Konzeptionierung eines Feldsondenmeßplatzes zum EMV-gerechten Design von Chip/Multichipmodulen 1

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1 Konzeptionieung eines Feldsondenmeßplatzes zum EMV-geechten Design von Chip/Multichipmodulen 1 D. Manteuffel, Y. Gao, F. Gustau und I. Wolff Institut fü Mobil- und Satellitenfunktechnik, Cal-Fiedich-Gauß-St. 2, D Kamp-intfot Abstact Im Rahmen des vom Bundesministeium fü Bildung, Wissenschaft, Foschung und Technologie (BMBF) gefödeten Vebundpojektes PARASITICS wid dezeit im Teilvohaben vom Institut fü Mobil- und Satellitenfunktechnik (IMST) ein Feldsondenmeßplatz zu Detektion paasitäe Effekte in integieten Schaltungen konzeptioniet. Mit Hilfe eines solchen Vefahens wid duch eine Messung de elektomagnetischen Felde übe dem Chip/Multichipmodul ein Rückschluß auf die vohandene Stöquelle und dessen Stöausstahlung möglich. Am Ende de Abeiten des Teilvohabens soll eine Aussage daübe getoffen weden, welche Effekte auf dem Chip/Multichipmodul ode de Vebindung zum Gehäuse sich aus de Messung de Nahfelddaten untescheiden lassen. Diese Beitag faßt die Egebnisse de esten Pojektphase zusammen. 1 Einleitung In den letzten Jahen ist die Integationsdichte von integieten Schaltungen ständig gestiegen. Mit de Entwicklung neue Technologiepozesse und Bauelemente sind sowohl die Betiebsfequenz von analogen Chips als auch die Taktate von digitalen integieten Schaltkeisen bis in den GHz-Beeich vogedungen. Fü einen efolgeichen Entwufspozess müssen deshalb paasitäe Eigenschaften, wie aufzeiteffekte auf eitungen, unewünschte Reflexionen, Vekopplungen und Abstahlung beücksichtigt weden. Das gilt sowohl fü die Funktion des Einzelmoduls, als auch im Sinne de elektomagnetischen Vetäglichkeit (EMV) fü die Beeinflussung de umgebenden Schaltung ode weitee Chips duch Stöausstahlung. Wie beeits seit Jahen in de Mikowellentechnik bei de Entwicklung monolithisch integiete Schaltungen (MMIC Monolithic Micowave Integated Cicuit) auf GaAs- Substaten eingefüht, müssen die nicht-idealen Eigenschaften von Bauelementen und Schaltungen in den Entwuf mit modenen CAD-Vefahen eingehen. Fü die Entwicklung solche CAD-Vefahen im Beeich de integieten analogen und digitalen Schaltkeise ist die Modellbildung von entscheidende Bedeutung. Die Modellbildung muß ständig duch den Einsatz modene Meßvefahen untestützt und übepüft weden. Aufgund de Neuheit de zu lösenden Poblematik sind hiefü neue intelligente Meßtechniken zu entwickeln. Ein geeignetes Vefahen ist de Scan des elektomagnetischen Nahfeldes übe de Schaltung. Dieses beinhaltet pinzipiell alle Infomationen übe die physikalischen Effekte, die sache von Stöungen sein können. 2 Anfodeungen Eine zuvelässige und genaue Feldsondenmeßtechnik muß vielfältigen geometischen und elektischen Anfodeungen genügen. Angesichts de hie angestebten Anwendung, dem Scan übe eine seh kleinen Schaltung, müssen die n vo allem klein sein, denn die Göße de ist diekt koeliet mit de Rückwikung auf die feldezeugende Quellveteilung. Diese Rückwikung sollte möglichst geing sein. Weitehin koespondiet die Göße de mit dem Raumbeeich, übe den das Feld bei de Messung gemittelt wid. Hieduch wid die Auflösung des Scanvefahens im wesentlichen bestimmt. 1 Diese Abeit wude gefödet vom Bundesministeium fü Bildung, Wissenschaft, Foschung und Technologie (Födekennzeichen: 1 M 334 K). Die Autoen sind fü den Inhalt diese Veöffentlichung veantwotlich.

