Rask og nøyaktig måling av elektromagnetisk stråling

Elektromagnetisk stråling er en kritisk parameter ved design av integrerte kretser og kretskort. Utviklerne må forsikre seg om at produktene de utvikler er overensstemmende med internasjonale standarder for kontroll og begrensning av uønsket utstrålt elektromagnetisk effekt. De må også forsikre seg om at produktene ikke utløser selv-interferens eller interfererer med andre enheter når produktet skal operere som en del av et større system.

Hvis problemer med elektromagnetisk interferens (EMI) og -kompatibilitet (EMC) ikke blir detektert og fjernet tidlig i designprosessen, blir raskt konsekvensene at det oppstår produksjonsforsinkelser, tidsplanene for når det nye produktet skulle introduseres i markedet må forskyves, og det påløper høye ekstrakostnader. For å korrigere potensielle problemer på et tidlig stadium i designprosessen, må de indentifiseres før produktet sendes til formell typegodkjennings test, og på en mer detaljert måte enn hva standard fjernfelts (Far-Field) typegodkjenningsmålinger inneholder. Fjernfeltsmålinger gir svar på om et testobjekt opererer innenfor eller utenfor kravene som internasjonale standarder stiller, men de gir ikke mye informasjon som hjelper utviklerne til å forstå hva som er den faktiske kilden til at produktet faller utenfor kravene.

Derfor er verktøy som benytter svært nærfelts (Very-Near-Field)-målinger for lokalisering av strålingskildene et essensielt verktøy for utviklingsingeniører, og jo raskere og mer nøyaktig verktøyet opererer, jo bedre er det.

Begrensninger for tradisjonelle målemetoder
De tradisjonelle målemetodene for elektromagnetisk stråling har imidlertid store begrensninger; de leverer enten raske målinger eller høy nøyaktighet, men ikke begge deler samtidig. Tradisjonelle svært nærfelts (Very-Near-Field)-målinger med en håndholdt probe er nyttige for relativt raskt å finne kildene for stråling. Ved å flytte proben til forskjellige målepunkter på et kretskort, kan strålingskildene identifiseres. Men denne metoden gir ikke et fullt oversiktsbilde over hele kortet, så noen strålingskilder kan bli oversett, og nøyaktigheten er lav. Og hva om strålingen fra kretskortet og dets kilder varierer over tid avhengig av hvilken prosess kortet til enhver tid utfører? For å oppnå høy nøyaktighet, kan prober koblet til robotstyrte posisjoneringsverktøy benyttes, men prosessen for å kunne måle et helt kretskort blir da svært tidkrevende og kan ta flere timer. Og spørsmålet ovenfor om variasjon i strålingsmengde og -kilder avhengig av hvilken prosess kortet utfører, vil fortsatt være ubesvart.

En mye raskere målemetode er å benytte en skannematrise som benytter et stort antall måleprober eller -antenner samtidig, som gjør det mulig å måle et helt, eller (avhengig av størrelsen) deler av et kretskort, i løpet av et par sekunder. Denne metoden er ikke bare svært rask, den gir også svært repeterbare målinger, presenterer hele måleobjektet samtidig og fungerer utmerket for å lokalisere området som en uønsket stråling oppstår fra. Skannematrise-metoden benyttes i produktet EMxpert EHX fra det kanadiske selskapet EMSCAN, som har spesialisert seg på utvikling av produkter for måling av EMI og karakterisering av antenner basert på svært nærfelts (Very-Near-Field)-målinger. Dette produktet benyttes allerede av mange elektronikkbedrifter i Norge, og har vist seg å være et svært effektivt verktøy.

Skannematrise metoden har imidlertid også sin begrensning, og denne består i at antennene i matrisen er fast montert i en gitt avstand fra hverandre. Dette betyr at denne metoden eventuelt kan gi utilstrekkelig oppløsning slik at de minste detaljene ikke vil vises og en helt eksakt angivelse av strålingskilden dermed heller ikke er mulig. Hvorvidt oppløsningen, som er 3,75 mm i EMxpert EHX, er tilstrekkelig eller ikke, avhenger av hva slags produkt som skal måles.  

Kombinasjon av høy hastighet og høy målenøyaktighet
På grunn av begrensningen ovenfor, har EMSCAN gått videre og utviklet en ny skanneteknikk som gir både raske målinger og høy målenøyaktighet, med mulighet for presis lokalisering av strålingspunkter til og med internt i en integrert krets eller mikrobrikke i løpet av noen få minutter. Produktet EMxpert ERX+ gir en betydelig høyere oppløsning ved å kombinere en skannematrise med 1 218 antenner og små endringer av skannematrisens posisjon i forhold til måleobjektet. En robotstyrt posisjoneringsenhet flytter hele skannematrisen metodisk for å eliminere virkningen av avstanden mellom antennene. Denne prosessen øker tettheten av målepunkter med en faktor på opptil 4 000, og funksjonen for fortetting av målepunktene gir en enorm forskjell i oppløsningen. Graden av fortetting av målepunktene kan bestemmes av utstyrets bruker fra nivå 1, som gir standard oppløsning på 3,75 mm, til nivå 8, som gir oppløsning helt ned til 0,06 mm. Dermed kan selv de minste strålingsdetaljer måles, til og med internt i små komponenter.

Analyse av et kretskort med EMxpert ERX+
EMxpert ERX+ skanneren gir utviklingsingeniøren mulighet for svært raskt å skaffe seg en oversikt over strålingskarakteristikken til et produkt og visuelt få en oversikt over resultatene. Skanneren benytter en innebygget spektrumanalysator og intuitiv bildevisning for både å presentere et spektrumbilde som viser hvilke frekvenser det stråles ved, og et såkalt «spatial»-bilde for å vise hvor strålingen kommer fra.

