LANGER - Sondy pola bliskiego i Zestawy EMC - Testery, Zasilacze, Przyrządy pomiarowe, Zestawy edukacyjne

Charakterystyki EMC układów scalonych można podzielić na wykrywanie emisji promieniowanych i odporność na zakłócenia EMC. W tym artykule omówiono wykrywanie zakłóceń elektromagnetycznych powyżej układów scalonych i otwartą matrycę DIE za pomocą mikro sond bliskiego pola. Zgodnie z międzynarodowymi standardami EMC dla układów scalonych stosowane są mikro sondy pola bliskiego, które wyraźnie przekraczają wymagania normy IEC (zdefiniowane w IEC 61697-3) pod względem parametrów pomiarowych, takich jak rozdzielczość i zakres częstotliwości. Pozwalają zatem deweloperom zmierzyć emisję zakłóceń elektromagnetycznych na IC i otworzyć DIE oraz precyzyjnie zlokalizować odpowiednie źródła pola w IC lub DIE. Przeprojektowanie układu scalonego można zaplanować przy lepszej znajomości problemów EMC w układzie scalonym, a końcowy wynik można zweryfikować za pomocą odpowiedniego pomiaru. Możliwe jest zatem obniżenie kosztów i czasu opracowania nowego przeprojektowania układu scalonego. Również dla twórców obwodów elektrycznych opartych na IC precyzyjne wykrycie emisji promieniowania powyżej IC jest wyraźnie opłacalne. Dzięki tym informacjom można wyciągnąć wnioski dotyczące PCB, np. który sygnał powinien być dodatkowo ekranowany lub który sygnał / styk nie jest tak krytyczny w odniesieniu do promieniowania.

W tym celu Langer EMV opracował mikro sondy pola bliskiego oparte na normie IEC 61697-3 do wykrywania pola elektromagnetycznego w zakresie μm. Ze względu na ich wysoką rozdzielczość i czułość mikroprobelki bliskiego pola nie mogą już być prowadzone ręcznie, ale muszą być precyzyjnie przenoszone przez system skanera.

Pomiar przestrzennych charakterystyk amplitudowo-częstotliwościowych emisji elektromagnetycznych wymaga układu testowego IC z następującymi elementami:

1. Mikro sondy pola bliskiego (sondy ICR)

2. Skaner

3. Analizator widma

4. Oprogramowanie PC +

Rysunek 1 przedstawia konfigurację testu IC dla pomiarów opartych na metodzie skanowania powierzchni zgodnie z IEC 61967-3. Dziś możemy powiedzieć, że do wykrycia całego pola elektromagnetycznego w zakresie μm niezbędne są trzy rodzaje mikro sond. Dla tego Langer EMV opracował kilka sond, a każda z nich przeznaczona jest do specjalnego przypadku:

1. Sondy pola elektrycznego są budowane w celu wykrywania pola elektrycznego.

2. Sondy pola H są brane pod uwagę do pomiaru pola magnetycznego. W tym celu do pomiaru pola magnetycznego we wszystkich kierunkach wymagane są dwa typy sond pola magnetycznego: Sonda pola H typu „H” jest wrażliwa na pionowe pole magnetyczne, a sonda pola typu H „V” na poziome pole magnetyczne. Kierunkowa charakterystyka sondy pola „V” ma dwie wartości zerowe z przyczyn fizycznych. Składniki pola znajdujące się w płaszczyźnie sondy pionowej można wykryć tylko poprzez obrócenie sondy pola „V”.

Skaner IC ustawia mikro sondy w pozycji zapewniającej wysoką rozdzielczość mechaniczną i wysoką powtarzalność. Do pomiaru pola elektromagnetycznego o wysokiej rozdzielczości dokładność powinna wynosić co najmniej 20 µm, a powtarzalność mniejsza niż 5 µm. Konieczne są co najmniej cztery osie, aby całkowicie wykryć emisje EMC z układów scalonych. Do przesuwania w kierunku X, Y i Z potrzebne są trzy osie, a czwarta to obrót mikrosondy - niezbędny w przypadku sondy pionowego pola H.

Podstawowa konstrukcja mikro sond jest skonstruowana tak, aby pasowała do skanerów IC Langer EMV. Ponadto opcja montażu mikroprobów została rozszerzona, aby pasowała również do popularnych systemów skanerów.

