Purpose : The demand for higher fuel economy vehicles has helped develop fuel-efficient vehicles such as a CVVL called continuous variable valve lift. Existing CVVL has been applying DC type motor to control intake valve, but recently some car parts manufacturers have been developing a BLDC type CVV...
Purpose : The demand for higher fuel economy vehicles has helped develop fuel-efficient vehicles such as a CVVL called continuous variable valve lift. Existing CVVL has been applying DC type motor to control intake valve, but recently some car parts manufacturers have been developing a BLDC type CVVL motor for improvements of endurance performance. The purpose of this study is to find the potential failure mechanism of the CVVL BLDC moto in early stage of development based on the design properties and design the accelerated life test model. Methods : CVVL BLDC is consist of brushs, coil, magnetic, PCB, bearing and so on. Each component has a latent failure mechanism caused by temperature, humidity, vibration. By analysis result of the failure mechanism, thermal fatigue is the most important factor of a durability of CVVL BLDC motor. So, we designed a new accelerated life test model for guarantee of the CVVL BLDC motor. Results : A crack occurred on via hole in test using the conditions we designed, so we did change the design to avoid this failure. The via hole dimension is changed a little larger, as a result we achieve improvements in reliability of the CVVL BLDC motor. By applying various kinds and extreme level of stresses, we can find the operating limits of products. Conclusion : In thesis, We analyzed the failure mechanism of CVVL BLDC and designed an accelerated life test method to give a guarantee for reliability. Based on the test results, we could improve the reliability of developments by change of design.
Purpose : The demand for higher fuel economy vehicles has helped develop fuel-efficient vehicles such as a CVVL called continuous variable valve lift. Existing CVVL has been applying DC type motor to control intake valve, but recently some car parts manufacturers have been developing a BLDC type CVVL motor for improvements of endurance performance. The purpose of this study is to find the potential failure mechanism of the CVVL BLDC moto in early stage of development based on the design properties and design the accelerated life test model. Methods : CVVL BLDC is consist of brushs, coil, magnetic, PCB, bearing and so on. Each component has a latent failure mechanism caused by temperature, humidity, vibration. By analysis result of the failure mechanism, thermal fatigue is the most important factor of a durability of CVVL BLDC motor. So, we designed a new accelerated life test model for guarantee of the CVVL BLDC motor. Results : A crack occurred on via hole in test using the conditions we designed, so we did change the design to avoid this failure. The via hole dimension is changed a little larger, as a result we achieve improvements in reliability of the CVVL BLDC motor. By applying various kinds and extreme level of stresses, we can find the operating limits of products. Conclusion : In thesis, We analyzed the failure mechanism of CVVL BLDC and designed an accelerated life test method to give a guarantee for reliability. Based on the test results, we could improve the reliability of developments by change of design.
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문제 정의
CVVL BLDC 모터 또한 Hall IC PCB가 장착되기 때문에 기구적 마모와 관계되는 고장모드를 갖는 타 구성품보다 Hall IC PCB가 더 내구에 더욱 취약하다고 판단할 수 있다. 때문에 본 연구에서는 Hall IC PCB의 신뢰성 평가에 초점을 두어 CVVL BLDC 모터의 내구성을 평가하고 검증하였다.
기존 국내에서 양산되고 있는 CVVL 기술은 DC 모터를 적용하고 있고 대부분의 해외 선진사에서도 DC 모터를 적용하고 있는데(조정민 외, 2015), DC 모터 특성상 제어 정밀성이 떨어지고 내구에 취약하기 때문에 관련 부품사에서는 CVVL에 적용할 수 있는 BLDC 모터를 연구개발이 진행 중에 있다. 본 연구에서는 CVVL BLDC 모터 개발품에 대한 고장모드 분석 및 신뢰성 평가를 실시하여 설계 개선방안을 수립하고 수명 보증 근거 및 신뢰성 DB를 확보한다.
