Cum se utilizează SSR-urile pentru echipamente fiabile de testare automatizată a semiconductorilor, cu comutare rapidă și pierderi reduse

Cererea pentru circuite integrate (CI) este mai mare ca niciodată, deoarece acestea reduc costurile de dezvoltare hardware, promovează miniaturizarea dispozitivelor electronice și oferă o gamă largă de funcții. Pentru a asigura calitatea loturilor mari de producție, producătorii de semiconductori au nevoie de echipamente de testare automată (ATE) fiabile și compacte, care pot comuta rapid curenți de înaltă frecvență c.a. și c.c. cu niveluri de semnal scăzute și ridicate, și cu pierderi minime.

Releele cu semiconductori (SSR) bazate pe MOSFET-uri fotovoltaice sunt ideale pentru testerele de circuite integrate și aplicațiile ATE. Dimensiunea lor miniaturală și proprietățile de rezistență la uzură sunt deosebit de interesante.

Acest articol discută pe scurt cerințele ATE. Apoi, prezintă diferite tipuri de relee MOSFET fotovoltaice din seria SSR PhotoMOS de la Panasonic și evidențiază diferențele dintre acestea în ceea ce privește geometria componentelor și caracteristicile de comutare. În încheiere se prezintă sfaturi de proiectare pentru comutare pornire/oprire accelerată și reducerea curenților de scurgere specifici PhotoMOS.

Densitate mare de capsulare și căi scurte de semnal

Un tester automatizat de circuite integrate intră în contact cu dispozitivul testat (DUT) folosind adaptoare cu ace dens capsulate (plăci de testare) pentru a efectua testele funcționale. Modulele din capul de testare generează și distribuie impulsuri de testare de mare viteză, furnizează tensiuni corespunzătoare și comută canalele de măsurare. Fiecare test trebuie să aibă loc într-un spațiu limitat pentru a minimiza pierderile de linie, timpii de propagare a semnalului, interferențele și diafonia canalelor.

Pentru această sarcină, proiectanții pot utiliza elemente de comutare în format mic, cum ar fi relee din seria AQ de la Panasonic. De exemplu, SSR PhotoMOS de tip CC controlat prin tensiune AQY2C1R6PX este disponibil într-o capsulă TSON care ocupă 3,51 milimetri pătrați (mm²) (1,95 × 1,80 mm) (Figura 1). Folosește cuplarea capacitivă pentru a asigura o protecție de izolare de 200 de volți și este controlat prin tensiune, necesitând doar 1,2 miliwați (mW) de putere de control.

Figura 1: Sunt prezentate dimensiunile carcasei pentru relee PhotoMOS cu semnal mic din seria AQ; dimensiunile sunt exprimate în milimetri. (Sursa imaginii: Panasonic, modificat de autor)

Releul PhotoMOS de tip RF controlat prin curent AQY221R6TW are o amprentă mică, de 3,8 mm², dar carcasa sa VSSOP este de 3,6 ori mai înaltă decât AQY2C1R6PX. Necesită doar 75 mW de putere de control și utilizează cuplarea optică pentru a asigura o izolare de protecție de 200 de volți. Curentul de scurgere (I_Leak) al tipurilor CC și RF este foarte mic, de 10 nanoamperi (nA).

Figura 2 prezintă principiul circuitului releelor de tip CC cu cuplaj capacitiv (stânga) și de tip RF cu cuplaj optic (dreapta).

Figura 2: SSR PhotoMOS de tip CC AQY2C1R6PX (stânga) utilizează cuplaj capacitiv și este comandat în tensiune; tipul AQY221R6TW RF (dreapta) utilizează cuplaj optic și este comandat în curent. (Sursa imaginii: Panasonic, modificat de autor)

Tipul GE AQV214EHAX utilizează, de asemenea, cuplajul optic și oferă o izolare de protecție semnificativ mai mare, de până la 5 kilovolți (kV) între circuitul de control (IN) și circuitul de sarcină (OUT). Acesta vine într-o capsulă mai mare 6-SMD care măsoară 8,8 mm x 6,4 mm, cu cabluri tip aripă de pescăruș. Având nevoie de o putere de comandă de numai 75 mW, SSR-urile din seria GE comută curenți de sarcină de până la 150 mA la un maxim de 400 de volți.

