최근 우주용 전장품에 다양한 실장형태의 고집적 소자가 적용됨에 따라, 기계적 환경에서의 고신뢰성 확보를 위해 인증모델 제작 전 잠재적 위험요소에 대한 조기진단으로 개발기간 및 비용 절감이 가능한 설계절차 구축이 요구된다. 고신뢰도 전장품 설계를 위해 기존에 적용되어온 Steinberg의 피로파괴이론은 최근 다양한 크기와 실장기법의 소자를 갖는 우주용 전장품에 적용하기에는 이론적 한계와 이들 각각에 대한 모델링 기법에 따라 상이한 결과가 도출되는 등의 한계가 존재한다. 이를 해결하기 위해 소자의 상세 유한요소모델을 구축할 시, 다수의 실장구조를 갖는 고집적화 기판을 모델링하기에는 많은 시간이 소요되는 단점이 존재한다. 본 논문에서는 고신뢰도 전장품 설계기법 구축을 위해 기존 사업에서 적용된 설계와 다른 접근방법의 일환으로 상용 신뢰성 수명예측 도구인 Sherlock을 이용하여 차세대중형위성용 탑재 전장품인 CCB(Camera Controller Box)에 대한 인증시험수준에서의 고장 메커니즘 별 신뢰성 평가를 수행하였다.
최근 우주용 전장품에 다양한 실장형태의 고집적 소자가 적용됨에 따라, 기계적 환경에서의 고신뢰성 확보를 위해 인증모델 제작 전 잠재적 위험요소에 대한 조기진단으로 개발기간 및 비용 절감이 가능한 설계절차 구축이 요구된다. 고신뢰도 전장품 설계를 위해 기존에 적용되어온 Steinberg의 피로파괴이론은 최근 다양한 크기와 실장기법의 소자를 갖는 우주용 전장품에 적용하기에는 이론적 한계와 이들 각각에 대한 모델링 기법에 따라 상이한 결과가 도출되는 등의 한계가 존재한다. 이를 해결하기 위해 소자의 상세 유한요소모델을 구축할 시, 다수의 실장구조를 갖는 고집적화 기판을 모델링하기에는 많은 시간이 소요되는 단점이 존재한다. 본 논문에서는 고신뢰도 전장품 설계기법 구축을 위해 기존 사업에서 적용된 설계와 다른 접근방법의 일환으로 상용 신뢰성 수명예측 도구인 Sherlock을 이용하여 차세대중형위성용 탑재 전장품인 CCB(Camera Controller Box)에 대한 인증시험수준에서의 고장 메커니즘 별 신뢰성 평가를 수행하였다.
Electronic equipments comprised of high density components with various packaging types have been recently applied to a satellite. Therefore, to guarantee high reliability of electrical equipment, a design approach, which can reduce the development period and cost through an early diagnosis in poten...
Electronic equipments comprised of high density components with various packaging types have been recently applied to a satellite. Therefore, to guarantee high reliability of electrical equipment, a design approach, which can reduce the development period and cost through an early diagnosis in potential risks of failure, should be established. In the previous research, the reliability assesment of the electronic equipments have based on Steinberg's fatigue failure theory. However, this theory was not enough for further investigation of life prediction and reliability of the electronic equipments comprised of various sizes and packaging types due to its theoretical limitations and analysis results sensitivity with regard to different modeling technic. In that case, if detailed finite element model is established, aforementioned problems can be readily solved. However, this approach might arise disadvantage of spending much time. In this paper, to establish strategy for high reliability design of electronic equipment, we performed mechanical reliability evaluation of CCB (Camera Controller Box) at qualification level based on the approach using Sherlock unlike design techniques applied to existing business.
Electronic equipments comprised of high density components with various packaging types have been recently applied to a satellite. Therefore, to guarantee high reliability of electrical equipment, a design approach, which can reduce the development period and cost through an early diagnosis in potential risks of failure, should be established. In the previous research, the reliability assesment of the electronic equipments have based on Steinberg's fatigue failure theory. However, this theory was not enough for further investigation of life prediction and reliability of the electronic equipments comprised of various sizes and packaging types due to its theoretical limitations and analysis results sensitivity with regard to different modeling technic. In that case, if detailed finite element model is established, aforementioned problems can be readily solved. However, this approach might arise disadvantage of spending much time. In this paper, to establish strategy for high reliability design of electronic equipment, we performed mechanical reliability evaluation of CCB (Camera Controller Box) at qualification level based on the approach using Sherlock unlike design techniques applied to existing business.
