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제품정보 > 저항계

고정밀 저저항 측정을 성공적으로 수행하는 프로빙 기법 (RM3545A)

요약

 

 저저항 측정이 왜 중요한가?

 전기자동차(EV)와 하이브리드 자동차(HEV)의 보급과 함께 대전류를 다루는 시스템이 증가하고 있습니다. 버스바, 접합부 등 전류 경로의 미세한 저항은 시스템 효율 저하 및 과도한 발열을 유발할 수 있는 위험과 직결됩니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 고정밀 저저항 측정이 필수적입니다.

HIOKI의 저항계 RM3545A는 1nΩ의 분해능으로 미세한 저항을 정확하게 측정합니다. 측정 대상에 대한 프로빙 기술을 최적화하여 신뢰할 수 있는 데이터를 제공하여 고객의 제품 품질 향상을 지원합니다. 이 기사에서는 저저항 측정의 성공 열쇠인 프로빙의 핵심을 실제 사례와 함께 설명합니다.

 

 

 저저항 측정의 기본: 4단자 측정이란?

 HIOKI의 저항계 RM 시리즈는 정전류 방식을 채택하고 있습니다. 측정 대상(DUT)에 SOURCE(전류 인가 라인)에서 일정한 전류(I)를 흐르게 하고, SENSE(전압 검출 라인)에서 전압(V)을 검출합니다. 옴의 법칙(R=V/I)에 따라 저항값을 산출합니다. 4단자 측정(켈빈 측정법)은 전류 인가 경로와 전압 검출 경로를 분리하여 경로 저항=배선 저항+접촉 저항의 영향을 배제할 수 있어 저저항 측정에 있어 신뢰도 높은 결과를 제공합니다. '저항 측정 입문서' 8페이지부터 9페이지도 함께 참고하시기 바랍니다.

여기서는 4단자 측정을 전제로 프로빙의 포인트를 자세히 설명합니다.

 

  그림1 4단자 측정

 

 

 프로빙이 측정에 미치는 영향

저저항 측정에서 프로빙 방법은 측정 결과에 큰 영향을 미칩니다. 이상적인 전류 흐름(균일한 전류 밀도)과 실제 측정 시 전류 흐름(불균일한 전류 밀도)의 차이가 측정 오차의 주요 원인입니다.

여기서는 칩 저항기(면실장 저항기)와 금속 둥근 막대를 예로 들어 이상적인 상태와 실제 측정 시 측정 전류의 흐름, 측정값에 미치는 영향에 대해 자세히 살펴 보겠습니다.

 

 

 이상적인 상태에서의 전류의 흐름 

칩 저항기는 기판에 실장하여 사용되므로, 그 사양값은 기판 실장 상태에서의 저항값이 됩니다. 그림 2와 같이 기판 실장 상태에서는 저항기의 저항체에 전류가 균일하게 흐르고 있습니다. 예를 들어, 균일하게 전류가 흐르는 상태에서 전극 양단에 발생하는 전위차(그림의 등전위선 수와 같음)를 검출하면 옴의 법칙에 의해 사양값에 가까운 저항값을 측정할 수 있습니다. 

금속 둥근 막대의 이론 저항값 R은 R=저항률 ρ×길이 L/단면적 A로 구할 수 있습니다. 이 이론값은 둥근 막대 내부에 균일하게 전류가 흐르고 있을 때의 저항값입니다.

 

  

그림2 전류가 흐르는 방식(이상적인 상태)

 

실측 시 전류의 흐름 

 그림 3은 저저항 칩 저항기, 고저항 칩 저항기, 금속 둥근 막대를 실측했을 때 내부의 전류가 흐르는 방식을 나타냅니다.

저저항 칩 저항기나 금속 둥근 막대를 측정할 때는 전류가 불균일하게 흐릅니다. 균일한 기판 실장 시 전류가 흐르는 방식과 다릅니다. 고저항 칩 저항기 측정 시에는 전극-저항체 간의 저항값 차이로 인해 전류가 먼저 확산됩니다. 따라서 기판 실장 상태와 유사한 균일하게 전류가 흐르게 됩니다. 금속 둥근 막대를 측정할 때는 프로빙 부분에서 전류가 방사형으로 확산됩니다. 이론값의 상태와 달리 불균일한 전류가 흐르게 됩니다.

이러한 전류의 흐름의 차이에 따라 측정값에 영향을 미칩니다. 다음 항목에서 좀 더 자세히 살펴보겠습니다.

 

 그림3 전류가 흐르는 방식(프로빙 시)  

 

 

 프로빙이 측정값에 미치는 구체적인 영향 
 영향1: 사양값, 이론값과 측정값의 괴리

그림 4와 같이 저저항 DUT를 프로빙하여 측정하는 경우, 부품의 모서리 등 전류가 거의 흐르지 않는 영역이 발생할 수 있습니다. 전항의 이상적인 상태와 전류가 흐르는 방식이 다르기 때문에 전류가 흐르지 않는 부분은 측정할 수 없으며, 결과적으로 사양값이나 이론값과 측정값의 차이가 발생하게 됩니다.

