회로 설계에서 커패시터와 관련된 몇 가지 일반적인 고장 모드를 이해, 완화 방안 제안

개별 수동 부품의 선택 및 소싱은 회로 설계, 특히 인쇄회로기판(PCB) 설계에서 종종 과소평가되는 단계이다. 커패시터, 저항기 및 인덕터에 대한 관통형 및 표면 실장 기술(SMT)의 현재 버전은 오랜 시간 동안 자리 잡아 왔다. 게다가, 이러한 부품의 제조업체들은 잘 확립되어 있기때문에 대체로 후 순위로 여겨지고 있다. 그러나 수동 부품, 특히 커패시터는 일반적으로 회로에서 가장 먼저 고장 나는 부품으로 자리하고 있다. 이러한 소홀함 때문이다.



이 글에서는 회로 설계에서 커패시터와 관련된 몇 가지 일반적인 고장 모드를 이해하고 그러한 고장을 완화할 수 있는 몇 가지 방안을 제안하는 가이드를 제공하고자 한다.

처음이자 마지막 방어선

커패시터는 임피던스 매칭, 전압 평활화, 공진 회로 충전 등 여러 용도로 필터를 디커플링(결합 해제)하는 데 자주 사용된다. 따라서 이러한 수동 부품은 전력, 고속 디지털, 디지털-아날로그 변환기(DAC), 아날로그-디지털 변환기(ADC), RF 및 정밀 아날로그 회로에서 자주 사용된다.

고속 디지털 및 정밀 아날로그 회로에서 사용되는 커패시터는 소형이고, 비교적 신뢰성은 높지만, 일반적으로 비교적 낮은 전압과 전류에만 노출된다. 반면 전력 및 RF 회로에서 사용되는 커패시터는 상대적으로 높은 전압 및 전류 그리고 잠재적인 과도 상태에 자주 노출된다.

잠재적 커패시터 함정

더욱 진보된 처리 기술, 머신러닝(ML), 인공 지능(AI)의 사용과 사실상 모든 응용 분야에 고급 전자 장치가 광범위하게 통합됨에 따라 모든 회로는 커패시터의 전류 및 전압 과부하를 일으킬 수 있는 서지 및 과도 전류에 노출될 가능성이 있는 환경에 놓일 수 있다.

이는 산업, 군사, 우주, 항공 전자, 해군 및 육상 모바일 응용 분야에서 일반적일 수 있지만, 상대적으로 안정적인 전기 환경에 설치되지 않은 모든 회로에 본질적으로 영향을 미칠 수 있다. 사실, 무선 기술이 널리 보급되고 대부분 시스템이 광범위하게 전기화됨에 따라 대부분 회로에 양성인 전기 환경은 거의 없다.
 
커패시터의 또 다른 일반적인 고장은 과전압에 대한 민감성과 관련이 있으며, 이는 온도 변화에 의해 악화될 수 있다. 커패시터의 작동 한계에서의 장시간 사용은 커패시터를 손상시키거나 조기 고장을 초래할 수 있다. 커패시터 고장의 주요 원인은 유전체의 손상이며, 이는 앞서 언급한 문제로 인해 악화될 수 있다. 일반적으로 유전체 손상은 시간 문제일 뿐이다.

이 경우 커패시터는 대개 빠르게 고장나며, 종종 폭발을 일으키며 고장이 난다. 커패시터가 하위 컴포넌트로 전송되는 신호 및 전압 스파이크를 보호하고 필터링하는 데 널리 사용된다는 사실은 유전체 손상이 전체 회로에 치명적일 수 있음을 의미한다. 커패시터는 누액, 부식, 내부 압력의 증가, 과도한 온도 상승과 같은 징후를 보이면서 고장이 발생하기도 한다. 

성공을 위한 디자인

회로의 이상적인 동작을 넘어서는 조건을 고려하여 커패시터의 상태를 보장해야 하는 본질적인 필요성이 있기 때문에 많은 애플리케이션에서 상당한 작동 마진을 제공하는 것이 좋다. 예를 들어, 엄격하게 필요한 것보다 높은 전압 등급을 선택하면 초기 고장을 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 일부 커패시터 유형은 다른 커패시터보다 더 신뢰할 수 있도록 의도적으로 설계되었으며, 이러한 커패시터는 종종 적용 표준에 따라 달라진다. 

또한 히트 싱크(방열판) 근처에 배치하거나 높은 수준의 습도에 노출되는 등 의도한 것보다 더 가혹한 환경 조건에 노출될 수 있는 임계 커패시터를 선택하는 것도 가치가 있을 수 있다. 결론적으로, 더 가혹한 환경 테스트 기준을 가진 애플리케이션에 대한 표준으로 설계된 커패시터를 선택하는 것이 좋다.

