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[전장용 PCB 동향 2]자동차용 전자기기의 신뢰성 시험 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.
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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).
고온에서의 부품 접속 부분의 품질 신뢰성 주의 필요 자동차 전자기기의 신뢰성 향상이 요구되는 주요 요인은 표 3과 같다. 전자기기의 신뢰성 향상의 주요 요인 이 중 특히 중요한 것은 Filed 고장에 의한 리콜증가 및 전자기기의 열적 스트레스 증가요인이다. 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). 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.
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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).
고온에서의 부품 접속 부분의 품질 신뢰성 주의 필요 자동차 전자기기의 신뢰성 향상이 요구되는 주요 요인은 표 3과 같다. 전자기기의 신뢰성 향상의 주요 요인 이 중 특히 중요한 것은 Filed 고장에 의한 리콜증가 및 전자기기의 열적 스트레스 증가요인이다. 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). 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.