가속 수명 시험(ALT, Accelerated Life Testing)은 전자 제품 또는 전자부품의 신뢰성과 견고성을 판단하기 위한 빠르고 비용 효율적인 방법이다. ALT는 실제 필드 환경보다 훨씬 빠른 속도로 잠재 고장 위험을 확인하고, 제품 또는 부품의 수명 특성을 정량화하는 데 활용된다.
이를 통해 제품 설계를 개선하고 시장 출시 시간을 단축할 수 있다.
전자 제품에서 제품 신뢰성은 성공을 좌우하는 핵심 요소이다. 특히 인쇄 회로 기판(PCB)과 같은 전자 제품은 실제 사용 환경에서 다양한 스트레스를 받는다.
ALT는 제품이 현실에서 경험할 가능성이 높은 환경을 모사하고, 스트레스를 높여 손상을 더 빠르게 유도하는 방식이다. 대표적인 스트레스 조건에는 충격과 진동, 온도 변화, 습도, 전원 사이클링이 포함된다.
특히 인쇄회로기판(PCB)과 같은 전자 제품의 경우 더욱 그렇다.
가속 계수란?
가속 계수(AF, Acceleration Factor)는 특정 고장 메커니즘과 핵심 부품에 대해 필드 사용 시간과 시험 시간의 비율을 의미한다.
즉, 실제 환경에서 오랜 시간이 걸리는 고장 현상을 시험 환경에서 더 짧은 시간 안에 재현하기 위한 기준이다. 효과적인 ALT를 설계하고 수명 예측을 수행하려면 가속 계수를 이해해야 한다.
Tfield: 현장 노출 시간
Tt: 테스트 시간
가속 수명 시험의 두 가지 유형
가속 수명 시험은 크게 두 가지로 구분된다.
첫 번째는 정성적 ALT(Qualitative ALT)이다.
정성적 ALT는 고장 모드와 고장 메커니즘을 확인하는 데 목적이 있다. 대표적인 시험에는 HALT, HASS, Torture test, Shake and bake test가 포함된다.
이러한 시험은 제품의 품질과 신뢰성을 개선하기 위해 공통 고장 모드나 설계 결함을 찾아내는 데 활용된다.
장치가 시험을 견디면 정성 시험을 통과한 것으로 볼 수 있다. 또한 정성 시험은 이후 정량 가속 시험에서 사용할 스트레스 유형과 수준을 결정하는 입력값으로도 활용된다.
두 번째는 정량적 ALT(Quantitative ALT)이다.
정량적 ALT는 일정한 신뢰도와 신뢰 수준을 바탕으로 전자부품의 수명 특성을 정량화한다. 이때 가속 모델은 적용된 스트레스와 고장까지의 시간을 연결하는 역할을 한다.
일반적으로 사용되는 스트레스 시험에는 Thermal Cycling, Thermal-Humidity Bias, High Temperature Aging, Mechanical Cycling이 포함된다.
양PCB 조립품 신뢰성을 확인하는 BLRT
ALT는 필드 수명 예측뿐 아니라 보드 레벨 신뢰성 시험에도 활용될 수 있다.
BLRT(Board Level Reliability Testing)는 반도체 패키지가 PCB에 납땜된 이후의 견고성을 평가하기 위해 수행된다. 이 시험은 특정 시험 조건에 따라 정성적 또는 정량적 성격을 가질 수 있다. 목적은 설계와 제조 공정을 거친 조립품이 신뢰성을 확보하는지 확인하는 것이다.
가속의 유형
시험에서 가속은 크게 두 가지 형태를 가진다.
첫 번째는 사용률 가속(Usage Rate Acceleration)이다.
이 방식은 시험 대상 장치(DUT)에 가해지는 스트레스 수준은 실제 필드 조건과 동일하게 유지하면서, 스트레스가 적용되는 빈도를 높인다.
예를 들어 전자레인지 문을 10초마다 열고 닫으면서 필드에서 예상되는 사이클 수에 빠르게 도달하도록 시험할 수 있다. 이 경우 문을 여닫는 힘은 실제 사용 조건과 같지만, 반복 빈도는 훨씬 높아진다.
따라서 몇 년이 걸릴 수 있는 사용 조건을 몇 시간 또는 며칠 안에 평가할 수 있다.
