가속시험은 제품의 신뢰도가 증가할수록 늘어나는 시험시간 문제를 해결하기 위해 인위적으로 제품의 수명을 단축시키는 시험방식이다. 즉, 사용조건보다 가혹한 조건에서 시험하여 짧은 시간에 제품의 고장을 발생시켜 얻은 수명데이터를 가지고 사용조건의 신뢰성을 평가한다. 본고에서는 가속시험과 가속모형에 대해 살펴보고 기계류 부품에 적용 가능한 가속시험 방법론, 끝으로 예제를 통해 가속시험을 이용한 신뢰성평가 방법을 소개하고자 한다.
현장 운용조건하에서 사용자들이 요구하는 보증수명을 시험평가하기 위해서는 많은 시간과 비용이 소요된다. 이를 해결하기 위한 시험기술로써 흔히 가속시험이 운용되며 가속방법에는 연속적으로 사용하지 않는 제품을 연속적으로 가동시킴으로써 고장시간을 단축시키는 사용를 가속과 사용조건보다 높은 스트레스를 부과하여 제품의 수명을 단축시키는 고 스트레스 가속이 있다. 기계류 부품들에서 대부분 채택하고 있는 고 스트레스 가속방법을 적용한 무고장 가속시험의 전략은 크게 현장 운영조건하에서의 등가부하를 산출, 시험 운영조건하에서의 등가부하를 산출 그리고 보증수명에 의한 무고장 시험시간을 산출하는 3가지의 기술로 운영된다. 이러한 가속시험 전략은 기계류에 관련된 대부분의 부품 및 시스템에 적용 및 활용이 가능하다.
제품의 신뢰성에 대한 소비자의 인식이 높아짐에 따라 기업에서는 높은 품질과 신뢰성 있는 제품을 만들기 위해 많은 노력을 하고 있다. 신뢰성은 기기, 부품, 재료 등 시스템이 규정된 조건하에서, 의도하는 기간 동안 규정된 기능을 고장 없이 수행할 수 있는 성질로 규정된다. 높은 신뢰성의 확보를 위한 제품의 신뢰성 시험은 많은 시간과 비용이 소모되기 때문에 현대의 빠른 시장 흐름에 따라가지 못한다. 특히, 최근 기술발전 속도가 빨라지고 제품 수명주기(Life Cycle)와 개발 기간이 짧아지고 있는 추세에 있으므로 이에 대응할 수 있는 신속한 시험방법의 실시가 반드시 필요한 시점이다. 위와 같은 신뢰성을 갖는 제품의 시험의 한계를 극복하고 시험시간을 단축하기 위한 여러 가지 방법이 연구되어 왔고, 그 중 가속 시험(Accelerated Test)에 대한 필요성과 요구가 계속 증가하고 있는 추세다. 본 연구에서는 단순부품과 재료의 신뢰도 정보를 신속하게 얻는데 매우 유용한 신뢰성 시험방법 중에 하나인 가속시험의 연구동향과 적용 현황을 분석하고 이의 효과적인 적용과 활용방안을 모색 하고자 한다.
가속수명시험은 실제 사용조건보다 열악한 수준으로 시험하여 빠른 기간 내에 제품의 고장자료를 얻고, 실제 사용조건에서의 수명관련 품질 특성치를 추정하는 방법이다. 본 논문에서는 가속수명 자료를 이용하여 분위수 회귀추정 방법을 통해 정상 조건에서의 수명을 추정하는 방법을 제안한다. 대표적인 가속 스트레스인 온도와 전압을 갖는 실제 자료에 분위수 회귀 모형을 적용하여 수명을 추정하였다.
