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[스마트 시대 PCB 개발 전략 ②] 자동차용 PCB의 품질 이슈와 그 대책

입력 : 2016.06.08 13:40

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지난 100년 동안 자동차는 더 많은 안전과 편의를 제공하기 위해 진화해왔다. 특히 최근에는 전기자동차와 무인 자율주행차(Autonomous car)에 대한 열기가 뜨겁다. 자동차 기술이 진보하면서 오는 2018년에는 드라이버가 도로 위에서 더 이상 주변 환경을 살필 필요도 없을 정도로 Feet, Hand & Eyes Off의 자율주행 시스템으로 성장할 것으로 기대된다(그림 1). 심지어 2020년 이후에는 마인드오프 개념의 자동차가 나올 것으로 기대되고 있는데, 이와 관련 보스턴 컨설팅 그룹은 자율주행차 시장이 2025년 420억 달러에 달할 것이라는 연구 결과를 발표했다.


▲ 그림 1. Automotive Trend


자동차기술과 ICT기술(전기전자, 정보통신, 지능제어 등)의 융복합화를 통한 자동차의 전자화 확대는 차세대 HVI(Human Vehicle Interface) 기능을 갖춘 스마트카 개발을 가능하게 했다. 그러나 자동차 1대에 무려 27,000개의 부품으로 구성돼 있기 때문에 부품들의 절대적인 품질과 신뢰성이 전제돼야 한다. 특히 자동차는 다른 전자기기들에 비해 가혹한 사용 환경에서의 적합한 신뢰성과 품질이 요구된다. 이는 자동차 애플리케이션의 극단적인 열, 습도, 먼지, 진동에서 신뢰할 수 있는 무결점 품질을 의미한다. 


한편, 2011년 발효된 ISO 26262(자동차기능안정성 표준)는 자동차용 전장부품의 지나친 위험(Unreasonable Risk) 제거를 요구하고 있다. ISO 26262는 자동차의 전장부품 시장이 확대되고 있는 현실과 밀접한 관련이 있다. 이 표준의 제정 요인은 2009년 가속페달 결함으로 미국에서 발생한 급발진 사고로 인해 760만대의 리콜은 물론 12억달러의 과징금을 부과 받은 일본 도요타 사태로 비롯됐다. 


2010년 전장부품의 비중이 51%에 달했던 독일 자동차 업계는 소프트웨어와 전자부품의 오류로 인한 사고를 방지하고 전장 시스템의 안정성을 확보하기 위해 자동차기능 안정성 국제표준 ISO 26262를 제정했다. 이는 기계공학 중심의 자동차 안전개념이 전장부품 중심의 안전개념으로 패러다임 이동이 이뤄지고 있음을 의미한다. 그럼에도 불구하고 2013년 또 다른 글로벌 자동차 기업인 GM이 600원짜리 점화스위치 결함으로 3,000만대를 리콜하고 피해 보상비를 포함해 무려 4조원을 지급하는 문제가 발생했는데, 이는 자동차의 품질과 신뢰성의 절대적 중요성을 인식시키는 계기가 됐다.


이에 현대자동차는 2015년 말부터 개발하는 신차에 ISO 26262를 적용, 2017~2018년에는 전 차종으로 확대한다는 계획이다. 자동차의 부품 무결점 품질과 신뢰성은 이제 ‘선택이 아닌 필수’라는 인식의 전환이 없이는 자동차 비즈니스의 미래도 없다고 할 수 있다. 그림 2의 Recall Problems를 살펴보면 1998년 이후 건수가 급증하고 있음을 알 수 있는데, 여기서 자동차의 전장화가 빠르게 진행되면서 자동차 전자부품의 결함이 발생하고 있다는 사실을 추정할 수 있다.


▲ 그림 2. Recall Problems


표 1을 보면 더 확실히 알 수 있는데, 대부분의 자동차 리콜의 원인이 전장부문에서 비롯된 것임을 증명하고 있다.


▲ 표 1. Recent Major Recalls by Auto Mfrs.


▲ 그림 3. 연도별 자동차 리콜에 영향을 준 부품들


최근 Global Financial Advisory Service가 발표한 ‘자동차 리콜에 영향을 준 부품들의 연도별 동향’ 보고서를 보면, 문제가 발생한 것은 대부분 에어백 등 전장부품들이다. 또 다른 자료인 ‘자동차 서브시스템에 의한 고장 분석(그림 4)’에 따르면 전기적 또는 관련된 부품의 불량률은 70.1%에 달하고 있다. 이는 자동차 전장부품의 품질과 신뢰성 확보가 보다 필요하다는 것을 보여주고 있는데, 다시 말해서 ‘전장부품의 전기적 혹은 전자적 특성이 부품불량의 요소가 되는가?’의 문제라고 할 수 있다. 