2 Wichtige elektische Anfodeungen an miniatuisiete Nahfeldsonden sind die Feldselektivität und die Polaisationseinheit. Feldselektivität bedeutet, daß eine jeweils nu eine Feldgöße aus dem vekoppelten elektomagnetischen Feld empfangen und in eine entspechende Ausgangsgöße umwandeln sollte. Die Polaisationseinheit bestimmt die definiete Tennung de veschiedenen Komponenten eine Feldgösse. m Tansfomationsalgoithmen, wie beispielsweise eine Nahfeld-Fenfeldtansfomation anzuwenden, müssen die n des weiteen in de age sein, das Feld nach Betag und Phase zu bestimmen. Nicht zuletzt muß de mechanische Aufbau des Meßplatzes mit hohe Sogfalt ausgefüht weden, um eine genaue Positionieung de Feldsonden zu emöglichen. Die Messung, sowie die Auswetung de Meßdaten müssen automatisiet weden, um eine hohe Repoduziebakeit de Egebnisse zu eeichen. 3 De Meßplatz De konzeptioniete Meßplatz besteht aus dem mechanischen System zu npositionieung und de elektonischen Steue- und Ausweteeinheit. Das Blockschaltbild in Bild 1 vedeutlicht den Aufbau. eine vestellbae nhalteung vogesehen, die in dei Raumichtungen exakt fahba ist. Dies geschieht in de hoizontalen Ebene duch zwei hochgenaue Schittmotoen, die automatisiet gesteuet weden können. Die vetikale Position ist duch eine Mikometeschaube einstellba. Die Steueung de Schittmotoen efolgt übe Moto-Contolle die wiedeum Anweisungen de Softwae vom Compute ehalten. Auf diese Weise kann mit de ein vodefinietes Gitte übe de Stuktu abgefahen weden. Die Dynamik des Gittes kann duch die Softwae angepaßt weden und ist wegen de hohen Positioniegenauigkeit in sinnvollem Rahmen nu duch die äumliche Meßauflösung de n beschänkt. Zu Meßwetaufnahme dient ein vektoielle Netzwekanalysato, de bei geeignete Wahl de n die Aufnahme von Betag und Phase de gemessenen Feldgöße emöglicht. Ein Compute übenimmt neben de Motosteueung auch die Weiteveabeitung de Meßdaten. m die Pefomance de zu entwickelnden n und de Meßtechnik nicht duch das mechanische System zu beeintächtigen, wuden hohe Anfodeungen an die vewendeten Komponenten gestellt. Bild 2 zeigt das Test-Fixtue und die Positionieung de. Compute Motosteueung Netzwekanalysato Ausgang 3 - D Tisch Eingang Meßschaltung Test - Fixtue Bild 1: Blockschaltbild des Meßplatzes. Das Meßsystem besteht aus einem Test-Fixtue, in welches das zu untesuchende Chip/Multichipmodul eingespannt wid. Hiein sind Anschlußmöglichkeiten fü eine extene Enegie- und Signalvesogung vogesehen. Neben den Feldsonden, auf die späte noch eingegangen wid, ist Bild 2: Test-Fixtue und npositionieung. Die Schittmotoen sind als piezoelektische ineamotoen ausgefüht und besitzen eine Positioniegenauigkeit von,4 µm und einen maximalen Hub von 5 cm. Diese Positioniegenauigkeit übesteigt aus dem oben genannten Gund die äumliche Meßauflösung de n bei weitem.

3 4 Systemtheoetische Betachtung miniatuisiete Nahfeldsonden Geeignete n zu getennten Aufnahme alle dei äumlichen Komponenten des elektischen und magnetischen Feldes gehen von Gundantennentypen aus. Diese sind im Falle des elektischen Feldes de elektische Dipol und im Falle des magnetischen Feldes de magnetische Dipol in Fom eine oop-antenne. Bild 1 zeigt ihe pinzipielle Anodnung bei de Aufnahme de Feldkomponenten übe eine Mikosteifenleitung. Bild 3: Gundtypen von Nahfeldsonden. Die Fodeung nach seh kleinen n füht zwangsläufig zu Entwicklung elektisch kuze Antennen, deen gößte Abmessungen kleine als ein Zwanzigstel de kleinsten zu untesuchenden Wellenlänge ist [3, 4]. Solche nicht-esonanten Antennen sind im allgemeinen seh unempfindlich, bieten jedoch den Voteil, daß sie beitbandig einsetzba sind und daß bei ihe theoetischen Bescheibung einige Veeinfachungen gemacht weden können. Im folgenden wid ein einfache systemtheoetische Ansatz vogestellt, de die Wandlung von gemessene Feldgöße zu nspannung duch die Übetagungsfunktion H(ω) de bescheibt. Hiebei ist die zu messende Feldstäke die Eingangsgöße und die sich an de einstellende Spannung die Ausgangsgöße des Systems. 