2023年7月29日发(作者：)

芯片集成电路电磁兼容测试技术

摘要：当今，集成电路的电磁兼容性越来越受到重视，芯片电磁兼容(EMC)技术关乎整机电子系统及其周围电子器件的运行的安全可靠性，电磁兼容性。电子设备和系统的生产商努力改进他们的产品以满足电磁兼容规范，降低电磁发射和增强抗干扰能力,集成电路（IC）的电磁兼容性（EMC）的测试方法正受到越来越多的关注,文章基于国内外资料调研和课题组的研究成果,介绍了器件级(IC)EMC测试方面的发展现状，测试标准，详细介绍了器件级(IC)主要的电磁兼容测试方法。

关键词：标准集成电路电磁兼容电磁辐射GTEM小室TEM小室

1、集成电路电磁兼容项目背景

近年来，世界范围内电子产品正在以无线、便携、多功能和专业化的趋势快速发展，集成电路在数字电子产品与电子系统中越来越重要，使用的程度也在随着集成电路产业的发展不断加深，从摩尔定律提出至今，集成电路就基本保持每2年集成度翻一倍、但是价格却减半的发展趋势。尤其是近些年来，IC芯片的频率越来越高，所集成的晶体管数目越来越多，IC芯片自身的供电电压越来越低，加工芯片的特征尺寸进一步减小，越来越多的功能，甚至是一个完整的系统都能够被集成到单个芯片之中。 图1IC发展总体趋势

图2IC性能发展趋势

根据SEMI的分析报告，全球半导体市场从2015到2025年的预期份额，包括了各类型芯⽚所占的份额。相⽚2015年的3427亿美元，预计在2025的市场份额将会达到6556亿美元，复合增长率为6.7%。集成电路的快速发展，这为集成电路的大范围、多层次应用奠定了基础。尤其在消费类产品领域，这种发展趋势尤为明显，各种数码类产品的普及就是很好的说明。

图3各类型芯⽚所占的份额

图4各尺寸芯⽚所占的份额

这种快速发展也造成了电子系统电磁兼容性问题的日益突出，芯⽚复杂性、IO口的数量、⽚作频率、瞬态电流都会有所增加，这些发展均使得芯片级电磁兼容显得尤为突出，更高的集成度和使用密度，是片内和片外耦合的发生几率大大提高。在电子产品和电子系统中，通常集成电路是最根本的骚扰信号源，它把直流供电转换成高频的电流、电压，造成了无意发射和耦合。而当其输入或供电受到干扰时，误动作的可能性将大大增加，甚至造成硬件损坏。

这种情况下，如何衡量集成电路电磁兼容性的问题日渐凸显起来。测试标准和测试方法，将作用于集成电路的设计、生产、质量控制、采购乃至应用调试等诸多方面，成为整个集成电路相关产业的关注焦点。

2、集成电路电磁兼容测试描述

IC芯片在电子设备内部大量使用，是电磁噪声产生的根源。这些噪声经IC的电源与I/O线、PCB板上的走线以及互联的外接电缆，以传导或者辐射的方式发射出来，对周围环境或设备造成影响，从而产生电磁干扰问题。反之，外界的电磁骚扰也会以同样的方式进入到设备内部，进而影响芯片的工作，造成芯片的逻辑混乱，产生错误的信号与指令，导致设备的误操作，降低了设备的可靠性，严重的甚至可能使集成电路烧毁，设备无法工作。

图5EMC干扰路径 目前对IC芯片的电磁兼容性评估，只有组成系统设备之后才能进行相关的测量，已确认其EMC符合性，若不符合要求，则很难确定是IC芯片、零部件还是整体设计的问题（例如PCB板设计、布局等问题），只有反复查找、修改，然后再进行产品的检测，可能需要经过多次反复，直到符合要求为止。

集成电路的电磁兼容问题会最终反映在产品的电磁兼容性上，这样就给产品开发设计带来很大的麻烦。很多国内的电子信息制造商均已经意识到这个问题，为了降低其产品的EMC符合性风险，希望把对产品的EMC要求推导到IC层次，从源头对电磁兼容进行控制。

