Failure mechanism-based reliability assessment framework for lifetime estimation : case study on an automotive component

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The objective of this thesis is to develop a framework to provide a readily usable guideline for failure mechanism-based reliability assessment application. Reliability assessment methodology has changed from a standard-based approach to a failure mechanism-based approach that uses information of failure mechanisms against field use conditions and how it is accelerated during testing. These pieces of information enable reliability tests to be customized for a specific product and application. However, one of the difficulties encountered in implementing a failure mechanism-based reliability assessment is inadequate knowledge regarding failure mechanism identification. Furthermore, another concern is that parameter value of life-stress model which relates the test conditions to the field use conditions is often assumed by referring to the standards or literature; however, such values only hold for very specific situations and failure mechanism. Incomplete knowledge of failure mechanism and model parameter can lead to failure to ensure product’s reliability life requirement under field use conditions.
In this thesis, reference tables were developed to track the framework after comprehensive literature review. The tables contain information for identification of failure modes, causes, mechanisms, and accelerated stresses. In addition, this framework includes accelerated life tests at multiple stress levels to determine the true model parameter value by fitting the life-stress model to the time-to-failure data at multiple stress levels. The life-stress relationship allows test result to be extrapolated to field use conditions so that lifetime at various use conditions could be estimated. Finally, failure mechanism-based reliability assessment of an automotive component was conducted as a case study to verify the practicability of the developed framework.

국문 초록 (Abstract)

본 논문의 목적은 고장메커니즘 기반 신뢰성 평가를 위한 프레임워크를 제시하는 것이다. 신뢰성이란 제품이 주어진 사용조건 아래에서 규정된 기간동안 의도한 기능을 수행할 (고장없이) 능력을 의미한다. 제품의 신뢰성을 평가하기 위한 방법으로는 표준 기반 혹은 고장 메커니즘 기반의 접근법이 있다. 표준 기반 방법은 표준에서 제시하는 신뢰성 시험을 사용하여 제품의 신뢰성을 평가하는 반면, 고장메커니즘 기반 방법은 제품의 사용조건과 고장메커니즘에 대한 정보가 이용된다. 이러한 정보는 특정 제품, 애플리케이션, 고장에 적합한 신뢰성 평가를 가능하게 만든다. 그러나 고장메커니즘 기반 신뢰성 평가를 적용할 때 직면하는 어려움 중 하나는 고장 메커니즘 식별에 대한 지식의 부족이다. 또한 다른 우려사항으로는 시험 조건과 필드 사용 조건을 연관시키는 수명-스트레스 모델의 파라미터 값을 종종 표준이나 문헌을 참고하여 가정되는 경우가 많다는 점이다. 불확실한 고장메커니즘에 대한 지식과 모델 파라미터는 실제 필드 사용 조건에서의 제품 신뢰성 및 수명을 잘못 추정하게 만든다. 본 논문에서는 고장메커니즘 기반 신뢰성 평가 프레임워크 적용이 용이하도록, 문헌조사를 통해 확립한 고장 모드, 원인, 메커니즘 및 가속 스트레스의 식별 절차에 활용할 수 있는 참조 테이블을 제시하였다. 또한, 이 프레임워크는 신뢰성 평가를 위한 시험 방법으로 다중 스트레스 수준 가속 수명 시험을 사용한다. 수명-스트레스 모델을 다중 스트레스 수준에서 얻은 고장 데이터에 적합시킴으로써 실제 모델 파라미터 값을 얻을 수 있다. 수명-스트레스 관계를 통해 시험 결과를 다양한 사용 조건으로 외삽하여 수명을 추정할 수 있다. 마지막으로, 프레임워크의 유용성을 검증하기 위하여 자동차 부품의 신뢰성 평가를 프레임워크에 따라 사례 연구로 수행되었다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Research background 1
• 1.2 Research motivation 3
• 1.3 Research objective 4
• Chapter 2. Literature Review 6
• 2.1 Standard-based reliability assessment 6
• 2.2 Conventional failure mechanism-based reliability assessment 9
• Chapter 3. Failure mechanism-based reliability assessment framework 13
• 3.1 Failure analysis 14
• 3.1.1 Failure mode identification 15
• 3.1.2 Failure cause identification 17
• 3.1.3 Failure mechanism identification 19
• 3.2 Accelerated life tests (ALTs) 20
• 3.2.1 Accelerated stress selection 21
• 3.2.2 Life-stress model selection 22
• 3.2.3 Accelerated life testing at multiple stress levels 24
• 3.2.4 Life-stress relationship determination 26
• Chapter 4. A case study for the application of the failure mechanism-based reliability assessment 28
• 4.1 Overview of a steering roll connector (SRC) module 28
• 4.2 Failure analysis application 31
• 4.3 Accelerated life tests (ALTs) application 33
• 4.4 Accelerated life tests (ALTs) data analysis 36
• 4.5 Validation of the life-temperature relationship 39
• Chapter 5. Conclusion 45
• References 48
• 논문요약 58