산업 환경에서 반도체 IC 칩은 급격한 온도 변화, 지속적인 진동 및 신호를 방해할 수 있는 전자기 노이즈와 같은 다양한 열악한 조건에 노출되며, 이러한 조건에서도 신뢰성 있게 작동해야 합니다. 이러한 칩이 고장 나면 전체 생산 라인이 중단되거나 안전 시스템이 손상될 수 있습니다. 지난해 포넘 연구소(Ponemon Institute)의 연구에 따르면, 각 사고로 인해 기업들은 평균 약 74만 달러의 비용을 부담합니다. 부품들이 예상 수명 기간 동안 무사히 작동할 수 있도록 보장하기 위해 제조업체들은 고온 작동 수명(High Temperature Operating Life) 테스트 및 온도 순환(Temperature Cycling) 절차와 같은 엄격한 시험을 실시합니다. 이러한 과정을 통해 부품들이 혹독한 상황에서도 10만 시간 이상 작동할 수 있음을 확인할 수 있습니다. 자동차 등급의 경우를 예로 들면 통합 회로 예를 들어, AEC-Q100 표준을 통과해야 하는데, 이는 차량에서 최소 15년간 서비스 수명을 유지하는 동안 생산된 100만 개당 1개 미만의 불량률을 유지해야 한다는 것을 의미합니다.
산업용 시스템은 일반적으로 소비자 전자기기에서 흔한 3~5년 주기보다 훨씬 긴 10~15년의 서비스 수명을 요구한다. 그러나 IHS Markit에 따르면, 2022년에 제조업체들이 오래된 반도체 노드를 단종함에 따라 산업 기업의 40%가 예기치 못한 부품 단종 문제를 겪었다. 낙후화 위험을 완화하기 위해 엔지니어는 다음을 고려해야 한다.
주요 산업용 자동화 공급업체는 이원 생산 방식으로 제조된 40nm MCU를 사용하여 12년 동안 현장 신뢰도 98.7%를 달성했다. 핵심 전략은 다음과 같다.
| 전략 | 결과 |
|---|---|
| MIL-STD-883 규격에 따른 검증 | 온도 관련 고장 62% 감소 |
| 다중 계층 중복 설계 | 전압 강하 시 12분 이내 장애 전환 |
| 다이 수준의 벌인 테스트 | 조기 결함 감지 (<50ppm) |
이 접근 방식을 통해 각 생산 라인당 연간 예기치 못한 가동 중단 시간이 210시간 줄어들었습니다.
IC 단종으로 인한 비용이 큰 리디자인을 방지하기 위해 Tier-1 공급업체는 다음을 권장합니다:
산업용 반도체 IC 칩은 정격치의 최대 150%에 달하는 부하 변동이 발생하더라도 전압 레벨을 약 ±5% 이내로 유지해야 한다. 예를 들어 자동화된 제조 공장에서 사용되는 모터 제어 IC의 경우, 부하 수요가 갑작스럽게 변하더라도 일정한 전류를 제공해야 한다. 그렇지 않으면 신호 왜곡이 3% THD(Total Harmonic Distortion, 총 고조파 왜곡)를 초과할 수 있으며, 이러한 왜곡은 산업용 기계들이 정상 작동하기 위해 의존하는 CAN 버스 프로토콜과 같은 중요한 통신 시스템에 장애를 일으킬 수 있다.
산업 현장의 온도는 종종 125도 섭씨를 초과하기 때문에, 집적 회로는 정상 작동을 위해 접합 온도가 150°C를 훨씬 상회하는 조건에서도 견딜 수 있어야 한다. 작년에 발표된 최근 연구에 따르면, 직경 약 0.3밀리미터이고 종횡비가 8대 1인 열 비아(thermal vias)를 사용한 인쇄 회로 기판은 일반적인 기판 배치에 비해 열 저항을 약 3분의 1 정도 감소시켰다. 이러한 설계 개선은 철강 제조 공장과 같이 고열이 발생하는 극한 환경에서 작동하는 프로그래머블 로직 컨트롤러의 경우 신뢰성 있는 작동과 장비 고장 여부를 가르는 중요한 요소가 되고 있다.
산업용 IoT 장치에서 동적 전력 최적화는 매우 중요합니다. 1.2V에서 작동하는 40nm MCU는 클록 게이팅 기술을 사용하여 활성 누설 전류를 58% 감소시킬 수 있습니다. 반면, 28nm 노드의 정적 소비 전력은 85°C 이상에서 지수적으로 증가하며 상시 작동 센서 허브의 총 에너지 사용량의 23%를 차지합니다.
설계자들은 정격 전압을 0.95V로 낮추는 언더볼티지(undervolting) 기술과 적응 주파수 조절을 결합하여 효율을 최적화합니다. 이 방법은 200MHz 기본 주파수에서 작동하는 자동 테스트 장비에서 검증된 것으로, 피크 성능의 92%를 유지하면서도 전력 소모를 41% 줄일 수 있습니다.
