자동차 전자제어장치의 열 피로를 고려한 가속수명시험법 개발에 관한 연구

2.1 전자제어장치의 고장 분석

본 연구의 대상 제품은 Fig. 1과 같이 자동차용 전자제어장치이다. 이러한 장치는 열팽창 계수가 다른 다양한 부품으로 구성되며 이로 인해 이종 소재 간 반복적인 온도변화 발생 시 열팽창 계수의 차이로 팽창과 수축과정에서 구성 부품 간 열 피로를 야기한다. 이때, 이종 소재 간 접촉에 의한 열 피로에 의해 문제가 되는 주요 고장 부위는 Fig. 2에 나타낸 것처럼 PCB 내 회로를 형성하는 동박부 및 솔더부 크랙이다. 최근 전기전자제품 유해물질 사용제한 지침(RoHS)의 강화로 기존의 유연 솔더 대신 무연 솔더(Lead-Free Solder)로 대체함으로써 신뢰성 검증이 중요한 이슈로 대두되고 있다[4].

Fig. 1

Electronic control unit

Fig. 2

Main failure mode of electronic control unit

2.2 가속수명시험 모델 이론

탄성 상태(Elastic State) 재료의 피로 수명은 식(1)에 나타낸 것처럼 변형률 변화에 대한 반비례 관계로 정의할 수 있다[7,8].

여기서, N_cycle은 반복적인 온도변화에 의한 솔더부 파단 또는 크랙 수명이며, Δε, m 및 C₁은 팽창 및 수축에 따른 변형량 변화, Coffin-Manson 지수와 재료 상수를 각각 의미한다. 이때, 탄성 상태 다종 재료의 열 변형량은 온도변화에 비례하며, 큰 소성변형 및 크리프(Creep) 상태에서도 열 변형량은 온도 프로파일에 따른다. 따라서 식(1)의 팽창 및 수축에 따른 변형량은 식(2)와 같이 온도변화량으로 치환할 수 있다[7,8].

여기서, ΔT는 반복적인 온도변화를 의미한다. 식(2)의 양변에 로그를 적용하고 정리하면 식(3)과 같다.

따라서 식(3)을 여러 가지 재료에 대하여 온도 차이와 피로 수명과의 관계를 그래프로 나타내면 Fig. 3과 같다.

Fig. 3

Life for each material according to temperature difference

즉, 온도변화에 따른 수명의 기울기를 나타내는 Coffin-Manson 지수는 Cu(5.0), Silicon(5.5)과 같이 전자제어장치의 PCB를 구성하는 주요 재료에 대한 값이 스테인리스 강(1.5) 소재를 제외하면 무연 솔더(2.65) 또는 유연 솔더(2.4) 보다 큰 것을 확인할 수 있다. 따라서 전자제어장치를 구성하는 많은 부품 중 열 피로에 취약한 부위는 솔더부이며, 따라서 본 연구에서는 무연 솔더를 대상으로 열 피로를 고려한 가속수명시험법을 개발하고자 한다.

한편, 식(2)로부터 정상 조건의 피로 수명에 대한 가속 조건에 대한 수명의 비를 나타내는 가속 계수(Acceleration Factor)는 식(4)와 같다.

여기서, 첨자 n과 a는 정상 조건과 가속 조건을 각각 의미한다.

3.1 기초 실험

2.2절에서 언급한 것처럼 탄성과 큰 소성변형 상태에서의 열 변형률 변화는 온도 프로파일을 따른다고 하였다. 즉, 팽창 및 수축에 의한 변형률의 변화(Δε)는 온도변화량(ΔT)과 정비례 관계이어야 한다. 이의 실험적 검증을 위하여 Fig. 4와 같은 장치를 통해 PCB와 주요 부품의 온도변화량에 따른 열 변형률 변화를 측정하고자 하며, 실험을 위한 변형율 게이지(Strain Gauge)는 열팽창 계수가 거의 제로에 가까운 소재인 Titanium Silicate (Δε = 0.02 × 10^-6/°C)를 사용하였다.

Fig. 4

Thermal expansion measurement equipment for PCB and parts (Half-bridge)

Fig. 5는 3가지 온도 차이를 갖는 열 충격 사이클에 의한 전자제어장치용 PCB와 주요 부품의 변형률의 변화량을 나타낸 것이며, 이를 통해 변형률 변화는 온도 차가 증가함에 따라 거의 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서 2.2절에서 언급한 식(1)과 식(2)의 관계가 유효함을 실험을 통해 확인하였다.

