SemiMatrix / TOPICS / DOUBLE PULSE TEST (DPT)
SEMICONDUCTOR — DEEP DIVE

Double Pulse Test (DPT):
Double Pulse Test (DPT)

ENGINEERING

01 บทนำ: Dpt คืออะไร

ในโลกของ Power Semiconductor อย่างเช่น MOSFET, IGBT หรือ SiC/GaN การประเมินคุณภาพไม่ได้จบลงที่การทำงานในสภาวะปกติเท่านั้น แต่ต้องผ่านการทดสอบแบบ Double Pulse Test (DPT) เพื่อวัดค่า Switching Losses (Eon/Eoff) และความทนทานต่อการสวิตช์ ซึ่งเป็นขั้นตอนที่สำคัญที่สุดในการออกแบบระบบ Power Electronics

การทดสอบเหล่านี้เปรียบเสมือนการตรวจสุขภาพเชิงลึกภายใต้มาตรฐานสากล เช่น AEC-Q101 หรือ AQG324 ซึ่งเป็นข้อกำหนดบังคับสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้า (EV) หากอุปกรณ์ไม่ผ่านเกณฑ์การทดสอบความน่าเชื่อถือ (Reliability) หรือมีค่าสูญเสียเกินกำหนด จะนำไปสู่ความล้มเหลวของระบบในระยะยาว การทำความเข้าใจกระบวนการนี้จึงเป็นทักษะหลักสำหรับวิศวกร Power Semiconductor ที่ต้องการก้าวสู่ระดับ Senior

📍 CAREER ROADMAP CONTEXT
STAGE 05 — TEST & RELIABILITY: Power Device Characterization & Qualification
Double pulse test (DPT) — Eon/Eoff, Qrr; static test — BVds, Vt, Rds(on); thermal test — Rth(jc) measurement; UIS test; power cycling (ΔTj cycling); HTOL; AQG324 / AECQ-101 qualification
Equipment: Tektronix/Keysight power analyzer, curve tracer, DPT fixture
Related: Test & Characterization · Power Cycling & Reliability · AECQ-101 / AQG324 Qualification
Path: Power Semiconductor Engineer

02 หลักการพื้นฐาน

หัวใจสำคัญของ DPT คือการสร้างสภาวะ Switching ในสภาวะที่มี Inductive Load จริง เพื่อแยกแยะพลังงานที่สูญเสียไปในช่วง Turn-on และ Turn-off โดยมีสมการพื้นฐานคือ:

$E_{on} = \int_{t_0}^{t_1} V_{ds}(t) \cdot I_d(t) dt$

ในขณะที่ Static Test จะมุ่งเน้นไปที่คุณสมบัติทางกายภาพของโครงสร้างสารกึ่งตัวนำ เช่น Threshold Voltage (Vth) ที่เปลี่ยนไปตามอุณหภูมิ และ On-state Resistance (Rds(on)) ซึ่งเป็นตัวกำหนดความร้อนที่เกิดขึ้นในระบบ โดยที่ Rds(on) มีความสัมพันธ์กับ Mobility ของพาหะและประจุที่ผิวหน้า (Interface traps) ของ Gate Oxide ซึ่งวิศวกรต้องควบคุมผ่านกระบวนการ Fabrication เพื่อลดการสูญเสียทางความร้อน ($P_{loss} = I^2 \cdot R_{ds(on)}$)

03 วิธีการและเทคนิค

กระบวนการทดสอบและ Qualification มีขั้นตอนที่เข้มงวดเริ่มต้นจากการตั้งค่า DPT Fixture เพื่อลด Parasitic Inductance ที่เกิดจาก Loop ของสายวัด ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อค่า Overshoot ของ Voltage/Current โดยขั้นตอนมีดังนี้:

