글쓴이 : SOONDORI
해외 사이트를 기웃거려보면, 친절한 그리고 정갈한 글을 만날 수 있다. 아래는 일본 AICtech라는 커패시터 제조사 홈페이지에서 발췌.
* URL : https://www.aictech-inc.com/information/capacitor_troubleshooting02b.html#a01-03
커패시터는 회로의 기본적이고 중요한 전자 부품 중 하나입니다. 대표적인 콘덴서에는 알루미늄 전해 콘덴서(Al-Ecap), 증착 전극형 필름 콘덴서(MF-cap), 적층 세라믹 콘덴서(MLCC), 탄탈 콘덴서(Ta-Ecap)가 있어 회로의 기능, 사이즈, 비용 등에 따라 구분됩니다. 한편, 제조시나 사용시에 있어서 과도한 스트레스나 설계상의 실수에 의해 기능을 잃는 고장이나, 발연 발화 등의 트러블이 일어날 수 있습니다.
본고에서는 파워 일렉트로닉스에서 사용되는 Al-Ecap, MF-cap, MLCC를 중심으로 고장 모드와 고장 메카니즘을 해설하고, 수명 추정과 안전한 사용법을 설명합니다.
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커패시터 고장 모드 및 고장 메커니즘
커패시터에는 몇 가지 고장 모드가 있으며 커패시터 유형에 따라 그 발생 정도가 다릅니다 (표 1).
표 1 일반적인 커패시터 고장 모드와 상대적인 발생 정도
커패시터의 파국적 고장은 개방 또는 단락입니다. 이 고장은 인클로저 폭발, 연기, 발화, 기타 전기 부품의 손상, 콘덴서 내부의 액체 및 가스 누출을 유발할 수 있습니다. 열화 고장은 파라미터와 그 한계값의 정의가 메이커에 따라 다르지만, 누설 전류의 증가, ESR의 증가, 정전 용량의 감소 등이 생각됩니다
패시터의 고장 메커니즘에는 반응론 모델이 사용된다.
신뢰성 공학의 기초가 되는 고장 물리(Physics of failure) 혹은 신뢰성 물리(Reliability physics)에서는, 표 2에 나타낸 5개의 고장 모델이 사용해, 고장에 이르는 프로세스를 모델화하는 어프로치가 행해집니다
표2
콘덴서의 고장은 부식이나 산화 등의 화학 반응에 의해 발생하는 경우가 많기 때문에, 반응론 모델(그림 2)을 적용한 고장 해석이나 신뢰성 설계가 일반적으로 행해지고 있다. 특히 온도 상승에 따라 열화가 진행된다고 생각하는 온도 가속에 대해서는 아레니우스 모델(*)이 사용되고, 또한 그것을 경험칙으로 한 θ ℃ 법칙을 사용합니다. 특히 온도가 10°C 상승하면 수명이 절반이 되고, 반대로 10°C 내리면 2배로 늘릴 수 있다고 하는 10°C 법칙이 수명 예측에 자주 이용되고 있습니다.
* 스웨덴 화학자 Svante Arrhenius의 온도와 화학 반응 속도 등 예측 기법.
● 알루미늄 전해 콘덴서(Al-Ecap)의 고장
Al-Ecap은, 표면적이 큰 다공질체를 이용한 독특한 전극과 비유전율이 높고 얇은 유전체를 가지는 특징에 의해, 단위 체적당의 정전 용량이 크고, 뛰어난 코스트 퍼포먼스를 제공하고 있습니다. 회로에서는 리플 전압을 평활화하고 순간적으로 전기 에너지를 제공하는 에너지 버퍼로서 기능합니다. 그러나 AL-Ecap은 회로 부품 중에서 가장 수명이 짧고 높은 전기적 스트레스나 열적 스트레스가 걸리는 동작 조건 하에서는 MF-cap에 비해 열화나 고장이 빠른 경향이 있습니다.
Al-Ecap이 열적 스트레스를 받거나 전기적 스트레스를 받고 작동하면 용량과 ESR 값이 초기 값보다 변합니다. IEC를 비롯한 각 표준은 이러한 변화의 한계값을 설정하며, 이 값을 초과할 때 수명으로 정의됩니다. 또한 전기적 스트레스와 열적 스트레스의 조건에 따라 수명의 정의가 다를 수 있습니다. 이 이유는 커패시터가 작동하는 동안뿐만 아니라 보관 중 열적 스트레스에서도 특성이 변하기 때문에
1) 고온 및 과리플 전류로 인한 고장
Al-Ecap의 주요 고장 메커니즘은 과도한 열 스트레스로 인한 전해액의 증발입니다. 고온으로 인해 콘덴서 내의 전해액의 증기압이 상승하면 확산 속도가 증가합니다. 전해액이 밀봉재를 통해 기화·확산하면 정전용량의 감소와 ESR의 증가가 일어납니다. 즉 주위 온도나 리플 전류에 의한 콘덴서 온도의 상승은 콘덴서의 마모를 가속시킵니다.
2) 과전압이나 충방전 등으로 인한 고장
Al-Ecap에서는 과대한 누설 전류에 의한 가스 발생이나 전기적인 과부하에 의한 산화막 파괴 등에 의해 콘덴서의 내압이 상승하여 마모가 가속될 수도 있습니다 *08~13 . 전술한 바와 같이 Al-Ecap에서는, 누설 전류가 식(05)에 따르는 양극 산화 반응에 의해, 전해액 중의 H 2 O를 소비해 Al 2 O 3 의 개질을 촉진합니다. 그러나 이 반응은 다음의 고장 모드의 원인이 됩니다.
