How to Improve Reliability of Electronic Equipment?

[Oldie but Goodie]

 

전자장비의 신뢰도 향상 방안

2002.5

 

<요 약 문>

전자장비의 신뢰도 향상 방안으로 설계(Design) 단계에서 결함내구 설계(Fault Tolerance Design), 중복 설계(Redundancy Design), 부품개선 등과 시험(Test) 단계에서 신뢰도 성장 시험 및 관리, 환경 스트레스 스크린(ESS ; Environmental Stress Screening)을 제시한다.

 

순 서   1. 서 론 2. 본 론 가. 설계단계에서의 신뢰도 향상 방안 나. 시험단계에서의 신뢰도 향상 방안 3. 결론 및 참고자료

 

1. 서 론

 

일반적으로 종합군수지원(ILS)과 신뢰도 향상의 목표는 무기체계의 효율성과 가용도를 높이고, 그에 따르는 보증 및 정비 비용 감소에 있다. 이에 본문에서는 연구/개발단계에서 적용 가능한 신뢰도 향상 방안을 제시한다.

 

2. 본 론

 

무기체계 연구/개발단계를 설계(Design)단계, 시험(Test)단계로 나누어 각 단계에서 고려해야 할 사항과 신뢰도 향상 방안을 제시한다.

 

가. 설계단계에서의 신뢰도 향상 방안

설계단계에서 고려할 수 있는 있는 신뢰도 향상 방안으로 결함내구 설계(Fault Tolerance Design), 중복 설계(Redundancy Design), 부품 개선, 고장유형 및 영향분석(Failure Modes, Effects Analysis), 부품 부하경감(Parts Derating), 설계 개선이 있다.

(1) 결함내구 설계(Fault Tolerance Design)

(가) 고장안전(Fail Safe) 설계

조작상 과오로 기기의 일부에 고장이 나더라도 다른 부분의 고장이 발생하지 않도록 설계

예) 휴즈(Fuse), 엘리베이터 정전시 제동장치 등

(나) Foolproof 설계

사용자가 잘못된 조작을 하더라도 기기의 고장이 발생하지 않도록 설계

예) 알람(Sound/Lamp Alarm), 인터록(Interlock) 등

(2) 중복 설계(Redundancy Design)

필요한 부품외 잉여의 부품을 추가하여 체계의 가용도를 높이는 설계를 말한다.

(가) 적용 대상

(수리가 불가능하거나 매우 값비싼)장기간 수명을 요구 시스템, 안전, 환경, 장비 보호에 치명적인 시스템, 일정 기간동안 정비를 할 수 없는 시스템, 높은 가용도가 요구되는 시스템

(나) 중복 설계(Redundancy Design) 예시

1) 수동형 중복 설계(Static Redundancy)

2) 능동형 중복 설계(Dynamic Redundancy)

3) 혼합형 중복 설계(Hybrid Redundancy)

(다) 신뢰도 산출 [6～7]

일반적 직렬 모델(Serial Model)과 중복 모델(Redundancy Model)의 신뢰도 산출식과 산출 예시는 다음과 같다.

1) 직렬 모델(Serial Model)

2) 중복 모델(Redundancy Model)

3) 신뢰도 산출 예시

체계 구성품(M1～M3)의 신뢰도(R1～R3)가 각각 0.9일 때의 체계 신뢰도(RS)는 다음과 같다.

가) 직렬 모델

나) 중복 모델

(3) 부품 개선

부품 품질(Quality)별 품목(Type)별 고장률 차이가 많은데 품질을 높이려면 비용이 많이 들고, 품목을 바꾸려면 추가 설계변경을 수행해야 하므로 비용이득이 큰 대안을 선택해야 한다.

(가) 품질(Quality)별 고장률 차이 ☞ 비용 고려

저주파수 다이오드/트랜지스터, 광검출기(Photodetectors), 문자 표시기(Alphanumeric Displays) [1]

 

품질등급	고장률(회/106시간)	품질인자(πQ)
JANTXV	0.0531	0.7
JANTX	0.0758	1.0
JAN	0.1821	2.4
Lower	0.4172	5.5
Plastic	0.6068	8.0

 

(나) 품목(Type)별 고장률 차이 ☞ 설계변경 고려

고주파수(마이크로파, 무선주파 ; ≥ 200MHz) 다이오드 [1]

품목	고장률(회/106시간)	기본 고장률(λb)
Tunnel and Back	0.1771	0.0023
Varactor and Recovery	0.1925	0.0025
PIN	0.3118	0.0081
Schottky Barrier	0.8324	0.0270
Gunn/Bulk Effect	13.8	0.1800
Si IMPATT	71.11	0.2200

(4) 고장유형 및 영향분석(Failure Modes Effects Analysis)

고장유형 및 영향분석은 고장으로 인한 결과나 영향을 결정하기 위해 잠재적인 고장유형을 분석하고 이들 고장유형을 그 위험도에 따라 분류하며 분석결과는 설계 변경 및 보증의 기초자료로서 지속적으로 관리하고 최신화하며, 분석과정은 다음과 같다.

