고장 분석이란?

고장 분석(고장 조사라고도 함)은 고장의 근본 원인을 식별하고 완화하여 제품이 고장 난 이유를 파악하는 프로세스입니다. 고장 분석은 고장을 일으킨 환경, 고장을 유발한 특정 메커니즘 및 고장 부위를 조사합니다.

전자 제품의 고장 분석에서는 PCBA(인쇄 회로 기판 어셈블리)의 특정 위치로 고장을 격리한 다음 구성 요소 또는 기판 위치를 더 자세히 조사하여 정확한 고장 부위를 찾습니다.

제품이 고장 난 경우 고장을 일으킨 원인에 대한 조사가 필요합니다. 고장을 격리하는 것이 중요하지만 고장 분석을 사용하는 주요 이유 중 하나는 고장이 재발되지 않도록 하는 것입니다. 제조업체가 근본적인 고장 메커니즘과 근본 원인을 이해하면 향후 동일한 문제가 발생하지 않도록 시정 조치를 취할 수 있습니다. 현장 고장 또는 보증 리콜은 재정 및 평판에 막대한 손상을 초래할 수 있으므로 기업에 큰 비용을 초래합니다. 말기 고장도 우려해야 할 원인입니다.

많은 업계에서는 제조 또는 제품 지원 프로세스 중에 고장 분석을 품질 관리(QC) 측정 방법으로 사용하여 잠재적인 고장을 식별하고, 고객이 보고한 고장의 근본 원인을 파악하고, 소비자가 잘 만들어진 제품을 받을 수 있도록 합니다. 고장 분석을 자주 수행하는 업계로는 자동차, 항공우주, 방위, 제조, 생물의학 및 소비재 부문이 있지만, 모든 업계의 제조 단계 또는 현장에서 고장 분석 프로세스를 사용하여 어디서 어떻게 문제가 발생했는지 파악할 수 있습니다.

전자 제품의 고장 원인에는 여러 가지가 있습니다. 일반적으로 전기 설계 문제 때문이 아니라 재료 선택, 열 관리, 오염 또는 기계 설계 문제 때문입니다. 미처 예상하지 못한 열 또는 기계적 부하 또는 고려했지만 예상보다 역작용이 있는 부하로 인해 발생할 수 있습니다. 기판의 오염, 재료 특성 또는 동작에 대한 불완전한 이해 또는 일정 수준의 부식 때문에 발생하는 경우도 있습니다.

PCBA 및 개별 구성 요소 수준에서 고장을 일으키는 다양한 고장 모드와 메커니즘이 있습니다. 일반적인 전자 고장에는 다음이 포함됩니다.

• 와이어 본드 파손 및 탈락
• 층간 박리
• 커패시터 크래킹
• 다이 손상
• 배선 고장
• 솔더 피로 및 과응력
• 리드 파괴
• 오염으로 인한 전류 누출
• 전기화학적 마이그레이션
• 전도성 양극 필라멘트 고장
• 도금된 관통 구멍 피로
• 패드 크레이터링 및 트레이스 파괴

고장 분석과 근본 원인 분석(RCA)이 비슷한 의미로 사용되는 경우가 많지만, 완전히 맞는 것은 아닙니다. RCA는 고장이 발생한 이유와 관련된 일반적인 문제 해결 방법론을 설명합니다. RCA는 고장과 관련된 원인을 평가하며, 조직 동인, 내부 커뮤니케이션, 설계 관행, 사양 불량, 제품 사용 환경, 재료 과학 가정 및 기타 많은 잠재적 문제를 고려할 수 있습니다. 고장 분석은 RCA 데이터 수집 기법의 한 범주로, 고장의 근본 원인을 식별하고 재발을 방지할 수 있는 잠재적 완화 조치를 알리기 위해 고장난 장치를 체계적으로 검사하는 데 중점을 둡니다. 견고한 고장 분석의 기초를 다지기 위한 질문은 다음과 같습니다.

1. 고장 모드는 무엇인가?
2. 고장이 어떻게 발생했는가?
3. 고장 부위는 어디인가?
4. 고장 메커니즘은 무엇인가?
5. 재발을 방지하려면 어떻게 해야 하는가?

