전자기술의 발전과 전자부품 기본 고장률의 추이
A Study on Electronic Component Failure Rate Trend Based on
Technology Changes
장주수† 윤차중* 이은규** 이을재*** 장정훈**** 김용*****
Ju-Su Jang Cha-Jung Yun Eun-Kyu Lee Eul-Jae Lee Jeong-Hoon Jang Yong Kim
ABSTRACT
The Reliability started for MILitary purposes during World War II in 1942, getting more important for maintenance, safety, etc in modern society. As technologies develop, also international standards for measuring the reliability is advancing.
RAMS activities for maintenance, safety verification is material to national railroad. And for this, it needs quick response for the changes of standards. Even now standards are upgrading for developing electronic technologies. Therefore analysis of failure rate's trend about such standards is judged necessary. So We submit a this paper for comparative analysis of changing process standards according to development of electronic technologies and reliability.
At first, we compared actual usage ratio of standards for understanding the current state of usage. Based of these state of usage, discuss the major standard. And then, introduced reliability standards's trend, calculation method of failure rate and difference of failure rate calculation standard according to march of time.
In this paper, used standards are MIL-HDBK-217F, Telcodia, etc.
1. 서론 1942년 2차 세계대전 중에 군사적 목적으로 시작된 신뢰성은 현대사회에서 유지보수, 안전등과 관련 해 그 중요함이 점점 더해지고 있으며 신뢰성을 측정하기 위한 국제 규격 또한 기술의 발전에 따라 진 보하고 있는 추세이다. 국내 철도에서도 유지보수와 안전성 검증을 위한 RAMS활동은 필수적이며 이를 위해 사용되는 규격 들의 변화에 기민한 대응이 필요하다. 현재도 발전하고 있는 전자기술에 발맞추기 위하여 점점 규격들 은 업그레이드되고 있으며, 따라서 이러한 규격들에 대한 고장률의 추이를 분석하여 경향을 파악하는 것이 필요하다고 판단되어 전자기술의 발전과 신뢰성의 발전에 따른 규격들의 변화과정을 비교 분석하 고자한다. † 교신저자, (주)모아소프트, 대표이사 E-mail : [email protected] * 한국철도공사, 철도연구원, 차장 ** (주)우진산전, 기술연구소 *** 이경산전(주), R&D **** (주)모아소프트, 소프트웨어 신뢰성팀 ***** (주)모아소프트, RAMS연구팀
2. 전자기술의 발전에 따른 규격의 변화
가장 대표적으로 사용되는 규격들을 시간의 흐름에 따라 살펴보고, 전자기술이 점차 발전함에 따라 규격들에서 정의하는 기본고장률이 어떻게 변화하였는가를 살펴본다.
2.1 신뢰성 규격의 시간적 순서 2.1.1 MIL-HDBK-217F N2
1965년 미국 국방성(Department of Defense)에서 제정하였으며 1995년 F버전 Notice2가 최신 발간된 것 으로 현재 국내는 물론이고 전 세계적으로 가장 많이 사용되는 신뢰도 예측 규격이다. 미 국방성에서 제정한 이 규격은 오랜 역사 그리고 실전 장비의 운용 상태에서의 고장 정보를 바탕으로 예측 기법이 구성되어 있다.
2.1.2 PRISM, 217PLUS
MIL-217F 규격은 1980년대 이후로 폭발적으로 발전한 전자산업의 모든 영역을 커버하지 못하고 있으 며 이를 보완하기 위해서 미국의 신뢰성 분석 전문 기관인 RAC(2005년 RiAC -Reliability Information Analysis Center-로 바뀜)를 중심으로 이를 보완하기 위해 전기 전자 관련 업체들과의 공동 작업으로 1999년 PRISM이란 예측 규격을 만들었다. 이 후 PRISM의 차세대 버전이며 최초 PRISM 툴의 2배가 되 는 모델을 포함하고 있는 217PLUS(2006년)가 나오게 된다.
