วิธีใช้ SSR สำหรับอุปกรณ์ทดสอบอัตโนมัติเซมิคอนดักเตอร์แบบสูญเสียต่ำที่เชื่อถือได้มีการสวิตช์อย่างรวดเร็ว

วงจรรวม (IC) เป็นที่ต้องการมากขึ้นกว่าเดิม เนื่องจากช่วยลดต้นทุนการพัฒนาฮาร์ดแวร์ สนับสนุนการย่อขนาดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และมีฟังก์ชันที่หลากหลาย เพื่อให้มั่นใจในคุณภาพของชุดการผลิตขนาดใหญ่ ผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์จึงต้องการอุปกรณ์ทดสอบอัตโนมัติ (ATE) ที่เชื่อถือได้และกะทัดรัด ซึ่งสามารถเปลี่ยนกระแส AC และ DC ความถี่สูงได้อย่างรวดเร็วด้วยระดับสัญญาณต่ำและสูง และสูญเสียน้อยที่สุด

โซลิดสเตตรีเลย์ (SSR) ที่ใช้มอสเฟตโซล่าเซลล์เหมาะอย่างยิ่งสำหรับเครื่องทดสอบไอซีและการใช้งาน ATE ซึ่งขนาดของอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กและมีคุณสมบัติที่ไม่สึกหรอนั้นมีความน่าสนใจเป็นอย่างยิ่ง

บทความนี้จะอธิบายข้อกำหนดของ ATE โดยย่อ จากนั้นจะแนะนำรีเลย์มอสเฟตโวล่าเซลล์ประเภทต่าง ๆ จาก SSR ซีรีส์ PhotoMOS ของ Panasonic และเน้นความแตกต่างในด้านรูปทรงของส่วนประกอบและคุณลักษณะการสวิตช์ นอกจากนั้นยังนำเสนอเคล็ดลับการออกแบบสำหรับการเร่งการเปิด/ปิดและลดกระแสรั่วไหลเฉพาะของ PhotoMOS

ความหนาแน่นการบรรจุสูงและเส้นทางสัญญาณระยะสั้น

เครื่องมือทดสอบไอซีอัตโนมัติทำการติดต่อกับอุปกรณ์ที่อยู่ระหว่างการทดสอบ (DUT) โดยใช้อะแดปเตอร์เข็มที่อัดแน่น (การ์ดโพรบ) เพื่อทดสอบการทำงาน โดยโมดูลในหัวทดสอบจะสร้างและกระจายพัลส์ทดสอบความเร็วสูง จ่ายแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสม และสลับช่องการวัด ซึ่งการทดสอบทุกครั้งจะต้องเกิดขึ้นในพื้นที่จำกัดเพื่อลดการสูญเสียของสายไฟ เวลาการแพร่กระจายของสัญญาณ การรบกวน และครอสทอล์คของช่องสัญญาณ

สำหรับงานนี้ นักออกแบบสามารถใช้อุปกรณ์สวิตชิ่งขนาดเล็ก เช่น รีเลย์ AQ series ของ Panasonic ตัวอย่างเช่น PhotoMOS SSR รุ่น AQY2C1R6PX ประเภท CC ที่ควบคุมแรงดันไฟฟ้า มาในแพ็คเกจ TSON ซึ่งครอบคลุมพื้นที่ 3.51 ตารางมิลลิเมตร (mm²) (1.95 × 1.80 มม.) (รูปที่ 1) ซึ่งอุปกรณ์รุ่นนี้ใช้คัปปลิ้งแบบคาปาซิทีฟเพื่อให้การป้องกันการแยก 200 โวลต์ และควบคุมแรงดันไฟฟ้า โดยต้องใช้กำลังควบคุมเพียง 1.2 มิลลิวัตต์ (mW)

รูปที่ 1: แสดงเป็นขนาดตัวเครื่องสำหรับรีเลย์ PhotoMOS สัญญาณขนาดเล็ก AQ ซีรี่ส์ โดยขนาดที่แสดงมีหน่วยเป็นมิลลิเมตร (แหล่งที่มาภาพ: Panasonic ดัดแปลงโดยผู้เขียน)

รีเลย์ PhotoMOS ประเภท RF ที่ควบคุมกระแสไฟฟ้า AQY221R6TW มีขนาดเล็กเพียง 3.8 มม.² แต่เคส VSSOP นั้นสูงกว่า AQY2C1R6PX ถึง 3.6 เท่า ซึ่งใช้กำลังควบคุมเพียง 75 mW และใช้การเชื่อมต่อแบบออปติคัลเพื่อให้การแยกการป้องกัน 200 โวลต์ กระแสไฟรั่ว (I_Leak) ของประเภท CC และ RF ต่ำมากเพียง 10 นาโนแอมแปร์ (nA)

