Sådan bruger du SSR'er til pålideligt, hurtigt skiftende, automatiseret testudstyr til halvledere med lavt tab

Integrerede kredsløb (IC) er mere efterspurgte end nogensinde, fordi de reducerer udviklingsomkostningerne for hardware, fremmer miniaturiseringen af elektroniske enheder og giver en bred vifte af funktioner. For at sikre kvaliteten af store produktionsserier har halvlederproducenter brug for pålideligt og kompakt automatiseret testudstyr (ATE), der hurtigt kan skifte højfrekvente veksel- og jævnstrømme med lave og høje signalniveauer og minimalt tab.

Solid state-relæer (SSR'er) baseret på fotovoltaiske MOSFET'er er ideelle til IC-testere og ATE-applikationer. Deres miniaturestørrelse og slidfrie egenskaber er særligt interessante.

Denne artikel diskuterer kort ATE-kravene. Derefter introduceres forskellige typer fotovoltaiske MOSFET-relæer fra Panasonics PhotoMOS-serie af SSR'er, og deres forskelle i komponentgeometri og skifteegenskaber fremhæves. Designtips til hurtigere on/off-switching og reduktion af PhotoMOS-specifikke lækstrømme afslutter emnet.

Høj pakketæthed og korte signalveje

En automatiseret IC-tester skaber kontakt med enheden under test (DUT - Device Under Test) ved hjælp af tætpakkede nåleadaptere (probekort) for at udføre funktionstest. Modulerne i testhovedet genererer og distribuerer højhastighedstestpulser, leverer passende spændinger og skifter målekanaler. Hver test skal udføres i et begrænset rum for at minimere ledningstab, signalets udbredelsestid, interferens og krydstale på kanaler.

Til denne opgave kan designere bruge switching-elementer i lille format såsom Panasonics relæer i AQ-serien. For eksempel leveres den spændingsstyrede CC-type AQY2C1R6PX PhotoMOS SSR i en TSON-pakke, der optager 3,51 kvadratmillimeter (mm²) (1,95 × 1,80 mm) (figur 1). Den bruger kapacitiv kobling til at give 200 volt isolationsbeskyttelse og er spændingsstyret, hvilket kun kræver 1,2 milliwatt (mW) styreeffekt.

Figur 1: Her ses husdimensionerne for AQ-seriens PhotoMOS-relæer med små signaler; dimensionerne er i millimeter. (Billedkilde: Panasonic, modificeret af forfatteren)

Det strømstyrede RF-relæ af typen AQY221R6TW PhotoMOS har et lille fodaftryk på 3,8 mm², men dets VSSOP-hus er 3,6 gange højere end AQY2C1R6PX. Den kræver kun 75 mW styreeffekt og bruger optisk kobling til at give 200 volt beskyttende isolation. Lækstrømmen (I_Leak) for CC- og RF-typerne er meget lav og ligger på 10 nanoampere (nA).

Figur 2 viser kredsløbsprincippet for relæer af CC-typen med kapacitiv kobling (venstre) og RF-typen med optisk kobling (højre).

Figur 2: PhotoMOS SSR af typen AQY2C1R6PX CC (til venstre) bruger kapacitiv kobling og er spændingsdrevet; AQY221R6TW RF (til højre) bruger optisk kobling og er strømdrevet. (Billedkilde: Panasonic, modificeret af forfatteren)

GE-typen AQV214EHAX bruger også optisk kobling og giver en betydeligt højere beskyttelsesisolering på op til 5 kilovolt (kV) mellem styrekredsløbet (IN) og belastningskredsløbet (OUT). Den leveres i en større 6-SMD-pakke, der måler 8,8 mm x 6,4 mm med mågevinge-ledninger. SSR'er fra GE-serien kræver kun 75 mW styreeffekt og skifter belastningsstrømme på op til 150 mA ved maksimalt 400 volt.

