SI/PI 해석,
눌러보며 배우기
HFSS, SIwave, TDR, S-parameter, IR Drop, PDN을 처음 듣는 사람도 이해하도록 개념부터 숫자 읽는 법까지 설명합니다. 카메라 PCB를 실물로 측정해 해석과 비교하고 불량을 분석하는 방법까지 다루고, 마지막에는 실제 프로그램 화면을 클릭하며 ODB++를 불러와 해석하는 시뮬레이터로 마무리합니다.
시작하기
무엇을 배우는지, 그리고 지금 회사에서 쓰는 툴이 무엇인지부터.
지금 내가 쓰는 해석 툴은 무엇인가
결론부터: 사내 해석 매뉴얼 기준으로 Ansys SIwave와 HFSS입니다. 둘 다 Ansys Electronics Desktop(AEDT)에 함께 들어 있습니다.
SIwave
PCB 전체를 층 구조로 빠르게 해석. 전원망(PDN) 임피던스, DC IR Drop, 간이 S-parameter·Crosstalk.
HFSS
구조를 3D로 정밀 해석. 메쉬 GND, 리지드-플렉스 경계, 커넥터처럼 층 구조로 단순화할 수 없는 곳.
Circuit (AEDT)
추출된 S-parameter를 회로에 연결해 TDR·Eye Diagram 같은 시간 영역 결과를 계산.
이 문서의 구성
| 파트 | 내용 | 다 읽으면 |
|---|---|---|
| PART 1 툴과 데이터 | 툴 지도, 해석 공간·경계·메쉬·포트, ODB++, 스택업·물성 | 해석에 무엇을 넣어야 하는지 앎 |
| PART 2 신호(SI) | 리턴 경로·상승 시간, 임피던스, Microstrip/Stripline, 차동·공통 모드, S-parameter, TDR, Crosstalk, MIPI | 보고서 그래프와 숫자를 해석 |
| PART 3 전원(PI) | DC IR Drop, PDN 목표 임피던스 | 전원 해석 결과 합격/불합격 판정 |
| PART 4 실측·상관·FA | 측정 장비, 해석–실측 비교, 불량 분석, 의뢰서 작성, 자주 묻는 질문 | 시뮬과 실물을 맞추고 원인을 찾음 |
| PART 5 실습 | PADS → SIwave → HFSS 화면 클릭 실습 | 툴 메뉴 위치와 순서를 손에 익힘 |
큰 그림 — 설계, 해석, 측정, 분석의 순환
해석은 한 번 돌리고 끝나는 일이 아닙니다. 실물로 확인해 모델을 고치는 고리를 도는 일입니다.
툴과 데이터
어떤 툴이 무엇을 하는지, 그리고 그 툴에 무엇을 넣어야 하는지.
툴 지도 — 2.5D와 3D, 그리고 회사별 툴
해석 툴은 “어떻게 계산하느냐”에 따라 나뉩니다. 이 구분만 알면 어떤 회사의 툴을 봐도 위치를 알 수 있습니다.
2.5D와 3D의 차이
회사별 툴 대응표
| 역할 | Ansys (지금 쓰는 것) | Cadence | Siemens | Keysight / Synopsys |
|---|---|---|---|---|
| PCB 설계 | — | Allegro, OrCAD | PADS, Xpedition | — |
| 2.5D PCB·PDN 해석 | SIwave | Sigrity PowerSI / PowerDC | HyperLynx PI | — |
| Full 3D 전자기 해석 | HFSS | Clarity 3D | HyperLynx Full-Wave | EMPro |
| 회로·채널 해석 (TDR, Eye) | Circuit (AEDT) | SystemSI, Topology Explorer | HyperLynx SI | ADS, HSPICE |
| RLC 기생 추출 | Q3D Extractor | Sigrity XtractIM | — | — |
전자기 해석은 실제로 무엇을 계산하나 — 해석 공간·경계·메쉬·포트
HFSS 실습에서 “공기 상자(Region)를 만들고 경계를 준다”는 단계가 왜 필요한지, 처음부터 설명합니다.
출발점: 신호는 구리 “안”이 아니라 구리 “주변 공간”으로 간다
회로도에서는 신호가 선을 따라 흐르는 것처럼 그리지만, 고속 신호의 에너지는 실제로 신호선과 GND 사이 공간(절연층, 솔더 마스크, 그 위의 공기)에 생기는 전기장·자기장으로 전달됩니다. 구리는 그 장(field)이 지나갈 길을 잡아 주는 레일 역할입니다.
해석 공간(Region, Air box)을 만드는 이유
컴퓨터는 무한한 공간을 못 푼다
HFSS(FEM)는 공간을 작은 사면체로 잘게 쪼개서 계산합니다. 우주 끝까지 쪼갤 수는 없으니, 모델 주변을 적당한 크기의 상자로 잘라내야 합니다. 이 상자가 Region(공기 상자)입니다.
공기도 신호 경로의 일부다
표층 선로·커넥터·패드 주변의 장은 공기로 퍼집니다. 공기를 빼면 장이 갈 곳이 없어져 임피던스·손실·누화가 틀어집니다.
상자 “벽”에서 무슨 일이 일어날지 정해야 한다
장이 상자 벽에 닿으면 반사할지, 흡수될지를 정해야 계산이 됩니다. 이것이 경계 조건(Boundary)입니다.
실제 환경을 흉내 낸다
실제 폰 안의 카메라 PCB는 열린 공간(또는 금속 케이스) 속에 있습니다. 경계 조건으로 “열린 공간처럼” 또는 “금속 차폐처럼” 흉내 냅니다.
