Một MOSFET công suất đang dẫn 200 A không còn là linh kiện mà datasheet mô tả ở 25 °C. Nhiệt độ mối nối của nó có thể đã vượt 150 °C, điện trở dẫn đã tăng gấp rưỡi, và đường đặc tuyến vừa vẽ ra thực chất là đặc tuyến của một linh kiện nóng chứ không phải đặc tuyến đẳng nhiệt. Đó là lý do đo nhiệt trở linh kiện không phải công việc riêng của kỹ sư nhiệt: nó là điều kiện cần để mọi phép đo điện trên linh kiện công suất có ý nghĩa.
Bài viết này đi từ cơ chế tự nung, qua nguyên lý đo nhiệt độ mối nối bằng thông số điện, tới phương pháp chuẩn hoá của JEDEC và cách bố trí phép đo trên nền máy phân tích tham số.
Tự nung: vì sao đặc tuyến DC không phải đặc tuyến thật
Hiệu ứng tự nung có cơ chế đơn giản nhưng hậu quả tinh vi. Công suất tiêu tán trong linh kiện làm nhiệt độ mối nối tăng; nhiệt độ tăng lại làm thay đổi tham số điện; tham số điện thay đổi lại làm thay đổi công suất tiêu tán. Vòng phản hồi này ổn định lại ở một điểm cân bằng, và điểm cân bằng đó phụ thuộc vào toàn bộ đường dẫn nhiệt từ mối nối ra môi trường — nghĩa là phụ thuộc vào đồ gá đo, không chỉ vào linh kiện.
Ba hệ quả thực hành thường bị bỏ qua:
- Cùng một mẫu, hai đồ gá khác nhau cho hai đường đặc tuyến khác nhau. Khác biệt đó là sai số hệ thống của bố trí nhiệt, không phải sai số ngẫu nhiên.
- Vùng đặc tuyến có độ dốc âm có thể là ảo: dòng giảm khi điện áp tăng thường do nhiệt độ tăng làm giảm độ linh động, chứ không phải do vật lý linh kiện — và kết luận sai ở bước này dẫn thẳng tới mô hình SPICE sai.
- Điện trở dẫn đo ở chế độ DC luôn lệch theo chiều hệ số nhiệt. Với MOSFET silicon, hệ số nhiệt của điện trở dẫn là dương nên số đo DC luôn xấu hơn giá trị đẳng nhiệt thật.
Cách chặn vòng phản hồi này là đo xung: bơm năng lượng vào trong thời gian ngắn hơn hằng số thời gian nhiệt của linh kiện, rồi tắt. Kỹ thuật đo I-V xung đã được trình bày chi tiết trong bài đo I-V xung cho linh kiện công suất; ở đây chúng ta đi hướng ngược lại — thay vì tránh nhiệt, chúng ta đo chính con đường mà nhiệt đi ra.
Đo nhiệt trở linh kiện: định nghĩa và vì sao phải tự đo
Nhiệt trở là tỉ số giữa độ chênh nhiệt độ và công suất tiêu tán, đơn vị °C/W. Nó mô tả khả năng dẫn nhiệt của một đoạn đường dẫn nhiệt, và luôn phải nói rõ đoạn nào: từ mối nối tới vỏ (junction-to-case), từ mối nối tới môi trường (junction-to-ambient), từ mối nối tới điểm hàn (junction-to-board).
Trong ba đại lượng đó, Rth junction-to-case là đại lượng thuộc về bản thân linh kiện — nó phản ánh chất lượng của chip, lớp gắn chip và đế dẫn nhiệt. Hai đại lượng còn lại phụ thuộc mạnh vào bo mạch và điều kiện làm mát, nên chỉ có nghĩa khi đi kèm mô tả đầy đủ điều kiện đo.
Vì sao phải tự đo? Vì con số datasheet là giá trị của một lô mẫu trong điều kiện chuẩn hoá, và nó không phát hiện được vấn đề của lô hàng bạn đang có: bọt khí trong lớp hàn gắn chip, keo dẫn nhiệt phân bố không đều, hư hỏng tích luỹ sau chu kỳ nhiệt. Đó là điều biến phép đo nhiệt trở thành công cụ kiểm tra chất lượng đóng gói, không chỉ là tham số thiết kế tản nhiệt.
