Ansys PowerX를 사용하여 반도체 전력 소자를 더욱 정확하게 분석

휴대폰이 지도, 음악, 메시지를 동시에 처리하면서 계속 원활하게 실행되는 것을 상상해 보십시오. 이제 과열이나 에너지 낭비를 일으키지 않고 이러한 작업을 처리할 수 있도록 휴대폰 내부에 작은 전기 고속도로를 설계하는 것을 상상해 보십시오. 이는 반도체 엔지니어가 매일 직면하는 과제이며, 특히 전력 소자와 관련된 경우에는 더욱 그렇습니다. 이러한 구성 요소는 스마트폰에서 전기 자동차에 이르기까지 모든 것의 이면에서 적절한 작동에 기여하는 숨겨진 중요 요소입니다. 이러한 소자를 설계하고 테스트하는 복잡한 작업을 간소화하고 가속화하는 것은 어려운 과제이지만, 시뮬레이션 덕분에 빠르게 발전하고 있습니다.

전력 소자의 설계 과제

전력 반도체 소자는 다른 전자 장치, 회로 및 시스템에 공급되는 전압(V)과 전류(I)를 제어하는 전력 관리 시스템의 핵심 요소입니다. 전력 관리 설계의 수는 모바일 장치, 데이터 센터, 인공지능(AI) 시스템, 전기 자동차 등 전력 관리 설계에 의존하는 응용 분야의 급속한 성장으로 인해 폭발적으로 증가했습니다. 예를 들어 주머니 속 휴대폰의 경우 전력 관리 집적 회로(PMIC), 전압 변환기, 오디오 증폭기에 많은 전력 소자가 들어 있습니다.

가장 널리 사용되는 전력 소자 유형은 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)이지만, 양극 트랜지스터, 다이오드, 저항기와 같은 다른 소자 유형도 사용됩니다. 전력 MOSFET(또는 powerFET)는 성숙한 공정부터 최신 서브 나노미터 노드에 이르기까지 광범위한 반도체 기술로 제조됩니다. 또한 1V 정도의 낮은 전압부터 수천 볼트에 달하는 높은 전압에 맞게 설계되었습니다.

전력 소자 설계는 다음을 포함한 많은 요구 사항을 충족해야 합니다.

• 소스 및 드레인 경로에 대한 낮은 기생 직렬 저항으로 효율성 향상
• 장치 표면의 균일한 전류 분포로 일관된 성능 보장
• Electromigration 및 자체 가열로 인한 손상을 초래할 수 있는 전류 “핫스팟” 방지
• 회로 경로의 낮은 기생 인덕턴스로 안정적인 스위칭 지원
• 패키지 및 인쇄 회로 기판(PCB)에 대한 효율적인 연결
• 효율적인 표면적 활용
• 사용 가능한 금속 배선 레이어의 최적 사용으로 칩 전체에 전류 전달
• 스위칭 특성 제어로 오버슈트, 링잉 또는 원치 않는 소음 방지
• MOSFET를 모두 켜고 전력을 낭비하며 열을 발생시키는 짧은 전류 서지인 슈트스루(shoot-through) 전류 방지
• 트랜지스터의 벌크 영역에 대한 안정적인 전기 연결로 일관된 장치 작동 유지

많은 IC 설계 그룹에는 특히 전력 소자 구성에 중점을 둔 전담 레이아웃 엔지니어 팀이 있습니다. 상단의 상호 연결 레이어에 복잡한 2D 모양이 있는 대형 전력 소자를 개발하고 시뮬레이션하는 데는 며칠, 몇 주, 심지어 몇 개월이 걸립니다.

Ansys PowerX 소프트웨어로 시뮬레이션

전력 소자 분석의 고유한 요구 사항을 해결하기 위해 전력 전계 효과 트랜지스터(FET) 및 PMIC 분석, 시뮬레이션, 최적화를 위한 Ansys PowerX 툴은 특수 목적의 전력 트랜지스터 시뮬레이터로 만들어졌습니다. PowerX 툴은 널리 사용되는 Ansys ParagonX 집적 회로 설계 분석 및 기생 디버깅 툴의 확장으로, ParagonX 소프트웨어와 동일한 사용 편의성과 빠르고 쉬운 설정을 제공합니다. 많은 전력 MOSFET 설계자는 반도체 툴 흐름을 개발하고 유지하기 위한 대규모 지원 팀을 둘 수 있는 여유가 없습니다. PowerX 애플리케이션을 사용하면 설계 팀 구성원이 손쉽게 이용할 수 있는 정보로 자체 시뮬레이션을 설정할 수 있으며, 별다른 교육도 거의 필요하지 않아 이런 문제가 해결됩니다. 레이어 저항률, R_DSon, 포트 위치 등의 필요한 정보는 사용자가 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)에서 직접 쉽게 정의할 수 있으며, 초보 사용자도 적절한 기본 설정으로 매우 빠르게 시뮬레이션 실행을 시작할 수 있습니다. PowerX 툴은 파운드리 물리적 설계 키트(PDK)가 제공된 경우 이를 읽을 수도 있습니다.

