Ansys Sherlock과 함께 PCB신뢰성 분석하기 - 진동 피로 해석

일반적인 진동 피로 해석은 구조물에 작용하는 동적 하중에 대해 특정 주파수에서 어느 정도의 응력 · 변형률 진폭이 반복되는지를 구하고, 그 결과를 바탕으로 피로 손상과 수명을 평가하는 해석이다. 이를 위해 가장 먼저 고유진동수 해석으로 구조물의 진동 특성 (고유진동수 및 모드 형상)을 확인하고, 이어서 조화 진동 해석으로 특정 주파수의 사인파 하중에 대한 응답과 공진 위험을 평가하며, 랜덤 진동 해석으로 불규칙한 진동 환경에 대한 구조물의 통계적 응답을 구한 후, S–N 곡선이나 변형률 기반 모델과 Miner 법칙 등을 이용해 진동 피로 손상과 수명을 계산한다.

반면 Sherlock에서의 진동 피로 해석은 고유진동수 · 조화 · 랜덤 진동 해석을 수행하되, 전자기판 및 부품의 신뢰성 및 수명 평가에 초점을 맞춘 것이 특징이다. Sherlock은 ECAD/BOM, Part List, Mount Point에 대한 정보와 시험 규격을 기반으로 한 진동 이벤트(조화/랜덤)를 활용하며, Ansys Mechanical 솔버를 사용해 각 진동 이벤트에 대한 기판 및 부품의 변형률 응답을 계산한 뒤, 그 변형률을 변형률 기반의 수정된 Steinberg 모델에 적용해 솔더 조인트와 리드의 진동 피로 수명을 직접 예측한다.

즉, 일반적인 구조 진동 피로 해석이 진동 하중에 대한 구조물 전체의 피로 손상 경향을 주로 파악한다면, Sherlock의 진동 피로 해석은 전자 부품에 가해지는 다양한 진동 하중에 대해 ‘어느 부품의, 어느 부분이, 어떤 진동 조건에서, 언제 고장 날 것인가’’를 수치적으로 제시하고 피로 수명을 평가한다.

■ 고유진동수 해석

[그림 3] Natural Freq 해석의 Property 창

고유진동수 해석(Natural Frequency Analysis)은 외력 없이 보드와 부품의 고유 주파수와 모드 형상을 구해 공진 가능성을 파악하는 해석이다. 해석을 수행하기 위해서는 그림 3과 같이 확인할 모드 개수와 주파수 범위를 반드시 설정해야 하며, 추가적으로 조화 또는 랜덤 진동 해석이 필요한 경우에는 일반적으로 고유진동수 해석의 최대 주파수가 진동 프로파일 최대 값의 1.5 ~ 2배가 되도록 설정하여 충분한 주파수 범위가 해석에 반영될 수 있도록 한다. 필요하다면 작동 온도 값을 입력할 수 있으며, 작동 온도 기본 설정 값은 20 ºC이다.

Property 창 하단에서는 3D 격자 모델 생성에 대한 설정 값을 입력할 수 있다. PCB, Trace, Mount Point, Part, Lead와 같은 항목에 대해 각각 입력할 수 있으며, 입력 값을 바탕으로 생성된 3D 모델을 확인하는 것도 가능하다.

■ 조화 및 랜덤 진동 해석

조화 진동 해석(Harmonic Vibration Analysis)은 특정 주파수의 사인파 하중에 대한 변위·가속도·응력 응답을 주파수별로 계산하는 해석이며, 랜덤 진동 해석(Random Vibration Analysis)은 PSD로 정의된 불규칙 진동 하중에 대한 구조 응답의 통계적 크기를 평가하는 해석이다.

[그림 4] Harmonic Vibe Editor 창

[그림 5] Random Vibe Editor 창

해석을 위해서는 그림 4 & 5와 같이 각 해석 별로 Event를 정의해야 하며, 주파수 별 하중 값과 Duration 그리고 Number of Cycle은 일반적으로 시험 규격을 참고하여 입력한다.

[그림 6] Harmonic & Random Vibe 해석 설정 창

Event 정의를 완료하면 Analysis 탭에서 Harmonic Vibe(또는 Random Vibe)를 마우스 우 클릭하고 Run Analysis Task를 선택하여 [그림 6]과 같이 Analysis Properties 창을 열 수 있다. 이 창에서는 Modal Damping Ratio를 입력할 수 있으며, 필요한 경우에는 각 모드별로 다른 Damping 값을 사용할 수 있다. 또한, 만약 2개 이상의 Event가 정의된 경우에는 Event 선택 부분에서 체크 박스로 해석에 사용될 Event를 결정할 수 있다.

