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- 글쓴이 : 이재오
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순 서
1. 개요
2. 기존 PCB 설계 기술의 문제점
3. 개선방안
4. 기술에 따른 기대효과
5. IBIS Model
1. 개요
PCB(Printed Circuit Board) 산업은 통신 기기, 반도체, 멀티미디어 기기, 자동차등 관련산업의 시장추이에 따라 민감한 영향을 받게되는 모든 전자제품의 Root가 되는 중요 부품산업으로서, 최근 첨단정보통신기기 시장의 확대 추세에 힘입어 High Speed Board의 수요가 많아지고 있다.
국내 PCB 디자인 업계의 현실에 비추어 보면, PCB 생산 / 장비 / 재료 / 검사 및 측정장비에 비해 중요도에 있어서 소외된 감이 있다. 어쩌면, PCB 생산업체와 시스템 설계자의 연결고리 정도로 인식하고 있을지도 모른다. 그러나 차츰, PCB 디자인에 대한 중요성이 대두되고 있다. 최근의 경향을 보면, 시스템 신호의 고속화, 여러 가지 새로운 부품의 등장(CSP, COB, MCM, TAB, BGA등등), 밀집된 배치와 배선의 증가 추세 등이 이를 뒷받침해 주고 있다.
아직도 어떤 엔지니어들은 한번 더 PCB 제작을 해보면 된다라는 식의 시스템 설계 방식을 고집하기도 한다. 그것은 자기의 경험을 너무 믿기 때문이 아닌가 싶다. 물론 경험을 무시해도 좋다는 이야기는 아니다. 왜냐하면, PCB에 있어서 제작상의 오차를 누구보다 잘 알고 있기 때문이다.
선진국의 예를 보면, 거의 1GHz에 육박하는 CPU 보드를 만드는가 하면, FR4 재질을 가지고 4GHz 이상의 신호를 구현하기도 한다. 이런 개가는 PCB관련업체들(생산업체, 재료업체)의 표준화된 작업일 수도 있지만, PCB 설계자의 공이 아닌가 싶다.
High Speed Digital Signal에 의한 System을 실장 설계하는데 있어서 Multi Layer, High Density한 PCB가 사용되며, System에서 Function Processing이 최대한 Operating되도록 Optimal한 Placement와 Routing을 해야 함에도 불구하고, 이것은 간단한 문제가 아니다.
실 예로, 한 System에서 회로적으로 올바르게 설계하여 제작되었으나, PCB Design상에서 Pattern이 문제되어 전체 System Operating에 심각한 오류가 발생되는 것을 주변에서 흔히 볼 수 있다. 이런 경우, 이미 제작된 PCB상에서 해결책을 찾기는 쉽지 않으며, 경제적인 Loss, 개발기간의 Delay, 제품의 신뢰성 등 여러 가지 또 다른 문제들을 낳을 수 있다.
제품의 구현, 제작에 앞서 EWS를 사용한 High Speed Digital Signal에 대한 Simulation(Noise, Timing 검증)을 통해 최적의 PCB Design를 수행, 검증함으로서 이러한 동작상의 문제를 미연에 방지할 수 있다.
2. 기존 PCB 설계 기술의 문제점
국내의 PCB 설계기술은 설계자의 경험이나, Signal의 개략적인 예측으로 Design되기 때문에 Noise와 Timing에 관한 여러 가지 문제들이 나올 수 있다.
High Speed Digital Signal Board상에서 일어날 수 있는 문제를 간단히 살펴보면 다음과 같다.
1) Noise에 대해서
⸁ Cross_talk : 같은 층(Layer)에서 인접해 있는 두 선간의 기생콘덴서/인덕터에 의한 신호 Coupling이라 할 수 있다. 보통 패턴의 2-3배 길이를 이격시켜 주는 것이 안전하다고 알려져 있다.
⸂ Over / Under_Shoot : 임피던스 매칭이 안 되었거나, 잘못된 토폴로지 선택에서 나올 수 있다. 정격이상의 전압은 소자의 파괴나 스트레스의 원인이 될 수 있으므로 주의해야 한다. 물론, 대개의 입출력단에 클램핑 다이오드가 내부에 있으나, 이것을 너무 믿으면 곤란하다.
