Comment utiliser des relais statiques pour des équipements de tests automatisés fiables à commutation rapide et faibles pertes

Les circuits intégrés sont plus demandés que jamais car ils réduisent les coûts de développement du matériel, favorisent la miniaturisation des dispositifs électroniques et offrent un large éventail de fonctions. Pour garantir la qualité des grands lots de production, les fabricants de semi-conducteurs ont besoin d'équipements de tests automatisés (ATE) compacts et fiables, capable de commuter rapidement les courants CA et CC haute fréquence avec des niveaux de signaux faibles et élevés et une perte minimale.

Les relais statiques (SSR) basés sur des MOSFET photovoltaïques sont parfaits pour les testeurs de circuits intégrés et les applications ATE. Leur format miniature et leurs propriétés sans usure sont particulièrement intéressants.

Cet article traite brièvement des exigences ATE. Il présente ensuite différents types de relais MOSFET photovoltaïques de la série PhotoMOS de Panasonic et montre leurs différences en termes de géométrie des composants et de comportement de commutation. Des conseils de conception pour une commutation marche/arrêt accélérée et la réduction des courants de fuite spécifiques aux PhotoMOS clôturent le sujet.

Haute densité de conditionnement et trajets de signaux courts

Un testeur de circuits intégrés automatisé entre en contact avec le dispositif sous mesures (DUT) à l'aide d'adaptateurs à aiguilles haute densité (cartes sondes) pour effectuer des tests fonctionnels. Les modules dans la tête de test génèrent et distribuent des impulsions de test haute vitesse, fournissent les tensions appropriées et commutent les canaux de mesure. Chaque test doit être effectué dans un espace confiné afin de minimiser les pertes de ligne, les temps de propagation des signaux, les interférences et la diaphonie des canaux.

Pour cette tâche, les concepteurs peuvent utiliser des éléments de commutation compacts tels que les relais série AQ de Panasonic. Par exemple, le relais statique PhotoMOS AQY2C1R6PX de type CC commandé en tension est fourni en boîtier TSON occupant 3,51 millimètres carrés (mm²) (1,95 mm × 1,80 mm) (Figure 1). Il utilise un couplage capacitif pour fournir une protection d'isolement de 200 volts (V) et il est commandé en tension, n'exigeant que 1,2 milliwatt (mW) de puissance de commande.

Figure 1 : Dimensions des boîtiers des relais PhotoMOS à petits signaux série AQ, exprimées en millimètres. (Source de l'image : Panasonic, modifiée par l'auteur)

Le relais PhotoMOS AQY221R6TW de type RF commandé en courant présente une empreinte compacte de de 3,8 mm², mais son boîtier VSSOP est 3,6 fois plus haut que celui de l'AQY2C1R6PX. Il ne requiert que 75 mW de puissance de commande et utilise un couplage optique pour fournir une protection d'isolement de 200 V. Le courant de fuite (I_Leak) des types CC et RF est très faible à 10 nanoampères (nA).

La Figure 2 montre le principe des circuits des relais de type CC à couplage capacitif (à gauche) et de type RF à couplage optique (à droite).

Figure 2 : Le relais statique PhotoMOS de type CC AQY2C1R6PX (à gauche) utilise le couplage capacitif et est commandé en tension ; le type RF AQY221R6TW (à droite) utilise le couplage optique et est commandé en courant. (Source de l'image : Panasonic, modifiée par l'auteur)

Le relais AQV214EHAX de type GE utilise également le couplage optique et offre une protection d'isolement nettement supérieure atteignant 5 kilovolts (kV) entre le circuit de commande (IN) et le circuit de charge (OUT). Il est fourni en boîtier 6-SMD plus grand mesurant 8,8 mm x 6,4 mm avec des sorties à ailettes. Ne nécessitant que 75 mW de puissance de commande, les relais statiques de la série GE commutent des courants de charge jusqu'à 150 mA à une tension maximum de 400 V.

Optimisation de la résistance de contact et de la capacité de sortie

Comme cela est typiquement le cas pour les semi-conducteurs, les relais statiques présentent une résistance à l'état passant (R_on) et une capacité de sortie (C_out) entraînant respectivement une perte de chaleur et un courant de fuite. Différents types de relais sont optimisés pour l'un ou l'autre, selon le type de signal à commuter.

