다양한 등급의 커패시터 제품, 제대로 알고 쓰자!

전자 시스템은 우리의 일상 곳곳에서 활용되고 있습니다. 우리는 출퇴근이나 세탁과 같은 일상 생활부터 군사 장비나 우주 탐험과 같은 고도의 업무들까지 전자 시스템에 의존하고 있습니다. 전자 기술을 기반으로 하는 시스템의 전반적인 신뢰성은 해당 시스템에 사용되는 모든 구성 요소의 신뢰성에 의해 결정됩니다. 구성 요소의 신뢰성이 떨어지면 시스템이 비정상적으로 작동하고 심하면 고장으로 이어질 수 있습니다. 일상적인 출퇴근길에 자동차가 고장 나는 것은 분쟁 지역에서 군용 차량이 고장 나거나 화성으로 가는 심우주 탐사선이 고장 나는 것에 비하면 심각성은 떨어질 수 있겠지만 사람들이 체감하는 불편은 훨씬 더 클 것입니다. 신뢰성은 안전에 미치는 영향과 시스템 수리의 불가능성 등 고장 비용 외에도 광범위한 영향을 미칩니다. 하지만 안타깝게도 신뢰성의 중요성과 잘못된 커패시터 등급 선택이 미치는 영향은 소홀하게 다뤄지는 경우가 많습니다.

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모든 전자 시스템에는 커패시터와 저항과 같은 수백, 수천 개의 수동 부품이 사용됩니다. 그러나 이러한 부품이 일반 상품처럼 보인다고 해서 그 기능적 중요성과 신뢰성이 떨어지는 것은 아닙니다. 이번 글에서는 엔지니어가 부품을 선택하거나 주문 결정을 내릴 때 더 많은 정보를 얻을 수 있도록 등급 간의 차이점을 알아보겠습니다.

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커패시터의 신뢰성

커패시터를 선택할 때, 체적 효율(volumetric efficiency)이 중요한 파라미터인 경우가 많습니다. 체적 효율이란 주어진 부피 내에서 제공되는 커패시턴스의 양을 의미하며, 커패시턴스와 전압(CV)의 곱으로 표현됩니다. 가장 큰 CV는 가장 낮은 비용을 제공할 수 있지만, 여기에는 트레이드오프가 존재합니다. 즉, CV가 낮을수록 신뢰성은 향상되어, 더 높은 가격대를 형성하게 만드는 요인이 될 수도 있습니다.

따라서 커패시터의 비용에는 신뢰성과 재료 추적성, 종단 테스트, 번인(burn-in) 전압 조절 등 신뢰성을 개선하기 위해 조치한 노력들이 반영됩니다. 또한 관련 산업 표준을 준수하고 품질 등급을 획득하려면 더 많은 테스트가 필요합니다.

커패시터 구축 방법은 CV 등급과 신뢰성에 큰 영향을 미칩니다. 더 두꺼운 유전체 및 필름 층을 사용하고, 자재 조달 사양을 더 엄격하게 준수하며, 설계 제약 사항을 보다 엄격하게 적용하면 커패시터의 신뢰성을 높일 수 있습니다. 그러나 이렇게 하면 주어진 패키지 크기 내에서 총 커패시턴스가 감소하고, 결과적으로 CV가 감소합니다.

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커패시터의 테스트 및 인증

KEMET의 적층 세라믹 커패시터(multilayer ceramic capacitor, MLCC)는 특정 애플리케이션을 위한 적합성에 따라 신뢰성 등급이 매겨집니다. 신뢰성이 높아지고 CV 규모가 작아질수록 이러한 분류는 상업용, 자동차, 상용 기성품(commercial-off-the-shelf, COTS), 고신뢰성 대체품(high reliability alternative, HRA), 군사 및 우주용으로 나뉩니다. 엔지니어는 부품을 선택하고 주문할 때 이러한 분류의 차이점을 이해하는 것이 매우 중요합니다.

기본 테스트 프로토콜에는 다음과 같은 사항들이 포함됩니다:

▶ 커패시턴스, 손실 계수(dissipation factor, DF), 절연 저항(insulation resistance, IR), 유전체 내전압(dielectric withstand voltage, DWV) 등의 전기적 파라미터 검사

▶ 육안 및 물리적 검사

▶ 납땜성 검사

번인 전압 조건을 비롯하여, 결함 비율 분석(percentage of defect analysis, PDA), 파괴적 물리적 분석(destructive physical analysis, DPA), 그리고 습도 및 온도와 같은 환경 요인에 대한 보고 등 테스트가 더욱 엄격해졌습니다. 특히 AEC-Q200(자동차) 및 MIL-PRF-32535(방산 및 우주)와 같은 더 높은 신뢰성 등급 분류, 공식 인증 프로세스 및 사양에서는 추가적인 검사 루틴과 테스트 방법을 규정하고 있습니다.

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커패시터 등급 분류

커패시터 등급은 다양한 산업에서 신뢰성과 성능을 보장하기 위해 나눠 놓은 것으로, 사용자가 특정 애플리케이션에 맞는 커패시터를 선택하는 데 도움을 줍니다.

▶ 상업용

상업용 커패시터는 대량 생산성과 최저 비용을 목표로 합니다. 이 등급은 가장 높은 CV 등급이 특징이며, 가장 작은 케이스 크기를 목표로 합니다. 이 커패시터는 광범위한 범용 및 소비가전 애플리케이션에 적합합니다. 제조회사는 일반적으로 자체 기준을 정하여 품질 파라미터를 결정합니다.

