새로운 규제에 따른 자동차의 안전성 향상과 배기가스 감축, 편의성에 관련된 대부분의 혁신이 전자 제어에 의해 실현되고 있다. 승용자동차 및 기타 차량의 배기가스에 관한 법률은 더 나은 연소와 제어 장치의 개발을 견인하고 있다. 또한 다양한 액추에이터, 부품, 액체의 상태를 감지하고 찾아내는 새로운 형태의 전자장치를 이용함으로써 안전 수준이 향상되고 있다. 그런 까닭에 자동차를 구성하는 일반적인 전자장치의 수는 꾸준히 늘고 있다.
시장조사 회사인 IC Insights는 자동차용 반도체 시장이 2005년 125억 달러에서 2008년에는 181억 달러 이상 성장할 것이라고 예측했다. 또 다른 시장조사 회사인 Strategy Analytics는 오늘날 일반적인 자동차의 가격에서 전자 시스템의 비중이 20% 이상을 차지하고 있지만 2008년까지 그 비중이 30% 이상 높아질 것이라고 전망했다.
예를 들면 텔레매틱스와 같은 인포테인먼트 시스템을 비롯해 안전 시스템, 엔진 관리, 위성 라디오 또는 TV, 핸즈프리 전화기, 여러 가지 무선 장치 등이 그 대상에 포함된다. 5년 전만 해도 이들 시스템은 유럽의 고급 자동차에서나 발견할 수 있었지만, 이제는 모든 자동차 제조업체들이 자사 중형급 차량에 첨단 기능을 통합하면서 자동차용 IC 시장의 성장을 견인하고 있다.
반도체의 세계에서 산업 온도 범위(-40/+85℃)를 지원하는 제품은 적지 않다. 그러나 자동차 온도 범위(-40/+125℃)를 만족하는 제품은 상대적으로 드물다. +125℃ 이상의 온도에서 견딜 수 있는 제품을 찾기란 그보다 훨씬 더 어렵다. 그러나 고온 부품을 요구하는 애플리케이션이 증가함에 따라, “핫” 실리콘 소자에 대한 수요는 크게 증가하고 있다. 까다로운 온도조건을 요구하는 자동차시장은 불경기에도 불구하고 비교적 양호한 성장률을 보이고 있다.

왜 고온 반도체가 필요한가?
고온 전자(High Temperature Electronics)에 대한 정의는 여러 가지이나, 이 용어는 일반적으로 고온 환경에서 안정적으로 동작이 가능한 장치나 혹은 시스템을 의미하는 것으로 받아들여지고 있다. 대개 고온이라 하면 125℃ 이상을 의미한다.
자동차나 산업 환경은 대부분 고온 조건을 만족해야 한다. 이러한 애플리케이션 분야에서는 센서와 전자장치가 이들의 기능 모듈과 아주 가까이에 설치되어야 한다.
이것은 간섭효과를 방지하기 위해 필요한 고가의 고성능 배선의 사용을 제한하게 된다. 전문가들은 긴 배선이 EMI 포인트에 훨씬 민감하며, 이것을 제어하기 위해 간섭에 대한 내성이 있는 값비싼 배선을 사용해야 한다는 것을 알고 있다. 모듈 가까이에 반도체를 사용하면, 이 문제를 해결하는 데 필요한 값비싼 배선을 줄여준다.
그러나 자동차나 산업 분야는 반도체를 사용하기에 매우 열악한 환경이다. 자동차 엔진을 감시하고 최적화하는 엔진 제어 장치(ECU)에 사용하는 전자장치가 그 대표적인 예이다. 이 장치는 온도 변화가 극단적인 엔진 컴파트먼트에서 점점 더 증가하고 있다.

전형적인 적용분야
자동차용 애플리케이션에서 온도는 125℃ 이상 올라갈 수 있으므로 고온 제품을 사용해야 한다. 자동차 분야에서 고온 부품은 두 개의 주요 카테고리를 포함한다. 첫 번째 카테고리는 센서와 개별부품이고 두 번째 카테고리는 전자제어장치다. 센서와 개별부품은 점차 통합형 스마트센서로 개발되고 있으며, 개별부품 기반의 하이브리드 회로도 원칩 형태로 개발되고 있다.
2005년 이전에 자동차용 애플리케이션에서 고온 전자장치의 총 가능시장은 10억 달러로 추정되고 있으며, 이 중 약 25%가 엔진 제어를 위한 기능이었다. 자동차는 고온 전자장치를 대량으로 사용한다. 현재 첨단 자동차는 약 100개의 센서를 사용하고 있으며 10년 내에 그 숫자는 2배로 증가할 전망이다. 여기에는 엔진 속도, 각도, ABS, 배기가스, 전동식 조향 및 엔진 상태 감시를 위한 센서가 포함된다.
자동차 온도는 극한 지역에서 -40℃ 이하로 떨어질 수 있으며 엔진 컴파트먼트 내부에서는 +125℃ 이상 올라갈 수 있다. 전자 모듈(ECU, 엔진 쿨링팬, 자동 기어박스 등)은 엔진 컴파트먼트에서 직접 조정되며 보통 엔진 냉각수나 엔진 오일 회로와 열적으로 연결되어 있다. 이러한 이유로, 전자 제어 장치의 주변 온도는 125℃ 범위에 있게 된다. 반도체 부품의 전력 소모로 인하여 ECU 내의 온도는 약 10℃ 더 상승하게 된다. 이것은 모든 반도체 소자가 약 135℃의 주변 온도에 영향을 받게 된다는 사실을 의미한다. 여기에다가 각 부품의 전력 소모가 더해져야하므로 실리콘은 최대 온도가 된다. 그러므로 적어도 140℃에서의 동작 조건을 보증하는 소자가 필요하다.
전력관리 IC의 경우에 있어서는 일부 사례에서 최고 150℃의 접합온도에 견뎌야 하므로 더 넓은 온도 범위에서의 동작을 보증해야 한다. 접합온도가 주위 온도보다 높기 때문에 단지 125℃까지 평가한 부품을 지정하는 것은 전력 소자에 적합하지 않을 수 있다.