Les types SSR avec une résistance R_on particulièrement faible entraînent une atténuation moindre lors de la commutation d'impulsions de test CA haute fréquence. Les SSR avec une faible capacité C_out permettent des mesures plus précises pour les signaux CC, tandis que les types avec une capacité C_out élevée conviennent pour commuter des niveaux de puissance plus élevés. La Figure 3 montre un système de test automatisé de semi-conducteurs et illustre quels types de relais PhotoMOS sont les mieux adaptés aux différents trajets de signaux dans le module de mesure de la tête de test.

Figure 3 : Chaque trajet de signal de ce système de test automatisé de semi-conducteurs requiert un type de relais PhotoMOS spécifique. (Source de l'image : Panasonic)

Les relais PhotoMOS AQY2C1R3PZ et AQY221N2TY présentent une faible capacité C_out de 1,2 picofarad (pF) et 1,1 pF, respectivement. Cela leur permet de s'activer et de se désactiver en 10 microsecondes (µs) et 20 µs (AQY2C1R3PZ), et 10 µs et 30 µs (AQY221N2TY). Le compromis pour les deux relais est une résistance R_on accrue, de 10,5 Ω et 9,5 Ω respectivement, ce qui se traduit par des pertes et un échauffement des composants plus importants. Ces relais PhotoMOS conviennent bien à la commutation rapide de signaux de mesure avec un faible flux de courant, et ils génèrent moins de réflexion/déphasage avec les signaux haute fréquence.

Les relais AQY2C1R6PX et AQY221R6TW mentionnés précédemment sont mieux adaptés aux signaux d'alimentation à commutation plus lente et aux tensions d'alimentation avec des courants plus élevés. Tandis que leur résistance R_on provoque moins d'échauffement des composants, leur capacité C_out supérieure a un effet intégrateur sur les signaux.

Minimiser la distorsion des signaux

Les relais à semi-conducteurs qui ne représentent qu'un simple commutateur marche/arrêt (1 Forme A) sont des exemples de phototriacs pour les signaux CA ou de photocoupleurs avec transistors bipolaires pour les signaux CC pulsés. Ces dispositifs provoquent des distorsions dans le signal de charge en raison du seuil, des tensions d'amorçage et des retards de commutation. De plus, les courants de recouvrement inverse peuvent générer des dépassements d'harmoniques (oscillation) et des courants de fuite de plusieurs dizaines à centaines de milliampères (mA).

Le demi-pont FET avec circuit d'attaque dans les relais PhotoMOS de Panasonic minimise ces distorsions de signaux et convient à la commutation à faible perte de petits signaux CA et CC tels que les impulsions de test haute vitesse, les signaux de mesure et les tensions d'alimentation. Lorsqu'il est désactivé, les courants de fuite entre les deux connexions OUT sont inférieurs à 1 microampère (µA).

Les relais PhotoMOS sont disponibles en Forme A (unipolaire, unidirectionnel, contact normalement ouvert (SPST-NO)) ou en Forme B (contact normalement fermé, SPST-NC), et sous forme de multiples. Les concepteurs peuvent construire des commutateurs Forme C tels que des commutateurs unipolaires bidirectionnels (SPDT), des inverseurs unipolaires et des commutateurs bipolaires bidirectionnels (DPDT) en combinant des dispositifs Forme A et Forme B.

Par exemple, l'AQS225R2S est un relais PhotoMOS quadruple (4SPST-NO) en boîtier SOP16 qui peut supporter un maximum de 70 mA à des tensions de commutation jusqu'à 80 V. L'AQW214SX est un relais PhotoMOS double (2SPST-NO) en boîtier SOP8 qui peut supporter des courants de charge jusqu'à 80 mA à des tensions de commutation jusqu'à 400 V.

La Figure 4 montre la structure interne d'un SSR, d'un PhotoMOS et d'un photocoupleur, ainsi que leurs distorsions de signaux typiques. Les relais PhotoMOS ne provoquent pas d'écrêtage de signal ou de distorsions similaires sur les charges ohmiques.

