신뢰할 수 있는 고속 스위칭, 저손실 반도체 자동화 테스트 장비에 SSR을 사용하는 방법

집적 회로(IC)는 하드웨어 개발 비용을 줄이고, 전자 장치의 소형화를 촉진시키며 다양한 기능을 제공하기 때문에 그 어느 때 보다 수요가 증가하고 있습니다. 대규모 생산 배치의 품질을 보장하기 위해 반도체 제조업체는 저/고 신호 레벨과 최소한의 손실로 고주파 AC 및 DC 전류를 신속하게 스위칭할 수 있는, 신뢰할 수 있는 콤팩트한 자동화 테스트 장비(ATE)를 필요로 합니다.

광발전 MOSFET을 기반으로 하는 무접점 계전기(SSR)는 IC 테스터 및 ATE 응용 제품에 이상적입니다. 이 장치의 작은 크기와 무마모 속성은 특히 흥미로운 부분입니다.

이 기사에서는 ATE 요구 사항에 대해 간략히 논의합니다. 그런 다음 Panasonic PhotoMOS 계열 SSR의 광발전 MOSFET 계전기의 다양한 유형을 소개하고 부품의 기하학적 구조와 스위칭 특성에서의 차이점을 중점적으로 설명합니다. 마지막으로, 가속화된 온/오프 스위칭 및 PhotoMOS 특정 누설 전류 감소를 위한 설계 팁으로 주제를 마무리합니다.

높은 패키징 밀도 및 짧은 신호 경로

자동화된 IC 테스터는 밀집적으로 패키징된 니들 어댑터(프로브 카드)를 사용하여 테스트 중인 장치(DUT)와 접촉하여 기능 테스트를 수행합니다. 테스트 헤드의 모듈은 고속 테스트 펄스를 생성 및 분배하고, 적절한 전압을 공급하며, 측정 채널을 스위칭합니다. 모든 테스트는 한정된 공간에서 수행되어 회선 손실, 신호 전파 시간, 간섭, 채널 누화를 최소화합니다.

이 작업을 위해 설계자는 Panasonic의 AQ 계열 계전기와 같은 작은 형태의 스위칭 소자를 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 전압 제어 CC 유형 AQY2C1R6PX PhotoMOS SSR은 3.51제곱 밀리미터(mm²)(1.95mm × 1.80mm)를 차지하는 TSON 패키지로 제공됩니다(그림 1). 이는 200V 분리 보호를 제공하기 위해 정전 용량 결합을 사용하고 전압이 제어되며 1.2밀리와트(mW)에 불과한 제어 전력을 필요로 합니다.

그림 1: AQ 계열 소신호 PhotoMOS 계전기의 하우징 치수가 표시되어 있습니다. 치수는 밀리미터 단위입니다. (이미지 출처: Panasonic, modified by author)

전류 제어 RF 유형 AQY221R6TW PhotoMOS 계전기는 3.8mm²의 작은 실장 면적을 가지며, VSSOP 하우징은 AQY2C1R6PX에 비해 3.6배 더 큽니다. 이 장치는 75mW에 불과한 제어 전력을 필요로 하며 200V의 보호 분리를 제공하기 위해 광학 결합을 사용합니다. CC 및 RF 유형의 누설 전류(I_Leak) 는 10나노암페어(nA)로 매우 낮습니다.

그림 2는 정전 용량 결합을 사용하는 CC 유형 계전기(왼쪽)와 광학 결합을 사용하는 RF 유형 계전기(오른쪽)의 회로 원리를 보여줍니다.

그림 2: AQY2C1R6PX CC 유형 PhotoMOS SSR(왼쪽)은 정전 용량 결합을 사용하며 전압 구동 방식입니다. AQY221R6TW RF 유형(오른쪽)은 광학 결합을 사용하고 전류 구동 방식입니다. (이미지 출처: Panasonic, modified by author)

GE 유형 AQV214EHAX도 광학 결합을 사용하며 제어 회로(IN)와 부하 회로(OUT) 간에 최대 5킬로볼트(kV)의 훨씬 더 높은 보호 절연을 제공합니다. 이 유형의 계전기는 갈매기형 날개 리드를 사용하는, 8.8mm x 6.4mm 크기의 더 큰 6-SMD 패키지로 제공됩니다. 75mW에 불과한 제어 전력을 요구하는 GE 계열의 SSR은 최대 400V에서 최대 150mA 의 부하 전류를 스위칭합니다.

