כיצד לאתר מקורות פליטת קרינה אלקטרומגנטית (EMC) תוך דקות, אף מתוך מעגל משולב
עבור מתכנני מעגלים אלקטרוניים (כרטיסים, מעגלים משולבים וכד’), תופעות של פליטת קרינה אלקטרו-מגנטית מחייבות תשומת לב רבה. המתכננים צריכים לוודא שהמוצרים הסופיים עונים לתקנים הבינלאומיים הבאים להגביל השפעות של קיום תופעות אלה. הם נדרשים לוודא שמוצר לא יגרום להפרעה עצמית ו/או עם התקנים אחרים, כאשר הוא פועל כחלק ממערכת גדולה יותר. אם בעיות של הפרעה אלקטרו-מגנטית -ותאימות לא מתגלות ונפתרות כבר בתהליך התכנון, התוצאות עלולות לגרום להשהיות בייצור, איבוד הזדמנויות שיווק (time to market) ועלויות גבוהות יותר. כדי לתקן בעיות בהקדם, הן צריכות להיות מזוהות לפני בדיקת התאימות, וברמת פירוט גדולה מזו שבדיקות התאימות הסטנדרטיות (far field) יכולות לספק. מדידות בשדה רחוק מצביעות על כך שהמוצר עבר או נכשל, אך הן אינן מוסיפות ערך רב ליכולת גילוי מקורות של פליטות הקרינה.
אמצעים המאפשרים סריקות בשדה קרוב מאד (very near field), לעומת זאת, כן יכולים להתמקד באיתור מקורות הקרינה. והם חיוניים עבור המתכננים ומהנדסי הבחינה – וככל שאלו מהירים ומדויקים יותר, ניתן ליישם פתרונות באופן יעיל יותר.
איור 1. סריקות מרחביות באמצעות EMxpert ERX+ של חברת EMSCAN ברמת רזולוציה 1 (משמאל) וברמה 3 (מימין)
מגבלות של השיטות הנוכחיות
אמצעי סריקה בשדה קרוב מאד הקיימים כיום הם או מהירים או מדויקים, אך לא שניהם ביחד. מדידה מסורתית של שדה מאוד קרוב בעזרת חיישן ידני היא שימושית כדי לגלות מקורות של קרינות. על-ידי הזזת החיישן אל נקודות שונות בכרטיס של מעגל, המשתמש יכול לזהות “נקודות חמות” במעגל האלקטרוני אך מדידה זו אינה מספקת תמונה כוללת של הכרטיס, והיא עלולה לדלג על מקורות קרינה פוטנציאליים אחדים. ממקם (positioner) רובוטי יכול לסרוק מעגל באופן מלא ובדיוק רב, אך תהליך סריקה זה נמשך בד”כ זמן רב.
שיטה יותר מהירה מתבצעת במערך סריקה המפעיל חיישנים רבים ביחד, והמאפשר למשתמש למדוד כרטיס שלם או חלק ממנו בפחות משנייה. זוהי לא רק שיטה מהירה יותר, אלא גם ניתנת לבחינה חוזרת. מגבלה הקיימת במערך סריקה כזה היא בחוסר יכולת להבטיח קבלת פירוט עדין ובידוד מלא של מקורות הקרינה, בשל המרחק הקבוע שבין החיישנים במערך, דהיינו – רמת רזולוציה שאינה מספקת.
איור 2. הצגת תמונות ספקטראלית ומרחבית של סריקה
השילוב הטוב בין שני העולמות
כיום מיושמת טכניקת סריקה חדשה, המספקת הן מהירות והן דיוק, וכך יכולת להתמקד במקורות לפליטות הקרינה אף מתוך מעגל משולב או מיקרו-שבב בתוך מספר דקות. המוצר של חברת ™EMSCAN מספק, ביעילות, רזולוציה גבוהה יותר, על-ידי שילוב מערך של 1218 חיישנים ותנועות מכניות קטנות. ממקם רובוטי מניע את כל המערך כדי למלא את המרחק בין החיישנים.
