자동차용 센서를 통해 살펴보는 ‘자동차 인증 획득’의 의미

  • 2017년 09월호
  • 글 | 제프 비올라(Jeff Viola), FAE, ams



‘자동차 인증 획득’이라는 문구는 반도체 업계에서 널리 사용되는 마케팅 용어 중 하나다.

자동차 애플리케이션이 전자 부품에 대해 특별히 엄격한 동작 조건을 부여하며, 수명과 신뢰성 같은 요건들을 특히 까다롭게 요구하는 것은 분명하다. 자동차 업계가 자동차용 부품에 소비자용이나 컴퓨팅 또는 산업용 제품보다 월등한 수준을 요구하는 것은 합리적이고 당연한 조치다.

이러한 탁월한 특성에 대한 요구사항은 ‘자동차 인증 획득’이라는 문구로 깔끔하게 요약되지만, 사실 이 용어는 제품의 설계, 성능 또는 수명에 대해 거의 아무것도 알려주지 않는다. 흥미로운 사실은 ‘자동차 인증 획득’ 제품으로 소개된 실제 부품을 살펴볼 때 나타난다. 예를 들어 부품 번호가 서로 다른 2개의 제품이 명백히 매우 유사한 동작 특성을 나타내는데, 하나는 자동차 용도로 인증 받고 다른 하나는 그렇지 않은 2개의 IC를 찾지는 못할 것이다.

이러한 경우 2개의 부품은 실제로는 동일한 실리콘 조각들이어서 이들 사이에는 아무런 차이가 없을 수 있다. 때때로 자동차용 부품과 비자동차 부품 간의 유일한 차이는 자동차 부품에서 제공하는 더 넓은 동작 온도 범위뿐이며, 그밖에는 자매 제품과 구별하는 것이 불가능할 수 있다. 어떤 경우에는 자동차 인증을 획득한 버전의 소비자용 부품이 오히려 더 견고한 특성을 가질 뿐 아니라, 실제로 다른 특성이나 추가적인 일련의 신호 인터페이스와 같은 현저히 다른 특징들을 갖기도 한다.

그렇다면 자동차 제조업체가 자동차 인증을 획득한 디바이스에 많은 비용을 지불해야 하는 근거는 어디에 있을까? 반도체 제조업체가 ‘자동차 인증을 획득’한 제품이라고 설명하는 부품은 모두 동일한 내용을 의미하는가? 시스템 설계자는 자동차 설계에 사용할 부품을 선택할 때 어떤 특성과 기능을 고려해야 하는가?

위치 센서, 가스 센서, ToF(Time-of-Flight) 센서 및 기타 유형의 센서를 자동차 제조사에 공급하는 IC 전문기업인 ams는 자동차 인증을 획득한 광범위한 센서 제품을 보유하고 있다. 이 글에서는 센서 부품을 통해 오늘날 자동차 인증을 획득한 부품이 갖는 특징들을 구체적으로 살펴본다.

‘자동차 인증 획득’ 부품의 공통적인 특징

?자동차 인증이라는 복잡한 분야에 대해 가장 먼저 이해해야 할 점은 실리콘은 자동차 부품을 다양화할 수 있는 여러 방법 중 하나일 뿐이라는 것이다. 뿐만 아니라 일부 소비자용 등급 센서는 어느 위치와 애플리케이션에 사용하느냐에 따라, 그리고 OEM이 판단하기에 특정 표준 요건을 따르지 않아도 괜찮겠다고 결정하느냐에 따라, 자동차에 사용할 수도 있다. 

예를 들어 차량 앞좌석 헤드레스트 뒤쪽에 설치하는 디스플레이의 경우, 스크린이 잘 보이는 위치에 있는지 여부를 감지하기 위해 자기 로터리 또는 선형 위치 센서를 사용하곤 한다. 이러한 경우는 안전에 핵심적이지 않으며 동작 조건이 양호하므로, 자동차 OEM은 이러한 애플리케이션에 소비자용 부품의 사용 여부를 충분히 고려할 수 있다. 자동차 인증을 받지 않은 부품을 사용할 경우 통상적으로 시스템의 BOM 비용에서 최소 몇 센트 정도는 절약할 수 있다.

