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엔지니어 칼럼

회로 설계와 EMC 설계의 밸런스

제 2회 반도체 개요 (2)
반도체 집적 회로 (LSI · IC)

반도체 발전의 열쇠 「미세화」와 EMC의 관계

안녕하세요. 로옴의 이나가키입니다.
제2편에서는, 반도체 집적 회로에 대해 설명하겠습니다. 일반적으로 대규모 집적 회로 및 집적 회로는 LSI (Large Scale Integrated Circuits)나 IC (Integrated Circuits)라고도 합니다. 회로 규모에 따라, 이와 같이 명칭이 달라지지만, 명확하게 구분되어 있지는 않습니다. 예전에는 대부분 「IC」라는 명칭으로 사용했습니다. 널리 알려져 있는 바와 같이, 트랜지스터 1개로는 단순한 동작을 하지만, 수많은 트랜지스터를 동일 규소 (실리콘) 기판 상에 집적함으로써, 복잡한 기능이나 고정밀도 회로 동작을 실현할 수 있습니다. 트랜지스터를 조합해서 얼마나 우수한 회로를 만들 수 있는지가, 반도체 집적 회로 (LSI · IC) 설계자의 주된 역할입니다.

로옴의 주요 제품군은, 파워 매니지먼트 · 전원 IC 3,480개 품종, 메모리 652개 품종, 리니어 · 앰프 396개 품종, 모터 드라이버 및 액추에이터 드라이버 259개 품종, 오디오 IC 및 비디오 IC 133개 품종 등 총 5,115개 품종을 현재 양산 대응하고 있습니다 (2020년 9월 기준). 이 역시 트랜지스터 · 다이오드 다음으로 많은 종류를 구비하고 있습니다. 기존의 커스텀 제품에서 범용품으로 전환함에 따라, 반도체 집적 회로 (LSI · IC)의 제품 체계도 다양하게 전개하고 있습니다.

제가 입사한 약 30년 전에는, 바이폴라 소자나 CMOS 소자 모두 최소 배선폭이나 게이트 길이가 10µm (10×10-6m)였지만, 최근 뉴스에 따르면 해외에서 2nm (2×10-9m)의 CMOS 소자 개발에 착수했다고 합니다 (완성은 2022년 예정). 당시와 비교하면 최소 가공 치수가 1/5,000까지 미세화된 것입니다. 이 수치는 매우 놀라운 수치로, 원자 몇 개분에 해당하는 최소 게이트 길이의 소자를 제조하고, 양산 대응한다는 것입니다. 사실 이러한 미세화의 트렌드에는 유명한 법칙이 있습니다. 그것은, 미국의 인텔이 제창하는 「무어의 법칙」입니다. 1.5년~2년마다 집적률이 2배가 되는 미세화가 실현된다는 것입니다. 인텔의 중앙 연산 장치 (CPU)도 이 법칙에 따라 제조되었습니다. 또한, IEEE 국제 디바이스 및 시스템 로드맵 IRDS (IEEE International Roadmap for Devices and Systems)에서도, 미래의 제조 공정을 상세하게 예측하고 있습니다. 관련 내용에 대해 흥미가 있으신 분은 해당 사이트 (https://irds.ieee.org/)를 참조하여 주십시오. 이와 같이 반도체 집적 회로 (LSI · IC)의 소자 치수 미세화가 진행되면 칩 사이즈에 대해 더 많은 트랜지스터를 집적할 수 있어 고기능화가 가능해집니다. 또한, 반도체 소자의 내압과 동작 전압이 낮아져 배터리에서의 구동 시간을 연장시킬 수 있습니다. 나아가, 반도체 소자의 기생 용량이 작아지므로, 더욱 고속으로 동작하는 고성능화도 가능해집니다.

그럼, 「전자 양립성 (EMC)」과 미세화의 관계에 대해 생각해 보겠습니다. 스스로 전자 노이즈를 방출하는 「전자 간섭 (EMI)」의 경우, 미세화가 진행될수록 동작전압의 저하에 따라 저주파의 전자 노이즈가 감소하고, 기생 용량의 감소에 따라 동작 주파수가 증가하여 고주파의 노이즈가 증가하는 경향이 있습니다. 그리고 외부의 전자 노이즈의 영향으로 오동작을 일으키는 현상인 「전자 감수성 (EMS)」의 경우, 미세화가 진행될수록 동작전압의 저하에 따라 노이즈 여유 (노이즈 마진)가 작아지므로, 더욱 민감하게 반응하여 오동작이 발생하기 쉬워집니다. 따라서, 최신 제조 공정이 무조건 좋다고는 할 수 없는 것입니다. 특히 전자 양립성 (EMC) 면에서 생각하면, 오히려 조금 오래된 제조 공정에서 양산된 반도체 집적 회로 (LSI · IC)가 더 좋은 부분도 많이 있습니다.

예를 들어 차동 연산 증폭기 (OP Amp)의 경우, 필요한 동작 대역이 최소한으로 확보된 제품을 선택하는 것이 좋습니다. 필요 이상으로 고주파 대역까지 대응하는 제품 (미세화된 제조 공정)의 경우, 고주파에서의 전자 양립성 (EMC)을 추가 검증 (케어)해야 합니다. 또한, 범용 로직과 같은 제품의 경우, 필요 이상으로 동작 전압이 낮은 제품을 선택해서는 안 됩니다. 그리고, 복잡한 기능을 탑재한 제품의 경우, 전자 양립성 (EMC)을 개선하기 위한 대책 (테크닉)이나 다양한 설계 방법을 사용하고 있습니다. 이러한 내용에 대해서는 제품별 어플리케이션 매뉴얼에 기재되어 있으며, 앞으로 본 칼럼을 통해 소개하고자 합니다.

다음 편을 기대해 주세요. 감사합니다.

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