첫 번째 고장 모드는 개질된 Al2O3의 물성 이 원래 의 Al2O3 보다 열등 하기 때문입니다. 즉, 절연성이 높은 고품질의 산화물이 저품질의 산화물로 대체됨으로써 Al-Ecap의 특성이 시간에 따라 저하될 가능성이 있습니다.
제2의 고장 모드는 전해액 중의 H2O가 소비 되면 전해액의 이온 도전성이 저하되어 ESR이 증대하게 됩니다.
세 번째는 산화물 개질 반응의 부산물로 발생하는 H2 가스 입니다. 콘덴서의 케이스는 전해액의 증발을 방지하기 위해 기밀 구조로 되어 있습니다. 그러나 H 2 가스는 시간이 지남에 따라 내부에 축적되어 커패시터의 내부 압력이 상승합니다. 내압이 있는 기압이 되면 압력 밸브가 열리고, 기화한 전해액이 분출, 발연한 것처럼 보이는 경우가 있습니다. 이로 인해 전해액도 증발하여 커패시터가 고장납니다.
Al-Ecap에 연속적인 충방전 사이클을 로드할 때에도, Al2O3 의 개질 에 수반 하는 양극 산화가 반복되므로 유사한 고장 모드가 발생할 위험이 있습니다. 표 3은 Al-Ecap 고장의 주요 원인, 고장 메커니즘 및 고장 모드를 요약한 것이다.
표 3 Al-Ecap 고장의 주요 원인 · 고장 메커니즘 · 고장 모드
요약하면 Al-Ecap의 고장과 수명은 환경 및 전기적 요인에 크게 영향을 받습니다. 환경 요인으로는 온도, 습도, 기압, 진동 등이 있습니다. 전기적 요인으로는 동작 전압, 리플 전류, 충방전 듀티 사이클 등이 있다. Al-Ecap은 본질적으로 전기 화학 반응에 지배되는 장치이기 때문에 온도가 상승하면 커패시터의 화학 반응 속도가 가속됩니다. 따라서 주변 온도와 리플 전류로 인한 내부 발열을 포함한 온도는 Al-Ecap의 수명에 가장 중요합니다. 또한 인가전압이 콘덴서의 정격전압을 상회하면 누설전류의 흐름은 보다 빠른 속도로 증가하여 발열량이 증가하여 고장에 이르게 됩니다.
● 증착 전극형 필름 콘덴서(MF-cap)의 고장
MF-cap의 독특한 자기 회복성 (SH : Self-Healing)
MF-cap의 고장 모드와 고장 메커니즘을 고려하려면 MF-cap의 독특한 자기 회복성을 이해해야 합니다. 셀프 힐링(Self-healing; SH), 또는 클리어링이라고도 불리는 이 현상은 MF-cap의 고장과 수명에 깊이 관련되어 있습니다.
유전체 필름에는 미세한 결함이 있습니다. 결함의 종류는 필름의 공공(에어 포켓), 이물, 폴리머 부정합 등 다방면에 걸친다. 예를 들어, 2축 연신 폴리프로필렌 필름의 제조 공정에서는 중합체 원료를 압출하여 얇은 시트로 연신한다. 이 제조 과정에서 필름에는 산화 손상이나 잔류 응력이 생깁니다. 이들은 콘덴서로 했을 때 유전체 기능의 열화를 가속화 *21 . 결함 부분의 절연 파괴 전압은 정상 부분보다 낮아지기 때문에 커패시터가 동작할 때 결함 부분에 국부적인 단락이 발생한다.
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● 다층 세라믹(MLCC) 고장
MLCC는 파국적 절연 파괴와 열화 절연 파괴를 일으킬 수 있습니다. 열화 파괴는 쉽게 제어할 수 있는 경향이 있으며 대부분의 경우 퀴리 온도 이상으로 1~4시간 가열함으로써 가역적으로 되는 것으로 알려져 있습니다 .
MLCC에 치명적인 고장이 발생하면 절연 파괴 중에 유전체 세라믹을 통해 균열이 전파되는 경향이 있습니다 *52 . 또한이 절연 파괴에는 고유 절연 파괴, 열 파괴, 이온화 파괴의 세 가지 모드가 있습니다. 이 중 가장 일반적인 것은 세라믹 재료의 내전압으로 인한 고유 절연 파괴입니다. 세라믹의 절연 파괴 강도는 세라믹의 다공성, 입자 크기, 전도성 불순물, 제조 방법, 과거의 인가 전압, 인가 전압 주파수, 전압 램프율 *53 및 존재하는 기계적 결함에 따라 달라집니다. 일반적으로 세라믹은 고전계 하에서 균열을 일으키기 쉬운 성질이 있습니다. 세라믹은 부서지기 쉬운 재료이기 때문에 어떤 작은 균열이라도 빠르게 성장하고 유전체 전체에 전파됩니다.
(기타 생략)
빈티지 기기로 음악을 듣는 데 있어서, (이미 시점이 지난 상태) 적당 수명 주기 안에 커패시터를 교환하지 않는 경우가 많다. 다 좋은데… 그러면서 “구수한 소리”가 들려서 좋다고 함. 그 구수한 소리는, 불건전 부품에 의한 소리 변형이나 재생 주파수 폭의 축소 등 다양한 오류 증상과 다름없음에도 불구하고 그렇다. 그리고… “첫날 들었던 그 음색을 간직하고자 커패시터를 교환하지 않아요.”라는 마인드는, 첫날 들었던 것은 객관적인가? 출고 시 붙어 있던 타이어로 10만Km를 주행하고도 죽도록 더 달리겠다는, 문제가 있는 사고 방식이다.
