Como usar SSRs para equipamentos de teste automatizado de semicondutores confiáveis, de comutação rápida e de baixa perda

Os circuitos integrados (CIs) são mais procurados do que nunca porque reduzem os custos de desenvolvimento de hardware, promovem a miniaturização de dispositivos eletrônicos e oferecem uma ampla variedade de funções. Para garantir a qualidade de grandes lotes de produção, os fabricantes de semicondutores precisam de equipamentos de teste automatizados (ATE) confiáveis e compactos que possam alternar rapidamente correntes CA e CC de alta frequência com níveis de sinal baixos e altos e perda mínima.

Os relés de estado sólido (SSRs) baseados em MOSFETs fotovoltaicos são ideais para testadores de CI e aplicações ATE. Seu tamanho em miniatura e suas propriedades sem desgaste são particularmente interessantes.

Este artigo discute brevemente os requisitos de ATE. Em seguida, apresenta diferentes tipos de relés MOSFET fotovoltaicos dos SSRs da série PhotoMOS da Panasonic e destaca suas diferenças na geometria dos componentes e nas características de comutação. As dicas de projeto para a comutação acelerada de liga/desliga e a redução das correntes de fuga específicas do PhotoMOS encerram o tópico.

Alta densidade de empacotamento e caminhos de sinal curtos

Um testador de CI automatizado faz contato com o dispositivo em teste (DUT) usando adaptadores de agulha densamente compactados (placas de sonda) para realizar testes funcionais. Os módulos no cabeçote de teste geram e distribuem pulsos de teste de alta velocidade, fornecem tensões apropriadas e alternam os canais de medição. Todo teste deve ocorrer em um espaço confinado para minimizar as perdas de linha, os tempos de propagação do sinal, a interferência e a diafonia do canal.

Para essa tarefa, os projetistas podem usar elementos de comutação de pequeno formato, como os relés da série AQ da Panasonic. Por exemplo, o SSR PhotoMOS tipo CC controlado por tensão AQY2C1R6PX vem em um invólucro TSON que ocupa 3,51 milímetros quadrados (mm²) (1,95 × 1,80 mm) (Figura 1). Ele usa acoplamento capacitivo para fornecer proteção de isolação de 200 volts e é controlado por tensão, exigindo apenas 1,2 miliwatt (mW) de potência de controle.

Figura 1: São mostradas as dimensões do alojamento dos relés PhotoMOS de pequeno sinal da série AQ; as dimensões estão em milímetros. (Fonte da imagem: Panasonic, modificada pelo autor)

O relé PhotoMOS do tipo RF controlado por corrente AQY221R6TW tem uma pegada de 3,8 mm², mas seu alojamento VSSOP é 3,6 vezes mais alto que o AQY2C1R6PX. Ele requer apenas 75 mW de potência de controle e usa acoplamento óptico para fornecer 200 volts de isolação de proteção. A corrente de fuga (I_Leak) dos tipos CC e RF é muito baixa, com 10 nanoamperes (nA).

A Figura 2 mostra o princípio do circuito dos relés do tipo CC com acoplamento capacitivo (esquerda) e do tipo RF com acoplamento óptico (direita).

Figura 2: O SSR PhotoMOS do tipo CC AQY2C1R6PX (à esquerda) usa acoplamento capacitivo e é acionado por tensão; o tipo RF AQY221R6TW (à direita) usa acoplamento óptico e é acionado por corrente. (Fonte da imagem: Panasonic, modificada pelo autor)

O tipo GE AQV214EHAX também usa acoplamento óptico e oferece isolação de proteção significativamente maior, de até 5 quilovolts (kV), entre o circuito de controle (IN) e o circuito de carga (OUT). Ele é fornecido em um invólucro 6-SMD maior que mede 8,8 mm x 6,4 mm com condutores em forma de asa de gaivota. Exigindo apenas 75 mW de potência de controle, os SSRs da série GE comutam correntes de carga de até 150 mA a um máximo de 400 volts.

