Một lô MOSFET SiC đạt điện áp đánh thủng danh định khi kiểm ở nhiệt độ phòng, nhưng sau 1 000 giờ nung ở phân cực ngược thì một phần lô có dòng rò tăng hai bậc. Thông số trên datasheet không sai — điều kiện đo mới là thứ quyết định. Với linh kiện công suất, hai đại lượng luôn đi cùng nhau: điện áp chịu được và dòng rò ở nhiệt độ làm việc thật.
Đo điện áp đánh thủng và đo dòng rò ở nhiệt độ cao là hai mặt của cùng một phép đo: cả hai đều đưa linh kiện tới gần giới hạn, cả hai đều cần nguồn cao áp có giới hạn dòng đáng tin, và cả hai đều dễ cho ra số đẹp một cách giả tạo nếu bỏ qua chi tiết. Bài này đi qua nguyên lý, trình tự theo JESD22-A108, các bẫy thực hành và cách chọn thiết bị.
Đo điện áp đánh thủng là đo cái gì
Với một linh kiện công suất ở trạng thái khoá, điện áp đánh thủng là mức điện áp ngược mà tại đó dòng rò tăng vọt do cơ chế thác lũ trong vùng nghèo. Trên thực tế, phép đo không đi tìm điểm hỏng — nó đi tìm điểm mà dòng đạt một ngưỡng quy ước.
Đây là chi tiết hay bị bỏ qua: điện áp đánh thủng luôn được định nghĩa kèm một dòng ngưỡng. Cùng một linh kiện, lấy ngưỡng 250 µA sẽ cho con số khác lấy ngưỡng 1 mA. Khi so sánh hai nguồn số liệu mà thấy lệch vài chục vôn, việc đầu tiên phải làm là đối chiếu dòng ngưỡng và nhiệt độ, chứ không phải nghi ngờ linh kiện.
Ba tham số phải khai báo trước khi phép đo có ý nghĩa:
- Dòng ngưỡng dùng để tuyên bố đánh thủng.
- Điều kiện cực cổng — với MOSFET, cổng phải được nối về nguồn để linh kiện thật sự ở trạng thái khoá.
- Nhiệt độ mối nối tại thời điểm đọc, vì hệ số nhiệt của điện áp đánh thủng khác không.
Dòng rò nhiệt độ cao: phép đo khó hơn vẻ ngoài
Dòng rò nhiệt độ cao là chỉ báo sớm và nhạy nhất về sức khoẻ của lớp cách điện và vùng tiếp giáp. Khó khăn nằm ở chỗ đại lượng cần đo rất nhỏ trong khi điện áp đặt vào rất lớn — tỉ số giữa hai đại lượng có thể lên tới mười bậc.
Bốn nguồn sai số chi phối kết quả:
- Dòng rò của chính hệ đo. Đường dẫn, đầu nối và giá đỡ đều dẫn một ít; ở mức pico-ampe, dòng rò bề mặt của vật liệu gá có thể lớn hơn dòng cần đo.
- Chưa ổn định. Sau khi đặt điện áp, dòng còn chứa thành phần nạp điện dung và phân cực điện môi; đọc quá sớm sẽ thấy dòng cao giả tạo.
- Nhiệt độ trôi. Dòng rò phụ thuộc nhiệt độ theo hàm mũ, nên sai số vài độ ở mối nối đã đủ làm lệch kết quả đáng kể.
- Nhiễu và rung. Ở dải fA–pA, chuyển động cơ học của cáp cũng sinh dòng.
Kỹ thuật bảo vệ (guarding) — bọc đường tín hiệu bằng một lớp dẫn giữ cùng điện thế — là công cụ chính để loại dòng rò đường dẫn. Cơ chế này đã được mô tả chi tiết trong bài đo dòng rò cao thế và điện trở cách điện cho vật liệu bán dẫn; nguyên lý áp dụng nguyên vẹn cho linh kiện đóng gói.
