미국에서는 과열 등 열 안정성 문제로 EV/HEV의 대규모 리콜이 잇따르고 있다. 열관리가 그만큼 중요해지고 있다는 방증이다. MicReD® 파워 테스터 600A는 IGBT, MOSFET, 트랜지스터 및 충전기와 같은 전력장치의 동작에 필수적인 열 신뢰성 및 수명주기 성능을 테스트한다.

멘토그래픽스가 전기차(EV), 하이브리드카(HEV)에 탑재되는 전력반도체 및 모듈의 파워 사이클을 테스트하는 MicReDⓡ 파워 테스터(Power Tester) 600A를 발표했다. 2년 전 발표한 MicReDⓡ 파워 테스터 1500A의 후속 모델이다. 이전 제품과 다른 점은 용량과 확장성, 그리고 EV/HEV 전원장치에 특화돼 있다는 것이다.

멘토 그래픽스의 기계 분석 부문 마케팅 이사인 키이스 해나(Keith Hanna) 박사는 “미국 자동차시장에서 EV/HEV의 열 안정성 문제를 포함해 2015년에 자동차 리콜 대수가 총 5,126만 대로 사상 최고치를 기록했다”며 열관리의 중요성을 지적했다.

실제로 미국에서는 과열 등 열 안정성 문제로 EV/HEV의 대규모 리콜이 잇따르고 있다. 2014년에 포드가 전기 하이브리드 시스템의 과열로 7만 4,000대, 테슬라 모터스가 충전 중에 어댑터 등의 과열로 2만 9,000대를 각각 리콜했다.

안드라스 바스-바르나이(Andras Vass-Varnai) MicReD 수석 제품 매니저는 “고장의 원인이 되는 열팽창으로 인해 스트레스가 가해져 IGBT의 와이어 본드가 열화하거나 금속층의 불일치, 솔더 피로(Solder fatigue), 다이 및 기판의 균열 등이 발행할 수 있다”며 “파워 사이클 테스트에서 얻어진 실측값의 정확도가 높으면 시뮬레이션 결과의 정확성이 높아지고 보다 정확한 열 신뢰성 평가가 가능하다”고 말했다.

MicReDⓡ 파워 테스터는 열 특성 분석 솔루션 ‘T3Sterⓡ’ 기술에 기반한 열 측정기로, 패키징된 IGBT나 파워 MOSFET, 트랜지스터 등의 전력 반도체에서 LED 시스템까지 다양한 분야에서 과도 열 특성을 신속하게 평가할 수 있다. 전용 콜드 플레이트(cold plate)와 각종 냉각 도구를 올인원(all-in-one)으로 통합한 MicReDⓡ 파워 테스터 1500A는 최대 부하 전류가 1500 A로 크고 다양한 용도를 대상으로 한 전력 반도체용이다. 대당 IGBT를 최대 3개까지 동시 측정이 가능하다. 그러나 확장성은 없다.

반면 확장성이 우수한 MicReDⓡ 파워테스터 600A는 차량용 전력 반도체를 위한 제품으로, 최대 부하 전류는 600 A, 공급 전압은 48 V이다. IGBT와 같은 측정 대상 디바이스를 직렬로 최대 16개까지 연결해 동시 테스트가 가능하다. 확장성이 있어서 장비를 최대 8대까지 연결할 수 있기 때문에, 최대 128(16×8)개의 IGBT에 대한 파워 사이클 테스트를 동시에 할 수 있다. 따라서 차량용 전자부품 신뢰성 테스트 규격인 AEC Q101에 규정된 ‘테스트 로트 당 77개 부품’이라는 IGBT 테스트 기준에도 대응한다. 또한 사용자 목적의 콜드 플레이트 및 냉각 시설을 사용하고 있는 현장 상황을 고려해 콜드 플레이트와 냉각 도구를 제외하고 케이블 등의 마진을 확대했다.

자동으로 수만 번 파워 사이클 테스트

MicReDⓡ 파워 테스터 600A는 측정대상 디바이스를 쉽게 셋업하고 수만 번에 달하는 파워 사이클 테스트를 자동으로 수행한다. 파워 테스터에 탑재된 T3Sterⓡ의 ‘구조 함수’ 기능은 각각의 IGBT가 테스트 중에 열화돼가는 상태를 진단 데이터로 확인할 수 있다. 즉 전류, 전압, 접합 온도 등 진단에 필요한 값을 검출 및 기록하고, 구조 함수 기능에 의해 패키지 구조의 열화나 고장을 특정할 수 있다.

