搞定混合信号的EMI电磁干扰

对更高性能和更高功能集成度的不懈追求，为管理密集混合信号环境中的电磁干扰（EMI）带来了新的挑战。

将模拟、射频和数字电路集成到单个片上系统 (SoC) 或高级封装中，需要能缩小系统尺寸并提高性能的解决方案。然而，这种紧密集成会增加 EMI 风险，因为数字电路会产生噪声，干扰敏感的模拟和射频元件。

Synopsys公司技术产品管理高级总监杨健说："SoC集成对于大批量消费应用来说是非常理想的，因为它既能降低成本，又能降低复杂性。“只要集成是可行的，在可能进行 SoC 集成的应用中，集成就会实现。然而，当射频接收器与数字功能集成在同一芯片上时，数字噪声可能会压倒射频信号，这就需要强大的隔离技术。

2.5D 和 3D/3.5D 集成等先进封装技术使 EMI 管理更加复杂。将多个 SoC、存储单元、电源管理 IC 和射频收发器集成到一个模块中，可实现前所未有的功能密度。然而，将单个芯片并排放置或垂直堆叠会增加整个系统信号衰减、串扰和不稳定的风险。

随着功率水平和工作频率的不断提高，传统的屏蔽技术正在失去其有效性。敏感元件之间物理空间的缩小加剧了电磁耦合，使保持信号完整性变得越来越困难。模拟和射频电路极易受到噪声的影响，而附近数字电路的高频开关噪声又会导致串扰或信号失真。

现代系统日益敏感

日益复杂的调制方案会影响信噪比。对于高级通信协议至关重要的较弱信号更容易受到有意和无意干扰的影响。在射频方面，这些信号小得令人难以置信。

“全球定位系统接收器必须检测到来自遥远卫星的极其微弱的信号--几乎不超过热噪声电平的信号，"杨补充道。“射频接收器电路必须高度灵敏，才能接收到这些微伏级信号。然而，当这种射频接收器与数字功能集成在同一芯片中时，就会出现重大挑战。数字电路是开关电路，工作电压要高得多，约为一伏特。这些数字电路产生的开关噪声会使灵敏的射频接收器不堪重负或达到饱和，从而将所需信号掩埋在干扰中。

EMI 不仅会干扰信号，还会导致接收器脱敏。如果射频发射器发射出不需要的能量，即使在到达天线之前已被过滤掉，这些能量仍可能会残留下来。如果发射器和接收器没有很好地隔离，这些额外的能量就会渗入接收端，从而降低信噪比。这样就很难从本底噪声中分辨出低电平信号，从而导致脱敏。

对于采用最先进工艺节点的数字集成电路，EMI 也会产生类似的有害影响。随着晶体管尺寸缩小到 7 纳米、5 纳米甚至更小，噪声裕量的减少和阈值电压的降低意味着即使是最小的电磁耦合也会导致逻辑错误、时序违规或信号完整性问题。

在这些先进节点中，高频开关活动会产生大量电磁场，从而干扰邻近电路。导线和元件的紧密接近会加剧串扰和耦合效应，从而可能导致意想不到的行为或系统不稳定性。这在高速数据通路和时钟分配网络中尤为关键，因为在这些网络中，精度和定时至关重要。

应对这些挑战始于设计阶段的早期，设计人员必须采用一系列 EMI 管理技术，包括分隔屏蔽、接地策略和仔细的布局规划，以隔离模拟、射频和数字元件之间的高频信号。

考虑一下同时包含高速数字处理器和敏感模数转换器 (ADC) 的 SoC。如果距离太近，处理器的开关噪声就会耦合到模数转换器中，从而降低其性能。通过战略性地安排布局，设计人员可以从一开始就降低这种风险。

屏蔽和隔离

屏蔽是管理高密度半导体封装中 EMI 的最有效方法之一。它将敏感元件封闭在导电或磁性材料中，防止电磁波穿透或泄漏。通过屏蔽这些电磁波，可以减少可能降低电路性能的干扰。如果没有屏蔽，射频接收器可能会出现信号衰减或丢失。

