Einsatz von SSRs für zuverlässige, schnell schaltende, verlustarme automatisierte Testausrüstungen für Halbleiter

Integrierte Schaltkreise (ICs) sind gefragter denn je, denn sie senken die Hardware-Entwicklungskosten, fördern die Miniaturisierung elektronischer Komponenten und bieten eine breite Palette an Funktionen. Um die Qualität großer Produktionschargen zu gewährleisten, benötigen Halbleiterhersteller zuverlässige und kompakte automatisierte Testanlagen (ATE), die schnell hochfrequente Wechsel- und Gleichströme mit niedrigen und hohen Signalpegeln und minimalem Verlust schalten können.

Halbleiterrelais (SSRs) auf der Basis von Photovoltaik-MOSFETs sind ideal für IC-Tester und ATE-Anwendungen. Besonders interessant sind ihre Miniaturgröße und ihre verschleißfreien Eigenschaften.

In diesem Artikel wird kurz auf die ATE-Anforderungen eingegangen. Anschließend werden verschiedene Typen von Photovoltaik-MOSFET-Relais aus der PhotoMOS-Serie von Panasonic vorgestellt und ihre Unterschiede in der Bauteilgeometrie und den Schalteigenschaften hervorgehoben. Entwicklungstipps für beschleunigtes Ein-/Ausschalten und die Reduzierung der PhotoMOS-spezifischen Leckströme schließen das Thema ab.

Hohe Packungsdichte und kurze Signalwege

Ein automatisierter IC-Tester kontaktiert das zu prüfende Bauteil (DUT) mit dicht gepackten Nadeladaptern, um Funktionstests durchzuführen. Die Module im Testkopf erzeugen und verteilen Highspeed-Prüfimpulse, liefern entsprechende Spannungen und schalten Messkanäle. Jeder Test muss in einem begrenzten Raum stattfinden, um Leitungsverluste, Signallaufzeiten, Störungen und Kanalübersprechen zu minimieren.

Für diese Aufgabe können kleinformatige Schaltelemente wie die Relais der AQ-Serie von Panasonic verwendet werden. Das spannungsgesteuerte PhotoMOS-SSR AQY2C1R6PX des Typs CC beispielsweise wird in einem TSON-Gehäuse geliefert, das 3,51 Quadratmillimeter (mm²) (1,95 × 1,80 mm) einnimmt (Abbildung 1). Er nutzt kapazitive Kopplung, um einen 200-Volt-Isolationsschutz zu bieten, und ist spannungsgesteuert, was nur 1,2 Milliwatt (mW) an Steuerleistung erfordert.

Abbildung 1: Abgebildet sind die Gehäuseabmessungen für die Kleinsignal-PhotoMOS-Relais der AQ-Serie; die Abmessungen sind in Millimetern angegeben. (Bildquelle: Panasonic, modifiziert vom Autor)

Das stromgesteuerte HF-PhotoMOS-Relais AQY221R6TW hat eine kleine Grundfläche von 3,8 mm², aber sein VSSOP-Gehäuse ist 3,6-mal so hoch wie das des AQY2C1R6PX. Es benötigt nur 75 mW an Steuerleistung und nutzt optische Kopplung, um eine Schutzisolierung von 200 Volt zu gewährleisten. Der Leckstrom (I_Leak) der CC- und HF-Typen ist mit 10 Nanoampere (nA) sehr gering.

Abbildung 2 zeigt das Schaltungsprinzip von CC-Relais mit kapazitiver Kopplung (links) und von HF-Relais mit optischer Kopplung (rechts).

Abbildung 2: Das PhotoMOS-SSR AQY2C1R6PX (Typ CC, links) verwendet kapazitive Kopplung und ist spannungsgesteuert; der HF-Typ AQY221R6TW (rechts) verwendet optische Kopplung und ist stromgesteuert. (Bildquelle: Panasonic, modifiziert vom Autor)

Der GE-Typ AQV214EHAX arbeitet ebenfalls mit optischer Kopplung und bietet eine deutlich höhere Schutzisolierung von bis zu 5 Kilovolt (kV) zwischen dem Steuerkreis (IN) und dem Lastkreis (OUT). Er wird in einem größeren 6-SMD-Gehäuse mit den Maßen 8,8 mm x 6,4 mm und abgeknickten Pins geliefert. Die SSRs der GE-Serie benötigen nur 75 mW Steuerleistung und schalten Lastströme von bis zu 150 mA bei maximal 400 Volt.