하지만 이 같은 사례는 드물다. 자동차 애플리케이션은 매우 높은 신뢰성을 요구하며 극한 동작 조건에 노출될 수 있다. 그렇다면 이러한 특성들은 센서 IC 제조업체가 부품 정격을 지정하는 일반 파라미터에 어떻게 반영되고 있을까? ‘자동차 인증 획득’ 제품이라고 소개되는 센서 IC의 가장 공통적인 특징은 다음과 같다.

· 온도 범위: 대부분의 애플리케이션에서 -40~125℃ 또는 150℃, 캐빈 내에서는 -40~85℃
· AEC(Automotive Electronics Council)에서 지정한 AEC-Q100 표준 규정에 의한 인증 획득
· PPAP(Production Part Approval Process) 준수
· 정전기 방전(ESD)에 의해 발생하는 비교적 높은 전압에 대한 내성 명시(그림 1 참조)
· 관련 전자기 호환성(Electro-Magnetic Compatibility: EMC) 요구사항 준수. EMC 요구사항은 부품이 발생하는 전자기 방사는 물론 부품이 외부 간섭에 견디는 정도까지 모두 해당
· ISO 26262 기능 안전 표준 규정에 따른 자동차 안전 무결성 등급(Automotive Safety Integrity Level: ASIL) 획득
· 고장률 기반 진단 분석(Failure Modes Effects and Diagnostic Analysis: FMEDA) 지원
· 자동차에 특화된 통신 프로토콜 및 시그널링 인터페이스 지원

여기에 제시된 이 목록은 포괄적인 것도 의무적인 사항도 아니다. 센서 IC를 ‘자동차 인증을 획득한’ 제품이라고 판정할 수 있는 단일한 업계 표준이나 테스트는 없다. 예를 들어 공조시스템에 사용되는 캐빈 온도 센서는 기능 안전에 영향을 미치지 않을 가능성이 높으므로, 이들 중에서 ‘자동차 인증을 획득한’ 것으로 소개된 제품은 ASIL 등급을 획득하지 않았거나 FMEDA를 수행하지 않았을 수 있다.


[그림 1] 90 nm 공정으로 제작된 칩에 온칩 ESD 보호를 제공하려면 커다란 다이 면적이 필요하다. 하지만 다이 면적이 커질수록 비용은 증가한다. 

온도 정격 역시 보편적으로 표준화된 규정은 없다. 많은 산업용 또는 소비자용 애플리케이션이 -20~60℃/85℃의 온도 범위만 지정하고 있고, 자동차용 온도 범위는 일반적으로 이보다 더 넓어 보통 최저 온도가 -40℃로 지정된다. 캐빈의 경우 최대 85℃ 디바이스 정격을 명시한 IC 제조업체를 이용하지만, 일부 애플리케이션에 대해 자동차 제조업계에서 105℃ 성능을 요구하기 시작했다. 사실 이 정도의 온도는 자동차 캐빈 안에서 주전자 물을 끓일 수 있을 만큼 고온이라 이상하게 생각될지 모르지만, 실제로 자동차 설계자는 예상되는 최고 동작 온도에 대해 넓은 안전 범위를 제공하기를 원한다.

차량 하부와 후드 아래 탑재되는 디바이스의 경우 최대 온도는 종종 125~150℃로 지정된다. 하지만 이 역시 표준 요구사항은 아니다. 실제로 현재 어떤 애플리케이션은 최대 170℃ 온도에서 일정 시간 동안 견딜 것을 요구하기도 한다. 터보 차저의 웨이스트 게이트 위치 센서가 그 예다. 만약 반도체 업계가 자동차 시장에 이보다 더 높은 최대 온도를 제공할 수 있었다면 자동차 제조사는 이를 받아들였겠지만, 유감스럽게도 와이어 본드와 에폭시 패키징의 기본적인 특성상 모두 현재 수준에서 더 높은 온도를 제공하기는 불가능하다.