“强大的屏蔽要求使用高传导性和/或高渗透性材料将敏感元件完全封闭，"Promex Industries 总裁兼首席执行官 Dick Otte 说。“屏蔽必须连续且足够厚，以衰减相关电磁干扰的频率和强度。

铜、铝或μ金属（一种镍铁合金）等合金材料可以吸收和重定向磁场。

奥特补充说："这些材料通常只有几十微米厚，可以屏蔽大多数设备 1 兆赫的射频。“缪金属可以屏蔽低频磁场。针对特定应用的屏蔽方法也在不断创新。

保护环是环绕敏感模拟电路的导电环，与干净的接地基准相连。它们的作用就像城堡周围的护城河，为防止不必要的电气噪声提供了一道屏障。任何遇到保护环的杂散信号都会在渗入受保护电路之前被分流接地，从而有效隔离基板噪声。

Yang 说："在半导体制造或工艺技术中，典型的工艺方法是在敏感器件或敏感电路周围安装隔离环，如防护环。“几乎每个工厂都采用的另一种典型工艺技术是沟槽，如浅沟槽隔离或深沟槽隔离。这些都是将模拟敏感电路与数字电路隔离的典型技术。

地平面是嵌入集成电路层中的大面积导电材料。它们是电路接地的参考点，也是电磁场的屏障。在集成电路的架构中加入接地平面，可以进一步抵御电磁干扰。

隔离是管理封装内 EMI 的另一个关键策略，尤其是在射频、模拟和数字电路紧密集成的情况下。信号隔离的原理是在敏感电路周围使用导电材料，阻隔不需要的信号，防止 EMI 在元件之间传播。

这种隔离对于防止杂散信号影响射频收发器和其他敏感元件的性能至关重要。在先进的封装中，这可能需要使用金属屏蔽结构或先进的低频磁干扰材料。此外，沟槽隔离和硅通孔（TSV）通常用于最大限度地减少寄生电感和电容耦合，从而有助于减少电磁场在整个系统中的扩散。

韩国 Amkor Technology 公司系统解决方案部副总裁、研究员兼经理 Brian Hwang 说："硅通孔是提供最低寄生的互连解决方案的最佳选择。“微凸块也是在有限芯片面积内提供足够接口数量和容量的绝佳选择。它们是未来实现芯片与射频/模拟芯片和高端数字存储器集成的关键特性。”

在模拟电路中使用差分信号也是对抗电磁干扰的一种巧妙方法。在这种方法中，信号通过两条互补的线路传输。耦合到两条线路上的任何噪声都可以在接收端被抵消掉。这种技术增强了对外部电磁干扰的抗扰性，被广泛应用于集成电路内的高速数据通信。这就好比在嘈杂的房间里进行对话，只需关注音调的差异而非绝对音量。通过以不同的方式传输信号，系统对共模噪声的抗干扰能力更强，从而改善了整体信号质量。

除屏蔽外，尽量减小设备本身的尺寸也能降低其受干扰的可能性。较小的设备具有较短的信号路径，从而降低了电磁耦合的可能性。小心放置元件至关重要。通过将模拟块和数字块放置在芯片或封装的不同区域，工程师可以进一步减少干扰。

“要将干扰降至最低，就必须设计屏蔽装置，使用高导电性或高渗透性金属将敏感元件完全包围起来，并使用特定结构来解决所关注的干扰问题，"Promex 的 Otte 说。“设备越小，越不易受到电磁干扰。我们与设计人员合作，确保我们能够制造这些所需的结构，并指导设计人员如何制造物理尺寸较小的设备和子组件。这就要求装配团队在器件设计的早期阶段就参与进来"。

热管理也起着至关重要的作用，因为高频数字电路和射频电路产生的热量如果散热不当，会加剧 EMI 问题。

通过优化元件布局、使用导热材料和高效散热器，设计人员可以提高散热性能和抗 EMI 能力。即使在高密度、高功率应用中，确保系统保持稳定对于保持信号完整性也至关重要。