Optimizarea rezistenței de contact și a capacității de ieșire

Fiind ceva tipic pentru semiconductori, SSR-urile au o rezistență de „pornire” (R_on) și o capacitate de ieșire (C_out) care cauzează pierderi de căldură și, respectiv, curent de scurgere. Diferite tipuri de relee optimizează pentru unul sau altul, în funcție de tipul de semnal care trebuie comutat.

Tipurile de SSR cu o valoare R_on deosebit de scăzută determină o atenuare mai mică la comutarea impulsurilor de testare de înaltă frecvență în curent alternativ. SSR-urile cu o valoare C_out scăzută permit măsurători mai precise pentru semnale c.c., în timp ce tipurile cu o valoare C_out ridicată sunt potrivite pentru comutarea unor niveluri de putere mai mari. Figura 3 prezintă un sistem automatizat de testare a semiconductorilor și ilustrează ce tipuri de relee PhotoMOS sunt cele mai potrivite pentru diferite trasee de semnal în modulul de măsurare al capului de testare.

Figura 3: Fiecare traseu de semnal al acestui sistem automatizat de testare a semiconductorilor necesită un tip specific de releu PhotoMOS. (Sursa imaginii: Panasonic)

Releele PhotoMOS AQY2C1R3PZ și AQY221N2TY PhotoMOS au o valoare C_out scăzută, de 1,2 și, respectiv, 1,1 picofarazi (pF). Acest lucru le permite să pornească și să se oprească la intervale de până la 10 și 20 de microsecunde (µs) (AQY2C1R3PZ), respectiv 10 și 30 µs (AQY221N2TY). Compromisul pentru ambele relee este creșterea valorii R_on, 10,5 și, respectiv, 9,5 Ω, ceea ce duce la pierderi mai mari și la încălzirea componentelor. Aceste relee PhotoMOS sunt bune pentru comutarea rapidă a semnalelor de măsurare cu un flux de curent redus și generează mai puțină reflexie/defazaj cu semnale de înaltă frecvență.

AQY2C1R6PX și AQY221R6TW discutate anterior sunt mai potrivite pentru semnale de putere cu comutare mai lentă și tensiuni de alimentare cu curenți mai mari. În timp ce valoarea lor R_on mai mică determină o încălzire mai redusă a componentelor, valoarea C_out mai ridicată are un efect integrator asupra semnalelor.

Reducerea la minimum a distorsiunii semnalelor

Releele semiconductoare care reprezintă doar un simplu comutator pornit/oprit (1 formă A) sunt exemple de fototriac-uri pentru semnale c.a. sau optocuploare cu tranzistori bipolari pentru semnale c.c. pulsatorii. Aceste dispozitive cauzează distorsiuni în semnalul de sarcină din cauza tensiunilor de prag, de aprindere și a întârzierilor de comutare. În plus, curenții de recuperare inversă pot genera supraîncărcări armonice (oscilații pendulare) și curenți de scurgere de la câteva zeci până la 100 de miliamperi (mA).

Semipuntea FET cu circuit de comandă din releele PhotoMOS de la Panasonic minimizează aceste distorsiuni ale semnalului, de unde rezultă că acestea sunt potrivite pentru comutarea cu pierderi reduse a semnalelor mici c.a. și c.c., cum ar fi impulsurile de testare de mare viteză, semnalele de măsurare și tensiunile de alimentare. La deconectare, curenții de scurgere între cele două conexiuni OUT sunt sub 1 microamper (µA).

Releele PhotoMOS sunt disponibile în forma A (un singur pol, o singură direcție, cu contact normal deschis (SPST-NO)) sau în forma B (contact normal închis, SPST-NC), precum și ca multiple. Proiectanții pot construi comutatoare de formă C, cum ar fi comutatoarele monopolare cu două direcții (SPDT); comutatoare monopolare; și comutatoare bipolare cu două direcții (DPDT) prin combinarea dispozitivelor de formă A și de formă B.

De exemplu, AQS225R2S este un releu PhotoMOS cvadruplu (4SPST-NO) într-o carcasă SOP16 care poate suporta un maxim de 70 mA la tensiuni de comutare de până la 80 de volți. De asemenea, AQW214SX este un releu PhotoMOS dublu (2SPST-NO) într-o carcasă SOP8 care poate suporta curenți de sarcină de până la 80 mA la tensiuni de comutare de până la 400 de volți.

