트랜지스터와 집적회로 등의 능동소자는 전원공급장치로부터 공급되는 에너지를 이용해서 신호를 변경한다. 반면 저항, 커패시터, 인덕터, 커넥터와 같은 수동소자는 전력을 소모하지 않거나 또는 그렇게 생각한다. 그러나 수동소자는 실제로 모두 기생 성분을 포함하기 때문에 예상치 못한 방식으로 신호를 변경시킬 수 있다. 이 글은 2부로 나누어, 먼저 1부에서 기생 커패시턴스에 대해서 설명한다.

능동소자와 수동소자. 엔지니어링 설계는 이처럼 명확하게 흑과 백으로 나눌 수 있는 것인가?
트랜지스터와 IC(integrated circuit)는 전원장치로부터 공급되는 에너지를 이용해서 신호를 변경하므로 능동소자라고 한다. 반면 커패시터, 저항, 인덕터, 커넥터, 더 나아가서 PCB는 전력을 소모하지 않는 것처럼 보이므로 수동소자라고 한다. 하지만 이처럼 수동소자라고 생각했던 소자들이 예상치 않은 방식으로 신호를 변경시킬 수 있고 또 변화시킨다. 이들 모든 부품들이 기생 성분을 포함하기 때문이다. 그러므로 실제적으로 수동소자라고 간주하는 많은 소자가 그렇게 수동적인 것만은 아닌 것이다. 이 글에서는 커패시터의 능동적 측면을 살펴보고자 한다.

그렇게 수동적이지만은 않은 커패시터
수동소자라는 것은 자발적으로 활동적이지 않거나 비활성적이라는 뜻으로 정의할 수 있다. 하지만 수동 전자 소자가 예기치 않은 방식으로 회로 내에서 능동적인 역할을 할 수 있다. 그러므로 순수하게 용량성(capacitive)이기만 한 커패시터는 존재할 수 없다. 모든 커패시터는 기본적으로 기생 성분을 포함한다(그림 1).
그림 1에서 능동 기생 성분을 좀 더 자세히 살펴보자. “C”라고 표시한 커패시터가 우리가 살펴보고자 하는 커패시터이다. 나머지 모든 성분은 원치 않는 기생 성분이다 1. 병렬 저항 RL이 DC 누설을 발생시킴으로써 능동 회로의 바이어스 전압을 변화시키고, 필터의 “Q”를 변질시키고, 샘플-앤-홀드 회로의 홀딩 능력을 떨어트릴 수 있다.2 직렬 저항 ESR은 커패시터가 리플을 낮추고 고주파 신호를 통과시킬 수 있는 능력을 감소시킨다. 직렬 인덕턴스 ESL이 동조 회로(즉, 자기 공진 회로)를 발생시키기 때문이다. 이는 다시 말해서 자기 공진 주파수보다 높을 때는 커패시터가 유도성(inductive)으로 보이고 더 이상 전원장치로부터 접지로 고주파 잡음을 디커플링하지 못한다는 뜻이 된다. 유전체가 압전일 수 있고 진동으로부터 잡음(AC)을 추가함으로써 C 커패시터 내의 배터리처럼 보일 수 있다(그림에서는 표시되어 있지 않음). 솔더 냉각에 따른 스트레스로 인한 압전 효과가 커패시터의 값을 변화시킬 수 있다. 분극 전해질 커패시터는 또한 직렬로 기생 다이오드를 포함할 수 있고(그림에서는 표시되어 있지 않음), 이들 다이오드가 고주파 신호를 정류함으로써 바이어스를 변화시키거나 원치 않는 왜곡을 추가할 수 있다.



