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문제 정의
- 따라서, 본 연구는 HDD의 수명을 예측하기 위해서 신뢰성 기법으로 고장나무 분석, 품질기능전개, 확률분포 결정, 가속 스트레스에 맞는 수명 산출을 반영한 시험계획 수립 및 시험결과 분석을 진행하여, PC환경에서 사용되는 2.5 인치 HDD 가속 수명 시험 절차를 확립하여 정확한 수명 예측을 위한 토대를 마련하고자 하였다.
- 본 연구는 제조사에서 미공개로 실시하는 하드디스크의 가속 수명 시험에 대해, 신뢰성 기법을 최대한 적용하여, 시험 계획 수립, 시험 데이터 분석, 수명을 예측하여 하드 디스크의 가속 수명 시험을 명확히 정립하기 위해서 수행되었다.
제안 방법
- (그림 3)의 (a)는 개인용 컴퓨터에서 엑셀파일 읽기를 진행하면서 하드디스크와 통신하는 내용을 저장하고 분석 하였다. 3 MB 이하의 단위로 읽기를 75 % 수행하였고, 쓰기를 25 % 수행하였다.
- 2011년 2월부터 4월까지 2.5인치 HDD로 제조사의 신뢰성 입증 시험(Reliability demonstration test, RDT)을 실시한 후 시험결과를 토대로 사용 조건에서의 수명을 예측하고자 하였다. 시험 결과의 정확성 확보를 위해서, RDT 시험 중에 발생한 불량 시료 21개와 시장에서 반품된 시료 50개로 고장 분석을 진행하였다.
- (그림 3)의 (a)는 개인용 컴퓨터에서 엑셀파일 읽기를 진행하면서 하드디스크와 통신하는 내용을 저장하고 분석 하였다. 3 MB 이하의 단위로 읽기를 75 % 수행하였고, 쓰기를 25 % 수행하였다. (그림 3)의 (b)는 엑셀파일 읽기를 수행할 때 반복되는 패턴을 분석한 것이다.
- 30℃의 온도 가속 계수(Accelerator factor, AF)를 1로 정할 때, 산출된 Ea를 토대로 온도에 다른 가속 계수를 산출 했다.
- 50 ℃, 60 ℃에서 시험한 고장시간 데이터로 분포 분석을 진행하여 시험한 시료의 63.2 %가 불량이 발생하는 시간을 나타내는 특성수명, 시험한 시료의 10 % 불량이 발생하는 시간을 나타내는 B10 수명, 평균 고장 시간의 평균값을 나타내는 MTTF 평균값을 구한 후에 식 (2)에 대입하여 과 같이 활성화 에너지를 산출했다.
- 을 진행하였다. 50℃, 60℃ 조건에서, 각 분포 Weibull, Lognormal, Expoential, Loglogistic에서의 Anderson-Darling값이 모두 동일하여, 다양한 분포를 대변할 수 있는 Weibull 분포를 선정하였다<;표. 2>.
- 50℃, 60℃에서 시험한 고장시간 데이터로 형상모수와 척도모수의 동일성 검증을 진행하였다. 동일성 검증 결과 p 값이 0.
- HDD 시장 불량 반품 분에 대해서 고장 나무 분석(Failure tree analysis, FTA)을 진행하고, 품질 기능 전개[3](Quality Function Deployment)를 진행하여 시험에 대한 조건을 수립하였다. 불량 현상과 발생 원리를 반영한 고장나무 분석(Failure mode/mechanism of HDD using FTA)과 품질기능 전개 결과(Quality function deployment result)를 토대로 하였다(그림 1, 2).
- 동일 모델의 HDD에 대해서, 가속 수명 시험에서 불량 발생한 시료21개와 시장에서 반품된 시료 50개로 고장 분석(Failure Analysis)을 진행하였다.
- 본 연구의 시험 대상은 최근 시장에서 가장 많이 사용되는 2.5 인치 HDD를 대상으로 하여 가속 수명 시험을 실시한 후, 가속시험 데이터로부터 분포의 적합도 및 동질성을 검증하였고, 형상모수, 활성화 에너지, 온도별 가속 계수, 사용 온도별 특성 수명 산출하였다.
