2014년, 도요타는 급발진 수사 종결에 대해 미국 법무부와 합의하며 12억 달러의 벌금을 부과 받았다. 이 과정에서 크루즈 컨트롤 용도의 자동차 전장 부품을 제조하는 공정 내 인쇄회로기판의 코팅 결함으로 인해 반도체 칩의 납땜 단자에 균열이 발생할 수 있고, 이를 지속적으로 사용할 경우 제어상의 문제를 일으킬 수 있다는 내부 보고서가 공개 됐다.
또한 이 결함으로 인해 차량이 급 가속할 수 있다는 가능성이 제기됐다. 도요타는 이 보고서에서 “크루즈 컨트롤 스위치가 ON 상태일 때 시동을 걸면, 엔진 스피드가 갑자기 올라갈 수 있으며, 브레이크 페달을 강하게 밟지 않은 상태에서 자동 변속기를 D나 R로 이동시킬 경우 자동차가 급 가속될 수 있다”는 가능성을 제시하고 당시 결함이 발견된 모델과 생산 기간 등을 명시했다. 이는 리콜을 통해 무상으로 부품을 교환할 예정이라고 밝혔다.
미국 도로교통안전국 공문에서 확인된 이 사례는 전장부품 결함으로 인한 오작동 가능성을 최종 제조사가 인정한 것이라는 점에서 주목된다. 더불어 운전자의 의지가 반영되지 않은, 즉 하드웨어의 결함으로 인해 차량이 오작동 또는 급 발진할 수 있다는 가능성을 인정한 점에서 1986년의 공문이지만 큰 의미가 있다(출처, 전자신문 2014.4.15). 자동차 산업 부문의 전장부품을 포함한 각종 부품 신뢰성은 인간의 생명을 담보한다(그림 1).
그림 1. 자동차와 노트북 컴퓨터의 품질사고 사례
자동차가 운전자의 조작 없이 스스로 주행 환경을 인식해 목표지점까지 운행할 수 있다면 운전자의 부주의로 인한 교통사고를 미연에 방지할 수 있을뿐더러, 편리한 운전 환경을 제공할 수 있을 것이다. WHO 보고서에 의하면 전 세계적으로 교통사고 사망자 수는 연간 130만 명에 달하고, 2~5천만 명이 치명적인 손상을 입는다. 원인을 분석해 보면 이 가운데 90% 이상이 운전자 부주의로 인한 과실이다. 교통사고로 인한 인명 손실을 최소화하기 위해 자동차 선진국에서는 1990년대 초반부터 많은 예산을 투입해 자율주행 자동차 기술을 개발하고 있다.
2013년 글로벌 시장조사기관 Navigant Research에서 발표한 자료를 보면 자율주행 자동차의 정식 시판은 2020년에 시작될 것으로 예상되며, 북미, 서유럽, 아시아 태평양 등 세계 3대 시장에서의 성장 속도가 연평균 85%를 기록할 것으로 보인다. 또한 2035년에는 판매량의 75%가 자율주행 자동차일 것으로 예상된다.
자율주행 자동차는 다음과 같은 기술을 확보하는 것이 중요하다.
· 카메라, 레이더 등의 센서를 통해 주변 상황을 정확히 파악하는 기술
· 차량 주변 센서로 확인이 어려운 부분은 차량과 차량, 그리고 차량과 도로 등과의 통신을 기반으로 정보를 교환해 위험 여· 부를 종합적으로 판단하는 기술
· 운전자와 자동차와의 교감을 통해 자율주행에 대한 신뢰성을 확보하고, 위험 상황에 대해 운전자가 적절히 대응할 수 있도록 하는 기술
· 혹시 발생할지 모르는 제어 오류에 대한 대응기술
이러한 기술은 GM, 벤츠, 도요타에서 2020년까지 상용화하겠다고 선언했다. 국내에서도 자율주행자동차를 창조경제 산업엔진 프로젝트 중 하나로 선정해 집중 육성할 계획을 수립하고 있다(KEIT PD Issue Report Decem-ber 2014 산업부의 자율주행자동차 기술개발 방향).
제품 신뢰성 확보가 기업 성패의 관건
새로운 기술 개발을 통해 인간의 안전과 편익을 증진시키려는 사회적 노력은 끊임없이 지속될 것으로 보이며, 이러한 노력이 관련 분야의 산업을 발전시키는 직접적인 원동력이 된다는 점은 누구도 부인할 수 없다.