SB1부터 SB4까지의 소형 배터리는 제벡 접합부로서3 이질적 금속들(기생 서모커플)이 전압 소스를 발생시킬 수 있다. 우리가 테스트 장비를 연결할 때는 커먼 커넥터의 제벡 효과를 고려해야 한다. Jim William의 애플리케이션 노트4에서 부록 J의 그림 J5는 BNC 커넥터와 바나나 커넥터 쌍의 열전 전위(thermoelectric potential)가 0.07 μV/℃ ~ 1.7 μV/℃에 이른다는 것을 보여준다. 이러한 변동은 단지 시험소에서 매일 하는 간단한 배선인 경우이다. 이와 같이 아주 낮아 보이는 오프셋 이득에 1천을 곱하라. 그러면 1.7 mV가 된다. 그러면 이 문제를 해결하지 않고서는 무언가 생산적인 결과를 달성할 수 없을 것이다.
SB2와 SB3은 커패시터 내로 들어갈 수 있고 포일을 리드로 연결하거나 금속층을 표면실장 소자의 도금이나 솔더로 연결할 수 있다. SB1과 SB4는 소자에서 솔더를 거쳐서 구리 PCB 트레이스로 이어지는 접합부이다. 솔더는 한 때 단순히 63% 납과 37% 주석이었다. 하지만 오늘날에는 합금 성분에 대해서 업체에 확실히 물어봐야 한다. 무연 RoHS 솔더가 각기 크게 차이가 있을 수 있고 커패시터 주변의 전압에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.
유전체 흡수(dielectric absorption, DA) 혹은 Bob Pease가 말하는 “soakage”는 DA1부터 DAINFINITY까지 무한 수의 각기 다른 RC 시간 상수로서 모델링할 수 있다. 이들 각각의 시간 상수는 저항 RDA와 커패시터 CDA로 이루어졌다. Bob Pease는 “soakage”가 언제 문제가 되는지에 대해서 실제적인 예를 들어서 설명하고 있으며, 저자 또한 soakage와 관련해서 개인적으로 경험한 흥미로운 일화를 상자 글로 소개한다.
“만약 컬러 TV를 끄고 뒷면을 열어보려고 한다면 그 전에 먼저 해야 할 일은 무엇인가? 나사 드라이버로 접지 스트랩을 연결하고 HV 플러그의 고무 슈라우드 아래에 갖다 대서 CRT를 방전시키는 것이다. 이렇게 커패시턴스를 방전시키고 났을 때 한 10분 정도 지나면 얼마나 많은 전압이 수상관의 “커패시턴스”로 “soaking”될 것인가? 아마도 두 번째 방전할 때 가시적인 아크를 만들기에 충분할 만큼 “soaking” 될 것이다. 이것이 바로 유전체 흡수(dielectric absorption)라고 하는 것이다.”5
그러므로 커패시터는 인가되는 전압에 따라서 커패시턴스를 변화시킬 수 있다. 그런 다음 여기에 통상적인 노후화, 온도 종속성, 그 외에 커패시터를 물리적으로 손상시킬 수 있는 많은 기제들을 추가한다면6 이 간단한 수동소자가 훨씬 더 복잡해진다.
그러면 디커플링 커패시터 및 불량한 접지와 관련해서 가장 흔한 커패시터 문제로서 자기 공진(self-resonance)에 대해서 살펴볼 필요가 있다. 어떤 커패시터도 접지가 불량하면 제 역할을 할 수 없다. 커패시턴스 자기 공진은 주로 그림 1에서 보듯이 ESL(equivalent series inductance) 효과에 의해서 발생한다. 하지만 PCB via의 영향 또한 과소평가하지 말아야 한다. 무선 주파수 대에서는 이들 via가 소형 커패시터의 자기 공진 점에 영향을 미친다. 그림 2에서 1 μF 곡선에 초점을 맞춰 살펴보도록 하자.
1 μF 라인은 4.6 MHz일 때 최저점이 된다. 이 주파수보다 높을 때는 ESL이 주가 되고 커패시터가 인덕터처럼 동작한다. 다시 말해 이것은 고주파일 때는 디커플링 커패시터가 이중 역할이라는 것을 말해준다. 전원 버스 상의 고주파는 접지와 공유하거나 또는 그 반대이다. 커패시터가 전원과 접지 사이의 차이를 균일하게 한다.
신호 주파수와 커패시터를 좀 더 고찰해 보면, 고조파 또는 측대역이 발생한다는 점을 흔히 간과할 수 있다. 예를 들어 실수 50 MHz 사각파 SPI 클록은 무한대에 이르기까지 홀수 고조파를 포함할 수 있다. 모든 시스템이 그런 것은 아니나 대다수 시스템이 5차 고조파 상위의 고조파들은 무시할 수 있다. 에너지가 너무 낮아서 noise floor보다 낮기 때문이다. 하지만 고주파가 반도체에서 정류가 되었을 때, 그리고 새로운 저주파 간섭으로 변환되었을 때는 여전히 문제를 일으킬 수 있다.