Fig. 5

Strain comparison between PCB and parts according to the temperature differences

3.2 열 충격 사이클 시험 인자 선정

열 충격 사이클 시험은 고온과 저온의 온도 차, 유지 시간, 사이클 수와 같은 인자를 통해 열 피로 가혹도를 조절할 수 있는 효과적인 방법이다[3]. Fig. 6에 나타낸 열 충격 시험기를 이용한 예비시험을 통해 본 연구의 대상 제품인 전자제어장치에 대한 동작한계 상한과 하한을 확인하였으며, 이를 통해 가속 조건의 최대 온도 차이를 210°C(-60↔150)로 설정하였다. 그리고 2.2절에서 언급한 것처럼 무연 솔더에 대한 Coffin-Mansion 지수는 2.65를 적용하였다. 따라서, 정상 조건의 온도 차이 165°C(-40↔125)와 가속 조건을 식(4)에 적용하면 AF (Acceleration Factor)는 약 1.895가 얻어지며, 이를 통해 정상 조건과 가속 조건의 사이클 수는 각각 1,000과 528이 얻어진다.

Fig. 6

Test equipment of thermal shock cycle

한편, 일부 부품의 경우 큰 열용량으로 인해 고온 또는 저온의 목표 온도에 도달하는 시간이 긴 특징을 갖는다. 그러므로 가속시험을 통해 도달하고자 하는 목표 온도를 변경(고온의 경우 기준값 보다 높게 설정하며, 저온의 경우 기준값 보다 낮게 설정)하는 경우 대상 부품의 온도가 원하는 목표 온도에 도달했는지 확인하는 것이 필요하며, 이를 위하여 유지 시간에 대한 실험적 검증이 필요하다. Fig. 7은 대상 부품의 열용량 및 유지 시간에 따른 온도변화를 나타낸 것이며, 부품의 온도는 열용량에 따라 서서히 챔버의 온도에 도달하게 되며 대상 부품에 대한 여러 번 시험을 통해 유지 시간 인자는 10분으로 설정하였다.

Fig. 7

Dwell time considering thermal inertia

3.3 가속수명시험 실시 및 검증

Table 1은 정상 조건과 2.2절의 이론 및 유지 시간을 고려한 실험을 통해 도출한 가속 조건의 시험 모드이다. 즉, 기존 정상 조건의 경우 165°C(-40↔125) 온도 차이를 적용한 1,000 사이클(약 4.4개월)이며, 가속 조건은 210°C(-60↔150)의 온도 차이와 각각에 대한 사이클 타임(Cycle Time)의 효율적인 설정을 통해 528 사이클(약 2.2개월)로 시험시간을 약 50.0% 단축한 것을 의미한다.

Table 1

Normal and acceleration experiment mode for thermal shock cycle test

상기의 가속시험모드에 대한 적용 가능성 평가를 위해서는 정상 및 가속 조건에 대한 한계 시험을 수행하고 각각의 시험 조건에서 발생한 솔더부 크랙에 대한 저항 측정을 통해 동일한 고장이 발생한 것을 확인하는 것이 필요하다. 하지만, 전자제어 장치 내 다양한 부품이 장착된 상태에서는 기존에 구성된 각종 회로의 영향에 의해 관심 부위만의 저항 측정이 불가능하다. 따라서, 본 연구에서는 시험시간 단축을 위해 제시한 가속시험모드의 타당성 평가를 위해 열 충격 사이클 시험 전과 후 열 피로에 의한 솔더부 접합 하중을 측정하여 상호 비교하는 방법을 제안하고자 한다[4]. 즉, Fig. 8에 나타낸 것처럼 전자제어장치에 장착된 부품의 형태에 따라 RLC 표준칩의 경우 전단력(Shear Force)을 측정하며[9], IC (Integrated Circuit) 또는 QFP (Quad Flat Package) 형태의 칩에 대해서는 45^o 리드에 대한 당기는 힘(Pulling Force)을 측정 한다[10]. Fig. 9는 정상 및 가속 조건에 대한 열 충격 사이클 시험 전과 후 솔더부 전단력과 당기는 힘을 비교하여 나타낸 산점도이다. 이때, 대표적인 측정 부품의 위치와 시험 장치는 Fig. 10과 같다.

Fig. 8

Solder joint force measurement method

Fig. 9

Comparison of solder joint shear and pulling force for different chips in thermal shock cycle test

Fig. 10

Solder joint force measurement parts and equipment

즉, 산점도의 가로축 값은 열 충격 사이클 시험 전 전자제어장치 부품에 대하여 측정된 하중(전단력 또는 당기는 힘)을 나타내며, 세로축 값은 열 충격 사이클 시험 후 측정된 하중을 각각 의미한다. 따라서 표시된 데이터가 대각선에 위치하면 열 충격 사이클에 의한 열화가 진행되지 않았다는 것이며, 대각선 아래에 위치하면 열화가 된 것이다. 그러므로 Fig. 9에 나타낸 것처럼 정상 및 가속 조건에서 대부분 대각선 아래에 산점도가 표시되는 것을 확인할 수 있으며, 흩어진 정도인 산포도 유사한 것을 알 수 있다.

