A Reliability Study on the Weak Point Analysis of the Development Parts

개발부품의 설계취약점 분석을 위한 신뢰성 연구

김성옥‧박상욱‧이상헌

자동차부품연구원 신뢰성연구센터

A Reliability Study on the Weak Point Analysis of the Development Parts

Sung Ok Kim‧Sang Wook Park‧Sang Hun Lee

Reliability Division, Korea Automotive Technology Institute

Abstract

The requirements of reliability verification for new products and technology are increasing more and more in accordance with the trend change of strength for safety technology, functional skills and emotional quality. In order to conduct the purpose of robust design from the stage of product development recently, the application of reliability technology has gradually increased such as detecting the failure mode throughout the HALT technique, accelerated tests and so on. The main results are as follows; i) through the pre-test and analysis, detected the basic performance and predictable failure mode, ii) HALT technique and process has been developed that can be applied test methods for the next new products.

Keywords : Highly Accelerated Life Test(HALT), Weak Point Analysis, Reliability Study

논문접수일 : 2013년 01월 18일 논문수정일 : 2013년 02월 12일 게재확정일 : 2013년 03월 08일

1. 서론

최근 자동차산업은 대체에너지를 활용한 고효율 친환경자동차 개발 등 산업트렌드가 변화하 고 있고 사용자에 대한 감성품질, 안전 및 기능기술 강화 등의 요구가 증대하면서 냉각시스 템에 주로 사용 중인 DC 모터가 BLDC모터로 새롭게 개발되어 기존 제품을 대체하는 등 전장시스템의 기술융합을 통한 신기술 및 신제품 개발이 활발하게 진행되고 있다.

도요타 리콜사태 이후 국내외 완성차업체에서는 신기술 및 신제품 개발에 대한 안전성 및 신뢰성의 중요성이 높이 부각되면서 신개발 부품에 대해 짧은 개발기간동안 다양한 필드사 용 환경조건에서 발생할 수 있는 다양한 고장모드를 효과적으로 검출하고 검증하는 신뢰성 기법에 대한 연구가 절실히 요구되고 있다.

상기의 필요성으로 설계자가 미처 예상하지 못한 고장모드, 설계 취약점을 다양한 시험설계 를 통해 실험적으로 발견하고 이를 분석하여 개선하는 시험분석․시정조치(TAAF; Test, Analysis And Fix)의 중요성이 점점 부각되고 있으며 최근 신뢰성 기술방향은 기존 양산제 품 검증위주의 시험방법보다는 제품의 개발단계에서 고장을 검출하고 이를 검증하고 개선시 키는 신뢰성 향상기술 중심으로 연구되고 있는 추세이다.

본 연구에서는 신뢰성 기법 중에 하나인 HALT 프로세스를 통하여 공조장치용 부품의 고장 및 성능 예측, 구조적 특징 등 신뢰성 시험방법 개발 등에 필요한 기술적 정보를 수집하고, 분석을 통한 설계 취약점을 파악하며, 하이브리드 자동차 등 친환경 자동차에 적용될 수 있는 공조장치용 개발부품들 에 대해 신뢰성 기술이 효과적으로 적용될 수 있도록 최적화된 신뢰성 기법을 연구하고자 한다.

2. 본론

2.1 HALT 프로세스 설계

2.1.1 HALT 시험의 연구모델

<그림 1>과 같이 본 연구에서는 필드에서 사용 중인 공조장치용 BLDC 송풍기 모터의 국산 A제품과 선진업체 B제품을 대상으로 HALT기법을 적용한 신뢰성 비교분석을 실시하였다.

<그림 1> 공조용 BLDC적용 송풍기 모터

상기의 그림과 같이 BLDC 송풍기 모터는 고전압을 이용하는 Ni-MH 배터리 충․방전 시 발생하는 열을 방출하기 위한 냉각시스템으로서 충․방전 시 발생하는 수소가스가 모터의 회전자와 정류자 사이에 발생하는 불꽃(Spark)의 영향을 받지 않도록 하며 모터의 성능저하 및 수명저하를 방지하도록 하기 위하여 브러시가 없는 BLDC 모터를 개발 적용하고 있다.

