Gebruik van SSR's voor betrouwbare, snel schakelende, verliesarme geautomatiseerde testapparatuur voor halfgeleiders

Geïntegreerde schakelingen (IC's) zijn meer dan ooit in trek omdat ze de ontwikkelingskosten van hardware verlagen, de miniaturisatie van elektronische apparaten bevorderen en een breed scala aan functies bieden. Om de kwaliteit van grote productiebatches te waarborgen, hebben halfgeleiderfabrikanten betrouwbare en compacte geautomatiseerde testapparatuur (ATE) nodig die snel hoogfrequente wissel- en gelijkstroom kan schakelen met lage en hoge signaalniveaus en minimale verliezen.

Solid-state relais (SSR's) op basis van fotovoltaïsche MOSFET's zijn ideaal voor IC-testers en ATE-toepassingen. Het feit dat ze klein en slijtvast zijn, maakt ze bijzonder interessant.

Dit artikel bespreekt allereerst kort de vereisten voor ATE. Daarna worden verschillende soorten fotovoltaïsche MOSFET-relais uit de serie PhotoMOS-SSR's van Panasonic geïntroduceerd en worden de verschillen in componentgeometrie en schakelkarakteristieken behandeld. We sluiten het onderwerp af met ontwerptips voor versneld aan-/uitschakelen en het verminderen van PhotoMOS specifieke lekstromen.

Hoge verpakkingsdichtheid en korte signaalpaden

Een geautomatiseerde IC-tester maakt contact met het te testen component (device under test, DUT) met behulp van dicht opeengepakte naaldadapters (sondekaarten) voor functionele tests. De modules in de testkop genereren en verdelen snelle testpulsen, leveren de juiste spanningen en schakelen meetkanalen. Elke test moet worden uitgevoerd in een afgesloten ruimte om lijnverliezen, signaalvoortplantingstijden, interferentie en kanaaloverspraak te minimaliseren.

Voor deze taak kunnen ontwerpers kleine schakelelementen gebruiken, zoals relais uit de AQ-serie van Panasonic. Een voorbeeld is het spanningsgestuurde CC-type PhotoMOS-SSR AQY2C1R6PX die wordt geleverd in een TSON-pakket van 3,51 vierkante millimeter (mm²) (1,95 × 1,80 mm) (afbeelding 1). Het relais maakt gebruik van capacitieve koppeling en biedt 200 volt isolatiebescherming. Het SSR is spanningsgestuurd, waardoor slechts 1,2 milliwatt (mW) aan stuurvermogen nodig is.

Afbeelding 1: Afgebeeld zijn de behuizingsafmetingen voor het small-signal PhotoMOS-relais uit de AQ-serie; alle afmetingen zijn weergegeven in millimeter. (Bron afbeelding: Panasonic, gewijzigd door de auteur)

Het stroomgestuurde RF-type PhotoMOS-relais AQY221R6TW heeft een kleine voetafdruk van 3,8 mm², maar de VSSOP-behuizing is 3,6 keer zo groot als die van de AQY2C1R6PX. Er is slechts 75 mW stuurvermogen nodig en de optische koppeling biedt 200 volt beschermende isolatie. De lekstroom (I_lek) van de CC- en RF-types is slechts 10 nanoampère (nA) en dus erg laag.

Afbeelding 2 toont het schakelprincipe van het CC-type relais met capacitieve koppeling (links) en het RF-type relais met optische koppeling (rechts).

Afbeelding 2: Het PhotoMOS-SSR AQY2C1R6PX van het type CC (links) maakt gebruik van capacitieve koppeling en is spanningsgestuurd; het AQY221R6TW van het type RF (rechts) maakt gebruik van optische koppeling en is stroomgestuurd. (Bron afbeelding: Panasonic, gewijzigd door de auteur)

Het GE-type AQV214EHAX maakt ook gebruik van optische koppeling en biedt een aanzienlijk hogere beschermende isolatie tot 5 kilovolt (kV) tussen het besturingscircuit (IN) en het belastingscircuit (OUT). Het relais wordt geleverd in een groter 6-SMD-pakket van 8,8 mm x 6,4 mm met vleugelloze aansluitdraden. SSR's uit de GE-serie hebben slechts 75 mW stuurvermogen nodig en schakelen een belastingsstroom tot 150 mA bij maximaal 400 volt.