Figura 4 prezintă structura internă a unui SSR, PhotoMOS și a unui fotocuplor, împreună cu distorsiunile tipice ale semnalelor acestora. Releele PhotoMOS nu cauzează întreruperea semnalului sau distorsiuni similare pe sarcini ohmice.

Figura 4: SSR-urile și fotocuploarele provoacă distorsiuni în semnalul de ieșire din cauza tensiunilor de prag și de aprindere; releele PhotoMOS comută semnale c.a. și c.c. fără distorsiuni. (Sursa imaginii: Panasonic, modificat de autor)

Pentru a atenua efectul de feedback al sarcinilor de comutare inductive și capacitive, protejând astfel etajul de ieșire PhotoMOS, proiectanții trebuie să adauge diode de fixare și cu rotire liberă, filtre RC și LC sau varistoare pe partea de ieșire. În seria CC, diodele de fixare protejează oscilatorul de intrare împotriva vârfurilor de supratensiune și limitează semnalul de control la 3 volți până la 5,5 volți, în timp ce filtrele RC asigură o ondulație reziduală mai mică de ±0,5 volți.

Reducerea curenților de scurgere

Valoarea C_out a releelor PhotoMOS servește drept bypass pentru curenți alternativi și secvențe de impulsuri de frecvență mai mare atunci când releul este dezactivat. Pentru a reduce semnificativ astfel de curenți de scurgere și pentru a maximiza izolarea la frecvențe înalte, Panasonic recomandă utilizarea a trei relee PhotoMOS separate sub forma unui circuit în T (Figura 5, stânga). Pe traseul principal al semnalului, cele două relee PhotoMOS de 1 formă A, S1 și S2, sunt de tip low-R_on, în timp ce un tip low-C_out formează comutatorul de scurtcircuit de 1 formă A, S3.

Figura 5: Atunci când S1 și S2 sunt scoase de sub tensiune, releul S3 pornit acționează ca un scurtcircuit pentru toți curenții de scurgere (starea OFF a circuitului în T, dreapta). (Sursa imaginii: Panasonic, modificat de autor)

Starea ON a circuitului în T (Figura 5, centru): în cazul în care S1 și S2 sunt pornite, valorile R_on ale acestora atenuează minim nivelul semnalului, în timp ce valoarea C_out scăzută de la releul S3 oprit atenuează ușor frecvențele înalte (trece-jos).

Starea OFF a circuitului în T (Figura 5, dreapta): dacă S1 și S2 sunt deconectate, valoarea lor C_out reprezintă un bypass pentru frecvențele înalte (trece-sus), dar releul S3 pornit scurtcircuitează semnalele transmise capacitiv prin S1 (circuit de aspirație).

Sincronizarea ON/OFF a circuitului în T trebuie să fie implementată ca un comutator cu întrerupere înainte de conectare (BBM). În consecință, S1 și S2 trebuie dezactivate înainte de a porni S3. În cazul releelor, BBM înseamnă că contactele comută separat, în timp ce conectarea înainte de întrerupere (MBB) înseamnă că acestea fac comutarea sub forma unei punți.

Comutarea mai rapidă a releelor PhotoMOS

Fotosenzorul intern al releului PhotoMOS funcționează ca o celulă solară și furnizează curentul de încărcare a porții. Ca atare, un impuls luminos mai puternic al ledului crește viteza de comutare. De exemplu, elementul de bootstrap R1/R2/C1 din Figura 6 generează un impuls de curent mai mare.

Figura 6: elementul de bootstrap R1/R2/C1 crește viteza de pornire a releului PhotoMOS. (Sursa imaginii: Panasonic)

C1 acționează ca un scurtcircuit pentru R2 în momentul pornirii, astfel încât rezistența scăzută a lui R1 permite trecerea unui curent ridicat. Dacă C1 este încărcat și are o rezistență mare, se adaugă R2, reducând fluxul la curentul de menținere, ca în cazul releelor magnetice. Releul AQV204 PhotoMOS își reduce astfel timpul de conectare de la 180 µs la 30 µs.

Concluzie

Prin utilizarea releelor PhotoMOS mici, rezistente la uzură, proiectanții pot îmbunătăți densitatea semnalului și viteza de măsurare a aplicațiilor ATE, reducând în același timp nevoile de întreținere. În plus, respectarea tehnicilor de proiectare recomandate poate contribui la minimizarea curenților de scurgere și a timpilor de comutare.