2.1.3 Telcordia SR-332
부품규격이 급속하게 발전하는 전자제품의 속도에 대응하지 못하자 AT&T 연구소에서 자체 품질평가 용으로 Bellcore 규격을 개발하였다. 전기전자, 특히 통신분야의 시스템 신뢰도해석을 위해 제정되었으며 이 후 AT&T의 신뢰도 업무팀은 하나의 독립 회사로 분사되어 Telcordia라는 회사를 가지고 이전의 Bellcore규격을 계승 발전시켜 SR-332를 내놓게 된다. 2011년 현재 Telcordia SR-332 issue 3까지, 꾸준한 규격의 업그레이드가 진행되고 있다. 전체적인 규격의 시간별 제정순서는 다음 도표1과 같다. 도표 1. 연도별 규격의 정립순서 연도 규격명 1965 ~1995 MIL-HDBK-217 ~MIL-HDBK-217F-NOTICE2 1999 PRISM 2001 Telcordia SR-332 issue 1 2006 217PLUS Siemens SN29500 Telcordia SR-332 issue 2 IEC62380 2011 Telcordia SR-332 issue 3
Device Type MIL-HDBK-217F Telcordia issue1 Telcordia issue2 Telcordia issue3 (FITs) (FITs) (FITs) (FITs) RESISTOR, FIXED Composition ≤1 MEGOHM >1 MEGOHM Film ≤1 MEGOHM >1 MEGOHM Film, Power(>1W) ≤1 MEGOHM >1 MEGOHM Wirewound, Accurate ≤1 MEGOHM >1 MEGOHM RESISTOR, VARIABLE NON-WIREWOUND Precision ≤200K OHM 11 16 41 10 20 2 8 1 6 6 14 32 82 50 1.02 4.2 1.02 2.4 3 7.2 16.4 42 26 0.36 4.2 0.16 0.48 0.6 1.42 16.4 42 26 2.2 전자기술의 발전에 따른 규격별 기본고장률의 추이분석 다음에서 분석할 수치들은 각 규격별로 고장률을 계산하기 위해 규격상에서 정량적으로 정의하고 있 는 기본 고장률이다. MIL-HDBK-217F의 경우 시간당 고장횟수를 기준으로 하고, Telcordia SR-332는
시간당 고장횟수를 기준으로 한다. 이의 비교를 위해 MIL-HDBK-217F의 APPENDIX A: PART COUNT 항목에 정의되어 있는 General Failure Rate()에 을 곱하여 기준의 Telcordia 규격과 기본
고장률을 비교하도록 하겠다. 동등한 조건의 비교를 위해 Temperature Factor는 40도를 기준으로 하되, Diode와 Transistor와 같은 Semiconductor등은 60도를 기준으로, Environment Factor는 Ground, Fixed, Uncontrolled(Moderate)를 기준으로 정하겠다. 살펴볼 고장률 항목들은 대표적인 전자 부품인 Resistor, Inductor, Capacitor, Diode, Transistor, Integrated Circuit등이다.
2.2.1 Resistor 고장률 비교
MIL-HDBK-217F의 APPENDIX A: PARTS COUNT 항목에는 Environment Factor와 Temperate Factor를 기준으로 (General Failure Rate)가 구해져있다. 이를 Telcordia의 (FITs)와 비교하기 위해서는 Telcordia issue1 Table 7-11. Reliability Conversion Factors의 사항을 참조하여 MIL-HDBK-217F의에
을 곱한다. 그 후 참조한 MIL-HDBK-217F의 APPENDIX A: PARTS COUNT 항목의 Temperature Factor와 Environment Factor를 확인하여 Telcordia의 의 Stress Curve값과 값의 Multiplying값을 (FITs)에 곱
하면 된다. 이후의 도표들은 그러한 과정을 거쳐 비교하였다.
> 200K OHM WIREWOUND Leadscrew Precision ≤100K OHM > 100K OHM Semi-Precision ≤5K OHM > 5K OHM 10 10 13 80 50 400 700 170 240 42 26 200 360 88 124 42 26 200 360 88 124
Device Type MIL-HDBK-217F Telcordia issue1 Telcordia issue2 Telcordia issue3 (FITs) (FITs) (FITs) (FITs)
TRANSFORMER
40도 일때의 Temperature Factor() =1.0, Environment -Ground, Fixed, Uncontrolled()의 는 2.0이다. Telcordia의 (FITs) x 2.0 의 값이 된다. MIL-HDBK-217F의 Resistor는 Telcordia와 비교하기엔 분류상
의 차이가 있으니 Telcordia의 고장률의 변화를 평균치를 내어 비교하여 보겠다. Telcordia issue1의 고장 률의 평균값은 122.7333, issue2의 평균 고장률은 62.88267, issue3의 평균 고장률은 62.108이다. 이를 토대 로 MTBF를 산출해보면 각각 8147748(hours), 15902632(hours), 16100985(hours)다.
그림 1. Resistor의 MTBF 추이
Resistor의 고장률을 평균에 의한 MTBF값의 상승률에 따라 신뢰성의 성장률을 살펴보면, 2001 ~ 2006 년 사이에 95.1%의 상승률을 보였다. 2006~ 2011년에는 1.2퍼센트가 상승하였다.