생산 테스트는 일반적으로 커패시턴스 값, 손실 계수, 절연 저항, 유전체 내전압 특성 등 기본적인 수준의 전기 테스트를 거칩니다. 납땜성은 물리적 및 육안 검사 외에도 무작위 샘플 검사를 통해 수행됩니다. 일반적으로 제조회사는 변경 알림을 공지하는 것 외에, 특별한 공식 제품 변경 절차를 따르지는 않습니다.

▶ 차량용

오늘날과 같이 차량에 탑재되는 전자 시스템이 크게 증가하고 있고 소프트웨어 정의 차량(software-defined vehicle, SDV)으로 점점 더 전환하는 변화의 시기에, 차량용 커패시터는 상업용 커패시터보다 더 안정적인 대안을 제공합니다. 이 등급의 커패시터 제품은 가격은 약간 높지만 여전히 상용 및 소형 케이스 크기에 가까운 CV 등급을 제공합니다. 품질 기준은 AEC(Automotive Electronics Council)의 AEC-Q200 기준과 보다 공식적인 승인 기반 제품 변경 통지 및 생산 부품 승인 프로세스(PPAP)에 따라 결정됩니다. 이러한 결정에는 100% 육안 검사 및 최종 라인 테스트와 상용 등급 테스트의 강화된 버전이 적용됩니다.

차량용 적용 사례에는 파워트레인, 센서, 서브 시스템, 전자 제어 장치(ECU) 및 인포테인먼트가 포함됩니다. AEC-Q200 인증 부품의 예로는 KEMET 상업용 및 차량용 SMD 고전압 MLCC 시리즈를 들 수 있습니다.

▶ 상용 기성품

KEMET의 상용 기성품(COTS) 부품은 상용 등급이기 때문에 보다 높은 신뢰성을 필요로 하는 애플리케이션에는 부적합할 것이라는 시각도 있습니다. 이는 오해입니다. COTS 등급 부품은 CV가 높지만 상업용 및 차량용 등급 부품보다 기대 수량이 낮은 고신뢰성 애플리케이션에 적합합니다.

KEMET COTS 부품은 상용 및 차량용 부품을 기반으로 하는 모든 테스트 프로토콜을 포함하여 이보다 높은 테스트 프로토콜이 적용되며, PDA를 사용한 번인 전압 조절, PDA를 사용한 전기 및 DPA가 추가되었습니다. 가격대는 일반적으로 방산용 부품보다 약간 낮습니다. 제조사마다 다르기는 하지만, 제조사들은 적절한 산업 표준에 따라 COTS 부품을 인증할 가능성이 높으며, 일부 제품들은 AEC-Q200을 지원합니다.

▶ 높은 신뢰성의 대안 제품

KEMET의 HRA 커패시터는 차량용 부품과 MIL-SPEC 부품 사이의 등급으로 제공됩니다. HRA 커패시터는 동급 방산용 커패시터보다 높은 CV를 나타내며, 핵심 애플리케이션에 대해 안정적인 성능을 제공합니다. 테스트에는 전압 조정, MIL-PRF-32535에 따른 사후 전기 테스트, MIL-STD-202에 따른 바이어스 습도 테스트 등 엄격한 테스트 포로토콜들이 적용됩니다. 또한 구매자는 원자재에 대한 완전한 이력 추적이 가능합니다.

HRA 커패시터는 수명이 짧은 위성, 발사체, 항공 전자 공학(avionics) 및 지상 시스템에 대한 까다로운 성능 요구 사항을 충족합니다.

▶ 방산용

방산용 부품은 MIL-PRF-55681 및 MIL-PRF-32535 M 레벨과 같은 방산 표준에 따라 제조 및 테스트되며, 신뢰성 자격 증명이 수립되어 있습니다. 이러한 부품은 CV가 상업용 및 차량용 등급 부품보다 훨씬 낮습니다. 제조 공정에는 완전한 원자재 이력 추적이 포함되며, 제조회사는 제품 데이터와 테스트 요약도 제공합니다.

대표적인 MIL-PRF 인증 부품으로는 MLCC 제품인 KEMET LDD Mil X7R PRF39014 제품군이 있습니다.

▶ 항공 우주용

가장 높은 신뢰성 등급과 가장 낮은 CV 특성을 갖춘 항공 우주 등급 커패시터는 방산 표준인 MIL-PRF-123 및 MIL-PRF-32535 T 레벨에 따라 제작 및 인증됩니다. 제조되는 모든 로트(lot)는 완전한 전기적, 환경적 및 기계적 테스트를 기처며, 단일 로트 날짜 코드가 부여됩니다. 예상대로, 항공 전자 공학에서부터 인공위성 및 군용 미사일에 이르기까지 이 분야는 미션 크리티컬한 핵심 애플리케이션들입니다.

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결론

커패시터 분류에 대한 정확한 이해는 전자 시스템의 신뢰성을 보장하는 데 있어서 필수입니다. 커패시터의 신뢰성은 체적 효율과 엄격한 테스트 프로토콜의 영향을 받으며, 이는 상업용, 차량용 및 항공우주 등급과 같은 분류에 따라 다릅니다. 각 분류는 애플리케이션에 특화되어 있습니다. 예컨대, 상업용 커패시터는 일반적인 용도의 비용 효율적인 솔루션을 제공하며, 차량용 및 항공우주 등급 커패시터는 보다 까다로운 환경을 위한 더 높은 신뢰성 표준을 충족합니다.

커패시터를 선택할 때는 이러한 분류를 고려하여 애플리케이션의 요구 사항에 맞는 제품을 선택해야 최적의 성능을 보장하고 고장 위험을 최소화할 수 있습니다. 엔지니어는 커패시터 등급 간의 차이점을 철저히 이해함으로써 설계의 신뢰성과 효율성을 향상시켜 궁극적으로 전자 시스템의 전반적인 성공에 기여하는 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있습니다.