제품 신뢰성과 고장 예측을 위한 새로운 접근 방법

  • 2018-05-03
  • 글 | 크레이그 아멘티(Craig Armenti), 멘토 보드 시스템 사업부




오늘날의 많은 전자 제품들은 많은 환경 장애(environmental stress) 속에서 장시간 작동해야 한다. 신뢰성 있는 제품을 설계해야 한다는 것은 새로운 개념이 아니지만, 신뢰성을 나타내는 지표로서 “메이드 인(made in)”라벨의 제품에 의존했던 시절은 이미 오래 전에 지나갔다. 고객들은 이제 실제 생산이 어디에서 이루어지든 관계없이 산업 전반에 걸쳐 안전성을 기대하고 있다.


신뢰성 있는 제품을 생산하는 것으로 알려진 업체들은 시장에서 신뢰성 없는 경쟁 제품보다 구매 증가를 통해 보상 받는다. 신뢰성 있는 제품은 고장 위험률, 제품 반품 및 품질보증 요청이 보다 적으며, 이 모든 요소들이 수익성 향상에 기여한다. PCB 설계자들은 이제 제품 신뢰성을 향상시키고 보드의 오류 가능성을 줄이기 위해 제조 전에 설계의 물리적 제약사항과 피로도 문제를 파악하는 것이 중요하다는 사실을 알고 있다.

물리적 검증 테스트

업계 통계에 따르면, 새로 출시되는 전자 제품의 사용 첫해 현장 고장률(FFR)은 최대 15%~20%에 이른다고 한다. 열악한 환경에서는 피로도가 최대 20%의 장애를 일으킬 수 있다. 대부분의 설계 팀은 물리적 테스트를 통해 신뢰성 문제를 파악한다. 초 가속 수명주기 테스트(HALT)로 알려져 있는 물리적 진동 및 가속 테스트는 제품의 신뢰성을 확보하고 환경 요소로 인한 잠재적 고장을 식별하는 확실한 메커니즘을 제공한다.

이 테스트는 양산 직전에 수행되며 전문 기술자를 필요로 한다. HALT 테스트는 실제 제품이 겪게 되는 것보다 훨씬 더 큰 피로도를 가함으로써 이루어진다. 이를 통해 제품이 엄격한 테스트를 거치는 동안 강제로 고장을 일으켜 취약점을 파악한다. 이러한 테스트 과정은 비용이 많이 들고 파괴적이어서, 최대 네 달의 기간과 각 설계 별로 평균 3만 달러 이상의 비용이 소요될 수 있다.

군용 제품 및 애플리케이션의 경우, HALT 테스트는 제품 수용을 위한 초기 오류 감지를 목표로 적격성 테스트(자격 검사)보다 먼저 수행된다. 군용 제품(물론 운송 및 기계류)은 고도의 신뢰성이 요구되는 응용 분야용으로 제작되기 때문에 가장 열악한 환경에서도 최적의 성능을 발휘해야 한다. 따라서 전자기 및 물리적 환경을 비롯한 다양한 환경 조건에서 안전 여유(safety margin)를 가진 포괄적이며 엄격한 테스트를 수행하는 것이 중요하다.

그러나 실험실마다 결과가 달라질 수 있으므로 부품의 정확성과 기능 한계가 드러나지 않고 있다가 현장에서 고장을 일으킬 수도 있다. 높은 비용과 시장 출시 시기(타임투마켓) 지연 때문에 실제로 물리적 진동 및 가속 테스트를 거치게 되는 프로토타입 설계는 소수에 불과하다.



설계 단계의 시뮬레이션을 통한 검증 개선


프로세스를 최적화하고 문제 발견으로부터 이를 바로잡기까지의 시간을 최소화 하기 위해 진동 및 가속도 시뮬레이션이 가능한 소프트웨어를 설계 단계에 추가해야 한다(그림 1). 이러한 소프트웨어 시뮬레이션을 수행한다고 해서 물리적 HALT 테스트의 필요성이 없어지는 것은 아니다.



그러나 설계팀은 레이아웃 도메인에서의 분석을 통해 조기에 고장 가능성을 제거함으로써 HALT 비용을 절감하고 신뢰성 전문가들이 겉으로 드러나지 않는 문제들에 더 많은 시간을 집중하도록 할 수 있다. 전기 설계 분야와 기계 설계 분야를 이어주는 진동 및 가속 시뮬레이션을 통해 테스트 커버리지를 넓히고 설계주기를 단축시켜 제품 신뢰성을 높이고 시장 출시 시기(타임투마켓)를 단축할 수 있다.

