가속 수명 테스트란?
가속 수명 테스트(ALT)는 전자 제품 또는 구성 요소의 신뢰성과 견고성을 결정하기 위한 편리하고 비용 효율적인 솔루션이다.
ALT는 잠재적 고장 위험을 파악하고 제품 또는 구성 요소의 수명 특성을 현장보다 훨씬 빠른 속도로 수량화 하여 제품 설계를 개선하고 출시 기간을 단축한다.
ALT는 현장보다 더 빠르게 스트레스를 증가시키고 손상을 유도하기 위해 다음과 같은 실제 환경에서 제품이 직면할 가능성이 있는 환경을 모방한다.
- 충격 및 진동
- 열 변화
- 습도
- 파워 사이클링
가속 계수란?
가속 계수(AF)는 특정 고장 메커니즘 및 수명 예측을 결정하기위한 효과적인 ALT를 설계할 때 핵심 구성 요소에 대한 현장 시간 대 테스트 시간의 비율이다.
가속 수명 테스팅의 유형
ALT에는 두 가지 유형이 있다.
- 질적
- 양적
엔지니어는 질적 ALT를 활용하여 고장 모드와 메커니즘을 표시한다. 예를 들어, 질적 테스트에는 다음이 포함된다.
- 초가속 수명 테스팅(HALT, High Accelerated Life Testing)
- 초고속 응력 화면(HAS, High Accelerated Stress Screen)
- 스트레스 테스트
- 일련의 파괴 시험(Shake and nake tests)
이러한 테스트는 제품의 품질과 신뢰성을 향상시키기 위해 일반적인 고장 모드 또는 설계 결함을 확인하는 데 사용된다. 장치가 생존할 경우 질적 테스트를 통과한다. 또한 질적 테스트는 양적 가속 테스트에 사용되는 스트레스의 유형과 수준에 대한 정보를 제공한다.
양적 ALT는 신뢰성과 신뢰도 수준을 가진 전자 부품의 수명 특성을 정량화 한다. 가속 모델을 사용하면 적용된 스트레스 요인을 고장 시간과 연관시킬 수 있다. 예를 들어, 일반적으로 사용되는 스트레스 테스트는 다음과 같다.
- 열 사이클링(TC, Thermal Cycling)
- 열-습도 편향(THB, Thermal-Humidity Bias)
- 고온 노화(High Temp Aging)
- 기계적 주기(Mechanical Cycling)
현장 수명 예측을 위한 ALT 외에도, 특정 보드 레벨 신뢰성 테스트(BLRT)를 인쇄 회로 보드 어셈블리(PCBA)에서 수행하여 장치가 인쇄 회로 보드(PCB)에 납땜 되면 반도체 패키지의 견고성을 평가할 수 있다. 이는 특정 테스트에 따라 질적 또는 양적 특성을 가질 수 있으며 설계 및 제조 공정에서 신뢰할 수 있는 조립을 보장하는 데 도움이 된다.
가속 유형
테스트에서 가속은 다음과 같은 형태를 취할 수 있다.
- 사용률가속(Usage Rate Acceleration)
- 고스트레스 가속도(High Stress Acceleration)
사용률 가속도는 현장에서 경험할 수 있는 스트레스와 동등하게 유지하면서 테스트 대상 장치(DUT, Device under test)에 적용되는 스트레스의 속도를 증가시킨다. 증가된 주파수가 테스트에서 합리적인 결과를 보여주면 DUT에 더 높은 스트레스 요인이 적용되지 않는다.
예를 들어, 엔지니어는 현장에서 예상되는 사이클 수에 도달할 때까지 10초마다 전자레인지 도어를 열고 닫음으로써 전자레인지 도어를 테스트할 수 있다. 이는 통상 환경에서도 예상되는 것보다 훨씬 빠른 속도이지만 도어를 작동시키는 데 적용되는 힘은 여전히 현장과 동일하다. 테스트에서 얻은 높은 주기에 비해 현장의 작동 주기가 상대적으로 낮기 때문에 몇 년이 아닌 몇 시간 또는 며칠 만에 테스트를 완료할 수 있다. 만일 DUT가 현장에서 훨씬 높은 작동 주기를 가진다면, 테스트에서 달성할 수 있는 가속도의 양은 제한적일 것이다.
높은 스트레스 가속도는 현장에서 발생하는 스트레스 수준을 넘어 장치에 대한 스트레스 수준을 증가시킨다. 여기서 더 높은 스트레스라는 용어가 사용되는 이유는 과도한 스트레스라는 용어가 장치의 설계 한계를 초과한다는 의미를 가질 수 있기 때문이다. 더 높은 스트레스 가속도를 사용할 때, 테스트가 현장에서 경험할 수 없는 고장 메커니즘을 유도하는 지점까지 장치에 스트레스를 가하지 않는 것이 좋다.
예를 들어, 테스트 온도가 조명 스위치의 설계 한계 내로 유지되는 한 최악의 환경에서 극한 온도를 초과하는 테스트에서 고온 및 저온에서 실외 전등 스위치를 작동하는 것이 적절할 것이다. 따라서, 테스트에서의 스트레스 수준을 제한하기 위해 기기의 사양과 재료 특성에 기초하여 설계 한계를 고려해야 한다.
수명 예측 설정
ALT가 AF로 구현되면 수명 예측에 대한 테스트 시간에 영향을 줄 수 있는 많은 매개 변수가 있다. 이러한 매개 변수는 다음과 같다.
- 현장 수명(작동 주기 포함)
- 신뢰성 요인(예: 90% 신뢰성)
- 신뢰 수준 요인(예: 80% 신뢰 수준)
- 가속도 계수 결정
- 신뢰도 분포 가정
- 테스트 중인 샘플 크기
AF는 사용되는 가속 모델의 유형을 구동하는 고장 메커니즘 (예: 열-기계 스트레스, 고온 노화 등)에 따라 달라진다. 모델은 활성화 에너지, 스트레스 수준 등과 같은 해당 매개 변수와 연관 되어야한다.
적응적이고 일반적으로 사용되는 신뢰도 분포는 관련된 베타 값(β)이 있는 2-모수 Weibull이다. 이 값은 고장 이력(고장 시간 또는 고장 주기 plot에서 계산) 또는 일반적인 욕조 곡선을 따라 예상되는 고장을 기반으로 할 수 있다. 일반적으로 β는 마모 유형 고장 메커니즘의 경우 1보다 크다.
- 초기 고장 기간 동안 β <1
- 일정한 실패율(무작위 실패)의 경우 β = 1
- 마모 실패의 경우 β> 1
이러한 매개 변수를 사용하여 표준 신뢰성 소프트웨어 도구를 사용하여 다음을 결정할 수 있다.
- 원하는 테스트 기간을 달성하는 데 필요한 테스트 샘플 수(n)
- 규정된 신뢰성, 신뢰도 수준 및 테스트 샘플 수로 현장 목표 수명을 달성하는 데 필요한 테스트 기간
수명 예측 분석
ALT 테스트 계획이 결정되고 실행되면 그 결과를 분석할 수 있다. 고장이 없는 경우, 해당 장치와 고장 메커니즘에 대해 필요한 신뢰도 및 신뢰도 수준 metric이 결정된다. 고장이 있는 경우, 통계적으로 결과를 더 잘 분석하고 기대 수명을 추정하기 위해 고장을 여러 개 갖는 것이 이상적이다.
출처 : Ansys Predicting Electronic Parts Failures with Accelerated Life Testing (ALT)
