Sherlock 프로그램은 전자 제품에 대한 내구성 시뮬레이션 기능을 신속히 수행할 수 있도록 PoF 장애 스트레스 분석과 장애 메커니즘 모델링을 통합한 내구성 시뮬레이션 및 신뢰성 평가 CAE 도구 슈트다. 이러한 자동 모델 생성 능력은 새로운 설계를 만들어야 하는 여러 분야의 엔지니어링 및 설계 요원들이 대화식으로 일할 수 있도록 해준다. 이런 강력한 기능으로 인해 제품 설계 초기부터 제품 신뢰성을 물리 기반으로 이해할 수 있게 해 제품 최적화 기회를 제공한다.

   글 │제임스 맥라이쉬(James G. McLeish) <jmcleish@dfrsolutions.com> 디에프알 솔루션(DfR Solutions)
문의│권형안 대표 <hakwon@ex1337.com> (주)엑슬리트

자동차의 기본 동작 및 안전 기능이 점점 더 전자 모듈에 의해 제어됨에 따라 차량 전장 시스템은 더욱 복잡해지고 있으며 승용차나 트럭의 안전 운행에 필수 요소가 되고 있다. 이러한 전장 시스템의 신뢰성 문제는 2009년 토요타 자동차의 대규모 리콜 사태의 도화선이 된 급가속 사고로 인해 차량 안전성 측면에서 큰 관심사로 떠올랐다.
이 경우, 전자제어 시스템까지 신뢰성이 의심받긴 했으나 결국 근본 원인이 아니라는 결론이 났다. 그러나 분산형/대화형 차량 제어 시스템의 신뢰성 및 안전성 보증 측면을 평가하고 검증겵떻聆瞞?하는 도전과제에 직면하게 됐으며, 이러한 도전은 OEM을 비롯해 전장 시스템 공급업체, 규제기관 모두에게 부담이 되고 있다.
이 사건의 여파로, 2012년 1월 미국한림원(U.S. National Academy of Science)은 “특별보고서 #038(등록번호 #13342) 자동차 전자장치의 안전성 과제와 약속 - 급가속 사고에서 얻은 통찰”이라는 제목의 보고서를 발간했다. 이 보고서는 미국 도로교통안전국(NHTSA)의 연방 안전규제 요원들이 점점 더 정교해지는 전자장치를 탑재한 차량을 모니터링 할 전문성이 부족해 사건 조사에서 NASA의 전자 전문 요원을 불러 도움을 받아야 할 정도라고 언급하고 있다.
한편, 유럽에서는 ISO 26262 “도로 차량 - 기능안전성” 표준을 제정해 자동차 고유의 접근방법으로 위험 수준(risk classes)을 결정하고 수용 가능하며 충분한 안전성 및 신뢰성 담보를 위한 검증 및 확인 방법에 대한 요구사항을 정의했다.
이러한 요구사항과 새로운 ISO 규격을 지원하기 위해서 차량 전자 모델의 안전성 및 신뢰성을 평가할 수 있는 새로운 CAE(Computer Aided Engineering) 도구들이 제공되고 있다. CAE 모델링 및 시뮬레이션 도구는 이제 자동차 엔지니어링의 핵심 역량으로 자리를 잡았다. 제품을 시장에 더 빨리 내놓기 위해서는 신제품 개발 기간을 단축해야 하며 개발 초기에 원하는 디자인을 얻을 수 있어야 투자비도 낮출 수 있다.
기계공학, 토목공학, 구조공학에서는 성능, 내구성, 신뢰성 요구사항을 최적화하기 위해 엔지니어링 프로세스의 필수과정으로 CAE 구조 분석 도구를 사용한다. 자동차 바디, 프레임, 서스펜션, 엔진 및 다른 구성 요소에 대한 구조적 분석은 운행시 스트레스가 제품에 사용된 재료의 능력과 피로 한계를 벋어나지 않는다는 것을 확인하는 필수 절차다. CAE 분석 도구는 초기 단계에 제품을 제대로 설계할 수 있도록 지원함으로써 실제 프로토타입을 만들거나 내구성 시험의 필요성을 줄여 엔지니어링 프로세스를 단축하고 개선해 제품 개발 시간과 비용을 크게 줄여준다.
평가되는 주요 문제는 과부하(overstress), 마모와 관련된 결함이다. 항복 응력(yield)이나 좌굴 응력(buckling)과 같은 과부하에 의한 장애는 적용된 스트레스가 디바이스 재료의 강도나 능력을 초과할 때 발생하며 곧바로 장애를 일으킨다. 이러한 장애는 디바이스 설계 의도를 초과한 경우에만 발생하는데, 천재지변이나 번개, 홍수에 침수될 경우이다. 과부하에 의한 장애는 랜덤(무작위) 장애라는 전통적인 신뢰성 개념과 관련이 있다. 부하 스트레스 분석은 기계적인 충격과 같은 각종 스트레스를 견딜 수 있도록 설계 제품의 강도 한계가 적합한지 결정하는 데 사용된다. 마모 장애는 시간의 흐름에 따라 재료가 누적 손상되는 점진적 스트레스와 관련이 있다. 이것은 피로 파괴와 같은 장애 메커니즘을 다룬다.
