[논문]슬라이드형 휴대폰 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)의 수명예측

최진영; 장석원; 곽계달

슬라이드형 휴대폰 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)의 수명예측
Lifetime Estimation for FPCB of Slide mobile phone 원문보기

최진영 (한양대학교, 전자통신컴퓨터공학부) , 장석원 (한양대학교 신뢰성분석연구센터(RARC)) , 곽계달 (한양대학교 전자통신컴퓨터공학부)

The FPCB is used as the important component of the sliding mechanism of mobile phones. FPCB have been used as jumper cables(fixed wiring) in various types of circuits because of their flexibility and bending property. The dominant failure mode of the FPCB is open that was caused by fatigue. The fatigue is repeated whenever the sliding is open, so it is a mainly cause of FPCB fatigue. We examined the bending-fatigue lifetime of FPCB. we focused on observing the contact resistance degradation of FPCB of mobile phones according to different test condition of bending strain. As a result, it has proved that lifetime decreased by increasing bending strain.

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문제 정의

그러므로 본 연구에서는 일반적인 슬라이드형 휴대폰에 사용되는 FPCB를 대상으로 가속수명시험을 실시하여 FPCB의 고장 모드 및 고장 메커니즘을 규명하고 수명-스트레스 관계를 추정하고자 한다.
본 연구에서는 일반적인 슬라이드 핸드폰용 FPCB에서 주로 발생하는 고장에 대한 가속수명 시험을 수행하였다. FPCB의 고장분석 결과 FPCB의 고장은 슬라이드의 반복적인 개폐에 따른 필름의 피로에 의한 open으로 확인되었고, 이러한 고장 메커니즘을 재현하기 위해 굽힘응력(ε)을 가속인자로 선정하였다.

제안 방법

FPCB에 충분한 개폐를 위하여 timer & counter를 1초에 On, 1초에 Off동작을 하고 On/Off 1cycle마다 카운트 할 수 있도록 구성하였으며 다른 조건들은 일정하게 유지하도록 하였다.
FPCB의 고장분석 결과 FPCB의 고장은 슬라이드의 반복적인 개폐에 따른 필름의 피로에 의한 open으로 확인되었고, 이러한 고장 메커니즘을 재현하기 위해 굽힘응력(ε)을 가속인자로 선정하였다.
FPCB의 굽힘수명시험시, 가속 수준은 구부러진 FPCB사이의 간격으로, 곡률반경(R) 값을 0.25mm, 0.5mm, 1mm로 결정하였다. 이 값을 굽힘수명(N_f)을 구하기 위한 가속인자로 변환하기 위해, 굽힘응력 값인 ε (bending strain)으로 나타내었으며, 이를 Table 3에 나타내었다.
가속수명시험에서 고장이 발생한 시료에 대하여 고장분석을 실시하였다. 그 결과 FPCB 양단의 저항이 무한대로 나타났으며 이를 통해 관측된 FPCB의 고장은 open인 것을 확인 할 수 있었다.
(4) 그림 (a)에서는 요구환경 및 조건과 고장 메커니즘의 관계를 분석하고, (b)에서는 고장모드 및 메커니즘과 시험 방법과의 관계에 대하여 분석하였다. 그리고 각 항목에 대한 상호관계를 비교하여 효과적인 가속수명시험 방법을 결정하였다. QFD 분석결과에 따라 굽힘수명시험(bending-fatigue life test)을 통한 수명평가를 시행하는 것이 가장 적합하다고 판단되었다.

대상 데이터

이 값을 굽힘수명(N_f)을 구하기 위한 가속인자로 변환하기 위해, 굽힘응력 값인 ε (bending strain)으로 나타내었으며, 이를 Table 3에 나타내었다. 또한, 표에서 각 수준에서의 시험 시료는 5개이다.
표에서 FPCB 전체 두께, conductor 두께, 필름 두께 및 adhesive 두께는 각각 50μm, 15μm, 7.5μm 및 10μm이다.
시험에 사용된 시료의 특성 및 고장판정기준을 Table 1에 나타내었다. 표에서 시료는 단면 FPCB(single side)이며, 도체 저항, 절연체 강도 및 peeling strength가 각각 0.2Ω/m, 5KV 및 1.2kgf/cm 이다. 아울러 고장판단 기준은 FPCB가 올바르게 도통 할 수 없는 open이 발생하였을 경우로 선정하였다.

이론/모형

FPCB의 굽힘수명을 예측하기 위해 금속에서의 피로수명을 예측하는 방법인 코핀-맨슨 모델 (Coffin-Manson's law)을 적용하고자 한다.
따라서, FPCB의 굽힘응력과 변수인 굽힘횟수에 대하여 코핀-맨슨 모델이 적합하며, 본 연구에서는 아래의 식 (4)와 같이 굽힘응력, 굽힘수명 사이의 관계식을 코핀-맨슨 모델로 적용하였다.

