EMI 차폐 패키지, 전자파를 막는 금속막과 접지의 원리

철도 옆 주택가에는 높은 방음벽이 서 있습니다. 소리가 지나가는 길목에 벽을 세워 일부는 되돌려 보내고 일부는 흡수하게 만들어, 벽 너머로 새어 나가는 소음을 줄이는 구조입니다.

전자파도 비슷하게 막을 수 있습니다. 무선 통신 칩과 고속 칩이 한 패키지에 들어가는 요즘, 서로의 신호를 방해하지 않도록 하는 EMI 차폐 패키지가 필요해졌습니다.

비유와 다른 점은 벽을 세우는 것만으로는 부족하다는 것입니다. 전자파 차폐에서는 벽이 접지에 제대로 연결되어야 하고, 틈의 크기도 파장과 맞춰 따져야 합니다.

칩 사이에서 전자파 간섭이 생기는 이유

EMI(Electromagnetic Interference, 전자파 간섭)는 어떤 회로에서 나온 전자파가 다른 회로의 동작을 방해하는 현상입니다. 고속으로 켜지고 꺼지는 클록과 스위칭 전원, 무선 송신 회로가 대표적인 발생원입니다.

간섭은 두 방향으로 일어납니다. 내 칩에서 나간 전자파가 주변을 방해하는 방출, 그리고 바깥의 전자파가 내 칩을 흔드는 영향입니다. 여러 칩을 한 패키지에 담는 SiP(System in Package)에서는 안쪽 칩끼리도 서로 방해할 수 있습니다.

EMI 차폐가 전자파를 막는 원리, 반사와 흡수

차폐의 기본은 도체로 된 벽을 세우는 것입니다. 전자파가 도체 표면에 닿으면 대부분 되돌아 나가고, 벽 안으로 들어간 일부는 도체 안에 전류를 일으키며 에너지를 잃고 흡수됩니다.

도체 안으로 파고드는 깊이는 주파수가 높을수록 얕아집니다. 이 깊이를 표피 깊이(Skin Depth)라고 하며, 구리는 1 GHz에서 약 2 µm, 10 GHz에서 약 0.65 µm 수준으로 계산됩니다. 그래서 수 µm 두께의 얇은 금속막으로도 상당한 차폐가 가능하다고 설명합니다.

차폐 성능은 dB 단위로 말하고, 숫자가 클수록 더 많이 줄였다는 뜻입니다. 예를 들어 20 dB이면 전계의 세기가 10분의 1로 줄어드는 정도입니다.

패키지 주변에서 쓰는 세 가지 차폐 방법

패키지 주변의 차폐는 크게 세 가지로 나눌 수 있습니다. 보드 위에서 부품 전체를 금속 뚜껑으로 덮는 방식, 패키지 표면에 금속막을 입히는 방식, 패키지 안에서 칩 사이에 벽을 세우는 방식입니다.

기기가 작아질수록 높이와 면적을 아끼려고 EMI 차폐를 패키지 안으로 가져오는 방향으로 갑니다. 컨포멀 차폐가 금속 캔과 비교해 크기 부담이 작다는 점이 큰 이유입니다.

컨포멀 차폐가 만들어지는 흐름

스퍼터링은 금속 원자를 때려 내어 표면에 얇게 입히는 증착 방법입니다. 구리나 스테인리스강 같은 금속을 겹쳐 쓰는 경우가 많고, 한 층은 전기 전도를, 다른 층은 접착과 표면 보호를 맡는다고 설명합니다.

참고로 EMC라는 약어는 쓰이는 분야에 따라 뜻이 갈려 혼동하기 쉽습니다. 패키지에서는 봉지 재료인 에폭시 몰딩 컴파운드(Epoxy Molding Compound)를, 전자파 분야에서는 전자파 적합성(Electromagnetic Compatibility)을 가리킵니다.

접지와 틈, 차폐가 새는 자리

금속막을 입히기만 하면 차폐가 된다는 생각은 흔한 오해입니다. 막이 접지에 연결되지 않으면 막에 유도된 전류가 빠져나갈 길이 없어서, 차폐 성능이 크게 떨어질 수 있습니다.

틈도 문제입니다. 막에 뚫린 구멍이나 접지 연결 사이의 간격은 전자파가 새는 통로가 되고, 틈의 길이가 파장에 가까울수록 더 잘 샙니다. 설계에서는 틈의 길이를 파장의 20분의 1 이하로 억제하는 경험칙이 쓰입니다.

주파수가 높아질수록 허용되는 틈이 줄어듭니다. 고주파 칩일수록 접지 연결을 촘촘하게 하고 막의 틈을 줄여야 하는 이유입니다.

안테나를 패키지에 넣는 구조에서는 또 다른 고려가 필요합니다. 안테나가 향하는 쪽에 차폐막을 입히면 신호 자체가 막히므로, 그 부분은 차폐에서 제외해야 합니다.

EMI 차폐 패키지 비교 표

구분	금속 캔	컨포멀 차폐	구획 차폐
위치	보드 위, 부품을 덮는 뚜껑	패키지의 윗면과 옆면	패키지 안, 칩 사이
만드는 방법	금속 뚜껑을 씌움	스퍼터링으로 금속막 증착	몰드에 홈을 파고 도전 재료 충전
주로 막는 대상	바깥과의 간섭	바깥과의 간섭	안쪽 칩끼리의 간섭
크기 부담	높이와 면적이 늘어남	늘어나는 양이 작음	늘어나는 양이 작음
접지 연결	보드의 접지 패턴에 연결	기판 옆면의 접지 배선에 접촉	기판의 접지 배선에 연결
놓치기 쉬운 점	뚜껑 이음새의 틈으로 누설	접지 접촉이 끊기면 성능 저하	홈 사이의 간격이 틈이 됨

핵심 정리

EMI 차폐는 도체 벽이 전자파를 반사하고 흡수하게 만드는 일이며, 패키지에서는 컨포멀 차폐와 구획 차폐가 크기를 아끼면서 그 벽을 세웁니다. 벽을 세우는 것만으로는 부족하고, 접지 연결과 틈의 길이가 성능을 함께 좌우합니다.

방음벽이 틈 없이 이어져 있어야 소음이 줄어들듯, 차폐도 끊김 없는 접지로 이어질 때 벽 구실을 합니다. 다만 전자파의 벽은 µm 단위의 얇은 금속막으로도 만들 수 있다는 점이 소음과 다릅니다.

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