차량용전장품가속시험설계및사례 2012 FRONTIS CORPORATION
목차 2
신뢰성기술동향 : 기술영역의변화 신뢰성시험 / 장비 HALT, RCM 고장률 1/10 이하수준 고장분석 / 고장메커니즘 PoF 설계 DB Prediction, FMEA/FTA, Software Reliability Human Error Protection 신뢰성기술의도전신뢰성기술적용 / 응용의확대 3
신뢰성기술동향 : 기술접근방식 / 수준의변화 4
신뢰성기술동향 : 시험 / 평가방법의변화 수명평가 수명시험가속수명시험가속열화시험 Virtual Qualification 초기결함제거 번인 ESS HASS * 출처 : 장중순, 한국조명연구원발표자료, 2009 5
HALT 와가속시험개요 S t r e s s (S) X HALT or HASS ESS Fatigue Failure S-N Curve Number of Cycles (N) Finding design weaknesses as early in the product design cycle as possible, can save a substantial amount of money $35 $175 $368 $17,000 $690,000 design phase before procurement before production before shipment on customer site ~ Hiroshi Hamada, Ricoh Chairman 6
동작한계 (Operating Limit): 기능수행을못하거나성능이규격을벗어나지만스트레스가줄거나제거되면정상으로회복되는스트레스수준 파괴한계 (Destructive Limit): 기능을수행하지못하거나성능이규격을벗어나며, 스트레스가줄거나제거되더라도정상으로회복되지않는스트레스수준 파괴한계하한 (LDL) 동작한계하한 (LOL) 제품규격 동작한계상한 (UOL) 파괴한계상한 (UDL) 동작마진 동작마진 파괴마진 파괴마진 스트레스
시료준비 설계엔지니어와시험방법검토 시험계획개발 Fixtures 와장비준비 Step Stress 시험실시 시료고장? 고장의근본원인확인 설계문제? 제조상의결함? 동작한계도달 파괴한계도달 설계검토및시정조치 제조검토및시정조치 동작한계문서화및파괴한계까지시험 N Units Tested? 설계변경및문제수정 스트레스증가 HALT 장비한계도달 모든시험수행? 온도, 진동, 온도변화, 온도 / 진동, 전압 /Freq Margining 등 Step Stress 시험실시 * 출처 : 김명수, 가속수명시험발표자료, 2009
HALT 와가속시험개요 가속시험의정의 (KS A 3004): 시험시간을단축할목적으로기준 보다가혹한조건에서실시하는시험 고장메커니즘을단축하기위한시험 - PCT(Pressure Cooker Test) - 온도에의한화학반응촉진 고장발생 - Load 증가에따른피로파괴가속 고장원인 고장메커니즘 고장모드 - 고온에의한 Migration 촉진 스트레스 * 출처 : 김명수, 가속수명시험발표자료, 2009
장점 단점 일정 일정스트레스 시험환경과사용환경유사 시험수행단순, 스트레스의인가수월 많은재료 / 부품에대한시험 계단형또는점진적스트레스시험보다데이터를빨리얻을수없음 계단형 온도 시간 모형의연구, 개발및검증 데이터해석소프트웨어 가용 스트레스인가방법 점진적주기적 계단형스트레스 온도 일정스트레스보다데이터를 빨리얻을수있음 모형 / 수명에대한정보를 빨리추정할수있음 실사용환경 ( 일정스트레스 ) 과시험환경 ( 계단형스트레스 ) 차이 누적노출모형, 분석복잡 스트레스의증가에따른고장형태 시간 변화또는새로운고장형태발생 임의 점진적스트레스 온도 계단형스트레스와동일 계단형스트레스시험동일 시험의관리가어려움 시간