3、依据标准

1、集成电路电磁兼容标准体系

IC芯片的EMC研究在国际上开展较晚，但是发展迅速。最早始于汽车工业的需要，一些IC芯片制造商为适应这种需求，进行了相关试验方法的研究以及标准化工作，其中一些标准化组织也出版了有关的IC芯片电磁兼容标准，例如美国汽车工程师协会的SAEJ1752系列标准、德国电气电子工程师协会的VDEUK767.14标准。

随着IC芯片的不断发展，电磁兼容问题将日益受到关注。IEC/TC47/SC47A（半导体器件标准化技术委员会集成电路技术委员会）专门成立了第九工作组，来负责IC芯片电磁兼容标准的研究与制定，并出版了一系列电磁兼容测量标准。

研究IC芯片的电磁兼容测量涉及到两个方面：

1）电磁发射：主要研究IC芯片产生的骚扰信号以传导/辐射方式对其它器件的影响。IC发射是由于内部快速的电压/电流变化产生的，这些变化在IC芯片内/外部激励出射频电流，并以传导方式通过芯片管脚在PCB上形成传导回路，这些回路可看成发射环天线，并辐射电场与磁场。 2）电磁抗扰度：主要研究环境电磁骚扰信号以传导或辐射方式对IC芯片的影响。在外界干扰存在的条件下，研究IC

芯片的抗扰能力，提高其对电磁骚扰的承受能力，可有效保证集成电路工作的可靠性。

同理，IC芯片的测量标准也分为电磁发射与抗扰度两个方面。

目前出版的IEC61697系列标准与IEC62132系列标准分别涉及到IC芯片的电磁发射与抗扰度测量。

图6IC-EMC标准总览

IEC61967系列标准为电磁发射测量标准，包括七项标准（见表1）。

表1IEC61697电磁发射系列标准

序号

1

标准编号 标准名称

IEC61967-1

集成电路电磁发射测量150kHz～1GHz第1部分：一般条件和定义

集成电路电磁发射测量150kHz～1GHz第2部分：辐射发射测量TEM小室法

集成电路电磁发射测量150kHz～1GHz第3部分：辐射发射测量表

2 IEC61967-2

3 IEC61967-3

面扫描法

4 IEC61967-4

集成电路电磁发射测量150kHz～1GHz第4部分：传导发射测量 1Ω/150Ω直接耦合法

集成电路电磁发射测量150kHz～1GHz第5部分：传导发射测量法

5 IEC61967-5

拉第笼法

集成电路电磁发射测量50kHz～1GHz第6部分：传导发射测量磁场

6 IEC61967-6

探头法

集成电路电磁发射测量50kHz～3GHz第8部分：辐射发射测量磁场

7 IEC61967-8

带状线法

第一部分通用要求的目的是描述IC芯片中传导与辐射电磁骚扰测量的通用条件，建立一个统一的测量环境，对来自IC芯片射频骚扰进行定量的测量，其意义在于为IC芯片电磁发射测量提供了一般条件与定义，是测量IC芯片传导与辐射骚扰的通用与先决条件。其余部分标准则分别采用不同的方法测量IC芯片电磁发射的不同方面的要求，包括辐射发射与传导发射。

第二部分、第三部分、第七部分介绍了辐射发射的测量方法，分别采用TEM小室以及电场探头、磁场探头、带状线对芯片进行扫描来测量IC芯片对外的电磁辐射。

第四部分到第六部分则是传导发射的测量方法，分别利用1Ω电流探头/150Ω耦合网络、法拉第笼工作台以及磁场探头来测量IC芯片的电源线、I/O线、地线管脚上传导出来的骚扰信号。

