Puolijohdereleiden käyttäminen luotettavissa, nopeasti kytkeytyvissä ja alhaisen tehohäviön tarjoavissa puolijohteiden automatisoiduissa testauslaitteissa

Integroitujen piirien kysyntä on suurempaa kuin koskaan, koska ne vähentävät laitteistojen kehittämiskustannuksia, edistävät elektronisten laitteiden miniatyrisointia ja tarjoavat laajan valikoiman toimintoja. Suurten tuotantoerien laadun varmistamiseksi puolijohdevalmistajat tarvitsevat luotettavia ja kompakteja automaattisia testauslaitteita (ATE), jotka voivat kytkeä korkeataajuisia AC- ja DC-virtoja nopeasti alhaisilla ja korkeilla signaalitasoilla ja minimaalisilla häviöillä.

Valosähköisiin MOSFET-transistoreihin perustuvat puolijohdereleet (SSR) sopivat ihanteellisesti integroitujen piirien testaukseen ja ATE-sovelluksiin. Niiden erittäin pieni koko ja kestävyys ovat erityisen mielenkiintoisia ominaisuuksia.

Tässä artikkelissa käsitellään lyhyesti automaattisen testauksen vaatimuksia. Sen jälkeen artikkelissa esitellään erityyppisiä valosähköisiä MOSFET-releitä Panasonicin PhotoMOS-sarjan puolijohdereleistä ja korostetaan niiden keskinäisiä eroavaisuuksia komponenttien geometrian ja kytkentäominaisuuksien osalta. Lopuksi artikkelissa annetaan suunnitteluvinkkejä nopeaan kytkentään ja PhotoMOS-transistoreille ominaisten vuotovirtojen vähentämiseen.

Korkea pakkaustiheys ja lyhyet signaalireitit

Automatisoitu integroitujen piirien testeri kytketään testattavaan laitteeseen (DUT) korkean tiheyden neulasovittimilla (anturikorteilla) toiminnallista testausta varten. Testauspään moduulit generoivat ja jakavat suurinopeuksisia testipulsseja, syöttävät tarvittavat jännitteet ja vaihtavat mittauskanavia. Kaikki testit on suoritettava pienessä tilassa, jotta voidaan minimoida johdinhäviöt, signaalien etenemisajat, häiriöt ja ylikuuluminen kanavien välillä.

Suunnittelijat voivat käyttää tähän tarkoitukseen pienikokoisia kytkentäelementtejä, esimerkiksi Panasonicin AQ-sarjan releitä. Esimerkiksi jänniteohjattu CC-tyypin AQY2C1R6PX PhotoMOS SSR käyttää TSON-koteloa, jonka koko on vain 3,51 mm² (1,95 × 1,80 mm) (kuva 1). Sen kapasitiivinen kytkeytyminen tarjoaa 200 voltin erotussuojauksen, ja se on jänniteohjattu vaatien vain 1,2 mW:n ohjaustehon.

Kuva 1: Kuvassa on esitetty AQ-sarjan matalan signaalitason PhotoMOS-releiden koteloiden mitat millimetreissä. (Kuvan lähde: Panasonic, kirjoittajan muokkaama)

Virtaohjattu RF-tyypin AQY221R6TW PhotoMOS -rele vie tilaa vain 3,8 mm², mutta sen VSSOP-kotelo on 3,6 kertaa korkeampi kuin AQY2C1R6PX-version. Se vaatii ohjaustehoa vain 75 mW ja tarjoaa 200 voltin suojaerotuksen käyttäen optista kytkemistä. CC- ja RF-tyyppien vuotovirta (I_Leak) on hyvin alhainen, vain 10 nA.

Kuvassa 2 on esitetty periaatekuvat kapasitiivista kytkeytymistä käyttävien CC-tyyppisten releiden (vasemmalla) ja optista kytkeytymistä (oikealla) käyttävien RF-tyyppisten releiden piireistä.

Kuva 2: CC-tyyppisessä AQY2C1R6PX PhotoMOS -puolijohdereleessä (vasemmalla) käytetään kapasitiivista kytkeytymistä, ja se on jänniteohjattu; RF-tyyppisessä AQY221R6TW-releessä (oikealla) käytetään optista kytkeytymistä, ja se on virtaohjattu. (Kuvan lähde: Panasonic, kirjoittajan muokkaama)

Myös GE-tyyppinen AQV214EHAX käyttää optista kytkeytymistä, ja se tarjoaa huomattavasti korkeamman suojaerotuksen: jopa 5 kV ohjauspiirin (IN) ja kuormituspiirin (OUT) välillä. Se käyttää suurempaa 6-SMD-koteloa, jonka mitat ovat 8,8 x 6,4 mm, ja lokinsiipijohtimia. Vain 75 mW:n ohjaustehoa vaativat GE-sarjan puolijohdereleet kytkevät jopa 150 mA:n kuormitusvirtoja enintään 400 voltin jännitteellä.

