시뮬레이션 결과 분석 후 패키지 설계 반영 [패키지 제품 설계]

󰊱 회로 시뮬레이션

공진 해석올 통해 공진주파수와 그 발생 위치를 찾아도, 모든 공진문제를 동시에 해결하 는 것 어려우므로 PCB 기판의 동작에 영향을 주는 주파수의 공진들만 잡아내면 된다. 이 를 위해 산발적으로 발생하는 공진의 주파수와 크기를 가늠할 필요가 있다. 공진해석을 하고 나면 공진 차트가 만들어지는데, 이 차트를 통해 공진주파수와 그 Q값을 표시해준다. Q값은 공진주파수를 공진대 역폭으로 나눈 값으로 주파수 별로 공진이 얼마나 날카롭게 발생하느냐를 의미하는 값이다. 이 Q값은 절대적인 지표는 아니지만, 주파수 별 공진의 크 기 분포를 가늠하는 지표가 될 수 있다.

 

󰊲 전자장 시뮬레이션

공진 해석올 통하여 PCB 기판에서 공진이 크게 발생하는 지점을 찾은 후에는 그 위치에 측정용 Port를 추가한 후 전자장 해석올 수행하여 각 위치에서의 주파수 별 임피던스 변 화를 그래프로 확인할 필요가 있다. 임피던스가 높다는 것은 공진이 크게 발생하는 지점 을 의미하며, 작은 전류 잡음이라도 큰 임피던스와 작용하여 큰 전압 잡음이 나타나므로 임피던스 분석을 통해 임피던스가 높게 나타나는 주파수에서 잡음에 취약하다는 것을 알 수 있다. 이러한 임피던스 분석 결과ᅡ를 통해 목표 임피던스를 설정할 수 있으며, 이는 PI 분석과정을 수행함에 있어 수치적으로 정량화가 가능한 명확한 목표점을 갖고 개선에 임 할 수 있다는데 의미가 있다.

 

󰊳 기계 시뮬레이션

기계적 시뮬레이션은 패키지의 외관 설계를 위해 수행한다. 패키지의 외관 설계는 표준화 된 규격을 따르며 설계에 사용되는 툴을 이용하여 진행한다. 기계적 응력에 의한 패키지 구조의 스트레스나 변형 등을 제품을 실제 제작하기 전에 검토하기 위하여 기계적 시뮬레 이션 설계는 반드시 필요하다.

 

1. 솔더 조인트의 피로 특성 확보를 위한 시뮬레이션

PCB 기판을 사용하는 패키지에서 기계적인 응력에 가장 취약한 부분이 칩과 PCB를 연결 하는 부분인 솔더 조인트이다. 스마트폰을 추운 겨울에 사용하면서 온도가 올라간다면 반 도체 제품은 낮은 온도와 높은 온도에 번갈아 가면서 노출이 되므로 반도체를 구성하는 재료의 열팽창 계수 차이에 의해 열응력이 발생하는데, 칩은 열팽창 계수가 작고, PCB는 열팽창계수가 크기 때문에 칩과 PCB를 연결하는 솔더 조인트에 큰 응력이 걸리게 되므로 이를 감안한 설계를 하는 것이 매우 중요하다. 플립칩의 경우에는 칩의 크기에 따라 솔더 와 PCB가 접촉하는 패드의 크기를 조절하거나 칩과 PCB가 접촉 부분에 걸리는 응력을 줄 여주기 위해 솔더 범프 사이를 에폭시와 같은 재료로 채워주는 언더필 공정을 진행한다.

 

2. 패키지 휨(warpage) 시뮬레이션

패키지를 구성하는 칩과 PCB 기판의 크기와 두께, EMC의 특성에 따라서 패키지가 휘어지 는 Warpage 문제가 발생할 수 있다. Warpage가 과도하게 발생하면 패키지에 있는 솔더 조인트의 일부 부분이 PCB 기판과 접합되지 않는 현상이 발생할 수 있으므로 주의해야 한 다. 최근에는 패키지와 패키지를 적층하는 POP(Package On Package) 구조를 채택하는 경 우가 많이 있는데, 패키지의 Warpage가 과도하게 발생할 경우 두 개 패키지의 신호 연결 부분이 서로 접합되지 않아 문제가 될 수 있으므로 패키지 조립 전에 Warpage특성을 시뮬 레이션해 보는 것이 매우 중요하다. 반도체 패키지에 발생하는 Warpage를 정량적으로 측정하기 위해서 모아레 방법이 적용된 다. 모아레를 이용한 Warpage 측정은 패키지 표면에 줄무늬 판을 통하여 빛을 쪼여 물체 에 줄무늬 그림자를 만든 후 패키지가 변형할 때 패키지의 위치에 따른 표면의 높낮이가 등고선과 같은 모양으로 나타나 패키지의 휘는 정도를 측정할 수 있다.