자동차용 부품과 유사한 소비자용 또는 컴퓨팅 부품 간에는 100℃ 이상의 최대 온도 정격 차이가 발생할 수 있다. 이것은 실리콘에 무엇을 의미할까? 실리콘 칩은 최대 온도를 초과해 스트레스를 받을 경우 많은 잠재적 고장 모드를 갖는다. 일례로 온도가 올라가면 전자의 이동성이 낮아져 칩의 전류 소싱 성능이 떨어진다. 따라서 칩 제조업체는 매우 높은 온도에서 디바이스에 요구되는 전류 소싱 성능을 유지하기 위해 다이 면적을 증가시켜야 하는데, 다이 크기와 비용 사이에는 밀접한 상관관계가 존재한다. 즉 높은 온도를 견딜 수 있는 부품일수록 비용이 더 높아진다.

이러한 비용 상의 이유로 자동차 제조업체는 애플리케이션에 적합한 경우 자동차 인증을 획득한 센서 대신 비자동차용 센서를 선택하기도 한다.

앞에서 살펴본 것처럼 센서가 ‘자동차 인증 획득’이라는 것이 무엇을 의미하는지에 대한 단일한 정의는 없으며, 모든 자동차 인증을 획득한 센서가 갖춰야 할 표준 규정도 없다.

그러니, 자동차 부품의 특성을 다음과 같이 크게 세 가지 범주로 나누어 고려하는 것이 효과적일 것이다.

1) 특수한 기능과 특징들
2) 특수한 시험 제도
3) 특수한 검증 및 인증 요건

자동차에 특화된 기능들

?일부 자동차 부품은 소비자용 또는 산업용 제품에는 필요하지 않은 기능들을 요구한다. 예를 들어 액셀러레이터나 브레이크 페달처럼 안전에 중요한 시스템에 사용되는 위치 센서는 기능 안전을 준수하기 위해 진단 플래그, 체크섬(Checksum) 등 특정한 신뢰성 기능들을 필요로 하며, 때로는 중복 배치(Redundancy)를 위한 듀얼 다이 패키지를 요구하기도 한다. 그러나 안전이 핵심적이지 않은 애플리케이션에 사용되는 자동차 위치 센서는 아래 언급되는 시험 및 인증 기준을 만족하는 경우에도 이러한 기능을 포함하지 않을 수 있다.

예컨대 센서의 출력을 전송하기 위한 일부 통신 프로토콜은 자동차 시스템 밖에서는 거의 또는 전혀 사용되지 않는다. 산업용과 자동차용으로 사용되는 자기 위치 센서는 모두 공통적으로 PWM, SPI, I2C, ABI, UVW 인터페이스를 사용하지만, ams의 자동차용 위치 센서는 여기에 더해 PSI5, SENT 및 CAN 인터페이스도 함께 제공한다(그림 2 참조).

 

[그림 2] AEC-Q100 인증을 획득한 ams의 AS5170B자기 위치 센서는 특별히 자동차 애플리케이션에 사용할 수 있도록 SENT 인터페이스를 포함하고 있다.

보다 엄격한 시험 제도

?부품 불량으로 인한 자동차의 리콜 및 수리 비용은 막대하다. 이는 자동차 업계가 자동차에 사용되는 부품의 품질과 신뢰성을 매우 강조하는 이유이기도 하다(그림 3 참조). 자동차용 센서에 대한 품질 요건은 생산 라인 최종단에서의 100% 전수 검사를 요구한다. ams에서는 자동차 인증을 획득한 센서에 대해 모든 제조 단위마다 출하하기 전에 칩이 데이터시트에 지정된 주요 성능 파라미터의 최소 및 최대값을 초과하지 않는지 검사한다. 이러한 테스트 요건은 칩이 공장에 머무는 시간을 늘리며, 비용을 증가시키는 요인이 된다.


[그림 3] 자동차 애플리케이션에 사용되는 다이에 대한 엄격한 검사 및 테스트는 현장에서의 고장 위험을 제거하기 위한 것이다. 〈출처: Steve Jurvetson, CCL〉

자동차 인증

?자동차용 센서의 세 번째 주요 특징은 자동차 품질 표준에 대한 준수이다. 센서를 자동차 애플리케이션에 사용할 경우 보통 AEC-Q100 표준 준수가 요구된다. 이 같은 준수는 IC의 일반적인 고장 메커니즘에 대한 부품의 민감도를 수치화할 수 있도록 해당 부품이 스트레스 테스트를 거쳤다는 것을 보여준다. 경우에 따라 자동차 제조업체는 애플리케이션이 이를 보증한다고 판단될 경우, AEC-Q100 인증을 받지 않은 센서를 사용하기도 한다.