Otimização da resistência de contato e da capacitância de saída

Como é típico dos semicondutores, os SSRs têm uma resistência "ligada” ou de saturação (R_on) e uma capacitância de saída (C_out) que causam perda de calor e corrente de fuga, respectivamente. Diferentes tipos de relés são otimizados para um ou outro, dependendo do tipo de sinal a ser comutado.

Os tipos de SSR com um R_on particularmente baixo causam menos atenuação ao comutar pulsos de teste de CA de alta frequência. Os SSRs com um C_out baixo permitem medições mais precisas para sinais CC, enquanto os tipos com um C_out alto são adequados para a comutação de níveis de potência mais altos. A Figura 3 mostra um sistema automatizado de teste de semicondutores e ilustra quais tipos de relés PhotoMOS são mais adequados para vários caminhos de sinal no módulo de medição do cabeçote de teste.

Figura 3: Cada caminho de sinal desse sistema automatizado de teste de semicondutores requer um tipo específico de relé PhotoMOS. (Fonte da imagem: Panasonic)

Os relés PhotoMOS AQY2C1R3PZ e AQY221N2TY apresentam um C_out baixo de 1,2 e 1,1 picofarad (pF), respectivamente. Isso permite que eles sejam ligados e desligados em até 10 e 20 microssegundos (µs) (AQY2C1R3PZ) e 10 e 30 µs (AQY221N2TY). A desvantagem de ambos os relés é o aumento do valor R_on, 10,5 e 9,5 Ω, respectivamente, resultando em maiores perdas e aquecimento dos componentes. Esses relés PhotoMOS são bons para comutar rapidamente sinais de medição com baixo fluxo de corrente e geram menos reflexão/deslocamento de fase com sinais de alta frequência.

O AQY2C1R6PX e o AQY221R6TW discutidos anteriormente são mais adequados para sinais de potência de comutação mais lenta e tensões de alimentação com correntes mais altas. Embora seu valor R_on mais baixo cause menos aquecimento dos componentes, seu valor C_out maior tem um efeito integrador nos sinais.

Minimização da distorção do sinal

Os relés semicondutores que representam apenas uma chave liga/desliga simples (1 forma A) são exemplos de fototriacs para sinais CA ou optoacopladores com transistores bipolares para sinais CC pulsantes. Esses dispositivos causam distorções no sinal de carga devido ao limiar, às tensões de ignição e aos atrasos de comutação. Além disso, as correntes de recuperação reversa podem gerar sobressinais harmônicos (oscilação) e correntes de fuga de 10 a 100 miliamperes (mA).

A meia-ponte FET com circuito acionador nos relés PhotoMOS da Panasonic minimiza essas distorções de sinal, o que os torna adequados para a comutação de baixa perda de pequenos sinais CA e CC, como pulsos de teste de alta velocidade, sinais de medição e tensões de alimentação. Quando desligado, as correntes de fuga entre as duas conexões OUT ficam abaixo de 1 microampere (µA).

Os relés PhotoMOS estão disponíveis na forma A (contato normalmente aberto, de polo único e curso único (SPST-NA)) ou na forma B (contato normalmente fechado, SPST-NF), e como múltiplos. Os projetistas podem criar chaves da forma C, como as de polo único e curso duplo (SPDT), chaves de comutação de polo único e chaves de polo duplo e curso duplo (DPDT), combinando dispositivos das formas A e B.

Por exemplo, o AQS225R2S é um relé PhotoMOS quádruplo (4SPST-NA) em um alojamento SOP16 que pode suportar um máximo de 70 mA em tensões de comutação de até 80 volts. Além disso, o AQW214SX é um relé PhotoMOS duplo (2SPST-NA) em um alojamento SOP8 que pode suportar correntes de carga de até 80 mA em tensões de comutação de até 400 volts.

A Figura 4 mostra a estrutura interna de um SSR, PhotoMOS e um fotoacoplador, com suas distorções de sinal típicas. Os relés PhotoMOS não causam corte de sinal ou distorções semelhantes em cargas ôhmicas.

