Transcript 신뢰성 활동

RAMS 이론
전공기본교육
철도기술연구원
2012. 07. 20
Contents
1
신뢰성의 정의와 역사
2
고장의 종류
3
신뢰성 활동
4
신뢰성 평가
I. 신뢰성의 정의와
역사
타코마 협교
코메트 기
선박의 피로파괴
팔만대장경
진공관
패트리어트 미사일
Therac 25
신뢰성의 정의
 신뢰성이란 제품이 출하 후 폐기될 때까지 고장 없이
안정적으로 사용될 가능성이다.
 신뢰성은 시간적 안정성이다.
Reliability ≡ Quality in Time Dimension
 신뢰성 = 고유신뢰성  사용신뢰성
신뢰도의 정의
신뢰성에서 말하는 신뢰도(reliability)란, 시스템이나 기기, 부품
등이 주어진 조건하에서, 의도하는 기간동안, 규정된 기능을 고장
없이 발휘할 확률 이라고 정의 (KS정의).
①
②
③
④
⑤
대상이 되는 시스템
규정된 조건
의도하는 기간
규정된 기능
기능을 발휘할 확률(probability)
신뢰도 지표
1)
정적신뢰도 (Static Reliability/Mission Reliability)
시스템, 기기, 부품 등이 주어진 임무(Mission)을 달성할 가능성이다. 이러한 정
적신뢰도는 임무신뢰도라고 하는데, 주로 One Shot Device의 신뢰도를 나타
내는데 사용된다. 그러나 동적신뢰도 산출에 어려움이 있는 경우에는
적절한 Mission Time을 책정하고 그 임무신뢰도를 평가하기도 한다.
<EX.1> MOTOR : 진동상태에서 10000시간 사용시 신뢰도는 99%이다.
<EX.2> TOGGLE SWITCH : 10만번 작동할 신뢰도는 98.78%이다.
2) 동적신뢰도 (Dynamic Reliability)
아이템(시스템, 기기, 부품 등)의 수명 T 의 성질을 확률적으로 나타낸 신뢰도
이다. T는 그 시스템이 갖고 있는 강도를 초과하는 Stress가 올 때까지의 걸린
시간이므로 확률변수가 된다. 동적신뢰도는 T 가 확률 변수이므로 다음과 같
은 함수들을 사용하여 나타낸다.
신뢰도 지표
a) 신뢰도함수 (Reliability Function) : R(t)
시간 t까지 전체의 몇 %가 고장나지 않고 남아 있을 확률, 즉 잔존(생존)확률.
N : 총 시료 수
n : t시점의 생존 수
b) 누적고장분포함수 (Cumulative Failure Distribution Functione) : F(t)
어느 시점 t 까지 전체의 몇 %가 고장나는가를 나타내는 확률
1.0

㈜ c.d.f : 누적분포함수(Cumulative
Distribution Function)

F(t)
F(t) + R(t) = 1
+=1
R(t)
누적분포, 신뢰도 그래프
신뢰도 지표
c) 고장밀도 함수(Failure Density Function) : f(t)
단위시간당 어떤 비율로 고장이 발생 하고 있는지를 나타내는 함수
즉 시각 a 부터 b까지에 고장난 것의 전체에 대한 비율
㈜ p.d.f : 확률밀도함수(Probability Density Function)
[그림의 예] 어느 시료 67개를 2500시간 수명시험 하였을 경우 그림과 같이 전부 고장난
경우의 히스토그램과 수와 구간을 무한으로 늘릴 경우의 확률밀도함수 f(t).
15
고
장
갯
수
f(t)
확
률
밀
도
10
A
A
5
R(t)
F(t)
25
75
125
175
225 수명시간 × 10
수명도 히스토그램
T
수명시간
수명분포 곡선과 신뢰도
X
신뢰도 지표
d) 고장률함수(Failure Rate Function) :
시간 t 까지 작동하던 아이템이 단위시간당 어느 정도 고장 나는가를 나타내는 척도
(고장발생강도)
예) 21세된 사람이 22세까지 사망할 확률
70세된 사람이 71세까지 사망할 확률
1
f(t)
(t)  lim P {T  t  h |T  t} 
h 0 h
R (t)
주) f(t) : t 에 있어서 고장날 수의 전체에 대한 비율
: t 에 있어서 고장날 수의 잔존수에 대한 비율
f(x)
고
장
률
확
률
도
수
f(x)
t
t
수명분포의 밀도곡선과 고장률 곡선
t
신뢰도 함수 사례
시
간
고장수
생존수
R(t)
1.00
0.90
[0 ∼ 10)
5
95
0.95
0.80
[10 ∼ 20)
10
85
0.85
0.70
[20 ∼ 30)
35
50
0.50
0.60
[30 ∼ 40)
30
20
0.20
0.50
[40 ∼ 50)
15
5
0.05
0.40
[50 ∼ 60)
2
3
0.03
[60 ∼ 70)
2
1
0.01
[70 ∼ 80)
1
0
0.00
합
계
100
F(t)
R(t)
0.30
0.20
0.10
0.00
10
20
30
40
50
60
70
80
고장밀도함수 사례
0.40
시
고 장 수
f(t)
[0 ∼ 10)
5
0.05
[10 ∼ 20)
10
0.10
[20 ∼ 30)
35
0.35
[30 ∼ 40)
30
0.30
[40 ∼ 50)
15
0.15
0.15
[50 ∼ 60)
2
0.02
0.10
[60 ∼ 70)
2
0.02
0.05
[70 ∼ 80)
1
0.01
0.00
합
간
계
100
0.35
0.30
0.25
0.20
10
20
30
40
50
60
70
80
고장률 함수 사례
f(t)
(t) 
R(t)
시 간
고장수
생존수
f(t)
R(t)
λ(t)
[0 - 10)
5
95
0.05
0.95
0.05
[10 - 20)
10
85
0.10
0.85
0.11
[20 - 30)
35
50
0.35
0.50
0.41
[30 - 40)
30
20
0.30
0.20
0.60
[40 - 50)
15
5
0.15
0.05
0.75
[50 - 60)
2
3
0.02
0.03
0.40
[60 - 70)
2
1
0.02
0.01
0.67
[70 - 80)
1
0
0.01
0.00
1.00
합 계
100
평균수명
MTTF (MTBF
) E (
T )


