1. 서 론

보고서 “Global PCB Market: Growth, Trends, and Forecast” (Linda Liu, Electronic Engineering Times, June 23, 2021)에 따르면, 2021년부터 2026년까지 전 세계적으로 PCB(printed circuit board) 수요는 자동차, 항공우주 등 모빌리티 분야를 중심으로 연평균 3.3% 이상 성장될 것으로 전망되고 있다^[1].

PCB는 전자시스템의 성능을 보장하는 중요한 요소이며, 시스템의 핵심 구성 요소이다. 이들 시스템에 사용되는 PCB는 더 작고, 더 가볍고, 더 큰 전력 제공을 위하여 작동 전압을 증가시키고 있다^{[2, 3]}. 소형화와 고밀도화는 고전압화 되는 PCB에서 도체 간 절연거리를 감소시키고, 강하고 불균일한 전기장을 만들어 도체 사이에서 표면 방전을 발생시키며, 최종적으로 트래킹 파괴를 발생시킴으로써, PCB에 고장을 발생시킬 수 있다^{[4, 5]}.

특히 전장용 PCB는 온도변화가 심하고, 습기가 많은 매우 열악한 환경에서 사용되기 때문에 그 표면이 오염되기 쉽다^[5]. 오염, 습윤 및 먼지 등은 PCB 표면에 방전이 발생되는 것을 촉진 시킨다^[6-10]. 이 표면방전은 PCB 고장의 주요 원인 중 하나이며, 이로 인해 절연층에서 탄화가 시작되어 성장함으로써 최종적으로 트래킹 파괴에 의해 PCB가 고장에 이르는 원인이 된다^{[5, 11, 12]}.

열악한 사용환경에서 사용되는 PCB 들의 경우, 장시간 고신뢰성을 유지하기 위해 다양한 종류의 코팅들이 사용되고 있다^{[3, 13, 14]}. 하지만 코팅은 습기나 오염에 의해 급속히 열화 될 수 있기 때문에 방전으로부터 장시간 PCB의 신뢰성을 유지하기 위해서는 다른 방법이 요구된다. 최근 들어 가드를 이용해 트래킹 현상으로부터 PCB의 신뢰성 향상이 가능함을 증명하는 연구들이 진행되었다^{[15, 16]}.

이에, 본 연구는 두 개의 침 전극이 서로 마주보는 형태로 인쇄된 DC 기반의 전자기판에서, 가드의 설치위치가 트래킹 현상에 대한 내성 강화에 미치는 영향을 분석하였다.

2. 실험장치 및 방법

직류전류가 흐르는 PCB에서, 트래킹에 대한 내성을 강화할 목적으로 사용되는 가드의 설치위치에 따른 성능향상의 차이를 관찰하기 위한 실험 장치도는 Fig. 1(a)와 같다. 전원으로 직류 270V가 사용되었고, 전류계, 회로의 전류를 제한하기 위한 저항 R, 시험시료 등이 서로 직렬로 연결되었다. 전압·전류 파형 취득을 위해 DSO (digital storage oscilloscope, Lecroy, Wavesurfer 4104HD)가 이용되었고, 전압파형은 Ch.1에서, 전류파형은 Ch.2에서 취득되었다. 전압파형 측정을 위해 high voltage differential probe (Lecroy, HVD3106A)가 전류파형 측정을 위해 전류프로브(Tektronix, TCP312A)와 증폭기(Tektronix, TCPA300 Amplifier)가 사용되었다.

