[논문]가전 제품용 세라믹 히터의 수명 및 고장 원인에 대한 연구

최형석

가전 제품용 세라믹 히터의 수명 및 고장 원인에 대한 연구
Study of Life Prediction and Failure Mechanisms of Cramic Heater for Home Appliance 원문보기

신뢰성응용연구 = Journal of the applied reliability, v.17 no.4, 2017년, pp.355 - 361

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Purpose: The purpose of this research is to establish the life test method for ceramic heater and identify the failure mechanisms. Methods: We do accelerated life test in the condition of thermal shock and failure analysis for failed samples. Conclusion: The main failure mechanisms of ceramic heater are identified as overstress failure mechanisms as results of failure analysis and the shape parameters of weibull distribution by accelerated life test are identified as 0.8, 1.2 and 0.4 each at $400^{\circ}C$, $600^{\circ}C$ and $900^{\circ}C$. At $900^{\circ}C$, the shape parameter 0.4 means that It is exactly initial failure caused that the stress exceeds the strength of ceramic heater highly and the shape parameters 0.8, 1.2 at $400^{\circ}C$, $600^{\circ}C$ means that the shape parameters are around 1.0 so that the main failure mechanism is overstress failure which is same result as failure analysis. It means that the appropriate life test method for ceramic heater is reliability qualification test method rather than accelerated life test.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 신뢰성 평가를 통하여 신뢰성을 개선하고 정확한 수명을 예측할 수 있다면 산업계의 응용이 더욱 확대되는데 도움이 될 수 있을 것이다. 본 연구에서는 가전용 세라믹히터의 수명 특성과 고장 메커니즘에 대해 알아본다.
본 연구에서는 가전제품용 세라믹 히터의 가속수명시험을 시행하였다. 가속수명시험 결과 마모성 고장보다는 열충격에 의한 우발성 고장이 주로 발생하여 가속수명시험이 적합하지 않음을 확인하였으며 사이클 가속 방법이 적합함을 알 수 있었다.

제안 방법

제 1. 2절에서 확인한 잠재 고장메커니즘을 기반으로[Table 1], [Table 2]와 같이 2수준 품질기능전개(2Level Quality Function Deployment: QFD)를 수립하였다. 품질기능전개의 결과 자체 발열에 의한 열충격 시험이 Field 고장을 가장 많이 재현할 수 있는 것으로 파악되었다.
품질기능전개의 결과 자체 발열에 의한 열충격 시험이 Field 고장을 가장 많이 재현할 수 있는 것으로 파악되었다. 따라서 자체발열 열충격 시험을 가속수명시험법으로 채택하고 이를 위한 시험 장비를 제작하였다. [Fig.
[Table 3]은 가속수명시험 계획이다. 열충격 가속으로 저온은 상온(Room temperature), 고온은 각각 400℃, 600℃, 900℃로 정하였다. 저항이 ±5% 이상 변할 경우 고장으로 판단하였다.
5]는 세라믹히터의 가속수명시험 결과이다. 열충격 사이클의 최고 온도를 400℃, 600℃, 900℃ 3조건으로 각각 5개의 시료로 시험하였으며 각각 형상 모수가 0.8, 1.2, 0.4 Weibull 분포를 보여서 세 조건의 형상 모수가 일정하지 않았다. 3조건에서의 형상 모수가 달라 가속성이 성립되지 않는 것이 확인이 되었다.
가속수명시험 결과 주요 고장 모드는 세라믹 부분의 파괴로 나타났다. 정확한 고장 메커니즘을 규명하기 위하여 열화상 측정, 초음파 측정, SEM 분석 등을 수행하였다. [Fig.

대상 데이터

세라믹 기판으로는 고순도 알루미나(Al2O3) 소결체를 사용하였다. 알루미나 내에 기공이나 균열 등의 결함은 응력을 집중시켜 파괴의 원인이 된다[1].

