자동차 애플리케이션용 고온 전장품으로의 전진

자동차용 반도체 및 전자부품 선택 가이드

머리말제품 개발 R&D 활동 논의를 위해 유럽 자동차 제조업체들이 구성한 EUCAR 위원회(자동차 R&D를 담당하는 유럽위원회)에서 고온 전장품이 가장 중요한 추진 사안의 하나로 선정됐다. 고온 자동차 애플리케이션에서 사용되는 전자 시스템을 위한 경쟁력 있고 신뢰할 수 있는 기술을 산업화하기 위해서는 공동의 노력이 필요하다고 인식했다. 이에 따라 자동차 공급업체 및 이들의 연합인 CLEPA(유럽 자동차 공급업체연합)와 합의함으로써 효과적인 업계 협력을 위한 토대가 마련되었다.자동차 전장품의 지속적인 성장전장품은 자동차에서 핵심적인 기술로 혁신 프로세서의 주요 부분에 관련되어 있기 때문에 경쟁력을 갖추기 위한 전략적인 요소로 자리잡고 있다. TRW에서 실시한 최근 연구에 따르면 혁신적인 자동차 내장 부문의 약 90%가 첨단 전자제어 시스템에 의해 직접 작동되며 자동차 기능의 75% 이상이 소프트웨어에 의해 제어되는 것으로 나타났다. 현재 자동차 전장품의 연간 성장률은 18% 이다.자동차용 애플리케이션용 반도체 시장은 1995년 60억 달러에서 1999년 130억 달러, 2002년에는 210억 달러에 달했다. 전자제어 시스템의 내재가치는 1995년 400억 달러에서 1999년 550억 달러로 증가했다. 1999년 전세계 자동차 생산량은 5,350만대에 이르렀으며, 이에 각 자동차에는 1,000달러 상당의 전장품이 사용된다고 볼 수 있다. 이 수치는 연간 15.3% 비율로 성장하고 있다. 하지만 전장품 시장에서 자동차의 비중은 5%에 불과한 상황인데다(그림 1), 신뢰성, HT 기능, 저비용에 대한 압박과 같은 난제도 해결해야 한다. 즉, 자동차용 전장품은 군용 장치에 준하는 안정성을 제공하는 동시에 소비자 제품과 같은 수준의 가격 정책을 따라야 하는 것이다.고온 전장품에 집중자동차 전장품 분야에서 유럽이 주도적인 지위를 유지하려면 시장과 법률 제정의 동인(driving force)을 주목해야 한다. 이들은 보다 높은 연비, 보다 안전하고 편리한 기능과 함께 자동차가 환경보호를 최대 목표로 하는 고급 운송 시스템으로 보다 높은 수준으로 통합되도록 요구하고 있다. 배선설비 최적화와 함께 무게, 공간상의 제약으로 인해 자동차 내에서는 더욱 고밀도의 통합이 요구되고 있다. 이러한 모든 사항은 시스템 비용 측면에서 가장 큰 과제를 안고 있는 작은 도시형 자동차의 경우 특히 중요하다.혁신적인 기본 기술, 예컨대 고급 반도체 기술과 회로 기술, 패키징 및 조립 기술은 비용을 현격히 절감시켜 줄 것이다. 전자 모듈과 기능이 메카트로닉스 장치로 더욱 통합되고 있는 상황과 고밀도 통합에 대한 필요성이 맞물리면서, 장비와 모듈이 자체적으로 발산하는 열이 증가함에 따라 주변 온도는 높아질 수밖에 없다. 이와 같은 현상이 자동차에서의 고온 전자 시스템 솔루션에 대한 수요를 이끌고 있다.자동차 애플리케이션차세대 자동차 ECU(Electronic Control Unit)는 작동장치에 밀접하게 또는 직접 설치될 것으로 예상된다. 이는 ECU가 엔진에 직접 설치되거나 변속기 내부, 브레이크 디스크 근처에 설치됨을 의미한다. 이러한 ECU의 국소화는 분산형 기계 시스템에서 기계 및 전기장치와 전장품 간의 기능적인 통합을 향한 비약적 발전을 보여주는 것이다. 따라서 전자부품은 주변의 높은 온도와 -40°C에서 최대 온도 사이의 빠른 온도 변화를 견딜 수 있어야 한다. 