시험시료는 가로 100mm, 세로 50mm, 두께 1.635mm(동박(copper foil)의 두께 0.035mm , 절연층(glass fiber fabric)의 두께 1.6mm)의 copper board로 제작되었다. 시험시료에서 침전극은 Fig. 1(b)와 같이, 길이 48mm, 폭 25mm, 침단 각도 90°이며, 두 전극이 4mm의 간격으로 서로 마주보게 배치(이하 침-침 전극)하여 인쇄되었다. 두 개의 침 전극 중 전원의 +쪽과 연결되는 침전극을 +전극, 전원의 –쪽과 연결되는 침전극을 –전극이라고 칭한다. 시험시료의 종류는, Fig. 1(b)와 같이 기본-시험시료, +가드-시험시료, -가드-시험시료 및 더블가드-시험시료 등, 총 네 가지이다. 기본-시험시료는 +전극과 –전극만으로 구성되며, +가드-시험시료는 +전극에만 가드가 설치되어 있고, -가드-시험시료는 -전극에만 가드가 설치되어 있으며, 더블가드-시험시료는 +전극과 –전극 모두에 가드를 설치하는 방법으로 만들어졌다. 가드는 22 AWG solid-core wire(0.6 mm)를 30mm로 자른 후, 양 끝부분의 시스층을 5mm씩 벗기고, 가운데 부분을 90° 구부린 V자 형으로 제작되었으며, 각각의 시험시료에 Fig. 1(b)와 같이 납땜하여 전극에 설치되었다.

실험의 진행은 전반적으로 IEC 60112에 따라 진행되었다. 시험시료에서 두 전극 사이의 중간 지점(Fig. 1(a)의 Ⓧ)에 20mm3 전해액을 적하 하면서 실험이 시작되었다. 적하간격은 30초였고, 시험시료에서 화염이 발생되면, 두 전극 사이에 트래킹으로 인해 절연이 파괴된 것(이하, 트래킹 파괴(tracking failure))으로 간주하였다. 전해액으로 0.1% NaCl 용액이 사용되었다.

Fig. 1. Experiment setup diagram

3. 실험 결과

3.1 기본-시험시료에서 트래킹현상

기본-시험시료의 경우, Fig. 2와 같이 트래킹 현상이 진행되었다. 첫 번째 적하에서 두 전극 간에 전해액 브리지가 형성되면 +전극에서 검붉은 색의 침전물이 생성되었다. 이어, Fig. 2(a)와 같이 전극 주변에 생성된 건조대에서 방전과 이로 인한 탄화가 생성되었으며, 이 탄화는 두 전극의 가운데 방향으로 성장하였다. 두 번째 적하에서, 동일한 현상이 반대쪽 전극에서 발생되었다. 각각 두 전극의 가운데 방향으로 성장하던 탄화가 서로 만나 트래킹 파괴로 이어졌다.

즉, 두 전극 중 한쪽에서 시작된 탄화는 반대쪽 전극 방향으로 성장했는데, 양쪽 전극에서 각각 생성된 탄화가 성장하여 서로 만남으로써 트래킹 파괴로 이어졌다.

Fig. 3은 기본-시험시료에서 트래킹 현상이 진행 중일 때 측정한 전압·전류파형의 전형적인 예를 보여준다. 첫 번째 적하 때부터 건조대 형성 후 미소발광방전(scintillation)이 활발하게 발생되는 것을 볼 수 있다.

Fig. 2. Progress of tracking phenomenon in basic-test sample

Fig. 3. Typical example of voltage and current waveform when tracking phenomenon is in progress in basic test sample

3.2 +가드-시험시료에서 트래킹현상

Fig. 4는 +가드-시험시료에서 트래킹 현상이 진전되는 실험의 전형적인 예를 보여준다. +가드-시험시료의 경우도 기본-시험시료와 동일하게 전극 쪽에서 생성된 탄화가 반대쪽 전극 방향으로 성장하였고, 이 탄화가 두 전극을 전기적으로 연결하면서 트래킹 파괴로 이어졌다. 다만, +전극 쪽에서 생성되던 검붉은 색의 침전물이 전해액과 함께 +가드와 +전극 사이에 갇히면서 두 전극의 가운데 부분까지 확산되지는 못했다.

Fig. 5는 +가드-시험시료에서 트래킹 현상이 진행 중일 때 측정한 전압·전류파형의 전형적인 예를 보여준다. Fig. 3의 기본-시험시료와 유사하게 1적하 때부터 건조대가 형성되면 미소발광방전으로 인한 미세한 펄스전류들이 빈번하게 나타나는 것을 볼 수 있다.