טכניקה זו מגדילה את צפיפות הנקודות המדודות, עד פי 4,000 ממספר הנקודות שבטכניקת הבדיקה שאינה משולבת עם התנועות המכניות, על-ידי חלוקה של האזור הסרוק לתוך סריגים יותר ויותר צפופים בהתאם לקביעות המשתמש (איור 1). היכולת להגדיל את הצפיפות היא זו המאפשרת את הגדלת הרזולוציה של התצוגה המרחבית המסופקת על-ידי הסריקה. לדוגמה, שנוי מסריקה ברמה 1 (הבסיסית, ללא תנועות
איור 3. אנרגיה מצומדת למשטח אספקה (משמאל) ולקו בקרה (מימין)
מכניות) לסריקה ברמה 7 (הרזולוציה הגבוהה ביותר), מקטין את המרחב היעיל בין נקודות המדידה מ-7.5 ממ’ ל-0.1 ממ’ בלבד. בכך מושג הפירוט הרב אף בתוך הרכיבים.
ניתוח של מעגל מודפס עם ה
סורק ה- מאפשר למתכנן או למהנדס לדגום מאוד מהר את פיזור השדה המגנטי של מוצר ולהציג חזותית את התוצאות. לצורך כך נעשה שימוש בנתח ספקטרום מובנה והדמיה חזותית אינטואיטיבית על מנת לספק הן תמונה ספקטראלית כדי לזהות את תדרי הקרינה והן תמונה מרחבית כדי להציג מהיכן, במעגל, באות הקרינות (איור 2). הסריקות הן מהירות מאד ומאפשרות ללכוד גם אירועים סירוגיים (intermittent) או מתחלפים ולבצע מדידות בעת התרחשות תפקודי מערכת שונים, דוגמת קריאה או כתיבה של נתונים.
סריקה מהירה מתאפיינת בכך שהיא מזהה מקורות קרינה מגוונים. המתכנן יכול להשתמש בתוכנת ה- , שהיא אינטראקטיבית ביותר, כדי לסרוק את כל הכרטיס, ולבצע אח”כ zoom in ולבודד קרינות על-ידי המיקום או התדר. באמצעות ייבוא של קובץ תכנון דוגמת Gerber של הכרטיס, או צילום שלו ושילובם בתמונה המרחבית ניתן להגדיר במדוייק את מקור הקרינה עד לרמת משטחי אספקה, קווי בקרה וכד’ (איור 3). עבור כרטיסים רב-שכבתיים, המשתמש יכול להציג שכבות נוספות כדי לעקוב אחר קרינות הבאות, למשל, ממקור הנראה בשכבה העליונה וממשיכה לשכבה הנמצאת עמוק יותר. אם הזרם נע לתוך שכבה פנימית מסוככת, לא יהיו שדות בסביבה החיצונית, כאלה שה- יוכל למדוד. במקרה זה, הזרמים אינם רלוונטיים לגבי בעיה של פליטות קרינה. אם תכונת הסיכוך הוא הסיבה המקורית לפליטות קרינה מחורים בסיכוך או בקצה הכרטיס, הסורק יהיה מסוגל למדוד גם פליטה זו.
לראות קרינות מתוך מעגל משולב
איור 4. תצוגה של קרינות IC בתדרים שונים
הרזולוציה הגבוהה כל כך של הסורק מאפשרת לו התבוננות לתוך מעגל משולב ולבודד את הקרינה מפינים בודדים וקשרי מוליכים (wire bonds) בתדרים שונים. תוכנת המערכת יכולה, כאמור, גם לייבא תמונות כאשר תיקי תכנון לא-זמינים. ניתן לשלב תצוגה ספקטראלית עם תצוגה מרחבית כדי לספק תמונה תלת-ממדית של קרינות. תוך ההתבוננות בתוך המעגל המשולב, ניתן לראות את מקורות הקרינה – אם הם מאזור השבב עצמו, מפינים אחדים על המעגל, או מועברים לתוך המעגל המשולב מחלק אחר של הכרטיס (איור 4). על-ידי שימוש במידע זה, בנוסף על הכרת פרטי תכנון ה-IC, המשתמש יכול להחליט על הפתרונות הנדרשים.
