一種高性能FPGA輻射發(fā)射抑制方法研究*

王 霞,鄭龍飛,王蒙軍,張紅麗,吳建飛,4

(1.河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院,天津 300401;2.電子材料與器件天津市重點(diǎn)實驗室,天津 300401;3.天津先進(jìn)技術(shù)研究院,天津 300401;4.國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院,湖南 長沙 410073)

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子、機(jī)器人和無人駕駛的興起，現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，F(xiàn)PGA得到快速發(fā)展。FPGA電路速度、集成密度和I/O端口數(shù)量的大量增加，是導(dǎo)致其產(chǎn)生電磁輻射的重要因素[1]。FPGA高密度、高速度、動態(tài)可重構(gòu)性和多元化發(fā)展等發(fā)展特點(diǎn)和發(fā)展方向會導(dǎo)致面臨的電磁輻射問題更加復(fù)雜，而抑制電磁輻射以滿足集成電路電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)一直是必不可少的環(huán)節(jié)[2]。

目前已經(jīng)發(fā)布了針對集成電路電磁發(fā)射的測試標(biāo)準(zhǔn)IEC 61967[3]，馬來西亞大學(xué)電磁兼容中心使用GTEM小室測試FPGA芯片的電磁輻射，研究了芯片位置對輻射的影響[4]，但是并沒有對芯片表面的電磁輻射分布進(jìn)行研究分析。對于電磁屏蔽，金屬屏蔽層[5]或者屏蔽盒[6]是常見的處理方案，是封裝級屏蔽的主流趨勢之一。金屬屏蔽材料具有良好的屏蔽效能，并且穩(wěn)定、可靠，可以對芯片提供額外的物理保護(hù)[7]。但是，同樣存在明顯的缺點(diǎn)，即封裝成本高，以及由于連接焊盤而導(dǎo)致的空間損失，使得金屬類的屏蔽解決方案并不完美。

本文選取了2種不同的電磁屏蔽材料：一種是由納米金屬材料復(fù)合而成的新型高分子屏蔽材料；另一種是由聚氨醋海綿通過化學(xué)鍍工藝制造的電磁屏蔽材料。將這2種新型材料應(yīng)用到FPGA的電磁輻射問題上，按照目前已經(jīng)發(fā)布的IEC61967-1[8]和IEC61967-3標(biāo)準(zhǔn)，選擇表面掃描方法來進(jìn)行測試，觀察FPGA不同狀態(tài)下和屏蔽前后的電磁輻射發(fā)射結(jié)果。

2 芯片介紹

本文選擇的研究對象是XILINX的XC7K325T芯片，采用體硅28 nm HKMG工藝和900引線Flip-Chip BGA(FCBGA)封裝工藝，外型如圖1所示，是一款高性能、高性價比的SRAM型FPGA。其具有現(xiàn)場可編程特性，集成了功能強(qiáng)大、可以靈活配置組合的可編程資源，提供了豐富的布線資源，適用于實現(xiàn)夏雜、高速的數(shù)字邏輯電路。

Figure 1 FPGA chip圖1 FPGA芯片

FPGA有著豐富的引腳和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA引腳示意圖如圖2所示。為了滿足可重構(gòu)的特性，F(xiàn)PGA被設(shè)計成了一個島狀的邏輯塊矩陣電路，每個邏輯塊里又有很多個相同的子邏輯塊，每個子邏輯塊中有實現(xiàn)任意電路的各種元素。布線資源連通FPGA內(nèi)部的所有單元，而芯片的電流環(huán)路是主要的輻射源，IC脈沖電流是由時鐘信號驅(qū)動的硅芯片的晶體管同步開關(guān)噪聲造成的結(jié)果，這些電流通常從IC的源極端口引出，并通過IC的接地端口返回，從而引起IC的電磁輻射。

Figure 2 Schematic diagram of FPGA pins圖2 FPGA 引腳示意圖

芯片內(nèi)部的電流環(huán)路能夠引起遠(yuǎn)場區(qū)域的磁場，式(1)給出了磁場的表達(dá)式。

(1)