Fig. 4. Progress of tracking phenomenon in +guard test sample

Fig. 5. Typical example of voltage and current waveform when tracking phenomenon is in progress in +guard test sample

3.3 -가드-시험시료에서 트래킹현상

-가드-시험시료의 경우, Fig. 6(a)와 같이 초기 적하에서 육안으로 +전극에서 생성된 검붉은 색의 침전물들이 두 전극의 가운데 부분으로 점차 퍼져 나갔으며 미소발광방전이 관찰되지 않는 경우도 있었다. 그 이후 적하가 누적될수록 점차 침전물들이 두 전극 사이의 가장자리로 밀려났다. 또한, Fig. 6(b)와 같이 +전극 쪽 주변에서 건조대가 생성되고, 방전이 활발하게 발생되면서 탄화가 생성되었으며, Fig. 6(c)와 같이 -전극 쪽으로 성장해 갔다. 적하가 누적될수록 +전극에서 생성되어 -전극 쪽으로 성장하던 탄화로가 -전극과 만나면서 Fig. 6(d)와 같이 트래킹 파괴로 이어졌다.

Fig. 7은 -가드-시험시료에서 트래킹 현상이 진행 중일 때 측정한 전압·전류파형의 전형적인 예를 보여준다. Fig. 7(a)에서 1적하 때 전류파형은 미소발광방전이 관측되지 않을 때의 전형적인 모습이다. Fig. 3 또는 5의 1적하 때 전류파형과 비교해보면 전류의 크기가 작고, 뒷부분에 방전으로 인한 펄스도 관찰되지 않는다. 이것은 두 전극 사이에 퍼져 있는, 전류의 흐름을 방해하는 것으로 알려진 ${Cu O}$와 ${Cu}_{2}{O}$로 구성된, 검붉은 색의 침전물들이 브리지 전류를 감소시키기 때문인 것으로 판단된다^[16]. Fig. 7(b)는 적하가 더 추가되어 침전물들이 서서히 두 전극 사이의 가장자리로 밀려나면서 미소발광방전이 활발하게 나타날 때 측정한 전압·전류파형이고 Fig. 7(c)는 트래킹 파괴 때 측정한 전압·전류파형을 보여준다.

Fig. 6. Progress of tracking phenomenon in -guard test sample

Fig. 7. Typical example of voltage and current waveform when tracking phenomenon is in progress in -guard test sample

3.4 더블가드-시험시료에서 트래킹현상

더블가드-시험시료의 경우 적하가 누적될수록 Fig. 8(a)와 같이, +전극에서 생성된 침전물이 점차 두 전극사이를 뒤덮었다. 이로 인해 방전은 육안으로 관찰되지 않았다. 적하가 몇 회 더 추가되면 전해액 브리지가 끓으면서 Fig. 8(b)와 같이 침전물과 전해액은 두 전극의 가장자리 쪽으로 흩어졌다. 이때부터 적하가 추가될수록 Fig. 8(c)와 같이 탄화가 +전극에서 –전극 쪽으로 빠르게 성장하였으며, Fig. 8(d)와 같이 최종적으로 트래킹 파괴로 이어졌다.

Fig. 9는 더블가드-시험시료에서 트래킹 현상이 진행 중일 때 측정한 전압·전류파형의 전형적인 예를 보여준다. Fig. 9(a)는 적하초기 방전이 관찰되지 않을 때의 전압·전류파형을 보여준다. -가드-시험시료와 같은 이유로 브리지 전류가 감소되는 것을 볼 수 있다. Fig. 9(b)는 침전물이 두 전극의 가장자리로 흩어지고 난 후 나타난 전압·전류파형이다. -가드-시험시료와 비교해서 침전물이 두 전극 가장자리로 흩어지는 현상과 트래킹 파괴 등에 더 많은 적하를 필요로 했다.

Fig. 8. Progress of tracking phenomenon in double guards test sample

Fig. 9. Typical example of voltage and current waveform when tracking phenomenon is in progress in double guards test sample

3.5 시험시료별 비교

Fig. 10은 3.1에서 3.4의 실험에 대해 각각 25개씩의 시험시료를 대상으로 실험을 수행한 결과를 보여준다.