  • Static Characterization: วัด BVds เพื่อเช็ค Breakdown voltage และ Vt เพื่อดูความเสถียรของ Gate
  • Dynamic Characterization: ใช้ DPT เพื่อดึงค่า Eon/Eoff และ Qrr (Reverse Recovery Charge) ของ Body Diode
  • Reliability Stress: นำตัวอย่างเข้าสู่สภาวะเร่ง (Stress) เช่น High Temperature Operating Life (HTOL) และ Power Cycling เพื่อจำลองการขยายตัวและหดตัวจากความร้อน ($ΔT_j$)
  • Data Analysis: วิเคราะห์ผลลัพธ์ผ่านกราฟวงจร (Curve Tracer) เพื่อยืนยันว่าไม่มีการเสื่อมสภาพเกินค่ามาตรฐานที่ AEC-Q101 กำหนด

04 เทคนิคขั้นสูง

ในเทคโนโลยีรุ่นใหม่ เช่น SiC (Silicon Carbide) ความท้าทายหลักคือการทดสอบที่อุณหภูมิสูง (High Tj) เนื่องจากค่า Rds(on) จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิแบบ Non-linear ทำให้เกิดความร้อนสะสมที่จุดเดิม (Thermal Runaway) นอกจากนี้ ปัญหาเรื่อง Parasitic Capacitance (Ciss, Coss, Crss) ในอุปกรณ์ความเร็วสูงยังส่งผลกระทบต่อสัญญาณ Gate drive ทำให้เกิดการแกว่ง (Oscillation) ได้ง่าย

ทางแก้ระดับอุตสาหกรรมคือการใช้เทคนิค Gate Driver Optimization และการออกแบบ Package Layout แบบ Kelvin Source เพื่อแยกวงจร Power และวงจร Control ออกจากกัน เพื่อลดผลกระทบของ Loop Inductance ที่อาจทำให้เกิดความเสียหายต่อ Gate Oxide ได้

05 เครื่องมือและอุปกรณ์

อุปกรณ์และเครื่องมือที่วิศวกรใช้ในห้องปฏิบัติการต้องมีความแม่นยำสูง (High Bandwidth & Precision) ได้แก่:

  • Power Analyzers & Oscilloscopes: Tektronix Series 5/6 หรือ Keysight Infiniium สำหรับการจับสัญญาณสวิตชิ่งระดับ Nanosecond
  • Curve Tracers: Keysight B1505A/B1506A ซึ่งเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับการวัดค่าเชิงลึกของ Power Device
  • Reliability Test Systems: ระบบควบคุมอุณหภูมิแบบ Peltier หรือ Oven สำหรับการทำ Power Cycling และ HTOL Test
  • Software: การใช้ซอฟต์แวร์วิเคราะห์ข้อมูลเชิงสถิติ (JMP, Minitab) เพื่อประเมินค่าความเชื่อมั่นทางสถิติ (Weibull Analysis) ตามมาตรฐาน AEC

06 การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม

ผู้ผลิตรายใหญ่ระดับโลกอย่าง TSMC, Infineon, และ STMicroelectronics ต่างให้ความสำคัญกับขั้นตอน Qualification นี้อย่างสูงสุด เนื่องจาก Power Semiconductor คือสมองส่วนสำคัญของ Inverter ในรถยนต์ EV ซึ่งส่งผลต่อความปลอดภัยของผู้ใช้งานโดยตรง การได้รับตรามาตรฐาน AEC-Q101 จึงเป็นใบเบิกทางที่สำคัญที่สุดในการเข้าสู่ห่วงโซ่อุปทาน (Supply Chain) ของค่ายรถยนต์ระดับ Tier-1

การทดสอบในห้องแล็บที่เข้มข้น ไม่เพียงแต่เพื่อผ่านเกณฑ์มาตรฐาน แต่ยังเป็น Feedback Loop ที่สำคัญที่สุดในการปรับจูนกระบวนการผลิต (Yield Improvement) ของ Foundries เพื่อให้ได้อุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุด ทั้งในด้านการใช้พลังงานที่คุ้มค่าและความทนทานต่อสภาวะแวดล้อมที่โหดร้าย