내정전기방전 관점에서의 BLDC 모터 설계신뢰성 연구

한창운(Changwoon Han),황순미(Soon-mi Hwang),송병석(Byeongsuk Song) 대한기계학회 2007 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2007 No.10

The reliability of two differently-designed BLDC motors are investigated and compared to choose one of them for the fan application in a home appliance. A series of reliability tests are conducted to the BLDC motors including high temperature storage, low temperature storage, temperature cycling, humidity test, vibration test, drop test, and electrostatic discharge (ESD) test according to IEC 61000-4-2. Both of the BLDC motors don’t show any significant degradation of their characteristics after tests except ESD test. After ESD test, one type of motors shows 100% immunity but another type of motor shows 35% of failure. To investigate the cause of the failure in ESD test, a commercial ESD simulation program is used in modeling the two types of motors in electric overstress environment. Simulation results explain the vulnerable design for ESD in a BLDC motor and suggest that the design of controlling module in BLDC motor affects significantly ESD immunity.

풍력발전기용 전력반도체의 고장진단 및 고장예지 연구동향 리뷰

한창운(Changwoon Han),박노창(Nochang Park),정재성(Jaeseong Jeong) 대한기계학회 2012 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2012 No.5-2

유연성 전자모듈에 대한 오토클레이브 시험조건에서의 습기확산해석

한창운(Changwoon Han),오철민(Chulmin Oh),홍원식(Wonsik Hong) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集A Vol.36 No.5

이동용 전자기기에 적용 가능한 유연성 전자모듈이 롤투롤 공정에 의해 개발되었다. 개발된 전자 모듈은 최 외곽의 두 폴리이미드 층과 그 사이의 동선과 이방성도전필름과 박막 실리콘 칩과 모듈의 봉지재 역할을 하는 접착재료로 구성된다. 개발된 유연성 전자모듈의 신뢰성을 평가하기 위하여 열충격 시험, 고온고습 시험, 오토클레이브 시험을 수행하였다. 시험수행 결과 두 시험에서는 문제가 발생하지 않았으나, 오토클레이브 시험에서는 대부분의 시편 모듈 내에 박리가 발생하였다. 발생한 박리의 고장 메커니즘을 연구하기 위하여 봉지재의 흡습 관련 물성치를 실험적으로 분석하고 오토클레이브 시험조건에서의 모듈 내 습기확산과정을 범용 유한요소 프로그램을 이용하여 분석하였다. 해석결과로부터 오토클레이브 시험조건에서 모듈 내에 발생하는 습기확산과정을 밝혀낼 수 있었다. A bendable electronic module is developed for a mobile application by using a low-cost roll-to-roll manufacturing process. In the module, a thin silicon chip is embedded in a polymer-based encapsulating adhesive between flexible copper clad polyimide layers. A set of tests are conducted for the purpose of qualification: thermal shock, high temperature storage, and autoclave tests. During the autoclave test, delamination occurs at many places within the module layers. To investigate the failure mechanism, moisture diffusion analysis is conducted for the interior of the module under the autoclave test condition. For the analysis, the hygroscopic characteristics of the encapsulating materials are experimentally determined. Analysis results indicate the moisture saturation process in the interior of the module under the autoclave test condition.

랜덤진동환경에서 솔더접합부의 인쇄회로기판내 위치에 따른 내구수명 변화 연구

한창운(Changwoon Han) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集A Vol.38 No.1

인쇄회로기판 위에 9개의 PBGA (Plastic Ball Grid Array) 패키지를 SnPb 솔더로 실장하여 진동시편을 제작하고 랜덤진동시험을 수행하였다. 진동에 대한 각 패키지 솔더의 내구수명을 분석한 결과, 패키지의 인쇄회로기판 배치 위치에 따라 솔더의 내구수명이 결정됨을 보였다. 이 위치에 따른 내구수명 의존성을 규명하기 위하여 유한요소모델을 작성하고, 모델의 모든 요소에 대해서 응력응답함수로부터 정의되는 등가응력을 분석하였다. 분석결과로부터 랜덤진동시험에서 패키지를 연결하는 솔더 중 코너에 위치한 솔더에서 최대 등가응력이 발생함을 보였다. 마지막으로, 각 패키지별 코너 솔더의 최대 등가응력값을 파괴등가응력으로 정의하고 파괴등가응력과 각 패키지의 내구수명간에 직접적인 연관관계가 있음을 제시하였다. A vibration test coupon is prepared with nine plastic ball grid array packages on a printed circuit board using SnPb solders, and a random vibration test is conducted on the coupon. Life data from the test are analyzed, and it is shown that over the board, life data is location-dependent. For investigating this location dependency, a finite element model is developed and the equivalent stresses, which are defined based on the stress response functions at each node, are investigated. It is shown that one of the corner solder balls has the maximum equivalent stress at a package during the test. Finally, it is demonstrated that the maximum equivalent stress and durability life are inversely proportional.