두 번째는 고응력 가속(Higher Stress Acceleration)이다.
이 방식은 장치가 필드에서 경험하는 수준보다 높은 스트레스를 적용한다.
다만 설계 한계를 초과하는 과도한 스트레스는 피해야 한다. 시험이 실제 필드에서 발생하지 않는 고장 메커니즘을 유도하면 수명 예측의 의미가 낮아지기 때문이다.
따라서 시험 스트레스 수준은 제품 사양과 재료 물성의 상한 및 하한을 고려해 설정해야 한다.
수명 예측 설정에 필요한 변수
ALT가 가속 계수를 기반으로 구현되면, 수명 예측을 위한 시험 시간에 여러 변수가 영향을 준다.
수명 예측 설정에는 다음 요소가 포함된다.
- 필드 수명
- 듀티 사이클
- 신뢰성 계수
- 신뢰 수준
- 결정된 가속 계수
- 가정한 신뢰성 분포
- 시험 샘플 수
가속 계수는 관심 있는 고장 메커니즘에 따라 달라진다. 예를 들어 열-기계적 스트레스와 열 노화는 서로 다른 모델과 입력 변수를 필요로 한다. 따라서 가속 모델은 활성화 에너지, 스트레스 수준 등 해당 고장 메커니즘에 맞는 매개변수와 연결되어야 한다.
Bathtub Curve와 Weibull 분포
전자부품 수명 예측에서는 Bathtub Curve와 Weibull 분포가 자주 활용된다.
원문에서는 일반적으로 사용되는 신뢰성 분포로 2-parameter Weibull과 그 베타값(β)을 설명한다. β 값은 고장 이력이나 시간 또는 사이클 기반 고장 데이터에서 계산될 수 있다. 또한 일반적인 Bathtub Curve에서 예상되는 고장 유형을 기준으로 설정할 수도 있다.
β 값은 고장 시기에 따라 다르게 해석된다.
- β < 1: 초기 고장 구간
- β = 1: 일정한 고장률, 즉 랜덤 고장
- β > 1: 마모 고장 구간
이러한 변수들을 기반으로 신뢰성 소프트웨어를 사용하면 필요한 시험 샘플 수 또는 필요한 시험 시간을 계산할 수 있다. 계산 기준에는 목표 필드 수명, 신뢰도, 신뢰 수준, 샘플 수가 포함된다.
수명 예측 분석
ALT의 시험 계획을 수립하고 실행한 뒤에는 결과를 분석해야 한다.
고장이 발생하지 않았다면 해당 장치와 관심 고장 메커니즘에 대해 필요한 신뢰도와 신뢰 수준 지표를 확보한 것으로 볼 수 있다. 반대로 고장이 발생했다면 통계적으로 결과를 분석하고 예상 수명으로 외삽하기 위해 여러 고장 사례가 있는 것이 이상적이다.
즉, ALT는 단순히 고장이 나는지 확인하는 시험이 아니다. 제품이 어떤 조건에서 얼마나 오래 견딜 수 있는지, 어떤 고장 메커니즘이 주요 리스크인지, 어떤 시험 조건이 실제 필드 수명과 연결되는지를 해석하는 과정이다.
결론
전자부품 가속 수명 시험은 제품의 신뢰성과 견고성을 빠르게 평가하기 위한 방법이다.
ALT는 실제 필드 환경에서 오랜 시간이 걸리는 고장 메커니즘을 시험 환경에서 더 빠르게 확인할 수 있도록 한다. 이를 위해 가속 계수, 스트레스 조건, 고장 메커니즘, 신뢰성 분포, 샘플 수, 시험 시간 등을 함께 고려한다.
정성적 ALT는 고장 모드와 설계 결함을 찾는 데 활용된다. 정량적 ALT는 수명 특성을 신뢰도와 신뢰 수준 기반으로 예측하는 데 활용된다. 결국 ALT는 전자 제품과 PCB 조립품의 신뢰성을 높이고, 제품 설계를 개선하며, 시장 출시 시간을 줄이는 데 중요한 역할을 한다.
출처 : Ansys Predicting Electronic Parts Failures with Accelerated Life Testing (ALT)
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