HTRB theo JESD22-A108: trình tự và các mốc bắt buộc
Phép thử phân cực ngược ở nhiệt độ cao (HTRB) được định nghĩa trong JEDEC JESD22-A108 — Temperature, Bias, and Operating Life. Theo mục 4.2.3.3, HTRB đặt phân cực ngược lên các tiếp giáp chịu công suất chính của linh kiện, vận hành ở chế độ tĩnh tại hoặc gần mức điện áp đánh thủng và/hoặc dòng định mức tối đa, và thường áp dụng cho linh kiện công suất. Phép thử song sinh của nó, HTGB (mục 4.2.3.4), đặt ứng suất lên cực cổng và lớp oxit.
Ba quy định trong tiêu chuẩn quyết định số liệu có dùng được hay không:
- Buồng nhiệt phải giữ nhiệt độ trong dung sai ± 5 °C trên toàn buồng khi đã nạp mẫu và chưa cấp điện (mục 2.4).
- Hạ nhiệt trước khi cắt phân cực. Mục 5 quy định linh kiện đang chịu ứng suất nhiệt phải được làm nguội xuống 55 °C hoặc thấp hơn trước khi gỡ phân cực. Việc ngắt phân cực tối đa một phút để di chuyển mẫu ra vị trí làm nguội không bị tính là gỡ phân cực.
- Thứ tự đo. Mục 6 yêu cầu đo ở thời điểm ban đầu, cuối mỗi kỳ trung gian và khi kết thúc; phép đo ở nhiệt độ cao chỉ được thực hiện sau khi đã hoàn tất các phép đo ở nhiệt độ phòng.
Quy tắc hạ nhiệt trước khi cắt phân cực là thứ hay bị vi phạm nhất trong thực tế, và hậu quả rất kín đáo: cắt phân cực khi linh kiện còn nóng cho phép một phần điện tích bị bẫy thoát ra, làm dữ liệu “đẹp” lên và che mất đúng cơ chế suy giảm mà phép thử đang đi tìm.
Về điều kiện ứng suất, mục 4.2.1 quy định nhiệt độ môi trường và phân cực được điều chỉnh để nhiệt độ mối nối tối thiểu đạt 125 °C nếu không có quy định khác. Trong thực hành đủ điều kiện linh kiện ô tô theo AEC-Q101, HTRB thường chạy 1 000 giờ với phân cực ngược đặt ở khoảng 80 % điện áp đánh thủng định mức, ở nhiệt độ mối nối tối đa của linh kiện. Con số cuối cùng luôn phải lấy từ tài liệu đủ điều kiện của chính sản phẩm.
Một chi tiết trong tiêu chuẩn đáng chú ý với người vận hành phòng đo: mục 2.3 yêu cầu các thiết bị dùng để thiết lập và giám sát nguồn, tín hiệu — nêu đích danh đồng hồ vạn năng số và máy hiện sóng — phải được hiệu chuẩn và có độ ổn định dài hạn tốt. Tiêu chuẩn đặt yêu cầu hiệu chuẩn ngay trong phần thiết bị, không để nó thành tuỳ chọn.
An toàn cao áp: bốn quy tắc không thương lượng
Phép đo tới hàng nghìn vôn với năng lượng tích trữ trong điện dung là phép đo có thể gây chết người. An toàn cao áp trong phòng đặc tính hoá dựa trên bốn lớp:
- Khoá liên động (interlock). Nắp che mở ra thì nguồn cao áp phải ngắt, bằng phần cứng chứ không bằng phần mềm.
- Xả điện tích chủ động. Tắt nguồn không đồng nghĩa với hết điện; điện dung linh kiện và cáp còn giữ điện tích.
- Giới hạn dòng tuân thủ. Đặt mức tuân thủ dòng đủ thấp để khi đánh thủng xảy ra, linh kiện không bị phá huỷ và hồ quang không hình thành.
