4、传导发射与辐射发射：传导发射机理与测量、辐射发射机理与测量、SiP特有的发射问题
各位工程师朋友，咱们今天聊聊发射问题。说实在的，做SiP设计，最让人头疼的往往不是功能跑不通，而是产品拿去一测，发现发射超标了。我这些年没少跟EMC测试实验室打交道，每次听到测试工程师说“超标了6个dB”，心里就咯噔一下。
传导发射和辐射发射，说白了就是噪声的两种“逃跑路线”。一个沿着线缆往外跑，一个直接在空中“裸奔”。咱们一个一个拆开看。
4.1 传导发射：噪声是怎么沿着线缆溜出去的？
传导发射，指的是噪声通过电源线、信号线等物理连接，从设备内部传导到外部。频率范围通常是150kHz到30MHz。为什么是这个范围？因为频率再高，噪声更倾向于辐射出去，而不是沿着导线跑了。
机理其实不复杂。你想想看，SiP内部有高速开关电路，比如DC-DC转换器、时钟驱动器。这些电路在工作时，会从电源线上抽取脉冲电流。这个电流不是平滑的，而是含有丰富的高次谐波。这些谐波电流沿着电源线往回走，就形成了传导发射。
关键点：传导发射的源头是共模电流和差模电流。差模电流是正常工作的回路电流，共模电流则是由于寄生参数导致的非预期电流。我个人的经验是，低频段（1MHz以下）差模占主导，高频段（1MHz以上）共模往往更头疼。
测量方法，业内标准做法是用线性阻抗稳定网络（LISN）。LISN的作用有两个：一是给电源端口提供一个稳定的阻抗（通常是50Ω），二是把噪声信号耦合出来给接收机测量。
我记得有一次，一个客户的产品传导发射在5MHz附近有个尖峰，怎么都压不下去。我让他们把LISN的接地线检查了一遍，发现接地线绕了个圈，形成了环路天线。把线捋直了，尖峰直接降了10dB。你看，有时候问题不在设计本身，而在测试设置上。
测量时，我们关注的是准峰值（QP）和平均值（AV）两个检波方式。QP值反映的是噪声的“烦人程度”，AV值反映的是持续能量。标准要求通常QP和AV都要满足限值。
4.2 辐射发射：噪声在空中“裸奔”
辐射发射，频率范围从30MHz到1GHz甚至更高。到了这个频段，PCB上的走线、芯片的引脚、甚至封装内部的键合线，都可能成为天线。
辐射发射的机理，可以用一句话概括：任何流过交变电流的导体，都会向外辐射电磁波。在SiP中，主要的辐射源包括：
- 高速时钟信号线：方波信号含有丰富的高次谐波，是辐射的“大户”
- 电源分配网络（PDN）：如果去耦不充分，电源平面上的纹波会形成辐射
- I/O接口：特别是高速差分信号，如果共模抑制不好，共模电流会驱动线缆辐射
- 封装寄生参数：键合线、RDL走线、TSV通孔，这些都会形成意外的辐射环路
测量方法，标准做法是在电波暗室中进行。被测设备放在转台上，天线在3米或10米距离处接收信号。测试时，转台旋转360度，天线在1米到4米高度扫描，找到最大辐射点。
我的小技巧：在预测试阶段，我习惯用近场探头先扫一遍。近场探头虽然不能给出绝对的辐射值，但能快速定位辐射源的位置。我曾经用这个方法，在SiP样品的顶部扫描，发现一个角落的辐射特别强，后来发现是那个位置的去耦电容离芯片太远了。
辐射发射的限值，不同标准有不同要求。消费类产品通常用EN 55032 Class B，工业类用Class A。Class B比Class A严格大约10dB。
| 频率范围 | Class A（准峰值） | Class B（准峰值） |
|---|---|---|
| 30-230 MHz | 40 dBμV/m | 30 dBμV/m |
