고장 메커니즘 활용 E/E 시스템 신뢰성, 수명예측

Sherlock과 함께 개발시간·비용 싹뚝!

2016년 09월호 지면기사  /  글│윤 범 진 기자 _ bjyun@autoelectronics.co.kr

전자기기 신뢰성 분야의 글로벌 리더인 DfR Solutions의 길라드 샤론(Gilad Sharon) 박사가 지난 8월 한국을 방문했다. 국내에서도 빠르게 늘고 있는 Sherlock 고객과 잠재고객을 대상으로 중·고급 교육 훈련을 제공하기 위해서였다. 교육에는 Sherlock을 사용하고 있는 LGE VC, 현대모비스 등 자동차 관련 전장개발 공급사뿐 아니라 다양한 혁신적 제품을 개발해 판매하고 있는 선도기업들이 참여했다. 샤론 박사는 E/E 신뢰성 예측분야에서 최고의 전문성과 테슬라 오토파일럿 등 다양한 현장 경험을 지닌 시니어 엔지니어다. Sherlock의 국내 독점 공급사 엑슬리트 엣지에서 샤론 박사를 만났다.
 
 


DfR Solutions Gilad Sharon DfR 솔루션즈 길라드 샤론 박사
 
 
Q. 한국 방문 목적은.
A. 2012년부터 Sherlock E/E 신뢰성 수명예측 툴을 한국에서 독점 공급하고 있는 엑슬리트엣지(ExleetEdge)의 요청이 있었습니다. 총 5차례 진행된 Sherlock 101 기본 교육과정을 들은 자동차, 우주항공, 국방 등의 Sherlock 사용자들에게 한 단계 업그레이드된 교육 기회를 제공해 보다 효과적으로 Sherlock을 사용할 수 있도록 하고자 한 것입니다.
교육훈련의 주제는 Sherlock을 이용한 패키지 레벨 신뢰성 예측입니다. 갈수록 복잡해지고 미세해지면서도 지능화돼 가고 있는 각종 전자기기는 고객이 요구하는 미션을 달성할 수 있는 고신뢰성을 갖추고 있는지를 빠르고 정확하게 판단하는 것이 중요한 경쟁요소 중 하나가 되고 있습니다. 따라서 빠른 모델링과 정확한 수명예측 결과를 제공해 줄 수 있는 도구가 절대적으로 필요하고, 글로벌 시장은 이런 필요성에 대응하고자 관련 툴과 방법을 개발해 빠르게 수요에 대응하고 있습니다. 이런 시장의 니즈를 이해하고 선진기업의 혁신적 방법을 배우고 훈련받을 수 있도록 엑슬리트엣지는 기존 고객과 잠재 고객을 대상으로 교육 프로그램을 마련한 것입니다.
 
Q. 교육의 주제는. Sherlock은 시장 관점에서 왜 중요하나.
A. Sherlock은 보드 레벨 신뢰성을 예측하는 제품입니다. 이것은 대형 서버에서부터 특정한 부품에 이르기까지를 다룬다는 의미입니다. 아이디어는 회사들이 제품 디자인을 더 빠르고, 더 쉽게 할 수 있도록 하는 것 입니다. 특히, 이번 중·고급 교육훈련 과정은 부품 레벨 모델링 패키지 온 패키지(Package on Package), BGA로 이제는 시장에서 폭넓게 받아들여지는 것으로 고신뢰성 시장에도 사용되게 됐습니다. 이에 더해 우리는 비아(Via) 골절을 가진 보드 또는 패키지 모델을 보게 됐는데, 이러한 것은 작지만 복잡한 기능을 가진 패키지를 다루는 웨어러블이나 IoT(Internet of Thing)와 같은 새로운 제품이 시장을 주도하는데 기인합니다. 우리는 보드의 아주 작은 부분인 모든 트레이스를 매우 상세하게 모델링할 필요가 있습니다. 이것은 다중 물리적인 시뮬레이션으로 트레이스의 전기기계적이거나 전자기적인 간섭과 관련된 것으로 집적도를 높이면서 트레이스가 서로 가까이 위치하게 될 경우 하나의 전류가 다른 전류에 영향을 줄 수 있다는 것을 모델링하고 시뮬레이션해야 합니다. 이는 열 분석엔지니어가 진동과 열적인 영향에 의한 기계적인 분석을 해야 할 경우에 도움을 줍니다.
 
