반도체 제조업체는 더 빠른 처리 속도에 대한 수요가 증가하는 상황에 대응해야 한다. 이에 따라 인쇄 회로 기판(PCB)과 칩 패키지의 모든 구성 요소는 초고속 데이터 속도에서 안정적인 신호 무결성을 제공해야 한다.
신호 불연속이나 원치 않는 신호 결합을 유발할 수 있는 설계 요소는 결함 여부를 신중하게 테스트해야 한다.
특히 와이어본드(wirebond)는 PCB 또는 칩 패키지 내부에서 칩과 기판을 연결하는 미세한 연결 구조이다. 와이어본드는 연결 지점이기 때문에 신호 손실이나 신호 저하의 원인이 되는 경우가 많다. 따라서 반도체 엔지니어링 팀은 재료, 본딩 매개변수, 환경 운용 조건까지 고려해 와이어본드를 높은 신뢰성으로 설계해야 한다.
와이어본드 설계에서 시뮬레이션이 필요한 이유
와이어본드 설계 후보를 분석하고 PCB 또는 칩 패키지의 일부로서 성능을 정확하게 예측하려면 속도가 중요하다.
물리 테스트만으로 모든 설계 조건을 검증하려면 예산, 인력, 리소스 부담이 크다. 따라서 전자 엔지니어는 출시 일정과 비용 목표를 맞추면서도 와이어본드 성능을 엄격하게 분석할 방법이 필요하다.
이때 핵심은 와이어본드를 모델링하고, PCB 및 칩 패키지의 다른 요소와 함께 성능을 시뮬레이션하는 것이다. 원문은 이 역할을 수행하는 도구로 Ansys HFSS를 제시한다.
와이어본드 시뮬레이션을 위한 HFSS 기능
Ansys HFSS는 칩, 패키지, PCB, 전체 시스템을 모델링하기 위한 시뮬레이션 환경을 제공한다.
HFSS는 고주파 신호 무결성 및 전력 무결성 설계를 시뮬레이션하는 데 사용되는 솔루션이며, 와이어본드 구조의 작성, 가져오기, 수정 기능을 기본적으로 지원한다.
설계 요구 사항이 복잡하더라도 엔지니어는 HFSS를 통해 다음과 같은 문제를 다룰 수 있다.
- 재료 선택
- 재료 두께
- 패키지 구성
- 본딩 매개변수
HFSS 3D Layout 2021 R1의 와이어본드 편집 기능
Ansys Electronics Desktop의 HFSS 3D Layout 2021 R1에는 새로운 와이어본드 편집 플랫폼과 라이브러리 관리 기능이 포함된다.
엔지니어링 팀은 자체 와이어본드 프로파일 라이브러리를 개발하고 공유할 수 있다. 이를 통해 새로운 제품 설계를 진행할 때마다 처음부터 와이어본드 프로파일을 다시 만들 필요가 없다.
이 기능은 제품 개발자가 새로운 설계를 빠르게 시장에 출시해야 하는 상황에서 시간과 비용을 절감하는 데 도움을 준다.
또한 Ansys 와이어본드 라이브러리는 Cadence 와이어본드 프로파일을 원활하게 가져오고, 이후 재사용을 위해 저장하는 기능도 지원한다.
반도체 개발을 위한 엔드투엔드 시뮬레이션
HFSS를 활용하면 엔지니어는 칩 설계뿐 아니라 다양한 사용 환경에서 신호 무결성과 전력 무결성이 어떻게 유지되는지도 시뮬레이션할 수 있다.
Ansys 솔루션은 단일 구조, 다중 구조, 3DIC 구조를 모델링할 수 있으며, 여기에는 와이어본드와 복잡한 인터커넥트가 포함된다.
전자기·열·구조 신뢰성을 함께 검증하는 방식
HFSS를 통해 와이어본드의 전기적 성능을 최적화한 뒤에는 열 및 구조 신뢰성과 같은 다른 물리적 특성도 최적화할 수 있다.
Ansys 시뮬레이션 플랫폼은 HFSS와 Ansys Mechanical을 포함한다. 이를 통해 PCB와 칩 패키지 설계의 전자기, 열, 구조 측면을 단일 환경에서 검증할 수 있다.
오늘날 전자 패키지는 더 작고 더 조밀해지고 있다. 이러한 패키지는 실제 운용 조건에 노출될 때 열 또는 구조적 고장 위험이 높아질 수 있다. 와이어본드는 미세한 연결 지점이기 때문에 특히 엄격한 고장 분석 대상이 된다.
Ansys 환경에서는 와이어본드 설계를 Mechanical로 넘겨 열 및 구조 분석을 수행하고, 다시 HFSS로 되돌려 반복 설계를 진행할 수 있다.
시스템 수준에서 와이어본드를 최적화하는 이유
HFSS를 사용하면 반도체 엔지니어링 팀은 와이어본드 같은 개별 구성 요소가 실제 조건에서 최적화되는지 확인할 수 있다.
동시에 조립 이후 전체 시스템이 혹독한 운용 조건에 노출되었을 때도 최적의 신뢰성으로 함께 작동하는지 검증할 수 있다.
원문은 세계적인 반도체 기업들이 Ansys 솔루션을 활용해 복잡한 제품의 전자기 시뮬레이션 실행 시간을 10~12배 단축하고 있다고 설명한다. 이 시스템 수준 접근 방식은 와이어본드 최적화와 같은 특정 작업에도 활용된다.
향후 HFSS 와이어본드 시뮬레이션 기능
반도체 엔지니어링 작업이 점점 복잡해지면서 HFSS도 새로운 과제에 맞춰 발전하고 있다.
HFSS의 와이어본드 모델링 및 시뮬레이션 기능도 예외가 아니다. 원문에서는 Ansys HFSS 2021 R2가 반도체 엔지니어링 팀의 긴급한 요구를 반영한 추가 개선 기능을 제공할 예정이라고 설명한다.
결론
와이어본드는 PCB와 칩 패키지 안에서 칩과 기판을 연결하는 미세한 구조이다. 이 연결 지점은 신호 손실이나 신호 저하의 원인이 될 수 있으므로, 반도체 설계에서는 높은 신뢰성 검증이 필요하다.
Ansys HFSS는 와이어본드 구조를 작성, 가져오기, 수정하고, PCB 및 칩 패키지 전체 시스템과 함께 시뮬레이션할 수 있는 환경을 제공한다. 또한 HFSS 3D Layout 2021 R1의 와이어본드 편집 플랫폼과 라이브러리 관리 기능은 반복 설계의 효율을 높인다.
HFSS와 Ansys Mechanical을 함께 활용하면 와이어본드의 전자기 성능뿐 아니라 열 및 구조 신뢰성까지 검증할 수 있다. 결국 와이어본드 시뮬레이션은 반도체 패키지의 신호 무결성, 전력 무결성, 시스템 신뢰성을 확보하기 위한 핵심 과정이다.
출처 : Ansys Wired for Success: Ansys HFSS Leads in Wirebond Simulation
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