그러나 제품의 신뢰성을 완벽하게 확보하지 못한 상태, 예를 들어 간헐적인 급발진이나 오동작의 문제를 해결하지 못한 상태에서 자율주행 자동차 시대의 도래를 상상해 보자. 또한 차량과 차량 간에 통신을 수행하는 반도체 부품이 패키징 결함으로 아주 간헐적으로 근접한 차량을 인식하지 못하는 결함을 가진다고 생각해보자. 문명의 이기가 인간의 생명을 위협하는 살인 병기로 돌변하는 순간이 될 것이다. 자동차 산업에서 탑재되는 전장부품의 신뢰성이 의심받는다면 그 심각성은 자율주행의 개념을 제한하고, 위협할 수 있다고 생각한다.
제품의 신뢰성과 품질 문제는 제조업을 영위하는 기업의 입장에서 판단할 때 결코 소홀히 생각하고 쉽게 접근할 수 있는 영역은 아니다. 자동차 제조사나 스마트폰 제조사가 급발진 및 배터리 폭발 사고로 언론에 보도되는 빈도가 높아진다고 상상해보자. 반도체 회사에서 출고되는 부품이 시장에 출고되어 1년 내지 2년 후에 진행성 불량으로 고장이 빈번하게 발생한다고 가정해보자. 기업의 이미지가 사업의 성패를 좌우하는 현대의 소비시장에서 생존하기 어려울 것이다. 안전성과 성능에 대한 품질을 완벽에 근접하도록 유지하며 소비자의 욕구를 충족시킬 수 있을 때 그 기업은 생존할 수 있고 성공할 수 있다.
기업의 경영자는 제품이 소비자에게 출고되기 이전에 모든 결함을 선별해 내고 확실하게 양품만을 출고시킬 수 있다면 그 수단을 확보하는데 금전적 시간적 투자를 아끼지 않을 것이다.
우리가 생각해 볼 수 있는 결함 선별의 가장 용이한 수단은 사람이 직접 오감, 특히 눈을 사용해서 제품의 결함을 찾는 것이다. ‘90년대 후반까지만 해도 검사 작업자의 숙련도, 즉 얼마나 빠르고 정확하게 제품의 불량을 선별해 낼 수 있는가? 하는 점이 그 회사의 품질 수준을 좌우했다 해도 과언이 아니었다. 이 작업을 용이하고 정확하게 진행될 수 있도록 도와주는 대표적인 기술로 비전기술이 적용됐고 발전해 왔다.
진화하는 부품에 대한 대응력 확보해야
지금까지 전자제품의 핵심 부품을 생산하는 대부분의 PCB 조립 라인에 비전 검사장비가 필수적으로 설치되어 soldering공정의 품질을 책임진다.
이 기술을 사용하면 오픈, 브리지, 쇼트, 과납, 소납, 미스 얼라인 등의 각종 불량을 빠르고 정확하게 검출할 수 있기 때문에, SMT 공정의 일반적인 칩 부품이나 단자가 외부로 돌출되는 QFP, DIP IC와 같은 전자부품의 경우 안심하고 소비자에게 판매할 수 있었다. 2000년대 초반까지는 유통되는 대부분의 전자 제품이 비전 검사장비만으로 이 부문에 대한 신뢰성을 보증했다.
그러나 최근 디바이스의 집적도가 향상되고 I/O 단자 수가 증가함에 따라 효율적으로 대응할 수 있는 BGA(Ball Grid Array) 형태의 반도체 패키지가 일반화되고 있다(그림 2).
그림 2. 반도체 부품 패키징 형태의 변천
이 경우 SMT 공정을 거쳐 Soldering이 완료되어도 I/O 단자의 위치가 디바이스 하단으로 은폐되어 외관검사만으로 Soldering 결함을 찾아내는 것은 사실상 불가능하다. 이 문제를 해결할 수 있는 대안으로 과거에 의료용 검사장비 및 구조물 비파괴 검사장비에 한정되어 활용해오던 X-ray 검사기술이 산업용으로 활발하게 이용되기 시작했다.
산업용 X-ray 검사기술의 이해
표 1은 미국 Agilent 사에서 발표한 초기 PCB조립 공정에서 결함 검출 능력을 기술 별로 분류해 놓은 자료이다.