접점 저항 및 출력 정전 용량 최적화

일반적 반도체와 마찬가지로 SSR은 각각 열 손실과 누설 전류를 일으키는 '온스테이트' 저항(R_on) 및 출력 정전 용량(C_out)을 가집니다. 다양한 계전기 유형은 스위칭할 신호의 종류에 따라 둘 중 하나를 최적화합니다.

특히 낮은 R_on을 가진 SSR 유형은 고주파 AC 테스트 펄스를 스위칭할 경우 감쇠가 적습니다. 낮은 C_out을 가진 SSR은 DC 신호에 대해 더 정확한 측정값을 실현하고 높은 C_out을 가진 유형은 더 높은 전력 레벨을 스위칭하는 데 적합합니다. 그림 3은 자동화 반도체 테스트 시스템을 보여주고 어떤 PhotoMOS 계전기 유형이 테스트 헤드의 측정 모듈의 다양한 신호 경로에 가장 적합한지 설명합니다.

그림 3: 이 자동화 반도체 테스트 시스템의 각 신호 경로는 특정한 PhotoMOS 계전기 유형을 필요로 합니다. (이미지 출처: Panasonic)

AQY2C1R3PZ 및 AQY221N2TY PhotoMOS 계전기는 각각 1.2pF 및 1.1pF의 C_out을 제공합니다. 이를 통해 최대 10µs 및 20µs(AQY2C1R3PZ)와 최대 10µs 및 30µs(AQY221N2TY)에 스위칭 온 및 오프할 수 있습니다. 두 계전기 모두 R_on이 각각 10.5Ω 및 9.5Ω의 증가되어 손실 및 부품 발열이 증가합니다. 이 PhotoMOS 계전기는 낮은 전류 흐름으로 측정 신호를 빠르게 스위칭하는 데 적합하며 고주파 신호의 반사/위상 변이를 적게 발생시킵니다.

앞서 논의한 AQY2C1R6PX 및 AQY221R6TW는 더 느리게 스위칭되는 전력 신호 및 더 높은 전류를 가진 공급 전압에 더 적합합니다. R_on이 낮아 부품 발열이 덜 발생하지만 C_out이 커서 신호에 대해 적분기 효과를 가집니다.

신호 왜곡 최소화

간단한 온/오프 스위칭만(1 form A) 나타내는 반도체 계전기는 AC 신호의 경우 광 트라이액 또는 맥동 DC 신호의 경우 양극 트랜지스터를 가진 광 커플러의 예입니다. 이러한 장치는 임계값, 점화 전압, 스위칭 지연으로 인해 부하 신호에 왜곡을 일으킵니다. 또한, 역회복 전류는 고조파 오버슛(링잉) 및 수 10mA ~ 100mA(밀리암페어)의 누설 전류를 생성할 수 있습니다.

Panasonic PhotoMOS 계전기의 구동기 회로를 사용하는 FET 하프 브리지는 이러한 신호 왜곡을 최소화하므로 고속 테스트 펄스, 측정 신호, 공급 전압 같은 AC 및 DC 소신호의 저손실 스위칭에 적합합니다. 스위칭 오프 상태인 경우 두 개 OUT 연결 사이의 누설 전류는 1µA 미만입니다.

PhotoMOS 계전기는 form A(단극 단투, 상시 개방 접점(SPST-NO)) 또는 form B(상시 폐쇄 접점, SPST-NC) 또는 다중 접점으로 제공됩니다. 설계자는 SPDT(단극 쌍투), 단극 전환 스위치, form A와 form B 장치를 결합한 DPDT(쌍극 쌍투) 스위치와 같은 form C 스위치를 구축할 수 있습니다.

예를 들어, AQS225R2S는 SOP16 하우징의 쿼드루플 PhotoMOS 계전기(4SPST-NO)로 최대 80V의 스위칭 전압에서 최대 70mA를 처리할 수 있습니다. 또한 AQW214SX는 SOP8 하우징의 듀얼 PhotoMOS 계전기(2SPST-NO)로 최대 400V의 스위칭 전압에서 최대 80mA의 부하 전류를 처리할 수 있습니다.

그림 4는 SSR, PhotoMOS, 광 커플러의 내부 구조와 함께 각각의 일반적인 신호 왜곡을 보여줍니다. PhotoMOS 계전기는 저항 부하에서 신호 클리핑 또는 유사한 왜곡을 발생시키지 않습니다.