전자 시스템에서 직접 고장을 찾는 데 사용할 수 있는 다음과 같은 많은 물리적 및 화학적 고장 분석 기법이 있습니다.

• X선 현미경
• 음향 현미경
• 스캐닝 전자 현미경(SEM)
• 광학 현미경
• 에너지 분산 X선 분광법(EDS)
• 초전도 양자 간섭 장치(SQUID) 사용
• 열화상 촬영
• 기계적 테스트
• 염료 침투 해석
• 단면 해석

"Five Whys" 방법 및 Six Sigma와 같은 일반적인 RCA 기법에는 RCA로 얻은 고장 완화 조치를 알리기 위한 데이터 수집 기법으로 고장 분석이 통합되는 경우가 많습니다.

제품 고장은 뉴스에 자주 등장하며 EV 또는 스마트폰 배터리 화재와 같은 심각한 결과를 초래할 수 있습니다. 제품 고장은 비용이 많이 들 뿐만 아니라 소비자의 신뢰를 떨어뜨립니다.

고장 분석은 제조업체에게 소비자의 요구 사항에 맞게 지속적으로 제품을 개선하고 시정 조치를 실시하여 신뢰를 구축할 수 있는 방법을 제공합니다. 이미 사용 중인 제품이 고장 난 경우, 더 많은 제품을 출시할 수 있도록 근본 원인을 찾고 문제를 해결하는 것이 핵심입니다.

그러나 이는 제조업체가 할 수 있는 일이 아닙니다. 많은 부문의 제조업체는 여러 업체에서 구성 요소를 공급받으므로 고장 분석 방법을 사용하면 최종 제품에 사용할 수 있을 만큼 안정적이고 신뢰할 수 있는 구성 요소를 확보할 수 있습니다. 따라서 고장 분석은 업계에 관계없이 광범위한 제조 공급망에서 견고성과 안정성을 보장합니다.

제품 고장의 근본 원인을 파악할 때는 일반적으로 네 가지 RCA 기법이 사용됩니다.

Five Whys: 고장의 원인과 결과를 조사하여 근본 원인을 파악하는 방법입니다. 처음에 문제로 시작하여 해답을 찾을 때까지 일련의 “왜”라는 질문을 통해 제품과 환경을 조사하는 것입니다.

Fishbone (Ishikawa) 다이어그램: Fishbone 다이어그램이라는 이름은 최종 형태를 본따 지어진 것입니다. 이 툴은 환경에 대해 전혀 모른다고 가정하므로 엔지니어가 고장으로 이어질 수 있는 다른 요인을 평가하여 근본 원인을 가려낼 수 있습니다.

고장 트리 분석(FTA): 고장 트리 분석은 시스템을 구성 요소와 하위 시스템으로 나눕니다. 하위 시스템 또는 구성 요소 고장과 나머지 시스템의 관계를 살펴보고 상위 시스템의 고장 경로를 추론합니다. 고장 트리 분석은 기본적으로 특정 영역에서 고장의 위치를 조사하고 더 광범위한 시스템에 어떤 영향을 미치는지 평가합니다.

고장 모드 및 영향 분석: 고장 모드 및 영향 분석(FMEA)은 각 노드에서 잠재적인 고장 모드를 정의하고 이러한 고장 모드가 하위 시스템 및 시스템 성능에 미치는 영향을 확인하여 고장 트리 분석을 확장합니다. FMEA는 구성 요소 및 하위 시스템 수준까지 고장을 조사하고 더 광범위한 시스템에 미치는 영향을 조사합니다. FMEA는 고장 트리 분석보다 더 자세한 내용을 다루며(예: 칩의 타이밍 손실까지), 업계별로 사양이 다른 다양한 유형의 FMEA가 있습니다.

기존 RCA 기술도 유용하지만 신뢰성 물리학 및 신뢰성 엔지니어링은 제품이 고장난 이유에 대한 보다 강력한 통찰력을 제공합니다. 제품 개발의 모든 단계에서 RCA를 알리고 고장을 미연에 방지하는 데 사용할 수 있습니다.