0
tf(t)dt
• 수리 불가능 : MTTF (mean time to repair)
고장-폐기, 교체
•수리 가능 : MTBF (mean time between failures)
Up
Reliablity
Availability
Durability
....
....
Down
Manitainability
폐기
8
평균고장률과 최소수명
(평균)고장률 (failure rate)
• 단위시간 동안 발생한 고장횟수
• 평균수명의 역수
최소수명 (minimum life)
• 신뢰성공학에서는 최소수명 즉, B수명을 평균수명과 함께 고려
함으로써 산포의 정도를 살펴 보기도 한다. B 수명은, %의
제품이 고장나는 시간을 말한다.
•
B10 Life: 전체 제품 중 10%가 고장나는 시점
- B: Brucheinzeleitet (initial fracture) 또는 Bearing
- B10 ⇔ L10 (Bearing 제조업체)
•
항공산업
- B1 (benign failure) ; B0.1 (serious failure)
- B0.01 (catastrophic failure)
정비성, 가용성, 안전성
1)정비도 (Maintainability) : 시스템이 규정된 조건에서 규정된 기간 내에 정
비가 이루어질 확률
MTTR (mean time to repair)
2)가용도 (Availability) : 규정된 조건에서 주어진 시간에 시스템이 작동할
가능성
point availability
interval availability
inherent availability
= MTBF/(MTBF + MTTR)
operational availability
= MUT/(MUT + MDT)
3)안전도 (Safety) : 규정된 조건에서 사고가 없을 확률
Cf. RAM, RMS, RAMS
*MUT:mean up time,
MDT:mean down time
RAMS 척도 MAP
고장률 함수
신뢰성(Reliability)
정적 신뢰도
신뢰도 함수
동적 신뢰도
분산
고장밀도함수
평균고장시간
누적분포함수
백분위수
B10수명
정비성
(Maintainability)
정비시간분포
정비도 함수
MTBF
MTTR
MTTF
가용도
가용성
(Availability)
안전
안전성
(Safety)
욕조곡선 (bath-tub curve)
고장률함수
초기
고장
마모
고장
우발고장
(내용수명)
DFR
과부하에 의한 고장
CFR
IFR
마모고장
품질결함
원인
대책
시간
•
•
•
•
•
•
품질관리 문제
불충분한 번인
불충분한 디버깅
미 숙련 작업
불량 부품/오염
부적절한 조업
설계완성도 향상
SPC / Burn-in
•
•
•
•
예상보다 높은 부하
설명할 수 없는 결함
誤用 / 부적절한 사용
Poor design
(불충분한 안전계수)
• 우연한 원인
안전계수
Derating
• Age
• 마모
• 부식
• 피로
• 크립
• Migration
예방보전
II. 고장의 종류
고장이란?
 품목 (item) 이 요구 기능이 성능을 수행하지 못하게
되는 사건
 파국고장 (Catastrophic Failure)
 열화고장 (Degradation Failure)
 Intrinsic Failure
 Extrinsic Failure
스트레스(부하)와 강도
Probability density
Applied stress
distribution
Part strength
distribution
• Architecture
• Material Properties
(yield strength, elongation,
etc.)
• Defects
Mean Part strength > mean applied stress
•
Defects are “failure accelerators”
스트레스와 강도
강도분포
강도열화
안전여유
고장발생
스트레스분포
시간
고장용어
Load (External Stress, Internal Stress)
F = f(t)
Failed Component
(Material)
Failure Site
Failure Mode = Fracture
Failure Mechanism = Fatigue
스트레스의 종류
구
분
물리적인 스트레스
(Physical Stress)
기계적인 스트레스
(Mechanical Stress)
방사(Radiation)
세부 분류
 온도(temperature) : 열충격, 열싸이클
 습도(humidity)
 방사능(nuclear)
 진동(vibration)
 압력(pressure)
 충격(shock)
 마찰(abrasion)
 전자파 적합성(EMC : electromagnetic compatibility)
 전자파 감응성(EMS : electromagnetic susceptibility)
 전자파간섭(EMI : electromagnetic interference)
전기적인 스트레스
(Electrical Stress)
 과전압(over voltage)
 과전류(over current)
 써지(surge & spike)
 정전기(electrostatic discharge)
화학적인 스트레스
(Chemical Stress)
이온(ionizing)
부식(corrosion)
고장원인
 “ 왜 ? 고장이 났는가 ”
 고장발생 = 강도 < 스트레스
 잠재적인 고장 : 설계결함, 공정결함
 잠재적인 고장원인
구
분
물리적인 요인
화학적인 요인
내
 도금두께 부적합
 박막두께 부적합
 기공
 오염
 성분의 부적합
 결정구조 부적합
 미소결. 미경화
 습도와 수분
용
고장모드
고장이 발현되는 방식 /형태
단락(Short) : 회로가 합선 된 상태
 단선(Open) : 회로가 연결되지 않은 상태
 특성치 변화(Parameter Shift) : 일정하게 정상을 벗어 남
 특성치 불안정(Electric Instability) : 시간에 따라 변화
고장메커니즘
 “고장을 일으키는 기계적, 전기적, 화학적 혹은 물리적
스트레스의 특정한 결합과정”
 스트레스와 잠재적인 원인이 결합하여 특정고장형태를
일으키는 과정
 스트레스 + 고장원인 = 고장형태
- 여러 스트레스가 잠재적인 고장원인과 결합 작용
- 여러 스트레스 간의 결합 작용
- 과도한 단독 스트레스의 작용
고장모드, 고장메커니즘, 고장부위
Failure
Failure Mode
Mode
Short
Open
Parametric Shift
Fracture
Crack
Failure
Failure Site
Site
Failure
Failure Mechanism
Mechanism
Patten
Ion Migration
Ball Bond(IC)
Delamination
Al Metallization(IC)
Screw
Solder Joint
Galvanic Corrosion
Hydrogen
Embrittlement
Fatigue
전자부품의 고장률 - CALCE
1) 결함있는 부품이 과부하나 가혹한 환경조건에 노출되어 발생하는
고장
2) 결함있는 부품을 계속 작동시켜 열화가 빨리 촉진된 고장 (로트성
고장)
3) Over-stress failure
4) 보증기간 내의 Wear-out failure
5) 마모고장
고장메커니즘의 분류 - CALCE
Overstress Mechanism
Mechanical
Thermal
Electrical
Chemical
Radiation
Large elastic
deformation, Fracture
(ductile,brittle),
Yield, Buckling,
Interfacial de-adhesion
Wear-out Mechanism
Mechanical
Thermal
SDDV, Diffusion,
Intermetallic Growth
Hydrogen Embrittlement
Electrical
Electromigration, TDDB,
Hot electrons, CFF,
Slow trapping
Chemical
Corrosion, Dendrite growth,
Depolymerization,
Scission, Kirkendal voiding
Radiation
Radiation hardening,
Charge trapping in oxides
Thermal overstress,
Local melting, Tg
Dielectric breakdown,
Electrical overstress,
Electrostatic discharge,
Second breakdown
Fatigue, Creep, Wear
Ionic contamination
Single event upset
Latch-up
Overstress: A single load event causing failure. Wearout: Cumulative effects of loading over
Material do not degrade over time.
time causing failures. Materials are degrading
over time.
파괴의 종류
연성
-미소공공합체 : 등축, 신장 딤플
-슬립면 : 사행 슬립, 잔물결파, 연신
입내파괴
취성
-벽개 : facets, 강무늬, 벽개 혀
-의 벽개 : facets, 강무늬, 벽개 혀
피로
-연성줄무늬
-취성줄무늬
파괴
-타이어 트랙
연성
입계파괴
취성
피로
- 딤플
- 특징없음
- 줄무늬
연성파괴와 취성파괴
 연성파괴와 취성파괴의 비교
연성파괴와 취성 파괴를 비교하기 위하여 의도적으로
두 개의 볼트를 인장 파단 시킨 것이다.
왼쪽은 경도가 높은 것으로 감지 할 만한 소성 변형이 없이
취성 양식의 파괴가 일어났음을 보여주고 있으며,
오른쪽은 연한 것으로 상당한 소성 변형화 함께 전단에 의해
연성파괴를 일으킨 것이다.
Upper shelf
• 높은 인성
• 연성(딤플) 파괴
 연성-취성의 전이
인성
Lower shelf
•낮은 인성
• 벽개면 파괴
전이 영역
동일한 소재라고 하여도 온도에 따라
취성과 연성의 성질이 다르게 나타날 수 있다.
이를 연성-취성의 전이현상이라고 한다.
온도
좌굴 (Buckling)
P
P
하
중
Q
1
횡단
면:A
Q
Q
2
그림과 같은 구조체에서 기둥의 길이가 횡단면의 치수
보다 매우 긴 경우, 일정 크기의 축방향 하중에 다다르
면 횡변형이 급격히 증가해서 하중을 지탱하지 못하고
불안정한 변형이 생기는 현상을 좌굴이라 한다.
O
변
형
좌굴의 사례
긴 기둥이나 박판구조를 많이 사용하는 토목, 교통, 차량, 선박, 항공기 등의 구조체 설계
전자패키지의 기판과 필름사이의 열팽창계수차에 의한 구겨짐
ESD와 EOS
정전기방전(ESD)과 전기적 과부하(EOS) 스트레스에 의한 손상은 실리콘
IC에 대해서는 고장의 약 58%, 컴파운드 IC에 대해서는 고장의 약 27%
이상을 점유하고 있다. 일반적으로 ESD 발생은 1㎱~1㎲ 정도의 크기이고,
EOS 발생은 시간영역에서 1㎲ 이상의 크기로 분류된다. EOS 고장의
일반적인 부분에서 ESD 기여부분을 정의하기는 어려운데 이는 두 가지 손상
메커니즘 모두 유사한 고장모드를 갖기 때문이다.
ESD과 EOS의 차이 중의 하나는 전압 크기이다. 전압 발생의 구동 라인은
불명확하지만 EOS는 일반적으로 전압 크기가 수천볼트(volt)인 반면 ESD는