(5) 부품 부하경감(Parts Derating) [6]

부품에 대한 신뢰성을 강화하기 위해 주어진 규격이나 능력내에서 부품에 인가되는 부하의 수준을 제한하는 것이 부하경감(Derating)이다. 이것은 주로 전자부품에서 많이 응용되며, 모든 부품의 부하경감은 절대적인 최대치에 의해 행해진다. 전압, 전류, 전력 등은 전형적인 부하경감의 인자이다. 특히 온도(Temperature)는 전기전자 부품뿐만 아니라 기계 및 재료에서도 고장을 발생시키는 중요한 인자이다. 전자부품에 가해지는 스트레스(Stress) 인자는 일반적으로 다음과 같다.

(가) 온도 (Temperature)

일반적으로 내부온도나 가장 높은 온도가 계산상의 근거로 사용된다. 반도체나 금속화로 되어있는 경우 절연체에 의존하는 시스템에 있어서 매우 중요한 인자이다.

(나) 전압 (Voltage)

전력을 다루는 기기와 과도전압이 중요한 경우에 있어서 부하경감이 되어야하는 인자이다.

(다) 전류 (Current)

작은 부품에 있어서 중요한 부하경감 인자이며, 고출력스위치, 전력트랜지스터, 소형집적회로, 고주파수가 적용되는 부품에 있어서 고려하는 인자이다.

(라) 주파수 (Frequency)

로직, 디지털 집적회로, 반도체 메모리에서 중요한 인자이다.

(마) 습도 (Humidity)

부품의 수명기간 중 부식이 고려대상인 경우에 중요한 인자이다.

(바) 기타요인

온도주기(Temperature cycle), 전력주기(Power Cycle), 염분(Salt), 먼지(Dust) 등의 인자가 있다.

 

※ 참고로 부하경감에 대한 표준안에는 몇 가지 부하경감조건을 명시하고 있다.

커패시터 : (모든 타입) 직류(DC Voltage)는 정격치(Rated Value)의 50%로 한정한다. 이는 동작전압(Operating Voltage)과, 파동전압(Ripple Voltage), 과도전압(Transient) 등이 포함된다. 온도는 최대치에 비해 20℃ 낮은 정도로 한정해야한다.

변압기와 인덕터 : 감겨있는 코일전압과 주파수에 대해 경감하지 않고, 온도는 절연체에 대해 경감하지 않는다.

릴레이와 스위치 : 저항 부하(Resistive loads)는 정격치의 75%로 제한하고, 정전용량 부하(Capacitive loads)는 정격치의 75%로 제한하며, 유도 부하(Inductive loads)는 정격치의 40%로 제한한다.

램프류 : 백열등은 전압률의 94% 제한하고, 발광다이오드(LED)는 평균전류의 50%, 온도는 95℃로 제한한다.

 

(6) 설계 개선

(가) 단순화

구성품 내에 있는 제품의 개수를 최소화하고 시스템 내에 있는 구성품 수를 감소시킨다.

(나) 기능의 명확화

요구되는 기능을 수행하기 위하여 시스템의 조직과 복잡도를 조사하여 기능을 명확히 한다.

(다) 기능의 조합

어떤 시스템이 한 가지 이상의 기능을 수행하는지 결정하고, 기능을 조합하여 다른 부품에 대한 필요성을 제거한다.

(라) 기능의 축소

임무를 완수하도록 하기 위해 반드시 수행되어야 하는 기능의 개수를 감소시킨다.

 

나. 시험단계에서의 신뢰도 향상 방안

시험단계에서 고려할 수 있는 있는 신뢰도 향상 방안으로 신뢰도 성장시험 및 관리, 환경 스트레스 스크린(ESS ; Environmental Stress Screening)이 있다.

(1) 신뢰도 성장시험 및 관리

신뢰도 성장시험 및 관리란 동일하거나 유사한 시스템 또는 장비에 관한 예측치 또는 과거의 경험으로부터 얻은 현재 이용 가능한 정보를 가지고서 어떤 미래의 개발 시점에서 시스템 또는 장비의 신뢰도를 예측하고, 신뢰도 시험/수정/평가를 통해 계획한 신뢰도에 도달하도록 하는 체계적 관리이다.

