안전한 여행

By Arvind Vel, Director, Semiconductor Product Management, ANSYS

예전부터 자동차 전자 장치(AUTOMOTIVE ELECTRONICS)는 어려운 환경 조건들을 만족해야 했습니다. 특히, 차량 탑승자의 안전이 전자 장치에 더욱 의존하게 된 오늘날에는 전자 장치 오작동으로 인한 피해가 옛날보다 더 심각해졌습니다. 엔지니어링 시뮬레이션은 자동차 전자 장치를 값비싼 시제품이나 현장 테스트에 적용하기 이전에 자동차 전자 장치의 안전성을 진단하고 검증하며, 이는 이제 필수적인 요소로 자리 잡았습니다.

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Safe Travels

"시뮬레이션을 통해 자율 주행 실현에 필요한 안정성 요구 조건을 만족하는 강건하고 고효율의 전자 장치 시스템을 설계할 수 있습니다."

기존에는 편의 기능뿐이었던 자동차 전자 장치의 역할이 이제는 운전자를 보조하고 차량의 모든 기능을 제어하도록 바뀌면서, 그 안전성에 대한 철저한 검토가 요구되고 있습니다. 주요 자동차 전자 장치 시스템의 경우 최대 150°C까지 올라가는 가혹한 자동차 엔진룸 속 환경에서 최소 10년 이상 기능을 유지해야 합니다. ANSYS의 시뮬레이션 솔루션을 통해 자율 주행 시스템의 실패로 이어질 수 있는 여러 문제에 대하여 전자 장치를 시뮬레이션, 디버깅, 최적화할 수 있습니다. 시뮬레이션을 통해 자율 주행 실현에 필요한 까다로운 안정성 요구 조건을 만족하는 고성능, 고효율의 전자 장치 시스템을 설계할 수 있습니다. 본 기사는 패키지/시스템(package/system)을 고려한 집적회로(IC) 설계 및 집적회로(IC)를 고려한 패키지/시스템 설계를 가능하게 하는 칩 패키지 시스템(Chip Package System, CPS) 시뮬레이션 및 신뢰성에 대한 다양한 양상에 초점을 맞추었습니다.

thermal chip-package-system

ANSYS RedHawk-CTA 및 ANSYS Icepak을 이용한 ANSYS 칩-패키지-시스템 열 안정성 분석

안전한 자율 주행을 위한 과제

오늘날의 운전자들은 안전 확보를 위해 점점 더 전자 시스템에 의존하고 있습니다. 미끄러운 노면에서 정지거리를 줄이기 위해 대부분의 자동차에 잠김 방지 제동장치(ABS)가 탑재되는 것이 한 예입니다. 최근엔 앞차가 갑자기 느려지거나 멈추면 자동으로 브레이크가 작동하는 등, 첨단 운전자 지원 시스템(Advanced Driver Assistance Systems, ADAS)의 확산으로 인해 차량 안전에 대한 전자 장치의 중요성이 더욱 높아졌습니다. 물론, 모든 가능한 주행 상황을 이해하고 탑승자와 보행자의 안전을 보장하기 위한 판단을 내리는 자율 주행 시스템의 등장으로 자동차 전자 장치에 대한 운전자, 승객, 보행자의 안전 의존도가 높아지고 있습니다.

현재 많은 자동차 전자 장치는 큰 최소 배선폭(feature size)과 설계자의 제한적인 경험으로 인하여, 신뢰성 측면에서 상대적으로 검증이 용이한 구식 제조공정의 반도체를 이용하고 있습니다. 그러나 첨단 운전자 지원 시스템과 자율 주행 기술에 사용되는 센서들은 시간당 40 GB를 넘나드는 엄청나게 많은 양의 데이터를 생산하며, 이 데이터는 모두 지연 없이 빠르게 처리되어야 합니다. 이러한 애플리케이션은 연산 능력의 방대한 증가를 필요로하며, 이는 이제 막 시장에 도입된 훨씬 더 작은 최소 배선폭(feature size)을 가진 최첨단 반도체 공정에 의해서만 가능합니다.

최첨단 공정에서 만들어진 차세대 집적회로는 더 작은 인쇄회로 안에 더 많은 트랜지스터를 집적시킬 수 있으며, 최상의 계산 성능을 제공합니다. 차세대 집적회로는 기존보다 훨씬 낮은 전원 전압에서 동작하기 때문에 전원 및 신호 노이즈의 영향을 받기 쉽습니다. 또 다른 문제는 최대 135°C까지 상승할 수 있는 엔진룸 내부 환경에서 반도체가 동작해야 한다는 것입니다. 뜨거운 환경은 열로 인한 반도체의 고장을 유발할 수 있습니다. 자동차 전자 부품이 물과 먼지에 직접 노출되지 않게 밀봉되어 있기 때문에 적절한 냉각이 어려워 이러한 열문제가 더욱 심각해집니다.