รูปที่ 2 แสดงหลักการวงจรของรีเลย์ประเภท CC พร้อมคัปปลิ้งแบบคาปาซิทีฟ (ซ้าย) และประเภท RF พร้อมคัปปลิ้งแบบออปติคอล (ขวา)

รูปที่ 2: PhotoMOS SSR รุ่น AQY2C1R6PX ประเภท CC (ซ้าย) ใช้การเชื่อมต่อแบบคาปาซิทีฟและขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้า โดย AQY221R6TW ประเภท RF (ขวา) ใช้การเชื่อมต่อแบบออปติคัลและขับเคลื่อนด้วยกระแสไฟฟ้า (แหล่งที่มาภาพ: Panasonic ดัดแปลงโดยผู้เขียน)

AQV214EHAX ประเภท GE ยังใช้การเชื่อมต่อแบบออปติคอลและให้ฉนวนป้องกันที่สูงขึ้นอย่างมากถึง 5 กิโลโวลต์ (kV) ระหว่างวงจรควบคุม (IN) และวงจรโหลด (OUT) มาในแพ็คเกจ 6-SMD ที่ใหญ่กว่าซึ่งมีขนาด 8.8 มม. x 6.4 มม. พร้อมสายแบบปีกนก SSR จากซีรีส์ GE ต้องใช้กำลังควบคุมเพียง 75 mW กระแสโหลดสวิตช์สูงถึง 150 mA ที่สูงสุด 400 โวลต์

การปรับความต้านทานการสัมผัสและความจุเอาต์พุตให้เหมาะสม

ปกติแล้วสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ SSR มีความต้านทาน "สถานะ On" (R_on) และความจุเอาต์พุต (C_out) ที่ทำให้เกิดการสูญเสียความร้อนและกระแสไฟรั่วตามลำดับ ซึ่งรีเลย์ประเภทต่างๆ จะปรับให้เหมาะสมสำหรับค่าใดค่าหนึ่ง ขึ้นอยู่กับชนิดของสัญญาณที่จะสวิตช์

ประเภท SSR ที่มี R_on ต่ำเป็นพิเศษทำให้เกิดการลดทอนน้อยลงเมื่อสลับพัลส์ทดสอบ AC ความถี่สูง SSR ที่มี C_out ต่ำ ช่วยให้การวัดสัญญาณ DC แม่นยำยิ่งขึ้น ในขณะที่ประเภทที่มีค่า C_out สูงเหมาะสำหรับการสวิตช์ระดับพลังงานที่สูงขึ้น โดยรูปที่ 3 แสดงระบบการทดสอบเซมิคอนดักเตอร์อัตโนมัติ และแสดงให้เห็นว่ารีเลย์ PhotoMOS ประเภทใดที่เหมาะสมที่สุดกับเส้นทางสัญญาณต่างๆ ในโมดูลการวัดของหัวทดสอบ

รูปที่ 3: แต่ละเส้นทางสัญญาณของระบบทดสอบเซมิคอนดักเตอร์อัตโนมัตินี้ต้องใช้รีเลย์ประเภท PhotoMOS ที่เฉพาะเจาะจง (แหล่งที่มาภาพ: พานาโซนิค)

รีเลย์ PhotoMOS รุ่น AQY2C1R3PZ และ AQY221N2TY มี C_out ต่ำเท่ากับ 1.2 และ 1.1 พิโกฟารัด (pF) ตามลำดับ ซึ่งช่วยให้สามารถเปิดและปิดได้สูงสุด 10 และ 20 ไมโครวินาที (µs) (AQY2C1R3PZ) และ 10 และ 30 µs (AQY221N2TY) การแลกเปลี่ยนสำหรับรีเลย์ทั้งสองจะเพิ่มขึ้น R_on 10.5 และ 9.5 Ω ตามลำดับ ส่งผลให้สูญเสียมากขึ้นและให้ความร้อนแก่ส่วนประกอบ รีเลย์ PhotoMOS เหล่านี้เหมาะสำหรับการสวิชต์สัญญาณการวัดอย่างรวดเร็วด้วยการไหลของกระแสต่ำ และทำให้เกิดการสะท้อน/การเปลี่ยนเฟสน้อยลงด้วยสัญญาณความถี่สูง

AQY2C1R6PX และ AQY221R6TW ที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้เหมาะสำหรับสัญญาณไฟสวิตชิ่งที่ช้าลงและแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายที่มีกระแสสูงกว่า ในขณะที่ R_on ต่ำกว่า ทำให้ส่วนประกอบร้อนน้อยลง และ C_out ที่มากกว่ามีผลต่อสัญญาณ