진동 및 가속 시뮬레이션 시에는 가속 부하를 전 방향에서 인가하여 상용시 보드가 응력을 받는 곳의 위치를 분명히 밝혀내야 한다. 효율성을 위해 분석 기능은 밀접하게 통합되고 사용하기 쉬워야 부품 배치와 동시에 테스트를 수행할 수 있다. 소프트웨어는 구성품의 무게와 경계 조건에 따라 보드의 물리적 스택업과 소재를 자동으로 읽어 들여 시뮬레이션 설정을 간소화 해야 한다.

사용자는 시뮬레이션 시에 사용할 스위프 주파수와 제약 유형 또는 경계조건만 정의하면 된다. 최종적으로, 사용자는 고조파 주파수를 직접 볼 수 있어야 하며 잠재적으로 고장을 야기할 수 있는 모든 구성 요소에 응력을 가할 수 있어야 한다. 최상의 시나리오는 신속한 설계 시뮬레이션을 위한 다음 두 가지 옵션을 레이아웃 도메인에서 제공하는 것이다.

▶ 진동 : 상대 응력과 변형 값을 계산하여 부품 리드와 핀의 접촉 영역에 존재하는 취약 부분을 정확히 찾아낸다. 이 결과는 나중에 부품 고장 발생 확률로 변환할 수 있다.
▶ 등가속도 : 선형 정적 분석을 제공한다. 이를 통해 등가속도를 설계에 적용해 폰 미제스(von-Mises) 응력, 변형 및 안전율을 계산할 수 있으며, 이 모든 수치는 나중에 해당 부품의 합격/불합격 값으로 변환할 수 있다.

고장 난 부품을 식별하고 나면 풀 애니메이션 기능의 포스트프로세서 인터페이스가 제공되어 부품 고장을 야기하는 정확한 변수와 요인들을 알아낼 수 있도록 도와준다. 간소화된 포스트프로세서 뷰가 문제가 있는 부품을 집중 조명하므로, 사용자는 잠재적인 부품 고장을 찾아내 바로잡을 수 있다(그림 2).



따라서 제품 신뢰성에 대한 전문지식이 없는 엔지니어나 디자이너도 자신들의 설계가 갖고 있는 피로도와 진동 문제를 손쉽게 알아낼 수 있다. 고급 뷰 모드도 제공 되므로 제품 개발팀은 이를 통해 제품 고장의 원인을 더욱 깊이 파고들어 파악해낼 수 있다. 후처리가공(post processing) 유틸리티는 가상 프로토타입의 시각화를 맞춤화할 수 있는 능력 외에 중요 영역의 변형 강도를 구성할 수 있는 메커니즘도 제공하여 보드가 어떻게 변형되는지 직접 볼 수 있도록 해야 한다. 보드의 변형은 풀 애니메이션으로 볼 수 있도록 해서 진동 분석 시에 보드가 어떻게 휘고 진동하는지 디자이너가 직접 볼 수 있어야 한다.



대표적인 시뮬레이션 사용 사례


레이아웃 영역의 진동 및 가속 시뮬레이션을 통해 물리적 테스트를 줄일 수 있다. 가상 진동 및 가속 시뮬레이션의 결과로 감소되거나 제거되는 물리적 테스트의 예는 다음과 같다.

▶ 배송 중에 발생하는 문제를 테스트하기 위해 어떤 업체는 자사 제품을 전세계의 여러 목적지로 보낸 뒤 다시 반송시킨다. 제품이 아무 문제 없이 반송되면 합격된 것으로 간주된다. 그렇지 못할 경우에는 문제 부분을 해결하기 위해 설계를 업데이트하고 해당 제품의 개정 버전을 작성한 뒤 물리적 테스트 프로세스를 반복한다.
▶ 사용 중에 발생하는 문제를 테스트하기 위해 어떤 업체는 자사 제품을 창고 내의 매우 넓은 바닥에 고정시킨 뒤 물리적 진동 분석을 실시한다. 이는 물론 비용과 시간이 매우 많이 들고 잠재적 파괴성도 높은 프로세스이다.
▶ 대형 커넥터를 갖춘 보드를 설계하는 업체들은 필요한 실험 장치를 위한 여유 공간을 두기 위해 커넥터를 배치하지 않은 채로 물리적 테스트를 수행해야 할 때가 많다. 이로 인해 테스트 환경이 부정확해져 거짓 양성(false positive) 결과를 얻게 된다. 가상 시뮬레이션에서는 최종 제품에서와 마찬가지로 모든 부품이 제 자리에 갖춰진 상태에서 디자인을 테스트할 수 있다.