한편, 솔더부 접합 하중의 변화에 대한 통계적인 분석을 위해 서로 다른 두 조건에서 측정된 값의 실험 전과 후 측정값의 차이 분석에 유용한 쌍체 t-검정(Paired t)을 실시하였다. 이때 사용된 귀무가설은 ‘정상과 가속시험모드 변화에 따른 솔더부 접합 하중의 차이는 없다.’이며, 미니탭(Minitab)의 쌍체 t-검정 실시를 위한 입력 조건인 대립가설은 ‘정상과 가속시험모드에 따른 솔더부 접합 하중은 같지 않다.’이다. 이때, 일반적으로 새로운 시험방법을 채택하거나 유의성 검증을 위하여 보수적인 접근이 필요하므로 신뢰수준 95%의 확신으로 동등성을 검증하고자 한다. 따라서 유의수준(α)은 5%, 즉 0.05로 선정하였으며, 신뢰수준은 95%이다. 그러므로 유의수준(α)과 쌍체 t-검정의 결과인 P-value를 비교하여, P-value 값이 유의수준보다 작으면 귀무가설을 기각한다.

Table 2는 정상과 가속시험모드의 열 충격 사이클 시험 후 솔더부 접합 하중에 대한 쌍체 t-검정 결과를 나타낸 것이다. 즉, 당기는 힘의 경우 총 7개의 부품 중 5개 부품의 P-value가 유의수준 0.05보다 큰 값이 도출되었으며, 전단력의 경우 3개 부품 모두 유의수준 보다 큰 값이 얻어져 정상과 가속시험모드 변화에 따른 솔더부 접합 하중의 차이가 없다고 할 수 있다. 하지만, 부품 1-2번과 3번의 경우 P-value가 유의수준보다 작은 값이 도출되어 통계적으로 차이가 있음을 알 수 있다. 즉, 부품 1-2는 정상 시험 모드가 부품 3의 경우 가속 시험 모드가 각각 가혹한 결과를 보인다. 이러한 차이의 발생 원인은 솔더 접합부 SMT (Surface Mounter Technology) 공정에서 다양한 기공(Void)이 형성되며, 열 충격 사이클 시험 후 발생하는 여러 형태의 미세균열로 인한 제품의 편차 때문으로 추정된다.

Table 2

Paired t-test analysis result between normal and accelerated experiment mode

따라서 상기의 산점도와 쌍체 t-검정을 통해 제안한 가속시험 모드의 적용 가능성을 확인하였으며, 이러한 검증 방법은 정상 조건 열 충격 사이클 시험에서 크랙이나 파손과 같이 고장이 발생하지 않은 경우에 적용할 수 있는 시험법이다.

4.1 급속온도변화 시험 장치

정상 조건 열 충격 사이클 시험의 경우 Fig. 6에 나타낸 ESPEC 사의 TSA-203EL 모델(보증 온도 -65-200°C)을 이용하여 챔버(Chamber) 내부 공기를 냉각 또는 가열하는 에어 투 에어(Air to Air) 방식을 적용하므로 저온 또는 고온의 목표 온도에 도달하기 위하여 비교적 긴 시간이 소요되는 장치이다. 한편, Fig. 12에 나타낸 Qualmark 사의 Typhoond-2.5+ 모델(보증 온도 -100-200°C)은 초가속수명시험(Highly Accelerated Life Test)에 적용할 수 있는 장치로써 냉각의 경우 액체질소를 기화시켜 분무하며, 가열의 경우 목표 온도로 가열된 공기를 대상 제품에 직접분사하는 방식을 적용하므로 짧은 시간에 저온 또는 고온의 목표 온도에 도달하도록 하여 급속온도변화(Rapid emperature Change, RTC) 시험이 가능한 장치이다.

Fig. 12

Test equipment for rapid temperature change

4.2 급속온도변화 시험 및 고찰

Table 3은 대상 제품에 대한 열 충격 사이클 시험의 정상 조건과 급속온도변화 조건의 시험 모드이다. 즉, 기존 정상 조건의 경우 165°C 온도 차이를 적용한 1,000 사이클(약 87일)이며, 급속온도변화 조건은 240°C의 온도 차이와 각각에 대한 사이클 타임의 효율적인 설정을 통해 370 사이클(약 6일)로 시험시간을 약 93.0% 단축한 것을 의미한다.

Table 3

Normal and rapid temperature change experiment mode for thermal shock cycle test

상기의 시험에 대한 타당성 평가를 위해서는 정상 및 급속온도변화 조건의 열 충격 사이클 시험을 수행하고 각각의 시험 조건에서 발생한 솔더부 크랙에 동일한 고장이 발생한 것을 확인하는 것이 필요하다. 즉, Figs. 11과 13은 정상 및 급속온도변화 조건에서 열 충격 사이클 시험 후 발생한 크랙을 비교한 것이며, 두 가지 조건에서 동일한 파손 형태(원형 크랙)가 나타난 것을 확인할 수 있다. 따라서 급속온도변화 시험의 경우 정상 조건 열 충격 사이클 시험에서 크랙이나 파손과 같이 고장이 발생한 경우에 적용할 수 있는 효과적인 시험시간 단축 방법이다.

Fig. 13

Circular cracks caused by thermal shock cycle test with rapid temperature change