不同测量方法之间的比较见表2所示。

表2IEC61697电磁发射测量方法比较

项目

IEC61967-2

TEM小室法

待测IC发射类型 来自IC的E/H

推荐的频率范围 150kHz～1GHz

IEC61967-4

1Ω/150Ω

IEC61967-5

法拉第笼

IEC61967-6

磁场探头

差模与共模电流

150kHz～1GHz

差模与共模电流 共模电流

150kHz～1GHz 150kHz～1GHz 测量目的：IC比强制的

较

测量目的：IC评必要的

估

测量对人的依赖 无

单一管脚V/ITest

No

同样封装IC比较

Yes

IC发射源/路径分析

—封装的不同

—芯片的去耦

—多管脚供电

Yes

Yes

部分

强制的 强制的 强制的

不受限制的 不受限制的 不受限制的

无

Yes

Yes

无

No

Yes

无

Yes

Yes

可能的

Yes

Yes

Yes

部分

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

可能的

Yes

Yes

Yes

Yes

—I/O信号状态 部分

—最佳管脚位置 部分

IEC62132系列标准为电磁抗扰度测量标准，包括五项标准（见表3所示）

第一部分是抗扰度通用要求，描述了IC芯片传导与辐射抗扰度测量的通用条件与定义，考核IC芯片对传导骚扰与辐射骚扰的承受能力，建立一个统一的测量环境，对IC芯片抗扰度进行测量。其意义在于为IC芯片抗扰度测量提供了一般条件与定义，是测量IC芯片传导抗扰度与辐射抗扰度的通用与先决条件，其余标准则是分别采用不同的测量方法，考察IC芯片不同方面的电磁抗扰度要求，包括辐射与传导抗扰度。第2部分是辐射抗扰度测量，利用GTEM室中产生的电磁场来测量IC芯片对辐射电磁场的承受能力。第三部分到第五部分是传导抗扰度测量，包括大电流注入（BCI）法、法拉第笼工作台法、射频功率直接注入法等的试验检测。不同测量方法之间的比较见表4所示。

表3IEC62132电磁抗扰度系列标准 序号

1

标准编号 标准名称

IEC62132-1

集成电路电磁抗扰度测量150kHz～1GHz第1部分：通用条件和定义

2 IEC62132-2

集成电路电磁抗扰度测量150kHz～1GHz第2部分：TEM与GTEM小室法

3 IEC62132-3

集成电路电磁抗扰度测量150kHz～1GHz第3部分：大电流注入（BCI）法

4 IEC62132-4

集成电路电磁抗扰度测量150kHz～1GHz第4部分：射频功率直接注入法

5 IEC62132-5

集成电路电磁抗扰度测量150kHz～1GHz第5部分：法拉第笼工作台法

6

7

IEC62132-8

集成电路电磁抗扰度测量150kHz～3GHz第8部分：带状线法

IEC62132-9

集成电路电磁抗扰度测量第9部分：表面扫描法

表4IEC62132电磁抗扰度测量方法比较

项目

IEC62132-2

IEC62132-3 IEC62132-4

功率直接注入

传导

150kHz～1GHz

可以向上扩展

IEC62132-5

法拉第笼工作台

传导

150kHz～1GHz

不推荐

TEM/GTEM室法

大电流注入

骚扰类型 辐射 传导

150kHz～1GHz

可以向下扩展

推荐的频率范围 150kHz～1GHz

频率范围扩展可可以向上扩展

能

取决于小室的性取决于探头的性取决于网络的性能

骚扰的测量

动态范围

RF电场

—

能

RF电流

—

能

RF前向功率

取决于RF系统

RF电压

取决于试验发生器

共模骚扰

Yes Yes Yes Yes 差模骚扰

No Yes

Yes

Yes

专用的

Yes

Yes

Yes

通用的

Yes

No

Yes

通用的

单一管脚的影响

No

多个管脚的影响

No

测量目的：IC比通用的

较

测量目的：IC评通用的

估

不适用的 不受限制的 不受限制的

耦合路径的确认 需要通过测量确需要通过测量确需要通过测量确不需要

认

测试对人的依赖无

性

是否需要屏蔽室

No

损耗/路径分析

芯片去耦

No

No

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

No

No

Yes

认

无

认

无 无

随着集成电路技术的发展与电磁兼容研究的深入，新标准的制定以及对原有标准的修订还会不断进行。例如，集成电路EMI性能仿真的电磁发射模型、IEC62215脉冲抗扰度测量的浪涌、电压跌落试验方法以及集成电流在1GHz以上频率喇叭天线局部发射测量方法等。