경계 조건 종류
| 경계 | 벽에서 일어나는 일 | 비유 | 언제 쓰나 |
|---|---|---|---|
| PEC (기본값) | 장이 100% 반사 | 금속 상자 속 | 실제 금속 차폐 캔·케이스 안을 볼 때 |
| Radiation | 밖으로 나가는 파동을 흡수 (근사) | 무반사 챔버의 흡수체 | 일반 SI 해석, 열린 공간 가정 — 사내 매뉴얼 방식 |
| PML | 두꺼운 흡수층으로 거의 완전 흡수 | 더 좋은 흡수체 | 방사·EMI·안테나처럼 방사가 중요한 해석 |
| PMC / 대칭 | 자기장 기준 대칭면 | 거울 | 좌우 대칭 구조를 절반만 풀어 시간 단축 |
가운데 녹색이 PCB, 동심원은 선로에서 새어 나간 장입니다. PEC에서는 벽에서 되튄 파동(빨간 점선)이 PCB로 돌아옵니다. 상자를 키우면 반사는 줄지만 계산량이 늘어납니다. 수치는 경향을 보여주기 위한 단순 모델입니다.
상자 크기는 어떻게 정하나
- 너무 작으면: 벽이 선로에 가까워 장이 벽에 닿습니다. Radiation 경계도 비스듬히 들어오는 파동은 완전히 흡수하지 못해 일부가 되돌아옵니다.
- 너무 크면: 공기 영역 메쉬가 늘어 시간과 메모리가 늘어납니다.
- 흔히 쓰는 가이드: 방사를 정확히 봐야 하는 해석(EMI, 안테나)은 관심 최저 주파수 파장의 1/4 이상 떨어뜨리라는 기준이 알려져 있습니다. GND가 바로 아래 있는 PCB 선로처럼 장이 대부분 기판 안에 갇히는 SI 해석은 그보다 작은 여유로도 결과가 거의 변하지 않는 경우가 많아, 사내 매뉴얼처럼 고정 여유(예: 10mm)를 씁니다.
- 확인법: 여유를 한 번 키워서 다시 풀어 보고 결과가 거의 같으면 충분한 크기입니다.
메쉬와 적응형 수렴(Adaptive Pass)
| 설정 | 쉬운 뜻 | 잘못하면 |
|---|---|---|
| Solution Frequency | 메쉬를 다듬을 때 기준으로 삼는 주파수. 높을수록 파장이 짧아 더 촘촘해짐 | 너무 낮으면 고주파 결과가 부정확 |
| Max Delta S | 수렴 판정 기준 (보통 0.02) | 너무 크면 덜 다듬어진 결과 |
| Maximum Passes | 다듬기 최대 횟수 | 도달해서 멈췄다면 수렴 실패 — 결과 신뢰 불가 |
| Frequency Sweep | 다듬어진 메쉬로 그래프를 그릴 주파수 범위 | Solution Frequency와 다른 개념. 혼동 주의 |
포트 — 신호를 넣고 받는 입구
Lumped Port (사내 매뉴얼 방식)
신호선 끝과 기준 GND 사이에 작은 사각 시트를 그려 지정. 모델 안쪽 어디든 둘 수 있어 PCB 해석에 편합니다. 시트가 신호선과 GND에 정확히 닿아야 하고, 틀어지면 포트가 만들어지지 않거나 결과가 틀립니다.
Wave Port
해석 공간의 바깥 면에 붙이는 포트. 선로 단면의 장 모양을 먼저 계산해 정확하게 연결합니다. 커넥터·케이블처럼 바깥에서 들어오는 구조에 적합하지만 Region 벽에 닿아 있어야 합니다.
ODB++와 데이터의 흐름
PADS 파일을 해석 툴이 그대로 읽지는 못합니다. 중간 다리가 ODB++입니다.
PCB 데이터 포맷 비교
| 포맷 | 담는 정보 | 해석에 쓰기 |
|---|---|---|
| .pcb (PADS 원본) | 모든 설계 정보 | 해석 툴이 직접 못 읽음 |
| Gerber | 층별 그림(도형)만 | 넷(연결) 정보 없음 → 부적합 |
| ODB++ (.tgz) | 층, 도형, 넷, 부품, 드릴, 스택업까지 한 묶음 | SIwave와 호환이 좋음 · 사내 권장 v8 |
| IPC-2581 | ODB++와 비슷한 공개 표준 | 가능 (툴 버전에 따라) |
PADS에서 내보내기 전에 꼭 할 일
- Pour Manager 실행 (Tools → Pour Manager → Start): GND 같은 동박 면(Pour)을 다시 채웁니다. 안 하면 GND가 빈 채로 넘어가 해석 결과가 크게 틀어집니다.
- File → Export → ODB++(*.tgz): Format은
ODB++ V8,Prefer Closed Shapes체크, Non-shape Pins는Prefer Drill. - 생성된
.tgz파일을 SIwave의 Import ODB++로 불러옵니다.
전체 해석 흐름
Pour 갱신 → ODB++ v8 내보내기
설계 데이터를 해석 툴이 읽을 수 있는 묶음으로.
Import → 스택업·물성 입력 → Sanitize → Validation Check
2D 그림을 실제 두께와 재료를 가진 기판으로 만드는 전처리.
PI 해석: Pin Group → Port → Compute SYZ / DC IR
전원망 임피던스와 전압 강하는 SIwave에서 끝냅니다.
SI 해석: Export to HFSS 3D → 모델 정리 → Port → Mesh → Boundary → Setup → Analyze
MIPI 라인 S-parameter는 HFSS에서 3D로.
S-parameter 그래프, TDR, Z-parameter, IR 맵 → 판정 → .snp 내보내기
보고서 작성과 다음 단계(회로 해석, 실측 비교)로.
스택업과 물성 — 해석 정확도의 절반
툴이 아무리 좋아도 두께와 유전율을 틀리게 넣으면 결과도 틀립니다.
꼭 알아야 할 물성 4가지
Dk (유전율, εr)
절연재가 전기장을 얼마나 붙잡는지. 클수록 임피던스는 낮아지고 신호는 느려집니다. FR-4 약 4.2~4.7, 폴리이미드(FCCL) 약 3.2~3.5.