이와 동시에 강력한 기계적 충격과 높은 진동에 대한 내성도 갖춰야 한다. 표 1은 주변 온도가 최고 175°C인 가혹한 환경을 나타내는 고온 지점을 보여준다. 전장품 내부에서의 전력 손실이 추가적인 자체 발열로 이어진다는 점을 감안하면 접합부의 예상 가능한 온도는 최고 200°C에 이른다[1].엔진 컨트롤러의 경우 엔진실의 공간 부족, 배선 길이 및 복잡성 감소, EMI/EMC 관련 문제 완화, 흡입 공기 냉각 효과 향상과 같은 다양한 이유로 인해 ECU와 엔진 자체를 기계적으로 더 밀접하게 연결해야 한다(그림 3 참조).생산 조립 라인 마지막에서 엔진을 완전한 테스트를 거쳐 조정된 독립형 구성 요소로 취급하여 이와 관련한 경제적 및 물류적 측면에 대해 살펴보는 것도 의미가 있다. 가솔린 엔진의 경우 배출 가스를 더욱 줄이기 위해 정교한 전자 시스템을 사용한 흡기/배기밸브 제어가 의무화될 것이다.관리해야 하는 전력량은 많고 소형화에 대한 요구로 인해 HT 솔루션은 현재 평가가 진행 중이다. 열기관의 토크, 성능, 그리고 효율성을 높이기 위해 시동기와 발전기(교류 발전기)의 기능이 통합되면서 하나의 전기 장치로 인식될 것이다(다기능 시동기 및 발전기). 이를 통해 즉각 시동, 시작/정지, 지속적인 전력발전, 에너지 회수 및 공회전 속도 감소와 같은 다양한 기능을 구현할 수 있게 된다. 장치 관리를 위해 필요한 전력 ECU는 손실과 물리적 연결(배선 설비)이 최적화된 곳에 설치된다.동력계제어장치(TCU)는 자동 기어박스 제어를 위한 첨단 메카트로닉 시스템으로, 기어박스 내부에 직접 장착되어[6] 그림 5에서 기술된 것과 같은 가혹한 환경에서 작동 가능하다.반도체 개발자동차 산업에서는 저렴한 비용에 대한 요구 사항이 엄격하기 때문에 대량 생산이 가능한 솔루션은 반도체기반 솔루션이 유일할 것으로 예상된다. 이 접근 방법의 주목표는 대량 생산하면서 비용에 민감한 자동차 시장이다. 이러한 관점에서 광폭 밴드갭 반도체는 HT 자동차 애플리케이션에 대해 중단기적으로 적절한 솔루션이라고 볼 수 없다.반도체기반 기술과 관련하여 SOI가 빠르게 성장하고 있으며 이에 따라 SOI 디바이스의 비용도 더욱 저렴해지고 있다. SOI의 일부 부품은 온도 기능으로 잘 알려진 작동 방식 외에도 안정성과 소음에 대한 내성 덕분에 CAN 컨트롤러 등의 시장에서 판매되고 있다.자동차 분야의 까다로운 비용 목표를 달성하려면 표준 설계와 반도체 CMOS 벌크 기술은 최대한 재사용이 가능해야 한다. 따라서 표준 제품을 고온 기능이 강화된 기술과 함께 재사용하는 방법이 발전하게될 전망이다. μC, 신호 IC(로직, 메모리), ASIC 및 관련 드라이버 IC는 제어장치 구현을 위해 핵심적인 부품이기 때문에 주요 반도체 제조업체들은 다음과 같은 활동을 수행하게 된다. □ Tj3150℃용 16/32비트 μC 구현을 위한 CMOS 기술 도입 □ 한계 전압의 정밀 조정 및 최적화 단계 진행 □ 라이브러리를 고온에 최적화(설계, 레이아웃, 특정 셀) □ HT 애플리케이션을 위한 테스트 기술/장비 평가 및 구현 □ 고온 기술 자격 검증 □ 고온 본딩 경화의 평가 및 검증150℃ 이상으로 확대된 온도 범위에서 HT 전장품과 패키징 시스템을 개발하려면 패키징 및 인터페이스 기술에 대한 변형이 필요하다. 특히 다이 접착, 칩 크기 패키징, 플립 칩 조립(납땜 범프), 저충진기, HT 몰딩(그린 플라스틱 패키지) 등 요구 사항을 충족하기 위한 기술의 개발과 평가가 이에 해당된다.