신뢰성시험

신뢰성시험

신뢰성이란 특정 신뢰등급에 대하여 특정 조건하에서 특정 시간동안 기계적(mechanical), 전기적(electrical), 시각적(visual) 사양을 유지할 수 있는 부품 및 제품의 성능으로 정의될 수 있다. 부품 및 제품은 설계에서부터 생산, 사용, 파손에 이르기까지 전체 수명에 걸쳐 지속적으로 신뢰성을 향상시키기 위해 다양한 신뢰성시험이 수행되고 있다.

부품이나 제품이 제작된 이후에는 신뢰성을 향상시키기가 어렵기 때문에 가능한 많은 노력이 설계단계에서 이루어져야 하며 이러한 개념을 신뢰성지향 설계(Design for Reliability) 또는 약자로 DFR이라 한다. DFR은 잘 알려진 설계항목인 기계적, 전기적, 시각적 부분으로 구성되며 이들 설계항목은 부품 및 제품의 신뢰성을 극대화하기 위해 최상의 현장결과를 반영하도록 정기적으로 업데이트되어야 한다.

설계가 완성된 다음에는 부품레벨의 신뢰성시험이 수행된다. 여기에서 부품이라 함은 접합공정 이전의 소재를 의미하는 것으로 기계분야의 경우 선재, 판재, 봉재 등이 될 수 있고 전자분야의 경우 실리콘 웨이퍼, 전자부품, PCB 등이 될 수 있다. 이 레벨에서 발견되는 신뢰성 문제들은 이후의 제품레벨에서도 그대로 나타나기 때문에 반드시 교정되어야 한다. DFR의 개념을 잘 이행한다면 부품레벨에서 문제가 발생하는 확률을 상당히 감소시킬 수 있다.

부품들이 부품레벨 신뢰성시험을 통과하면 접합공정을 통해 제품으로 제작된 다음 제품레벨의 신뢰성시험이 수행된다. 제품레벨의 신뢰성 평가는 조립된 상태의 부품들에 대한 포괄적인 신뢰성 평가를 의미한다. 여기에는 제품 샘플들을 다양한 스트레스 환경에 노출시킨 다음 품질의 저하가 발생하였는가를 평가하는 과정이 포함된다. 이러한 과정은 대개 파괴적인 평가방법이므로 샘플검사를 수행하며 나머지 제품에 대해서는 확률통계적인 방법을 통해 신뢰성을 평가한다.

제품레벨의 신뢰성시험에는 많은 산업 표준화된 방법들이 있지만 엔지니어가 관심을 갖고 있는 파괴메커니즘에 기초하여 시험방법을 선택하여야 한다. 그렇지 않고 엉뚱한 스트레스 시험을 하면 엉뚱한 파괴메커니즘을 가속시키게 된다. 대부분의 신뢰성 시험은 온도, 습도, 압력, 전류, 전압 등의 스트레스 인자 중에서 하나 이상의 인자를 사용하여 파괴를 가속시킨다.

대량생산을 위한 공식적인 신제품 출시에 앞서 반드시 완전한 품질인증을 거쳐야 한다. 신제품 품질인증은 제품레벨 신뢰성시험과 동일한 방법으로 수행되나 대량생산된 신제품이 인정받도록 공식적인 신뢰성 데이터를 확보하기 위해 체계적으로 수행된다는 것이 다르다.

신제품 품질인증이 완료되어 대량생산과 소비가 이루어지는 제품에 대해서는 생산라인에서 주요 공정의 변동이 발생하지 않았는가를 확인하기 위해 생산된 제품에 대해 정기적인 신뢰성 모니터링이 수행된다. 신뢰성 모니터링은 단어가 의미하는 바와 같이 생산라인에서 완성된 제품을 가져와 신뢰성 시험을 수행하는 것이다. 양호한 신뢰성 결과의 경우에는 신뢰성 향상을 위해 원인분석을 수행한다.

제조 과정에서 문제가 없는 제품이 실제 사용현장에서 고장이 발생하는 원인으로는 설계단계에서 고려하지 못한 환경에 제품이 노출되기 때문이다. 예를 들어 핸드폰의 경우 찜질방에서 사용하게 되면 고온․고습한 환경에 노출된 핸드폰이 고장을 일으키기도 한다. 이와 같이 제품이 저장, 운송, 사용 중에 노출될 수 있는 환경에 대한 제품의 신뢰성을 평가하기 위하여 실시하는 시험이 환경시험이다. 대표적인 환경시험으로 항온항습시험, 열충격시험, 진동시험이 있다.

한편 전기ㆍ전자제품에 사용되는 소자들의 경우에는 다기능화, 고집적화 경향에 따라 지금까지 크게 문제되지 않았던 기계적인 신뢰성 문제들과 자주 마주치게 된다. 특별히 전자패키지의 경우에는, 패키지 열변형에 의한 접합부의 층간분리 (package delamination), 솔더 조인트의 피로파손 (fatigue failure) 등이 대표적인 문제로 꼽을 수 있다. 패키지의 기계적 파손은 전자소자의 전기적 기능 수행에 직접적인 영향을 주기 때문에, 전자소자 자체와 더불어 다양한 패키지 방법에 따른 기계적 신뢰성 확보가 필요하다. 패키지의 신뢰성은 최종 제품의 작동환경 하에서 보장되어야 하며, 앞서 서술한 여러 환경시험이 필요하다.

일반적으로 많이 사용되고 있는 제품의 경우에는 시험기준이 단체규격, 국가규격, 국제규격 형태로 표준화된 경우도 있으나 새로운 제품의 경우에는 적정한 환경시험 기준을 개발해야 한다.

환경시험은 일반적으로 다음과 같은 절차에 의해 진행된다.

1) 전처리(pre-conditioning) : 시험전의 제품 이력에 대한 영향을 없애고 특정한 제품에 있어서는 중화하는 과정

2) 초기측정(initial examination and measurement) : 시험환경에 제품을 노출시키기 전에 필요한 측정을 하는 과정

3) 컨디셔닝 및 중간측정(conditioning and measurement) : 제품이 특정한 시험환경에 노출되었을 때의 영향을 조사하기 위하여 미리 정한 환경조건에 노출시키는 과정, 요구가 있는 경우 중간측정을 실시

4) 후처리(recovery) : 시험 후 제품 특성을 측정하기 전에 제품을 안정시키는 과정

5) 최종측정(Final examination and measurement) : 시험 후필요한 제품 특성을 측정하는 과정

이러한 절차에 있어서 제품의 특성을 측정하는 경우 다음과 같은 표준 대기조건에서 측정하여야 한다.

단, 측정환경에 민감한 제품의 경우에는 대기조건을 다음 표 중에서 선택한다.

제품에 영향을 미칠 수 있는 여러 다양한 환경에 노출될 가능성이 높아지면서 제품 설계단계에서는 사용 환경에 대한 조사와 대책이 과거보다 더욱 요구되고 있으며, 제조단계에서 신뢰성을 평가하고 신뢰성에 영향을 미치는 인자들을 설계와 공정단계에 반영할 수 있는 계통적인 신뢰성 평가 및 해석기법이 필요하다.

최근에는 정속온도변화시험(Thermal Cycling Test), 열충격시험(Thermal Shock Test), 진동시험(Vibration) 및 고온방치시험(High Temperature Storage Test) 등의 기계적 특성을 평가해오던 것으로부터 초가속응력시험(Highly Accelerated Stress Test), 이온이동시험(Ion Migration Test) 등으로 실험 방법을 복합화한 기능성 시험으로 실험방법이 급격히 변화되고 있다.