Df (손실 탄젠트)
절연재가 신호 에너지를 열로 바꾸는 정도. 클수록 고주파 손실(Insertion Loss)이 커집니다. 일반 FR-4 약 0.01~0.02, FCCL 약 0.002~0.005.
두께
신호선과 참조 GND 사이 거리(H). 임피던스에 가장 크게 영향을 줍니다. 공칭값과 실제 완성 두께(Finished)가 다를 수 있습니다.
동박 두께·도전율
기본 동박 + 도금. 직류 저항(IR Drop)과 임피던스에 영향을 줍니다. 구리 도전율은 약 5.8×10⁷ S/m.
예시 스택업 (리지드 4층 + 플렉스 2층, 교육용)
| 층 | 재료 | 두께 (μm) | Dk / Df (@1GHz) |
|---|---|---|---|
| Top mask | Solder Resist | 20 | 3.7 / 0.022 |
| L1 | Copper (base + plating) | 35 | — |
| Prepreg | 60 | 4.2 / 0.012 | |
| L2 | Copper — GND | 25 | — |
| FCCL (폴리이미드) | 25 | 3.4 / 0.002 | |
| L3 | Copper — 신호 | 25 | — |
| Prepreg | 60 | 4.2 / 0.012 | |
| L4 | Copper | 35 | — |
| Bottom mask | Solder Resist | 20 | 3.7 / 0.022 |
해석 툴에서 헷갈리는 용어
- Dielectric Fill: 동박 층에서 구리가 없는 빈 자리를 채우는 재료. 보통 바로 위나 아래 Prepreg로 지정합니다.
- Clone Material: 툴 라이브러리에 없는 재료를 기존 재료(FR4_epoxy)를 복사해 Dk·Df만 바꿔 만드는 기능입니다.
- 리지드-플렉스: 리지드 영역과 플렉스 영역의 층 구성이 다릅니다. SIwave는 하나의 스택업만 다루므로, 플렉스 부분의 절연층은 HFSS에서 잘라 다시 만듭니다(사내 매뉴얼의 Split → Thicken Sheet 단계).
- 커버레이(Coverlay): 플렉스 표면을 덮는 폴리이미드 + 접착제 층. 솔더 레지스트 대신 들어갑니다.
신호 무결성 (SI)
보고서에 나오는 그래프 하나하나를 숫자로 읽을 수 있게.
신호의 기초 — 리턴 경로, 상승 시간, Gbps와 GHz
임피던스와 S-parameter를 보기 전에 꼭 필요한 세 가지 감각입니다.
① 전류는 반드시 돌아온다 — 리턴 경로
신호선으로 나간 전류는 반드시 GND로 돌아옵니다. 저주파에서는 저항이 가장 작은 길(가장 짧은 길)로 돌아오지만, 고속 신호의 리턴 전류는 신호선 바로 아래 GND 면을 따라 돌아옵니다(루프 면적이 가장 작은 길). 그래서 신호선 아래 GND가 끊기거나 구멍이 나면 리턴 전류가 돌아가야 하고, 그만큼 임피던스가 튀고 노이즈와 EMI가 생깁니다.
② 짧은 선도 “전송선로”가 되는 순간
선 길이가 신호의 상승 시간 동안 이동하는 거리에 비해 짧으면 그냥 “전선”이지만, 길어지면 신호가 선을 따라 파동처럼 진행하면서 반사가 생깁니다. 대략 선로 지연이 상승 시간의 1/6을 넘으면 전송선로로 다뤄야 합니다.
③ Gbps와 GHz는 다르다
| 항목 | 계산 | 예: MIPI D-PHY 2.5 Gbps/lane |
|---|---|---|
| 1비트 시간 (UI) | 1 / 데이터율 | 400 ps |
| Nyquist 주파수 (판정 기준) | 데이터율 / 2 — 0101 반복이 만드는 가장 빠른 사인파 | 1.25 GHz |
| 상승 시간이 만드는 고조파 | 약 0.35 / 상승 시간 | 상승 시간 80ps → 약 4.4 GHz |
| 해석 주파수 범위 | Nyquist의 3~5배 이상 | 사내 매뉴얼: 1.25GHz 기준 → 12.5GHz까지 |
임피던스 — 신호가 느끼는 “길의 폭”
특성 임피던스는 저항계로 재는 값이 아닙니다. 신호가 선로를 따라 진행할 때 느끼는 전압과 전류의 비율입니다.
단선 (Single-ended)
선 하나와 GND 사이. 일반 신호 50Ω 기준이 많습니다.
차동 (Differential, Zdiff)
P/N 두 선 사이. MIPI D-PHY 목표 100Ω (보통 ±10%).
공통 모드 (Zcomm)
두 선이 같은 방향으로 움직일 때. 노이즈·EMI와 관련.
임피던스를 바꾸는 요인
| 요인 | 커지면 | 이유 |
|---|---|---|
| 절연 두께 H | Z0 ↑ | GND가 멀어져 C 감소 |
| 선폭 W | Z0 ↓ | 면적이 넓어져 C 증가 |
| 유전율 Dk | Z0 ↓ | C 증가 |
| 차동 간격 S | Zdiff ↑ | 두 선의 결합이 약해짐 |
| 메쉬 GND (구멍 뚫린 GND) | Z0 ↑ | 참조면 면적이 줄어 C 감소. FPCB에서 흔함 |
| 에칭으로 선폭 감소 | Z0 ↑ | 실제 W가 설계보다 좁아짐(사다리꼴 단면) |
IPC-2141 근사식 기반입니다. 실제 값은 필드 솔버(SIwave, Polar 등)와 PCB 업체 결과로 확정합니다. 예를 들어 H를 60→45μm로 줄이면 Zdiff가 얼마나 떨어지는지 확인해 보세요.
Microstrip과 Stripline — 내 카메라 PCB에서는 어디가 무엇인가
이름은 낯설어도, 이미 매일 설계하던 구조입니다. 신호선 위아래에 무엇이 있느냐로 구분합니다.
