표준을 뛰어넘는 신뢰할 수 있는 자동차용 MOSFET

자동차 업계의 현재 표준만으로는 부족하다

2018년 03월호 지면기사  /  글│ Aleksandra Kozyczak, 자동차용 고전력 MOSFET 애플리케이션 엔지니어 Lourdes Garcia, 자동차용 고전력 반도체 품질 매니저 인피니언 테크놀로지스

혹독한 자동차 환경에서 MOSFET의 주요 결함 모드를 살펴보고, 인피니언이 어떻게 AEC-Q101에서 요구하는 신뢰성 요건 및 미션 프로파일을 훨씬 뛰어넘는지 소개한다.


자동차의 전자 시스템 의존도가 높아짐에 따라 전자부품이 결함을 일으킬 가능성도 높다. 자동차에서 발생하는 시스템 결함은 자동차 리콜, 사후 서비스, 브랜드 평판 저하 등 자동차 업체들에게 상당한 손해를 입힐 수 있다.

자동차 업계의 신뢰성 요구를 표준화하기 위해서 AEC-Q101 같은 표준이 개발됐다. 하지만 오늘날 자동차 산업은 기술이 나날이 발전하고 현장에서 어떠한 결함도 허용될 수 없으므로, 단순히 이러한 표준을 충족하는 것만으론 충분하지 않게 됐다.

이 글은 자동차 애플리케이션에 사용하는 MOSFET의 신뢰성 문제를 다룬다. 혹독한 자동차 환경에서 MOSFET의 주요 결함 모드를 살펴보고, 인피니언은 어떻게 AEC-Q101에서 요구하는 신뢰성 요건 및 미션 프로파일을 훨씬 뛰어넘는지 소개한다.

빠르게 늘어나는 전자부품 비중

자동차가 점점 더 정교해지고 효율을 추구함에 따라, 주요 기능들을 전기화 하고 새로운 이중화(redundant) 및 다양한 안전 시스템을 추가하고 있다. 오늘날 자동차는 정확하게 작동하도록 거의 모든 영역에서 특정 전자장치에 의존하며, 이는 더 이상 고급 차종에만 국한되지 않다. 세계적인 리서치 플랫폼 중 하나인 스타티스타(Statista) 조사에 따르면, 현재 평균적으로 자동차 비용의 1/3을 전자부품이 차지하며, 이 수치는 앞으로 10년 안에 총 비용의 절반에 이를 것이라고 한다.

이러한 전자부품은 센서와 마이크로컨트롤러(MCU)를 비롯한 다양한 디바이스를 포함하며 MOSFET 또한 핵심 소자이다. MOSFET은 “전자 액추에이터”로서 램프, 모터, 연료분사장치 등의 부하를 스위칭 한다.

현재 일반적인 자동차는 추산 약 60개의 전력 MOSFET을 포함하고 있다. 그러면 1 dpm(defect-per-million, 1백만 개당 결함)이라고 했을 때, 1백만 대의 자동차를 제조하면 순전히 MOSFET 결함 때문에 결함을 일으키는 자동차는 약 60대가 될 것이다. 이 정도 수준은 자동차 업계에서 허용될 수 없다.



표준을 뛰어넘다


자동차 애플리케이션용 반도체 부품 검사를 표준화하기 위해서 AEC(Automotive Electronics Council)이 인피니언 등 주요 반도체 업체들과 협력해 업계 표준을 개발했다.

이렇게 개발된 AEC-Q101 표준은 미션 프로파일과 배치(batch) 크기, 합격/불합격 기준, 프로세스 변경 후의 검사 조정, 테스트 절차(디바이스/프로세스 타입별)를 비롯한 일련의 요건들을 정의하고 있다. 이 표준의 궁극적인 취지는 자동차의 동작 환경을 시뮬레이션하는 조건들로 정확한 신뢰성 예측을 할 수 있도록 하는 것이다.

AEC-Q101은 유용한 표준이지만 통상적인 미션 프로파일을 기반으로 함으로써, 통상적이지 않거나 좀 더 엄격한 애플리케이션에 적용하기에는 효과적이지 않다. 디자이너들이 자동차에 갈수록 더 많은 전자 기능을 집어넣음으로써 그러한 애플리케이션은 점점 더 늘어나고 있다. 또 다른 문제점은 통상적으로 개발 작업 끝에 실시하는 “일회성” 검증으로는 장기적 프로세스 안정성을 검증하지 못한다는 것이다.