Time 가속수명시험모형 : 수명분포와수명 - 스트레스관계 지수분포 f(t) Use Stress High Stress 수명분포 와이블분포 Life (t) 모형 대수정규분포 Stress 아레니우스 Generated by: ReliaSoft's ALTA - www.reliasoft.com - 888-886-0410 Arrhenius Weibull Plot 10000.00 Arrh/Weib Data 1 63.2 수명 - 스트레스관계 역거듭제곱 1000.00 100.00 356 F=17 S=0 Eyring 10.00 380.00 396.00 412.00 428.00 444.00 Reciprocal Stress 460.00 Pantelis ReliaSof t 10/20/98 5:11:03 PM Beta=2.9658, B=10679.5675, C=2.3966E-9 * 출처 : 김명수, 가속수명시험발표자료, 2009
신뢰성시험프로세스 < 조사및분석 > < 기획단계 > < 검증단계 > 시장데이터조사 / 분석 유사기종조사 고장품수집 FMEA/FTA 고장분석 요인정리 요인추정 고장메커니즘추정 시험스트레스도출 재현시험계획 예비시험실시 예비시험평가 재현시험실시 시험결과검증 재현시험법정립 유사기종 평가방법조사 / 수집 데이터수집 고장확대성 위험정도 특성 / 대용특성 설계요인 환경요인 FMEA 통계적 / 고장 물리적확인 < 확인단계 > < 확립단계 > 제조공정분석협력업체분석사용환경조사개발이력검토가속 ( 열화 ) 시험설계가속 ( 열화 ) 시험실시가속계수파악시장발생추이확인가속 ( 열화 ) 시험법확립보증시험설계보증시험실시시장신뢰성확인 시료수 / 시험시간 가속 ( 열화 ) 시험조건추출 인자가속성확인 12
HALT 와신뢰성시험 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 13
가속시험설계 가속수명시험의계획 가속수명시험의목적 설계 Process 가속스트레스 스트레스수준과시료수결정 시험장비 가속수명시험설계시주의점 14
가속수명시험의계획및절차 시료선정및고장판정기준설정인자와수준의결정장비능력 필드정보조사 ( 고장원인, 모드, 메커니즘 ) Model, 공정선정 시료의특성및고장판정기준 시험비용 가용자원의평가 DOE 를이용한예비시험 시험조건결정 인력 Feasibility ( 고장물리 ) 평가 Yes No 결과해석및인자유의성평가중요스트레스선별 시료수결정 / 배분시험스트레스 Profile 시험시간 시험방법결정 시료준비 시험 / 측정장비에대한검토 시험장비 / 기구물측정시스템분석측정및분석방법 Utilities & Zigs 시험실시 데이터수집및고장분석 고장메커니즘의일치성평가 ( 재현성평가 ) 데이터해석및가속성평가 결과해석및가속계수도출 15
Requirements (Stresses and Performance) 가속수명시험설계 2 단계 QFD 를이용한시험설계 고장정보 시험조건 / 시간 FMEA 고장모드 / 메커니즘 시험방법 Relationship Matrix 정성적평가 고장모드 / 메커니즘 Relationship Matrix 정성적평가 사용 / 환경조건분석을통하여도출된 STRESS Rank/Score Rank/Score 16
외기센서 2 단계 QFD 예시 요구사항 고장모드 / 메카니즘 서미스터열화단자부식커넥터파손하우징파손 내열 내한 내수 내진동 시험항목 내부식 고장모드 / 열충격 메카니즘 내오존 온습도 고온 / 저온 내수진동염수분무내오존내용액성작동내구 내용액성 서미스터열화 전기절연 단자 부식 가중치합계 28 22 26 커넥터파손 20 중요도우선순위 1 3 2 4 하우징파손 * 출처 : RS R 0116 자동차외기센서 가중치합계 16 10 8 16 8 16 8 6 16 중요도우선순위 1 5 6 1 6 1 6 9 1 17
와이퍼모터 2 단계 QFD 예시 * 출처 : RS R 0005 자동차용와이퍼모터 18
제품별가속스트레스예시 제품성능척도가속스트레스 전지및배터리 반도체및미소전자제품 전기장치 - 모터 - 발전기 - 난방소자 - 열전기변환기 - 수명 - 자기방전 - 전류 - 방전 depth - 수명 - 성능특성 - 수명 - 마모 - 온도 - 전류밀도 - 충 / 방전율 - 온도 - 전압 - 전류 - 진동 - 전기적 / 기계적충격 - 습도 - 압력 - 온도 - 전압 - 전류밀도 - 기계적부하 19