펄스전압 크기가 수만 볼트로 더 크다. ESD나 EOS는 기본적으로
전류흐름(current flow)이지만 일반적으로 전하(charge) 발생원은 서로
다르다. EOS에서 대전류는 초기 잘못된 회로설계 및 취급부주위의로 발생한
과대한 전기장이 인가됨으로써 디바이스 접합(junction)부위를 통해서 흐른다.
접합부위에서 디바이스 내부에 구성된 좁은 공간 사이에 국부적인 과열(hot
spot)과 기생 트랜지스터(parasitic transistor) 거동은 EOS와 관련된 고장의
특징이다. 즉, 구조적으로 디바이스 내부에 바이폴라형 기생 트랜지스터
회로가 구성되어 사이리스터(thyristor)와 같은 구성이 되어 있을 경우
외부에서 들어오는 서어지(surge) 전압 등으로 트리거(trigger) 되면 이
사이리스터가 동작하여 과대한 전류가 계속 흘러 국부적인 과열 현상이
발생한다.
ESD
자료원 : MIL-HDBK-263
ESD 사례
발생원
전압
10 to 20% 상대습도
65 to 90% 상대습도
카페트 위를 걷는 사람
35,000V
1500V
비닐 장판 위를 걷는 사람
12,000V
250V
해변가에서 일하는 사람
6000V
100V
비닐 커버
7000V
600V
폴리에틸렝 가방을 메고 벤치에서 일어선 경우
20,000V
1200V
폴리우레탄 foam 으로 포장한 의자
18,000V
1500V
* 정전기 방전 고장이 발생하기 용이한 부위
1)정전기 임펄스를 직접 받기 쉬운 부위 : 입력 및 출력회로, 임피던스가 높은 부위
2)구조상 약한 부분 :
열용량이 작은 부위 : 칩 면적인 작은 부위, 얕은 접합(베이스. 에미터 접합)
내압불량 : 얇은 산화막 (FET의 게이트, 바이폴라 N+ 산화막)
3)전계가 집중하는 부위 : 모서리(edge)부위 : 확산 모서리, 금속모서리 등
EOS
EOS는 1㎳이상의 기간동안 발생되는 과전압 및 과전류 스트레스와 관련 있는데
스트레스 시간이 수 ㎲정도의 경우도 EOS로 분류할 수 있다. EOS에서 가장 중
요한 인자들은 제품이 정상 동작하는 기간에 통상 발생하는 사건(events)과 관련
이 있다. 과도상태의 전압/전류는 전원 스위칭 동작, 릴레이(relay) 동작, 전원공
급선의 전압/전류 변동 및 심지어 낙뢰에 의해서 발생될 수 있다. 이러한 조건에
서 집적회로(IC)의 전력은 상승되고 과전압/전류 조건에서 회로반응으로 파국고
장을 일으킬 수 있다. EOS 고장의 가장 일반적인 것 중의 하나가 전기적 과부하
조건하에서 CMOS 회로 내에서 기생 바이폴라 트랜지스터가 동작(turn-on)되는
현상이 래치업(latch-up)이다. 래치업은 낙뢰에 의해서 데이터 전송이 안 되는
것에서 고온의 번인(burn-in) 시험기간에 고장이 발생하는 범위까지 해당이 된
다. 또한 EOS 손상은 제품에 IC의 오적용에 의해서 발생할 수도 있다.
과부하에 의한 고장은 통상적으로 높은 스트레스 전류로 인한 과열(hot-spot)
의 생성과 관련이 있다. 반도체 접합부가 뜨거워질수록 좀더 많은 전류가 발열
지역에 흐르게 되고 열 폭주(thermal runaway)에 이르게 된다. 결국 디바이스는
온도가 실리콘의 융점인 1,688°K에 도달됨으로써 2차 항복(secondary
breakdown)이 일어나게 된다. 고장은 접합부가 단락이 되어 실리콘이 용융이 되
거나 금속배선이 용융되어 단선이 되어 발생한다. 이러한 고장 과정은 바이폴라
(bipolar)나 MOS 디바이스 양쪽 모두 일어나고 MOS 디바이스에서 고전압으로
산화막 파괴를 발생시키기도 한다.
EOS
- 주로 마이크로 초와 밀리 초의 범위에서의 전하방전에 의한 오버스트레스를 의미
- 전기적 과부하 EOS 와 ESD 는 동일하게 취급됨
- EOS 는 수백 볼트의 전압에서 발생하나 ESD 는 수천 또는 수만 볼트에서 발생
관련된 고장 :
- 열적으로 유기된 고장(thermally-induced failures)
- 일렉트로 마이그레이션(electro-migration)
- 전계관련 고장 (electric-field-related failures)
주요 원인 :
-
전원공급장치 스위칭 시의 surge
릴레이 작동
전원공급창치의 전압변동
라이트닝 surge
시험시 오작동
디바이스의 잘못된 적용
효과 :
<EOS 로 인한 sound IC 의 고장>
- 접합접의 단락
- Metallization open circuit
- 게이트 산화막 파손
래치업 (Latch-up)
메모리 혹은 마이컴 IC의 래치업 현상이란 마이컴 전원단자와 접지단자
사이가 도통(導通)상태가 되면, 이상한 과대 전류가 흘러 정상적인
동작상태로 회복이 되지 않는 현상을 말한다. 이 원인은 주로 마이컴
입력단자·출력단자·전원단자 등 외부 노이즈 등의 과대전압이 더해질 때
발생하는 것으로 마이컴에 내전압 이상의 전압이 더해질 때 VDD- VSS
사이에 노이즈 전압에 의해 계속 전원전류가 이상하게 큰 수치로 흐르는
현상이다.
래치업은 반도체 소자에서 특히 많이 나타나는 고장메카니즘으로 외부의
전기적, 방사적 노이즈에 의해 의도하지 않은 기생회로의 작동으로 인한
디바이스의 파손을 가져오는 경우로 실제 필드고장의 많은 부분을
차지하고 있다. 래치업은 항상 완전고장을 의미하지는 않으며,
디바이스가 정상동작을 하는데 필요한 파워를 제거하면 재작동되기도
하여 간헐적 고장 또는 오동작의 원인이 된다.
래치업의 발생원인으로는 전원공급장치의 스위칭, 라디에이션 잡음,
파워공급선상의 변동, 라이트닝 써지 등이 있으며, 평가방법은
전류주입방법과 전압주입방법이 사용된다.
Soft Error
소프트 에러 메커니즘이란, 패키지 내부에 미량의 방사성 물질에
의해서 발생된 전리 방사선 (특히 α-입자)에 의해서 메모리 셀내에
저장되었던 데이터가 변환되어 발생하는 고장을 말한다. 소프트에러는
특히 반도체의 기억소자에서 많이 발생하는데, 패키지 배선재료에
포함된 방사성 물질의 알파 붕괴에 의해 방출되는 α-입자가 실리콘
기판으로 입사하게 되면 잡음으로 작용하여 메모리 정보의 파괴를
일으키게 된다. 이 붕괴는 영구적이지 않고 read-write과정을 통하여
정상이 되기 때문에 소프트 에러라고 부른다.
피로 (Fatigue)
전자 또는 기계 부품 등이 반복적으로 부하를 받게 되면 소재 내부에 미세한 물리적 손
상을 일으킨다. 이러한 물리적 손상이 누적되게 되면 부품의 균열이나 거시적 손상을
일으켜 결국 파손에까지 이르게 된다. 이러한 반복부하로 인한 파손이나 손상의 과정
을 피로라 한다. 피로는 소재의 인장강도보다 훨씬 낮은 응력에서도 발생할 수 있다.
균열 (crack) 시작
균열 성장
비치마크
최종파손 (전단입술)
피로파괴
BGA Solder ball
Wire bond
납땜
Creep
금속의 경우 고온에서 하중을 지지하는 재료는 가공경화(work
hardening)나 뜨임(tempering) 양쪽작용을 동시에 받게 된다. 낮은
응력에서도 고온에 의해 활성화된 뜨임 메커니즘에 의해서
전위집적(dislocation pile-up)효과가 약해져서 가공경화는 진행되지
않게 되고 전위원(dislocation source)에 의해 계속적인 증식으로
발생된 전위는 표면으로 이동해서 변형률이 연속적으로 증가하게 된다.
이와 같이 고온에서 변형률이 응력과 시간에 의존하는 현상을
크리프(creep)라 한다.
 고분자재료에 하중이 장시간 연속해서 부과되면 변형이 시간과
더불어 증가하는 점탄성(viscoelasticity)거동을 크리프라 한다.
예 1. 증기 발생기나 제트 엔진의 터빈 로터에는 원주 응력이 가해지고
고압증기가 흘러 크리프 변형이 나타날 수 있다.
예2. 플라스틱이나 고무와 같은 비정질 폴리머는 크리프 현상에 민감하다.
예3. 납땜에서도 creep 이 발견될 수 있다.
마모 (Wear)
정의 : 두 고체 재료가 서로 접촉하여 상대적으로 운동을 할 때 마찰에 의
하여 표면이 제거되는 과정
접촉 운동으로 인한 마찰 (friction) 으로 발생. 마찰의 운동에 따라 미끄럼
(sliding) 마모와 구름 (rolling) 마모로 구분
마모 메커니즘은 다음과 같은 종류가 있다.
1) 응착마멸(adhesive wear)
2) 절삭 혹은 연마마멸(abrasive wear)
3) 표면피로마멸(surface fatigue wear)
4)부식마멸(corrosive wear)
5) 열마멸(thermal wear)
6) 미동마멸부식(fretting corrosion)) : 상기 메커니즘의 혼합
확산
Kirkendall void : 확산 속도가 다른 두 소재가 접합된 경우 확산 속도가 빠른
소재에 공극이 생기는 현상
사례 : 알루미늄 기판에 금으로 된 볼을 접합시킨 경우 온도가 올라가면 상호
확산이 발생된다. 이때 금의 확산 속도가 알루미늄보다 커서 볼에 공극이 생
긴다.
확산
금속간 화합물 (intermetallic compound)
Electromigration
금속에 전류가 흐를 때 일어나는 금속 이온의 이동현상이다. 금속은 그림과 같이 전자
구름 중에 이온이 규칙적으로 배열되어 있다. 알루미늄(Al)의 경우 양이온이 되기 쉽기
때문에 그 양단에 전계가 걸리면 마이너스 쪽으로 끌어당기는 힘 FE를 받는다. 그러나
이 금속에 전류가 흐르게 되면 금속 중에 흐르는 전자와 충돌하여 운동량 교환의 법칙
에 따라 플러스 쪽으로 밀어내려는 힘 Fe을 받는다. 전류밀도가 커지면 전자와의 충돌
에 의해서 발생된 힘 Fe가 FE보다 크게 되기 때문에 금속 이온은 플러스 쪽으로 이동하
게 된다.
일렉트로마이그레이션에 의한 고장은 온도에 의하여 가속될 수 있다. 금속 이온은 그림
에서와 같이 주기적인 열진동을 하고 있으며, 따라서 어느 확률로 전위(potential)의 산을
넘어가게 된다. 이 확률값은 온도가 높을수록 크고, 전위 골짜기의 깊이(활성화에너지
Ea)가 낮을수록 크게 된다.
Electromigration
회로 패턴에서의 마이그레이션
마이그레이션으로 인한 short
힐록 (Hillock) 생성
마이그레이션으로 인한 회로 open
부식 (corrosion)
정의 : 주위 환경과의 전기화학적 또는 화학적 반응에 의한 손상
조건 : ① 양극과 음극이 존재하여 전지(cell)를 형성해야 하며,
② 양극과 음극이 전기적으로 접촉해야 하고,
③ 액체가 전해액(electrolyte)으로 작용해야 한다.
전기화학적 migration
고온․고습 환경에서 전계에 의하여 금속이 수지상(dendrite)으로
성장하는 현상을 전기화학적 마이그레이션 또는 이온 마이그레이션
(ion migration)이라 부른다.
은의 migration
주석의 migration
구리의 migration
III. 신뢰성 활동
RAC 신뢰성 활동 분류 - 설계단계
활
동
내
용
1
2
3 4
Critical Item 관리
중요 아이템에 대한 회사 및 협력업체의 활동관리
Critical Item 파악
신뢰성에 많은 영향을 미치는 중요 아이템의 확인
X
derating
스트레스를 정격이하로 제한
X
설계심사
설계대안의 결함을 판단하고 교정하기 위한 심사