2.1.2 HALT 프로세스 설계 및 방법

<그림 2>는 공조장치용 BLDC 송풍기 모터에 대한 HALT 기법 적용을 위한 프로세스를 나타낸 것이다.

먼저 시험대상은 BLDC 송풍기 모터 단품을 대상으로 하며, 사전검토 및 협의에서는 해당 부품에 대해 이해도가 높은 개발자 또는 설계자와의 협의를 거쳐 샘플 특성 확인 및 주요 분석대상을 선정한다. 사전 분석단계에서는 분석자 관점에서 구조분석 또는 비파괴분석을 통해 예상되는 취약부위와 작동특성 분석을 실시하고 HALT 시험설계 단계에서는 스트레스 수준 및 인가패턴 설정, 고장판단 기준 및 검출방안 등을 고려하여 시험모드를 설계한다.

HALT시험 평가 단계에서는 설계된 시험 정보를 활용하여 다양한 시험모드에 따라 시험을 실시하고 설계 취약점과 설계 마진 평가, 촉진된 고장모드 분석을 수행한다.

최종적으로 설계자와의 협의를 통해 스트레스에 따른 고장유형별 분석에 대한 설계 개선의 방향 설정과 향후 모델 개발에서 기존제품의 설계 취약점/설계 마진에 대한 정보를 활용 가 능할 수 있도록 상기의 결과를 데이터베이스화한다.

<그림 2> BLDC 송풍기 모터 단품에 적용되는 HALT 프로세스

2.1.3 사전시험 분석에 대한 장비구성

<그림 3>은 BLDC 송풍기 모터의 HALT 프로세스 중 제품 성능특성 및 예상되는 취약점 등을 분석하기 위한 사전시험 분석단계에서 사용될 시험장치를 나타낸 것이다.

그림 (a)에서 보는 바와 같이 모터성능시험기는 BLDC 송풍기 모터의 기본성능을 측정하고 이를 계측할 수 있는 시험기로 모터에 부하를 공급하여 부하증가에 따른 모터의 회전속도

및 전류를 측정할 수 있는 장치이며 실시간 데이터를 수집할 수 있는 DAQ로 구성한다.

그림 (b)에서 보는 바와 같이 소음측정기는 BLDC 송풍기 모터가 동작 시 발생하는 소음특성을 측정할 수 있는 무향실, 소음을 계측하는 마이크로폰과 실시간 데이터를 수집하여 분석하는 DAQ로 구성한다.

그림 (c)에서 보는 바와 같이 열화상카메라는 BLDC 송풍기 모터에 내장된 PCB 부품에 대 한 열적특성을 측정할 수 있는 시험기로서 BLDC 송풍기 모터의 제어모듈인 PCB내 트랜지 스터 및 마이크로칩의 발열온도 등을 종합적으로 확인한다.

(a) 모터성능 시험기 (b) 소음측정 및 분석장치 (c) 열화상 카메라

<그림 3> HALT 기법 프로세스 중 사전분석에 사용된 대표적인 시험장치

2.1.4 HALT시험 장비구성 및 평가 설계

<표 1>은 공조용 개발부품 중 BLDC 송풍기 모터에 대한 HALT 시험장비와 장비 사양을 나타낸 것이다.

BLDC 송풍기 모터의 HALT 프로세스의 적용을 위한 시험기는 온도 스텝스트레스 및 열충 격 시험에서 장비에 내장된 히터와 외부에서 공급받는 액체질소를 이용하여 온도변화율 60

℃/min이상 수행할 수 있고, 진동 스텝스트레스 시험에서 에어를 이용한 바이브레이터 가진 방식을 이용하여 최대 50 Grms 이상, (100 ∼ 20,000) ㎐의 6축 랜덤진동을 발생한다.