또 하나의 단점은 샘플 크기가 비교적 작다는 것이다. 통계적으로 샘플 크기가 작으면 10,000 미만의 dpm(90% 신뢰도)을 검증하기가 매우 어렵다. 하지만 오늘날 첨단 자동차 전자 장비는 그보다 훨씬 낮은 dpm을 요구한다.

자동차 시장의 요구를 충족하기 위해서 인피니언은 AEC-Q101에서 정의한 기본 원칙들을 고수하면서 향상된 테스트 체계를 개발하기로 했다. 일차적으로는 디바이스에 마모 결함이 발생되기까지 걸리는 수명을 늘리고자 했다. 이를 위해서 인피니언은 테스트 지속 시간을 늘렸다. 자동차용 MOSFET은 훨씬 더 혹독한 애플리케이션 환경으로 동작해야 하기 때문이다. 그림 2는 이러한 좀 더 엄격한 테스트 예를 보여준다.



AEC-Q101에서는 디바이스들을 사전 컨디셔닝하고(preconditioned) -50 ℃ ~ +150 ℃로 1천 회 열 사이클링(Thermally Cycled, TC)을 하도록 명시하고 있다. 인피니언은 이 횟수를 두 배로 늘려 2천 회로 했다. 이렇게 함으로써 테스트를 오늘날 자동차 애플리케이션에서 겪는 혹독한 미션 프로파일에 좀 가깝도록 만든다.

이 표준에서는 고온 게이트 바이어스(High Temperature Gate Bias, HTGB) 및 고온 역 바이어스(High Temperature Reverse Bias, HTRB) 테스트를 맨 제품으로 실시할 수 있도록 허용하는데, 인피니언은 사전에 컨디셔닝된 디바이스를 사용한다. 그러므로 패키지 팝콘 결함이 발생될 수 있는 양면 IR 리플로 같은 공정 시의 조건을 반영하고 테스트를 좀 더 엄격하게 한다.

또한 고습 고온 역 바이어스(High Humidity High Temperature Reverse Bias, H3TRB)는 VDS, max의 80%로 실시할 수 있는데, 인피니언은 이 값의 100%로 실시한다. 그러므로 데이터시트에서 표기하고 있는 사양 값을 완벽하게 커버한다.

임의적 결함을 낮추기 위한 체계적 접근법

인피니언은 자동차 분야에서 40년 이상의 경험을 쌓아왔으며 2010년 이후 50억 개 이상의 MOSFET을 출하했다. 이러한 축적된 전문성에 향상된 테스트 커버리지, 뛰어난 애플리케이션 노하우, 엄격한 프로세스 제어 및 모니터링을 결합함으로써 인피니언은 임의적 결함을 훨씬 더 낮추는 것을 목표로 했다. 자동차용 전력 MOSFET 품질에 대해서 이러한 다방면적 접근법을 취함으로써 0.1 미만의 dpm을 달성하게 됐다. 이것은 업계에 새로운 기준을 제시하는 것이다.

테스트뿐만이 아니다. 개발 시에 세 가지 측면(다이 접착, 층 분리, 게이트 산화막)에 중점을 두고 설계를 함으로써 신뢰성을
추가적으로 더 높이게 됐다.




모든 반도체 소자와 마찬가지로 MOSFET은 자동차 애플리케이션의 동작 환경을 시뮬레이트한 열 사이클링 시에 몰드 화합물, 실리콘 다이, 리드프레임, 다이 패드 사이에 열팽창 계수(Coefficient of Thermal Expansion, CTE) 불일치를 겪는다.

MOSFET이 빠르게 뜨거워졌다 식었다 할 때 각기 다른 소재들이 각기 다른 정도로 팽창 및 수축함으로써 상이한 금속 계면들로 스트레스를 가한다. 이것이 시간이 쌓이면서 본드 와이어 들뜸이나 끊어짐, 층 분리 같은 것들을 일으키면서 디바이스 결함으로 이어질 수 있다.