한 줄 정의
Microstrip (마이크로스트립)
바깥층(표층)에 있는 신호선. 아래에만 GND 면이 있고 위는 솔더 마스크/커버레이와 공기입니다. 카메라 PCB의 L1·L4(최외곽층) 배선, 그리고 2층 플렉스의 배선이 여기에 해당합니다.
Stripline (스트립라인)
안쪽층(내층)에 있고 위아래 모두 GND(또는 전원) 면에 끼어 있는 신호선. 샌드위치 속 햄입니다. 4층 리지드에서 L2·L4가 GND일 때 L3 배선이 해당합니다.
내 PCB에서 구분하는 법 — 스택업 표에서 “위아래 층”만 보면 됩니다
무엇이 다른가 — 비교표
| 항목 | Microstrip (표층) | Stripline (내층) |
|---|---|---|
| 장이 지나는 곳 | 절연층 + 일부 공기 | 전부 절연층 |
| 유효 유전율 (εeff) | 공기와 섞여 Dk보다 낮음 (예: Dk 3.6 → 약 2.8) | Dk와 같음 |
| 신호 속도 | 조금 빠름 (약 5.5~6 ps/mm) | 조금 느림 (약 6.3~7 ps/mm) |
| 같은 임피던스를 만들 때 선폭 | 넓게 가능 | GND가 양쪽에 있어 더 좁아야 함 |
| 원단 누화 (FEXT) | 큼 — 공기·절연층이 섞여 상쇄가 안 됨 | 거의 없음 |
| EMI·외부 노이즈 | 위가 열려 있어 방사·유입이 큼 | GND에 갇혀 차폐 효과 |
| 제조 편차 영향 | 솔더 마스크·커버레이 두께, 도금 두께에 민감 | Prepreg 두께 편차에 민감 |
| 층 비용 | GND 한 층이면 됨 | GND 두 층이 필요 |
| 카메라 PCB 예 | 센서 패드 팬아웃, 커넥터 근처, 플렉스 2층 | 리지드 내부 장거리 MIPI 구간 |
| 항목 | Microstrip | Stripline |
|---|
동박 20μm 고정, IPC-2141 근사식. 같은 선폭이면 Stripline 임피던스가 더 낮고, 100Ω을 맞추려면 Stripline 선폭을 더 좁혀야 한다는 것을 확인해 보세요.
단선 · 차동 · 공통 모드 — 두 선으로 보내는 이유
MIPI가 왜 P/N 두 선을 쓰는지, 보고서의 SDD·SCD·Zdiff·Zcomm이 무슨 뜻인지 정리합니다.
세 가지 방식
단선 (Single-ended)
선 하나의 전압을 GND 기준으로 읽습니다. I2C, GPIO, 리셋 같은 저속 신호. GND가 출렁이면 그대로 오류가 됩니다.
차동 (Differential)
P와 N 두 선에 서로 반대 신호를 보내고 수신기는 두 선의 차이만 읽습니다. MIPI D-PHY 고속 모드, USB, LVDS.
공통 모드 (Common-mode)
P와 N이 같은 방향으로 함께 움직이는 성분. 원하는 신호가 아니라 대부분 노이즈이며, EMI(방사)의 주범입니다.
차동이 좋은 이유 — 노이즈가 “같이” 들어오면 빼면 사라진다
두 선을 가까이 붙여 나란히 배선하면 외부 노이즈(전원 스위칭, OIS 구동 전류 등)가 두 선에 거의 같은 크기로 들어옵니다. 수신기는 P − N만 보기 때문에 같은 크기의 노이즈는 서로 빼져 사라집니다. 또 P와 N의 전류가 반대 방향이라 자기장이 서로 상쇄돼 방사도 적습니다.
위: P(빨강)·N(파랑) 각각의 파형. 아래: 수신기가 보는 차동(노랑)과 공통 모드(초록). 노이즈를 키워도 대칭이면 차동은 깨끗합니다. Skew나 비대칭을 주면 차동에 노이즈가 남고, 비트가 바뀌는 순간 공통 모드에 뾰족한 펄스가 생깁니다. 이것이 모드 변환이고 EMI의 원인입니다.
Zdiff는 왜 단선 임피던스의 2배가 아닌가 — 홀수·짝수 모드
| 모드 | 두 선의 움직임 | 임피던스 | 관계 |
|---|---|---|---|
| 홀수 모드 (Odd) | P↑ N↓ 반대로 — 차동 신호 | Zodd (한 선이 느끼는 값) | Zdiff = 2 × Zodd |
| 짝수 모드 (Even) | P↑ N↑ 같이 — 공통 모드 | Zeven | Zcomm = Zeven / 2 |
두 선을 가까이 붙이면 서로 끌어당기는 결합(커플링)이 생겨 Zodd는 단선 Z0보다 낮아지고, Zeven은 높아집니다. 그래서 단선 55Ω짜리 선 두 개를 붙이면 Zdiff는 110Ω이 아니라 100Ω 정도가 됩니다. 간격 S가 좁을수록 Zdiff가 더 내려갑니다(05장 LAB 01에서 S를 바꿔 확인).
강결합 (간격 좁게)
노이즈 상쇄·방사 억제에 유리. 선폭을 좁혀야 100Ω이 맞음. P/N 대칭이 더 중요해짐.
약결합 (간격 넓게)
선폭을 넓게 쓸 수 있고 제조 편차에 덜 민감. 대신 노이즈 상쇄 효과는 줄어듦.