Optimering af kontaktmodstand og udgangskapacitans

Som det er typisk for halvledere, har SSR'er en "on"-modstand (R_on) og udgangskapacitans (C_out), der forårsager henholdsvis varmetab og lækstrøm. Forskellige relætyper er optimeret til det ene eller det andet, afhængigt af hvilken type signal der skal switches.

SSR-typer med en særlig lav R_on forårsager mindre dæmpning, når der switches højfrekvente AC-testpulser. SSR'er med en lav C_out muliggør mere nøjagtige målinger af DC-signaler, mens typer med en høj C_out er velegnede til at switche højere effektniveauer. Figur 3 viser et automatiseret halvledertestsystem og illustrerer, hvilke PhotoMOS-relæer der er bedst egnet til forskellige signalveje i testhovedets målemodul.

Figur 3: Hver signalvej i dette automatiserede halvledertestsystem kræver en bestemt PhotoMOS-relæ-type. (Billedkilde: Panasonic)

PhotoMOS-relæerne AQY2C1R3PZ og AQY221N2TY har en lav C_out på henholdsvis 1,2 og 1,1 picofarads (pF). Det gør dem i stand til at tænde og slukke med op til 10 og 20 mikrosekunder (µs) (AQY2C1R3PZ) og 10 og 30 µs (AQY221N2TY). Kompromiset for begge relæer er øget R_on, henholdsvis 10,5 og 9,5 Ω, hvilket resulterer i højere tab og komponentopvarmning. Disse PhotoMOS-relæer er gode til hurtigt at switche målesignaler med lavt strømflow, og de genererer mindre refleksion/faseskift med højfrekvente signaler.

AQY2C1R6PX og AQY221R6TW, der blev omtalt tidligere, er mere velegnede til langsommere strømsignaler og forsyningsspændinger med højere strømme. Mens deres lavere R_on forårsager mindre komponentopvarmning, har deres større C_out en integrator-effekt på signalerne.

Minimering af signalforvrængning

Halvlederrelæer, der kun repræsenterer en simpel on/off-kontakt (1 form A), er eksempler på fototriacer til vekselstrømssignaler eller optokoblere med bipolære transistorer til pulserende jævnstrømssignaler. Disse enheder forårsager forvrængninger i belastningssignalet på grund af tærskel- og tændingsspændinger samt koblingsforsinkelser. Desuden kan omvendt gendannelsesstrømme generere harmoniske oversving (ringing) og lækstrømme på adskillige 10 til 100 milliampere (mA).

FET-halvbroen med driverkredsløb i Panasonics PhotoMOS-relæer minimerer disse signalforvrængninger, og derfor er de velegnede til switching mev lave tab af små AC- og DC-signaler som f.eks. højhastighedstestpulser, målesignaler og forsyningsspændinger. Når den er slukket, er lækstrømmene mellem de to OUT-forbindelser under 1 mikroampere (µA).

PhotoMOS-relæer fås i form A (enpolet, enkelt kontaktpunkt, normalt åben kontakt (SPST-NO)) eller form B (normalt lukket kontakt, SPST-NC), og som multipla. Designere kan bygge form C-kontakter som f.eks. enpolet, dobbelt kontaktpunkt (SPDT), enpolede omskiftere og dobbeltpolede, dobbelt kontaktpunkt (DPDT) kontakter ved at kombinere form A- og form B-enheder.

For eksempel er AQS225R2S et firedobbelt PhotoMOS-relæ (4SPST-NO) i et SOP16-hus, der kan håndtere maksimalt 70 mA ved koblingsspændinger på op til 80 volt. AQW214SX er også et dobbelt PhotoMOS-relæ (2SPST-NO) i et SOP8-hus, der kan håndtere belastningsstrømme på op til 80 mA ved koblingsspændinger på op til 400 volt.