4.1 Elektische Feldsonden Bei de Bescheibung de elektischen Feldsonde gehen wi von einem einfachen Dipol ode Monopol aus, wie e in Bild 4 dagestellt ist. Seine physikalische änge 2h ist seh viel küze als die kleinste zu untesuchende Wellenlänge. De Dipol ist an eine Übetagungsleitung angeschlossen und somit mit deen Wellenwidestand Z abgeschlossen. 2h E in,x E in E in,z d Z y z x AC in C Dipol Z Bild 4: Elektisch kuze Dipol. Mit diesen veeinfachten Annahmen läßt sich ein einfaches Esatzschaltbild aufstellen, in dem de Dipol duch seine Eingangsimpedanz beschieben wid. Aufgund de geingen änge und des damit einhegehenden geingen Stahlungswidestandes ist die Eingangsimpedanz in este Näheung ein kapazitiv und duch C Dipol auseichend beschieben. Im Esatzschaltbild gilt in = E, h. (1) in z eff E in,z kennzeichnet hiebei die Komponente des elektischen Feldes die polaisationsichtig in Bezug auf den Dipol einfällt. Die effektive änge des Dipols ist in [1] mit h eff = h ξ (2) angegeben, wobei gilt Ω 1 ξ = (3) Ω 2 + ln( 4) und = 2 ln( h d) Ω ein konstante Fakto ist, de die spezielle Geometie des Dipols beücksichtigt. Mit dem Esatzschaltbild in Bild 4 und de Beziehung in (1) kann die sich einstellende Spannung an de folgendemaßen beechnet weden = h eff Z Ein, z. (4) 1 + Z jωc Dipol Die Kapazität des elektisch kuzen Dipols egibt sich nach [1] zu 2 πhε C Dipol =. (5) Ω 2 ln ( 4)

4 Nimmt man eine Dipol-änge von wenigen Millimeten an, ehält man eine Kapazität in de Gößenodnung von einigen Piko-Faad. Bei eine Fequenz im GHz-Beeich ist die Reaktanz des Dipols deshalb um Gößenodnungen höhe als de (hie mit 5 Ω angenommene) Wellenwidestand de Meßleitung. Die Übetagungsfunktion de elektischen Feldsonde kann deshalb duch H ( ω) C h Z (6) = jω Ein, z Dipol angenähet weden und es egibt sich eine lineae Fequenzabhängigkeit. 4.2 Magnetische Feldsonden Das theoetische Äquivalent zum elektischen Dipol ist de magnetische Dipol. Paktisch hat e die Fom eine oop-antenne [2]. AC H d ind n C z y Z x eff ind Bild 5: Kleine oop-antenne und ESB. Setzen wi wiede voaus, daß die oop seh klein ist, kann auch hie ein einfaches Esatzschaltbild angegeben weden. Betachten wi zunächst die vom magnetischen Feld duchsetzte oop-fläche im obeen Teil von Bild 5. Hiein stellt den Radius de in diesem Fall keisfömigen Schleife da. De Dahtduchmesse wid mit d beücksichtigt. De Nomalenvekto n steht senkecht auf de oop-fläche A. Fü die in de oop- Fläche induziete Spannung gilt das Induktionsgesetz ind d = H nda dt µµ. (7) A Bezeichnet man Hi = H n (8) als die jeweilige Komponente des magnetischen Feldes, die nomal zu Fläche A de oop oientiet ist, so egibt sich fü den beispielhaften Fall eine Schleife, die so klein ist, daß das Feld in ih näheungsweise konstant ist ind = jωµµ Hi A. (9) Die Beechnung de induzieten Spannung in (9) beücksichtigt noch nicht die Eigenschaften des Dahtes und die Induktivität de Schleife. Sollen diese auch beücksichtigt weden, so egibt sich das Esatzschaltbild in Bild 5. Die eaktiven Elemente hängen nu von de spezifischen oop- Geometie ab. Ihe quantitative Bestimmung ist in [1] angegeben. Es folgt und 16 = µµ ln 2 d (1) 2εε C =. (11) 16 ln 2 d Wie auch schon beim elektischen Dipol stellt Z den Wellenwidestand de Anschlußleitung da. Hinsichtlich des Esatzschaltbildes egibt sich dann die Übetagungsfunktion de zu jωµ µ A H ( ω) = =.(12) H i 2 1 Cω + j ω Z Abhängig von den Elementen des Esatzschaltbildes egibt sich eine komplizietee Fequenzabhängigkeit de nspannung als beim elektischen Dipol. m dies zu vedeutlichen wid de Einfluß de Esatzschaltbildelemente fü eine hie typisch angestebte Konfiguationen de oop betachtet. Beispielhaft sei de oop-radius = 1 mm und de Dahtduchmesse d = 5 µm. Mit Gleichung (1) und (11) können die Elemente des Esatzschaltbildes zu