산업용 전자 분야에서는 기업들이 최신 첨단 공정(7nm 미만)보다는 40nm 및 65nm과 같은 오래된 반도체 제조 공정을 고수하는 경향이 있다. 그 이유는 무엇일까? 바로 이러한 오래된 기술들이 수명 주기 동안의 신뢰성과 지속적인 지원 측면에서 오랜 시간 검증되어 왔기 때문이다. 2025년의 데이터를 살펴보면 이 추세가 명확하게 드러난다. 산업용 특수목적 집적회로(ASIC) 약 10대 중 7대는 28nm 이상의 공정 노드를 기반으로 제작되고 있다. 주된 이유는 무엇인가? 이러한 공정은 일반적으로 결함률이 0.1% 미만으로 매우 낮은 칩을 생산한다는 점이다. 물론 최신 공정 노드는 소비 전력이 적어 이론상으로는 매력적으로 보인다. 하지만 함정이 있다. 즉, 열 관리 성능이 매우 떨어진다는 것이다. 공장처럼 온도가 상당히 높아질 수 있는 환경에서는 이러한 첨단 칩들이 열 누설 문제를 더 많이 겪게 되며, 오래된 제품들에 비해 훨씬 빠르게 노화된다.
성숙한 반도체 노드의 웨이퍼 수율은 종종 98%를 초과하며, 이는 10nm 미만의 제조 공정에서 일반적으로 나타나는 75~85% 범위보다 훨씬 높습니다. 이러한 차이는 실제로 생산 비용 절감으로 이어지며 전체적으로 공급망을 더욱 안정적으로 만듭니다. 실제 운전 조건에서의 고장률을 살펴보면, 40nm 집적 회로(IC)는 보통 10억 시간당 약 15회의 고장을 나타냅니다. 거의 동일한 운전 조건에서 고급 노드가 약 120 FIT(Failures in Time)를 기록하는 것과 비교하면 상당히 인상적인 수치입니다. 이러한 신뢰성 격차의 원인은 무엇일까요? 성숙한 노드는 일반적으로 더 단순한 트랜지스터 설계를 가지며 제조 과정에서 변동성이 적어 실질적으로 본질적으로 더 신뢰할 수 있습니다.
| 패키지 종류 | 열 저항 (°C/W) | 최대 작동 온도 | 산업 사용 사례 |
|---|---|---|---|
| QFN | 35 | 125°C | 모터 제어 IC |
| Bga | 15 | 150°C | 로봇 공학용 FPGA |
| TO-220 | 4 | 175°C | 전원 관리 |
BGA와 같은 세라믹 패키지는 플라스틱 QFN보다 열 분산 성능이 5배 더 뛰어나 오일 및 가스 센서와 같이 진동이 잦은 응용 분야에 이상적입니다.
일류 산업 장비 제조업체는 28nm 칩을 QFN 패키지로 사용하는 대신, 40nm MCU를 열 성능이 향상된 BGA와 함께 적용함으로써 현장 고장을 40% 줄였습니다. 이 솔루션은 12년간의 운영 수명을 제공했으며 10,000회 이상의 열 사이클을 견뎌내며, 엄격한 산업 환경에서 노드와 패키지의 전략적 통합이 신뢰성을 어떻게 향상시키는지를 입증했습니다.
산업 현장에서는 기업들이 종종 -40도에서 최대 150도까지의 극한 온도에서도 작동할 수 있고, 충격에 견디며 다양한 통신 프로토콜과 호환되는 맞춤형 IC가 필요합니다. 예를 들어 송전망 제어 장치는 일반적으로 오류 정정 메모리 기능을 갖춘 내구성 강화 IC를 요구합니다. 반면 로봇은 응답 시간이 50마이크로초 이하인 실시간 처리가 가능한 프로세서에 의존하는 경우가 많습니다. 구성 요소와 그 목적에 맞는 기능 간 적절한 매칭을 통해 산업용 IoT 구현 시 발생할 수 있는 비용이 큰 재설계 작업을 줄일 수 있습니다. 실제로 2023년 Embedded Systems Report에 따르면 이러한 적절한 매칭을 통해 재작업 비용의 약 3분의 1을 절감할 수 있습니다.
SoC 솔루션은 프로세서, 아날로그 프론트 엔드, 전원 관리 장치 등 모든 것을 하나의 칩에 통합합니다. 이를 통해 기판 공간을 약 40%에서 60%까지 줄일 수 있어 상당히 인상적입니다. 하지만 단점도 있는데, 이러한 SoC 개발에는 보통 18개월에서 최대 24개월 정도가 소요됩니다. 반면에 분산형 IC(discrete IC)는 엔지니어가 개별 부품을 독립적으로 업그레이드할 수 있게 해주며, 특히 오래된 장비를 다룰 때 매우 중요한 이점이 됩니다. 물론 BOM 비용은 약 25% 더 들지만, 제조업체는 제품을 시장에 출시하는 데 걸리는 시간이 약 50% 정도 단축됩니다. 작년 산업 데이터를 살펴보면, CNC 머신 리트로핏 작업의 절반 이상(실제로 63%)이 분산형 부품을 선택했습니다. 기존의 기계와 소프트웨어 환경과 계속해서 호환해야 하는 많은 공장의 현실을 고려하면 합리적인 선택이라 할 수 있습니다.
산업용 등급 IC의 단가가 $8.50(28nm MCU)에서 $220(방사선 내성 FPGA) 사이이지만, 총 소유 비용에는 자격시험(폰먼 2023 기준 평균 $74만)과 장기적인 라이프사이클 지원 비용이 포함됩니다. 한 산업 분석에 따르면 최적화된 IC 선정을 통해 다음 요소들을 통해 라이프사이클 비용을 22% 절감할 수 있습니다:
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