국내 자동차 산업과 반도체 산업을 각각 대표하는 현대자동차와 삼성전자가 손잡고 자동차용 반도체 개발에 나서기로 했다. 여기에는 정부지원금 100억 원과 기업투자 100억 원 등 총 200억 원이 투자된다. 자동차용 반도체가 양사의 개발과 수요 측면에서 그만큼 중요해졌다는 의미다.
1980년대 자동차 가격의 1% 수준에 불과했던 전장 비중은 현재 20%까지 높아졌으며, 2015년이면 40%까지 상승할 것으로 예상된다. 이에 따라 자동차용 반도체 시장 규모도 연평균 8.5%씩 성장해 2012년이면 세계적으로 203억 달러에 이를 것으로 추정된다.
자동차 한 대 당 반도체 사용량을 6인치 웨이퍼로 환산하면, 1500 cc 소형자동차의 경우 0.21장, 하이브리드 카의 경우 0.48장, 하이브리드 카에 카 내비게이션을 탑재한 차의 경우 0.96장(ex. 프리어스) 정도라고 한다[1]. 퍼스널 컴퓨터 한 대 당 반도체 사용량이 6인치 웨이퍼로 환산해 0.14장 정도인 것을 감안하면 상당히 많은 양이다.
토요타의 최고급 하이브리드 카인 렉서스 LS600h에는 6인치 웨이퍼로 환산해 2.6장분의 반도체가 사용된다고 한다. 이 중 파워 모듈에 집적되는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)와 다이오드가 6인치 웨이퍼 1장 분량이며, 그 외에 마이크로컨트롤러(MCU), ASIC, 메모리 등이 1.6장 분량이다. 다시 말해 파워 디바이스와 아날로그 디바이스가 각각 전체의 3분의 1을 차지하며, 4분의 1이 센서 디바이스, 그리고 로직 디바이스가 그 나머지를 차지한다.
자동차 한 대 당 사용되는 반도체를 금액으로 환산하면, 2006년에 272달러에서 2010년에 374달러까지 증가할 전망이다. 현재 한 대의 자동차에 사용되고 있는 반도체는 대략 100~150개 정도다. 그러나 5년 후 반도체 탑재 개수는 그 두 배로 늘어날 전망이다.

까다로운 신뢰성 요구

ECU는 자동차에 필요한 정보를 획득하는 센서부와 입력 받은 정보를 연산 처리해 필요한 출력 정보를 생성하는 ECU부, 그리고 처리 정보에 따라 동작 제어를 하는 액추에이터부로 구성된다. 당초 ECU의 기능은 점화시기와 연료분사, 아이들 업, 리미터라고 하는 엔진 제어가 목적이었다. 하지만, 자동변속기(AT) 제어를 비롯해 구동계, 제동계, 조향계 등의 진화에 따라 ECU의 역할도 다양화되고 있다. 고급 차종에는 80개 가까운 ECU에 70종의 센서가 100여개, 그리고 액추에이터로 사용되는 모터가 80개 정도 사용되고 있다.
자동차의 전자화는 빠르게 진행되고 있다. 현재 자동차 한 대 당 평균 25개의 ECU가 탑재된다. 차급이 올라갈수록 ECU 숫자는 늘어난다. 예를 들면, 메르세데스 벤츠 S-클래스와 BMW 7-시리즈에는 80여개의 ECU가 들어간다. 렉서스 LS는 100개의 ECU가 사용된다. ECU의 탑재 위치도 최적 배치를 위해 자동차 실내에서 엔진룸이나 트랜스미션의 오일실 내부까지 뻗치고 있다. ECU의 소형화와 통합화에 의한 공간 절약도 진행되고 있지만, 보다 고온다습하고 진동 충격의 영향을 받기 쉬운 엔진룸 내에 ECU를 탑재하지 않으면 안 되는 상황이다. 따라서 엔진 제어 ECU는 방수성 외에 기존 모델에 비해 약 30 ℃ 높은 온도 환경에서도 동작할 수 있어야 한다. 엔진 제어 ECU를 엔진룸 내에 탑재하기 위한 요소기술로서는 방열기술, 고신뢰성화 기술, 방수 기술, 소형화 및 경량화 기술이 필요하다.

