자동차용 반도체 및 전자부품 선택 가이드

자동차와 반도체 산업은 국내 경제를 지탱하고 있는 핵심 기간산업이다. 두 산업은 독자적으로 세계 경쟁력을 확보하기 위해서 다양한 기술개발을 벌이고 있는 것 또한 사실이다.자동차 산업은 반도체를 중심으로 하는 부품 산업이 취약하고 반도체 산업은 메모리 비율이 과도한 문제에 직면해 있다. 이 같은 두 산업 분야의 당면 문제를 해결하기 위한 것 중의 하나가 자동차 반도체라 할 수 있을 것이다.미국, 일본 등 선진국의 반도체 산업 중 자동차용 반도체가 상당한 비중을 차지하고 있으나 국내에서는 2005년 전후로 민간 및 정부에서 많은 관심 대상으로 떠오르고 있다. 자동차 반도체 산업 육성은 의욕만으로 성공시킬 수 없는 많은 난제가 산재되어 있는 분야라 할 수 있다.성공적으로 자동차 반도체 산업을 발전시키기 위해서는 국내 관련 산업이 지니고 있는 잠재 역량을 충분히 발휘할 수 있도록 산학연관의 유기적인 협력체계가 필요할 것이다.이 글에서는 성공적으로 국내 자동차 반도체 기술개발을 위한 기반으로서 자동차 산업을 중심으로 하는 반도체 응용분야와 상용화를 위한 신뢰성 평가방안에 대하여 기술하고자 한다.자동차 반도체 현황자동차용 반도체란 자동차 내·외부의 정보를 측정하는 장치인 센서, 엔진, 트랜스미션 등의 ECU(Electronic Control Unit), 모터 등의 구동 장치(actuator)에 사용되는 반도체를 총칭한다. 초기에는 엔진, 변속기 등에 사용되는 프로세서 기술 중심으로 발전했으나, 최근에는 각종 정보를 감지하는 센서, 파워 디바이스, 차량 네트워크 등과 관련된 반도체 기술이 주목을 받고 있다.자동차용 반도체는 PC, 가전제품 등에 사용되는 일반 반도체와 차별화 되는 기술과 고기능성을 요구하고 있다. 자동차용 반도체는 운전자의 생명과 직결되기 때문에 높은 수준의 신뢰성이 요구되며, 그 밖에 내고열, 고내압, 내진동의 보다 엄격한 기준이 적용되고 있다.자동차용 반도체의 시장 규모는 2002년 세계 반도체 생산액의 9%인 126억 달러로 나타났다. 용도별 비중은 바디 시스템이 26%로 제일 높게 나타났고, 다음으로 파워트레인 시스템(22%), 정보 시스템(19%), 안전 시스템(18%) 등의 순으로 조사되고 있다.배기가스 및 안전 규제 강화, 소비자들의 기호 변화, 기술 발전의 가속화 등으로 자동차용 반도체 제조 기술도 동반 성장할 것이다. 미래형 자동차의 개발이 가속화되면서 향후 4년 내외에 자동차용 반도체의 시장 규모가 PC용 반도체 시장 규모를 추월할 것으로 전망된다. 일본 노무라 종합 연구소는 2010년의 자동차용 반도체 시장 규모를 최대 640억 달러로 보고 있으며, 모토로라는 400억 달러 내외로 예상하고 있다.공해 및 에너지 문제를 해결하기 위하여 자동차 업계에서는 하이브리드, 연료전지 개발을 위하여 다양한 활동을 벌이고 있다.미래의 자동차 핵심 부품기술을 선점하기 위해서 현 단계의 하이브리드 자동차에서 전력 반도체 기술을 개발하는 것이 필수적이다.2003년 CARB 법안 발효에 따라 저공해 자동차 대미 의무수출을 시작으로 유럽연합의 CO2 규제, 미국의 LEV-II/Tier-II(ULEV, SULEV) 및 유럽의 EURO-IV/V 배기가스 규제 등에 대응하기 위해서 세계 각국은 주요 자동차 생산업체뿐 아니라 국가주도의 기술과제로서 추진되고 있다.화석연료를 전량 수입에 의존하는 우리나라로서는 연료효율이 높은 하이브리드 자동차를 조기에 상용화함으로써, 연료 절감으로 얻는 국가적 이익은 현재 상용화된 하이브리드 자동차의 연비가 동급차량의 2배에 달하는 것을 감안한다면, 미래에 수십억 달러의 수입절감 효과를 얻게 된다. 