Túi chống tĩnh điện, khay ESD, màng polymer cách điện, tấm đế PCB hay lớp phủ conformal coating đều có chung một câu hỏi kiểm tra: vật liệu này dẫn điện tới mức nào? Câu trả lời nằm ở hai con số là điện trở suất bề mặt và điện trở suất khối. Khi giá trị lên tới 1012 đến 1016 Ω, đồng hồ vạn năng hay máy đo cách điện cầm tay không còn đủ: dòng đo chỉ còn vài picoampe, thậm chí femtoampe. Bài viết này giải thích cách đo điện trở suất bề mặt và khối bằng máy đo điện trở cao Keysight B2987C kết hợp hộp điện cực N1424, dựa trên data sheet B2980C Series của Keysight (3125-1018.EN, bản 01/2025).
Điện trở suất bề mặt và điện trở suất khối là gì?
Đặt một điện áp lên mẫu vật liệu cách điện, dòng điện có hai đường để đi. Đường thứ nhất xuyên qua bề dày mẫu, từ mặt trên xuống mặt dưới: đó là điện trở khối (volume resistance). Đường thứ hai chạy dọc lớp bề mặt, nơi hơi ẩm, bụi, chất chống tĩnh điện hay lớp phủ quyết định độ dẫn: đó là điện trở bề mặt (surface resistance). Hai giá trị này phụ thuộc kích thước điện cực, nên người ta quy đổi về điện trở suất để so sánh được giữa các mẫu và các phòng thí nghiệm.
Điện trở suất khối có đơn vị Ω·cm và mô tả bản chất vật liệu. Điện trở suất bề mặt có đơn vị Ω (thường ghi Ω/sq) và mô tả trạng thái bề mặt, vốn đổi theo độ ẩm và quy trình xử lý. Với vật liệu bảo vệ ESD, cách phân loại phổ biến theo tiêu chuẩn ANSI/ESD S541 của Hiệp hội ESD dựa trên điện trở bề mặt: dưới 1×104 Ω là dẫn điện, từ 1×104 đến dưới 1×1011 Ω là tiêu tán tĩnh điện, từ 1×1011 Ω trở lên là cách điện. Phân loại theo S541 dùng điện trở đo bằng phương pháp ANSI/ESD STM11.11 (điện cực vòng đồng tâm, 10 V/100 V); hộp điện cực N1424 phục vụ phép đo điện trở suất theo hình học riêng, nên phù hợp để so sánh và phát triển vật liệu, còn báo cáo xếp loại ESD cần đúng điện cực của tiêu chuẩn.
Vì sao cần máy đo điện trở cao thay vì đồng hồ vạn năng?
Định luật Ohm cho thấy vấn đề: đặt 100 V lên một mẫu 1014 Ω thì dòng chỉ còn 1 pA. Đồng hồ vạn năng để bàn thường dừng ở khoảng 100 MΩ đến 1 GΩ, còn máy đo cách điện cầm tay phục vụ kiểm tra an toàn thiết bị điện, không phải phép đo vật liệu trong phòng thí nghiệm. Một máy đo điện trở cao (electrometer) cần ba thứ cùng lúc: nguồn áp đủ cao và sạch, ampe kế đo được dòng femtoampe với điện áp rơi rất thấp, và cách nối dây có guard để dòng rò không cộng vào kết quả.
Bài chọn pico-ampe kế hay điện kế Keysight đã so sánh hai nhóm máy này. Ở đây, điểm khác biệt quyết định là điện kế có nguồn áp tích hợp và đo điện trở trực tiếp, còn pico-ampe kế như B2981C, B2983C chỉ đo dòng.
Keysight B2987C đo điện trở cao tới mức nào?
Thiết bị đo điện trở cao Keysight B2987C là phiên bản chạy pin trong dòng B2980C. Theo data sheet, máy có độ phân giải dòng tối thiểu 0,01 fA (10-17 A), dải dòng từ 2 pA đến 20 mA với 6½ chữ số, nguồn áp tích hợp tới ±1000 V và đo điện trở tới 10 PΩ (1016 Ω). Máy còn đo điện áp (1 µV – 20 V, trở kháng vào trên 200 TΩ), đo điện tích từ 1 fC đến 2 µC, và đọc tới 20 000 phép đo mỗi giây.
Ở chế độ tự đặt nguồn áp (Auto V-source), B2987C chọn 20 V cho các dải tới 100 GΩ và 200 V cho các dải từ 1 TΩ đến 1 PΩ. Sai số dải 1 TΩ là ± (0,45 % + 1 MΩ), dải 1 PΩ là ± (2,6 % + 1 GΩ), trong điều kiện 23 °C ± 5 °C, 30–80 % RH, sau 60 phút khởi động, đã zero, 1 PLC, bật median filter và digital filter 10 lần đọc. Khi cần đúng điện áp thử theo tiêu chuẩn vật liệu, người đo đặt nguồn thủ công tới 1000 V và máy tính R = V / I; sai số khi đó phụ thuộc cả sai số nguồn áp và ampe kế.
