전자부품 불량원인 분석: 회로 설계 오류부터 부품 이슈까지

전자부품 불량은 단순히 “부품이 나쁘다”라는 문제로 끝나지 않는 경우가 대부분입니다. 실무에서는 회로 설계 오류, 부품 선정 과정의 미스매치, 제조 공정의 품질, 환경 조건까지 복합적으로 작용하여 불량이 발생하게 됩니다. 특히 최근처럼 고밀도 PCB 설계와 고스펙 반도체 부품이 증가한 환경에서는 아주 작은 설계 실수나 공정 변화가 예기치 않은 불량으로 이어지는 경우가 많아졌습니다.

 

 

 

 

전자부품 불량이 발생하는 구조적 이유

전자부품의 불량은 크게 네 가지 요소가 결합된 결과로 발생하게 됩니다.

1) 회로 설계 자체의 문제 – 정격 초과, 전류 계산 오류, 열 설계 미흡 2) 부품 특성과 제조 편차 – ESR, 노화, 수명, 제조 로트 편차 3) PCB 및 공정 품질 – 접합 크랙, 솔더 브릿지, 패드를 통한 열 전달 부족 4) 환경적 스트레스 – 온도 변화, 습기, EMI, 진동

따라서 불량을 해결하려면 단일 원인이 아니라 전체 시스템을 종합적으로 봐야 하며, 설계 단계부터 부품과 회로 조건이 맞게 설정되었는지 확인하는 접근이 중요합니다.

 

설계 오류로 발생하는 주요 불량

전자부품 불량에서 가장 높은 비율을 차지하는 원인은 의외로 설계 오류입니다. 대표적으로 다음 요소가 자주 문제를 일으킵니다.

1. 전압·전류 정격 계산이 실제 부하 조건을 반영하지 않음
MOSFET·다이오드의 스위칭 시 실제 전류는 “평균”이 아니라 “순간 피크”를 기준으로 해야 합니다. 설계할 때 평균 전류만 계산하면 현장에서 반복적인 피크 스트레스로 소자가 조기에 열화됩니다.

2. 디레이팅(Derating)을 적용하지 않은 부품 선택
정격의 100%를 사용하는 설계는 안전하지 않습니다. 실무 기준에서는 다음 수준을 적용해야 합니다. - 캐패시터: 정격 전압의 60~70% - MOSFET/IGBT: 정격 전류의 40~50% - 저항: 50~70%

이 디레이팅을 지키지 않으면 부품 수명이 급격히 단축되어 불량이 발생하게 됩니다.

3. 발열 계산 미흡
전력반도체는 온도에 따라 Rds(on), Vf, ESR 등이 크게 변화합니다. PCB 방열 면적이 부족하거나 히트싱크가 적절하지 않으면, 데이터를 만족하는 부품조차 고온에서 파손되는 사례가 많습니다.

 

회로 구성 특성으로 인한 부품 스트레스

설계 자체는 정상이어도 회로 구조적으로 특정 부품이 과도 스트레스를 받는 경우가 많습니다.

1. 인러쉬 전류(Inrush Current)
전원 투입 순간 캐패시터 충전으로 인해 매우 큰 전류가 발생합니다. 이로 인해 정류 다이오드, 퓨즈, MOSFET이 파손되는 현장이 많습니다.

2. 스위칭 스파이크
인덕터·트랜스가 있는 회로는 스위칭 순간 스파이크(overshoot)가 필연적으로 발생합니다. 스너버 회로, TVS 다이오드가 없다면 MOSFET/IGBT가 매우 빠르게 손상됩니다.

3. 서지(번개·전원 노이즈)
AC-DC 어댑터, 전력선 유입 서지는 MOV·GDT·TVS 등 보호회로가 없으면 즉시 부품을 파괴할 수 있습니다.

 

부품 자체 문제로 발생하는 불량

부품 불량은 전체 원인의 10~20% 정도지만, 특정 조건에서는 주요 요인이 됩니다.

1. ESR 증가(캐패시터 열화)
수년간 사용된 캐패시터는 ESR이 증가하며, 발열 → 전압 리플 증가 → 파손의 순으로 진행됩니다.

2. 다이오드/트랜지스터 누설 전류 증가
온도가 올라가면 누설이 증가하며, 방치 시 회로 전체 동작점이 변합니다.

3. 정품이 아닌 부품 사용
가품 MOSFET·다이오드는 정격이 실제와 다르고 수명이 매우 짧습니다. 특히 알리·중국 저가 IC에서 빈번합니다.

 

솔더링·PCB 공정으로 발생하는 불량

실무에서 자주 발견되는 PCB 공정 문제는 다음과 같습니다.

1. 솔더 크랙
온도 싸이클, 진동, 기계적 충격으로 인해 발생하며 intermittent(간헐적) 불량의 원인이 됩니다.

2. 콜드 조인트
납땜 온도가 낮아 충분히 녹지 않은 경우로, 초기에는 정상이나 시간이 지나면 저항 증가 → 발열 증가 → 파손으로 이어집니다.

3. 패드 들뜸/PCB 레이어 손상
과도한 열이나 재납땜 과정에서 패드가 들뜨면 부하 전류 흐름이 비정상적으로 흐르고 과발열이 발생합니다.

 

환경 조건(온도·습도·EMI)으로 발생하는 불량

부품과 회로는 특정 환경에서만 정상 동작하도록 설계됩니다.

1. 온도 변화
반복적인 온도 싸이클 → 캐패시터·솔더 조인트 열화 → 부품 파손 고온방에서 주로 불량이 재현됩니다.

2. 습기 침투
습기는 레진·패키지 내부 흡수를 유발하며, 전압 인가 시 팝콘 현상(패키징 파열)까지 이어질 수 있습니다.

3. EMI/EMC 스트레스
고주파 환경에서는 IC 내부 보호 다이오드나 트랜지스터가 over-stress를 받아 오동작이 발생합니다.

 

실무 엔지니어용 불량 원인 분석 체크리스트

아래 항목을 체크하면 대부분의 불량 원인을 빠르게 좁힐 수 있습니다.

1) 정격·디레이팅 기준을 설계에 반영했는가?
2) 스위칭 파형에 overshoot/undershoot는 없는가?
3) DC 링크 리플, ESR 증가를 측정했는가?
4) 인러쉬 전류를 실제로 측정했는가?
5) 열화 테스트(HTOL, 온도 싸이클)를 수행했는가?
6) EMI 환경에서 회로가 안정적인가?
7) 솔더 조인트 상태를 X-ray 또는 현미경으로 확인했는가?

전자부품 불량 분석은 단일 원인을 찾는 작업이 아니라, 회로·부품·공정·환경의 종합적인 문제를 구조적으로 파악해야 하는 작업입니다.