2012 FRONTIS CORPORATION

차량용 전장품 가속시험 설계 및 사례

목차

2

3

고장률 1/10 이하 수준

신뢰성 시험/장비 – HALT, RCM

고장분석/고장메커니즘 – PoF

설계 DB – Prediction, FMEA/FTA,

신뢰성기술의 도전 신뢰성기술 적용/응용의 확대

Software Reliability Human Error Protection

신뢰성 기술 동향 : 기술영역의 변화

4

신뢰성 기술 동향 : 기술접근방식/수준의 변화

5

수명평가

초기 결함 제거

수명시험 가속수명시험 가속열화시험 Virtual Qualification

번인 ESS HASS

신뢰성 기술 동향 : 시험/평가방법의 변화

* 출처 : 장중순, 한국조명연구원 발표자료, 2009

6

S t

re

ss

(S)

Fatigue Failure S-N CurveX

∞Number of Cycles (N)

HALT or

HASS

ESS

Finding design weaknesses as early in the product

design cycle as possible, can save a substantial

amount of money

$35 design phase $175 before procurement $368 before production $17,000 before shipment $690,000 on customer site ~ Hiroshi Hamada, Ricoh Chairman

HALT 와 가속시험 개요

• 동작한계(Operating Limit): 기능수행을 못하거나 성능이 규격을 벗어나지만 스트레스가 줄거나 제거되면 정상으로 회복되는 스트레스 수준

• 파괴한계(Destructive Limit): 기능을 수행하지 못하거나 성능이 규격을 벗어나며, 스트레스가 줄거나 제거되더라도 정상으로 회복되지 않는 스트레스 수준

스트레스

동작한계

하한(LOL)

동작마진

제품규격

파괴한계

하한(LDL)

파괴마진

동작한계

상한(UOL)

파괴마진

파괴한계

상한(UDL)

동작마진

시료 준비 설계 엔지니어와 시험방법 검토

시험계획 개발 Fixtures와 장비 준비

◎ Step Stress 시험 실시

시료 고장? 고장의 근본 원인 확인

설계 문제?

설계 검토 및 시정조치

설계 변경 및 문제 수정

스트레스 증가

제조상의 결함?

HALT 장비 한계 도달

제조 검토 및 시정조치

동작한계 도달

동작한계 문서화 및 파괴한계까지 시험

파괴한계 도달

N Units Tested?

모든 시험 수행?

◎ Step Stress 시험 실시

온도, 진동, 온도변화, 온도/진동, 전압/Freq Margining 등

* 출처 : 김명수, 가속수명시험 발표자료, 2009

• 가속시험의 정의 (KS A 3004): 시험시간을 단축할 목적으로 기준

보다 가혹한 조건에서 실시하는 시험

• 고장 메커니즘을 단축하기 위한 시험

- PCT(Pressure Cooker Test)

- 온도에 의한 화학반응 촉진

- Load 증가에 따른 피로파괴 가속

- 고온에 의한 Migration 촉진

고장원인

스트레스

고장

메커니즘 고장모드

고장발생

HALT와 가속시험 개요

* 출처 : 김명수, 가속수명시험 발표자료, 2009

장 점 단 점

일정

스트레스

•시험환경과 사용환경 유사

•시험수행 단순, 스트레스의

인가 수월

•많은 재료/부품에 대한 시험

모형의 연구, 개발 및 검증

•데이터 해석 소프트웨어

가용

•계단형 또는 점진적 스트레스 시험

보다 데이터를 빨리 얻을 수 없음

계단형

스트레스

•일정 스트레스보다 데이터를

빨리 얻을 수 있음

•모형/수명에 대한 정보를

빨리 추정할 수 있음

•실 사용환경(일정 스트레스)과

시험 환경(계단형 스트레스)차이

•누적노출모형, 분석 복잡

•스트레스의 증가에 따른 고장 형태

변화 또는 새로운 고장 형태 발생

점진적

스트레스

•계단형 스트레스와 동일 •계단형 스트레스시험 동일

•시험의 관리가 어려움

일 정

주기적

계단형

점진적 스트레스 인가방법

임 의

시간

온도

시간

온도

시간

온도

• 가속수명시험 모형: 수명분포와 수명-스트레스 관계

수명분포

수명-스트레스 관계

모 형

지수 분포

와이블 분포

대수정규 분포

아레니우스

역 거듭제곱

Eyring

Stress

f(t)

Life

(t)