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문제 정의
본 논문에서는 Sherlock을 이용한 설계기법을 적용하기 위해 차세대 중형위성 (Compact Advanced Satellite, CAS)에 탑재되는 광학카메라의 구동용 전 장품인 CCB (Camera Controller Box)에 대하여 인증시험수준의 발사 및 열주기 환경에서의 고장 메커니즘별 수명예측 및 평가를 수행하였다.
본 논문에서는 고신뢰도 전장품 설계기법 구축을 위해 DfR Solution사의 Sherlock을 이용하여 차세대 중형위성 탑재 전장품인 CCB에 대해 인증시험수준에서의 고장메커니즘 별 수명예측 및 신뢰성 평가를 수행하였다. Sherlock은 고장 물리를 기반으로 누적되는 피로에 대해 고장메커니즘 별 수명예측을 수행하는 신뢰성 수명예측 도구로, 실제 장기간 운용환경 모사 및 대변으로 고장 위험을 초기에 인지 및 대응이 가능한 장점을 가진다.
본 논문에서는 기계적 환경 하에서 CCB의 피로파괴에 대한 신뢰성 평가를 위해, Sherlock을 이용하여, 보드 레벨에서 인증시험수준의 발사 및 열주기 환경에 대한 고장메커니즘별 수명예측 및 평가를 수행하였다. Tables 2, 3 그리고 4 는 CCB에 요구되는 인증시험수준의 랜덤진동 및 충격, 열주기 환경의 시험규격을 각각 나타낸다.
본 절에서는 궤도 열주기 상에서 재료 상호간의 CTE 불일치로 발생하는 물리적 하중에 대해 주요 관심소자의 피로수명 분석결과를 서술하였다. 열주기 환경 해석은 Operating 조건과 Survival 조건으로 나누어서 수행하였으나, 본 논문에서는 더 극심한 환경조건인 Survival 조건을 대표하여 이에 대한 피로수명 분석 결과만 제시 하였다.
본 절에서는 전술한 발사 진동 및 열주기 환경에 노출된 소자의 피로파괴에 대한 신뢰성 분석을 위하여, Sherlock에 적용되는 이론적 접근 에 대해 서술하고자 한다. 먼저, 발사 진동환경에 대한 신뢰성 평가의 경우, 전술한 바와 같이 기존까지는 Steinberg의 이론에 기초해왔다.
본 절에서는 궤도 열주기 상에서 재료 상호간의 CTE 불일치로 발생하는 물리적 하중에 대해 주요 관심소자의 피로수명 분석결과를 서술하였다. 열주기 환경 해석은 Operating 조건과 Survival 조건으로 나누어서 수행하였으나, 본 논문에서는 더 극심한 환경조건인 Survival 조건을 대표하여 이에 대한 피로수명 분석 결과만 제시 하였다. Survival 조건의 인증시험수준에 부합하는 온도범위 –40℃~65℃, 열 체류시간 (Dwell Time) 2시간의 온도조건에서 총 28주기를 반복 하는 열주기 환경을 모사하여 피로수명 분석결과 를 Fig.
가설 설정
Steinberg의 이론을 통한 기판의 허용변위 산출 시, 경계조건에 따라 다양한 모드 형상을 가지는 실제 기판과는 달리, 상기 이론은 기판의 모드 형상 및 최대 발생변위가 경계조건의 정 중앙지점에서만 발생한다는 한정된 가정을 포함한다. 또한 외란에 의해 기판의 굽힘이 발생할 때, 이상적인 반사인파의 형태를 형성하며, 이로 인해 기판에서 발생하는 곡률 및 변곡점에 대한 설명이 불가한 한계점이 존재한다.
제안 방법
Figure 4와 같이 Sherlock을 통해 구축한 유한 요소모델과 상기 도구의 적용 이론에 기초하여 각 모듈의 모드해석 및 발사 진동환경에서의 기판 및 소자의 피로수명 분석을 수행하였다. 먼저, 모드해석 결과로는 각 CM 및 RM의 관심소자에 지배적인 영향을 주는 차수의 모드형상 결과를 제시하였으며, Figs.
PCB 수준에서의 해석을 수행하여 대략적인 초기 체결위치를 설정하고, 이를 전장품 하우징 설계에 참고하여 형상설계를 수행 하고 최종적으로는 전장품 수준에서의 해석으로부터 얻어진 PCB의 주요 모드형상, 주파수, 가속도 값을 활용하여 각 소자의 구조건전성을 판단하였다.