제품별가속스트레스예시 제품성능척도가속스트레스 저항기 램프 기계구성품 / 조립품 - 기계부품 - 공구 - 기어 - 유압부품 베어링 - 수명 - 수명 - 효율 - 마모 - 수명 - 수명 - 마모 - 온도 - 전압 - 습도 - 전압 - 온도 - 진동 - 전기적 / 기계적충격 - 기계적부하 - 진동 - 온도 - 습도 - 속도 - 기계적부하 - 오염물질 20
수명스트레스관계식 모형관계식적용 역거듭제곱 (IP: Inverse Power) 아레니우스 (Arrhenius) 아이링 (Eyring) = A V - : 고장시간, V : 스트레스, A, : 상수 = A exp[e/kt] : 고장시간, E : 활성화에너지, A : 상수 k = Boltzmann 상수 = 8.617 10-5 ev T : 절대온도 (= 273.16+ ) = (A/T) exp[b/kt] : 고장시간, A & B : 상수 k = Boltzmann 상수 = 8.617 10-5 ev 절연재전압내구시험, 금속재료피로시험, 베어링, 램프등반도체, 전자부품, 윤활유, 배터리, 고무, 전구필라멘트등아레니우스와유사전기장에의한가속, 화학적열화등 21
모형관계식적용 일반화된아이링온 습도모형 Coffin - Manson 모형 = (A/T) exp[e/kt] exp[(b+c/t) V] : 고장시간, A, B, C : 상수 k = Boltzmann 상수, V: 물리적스트레스 Pecht : = A exp[e/kt] (RH) - Intel : = A exp[e/kt] exp(b/rh) RH : 상대습도 N = A ( T) - N : 고장까지의사이클수, T : 온도범위 온도와응력 (or 습도, 전압 ) 2 개의스트레스적용반도체, 전자부품등온도사이클에의한금속 (solder 등 ) 의피로 22
수명 - 스트레스관계식과가속계수 모형관계식 AF = ( d / a ) 역거듭제곱 = A V - AF = ( V a /V d ) 아레니우스 = A exp[e/kt] AF = exp[(e/k) (1/T d - 1/T a )] 아이링 = (A/T) exp[b/kt] AF = (T a /T d ) exp[(b/k) (1/T d - 1/T a )] Pecht = A exp[e/kt] (RH) - AF = exp[(e/k) (1/T d - 1/T a )] (RH a /RH d ) Coffin- Manson N = A ( T) - AF = ( T a / T d ) 23
고장메커니즘과활성화에너지 고장메커니즘 활성화에너지 E a (ev) 산화막파괴 0.3 이온성 (SiO2 중 Na 이온의 drift) 1~1.4 Electromigration에의한단선 0.6 표면전하의축적 (Si 반도체 ) 1.0~1.2 탄소저항배선 (Si 반도체 ) 0.3~0.6 알루미늄부식 0.6~0.9 금속간화합물성장 0.5~0.7 24
고장 Electromigration Thermal crack 메커니즘 Corrosion Mechanical fatigue Thermal Fatigue 수명 - 스트레스관계 스트레스아레니우스역거듭제곱온 습도 (Pecht) 일반화된아이링 Coffin-Manson 온도전류전력습도진동 T + 25
가속시험설계시고려사항 시험목적에맞는설계 동일한고장모드와메커니즘 ( 사용조건 & 가속조건 ) 높은스트레스수준 Operating Limit HALT 낮은스트레스수준은추정의정확성을높일수있도록최적화 가속인자를제외한다른인자들의영향은일정하게유지 시험제품과최종개발 ( 또는양산제품 ) 과동일해야함 26
시험목적에맞는설계 설계단계의가속수명시험설계 Process 신구조, 부품 Critical Item List 작성 개별목표설정 FTA, FMEA 고장위치와모드예측 과거사례 2 stage QFD 기존시험법확인 사용환경조건 평가방법개발 위험요인정리 확인요인정리 스트레스와조건 고장물리 확인실시 고장메커니즘추론 논리적용 시험조건 평가내용설정 시험설비개발 시제품선정 시험 가속성평가 * 출처 : 김명수, 가속수명시험발표자료, 2009 실용모의시험 P/P 품의실험실확인 검증 시험표준화 / 등록 27