환경조건파악
제품이 사용될 환경스트레스의 파악
X X
Fault Tolerance
부품 고장시에도 작동 가능토록 대안 모색
X X
부품 적용
기대 동작조건에서 신뢰성있게 작동할 부품적용
X
부품 선택
적정한 비용으로 구입가능한 신뢰성 부품의 선택
X
공급자관리
공급업체의 monitoring 및 관리
Thermal Design
열의 발생과 확산을 고려한 설계
1.
프로그램 정의
6. 신뢰성확보
2. 요구사항 결정
3. 신뢰성설계
X
X
5
X
X
X X
X
X
X
X
4. 진도평가
6
5. 신뢰성평가
X
분석단계
활
동
내
용
신뢰성배분
신뢰성 목표치를 서브시스템으로 할당
실험계획법 DOE
공정 및 환경인자의 영향평가
Dormancy 분석
1
2
3 4
5
6
X X
X
X
보관 등 비작동시의 신뢰성 평가
X X
X
내구성평가
기계적 강도의 내구성 평가
X X
X X
FMECA
고장모드의 체계적 사전 분석
X
X X
FTA
고장 원인의 논리분석
X
X X
FRACAS
고장 현상, 분석, 시정조치 정보관리
X
X X
FEM
Simulation 을 이용한 기계적 스트레스의 분석
X
X
Life Cycle 분석
제품생애를 고려한 신뢰성 요구사항 분석
신뢰성모델
/Simulation
신뢰성 block diagram 등 모델 작성 및 simulation
을 통한 평가
부품 퇴화분석
기술변화분석을 통한 부품의 퇴화여부 평가
신뢰성예측
설계대안의 신뢰도, 정비도 예측
정비전략
저비용의 적절한 정비방법 결정
SCA
부적절한 신호 가능 회로분석
X
X X
X
X X
X
X
X
X X
X
X X
X X X
X
X
X
X
X
X
X X
분석 및 시험단계
활
동
내
용
1
2
3 4
5
Thermal Analysis
열의 발생, 확산, 전도경로 분석
Worst Case 분석
최악치를 고려한 신뢰성 평가
X
X X
가속수명시험
가혹한 스트레스 조건에서의 시험
X
X X
ESS
부품 결함 적출을 위한 고 스트레스 수준에서의 시험
PRAT
제조단계에서의 신뢰성 인정시험
X
RDT/RQT
신뢰성 인정시험
X
RGT/TAAF
신뢰성 성장시험 및 시정조치
시험전략
최적의 시험 방법 선택
X
Benchmarking
공급업체의 비교분석/타사 현황 분석
X
SPC
공정관리
X
QFD
고객요구분석
X
X
X
X
시장조사
검사
수입, 공정, 완제품 검사
6
X
X
X
X X
X
X
X X
X
X
X
X
X
신뢰성활동
가. 설계
① 중요 아이템 확인 및 관리
신뢰성에 영향을 미칠 수 있는 중요 아이템 (하드웨어/소프트웨어)을 확인하고, 중요
아이템의 영향을 줄이기 위한 기업 및 협력업체의 관리 활동
• 중요 아이템: 아이템의 고장이 안전, 운용, 수리/교체 비용에 매우 큰 영향을 줄 수 있
는 것으로, 고가의 부품, 신기술, limited life items, reliability sensitive parts, single
source components, single failure points가 해당됨
• 설계 초기단계에 FMEA에 의하여 확인(Hazard Category I 과 Hazard Category II with
highly unlikely failure probability)
② 설계 검토(Design Review)
하드웨어와 소프트웨어의 설계상의 결함여부를 확인하고 시정하기 위한 공식적 또는
비공식적으로 이루어지는 독립적인 설계 검토 및 평가
③ 부품 관리(Part Management Plan)
-부품선정(Parts Selection): 계획된 적용 제품에 효과적이고 신뢰성 있게, 그리고 제품
의 수명주기(Life cycle)동안 적절한 비용을 유지할 수 있는 부품을 선정하는 것
-부품적용(Parts Application): 예상되는 운용 스트레스 하에서 신뢰성 있게 동작함을
보증하기 위하여 Design Rule에 따라 부품을 사용하는 것
신뢰성활동
④ 외주 부품 관리(Supplier Control)
구매된 하드웨어와 소프트웨어가 충분한 신뢰도를 가질 것을 보증하기위해 외주업
체의 활동을 모니터링하는 것
⑤ 디레이팅(Derating)
신뢰도를 높이기 위하여 최대 부하가 정격보다 낮게 되도록 설계 파라미터 값을 제
한하는 것
⑥ 열설계(Thermal Design)
온도의 영향으로 야기되는 신뢰성 문제를 예방하기 위해 열 발생과 발산을 고려하
는것
⑦ Fault Tolerance
부품이 고장 나더라도 제품의 연속적인 기능 수행이 중복설계를 하는 것
⑧ 환경 결정(Environmental Characterization)
사용조건에서 제품에 가해지는 스트레스를 예측하고 결정
⑨ 실험계획(Design of Experiments : DOE)
성능 특성의 최적화 또는 잡음 영향하에서 강건설계(robust design)를 하기 위하여
제어인자 (설계 파라미터)의 값을 결정하기 위한 실험의 설계 및 분석
신뢰성활동
나. 분석
① 신뢰도 예측/배분
② SCA(Sneak Circuit Analysis) / WCCA(Worst Case Circuit Analysis)
- SCA: 회로/소프트웨어에 의도하지 않은 경로(unintended path)의 존재여부를 확
인하기 위한 분석
- WCCA : 부품이 가장 안 좋은 경우 (최악치) 에 발생할 수 있는 영향을 분석
③ FMEA / FTA / FEM
- FMEA: 부품의 기능, 고장모드, 고장원인/메커니즘 및 제품/고객에 미치는 영향을
상향식으로 (bottom-up) 조사하고 위험도를 평가하여 시정조치를 하기 위한 정성
적 분석방법
- FTA: 제품의 고장 또는 안전 사고 등의 사건이 발생할 수 있는 원인을 하향식으로
(top-down) 조사하여 문제의 발생 경로를 확인하고 대책을 세우기 위한 분석방법
- FEM: 제품의 구조를 격자(grid)로 분해하고, 외부 스트레스 영향을 시뮬레이션을
통하여 평가하는 구조분석 방법
신뢰성활동
④ FRACAS(Failure Reporting Analysis & Corrective Action System)
고장의 보고, 분석 및 시정조치를 위한 업무 및 정보 DB로 구성된 체계
⑤ 스트레스 분석
제품에 인가되는 기계적(응력), 전기적(전압, 전류, 저항, 전력) 스트레스를 측정하
고 평가
⑥ Modeling/Simulation
- Modeling: 제품의 신뢰도를 수학적 모형으로 표시(RBD(Reliability Block
Diagram), Markov Process, Event Diagram, Network
Diagram)
- Simulation: 컴퓨터를 이용한 모의시험
⑦ Part Obsolescence
기술발전으로 인하여 현재 가용한 부품의 사용이 불가능할 가능성에 대한 분석
⑧ Dormancy Analysis
저장 또는 비운용 상태에서 제품의 신뢰도에 미치는 영향을 확인하기 위한 분석
⑨ 내구성 평가(Durability Assessment)
기계적 내구성이 기대되는 기간동안 충분이 지속될 수 있는가에 대한 확인
신뢰성활동
다. 시험
① 가속시험
사용조건보다 가혹한 조건에서 시험하여 시험시간을 줄이기 위한 시험
② 개발/성장시험(Reliability Growth Test : RGT)
개발 중에 제품의 신뢰도 목표를 달성하기 위한 일련의 시험과 관리
③ 인정시험(Reliability Development Test(RDT)/Reliability Qualification Test(RQT))
제품의 신뢰성 요구사항이 달성되었는지를 입증하기 위한 시험
④ 양산 신뢰도 합격시험(Production Reliability Acceptance Test : PRAT)
설계된 고유 신뢰도가 제조과정에서 저하되지 않고 유지됨을 보증하기 위한 시험
⑤ Environmental Stress Screening (ESS)
결함이 있는 제품이 출하되지 않도록 스트레스를 인가하여 결함 제품을 선별하기
위한 시험
⑥ 시험 전략(Test Strategy)
가용한 자원을 갖고 제품에 가장 적합하고 경제적인 시험체계를 수립
신뢰성관리 활동
신뢰성 보증프로세스 구축
전 라이프 사이클 동안
제품에 신뢰성을 만들
어 넣는 활동
신뢰성
설계/제조
신뢰성
평가
신뢰성
정보관리
각종 신뢰성 정보를 효과적으로 관리하는
활동
시험이나 예측을 통하여
신뢰성을 평가하는 활동
신뢰성 평가
어떤 제품이 신뢰성이 있는가를 확인하고, 이상이 있는 경우에는 그 원인과 대책을
수립하여 제품의 신뢰성 성장을 도모하는 활동
1. 신뢰성 시험
가. 기능 동작시험
나. 환경시험
다. 수명시험
라. 안전시험
2. 고장 분석 및 해석
3. 신뢰성 예측 - 설계된 아이템의 신뢰성 또는 수명을 예측하는 활동
가. 정성적 예측 – FMEA, FTA, ETA 등
나. 정량적 예측 – 부하강도분석, 고장률 예측법, MTBF 예측법 등
신뢰성 시험
신뢰성 정보관리
신뢰성 활동에 필요한 제반 정보를 수집, 분석, 해석, 관리하는 활동
가. 신뢰성 정보들의 종류
1) 신뢰성 지표관리 – MTBF / MTTF, 최소수명, 고장률, 내구수명,
정비시간, 사고
2) 고장정보 – Failure Mechanism, Failure Site, Cause, Failure
Mode, 5W1H, Failure Theory
3) 사용 · 환경조건 정보
4) Material Property, Design Property
5) 신뢰성 시험 및 고장분석 기술
6) 신뢰성 관리정보 – 신뢰성 목표, 신뢰성 성장
나. 신뢰성 정보 관리활동
1) FRACAS (failure reporting, analysis and corrective action
system)
2) 설계 및 제조 관리와 연계된 신뢰성 정보관리
신뢰성 설계
 설계 단계에서 아이템에 신뢰성을 부여할 수 있는 제반 활동
 설계, 검증, 분석의 동시공학적 적용
품질보증 단계
정보수집
결함을 만든 단계
발견했어야 할 단계
계
2
2
연구개발
22
22
설
93
93
상품기획
계
시작평가
115
115
생산준비
생
산
검
사
판매,유통
12
11
사용,SVC
계
140
12
11
11
11
22
3
3
140
280
개발과정과 신뢰성 업무
시장조사, 벤치마킹
제품구상
기능, 성능, 신뢰성 요구
소비자/Buyer 요구
품질기능전개
신뢰성 사양 설정
임무개요
사용/환경조건
예비 설계
신뢰도 예측
설계
가능성
신뢰도 배분
신뢰도 목표
허용차 설계, DOE
FMEA / FTA / FEM
상세 설계
부품선정
신뢰성 설계/분석
열 설계, Derating
Prototype 제작
설계검증시험
시제품 제작
스트레스 분석, 신뢰성 시험
양산검증시험
신뢰성 시험
양산
신뢰성 설계 프로세스
미연방지 대책/수법
대
책
수
법
품질보증단계
1. 정 보 수 집
 사용실태 조사
 사용조건, 목적의 파악과 해석
 유통경로 조사
 품질정보 System
( 사용환경조사, 시장현장조사)
2. 상 품 기획
 신뢰성문제의 기술과제도출
 검토 SPEC의 타당성 확인
 FMEA, FTA, DR
3. 연 구 개 발
 기술문제의 정리와 해결
 평가법 개발
 DR
 신뢰도 예측
4. 설
 신뢰성문제 예측과 설계에서의
미연방지
 안정화설계의 추진




