基于表面扫描法的SiP 器件近场电磁辐射测试方法

高 成 ，李 维 ，梅 亮 ，林辰正 ，黄姣英

（1.北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院，北京 100191；2.航天科工防御技术研究试验中心，北京 100854）

0 引言

21 世纪后的电子产品都在追求一个相同的目标：便携、轻薄。这对现代半导体设备的轻量小型化、综合化[1]以及高可靠性提出了更高的要求，如何在这方面取得突破也成为微系统领域的一个研究热点[2]。但技术发展同时也暴露出许多问题：光刻技术受限；散热、漏电问题；高集成度影响芯片性能；成本问题[3]等。因此研究者们开始着眼于封装技术，如系统级封装（System in Package，SiP）。它是指多个有源器件的组合，这些功能不同的器件被组装在一个单元中，单元提供系统或子系统功能[4-9]。这种具有3D 封装特色的封装方案[10]不仅极大程度缩减封装体积，还具有开发周期短、低成本、低功耗、高性能的优点，能提高生产效率，简化系统开发，提升开发弹性与灵活度，降低供应链管理难度，这也使SiP 器件在宇航、武器装备、可穿戴设备以及物联网等领域里得以广泛应用[7-8，11-15]。

SiP 技术不断发展，频率较低的频谱资源逐渐无法满足人们的使用需求，SiP 器件的工作频率越来越高，过程集成技术不断进步，其内部更高的开关速度和更复杂的电路增加了产生的电磁发射量，这也带来了电磁环境干扰的问题[16]，电路中的部分走线在波长相近时可能会形成“天线”，产生电磁辐射耦合[17]。例如在医疗领域，高频手术刀、微波设备等精密仪器如果受到电磁辐射影响，后果不堪设想。鉴于电磁辐射干扰造成的不良影响，国际社会越来越关注电磁辐射干扰问题。迄今几乎每一个国家都有一套针对自己国家市场内电子产品的EMC 电磁兼容标准，只有通过了相应国家的电磁兼容检测，电子设备才能进入市场[18]。

电磁辐射看不见、摸不着，必须借助于一定的仪器设备、测试技术来获得对它的量的认识。在近场区，磁场和电场强度大小没有一个确定的相关关系，近场区的电场、磁场强度远大于远场区，从这个角度来看，电磁辐射问题的关注重点应在近场区。在电磁辐射问题的众多研究技术中，近场扫描技术由于其方便简单、精度高、测量系统对测试环境具有高可操作性的特点[19]，故得以广泛应用。

根据测试方法来分，目前近场电磁辐射测试手段主要分为两种：其一是通过电子开关控制阵列天线，这种方法扫描速度快，扫描一次就能得到电路板的近场电磁辐射信息，例如加拿大EMSCAN 公司的EMxpert 系统，将被测设备放置在由1 280 个探头组成的扫描板上，扫描板连接到频谱仪、计算机，显示出扫描板探测的电磁辐射[20]；其二是利用测量探头连接至频谱仪进行机械扫描测试，这种方法可用机器控制探头，也可由测试人员手动移动探头进行扫描测试，例如德国Langer EMV 公司的推出的FLS-106 系统，采用单个探头的扫描测量，探头连接至频谱仪进行数据收集、分析。这种方法虽然覆盖频率范围广，使用灵活，但是不同情况下要频繁地更换探头[21-23]。

这些方法目前对电磁辐射的研究大多停留在PCB板级，对单个器件的测试研究较少。在过去，大部分情况下都是由一块安装了各类元器件的PCB 板来实现系统功能。而如今，SiP 技术的出现与发展使得在更多情况下，系统功能通过单个SiP 器件来完成[24]。因此，对于单个SiP 器件的近场电磁辐射测试研究必不可少。近年来，虽然国际电工委员会相继发布IEC 61967 和IEC 62132标准，但是我国尚未建立完善的相应测试国家标准，相关技术、文档等尚未成熟[25-26]，再加上电子产品电磁辐射测试的设计难度、试验场地等问题的存在[27]，因此本文主要参考IEC61967 系列标准，基于表面扫描法，对SiP器件的近场电磁辐射测试方法进行研究，并进行了实例测试。

1 SiP 器件近场电磁辐射测试

1.1 基于表面扫描法的近场测试方法

将X 光扫描技术和近场扫描技术相结合，通过对SiP器件进行电磁辐射发射测试，对表面扫描法进行了研究，提出了一套基于表面扫描法的针对SiP 器件近场电磁辐射测试方法，如图1 所示。

图1 测试方法示意图

（1）通过3D-X 光扫描技术对器件进行扫描，结合SiP器件的原理图研究其内部结构与模块划分，分析器件内部可能的干扰源。

（2）通过硬件层、软件层的搭建，使器件进入工作状态。

（3）搭建近场测试系统，制定完善的测试方案，对器件在不同工作状态下进行电磁辐射近场测试，测试时先进行电路板级的扫描，再进行器件级扫描，遵循“从整体到局部”的原则。依据干扰幅度与传播距离成反比的原则[28]，定位和验证电磁辐射干扰源，评估电磁辐射干扰大小。

1.2 测试系统的搭建

本文主要参考IEC61967 系列标准。根据测试标准IEC61967-3，电磁辐射近场测试系统主要由测量探头组、机械扫描仪、前置放大器、EMI 接收机以及上位机组成[29]，搭建的近场测试系统如图2 所示。