- 불량 모드 점유율 비교에서 불량 모드 중에 가장 많은 점유율을 차지하는 결점(Defect)과 헤드(Head) 불량 시료에 대해서(그림 8), 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 사용하여 불량 발생 부위를 측정하였다(그림 8, 9).
- (Quality Function Deployment)를 진행하여 시험에 대한 조건을 수립하였다. 불량 현상과 발생 원리를 반영한 고장나무 분석(Failure mode/mechanism of HDD using FTA)과 품질기능 전개 결과(Quality function deployment result)를 토대로 하였다(그림 1, 2).
- 사용온도를 30℃로 규정하였으며, 각 온도별 특성수명(Characteristic life)과 계산된 가속 계수를 정리하였다. 온도가 높아지면 빨리 불량이 발생하여 특성수명이 작아지고, 반대로 가속 계수는 더 커짐을 확인할 수 있다<표 4>.
- 시료에 공급된 전압은 12V와 5V모두 공급되었고, 최대성능의 95 %조건으로 1000시간 동안 시험 하였다.
- 실사용자 환경에서는 읽기와 쓰기의 비율이 1.3대 1이지만 HDD의 불량 대다수가 쓰기 동작에서 많이 일어나기 때문에 가속 시험에서는 읽기와 쓰기의 비율을 1대 1로 시험을 진행 하였다.
- 모든 자료의 신뢰성 분석을 위해서 윈도우용 미니탭 소프트웨어(Minitab Inc, version 14)을 이용하였다. 온도별 고장시간 (Time to failure, TTF)의 정보로 Anderson-Darling 접합도 검증, 형상모수의 동일성 검증을 하였고, 와이블-아레니우스 모형 분석을 하였으며, 반응을 일으키는데 최소한의 에너지를 나타내는 활성화 에너지(Activation energy) 와 온도별 가속 계수 산출하였다.[5] Anderson-Darling 접합도 검증에서는 값이 가장 작은 분포가 가장 잘 적합하며, 형상 모두의 동일성 검증은 p값이 0.
- 주소 접근방식에 대해서는 임의 주소(Random address)가 실제 디스크 동작을 많이 하여, 순차 주소(Sequential address)보다 불량 발생 가능성이 많기 때문에 임의 주소와 순차 주소 비율을 1대 1로 시험을 진행하였다.
- 본 시험에 사용된 RDT 장비는 10 ℃∼70 ℃까지 온도 제어가 가능하며, 시험 장비(Winstar, Samsung, Korea)에서 최대 100대의 HDD를 병렬 컴퓨터 연결 (Parallel at attachment, PATA) 방식과 직렬 컴퓨터 연결(Serial at attachment, SATA) 방식 환경에서 시험 가능하다. 한 장비에서 100개의 HDD를 동시에 시험하기 위해서, 임베디드 시스템 보드(embedded system board) 25개가 들어가고, 각 시스템 보드에 SATA 인터페이스 카드를 장착하여 총 4개의 HDD를 동시에 연결 하였다(그림 5).
대상 데이터
- 5인치 HDD로 제조사의 신뢰성 입증 시험(Reliability demonstration test, RDT)을 실시한 후 시험결과를 토대로 사용 조건에서의 수명을 예측하고자 하였다. 시험 결과의 정확성 확보를 위해서, RDT 시험 중에 발생한 불량 시료 21개와 시장에서 반품된 시료 50개로 고장 분석을 진행하였다.
데이터처리
- 50℃, 60℃에서 시험한 고장시간 데이터가 어떤 확률 분포인지를 검증하기 위해서, Anderson-Darling적합도 검증[6]을 진행하였다. 50℃, 60℃ 조건에서, 각 분포 Weibull, Lognormal, Expoential, Loglogistic에서의 Anderson-Darling값이 모두 동일하여, 다양한 분포를 대변할 수 있는 Weibull 분포를 선정하였다<표.