모드 변환 — 차동이 공통으로 새는 순간
P와 N이 완벽히 대칭이면 차동은 차동으로만 갑니다. 그런데 대칭이 깨지면 차동 신호 일부가 공통 모드로 바뀝니다. 공통 모드는 두 선이 함께 안테나처럼 동작해 방사되므로, 스마트폰에서는 무선(LTE·5G·Wi-Fi) 감도 저하로 나타나기도 합니다.
| 대칭을 깨는 원인 | 카메라 PCB 예 | 대책 |
|---|---|---|
| P/N 길이 차 (Skew) | 코너·팬아웃에서 바깥쪽 선이 길어짐 | 길이 맞춤(Serpentine), 1ps ≈ FR-4 약 0.15mm |
| 한 선만 비아·패드 통과 | 테스트 포인트를 P에만 둠 | P/N 똑같이 배치 |
| 아래 GND가 다름 | 메쉬 GND 격자 위치가 P/N 아래에서 다름, GND 슬롯을 한 선만 지남 | 메쉬 피치·방향 조정, 슬롯 회피 |
| 옆 물체가 한쪽만 가까움 | P 옆에만 GND Pour·다른 신호 | 양쪽 간격 동일 |
Mixed-mode S-parameter 이름 읽기
| 이름 | 읽는 법 | 의미 | 좋은 방향 |
|---|---|---|---|
| SDD21 | Differential → Differential, 포트1→2 | 차동 신호 통과 (IL) | 0 dB에 가깝게 |
| SDD11 | 차동 → 차동, 포트1 반사 | 차동 반사 (RL) | 아래로 |
| SCC21 | Common → Common | 공통 모드 통과 | 참고용 |
| SCD21 | Differential 입력 → Common 출력 | 모드 변환 = 비대칭 정도 | 아래로 (예: −30 dB 이하) |
| SDC21 | Common 입력 → Differential 출력 | 공통 노이즈가 차동으로 섞임 | 아래로 |
첫 글자가 출력 모드, 두 번째 글자가 입력 모드입니다. HFSS에서는 포트를 각 선마다 단선 50Ω으로 만든 뒤 Differential Pairs로 P/N을 묶으면, 툴이 차동 100Ω·공통 25Ω 기준으로 이 값들을 자동으로 계산해 줍니다(실습 5장 “포트 설정” 단계).
S-parameter — 반사와 통과의 성적표
“이 선로에 신호를 넣으면 몇 %가 되돌아오고 몇 %가 도착하는가”를 주파수별로 기록한 데이터입니다.
dB 감각 익히기 — 가장 먼저 외울 것
S-parameter는 보통 dB로 표시합니다. 전압 비율 r을 dB로 바꾸면 20·log10(r)입니다. 음수일수록 작다는 뜻입니다.
| dB | 전압 비율 | 전력 비율 | 의미 (S11일 때 / S21일 때) |
|---|---|---|---|
| 0 dB | 1.00 | 100% | 전부 반사 / 손실 없이 통과 |
| −1 dB | 0.89 | 79% | — / 전압 11% 손실 |
| −2 dB | 0.79 | 63% | — / 흔한 IL 합격선 예시 |
| −3 dB | 0.71 | 50% | — / 전력 절반 |
| −10 dB | 0.32 | 10% | 전압 32% 반사 (나쁨) / — |
| −15 dB | 0.18 | 3.2% | 흔한 RL 합격선 예시 / — |
| −20 dB | 0.10 | 1% | 반사 10% (양호) / — |
| −26 dB | 0.05 | 0.25% | 흔한 Crosstalk 합격선 예시 |
| −40 dB | 0.01 | 0.01% | 사실상 없음 |
보고서에 나오는 4가지 그래프
| 그래프 | S-parameter | 좋은 방향 | 판정 예시 (교육용) |
|---|---|---|---|
| Return Loss (반사) | SDD11 | 아래로 (더 음수) | 동작 주파수에서 −15 dB 이하 |
| Insertion Loss (통과) | SDD21 | 0 dB에 가깝게 | 동작 주파수에서 −2 dB 이상 |
| NEXT (근단 누화) | SDD31 등 | 아래로 | −26 dB 이하 |
| FEXT (원단 누화) | SDD41 등 | 아래로 | −26 dB 이하 |
앞에 붙은 SDD는 “차동 입력 → 차동 출력”이라는 뜻입니다(Mixed-mode S-parameter). SCD는 차동이 공통 모드로 바뀐 양이고, EMI의 원인이 됩니다. 보고서의 그래프 범례 dB(S(D0_Diff,D0_Diff))는 D0 레인 차동 포트의 반사, 즉 SDD11입니다.
.snp 파일 해부
이 예시를 읽으면: 1.25GHz에서 반사(S11) −18.6dB(합격), 통과(S21) −0.92dB(합격). 2.5GHz에서는 반사 −14.9dB로 −15dB 기준에 아슬아슬합니다.
TDR — 임피던스를 위치별로 보는 레이더
빠른 계단 신호를 보내고 되돌아오는 반사를 시간 순서로 기록합니다. 시간은 곧 거리입니다.
그래프가 위로 솟으면 (임피던스 ↑)
인덕턴스 성분. 선폭이 좁아짐, GND가 멀어짐, 메쉬 GND, 커넥터 핀, 비아.
그래프가 아래로 꺼지면 (임피던스 ↓)
커패시턴스 성분. 넓은 패드, GND가 가까움, 부품 패드, 테스트 포인트.
상승 시간을 길게(느리게) 하면 짧은 불연속이 뭉개져 안 보입니다. 그래서 해석과 실측의 TDR을 비교할 때는 반드시 같은 상승 시간을 써야 합니다. 사내 보고서도 상승 시간(예: 20~80% 33ps)과 평균을 낼 시간 구간을 조건으로 명시합니다.
Crosstalk — 옆 선이 남기는 흔적
한 선이 움직이면 전기장과 자기장이 옆 선에 전압을 만듭니다. 카메라에서는 전원선이 홀 센서 신호에 노이즈를 넣는 일이 대표적입니다.
NEXT (근단 누화)
공격 신호를 넣은 쪽 끝에서 보이는 노이즈. 결합 구간이 길어지면 일정 값에서 포화됩니다.
FEXT (원단 누화)
신호가 도착하는 반대쪽 끝에서 보이는 노이즈. 표층(Microstrip)에서 크고 내층(Stripline)에서는 거의 상쇄됩니다.
결과를 읽는 두 가지 방식
- 주파수 영역 (dB): S-parameter로 표현. 예: −26dB 이하면 합격.