5 = 4,7 nh und C = 4,7 ff (13) beechnet weden. De Abschlußwidestand wid gleich dem Wellenwidestand eine 5 Ω eitung angenommen. Vegleicht man die in de Schleifenfläche induziete Spannung mit de Spannung am nausgang bei einem willkülich gewählten magnetischen Feld de Stäke H i = 1 A/m miteinande, egibt sich de Velauf in Bild 6. einfach aufzubauenden weden im Folgenden untesucht. Bild 7 zeigt den Aufbau de, die aus eine Semi-Rigid eitung hegestellt wude.,15 /V,1 _ind _ 3 µm,5 112 µm 58 µm, f/ghz Bild 6: Vegleich von ind und. Aus diese ntesuchung wid esichtlich, daß bei Beechnung de nspannung die Elemente des Esatzschaltbildes unbedingt beücksichtigt weden müssen. Hinsichtlich de Esatzschaltbildelemente kann gezeigt weden, daß de Einfluß de Induktivität de Schleife den Einfluß de Kapazität de Schleife im hie gewählten Fequenzbeeich bei weitem übewiegt. Aus diesem Gund kann bei de hie gewählten Anodnung de Kondensato C ohne goßen Fehle venachlässigt weden, so daß man ehält. H ( ω) = H i jωµ µ A 1+ j ω Z 5 Eine miniatuisiete elektische Monopolsonde l (14) Als Beispiel fü eine beeits ealisiete miniatuisiete Feldsonde wid eine elektische Monopolsonde vogestellt. Einige Eigenschaften diese Bild 7: Elektische Monopolsonde. Die äußeen Abmessungen sind Bild 7 zu entnehmen. Pinzipiell efüllt diese die Anfodeungen an Polaisationseinheit und Feldselektivität. Gemäß de Pinzipskizze in Bild 3 eignet sich die zu Aufnahme de E z -Komponente beim Scan übe dem Chip/Multichipmodul. Deshalb soll im Folgenden untesucht weden, wie diese bei eine Messung die Quellveteilung beeinflußt. 5.1 Beeinflussung de Quellveteilung duch die Diese ntesuchung wude anhand eine numeischen Simulation auf Basis des Vefahens de Finiten Diffeenzen im Zeitbeeich (FDTD) duchgefüht. De vewendete Simulato EMPIRE TM wude am IMST entwickelt und ist kommeziell ehältlich. Es wude de Fall nachgebildet, daß sich die bei einem vituellen Scan in einem Abstand von 5 µm übe eine Mikosteifenleitung befindet, die angepaßt betieben wid. Die eitebeite de Mikosteifenleitung betägt 7 µm, die Analysefequenz wude auf f = 1 GHz festgelegt. Als Quelle des elektomagnetischen Nahfeldes kann die Flächenstomdichte auf dem eite angesehen weden. Diese ist wiedeum diekt mit de magnetischen Feldstäke unmittelba übe dem eite koeliet, die mit dem vewendeten Simulationsvefahen einfache auszuweten ist. Bild 8 zeigt als Maß

6 Ez (db V/m) fü die Beeinflussung de Quellveteilung die magnetische Feldstäke unmittelba übe dem eite bei oben genannte Positionieung de. Este Testmessungen mit de oben dagestellten wuden ebenfalls anhand eine Mikosteifenleitung duchgefüht. Diese ntesuchung wude bei eine seh hohen Analysefequenz von f = 11,8 GHz duchgefüht. Die eitung befindet sich auf einem Keamiksubstat mit eine elativen Pemittivität von ε = 9,8 und eine Substatdicke von 635 µm. Die eitebeite betägt 7 µm, was einem Wellenwidestand von Z = 5 Ω entspicht. Die einfache Geometie elaubt zum einen eine leichte Deutung de Egebnisse und zum andeen den diekten Vegleich mit Simulationsegebnissen de in Bild 9 dagestellt ist a) b) Bild 8: Beeinflussung de Quellveteilung duch die. Die Gesamtansicht in Bild 8a stell das Simulationsmodell da. Die befindet sich hie 5 µm übe de Mikosteifenleitung. Wie Bild 8b zeigt, kann bei geeignete Skalieung die Stöung de Quellveteilung im magnetischen Nahfeld nachgewiesen weden. Im Vegleich zu ungestöten eitung betägt sie bei dem hie gewählten Abstand von 5 µm und eine Analysefequenz von f = 1 GHz jedoch wenige als 1 db (ca. 1%). 5.2 Scan übe eine Mikosteifenleitung 1 Messung Measued Simulation Calculated Y (µm) Bild 9: Vegleich von Messung und Simulation von E z übe eine Mikosteifenleitung. Bild 9 zeigt besondes im Beeich des metallischen eites eine gute Übeeinstimmung mit de Simulation. Bei gößee Entfenung vom metallischen eite veschlechtet sich das Egebnis zunehmend. Die kann daauf zuückgefüht weden, daß die z-komponente übe dem Substat bei zunehmende Entfenung vom metallischen eite stak abnimmt. Aufgund diese Tatsache fällt de Meßfehle stäke ins Gewicht. Ein andee Gund kann dain gesehen weden, daß die lediglich in eine Position übe dem metallischen eite kalibiet wude. Geade de letzte Punkt macht die Entwicklung geeignete Kalibievefahen fü miniatuisiete Feldsonden besondes wichtig [5]. Diese liegen zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht vo und sind unte andeem Gegenstand de nächsten Pojektphase. 5.3 Scan übe einem hybiden 2,4 GHz eistungsvestäke Als estes Beispiel fü eine paktische Anwendung wid mit de oben beschiebenen die z-komponente de elektischen Feldstäke übe einem 2,4 GHz eistungsvestäke aufgenommen. Das ayout, sowie ein Bild des hybiden Vestäkes sind in Bild 1 dagestellt.