고장재현을위한가속수명시험설계 Process 시장고장접수고장의개요조사 위험 / 기능장애정도 이론조사 현품 / 샘플수집 고장분석 현상분석 / 양품분석 비파괴 / 파괴분석 고장메커니즘추론 고장원인조사 외주 / 공정 / 설계 고장에대한가설수립 데이터수집 샘플수집 / 제작 제조 / 사용 / 환경조건 재현방법개발 2 stage QFD 스트레스와조건 시험조건결정 가속인자 재현시험결과확인 / 검증시정조치 * 출처 : 김명수, 가속수명시험발표자료, 2009 가속성평가 시험표준화 / 등록 28
낮은스트레스수준은추정의정확성을높일수있도록최적화 일정스트레스시험 - x l : low stress level - : proportion of test units allocated to x l x h x l 1- 계단형스트레스시험 - x l : low stress level x h - : stress change point x l 점진적스트레스시험 - : low ramp rate - : proportion of test units allocated to low ramp rate 1-29
ALT 의통계적설계기준 - 추정의정확성을 Maximize 하도록시험조건설계 - 사용조건에서의 B 100P (100P th percentile) 의 ( 점근 ) 분산을최소화 가정 - Type I ( 또는 Type II Censoring) - Stress와 High stress level은기술적으로결정되어있음 - 수명분포 : 지수, 와이블, 대수정규등 - 수명-스트레스관계식 : 대수선형 (Log-linear) Optimum Plan vs. Compromise Plan - Optimum = 2 수준 ; Compromise = 3 수준 30
설계전압 100V의백열등전구의 1,000시간에서의신뢰도추정하기위한전고장가속수명시험계획수립 샘플수 : 20 시험조건 : 120V, 130V 스트레스관계 : 역누승 수명분포 : 대수정규분포, 척도모수 50 기타 : 110V, B50=1,200시간, 130V, B50=400시간 1 2 31
Meeker-Hahn Plan ALT 의정확성을 Maximize 하도록스트레스수준결정 & 시료배분 수명분포 : 와이블 & 대수정규 수명-스트레스관계 : 대수선형 스트레스수준 : 3 수준 스트레스인가 : 일정스트레스 시료배분 h : m : l = 1 : 2 : 4 스트레스 1/7 X X X X X X h = 2/7 X X X X m X l = 4/7 X 낮은스트레스 X l 최적화 X d 시간 X m = (X h + X l )/2 * 출처 : 김명수, 가속수명시험발표자료, 2009 32
점착본드의운용온도 50 에서고장시간분포의 B10시간을추정하고자함. 이때 B10은 10년이상을예상하고있음. 관측중단가속시험설계수립. 샘플수 : 300 시험시간 : 6개월 (183일) 시험조건 : 최대 120 스트레스관계 : 아레니우스 수명분포 : 와이블분포, 형상모수 1.667 기타 : 50 와 120 의 6개월이내고장가능성 0.001, 0.9로추측 발췌 : Meeker and Hahn(1985), How to Plan an Accelerated Life Test Some Practical Guidelines 33
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가속인자를제외한다른인자들의영향은일정하게유지 항온 항습, 열충격, 온도사이클, 진동, 복합환경, HALT 등 - 스트레스의적용한계결정 Special fixtures (e.g. entry ports, hand holes) 온도변화율 최저온도 최고온도 무게, 크기, 시료의수 환경시험장비 Cooling facilities at site (water/air) Networking, data logging 습도범위 Heat dissipation 35
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