是芯片集成度日益增高時(shí)電磁環(huán)境可靠性問題越來越突出以致直接關(guān)系到芯片性能的結(jié)果。建立可靠的EMI調(diào)試手段的目的則在于排除產(chǎn)品內(nèi)部的EMI問題，提高產(chǎn)品質(zhì)量；體現(xiàn)在電路設(shè)計(jì)上，應(yīng)當(dāng)從源頭環(huán)節(jié)降低產(chǎn)品對(duì)外的電磁干擾；在電路設(shè)計(jì)上考慮產(chǎn)品的抗干擾性能，提高產(chǎn)品的電磁環(huán)境適應(yīng)能力。

必要性分析

任務(wù)的技術(shù)特點(diǎn)和難點(diǎn)

隨著電子產(chǎn)品芯片復(fù)雜度不斷提高，噪聲容限、功耗和特征尺寸不斷降低，同時(shí)，隨著互連線所傳輸?shù)拿}沖信號(hào)擴(kuò)展到微波、毫米波頻段，互連線已不能簡(jiǎn)單視為無電阻，無電容，無電感的金屬導(dǎo)線。在高頻或交流的情況下，信號(hào)的波長已與封裝引線的尺寸處于同一數(shù)量級(jí)，信號(hào)脈沖在互連線上呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)效應(yīng)。因此，在現(xiàn)代高速大規(guī)模集成電路系統(tǒng)中，封裝結(jié)構(gòu)尤其是互連線系統(tǒng)對(duì)整個(gè)電路系統(tǒng)電特性的影響日趨明顯，對(duì)互連、封裝結(jié)構(gòu)電氣特性的分析在整個(gè)高速集成電路系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)中占有越來越重要的地位。

由于集成電路的由于其設(shè)計(jì)任務(wù)不同，以致功能不同，設(shè)備構(gòu)成不同，這樣影響輻射的基本條件因素較為多樣，很難得到形成具有普遍制導(dǎo)意義的規(guī)則，需要利用測(cè)試設(shè)備進(jìn)行電磁問題識(shí)別。

芯片級(jí)電磁兼容的描述是一個(gè)相對(duì)較新的學(xué)科，盡管對(duì)于電子系統(tǒng)及子系統(tǒng)已經(jīng)有了說明詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)和輻射參考標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)于在這些系統(tǒng)中應(yīng)用到的集成電路來說卻是一個(gè)空白。尤其是近年來集成電路的制造工藝在不斷提高，已從超深亞微米進(jìn)入到納米階段，加工芯片的特征尺寸進(jìn)一步減小。于是，越來越多的功能，甚至是一個(gè)完整的系統(tǒng)都能夠被集成到單個(gè)芯片之中。這就使得芯片級(jí)電磁兼容顯得尤為突出。

進(jìn)行集成電路封裝電磁輻射噪聲測(cè)試，需要達(dá)到兩個(gè)方面的要求：
（1）要了解集成電路在當(dāng)前封裝下的輻射噪聲量級(jí)； 
（2）要定位出當(dāng)前小片上集成電路封裝內(nèi)電磁輻射量過大的區(qū)域；

要完成這樣的要求，*可靠的測(cè)試是采用近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)集成電路封裝進(jìn)行直接的測(cè)試，而目前的普通近場(chǎng)電磁輻射測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備的空間分辨率精度普遍在1mm的左右，對(duì)于芯片這樣的尺寸來說顯較大，因此需要空間測(cè)試精度更高的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)封裝本體和引腳進(jìn)行細(xì)致的掃描。

購置的必要性

標(biāo)準(zhǔn)的EMI測(cè)試需要在暗室里完成。對(duì)于已經(jīng)有電磁兼容測(cè)試暗室，但暗室測(cè)試只能判斷產(chǎn)品是否合格，無法具體細(xì)則判斷什么原因造成測(cè)試不合格。使得無法進(jìn)行較有針對(duì)性的整改工作，通過經(jīng)驗(yàn)整改后的產(chǎn)品也無法立刻進(jìn)行測(cè)試；由此，構(gòu)建一套在一般普通實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下就可以實(shí)現(xiàn)的集成電路封裝EMC測(cè)試手段，能進(jìn)行針對(duì)性而高效的電磁兼容預(yù)測(cè)試就尤為必要，使得設(shè)計(jì)人員對(duì)所開發(fā)中集成電路產(chǎn)品的實(shí)施電磁兼容特性的摸底測(cè)試。可視化的高精度電磁干擾預(yù)測(cè)試技術(shù)，能使設(shè)計(jì)人員在不同功能和任務(wù)電子設(shè)備研制過程中，通過EMC預(yù)測(cè)試手段來發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)采取有針對(duì)性的措施，降低糾錯(cuò)成本。實(shí)踐證明，在產(chǎn)品開發(fā)過程中，越早考慮電磁兼容，所付出的成本越低，解決的手段越多，效率也越高。

