Cómo utilizar los SSR para obtener equipos de pruebas automatizadas de semiconductores fiables, de conmutación rápida y bajas pérdidas

Los circuitos integrados (CI) son más demandados que nunca porque reducen los costos de desarrollo del hardware, favorecen la miniaturización de los dispositivos electrónicos y ofrecen una amplia gama de funciones. Para garantizar la calidad de los grandes lotes de producción, los fabricantes de semiconductores necesitan equipos de pruebas automatizados (ATE) fiables y compactos que puedan conmutar rápidamente corrientes de CA y CC de alta frecuencia con niveles de señal bajos y altos y pérdidas mínimas.

Los relés de estado sólido (SSR) basados en MOSFET fotovoltaicos son ideales para comprobadores de CI y aplicaciones ATE. Su tamaño en miniatura y sus propiedades antidesgaste son especialmente interesantes.

Este artículo analiza brevemente los requisitos de ATE. A continuación, presenta diferentes tipos de relés MOSFET fotovoltaicos de la serie PhotoMOS SSR de Panasonic y destaca sus diferencias en cuanto a geometría de componentes y características de conmutación. El tema concluye con consejos de diseño para acelerar el encendido/apagado y reducir las corrientes de fuga específicas de PhotoMOS.

Alta densidad de empaquetado y trayectos de señal cortos

Un comprobador de CI automatizado entra en contacto con el dispositivo sometido a prueba (DUT) mediante adaptadores de aguja densamente empaquetados (tarjetas de sonda) para realizar pruebas funcionales. Los módulos del cabezal de pruebas generan y distribuyen impulsos de prueba de alta velocidad, suministran los voltajes adecuados y conmutan los canales de medición. Todas las pruebas deben realizarse en un espacio reducido para minimizar las pérdidas de línea, los tiempos de propagación de la señal, las interferencias y la diafonía entre canales.

Para esta tarea, los diseñadores pueden utilizar elementos de conmutación de pequeño formato, como los relés de la serie AQ de Panasonic. Por ejemplo, el SSR PhotoMOS de tipo CC controlado por voltaje AQY2C1R6PX se presenta en un encapsulado TSON que ocupa 3.51 milímetros cuadrados (mm²) (1.95 × 1.80 mm) (Figura 1). Utiliza el acoplamiento capacitivo para proporcionar una protección de aislamiento de 200 voltios y está controlado por tensión, por lo que solo requiere 1.2 milivatios (mW) de potencia de control.

Figura 1: Se muestran las dimensiones de la carcasa de los relés PhotoMOS de pequeña señal de la serie AQ; dimensiones en milímetros. (Fuente de la imagen: Panasonic, modificado por el autor)

El relé PhotoMOS de tipo RF con control de intensidad AQY221R6TW ocupa poco espacio, 3.8 mm², pero su receptáculo VSSOP es 3.6 veces más alto que el AQY2C1R6PX. Requiere solo 75 mW de potencia de control y utiliza acoplamiento óptico para proporcionar 200 voltios de aislamiento de protección. La corriente de fuga (I_Leak) de los tipos CC y RF es muy baja, de 10 nanoamperios (nA).

La figura 2 muestra el principio de funcionamiento de los relés de tipo CC con acoplamiento capacitivo (izquierda) y de tipo RF con acoplamiento óptico (derecha).

Figura 2: El SSR PhotoMOS de tipo CC AQY2C1R6PX (izquierda) utiliza acoplamiento capacitivo y es accionado por tensión; el de tipo RF AQY221R6TW (derecha) utiliza acoplamiento óptico y es accionado por corriente. (Fuente de la imagen: Panasonic, modificado por el autor)

El tipo AQV214EHAX de GE también utiliza acoplamiento óptico y ofrece un aislamiento de protección significativamente mayor de hasta 5 kilovoltios (kV) entre el circuito de control (IN) y el circuito de carga (OUT). Se presenta en un encapsulado más grande de 6-SMD que mide 8.8 mm x 6.4 mm con terminales de ala de gaviota. Con solo 75 mW de potencia de control, los SSR de la serie GE conmutan corrientes de carga de hasta 150 mA a un máximo de 400 voltios.