ESD/EMC workflow

ANSYS PathFinder를 활용한 ESD/EMC의 프로세스 진행

일렉트로마이그레이션(Electromigration)

ADAS와 자율 주행을 실현 가능하게 하는 최첨단 공정에 기반을 둔 반도체는 주요한 시스템 설계 문제인 수명 안전성과 연관된 일렉트로마이그레이션(Electromigration, EM)을 유발합니다. 일렉트로마이그레이션(Electromigration, EM)은 집적회로 내에서 이동하는 전자가 도체의 금속 원자와 충돌할 때 발생하며, 점진적으로 단선 또는 단락을 유발합니다. 이 때문에 시간이 지나면 칩이 오동작하게 됩니다. 반도체 공정의 연속된 공정에서 도체 단면적이 줄어들기 때문에 칩은 EM의 영향을 받기 쉬워집니다. 또한 EM은 온도에 따라 기하급수적으로 증가합니다. 첨단 2.5D 및 3D 집적회로는 다이(die)를 더 가깝게 배치하기 때문에 과열점이 생길 가능성이 높습니다.

일반적으로 개별 반도체의 온도는 알 수 없으므로, 설계 엔지니어는 대개 칩 전체에 최악의 온도가 균일하게 분포해 있다고 가정합니다. 이전의 공정에서는 이러한 접근 방식이 적용 가능했지만, 빠른 스위칭 속도와 작아진 도체, 더 많은 레이어 수를 가진 오늘날의 첨단 공정에서는 이 접근법을 사용하면 EM 문제 발생이 증가합니다. 이 경우 디자인팀은 EM 문제를 평가하고 수정하는데 많은 양의 시간을 소비하며 높은 확률로 실패하지만, 비 균일한 정확한 온도를 바탕으로 시뮬레이션을 수행했을 때는 이러한 문제가 전혀 발생하지 않습니다.

ANSYS RedHawk 플랫폼은 부품 주변과 금속의 온도 상승을 정확하게 파악하여 EM 위반을 정확하게 예측함으로써 이러한 문제를 해결합니다. 칩 내부의 도체 간 온도 상승은 줄 자체 열 및 열 커플링 원리(the Joule self-heat and thermal coupling principles)를 이용하여 모델링 됩니다. 칩의 온도는 각 트랜지스터가 소비하는 전류의 양과 인접한 트랜지스터 간의 간격에 영향을 받습니다. 반도체 Die에 사용된 금속 및 유전체의 열 특성과 결합된 공정 변수는 국지적인 온도 변화를 정확히 예측하는데 사용됩니다.

이렇게 얻은 온도 프로파일은 칩 상의 각 와이어(Wire)가 가지는 실제 온도를 바탕으로 열발생을 고려한 EM 검사를 수행하는데 사용됩니다. 이 접근법은 EM 문제의 수를 크게 줄이면서 과거보다 훨씬 더 많은 진단 정보를 제공합니다. 엔지니어는 중요한 EM 문제를 더 빨리 수정할 수 있으며, 없앨 수도 있습니다. 이로써 시장 진입 시간이 크게 단축되고 EM 문제로 인한 리스크가 줄어듭니다.

chip-package thermal analysis

ANSYS RedHawk-CTA를 이용한 칩과 패키지의 열 분석

"시뮬레이션을 통해 안정성 문제를 확인하고 문제를 해결함으로써, 안전성 향상은 물론 제품의 빠른 시장 출시가 가능해졌습니다."

thermal-aware electromigration

열 발생을 고려한 일렉트로마이그레이션을 예측하기 위한 wire 온도 확인

열 성능

열 영향은 자동차 반도체의 안정성을 보장하는 또 다른 주요한 문제입니다. 엔지니어는 반도체 다이(Die) 및 패키지 레벨에서 칩 전체의 온도가 최대 작동 온도를 초과하지 않도록 해야 합니다. 그리고 웨이퍼와 금속의 열팽창계수가 다르기 때문에 작동 중 변형이 일어나는지 열 사이클도 평가해야 합니다. 보드 레벨의 열 사이클은 구리와 유전체 사이의 열팽창계수 차이로 인한 응력(Stress)을 유발할 수 있습니다. 반도체 다이(Die)의 변형은 솔더볼(Solder balls)을 늘리고 압착시켜, 보드와 칩 사이에 전기 접촉을 만들고, 솔더 피로도 및 기타 장애를 일으킬 수 있습니다.