고온 반도체의 과제
높은 온도에서 반도체는 그 자체의 전기적인 특성을 변화시킬 수 있는 물리법칙에 의해 영향을 받게 된다. 온도 상승으로 인하여 트랜지스터의 전류 이득 감소는 물론, 디자이너들은 누설전류(leakage current)라고 하는 현상에 기인하는 문제에 직면하게 된다. 누설전류가 중요한 문제를 일으키는 정도는 사용되는 기술과 설계 최적화에 따라 달라질 수 있지만, 항상 높은 온도에 영향을 받게 된다. 예를 들어 갈륨비소(GaAs) 기술은 실리콘(Si) 기술에 비해 누설전류가 낮지만 실리콘 소자가 훨씬 더 일반적이고 널리 사용되고 있다. 현재 전자장치의 98% 이상은 반도체 재료로써 실리콘을 사용한다.
반도체의 기본 동작 원리는 에너지의 관리다. 원자 규모에서는 전자에 대해 가전자 준위와 전도 준위라고 하는 2개의 다른 에너지 준위가 존재한다. 두 에너지 대역 사이의 간격을 밴드 갭(Eg)이라고 한다. Eg의 값은 절연체에 대해서는 크지만 양도체라고 알려져 있는 금속에 대해서는 작다(혹은 0). 반도체는 전자가 가전자대에서 전도대로 이동하는데 충분한 에너지를 가지고 있을 경우(예를 들어, 열적 여기를 통해) 내부 물질의 전도율이 증가한다. Si 반도체의 경우에는 밴드 갭 에너지가 온도 상승으로 감소하게 된다. 그러므로 높은 온도에서 전자가 가전자대에서 우리가 누설전류라고 부르는 것을 일으키는 전도대로 더 쉽게 이동하게 된다.


             [그림 1] Varshni 모델을 이용한 반도체들 간의 밴드 갭 에너지(Eg)

누설전류 현상을 가시화하기 위해, 그림 2의 그래프는 -40℃/+85℃의 산업용 온도 범위를 만족하는 기준전압 제품 상에서 온도에 대한 대기전류의 변화를 제시한 것이다. 낮은 온도에서 대기전류는 매우 낮다. 그러나 온도가 상승함에 따라 누설전류 증가가 우세하게 된다. 임계 온도를 넘어선 이후 누설전류 값은 지수적으로 증가하게 된다. 그러나 여기서 곡선의 굴절부 위치는 제조공정의 변경에 의해 이동이 가능하다는 사실에 주의해야 한다.


