今天，工程师开发电子电路的时间更少了，营销时间也更少了，产品要求也更多了。所有这些都意味着在开发结束时解决问题的时间会更少，尤其是EMC。具体来说，低噪声发射PCB的开发变得越来越困难，因为更高的集成密度、更快的时钟周期，以及在IC上集成更多的辐射器(如无线功能)。基于这些设计挑战，在将电子部件放置在客户的PCB上之前，必须获得所有必要的信息。包括ic的EMC特性。因此，ic的EMC测量变得越来越普遍。
集成电路的电磁兼容特性可分为对辐射发射的检测和对电磁兼容干扰的抗扰性。本文将讨论用近场微探头检测ic和开模上的电磁干扰。根据ic的国际EMC标准，使用的近场微探头在分辨率和频率范围等测量参数方面明显超过IEC标准要求(如IEC 61697-3所定义)。因此，它们允许开发人员测量IC和开放DIE上的电磁干扰发射，并精确定位IC或DIE中各自的场源。
通过更好地了解IC中的EMC问题，可以规划IC的重新设计，并且可以通过相应的测量来验证最终结果。因此，有可能减少重新设计新IC的开发成本和时间。此外，对于基于集成电路的电路开发人员来说，对集成电路上方的辐射发射进行精确检测显然是有利可图的。有了这些信息，就有可能得出PCB的结论，例如，哪个信号应该被额外屏蔽，或者哪个信号/引脚对辐射不是那么关键。
为此，Langer EMV开发了基于IEC 61697-3的近场微探头，用于检测μ m范围内的电磁场。由于它们的高分辨率和高灵敏度，近场微探针不能再用手引导，而必须通过扫描系统精确移动。
- 近场微探针(ICR探针)
- IC扫描仪
- 频谱分析仪
- 个人电脑及软件
图1显示了根据IEC 61967 3的表面扫描方法进行测量的IC测试设置。今天，我们可以说，三种类型的微探头是必要的，以检测整个电磁场在µm范围内。为此，我们开发了不同的微探针，每种探针都是针对特殊情况确定的:
测量系统的第三部分是一台装有控制和测量软件的PC机。功能包括:检测所有连接设备，控制IC扫描系统，初始化频谱分析仪，从频谱分析仪中获取测量结果，并以描述性的方式将测量结果可视化。集成电路上的EMC发射测量提供了大量数据，这些数据在数据库中以六个维度进行编译。
并非所有六个维度都可以同时图形化表示，因此表示被简化为五个维度。图2显示了一个使用特定频率的垂直h场探头在IC上进行体积扫描的示例。
近场探针
IEC 61697-3描述了微探头的参数，例如机械结构，频率范围和分辨率。根据IEC标准，探头尖端必须由带有单线圈的半刚性电缆组成，用于测量电磁发射。这种测量装置的缺点是它不能区分探针尖端的测量电压有多少是磁耦合或电耦合效应的结果。
因此，我们公司设计了两种不同类型的微探针，一种用于测量电场，一种用于测量磁场。磁场微探针还被屏蔽以防止电场的耦合。因此，微探头允许用户单独检查ic和DIE表面上的电磁发射，例如键合线和引脚。也可以用导体或IC引脚上方的磁探头进行测量，从而得出关于流过导体的电流的结论。
目前使用电场微探头，分辨率可低至65微米。图3a)显示了带有敏感电极(浅绿色)和屏蔽(深绿色)的e场微探针的总体结构。
h场探头的分辨率由其内径决定。磁探头尖端由一个线圈组成，线圈的绕组和内径均有规定，见图3 (b)和图3 (c)。这两个参数基本定义了被探测磁场的大小(分辨率)和磁场强度。如今，对于水平和垂直极化，最小内径被指定为100µm。这导致测量磁场的分辨率低至80µm。
所有的磁性微探针都屏蔽了电场。所有的微探针都配备了一个内部前置放大器。放大器也可以清晰地检测低信号。微探头的频率范围为1.5 MHz至6 GHz。该范围将扩展到更高的频率，因此它将随着IC发展到更高的时钟周期。
磁场强度和电流测定