由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的問題和一定的客觀因素的存在，導(dǎo)致了電磁兼容狀況不容忽視。在電磁兼容測(cè)試過程中，設(shè)備還是有個(gè)別項(xiàng)通不過或個(gè)別頻段難以達(dá)標(biāo)。原因主要有以下兩點(diǎn)：

（1）仿真軟件的局限性。
當(dāng)前的CAE和EDA軟件在某些領(lǐng)域和項(xiàng)目上有較好的制導(dǎo)作用，如EDA軟件仿真對(duì)于信號(hào)完整性（SI）仿真比較準(zhǔn)確，而對(duì)于電磁兼容仿真（EMC），往往和芯片模型、結(jié)構(gòu)、工藝等各方面多個(gè)因素有關(guān)，所以仿真出來的結(jié)果和實(shí)際測(cè)試有很大差距。而且國軍標(biāo)規(guī)定的多項(xiàng)中，有大部分無法進(jìn)行軟件的仿真，即便進(jìn)行了仿真，由于目前電磁兼容領(lǐng)域設(shè)計(jì)領(lǐng)域廣泛，現(xiàn)有的仿真技術(shù)程度無法保證在所有的測(cè)試項(xiàng)目中具有較好的**度，使得仿真的結(jié)果往往是相差十幾分貝甚至更高，稍微好的僅僅在趨勢(shì)上具有指導(dǎo)意義，無法達(dá)到形成或接近硬件測(cè)試這樣高的**度。

（2）測(cè)試的局限性。
當(dāng)前不具備進(jìn)行針對(duì)性的測(cè)試手段，無法把電磁兼容問題在設(shè)計(jì)階段解決，等到產(chǎn)品生產(chǎn)測(cè)試階段才發(fā)現(xiàn)，反過來再進(jìn)行設(shè)計(jì)階段的問題的整改，其在整改難度、研發(fā)周期、額外費(fèi)用多個(gè)方面都影響較大。
傳統(tǒng)EMI對(duì)策，是將試制完成的產(chǎn)品（EUT）送到電磁兼容（EMC）認(rèn)證測(cè)試中心的暗室，實(shí)測(cè)它發(fā)出的電磁輻射；針對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果，采取相應(yīng)對(duì)策。如果測(cè)試未通過，就由EMI工程師負(fù)責(zé)采取屏蔽、濾波、接地等手段把EMI“關(guān)”在產(chǎn)品內(nèi)部。這種辦法是把EMI對(duì)策作為產(chǎn)品上市的*后一道工序來考慮的。采取的方法是“彌補(bǔ)”方式，經(jīng)常需要反復(fù)多次去EMC認(rèn)證測(cè)試中心，隨著產(chǎn)品工作頻率的提高，這種方法的工作量越來越大，而且被“關(guān)”在產(chǎn)品內(nèi)部的電磁輻射可能會(huì)影響其他電路的正常工作，導(dǎo)致EMC過了，產(chǎn)品其他技術(shù)指標(biāo)可能被降低了，或者產(chǎn)品的性能很不穩(wěn)定。暗室測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)是了解設(shè)備整體的EMC狀態(tài)，但是無法定位EMC/EMI問題點(diǎn)。

產(chǎn)品功能和組成

電磁可視化測(cè)試系統(tǒng)主機(jī)4EM200
系統(tǒng)采用磁場(chǎng)探頭測(cè)試，探頭的掃描步進(jìn)的幅度和軌跡由控制BOX進(jìn)行控制，該控制BOX由馬達(dá)控制PCI卡與PC機(jī)進(jìn)行通信。掃描測(cè)試的信號(hào)通過掃電纜輸入到頻譜分析儀，頻譜分析儀通過分析后，由GPIB-USB方式通信給PC機(jī)，PC機(jī)進(jìn)行測(cè)試結(jié)果的可視化圖形顯示和數(shù)值顯示。

掃描能測(cè)試電磁場(chǎng)分布。把近場(chǎng)測(cè)得的信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)后，供記錄、分析、文件存檔。設(shè)備將得到電磁干擾情況的圖像，通過圖像分析，設(shè)計(jì)人員找出問題所在并加以解決。測(cè)試系統(tǒng)由下面幾部分所組成：
1. 掃描控制器； 
2. 高精度掃描儀； 
3. 掃描儀控制測(cè)量軟件； 
4. PC和頻譜分析儀（用戶采購）。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)的組成架構(gòu)