- 7177 이며, 사용조건(30 ℃)의 특성수명은 429434 시간이다. 가속온도별 시험데이터로 동질성 검증을 실시한 결과 통계적으로 서로 유의하지 않았으며, 아레니우스 모델 식에 반영하여 활성화 에너지 0.2775 eV을 산출하였다.
이론/모형
- 본 연구는 온도 가속 환경(50 ℃, 60 ℃)에서 수명 시험시의 TTF(Time to failure) 정보를 아레니우스(Arrhenius) 모형 식 (1)에 대입하였다. 식 (2)는 식(1)의 양변에 자연로그를 취하여 온도 변화에 대한 수명의 비를 이용하여 활성화 에너지 산출에 활용된다.
성능/효과
- 50 C, 60 ℃ 두 가지 가속조건에서 얻은 데이터를 와이블-아레니우스 모형을 분석한 결과 형상모수는 0.7177 이며, 사용조건(30℃)의 특성 수명은 429434 시간이다.
- 온도별 고장시간 (Time to failure, TTF)의 정보로 Anderson-Darling 접합도 검증, 형상모수의 동일성 검증을 하였고, 와이블-아레니우스 모형 분석을 하였으며, 반응을 일으키는데 최소한의 에너지를 나타내는 활성화 에너지(Activation energy) 와 온도별 가속 계수 산출하였다.[5] Anderson-Darling 접합도 검증에서는 값이 가장 작은 분포가 가장 잘 적합하며, 형상 모두의 동일성 검증은 p값이 0.05보다 크면 추정한 모수가 통계적으로 차이가 없으며 , 와이블아레니우스 모형은 높은 온도가 낮은 온도에 비교해서 B10(전체 시료에서 10 % 불량발생 시간) 수명이 작으며, 활성화 에너지(Activation energy)와 온도별 가속 계수는 아레니우스식에 직접 대입하여 산출 하였다.
- 가속 시험 불량 모드 점유율 순위는 결점 (Defect) > 헤드(Head) > 쓰기 미흡(Poor Write, PW) > 인접 트렉 지워짐(Adjacent Track Erase, ATE) > 쓰기 실패(Write Fault, WF) 순이며, 시장 반품 분의 불량 모드 점유율 순위는 결점(Defect) > 헤드(Head) > 쓰기 미흡(Poor Write, PW), > 쓰기 실패(Write Fault, WF) 순이었다(그림 7).
- 본 시험에 사용된 RDT 장비는 10 ℃∼70 ℃까지 온도 제어가 가능하며, 시험 장비(Winstar, Samsung, Korea)에서 최대 100대의 HDD를 병렬 컴퓨터 연결 (Parallel at attachment, PATA) 방식과 직렬 컴퓨터 연결(Serial at attachment, SATA) 방식 환경에서 시험 가능하다.
- 가속시험의 정확성 확보차원에서 가속시험 불량시료와 시장 반품 시료로 고장 분석을 진행한결과, 불량 모드별 점유율에 세부 차이는 있으나, 점유율 순서는 일치 하였다. 전자 현미경으로 같은 불량 모드에 대해서 정밀 분석을 진행한 결과 불량 모드별로 동일함을 관찰할 수 있었다.
후속연구
- 그리고, 가속 수명 결과와 시장 년 간 불량률에 대한 차이를 최소화 하는 방법에 대해서 추가 연구를 진행할 필요성이 있다고 사료된다.
- 또한, PC 정비의 전문화를 유도하는데 기초자료로 활용 할 수 있으며, 국제 경쟁력 제고에도 기여할 수 있다.[8]
- 본 연구는 PC환경에서 사용되는 2.5 인치 HDD의 가속수명 시험을 진행하는 절차를 확립하였으며, HDD 제조자의 가속 수명 시험으로부터 산출된 수명 예측 결과와 시장에서의 년 간 제품 고장률 (Annual failure rate, AFR)차이를 규명하는 데 활용 할 수 있다.
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