이는 물론 가상 진동 및 가속 시뮬레이션을 채택한 결과 물리적 테스트가 줄어들거나 없어지게 되는 몇 가지 예에 불과하다. 모든 산업 전 범위에 걸친 많은 제품들이 이 첨단 기술 활용의 혜택을 누릴 수 있다.



가상 시뮬레이션의 이점


오늘날의 제품들은 열악한 환경에서 많은 문제에 직면해 이를 극복해야 한다. 고장 예측 알고리즘과 신속 정확한 전자동 유한요소 분석(FEA) 기능을 기반으로 하는 가상 진동 및 가속 시뮬레이션은 신뢰성 지향 설계(DFR) 분야의 새로운 접근 방법이다(그림 3). PCB 레이아웃 단계에서의 가상 HALT 시뮬레이션은 다음 기능을 비롯해 다양한 이점을 제공한다.

▶문제 부품의 시각화 및 즉각적인 식별
▶ 물리적 테스트에서는 놓칠 수 있는 고장 직전의 부품 발견
▶ 핀 레벨의 폰 베이스(Von-Base) 응력 및 변형 분석으로 고장 확률과 안전 계수 파악
▶ 고장 위험성이 큰 설계만이 아니라 모든 설계를 시뮬레이션
▶ 첫 번에 제대로 된 공정 설계를 통해 물리적 테스트 비용 절감

최근 현장에서 고장을 일으켜 뉴스에 나온 제품을 생각해 보자. 품질보증 요구, 사업 손실 및 잠재적인 시장점유율 손실은 최고의 대기업 조차도 엄청난 피해를 입힐 수 있다. 레이아웃 영역에 있는 상태에서 모든 보드에 대해 가상 시뮬레이션을 실행하는 기능을 통해 엔지니어와 디자이너는 보드가 제조업체로 보내지기 전, 제품 개발 프로세스 초기에 문제를 발견할 수 있다.

PCB 시스템의 신뢰성에 대한 독보적인 방법론

멘토, 지멘스 비즈니스는 업계 최초로 PCB 설계에 특화된 진동 및 가속 시뮬레이션 솔루션을 제공하고 있다. Xpedition®기술은 신속하고 정확한 분석을 위해 개발된 유한요소 엔진을 이용해 사용하기 쉬운 자동화된 환경을 제공한다. 이 기술은 다른 툴과 달리 PCB 레이아웃 디자이너용으로 최적화되어 있어 시뮬레이션과 향상된 재설계 작업을 데스크톱에서 수행할 수 있다.

Xpedition의 부품 모델링 라이브러리는 업계에서 가장 광범위해서 4,000개가 넘는 고유의 3D 솔리드 모델로 구성되어 있으며, 이는 시뮬레이션을 위한 고해상(highly defined) 부품의 생성에 사용된다. 사용자는 이 3D 라이브러리를 이용해 해당 기하학적 구조를 자신의 2D 셀 데이터베이스와 손쉽게 일치시킬 수 있다. 디자이너는 해당 부품 모델을 보드 상에서 조립한 뒤 이를 자동적으로 맞물리게 하여 성능 분석을 수행할 수 있다. 여기에는 필요한 모든 보강재와 기계 부품들이 포함되어 있다.

사용자는 직관적인 프리 프로세서(pre-processor)와 마법사를 통해 신속하고 정확한 가상 프로토타이핑 실행을 위한 시뮬레이션을 빠르고 손쉽게 설정할 수 있다. 특허 받은 포스트프로세서 기술을 통해 디자이너는 고장 가능성이 큰 부품들을 신속하게 찾아내 그 경계 조건, 재료 특성 및 환경 프로필을 분석할 수 있다. 또한 등가속 조건, 핀 레벨의 폰 미제스(Von-Mises) 응력, 상세 응력 및 변형 플롯에 대한 안전 계수 시뮬레이션과 3축 사용자 정의 힘 벡터(X, Y, Z) 시뮬레이션과 같은 특수 애플리케이션을 위한 가속 응력 시뮬레이션을 수행할 수 있다.
 

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