싱커스텍 신뢰성시험최종보고서 _ 산업용컴퓨터핵심모듈인메인보드의신뢰성확보 Report Date: 2017.09
싱커스텍신뢰성시험 싱커스텍은지난 2015 년부터 2 년간산업통상자원부가주관하는신뢰성기술확산사업의주관기관으로서한국기계전기전자시험연구원 (KTC), 수원대학교, 가람테크등협력회사로구성된산학연컨소시엄의프로젝트를수행하였습니다. 신뢰성기술확산사업은소재부품신뢰성향상을통해국내중소 중견기업의시장진출경쟁력을강화하고, 소재부품선진국대비교역구조개선을위한정부의지원사업입니다. 당사는동사업을활용하여산업용컴퓨터내부의핵심모듈인메인보드모듈, 파워모듈, 기구모듈에대한신뢰성향상을통해서당사제품에대한전반적인신뢰성확보를위해매진하였습니다. 신뢰성기술확산사업 동사업을주관하고있는한국산업기술진흥원 (KIAT) 은산업통상자원부산하준정부기관으로산업기술정책기획, 산학협력, 소재부품, 국제기술협력, 기술사업화, 지역산업, 중견기업지원에이르기까지다양한프로그램을갖고있는종합기술지원기관입니다. KIAT 는소재부품글로벌경쟁력을확보할수있도록신뢰성지원기관을활용하여중소 중견기업소재부품의신뢰성향상 ( 고장분석, 신뢰성평가, 재설계등 ) 을지원하는신뢰성기술확산사업을매년지원하고있습니다. 지원대상은부품소재전문기업중신뢰성장비구축 활용, 신뢰성평가기준제정및시험법개발등인프라구축을할수있는역량이있는기업으로선별됩니다. 2015 년 6 월자격요건을충분히갖춘 싱커스텍은신뢰성기술확산사업의지원대상업체로선정되었습니다. 산학연기술컨소시엄 당사는정부로부터 8 억원의지원금을받아 2 년간프로젝트를주관하였고, 산업용컴퓨터의신뢰성을확보하는것을목표로기술컨소시엄을이끌었습니다. KTC 와수원대학교, 그리고산업용솔루션에전문화된협력사 3 개업체와함께컨소시엄을구성하여프로젝트를진행하였습니다. KTC 는글로벌무역환경의변화와산업의융 복합화조류에부응하고국내인증산업을이끄는종합시험인증기관으로이프로젝트의검증을담당하고, 수원대학교는기술과인력을제공하여프로젝트를지원하였습니다.
항 목 1. 시험대상 2.1. 제품사양 ------------------------------------4 2.2. 제품사진 ------------------------------------5 2. 개선항목 2.1. 현장주요기술이슈 ------------------------------6 2.2. 메인보드모듈개선사항 ------------------------------8 2.3. 파워모듈개선사항 ------------------------------10 3. 시험내용 3.1. 시험항목 -------------------------------------11 3.2. HALT TEST----------------------------------12 3.3. 신뢰성시험 수명시험 ----------------------------14 3.4. 신뢰성시험 환경시험 ----------------------------19 4. 결론및향후방향
1. 시험대상 1.1. 제품사양 Module Function Description CPU (SOC) Intel AtomTM E38XX Max. Speed 1.46 ~ 1.91GHz Processor System L2 Cache 512KB ~2MB Instruction set 64-bit BIOS UEFI Technology DDR3L Memory Max. Capacity 8GB Socket 1 x 204-pin DDR3 SODIMM Controller Intel HD Graphics Graphics LVDS Supports 18-bit single channel Dual Display Support Ethernet Interface 10/100/1000 Mbps Controller Realtek RTL8111F Audio AC'97 Codec Realtek ALC262 2-channel SATA Rear I/O Internal connector Max Data Transfer 300 MB/s