Figura 4: Os SSRs e fotoacopladores causam distorções no sinal de saída devido às tensões de limiar e de ignição; os relés PhotoMOS comutam sinais CA e CC sem distorção. (Fonte da imagem: Panasonic, modificada pelo autor)

Para atenuar o efeito de realimentação das cargas de comutação indutivas e capacitivas, protegendo assim o estágio de saída PhotoMOS, os projetistas devem adicionar diodos de grampeamento e de supressão, filtros RC e LC ou varistores no lado da saída. Na série CC, os diodos de grampeamento protegem o oscilador de entrada contra picos de sobretensão e limitam o sinal de controle a 3-5,5 volts, enquanto os filtros RC garantem uma ondulação residual inferior a ±0,5 volts.

Redução das correntes de fuga

O C_out dos relés PhotoMOS serve como um bypass para correntes alternadas e sequências de pulsos de frequência mais alta quando o relé é desenergizado. Para reduzir significativamente essas correntes de fuga e maximizar a isolação em altas frequências, a Panasonic recomenda o uso de três relés PhotoMOS separados na forma de um circuito em T (Figura 5, à esquerda). No caminho do sinal principal, os dois relés PhotoMOS 1 Forma A, S1 e S2, são do tipo R_on de valor baixo, enquanto um tipo C_out de valor baixo forma a chave de curto-circuito 1 Forma A, S3.

Figura 5: Quando S1 e S2 são desenergizados, o relé S3 ligado atua como um curto-circuito para todas as correntes de fuga (estado desligado do circuito T, à direita). (Fonte da imagem: Panasonic, modificada pelo autor)

Estado ON do circuito T (Figura 5, centro): no caso de S1 e S2 ligados, o R_on deles atenua minimamente o nível do sinal, enquanto o C_out de valor baixo do relé S3 desligado atenua ligeiramente as altas frequências (passa-baixa).

Estado OFF do circuito T (Figura 5, à direita): se S1 e S2 estiverem desenergizados, o C_out deles representa um desvio para altas frequências (passa-alta), mas o relé S3 ligado provoca um curto-circuito nos sinais passados de forma capacitiva por S1 (circuito de sucção).

A temporização ON/OFF do circuito T deve ser implementada como uma chave BBM (abrir antes de fechar). Dessa forma, S1 e S2 devem ser desativados antes de S3 ser ligado. No caso dos relés, o BBM significa que os contatos são comutados separadamente, enquanto que o MBB (fechar antes de abrir) significa que eles são comutados em ponte.

Comutação mais rápida dos relés PhotoMOS

O fotossensor interno do relé PhotoMOS funciona como uma célula solar e fornece a corrente de carga da porta. Dessa forma, um pulso de luz mais brilhante do LED aumenta a velocidade de comutação. Por exemplo, o elemento de bootstrap R1/R2/C1 na Figura 6 gera um pulso de corrente mais alta.

Figura 6: O elemento de bootstrap R1/R2/C1 aumenta a velocidade de ativação do relé PhotoMOS. (Fonte da imagem: Panasonic)

C1 atua como um curto-circuito para R2 no momento da ativação, de modo que a baixa resistência de R1 permite o fluxo de uma alta corrente. Se C1 estiver carregado e tiver uma alta resistência, R2 será adicionado, reduzindo o fluxo para a corrente de retenção, como nos relés magnéticos. Assim, o relé PhotoMOS AQV204 reduz seu tempo de ativação de 180 µs para 30 µs.

Conclusão

Com o uso de relés PhotoMOS pequenos e sem desgaste, os projetistas podem melhorar a densidade do sinal e a velocidade de medição nas aplicações de ATE e, ao mesmo tempo, reduzir as necessidades de manutenção. Além disso, seguir as técnicas de projeto recomendadas pode ajudar a minimizar as correntes de fuga e os tempos de comutação.