5. 시 작 평 가
 고장해석
 문제요인해석
 품질평가  설계품질에 F / B
 FTA
 FMEA 와 품질평가방법의 검토
 복합가속시험
6. 생 산 준 비
 공정능력 파악과 편차의 축소
 공정의 FMEA에 의한 사전검토
 공정 FMEA
계
FMEA, FTA, DR
안정화설계법 (다꾸지기법)
안정성 해석 ( S – H )
부품, 재료복합가속시험
신뢰성 설계 프로세스
미연방지 대책/수법
대
책
수
법
품질보증단계
7. 생
산
 재발방지와 관리체제의 확립
 생산공정의 Fool Proof 화
 요인해석과 안정화
8. 검
 검사계획 입안, 실시
 Screening
 공정의 FMEA
사
9. 출 하 단 계
 불량품 출하방지
 가속평가에서의 신뢰성 확보
 완성품 복합가속 시험
 대량 Running 시험
10. 판
 취급설명서의 정비
 경고방법의 검토
 설계의 FMEA, FTA 의 F / U
 Life End Test 법
 사용실태 파악 / 규칙
 고장해석
 보전성 관리
 현장, 현물정보수집 System
매
11. 사용, A / S
 품질관리 수법
 생산 DR
 SPC
松下의 신뢰성보증
제 1 단계
제 2 단계
제 3 단계
부품,재료의 보증체제 확립
Unit 보증 체제 확립
완성품 보증체제 확립
 사업부의 골격 구축
QA 부문의 보증활동 기반 구축
QA, 설계, 공동체제
조직횡단 활동의 정착
 설계단계보증의 전개
신뢰성 보증시스템 확립
전조직 활성화 전개
2.
시험평가법
확립
 내구/신뢰성 시험체제구축
내구/신뢰성 시험법의 독자 구축
체계화
사업부의 시험 평가법 정비
 시험법 검증과 확립
Unit 평가법 확립
Block 평가법 확립
 시험평가법 확립
완성품 평가법 확립
P/P 단계에서는 설계 구현화
확인
3. 신뢰성
기술확립
 시장불량 해석과 개선 I
QA 부문 개선 프로세스
불량해석과 재현 기술 확립
시장불량 해석과 개선 II
현행품의 문제발견과 해결
메커니즘 상정-스트레스 설정
 시장불량 해석과 개선 III
설계단계의 문제발견과 해결
논리적 기초-평가시험
 기초데이터 체계 구축
시장 실적치 파악
신뢰성 기본 데이터 확립
시험실 실증치 정비
 축적 데이터의 설계응용
활용체제 확립
 C/S, QA 활동
C/S, QA, 기술 연계활동
 각 부문의 역할 수행
보증목표
1. 체제 구축
4. 신뢰성
기반 구축
5. 조직활동
신뢰성보증 체계
 MIL-STD-785B
Task 100
프로그램 감독 및
관리
101 신뢰성 프로그램 기획
102 공급자 신뢰성 인증 및 관리
103 프로그램 심사
104 FRACAS
105 고장검토위원회
Task 200
설계 및 평가
201 신뢰도 모델링
202 신뢰도 할당
203 신뢰도 예측
204 고장모드 및 영향 분석(FMECA)
205 SCA(Sneak circuit analysis)
206 전자부품/회로 공차분석
207 부품 프로그램
208 중요부품식별
209 기능시험, 보관, 운송, 포장, 취급 및 정비에서의 신뢰도평가
Task 300
개발 및 제조시험
301 환경시험
302 신뢰성성장관리 프로그램
303 신뢰성인증 프로그램
304 제조 신뢰성 보증시험
IV. 신뢰성 예측
신뢰성 예측