- 시간 영역 (mV): 전원선에 빠른 계단 전압(예: 상승 시간 100ps)을 넣고 피해 선에 생기는 노이즈 전압을 직접 봅니다. 홀 센서처럼 mV 단위 아날로그 신호를 다룰 때 더 직관적입니다.
| 교육용 예시: 전원 → 홀 출력 라인 | 수정 전 | 수정 후 (IC 위치·배선 변경) |
|---|---|---|
| NEXT (mV) | ≈ 15 | ≈ 2 |
| FEXT (mV) | ≈ 3 | ≈ 1 |
| 해석 | 홀 출력이 수십 mV 수준이면 15mV는 위치 오차로 바로 보입니다. 2mV 수준이면 필터로 충분히 처리됩니다. | |
줄이는 방법
- 간격을 넓힘: 절연 두께의 2~3배(2H~3H) 이상
- 평행 구간을 짧게, 인접 층은 직교 배선
- 사이에 GND 선(Guard)과 GND 비아
- 민감 신호는 내층으로, 전원·구동선과 다른 층으로
- IC 배치 자체를 바꿈 — 가장 효과가 큼
MIPI D-PHY · C-PHY와 Eye Diagram
카메라 영상이 실제로 지나가는 길. 해석 결과의 최종 목적지입니다.
| 항목 | D-PHY | C-PHY |
|---|---|---|
| 배선 | 차동 쌍(2선) × 데이터 레인 + 클럭 레인 | 3선(Trio) × 레인, 클럭 레인 없음(클럭 내장) |
| 임피던스 목표 | 차동 100Ω | 선 사이 조합(a-b, b-c, c-a)별 차동 약 100Ω, 단선 50Ω 기준 |
| SI 포인트 | P/N 길이 맞춤(Skew), 레인 간 Skew | 세 선의 대칭 배치가 핵심. 조합별 임피던스 편차 |
Eye Diagram 읽기
수많은 비트를 한 화면에 겹쳐 그리면 가운데 눈(Eye) 모양이 생깁니다. 눈 높이(전압 여유)와 눈 폭(시간 여유)이 클수록 좋고, 규격 마스크(사각형·육각형)에 파형이 닿으면 불합격입니다. 해석에서는 HFSS로 뽑은 S-parameter를 AEDT Circuit에 넣고 송신기·수신기 모델로 Eye를 그립니다. 실물은 오실로스코프로 측정합니다(12장).
전원 무결성 (PI)
직류에서 떨어지는 전압(IR Drop)과 순간 전류가 만드는 출렁임(PDN).
DC IR Drop — 가는 길에 잃는 전압
레귤레이터가 정확히 1.8V를 내도, 패턴과 비아의 저항 때문에 센서 핀에는 그보다 낮은 전압이 도착합니다.
SIwave에서 설정하는 것
- Voltage Source: 레귤레이터 출력 핀(예: 1.8V)
- Current Sink: 부하 핀(예: 센서 전원 핀)에 최대 전류(예: 65mA)
- Compute DC IR → 결과: 부하 핀 최저 전압, 경로 DC 저항, 전압·전류밀도 컬러맵
| 교육용 예시: 센서 전원 | 공급 | 최대 전류 | DC 저항 | 부하 전압 | 강하 | 센서 최소 전압 | 판정 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Core 0.8V | 0.80 | 120 mA | 110 mΩ | 0.787 | 13 mV | 0.76 | OK |
| Analog 2.8V | 2.80 | 60 mA | 90 mΩ | 2.795 | 5 mV | 2.70 | OK |
| I/O 1.8V | 1.80 | 65 mA | 120 mΩ | 1.792 | 8 mV | 1.70 | OK |
| OIS 구동 2.8V | 2.80 | 240 mA | 90 mΩ | 2.778 | 22 mV | 2.60 | OK |
판정은 “부하 전압 ≥ 부품 데이터시트의 권장 최소 동작 전압”입니다. 보통 강하가 공급 전압의 1~3% 이내면 안심합니다. 코어 전압처럼 낮은 전압일수록 같은 mV도 비율이 커서 위험합니다.
PDN과 목표 임피던스 — 순간 전류에 버티는 힘
전류가 순간적으로 변할 때 전압이 얼마나 출렁이는지는 주파수별 전원망 임피던스(Z)가 결정합니다.
계산 예 (교육용)
| 전원 | 5.0V 벅 출력 → 다음 단 레귤레이터 입력 |
| 허용 리플 | 5% → 0.25V |
| 최대 전류 | 1A → ΔI = 0.5A |
| 목표 임피던스 | 0.25 / 0.5 = 0.5 Ω |
| 판정 구간 | 지정이 없으면 보통 10kHz ~ 100MHz에서 Z < 0.5Ω 이면 합격 |
SIwave에서 보는 법
- 전원 IC와 부하 IC에 Pin Group을 만듭니다 (같은 기능의 전원 핀·GND 핀을 하나로 묶음).
- 양쪽에 Port를 만듭니다 (+단자: 전원 핀 그룹, −단자: GND 핀 그룹, 기준 50Ω).
- 커패시터·인덕터에 제조사 S-parameter 모델을 할당합니다 (BOM의 부품 번호로 검색).
- Compute SYZ Parameters: 10Hz~1GHz, 저주파는 Log 스윕.
- 결과 창에서 부하 쪽 포트의 Z11(자기 임피던스)만 체크해 그립니다.
- AEDT로 그래프를 보내 Limit Line(목표 임피던스)과 Marker(10kHz, 100MHz)를 추가해 판정합니다.
실측 · 상관 · 불량 분석
해석은 실물로 확인될 때 의미가 있습니다. 카메라 PCB 기준으로 무엇을 어떻게 재고 비교하는지.