测试和验证： 确保性能

随着工作频率飙升到千兆赫甚至更高的范围，保持信号完整性成为一项日益复杂的挑战。高频信号更容易受到串扰和干扰的影响，因此必须进行严格的测试和验证，以确保元件在密集的环境中正常工作。

工程师们越来越依赖先进的测试方法来验证信号完整性和评估敏感元件之间的隔离效果。这对于射频和模拟电路尤为重要，因为它们具有高灵敏度，并对各种频率的性能有严格要求。

数据传输率的激增，以及蜂窝通信、Wi-Fi、蓝牙和汽车系统等应用中射频收发器的复杂性，要求在最大限度减少干扰的同时优化射频信号路径。此外，还需要结合专用设备和创新设计策略，才能准确高效地测试射频和模拟元件。

射频生产测试需要精心设计的测试环境，包括自动测试设备 (ATE)、晶圆探测仪以及探针卡和负载板等专用测试硬件。在射频信号路径优化与数字信号路径、电源、时钟路由和并行性最大化之间取得平衡至关重要。然而，实现这种平衡既能确保测试过程不会无意中引入额外干扰，又能提供有关射频和模拟元件性能的有意义数据。

隔离电路并采用先进的测试技术，使工程师能够隔离高频信号并验证敏感元件的性能。同时，仿真工具可对信号行为进行详细分析，从而在制造物理原型之前指导系统集成。

测试还必须考虑到不同频段带来的独特挑战。更高的频率，如毫米波范围内的频率，会带来信号衰减增加和传输线效应更明显等问题。这些因素使得测试和验证过程中的隔离和精确阻抗匹配变得更加重要。

时域反射仪 (TDR) 和矢量网络分析 (VNA) 等方法可用于检测信号完整性中的异常情况，如反射、衰减和串扰。这些方法有助于识别在设计阶段可能不明显的潜在 EMI 问题，同时允许在批量生产前进行调整。

在高密度集成中，测试和验证不仅仅是确保单个组件正常工作。而是要验证整个系统在实际条件下的可靠性能。这种整体方法使工程师能够对设计进行微调、调整屏蔽策略并优化布局，以减轻 EMI 并保持所有组件的信号完整性。

模拟： 预测和缓解 EMI 问题

除了传统的屏蔽技术外，仿真在设计定稿前预测和缓解潜在 EMI 问题方面也发挥着至关重要的作用。虽然屏蔽是有效的，但有时在设计阶段尽早解决 EMI 问题比增加复杂性或事后重新设计更有效。

仿真工具能让工程师直观地看到电磁场，并评估设计选择对 EMI 的影响。通过对元件之间的相互作用进行建模，设计人员可以确定潜在的问题区域，并在制造前进行调整。

Keysight Technologies 高级应用工程师 Heidi Barnes 说："说到 EMI 屏蔽，如果信号被设计到需要的地方，那么它就不会辐射。“除非是天线，否则辐射能量就是损失能量。仿真有助于从源头上解决问题。也就是说，增加屏蔽可能比重新设计或增加复杂性从源头解决问题更便宜。

结论

高密度集成中的有效电磁干扰管理是一项跨越设计、制造和测试的复杂挑战。随着设备变得越来越小，工作频率上升到千兆赫甚至更高，系统越来越容易受到电磁干扰的影响。要应对这些挑战，必须采取全面的方法，包括片上隔离、先进的屏蔽技术、明智的元件布局、创新的材料和严格的测试，所有这些都需要在设计阶段尽早开始。

展望未来，随着系统的不断微型化、玻璃基板和光子元件等新材料的引入，以及毫米波和太赫兹波段等更高频率的推动，预计 EMI 屏蔽的挑战将会加剧。未来的解决方案需要解决的问题包括管理热-电磁干扰相互作用、集成新兴材料以及遵守更严格的监管标准。光互连和光子电路的集成也需要新颖的 EMI 管理技术来处理同一封装内的光信号和电信号隔离。

本文译自：https://semiengineering.com/managing-emi-in-high-density-integration/