Trzecią częścią systemu pomiarowego jest komputer z oprogramowaniem kontrolno-pomiarowym. Funkcje obejmują: wykrywanie wszystkich podłączonych urządzeń, sterowanie systemem skanera IC, inicjalizację analizatora widma, uzyskiwanie wyników pomiaru z analizatora widma i wizualizację wyników pomiarów w sposób opisowy. Pomiary emisji EMC na układach scalonych dostarczają dużych ilości danych, które są zestawiane w sześciu wymiarach w bazie danych.

Nie wszystkie sześć wymiarów może być reprezentowanych graficznie w tym samym czasie, dlatego reprezentacja jest zredukowana do możliwych pięciu wymiarów.

Ryc. 2 pokazuje przykład skanu objętości w układzie scalonym z pionową sondą pola H przy określonej częstotliwości.

3.1 Konstrukcja sondy

Norma IEC 61697-3 opisuje parametry mikro sond, na przykład konstrukcję mechaniczną, zakres częstotliwości i rozdzielczość. Zgodnie ze standardem IEC końcówka sondy musi składać się z półsztywnego kabla z pojedynczą cewką do pomiaru emisji elektromagnetycznych. Wadą tego zestawu pomiarowego jest to, że nie mógł on rozróżnić, ile mierzonego napięcia na końcówce sondy wynika z efektu sprzężenia magnetycznego lub elektrycznego. Z tego powodu Langer EMV zaprojektował dwa różne typy mikro sond, jeden do pomiaru pola elektrycznego i drugi do pomiaru pola magnetycznego. Mikrowłókna pola magnetycznego są dodatkowo ekranowane przed sprzężeniem pola elektrycznego. Mikro sondy umożliwiają zatem użytkownikowi osobne badanie emisji elektrycznych i magnetycznych na układach scalonych i powierzchniach DIE, np. sol. łączenie drutów i szpilek. Możliwe jest również dokonanie pomiaru za pomocą sondy magnetycznej nad przewodnikiem lub stykiem IC, a tym samym wyciągnięcie wniosków na temat prądu płynącego przez przewodnik.

Obecnie z sondą pola elektrycznego możliwa jest rozdzielczość do 65 μis. Ryc. 3 a) pokazuje ogólną budowę mikrosondy pola elektrycznego z czułą elektrodą (jasnozielona) i osłoną (ciemnozielona).

Rozdzielczość sond pola H jest określona przez ich średnicę wewnętrzną. Końcówki sondy magnetycznej składają się z cewki o określonym uzwojeniu i średnicy wewnętrznej, patrz rysunek 3 b) ic). Oba te parametry zasadniczo określają wielkość pola magnetycznego (rozdzielczość) i wykrywaną siłę pola magnetycznego. Dziś najmniejszą średnicę wewnętrzną określa się na 100 μm, dla polaryzacji poziomej i pionowej. Powoduje to rozdzielczość mierzonego pola magnetycznego do 80 μm.

   

Wszystkie sondy magnetyczne są ekranowane przed polem elektrycznym. Jakość ekranowania zostanie omówiona w rozdziale 4.

Wszystkie mikrosondy są wyposażone w wewnętrzny przedwzmacniacz. Wzmacniacz pozwala wyraźnie wykrywać również niskie sygnały. Zakres częstotliwości mikroprobów jest określany przy 1,5 MHz do 6 GHz. Zakres zostanie rozszerzony na wyższą częstotliwość, więc wraz z rozwojem układu scalonego będzie się zwiększać do wyższych cykli zegara.

3.2 Wyznaczanie natężenia pola magnetycznego i prądu

Korekcja siły pola magnetycznego:

Siłę pola magnetycznego HRF w cewce sondy pola magnetycznego można obliczyć na podstawie wyjściowego napięcia napięcia UProbe sondy pola magnetycznego za pomocą charakterystyki korekcji. Współczynnik korekcji KH mikrosondy pola magnetycznego jest niezależny od geometrii pomiaru w każdym indywidualnym zastosowaniu, tzn. Sonda może być prowadzona w dowolnej odległości i pod kątem względem przewodu elektrycznego bez żadnego błędu korekcji (rysunek 4). Wynikiem jest średnie pole magnetyczne zamknięte w cewce sondy.

