JP2005134169A - 電磁界測定方法および測定装置、ならびに半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高周波領域において高精度に電磁波源を測定する方法及び測定する装置を、より簡易な構成で提供する。
【解決手段】 半導体装置、ＰＣＢ、電子機器等の測定対象から発生するクロックの高調波成分の近傍磁界または電界を測定する電磁界測定装置であって、測定したい周波数を発振器１０１により発生させ、この発生した周波数を測定対象のＬＳＩチップ１０９の動作周波数になるように分周器１０２により分周し、この分周した動作周波数をＬＳＩチップ１０９の動作クロックとして入力し、発振器１０１による測定したい周波数となる信号とＬＳＩチップ１０９から放射される磁界または電界とを同期検波することにより、測定対象のＬＳＩチップ１０９の近傍磁界または電界の強度および位相を測定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電磁界測定技術に関し、特に、クロック動作する、半導体装置、ＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）、電子機器等から放射される電磁波源となる電流位置を特定する測定方法および測定装置に適用して有効な技術に関する。

本発明者が検討したところによれば、電磁界測定技術において、クロック動作する電子機器等から放射される電磁波の源となる電流位置を特定するためには、測定対象の近傍磁界または電界分布について、測定面内における各点での振幅及び相対位相を測定する必要がある。

一般に、近傍磁界または電界を測定する際には種々のアンテナを用い、測定対象に近づけることによって、これに誘起される電流または電圧を測定することにより、測定対象の近傍磁界または電界の振幅を知ることができる。

また、測定周波数に等しい基準信号と、アンテナに誘起された電圧または電流を同期検波することで近傍磁界または電界の位相を知ることができる。その際、同期検波に用いる基準信号は、測定対象のベースクロックに高精度に同期していることが必須である。基準信号が測定対象のクロックに精度よく同期していないと、同期検波により得られる位相値は時間的に不安定になり、正しい値が得られない。

例えば、同期検波用の基準信号を生成する方法として、特許文献１，２に示されるように、測定対象を動作させているベースクロックを微小アンテナ等を用いて非接触に、または直接プローブをコンタクトさせて引き出し、この信号を逓倍することで測定周波数の基準信号を作り出している。
特開平１１−１４２４５３号公報 特開２００２−２７７５００号公報

しかしながら、前記特許文献１，２のように、位相算出のための同期検波用基準信号を測定対象のクロックを逓倍して生成する方法は、測定周波数が高くなるほど測定精度の低下や装置構成の複雑化は免れられない。これは、信号を逓倍することによって、ジッターや位相ノイズ等による影響が大きくなり、結果として正しい位相情報を得られなくなるためである。従って、電磁波源測定方法及び測定装置の高周波領域における高精度化が困難であるという問題がある。なお、高周波領域とは、周波数１ＧＨｚ以上の帯域を指す。

そこで、本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、高周波領域において高精度に電磁波源を測定する方法及び測定する装置を、より簡易な構成で提供するものである。

本発明は、クロック動作する、半導体装置、ＰＣＢ、電子機器等から放射される電磁波源となる電流位置を特定するための技術であり、測定対象から発生するクロックの高調波成分の近傍磁界または電界を測定する方法および装置に適用され、測定したい周波数を発振器により発生させ、この発生した周波数を測定対象の動作周波数になるように分周器により分周し、この分周した動作周波数を測定対象の動作クロックとして入力し、発振器による測定したい周波数となる信号と測定対象から放射される磁界または電界とを同期検波することにより、半導体装置、ＰＣＢ、電子機器等の測定対象の近傍磁界または電界の強度および位相を測定するものである。

本発明によれば、測定対象の電磁波源を高周波領域で高精度に測定することができ、更に簡易に電磁波源を測定する装置を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