파워 사이클 테스트에서 얻어진 실제 측정값은 전자기기 안팎의 열 유동을 시뮬레이션 하는 3D CFD(전산 유체역학) 소프트웨어인 멘토의 FloTHERMⓡ에 피드백해 패키지의 3D CFD 모델을 자동으로 교정하기 위한 데이터로 사용할 수 있다. 애매했던 파라미터를 자동으로 교정함으로써 기존에 20%였던 3D CFD의 시뮬레이션 오류를 최대 0.5%까지 줄일 수 있다.

수명주기 산출

MicReDⓡ 파워 테스터 600A(1500A포함)는 EV나 발전 영역에 많이 사용되고 있는 IGBT의 파워 사이클링 테스트를 통해 수명주기를 산출할 수 있다. 수명주기를 산출하기 위해서는, 먼저 운전 및 자동차 목적에 맞는 드라이빙 프로필을 파악해야 한다. 이는 실제 차의 테스트 드라이빙 및 통계를 활용해 구체화할 수 있다. 이렇게 프로파일링한 데이터는 시간과 속도(파워)의 함수로 나오는데, 이 때 파워는 열을 동반한다. 이 열이 수명주기에 직접적인 영향을 미치게 된다. 시간과 파워(열)의 함수를 규명하기 위해, FloTHERMⓡ을 통한 열 유동 시뮬레이션을 수행하면 IGBT의 동작(운전, 정지, 내리막, 오르막, 충방전 등)에 따른 온도의 변량(ΔT)을 찾을 수 있다. 하지만 이때 가장 중요한 두 가지 사항을 고려해야 한다.

우선 시뮬레이션의 모델이 실제 상황을 고려한 모델이 아니라는 것이다. 시뮬레이션의 근거인 데이터시트는 이상적인 상황에 대한 데이터일 뿐 실제 운행 시 발생하는 최대 로드 및 최악 상황이 고려된 것이 아니다. 또한 IGBT 인버터의 전체 결합체에 대한 데이터시트가 아니라서 괴리감이 클 수 있다.

또 하나는 실제 IGBT 구성체의 수명을 알려면 실제 테스트를 통해서 최초의 열화 및 파괴가 일어나는 사이클, 최대 온도, 최대 파워를 확인해야 하는데, 바로 이 중요한 실험이 빠져 있는 것이다.

MicReDⓡ 파워 테스터 600A(1500A)는 구체적이고 현실적인 제품의 수명주기를 파악할 수 있도록 실제 테스트를 수행한다. 시뮬레이션에 대한 검증 및 교정은 FloTHERMⓡ에서 자동으로 이뤄진다.

MicReDⓡ 파워 테스터 600A(1500A)는 실제 파괴 및 열화가 일어나는 사이클(몇번 만에), 파워(로드가 얼마 이상이면 안 되는지), 온도 변량(열충격, 수명주기 산출에 직접적인 파라미터 요소) 등을 실제 테스트를 통해서 정확히 찾아낼 수 있다. 또한 실험 중인 IGBT를 분해하지 않고서도 어느지점에서 열화 또는 문제가 있었는지를 효율적으로 찾아낼 수 있다. 이후 각 제조사별로 가지고 있는 아레니우스 기반의 수명주기 산출 모델에 실험과 시뮬레이션으로 생성된 값들을 넣으면 숫자화된 수명이 산출된다.

멘토 그래픽스의 공식 대리점 이디앤씨(ED&C)의 손 민 부장은 “IGBT 및 전력 반도체가 열 발생으로 인해 오작동을 일으키게 되면 위험에 처할 가능성이 매우 높다. 멘토의 파워 테스터를 비롯한 FloTHERMⓡ은 이러한 열 문제를 찾고 개선할 수 있는 솔루션”이라고 강조했다.
MicReDⓡ 파워 테스터 600A는 현재 주문을 받고 있으며, 출하는 올 여름부터 이뤄질 예정이다.