그러나 ams에서는 추가적인 디바이스 및 패키지 레벨 스트레스 테스트를 시행함으로써 모든 자동차 부품이 현재 시행되는 AEC-Q100 요구사항을 초과하여 만족한다는 것을 보장한다. 이러한 추가적인 테스트에는 다음을 포함하며, 이보다 더 다양한 테스트가 진행되기도 한다.

· 파워 사이클링
· 열 충격 테스트, 열 사이클 및 열 충격 내성을 시험하는 가속 조건 테스트 방법
· 인스턴트 솔더 충격
· 100% 산화 스트레스 테스트

ams 제품은 이처럼 엄격한 테스트를 거쳐 견고성을 검증받은 후 대량 생산되어 출시된다.

거의 모든 경우 자동차 제조업체는 공급업체에게 기업 수준에서 ISO-TS16949 같은 산업 품질 표준을 준수하도록 요구한다. 이 표준에 대한 준수가 특정 부품이나 제조 단위에 대한 무결성을 보장하지는 않지만, 고객에게 IC 제조업체가 엄격한 품질 공정을 따르고 있다는 신뢰를 제공하고 이를 문서화하는 데 있다. 이와 마찬가지로 업계의 PPAP(Production Part Approval Process) 준수는 고객에게 생산 부품의 설계와 제조 공정이 효율적으로 시행되고, 이를 문서화하고 있으며, 부품 제조업체가 부품의 전체 생산 수명 동안 이를 지속적으로 구현하고 있다는 신뢰를 제공한다.

다양한 유형의 자동차 인증

?센서 IC의 경우 ‘자동차 인증’이라는 용어는 두 가지 다른 측면을 갖는다. 부품이 관련 품질, 신뢰성, 안전 표준을 만족해야 한다는 것과 동시에 애플리케이션의 특정한 기능적인 요구사항을 만족해야 한다는 것이다. 위치 센서 또는 가스 센서 등 어떠한 종류의 센서든 두 가지 측면 모두 센서가 사용될 애플리케이션의 특성에 의해 결정된다.

이는 센서 제조업체가 자신들이 생산하는 디바이스에 자동차 인증을 획득했다는 표시를 할 수 있지만, 그러한 사실이 해당 디바이스가 모든 자동차 애플리케이션에 적합하다는 것을 보장하는 것은 아니라는 것을 의미한다. 따라서 자동차 설계자는 선택하고자 하는 디바이스의 규격과 품질 공정, 테스트 결과를 자세히 살피고 평가해야 하며, IC 제조업체들이 제시하는 ‘자동차 인증 획득’이라는 의미를 애플리케이션에 적합하다는 것을 나타내는 지표로 간주해서는 안 된다.

요약

?‘자동차 인증 획득’이라는 용어는 종종 센서 및 기타 반도체 제품의 특징을 설명하는 데 사용되지만, 실제로 이 용어가 무엇을 의미하는지는 명확하지 않다.

기업이 어떤 제품에 대해 자동차 인증을 획득했다고 공식적으로 주장할 수 있도록 허용하는 특정한 체크리스트는 없다. 공식적 정의를 만들 수 없다면, 최소한 설계 엔지니어가 애플리케이션에 적합한 부품을 선택할 수 있도록 적절히 안내할 수 있는 내용을 이 글에 담았다. 때때로 자동차 인증을 획득한 센서는 차량에서 작동할 목적이 아닌 경우에도 애플리케이션에 이상적일 수 있다. 또한 드물긴 하지만 자동차 인증을 받지 않은 센서라도 특정한 환경에서 자동차 전자 시스템에 사용할 수 있다.

필요한 인증인지 아닌지, 그리고 애플리케이션에 적합한 정확한 기준, 테스트 및 인증이 무엇인지 어떻게 알 수 있을까? 추가적인 기능과 테스트는 높은 비용을 발생시킨다. 이 글은 설계자가 언제 높은 비용을 정당화할 수 있는지, 그리고 애플리케이션에 어떤 특정한 방식의 자동차 인증이 적합한지 결정할 수 있도록 도와준다.

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