패키지 설계 1 [패키지 제품 설계]

󰊱 PCB 기판 구조의 이해

PCB 기판 설계를 위해서는 PCB 기판 각 부분에 대한 이해가 필요하다. 칩 패드와 기판의 랜드는 와이어 본딩 기술을 통해 연결되며, 알루미늄이나 구리와 같은 금속 소재로 이루어 진 금속 트레이스를 통하여 랜드와 볼 또는 비아로 연결된다. 최종적으로 비아는 BGA 볼 의 패드와 연결되며, 솔더볼 부착단계를 통하여 외부기판과 기계적, 전기적으로 연결한다.

 

󰊲 Gerber Format의 이해

PCB 기판을 만들기 위해서는 거버 포맷으로 출력하여 필름 출력하는 과정을 거쳐야 한다. Gerber사가 plotter 제작을 하고 생산을 하여 Gerver 파일이라고 부르게 되었다. CAD (PCB designer)와 CAM(photoplot editor)사이의 관계를 이해하는 것이 매우 중요하며, photoplot 파일에 대한 이해는 매우 중요하다. 거버 포맷을 이해하기 위해서는 photoplotter의 작동 원리를 이해해야 거버 포맷의 파일 내용을 파악할 수 있다. Photoplotter는 수치제어가 가능한 X-Y 테이블이 있으며, 셔터로 조절이 가능한 광원과 원 본 필름에 제도가 가능한 aperture wheel로 구성되어 있다. 거버 명령에 의한 컨트롤러는 테이블 이동과 셔터의 개폐, aperture tool 변경등을 제어하며, 원본 필름에 제도를 한다. 셔터가 열리면 형태와 크기를 가진 aperture에 노광이 되어 필름에 이미지가 감광된다. 셔 터가 열리고 닫히면 flash(pad)가 되고, 셔터가 오픈이 되고 테이블이 이동을 하면 라인이 된다. 이와 같이 명령에 의해 aperture의 선택과 광원의 이동은원하는 형태의 패턴을 필름 상에 얻을 수 있다. Photoplotter는 정밀한 수치를 가지는 패턴을 생산할 수 있으나 다음과 같은 단점을 가지고 있다. 벡터 플로터로 제도 시간이 많이 걸리고 데이터의 용량에 매우 민감하다. Aperture wheel은 휠당 한정된 Aperture로 플롯팅 해야 하므로 설계의 시작 단 계에서 특별 단계를 해야 한다. EIA(미국전자협회)에서 권장하는 규격이 부분마다 있는데, RS-232C도 여기에 해당된다. RS-274는 G 코드와 M 코드를 주로 사용하는 NC 코드 계열이다. 뒷자리에 D와 X를 추가 하여 코드를 분리하였다. RS-232D는 거버 파일과 Aperture 리스트가 분리되어 있으며, RS-274X는 거버 파일과 Aperture 리스트가 한 파일로 되어 있어 사용이 편리해졌으며, 특 수 aperture의 형태 및 크기를 aperture 상태로 정의할 수 있고, 폴리곤 기능으로 데이터 를 효율적으로 다룰 수 있게 되었다. RS-274D에 따르면 거버 파일은 어느 정도 표준화 되어 있으나 Aperture 리스트는 소프트 웨어에 따라 다르게 되어 있어 표준화가 덜 되어 있다. Aperture는 카메라의 조리개와 같은 것으로 photo plotter는 aperture에 원하는 형태와 크 기를 갖춘 고정형 aperture를 사용하고 있다. 따라서 휠에 지정된 aperture를 넣기 위한 리스트가 필요하다.

 

󰊳 PCB 기판 전기적 특성 개선

위험한 공진 주파수를 찾아내고, 그에 따른 임피던스를 분석하고 난 후에는 여러 가지 방 법으로 PCB 기판을 개선해야 한다. 개선올 위해서는 특정한 주파수 대역에서 얼마 이하의 임피던스를 구현하겠다는 목표인 "Target Impedance" 가 설정되어야 한다.