Q. Sherlock은 이러한 니즈를 어떻게 다루나.
A. 현재는 신뢰성 테스트를 해야 하는 곳이 대부분이고, 몇몇은 개발 초기부터 신뢰성 시뮬레이션을 하는 목적으로도 사용합니다. Sherlock은 솔루션을 상대적으로 짧은 시간 내에 제공합니다. 턴어라운드 타임은 2일 정도입니다. Sherlock은 또한 매우 훌륭한 통신 도구입니다. 시장에서는 고신뢰성 개발 사이클을 더 민첩하게 하려는 움직임이 있는데, Sherlock은 더 쉽고 빠르게 상호 의사소통이 가능하다는 점에서 큰 도움이 됩니다. 이는 Sherlock이 단지 전자기기의 신뢰성에만 집중하기 때문이기도 한데, 각 OEM은 그 공급망에 있는 업체들과 외부적 의사소통뿐만 아니라 내부 부서 간에도 동일한 언어/동일한 용어를 사용해 협업할 수 있고, 분석결과를 정확하고 빠르게 공유할 수 있습니다. 또 Sherlock은 개발비용을 낮춰줍니다. Sherlock을 적용한 첫해에만 테스트를 반복 수행함으로써 들어가는 직접비용(예, 25만 달러)과 그보다 10배(2,500만 달러)나 되는 간접비용에 대한 원가를 절감하고 시장 출시시기를 단축하도록 해줍니다.
고객은 라이선스를 구매한 이후 4개월이면 3년 치 라이선스 비용을 회수할 정도로 엄청난 투자 효과를 누리고 있습니다.
 
Q. Ansys, Abaqus 같은 경우는 시장에서 폭넓게 사용된다. Sherlock의 잠재력은.
A. Ansys 같은 FEA는 일반화된 솔버라고 할 수 있습니다. 다리, 비행기 날개, 심지어 곤충과 관련된 문제를 해결할 수 있는 것이지만 제대로 사용해 원하는 결과를 얻으려면 전문가가 돼야 합니다. Sherlock을 개발한 DfR Solutions에 근무하기 전에 전자산업 분야에서 일했는데, 현재 Sherlock이 간단하게 해결하는 문제를 항상 마주하고 있었습니다. Sherlock은 어느 누구도 이전에 해결하지 못한 문제를 해결하는 것이어서 매우 놀랐습니다.
최근에 엑슬리트엣지의 권형안 사장과 자동차 분야의 잠재 고객을 방문했는데, Sherlock으로 몇 가지 간단한 것을 보여주는 것만으로도 크게 놀라는 것을 봤습니다.
다른 FEA 도구를 사용해서는 며칠 걸리는 일을 몇 시간 만에 해결하고, 이 모든 일이 신속한 의사결정을 지원하고 있다는 점은 Sherlock의 가치를 말해줍니다.
 