表5制定中的集成电路电磁兼容标准

序号

1

2

3

4

标准编号

IECTS62228

IECTS62215-2

入法

IECTS62215-3

IECTS62433-1

集成电路脉冲抗扰度测量Part3：非同步瞬态注入法

EMCIC模型Part1：通用模型框架

标准名称

集成电路CAN收发器的EMC评估

集成电路脉冲抗扰度测量Part2：同步瞬态注5 IECTS62433-2

EMCIC模型Part2：集成电路EMI仿真模型传导发射模型

IC芯片对电子产品的电磁兼容性有着重要的影响。目前日本VCCI已实施IC芯片的电磁兼容检测，欧盟也在分阶段地评估ICEMC测量可行性。由此可见，IC芯片的电磁兼容性不仅会成为今后IC产业竞争的中重要因素，而且更会成为IC芯片的一项重要指标，成为IC芯片对外贸易的新的技术壁垒。

4、典型测试项目

那我们接下来主要就是详细讲一下常用的几个集成电路的测试方法。首先就是TEM/GTEM小室法，测试频段受待测IC和测试设备的影响，TEM小室一般测试到1G左右，GTEM小室的话最高可到18G，因为GTEM小室的应用频段更宽，因此就着重介绍GTEM小室测试的内容，TEM小室的测试方法基本相同，GTEM小室可同时用于IC辐射发射和辐射抗扰度的测试。

4.1、EMI测量方法——GTEM/TEM小室法

GTEM小室可以等效为截面渐变的阻抗为50Ω的同轴线。它的一端与50Ω同轴线连接，另一端接均匀分布的匹配负载，包括锥形吸波材料和芯板末端用于阻抗匹配的电阻。GTEM小室的外形为四棱锥形，如图7所示，侧面安装屏蔽门，锥顶处为50Ω同轴转换头，同轴接头内导体向锥底部膨大成三角形金属板，终端进行阻抗匹配，并铺设微波吸波材料。

我们在图中可以看到，小室的外导体顶端有一个方形开口用于安装测试电路板。其中，集成电路的一侧安装在小室内侧，互连线和外围电路的一侧向外。这样做使测到的辐射发射主要来源于被测的IC芯片。受测芯片产生的高频电流在互连导线上流动，那些焊接引脚、封装连线就充当了辐射发射天线。此时TEM小室端口的测试电压与骚扰源的发射大小有较好的定量关系，因此，可用此电压值来评定集成电路芯片的辐射发射大小

图7GTEM小室法—辐射发射测试（待测IC安装） 图8TEM小室法—辐射发射测试（待测IC安装）

a）测试内容：

在150kHz~1GHz频率范围内测试集成电路的电场与磁场辐射发射。适用于封装、片内去耦、引脚分布等的优劣比较和判别。

b）测试方法：

进行4次独立的发射测量以得到4组数据。第一次测量时IC试验板以任意方向安装。第二次测量时IC试验板旋转90°,第三次、第四次测量时依次在前一次测量的基础上旋转90°,以保证4个可能的方向下的发射都被测量到。应在试验报告中记录这4组数据

小室内的场强可通过在小室输出端口上测得的电压或功率得到。

c）测试结果（图9）：

若IC芯片与内导体芯板之间的距离相同，对同一IC，TEM小室和GTEM小室应得到大致相同同样的结果。测量结果的相关性：

图9GTEM/TEM法测试结果

4.2、EMI测量方法——表面扫描法

a）测试方法： 使用电场探头或磁场探头机械地扫过待测IC或电路的上表面，并且记录每次的频率、发射值和探头的空间位置，然后通过软件进行后处理，在上位机软件上以有色图谱的方式来形象地表示待测IC或电路上不同位置上的各个频率点场强的空间分布图。这种方法所能达到的效果与机械定位系统的精度及所用探头的尺寸密切相关。通过对集成电路表面进行电场和磁场扫描，可以准确地定位待测

IC封装内电磁辐射过大的区域。

图10表面扫描法—辐射发射测试布置（集成电路）

b）测试结果：

以2D与3D有色图形来显示待测IC或电路板上不同地点的频率分布情况。具体如下：

图112D与3D辐射图（集成电路）

4.3、1Ω/150Ω直接耦合法—传导发射测试 a）测试目的：使用直接耦合的方法测量集成电路的传导电磁发射。使用1Ω的阻性探头进行射频电流的测量，150Ω阻抗的匹配网络进行射频电压的测量。

