가상의 사례를 하나 생각해 보겠습니다. 시험 생산 중인 전력 컨버터가 스위칭을 멈췄습니다. 보호 회로가 동작했고, 전력 트랜지스터 하나는 단락(쇼트)으로 측정되며, 기술자는 패키지 가장자리에서 검게 변한 자국을 발견했습니다. 관리자가 묻습니다. “이번 주에 잘라서 열어 볼까요?”
이것이 탄화규소(silicon carbide, SiC)와 질화갈륨(gallium nitride, GaN) 전력 소자의 고장 분석, 즉 전력 소자가 왜 고장 났는지 밝히는 작업의 일상적인 판단 지점입니다. SiC와 GaN은 전력 스위치에 쓰이는 두 가지 반도체 소재입니다. 어떤 소재든 절단은 되돌릴 수 없으며, 검은 자국이 고장이 시작된 곳인지는 알 수 없습니다.
탄화규소(SiC) 전력 모듈. 2025년 5월 2일 촬영. 전력전자 하드웨어의 예시 사진이며 고장 난 시료를 보여 주는 사진은 아닙니다. 사진: Brooke Buchan, National Laboratory of the Rockies(NLR)/미국 에너지부, 이미지 100033. 출처 · 사진 이용 조건.
핵심 요약
- 눈에 보이는 손상은 증상입니다. 최초의 사건은 다른 곳에 있을 수 있습니다.
- 세척, 전원 인가, 절단 전에 이력을 기록하고 시료를 받은 상태 그대로 보관하세요.
- 분석 방법은 그 방법이 답할 수 있는 질문으로 고르고, 한계는 분석 기관에 물어보세요.
- 패키지 개봉(칩을 드러내기 위해 패키지의 일부를 제거하는 작업)이나 절단처럼 되돌릴 수 없는 단계 전에 보류 지점을 합의하세요. 절단은 생략할 수 있습니다.
- SiC와 GaN의 가설은 분리하세요. 한 소재의 구조를 다른 소재에 그대로 가져오지 마세요.
고장 난 전력 소자를 위한 5단계 증거 워크플로
- 보존. 이력과 식별 정보를 기록하고, 시료를 받은 상태 그대로 유지합니다.
- 위치 파악. 시료에 적합하고 이상 위치를 찾을 수 있는 방법을 고릅니다. 가능한 경우 비파괴 방법부터 씁니다. 위치를 찾는 데 패키지 개봉처럼 되돌릴 수 없는 단계가 필요하면 먼저 보류 지점으로 가져가세요.
- 보류 지점 합의. 되돌릴 수 없는 단계 전에, 분석 기관과 함께 패키지 개봉이나 절단이 정보를 더하는지 판단합니다. 절단이 정보를 더하지 않으면 4단계를 건너뛰고 5단계로 갑니다.
- 정당화될 때만 단면 제작(선택). 합의 후에만 표적을 정한 절단을 합니다.
- 종합과 검증. 증거를 종합하고, 시정 조치가 해당 메커니즘에 맞는지 확인합니다.
우회 경로: 4단계는 선택 사항입니다. 보류 지점에서 절단이 정보를 더하지 않는다고 판단하면 4단계를 건너뛰고 3단계에서 곧바로 5단계로 갑니다.
시료를 바꾸기 전에 증거를 보존하세요
도구보다 기록에서 시작하세요. 부품 번호, 리비전과 로트, 패키지 종류, 데이터시트에 나온 정확한 소자 기술을 적습니다. 이어서 시간 순서도 정리합니다. 컨버터가 어떤 조건에서 동작했는지, 어떤 보호 이벤트가 기록되었는지, 최근 무엇이 바뀌었는지, 이미 누군가 그 부품을 측정, 세척 또는 재작업했는지를 적습니다.
받은 상태 그대로 사진을 찍고 방향을 표시한 뒤, 손상 부위에 아무것도 닿지 않게 보관하세요. 고장 난 컨버터에 “어떻게 되나 보자”며 다시 전원을 넣지 마세요. 전기 측정은 먼저 분석 기관과 함께 계획하고, 그 측정이 손상된 시료를 바꿀 수 있는지 물어보세요.
2026년 10월 8일 Power Electronics News 인터뷰에는 칩을 잘라 열어 시료를 준비하는 과정이 보려던 바로 그 부분을 망가뜨릴 수 있다는 경고가 실려 있습니다. 이는 인터뷰에 응한 한 사람의 경고이며 독립적인 연구는 아닙니다. 이 글이 준비 단계 전에 보류 지점을 두라고 제안하는 이유입니다.