정의 : 개발 설계 단계에서 제품, 시스템, 부품의 신뢰성을 예측
신뢰도 예측 + 정비도 예측
안전도 예측 for PL

시스템 신뢰성 예측, 부품 신뢰성 예측





정성적 예측 : FMEA, FTA, SCA, Worst Case Analysis, ETA
정량적 예측 : 고장률 예측, 수명 예측, 부하강도 분석,
simulation, POF (physics of failure) approach
신뢰성 평가 : 신뢰성 시험 + 신뢰성 예측(분석)
신뢰성은 예측될 수 있는가?
•
고장의 종류
불량에 의한 고장
스트레스에 의한 고장
열화성 (내구성 고장)
•
수명이란?
고장 발생까지의 시간 or 내구수명
•
현재 이와 같은 모든 고장을 감안하여 정확한 예측을 가능케 하는 방법은
없다. 다만 MIL-HDBK 217 은 모든 고장을 고려하여 예측을 하도록 하고
있으나, 현실적으로 부정확성이 문제가 되고 있다. POF 는 불량에 의한
고장이나 스트레스에 의한 고장이 없는 경우 dominant failure mechanism
에 대한 경험 수명방정식을 이용하여 예측을 하는 방법이다. 공정품질관
리가 잘 되어 있고, 사용환경조건, 타 부품과의 integration 등이 잘 되어 있
으면 이 방법은 매우 유용할 수 있다.
•
•
신뢰성 예측은 의사결정의 reference
정량적 예측과 정성적 예측을 병용하여야 효과가 있다.
신뢰성 예측 – 통계적 방법
신뢰성에 사용되는 고장 분포
1. 지수분포
f (t )  e  t 
1

e t / 
R(t )  e  t  e  t / 
 : 고장률
 : 평균수명
지수분포는 수학적으로 처리하기가 쉬우며, 전자 부품이나 다수의 부품으로
구성된 시스템의 수명을 모델링 하는데 많이 사용되고 있다.
예. 고장률이 0.0001 회/시간인 제품이 1000 시간 이상 작동할 확률은? 5000
시간 이상은? B-5 수명은 얼마인가? 평균수명은 얼마인가?
신뢰성 예측 – 통계적 방법
대수정규분포 (Lognormal Distribution)
 금속의 피로, 반도체 또는 다이오드와 같은 부속,
전기절연체의 수명자료 분석에 광범위하게 사용됨
T (수명) ~ 대수정규분포
Ln(T) ~ 정규분포
F (t )  P[ z  (ln t   ) /  ]
p  P[ z p  (ln t p   ) /  ]
ln t p    z p
ln t p  a  bx  z p
신뢰성 예측 – 통계적 방법
 와이블분포(Weibull Distribution)
f(t) =m / hm (t)m-1 exp(-(t/h)m)
R(t) = exp(-(t/h)m)
 (t)= m / hm (t)m-1
 고장율의 증가와 감소를 간단히 모형화할 수 있다.
 “약한 연결” 제품의 수명분포에 적절하다.
 극한치분포(Extreme Value Distribution)
 어떤 개체의 강도와 같은 극단적인 현상을 표현
T (수명) ~ 와이블분포
ln(T) ~ 극한치분포
장비의 신뢰성 예측
1. 전통적 신뢰성 예측법을 바탕으로 장비의 신뢰성 (신뢰도, 고장률
또는 MTBF) 를 예측하는 방법
2. 시스템 신뢰도 예측은 부품의 신뢰도를 바탕으로 이루어진다.
3. 따라서 시스템과 부품들의 관계를 표현한 transfer function 이 필
요하다. 이를 구하기 위한 방법을 구조분석 (structure analysis) 이
라고 한다.
4. 특수한 구조에는 직렬구조, 병렬구조, 대기구조, voting system 등
여러 가지가 있다. 그러나 시스템이 반드시 이러한 형태로만 나타
나는 것은 아니다.
5. 직렬구조에서는 제품은 그의 가장 약한 하위 시스템이나 부품들보
다 더 좋은 신뢰도를 가질 수 없다는 RTY와 유사한 역할을 한다.
장비의 신뢰성 예측 – 직렬 구조
 직렬시스템이란 제품이 작동하기 위해서는 부품의 집합이나 하위
시스템 들이 순서에 맞추어 작동되어야 하는 시스템이다. 바꿔 말하면,
이 연속의 체인상의 어느 한 부분이라도 고장이 나면, 제품자체가
고장이 나는 것이다.
 이런 종류의 시스템에서는 제품신뢰성은 단순히 각각의 부품의
신뢰성의 곱이다.
R series  i1R subsy stemn
n
or
R series  R subsy stem1 * R subsy stem2 * ... * *R subsy stemn
장비의 신뢰성 예측 – 직렬 구조
모든 부품이 서로 독립이고 지수분포의 고장을 갖는 직렬구조
시스템 고장률
S   i
i
사례 : 어떤 특별한 액체전송 시스템은 3개의 동일 형태의 밸브에 의하여
작동한다. 각각의 밸브는 1,000시간당  = 3% 의 지수 분포의 고장률을
가진다. 시스템 고장율은 얼마인가? 시스템 MTTF는? 10,000시간이후에
시스템이 계속 작동할 가능성은? 밸브 MTTF는?
(continued)
장비의 신뢰성 예측 – 병렬 시스템

병렬 또는 중복 시스템에서는 n개의 하위 시스템들이 고장 날
때까지 시스템은 작동한다. 이것은 연속 시스템과 는 반대라고
볼 수 있다.
n
R S (t)  1   (1  R i(t))
i1
R S (t) 시스템 신뢰도 함수
R i(t) ith 부품의 신뢰도 함수

예제—진행기류에서 톨루엔을 제거하기 위한 정화시스템은
5개의 병렬 흡착제로 구성되어 있다. 단지 하나의 흡착제만이
작동한다 해도 OSHA표준에 맞게 시스템은 작동하게 된다.
MTTF(또는 포화까지의 시간)은 8시간이다. 지수함수 모델로
가정하면, 24시간 후의 시스템 신뢰도는? 하나의 흡착제로만
작동할 겨우의 신뢰도는? R(t)=90%를 얻기 위해서는 우리는
얼마나 오래 시스템을 작동시킬 수 있는가?
장비의 신뢰성 예측 – 병렬 시스템
MTTF1adsorber  8hrs 
1

