<니케이 일렉트로닉스 아시아-코리아> 아마도 이번 사고는 컨수머 전자제품 역사상 불량 처리에 가장 많은 비용이 소요된 사례로 기록될 것으로 보인다. 처리 비용에는 약
10억6천만 달러가 소요될 것으로 추정된다.
미국의 마이크로소프트(MS)는 Xbox 360 게임기의 특별한 하드웨어 결함에 대해 무상 수리 보증기간을 3년으로 연장했다. 앞서 제시한 추정액은 이에 따른 조치 비용을 감안
한 것이다.
이 추정액 규모는 최근 수년 내 발생했던 대규모 리콜 비용을 훌쩍 뛰어넘는 수준이다. 일본 마쓰시타전기공업(Matsushita Electric Industrial)은 FF형 오일 팬 히터기의 리콜
비용으로 2005 회계연도에 2백40억 엔을 지출했으며, 일본 소니 에너지 디바이스(Sony Energy Devices)는 리튬이온 충전배터리 모듈 9백60만 개에 대한 교체 비용으로 5백
10억 엔을 지출했다.
MS가 사고 처리 대응 방안으로 제품 리콜 대신 무료 수리를 선택했음에도 비용이 이처럼 급증한 데에는 크게 두 가지 이유가 있었다. 첫째는 MS가 2005년 11월에 Xbox 360
을 처음 출시한 이후 전 세계에 약 1천2백만 대를 출하하고 나서야 결함을 인지했다는 점이고, 둘째는 예상되는 결함률이 엄청나게 높았기 때문이다.
MS는 결함이 있는 Xbox 360 제품의 메인보드와 기타 부품들을 교체하고 있다. 미국의 아이서플라이(iSuppli)는 Xbox 360의 메인보드 부품 원가를 약 2백 달러로 추정한다.
운임과 조립비용, 나머지 다른 부대 비용 등을 포함하면 1대당 원가는 약 2백50 달러로 다소 높은 편이다. 수리해야 하는 총 게임기 수량은 약 5백만 대로, 제품의 총 출하량
의 약 40%에 해당한다.
그렇다면 Xbox 360의 결함률이 이처럼 높게 나타나는 이유는 무엇일까? MS 관계자들은 "복합적인 요인들" 때문이라고만 말할 뿐 구체적인 내용은 공개하지 않고 있다.
그럼에도 불구하고 한 가지 단서를 찾을 수 있다. Xbox 360이 과열에 민감하다는 것이다. 결함의 근본적인 원인이 저급한 열 설계 때문이라고 하면 결함률이 40%에 이를 정
도로 높게 나타나는 이유로서 설득력을 갖게 된다. 니케이 일렉트로닉스는 열 설계 엔지니어의 도움을 받아 Xbox 360의 열 제어 방법을 분석했다.
작은 방열판
우선, Xbox 360이 동작할 때의 배기 풍량과 온도를 측정했다.
게임을 하여 3D 그래픽과 DVD 드라이브를 최대한 사용할 때 Xbox 360의 전력소비량은 약 170W였다. 배기온도는 약 45℃로 실내 온도인 23℃보다 무려 22℃나 높았다. 열 설
계 엔지니어가 지적한 것처럼 "열 설계에서 실온과의 최대 온도 차는 일반적으로 약 10℃다. 이를 감안하면, Xbox 360의 배기온도는 굉장히 높은 편이다."
노이즈를 제어하려고 팬의 RPM (Revolutions Per Minute)을 낮추다 보니 풍량이 최대 1.1m/s로 떨어졌다. 이는 일반적인 PC의 겨우 3분의 1~2분의 1 수준이다. 이에 대해
열 설계 엔지니어는 "케이스 크기가 309×258×83mm라는 점을 고려하면, 환기 속도는 약간 떨어지는 편이라고 말할 수 있다"고 지적했다.
다음으로는 메인보드를 점검했다. 엔지니어는 그래픽 IC의 방열판이 굉장히 작다는 사실에 놀라워 했으며, 방열판이 칩을 냉각하기에 충분히 큰 것인지 의아해 했다.
방열판을 냉각하는 공기의 흐름은 통풍 경로의 횡단면과 수직이고, 이 때 그래픽 IC 방열판의 횡단면적은 마이크로프로세서 면적의 겨우 7분의 1이었다(그림 1). "팬에 의해
공급되는 대부분의 공기는 마이크로프로세서를 냉각하는 데 사용되는 것으로 보인다. MS는 방열판을 크게 하는 방법으로 횡단면적을 높이려 노력했지만 그다지 효과적이지
는 못한 것 같다." 엔지니어의 설명이다.