Màn hình màu 4,3 inch có bốn chế độ xem: Meter, Graph, Histogram và Roll View. Roll View vẽ số đo theo thời gian, máy có bộ đệm 100 000 điểm, còn Histogram cập nhật giá trị trung bình và độ lệch chuẩn ngay trên máy. Với phép đo vật liệu cách điện, hai chế độ này giúp thấy dòng nạp đã giảm về ổn định hay chưa trước khi ghi kết quả.
Vì sao chạy pin lại quan trọng khi đo điện trở suất bề mặt?
Nhiễu từ lưới điện 50 Hz là một trong những nguồn sai số khó loại bỏ nhất ở mức picoampe. Data sheet B2980C nêu rõ: tích phân qua nhiều chu kỳ lưới (PLC) giúp giảm nhiễu nhưng không loại hết được nếu máy không được cách ly hoàn toàn. B2987C dùng pin Li-ion 95 Wh, chạy khoảng 5 giờ trong điều kiện thông thường (đo dòng, nguồn áp tắt; khi bật nguồn áp thời gian chạy sẽ ngắn hơn), tự lưu cấu hình khi pin còn dưới 5 % và tự sạc khi cắm điện. Đây là điểm khác giữa B2987C và máy đo điện trở Keysight B2985C: hai máy cùng thông số đo, nhưng B2985C chỉ chạy điện lưới.
Với các phòng thí nghiệm vật liệu đặt cạnh xưởng sản xuất, nơi có máy hàn, lò reflow và biến tần, việc tách máy đo khỏi lưới điện giúp loại phần nhiễu lưới mà tăng thời gian tích phân không loại hết, đồng thời không phải hy sinh tốc độ đo.
Đo điện trở suất bề mặt bằng hộp điện cực N1424 như thế nào?
B2985C và B2987C dùng với hộp điện cực N1424 (Resistivity Cell) qua adapter N1413A. N1424 có cấu trúc ba điện cực: điện cực chính, vòng guard bao quanh và điện cực đối phía dưới mẫu. Một hộp chọn (selector box) chuyển cấu hình giữa đo khối và đo bề mặt. Theo data sheet, N1424 nhận mẫu đường kính 50–125 mm, dày 10 µm đến 10 mm, điện áp thử tối đa 1000 V, dòng rò của hộp không quá 1,0 pA, và đo tới 4,0 × 1018 Ω·cm điện trở suất khối, 4,0 × 1017 Ω điện trở suất bề mặt (đặc tính bổ sung, sau bù, 24 PLC, điện cực Ø50/70 mm).
Ba phiên bản khác nhau ở bộ điện cực: N1424A có điện cực Ø50 mm (guard Ø70 mm), N1424B thêm bộ Ø26/38 mm cho mẫu nhỏ, N1424C có cả ba bộ Ø26/38, Ø50/70 và Ø76/88 mm (đường kính trong của guard). Điện trở đo được quy đổi ra điện trở suất bằng hình học điện cực, như trong infographic phía trên. Để đơn giản hóa dây nối khi đo điện trở cao với đồ gá riêng, Keysight còn có adapter đo điện trở cao N1414A; còn với linh kiện có chân hoặc chip, bộ đế kiểm tra linh kiện N1428A đo điện trở cách điện trực tiếp từ 103 đến 2 × 1016 Ω.
Ba nguồn sai số cần kiểm soát trong mọi phép đo điện trở suất bề mặt là độ ẩm, cáp và thời gian đọc. B2987C có cổng cặp nhiệt loại K (cặp nhiệt N1423A đi kèm máy) và cổng cho đầu dò nhiệt độ/độ ẩm EE07, nên điều kiện môi trường được ghi cùng số đo. Với độ ẩm không khí ở Việt Nam thường 75–90 %, nên ổn định mẫu và đo trong phòng điều hòa: thông số dải đo của N1424 được nêu ở ≤ 50 % RH. Cáp triax của Keysight có lớp bán dẫn giữa lớp cách điện và vỏ trong để giảm điện tích sinh ra khi cáp rung. Tùy chọn Setup Integrity Checker (N1420A) so mức nhiễu khi chưa nối và khi nối từng cáp, adapter, hộp che chắn, giúp tìm đúng phần tử gây nhiễu trước khi đặt mẫu.
Doanh nghiệp điện tử tại Việt Nam dùng phép đo điện trở suất bề mặt ở đâu?
