전자부품의 고장분석 절차 및 방법

A Procedure and Techniques of Failure Analyses

for Electronic Components

김명수*, 천성일**

Myung-Soo Kim*, Sung-Il Chan**

Abstract

Failure analysis is a process of determining causes of failures, collecting and analyzing data, and drawing conclusions to eliminate failure mechanisms. A failure investigation and subsequent analysis determine the primary cause of a failure, and corrective action based on the determination will prevent similar failures. This paper presents a general procedure, techniques, and precautions employed in the investigation and analysis of electronic components failures. The various features of failure analysis are discussed according to its stages and a case study for the failure of ceramic capacitor applied in a RAM card is also investigated.

1. 서 론

제조물의 결함에 의하여 소비자 혹은 제 3자에게 인신손해나 재산손해가 발생한 경우, 제조자가 가해자로서 피해자에 대하여 손해배상의 책임을 지는 제조물 책임(PL: Product Liability)법이 2002년 7월 시행됨에 따라서 제조물의 안전과 신뢰성이 중요하게 부각되고 있다.[3] 또한, 저항, 콘덴서, 인덕터, IC 등 전자부품에서 통신 교환기, 철도차량 등 시스템에 이르기까지 신뢰성 보증을 요구하는 사례가 증가하고 있으며, 전자 상거래의 활성화에 따른 글로벌(global) 경쟁체제에서 신뢰성 보증이 경쟁력 확보를 위한 필수적 요건으로 대두되고 있다.

고장분석(Failure Analysis)은 설계와 공정상의 결함, 설계마진 부족, 응용 회로의 부적합 등에 따른 고장원인을 찾아 분석하여 고장발생 메커니즘을 제거하는 행위로 정의 할 수 있다.[15] 고장분석은 고장모드, 고장위치, 사용환경과 기간 및 조건, 제조공정, 품질수준 등의 많은 정보를 필요로 하며, 설계, 제조 및 사용에 이르는 제품의  생애(life cycle)를 통하여 이루어진다. 정확한 고장원인의 검출 및 피드백(feedback)은 품질 및 신뢰성 향상에 기여를 할 수 있으며, 유사한 문제를 최대한 예방할 수 있는 효과를 가지고 있어 기업에 많은 경제적 효과를 가져올 수 있다. 한편, 국내 중소 전자제품 및 부품회사의 경우 고장분석에 대한 필요성을 느끼고 있으나, 고장분석의  절차 및 방법, 분석기술 및 장비부족 등의 이유로 인하여 고장분석을 통한 신뢰성 개선을 효과적으로 수행하지 못하고 있다.[1]

본 논문에서는 실험실에서 수행하는 전자부품의 고장분석 절차와 각 단계에서 고려해야 할 내용과 분석방법을 제시한다. 또한, 세라믹 콘덴서의 고장분석 사례를 통하여 고장원인을 추론하는 과정을 소개한다.

2. 고장분석 절차

전자부품의 고장분석은 고장 유형에 따라 달라진다. 고장 부품이 많은 경우 동일한 유형의 고장모드와 서로 다른 유형의 고장모드를 구분하여 분석을 하며, 동일 유형의 경우 고장부품 중에 최소의 시료를 선정하여 비파괴검사와 파괴검사를 통하여 부품 내부의 문제점을 확인하여 고장원인을 파악한다. 서로 다른 유형의 경우는 외관검사와 전기적 특성검사를 통하여 고장모드를 구분하고 특성을 검토하여 동일 유형으로 집단화한 후 동일 유형과 동일한 절차에 따라 분석을 진행한다. 한편, PWA(Printed Wiring Assembly) 고장은 전기적 특성검사를 먼저 실행하여 고장부품을 확인하고, 물리적 충격이 가해지지 않도록 부품을 분리한 후에 분석을 진행한다.[8]

본 절에서는 일반적인 전자부품의 고장분석 절차와 각 단계에서 고려해야 할 사항들을 살펴본다. 일반적인 고장분석 절차는 그림 2.1과 같다.

2.1 고장정보 수집

정확한 고장분석을 위해서는 고장발생 현황에 관한 정보 수집이 필요하다. 고장발생 현황 정보에는 고장 부품의 제조사, 모델, 전기적 특성 확인을 위한 데이터 북 또는 부품 승인원, 고장발생 환경 및 사용조건, 제품 응용 등 활용 가능한 모든 자료가 포함되어야 한다. 특히 고장발생 환경과 사용조건은 예방 및 개선안을 수립하는데 밀접한 관련이 있으므로 사실에 근거하여 상세하게 조사되어야 한다. 예를 들어, PWA의 경우 제조공정의 평가, 보드 재료와 구조, 실장기술 및 컨넥터 등에 관한 조사를 필요로 하며, 정보수집 시 공급업체로부터 많은 자료를 수집하고 분석하는 것이 필요하다. 표 2.1은 고장분석 과정에 필요한 기본적인 정보들을 요약한 것이다.[14]