Rysunek 4: Ogólny układ aplikacji

Aktualna korekta:

Istnieje spójna fizyczna korelacja między polem magnetycznym HRF a bieżącym IRF, która zależy od geometrii bieżącego układu przewodów. Podany współczynnik korekcji KI odnosi się zatem do zdefiniowanej konfiguracji odniesienia.

Określone wartości prądu ICorr są poprawne tylko wtedy, gdy parametry geometryczne pokrywają się z ustawieniem odniesienia (rysunek 5), gdy używane są sondy. W przypadku odchyleń od tego ustawienia, bieżące wartości ICorr również będą się różnić. Tak więc obliczoną wartość prądu ICorr można wykorzystać tylko jako wartość orientacyjną.

Rysunek 5: Ustawienie do pomiaru prądu

Zastosowanie współczynnika korekcji KI w dostosowanym równaniu ilościowym:

Ze względu na swoją konstrukcję każdy typ mikroprobla ma specjalną charakterystykę pomiaru. W poniższych przypadkach testowych omówimy oba typy sond pola H - poziomy i pionowy:

Pomiar opiera się na następujących parametrach: Linia paskowa ma szerokość 25 μm, odległość od ziemi 20 μm i zakończenie 50 Ω. Dolny koniec końcówki sondy jest ustawiony na 20 μm powyżej linii paskowej. Linia paskowa zasilana jest przez generator śledzący analizatora widma o poziomie napięcia 100 dBµV. Mikrobroboskop poruszał się nad linią paskową po linii prostej o długości 3 mm i krokach pomiarowych 30 μm. Ryc. 6 i ryc. 7 pokazują wynik pomiaru dla obu typów pól H. Dla każdego punktu pomiarowego (wykresu) wskazana jest amplituda w odniesieniu do częstotliwości.

Ryc. 6: Skan poprzeczny nad linią paskową za pomocą poziomej sondy pola H.

Rycina 7: Skanowanie poprzeczne nad linią paskową za pomocą pionowej sondy pola H.

Jak wskazano powyżej, oba typy sond mierzą w inny sposób. Pozioma sonda mierzy minimum w środku linii paskowej. Intensywne pola magnetyczne znajdują się na krawędziach linii paskowej, która jest także miejscem odpowiednich lokalnych maksymalnych wartości objętości skanu. Zachowanie to zależy od kierunku linii pola magnetycznego i położenia cewki pomiarowej w stosunku do linii pola. W pozycjach, w których cewka jest równoległa do linii pola, sonda nie mogła wykryć pola magnetycznego.

W przeciwieństwie do poziomej sondy spolaryzowanej, pionowa sonda mierzy wysokie natężenie pola magnetycznego na ścieżce przewodnika. Na krawędziach linii paskowej wersja pionowa mierzy lokalne minimum.

W każdym przypadku testowym amplituda i szerokość mierzonego minimum lub maksimum zależą od odległości końcówki sondy do mierzonego obiektu oraz szerokości mierzonej linii paskowej lub dowolnej innej linii elektrycznej.

5.1 Skanowanie objętości IC

W następującym przypadku testowym wykonano dwa skany powierzchni na poziomie IC. DUT był modelem 8051, zegarem systemowym o częstotliwości 20 MHz,

Pierwszy skan wykonano za pomocą poziomej sondy pola H, a drugi za pomocą sondy pionowej. Spełniono następujące ustawienia:

- Głośność skanowania: 11,0 x 11,0 mm

- Szerokość stopnia: 200 Ωm

- Punkty w tomie: 10.000

Prowadzenie skanera, wykrywanie i interpretacja wyników pomiarów zostały wykonane przez oprogramowanie ChipScan-Scanner. Rysunek 8 pokazuje konfigurację pomiaru. Jak pokazano, układ scalony został zamontowany na płaszczyźnie uziemienia. Wszystkie pozostałe części elektryczne zostały zamontowane z tyłu płaszczyzny uziemienia. Ta konfiguracja pomaga zminimalizować skutki uboczne innych elementów elektrycznych. Trzy piny zostały wykorzystane do sterowania diodami LED do monitorowania programu. Wszystkie pozostałe piny zostały zaprogramowane jako wejścia.