 

󰊴 열 시뮬레이션

일반적으로 시스템에 사용되는 부품을 비교한다면, 40℃의 사용 조건에서 발생하는 고장 발생빈도에 비하여 80℃의 경우에는 약 4배 정도가 더 높다. 반도체의 경우에는 적어도 3 배 이상 차이가 난다. 열에 의한 고장 비율은 전체 전자 제품에서 발생하는 고장율의 약 55%를 차지한다. 반도체 칩의 클록(Clock) 속도가 올라가고 집적도가 향상될수록 칩에서 소모되는 전력 소모량이 커지게 되는데 발생한 열이 외부로 잘 방출되지 않으면 칩의 온 도가 올라가면서 칩은 정상 동작을 하지 않고 수명이 짧아지게 된다. 반도체의 열적 시뮬 레이션은 칩의 온도를 방열 설계로 감소시켜 열적 신뢰성을 확보하기 위한 목적으로 실시 된다. 방열 설계를 위해서는 열전도성이 좋은 재료를 열 발생 부위에 두어 열전도가 잘되 도록 하고, 패키지 외부에서는 패키지에서 발생한 열이 외부로 잘 발상되도록 패키지 구 조를 팬 형태로 만들어 표면적을 넓히는 방법이 적용되고 있다. 반도체 패키지에서의 열해석은 반도체가 동작할 때 발생하는 열이 전도(conduction)와 대 류(convection) 방식으로 열에너지 얼마나 전달되는지 계산하게 된다. 반도체에서 발생하는 열이 전도성이 좋은 재료를 통해 빠르게 패키지 표면으로 전달된 후 바로 외부로 전달된 다면 패키지 자체의 온도는 많이 올라가지 않을 것이다. 

 

- 대류(Convection)에 의한 열전달은 패키지 표면과 주위 온도의 차이에 의해 발생하게 된다. 이 경우 패키지 표면의 온도와 주위 온도를 실제 상태로 설정해주는 것이 중요하다.

- 팬이 있는 경우와 팬이 없는 자연대류의 경우 열전달 계수는 달라진다.

 

[실습]

󰊱 공진 주파수와 크기를 알아내기 위해 회로 시뮬레이션을 수행한다.

공진 해석올 통해 PCB 기판의 동작에 영향을 주는 공진주파수와 그 발생 위치를 찾아야 한다. 모든 공진문제를 동시에 해결하는 것 어려우므로 이를 위해 산발적으로 발생하는 공진의 주파수와 크기를 찾아내야 한다. 공진해석을 통해 공진 차트를 만들어 분석하게 된다.

 

󰊲 전자장 시뮬레이션올 수행하여 각 위치에서의 주파수 별 임피던스 변화를 그래프로 확인 한다.

공진 해석올 통하여 PCB 기판에서 공진이 크게 발생하는 지점을 찾은 후에는 전자장해석 올 수행하여 각 위치에서의 주파수 별 임피던스 변화를 찾아낸다. 임피던스가 높아 공진 이 크게 발생할 수 있는 부분은 작은 전류 잡음이라도 큰 임피던스와 작용하여 전압 잡음 이 크게 나타나므로 임피던스 분석을 통해 임피던스가 높게 나타나는 주파수를 찾아낸 후 개선할 필요가 있다.

 

󰊳 기계적 시뮬레이션을 수행한다.

패키지의 외관과 구조를 설계하기 위해 기계적 시뮬레이션을 수행한다. 패키지의 외관 설 계는 표준화된 규격을 따르며 구조해석 소프트웨어를 통해 해석된 결과를 활용하여 전체 부분을 설계한다. 패키지의 전체 구조를 반영하고 패키지에 가해질 수 있는 외부 하중에 의해 패키지 내부에 발생할 수 있는 기계적인 응력이나 온도 차이에 의해 발생할 수 있는 열응력을 계산한다. 기계적 응력에 의한 패키지 구조의 스트레스나 변형 등을 제품을 실 제 제작하기 전에 검토하기 위하여 기계적 시뮬레이션 설계는 반드시 필요하다.

 

1. 솔더 조인트의 피로 특성 확보를 위한 시뮬레이션

PCB 기판을 사용하는 패키지에서 응력에 가장 취약한 부분이 칩과 PCB를 연결하는 부분 인 솔더 조인트이다. 외부 온도 변화에 의해 솔더 조인트에 발생하는 열응력을 최소화하기 위해서는 솔더의 연결부분의 형상을 조절하거나 전체적인 구조를 변경하여 발생 가능한 응력을 최소화할 필요가 있다.

 

2. 패키지 휨(warpage) 시뮬레이션

패키지를 구성하는 여러 가지 소재의 형상과 특성에 따라 패키지가 휘어지는 문제가 발생 할 수 있다. 패키지의 형상이 과도하게 휘어지면 솔더 조인트와 PCB 기판이 접합되지 않 는 부분이 발생할 수 있으며 이 경우 반도체 소자를 폐기해야 하는 심각한 문제가 발생할 수 있으므로 패키지 구조와 구성 재료의 특성에 따른 휨의 정도를 조립 전에 시뮬레이션 해 보는 것이 매우 중요하다.

 

󰊴 열적 시뮬레이션을 수행한다.

반도체 소자가 동작할 때 발생하는 열에 의한 반도체 패키지 내부의 온도를 예측하고 대 응하기 위해 열적 시뮬레이션을 수행한다. 문제가 발생할 수 있다면 방열판 등을 설치하 는 방법으로 이상 고온 현상을 해결할 수 있다. 반도체의 열적 시뮬레이션은 칩의 온도를 방열 설계로 감소시켜 열적 신뢰성을 확보하기 위한 목적으로 실시된다. 방열 설계를 위해서는 열전도성이 좋은 재료를 열 발생 부위에 두어 열전도가 잘되도록 하고, 패키지 외부에서는 패키지에서 발생한 열이 외부로 잘 발 상되도록 패키지 구조를 팬 형태로 만들어 표면적을 넓히는 방법이 적용되고 있다. 반도체 패키지에서의 열해석은 반도체가 동작할 때 발생하는 열이 전도와 대류에 의해 전 달되는 에너지를 계산하는 과정으로 진행된다.