아날로그와 디지털 회로 설계에서 기생 정전용량(Parasitic Capacitance)은 회로 성능에 미묘하면서도 결정적인 영향을 미치는 요인입니다. 특히 배선 길이와 배선 간 간격, 배선과 기판 사이의 구조에 따라 기생 용량이 결정되며, 이는 신호 속도, 전력 소비, 신호 왜곡에 직결됩니다.
이번 글에서는 기생 정전용량의 발생 원리와 계산 방식, 배선 길이 및 구조와의 관계, 그리고 이를 설계에서 제어하기 위한 전략을 정리합니다.
1. 기생 정전용량이란?
기생 정전용량은 회로 설계자가 의도하지 않았지만, 도체 사이에 형성된 정전기적 결합에 의해 발생하는 용량 성분입니다. 다음과 같은 상황에서 자연적으로 발생합니다:
- 두 배선이 평행하게 나란히 배치될 때
- 배선과 Substrate 사이에 면적이 넓게 겹칠 때
- 다층 배선(Metal Layer) 간 간격이 좁을 때
이러한 기생 용량은 입력 지연을 유발하거나 Slew Rate를 늦추며, 클럭 트리나 고속 신호 경로에서 특히 문제가 됩니다.
2. 배선 길이와 기생 정전용량의 상관관계
기생 정전용량은 배선 구조에 따라 정량적으로 예측할 수 있습니다. 대표적으로 다음 식이 사용됩니다:
- C: 정전용량
- ε: 유전율 (유전체 재료의 특성)
- A: 도체 간 겹친 면적 (길이 × 폭)
- d: 두 도체 간 거리
→ 길이가 길수록, 간격이 좁을수록, 겹친 면적이 넓을수록 기생 용량은 커지게 됩니다.
예시:
- Metal1 배선이 길이 100μm, 폭 0.2μm, Substrate와의 거리가 0.5μm인 경우 → C 증가
- 동일 배선에서 Metal2 위에 신호선이 병렬로 지나갈 경우 → Coupling Capacitance 증가
3. 기생 정전용량이 회로에 미치는 영향
| 영향 항목 | 설명 |
|---|---|
| 입력 지연 | 높은 C는 RC 시정수 증가 → Signal Delay 유발 |
| Slew Rate 저하 | 신호 상승/하강 시간이 길어짐 |
| 소비 전력 증가 | 클럭 구동 시 불필요한 충방전 반복 |
| 신호 간 간섭 | 인접 라인 간 Coupling 발생 (Crosstalk 현상) |
4. 설계에서의 제어 전략
기생 정전용량은 완전히 제거할 수는 없지만, 레이아웃 최적화를 통해 충분히 제어 가능합니다.
● 배선 길이 최소화
- 민감한 신호선은 짧고 직선적으로 배치
● 층간 간격 조절 및 위상 차 배선
- 두 배선이 병렬하게 달릴 경우, 일부 구간에서 배선 높이(레이어)를 다르게 하여 Coupling 감소
● Shield 배선 추가
- 민감한 신호선 사이에 GND를 배치하여 커플링 방지
● 유전체 재질 선택
- 저유전율(Low-k) 재료 사용 시 전체 기생 용량 감소 가능
● 시뮬레이션 기반 튜닝
- PEX 후 실제 기생 용량을 포함한 시뮬레이션 진행
- 최종 타이밍 및 Slew 분석 반영해 배선 구조 조정
한 줄 요약
"기생 정전용량은 길이와 면적으로 누적되며, 신호의 지연과 전력 손실의 숨은 주범이다."
다음 글 예고
👉 [Chapter4] 금속 재질 선택과 적층 구조의 기생 영향