其中，ω是角頻率，μ0是自由空間的磁導(dǎo)率，I是回路電流源，β0是相位常數(shù)，η0是自由空間的固有阻抗，θ是z軸方向與觀察點(diǎn)之間的角度，A是電流環(huán)路的面積，r是環(huán)路中的點(diǎn)到觀測點(diǎn)的徑向距離，α0是電磁場的單位向量。

電場和磁場都是由電荷產(chǎn)生的，另外，電場和磁場能夠互相產(chǎn)生對方，式(2)定義了電場的表示式。

(2)

3 電磁輻射屏蔽

3.1 屏蔽抑制原理分析

電磁屏蔽材料的屏蔽機(jī)理主要是基于電磁波的反射波和吸收，電磁屏蔽材料的電磁屏蔽能力被稱為屏蔽效能SE(Shielding Effectiveness)，其計算方式如式(3)所示：

(3)

其中，Ewithout是沒有屏蔽處理的電場，Ewithin是在相同位置施加屏蔽處理的電場。

當(dāng)入射波傳播到屏蔽材料表面時，如圖3所示，會有一部分在到達(dá)屏蔽材料表面時就發(fā)生反射；一部分未被反射從而透過屏蔽材料達(dá)到衰減；剩余的透射波到達(dá)屏蔽材料的另一個表面，發(fā)生二次反射，并以轉(zhuǎn)換為熱能的形式在屏蔽材料內(nèi)部形成多次反射。式(4)定義了屏蔽的損耗SEdB為反射損耗RdB、吸收損耗AdB和多次反射損耗MdB的和:

SEdB=RdB+AdB+MdB

(4)

Figure 3 Principle of electromagnetic shielding圖3 電磁屏蔽原理

反射損耗RdB、吸收損耗AdB和多次反射損耗MdB的定義分別如式(5)～式(7)所示：

(5)

(6)

(7)

其中，t是屏蔽材料的厚度，δ是趨膚深度。

屏蔽效能取決于屏蔽材料的種類、厚度、體積、接地結(jié)構(gòu)和所選取的頻率。從理論上講，材料的屏蔽效果主要取決于3種損耗機(jī)制：反射、吸收和多重反射。通過以上公式可以得知，選取合適的電磁屏蔽材料可以有效地實現(xiàn)芯片的電磁輻射抑制。

3.2 電磁屏蔽材料介紹

芯片的金屬封裝能夠起到物理保護(hù)作用，還有一定的電磁防護(hù)作用[9]。但是，由于芯片內(nèi)部電路的電磁輻射和外界復(fù)雜的電磁環(huán)境，簡單的金屬封裝可能無法為芯片提供足夠的保護(hù)[10]。如果在芯片表面繼續(xù)使用傳統(tǒng)的電磁屏蔽，將占用很大的空間，與目前的小型化和高集成度的發(fā)展趨勢不符。本文所選用的FPGA芯片周圍有豐富的元器件，針對其高集成度的特點(diǎn)，如圖4所示，選取了2種新型的電磁屏蔽材料。

Figure 4 Shield material and conductive sponge shielding material圖4 屏蔽罩材料和導(dǎo)電海綿屏蔽材料

一種電磁屏蔽材料是由導(dǎo)電無紡布、導(dǎo)電納米碳銅等材料復(fù)合而成的，如圖4a所示，是新型的高分子導(dǎo)電屏蔽材料。該材料在具有良好屏蔽效能的同時，還可替代傳統(tǒng)的金屬屏蔽罩蓋，從而實現(xiàn)芯片的輕薄化發(fā)展。在屏蔽材料將電磁輻射轉(zhuǎn)化為熱能的情況下，屏蔽罩良好的熱擴(kuò)散性依舊能夠很好地擴(kuò)散芯片的熱能，保證FPGA的正常運(yùn)行[11]。