まず、図１により、本発明の第１の実施の形態の電磁界測定装置の構成の一例を説明する。図１は、第１の実施の形態の電磁界測定装置の構成図を示す。

第１の実施の形態の電磁界測定装置は、半導体装置（ＬＳＩチップ）の測定対象から放射される近傍磁界または電界の振幅および位相を測定し、電磁波源となっている電流分布を探査する測定装置であり、測定したい基準信号を生成するための発振器１０１と、これを測定対象のクロックとするための分周器１０２と、分周器１０２からの出力バッファの駆動能力及びクロック波形を本来の回路性能に合わせるための波形成形回路１０３と、測定対象から放射される近傍磁界または電界を検出する電磁界プローブ１０４と、検出した信号から測定周波数の信号を抽出するフィルタ／アンプ（フィルタおよび／またはアンプ）１０５と、これにより得られた信号の振幅・位相を得るための同期検波器１０６と、測定結果から電磁波源となる電流位置を計算・表示するためのＣＰＵや、近傍磁界または電界分布から電磁波源となる電流位置を計算するためのプログラム等を記憶した記憶装置等を備えるコンピュータ１０７と、電磁界プローブ１０４の位置を制御するためのステージ１０８などから構成される。

この電磁界測定装置では、測定対象がＬＳＩチップ１０９からなり、このＬＳＩチップ１０９の近傍磁界または電界の分布を擾乱させないために、ＬＳＩチップ１０９と、電磁界プローブ１０４やフィルタ／アンプ１０５、同期検波器１０６等を含む測定手段との間には距離を置く必要がある。また、電磁界的に近傍となる距離とは、測定対象と電磁界プローブとの距離ｒが、ｒ≦λ／（２π）を満たす距離を指す。

続いて、第１の実施の形態の電磁界測定装置において、電磁界測定方法の一例を説明する。

まず、ＬＳＩチップ１０９を測定するため、測定したい所望の測定周波数ｆを持つ信号を発振器１０１にて生成する。これを同期検波の際の基準信号とする。さらに、この測定周波数ｆを分周器１０２によってＮ分周し、任意の周波数ｆ／Ｎまで下げる。この時、分周された信号のデューティ比は５０％であることが好ましい。これは、同期検波する際に正しい値を得るためと、測定対象となるＬＳＩチップ１０９のクロックとして用いるためである。

そして、Ｎ分周した周波数ｆ／Ｎの信号を、ＬＳＩチップ１０９のベースクロックとして入力する。一般に、ＬＳＩチップ１０９を含む電子機器等のベースクロックは水晶発振素子等を用いて生成しているが、これを外し、プローブもしくはワイヤーをコンタクトさせて、外部で生成した分周信号を入力し、測定対象を動作させる。測定対象の形状が、例えばＤＩＰやＢＧＡ等、パッケージ構造があらかじめ分かっている場合は、これに適する治具を用意してもよい。

さらに、クロック動作するＬＳＩチップ１０９から放射される近傍磁界または電界を電磁界プローブ１０４にて検出する。一般に、クロック動作するＬＳＩチップ１０９から放射される電磁界は、ベースクロックの高調波であり、ここではクロックのＮ次高調波である周波数ｆの成分について測定する。

そして、電磁界プローブ１０４によって検出された信号から、フィルタ／アンプ１０５を通して所望の周波数ｆ成分だけを取り出す。フィルタは、バンドパスフィルタでなくてもよく、可変ハイパスフィルタや可変ローパスフィルタを組み合わせることで、測定周波数を任意に設定できるようにすることが好ましい。

さらに、始めに生成した基準信号と、電磁界プローブ１０４によって検出した信号を同期検波器１０６にて同期検波し、電磁界プローブ１０４によって得られた信号の振幅・位相情報を得る。この得られた近傍磁界または電界分布の各位置に対する振幅及び位相情報は、逐次、コンピュータ１０７に送られ、全て記憶する。

そして、コンピュータ１０７では、これらの結果を用いてコンピュータ処理し、電磁波源となっている電流位置を計算することができる。この近傍磁界または近傍磁界の分布から電磁波源となる電流位置を特定する計算手法は、例えば特開平１１−１４２４５３号公報に記載の手法を用いることができる。

この特定された電磁波源の電流位置の結果情報は、試作したＬＳＩチップ１０９、これを実装したＰＣＢ、さらにはこれらを収納した電子機器が不要電磁輻射規制を満たすか否かの判断に用いることができる。また、不要電磁輻射に寄与している部位を特定することで、これらの情報を設計段階へフィードバックすることにより、最終製品が所望の特性を満足するように反映される。