앞서 RM에 실장 된 릴레이 소자 (RLY16~18, 21~22)가 랜덤진동환경 하에서 피로파괴에 대해 100%의 고장률을 보유함을 확인하였다. 따라서 RM의 신뢰성 개선을 위하여 Fig. 11과 같이 6개의 관심소자 인근에 4개의 체결부를 추가하여 고장메커니즘에 대한 피로수명 분석을 재 수행하였다. Fig.
발사 진동환경에서의 피로수명 분석은 앞서 언급한바와 같이 랜덤진동 및 충격에 대해서만 해석을 수행하였다. 또한, 굽힘에 가장 취약한 기판의 수직방향이 Z축임을 고려하여 본 논문에서는 Z축을 대표적으로 각 모듈의 관심소자에 대한 고장메커니즘 별 피로수명 분석을 수행하였다.
Figure 4와 같이 Sherlock을 통해 구축한 유한 요소모델과 상기 도구의 적용 이론에 기초하여 각 모듈의 모드해석 및 발사 진동환경에서의 기판 및 소자의 피로수명 분석을 수행하였다. 먼저, 모드해석 결과로는 각 CM 및 RM의 관심소자에 지배적인 영향을 주는 차수의 모드형상 결과를 제시하였으며, Figs. 5, 6과 같다.
발사 진동환경에서의 피로수명 분석은 앞서 언급한바와 같이 랜덤진동 및 충격에 대해서만 해석을 수행하였다. 또한, 굽힘에 가장 취약한 기판의 수직방향이 Z축임을 고려하여 본 논문에서는 Z축을 대표적으로 각 모듈의 관심소자에 대한 고장메커니즘 별 피로수명 분석을 수행하였다.
이론/모형
다음으로, Sherlock에서는 궤도 열주기 환경 하의 기판 및 소자의 피로수명분석을 위해 Engelmaier 이론의 솔더 피로모델을 이용한다[9]. 상기 솔더 피로모델은 변형 에너지 기반의 피로를 사용하는 부분-경험적 분석예측 접근법으로, 식 (5)과 같이, 주어진 열 물리조건에서의 최대 변형률 ( Δς)을 계산하고, 식 (6)에 적용하여 변형에너지 (ΔW)를 도출한다[9]
본 논문에서는 고신뢰도 전장품 설계기법 구축을 위해 유한요소모델에 기초한 기존 전장품 설계와 다른 새로운 접근방법의 일환으로 DfR Solution사의 상용 신뢰성 수명예측 도구인 Sherlock[9]을 이용하였다. Sherlock은 고장물리 (Physical of Failure, PoF)를 기반으로 누적되는 피로에 대해 고장메커니즘 별 수명예측을 수행하며, 실제 장기간 운용환경 모사 및 대변으로 고장 위험을 초기에 인지 및 대응이 가능한 도구이다.
성능/효과
Sherlock을 이용한 신뢰성 분석을 위해, CCB 내 각 모듈 (CM, RM)의 관심소자를 선정하여전술한 물리적 환경에 대한 피로수명을 수행한 결과, 랜덤진동환경에 대해 U45와 RLY16~18, 21~22가 각각 12%, 100%의 고장률을 보였으며, 충격환경의 경우는 모든 관심소자가 0%에 근사한 고장률을 보였다. 추가적으로, RM의 신뢰성 개선을 위하여 관심소자 인근에 체결부를 추가하여 랜덤진동환경에 대한 수명분석 재수행하였으며, 체결부의 추가로 구조건전성이 확보되어 모든 소자에 대해 0%의 고장률의 결과가 도출되었다.
PCB 주변위방향에 대해 충분한 강성이 확보된 프레임에 PCB가 장착 된 경우, PCB 수준에서 산출된 주파수, 변위값이 전장품 수준에서 도출된 값과 소자의 종류에 따라 2%-30% 수준이내에서 차이가 있는 것으로 분석되고 있다. 따라서, CCB 또한 PCB 주 변 위방향 구속이 용이한 보강재가 프레임 설계에 충분히 반영되어 있는 경우에 해당하기에 셜록을 활용한 분석을 수행 하였으며, 예비설계 수준에서의 전체적인 영향성 판단을 하는데 있어 유용한 해석도구로 판단된다.