Kosketinresistanssin ja lähtökapasitanssin optimointi

Puolijohteille tyypillisesti puolijohdereleiden ominaisuuksiin kuuluvat johtotilan resistanssi (R_on) ja lähtökapasitanssi (C_out), jotka aiheuttavat vastaavasti lämmönhukkaa ja vuotovirtaa. Eri reletyypit optimoivat näitä tekijöitä kytkettävän signaalityypin mukaan.

SSR-tyypit, joiden R_on on erityisen alhainen, synnyttävät vähemmän vaimennusta kytkettäessä korkeataajuisia AC-testipulsseja. SSR-releet, joiden C_out on alhainen, mahdollistavat DC-signaalien tarkan mittauksen, kun taas korkean C_out-arvon tyypit soveltuvat korkeiden tehotasojen kytkemiseen. Kuvassa 3 esitetään automatisoitu puolijohteen testausjärjestelmä ja näytetään, mitkä PhotoMOS-reletyypit soveltuvat parhaiten testauspään mittausmoduulin erilaisiin signaalipolkuihin.

Kuva 3: Jokainen tämän automatisoidun puolijohteiden testausjärjestelmän signaalireitti edellyttää tiettyä PhotoMOS-reletyyppiä. (Kuvan lähde: Panasonic)

PhotoMOS-releissä AQY2C1R3PZ- ja AQY221N2TY on alhainen C_out-arvo: 1,2 pF ja 1,1 pF (mainintajärjestyksessä). Näin ne voivat kytkeytyä päälle ja pois päältä jopa 10 ja 20 mikrosekunnin (μs) (AQY2C1R3PZ) ja 10 ja 30 μs:n (AQY221N2TY) nopeudella. Molempien releiden kompromissina on korkeampi R_on, 10,5 Ω ja 9,5 Ω, mikä johtaa korkeampiin häviöihin ja komponenttien kuumenemiseen. Nämä PhotoMOS-releet sopivat hyvin mittaussignaalien nopeaan kytkentään alhaisella virralla, ja ne synnyttävät vähemmän heijastuksia/vaihesiirtymää korkeataajuisilla signaaleilla.

Aiemmin käsitellyt AQY2C1R6PX ja AQY221R6TW sopivat paremmin hitaammin kytkettäville tehosignaaleille ja korkeavirtaisille syöttöjännitteille. Vaikka niiden alempi R_on synnyttää vähemmän komponenttien lämpenemistä, niiden suuremmalla C_out-arvolla on integraatiovaikutus signaaleihin.

Signaalivääristymän minimointi

Puolijohdereleet, jotka tarjoavat vain yksinkertaisen ON/OFF-kytkennän (1 tyyppi A), ovat esimerkkejä AC-signaalien kanssa käytettävistä fototriakeista ja bipolaaritransistoreja käyttävistä optoerottimista DC-signaalipulsseja varten. Nämä komponentit aiheuttavat vääristymiä kuormasignaaliin kynnysarvon, sytytysjännitteen ja kytkentäviiveiden vuoksi. Lisäksi estosuuntaiset toipumisvirrat voivat aiheuttaa harmonisia yliaaltoja (värähtelyä) ja useiden kymmenien tai jopa sadan milliampeerin vuotovirtoja.

Panasonicin PhotoMOS-releiden ohjainpiirissä käytettävä FET-puolisilta minimoi nämä signaalivääristymät, minkä vuoksi ne soveltuvat AC- ja DC-signaalien kytkentään alhaisella tehohäviöllä, esimerkkeinä huippunopeat testipulssit, mittaussignaalit ja syöttöjännitteet. Kun rele on kytketty pois päältä, kahden OUT-liitännän väliset vuotovirrat ovat alle 1 μA.

PhotoMOS-releitä on saatavana A-tyyppisinä (yksinapainen, yhden kytkentäpisteen normaalisti avoin kosketin (SPST-NO)) ja B-tyyppisinä (normaalisti suljettu kosketin, SPST-NC) ja näiden kerrannaisina. Suunnittelijat voivat muodostaa C-tyypin kytkimiä, kuten SPDT (Single Pole Double Throw), yksinapainen vaihtokytkin ja DPDT (Double Pole Double Throw) yhdistämällä A- ja B-tyypin komponentteja.

Esimerkiksi AQS225R2S on nelikanavainen PhotoMOS-rele (4SPST-NO) SOP16-kotelossa, jonka luokitus on jopa 70 mA kytkentäjännitteen ollessa jopa 80 volttia. Myös AQW214SX on kaksikanainen PhotoMOS-rele (2SPST-NO) SOP8-kotelossa, jonka luokitus on jopa 80 mA kytkentäjännitteen ollessa jopa 400 volttia.