なお、本実施の形態のように、電磁波源となっている電流位置を特定するためには、測定対象の近傍磁界または電界について、測定面内全域にわたる振幅・位相情報を測定する必要がある。よって、電磁界プローブ１０４は、測定対象の近傍を測定面内全体に渡って走査させる必要がある。このためには、測定面内及び高さ方向の位置分解能について、測定ピッチ以上の精度を持って制御可能なステージ１０８が必要となる。また、ステージ１０８による電磁界プローブ１０４の駆動範囲内であれば、ＬＳＩチップ１０９に限らず、後述する、ＰＣＢや電子機器の筐体等にも適用可能である。

次に、図２により、本発明の第２の実施の形態の電磁界測定装置の構成の一例を説明する。図２は、第２の実施の形態の電磁界測定装置の構成図を示す。

第２の実施の形態の電磁界測定装置は、測定対象をＰＣＢ２０１に適用した例であり、前記第１の実施の形態と同様の装置構成及び機能により、ＰＣＢ２０１について近傍磁界または電界の振幅及び強度を測定することができる。

よって、第２の実施の形態の電磁界測定装置においても、始めに生成した基準信号と、電磁界プローブ１０４によって検出した信号を同期検波器１０６にて同期検波し、電磁界プローブ１０４によって得られた信号の振幅・位相情報を得ることにより、電磁波源となっている電流位置を特定することができる。

次に、図３により、本発明の第３の実施の形態の電磁界測定装置の構成の一例を説明する。図３は、第３の実施の形態の電磁界測定装置の構成図を示す。

第３の実施の形態の電磁界測定装置は、測定対象を電子機器の筐体３０１に適用した例であり、前記第１の実施の形態と同様の装置構成及び機能により、電子機器の筐体３０１について近傍磁界または電界の振幅及び強度を測定することができる。

よって、第３の実施の形態の電磁界測定装置においても、始めに生成した基準信号と、電磁界プローブ１０４によって検出した信号を同期検波器１０６にて同期検波し、電磁界プローブ１０４によって得られた信号の振幅・位相情報を得ることにより、電磁波源となっている電流位置を特定することができる。

以上、第１〜第３の実施の形態について説明したが、上記説明の図１〜図３においては、発振器１０１、同期検波器１０６を個別に構成する例を示したが、例えば第４の実施の形態として図４に示すように、これらをネットワークアナライザ４０１を用いて構成することも可能である。ネットワークアナライザ４０１は周波数を掃引して振幅・位相測定を行うため、その前段で測定周波数を持つ信号だけを抽出する必要がなく、フィルタを用いない構成も考えられる。さらに、発振器１０１、波形成形回路１０３、同期検波器１０６、フィルタ／アンプ１０５等を一体化した電磁波源探査装置を構成することもできる。

次に、図５〜１２により、第１〜第４の実施の形態において、高周波領域における電磁波源の探査測定の一例を説明する。

図５には、測定対象としたマイクロストリップライン基板を示す。測定領域５０１は、８ｍｍ×４ｍｍとし、同図に示す。マイクロストリップライン５０２の線幅は、０．４ｍｍである。線路の負荷には終端抵抗５０３を用いた。また、電磁界プローブ１０４として、図６に示すような０．５ｍｍ×０．５ｍｍのループアンテナ６０１を用いた。ループアンテナ６０１では、測定対象に近づけた時に誘起する電圧から測定対象近傍の磁界分布を知ることができる。

図７には、実際に測定を行う際の電磁界プローブ１０４の向きを示す。ＸＹＺの直交座標系を図５〜図７に示すように定義した場合、測定面内におけるＸ方向とＹ方向について近傍磁界分布を測定する必要がある。よって、図７のように、電磁界プローブ１０４の走査は、プローブのループがＹ軸に対して０°の場合（ａ）と９０°の場合（ｂ）のように、角度を９０度変えて２度行う必要がある。ここで、測定対象に対する電磁界プローブ１０４のＺ方向への高さは０．３ｍｍで一定とした。

また、ここでは測定周波数は１．２ＧＨＺとし、これを２分周した６００ＭＨｚの信号を測定対象に入力し、２次高調波成分となる１．２ＧＨＺの近傍磁界成分について振幅および位相を測定した。