⸃ Ring_Back : Rising이나, Falling에서 파형이 안정화되지 않고, Ringing에 의한 논리(High, Low)의 오류를 가져와 디지털 신호의 오 동작을 가져올 수 있다.
⸄ Non_Monotonic : 신호의 논리(High, Low)가 바뀌는 순간이 Monotonic하지 않고, 왜곡이 일어나는 것으로, 이것 역시 논리의 오류를 일으킬 수 있다.
보통 X-talk을 제외한 Noise는 Impedance Matching, Topology에 의해 조정된다. Impedance Matching을 위해서는 회로적으로 여러 종류의 Terminator를 부착하기도 하지만, PCB의 패턴 폭, 유전체의 두께, 유전체의 종류(유전율)로 조정한다.
2) Timing에 대해서
⸁ Delay : 신호가 진행(Propagation)함에 따라 지연이 발생하며, 그 지연에 따른 동작의 오류를 가져올 수 있다. 디지털 신호는 보통 기준되는 신호(Clock) 동작에 Timing을 맞추기 때문이다. 보통 High Speed Digital System은 CPU, RAM, ROM, FPGA 그 외의 Interface IC들과 유기적인 동작을 빠르게 수행하기 때문에 신호의 지연은 동작에 오류를 가져올 수 있다. 보통 신호 파장의 1/6이하의 Delay를 고려하여 PCB 설계한다. Delay는 패턴 길이 외의 PCB 유전율과 구조 등에 영향을 받는다.
⸂ Skew : 신호 지연에 따른 Rising, Falling Edge에서 신호의 완만한 상승/하강이다. 이것 역시, Timing에 중대한 문제를 일으킬 수 있다. 모든 논리 회로에서는 Vinl(논리상 Low로 인식되는 최대 전압값), Vinh(논리상 High로 인식되는 최소 전압값)를 고려한다면, Skew는 중요한 Timing의 변수로 작용할 것이다.
국내의 PCB Design 기술자들은 빠른 PCB 납기, 밀집된 부품 배치, Model의 변경횟수 증가, 그리고 회로 분석의 어려움 등의 이유로 System 설계자의 몇 가지 Comment에만 의존하는 것이 사실이다.
결국은, High Speed Circuit에서의 고 다층, 고 밀도의 PCB 설계가 쉽지 않아 여러 번의 시험 제작을 하게 되는 것이다.
3. 개선 방안
PCB Design상에서 생길 수 있는 문제를 해결하기 위한 Best Solution은 Simulation을 통한 최적의 One-Pass디자인을 해야한다.
High Speed Digital PCB Simulation을 성공적으로 수행하려면 몇 가지 조건이 있다.
⸁ 제조회사(PCB)와 긴밀한 협조 하에 설계 단계에서부터 Design Rule을 정하고 공유함.
PCB 재질(유전율, 유전체 두께, 동박 두께 등의 오차), 제조상의 한계(Via 홀 크기, 패턴 폭, 최소 유전체 두께 등등), PCB 제조상의 문제점들을 고려한 Simulation을 해야한다.
⸂ Simulation에 사용될 Tool의 신뢰성 확보함.
⸃ 정확하고 다양한 Rule 적용
정확하고 자세한 Rule 적용을 통하여 Simulation의 신뢰성을 증대시킨다. 실제 동작상의 여러 가지 경우를 고려해야만 Simulation의 효과를 발휘할 수 있다. Simulation상에서 고려해야될 몇 가지 예를 들어 보겠다.
-. 실제의 공급되는 어떤(DC) 전원은 정확히 +5.00V이 아니고, +4.5V - +5.5V 사이의 값일 수도 있다.
-. 유전체 유전율의 오차는 비교적 크다.( FR4의 유전율이 4.2 - 4.8 사이일 수도 있다.)
-. 디바이스 제조상 Fast / Slow가 있을 수 있다.
-. DC_Loss가 있을 수 있다. 등등.