另一種電磁屏蔽材料是全方位導(dǎo)電海綿，是由聚氨醋海綿通過化學(xué)鍍工藝制造而成的，如圖4b所示，是具有優(yōu)異導(dǎo)電性能的EMI材料[12]。該材料采用的化學(xué)鍍工藝可以完整地保留海綿基材本身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和韌性，極好的高壓縮和高回彈性使其具有優(yōu)異的抗沖擊效能，能夠?qū)PGA的航天航空等多方面的應(yīng)用帶來有效的改善和幫助；化學(xué)鍍技術(shù)能夠更好地滲透海綿深層，其鍍層結(jié)合力更好、更均勻，使產(chǎn)品的電磁屏蔽性能更好。

4 測試設(shè)置

在集成電路電磁發(fā)射測試標(biāo)準(zhǔn)(IEC 61967)中，IEC61967-3為表面掃描法。采用表面掃描儀可以精確測試由集成電路輻射發(fā)射而形成的表面電場和磁場分布。圖5展示了表面掃描測試所需要的儀器。

Figure 5 Test software and hardware 圖5 測試軟硬件

本文選擇XILINX-7系列芯片作為表面掃描測試的待測設(shè)備。在測試過程中電磁環(huán)境的限值要求是6 dB，所以整個測試在屏蔽室中進(jìn)行，以確保在電磁輻射發(fā)射掃描測試的過程中不會有其他輻射源產(chǎn)生干擾。FPGA測試板具有不規(guī)則形狀的特點(diǎn)，為了確保測試的安全性和標(biāo)準(zhǔn)性，本文使用絕緣膠帶將待測設(shè)備水平放置并固定在表面掃描儀的測試臺上，并做好儀器的防靜電設(shè)置。

本文選擇ICR HV-100-27磁場探頭作為測試探頭，為了保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)測試芯片的尺寸大小、晶振頻率等進(jìn)行軟件的參數(shù)設(shè)置，如表1所示，其他配置由軟件自動配置。

Figure 6 Test spectrogram in different states圖6 不同狀態(tài)下的測試頻譜圖

Table 1 Parameter setting

5 測試結(jié)果與分析

5.1 不同狀態(tài)下的測試

所有測試設(shè)置工作準(zhǔn)備好后，為了排除測試過程中其他輻射源的干擾，首先在FPGA非工作狀態(tài)下，測試屏蔽室中測試環(huán)境的底噪，驗證測試環(huán)境中有無其他的干擾源，以保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

FPGA的可重構(gòu)特性為研究芯片級電磁輻射提供了多樣性，可以通過配置不同的程序而不是更改其封裝參數(shù)來進(jìn)行電磁輻射的研究。對多種狀態(tài)下的FPGA進(jìn)行掃描測試，測試結(jié)果如圖6所示。

圖中S1為FPGA正常通電狀態(tài)下的測試結(jié)果，S2為FPGA運(yùn)行自我檢測程序狀態(tài)下的測試結(jié)果，S3為FPGA運(yùn)行FIFO程序狀態(tài)下的結(jié)果。經(jīng)過頻譜圖的對比發(fā)現(xiàn)，輻射峰值出現(xiàn)在FPGA的晶振頻率及其倍頻部分，為了更好地分析不同狀態(tài)下FPGA的輻射發(fā)射，對測試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖7顯示了在晶振頻率及其倍頻點(diǎn)處，F(xiàn)PGA在3種狀態(tài)下對應(yīng)的測量結(jié)果,以及FPGA在燒錄過程前后的輻射發(fā)射差值。通過對比分析可知，在運(yùn)行FIFO傳輸程序狀態(tài)下，F(xiàn)PGA的電磁輻射發(fā)射情況較為嚴(yán)重、問題明顯。因此，本文選擇在該狀態(tài)下的FPGA進(jìn)行電磁輻射的屏蔽抑制分析。

5.2 電磁屏蔽抑制分析

為了能夠更好地研究電磁屏蔽材料對FPGA輻射發(fā)射的抑制作用，在運(yùn)行FIFO傳輸程序的狀態(tài)下，選擇2種不同的屏蔽材料對待測芯片進(jìn)行輻射發(fā)射抑制。通過近場掃描測試，將FPGA屏蔽前后的測試結(jié)果進(jìn)行對比分析，觀察電磁屏蔽材料的屏蔽效能。