图2 近场测试系统结构示意图

首先在上位机中安装FLS-106 扫描仪的控制软件ChipScan-Scanner，安装必要的驱动程序。然后将扫描仪通过USB 线与上位机连接。前置放大器的安装位置在扫描仪上方机械臂上，机械臂侧边有标有PA 标志的接口，放大器电源输入接入12 V 接口。探头安装在机械臂固定台上后通过线缆与放大器相连。EMI 接收机的输入口与扫描仪的输出口通过射频线缆连接，再将接收机通过网线接口与上位机连接。除了这些信号传输线缆连接之外，还有电源线的连接。

出于安全考虑，引出的急停开关与扫描仪后端接口之间的线缆连接要确保稳固，在实验时，急停开关要确保放在能够让操作人员快速触及的位置。待测设备由一根Micro USB 数据线直连供电。

其中，电磁辐射信号在测试系统中的传输路径与过程如图3 所示，电磁辐射信号首先产生于待测设备SiP器件，然后被近场扫描探头捕捉，随后经过前置放大器放大，经过射频线缆传输到EMI 接收机进行缩小还原，最后再传输到上位机软件进行分析、显示。

图3 电磁辐射信号传输路径

2 案例研究

2.1 测试对象

选取的测试对象为ESP32-PICO-D4 系统级封装模组，样品尺寸为7.000 mm×7.000 mm×0.940 mm，内部封装ESP32 芯片以及所有外围器件，主要功能是Wi-Fi/蓝牙连接及数据处理，主要工作频率在2.4 GHz 附近。通过X 光机扫描获得其3D-X 光照片，如图4（a）所示，其简化后的内部示意图如图4（b）所示。

图4 ESP32-PICO-D4 模组

位于器件左上角的是内置的ESP32 芯片，该芯片被埋置在基板中，并且能看到从管脚引出的键合丝与其他外围器件连接。在右侧基板上有一个比较大的4 管脚芯片，其余为电阻、电容等外围器件。结合电路常见干扰源分析，该模组内部主要干扰源为ESP32 芯片，其内部包括蓝牙模块和Wi-Fi 模块，这两个模块在工作时会发射频段高至2.4 GHz 的射频电磁辐射。在实例测试中用到的测试电路板如图5 所示。

图5 测试电路板实物图

2.2 测试参数配置

在测量时，应遵循“从大范围到小范围，从整体到局部”的扫描逻辑，先对整个电路板进行大范围低分辨率的快速扫描，再针对电磁辐射比较强的地方进行小范围高分辨率的扫描测试。测试参数配置如表1 所示。

表1 测试参数设置

2.3 测试结果分析

2.3.1 蓝牙发射工作状态下的电路板级扫描

通过硬件、软件两个层次的准备使器件进入工作状态，在蓝牙发射工作状态下进行近场扫描测试。先进行整个电路板级别的扫描，分别测试近场电场、近场X 轴方向/Y 轴方向/Z 轴方向磁场，并对4 种测试结果进行比较。板级扫描结果如图6 所示。

图6 蓝牙发射状态板级扫描结果

从测量结果可以看出，电场强度最高达到了90.8 dB，磁场强度最高达到81.6 dB，并且在SiP 器件附近出现了明显的高场强聚集点，说明电路板上主要的电磁辐射来源于工作中的SiP 器件。此SiP 器件为塑封器件，并没有金属外壳的电磁屏蔽效果，因此产生的电磁辐射大量泄露到外界。

2.3.2 蓝牙发射工作状态下的器件级扫描

根据电路板级的扫描结果，可以将电路板上电磁辐射主要的干扰源定位到工作状态下的SiP 器件附近，再对这些场强比较高的区域即SiP 器件附近进行小范围高精度的扫描测试，测试结果如图7 所示。

从测试结果可以看出，SiP 器件的电磁辐射分布主要集中在器件的左上角，电场最大发射值达到了90.8 dB，磁场最大发射值达到了78.0 dB。并且每一个测试结果点都有对应的全频带频谱波形，如图8 所示。

图8 是图7 中电场扫描结果中峰值点的频谱波形，电磁辐射基本集中在2.4 GHz，与蓝牙的工作频率吻合.结合之前拍摄的3D-X 光照片可知，左上角辐射较强的区域恰好与器件内部封装的ESP32 芯片重合，这与之前分析的ESP32 芯片为主要干扰源相吻合。

图7 蓝牙发射状态器件级扫描结果

图8 测点频谱分析结果

此次近场测试中电磁辐射发射比较集中，主要集中在干扰源ESP32 芯片附近，并且由于此SiP 器件封装并没有金属外壳，因此并没有多少对电磁辐射的屏蔽效果，可能会对电路板上其他元器件造成电磁干扰。

3 结论

本文通过对SiP 器件进行电磁辐射发射测试，对表面扫描法进行了研究，并结合3D-X 光扫描技术提出了一套针对SiP 器件的电磁辐射近场测试方法：（1）结合X光照片研究对象器件的内部结构、模块划分，分析器件内电磁辐射干扰源；（2）通过硬件层、软件层两个层次的搭建，使器件进入工作状态；（3）搭建近场测试系统，对不同工作状态下的器件进行电磁辐射近场测试，测试时先进行电路板级的扫描，再进行器件级扫描，遵循“从整体到局部”的原则。并定位和验证电磁辐射干扰源，评估电磁辐射干扰大小。

通过对某型SiP 器件进行案例测试验证，可以认为这一套方法对于近场电磁辐射发射的测试是行之有效的。在后续有两点可以继续深入研究：（1）在近场电磁辐射测试中，由于器件功能、功率以及探头扫描频率的限制，并未对所有可能导致辐射发射的因素（如同步开关噪声、逻辑门数量等）进行验证；（2）研究电子元器件抗电磁辐射干扰的能力评估方法。