반도체 패키지 전기 해석

 반도체 칩의 고속화, 고밀도에 따라서 이것을 실장 하는 패키지의 성능이 시스템 전체 성능에 크게 영향을 미치는 시대입니다.

특히, 고성능 반도체 칩을 실장 하는 패키지의 경우 패키지의 전기적 특성이 시스템 성능에 미치는 영향은 반드시 고려되어야 합니다. 이를 지원하기 위해서는 패키지 완료 상태에서의 정확한 전기적 해석이 필요합니다.

 

 앞서서는 단위 공정에 대해서 내용을 써두었다면 이번 글에서는 좀 더 이론적인 내용, 특히 패키지 공정 엔지니어가 공정 결과를 분석하기 위해 필요한 전기적 해석 도구에 대해서 설명하도록 하겠습니다. 패키지 공정이 완료된 상태에서 공정 엔지니어는 패키지의 전기적 기생 성분과 패키지와 반도체 칩 간 전기적 기생 성분을 시물레이션 하여 결과를 예상하고 패키징 된 메모리 칩의 성능을 검증하여 최적의 패키지 구조와 반도체 기판 구조를 검토하고 있습니다. 시물레이션을 하게 되면 패키지 모델링과 경계 조건, 포트 컨디션 등을 입력하였을 때 RLGC data, S parameter, Filed plot 등에 대한 결과를 얻을 수 있습니다.

 

 시물레이션에 input parameter로 사용되는 변수 중에는 축전용량이 있는데요. 축전용량 (Capacitance)란 전압을 가하였을 때 축적되는 전하량의 비율을 나타내는 양입니다. 이는 패키징 상태의 칩이 얼마나 빠른 전기적 변화 양상을 잘 전달할 수 있는지에 대한 지표입니다. 축전용량은 전기장을 통해 순간적으로 축적되는 에너지를 의미하며 RF 입장에서는 단절된 금속 사이에서 전류와 전압의 변화가 있을 때에만 신호를 통과시키려는 성질 또는 그 정도를 의미한다고 볼 수 있습니다.

 

 또 다른 변수로는 유도계수 (Inductance)가 있습니다. 유도계수란 회로에 흐르고 있는 전류의 변화에 의해 전자기 유도로 생기는 역기전력의 비율을 나타내는 양을 말합니다. 유도계수 값이 높을수록 고주파 신호는 통과하기 힘들지만 주파수가 없는 직류는 자유자재로 흐를 수 있습니다. 또한 유도계수는 간단하게 전류의 시간적 변화에 따라 유도되는 전압의 비로 설명할 수 있으며 패키지에서 유도계수는 여러 가지 전기적 잡음의 원인이 되어 시스템 성능을 제약하는 주요 요인입니다. 동시 스위칭 잡음 (Simutaneous Switching Noise, SSN)는 접지선이나 전압 공급선의 유도 계수로 인해 발생하는 전기적 잡음으로 패키지에서는 가장 큰 전기적 성능을 제약하는 잡음 중 하나입니다. 일반적으로 패키지의 발전 추세는 전기적 관점에서 관찰했을 때 동시 스위칭 잡음을 감소시키는 방향으로 진행되고 있습니다.

 

 다음으로 패키지 기생변수인 인덕턱스 (Inductance)와 인피던스 (impedance)에 대해 설명하도록 하겠습니다.

 보통 옴의 법칙에 의해 설명되는 저항은 직류 저항이라고 하는데 이 저항은 인덕턱스와 함께 전압 공급선이나 접지선에서 불필요한 전압 강하의 주원인입니다. 임피던스는 특정 구조 또는 회로 위치에서의 전압과 전류의 비를 말합니다. 임피던스는 철저히 주파수를 가진 교류 회로에서 응용되는 개념이며 주파수와 무관한 저항에 주파수 개념이 포함된 저항소자와 인덕턱스의 개념이 포함된 보다 큰 교류 개념의 저항입니다. 도선을 따라 전류가 흐를 때 주파수와 구조에 따라 자기장으로 에너지가 축적되고 임피던스나 전기장으로 에너지가 축적되는 축적용량으로 에너지가 축적되면 외부에서 보기에는 에너지가 사라져서 마치 소모된 것처럼 보입니다. 물론 실제 소모되는 경우도 있지만 대체로 축적 후에 교류 상황에 맞게 에너지가 재활용되며 이처럼 교류 저항성 소자들로 인해서 주파수에 따라서 임피던스도 달라지게 됩니다.

 

 서두에서 Simulation을 통해 S parameter에 대한 결과를 얻을 수 있다고 말씀드렸습니다. 그럼 S parameter는 무엇인지, 어떤 종류가 있는지 아래 내용을 참고하시기 바랍니다.

 

S Parameter는 S (Scattering) 분포 매개변수를 의미하며 신호 보전성 (Signal Integrity)에 대한 이해를 위해 사용되는 변수이며 주파수 분포 상에서 입력 전압 대 출력 전압의 비를 의미합니다. 예를 들어, 1번 포트에서 입력한 전압과 2번 포트에서 출력된 전압의 비율을 표시할 때 사용하는데 1번으로 입력된 전력이 2번 포트로는 얼마나 출력되는가를 나타내는 수치입니다. S parameter는 예를 든 것처럼 입출력단 간의 전력 관계를 보기 위해서, 또는 각 포트 간의 전압/전력 배분을 보기 위한 목적 등으로 사용하는 매개 변수입니다.

 

 Capacitor의 S 매개변수에 대해서 살펴볼 때, 주파수에 따른 입출력 전력 그래프를 해석할 때 사용되는데요. Capacitor는 Inductor와는 반대로 주파수가 낮을수록 주파수 통과 특성이 낮아 잘 통과하지 못하며 C값이 높아질수록 저주파는 물론 고주파 성분이 더 많이 통과하는 것으로 해석할 수 있습니다.