AEC-Q100 의 이해 (자동차용 반도체 인증)

반도체 업계에서는 그 반도체 제품이 얼마나 뛰어난 성능을 발휘하며, 어떠한 목적으로 사용되는지에 따라 통상 세가지의 Grade 로 구분한다.
Commercial Grade, Industrial Grade, Automotive Grade 로 구분하며, 각각의 Grade 는 또다시 그 안에서 여러 등급으로 나뉘게 된다. 이는 통상적인 구분일뿐 각 반도체 회사마다 일컫는 용어와 표현 방식이 조금씩 다르긴 하다.
이 세가지 Grade 중에서 가장 상위 Level 의 반도체는 Automotive Grade 반도체 이며, “자동차” 라는 것이 인간의 생명과도 연관된 제품이란 것을 생각해 볼 때 아주 높은 수준의 안전성과 성능, 내구성을 필요로 할 것이라고 쉽게 생각해 볼 수 있다.
Automotive Grade 반도체의 반열에 오르기 위해서 반드시 필요한 것이 AEC-Q100 인증이며, 이번 글에서는 AEC-Q100 에 대해서 다뤄보도록 하겠다.

1. Industrial Grade : JEDEC Standard

이 세상 존재하는 모든 제품은 그 내구성과 미래의 수명 (언제까지 작동할지) 을 고려하여 만들어지게 된다.
그리고 그러한 내구성과 수명이 얼마나 정도까지 될지 (혹은 얼마까지 보장할 수 있을지) 가늠해보기 위해 우리는 그 제품의 “신뢰성”을 평가해 본다.
그리고 그 신뢰성을 평가하기 위한 시험을 신뢰성 시험이라고 부른다.

반도체는 기본적으로 JEDEC 이라는 표준이 있다. JEDEC 은 전자제품들을 만들때의 규칙이자 약속이며, 이를 통해 서로 다른 제품들의 호환성을 도모하기 위해 가이드해둔 국제표준문서라고 보면 되겠다.

일반적으로 JEDEC 표준은 반도체에 있어, Industrial Grade 제품을 만들때의 표준이라고 간주한다. 일반적으로 반도체 제품의 Industrial Grade 는 -40’C ~ 85’C 까지의 제품 동작온도를 보증하는 수준을 말하고, JEDEC 표준을 따랐을 때, 그 정도 되는 수준의 제품이 만들어진다고 볼 수 있다.
JEDEC 문서 중 JESD47 Stress-Test-Driven Qualification of Integrated Circuit 문서는 반도체 신뢰성과 관련한 문서로, JESD47 에서 요구하는 신뢰성 시험을 Pass 하면 Industrial Grade 의 요건을 갖춘 제품이라고 말할 수 있는 것이다.

2. Automotive Grade : AEC-Q100 Standard

위에서 언급한대로 JEDEC 표준을 통해 Industrial Grade 의 제품을 규정할 수 있다. 그러나 Automotive 제품은 통상적인 Industrial Area (산업영역) 에서 사용하는 내구성 / 수명 / 안정성 등의 품질과는 훨씬 높은 수준의 품질을 요구한다.
처음에 언급한대로 자동차는 인간의 생명과도 직결되는 제품이기 때문이다.
그리고 기본적으로 자동차 안에 들어간 반도체 제품은 일반적인 반도체들보다 상당한 수준의 스트레스를 받게 된다.

그렇게 상당한 수준의 스트레스를 견딜 수 있는 반도체 제품만이 자동차용 반도체가, 즉 Automotive Grade 제품이 될 수 있는 것이다.
JEDEC 문서 중 ESD47 Stress-Test-Driven Qualification of Integrated Circuit 가 Industrial Grade 의 신뢰성 시험에 대한 표준이라고 한다면, Automotive Grade 를 달성하기 위한 신뢰성 시험의 표준이 바로 AEC-Q100 이다.

2.1 AEC-Q100 이란

AEC 는 Automotive Electronics Council 의 약자이며, Q는 Quality 를, 100은 표준의 고유 Number 이다.
그리고 AEC-Q100 문서의 문서명은 Failure Mechanism Based Stress Test Qualification For Integrated Circuits In Automotive Applications 이다.
문서명을 통해 AEC-Q100 이 어떤 문서인지 정확히 알 수 있다.
“자동차 적용 부품 중 IC 반도체를 위한 고장 메커니즘을 기반 스트레스 시험 인증” 으로 해석 될 수 있고, AEC-Q100 에서 말하는 모든 신뢰성 시험은 “자동차가 동작될 때 반도체 부품이 스트레스를 받아 불량이 발생할 수 있는 경우를 가정해서 그러한 상황을 견뎌내는지” 를 보고자 하는 것이 자동차용 반도체의 신뢰성 검증이라고 볼 수 있다.

2.2 Automotive Grade

AEC-Q100 문서 내에는 제품이 보증하는 동작온도를 Grade 화 하여 규정 하였다. Grade 0~3 까지 있으며, 각 Grade 별로 보증하는 동작온도가 다르다.

2.2.1 Automotive Grade 3

일반적으로 반도체 제품은 -40’C~85’C 를 동작 보증하는데, 이는 일반적인 Industrial Grade 와 같은 수준의 보증정도 이며, Automotive Grade 로는 Grade 3 에 해당한다.

동작 보증 범위 측면에서는 Industrial Grade 와 Automotive Grade 가 동일하지만, Autmotive 제품은 내구성, 기능 면에서 Automotive Qualification 을 Pass 한 제품으로 그 결과 차량에서 발생하는 많은 경우의 신뢰성 문제들을 보증할 수 있다는 의미라고 할 수 있겠다.