트래킹 파괴에 소요되는 평균 적하수와 표준편차는 기본-시험시료의 경우 2.24회, 0.97회, +가드-시험시료의 경우 3.88회, 1.36회, -가드-시험시료의 경우 5.92회, 1.91회, 더블가드-시험시료의 경우 12.08회, 3.03회로 나타났다. +가드-시험시료, -가드-시험시료 및 더블가드-시험시료들을 각각 99% 신뢰도(T-분포라고 가정했을 때, 자유도가 약 50 이므로 평가치 $c_{b}$는 2.68)와 양측검증의 방법으로 t 값(식 (1))을 활용해 기본-시험시료에 비해 트래킹에 대한 내성이 향상되었는가를 검증하였다. 그 결과 Table 1과 같이 가드가 설치된 모든 시료의 $t_{i}$ 값이 $c_{b}$보다 크기 때문에 트래킹 현상을 지연시키는 효과를 가지고 있다고 볼 수 있다. 특히 더블가드-시험시료, -가드-시험시료, +가드-시험시료의 순으로 트래킹 현상을 지연시키는 효과가 큰 것으로 나타났다.

(1)

$t_{i}=\sqrt{n}\dfrac{\overline{x_{i}}-\overline{x_{b}}}{\sqrt{s_{i}^{2}+s_{b}^{2}}}=\sqrt{25}\dfrac{\overline{x_{i}}-2.24}{\sqrt{s_{i}^{2}+0.97^{2}}}$

^[17]

여기서, n은 시료수, $x_{b}$와 $s_{b}$는 각각 기본-시험시료의 평균과 표준편차, $x_{i}$와 $s_{i}$는 비교하려는 시험시료의 평균과 표준편차이다.

특히, 전류의 흐름을 방해하는 CuO와 Cu$_{2}$O를 +전극과 –전극 사이에 가두었던, -가드-시험시료와 더블가드-시험시료가 다른 시료들 보다 트래킹 현상을 지연시키는 효과가 더 크게 나타났다.

Fig. 10. The number of droplets required to tracking failure for each test sample

Table 1. $t_{0}$ value for each test sample

	+guard test sample	-guard test sample	double guards test sample
$t_{i}$	8.48	11.10	17.14

4. 결 론

본 연구의 목적은 직류전류가 흐르는 PCB를 대상으로 가드를 활용하여 내트래킹 성능을 높이는 것이다. 특히 가드의 설치위치가 내트래킹 성능 향상에 미치는 영향을 규명하고자 시도하였다. 이하, 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 전극간격 4mm의 침-침 천극이 인쇄된 기본-시험시료에서 트래킹 현상은 두 전극 중 한쪽 끝에서 탄화가 발생하여 반대쪽 전극 방향으로 성장하여 서로 만나 트래킹 파괴를 일으켰다. 또한, 트래킹이 진행됨에 따라 검붉은 색의 침전물이 +전극 측에서 생성되는 것이 관찰되었다.

2. 트래킹 파괴에 소요되는 적하수는 기본-시험시료, +가드-시험시료, -가드-시험시료 및 더블가드-시험시료에 대해 각각 2.24회, 3.88회, 5.92회 및 12.08회로 나타났다. 또한 기본시험시료에 대해 내트래킹 성능이 개선되었는지 99% 신뢰도로 검증한 결과 세 시료 모두 내트래킹 성능이 향상되었다고 볼 수 있었다.

3. -가드-시험시료와 더블가드-시험시료의 경우 검붉은 색의 침전물을 두 전극의 가운데 부분에 가두는 방법으로 브리지 전류와 방전 전류를 제한함으로써 내트래킹 성능이 더욱 향상되었다.

이상의 결과들은, 주변 상황에 따라 발생될 수 있는 습기나 오손으로 인한, 트래킹 현상으로부터 화재 안전성을 높인 PCB를 개발하는데 필요한 기초 연구가 될 수 있을 것이다.