이로 인해 다양한 물리환경에 노출된 전장품의 잠재적 위험요소를 조기에 진단하고 고장메커니즘에 대한 신속한 대응책 마련이 가능하여 신뢰도 높은 설계가 가능한 장점을 가진다. 또한, Sherlock은 실제 기판의 설계정보를 포함한 설계파일 (Gerber, ODB++)과 소프트웨어 자체에 내장된 소자 제원정보를 이용함에 따라 실제 전장품의 실장구조에 기인한 분석모델 구축이 가능하며, 신속하고 간단한 모델 구축으로 유한요소모델링 소요시간을 단축하여, 기존에 적용된 기법과 비교할 때 보다 효율적인 설계 및 해석이 가능한 장점을 가질 것으로 판단된다.
13은 체결부 추가 이후, RLY16~18, 21~23의 피로수명 분석 결과를 나타낸다. 랜덤진동이 가해지는 2분 동안 6개의 소자 모두 0%에 근사한 고장률을 보이고 있으며, 이를 통해 체결부 추가에 따라 피로파괴에 대한 신뢰성이 확보됨을 확인할 수 있다.
70 Grms의 랜덤진동환경에서 각 모듈에 대한 변형률 평균 제곱근 (Root Mean Square, RMS) 의 컨투어 맵을 나타낸다. 상기 결과에서 변형률 관점에 기인하여 랜덤 진동에 의한 기판의 굽힘 거동 시, 체결부 주위에서 주요 변형이 발생함을 확인할 수 있다. 각 모듈의 관심소자에 대한 피로수명 분석결과를 Fig.
앞서 RM에 실장 된 릴레이 소자 (RLY16~18, 21~22)가 랜덤진동환경 하에서 피로파괴에 대해 100%의 고장률을 보유함을 확인하였다. 따라서 RM의 신뢰성 개선을 위하여 Fig.
14에 나타내었다. 열주기 해석 수행결과 U35는 28주기 동안 약 0.06%의 고장률을 보이고 있으며, 강성측면에서 구조상 열탄성적으로 취약한 CGA 특성으로 동일한 온도조건임에도 불구하고 Gull Wing Lead-type인 U45보다 조금 더 높은 고장률을 보이고 있다. 아울러, U45와 RLY16~18, 21~23은 0%에 근사한 고장률을 보이고 있다.
Sherlock을 이용한 신뢰성 분석을 위해, CCB 내 각 모듈 (CM, RM)의 관심소자를 선정하여전술한 물리적 환경에 대한 피로수명을 수행한 결과, 랜덤진동환경에 대해 U45와 RLY16~18, 21~22가 각각 12%, 100%의 고장률을 보였으며, 충격환경의 경우는 모든 관심소자가 0%에 근사한 고장률을 보였다. 추가적으로, RM의 신뢰성 개선을 위하여 관심소자 인근에 체결부를 추가하여 랜덤진동환경에 대한 수명분석 재수행하였으며, 체결부의 추가로 구조건전성이 확보되어 모든 소자에 대해 0%의 고장률의 결과가 도출되었다. 아울러, 열주기 환경의 경우, U35가 0.
충격의 경우에는 CM 및 RM의 관심소자 모두 0%의 고장률을 보이고 있다. 충격은 랜덤환경과 달리 0.11ms의 단기간에 발생하며, 누적되는 피로수명 관점에 있어서 신뢰성이 충분히 확보됨을 확인할 수 있다.
후속연구
그러나 상기 선행연구에서 적용된 접근법의 경우, 소자 크기를 대변하기 위해 집중질량을 기점으로 강체요소를 적용하며, 이로 인해 소자 크기가 증가함에 따라 실제보다 높은 강성치가 적용될 수 있다. 또한, 배치소자가 증가할수록 누적되는 강성치는 기판의 진동응답 결과에 있어 서 오차가 발생하는 주된 요인으로 작용하여, 궁극적으로 피로파괴에 대한 신뢰성 결과에 오차가 발생하는 한계점이 존재한다. 이를 해결하기 위해 상세 유한요소 모델을 구축할 경우, 상기 한계점 보완이 가능하나 전술한 고집적 소자를 포함하여 다수의 실장구조를 갖는 고집적 기판을 모델링하기에는 많은 시간이 소요되는 단점이 존재한다.