(가) 신뢰도 성장시험 모델(Duane Model) [3∼7]

만일 시스템이나 장비의 MTBF 성장 또는 신뢰도의 증가 추세가 개발/운용됨에 따라 로그(Log) 분포 형태와 유사하다면 Duane 모델을 사용할 수 있다.

(나) MTBF 성장률(Growth Rate) [3-7]

시험, 분석, 설계변경 과정이 얼마나 빨리 수행되는가, 확인된 문제가 얼마나 현실적인가, 문제를 얼마나 잘 해결하였는가에 따라 성장률의 정도는 달라지며, 다음은 MTBF 성장률의 예시이다. [7]

장 비	성장률 α
컴퓨터 시스템	0.24 ∼ 0.36
항공우주 전자장비	0.57 ∼ 0.65
공격 레이더	0.6
로켓 엔진	0.46
항공기 발전기	0.383

 

(다) 신뢰도 성장 관리의 요소

신뢰도 성장관리 요소로는 신뢰도 관리를 위한 업무 절차, 시험/분석/수정, 합리적인 시험조건의 설정, 현실적인 제한요소-체계특성, 개발기간, 인력 및 장비-가 있으며, 요소별 설정 및 관리를 통해 신뢰도 목표를 달성한다.

(라) 신뢰도 성장시험 과정 예시

(라) 신뢰도 성장관리 모델 [5]

설계, 시험, 고장원인 탐구하여 설계 변경을 수행하고 설계가 완성되면 계획한 신뢰도와의 비교에 의한 신뢰도 평가를 통해 재설계 변경을 기할 수 있도록 하는 과정을 반복한다.

(2) 환경 스트레스 스크린(ESS ; Environmental Stress Screening)[8]

현재 군사(Military) 부품은 수요가 감소하여 제조사에서 단종을 선언하거나 단종계획을 발표하는 사례가 늘고 있다. 제조사에서 조차 장기적인 단종계획은 없는 상태이고 수요가 감소하면 언제라도 단종을 선언하는 추세이다.

따라서, 현재 설계되는 부품 중 산업용(Commercial) 부품이 차지하는 비중이 점차 높아지고 있으나 산업용 부품은 대부분이 사용온도만 보장하고 있다. 즉 환경조건에 대한 강인성은 보장하지 않거나 보장한다 하더라도 전수검사가 이루어지지 않은 상태이다.

산업용 부품을 사용할 때는 부품단위의 수입검사 혹은 조립체 단위에서 부품의 결함을 스크린 하여야 한다.

현재 부품단위의 스크린은 많은 비용이 소요되므로, 중요한 부품을 제외한 대부분의 부품결함에 대한 검사는 인쇄회로판(PCB) 혹은 조립체 단위에서 수행하고 있다.

(가) 실시 배경

미 정부의 권장으로 1980년 중반부터 ESS Guideline을 개정하기 시작하였으며, 이 작업은 3군에서 공동으로 진행하였다. 미국방성 지침(DoDI 5000.2)에 환경 스트레스 스크린을 실현하는데 대한 지침이 있다. 실제 사용환경에서 대부분의 고장은 불량부품과 제조상의 부적절한 기술이 원인이다. 1950년대에 불량부품으로 인한 재가공을 줄이기 위하여 부품의 기능에 대한 입고검사가 시작되었다. 부품의 초기고장으로 인한 장비의 높은 고장률을 경험하여 1960년대부터 상위 조립단계에서 Burn-in 시험(부품의 특성을 정격 내에서 안정화시키기 위한 시험[2])을 실시하기 시작하였다. 그러나 제조상에서의 결함을 발견하기 위하여 적절히 조립체에 스트레스를 가하는 시도는 없었다.

환경 스트레스 스크린은 제조공정 상에서 가능하면 일찍 잠재성 결손인자를 확인하고 재발하지 않도록 공정을 수정하기 위하여 1970년대에 소개되었다. 각 군은 환경 스트레스 스크린 수행에 대한 규칙과 지침을 독자적으로 개발하였지만 3군 간의 비능률적인 환경 스트레스 스크린 장비의 사용과 형상관리 및 병참학 시스템이 증가되어 충돌과 혼란으로 빠져들었다. 이 문제를 해결하기 위하여 3군이 공동으로 지침을 개정하였다.

(나) 정의

제조상의 부족한 기술에 의해서 기인되거나, 고장/한계부품의 문제를 분리하여 장치의 고장, 잠재성, 간헐성 혹은 초기의 결함을 촉진하기 위한 하나 혹은 그 이상의 환경 스트레스 형태를 포함하여 실시하는 공정이다.

(다) 목적

작전과 유지비용을 절감하면서 무기 체계의 작전 요구성능을 만족하기 위하여 품질과 신뢰도를 개선하는데 있다. 즉 고장배제가 상대적으로 비용이 적게 드는 시점에서 전기, 전자, 광전자, 전기기계, 전기화학분야의 조립모듈과 체계의 품질 및 신뢰도를 한번에 개선하여 비용대 효과를 올리는데 있다.