2.2.2 Automotive Grade 2

통상의 차량용 반도체는 Grade 2 부터를 시장에서 많이 요구한다. 동작 온도 보증 범위가 최대 105’C 까지는 되어야 차량에 적합하다는게 자동차 산업의 일반적인 평가인 듯 하다.
그래서 통상 Automotive Product 라고 일컬어지는 반도체들은 105’C 까지 보증하며 AEC-Q100 의 신뢰성 인증을 받은 제품을 말한다고 볼 수 있다.

2.2.3 Automotive Grade 1

Grade 1 의 경우는 125’C 까지 동작 온도를 보증하는데, 이는 상당히 높은 수준의 열적 스트레스에도 제품이 정상동작한다는 것을 말하기에, 지구상에서의 왠만한 상황과 환경에서도 제품이 탄탄하게 잘 작동하는 것을 말한다.
Grade 1 수준의 반도체를 만들기 위해서는 반도체 회사는 생산단계에서 큰 수율 손실을 봐야 한다.
튼튼한 제품은 그냥 나오는 것이 아니며, 가령 100개의 반도체가 있다면 그 중 Grade 2 제품으로 80개 정도를 활용할 수 있다면, Grade 1 제품으로는 아주 튼튼해야 하기에 60개 정도만 활용이 가능하다.
다시 얘기해 Grade 1 의 제품을 만들기 위해서는 Grade 2 대비 20개나 더 버려야 한다는 말이다.
즉, 수율이 내려가고, 그렇게 내려간 수율은 결국 시장가격을 높이게 되는 결과를 초래한다. 그것이 차량용 반도체가 비싼 이유이며, 그만큼 고부가가치 산업임을 뜻한다고 볼 수 있다.

2.2.4 Automotive Grade 0

Grade 0 는 엄청난 성능과 내구성을 자랑하는 반도체라고 할 수 있다.
이정도의 반도체는 Millitary Standard (MIL SPEC) 는 물론, AERO Standard (우주항공) 에도 견줄법한 반도체라고 할 수 있다.
왠만한 반도체 기업에서는 달성하기 쉽지 않으며, 품질적으로 Grade 0 를 달성한다 한 들, 경제성 측면에서 양산으로 이어지기 쉽지 않다.
그래서 시장에서 Grade 0 제품을 찾기 쉽지 않으며, 찾을 지언정 가격이 굉장히 높다.

3. AEC-Q100 신뢰성 시험

AEC-Q100 문서내에 Qualification Test Flow 부분을 보면 차량용 반도체가 되기 위해서 어떠한 신뢰성 시험들을 거쳐야 하는 지를 알 수 있다.
각 용어에 대한 설명과 각 시험들을 어떠한 조건과 순서로 진행해야 하는지 Flow 부분 뒤에 상세하게 설명이 되어 있다.

주로 Foucs 맞추어져 있는 부분은 “신뢰성 시험” Part 인 Test Group A, B, E, G 이며, 그 외의 Test Group 들은 Manufacturing 단계에서의 자동차반도체가 되기 위한 요구사항들이라고 보면 되겠다.

3.1 TEST GROUP A : 가속 환경 시험

위의 Test Flow 상에서 Test Group A 에 해당하는 시험들은 “가속 환경 시험” 에 해당하며, Precondition, HTSL (Hot Temperature Storage Life), PTC (Power Temperature Cycle), THB (Temperature Humidity Biased), HAST (Highly Accelerated Stress Test), TC (Temperature Cycle), UHAST (Unbiased Highly Accelerated Stress Test) 의 시험들이 이에 속한다. 각 시험들의 내용을 이 글에서 모두 다루기는 내용이 너무 방대하여 다른 글들을 통해 하나하나 시험들을 다뤄보도록 하겠다.

3.2 TEST GROUP B : 가속 수명 시험

Test Group B 에 해당하는 시험은 “가속 수명 시험“에 해당하며, ELFR (Early Life Failure Rate), HTOL (Hot Temperature Operation Life), EDR (Endurance & Data Retention) 의 시험들이 이에 속한다. 이 중에서 EDR 시험은 NVM (Non-Volatile Memory) 에 속하는 제품에만 해당되는 신뢰성 시험 항목이며, AEC-Q100 에서 해당 시험을 자세하게 언급하기 보다는 JEDEC 을 참조할 것을 Comment 해두었다.

3.3 TEST GROUP E

Test Group E 는 “정전기관련 시험” 으로, 흔히 ESD (Electro-Static Discharge) 시험이라고 하며, HBM (Human Body Model), CDM (Charged Device Model), LU (Latch Up) 이 이 시험에 속한다. 그 외에도 EMC (Electromagnetic compatibility), SC (Solderability), ED (Electrical Discharge), SER (Soft Error Rate) 의 신뢰성 시험 항목이 있다.

3.3 TEST Group G

Test Group G 는 “기계적 특성 및 내구성을 평가하는 테스트” 로, GL (Glassivation Layer Integrity), LT (Lead Temperature), DS (Destructive Physical Analysis), IVV (Intermittent Operating Life), MS (Mechanical Shock), VFV (Variable Frequency Vibration), CA (Constant Acceleration), DROP (Drop Test) 의 시험들이 있다. 이 시험들은 주로 IC 를 대상으로 하기보다는 Board Level 에서의 시험들을 의미한다.