표 1. soldering공정의 결함검출능력 비교
표 1에서 AOI(Automatic Optical Inspection)는 비전검사 기술을 의미하며, AXI(Automatic X-ray Inspection)는 X-ray 검사 기술을 의미하고 ICT(In Circuit Test)는 전기적으로 회로의 불량을 찾아내는 기술을 의미한다. 그림 3에서 알 수 있듯이 BGA의 short, open, 과납, 소납 불량이나 냉납과 같은 soldering 품질에 대한 불량은 유일하게 제품의 내부를 투시해서 획득한 영상을 분석할 수 있는 X-ray 기술로만 검출이 가능하다.
그림 3. 반도체 제조 공정의 결함 검사 X-ray 영상
휴대폰용 PBA를 중심으로 동 부품의 Soldering검사, 실드 캔 내부 칩 부품의 검사, 양면 기판의 상, 하부 동시검사 등의 필요성이 높아지며 산업용 X-ray 검사장비의 활용이 활발해졌으며, 최근에는 2차 전지 제조부문와 자동차 전장부문 등 모든 전자 산업의 기반기술화가 진행되고 있다.
스마트 폰 및 태블릿 PC의 성능이 획기적으로 향상되며, 상반되는 개념인 제품의 경박단소화 추세가 지속적으로 유지될 수 있는 배경에는 반도체 첨단 패키지 기술이 있다.
이 부문에서 디바이스 몰딩 후 내부 기포검사, wire-bonding 불량검사, BGA Ball 내부의 void검사, POP 내부 Soldering검사, 3차원 패키지에서의 집적 회로의 적층에 이용되는 TSV 내부의 결함검사는 서브 미크론 급 해상도의 투시영상 분석기술이 지원되지 않는다면 많은 어려움을 겪을 것이다.
2000년대 초반까지는 국내를 포함한 세계 X-ray 검사장비 시장은 시마즈, 도시바, OMROM, 애질런트, 테라다인 및 데이지 등의 해외기업들이 지배했다. 또한 국내 시장 수요는 삼성전자를 포함한 대기업의 일부 공정에만 제한적이었다. 이후 이 분야의 수요가 증가하며 필자가 재직하고 있는 쎄크, 테크밸리 및 자비스 등 국내 회사들이 산업용 X-ray 검사장비 사업에 참여하며 외국 기업들과 경쟁을 하기 시작했다.
이후 매년 20% 이상의 성장률을 기록하는 등 시장이 빠르게 커지고 있는 추세이며, 2014년에는 520억 내외의 국내 시장, 3500억 이상의 세계시장이 형성됐고, 국내 시장은 60%이상 국내 기업이 판매를 점유하고 있음이 확인됐다.
10년 이상 산업용 X-ray 검사기술이 발전해오며 전자 및 정밀 부품산업의 기반 기술로 자리 잡았으며, 이 과정을 통해 초기의 기본적인 투시영상 검사기술이 점차 매우 성숙된 첨단기술로 거듭나게 됐다.
초기에는 그림 4에서 보듯이 육안이나 비전으로 검사가 불가능한 형태의 집적회로 부품 내부의 결함을 사람이 X-ray 투시 화면을 보며 샘플링 검사 개념으로 구분했다.
그림 4. 결함 분석 기술의 진화
이후 비전 인식기술이 접목되어 투시영상을 자동으로 판독해 주는 기술이 추가됐고, 양면이나 다층 기판의 경우 부품의 영상 이미지가 중첩되어 이면의 부품과 납땜 불량을 구별하는데 어려움을 겪는 점에 착안해 3차원 X-ray 검사기술이 개발됐다.
3차원 X-ray 영상기술은 우리가 병원에서 접할 수 있는 CT(Computed Tomography) 촬영을 생각하면 쉽게 이해할 수 있다. CT로 촬영한 뇌 사진이나 위장 사진을 보면 내부 구조가 반영된 전체 형상에 대한 3차원 볼륨 데이터를 확보하고 환부의 단면영상을 원하는 위치, 원하는 각도에서 관찰할 수 있도록 해 준다.
마치 무를 칼로 절단해서 내부의 상태를 확인하듯이 인간의 뇌를 3차원 영상데이터 상에서 가상으로 절단해서 단면을 볼 수 있다. 이 기술은 분석하고자 하는 시료를 360° 회전시키며 수십 장 또는 수백 장에 달하는 X-ray 영상을 촬영하고 이를 수학적으로 합성시키며 3차원 볼륨 데이터를 얻음으로써 구현한다.