카메라 PCB 실측 — 무엇을, 무엇으로, 무엇과 비교하나
해석 결과 하나마다 대응하는 측정이 있습니다.
| 측정 항목 | 장비 | 측정 대상 | 비교할 해석 값 | 흔한 허용 차 |
|---|---|---|---|---|
| 차동 임피던스 | TDR (임피던스 측정기, 고속 오실로스코프 TDR 모듈) | 임피던스 쿠폰 / 실물 MIPI 라인 | HFSS TDR, 계산 Zdiff | ±5~10% |
| 단면 치수 | 단면 분석(Cross-section) + 현미경 | 절연 두께, 선폭(윗면·아랫면), 동박 두께 | 스택업 입력값 | 입력값 보정용 |
| S-parameter | VNA(벡터 네트워크 분석기) + 프로브/지그 | MIPI 라인 양 끝 | HFSS S-parameter | IL ±0.5dB, 공진 위치 |
| DC 저항 | 4선식(켈빈) 밀리옴 미터 | 전원 경로 양 끝 | SIwave DC 저항 | ±10~20% |
| 부하 전압 | DMM, 오실로스코프 | 동작 중 센서 전원 핀(테스트 포인트) | SIwave 부하 전압 | 수 mV |
| 전원 리플·노이즈 | 오실로스코프 + 저노이즈 프로브(짧은 GND 스프링) | 동작 중 전원 핀 | PDN Z × 전류 | 경향 비교 |
| MIPI Eye | 고속 오실로스코프 + MIPI 분석 소프트웨어 | 센서 → AP 신호 | Circuit Eye 해석 | 마스크 여유 |
| 기능 확인 | 센서 테스트 보드, 영상 평가 | 영상 출력, 오류 카운트 | — | 노이즈·영상 끊김 여부 |
임피던스 쿠폰과 TDR 측정
PCB 업체는 패널 가장자리에 같은 스택업으로 만든 임피던스 쿠폰(테스트용 직선 선로)을 넣고, TDR로 측정해 임피던스 성적서를 함께 보내 줍니다(측정 방법은 IPC-TM-650 2.5.5.7). 성적서에는 목표값, 허용 범위, 측정값, 사용 장비, 상승 시간이 적혀 있습니다.
실물 TDR 측정 순서
- 장비 교정(Calibration)과 기준 임피던스 확인 (차동 100Ω)
- 상승 시간을 해석 조건과 같게 맞춤 (예: 20~80% 35ps)
- 프로브를 MIPI P/N 패드(또는 커넥터)에 대고 GND 연결을 최대한 짧게
- 측정 → 구간별 평균 임피던스 기록, 굴곡부·패드 위치 표시
- 반대쪽 끝은 개방(Open) 상태로 두는 것이 일반적
- 해석 TDR과 같은 축(시간 또는 거리)으로 겹쳐 그려 비교
해석–실측 상관 — 차이를 줄이는 기술
현업 SI/PI 팀이 가장 많이 고민하는 문제입니다. 차이의 원인은 대부분 “입력”에 있습니다.
| 차이의 원인 | 증상 | 확인 방법 | 보정 |
|---|---|---|---|
| 절연 두께가 공칭과 다름 | 임피던스가 전체적으로 일정하게 어긋남 | 단면 분석 | 실측 두께 입력 |
| 에칭으로 선폭 감소·사다리꼴 | 임피던스가 실측에서 더 높음 | 단면에서 윗변·아랫변 측정 | 평균 선폭 또는 사다리꼴 형상 입력 |
| Dk가 데이터시트와 다름(주파수 의존) | 임피던스·지연 모두 어긋남 | 지연 시간 비교, 공진 위치 비교 | 측정 주파수의 Dk, 주파수 의존 모델 |
| 동박 표면 거칠기 | 고주파 IL이 실측에서 더 나쁨 | IL 기울기 비교 | 조도 모델(Huray 등) 적용 |
| 메쉬 GND·커버레이 모델링 누락 | 플렉스 구간만 크게 다름 | TDR 구간별 비교 | HFSS에서 3D로 정확히 모델링 |
| 측정 지그·프로브 영향 | 양 끝에서만 다름 | 지그만 따로 측정 | De-embedding(지그 영향 제거) |
| 상승 시간·기준 임피던스 불일치 | 모양은 같은데 크기가 다름 | 측정 조건 확인 | 조건을 일치시킴 |
하나의 측정값으로는 원인을 하나로 정할 수 없습니다(두께가 커졌는지, 선폭이 줄었는지). 그래서 단면 분석으로 실제 치수를 확인해 원인을 확정합니다.
FA (불량 분석) — 증상에서 근본 원인까지
비파괴 검사부터 하고, 파괴 검사는 마지막에. 순서가 중요합니다.
증상 정의와 재현
언제, 몇 개 중 몇 개, 어떤 조건(온도, 굴곡, 진동)에서. 재현 조건을 찾는 것이 절반입니다.
양품–불량 비교 (전기적, 비파괴)
저항·도통, 전원 전압, TDR, I2C 통신, 영상 오류 카운트를 양품과 나란히 비교.
위치 좁히기
TDR로 불연속 위치 찾기(시간 → 거리), 열화상 카메라로 발열 지점, X-ray/CT로 솔더 내부·비아.
물리 분석 (파괴)
단면 분석, SEM/EDS(표면 형상과 성분), 솔더 크랙·비아 크랙·동박 크랙 확인.
근본 원인과 메커니즘
5 Why로 설계·공정·재료 중 무엇이 원인인지. 해석으로 메커니즘을 재현하면 설득력이 커집니다.
대책·검증·재발 방지
설계 변경 → 재해석 → 실물 검증 → 설계 가이드·체크리스트에 반영.
