자율주행차의 전자부품 신뢰성 과제와 솔루션

인공지능으로 무장한 자율주행차가 현실로 빠르게 다가오고 있다. 자율주행차 구현에 필요한 핵심 기능, 성능, 안전성을 달성하고 유저의 신뢰를 얻기 위해 해결해야 할 도전과제를 다룬 수많은 기사와 논문이 발표되고 있다.
다음과 같은 이슈를 포함한 “성공을 보장하는 물리학”(Physics of Success)을 다루기 위해 아주 많은 돈과 시간과 에너지가 투입되고 있다.

 

• 고해상도 지도, 우수한 비전 시스템, 고기능 라이다(LiDAR)를 합리적인 비용으로 포함시켜 상황인지(Situational awareness)를 할 수 있도록 센서 및 데이터 융합
• 극한의 기상 조건, 난폭한 신호 위반자, 다른 차량·보행자·동물·대형 도로 잔유물로부터 간섭이 있는 현장과의 공존
• 피할 수 없는 사고가 발생할 경우 윤리적 책임
• 해킹이나 전파 방해 방지
• 모든 도로 및 교통상황에서 복잡한 내비게이션 기능 구현

이러한 과제가 해결된 후에는 자율주행차가 요구하는 첨단 전자기기가 가혹한 차량 운행 조건 하에서 수년간의 서비스 기간 내내 신뢰성 및 내구성을 보장해야 한다.

왜 신뢰성과 내구성이 사업의 성패를 가르는 기준이 될까? 예컨대 GM은 2015년에 파워트레인 무상 보증 기간을 5년/10만 마일에서 5년/6만 마일로 변경하면서 새로운 자동차를 구매할 때 무상 보증 기간이 소비자의 의사결정 프로세스에 영향을 미치지 않을 것이라고 선언했다(“How Poor Reliability Affects Warranties: An Analysis of General Motors’ Powertrain Warranty Reduction”, IEEE Access 2018년 2월).

하지만 관련 연구결과에 따르면, GM의 결정은 2010년부터 연이어 터진 리콜 사태(그림 1)와 높은 신뢰성을 무기로 꾸준히 시장점유율을 높여온 토요타를 포함한 일본 자동차 회사의 선전(그림 2)에 기인한 어쩔 수 없는 선택임이 분명하다. 다시 말해, 자동차의 신뢰성은 고객의 구매결정에 가장 영향을 미치는 요소 중의 하나였다. 예를 들어, 현대자동차는 1998년 이래 10년/10만 마일 파워트레인 무상 보증 서비스를 제공하면서 시장점유율과 고객충성도를 높여왔다.




그렇다면 자율주행차 경쟁에서 구체적인 논의가 필요한 기술적 요건과 도전과제는 어떤 것들이 있는지 자율주행차 전장 시스템 관점에서 살펴보자.

우선, 가장 주목할 사항은 부하 프로파일(Load profile)의 변화다. 가솔린차는 앞서 살펴본 바와 같이 전통적인 자동차 적용 환경에 맞춰 파워트레인 무상 보증 기간을 정했다. 그러나 최근 소개되는 자율주행차는 공유형 차량 운영방식이 적용되면서 거의 하루 종일 운행해야 하는 조건을 충족해야 한다.

결론적으로 4년/30만 마일이라는 새로운 부하 프로파일과 에너지원을 전기로 충당하는 친환경차가 되면서 자동차 모듈의 전장화가 더 빠르게 진행되고 있다. 즉 기존에 자동차가 기획되고, 만들어지고, 테스트되고, 유지 보수되는 방식이 바뀌고 있으며 차량 개발기간도 5년에서 2년으로 단축되면서 시장 출시 속도도 한층 빨라졌다.

자율주행차로 인해 형성되는 이제까지 경험하지 못한 새로운 경쟁 환경은 자율주행차의 핵심 두뇌 장치라고 할 수 있는 전기/전자 모듈의 신뢰성이 주로 담당하게 될 것이다. 그러나 새로운 기술, 재료, 방법으로 만들어질 자율주행차는 아직은 고객의 현장 운행 또는 테스트로부터 얻어진 신뢰성 데이터가 전무하거나 부족한 경우가 대부분이다.

각 제조사별 자율주행차 부품의 신뢰성은 별개로 하더라도, 다음과 같이 자율주행차 또는 다른 혁신적 전장 시스템에서 고려될 필요가 있는 하드웨어 신뢰성-내구성 도전과제를 살펴보면 어떤 신뢰성 과제를 다루는 솔루션이 필요한지를 어느 정도 가늠해 볼 수 있다.

리드 없는 또는 칩 크기의 IC

FNL(Flat No-Lead) IC 패키지는 저비용, 소형 외형, 낮은 높이의 폼팩터 및 우수한 전기적·열적 특성으로 인해 오늘날 가장 보편화된 반도체 패키지다.

현재 다음과 같은 다양한 버전과 명칭의 FNL IC가 존재한다.
 

