[전장용 PCB 동향 1]자동차 전자부품 시장 동향
[전장용 PCB 동향 2]자동차용 전자기기의 신뢰성 시험
[전장용 PCB 동향 3]신뢰성 높은 자동차용 PCB 제조를 위한 제언

자동차 전자기기의 신뢰성 환경

항공기, 자동차, 그리고 군사용 전자장비의 공통점은 절대적인 기기 품질 신뢰성을 확보해야 한다는 점이다. 이는 인간의 생명을 담보로 하기 때문이다. 자동차의 기본 동작 및 안전 기능이 점점 더 전자 모듈에 의해 제어됨에 따라 차량 전장 시스템은 더욱 복잡해지고 있다.

또한 전자 기술의 진보는 전력과 열을 더 많이 취급하는 더 작은 디바이스 생산으로 이어 지면서 와이어 본딩, 마이크로 터미널, 납땜 접합에 대한 마이크로 구조 무결성이 매우 중요하게 되었고, 특히 가혹한 환경에서 10∼15년을 견뎌야 하는 자동차 산업에서는 더욱 중요해졌다. 

현장에서 전자기기 대부분 고장은 물리적인 것이며 구조적인 특성을 띠고 있다. 또한 와이어, 납땜 접합, 부품 단자, 와이어 본드, PCB의 through-hole 등의 과열과 파괴 또는 피로 등의 항목과 관련이 있다. 

차량 한 대당 들어가는 전자장치가 70∼80개(내연기관 차량의 경우)를 넘으면서, 자동차 업계는 무결성 검증, 신뢰성에 대한 요구가 더욱 커지게 됐다.

한편, 전자제품 업계에서는 그 동안의 노력으로 무연 솔더화가 성공적으로 진행되어 왔지만, 자동차용 전장품의 무연화 연구는 솔더의 용융점, 기초 물성 등 전장 PCB에 적용하기에 부족한 실정이다. 

자동차의 사용 환경은 일반 전자제품과는 달리 엔진부의 전장품 온도가 150℃정도로 고온이며, 운행 중 일반노면에서는 3G 정도, 최대 20G까지의 진동을 수반하는 등 일반 전자제품의 사용 환경에 비교해 보다 가혹하다.

따라서 일반적인 전단강도 시험이나 상온에서 이루어지는 기계적 신뢰성 시험으로는 자동차 사용의 실제 사용 환경에 대한 신뢰성을 정확히 판단하기 어렵다. 

자동차 엔진부에 사용되는 무연 솔더로는 융점이 높은 고온 솔더가 적용이 되어야 한다. 일부 연구에서 자동차 환경과 유사한 조건에서 열 사이클 및 진동 시험에 대한 연구도 진행되고 있으나, 고온 솔더를 사용하고 온도 사이클 환경에서 진동을 가하는 등 복합 환경에서 진행된 연구는 아니었다. 

최근의 많은 연구에도 불구하고 자동차용 전장품에 특화된 고온특성의 무연 솔더나 사용 환경에 대한 연구는 아직도 부족한 실정이다(그림 5).

그림 5. 고온에서의 부품 접속 부분의 품질 신뢰성 주의 필요

자동차 전자기기의 신뢰성 향상이 요구되는 주요 요인은 표 3과 같다.

표 3. 전자기기의 신뢰성 향상의 주요 요인

이 중 특히 중요한 것은 Filed 고장에 의한 리콜증가 및 전자기기의 열적 스트레스 증가요인이다.

1. 자동차의 사용 환경에 따른 신뢰성 기준
Delphi 자료에 따르면, 일반적인 자동차의 고신뢰성을 위한 설계 신뢰성을 1,000,000∼1,800,000km의 주행, 10∼15년의 자동차 수명과 20,000시간 초과 작동, 그리고 신뢰성 목표에 99% 접근 등을 기준으로 자동차를 설계하고 있다.