2.2 외관검사와 전기적 특성검사

고장정보를 수집한 후, 고장부품에 대하여 외관검사를 실시하고, 결과를 문서화하여 보관·관리한다. 육안검사에서 확인이 가능한 주요 고장은 부식, 오염, 리드 변색, 기구적 고장, 과전압 등이다.[12]

전자부품의 고장원인을 결정하기 위해서는 전원, PWA, 모듈(module) 및 부품의 전기적 특성평가가 선행되어야 한다. 특히, 전자부품이 실장된 보드의 경우에 고장부품을 확인하기 위해서는 전기적 특성검사가 가장 먼저 수행되어야 하며, 예를 들어 과전압 또는 과전류에 의한 PWA 고장은 저항 값의 증가 또는 감소 형태로 나타난다. 다음은 전기적 특성 측정을 통하여 확인할 수 있는 고장들이다.[11]

·특성 값의 산포에 의하여 동작 중 발생하는 성능 열화 및 여유고장

·설계마진을 초과한 전기, 기계, 온도, 화학적 스트레스에 의한 사용상의 문제

·부적절한 적용, 납땜부위의 크랙에 의한 간헐적 단선, 취약하게 연결된 콘넥터, PWA의 응용 프로그램으로 인하여 재확인시 정상으로 판명되는 문제

한편, 고장 반도체 집적회로에 대한 전기적 특성 검토 시 부품이 성능(전기적 특성) 규격을 만족하는 경우가 40% 이상 발생한다.[5] 따라서 고장 부품에 대한 전기적 특성을 재확인하여 오판의 가능성을 배제하여야 한다. 전기적 특성은 curve tracer를 사용하여 시험 모듈의 회로와 회로 사이의 저항 값 등을 측정하며, 이로부터 고장을 예측할 수 있다.

2.3 고장 모드 확인

고장모드는 고장에 따른 현상으로 정의할 수 있으며, 단락(short), 단선(open) 높은 누설전류(high leakage current), 기능 고장(functional failure), 스위치 고장 등으로 비교적 간단하게 표현된다.[11] 그러나 고장모드를 상세하게 정의하면 분석에 유용한 정보를 제공할 수 있다. 즉, 상세한 정보의 제공은 고장분석을 위한 시간과 노력을 줄일 수 있으며, 정확한 결과를 빨리 얻을 수 있다. 예를 들어, □저항기 저항 값이 저온(-10℃)과 고온(50℃)의 온도변화 시 값이 변화됨□과 같이 서술되어 있으면 고장확인을 위한 열 충격시험을 통하여 고장현상을 보다 정확하게 확인할 수 있다.

한편, 고장모드를 정의할 수 없는 경우 고장 분석가는 반드시 데이터에 기초하여 정확한 판단을 내려야 한다. 일반적으로 고 집적 보드의 경우 회로분석 기술과 SPICE와 같은 소프트웨어를 이용한 Monte Calo simulation을 사용하여 고장을 구분하며, 이때 보드에 삽입되어 있는 부품의 열화 특성과 실 사용조건에서의 특성을 고려한 설계가 되었는지 확인하는 것이 필요하다. 열화에 의하여 발생하는 고장은 스트레스와 부품의 상관관계 파악이 중요하며, 파국고장은 온도, 습도, 전압 등의 환경조건과 설계마진의 부족, 과부하(overstress)에 의하여 발생하는 경우가 많으며 설계변경 또는 부품 적용에 주의를 기울임으로써 문제해결이 가능하다.

회로설계와 별도로 패키징, 솔더링, PCB 등에 대한 온도 스트레스, 기계적 진동에 의한 고장과 같이 결함에 의해 발생하는 고장은 문제의 원인에 대한 자료수집을 통하여 해결할 수 있으며, 특히 유사고장에 대한 기록을 참조하여 쉽게 접근할 수 있다.[7]

2.4 비파괴 검사

전기적 특성검사 후에 내부 결함에 대한 검출은 비파괴 검사, 즉 X-Ray, Leakage 시험, 초음파 검사(Acoustic Microscopy), 충격, 진동, 온도변화 등 환경시험을 통하여 검출한다.[6]

2.5 파괴검사

비파괴 검사 후에 결함을 발견하지 못하면 파괴검사를 한다. 파괴검사는 시료가 하나인 경우 돌이킬 수 없는 치명적인 결과를 가져올 수 있으므로 세심한 계획과 시험 전에 획득 가능한 모든 정보들을 수집하여야 한다. 파괴검사 후에 내부에 대한 표면분석결과 사진을 문서화하여 보관하면 문제해결에 많은 도움을 줄 수 있을 뿐 아니라 향후 유사한 고장분석을 진행하는데 있어서 효과적이다.

