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신뢰성 수명예측 도구 Sherlock을 이용한 큐브위성용 임무보드의 고장 메커니즘별 수명예측
Life Prediction of Failure Mechanisms of the CubeSat Mission Board using Sherlock of Reliability and Life Prediction Tools 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.44 no.2, 2016년, pp.172 - 180  

전수현 (Chosun University) ,  권예하 (Exleet Co., Ltd.) ,  권형안 (Exleet Co., Ltd.) ,  이용근 (Hanwha Thales) ,  임인옥 (Hanwha Thales) ,  오현웅 (Chosun University)

초록
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극초소형 위성으로 분류되는 큐브위성의 경우, 저가/단기간 개발목표 충족을 위해 일반적으로 진동 및 열 환경 규격을 만족하는 상용부품을 선정하여 제작하고 최소한의 검증시험을 통해 발사 및 궤도 운용을 실시한다. 하지만 제한된 회수로 지상에서 실시된 환경시험만으로 장시간에 걸친 궤도상 열진공과 같은 물리적 부하 환경에 노출된 임무보드의 신뢰성을 보장할 수 없다. 본 논문에서는 현재 자동차 분야에서 탑재 전자기기 신뢰도 예측에 폭넓게 활용중인 신뢰성 수명예측 상용도구인 Sherlock을 적용하여 큐브위성용으로 제작된 전자보드를 대상으로 발사 및 궤도환경에서의 고장 메커니즘 별 수명예측 및 임무기간동안의 신뢰도를 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

A cubesat classified as a pico-satellite typically uses commercial-grade components that satisfy the vibration and thermal environmental specifications and goes into mission orbit even after undergoing minimum environment tests due to their lower cost and short development period. However, its relia...

주제어

#인쇄 회로 기판   #수명 예측   #신뢰도   #셜록  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 상기에서 소개한 Sherlock 소프트웨어를 이용하여 전자 보드의 수명에 영향을 미치는 솔더 접합부 건전성 평가를 통해 MEMS 추력기 보드가 겪게 되는 환경스트레스에 대하여 신뢰성을 분석하였다. 우선적으로, 기 수행되었던 MEMS 추력기 제어보드의 환경시험 규격을 적용하여 고장 메커니즘 별 고장률을 확인하였으며, 이로부터 검증된 제어 보드가 장시간의 임무기간 동안 궤도환경에 노출됐을 때의 수명예측 및 신뢰도 분석을 통해 임무 보드의 설계 및 제작의 타당성을 검토하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
위성은 어떠한 것을 경험하는가? 위성은 발사과정에서 추진부의 분사 및 대기와의 충돌에 의해 발생하는 넓은 주파수 영역대의 소음 및 진동, 페어링-위성체 분리에 의한 충격, 엔진 추력에 의한 정적 가속과 점화 및 분리과정, 돌풍 등에 의한 동적가속이 조합된 준정적하중 등의 발사 환경을 경험하게 된다. 이러한 과정에서 발생하는 소음 및 진동은 발사체 내부로 전달되어 위성체 및 위성 본체 내부의 전장품을 가진하게 되며, 전장품 내부의 PCB(Printed Circuit Board) 및 이에 부착된 전기 소자(Electronic Component)에 영향을 미쳐 전장품의 기능저하 및 파괴를 유발한다.
큐브위성 개발에 있어서 최소한의 검증시험을 하는 것에 대한 단점은 무엇인가? 이러한 상용부품의 우주임무 적용을 위해서는 임무의 중요도, 임무기간, 시스템 신뢰성 요구조건 등에 따라 상용부품의 우주급 적용가능성을 검증하는 것이 필수적이나[4], 큐브위성 개발에 있어서는 저가 및 단기 개발 목표구현을 위해 적용 부품에 대하여 최소한의 검증시험만을 실시하고 발사 및 궤도 운용을 하게 된다. 하지만 지상에서 실시되는 제한된 환경시험만으로 장시간에 걸친 궤도상 열진공과 같은 물리적 부하 환경에 노출된 임무보드의 신뢰성을 보장할 수 없으며, 이를 보상하기 위해 장시간의 시험을 수행하는 것은 막대한 비용과 시간이 따르기 때문에 효율적이지 않다. 또한, 시험 도중 일부 부품이 파손될 경우 전자 장비의 재설계 및 재시험이 수행되어야하므로 추가적인 개발 비용 및 일정이 소요된다. 따라서 초기 설계 단계에서부터 시뮬레이션을 통해 전자 장비가 겪게 될 환경스트레스에 대한 신뢰성 및 수명을 예측함으로써 고장가능성이 높은 대상을 사전에 탐지를 하고 개선을 한다면 상기와 같은 문제들을 해결할 수 있다.
위성용 전장품이 온도차가 극심한 궤도 열환경에 노출되면 어떻게 되는가? 이러한 과정에서 발생하는 소음 및 진동은 발사체 내부로 전달되어 위성체 및 위성 본체 내부의 전장품을 가진하게 되며, 전장품 내부의 PCB(Printed Circuit Board) 및 이에 부착된 전기 소자(Electronic Component)에 영향을 미쳐 전장품의 기능저하 및 파괴를 유발한다. 또한 위성용 전장품이 온도차가 극심한 궤도 열 환경에 노출될 경우, PCB와 전장 부품의 열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion, CTE) 차이에 의해 솔더접합부(Solder Joint)나 PTH(Plated Through Hole) 부위에 피로가 발생하게 되고 이는 균열로 발전하여 종국에는 고장에 이르게 된다[1-3]. 따라서 임무기간 동안 다양한 환경요인들에 의해 일부 부품에서 고장이 발생할 경우, 위성 전체의 임무 실패를 야기할 수 있기 때문에 초기 설계단계부터 해석 및 다양한 시험들을 통해 높은 신뢰성을 만족시킬 수 있는 전장품 설계가 이루어져야 한다.
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참고문헌 (10)

