세계 각국 정부, 정책적으로 전기차 보급 나서
자동차 OEM, AEC-Q101 준수하는 반도체 요구
엔지니어, MOSFET 데이터 시트 이해력 필요해


전 세계 주요 국가 정부들이 전기차 보급에 박차를 가하고 있다.

유럽연합(EU)은 올해부터 자동차 제조사가 판매하는 자동차의 평균 이산화탄소 배출량 기준을 km당 95g으로 잡고 이를 1g씩 초과할 시 초과 배출량 × 95유로 × 신규등록 대수만큼 과징금을 물도록 했다.

전기차 생산 대수를 늘리지 않는 한 이 수치를 달성하는 것은 불가능에 가깝다. 거기다 국가마다 차이는 있으나 2040년에는 아예 EU 내에서 내연기관 차량의 판매를 금지할 예정이다. 이에 전기차 배터리 업체의 주가는 계속 치솟고 있으며, 수주전이 숨 가쁘게 진행 중이다.

대표적인 전기차 제조업체인 미국의 테슬라는 보급형 전기차를 본격적으로 생산하기 시작했으며, 중국은 전기차 보급을 확대하기 위해 전기차 보조금 소멸 시기를 2020년 말에서 2022년 말로 2년 연장했다.

이러한 규제와 지원은 배기가스 배출량을 줄여 지구온난화 속도를 늦추어 환경을 보호하는 동시에, 아직 본격적으로 움트기 전인 전기차 산업에서 자국 기업이 주도권을 잡을 수 있도록 하기 위함이다.

차량의 전기화는 구동부만 겪고 있는 일이 아니다. 자율주행 기술, 차량용 인포테인먼트 시스템 등의 발전으로 차량 내 전력 반도체 탑재 비율은 꾸준히 증가하고 있으며, 앞으로도 이러한 추세는 계속될 것으로 보인다.

최근 대부분의 자동차 OEM은 디스크리트 소자의 품질 보증, 즉 안전을 위해 AEC-Q101을 요구하고 있다.

특히 전력 MOSFET은 오늘날 전자분야에서 가장 널리 사용되는 전력 반도체 소자다. 그리고 MOSFET 데이터 시트에는 설계자를 위해 여러 전기적인, 그리고 물성적인 특성들이 제공되고 있다. 만약 설계자가 이를 잘 이해하지 못한다면 자동차나 전장품의 성능 저하, 가격 상승, 설계 오류 등의 문제가 발생할 수 있다.

인피니언 코리아 오토모티브 사업부의 문창수 상무를 만나 차량용 반도체의 동향 및 신뢰성을 높일 방안 등에 관해 물었다.


Q. 자동차에 전장품의 탑재 비율이 늘어나면서 관련 시장도 폭발적으로 성장하고 있습니다. 차량용 반도체 분야에서 주로 어떤 반도체의 수요가 늘고 있습니까?
A. 자율주행 기술과 관련된 센서뿐만 아니라 ISO 26262 안전 규격을 위한 ASIL 등급의 반도체 수요가 늘어나고 있습니다. 특히 페일 세이프(Fail-Safe) 설계 요구에 따라 다중화 시스템(Redundancy System)이 늘어나며 전력 반도체 수요가 많이 늘어나고 있습니다.

최근 전기차 시스템에서 더 많은 전력 용량과 고효율을 추구하면서 IGBT, 고전압 MOSFET뿐만 아니라 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET 및 SiC 다이오드를 적용하는 사례도 늘고 있습니다.

48V 시스템 시장이 커지며 중전압 MOSFET과 이를 구동할 수 있는 게이트 드라이버 IC 및 48V 전원 공급장치 반도체의 채택도 늘어나고 있습니다.


Q. 최근 자동차에 탑재되는 MOSFET에서 가장 중요하게 요구되는 사항은 무엇입니까?
A. 애플리케이션에 따라 중요하게 요구되는 사항이 다릅니다. 가령 전기차의 경우 효율과 전력 밀도가 중요하므로 FET의 전기적 성능이 우선으로 고려됩니다.

향후 고출력 성능을 요구하는 차량용 애플리케이션이 늘어날 전망으로, 방열 성능이 좋은 패키지 제품의 수요가 많이 늘어날 것 같습니다.

