국제 표준 시험 조건을 만족하는 자유 낙하식 충격 시험기를 제작하였다. 충격 시험기의 작동 원리는 전자 부품을 낙하테이블에 지그(Jig)를 이용하여 고정시키고 호이스트가 낙하테이블을 끌어올린 후 고리를 해제하면 낙하테이블이 가이드봉을 따라서 낙하하여 강체베이스와 충돌하여 제품에 충격을 인가하는 방식이다. 충격파는 낙하테이블에서 지그를 통해 전자 부품으로 전달된다.

Fig. 1은 자유 낙하 충격 시험기의 시스템 구성도이다. 테이블 높이를 조절하여 위치에너지와 최대가속도를 조절한다. 낙하테이블과 강체베이스 사이에는 연한 완충재를 삽입하여 충격 지속 시간을 조정한다. 강체베이스의 아래쪽으로의 충격은 쇼크 업소버(Shock Absorber)가 흡수하게 하였다. 초기 충격 후 낙하테이블이 반발되어 튀어 오르면 공압 브레이크가 작동하여 테이블이 다시 내려와서 충돌되지 않고 잡도록 하였다. 가속도 센서는 낙하테이블에 부착하며, 데이터 수집 장치(Data Acquisition System, DAQ, NI)로 데이터를 수집하고 컴퓨터에 저장한다.

Fig. 1 
Schematic of a free fall drop tester

국제 표준에서 요구하는 낙하테이블의 충격 가속도는 Fig. 2와 같다. 본 연구에서는 JESD22-B111의 시험 조건 중에서 Condition-B에 해당하는 조건으로 특정지었다. 가속도 파형은 Half Sine 형태일 때, 최대가속도는 1,500 G이며 지속 시간(Duration Time)은 0.5ms이다. 여기서 1 G = 9.806 m/s²이고, 지속 시간은 최대가속도의 10%인 150 G를 컷오프 조건으로 적용하였다.

Fig. 2 
Acceleration condition of drop table according to JESD22-B111

낙하테이블 설계를 위하여 다음 Fig. 3과 같은 3가지의 테이블을 제작 및 평가하였다. Fig. 3(a)는 하단부가 직사각형 블록 형태이며 중량은 5 kg이다. Fig. 3(b)는 충격을 골고루 분산시키기 위해 하단부가 역피라미드 형태이며, 중량은 3.75 kg이다. Fig. 3(c)는 충격 분산을 극대화하기 위해 사다리꼴 형태로 제작하였다. 낙하테이블의 중량을 줄이기 위해 원형의 구멍을 뚫었다.

Fig. 3 
Various types of drop table: (a) Block type, (b) Flat inverse pyramid type and (c) Trapezoidal type

Fig. 4(a)는 Fig. 3(a)의 테이블을 적용했을 때 측정한 가속도 그래프이다. 첫 번째 피크 이후 가속도가 떨어지는 구간에서 작은 파형이 합성되어 나타난 것을 볼 수 있다. 이는 낙하테이블이 강체베이스와 평형이 충분하지 않아서 이단으로 충돌되기 때문으로 사료된다. Fig. 4(b)는 Fig. 3(b)의 테이블을 적용했을 때 가속도 그래프이다. 가속도 그래프는 Half Sine 그래프로 나타난 후 음의 가속도가 크게 발생하였다. 이는 낙하테이블이 얇고 가벼워지면서 강체베이스와의 질량비가 커지고 테이블 자체의 진동 모드가 더해지기 때문으로 사료된다. Fig. 4(c)는 Fig. 3(c)의 테이블을 적용했을 때 가속도 그래프이다. 사다리꼴 형태가 충분하게 커지면서 충격이 골고루 분산되어, 가속도 그래프가 Half Sine으로 나타나고 음의 가속도가 최소화되는 것을 알 수 있다.