그림 4: SSR 및 광 커플러는 임계값 및 발화 전압으로 인한 출력 신호에서 왜곡을 일으킵니다. PhotoMOS 계전기는 왜곡 없이 AC 및 DC 신호를 스위칭합니다. (이미지 출처: Panasonic, modified by author)

유도 용량 및 정전 용량 스위칭 부하의 피드백 효과를 감쇠시킴으로써 PhotoMOS 출력 스테이지를 보호하기 위해 설계자는 출력 부분에 클램프 및 프리휠 다이오드, RC 및 LC 필터 또는 배리스터를 추가해야 합니다. CC 계열의 경우 클램프 다이오드는 과전압 피크로부터 입력 발진기를 보호하고 3V ~ 5.5V로 제어 신호를 제한하면서, RC 필터를 통해 ±0.5V 미만의 잔류 리플을 보장합니다.

누설 전류 감소

PhotoMOS 계전기의 C_out은 계전기에 대한 전력 공급이 차단될 경우 더 높은 주파수의 교류 및 펄스 시퀀스에 대한 바이패스 역할을 수행합니다. 이러한 누설 전류를 대폭 감소시키고 고주파에서 분리를 최대화하기 위해 Panasonic은 T-회로 형태로 별도의 3개 PhotoMOS 계전기를 사용하도록 권장합니다(그림5, 왼쪽). 주 신호 경로에서 2개의 1 Form A PhotoMOS 계전기인 S1과 S2는 저-R_on 유형이고 저-C_out 유형은 1 Form A 단락 회로 스위치 S3을 구성합니다.

그림 5: S1 및 S2에 대한 전력 공급이 차단될 경우 스위칭 온 계전기 S3은 모든 누설 전류에 대해 단락 회로로 작동합니다(T-회로 OFF 상태, 오른쪽). (이미지 출처: Panasonic, modified by author)

T-회로 ON 상태(그림 5, 가운데): S1 및 S2가 스위칭 온 상태인 경우 해당 R_on은 신호 레벨을 최소한으로 감쇠시키는 반면, S3 계전기가 스위칭 오프 상태인 경우 낮은 C_out은 고주파를 약간 감쇠시킵니다(저역 통과).

T-회로 OFF 상태(그림 5, 오른쪽): S1 및 S2에 대한 전력 공급이 차단될 경우 해당 C_out은 고주파에 대한 바이패스를 나타내지만(고역 통과), S3 계전기가 스위칭 온 상태인 경우 S1(흡입 회로)을 통해 정전 용량적으로 전달되는 신호가 단락됩니다.

T-회로의 ON/OFF 타이밍은 브레이크-메이크(BBM) 스위치로 구현되어야 합니다. 따라서 S1 및 S2는 S3이 켜지기 전에 비활성화되어야 합니다. 계전기에서 BBM은 접점이 개별적으로 스위칭됨을 의미하고, 메이크-브레이크(MBB)는 브리징 방식으로 스위칭됨을 의미합니다.

PhotoMOS 계전기를 더 빠르게 스위칭

PhotoMOS 계전기의 내부 광 센서는 태양광 전기로 작동하고 게이트 충전 전류를 공급합니다. 이와 같이, LED에서의 광 펄스가 밝을수록 스위칭 속도도 증가합니다. 예를 들어, 그림 6의 부트 스트랩 소자 R1/R2/C1은 더 높은 전류 펄스를 생성합니다.

그림 6: 부트 스트랩 소자 R1/R2/C1은 PhotoMOS 계전기의 스위칭 온 속도를 증가시킵니다. (이미지 출처: Panasonic)

C1은 스위칭 온의 순간 R2의 단락 회로로 작동하므로 R1의 낮은 저항을 통해 높은 전류가 흐르게 할 수 있습니다. C1이 충전되어 있고 높은 저항을 가질 경우 R2가 추가되어 자기 계전기처럼 유지 전류에 대한 흐름이 감소됩니다. 따라서 AQV204 PhotoMOS 계전기는 180µs에서 30µs로 스위칭 온 시간을 감소시킵니다.

결론

소형 크기의 무마모 PhotoMOS 계전기를 사용하면 설계자가 유지 보수의 필요성을 줄이면서 ATE 응용 제품의 신호 밀도 및 측정 속도를 향상시킬 수 있습니다. 또한, 제안된 설계 기술을 수행하면 누설 전류와 스위칭 시간을 최소화하는 데 도움을 줄 수 있습니다.