 

1. Decap 튜닝

임피던스가 높은 지역의 decap 값을 바꾸어 보거나, 새로운 decap을 추가하여 임피던 스 변화를 관찰한다. 가장 1차적으로 취할 수 있는 PI 개선 작업이며, 많은 경우 적절 한 decap을 설정하는 것으로 임피던스를 충분히 안정화시킬 수 있다.

 

2. Via 조절

VDD나 GND의 via 위치나 개수는 전원의 안정화에 매우 중요한 역할을 한다. 임피던스 가 높은 지역 주변의 GND via를 증가시키거나, via의 종류를 바꿈으로써 임피던스를 낮출 수 있는 조합을 찾아내고 레이아웃에 반영한다.

 

3. Pattern 수정

Decap과 비아 튜닝으로 임피던스의 개선이 어렵다면, VDD plane과 GND plane의 형상 과 밀도를 조절하여 PI를 개선해아 한다. 경우에 따라 VDD/GND를 각각 하나의 층 전 체로 사용하기 어려운 경우 수도 있으므로, Analog와 Digital의 GND를 분리한다던지 각 각의 GND 형상을 최적화 하는 다양한 방법으로 임피던스를 안정화시켜야 한다.

 

󰊱 패키지 설계를 위한 고려사항

 

1. 반도체 특성

반도체 성능이 향상되고, 연결 경로가 단축되고, 사용되는 재료의 특성이 좋아지면서 전체 반도체의 신뢰성도 향상되고 있다. 이러한 패키지 구조와 재료 특성을 고려한 패 키지 설계를 할 필요가 있다.

 

2. 패키지 크기

스마트폰과 같이 휴대폰 전자기기의 사용이 보편화 되면서 반도체 부품은 얇고 작으면 서도 고성능이 요구되면서 칩을 적층화하고, 패키지의 크기를 줄이기 위해 플립칩 패 키지나 칩 크기 패키지인 CSP(Chip Scale Package) 사용, 팬 아웃 칩 크기 패키지 등의 구조가 채택되고 있다. 최적의 구조를 가진 패키지를 설계하는 것이 매우 중요하다.

 

3. 패키지 가격

최소 비용의 반도체 패키지를 생산하기 위해서는 경쟁력 있는 패키지 구조, 저렴하면 서도 신뢰성 있는 재료 선정, 효율적인 생산 공정, 생산성을 확보해야 한다. 경쟁력 있 는 패키지 구조를 설계하는 것이 매우 중요하다.

 

4. 신뢰성 확보

패키지의 신뢰성은 안정적인 전기적 성능, 열적 안정성, 기계적 안정성에 의해 결정되 므로 각각의 특성을 고려한 설계를 해야 한다.

 

󰊲 비아의 결정

칩 패드와 기판의 랜드는 와이어 본딩 기술을 통해 연결되며, 알루미늄이나 구리와 같은 금속 소재로 이루어진 금속 트레이스를 통하여 랜드와 볼 또는 비아로 연결된다. 최종적 으로 비아는 BGA 볼의 패드와 연결되며, 솔더볼 부착단계를 통하여 외부기판과 기계적, 전기적으로 연결한다.

 

󰊳 반도체 패지키 신호핀 연결

설계와 관련된 데이터를 고객으로부터 받으면 디자인을 하는 과정에서 문제가 발생할 수 있는 여지를 점검해야 한다. 다이와 볼을 연결하는 다이의 패드의 좌표, 이름, 특성, 크기 를 고려하고 신호를 연결하는 라인을 그리게 된다. 제품의 사용을 고려하여 재료, 제품의 크기, 볼 패드 크기, 피치, 본드 핑거 피치 등을 고려하여 설계를 한다.

 

󰊴 반도체 패지키 설계

기판에 대한 드로잉과 POD(Package Outline Design)을 진행한다. 고객으로부터 받은 규격 과 데이터를 소프트웨어에 입력하고, 소프트에어 내부에 확보되어 있는 데이터는 활용하 도록 한다. 다이패드의 좌표, 다이 패드와 볼의 연결 조건 등을 확보하고, 라인/스페이스, 비아 패드, 솔더/레지스트 등의 디자인 룰 구성을 입력한다. 그리고 볼 패드, 드릴, 본딩 핑거와 수동 소자 등을 입력한다.