Channel SATA2 2channel ( Internal type ) VGA 1 x 15P VGA Ethernet 2 x RJ45 USB2.0 4 x USB 2.0/1.1 ports USB3.0 (SS) 1 x USB 3.0 ports Serial 3 x 9P RS232 HDMI 1 x HDMI Connector Serial 3 x Serial header ( 2 x 232, 1 x 232/422/485) USB 2 x USB 2.0/1.1 ports TPM 1 x 20 pin Interface port SATA 2 x SATA2 DIO 1 x 8-bit DIO(GPIO) PS/2 (KB & Mouse) 1 x Keyboard/Mouse connector LVDS 1 x 40pin AUDIO 1 x 10pin HEADER, SPK,LINE_OUT, MIC_IN etc. msata /PCIe 1 x msata /PCIe mode (Selectable) FAN 2 x SYSTEM cooling fan connector POWER 1 x 4pin power connector Power Typical DC 12V Input (Tolerance ±10%) Environment Operating Temp 0 ~ 60 C (32 ~ 140 F) Physical Dimensions 115mm x 165mm 4
1. 시험대상 1.2. 제품사진 산업용메인보드실물사진 산업용메인보드도면 5
2. 개선항목 2.1. 현장주요기술이슈 주문자맞춤형 ODM (Original Development Manufacturing) 제품은기성품에비해용도와기구적인제약등고객의필요에최적화된다는장점이있지만, 대량생산하여다양한환경에서장기간테스트하여얻을수있는제품의신뢰성을확보하기어렵습니다. 싱커스텍에서는기존에시행해왔던일반적인전기적특성시험, 환경시험, 전자파적합성시험등으로제품의신뢰성개선을노력해왔으나, 현장에서장기간적용되어발생되는불량에대한고장발생부위의검출에대해서는한계가있었습니다. 제품출시후사용자에게전달된제품은고객의사용환경조건에따라다양하게발생하는불량에대한원인을찾기위해서는고장분석기법과수명관련시험을통해정확한원인규명및신뢰성있는수명예측이필요하였습니다. 신뢰성기술확산사업을통해진행성불량으로사용자현장에서지속적으로제기되고있는문제에대한정확한원인을분석을위해 HALT TEST 를수행하였으며, 시험과관련하여서는 3.2. HALT TEST 내용을참고하시기바랍니다. 원인분석및신뢰성확보절차 6
2. 개선항목 2.1. 현장주요기술이슈 메인보드모듈필드기술이슈및원인분석 필드데이터및동작원리조사에따라고장메커니즘을연산부, 제어부, I/O 부등의구성부품이온습도및 S/W 과부하에의한고장유발로추정하였습니다. 메인보드모듈필드기술이슈 시스템동작중정지 시스템재부팅후초기화면진입 기술이슈원인분석 1) 장시간동작으로 CPU(SOC) 내부코어비정상적온도상승 2) 주변온도상승및장시간동작으로인한 CPU 동작온도범위초가 3) 시스템동작정지 1) 레귤레이터발열문제로인한출력전류특성저하 2) 가혹한주변온도변화에서지속적인동작으로인한레귤레이터열화 3) 레귤레이터단락고장으로동작중비정상재기동 파워모듈필드기술이슈및원인분석 필드데이터및동작원리조사에따라고장메커니즘은파워모듈의전력 IC 소자및부품열화로인한고장모드이며이러한고장모드는온습도, 과부하및전압리플증가의해가속화되는것으로추정되었습니다. 메인보드모듈필드기술이슈 비정상적재부팅 기술이슈원인분석 1) 고온 / 고습조건에의한주요전원부의리플전압증가 전원부스위칭소자인 MOSFET의스트레스증가 2) 가혹한주변온도변화에따른리플전압지속적증가 3) 전압스트레스및파워모듈의온도상승으로 MOSFET 소자고장발생 4) 시스템전원재인가시비정상적재부팅 7
2. 개선항목 2.2. 메인보드모듈개선사항 (1) 히트싱크 (Heatsink) 개선 데이터연산및처리를담당하는 CPU 와메모리부분은상당히많은열 (Thermal) 을발산하게되며, 기존의히트싱크구조에비해서외부로열을보다원활하게방출하도록히트싱크의전체표면적을증가시켜 CPU 와메모리전원부에서발생되는열을방출하도록개선하였습니다. 개선전 / 후의하트싱크구조 사진 1 사진 2 CPU 온도변화결과 분류 메인보드모듈내의 CPU 온도분포 개선전그래프 1 개선후그래프 2 8