図８にはＸ方向の近傍磁界強度の測定値を、図９にはＸ方向の近傍磁界位相の測定値を、図１０にはＹ方向の近傍磁界強度の測定値を、図１１にはＹ方向の近傍磁界位相の測定値をそれぞれ示す。図９に示すように、高周波領域においても磁界の位相分布が不安定にならずに、線路の形状を反映して測定できていることがわかる。ここで、２本のマイクロストリップライン５０２で位相が反転しているのは、電流の流れる向きが逆方向のためである。

これらの近傍磁界分布から、電流源を探査した結果は図１２に示すようになる。図１２には、Ｘ方向の電流分布絶対値を示す。図１２に示すように、Ｘ方向への電流が流れている場所がはっきりと求められていることがわかる。

上記測定例においては、電磁界プローブ１０４によって得られた信号の振幅・位相情報を得る手段として、同期検波器１０６、ネットワークアナライザ４０１を用いて同期検波を行ったが、同期検波器１０６はミキサ及び移相器などを用いて実現してもよい。また、位相検出手段は同期検波器１０６でなくてもよく、例えばＡ／Ｄ変換後、コンピュータ１０７へ取り込み、信号処理によって位相情報を解析するなどしてもよい。

これまでは、ＸＹ方向に関する磁界分布及び電磁波源を探査する例について示したが、これに加えてＺ方向への近傍電界または磁界を測定することで、電磁波源を３次元空間内での位置を特定することも可能である。

また、これまでは、電磁界プローブ１０４としてループアンテナ６０１を１つ用いた例を示したが、電磁界プローブ１０４としてはループアンテナ６０１に限らない。磁界または電界を検出するプローブであれば、図１３に示すように、微小ダイポールアンテナ（ａ）や、モノポールアンテナ（ｂ）等、形状に制限はない。

また、電磁界プローブを複数個組み合わせたアレイアンテナを用いることにより、多次元情報を同時に取得するなどして、測定時間を短縮することも可能である。但し、複数個のアンテナを組み合わせると、相互干渉により測定精度または測定系の安定性が低下する可能性があり、これを考慮すると１つのプローブによって測定することが好ましい。

また、これまでの説明では、クロック動作する電子機器を想定したが、伝送線路又は伝送線路に等価な受動素子等を有する素子又は装置の、電流強度・位相分布測定や高調波電流の位置を特定する検査等にも適用することができる。

また、これまでの説明では、分周比を固定した例について説明したが、分周比を変化させることによって測定対象のベースクロック変化に対する電磁波放射成分の挙動等を調べることも可能である。これにより、ＣＰＵやＭＰＵをオーバークロック動作させた場合の電磁波放射試験をより簡易に行うことができる。

また、これまでの説明では、測定周波数を固定した例を説明したが、発振器からの基準信号周波数を掃引することで、電磁界分布または電流位置の周波数特性を調べることも可能である。ここで、ネットワークアナライザは周波数掃引機能を有しているため、これを実現し易い。

また、これまでに示した一連の測定を行う前に、フィルタ／アンプ１０５、同期検波器１０６、波形成形回路１０３、ステージ１０８、電磁界プローブ１０４等に関して周波数特性および伝送・反射特性を測定し、その結果を用いて近傍磁界または電界の測定結果を補正することにより、測定精度を向上することが可能となる。ネットワークアナライザ４０１を使用する場合には、伝送・反射特性に関するキャリブレーション機能を用いてもよい。

本発明の第１の実施の形態の電磁界測定装置を示す構成図である。 本発明の第２の実施の形態の電磁界測定装置を示す構成図である。 本発明の第３の実施の形態の電磁界測定装置を示す構成図である。 本発明の第４の実施の形態の電磁界測定装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態において、測定対象のマイクロストリップライン基板を示す説明図である。 本発明の実施の形態において、電磁界プローブを示す説明図である。 （ａ），（ｂ）は本発明の実施の形態において、測定時の電磁界プローブの走査の向きを示す説明図である。 本発明の実施の形態において、測定対象のＸ方向近傍磁界強度分布を示す説明図である。 本発明の実施の形態において、測定対象のＸ方向近傍磁界位相分布を示す説明図である。 本発明の実施の形態において、測定対象のＹ方向近傍磁界強度分布を示す説明図である。 本発明の実施の形態において、測定対象のＹ方向近傍磁界位相分布を示す説明図である。 本発明の実施の形態において、測定対象のＸ方向電流分布絶対値を示す説明図である。 （ａ），（ｂ）は本発明の実施の形態において、他の電磁界プローブを示す説明図である。