초기에 3차원 X-ray 영상을 획득하기가 매우 어려웠다. 이는 촬영 장치가 복잡하고 시료를 제한된 공간에서 회전할 수 있도록 작게 절단해 CT 촬영을 해야 하는 점과 복잡한 수학 연산 작업을 실행·볼륨데이터를 생성해 결함을 분석하는데 정밀하고 복잡한 구조의 CT 스캔 장치가 필요했기 때문이다. 더불어 촬영 및 CT reconstruction에 최소 10분 이상이 소요되어 고가의 분석 장비로만 기능을 할 수 있다는 점도 한 몫했다.
그러나 새로운 CT 스캔기술과 GPU기술이 소개되면서 단순한 동작으로 짧은 시간에 3차원 볼륨데이터 획득과 자동검사가 가능하게 됐다. 그림 4의 아래 그림이 BGA Ball의 3차원 영상을 획득한 후, 특정 부분의 단면을 취해 내부의 void 유무를 관찰하는 화면이다.
최근에는 3~4초 이내에 한 포인트의 검사가 완료될 수 있는 기술이 개발되어 3차원 AXI 장비가 SMT 공정에서 비전 검사 장비를 대체할 수 있는 시대가 멀지 않아 보인다. 다만 수 천 만원에 이르는 고가의 X-ray 소스를 탑재하는 등 시스템이 고가이다. 따라서 인라인 3차원 X-ray 검사장비의 수요가 성숙되어 대량 생산에 의한 염가 형 장비가 공급될 수 있는 상황을 기대하고 있다.
X-ray 영상검사의 고유한 특성으로 인해 등 배율에서 수천 배까지의 확대 영상을 얻을 수 있다. 삼성전자에서 세계 최초 양산을 시작한 DDR4 D램 모듈에 적용되는 핵심기술인 TSV 기술을 예를 들어 설명한다.
이 공정은 D램 칩을 일반 종이 두께의 절반보다 얇게 깎은 후, 수백 개의 미세한 구멍을 뚫고 다층으로 적층하는 기술로써, 회로의 집적도에 관한 무어의 법칙이 한계에 도달한 이후 이를 돌파하기 위해 개발된 3차원 패키지 기술이다. 상단 칩과 하단 칩의 구멍을 수직으로 관통하는 전극의 역할을 수행하는 via-hole의 경우 그 직경이 최소 5um내외까지 소형화 될 전망이고, 내부 결함인 Void 크기는 수백 나노 수준에 이를 전망이다.
반도체를 제조하고 내부 결함을 검사하기 위해 앞서 설명한 X-ray의 고유 특성인 확대 기능을 활용하기 위해 200nm 수준의 초정밀 해상도 X-ray 소스를 사용하고, 3차원 CT기술을 적용해 영상을 획득한다면 과거의 시료제작 및 전자현미경 분석 공정을 거치지 않아도 내부 Void 등 결함분리가 가능하다. 또한 반도체 칩 내부에 발생한 수 백 나노 크기의 결함을 SEM 분석을 위한 절단 및 폴리싱 등 시료준비 절차를 거치지 않고, 그리고 진공 챔버에 투입하지 않고도 현재의 X-ray 기술로 정밀 3차원 분석 하는 것이 가능한 시대가 이미 도래했다.
최근 XRM(X-Ray Microscope)분석 기술의 개념이 새롭게 발생됐고, 이에 대해 국내의 쎄크와 일본의 토켄, 그리고 독일의 칼자이즈 회사에서 영상 품질, 획득시간 및 장비 가격을 놓고 경쟁하고 있는 실정이다.
비전 검사에서 X-ray 검사방법으로 진화하면 투시 영상을 통해 내부 결함을 검사할 수 있으며, 수천 배로 확대해 서브 미크론 급의 결함까지 검사할 수 있다. 또한 3~4초의 짧은 시간에 3차원 볼륨 데이터를 획득하고 인간의 뇌를 관찰하듯이 임의의 지점에서 단면 영상을 획득해 결함을 찾아낼 수 있다.
필자는 2000년대 초부터 산업용 X-ray 장비 사업을 영위하며 그 기술의 진화를 지켜본 장본인으로써, 월간 표면실장기술 독자들에게 이 기술에 대한 인식과 상식 수준을 제고해 드리고자 연말까지 총 9회에 걸쳐 X-ray의 발견, 발생원리, 특성, 검사기술의 개념, 소스 및 디텍터 등의 요소기술과 CT검사 기술, 시장의 주요 기술동향 및 X-ray 기술의 향후 발전 전망 등에 대해 기술할 예정이다.
전승원 쎄크
정리 : 임재덕 기자 (eled@hellot.net)