▲ 그림 4. Failures by Sub -System in the Current Products


델파이의 자료에 따르면 “애초부터 전기적 고장 같은 것은 없다. 전기적 불량이란 결과적으로 존재하지 않는다. 불량부품들을 상세하게 검사해보면 그들은 기계적, 물리적, 화학적 영향의 세 가지 범주로부터 시작된 것”이라고 한다. 특히 자동차의 경우 상대적습도(Relative humidity), 순환 온도 범위(Cyclic Temperature range), 전류밀도(Current density), 농도구배(Concentration gradient), 기계적피로(Mechanical stress), 전압차(Voltage differential), 진동(Frequency)의 가속 스트레스는 독립변수로써 종속변수인 Solder joint 및 PTH, PCB 층의 피로균열발생 및 진전, 부식(Corrosion), 마모고장의 진행(Creep), 확산(Diffusion), 이종확산(Inter-diffusion) 등 마모고장의 메커니즘에 영향을 미치는 것으로 확인됐다. 이는 페어차일드 신뢰성센터의 신뢰성시험과 고장 메커니즘의 관계(표 2)에서도 확인 가능하다.


▲ 표 2. 페어차일드의 Assembly Level 신뢰성 시험


전자 피로와 온도 순환(Temperature Cycling and Fatigue in Electronics)


DfR Solutions의 길라드 샤론(Gilad Sharon) 박사는 그의 논문에서 전자관련 불량의 대부분은 재료의 열팽창계수(CTE)의 차이에 의한 과도한 열 유도 응력 및 변형으로 발생한다고 주장했다. 


CTE 불일치는 전자 Assemblies의 상호접속 1차와 2차 수준에서 발생한다. 1차 수준의 상호접속은 서브스트레이트(substrate)와 반도체 칩을 연결하게 된다. 이 서브스트레이트는 CTE mismatch를 고려해 언더필을 할 수 있다. 2차 수준의 상호접속은 PCB에 패키지(Package) 또는 서브스트레이트를 연결하는 것이다. 이를 보드레벨(board level) CTE mismatch로 간주한다. 응력변화를 완화시키기 위해서는 컨포말 코팅(Conformal coatings) 사용을 포함한 여러 가지 기술들이 존재한다. 


▲ 그림 5. 1, 2 Level Interconnect (상호접속)


특히 PTH홀 부품들은 표면에 탑재된 부품들보다 결함이 노출되는데 오랜 시간이 걸리는데, 이는 PCB 내부에서 시간의 흐름에 따라 확대되기 때문이다. 납땜 접속(Solder joint) 부분에 반복적인 스트레스가 가해질 경우 금속피로(metal fatigues)로 인해 고장이 발생한다. 반복적이고 주기적인 부하(Carrying a burden)는 다양한 PCB Assembly 재료의 열팽창계수 불일치에서 비롯된다. 균열(Crack)이 시작되면 그 조인트의 다른 면에 도달하기까지 경로를 따라 번식한다.

 

관통홀(PTH) 부분에서 CTE 불일치는 기판과 부품리드의 사이에서 솔더 균열(Solder crack)이 발생한다. 이는 기판의 Z CTE와 부품 리드의 Z CTE의 방향이 서로 다른 CTE를 가지기 때문이다. 균열의 길이는 기판두께와 동일하다. 한편, 기판의 Z CTE로 인해 PTH의 도금에 균열이 생기거나 기판 내부에 층간 박리(Delamination)가 생길 수도 있다. 


▲ 그림 6. Lead 부품과 SMT부품의 솔더 접합부의 CTE 불일치


표면실장기술(SMT) 부품의 경우 CTE 불일치는 기판과 부품의 조인트 부분에 있다. 리드부품의 경우 솔더 조인트에 총 전단응력 부하를 계산해 리드 CTE의 유연성을 부가할 수 있다. 솔더 조인트 두께는 일반적으로 작다. 균열은 리드부품의 리드 foot의 길이 또는 리드가 없는 부품의 경우 패드의 길이만큼 경로를 따라 시작된다. SMT는 단점보다 장점이 훨씬 크지만 신뢰성의 감소 가능성을 고려해야 한다는 사실을 잊지 말아야 한다. 


김희경 _ 모리아코리아 대표  

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