ลดการบิดเบือนของสัญญาณให้เหลือน้อยที่สุด

เซมิคอนดักเตอร์รีเลย์ที่เป็นเพียงสวิตช์เปิด/ปิดธรรมดาเท่านั้น (1 รูปแบบ A) คือตัวอย่างของโฟโตไทรแอกสำหรับสัญญาณ AC หรือออปโตคัปเปลอร์ที่มีทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์สำหรับการส่งสัญญาณ DC แบบพัลซิ่ง โดยอุปกรณ์เหล่านี้ทำให้เกิดการบิดเบือนในสัญญาณโหลดเนื่องจากค่าขีดจำกัด แรงดันไฟฟ้าในการจุดระเบิด และความล่าช้าในการสวิตช์ นอกจากนี้ กระแสการกู้คืนแบบย้อนกลับสามารถสร้างฮาร์มอนิกเกิน (ริงกิ้ง) และกระแสรั่วไหลได้ตั้งแต่ 10 ถึง 100 มิลลิแอมแปร์ (mA)

ฮาล์ฟบริดจ์ FET พร้อมวงจรไดรเวอร์ในรีเลย์ PhotoMOS ของ Panasonic ช่วยลดความผิดเพี้ยนของสัญญาณเหล่านี้ได้ จึงเหมาะสำหรับการสวิตช์สัญญาณขนาดเล็ก AC และ DC ที่มีการสูญเสียต่ำ เช่น พัลส์ทดสอบความเร็วสูง สัญญาณการวัด และแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่าย เมื่อปิดสวิตช์ กระแสรั่วไหลระหว่างการเชื่อมต่อ OUT ทั้งสองจุดจะต่ำกว่า 1 ไมโครแอมแปร์ (µA)

รีเลย์ PhotoMOS มีในรูปแบบ A (ขั้วเดียวทางเดียว, หน้าสัมผัสปกติเปิด (SPST-NO)) หรือรูปแบบ B (หน้าสัมผัสปิดปกติ, SPST-NC) โดยนักออกแบบสามารถสร้างสวิตช์รูปแบบ C เช่น ขั้วเดี่ยวทางคู่ (SPDT); สวิตช์เปลี่ยนขั้วเดี่ยว และสวิตช์แบบขั้วคู่ทางคู่ (DPDT) โดยการรวมอุปกรณ์รูปแบบ A และรูปแบบ B

ตัวอย่างเช่น AQS225R2S คือรีเลย์ PhotoMOS สี่ตัว (4SPST-NO) ในโครงสร้าง SOP16 ที่สามารถรองรับกระแสสูงสุด 70 mA ที่แรงดันไฟฟ้าสวิตชิ่งสูงถึง 80 โวลต์ นอกจากนี้ AQW214SX เป็นรีเลย์ PhotoMOS คู่ (2SPST-NO) ในโครงสร้าง SOP8 ที่สามารถรองรับกระแสโหลดสูงถึง 80 mA ที่แรงดันไฟฟ้าสวิตชิ่งสูงถึง 400 โวลต์

รูปที่ 4 แสดงโครงสร้างภายในของ SSR, PhotoMOS และโฟโตคัปเปลอร์ พร้อมด้วยการบิดเบือนสัญญาณโดยทั่วไป รีเลย์ PhotoMOS ไม่ทำให้เกิดการตัดสัญญาณหรือการบิดเบือนที่คล้ายกันกับโหลดโอห์มมิก

รูปที่ 4: SSR และโฟโตคัปเปลอร์ทำให้เกิดการบิดเบือนในสัญญาณเอาท์พุตเนื่องจากเกณฑ์และแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ในการสตาร์ท โดยรีเลย์ PhotoMOS จะสวิตช์สัญญาณ AC และ DC โดยไม่มีการบิดเบือน (แหล่งที่มาภาพ: Panasonic ดัดแปลงโดยผู้เขียน)

เพื่อลดผลกระทบฟีดแบ็คของโหลดสวิตชิ่งแบบเหนี่ยวนำและแบบคาปาซิทีฟ ซึ่งเป็นการปกป้องระยะเอาท์พุตของ PhotoMOS ผู้ออกแบบจะต้องเพิ่มแคลมป์และไดโอดแบบหมุนอิสระ ฟิลเตอร์ RC และ LC หรือวาริสเตอร์ที่ด้านเอาท์พุต ในซีรีส์ CC แคลมป์ไดโอดจะปกป้องออสซิลเลเตอร์อินพุตจากจุดสูงสุดของแรงดันไฟฟ้าเกิน และจำกัดสัญญาณควบคุมไว้ที่ 3 โวลต์ถึง 5.5 โวลต์ ในขณะที่ตัวกรอง RC รับประกันการกระเพื่อมตกค้างที่น้อยกว่า ±0.5 โวลต์