High Stress

Use Stress

10.00

10000.00

100.00

1000.00

460.00380.00 396.00 412.00 428.00 444.00

Generated by: ReliaSoft's ALTA - www.ReliaSoft.com - 888-886-0410

Arrhenius Weibull Plot

Reciprocal Stress

Tim

e

5:11:03 PM10/20/98ReliaSof tPantelis

Arrh/Weib

Data 1

63.2

356

F=17 | S=0

Beta=2.9658, B=10679.5675, C=2.3966E-9

* 출처 : 김명수, 가속수명시험 발표자료, 2009

신뢰성시험 프로세스

12

FMEA/FTA

시료수/시험시간

시장 데이터 조사/분석

고장품 수집

고장 분석

요인 정리

요인 추정

고장메커니즘 추정

시험 스트레스 도출

재현 시험 계획

예비 시험 실시

예비시험 평가

재현 시험 실시

시험 결과 검증

재현 시험법 정립

가속(열화)시험조건 추출

인자 가속성 확인

가속(열화)시험 설계

가속 (열화) 시험 실시

가속계수 파악

시장 발생추이 확인

가속 (열화) 시험법 확립

보증시험 설계

시장 신뢰성 확인

제조공정 분석

협력업체 분석

사용환경 조사

개발이력 검토

• 고장 확대성 • 위험 정도 •특성/대용특성

보증시험 실시

• FMEA

• 통계적/고장 • 물리적 확인

• 설계요인 • 환경요인

<

조사

및

분석>

<

기획단계>

<

확인단계>

<

확립단계>

<

검증단계>

유사기종 조사

• 유사기종 •평가방법조사/수집 •데이터 수집

HALT와 신뢰성시험

13

HALT Process

• “Test, Repair, & Test”

• Gathers info on Product

Limitations

• Focus on Design Weakness &

Failures

• 6 DoF Vibration

• High Thermal Rate of Change

• Loosely Defined, Modifications

“On the Fly”

• Not a “Pass/Fail” Test

• Eng. Judgement used on C/A

• Results used as basis for HASS

or ESS

Traditional Methods

• “Test, Analyze, & Fix”

• Simulates a “Lifetime” of use

• Focus on Finding Failures

• Single Axis Vibration

• Moderate Thermal Rate of Change

• Narrowly Defined, Rigidly Followed

•“Pass/Fail” Test

• C/A Implemented for ALL

Deficiencies (usually found too late to

be implemented economically.

• Results typically not used in ESS

Information from United Technologies Presentation

by Ronald Horrell, Chief of Reliability

• 가속수명시험의 계획

• 가속수명시험의 목적

• 설계 Process

• 가속 스트레스

• 스트레스 수준과 시료 수 결정

• 시험 장비

• 가속수명시험 설계 시 주의점

가속시험설계

14

• 가속수명시험의 계획 및 절차

시료선정 및 고장판정기준 설정 시료의 특성 및 고장판정기준

인자와 수준의 결정

Feasibility (고장물리) 평가

가용 자원의 평가

Model, 공정선정

DOE를 이용한 예비시험

결과해석 및 인자 유의성 평가

중요 스트레스 선별

시험방법 결정

시험스트레스 Profile

시험 시간

시험조건 결정

측정 및 분석방법

시험/측정장비에 대한 검토

시험장비/기구물

측정시스템분석

시료 수 결정/배분

데이터 수집 및 고장분석

결과 해석 및 가속계수 도출

시험실시

고장메커니즘의 일치성 평가

(재현성 평가)

데이터 해석 및 가속성 평가

시료 준비

시험비용

인 력

장비 능력

No

Yes

필드정보조사 (고장원인,모드,메커니즘)

Utilities & Zigs

15

Requirem

ents

(S

tress

es

and P

erf

orm

ance

)