또한, 모든 애플리케이션에 안정된 품질의 전력을 제공하는 신뢰성도 계속해서 중요한 요구사항으로 자리 잡을 것 같습니다.


Q. 사용하려는 전력 MOSFET의 성능을 제대로 파악하기 위해 개발자가 갖춰야 할 능력은 무엇인가요?
A. 두 가지 능력이 필요합니다. 첫 번째는 전력 시스템을 해석하는 능력입니다. 전력 시스템의 동작 모드를 잘 이해하고 해석할 줄 알아야 합니다.

두 번째는 MOSFET의 동작과 그에 대한 데이터 시트를 이해하는 능력입니다. 데이터 시트에 기재된 MOSFET의 특성을 잘 이해하고 있어야 이를 개발하는 시스템에 적용할 때 손실 분석, 온도 해석, 그리고 고장 모드에 대한 방지 설계가 가능하다고 생각합니다.


Q. 대부분의 자동차 OEM이 디스크리트 소자의 품질 보증을 위해 AEC-Q101에 준거하는 반도체를 요구하고 있습니다. AEC-Q101이란 무엇입니까?
A. AEC Q101의 정식 명칭은 자동차 등급 디스크리트 반도체에 대한 스트레스 테스트 인증(Stress test qualification for Automotive grade discrete semiconductors)입니다. 즉, AEC Q101 인증의 목적은 자동차에 사용하는 전력 소자의 품질과 신뢰성을 확보하기 위한 스트레스 테스트입니다.

EC Q101 인증은 열 사이클 테스트(Thermal cycle test), 게이트 산화물 스트레스 테스트(Gate oxide stress test), 와이어 본딩 테스트(Wire bonding test), ESD 테스트 등 여러 테스트 방법들을 정의하고 있습니다.


Q. 차량용 전력 반도체는 AEC-Q101 인증만 충족한다면 사용하기 적합한 것입니까?
A. AEQ Q101은 현재 자동차 회사 대부분이 최소한의 요구사항으로 적용하는 품질 시스템입니다. 그러나 자율주행처럼 높은 신뢰성이 요구되는 기술이 등장하고 있으며, 차량 내 반도체 사용의 증가로 인한 오류 발생 시간(Failure In Time; FIT) 등을 고려할 때 AEC-Q101도 충분한 조건은 아닙니다.


Q. 인피니언의 MOSFET 시뮬레이션 모델을 통해 어떻게 MOSFET의 신뢰성을 높일 수 있습니까?
A. 시뮬레이션 모델은 전기적 성능을 보는 것이기 때문에 신뢰성과 직접 연계되지 않습니다.

반면, 인피니언이 제공하는 레벨 3 MOSFET 모델(Level 3 MOSFET model)의 경우, Rds(on)의 최댓값에서 시뮬레이션할 수 있고, 동작 온도를 세팅하여 시뮬레이션할 수도 있습니다.

ET의 온도 변화에 따라 Vgs(th), Rds(on)의 값이 연동되어 시뮬레이션 되므로, 좀 더 최악의 경우를 가정한 시뮬레이션을 통해 설계 마진을 확인하는 데 도움됩니다.


Q. 차량용 전력 반도체 시장에서 인피니언이 도달하고자 하는 지점은 어디입니까?
A. 인피니언은 전력 반도체 분야에서 오랜 경험을 가진 선도적인 회사로서, 개별소자보다는 시스템 차원에서 접근하고, 개발 초기부터 시스템 요구사항을 고객과 논의합니다. 또한, 차량용 애플리케이션에 필요한 신뢰성 높은 제품을 제공하므로 자동차의 안전성을 높이는데 기여하고 있습니다.

앞으로도 인피니언은 자동차의 각 시스템에 요구하는 사항은 무엇인지, 향후 추세가 어떻게 흘러갈 것인지, 그에 따라 필요한 전력 반도체가 갖춰야 할 것들은 무엇인지를 미리 파악할 것입니다. 이를 바탕으로 선도적인 신제품을 개발하여 고효율과 고신뢰를 요구하는 고객의 요구에 부응하기 위해 노력할 것입니다.