Optimierung von Kontaktwiderstand und Ausgangskapazität

Wie bei Halbleitern üblich, haben SSRs einen Durchlasswiderstand (R_on) und eine Ausgangskapazität (C_out) , die Wärmeverluste bzw. Leckströme verursachen. Verschiedene Relaistypen sind je nach Art des zu schaltenden Signals für das eine oder das andere optimiert.

SSR-Typen mit einem besonders niedrigen R_on bewirken eine geringere Dämpfung beim Schalten hochfrequenter AC-Testimpulse. Halbleiterrelais mit niedrigem C_out ermöglichen genauere Messungen für Gleichstromsignale, während Typen mit hohem C_out zum Schalten höherer Leistungen geeignet sind. Abbildung 3 zeigt ein automatisiertes Halbleitertestsystem und veranschaulicht, welche PhotoMOS-Relaistypen am besten für verschiedene Signalpfade im Messmodul des Testkopfs geeignet sind.

Abbildung 3: Jeder Signalpfad dieses automatisierten Halbleitertestsystems erfordert einen bestimmten PhotoMOS-Relaistyp. (Bildquelle: Panasonic)

Die PhotoMOS-Relais AQY2C1R3PZ und AQY221N2TY weisen einen niedrigen C_out-Wert von 1,2 bzw. 1,1 Picofarad (pF) auf. Dadurch können sie mit einer Verzögerung von bis zu 10 und 20 Mikrosekunden (µs) (AQY2C1R3PZ) bzw. 10 und 30 µs (AQY221N2TY) ein- und ausgeschaltet werden. Der Kompromiss für beide Relais ist ein erhöhter R_on, 10,5 Ω bzw. 9,5 Ω, was zu höheren Verlusten und zur Erwärmung der Bauteile führt. Diese PhotoMOS-Relais eignen sich gut zum schnellen Schalten von Messsignalen mit geringem Stromfluss und erzeugen weniger Reflexionen/Phasenverschiebungen bei hochfrequenten Signalen.

Die bereits erwähnten AQY2C1R6PX und AQY221R6TW sind eher für langsamer schaltende Leistungssignale und Versorgungsspannungen mit höheren Strömen geeignet. Während ihr geringerer R_on eine geringere Erwärmung der Bauteile bewirkt, hat ihr größerer C_out einen Integrator-Effekt auf die Signale.

Minimierung der Signalverzerrung

Halbleiterrelais, die nur einen einfachen Ein/Aus-Schalter darstellen (1 Form A), sind zum Beispiel Phototriacs für Wechselstromsignale oder Optokoppler mit bipolaren Transistoren für pulsierende Gleichstromsignale. Diese Bauteile verursachen aufgrund von Schwellenwerten, Zündspannungen und Schaltverzögerungen Verzerrungen im Lastsignal. Darüber hinaus können Rückspeiseströme Oberwellenüberschwinger (Klingeln) und Leckströme von mehreren 10 bis 100 Milliampere (mA) erzeugen.

Die FET-Halbbrücke mit Treiberschaltung in den PhotoMOS-Relais von Panasonic minimiert diese Signalverzerrungen und eignet sich daher zum verlustarmen Schalten von kleinen Wechsel- und Gleichstromsignalen wie Highspeed-Testimpulsen, Messsignalen und Versorgungsspannungen. Im ausgeschalteten Zustand liegen die Leckströme zwischen den beiden OUT-Anschlüssen unter 1 Mikroampere (µA).

PhotoMOS-Relais sind in Form A (einpoliger Schließer (SPST-NO)) oder in Form B (Öffner, SPST-NC) erhältlich. Damit können Schalter der Form C, wie z. B. einpolige Umschalter (SPDT), einpolige Wechselschalter und zweipolige Umschalter (DPDT), durch Kombination von Bauteilen der Form A und der Form B erstellt werden.

Das AQS225R2S zum Beispiel ist ein Vierfach-PhotoMOS-Relais (4SPST-NO) in einem SOP16-Gehäuse, das maximal 70 mA bei Schaltspannungen bis zu 80 Volt verarbeiten kann. Das AQW214SX ist ein Zweifach-PhotoMOS-Relais (2SPST-NO) in einem SOP8-Gehäuse, das Lastströme bis zu 80 mA bei Schaltspannungen bis zu 400 Volt verarbeiten kann.

Abbildung 4 zeigt die interne Struktur eines SSR, eines PhotoMOS und eines Optokopplers sowie deren typische Signalverzerrungen. PhotoMOS-Relais verursachen keine abgeschnittenen Signale oder ähnliche Verzerrungen bei ohmschen Lasten.

