서론

전자기기 고장에 원인과 대책에 대해서는 산업계, 학계에서 다양한 방법으로 연구를 하고 있다.  이번 호에서는 Multiphysics 환경에서 대상을 정하고, 이를 Ansys SIwave™, Sherlock, HFSS 3D Layout, Icepak® 을 연동해석을 통해 전자기기의 전기적 성능, 열고장의 해석 및 수명 예측의 최적화 기법을 소개한다.

[그림 1] 고장원인과 수명 해석의 최적화 과정

[그림 1] 은 고장영역을 6가지로 구분하였다. 첫 번째 실리콘 IC를 포함하여, 다이오드 및 R, L, C 구성품에서 발생할 수 있고, 두 번째 유전체, 패드, 트레이스, 비아 로 구성 되어있는 PCB를 고려할 수 있다. 특히, 반도체 성능이 발전함에 따라 이전과 비교하여 매우 복잡하고, 소형화 되었다. 이를 위해 멀티 레이어로 구성되고, 내외부에 복잡한 형태의 비아 사용이 증대되었다. 그래서, 베리드 비아, 블라인드 비아의 사용이 증가하였고, 더 작은 레이저 비아 적용에 따른 간극이 좁아져서 고장 측면에서는 위험도가 더 증대되었다. 세 번째 부품과 PCB를 연결하는 솔더입니다. 그리고, 모듈간 연결을 위한 케이블 하네스, 하우징의 크랙, 소프트웨어 버그 등 있다.

참고 문헌에서 환경 및 신뢰성 관점에서는 온도(55%), 진동(20%), 습도(19%), 먼지(8%) 등 이 고장의 주요 원인인데, 이중 온도가 55% 로 온도 제어에 가장 큰 영향을 받는다.

그래서, 고장에 대한 가장 영향을 많이 받는 온도와 주요 고장 6대 요소 중 솔더에 대한 해석을 Multiphysics 환경에서 해석 진행하였다.  Altium Designer (E-CAD)로 회로설계, PCB Artwork 후, PCB 제작 및 부품 솔더링을 통해 보드 상태의 제품을 구성하여, 이를 신호발생기와 오실로스코프로 전기적 특성을 확인하고, SI/PI를 확인하기 위해 SIwave 로 해석 진행하였다. 또한, 설계된 대상에 수명을 확인하기 위해 Sherlock → HFSS 3D Layout → Icepak → Sherlock Solder Fatigue로 이어지는 멀티피직스 절차를 사용하였다.

 

본론

 

[그림 2] 온도에 따른 CTE 변화

[그림2]는 전자기기 온도 변화에 따른 납땜 피로(Solder Fatigue)는 PCB와 부품의 열팽창계수(CTE) 차이 때문에 발생한다. 칩, 패키지는 3, 10~20의 팽창계수를 갖고, PCB는 XY 면으로 12~17, Z면으로는 50~70의 팽창계수를 갖는 이러한 차이는 고온·저온 반복 시 서로 다른 정도로 팽창·수축 작용을 한다. 반복된 열 사이클은 솔더 접합부에 전단 변형과 피로를 누적시켜 크랙 및 최종 파손이 된다. 칩, 패키지, PCB의 CTE 차이와 1206 저항 및 QFN 솔더 변형 사례로 솔더 부분인 깨진 영역을 확인할 수 있다.

 

[그림 3] 온도에 따른 CTE 변화에 대한 해석방법에 차이점

[그림 3]은 납땜 피로 분석의 범위의 해석 방법에 차이점으로 Ansys Sherlock에서 해석을 진행 시, 해석적-반경험적(analytical and semi-empirical) 평가에는 시스템 레벨 휨이나 장착점 영향이 충분히 반영되지 않을 수 있다. 이를 집중 응력·변형을 직접 평가해야 할 경우 Mechanical 기반의 상세 해석을 진행해야 한다.

 

[그림 4] 온도 해석 설정

[그림 4]는 이번 호에 열 사이클 조건은 -55 ℃와 +85 ℃ 사이에서 상승·하강 각 10분, 고온·저온 유지 각 20분으로 1시간 주기이며, 10년 동안 총 1,000회의 열 사이클을 SAC305 적용하고, 신뢰성 목표는 사용 수명 동안 고장 발생 확률을 20% 미만으로 유지하는 것이다.

