전자 장치의 신뢰성 평가 기준에 부품의 수리 가능성도 포함해야 할까?

February 23, 2024

Alan Yoon

오늘날에는 의료 기기부터 항공우주 및 자동차 시스템에 이르는 많은 중요한 애플리케이션에 다양한 전자 장치들이 사용되고 있습니다. 이러한 장치들은 안전성과 신뢰성이 가장 중요하기 때문에 올바른 설계 관행을 적용하고 신뢰성 높고 적합한 전자 부품을 선택하는 것이 필수적입니다.

신뢰성은 모든 전자 시스템에서 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 엔지니어는 사용하고자 하는 전자부품의 신뢰성을 평가하기 위한 근거로 AEC-Q, COTS, MIL-PRF, JAN 등 부품 신뢰성 심사 수준을 활용하는 경우가 많습니다. 하지만 이들 기준 외에, 종종 간과되고 있지만 신뢰성 평가에서 이들 기준과 똑같이 필수적인 요소로 ‘수리 가능성(repairability)’이 있습니다.

부품에 장애가 발생했을 때, 해당 부품이 신속하게 수리 또는 교체가 가능한가 여부에 따라 결과는 크게 달라집니다. 수리나 교체가 가능하다면 사용자는 사소한 불편을 감수하면 되지만, 그렇지 않다면 치명적인 고장을 경험해야 할 것입니다. 수리나 교체가 가능할 경우, 대개는 전체 보드와 서브 어셈블리를 교체하고 오래된 부품은 폐기합니다. 수리가 가능하도록 설계된 패널이나 서브 어셈블리를 선택하면 일부 부품은 소켓이 있고, 커넥터에 쉽게 연결할 수 있고 납땜은 할 수 없으며, 전해 커패시터처럼 수명이 짧거나 스트레스를 받으면 고장날 수 있는 품목들은 쉽게 제거하여 교체할 수 있습니다.

신뢰성 높은 전자 부품을 선택할 때는 수리 가능성까지 고려해야 하는 이유가 바로 이러한 점들 때문입니다. 어떤 부품은 수리가 어렵거나 불가능해 완전히 교체해야 할 수도 있고, 또 어떤 부품은 수리 또는 교체가 더 쉬워 시스템의 신뢰성을 유지하기에 더 유리할 수도 있습니다.

_{전자 장치의 신뢰성 평가 기준에 부품의 수리 가능성도 포함해야 할까? (출처: Quality Stock Arts- stock.adobe.com)}

대부분의 하이엔드 모듈형 보드 프로세서는 보드 레벨 수리를 지원하지 않으며, 칩 제조사들 역시 칩 수리를 지원하지 않습니다. 사용자가 보드 또는 서브 어셈블리에 대해 지원받을 수 있는 서비스는 펌웨어 업데이트로 제한됩니다. ‘일회용’ 제품이 넘쳐나는 지금과 같은 세상에서는 기기의 장애를 해결하기 위해 시간을 할애하지 않으며, 애초에 계획한 제품 수명 구조에서 부품 수리와 관련한 항목은 포함되어 있지 않습니다.

전자 장치의 수리가 가능하도록 보장하는 한 가지 방법은 수리 또는 교체가 가능한 부품을 선택하는 것입니다. 예를 들어 커넥터나 모듈형 소자들 같이 표준화된 인터페이스를 지원하는 부품들은 맞춤형 소자들보다 교체가 쉬운 경우가 많습니다. 수리 가능성을 보장하는 또 다른 방법은 수리 또는 교체를 지원하는 제조사의 제품을 선택하는 것입니다. 이러한 제품을 선택하면 부품에 고장이 발생하더라도 빠르고 쉽게 수리 또는 교체할 수 있습니다.

수리 가능성은 전자 장치의 작동 환경과도 관계가 있습니다. 간단히 말해 열악한 사용 환경은 현장 수리에 적합하지 않습니다. 항공 우주 시스템을 예로 들어보면, 고도로 훈련된 우주 비행사/기술자가 우주에서 메인 보드를 수리하지는 않을 것입니다. 만약 필요하다면 수리보다는 교체를 택할 것입니다. 산업용 공장 기계 역시 마찬가지입니다. 생산라인에서 다운타임이 발생하면 비용이 많이 듭니다. 고장난 부품만 교체하면 몇 시간 안에 라인을 정상 작동 상태로 복구할 수 있는데, 교체용 보드나 모듈을 공급받기 위해 이틀씩이나 기다려야 한다면 비용 손해가 막대할 것입니다. 만약에 교체용 보드나 모듈을 재고로 보유하고 있는 경우라면, 이 때는 수리보다 교체가 더 신속한 복구 방법이 될 것입니다.