비파괴 검사 결과를 종합하여 파괴검사를 실시한다. 보호막을 제거하거나 밀봉 패키지를 파괴하여 내부검사를 원활하게 진행할 수 있도록 시편을 준비한다. 예를 들어, 반도체의 경우 칩 위의 보호막을 프라즈마 에칭 장비를 이용하여 제거한다. 그리고 광학 또는 전자주사현미경과 성분분석기 등을 이용하여 내부의 기구적 충격, 도체 또는 와이어 본드(Wire Bond)의 문제, 칩의 크랙, 일정 부위의 녹음 현상, 변색, 오염, 핀홀(pinhole) 등의 현상을 확인한다.[10] 표 2.2는 고장분석 절차별 사용장비와 확인이 가능한 대표적인 고장모드들을 정리한 것이다.

2.6 대책수립 및 보고서 작성

고장분석의 결과로 고장원인이 파악되면 해결방안을 제시하고 고장분석 보고서를 작성한다. 보고서는 설계 및 관련 공정에 배포하여 시정조치를 취할 수 있도록 하여야 하며, 시정조치에 대한 결과는 추후 확인하여야 한다.

3. 고장분석 사례

본 절에서는 대형설비를 감시하기 위한 시스템의 구성 부품인 RAM (Random Access Memory) 카드 고장분석 사례를 소개한다. 고장 카드는 1983년부터 2000년까지 17년간 사용된 것으로 고장분석 의뢰 시 PCB가 열에 의해 파손되어 있었고, 실장된 세라믹 콘덴서가 파괴되어 형체를 파악할 수 없었다. 분석의 목적은 고장의 원인을 규명하여 제거함으로써 설비의 안전을 확보하고 정비의 효율성을 제고하기 위한 것이다.

3.1 고장 부품에 대한 정보수집

고장 부품은 RAM 카드에 사용되는 콘덴서로서 카드 파손시 설비는 정상운전 중이었다. 설비 내 RAM 카드는 모두 12개가 장착되어 있었고, 한 개의 카드에 60개의 세라믹 콘덴서가 실장되어 총 720개 콘덴서가 동시에 사용되고 있었다.

RAM 카드는 1983년 4월부터 사용되었으며 1989년 첫 번째 고장이 발생하였고, 이번이 두 번째 고장이었다. 첫 번째 고장의 원인은 과열과 전원단의 단락에 의한 콘덴서 폭발에 의한 것이었다.

고장 부품에 대한 전기적 특성 측정 결과를 확인하기 위한 부품 승인원(approved sheet)과 특성에 대한 세부 자료는 설비 운영시점으로부터 17년이 경과되어 구하지 못하였으며, 사용하지 않은 양품의 시료도 입수할 수 없는 상태였다.

3.2 육안검사(visual inspection)

입체 현미경을 이용한 RAM 카드의 육안검사를 실시하였다. 그 결과 PCB (printed circuit board)가 불에 그을린 흔적과 세라믹 콘덴서의 파국고장을 확인할 수 있었다. 한편, 콘덴서의 고장이 집적회로 고장에 따른 2차 고장 여부를 확인하기 위하여 콘덴서 주변의 집적회로들에 대한 검사를 하였다. 일반적으로 집적회로의 손상은 내부의 P-N 접합의 발열과 메탈의 온도상승으로 플라스틱 패키지 부풀음 현상을 통하여 확인할 수 있다. 그러나 이 경우 플라스틱 패키지의 부풀음 현상을 발견할 수 없었으며, 따라서 RAM 카드 고장 원인은 집적회로에 의한 것이 아니고 세라믹 콘덴서에 의한 고장으로 추론할 수 있었다. 전소 부위에 대한 정밀검사 결과는 그림 3.1과 같다.

그림 3.1 세라믹 콘덴서의 고장

3.3 전기적 특성의 검토

부품의 전기적 특성은 부품구조의 이상유무를 확인할 수 있는 방법으로 구조 변경시 전기적 특성 값이 변한다. 세라믹 콘덴서의 주 고장 메커니즘은 유전체 손상으로 절연 저항 값이 기준 값(이 경우 10,000□ 이상) 보다 낮게 측정된다.[4]

세라믹 콘덴서의 특성 열화 정도를 확인하기 위하여 고장 시료가 실장되었던 RAM 카드에서 콘덴서를 임의로 10개 선택하여 정전용량, 절연저항, Q 값 등 전기적 특성을 측정하였다.

