시뮬레이션 툴을 사용한 전자파 해석 [패키지 제품 설계]

󰊱 PCB 기판 해석

PCB 기판의 구조를 해석하기 위해서는 실제 제작될 PCB 구조를 그대로 해석해야 의미가 있으므로 기존의 Layout S/W에서 PCB 데이터를 가져와야 한다. 이 과정에서 다양한 PCB Layout CAD들의 data를 문제없이 가져올 수 있도록 호환성을 확보해야 한다. 그러기 위해 서는 Simulation용으로 최적화된 Layout Data가 필요하다. CAD Layout 자체는 그냥 그림으 로서의 데이터일 뿐이라서，PCB 제작에는 문제가 없더라도 구조해석용으로는 부적합한 Drawing이 발견될 수 있다. 특히 CAD S/W 마다특성이 다르므로 Layout data가 잘 변환되 었는지 확인할 필요가 있다.

 

󰊲 공진주파수 해석

PCB 기판의 Power plane과 Ground plane간에 발생하는 구조적인 공진을 찾아내는 것으로 각 plane의 형상과 크기 및 위치에 의존하는 물리적인 값이기 때문에 Layout data 이외에 별도의 설정이 필요하지 않다. PCB 기판에서 공진이 발생하는 경우는 해당 주파수에서 잡 음에 취약하다는 뜻이 된다. 모든 공진주파수가 문제되는 것이 아니라 특정한 주파수범위 내에서의 공진이 주로 문제가 된다. 특히 시스템의 동작주파수 근방의 공진주파수는 매우 치명적일 수 있으며，저주파대역의 공진에 의한 잡음을 잘 관찰하는 것이 중요하다. 공진 주파수에서의 값은 공진 범위가 얼마나 넓고 큰가를 나타내는 지표이다. 공진이 샤프하면 Q값이 높고 공진이 넓게 퍼져있으면 Q값이 낮다는 뜻이다. Q는 공진의 샤프함을 나타내는 기준이며, 실제로 어느 공진이 더 크고 작은가를 나타내는 크기를 나타내는 것은 아니다.

 

󰊳 공진문제 해결

공진파형이 크게 발생한다는 것은 해당 부분에 특정 주파수의 에너지가 쉽게 몰리므로 전 원잡음에 취약하다는 의미이다. 이 경우 공진발생 지점의 VDD/GND 층의 구조를 바꾸거 나，VDD와 GND를 연결하는 Decoupling Capacitor(Decap)을 추가/변경함으로써 해당 주파 수에서의 공진을 줄이는 것이 필요해진다. Decap은 VCC와 GND를 연결하는 Capacitor로 자기공진주파수(SRF)에 해당하는 주파수를 GND로 접지시키는 역할을 한다.

 

󰊴 주파수 응답 계산

Frequency Sweep를 통해 voltage source에서 인가된 sine파형의 주파수를 바꾸어가면서 probe에서 검출되는 전압을 계산하는 과정을 통해 각 주파수 별로 주파수 응답을 계산하 여 일정한 전압입력에 따른 출력전압의 변화를 관찰하여 특정 주파수에 에너지가 모이는 공진점을 찾아낼 수 있게 된다. Frequency Sweep이 완료되면 자동으로 probe에 감지된 Voltage가 plot된다. 해당 trace를 통과한 주파수응답을 보면 하나의 전압 값으로 입력된 신호가 주파수 별로 높낮이가 다르게 출력되는 것을 알 수 있다. 전압이 높아진 지점이 바로 trace 상에서 공진이 발생하는 주파수가 된다. 신호선 혹은 전원선에서의 공진이 직 접적으로 잡음의 증가를 가져오기 때문에，Trace의 공진을 잘 잡는 것이 매우 중요하다. Trace의 공진 주파수는 plane에서의 공진주파수가 trace에 거의 그대로 실리기 때문에 Power plane의 공진과 직접적인 관련이 있다. Trace의 공진을 잡으려면 trace의 주변 환경 을 잘 튜닝하는 것도 중요하지만 우선적으로 plane 설계 단계에서 공진문제를 최대한 해 결하는 것이 필요하다. 결과적으로 Trace 공진파형의 의미는 plane 공진 문제가 얼마나 잘 해결되어 신호선을 안정화시키고 있는지를 판단하는 기준이 된다.