Figur 4 viser den interne struktur af en SSR, PhotoMOS og en fotokobler sammen med deres typiske signalforvrængninger. PhotoMOS-relæer forårsager ikke signalklipning eller lignende forvrængninger på ohmske belastninger.

Figur 4: SSR'er og fotokoblere forårsager forvrængninger i udgangssignalet på grund af tærskel- og tændingsspændinger; PhotoMOS-relæer skifter AC- og DC-signaler uden forvrængning. (Billedkilde: Panasonic, modificeret af forfatteren)

For at dæmpe feedback-effekten af induktive og kapacitive koblingsbelastninger og dermed beskytte PhotoMOS-udgangstrinnet, skal designerne tilføje begrænsnings- og friløbsdioder, RC- og LC-filtre eller varistorer på udgangssiden. I CC-serien beskytter begrænsningsdioder indgangsoscillatoren mod overspændingsspidser og begrænser styresignalet til 3 til 5,5 volt, mens RC-filtre sikrer en residual rippel på mindre end ±0,5 volt.

Reduktion af lækstrømme

C_out i PhotoMOS-relæer fungerer som en bypass for vekselstrøm og pulssekvenser med højere frekvens, når relæet er frakoblet. For at reducere sådanne lækstrømme betydeligt og maksimere isolationen ved høje frekvenser anbefaler Panasonic at bruge tre separate PhotoMOS-relæer i form af et T-kredsløb (figur 5, venstre). I hovedsignalvejen er de to 1 Form A PhotoMOS-relæer, S1 og S2, af lav-R_on-typen, mens en lav-C_out-type udgør 1 Form A kortslutningskontakten, S3.

Figur 5: Når S1 og S2 er strømløse, fungerer det tændte relæ S3 som en kortslutning for alle lækstrømme (T-kredsløbets OFF-tilstand, højre). (Billedkilde: Panasonic, modificeret af forfatteren)

T-kredsløbets ON-tilstand (figur 5, midten): Når S1 og S2 er tændt, dæmper deres R_on signalniveauet minimalt, mens den lave C_out fra det slukkede S3-relæ dæmper de høje frekvenser en smule (lavpas).

T-kredsløbets OFF-tilstand (figur 5, højre): Hvis S1 og S2 er strømløse, udgør deres C_out en bypass for høje frekvenser (højpas), men det tændte S3-relæ kortslutter de signaler, der kapacitivt ledes gennem S1 (sugekredsløb).

T-kredsløbets ON/OFF-timing skal implementeres som en BBM-kontakt (break before make). Derfor skal S1 og S2 deaktiveres, før S3 tændes. Med relæer betyder BBM, at kontakterne skifter hver for sig, mens MBB (make before break) betyder, at de skifter på en brolignende måde.

Hurtigere switching af PhotoMOS-relæer

Den interne fotosensor i PhotoMOS-relæet fungerer som en solcelle og leverer ladestrømmen til gaten. Derfor øger en kraftigere lyspuls fra LED'en switchinghastigheden. For eksempel genererer bootstrap-elementet R1/R2/C1 i figur 6 en højere strømpuls.

Figur 6: Bootstrap-elementet R1/R2/C1 øger PhotoMOS-relæets tændingshastighed. (Billedkilde: Panasonic)

C1 fungerer som en kortslutning for R2 i tændingsøjeblikket, så den lave modstand i R1 tillader en høj strøm at passere. Hvis C1 er opladet og har en høj modstand, tilføjes R2, hvilket reducerer flowet til holdestrømmen, som med magnetiske relæer. AQV204 PhotoMOS-relæet reducerer dermed sin tændingstid fra 180 µs til 30 µs.

Konklusion

Ved at bruge små, slidfri PhotoMOS-relæer kan designere forbedre ATE-applikationernes signaltæthed og målehastighed og samtidig reducere vedligeholdelsesbehovet. Derudover kan man minimere lækstrømme og koblingstider ved at følge de anbefalede designteknikker.