System-in-Package (SiP) technology has been a promising solution to a system minimization with an integration of all components which a system function needs. Also, Ultra Wide-Band (UWB) System has been emerging as a promising wireless application for a high-speed data transmission, low-power consumption and low design complexity in Wireless Personal Area Network (WPAN) in these days. Due to a very different frequency range from single frequency in RF circuit to wide and multiple frequencies in digital circuit and a difference in physical dimension from a chip-scaled micro-meter to a few centimeters order in board level, a mixed UWB transceiver SiP is getting harder to be working successfully at a one time. In order to enhance a system yield and increase a success-rate of system function, this paper introduces a co-design method at three different system classes of chip, package and board. The co-design method consists of various different modelling methods such as a mathematical model, behaviour model, matrix model, spice model and functional code model. With these models, it is possible to analyze noise effect on UWB system before the system fabrication.
Key word: Ultra Wide-Band (UWB), System-in-Package (SiP), Co-design method
본 논문은 초광대역(UWB)을 사용하는 비동기식 통신시스템을 칩,패키지,PCB를 동시 설계하여, 저잡음과 저전력의 SiP로 구현하는 방법을 제안한다. 다양한 신호를 실제 생산하는 회로영역과 이러한 신호를 잡음에 적게 영향을 받도록 환경을 제공하는 패키지와 PCB영역은 서로를 고려하지 않고 설계하여, 구현시에 예측 신호화는 다른 파형을 나타내는 문제점이 있다. 특히, SiP와 같은 혼합모드 시스템은 (Mixed mode system)은 이러한 잡음문제에 더욱 취약하다.
논문에서는, SiP설계시에 발생할 수 있는 다양한 신호 무결성(Signal integrity) 문제와, 전력 무결성(Power integrity) 문제를 야기할 수 있는 원인들을 사전에 고려하여 SiP를 설계하는 방법을 제안하였다. 먼저 신호 무결성을 해치는 요인으로, 칩과 패키지를 연결하는 와이어본딩(Bond-wire)에서 오는 신호의 반사효과, 본딩패드(Bondign-Pad)와 전송선간의 반사효과, 비아(Via)에서 발생하는 저주파통과필터 효과, 패키지에 필터를 삽입했을 경우에 생기는 반사효과 등이 있다. 전력 무결성을 해치는 요건으로 전력판과 접지판의 모양과 크기, 서로다른 전위를 지나는 비아로 부터의 잡음, 패키지와 PCB를 연결하는 볼(ball)의 배치 등이 있다. 상기 논문에서는 다양한 방법을 제안하고 적용하여 이러한 문제들을 해결하였다, 실제로 저잡음 SiP를 설계,구현하여 기존의 초광대역 송수신기 대비, 적은 파워로 더 큰 성능을 개선하고 그 동작을 측정을 통해 검증하였다.
또한, 칩,패키지 그리고 PCB에 존재하는 다양한 다른 부분들을 가장 최적화된 방법으로 각각 모델링을 하고, 이를 하나의 통합된 시스템 모델로 연결하여, 실제 제작 전에 파형을 정확히 예측하는 방법을 제안하였다. 이를 통하여 실제 파형과 오차 범위 5%이내에서 정확한 파형의 예측이 가능하였다. 이때 분석하는 시간은 기존의 연구에서 행해진바 없어 비교 불가하나, 기존의 회로만을 분석하는데 걸리는 시간에 비해 70%의 시간을 줄였다. 이 방법을 이용하여 실제 잡음을 인가하여, 잡음에 대하여 설계된 초광대역 송수신기가 얼만큼 그 파형이 왜곡되는지를 6%오차 범위 내에서 정확하게 분석 및 예측하여 이를 측정을 통해 검증하였다.