1
 .125failures / hr
8hrs
F1adsorber (24)  1  e .125 ( 24 )  1  e 3
 몇 시간 만에 신뢰도의 90%에
도달 하겠는가?
1adsorber 
F1adsorber (24)  .9502
For 5 in Parallel :
R sy stem(24)  1  .95025  .225
R1adsorber (24)  1  .9502  .0498
R( x )  0.9  1  F1adsorber
F1adsorber  .6309
.6309  1  e .125 x
 ln .3691  .125 x
x  7.97hrs
5
Standby 시스템
switch
Main Unit
Standby Unit
Standby 구조
1.Hot Standby
2.Warm Standby
3.Cold Standby
장비의 신뢰성 예측
순서
1) 장비의 고장정의
2) 사용환경조건, mission profile 등을 확인한다.
3) functional block diagram 을 작성한다.
4) 구조 분석을 실시하여 reliability block diagram 을 작성한다.
5) 부품의 고장률 또는 신뢰도를 이용하여 장비의 신뢰성을 평가
한다.
신뢰성 예측 - MIL-HDBK 217
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Reliability Prediction of Electronic Equipment
1956 년 Report 를 시작으로, 1965, 1973, 1979, 1982, 1987, 1990
년 까지 개정되어 MIL-HDBK 217F 에 이르고 있다.
Constant Failure Rate 즉 지수분포의 고장을 가정하고 있다.
Micro-electronic device, Discrete Semi-conductors(TR, diode 등),
Tube, laser, resistor, capacitor, inductive device, rotating device,
relay, switch, connector, inter-connection assembly, connections,
meters, quartz crystal, lamp, electronic filter, fuse, 기타 등 19 종
Part Count Method (PCM) : 개략적 예측 (초기설계 단계)
Part Stress Analysis Method (PSA) : 상세 예측 (상세설계단계)
Reliability Prediction 의 standard method 로 간주되어 유사한
approach 가 많이 등장 (예: Bellcore, SAE, CNET 등)
부품보다 장비의 예측에 활용
MIL-HDBK 217 의 고장률 계산
1.
Digital IC
 p   Q (C1 T  V  C2 E ) L
(회/106hours)
p
Part Operating Failure Rate
Q
Quality Factor
C1
회로복잡도 Factor, 내부 등가 TR 수, gate 수, bit 수에 따라 달라짐
T
온도가속 Factor , IC junction 온도에 따라 달라짐
 0.1exp{ A(
V
C2
1
1

)}
T j  273 298
Voltage stress derating factor
회로복잡도 Factor, Package 형태 및 IC 단자 수에 따라 달라짐
E
사용환경 Factor
L
숙련도 factor, 제조방법 및 기술의 안정성
MIL-HDBK 217 의 고장률 계산
2.
Metal Film Resistor
 p  b E Q R
b
Basic Failure Rate
 A exp{ B (
R
3.
(회/106hours)
T  273 G
S
T  273 J H
)  [(
)(
) ] }
NT
NT
NT
저항치 Factor
Tantalum Solid Capacitor
 p  b E Q cv SR
b
(회/106hours)
Basic Failure Rate
 A[(
S H
T  273 G
)  1] exp{ B (
) }
NS
NT
 CV
정정용량Factor
 SR
직렬저항 Factor
MIL-HDBK 217 의 가정
1. 고장률은 일정하다. (Constant Failure Rate)
2. 고장률은 전반적인 환경조건에 관계된다.
3. 고장률은 복잡성에 관계된다.
4. 파국고장과 열화고장을 모두 고려하기로 하였으나, 현실적으로
는 우발 고장에 해당하는 지수분포를 전제로 하고 있다.
5. 온도에 대한 효과를 주로 Arrhenius 모델을 이용하여 반영하고
있다. (그러나 이 모델은 steady state 온도를 가정한 것으로
thermal cycling 등의 효과를 반영하기 어렵다.)
우발 고장의 평가 – 부하강도 분석
우발 고장의 평가 – 부하강도 분석
strength
Safety factor : y /x
load


x
Safety margin : (y - x) / s
y
Loading roughness : 
x
y
s
=
정규분포의 경우 신뢰도
R = P{Y > X} = P{Y – X > 0}
= P{Z > - (y - x) / s } = (SM)
(x2 + y2 )
x
/ s
고장 물리를 이용한 신뢰성 예측
POF approach - Failure Mechanism Modeling
POF Approach - Schematic
신뢰성시험의
분류
Mechanical
성능시험
Electrical
기능/성능시험
TAAF 프로그램
고온시험
환경시험
저온시험
ESS
온도사이클시험
환경시험
열충격시험
시 험
신뢰성시험
…
수명시험
개발성장시험
보증시험
인정시험
안전시험
안전 관련 시험
TAAF: Test, Analyze and Fix
신뢰성시험의 절차
Planning
ofof
Planning
Activities
Planning
ofActivities
Activities
Documentation
Documentation
Documentation
Environmental
Environmental
Environmental
Analysis,
Analysis,
Tailoring
Analysis, Tailoring
Tailoring
Assessment of
Test
Results of
Assessment
Assessment
of
Test
Test Results
Results
Assessment
of of
Test
Assessment
Assessment
of
Requirements
Test
Requirements
Test Requirements
Time
Time
Acceleration
Time
Acceleration
Acceleration
Test
Test
Test
Environmental
Environmental
Environmental
Verification
Verification
Verification
Planning
Planning
Planning
신뢰성시험의 종류
1. 신뢰성성장시험 (Reliability Growth Test : RGT)
- 시험, 분석 및 시정조치(Test, Analyze, and Fix)에 의해서 설계 및 제조상의 결함을
발견하고, 이를 시정 함으로서 시간이 지남에 따라 신뢰성이 향상되는 과정
- RGT를 통해서 수집된 자료로 신뢰도 추정 및 신뢰성성장 과정 모니터링 가능
- 개발초기 단계의 목표 신뢰성과 현재의 신뢰성을 비교하여 활용
- 신뢰성성장관리(reliability growth management) : 신제품과 신뢰성이 낮은 제품의
개선을 위해 사용(신뢰성목표와 실적을 비교하여 자원을 배분하고 신뢰성목표를 달성)
- 소비자 불만 제거, A/S비용 절감

적용시기
- 시제품 생산 후반부 : 시제품의 시험결과를 설계변경에 적용하기 위해

Duane Model
신뢰성시험의 종류
2. 신뢰성보증시험 (Reliability Qualification Test : RQT)
- 계약 또는 설계 초기단계에서 설정된 신뢰성목표를 달성하였는지의 여부를 평가
- RGT를 통해서 불합격된 제품의 시정과 합격된 제품의 향상에 도움
- 특성(계량, 계수), 샘플링방법(고정, 축차), 수명분포(정규, 지수, 와이블)에 따라 다양

적용시기
- 아직 양산이 시작되지 않아 문제를 시정할 시간이 있을 때

신뢰성보증시험의 설계
- MIL-STD 690C

시험의 종류
- 계수형 : Plans for small lots, Plans for large lots, ANSI/ASQ Z1.4, 축차시험
- 계량형 : 정시중단시험, 정수중단시험, 축차시험, 베이즈축차시험
신뢰성시험의 종류
3. 신뢰성수락시험 (Production Reliability Acceptance Test : PRAT)
- 설계단계에서 결정된 제품의 신뢰성이 양산단계에서 저하되지 않고 유지됨을 보증하기
위해, 또는 소비자의 신뢰성 요구를 충족함을 보증하기 위한 시험
- RGT를 통해서 적시에 신뢰성문제에 대한 경고와 시정초치에 필요한 자료를 제공
- 특성(계량, 계수), 샘플링방법(고정, 축차), 수명분포(정규, 지수, 와이블)에 따라 다양

적용시기
- 양산단계에서 실시, 생산기간 동안 주기적으로 또는 연속적으로 실시

적용지침
- 생산기간 중에 RQT를 일정 간격을 두고 반복하는 것
- 생산되는 모든 제품을 일정 기간동안 시험, 총 시험시간과 고장갯수를 가지고 출하품의
합격 또는 불합격을 결정(축차시험방법을 변형)
신뢰성시험의 종류
4. ESS (Environmental Stress Screening)
- 잠재적인 결함이 있는 제품이 출하되어 초기고장으로 나타나는 것을 예방하기 위해
- 고장을 촉진할 수 있는 온도싸이클, 고온, 진동 등 스트레스를 인가
- 고유신뢰도를 보증하기 위한 시험

적용시기
- 양산단계에서 실시, 공급자로 부터 수입되어 조립되는 부품에도 적용

기본원칙
- 양산되는 모든 제품에 대해 100% 적용, 결함이 없는 제품에 영향을 주지 않고,
설계결함과 작업자 및 공정에서 유발된 결함을 찾아내야 하며, 선별력을 최대화 할 수
있도록 설계
신뢰성시험의 종류
5. Burn-in
- 제품의 특성을 안정화 시키기 위해 스트레스를 인가하여 동작시킴
- 사용조건보다 고온에서 일정기간 동안 전원을 인가하여 동작, 혹은 무부하 상태로 방치

ESS와의 구별
- Bunr-in 과정에서 결함이 있는 제품을 선별할 수 있어 ESS와 동일시 할 수도 있음
- ESS에서 고온을 스트레스로 적용한 특별한 경우로 생각할 수도 있음
신뢰성시험의 종류
6. 가속시험 (Accelerated Test)
- 시간을 단축시킬 목적으로 사용조건보다 가혹한 조건에서 수행하는 시험의 총칭
- 가속수명시험, 가속스트레스시험

