CN117554710A - 近场探头以及近场探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近场探头以及近场探测装置。本发明提供的近场探头包括：依次堆叠的第一屏蔽层、第一信号传输层、第二信号传输层以及第二屏蔽层，第一信号传输层包括第一信号传输部和第一探测部，第一探测部包括从第一信号传输部左侧开始延伸并朝逆时针转动的第一探测线圈，第二信号传输层包括第二信号传输部和第二探测部，第二探测部包括从第二信号传输部右侧开始延伸并朝顺时针转动的第二探测线圈，第一探测线圈和第二探测线圈采用同轴通孔互连，以形成预设特征阻抗的多匝线圈环路结构。本申请实施例通过设置两个多匝线圈来提高近场探头的探测灵敏度，同时两个反向线圈构成的半裸露的微型金属探测环路可以有效提高近场探头的空间分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及电磁检测技术领域，具体涉及一种近场探头以及近场探测装置。
背景技术
随着集成电路工艺等电子制造技术的发展，芯片及电路板朝着高集成、高速化方向发展，而随着芯片集成度的提高，芯片中单位面积内的元器件的数量越来越多。从而导致芯片周围的电磁环境越来越复杂。而为了检测芯片的电磁可靠性，需要捕获芯片辐射出的电、磁场信号进行可靠性分析。因此，如何检测芯片辐射出的电、磁场信号，是目前需要解决的问题。
近场探头作为近场扫描***最重要的组成部分之一，其性能的好坏直接决定了扫描***的应用场景。我国规定为了保障IC芯片的可靠性，产品在上市前必须要通过相关的电磁兼容标准。近场扫描技术在IC电磁干扰测量领域具有巨大的优势和潜力，但是，申请人发现目前市面上商用的高性能近场探头存在售价昂贵，测量效率低下等问题。因此，设计需要高性能近场探头以满足IC电磁干扰测量所需的高灵敏度、高空间分辨率和低成本等市场需求。
发明内容
本发明提供一种近场探头以及近场探测装置，通过两个多匝线圈的结构提高近场探头的探测灵敏度，且两个反向线圈构成的半裸露的微型金属探测环路可以有效提高近场探头的空间分辨率。
为实现上述有益效果，本发明实施例提供以下技术方案：
第一方面，本身请提供一种近场探头，包括：依次堆叠的第一屏蔽层、第一信号传输层、第二信号传输层以及第二屏蔽层；
所述第一信号传输层包括第一信号传输部和第一探测部，所述第一探测部包括从第一信号传输部左侧开始延伸并朝逆时针转动的第一探测线圈；
所述第二信号传输层包括第二信号传输部和第二探测部，所述第二探测部包括从第二信号传输部右侧开始延伸并朝顺时针转动的第二探测线圈；
所述第一探测线圈和第二探测线圈采用同轴通孔互连，以形成预设特征阻抗的多匝线圈环路结构。
在一实施例中，在所述第一屏蔽层和第一信号传输层之间、所述第一信号传输层和第二信号传输层之间、所述第二信号传输层和第二屏蔽层之间均填充FR-4的介电材料。
在一实施例中，所述第一屏蔽层、第一信号传输层、第二信号传输层以及第二屏蔽层均为厚度0.035mm的金属层，所述第一屏蔽层、第一信号传输层、第二信号传输层以及第二屏蔽层之间填充FR-4的介电材料厚度为0.182mm。
在一实施例中，所述第一探测线圈与所述第一信号传输部连接构成第一探测环路，以探测第一射频信号，所述第一信号传输部用于发送所述第一射频信号。
在一实施例中，所述第二探测线圈与所述第二信号传输部连接构成第二探测环路，以探测第二射频信号，所述第二信号传输部用于发送所述第二射频信号。
在一实施例中，所述第一探测线圈和第二探测线圈所形成的多匝线圈环路结构位于裸露在所述第一屏蔽层、第一信号传输层、第二信号传输层以及第二屏蔽层的***。
在一实施例中，所述第一探测线圈和第二探测线圈均通过回字形旋转形成，且所述第一探测线圈和第二探测线圈所形成的多匝线圈环路结构最内侧为矩形，所述矩形的长度为0.5mm，宽度为0.15mm。
在一实施例中，所述多匝线圈环路结构的特征阻抗为50Ω。
第二方面，本身请提供一种近场探测装置，包括：