图12骚扰电流与骚扰电压测试布置

a)测量方法：

IEC61967-4规定了两种测试方法：1Ω测试法与150Ω测试法。1Ω测试法用于测试待测IC接地引脚上的骚扰电流，而150Ω测试法用于测试待测IC的I/O端口上的骚扰电压。使用1Ω的电阻串联在地回路中，不仅能获取地环路的骚扰电流，而且还可以实现测试设备与待测IC接地引脚端的阻抗匹配。150Ω测试法则可用来测试单根或多根I/O信号线的骚扰电压，150Ω阻抗代表着I/O线束共模阻抗的统计平均值。为了实现150Ω共模阻抗与测试系统50Ω阻抗匹配，必须采用阻抗匹配器件。

RF电流测量有两种方式：

1）单一引脚接地：所有电流回路都是从同一个地回到芯片

2）多个引脚接地：芯片内部有自己的地，此时经过内部地的回路不会对发射造成影响，因此测量位置要放在外部地和IC内部地之间 图13单一引脚和多个引脚RF电流测量

b）测量结果

图14电源芯片测量结果

4.4、IC带状线/GTEM/TEM小室法—辐射敏感度测试

EMI测试中IC带状线、GTEM/TEM小室也可以用来进行抗扰度的测试，小室一端将接收机换成信号源和功放，小室另一端接适当的匹配负载。在小室中建立起来的TEM波与远场的TEM波非常类似，因而适合用来进行电磁抗扰度的测试。 图15辐射抗扰度试验布置（IC带状线/GTEM）

电场强度计算：

式中，E：电磁场强度的垂直分量（V/m）

Po：馈至赫芝横电磁波室的射频功率（W）

Rc：吉赫芝横电磁波室的特性阻抗（Ω）

D：芯板与上下板之间的垂直距离（m）

图16GTEM小室场强分布

4.5、直接功率注入法—传导敏感度测试

此方法直接在集成电路关键引脚上注入射频能量，以此来评估集成电路对射频电磁场的抗扰度。直接射频功率注入（DPI）法测量IC的抗干扰性能，射频信号直接注入在芯片单只引脚或一组引脚上；耦合电容同时起到了隔直的作用，避免了直流电压直接加在功放的输出端。

图17DPI测试布置

4.6EMS测量方法——瞬态注入测试 传导抗扰度中还包含了同步/非同步瞬态抗扰度测量方法。同步瞬态抗扰度测量方法是使用具有不同幅值、持续时间和极性的上升时间快速的短脉冲以传导的方式耦合给IC。使用这个方法，施加的脉冲与IC的功能运行是同步的，这样就可以确保试验的可控性和可复现性。非同步瞬态注入法的测量方法呢，是与受试器件（DUT）运行不同步的骚扰通过耦合网络施加给IC引脚。使用这种方法，不管瞬态干扰是否在IC规定的运行电压范围之内，都能够得到传导瞬态骚扰和其引起的IC性能降低之间的相互关系并对其进行分类。

图18同步瞬态注入抗扰度试验方法的波形

总结：

在IEC国际标准体系之前，北美汽车工程协会制定了SAEJ1752系列的ICEMC测试标准，并成为IEC标准的参考，我们国家系统级EMC测试标准虽然不断更新，EMC技术发展迅速，由于集成电路的电磁兼容是一个相对较新的学科，尽管对于电子设备及子系统已经有了较详细的电磁兼容标准，但集成电路EMC的测试标准却相对滞后。

国内的芯片技术设计和制造，测试等方面相对滞后，现阶段我国集成电路EMC标准正在起草当中，起步较晚，基本参考IEC标准，另一方面还未形成芯片的EMC认证体系。对于需要大力发展国内自主品牌集成电路，更加需要加快EMC标准化进程及行之有效的EMC测试方法，研究集成电路的电磁兼容性，可以从根本上改善电子产品的电磁兼容性。面向未来更为复杂的系统，高速/高频/高集成要求更加严谨的EMC测试和设计。