如何使用 SSR 实现可靠、快速开关、低损耗的半导体自动化测试设备
作者：Jens Wallmann
投稿人：DigiKey 欧洲编辑
集成电路 （IC） 的需求比以往任何时候都大，因为它们降低了硬件开发成本，促进了电子设备的小型化，并提供广泛的功能。为了确保大批量生产的质量，半导体制造商需要可靠且紧凑的自动化测试设备 （ATE），这些设备可以快速切换高频交流和直流电流，信号电平低，损耗最小。
基于光伏MOSFET的固态继电器（SSR）是IC测试仪和ATE应用的理想选择。它们的微型尺寸和无磨损特性特别有趣。
本文简要讨论了 ATE 要求。然后介绍了[松下]PhotoMOS系列SSR中不同类型的光伏MOSFET继电器，并重点介绍了它们在组件几何形状和开关特性方面的差异。加速开/关开关和降低 PhotoMOS 特定漏电流的设计技巧总结了该主题。
高封装密度和短信号路径
自动 IC 测试仪使用密集排列的针适配器（探针卡）与被测设备 （DUT） 接触，以执行功能测试。测试头中的模块产生和分配高速测试脉冲，提供适当的电压，并切换测量通道。每次测试都必须在密闭空间内进行，以最大限度地减少线路损耗、信号传播时间、干扰和信道串扰。
对于这项任务，设计人员可以使用小型开关元件，例如 Panasonic 的 AQ 系列继电器。例如，压控CC型AQY2C1R6PX PhotoMOS SSR采用TSON封装，占地3.51平方毫米（mm ^2^ ）（1.95 × 1.80 mm）（图 1）。它使用电容耦合提供 200 伏隔离保护，并受电压控制，仅需要 1.2 毫瓦 （mW） 的控制功率。
图 1：所示为 AQ 系列小信号 PhotoMOS 继电器的外壳尺寸;尺寸以毫米为单位。（图片来源：Panasonic，由作者修改）
电流控制RF型AQY221R6TW PhotoMOS继电器的尺寸仅为3.8 mm²，但其VSSOP外壳的高度是AQY2C1R6PX的3.6倍。它仅需要 75 mW 的控制功率，并使用光耦合提供 200 V 的保护隔离。漏电流（I 泄漏 ） 的 CC 和 RF 类型非常低，为 10 纳安 （nA）。
图2显示了带电容耦合的CC型继电器（左）和带光耦合的RF型继电器（右）的电路原理。
图 2：AQY2C1R6PX CC 型 PhotoMOS SSR（左）采用电容耦合，由电压驱动;AQY221R6TW射频型（右）采用光耦合，由电流驱动。（图片来源：Panasonic，由作者修改）
GE [型AQV214EHAX]还使用光耦合，在控制电路 （IN） 和负载电路 （OUT） 之间提供高达 5 kV 的保护绝缘。它采用更大的 6 SMD 封装，尺寸为 8.8 mm x 6.4 mm，带有鸥翼引线。GE 系列 SSR 的控制功率仅为 75 mW，可在最大 400 V 电压下切换高达 150 mA 的负载电流。
优化接触电阻和输出电容
与半导体的典型特征一样，SSR 具有“导通”电阻 （R 上 ）和输出电容（C 外 ），分别导致热损失和漏电流。不同的继电器类型根据要切换的信号类型对其中一种进行优化。
具有特别低 R 的 SSR 类型上切换高频交流测试脉冲时衰减较小。具有低 C 的 SSR外可对直流信号进行更准确的测量，而具有高 C 的类型外适用于切换更高的功率水平。图3显示了一个自动化半导体测试系统，并说明了哪些PhotoMOS继电器类型最适合测试头测量模块中的各种信号路径。
图 3：该自动化半导体测试系统的每个信号路径都需要特定的 PhotoMOS 继电器类型。（图片来源：Panasonic）
AQY2C1R3PZ 和 AQY221N2TY PhotoMOS 继电器具有低 C外分别为 1.2 和 1.1 皮法 （pF）。这允许它们以高达 10 和 20 微秒 （μs） （AQY2C1R3PZ） 以及 10 和 30 微秒 （AQY221N2TY） 的速度打开和关闭。两个继电器的权衡是增加 R 上 ，分别为 10.5 和 9.5 Ω，导致更高的损耗和组件发热。这些PhotoMOS继电器适用于在低电流下快速切换测量信号，并且它们在高频信号中产生的反射/相移较少。
前面讨论的AQY2C1R6PX和AQY221R6TW更适合开关速度较慢的电源信号和具有较高电流的电源电压。虽然他们的下 R上导致较少的组件发热，其较大的 C外对信号具有积分器效应。
将信号失真降至最低