Optimización de la resistencia de contacto y la capacitancia de salida

Como es típico en los semiconductores, los SSR tienen una resistencia de "encendido" (R_on) y una capacitancia de salida (C_out) que causan pérdida de calor y corriente de fuga, respectivamente. Los distintos tipos de relé se optimizan para uno u otro en función del tipo de señal a conmutar.

Los tipos de SSR con un R_on especialmente bajo causan menos atenuación al conmutar pulsos de prueba de CA de alta frecuencia. Los SSR con una C_out baja permiten mediciones más precisas para señales de CC, mientras que los tipos con una C_out alta son adecuados para conmutar niveles de potencia más altos. La figura 3 muestra un sistema automatizado de pruebas de semiconductores e ilustra qué tipos de relé PhotoMOS se adaptan mejor a las distintas rutas de señal en el módulo de medición del cabezal de pruebas.

Figura 3: Cada ruta de señal de este sistema automatizado de pruebas de semiconductores requiere un tipo de relé PhotoMOS específico. (Fuente de la imagen: Panasonic)

Los relés PhotoMOS AQY2C1R3PZ y AQY221N2TY presentan un bajo C_out de 1.2 y 1.1 picofaradios (pF), respectivamente. Esto les permite conectarse y desconectarse hasta en 10 y 20 microsegundos (µs) (AQY2C1R3PZ), y 10 y 30 µs (AQY221N2TY). La contrapartida para ambos relés es el aumento de R_on, 10.5 y 9.5 Ω, respectivamente, lo que se traduce en mayores pérdidas y calentamiento de componentes. Estos relés PhotoMOS son buenos para conmutar rápidamente señales de medición con bajo flujo de corriente, y generan menos reflexión/desplazamiento de fase con señales de alta frecuencia.

Los modelos AQY2C1R6PX y AQY221R6TW comentados anteriormente son más adecuados para señales de potencia de conmutación más lenta y voltajes de alimentación con corrientes más altas. Mientras que su menor R_on provoca un menor calentamiento de los componentes, su mayor C_out tiene un efecto integrador en las señales.

Minimización de la distorsión de la señal

Los relés semiconductores que solo representan un simple interruptor de encendido/apagado (1 forma A) son ejemplos de fototriacs para señales CA u optoacopladores con transistores bipolares para señales CC pulsantes. Estos dispositivos provocan distorsiones en la señal de carga debido al umbral, las tensiones de encendido y los retardos de conmutación. Además, las corrientes inversas de recuperación pueden generar sobrecrestas armónicas (zumbidos) y corrientes de fuga de varios 10 a 100 miliamperios (mA).

El transistor de medio puente FET con circuito controlador en los relés PhotoMOS de Panasonic minimiza estas distorsiones de señal, de ahí su idoneidad para la conmutación de bajas pérdidas de pequeñas señales de CA y CC, como pulsos de prueba de alta velocidad, señales de medición y voltajes de alimentación. Cuando está desconectado, las corrientes de fuga entre las dos conexiones OUT (salida) son inferiores a 1 microamperio (µA).

Los relés PhotoMOS están disponibles en forma A (unipolar, unidireccional, contacto normalmente abierto (SPST-NO)) o forma B (contacto normalmente cerrado, SPST-NC), y como múltiplos. Los diseñadores pueden construir interruptores de forma C, como los unipolares, de doble tiro (SPDT); conmutadores unipolares; e interruptores bipolares, de doble dirección (DPDT), combinando dispositivos de forma A y B.

Por ejemplo, el AQS225R2S es un relé PhotoMOS cuádruple (4SPST-NO) en una carcasa SOP16 que puede manejar un máximo de 70 mA a voltajes de conmutación de hasta 80 voltios. Además, el AQW214SX es un relé PhotoMOS dual (2SPST-NO) en una carcasa SOP8 que puede manejar corrientes de carga de hasta 80 mA a voltajes de conmutación de hasta 400 voltios.