Item Specification  Motion / Vibration Pattern  6-axis Quasi-random

 Exciting Frequency  (100 ∼ 20,000) Hz  Acceleration  (0 ∼ 50) Grms  Table Dimension  1.0 m × 1.0 m Temperature

Range

 High  180 ℃  Low  -100 ℃  Rate  60 ℃/min  Cooling Fluid  Nitrogen Gas

<표 1> HALT 시험장비 구성 및 사양

<그림 4>는 공조용 개발부품 중 BLDC 송풍기 모터의 고장모드를 효과적으로 검출하기 위 한 대표적인 시험모드를 나타낸 것이다.

그림에서와 같이 HALT 시험에서 각 스텝별 시험시간은 중요한 인자이며 이는 열용량과 관 계되기 때문에 제품의 포화온도를 고려하여 시험시간을 설계한다. 열용량이 큰 샘플은 목표 온도에 천천히 도달하기 때문에 이에 대한 시험시간은 기본적으로 포화온도에서의 유지시간 이 10분이 되거나 전체 시험시간의 반이 되도록 설정하여야 한다. 이를 통하여 제품의 동작 한계, 파괴한계, 등 제품의 설계마진을 검증하고 잠재된 취약부위를 검출한다.

<그림 4> BLDC 송풍기 모터의 HALT 시험 평가모드

2.2 사전시험 결과분석

2.2.1 구조분석 결과

<표 2>는 BLDC 송풍기 모터 A제품 및 B제품의 각 요소부품들의 주요특징을 나열하여 설 계 취약점을 파악할 수 있도록 비교분석하여 나타낸 것이다.

제품의 주요 구성부품은 BLDC 모터의 고정자권선(Stator), 회전자(Rotor), PCB 제어보드, 케이스, 송풍기 팬, 베어링 등으로 구성되어 있다.

상기에서와 같이, A제품의 경우 고정자권선과 회전자는 비교적 큰 토크를 얻을 수 있는 구 조로 코일케이스가 씌어져 있어 습기, 진동에는 유리한 구조이나 열방출에 있어서는 불리한 구조적 특징을 가지고 있다. PCB 제어보드는 트랜지스터와 방열판 결합상태는 PCB보드에 만 고정되어 있어 결합사이에 간극이 발생하고 있으며 이에 따라 트랜지스터의 냉각의 편차 가 생기는 구조적 특징을 가지고 있다. 모터의 베어링은 볼베어링(Ball Bearing)으로 구성되 어 구조가 복잡하며, 비교적 높은 내구성을 가지는 구조적 특징을 가지고 있다.

B제품의 경우 고정자권선과 회전자는 비교적 빠른 속도를 얻을 수 있는 구조로 코일이 개 방되어 있어 열 방출에는 유리한 구조이나 습기, 진동에는 불리한 구조적 특징을 가지고 있 다. PCB 제어보드는 트랜지스터와 방열판 결합상태는 개별 고정 장치가 있어 각각의 기밀 성이 우수하며 냉각 편차가 발생하지 않는 구조적 특징을 지니고 있다. 모터의 베어링은 소 결 베어링으로 구성되어 단가가 낮고 구조가 간단하지만 볼베어링에 비해 낮은 내구성을 가 지는 구조적 특징을 가지고 있다.

A제품 항목 B제품

열방출 유리 고정자 및

회전자 열방출 유리

트랜지스터 편차발생 PCB 제어보드 트랜지스터 편차없음

볼베어링, 내구성 우수 베어링 소결베어링, 내구성 취약

구조분석

<표 2> BLDC 모터 구조분석 주요부품 특징

2.2.2 기본성능분석 결과

<그림 5>는 BLDC 송풍기 모터 A제품 및 B제품에 부하를 인가하여 모터의 성능을 계측하 고 이를 비교분석하여 나타낸 것이다.