실장 기술의 진화

엔진 제어 ECU는 엔진의 출력, 연비, 배기가스의 청정도를 향상시키기 위해 엔진이나 차량 상태를 감지하는 각종 센서로부터 들어오는 입력 신호를 바탕으로 연료분사량, 점화시기, 스로틀 개도 등을 종합적으로 정밀하게 제어한다. 예를 들면, 연료분사 제어는 엔진에 흡입공기량과 엔진 회전수로부터 기본 분사 시간을 계산하고, 이것에 각종 센서로부터 들어오는 신호에 의한 보정을 가하여 총 분사 시간을 제어한다. 또 엔진 제어 ECU에는 고기능화 되는 시스템에 대응하기 위해 자기고장진단 및 오류감시(fail safety) 기능을 갖추고 있다.
1994년부터 판매되기 시작한 혼다 오디세이는 2008년 10월에 제 4세대 신형 모델이 출시됐다. 그동안 엔진 제어 ECU의 회로기판 실장은 DIP(Dual In-line Package)나 하이브리드 IC, 파워 트랜지스터를 핀 삽입 실장한 제 1세대(1994년~1999년)를 거쳐, 제 2세대(1999년~2003년)에는 핀 삽입 실장의 반도체 패키지와 QFP(Quad Flat Package)나 SOP(Small Outline Package) 같은 표면 실장형 반도체 패키지를 탑재했다. 제 3세대(2003년~2008년)에는 대부분 표면 실장형으로 대체됐다. 인쇄회로기판(PCB)의 경우에는 2층 PCB의 단면 실장 시대에서 4층 PCB의 양면 표면 실장 시대로 바뀌었다.
엔진 제어 ECU는 외부 기기의 전원 및 신호 선과 100개 전후의 와이어 하니스에 접속하기 위해, 핀 삽입형의 대형 커넥터가 ECU 기판에 탑재돼 있다. 자동차 주행 시 엔진의 회전 진동뿐만 아니라, 노면 상태에 의해 케이블에 전해지는 다양한 주파수의 진동에 의해 커넥터 단자 접합 부위가 갈라지거나 배선 탈락 등을 방지하기 위해 단자 핀과 커넥터 하우징을 기판과 단단히 접속시킬 필요가 있다. 그러므로 피치가 넓은 단자 핀을 기판 도통 홀(through hole)에 단단히 플로 땜납 실장하고, 하우징도 회로기판에 납땜 나사고정으로 고정돼 있다. 이 때문에 커넥터 사이즈가 커져 ECU의 소형화에 장애가 되고 있다. 실제로 ECU 실장 면적의 4분의 1 가까이를 커넥터 실장부가 차지하고 있다.
ECU의 반도체 실장에 있어서는 반도체 소자나 파워 트랜지스터 등에서 발생하는 열을 효율적으로 방열하는 것이 중요하다. 파워 IC와 트랜지스터는 방열판 패키지에 수납된다. 방열판은 대형 금속제 히트싱크에 나사 등으로 압접시켜 열을 확산시킴으로써 방열하는 것이 일반적이다. 로직 IC나 아날로그 IC 소자의 열은 패키지 단자를 통해 회로기판으로 전달되는 것이 일반적이지만, 반도체 소자의 발열량이 증가함에 따라 일부에서는 반도체 패키지의 탑재 위치인 전자회로 기판에 서멀 비아(thermal via)를 마련해 기판 이면으로 열을 보내고, 또 그 부분에 방열 시트를 넣어 알루미늄 다이캐스트의 ECU 하우징으로 열이 발산되도록 하고 있다.
엔진 제어 ECU를 포함한 대부분의 ECU는 온습도나 진동 환경이 비교적 양호한 자동차 실내에 놓이는 경우가 일반적이었지만, 지금은 와이어 하니스의 삭감과 하니스 길이의 단축에 의한 차량 중량의 경량화, 엔진 제어 기능의 최적 배치의 관점에서 엔진 제어용 ECU는 엔진룸 내에 탑재하고 있다.
엔진룸 내에 ECU가 탑재됨에 따라 방수는 물론 탑재 부위의 열환경을 고려한 방열, 내열 설계와 고신뢰성을 확보하기 위한 새로운 요소기술의 개발이 필요한 실정이다.