 

보드 설계 및 신호 특성 확인

 

 이 번에 설계 제작한 보드는 6개 입력 신호를 혼합하는 Signal Mixer 보드를 자체 설계·제작

하였다. Dual OP-amp 4개를 주요 IC로 사용하였고, 이는 열 해석 시 주요 발원에 소자이다.

 

[그림 5] 보드 설계 제작 및 신호 측정 

[그림 5]는 6개의 오디오 대역의 주파수이면서, 서로 겹치지 않게 하기 위해 소수인 200 Hz, 300 Hz, 500 Hz, 700 Hz, 1100 Hz, 1300 Hz sine 파를 인가 하여, 오실로스코프로 정상 동작한 것을 확인하였다.

 

[그림 6] SIwave Import 및 Stackup

[그림 6]은 SI/PI 신호 특성을 확인하기 위해 E-CAD에서 Export 하여, SIwave로 Import하여 E-CAD 와 배선 및 4층 PCB Stackup을 확인하였다. Import 한 Layout 은 E-CAD 와 비교하는 문제 없이 정상적으로 되었는지, 해석 시 확인해야 한다.

 

 

[그림 7] 공진 해석

[그림 7]은 SIwave 공진 해석을 5개 모드를 해석하고 Mode 1의 GND/Power Plane 통해 평면 사이의 공진 모드를 결과이고, 이는 시스템 클럭과 공진 주파수가 겹치지 않도록 설계 단계에서 확인하는 것이 목적이다.

 

납땜 피로 해석 절차

 

[그림 8] 납땜 피로 수명 해석 절차

[그림 8] 은 납땜 피로 해석 절차로 아래와 같은 순서로 진행한다.  

1. Sherlock에서 ODB++ Import

2. Sherlock에서 Part library 와 Stackup 정보 업데이트 모델 생성 후

3. Sherlock to AEDT Export 하고, 이를 HFSS 3D Layout Import 합니다.

4. Icepak에서 3D component PCB

5. Icepak 설정하여 Tmap file 생성

6. Sherlock import Tmap file

7. Solder fatigue 해석

 

[그림 9] Ansys Sherlock 설정

[그림 9]는 Ansys Sherlock에서 OBD++ 을 Import 하여 Layout 확인, Stackup 확인, Part List를 확인하였다. 특히 Part List에서는 회로에서 사용한 79개의 소자에 대한 전기적 특성, 온도 특성을 포함한 값이 입력이 정확하게 되어 있어야 한다.

 

[그림 10] Ansys HFSS 3D Layout

[그림 10]는 Ansys Sherlock에 설정한 파일은 Export 후 Ansys HFSS 3D Layout으로 Import하여 PI해석인 DCIR과 SI해석인 S-parameter를 해석한 결과이다.

 

[그림 11] Ansys HFSS 3D Layout

[그림 11]는 Ansys HFSS 3D Layout DCIR 결과 중 Power Tree 와 via 특성 결과를 확인할 수 있다.  Via 특성은 이 후 Sherlock에서 PHT Fatigue 해석과 관련이 있다.

 

[그림 12] PCB 3D component in Icepak from HFSS 3D layout

[그림 12]는 Ansys AEDT에서 Icepak을 실행 후 HFSS 3D layout를 3D component 형태로 Design을 추가하고 Icepak 과 링크를 진행한다. AEDT 환경에서 Sync 설정하고, 같은 프로젝트 환경에서 자동 연결한다. 이때 Sherlock에서 설정한 모든 물성 정보가 그대로 반영되어야 한다.

 

[그림 13] PCB 3D component in Icepak from HFSS 3D layout

[그림 13]는 Ansys Icepak 저온, 고온에 대한 Field 분포결과이다. 이 과정은 각각에 소자에 0.5 W 소비전력을 할당 후, 경계설정에서는 inlet 과 outlet에 대한 강제 대류 설정으로 속도는 0.5 m/s X 방향으로 설정하고, 주변온도는 -55도, +85도 Sherlock에서 설정한 온도를 그대로 반영하여 설정한다. 이후 메시를 생성하여 수렴 여부 판단을 위해 Monitor point 생성한 후, Solution Setup 후 해석 진행합니다. 해석 결과 시 Sherlock 과 연동하기 위한 Tmap 설정을 해주어야 한다.

