Resonator 수명측정을 위한 가속시험 방법 연구

국문 초록 (Abstract)

전자 산업이 발달하고 제품이 정밀화됨에 따라서 기술발전의 속도와 변화가 급속하게 진행되고 있다. 그에 따라 소비자의 요구가 점점 다양해지고 높은 수준의 품질을 요하게 되었다. 전자제품에 사용되어지는 부품들의 수명예상을 수치화할 수 있다면 완성될 제품의 수명역시 예측 가능할 것이고 이는 부품산업의 발전에 큰 역할을 하게 될 것이다. 부품의 수명예측은 정상적인 사용환경에서 실험을 진행하게 되면 무한히 많은 시간과 노력을 필요로 할 것이고 많은 부품들에게 동일한 조건을 적용하기 힘들어 짐에 따라 정확한 수치나 예측이 어렵게 될 것이다. 본 연구에서는 4Mhz대역 레조네이터를 시편으로 가속시험을 통하여 품질을 평가함과 동시에 수명 예측을 해 보았다.
가속시험 방법에는 온도/습도를 인가하여 환경의 변화를 줌으로써 열화를 촉진하거나 화학적 변화를 유도할 수도 있다. 하지만 본 연구에서 시편은 기존의 접착방식이 아닌 일체형 레조네이터로써 환경변화로 인한 가속방법은 오랜 시간을 필요로 한다. 따라서 정격전압보다 높은 교류전압을 인가하여 열화를 촉진시키는 방법을 선택하였다. 4Mhz 대역 세라믹 레조네이터 를 입력대비 출력치가 비슷한 소자로 선정하여 15개 한 셋트의 시험편으로 PCB기판위에 제작하였다. 이 시험편의 정격전압은 약 2Vrms이고 가속수준은 10Vrms , 13Vrms , 16Vrms , 19Vrms 이다. 모든 시험편에 발진을 인가하기 위하여 Sweep Range는 40Khz로 2sec 인가하였다.
고장 모드 특성 평가는 초기값과 가속시험 후 값을 비교하여 ±0.1% 이상의 변화로 규정하였다. 가속 시험 후 결과를 보면 가속수준이 증가할수록 고장 시료가 증가하였다. 각 전압에서의 평균수명(MTTF)을 Weibull 분포를 이용하여 계산하였다. 각 수준에 대한 결과는 선형성으로 가속성이 성립되었고 동일한 형태의 고장이 발생됨을 알 수 있었다. 이를 토대로 가속계수를 계산하여 레조네이터의 평균수명을 정격조건 3Vrms일때로 계산한 결과 28,851시간이 예측되었다.
이 실험을 토대로 레조네이터의 수명예측을 할 수 있었고 고장모드의 주된 원인은 가속전압이 증가함에 따라 레조네이터의 진동 변위 역시 증가하고 진동 시 레조네이터의 전극과 세라믹 간의 계면에서 발생하는 스트레스로 인해 계면 접촉 특성이 초기 상태로부터 변화가 일어나기 때문인 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the development of electronic industry and more precision of products, the speed and the change of technical development have sharply evolved. Consequently, customer's requirements are getting more diversified and the demand of high-end quality products is increasing. If the lifespan of components used in electronic products is numericalized, that of finished products will be predictable, and then the result will contribute greatly to development of component industry. It will take much time and efforts to predict lifespan of component if experiment is conducted under normal use environment and it is difficult not only to apply the same conditions to lots of components but also to predict accurate numeric levels. In this study, resonator of 4 Mhz broadband was selected as a specimen to evaluate quality and predict lifespan through accelerator test.
In the accelerator test, temperature and moisture were allowed to change environment, leading to facilitating deterioration and chemical changes. However, the specimen of this study was not the existing adhesive type but all-in-one resonator, so acceleration method by environmental change needed a long time. Higher AC voltage than rated voltage was permitted to facilitate deterioration. Ceramic resonator of 4 Mhz broadband was selected as an element whose output level was similar and was manufactured on PCB with one set of 15 specimens. The rated voltage of these specimens was about 2 Vrms and acceleration level was 10 Vrms, 13 Vrms, 16 Vrms, and 19 Vrms. Sweep range was allowed as 40Khz for 2 sec. Characteristic evaluation of out-of-order mode was defined as the change of more than ±0.1% by comparing the initial values and values obtained after acceleration test. As a result of post-acceleration test, the more acceleration level increased the more the out-of-order specimens increased. Average lifespan (MTTF) of each voltage was calculated using the distribution of Weibull. The result showed that each level established a linear acceleration and that the same type of out-of-order mode occurred. Based on this result, acceleration coefficient was calculated and then average lifespan of resonator was calculated at the rated condition of 3 Vrms to predict 28,851.
Based on this test, lifespan of resonator was predicted and the main causes of out-of-order mode were determined in such a way that the more acceleration voltage increased the more vibration displacement increased and the characteristics of interface contact were changed from the initial conditions due to stress caused at interface between electrode and ceramic of resonator during vibration.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제1절 연구의 배경 1
• 제2절 연구의 목적 2
• 제3절 연구의 방법 2
• 제2장 이론적 고찰 4
• 제1절 압전세라믹 레조네이터의 특성 4
• 가. 기술적 특성 4
• 나. 경제적 특성 4
• 제2절 레조네이터의 소형화 및 박층화 5
• 제3절 레조네이터의 신뢰성 향상 6
• 제4절 레조네이터의 시장성 6
• 제3장 이론적 배경 8
• 제1절 강유전체(ferroelectric)과 초전체(pyroelectric)결정 8
• 제2절 유전체의 열화 기구 13
• 가. 전기적 고장(electronic breakdown) 13
• 나. 열에 의한 고장(thermal breakdown) 14
• 다. 전기기계적 고장(electromechanical breakdown) 15
• 라. 내부방전(internal discharges) 16
• 마. 절연체 시효(insulation aging) 18
• 바. 외부방전(extenal discharge) 18
• 제3절 연구사례 20
• 제4장 실험방법 21
• 제1절 세라믹 레조네이터 가속시험 21
• 가. 기준 레조네이터 21
• 나. 시험편 준비 22
• 다. 가속 방법 및 가속 수준 23
• 제2절 가속시험 평가방법 27
• 가. 평가기준 27
• 나. 가속수명 시험 모형 28
• 다. 구동시 임피던스 측정 및 시뮬레이션 검증 29
• 제3절 결과 및 고찰 30
• 가. 레조네이터의 구동 30
• 나. 레조네이터 구동과 임피던스의 변화 32
• 다. FEA(Finite element analysis)를 통한 레조네이터 변위 및 스트레스 37
• 라. 레조네이터의 주파수 변화 41
• 마. 가속시험 및 회귀분석 44
• 제5장 결론 51
• 참고문헌 및 자료 53
• Abstract 55