신뢰성 시험 개요

10년 수명을 10년 기다려 검증할 수는 없습니다

보증 기간 3년짜리 제품을 3년 시험하고 출시하면 이미 시장이 없어요. 그래서 스트레스를 높여 고장을 앞당기고, 그 결과를 사용 조건으로 환산합니다. 이것이 가속 수명 시험(ALT)입니다.

핵심 개념은 하나예요.

가속계수 AF = (사용 조건에서의 수명) / (가속 조건에서의 수명)

시험 1,000시간 × AF 26  =  사용 조건 26,000시간 상당

절대 조건 — 고장 메커니즘이 바뀌면 안 됩니다

가속의 유일한 전제는 "빨라졌을 뿐 같은 방식으로 죽는다" 입니다. 이게 깨지면 계산 전체가 무효예요.

> 판정 기준은 "가속 시험에서 나온 고장 모드가 필드 고장 모드와 같은가" 입니다. 다르면 조건을 낮추고 다시 하세요. 여기서 타협하면 성적서는 나오지만 필드는 못 막습니다.

아레니우스 모델 — 온도 가속

화학반응·확산 기반 열화(산화, 확산, 절연 열화, 윤활유 분해)에 씁니다.

AF = exp[ (Ea / k) × ( 1/T_use  -  1/T_stress ) ]

  Ea : 활성화 에너지 (eV)  — 고장 메커니즘마다 다름
  k  : 볼츠만 상수 = 8.617e-5 eV/K
  T  : 절대온도 (K) = 섭씨 + 273.15     ← 섭씨로 넣으면 완전히 틀립니다

계산 예 — 사용 40℃, 시험 85℃, Ea = 0.7 eV

T_use    = 40 + 273.15 = 313.15 K
T_stress = 85 + 273.15 = 358.15 K

1/T_use    = 0.00319336
1/T_stress = 0.00279213
차이        = 0.00040123

Ea / k = 0.7 / 8.617e-5 = 8,123.5

지수부 = 8123.5 × 0.00040123 = 3.2594
AF     = exp(3.2594) = 26.0

→ 85℃에서 1,000시간 = 40℃에서 26,000시간 상당
→ 연간 가동 8,760시간이면 약 3.0년치

Ea를 어떻게 정하나 — 여기가 함정입니다

같은 시험 조건(40℃ / 85℃)에서 Ea만 바꿔보면 차이가 바로 보입니다.

Ea = 0.7 eV :  Ea/k = 8,123.5
               지수부 = 8123.5 × 0.00040123 = 3.2594
               AF = exp(3.2594) = 26.0
               → 1,000h 시험 = 26,000h ÷ 8,760 = 약 3.0년치

Ea = 0.4 eV :  Ea/k = 4,642.0
               지수부 = 4642.0 × 0.00040123 = 1.8625
               AF = exp(1.8625) = 6.4
               → 1,000h 시험 = 6,400h ÷ 8,760 = 약 9개월치

> 똑같은 1,000시간 시험이 3년치가 되기도 하고 9개월치가 되기도 합니다. Ea 하나로 결론이 4배 흔들려요. > > Ea는 "보통 0.7 쓰니까"로 정하는 값이 아니라, 최소 두 개 이상의 온도 수준에서 시험해 데이터로 구하는 값입니다. 문헌값을 쓸 수밖에 없다면 보수적인(작은) 값을 골라 AF를 낮게 잡으세요.

10℃ 법칙은 경험칙입니다

"온도 10℃ 오르면 수명 절반"은 Ea ≈ 0.6~0.7 eV 부근에서 대략 맞는 근사예요. 전해 커패시터 카탈로그가 대표적으로 이 규칙을 씁니다. 모든 재료에 적용되는 법칙이 아닙니다. 개략 견적에는 쓰되 성적서 근거로는 쓰지 마세요.

역거듭제곱 모델 — 온도가 아닌 스트레스

전압, 기계 응력, 진동, 하중처럼 크기(magnitude) 가 스트레스인 경우입니다.

AF = ( S_stress / S_use ) ^ n

  S : 스트레스 크기
  n : 스트레스 지수 — 재료·메커니즘에 따라 결정

계산 예 — 진동 가속

사용 조건 : 3 grms,  1,000 시간 누적 수송·주행
시험 조건 : 9 grms,  n = 4 로 가정

AF = (9 / 3)^4 = 3^4 = 81

시험 시간 = 1000 / 81 = 12.3 h

→ 9 grms 로 12.3시간 = 3 grms 1,000시간 상당

n을 4로 잡느냐 6으로 잡느냐에 따라 시험 시간이 12.3시간과 1.4시간으로 갈립니다. n은 반드시 근거를 남기세요.