이러한 제품의 성능 및 내구수명에 영향을 미칠 수 있는 잠재적 고장 부위를 세분화하여 실제 고장이 발생할 수 있는 부분에 대한 검토를 수행하였다. 또한 각 구성품별 고장 인자에 따른 잠재적 고장모드를 추정하고, 그러한 고장을 유발하는 고장 영향 인자가 무엇인지 분석하였다.
제안 방법
2) CVVL BLDC 모터는 엔진 헤드에 장착되기 때문에 다양한 환경 스트레스를 받는데, 특히 Hall IC PCB와 관련해서는 열피로 스트레스가 가장 영향성이 크기 때문에 Hall IC PCB의 열피로에 대한 내구성 검증을 위하여 열충격 시험을 실시하였다.
Hall IC PCB의 열피로 내구성 평가는 열충격 시험으로 실시하였고, 시험 후 시료의 외관 상태 및 홀센서 신호 특성을 분석하여 고장 판단을 결정하였다. 열충격 시험 시 체류시간(dwell time)은 20분으로 설정하였는데, 이는 열충격에 대한 Hall IC PCB의 표면 온도 변화 데이터를 바탕으로 설정하였고, GM, HMC 등 선진사 규격에서도 열충격 시험 시 이와 같이 열용량을 고려하여 체류시간을 산정하도록 권고하고 있다.
개선시료에 대하여 동일한 조건으로 열피로 시험을 실시 하였고, 시험 결과는 와 같다.
이러한 제품의 성능 및 내구수명에 영향을 미칠 수 있는 잠재적 고장 부위를 세분화하여 실제 고장이 발생할 수 있는 부분에 대한 검토를 수행하였다. 또한 각 구성품별 고장 인자에 따른 잠재적 고장모드를 추정하고, 그러한 고장을 유발하는 고장 영향 인자가 무엇인지 분석하였다. 고장 영향 인자는 자동차 엔진룸에 적용되는 부품의 환경시험 시 주로 고려되는 온도, 습도, 진동의 3가지 인자를 선정하였다.
고장 영향 인자는 자동차 엔진룸에 적용되는 부품의 환경시험 시 주로 고려되는 온도, 습도, 진동의 3가지 인자를 선정하였다. <표 1>은 CVVL BLDC 모터의 기능 및 설계 구조, 구성품 분석과 기존 유사 부품에 대한 분석 경험을 바탕으로 각 구성품 별 고장영향인자를 도출하였고, 그에 따른 잠재적 고장모드를 추정하여 최종 신뢰성 영향인자를 분류하여 나타내었다.
대상 데이터
또한 각 구성품별 고장 인자에 따른 잠재적 고장모드를 추정하고, 그러한 고장을 유발하는 고장 영향 인자가 무엇인지 분석하였다. 고장 영향 인자는 자동차 엔진룸에 적용되는 부품의 환경시험 시 주로 고려되는 온도, 습도, 진동의 3가지 인자를 선정하였다. <표 1>은 CVVL BLDC 모터의 기능 및 설계 구조, 구성품 분석과 기존 유사 부품에 대한 분석 경험을 바탕으로 각 구성품 별 고장영향인자를 도출하였고, 그에 따른 잠재적 고장모드를 추정하여 최종 신뢰성 영향인자를 분류하여 나타내었다.
본 연구에서 소개되는 제품은 BLDC 타입의 CVVL 모터로, 엔진 헤드에 장착되어 흡기밸브의 위치를 기구적으로 조절하여 흡입 공기량을 조절하는 기능을 수행한다. 대상 제품의 내부 구성은 <그림 1>과 같다.
이론/모형
CVVL BLDC 모터도 Hall IC PCB에 무연솔더를 적용하고 있으나, 실장부품이 간소하고 솔더링 부위가 많지 않기 때문에 일반적인 3값을 사용하였다. 코핀-맨슨 지수도 GM 기준을 참고하여 무연솔더에 대한 상수 값을 적용하였다. 열피로 가속모델을 적용한 가속시험시간은 <그림 7>과 같이 산출될 수 있다.