Optimaliseren van contactweerstand en uitgangscapaciteit

Zoals gebruikelijk bij halfgeleiders hebben SSR's een ‘aan’-weerstand (R_on) en een uitgangscapaciteit (C_out) die respectievelijk warmteverlies en lekstroom veroorzaken. De verschillende soorten relais zijn geoptimaliseerd voor het een of het ander, afhankelijk van het soort signaal dat moet worden geschakeld.

SSR's met een bijzonder lage R_on veroorzaken minder demping bij het schakelen van hoogfrequente AC-testpulsen. SSR's met een lage C_out maken nauwkeurigere metingen voor DC-signalen mogelijk, terwijl types met een hoge C_out geschikt zijn voor het schakelen van hogere vermogensniveaus. Afbeelding 3 toont een geautomatiseerd halfgeleidertestsysteem. Hier is te zien welke soorten PhotoMOS-relais het meest geschikt zijn voor verschillende signaalpaden in de meetmodule van de testkop.

Afbeelding 3: Elk signaalpad van dit geautomatiseerde halfgeleidertestsysteem vereist een specifiek type PhotoMOS-relais. (Bron afbeelding: Panasonic)

De PhotoMOS-relais AQY2C1R3PZ en AQY221N2TY hebben een lage C_out van respectievelijk 1,2 en 1,1 picofarad (pF). Hierdoor kunnen ze in 10 en 20 microseconden (µs) (AQY2C1R3PZ) en 10 en 30 µs (AQY221N2TY) of minder in- en uitschakelen. De afweging tussen beide relais is een verhoogde R_on, respectievelijk 10,5 en 9,5 Ω, wat leidt tot hogere verliezen en opwarming van de componenten. Deze PhotoMOS-relais zijn goed voor het snel schakelen van meetsignalen met een lage stroomsterkte. Ook genereren ze minder reflectie/faseverschuiving bij hoogfrequente signalen.

De eerder besproken AQY2C1R6PX en AQY221R6TW zijn meer geschikt voor trager schakelende voedingssignalen en voedingsspanningen met hogere stromen. Hoewel hun lagere R_on minder opwarming van de componenten veroorzaakt, heeft hun grotere C_out een integratoreffect op de signalen.

Minimaliseren van signaalvervorming

Halfgeleiderrelais die slechts als eenvoudige aan/uit-schakelaar dienen (1 Form A) zijn voorbeelden van fototriacs voor wisselstroomsignalen of optocouplers met bipolaire transistors voor pulserende gelijkstroomsignalen. Deze componenten veroorzaken vervormingen in het belastingssignaal door drempel- en ontstekingsspanningen evenals schakelvertragingen. Bovendien kunnen stromen door spertraagheid harmonische overshoots (ringing) en lekstromen van enkele 10 tot 100 milliampère (mA) genereren.

De FET-halfbrug met stuurcircuit in de PhotoMOS-relais van Panasonic minimaliseert deze signaalvervormingen, waardoor ze geschikt zijn voor het schakelen van kleine wissel- en gelijkstroomsignalen met laag verlies, zoals snelle testpulsen, meetsignalen en voedingsspanningen. In uitgeschakelde toestand zijn de lekstromen tussen de twee OUT-aansluitingen lager dan 1 microampère (µA).

PhotoMOS-relais zijn verkrijgbaar in Form A (enkelpolig, één positie, normaal open (SPST-NO)) of Form B (normaal gesloten, SPST-NC) en als veelvouden. Ontwerpers kunnen Form C-schakelaars maken, zoals enkelpolige, dubbelwerkende schakelaars (SPDT), enkelpolige omschakelaars en dubbelpolige, dubbelwerkende schakelaars (DPDT) door Form A- en Form B-componenten te combineren.

De AQS225R2S is bijvoorbeeld een viervoudig PhotoMOS-relais (4SPST-NO) in een SOP16-behuizing dat maximaal 70 mA kan verwerken bij schakelspanningen tot 80 volt. Daarnaast is de AQW214SX een dubbel PhotoMOS-relais (2SPST-NO) in een SOP8-behuizing dat belastingsstromen tot 80 mA aankan bij schakelspanningen tot 400 volt.