- Cáp và gá chuyên dụng. Cáp cao áp có cấp cách điện theo điện áp làm việc; không dùng cáp đo thông thường.
Đo trên wafer hay trên linh kiện đóng gói
Cây quyết định khá gọn. Nếu mục tiêu là sàng lọc tham số trên toàn wafer, phân bố theo vị trí và phản hồi nhanh cho khâu chế tạo, phép đo phải diễn ra trên wafer. Nếu mục tiêu là đặc tính hoá đầy đủ, chạy HTRB, đo ở nhiệt độ cực trị hoặc đo tới dải điện áp và dòng cao nhất, phép đo diễn ra trên linh kiện đã đóng gói với hệ để bàn.
Cần lưu ý thêm: phép đo dòng lớn ở trạng thái dẫn dễ bị hiệu ứng tự nung làm sai, và cách xử lý là chuyển sang đo xung — đã trình bày trong bài đo I-V xung cho linh kiện công suất.
Chọn thiết bị Keysight để đo điện áp đánh thủng
Keysight B1505A là máy phân tích linh kiện công suất kiêm máy vẽ đường đặc tuyến, cấu hình theo mô-đun. Ở cấu hình cao nhất, bộ nguồn siêu cao áp đạt 10 kV/10 mA và bộ nguồn siêu cao dòng đạt 1 500 A/60 V dạng xung; mô-đun HVSMU đạt tới 3 000 V. Độ phân giải dòng xuống tới 10 fA cho phép cùng một máy vừa đo đánh thủng vừa đo dòng rò. Máy hỗ trợ đo nhiệt tự động hoá hoàn toàn trong dải −50 °C tới +250 °C, và đo điện dung Ciss, Coss, Crss trong dải 1 kHz tới 5 MHz.
Keysight B1500A là máy phân tích tham số linh kiện bán dẫn đa năng hơn, phù hợp khi phòng đo cần cả đặc tính hoá linh kiện tín hiệu nhỏ lẫn linh kiện công suất ở dải điện áp vừa phải.
Keysight B1506A hướng tới đánh giá linh kiện công suất cho ngành ô tô và kiểm tra đầu vào, với quy trình đo rút gọn hơn. Vai trò của nó trong dây chuyền đã được mô tả trong bài đo đặc tính linh kiện công suất SiC/GaN với Keysight B1506A.
Keysight 4881HV là hệ thống kiểm thử wafer điện áp cao, ra mắt cuối năm 2024, cho phép đo tham số tới 3 kV và chạy cả phần cao áp lẫn hạ áp trong một lượt. Ma trận chuyển mạch cao áp cấu hình được tới 29 chân với 3 kV đặt linh hoạt trên bất kỳ chân đầu ra nào; đo điện dung cao áp với phân cực một chiều tới 1 kV; độ phân giải dòng xuống dưới pico-ampe. Hệ hỗ trợ prober 200 mm và 300 mm cùng tự động hoá nhà máy, và tuân thủ quy tắc an toàn SEMI S2 với mạch bảo vệ tích hợp.
Kết luận
Một con số điện áp đánh thủng chỉ có nghĩa khi đi kèm dòng ngưỡng, điều kiện cực cổng và nhiệt độ mối nối. Một con số dòng rò chỉ có nghĩa khi hệ đo đã được bảo vệ đúng, đã chờ ổn định, và khi trình tự hạ nhiệt trước lúc cắt phân cực theo JESD22-A108 được tôn trọng. Chọn đúng nền tảng — trên wafer để sàng lọc diện rộng, để bàn để đặc tính hoá tới giới hạn — quyết định phần còn lại.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho máy phân tích linh kiện, nguồn-đo SMU, đồng hồ vạn năng và máy hiện sóng — đúng nhóm thiết bị mà JESD22-A108 yêu cầu phải được hiệu chuẩn và ổn định dài hạn. Để được tư vấn cấu hình hoặc đặt lịch hiệu chuẩn, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