성능/효과
1) CVVL BLDC 모터의 주요 고장모드는 코일 열화에 의한 단선, 웜기어 마모, Hall IC PCB의 솔더크랙, 베어링 누유 등이 있으며, 그 중 장착환경 등을 고려할 때 Hall IC PCB가 설계적으로 가장 취약한 부위로 분석된다.
3) 시험 시간은 15년/30만km의 보증수명 및 신뢰수준, 시료 수 등을 고려하여 산정하고 시험시간을 줄이기 위한 가속시험을 실시하였으나, 일부 시료에서 Via홀 크랙이 발생하여 제품 개선을 실시하였다.
4) 개선된 제품에 대하여 동일한 조건으로 열충격 시험을 실시한 결과, 모든 시료가 정상적으로 작동하고 크랙 등의 외관상 문제도 없음을 확인하였고, 이를 근거로 현 CVVL BLDC 모터가 B1수명으로 15년y/30만km들 보증한다고 판단하였다.
GM 등 선진 OEM에서 요구하는 열피로 관련 신뢰성 수준은 15년 기준 비가속 조건에서 10,950 사이클로, 이를 보증수명 및 신뢰수준, 시료수 등을 고려하여 GMW3172에서 제시하는 통계식으로 보완하면, 8개 샘플로 B1 수명의 15년을 보증할 수 있는 시험 사이클이 22,450 사이클로 산출된다. 통계적 시험 시간은 <그림 6>과 같이 산출될 수 있다(General Specification for Electrical/Electronic Component, GMW3172, 2008).
Via홀 크랙 발생 원인을 분석한 결과, 과 같이 Hall IC PCB의 Via홀에 Via Drill 0.3파이를 적용하였으나, 자동차 엔진룸 기준의 열피로 환경 조건에서 견딜 수 있는 수준으로 설계되지 못했다고 판단되었다.
기존 Hall IC PCB의 열피로 내구평가를 실시한 결과 8개 시료 중 4개의 시료에서 홀센서 고장이 발생하였고, 광학현미경으로 분석한 결과 Via홀 크랙으로 인한 회로 단선으로 확인되었다.
열피로시험 후 시험품 각각의 Hall 센서의 정상작동에 대한 분석을 실시한 결과 8개 시료 모두 정상적인 신호파형을 나타냈으며, 외관분석 결과 솔더크랙 및 솔더마스크 들뜸과 같은 문제는 발생하지 않았다. <그림 12>는 단면분석 결과를 나타내는데, 단면 분석 시 일부 시료에서 솔더부에 Void가 존재하였지만 HMC에서 제시하는 무연솔더 Void 합부 판정 기준 (ES90000-04 : 전체 보이드 발생 면적은 솔더링 면적의 20%를 넘지 않을 것)에 만족하는 수준으로 확인하였다. 또한, X-ray 분석을 통하여 Hall 센서 내부에 크랙 및 와이어 단선 등을 분석한 결과 모든 시료에서 특별한 이상이 없음을 확인하였다.
3파이를 적용하였으나, 자동차 엔진룸 기준의 열피로 환경 조건에서 견딜 수 있는 수준으로 설계되지 못했다고 판단되었다. 따라서 Via홀 Size를 0.5파이로 확대할 수 있도록 PCB 설계를 개선하였고, 제작 시 Via Hall 부분도 납이 스며들도록 공정상의 개선도 실시하였다.
<그림 12>는 단면분석 결과를 나타내는데, 단면 분석 시 일부 시료에서 솔더부에 Void가 존재하였지만 HMC에서 제시하는 무연솔더 Void 합부 판정 기준 (ES90000-04 : 전체 보이드 발생 면적은 솔더링 면적의 20%를 넘지 않을 것)에 만족하는 수준으로 확인하였다. 또한, X-ray 분석을 통하여 Hall 센서 내부에 크랙 및 와이어 단선 등을 분석한 결과 모든 시료에서 특별한 이상이 없음을 확인하였다.