Abbildung 4: SSRs und Optokoppler verursachen aufgrund von Schwellen- und Zündspannungen Verzerrungen im Ausgangssignal; PhotoMOS-Relais schalten AC- und DC-Signale ohne Verzerrung. (Bildquelle: Panasonic, modifiziert vom Autor)

Um den Rückkopplungseffekt von induktiven und kapazitiven Schaltlasten abzuschwächen und so die PhotoMOS-Ausgangsstufe zu schützen, müssen Klemm- und Freilaufdioden, RC- und LC-Filter oder Varistoren auf der Ausgangsseite hinzugefügt werden. Bei der CC-Serie schützen Klemmdioden den Eingangsoszillator vor Überspannungsspitzen und begrenzen das Steuersignal auf 3 Volt bis 5,5 Volt, während RC-Filter eine Restwelligkeit von weniger als ±0,5 Volt gewährleisten.

Reduzierung von Leckströmen

Der C_out von PhotoMOS-Relais dient als Bypass für Wechselströme und Impulsfolgen höherer Frequenz, wenn das Relais nicht erregt ist. Um solche Leckströme deutlich zu reduzieren und die Isolierung bei hohen Frequenzen zu maximieren, empfiehlt Panasonic die Verwendung von drei separaten PhotoMOS-Relais in Form einer T-Schaltung (Abbildung 5, links). Im Hauptsignalpfad sind die beiden 1-Form-A-PhotoMOS-Relais S1 und S2 Typen mit niedrigem R_on, während ein Typ mit niedrigem C_out den 1-Form-A-Kurzschlussschalter S3 bildet.

Abbildung 5: Wenn S1 und S2 stromlos sind, wirkt das eingeschaltete Relais S3 als Kurzschluss für alle Leckströme (T-Stromkreis im AUS-Zustand, rechts). (Bildquelle: Panasonic, modifiziert vom Autor)

T-Schaltkreis im EIN-Zustand (Abbildung 5, Mitte): Wenn S1 und S2 eingeschaltet sind, dämpft ihr R_on den Signalpegel minimal, während der niedrige C_out des ausgeschalteten S3-Relais die hohen Frequenzen leicht abschwächt (Tiefpass).

T-Schaltkreis im AUS-Zustand (Abbildung 5, rechts): Wenn S1 und S2 stromlos sind, stellt ihr C_out einen Bypass für hohe Frequenzen dar (Hochpass), aber das eingeschaltete S3-Relais schließt die durch S1 kapazitiv geleiteten Signale kurz (Saugkreis).

Das EIN/AUS-Timing des T-Stromkreises muss als nicht brückender (BBM, Break Before Make) Schalter implementiert werden. Daher sollten S1 und S2 deaktiviert werden, bevor S3 eingeschaltet wird. Bei Relais bedeutet BBM, dass die Kontakte einzeln umschalten, während MBB (brückend, Make Before Break) bedeutet, dass sie überbrückend umschalten.

PhotoMOS-Relais schneller schalten

Der interne Lichtsensor des PhotoMOS-Relais arbeitet wie eine Solarzelle und liefert den Gate-Ladestrom. So erhöht ein hellerer Lichtimpuls der LED die Schaltgeschwindigkeit. Das Bootstrap-Element R1/R2/C1 in Abbildung 6 erzeugt beispielsweise einen höheren Stromimpuls.

Abbildung 6: Das Bootstrap-Element R1/R2/C1 erhöht die Einschaltgeschwindigkeit des PhotoMOS-Relais. (Bildquelle: Panasonic)

C1 wirkt im Moment des Einschaltens als Kurzschluss für R2, so dass der niedrige Widerstand von R1 einen hohen Stromfluss ermöglicht. Wenn C1 aufgeladen ist und einen hohen Widerstand aufweist, wird R2 hinzugefügt, wodurch der Fluss zum Haltestrom reduziert wird, wie bei Magnetrelais. Das PhotoMOS-Relais AQV204 reduziert damit seine Einschaltzeit von 180 µs auf 30 µs.

Fazit

Durch den Einsatz kleiner, verschleißfreier PhotoMOS-Relais kann die Signaldichte und Messgeschwindigkeit von ATE-Anwendungen verbessert und gleichzeitig der Wartungsaufwand reduziert werden. Darüber hinaus können die empfohlenen Entwurfstechniken zur Minimierung von Leckströmen und Schaltzeiten beitragen.