성능 분석결과, A제품의 제어방식은 부하가 점진적으로 증가 시 부하 증가에 따라 모터의 회전속도가 제어영역 범위 내에서 무부하 속도를 최대한 보상하려는 특징을 가지고 있는 회 전속도 제어 방식이다.

A제품의 기본성능 특징은 송풍기 모터 제어영역의 폭이 넓고 부하증가 시에도 여유분의 토 크를 유지하고 있지만 고속영역에서는 전류의 맥동 발생이 쉽게 일어나고 회전제어가 매끄 럽지 못해 불안정한 것을 알 수 있다.

B제품의 제어방식은 부하가 점진적으로 증가 시 부하 증가에 따라 모터의 회전속도가 선형 적으로 감소하고 이와 반대로 전류는 선형적으로 증가하고 있는 토크제어 방식이다.

B제품의 기본성능 특징은 제어영역의 폭이 좁고 부하 증가 시 선형적으로 감소하지만 반대 로 전류는 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다.

따라서, BLDC 송풍기 모터 A제품과 B제품의 모터 제어방식은 서로 다른 방식으로 적용되 었음을 알 수 있다.

<A 제품> <B 제품>

<그림 5> BLDC 송풍기 모터의 기본성능 분석결과

2.2.3 소음측정분석 결과

<그림 6>은 BLDC 송풍기 모터 A제품 및 B제품의 소음특성을 분석하기 위해 동일 회전속 도에 대한 소음을 계측하고 이를 비교분석하여 나타낸 것이다. 블레이드 팬을 제거후 베어 링의 소음을 계측한 결과, A제품이 B제품에 비해 회전속도별 소음레벨은 높은 수준이다.

주파수별 소음분석 결과, A제품에서 계측한 주파수 영역별 소음의 주성분은 주파수 영역 15,000

∼ 17,000 ㎐에서 소음레벨이 형성되어 있음을 알 수 있다. 반면 B제품에서 계측한 주파수 영역별 소음의 주성분은 주파수 영역 7,500 ∼ 10,000 ㎐에서 소음레벨이 형성되어 있음을 알 수 있다.

소음레벨이 높고 주파수 영역이 달리 나타나는 원인은 A제품의 경우 볼베어링 타입으로 장 착되어 있고 B제품의 경우 소결베어링 타입으로 장착되어 있어 베어링의 구조적 특징이 다 른 만큼 계측되는 소음 레벨 및 주파수 영역이 다르게 나타나는 것으로 파악된다.

상기의 결과에 대해 일반적으로 사람이 들을 수 있는 등청감곡선을 이용하여 분석하면 A제 품의 소음 주성분은 B제품의 소음 주성분보다 위쪽에 분포하고 있어 A제품이 B제품에 비 해 더 작게 들릴 수 있을 것으로 분석된다. 그러나 하이브리드용 자동차에 장착되는 환경을 감안할 시 구체적으로 소음저감 기술개발에 정량화할 필요성이 있음을 알 수 있다.

<A 제품> <B 제품>

<그림 6> BLDC 송풍기 모터의 소음측정 분석결과

2.2.4 열적특성분석 결과

<그림 7>은 BLDC 송풍기 모터 A제품 및 B제품의 제어모듈인 PCB의 트랜지스터 및 마이 크로칩 부품에 대한 발열 온도를 측정하고 이를 비교분석하여 나타낸 것이다.

모터의 작동 전/후의 PCB 발열온도를 계측한 결과, A제품의 트랜지스터 온도변화는 15 ℃ 이고 베어링 온도변화는 5 ℃임을 알 수 있다.

반면 B제품의 트랜지스터 온도변화는 5 ℃이고, 베어링 온도변화는 25 ℃임을 알 수 있다.