온도 사이클 — 코핀-맨슨

솔더 접합부, 용접부처럼 열팽창 차에 의한 저사이클 피로에는 온도 폭(ΔT)의 거듭제곱을 씁니다.

AF = ( ΔT_test / ΔT_use ) ^ n        (솔더 n ≈ 2 ~ 2.5)

사용  : ΔT 40℃,  연 300 사이클, 10년  → 3,000 사이클
시험  : ΔT 100℃, n = 2.5

AF = (100 / 40)^2.5 = 2.5^2.5 = 9.88

시험 사이클 = 3000 / 9.88 = 304 사이클

→ ΔT 100℃ 로 약 304 사이클이면 10년치

복합 스트레스 — 온도 + 습도 (Peck 모델)

AF = ( RH_stress / RH_use )^n × exp[ (Ea/k)(1/T_use - 1/T_stress) ]

  n ≈ 2.7 ~ 3.0 (문헌 통용값)

85℃/85%RH 시험이 표준처럼 쓰이는 이유가 이 모델입니다. 온도와 습도를 동시에 가속해 AF를 크게 만들 수 있어요.

시료 수와 시험 시간 설계 — 무고장 시험

현실적으로 가장 많이 쓰는 방식이 "n개를 t시간 돌려 한 개도 안 죽으면 합격" 입니다. 필요한 시료 수는 이렇게 나옵니다.

n = [ ln(1 - C) / ln(R) ] × ( t_target / t_test )^β

  C        : 신뢰수준        (예: 0.90)
  R        : 목표 신뢰도     (예: 목표 시점에 0.90)
  t_target : 목표 수명 (가속 환산 후 기준으로 통일)
  t_test   : 실제 시험 기간
  β        : 와이블 형상모수 (기존 데이터에서 가져옴)

계산 예

목표 : 10년 시점 신뢰도 90%, 신뢰수준 90%
기존 데이터의 β = 2
시험은 목표의 1.5배 기간까지 돌리기로 함

ln(1-0.90) / ln(0.90) = (-2.3026) / (-0.10536) = 21.85
(1 / 1.5)^2 = 0.4444

n = 21.85 × 0.4444 = 9.71  →  10개

→ 10개를 목표 수명의 1.5배 기간 동안 무고장으로 통과시키면
   "10년 신뢰도 90%, 신뢰수준 90%" 를 주장할 수 있음

> 시험을 더 오래 돌리면 시료가 줄고, 시료를 늘리면 기간이 준다. 시료가 비싼 제품(감속기, 유압 부품)은 기간을 늘리고, 챔버 시간이 비싼 경우는 시료를 늘리세요. 이 트레이드오프를 미리 계산해 고객사와 합의하는 것이 실무 능력입니다.

흔한 실수와 그 대가

부울경 협력사의 현실적 접근

챔버와 진동 시험기를 자체 보유한 중소 협력사는 많지 않습니다. 외부 시험기관 의뢰가 기본이에요.

• 의뢰 전에 AF 계산과 시험 조건을 우리가 먼저 만들어 가세요. "고객사가 하라는 대로"로 가면 조건이 과하거나 부족해도 알 수 없습니다.
• 견적은 챔버 점유 시간 단위로 나옵니다. 시료 수를 늘려 기간을 줄이는 쪽이 싼 경우가 많아요.
• 시험 중 중간 측정 시점을 미리 넣으세요. 끝나고 나서야 언제 죽었는지 모르면 와이블 분석을 못 합니다.

ALT 설계 체크리스트

• 막으려는 고장 메커니즘을 하나로 특정했다
• 그 메커니즘에 맞는 모델(아레니우스 / 역거듭제곱 / 코핀-맨슨 / Peck) 을 골랐다
• Ea 또는 n의 근거(자사 데이터 / 문헌 / 보수적 가정)를 문서화했다
• 온도를 절대온도(K) 로 변환했다
• 가속 조건이 재료 한계(Tg, 융점, 정격)를 넘지 않는다
• 시료 수와 시험 기간을 무고장 시험식으로 계산했다
• 중간 측정 시점과 고장 판정 기준을 정의했다
• 시험 후 고장 시료를 분해 분석하기로 했다
• 나온 고장 모드가 필드 고장 모드와 같은지 확인할 절차가 있다