Fig. 4 
Measured acceleration signals on a drop table with respect to the shape of table at (a) Block type, (b) Flat inverse pyramid type and (c) Trapezoidal type

중력장 내에서의 물체의 거리, 속도, 가속도는 다음 식과 같이 나타난다.¹⁷ 중력장 a에서 낙하 높이와 시간의 관계는 식(1)과 같으며, 이때 낙하속도는 식(2)로 나타난다. 운동량 보존의 법칙과 강체베이스의 초기속도(0 : Zero), 충돌 직전의 낙하테이블의 속도를 고려하면 낙하테이블과 강체베이스의 충돌 전(i)과 후(f)의 속도는 식(3)과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 t는 시간, s는 거리, v는 속도, v₀는 초기속도, a는 가속도, v_1i는 낙하테이블의 충돌 전 속도, v_1f는 낙하테이블의 충돌 후 속도, v_2f는 강체베이스의 충돌 후 속도이다.

낙하테이블의 충격 거동을 Simulia (Dassault Co.)를 이용하여 유한요소해석을 수행하였다. Fig. 5는 유한요소모델을 충돌 시점에서의 von Mises 응력 분포와 함께 나타내었다. Dynamic Implicit 해석을 수행하였으며 Reduced Integration을 적용한 3차원 육면체 요소(C3D8R)를 이용하였으며, 요소의 개수는 46,176개이다. 중력 가속도를 모델 전체에 인가하고, 날개 부분의 윗면의 양 끝을 x, y축을 구속하고, z축으로 움직일 수 있게 하였다. 낙하테이블과 강체베이스가 충돌하기 1.0 mm 전에 낙하속도를 z축 방향으로 -2.7m/s를 초기속도 조건으로 인가하였다. 그리고 강체베이스의 하단부에 x, y축을 구속하고 쇼크 업소버는 스프링+데쉬팟 요소를 삽입했다. 낙하테이블의 밀도는 2.7 g/cm³이며, 탄성 계수는 69 GPa이며, 푸아송 비는 0.33이다.

Fig. 5 
FEA model of free fall impact

낙하테이블의 상단부 중간 위치에서의 가속도를 추출하여 Fig. 6에 나타내었다. Fig. 6(a)는 블럭 모양 낙하테이블의 가속도이다. 중간이 두껍고 충돌 부위와 테이블의 상단 표면과의 거리가 짧다. 그래서 충격이 제대로 전달되지 않아서 지속 시간이 매우 짧고 얇은 날개 부분이 충격 때문에 아래위로 흔들리면서 충돌이 발생하여 그림과 같은 파형이 발생하였다. Fig. 6(b)는 납작한 역피라미드 형태의 낙하테이블의 가속도이다. 중간 부분과 날개 부분이 유선형으로 연결되어있어 Fig. 6(a)에 비해 충격은 비교적 고루 분포되나 테이블의 전반적인 두께가 얇고 테이블 하단부가 충돌 패드보다 면적이 작아서 충격이 충분하게 분산되지 않았기 때문에 지속 시간이 매우 짧고 추가적인 파형이 발생하였다. Fig. 6(c)는 사다리꼴 형태의 낙하테이블이며, 날개와 중간 부분이 유선형으로 되어있으며, 역피라미드 형태의 하단부를 충분하게 만들어 사다리꼴 형태로 만들었으며, 하단부 면적을 패드보다 넓게 하여 충격을 골고루 분산시켰다. 이를 통하여 지속 시간이 0.5ms로 나타났고, Half Sine 형태의 안정적인 가속도값이 도출되었다.

Fig. 6 
Analyzed acceleration by FEA on the drop table at (a) Block type, (b) Flat inverse pyramid type and (c) Trapezoidal type

Fig. 7은 앞의 Fig. 5의 해석 모델에서 von Mises 응력 분포를 나타내었다. 시간이 경과함에 따라 탄성파의 전달을 확인할 수 있다. Fig. 7(a)는 접촉이 일어나기 직후의 응력 분포이다. Fig. 7(b)는 충격이 일어나는 중의 응력 분포이며, 충격 부위를 중심으로 응력이 부채꼴 형태로 전파됨을 알 수 있다. Fig. 7(c)는 충격파가 많이 진행되었을 때의 상태를 나타낸다. 사다리꼴 형태가 탄성파를 골고루 확산시키는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 7 
Propagation of elastic wave at (a) 0.38, (b) 0.46 and (c) 0.60 msec

낙하테이블의 충격은 다음 Fig. 8과 같이 쇼크 업소버를 이용하여 흡수되도록 하였다. 테이블의 위치에너지를 바탕으로 시간당 흡수에너지와 충격력을 계산하여 쇼크 업소버(한성 Co.)를 선정하였고 4개를 사용하였다. 쇼크 업소버의 강도는 여러 단계로 설정 가능하다. 쇼크 업소버의 위치는 x축 및 y축을 고정하였고, z축으로는 움직임이 가능하도록 강체베이스에 연결하였다.