2. 개선항목 2.2. 메인보드모듈개선사항 (2) BGA 칩에대한 SMT 공정개선 SMT (Surface Mounter Technology) 공정에서 BGA 칩부분솔더링 (Soldering) 접점열화부분에대한분석및 BGA 칩의접촉불량원인분석을통한 SMT 공정개선의필요성을확인하였습니다. 이와같이 BGA 칩에대한솔더링공정개선 ( 온도프로파일, 자재관리등 ) 및 BGA 칩솔더링전용툴 (Tool) 개발로 BGA 칩접촉불량을개선시켰습니다. 개선전 / 후의 BGA 칩장착모습 분류개선전개선후 BGA 칩장착모습 BGA 솔더링 X-Ray 촬영 9
2. 개선항목 2.3. 파워모듈개선사항 (1) 시스템스위치전원공급부품사양개선 시스템스위치전원공급용 DC/DC 회로의상하게이트 (Gate) 의부트바이어스 (Boot bias) 를결정하는전원레귤레이터 (regulator) 부에존재하는캐패시터및정전압 IC 를변경하여리플전압증가를방지하였습니다. 개선전 / 후의부품장착모습 분류 변경부품 개선전 개선후 10
3. 시험내용 3.1. 시험항목 # 분류시험세부항목결과비고 1 Low Temperature Step Stress Test Passed 2 High Temperature Step Stress Test Passed HALT Test 3 Vibration Step Stress Test Passed 4 Combined Thermal Shock and Vibration Test Passed 5 메인보드모듈수명시험 Passed 수명시험 6 파워모듈수명시험 Passed 7 메인보드모듈저온시험 Passed 8 환경시험메인보드모듈열충격시험 Passed 9 파워모듈저온시험 Passed 11
3. 시험내용 3.2. HALT Test HALT (Highly Accelerated Life Testing, 초가속수명시험 ) 은소수의시료를사용하여고온, 저온, 열충격, 진동등고장을증가시키기위한모든가능한방법을사용하여제품의취약부위검출및설계마진을확보하기위한시험방법입니다. 즉, HALT 는일반적으로스트레스를제거하면동작을지속할수있는한계점인동작한계 (Operating Limit) 와스트레스를제거해도동작되지않고, 제품이파괴되는한계점인파괴한계 (Destruct Limit) 를찾는과정이라정의할수있습니다. HALT TEST 수행이유 개발품의경우필드상에서의나타날수있는고장에대한검토가가능하며, 고장유형을분석하여산업용컴퓨터에서나타나는고장현상을예측할수있습니다. 또한복합적인스트레스를제품에인가하여스트레스에반응하는제품의오작동및고장현상을빠른시간내에알수있는장점이있습니다. 이실험을통해메인보드모듈및파워모듈의환경및수명시험의레벨선정에참고자료로활용하였습니다. HALT TEST 시험절차 시험품의설치구상 잠재적취약부위검토및협의 시험설치및스트레스수준확인 지속적인관찰및시험품의이상유무확인 발생한고장원인에대한분석 12
3. 시험내용 3.2. HALT Test 개선전제품에서는 HALT Test 에서시스템정지및이상동작이발생하였고, 시험종료후에는정상동작을하였으나, 스트레스가반복적으로인가되었을경우, 발생한정지및블루스크린, 작동불가는현장에서발생한기술이슈와유사한메커니즘을가지는것으로분석되었습니다. 개선후진행된 HALT Test 에서는동일한조건에서시험하였으나특이사항은발견할수없었으며, 개선활동을통해제품의주요고장양상이개선되었음을확인할수있었습니다. HALT TEST 결과 시험조건시험설정 ( 동작한계값 ) Profile 시험결과 Low Temperature Step Stress Test Passed High Temperature Step Stress Test Passed Vibration Step Stress Test Passed Combined Thermal Shock and Vibration Test Passed 13