신뢰성 물리학은 고장 분석의 정확성을 한층 더 높여줍니다. 물리 기반 접근 방식을 사용하면 중복되거나 가능성이 매우 낮은 고장 옵션을 무효화하여 고장 모드 및 고장 메커니즘의 평가 속도를 높일 수 있습니다.

엔지니어가 고장의 물리학을 이해하면 제품 내부의 기계적, 열적, 화학적 및 전기적 응력이 어떻게 고장으로 이어질 수 있는지 이해할 수 있습니다. 전기적 요인 때문에 고장이 발생하는 경우는 드뭅니다. 대부분의 고장 모드는 열, 재료 선택, 오염 및 기계적(전기적) 원인 때문에 발생하며, 제조 전에 제품이 고장나는 것을 방지하기 위해 신뢰성 물리학에 기반한 시뮬레이션 툴을 사용하여 이러한 원인을 포착할 수 있습니다. 예를 들어, 열 순환 고장은 고장 분석을 통해 쉽게 완화할 수 있는 전자 장치의 일반적인 문제입니다.

일반적인 시뮬레이션 접근 방식은 PCBA 설계 검토 후 유한 요소 해석(FEA)을 수행하는 경로를 따를 수 있습니다. 시뮬레이션 방법은 유입되는 재료를 평가하고 기계적 견고성을 평가하여 고장 모드를 식별하고, 시스템이 영향을 받을 수 있는 잠재적 고장 모드를 평가하고, 오염 임계값을 확인하고, 시스템 신뢰성을 개선하는 설계 변형을 탐색합니다.

이를 적용할 수 있는 몇 가지 실제 예는 다음과 같습니다.

• 포팅 화합물의 이상적인 온도 범위 확인
• 배터리 내부의 잠재적 열화 메커니즘 검사
• PCBA의 솔더시스템 시뮬레이션
• 컨포멀 코팅이 구성 요소 신뢰성에 미치는 영향 시뮬레이션
• 기본적인 원자 및 분자 규모 거동을 기반으로 크리프, 피로 및 확산 기반 고장 확인

사례 연구 예시: 솔더 피로

PCBA에서 가장 일반적인 고장 메커니즘 중 하나는 열 순환으로 인한 솔더 피로입니다. 최신 PCBA는 유리 섬유 라미네이트, 세라믹, 폴리머, 솔더, 실리콘 및 구리 등 다양한 재료의 조합으로, 재료 특성이 매우 다양합니다. 솔더 피로 고장을 평가할 때 고려해야 할 가장 중요한 특성 중 하나는 CTE(열 팽창 계수)입니다.

솔더는 전자 패키지 내부에서 전자 부품을 인쇄 회로 기판에 부착하는 데 사용되는 경우가 많으며, 일반적으로 CTE가 매우 상이한 재료를 연결합니다. 작동 환경 또는 부품 전력 손실의 변화로 인해 PCBA 및 부품에 열 순환이 발생하며, 이로 인해 재료가 서로 다른 속도로 팽창하고 수축합니다. 이러한 차동 팽창은 솔더에 의해 크리프로 흡수되며, 솔더에 축적된 크리프 변형은 균열로 이어지고 결국 솔더 볼이 완전히 파괴됩니다.

전기 탐사, X선, 초음파 현미경, 광학 검사 또는 SEM을 사용한 단면 처리, 염료 침투 분석과 같은 기법을 사용한 고장난 샘플의 물리적 해석은 솔더 균열의 존재와 위치 및 솔더 피로 메커니즘을 확인하는 데 매우 효과적입니다. 그러나 고장이 발생한 이유를 파악하고 추가 고장을 방지하기 위한 솔루션을 제안할 때는 시뮬레이션이 중요한 툴이 됩니다. 분석가는 시뮬레이션을 통해 솔더 피로를 유발할 수 있는 재료, 형상, 환경, 부착 방법 및 기타 요인의 영향을 포함할 수 있습니다. 시뮬레이션 결과는 고장을 유발하는 물리학에 대한 통찰력을 제공하며, 기업에서 수정을 구현하기 전에 설계 또는 작동 조건 변경의 영향을 가상으로 테스트할 수 있게 해줍니다.