Fig. 8 
Shock absorbing system

Fig. 9는 아두이노를 이용한 공압 브레이크 제어 시스템을 나타내었다. 버튼을 누르면 릴레이가 작동하고 솔레노이드 벨브가 공압 브레이크를 완화시킴으로써 테이블을 움직일 수 있도록 한다. 테이블이 아래로 자유 낙하하면 투과형 광센서가 이를 인식하고 공압 브레이크를 수축하여 가이드봉을 잡음으로써 테이블을 재충돌이 일어나지 않도록 하였다.

Fig. 9 
Control diagram of braking system

Fig. 10은 재충돌 방지 시스템 유무에 따른 테이블 가속도 측정값을 나타내었다. Fig. 10(a)는 재충돌 방지 시스템이 없을 때의 가속도이다. 첫 번째 충돌 이후 약 185 ms에서 100 G의 두 번째 피크가 나타났는데, 이는 테이블의 2차 충돌에 기인된 것이다. Fig. 10(b)는 재충돌 방지 시스템을 적용한 경우의 가속도 값이다. 초기에 큰 값의 가속도가 한 번만 나타남을 알 수 있다. 일반적으로 재충돌 방지 시스템이 없는 경우, 구조가 간단하기 때문에 제작이 간단하겠지만 제어가 되지 않은 다수의 충돌로 인하여 신뢰성 시험 시 정량화가 어렵고 부정확한 단점이 있다. 그러나 재충돌 방지 시스템을 통하여 충격량을 균질하게 유지함으로써 정량적인 수명시험을 할 수 있게 되었다.

Fig. 10 
Comparison on acceleration with and without air braking system at (a) Without braking system and (b) With braking system

Fig. 11은 본 연구의 충격 시험에 사용된 소형 부품용 PCB이며 가로는 길이 80, 세로 22, 두께는 0.8 mm이다.

Fig. 11 
Dimensions of PCB specimen (Unit: mm)

PCB 설치를 위한 지그는 Fig. 12에 나타내었다. Fig. 12(a)는 베이스이고, Fig. 12(b)는 덮개이고 나사로 체결한다. PCB가 커넥터에 삽입되는 쪽은(Fig. 12의 오른편) 3.0 mm를 잡아주며, 나사로 체결되는 쪽은(Fig. 12의 왼편) 2.0 mm를 잡아주도록 하였다.

Fig. 12 
Clamping jig for PCB specimen

아래의 Fig. 13과 같이 소형 PCB 중간에 접착제를 사용하여 가속도 센서를 부착하였다. 샘플링 속도는 51.2 kS/s (kilo Samples per second)로 데이터를 수집하고 저장하였다.

Fig. 13 
Specimen installation to measure the acceleration

Fig. 14는 PCB의 가속도이다. PCB 최대가속도는 2,500 G이며, 낙하테이블의 가속도보다 더 높게 측정되었다. 이는 테이블 가속도가 PCB에 전달되면서 PCB의 고유진동모드 특성이 반영되어 처짐이 발생하기 때문인 것으로 사료된다.

Fig. 14 
Acceleration of PCB

처짐 측정 방법은 Fig. 15(a)와 같이 관성에 의해 처지는 PCB의 처짐량을 측정하기 위해 지그를 제작하였다. Fig. 15(b)와 같이 지그에 비접촉 변위 센서를 체결하였다.

Fig. 15 
Installation of specimen to measure the deflection, (a) Schematic of gap sensor and (b) Installated PCB

센서에서 멀어질수록 양의 값을 가지고 가까워질수록 음의 값을 가진다. 그래프의 방향과 처지는 방향을 일치시키기 위해 Fig. 16의 오른쪽 y축의 부호가 반대로 되어 있다. PCB의 처짐 측정 결과 주기는 약 2.4ms이며, 최대 처짐은 1.06mm로 나타났다.

Fig. 16 
Measured deflection data