Figure 4 : Les relais statiques et les photocoupleurs provoquent des distorsions du signal de sortie en raison des tensions de seuil et d'amorçage. Les relais PhotoMOS commutent les signaux CA et CC sans distorsion. (Source de l'image : Panasonic, modifiée par l'auteur)

Pour atténuer l'effet de rétroaction des charges de commutation inductives et capacitives, et ainsi protéger l'étage de sortie PhotoMOS, les concepteurs doivent ajouter des diodes de fixation de niveau et de roue libre, des filtres RC et LC ou des varistances côté sortie. Dans la série CC, les diodes de fixation de niveau protègent l'oscillateur d'entrée contre les pics de surtension et limitent le signal de commande entre 3 V et 5,5 V, tandis que les filtres RC garantissent une ondulation résiduelle inférieure à ±0,5 V.

Réduire les courants de fuite

La capacité C_out des relais PhotoMOS sert de dérivation pour les courants alternatifs et les séquences d'impulsions de fréquence plus élevée lorsque le relais n'est pas alimenté. Pour réduire considérablement ces courants de fuite et maximiser l'isolement à hautes fréquences, Panasonic recommande d'utiliser trois relais PhotoMOS distincts sous la forme d'un circuit en T (Figure 5, à gauche). Dans le trajet du signal principal, les deux relais PhotoMOS 1 Forme A, S1 et S2, sont des types à faible résistance R_on, tandis que le type à faible capacité C_out constitue le commutateur de court-circuit 1 Forme A, S3.

Figure 5 : Lorsque S1 et S2 ne sont pas alimentés, le relais S3 activé agit comme un court-circuit pour tous les courants de fuite (circuit en T à l'état non passant OFF, à droite). (Source de l'image : Panasonic, modifiée par l'auteur)

Circuit en T à l'état passant ON (Figure 5, centre) : dans le cas de S1 et S2 activés, leur résistance R_on atténue faiblement le niveau du signal, tandis que la faible valeur C_out du relais S3 désactivé atténue légèrement les hautes fréquences (passe-bas).

Circuit en T à l'état non passant OFF (Figure 5, à droite) : si S1 et S2 ne sont pas alimentés, leur capacité C_out représente une dérivation pour les hautes fréquences (passe-haut), mais le relais S3 activé court-circuite les signaux transmis de manière capacitive à travers S1 (circuit d'aspiration).

La temporisation ON/OFF du circuit en T doit être implémentée comme un commutateur non court-circuitant (break before make, BBM). Par conséquent, S1 et S2 doivent être désactivés avant que S3 ne soit activé. Avec les relais, BBM signifie que les contacts commutent séparément, tandis que court-circuitant (make before break, MBB) signifie qu'ils commutent de manière pontée.

Commutation plus rapide des relais PhotoMOS

Le photodétecteur interne du relais PhotoMOS fonctionne comme une cellule solaire et fournit le courant de charge de grille. Ainsi, une impulsion lumineuse plus forte de la LED augmente la vitesse de commutation. Par exemple, l'élément auto-élévateur R1/R2/C1 de la Figure 6 génère une impulsion de courant plus élevée.

Figure 6 : L'élément auto-élévateur R1/R2/C1 augmente la vitesse de commutation du relais PhotoMOS. (Source de l'image : Panasonic)

C1 agit comme un court-circuit pour R2 au moment de l'activation, de sorte que la faible résistance de R1 permet à un courant élevé de circuler. Si C1 est chargé et a une résistance élevée, R2 est ajouté, réduisant ainsi le flux au courant de maintien, comme avec les relais magnétiques. Le relais PhotoMOS AQV204 réduit ainsi son temps d'activation de 180 µs à 30 µs.

Conclusion

En utilisant de petits relais PhotoMOS sans usure, les concepteurs peuvent améliorer la vitesse de mesure et la densité des signaux des applications ATE tout en réduisant les besoins de maintenance. De plus, le respect des techniques de conception recommandées peut contribuer à minimiser les courants de fuite et les temps de commutation.