이 문제를 해결하기 위해서 인피니언은 몰드 화합물, 실리콘 다이, 와이어 본드, 리드 프레임 사이에 접착을 향상시키는 고유의 프로세스를 개발했다. 이 프로세스는 다이 및 리드 프레임으로 머리카락 같은 덴드라이트(수지상결정)를 형성해 기계적 접착을 높임으로써 접착을 향상시키는 것이다. 사전에 컨디셔닝을 하고 1천 회의 열 사이클링을 실시해서 이 프로세스의 효과를 확인할 수 있었다. 또한 매 단계마다 초음파 검사를 실시해 어떤 가시적인 층 분리가 일어나지 않는다는 것을 확인했다.

전력 디바이스에서는 반도체 접합부와 패키지 사이의 열 저항(Rthjc)이 중요한 파라미터이다. 이 파라미터를 가지고, 발생된 열을 패키지 바깥으로 빼내 MOSFET이 수명 전반에 걸쳐서 지정된 한계 이내로 동작하게 할 수 있을지를 확인할 수 있다.

또한 층 분리는 다이와 다이 패드 접착에 영향을 미친다. 다이가 (부분적으로) 접착이 떨어지면 열 경로가 방해를 받음으로써 Rthjc가 증가하고 MOSFET 접합부 온도(Tj)가 상승한다. Tj가 상승하면 MOSFET 온저항(RDSon)이 상승하고, 그러면 전력손실이 높아지고 열 발생이 증가한다. 이러한 열 폭주가 계속되면 전기적 스트레스와 함께 디바이스 결함이 발생할 수 있다.

Rthjc는 여러 가지 방법으로 측정할 수 있는데, 인피니언은 ‘Delta VSD’ 기법을 사용한다. 이 방법이 효과적이고 정확한 것으로 알려져 있다. 이 기법은, MOSFET에서 진성 바디 다이오드 전압(VSD)은 Tj에 따라서 선형적이라는 점을 활용한 것이다. 사전 컨디셔닝을 하고 25 ℃로 VSD를 측정하고 디바이스를 알려진 레퍼런스 전류로 뜨겁게 한 후에 다시 측정한다. VSD가 정상보다 낮으면 Rthjc가 증가한 것으로서 층 분리가 일어났음을 나타낸다.

부품 평균 테스트(Part Average Testing)

뛰어난 설계와 엄격한 테스트는 우수한 MOSFET을 만들 수 있다. 하지만 어떤 생산 배치(batch)라도 모두 똑같을 수 없다. 특정 배치 내의 대부분 디바이스는 지정된 범위 내에 안전하게 들어가겠지만, 어떤 디바이스들은 다른 디바이스들보다 약할 수 있다. 이러한 디바이스들은 신뢰성 결함으로 이어질 가능성이 높다.

인피니언은 부품 평균 테스트(Part Average Testing, PAT)라고 하는, IC에는 흔히 사용되나 MOSFET에는 거의 사용하지 않는 기법을 사용해 생산 라인에서 그러한 디바이스들을 골라낸다. 이러한 디바이스는 특정한 통계 분포를 벗어나는 것들로서(하지만 사양 범위 훨씬 이내), 라인 상에서 즉각 불합격시키므로 절대로 고객에게까지 도달하지 않는다.

새로운 업계 표준 제시

자동차 업계는 경쟁이 치열하고 높은 품질을 추구하며 신뢰성 요구가 높다. 이러한 요구를 충족하느냐 마느냐가 회사의 평판을 좌우할 것이며, 이를 위해 전자장치가 중요한 역할을 한다. 업계에는 이미 널리 사용되는 유용한 표준이 자리잡고 있으나, 자동차 업계는 이 표준을 뛰어넘는 더 높은 품질을 요구한다.

인피니언은 이러한 요구를 충족할 수 있도록 표준을 훨씬 뛰어넘는 좀 더 엄격한 테스트 프로세스를 개발했다. 그럼으로써 자동차 회사들이 요구하는 성능을 제공한다.

40년의 축적된 경험, 엄격한 설계 목표, 뛰어난 애플리케이션 이해, 향상된 테스트 프로세스를 결합함으로써 인피니언은 자동차 MOSFET과 관련해서 견고성, 신뢰성, 품질에 있어서 새로운 업계 기준을 제시하고 있다.

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