반도체 디바이스 생산을 고려할 때 베어 다이와 패키지 부품의 온도 관련 특성을 주의 깊게 재고해야 한다. 가동 시간에 따른 실제적인 온도 요구사항, 소위 임무 프로필을 허용 가능한 테스트 및 신뢰성 평가 방법론과 함께 파악해야 한다.패키징 및 상호 연결 기술기존 기술은 더 높은 온도와 가혹한 환경에 대한 확장된 요구 사항을 충족하지 못한다. 새로운 기술, 즉 다른 소재와 적합한 생산 공정을 개발해야 한다. 특히 와이어본딩, 기판, 땜납 및 접착, 캡슐화 영역에서 기술 교류가 예상된다. 고온에서 작동하는 패키징 소재의 주요 문제는 다음과 같다.·소재의 열팽창계수(CTE)와 관련한 소재 조합 적용인 이 작업은 열적 불일치에 의해 발생하는 기계적인 응력을 줄이기 위해 필요하다.·사용된 소재의 열적 안정성. 이는 금속 및 합금의 산화에 대한 저항력뿐 아니라 치명적인 금속간 상형성에 대한 저항력을 의미한다. 플라스틱 소재는 화학적 구성의 균열 또는 구조적 배치의 변경으로 인해 품질이 저하돼서는 안 된다.패키징 문제는 고밀도 통합이 가능해지면서 인해 영역 배열소자를 통해 뚜렷한 소형화 추세가 계속되고 있다. HT 애플리케이션은 베어 다이가 주도하겠지만(그림 6 참조), 패키지와 상호 연결의 중요성이 강조되면서 신뢰성에 대한 작업도 필요할 것이다(예: 저충진). 일반 유기 보드와 비교하여 보다 높은 온도에서 견딜 수 있는 성능을 갖춘 우수한 내열성이 필요한 ABS 애플리케이션에서는 지금까지 주로 LTCC 기판이 사용되었다.열전도성은 기판에 직접 열 경로용, 열 바이어스를 사용하면 더욱 개선할 수 있다. 전기 접점과 함께 열 범프를 사용한 플립 칩 조립체는 열관리 효율을 향상시켜준다. 일반 유기 소재와 반도체 및 LTCC의 CTE 간의 차이가 좁혀졌기 때문에 수증기가 감소되고 신뢰성도 개선될 수 있다. DBC 기법은 열전달과 전기적 저항 특성이 중요한 매개변수인 전력 애플리케이션에서 자주 사용된다(예: 점화, 연료 분사, 전기 밸브 제어).통신에서 고급 유기 소재 기반의 고밀도 상호연결 기술이 등장하게 되면(그림 6 참조) 회로 보드 상에서 마이크로바이어스 형태로 상당히 많은 수의 연결이 가능하게 된다.자동차용 HDI의 특성화 및 최적화가 혁신적인 기술로 큰 발전을 이루게 되면, 이에 따른 전자 시스템의 대폭적인 소형화가 가능할 것이다. 애플리케이션 온도는 기본 소재(납땜 마스크와 에폭시 수지의 Tg)와 박판의 접착 강도에 의해 제한된다.EU가 제안한 새로운 표준은 신소재의 선택과 평가를 통해 관찰해야 한다. PCB의 경우 재활용 문제는 물론 무할로겐 불연성 소재에 대해서도 고려해야 한다(WEEE 지침).조립 공정고온에도 견딜 수 있는 전자 시스템을 구현하기 위해서는 견고한 상호 연결 기술이 필요하다. 적합한 기판(유기 또는 세라믹)의 개발과 특성화는 ECU 조립을 위한 토대가 된다. 아울러 기존 제조 공정에 적합한 납땜 기법과 땜납 소재도 제공돼야 한다. 이러한 땜납 소재로는 무연 땜납이 가장 유력하다.최종적으로 적절한 하우징 기술을 선택한 다음, 이 하우징이 환경적 영향으로부터 전장품을 보호하고 부품에서 발생되는 열을 발산시키도록 해야 한다.동적 냉각이 필요한 경우 하우징은 냉각기에 대한 효과적인 인터페이스 역할을 해야 한다. 패키지, 기판 및 상호 연결 기술이 특정 애플리케이션의 요구 사항을 충족하는지 확인하려면 열 시뮬레이션이 필요하다.자동차 전자 시스템이 구상되면 여러 가지 종류의 디바이스와 패키지를 동일한 기판 상에 조립해야 한다. 