커패시터는 온도 계수와 허용 오차와 함께 나열되어 있으며, 회로가 넓은 온도 극한에 노출되었을 가능성이 의심되는 경우, 이를 참조하는 것이 유용할 수 있다. 왜냐하면 온도는 커패시터 제조에 사용되는 많은 유전체의 동작 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있기 때문이다.



일부 커패시터는 다른 커패시터보다 더 높은 수준의 전류를 처리하도록 설계되어 있다. 이는 종종 커패시터의 크기와 연관됨으로 특정 공간 제약이 있는 경우에는 더 높은 전류 처리 커패시터를 선택하는 것은 적용되지 않을 수 있다. 전류 처리가 더 높은 스루홀 커패시터를 사용할 수 있으며, 다른 표면 패시브 위로 구부러진 커패시터를 배치하거나 사용 가능한 3D 공간을 활용하기 위해 다른 배치 기술을 사용하는 제조 단계를 포함할 수도 있다. 보호를 위해 설계된 노드 근처에 커패시터를 배치하는 것은 바람직하기 때문에 대체 배치 기술은 주요 노드에 근접하면서 커패시터 동작 사양을 최적화하는 데 유리할 수 있다.

가혹한 환경 조건에 노출된 커패시터에 환경 하우징이나 차폐를 사용하는 것도 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 방열판이나 상당 양의 열 에너지를 방출할 수 있는 부품에 충분히 근접할 수 있는 커패시터는 차폐 또는 추가 열 관리를 통해 이러한 커패시터가 전기 및 열 작동 범위보다 훨씬 낮은 수준에서 동작하도록 하는 이점을 얻을 수 있다. 

또 다른 중요한 고려 사항은 커패시터가 충격과 진동에 상대적으로 민감하다는 점이다. 과도한 기계적 힘은 커패시터의 고체 유전체나 내부의 미세한 전도 구조에 손상을 줄 수 있다. 표면 실장 기술(SMT) 커패시터는 관통형 커패시터보다 충격과 진동에 더 큰 저항력이 있는 경향이 있다. 그러나 진동이나 충격이 심한 환경에서는 회로 기판에 충격 방지 재료를 추가하거나 관통형 커패시터에 충격 흡수 장착 재료를 사용하는 것이 이러한 문제를 완화하는 데 도움이 될 수 있다.

결론

커패시터는 필수적인 회로 요소다. 커패시터는 전력부터 정밀 아날로그, RF, 디지털에 이르기까지 거의 모든 유형의 개별 회로에 사용된다. 커패시터를 소싱하고 선택하여 수명 내내 안정적으로 동작하도록 하는 것은 특히 표준 회로가 직면한 광범위한 잠재적 위험 요소를 고려할 때 점점 더 큰 도전 과제다.

적절하게 견고한 커패시터를 선택하는 단계를 밟고 중요한 커패시터를 더 잘 보호하기 위해 제작 단계를 추가하는 것도 이러한 기본 수동 구성 요소의 수명을 보장하는 데 큰 도움이 될 수 있는 것이다.



 저자 소개 

장-자크 들릴(Jean-Jacques DeLisle)은 로체스터 공과대학(RIT)에서 전기공학 학사학위 및 석사학위를 취득했다. RIT 재학 시에 RF/마이크로파 연구에 매진했으며, 대학 잡지에 글을 쓰고, 즉흥 코미디 동아리 창단 멤버로 활동했다. 학위를 마치기 전에 Synaptics에 IC 레이아웃 및 자동화 테스트 설계 엔지니어로 채용되었다. 동축 안테나 및 무선 센서 기술 개발 및 분석으로 6년의 연구 활동 후에 RIT를 졸업하면서 다수의 기술 논문을 제출하고 미국 특허를 출원했다.

커리어를 쌓기 위해서 아내와 함께 뉴욕시로 옮겨서 Microwaves & RF 잡지의 테크니컬 엔지니어링 에디터로 근무했다. 이 잡지사에서 근무하면서 RF 엔지니어링과 테크니컬 라이팅에 대한 자신의 역량과 열의를 어떻게 융합할지 배웠다. 이 경험을 바탕으로 기술적으로 유능한 테크니컬 라이터와 객관적인 산업 전문가의 필요성을 절감하고 RFEMX라고 하는 자신의 회사를 차렸다. 이러한 목표에 따라서 진보를 거듭하면서 회사 규모와 비전을 확대하고 Information Exchange Services(IXS)를 시작했다.