2.2.2 Inductive Devices(Inductor) 고장률 비교
Pulse Low Level(<5V) Pulse High Level(≥ 5)
Audio Radio Frequency
COIL
Radio Frequency, Fixed Radio Frequency, Variable
22(b) 49(b) 100 960 0.22 0.37 8 38 14 60 1.0 2.0 6 19.6 4.2 26 1.98 3.4 6 19.6 4.2 9.2 0.22 3.4
Device Type MIL-HDBK-217F Telcordia issue1 Telcordia issue2 Telcordia issue3 (FITs) (FITs) (FITs) (FITs)
FIXED Paper Paper/Plastic Plastic Mica Glass 6.1 6.4 6.4 8.8 16 20 20 2 2 2 10.2 1.52 0.92 0.88 1.1 10.2 1.52 0.92 0.88 1.1 그림2. Inductor Transformer의 MTBF 추이 Inductor Transformer는 1995~2001년에 842%의 성장률을 보이며, 2001~2006년 115%, 2006~2011년 43% 의 신뢰성 성장률을 보인다. COIL은 도표3을 보면 Radio Frequency, Fixed은 대체로 신뢰성이 올라갔으 나 Radio Frequency, Variable의 신뢰성이 하락한 것을 확인할 수 있다. 이는 부품자체의 품질이 낮아진 것이 아닌 사용상에 있어 대체부품을 권하는 것으로 파악할 수 있다.
2.2.3 Capacitor 고장률 비교
Ceramic VARIABLE Air,Trimmer Ceramic Piston,Glass Vacuum 26 0.067 66 73 50 2 20 16 6 50 0.4 16 8 3 26 0.2 16 8 3 26 Device Type MIL-HDBK-217
F Telcordia issue1 Telcordia issue2 Telcordia issue3 (FITs) (FITs) (FITs) (FITs) SILICON General Purpose < 1 AMP 1-20 AMP > 20 AMP GERMANIUM 28 9.6 19.2 28.8 5.44 5.44 14.72 1.056 1.056 14.72 Capacitor에서 가장 큰 변화를 보이는 Fixed, Ceramic에 대해서 분석을 해보면 다음과 같다.
그림3. Capacitor - Ceramic MTBF의 추이
1995~2001년에 1200%, 2001~2006년 400%, 2006~2011년에 100%의 신뢰성 성장을 보인다. 이는 Ceramic 소재의 Capacitor가 자주 쓰이고 있으며 안정적인 시스템을 위해서 권장되는 부품이라는 것을 알 수 있다.
2.2.4 Diode 고장률 비교
General Purpose < 1 AMP 1-20 AMP > 20 AMP VOLTAGE REGULATOR ≤ 0.5W 0.6-1.5 W > 1.5W VARACTOR 28 24 26 64.8 162 648 8.4 16.8 25.2 56 33.48 81 334.8 9.52 9.52 26.04 36.4 33.48 81 334.8 2.52 2.52 26.04 36.4 Diode는 60도를 기준으로 잡았기 때문에 Temperature Stress 매칭에 따라 값을 구했다. Device Type 에 따라 각각 수치가 다르며 Silicon의 대한 고장률 추이는 다음과 같다.
그림 4. Diode - Silicon General Purpose FITs의 추이
Device Type MIL-HDBK-217F Telcordia issue1 Telcordia issue2 Telcordia issue3 (FITs) (FITs) (FITs) (FITs) SILICON NPN ≤0.6W 0.6-6.0W >6.0W PNP ≤0.6W 0.6-6.0W >6.0W GERMANIUM NPN ≤0.6W 0.6-6.0W >6.0W PNP ≤0.6W 0.6-6.0W >6.0W UNIJUNCTION 42 42 42 42 120 12.8 19.2 32 12.8 19.2 32 192 288 480 64 96 176 576 5.44 15.68 24.64 5.44 15.68 24.64 99.2 147.2 246.4 32 48 89.6 297.6 2.208 5.664 24.64 2.208 5.664 24.64 99.2 147.2 246.4 32 48 89.6 297.6 (FITs)와 MTBF의 추이가 대칭을 이루고 있음을 알 수 있다. 1995~2001년에 45.8%, 2001~2006년에 125%, 2006~2011년에는 52%의 신뢰성 성장을 보이고 있다. 2.2.5 Transistor 고장률 비교
도표 6. Transistor Failure Rates Parameters Changes
Transistor는 Temperature Stress 수치가 모두 같으므로 (FITs) x 2.0 x 1.6 을 해주면 MIL-HDBK-217 대응 고장률을 구해줄 수 있다. 이를 토대로 Silicon의 고장률 추이를 아래와 같이 구할 수 있다.