由金屬材料復(fù)合成的屏蔽罩材料具有金屬材料優(yōu)秀的電磁輻射吸收能力，同時具有輕薄、柔性好的特點(diǎn)，如圖8所示，屏蔽罩材料可以與芯片更好地貼合。圖9顯示了施加導(dǎo)電海綿材料的FPGA，該屏蔽材料的高壓縮特點(diǎn)和回彈性有助于FPGA在更復(fù)雜的環(huán)境下應(yīng)用。

Figure 7 Spectrum analysis chart圖7 頻譜分析圖

Figure 8 FPGA with shield applied圖8 施加屏蔽罩的FPGA

Figure 9 FPGA with conductive sponge圖9 導(dǎo)電海綿下的FPGA

經(jīng)過近場表面掃描測試,在屏蔽前所測得的芯片輻射值為-69.5～-55.4 dBm，在采用屏蔽罩和導(dǎo)電海綿屏蔽材料后測得的輻射以及色階變化值分別為-79.4～-58.8 dBm和-79.2～-58.1 dBm。為了更直觀地比較、判斷FPGA屏蔽前后的差別，將3組測試結(jié)果放在同一參考系中做對比，因此將輻射發(fā)射色階變化的參考數(shù)值設(shè)置為-79.4～-55.4 dBm，結(jié)果如圖10所示。

Figure 10 Comparison of radiation emission before and after shielding圖10 屏蔽前后的輻射發(fā)射對比圖

圖10a表示的是FPGA屏蔽前的測試結(jié)果，圖10b和圖10c分別表示采用屏蔽罩材料和導(dǎo)電海綿材料后的測試結(jié)果。測試芯片輻射發(fā)射的整體趨勢沒有發(fā)生變化，2種電磁屏蔽材料都起到了電磁輻射屏蔽的作用。

在同一參考體系下，通過測試結(jié)果以及色階變化的比較可知，屏蔽罩材料的屏蔽效能要優(yōu)于吸波導(dǎo)電海綿材料的；針對屏蔽前后變化較大的單一頻點(diǎn)進(jìn)行分析，比較屏蔽前后的輻射發(fā)射測試結(jié)果，屏蔽罩的屏蔽增益最高可達(dá)到10 dBm左右，體現(xiàn)了金屬材料優(yōu)秀的電磁輻射屏蔽能力，這也是金屬屏蔽層目前作為主流屏蔽材料的原因之一，隨著FPGA緊密結(jié)合需求進(jìn)行多元化的發(fā)展，屏蔽材料除了需要具備良好的屏蔽效能外，還應(yīng)該有助于多領(lǐng)域的應(yīng)用。 導(dǎo)電海綿材料的特性就突出了其功能性，其壓縮性和回彈性能夠?qū)π酒鸬筋~外的保護(hù)。

6 結(jié)束語

本文選取了XILINX的28 nm高性能芯片作為研究對象，以集成電路電磁輻射測試標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，在不同狀態(tài)下對FPGA進(jìn)行了近場表面掃描測試，針對其高集成度的特點(diǎn)，選取了2種新型的電磁屏蔽材料對FPGA芯片進(jìn)行輻射發(fā)射屏蔽抑制。理論上金屬材料能夠更有效地屏蔽電磁波的輻射發(fā)射。實驗結(jié)果也驗證了這一點(diǎn)，含有金屬復(fù)合材料的屏蔽罩的屏蔽效能優(yōu)于導(dǎo)電海綿屏蔽材料的。通過實驗表明，將新型屏蔽材料應(yīng)用到FPGA上，有效改善了FPGA的輻射發(fā)射問題，并有助于FPGA在航空、航天等復(fù)雜場景的多領(lǐng)域應(yīng)用，具有實際應(yīng)用意義。由于電磁屏蔽材料的屏蔽機(jī)理是將吸收的電磁波轉(zhuǎn)化為熱能，后續(xù)可以針對屏蔽材料的厚度對屏蔽的影響、電磁波與熱能間的轉(zhuǎn)換等方面進(jìn)一步研究分析。