부품의 전기적 특성 측성시 정격전압 설정에 대한 정보가 없는 관계로 동일 보드의 콘덴서를 절단하고 내부 절연층 의 두께를 측정하여 정격전압을 50V로 정하였다. 절연층의 두께는 콘덴서 정격전압 설정에 있어 중요한 요소로서 일반적으로 두께가 15□인 경우 정격전압을 50V로 사용하고 있다.[9]

측정방법은 JIS C 5101-1을 활용하였으며 결과는 표 3.1과 같이 절연저항의 값이 2,120∼36,040(□) 사이에 분포하여 유전체 손상을 예측할 수 있었다.[2]

3.4 비파괴 검사

X-선을 이용하여 비파괴 검사를 한 결과 내부 결함을 발견할 수 없었다.

3.5 파괴검사

절연저항이 10,000□ 미만인 세라믹 콘덴서의 단면 관찰을 위하여 연마(polishing) 장비를 이용하여 표면을 갈아내고 절연층(insulation layer) 및 전극에 대한 표면분석을 실시하였다.

전자 주사 현미경(SEM: scanning electron microscopy)을 이용하여 내부전극 및 절연체에 대하여 검사를 한 결과 내부전극이 손상되어 있음을 확인할 수 있었고, 전극 및 절연체의 표면을 배율을 높여가며 검토한 결과 그림 3.2, 3.3과 같이 전극손상, 절연층(insulation layer)의 기공(void), 유전체 파괴(dielectric fracture)를 확인할 수 있었다.

그림 3.2 내부 전극의 손상(×1,000)

그림 3.3 전극과 유전체의 박리 (delamination)와 절연파괴

3.6 고장분석 결과

고장분석 결과를 요약하면 다음과 같다. 열에 의하여 손상된 RAM 카드에서 IC 패키지 부풀음 현상을 발견할 수 없는 것으로 보아 IC에 의한 카드 손상은 아닌 것으로 판단된다. RAM 카드에서 고장난 세라믹 콘덴서의 전기적 특성을 검토하기 위하여 동일 보드로부터 10개의 콘덴서를 채취하여 측정한 결과 절연저항 값이 2,120∼36,040 □에 분포함을 알 수 있었다. 절연저항이 10,000 □ 미만인 5개의 시료에 대한 단면검토 결과 그림 3.4와 같이 세라믹 콘덴서의 내부전극 손상, 유전체 파괴, 기공, 내부전극과 세라믹의 박리를 확인할 수 있었으며, 따라서 콘덴서 내부의 순간적인 과부하(전류의 급격한 증가) 발생으로 세라믹 콘덴서의 파국적 고장이 발생한 것으로 추정된다.

그림 3.4 세라믹 콘덴서의 고장

4. 결 론

본 연구에서는 실험실에서 수행되는  전자부품의 일반적인 고장분석 절차와 각 단계에서 이루어진 분석방법들을 제시하였다. 또한 RAM 카드에 사용된 세라믹 콘덴서의 고장분석 실 사례를 제시하였다.

고장분석 사례에서 부품이 형체를 알아볼 수 없게 파손되어 고장 부품 자체를 분석하지 못하고 동일 보드의 부품을 대상으로 분석하였다. 따라서 추정된 고장원인의 확인을 위한 재현시험이 필요할 것으로 여겨진다.

참고문헌

[1]	전자부품 산업의 육성 및 수출증대 방안에 관한 조사연구, 무역진흥기금관리위원회, 1998.

[2]	JIS C 5101-1, 전자기기용 고정콘덴서 품목별 통칙, 일본규격협회, 1998.

[3]	하종선, 최병록, PL법과 기업의 대응방안, 한국경제신문사, 1997.

[4]	ASM, Electrical Material Hand- book Packing, ASM International, 1989.

[5]	ASM, Microelectronic Failure Analysis, ASM International, 1993.

[6]	Component Quality and Reliabi -lity, Intel Inc., 1991.

[7]	Failure Reporting, Analysis and Corrective Action System (FRACAS) Application Guide- line, Reliability Analysis Center, 1999.

[8]	D. L. Burgess and O. D. Trapp, Failure & Yield Analysis Hand- book, Bofors Inc., 1987.

[9]	Carts, Test Measurement for Passive Component, Component Technology Institute Inc, 1998.

[10]	J. I. Dickson, Failure Analysis Techniques and Applications, ASM International.

[11]	H. K. Dicken, How to Analyze Failure of Semiconductor Parts, D. M. Data Inc., 1987. [7]

[12]	E. Doyle. and B. Morris, Char- acterization and Failure Analysis Techniques, Rome Air Develop- ment Center, 1990.

[13]	E. Doyle JR, Bill Morris, Micro- electronics Failure Analysis Tech -niques, Air Development Center, 1992.

[14]	P. L. Martine, Electronic Failure Analysis Handbook, McGRAW Hill, 1976.

[15]	L. C. Wagner, Failure Analysis of Integrated Circuits, Texas Instruments Inc, 2000.