반도체에서 절연파괴는 서지(Surge)

반도체에서 절연파괴는 서지(Surge)나 단시간 고전압에 의해 절연층이나 PN 접합에서 발생하며, 이는 반도체 소자의 고장 원인 중 하나입니다.

절연파괴의 원리

• 서지에 의한 절연파괴는 순간적으로 발생하는 고전압이 반도체의 절연재(예: 실리콘 산화막, 폴리이미드, 에폭시 등) 또는 PN접합을 그 견딜 수 있는 한계 이상으로 밀어올려 발생합니다.

• Avalanche Breakdown과 Zener Breakdown이 대표적입니다. Avalanche breakdown은 고역의 전계에 의해 전자가 가속되어 격자 내 다른 전자들을 튀어나오게 하면서 전류가 폭증하는 현상입니다. Zener breakdown은 경도가 높은(도핑이 많은) 다이오드에서 낮은 전압에서 강한 전기장에 의해 전자가 터널링해서 발생합니다.

주요 피해 형태

• 실리콘 산화막 등 절연층에서 Pin-hole(핀홀) 형성 → 장기적으로 누설전류 증가, 점진적 고장 유도.

• 반도체 내 PN접합 절연파괴 → 대량의 전류가 흐르면서 소자 기능 상실, 방열 및 추가 손상.

• PCB 또는 집적회로 내 다층 절연 내부 아크 및 누설전류 → 점차적으로 절연성 저하, 치명적인 오픈·쇼트 고장으로 이어질 수 있음.

전형적 발생 조건

• 낙뢰 및 스위칭 서지: 수십 kV~수백 kV급의 순간 고전압이 실리콘 산화막 두께, 절연체 품질, 접합 형태에 따라 파괴 임계치 이상 시 인가.

• 반복적인 전압 스트레스 누적: 절연 내구도 저하, 장기 노후, 피로 파괴 가능.

보호 및 예방

• 서지 보호기(SPD) 설치: 과도 전압 차단, 절연파괴 위험 저감.

• 소자 설계 시 절연두께 증대 및 고품질 절연재 적용: 두꺼운 절연재(예: 400μm Polyimide 등)는 10kV급까지 견딜 수 있음.

• 기기 내 아크·전압분산 구조 설계: 반복적 서지, 아크로 인한 열·전기 영향 최소화.

참고 표 (파괴 방식 및 임계값 예시)