결국 신뢰성이란 원하는 수명 기간 동안 고객의 사용 환경에서 지정된 기능을 수행할 수 있는지의 제품의 능력을 측정하기 위한 것이다(표 4, 5, 그림 6).

표 4. 용도별 전자기기와 자동차전자기기의 사용환경

표 5. 전자기기 별 Application Condition

그림 6. 자동차 전자기기의 열 환경 조건

2. Lead free 적용과 신뢰성의 문제점
유럽연합 (EU)의 RoHS 법안은 2006년에 발효됐지만, 장기 신뢰성 데이터에 의문이 있는 일부 카테고리의 제품은 특정 관점에서 무연 조립이 면제됐다. 

그때부터 약 10년이 지난 현재 RoHS 준수 도입 후, 주요 제품에 대해 단계적으로 해당 면제가 폐지되고 있다. 의료기기는 2014년 이후 완전하게 RoHS 준수 대응이 요구되고 있고, 자동차 전자기기는 2016년부터 적용된다. 다만, 엔지니어링 관점에서 이식 및 제세동기 등의 의료시스템은 2021년까지 RoHS 대응이 요구되고 있다.

현재, 의료, 자동차, 항공 우주 및 산업 분야에서 지배적인 조립 기술로 무연 개발이 광범위하게 적용되고 있다. 

하지만 이 시점에서 필자는 한 가지 질문을 던지려 한다. “우리는 현재 완전히 무연으로 전환하는데 충분히 자신이 있는가?” 필자는 긍정적으로 보이지 않는다.

아직도 컴퓨터 Server와 같은 장비뿐만 아니라 다른 부품과 커패시터에 납을 사용하는 주요 부품업체와 전자 OEM업체는 RoHS 준수 면제를 지속적으로 적용받기를 원한다. 분명한 것은, 업계는 아직 모든 어플리케이션에 대해서 납을 대체할 적절한 대안을 발견하지 못했다는 것이다.

Lead Free와 관련해 신뢰성에 관한 두 가지 핵심 문제가 제기된다. 첫째는 무연 솔더인 SnAgCu는 솔더 조인트의 취약성 문제가 있다는 점이고, 둘째는 주석 휘스커의 성장 문제가 잠재하고 있다는 점이다.

무연 솔더 조인트는 SnPb 솔더 조인트보다 덜 유연하고 조악하여, 충격이나 진동에 노출되었을 때 고장에 더 취약하다. 이러한 재료가 항공기, 자동차, 트럭 등과 같은 환경에서 사용된다면, 충격과 진동에 민감한 전자 조립 시 더욱 높은 수준의 신뢰성 요건이 부과될 것이다.

주석 휘스커는 지금까지 광범위하게 연구되어 왔다. 그 결과, 부품 리드의 순수 주석 표면처리상에 자발적으로 형성하는 것으로 밝혀졌다. 그러나 휘스커(Whisker)가 얼마나 길게 성장할 수 있는지에 대해서는 아무런 증명이 없다. 

휘스커는 부품간의 상호 작은 간격에 브릿지를 만들고 미세 전류(millamps), 혹은 어떤 상황에서는 단락의 문제를 일으킬 정도로 보다 많은 전류를 수행할 수 있을 것으로 보인다. 또한 미세 피치 부품은 특히 위험에 더욱 많이 노출 될 것으로 추정된다.

휘스커는 끊어질 위험도 있기 때문에 PCB기판 표면에 전도성 이물질을 형성 할 수 있다. 주석보다 다소 밝은 무광택 주석 표면 처리는 부품단자에 위스커 형성을 완화하지만, 제거 할 수는 없는 것으로 밝혀졌다. 이는 니켈-팔라듐-금으로의 대체 표면 처리는 가능하지만 비용이 많이 든다는 문제가 있다.