• DFN(Dual Flat No-lead)/QFN(Quad-Flat No-lead)
• VQFN(Very thin Quad Flat No-lead)
• UQFN(Ultrathin Quad Flat No-lead)
• SON(Small Outline No-lead)
• USON(Ultra-thin Small Outline No-lead)
• LLP(Leadless Lead-frame Package)

FNL 구조는 하부 열패드(thermal pad)가 있거나 없는 오버-몰딩된 리드프레임 상에 IC 다이를 올려놓고 바닥에 노출된 솔더 본드 패드로 구성된다. 이 패드는 패키지의 두 측 또는 네 측에 1개 내지 3개까지 행으로 배열된다. 이러한 소자는 크기가 작고 높이가 낮아 휴대폰, 태블릿, 기타 휴대용 전자 제품에 매우 적합하다.

그러나 FNL은 실리콘 다이가 패키지의 대부분을 차지하는 칩 스케일 소자이기에 통상 6-8 ppm/℃에 해당하는 낮은 열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)를 가지게 된다. 이 결과는 납땜될 PCB의 열팽창계수가 14-17ppm/℃라는 데 비추어 FNL IC와의 큰 불일치를 초래한다. 얇은 솔더 조인트와 CTE의 차이는 솔더 접합 피로 고장이 발생하기 전에 견딜 수 있는 열 사이클 수를 줄인다.

중립 상태(neutral state)에서 온도가 상승하면, 높은 CTE를 가진 PCB는 낮은 CTE를 가진 부품보다 더 팽창하게 되며, 이로 인해 솔더 조인트에 변형이 가해진다. 이 변형은 CTE 불일치 때문에 솔더 조인트에 생긴 가파른 각도, 온도차, 솔더 조인트 두께, 그리고 솔더 조인트에서 중립 지점까지의 거리로 표현될 수 있다. 온도가 중립 상태에서 내려가게 되면, PCB는 부품보다 더 수축할 것이고, 솔더 조인트에 다시 변형이 가해질 것이다. 온도가 변할 때마다 솔더 조인트는 어느 쪽으로든 잡아당겨진다. 일반적으로 부품의 중립 지점에서 가장 멀리 있는 부품 가장자리의 솔더 조인트가 피로 고장을 가장 먼저 경험하게 하는 가장 큰 전단 변형을 경험한다.

-40~125℃의 일반적인 자동차 모듈의 보드 레벨 신뢰성(Board Level Reliability, BLR) 열 사이클링 테스트에서 QFN IC의 평균 사이클 수명은 크기에 따라 다르지만, 솔더 피로 고장이 발생할 때까지 1,000~3,000사이클에 불과하다. 이러한 점은 자동차 전장품에 사용되는 전형적인 갈매기날개형 리드-쿼드 협피치(QFP) IC가 가진 10,000사이클 이상의 평균 열 사이클, 그리고 자동차 BGA IC가 견디는 3,000~8,000 열 사이클과 비교해 볼만하다. 5~8년 전에는 자동차 전장품에 FNL IC가 거의 사용되지 않았으며, 패키지 크기가 7×7mm 미만인 저전력 소자와 같은 많은 소형 QFN은 문제가 되지 않지만 더 높은 전력과 더 큰 버전이 사용되면 도전과제가 증가할 것이다(그림 3).



대형, 고출력, 고온 구동 IC

통신 및 인공지능(AI) 자율주행 기능을 갖춘 차량이 등장하면서 이러한 시스템이 요구하는 대형 고출력 BGA IC는 칩 크기가 커지는 것과는 반대로 신뢰성 문제를 일으키고 있다. 이러한 IC는 중립 지점부터 더 긴 변위를 가지며, 외곽의 솔더 볼에서 가파른 변형을 증가시키는 높은 전력 손실 자가 발열 온도를 가질 수 있다. 앞서 지적했듯이, 현재의 자동차 BGA는 -40℃에서 125℃ 조건에서 평균 수명 주기가 3,000~8,000 열 사이클에 이른다.

이러한 BGA는 144개에서 225개의 솔더볼을 가진 11-15mm 정사각형 패키지로 제공된다. 그러나 첨단 자동차 애플리케이션은 17×17mm BGA-400, 23×23mm BGA-760, 29×29mm BGA 1313 등 훨씬 더 큰 IC를 요구하고 있다.

이중 가장 큰 BGA는 -40~85℃의 범위에서 평균 수명이 820 열 사이클에 불과하다(그림 4).



뒤틀림(Warpage) 문제

이전의 열 사이클링 솔더 피로 사례는 PCB의 x-y 평면에서 응력을 발생시키는 열 사이클링 조건을 다룬 것이다. 열기계적 사이클링 응력이 PCB의 x-y 평면으로 제한될 때, 솔더 접합부는 압축 하중 하에 놓인다. 솔더는 압축 하중 하에서 더 강하고 내구성이 뛰어나 콘크리트와 유사하다.