仅代表简单开/关开关（1 Form A）的半导体继电器是用于交流信号的光电三端双向可得或带有双极晶体管的光耦合器（用于脉动直流信号）的示例。这些器件会因阈值、点火电压和开关延迟而导致负载信号失真。此外，反向恢复电流会产生谐波过冲（振铃）和几 10 至 100 毫安 （mA） 的漏电流。
Panasonic 的 PhotoMOS 继电器中带有驱动电路的 FET 半桥可最大限度地减少这些信号失真，因此它们适用于交流和直流小信号（如高速测试脉冲、测量信号和电源电压）的低损耗开关。关闭时，两个 OUT 连接之间的漏电流低于 1 微安 （μA）。
PhotoMOS继电器有A型（单刀、单掷、常开触点（SPST-NO））或B型（常闭触点，SPST-NC）和多个。设计人员可以构建 C 型开关，例如单刀双掷 （SPDT）;单极转换开关;以及通过组合 A 型和 B 型器件的双刀双掷 （DPDT） 开关。
例如，[AQS225R2S]是采用 SOP16 外壳的四路 PhotoMOS 继电器 （4SPST-NO），可在高达 80 V 的开关电压下处理最大 70 mA 的电流。此外，[该AQW214SX]是采用 SOP8 外壳的双 PhotoMOS 继电器 （2SPST-NO），可在高达 400 V 的开关电压下处理高达 80 mA 的负载电流。
图4显示了SSR、PhotoMOS和光电耦合器的内部结构，以及它们的典型信号失真。PhotoMOS继电器不会在欧姆负载上造成信号削波或类似的失真。
图 4：SSR 和光电耦合器会因阈值和点火电压而导致输出信号失真;PhotoMOS 继电器可切换交流和直流信号而不会失真。（图片来源：Panasonic，由作者修改）
为了减弱电感和电容开关负载的反馈效应，从而保护PhotoMOS输出级，设计人员必须在输出侧添加箝位和续流二极管、RC和LC滤波器或压敏电阻。在 CC 系列中，箝位二极管可保护输入振荡器免受过压峰值的影响，并将控制信号限制在 3 V 至 5.5 V，而 RC 滤波器可确保残余纹波小于 ±0.5 V。
减少漏电流
The C外当继电器断电时，PhotoMOS 继电器用作交流电和更高频率脉冲序列的旁路。为了显著降低此类泄漏电流并最大限度地提高高频隔离度，Panasonic 建议使用 T 型电路形式的三个独立的 PhotoMOS 继电器（图 5，左）。在主信号路径中，两个 1 Form A PhotoMOS 继电器 S1 和 S2 为低电阻上类型，而低 C外类型形成 1 Form A 短路开关 S3。
图 5：当 S1 和 S2 断电时，接通的继电器 S3 充当所有泄漏电流的短路（T 电路关闭状态，右）。（图片来源：Panasonic，由作者修改）
T 电路 ON 状态（图 5，中间）：在 S1 和 S2 接通的情况下，它们的 R上将信号电平衰减最小，而低 C外从关闭的 S3 继电器略微衰减高频（低通）。
T 电路关闭状态（图 5，右）：如果 S1 和 S2 断电，则它们的 C外表示高频（高通）的旁路，但接通的 S3 继电器使通过 S1（吸入电路）的信号电容短路。
T 电路的 ON/OFF 时序必须作为先接后断 （BBM） 开关来实现。因此，在打开 S3 之前，应停用 S1 和 S2。对于继电器，BBM 意味着触点单独切换，而先接后断 （MBB） 意味着它们以桥接方式切换。
更快地切换 PhotoMOS 继电器
PhotoMOS继电器的内部光电传感器用作太阳能电池，并提供栅极充电电流。因此，来自 LED 的更亮的光脉冲可提高开关速度。例如，图 6 中的自举元件 R1/R2/C1 产生更高的电流脉冲。
图 6：自举元件 R1/R2/C1 提高了 PhotoMOS 继电器的接通速度。（图片来源：Panasonic）
C1 在接通时充当 R2 的短路，因此 R1 的低电阻允许大电流流动。如果 C1 带电并且具有高电阻，则添加 R2，从而减少流向保持电流的流量，就像磁继电器一样。因此，AQV204 PhotoMOS 继电器将其导通时间从 180 μs 缩短至 30 μs。
结论
通过使用小型、无磨损的PhotoMOS继电器，设计人员可以提高ATE应用的信号密度和测量速度，同时减少维护需求。此外，遵循推荐的设计技术有助于最大限度地减少漏电流和开关时间。
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