뿐만 아니라 배기가스로 인해 정부에서는 이같은 하이브리드 자동차 개발을 위하여 미래형자동차 사업의 핵심 분야로서 시스템 기반의 기술개발을 추진하고 있다. 하이브리드 전력 시스템을 성공적으로 개발하기 위해서는 다양한 반도체 기술개발이 필요하다.HEV용 PCU는 HEV의 엔진에 해당하는 핵심 부품으로써 국산화 개발이 시급할 뿐만 아니라 반드시 필요한 부품인데, 이 PCU의 가장 핵심이 되면서 가장 고가인 부품이 IGBT 파워 모듈이다.자동차에 탑재되는 IGBT 파워 모듈은 고성능, 고도의 신뢰성, 안전성 및 높은 효율 등이 요구되며, 현재 국내에 기술기반이 매우 취약하여 본격 사업을 위해서는 해외업체에 의존하고 있는 실정이다. 환경오염 면에서도 효과는 더 크다고 할 수 있다.기존 자동차의 Infortainment, Power Train, Body, Chasis 등에 적용되는 반도체의 범위는 Flash Memory 등의 메모리, 마이크로 프로세서, ASIC, MEMS 등의 sensor, Analog IC, Logic, Optoelctronics, Discrete, 전력 반도체등으로 매우 광범위하다.신뢰성과 공급 안정성을 우선순위로 하고 있는 자동차 업계의 특성상, 기존 제품의 국산화 대체의 효과는 매우 미흡할 것으로 판단된다. 따라서 성장성과 실제 개발 가능하며, 핵심 기술의 확보시 파급 효과가 큰 분야의 자동차용 반도체를 발굴하여 이를 집중적으로 연구 개발하여 국산화하는 것이 필요하다.자동차 반도체에서 마이크로 프로세서는 시장 규모가 가장 크며 용도에 따라 8bit에서 32bit로 광범위하게 사용되고 있다. 일반 반도체 시장용의 경우도 현재 국내에서는 코어(core)를 수입하여 사용하고 있으며 자동차의 경우 거의 수입에 의존하고 있다.메모리 제품은 기존 시장에서 사용되는 것과 큰 차이 없고, 메모리 기술의 경우 DRAM과 Flash RAM의 경우 국내 기술력의 수준은 세계 최고 수준이다.이산(descrete) 소자의 경우 현재 사용 빈도는 매우 높으나,시장은 비교적 낮은 성장도를 나타내고 있다.스마트 파워 소자의 경우 기술적인 면에서는 이산 소자 기술, 아날로그 및 디지털 회로, IC 기술, 패키지 기술이 자동차용 특성에 맞게 서로 뒷받침하며 개발돼야 한다. 현재 자동차용 전력 반도체의 기술은 상당 부분 스마트 파워 소자 기술을 중심으로 발달되고 있다.전력 반도체의 분류와 현재 자동차 시장에서의 위치는 다음과 같다.EPS(Electric Power Steering)의 경우 40V급의 대전류 MOSFET 모듈이 사용되고 있고 ISA(Integrated Starter Alternator)의 사용 전압은 배터리 전압 기준으로 높지 않으나 효율에 의한 에너지 절감 효과가 크기 때문에 역시 모듈화 된 Power MOSFET 제품이 사용된다.하이브리드 전기 자동차의 경우 주행시 모터가 거의 작동하지 않고 초기 시동시나 가속시에만 모터가 작동하는 소프트 타입의 경우 2010년에 약 200만대 이상, 2015년에는 500만대 이상의 시장이 성립될 것으로 보인다.하이브리드 자동차는 국내 시장의 경우 2010년도에는 약 30만대의 시장이 될 것이며 IGBT를 사용한 인버터가 탑재되며 1대당 IGBT module의 가격을 200$로 가정할 경우 약 6000만 불 대역의 IGBT 시장이 형성될 것이다.그림 4에서 나타난 것처럼 전기 자동차용 IGBT 모듈 시장의 발전 속도는 기타 산업용이나 가전용 등에 사용되는 IGBT 모듈의 성장 속도보다 훨씬 빠르게 성장하고 있다.하이브리드 자동차용 IGBT 모듈은 일반 산업용 IGBT 보다 고온 및 저온에서의 안정성을 갖춰야 하며, 차량 내부의 공간 때문에 훨씬 더 작은 면적에서 최대한의 전류를 흘릴 수 있는 특성을 갖추고 있어야 한다. 