3. 시험내용 3.3. 신뢰성시험 산업용컴퓨터에대한신뢰성향상을위하여세계최고수준의사업목표를설정하고, HALT Test 를통해파악된문제점을개선하여하기와같은결과를얻었습니다. 메인보드모듈은약 5 만시간의 MTBF (Mean Time Between Failure) 를보장할수있는높은신뢰성을확보할수있었습니다. 구분 신뢰성수준측정지표 개선전수준사업목표개선후목표달성도 메인보드모듈 MTBF 25,000h 41,000h 49,146h (120%) 파워모듈 MTBF 30,000h 47,000h 52,160h (111%) 신뢰성시험최종결과 분류시험항목시험방법 시료수 / 고장수 결과 수명시험 메인보드모듈수명시험 파워모듈수명시험 (1) 시험온습도 : (70 ± 3), (90 ± 3) % R.H. (2) OCCT 소프트웨어부하를통한동작 (3) 시료수 : 5 개 (4) 시험시간 : 2,000 시간 (1) 시험온도 : (85 ± 3), (50 ± 3) % R.H. (2) 저항부하를통한동작 (3) 시료수 : 5 개 (4) 시험시간 : 2,200 시간 5/0 5/1 2,000 시간무고장 2,000 시간 1 개고장 메인보드모듈저온시험 (1) 시험온도 : -(30 ± 3) (2) OCCT 소프트웨어부하를통한동작 (3) 시료수 : 5 개 (4) 시험시간 : 300 시간 5/0 300 시간무고장 환경시험 메인보드모듈열충격시험 (1) 시험온도 : (100 ± 2), -(30 ± 3) (2) 각 30 분씩방치 (3) 시료수 : 3 개 (4) 시험시간 : 200 시간 3/0 200 시간무고장 파워모듈저온시험 (1) 시험온도 : -(30 ± 3) (2) 저항부하를통한동작 (3) 시료수 : 5 개 (4) 시험시간 : 300 시간 5/0 300 시간무고장 14
3. 시험내용 3.3. 신뢰성시험 수명시험 (1) 메인보드모듈수명시험 산업용컴퓨터내부핵심모듈중메인보드의경우 PCB 구성부품들이 S/W 부하및온습도에서연속동작에의한발열로고장을유발하며, 이에따른단락고장및이상동작이주요이슈입니다. 필드에서발생되는기술이슈및 HALT Test 결과에의거하여다음과같은시험방법을설정하여수행하였습니다. 품목측정지표시험방법산출수명 메인보드모듈 MTBF (1) 시험온습도 : (70 ± 3), (90 ± 3) % R.H. (2) OCCT 소프트웨어부하를통한동작 (3) 시료수 : 5 개 (4) 시험시간 : 2,000 시간 49,146 시간 메인보드모듈동작확인및경과시간별 CPU 측정온도 ( ) 그래프 1 그래프 2 사진 1 사진 2 15
3. 시험내용 3.3. 신뢰성시험 수명시험 (1) 메인보드모듈수명시험 시험결과개선전에는 600 시간, 792 시간에서고장이발생하였으나, 개선후에는 20,000 시간무고장으로시험이진행되었습니다. MTBF 산출을위해다음과같은 Parameter 값을설정하여결과값을계산하였습니다. 항목 Parameter* 신뢰수준 (C.L.) 90 % 형상모수 (β) 4.58 시료수 (n) 5 목표수명 (MTBF) 41,000 시간 가속계수 (AF) 22.71 목표수명보증을위한최소시험시간 ( 무고장 ) 1,669시간 시험시간 ( 무고장 ) 2,000시간 *Parameter 값의분석내용관련문의는 syncus@syncus.co.kr 로질문사항을보내주세요. 메인보드모듈의목표수명은 MTBF 41,000 시간이며, 무고장시평균수명 (MTBF) 을신뢰수준 (C.L.) 90% 로보증할수있는시험시간은 목표수명을위한최소시험시간 ( 무고장 ) = 37,891.7 시간 / 22.71 1,669 시간 즉, 1,669 시간시간까지고장이없으면목표수명 MTBF 41,000 시간을보증하는것으로, 메인보드모듈은 2,000 시간동안고장이발생하지않았으므로, 신뢰수준 90% 로목표수명 41,000 시간을보증합니다. 또한, 평균수명 (MTBF) 의 90% 신뢰하한을 MINITAB 을이용하여계산하면 2164.06 22.71 = 49,146 시간 이며, 이는목표수명인 41,000 시간대비약 120% 평균수명이개선되었습니다. 16