如上所述的近场探头；
分析仪，分别与所述第一信号传输层、第二信号传输层连接，用于接收所述第一信号传输层输出的第一射频信号，以及所述第二信号传输层输出的第二射频信号，并对所述第一射频信号和所述第二射频信号进行分析。
在一实施例中，所述分析仪还用于对所述近场探头的电路和电磁场进行仿真分析，以确定所述近场探头的探测频率范围。
本申请实施例提供的近场探头包括依次堆叠的第一屏蔽层、第一信号传输层、第二信号传输层以及第二屏蔽层，第一信号传输层包括第一信号传输部和第一探测部，第一探测部包括从第一信号传输部左侧开始延伸并朝逆时针转动的第一探测线圈，第二信号传输层包括第二信号传输部和第二探测部，第二探测部包括从第二信号传输部右侧开始延伸并朝顺时针转动的第二探测线圈，第一探测线圈和第二探测线圈采用同轴通孔互连，以形成预设特征阻抗的多匝线圈环路结构。本申请实施例通过设置两个多匝线圈来提高近场探头的探测灵敏度，同时两个反向线圈构成的半裸露的微型金属探测环路可以有效提高近场探头的空间分辨率，提供了一种对IC芯片的电磁干扰测量的高灵敏度、高空间分辨率和低成本的测量方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的近场探头的第一种结构示意图；
图2是本发明实施例提供的近场探头的第二种结构示意图；
图3是本发明实施例提供的第一信号传输层的一种结构示意图；
图4为本发明实施例提供的第二信号传输层的一种结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
在描述本发明的技术方案之前，先对相关的技术术语进行简单解释：
IC：Integrated Circuit集成电路芯片，主要包括MCU、FPGA、CPU等主流芯片。
Near Field Probe：近场探头，一种“非侵入”测量的电磁干扰的有效工具，通常应用于被测电路的电磁干扰诊断、材料的屏蔽效能分析和芯片的木马检测等。
在一实施例中，该近场探头主要由信号传输部分和电磁场探测部分组成，具体请参阅图1，图1是本发明实施例提供的近场探头的一种结构示意图。该近场探头为四层的PCB工艺进行制造，包括三层FR4介电材料和四层金属层10，其中，金属层10具体包括依次堆叠的第一屏蔽层、第一信号传输层、第二信号传输层以及第二屏蔽层，其中第一屏蔽层和第二屏蔽层分别设置在顶层和底层，用于屏蔽外界干扰信号对传输中的第一射频信号和第二射频信号所产生的影响，即，屏蔽外界干扰信号对传输线上的信号的影响。
在一实施例中，第一信号传输层包括第一信号传输部和第一探测部，第一探测部包括从第一信号传输部左侧开始延伸并朝逆时针转动的第一探测线圈122，第二信号传输层包括第二信号传输部和第二探测部，第二探测部包括从第二信号传输部右侧开始延伸并朝顺时针转动的第二探测线圈132，第一探测线圈和第二探测线圈采用同轴通孔15互连，以形成预设特征阻抗的多匝线圈环路结构。
在一实施例中，上述第一探测部和第二探测部可以设置在硅基探头上，其中，该硅基探头可以为晶圆。晶圆是指制作硅半导体积体电路所用的硅晶片，其原始材料是硅。高纯度的多晶硅溶解后掺入硅晶体晶种，然后慢慢拉出即可形成圆柱形的单晶硅。硅晶棒在经过研磨、抛光、切 片后形成的硅晶圆片即为晶圆。也即，上述第一探测部和第二探测部可以在晶圆上进行设计，通过其上的第一探测线圈和第二探测线圈对待测件的电场和磁场同时进行探测。
其中，第一探测线圈或第二探测线圈在探测环路接通后，可以根据其内部的磁通量的变化测量获取待测件的磁场信号。另外，当待测件正处于高频工作状态时，此时探测线圈靠近待测件，则第一探测线圈或第二探测线圈与待测件之间会形成一个分布电容，从而根据与待测件之间的分布电容耦合获取待测件的电场信号。由于在晶圆上能够设计很小的探测环路，因而能有效提高上述近场探头的灵敏度，同时有效提高空间分辨率。对第一信号传输部和第二信号传输部进行通过合理的设计和阻抗控制，将测得的电场信号和磁场信号分离传输到对应的端口，以对电磁信号进行传输，可以保证传输过程对电磁信号的损耗低、反射低，同时可以屏蔽外部的干扰。