7 Y (µm) IN Measuement egion CY2 S G D G S D CY1 OT -3-5 E z 2 (db) Y (µm) X (µm) E z 2 (db) -7 - Gate a) a) GND + Dain b) X (µm) b) Bild 1: ayout und Foto des 2,4 GHz eistungsvestäkes. De Vestäke besteht aus zwei Stufen mit einem Gewinn von 2 db und eine maximalen eistung von 1 W. Die beiden Stufen bestehen aus zwei GaAs-FET und haben einen Gewinn von 13 db, bzw. 7 db. Die Messung efolgte 23 µm übe dem Substat. Das entspicht einem minimalen Abstand von 3 µm zum höchsten Bauelement. Als Egebnis de Messung zeigt Bild 11 die vetikale Komponente des elektischen Feldes in de Meßebene. Die beiden Maxima übe den Ausgängen de beiden Tansistoen sind deutlich zu ekennen. Weitehin ekennt man zwei lokale Maxima des vetikalen elektischen Feldes übe dem Eingangs- und Ausgangskondensato. Die geingsten Feldstäkewete bei de gewählten Meßfequenz von 2,4 GHz stellen sich nahe de Gleichspannungsvesogung ein. Bild 11: E z 2 -Veteilung eines hybiden eistungsvestäkes bei 2,4 GHz. Anhand de gemessenen Feldveteilung kann die eistungsübetagung des HF-Teils und die gute Isolation de DC-Vesogung vom HF-Teil kla ekannt weden. 6 Zusammenfassung Im voliegenden Beitag wude de Stand de Pojektabeit zu Konzeptionieung eines Feldsondenmeßplatzes zum EMV-geechten Design von Chip/Multichipmodulen dagestellt. Die Abeiten finden im Rahmen des Teilpojektes Paameteefasssung duch Messung und Simulation im vom BMBF gefödeten Vebundpojektes PARASITICS statt. Gundlegende Eigenschaften miniatuisiete elektische und magnetische Feldsonden wuden dagestellt und deen theoetische Bescheibung eläutet. Ein automatisiete Meßplatz wude beschieben und este Testmessungen wuden duchgefüht. Die Abeiten de nächsten Pojektphase konzentieen sich auf die Entwicklung weitee miniatu-

8 isiete Feldsonden fü die übigen Feldkomponenten. Methoden zu Kalibieung de Feldsonden weden untesucht und die Egebnisse veifiziet. Die beeits in diesem Beitag dagestellten Egebnisse sind efolgvespechend und belegen eine hohe eistungsfähigkeit des Systems. Schifttum [1] Kanda, M.: Standad Pobes fo Electomagnetic Field Measuements IEEE Tansactioons on Antennas and Popagation, vol. 41, no. 1, 1993 [2] Osofsky, S. S. ; Schwaz, S. E.: Design and Pefomance of a Non- Conducting Pobe fo Measuements on High-Fequency Plana Cicuits IEEE Tansactions on Micowave Theoy and Techniques, vol. 4, no. 8, 1992 [3] Wheele, H. A.: Small Antennas Hazeltine Copoation [4] Janzen, G.: Kuze Antennen Fanckh sche Velagshandlung Stuttgat, 1986 [5] Veede, J. P. M. et al.: Calibation of RF Field Stength Metes Tansactions on Instumentation and Measuement, vol. 44, no. 2, 1995