따라서 우주용 전장품은 위성의 궤도운영 동안 목적하는 임무수행을 위하여 전술한 다양한 기계적 환경으로 부터 생존해야 하며, 위성 임무기간동안 누적되는 피로파괴에 대한 고신뢰도 확보 및 잔존수명 예측이 요구된다. 이와 더불어, 최근 우주용 전장품에 전자소자의 다기능 구현을 위해 다양한 실장형태 의 고집적 소자가 적용됨에 따라 인증모델 제작전 고신뢰도 확보를 위해 기계적 환경에서의 잠재 적 위험요소에 대비한 조기진단으로 개발기간 및 비용 절감이 가능한 설계절차 구축이 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우주용 전장품의 특징은?
우주용 전장품은 목표궤도 진입을 위한 발사체의 비행동안, 비행 가속도에 따라 발생되는 정적 하중과 발사체 엔진의 추진 중단, 추진부 분사, 대기와의 충돌에 의한 정현 및 랜덤진동, 단 분리 및 페어링 분리에 의한 충격과 같이 극심한 발사 진동환경에 노출된다[1-2]. 또한, 궤도진입 이후 온 도차가 극심한 궤도상 열환경의 경우, 서로 접합 되어있는 이종 재질 상호간의 열팽창계수 (Coefficient of Thermal Expansion, CTE) 불일치로 유발되는 물리적 부하가 작용하게 되며, 상기 두 기계적 환경 하에서 반복적인 하중에 의해 기판에 피로가 누적되어 종국에는 기판의 솔더 접합부 균열 및 도선의 단선을 초래한다[3].
우주용 전장품에 요구되는 것은?
우주용 전장품은 목표궤도 진입을 위한 발사체의 비행동안, 비행 가속도에 따라 발생되는 정적 하중과 발사체 엔진의 추진 중단, 추진부 분사, 대기와의 충돌에 의한 정현 및 랜덤진동, 단 분리 및 페어링 분리에 의한 충격과 같이 극심한 발사 진동환경에 노출된다[1-2]. 또한, 궤도진입 이후 온 도차가 극심한 궤도상 열환경의 경우, 서로 접합 되어있는 이종 재질 상호간의 열팽창계수 (Coefficient of Thermal Expansion, CTE) 불일치로 유발되는 물리적 부하가 작용하게 되며, 상기 두 기계적 환경 하에서 반복적인 하중에 의해 기판에 피로가 누적되어 종국에는 기판의 솔더 접합부 균열 및 도선의 단선을 초래한다[3]. 따라서 우주용 전장품은 위성의 궤도운영 동안 목적하는 임무수행을 위하여 전술한 다양한 기계적 환경으로 부터 생존해야 하며, 위성 임무기간동안 누적되는 피로파괴에 대한 고신뢰도 확보 및 잔존수명 예측이 요구된다. 이와 더불어, 최근 우주용 전장품에 전자소자의 다기능 구현을 위해 다양한 실장형태 의 고집적 소자가 적용됨에 따라 인증모델 제작전 고신뢰도 확보를 위해 기계적 환경에서의 잠재 적 위험요소에 대비한 조기진단으로 개발기간 및 비용 절감이 가능한 설계절차 구축이 요구된다.
Steinberg의 경험적 피로파괴 이론은 어떤 것을 제시하는가?
이에 따라 기존 연구에서는 발사 진동환경에 대한 전장품의 신뢰성 확보를 위해 일반적으로 Steinberg의 경험적 피로파괴 이론을 적용해왔다. 상기 이론은 탑재 전장품에 가해지는 외란에 의해 내부에 장착된 기판에 굽힘 거동이 발생할 때, 기판의 최대 발생변위가 허용변위 이하로 설계될 경우, 랜덤진동에서는 약 2천만번, 정현진동에 대해 서는 약 1천만번의 주기를 견딜 수 있음을 제시한다[4]. Steinberg 이론에 기초한 전장품 구조설계의 경우, 통상적으로 유한요소 해석으로부터 도출된 기판의 최대 발생변위와 상기 이론수식으로부터 도출한 허용변위에 대한 설계여유 (Margin of Safety, MoS)를 통해 구조건전성을 평가해왔다.
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http://www.dfrsolutions.com
Jeon, S. H., Kwon, Y. H., Kwon, H. A., Lee, Y. G., Lim, I. Y. and Oh, H. U., "Life Prediction of Failure Mechanisms of the CubeSat Mission Board using Sherlock of Reliability and Life Prediction Tools", Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 44, No. 2, 2016, pp. 172-180.
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