Q. FEA만을 사용하는 것과 비교해 Sherlock(또는 Sherlock과 Ansys/Abaqus/Nastran과 같은 FEA를 연계해서 다루는 방법)의 차별성은 무엇인가.
A. Sherlock은 FEA와 경쟁하지 않습니다. Sherlock은 FEA가 하는 것과 동일한 방법을 수행하지만 훨씬 빠르게 결과를 제공합니다. Sherlock은 높은 수준의 통상적 신뢰성 질문에 대한 결과를 평범한 엔지니어 수준의 사용자라도 2~3시간이면 만들어 낼 수 있도록 합니다. 다른 FEA를 사용하면 2~3일이 걸릴 일입니다. 다른 차별성은, 테스트 실행을 제거하는 것입니다. 보통의 표준 열 사이클링 검증 테스트는 41일이 걸립니다. 한 해에 단 한 번만이라도 이 열 사이클링을 줄이면 1년에 25만 달러(약 3억 원)의 직접비용을 줄일 수 있는데, 이는 챔버 시간, 프로토타입 보드 제작 등 투자비의 10배에 해당하는 엄청난 절약입니다. 자동차 산업분야에서는 이 비용이 더 증가합니다. 더욱 엄격한 테스트를 수행해야 할 많은 보드가 있기 때문입니다.
 
Q. 전자기기 패키지 레벨에는 어떤 종류의 고장 모드가 있나.
A. 실험실에서 쇼크와 진동을 테스트해 고장을 유도하는 것은 하루 정도면 빠르게 수행이 가능하기 때문에 쉬운 문제입니다. 그러나 온도의 차이와 관련된 것들은 어려운 문제입니다. 온도 사이클링과 관련된 테스트 계획 개발에 대해서만 다루는 논문이 있을 정도입니다. 이를 정확히 이해하고 있지 못하면 정확히 수행하지도 못합니다. 보드 레벨 솔더 피로(BGA의 경우 BGA 솔더 피로), 비아 디라미네이션(Delamination), 구리 피로가 패키지 레벨에서의 문제들입니다. 다른 경우로는 휨(Warpage), 다이 후면 스트레스, 플립 칩 범프 피로 등이 패키지를 제작하고 있는 업체들이 해결해야 할 문제입니다. QFN은 자체의 문제를 가지고 있습니다. 그러나 이 주제만도 몇 시간의 논의가 필요한 부분입니다.
 
Q. 장비 수준에서 Sherlock으로 예측된 수명과 실제 장비가 장착돼 열악한 환경에 노출될 경우 수명은 다를 것 같은데, 이 부분은 어떻게 해결하나.
A. 장비가 어디에 장착되는가에 따라 서로 다른 부하에 노출되는 것은 당연합니다. 현재 자동차 산업에서 커다란 문제 중 하나는 플라스틱 또는 알루미늄 케이스 내에 견고하게 연결된 전자제품이 겪게 되는 과도변형에 대한 영향입니다. 이는 케이스가 잘 늘어날 수 있는데 보드는 그만큼 유연하지 않기 때문에 보드에 문제를 야기하는 것입니다. 다른 성격의 문제로는 스마트폰과 같은 곳에 사용되는 부품이 자동차와 같은 고신뢰성 제품에 사용되면서 초래되는 문제입니다.
 
Q. 이런 고장 모드를 탐지해 내기가 얼마나 어려운가.
A. 발견하기 쉬운 것이 있는 반면, 어려운 것도 있습니다. 망치로 전화기를 내려친다면 고장을 발견하기 쉬울 것입니다. 몇몇은 아주 발견하기 어렵거나 경우에 따라서는 추정만을 할 수 있을 뿐입니다. 대부분의 경우는 크로스섹션을 포함합니다. 이는 파괴적인 방법이며, 때로는 SEM(Scanning Electron Microscope)을 하거나 침식과 오염 및 습기를 조사하기 위해 EDX를 사용해 내부를 살펴봐야 합니다. 고장 모드는 동일하지만 발생하는 환경이 어떤 곳이냐에 따라서 다르게 영향을 주기 때문에, 응용환경과 고장이 발생한 성격을 정확히 이해하는 것이 중요합니다.
 