Rycina 9: Skan powierzchniowy nad testowym układem scalonym z pionową sondą pola H, pokazana częstotliwość 40 MHz

Rycina 10: Skan powierzchniowy nad testowym układem scalonym z poziomą sondą pola H, pokazana częstotliwość 40 MHz

Wyniki pomiarów pokazano na ryc. 9 i ryc. 10. Pasek po prawej stronie obu zrzutów ekranu pokazuje zależność między kolorem a siłą pola magnetycznego. Kolor czerwony oznacza wysoką siłę sygnału wynoszącą około. 80 dBΩV i niebieski oznaczają 20 dBΩV.

Oba pomiary przeprowadzono powyżej tego samego DUT, ale z innym sprzętem. Jak omówiono w rozdziale 4, pozioma sonda pola H mierzy lokalne minimum bezpośrednio nad bieżącym przebiegiem, a na krawędziach lokalne maksimum. Można to również zobaczyć na rysunku 10. Z pinu Vcc prąd zasilający przepływa przez przewód łączący do układu scalonego. Na chipie prąd płynie różnymi ścieżkami i wraca przez przewodnik i pin Vss do płytki.

Pionowa sonda pola H mogła mierzyć tylko pole magnetyczne, w którym prąd płynie równolegle do cewki pomiarowej. Istnieją więc części, w których mierzone jest pole magnetyczne, szczególnie w obszarze zasilania układu scalonego. W innych częściach układu scalonego mikrosonda prawie nie wykrywa żadnego pola magnetycznego. Może to być spowodowane tym, że nie ma pola magnetycznego lub pole magnetyczne nie jest w czułym kierunku sondy.

W związku z tym należy wykonać drugi pomiar, w którym cewka pomiarowa (mikrosonda) jest obrócona o kąt 90 °. W ten sposób można wykryć pole magnetyczne, które wynosi 90 ° względem pierwszego zmierzonego.

Jeżeli takie skanowanie powierzchni odbywa się w różnych odległościach od układu scalonego, pole magnetyczne może być wyświetlane w całej objętości powyżej układu scalonego. Na rycinie 11 wszystkie punkty o tej samej sile pola są połączone.

Ten schemat służy jako źródło do dalszej nauki lub zrozumienia efektów sprzęgania z układu scalonego z innymi metalowymi częściami, które mogłyby być umieszczone w pobliżu układu scalonego w rzeczywistych zastosowaniach - np. radiator, złącza, elementy ekranujące.

Ryc. 11 Objętość Skanuj przez testowy układ scalony z poziomą sondą pola H, pokazana częstotliwość 40 MHz

5.2 Skanowanie IC-Pin

Zastosowanie pionowej sondy pola H oferuje dodatkową możliwość pomiaru prądu o wysokiej częstotliwości przepływającego przez piny układu scalonego. Po podstawowej konfiguracji pomiaru, jak na rysunku 4, bardzo proste jest automatyczne umieszczenie sondy blisko każdego styku IC i pomiar prądu. Jeden wynik pokazano na rycinie 12.

Zazwyczaj każdy pin układu scalonego może być źródłem prądu o wysokiej częstotliwości - piny zasilania i piny wyjściowe, a także piny wejściowe. Zależy to od samego układu scalonego i impedancji podłączonego obwodu elektronicznego. Znajomość tych prądów umożliwia projektantowi płytki optymalne umieszczenie rezystorów lub kondensatorów szeregowych w GND.

Rycina 12: Wynik skanowania pinów

W artykule przedstawiono metodę pomiaru w celu wykrycia pola magnetycznego i elektrycznego w zakresie µm. Pokazano, że pomiar pola bliskiego nad układami scalonymi lub otwartymi matrycami z mikroprobami jest doskonałym narzędziem dla inżynierów do wykrywania problemów EMC i rozwiązywania ich w niezawodny sposób. Pomiar można wykonać na referencyjnych zespołach PCB lub na PCB klienta.

W przyszłości będzie wiele okazji do poprawy pomiaru pola elektromagnetycznego w zakresie µm. Przy mniejszej rozdzielczości wykrywanie przez DIE może być wykonane bardziej precyzyjnie, więc również mniejsze części układów scalonych można skanować z wyższą rozdzielczością. Zakres częstotliwości również musi zostać rozszerzony. Ze względu na wyższe częstotliwości taktowania normy produktu zostaną dostosowane, tak aby pojawiały się dodatkowe wymagania dotyczące zakłóceń EMC w wyższym zakresie częstotliwości powyżej 6 GHz.