(라) 적용

환경 스트레스 스크린에서 사용되는 가장 효과적이고 공통된 시험은 열 순환(Thermal Cycling)과 랜덤 진동(Random Vibration)이다. 스트레스는 조합 혹은 순서대로 생산설계 능력범위 내에서 단축기준에 근거하여 적용된다.

초기에는 수리된 구성품을 포함하여 제조된 구성품의 100%에 적용되어야 하고 선별과정에 있는 장비의 특성에 맞도록 활발히 수정되어야 한다. 즉, 최적화된 선별기준을 이끌어 내기 위해서 환경 스트레스 스크린 유형(Profile)을 지속적으로 평가하고 수정하여야 한다. 이 과정은 비용이 드는 공정이므로 비용 대 효과가 검토되어야 한다.

환경 스트레스 스크린이 적용되어야 하는 가장 낮은 수준(Level)은 모놀리식(Monolithic) 집적회로, 저항, 스위치 등의 부품단위이며 다음의 수준은 부품이 조립된 인쇄회로판(PCB) 단위이다. 가장 상위 수준은 몇 개의 서브 시스템을 갖는 시스템이 되는데 조립 수준이 올라갈수록 재수리 비용이 극적으로 증가하기 때문에 가능한 낮은 조립수준에서 환경 스트레스 스크린을 수행하는 것이 비용 대 효과 면에서 효과적이다. 그러나 어느 특정한 수준에서의 결함은 다음 수준에 가서야 발견이 되기 때문에 2 ∼ 3수준의 다중 조립 수준을 수행하는 것이 바람직하다.

환경 스트레스 스크린을 수행할 경우, 장비를 효율적으로 운용할 수 있도록 열 순환(Thermal Cycling)과 랜덤 진동(Random Vibration)을 분리하여 실시하여야 하고, 현재는 항공용 장비에만 국한되어 환경 스트레스 스크린을 실시하고 있지만, 고도의 신뢰도를 요구하는 장비들은 가능하면 환경 스트레스 스크린을 실시하는 것이 바람직하다.

(마) 장비별 초기고장 배제시험 현황(LG이노텍 연구소, 2000년 현재)

장비명	시험환경		시간	주기/주파수	규격
천마RT 국산화	고온	+60℃	18분	10주기	Tomson ESS MIL-STD-810
	저온	-40℃	18분
	진동	0.04g2/㎐	1.5분	20∼2000㎐
항공기용 HMS	고온	+50℃	3시간	5주기	MIL-STD-810
	저온	-35℃	3시간
	진동	0.02g2/㎐	15분/축	10∼500㎐
마이크로웨이브 탐색기	고온	+50℃	3.5시간	3주기	MIL-STD-810
	저온	-20℃	3.5시간
	진동	0.01g2/㎐	10분	20∼2000㎐
KT-1 통신제어장치	고온	+50℃	1시간	3주기	MIL-STD-781
	저온	-35℃	1시간
	진동	0.04g2/㎐	5분	20∼2000㎐

 

3. 결론

 

신뢰도 향상을 위해서는 단지 측정하는 것 이상의 활동이 필요하며, 그 방안으로 설계단계에서 결함내구 설계(Fault Tolerance Design), 중복 설계(Redundancy Design), 고장유형 및 영향분석(Failure Modes, Effects Analysis), 부품 부하경감(Parts Derating), 부품개선, 설계개선, 시험단계에서는 신뢰도 성장시험 및 관리, 환경 스트레스 스크린(ESS ; Environmental Stress Screening)이 있으며, 무기체계 특성에 적합한 분석, 시험 또는 절차를 선택하여 적용하되, 수명주기비용 면에서 가장 유리한 방식으로 적용하는 것이 바람직하다.

 

 <참고자료>

[1] MIL-HDBK-217F “Reliability Prediction of Electronic Equipment”

[2] MIL-STD-721C “Definitions of Terms for Reliability and Maintainability”

[3] MIL-HDBK-781A “Reliability Test Methods, Plans and Environments for Engineering, Development Qualification and Production”

[4] MIL-STD-1635 　“Reliability Growth Testing”

[5] MIL-HDBK-183 　“Reliability Growth Management”　

[6] MIL-HDBK-338B “Electronic Reliability Design Handbook”

[7] 김원경 저 “시스템 신뢰도 공학” , 2001. 9. 1, 교우사

[8] LG이노텍 연구소 Technical Report TR1-01-0002 “초기고장 배제시험으로서의 ESS적용 방안” , 2001. 3. 28, 김성준

 

(End)