반면, 전기/전자(EE) 엔지니어들은 전통적으로 CAE 도구를 구조 분석 도구로서 강조하기 보다는 자신들의 영역에서 회로나 기능 및 소프트웨어 분석을 하는 보조 도구로 바라봤다. 그러나 전자 기술의 진보는 전력과 열을 더 많이 취급하는 더 작은 디바이스 생산으로 이어지면서 와이어 본딩, 마이크로터미널, 납땜 접합에 대한 마이크로 구조 무결성이 매우 중요하게 되었고, 특히 가혹한 환경에서 10~15년을 견뎌야 하는 자동차 산업에서는 더욱 중요해졌다. 현장에서 전자 모듈의 대부분 고장은 물리적이고 구조적인 특성을 띠고 있으며 와이어, 납땜 접합, 부품 단자, 와이어 본드, PCB상 THV(through-hole vias) 등의 과열과 파괴 또는 피로 등의 항목과 관련이 있다.
이제까지는 차량 전자 모듈의 구조적인 무결성, 내구성, 신뢰성을 평가하고 검증하기 위해서 실제 프로토타입을 제작해 다양한 환경 스트레스나 사용 내구성 테스트를 실시해 보는 설계-제작-테스트-교정(D-B-T-F)이라는 전통적인 신뢰성 검증 프로세스에 의존해왔다. 프로토타입 전자부품을 제작하고 테스트하는 시간과 비용은 자동차 전자장치의 개발-검증 프로세스를 빠르게 실행해야 하는 회사 입장에서는 매우 큰 제약 요소였다.
차량 한 대당 들어가는 전자장치가 70~80개(내연기관 차량의 경우)를 넘으면서, 자동차 업계는 무결성 검증/신뢰성/내구성 테스트에 따른 부담이 커지고 있다. 더욱이 하이브리드 카와 전기차로의 전환은 전자장치 의존도를 더욱 높이고 있다. 예를 들면 전기차 쉐비 볼트(Chevy Volt)의 리튬리온 배터리 모듈은 배터리 시스템 관리 및 안전성을 확보하기 위해 총 7개의 PCB 어셈블리가 필요하다. 각 어셈블리는 광범위한 내구성 프로파일에 따라 테스트되어야 했다.
이러한 상황을 해결하기 위해, 새로운 부류의 지식 기반형 자동설계분석(Automated Design Analysis, ADA) CAE 도구가 개발됐고, 전자 모듈의 구조적 무결성을 확보할 수 있는 PoF(Physics of Failure) 내구성 시뮬레이션 및 신뢰성 평가를 실행할 수 있게 됐다. 이 새로운 CAE 프로그램은 Sherlock 자동설계분석이라고 불리는 것으로, 설계 내용을 검사해 볼 수 있으며 실제 운행시 의도한 사용 환경에 비춰 고장을 일으킬 것으로 의심되는 부분을 설계 시점에 찾아낼 수 있다. 이 프로그램으로 가상 환경에서 내구성 시뮬레이션을 수행할 수 있으며 전자 모듈의 회로 보드 상 구조물 요소 및  전자부품의 다양한 장애 메커니즘의 신뢰성 분포와 내구 수명을 계산할 수 있다. 이것은 자동차 바디, 섀시, 다른 기계적 시스템이나 부품에 대한 구조적 내구성 분석을 수행하는 방법과도 비슷하다.
디에프알 솔루션이 개발한 Sherlock 프로그램은 다양한  전자부품 및 재료가 왜, 어떻게 장애를 일으키는지 알아내려는 수년에 걸친 PoF 연구의 성과물로서 CAE 분석 도구 속에 각각의 장애 메커니즘을 수학적인 모델로 해석해 낼 수 있도록 개발됐다. 이전까지 이러한 PoF 분석은 유한요소분석(FEA)과 같은 전통적인 CAE 도구를 사용해 수행됐다. 이러한 분석은 고도로 훈련된 전문가만이 장기간 복잡한 모델 작성 프로세스를 거쳐 수행할 수 있었다. 대부분의 전자 엔지니어는 거의 사용할 수 없었다.
그러나 Sherlock Automated Design Analysis™ 프로그램으로 CAE 비 전문가도 PoF 내구성 시뮬레이션과 신뢰성 평가를 손쉽게 만들어 수행할 수 있게 됐다. 이것은 부품 모델, 재료 특성, 설계 템플릿, 분석 위저드 및 특정 용도의 환경 프로파일 등을 라이브러리에 미리 로드해 놓은 소프트웨어로, 복잡하고 어려운 과정을 손쉽게 자동화했다. 이를 통해 전자 엔지니어, 회로 보드 디자이너, 품질/신뢰성 요원은 설계 과정에 신뢰성 검증을 포함시킬 수 있는 분석 도구를 이용할 수 있게 됐다.
CAM 장비에서 적용하기 위해 PCB 가공업체나 PCB 어셈블러에게 보내지는 회로 배치 설계 프로세스 중에 만들어지는 전형적인 CAD 파일을 수정 없이 그대로 읽어 들임으로써 PCB 어셈블리의 가상 모듈 생성이 대폭 단순화됐다. 일단 CAD-CAM 파일이 거버(Gerber)나 새로운 ODB++ 포맷으로 로드 되면, 그림 1에 보이는 바와 같이 Sherlock은 구조 분석을 위해 필요한 FEA 모델을 자동으로 생성한다. 그리고 나서 내구성 타임 프레임과 적용할 신뢰성 목표치에 준하는 환경 및 사용조건을 정의한다.



