회로 기판 설계/패키지 시뮬레이션[패키지 제품 설계]

󰊱 신호라인과 접지신호의 구성

공진해석은 다층 PCB 기판에서의 Power plane과 Ground plane간의 공진을 계산한 것이다. 이렇게 찾아진 공진주파수(=공진모드)가 PCB의 어느 위치에서 발생하느냐를 찾기 위해서 는 보고자 하는 VDD 층과 GND 층을 지정하고 다시 공진플롯을 계산해줄 필요가 있다. 층이 많은 PCB의 경우는 VDD/GND 층이 여러 개가 있을 수 있으므로 관심있는 VDD/GND 를 적절히 선택해주어야 한다.

 

󰊲 접지면의 임피던스 최소화를 통한 회로 기판 설계

PCB 기판의 회로를 설계하기 위해서는 특정 지역의 공진에너지를 모두 GND로 보내버려 전원잡음을 제거할 수 있도록 한다. Decap을 이용한 전원잡음 제거는 전자회로 시스템의 기본이라 할 수 있으며，PCB 기판의 공진해석과 플롯을 통해 PCB의 어느 부위를 어떻게 개선해야 공진특성을 개선할 수 있는지에 대한 정보를 얻을 수 있다. Decap은 cap 자체의 공진주파수 근처에서만 공진을 완화시켜줄 뿐, 실제로 넓은 범위에서 공진을 완화시키려 면 더욱 많은 Decap과 공진파형 분석이 필요하다. 공진해석은 공진발생 위치를 찾는데 도 움을 주며, 이를 토대로 임피던스 분석을 하여 정량적으로 공진과 잡음을 제거할 수 있다.

 

󰊳 임피던스

임피던스는 교류 저항이며 주파수에 따라 달라지는 저항이라고 할 수 있다. 임피던스는 전압과 전류의 비를 의미한다. Impedance(임피던스)라는 말은 결국 정해진 전압에서 얼마 나 전류의 흐름을 방해하는가의 역할을 한다. 전압은 전류와 임피던스를 곱한 값으로 생 성되므로 임피던스는 부하 (Load)라는 개념으로 사용되어 임피던스가 높을 경우 전압이 더 커지게 된다는 의미를 갖는다.

 

[실습]

󰊱 공진 주파수의 발생 위치를 찾아내고 신호라인과 접지신호의 구성을 위한 설계를 한다.

PCB 기판에서의 파워 평면과 접지 평면을 반영하여 공진 주파수를 계산하고 PCB에서 발 생하는 위치에 전력과 접지 층을 반영하여 공진 현상을 계산할 필요가 있다. 다층 PCB의 경우는 접지와 파워 층이 여러 개가 있을 수 있으므로 영향을 주는 층을 적절히 선택하여 공진주파수의 발생위치를 계산하고 접지를 적절하게 지정하여 공진 문제를 해결한다.

 

󰊲 PCB 기판의 임피던스를 해석하고 최소화할 수 있도록 접지를 고려한 회로 기판 설계를 한다.

특정 지역의 공진에너지를 접지로 보내면 전원잡음을 제거한 PCB 기판의 회로 설계가 가 능하다. 전원잡음 제거는 전자회로 시스템의 기본이라 할 수 있으므로 PCB 기판의 공진해 석과 분포를 파악하면 PCB의 어느 부위를 어떻게 개선하면 공진특성을 개선할 수 있는지 에 대한 정보를 얻을 수 있다. 넓은 범위에서 공진을 완화시키려면 전체 PCB에서의 공진 파형 분석이 필요하다. 공진해석은 공진발생 위치를 찾는데 도움을 주며, 이를 토대로 임 피던스 분석을 하여 정량적으로 공진과 잡음을 제거할 수 있다. PCB 기판의 회로를 설계 하기 위해서 특정지역에 발생할 수 있는 공진에너지를 접지로 보내서 전원잡음을 제거할 수 있도록 한다. PCB에 발생할 수 있는 임피던스를 분석하여 정량적으로 공진과 잡음을 제거할 수 있도록 한다.

 

󰊳 임피던스를 파악한다.