在一实施例中，硅基探头可以通过倒装焊的方式焊接在第一信号传输层和第二信号传输层上。倒装焊技术是指将IC芯片面朝下，与封装外壳或布线基板直接互连的一种技术。与其他芯片互连技术相比较，倒装焊的互连线短、寄生电容和寄生电感小，芯片的I/O电极可在芯片表面任意设置，封装密度高，因此更适用于高频、高速、高I/O端的集成电路。
在一实施例中，请继续参阅图2，在第一屏蔽层11和第一信号传输层12之间、第一信号传输层12和第二信号传输层13之间、第二信号传输层13和第二屏蔽层14之间均填充FR-4的介电材料。
进一步的，第一屏蔽层11、第一信号传输层12、第二信号传输层13以及第二屏蔽层14均为厚度0.035mm的金属层，第一屏蔽层11、第一信号传输层12、第二信号传输层13以及第二屏蔽层14之间填充FR-4的介电材料厚度为0.182mm。
在一实施例中，上述第一屏蔽层11、第一信号传输层12、第二信号传输层13以及第二屏蔽层14均为一块形状不规则的电路板，且四块电路板的形状大小均相同。第一屏蔽层11、第一信号传输层12、第二信号传输层13以及第二屏蔽层14上均分布有多个信号过孔，各层上布设的信号过孔的位置对应。该信号过孔是贯穿其所在层的通孔，可用于实现各层间的互连，其孔壁上可用化学沉积的方法镀上一层金属，起到电气连接的作用，即在本实施例中的导电孔壁均为金属孔壁，各层之间除了通过导电孔壁电气互连之外，其他地方绝缘。
在其他实施例中，上述PCT板还可以为LTCC工艺制备的电路板。与其它集成技术相比，LTCC工艺制备的电路板具有以下优点：陶瓷材料具有优良的高频、高速传输以及宽通带的特性。根据配料的不同，LTCC材料的介电常数可以在很大范围内变动，配合使用高电导率的金属材料作为导体材料，可提高电路***的品质因数，增加了电路设计的灵活性。LTCC电路基板可以适应大电流及耐高温特性要求，并比普通PCB电路基板具备更优良的热传导性，极大地优化了电子设备的散热设计。采用LTCC工艺制备的电路板，可保证传输阻抗匹配、并抑制信号衰减以及传输谐振，保证电场探测效率。
在一实施例中，第一探测线圈122与第一信号传输部121连接构成第一探测环路，如图3所示，以探测第一射频信号，第一信号传输部用于发送第一射频信号。举例来说，当第一探测线圈122用于获取电场信号时，上述第一探测部对待测件的耦合方式为：通过回字型的第一探测线圈122与待测件之间的分布电容对待测件的电场进行耦合。
相应的，第二探测线圈132与第二信号传输部131连接构成第二探测环路，如图4所示，以探测第二射频信号，第二信号传输部用于发送第二射频信号。举例来说，当第二探测线圈132用于获取磁场信号时，上述第二探测部对待测件的耦合方式为：通过回字型的第二探测线圈132本身根据通过其内部的磁通量变化对 待测件的磁场进行耦合。在其他实施例中，也可以通过上述第一探测线圈122获取磁场信号，通过第二探测线圈132获取电场信号。
在一实施例中，可以在硅基探头上通过刻蚀技术制作第一探测线圈122或第二探测线圈132，比如在硅基探头上形成一个回字形的金属线圈。可选地，还可以根据设计需要利用刻蚀技术在硅基探头上形成不同的形状的金属线圈。进一步的，上述第一探测线圈122或第二探测线圈132也可采用不同的形状尺寸。
在一实施例中，上述第一探测线圈122和第二探测线圈132所形成的多匝线圈环路结构位于裸露在所述第一屏蔽层11、第一信号传输层12、第二信号传输层13以及第二屏蔽层的***14。通过两个反向线圈构成的半裸露的微型金属探测环路可以有效提高近场探头的空间分辨率。
在一实施例中，第一探测线圈122对应的区域为第一感应区域，第二探测线圈132对应的区域为第二感应区域，进一步的，上述第二感应区域在第一感应区域所在平面上的正投影在第一磁场感应区域的范围内。由于第一探测线圈122在第二探测线圈132所在平面上的正投影在第二探测线圈132的范围内，因此，第一探测线圈122的面积与第二探测线圈132的面积能够叠加，测量得到的磁场信号能叠加，增加测量到的磁场信号的幅值。