분석결과, 트랜지스터 발열문제는 A제품의 경우 방열판 구조가 PCB 보드에만 고정되는 타입으 로 B제품의 개별고정 타입보다 높은 간극 편차의 분포를 갖고 있어 간극에 따른 냉각 편차가 발생되기 쉬운 취약점이 있다고 판단되며 이에 대한 방열판 구조 선택의 중요성을 알 수 있다.

또한 베어링의 발열문제는 A제품의 경우 볼베어링 타입으로 B제품의 소결베어링보다 낮은 온도의 분포를 갖고 있고 발열을 일으키는 마찰열이 소결베어링보다 우수하다고 판단됨에 따라 설계에 따른 방열구조와 베어링 선택의 중요성을 알 수 있다.

따라서, 가속스트레스시험 또는 가속수명시험 시 모터의 고장메커니즘의 원인이 될 것으로 예상되는 PCB 부품은 A제품의 경우 트랜지스터, B제품의 경우 베어링이 타 부품에 비해 온도에 취약할 것으로 판단된다.

<그림 7> BLDC 송풍기 모터의 PCB 부품 열적특성 분석결과

2.3 HALT시험 결과분석

2.3.1 온도 스텝스트레스 시험 결과

<그림 8>은 BLDC 송풍기 모터의 온도에 대한 잠재적인 고장모드를 검출과 영향도를 파악 하기 위하여 온도 스텝스트레스 시험사진과 시험을 나타낸 것이다.

분석결과 그림 (a)와 같이, A제품은 저온 스텝스트레스 시험 중 제품의 저온 Spec.한계온도 대비 20 %의 마진을 갖는 온도지점에서 전류의 맥동 현상이 발생과 모터의 속도가 일정하 지 못하는 현상이 발생하였다. 그러나 이에 따른 저온작동한계(Lower Operation Limit : LOL)과 저온파괴한계(Lower Destruction Limit : LDL)는 발생하지 않았다. 고온 스텝스트 레스 시험 중 제품의 고온 Spec.한계온도 대비 70 %의 마진을 갖는 온도지점에서 제품의 동작이 멈추는 고온작동한계(Upper Operation Limit : UOL)가 발생하였다. 또한 온도 증가

(a) A제품-저온 스텝스레스와 고온 스텝스트레스 시험모드

(b) B제품-저온 스텝스트레스 및 고온 스텝스트레스 시험모드

시 제품의 재질이 변형되는 고온파괴한계(Upper Destruction Limit : UDL)가 발생하였다.

그림 (b)와 같이, B제품은 저온 스텝스트레스 시험 중 회전속도가 감소하는 경향을 보이고 저 온 Spec.한계온도 대비 70 %의 마진을 갖는 온도지점에서 전류의 맥동현상이 발생되었다. 이후 이에 따른 제품의 동작이 이루어지지 않는 저온작동한계(Lower Operation Limit : LOL)가 발 생하였다. 고온 스텝스트레스 시험 중 고온 Spec.한계온도 대비 10 %의 마진을 갖는 온도지점 에서 불규칙한 전류의 증가와 감소가 반복적으로 발생하였다. 온도증가 시 A제품과 동일한 온 도지점에서 제품의 동작이 멈추는 고온작동한계(Upper Operation Limit : UOL)가 발생하였으며 이후 제품의 재질이 변형되는 고온파괴한계(Upper Destruction Limit : UDL)가 발생하였다.

상기의 결과를 종합해볼 때 BLDC 송풍기 모터의 설계마진은 모두 Spec. 온도한계를 확보 하고 있으나 온도영향에 따른 전류의 맥동발생 현상 등은 개선이 필요함을 알 수 있다.

(c) 온도 스텝스트레스 시험사진

<그림 8> 온도 스텝스트레스 시험 결과

2.3.2 열충격 사이클 시험 결과

<그림 9>는 급격한 열적변화(∆180 ℃이상)에 따른 잠재적인 고장모드를 검출하기 위해 BLDC 송풍기 모터에 대한 열충격 사이클 시험을 나타낸 것이다. 상기의 시험레벨은 저온 및 고온 스텝 스트레스 시험결과에서 확인된 작동한계(Operation Limit : OL)보다 각 10 ℃ 를 낮춰 진행한다.