Q. 다양한 고장 모드를 예측하는 방법에는 어떤 것들이 있나.
A. 우리는 예측을 위한 모델을 갖고 있습니다. 신뢰성을 예측하는데, 물리학과 실험적인 수치에 기반하고 베스트 프랙티스를 사용합니다. 역사적인 데이터, 기계적인 모델과 같은 물리학을 말합니다. 모델은 입력 값으로 공식(equations)을 사용하고 출력은 신뢰성(Reliability)입니다. 모델은 본질적으로 틀린 것입니다. 완벽한 모델이란 없습니다. 그러나 여러 개의 모델 옵션 사이를 비교해 우리가 의사결정을 하는 데 도움을 준다면 그것이 유용한 것입니다.
 
Q. 고장 모드를 방지하기 위한 완화방안으로 디자인 엔지니어가 취할 수 있는 방법은.
A. 답하기 어려운 질문입니다. 수많은 것을 할 수 있고, 항상 트레이드오프가 존재하는 법입니다. 하나의 문제를 풀려고 하면 다른 문제가 생기게 됩니다. 예를 들어 포팅과 언더필을 해 진동에 대한 대안을 강구하지만 열사이클링 피로에는 취약한 문제를 야기할 수 있습니다.
 
Q. 결과에 대한 정확도는 어떤가?
A. 쓰레기를 넣으면 쓰레기가 나옵니다(Garbage In, Garbage Out). 만일 입력 값이 정확하게 들어간다면 Sherlock의 답은 매우 정확합니다. 우리 고객 중의 한곳은 결과가 너무 정확하다 보니 이를 출판한 경우도 있습니다. 이와 관련된 많은 자료는 www.dfrsolutions.com, www.exleetedge.com)을 참고하면 됩니다.
 
Q. 고장을 방지하고, 올바른 조치를 취하기 위해, 문제를 갖고 있거나 직면하게 될 잠재 고객에 어떤 제안을 하겠는가.
A. 능동적으로 대응하라고 말하고 싶습니다. 환경을 정확히 아는 것은 매우 중요합니다. 도구들을 효과적으로 사용해야 합니다. 이 아이디어의 배경은 다음과 같습니다. 신뢰성 예산에는 시간과 돈이 있습니다.
엔지니어 시간, 컴퓨터 시간, 그 외 어떤 것이든 돈입니다. 몇몇은 자본비용, 오버헤드 비용, 직접비용, 미래의 무상 유지보수 비용 등입니다. 신뢰성 예산에는 최적의 방법이 없습니다. 단지 효율적인 것이 있을 뿐입니다. 효율적으로 신뢰성 예산을 사용하면서도 제품이 제 성능을 발휘할 수 있다는 합리적인 아이디어 계획을 갖는 것입니다. 모든 것이 문제가 없고 자신이 올바르게 처리했다고 말하는 회사는 아주 작은 다른 신뢰성 문제가 전 수익구조에 영향을 주고 이름과 명예에 손상을 줄 수 있다는 점을 명심해야 합니다. 신뢰성 문제는 반드시 벌어지고 누구에게나 발생하는 것입니다.
 
Q. 테슬라와 GM 등이 Sherlock을 사용한다. 현재 Sherlock 사용자는 얼마나 되나.
A. 최근 5월에 발표한 자료를 보면 전세계 120개 회사에서 약 400명의 고객이 사용하고 있으며, 지난해를 기점으로 빠르게 늘고 있습니다.
 
Q. 동일한 기능의 유사 경쟁제품이 있나.
A. 좋은 질문입니다. 만일 그런 제품이 있다면 소개해주시면 좋겠습니다.
 
Q. Sherlock 5.0이 최신 버전으로 알고 있는데, 버전 업 기간은 얼마나 되나.
A. Sherlock은 시장에 나온 지 6년이 됐고, 최근에 Version 5.0이 나왔습니다. 이 기능 안에는 기존의 Ansys, Abaqus에 더해 Nastran을 지원하는 버전이 나온 상태입니다. Sherlock의 제품개발은 고객이 원하는 것에 맞춰져 이뤄집니다. 예를 들면 트레이스 모델링 기능이 그것입니다.

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