ลดกระแสรั่วไหล

C_out ของรีเลย์ PhotoMOS ทำหน้าที่เป็นทางบายพาสสำหรับกระแสสลับและลำดับพัลส์ที่มีความถี่สูงกว่าเมื่อรีเลย์ถูกตัดพลังงาน เพื่อลดกระแสรั่วไหลดังกล่าวและเพิ่มการแยกตัวที่ความถี่สูงให้สูงสุด Panasonic ขอแนะนำให้ใช้รีเลย์ PhotoMOS สามตัวแยกกันในรูปแบบของวงจร T (รูปที่ 5 ซ้าย) ในเส้นทางสัญญาณหลัก รีเลย์ PhotoMOS Form A 1 สองตัว S1 และ S2 มีค่า R_on ต่ำ ชนิดในขณะที่ประเภท C_out ต่ำ ทำให้เกิดสวิตช์ลัดวงจรรูปแบบ 1 รูปแบบ A S3

รูปที่ 5: เมื่อ S1 และ S2 ถูกตัดพลังงาน รีเลย์ S3 ที่เปิดใช้งานจะทำหน้าที่เป็นไฟฟ้าลัดวงจรสำหรับกระแสรั่วไหลทั้งหมด (สถานะ T-circuit OFF ด้านขวา) (แหล่งที่มาภาพ: Panasonic ดัดแปลงโดยผู้เขียน)

สถานะ T-circuit ON (รูปที่ 5 ตรงกลาง): ในกรณีที่ S1 และ S2 เปิดอยู่ R_on ลดทอนระดับสัญญาณให้น้อยที่สุดในขณะที่ C_out ต่ำ จากรีเลย์ S3 ที่ปิดอยู่จะลดทอนความถี่สูงเล็กน้อย (ความถี่ต่ำ)

สถานะ T-circuit OFF (รูปที่ 5 ขวา): ถ้า S1 และ S2 ถูกตัดพลังงาน C_out แสดงบายพาสสำหรับความถี่สูง (ผ่านสูง) แต่รีเลย์ S3 ที่เปิดอยู่ลัดวงจรสัญญาณที่ส่งผ่านความจุ S1 (วงจรดูด)

จังหวะเปิด/ปิดของวงจร T จะถูกนำมาใช้เป็นสวิตช์ Break Before Make (BBM) ดังนั้น ควรปิดใช้งาน S1 และ S2 ก่อนที่จะเปิด S3 สำหรับรีเลย์ BBM หมายความว่าหน้าสัมผัสสลับแยกกัน ในขณะที่ Make Before Break (MBB) หมายความว่าเป็นการสวิชต์ในลักษณะบริดจ์

การสวิชต์รีเลย์ PhotoMOS เร็วขึ้น

โฟโตเซ็นเซอร์ภายในของรีเลย์ PhotoMOS ทำงานเป็นเซลล์แสงอาทิตย์และจ่ายกระแสไฟชาร์จให้กับเกต ด้วยเหตุนี้ พัลส์แสงที่สว่างกว่าจาก LED จะเพิ่มความเร็วในการสวิตช์ ตัวอย่างเช่น องค์ประกอบบูตสแตรป R1/R2/C1 ในรูปที่ 6 จะสร้างพัลส์กระแสที่สูงกว่า

รูปที่ 6: องค์ประกอบบูตสแตรป R1/R2/C1 จะเพิ่มความเร็วในการเปิดสวิตช์ของรีเลย์ PhotoMOS (แหล่งที่มาภาพ: พานาโซนิค)

C1 ทำหน้าที่เป็นไฟฟ้าลัดวงจรสำหรับ R2 ในขณะที่เปิดสวิตช์ ดังนั้นความต้านทานต่ำของ R1 จึงทำให้กระแสไหลสูงได้ หากชาร์จ C1 และมีความต้านทานสูง จะมีการเพิ่ม R2 เข้าไป ซึ่งจะช่วยลดการไหลของกระแสไฟฟ้าที่ค้างไว้ เช่นเดียวกับรีเลย์แม่เหล็ก รีเลย์ PhotoMOS AQV204 จึงลดเวลาเปิดสวิตช์จาก 180 µs เหลือ 30 µs

สรุป

ด้วยการใช้รีเลย์ PhotoMOS ขนาดเล็กที่ไร้การสึกหรอ ผู้ออกแบบสามารถปรับปรุงความหนาแน่นของสัญญาณและความเร็วในการวัดของแอปพลิเคชัน ATE ในขณะที่ลดความจำเป็นในการบำรุงรักษา นอกจากนี้ การปฏิบัติตามเทคนิคการออกแบบที่แนะนำสามารถช่วยลดกระแสรั่วไหลและเวลาในการเปลี่ยนได้