사용조건에서 수명시험을 수행할 경우 시험시간이 많이 소요되므로 사용조건보다 가혹한 스트레스 조건을 추가하여 가속수명시험을 수행하면 시험시간을 단축시킬 수 있다. 수명에 영향을 미치는 스트레스를 선정하여 각 스트레스의 사용조건과 가속조건에서 시험을 수행할 경우 가속 스트레스간에 교호작용이 존재할 수 있다. 그러나 기존의 연구에서는 2가지 이상의 가속 스트레스를 부과하여 가속수명시험을 수행할 경우 교호작용을 고려하지 않은 경우와 가속 수명에 대한 모델식을 제시한 연구들이 대부분이다. 본 논문에서는 기계류 부품의 수명에 영향을 미치는 가속 스트레스를 선정한 후 교호작용을 고려한 시험계획에 따라 가속수명시험을 수행한 자료를 이용하여 가속 계수와 가속 스트레스간의 관계식을 산출하는 방법을 제시하고자 한다. 또한 본 논문에서 제시한 교호작용을 고려한 가속시험방법과 가속 계수를 산출할 수 있는 모델식을 이용하여 복합적인 가속수명시험 수행시 쉽게 적용하고 결과를 산출할 수 있는 기초가 될 것으로 기대된다.
가속수명시험은 매우 신뢰성이 높은 제품의 수명분포에 대한 정보를 빨리 얻기 위해 사용된다. 이때, 빠른 시간안에 정보를 얻기 위해 제품의 사용조건보다 높은 스트레스 즉 온도, 압력, 전압, 진동등을 사용하여 시험을 하게 되는데 최대 시험 스트레스는 미리 실험자에 의해 선택되게 된다. 그러나 주어진 최대 시험 스트레스가 스트레스의 한계범위를 벗어나는 경우에는 사용조건과 다른 고장구조가 발생할 수 있고, 이로 인하여 편의가 큰 신뢰수명의 추정치를 얻을 수 있다. 기존의 논문에서는 실험자의 경험 또는 사전시험을 통해 미리 설정된 최대 시험 스트레스하에서 제품수명의 표준편차를 최소화하기 위한 최적가속수명시험 설계방법을 제시하였다. 그러나 본 논문에서는 와이불 분포에서 1) 사용조건에서의 수명추정치의 분산 .leq. k, 2) 스트레스의 범위를 벗어나지 않는 최대 시험 스트레스의 최소값을 구하는 설계방법을 제시하고, 또한 구한 스트레스에서의 수명 및 최소 시험 스트레스에서 시험되어야 할 제품의 수를 추정한다. 이때, 사용전압에서의 수명을 계산하기 위하여 inverse power law 모형을 도입하였으며, type I censoring 방법을 사용하여 수명 데이타들은 모든 제품이 고장나기 전에 분석될 수 있도록 하였다.
전자 부품의 신뢰성 평가를 위해서 다양한 방법의 시험법이 사용된다. 전자 부품은 반복적인 작동과 휴식에 의한 열피로를 받게 된다. 이에 대한 신뢰성 평가를 위해 오래전부터 다양한 시험 규격이 만들어지고, 그에 따라 열챔버를 이용한 챔버 사이클링 시험이 수행되고 있다. 하지만, 최근에는 이러한 시험 규격들에 대한 문제가 지적되고 있으며, 또한 챔버 사이클링을 이용한 가속 실험의 경우 실제 작동환경을 완벽히 묘사하지 못하며, 가속할 수 있는 정도가 제한되고 있다. 본 연구에서는 파워 사이클링 시험을 묘사하는 시험 방법을 제안하고, 그를 이용하여 BGA 패키지의 솔더 조인트에 대한 열피로 시험을 수행하였다. 본 연구에서 제안된 파워 사이클링 시험기는 실제 작동 환경과 유사한 온도 구배를 패키지에 만들어 준다. 그리고 패키지에 열전도를 이용하여 열을 공급함으로써, 대류를 통해 열을 공급하는 챔버 사이클링 시험에 비해 빠르게 가열 및 냉각이 가능하다. 파워사이클링 테스트 방법을 이용하여 다양한 온도 조건에 대해 열피로 수행하여 솔더 조인트의 열피로 특성을 평가하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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