Nguyên lý đo: thông số nhạy nhiệt và hệ số K
Không có cách nào cắm cặp nhiệt điện vào bên trong tinh thể bán dẫn, nên giải pháp là dùng chính linh kiện làm cảm biến nhiệt độ thông qua một thông số điện nhạy nhiệt. Với MOSFET và IGBT, lựa chọn phổ biến là điện áp thuận của điốt cấu trúc ở một dòng cảm biến nhỏ — đủ nhỏ để không tự nung thêm, đủ lớn để đo ổn định.
Quy trình gồm hai giai đoạn tách bạch:
Giai đoạn hiệu chuẩn. Đặt linh kiện vào buồng nhiệt, quét nhiệt độ qua vài điểm, và tại mỗi điểm đo thông số điện nhạy nhiệt ở dòng cảm biến. Kết quả là hệ số K — độ dốc của quan hệ giữa thông số điện và nhiệt độ. Đây là bước quyết định độ chính xác của toàn bộ phép đo, và hệ số K khác nhau giữa từng mẫu, từng lô, từng công nghệ. Dùng lại hệ số K của mẫu khác là nguồn sai số hệ thống lớn nhất trong quy trình.
Giai đoạn đo quá độ. Nung linh kiện bằng một công suất biết trước cho tới khi ổn định nhiệt, rồi cắt công suất nung và chuyển ngay sang dòng cảm biến, đồng thời ghi thông số điện nhạy nhiệt theo thời gian. Đường nguội này, quy đổi qua hệ số K, chính là đường nhiệt độ mối nối theo thời gian.
Máy phân tích linh kiện công suất Keysight B1505A hỗ trợ đo nhiệt tự động trong dải −50 đến +250 °C, có hai đầu vào cặp nhiệt điện loại K với dải −50 đến 300 °C để theo dõi nhiệt độ vỏ và nhiệt độ đồ gá. Buồng đo nhiệt chuyên dụng ghép với bộ điều nhiệt luồng khí cho phép chạy tự động IV theo nhiệt độ từ −50 đến +220 °C; cần lưu ý đặc tả bổ sung của Keysight nói rõ độ chính xác suy giảm khoảng ba lần khi đo qua buồng nhiệt so với đo trực tiếp — con số này phải đưa vào ngân sách bất định, không được bỏ qua.
JESD51-14: phương pháp giao diện kép quá độ
Bài toán khó nhất của Rth junction-to-case không nằm ở đo nhiệt độ mối nối, mà ở việc xác định đâu là vỏ. Gắn cặp nhiệt điện lên vỏ cho kết quả phụ thuộc mạnh vào vị trí đặt và lực ép, nên hai phòng thí nghiệm đo cùng một mẫu có thể ra hai số khác nhau.
JEDEC giải quyết bằng JESD51-14 — phương pháp giao diện kép quá độ (transient dual interface). Ý tưởng rất gọn:
- Đo đường trở kháng nhiệt quá độ ZθJC(t) lần thứ nhất với mặt vỏ tiếp xúc tốt với bộ làm mát (có chất dẫn nhiệt giao diện).
- Đo lại đúng mẫu đó với tiếp xúc kém hơn hẳn (giao diện khô).
- Hai đường trùng nhau ở phần đầu — phần bên trong linh kiện, nơi điều kiện tiếp xúc bên ngoài chưa ảnh hưởng — rồi tách ra ở thời điểm nhiệt lan tới bề mặt vỏ.
- Trở kháng nhiệt tích luỹ tại điểm tách chính là RθJC.
Ưu điểm quyết định: phương pháp xác định được ranh giới vỏ mà không cần đọc nhiệt độ vỏ bằng cặp nhiệt điện, nên loại bỏ nguồn bất định lớn nhất. Điều kiện áp dụng là dòng nhiệt phải đi qua một đường duy nhất — đúng với linh kiện công suất có đế dẫn nhiệt, nhưng cần xem lại với cấu trúc nhiều đường tản nhiệt song song.
Để đọc được điểm tách, đường Zθ(t) thường được biến đổi sang hàm cấu trúc: một biểu diễn dạng mạng nhiệt trở – nhiệt dung tích luỹ, trong đó mỗi đoạn dốc tương ứng với một lớp vật liệu trên đường dẫn nhiệt. Trên hàm cấu trúc, một lớp hàn có bọt khí hiện ra thành một đoạn dốc lên bất thường ở đúng vị trí của lớp đó — đây chính là cơ chế biến phép đo nhiệt trở thành công cụ chẩn đoán lỗi đóng gói.