다음으로 사용자는 수행되는 스트레스 분석 유형을 선택하는데, 이것은 그림 2에 보이는 바와 같이 서비스 수명 동안 디바이스가 견뎌야 하는 스트레스의 유형, 강도, 로딩 주기를 결정한다. 이 스트레스 조건은 다양한 PoF 장애 메커니즘 모델의 입력을 통해 자동으로 이용되며 전자 어셈블리, 재료 및 부품이 여러 장애 메커니즘으로부터 받는 영향을 결정하고 평균 장애발생 소요 시간이나 설계된 각 부품의 장애 메커니즘 민감도 평균에 대한 장애 분포를 얻을 수 있게 한다.



그림 3은 Sherlock 프로그램이 개별 장애 메커니즘에 대한 종합적인 장애 위험 수명 곡선(failure risk life curve)이나 전체 전자 모듈에 대한 장애 위험 수명 곡선을 계산하기 위해 각 개별 요소에 대한 장애 위험을 어떻게 계수하는 지 보여준다. 또한 각각의 장애 메커니즘에 가장 큰 영향을 주는 부품이나 특성을 표시하는 순차 파레토 리스트(Pareto list)를 만든다. 이것으로 원하는 서비스 수명 기간 동안 가장 장애 발생 가능성이 높은 모든 취약 고리 항목을 표시하고 순차적으로 열거할 수 있다. 그래서 실제 신뢰성 검증 내구성 테스트를 하기 위해 프로토타입 모듈을 만드는 시간과 비용을 절약하고, 설계 작업이 CAD 상에서 이루어지는 동안에도 어느 부분에 왜 설계 문제가 발생하는 지 파악하고 방지 대책을 강구할 수 있다.
Sherlock 프로그램의 최신 버전은 다음과 같은 스트레스 평가, 마모, 과도한 스트레스 장애 시뮬레이션 및 위험도 평가를 수행한다.

-  FEA 진동 모드 분석 - 스트레스 평가
-  FEA 모드 분석 - 스트레스 평가
-  납땜 접합 온도 사이클링 피로 - 마모 장애 메커니즘 - 전통적인 주석/아연 납땜 - RoHS 무연 납땜의 SAC 패밀리
-  도금 THV의 온도 사이클링 피로 - 마모 장애 메커니즘
-  납땜 접합의 기계적인 진동 피로 - 마모 장애 메커니즘 - 전통적인 주석/아연 납땜 - RoHS 무연 납땜의 SAC 패밀리
-  납땜 접합의 기계적인 충격 균열 - 과도 스트레스 장애 메커니즘
-  전도성 양극 필라멘트 형성물 - 위험 평가

그림 4는 이러한 분석으로 검출하고 방지할 수 있는 실제 현실에서의 장애 사례이다.



 

필자 소개
제임스 맥라이쉬는 ASQ 신뢰성 부서, IEEE 신뢰성 소사이어티, SAE E/E 신뢰성 및 ISO-26262 기능 안전성 위원회의 수석 회원이다. 그는 1970년대 크라이슬러에서 최초의 마이크로프로세서 기반의 엔진 컴퓨터를 발명하는데 기여했다. 이어 GM과 GM 밀리터리에서 E/E 부품 및 자동차 시스템에 대한 시스템 엔지니어링, 디자인, 개발, 생산, 검증, 신뢰성 및 품질보증 업무를 수행했다. E/E 신뢰성 책임자 및 E/E QRD(품질/신뢰성/내구성) 기술 전문가로 일하면서 GM에 PoF 방법론을 소개한 장본인이기도 하다. 2006년부터 그는 디에프알 솔루션의 미시간 사무실에서 파트너이자 매니저로 근무하고 있으며, 글로벌 전자산업 분야에서 PoF 전문성을 가진 QRD 서비스 회사에서 엔지니어링 컨설팅, 장애 분석과 실험 서비스를 도와주고 있다.