Wykorzystanie przekaźników półprzewodnikowych w zautomatyzowanych urządzeń pomiarowych

Popyt na układy scalone (IC) jest większy niż kiedykolwiek wcześniej, ponieważ obniżają one koszty prac rozwojowych nad sprzętem, sprzyjają miniaturyzacji urządzeń elektronicznych i zapewniają szeroki zakres funkcji. Aby zapewnić odpowiednią jakość dużych partii produkcyjnych, producenci półprzewodników wymagają niezawodnych i kompaktowych zautomatyzowanych urządzeń pomiarowych (ATE), które są w stanie szybko przełączać prądy stałe i zmienne o wysokiej częstotliwości przy niskich i wysokich poziomach sygnału oraz minimalnych stratach.

Przekaźniki półprzewodnikowe (SSR) oparte na tranzystorach fotowoltaicznych MOSFET idealnie nadają się do testerów układów scalonych oraz do zastosowań wykorzystujących zautomatyzowane urządzenia pomiarowe (ATE). Szczególnie interesujące są ich miniaturowe rozmiary i odporność na zużycie.

W niniejszym artykule pokrótce omówiono wymagania dotyczące zautomatyzowanych urządzeń pomiarowych (ATE). Następnie przedstawiono różne typy przekaźników fotowoltaicznych MOSFET z serii przekaźników półprzewodnikowych (SSR) PhotoMOS firmy Panasonic i podkreślono różnice w geometrii komponentów i charakterystykach przełączania. Temat zamykają wskazówki projektowe dotyczące przyspieszonego włączania i wyłączania oraz redukcji prądów upływu charakterystycznych dla urządzeń PhotoMOS.

Wysoka gęstość i krótkie ścieżki sygnałowe

Zautomatyzowany tester układów scalonych wchodzi w kontakt z urządzeniem badanym (DUT) za pomocą gęsto upakowanych adapterów igłowych (kart sond) w celu przeprowadzenia prób funkcjonalnych. Moduły w głowicy testowej generują i rozdzielają szybkie impulsy testowe, dostarczają odpowiedniego napięcia i przełączają kanały pomiarowe. Każda próba musi odbywać się w ograniczonej przestrzeni, aby zminimalizować straty linii, czasy propagacji sygnału, zakłócenia i przesłuchy w kanałach.

W tym celu projektanci mogą użyć małoformatowych elementów przełączających, takich jak przekaźniki z serii AQ firmy Panasonic. Na przykład sterowany napięciem przekaźnik półprzewodnikowy (SSR) PhotoMOS typu CC AQY2C1R6PX jest dostarczany w obudowie TSON o powierzchni 3,51mm2) (1,95 × 1,80mm) (ilustracja 1). Wykorzystuje on sprzężenie pojemnościowe w celu zapewnienia ochrony izolacyjnej 200V i jest sterowany napięciowo, dzięki czemu wymaga mocy sterującej zaledwie 1,2mW.

Ilustracja 1: Wymiary obudowy przekaźników małosygnałowych PhotoMOS z serii AQ - podano w milimetrach. (Źródło ilustracji: Panasonic, zmodyfikowane przez autora)

Sterowany prądowo przekaźnik PhotoMOS na częstotliwości radiowe (typu RF) AQY221R6TW zajmuje niewielką powierzchnię 3,8mm², ale jego obudowa VSSOP jest 3,6 razy wyższa niż AQY2C1R6PX. Wymaga on tylko 75mW mocy sterującej i wykorzystuje sprzężenie optyczne do zapewnienia izolacji ochronnej 200V. Prąd upływu (ILeak) w typach CC i RF jest bardzo niski i wynosi 10nA.

Ilustracja 2 przedstawia zasadę działania obwodu przekaźników typu CC ze sprzężeniem pojemnościowym (po lewej) oraz przekaźników typu RF ze sprzężeniem optycznym (po prawej).

Ilustracja 2: Przekaźnik półprzewodnikowy (SSR) PhotoMOS typu CC AQY2C1R6PX (po lewej) wykorzystuje sprzężenie pojemnościowe i jest sterowany napięciowo; typ AQY221R6TW RF (po prawej) wykorzystuje sprzężenie optyczne i jest sterowany prądowo. (Źródło ilustracji: Panasonic, zmodyfikowane przez autora)

Typ GE AQV214EHAX wykorzystuje również sprzężenie optyczne i oferuje znacznie wyższą izolację ochronną do 5kV pomiędzy obwodem sterującym (IN) i obwodem obciążenia (OUT). Posiada większą obudowę 6-SMD o wymiarach 8,8mm x 6,4mm z odprowadzeniami skrzydełkowymi. Przekaźniki półprzewodnikowe (SSR) z serii GE wymagają mocy sterującej zaledwie 75mW i przełączają prądy obciążeniowe do 150mA przy maksymalnym napięciu 400V.

Optymalizacja rezystancji zestykowej i pojemności wyjściowej

Przekaźniki półprzewodnikowe mają rezystancję w stanie włączenia (Ron) i pojemność wyjściową (Cout) na poziomach powodujących odpowiednio straty cieplne i prądy upływu, co jest typowe dla półprzewodników. Różne typy przekaźników są optymalizowane pod kątem jednego lub drugiego parametru w zależności od rodzaju przełączanego sygnału.

Typy przekaźników półprzewodnikowych (SSR) o szczególnie niskiej rezystancji Ron powodują mniejsze tłumienie podczas przełączania impulsów testowych prądu zmiennego o wysokiej częstotliwości. Przekaźniki półprzewodnikowe (SSR) o niskiej pojemności Cout umożliwiają dokładniejsze pomiary sygnałów prądu stałego, podczas gdy typy o wysokiej pojemności Cout są odpowiednie do przełączania wyższych poziomów mocy. Ilustracja 3 przedstawia zautomatyzowany system do testowania półprzewodników i ukazuje, które typy przekaźników PhotoMOS najlepiej nadają się do różnych ścieżek sygnałowych w module pomiarowym głowicy testowej.

Ilustracja 3: Każda ścieżka sygnałowa w tym zautomatyzowanym systemie do testowania półprzewodników wymaga określonego typu przekaźnika PhotoMOS. (Źródło ilustracji: Panasonic)

Przekaźniki PhotoMOS AQY2C1R3PZ oraz AQY221N2TY charakteryzują się niską pojemnością Cout odpowiednio 1,2 i 1,1pF. Pozwala im to na włączanie i wyłączanie w czasie do 10 i 20µs (AQY2C1R3PZ) oraz 10 i 30µs (AQY221N2TY). Kompromisem dla obu przekaźników jest wyższa rezystancja Ron, odpowiednio 10,5 i 9,5Ω, która skutkuje wyższymi stratami i nagrzewaniem się komponentów. Omawiane przekaźniki PhotoMOS są odpowiednie do szybkiego przełączania sygnałów pomiarowych przy niskim przepływie prądu oraz generują mniejsze odbicia i przesunięcia fazowe w przypadku sygnałów wysokiej częstotliwości.

Omówione wcześniej przełączniki AQY2C1R6PX i AQY221R6TW są bardziej odpowiednie do wolniej przełączanych sygnałów zasilania i napięć zasilania o wyższych prądach. Podczas gdy ich niższa rezystancja Ron powoduje mniejsze nagrzewanie się komponentów, ich wyższa pojemność Cout powoduje całkowanie sygnałów.