그래픽 IC의 방열판 크기가 줄어든 것처럼 보이는 이유는 DVD 드라이브가 바로 위에 실장돼 있기 때문이다. DVD 드라이브의 하단이 방열판 바로 위에 놓임으로써 통풍 경로
를 만들게 된다.
"PC의 경우에는 방열판을 덕트(Duct) 내에 두는 게 일반적인 설계 관행이다. Xbox 360에는 충분한 공간이 없어서 덕트가 방열판보다 조금 짧다. 대신 방열판 상단은 DVD 드
라이브, 케이스 등으로 막혀 있다. 이럴 경우, 예컨대 이동 시 덕트를 제거해야 할 때에는 방열판을 냉각하는 풍량이 크게 줄어들 수밖에 없다."
100℃를 초과하는 IC 온도
다음으로는 Xbox 360의 열 처리방법이 적절한지 여부를 판단하기 위해 방열판 온도를 측정했다(그림 2). 두 방열판 위에 열전대를 올려놓고 케이스를 닫은 다음, Xbox 360
을 구동했다.
마이크로프로세서의 방열판 온도는 59℃로 안정적이었지만, 그래픽 IC의 방열판은 게임을 시작한 지 5분만에 70℃로 올라갔다. 시간당 온도 상승 기울기는 약 10℃/min로, 게
임 시작 후 15분 후에는 80℃가 되어 실온과의 온도 차가 무려 57℃까지 벌어졌다. 여름철 실내 온도를 35℃라고 가정하면, 방열판 온도는 90℃가 넘고 IC 온도는 100℃를 넘
어설 것이라는 추정이 가능하다.
이번에 우리가 냉각 수준을 측정한 것은 최적의 조건을 마련하고 실시한 것이다. 일례로, 통풍 경로에는 먼지나 다른 장애물이 없도록 했다. 하지만 실제 사용자 환경에서라
면 이 측정 결과와는 차이가 있을 것이다. 예컨대 환기구가 막히거나 덕트가 제 위치를 벗어나는 등 다른 문제가 발생한다면 IC 온도는 이보다 더 높아질 것이다.
다양한 분석을 시도했음에도, 그래픽 IC 열 설계 이외에는 다른 가능성 있는 원인을 찾아내지 못했다. 이것이 정말 주 원인이라면 어떤 결함이 있을 수 있을까?
열로 인한 IC BGA 파손?
과도한 온도에 노출된 IC에서 발생할 수 있는 결함은 크게 두 가지. 즉 IC, 솔더 본드 등의 결함과 주변 부품의 결함을 꼽는다.
이번 분석 과정에 참여한 몇몇 전문가들은 첫번째 결함, 즉 IC와 보드 간 결합 손상 가능성을 가장 높게 지목했다. IC, 보드 등이 과도한 온도에 도달하게 되면 열팽창계수 차
이로 인해 보드에 휨 현상이 발생한다. 그 결과, 둘을 연결하는 BGA(Ball Grid Array) 표면에 심각한 응력이 가해진다. 뿐만 아니라 과도한 온도 상승에 반복적으로 노출되면
열 피로로 인해 솔더 볼에 균열이 발생하여 결국 고장이 나게 되는 것이다(그림 3).
고장분석 전문가는 무연 솔더가 도입된 이후로 이런 유형의 문제가 증가하고 있다고 주장했다. 무연 솔더에는 기존 솔더에 필요한 리플로우(Reflow) 온도보다 더 높은 온도
가 필요하지만 너무 지나친 온도는 부품을 손상시킨다. 따라서 칩을 최적의 리플로우 온도보다 낮은 온도에서 실장하는 경우가 많다. 고장분석 엔지니어는 "리플로우 온도가
너무 낮으면 솔더 볼의 표면만 용해돼서 용해된 곳과 용해되지 않은 곳 사이에 계면이 형성된다. 열 피로는 이 계면에 균열을 일으킨다"고 설명했다.
또한 리플로우 온도가 보통 때보다 높으면 보드가 휘고 BGA와 보드 사이의 간격이 더 크게 벌어진다. 이 경우, 솔더 본드가 정상인 것처럼 보이더라도 강도는 부족할 수 있
다.
하지만 열 설계 엔지니어는 "IC 주변장치의 경우, 열 설계로 인해 문제가 발생할 확률은 낮다"고 말했다. 근본적인 이유는 배기가 방열판에 의해 45~55℃로 냉각되기 때문이
다. 열에 민감한 전해질 커패시터라 하더라도 실제로 방열판과 물리적으로 접촉돼 있지 않는 한 이 온도에서 상당한 성능 저하를 겪을 가능성은 없을 것이다.
나오키 아사카와(Naoki Asakawa), 마유코 우노(Mayuko Uno)
출처:NIKKEIELECTRONICSASIA