在一实施例中，第一探测线圈122所围成的区域与第二探测线圈132所围成的区域形状相同，中轴线共线设置，且第一探测线圈122和第二探测线圈132均绕设在同轴通孔15上，对电场信号的增益更大，测得的电场信号的幅值更大。从而使得测量的电场信号和磁场信号都受到了更大的增益，幅值更大，能够测量更加低频的电、磁场信号。
在一实施例中，第一探测线圈122和第二探测线圈132均通过回字形旋转形成，且第一探测线圈122和第二探测线圈132所形成的多匝线圈环路结构最内侧为矩形，矩形的长度为0.5mm，宽度为0.15mm。通过合理的设计线宽使得左右两边形成的多匝线圈环路结构的特征阻抗为50Ω，以保证近信号在传输过程中的低损耗和低反射。在实际应用中，可以根据具体的探测需求，将第一探测线圈122和第二探测线圈132设计成不同的形状，以获得不同的感应区形状。
在一实施例中，上述特征阻抗为50Ω可以提高探头的传输效率。各层之间的间隔以及导线的尺寸和材料等因素都会影响阻抗，可以通过一些成熟的商业软件进行计算，计算出在预设阻抗下层间间隔、导线尺寸以及材料等因素所需要的设计。通过合理设计使得多匝线圈环路结构的特征阻抗为50欧姆。由于通常外设分析设备的特性阻抗一般都为50欧姆，因此在本实施例中选择将特性阻抗设计为50欧姆，便于与外设分析设备进行阻抗匹配，同时保证传输过程中的信号损耗低、信号反射低。
在一实施例中，该近场探头的探测空间分辨率可以为75～85um。本发明提供的近场探头的应用频率范围由其整体设计决定，包括材料的应用以及结构的设计，可以通过一定的方法来标定其频率应用范围。在本实施例中，根据在晶圆上设计的探测结构及在基板上设计的传输结构，该近场探头的探测空间分辨率为80um，该近场探头的探测灵敏度为-25dB[A/m]。
由上可知，本申请实施例提供的近场探头包括：依次堆叠的第一屏蔽层、第一信号传输层、第二信号传输层以及第二屏蔽层，第一信号传输层包括第一信号传输部和第一探测部，第一探测部包括从第一信号传输部左侧开始延伸并朝逆时针转动的第一探测线圈，第二信号传输层包括第二信号传输部和第二探测部，第二探测部包括从第二信号传输部右侧开始延伸并朝顺时针转动的第二探测线圈，第一探测线圈和第二探测线圈采用同轴通孔互连，以形成预设特征阻抗的多匝线圈环路结构。本申请实施例通过设置两个多匝线圈来提高近场探头的探测灵敏度，同时两个反向线圈构成的半裸露的微型金属探测环路可以有效提高近场探头的空间分辨率。
本发明实施例还提供一种近场探测装置，包括上述实施例中的近场探头以及分析仪，上述分析仪分别与第一信号传输层、第二信号传输层连接，用于接收第一信号传输层输出的第一射频信号，以及第二信号传输层输出的第二射频信号，并对第一射频信号和第二射频信号进行分析。
在一实施例中，该分析仪还用于对近场探头的电路和电磁场进行仿真分析，以确定近场探头的探测频率范围。具体可以通过ADS（Advanced Design System，电子设计自动化软件）电路仿真分析和HFSS(High Frequency Structure Simulator，高频结构仿真)的近场探测的电磁场强分析，确定近场探头的探测频率范围。
在一实施例中，上述近场探测装置还可以包括连接器，具体可以包括第一连接器和第二连接器，该第一连接器和第二连接器为与分析仪的特性阻抗相匹配的连接器，通过第一连接器和第二连接器可分别将第一探测线圈与电场耦合所得的第一射频信号和第二探测线圈与磁场耦合所得的第二射频信号传输至分析仪。分析仪利用基尔霍夫电压定律和叠加原理射频信号对进行分析，获取更加精准的电场参数和磁场参数。其中，电场参数和磁场参数分别为表征电场和磁场大小的参数。本发明提出的近场探头具有较高的灵敏度和空间分辨率，可以对待测电路板(包括板上的集成电路)局部的高带宽、高精度的电磁场分布进行测量，尤其是能够完成对于微弱电磁场的探测。
