封装电子器件中外注入信号微波近场成像——基于金刚石氮-空位（NV）色心宽场成像方法

《Micromachines》：Microwave Near Field Imaging of Externally Injected Signals in an Encapsulated Electronic Device

　　

针对微型化电子器件电磁兼容性（electromagnetic compatibility, EMC）测试及内部结构无损检测的挑战，研究人员报道了一种基于金刚石氮-空位（nitrogen-vacancy, NV）色心宽场成像的无损检测方法，并在黑环氧封装通用串行总线（Universal Serial Bus, USB）闪存盘上进行了系统性演示。实验中，将2.82 GHz至2.97 GHz的扫频微波信号依次注入USB闪存盘的四个外部接口引脚，以块体金刚石作为量子传感层，采用光探测磁共振（optically detected magnetic resonance, ODMR）技术对器件表面1×1 mm2感兴趣区域内信号线的微波场分布进行宽场成像。实验结果表明，不同接口通道所对应的微波场分布存在显著差异，据此可清晰辨识各信号线与对应接口引脚的连接关系，并能揭示通道间场分布差异及串扰特征。本研究建立的方法为电子产品无损电磁测试与功能验证提供了一条有效的技术途径。

基于金刚石NV色心宽场微波成像的封装USB闪存盘内部信号线近场表征研究解读

该研究发表于《Micromachines》。当前以USB闪存盘为代表的便携式存储设备，其信号完整性、接口互连可靠性及内部布线质量直接影响数据安全，但传统电学测试方法如时域反射计（time-domain reflectometry, TDR）、导通测试和阻抗分析仅能通过外部接口获取集总参数信息，无法获得内部信号线空间分布及其与接口的对应关系；黑环氧全封装结构更使传统电探针难以原位观测内部微波信号，因此亟需一种能对电子产品级内部电路进行功能验证的无损微波场表征技术。近年来基于金刚石氮-空位（nitrogen-vacancy, NV）色心的量子传感技术可在室温下通过光探测磁共振（optically detected magnetic resonance, ODMR）实现纳米至毫米尺度微波磁场高分辨率成像，已有研究将其用于芯片级电磁兼容测试，但较少针对封装成品电子设备内部近场微波电场分布的直接探测。为此，研究人员将带NV浓度补偿的高保真宽场微波成像方法拓展至实际电子产品——黑环氧封装USB闪存盘，通过依次向四个外部接口引脚注入扫频微波信号，利用金刚石NV色心对器件电路表面微波场分布进行宽场成像，成功识别内部信号线连接关系及通道间串扰，验证了该方法在电子产品级无损电磁测试与内部功能验证中的可行性。

主要关键技术方法：

研究人员选用市售黑环氧封装USB闪存盘（128 MB）为样品，在其四个外露接口引脚焊接SMA接头并连接微波信号源（Agilent N5183B，扫频范围2.82～2.97 GHz，功率5 dBm），依次向四引脚注入扫频微波信号使器件自身成为有源微波辐射源。将高压高温（high-pressure high-temperature, HPHT）法生长并经10 MeV电子辐照及850 ℃真空退火处理的块体金刚石作为传感层紧贴样品表面，532 nm绿激光经扩束与匀化后由20×物镜（NA=0.45）聚焦照射金刚石，退激荧光经二向色镜由CMOS相机采集；微波源跳频与相机曝光由同一时钟同步。电动平移台以40 μm步距扫描样品，对每个像素点ODMR谱线作洛伦兹拟合提取对比度，按NV浓度标定结果进行浓度不均匀性补偿校正后反演微波场强度并拼接得到1×1 mm²区域完整微波场分布图像。

2. Experimental System and Diamond

研究人员搭建了基于NV色心ODMR的宽场成像系统：532 nm激光器出射光束经扩束器（beam expander, BE）与光束匀化器（beam homogenizer）形成平顶光充满物镜后聚焦于紧贴USB表面的金刚石，荧光经非偏振分束镜（non-polarizing beam splitter, NPBS）与二向色镜（dichroic mirror, DM）由CMOS相机及雪崩光电二极管采集。USB样品四引脚接SMA至信号源，样品固于电动平移台，金刚石与器件表面紧密接触以感应近场微波磁场。所用HPHT金刚石经9.8×10¹⁸cm^?2剂量10 MeV电子辐照及850 ℃退火2.5 h处理，先前工作已对其NV浓度影响完成标定，可消除因NV浓度不均引入的系统成像误差。结论：所建系统可由器件自身辐射微波进行近场探测，NV浓度补偿能还原真实微波场强度分布。

3. Results and Discussion

研究人员选取CMOS图像中六条可见信号线所在区域为测量区，依次向USB四个接口引脚注入扫频微波（2.82～2.97 GHz，步长400 kHz，功率5 dBm）并采集ODMR宽场图像，经浓度补偿校正后得到归一化微波场强度分布图。接口①注入时强场覆盖信号线2、3、4，3与4间最强；接口②注入时场强集中于2～4线区域且3与4间较①更强，线2上沿形成清晰边界；接口③注入时2～3线与3～4线间强度相当而线3本身较弱，表明接口③驱动线3且场对称分布于其两侧近场；接口④注入时线2场强最大，线4有明显信号、线5弱辐射，表明接口④主连线2并通过串扰耦合至线4与线5。由此明确接口①连3～4区域走线、接口②同区域但近场更集中、接口③连信号线3、接口④连信号线2并有辅助接地，并可直观呈现多通道间串扰。结论：NV基宽场微波成像能有效区分USB内部走线与外部接口连接关系及各通道串扰特性。

4. Conclusions（结论译文）：

本文提出了一种基于金刚石NV色心宽场微波成像的电子产品无损检测方法。以黑环氧USB闪存盘为实测样品，研究人员从微波注入、荧光采集到微波场重建完整演示了实验流程。通过向USB四个外部接口依次施加扫频微波信号并对固定区域信号线做宽场成像，成功获取USB表面信号线附近空间微波场分布图。成像结果不仅清晰揭示了各接口通道对应信号线的形貌与辐射特征，还直观呈现了多信号通道间的串扰。研究结果表明，基于NV色心的宽场微波成像可用于电子产品无损测试与内部功能验证。需说明的是本实验注入的是连续扫频微波信号而非实际USB数据通信信号，但该方法仍为复杂电子系统的近场表征与电磁兼容性诊断评估提供了新的技术途径。