전력 소자 자체는 복잡한 시스템의 한 부분일 뿐입니다. 설계 엔지니어는 패키지와 PCB를 포함한 더 큰 시스템의 맥락에서 전력 소자가 작동하는 방식을 시뮬레이션하려고 합니다. 해당 요소를 포함하지 않고 소자를 시뮬레이션하면 전류 분포에 미치는 큰 영향을 놓칠 수 있습니다. PowerX 툴을 사용하면 엔지니어가 버튼 클릭만으로 해당 레이어를 쉽게 추가할 수 있습니다.

확신을 바탕으로 한 포괄적인 전력 설계 지원

시뮬레이션 결과의 포괄적인 그래픽 시각화를 통해 설계자는 문제를 쉽게 디버깅하고 장치의 병목 현상과 약점을 찾을 수 있습니다. 전체 저항에 가장 큰 영향을 미치는 레이어를 파악하면 많은 시간을 절약할 수 있습니다. PowerX 툴을 사용하면 범프, 볼, 본드와이어 전반의 Electromigration 및 전류 균일성을 쉽게 시각화할 수 있습니다. 예를 들어 일부 툴은 Electromigration 한계를 위반하는 모든 저항기의 포괄적인 목록을 제공하는데, 그 수가 수천 개에 달할 수 있습니다. 이는 너무 복잡하고 특별히 유용하지 않을 수 있습니다. PowerX 소프트웨어는 이러한 위반 사항을 체계화하므로 설계자는 수천 건이 아닌 수십 건의 위반 사항만 조사하면 됩니다. 이를 통해 설계자는 “범프가 충분히 있는가?”, “모든 포트가 효율적으로 활용되고 있는가?”와 같은 질문에 답함으로써 정보에 기반한 결정을 내릴 수 있습니다.

PowerX 툴의 또 다른 강점은 복잡한 곡선형 모양과 각진 다각형을 처리할 수 있는 기능입니다. 다른 툴은 이러한 모양을 표현하는 데 어려움을 겪으며, 이로 인해 높은 전류 밀도 영역이 잘못 표시되거나 누락될 수 있습니다. PowerX 툴에는 훨씬 더 물리적이고 정확한 전류 밀도 그림을 나타내는 고유한 유한 요소 메시가 있으므로 사용자는 실리콘 파운드리에 보내는 결과물이 최고 품질일 것이라는 확신을 가질 수 있습니다.

PowerX 툴은 레이아웃이 완료되기 전 설계 프로세스 초기에 전기 분석을 수행할 수 있는 고유한 옵션을 제공합니다. 이러한 신속한 분석을 통해 레이아웃 엔지니어는 다양한 형상 옵션을 빠르게 반복할 수 있습니다. 초기 분석이 없으면 엔지니어가 며칠 또는 몇 주에 걸쳐 완성된 레이아웃을 만든 후 시뮬레이션 중에 최상위 레이어가 최적이 아니라거나 저항이 너무 높다거나 전류 밀도 핫스팟이 존재한다는 사실을 발견할 수 있습니다. 이런 경우 전체적인 재설계가 필요할 수 있습니다. 거친 다각형을 빠르게 생성하고 전류 밀도와 저항을 시뮬레이션하는 기능을 통해 설계 팀은 상당히 자유롭게 실험함으로써 레이아웃 최적화에서 큰 진전을 이룹니다. 또한 전력 MOSFET 설계에서 진정한 혁신의 가능성을 열어줍니다.

PowerX 툴은 간단하고 명확한 입력, 상세한 결과 테이블, 강력하고 직관적인 시각화 등 성공적인 ParagonX 방법론을 따라 전력 소자 시뮬레이션을 이해하기 쉽게 지원합니다. 설계 팀이 전력 소자 및 PMIC의 품질, 견고성, 신뢰성을 보장하는 데 필요한 모든 필수 기능도 제공합니다. 또한 이 소프트웨어는 GDS, CCI 및 PVS 파일을 포함하여 최종 검증을 위한 여러 데이터 형식을 지원합니다.

소자가 더 작아지고 더 빨라지며 더 많은 전력을 소모함에 따라 효율적이고 신뢰할 수 있는 전력 시스템을 설계하는 것이 더욱 중요해지고 있습니다. Ansys 시뮬레이션을 통해 엔지니어는 아이디어를 조기에 테스트하고, 문제를 더 빠르게 포착하며, 확신을 바탕으로 대담한 새로운 설계를 연구해볼 수 있습니다. 기술이 경계를 넓혀감에 따라 시뮬레이션의 정밀성, 속도 및 접근성을 통해 이러한 과제를 적절히 해결할 수 있으므로, 앞으로도 시뮬레이션을 동력으로 삼아 다양한 방법으로 혁신을 계속 진행할 수 있습니다.

여기에서 Ansys PowerX 툴 및 기타 Ansys 반도체 솔루션에 대해 자세히 알아보십시오. 여기에서 다중물리를 사용한 아날로그 설계 최적화 전자책을 다운로드하십시오.