⸄ Device의 Modeling
Simulation은 부품의 정확한 IBIS Model Importing을 통하여 수행된다.(IBIS Model : 마지막 페이지 참조) IBIS Model의 신뢰성은 Simulation의 신뢰성을 뒷받침해 주기 때문이다. 보통 모든 IC 부품, 특별한 보드(팬티움Ⅱ / Ⅲ), Connector, Socket, Cable 등 전류가 흐르는 모든 전자부품에서 만들어 질 수 있다고 보아야 할 것이다.
특히, 본 작자는 Device의 Modeling은 Simulation에서 매우 중요한 요소임으로 국내에서도 활발한 연구, 검증, 그리고 Modeling 구현이 필요하다고 본다.
4. 기술에 따른 기대효과
본 기술에 따른 전자 산업에 미치는 기대효과는 다음과 같다.
⸁ 제품 개발기간의 단축 및 비용 절약
초기의 설계 기간연장이나 비용이 약간 상승하지만, Main Signal의 wave을 미리 검증함으로써, 제작 후 Test 기간을 단축할 수 있으며, 한번의 PCB Design으로 끝낼 수 있어서 오히려 비용이 절약된다.
⸂ Noise, Timing 등을 미리 충분히 검증하여 Field에서의 동작상의 신뢰성을 확보한다.
⸃ 회로 검증을 동시에 수행할 수 있다. 부품 모델(IBIS) Importing을 통하여 입력/출력 Pin 특성에 알맞은 최적의 회로설계를 할 수 있다. 즉, 자신감 있는 제품 Design이 가능하다.
이러한 One Pass Design은 제품의 개발일정, 제품품질, 생산계획, 판매일정, 수출납기 등에도 큰 도움을 주며, 결과적으로 기업의 경쟁력을 강화하는데 도움을 준다.
High Speed Digital PCB Simulation 기술은 국내의 PCB 설계기술자들의 설계 수준을 향상시킨다. PCB 산업은 모든 전자제품의 근간이 되는 부품산업이므로 매우 중요하며, 21세기 세계화, 정보화 시대를 이끌 국가 전자산업 전반에 큰 도움을 줄 것으로 기대된다.
5. IBIS Model
(Input / Output Buffer Information Specification Model)
High Speed Digital PCB Simulation을 수행함에 있어서 부품의 IBIS Model Importing은 필수 조건이다. PCB 패턴은 결국 부품의 Pin과 관련한 특성을 나타내기 때문이다. 그러기에 고속신호의 PCB는 해석의 신뢰성을 확보하기 위해서 IBIS Model의 확보가 무엇보다 중요하다고 할 수 있다.
1990년 초, 인텔사에서 PCI 버스에 대한 엄격한 요구사항을 내 놓기 시작하여 그 특이한 형식이 대두되었다. 그 이후 반도체 제조회사, EDA 및 컴퓨터 제조관련회사 등 약 35개의 회원사를 구성하여 공개적인 표준규격을 정하였다. 이것이 IBIS Model이다.
이 모델을 만드는 방법은 Spice 시뮬레이션과 측정(TDR(Time Domain Reflectometry)을 이용한 측정, 궤선 추적기(Curve Tracer)를 이용한 측정방법), 다른 모델형식으로부터의 변환 등이 있으며, 몇몇 CAE 벤더들은 IBIS 모델이나 다른 시뮬레이터 형식으로부터 다시 변환할 수 있는 비공개 Tool들을 제공한다.
이 IBIS 모델의 특징은 다음과 같다.
1. 집적회로의 I/O 버퍼 특성을 I/V관계로 나타낸다.
2. 제조상의 회로정보가 요구되지 않으므로, 제작사의 도움 없이 모델 구현이 가능하다.
3. 회로에 대한 정보를 숨길 수 있어, 제작사에서 IBIS Model를 공개/보급이 가능하다.
4. Spice Model과는 달리 상용 EDA 도구와 호환성을 가진다.
- IBIS Model 제공하는 Web Site
http://www.eigroup.org/ibis/ibis.htm
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