Đo xung ở dòng lớn: các giới hạn định lượng trên B1505A
Giai đoạn nung cần dòng lớn, nhưng các bước đo điện đi kèm lại phải tránh tự nung. Cách dung hoà là xung có hệ số công suất rất nhỏ, và các đặc tả sau cho thấy giới hạn thật nằm ở đâu.
Bộ mở rộng dòng siêu lớn của B1505A cho phép xung dòng ngắn tới 10 µs với độ phân giải 2 µs. Ở dải 500 A, độ rộng xung nằm trong khoảng 10 µs đến 1 ms với hệ số công suất không quá 0,4%. Ở dải 1500 A, độ rộng xung tối đa rút xuống 500 µs và hệ số công suất không quá 0,1%. Nói cách khác, ở dòng cực đại linh kiện chỉ được dẫn khoảng một phần nghìn thời gian — đó chính là cơ chế bảo đảm năng lượng mỗi chu kỳ đủ nhỏ để nhiệt độ mối nối gần như không kịp tăng.
Toàn hệ B1505A phủ tới 10 kV và 1500 A trong một khung máy, độ phân giải đo điện trở dẫn ở mức µΩ và đo được dòng dưới pico-ampe — dải động cần thiết để cùng một hệ vừa đo dòng rò ở khoá, vừa đo điện trở dẫn ở dòng định mức. Với đặc tính cơ bản không cần dòng cực lớn, máy phân tích linh kiện bán dẫn Keysight B1500A là nền tảng phù hợp hơn về chi phí và ghép được với buồng nhiệt tương tự.
Cây quyết định: chọn cấu hình đo theo mục tiêu
Bốn nhánh dưới đây phủ phần lớn tình huống thực tế:
Nhánh 1 — chỉ cần đặc tuyến đẳng nhiệt, không cần nhiệt trở. Dùng đo I-V xung với độ rộng xung đủ ngắn, kiểm chứng bằng cách giảm dần độ rộng xung tới khi kết quả không đổi. Không cần buồng nhiệt.
Nhánh 2 — cần đặc tuyến theo nhiệt độ. Thêm buồng nhiệt và chạy quét nhiệt độ; nhớ cộng hệ số suy giảm độ chính xác khi đo qua buồng vào ngân sách bất định.
Nhánh 3 — cần RθJC để thiết kế tản nhiệt. Bắt buộc chạy đủ hai giai đoạn hiệu chuẩn hệ số K và đo quá độ, theo quy trình giao diện kép của JESD51-14.
Nhánh 4 — cần kiểm tra chất lượng đóng gói theo lô. Vẫn là quy trình JESD51-14 nhưng chuyển trọng tâm sang hàm cấu trúc: so sánh hàm cấu trúc của mẫu nghi ngờ với mẫu tham chiếu, tìm đoạn dốc bất thường.
Ở cả bốn nhánh, dòng cảm biến trong giai đoạn đo quá độ đòi hỏi một nguồn-đo có độ ổn định cao và nhiễu thấp; nguồn-đo SMU Keysight B2902B đáp ứng vai trò này khi cần tách riêng đường cảm biến khỏi đường nung.
Kết luận
Đo nhiệt trở linh kiện là phép đo điện đội lốt phép đo nhiệt: mọi con số nhiệt độ đều suy ra từ một thông số điện qua hệ số K, nên chất lượng của bước hiệu chuẩn quyết định chất lượng của toàn bộ kết quả. JESD51-14 giải được bài toán khó nhất — định nghĩa ranh giới vỏ — bằng cách so hai đường quá độ với hai điều kiện tiếp xúc, thay vì tin vào một cặp nhiệt điện. Và ở phía thiết bị, các giới hạn độ rộng xung cùng hệ số công suất không phải hạn chế phiền toái mà chính là cơ chế bảo đảm phép đo không bị chính nó làm nhiễu.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho máy phân tích tham số, nguồn-đo SMU và thiết bị đo linh kiện công suất. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình hệ đo nhiệt trở hoặc đặt lịch hiệu chuẩn.