하지만 수리 가능성은 신뢰성 높은 전자 부품을 선택할 때 고려해야 할 여러 요소들 중 하나일 뿐입니다. 설계 엔지니어는 시스템의 중요도, 환경적 요인, 비용도 고려해야 합니다. 엔지니어는 이러한 다양한 요소들을 신중하게 검토함으로써 적절한 부품을 선택하고 전자 시스템의 신뢰성과 안전성을 보장할 수 있습니다.

보드 및 시스템 설계에 대한 올바른 설계 관행은 제품 설계를 더욱 안정적이고 견고하게 만듭니다. 여기서 핵심은 어떤 부품을 선택할 것인가인데, 부품을 선택하는 데 있어서 중요한 고려 사항은 해당 부품이 탑재되는 시스템이 얼마나 핵심적인 기능을 제공하는 것인가입니다. 예를 들어 동일한 디스플레이 부품이라도 엔터테인먼트용 기기에 사용될 때와 의료용 장비에 탑재될 때 수행하는 기능은 그 중요도가 다를 것입니다. 즉 자동차나 의료기기, 또는 항공 우주 같이 안전이 중요한 애플리케이션에서는 부품 고장의 결과가 심각할 수 있습니다. 이러한 경우 신뢰성을 극대화하려면 엄격한 테스트와 심사를 거친 부품을 선택하는 것이 필수입니다. 예를 들어, MIL-PRF 심사 수준을 충족하는 부품은 혹독한 환경과 극한 조건을 견딜 수 있도록 광범위한 테스트를 거쳤습니다.

환경적 요인 또한 중요한 고려 사항입니다. 일례로 항공우주 애플리케이션에 사용되는 부품은 극한의 온도, 방사선, 그 밖에 다양한 환경적 요인을 견딜 수 있어야 합니다. 자동차 시스템에 사용되는 부품 역시 고온과 진동 등 엔진룸의 가혹한 조건을 견뎌내야 합니다. 항공우주 및 자동차용 신뢰성 표준은 이러한 필수 부품 선별 및 설계 관행의 대부분을 규정합니다.

비용 또한 빼놓을 수 없는 고려 요인입니다. 기판을 섀시에 리벳(rivet)으로 고정하는 것보다 탈착식 나사와 와셔(washer)를 사용하는 것이 비용과 일손을 더 많이 요구합니다. 하지만 나사를 사용하는 방법이 리벳으로 고정하는 방법보다 수리하기는 훨씬 쉽습니다.

모든 부품 또는 보드가 수리 가능한 것은 아닙니다. 피치가 미세하고 핀 수가 많은 칩은 공장 외부에서 안전하게 제거하고 교체하기가 쉽지 않습니다. 플랫팩(flatpack)과 볼 그리드 어레이(BGA) 패키지가 그러한 예입니다. 크기가 관건인 설계에서, 이러한 부품들을 탈착식 메자닌 보드에 배치하는 것은 문제가 될 수 있습니다. 또한 메자닌 보드를 사용하면 더 많은 연결이 필요하며, 연결 수가 많을수록 신뢰성은 떨어집니다.

값비싼 부품이 항상 좋은 것도 아닙니다. 부품의 비용, 시스템의 중요도, 부품의 예상 수명을 신중하게 비교하여 결정하는 것이 바람직합니다. 수리가 간단한 경우라면 예상 수명이 짧고 가격이 저렴한 부품을 선택하는 것이 더 비용 효율적일 수 있습니다.

수리 가능성은 중요하지만 모든 부품들이 수리가 가능하거나 수리가 필요한 것은 아니라는 점을 염두에 둘 필요가 있습니다. 예를 들어, IC는 종종 밀봉되어 수리가 불가능합니다. 하지만 표준 인터페이스를 갖춘 부품이나, 수리 또는 교체 서비스를 제공하는 제조사의 부품을 선택하면 수리 가능성이 시스템의 신뢰성을 높이는 데 기여할 수 있습니다.