실리콘 태양전지모듈 수명연장을 위한 신뢰성설계 연구

한창운(Changwoon Han),박승일(SeungIl Park),이수연(Suyeon Lee) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

태양 전지 모듈의 수명 또는 전력 보증 기간은 모듈의 신뢰성 측면 뿐만 아니라 태양 에너지 소요 비용 절감에 중요한 요소이다. 태양 전지 제조업체는 현재 실리콘 태양광 모듈에 대해 25 년 전력 보증을 제공하고 있지만, 이는 곧 연장되어야 한다. 본 연구는 열 사이클링 하에서 실리콘 태양전지 모듈의 수명을 늘리기 위해 기존 모듈에 대한 수치 해석과 신뢰성 최적화를 수행한다. 첫째, 기존 태양전지 모듈에 대해서 재료의 점성과 온도 의존성을 고려하여 수치모델을 개발한다. 둘째, 열 피로에 대한 솔더의 수명 예측 모델을 조사하고 수명의 결정 변수를 선택한다. 셋째, 모듈 내 설계 변수 변화에 따른 일련의 민감도 연구를 수행한다. 다음으로, 연구 결과로부터 신뢰성이 강화되도록 태양전지 모듈의 신뢰성 최적설계를 수행한다. 마지막으로, 새로운 최적설계안의 수명을 분석하고 기존 모듈과 비교한다. 신뢰성이 강화된 신뢰성최적설계 모듈의 수명은 기존 모듈에 비해 크게 늘어날 것으로 예상된다. The lifetime of solar cell modules, or power warranty time, is not only a reliability measure but also an important factor for the reduction of solar energy costs. Solar cell manufacturers currently provide 25 years power warranty to Si solar modules, but it should be extended. In this study, to enhance the lifetime of silicon solar modules under thermal cycling, numerical analysis and optimization are conducted on a conventionally designed module. First, the conventional module is numerically modeled with the temperature-dependent material properties including the viscosity of EVA and solder layers. Second, solder lifetime prediction models under thermal fatigue are investigated and a critical measure of the lifetime in the thermal fatigue is selected. Third, a series of sensitivity studies with the measure is conducted by the variation of module design parameters. Next, a reliability-enhanced design of solar cell modules is suggested from the study results. Finally, the lifetime of the new design is analyzed and compared with the conventional module under thermal cycling. The lifetime of the reliability-optimized module design is expected to increase significantly compared to that of the conventional module.

유연박막태양전지 모듈의 수명예측 모델 개발

한창운(Changwoon Han),김은정(Eunjeong Kim),정재성(Jae-Seong Jeong),박창균(Chang-Kyun Park) 대한기계학회 2014 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2014 No.11

고장예지를 위한 온도사이클시험에서 칩저항 실장솔더의 고장메커니즘 연구

한창운(Changwoon Han),박노창(Nohchang Park),홍원식(Wonsik Hong) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.11

A thermal cycle test was conducted on the chip resistor solder joint with a real-time failure monitoring. To detect the failure of the chip resistor solder joint during the test, the resistance between both ends of resistor is monitored until failure occurs. Monitored resistance was first observed to fluctuate linearly according to the temperature change. Initial aberration of the resistance occurred during the temperature decreasing time of the thermal cycle. More serious change of the resistance followed after some cycles at the temperature increasing time of the thermal cycle. To explain the failure patterns of solder joint, a mechanism for the solder failure was suggested and proved through FE simulations. Based on the explained failure mechanism, it was shown that a prognostics for the solder failure can be implemented by monitoring the resistance change in a thermal cycle condition.

태양전지 어레이에 적용 가능한 열화모듈 검출방법 개발

한창운(Changwoon Han),박승일(Seungil Park),이현석(Hyeonseok Lee) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集A Vol.42 No.5