성능/효과

8(a)]는 초음파 탐상기로 측정한 세라믹히터의 모습이다. C-scan으로 분석하였으며 흰 부분이 투과 부분이고 투과가 잘 되었다는 것은 접합이 잘 되었음을 의미한다. 검은 부분이 박리가 발생한 부분이다.
본 연구에서는 가전제품용 세라믹 히터의 가속수명시험을 시행하였다. 가속수명시험 결과 마모성 고장보다는 열충격에 의한 우발성 고장이 주로 발생하여 가속수명시험이 적합하지 않음을 확인하였으며 사이클 가속 방법이 적합함을 알 수 있었다. 따라서, 발췌시험 방법의 보증 수명 시험 방법이 세라믹히터에는 맞을 것으로 판단된다.
가속수명시험 결과 주요 고장 모드는 세라믹 부분의 파괴로 나타났다. 정확한 고장 메커니즘을 규명하기 위하여 열화상 측정, 초음파 측정, SEM 분석 등을 수행하였다.
따라서, 발췌시험 방법의 보증 수명 시험 방법이 세라믹히터에는 맞을 것으로 판단된다. 이와 함께 고장 분석을 통하여 세라믹 히터의 고장이 우발 고장성임을 증명하였다.
2절에서 확인한 잠재 고장메커니즘을 기반으로[Table 1], [Table 2]와 같이 2수준 품질기능전개(2Level Quality Function Deployment: QFD)를 수립하였다. 품질기능전개의 결과 자체 발열에 의한 열충격 시험이 Field 고장을 가장 많이 재현할 수 있는 것으로 파악되었다. 따라서 자체발열 열충격 시험을 가속수명시험법으로 채택하고 이를 위한 시험 장비를 제작하였다.

후속연구

그러나, 세라믹 특유의 열적, 기계적 충격에 약하다는 단점 때문에 응용에 상당한 제약을 받고 있다. 따라서, 신뢰성 평가를 통하여 신뢰성을 개선하고 정확한 수명을 예측할 수 있다면 산업계의 응용이 더욱 확대되는데 도움이 될 수 있을 것이다. 본 연구에서는 가전용 세라믹히터의 수명 특성과 고장 메커니즘에 대해 알아본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	세라믹 기판에 사용되는 소결체는?	세라믹 기판으로는 고순도 알루미나(Al2O3) 소결체를 사용하였다. 알루미나 내에 기공이나 균열 등의 결함은 응력을 집중시켜 파괴의 원인이 된다[1].
	고순도 알루미나(Al2O3) 소결체 사용시 장점은?	알루미나 내에 기공이나 균열 등의 결함은 응력을 집중시켜 파괴의 원인이 된다[1]. 따라서 고순도 알루미나를 사용하면 내부 불순물 등에 의해 발생할 수 있는 결함이나 기공 등을 최소화할 수 있으므로 고온에서 동작하는 세라믹히터의 용도에 적합하다. 고순도 알루미나는 열응력과 기계적 응력에 강하다는 장점이 있다. 만약 알루미나 내에 결함이 있다면 [Fig.
	세라믹히터의 단점은?	세라믹 히터는 단순한 구조에 일반 열선 히터로 불가능한 고온 발열이 가능하고 승온 속도도 빠르기 때문에 가정용 고대기, 자동차용 에어 히터 등산업계에 많이 사용되고 있다. 그러나, 세라믹 특유의 열적, 기계적 충격에 약하다는 단점 때문에 응용에 상당한 제약을 받고 있다. 따라서, 신뢰성 평가를 통하여 신뢰성을 개선하고 정확한 수명을 예측할 수 있다면 산업계의 응용이 더욱 확대되는데 도움이 될 수 있을 것이다.

참고문헌 (9)

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Lamon, J. (1990). "Ceramics Reliability: Statistical Analysis of Multiaxial Failure Using the Weibull Approach and the Multiaxial Elemental Strength Model". Journal of the American Ceramic Society, Vol. 73, No. 8, pp. 2204-2212.

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Miyazakia, H., Iwakiri, S., Hirao, K., Fukuda, S., Izu, N., Yoshizawa, Y., and Hyuga, H. (2017). "Effect of high temperature cycling on both crack formation in ceramics and delamination of copper layers in silicon nitride active metal brazing substrates". Ceramics International, Vol. 43, No. 6, pp. 5080-5088.

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Kee, R. J., Almand, B. B., Blasi, J. M., Rosen, B. L., Hartmann, M., Sullivan, N. P., and Martin, J. L. (2011). "The design, fabrication, and evaluation of a ceramic counter-flow microchannel heat exchanger". Applied Thermal Engineering, Vol. 31, No. 11-12, pp. 2004-2012.

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Pietranico, S., Pommier, S., Lefebvre, S., Khatir, Z., and Bontemps, S. (2009). "Characterisation of power modules ceramic substrates for reliability aspects". Microelectronics Reliability, Vol. 49, No. 9-11, pp. 1260-1266.

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