| 230-1000 MHz | 47 dBμV/m | 37 dBμV/m |
4.3 SiP特有的发射问题：封装内部的“隐形天线”
好了，前面说的都是通用知识。现在咱们聊聊SiP特有的麻烦。做SiP设计，你会发现很多在PCB上不是问题的事情，到了封装内部就成了大问题。
问题一：键合线形成的环形天线
SiP内部有多颗芯片，芯片之间通过键合线连接。两根平行的键合线，如果距离很近，就会形成一个小的电流环路。这个环路的面积虽然只有几平方毫米，但别忘了，频率高了以后，几平方毫米的环路也能成为高效天线。
我遇到过的一个案例：一个SiP模块，内部有数字芯片和射频芯片共存。数字芯片的时钟频率是100MHz，它的键合线环路面积大约0.5mm²。理论上这个环路辐射不大，但实际测试发现，在300MHz（三次谐波）处辐射超标。后来我们分析，是因为键合线下面的硅衬底是低阻硅，形成了镜像效应，等效环路面积变大了。
注意：SiP内部的键合线环路，其辐射效率与环路面积成正比，与频率的平方成正比。频率每翻一倍，辐射能量增加6dB。所以高频谐波往往比基频更危险。
问题二：TSV通孔的寄生辐射
在3D SiP中，TSV（硅通孔）是连接上下层芯片的关键结构。但TSV本质上是一个金属柱穿过硅衬底。如果TSV上流过高速信号，它就会像一个单极子天线一样向外辐射。特别是当TSV的深度与信号波长的四分之一接近时，辐射效率最高。
举个例子，一个深度100μm的TSV，它的四分之一波长对应的频率大约是750GHz。这个频率太高了，一般不用担心。但问题是，TSV往往不是孤立的，多个TSV排列在一起，会形成阵列效应，在某些方向上的辐射会叠加增强。
问题三：芯片堆叠的腔体谐振
当多颗芯片堆叠在一起时，芯片之间的间隙、芯片与基板之间的空隙，会形成小的谐振腔。如果某个噪声频率正好落在腔体的谐振频率上，就会在腔内形成驻波，辐射强度急剧增加。
我建议在设计阶段，用电磁仿真软件（比如HFSS、CST）对封装内部的空腔进行模态分析。看看哪些频率点容易谐振，然后调整芯片间距或者填充材料来避开。
问题四：基板走线的跨分割
SiP基板通常有多层，不同层之间通过过孔连接。如果走线跨越了参考平面的分割槽，回流电流就得绕道走，形成一个大的环路。这个环路面积可能比走线本身大很多倍，辐射自然就上去了。
嗯，这里要注意：在SiP基板设计中，尽量保证每个高速信号都有连续的参考平面。如果实在要跨分割，就在跨分割处加一个桥接电容，给回流电流提供一个低阻抗路径。
4.4 实战建议：如何从设计源头控制发射？
说了这么多问题，总得给点解决方案。我个人总结了几个实用原则：
- 源头抑制：在芯片内部就做好滤波。比如在DC-DC转换器的输出端加RC snubber电路，可以显著降低开关噪声的高频分量。
- 路径控制：让噪声电流走最短的回路。在SiP中，这意味着电源和地要尽量靠近，键合线要尽量短，TSV要尽量少。
- 屏蔽隔离：对敏感区域或者强辐射区域，用金属屏蔽罩罩起来。在SiP中，可以在芯片顶部加一个金属盖板，或者用导电胶填充芯片之间的空隙。
- 仿真先行：不要等到样品出来了再去测。我习惯在布局布线阶段，就用3D电磁仿真软件跑一遍辐射发射。虽然仿真不能100%准确，但能发现80%的问题。
一句话总结：传导发射靠滤波，辐射发射靠回路。SiP的发射问题，归根结底是封装内部的寄生参数在作怪。把寄生参数控制好了，发射自然就降下来了。
好了，这一章的内容就到这里。下一章咱们聊聊屏蔽和滤波的具体设计方法，那才是真正动手干活的部分。