3. 시험내용 3.3. 신뢰성시험 수명시험 (2) 파워모듈수명시험 산업용컴퓨터내부핵심모듈중파워의경우파워 MOSFET 과수동소자를이용하여전력변환을수행하므로전류집중부위의발열로인한스위칭소자의단락고장및단선고장현상이주요원인이며, 필드에서발생되는기술이슈및 HALT Test 결과에의거하여다음과같은시험방법을설정하여수행하였습니다. 품목측정지표시험방법산출수명 파워모듈 MTBF (1) 시험온도 : (85 ± 3), (50 ± 3) % R.H. (2) 저항부하를통한동작 (3) 시료수 : 5 개 (4) 시험시간 : 2,200 시간 52,160 시간 파워모듈수명시험시간별출력전압 3 points (a) 빨간 (b) 파랑 (c) 노랑 사진 1 사진 2 17
3. 시험내용 3.3. 신뢰성시험 수명시험 (2) 파워모듈수명시험 시험결과개선전에는 1,000 시간, 1,100 시간에서 2 개의고장이발생하였으며, 개선후에는 20,000 시간 5 개의시료중 1 개의고장을확인하였습니다. MTBF 산출을위해다음과같은 Parameter 값을설정하여결과값을계산하였습니다. 항목 Parameter* 신뢰수준 (C.L.) 90 % 형상모수 (β) 13.36 시료수 (n) 5 목표수명 (MTBF) 47,000 시간 가속계수 (AF) 24.33 목표수명보증을위한최소시험시간 ( 무고장 ) 1,895시간 시험시간 ( 무고장 ) 2,000시간 *Parameter 값의분석내용관련문의는 syncus@syncus.co.kr 로질문사항을보내주세요. 파워모듈의목표수명은 MTBF 47,000 시간이며, 무고장시평균수명 (MTBF) 을신뢰수준 (C.L.) 90% 로보증할수있는시험시간은 목표수명을위한최소시험시간 ( 무고장 ) = 46,102 시간 / 24.33 1,895 시간 즉, 1,895 시간시간까지고장이없으면목표수명 MTBF 47,000 시간을보증하는것으로, 파워모듈은 2,000 시간에최초고장이발생하였으므로목표수명 47,000 시간을보증합니다. 또한, 평균수명 (MTBF) 의 90% 신뢰하한을 MINITAB 을이용하여계산하면 2143.85 24.33 52,160 시간 이며, 이는목표수명인 47,000 시간대비약 111% 평균수명이개선되었습니다. 18
3. 시험내용 3.4. 신뢰성시험 환경시험 (1) 메인보드모듈저온시험 산업환경의특성상저온환경 (-20 C ~ 0 C) 에서의초기기동은필수적이지만, 초기기동불량발생에따른메인보드모듈의저온동작시험을진행하였으며, -(30 ± 3) 에서 OCCT 소프트웨어부하를통해 300 시간동안시험을진행한결과특이사항을발견할수없었습니다. 품목측정지표시험방법산출수명 환경시험 메인보드모듈저온시험 (1) 시험온도 : -(30 ± 3) (2) OCCT 소프트웨어부하를통한동작 (3) 시료수 : 5 개 (4) 시험시간 : 300 시간 이상없음 메인보드모듈동작확인및경과시간별 CPU 측정온도 ( ) # 0h 30h 60h 90h 120h 150h 180h 210h 240h 270h 300h 1 31-16 - 16-17 - 16-16 - 17-16 - 16-16 - 16 2 32-15 - 15-15 - 16-16 - 16-15 - 15-16 - 16 3 30-14 - 13-14 - 14-13 - 14-14 - 14-15 - 14 4 29-13 - 12-13 - 13-13 - 12-13 - 13-13 - 13 5 30-12 - 13-12 - 12-12 - 13-13 - 12-12 - 12 저온시험사진 사진 1 사진 2 19