SiC와 GaN의 고장 가설을 분리하세요
SiC. 시험을 고르기 전에 정확한 부품을 적고, 그 소자 구조가 정확히 무엇인지 분석 기관 및 데이터시트와 함께 확인하세요. 그런 다음 이력에 대해 묻습니다. 게이트 단자가 비정상적인 스트레스를 받았는가? 어떤 전류 경로가 기록되었는가? 단락 사건이 있었는가? 패키지에 손상이 있는가? 답마다 다음에 확인할 것이 달라지며, 어느 것도 그 자체로 결론은 아닙니다.
GaN. Texas Instruments의 2021년 GaN 고장 메커니즘 기술 보고서(SNOAA68)는 제조사 문서입니다. 이 보고서는 전하가 버퍼층, 유전체, 계면에 갇힐 수 있다고 설명합니다. 그래서 Texas Instruments는 동적 온 저항(dynamic on-state resistance, 스위칭 스트레스 직후 전도 중의 저항)을 스위칭 주기의 시간 규모에서 평가하라고 권합니다. 분석 기관에 설명할 때는 스트레스 후 얼마 뒤에 저항을 측정했는지, 어떤 온도와 접촉 조건이었는지, 높아진 값을 어떻게 해석하는지 물어보세요. Texas Instruments의 제품별 수명 수치는 여기서 사용하지 않았습니다.
부품의 정확한 구조를 기록하세요. SiC와 GaN의 가설은 분리해서 다루고, 실제 부품의 구조는 분석 기관 및 데이터시트와 함께 확인하세요.
질문에 맞는 분석 방법을 고르세요
가능한 경우 시료를 바꾸지 않는 방법부터 쓰고, 각 방법이 시료에 위험을 주는지 분석 기관에 물어보세요. 아래 표는 우리가 제안하는 계획용 자료이며 실험실 절차도, 출처가 확립한 한계 목록도 아닙니다. 세 번째 열은 분석 기관에 던질 질문입니다. 프라운호퍼 연구소의 고장 분석 페이지(아래 출처에 링크)는 음향 분석, 락인 결함 위치 파악, 원소 분석을 겸한 주사전자현미경, 톱질·연삭·연마를 통한 시료 단면 가공을 나열합니다. ZEISS 응용 페이지(역시 아래에 링크)는 쪼갠 탄화규소 소자, 질화갈륨의 얇은 조각, 전력 관리 칩 속 연결부의 가상 단면 같은 특정 시료의 예시 영상을 보여 줍니다. 이런 목록이나 제조사 사례는 그 방법이 존재한다는 것을 보여 줄 뿐입니다. 어떤 실험실이 지금 내 시료에 그 방법을 적용할 수 있는지, 그 방법이 원인을 증명해 주는지는 보여 주지 않으므로, 둘 다 실험실과 확인하세요.
| 방법 | 답을 돕는 질문 | 분석 기관에 물어볼 것 |
|---|---|---|
| 기록 및 육안 검사 | 어떤 시료, 단자, 영역이 눈에 띄게 변했는가? | 다른 작업을 하기 전에 어떤 눈에 보이는 변화를 기록해 두어야 하는가? |
| 전기적 특성 분석: 전류–전압 곡선(전압에 따른 전류 반응), 게이트 누설(명시된 조건에서 게이트 단자로 흐르는 의도하지 않은 전류) | 어떤 파라미터가 어떤 온도, 시점, 이전 스트레스에서 변했는가? | 어떤 시점, 온도, 접촉 조건이 적용되며 변한 값을 어떻게 해석하는가? 변화만으로는 메커니즘을 특정할 수 없습니다. |
| 주사 음향 현미경(scanning acoustic microscopy): 소리를 이용해 보이드, 균열, 층 분리를 찾음 | 의심스러운 계면이 있는가? | 이 패키지를 이 방법으로 검사할 수 있는가, 그리고 결과가 알려 주지 못하는 것은 무엇인가? |
| 락인 열화상(lock-in thermography): 연구소가 나열한 결함 위치 파악 방법 | 이상은 어디에 있는가? | 전기적 자극은 누가, 어떤 조건에서 가하는가? 고장 난 컨버터에 직접 전원을 다시 넣지 마세요. |
| 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM)과 에너지 분산 X선 분광(energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDS): 확대 관찰과 원소 분석 | 어떤 영역의 형상과 원소는 무엇인가? | 먼저 패키지를 열거나 시료를 단면 가공해야 하는가? 그렇다면 그 단계를 보류 지점으로 가져가세요. 원소 신호만으로는 기원, 시점, 공급사 책임을 증명할 수 없습니다. |
| 단면 가공: 톱질, 연삭, 연마 | 앞선 증거로는 답할 수 없는 질문에 단면이 답을 줄 수 있는가? | 되돌릴 수 없습니다. 이 단계가 꼭 필요한가, 합의된 표적은 무엇이며, 전후에 무엇을 기록하는가? |
패키지를 열거나 단면을 만들기 전에 보류 지점을 합의하세요
보류 지점은 패키지 개봉이나 절단처럼 되돌릴 수 없는 단계 앞에서 일부러 멈추는 시점입니다. 시료 소유자와 분석 기관이 지금까지 알려진 것을 검토하고 몇 가지에 답합니다. 패키지를 열거나 절단하면 앞선 증거로는 알 수 없는 무엇이 드러나는가? 개봉이나 절단은 어디에, 어떤 방향으로 하는가? 어떤 기록을 남기고, 어떤 재료가 남으며, 어떤 결과가 나오면 멈추는가?