한편, 컨포멀 코팅을 활용하면, 전도성 파편의 영향으로부터 회로를 보호 할 수 있지만, 휘스커 형태가 코팅에 스며들 수 있다. 예방을 보장 할 수 없는 것이다. 다만, 물리적으로 강한 코팅은 휘스커의 성장을 완화하는 것으로 추정된다. 하지만 안타깝게도 휘스커 방지를 보장할 수 없다. 

Lead Free의 또 다른 문제는 무연솔더링을 할 때, PCB에 높은 리플로우 온도의 영향으로 인해 PCB의 휨과 뒤틀림 문제가 발생한다는 것이다. 특히, 얇은 PCB의 경우 문제가 커질 수 있다.

그림 7에서 보는 것처럼 기존의 SnPb의 용융온도는 183°이고 솔더링 프로화일의 정점은 235°였다.

그림 7. Lead Free Soldering Profile

그러나 Sn-Ag-Cu 솔더의 경우 용융온도는 218°, 정점은 260°로 부품의 솔더조인트는 물론 반도체 chip 등 내열성이 약한 부품에 영향을 줄 수 있다.

그림 8에는 기존 SnPb의 특성을 나타냈다.

그림 8. Traditional Solder(SnPb)의 특성

용융점은 납(327°)과 주석(232°)이지만 합금했을 때 183도로 낮은 온도에서 솔더링이 가능하기 때문에 부품의 열 손상을 방지할 수 있다.

한편, 접착강도(인장력)는 주석(1.5kg/㎠), 납(1.4kg/㎠) 등 개별로는 약하지만 합금일 경우 4~5kg/㎠로 증가한다. 솔더링 시 납의 퍼짐성과 확산을 개선해 솔더링 품질을 높이고, 합금의 경우 표면을 매끄럽게 하여 산화방지와 휘스커의 성장을 완화시킬 수 있다. 

그러나 이제는 이 같은 장점이 사라졌다. 따라서 고온에서의 솔더링, 약한 접착력, 품질저하, 산화, 휘스커 등의 문제에 대한 적절한 대안을 가져야 한다. 이에 자동차용 PCB의 신뢰성 특성은 중요한 이슈로 대두됐다.

2. 자동차용 전자기기의 고장원인
자동차 전자기기 고장의 대부분은 전기적으로 발생할 것이라고 생각한다. 실제로 전자적 고장은 존재하지 않는다. 결함이 있는 부품을 상세히 검사했다. 그 결과 발생 빈도에 따라 다음의 범주에 들어 있음을 나타냈다.

· 기계적(Mechanical)
· 물리적(Physical)
· 화학적(Chemical)

제품에 문제가 있는지의 여부는 고장 또는 불량에서 찾을 수 있다. 그림 9를 보면 고장원인의 58%가 PCB를 포함한 재료나 부품에 있음을 알 수 있다.

그림 9. 전자기기의 고장원인

표 6을 보면 Wearout 고장의 메커니즘은 피로균열, 진전, 점진적, 확산, 부식, Migra-tion, Dendritic 등이며, 이는 기계적 스트레스, 온도, 습도, 농도, 주파수 등에 의해 가속되는 것을 알 수 있다.

표 6. 마모 고장 메커니즘과 가속응력

신뢰성 시험은 정의한 바와 같이 기기의 사용 환경에서 정해진 수명을 다할 수 있는지를 사전에 테스트하는 것이다. 따라서 기계적, 물리적, 화학적 시험환경과 조건에서의 테스트가 요구되는 것이다.

자동차용 전자기기의 신뢰성 시험

자동차의 Field 사용 환경과 Lead Free 환경 등 고열환경에서 신뢰성을 확보하기 위해서 다음의 조건을 만족하기 위한 신뢰성테스트가 필요하다. 조건은 다음과 같다.

첫째 부품실장 (SMT) Soldering 환경에서 PCB의 특성 변화, 둘째 온/습도 환경에서의 특성변화, 셋째 정전기나 전자파로부터의 특성변화, 넷째 열 충격이나 물리적 충격 및 진동환경에서의 물리적 특성 변화, 다섯째 얼마나 오랜 기간 사용 가능 여부(수명) 등이다.