Chuỗi cung ứng điện tử tại Việt Nam ngày càng có nhiều nhà máy sản xuất khay, túi và màng đóng gói chống tĩnh điện, vật liệu cách điện cho pin và mô-tơ, cùng các xưởng PCB và lắp ráp. Khách hàng đầu chuỗi thường yêu cầu báo cáo điện trở bề mặt hoặc điện trở suất cho từng lô vật liệu. Một số ứng dụng điển hình của B2987C:
- Kiểm tra đầu vào vật liệu ESD: khay, túi, tấm lót bàn, đo điện trở bề mặt để sàng lọc và đối chiếu với ngưỡng dẫn điện, tiêu tán hay cách điện của ANSI/ESD S541 (xem thêm chương trình ESD trong nhà máy PCBA/SMT).
- Phát triển màng polymer và film cách điện: so sánh điện trở suất khối giữa các công thức, mẫu dày từ 10 µm.
- Đánh giá vật liệu đế và lớp phủ PCB: theo dõi điện trở cách điện bề mặt sau thử nhiệt ẩm.
- Linh kiện thụ động: đo điện trở cách điện của tụ điện, dòng rò của diode hoặc cảm biến, bổ sung cho phép đo điện dung trên máy đo điện dung Keysight E4981B cho tụ MLCC.
Phép đo vật liệu này khác với kiểm tra cách điện an toàn thành phẩm, vốn được trình bày trong bài thử nghiệm an toàn điện: dòng rò, điện trở cách điện và hipot. Nguyên lý guard và cách đấu dây để tách điện trở khối khỏi điện trở bề mặt có trong bài đo dòng rò cao thế và điện trở cách điện cho vật liệu. Các ứng dụng đo dòng femtoampe khác của dòng máy này có trong bài 4 ứng dụng đo dòng femtoampe với Keysight B2985C.
Đang dùng B2987B thì nên làm gì?
Trên trang sản phẩm B2987B của Keysight, B2987B đã chuyển sang trạng thái ngừng sản xuất nhưng vẫn được hỗ trợ (Discontinued / Currently Supported), và model thay thế được chỉ định là B2987C. Máy Keysight B2987B đang chạy tốt vẫn dùng được và nên được hiệu chuẩn định kỳ. Khi cần mua mới hoặc mở rộng phòng thí nghiệm, B2987C giữ nguyên các phụ kiện đo điện trở cao như N1413A, N1414A, N1424 và N1428, nên quy trình đo hiện có không phải thay đổi. Danh mục đầy đủ các dòng máy hãng có tại trang Keysight của Techmaster.
Câu hỏi thường gặp
Đo điện trở suất bề mặt khác đo điện trở cách điện thông thường thế nào?
Đo điện trở suất bề mặt dùng điện cực có vòng guard và hình học xác định để tách dòng chạy dọc bề mặt khỏi dòng xuyên khối, rồi quy đổi ra Ω (Ω/sq) để so sánh giữa các mẫu. Đo điện trở cách điện thông thường chỉ cho một giá trị điện trở giữa hai điểm, phụ thuộc cách nối dây.
Keysight B2987C đo được điện trở cao tới bao nhiêu?
Theo data sheet B2980C Series, Keysight B2987C đo điện trở tới 10 PΩ (10¹⁶ Ω) với nguồn áp tích hợp tới ±1000 V và độ phân giải dòng 0,01 fA. Khi dùng với hộp điện cực N1424, phạm vi đo điện trở suất khối tới 4,0 × 10¹⁸ Ω·cm và điện trở suất bề mặt tới 4,0 × 10¹⁷ Ω.
B2987C khác B2985C ở điểm nào?
Hai máy có cùng thông số đo dòng, áp, điện tích và điện trở. B2987C có thêm pin Li-ion chạy khoảng 5 giờ để loại nhiễu từ lưới điện, còn B2985C chỉ chạy điện lưới.
Mua máy đo điện trở cao Keysight B2987C ở đâu tại Việt Nam?
Techmaster Electronics là nhà phân phối ủy quyền Keysight tại Việt Nam, cung cấp máy đo điện trở cao Keysight B2987C và hộp điện cực N1424 chính hãng, kèm tư vấn cấu hình đo vật liệu, hiệu chuẩn ISO/IEC 17025 và hỗ trợ kỹ thuật.
Cần dựng quy trình đo điện trở suất bề mặt cho vật liệu ESD hay màng cách điện? Kỹ sư Techmaster hỗ trợ chọn điện áp thử và bộ điện cực cho phép đo điện trở suất bề mặt của từng loại mẫu. Liên hệ Techmaster để kỹ sư tư vấn cấu hình B2987C, hộp điện cực N1424 phù hợp với kích thước mẫu và nhận báo giá.