고장모드/메커니즘

Relationship Matrix

Rank/Score

고장모드 /

메커니즘

시험방법

Relationship Matrix

Rank/Score

고장 정보

FMEA

사용/환경조건분석을 통하여 도출된 STRESS

정성적 평가

시험조건/시간

정성적 평가

2 단계 QFD를 이용한 시험 설계

• 가속수명시험 설계

16

• 외기센서 2 단계 QFD 예시

고장모드/

메카니즘

요구사항 서미스터 열화 단자 부식 커넥터 파손 하우징 파손

내 열 ◎ ◇ ◇ ○

내 한 ◎ ◇ ◇ ○

내 수 ○ ○ ◎ ○

내진동 ◇ ◇ ○ ○

내부식 ◇ ◎ ○ ○

내오존 ◇ ◇ ○ ○

내용액성 ◇ ○ ○ ◇

전기절연 ○ ○ ○ ◇

가중치 합계 28 22 26 20

중요도 우선순위 1 3 2 4

시험 항목

고장모드/

메카니즘 열충격 온습도

고온

/저온 내수 진동 염수분무 내오존 내용액성 작동내구

서미스터 열화 ◎ ○ ○ ◇ ◇ ◇ ◇ ◇ ◎

단자 부식 ○ ◇ ◇ ○ ◇ ◎ ◇ ◇ ○

커넥터 파손 ◇ ○ ◇ ◎ ○ ○ ○ ○ ○

하우징 파손 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ◇ ◇

가중치 합계 16 10 8 16 8 16 8 6 16

중요도 우선 순위 1 5 6 1 6 1 6 9 1

17

* 출처 : RS R 0116 자동차 외기센서

• 와이퍼 모터 2 단계 QFD 예시

18

* 출처 : RS R 0005 자동차용 와이퍼모터

제품 성능 척도 가속스트레스

전지 및 배터리

-수명

-자기방전

-전류

-방전 depth

-온도

-전류밀도

-충/방전율

반도체 및 미소 전자제품 -수명

-성능특성

-온도

-전압

-전류

-진동

-전기적/기계적 충격

-습도

-압력

전기장치

-모터

-발전기

-난방소자

-열전기 변환기

-수명

-마모

-온도

-전압

-전류밀도

-기계적 부하

• 제품별 가속스트레스 예시

19

제품 성능 척도 가속스트레스

저항기 -수명

-온도

-전압

-습도

램프 -수명

-효율

-전압

-온도

-진동

-전기적/기계적 충격

기계구성품/조립품

-기계부품

-공구

-기어

-유압 부품

-마모

-수명

-기계적 부하

-진동

-온도

-습도

베어링 -수명

-마모

-속도

-기계적 부하

-오염물질

• 제품별 가속스트레스 예시

20

모형 관계식 적용

역거듭제곱

(IP: Inverse

Power)

= A · V-

: 고장시간, V : 스트레스, A, : 상수

절연재 전압내구시험,

금속재료 피로시험,

베어링, 램프 등

아레니우스

(Arrhenius)

= A ·exp[E/kT]

: 고장시간, E : 활성화에너지, A : 상수

k = Boltzmann 상수 = 8.61710-5eV

T : 절대온도(= 273.16+℃)

반도체, 전자부품,

윤활유, 배터리, 고무,

전구 필라멘트 등

아이링

(Eyring)

= (A/T) ·exp[B/kT]

: 고장시간, A & B : 상수

k = Boltzmann 상수 = 8.61710-5eV

아레니우스와 유사

전기장에 의한 가속,

화학적열화 등

• 수명 스트레스 관계식

21

모형 관계식 적용

일반화된

아이링

= (A/T) ·exp[E/kT] ·exp[(B+C/T) · V]

: 고장시간, A, B, C : 상수

k = Boltzmann 상수, V: 물리적 스트레스

온도와 응력 (or 습도,

전압) 2 개의 스트레스

적용

온 ·습도

모형

Pecht : = A · exp[E/kT] · (RH)-

Intel : = A · exp[E/kT] · exp(B/RH)

RH : 상대습도

반도체, 전자부품 등

Coffin -

Manson

모형

N = A ·(T)-

N : 고장까지의 사이클 수, T : 온도범위

온도 사이클에 의한

금속(solder 등)의 피로

22

• 수명-스트레스 관계식과 가속계수

모형 관계식 AF = ( d /a )

역거듭제곱 = A · V- AF = ( Va /Vd)

아레니우스 = A ·exp[E/kT] AF = exp[(E/k)·(1/Td - 1/Ta)]

아이링 = (A/T) ·exp[B/kT] AF = (Ta /Td) exp[(B/k)·(1/Td - 1/Ta)]

Pecht = A · exp[E/kT] · (RH)- AF = exp[(E/k)·(1/Td - 1/Ta)] (RHa /RHd)

Coffin-

Manson N = A ·(T)

- AF = (Ta / Td)

23

고장 메커니즘 활성화에너지 Ea(eV)

산화막 파괴 0.3

이온성(SiO2 중 Na 이온의 drift) 1~1.4

Electromigration에 의한 단선 0.6

표면전하의 축적(Si 반도체) 1.0~1.2

탄소저항 배선(Si 반도체) 0.3~0.6

알루미늄 부식 0.6~0.9

금속간 화합물 성장 0.5~0.7

• 고장메커니즘과 활성화 에너지

24

◎ ◎

◎ ◎

◎ ◎

◎

◎

◇

◇ ◇ ◇ ◇

◇ ◇

◎+ ◇ ◇ ◇ ◇ ◇

◇

고 장 메 커 니 즘

Electromigration

Thermal crack

Corrosion

Mechanical fatigue

Thermal Fatigue

수 명 - 스 트 레 스 관 계

아레니우스

역거듭제곱

온·습도(Pecht)

일반화된 아이링

Coffin-Manson

온도 전류 전력 습도 진동 T 스트레스

25

시험목적에 맞는 설계

동일한 고장모드와 메커니즘(사용조건 & 가속조건)