Afbeelding 4 toont de interne structuur van een SSR, PhotoMOS en een photocoupler, samen met hun typische signaalvervormingen. PhotoMOS-relais veroorzaken geen signaalclipping of soortgelijke vervormingen bij ohmse belastingen.

Afbeelding 4: SSR's en photocouplers veroorzaken vervorming in het uitgangssignaal door drempel- en ontstekingsspanningen; PhotoMOS-relais schakelen wissel- en gelijkstroomsignalen zonder vervorming. (Bron afbeelding: Panasonic, gewijzigd door de auteur)

Om het terugkoppelingseffect van inductieve en capacitieve schakelbelastingen te verzwakken en zo de PhotoMOS-eindtrap te beschermen, moeten ontwerpers klem- en vrijloopdiodes, RC- en LC-filters of varistors aan de uitgang toevoegen. In de CC-serie beschermen klemdiodes de ingangsoscillator tegen overspanningspieken en wordt het stuursignaal begrensd tot 3 volt tot 5,5 volt, terwijl RC-filters zorgen voor een restrimpel van minder dan ± 0,5 volt.

Verminderen van lekstroom

De C_out van PhotoMOS-relais dient als bypass voor wisselstromen en pulssequenties met een hogere frequentie wanneer het relais spanningsloos is. Om dergelijke lekstromen aanzienlijk te verminderen en de isolatie bij hoge frequenties te maximaliseren, raadt Panasonic het gebruik aan van drie afzonderlijke PhotoMOS-relais in de vorm van een T-schakeling (afbeelding 5, links). In het hoofdsignaalpad hebben de twee 1 Form A PhotoMOS-relaistypes, S1 en S2, een lage R_on, terwijl een type met lage C_out de 1 Form A-kortsluitschakelaar, S3, vormt.

Afbeelding 5: Als S1 en S2 spanningsloos zijn, werkt het ingeschakelde relais S3 als kortsluiting voor alle lekstromen (T-circuit UIT-status, rechts). (Bron afbeelding: Panasonic, gewijzigd door de auteur)

T-circuit AAN (Afbeelding 5, midden): Bij ingeschakelde S1 en S2 verzwakt hun R_on het signaalniveau minimaal, terwijl de lage C_out van het uitgeschakelde S3-relais de hoge frequenties licht verzwakt (low pass).

T-circuit UIT-toestand (afbeelding 5, rechts): Als S1 en S2 spanningsloos zijn, vormt hun C_out een bypass voor hoge frequenties (hoog-doorlaat), maar vormt het ingeschakelde S3-relais een kortsluiting voor de signalen die capacitief door S1 worden doorgegeven (aanzuigcircuit).

De AAN/UIT-timing van het T-circuit moet worden geïmplementeerd als een ‘break before make’-schakelaar (BBM). Daarom moeten S1 en S2 gedeactiveerd worden voordat S3 wordt ingeschakeld. Bij relais betekent BBM dat de contacten afzonderlijk schakelen, terwijl ‘make before break’ (MBB) betekent dat ze overbruggend schakelen.

Sneller schakelen van PhotoMOS-relais

De interne fotosensor van het PhotoMOS-relais werkt als een zonnecel en levert de poortlaadstroom. Zo verhoogt een helderdere lichtpuls van de led de schakelsnelheid. Het bootstrap-element R1/R2/C1 in afbeelding 6 genereert bijvoorbeeld een hogere stroompuls.

Afbeelding 6: Het bootstrap-element R1/R2/C1 verhoogt de inschakelsnelheid van het PhotoMOS-relais. (Bron afbeelding: Panasonic)

C1 fungeert als kortsluiting voor R2 op het moment van inschakelen, zodat de lage weerstand van R1 een hoge stroom mogelijk maakt. Als C1 geladen is en een hoge weerstand heeft, wordt R2 toegevoegd, waardoor de stroom naar de houdstroom wordt verlaagd, zoals bij magnetische relais. Het PhotoMOS-relais AQV204 verkort zo de inschakeltijd van 180 µs naar 30 µs.

Conclusie

Door kleine, slijtagevrije PhotoMOS-relais te gebruiken, kunnen ontwerpers de signaaldichtheid en meetsnelheid van ATE-toepassingen verbeteren en tegelijkertijd de behoefte aan onderhoud verminderen. Daarnaast kan het volgen van aanbevolen ontwerptechnieken helpen bij het minimaliseren van lekstromen en schakeltijden.