 

󰊵 PI와 EMI의 연관성

PCB PI 과정은 전원단의 잡음 자체를 해결하는 것이 아니라, 전원선로의 임피던스를 낮춤 으로써 외부에서 잡음 전류가 유도되더라도 그로 인한 잡음 전압의 발생을 최소화하도록 내성을 갖게 하는 과정이다. 이 방법이 EMI 문제 해결에서도 그대로 통할 수 있다고 볼 수 있다. PCB 기판의 중요 주 파수 대역에서의 임피던스가 충분히 낮아서 잡음이 나타나지 못한다면, EMI로써 외부로 날아가는 잡음이 줄어들 것이다. 실제로 실무상에서 발생하는 불필요한 전파(spurious)의 원인을 몰라서 고생하다가 PI 과정을 수행하고 불필요하게 높은 임피던스들을 잡아 주다 가 문제가 해결되는 경우가 많이 있다

 

󰊵 반도체 패키지 시뮬레이션

IBIS에서 Component는 관련 IC의 Package 형태를 의미한다. 동일한 반도체 IC core라 해 도, 목적에 따라 TSOP, MLF, BGA 등등 다양한 형태의 Package로 만들어질 수 있다. 물론 내부 IC core가 같기 때문에 기본적인 회로특성은 같으나，package에 따라 기생 RLC 성 분이 각기 다르기 때문에 결과적으로는 입출력 파형 정보가 바뀌게 된다. IBIS file 내에는 해당 IC core에서 제품화된 Package 이름정보와 각 Package별로 기생 RLC 정보를 담고 있으며 부수적으로 해당 Package에서의 각 Pin name과 model이 정의되어 있다. 그래서 BIS file을 분석할 때 제일 먼저 사용하려는 IC의 Package가 무엇인가를 정확히 알아야 해 당 pin의 실제이름과 mode을 확인할 수 있다. 사용 중인 IC의 Package의 이름을 알았다면 아래와 같이 Package의 상세 정보가 담긴 줄을 찾아서 기생 RLC 정보를 얻을 수 있다. 

 

[실습]

󰊱 PCB 기판 해석을 수행한다.

PCB 기판의 구조를 해석하기 위해서는 실제 제작될 PCB 구조를 그대로 해석해야 의미가 있으므로 기존의 Layout S/W에서 PCB의 레이아웃 데이터를 가져올 수 있도록 호환성을 확보해야 한다. CAD Layout 데이터는 단지 그림일 뿐이므로 해석하기 위해서는 모든 점이 서로 연결되어 있는 자료가 필요하다.

 

󰊲 공진주파수를 해석한다.

PCB 기판에서 발생하는 공진주파수 중에서 특정 주파수범위 내에서의 공진이 크게 문제 가 될 수 있다. 시스템의 동작주파수 부근의 공진주파수는 매우 치명적으로 작용할 수 있 으므로 공진에 의한 잡음을 잘 분석하는 것이 매우 중요하다. 공진주파수의 분포는 공진 범위가 얼마나 넓고 큰가를 나타내는 지표이다. 공진파형이 크게 발생하는 주파수에서는 전원잡음에 취약하다는 의미가 되므로 공진발생 지점의 전력과 접지층의 구조를 바꾸거나 캐퍼시터를 변경하여 해당 주파수에서의 공진을 줄일 수 있도록 한다.

 

󰊴 주파수 응답을 계산한다.

전압 소스의 프루브에서 검출되는 전압을 주파수를 변경하면서 주파수 응답을 계산하면 일정 전압입력에 따른 출력전압의 변화를 알 수 있어서 특정 주파수에 에너지가 모이는 공진 주파수를 찾아낼 수 있게 된다. 일정 경로를 통과한 주파수응답을 보면 하나의 전압 값으로 입력된 신호가 주파수 별로 높낮이가 다르게 출력되는 것을 알 수 있으며 전압이 높아진 지점이 공진이 발생하는 주파수가 된다. 신호선 혹은 전원선에서의 공진이 직접적 으로 잡음의 증가를 가져오기 때문에 공진을 잘 잡아내는 것이 매우 중요하다. 공진 파형은 공진 문제가 얼마나 잘 해결되어 신호선을 안정화시키고 있는지를 판단하는 기준이 된다.

 

󰊵 PCB 기판의 전력 무결성을 확보한다.

PCB의 전력 무결성을 확보하기 위해서는 전원선로의 임피던스를 낮추어 외부에서 잡음 전류가 유도되더라도 그로 인한 잡음 전압이 발생하여 전력에 문제가 생기지 않도록 내성 을 갖게 하는 과정이다. PCB 기판의 중요 주파수 대역에서의 임피던스가 충분히 낮아지도 록 해서 잡음이 나타나지 못하도록 한다. 전력 무결성을 확보하는 것은 전원단의 잡음 자 체를 해결하는 것이 아니라 임피던스를 낮추어 외부에서 잡음 전류가 유도되더라도 잡음 전압의 발생이 최소화 될 수 있도록 한다.

 

󰊶 반도체 패키지 형태에 따른 특성을 시뮬레이션한다.

반도체는 같은 소자라도 와이어 본딩을 하는 패키지와 솔더 볼을 사용하는 패치지의 경우 패키지 형태에 따라 기생 RLC 성분이 각기 다르기 때문에 결과적으로는 입출력 파형 정보 가 바뀌게 된다. 패키지의 형태에 따라 달라지는 특성을 해석해서 반영할 수 있도록 한다.