자동차 IC 설계 엔지니어는 완벽한 칩-패키지 동시 분석을 가능케하는 ANSYS 칩 열 모델(CTM)을 통해 다이 레벨의 열 신뢰도 문제를 다룰 수 있습니다. 해석된 온도 프로파일을 이용하여 ANSYS Mechanical에서 다이의 열적 또는 기계적 하중에 의한 응력 및 변형(Strain and Deformation)에 대한 온도의 영향을 예측할 수 있습니다. 보드 레벨에서는 ANSYS SIwave를 이용하여 PCB의 선로 및 via의 줄 열(Joule heating)을 계산하여 Board trace map과 전류 분포를 예측합니다. 이 데이터는 시스템 레벨 열해석 툴인 ANSYS Icepak으로 전달되고, PCB의 수직 수평 열전도성 및 해석 영역의 모든 지점에서의 온도를 계산합니다. 온도 결과는 다시 SIwave로 보내져 온도장에 기반한 보드의 전기적 특성을 업데이트하고, 온도 결과가 수렴할 때까지 이 과정을 SIwave와 Icepak에서 반복합니다. 온도 결과는 보드의 구조 모델을 불러와 응력 및 변형을 예측하는데 사용됩니다.

mechanical simulaton
solder ball simulation
temperature simulation
ANSYS Mechanical은 다이(Die)의 응력 및 변형(Stress, Strain, Deformation)에 대한 온도의 영향을 예측할 수 있다.

"ADAS와 자율 주행 시스템의 안전성은 내부에 포함된 전자 시스템의 신뢰성에 직결됩니다."

정전기 방전

최신 공정에서 더 작은 최소 배선폭과 분리/독립된 전원/그라운드 네트워크는 정전기 방전(Electrostatic Discharge, ESD)의 위험을 증가시킵니다. ESD 검증에 대한 기존의 접근 방법은 레이아웃을 만들고 디자인 룰을 체크할 때 가이드라인을 준수하는 것이었습니다. 하지만 이러한 방법은 전체 저항과 ESD 경로의 전류 밀도가 임계점보다 낮을 경우에는 미리 예측할 수 없습니다.

ANSYS PathFinder는 블록 레벨의 Static/Dynamic 기술과 전체 칩 레벨의 Static method를 사용하여 설계상의 취약한 지점을 식별하고 ESD 가이드라인의 충족 여부를 결정합니다. PathFinder는 클램프 셀을 통과하는 두 패드/범프 사이의 유효 저항, 모든 연결된 클램프 셀과 패드 또는 범프 사이 유효 저항, 클램프 셀 사이 유효 저항, 능동 소자와 클램프 셀 사이의 유효 저항을 계산하여 합격 또는 불합격 판정을 합니다. 그리고 PathFinder는 방전 경로를 제공하기 위해 삽입된 클램프 셀과 IC 내부의 소자 사이의 유효 저항을 측정합니다. PathFinder는 전류 밀도 한계를 벗어난 전선 또는 비아를 강조하여 설계자로 하여금 방전 중 전류의 흐름이 기술적 또는 공정 가이드라인의 한계 범위 내에 있는지 확인하도록 도와줍니다.

ADAS와 자율 주행 시스템의 안전성은 내부에 포함된 전자 시스템의 신뢰성과 직결됩니다. ANSYS 시뮬레이션 도구를 통해 엔지니어는 칩상의 각 와이어(Wire)의 온도를 기반으로 전자기 분석을 수행할 수 있습니다. 이 방식은 심각한 문제가 되는 부분을 발견함으로써, 업무 시간을 단축시켜 줍니다. 나아가 ANSYS 열 시뮬레이션 도구는 다이, 패키지, 보드, 시스템 레벨에서 열 문제를 식별하고 수정하기 위해 전체 열 에코시스템을 평가할 수 있도록 도와줍니다. 이와 같이 ANSYS 시뮬레이션 솔루션은 엔지니어가 ESD 문제를 식별하고 해결할 수 있도록 지원합니다. 시뮬레이션을 통한 안정성 문제 식별 및 해결 능력은 ADAS 및 자율 주행 장치의 안정성을 엄격하고 효율적인 방식으로 보장할 수 있어, 안전성을 향상시키고 시장 진입에 드는 시간을 대폭 단축할 수 있습니다.

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