고장 분석 과제의 솔루션에 물리적 해석 및 테스트를 적용하든, 시뮬레이션을 적용하든 관계없이 Ansys 접근 방식의 핵심은 신뢰성 물리학입니다. Ansys의 신뢰성 엔지니어링 서비스 팀에는 물리적 해석, 테스트 및 시뮬레이션을 적용하여 가장 까다로운 고장 분석 과제도 해결하는 우수성을 위한 설계, 전자 시스템 설계, 패키징 및 제조 분야의 전문가가 있습니다. 이 팀은 전자 설계 분야에서 다년간의 경험을 바탕으로 항상 고장 위치와 고장 메커니즘을 식별하는 비파괴 기법으로 시작합니다.

Ansys 소프트웨어는 많은 전자 시스템을 해석하여 첨단 기술 제품에 존재하거나 존재할 수 있는 열-기계 문제를 확인할 수 있습니다. 시뮬레이션은 고장 분석의 물리적 기법에 대한 강력한 추가 기능으로, 고장으로 이어질 수 있는 힘 및 재료 거동에 대한 추가적인 통찰력을 제공합니다.

Ansys Sherlock™ 전자 제품 신뢰성 예측 소프트웨어: 열-기계 문제에 기반한 고장을 예측하는 데 사용됩니다. Sherlock 소프트웨어는 기본 환경에서 고장을 유발한 시스템을 시뮬레이션하여 고장을 일으킨 동작을 시뮬레이션할 수 있습니다. 또한 이러한 신뢰성 해석 접근 방식을 통해 엔지니어는 구성 요소, 보드 및 시스템의 고장 메커니즘을 식별하여 대상 애플리케이션 환경에 맞게 최적화할 수 있습니다. Sherlock 소프트웨어는 PCBA 수준에서 신뢰성 예측을 수행하며, Ansys Mechanical™ 소프트웨어 및 Ansys Icepak® 솔루션의 입력을 사용하여 PCBA 주변의 하우징을 모델링하거나 구성 요소 온도를 낮추는 냉각 시스템을 만드는 등 PCBA 수준 이상의 신뢰성을 시뮬레이션할 수 있습니다.

Ansys Mechanical 구조 FEA 소프트웨어: PCBA 외부의 시스템 요소(예: 하우징, 기계적 보강재 및 기타 상위 수준 하위 시스템 기계적 구성 요소)를 통합하는 다양한 하중 시나리오에서 최악의 조건을 살펴보는 시뮬레이션을 제공합니다. Mechanical 소프트웨어는 복잡한 시스템 수준 어셈블리의 다양한 하중 조건에서 기판 변형을 도출하는 데 사용할 수 있습니다. Mechanical 해석의 결과를 사용하여 과응력 오류를 식별하거나 Sherlock 소프트웨어로 복사하여 복잡한 하중 및 제약 조건 시나리오로 인한 구성 요소 수준의 신뢰성을 예측할 수 있습니다.

Ansys Icepak 전자 제품 냉각 시뮬레이션 소프트웨어: 다양한 냉각 솔루션이 작용할 때 PCBA의 다양한 구성 요소의 온도를 검사하는 열 해석을 제공합니다. Icepak 해석 결과를 사용하여 구성 요소 온도 등급을 초과하는 온도를 식별하거나, 구성 요소 디레이팅 마진을 평가하거나, Sherlock 해석에 통합하여 구성 요소 수준의 신뢰성을 예측할 수 있습니다.

Ansys는 3,000명 이상의 고객이 제품 고장의 근본 원인을 식별하고 완화할 수 있도록 지원했으며 문제로 발전하기 전에 시뮬레이션을 통해 솔루션을 제공했습니다. 지금 Ansys 물리 전문가에게 문의하여 매년 기술 과제를 해결하기 위해 Ansys를 선택하는 300개 이상의 회사 중 하나가 되십시오.

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