임피던스는 주파수에 따라 달라지는 교류 저항이다. 임피던스는 전압과 전류의 비를 의미 한다. Impedance(임피던스)라는 말은 결국 정해진 전압에서 얼마나 전류의 흐름을 방해하 는가의 역할을 한다. 전압은 전류와 임피던스를 곱한 값으로 생성되므로 임피던스는 부하 (Load)라는 개념으로 사용되어 임피던스가 높을 경우 전압이 더 커지게 된다는 의미를 갖는다.

 

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󰊱 기판

리드프레임 패키지에서는 칩이 위치하고 있고, 칩과 전기적 통로가 되어 줄 리드 프레임이 있으며, 이 리드 프레임은 Alloy 42나 Cu와 같은 전기적 도전성이 우수한 재질로 만들어져 있다. 리드프레임 형태의 패키지는 삽입 실장형과 표면 실장형의 두 가지 종류가 있다. 표 면 실장형은 PCB 기판의 양면에 실장이 가능하기 때문에 실장밀도가 높고, 또한 패키지의 크기와 무게를 감소시킬 수 있기 때문에 비용이 감소되고, I/O 수가 많아지는 장점이 있다.

 

󰊲 접착제

칩과 리드프레임을 붙이는 재료는 다이 접착제라고 하며, 주로 은(Ag)이 들어가 있는 에폭 시(Epoxy)인데 사진에서 보이는 Die Adhesive의 하얀 부분이 은(Ag)이다.

 

󰊳 와이어 본드

칩과 리드프레임을 연결하는 것이 본딩 와이어(Bonding Wire)인데, 와이어(Wire)의 재질은 주로 금(Au)이나 알루미늄(Al) 혹은 구리(Cu) 등도 사용한다. 기존에 많이 사용하던 방식은 Wire Bond 방식으로 Au나 Al, Cu등의 재료를 선으로 길게 뽑아 기판과 패드를 연결해주 는 방식이며, 와이어 본딩은 크게 볼 본딩(Ball Bonding)과 웨지 본딩(Wedge Bonding)으로 구분한다.

 

󰊴 몰딩 컴파운드

본딩 와이어 공정이 완료되면 본딩 된 와이어를 보호하고 외부의 물리적, 기계적, 화학적 환경으로부터 칩을 보호하기 위하여 밀봉작업을 통하여 하우징을 하는데 이 공정을 몰딩 (Molding)이라고 한다. 재료는 에폭시 몰딩 컴파운드(Epoxy Molding Compound)라 부르는 매우 복잡한 복합 물질을 사용한다. 패키지 외부에 전기신호와 전압을 연결하는 I/O, 즉 Input 과 Output 리드가 있다.

 

󰊵 솔더 볼

반도체는 완성이 되더라도 그대로 사용하지 않고 충격이나 습기로부터 보호하기 위해 포 장을 해 사용한다. 이 포장 작업을 패키징이라고 하는데 패키징 과정에서 반도체는 기판 과 전기적으로 연결이 돼야 한다. 솔더볼은 반도체를 패키징 할 때 반도체 칩과 기판을 연결해 전기신호를 전달하는 아주 작은 공 모양의 부품이다.

 

[실습]

󰊱 기판을 구성하는 다양한 재료의 물성치를 확보해서 입력한다.

󰊲 접착제의 종류에 따른 물성치 차이를 이해하고 적절한 물성치를 확보해서 입력한다.

󰊳 소자와 PCB 기판 연결을 위해 사용되는 와이어의 종류를 파악하고 적절한 물성치를 입력 할 수 있도록 한다. 와이어는 금, 알루미늄, 은, 구리와 다양한 재료의 합금이 경우에 따라 사용되므로 사용되 는 와이어의 종류를 파악하여 적절한 물성치를 입력하여야 한다.

󰊴 몰딩 컴파운드의 물성치를 확보한다. 몰딩 컴파운드는 다양한 재료로 구성되어 있으므로 시뮬레이션을 하기 위해서는 대표성을 가 지는 재료, 또는 복합체의 특성을 잘 확보하여 입력하여야 정확한 결과값을 얻을 수 있다.

󰊵 반도체 소자와 PCB 기판을 연결하는 솔더 볼의 특성을 잘 고려해야 반도체 전체의 신뢰 성을 확보할 수 있다. 솔더볼의 구조 특성과 피로 특성을 잘 파악해야 한다.