測(cè)試系統(tǒng)的功能主要有以下兩點(diǎn)：
（1）通過測(cè)量給出頻率范圍內(nèi)的單個(gè)頻率的幅度峰值，這樣便可與EMC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，得到有問題的頻率點(diǎn)和范圍；

圖2 得到對(duì)應(yīng)頻段電流值

（2）通過確定選定頻率點(diǎn)的輻射源的位置和輻射的強(qiáng)度，可以通過測(cè)試系統(tǒng)的可是化軟件得到輻射強(qiáng)度分布圖，可以和設(shè)計(jì)的PCB結(jié)構(gòu)層疊在一起，直觀的觀察到當(dāng)前設(shè)計(jì)中輻射較強(qiáng)的器件或走線部分等。

 

圖3 集成電路封裝電磁輻射可視化分布

	近場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果	遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果（3M）
測(cè)試1
測(cè)試2

通過確定選定頻率點(diǎn)的輻射源的位置和輻射的強(qiáng)度，可以通過測(cè)試系統(tǒng)的可是化軟件得到輻射強(qiáng)度分布圖，可以和設(shè)計(jì)的PCB結(jié)構(gòu)層疊在一起，直觀的觀察到當(dāng)前設(shè)計(jì)中輻射較強(qiáng)的器件或走線部分等。

掃描儀的測(cè)量結(jié)果可以輸出到EMIStream，使得問題部位（元件、模塊、引腳）的判斷變得容易。而且，利用EMIStream的PCB板分層顯示功能，不僅是測(cè)量面，還可以找出內(nèi)層和背面的騷擾源和問題部位。

電磁可視化系統(tǒng)可以以多種方式顯示測(cè)試近場(chǎng)探頭的測(cè)試結(jié)果，相比與其他的測(cè)試系統(tǒng)，多樣的顯示方式可以更快的定位PCB的問題點(diǎn)，讓研發(fā)人員**了解產(chǎn)品的當(dāng)前的電磁干擾狀態(tài)。

（1）電磁輻射峰值顯示
通過近場(chǎng)磁場(chǎng)探頭得到當(dāng)前測(cè)試PCB的峰值進(jìn)行顯示，這樣可以定位PCB，芯片等電磁干擾點(diǎn)問題的所處位置，另外可以很容易地確認(rèn)峰值頻率。 

（2） 不同頻率輻射分布顯示
對(duì)于某些情況下，需要了解PCB在不同頻率下的電場(chǎng)分布情況，如基頻的諧波成分的分布，這樣的時(shí)候就需要進(jìn)行不同頻率的顯示。另外，還可以做t 倍時(shí)鐘確認(rèn)，以及外部干擾不顯示功能。

下面圖為測(cè)量某芯片設(shè)備工作時(shí)，在不同的頻率下芯片和外圍電路電磁噪聲輻射的分布： 

(1) 120MHz

(2) 480MHZ

(3) 960 MHZ

（3）AB差分功能
AB差分的功能是為了比較兩次相同條件下測(cè)得的結(jié)果的差分?jǐn)?shù)據(jù)，該功能顯示出兩次集成電路封裝測(cè)試的差值分布。該功能常用在比較對(duì)芯片進(jìn)行整改后分析整改效果時(shí)使用。

（4）X/Y合成功能
該功能對(duì)X,Y兩方向的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行合成處理。由于磁場(chǎng)探頭有方向性（要求磁場(chǎng)通過探頭前端環(huán)路），這樣如果要求得到精度更高的測(cè)試結(jié)果，可以通過測(cè)試探頭對(duì)X 和Y方向的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行合成，以達(dá)到更進(jìn)一步的高精度測(cè)試。 

X方向測(cè)試結(jié)果

Y方向測(cè)試結(jié)果

XY方向測(cè)試結(jié)果

另外對(duì)于XY合成的結(jié)果，同樣可以查看指定頻率下的相關(guān)參數(shù)：

圖4 測(cè)試設(shè)備主機(jī)外形

表一 產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格

測(cè)試探頭
測(cè)試探頭是磁場(chǎng)探頭，通過近距離的靠近測(cè)試的元件，PCB或者設(shè)備外殼，可以得到電磁場(chǎng)的分布情況，以及相關(guān)頻率干擾的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)測(cè)試頻率覆蓋范圍為150K～18GHz，可以達(dá)到國軍標(biāo)151-97A中的RE102的上限頻率18GHz。

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

 軟件

系統(tǒng)中軟件由控制軟件和結(jié)果分析處理軟件兩部分構(gòu)成，控制軟件完成對(duì)磁場(chǎng)探頭測(cè)試軌跡的控制；結(jié)果分析軟件用來可視化測(cè)試結(jié)果。

與其他設(shè)備的比較