3. 시험내용 3.4. 신뢰성시험 환경시험 (2) 메인보드모듈열충격시험 메인보드모듈의열충격시험을통해솔더의전단력산포를측정하였으며, 200 시간동안메인보드모듈열충격시험을진행하였습니다. 시험결과 200 시간동안고장양상을발생하지않았으며동작을확인할수있었고, 해당시험은열충격시험전후측정전용전원공급장치및모니터를통해해동작을확인하였으며, 50 시간단위로동작을확인하였습니다. 품목측정지표시험방법산출수명 환경시험 메인보드모듈열충격시험 (1) 시험온도 : (100 ± 2), -(30 ± 3) (2) 각 30 분씩방치 (3) 시료수 : 3 개 (4) 시험시간 : 200 시간 이상없음 메인보드모듈시간별동작확인 # 초기 50h 100h 150h 200h 1 동작확인동작확인동작확인동작확인동작확인 2 동작확인동작확인동작확인동작확인동작확인 3 동작확인동작확인동작확인동작확인동작확인 열충격시험사진 사진 1 사진 2 20
3. 시험내용 3.4. 신뢰성시험 환경시험 (3) 파워모듈저온시험 산업환경의특성상저온환경 (-20 C ~ 0 C) 에서의초기기동은필수적이지만, 초기기동불량발생에따른파워모듈의저온동작시험을진행하였습니다. -(30 ± 3) 에서정격부하 ( 1 Ω) 를통해 300 시간동안시험을진행한결과특이사항을발견할수없었습니다. 품목측정지표시험방법산출수명 환경시험 파워모듈저온시험 (1) 시험온도 : -(30 ± 3) (2) 저항부하를통한동작 (3) 시료수 : 5 개 (4) 시험시간 : 300 시간 이상없음 파워모듈저온시험시간별출력전압및리플전압측정값 #1 #2 #3 1.5 1 0.5 0 1.5 1 0.5 0 1.5 1 0.5 0 0 60 120 180 240 300 0 60 120 180 240 300 0 60 120 180 240 300 빨파노빨파노빨파노 #1 #2 #3 105 100 95 105 100 95 105 100 95 0 60 120 180 240 300 0 60 120 180 240 300 0 60 120 180 240 300 빨파노빨파노빨파노 #4 #5 1.5 1 0.5 0 1.5 1 0.5 0 0 60 120 180 240 300 0 60 120 180 240 300 빨파노빨파노 #4 #5 105 100 95 90 110 105 100 95 90 0 60 120 180 240 300 0 60 120 180 240 300 빨파노빨파노 21
4. 결론및향후방향 싱커스텍은다년간의경험을통해산업용 PC 메인보드개발기술력을기반으로주문자사양에맞춘 ODM(original development manufacturing) 분야에비교우위가있으며, 수입유통되고있는기성제품으로는대응하기어려운특수한사양이필요한고객들과상호신뢰를바탕으로협력관계를구축할때가장큰시너지효과를낼수있다고확신합니다. ODM 제품은기성품에비해용도와사용환경등고객의필요에최적화된다는장점이있지만제품개발에소요되는시간과비용이고객에게매우큰부담이된다는것을저희는잘알고있기때문에이를극복하기위한부단한노력을경주하고있습니다. 과거와달리제품개발단계부터체계적인품질확보방안을추진할수있었으며해외유명회사제품과동일한기준을적용하여자체신뢰성시험을실시할정도로품질수준이향상되는성과를얻을수있었습니다. 이번사업을통해 ODM 제품이지만, 대량생산되어유통되는기성품보다높은신뢰성을확보할수있는기반을구축하여, 향후당사에서개발되는제품은 MTBF 50,000 시간을목표로산업용 ODM 메인보드를고객사에공급할것입니다. 이에만족하지않고올해에는 신뢰성기술확산사업 의최종목표라고할수있는신뢰성지수체계를확립함으로써사용조건에최적화된제품을만드는프로세스를완성할것입니다. 앞으로고객들께서는동일한사양이라도사용조건에따라차별화된다양한제품을선택하실수있을것으로기대합니다. 신제품개발을향한저희들의노력은올해에도이어질예정입니다. 인텔 6 세대 Skylake 기반의플랫폼과본격적인서버플랫폼인 Xeon 보드개발이올해완료되었습니다. 아울러그간주력해온 x86 기반의플랫폼뿐만아니라 ARM 기반의플랫폼개발도본격화되어현재 RK3288 chip 을적용한 Digital Signage 전용보드를개발중에있으며, Freescale Cortex-A9 i.mx6 를적용한공장용 Gateway 에특화된보드도개발착수단계에있습니다. 이러한결과가있기까지아낌없는격려와성원을보내주신고객여러분께다시한번감사드리며머지않은장래에세계시장에서도당당하게경쟁하는기업으로성장하여세계최고수준의기술과경쟁력으로고객여러분께기여하는기업이될수있도록더욱분발하겠습니다. 22