제조 허용오차의 조작
그림 2는 모든 커패시터가 동일하게 제조되는 것은 아니라는 사실을 보여준다. 전반적으로 고품질 커패시터는 반복 정밀도가 우수하지만 일부 저가 커패시터는 값이 싼 대신에 제조 허용오차가 클 수 있다. 일부 업체들은 엄격한 허용오차를 적용해서 커패시터를 “binning”(그림 3), 다시 말해 선별하고서 특별 가격으로 판매한다. 바로 이러한 커패시터를 이용해서 시스템 내의 시간이나 주파수를 설정할 때 문제의 소지가 있을 수 있다.
그림 3에서 검정색 실선은 우수한 제조 프로세스의 표준편차이다. 이 그림은 Maxim Integrated의 애플리케이션 노트 4301에서 저항에 적용하고 있는 것인데7, 이 데이터를 커패시터에도 동일하게 적용할 수 있다. 제조 허용오차가 변화함에 따라서 각 bin으로 들어가는 부품 수가 달라진다. 이 허용오차가 오른쪽(녹색 점선)으로 이동하면 1% 허용오차로는 수율을 달성하지 못한다. 또한 회색 점선의 경우에는 다수의 5% 및 10% 허용오차 부품과 소수의 1% 및 2% 허용오차 부품으로 이루어졌다.
binning을 하면 2% 허용오차 부품이라고 했을 때 허용오차가 -1%부터 -2%까지, 그리고 +1%부터 +2%까지인 부품들이라고 생각하게 만든다(다시 말해 허용오차가 1% 이내인 부품은 포함하지 않는다고 생각하게 된다). 역시 5% bin에 들어가는 부품이라고 한다면 1% 및 2% 허용오차 부품은 들어가지 않는 것으로 생각하게 된다. 그런데 매출 규모와 인간의 특성이 이러한 선별 작업에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어 공장 관리자가 5% 허용오차 커패시터를 출하해야 하는데 이번 달에 이를 충족하는 제품을 충분히 보유하고 있지 못할 수 있다. 하지만 2% 허용오차 부품은 여유 있게 보유하고 있다. 그러면 이 관리자는 이번 달에 이들 부품을 5% bin으로 집어넣고 제품을 출하할 수 있다. 이것은 명백하게 고의적인 인간의 개입이 통계와 기법을 왜곡할 수 있다는 것을 보여준다.
그러면 이것이 수동 커패시터에 의미하는 바는 무엇인가? 예를 들어 ±5% 허용오차를 원하는데 그 중간에 ±2% 허용오차 부품을 포함하고 있을 수 있다는 점을 이해해야 한다는 것이다. 커패시터가 중요한 주파수나 타이밍을 제어할 때는 이를 고려해야 한다. 이는 또한 교정 시 더 넓은 범위의 변동을 교정하도록 계획해야 한다는 것을 뜻하기도 한다.



납땜은 수동적 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
납땜은 커패시터로 스트레스를 유발하며 표면실장 부품의 경우에는 특히 그렇다. 이 스트레스가 진동을 통해서 압전 전압을 일으키고 커패시터에 균열을 일으킴으로써 결국에 결함을 일으킬 수 있다.
적절한 리플로 솔더링은 결코 쉬운 일이 아니다. 솔더가 녹을 때의 표면 장력이 마치 마술처럼 부품을 회전시켜서 정렬되도록 한다. 하지만 불량한 솔더 온도 프로파일은 디바이스를 실제적으로 손상시킬 수 있다. 커패시터가 마치 묘비처럼 서 있는 것을 본 적이 있을 것이다. 솔더 온도 상승이 잘못되면 이렇게 될 수 있다. 그러므로 항상 제조업체의 솔더 프로파일 권장을 따르도록 한다. 어떤 부품은 다른 부품보다 온도에 더 민감할 수 있으므로 보드 어셈블리가 융점 온도가 각기 다른 2개 이상의 솔더를 필요로 할 수 있다. 회로 상의 대다수 부품들은 먼저 융점 온도가 가장 높은 솔더를 이용해서 납땜 하고 그런 다음에 “민감한” 부품을 그보다 낮은 온도로 납땜 한다. 솔더를 적절한 순서로 사용해야 한다. 그래야 앞서 납땜한 부품의 솔더가 녹지 않는다.

요약
커패시터 같은 수동소자를 사용할 때는 이들 소자가 기생 성분을 포함하고 신호를 변화시킬 수 있다는 점을 염두에 두어야 한다. 물론, 이로 인한 영향은 신호 강도에 따라 달라진다. 마이크로볼트 대로 측정할 때는 접지(star-point), 디커플링 커패시터 차폐, guarding, 제벡 효과, 케이블 구조, 솔더링 커넥터를 비롯해서 모든 요소를 중요하게 다뤄야 한다.
수동 커패시터는 단지 한 소자일 뿐이나 보기보다 훨씬 능동적이라는 점을 기억해야 한다. 부품 기생 전류, 허용오차, 교정, 온도, 노후화, 나아가서 어셈블리 기법까지도 소자 성능에 각각의 방식으로 영향을 미친다. 그러므로 전위 오차가 다수의 커패시터에 걸쳐서 누적될 수 있다는 점을 이해해야 한다. 다음에는 저항, 포텐셔미터, 스위치, 그리고 놀랍게도 PCB까지 포함하는 그 밖의 소위 말하는 수동소자들에 대해서 살펴보도록 하겠다.
끝으로, AVX와 Kemet은 커패시터 업체로서 기생 성분을 표시하고 있으며 무료 Spice 툴을 제공한다. 이들 Spice 툴을 이용해서 커패시터의 실제 성능을 예측할 수 있다. 이들 업체의 웹사이트에서 제공하는 애플리케이션 노트 역시 매우 유용한 정보를 담고 있다.  ES