本领域普通技术人员可以理解，上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤可以通过指令来完成，或通过指令控制相关的硬件来完成，该指令可以存储于一计算机可读存储介质中，并由处理器进行加载和执行。
尽管已经相对于一个或多个实现方式示出并描述了本发明，但是本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将会想到等价变型和修改。本发明包括所有这样的修改和变型，并且仅由所附权利要求的范围限制。特别地关于由上述组件执行的各种功能，用于描述这样的组件的术语旨在对应于执行所述组件的指定功能（例如其在功能上是等价的）的任意组件（除非另外指示），即使在结构上与执行本文所示的本说明书的示范性实现方式中的功能的公开结构不等同。此外，尽管本说明书的特定特征已经相对于若干实现方式中的仅一个被公开，但是这种特征可以与如可以对给定或特定应用而言是期望和有利的其他实现方式的一个或多个其他特征组合。而且，就术语“包括”、“具有”、“含有”或其变形被用在具体实施方式或权利要求中而言，这样的术语旨在以与术语“包含”相似的方式包括。
以上对本发明实施例提供的一种近场探头以及近场探测装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种近场探头，其特征在于，包括依次堆叠的第一屏蔽层、第一信号传输层、第二信号传输层以及第二屏蔽层；
所述第一信号传输层包括第一信号传输部和第一探测部，所述第一探测部包括从第一信号传输部左侧开始延伸并朝逆时针转动的第一探测线圈；
所述第二信号传输层包括第二信号传输部和第二探测部，所述第二探测部包括从第二信号传输部右侧开始延伸并朝顺时针转动的第二探测线圈；
所述第一探测线圈和第二探测线圈采用同轴通孔互连，以形成预设特征阻抗的多匝线圈环路结构。
2.根据权利要求1所述的近场探头，其特征在于，在所述第一屏蔽层和第一信号传输层之间、所述第一信号传输层和第二信号传输层之间、所述第二信号传输层和第二屏蔽层之间均填充FR-4的介电材料。
3.根据权利要求2所述的近场探头，其特征在于，所述第一屏蔽层、第一信号传输层、第二信号传输层以及第二屏蔽层均为厚度0.035mm的金属层，所述第一屏蔽层、第一信号传输层、第二信号传输层以及第二屏蔽层之间填充FR-4的介电材料厚度为0.182mm。
4.根据权利要求1所述的近场探头，其特征在于，所述第一探测线圈与所述第一信号传输部连接构成第一探测环路，以探测第一射频信号，所述第一信号传输部用于发送所述第一射频信号。
5.根据权利要求1所述的近场探头，其特征在于，所述第二探测线圈与所述第二信号传输部连接构成第二探测环路，以探测第二射频信号，所述第二信号传输部用于发送所述第二射频信号。
6.根据权利要求1-5任一项所述的近场探头，其特征在于，所述第一探测线圈和第二探测线圈所形成的多匝线圈环路结构位于裸露在所述第一屏蔽层、第一信号传输层、第二信号传输层以及第二屏蔽层的***。
7.根据权利要求1-5任一项所述的近场探头，其特征在于，所述第一探测线圈和第二探测线圈均通过回字形旋转形成，且所述第一探测线圈和第二探测线圈所形成的多匝线圈环路结构最内侧为矩形，所述矩形的长度为0.5mm，宽度为0.15mm。
8.根据权利要求1-5任一项所述的近场探头，其特征在于，所述多匝线圈环路结构的特征阻抗为50Ω。
9.一种近场探测装置，其特征在于，包括：
根据权利要求1-8任一项所述的近场探头；
分析仪，分别与所述第一信号传输层、第二信号传输层连接，用于接收所述第一信号传输层输出的第一射频信号，以及所述第二信号传输层输出的第二射频信号，并对所述第一射频信号和所述第二射频信号进行分析。
10.根据权利要求9所述的近场探测装置，其特征在于，所述分析仪还用于对所述近场探头的电路和电磁场进行仿真分析，以确定所述近场探头的探测频率范围。
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