성능/효과

2006년 휴대폰 이상 관련 서비스 8634건 중 70%가 FPCB 연결선과 액정균열 등 인 것으로 나타났다.⁽¹⁾ 슬라이드 형 휴대폰은 메인 바디에 결합되어 있는 메인 플레이트와 슬라이드 바디에 결합되어있는 슬라이드 플레이트의 상호 왕복 운동을 통해서 구동된다. 두 개의 플레이트를 연결하는 선이 FPCB이다.
FPCB양단에 외부 리드선을 연결하여 전압측정기로 저항값을 측정할 수 있도록 하였고, 저항값의 변화를 통해 고장을 확인할 수 있었다. 고장 판정이 난 시료는 Jig에서 제거하였다.
그리고 각 항목에 대한 상호관계를 비교하여 효과적인 가속수명시험 방법을 결정하였다. QFD 분석결과에 따라 굽힘수명시험(bending-fatigue life test)을 통한 수명평가를 시행하는 것이 가장 적합하다고 판단되었다.
가속수명시험에서 고장이 발생한 시료에 대하여 고장분석을 실시하였다. 그 결과 FPCB 양단의 저항이 무한대로 나타났으며 이를 통해 관측된 FPCB의 고장은 open인 것을 확인 할 수 있었다. FPCB의 open이 일어난 곳에서는 필름이 끊어지는 것을 확인 할 수 있었으며, 이를 Fig.
또한, FPCB의 수명-스트레스 관계식및 수명분포의 변화를 살펴보면, ε값이 감소할수록 수명은 지수함수적인 형태로 감소하는 것을 알 수 있다.
본 연구대상 슬라이드형 휴대폰 FPCB에서 제시된 곡률반경 1.5mm(굽힘응력(ε=0.51%))에서 추정되는 수명 횟수는 1,444,700번으로 나타났다.
부가적으로, 본 연구대상 슬라이드형 휴대폰 FPCB에서 제시된 곡률반경 1.5mm(굽힘응력(ε =0.51%))에서 추정되는 수명 횟수는 1,444,700번으로 나타났다.
7에 나타내었다. 수명은 곡률반경이 늘어날수록 증가함을 알 수 있었다. 굽힘수명과 굽힘응력 사이의 관계를 식 (1)로부터 계산하여 Fig.
시험에서 얻은 데이터들에 대하여 분석한 결과 코핀-맨슨 모델 (Coffin-Manson's law)이 수명식으로 적합함을 알 수 있었고, 이를 통해, 실사용 슬라이드형 휴대폰 FPCB의 수명을 예측할 수 있었다.
아울러, ε값이 3.26에서 1.56으로 50% 감소하였을 때, 수명횟수는 81,780번에서 255,950번으로 약 3.1배 증가했으며, 3.26에서 0.76으로 약 75% 감소하였을 때, 수명횟수는 81,780번에서 779,120번으로 9.5배 증가하였다.
5배 증가하였다. 이를 통하여 곡률반경이 FPCB의 수명에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

슬라이드 형 휴대폰은 무엇을 통해 구동되는가?

2006년 휴대폰 이상 관련 서비스 8634건 중 70%가 FPCB 연결선과 액정균열 등 인 것으로 나타났다.(1) 슬라이드 형 휴대폰은 메인 바디에 결합되어 있는 메인 플레이트와 슬라이드 바디에 결합되어있는 슬라이드 플레이트의 상호 왕복 운동을 통해서 구동된다. 두 개의 플레이트를 연결하는 선이 FPCB이다.

FPCB란?

슬라이드형 휴대폰이 구동될 때 FPCB는 반복적으로 구부러진다. FPCB는 아주 얇은 두께의 절연필름(polyimide) 위에 동박을 붙인 회로기판으로, 두께가 얇고 굴곡성이 뛰어나 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북PC, 캠코더 등 중소형 전자부품에 많이 사용되고 있으며, 현재 다층구조가 상용화되고 있다. FPCB는 단독으로 3차원 배선이 가능하며, 기기의 소형화, 높은 내구성 등의 장점이 있는 반면, 기계적 강도가 낮고 찢어지기 쉬운 단점이 있다.

FPCB에서 주로 발생하는 고장에 가장 큰 영향을 미치는 3가지 요인은?

슬라이드용 휴대폰 FPCB의 고장에 가장 큰 영향을 미치는 3가지 요인으로 첫째, 메인 플레이트와 슬라이드 플레이트의 상호 왕복운동에 의한 반복 충격(repeated stress)과 둘째, 휴대폰을 떨어뜨리는 등의 외부 자극에 의한 물리적 충격(physical stress)(3)과 셋째, 고온을 들 수 있다.

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