신호·전력 무결성, 간섭, 왜곡/지연 해석 [패키지 제품 설계]

󰊱 신호 무결성

일반적으로 IC 업체에서 IC의 동작을 모델링할 수 있는 회로파일을 제공하기 위해서는 회 로도 전체를 내보내야 하는데 IC 개발업체가 그런 핵심 IP 유출을 감행할 리가 없어서 현 실적으로 어렵다. 이런 문제 때문에 IBIS 라는 개념을 도입하였다. 대부분의 경우 디지털 PCB 설계자 입장에서 필요한 것은 C 내부의 정확한 동작 특성이 아니라，C의 각 pin에서 어떤 모양의 전기적 파형이 나오느냐이다. 디지털 C의 경우는 결국 1,0과 같은 클력 형태 의 신호가 출력되는데 그것의 rising/falling time 과 기타 파형정보만 있다면 최소한 IC 외 부의 패턴/소자의 영향으로 신호가 얼마나 잘 전달될지를 해석할 수 있게 된다. IBIS는 정 확히 그런 용도로 만들어진 것으로서，C 내부의 정보는 하나도 없이 그저 각 pin별로 들 고 나는 아날로그 파형정보만 담고 있다. 따라서 IC 개발에 관한 기밀이 유지되면서，IC 사용자에게 IC의 특성을 알려주는 역할을 하게 된다. 또한 회로도 없이 단순히 파형만을 다루기 때문에 시뮬레이션에서의 해석시간을 크게 단축시키는 장점이 있다.

 

󰊲 전력 무결성

PI(Power Integrity)는 전력 무결성이라고 해석할 수 있으며 깨끗한 전원 공급을 위한 모든 과정을 의미하는데, 시뮬레이션 기술의 발달로 나타난 개념이다. PCB 기판은 반도체에 전 원을 제대로 공급해 줄 수 있어야 하는데, 전력 무결성은 PCB의 전력공급 체계를 안정화 시켜 전자회로들에게 전원을 공급해주는 작업을 의미한다. PCB에서의 전원공급에서 전원 에 불필요한 잡음이 있다면, 그 전원을 사용하는 모든 전자회로의 성능에 광범위하게 문 제를 일으킬 것이다. 전원의 잡음은 전원 그 자체를 깨끗하게 만드는 것 보다는 전원을 공급하는 선로와 체계를 효율적으로 만드는 것이 중요하며, 이런 모든 작업과정을 전력 무결성이라고 한다.

 

sorce에서 목적까지 원하는 파워와 전류가 충족이 되는 지 확인하는 분석을 뜻힌다. 패키지 제품 설계에서 중요한 역할을 하고 주요 네 가지 문제를 확인해봐야한다. 칩 패드의 파워를 사양보다 낮게 유지해야 하고, 접지 바운드를 제어하고 간섭 제어 및 호환성을 유지해야한다. 또한, 고 전류 부하에서 적절한 DC 파워 레벨을 유지해야 한다.

 

󰊳 신호의 왜곡 및 지연

특정 주파수에서 에너지가 집중되는 현상을 공진이라고 한다. 신호의 반사계수와 입력 임 피던스의 관계는 그래프 모양은 똑같은데 가로축을 기준 으로 반전시킨 듯 한 모양으로 정반대의 형상으로 나타난다. S11에서 밑으로 빠지는 부분이 공진 점이고 임피던스는 그 반대의 경향을 보인다. 공진이 발생하는 주파수에서는 입력 임피던스가 커지게 된다. 공진 이란 특정 주파수의 에너지가 집중되는 현상이고, 그로 인해 해당 주파수에서는 임피던스 (부하)가 크게 걸리기 때문에 그 주파수에서의 신호가 더욱 크게 보이게 되는 것이다. 공진과 임피던스의 관계를 잡음의 관점에서 보면 공진은 높은 임피던스를 의미하고, 높은 잡음 전압은 잡음 전류와 높은 임피던스의 곱으로 나타난다. 입력 임피던스가 높다는 사 실은, 작은 전류성분의 잡음이 발생하더라도 다른 주파수보다 큰 전압 잡음 성분으로 나 타난다는 점이다. 그래서 PCB 기판 상에서 원치 않는 공진, 즉 특정 주파수에서 불필요하 게 높은 임피던스는 그 주파수에서 잡음이 쉽게 생기게 된다는 의미가 된다.

 

[실습]

󰊱 신호 무결성을 확보할 수 있는 해석 방법을 습득한다.

반도체의 동작을 모델링할 수 있는 회로파일을 제공하기 위해서는 회로도 전체가 필요하 다. IC 외부의 패턴/소자의 영향으로 신호가 얼마나 잘 전달될지를 해석할 수 있도록 한 다. 패키지의 각 pin에서 나오는 아날로그 파형정보를 알고 있으며 반도체의 특성을 알 수 가 있다. 회로도 없이 단순히 파형만을 다루기 때문에 시뮬레이션에서의 해석시간을 크게 단축시킬 수 있다.

 

󰊲 전력 무결성을 확보할 수 있도록 한다.

PCB 기판은 반도체에 전원을 제대로 공급해 줄 수 있어야 하는데, 전력 무결성은 PCB의 전력공급 체계를 안정화시켜 전자회로들에게 전원을 공급해주는 특성을 의미한다. PCB에 불필요한 잡음이 있다면, 그 전원을 사용하는 모든 전자회로의 성능에 광범위하게 문제를 일으킬 수 있다. 전원을 공급하는 선로와 체계를 효율적으로 만들어야 전력 무결성이 유 지될 수 있으므로 이를 확보할 수 있는 방법을 이해해야 한다.

 

󰊳 신호의 왜곡 및 지연현상을 해석할 수 있도록 한다.

특정 주파수에서 에너지가 집중되는 공진 현상이 발생하는 주파수에서는 입력 임피던스가 커지게 되면 그 주파수에서의 신호가 더욱 크게 보이게 된다. 공진 현상이 발생할 때 잡 음 전압은 잡음 전류와 높은 임피던스의 곱으로 나타나므로 그 주파수에서 잡음이 쉽게 생기게 된다. PCB 기판의 전력 무결성이 확보된 상태로 전력을 공급할 수 있는 체계가 가 능하도록 설계를 해야 한다. 공진 해석의 개념을 이해하고 PCB 기판에서 특정 주파수에서 원치 않는 공진으로 인한 높은 임피던스로 인한 잡음이 생기지 않도록 한다.

 

- 목표 임피던스는 특정한 동적 전류에 의해 생성된 리플이 지정된 범위 내에 존재하는 임피던스를 의미한다.

- 반도체 제품의 신호 무결성과 전력 무결성을 확보 할 수 있도록 전자파 간섭에 내성을 가지는 제품을 설계해야 한다.

- 회로에 발생할 수 있는 신호 왜곡과 지연현상을 해 결할 수 있는 능력을 확보해야 한다.