내 수정이 시작하지 않는 이유와 MCU 자체와의 연관 방식

우리 모두가 알다시피 전원을 켠 후 MCU 또는 MPU가 받게 되는 처음이자 기본적인 입력은 클록 소스입니다.

외부 클록 소스를 MCU에 공급하는 방법에는 몇 가지 옵션이 있습니다. RC 회로, 세라믹 공진기, 수정(수정 진동자라고도 알려짐), 수정 발진기 및 실리콘/MEMS 발진기 모듈입니다.

응용 분야를 위한 최적의 클록 소스는 비용, 정확도, 전력 소비, 환경 파라미터 등 수많은 요인에 따라 달라집니다.

이번 글에서는 세라믹 공진기 또는 수정(단순하게 설명하자면 세라믹 공진기는 실제로 내장형 커패시터가 포함된 수정이며, 수정 진동자는 세라믹 공진기보다 더 정확하며 온도가 안정적임)의 사용에 대해 설명하고자 합니다. 수정은 XTAL이라고도 합니다.

수정은 저렴하다는 명백한 이유로 인해 비용에 민감한 응용 분야에서 폭넓게 사용되고 있습니다. 하지만 정밀도와 고주파 안정성도 갖추고 있으어 비용이 중요한 문제가 되지 않는 수많은 응용 분야에서 사용되고 있습니다.

수많은 MCU 벤더에서 설계자에게 수정을 MCU에 올바르게 연결하는 방법과 커패시터와 저항기에 대해 올바른 값을 선택하는 방법을 안내하고 PCB 레이아웃 우려 사항을 설명하는 자체 응용 참고사항을 제공하고 있습니다.

결과적으로 설계 공정, 테스트 및 현장 시범을 마칠 때 사용자가 “우수한 엔지니어링” 설계에 만족하게 됩니다. 또한 모든 것이 제대로 작동하며 제품은 보통 전 세계 어딘가에 있는 계약 제조업체(CM)를 통해 생산 단계로 들어가게 됩니다.

하지만 6개월에서 수년 정도의 시간이 흐르면 CM으로부터 제품이 조립 공정 후 계속/중단 테스트를 통과하지 못했다는 소식을 듣게 됩니다. 시간을 들인 조사 끝에, 테스트 실패 이유가 수정이 시작되지 않아 MCU가 작동하지 않기 때문이라는 것을 알게 됩니다.

여러분은 머리를 긁적이며 생각하게 될 것입니다. “도대체 무슨 일이 벌어지고 있는 거지?” 여러분은 이미 이 제품에 대해서는 잊어버렸고 새 제품에 깊게 관여하고 있습니다. 거기서 무엇이 설계되었는지 기억나지 않으며 담당 설계자는 더 이상 여러분과 함께 일하지 않습니다. 물론 시간도 없습니다. 정말 엉망인 상황입니다!

이는 자주 발생하는 현상은 아닙니다. 지난 10년 동안 약 12건 정도의 사례를 알고 있습니다. 물론 제가 모르는 사례도 있을 것입니다.

실제로, 그 이유는 수정이 아니라 MCU와 “다이 축소”로 알려진 공정때문입니다. 다이 축소의 기본적인 정의는 고급 제작 공정을 사용해 반도체 IC에 대해 동일한 회로를 만들고 트랜지스터/게이트 크기와 상호 연결 거리를 줄이는 것입니다. 다이 축소 공정을 이용하면 동일한 실리콘 웨이퍼에서 더 많은 프로세서 다이가 제조되어 제품당 비용을 낮출 수 있습니다.

다이를 축소하면 칩의 동일한 클록 주파수를 유지하면서 각 트랜지스터가 사용하는 전류를 줄일 수 있으므로 다이 축소는 최종 사용자에게도 이득이 됩니다. 그 결과 전력 소비가 낮고 클록 속도가 향상된 제품을 만들 수 있습니다. 또한 벤더들은 다이 축소 전에는 구현할 수 없었던 IC의 추가 기능을 구현할 수 있게 됩니다.

다이 축소는 반도체 회사에서 가격/성능을 향상시키는 핵심 요소이며 기간당 한 번 발생합니다. 이 기간은 일 년에 한 번이거나 몇 년에 한 번일 수 있습니다.

그림 1: 수정의 전기 등가 회로

하지만 이 “다이 축소” 공정에서 변하지 않는 것은 다이가 실장되는 패키지 자체입니다. 다이 패드와 패키지 핀 사이의 거리는 더 길어졌습니다. 패드와 핀 사이의 트레이스 길이가 전기적으로 “더 길어”지면 부하의 임피던스와 저항(ESR)에 영향을 미치며, 축소된 다이의 더 빠른 전자 속도는 유도 용량에 영향을 미칩니다.

MCU 패키지가 커질수록 다이 축소의 영향을 받을 수 있는 가능성이 더 높아집니다. 수정은 RLC 회로처럼 동작하며 계산을 수행하지 않아도 다이 축소 공정 이후의 이러한 R, L, C 파라미터는 다이 축소 전의 초기 설계 단계 중에 선택되고 테스트를 거친 커패시터 및/또는 저항기의 값에 영향을 미칠 수 있습니다.

이 현상은 설계 공정 중에 수정이 시작되지 않는 상황과 유사합니다. 하지만 무슨 일이 일어나고 있는지 확인하고자 범위 프로브로 핀을 건드리면 갑자기 발진하기 시작합니다. 프로브는 수정을 시작하기에 부족했을 수 있는 추가적인 자기 정전 용량을 추가합니다.

그렇다면 해결책은 무엇일까요?

사실 이 문제가 발생하면 할 수 있는 일이 많지 않지만 가장 중요한 것은 문제를 인식하는 것입니다. 또한 “화재를 진압하는 가장 빠른 방법은 예방하는 것이다.”라는 소방관의 말도 있습니다. 따라서 전체적인 시스템 비용에 20센트 ~ 40센트를 더하는 것이 큰 문제가 아니라면 수정 진동자 대신 단순한 수정 발진기를 사용할 것을 권장합니다. 수정 발진기는 완전한 통합 솔루션입니다. 발진기 제조업체는 석영 공진기를 발진기 회로와 일치시켜 기판 설계자의 정합 부담을 덜어줍니다. 또한 수정 발진기는 견고한 작동, EMI 및 진동에 대한 낮은 감도, 보증된 시작 등 수많은 다른 이점도 갖추고 있습니다.

또 다른 해결책은 유지 관리입니다. 신뢰할 수 있는 벤더 중 대다수는 다이 축소를 포함한 부품을 변경할 때 PCN을 발급합니다. 그중 일부는 다이 변경 부품 간 구분을 위해 부품 번호에 접미사를 추가하기도 합니다. 따라서 다이 축소의 PCN을 모니터링하면 설계자는 기존 설계의 기판과 새로운 다이 축소 MCU를 활용할 수 있으며 “여가 시간”에 미리 적합하게 작동하는지 테스트해 볼 수 있습니다. 문제가 감지되면 제품을 수정해 대량 생산 마지막에 예상치 못한 문제가 발생하는 것을 예방할 수 있습니다. 이는 생산이 다른 국가나 장소에 있는 계약 제조업체에 의해 수행될 경우 특히 유용합니다.