그림 10은 자동차전자기기의 신뢰성 시험 규격인 AEC Q100의 신뢰성 시험 그룹을 나누고 시험결과 발생할 수 있는 PCB 조립 불량의 예를 들었다.

그림 10. AEC Q100신뢰성 그룹

AEC Q100의 자동차 전자기기의 환경시험 기준은 표 7과 같다. 그러나 업체마다 다소 다른 기준을 제시하기도 한다.

표7. AEC Q100 환경시험 기준

Delphi는 PTC 시험기준을 -40∼125°C에서 1800 Cycles를 요구하기도 한다. 일본 도요타의 경우 2000 Cycles로 증가하기도 한다. 이와 관련, 일본의 대표적인 자동차용 PCB 제조업체인 CMK는 할로겐프리 재료를 사용하고 3,000 Cycles에서 저항의 변화율이 5% 이내에 불과한 자동차용 PCB를 개발한 바 있다.

이 외에도 미국 GM의 계열사였던 Delphi는 자동차 전자기기의 신뢰성 시험을 위한 핵심 시험 항목으로 고온 내구성(2,000hours), 고온습도 시험(85°C/85% 1,000hours), Vibration test (0 to 2,500Hz Typically 100hours/axis) 등을 정했다.

그림 11은 자동차 전자 패키지에 대한 신뢰성 요구사항이다. 열에 심하게 노출되지 않는 DIS(Direct Ignition System)는 AEC Q100의 Grade 2를 적용하고 Chassis & Safety 부품은 Grade 1을, 열에 심하게 노출되는 power-train 부품은 Grade 0을 적용한다.

그림 11. 자동차 전장용 패키지 신뢰성 요구사항

1. 자동차용 PCB의 품질특성과 신뢰성
이와 같은 신뢰성 시험을 통과할 수 있는 PCB 제조 기술을 확보하는 것은 쉬운 일이 아니다. 이 기술을 확보하는 데 가장 중요한 것은 재료의 선택이다. 고열환경에서의 재료는 기존의 일반적인 Tg(유리전이온도) 레벨로는 불가능하다. 적어도 170 이상의 Tg가 요구된다. Td(분해온도) 역시 350℃이상이어야 안전하다.

특히, CTE(열팽창계수) 값이 낮은 재료를 선택하는 것은 매우 중요하다. 전자기기의 대부분의 불량은 CTE Mismat-ch로 인해 발생하기 때문이다. 자동차용 PCB의 경우 신뢰성확보를 우선으로 한다면 Low CTE 재료를 선택해야 한다. 

한편, CTE에 영향을 주는 것은 온도뿐만 아니라 PCB와 부품의 흡습(Moisture absorption) 또한 주요 요소이다. 물론 PCB의 보관이나 사용 환경에서의 흡습을 방지하는 것도 효과가 있지만, 재료 선택 시 흡습성이 적은 재료를 선택하는 것이 더욱 중요하다.

다음으로 고려해야 할 점은 PCB 제조공정에서의 표면처리, Through hole 도금, Solder resist, PCB Cleanness 등이며, 이는 PCB의 신뢰성에 직접적인 영향을 미친다. 

또한 PCB 설계 시 DfR(Design for Reliability)을 통해 전자기기 고장을 사전에 방지함으로써, 고장으로 인한 손실을 최소화 할 수 있다. 

PCB SMT프로세스에서의 Soldering Profile이나 솔더 Alloy도 신뢰성 결함의 원인을 제공할 수 있다. 그림 12에 PCB신뢰성의 구성요소들을 CCL, PCB제조공정, 디자인, PCB Assembly로 구분해 나타냈다.

그림 12. PCB 신뢰성 구성요소

김희경 _ 모리아코리아 대표