  1. Jeong, S. Y., Oh, H. U., Lee, K. J., and Kim, B. S., "Mechanical Stability Analysis of PCB and Component for Launch and On-orbit Environment based on Fatigue Failure Theory and FEM", Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, Vol. 39, No. 10, 2011, pp.952-958. 

    원문보기 상세보기 crossref

  2. Jung, I. H., Park, T. W., Han, S. W., Seo, J. H., and Kim. S. H., "Structural Vibration Analysis of Electronic Equipment for Satellite under Launch Environments", Journal of the Korean Society of Precision Engineering, Vol. 21, No. 8, 2004, pp.120-128. 

  3. Oh, J. U., Kang, W. H., Lee, H. J., Ahn, Y. C., Lee, J. Y., and Shin, S. W., "Thermal Fatigue Life Prediction for Surface Mount Solder Joint using the Energy Partitioning Approach", Proceedings of the KSAE Annual Spring Conference, 2006, pp.1068-1079. 

  4. Cho, Y. J., Lee, C. H., Lee, C. W., and Hwang, D. S., "Application and Verification Trend of COTS PEM Devices in Space Program", Current Industrial and Technological Trends in Aerospace, Vol. 6, No. 1, 2008, pp.65-73. 

  5. Kwon, S. C., Jung, H. M. Ha, H. W., Han, S. H., Lee, M. J., Jeon, S. H., Park, T. Y., Kang, S. J., Chae, B. G., Jang, S. E., Oh, H. U., Han, S. H., and Choi, G. H., "Preliminary System Design of STEP Cube Lab. for Verification of Fundamental Space Technology", Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 42, No. 5, 2014, pp. 430-436. 

    원문보기 상세보기 crossref

  6. Jang, S. E., Han, S. H., Kim, T. G. and Lee, J. K., "Structural Design and Verification of MEMS Solid Thruster for CubeSat Application", Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 43, No. 5, 2015, pp. 432-439. 

    원문보기 상세보기 crossref

  7. http://www.dfrsolutions.com 

  8. Dave S. Steinberg, "Vibration Analysis for Electronic Equipment", Willey-Interscience Publication, 2000, 3rd edition. 

  9. European Cooperation Space Standardization (ECSS-E-10-03A): Testing. 

  10. https://www.linkedin.com/pulse/through -hole-vs-surface-mount-solder-fatigue-gil-sharon 

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