그림 6. Silicon FITs의 추이
1995~2001년에 49.2%, 2001~2006년 28.5%, 2006~2011년 28.9%의 신뢰성 성장을 보인다. 2.2.6 Integrated Circuits 기본 고장률 비교
Integrated Circuits은 Digital Integrated Circuit과 Analog Integrated Circuit로 나뉘며 MIL-HDBK-217F의 분 류와 Telcordia의 분류가 맞지 않기 때문에 Telcordia를 중심으로 분석한다.
도표 7. Digital Integrated Circuit BIPOLAR/CMOS Failure Rates Parameters Changes Device Complexity
(Gates)
Telcordia issue1 Telcordia issue2 Telcordia issue3 BIPOLAR CMOS BIPOLAR CMOS BIPOLAR CMOS (FITs) (FITs) (FITs) (FITs) (FITs) (FITs) Range 1-20 21-50 51-100 101-500 501-1000 1001-2000 2001-3000 3001-5000 5001-7500 7501-10000 10001-15000 15001-20000 20001-30000 30001-50000 50001-100000 Nominal 15 40 80 400 800 1600 2500 4000 6500 9000 13000 18000 25000 40000 80000 21 22 23 29 33 39 42 47 52 56 61 65 70 77 10 10 10 11 12 13 14 14 15 16 16 17 17 18 5.6 6.4 7.3 11 13 17 20 24 29 34 40 47 56 71 100 4.1 4.4 4.6 5.3 5.6 5.9 6.2 6.4 6.7 6.9 7.2 7.4 7.7 8.1 8.7 1.1 1.2 1.4 2.0 2.5 3.1 3.6 4.4 5.3 6.2 7.3 8.5 10.0 12.7 18.4 2.04 2.19 2.30 2.61 2.77 2.94 3.06 3.19 3.34 3.45 3.57 3.69 3.81 4.00 4.30
그림 7. Digital Integrated Circuit BIPOLAR FITs 추이
Digital Integrated Circuit BIPOLAR는 2001~2006년 145.4%, 2006~2011년 440.4%의 신뢰성 성장을 보인 다.
그림 8. Digital Integrated Circuit CMOS FITs 추이
도표 8. Analog Integrated Circuit Failure Rates Parameters Changes Device Complexity
(Transistors)
Telcordia issue1 Telcordia issue2 Telcordia issue3 (FITs) (FITs) (FITs) Range 1-32 33-90 91-170 171-260 261-360 361-470 471-590 591-720 721-860 Nominal 20 70 150 200 300 450 550 700 800 19 33 46 52 62 74 81 90 95 9.7 17 23 27 32 38 42 46 49 1.2 2.1 3.0 3.4 4.1 4.9 5.3 5.9 6.2
그림 9. Analog Integrated Circuit FITs 추이
Analog Integrated Circuit는 2001~2006년 121.1%, 2006~2011년 101.4%의 신뢰성 성장을 보인다. 지금까 지 대표적인 전자부품의 고장률의 추이를 살펴보았으며 시간이 가면 갈수록, 전자제품이 발전하면 발전 할수록 대응하는 규격들의 기본고장률이 점점 낮아지는 것을 알 수 있다. 이는 당연한 것으로 기술이 발전하면 할수록 점차 부품들의 고장률이 낮아지고 이로 인해 제품의 수명이 길어질 것을 쉽게 예측할 수 있다. 3. 결론 앞서의 비교분석을 통해 전자제품이 발전할수록 기본고장률이 감소하고 기대수명이 길어지는 것을 파 악하였다. 그러나 이는 기술의 발전에 따른 당연한 결과이며 이로 인해 신뢰성 예측을 소홀히 하는 것 은 지양해야 할 것이다. 또한 전자제품이 발전함으로써 이에 맞게 규격의 갱신과 적용이 필요함은 당연 할 것이다.
참고문헌
1. (주)모아소프트 신뢰성기술연구소, “A Guide Book for Reliability Prediction,” 신뢰성예측 가이드, 2002. 2. J.Y. Song, S.W. Lee(KIMM), J.S. Jang(MOASOFT), "PRISM method for a system reliability prediction in
early design phase“, 한국정밀공학회 춘계학술대회, pp.351-352, 2006. 3. MIL-HDBK-217F N2, DoD, 1995
4. PRISM Handbook, Relex Software Corp,2001 5. 217PLUS, RiAC, 2006
5. Telcordia SR-332 issue 1, Telcordia Technologies Inc ,2001 6. Telcordia SR-332 issue 2, Telcordia Technologies Inc, 2006 7. Telcordia SR-332 issue 3, Telcordia Technologies Inc, 2011