이상 위치를 찾으려면 패키지를 열어야 할 것 같다면, 위치 파악의 일부처럼 느껴지더라도 그 단계를 먼저 이 보류 지점으로 가져오세요. 이는 우리의 계획 권고이며 출처가 요구하는 사항은 아닙니다.
정직한 답이 “절단해도 얻는 것이 없다”일 때도 있습니다. 비파괴 증거만으로 이미 설명들을 구분할 수 있는 경우입니다. 그러면 생략하세요. 반대로 위치 파악이 너무 모호해서 절단 위치를 정할 수 없을 때도 있습니다. 그때는 시료를 보존하고 불확실성을 그대로 보고하세요.
시료 인계 체크리스트(일반 목록이며 분석이 어디서 이루어지든 유용합니다):
- 정확한 부품 식별 정보, 패키지, 소자 기술.
- 보호 이벤트를 포함한 동작 및 고장 이력의 시간 순서.
- 조건, 시점, 온도가 적힌 기존 전기 측정 기록.
- 받은 상태의 사진, 취급 기록, 가능하면 비교용 시료.
- 가설과, 그 가설들을 구분할 다음 질문.
- 제안하는 되돌릴 수 없는 단계(패키지 개봉 또는 절단), 그 표적과 방향, 합의하는 사람.
- 보관할 것과, 멈추는 기준.
종합된 결과를 시정 조치 계획으로 바꾸세요
증거를 나란히 놓으세요. 전기적 이상은 어디에 있는지, 물리적 관찰은 무엇을 보여 주는지, 부품이 어떤 스트레스를 받았는지, 비교 시료는 어떤지 확인합니다. 분석 영상은 손상이 어디에 있는지 보여 줄 수 있지만, 그것만으로 무엇이 시작했는지 보여 주지는 못합니다. 그런 다음 각 발견을 분류합니다. 최초 메커니즘인가, 뒤따른 손상인가, 시료 준비 과정에서 생긴 변화인가? 각 발견에 대해 분석 기관이 이를 어떻게 구분할지 물어보세요.
증거와 여전히 양립하는 설명들을 목록으로 남기세요. 시정 조치는 뒷받침할 수 있는 메커니즘을 겨냥해야 하며, 그 효과는 관련성 있는 검증된 시험 계획으로 확인해야 합니다. 사진 한 장으로 공급사의 책임을 증명할 수 없고, 어떤 분석도 고장이 다시는 일어나지 않는다고 약속하지 못합니다.
컨버터로 돌아가면, 다음 단계는 “이번 주에 자르자”가 아닙니다. 위의 인계 자료를 준비하고, 어떤 결과가 경쟁하는 설명들을 구분해 줄지 묻는 것입니다.
주요 출처
- Fraunhofer Institute for Integrated Systems and Device Technology, Failure Analysis(연구소의 방법 목록, 개정일 미표시, 2026년 10월 22일 확인).
- ZEISS 반도체 응용 페이지(아날로그, 무선주파수, 전력, 미세전자기계 및 센서 소자. 특정 시료에 대한 제조사 사례, 개정일 미표시, 2026년 10월 22일 확인).
- Texas Instruments SNOAA68, Addressing GaN Failure Mechanisms(제조사 기술 보고서, 2021년, 2026년 10월 22일 확인. 더 새로운 개정판이 있는지는 확인하지 않음).
- Power Electronics News, 전력 소자 고장의 근본 원인 찾기에 관한 인터뷰(2026년 10월 8일, 인터뷰에 응한 한 사람의 경고이며 독립적인 연구는 아님).
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