Et raskt innledende skann av måleobjektet viser ofte at det finnes stråling ved flere frekvenser. Utvikleren kan da benytte den interaktive ERX+ programvaren til å arbeide med ulike deler av testobjektet, zoome inn og se på hvilke enkeltfrekvenser som forårsaker stråling fra hvilke deler av testobjektet, eller hvilke frekvenser som stråler fra et gitt strålingspunkt. Ved å importere en designfil, som for eksempel en Gerber-fil, og legge denne som bakgrunn for «spatial»-visningen, vises utstrålt energi direkte på det stedet på kortet hvor utstrålingen finner sted, som for eksempel fra spesifikke deler i en integrert krets, fra kraftforsyningslinjer eller fra kontroll-linjer (figur 3). For flerlagskort, kan brukeren legge inn og vise flere lag for å følge stråling fra opphavet på et lag og se hvordan strålingen spres over i andre lag.

Dersom stråling flyter over i et internt lag som er skjermet, vil det ikke være noe eksternt magnetisk felt å måle, og dermed representerer heller ikke denne strålingen noe eksternt problem. Men det er ikke uvanlig at skjermingen som benyttes viser seg å ha «hull», eller at stråling lekker ut i kant av kretskortet, og disse lekkasjene vil skanneren måle.

Stråling internt i en integrert krets
Den ekstremt høye oppløsningen som er tilgjengelig i EMxpert ERX+, gjør at dette utstyret også kan «se inn i» en integrert krets og finne strålingspunkter fra individuelle pinner og ledningsbaner ved forskjellige frekvenser. ERX+ programvaren kan også importere bilder hvis designfiler ikke er tilgjengelige. Spektrum og «spatial»-visninger kan dessuten kombineres for å gi et tredimensjonalt bilde av strålingens utbredelse. Ved å kombinere EMxpert ERX+ evner å «se inn i» en integrert krets og vise hvilken del av kretsen som genererer stråling (figur 4), med kunnskap om design av integrerte kretser, har utviklerne de beste forutsetninger for å finne løsninger på strålingsproblemer.

Forbedring av programvaresimuleringer
EMxpert ERX+ kan også hjelpe kunder med å komme forbi en av de vanskeligste problemstillingene med programvare simulering. Kunder kan benytte simulering for å modellere et system og forutsi strålingsegenskapene. Men i noen tilfeller vil kompleksiteten i designet gjøre denne fremgangsmåten upraktisk på grunn av begrenset tilgjengelig kapasitet for oppsett og kalkulering. Detaljerte designfiler kan noen ganger også være utilgjengelige på grunn av regler knyttet til opphavsrett. I slike tilfeller vil det være nyttig å måle den mest komplekse delen av designet, eller den delen av designet man ikke har designfiler tilgjengelig for, med EMxpert ERX+ og deretter importere disse målingene inn i simuleringsmodellen som en «Black Box». De importerte målingene kan så inngå i simuleringsmodellen sammen med større, men mindre komplekse deler av designet, for å estimere det totale strålingsbildet for et komplett system.

Forutsigbar EMC typegodkjenning
Svært nærfelts (Very-Near-Field)-målinger utført med EMxpert måleutstyr er en effektiv måte å diagnostisere kretskort på, men disse målingene erstatter ikke de formelle typegodkjenningstestene. Ethvert produkt må uansett gjennomgå fjernfelts (Far-Field) typegodkjenningstester i et skjermet testkammer. Imidlertid, ved bruk av EMxpert måleutstyr vil brukeren langt på vei kunne forutsi om produktet vil bli godkjent i en typegodkjenningstest eller ikke. EMSCAN’s fjernfelts (Far-Field) beregningsprogram simulerer måleresultatene et gitt produkt vil oppnå i et testoppsett for typegodkjenning, og erfaring viser at de simulerte måleresultatene stemmer godt overens med virkelige måleresultater. Hvis en simulert typegodkjennings test viser at produktet ikke overholder kravene, kan designendringer utføres før produktet bringes til testkammeret for endelig typegodkjenning.

Konklusjon
De fleste bedrifter som utvikler elektronikk, har erfart frustrasjonen ved at deres produkter ikke godkjennes ved typegodkjenningstest som planlagt, og at store ekstra kostnadervil påløpe ved lengre utviklingstid, flere besøk hos selskapene som utfører typegodkjenningstestene, og potensielle tapte markedsandeler ved at de nye produktene ikke kan introduseres til markedet på opprinnelig planlagt tidspunkt.

EMSCAN’s EMxpert testprodukter gir produktutviklere muligheten for raskt og effektivt å teste sine produkter tidlig i utviklingsfasen, i sitt eget utviklingsmiljø, uten å måtte reservere tid og reise til eksterne testfasiliteter under utviklingsarbeidet. Mulighetene for at produktet passerer testene for typegodkjenning ved første forsøk blir også betydelig forbedret. Det finnes et stort potensiale for kostnadsreduksjon ved at bedriftens utviklingsingeniører kan arbeide smart og effektivt, og at feil eller svakheter i produktdesign kan elimineres på et så tidlig tidspunkt som mulig. EMSCAN’s EMxpert produkter har vist seg å være viktige hjelpemidler for å spare kostnader ved redusert utviklingstid, rask og problemfri typegodkjenning og raskere inntekter tilbake til bedriften ved at de nye produktene kan tilbys tidligere til markedet.