회로 설계와 EMC 설계의 밸런스제9회 평가 회로 · 기판 (3) 전자 간섭 (EMI)과 전자 감수성 (EMS)

안녕하세요. 로옴의 이나가키입니다.

이번에는 평가 회로 · 기판의 세번째 칼럼으로, 반도체 집적 회로 (LSI 및 IC) 평가 기판의 작성 방법 및 기판 레이아웃 등에 대해 설명하겠습니다.

여러분은 기판 작성하는 것을 좋아하십니까?

저는 기판 작성을 좋아하는 편입니다. 기판 레이아웃은 부품의 배치나 신호선의 배선 등 펄스적인 요소가 있어서, 어떻게 하면 보기 좋게 레이아웃할 수 있을지 생각하는 것이 재미있습니다.

공학 분야에서 「보기 좋게」라는 감각적 관점이 의외일 수도 있겠지만, 전체적으로 부감했을 때의 인상이 기판의 성능과 연관됩니다. 부품의 배치는 기판 작성의 모든 것을 결정하는 최초의 포인트이며, 매우 중요한 포인트입니다. 부품과 부품의 배치가 결정되면 그 사이의 배선은 자연스럽게 결정됩니다. 부품의 배치를 결정할 때에는 중요한 신호선이나 배선이 기판상에서 어떻게 배선되는지를 머리속으로 상상하면서 결정합니다. 또한, 부품의 위치에 따라 극단적으로 길어지는 배선이 없는지, 우회할 필요가 있는 배선이 있는지 주의를 기울이는 등, 상상력을 풀가동해야 합니다.

기판 배선이 「보기 좋다」는 것은…

다시 말하자면, 신호선이나 배선이 정돈되어 있다는 것입니다. 구체적으로는 배선의 길이가 짧고, 불필요하게 구부러지지 않으며, 부품과 부품 사이를 간결하게 배선하는 것을 의미합니다. 최근에는 기판 회로도를 입력하면 기판 레이아웃을 자동적으로 작성해주는 EDA 툴 (CAD 툴)도 있지만, 저는 한번도 사용한 적이 없습니다. 어쩌면 툴을 사용하는 것이 더 완성도가 높아질 수도 있겠지만, 기판 레이아웃은 재미있는 작업이기 때문입니다.

이러한 기판 레이아웃은, 실제로 전자 양립성 (EMC)과 밀접한 관계가 있으므로 매우 중요합니다.

전자 양립성 (EMC)은 스스로 전자 노이즈를 발생시키는 전자 간섭 (EMI, Emission)과 외부로부터의 전자 노이즈로 인해 오동작이나 파괴를 일으키는 전자 감수성 (EMS, Immunity)으로 크게 분류됩니다. 그리고, 각각 전자 노이즈의 전달 경로에 따라 전도 (Conducted)와 방사 (Radiated)로 분류됩니다. 기판 작성 시에는 이러한 조합의 4종류, 즉 전도 에미션 (CE : Conducted Emission), 방사 에미션 (RE : Radiated Emission), 전도 이뮤니티 (CI : Conducted Immunity), 방사 이뮤니티 (RI : Radiated Immunity)를 고려해야 합니다. 용어에 대해서는 하기를 참조하여 주십시오.

기판 작성 시 가장 주의해야 할 점은, 기판의 기생 인덕턴스 (L)와 기생 용량 (C)입니다. 이러한 성분에 의한 고주파 대역에서의 직렬 공진 주파수와 병렬 공진 주파수로 인해, 전자 양립성 (EMC)이 악화될 가능성이 높기 때문입니다.

그럼, 기판 레이아웃에서 전자 양립성 (EMC) 특성을 향상시키기 위해서는 어떻게 해야 할까요?

시판중인 「EMC 대책 부품」을 사용하는 것도 방법이지만, 그것만으로는 만족할 수 없는 경우에는 다음과 같은 개념으로 생각하는 것이 좋습니다.

전자 간섭 (전자 노이즈를 발생시키는 쪽)은, 기판 배선이 전자 노이즈의 「송신 안테나」라고 생각하고, 전자 감수성 (전자 노이즈로 인해 오동작을 일으키는 쪽)은, 기판 배선이 전자 노이즈의 「수신 안테나」라고 생각합니다. 이렇게 하면 어떻게 배선해야 하는지가 명확해집니다.

최근에는 4층 기판과 같은 다층 기판이 일반적으로도 사용되고 있습니다. 다층 기판은 기판 표면층과 기판 이면층을 가능한 GND Plane으로 하는 예가 많습니다. 이는 기판의 금속 차폐화의 일종으로, 내층에 신호 배선이나 제어 배선을 작성합니다.

그리고, 기판 사이즈는 되도록 작게 합니다. 기판이 작으면 결과적으로 배선 길이가 짧아집니다. 이는 기생 인덕턴스 및 기생 용량의 저감으로 이어집니다. 동일한 관점에서 부품 사이즈도 가능한 작은 표면 실장 부품이 이상적입니다. 사실 「보기 좋은」기판 레이아웃은 이러한 기생 성분을 작게 억제하는 것이라고 할 수 있습니다.

다음 편을 기대해 주세요. 감사합니다.