Kuvassa 4 esitetään puolijohdereleen, PhotoMOS-releen ja optoerottimen sisäinen rakenne sekä niille tyypilliset signaalivääristymät. PhotoMOS-releet eivät aiheuta signaalin leikkaamista tai vastaavia vääristymiä ohmisilla kuormilla.

Kuva 4: Puolijohdereleet ja optoerottimet aiheuttavat vääristymiä lähtösignaaliin kynnys- ja sytytysjännitteiden vuoksi, kun taas PhotoMOS-releet kytkevät AC- ja DC-signaaleja ilman vääristymiä. (Kuvan lähde: Panasonic, kirjoittajan muokkaama)

Induktiivisten ja kapasitiivisten kytkentäkuormien takaisinkytkentävaikutuksen vaimentamiseksi ja siten PhotoMOS-releen lähtöasteen suojaamiseksi suunnittelijoiden on lisättävä lähtöpuolelle rajoitus- ja nolladiodeja, RC- ja LC-suodattimia tai varistoreita. CC-sarjassa rajoitusdiodit suojaavat tulon oskillaattoria ylijännitepiikeiltä ja rajoittavat ohjaussignaalin 3–5,5 volttiin, kun taas RC-suodattimet varmistavat, että jäännösvärähtely on alle ±0,5 volttia.

Vuotovirtojen vähentäminen

PhotoMOS-releiden C_out toimii korkeataajuisten vaihtovirtojen ja pulssisekvenssien ohituksena, kun releen virta katkaistaan. Panasonic suosittelee kolmen erillisen PhotoMOS-releen käyttöä T-piirin muodossa (kuva 5, vasemmalla). Tämä vähentää merkittävästi vuotovirtoja ja maksimoi erotuksen korkeilla taajuuksilla. Pääsignaalireitin kaksi PhotoMOS-relettä S1 ja S2 (1 tyyppi A) tarjoavat alhaisen R_on-arvon, kun taas S3-oikosulkukytkin (1 tyyppi A) tarjoaa alhaisen C_out-arvon.

Kuva 5: Kun releiden S1 ja S2 virta katkaistaan, päälle kytketty rele S3 toimii oikosulkuna kaikelle vuotovirralle (T-piirin OFF-tila, oikealla). (Kuvan lähde: Panasonic, kirjoittajan muokkaama)

T-piirin ON-tila (kuva 5, keskellä): Jos S1 ja S2 on kytketty päälle, niiden R_on vaimentaa signaalitasoa minimaalisesti, kun taas pois päältä kytketyn S3-releen alhainen C_out vaimentaa korkeita taajuuksia hieman (alipäästö).

T-piirin OFF-tila (kuva 5, oikealla): Jos S1 ja S2 on kytketty pois päältä, niiden C_out tarjoaa ohituksen korkeille taajuuksille (ylipäästö), mutta päälle kytketty S3-rele oikosulkee kapasitiivisesti S1-releen läpi kulkevat signaalit (imupiirin).

T-piirin ON/OFF-ajoitus on toteutettava vaihtokytkimenä (BBM, Break Before Make). Näin ollen virta on katkaistava releistä S1 ja S2 ennen kuin S3 kytketään päälle. Releiden tapauksessa BBM tarkoittaa, että koskettimet vaihtavat tilaa erillisesti, kun taas juontokoskettimet (MBB, Make Before Break) vaihtavat tilaa siltaavasti.

PhotoMOS-releiden nopeampi kytkeminen

PhotoMOS-releen sisäinen valoanturi toimii aurinkokennona ja tuottaa hilan varausvirran. Näin ollen kirkkaampi ledin valopulssi lisää kytkentänopeutta. Esimerkiksi kuvassa 6 oleva käynnistyselementti R1/R2/C1 generoi korkeamman virtapulssin.

Kuva 6: Käynnistyselementti R1/R2/C1 nostaa PhotoMOS-releen päällekytkentänopeutta. (Kuvan lähde: Panasonic)

C1 oikosulkee R2-vastuksen päällekytkentähetkellä, joten vastuksen R1 alhainen resistanssi mahdollistaa korkean sähkövirran. Jos C1 on varattu ja sen resistanssi on korkea, R2 tulee kuvioon mukaan ja vähentää virtauksen pitovirtaan samoin kuin magneettireleillä. AQV204-MOS PhotoMOS-rele lyhentää siten päällekytkeytymisajan 180 mikrosekunnista 30 mikrosekuntiin.

Yhteenveto

Pieniä kulumattomia PhotoMOS-releitä käyttämällä suunnittelijat voivat parantaa ATE-sovellusten signaalitiheyttä ja mittausnopeutta vähentäen samalla huoltotarpeita. Lisäksi suositeltujen suunnittelutekniikoiden noudattaminen voi auttaa vuotovirtojen ja kytkentäaikojen minimoimisessa.