그러나 부품의 유효 확장률에 비해 PCB의 CTE가 더 크거나 PCB 또는 부품의 고유한 뒤틀림으로 인해 z축 응력을 발생시키는 뒤틀림 곡률이 발생할 수도 있다. 이러한 PCB, 부품, 또는 양자의 뒤틀림은 부품이 더 커지고 PCB가 복잡해짐에 따라 특히 수명을 제한하는 요인이 될 수 있다. 뒤틀림 조건은 솔더 접합부에 z축 응력을 가하게 된다.

열 사이클이 일어나는 동안, 솔더는 압축 열 사이클 하에서 피로 고장을 일으키는 데, 이 때 필요한 사이클 수의 1/10 정도로 솔더를 파괴할 수 있는 변형을 일으키는 인장 응력을 경험한다. 극단적인 온도로 냉각하면 소성 변형을 유발할 수 있는 반면, 고온에서 솔더 조인트는 크리프 변형을 일으킬 수 있다(그림 5).



신뢰성 물리학을 통한 열기계적 피로 솔루션

관련 애플리케이션 및 자동차 회사에 따라서는 앞서 논의한 열기계적 피로 문제를 감수할 수 있는지 평가하기 위해서 전통적으로 700~1,200시간의 가속 열 사이클 수명 테스트가 필요하며, 다른 내구성 평가와 결합될 경우 12~16주의 테스트 기간이 요구될 수도 있다.

최근 고장물리 연구 분야의 발전으로 전자제품의 열적-기계적 피로나 다른 신뢰성 리스크 문제에 대한 내구성 시뮬레이션을 정확하게 수행하는 CAE 도구가 출시되었다. 결과적으로 가상 신뢰성 증대 기능(Virtual Reliability Growth Capability)을 제공하여 수정해야 할 고장 위험을 신속하게 파악하고 디자인 생성물과 상호작용할 수 있다. 이는 물리적 내구성 및 신뢰성 테스트에 소요되는 시간과 비용을 절약할 수 있다.

자동차 전장품의 내구성 시뮬레이션 활용은 자동차 업계에서 CAD와 CAE 도구의 전반적인 사용과 일치하며, 이를 통해 차량 개발 기간이 5년에서 24개월(또는 그 이하)로 단축되었다.
이러한 발전으로 대변되는 글로벌 자동차 산업의 최신 동향을 다음과 같이 간단히 요약할 수 있다.
 

1. ISO 26262:2018이 금년 중반에 공식적으로 발표될 예정이다. 현재 10파트로 구성돼 있는데, 짧아진 IC 수명을 다루는 반도체 부문이 추가되었고, 고장물리(Physics of Failure) 또는 신뢰성 물리학(Reliability Physics)을 전문가들이 사용할 수 있는 도구로 구체적으로 명시하고 있다. 우주항공 산업에서도 자동차 산업 분야와 유사한 이점이 입증되었다. SAE와 디에프알 솔루션스의 자동차 및 우주항공 사업부는 전기/전자 장비, 모듈 및 부품의 신뢰성 물리학 분석을 위한 새로운 표준 SAE-J3168 프로세스 개발에 협력하고 있다.
2. GM, 포드, 테슬라, 그리고 항공기 제조사인 보잉, 엠브라에르 등이 자사의 공급망 내 핵심 모듈 요구사항에 설계 신뢰성을 담보하는 장치를 추가하고 있다. 즉 CAE 도구의 모델링&시뮬레이션을 통해 프로토타입이 만들어져 테스트를 하기 전이라도 설계 신뢰성을 검증해 볼 수 있도록 표준 개발 프로세스를 바꾸고 있다.
3. 글로벌 선진 기업을 중심으로 신뢰성 물리학을 주도적으로 적용하고 있는 기업들은 각자의 조직 규모와 사업적인 특성에 맞춰진 전문화된 신뢰성 팀을 구성하고 운영함에 따라 실질적이고 구체적인 효과를 거두고 있다. 예컨대 a)차량 개발 기간의 단축(5년에서 2년)을 통해 Time to Market이 짧아지고 b)과도한 테스트 부담이 줄고 무상 보증 비용이 절약되며 c)고객이 경험하는 신뢰도 개선으로 회사에 대한 평판이 높아져 고객 충성도가 향상되고 있다.

CAE 내구성 시뮬레이션 도구 중의 한 가지 예가 미국 디에프알 솔루션스가 개발한 Sherlock 자동 디자인 분석 소프트웨어다. Sherlock은 이러한 글로벌 시장의 변화와 요구를 조기에 파악하여 신뢰성 물리학에 기반을 두고 개발된 제품이다. 2018년 현재 Sherlock 5.4에는 온도 기반 복합 환경 피로수명 예측 기능이 추가됐다. Sherlock은 이러한 혁신적인 다양한 기능을 통해 전자 모듈과 어셈블리의 내구성 시뮬레이션에 대한 모범사례(Best practices)를 정의하고 있다.

‘IPC APEX EXPO 2018’에서 “최고의 혁신상(Best of Innovation)”을 수상한 Sherlock은 현재 글로벌 상용 시장에서 이 분야 유일의 솔루션이자 실질적인 표준 제품으로 자리매김하고 있다.

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