가속수명시험과 가속스트레스시험의 비교
구 분
가속
수명시험
가속
스트레스시험

목 적
대 상
방 법
사용조건에서의
수명 추정
부품 또는 간단한
어셈블리
일정 스트레스 적용
수명-스트레스 관계식
설계약점 발견 및
신뢰성향상
PBA 또는
어셈블리
계단형 스트레스와 복합
스트레스를 적용
가속시험의 장점
- 개발 및 양산 검증 시간을 단축시켜 개발비용을 줄 일 수 있음
- 설계평가를 위한 잠재적 고장모드, 취약점 등 정보를 빨리 수집 가능 및 짧을 시간에
수명 추정이 가능
환경시험
1. 환경시험 개요
- 최종검사를 마친 제품의 저장, 운송 등 사용되기 전까지의 과정에서 기본성능을
유지할 수 있는지의 여부를 보증하기 위함
- 실제 기업에서는 신뢰성시험과 환경시험을 혼용함, 즉 강화된 환경시험을 신뢰성
시험으로 인식함
- 고온시험, 저온시험, 온도싸이클 시험, 열충격시험, 진동시험, 낙하시험, 충격시험
고온고습시험, 온습도시험
환경시험
Temperature
change rate
Minimum
Temperature
Maximum
Temperature
Weight, size and
number of
specimen
Humidity range
Special fixtures
(e.g. entry ports,
hand holes, …)
Cooling facilities at
site (water/air)
2. 환경시험
결정요소
Networking, data
logging
Heat dissipation
of specimen
환경시험
3. 환경시험의 종류
① 고온시험(Method 108, Life- at Elevated Ambient Temperature)
- 온도
70±2℃, 85±2℃, 100±2℃, 125±3℃, 150±3℃, 200±5℃,
350(tolerance as specified), 500(tolerance as specified)
- 시험시간
96h, 250h, 500h, 1000h, 2000h, 3000h, 5000h, 10000h, 30000h, 50000h
② 온도싸이클 및 열충격시험(Method 107, Thermal Shock)
- Air to Air 경우
- Liquid to Liquid 경우
환경시험
③ 온습도시험(Method 103, Humidity-Steady State)
- 온·습도: 40±2℃/90∼95%RH
- 시험시간: 96h, 240h, 504h, 1344h
④ 진동시험(Method 201, Vibration)
- 진폭: 0.03inch
- 주파수: 10∼2,000Hz
- 10Hz에서 시작하여 55Hz까지 갔다가 다시 10Hz로 돌아오는데 걸리는
시간을 sweep이라고 함. 이 과정을 x, y, z축 각 방향으로 반복.
⑤ 85℃/85%시험 및 (불)포화증기가압시험
- 수분의 침투에 의한 영향을 평가하기 위한 시험 중에서 시험시간을
단축하기 위하여 많이 사용되고 있음.
환경시험
a. 85℃/85%시험
- 관련규격 : JIS C 7022 B-5, KS C 6049 B-5, JESD-22 A101,
EIAJED-4701 B-121, B-122
- 시험조건 : 85℃/85%
- 시험시간 : 1000h
b. 포화증기가압시험
- 관련규격 : JESD-22 A102
- 시험조건 : 121℃/100%
- 포화증기가압시험에 대해서는 시료에 수분이 부착하기 쉽고, 실제
고장과 다른 메카니즘을 갖는 경우가 많기 때문에 불포화증기가압
시험이 추천되고 있음
c. 불포화증기가압시험
- 관련규격: JESD-22 A110, EIAJ ED-4701 B-123
- 시험조건
110’C/85%/(17.6psia)/200hr,120’C/85%/(24.4psia)/100hr
130’C/85%/(33.5psia)/50hr, 140’C/85%/(44.5psia)/25hr
환경시험
 국내기업의 환경시험 현황
고온고습 저온 고온 고온고습 저온
동작
동작 동작
방치
온도
열충격 내구 고온 정전기
방치 사이클
수명 수명
내력
CTV
m
m
m
m
m
m
m
m
m
m
VTR
m
m
m
m
m
m
m
m
m
m
모니터
m
m
m
m
m
m
m
m
m
m
PC
m
m
m
m
m
m
m
m
m
m
전자레인지
m
m
m
m
m
m
m
m
m
m
낙뢰 전압 순시
CTV
복합시험
Power 포장 포장 HALT
내력 변동 정전 (온도,진동) On/Off 낙하 진동
m
m
m
m
m
m
m
기구물
내구
m
X
VTR
m
m
m
m
m
m
m
m
Deck 시험
모니터
m
m
m
m
m
m
m
m
X
PC
m
m
m
m
m
m
m
m
CD Tray
전자레인지
m
m
m
m
m
m
m
m
Door On/Off
주요 환경시험 규격
1) IEC 규격
- 일반 : IEC Pub. 60068, Basic Environmental Testing Procedures.
※ 적용 대상: 부품과 장비 모두에 적용.
- 반도체 디바이스 : IEC Pub. 600749, Semiconductor Devices, Mechanical and Climatic Test
Method
2) JIS 규격
-일
반 : JIS C 0010, 환경 시험 방법(전기·전자) 통칙
- 개별반도체 : JIS C 7021, Environmental Testing Methods and Endurance Testing Methods for
Discrete Semiconductor Devices
- 집 적 회 로 : JIS C 7022, Environmental Testing Methods and Endurance Testing Methods for
Semiconductor Integrated Circuits
3) KS 규격
-일
반 : KS C 0210-0262, 환경 시험 방법 (전기·전자)
- 개별반도체 : KS C 6046(1978), 개별 반도체 소자의 환경 시험 방법 및 내구성 시험 방법
- 집 적 회 로 : KS C 6049(1980), 반도체 집적회로의 환경 시험 방법 및 내구성 시험 방법
주요 환경시험 규격
4) MIL 규격
- 수동소자 : MIL-STD-202, Test Methods for Electronic and Electrical Component Parts.
적용 대상 : capacitor, resistor, inductor, switch, relay와 같은 수동소자에 적용
- 개별반도체 : MIL-STD-750, Test Methods for Semiconductor Devices.
적용 대상 : Diode, Transistor 등과 같은 개별 반도체 소자에 적용
- 집적회로 : MIL-STD-883, Test Method and Procedures for Microelectronics.
적용 대상 : Multichip, Hybrid Microcircuit 등과 같은 집적회로에 적용.
-기
기 : MIL-STD-810, Environmental Test Methods and Engineering Guidelines.
적용 대상 : 기기(Equipment)에 적용.
- MI-HDBK-189, Reliability Growth Management
- MI-HDBK-217F, Reliability Prediction of Electronic Equipment
- MIL–HDBK–251, Reliability/Design Thermal Applications
- MIL–HDBK–338, Electronic Reliability Design Handbook
- MIL–HDBK–344, Environmental Stress Screening of Electronic Equipment
- MIL–STD–690C, Failure Rate Sampling Plans and Procedures
- MIL–HDBK–781, Reliability Test Methods, Plans and Environment for Engineering Development,
Qualification and Production
- MIL–STD-790F, Reliability Assurance Program for Electronic PartsSpecifications
- MIL–HDBK-2155, Failure Reporting, Analysis and Corrective Action System (FRACAS)
- MIL–HDBK-2164, Environmental Stress Screening Process for Electronic Equipment
주요 환경시험 규격
5) JEDEC 규격(반도체 디바이스)
· JESD-22, Test Methods & Procedures for Solid State Devices
6) EIAJ 규격( 반도체 디바이스)
· EIAJ ED-4701(1992), Environmental and Endurance Test Methods for
Semiconductor Devices
주요 규격/단체
Abbreviation
Full name
Web-Source
ASTM
American Society for Testing and Materials
www.astm.org
MIL-STD
Military Standard - Department of Defense, USA
www.mil-std-xxx-com *
BS
British Standard
www.bsi.org.com
DIN
Deutsche Industrienorm - German Industrial Standard
www.din.de
IEC
International Electrotechnical Commission
www.iec.ch
JIS
Japanese Industrial Standards
www.jisc.org
ISO
International Organisation for Standardisation
www.iso.ch
DEF STAN
Defense Standard
JEDEC
Joint Electron Device Engineering Council
www.jedec.org
SAE
Society of Automotive Engineers
www.sae.org
UL
Underwriters Laboratory Inc.
www.ul.com
KS
Korean Standard
www.ksa.or.kr
General Source for International Testing Standards
www.nssn.org
* xxx has to replaced by the number of the standard, e.g. www.mil-std-883.com