                       [그림 2] 온도에 따른 대기전류의 변화

일부 실리콘은 200℃까지 견딜 수 있으나 실리콘의 고유 한계는 약 400℃로 알려져 있다. 실제 제한 요인은 능동소자의 다이 접합 및 패키징에 사용되는 재료의 성능이다.
실리콘 웨이퍼에 절연막을 입히고 그 위에 다시 실리콘 박막을 형성시킨 SOI(Silicon-on-Insulator) 소자는 실리콘보다는 약간 높은 온도에서 신뢰할만한 동작을 보증한다. 또한 비소화갈륨(Gallium arsenide)은 성숙된 기술이긴 하지만, 대부분의 소자는 RF용으로 제조되고 있어 실질적으로 고온 기능으로는 연구 실적이 저조한 실정이다. GaAs 소자는 이론적으로 400℃ 혹은 그 이상의 온도에서 동작이 가능하다.
WBS(Wide Band-gap Semiconductors)는 동작 환경이 300℃ 이상인 경우에 적합하다. 와이드 밴드갭을 가지는 반도체 재료로서는 다이아몬드(Diamond), 실리콘 카바이드(Silicon carbide), 비소화갈륨 등을 들 수 있다. 실리콘 카바이드는 주요 경쟁 기술로 기술적으로 가장 앞서 있다. 그러나 현저한 발전이 있었음에도 불구하고 웨이퍼 사이즈와 재료의 품질 문제가 남아 있다. 질화갈륨(Gallium nitride)은 광학 소자를 제외하면 이제 막 연구 단계에 진입해 있는 수준이다. 다이아몬드는 이론적으로 최고의 WBS이지만 능동소자로써 상업적으로 가능할 것 같지 않다는 의견이 지배적이다.
그 다음으로 고려해야 할 것은 반도체의 패키징과 관련이 있다. 반도체가 수백 도의 온도에서 동작이 가능하도록 소자는 패키징되어야 한다. 이 부분은 고온에서 전자장치의 성공적인 동작에 있어서 가장 큰 도전 과제로 남아 있다.
소자가 높은 전류밀도에서 동작할 경우에 매우 심각한 문제는 컨덕터에서 형성되는 보이드와 부풀음에 의한 전자이동이다. 전도 경로의 사이즈를 키워 전류밀도를 낮추는 것이 이 문제를 해결하는 열쇠가 된다. 저항접촉을 위해 사용되는 재료의 화학반응성은 온도에 따라 증가하는 경향이 있으므로, 와이어 본딩과 접착 패드용 막 재료와 대체 금속이 필요하다. 주입되는 불순물(Dopant)의 확산 속도는 높은 온도에서 빨라지고 절연 파괴 강도는 줄어들며 기계적 스트레스는 부품을 구성하는 재료마다 다른 열 특성에 의해 증가할 수 있다. 다이 접합 문제는 열팽창 차이로 인해 나타나는 특징이며, 특히 자동차 애플리케이션에서와 같이 온도 사이클이 불안정한 환경에서 자주 나타난다.
또 다른 문제는 서브스트레이트를 비롯해 인쇄회로기판, 납땜, 접착제 재료와 관련이 있다. 각각의 경우에 대해서 열특성, 화학 반응성, 제조 용이성과 함께 기본적인 고온 기능성이 고려되어야 한다.
상업적으로 성공한 고온 부품의 한 가지 사례는 하니웰이 제공하는 HTMOS 계열이다. 이 제품 계열은 225℃에서 적어도 5년간 신뢰성을 보증할 수 있도록 설계되었으며, 연산증폭기, 마이크로컨트롤러, FPGA 중에 포함되어 있다.

고온 내열 소자
반도체 업체들은 -40℃/+150℃의 확장 온도 범위를 지원하는 반도체 제품의 선택을 보증하기 위해 철저한 신뢰성 테스트를 수행하고 있다. 물론, 특정 제품 공정이 이러한 전자 부품들이 요구하는 높은 품질 수준을 보증하기 위해 필요하다.
자동차 전자 시스템 설계자들은 시장에서 확장 온도범위에서 테스트된 IC 제품을 어렵지 않게 구입할 수 있다. 반도체 칩 업체들은 그들의 제품 라인업에 자동차 애플리케이션을 위한 제품을 추가해 왔으며, Q-100 인증 등 각종 자동차 업계 인증과 칩의 신뢰성 및 테스트 보증에 관한 문서를 제공하고 있다.
전력관리 IC를 비롯해 비교기나 연산증폭기 등 각종 표준 제품들은 오래 전부터 자동차에 사용돼 왔다. 요즘에는 자동차에 각종 엔터테인먼트 장치들이 도입되면서 자동차 온도범위를 지원하는 DSP 프로세서나 메모리도 증가하고 있다. 근래 들어서는 자동차 제어 분야에 플래시 기반의 마이크로컨트롤러가 새로운 주류로 떠오르고 있다. 또한 오늘날 자동차 애플리케이션은 과도하게 요구되는 기능과 인터페이스로 인해 극도의 유연성이 요구됨에 따라 필드 프로그램이 가능한 FPGA도 주목을 받고 있다. FPGA는 텔레매틱스 시스템에서 발견되는 수많은 애플리케이션에 이상적이다. 전문적인 시스템 설계 지식을 가지고 있는 설계자라면 프로그래머블 로직의 유연성을 풍부하게 활용할 수 있을 것이다. FPGA는 자동차산업에 새로운 유연성, 적응성, 새로운 성능, 비용 이점을 제공하게 될 것이다.
자동차를 구성하는 전자장치가 증가할수록 새로운 요구가 끊임없이 도출되고 있다. 그 중에서도 자동차 애플리케이션의 경우에 온도조건은 대단히 중요한 문제다. 또한 온도와 함께 간과해서는 안될 문제가 반도체의 신뢰성에 관한 문제임을 상기할 필요가 있다. 이는 단순히 온도나 신뢰성의 문제가 아닌 곧 생명의 문제이기 때문이다.


               [그림 3] 고온 내열 전자부품이 사용되는 자동차용 시스템

참고자료
[1] “High Temperature Electronics”, STMicroelectronics, June 2004.
[2] Richard Sharp, Business Manager, Semiconductors and Sterilisation, Isotron Ltd., “High Temperature Limitations in Automotive", Special Report Automotive Electronics Part II, Power Systems Design EUROPE, pp. 46-47.