열피로시험 후 시험품 각각의 Hall 센서의 정상작동에 대한 분석을 실시한 결과 8개 시료 모두 정상적인 신호파형을 나타냈으며, 외관분석 결과 솔더크랙 및 솔더마스크 들뜸과 같은 문제는 발생하지 않았다. <그림 12>는 단면분석 결과를 나타내는데, 단면 분석 시 일부 시료에서 솔더부에 Void가 존재하였지만 HMC에서 제시하는 무연솔더 Void 합부 판정 기준 (ES90000-04 : 전체 보이드 발생 면적은 솔더링 면적의 20%를 넘지 않을 것)에 만족하는 수준으로 확인하였다.
위의 시험 결과를 근거로, Hall IC PCB는 B1수명 15년/30만km의 보증수명을 만족한다는 것을 설명할 수 있고, CVVL BLDC 모터의 내구수명과 관계된 가장 취약부품 중 하나가 Hall IC PCB임을 감안하면 결론적으로 CVVL BLDC 모터는 B1수명 15년/30만km의 보증수명을 만족한다고 할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CVVL BLDC 모터의 구조는 어떻게 구분되는가?
CVVL BLDC 모터의 구조는 크게 모터 구동부, 센서부, 하우징으로 구분된다. 세부적으로 모터 구동부는 마그네틱, 스테이터 코일, 샤프트, 베어링으로 구성되어 있으며, 센서부는 실장부품인 QFP 부품, R/L/C 표준칩, PCB, 솔더 등으로, 하우징은 3-point 체결부, 커넥터 하우징 등으로 세분화할 수 있다.
본 연구에서는 Hall IC PCB의 신뢰성 평가에 초점을 두어 CVVL BLDC 모터의 내구성을 평가하고 검증한 이유는?
CVVL BLDC 모터 또한 Hall IC PCB가 장착되기 때문에 기구적 마모와 관계되는 고장모드를 갖는 타 구성품보다 Hall IC PCB가 더 내구에 더욱 취약하다고 판단할 수 있다. 때문에 본 연구에서는 Hall IC PCB의 신뢰성 평가에 초점을 두어 CVVL BLDC 모터의 내구성을 평가하고 검증하였다.
BLDC 모터의 특징은 무엇인가?
일반적으로 BLDC 모터의 특징 중 하나는 브러시가 없기 때문에 DC 모터에 비하여 고장률이 적고 수명이 길다고 알려져 있지만, 대신에 홀센서가 존재하기 때문에 기존의 DC 모터에서는 없었던 PCB 및 홀센서 관련 고장이 발생할 수 있다. 실제로 전장품과 관련하여 필드에서 가장 많은 고장모드를 갖는 구성품 중 하나는 제어기 등의 PCB와 관련된 부품으로,<그림 3>과 같이 능동소자 및 수동소자의 열화부터 PCB 기판의 들뜸, 솔더 크랙 등 다양한 고장 이슈를 갖고 있다.
참고문헌 (4)
조정민？박정임 외 3명 (2015), 선진사 제품과 비교평가를 통한 국산 연속가변밸브리프트 제어용 액추에이터의 내구기능적 특성 고찰, 대한기계학회 신뢰성부문 학술대회, p. 77.
하경표？김우태 외 7명 (2008), 연속 가변 밸브 리프트 엔진 개발, 한국자동차공학회 학술대회, pp. 70-75.
General Specification for Electrical/Electronic Component, GMW3172, 2008.
Johnson, R. W., Evans, J. L., Jacobsen, P., and Thompson, J.R (2004), The Changing Automotive Environment: High temperature Electronics, IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing, pp. 164-176.
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