La figura 4 muestra la estructura interna de un SSR, un PhotoMOS y un fotoacoplador, junto con sus distorsiones de señal típicas. Los relés PhotoMOS no provocan recortes de señal ni distorsiones similares en cargas óhmicas.

Figura 4: Los SSR y los fotoacopladores provocan distorsiones en la señal de salida debido a las tensiones de umbral y de encendido; los fotoMOS conmutan señales de CA y CC sin distorsión. (Fuente de la imagen: Panasonic, modificado por el autor)

Para atenuar el efecto de realimentación de las cargas de conmutación inductivas y capacitivas, protegiendo así la etapa de salida PhotoMOS, los diseñadores deben añadir diodos de pinza y libres, filtros RC y LC, o varistores en el lado de salida. En la serie CC, los diodos de pinza protegen el oscilador de entrada de los picos de sobretensión y limitan la señal de control de 3 voltios a 5.5 voltios, mientras que los filtros RC garantizan una ondulación residual inferior a ±0.5 voltios.

Reducción de las corrientes de fuga

El C_out de los relés PhotoMOS sirve como bypass para corrientes alternas y secuencias de pulsos de mayor frecuencia cuando el relé está desenergizado. Para reducir significativamente estas corrientes de fuga y maximizar el aislamiento a altas frecuencias, Panasonic recomienda utilizar tres relés PhotoMOS separados en forma de circuito en T (Figura 5, izquierda). En la ruta de la señal principal, los dos relés PhotoMOS de 1 forma A, S1 y S2, son de tipo R_on bajo, mientras que un tipo C_out bajo forma el interruptor de cortocircuito de 1 forma A, S3.

Figura 5: Cuando S1 y S2 están sin tensión, el relé S3 conectado actúa como cortocircuito para todas las corrientes de fuga (estado OFF (apagado) del circuito en T, derecha). (Fuente de la imagen: Panasonic, modificado por el autor)

Estado ON del circuito E (Figura 5, centro): En el caso de S1 y S2 conectados, su R_on atenúa mínimamente el nivel de señal, mientras que la baja C_out del relé S3 desconectado atenúa ligeramente las altas frecuencias (paso bajo).

Estado OFF del circuito E (Figura 5, derecha): Si S1 y S2 están desenergizados, su C_out representa un bypass para altas frecuencias (paso alto), pero el relé S3 conectado cortocircuita las señales pasadas capacitivamente por S1 (circuito de aspiración).

La temporización de conexión/desconexión del circuito en T debe implementarse como un interruptor de interrupción previa a la conexión (BBM). En consecuencia, S1 y S2 deben desactivarse antes de encender S3. En el caso de los relés, BBM significa que los contactos conmutan por separado, mientras que make before break (MBB) significa que conmutan de forma puenteada.

Relés PhotoMOS de conmutación más rápida

El fotosensor interno del relé PhotoMOS funciona como una célula solar y suministra la corriente de carga de la puerta. De este modo, un impulso luminoso más intenso del LED aumenta la velocidad de conmutación. Por ejemplo, el elemento de arranque R1/R2/C1 de la Figura 6 genera un impulso de corriente superior.

Figura 6: El elemento de arranque R1/R2/C1 aumenta la velocidad de conexión del relé PhotoMOS. (Fuente de la imagen: Panasonic)

C1 actúa como un cortocircuito para R2 en el momento del interruptor, por lo que la baja resistencia de R1 permite el paso de una corriente elevada. Si C1 está cargado y tiene una resistencia elevada, se añade R2, reduciendo el flujo a la corriente de retención, como en los relés magnéticos. El relé PhotoMOS AQV204 reduce así su tiempo de conexión de 180 µs a 30 µs.

Conclusión:

Al utilizar relés PhotoMOS pequeños y sin desgaste, los diseñadores pueden mejorar la densidad de señal y la velocidad de medición de las aplicaciones ATE, al tiempo que reducen las necesidades de mantenimiento. Además, seguir las técnicas de diseño recomendadas puede ayudar a minimizar las corrientes de fuga y los tiempos de conmutación.