또한 소자의 상태가 드라이버 회로에 실시간으로 센싱, 제어돼야하므로 과전류, 회로 단락, 온도 검지, 정전기 등의 부가 기능이 함께 탑재되어 있는 IGBT를 선호하고 있다.자동차 반도체 신뢰성 평가후발 자동차 반도체 관련 부품 및 모듈을 개발하고자 하는 국내 기업들의 가장 취약한 문제점은 신뢰성 문제에 기인하는 각종 품질관련 사항이라 할 수 있다. 자동차 업계에서는 반도체, 반도체 업계에서는 자동차라는 기술 특징에 대하여 정확하게 이해하지 못하는 면이 있다. 이는 이종업계 간의 교류가 전무한 국내 특수성에 기인하는 문제점일 것이다.아래 그림 5에서 알 수 있듯이 자동차 시스템에서 가장 문제가 많이 발생되고 있는 분야는 전기·전자 장치임을 알 수 있다.자동차 파워 디바이스 각종 부품 및 제품의 안전성과 신뢰성을 확보하기 위한 정책적인 대안으로서 시행되고 있는 제조물책임법(PL)의 대응 방안으로서도 반드시 신뢰성 기술의 현장접목은 필수 불가결한 사항이다. 신뢰성 기술의 현장적용에 있어 기존에 적용된 QS9000으로는 광범위한 현장의 신뢰성 문제를 극복하는데 있어 한계가 있기 때문에 이러한 한계극복을 위한 새로운 대안으로 논의되고 있는 방법들의 현장 적용을 고려해야 할 것이다.최근 들어서 제품의 개발납기 단축과 설계 및 시작품의 결함을 신속하게 추출하고, 문제점을 짧은 기간 내에 제거하기 위한 방법의 개발을 위한 초가속 신뢰성 시험 및 초가속 스크리닝 등의 기법 개발 활동이 활발히 전개되고 있으므로 제품 평가기술의 도입 및 현업 적용이 필요하다.자동차용 파워 반도체에서의 신뢰성 기술 적용은 대부분이 제조물책임 대책 가운데 하나인 Product Safety 대책과 연동되므로 신뢰성 기법의 적용대상을 명확하게 정의해야 하며, PL 문제를 제거할 수 있도록 현업 적용과 더불어 실행안이 도출되어야 한다.신뢰성 기술과 품질경영 활동의 연계운영은 반드시 필요하며. 최근 각 기업의 Single ppm 확보를 위한 경영수단으로서 품질경영 활동이 활발하게 전개되고 있으나, 추진 활동의 목표가 단순히 품질개선과 품질향상 측면만 강조되어 운영되는 측면이 많다.신뢰성 평가를 위해서는 실험적 방법과 해석적 방법으로 크게 분류할 수 있다.- 신뢰도 예측을 위한 평가시험: System 요구수준에 부합하는 신뢰성 시험 및 시험결과를 근거로 하는 Weibull 분포에 의한 신뢰도 예측- 신뢰성시험과 시장 불량율 데이터 분석: 신뢰성 시험과 시장불량율 데이터 분석에 근거하는 수명예측 및 고장까지의 평균수명예측(MTTF 추정)- 신뢰성 시험에 근거하는 잠재고장원인 분석: 고장물리 및 고장해석 기법에 의한 잠재고장 영향도 해석(FMEA), 고장해석(FTA), 잠재고장형태에 관한 치명도 분석(FMECA), 전개 및 고장원인 규명(Software 활용)신뢰성을 향상시키기 위한 개발 기간을 단축하기 위하여 고장 메커니즘을 기반으로 한 신뢰성 시뮬레이션(Virtual Qualifi- cation)을 사용하여 가속수명시험을 하지 않고 짧은 시간에 제품개선 및 수명예측이 가능하다.그림 8은 GM사의 BCM 모듈에 대한 실제 적용 사례로서 전기/전자부품, 고장, EMC 측면과 관련된 신뢰도 향상을 통해 63%의 수명을 연장시켰다. GM에서는 VQ 기반의 시뮬레이션 결과의 신뢰성 향상을 위하여 가속수명시험 평가를 비교했다.따라서 성공적으로 국내 자동차 반도체 개발을 하기 위해서는 기능적 측면의 기술은 물론이고 제품의 신뢰성 확보를 위한 신뢰성 평가기술 확보도 중요할 것이다.
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