 Analysis Properties 창 하단에는 3D 격자 생성과 관련된 설정값들을 입력할 수 있다. 3D 격자 모델에 포함하고 싶은 항목들은 미리 활성화 여부를 선택해야 하며, 활성화 되어있는 항목들을 3D 격자 모델에 포함하고 싶지 않은 경우 Modeling 설정을 ‘DISABLE’로 변경하여 격자 모델을 단순화할 수도 있다. 그리고 대부분의 탭에는 Max Mesh Size와 Vertical Mesh Size를 입력하게 되어있는데, 특히 PCB의 경우 Part나 Lead에 비해 크기가 크기 때문에 기판에 비해 작은 크기의 격자를 사용하는 경우 과도하게 많은 격자가 생성되어 해석 시간이 굉장히 길어질 수 있다. 그렇기 때문에 해석을 바로 진행하기 보다는 ‘Generate 3D Model’ 기능을 사용하여 3D 모델을 먼저 확인한 후 해석을 수행하는 것을 추천한다.

3D 격자 생성과 관련된 탭 중 가장 많이 사용되는 탭 및 설정에 대한 구체적인 설명은 아래와 같으며, 설명에 나오는 Pick & Place 창과 Part List 탭의 위치는 [그림 7]을 참고하면 된다.

[그림 7] Pick & Place 및 Part List 창 위치

[그림 8] PCB Modeling 탭 설정들

1. PCB Modeling 탭 [그림 8]

l Stackup 탭에서 정의한 기판을 기반으로 격자 생성

l Modeling Regions: 특정 부분을 Modeling Region으로 설정하여 모델 표현 수준을 결정하는 기능

l PCB Model: PCB를 표현하는 수준 결정. Uniform, Layered, Uniform Elements, Layered Elements 중 선택 가능하며 가장 추천하는 설정은 Layered임

l Element Order: 저차 또는 고차 요소 중 선택. 일반적으로는 저차 요소 추천

[그림 9] Trace Modeling 탭 설정들

2. Trace Modeling 탭 [그림 9]

l  ODB++ 파일에 포함된 Copper Layer 정보를 기반으로 격자 생성

l  이 때, Pick & Place 창에서 ‘Generate Trace Models’ 기능을 통해 Trace를 미리 생성해야 함

l  미리 Trace를 생성하지 않으면 Analysis Properties에서 Trace Modeling을 ‘ENABLED’로 해도 Trace 격자 모델이 생성되지 않음

[그림 10] Mount Points 탭 설정들

3. Mount Points 탭 [그림 10]

l  실제로 PCB가 고정되는 부분에 고정 조건 및 Mount Point 형상 생성

l  기본적인 Mount Point는 ODB++ 파일을 바탕으로 정의되며 추가, 수정, 제거는 Pick & Place 창에서 가능

[그림 11] Part Modeling 탭 설정들

4.  Part Modeling 탭 [그림 11]

l  Part List 창에서 정의한 부품의 Package 정보를 기반으로 격자 생성

l  Part List 창에서 미리 각 부품에 대한 Package – Model Part 설정을 ‘ENABLED’로 변경해야 함

l  Package – Model Part 설정이 ‘DISABLED’인 부품은 Analysis Properties – Part Modeling에서 활성화 불가

[그림 12] Lead Modeling 탭 설정들

5. Lead Modeling 탭 [그림 12]

l  Part List 창에서 정의한 부품의 Lead 정보를 기반으로 격자 생성

l  Part List 창에서 미리 각 부품에 대한 Lead – Model Leads 설정을 ‘ENABLED’로 변경해야 함

l  Lead – Model Leads 설정이 ‘DISABLED’인 경우 Analysis Properties – Lead Modeling에서 활성화 불가

l  특히, 진동 해석의 경우 Lead 유무에 따라 고유진동수 해석 결과가 크게 차이 날 수 있음

[그림 13] Potting Regions 탭 설정들

6. Potting Regions 탭 [그림 13]

l  PCB 위에 부품을 감싸거나 고정하는 수지를 모델에 포함시켜, 기판의 강성 및 질량에 영향을 미칠 수 있는 기능

l  굉장히 얇은 Potting을 추가하면 PCB에 Conformal Coating을 추가하는 것과 유사한 효과를 줄 수 있음

l  부품 - 부품 또는 부품 - PCB 간 접착제의 역할을 대신하기도 함

l  Potting Region은 Pick & Place 창에서 추가 및 수정 가능

이를 참고하여 3D 격자 설정을 완료한 후 Save & Run 버튼을 누르면 해석을 수행할 수 있다. 해석이 완료되면 해석 이름 앞 아이콘이 변경되며, Sherlock 창 상단의 Help 탭에 있는 Task Monitor를 통해 해석 진행 상황과 소요 시간 등도 확인할 수 있다. 또한 각 해석을 마우스 우 클릭한 후 ‘View 3D Model’을 선택하면 실제로 해석에 사용된 3D 격자 모델을 확인할 수 있다. [그림 14]