높은 스트레스 수준 ≤ Operating Limit

낮은 스트레스 수준은 추정의 정확성을 높일 수 있도록 최적화

가속인자를 제외한 다른 인자들의 영향은 일정하게 유지

시험제품과 최종 개발(또는 양산 제품)과 동일해야 함

26

가속시험설계시 고려사항

HALT

설계단계의 가속수명시험 설계 Process

Critical Item List 작성 개별 목표 설정

고장위치와 모드 예측 기존 시험 법 확인

평가방법 개발

위험요인 정리 확인요인 정리

확인 실시 스트레스와 조건 고장물리

논리 적용 고장 메커니즘 추론

시험조건 평가내용 설정

시제품 선정

시험 설비 개발

시 험

가속성 평가

실용모의시험 검 증 시험 표준화/등록

P/P 품의 실험실 확인

신 구조, 부품

FTA, FMEA 2 stage QFD

사용환경조건

과거 사례

27

• 시험목적에 맞는 설계

* 출처 : 김명수, 가속수명시험 발표자료, 2009

시장 고장 접수 고장의 개요조사 • 위험/기능장애 정도

고장분석 고장 메커니즘 추론

고장원인 조사 외주/공정/설계

가속인자

현상분석/양품분석

비파괴/파괴분석 현품/샘플 수집

이론 조사

데이터 수집

고장에 대한 가설 수립

샘플 수집/제작

재현방법 개발 2 stage QFD 제조/사용/환경조건

스트레스와 조건 시험조건 결정

재현시험 결과 확인/검증 시정조치

시험표준화/등록 가속성 평가

고장재현을 위한 가속수명시험 설계 Process

28 * 출처 : 김명수, 가속수명시험 발표자료, 2009

xh

xl

1-

xh

xl

1-

• 일정 스트레스 시험

- xl : low stress level

- : proportion of test units allocated to xl

• 계단형 스트레스 시험

- xl : low stress level

- : stress change point

• 점진적 스트레스 시험

- : low ramp rate

- : proportion of test units allocated to

low ramp rate

29

• 낮은 스트레스 수준은 추정의 정확성을 높일 수 있도록 최적화

• ALT의 통계적 설계 기준

- 추정의 정확성을 Maximize하도록 시험조건 설계

- 사용조건에서의 B100P (100Pth percentile)의 (점근)분산을 최소화

• 가정

- Type I (또는 Type II Censoring)

- Stress와 High stress level은 기술적으로 결정되어 있음

- 수명분포: 지수, 와이블, 대수정규 등

- 수명-스트레스 관계식: 대수선형(Log-linear)

• Optimum Plan vs. Compromise Plan

- Optimum = 2수준 ; Compromise = 3수준

30

31 31

설계전압 100V의 백열등 전구의 1,000시간에서의 신뢰도 추정하기 위한

전 고장 가속수명시험계획 수립

• 샘플수 : 20

• 시험조건 : 120V, 130V

• 스트레스 관계 : 역 누승

• 수명분포 : 대수정규분포, 척도모수 50

• 기타 : 110V, B50=1,200시간, 130V, B50=400시간

1

2

Xd

Xl

Xm

Xh X X X

X X X

X

X

X

=

=

4/7

2/7

1/7

시간

스트레스

• Meeker-Hahn Plan

ALT의 정확성을 Maximize하도록 스트레스수준 결정 & 시료배분

수명분포: 와이블 & 대수정규

수명-스트레스 관계: 대수선형

스트레스 수준: 3 수준

스트레스 인가: 일정 스트레스

시료배분 h : m : l = 1 : 2 : 4

낮은 스트레스 Xl 최적화

Xm = (Xh + Xl)/2

32

* 출처 : 김명수, 가속수명시험 발표자료, 2009

33 33

점착본드의 운용온도 50℃에서 고장시간 분포의 B10시간을 추정하고자함.

이때 B10은 10년 이상을 예상하고 있음. 관측중단 가속시험설계 수립.

• 샘플수 : 300

• 시험시간 : 6개월(183일)

• 시험조건 : 최대 120 ℃

• 스트레스 관계 : 아레니우스

• 수명분포 : 와이블분포, 형상모수 1.667

• 기타 : 50 ℃ 와 120 ℃의 6개월 이내 고장 가능성 0.001, 0.9로 추측

발췌: Meeker and Hahn(1985), “How to Plan an Accelerated Life Test – Some Practical Guidelines”

34 34

1

2

• 항온·항습, 열충격, 온도사이클, 진동, 복합환경, HALT 등

- 스트레스의 적용한계 결정

환경시험 장비

온도 변화율

최저 온도

최고 온도

습도 범위

무게, 크기, 시료의 수

Heat dissipation

Special fixtures (e.g. entry ports, hand holes)

Networking, data logging

Cooling facilities at site (water/air)

35

• 가속인자를 제외한 다른 인자들의 영향은 일정하게 유지

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