예를 들어 SOURCE 부근에 SENSE를 프로빙한 경우, 실측 저항값은 사양값이나 이론값보다 높게 측정됩니다. 이는 겉보기 DUT 단면적(ρ×A/L의 A가 작아지는 이미지)이 작아지기 때문입니다. 단, SENSE-SOURCE 간 거리에 따라서는 이 관계가 반대로 나타날 수도 있습니다.

 

  

그림4 불균일한 전류 밀도

 

 영향 2: 프로빙마다 발생하는 측정값의 편차 

저저항 칩 저항기를 예로 들어 보겠습니다.

불균일한 전류 밀도인 실측 시, 전류 밀도가 높은 SOURCE 점 주변은 등전위선 간격이 좁아집니다. 가령, 등전위선이 1mV 간격으로 SOURCE A - SENSE A 간 거리가 프로빙마다 1mm씩 어긋나는 경우를 생각해 봅시다. 

그림 5와 같이 SENSE - SOURCE 간 거리의 크고 작음에 따라 같은 1mm의 오차에도 전압 변동이 달라집니다. 검출 전압이 저항값으로 환산되기 때문에 그것은 그대로 저항값의 변동이 됩니다. 즉, SENSE - SOURCE 거리가 클수록 프로빙의 위치가 어긋나도 검출 전압의 변화가 적고, 따라서 저항값의 변동도 억제됩니다. 그 결과, 그림 6과 같이 측정의 반복 정밀도가 향상됩니다.

 

  

 그림 5 SENSE - SOURCE 간 거리와 검출 전압의 변동

 

  

 그림 6 SENSE - SOURCE 간 거리에 따른 측정값의 편차

 

 

 솔루션: 고정밀 측정을 위한 프로빙 포인트 

솔루션: 고정밀 측정을 위한 프로빙 포인트

 다음 테크닉을 실천하면 측정 정밀도와 재현성을 획기적으로 향상시킬 수 있습니다.

 

  1. SENSE-SOURCE 간 거리 최적화 

일반적으로 DUT의 폭/두께의 3배 이상의 SENSE-SOURCE 간 거리를 두는 것이 이상적입니다. 이 경우 균일한 전류 부분을 측정할 수 있어 '사양치, 이론치와 측정값의 편차'와 '프로빙별 측정값의 편차'를 줄일 수 있습니다.

그러나 많은 측정 대상은 SENSE-SOURCE 간 거리를 충분히 떨어뜨려서 측정하기 어려운 경우가 많습니다. 이 경우, 이론값이나 사양값을 측정값과 일치시키는 것은 매우 어렵습니다. 칩 저항기의 사양값이나 금속 원형봉의 이론 저항값은 그 안에 전류가 균일하게 흐르는 것을 전제로 한 값입니다. 실측 상태와 전류가 흐르는 방식이 다르기 때문에 두 값은 서로 다릅니다. 

 이런 경우, 양품과 불량품의 저항값을 상대적으로 비교하는 접근법을 권장합니다. 또한, SENSE-SOURCE 간 거리를 이상적으로 확보할 수 없는 경우에도 프로빙마다 반복 정밀도를 향상시키기 위해 가능한 한 SENSE-SOURCE 간 거리를 확보하는 것이 좋습니다.

 

 2. 6단자 측정으로 기판 실장 상태 재현 

측정값을 이론값에 가깝게 하고 싶은 경우, HIOKI는 그림 7과 같은 6단자 측정을 제안합니다. 이는 2개의 전류 경로를 준비하여 기판 실장 상태의 전류 밀도에 가깝게 하는 방법입니다.

자세한 내용은 HIOKI 애플리케이션 노트 「6단자 저항측정으로, 기판실장상태에 가까운 션트 저항값을 검사(RM3543특주품)」를 참조해 주십시오.

 

 

그림7 6단자 측정

 

 

 3. 높은 재현성을 위한 지그 활용 

프로빙 위치의 재현성을 높이는 지그를 사용하여 측정값의 편차를 최소화합니다.

 

 

 요약: 저저항 측정을 다음 단계로

 저저항 측정은 프로빙을 통해 정밀도와 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있습니다. RM3545A와 이 글에서 소개한 프로빙 노하우를 활용하여 저항의 품질 관리를 강화하십시오.

특정 애플리케이션에 대한 데모나 상담이 필요하시면 문의 양식을 통해 연락 주시기 바랍니다.

 

 

 관련자료

■ 저항 측정 안내서

■ 애플리케이션 노트: 6단자 저항측정으로, 기판실장상태에 가까운 션트 저항값을 검사(RM3543특주품)