符号の説明

１０１…発振器、１０２…分周器、１０３…波形成形回路、１０４…電磁界プローブ、１０５…フィルタ／アンプ、１０６…同期検波器、１０７…コンピュータ、１０８…ステージ、１０９…ＬＳＩチップ、２０１…ＰＣＢ、３０１…筐体、４０１…ネットワークアナライザ、５０１…測定領域、５０２…マイクロストリップライン、５０３…終端抵抗、６０１…ループアンテナ。

Claims (10)

1. 測定したい周波数を発振器により発生させ、この発生した周波数を測定対象の動作周波数になるように分周器により分周し、この分周した動作周波数を前記測定対象の動作クロックとして入力し、前記発振器による前記測定したい周波数となる信号と前記測定対象から放射される磁界または電界とを同期検波して、前記測定対象から発生する前記動作クロックの高調波成分の磁界または電界の強度および位相を測定することを特徴とする電磁界測定方法。
2. 請求項１記載の電磁界測定方法において、
   前記測定対象の動作周波数になるように分周する際に、可変分周器により任意の周波数に分周し、この任意の周波数のクロックで前記測定対象を動作させ、前記任意の周波数の磁界または電界の強度および位相を測定することを特徴とする電磁界測定方法。
3. 測定したい周波数を発生させる発振器と、この発振器により発生した周波数を測定対象の動作周波数になるように分周する分周器と、この分周器により分周した動作周波数を前記測定対象の動作クロックとして入力し、前記発振器による前記測定したい周波数となる信号と前記測定対象から放射される磁界または電界とを同期検波して、前記測定対象から発生する前記動作クロックの高調波成分の磁界または電界の強度および位相を測定する測定手段とを有することを特徴とする電磁界測定装置。
4. 請求項３記載の電磁界測定装置において、
   前記測定手段は、前記測定対象から放射される磁界または電界を検出する電磁界プローブと、この電磁界プローブにより検出した磁界または電界の計測結果を前記発振器の周波数成分に特定するフィルタおよび／またはアンプと、このフィルタおよび／またはアンプを通した信号と前記発振器による前記測定したい周波数となる信号とを同期検波する同期検波器と、この同期検波器による結果から電磁波源となる電流位置を特定するコンピュータとからなることを特徴とする電磁界測定装置。
5. 請求項３または４記載の電磁界測定装置において、
   前記測定対象の動作周波数になるように分周した後、最終的な出力バッファの駆動能力をプログラマブルにしてクロック波形を所望の形状にする波形整形回路を有することを特徴とする電磁界測定装置。
6. 請求項３乃至５のいずれか１項記載の電磁界測定装置において、
   前記分周器は、任意の周波数に分周可能な可変分周器からなり、
   前記測定手段は、前記可変分周器により前記発振器からの周波数を任意の周波数に分周し、この任意の周波数のクロックで前記測定対象を動作させ、前記任意の周波数の磁界または電界の強度および位相を測定することを特徴とする電磁界測定装置。
7. 請求項３乃至６のいずれか１項記載の電磁界測定装置において、
   前記測定対象は、半導体装置またはＰＣＢまたは電子機器からなり、
   前記測定手段は、前記半導体装置または前記ＰＣＢまたは前記電子機器に前記分周した周波数のクロックを入力して磁界または電界の強度および位相を測定することを特徴とする電磁界測定装置。
8. 請求項３乃至６のいずれか１項記載の電磁界測定装置において、
   前記測定対象は、クロックを自ら発生し得ない回路素子からなり、
   前記測定手段は、前記回路素子に前記分周した周波数のクロックを入力して、前記回路素子の励振時の磁界または電界の強度および位相を測定することを特徴とする電磁界測定装置。
9. 請求項３乃至８のいずれか１項記載の電磁界測定装置において、
   前記発振器および前記同期検波器は、ネットワークアナライザからなることを特徴とする電磁界測定装置。
10. 請求項３乃至９のいずれか１項記載の電磁界測定装置を用いて測定され、前記電磁界測定装置の測定による電磁波源の電流位置の結果情報が設計にフィードバックされ、所望の特性を満足するように製造されることを特徴とする半導体装置。