분석결과 그림 (a)와 같이, A제품은 열충격 사이클 온도가 하강 시 제품의 전류가 증가하고 온도가 상승 시 제품의 전류가 감소하는 특징이 발생하였다.

그림 (b)에서와 같이, B제품은 열충격 사이클 온도가 하강 시 제품의 전류도 감소하고 온도 가 상승 시 제품의 전류가 증가하는 특징이 발생하였다.

열충격 사이클 시험 후 사전시험 분석에서 실시한 모터의 성능을 측정한 결과 A제품 및 B 제품 모두 구동 응답성이 감소하는 경향을 확인할 수 있었으나 치명적인 고장이나 시험 중 이상동작은 발생되지 않았으며, PCB 내부소자 등의 단선, 크랙 등과 같은 고장은 발생하지 않았다.

(a) A제품 열충격 사이클 시험모드 (b) B제품 열충격 사이클 시험모드

<그림 9> 열충격 사이클 시험 결과

2.3.3 진동 스텝스트레스 시험 결과

<그림 10>은 기계적인 진동충격에 의한 리드단선, 납땜단선, 부품이탈 및 접촉 불량 등의 고장을 검증하기 위해 BLDC 송풍기 모터에 대한 진동 스텝스트레스 시험으로 진동 5 Grms에서 45 Grms까지 진동 스텝 스트레스 시험을 나타낸 것이다.

분석결과 그림 (a)의 A제품, 그림 (b)의 B제품 모두 기계적인 진동에 의한 치명적 고장이나 시험 중 이상동작은 발생되지 않았다.

(a) A제품 진동 스텝스트레스 시험모드 및 고장검출 분석

(b) B제품 진동 스텝스트레스 시험모드 및 고장검출분석

<그림 10> 진동 스텝스트레스 시험 결과

3. 결론

본 연구에서는 공조장치용 BLDC 송풍기 모터의 설계개선에 따른 신뢰성 향상 측면의 영향 분석을 위해 HALT 프로세스 기법의 최적화에 대한 연구를 수행하였으며, 그 결과 얻은 결 론은 다음과 같다.

(1) 공조장치용 부품에 적용되는 BLDC 송풍기 모터에 대해 기존 양산품과 개발품의 잠재 적인 고장모드를 검출하여 제품 개선에 활용될 수 있도록 데이터화 하였으며 2차에서 진행 되는 제품개선 및 개발 시 본 시험방법을 적용할 수 있도록 HALT 기법 및 프로세스를 개 발하였다.

(2) HALT 프로세스 기법을 이용한 BLDC 송풍기 모터의 성능특성, 소음특성 등 사전분석 비교를 통한 설계취약점을 파악한 결과 A제품에서는 구조적으로 발생하는 방열판구조에 따

른 발열문제, B제품에서는 소결베어링에 따른 발열문제가 가장 취약한 것으로 해석되었다.

그러나 상기의 고장모드는 일부 개선되어 HALT 시험에서는 이에 대한 영향이 없는 것으로 파악되었다.

(3) 공조용 부품에 대한 저온 스텝스트레스, 고온 스텝스트레스, 열충격 사이클 및 진동 스 텝스트레스 시험에서 BLDC 송풍기 모터의 온도, 진동에 대한 설계마진율(Operation Limit 및 Destruction Limit)이 분석되어 차후 제품의 개발과 설계 시 중요한 정보로 제공될 것이 라 판단된다.

(4) 추후 작동조건에 따른 내부발열 등을 고려한 공조장치 모듈상태의 신뢰성 검증 및 설계 개선 대책에 대한 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.

참고문헌

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