[그림 14] Natural Frequency 해석에 사용된 3D 격자 모델

■ 진동 해석 결과 확인 방법

[그림 15] 해석 결과 창: Natural Freq

모든 해석이 완료되면 Natural Freq, Harmonic Vibe, Random Vibe 중 하나를 더블 클릭하여 해석 결과를 확인할 수 있다. [그림 15]와 같이 결과 창 좌측에서 현재까지 진행했던 해석 항목들을 모두 확인할 수 있으며, 결과 창 하단에서 각 해석에 대한 세부 결과들을 추가로 선택할 수 있다.  좌측 탭 중 Natural Freq를 누르면 창 하단에서 Summary와 NF 탭을 선택할 수 있게 되며, NF탭에서는 설정한 관심 주파수 범위 내 모든 공진주파수를 순서대로 확인할 수 있다. 또한 Pick & Place 창에서는 고유진동수 해석의 모드 형상 결과를 2D로 확인할 수 있으며, 3D Viewer를 통해 3D 결과를 확인하는 것도 가능하다. [그림 16, 17]

 [그림 16] Pick & Place 창: Natural Frequency 2D 결과 – 1차 모드

[그림 17] 3D Viewer 창 : Natural Frequency 3D 결과 - 1차 모드

[그림 18] 해석 결과 창 : Harmonic Vibe

그리고 [그림 18]에서 볼 수 있듯이 해석 결과 창의 좌측 탭 중 Harmonic Vibe를 누르면 창 하단에서 Summary, Life Prediction, Harmonic Vibe, Parts, Leads 탭을 확인할 수 있다. Random Vibe 탭의 경우에도 출력되는 결과 항목은 동일하므로, 궁금한 부분은 Harmonic Vibe 내용을 참고할 수 있다.

l Summary 탭: 해석에 대한 전반적인 설정들 확인 가능

l Life Prediction 탭: 조화 진동에 대한 누적 고장률 결과

l Harmonic Vibe(또는 Random Vibe) 탭: 각 부품별 Strain, Damage, TTF 결과

l Parts & Leads 탭: 각 부품의 위치(PCB, Part, Lead) 또는 Lead 번호 별 세부적인 Strain 결과

[그림 19] Harmonic Vibe 해석 결과: Life Prediction 탭

[그림 20] Harmonic Vibe 해석 결과: Parts 탭

[그림 21] Harmonic Vibe 해석 결과: Leads 탭

[그림 19]에서 확인할 수 있듯이 Life Prediction 탭에서는 초기에 정의한 Service Life 동안의 고장률 목표(ex. 10년 동안 2% 고장률)를 기준으로 Harmonic Vibe 해석 결과가 이를 얼마나 만족하는지 확인할 수 있다. 또한, Part 및 Leads 탭에서는 각 부품의 세부 위치(PCB, Part, Lead) 뿐만 아니라 Lead ID 별 Strain 결과들도 확인할 수 있다. [그림 20 ~ 21]

[그림 22] Harmonic Vibe 해석 결과: Harmonic Vibe 탭

그리고 [그림 22]와 같이 Harmonic Vibe 탭에서는 Parts 및 Leads 탭에서 확인한 결과들을 종합적으로 참고하여 출력되는 각 부품별 Max Displacement 및 Max Strain, Damage, TTF(Time to Failure)등의 결과들을 확인할 수 있으며, 기본적으로 Damage가 큰 부품부터 정렬되기 때문에 현재 설정에서 가장 위험한 부품이 어떤 것인지 그리고 얼마만큼의 손상이 발생하는지 등을 한눈에 확인할 수 있다. 그리고 초기에 설정한 고장률 기준에 따라 Score 값이 산출되고 그 값에 따라 각 부품이 초록(안전), 노랑(주의), 빨강(위험)으로 표시되어 해당 부품의 상태를 색깔로도 확인 가능하다.

Harmonic Vibe 해석 결과는 Natural Frequency 해석 결과와 마찬가지로 Pick & Place 창에서 2D 결과, 그리고 3D Viewer를 통해서 3D 결과를 확인할 수 있다. 이렇게 얻은 해석 결과들은 해당 진동 Event에 대한 부품의 예상 수명과 취약점을 파악하는데 활용할 수 있으며, 이를 통해 제품 설계 수정 여부 및 방향을 결정할 수 있다.

맺음말