패키지 특성 이해

패키지 특성 이해

 

능동소자 – 다이오드, 트랜지스터

-      전기에너지를 발생할 수 있는 능력을 갖춤

 

수동소자 – 저항, 인덕터, 콘덱서

-      에너지를 소비, 축적하거나 그대로 통과시키는 작용

 

PCB 기반의 잡음 문제 해결을 위해서는 공진과 임피던스 최적화

 

기생 성분 RLC

-      Package의 Wire Bonding 에 의해 발생

 

선로간 간섭 (cross talk)

-      SI나 EMI를 다룰 때 모든 선로들이 서로 간섭, 모든 선로는 inductor라고 볼 수 있다.

 

신호 무결성

-      전기 신호의 품질에 대한 척도

-      디지털의 출력신호가 PCD 등으로 구성된 채널을 통해 통과될 때 측정되는 신호의 패턴이 잡음, 왜곡 없이 원래의 값이 보존되고 전달되는 것

-      실제 신호를 인가하고 그 전달과 왜곡 과정을 관찰할 수 있는 SPICE 등가회로 모델이며, 이 등가회로 모델을 기반하여 신호의 왜곡과 변형의 정도를 가늠하는 것이 바로 SI 과정의 핵심

-      SI 해석을 위해 PCB 기판의 IC 동작 파형을 모델링할 때 가장 많이 사용되는 개념이 IBIS이다.

-      실제 신호를 인가하고 그 전달과 왜곡 과정을 파악할 수 있는 등가회로 모델을 확보하면 이에 기반하여 신호의 왜곡과 변형 정도를 가늠하는 것이 신호 무결성 개념이다.

 

 

공진

-      특정 주파수에서 에너지가 집중되는 현상

 

-      접지면의 임피던스 최소화를 통한 기판 설계 :  특정 지역의 공진 에너지를 GND로 보내보려 전원 잡음을 제거할 수 있도록 한다.

 

임피던스

-  교류 저항

-  주파수에 따라 달라지는 저항

-  교류 전압에 의한 전류의 비

 

패키지 시뮬레이션

 

시뮬레이션에 필요한 전기적/기계적 물성 계수 값 설정

-      기판, 접착제, 와이어 본드, 몰딩 컴파운드 ( 본딩 와이어 공정이 완료되면 본딩 된 와이어를 보호하고 외부의 물리적, 기계적, 화학적 환경으로부터 칩을 보호), 솔더 볼

 

시뮬레이션 툴을 사용한 전자파 해석

-      PCB 기판 해석, 공진주파수 해석, 공진문제 해결, 주파수 응답 계산, PI와 EMI의 연관성, 반도체 패키지 시뮬레이션

 

공진문제 해결 방법

1.     VDD/GND 층의 구조를 바꾼다

2.     특정 주파수를 찾는다

3.     임피던스를 낮춘다

4.     Decoupling Capacitor(Decap)을 추가/변경해서 해당 주파수의 공진을 줄인다.

 

반도체 패키지 시뮬레이션

-      Package가 무엇인가를 정확히 파악해야 해당 pin의 실제 이름과 mode를 확인할 수 있고 기생 RLC 정보를 얻을 수 있다.

 

시뮬레이션 툴을 사용한 전자파 해석 구조도

전자파 해석 진행 → PCB 데이터 입력 및 해석 요소 작성 → 주파수 응답 계산을 통한 공진주파수 파악 → PCB 기판의 전력 무결성(PI) 확보(임피던스 낮춘다) → 반도체 패키지별 회로 특성 해석(IBIS에 담겨있음) → 제품의 전력 무결성 확보

 

PCB 기판 공진 해석

-      PI과정은 PCB 기판의 VDD와 GND면의 구조적인 공진을 찾기 위한 공진해석부터 시작하며, 구조 해석을 위하여 전자장 해석법을 이용한다.

 

기계 시뮬레이션

기계적 응력에 의한 패키지 구조의 스트레스나 변형 등을 제품을 실제 제작하기 전에 검토하기 위하여 기계적 시뮬레이션 설계는 반드시 필요

1.     솔더 조인트(기계적 응력이 가장 취약한 부분)의 피로 특성 확보를 위한 시뮬레이션

2.     패키지 휨(warpage) 시뮬레이션 – 모아레 방법이 적용 (패키지 표면에 줄무늬 판을 통하여 빛을 쪼여 물체에 줄무늬 그림자를 만든 후 패키지가 변형할 때 패키지의 위치에 따른 표면의 높낮이가 등고선과 같은 모양으로 나타나 패키지의 휘는 정도를 측정 가능

 

열 시뮬레이션

반도체의 열적 시뮬레이션은 칩의 온도를 방열 설계로 감소시켜 열적 신회성 확보를 위한 목적

열해석은 반도체가 동작할 때 발생하는 열이 전도와 대류 방식으로 열에너지 얼마나 전달되는지 계산

 

패키지 타입 설계

 

반도체 패키지의 기능

-  외부 환경으로부터 안전하게 보호

-  회로 연결을 제공

-  전원을 필요한 칩에 연결하는 기능

-  칩이 동작할 때 발생하는 열을 외부로 자연스럽게 배출해 주는 기능

 

반도체 패키지의 종류

-  리드프레임 패키지

-  PCB 패키지

-  플립칩 패키지

와이어 본드 대신 솔더 볼을 이용하여 반도체 소자와 PCB 기판을 연결하는 형태의 BGA

-  MCP (multi-chip-pachage)와 SIP (System in package)

패키지 자체가 Logic IC를 포함하여 별개의 기능을 갖고 있으면 SIP, 단순히 동일한 기능의 칩을 많이 적층한 경우에는 -----MCP

MCP의 기능에 로직 개념을 넣어서 메모리와 융합시킨 제품이 SIP

 

-  WLP (wafer level pachage)

웨이퍼 전체로 패키지 공정을 진행하고 웨이퍼 쏘잉을 하면 그대로 패키지가 되는 형태로 칩의 크기가 가장 작아지는 방식

 

패키지 설계 프로세스

디자인 요청 → 데이터 입력 → 레이아웃 → 거버출력 → DRC → 드로잉 → 고객 승인

 

Geber Fomart 이해

PCB 기판을 만들기 위해서는 거버 포맷으로 출력하여 필름을 출력하는 과정을 거쳐야한다.

 

PCB 기판 전기적 특성 개선

개선을 위해서는 특정 주파수 대역에서 얼마 이하의 임피던스를 구현하겠다는 목표인 Target Impedance가 설정되어야함

1.    Decap 튜닝

임피던스가 높은 지역의 decap 값을 바꾸어 보거나, 새로운 decap을 추가하여 임피던스 변화를 관찰

2.    Via 조절

VDD나 GND의 via 위치나 개수는 전원의 안정화에 매우 중요한 역할을 한다.

3.    Pattern 수정

 

패키지 설계를 위한 고려 사항

1.     반도체 특성

2.     패키지 크기

3.     패키지 가격

4.     신뢰성 확보

 

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.

 

신호 연결에 수반되는 RLC 기생성분 고려한 설계

-  신호 연결과 전도체의 기생 성분 (RLC)

IC Package의 기생 RLC는 주로 패키지의 신호전달 경로에 의해 결정

-  임피던스 최적 설계

선로가 길어지면 주변에 생성되는 자기장이 교류성분의 흐름을 막는 인덕턴스 현상이 발생

-  전력 안정성 (PI) 최적 설계

 

전기적 기계적 특성을 고려한 패키지 신뢰성 확보 설계

-  패키지의 전기적 특성

-  패키지의 기계적 특성

-  패키지의 열적 특성