카메라 PCB 대표 불량과 확인법
| 증상 | 의심 원인 | 확인 | 해석 연계 |
|---|---|---|---|
| 영상 미출력 | MIPI 임피던스·Skew 이상, 커넥터 접촉, 전원 시퀀스 | TDR, 오실로스코프 Eye, 전원 파형 | HFSS S-param·TDR 재해석 |
| 영상 노이즈·줄무늬 | 전원 리플, 구동 전원과 센서 전원 결합, GND 경로 | 전원 핀 리플 측정, OIS 끄고 비교 | PDN Z, Crosstalk |
| 간헐 영상 끊김 (굴곡 시) | FPCB 굴곡부 동박·비아 크랙 | 굴곡 중 도통·TDR, 단면 | 굴곡부 응력 해석 |
| OIS 떨림·위치 오차 | 홀 신호 Crosstalk, 구동 전원 IR Drop | 홀 출력 노이즈, 구동 중 전압 | Crosstalk(mV), DC IR |
| I2C 통신 실패 | 풀업·상승 시간, 노이즈, 전원 레벨 | SDA/SCL 파형 | 간이 SI 해석 |
| 고온에서만 불량 | 열에 의한 저항 증가, 휨으로 접촉 불량 | 온도 챔버 재현, 휨 측정 | 전기–열 연성 해석 |
해석 보고서 읽는 법과 의뢰서 쓰는 법
외부팀에 의뢰하든 직접 하든, 조건이 명확해야 결과가 쓸모 있습니다.
보고서를 받으면 확인할 7가지
- 해석 모델: 어느 리비전 PCB 데이터인지, 어디까지 잘라서 해석했는지
- 스택업·물성: 내가 준 값이 그대로 들어갔는지 (두께, Dk/Df, 플렉스 영역)
- 포트 정의: 포트 번호와 넷 이름 대응표, 기준 임피던스(단선 50Ω, 차동 100Ω)
- 해석 조건: 주파수 범위, 상승 시간, 평균 구간, 툴과 버전
- 판정 기준: 어떤 주파수에서 몇 dB인지, 기준이 어디서 왔는지(고객, 규격, 사내)
- 결과 수치: 마커 값(예: 1.25GHz에서 RL −18dB), 최악 레인
- 결론과 권고: 합격/불합격, 개선 방향
의뢰서 템플릿
■ 해석 목적 MIPI D-PHY 4레인(2.5Gbps/lane) 라인의 RL/IL/NEXT/FEXT 및 TDR 확인 ■ 전달 데이터 PCB: ODB++ v8 (Pour 갱신 완료) · 스택업 시트(리지드/플렉스 별도) · BOM 대상 넷: CLK_P/N, D0~D3_P/N · 주변 간섭 넷: AVDD, MVDD, I2C ■ 해석 조건 기준 임피던스: 차동 100Ω / 주파수: DC~12.5GHz TDR 상승 시간: 35ps (20~80%) · 평균 구간: 선로 중앙 구간 ■ 판정 기준 RL ≤ −15dB, IL ≥ −2dB @1.25GHz · XT ≤ −26dB · Zdiff 100Ω ±10% ■ 요청 결과물 그래프(마커 포함), 요약 표, .sNp 파일, 개선 권고
처음 하는 사람이 꼭 묻는 질문
해석 보고서를 받아 보던 입장에서 직접 해석하려 할 때 막히는 지점들을 모았습니다.
개념
임피던스를 왜 하필 50Ω, 100Ω에 맞추나요?
Ω 단위인데 왜 멀티미터로 재면 안 나오나요?
선이 몇 mm밖에 안 되는데 SI를 신경 써야 하나요?
FPCB는 왜 메쉬 GND를 쓰나요? 꽉 채우면 안 되나요?
S-parameter와 TDR은 서로 다른 해석인가요?
PDN은 왜 S가 아니라 Z(임피던스)로 보나요?
Crosstalk 노이즈는 몇 mV면 괜찮나요?
툴 사용
HFSS가 더 정확하면 처음부터 다 HFSS로 하면 안 되나요?
포트 기준 임피던스 50Ω과 목표 임피던스 100Ω은 같은 건가요?
Delta S 0.02면 정말 충분한가요?
왜 Sweep을 0.1Hz 같은 아주 낮은 주파수부터 넣나요?
Lumped Port와 Wave Port는 언제 무엇을 쓰나요?
솔더 마스크도 임피던스에 영향을 주나요?
결과 해석
해석은 합격인데 실물에서 영상이 안 나오면 해석이 틀린 건가요?
Return Loss 그래프에 주기적인 골이 왜 생기나요?
IL이 −2dB면 신호가 얼마나 줄어든 건가요?
용어 사전
본문의 약어 풀이가 모두 이 사전에서 나옵니다.
🖱 실습 시뮬레이터 — PADS → SIwave → HFSS
ODB++를 불러와 직접 해석해 보기
실제 프로그램 화면을 단순화한 모형입니다. 노란 테두리를 클릭하며 따라오세요.
| RefDes | Value | Part Number | Model |
|---|---|---|---|
| C11,C12 | 10uF | (BOM 부품번호) | ✔ vendor .s2p |
| C13 | 1uF | (BOM 부품번호) | ✔ vendor .s2p |
| C14 | 100nF | (BOM 부품번호) | ✔ vendor .s2p |
| L2 | 2.2uH | (BOM 부품번호) | Import S-parameter… (라이브러리 없음) |
| Start | Stop | Distribution | Points/Step |
|---|---|---|---|
| 10 Hz | 100 MHz | Log, by decade | 50 |
| 100 MHz | 1 GHz | Linear step | 0.1 MHz |
| Type | Name | Pins | Value |
|---|---|---|---|
| Voltage Source | VS_CORE | U3 VOUT / GND | 0.80 V |
| Current Sink | CS_SENSOR | U1 VDD_CORE / GND | 120 mA |
| Frequency | Max Delta S |
|---|---|
| 1.25 GHz (동작) | 0.02 |
| 5 GHz | 0.02 |
| 10 GHz | 0.02 |
| Distribution | Start | End | Points/Step |
|---|---|---|---|
| Log Scale | 0.1 Hz | 50 MHz | 50 |
| Linear Step | 50 MHz | 1.25 GHz | 10 MHz |
| Linear Step | 1.25 GHz | 12.5 GHz | 10 MHz |