磁场强度校正:根据磁场探头的电压输出信号UProbe，利用校正特性计算出磁场探头线圈内的磁场强度HRF。磁场微探头的校正因子KH与每个单独应用中的测量几何形状无关，即探头可以相对于电导体以任意距离和角度引导，而不会产生任何校正误差(图4)。结果是探头线圈包围的平均磁场。
测量在一条带状线上
由于其设计，每种微探头都具有特殊的测量特性。在下面的测试用例中，我们将讨论两种h域探测类型:水平探测和垂直探测。
测量基于以下参数:带状线宽度为25 μ m，到地距离为20 μ m，终端为50 μ m。探头尖端的低端调整到带状线以上20 ?m。带状线由频谱分析仪的跟踪发生器供电，电压水平为100 dBµV。微探针在带状线上方沿直线移动，长度为3mm，测量步长为30mm。图6和7显示了两种h字段类型的测量结果。对于每个测点(图)，表示了相对于频率的幅值。
如上所述，两种探头类型以不同的方式进行测量。水平探头在带状线的中心测量最小值。强磁场位于带状线的边缘，这也是扫描体积各自局部最大值的位置。这种行为取决于磁力线的方向和测量线圈相对于磁力线的位置。在线圈与磁力线平行的位置，探针无法探测到磁场。
与水平极化探头不同，垂直探头测量导体路径上的高磁场强度。在带状线的边缘，垂直版本测量局部最小值。
在每个测试案例中，振幅和测量的最小值或最大值的宽度取决于探头尖端到测量对象的距离以及测量的带状线或任何其他电气线路的宽度。
满足以下设置:
通过ChipScan-Scanner软件完成扫描仪的驱动、检测和测量结果的解释。图8显示了测量设置。如图所示，集成电路安装在接地面上。所有其他电气部件都安装在接地面的背面。这种设置有助于减少其他电气部件的副作用。三个引脚用于驱动led来监控程序。所有其他引脚都被编程为输入。
测量结果如图9和图10所示。两张截图右侧的条形图显示了颜色和磁场强度之间的关系。红色表示高信号强度约为。80dbµV，蓝色代表约。20 dBµV。
这两项测量都是在同一DUT上进行的，但使用的是不同的设备。水平h场探头测量电流正上方的局部最小值，在边缘处测量局部最大值。这些也可以在图10中看到。从Vcc引脚，电源电流通过键合导体流入IC。在芯片上，电流采用不同的路径，并通过键合导体和Vss引脚返回到电路板。
垂直h场探头只能测量磁场，此时电流与测量线圈平行。因此，在某些部分，特别是在集成电路的电源区域，需要测量磁场。在集成电路的其他部分，微探头几乎检测不到任何磁场。这可能是因为没有磁场，或者磁场不在敏感探头的方向上。
因此，应进行第二次测量，其中测量线圈(微探头)以90°的角度转动。这样就可以检测到与第一次测得的磁场呈90°的磁场。
如果在距离集成电路不同的距离上进行这样的表面扫描，则可以在集成电路上方的整个体积中显示磁场。在图11中，具有相同场强的所有点都连接在一起。
此图可作为进一步学习或理解IC与其他金属部件耦合效应的来源，这些金属部件可以在实际应用中放置在IC附近-例如散热器，连接器，屏蔽部件。
通常，IC的每个引脚都可以是高频电流的来源——功率引脚、输出引脚以及输入引脚。它取决于集成电路本身和所连接的电子电路的阻抗。了解这些电流使电路板设计者有机会以最佳方式将串联电阻或电容器放置到GND上。
结论
本文介绍了一种检测μ m范围内磁场和电场的测量方法。结果表明，用微探头测量ic或开放式die上的近场是工程师检测EMC问题并以可靠的方式解决这些问题的理想工具。测量可以在参考PCB组件或客户的PCB上完成。
在未来，将有很多机会来改进μ m范围内的电磁场测量。通过较小的分辨率，可以更精确地对die进行检测，因此也可以用更高的分辨率扫描集成电路的较小部分。频率范围也必须扩大。由于时钟频率较高，产品规范会进行调整，因此在6ghz以上的较高频率范围内会有额外的EMC干扰要求。