태양광 발전소는 효율적 전기 생산을 위해 태양전지 모듈을 직렬 및 병렬로 연결한 태양전지 어레이로 구성된다. 어레이를 구성하는 개별 태양광 모듈은 시간에 지남에 따라 열화가 진행되며, 태양광 어레이의 발전효율은 열화가 진행된 모듈의 발전효율에 따라 결정된다. 본 연구에서는 태양전지 모듈을 어레이에서 분리하지 않고, 열화가 진행된 모듈을 검출하는 방법을 제안한다. 이 방법은 태양광 모듈에 반투명 가림막을 설치하여 모듈의 전기적 특성을 인위적으로 변경하며 어레이 전체의 출력 곡선을 측정하고 상호 비교한다. 방법의 효과를 분석하고 제안 방법의 검증을 위해서 회로 시뮬레이션을 실시한다. 또한, 실제 태양전지 어레이에 대해서 본 방법을 적용하고 방법의 타당성을 검증한다. Solar cell modules are connected in serial and parallel in a photovoltaic system. All the solar cell modules degrade over time, and the most degraded module in an array decides the output level of the array. In this study, we suggest a health-monitoring method that makes it possible to detect the most degraded module in an array without separating the module from the array. We suggest placing a nontransparent film on a module in an array to create an artificial shading effect. It needs to monitor the current-voltage curve of the string while placing the film on the next one. We show analytically that the most degraded module can be detected by comparing all the array current-voltage curves. We demonstrated the method using an outdoor photovoltaic array.

온도변화 환경에서 칩저항 실장용 유·무연솔더의 수명모델 검증연구

한창운(Changwoon Han) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集A Vol.40 No.3

최근에 온도변화 환경에서 칩저항 실장용 유·무연 솔더의 수명예측모델이 개발되었다. 개발된 수명예측모델에 의하면 가속조건에서는 칩저항 실장 무연솔더가 유연솔더보다 수명이 적은 것으로 나타나지만, 실제조건에서는 무연솔더의 신뢰성이 유연솔더보다 우수하다. 본 연구에서는 개발된 수명예측 모델의 검증 연구를 수행한다. 수명예측모델을 다른 칩저항 실장 유·무연 솔더 시험 결과에 적용하고 비교하기 위해서, 유한요소모델을 개발하고 시험 온도사이클 조건을 적용한다. 변형율 에너지 밀도를 계산하고 수명을 예측한다. 마지막으로 유·무연 솔더에 대해서 예측결과를 시험결과와 비교한다. 검증결과는 개발된 수명예측모델이 사용 가능한 범위에서 수명을 예측할 수 있음을 보인다. Recently, life prediction models for Pb-based and Pb-free solders used in chip resistor assemblies under thermal cycling have been introduced. The models suggest that the field lifetimes of Pb-free solders would be better than those of Pb-based solders when used for chip resistors under thermal cycling conditions, while the lifetime of the chip assemblies under accelerated test conditions show a reverse relationship. In this study, the prediction models were verified by applying the model to another research case. Finite element models were built, thermal cycling conditions were applied, and the energy densities were calculated. Finally, life prediction analysis was conducted for the cases where Pb-based and Pb-free solders were used. The prediction results were then compared with the test data of the case. It was verified that the predictions of the developed life cycle models are on the practical scale.

SnPb 솔더에 대한 유한요소모델의 크리프 특성 검증

한창운(Changwoon Han),박노창(Nohchang Park),오철민(Chulmin Oh),홍원식(Wonsik Hong),송병석(Byeongsuk Song) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.1

본 논문에서는 네트워크 서버용 컴퓨터 주기판 내 장착된 열방열 시스템 지지구조물에 대한 유한요소 모델의 솔더 크리프 특성을 검증하였다. 열방열 시스템은 앵커 구조물로 지지되며 앵커 구조물은 솔더를 이용하여 인쇄회로기판에 장착된다. 컴퓨터 내 발생하는 지속적인 고온환경 하에서 솔더의 크리핑이 발생하고 이는 궁극적으로 지지구조물의 파괴로 이어진다. 유한요소모델은 솔더에 발생하는 응력분석과 수명예측을 위해 사용되며, 솔더 크리프 특성을 모사하기 위하여 Anand 크리프 모델을 적용하였다. 모델을 검증하고 교정하기 위하여 크리프 시험을 수행하였다. 시험은 인쇄회로기판의 변형을 제외한 솔더 변형만을 측정하기 위하여 특별한 지그를 설계하여 수행하였다. 크리프 시험결과를 유한요소해석결과와 비교하여 Anand 크리프 모델을 검증하고 교정을 수행하였다. 교정된 유한요소모델을 이용하여 열방열 시스템 구조물의 보다 정확한 수명 예측을 수행할 수 있다. The heat sink system for a main board in a network server computer is built on printed circuit board by an anchor structure, mounted by eutectic SnPb solder. The solder creeping is caused by a constant high temperature condition in the computer and it eventually makes fatal failures. The FE model is used to calculate the stress and predict the life of soldered anchor in the computer. In the model, Anand constitutive equation is employed to simulate creep characteristics of solder. The creep test is conducted to verify and calibrate the solder model. A special jig is designed to mitigate the flexure of printed circuit board and to get the creep deformation of solder only in the test. Test results are compared with analysis and calibration is conducted on Anand model’s constants. Precise life prediction of soldered anchor in creep condition can be performed by this model