עזרה בשיפור הדמיות תוכנה
בעזרת ה- , ארגונים יכולים גם להתגבר כיום על אתגר הקשור עם תוכנות סימולציה. הם יכולים להשתמש בסימולציה כדי לבנות מערכת ולחזות את פליטות הקרינה. אך במקרים מסוימים, מורכבות התכנון הופכת גישה זו ללא מעשית בשל אילוצי עריכה ומחשוב. או, בשל אילוצי קניין רוחני, תיקי תכנון מפורטים העלולים להיות בלתי-זמינים וכד’. במקרים כאלה, רצוי למדוד את הקרינות מהחלק המורכב ביותר או החלק המוסתר של המערכת תוך שימוש ב- ולהביא את הערכים המדודים הללו לתוך הסימולציה כ”קופסה שחורה”. שדות מיובאים כאלה ניתנים לסימולציה ביחד עם אלמנטים גדולים יותר, אך פחות מורכבים, על מנת להעריך את פליטות הקרינה מהמערכת כולה.
חיזוי תאימות EMC
מדידת שדה מאוד קרוב עם ה- היא אבחון מצוין למעגלים מודפסים, אך לא לצורכי תאימות המוצר. המוצר יצטרך עדיין לעבור בדיקות שדה-רחוק תקניות בתא בדיקות. אולם, חברות יכולות להשתמש בתוצאות ה- כדי לחזות אם המוצר יעבור בהצלחה את הבדיקות בתא. יכולת חיזוי שדה הרחוק מאפשרת הערכת התוצאות שהיו מתקבלות מהכרטיס הנתון לו נבדק במערך תאימות, והתוצאות החזויות היו מראות קירבה טובה עם התוצאות המעשיות. אם נראה כי המוצר עלול להיכשל, ניתן לבצע במעגל שינויים מתאימים העשויים לשפר את תוצאות הבדיקות בתא עוד לפני הגשת המוצר לבדיקה בו.
מסקנות
היכולות המוצעות על-ידי ה- מסתכמות בקיצור הזמן לשיווק, עלויות פרויקט מוקטנות ויצוריות משופרת עבור חברות האלקטרוניקה. מאפשר סריקות בזמן אמת תוך שניות כדי לזהות קרינות EM קבועות בזמן, בתדר ו/או אחרות. המכשיר מספק סריקות מרחביות וספקטראליות המאפשרות, לעיתים, לצוותי התכנון לקצר מחזורי תכנון אחדים בתהליך פיתוח המוצר שלהם. הוא גם מקצר משמעותית את זמן בדיקת ה-EMI.
צוותי תכנון יכולים לקיים סריקות במערכת ה- במעבדותיהם ולקבל תוצאות תוך דקות. לשם השוואה – כדי לבדוק תכנון חדש באמצעות תא של מעבדה חיצונית – משאבי זמן, כח אדם ואחרים הנדרשים – רבים לאין ערוך. תצוגות הסריקות המרחביות והספקטראליות המסופקות על-ידי המערכת גם משפרות את היכולת לתעד תכונות חדשות ויכולות להיות גורמי-מפתח בשיווק המוצר, תוך מתן הוכחה גראפית ללקוחות על מאפייני ה-EMI של מוצר.
ה- מהווה צעד חדש קדימה בבדיקת הכנס-הפעל (plug and play) לבדיקות EMC ו-EMI ברזולוציה גבוהה, ומאפשר למתכננים לאבחן ולפתור במהירות בעיות של פליטות קרינה. כל זאת – במחזור תכנון יחיד, ובתוך הסביבה הטבעית והנוחה שלהם.
Ruska Patton אחראי על התפתחות תחום פיתרונות המדידה של EMSCAN בשדה קרוב בזמן-אמת. החל את דרכו בחברה כמהנדס מתכנן, ולאחר מכן כמנהל קבוצת התכנון. כיום הוא מוביל את פיתוחי הפתרונות החדשים של EMSCAN החל מגיבוש הקונצפט ועד הכנסת המוצרים האיכותיים לשוק.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת מאל סיון