 

 

[그림 14] Ansys Icepak Tmap result

[그림 14]는 Ansys Icepak Tmap 결과로 이를 활용하여, Ansys Sherlock 온도 특성 해석 시 정확한 해석을 위해 사용한다.

 

신뢰성 해석 절차

 

[그림 15] 주변 온도 설정 및 주기 설정

[그림 15]는 앞서 언급한 온도 설정입니다.  온도는 저온과 고온에서 각각 -55 / +85 °C을 설정하고, 주기는 10년 동안 1,000번 온도 주기 반영하여 설정한다. 

 

[그림 16] Solder Fatigue 해석

[그림 16]는 Solder Fatigue Analysis에서 해석 설정으로 앞선 온도 설정을 반영하여 해석을 진행한다.

 

[그림 17] Solder Fatigue 결과 (Tmap 미적용)

[그림 17]는 Tmap 파일을 적용하지 않은 Solder Fatigue 결과이다. Ansys Sherlock 결과 중 Solder Fatigue는 부품에 대한 점수로 확인할 수 있는데, 목표로 정한 값 보다 Green 색은 2배 이상 달성, Yellow 1 ~2 배 이상 달성, Red 달성 못함으로 점수화 하여 10점을 최고점을 한다. 현재 결과로는 D1, D2는 2개 소자는 Yellow이다. 또는 그래프 결과는 일반적으로 10년 20% 이내 고장 확률을 한계로 설정하고, 결과 그래프로 확인한다.

 

[그림 18] Ansys Sherlock Tmap 파일 적용

[그림 18]는 Ansys Sherlock Tmap 파일 적용하였다.

 

 

[그림 19] Ansys Sherlock Tmap 파일 적용 결과

[그림 19]는 Ansys Sherlock Tmap 파일을 적용한 후 저온 및 고온 조건의 결과를 보여준다. 상단의 온도 Range 설정을 달리하여 각 조건별 열 분포를 확인할 수 있다.

 

[그림 20] Ansys Sherlock Tmap 파일 적용 결과

[그림 20]는 Ansys Sherlock Tmap 파일 적용 결과이다.

 

[그림 21] Solder Fatigue 해석결과 비교

[그림 21]는 Solder Fatigue 해석결과를 Tmap 적용과 미적용에 따른 비교 결과이다. 미적용시 수명이 적용 시 보다 길다고 좋은 결과가 아니라 더 정확한 해석을 했다고 볼 수 있다.

 

맺음말

전자기기 고장에 대한 가장 영향을 많이 받는 온도와 주요 고장 6대 요소 중 솔더에 대한 해석을 Ansys AEDT와 Ansys Sherlock을 환경에서 해석 진행하였다. Tmap file 적용으로 Solder Fatigue 해석 정확도 향상하였다. 자체 모델 해석 결과 D1, D2 부품에 대한 결함을 찾았다.

극한의 운영 환경과 치명적 결과에 따른 회복이 어려운 항공, 방산, 우주, 의료 분야에서는 신뢰성 해석을 통해 이에 대한 대비가 필수적이다. 이를 통해서 골든 타임 확보 및 예방 정비가 가능하며, 시간 단축을 통해서 개발 비용을 줄일 수 있다.

 신뢰성 해석은 단순히 제품의 수명을 늘리는 작업이 아니라, 시스템의 고장 시점을 미리 파악하여 사고를 방지하는 안전장치이다. 설계 초기부터 전자기장 해석과 신뢰성 해석을 적용해야만 예상하지 못한 물리적·전자기적 악조건 환경에서도 최소한의 기능을 보장할 수 있다.

 

■ 참고자료

- [TAE SUNG S&E TECH SUMMIT 2026] TSTS2026 전기전자/반도체 트랙 발표자료

- Steinberg D.S. Vibration analysis for electronic equipment, 2000