이 과정에서 상호 연결 기술은 다음 구성 요소와 연결된다. □ 로직 디바이스(많은 I/O와 미세한 피치) □ 전력 부품(높은 전류, 낮은 임피던스, 후면 전위, 열 제거) □ 수동 부품(큰 질량 => 진동으로 인해 격렬한 기계적 응력 발생)신뢰성자동차 애플리케이션 전자부품의 필요 수명은 일반적으로 5,000시간(승용차)부터 20,000시간(상업용 차량)에 이른다. ECU의 오류 가능성은 보통 10년간 0.0001%부터 0.0005%까지 다양하다.특정 수준의 품질과 신뢰성을 확인하기 위해서는 자동차 애플리케이션용 디바이스의 검증 테스트를 위해 정해진 스트레스 조건이 적용돼야 한다. 이러한 가속 테스트는 래치업, 전기열 유도 게이트 누설, 온도 사이클, 오토클레이브(autoclave), 습도 지수 바이어스, 전력 온도 사이클링, 납땜성, 본드 전단응력, 진동, 기계적 충격과 같은 전기, 환경, 기계적 절차로 구성된다. 관련된 테스트 표준을 개발하려면 기본 실패 메커니즘에 대한 지식이 필요하다. 일반적으로 이러한 메커니즘은 가속 테스트를 통해 연구되며 그 이후 가속 계수가 계산된다.그러나 고온 영역으로 진입하게 되면 단순히 온도를 높이는 방법에 의한 가속은 불확실한 접근 방법이 된다. 실패 메커니즘을 변경하지 않고도 이러한 방법론을 그대로 적용할 수 있는지 여부를 확인해야 한다.앞으로 새로운 애플리케이션은 물리적인 한계에 더욱 근접하게 될 것이다. 즉, 일부 애플리케이션에서는 현재 사용되는 검증 테스트로는 더 이상 충분하지 않다는 사실을 의미한다.가속 테스트의 안전 여유가 줄어들었기 때문에 새로운 검증 절차를 개발해야 한다. 또한 새로운 검증 절차는 검증에 필요한 작업도 간소화시켜야 하며, 실현 가능한 한 가지 방법은 시뮬레이션 기반의 새로운 검증 전략, 즉 가상 검증을 도입하는 것이다.유럽의 산업 활동MEDEA 프로젝트 HiTeC A306의 기본 기술과 일반 칩셋은 최고 200°C의 온도 범위에 맞도록 개발되었다. 이후 산업적으로 적절한 제품을 완성하기 위해 반도체 제조업체부터 자동차 제조업체(자동차 시스템 공급업체 포함)에 이르는 대규모의 구조화된 공급망 컨소시엄이 구성되었다. 다양한 업체들로 구성된 이러한 복합적인 컨소시엄 구조는 전자 시스템 공급업체들이 제안한 개념의 광범위한 도입뿐 아니라, 자동차 기술에서 유럽의 리더십을 공고히 하는데도 유리하게 작용하는 것으로 평가된다.HOTCAR(MEDEA 프로젝트 T124)는 시스템 온 칩 솔루션, 최신 μC(16/32비트) 및 더욱 복잡해진 기타 집적 회로(예: 스마트 파워)에 집중함으로써 앞서 성취된 결과를 다음 개척 단계로 이끌게 된다. 이와 함께 HT 애플리케이션의 요구 사항을 충족시켜줄 고급 패키징 기술 영역에서의 연구도 수행된다. 자동차 애플리케이션의 모든 주요 반도체 제조업체들은 앞서 언급된 프로젝트 컨소시엄의 회원사로서, 유럽 최고의 경쟁력과 대량 생산을 위한 표준화와 도입을 위한 기반을 제공하고 있다. 이 프로젝트의 기술적인 최우선 목표는 HT 자동차 애플리케이션, 유전 개발과 같은 다른 산업 분야를 위한 시스템 레벨 솔루션을 완성하고 시연하는 것이다.

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오영관 (webmaster@techworld.co.kr)

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